CN112817145B - 一种多层执行器阵列驱动的变形镜 - Google Patents

Abstract

一种多层执行器阵列驱动的变形镜，包括镜面、多个位于不同层平面内的执行器阵列、以及连接执行器阵列与镜面的多个连接柱，所述的每层平面内的执行器阵列包括多个固定于带通孔的基座上的单压电片执行器，每个单压电片执行器通过连接柱与镜面连接，位于下层面内的执行器阵列的连接柱穿过上层面内执行器阵列的基座与镜面相连，不同层面内执行器阵列中的单压电片执行器在空间上相互错位，每个所述单压电片执行器包括弹性层和与弹性层相连的两面带电极层的压电片，所述镜面由多个位于不同层平面内的单压电片执行器通过连接柱推动实现变形。本发明变形镜增加了驱动层的层数，提高变形镜的变形量和校正能力。

Description

一种多层执行器阵列驱动的变形镜

技术领域

本发明属于光学器件领域，涉及一种多层执行器阵列驱动的变形镜，用于自适应光学系统中作为波前校正器。

背景技术

变形镜作为一种波前校正器，通过控制其镜面形貌对光路中的像差进行校正,使系统达到衍射极限，是自适应光学系统的核心器件，在军用和民用两个市场都具有良好的应用前景。近几年来被应用在光束净化、光束整形、激光腔内像差校正、医学人眼像差的检测与校正以及激光加工等领域。按照驱动方式主要有压电驱动、静电驱动、电磁驱动和热驱动。其中压电驱动的变形镜具有频响高、性能稳定的优点，应用最为广泛。

目前压电执行器阵列驱动的变形镜通过镜面底部的压电执行器产生离面位移推动镜面变形，实现波前像差校正，其压电执行器阵列处于同一平面内。如中国专利申请200610167153.0公开了一种压电厚膜驱动的微变形镜，包括由执行器单元组成的微致动器阵列和镜面，其中执行器单元由硅衬底、带有上下电极的压电陶瓷膜和链接凸台组成。中国专利ZL201610885659.9公开了一种单压电片执行器阵列驱动的变形镜，包括单压电片执行器阵列、设置在单压电片执行器阵列上方的镜面，单压电片执行器阵列包括多个固定于带通孔的基座上的单压电片执行器，每个单压电片执行器上均连接有支撑镜面用的连接柱。这些执行器阵列驱动的变形镜，其执行器在同一水平面上，当执行器数目增加时，如果执行器尺寸不变，则因执行器阵列增加导致变形镜的口径随之增加；如果要保持变形镜口径不变，则需要减小执行器尺寸，这会导致执行器的变形能力降低，不利于变形镜的应用。

发明内容

本发明是为克服现有技术不足，提供一种多层执行器阵列驱动的变形镜。该变形镜增加了驱动层的层数，提高变形镜的变形量和校正能力。

一种多层执行器阵列驱动的变形镜，包括镜面、多个位于不同层平面内的执行器阵列、以及连接执行器阵列与镜面的多个连接柱，所述的每层平面内的执行器阵列包括多个固定于带通孔的基座上的单压电片执行器，每个单压电片执行器通过连接柱与镜面连接，位于下层面内的执行器阵列的连接柱穿过上层面内执行器阵列的基座与镜面相连，不同层面内执行器阵列中的单压电片执行器在空间上相互错位，每个所述单压电片执行器包括弹性层和与弹性层相连的两面带电极层的压电片，所述镜面由多个位于不同层平面内的单压电片执行器通过连接柱推动实现变形。

本发明相比现有技术的有益效果是：

1、与单层执行器阵列驱动方式相比，本发明的多层执行器阵列驱动的变形镜，在执行器尺寸和镜面有效口径不变的情况下，由于增加了驱动层的层数，成倍增加了执行器的数量，提高变形镜的校正能力。

2、与单层执行器阵列驱动方式相比，本发明的多层执行器阵列驱动的变形镜，在执行器数目和镜面有效口径不变的情况下，由于增加了驱动层的层数，每层执行器阵列的执行器数目减小，从而可以增加执行器的尺寸，可以提高执行器的变形量，提高变形镜的校正能力。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步地说明：

附图说明

图1是本发明的二维结构半剖示意图；

图2是本发明的三维装配半剖示意图；

图3是本发明一种形式单压电片执行器的三维结构示意图；

图4是本发明一层基座的一种三维结构示意图；

图5是本发明二层基座的一种三维结构示意图；

图6是本发明三层基座的一种三维结构示意图；

图7是实施例1的三角形三层排列的单压电片执行器及执行器阵列排布示意图；

图8是实施例2的三角形四层排列的单压电片执行器及执行器阵列排布示意图；

图9是实施例3的四边形二层排列的单压电片执行器及执行器阵列排布示意图；

图10是实施例4的四边形四层排列的单压电片执行器及执行器阵列排布示意图。

具体实施方式

结合图1-图3所示，一种多层执行器阵列驱动的变形镜，包括镜面1、多个位于不同层平面内的执行器阵列、以及连接执行器阵列与镜面1的多个连接柱，所述的每层平面内的执行器阵列包括多个固定于带通孔的基座上的单压电片执行器2，每个单压电片执行器2通过连接柱与镜面1连接，位于下层面内的执行器阵列的连接柱穿过上层面内执行器阵列的基座与镜面相连，不同层面内执行器阵列中的单压电片执行器2在空间上相互错位，每个所述单压电片执行器2包括弹性层22和与弹性层22相连的两面带电极层的压电片21，所述镜面1由多个位于不同层平面内的单压电片执行器2通过连接柱推动实现变形。

以三层布置的单压电片执行器及其阵列驱动的变形镜为例，具体构造说明如下，包括镜面1、由下往上排布的第一层执行器阵列、第二层执行器阵列和第三层执行器阵列，以及连接柱。连接柱位于单压电片执行器2的中心处。为方便描述，连接柱分为结构相同的第一连接柱3、第二连接柱4和第三连接柱5，第一层执行器阵列由多个执行器2和第一基座6组成；第二层执行器阵列多个执行器2和第二基座7组成；第三层执行器阵列多个执行器2和第三基座8组成，执行器2背面的基座上有通孔，分别为构造相同的第一基座6上的第一通孔61、第二基座7上的第二通孔71和第三基座8上的第三通孔81，分别用来布置相应的执行器阵列。除最底层的单压电片执行器阵列的基座外，其它层的单压电片执行器阵列的基座设有用于连接柱穿过的小通孔,小通孔直径略大于连接柱直径，小通孔与所述通孔不干涉；譬如：第一层执行器阵列的单压电片执行器2通过其中心相连的第一连接柱3依次穿过第二层执行器阵列的第二基座7上的第二小通孔72和第三层执行器阵列的第三基座8上的第三小通孔82与镜面1连接，第一连接柱3直径略小于第二小通孔72以及第三小通孔82的直径；第二层执行器阵列的单压电片执行器2通过其中心的第二连接柱4穿过第三层执行器阵列的第三基座8上的第三小通孔82与镜面1连接，第三小通孔82的直径略大于第二连接柱4的直径；第三层执行器阵列的单压电片执行器2通过其中心相连的第三连接柱5直接与镜面1连接。镜面1表面镀有高反射膜12用于对光束进行校正。

每个单压电片执行器2是一圆形结构，包括弹性层22和压电片21，可用铜片作为弹性层或电极层，压电片21的两端面覆盖有上电极层和下电极层，一种方式是压电片21位于弹性层22之上,另一种方式是压电片21位于弹性层22的下方，压电片21的直径略小于弹性层22的直径，弹性层22直径略大于各自基座上的通孔71的直径且二者同心，压电片21的直径小于通孔71的直径。弹性层22通过周边与各自相应基座通过胶粘接固定，下电极层或上电极层与弹性层22相连通，各个电极用电线可接在一起，由通孔71引出，各个电极可分别控制。

本实施例中，镜面1采用直径75毫米、厚度为400微米的抛光硅片或石英硅片11，并在其上镀上高反射膜12。

图3所示为单压电片执行器2的示意图，由直径24毫米厚200微米的铜片22和直径18毫米厚200微米压电片21粘接而成，压电片21在铜片22的上方，压电片21两面覆盖直径17毫米、厚5微米的银电极层。

图4所示为第一基座6，采用铝合金制作,直径75毫米、厚3毫米，该第一基座6上的放置单压电片执行器2的通孔71的直径22毫米，通孔71的间距25毫米。

图5所示为第二基座7，采用铝合金制作，直径75毫米、厚度3毫米，该第二基座7上放置单压电片执行器2的通孔71的直径22毫米，通孔71的间距25毫米，第二基座7上预留有第一执行器阵列上第一连接柱3通过的第二小通孔72，第二小通孔72的直径为1毫米。

图6所示为第三基座8，采用铝合金制作，直径75毫米、厚度3毫米，第三基座8上放置执单压电片执行器2的通孔71直径22毫米，通孔71的间距25毫米。同时，第三基座8上预留有第一、二层执行器阵列上第二连接柱4和第三连接柱5通过的第三小通孔82，第三小通孔82直径为1毫米。

实施例中，第一连接柱3为直径0.8毫米、长15毫米的陶瓷柱，第二连接柱4为直径0.8毫米、长10毫米的陶瓷柱，第三连接柱5为直径0.8毫米、长5毫米的陶瓷柱。

本实施例执行器阵列三角形排列，如图4-图6所示，第一层、第二层、第三层的单压电片执行器2的数量分别为7个、6个、6个，因此，镜面合计被19个单压电片执行器2驱动。不同层面内的执行器阵列中的各执行器在空间上相互错位，执行器的中心位于其它层执行器阵列相邻执行器构成的三角形的几何中心。图2为所述19单元三层执行器器阵列驱动的变形镜的三维半剖图。当执行器器阵列施加电压时,单元电片执行器2产生的离面位移通过固定在其上的第一连接柱3、第二连接柱4和第三连接柱5传递到镜面1，使变形镜的镜面1产生变形，当所有单单压电片执行器2加上适当的电压，镜面1将构造出与波前畸变相共轭的面形，实现对像差的校正。

基于上述实施例变形镜的构造原理，执行器排列方式还有三角形排列以及四边形排列等方式，此外根据驱动层的数目分成二层、三层、四层等不同驱动层数的结构，这也使得多层执行器阵列驱动结构有更多的组合可能。列举如下不同排列的多层执行器阵列驱动的变形镜。

实施例1、图7所示为三层三角形排列的执行器阵列驱动的变形镜的各层单压电片执行器2的分布示意图，如图所示的执行器阵列第1、执行器阵列2、执行器阵列3，他们的上下位置关系不是固定的，可以有多种组合的方式。三层执行器阵列组合驱动的变形镜相比一层执行器阵列驱动的变形镜执行器数目增加了三倍，执行器的等效间距变为原先的0.577倍，提高了变形镜的像差校正能力。此外，执行器阵列上的单压电片执行器2的数目可以向四周继续增多。

实施例2、如图8为三角形排列的四层执行器阵列驱动结构，执行器排列方式分别为如图所示的执行器阵列1、执行器阵列2、执行器阵列3、执行器阵列4的四层，四个执行器阵列层在不同空间平面的次序可以任意组合，不同层执行器阵列中的各单压电片执行器2在空间上相互错位，执行器的中心位于其它层执行器阵列中相邻执行器构成的三角形的边长中心。四层执行器阵列组合驱动的变形镜相比一层执行器阵列驱动的变形镜执行器数目增加了四倍，执行器的等效间距变为原先的0.5倍，提高变形镜的像差校正能力。

实施例3、如图9为四边形排列的二层执行器阵列驱动结构，执行器排列方式分别为如图所示的执行器阵列1和执行器阵列2的两层，两个执行器阵列层在不同空间平面的次序可以任意组合，不同层执行器阵列中的各执行器在空间上相互错位，执行器的中心位于其它层执行器阵列中相邻执行器构成的方形的几何中心。两层执行器阵列组合驱动的变形镜相比一层执行器阵列驱动的变形镜执行器数目增加了一倍，执行器的等效间距变为原先的0.707倍，提高变形镜的像差校正能力。

实施例4、如图10所示为四边形排列的四层执行器阵列驱动结构，执行器排列方式分别为如图所示的执行器阵列1、执行器阵列2、执行器阵列3、执行器阵列4的四层，四个执行器阵列层在不同空间平面的次序可以任意组合，不同层执行器阵列中的各执行器在空间上相互错位，执行器的中心位于其它层执行器阵列中相邻执行器构成的方形的边长中心。四层执行器阵列驱动的变形镜相比一层执行器阵列驱动的变形镜执行器数目增加了四倍，执行器的等效间距变为原先的0.5倍，提高变形镜的像差校正能力。多层执行器阵列组合驱动变形镜其执行器不局限于如上所举的单压电片执行器，可以为其他形式如电磁驱动的执行器。

本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，均仍属本发明技术方案范围。

Claims (9)

1.一种多层执行器阵列驱动的变形镜，其特征在于：包括镜面、多个位于不同层平面内的执行器阵列、以及连接执行器阵列与镜面的多个连接柱，所述的每层平面内的执行器阵列包括多个固定于带通孔的基座上的单压电片执行器，每个单压电片执行器通过连接柱与镜面连接，位于下层面内的执行器阵列的连接柱穿过上层面内执行器阵列的基座与镜面相连，不同层面内执行器阵列中的单压电片执行器在空间上相互错位，每个所述单压电片执行器包括弹性层和与弹性层相连的两面带电极层的压电片，除最底层的单压电片执行器阵列的基座外，其它层的单压电片执行器阵列的基座设有用于连接柱穿过的小通孔,小通孔直径略大于连接柱直径，小通孔与用于固定单压电片执行器的通孔不干涉，所述镜面由多个位于不同层平面内的单压电片执行器通过连接柱推动实现变形。

2.根据权利要求1所述一种多层执行器阵列驱动的变形镜，其特征在于：每层面内的单压电片执行器的排列方式是方形排列或三角形排列。

3.根据权利要求2所述一种多层执行器阵列驱动的变形镜，其特征在于：所述镜面表面镀有高反射膜。

4.根据权利要求1、2或3所述一种多层执行器阵列驱动的变形镜，其特征在于：压电片设置在弹性层的上方，或者压电片设置在弹性层的下方。

5.根据权利要求4所述一种多层执行器阵列驱动的变形镜，其特征在于：连接柱位于单压电片执行器的中心处。

6.根据权利要求5所述一种多层执行器阵列驱动的变形镜，其特征在于：单压电片执行器为圆形结构，压电片的直径略小于弹性层的直径。

7.根据权利要求5或6所述一种多层执行器阵列驱动的变形镜，其特征在于：单压电片执行器与所在基座的通孔同心，通过弹性层固定于基座上，弹性层的直径略大于通孔的直径。

8.根据权利要求7所述一种多层执行器阵列驱动的变形镜，其特征在于：执行器为压电片和铜片复合结构，铜片既作电极层也作弹性层，且铜片直径略大于压电片直径。

9.根据权利要求2、3或8所述一种多层执行器阵列驱动的变形镜，其特征在于：每层面内的单压电片执行器的中心位于其它层面内执行器阵列中相邻单压电片执行器的边长中心或几何中心。

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