基于MEMS技术的新型变形反射镜

　　引 言

　　变形反射镜是自适应光学核心器件之一，目前已广泛应用于高精度相机、望远设备、投影仪、激光器等方面。然而，传统的压电式、电磁式以及电致伸缩式等变形镜[1]因其驱动电压高，质量、体积大且成本高昂，已不能满足现代器件的小型化、集成化、低能耗的要求，应用主要局限在地基天文望远镜等大型设备中。近年来，MEMS 技术的兴起与发展为变形镜制造技术提供了更广阔的发展空间。变形镜制造技术，从 1995 年美国 TI 公式推出的基于 MEMS 硅表面加工技术的数字微镜(Digital Micro-mirror Device，DMD)算来，至今已经历近十年的发展，大量新的模型被提出[2-4];但是，迄今为止所报道的变形反射镜的连续面积都较小。在诸如高精度相机等有大视场、高分辨率要求的应用中，通常需要变形反射镜有大的有效反射面积。目前常用的方法是通过分离型镜面的组合来实现，可是分离式设计通常有较严格的自由度限制(有些仅提供活塞式运动，前面提到的 DMD 提供的也仅是单自由度的转动);除此之外，分离镜面在拼合上不可避免地存在着间隙(表面工艺的分离器件还可能存在牺牲层的释放孔)[3]，这些孔及间隙在变形反射镜工作时会使光线发生衍射和干涉，这对于提高波前校正质量是一个极大的障碍(因此DMD 主要用于设备的数字光信号处理中)。从解决这些问题出发，本文提出了一种具有大连续反射表面(30mm×30mm)的新型变形反射镜的设计、制造方法。

　　1 原理与设计

　　1.1 工作原理

　　典型的自适应光学系统是使用波前传感器探测入射光波面的畸变，然后通过控制器向波前校正设备发出控制信号，控制镜面驱动器的动作，使镜面发生变形。当镜面形状与畸变相位满足共轭关系时，畸变就会被抵消掉，从而波前得到恢复，成像分辨率得到提高。

　　1.2 设计及仿真

　　本设计的变形反射镜的结构示意图如图1 所示。镜面主体是由硅片深刻蚀留下的 50μm 薄膜构成，同时光滑面溅射一Ti/Au 层以提高反射率、平衡应力。深腐蚀时，在腐蚀面形成一7x7阵列的台柱阵列，台柱的下方对应驱动电极。当给电极加电压时，静电力就会拉动对应的台柱向下运动，从而带动相应的镜面部分发生变形。

　　根据反射镜在光路中所处的位置及对视场的要求，变形镜有效反射面积被确定为 30mm×30mm，接下来需要确定镜面厚度。镜面的弯曲通常由控制微分方程表示：

　　式中w(x,y)为镜面在(x,y)点处的变形;q 为面载荷密度; 2 2为双重拉普拉斯算子; /12(1)22D = Eh v为镜面的弯曲刚度，与膜厚 h 的三次方成正比，v 为硅材料泊松比。于是3(,)w xy∝ h。图2 为在中心电极上施加 30V 电压时的模拟结果，证实了上述结论。对反射镜定性分析通常将其等效为一个具有弹性系数为 k 的弹簧系统，由胡克定理可知：整个镜面的等效弹性常数k 与镜面厚度的三次方成正比(kw=F，其中 F 是一个与厚度无关的量，3(,)w xy∝ h);系统的振动频率在镜面面积一定的情况下，镜面质量 m与厚度成正比，由此可得 f ∝即反射镜谐振频率与膜厚成线性关系。