專利名稱：多層壓電可變形雙壓電晶片反射鏡的制作方法
發(fā)明的領(lǐng)域本發(fā)明涉及一種可控制的光學(xué)器件，其可用于各種光學(xué)裝置和系統(tǒng)中輻射波前的靜、動態(tài)控制，這些裝置和系統(tǒng)包括天文望遠鏡、工業(yè)激光儀器和跟蹤及制導(dǎo)的光學(xué)系統(tǒng)。
發(fā)明的背景已知一種未冷卻可變形雙壓電晶片反射鏡(bimorph mirror)，它包括兩塊壓電平板，其中之一用作反射并帶有13個分區(qū)控制電極(參見J.-P.Gaffard，P.Jagourel，P.Gigan.自適應(yīng)光學(xué)器件激光器(Laserdot)可用部件的描述，-Proc.SPIE，1994年，2201卷，688-702頁)。由于相反的橫向壓電效應(yīng)，作為在有源的雙壓電晶片結(jié)構(gòu)中因為平行于光學(xué)表面方向的壓電陶瓷的變形產(chǎn)生彎矩的結(jié)果，實現(xiàn)這種雙壓電晶片反射鏡中反射面的變形。在這種反射鏡中，光學(xué)表面的最大可控位移的幅度不超過10微米(μm)，并且這一幅值是在對所有控制電極同時施加最大電壓(400伏)的情況下獲得的。這種雙壓電晶片反射鏡的不足之處如下反射面可控變形幅值小，靈敏度低(不超過25微米/千伏)，光學(xué)表面成型過程的勞動強度高，光學(xué)表面的質(zhì)量和穩(wěn)定性差而且反射鏡強度和可靠性低。
已知一種多層壓電可變形雙壓電晶片反射鏡，它包括一個外罩，做成具有一個蓋和一個反射面的套筒，該反射面制在套筒底部的外側(cè)；及一個裝在套筒底部內(nèi)側(cè)的壓電元件，該壓電元件不能伸過反射面的界限(參見SU專利，1808159，HOIS 3/02，1993)。該反射鏡有一額外的壓電陶瓷平板，該平板位于反射面和主陶瓷平板之間并剛性地同兩者結(jié)合在一起。這一輔助的平板獨立地在主平板上使用，這意味著它的控制電極并不同其他電極電氣地連接。這一輔助壓電陶瓷平板的目的是穩(wěn)定反射鏡反射面的初始工作形狀，以降低它的機電滯后，并且在某些條件下擴大反射面可控位移的范圍。在這種情況下，由于每一壓電陶瓷平板的變形產(chǎn)生的彎矩和它們的進一步疊加，實現(xiàn)反射面的變形。每一壓電陶瓷平板由于相反的橫向壓電效應(yīng)而在平行于反射面的方向發(fā)生變形。該反射鏡的不足之處如下反射鏡金屬外罩上存在電勢，反射面可控變形的幅值小(最大11.2微米)，靈敏度低(最大為37.3微米/千伏)，光學(xué)表面成型過程的勞動強度高，光學(xué)表面的質(zhì)量和穩(wěn)定性差而且反射鏡的強度和可靠性低。
發(fā)明概要本發(fā)明的目的是為可變形雙壓電晶片反射鏡的可控光學(xué)表面位移的幅值提供增加量，并且改進反射鏡的靈敏度。除此之外，所提出的結(jié)構(gòu)能降低反射鏡光學(xué)表面成型過程的勞動投入，提高其初始形狀的質(zhì)量和穩(wěn)定性，改善其強度和可靠性，以及提供更均勻的反射面變形。
所述目的通過一個多層壓電雙壓電晶片反射鏡來實現(xiàn)，該反射鏡包括一個外罩，做成具有一個蓋和一個反射面的套筒，該反射面在套筒底部的外側(cè)形成；及一個同套筒底部內(nèi)表面聯(lián)接在一起的壓電元件，該壓電元件不伸過反射面的界限。所述壓電元件至少由兩塊壓電陶瓷平板制成，這些壓電陶瓷平板依次平行于套筒底部的內(nèi)側(cè)面放置。這些壓電陶瓷平板在它們的相對表面上制作一些電極。這些電極是實心的。相鄰壓電陶瓷平板的極化矢量指向相反，它們的同性電極相互間電氣連接。套筒被做成具有變厚度底部的單件。反射面在具有較大厚度的底部中心部位形成。最好使套筒的底部被冷卻，并且相鄰的壓電陶瓷平板通過一個公共電極相互連接，外罩空腔注入彈性密封混合物。雙壓電晶片反射鏡的可控光學(xué)表面的位移幅值的增加和它的靈敏度的提高歸結(jié)為下述原因1.附加彎矩的存在產(chǎn)生于每一額外壓電陶瓷平板的使用，并通過使用至少由兩塊壓電陶瓷平板制成的壓電元件來實現(xiàn)其存在；2.所有壓電陶瓷平板的變形是同步和同相的(這意味著數(shù)值和符號相同)，這一結(jié)果通過使用實心的電極，并且使相鄰平板的極化矢量指向相反，以及它們的同性電極用電氣連接的方式來實現(xiàn)；3.反射面(即套筒底部)在它的外圍部分剛度的降低，因而提供了同反射面更好的彈性連接。這通過使用制成一件的套筒來實現(xiàn)，該套筒具有變厚度底部和在具有較大厚度的底部中心部位形成的反射面。
應(yīng)該注意到上述所列理由的第一條存在于受冷卻的，取作原型的雙壓電晶片反射鏡中。的確，當(dāng)在反射鏡結(jié)構(gòu)中使用第二塊壓電陶瓷平板時，在它變型過程中產(chǎn)生一個附加彎矩，該彎矩疊加到第一塊壓電陶瓷平板變形過程中產(chǎn)生的彎矩上。但即使這樣，在兩層雙壓電晶片結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的整個彎矩的增加，以及反射面變形幅值和反射鏡靈敏度的增加也許不會發(fā)生，因為當(dāng)從一層雙壓電晶片反射鏡變成一種多層結(jié)構(gòu)時，出現(xiàn)下述三個因素的競爭1.由于新的壓電陶瓷平板的存在產(chǎn)生的額外彎矩疊加到現(xiàn)存的彎矩上；2.與一層反射鏡相比，由第一塊壓電陶瓷平板變形產(chǎn)生的彎矩值降低了，因為在二層反射鏡的情況下，這一彎矩必須不僅補償來自反射面的反作用，還要補償來自第二塊(新板)壓電陶瓷平板的反作用；3.由于兩塊平板的同時彎形，在“第一塊(舊板)壓電陶瓷平板-第二塊(新板)壓電陶瓷平板”的結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的額外彎矩疊加到現(xiàn)存彎矩上。
顯然，對于雙壓電晶片反射鏡可控光學(xué)表面的位移幅值的增加和它的靈敏度的增加來說，上述所列因素的第一第起積極作用，而第二條起消積作用。只有當(dāng)“第一塊(舊板)壓電陶瓷平板-第二塊(新板)壓電陶瓷平板”結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的額外彎矩與由第一塊(舊)壓電陶瓷平板的變形產(chǎn)生的彎矩符號相同時，第三因素的影響才是積極的。但是，只有當(dāng)?shù)诙K(新)壓電陶瓷平板的變形具有相同的符號，并且在數(shù)值上超過第一塊(舊)壓電陶瓷平板的變形，這一情況才成為可能。對于所有其它情況，第三因素的影響都上消積的，甚至當(dāng)兩塊壓電陶瓷板的變形具有相同符號但有不同數(shù)值時，情況也是這樣。
根據(jù)上述討論，很顯然，當(dāng)從一層反射鏡變成二層發(fā)射鏡時，前二個因素具有基本的性質(zhì)，并且總是存在的，因而第二個因素決不能去掉。如果在反射鏡運行過程中的每一時刻加在第二塊壓電陶瓷平板上的控制電壓具有相同的符號，并在數(shù)值上超過加在第一塊平板上的控制電壓，則第三因素的影響也可以變成積極的。不幸的是，在二層反射鏡中以這樣的方式對壓電陶瓷平板施加控制的所有方法都是絕對不方便的。情況的確是這樣，首先，所有這些方法要求具備兩條獨立的控制通道。其次，當(dāng)反射鏡在動態(tài)模式運行時，加在第二塊壓電陶瓷平板上的控制電壓值需要不斷同加在第一塊壓電陶瓷平板上的電壓值進行比較，這是非常不方便的。
當(dāng)從二層反射鏡變成三層反射鏡，因而進一步變成多層反射鏡時，所有上述提到的三個因素變得更加強烈，即1.疊加到現(xiàn)存彎矩上的額外彎矩隨著加入每一塊額外壓電陶瓷平板而變小，因為雙壓電晶片結(jié)構(gòu)的整體剛度增加得越來越大；2.因為在多層反射鏡中每一塊壓電陶瓷平板必須補償反射面的反作用和所有其它壓電陶瓷平板的反作用，所有現(xiàn)存壓電陶瓷平板的變形產(chǎn)生的彎矩值都被降低，而不僅僅是第一塊板；3.在由每一對相鄰壓電陶瓷平板形成的每一雙壓電晶片結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的額外彎矩的增加被累加。
由二層雙壓電晶片反射鏡類推，顯然，對多層反射鏡來說，通過若干壓電陶瓷平板的簡單增加不可能實現(xiàn)上面提出的目標(biāo)。此外，當(dāng)加在所有壓電陶瓷平板上的控制電壓具有相同的極性，并且后面平板的數(shù)值大于前面平板的數(shù)值時，要獲得第三因素的積極效應(yīng)，多層反射器比二層反射器更為困難，并且在動態(tài)模式中實際上這是不可能的。所以，第三因素對變形幅值的影響幾乎總是消極的。
由于專門設(shè)計，本發(fā)明通過完全排除第三因素克服了這一情況，其中每一對相鄰平板的所有連接都不是雙壓電晶片。當(dāng)任意相鄰壓電陶瓷平板絕對均勻地變形時，或者換句話說，當(dāng)所有其它各點都相同的條件下，一個相同值的控制電壓被施加到每一壓電陶瓷平板上，就實現(xiàn)了這一結(jié)果。這就是為什么所有壓電陶瓷平板的變形都是同步和同相的原因，即正如上面注意到(參見第二條款，原文第二頁)的第二個原因?qū)е铝颂岢龅哪康?。本發(fā)明的相應(yīng)區(qū)別特征在于所有電極制成實心的，相鄰壓電陶瓷平板的極化矢量指向相反，并且它們的同性電極電氣相互連接。因此，只有這種區(qū)別特征同第一個特征(即壓電元件至少由兩塊壓電陶瓷平板制成，因而是一個多層元件)的組合提供了所提出的技術(shù)目的。
另一方面，應(yīng)該注意到即使第三個因素的影響被排除，前二個因素之間的競爭仍然會發(fā)生。它從多層雙壓電晶片反射鏡的靈敏度和可控變形增加的觀點確定了額外壓電陶瓷板最佳數(shù)量的存在。就是說，每一額外壓電陶瓷平板的加入(即使提供上述定義過的指向和連接)將導(dǎo)致的不是變形幅值的增加，而是它的降低。換句話說，壓電陶瓷平板數(shù)量的進一步增加將引起多層雙壓電晶片結(jié)構(gòu)的剛度增加，以至于不允許達到所提出的技術(shù)目的。
本發(fā)明通過下述事實克服了這一情況同原型相比較，通過與反射鏡外罩更好的彈性連接以一定的過剩量補償多層雙壓電晶片結(jié)構(gòu)剛度的增加。為了做到這一點，似乎降低反射平板(或套筒的底部)在它的外圍部分的剛度就可以了。這就是如上所述的第三個原因，其允許實現(xiàn)所提出的技術(shù)目的。其中區(qū)別特征是套筒被設(shè)計成具有變厚度底部的一件，并且反射面在具有較大厚度的底部中心部位形成。所以，只有所有列出區(qū)別特征的組合才允許有把握獲得一種多層雙壓電晶片反射鏡光學(xué)表面可控位移幅值的合理增加，這意味著有把握獲得一個合理的以上提出的技術(shù)目的。
換句話說，表征外罩和壓電元件實施例的特征的組合提供了帶有反射面的元件整體剛度的降低和該壓電元件的整體剛度的降低，允許明顯增加反射器靈敏度。盡管具有指向相反極化矢量的相鄰壓電陶瓷平板的利用已被知曉，參見1981年3月24日發(fā)表的美國專利No.4257686,Cl.G02F1/00，只有把以上提出的特征與外罩和電極布置的實施例表征的特征相組合，才允許實現(xiàn)以上提出的技術(shù)目的，由此相應(yīng)降低了帶有反射面的元件重量和壓電元件的重量以及所列所有元件的整體剛度。
如果提供壓電平板的最小可能厚度，成比例地增加并且平板的數(shù)量，則可獲得反射器靈敏度的增加，其中原因之一歸結(jié)為控制電壓的降低。這一結(jié)果直接構(gòu)成了這樣的事實雙壓電晶片反射鏡的靈敏度是光學(xué)表面變形值與所加控制電壓的比值。
雙壓電晶片反射鏡光學(xué)表面成型過程的勞動投入的減少和它的初始形狀質(zhì)量的改進通地提供具有變厚度制成一件的套筒來實現(xiàn)，反射面在具有較大厚度的底部中心部位形成。本發(fā)明上述特征產(chǎn)生的直接結(jié)果如下a)在拋光過程中，反射鏡的光學(xué)表面和拋光工具之間的接觸更為均勻；b)外罩的外圍部分，即除底側(cè)面外的套筒壁被排除在拋光過程之外。
多層壓電陶瓷可變形雙壓電晶片反射鏡的另一個特征在于相鄰壓電陶瓷平板相互之間通過公共電極連接。這使結(jié)構(gòu)更為簡單和方便。事實上，即使這樣，兩個不同壓電陶瓷平板的連接點處使用一個電極而不是兩個電極。
本發(fā)明進一步的特征在于，外罩的空腔用彈性密封混合物填充。彈性密封膠可減弱拋光過程中拋光工具作用在反射面上的壓力，這減少了光學(xué)表面成型過程中的勞動強度，并改進了它的初始形狀質(zhì)量。這就提供了光學(xué)表面同拋光工具的更為均勻的接觸。由于反射鏡運行過程中作用在反射鏡外罩上的外部沖擊，振動和其它載荷被彈性密封混合物所抑制，反射鏡初始反射面的穩(wěn)定性以及它的強度和可靠性的增加得以實現(xiàn)。因為密封膠保護反射鏡內(nèi)部結(jié)構(gòu)免受直接損傷，所以反射鏡的可靠性也得以提高。此外，密封混合物的使用用于使套筒底部回到它的初始位置。所以，本發(fā)明符合取得專利的條件即新穎性(N)，創(chuàng)造性(IS)，實用性(IA)。
上述所列本發(fā)明的優(yōu)點通過下列實施例和附圖的描述將會變得更為清楚。
附圖的簡述

圖1是按照本發(fā)明的一種多層壓電陶瓷可變形雙壓電晶片反射鏡的輪廓圖。
發(fā)明優(yōu)選實施例的詳細(xì)描述參照圖1，壓電陶瓷可變形雙壓電晶片反射鏡包括設(shè)計成一件的外罩1，即一個帶有蓋2和底面1外表面上形成的反射面的套筒。底部中心部位比它的外圍部分具有較大厚度。一個壓電陶瓷元件連接到套筒底部的內(nèi)表面上。該壓電陶瓷元件包括幾個(三個，如圖1所示，或者更多個)壓電陶瓷平板4，它們平行安裝在套筒底部的內(nèi)表面上。壓電陶瓷平板具有實心(solid)的控制電極5，諸電極5位于平板的相對表面上。相鄰平板4的極化矢量6，如圖1所示，指向相反。它們的同性電極5通過導(dǎo)體7相互間連接起來，并且通過電線8連接到電氣連接器9上。外罩空腔可填充密封混合物10。如圖1所示，相鄰平板4通過公共電極5相互連接。外罩1的底部可以被冷卻(圖1未表示)。
多層壓電可變形雙壓電晶片反射鏡工作如下一個控制電壓通過電連接器9加到每一個壓電陶瓷平板4上。所以，所有壓電陶瓷平板4由于相反的橫向壓電效應(yīng)而變形。每一平板4由于特定選擇的方位并且電極5按上面描述來安裝，其變形將是相等的。換句話說，三層(因而是一個多層)壓電陶瓷結(jié)構(gòu)將作為一件變形，這意味著作為一個相應(yīng)厚度的單塊板變形。所以，只要給出上述描述的壓電陶瓷平板4的方位和電極5的連接，一個多層壓電陶瓷結(jié)構(gòu)將等效于單塊壓電陶瓷平板。
記住這一點，很容易理解連接的“外罩1的底-多層壓電陶瓷結(jié)構(gòu)”等效于兩塊單板的連接，一個是反射板，而另一個是壓電陶瓷板。這樣的-種連接通稱為類無源(seem-passive)雙壓電晶片結(jié)構(gòu)(例如，參見Kokorowski S.A.壓電雙晶制作的自適應(yīng)光學(xué)元件的分析，-J.Opt.Soc.Am.<美國光學(xué)學(xué)會雜志>，1979年，69卷，第1期.181-187頁)。所以，在壓電陶瓷上電壓的作用下，反射鏡的反射面3將按某種方式變形，即由于在雙壓電晶片結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的彎矩而變形。所以，正如上面描述，由于所有提出的區(qū)別特征的組合，本實施例有把握提供反射鏡光學(xué)表面可控位移幅值的顯著增加。
因為可變形反射鏡的靈敏度是反射面變形值同所加控制電壓的比值，從上面的考慮可以看出在提出的多層雙壓電晶片反射鏡中，所有區(qū)別特征，即外罩和壓電元件的設(shè)計特征的組合，有把握提供比已知類似裝置和原型更大的靈敏度。顯然，如果雙壓電晶片反射鏡結(jié)構(gòu)使用超過三塊的壓電陶瓷平板4或多層壓電元件，只要壓電陶瓷平板4，電極5和外罩1按照上面描述的來定向，連接和設(shè)計，則所有上述論點仍然適用。
當(dāng)相鄰壓電陶瓷平板通過公共電極連接時，本發(fā)明最簡單和方便的實施例得以實現(xiàn)。的確，這樣，一個多層壓電元件可以被制作，例如，通過薄壓電膜在鉑上的燒結(jié)，代替具有電極的每一個壓電陶瓷平板的簡單連接施加到電極的兩個表面上。在這種情況下，壓電陶瓷平板本身沒有控制電極，鉑墊片用于這一目的。除此之外，在燒結(jié)過程中發(fā)生的壓電膜的熱處理把它們變成硬(但薄)的壓電平板。結(jié)果，包括多層壓電元件的壓電平板看上去是被公共電極連接的。
由于使用彈性密封混合物填充外罩的空腔產(chǎn)生的初期優(yōu)點已被注意到。還需補充的是，當(dāng)由液體密封混合物填充外罩空腔并進一步干燥時，外罩壁以及壓電元件的表面出現(xiàn)粘接。因此，在反射鏡制造或運行過程中作用的任何載荷作用下，密封混合物表現(xiàn)為一種彈簧該彈簧使反射面(即套筒底部)，回到它的初始位置。
需要強調(diào)正如在原型中那樣，反射面(套筒底部)可以被冷卻。例如，它可以包括允許水或其它冷卻劑流過的通道，該通道直接安裝在反射面3的下面。
所提出的多層雙壓電晶片反射鏡的實施例的另一個重要優(yōu)點是為降低控制電壓值而不降低反射面有用變形的幅值，能降低各個壓電平板4的厚度，因而更進一步增加了靈敏度。對于已知的類似裝置和原型，存在一個單一壓電陶瓷平板厚度的下限，因為它的剛度必須足夠大以便提供反射面的最大變形(彎曲)。另一方面，雙壓電晶片結(jié)構(gòu)的整體厚度也有一個下限，因為它的剛度必須提供成型光學(xué)表面和拋光反射鏡的能力。所以，對于已知的類似裝置和原型，存在一個最大允許厚度，該厚度能實現(xiàn)具有有效性能的可變形雙壓電晶片反射鏡。
由上所述，對于一個所提出的多層雙壓電晶片反射鏡，顯然不存在對各個壓電陶瓷平板4厚度的任何限制。很明顯，整個壓電結(jié)構(gòu)剛度的可能不足可以通過增加壓電平板4的數(shù)量容易地得到補償。所以，所提出的實施例提供了生產(chǎn)具有大幅值可控光學(xué)表面位移的低電壓，高靈敏度的單通道可變形雙壓電晶片反射鏡的可能性。
工業(yè)應(yīng)用本發(fā)明可使用已知材料和技術(shù)方法在標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)設(shè)備上實現(xiàn)。在反射鏡結(jié)構(gòu)中使用的壓電平板也是一種標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)產(chǎn)品。
實際上，本發(fā)明可以用在任何光學(xué)系統(tǒng)中，在那里對光束的軸對稱失真有必要進行高精度動態(tài)修正(補償)，例如，在加工時為獲得全場的均勻焊接，用在具有一個“飛行”(flying)光學(xué)裝置的工業(yè)激光系統(tǒng)中。
權(quán)利要求
1.一種多層壓電可變形雙壓電晶片反射鏡包括一個設(shè)計為套筒的外罩，該外罩帶有一個蓋和一個在套筒底部外側(cè)上做成的反射面；及一個連接到套筒底部內(nèi)表面的壓電元件，該壓電元件不伸過反射面的界限；在該反射鏡中壓電元件至少由兩塊壓電陶瓷平板制成，壓電陶瓷平板依次平行于套筒底部的內(nèi)表面設(shè)置，壓電陶瓷平板在它們相對的表面上具有一些電極，這些電極是實心的，相鄰壓電陶瓷平板的極化矢量指向相反，并且它們的同性電極相互間電氣地連接，套筒被設(shè)計成一個具有變厚度底部的單件，并且反射面在具有較大厚度的底部中心部位形成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反射鏡，其中使套筒底部被處于冷卻狀態(tài)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1和權(quán)利要求2所述的反射鏡，其中相鄰壓電陶瓷平板通過一個公共電極相互連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一項所述的反射鏡，其中外罩的空腔被彈性密封混合物填充。
全文摘要
一種多層壓電可變形雙壓電晶片反射鏡可用于天文望遠鏡，激光工業(yè)系統(tǒng)，制導(dǎo)和跟蹤系統(tǒng)，該反射鏡包括一個帶有一個蓋2的做成套筒的外罩1。反射面3在套筒底部外側(cè)面上形成。至少兩個壓電陶瓷平板4被連接到套筒底部的內(nèi)表面上，且不能超過反射面的界限。壓電陶瓷平板在它們相對的表面上具有實心電極5，相鄰壓電陶瓷平板的極化矢量6指向相反，并且它們的同性電極通過電線7相互間電氣連接。套筒被設(shè)計成一個具有變厚度底部的件，并且?guī)в蟹瓷涿?的底部中心部位比外圍部分具有較大的厚度。外罩1的空腔可填充彈性密封膠10。
文檔編號G02B26/08GK1145667SQ96190026
公開日1997年3月19日 申請日期1996年3月6日 優(yōu)先權(quán)日1996年2月12日
發(fā)明者安德烈·格納迪耶維奇·薩夫羅諾夫 申請人:亞萊斯唐公司