CN110146977B - 一种轻型大口径连续薄膜变形镜及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种轻型大口径连续薄膜变形镜及其制造方法，变形镜包括镜面层，镜面层上侧镀有反射镀膜层，镜面层下方粘接有活性层，活性层上下两侧分别覆盖有上电极层和下电极层，反射镀膜层、镜面层、覆盖有电极层的活性层构成变形镜本体，变形镜本体通过夹持组件固定，上电极层和下电极层通过电极引线与外电源连接；制造方法是将镜面层刻出扇形阵列凹槽；再将上电极层溅射在镜面层下侧，将压电复合材料铺在上电极层的下侧；然后将下电极层溅射在活性层下侧，将下电极层刻成图案化电极；最后将反射镀膜层溅射在镜面层上侧，然后将电极引线连接在上电极层和下电极层上；本发明减轻变形镜的质量、降低制造成本、改善初始面形、提高工作精度和像差补偿能力。

Description

一种轻型大口径连续薄膜变形镜及其制造方法
技术领域
本发明属于微纳制造变形镜技术领域，特别涉及一种轻型大口径连续薄膜变形镜及其制造方法。
背景技术
变形镜，又称波前校正器，主要运用于各种自适应光学系统之中，它通过改变光波波前传输的光程或改变传输媒介的折射率来改变入射光波波前的相位结构，从而达到对光波波面相位进行校正的目的。目前变形镜有三个主要的发展方向：极大规模、大行程的变形镜；小型化、高精度的变形镜；和不同性能变形镜间相互配合。变形镜主要应用在医学、激光、空间探测等领域，通常变形镜分为分离促动器变形镜、拼接子镜变形镜、MEMS静电致动(磁致动)变形镜、薄膜变形镜。
分离促动器变形镜和拼接子镜变形镜可靠性高，但是口径小、结构复杂、质量重；MEMS变形镜响应速度快，但是口径小、制造成本高、很难保证面形质量；薄膜变形镜具有调制行程大、结构简单、制造成本低、工作精度高等优点。
现有的压电薄膜变形镜大多采用PZT压电陶瓷作为驱动材料，但是由于PZT压电陶瓷的高密度和大体积会极大地增加变形镜的重量；而且在装夹过程中，低厚度的薄膜变形镜会在上下夹持力或者粘接力的作用下发生不规则的变形，从而影响镜面初始面形的平面度，降低变形镜的像差补偿能力。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种轻型大口径连续薄膜变形镜及其制造方法，通过设计镜面层、活性层和反射层的参数尺寸、材料和变形镜制造方法，减轻变形镜的质量、降低制造成本、提高工作精度和像差补偿能力。
为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
一种轻型大口径连续薄膜变形镜，包括镜面层1，镜面层1的上侧均匀镀有反射镀膜层2，镜面层1的下方粘接有两面覆盖有电极层的活性层4，活性层4上下两侧分别覆盖有上电极层3和下电极层5，反射镀膜层2、镜面层1、两面覆盖有电极层的活性层4构成变形镜本体，变形镜本体通过夹持组件6固定，上电极层3和下电极层5通过电极引线与外电源连接。
所述的镜面层1为一个圆柱体，直径为10～300mm，厚度为0.05～10mm。
所述的镜面层1材料为硅片、石英玻璃片或金属片。
所述的镜面层1上面设有微尺度柔性铰链结构。
所述的活性层4为一个圆柱体，直径与镜面层1直径相同，厚度为0.02～1mm。
所述的活性层4为压电复合材料薄膜。
所述的上电极层3为与活性层4直径相同的圆形电极层，所述的下电极层5采用图案化电极8。
所述的反射镀膜层2为具有高反射率的金属膜或者介质膜。
所述的变形镜本体的下面采用液体或者气体支撑预紧方式。
一种轻型大口径连续薄膜变形镜的制造方法，包括以下步骤：
步骤1)：使用干法刻蚀工艺，将镜面层1刻出扇形阵列凹槽7；
步骤2)：将上电极层3均匀地溅射在镜面层1下侧；
步骤3)：对镜面层1下侧进行等离子表面处理，然后使用匀胶机，将压电复合材料均匀平整地铺在上电极层3的下侧，并且真空加热，从而完成活性层4的制备；
步骤4)：将下电极层5均匀地溅射在活性层4下侧，接着对活性层4进行数次极化处理，改善活性层4的压电性能；
步骤5)：利用掩膜光刻法将步骤4)中的下电极层5刻成图案化电极8；
步骤6)：将反射镀膜层2均匀地溅射在镜面层1上侧，然后将电极引线9依次连接在上电极层3和下电极层5的图案化电极8上，完成变形镜的制造。
本发明的有益效果为：
1)本发明轻型大口径连续薄膜变形镜通过调节下电极层5的输入电压的大小来控制压电复合材料的伸缩变形量，调控简单、方便，具有调制行程大、质量轻、制造成本低和精度高等优点；
2)本发明轻型大口径连续薄膜变形镜下电极层5采用的图案化电极8，大大提高变形镜对复杂波形畸变的校正能力，便于针对不同的面形要求制定不同的图案；
3)本发明轻型大口径连续薄膜变形镜设有微尺度柔性铰链结构，并且采用液体或者气体支撑预紧方式，可以有效减轻夹持组件6对反射镀膜层2原始面形的影响，提高变形镜的工作精度；
4)本发明轻型压电变形镜的制造方法生产工艺规范，能够可靠获得变形镜，并且减少了制作过程中对镜面初始面形的影响。
附图说明
图1是本发明轻型大口径连续薄膜变形镜的截面示意图。
图2是本发明镜面层设有绕圆心均布的扇形阵列凹槽的示意图。
图3是本发明下电极层采用图案化电极的示意图。
图4是本发明轻型大口径连续薄膜变形镜的制造方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种轻型大口径连续薄膜变形镜，包括镜面层1，镜面层1的上侧均匀镀有反射镀膜层2，反射镀膜层2为轻型大口径连续薄膜变形镜的工作区域；镜面层1的下方粘接有两面覆盖有电极层的活性层4，活性层4为压电复合材料薄膜，活性层4上下两侧分别覆盖有上电极层3和下电极层5，反射镀膜层2、镜面层1、两面覆盖有电极层的活性层4构成变形镜本体，变形镜本体通过夹持组件6固定，上电极层3和下电极层5通过电极引线与外电源连接。
所述的镜面层1为一个圆柱体，直径为10～300mm，厚度为0.05～10mm。
所述的镜面层1材料为硅片、石英玻璃片或金属片。
如图2所示，所述的镜面层1上面设有微尺度柔性铰链结构，本实施例的微尺度柔性铰链结构为绕圆心均布的扇形阵列凹槽7，扇形阵列凹槽7可以有效减轻夹持组件6对反射镀膜层2原始面形的影响。
所述的活性层4为一个圆柱体，直径与镜面层1直径相同，厚度为0.02～1mm。
所述的活性层4为PVDF薄膜。
如图3所示，所述的上电极层3为与活性层4直径相同的圆形电极层，所述的下电极层5采用图案化电极8。
所述的反射镀膜层2为具有高反射率的Al膜。
所述的变形镜本体的下面采用液体或者气体支撑预紧方式。
本发明轻型大口径连续薄膜变形镜的工作原理为：
首先利用激光干涉仪测量反射镀膜层2的初始面形；然后通过调整下电极层5下面的液体或者气体压强来对镜面层1进行预紧，改善反射镀膜层2的初始面形，实现对初始面形的预补偿；最后在预紧状态下，使上电极3接地，对下电极层5中的某一个或几个电极单元施加一定的电压使活性层4的压电聚合物发生局部横向变形，从而带动镜面层1和反射镀膜层2产生相应的局部变形，实现像差补偿的功能。
如图4所示，一种轻型大口径连续薄膜变形镜的制造方法，包括以下步骤：
步骤1)：使用干法刻蚀工艺，将镜面层1刻出扇形阵列凹槽7；
步骤2)：将上电极层3均匀地溅射在镜面层1下侧；
步骤3)：对镜面层1下侧进行等离子表面处理，然后使用匀胶机，将压电复合材料均匀平整地铺在上电极层3的下侧，并且真空加热，从而完成活性层4的制备；
步骤4)：将下电极层5均匀地溅射在活性层4下侧，接着对活性层4进行数次极化处理，改善活性层4的压电性能；
步骤5)：利用掩膜光刻法将步骤4)中的下电极层5刻成图案化电极8；
步骤6)：将反射镀膜层2均匀地溅射在镜面层1上侧，然后将电极引线9依次连接在上电极层3和下电极层5的图案化电极8上，完成变形镜的制造。

Claims (2)

1.一种轻型大口径连续薄膜变形镜，包括镜面层(1)，其特征在于：镜面层(1)的上侧均匀镀有反射镀膜层(2)，镜面层(1)的下方粘接有两面覆盖有电极层的活性层(4)，活性层(4)上下两侧分别覆盖有上电极层(3)和下电极层(5)，反射镀膜层(2)、镜面层(1)、两面覆盖有电极层的活性层(4)构成变形镜本体，变形镜本体通过夹持组件(6)固定，上电极层(3)和下电极层(5)通过电极引线与外电源连接；
所述的镜面层(1)为一个圆柱体，直径为10～300mm，厚度为0.05～10mm；
所述的镜面层(1)材料为硅片、石英玻璃片或金属片；
所述的镜面层(1)上面设有微尺度柔性铰链结构，微尺度柔性铰链结构为绕圆心均布的扇形阵列凹槽(7)；
所述的活性层(4)为一个圆柱体，直径与镜面层1直径相同，厚度为0.02～1mm；
所述的活性层(4)为压电复合材料薄膜；
所述的上电极层(3)为与活性层(4)直径相同的圆形电极层，所述的下电极层(5)采用图案化电极(8)；
所述的反射镀膜层(2)为具有高反射率的金属膜或者介质膜；
所述的变形镜本体的下面采用液体或者气体支撑预紧方式。
2.根据权利要求1所述的一种轻型大口径连续薄膜变形镜的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)：使用干法刻蚀工艺，将镜面层(1)刻出扇形阵列凹槽(7)；
步骤2)：将上电极层(3)均匀地溅射在镜面层(1)下侧；
步骤3)：对镜面层(1)下侧进行等离子表面处理，然后使用匀胶机，将压电复合材料均匀平整地铺在上电极层(3)的下侧，并且真空加热，从而完成活性层(4)的制备；
步骤4)：将下电极层(5)均匀地溅射在活性层(4)下侧，接着对活性层(4)进行数次极化处理，改善活性层(4)的压电性能；
步骤5)：利用掩膜光刻法将步骤4)中的下电极层(5)刻成图案化电极(8)；
步骤6)：将反射镀膜层(2)均匀地溅射在镜面层(1)上侧，然后将电极引线(9)依次连接在上电极层(3)和下电极层(5)的图案化电极(8)上，完成变形镜的制造。
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