專利名稱：單壓電片變形鏡及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于自適應(yīng)光學(xué)領(lǐng)域，涉及一種單壓電片變形鏡及其制造方法。
背景技術(shù)：
變形鏡在自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中作為一種波前校正器，通過調(diào)整自身的面形實(shí)現(xiàn)對(duì)光路中畸變波前的校正，從而提高成像分辨率。自適應(yīng)光學(xué)是近幾十年發(fā)展起來的一種新技術(shù)，最先被用在軍事領(lǐng)域及天文領(lǐng)域。隨著自適應(yīng)光學(xué)的發(fā)展，這種技術(shù)被應(yīng)用于視網(wǎng)膜成像、顯微鏡、雙光子激光及高能激光等民用領(lǐng)域。這些應(yīng)用領(lǐng)域推動(dòng)著自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng) 向著低成本的方向發(fā)展。傳統(tǒng)的壓電堆棧式變形鏡主要為天文學(xué)成像設(shè)計(jì)，其體積大成本高。目前一些基于微系統(tǒng)技術(shù)(MEMS)的靜電式變形鏡以其能夠批量化生產(chǎn)降低成本而被廣泛研究，但是由于靜電力驅(qū)動(dòng)這種驅(qū)動(dòng)方式變形量小而受到一定的制約。雙壓電片變形鏡和單壓電片變形鏡具有變形量大、適合于校正低階像差及制作簡單等優(yōu)點(diǎn)適用于上述這些民用領(lǐng)域。雙壓電片變形鏡和單壓電片變形鏡屬于同一類型的變形鏡，其區(qū)別在于雙壓電片變形鏡由兩層驅(qū)動(dòng)層驅(qū)動(dòng)，單壓電片變形鏡由單層驅(qū)動(dòng)層驅(qū)動(dòng)。文獻(xiàn)(Comparativeanalysis of deformable mirrors for ocular adaptive optics， Optics Express13(11),4275-4285,2005)比較了幾種不同類型商用變形鏡在視網(wǎng)膜成像中的校正能力，指出雙壓電片變形鏡以其大變形量而具有最佳校正性能。美國專利US 6，464，364 B2公開了 AOptix公司的一種雙壓電片變形鏡，由兩片壓電陶瓷或電致伸縮材料粘接而成，其中一片的外表面經(jīng)過拋光鍍反射層作為光學(xué)表面，同時(shí)也作為產(chǎn)生離焦的驅(qū)動(dòng)層，另一片外表面圖形化出分立電極陣列作為校正高階像差的驅(qū)動(dòng)層。由于普通壓電陶瓷材料質(zhì)地松脆很難制作出高質(zhì)量的光學(xué)表面，這種結(jié)構(gòu)變形鏡的制作受到一定的限制。文獻(xiàn)(Monomorph large aperture adaptive optics for highpeak-powerfemtosecond lasers, Proc. of SPIE Vol. 6584,658405, 2007)指出單壓電變形鏡可以消除印痕(print through)現(xiàn)象，比雙壓電片變形鏡具有更好的光學(xué)表面，更適用于激光的光束校正。美國專利US 2006/0103956 Al公開了一種混合結(jié)構(gòu)的變形鏡，將單壓電片變形鏡安裝在一個(gè)壓電堆棧致動(dòng)器陣列上，致動(dòng)器陣列使單壓電片變形鏡鏡面產(chǎn)生簡單的變形校正低階像差，而單壓電片變形鏡的變形則用來校正高階像差。但這種變形鏡由于增加了校正低階像差的致動(dòng)器陣列使結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，同時(shí)需要制作相應(yīng)的固定裝置，這些都不利于變形鏡的低成本和小型化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的旨在至少解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述問題之一。為此，本發(fā)明的實(shí)施例提出一種小型化、低成本并且具有大變形量的單壓電片變形鏡及其制造方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)低階像差的校正，為視網(wǎng)膜成像及激光光束整形提供一種結(jié)構(gòu)緊湊的低成本波前校正器。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，本發(fā)明實(shí)施例提出了一種單壓電片變形鏡，所述單壓電片變形鏡包括鏡面層，包括非反光表面和反光表面；帶有上、下電極層的驅(qū)動(dòng)層，其中所述上電極層與所述鏡面層的非反光表面連接，所述下電極層被圖形化為處于外圍的外電極和處于中間部分的內(nèi)電極；其中所述外電極用于校正離焦像差，所述內(nèi)電極用于校正多階像差。根據(jù)本發(fā)明進(jìn)一步的實(shí)施例，所述外電極為環(huán)形電極，以及所述內(nèi)電極為分立電極陣列。所述分立電極陣列的排列形式為六邊形陣列或環(huán)形陣列。根據(jù)本發(fā)明進(jìn)一步的實(shí)施例，還包括覆蓋在所述鏡面層的反光表面上的金屬反射 層。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，本發(fā)明的實(shí)施例提出一種單壓電片變形鏡的制造方法，所述方法包括a)提供包括非反光表面和反光表面的鏡面層；b)將所述鏡面層與帶有上、下電極層的驅(qū)動(dòng)層進(jìn)行連接，其中所述鏡面層的非反光表面與所述驅(qū)動(dòng)層的上電極層連接；以及c)對(duì)所述驅(qū)動(dòng)層的下電極層進(jìn)行圖形化，以得到處于外圍的外電極和處于中間部分的內(nèi)電極，其中所述外電極用于校正離焦像差，所述內(nèi)電極用于校正多階像差。根據(jù)本發(fā)明進(jìn)一步的實(shí)施例，所述外電極為環(huán)形電極，以及所述內(nèi)電極為分立電極陣列。所述分立電極陣列的排列形式為六邊形陣列或環(huán)形陣列。根據(jù)本發(fā)明進(jìn)一步的實(shí)施例，還包括在所述鏡面層的反光表面上覆蓋金屬反射層的步驟。本發(fā)明的單壓電片變形鏡通過外電極校正離焦，內(nèi)電極陣列校正多階像差的方式，使變形鏡具有更大的變形量，校正性能更佳。本發(fā)明的單壓電片變形鏡具有結(jié)構(gòu)簡單、工藝簡單、成本低等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明的單壓電片變形鏡的外電極與內(nèi)電極陣列集中在一層驅(qū)動(dòng)層上，結(jié)構(gòu)緊湊，具有輕量化的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明的單壓電片變形鏡的除上電極層的公共電極外，其余電極都在變形鏡的背面，可以直接與電路板相連，便于實(shí)現(xiàn)電氣連接及封裝。本發(fā)明附加的方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實(shí)踐了解到。


本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)從下面結(jié)合附圖對(duì)實(shí)施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中圖I為本發(fā)明實(shí)施例的單壓電片變形鏡的制備方法流程圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例的單壓電片變形鏡的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3(a) ,3(b)以及3(c)分別為幾種典型實(shí)施例的下電極形式及排列方式；圖4(a)和4(b)分別為分立電極和環(huán)形電極加電壓產(chǎn)生的變形示意圖；圖5(a) ,5(b) ,5(c)以及5(d)分別為實(shí)測(cè)的單壓電片變形鏡所重構(gòu)的低階像差。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明通常涉及一種單壓電片變形鏡及其制造方法。下文的公開提供了許多不同的實(shí)施例或例子用來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的不同結(jié)構(gòu)。為了簡化本發(fā)明的公開，下文中對(duì)特定例子的部件和設(shè)置進(jìn)行描述。當(dāng)然，它們僅僅為示例，并且目的不在于限制本發(fā)明。此外，本發(fā)明可以在不同例子中重復(fù)參考數(shù)字和/或字母。這種重復(fù)是為了簡化和清楚的目的，其本身不指示所討論各種實(shí)施例和/或設(shè)置之間的關(guān)系。此外，本發(fā)明提供了的各種特定的工藝和材料的例子，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以意識(shí)到其他工藝的可應(yīng)用于性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特征在第二特征之“上”及/或“上方”的結(jié)構(gòu)可以包括第一和第二特征形成為直接接觸的實(shí)施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之間的實(shí)施例，這樣第一和第二特征可能不是直接接觸。參考圖1，圖I示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的單壓電片變形鏡的制備方法流程圖。在步驟101中，首先提供包括非反光表面和反光表面的鏡面層6，參考圖2。鏡面層的材料可以是硅，石英、玻璃或金屬，在一個(gè)實(shí)施例中，鏡面層可以采用2英寸200微米的單面拋光娃片。然后，在步驟102中，將所述鏡面層6與帶有上、下電極層的驅(qū)動(dòng)層3進(jìn)行連接，其中鏡面層的非反光表面與驅(qū)動(dòng)層3的上電極層4連接，上電極層4作為公共電極接地。驅(qū)動(dòng)層3的材料可以是壓電材料或電致伸縮材料。在一個(gè)實(shí)施例中，驅(qū)動(dòng)層可以采用邊長50毫米正方形壓電陶瓷片，厚100微米，雙面鍍銀導(dǎo)電層。具體地，可以是利用絲網(wǎng)印刷方法將膠層5，例如環(huán)氧膠制備到鏡面層6，例如硅片的非反光面表面，然后將帶有上、下電極的驅(qū)動(dòng)層3，例如壓電陶瓷基片貼合到涂有環(huán)氧膠的硅表面，并在壓電陶瓷基片表面施加O. 5MPa的壓力；最后使環(huán)氧膠固化。在步驟103中，對(duì)驅(qū)動(dòng)層6的下電極層進(jìn)行圖形化，以得到處于外圍的外電極I和處于中間部分的內(nèi)電極2，其中外電極I用于校正離焦像差，內(nèi)電極2用于校正多階像差。在實(shí)施例中，可利用光刻與腐蝕方法制得內(nèi)、外電極。具體為通過甩膠、曝光、顯影、固化等通用微加工工藝得到帶有所需電極圖形的光刻膠；然后用此光刻膠作為保護(hù)膜，通過濕法刻蝕方法(I I硝酸溶液,常溫)刻蝕出內(nèi)、外電極I和2。在實(shí)施例中，圖形化后的外電極I可以為環(huán)形電極，參考圖3(a)到圖3(c);內(nèi)電極2為分立電極陣列，分立電極陣列的排列形式可以是六邊形陣列，參考圖3 (c);或者環(huán)形陣列，參考圖3(a)和圖3(b)。電極的排布方式影響著變形鏡的校正性能，圖3中僅列出常見的排列結(jié)構(gòu)，實(shí)際應(yīng)用不局限于此。其中對(duì)于圖3(a)和圖3(b)所示的不同的分立環(huán)形電極陣列，其排列方式適合校正低階像差。對(duì)于圖3(c)所示的六邊形陣列，六邊形排列結(jié)構(gòu)對(duì)稱、擴(kuò)展性好，很容易實(shí)現(xiàn)電極數(shù)目的增加。另外，分立電極陣列的單元數(shù)量與校正性能有關(guān)，單元數(shù)量越多意味著能夠校正更高階的像差，但數(shù)量增加會(huì)使變形鏡有效口徑增大。圖3(a)是環(huán)形排列的35個(gè)分立電極分布圖，圖3(b)是環(huán)形排列的40個(gè)分立電極圖，圖3(c)是六邊形排列的37個(gè)分立電極的分布圖。
另外，設(shè)置的環(huán)形電極1，加正向電壓產(chǎn)生整體凹變形(在圖2中向下)，用于校正離焦像差；中間部分的分立電極陣列2，加正向電壓產(chǎn)生局部凸變形(如圖2中向上)，可用于校正包括離焦在內(nèi)的各種像差。參見圖4，圖4(a)是37單元六邊形陣列電極中心電極施加100伏電壓時(shí)產(chǎn)生的局部變形，變形鏡直徑40毫米時(shí)產(chǎn)生大于5微米的變形量。圖4(b)是環(huán)形電極施加100伏電壓產(chǎn)生的變形鏡整體變形，產(chǎn)生將近40微米的變形，適合校正大幅值的離焦像差。在本發(fā)明實(shí)施例中，為了增強(qiáng)反射率，尤其是提高近紅外波段的反射率，還可以進(jìn)一步在上述步驟得到的單壓片變形鏡的鏡面層6的反光表面上覆蓋金屬反射層7。反射層7可以通過真空蒸發(fā)、電子束鍍膜或磁控濺射等方法鍍?cè)阽R面層6的外表面。例如，沉積200納米的鋁反射膜在硅片的反光面表面。最后，在步驟105中將上述單壓電片變形鏡用環(huán)氧膠粘接到環(huán)形結(jié)構(gòu)的基座上進(jìn)行固定，例如基座可以是環(huán)形平晶，為石英材料，例如尺寸大小為內(nèi)徑40毫米，外徑60毫米，厚5毫米。基座也可以是玻璃或金屬材料。本實(shí)例單壓電變形鏡的結(jié)構(gòu)簡單、輕型化，有效校正口徑為15毫米，不帶基座厚度約為300微米。將單壓電片變形鏡的背面的電極焊接到電路板上并封裝起來。
采用本發(fā)明實(shí)施例的變形鏡重構(gòu)的像差如圖5所示，圖5(a)、圖5(b)、圖5(c)和圖5(d)分別代表離焦、象散、慧差和三葉草像差，證明此變形鏡具有較強(qiáng)的低階像差校正能力。本發(fā)明的單壓電片變形鏡，與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下突出優(yōu)點(diǎn)I.本發(fā)明的單壓電片變形鏡通過環(huán)形電極校正離焦，分立電極陣列校正多階像差的方式，使變形鏡具有更大的變形量，校正性能更佳。2.本發(fā)明的單壓電片變形鏡具有結(jié)構(gòu)簡單、工藝簡單、成本低等優(yōu)點(diǎn)。3.本發(fā)明的單壓電片變形鏡的環(huán)形電極與分立電極陣列集中在一層驅(qū)動(dòng)層上，結(jié)構(gòu)緊湊，具有輕量化的優(yōu)點(diǎn)。4.本發(fā)明的單壓電片變形鏡的除公共電極外，其余電極都在變形鏡的背面，可以直接與電路板相連，便于實(shí)現(xiàn)電氣連接及封裝。綜上可知，本設(shè)計(jì)變形鏡具有結(jié)構(gòu)簡單、小型化、輕量化、成本低、校正沖程大等優(yōu)點(diǎn)，適合于激光光束整形、視覺成像及顯微鏡像差校正等應(yīng)用場合。雖然關(guān)于示例實(shí)施例及其優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)詳細(xì)說明，應(yīng)當(dāng)理解在不脫離本發(fā)明的精神和所附權(quán)利要求限定的保護(hù)范圍的情況下，可以對(duì)這些實(shí)施例進(jìn)行各種變化、替換和修改。對(duì)于其他例子，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)容易理解在保持本發(fā)明保護(hù)范圍內(nèi)的同時(shí)，工藝步驟的次序可以變化。此外，本發(fā)明的應(yīng)用范圍不局限于說明書中描述的特定實(shí)施例的工藝、機(jī)構(gòu)、制造、物質(zhì)組成、手段、方法及步驟。從本發(fā)明的公開內(nèi)容，作為本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將容易地理解，對(duì)于目前已存在或者以后即將開發(fā)出的工藝、機(jī)構(gòu)、制造、物質(zhì)組成、手段、方法或步驟，其中它們執(zhí)行與本發(fā)明描述的對(duì)應(yīng)實(shí)施例大體相同的功能或者獲得大體相同的結(jié)果，依照本發(fā)明可以對(duì)它們進(jìn)行應(yīng)用。因此，本發(fā)明所附權(quán)利要求旨在將這些工藝、機(jī)構(gòu)、制造、物質(zhì)組成、手段、方法或步驟包含在其保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.ー種單壓電片變形鏡，其特征在于，所述單壓電片變形鏡包括 鏡面層，包括非反光表面和反光表面； 帶有上、下電極層的驅(qū)動(dòng)層，其中所述上電極層與所述鏡面層的非反光表面連接，所述下電極層被圖形化為處于外圍的外電極和處于中間部分的內(nèi)電極；其中 所述外電極用于校正離焦像差，所述內(nèi)電極用于校正多階像差。
2.如權(quán)利要求I所述的單壓電片變形鏡，其特征在于，所述外電極為環(huán)形電極，以及所述內(nèi)電極為分立電極陣列。
3.如權(quán)利要求2所述的單壓電片變形鏡，其特征在于，所述分立電極陣列的排列形式為六邊形陣列或環(huán)形陣列。
4.如權(quán)利要求I所述的單壓電片變形鏡，其特征在于，還包括覆蓋在所述鏡面層的反光表面上的金屬反射層。
5.如權(quán)利要求I所述的單壓電片變形鏡，其特征在于，所述鏡面層的材料是硅、石英、玻璃或金屬。
6.如權(quán)利要求I所述的單壓電片變形鏡，其特征在于，所述驅(qū)動(dòng)層的材料是壓電材料或電致伸縮材料。
7.一種單壓電片變形鏡的制造方法，其特征在于，所述方法包括 a)提供包括非反光表面和反光表面的鏡面層； b)將所述鏡面層與帶有上、下電極層的驅(qū)動(dòng)層進(jìn)行連接，其中所述鏡面層的非反光表面與所述驅(qū)動(dòng)層的上電極層連接；以及 c)對(duì)所述驅(qū)動(dòng)層的下電極層進(jìn)行圖形化，以得到處于外圍的外電極和處于中間部分的內(nèi)電極，其中所述外電極用于校正離焦像差，所述內(nèi)電極用于校正多階像差。
8.如權(quán)利要求7所述的制造方法，其特征在于，所述外電極為環(huán)形電極，以及所述內(nèi)電極為分立電極陣列。
9.如權(quán)利要求8所述的制造方法，其特征在于，所述分立電極陣列的排列形式為六邊形陣列或環(huán)形陣列。
10.如權(quán)利要求7所述的制造方法，其特征在于，還包括在所述鏡面層的反光表面上覆蓋金屬反射層的步驟。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種單壓電片變形鏡及其制造方法，首先提供包括非反光表面和反光表面的鏡面層；然后將鏡面層與帶有上、下電極層的驅(qū)動(dòng)層進(jìn)行連接，其中所述鏡面層的非反光表面與所述驅(qū)動(dòng)層的上電極層連接；以及對(duì)所述驅(qū)動(dòng)層的下電極層進(jìn)行圖形化，以得到處于外圍的外電極和處于中間部分的內(nèi)電極，其中所述外電極用于校正離焦像差，所述內(nèi)電極用于校正多階像差。本發(fā)明的變形鏡具有結(jié)構(gòu)簡單、小型化、輕量化、成本低、校正沖程大等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G02B26/06GK102650734SQ20111004666
公開日2012年8月29日 申請(qǐng)日期2011年2月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月25日
發(fā)明者何挺, 劉瑩, 李保慶, 榮皓, 褚家如, 馬劍強(qiáng) 申請(qǐng)人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)