本實用新型屬于光學(xué)器件領(lǐng)域，涉及一種復(fù)合式壓電變形鏡，用在天文望遠鏡中作像差校正。

技術(shù)背景

自適應(yīng)光學(xué)是近幾十年發(fā)展起來的一種波前校正技術(shù)，通過調(diào)整變形鏡的面形實現(xiàn)對光路中畸變波前的校正，提高成像分辨率。自適應(yīng)光學(xué)對天文望遠鏡的發(fā)展產(chǎn)生了革命性的影響，現(xiàn)代大型地基、天基望遠鏡幾乎都配備了自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)。隨著天文望遠鏡（尤其是更大口徑望遠鏡的建設(shè)）也對自適應(yīng)光學(xué)需求的增加，對關(guān)鍵器件變形鏡提出了更高的挑戰(zhàn)：驅(qū)動器數(shù)目高達上千乃至上萬，變形量在10微米以上，帶寬在百赫茲以上。雙壓電或者單壓電變形鏡采用橫向壓電效應(yīng)驅(qū)動鏡面變形，具有結(jié)構(gòu)簡單、輕量化、低成本等優(yōu)點，在8-10米級望遠鏡中有著廣闊的應(yīng)用前景。

美國專利US 6,464,364 B2公開了一種雙壓電片變形鏡，由兩片壓電陶瓷或電致伸縮材料粘接而成，其中一片的外表面經(jīng)過拋光鍍反射層作為光學(xué)表面，同時也作為產(chǎn)生離焦的驅(qū)動層，另一片外表面圖形化出分立電極陣列作為校正高階像差的驅(qū)動層。由于普通壓電陶瓷材料質(zhì)地松脆很難制作出較大口徑的高質(zhì)量光學(xué)鏡面。變形鏡驅(qū)動器的諧振頻率與變形鏡尺寸的平方成反比，驅(qū)動器規(guī)模擴大（尺寸增加）導(dǎo)致工作頻率的下降。為在保持工作頻率的前提下擴大變形鏡驅(qū)動器規(guī)模并降低成本，國際專利WO 2009/007447 A2公開了一種基于模塊化的單壓電片變形鏡，器件由多個分離的子變形鏡拼接而成，系統(tǒng)的諧振頻率由子變形鏡決定，但是存在鏡面不連續(xù)以及各子變形鏡之間的相位協(xié)調(diào)難度高的問題。以上這些變形鏡的設(shè)計無法滿足天文望遠鏡中大氣擾動波前畸變校正的需要。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的在于，克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種既具有高驅(qū)動器數(shù)目又具有高工作帶寬的低成本高性能的復(fù)合式壓電變形鏡，為天文望遠鏡提供一種新的波前校正器。

一種復(fù)合式壓電變形鏡，其特征在于：包括單壓電變形鏡和單壓電執(zhí)行器陣列，單壓電變形鏡設(shè)置在單壓電執(zhí)行器陣列的上方，并通過連接在單壓電執(zhí)行器陣列上的連接柱支撐；單壓電變形鏡由從上往下依次設(shè)置的光學(xué)反射層、第一彈性層、作為公共地的正面電極層、第一壓電層、背面電極層；單壓電執(zhí)行器陣列包括多個固定于帶通孔的基座上的單壓電執(zhí)行器，每個單壓電執(zhí)行器包括第二彈性層和第二壓電層，第二壓電層的兩面均覆蓋有電極層，每個單壓電執(zhí)行器上均連接有支撐用的連接柱。本實用新型由上、下兩層的壓電變形鏡組合而成，在集成化程度上更高；下部單壓電執(zhí)行器通過連接柱將其產(chǎn)生的位移傳遞到變形鏡鏡面，下部的單壓電執(zhí)行器陣列可提供大變形用于校正低階像差，上部單壓電片變形鏡則用于校正高階像差，兩個變形鏡的結(jié)合提升整體校正性能，通過下部的單壓電驅(qū)動器陣列的約束作用，使單壓電片變形鏡的固有頻率不直接依賴于變形鏡直徑，提高了變形鏡的工作帶寬。

進一步，單壓電變形鏡正面電極層是整片結(jié)構(gòu)，背面電極層是由多個小電極組合而成，使得單壓電變形鏡能夠校正高階像差。

進一步，單壓電變形鏡的電極數(shù)量比單壓電執(zhí)行器陣列電極數(shù)量高一或兩個數(shù)量級，可以很好地校正高階像差。

進一步，單壓電執(zhí)行器的諧振頻率比單壓電變形鏡的諧振頻率高，經(jīng)過連接柱支撐后，單壓電變形鏡諧振頻率提高。

進一步，單壓電執(zhí)行器陣列中的多個單壓電執(zhí)行器是一體結(jié)構(gòu)或是分離結(jié)構(gòu)。

進一步，單壓電執(zhí)行器的第二壓電層設(shè)置在第二彈性層的上方，或者第二彈性層設(shè)置在第二壓電層的上方。

進一步，連接柱位于單壓電執(zhí)行器的中心處。

進一步，每個單壓電執(zhí)行器下面均對應(yīng)一個通孔，通過第二彈性層固定于基座上。當(dāng)?shù)诙弘妼釉O(shè)置在第二彈性層下方時，通孔的設(shè)置方便第二壓電層上的電極的引出。

本實用新型的工作原理：當(dāng)下部的單壓電執(zhí)行器陣列施加電壓時，執(zhí)行器產(chǎn)生離面位移，通過連接柱可將位移傳遞到單壓電變形鏡，使單壓電變形鏡產(chǎn)生變形。下部單壓電執(zhí)行器陣列數(shù)目較少，但位移量大，可用于校正較大幅值的低階像差。位于上部的單壓電變形鏡施加電壓時由于橫向逆壓電效應(yīng)可使鏡面產(chǎn)生彎曲變形，單壓電變形鏡的執(zhí)行器數(shù)量比底部的執(zhí)行器陣列高一或兩個數(shù)量級，因此可以很好地校正高階像差。應(yīng)用過程中，單壓電執(zhí)行器陣列和單壓電變形鏡復(fù)合使用，具有校正幅值大、校正能力強的特點。

本實用新型的優(yōu)點在于：

1.通過下部的單壓電執(zhí)行器陣列的約束作用，使單壓電片變形鏡的固有頻率不直接依賴于變形鏡直徑，提高了變形鏡的工作帶寬。

2. 下部的單壓電執(zhí)行器陣列可提供大變形用于校正低階像差，上部單壓電片變形鏡則用于校正高階像差，兩個變形鏡的結(jié)合提升整體校正性能。

3.由兩個壓電變形鏡組合而成，相比于兩個獨立變形鏡組成的雙變形鏡系統(tǒng)，在集成化程度上更高。

附圖說明

圖1是本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本實用新型單壓電變形鏡的原理圖。

圖3是本實用新型單壓電變形鏡的2種電極結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是本實用新型的單壓電執(zhí)行器陣列的多種結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5是本實用新型的下部單壓電執(zhí)行器陣列和上部單壓電變形鏡的配合示意圖。

具體實施方式

參照附圖，進一步說明本實用新型：

參見圖1，本實施例提供的復(fù)合式壓電片變形鏡，包括上部的單壓電變形鏡和下部的單壓電執(zhí)行器陣列，單壓電變形鏡由連接在單壓電執(zhí)行器陣列上的連接柱21支撐。連接柱21為直徑1毫米、長10毫米的陶瓷柱，連接柱21與下部的單壓電執(zhí)行器數(shù)量一致，且位于單壓電執(zhí)行器中心處。

圖2單壓電變形鏡的原理圖，單壓電變形鏡由第一彈性層12和第一壓電層11組成。本實施例中第一彈性層12為直徑150毫米厚500微米的雙面拋光硅片，第一壓電層11直徑150毫米厚200微米。壓電層兩面覆蓋電極層，電極層為厚5微米的銀電極，其中與第一彈性層12接觸的正面電極層14為整片電極，作為公共地，背面電極層15被分割成多個小的電極。圖3所示為兩種分離的電極圖案，圖3a的電極為扇形結(jié)構(gòu)，電極按照環(huán)形排列，圖3b的電極為六邊形結(jié)構(gòu)，蜂窩狀排列。當(dāng)對背面電極層15和正面電極層14施加電壓時，由于橫向逆壓電效應(yīng)可使鏡面產(chǎn)生彎曲變形。本實施例中背面電極層采用內(nèi)切圓為4毫米的六邊形電極圖案，在150毫米直徑的單壓電變形鏡中可設(shè)置1000多個電極單元。由于電極數(shù)目眾多，單壓電變形鏡能夠校正高階象差。第二彈性層上表面覆蓋金屬或者高分子光學(xué)反射層13，用于對光束的反射。

圖4為下部的單壓電執(zhí)行器陣列。陣列中包含多個單壓電執(zhí)行器并固定于帶通孔的基座33上，每個單壓電執(zhí)行器下面對應(yīng)一個通孔。單壓電執(zhí)行器由第二彈性層32和第二壓電層31組成，通過第二彈性層32固定于基座上，第二壓電層兩面覆蓋電極層34、35。單壓電執(zhí)行器可有多種形式，可以是如圖4a所示的每個執(zhí)行器的第二壓電層31和第二彈性層32都是分離的且第二壓電層31在第二彈性層32之上，或者是如圖4b所示每個執(zhí)行器的第二彈性層32是連續(xù)的而第二壓電層31是分離的且第二壓電層31在第二彈性層32之上，或者是如圖4c所示的每個執(zhí)行器的第二壓電層31和第二彈性層32都是分離的且第二壓電層31在第二彈性層32之下，或者是如圖4d所示的每個執(zhí)行器的第二彈性層32是連續(xù)的而第二壓電層31是分離的且第二壓電層31在第二彈性層32之下。本實施例采用圖4a方案，第二彈性層32為直徑34毫米厚200微米的銅片，第二壓電層31直徑28毫米厚200微米。第二壓電層兩面覆蓋厚2微米的銀電極層。當(dāng)下部的單壓電執(zhí)行器陣列施加電壓時，執(zhí)行器產(chǎn)生離面位移，通過支撐柱21可將位移傳遞到單壓電變形鏡，使單壓電變形鏡產(chǎn)生變形。底部執(zhí)行器陣列數(shù)目較少，但位移量大，可用于校正較大幅值的低階象差。單壓電變形鏡的固有頻率隨著尺寸的增加而指數(shù)增加，但受到下部單壓電執(zhí)行器陣列的約束作用，使單壓電片變形鏡的固有頻率不直接依賴于變形鏡直徑，提升了工作帶寬。

圖5是下部單壓電執(zhí)行器陣列和上部單壓電變形鏡的一種配合方案，單壓電變形鏡的電極和單壓電執(zhí)行器陣列都是蜂窩狀排列的，兩者的排列方式不局限于此。單壓電變形鏡的電極數(shù)量比底部執(zhí)行器陣列高一或兩個數(shù)量級，應(yīng)用中下部單壓電執(zhí)行器陣列和上部的單壓電變形鏡復(fù)合使用，既能夠校正較大幅值的低階像差，又能校正高階像差，能夠滿足10米內(nèi)天文望遠鏡對變形鏡的要求。當(dāng)下部的單壓電執(zhí)行器陣列施加電壓時，執(zhí)行器產(chǎn)生離面位移，通過連接柱21可將位移傳遞到單壓電變形鏡，使單壓電變形鏡產(chǎn)生變形。下部的單壓電執(zhí)行器陣列可提供大變形用于校正低階像差，上部單壓電片變形鏡則用于校正高階像差，壓電執(zhí)行器陣列和單壓電變形鏡復(fù)合使用，具有校正幅值大、校正能力強的特點。

本說明書實施例所述的內(nèi)容僅僅是對發(fā)明構(gòu)思的實現(xiàn)形式的列舉，本實用新型的保護范圍不應(yīng)當(dāng)被視為僅限于實施例所陳述的具體形式，本實用新型的保護范圍也及于本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本實用新型構(gòu)思所能夠想到的等同技術(shù)手段。