RU2099754C1

RU2099754C1 - Deformable mirror based on multilayer active bimorphous structure

Info

Publication number: RU2099754C1
Application number: RU96120101A
Authority: RU
Original assignee: Йелстаун Корпорейшн Н.В.
Priority date: 1996-10-17
Filing date: 1996-10-17
Publication date: 1997-12-20
Also published as: WO1997012267A1; AU7657896A

Abstract

FIELD: optical engineering. SUBSTANCE: deformable mirror has two rigidly interconnected piezoelectric elements secured in body. They are made multilayer and formed by at least two identical piezoplates (piezofilms, piezolayers) with solid metal electrodes on opposite sides. Polarization vectors of adjacent piezoplates in every piezoelectric element have opposite directions, and their similar electrodes are interconnected electrically. Piezoelectric elements are connected to each other so that polarization vectors of adjacent piezoplates are directed to one side, and their adjacent conjugated electrodes are interconnected electrically. EFFECT: more reliable control. 3 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к управляемой оптике и может быть использовано для статического и динамического управления волновым фронтом излучения в различных оптических приборах и системах, включая астрономические телескопы, промышленную лазерную технику, а также оптические системы наведения и сопровождения. The invention relates to controlled optics and can be used for static and dynamic control of the wavefront of radiation in various optical instruments and systems, including astronomical telescopes, industrial laser technology, as well as optical guidance and tracking systems.

Известно деформируемое биморфное зеркало (см. P.Jagourel, J.-P.Gaffard. Adaptive optics components in Laserdot. Proc. SPIE, 1991, vol. 1543, p.76-87), содержащее активную биморфную структуру из двух пьезоэлектрических пластин, склеенных вместе, и имеющее 13 независимых управляющих электродов; диаметр управляемой апертуры 30 мм. К обеим сторонам такой двойной пьезопластины прикреплены тонкие кремниевые пластины, на одной из которых сформирована отражающая поверхность; диаметр кремниевых пластин больше, чем пьезоэлектрических. Через кремниевые пластины зеркало крепится к подложке-основанию в трех точках. Деформации отражающей поверхности зеркала обеспечиваются за счет изгиба активной биморфной структуры при деформации пьезокерамики в параллельном оптической поверхности направлении благодаря действию обратного поперечного пьезоэлектрического эффекта, при этом принципиально важным является то, что жесткость (а следовательно, и толщина) кремниевых пластин должна быть существенно меньше, чем для пьезокерамических. В противном случае управляемые деформации зеркала будут весьма незначительны. Наибольшая амплитуда управляемых перемещений оптической поверхности в этом зеркале достигается при подаче максимального электрического напряжения (400 В) одновременно на все управляющие электроды и не превышает 10 мкм. Недостатками данного активного биморфного зеркала являются: малая амплитуда управляемых деформаций отражающей поверхности; низкая чувствительность (не более 25 мкм/кВ); высокое управляющее напряжение; высокая трудоемкость формирования оптической поверхности, включающего использование дополнительных кремниевых пластин; низкое качество и стабильность исходной оптической формы зеркала; низкая прочность и надежность зеркала. A deformable bimorph mirror is known (see P. Jagourel, J.-P. Gaffard. Adaptive optics components in Laserdot. Proc. SPIE, 1991, vol. 1543, p. 76-87), containing an active bimorph structure of two piezoelectric plates, glued together, and having 13 independent control electrodes; the diameter of the controlled aperture is 30 mm. Thin silicon wafers are attached to both sides of such a double piezoelectric plate, on one of which a reflective surface is formed; the diameter of silicon wafers is larger than piezoelectric ones. Through silicon wafers, the mirror is attached to the base substrate at three points. Deformations of the reflecting surface of the mirror are ensured due to the bending of the active bimorph structure during deformation of the piezoceramics in the direction parallel to the optical surface due to the inverse transverse piezoelectric effect, and it is fundamentally important that the stiffness (and hence the thickness) of silicon wafers should be significantly less than for piezoceramic. Otherwise, the controlled deformation of the mirror will be very insignificant. The largest amplitude of controlled displacements of the optical surface in this mirror is achieved by applying a maximum electric voltage (400 V) simultaneously to all the control electrodes and does not exceed 10 μm. The disadvantages of this active bimorph mirror are: a small amplitude of the controlled deformations of the reflecting surface; low sensitivity (no more than 25 microns / kV); high control voltage; the high complexity of the formation of the optical surface, including the use of additional silicon wafers; low quality and stability of the original optical shape of the mirror; low strength and reliability of the mirror.

Известно деформируемое биморфное зеркало на основе активной пьезоэлектрической биморфной структуры с 19 управляющими электродами в виде центрального эллипса и двух концентрических эллиптических колец, разбитых соответственно на 6 и 12 отдельных сегментов (см. C.Boyer, P.Jagourel, J.P.Gaffard et al. "Laserdot components of the PUEO Adaptive Optics System." - Laserdot-Cilas, September 1995). Активная биморфная структура образована двумя пьезоэлектрическими пластинами диаметром 83 мм, на внешней стороне одной из которых выполнена оптическая поверхность с серебряным отражающим покрытием. Общая толщина зеркала 2,5 мм. В трех точках по внешнему диаметру зеркало крепится в оправе. Деформации отражающей поверхности зеркала обеспечиваются за счет изгиба активной биморфной структуры при деформации пьезокерамики в параллельном оптической поверхности направлении благодаря действию обратного поперечного пьезоэлектрического эффекта. Наибольшая амплитуда управляемых перемещений оптической поверхности в этом зеркале достигается при подаче максимального электрического напряжения (400 В) одновременно на все управляющие электроды, при этом соответствующий радиус кривизны на управляемой апертуре составляет 34 м. Недостатками данного активного биморфного зеркала являются: малая амплитуда управляемых деформаций отражающей поверхности; низкая чувствительность; высокое управляющее напряжение. A deformable bimorph mirror based on an active piezoelectric bimorph structure with 19 control electrodes in the form of a central ellipse and two concentric elliptic rings, divided into 6 and 12 separate segments, respectively, is known (see C. Boyer, P. Jagourel, JP Gaffard et al. "Laserdot components of the PUEO Adaptive Optics System. "- Laserdot-Cilas, September 1995). The active bimorph structure is formed by two piezoelectric plates with a diameter of 83 mm, on the outside of one of which an optical surface with a silver reflective coating is made. The total thickness of the mirror is 2.5 mm. At three points in outer diameter, the mirror is mounted in a frame. Deformations of the reflecting surface of the mirror are ensured by bending the active bimorph structure during deformation of the piezoceramics in the direction parallel to the optical surface due to the inverse transverse piezoelectric effect. The largest amplitude of the controlled displacements of the optical surface in this mirror is achieved by applying a maximum electric voltage (400 V) to all the control electrodes simultaneously, and the corresponding radius of curvature on the controlled aperture is 34 m. The disadvantages of this active bimorph mirror are: a small amplitude of the controlled deformations of the reflecting surface ; low sensitivity; high control voltage.

Известно деформируемое зеркало (см. авт. свид. СССР N 1485180 G 02 B 5/10 от 27.06.1989), содержащее корпус в виде стакана с крышкой и отражающей поверхностью на внешней стороне днища стакана, отдельные пьезоэлектрические элементы, расположенные в стакане, не выходя за пределы отражающей поверхности, внутри цилиндрических полостей, в центре каждой из которых находится выступ. При подаче электрического напряжения на пьезоэлемент, являющийся активной биморфной структурой, он изгибается, вследствие чего осуществляется деформация отражающей поверхности зеркала. При этом выступ в центре полости играет роль промежуточного звена, через которое развиваемое пьезоэлементом усилие при его изгибе прикладывается к тыльной стороне зеркальной пластины. Необходимо также заметить, что в данном деформируемом зеркале каждый пьезоэлемент является фактически биморфным приводом. Недостатками данного зеркала являются: 1) малая амплитуда управляемых деформаций отражающей поверхности (обусловленная весьма низкой активной жесткостью пьезоэлемента, т.е. малым усилием, развиваемым при его изгибе); 2) низкая чувствительность; 3) высокая трудоемкость изготовления самого зеркала (корпуса), его сборки (крепление и юстировка пьезоэлементов), а также формирования его оптической поверхности; 4) низкое качество и стабильность исходной формы отражающей поверхности; 5) низкая прочность и надежность зеркала. It is known a deformable mirror (see ed. Certificate of the USSR N 1485180 G 02 B 5/10 dated 06/27/1989) containing a case in the form of a glass with a lid and a reflective surface on the outside of the bottom of the glass, individual piezoelectric elements located in the glass, not going beyond the reflective surface, inside the cylindrical cavities, in the center of each of which is a ledge. When an electric voltage is applied to the piezoelectric element, which is an active bimorph structure, it bends, as a result of which the reflective surface of the mirror is deformed. In this case, the protrusion in the center of the cavity plays the role of an intermediate link through which the force developed by the piezoelectric element during its bending is applied to the back side of the mirror plate. It should also be noted that in this deformable mirror, each piezoelectric element is actually a bimorph drive. The disadvantages of this mirror are: 1) a small amplitude of the controlled deformations of the reflecting surface (due to the very low active stiffness of the piezoelectric element, i.e. the small force developed during its bending); 2) low sensitivity; 3) the high complexity of manufacturing the mirror itself (housing), its assembly (mounting and alignment of piezoelectric elements), as well as the formation of its optical surface; 4) low quality and stability of the original shape of the reflective surface; 5) low strength and reliability of the mirror.

Известен ряд деформируемых биморфных зеркал на основе полупассивных биморфных структур, см. например: В.И.Бойков, П.В.Николаев, А.В.Смирнов. Функции отклика биморфного гибкого зеркала. Оптико-механическая промышленность, 1989, N 10, c.lO-13; А.В.Икрамов, А.В.Кудряшов, А.Г.Сафронов, С.В.Романов, И. М. Рощупкин, А. О. Сулимов. Адаптивное биморфное зеркало. Патент СССР N 1808159 (1992), кл. H O1 S 3/02, по заявке N 4766709/25 от 19.12.1989; F. Forbes, F. Roddier, G. Poczulp, C.Pinches, G.Sweeny and R.Dueck. Segmented bimorph deformable mirror. J. Phys. E: Sci. Instrum. 1989, vol. 22, p.402-405; S. G. Lipson, E.N.Ribak, C.Schwartz. Bimorph deformable mirror design. Proc. SPIE, 1994, vol.2201, p.703. По сравнению с биморфными зеркалами на основе активных биморфных структур общими недостатками указанных зеркал и им подобных являются: малая амплитуда управляемых деформаций отражающей поверхности; низкая чувствительность; высокое управляющее напряжение. Перечисленные недостатки полупассивных биморфных зеркал обусловлены их принципиальной особенностью, а именно тем, что биморфная структура в них наряду с активным элементом, пьезопластиной, содержит пассивный элемент отражающую пластину. Понятно, что при прочих равных условиях деформации активной биморфной структуры будут всегда больше, чем полупассивной. A number of deformable bimorph mirrors based on semi-passive bimorph structures are known, see for example: V.I. Boykov, P.V.Nikolaev, A.V. Smirnov. Response functions of a bimorph flexible mirror. Optical-mechanical industry, 1989, N 10, c.lO-13; A.V. Ikramov, A.V. Kudryashov, A.G. Safronov, S.V. Romanov, I.M. Roshchupkin, A.O. Sulimov. Adaptive bimorph mirror. USSR patent N 1808159 (1992), cl. H O1 S 3/02, according to the application N 4766709/25 of 12.19.1989; F. Forbes, F. Roddier, G. Poczulp, C. Pinches, G. Sweeny and R. Dueck. Segmented bimorph deformable mirror. J. Phys. E: Sci. Instrum. 1989, vol. 22, p. 402-405; S. G. Lipson, E.N. Ribak, C. Schwartz. Bimorph deformable mirror design. Proc. SPIE, 1994, vol. 2201, p. 703. Compared with bimorph mirrors based on active bimorph structures, the common disadvantages of these mirrors and the like are: a small amplitude of the controlled deformations of the reflecting surface; low sensitivity; high control voltage. The listed disadvantages of semi-passive bimorph mirrors are due to their fundamental feature, namely the fact that the bimorph structure in them, along with the active element, the piezoelectric plate, contains a passive element reflecting plate. It is clear that, ceteris paribus, the deformations of the active bimorph structure will always be greater than the semi-passive ones.

Известно деформируемое биморфное зеркало, выбранное за прототип (см. J.- P. Gaffard, P. Jagourel, P.Gigan. Adaptive Optics: Description of available components at Laserdot. Proc. SPIE, 1994, vol. 2201, p.688-702), содержащее активную биморфную структуру, образованную двумя склеенными друг с другом пьезоэлектрическими пластинами, одна из которых является отражающей, и имеющее 13 независимых секционированных управляющих электродов. Общий диаметр биморфной структуры 60 мм; толщина 2 мм. В трех точках на диаметре 60 мм зеркало крепится в оправе. Деформации отражающей поверхности в данном биморфном зеркале достигаются благодаря возникновению изгибающего момента в активной биморфной структуре при деформации пьезокерамики в параллельном оптической поверхности направлении за счет обратного поперечного пьезоэлектрического эффекта. Наибольшая амплитуда управляемых перемещений оптической поверхности в этом зеркале достигается при подаче максимального электрического напряжения (400 В) одновременно на все управляющие электроды и не превышает 10 мкм. Недостатками данного биморфного зеркала являются: малая амплитуда управляемых деформаций отражающей поверхности, низкая чувствительность (не более 25 мкм/кВ), высокое управляющее напряжение. A deformable bimorph mirror is known as the prototype (see J.-P. Gaffard, P. Jagourel, P. Gigan. Adaptive Optics: Description of available components at Laserdot. Proc. SPIE, 1994, vol. 2201, p. 688- 702) containing an active bimorph structure formed by two piezoelectric plates glued together, one of which is reflective, and having 13 independent sectioned control electrodes. The total diameter of the bimorph structure is 60 mm; 2 mm thick. At three points on a diameter of 60 mm, the mirror is mounted in a frame. Deformations of the reflecting surface in this bimorph mirror are achieved due to the occurrence of a bending moment in the active bimorph structure during deformation of piezoceramics in the direction parallel to the optical surface due to the inverse transverse piezoelectric effect. The largest amplitude of controlled displacements of the optical surface in this mirror is achieved by applying a maximum electric voltage (400 V) simultaneously to all the control electrodes and does not exceed 10 μm. The disadvantages of this bimorph mirror are: small amplitude of controlled deformations of the reflecting surface, low sensitivity (not more than 25 μm / kV), high control voltage.

Технический результат, на решение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в увеличении амплитуды управляемых перемещений оптической (отражающей) поверхности деформируемых зеркал на основе активных биморфных структур и повышении их чувствительности при одновременном снижении управляющего напряжения. Кроме того, предлагаемая конструкция позволяет изменять форму функции отклика деформируемого зеркала, т.е. форму деформаций его отражающей поверхности. The technical result, the solution of which the present invention is directed, consists in increasing the amplitude of the controlled displacements of the optical (reflecting) surface of the deformable mirrors based on active bimorph structures and increasing their sensitivity while reducing the control voltage. In addition, the proposed design allows you to change the shape of the response function of the deformable mirror, i.e. the shape of the deformations of its reflective surface.

Указанный технический результат достигается тем, что в деформируемом зеркале на основе многослойной активной биморфной структуры, содержащем закрепленные в корпусе два жестко соединенных друг с другом пьезоэлектрических элемента со сплошными металлическими электродами на противоположных сторонах и отражающую поверхность, выполненную на внешней стороне одного из пьезоэлектрических элементов, пьезоэлектрические элементы выполнены многослойными и образованы по крайней мере двумя идентичными пьезопластинами, или пьезопленками, или пьезослоями со сплошными металлическими электродами на противоположных сторонах, причем в каждом пьезоэлементе отдельные пьезопластины, или пьезопленки, или пьезослои ориентированы таким образом, что векторы поляризации смежных пьезопластин, или пьезопленок, или пьезослоев направлены в противоположные стороны, а их одноименные электроды электрически связаны между собой, при этом пьезоэлектрические элементы жестко соединены друг с другом таким образом, что векторы поляризации их смежных сопрягаемых пьезопластин, или пьезопленок, или пьезослоев сонаправлены, а их смежные сопрягаемые электроды электрически связаны между собой. Кроме того, в деформируемом зеркале на основе многослойной активной биморфной структуры по крайней мере одна пара смежных пьезопластин, или пьезопленок, или пьезослоев может быть сопряжена между собой через общий для них электрод; по крайней мере одна пьезопластина, или пьезопленка, или пьезослои или по крайней мере один электрод может быть выполнен в форме полного или усеченного либо круга, либо овала, либо кольца, либо многоугольника, либо сектора, либо сегмента, либо в форме объединения по крайней мере двух одинаковых или различных перечисленных геометрических фигур. The specified technical result is achieved by the fact that in a deformable mirror based on a multilayer active bimorph structure containing two piezoelectric elements rigidly connected to each other with solid metal electrodes on opposite sides and a reflective surface made on the outside of one of the piezoelectric elements, the piezoelectric the elements are multilayer and formed by at least two identical piezoelectric plates, or piezoelectric films, or piezoelectric layers with solid metal electrodes on opposite sides, with each piezoelectric element having separate piezoelectric plates, or piezoelectric films, or piezoelectric layers so that the polarization vectors of adjacent piezoelectric plates, or piezoelectric films, or piezoelectric layers are directed in opposite directions, and their electrodes of the same name are electrically connected while the piezoelectric elements are rigidly connected to each other so that the polarization vectors of their adjacent mating piezoelectric plates, or piezoelectric films, or piezolayer are collinear and their mating adjacent electrodes are electrically interconnected. In addition, in a deformable mirror based on a multilayer active bimorph structure, at least one pair of adjacent piezoelectric plates, or piezoelectric films, or piezoelectric layers can be interconnected through a common electrode for them; at least one piezoelectric plate, or piezoelectric film, or piezoelectric layer or at least one electrode can be made in the form of a full or truncated or circle, or oval, or ring, or polygon, or sector, or segment, or in the form of a union of at least two identical or different listed geometric shapes.

Увеличение по сравнению с прототипом амплитуды управляемых перемещений отражающей поверхности в деформируемом зеркале на основе многослойной активной биморфной структуры и повышение его чувствительности обеспечивается по следующим причинам (далее везде термин "пьезопластина" используется для обозначения как пьезопластин, так и пьезопленок или пьезослоев):
1) благодаря наличию дополнительных изгибающих моментов, возникающих при использовании каждой дополнительной пьезопластины в любой половине многослойной активной биморфной структуры, что реализуется вследствие того, что пьезопластины, т. е. обе части (половины) биморфа, выполнены в виде одинаковых многослойных пьезоэлектрических элементов, каждый из которых образован по крайней мере двумя идентичными пьезопластинами со сплошными металлическими электродами на противоположных сторонах;
2) за счет синхронных и синфазных (т.е. равных по величине и по знаку) деформаций всех пьезокерамических пластин в каждой части (половине) многослойной активной биморфной структуры, что реализуется вследствие того, что в каждом пьезоэлементе, т.е. в каждой части (половине) биморфа, отдельные пьезопластины ориентированы таким образом, что векторы поляризации смежных пьезопластин направлены в противоположные стороны, а их одноименные электроды электрически связаны между собой, при этом пьезоэлектрические элементы (части биморфа) жестко соединены друг с другом таким образом, что векторы поляризации смежных сопрягаемых пьезопластин сонаправлены, а их разноименные сопрягаемые электроды электрически связаны между собой;
3) за счет возможного крепления многослойной активной биморфной структуры в ее центре к корпусу зеркала и, тем самым, реализации более свободного закрепления гибкой отражающей пластины.The increase in the amplitude of the controlled movements of the reflecting surface in the deformable mirror based on the multilayer active bimorph structure and the increase in its sensitivity are ensured for the following reasons (hereinafter, the term "piezo-plate" is used to mean both piezo-plates and piezo-layers or piezo-layers):
1) due to the presence of additional bending moments that arise when using each additional piezoelectric plate in any half of the multilayer active bimorph structure, which is realized due to the fact that the piezoelectric plates, i.e., both parts (halves) of the bimorph, are made in the form of identical multilayer piezoelectric elements, each from which it is formed by at least two identical piezoelectric plates with solid metal electrodes on opposite sides;
2) due to synchronous and in-phase (i.e. equal in magnitude and sign) deformations of all piezoceramic plates in each part (half) of the multilayer active bimorph structure, which is realized due to the fact that in each piezoelectric element, i.e. in each part (half) of the bimorph, the individual piezoelectric plates are oriented in such a way that the polarization vectors of adjacent piezoelectric plates are directed in opposite directions, and their same electrodes are electrically connected to each other, while the piezoelectric elements (parts of the bimorph) are rigidly connected to each other so that polarization vectors of adjacent mating piezoelectric plates are codirectional, and their unlike mating electrodes are electrically connected to each other;
3) due to the possible fastening of a multilayer active bimorph structure in its center to the mirror body and, thereby, the implementation of a more loose fastening of a flexible reflective plate.

В случае оптимальной общей толщины биморфа и при прочих равных условиях (т.е. одинаковом закреплении) повышение чувствительности в предлагаемом изобретении по сравнению с прототипом обеспечивается, ко всему прочему, за счет снижения толщины отдельных пьезопластин и, следовательно, снижения управляющего напряжения. Этот результат является прямым следствием того, что чувствительность биморфного зеркала есть отношение величины деформаций его оптической поверхности к приложенному управляющему напряжению. В общем и целом, увеличение чувствительности будет тем больше, чем меньше будет толщина каждой отдельной пьезоэлектрической пластины, входящей в многослойную активную биморфную структуру. In the case of the optimal total thickness of the bimorph and ceteris paribus (i.e., the same fixing), an increase in sensitivity in the present invention compared to the prototype is ensured, among other things, by reducing the thickness of individual piezoelectric plates and, therefore, reducing the control voltage. This result is a direct consequence of the fact that the sensitivity of a bimorph mirror is the ratio of the magnitude of the deformations of its optical surface to the applied control voltage. In general, the increase in sensitivity will be the greater, the smaller the thickness of each individual piezoelectric plate entering a multilayer active bimorph structure.

Другим отличием деформируемого зеркала на основе многослойной активной биморфной структуры является то, что, с целью увеличения простоты и удобства его конструкции, по крайней мере одна пара смежных пьезопластин сопряжена между собой через общий для них электрод. По сути дела, в данном случае вместо двух электродов двух различных смежных пьезопластин имеется один единственный электрод, расположенный в месте соединения этих пластин. Another difference of a deformable mirror based on a multilayer active bimorph structure is that, in order to increase the simplicity and convenience of its design, at least one pair of adjacent piezoelectric plates is interconnected via a common electrode for them. In fact, in this case, instead of two electrodes of two different adjacent piezoelectric plates, there is one single electrode located at the junction of these plates.

Следующим отличием предлагаемого изобретения является то, что, с целью видоизменения формы функции отклика деформируемого зеркала, т.е. деформаций его отражающей поверхности, а также с целью видоизменения формы световой зоны зеркала, по крайней мере одна пьезопластина или по крайней мере один электрод выполнен в форме полного или усеченного либо круга, либо овала, либо кольца, либо многоугольника, либо сектора, либо сегмента, либо в форме объединения по крайней мере двух одинаковых или различных перечисленных геометрических фигур. Поскольку в деформируемом биморфном зеркале форма деформаций его отражающей поверхности (функция отклика) существенно зависит от конфигурации управляющих электродов (см. например, А.В.Икрамов, С.В.Романов, И. М. Рощупкин, А. Г. Сафронов, А.О.Сулимов. Биморфное адаптивное зеркало. Квант. электрон, 1992, т. 19, N 2, с. 180-183.), то данный отличительный признак позволяет изменять, в том числе оптимизировать, пространственную структуру деформаций отражающей поверхности зеркала на основе многослойной активной биморфной структуры. Изменение формы пьезоэлектрических пластин обеспечивает необходимую конфигурацию световой зоны зеркала в предлагаемом изобретении. The next difference of the invention is that, in order to modify the shape of the response function of the deformable mirror, i.e. deformations of its reflecting surface, as well as to modify the shape of the light zone of the mirror, at least one piezoelectric plate or at least one electrode is made in the form of a full or truncated circle, or an oval, or a ring, or a polygon, or a sector, or a segment, or in the form of a combination of at least two identical or different listed geometric shapes. Since in a deformable bimorph mirror, the shape of the deformations of its reflecting surface (response function) substantially depends on the configuration of the control electrodes (see, e.g., A.V. Ikramov, S.V. Romanov, I. M. Roshchupkin, A. G. Safronov, A .O.Sulimov. Bimorph adaptive mirror. Quantum electron, 1992, v. 19, N 2, pp. 180-183.), Then this distinguishing feature allows you to change, including optimize, the spatial structure of the deformations of the reflecting surface of the mirror based on multilayer active bimorph structure. Changing the shape of the piezoelectric plates provides the necessary configuration of the light zone of the mirror in the present invention.

Указанные цели и преимущества изобретения будут понятны из нижеследующего описания конструкции и прилагаемых фигур. На фиг.1 показано устройство деформируемого зеркала на основе многослойной активной биморфной структуры в случае крепления последней в ее центре к корпусу зеркала и использования в каждом пьезоэлементе трех пьезокерамических пластин. На фиг.2 показаны простейшая активная биморфная структура и ее деформации при воздействии управляющего напряжения. На фиг.З показана трехслойная активная биморфная структура. На фиг.4 показана симметричная четырехслойная активная биморфная структура. The stated objectives and advantages of the invention will be apparent from the following description of the structure and the attached figures. Figure 1 shows the structure of a deformable mirror based on a multilayer active bimorph structure in the case of fastening the latter at its center to the mirror body and using three piezoceramic plates in each piezoelectric element. Figure 2 shows the simplest active bimorph structure and its deformation when exposed to control voltage. Fig. 3 shows a three-layer active bimorph structure. Figure 4 shows a symmetric four-layer active bimorph structure.

Предлагаемое устройство (см. фиг.1) состоит из корпуса 1, в котором с помощью держателя 2 закреплена многослойная активная биморфная структура, образованная двумя одинаковыми пьезоэлектрическими элементами, первый из которых состоит из нескольких (в данном случае трех) пьезокерамических пластин 3, а второй из такого же количества пьезопластин 4. На все пьезопластины 3 и 4 каким-либо способом нанесены управляющие электроды 5. Отражающая поверхность 6 деформируемого зеркала образована на внешней стороне многослойной активной биморфной структуры. Кроме того, предлагаемое устройство состоит из соединительных проводников 7, электрических проводов 8, задней крышки 9, электрического разъема 10 и эластичного герметика 10 (фиг. 1). Простейшая активная биморфная структура, фиг.2, состоит из двух пьезокерамических пластин 12, соединенных вместе. На обе стороны каждой пьезопластины 12 каким-либо способом нанесены сплошные металлические электроды, а на внешней стороне одной из них сформирована отражающая поверхность 13. Трехслойная (фиг. З) и четырехслойная (фиг.4) активные биморфные структуры состоят, соответственно, из трех и четырех пьезокерамических пластин 12 и 14, соединенных вместе и также имеющих металлические электроды на своих противоположных сторонах. Стрелками на всех фиг. показано направление поляризации пьезоэлектрических пластин 3,4, 12 и 14. На всех фиг. соседние смежные электроды для каждой пары смежных пьезопластин 3,4, 12 и 14 показаны одной сплошной линией. На фиг.2 пунктирными линиями показаны деформации простейшей биморфной структуры при воздействии управляющего напряжения. На фиг. 2, 3 и 4 значками "-" и "+" показаны заземление и положительное управляющее напряжение на соответствующих управляющих электродах. На фиг.З двойным знаком "++" показано положительное управляющее напряжение на соответствующем электроде, величина которого превосходит положительное напряжение, показанное знаком "+". The proposed device (see Fig. 1) consists of a housing 1, in which a multilayer active bimorph structure formed by two identical piezoelectric elements is fixed using the holder 2, the first of which consists of several (in this case, three) piezoceramic plates 3, and the second from the same number of piezoelectric plates 4. On all piezoelectric plates 3 and 4, control electrodes are applied in some way 5. The reflecting surface 6 of the deformable mirror is formed on the outside of the multilayer active bimorph structure ry. In addition, the proposed device consists of connecting conductors 7, electrical wires 8, back cover 9, electrical connector 10 and elastic sealant 10 (Fig. 1). The simplest active bimorph structure, figure 2, consists of two piezoceramic plates 12 connected together. Solid metal electrodes are applied to both sides of each piezoelectric plate 12 in some way, and a reflective surface 13 is formed on the outside of one of them. The three-layer (Fig. 3) and four-layer (4) active bimorph structures consist, respectively, of three and four piezoceramic plates 12 and 14 connected together and also having metal electrodes on their opposite sides. The arrows in all of FIG. the polarization direction of the piezoelectric plates 3,4, 12 and 14 is shown. In all FIGS. adjacent adjacent electrodes for each pair of adjacent piezoelectric plates 3,4, 12 and 14 are shown by one solid line. Figure 2 dashed lines show the deformation of a simple bimorph structure when exposed to control voltage. In FIG. 2, 3 and 4, the symbols “-” and “+” indicate the grounding and positive control voltage at the corresponding control electrodes. In FIG. 3, the double “++” sign shows the positive control voltage at the corresponding electrode, the magnitude of which exceeds the positive voltage shown by the “+” sign.

Деформируемое зеркало на основе многослойной активной биморфной структуры работает следующим образом. Через электрический разъем 11, электрические провода 8, соединительные проводники 7 и управляющие электроды 5 к каждой пьезопластине 3 и 4 прикладывается управляющее напряжение. Следовательно, за счет обратного поперечного пьезоэлектрического эффекта все пьезопластины 3 и 4 будут деформироваться Причем для каждого из двух пьезоэлементов эти деформации будут одинаковыми для всех пьезопластин 3 или 4 одного пьезоэлемента, в силу их выбранной ориентации и указанного соединения электродов 5, см. фиг. 1. По этой же причине деформации пьезопластин 3 первого пьезоэлемента равны по величине деформациям пьезопластин 4 второго пьезоэлемента, но имеют противоположный знак. Иными словами, каждый трехслойный (и, следовательно, многослойный) пьезоэлемент будет деформироваться как единое целое, то есть как монолитная пьезопластина эквивалентной толщины. Таким образом, при выбранной ориентации пьезопластин 3 и 4 и указанном соединении их электродов 5 каждый многослойный пьезоэлемент эквивалентен монолитной пьезопластине. A deformable mirror based on a multilayer active bimorph structure works as follows. Through the electrical connector 11, the electrical wires 8, the connecting conductors 7 and the control electrodes 5, a control voltage is applied to each piezo plate 3 and 4. Therefore, due to the inverse transverse piezoelectric effect, all piezoelectric plates 3 and 4 will be deformed. Moreover, for each of the two piezoelectric elements, these deformations will be the same for all piezoelectric plates 3 or 4 of one piezoelectric element, due to their chosen orientation and the indicated connection of electrodes 5, see FIG. 1. For the same reason, the deformations of the piezoelectric plates 3 of the first piezoelectric element are equal in magnitude to the deformations of the piezoelectric plates 4 of the second piezoelectric element, but have the opposite sign. In other words, each three-layer (and, therefore, multi-layer) piezoelectric element will be deformed as a whole, that is, as a monolithic piezoelectric plate of equivalent thickness. Thus, with the selected orientation of the piezoelectric plates 3 and 4 and the indicated connection of their electrodes 5, each multilayer piezoelectric element is equivalent to a monolithic piezoelectric plate.

Имея это в виду, легко понять, что соединение двух выше описанных пьезоэлементов эквивалентно соединению двух монолитных пьезопластин, как это показано на фиг. 2. Такое соединение, как известно (см. напр. Kokorowski S.A. Analysis of adaptive optical elements made from piezoelectric bimorphs. J. Opt. Soc. Am. 1979, v.69, N I, p. 181-187), является активной биморфной структурой. Следовательно, при подаче электрического напряжения на пьезокерамику отражающая поверхность зеркала будет деформироваться определенным образом, а именно прогибаться за счет возникновения изгибающего момента в биморфной структуре. Для примера на фиг.2 показаны деформации простейшей биморфной структуры (пунктирными линиями) и соответствующие управляющие напряжения на ее электродах. With this in mind, it is easy to understand that the connection of the two piezoelectric elements described above is equivalent to the connection of two monolithic piezoelectric plates, as shown in FIG. 2. Such a compound, as is known (see, for example, Kokorowski SA Analysis of adaptive optical elements made from piezoelectric bimorphs. J. Opt. Soc. Am. 1979, v.69, NI, p. 181-187), is active bimorph structure. Therefore, when applying electric voltage to the piezoceramic, the reflecting surface of the mirror will be deformed in a certain way, namely, to bend due to the occurrence of a bending moment in the bimorph structure. For example, figure 2 shows the deformation of the simplest bimorph structure (dashed lines) and the corresponding control voltage at its electrodes.

Увеличение по сравнению с прототипом амплитуды управляемых перемещений отражающей поверхности в деформируемом зеркале на основе многослойной активной биморфной структуры и повышение его чувствительности становится понятным из нижеследующего рассмотрения. В простейшей активной биморфной структуре, реализованной в зеркале-прототипе и изображенной на фиг. 2, деформации (прогиб) отражающей поверхности 13 происходят за счет возникновения изгибающего момента, благодаря расширению одной из пьезопластин 12 и сжатию другой. Причем при изменении полярности управляющего напряжения деформации данной активной биморфной структуры также изменяют свой знак. The increase in comparison with the prototype of the amplitude of the controlled movements of the reflecting surface in the deformable mirror based on the multilayer active bimorph structure and the increase in its sensitivity becomes clear from the following consideration. In the simplest active bimorph structure implemented in the prototype mirror and shown in FIG. 2, deformations (deflection) of the reflecting surface 13 occur due to the occurrence of a bending moment due to the expansion of one of the piezoelectric plates 12 and the compression of the other. Moreover, when the polarity of the control voltage changes, the strains of this active bimorph structure also change their sign.

При переходе от рассмотренной двухслойной активной биморфной структуры к трехслойной (см. фиг. З) согласно указанной выше причине (см. п.1 на с. 6) возникает дополнительный изгибающий момент (за счет деформаций новой пьезопластины 14), который складывается с изгибающим моментом, возникающим при деформациях старых пьезопластин 12. Однако в этом случае увеличения суммарного изгибающего момента, возникающего в трехслойной активной биморфной структуре (и, тем самым, увеличения амплитуды деформаций отражающей поверхности и чувствительности зеркала), может и не происходить, поскольку при переходе от двухслойной активной биморфной структуры к трехслойной имеет место конкуренция следующих трех факторов (при том же самом управляющем напряжении):
1) добавление к существующему изгибающему моменту дополнительного изгибающего момента за счет новой пьезопластины 14; иными словами, при подаче управляющего напряжения только на пьезопластину 14 (напряжение на пьезопластинах 12 равно нулю) биморфная структура на фиг.З будет изгибаться исключительно за счет деформаций новой пьезопластины 14;
2) снижение по сравнению с фиг.2 величины изгибающего момента, вызываемого деформациями старых пьезопластин 12, т.к. в трехслойной биморфной структуре данному изгибающему моменту необходимо скомпенсировать противодействие (жесткость) новой пьезопластины 14; иными словами, при подаче управляющего напряжения только на пьезопластины 12 (напряжение на пьезопластине 14 равно нулю) величина изгиба биморфной структуры на фиг.З будет меньше, чем на фиг.2;
3) добавление к существующему изгибающему моменту дополнительного изгибающего момента, возникающего в биморфном соединении "новая пьезопластина 14 старая пьезопластина 12" за счет одновременных, но различных по величине деформаций обоих этих пьезопластин.When passing from the considered two-layer active bimorph structure to a three-layer structure (see Fig. 3) according to the reason indicated above (see p. 1 on p. 6), an additional bending moment arises (due to deformations of the new piezoelectric plate 14), which develops with a bending moment arising from deformations of old piezoelectric plates 12. However, in this case, an increase in the total bending moment arising in a three-layer active bimorph structure (and, thereby, an increase in the deformation amplitude of the reflecting surface and the sensitivity of the mirrors la), may not occur because when going from a two-layer bimorph structure active to sandwich competition takes place following three factors (with the same control voltage):
1) adding to the existing bending moment an additional bending moment due to the new piezoelectric plate 14; in other words, when the control voltage is applied only to the piezoelectric plate 14 (the voltage on the piezoelectric plates 12 is equal to zero), the bimorph structure in Fig. 3 will bend solely due to deformations of the new piezoelectric plate 14;
2) a decrease in comparison with figure 2 the magnitude of the bending moment caused by deformations of the old piezoelectric plates 12, because in a three-layer bimorph structure, for this bending moment, it is necessary to compensate for the reaction (rigidity) of the new piezoelectric plate 14; in other words, when the control voltage is applied only to the piezoelectric plate 12 (the voltage on the piezoelectric plate 14 is zero), the bending of the bimorph structure in FIG. 3 will be less than in FIG. 2;
3) adding to the existing bending moment an additional bending moment arising in the bimorphic connection "new piezoelectric plate 14 old piezoelectric plate 12" due to simultaneous, but different in size, deformations of both of these piezoelectric plates.

Понятно, что с точки зрения увеличения амплитуды управляемых перемещений оптической поверхности зеркала на основе активной биморфной структуры и повышения его чувствительности, первый из названных факторов является положительным, а второй отрицательным. Действие третьего фактора оказывается положительным только в том случае, когда возникающий в биморфном соединении "новая пьезопластина 14 старая пьезопластина 12" добавочный изгибающий момент совпадает по знаку с изгибающим моментом, возникающим благодаря деформациям обеих старых пьезопластин 12. А это, в свою очередь, возможно только тогда, когда деформации новой пьезопластины 14 совпадают по знаку с деформациями сопряженной с ней старой пьезопластины 12 и превосходят их по величине. На фиг. З эта ситуация показана двойным знаком "++" для управляющего напряжения на электроде пьезопластины 14. Во всех остальных случаях действие третьего фактора является отрицательным, даже в том случае, когда деформации смежных пьезопластин 12 и 14 совпадают по знаку, но отличаются друг от друга по величине. It is clear that from the point of view of increasing the amplitude of the controlled displacements of the optical surface of the mirror based on the active bimorph structure and increasing its sensitivity, the first of these factors is positive, and the second is negative. The action of the third factor turns out to be positive only if the additional bending moment that arises in the bimorphic compound “new piezoelectric plate 14 old piezoelectric plate 12” coincides in sign with the bending moment arising due to deformations of both old piezoelectric plates 12. And this, in turn, is only possible then, when the deformations of the new piezoelectric plate 14 coincide in sign with the deformations of the old piezoelectric plate 12 associated with it and exceed them in magnitude. In FIG. This situation is shown by the double “++” sign for the control voltage on the electrode of the piezoelectric plate 14. In all other cases, the action of the third factor is negative, even when the deformations of adjacent piezoelectric plates 12 and 14 coincide in sign, but differ from each other in size.

Из вышеизложенного рассмотрения ясно, что при переходе от двухслойной активной биморфной структуры (фиг.2) к трехслойной (см. фиг.З) первые два фактора являются принципиальными, присутствующими всегда, и, следовательно, второй (отрицательный) фактор принципиально неустраним. Действие третьего фактора можно обратить на пользу дела, обеспечив при работе зеркала на основе активной биморфной структуры, чтобы в каждый момент времени управляющее напряжение на пьезопластине 14 совпадало по знаку с напряжением на сопряженной с ней пьезопластине 12 и превышало последнее по величине. Однако все варианты подобного управления пьезопластинами в трехслойной активной биморфной структуре крайне неудобны. Действительно, во-первых, во всех подобных случаях необходимо иметь два электрически независимых управляющих канала. Во-вторых, значение управляющего напряжения на пьезопластине 14 все время необходимо сравнивать с величиной напряжения на смежной пьезопластине 12, что весьма неудобно в динамическом режиме работы зеркала. Заметим, что в конструкции на фиг.З новая пьезопластина 14 деформируется синфазно со смежной пьезопластиной 12, т.е. сжимается в продольном направлении при указанной на фиг. З ориентации векторов поляризации пьезопластин. Очевидно, все проведенные рассуждения справедливы также для случая расположения новой пьезопластины 14 снизу рассмотренной конструкции, т.е. когда эта пластина будет расширяться в продольном направлении синфазно с расширением смежной пьезопластины 12, в данном случае нижней из двух (понятно, что вектор поляризации пьезопластины 14 в этом случае сохранит свою ориентацию). From the foregoing discussion, it is clear that when switching from a two-layer active bimorph structure (Fig. 2) to a three-layer (see Fig. 3), the first two factors are fundamental, always present, and, therefore, the second (negative) factor is fundamentally unremovable. The action of the third factor can be beneficial for the case by ensuring that the mirrors are based on the active bimorph structure so that at each moment of time the control voltage on the piezoelectric plate 14 coincides in sign with the voltage on the conjugate piezoelectric plate 12 and exceeds the latter in magnitude. However, all variants of such control of piezoelectric plates in a three-layer active bimorph structure are extremely inconvenient. Indeed, firstly, in all such cases it is necessary to have two electrically independent control channels. Secondly, the value of the control voltage on the piezoelectric plate 14 all the time must be compared with the voltage on the adjacent piezoelectric plate 12, which is very inconvenient in the dynamic mode of the mirror. Note that in the construction of FIG. 3, the new piezoelectric plate 14 is deformed in phase with the adjacent piezoelectric plate 12, i.e. shrinks in the longitudinal direction with that indicated in FIG. 3 orientation of the polarization vectors of piezoelectric plates. Obviously, all the above considerations are also valid for the case of the location of the new piezoelectric plate 14 below the considered structure, i.e. when this plate will expand in the longitudinal direction in phase with the expansion of the adjacent piezoelectric plate 12, in this case the lower of the two (it is clear that the polarization vector of the piezoelectric plate 14 in this case will retain its orientation).

Заметим также, что все приведенные рассуждения целиком справедливы для полупассивных биморфных зеркал, в которых одна из пластин (а именно отражающая) выполняется из стекла, металла и т.п. т.е. сама по себе не деформируется. We also note that all the above considerations are entirely valid for semi-passive bimorph mirrors, in which one of the plates (namely, the reflecting one) is made of glass, metal, etc. those. in itself does not deform.

К указанным выше факторам, возникающим при переходе от двухслойной (фиг. 2) активной биморфной структуры к трехслойной (см. фиг. З), необходимо добавить еще один, имеющий своеобразное отрицательное влияние при построении многослойных активных биморфных структур. Дело заключается в том, что трехслойная активная биморфная структура на фиг. З является несимметричной (на сжатие работают две пьезопластины, на растяжение одна). С другой стороны, понятно, что при прочих равных условиях (а именно, при равенстве управляющего напряжения на обеих половинах биморфа и неизменной общей его толщине) деформации симметричной активной биморфной структуры имеют большую величину, чем несимметричной. Использование в несимметричном активном биморфе для двух его частей различного по величине напряжения довольно неудобно с точки зрения управления. Очевидно, для устранения указанного отрицательного эффекта целесообразно использовать вместо несимметричной трехслойной активной биморфной структуры, изображенной на фиг.З, полностью симметричную четырехслойную (см. фиг.4). Очевидно также, что для новой нижней пьезопластины 14 на фиг.4 полностью справедливы отмеченные выше три фактора. To the above factors that arise during the transition from a two-layer (Fig. 2) active bimorph structure to a three-layer structure (see Fig. 3), it is necessary to add another one that has a peculiar negative effect in the construction of multilayer active bimorph structures. The point is that the three-layer active bimorph structure in FIG. Z is asymmetric (two piezoelectric plates work in compression, one in tension). On the other hand, it is clear that, ceteris paribus (namely, when the control voltage is equal on both halves of the bimorph and its total thickness is constant), the deformations of the symmetric active bimorph structure are larger than asymmetric. The use of a voltage different in magnitude in an asymmetric active bimorph for two of its parts is rather inconvenient from the point of view of control. Obviously, to eliminate this negative effect, it is advisable to use, instead of the asymmetric three-layer active bimorph structure shown in Fig. 3, a completely symmetric four-layer structure (see Fig. 4). It is also obvious that for the new lower piezoelectric plate 14 in Fig. 4, the three factors noted above are fully valid.

При переходе от трехслойной активной биморфной структуры (фиг.З) к четырехслойной (фиг.4) и далее к многослойной (фиг. 1) действие всех трех вышеперечисленных факторов изменяется, а именно:
1) добавка к существующему изгибающему моменту дополнительного изгибающего момента уменьшается с присоединением каждой новой пьезопластины, т.к. общая жесткость активной биморфной структуры все более возрастает; иными словами, с присоединением каждой новой пьезопластины и при подаче управляющего напряжения только на нее (напряжение на всех остальных пьезопластинах равно нулю) активная биморфная структура будет изгибаться все меньше и меньше;
2) с присоединением каждой новой пьезопластины снижаются значения изгибающих моментов, вызываемых деформациями всех уже имеющихся (старых) пьезопластин, т. к. в многослойном зеркале данным изгибающим моментам необходимо скомпенсировать противодействие (жесткость) каждой новой пьезопластины; иными словами, при подаче управляющего напряжения только на все старые пьезопластины (напряжение на вновь присоединенной пьезопластине равно нулю) величина изгиба биморфной структуры будет уменьшаться с присоединением каждой новой пьезопластины (заметим, что данное утверждение справедливо как для случая подачи управляющего напряжения на все старые пьезопластины сразу, так и в случае подачи напряжения на любую старую пьезопластину в отдельности);
3) добавляются дополнительные изгибающие моменты, возникающие во всех биморфных структурах, образованных каждой парой смежных пьезопластин, из которых хотя бы одна является вновь присоединенной, за счет одновременных, но различных по величине деформаций этих смежных пьезопластин.Upon transition from a three-layer active bimorph structure (Fig. 3) to a four-layer (Fig. 4) and then to a multilayer (Fig. 1), the action of all three of the above factors changes, namely:
1) the addition to the existing bending moment of the additional bending moment decreases with the addition of each new piezoelectric plate, because the total rigidity of the active bimorph structure is increasing; in other words, with the addition of each new piezoelectric plate and when the control voltage is applied only to it (the voltage on all other piezoelectric plates is zero), the active bimorph structure will bend less and less;
2) with the addition of each new piezoelectric plate, the values of bending moments that are caused by deformations of all existing (old) piezoelectric plates decrease, because in a multilayer mirror these bending moments need to compensate for the opposition (stiffness) of each new piezoelectric plate; in other words, when applying a control voltage only to all old piezoelectric plates (the voltage at the newly connected piezoelectric plate is zero), the bending of the bimorph structure will decrease with each new piezoelectric plate attaching (note that this statement is true as if the control voltage was applied to all old piezoelectric plates immediately , and in the case of applying voltage to any old piezoelectric plate separately);
3) additional bending moments are added that arise in all bimorph structures formed by each pair of adjacent piezoelectric plates, of which at least one is newly connected due to simultaneous but different in size deformations of these adjacent piezoelectric plates.

За счет уменьшения положительного эффекта от первого фактора, возрастания отрицательного эффекта от второго и по аналогии с трехслойной активной биморфной структурой понятно, что в многослойном активном биморфе добиться вышеуказанного технического результата (т.е. увеличения чувствительности и амплитуды деформаций) за счет простого увеличения количества пьезопластин не удается. Кроме того, в многослойной активной биморфной структуре добиться положительного действия третьего фактора (т.е. когда для обоих половин биморфа управляющее напряжение на всех пьезопластинах является однополярным, причем его величина для каждой последующей, т.е. вновь присоединенной, пластины больше, чем для предыдущей) еще сложнее, чем в трехслойной или четырехслойной, и в динамике практически невозможно. Поэтому практически всегда в многослойном активном биморфе третий фактор будет оказывать отрицательное воздействие на амплитуду деформаций и чувствительность. By reducing the positive effect of the first factor, increasing the negative effect of the second and by analogy with the three-layer active bimorph structure, it is clear that in the multilayer active bimorph to achieve the above technical result (i.e., increase the sensitivity and amplitude of deformations) by simply increasing the number of piezoelectric plates fails. In addition, in the multilayer active bimorph structure, the positive effect of the third factor is achieved (i.e., when for both halves of the bimorph the control voltage on all piezoelectric plates is unipolar, and its value for each subsequent, i.e., newly connected, plate is greater than for the previous one) is even more complicated than in a three-layer or four-layer, and in dynamics it is almost impossible. Therefore, almost always in a multilayer active bimorph, the third factor will have a negative effect on the strain amplitude and sensitivity.

Выход из сложившейся ситуации в предлагаемом изобретении заключается в устранении третьего фактора вообще, т.е. за счет того, что для каждой половины многослойного активного биморфа (фиг. 1 все соединения каждой пары смежных пьезопластин 3 или 4 друг с другом не являются биморфными. (При этом, естественно, подразумевается, что соединение обоих многослойных частей друг с другом в активную биморфную структуру является биморфным, т.е. соединение смежных пьезопластин 3 и 4.) Указанный вариант реализуется в том случае, когда для любой половины (любого пьезоэлемента) многослойной активной биморфной структуры любые две смежные пьезопластины 3 или 4 деформируются абсолютно одинаково или, иными словами, когда при прочих равных условиях на все пьезопластины 3 или 4 одной половины биморфа подается одинаковое управляющее напряжение. Именно благодаря этому деформации всех пьезопластин 3 или 4 для любой половины биморфа являются синхронными и синфазными, что, как отмечалось выше, является второй причиной, приводящей к достижению указанного технического результата. При этом соответствующим отличительным признаком является то, что в каждом пьезоэлементе (т.е. для каждой половины биморфа) отдельные пьезопластины ориентированы таким образом, что векторы поляризации смежных пьезопластин направлены в противоположные стороны, а их одноименные электроды электрически связаны между собой, при этом пьезоэлектрические элементы (части биморфа) жестко соединены друг с другом таким образом, что векторы поляризации их смежных сопрягаемых пьезопластин сонаправлены, а их смежные сопрягаемые электроды электрически связаны между собой. На фиг.1 соответствующие управляющие электроды 5 пьезокерамических пластин 3 и 4 соединены указанным образом посредством соединительных проводников 7. Таким образом, только сочетание данного отличительного признака с первым (что пьезоэлектрические элементы, т.е. обе половины биморфа, выполнены многослойными и образованы по крайней мере двумя идентичными пьезопластинами со сплошными металлическими электродами на противоположных сторонах) позволяет добиться указанного технического результата, т. е. повышения амплитуды управляемых перемещений оптической поверхности деформируемого зеркала на основе многослойной активной биморфной структуры. The way out of the situation in the present invention is to eliminate the third factor in general, i.e. due to the fact that for each half of the multilayer active bimorph (Fig. 1, all connections of each pair of adjacent piezoelectric plates 3 or 4 with each other are not bimorphic. (In this case, of course, it is understood that the connection of both multilayer parts with each other into an active bimorph the structure is bimorphic, i.e., the connection of adjacent piezoelectric plates 3 and 4.) This option is realized when for any half (any piezoelectric element) of a multilayer active bimorph structure any two adjacent piezoelectric plates 3 or 4 deform in the same way, or, in other words, when, all other things being equal, the same control voltage is applied to all piezoelectric plates 3 or 4 of one half of the bimorph, it is because of this that the deformations of all piezoelectric plates 3 or 4 for any half of the bimorph are synchronous and in-phase, which, as noted above is the second reason leading to the achievement of the indicated technical result, while the corresponding distinguishing feature is that in each piezoelectric element (i.e. for each half of the bimorph) the individual piezoelectric plates are oriented in such a way that the polarization vectors of adjacent piezoelectric plates are directed in opposite directions, and their electrodes of the same name are electrically connected with each other, while the piezoelectric elements (parts of the bimorph) are rigidly connected to each other so that their polarization vectors adjacent mating piezoelectric plates are codirectional, and their adjacent mating electrodes are electrically connected. In Fig. 1, the corresponding control electrodes 5 of the piezoceramic plates 3 and 4 are connected in the indicated manner by the connecting conductors 7. Thus, only a combination of this distinguishing feature with the first (that the piezoelectric elements, i.e. both halves of the bimorph, are multilayer and formed at least with two identical piezoelectric plates with solid metal electrodes on opposite sides) allows achieving the indicated technical result, i.e., increasing the amplitude of controlled of the optical surface of a deformable mirror based on a multilayer active bimorph structure.

Поскольку чувствительность деформируемого зеркала есть отношение величины деформаций его отражающей поверхности к приложенному управляющему напряжению, то из приведенного рассмотрения ясно, что в предлагаемом зеркале на основе многослойной активной биморфной структуры сочетание указанных отличительных признаков, характеризующих выполнение пьезоэлектрических элементов и соединение управляющих электродов в них, также обеспечивает увеличение чувствительности по сравнению с известными аналогами и прототипом. Кроме того, как отмечалось выше, повышение чувствительности в предлагаемом изобретении возможно, ко всему прочему, за счет снижения толщины отдельных пьезопластин 3 и 4 (фиг. 1) и, следовательно, снижения управляющего напряжения. Таким образом, в соответствии с проведенным рассмотрением за счет сочетания указанных отличительных признаков и возможного снижения толщины отдельных пьезопластин описанное техническое решение обеспечивает гарантированное и существенное увеличение чувствительности деформируемых биморфных зеркал. Since the sensitivity of the deformable mirror is the ratio of the magnitude of the deformations of its reflecting surface to the applied control voltage, it is clear from the above discussion that in the proposed mirror, based on the multilayer active bimorph structure, the combination of these distinguishing features characterizing the performance of piezoelectric elements and the connection of control electrodes in them also provides increase in sensitivity compared to known analogues and prototype. In addition, as noted above, an increase in sensitivity in the present invention is possible, among other things, by reducing the thickness of individual piezoelectric plates 3 and 4 (Fig. 1) and, therefore, reducing the control voltage. Thus, in accordance with the review, by combining these distinctive features and possibly reducing the thickness of individual piezoelectric plates, the described technical solution provides a guaranteed and significant increase in the sensitivity of deformable bimorph mirrors.

Для дальнейшего увеличения амплитуды управляемых деформаций в предлагаемом зеркале (и, следовательно, дальнейшего повышения его чувствительности) необходимо реализовать более свободное закрепление многослойной активной биморфной структуры в корпусе зеркала по сравнению с известными аналогами и прототипом. В известных зеркалах наиболее оптимальное закрепление активной биморфной структуры реализовано в выбранном прототипе, где биморфная пластина крепится к корпусу в трех точках по своему внешнему диаметру, что в идеальном случае соответствует ее свободному опиранию, т.е. отсутствию ограничений на значение первой производной функции деформаций на краю пластины. Понятно, что в реальной конструкции выполнить идеальные условия свободного опирания на краю невозможно, поэтому в той или иной степени биморфная пластина будет заневолена по своему краю. Иными словами, реальные условия краевого закрепления биморфной пластины находятся между жестким защемлением и свободным опиранием. Данное реальное закрепление устанавливает вполне конкретное значение первой производной от функции деформаций на краю пластины, отличное от идеального теоретического результата и лежащее между ним и нулем (что соответствует жесткому защемлению). При этом амплитуда управляемых перемещений оптической поверхности зеркала будет тем выше, чем меньше отличие реального значения первой производной на краю пластины от идеального варианта. Отсюда, в частности, вытекает целесообразность эластичного краевого закрепления биморфной пластины в нескольких точках, например, с помощью резиновых, поролоновых и т.п. прокладок. Тем не менее, во всех подобных вариантах отличие реального значения первой производной функции деформаций от теоретической величины является принципиально неустранимым и, следовательно, возможное повышение амплитуды управляемых деформаций и чувствительности биморфного зеркала не является существенным и гарантированным. To further increase the amplitude of controlled deformations in the proposed mirror (and, consequently, further increase its sensitivity), it is necessary to implement a looser fixation of the multilayer active bimorph structure in the mirror body in comparison with the known analogues and prototype. In known mirrors, the most optimal fastening of the active bimorph structure is realized in the selected prototype, where the bimorph plate is attached to the body at three points in its outer diameter, which ideally corresponds to its free support, i.e. the absence of restrictions on the value of the first derivative of the strain function at the edge of the plate. It is clear that in a real design it is impossible to fulfill ideal conditions of free support on the edge, therefore, to one degree or another, the bimorph plate will be bent along its edge. In other words, the real conditions of the edge fastening of the bimorph plate are between rigid pinching and free support. This real fixation establishes a very specific value of the first derivative of the deformation function at the edge of the plate, different from the ideal theoretical result and lying between it and zero (which corresponds to rigid pinching). In this case, the amplitude of the controlled displacements of the optical surface of the mirror will be the higher, the smaller the difference between the real value of the first derivative at the edge of the plate and the ideal variant. This, in particular, implies the feasibility of elastic edge fixing of the bimorph plate at several points, for example, using rubber, foam rubber, etc. gaskets. Nevertheless, in all such cases, the difference between the real value of the first derivative of the deformation function and the theoretical value is fundamentally unrecoverable and, therefore, the possible increase in the amplitude of controlled deformations and the sensitivity of the bimorph mirror is not significant and guaranteed.

Кардинальным решением рассмотренной проблемы является отказ от краевого закрепления биморфной пластины и реализация крепления последней в ее центре. Это сразу же обеспечивает выигрыш в амплитуде управляемых деформаций, поскольку в этом отношении при прочих равных условиях центральное закрепление биморфа оказывается явно предпочтительнее любого краевого закрепления, в том числе идеального свободного опирания (см. Л.Д.Ландау, Е.М.Лифшиц. Теоретическая физика. В 10-ти т. Т. VII. Теория упругости. М. Наука, 1987, с. 6О-69). Например, прогиб пластины в поле силы тяжести для случая центрального закрепления на 40-66% (в зависимости от материала пластины) больше, чем в случае свободного опирания аналогичной пластины. Один из возможных вариантов показан на фиг. 1, где многослойная активная биморфная структура (пластина) закреплена в корпусе 1 деформируемого зеркала с помощью держателя 2, при этом со стороны отражающей поверхности между корпусом 1 и биморфной пластиной имеется зазор. Заметим, что отличие данного конкретного варианта центрального закрепления от идеального случая (т.е. жесткого закрепления в точке) весьма незначительно по следующим причинам:
1) поскольку многослойная биморфная пластина достаточно легкая, то для любой ориентации деформируемого зеркала диаметр держателя 2 может быть выбран минимальным (во всяком случае много меньшим по сравнению с диаметром биморфа);
2) поскольку прогиб биморфной пластины есть квадратичная функция радиуса, а его величина мала (т.е. радиус прогиба большой), следовательно, в центре биморфа в пределах диаметра держателя 2 можно считать прогиб биморфа постоянным и равным нулю;
3) поскольку вершина прогиба биморфа находится в его центре, то первая производная функции деформаций в этой точке равна нулю, а в ее окрестности близка к нулю из-за большого радиуса прогиба, что соответствует граничному условию в случае центрального закрепления.A fundamental solution to the considered problem is the rejection of the regional fastening of the bimorph plate and the implementation of the fastening of the latter in its center. This immediately provides a gain in the amplitude of controlled deformations, since, in this respect, ceteris paribus, the central anchoring of the bimorph is clearly preferable to any regional anchoring, including ideal free support (see L.D. Landau, E.M. Lifshits. Theoretical physics, in 10 volumes T. VII. Theory of elasticity. M. Nauka, 1987, p. 6O-69). For example, the deflection of the plate in the field of gravity for the case of central fastening is 40-66% (depending on the material of the plate) more than in the case of free support of a similar plate. One possible embodiment is shown in FIG. 1, where the multilayer active bimorph structure (plate) is fixed in the housing 1 of the deformable mirror using the holder 2, while there is a gap between the housing 1 and the bimorph plate on the side of the reflecting surface. Note that the difference between this particular variant of central fixation and the ideal case (i.e., rigid fixation at a point) is very insignificant for the following reasons:
1) since the multilayer bimorph plate is quite light, for any orientation of the deformable mirror, the diameter of the holder 2 can be chosen as minimum (in any case, much smaller compared to the diameter of the bimorph);
2) since the deflection of a bimorph plate is a quadratic function of the radius, and its value is small (i.e., the radius of deflection is large), therefore, in the center of the bimorph, within the diameter of holder 2, we can assume that the bimorph is constant and equal to zero;
3) since the vertex of the bimorph deflection is in its center, the first derivative of the deformation function at this point is equal to zero, and in its vicinity it is close to zero due to the large deflection radius, which corresponds to the boundary condition in the case of central fixation.

Следовательно, рассмотренный вариант центрального закрепления многослойной биморфной пластины в корпусе деформируемого зеркала обеспечивает эффективное увеличение амплитуды управляемых деформаций оптической поверхности, а значит, и чувствительности зеркала. Таким образом, сочетание всех отличительных признаков и описанного варианта закрепления многослойной активной биморфной структуры обеспечивает гарантированное достижение существенного указанного технического результата, т. е. гарантированное и существенное увеличение амплитуды управляемых перемещений отражающей поверхности деформируемых зеркал на основе многослойных активных биморфных структур и повышение их чувствительности при одновременном снижении управляющего напряжения. Therefore, the considered version of the central fixing of the multilayer bimorph plate in the body of the deformable mirror provides an effective increase in the amplitude of the controlled deformations of the optical surface, and hence the sensitivity of the mirror. Thus, the combination of all the distinguishing features and the described variant of fixing the multilayer active bimorph structure ensures guaranteed achievement of a significant specified technical result, i.e., a guaranteed and significant increase in the amplitude of the controlled movements of the reflecting surface of deformable mirrors based on multilayer active bimorph structures and an increase in their sensitivity while lower control voltage.

Наибольшая простота и удобство конструкции предлагаемого изобретения достигаются в том случае, когда смежные пьезопластины сопряжены между собой через общий для них электрод. Действительно, в этом случае каждый многослойный пьезоэлемент может быть образован не простым соединением отдельных пьезопластин с нанесенными на обе стороны электродами, а, например, спеканием по платине тонких пьезоэлектрических пленок. При этом сами пьезопленки не имеют управляющих электродов, а их роль играют платиновые прокладки. Кроме того, при спекании одновременно проводится термообработка пьезопленок, за счет чего они превращаются в жесткие (но тонкие) пьезопластины. Таким образом, в итоге пьезопластины в многослойном пьезоэлементе оказываются сопряженными через общий для них электрод. The greatest simplicity and convenience of the design of the invention are achieved when adjacent piezoelectric plates are interconnected through a common electrode for them. Indeed, in this case, each multilayer piezoelectric element can be formed not just by connecting individual piezoelectric plates with electrodes deposited on both sides, but, for example, by sintering thin piezoelectric films on platinum. In this case, the piezoelectric films themselves do not have control electrodes, and their role is played by platinum gaskets. In addition, during sintering, heat treatment of piezoelectric films is simultaneously carried out, due to which they turn into hard (but thin) piezoelectric plates. Thus, as a result, the piezoelectric plates in the multilayer piezoelectric element are conjugated through a common electrode for them.

Выше уже были отмечены преимущества, которые обеспечиваются за счет изменения формы пьезоэлектрических пластин и/или их электродов. В этом случае работа деформируемого зеркала на основе многослойной активной биморфной структуры ничем не отличается от вышеописанной, за исключением того, что форма деформаций его отражающей поверхности будет соответствовать выбранной форме пьезоэлектрических пластин и их электродов. The advantages that are provided by changing the shape of the piezoelectric plates and / or their electrodes have already been noted above. In this case, the work of a deformable mirror based on a multilayer active bimorph structure is no different from the above, except that the shape of the deformations of its reflecting surface will correspond to the selected shape of the piezoelectric plates and their electrodes.

Показанный на фиг. 1 эластичный герметик 11, заполняющий внутреннюю полость корпуса зеркала, не является обязательным элементом и служит для повышения прочности, надежности и стабильности конструкции в целом. Это достигается благодаря демпфированию эластичным герметиком 11 внешних ударных, вибрационных и иных нагрузок, действующих на корпус зеркала в процессе его эксплуатации. Надежность зеркала также повышается благодаря тому, что герметик защищает внутреннее устройство зеркала от непосредственного повреждения. Shown in FIG. 1 elastic sealant 11 filling the internal cavity of the mirror housing is not a mandatory element and serves to increase the strength, reliability and stability of the structure as a whole. This is achieved by damping the elastic sealant 11 of external shock, vibration and other loads acting on the mirror housing during its operation. The reliability of the mirror is also enhanced by the fact that the sealant protects the internal structure of the mirror from direct damage.

Немаловажным достоинством предлагаемого устройства является возможность уменьшения толщины отдельных пьезопластин 3 и 4 с целью понижения величины управляющего напряжения (без снижения амплитуды полезных деформаций отражающей поверхности) и, следовательно, повышения чувствительности. Действительно, для существующих аналогов и прототипа толщина одной пьезопластины (и, следовательно, толщина всей биморфной структуры) ограничена снизу, поскольку ее жесткость должна обеспечивать возможность оптического формообразования и полировки зеркала, а также стабильность исходной отражающей поверхности. Таким образом, для имеющихся аналогов и прототипа существует минимально допустимая толщина пьезопластины, при которой возможно создание эффективного деформируемого биморфного зеркала. An important advantage of the proposed device is the ability to reduce the thickness of individual piezoelectric plates 3 and 4 in order to reduce the magnitude of the control voltage (without reducing the amplitude of the useful deformations of the reflecting surface) and, therefore, increase the sensitivity. Indeed, for existing analogs and prototypes, the thickness of one piezoelectric plate (and, consequently, the thickness of the entire bimorph structure) is limited from below, since its rigidity should provide the possibility of optical shaping and polishing of the mirror, as well as the stability of the original reflective surface. Thus, for existing analogues and prototype there is a minimum permissible thickness of the piezoelectric plate, at which it is possible to create an effective deformable bimorph mirror.

Из приведенного выше описания ясно, что для предлагаемого зеркала на основе многослойной активной биморфной структуры какого-либо ограничения минимальной толщины отдельных пьезопластин 3 или 4 не существует. Очевидно, в этом случае возможный недостаток жесткости биморфной пьезоструктуры в целом легко компенсируется увеличением количества пьезоэлектрических пластин 3 и 4. Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает возможность создания низковольтных высокочувствительных одноканальных деформируемых биморфных зеркал с высокой амплитудой управляемых перемещений оптической поверхности. From the above description it is clear that for the proposed mirror based on a multilayer active bimorph structure, there is no limitation on the minimum thickness of individual piezoelectric plates 3 or 4. Obviously, in this case, the possible lack of rigidity of the bimorphic piezostructure as a whole is easily compensated by an increase in the number of piezoelectric plates 3 and 4. Thus, the proposed device provides the possibility of creating low-voltage high-sensitivity single-channel deformable bimorph mirrors with a high amplitude of controlled displacements of the optical surface.

В заключение уместно отметить, что предлагаемое устройство, в том числе изображенное на фиг. 1, может быть реализовано на стандартном промышленном оборудовании с использованием известных материалов и технологий. Использующиеся в конструкции зеркала пьезоэлектрические пластины также являются стандартной промышленной продукцией. In conclusion, it is appropriate to note that the proposed device, including that shown in FIG. 1, can be implemented on standard industrial equipment using well-known materials and technologies. The piezoelectric plates used in the mirror design are also standard industrial products.

По сравнению с деформируемыми зеркалами, содержащими дискретные управляющие приводы (например, по сравнению с аналогичным по назначению и рабочим характеристикам одноканальным деформируемым зеркалом немецкой фирмы Diehl GmbH Co. с одним пьезоприводом, см. Lasers in Engineering, 1995, Vol. 4, pp. 233-242) предложенное устройство обладает как минимум следующими преимуществами: значительно меньшими массой и габаритными размерами, существенно меньшей себестоимостью, более сферическими деформациями отражающей поверхности. Compared to deformable mirrors containing discrete control drives (for example, compared to a single-channel deformable mirror of the German company Diehl GmbH Co. with one piezo drive, similar in purpose and performance, see Lasers in Engineering, 1995, Vol. 4, pp. 233 -242) the proposed device has at least the following advantages: significantly lower mass and overall dimensions, significantly lower cost, more spherical deformations of the reflecting surface.

Практически предложенное изобретение может быть использовано в любых оптических системах для выполнения динамической коррекции (компенсации) осесимметричных искажений оптических пучков с высокой точностью, например, в технологических лазерных установках с "летающей" оптикой с целью получения равномерного качества сварного шва во всем рабочем поле комплекса. Almost the proposed invention can be used in any optical systems to perform dynamic correction (compensation) of axisymmetric distortions of optical beams with high accuracy, for example, in technological laser systems with "flying" optics in order to obtain uniform quality of the weld in the entire working field of the complex.

Claims

1. A deformable mirror based on a multilayer active bimorph structure, containing two piezoelectric elements rigidly connected to each other with metal electrodes on opposite sides and a reflective surface made on the outside of one of the piezoelectric elements, characterized in that the piezoelectric elements are multilayer and are formed by at least two identical piezoelectric plates, or piezoelectric films, or piezoelectric layers with solid metal electrons electrodes on opposite sides, and in each piezoelectric element, individual piezoelectric plates, or piezoelectric films, or piezoelectric layers are oriented in such a way that the polarization vectors of adjacent piezoelectric plates, or piezoelectric films, or piezoelectric layers are directed in opposite directions, and their eponymous electrodes are electrically connected to each other, while the piezoelectric elements are rigidly connected to each other in such a way that the polarization vectors of their adjacent mating piezoelectric plates, or piezoelectric films, or piezoelectric layers are aligned, and their adjacent extensible electrodes are electrically connected.

2. The mirror according to claim 1, characterized in that at least one pair of adjacent piezoelectric plates, or piezoelectric films, or piezoelectric layers is interconnected via a common electrode for them.

3. The mirror according to claim 1 or 2, characterized in that at least one piezoelectric plate, or piezoelectric film, or piezoelectric layer, or at least one electrode is made in the form of a full or truncated circle, or oval, or ring, or polygon, either a sector or a segment, or in the form of a union of at least two identical or different listed figures.