CN116830010A - 用于热致动可变形镜的装置及相关制造方法 - Google Patents

Abstract

用于热致动可变形镜(170)的装置包括整体块(100)，该整体块包括：具有形成或配置成支撑镜(170)的前面(122F)的镜板(120)、底座(140)、以及可热膨胀致动器(130)的一维阵列。可热膨胀致动器(130)将镜板(120)的后面与底座(140)机械地连接，使得前面(122F)的形状、倾斜和/或位置取决于可热膨胀致动器(130)的温度。镜板(120)、底座(140)和可热膨胀致动器(130)由横跨在整体块(100)的相对朝向的顶表面(202T)和底表面(202B)之间的狭缝(110)限定。整体块(100)可以由金属制成并且可以通过使用在金属块的顶表面(202T)和底表面(202B)之间穿过金属块的线对金属块中的狭缝(110)进行线腐蚀来以相对较低的成本制造。

Description

用于热致动可变形镜的装置及相关制造方法

优先权

本申请要求于2020年11月23日提交的美国专利申请序号17/101,783的优先权，该申请的公开内容通过引用方式全部并入本文。

技术领域

本发明一般涉及自适应光学器件，尤其涉及热致动自适应镜。

背景技术

自适应光学系统用于操纵光场的波前。自适应光学系统包括一个或多个自适应光学元件，可以调整这些自适应光学元件以改变光场的波前。例如，可变形镜可以变形以赋予反射光期望的波前变化。类似地，可变形透镜可以变形以赋予透射光期望的波前变化。尽管在某些场景中开环操作就足够了，但自适应光学系统通常包含有源反馈环路，其中根据所得波前的测量值反复地调整一个或多个自适应光学元件。

自适应光学系统最初是为了校正大气湍流引起的波前畸变而开发的，世界上许多最大的望远镜都配备了自适应光学器件来消除这种波前畸变。自最初开发以来，自适应光学系统已经找到了其他用途。自适应光学系统用于校正由光学系统缺陷和/或环境因素引起的时变波前畸变。自适应光学系统还用于实现波前特性，即使在理想情况下，传统光学元件也无法实现这些波前特性。目前，自适应光学系统应用于各种技术领域，包括显微镜、视网膜成像、飞秒激光脉冲整形、光通信和天文成像。

可变形镜可以是连续的或分段的。在分段可变形镜中，镜面由单独的分段组成。每个这样的镜面分段是不可变形的，但是随着每个镜面分段的单独致动，整个镜面是可变形的。在连续可变形镜中，镜面是连续的并且具有一定程度的柔性。致动器阵列位于连续镜面的背面和支撑基板之间，以实现连续镜面的变形。带有行程达几微米的致动器的连续可变形镜在市场上有售。

微机电系统(MEMS)技术已用于制造连续可变形镜。这种基于MEMS的连续可变形镜通常是许多单独部件的组合件，包括一系列由静电或磁力控制的单独致动器结构。在另一类连续可变形镜中，压电晶片附着在镜面的背面，电极阵列控制压电晶片的局部厚度。基于MEMS和基于压电晶片的连续可变形镜都是专为激光束波前校正而设计，现已在市场上有售。这些市售装置具有大量致动器，通常为数十个甚至更多致动器，以二维阵列布置，以提供通用和高分辨率波前控制。

非线性晶体通常用于倍频、三倍频和其他频率转换，以获得所需频率的激光。在紫外(UV)激光系统的情况下尤其如此。由于在近红外范围内可以使用高功率、可靠的激光源，因此将近红外激光进行频率转换达到UV范围通常比直接产生UV激光更有效。

发明概述

我们已经意识到，可变形镜可用于解决激光系统中常见的波前校正问题，例如由非线性晶体引起的波前畸变。然而，目前市售的可变形镜的典型价格介于四千美元到两万美元或更多。为了在商用激光系统中大规模实施可变形镜成为有吸引力的解决方案，可变形镜的制造成本必须低于目前市售的可变形镜。本文公开的是用于热致动可变形镜的装置。这些装置的制造成本仅为当前基于MEMS和基于压电的装置的成本的一小部分，因此适合在商用激光系统中大规模实施。

目前公开的装置源于这样的我们的认识：即，具有一维致动器阵列的整体式致动器块可以通过线腐蚀来制造。线腐蚀是一种成本相对较低的制造方法，致动器块的整体性质最大限度地减少了生产全功能可变形镜所需的组装步骤。需要全二维波前操纵的场景可以使用两个正交定向的可变形镜，每个都基于本整体式致动器块。整体式致动器块由热膨胀材料制成，使得整体式致动器块中的各个致动器的长度可以通过固定到致动器的加热元件来控制。虽然热致动无法达到与静电、磁或压电致动器相同的变化率，但热致动的速度足以满足许多实际应用，例如补偿非线性晶体的光致退化或热漂移。此外，与最常见的压电材料不同，本整体式致动器块和加热元件可以是无铅的。

一方面，用于热致动可变形镜的装置包括整体块。该整体块包括(a)具有形成镜或配置为支撑镜的前面(front face)的镜板，(b)底座，和(c)可热膨胀致动器的一维阵列，其将镜板的后面(rear face)与底座机械地连接，使得前面的形状、倾斜度和位置中的至少一个取决于可热膨胀致动器的温度。镜板、底座和可热膨胀致动器由跨越整体块的相对朝向的顶表面和底表面之间的狭缝限定。

在另一方面，用于制造热致动可变形镜装置的方法，包括对整体金属块中的狭缝进行线腐蚀以形成(a)具有形成或配置成支撑镜的前面的镜板的步骤，(b)底座，和(c)可热膨胀致动器的一维阵列的步骤，可热膨胀致动器将底座与镜板的后面连接，使得前面的形状、倾斜度和位置中的至少一个取决于可热膨胀致动器的温度。线腐蚀步骤是通过线在整体金属块的相对朝向的顶表面和底表面之间穿过整体金属块来执行的。

附图说明

包含在说明书中并构成说明书的部分的附图示意性地说明了本发明的优选实施方案，并且与上面给出的一般描述和下面给出的优选实施方案的详细描述一起用于解释本发明的原理。

图1示出了根据实施方案的用于热致动可变形镜的装置。

图2A-C示出了根据实施方案的用于热致动可变形镜的三致动器整体块。

图3A和图3B示出了根据实施方案的具有抛光镜面的整体式三致动器块。

图4示出了根据实施方案的用于热致动形成为整体式致动器块的前面上的涂层的可变形镜的装置。

图5示出了根据实施方案的用于热致动结合到整体式致动器块的前面的可变形镜的装置。

图6A和图6B示出了根据实施方案的具有分别将致动器连接到镜板和底座的细长的前连接器和后连接器的整体块。

图7A和图7B显示了图6A和图6B的整体块的实施例的热有限元分析结果。

图8A和图8B示出了根据实施方案的能够使镜发生S形变形的四致动器整体块。

图9示出了根据实施方案的具有杠杆增强的外部致动的四致动器整体块。

图10示出了根据实施方案的具有直接作用于镜板的局部取向的中央致动的四致动器整体块。

图11A和图11B示出了根据实施方案的具有杠杆增强的外部和中央致动的四致动器整体块。

图12A和图12B显示了图11A和11B的整体块的实施例的热有限元分析结果。11A和11B。

图13示出了根据实施方案的用于制造热致动可变形镜装置的基于线腐蚀的方法。

发明详述

现在参考附图，其中相同的部件由相同的数字表示，图1以俯视平面图示出了用于热致动可变形镜170的一个装置180。装置180包括整体块100，整体块100包括镜板120、底座140和致动器130的一维(1D)阵列。镜板120、底座140和致动器130由跨越整体块100的相对朝向的顶表面和底表面之间的狭缝110限定。整体块100的顶表面和底表面平行于笛卡尔坐标系190的xz平面，整体块100的顶表面朝向图1的页面之外，整体块100的底表面朝向图1的页面之内(因此隐藏在视图之外)。狭缝110沿着整体块100的顶表面和底表面之间的坐标系190的y轴跨越整体块100的整个高度。致动器130的1D阵列沿着z轴坐标系190分布。镜板120具有形成镜170或支撑镜170的前面122F。致动器的1D阵列将镜板120的后面122R与底座140机械地连接。

整体块100由热膨胀材料制成。结果，每个致动器130是可热膨胀的。特别地，当给定致动器130的温度升高时，其沿z轴的长度L增加。因此，根据致动器130的设计，前面122F在xz平面中的形状、倾斜度和/或位置取决于致动器130的温度。底座140用作将装置180固定在光学系统中的锚固件。底座140还可以用作有助于减少致动器130之间的热串扰的散热器。

在前面122F构造成支撑镜170的装置180的实施方案中，装置180可以包括镜170。装置180还可以包括一个或多个加热元件150以控制致动器130的温度。在一个实施例中，每个致动器130配备有至少一个加热元件150，使得每个致动器130都是主动致动器。

装置180可以配备或不配备镜170。在一种场景中，装置180被提供为没有镜170的整体块100，例如使得顾客可以根据特定顾客需要选择镜170。

尽管图1描绘了具有三个致动器130的整体块100的实施例，但在不脱离其范围的情况下，1D致动器阵列可包括多于三个的致动器130。此外，一个或多个致动器130可以共享与镜板120的机械连接，而不是如图1所示具有与镜板120的单独连接。

图1显示了实施例方案中的装置180，利用具有三个致动器130(1)、130(2)和130(3)的整体块100的实施方案。在这种场景中，外部致动器130(1)和130(3)被加热到比中央致动器130(2)更长，使得镜170呈凹柱面镜的形状，它会聚入射到其上的稍微发散的激光束198。在替代场景中，中央致动器130(2)被加热到比外部致动器130(1)和130(3)长，使得镜170呈现凸柱面镜的形状。还可以在xz平面中倾斜镜170，例如通过将致动器130(1)加热到比致动器130(3)更高的温度。此外，镜170可以通过均匀地增加(或减少)所有致动器130的温度而沿z轴平移。

图2A-2C示出了一个三致动器整体块200，处于整体块200的温度均匀的状态。图2A是整体块200的俯视平面图，图2B是沿图2A中的线B-B截取的整体块200的横截面侧视图，图2C是整体块200的透视图。整体块200是配置有三个致动器130的整体块100的实施方案。

对于每个致动器130，整体块200包括(a)将致动器130的前端232F与后面122R机械地连接的前连接器260和(b)将致动器130的后端232R与底座140机械地连接的至少一个后连接器262。前连接器260和后连接器262由狭缝110限定并跨越整体块200的顶表面202T和底表面202B之间。每个前连接器260对镜板120和相关联的前端232F之间的热流具有热阻抗。每个后连接器262对底座140和相关联的后端232R之间的热流呈现热阻抗。每个致动器130对前端232F和后端232R之间的热流呈现热阻抗。在实施方案中，每个前连接器260的热阻抗以及每个后连接器262的热阻抗超过每个致动器130的热阻抗，以便实现每个致动器130的至少某种程度的热隔离。在该实施方案的实施例中，前连接器260和后连接器262的宽度268W明显小于致动器130的宽度234W。例如，宽度268W可以小于宽度234W的10％。在一种实施方式中，宽度268W在0.2毫米到0.5毫米之间，而宽度234W至少为4毫米。一个前连接器260或后连接器262的宽度268W可以不同于其他前连接器260或后连接器262的宽度268W。同样，一个或多个致动器130可以具有与1D致动器阵列的其余致动器130不同的宽度234W。

每个前连接器260将后面122R与相应致动器130的朝前表面232S连接。在不脱离本发明范围的情况下，前连接器260和/或后连接器262在xz平面中可以具有比在图2A和2C中描绘的更复杂的形状。在一个这样的实施例中，前连接器260和后连接器262中的一个或多个的宽度是不均匀的。在另一个这样的实施例中，由一个或多个前连接器260和后连接器262在xz平面中横穿的路径具有一个或多个弯曲而不是严格平行于z轴，如图2A和2C所示。在这样的实施例中，致动器130的热隔离可以通过每个前连接器260和后连接器262的至少部分在xz维度上且正交于横穿路径的横向范围足够小以提供期望的热隔离程度来实现。

除了提供热隔离之外，前连接器260和后连接器262的小宽度268W允许致动器130和镜板120之间的一些屈曲，从而允许镜板120在xz平面中的变形和/或倾斜。在实施方案中，宽度168W明显小于整体块200沿y轴的高度204H，使得前连接器260和后连接器262在平行于xz平面的方向上具有比在非平行于xz平面的方向上更低的挠曲刚度。在该实施方案中，即使在一个或多个致动器130的温度沿y轴不均匀的情况下，镜板120的变形和移动主要限于平行于xz平面的维度。这一特性放宽了对定位加热元件150的要求。例如，每个加热元件150可以固定到顶表面202T，而不会在一个或多个致动器130加热时导致镜板120在负y轴方向上向下弯曲。

整体块200可以由金属制成。金属的类型，尤其是其热导率和热膨胀系数，影响整体块200的致动性能。高热导率使得致动器130能够相对快速地致动镜板120。另一方面，高热导率还增加了不同致动器130之间的热串扰，主要是因为前连接器260和后连接器262的相应较低的热阻抗。致动器130之间的增加的热串扰可能与不同致动器130之间的最大可能长度差的减小相关联。在实施方案中，整体块200由热导率小于30W/(m·K)的金属制成，以实现不同致动器130之间的良好热隔离。整体块200的该实施方案是例如由奥氏体不锈钢制成。在另一个实施方案中，整体块200由热导率大于200W/(m·K)的金属制成，以使得整体块200能够更快速地致动。整体块200的该实施方案例如由铝合金制成。

所有狭缝110跨越顶表面202T和底表面202B之间，使得(a)狭缝图案在平行于xz平面的整体块200的任何横截面中是相同的，以及(b)面向狭缝110的整体块200的所有表面正交于顶表面202T和底表面202B。在图2A-C所示的实施例中，狭缝110的一些部分平行于x轴延伸，而其他部分平行于z轴延伸。在不脱离其范围的情况下，狭缝110可包括与x轴和z轴成斜角的部分。

狭缝110可以使用多种机加工方法在整体块200中机加工，例如线腐蚀、激光切割和铣削。下面参照图13进一步详细讨论的线腐蚀适用于整体块200的金属实施方案并且从成本角度来看特别有利。作为通过去除材料形成狭缝110的替代方案，增材制造可以形成具有狭缝110的整体块200。然而，在大多数情况下，我们预计狭缝110的机加工，尤其是线腐蚀，比增材制造更具成本效益。

当通过材料去除来形成狭缝110时，狭缝110的宽度214S(无论它们在xz平面中的取向如何)可以由与材料去除工艺相关的实际考虑来限定。例如，在狭缝110通过线腐蚀形成的实施方案中，宽度214S可以在0.1毫米(mm)到0.5mm之间的范围内，例如在0.3mm到0.35mm之间的范围内。

整体块200具有长度204L(沿z轴)、宽度204W(沿x轴)和高度204H(沿y轴)。可以根据各种考虑来设计整体块200的尺寸，包括(a)要由装置180波前操纵的激光束的光束尺寸，(b)每个致动器130的期望冲程(即，(前端232F相对于后端232R的z轴行程)，以及(c)底座140所需的散热能力。在某些实施方案中，整体块200被设计用于激光束的波前操纵，其足迹在前面122F处介于1mm到3mm之间。在这些实施方案中，高度204H可以在3mm到10mm之间的范围内以容纳激光束并允许激光束在镜170上的位置的一些变化或不准确。即使在激光束的位置被定义为高精度的情况下，将高度204H保持在3-10mm范围内以保持良好的结构稳定性以防止整体块200在平行于y轴的方向上的弯曲可能是有利的。在实施方案中，宽度204W超过高度204H，例如以适应宽度234W至少为4mm的致动器130和/或实现底座140的所需散热能力。宽度204W可以在15mm到25mm之间的范围内。底座140沿z轴的长度244L可以在10mm到30mm之间的范围内，以便提供足够的散热并允许将底座140锚固到外部固定装置。长度204L可以在20毫米到60毫米之间的范围内。

每个致动器130可以具有沿z轴的长度234L，在5mm到30mm之间的范围内，以便在20-40℃的温度范围内实现例如0.5微米到10微米之间的冲程。镜板120变形和倾斜的动态范围至少部分地由(a)最外面的前连接器260(1)和260(3)之间的间隔234M和(b)镜板120沿z轴的厚度224L来限定。动态范围可能受到若干其他因素的限制，包括致动器130之间的热串扰和前连接器260的挠曲刚度。虽然需要较小的力来使具有小厚度224L的镜板120变形，但是较大的厚度224L可以确保更平滑的变形。具有大厚度224L的镜板120的实施方案的变形可以受益于最外面的前连接器260(1)和260(3)之间的大间隔234M。在一个实施例中，间隔234M在10毫米到15毫米之间，厚度224L在0.5毫米到3毫米之间(例如在1毫米到2毫米之间)，并且中央致动器130(2)相对于外部致动器130(1)和130(3)的冲程在20–40℃的温度工作范围内介于0.5微米到5微米之间。

图3A和图3B示出了具有抛光镜面370的一个整体式三致动器块300。图3A是整体块300的正视图，而图3B是整体块300的俯视图。整体块300是由金属例如铝制成的整体块200的实施方案，并且其中前面122F的至少部分被抛光以形成镜面324。

在一个实施例中，整个前面122F被抛光。但在很多使用场景中，前面122F的尺寸明显超过了所需的有效面积。因此，在另一个实施例中，如图3A所描述的，仅抛光限于宽度328W的前面122F的中央部分。镜面324可以是圆形的，如短虚线370所示，或者是矩形的，如由宽度328W隔开的长虚线所示。镜面324可跨越前面122F的整个高度202H，或仅其部分。

图4示出了一种用于热致动可变形镜的装置480，该可变形镜形成为整体式致动器块的前面上的涂层。装置480是实施整体块200的装置180的实施方案。图4是装置480的前部的俯视图，省略了致动器130的底座140和后端232R。装置480包括在整体块200的前面122F上的镜涂层424。镜涂层424沿着z轴的厚度在图4中为了清楚而被夸大。镜涂层424是镜170的实施方案并且可以是电介质或金属的。前面122F上的镜涂层424的范围类似于整体块300的镜面324。

图5示出了一种用于热致动可变形镜的装置580，该可变形镜结合到整体式致动器块的前面。装置580是实施整体块200的装置180的实施方案。图5是装置580的前部的俯视图，省略了致动器130的底座140和后端232R。装置580包括结合到整体块200的前面122F的可弯曲镜基板524。镜基板524具有面向与前面122F相同方向的镜面524F。镜面524F可以具有沉积在其上的涂层。

在图5所示的实施例中，镜基板524具有与前面122F相同的尺寸。在另一个实施例中，镜基板524小于前面122F。在该实施例中，镜基板524可以是宽度为328W的矩形或直径为328W的圆形，如上文针对镜面324所讨论的。

镜基板524具有沿z轴的厚度528L。在实施方案中，厚度528L仅为厚度224L的一小部分，以在镜板120和镜基板524变形时最小化前面122F和镜基板524之间的界面处的剪切力。在该实施方案中，厚度528L可以是厚度224L的50％或更小。镜基板524例如是硅晶片。

图6A和图6B示出了具有细长的前连接器660和后连接器662的一个整体块600，前连接器660和后连接器662分别将致动器130连接到镜板120和底座140。图6A和图6B分别是整体块600的俯视图和透视图。整体块600是整体块200的实施方案并且可以用上文参考图3-5讨论的镜面324、镜涂层424或镜基板524来实现。

整体块600包括镜板120、底座140、三个致动器630、用于每个致动器630的一个前连接器660和用于每个致动器630的一对后连接器662。每个前连接器660将镜板120的后面122R连接到致动器630的前端632F的朝前表面632S。朝前表面632S在前端632F中凹陷。因此，每个前连接器660的长度664L超过狭缝210的宽度214S。类似地，每个后连接器662的长度666L超过狭缝210的宽度214S。长度664L和666L中的每个都可以约为2mm或更大，以提供致动器630和底座140之间的良好的热隔离以及提供灵活性以允许镜板120变形和/或倾斜。

如图6A和图6B所示，每个前连接器660可以在x维度上相对于关联的致动器630居中，并且每对后连接器662可以与关联的致动器630的x维度极值对齐。

任选地，整体块600在每个致动器630的后端632R中形成凹穴610P。每个凹穴610P构造成在关联的致动器630的朝后表面638S上容纳加热元件150。在每个致动器630中，屏障638B与表面638S协作以围绕凹穴610。屏障638B可以帮助防止加热元件150辐射加热底座140。

在整体块600的某些实施方案中，狭缝210通过线腐蚀形成，其中线平行于y轴。在xz平面中，那些不连接到整体块600周边的狭缝210的线腐蚀可能需要钻导孔以使线穿过顶表面202T和底表面202B之间的整体块。因此，整体块600可以在狭缝210的线腐蚀之后形成附加的空隙670，附加的空隙670是此类导孔的残余物。每个空隙670跨越顶表面202T和底表面202B之间。

整体块600还可在底座140中形成多个孔642中的一个以便于将底座140锚固到外部固定装置。

图7A和图7B显示了当固定到中央致动器630(2)的表面638S的加热元件150被加热到40℃而周围环境为20℃时整体块600的热有限元分析的结果。图7A是整体块600的温度图，根据键702以灰度指示。为了帮助引导读者，指示某些位置的近似温度。图7B是相应的位移图。如图7A所示的整体块600的形状和尺寸是按比例的。在此分析的整体块600的实施例的长度202L、宽度202W和高度202H分别为36.6mm、20mm和5mm。为了清晰起见，如图7B所示的位移被大大夸大了。在此分析中，中央致动器630(2)的前端632F的实际位移，当如图7A所示被加热时，略微超过6微米。

该分析展示了通过中央致动器630(2)的加热使前面122F变形为凸圆柱形。前面122F的凹圆柱形可以通过改为加热外部致动器630(1)和630(3)来实现。所有三个致动器630的均匀加热可用于在负z方向上平移前面122F。例如，可以通过加热致动器630(1)和630(2)而不是致动器630(3)来实现前面122F在xz平面中的倾斜，使得致动器630(2)比630(3)热且比630(1)冷。

某些场景可能需要更高阶的变形。例如，可能需要将镜面变形为S形。

图8A和图8B示出了一个四致动器整体块800。整体块800是整体块200的变型例，其进一步能够将前面122F变形为S形。图8A显示了处于均匀温度下的整体块800，而图8B显示了在被加热以获得S形前面122F时的整体块800。整体块800可以用上文参考图3-5所讨论的镜面324、镜涂层424或镜基板524来实施。

整体块800包括沿x轴分布的四个致动器130(1-4)。当致动器130(3)的温度超过致动器130(2)的温度足够的量时，前面122F变成S形，如图8B所示。可以设置致动器130(1)和130(4)的温度以实现前面122F的期望倾斜或低阶曲率。例如，如图8B所示，当致动器130(4)比致动器130(3)热并且致动器130(1)比致动器130(2)冷时实现整体倾斜。

整体块800实现沿z轴具有厚度824L的镜板820。为了能够实现前面122F的高阶变形，厚度824L可以小于1mm，例如大约0.5mm。每个致动器130通过单个前连接器860连接到镜板820，并通过至少一个后连接器862连接到底座140。为了在前面122F中产生相对紧密的S曲线，两个中央前连接器860(2)和860(3)的中心到中心间距864C小于两个中央致动器130(2)和130(3)的中心到中心间距834A。

整体块800的设计很容易扩展到包括四个以上的致动器130，例如为了实现甚至更高阶的镜面变形的目的。

图9是具有杠杆增强的外部致动的一个四致动器整体块900的俯视平面图。整体块900是整体块800的变型例，它(a)将致动器130(1-4)实施为致动器930(1-4)，(b)包括一对支架942，在x维度上支撑致动器阵列，(c)用杠杆辅助前连接器960(1)和960(4)替换前连接器860(1)和860(4)。

对于每个外部致动器930，相关联的前连接器960包括(i)连接到镜板820的后面122R的前支腿960F，(ii)连接到外部致动器930的前端的后支腿960R，(iii)连接到相邻支架942的前端的后支腿960T，和(iv)桥接在前支腿960F、后支腿960R和后支腿960T之间的桥接件960B。每个支架942相对刚性地连接到底座140，使得当外部致动器930被加热并因此在外部致动器930(4)处沿负z方向移动时，如箭头970所示，桥接件960B在xz平面中围绕用于外部前连接器960(4)的如箭头974所示的枢轴972枢转。每个前连接器960因此在前支腿960F与后面122R连接的位置处充当镜板820上的杠杆。

与整体块800相比，整体块900的杠杆辅助前连接器960增加了外部致动器930(1)和930(4)对镜板820的作用并将该作用转移到更靠中心的位置。外部致动器960(1)和960(4)的前支腿960F之间沿x轴的中心到中心距离964W小于中央致动器930(2)和930(3)沿x轴的总跨度934W。结果，每个前连接器960的x维度跨度与最近的中央致动器930(2)或930(3)的x维度跨度重叠。

图10是一个四致动器整体块1000的俯视平面图，其具有直接作用于镜板的局部取向的中央致动器。整体块1000还实现了上文针对整体块900讨论的杠杆增强的外部致动。整体块1000是整体块900的变型例，它(a)用中央致动器1030(2)和1030(3)替换中央致动器930(2)和930(3)，以及(b)用单个共享前连接器1065替换中央前连接器860(2)和860(3)。

前连接器1065包括(i)连接到镜板820的后面122R的前支腿1065F，(ii)连接到中央致动器1030(2)和1030(3)的前端的后支腿1065R(1)和1065R(2)，以及(iii)桥接在前支腿1065F与后支腿1065R(1)和1065R(2)之间的桥接件1065B。前支腿1065F具有沿x轴的宽度1069W。宽度1069W超过每个外部前连接器960(1)和960(2)的前支腿960F的宽度1064W，使得前支腿1065F及其与后面122R的接合处的挠曲刚度与前支腿960F及其与后面122R的接合处的挠曲刚度相比较高。结果，镜板820在xz平面中的局部取向被严格地绑定到桥接件1065B的取向。例如，当中央致动器1030(3)被加热以沿负z轴方向膨胀时，如箭头1070所示，桥接件1065B、前支腿1065和镜板820的相关局部部分如箭头1074所示枢转。后支腿1065R(1)和1065R(2)具有较低的挠曲刚度，因此可以在xz平面内挠曲以允许这种枢转。

与作用在镜板820的两个不同位置以改变镜板820在这两个不同位置之间的取向的整体块900的中央致动相比，整体块1000的前连接器1065直接作用于镜板820的局部取向。连接器1065的作用可以减少在整体块900中两点中央致动可能发生的镜板变形的不平滑度。此外，前连接器1065被设计为杠杆臂，并且由后连接器1065R(1)和1065(2)之间的x维度距离产生的杠杆作用可以增加中央致动的强度。

图11A和图11B分别以俯视平面图和透视图示出了具有杠杆增强的外部和中央致动的一个四致动器整体块1100。整体块1100是整体块1000的实施方案，具有致动器和底座之间的细长后连接器、外部致动器和镜板之间的前连接器的细长前支腿以及所有前连接器的细长后支腿。

整体块1100包括底座140、镜板1120、四个致动器1130和两个支架1142。整体块1100还包括四个后连接器1162，每个后连接器将相应的致动器1130连接到底座140。整体块1100还包括：中央前连接器1165，中央前连接器1165将中央致动器1130(2)和1130(3)连接到镜板1120的后面122B，以及两个外部前连接器1160，每个外部前连接器将外部连接器1130(1)或1130(4)及其相邻支架1142(1))或1142(2)连接到后面122B。底座140、镜板1120、致动器1130、支架1142、后连接器1162、中央前连接器1165和外部前连接器1160由横跨在整体块1100的顶表面1102T和底表面1102B之间的狭缝1110限定在整体块1100中，狭缝1110类似于整体块200的狭缝210。

中央前连接器1165包括前支腿1165F、后支腿1165R(1)和1165R(2)以及桥接件1165B(分别为整体块1000的前支腿1065F、后支腿1065R(1)和1065R(2)以及桥接件1065B的实施例)。每个外部前连接器1160包括前支腿1160F、后支腿1160R、后支腿1160T和桥接件1160B(分别为整体块900/1000前支腿960F、后支腿960R、后支腿960T和桥接件960B的实施例)。

每个前支腿1160F、后支腿1160R、后支腿1160T、后支腿1165R和后连接器1162可具有沿z轴的长度1164L和沿x轴的宽度1164W。长度1164L可以类似于整体块600的前连接器660和后连接器662的长度664L，并且宽度1164W可以类似于整体块200的前连接器260和后连接器262的宽度268W，以便提供致动器1130的热隔离以及能够在xz平面内挠曲以使镜板1120变形和/或倾斜。中央前连接器1165的前支腿1165F的宽度1169W可以是宽度1164W的至少大约两倍大，以将桥接件1165B与镜板1120基本上刚性地耦合。

任选地，整体块1100在每个致动器1130中形成凹穴1110P。每个凹穴1110P构造成在相关联的致动器1130的表面1138S上容纳加热元件150。凹穴1110P类似于整体块600的凹穴610P。整体块1100可进一步在底座140中形成多个孔642中的一个以便于将底座140锚固到外部固定装置。

狭缝1110在xz维度上具有宽度1114S并且正交于横穿路径。宽度1114S可类似于狭缝210的宽度214S。在实施方案中，狭缝1110通过线腐蚀而形成并且横向范围1114S在0.1到0.5毫米(mm)之间的范围内，例如在0.3到0.35mm之间的范围内。整体块1100具有长度1114L、宽度1114W和高度1114H，它们可以分别类似于整体块200/600上的长度204L、宽度204W和高度204H。整体块1100可以进一步形成空隙，这些空隙是用于开始不与整体块1100的周边连接的狭缝1100的线腐蚀的导孔的残余物。为了清楚起见，这些空隙未在图11A和图11B中示出。

图12A和图12B显示了当固定到中央致动器1130(2)的表面638S的加热元件150被加热到40℃时以及固定到外部致动器1130(1)的表面638S的加热元件150被加热到30℃而周围环境为20℃时整体块1100的热有限元分析的结果。图12A是整体块1100的温度图，根据键1202以灰度指示。为了帮助引导读者，指示某些位置的近似温度。图12B是相应的位移图。图12A中所示的整体块1100的形状和尺寸是按比例的。此处分析的整体块1100的实施例的长度1102L、宽度1102W和高度1102H分别为35.5mm、16mm和5mm。为清楚起见，图12B所示的位移被大大夸大了。在此分析中，中央致动器1130(2)前端的实际位移，当如图12A所示被加热时，约为7微米。

该分析展示了镜板1120的S形变形。镜板1120的其他类型的变形以及倾斜和平移可以通过致动器1130的其他温度来实现。

图13是用于制造热致动可变形镜装置的一种基于线腐蚀的方法1300的流程图。方法1300可用于制造整体块100、200、300、600、800、900、1000和1100的金属实施方案，以及装置180、480和580的相关实施方案。

方法1300包括步骤1330：对整体金属块中的狭缝进行线腐蚀以形成镜板、底座和可热膨胀致动器的1D阵列。步骤1330包括使用线进行金属丝腐蚀的步骤1332，其中线穿过其相对的顶表面和底表面之间的整体金属。在一个实施例中，步骤1330作用于长度204L、宽度204W和高度204H的实心金属块(类似于没有狭缝210的整体块200)。在该实施例中，狭缝210被穿过顶表面202T和底表面202B之间的金属块的线腐蚀，以形成整体块200。

方法1300的某些实施方案还包括在整体金属块的前面实施镜的步骤1340。在一个这样的实施方案中，步骤1340包括抛光和/或涂覆整体金属块的镜板的前面以形成镜的步骤1342，例如如上文参考图3A、图3B和图4所讨论的。在另一个这样的实施方案中，步骤1340包括将镜基板安装到整体金属块的前面的步骤1344，例如如上文参考图5所讨论的。

方法1300可以包括将加热元件固定到一个或多个致动器的步骤1350。在步骤1350的一个实施例中，加热元件150被固定到整体块100的每个致动器130。步骤1330可以包括线腐蚀每个加热元件中的凹穴，例如以形成整体块600的凹穴610P或形成整体块1100的凹穴1110P。在包括步骤1334和1350两者的方法1300的实施方案中，步骤1350可以将每个加热元件放置在相应的凹穴中。

在方法1300的实施方案中，为了形成在平行于顶表面和底表面的维度上不到达金属块的周边的狭缝，步骤1330包括从预钻导孔开始对此类狭缝进行线腐蚀的步骤1336。方法1330的这一实施方案还可以包括在步骤1330中执行线腐蚀之前形成这种导孔的步骤1320。在该实施方案的一个实施例中，整体块600的线腐蚀之前先钻导孔，最终产生空隙670，如上文参考图6A和图6B所讨论的。在方法1300的这个实施方案中，步骤1330可以在步骤1336中利用自进给线腐蚀机将线进给通过每个导孔。

方法1300还可包括步骤1310：首先形成立方体块，例如具有长度204L、宽度204W和高度204H，以在步骤1330中通过线腐蚀进行处理，并且任选地在步骤1320中预钻孔。

可以修改或扩展方法1300以形成与顶表面和底表面成斜角的狭缝。在这样的实施方式中，金属块被旋转以使得其顶表面和底表面不与线正交。事实上，通过在线腐蚀过程中旋转金属块，可以形成螺旋状旋转的狭缝。这些技术可用于形成更复杂的整体块结构，用于致动可变形镜。

以上通过优选实施方案和其他实施方案对本发明进行了描述。然而，本发明不限于这里描述和描绘的实施方案。相反，本发明仅受所附权利要求的限制。

Claims (24)

1.用于热致动可变形镜的装置，包括：

整体块，所述整体块包括：

镜板，所述镜板具有形成或构造成支撑镜的前面，

底座，以及

可热膨胀致动器的一维阵列，所述可热膨胀致动器的一维阵列将所述镜板的后面与所述底座机械地连接，使得所述前面的形状、倾斜度和位置中的至少一个取决于所述可热膨胀致动器的温度；

其中，所述镜板、底座和所述可热膨胀致动器由横跨在所述整体块的相对朝向的顶表面和底表面之间的狭缝限定。

2.根据权利要求1所述的装置，还包括一个或多个加热元件，每个加热元件固定到相应的可热膨胀致动器。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的装置，其中，由所述狭缝限定的所述整体块的所有表面都正交于所述顶表面和底表面。

4.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述整体块由金属制成。

5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述金属的热导率小于30W/(m·K)。

6.根据权利要求4所述的装置，其中，所述金属的热导率大于100W/(m·K)。

7.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述可热膨胀致动器的一维阵列沿所述整体块的宽度分布，所述整体块具有从所述底表面到所述顶表面的高度，并且所述宽度为所述高度的至少三倍。

8.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述镜板的前面被抛光以形成所述镜。

9.根据前述权利要求中任一项所述的装置，还包括在所述前面上的一个或多个涂层，所述涂层形成所述镜。

10.根据前述权利要求中任一项所述的装置，还包括所述镜，其中所述镜包括安装在所述镜板的前面上的基板。

11.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，每个可热膨胀致动器具有最靠近所述镜板的前端和最靠近所述底座的后端，并且所述装置还包括如由所述狭缝限定的以下部件：

多个前连接器，所述多个前连接器将所述镜板的后面与所述可热膨胀致动器的前端机械地连接，以及

多个后连接器，所述多个后连接器将所述底座与所述可热膨胀致动器的后端机械地连接。

12.根据权利要求11所述的装置，其中

每个所述前连接器的特征在于所述镜板和与所述前连接器直接机械连接的每个前端之间的热流的热阻抗，

每个所述后连接器的特征在于对所述底座和与所述后连接器直接机械连接的每个后端之间的热流的热阻抗，并且

所述前连接器的热阻抗和所述后连接器的热阻抗超过每个可热膨胀致动器对在其前端和后端之间的热流的热阻抗。

13.根据权利要求11或权利要求12所述的装置，其中

所述整体块具有在所述镜板的前面和所述底座的后面之间的长度以及在所述顶表面和底表面之间的高度，

所述可热膨胀致动器的一维阵列沿所述整体块的宽度分布，所述长度、所述高度和所述宽度相互正交，并且

所述前连接器和所述后连接器在平行于由所述宽度和所述长度限定的平面的方向上比在沿所述高度的方向上具有较低的挠曲刚度。

14.根据权利要求11至13中任一项所述的装置，其中，所述镜板经由所述前连接器中的单个相应的前连接器与每个可热膨胀致动器机械地连接。

15.根据权利要求14所述的装置，其中，所述整体块具有在所述镜板的前面和所述底座的后面之间的长度，并且每个前连接器从对应的可热膨胀致动器的朝前表面沿所述整体块的长度延伸到所述镜板的后面。

16.根据权利要求15所述的装置，其中

所述整体块具有在所述顶表面和底表面之间的高度，

所述可热膨胀致动器的一维阵列沿所述整体块的宽度分布，所述长度、所述高度和所述宽度相互正交，并且

每个前连接器沿所述宽度的范围小于所述对应的可热膨胀致动器沿所述宽度的范围的十分之一。

17.根据权利要求11至16中任一项所述的装置，包括沿着所述整体块的宽度分布的四个可热膨胀致动器。

18.根据权利要求17所述的装置，其中

所述整体块具有在所述镜板的前面和所述底座的后面之间的长度，

所述四个可热膨胀致动器包括两个外部致动器以及两个位于所述两个外部致动器之间的中央致动器，并且

所述前连接器包括单个中央前连接器，所述单个中央前连接器将所述镜板与所述两个中央致动器中的每一个的所述前端机械地连接，使得所述两个中央致动器的温度控制在由宽度和长度定义的平面中所述镜板上的所述单个中央前连接器所利用的扭矩。

19.根据权利要求18所述的装置，其中，所述单个中央前连接器包括：

前支腿，所述前支腿在朝向所述底座的方向上沿所述长度从所述镜板延伸，

两个后支腿，所述两个后支腿分别在朝向所述镜板的方向上沿所述长度从所述两个中央致动器的前端延伸，以及

桥接件，所述桥接件沿所述宽度延伸并将所述两个后支腿与所述前支腿桥接。

20.根据权利要求19所述的装置，其中，所述后支腿在平行于由所述宽度和所述长度限定的平面的方向上具有比所述前支腿、所述桥接件、所述前支腿与所述桥接件之间的接合处以及所述前支腿和所述镜板之间的接合处中的每一个低的挠曲刚度。

21.根据权利要求18所述的装置，其中

所述整体块还包括一对支架，所述一对支架在朝向所述镜板的方向上沿所述长度从所述底座延伸，并在沿所述宽度的维度上支撑所述四个可热膨胀致动器，并且

所述前连接器还包括两个外部前连接器，每个外部前连接器在连接点处将所述外部致动器中的相应一个外部致动器和所述支架中的相邻的一个支架与所述镜板机械地连接，该连接点在沿所述宽度的维度上比所述外部致动器更居中。

22.根据权利要求21所述的装置，其中

每个中央前连接器包括中央连接器支腿，该中央连接器支腿在朝向所述底座的方向上沿所述长度从所述镜板延伸，

每个外部前连接器包括外部连接器支腿，该外部连接器支腿在朝向所述底座的方向上沿所述长度从所述镜板延伸，并且

所述中央连接器支腿及其与所述镜板的接合处的挠曲刚度大于每个外部连接器支腿及其与所述镜板的接合处的挠曲刚度。

23.根据权利要求21所述的装置，其中每个外部前连接器包括：

前支腿，所述前支腿在朝向所述底座的方向上沿所述长度从所述连接点延伸，

第一后支腿，所述第一后支腿在朝向所述镜板的方向上沿所述长度从所述外部致动器中的相应一个外部致动器的前端延伸，

第二后支腿，所述第二后支腿在朝向所述镜板的方向上沿所述长度与所述外部致动器中的相应一个外部致动器相邻地从所述支架的前端延伸，以及

桥接件，所述桥接件沿所述宽度延伸并将所述第一后支腿和第二后支腿与所述前支腿桥接。

24.根据权利要求23所述的装置，其中，所述桥接件在平行于由所述宽度和所述长度限定的所述平面的方向上具有比所述前支腿、所述第一后支腿和所述第二后支腿中的每一个高的挠曲刚度。