静电驱动连续面形微机电系统变形镜的制作

　　1　引　　言

　　变形镜(DM)是自适应光学系统中用来实时校正畸变波前的一个核心器件,可以用于半导体激光抽运固体激光器热畸变补偿[1]、波前畸变校正[2,3]、人眼视差校正[4]和视网膜成像[5]等领域,其发展水平从某种意义上代表了自适应光学技术的发展水平。为了满足大口径天文望远镜波前畸变校正和人眼视网膜成像系统中大幅度高阶像差校正的需要,变形镜不仅要有小体积、大行程,而且要有很高的驱动单元密度。与其他类型的变形镜比较,基于微机电系统(MEMS)技术的静电驱动变形镜[6,7]以其体积小、能耗低、单元密度高、响应速度快以及与集成电路兼容性好等优点而成为变形镜的一个重要发展方向。

　　根据表面是否连续,变形镜有分立表面和连续表面两类[8]。分立表面MEMS变形镜相邻单元之间的空隙较大,存在很大的光衍射损耗。连续表面MEMS变形镜是在一块薄反射镜下面连接各种类型的MEMS驱动器,通过对驱动器的控制使镜面产生局部变形,从而实现对反射光束波前的控制。连续表面MEMS变形镜具有波前拟合误差小、光能损失少、能够保持相位连续等优点,在许多自适应光学系统中倍受青睐。其制作工艺主要有表面工艺、体硅工艺和LIGA工艺,本文将基于表面工艺设计并制作连续表面16单元MEMS变形镜。

　　2　器件设计

　　变形镜设计时,主要考虑其光学性能参数和工艺线的实际加工能力。光学性能参数主要包括驱动器数目、驱动器行程、交连值、镜面自然频率、影响函数和控制带宽等。对于天文观测系统来说,这些参数需要结合实际应用中所要达到的斯特列尔比(SR)、工作波长λ、光学湍流和光学系统的口径,并利用一些经验公式来估算。对于校正大气湍流的天文成像系统来说,所需的变形镜数目可估算为[9]

　　驱动器的行程,是指驱动器稳定工作所能够达到的最大位移量或形变量,由系统需要校正的波前像差的大小来决定。对用于大气湍流校正的成像光学系统来说,系统需要的最大相移量可以近似为[10]

　　交连值是指相邻驱动器镜面的变形量与施加电压的驱动器对应镜面的变形量之比。交连值过小,变形曲线波及的区域也小,会造成两个相邻驱动器产生的镜面变形不能互相衔接,变形镜变形后会形成许多孤立点而不能构成连续表面,继而引入高阶像差。交连值过大,变形曲线波及的区域过宽,会使相邻驱动器之间的相互叠加影响过大,这会给面形控制带来很大困难。当仅有一个驱动器被驱动时整个镜面面形叫作变形镜的面形影响函数,简称影响函数,它是连续表面变形镜所特有的一个重要参数,连续表面变形镜的整个面形是各个驱动器上的影响函数叠加的结果。影响函数可以近似看作一个高斯函数[11]