CN103149682A - 用于波前相位校正的光控变形镜装置 - Google Patents
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Abstract
一种用于波前相位校正的光控变形镜装置，该装置的构成包括驱动光光源、计算机控制的空间光调制器、成像透镜组和变形镜，主要是将驱动光经过计算机控制的空间光调制器后的光强分布通过成像透镜成像在变形镜的光导层上，由于光导层电阻随驱动光光强增大而减小并且与空气层呈串联结构、两者总电压保持不变，变形镜的空气层上出现对应的电压分布，紧贴空气层的导电反射膜因静电吸引产生与电压分布对应的形变，便可对入射在导电反射膜表面的光进行波前位相校正。本发明具有制备工艺简单、空间分辨率高的优点。
Description
技术领域
本发明涉及波前相位校正，特别是一种用于波前相位校正的光控变形镜装置，其优点是制备工艺简单、空间分辨率高。
背景技术
随着自适应光学技术的发展，波前相位校正在天文望远镜、视网膜成像、激光光束整形、光通信等领域得到越来越多的应用。变形镜作为一种相位校正器件，是自适应光学系统的核心部分。目前技术成熟的变形镜从驱动原理上分主要有压电式变形镜、静电式变形镜、电磁式变形镜。
压电式变形镜主要利用压电材料的压电特性，当对压电材料施加电压时，由于压电效应产生横向伸长或收缩，带动镜面的局部变形；
静电式变形镜主要以静电力作为驱动力，采用MEMS技术进行制备，通过控制电压调节静电力的大小，反射面由于静电吸引产生相应的形变；
电磁式变形镜主要以电磁线圈产生的电磁力作为驱动力，使粘有永磁体的镜面产生相应的形变。
这三种变形镜尽管驱动原理不同，但本质上都通过控制驱动力的大小使反射面发生相应的形变，形变的大小与驱动力的大小存在对应关系。为使变形镜的反射面达到所需的状态，目前通常将反射面划分为多个小反射面，每个小反射面连接一个驱动单元，该驱动单元连接一个独立的电极，通过控制该电极上的电压来调节对该小反射面的驱动力，进而控制该反射面的状态。
显然变形镜的空间分辨率随驱动单元数目的增加而提高。当驱动单元数目不多时，空间分辨率较低；驱动单元数目越多，空间分辨率越高，变形镜的控制精度越高，但驱动单元数目的增加使整个变形镜的结构及其复杂，对微机械加工水平提出了很高的要求，工艺上很难加工，并使器件成本及其昂贵。这就造成了目前现有的变形镜驱动单元数目不多，空间分辨率较低的问题。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述现有变形镜驱动单元数目不多、空间分辨率低下的问题，提供一种用于波前相位校正的光控变形镜装置，该装置与现有的变形镜相比，不仅制备工艺简单，而且空间分辨率较高，可用于视网膜成像、激光光束整形和光通信等领域。
本发明的主要思想：
一种用于波前相位校正的光控变形镜装置，主要是将驱动光经过计算机控制的空间光调制器后的光强分布通过成像透镜成像在变形镜的光导层上，由于光导层电阻随驱动光的光强增大而减小，并且与空气层呈串联结构、两者总电压保持不变，变形镜的空气层出现对应的电压分布，紧贴空气层的导电反射膜因静电吸引产生与电压分布对应的形变，以便对入射在导电反射膜表面的光进行波前位相校正。
本发明的技术解决方案如下：
一种用于波前相位校正的光控变形镜装置，特点在于该装置包括驱动光源、沿该驱动光源输出的驱动光方向依次是空间光调制器、成像透镜组和变形镜，所述的变形镜的结构沿驱动光的入射方向依次是：透明导电膜、光导晶体、空气层和导电反射膜，所述的透明导电膜和导电反射膜之间连接一台交流电源，所述的空间光调制器由计算机控制，所述的光导晶体沿厚度方向的中心层位于空间光调制器的透射面成像在所述的成像透镜组的像平面上，所述的光导晶体的电导率随驱动光光强的增大而增大。
所述的光导晶体的厚度为0.5mm～2mm。
所述的空气层的厚度为10μm～100μm。
所述的驱动光源是激光光源，或发光二极管光源。
所述的空间光调制器是薄膜晶体管液晶空间光调制器或硅基板液晶空间光调制器。
与现有的变形镜相比，本发明的显著优点在于：
由于没有多个驱动电极，本发明的制备工艺非常简单，而目前现有的变形镜当驱动电极数目增多时，驱动单元数目也增多，工艺上很难加工，并且器件成本及其昂贵。
本发明对变形镜反射面形态的控制并非直接通过驱动电极控制，而是通过控制照射在变形镜的光导晶体上的驱动光强度，使光导晶体的电阻发生改变，进而使空气层上的分压发生改变，由于静电吸引使导电反射膜的面型产生相应的形变。结合本发明的结构，通过计算机控制空间光调制器便可精确控制照射在变形镜光导晶体上的驱动光空间强度分布，进而实现对变形镜导电反射膜面型的精确控制，显然本发明光控变形镜的空间分辨率与所用的空间光调制器的空间分辨率是一致的。本发明光控变形镜的空间分辨率可达到十微米量级，这远远高于目前现有变形镜的空间分辨率（毫米量级）。
附图说明
图1是本发明用于波前相位校正的光控变形镜装置的结构示意图。
图2是本发明所述的变形镜（4）的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
先请参阅图1，图1是本发明用于波前相位校正的光控变形镜装置的结构示意图，由图可见，本发明用于波前相位校正的光控变形镜装置，包括驱动光源1、沿该驱动光源1输出的驱动光依次是空间光调制器2、成像透镜组3和变形镜4，所述的变形镜4的结构沿驱动光的入射方向依次是：透明导电膜41、光导晶体42、空气层43和导电反射膜44，所述的透明导电膜41和导电反射膜44之间连接一台交流电源45，所述的空间光调制器2由计算机5控制，所述的光导晶体42沿厚度方向的中心层位于空间光调制器2的透射面经所述的成像透镜组3成像的像平面上。
所述的空间光调制器2可以是薄膜晶体管液晶空间光调制器或硅基板液晶空间光调制器，由计算机5控制，可以产生所需要的空间透过率分布。
所述的成像透镜组3要求尽可能无相差，扩束比需根据所述的空间光调制器2透射面的尺寸和实际变形镜有效反射面的尺寸进行确定，若所述的空间光调制器2透射面的尺寸为a×a、实际变形镜有效反射面的尺寸为b×b，则所述的成像透镜组3的扩束比应设计为b:a。
所述的变形镜4的光导晶体42应满足：
①电导率随驱动光光强的增大而增大；
②厚度为0.5mm～2mm。
所述的变形镜4的空气层43的厚度为10μm～100μm。
所述的变形镜4的反射导电膜44的方块电阻（导电膜的基本参数之一，该值只与膜层厚度有关）要求小于50Ω。
所述的交流电源45的工作频率可调范围为100Hz～1000Hz、工作电压大小可调范围为50V～200V，当工作频率为ω、工作电压大小为V时，按以下步骤进行测试：
①控制计算机5，使所述的空间光调制器2的透射面的各个像素的透过率为0，利用Hartmann传感器测得此时导电反射膜44的反射面的面型为Φ0(x,y)；
②控制计算机5，使所述的空间光调制器2的透射面的各个像素的透过率达到1，利用Hartmann传感器测得此时导电反射膜44的反射面的面型为Φ1(x,y)。
本发明光控变形镜装置的使用方法：
当要求所述的导电反射膜44产生位相畸变ΦX(x,y)时，调节所述的变形镜4的交流电源45，使其工作频率为ω、工作电压大小为V，并控制所述的计算机5使空间光调制器2的透过率分布为
实施例1
结构图见图1，驱动光源1采用460nmLED光源,其输出的驱动光已经被准直。空间光调制器2采用薄膜晶体管液晶空间光调制器，成像透镜组3的扩束比为1:1，光导晶体42选择3cm×3cm×1mm的硅酸铋（BSO）晶体，空气层43的厚度为50μm。
实施例2
实施例2与实施例1的不同点是空间光调制器2采用硅基板液晶空间光调制器。
实施例3
实施例3与实施例1的不同点是驱动光源1采用460nm半导体激光器。
实施例4
实施例4与实施例1的不同点是光导晶体42选择2cm×2cm×1mm的硅酸铋晶体，成像透镜组3的扩束比为3:2。
实施例5
实施例5与实施例1的不同点是光导晶体42选择3cm×3cm×1mm的硫化镉（CdS）晶体。
实验表明，本发明光控变形镜装置与现有的变形镜相比，不仅制备工艺简单，而且空间分辨率较高，可用于视网膜成像、激光光束整形和光通信等领域。
Claims (5)
1.一种用于波前相位校正的光控变形镜装置，特征在于该装置包括驱动光源(1)、沿该驱动光源(1)输出的驱动光方向依次是空间光调制器（2）、成像透镜组（3）和变形镜（4），所述的变形镜（4）的结构沿驱动光的入射方向依次是：透明导电膜（41）、光导晶体（42）、空气层（43）和导电反射膜（44），所述的透明导电膜（41）和导电反射膜（44）之间连接一台交流电源（45），所述的空间光调制器（2）由计算机（5）控制，所述的光导晶体（42）沿厚度方向的中心层位于空间光调制器（2）的透射面成像在所述的成像透镜组（3）的像平面上，所述的光导晶体（42）的电导率随驱动光光强的增大而增大。
2.根据权利要求1所述的光控变形镜装置，其特征在于所述的光导晶体（42）的厚度为0.5mm～2mm。
3.根据权利要求1所述的光控变形镜装置，其特征在于所述的空气层（43）的厚度为10μm～100μm。
4.根据权利要求1所述的光控变形镜装置，其特征在于所述的驱动光源（1）是激光光源，或发光二极管光源。
5.根据权利要求1所述的光控变形镜装置，其特征在于所述的空间光调制器（2）是薄膜晶体管液晶空间光调制器或硅基板液晶空间光调制器。
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