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1 基于MEMS技术的可变形反射镜 学 院：电子科学与工程学院 专 业：微电子学与固体电子学 姓 名：邓纪彪 学 号：1016020822 1 摘 要 可变形反射镜是用于自适应光学系统中波前的重要元件，它能产生可控的波面校正量对波面相位加以校正。但随着自适应光学技术的发展，传统变形反射镜已经不能满足微型化、集成化的发展需求，而基于微机电加工技术的新型反射镜的出现解决了传统变形反射镜存在的问题。本文简单介绍了微变形反射镜的工作原理，国内外微变形反射镜技术的发展情况及其在自适应光学中的应用，最后阐述了微变形反射镜器件技术展望。 关键字：自适应光学；微变形反射镜；波前校正； 1 目 录 TOC \o 1-3 \h \u  HYPERLINK \l _Toc22935 一、概述  PAGEREF _Toc22935 1  HYPERLINK \l _Toc11273 二、自适应光学系统结构图  PAGEREF _Toc11273 2  HYPERLINK \l _Toc27006 三、微变形反射镜  PAGEREF _Toc27006 3  HYPERLINK \l _Toc6380 四、 微变形反射镜的加工工艺  PAGEREF _Toc6380 7  HYPERLINK \l _Toc173 五、总结展望  PAGEREF _Toc173 8  HYPERLINK \l _Toc7932 六、课堂问题  PAGEREF _Toc7932 8   PAGE \* MERGEFORMAT 10 一、概述 自适应光学的概念最初是由美国天文学家Babcock与1953年提出的，此后随着大型激光工程及光学系统的发展，以及相关支撑技术的日益成熟，20世纪70年代首次实现工程应用，之后迅速在军事、天文、激光、眼科医学等领域得到广泛的应用。传统的自适应光学系统通常是由探测器、控制器和校正器三部分构。变形反射镜作为自适应光学系统重要的波前校正元件，能在外部控制下实现高速、高精度的光学镜面面形变化、平移或转角，从而产生可控的波面校正量对波面相位加以校正。 然而传统变形反射镜由于体积大，控制复杂，已不能满足自适应光学系统向微型化、集成化的发展需求。随着MEMS的发展，这种器件的单元尺寸达到微米级，可以与光波波长相比拟，便于仪器的小型化，可以用集成电路的平面工艺制作，易于批量生产，价格便宜，容易制成多阵列元件，产品性能重复性好，成本率高，便于光机电集成。 美国空军技术学院、Boston大学、Standford大学、加州大学Berkeley分院等许多研究机构都对基于MEMS技术的微变形镜进行了研究，在静电驱动或热驱动活塞式微变形镜及连续薄膜式微变形镜的加工方法、表面质量、控制方式、动力学模型和光学实验等方面已取得一些研究成果。我国的中科院成都光电技术研究所研制的“人眼视网膜成像自适应光学系统”在国际上首次建立了一套采用整体集成式微小变形镜的轻小型人眼视网膜成像自适应光学系统。北京理工大学在微小型自适应光学系统的应用方面也开展了一些研究[23,24]。西安飞行自动控制所开展了微变形镜加工工艺的研究。西北工业大学开展了微变形镜的机电模型与加工方面的研究。然而，以往的这些研究主要侧重于器件和工艺的设计分析，基本没有涉及微变形镜的系统设计分析。目前，国外有少数MEMS CAD软件开始探索微光机电系统的系统级设计，但主要还是以几何光学的设计为主，并未涉及以波动光学为主的物理光学的内容。而国内在微变形镜的系统级建模与仿真方面基本空白。因此，建立微变形镜的考虑物理光学的光相位调制行为模型与能够实现多能量域耦合的机电行为模型，从而建立微变形镜的系统级模型，实现“系统”、“快速”地开发微变形镜产品 （“系统” 研究侧重从产品角度出发，分析其整体性能和行为；“快速”是指针对一个新的设计需求，能够在尽量短的时间内建立相应模型以进行系统行为和性能的仿真分析）已经成为MEMS微变形镜研究的重要课题。 从图1.1可以看出，使用了自适应光学系统之后像质明显改善，可以明显看到在卫星南极处存在着云团。 图1.1 观测到的土卫六星云 二、自适应光学系统结构图 图2.1 自适应光学系统结构图 自适应光学系统的结构分为这几个部分： 波前传感器：实时测量波前误差。最常用的是哈特曼-夏克传感器，其工作原理是用小透镜阵列将入射孔径分割成许多子孔径，并聚焦到光电位置探测器上，形成一个