CN1280652C - 可变形曲面镜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能通过向反射镜背面上的电极段施加电压而控制变形的可变形曲面镜。用夹在中间的至少一导电层(34，36)将两个电约束材料板(30和32)，如PZT或PMN连接在一起。一个板具有一外导电层(42)和一处于该导电层上的镜面(48)。该导电层电接地。另一板在外表面上具有多个电极段(40-N)的图案，每个电极段具有一单独接线端(44-N)，用于向其施加可变电压，单独通过每个所述电极段和通过至少另一板传输可变电流，导致该板发生可变膨胀，从而有选择地使该板变形，从而使该可变形曲面镜变形。

Description

可变形曲面镜

技术领域

本发明涉及一种可变形曲面镜，能通过将电压施加给该反射镜而控制变形，具体涉及一种用于自适应光学系统的反射镜，自适应光学系统具有一波前探测器，用于控制曲面镜的变形。

背景技术

有多种自适应光学方法和装置，包括一用于探测光波波前中的象差，并校正或补偿这些象差的波前探测器，象差如影响通过望远镜观察恒星和行星的大气象差。现有探测和测量波前的方法和装置包括几种干涉测量技术，Shack-Hartmann波前探测技术以及包含通过光学系统投影光学图像的多种其它系统。这些现有技术和系统一般复杂而昂贵，并且具有多种固有缺陷。除了现有技术波前探测器的缺陷以外，对于自适应光学系统而言受这些探测器控制的可变形反射镜也包括若干缺陷。例如，堆叠激励反射镜包括大量安装在活动反射镜背面的推杆，并且通常用Shack-Hartmann波前探测器控制每个推杆的伸缩。Shack-Hartmann波前探测器测量波前的局部倾斜度，并用波前重建器拟合这些倾斜度，产生匹配所有倾斜度的连续表面。这类拟合无视激励器中的滞后作用，从而在反射镜表面上产生华夫饼干图案。推杆倾向于在每对相邻推杆之间的镜面上产生近似为一条直线的变形，从而在使用少量激励器时产生较大拟合误差。此外，物理上限制了推杆数量，从而限制了推杆的紧密度，以及其运动距离，从而限制了堆叠激励器型反射镜所能施加的光学校正精度和程度。由于所有激励器具有相同的运动，并固定到刚性参考表面，对于所有模式而言反射镜具有相同动作，即低级聚焦与所有其他激励器打开和关闭产生的最高阶模式具有相同动作。为了校正大气中产生的象差，不必需要最高阶模式的动作范围，从而对小误差而言校正有可能不精确。

另外，某些其他波前探测和可变形反射镜技术和装置不直接应用于所有类型用来校正波前，从而校正图像的自适应光学系统。

发明内容

概括而言，本发明的一个目的在于提供一种新型可变形曲面镜，能通过有选择地施加电压而受控变形，产生宽范围精确曲率用于校正自适应光学系统中的光波前。本发明的另一目的在于提供一种可变形曲面镜，包括处于反射镜背侧、具有一定尺寸，形状和排列的电极段图案，通过有选择地向各电极段施加可变电压产生反射镜特定应用所需的反射镜变形。本发明的又一目的在于提供一种可变形曲面镜的独特构造，包括两个粘接在一起形成双晶片和单晶片结构的电约束或磁约束材料板。一般用粘合剂将两个相同的PZT型板粘合在一起，然后在一个表面上设置反射镜表面，将电极段图案放置在之间或者放置在背面上，从而将可变电压施加给各电极，使电荷在导电层上积累，从而产生电场，导致电极段所限定的各个区域中电约束板受控伸长或收缩。在电极图案设置在后板上的情形中，前板充当限制元件，随着后板的伸缩而产生局部弯曲动作，从而导致该部分反射镜弯曲。本发明再一目的在于提供一种可变形曲面镜，具有一组用来控制光瞳边缘处波前倾斜度的电极段，和另一组用来控制光瞳内部波前弯曲的电极段。

本发明提供了一种能通过施加电压控制变形的可变形曲面镜，包括：第一和第二平行电约束材料板，所述板具有通过导电层连接在一起的平行相邻内表面，该导电层夹在所述相邻内表面之间，所述导电层具有用于电接地的接线端；所述第一和第二板均具有沿相同方向取向的极性；所述第一板具有一平行于其所述内表面的外表面，在所述外表面上具有一外导电层，并且在所述外导电层上具有一镜面，其中，所述外导电层用于电接地；以及所述第二板具有一平行于其所述内表面的外表面，在所述第二板外表面上具有电极段图案，每个所述段具有单独的接线端，用于向其施加可变电压，有选择地使该曲面镜变形。

本发明还提供了一种能通过施加电压而控制变形的可变形曲面镜，包括：第一和第二平行电约束材料板，所述板具有平行相邻内表面，通过夹在所述相邻内表面之间的至少一导电层彼此连接；所述第一和第二板均具有垂直于所述相邻内表面的极性，各极性沿相同方向取向；所述第一板具有一平行于其所述内表面的外表面，在所述外表面上具有一外导电层，并且在所述外导电层上具有一镜面；所述外导电层具有用于施加一个极性电压的接线端；所述第二板具有一平行于其所述内表面的外表面；以及处于所述第二板外表面上的多个导电电极段图案，每个所述导电电极段具有一单独的接线端，用于向其施加另一极性的可变电压，通过每个所述电极段和通过至少所述第二板单独传输可变电流，用于有选择地使所述第二板变形，继而使该曲面镜变形。

本发明还提供了一种能通过向其施加电压而控制变形的可变形曲面镜，包括：第一和第二具有平行相邻内表面的平行压电材料板，处于每个内表面上的一导电层，以及将所述导电层与所述相邻内表面连接在一起的导电粘合剂层；所述第一与第二板均具有垂直于所述相邻表面的极性，沿相同方向取向各极性；所述第一板具有一平行于其所述内表面的外表面，和一处于所述外表面上与所述内表面相对一侧的一外导电层，以及在所述外导电层上构成镜面的一层；每个所述导电层具有用于电接地的接线端；所述第二板具有一平行于其所述内表面，并处于与所述内表面相对一侧上的外表面；以及在所述第二板外表面上的多个导电层电极段图案，每个所述导电层电极段具有一单独的接线端，用于单独向其施加可变电压，单独通过每个所述电极段将可变电场传送给所述第二板，用于有选择地使所述第二板变形，从而使该曲面镜变形。

附图说明

根据结合附图对最佳实施例的详细描述，本领域技术人员显然可以想到本发明的其他和更详细的目的和优点，其中：

图1为具有包含本发明可变形曲面镜的自适应光学系统的典型光学系统，即望远镜的示意图；

图2为沿图1中线2-2作出的可变形曲面镜的放大、局部剖面图；

图3-6为本发明可变形曲面镜背面的正视图，表示四种不同电极段图案；以及

图7A-7E为表示包含本发明可变形曲面镜各实施例的不同材料层的示意图。

具体实施方式

现在参照图1，用包含本发明可变形曲面镜14、表示成12的自适应光学系统说明简单形式光学系统，如望远镜10。任何光源L，如使用望远镜10观察恒星和行星时示出的星星，发出的光线R通过透镜18进入望远镜10，透镜18将光线聚焦到物体像平面OIP上，光源L(例如此处为星星)的图像处于焦点上，但未经校正。望远镜10还可以为可从地面数据发射站L接收光波的类型和构造，如处于用于从一个建筑物到另一建筑物，从一个发射塔到另一发射塔，从一座山到另一座山或者从地面到空间发射数据的系统中。

然后光线R穿过准直透镜20，到达本发明的可变形反射镜14。因此在图1中，从遥远星星或其他远处光源L到达望远镜10的光线R未失真，理论上能产生该光源的衍射受限图像。不过，如天文学家所知，地球大气在光线R到达望远镜10之前在光线中产生象差，该象差随大气条件变化，并且在任意时间周期上迅速变化，即使将望远镜设置在较高海拔处也是如此。同样，如果使用望远镜10观察地面上一定距离处的东西，或者用于从地面上一定距离处的站点接收用于数据传输的光波，地球大气将在光线R中产生象差，从而形成不能产生衍射受限图像，并且在到达望远镜10时不断变化的波前。使用各种波前探测器探测大气象差导致的波前变化，从而用自适应光学系统补偿或校正这些象差，如使用受波前探测器控制的可变形反射镜。非常适于与本发明可变形曲面镜14一起使用的一类波前探测器为一种使用一对散焦光瞳图像的波前曲率探测器，如本发明人于2000年5月26日申请的共同悬而未决的美国专利申请No.09/579,786中所述，该申请在此引作参考。

光线R从可变形反射镜14的表面反射到透镜22，透镜22再次将图像聚焦在图像探测器D的平面上。透镜18，准直透镜20，可变形反射镜14，透镜22和图像探测器D均设置并对准在系统光轴O上。图像探测器D可以为适合于该系统特定用途的任何适当类型，如摄像机中的传统探测器，定制规格的电荷耦合装置(CCD)，PIN二极管阵列，光纤阵列，光子计数探测器等。探测器D形成与聚焦在探测器D上的图像光强有关的图像和/或数据，并在适合于该系统应用的适当装置24上显示和/或记录这些图像和/或数据。当不激励可变形反射镜14，并与波前探测器工作于闭环中时，显示在图像探测器D上的图像将是由望远镜10接收的未经校正的图像。当可变形反射镜14按照下述方式适当变形，以补偿象差时，探测器D处的图像将是衍射受限的，即经过校正的图像。同样，如果该系统用于通过光波进行数据传输，则在可变形反射镜14适当变形以校正传输到图1中所示系统的光线R中的象差时，探测器D将接收并检测经过校正的光线。另外，当使用该系统通过光线传输数据时，可使用可变形反射镜14检测并校正波前，并可使用相同反射镜形状预先校正设置在与图像探测器D同一位置处的数据光发射器。

部分反射镜或分束器26设置在透镜22与探测器D之间的光轴O上，用于将一部分光线R反射到波前探测器S，波前探测器S如上述本发明人共同悬而未决的专利申请中所公开的波前探测器。在采用本发明可变形反射镜14的系统的最佳实施例中，波前探测器S检测两个散焦光瞳图像(或者对于波前探测器S中所用的某些探测器而言，检测形状和光强)，与中央处理装置CPU通信，用数据压缩软件进行处理，得出波前曲率并提供适于可变形反射镜14操作的数据。具体来说，正如本领域中众所周知，根据与焦外象形状有关的狄拉克边界条件下的强度求解泊松方程，得出或重新获得波前。可以采用迭代数据约减算法或其他非线性拟合技术，补偿开环系统测量的非线性性。然后CPU通过大量分离导线W-1，W-2，W-3到W-N，向可变形反射镜14背面同样多的导电电极段(如下所述)提供多个单独、受控高压电势。可变形反射镜14固定安装在适当设置的支架M中，反射光轴O并将来自准直透镜20的光线R反射到探测器D。正如从下面可变形反射镜14最佳实施例的详细描述更加清楚地看出，使用经由导线W-1到W-N中一根或多根施加给可变形反射镜14选定电极段的高压，可改变反射镜的总斜度，即光轴O的反射角，并且可通过也是经由导线W-1到W-N施加的受控高压改变可变形反射镜14的表面曲率，来校正像差。

现在参照图2，表示出沿图1中线2-2作出的可变形曲面镜14一部分的局部放大剖面图，为了易于说明增大了层叠结构某些层的厚度。可变形反射镜14的基本物理结构包括两个任意电约束材料盘或板30和32，根据材料上施加的电势这种材料表现出受控膨胀和收缩，并且具有足够大的结构强度和刚性以保持给定形状，不可变形。最佳材料为陶瓷PZT，是一种由Pb，Zn，Ti和O组成的压电材料，不过也可以为称作PMN、由Pb，Mg，Nb和O组成的磁限制材料。电约束材料板30和32分别抛光成光学平坦表面和均匀厚度，厚度取决于可变形反射镜14的尺寸，不过通常足够薄，以与电压引起膨胀和收缩造成的挠曲相适应。例如，在直径大约50mm的可变形反射镜14中，每个PZT板30和32厚度最好小于两毫米，且大于0.1mm。同样，对于直径大约150mm的较大反射镜14，每个板30和32的厚度最好在大约2.0mm到8.0mm之间。将金或其他高导电材料层34(为了简单起见，下面称为金层)涂覆到板30下表面上，将金层36涂覆到板32的上表面上，然后将两个板30和32层叠在一起并通过导电粘合剂38粘接。PZT板在垂直于可变形反射镜14的方向具有极性，当在板上沿一个方向施加电压时引起PZT膨胀，当在板上沿相反方向施加电压时引起收缩。在用导电粘合剂38将两个板30和32粘接之前，对准这两个板的相应极性，即当如图2所示由顶部具有正电势底部具有负电势的所施加电压产生电场时，各个板30和32在垂直于反射镜14方向表现出物理收缩。因此，正如从下面更清楚地看出，对于横垮最初静止的下部PZT板32的任意电场强度，两个板30和32的膨胀和收缩方向相同而非趋于彼此相反。

在用粘合层38将两个板30和32粘接在一起之后，将电镀掩模(未示出)涂覆到外表面30a上，产生预定图案，如下面所述，然后将金层40和42分别涂覆到板30和32的外表面30a和32a上。去除表面30a上的掩模和覆盖掩模的金，留下金电极图案40-1，40-2到40-N，在图2的放大局部视图中仅表示出其中三个。

通过任何适当方法，如环氧复制，将镜面层48涂覆到板32的外表面32a上，其中首先单独形成镜面层48，然后再粘接到表面32a上。通过环氧复制方法形成镜面层42包括将脱模材料涂覆到平坦表面上，涂覆一层反射材料如银或金，然后在通过适当粘合剂如环氧树脂将镜面层48粘接到板32外表面32a上的金层42之前涂覆一层环氧树脂，并在升温时固化该组件。作为单独镜面层48的一种可供选择的方式，可以将金(或其他金属)层42的外表面抛光成镜面状态，适合于可变形反射镜14的某些用途。

通过任何适当方法，如焊接，将接线端44-1，44-2到44-N固定到电极段40-1到40-N。然后在金层40(由电极段40-1到40-N组成)上涂覆一绝缘层46，并且绝缘层填充由掩模材料形成的电极段之间的间隙。

当将可变形反射镜14安装到自适应光学系统，如图1中所示系统中时，导线W-1到W-N分别与接线端44-1到44-N相连。接线端和导线还通过适当方法与中间金层34，36和外部金层42相连，如在可变形反射镜14边缘处或者靠近边缘处通过可变形反射镜14钻孔，并安装一个或多个接线端和导线。如前面所述，可以看出在一个最佳实施例中，金层34，36，42均接地，并将正电压施加给导线W-1到W-N中的一根或多根，并且对于施加有电势的每个电极段40-1到40-N，电约束板30与金层34上将出现电场，一些电荷可以通过导电粘合层38流动到金层36，在板32与接地金层42上形成电场。该电场将引起板30横向膨胀，使板32以较小程度膨胀。每个电极段40-1到40-N下的膨胀幅度取决于施加给该电极段的电压幅值，由于板30和32材料的电约束性，这种膨胀引起反射镜14以受控方式变形。

通过进一步解释反射镜14的基本操作原理，随着后板30固定有电极段40-1到40-N的区域膨胀和收缩，由于施加给这些电极段的电压产生电场，前(镜状)板32没有相应地膨胀或收缩，从而将弯曲动作引入反射镜14中。在反射镜14这种基本实施方式中，前板32的两个表面上具有电连接金层，从而前板32与后板30以相同方式进行机械动作，如相对热膨胀和收缩，因为由接地控制热膨胀系数。温度改变导致膨胀和收缩所致PZT中的电荷积累，将能量存储在PZT中，对镜面48的曲率控制造成不利影响。

现在参照图3-6，图3-6为从后面观看的平面图，表示出可变形反射镜14上的四种典型电极40图案，为了清楚起见省略接线端44-1，44-N。并且，为了便于说明和比较电极图案，分别将图3，4，5和6的各可变形反射镜14a，14b，14c和14d表示成圆形，并具有相同尺寸，不过本领域技术人员显然可以想到，可变形反射镜14可以具有用于非圆形自适应光学系统如激光器的非圆形形状，并且可以为不同尺寸，如四种不同尺寸的望远镜。如上所述，通过在涂覆金层40之前，将掩模放置在外表面30a上，在板30外表面30a上形成电极段40-1，40-N的图案。每个可变形反射镜14a-14d的掩模包括一圆周部分，产生板30暴露表面的圆环30b，以及板32的外表面32a，用于将可变形反射镜14安装在支座M中(参见图1)。在表面上30a上如同轮幅那样径向延伸掩模材料细条，在诸如图3-6中所示外环50和内环52以及图6中所示中央环54的圆环中形成的相邻电极段40-1，40-N之间形成间隙30c。在图3，4和5的实施例中，在外环50中有六个电极段，并且六个电极段构成内环52，而在图6的电极图案中，在外环50中有18个电极段44，在内环52中有12个电极段，在中央环54中有6个电极段，不过针对特定应用，可以采用任何数量的电极段和分隔环。

在图3-6所示的每种电极图案中，在电极段的外环50与内环52之间形成环形空间，并且该环形空间中的圆形虚线C表示该光学系统接收的图像的外直径，如望远镜10所接收的光瞳图像的外直径。同样，图3-6中每个反射镜14中心处的虚线C’表示反射天文望远镜光瞳图像的内直径，在圆C’内部没有图像。换句话说，虽然反射镜层48可覆盖与具有图3-6中所示电极图案的表面部分相对的可变形反射镜14的整个表面部分，不过来自天文望远镜的图像仅被外直径C与内直径C’之间的反射镜部分反射。在非反射型望远镜或其他光学系统中，图像将覆盖外环C内的整个面积，没有处于圆C’内的内部空白空间。

在图3-6中所示本发明电极图案的典型实施例中，电极的外环50通过有选择地将电压施加给外环50中各电极段40-1，40-N，而控制反射镜的倾斜，从而在结构极限内，针对与自适应光学系统有关的任何所需用途，将整个反射镜的斜度倾斜或改变成任何所需方向或所需量。电极段的内环52，以及图6中电极段的中央环54，通过将适当电压施加给每个电极段而控制镜面曲率。电极段之间的间隙30c大到足以使相邻段彼此绝缘，不过足够小使得当将不同电压施加给相邻电极段40-1，40-N时，通过板30到达接地层34，36和42的电场在电极段上迁移和重叠，在反射镜层48的表面上形成平滑过渡。通过这种结构，可使可变形反射镜14中心偏移总共大约100微米(0.1mm)，这部分是由于外环50可以引起一部分偏转，内环52和中央环54可以实现除此之外的附加偏转，与使用推杆、即使在反射镜中心处也与参考基板仅具有一般为8微米(0.008mm)的有限偏移的Shack-Hartmann系统不同。图3表示具有上述功能和优点的基本电极段图案，图4-6表示某些变型。

具体参照图4，作为图3所示实施例的一种变型，在电极段外环50与内环52之间的环形空间中形成一金层中间环56。中间环56电接地，防止板30的膨胀/收缩和运动引起的静电电荷在板30表面30a的该部分上积累，或者相反，静电电荷积累可引起板30不想要的膨胀/收缩和运动。可以与金层40同时用适当形状的同一掩模涂覆中间环56，或者可在后续电镀步骤中进行涂覆。

具体参照图5，为了实现与图4中所示中间环56相同的目的，在电极段的外环50与内环52之间的环形空间中在板30的表面30a上形成中间环56’。由分隔开的沿圆周方向延伸此处表示为6段的段58构成环56’，在涂敷金层40过程中用同一掩模在段58之间形成间隙，通过使掩模具有连接部分而简化了掩模的结构。在电镀步骤以及去除掩模形成段58之后，在段58之间设置导电材料连接体60，将它们连接成接地导电环56’。图6中也表示出中间环56”，为了实现相同目的，中间环56”可以为图4或图5中所示的类型。

具体参照图6，电极段的中央环54对反射镜层48的曲率进行附加控制，即使这些电极段的一部分从代表图像内缘的虚线圆C’向内径向延伸时也是如此。当然，在非反射型望远镜或其他使用自适应光学的系统中，这些中央环54的段对于控制反射镜层48该部分的曲率而言很重要，这是因为将从该部分反射图像。

现在参照图7A-7E，示意出可变形反射镜14不同层和不同电极图案，以及与之电连接的多个实施例。具体来说，每幅图顶部表示出作为可变形反射镜14一个外表面的电极图案层40(省略涂覆在电极层40上的接线端44-1，44-N和绝缘层46)，每幅图底部表示出作为可变形反射镜14另一面的镜面层48，以图2所示顺序从顶部到底部表示出中间层。换句话说，紧靠电极层40下面为电约束板30，然后为金层34，然后为粘合层38，然后为金层36，然后为电约束板32，然后为金层42，最后为反射镜层48。在表面上用阴影线表示某些层，与其它层进行区别，不过阴影线不表示通过这些层的剖视图。并且，图7A-7D中的电极图案层40仅示意性的表示出实施方式的差别，不必表示商业上使用的电极图案。另外，为了简单、清楚，省略了安装圆周部分30b。图7A-7E还表示出各导电层，即电极段层40与可变形反射镜14的金层34，36和42的电连接，文字“HV”表示施加于整层或每个单独电极段的可变高电压，不过为了简化说明，仅用一条线表示出对于所有这些段如图7A中的电极段层40的电连接。另外，用如图7A左下部处所示的接地符号，或文字“GND”表示电系统的接地一侧。

具体参照图7A，也是参照图2表示和描述的典型实施例，如图7A左侧所示，金层34，36和42均电接地。电极层40的多个电极段40-1到40-N分别连接可控高电压源HV，用于有选择地将所需电压施加给每一段40-1，40-N，使反射镜变形。在电约束板30与接地金层34上施加电场。虽然可使单个金层34接地并且足以传导电极层40输送的所有电荷，不过最好另外使金层36和42电接地，消除在本实施例中可能以非受控方式影响第二板32的杂散电荷或静电电荷。

参照图7B，表示出引起反射镜14受控变形的一种不同的电极段设置，其中在金层34(而非在金层40中)中形成电极段34-1到34-N的外环，与参照图3-6所述的电极段的外环50相同，并且层40中的金环62在板30相对一面上接地，从而通过将可变高电压施加给段34-1到34-N，在电约束板30与接地环62上施加电场，至少可以部分地控制反射镜14的斜度。同样，第二中间金层36具有分别匹配并重叠在电极段34-1到34-N上的外环电极段36-1到36-N，导电粘合层处于其间，并且在另一电约束板32底面上设置一外部金环64，作为金层42的一部分，该环64接地，从而通过板32在层36的电极段36-1，36-N与接地环64之间施加电场。层40在包括如图3-5中所示内环52的中央部分中具有电极段，或者同时具有内环52电极段与图6中所示的中央环54电极段，供给可变高压，用来控制对图像进行反射的可变形反射镜14中央部分的曲率。金层34和36具有与层40内环和中央环电极段相对设置的中央圆或圆盘66和68，能通过电约束第一板30从这些段施加电场，控制反射镜的曲率。底部金层42也具有与圆盘66和68相对的中央圆盘70，根据与图7A实施例中对层42所描述的相同目的，圆盘70可以接地。或者，圆盘70可以连接高电压源，在电约束第二板32与接地圆盘66，68上施加电压，使可变形反射镜发生大而均匀的偏转，作为除中央电极段40-1到40-N引起的各曲率变形以外的一种额外聚焦动作。可以将反射镜层48限定为与圆盘70的尺寸相近或小于圆盘70尺寸的中央部分，使环64与圆盘70之间电击穿的几率最小。与图7A的结构相比，图7B的结构能两次启动边缘激励器。当向边缘激励器段34-1到34-N以及36-1到36-N其中一个或多个施加电压时，两个板30和32均作出响应，其中一个板膨胀，另一板的相应(重叠)区域收缩，使弯曲运动加倍。各电极段34-1到34-N可以通过填充有导电环氧树脂的孔与相应段36-1到36-N电连接。

参照图7C的实施例，金层40在与可变高压源相连的内环和/或中央环部分中也具有电极段40-1到40-N，用于如图7B的实施例那样在可变形反射镜14中产生曲率改变。如图7A的实施例，中间或中心金层34和36接地。底部金层42具有外环段42-1到42-N，与图3-6中所示实施例的外环50相同，可向这些段施加可变高电压，控制可变形反射镜14的斜度。上部金层40也具有分别与段42-1到42-N相对设置的外环段40-1到40-N。此外，底部金层42具有一中央圆盘70，该圆盘可以接地或与第二高电压源相连，与图7B实施例的圆盘70相同，用于形成可变形反射镜14大且均匀的偏转，用于额外聚焦动作。同样，可以将反射镜层48限于圆盘70的中央区域，避免如上所述的击穿。图7C的这种结构与图7B的结构一样，实现了边缘激励器动作的加倍，不过边缘电极段的电连接更加容易。

参照图7D，表示出电极段和接地层结构的另一实施例，其中上部金层40和中央金层34与36可与图7A的实施例基本相同，其中由设置在金层40外环、内环和中央环电极段40-1到40-N中的电极段同时控制反射镜14的斜度和曲率，并且层34和36接地。此外，底部金层42可以与第二高电压源相连(而非如图7A那样接地)，用于在第二电约束板32与接地层34和36上提供电场，引起可变形反射镜14大且均匀的偏转，用于额外聚焦动作，与图7B和7C实施例中将第二高电压施加给圆盘70时中央圆盘70的作用相同。

参照图7E，示意出与前面所述本发明可变形反射镜具有不同用途的可变形反射镜14的另一实施例。上部金层72为单个圆或圆盘，而非与上述实施例的上部金层40那样具有多个电极段40-1到40-N。图7E的实施例从上层72向下依次包括电约束板30，金层34，导电粘合层38，金层36，电约束板32，底部金层42和反射镜层48，可以通过与参照图2所述相同的方式构成。图7E的可变形反射镜14e具有两个与可变高电压源相连的中央金层34和36，以及接地的上部金层72和下部金层42，如图所示。通过在层34，36上施加电势，分别通过板30和32到达接地层72，42，整个可变形反射镜14a将发生变形，在反射镜层48上形成凹面，从而可使用可变形反射镜14a改变从反射镜层48反射的图像的焦距。在本实施例中，使电约束板30，32的极性相反而非相同，因为使通过它们的电场反向，从而增大变形量。这类可变形反射镜共轭调节光学系统时尤为有用，与自适应光学系统中的波前校正不同，可与波前探测器一起用于共轭调节使用光波的数据传输系统。在图7E的实施例中，可以使所施加的电势极性反向，即中央金层34，36可以接地，而外部金层72，42可用于施加可变高电压，改变可变形反射镜14a的焦距。

参照图1，可以看出在图1的光学系统或者任何其他使用本发明可变形反射镜14校正光波前的自适应光学系统的光学系统中，可以使用参照图2-6和7A-7D详细描述的可变形反射镜14和其多种变型。随着光线R被可变形反射镜14反射并且被波前探测器S接收，通过CPU将适当高电压HV施加给各电极段40-1到40-N(或在不同实施例中为34-1到34-N，或者36-1到36-N，或者42-1到42-N)，连续和瞬时改变反射镜14反射镜层48的斜度和曲率，直至波前探测器检测到可变形反射镜14以连续反馈方式校正的平坦波前，从而在探测器D处观察到衍射受限图像。当波前发生改变时，波前探测器S检测到这种改变，改变可变形反射镜14的曲率和/或斜度以校正这种波前改变，保证连续校正到达探测器D的波前。最初，可通过引入受控光源校准使用可变形反射镜14、具有自适应光学结构的图1的光学系统或任何类似光学系统，从而波前探测器S可以检测可变形反射镜14的反射镜层48是否形成衍射受限图像，并且如果没有形成衍射受限图像，诸如由于制造缺陷等原因，则波前探测器S和CPU可以将适当高电压施加给可变形反射镜的电极段，用来将该反射镜校正到光学校准状态。之后，随着光学系统的使用，以及由于大气中的象差等原因入射光线R的波前较少地受到衍射限制，从波前探测器S和CPU将附加或不同的高电压通过导线W-1到W-N施加给反射镜的电极段，从而施加到可变形反射镜14上，用来校正波前。

虽然结合特定光学系统即图1中所示的望远镜描述了本发明的可变形反射镜，不过本领域技术人员显然可以想到，可变形反射镜可以用于可使用自适应光学系统校正波前的任何光学系统中，并且除了此处所公开的以外，在不偏离下面要求保护的本发明的条件下，可以对可变形反射镜的详细结构以及电极段图案的构造进行多种改变和变型。

Claims (28)

1.一种能通过施加电压控制变形的可变形曲面镜，包括：

第一和第二平行电约束材料板，所述板具有通过导电层连接在一起的平行相邻内表面，该导电层夹在所述相邻内表面之间，所述导电层具有用于电接地的接线端；

所述第一和第二板均具有沿相同方向取向的极性；

所述第一板具有一平行于其所述内表面的外表面，在所述外表面上具有一外导电层，并且在所述外导电层上具有一镜面，其中，所述外导电层用于电接地；以及

所述第二板具有一平行于其所述内表面的外表面，在所述第二板外表面上具有电极段图案，每个所述段具有单独的接线端，用于向其施加可变电压，有选择地使该曲面镜变形。

2.根据权利要求1所述的可变形曲面镜，其中所述电极段图案包括一电极段子图案，导致反射镜变形，用于控制该镜面的倾斜度。

3.根据权利要求1或2所述的可变形曲面镜，其中所述电极段图案包括一电极段子图案，使反射镜变形，用于控制该镜面的曲率。

4.根据权利要求1所述的可变形曲面镜，其中所述反射镜为圆形，并且所述电极段图案包括一可引起反射镜变形、控制该镜面的倾斜度的外环电极段，以及一可引起反射镜变形、控制该镜面曲率的内环电极段。

5.根据权利要求4所述的可变形曲面镜，其中所述内环电极段包括两个分离、同心环形电极段。

6.根据权利要求4所述的可变形曲面镜，其中所述外环电极段从该镜面区域向外径向延伸，在具有该可变形曲面镜的光学系统中在该镜面上反射图像。

7.根据权利要求4所述的可变形曲面镜，其中由环形空间分隔该外环与内环电极段，并在所述环形空间中、在所述第二板的所述外表面上设置一导电层，用于电接地。

8.根据权利要求1所述的可变形曲面镜，还包括也夹在所述第一与第二板所述相邻内表面之间的电极段，具有接线端，用于将可变电压施加给所述夹在其中的电极段。

9.根据权利要求8所述的可变形曲面镜，其中所述夹在其中的电极段设置在围绕所述导电层并与该导电层分隔开的外环中。

10.根据权利要求1所述的可变形曲面镜，其中所述反射镜为圆形，并且还包括一导电圆盘和一围绕所述圆盘、设置在所述第一板的所述外表面与所述镜面之间的环形电极段，所述环中的所述电极段具有单独的接线端，用于连接可变电压。

11.根据权利要求10所述的可变形曲面镜，其中所述圆盘具有用于电接地的接线端。

12.根据权利要求10所述的可变形曲面镜，其中所述圆盘具有用于连接可变电压的接线端。

13.根据权利要求1所述的可变形曲面镜，其中所述镜面由抛光导电层构成。

14.根据权利要求13所述的可变形曲面镜，其中所述抛光导电层具有用于电接地的接线端。

15.根据权利要求13所述的可变形曲面镜，其中所述抛光导电层具有用于连接可变电压的接线端。

16.根据权利要求1所述的可变形曲面镜，其中夹在所述第一和第二板之间的所述导电层包括一处于所述第一板所述内表面上的第一导电层，和一处于所述第二板所述内表面上的第二导电层。

17.根据权利要求16所述的可变形曲面镜，其中在所述第一与第二导电层之间设置一层导电粘合剂，用于连接所述第一与第二板。

18.根据权利要求1所述的可变形曲面镜，其中所述第一与第二板通过一层导电粘合剂连接在一起。

19.一种能通过施加电压而控制变形的可变形曲面镜，包括：

第一和第二平行电约束材料板，所述板具有平行相邻内表面，通过夹在所述相邻内表面之间的至少一导电层彼此连接；

所述第一和第二板均具有垂直于所述相邻内表面的极性，各极性沿相同方向取向；

所述第一板具有一平行于其所述内表面的外表面，在所述外表面上具有一外导电层，并且在所述外导电层上具有一镜面；

所述外导电层具有用于施加一个极性电压的接线端；

所述第二板具有一平行于其所述内表面的外表面；以及

处于所述第二板外表面上的多个导电电极段图案，每个所述导电电极段具有一单独的接线端，用于向其施加另一极性的可变电压，通过每个所述电极段和通过至少所述第二板单独传输可变电流，用于有选择地使所述第二板变形，继而使该曲面镜变形。

20.根据权利要求19所述的可变形曲面镜，其中所述电极段图案包括引起反射镜变形、用于控制该镜面倾斜度的电极段子图案。

21.根据权利要求19或20所述的可变形曲面镜，其中所述电极段图案包括引起反射镜变形、用于控制该镜面曲率的电极段子图案。

22.根据权利要求19所述的可变形曲面镜，其中所述反射镜为圆形，并且所述电极段图案包括一可引起反射镜变形、用于控制该镜面倾斜度的外环电极段，以及一可引起反射镜变形、用于控制该镜面曲率的内环电极段。

23.根据权利要求22所述的可变形曲面镜，其中通过环形空间隔开所述外环与内环电极段，并且在所述环形空间中、在所述第二板的所述外表面上设置一导电层，用于电接地。

24.根据权利要求19，20，22或23所述的可变形曲面镜，其中所述外导电层用于电接地。

25.根据权利要求19所述的可变形曲面镜，其中夹在所述第一与第二板之间的所述导电层包括处于所述第一板所述内表面上的第一导电层，和处于所述第二板所述内表面上的第二导电层。

26.根据权利要求25所述的可变形曲面镜，其中在所述第一与第二导电层之间设置一层导电粘合剂，用于连接所述第一与第二板。

27.根据权利要求19所述的可变形曲面镜，其中通过一层导电粘合剂将所述第一与第二板连接在一起。

28.一种能通过向其施加电压而控制变形的可变形曲面镜，包括：

第一和第二具有平行相邻内表面的平行压电材料板，处于每个内表面上的一导电层，以及将所述导电层与所述相邻内表面连接在一起的导电粘合剂层；

所述第一与第二板均具有垂直于所述相邻表面的极性，沿相同方向取向各极性；

所述第一板具有一平行于其所述内表面的外表面，和一处于所述外表面上与所述内表面相对一侧的一外导电层，以及在所述外导电层上构成镜面的一层；

每个所述导电层具有用于电接地的接线端；

所述第二板具有一平行于其所述内表面，并处于与所述内表面相对一侧上的外表面；以及

在所述第二板外表面上的多个导电层电极段图案，每个所述导电层电极段具有一单独的接线端，用于单独向其施加可变电压，单独通过每个所述电极段将可变电场传送给所述第二板，用于有选择地使所述第二板变形，从而使该曲面镜变形。

Images