星载自适应光学系统新型可变形反射镜的研究

    可变形反射镜是自适应光学系统中的核心组成部分之一^[1,2]。现有的几种可变形反射镜都采用材料的压电效应进行驱动,其驱动电压较高,响应频率较低,且体积大,成本高,因而其应用只限于大型地基天文望远镜的自适应光学系统中^[3,4]。为了能将自适应光学的应用推广到航天领域,急待解决的问题就是发展小型低能耗的变形反射镜。近年来随着基于硅微加工技术MEMS领域的兴起,我们找到一个能很好解决上述问题的办法^[5～7]。本文将给出一种新型的硅基变形反射镜的设计思路,并针对相关的加工步骤提出了一些全新的结构。

    1　器件原理和设计

    1.1　驱动方式及加工工艺的选取

    在MEMS领域中有多种驱动方式,包括热驱、磁驱及静电驱动等,静电驱动因其结构实现容易,能耗低及响应频率高而应用最广[8]。因而本文设计采取静电驱 动工作方式。目前硅基微加工大致可分为体加工和表面加工两大类。由于反射镜是一种光学部件,这就对作为反射面材料的表面质量提出高要求。就表面加工而言, 它本质上是一种加法工艺,即通过在硅上依次淀积不同的材料,最后通过释放来实现最终结构,这时结构的主体是由淀积材料构成,硅充当衬底的作用。为了使释放 能顺利进行,通常要在结构上预留一些释放孔,当光入射到表面时,在这些孔的周围就不可避免的会出现一些干涉现象,从而使得光学性能变差。而体硅工艺是通过 去除硅片的一部分来获得所需的结构,因而它可充分利用硅片良好的表面质量及出色的整体机械性能,获得高性能的器件。

    1.2　原理及设计

    随着外界环境的变化,光路中各精密光学部件的相关参数也会随之改变,从而使得经过它们传输的光发生畸变。可变形反射镜的作用就是通过改变镜面的形状以补偿光路这种畸变带来的影响。

    图1为本设计中变形反射镜的结构示意图。其镜面主体是由具有一定厚度的硅膜构成,为提高镜面的反射率通常溅射一层Ti/Au,在硅膜背面有一7×7阵列的 台柱与其相连,台柱的下方是对应的驱动电极。当给电极施加电压时,产生的静电力就会拉动台柱向下运动,从而带动相应的镜面部分发生变形。通过控制通电电极 的位置及电压大小,就可获得特定的镜面形状。

    其中下极板固定,上极板可活动,当在两极板间施加一个电压时,会产生静电吸引作用,使得上极板在垂直方向向下运动。由相关知识可知,此两极板相当于一个电容,其内储存的能量为

    从驱动的角度考虑,希望所获得的静电力越大越好,由式(2)可知,提高驱动电压V、增大极板表面积A及减小两平行板的间距d可获得大静电力。