本發(fā)明屬于光學器件領域,涉及一種復合式壓電變形鏡,用在天文望遠鏡中作像差校正。
技術背景
自適應光學是近幾十年發(fā)展起來的一種波前校正技術,通過調整變形鏡的面形實現(xiàn)對光路中畸變波前的校正,提高成像分辨率。自適應光學對天文望遠鏡的發(fā)展產(chǎn)生了革命性的影響,現(xiàn)代大型地基、天基望遠鏡幾乎都配備了自適應光學系統(tǒng)。隨著天文望遠鏡(尤其是更大口徑望遠鏡的建設)也對自適應光學需求的增加,對關鍵器件變形鏡提出了更高的挑戰(zhàn):驅動器數(shù)目高達上千乃至上萬,變形量在10微米以上,帶寬在百赫茲以上。雙壓電或者單壓電變形鏡采用橫向壓電效應驅動鏡面變形,具有結構簡單、輕量化、低成本等優(yōu)點,在8-10米級望遠鏡中有著廣闊的應用前景。
美國專利US 6,464,364 B2公開了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表面,同時也作為產(chǎn)生離焦的驅動層,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動層。由于普通壓電陶瓷材料質地松脆很難制作出較大口徑的高質量光學鏡面。變形鏡驅動器的諧振頻率與變形鏡尺寸的平方成反比,驅動器規(guī)模擴大(尺寸增加)導致工作頻率的下降。為在保持工作頻率的前提下擴大變形鏡驅動器規(guī)模并降低成本,國際專利WO 2009/007447 A2公開了一種基于模塊化的單壓電片變形鏡,器件由多個分離的子變形鏡拼接而成,系統(tǒng)的諧振頻率由子變形鏡決定,但是存在鏡面不連續(xù)以及各子變形鏡之間的相位協(xié)調難度高的問題。以上這些變形鏡的設計無法滿足天文望遠鏡中大氣擾動波前畸變校正的需要。
技術實現(xiàn)要素:
本發(fā)明的目的在于,克服現(xiàn)有技術中的不足,提供一種既具有高驅動器數(shù)目又具有高工作帶寬的低成本高性能的復合式壓電變形鏡,為天文望遠鏡提供一種新的波前校正器。
一種復合式壓電變形鏡,其特征在于:包括單壓電變形鏡和單壓電執(zhí)行器陣列,單壓電變形鏡設置在單壓電執(zhí)行器陣列的上方,并通過連接在單壓電執(zhí)行器陣列上的連接柱支撐;單壓電變形鏡由從上往下依次設置的光學反射層、第一彈性層、作為公共地的正面電極層、第一壓電層、背面電極層;單壓電執(zhí)行器陣列包括多個固定于帶通孔的基座上的單壓電執(zhí)行器,每個單壓電執(zhí)行器包括第二彈性層和第二壓電層,第二壓電層的兩面均覆蓋有電極層,每個單壓電執(zhí)行器上均連接有支撐用的連接柱。本發(fā)明由上、下兩層的壓電變形鏡組合而成,在集成化程度上更高;下部單壓電執(zhí)行器通過連接柱將其產(chǎn)生的位移傳遞到變形鏡鏡面,下部的單壓電執(zhí)行器陣列可提供大變形用于校正低階像差,上部單壓電片變形鏡則用于校正高階像差,兩個變形鏡的結合提升整體校正性能,通過下部的單壓電驅動器陣列的約束作用,使單壓電片變形鏡的固有頻率不直接依賴于變形鏡直徑,提高了變形鏡的工作帶寬。
進一步,單壓電變形鏡正面電極層是整片結構,背面電極層是由多個小電極組合而成,使得單壓電變形鏡能夠校正高階像差。
進一步,單壓電變形鏡的電極數(shù)量比單壓電執(zhí)行器陣列電極數(shù)量高一或兩個數(shù)量級,可以很好地校正高階像差。
進一步,單壓電執(zhí)行器的諧振頻率比單壓電變形鏡的諧振頻率高,經(jīng)過連接柱支撐后,單壓電變形鏡諧振頻率提高。
進一步,單壓電執(zhí)行器陣列中的多個單壓電執(zhí)行器是一體結構或是分離結構。
進一步,單壓電執(zhí)行器的第二壓電層設置在第二彈性層的上方,或者第二彈性層設置在第二壓電層的上方。
進一步,連接柱位于單壓電執(zhí)行器的中心處。
進一步,每個單壓電執(zhí)行器下面均對應一個通孔,通過第二彈性層固定于基座上。當?shù)诙弘妼釉O置在第二彈性層下方時,通孔的設置方便第二壓電層上的電極的引出。
本發(fā)明的工作原理:當下部的單壓電執(zhí)行器陣列施加電壓時,執(zhí)行器產(chǎn)生離面位移,通過連接柱可將位移傳遞到單壓電變形鏡,使單壓電變形鏡產(chǎn)生變形。下部單壓電執(zhí)行器陣列數(shù)目較少,但位移量大,可用于校正較大幅值的低階像差。位于上部的單壓電變形鏡施加電壓時由于橫向逆壓電效應可使鏡面產(chǎn)生彎曲變形,單壓電變形鏡的執(zhí)行器數(shù)量比底部的執(zhí)行器陣列高一或兩個數(shù)量級,因此可以很好地校正高階像差。應用過程中,單壓電執(zhí)行器陣列和單壓電變形鏡復合使用,具有校正幅值大、校正能力強的特點。
本發(fā)明的優(yōu)點在于:
1.通過下部的單壓電執(zhí)行器陣列的約束作用,使單壓電片變形鏡的固有頻率不直接依賴于變形鏡直徑,提高了變形鏡的工作帶寬。
2. 下部的單壓電執(zhí)行器陣列可提供大變形用于校正低階像差,上部單壓電片變形鏡則用于校正高階像差,兩個變形鏡的結合提升整體校正性能。
3.由兩個壓電變形鏡組合而成,相比于兩個獨立變形鏡組成的雙變形鏡系統(tǒng),在集成化程度上更高。
附圖說明
圖1是本發(fā)明的結構示意圖。
圖2是本發(fā)明單壓電變形鏡的原理圖。
圖3是本發(fā)明單壓電變形鏡的2種電極結構示意圖。
圖4是本發(fā)明的單壓電執(zhí)行器陣列的多種結構示意圖。
圖5是本發(fā)明的下部單壓電執(zhí)行器陣列和上部單壓電變形鏡的配合示意圖。
具體實施方式
參照附圖,進一步說明本發(fā)明:
參見圖1,本實施例提供的復合式壓電片變形鏡,包括上部的單壓電變形鏡和下部的單壓電執(zhí)行器陣列,單壓電變形鏡由連接在單壓電執(zhí)行器陣列上的連接柱21支撐。連接柱21為直徑1毫米、長10毫米的陶瓷柱,連接柱21與下部的單壓電執(zhí)行器數(shù)量一致,且位于單壓電執(zhí)行器中心處。
圖2單壓電變形鏡的原理圖,單壓電變形鏡由第一彈性層12和第一壓電層11組成。本實施例中第一彈性層12為直徑150毫米厚500微米的雙面拋光硅片,第一壓電層11直徑150毫米厚200微米。壓電層兩面覆蓋電極層,電極層為厚5微米的銀電極,其中與第一彈性層12接觸的正面電極層14為整片電極,作為公共地,背面電極層15被分割成多個小的電極。圖3所示為兩種分離的電極圖案,圖3a的電極為扇形結構,電極按照環(huán)形排列,圖3b的電極為六邊形結構,蜂窩狀排列。當對背面電極層15和正面電極層14施加電壓時,由于橫向逆壓電效應可使鏡面產(chǎn)生彎曲變形。本實施例中背面電極層采用內(nèi)切圓為4毫米的六邊形電極圖案,在150毫米直徑的單壓電變形鏡中可設置1000多個電極單元。由于電極數(shù)目眾多,單壓電變形鏡能夠校正高階象差。第二彈性層上表面覆蓋金屬或者高分子光學反射層13,用于對光束的反射。
圖4為下部的單壓電執(zhí)行器陣列。陣列中包含多個單壓電執(zhí)行器并固定于帶通孔的基座33上,每個單壓電執(zhí)行器下面對應一個通孔。單壓電執(zhí)行器由第二彈性層32和第二壓電層31組成,通過第二彈性層32固定于基座上,第二壓電層兩面覆蓋電極層34、35。單壓電執(zhí)行器可有多種形式,可以是如圖4a所示的每個執(zhí)行器的第二壓電層31和第二彈性層32都是分離的且第二壓電層31在第二彈性層32之上,或者是如圖4b所示每個執(zhí)行器的第二彈性層32是連續(xù)的而第二壓電層31是分離的且第二壓電層31在第二彈性層32之上,或者是如圖4c所示的每個執(zhí)行器的第二壓電層31和第二彈性層32都是分離的且第二壓電層31在第二彈性層32之下,或者是如圖4d所示的每個執(zhí)行器的第二彈性層32是連續(xù)的而第二壓電層31是分離的且第二壓電層31在第二彈性層32之下。本實施例采用圖4a方案,第二彈性層32為直徑34毫米厚200微米的銅片,第二壓電層31直徑28毫米厚200微米。第二壓電層兩面覆蓋厚2微米的銀電極層。當下部的單壓電執(zhí)行器陣列施加電壓時,執(zhí)行器產(chǎn)生離面位移,通過支撐柱21可將位移傳遞到單壓電變形鏡,使單壓電變形鏡產(chǎn)生變形。底部執(zhí)行器陣列數(shù)目較少,但位移量大,可用于校正較大幅值的低階象差。單壓電變形鏡的固有頻率隨著尺寸的增加而指數(shù)增加,但受到下部單壓電執(zhí)行器陣列的約束作用,使單壓電片變形鏡的固有頻率不直接依賴于變形鏡直徑,提升了工作帶寬。
圖5是下部單壓電執(zhí)行器陣列和上部單壓電變形鏡的一種配合方案,單壓電變形鏡的電極和單壓電執(zhí)行器陣列都是蜂窩狀排列的,兩者的排列方式不局限于此。單壓電變形鏡的電極數(shù)量比底部執(zhí)行器陣列高一或兩個數(shù)量級,應用中下部單壓電執(zhí)行器陣列和上部的單壓電變形鏡復合使用,既能夠校正較大幅值的低階像差,又能校正高階像差,能夠滿足10米內(nèi)天文望遠鏡對變形鏡的要求。當下部的單壓電執(zhí)行器陣列施加電壓時,執(zhí)行器產(chǎn)生離面位移,通過連接柱21可將位移傳遞到單壓電變形鏡,使單壓電變形鏡產(chǎn)生變形。下部的單壓電執(zhí)行器陣列可提供大變形用于校正低階像差,上部單壓電片變形鏡則用于校正高階像差,壓電執(zhí)行器陣列和單壓電變形鏡復合使用,具有校正幅值大、校正能力強的特點。
本說明書實施例所述的內(nèi)容僅僅是對發(fā)明構思的實現(xiàn)形式的列舉,本發(fā)明的保護范圍不應當被視為僅限于實施例所陳述的具體形式,本發(fā)明的保護范圍也及于本領域技術人員根據(jù)本發(fā)明構思所能夠想到的等同技術手段。