變形鏡，又稱變形反射鏡（DM），變形鏡主要運用於(yu) 各種自適應光學係統之中，主要用於(yu) 校正波前畸變，變形鏡由很多驅動單元組合
而成，每個(ge) 驅動單元都有自己獨立的控製器，在外加電壓控製下，變形鏡的鏡麵可以產(chan) 生需要的形變量，從(cong) 而對波前像差進行調製。變
形鏡在自適應光學係統中起著極其重要的作用，是自適應光學係統中的重要部件之一。DM的指標參數關(guan) 係到整個(ge) 自適應光學係統的校
正能力和校正精度。微變形反射鏡式可以根據波前調製的需要改變表麵麵形，從(cong) 而糾正波前相位畸變，根據反射麵的不同變形鏡可分為(wei)
連續表麵型和分立表麵兩(liang) 種類型
變形鏡早期發展
H.W.Babcock 在1953 年首先提出了自適應光學的概念，其主要方法就是在光瞳麵放置一個(ge) 光學“校正器”，並且通過實時控製來改變這個(ge) 校正器的麵形來補償(chang) 大氣引入的像差。Babcock 的開創性論述中所提出的光學校正器叫做“Ediophor”，設想用一層薄的反射層覆蓋在一層油膜上麵，然後在油膜上麵施加電荷，靜電力使油膜根據電荷的空間分布產(chan) 生相應的厚度變化，從(cong) 而對入射的光線產(chan) 生光程調製，這就是變形鏡的原型，如圖1。
圖1 巴布科克提出的變形鏡原理
但在當時的技術條件下沒能真正實現這樣的結構。之後隨著激光技術的發明和国产成人在线观看免费网站以及軍(jun) 事研究的刺激，變形鏡的技術得以迅速發展，這也直接推動了自適應光學技術的發展。在美國軍(jun) 方合同的支持下，Itek 国产黄色在线观看的J.W.Hardy 等人於(yu) 1974年發明了整體(ti) 式壓電驅動變形鏡用於(yu) 空間目標觀測係統。1984年，Itek 国产黄色在线观看與(yu) Bell 国产黄色在线观看航空事業(ye) 部門合作研製出250單元的電致伸縮冷卻矽變形鏡用於(yu) 激光遠距離傳(chuan) 輸。美國UnitedTechnologies 研究中心在20世紀70年代中期研製成功了一係列用於(yu) 高能激光的變形鏡。20世紀80年代法國Laserdot 国产黄色在线观看研製成功19單元和52單元兩(liang) 種分立式壓電變形鏡，提供歐洲南方天文台（ESO）的Come-On 和Come-On Plus 計劃使用。進入90 年代以後到現在以變形鏡為(wei) 代表的波前校正器件更是蓬勃發展、種類繁多。
傳(chuan) 統變形鏡
基本上所有類型的傳(chuan) 統變形鏡都是用驅動器產(chan) 生一個(ge) 力來推動薄的反射鏡麵。鏡麵可以是一塊塊分立的小反射鏡也可以是一整塊薄的反射麵；力的產(chan) 生有很多種不同的方法，但国产成人在线观看免费网站最多、最成功的是壓電效應和電致伸縮效應等。區分各種變形鏡的基本要素有兩(liang) 個(ge) ：驅動器和鏡麵。按照這樣的方式可將變形鏡大致分為(wei) 幾類，見下表。
分立表麵變形鏡 | 分立式驅動器 | 單自由度 （Piston） |
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多自由度 (Piston&Tip/Tilt） |
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連續表麵變形鏡 |
分立式驅動器 | 垂直驅動 |
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彎矩驅動器 | ez | ||
整體(ti) 式驅動器 |
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最常用的一類變形鏡是連續鏡麵分立式驅動器類型，典型結構如圖2。整個(ge) 結構分三個(ge) 主要部分：基底、驅動器、薄鏡麵。基底由剛度較高的材料構成，主要作用是支撐整個(ge) 變形鏡的結構並且在工作過程中作為(wei) 固定基板。單個(ge) 驅動器可以由壓電材料或電致伸縮材料疊片組成，很多個(ge) 這樣的驅動器按一定的空間分布固定在基底上並在其頂端粘接連接鏡麵。薄鏡麵的可選材料包括光學玻璃、矽、金屬等。驅動器將電能轉換為(wei) 垂直方向上的位移，從(cong) 而推動其上的鏡麵。不同的驅動器加上不同的電壓就能夠使鏡麵產(chan) 生各種複雜的變形。
圖2 連續鏡麵分立式驅動器變形鏡結構
傳(chuan) 統變形鏡的驅動技術
一般自適應光學係統的波前相位調製量達到幾個(ge) 微米，而且要求調製精度在納米級。傳(chuan) 統的機械式調節機構難以滿足這樣的要求。所以從(cong) 巴布科克提出自適應光學的理論以來就沒有再考慮機械式的結構，倒是各種功能材料很快便被引入到變形鏡的研製中來。
1．壓電材料驅動器
當對壓電材料施加壓力時，材料體(ti) 內(nei) 的電偶極矩會(hui) 因外力的壓縮而變短，此時壓電材料為(wei) 抵抗這變化會(hui) 在材料的相對的兩(liang) 個(ge) 表麵上產(chan) 生等量的正負電荷，這種由於(yu) 應變而產(chan) 生電極化的現象稱為(wei) “正壓電效應”。它實質上是將機械能轉換為(wei) 電能的過程。當在壓電材料表麵施加電場時，材料內(nei) 的電偶極矩會(hui) 因電場的作用而被拉長，壓電材料為(wei) 抵抗變化，也會(hui) 沿著電場方向伸長，這種通過電場作用而產(chan) 生形變的過程則被稱為(wei) “逆壓電效應”。逆壓電效應實質上是將電能轉化為(wei) 機械能的過程。
壓電材料可以分成壓電單晶體(ti) 、壓電多晶體(ti) （壓電陶瓷）、壓電聚合物和壓電複合材料四種，其中壓電陶瓷的国产成人在线观看免费网站是最廣泛的。最早被發現具有壓電性質是鈦酸鋇，但是由於(yu) 純的鈦酸鋇燒結難度較大，並且在居裏點（120℃左右）附近有相變發生，即使改變其摻雜特性，其壓電性仍然不是太高。1950年左右發明的鋯鈦酸鉛（LeadZirconate Titanate，PZT）則是迄今為(wei) 止使用最多的壓電陶瓷，也是最早用作為(wei) 變形鏡驅動器的材料。如今很大一類的變形鏡的驅動器陣列還在使用PZT，隻是各個(ge) 材料的組份和特性稍有不同。
壓電陶瓷驅動器就是利用壓電陶瓷的逆壓電效應進行工作的，即給壓電陶瓷施加外電壓，則會(hui) 沿極化方向產(chan) 生形變。圖3所示，壓電層疊驅動器結構。
圖3 壓電層疊驅動器結構
2. 電致伸縮材料驅動器
另一種與(yu) 壓電陶瓷驅動器類似的是電致伸縮驅動器。電致伸縮是一種應力、應變與(yu) 電場二次項相關(guan) 的非線性現象，亦稱電致伸縮效應（electrostrictive effect）。它在所有的電介質中都具有，不論是非壓電晶體(ti) 還是壓電晶體(ti) ，甚至一些聚氨基甲酸乙酯類的高分子聚合物以及鈣鈦礦類陶瓷材料也具有本類性質。對於(yu) 一些高介電性的壓電材料以及溫度略高於(yu) 居裏點的鐵電材料而言，電致伸縮效應較為(wei) 明顯。我們(men) 通常把具有明顯的電致伸縮效應特性的材料稱之為(wei) 電致伸縮材料。
電致伸縮材料可以分為(wei) 陶瓷和聚合物電致伸縮材料兩(liang) 種，馳豫鐵電陶瓷電致伸縮材料的伸縮係數通常為(wei) l0-6 量級，在較低的驅動場強下可以獲得較大的形變量，因此對其材料特性的研究已獲得廣泛開展，其特性已為(wei) 人所熟知。而聚合物電致伸縮材料的電致伸縮係數通常為(wei) 10-8 量級，因此需要較高的驅動場強，現階段還不適合作為(wei) 波前校正器的驅動器材料。實用的弛豫鐵電型電致伸縮陶瓷主要有铌鎂酸鉛(PMN)、铌鎂酸鉛一鈦酸鉛(PMN-PT)、摻鑭鋯鈦酸鉛（PLZT，也稱透明壓電陶瓷)、摻鋇鋯鈦酸鉛(PBZT)等係統。
3. 磁致伸縮材料驅動器
極高的磁致伸縮性能使其在海洋工程的水聲聲納方麵已經完全超越了壓電陶瓷材料。但如果要作為(wei) 變形鏡的驅動器的話其結構要稍顯複雜，如圖4。而且磁致伸縮原理本質上磁場和機械耦合關(guan) 係比較複雜，不利於(yu) 驅動器的線性化輸出控製。
圖4 磁致伸縮材料驅動器結構示意圖
4. 靜電驅動的薄膜變形鏡
1976年，Perkin-Elmer国产黄色在线观看的M.Yellin等人發明了用薄膜作為(wei) 鏡麵，靜電力驅動的變形鏡，如圖5所示。這是變形鏡領域的一個(ge) 突破，相比傳(chuan) 統的壓電變形鏡工藝簡化，造價(jia) 明顯降低，隻是薄膜製備工藝和裝配過程還是需要技巧。
圖5 薄膜變形鏡的原理及電極示意圖
5. 雙壓電片變形鏡
由壓電陶瓷片構成的雙壓電片結構（Bimorph）作為(wei) 驅動器在1960年就已經廣為(wei) 使用，但一般製作成長條狀的懸臂梁結構，如圖6所示。相比於(yu) 其它類型的變形鏡，雙壓電變形鏡的優(you) 點是結構簡單、變形量大，可以做到中等口徑。雙壓電片的製造工藝要比層疊驅動器的變形鏡簡單，不用製成成排的驅動器，隻需將兩(liang) 片壓電材料薄片上層積上一定的電極圖形，然後粘接並在這個(ge) 三明治結構的兩(liang) 麵都沉積公共電極，最後再在兩(liang) 麵都粘上一層光學平板。
圖6 早期Bimorph變形鏡結構示意圖
6. 音圈電機的變形鏡
音圈電機（Voice Coil）因其結構類似於(yu) 喇叭的音圈而得名，具有高頻響、高精度的特點。依據安培力原理，通電導體(ti) 放在磁場中就會(hui) 產(chan) 生力，而力的大小取決(jue) 於(yu) 磁場強度和電流，以及磁場和電流的方向。如圖7所示，其基本原理是一個(ge) 薄鏡麵“懸浮”於(yu) 一個(ge) 由一係列音圈驅動器產(chan) 生的磁場上麵。這個(ge) 薄鏡麵背麵粘結與(yu) 音圈驅動器對應的永磁體(ti) ，所以能夠被磁場支撐起來。音圈驅動器固定在一個(ge) 較厚的金屬圓盤上，這個(ge) 圓盤同事還作為(wei) 散熱器帶走音圈驅動器所產(chan) 生的熱量。當電流通過音圈時就會(hui) 產(chan) 生一個(ge) 局部磁場，磁場對鏡麵背部的磁鐵施加力推動鏡麵產(chan) 生變形。為(wei) 了精確控製鏡麵的位置，每一個(ge) 驅動器上都有一個(ge) 電容傳(chuan) 感器，它實時測量區域內(nei) 鏡麵背麵與(yu) 參考麵的距離。
圖7 音圈電極原理示意圖
基於(yu) MEMS 技術的微變形鏡
MEMS 技術具有許多吸引人的特性：這種器件的尺寸在微米量級，便於(yu) 儀(yi) 器小型化；可以用集成電路工藝製作，易於(yu) 批量生產(chan) ，價(jia) 格便宜；容易製成多陣列元件；国产欧美在线性能重複性好，成品率高。基於(yu) MEMS技術的各種傳(chuan) 感器和微機械成為(wei) 當時的研究熱點，如圖8示。
圖8 Miller最初的MEMS靜電變形鏡原理圖
根據鏡麵分類，與(yu) 傳(chuan) 統變形鏡類似，MEMS變形鏡也可以分為(wei) 連續鏡麵和分立式鏡麵MEMS變形鏡兩(liang) 類。根據驅動方式分類，MEMS變形鏡的微驅動器技術主要有靜電驅動、電磁驅動兩(liang) 種。
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