具有调焦功能的反射镜和透镜

　　1引言

　　对于自身具有调焦功能的光学元件，人们曾做过大量的研究。譬如无需随着机械运动进行调焦的光学元件，有利用液晶折射率变化的液晶透镜和采用电光材料的EO透镜等，都是利用了电控制光学特性的方法。还有利用微加工技术的方法，通过利用静电力和致动器等使薄片结构的光学元件表面产生机械变形、使之具有调焦功能的可调焦光学元件。

　　由于这种调焦光学元件无需像以往的透镜和反射镜一样需安装调焦用的电机和传动装置，为此人们期待能在传统的光学系统无法实现的小型、轻便、高速响应等方面具有新的应用价值。

　　作为应用微加工技术的可调焦光学元件，该文主要介绍调焦反射镜和调焦透镜两种光学元件。首先针对采用硅薄膜的可调焦反射镜提出新的三维硅加工方法，并介绍减少像差的相应结果。其次针对采用玻璃膜片和透明液体的可调焦透镜介绍了采用新开发的压电致动器及使其高速工作时的特性和应用实例。

　　2调焦反射镜

　　对于采用硅膜的调焦反射镜，要达到实用化水平，所面临的课题之一就是减少光学像差。对此，研究人员通过使薄膜形成一定的厚度分布控制薄膜变形形状以降低像差。他们利用FEM模拟优化膜厚分布以获得最佳膜厚分布的新工艺，从而达到降低像差的目的。

　　2. 1调焦反射镜的工作原理

　　图1是调焦反射镜的截面图。主要构件包括几微米厚的硅膜，作为反射镜面被镀在硅上的铝膜及对置电极。

　　若在薄膜和对置电极间施加电压，由于静电力的作用，薄膜便产生变形形成凹面镜。若改变薄膜和对置电极间的电压，凹面的曲率便发生变化，这样可以改变焦距。

　　2. 2薄膜的厚度分布

　　(1)最佳膜厚分布

　　要使平行光聚焦在一个点，抛物面(二次曲面)状凹镜最为理想。不过，若是对调焦反射镜这样周围固定好的圆形薄膜施加均匀的力，则其形状会变为四次曲面，并伴有像差出现。为了使其变形为二次曲面，研究人员试通过使薄膜形成一定的厚度分布来控制变形。

　　要想将周围固定好的整个薄膜形成抛物面是很难的。在此，为形成膜厚分布，对变形凹面镜设计作如下设定:薄膜直径为10mm，使其中间的6 mm部分形成焦距150mm的抛物面。并使之满足适当的函数关系，以达到抛物面和周围固定端平滑连接的目的。薄膜与对置电极的间隔为0. 4 mmo依据这种变形形状，采用FEM模拟进行了膜厚分布的优化设计。实施膜厚分布分两大步骤，一是求出作用于薄膜上的静电引力的电场分析，二是优化膜厚分布。