CN106405824A - 一种复合式压电变形镜 - Google Patents

Abstract

一种复合式压电变形镜，包括单压电变形镜和单压电执行器阵列，单压电变形镜设置在单压电执行器阵列的上方，并通过连接在单压电执行器阵列上的连接柱支撑；单压电变形镜由从上往下依次设置的光学反射层、第一弹性层、作为公共地的正面电极层、第一压电层、背面电极层；单压电执行器阵列包括多个固定于带通孔的基座上的单压电执行器，每个单压电执行器包括第二弹性层和第二压电层，第二压电层的两面均覆盖有电极层，每个单压电执行器上均连接有支撑用的连接柱。本发明由上、下两层的压电变形镜组合而成，在集成化程度上更高，提升整体校正性能，提高了变形镜的工作带宽。

Description

一种复合式压电变形镜

技术领域

本发明属于光学器件领域，涉及一种复合式压电变形镜，用在天文望远镜中作像差校正。

技术背景

自适应光学是近几十年发展起来的一种波前校正技术，通过调整变形镜的面形实现对光路中畸变波前的校正，提高成像分辨率。自适应光学对天文望远镜的发展产生了革命性的影响，现代大型地基、天基望远镜几乎都配备了自适应光学系统。随着天文望远镜（尤其是更大口径望远镜的建设）也对自适应光学需求的增加，对关键器件变形镜提出了更高的挑战：驱动器数目高达上千乃至上万，变形量在10微米以上，带宽在百赫兹以上。双压电或者单压电变形镜采用横向压电效应驱动镜面变形，具有结构简单、轻量化、低成本等优点，在8-10米级望远镜中有着广阔的应用前景。

美国专利US 6,464,364 B2公开了一种双压电片变形镜，由两片压电陶瓷或电致伸缩材料粘接而成，其中一片的外表面经过抛光镀反射层作为光学表面，同时也作为产生离焦的驱动层，另一片外表面图形化出分立电极阵列作为校正高阶像差的驱动层。由于普通压电陶瓷材料质地松脆很难制作出较大口径的高质量光学镜面。变形镜驱动器的谐振频率与变形镜尺寸的平方成反比，驱动器规模扩大（尺寸增加）导致工作频率的下降。为在保持工作频率的前提下扩大变形镜驱动器规模并降低成本，国际专利WO 2009/007447 A2公开了一种基于模块化的单压电片变形镜，器件由多个分离的子变形镜拼接而成，系统的谐振频率由子变形镜决定，但是存在镜面不连续以及各子变形镜之间的相位协调难度高的问题。以上这些变形镜的设计无法满足天文望远镜中大气扰动波前畸变校正的需要。

发明内容

本发明的目的在于，克服现有技术中的不足，提供一种既具有高驱动器数目又具有高工作带宽的低成本高性能的复合式压电变形镜，为天文望远镜提供一种新的波前校正器。

一种复合式压电变形镜，其特征在于：包括单压电变形镜和单压电执行器阵列，单压电变形镜设置在单压电执行器阵列的上方，并通过连接在单压电执行器阵列上的连接柱支撑；单压电变形镜由从上往下依次设置的光学反射层、第一弹性层、作为公共地的正面电极层、第一压电层、背面电极层；单压电执行器阵列包括多个固定于带通孔的基座上的单压电执行器，每个单压电执行器包括第二弹性层和第二压电层，第二压电层的两面均覆盖有电极层，每个单压电执行器上均连接有支撑用的连接柱。本发明由上、下两层的压电变形镜组合而成，在集成化程度上更高；下部单压电执行器通过连接柱将其产生的位移传递到变形镜镜面，下部的单压电执行器阵列可提供大变形用于校正低阶像差，上部单压电片变形镜则用于校正高阶像差，两个变形镜的结合提升整体校正性能，通过下部的单压电驱动器阵列的约束作用，使单压电片变形镜的固有频率不直接依赖于变形镜直径，提高了变形镜的工作带宽。

进一步，单压电变形镜正面电极层是整片结构，背面电极层是由多个小电极组合而成，使得单压电变形镜能够校正高阶像差。

进一步，单压电变形镜的电极数量比单压电执行器阵列电极数量高一或两个数量级，可以很好地校正高阶像差。

进一步，单压电执行器的谐振频率比单压电变形镜的谐振频率高，经过连接柱支撑后，单压电变形镜谐振频率提高。

进一步，单压电执行器阵列中的多个单压电执行器是一体结构或是分离结构。

进一步，单压电执行器的第二压电层设置在第二弹性层的上方，或者第二弹性层设置在第二压电层的上方。

进一步，连接柱位于单压电执行器的中心处。

进一步，每个单压电执行器下面均对应一个通孔，通过第二弹性层固定于基座上。当第二压电层设置在第二弹性层下方时，通孔的设置方便第二压电层上的电极的引出。

本发明的工作原理：当下部的单压电执行器阵列施加电压时，执行器产生离面位移，通过连接柱可将位移传递到单压电变形镜，使单压电变形镜产生变形。下部单压电执行器阵列数目较少，但位移量大，可用于校正较大幅值的低阶像差。位于上部的单压电变形镜施加电压时由于横向逆压电效应可使镜面产生弯曲变形，单压电变形镜的执行器数量比底部的执行器阵列高一或两个数量级，因此可以很好地校正高阶像差。应用过程中，单压电执行器阵列和单压电变形镜复合使用，具有校正幅值大、校正能力强的特点。

本发明的优点在于：

1.通过下部的单压电执行器阵列的约束作用，使单压电片变形镜的固有频率不直接依赖于变形镜直径，提高了变形镜的工作带宽。

2. 下部的单压电执行器阵列可提供大变形用于校正低阶像差，上部单压电片变形镜则用于校正高阶像差，两个变形镜的结合提升整体校正性能。

3.由两个压电变形镜组合而成，相比于两个独立变形镜组成的双变形镜系统，在集成化程度上更高。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明单压电变形镜的原理图。

图3是本发明单压电变形镜的2种电极结构示意图。

图4是本发明的单压电执行器阵列的多种结构示意图。

图5是本发明的下部单压电执行器阵列和上部单压电变形镜的配合示意图。

具体实施方式

参照附图，进一步说明本发明：

参见图1，本实施例提供的复合式压电片变形镜，包括上部的单压电变形镜和下部的单压电执行器阵列，单压电变形镜由连接在单压电执行器阵列上的连接柱21支撑。连接柱21为直径1毫米、长10毫米的陶瓷柱，连接柱21与下部的单压电执行器数量一致，且位于单压电执行器中心处。

图2单压电变形镜的原理图，单压电变形镜由第一弹性层12和第一压电层11组成。本实施例中第一弹性层12为直径150毫米厚500微米的双面抛光硅片，第一压电层11直径150毫米厚200微米。压电层两面覆盖电极层，电极层为厚5微米的银电极，其中与第一弹性层12接触的正面电极层14为整片电极，作为公共地，背面电极层15被分割成多个小的电极。图3所示为两种分离的电极图案，图3a的电极为扇形结构，电极按照环形排列，图3b的电极为六边形结构，蜂窝状排列。当对背面电极层15和正面电极层14施加电压时，由于横向逆压电效应可使镜面产生弯曲变形。本实施例中背面电极层采用内切圆为4毫米的六边形电极图案，在150毫米直径的单压电变形镜中可设置1000多个电极单元。由于电极数目众多，单压电变形镜能够校正高阶象差。第二弹性层上表面覆盖金属或者高分子光学反射层13，用于对光束的反射。

图4为下部的单压电执行器阵列。阵列中包含多个单压电执行器并固定于带通孔的基座33上，每个单压电执行器下面对应一个通孔。单压电执行器由第二弹性层32和第二压电层31组成，通过第二弹性层32固定于基座上，第二压电层两面覆盖电极层34、35。单压电执行器可有多种形式，可以是如图4a所示的每个执行器的第二压电层31和第二弹性层32都是分离的且第二压电层31在第二弹性层32之上，或者是如图4b所示每个执行器的第二弹性层32是连续的而第二压电层31是分离的且第二压电层31在第二弹性层32之上，或者是如图4c所示的每个执行器的第二压电层31和第二弹性层32都是分离的且第二压电层31在第二弹性层32之下，或者是如图4d所示的每个执行器的第二弹性层32是连续的而第二压电层31是分离的且第二压电层31在第二弹性层32之下。本实施例采用图4a方案，第二弹性层32为直径34毫米厚200微米的铜片，第二压电层31直径28毫米厚200微米。第二压电层两面覆盖厚2微米的银电极层。当下部的单压电执行器阵列施加电压时，执行器产生离面位移，通过支撑柱21可将位移传递到单压电变形镜，使单压电变形镜产生变形。底部执行器阵列数目较少，但位移量大，可用于校正较大幅值的低阶象差。单压电变形镜的固有频率随着尺寸的增加而指数增加，但受到下部单压电执行器阵列的约束作用，使单压电片变形镜的固有频率不直接依赖于变形镜直径，提升了工作带宽。

图5是下部单压电执行器阵列和上部单压电变形镜的一种配合方案，单压电变形镜的电极和单压电执行器阵列都是蜂窝状排列的，两者的排列方式不局限于此。单压电变形镜的电极数量比底部执行器阵列高一或两个数量级，应用中下部单压电执行器阵列和上部的单压电变形镜复合使用，既能够校正较大幅值的低阶像差，又能校正高阶像差，能够满足10米内天文望远镜对变形镜的要求。当下部的单压电执行器阵列施加电压时，执行器产生离面位移，通过连接柱21可将位移传递到单压电变形镜，使单压电变形镜产生变形。下部的单压电执行器阵列可提供大变形用于校正低阶像差，上部单压电片变形镜则用于校正高阶像差，压电执行器阵列和单压电变形镜复合使用，具有校正幅值大、校正能力强的特点。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (8)

1.一种复合式压电变形镜，其特征在于：包括单压电变形镜和单压电执行器阵列，单压电变形镜设置在单压电执行器阵列的上方，并通过连接在单压电执行器阵列上的连接柱支撑；单压电变形镜由从上往下依次设置的光学反射层、第一弹性层、作为公共地的正面电极层、第一压电层、背面电极层；单压电执行器阵列包括多个固定于带通孔的基座上的单压电执行器，每个单压电执行器包括第二弹性层和第二压电层，第二压电层的两面均覆盖有电极层，每个单压电执行器上均连接有支撑用的连接柱。

2.如权利要求1所述的复合式压电变形镜，其特征在于：单压电变形镜正面电极层是整片结构，背面电极层是由多个小电极组合而成。

3.如权利要求1所述的复合式压电变形镜，其特征在于：单压电变形镜的电极数量比单压电执行器阵列电极数量高一或两个数量级。

4.如权利要求1所述的复合式压电变形镜，其特征在于：单压电执行器的谐振频率比单压电变形镜的谐振频率高。

5.如权利要求1~4之一所述的复合式压电变形镜，其特征在于：单压电执行器阵列中的多个单压电执行器是一体结构或是分离结构。

6.如权利要求5所述的复合式压电变形镜，其特征在于：单压电执行器的第二压电层设置在第二弹性层的上方，或者第二弹性层设置在第二压电层的上方。

7.如权利要求6所述的复合式压电变形镜，其特征在于：连接柱位于单压电执行器的中心处。

8.如权利要求7所述的复合式压电变形镜，其特征在于：每个单压电执行器下面均对应一个通孔，通过第二弹性层固定于基座上。