專利名稱：一種微液滴驅(qū)動連續(xù)鏡面能動變形反射鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于光學波前校正的連續(xù)鏡面能動變形反射鏡，特別是一種微液滴驅(qū)動連續(xù)鏡面能動變形反射鏡。
背景技術(shù)：
在自適應(yīng)光學系統(tǒng)中，能動變形反射鏡是執(zhí)行波前校正的核心部件。根據(jù)波前傳感器探測、并進行波前復原計算得到的波前畸變信息，系統(tǒng)控制能動變形反射鏡產(chǎn)生一個與畸變波前共扼的表面，使得光束經(jīng)過能動變形反射鏡的反射后，其波前得到校正。為此，對能動變形反射鏡形成復雜表面形狀的能力有著很高的要求，是決定校正能力的一個重要因素。
長期以來，波前校正器的反射鏡面普遍采用光學玻璃、硅等材料制作，反射面經(jīng)過拋光、鍍膜而成，并且由固體驅(qū)動器驅(qū)動鏡面變形。文章“凌寧等，變形反射鏡的發(fā)展，光電工程，1995，Vol.22(1)”介紹了這類波前校正器的結(jié)構(gòu)。這種波前校正器的反射面形成復雜表面形狀的能力受制于固體薄板的變形能力；而且，鏡面彎曲變形、固體驅(qū)動器與鏡面連接點產(chǎn)生的應(yīng)力會生成高階像差；這些缺點是制約自適應(yīng)光學波前校正效果的重要因素。
為此，對于反射鏡面材料、鏡面結(jié)構(gòu)、驅(qū)動器結(jié)構(gòu)進行了不少有益的改進。為了可以準確形成復雜多變的圖形，要求變形細節(jié)可以精確控制；因此，采用基于硅工藝的微細加工技術(shù)制作微機械能動變形反射鏡是近年來的一個重要趨勢。微機械能動變形反射鏡的優(yōu)勢還在于其成本遠低于傳統(tǒng)變形反射鏡，有利于波前校正技術(shù)的普及應(yīng)用。目前已經(jīng)出現(xiàn)的產(chǎn)生共扼波前的微機械能動變形反射鏡包括采用分立式微鏡面、采用連續(xù)薄膜鏡面兩個類型。
采用分立式微鏡面的微機械變形鏡的結(jié)構(gòu)，是制作許多個微小反射鏡面，每一個微鏡在電磁力或靜電力等外力的控制下運動。其思想是將要擬合的波前按照微鏡的大小劃分為對應(yīng)的許多個波前小片，每個波前小片由對應(yīng)的微鏡鏡面(平面)近似擬合；雖然在對每個波前小片的擬合存在誤差，但是對整個波前大輪廓可以得到較好的擬合程度。分立式微鏡面的微機械變形鏡目前已經(jīng)出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)主要有兩種一種是微鏡面由單個驅(qū)動器控制，當驅(qū)動器置于鏡面下時只能驅(qū)動鏡面上下移動，當驅(qū)動器置于鏡面間連接點時還可以驅(qū)動鏡面的傾斜運動。顯然，其局部擬合誤差較大，而且鏡面之間的暴露間隙大，光能損失嚴重。文章“Thomas G.Bifano，et al.，Microelectromechanical DeformableMirrors，IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics，Vol.5，No.1，January/February 1999”介紹了將驅(qū)動器置于鏡面下、鏡面間連接處兩種微機械變形鏡結(jié)構(gòu)。
另一種分立式微鏡面微機械變形鏡的結(jié)構(gòu)是，微鏡面由三個或四個驅(qū)動器控制，不僅可以上下移動，而且可以做三維旋轉(zhuǎn)。其局部擬合誤差小，暴露間隙也相對較小，但是其控制相當復雜，目前仍不夠成熟。文章“William D.Cowan，et al.，Surface Micromachined Segmented Mirrors for Adaptive Optics，IEEEJournal Of Selected Topics in Quantum Electronics，Vol.5，No.1，Januaruy/February 1999”介紹了這樣一種微機械變形鏡結(jié)構(gòu)。
連續(xù)薄膜鏡面的微機械變形鏡都以一塊連續(xù)薄膜為變形反射鏡面，這種結(jié)構(gòu)避免了分立式微鏡面的間隙暴露問題，由于薄膜的剛度很小、延展性很好，所以仍然可以期望得到精確的變形細節(jié)。它也主要有兩種結(jié)構(gòu)一種是以薄膜的背面為一個電極，在薄膜下方制作許多控制電極，依靠靜電力吸引、排斥使薄膜變形。其缺點是，當控制電極之間距離小時，各電極所產(chǎn)生的電場之間串擾嚴重，無法得到很好的變形細節(jié)；當控制電極距離大時，相鄰電極的變形的交連值太小；而且，鏡面周邊需要另加固定。文章“David C.et al，NovelMicro-machined Membrane Mirror Characterization and Closed-LoopDemonstration，Optics Communication 2000(2001)99-105”介紹了這樣的一種微機械變形鏡結(jié)構(gòu)。
另一種思路是薄膜黏附在許多固體驅(qū)動器上，驅(qū)動器的制作、薄膜與驅(qū)動器連接的工藝復雜；驅(qū)動器與鏡面的連接存在較大應(yīng)力，驅(qū)動器剛度遠遠大于薄膜的剛度、驅(qū)動器間交連值太小，使得擬合出的面形的連續(xù)平滑性差、引起較大高階像差，使用性能不夠理想。文章“Eui-Hyeok Yang and Dean V.Wiberg，A Wafer-Scale Membrane Transfer Process for the Fabrication of OpticalQuality，Large Continuous Membranes，Journal of Micro-ElectromechanicalSystems，Vol.12，No.6，December 2003”介紹了一種采用固體驅(qū)動器驅(qū)動薄膜連續(xù)鏡面的結(jié)構(gòu)。
綜上所述，目前微機械能動變形反射鏡仍然存在驅(qū)動器制作工藝復雜、存在高階像差等缺點，無法理想地滿足波前校正的實用要求。

發(fā)明內(nèi)容
為了提高微機械能動變形反射鏡的應(yīng)用性能，本發(fā)明提出一種施加電場使微流滴變形、進而由微流滴陣列驅(qū)動連續(xù)薄膜變形的微液滴驅(qū)動連續(xù)鏡面能動變形反射鏡，目的是解決微機械連續(xù)鏡面能動變形反射鏡中固體微驅(qū)動器陣列制作困難、與薄膜連接困難、存在高階像差等弊端。
本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下一種微液滴驅(qū)動連續(xù)鏡面能動變形反射鏡，由液滴的陣列連接硅或玻璃基版、膜片而形成一體，在硅或玻璃基板的上表面制作有電極層——由中心電極、邊緣電極組成的電極陣列；并在電極層上再覆蓋一層氮化硅；氮化硅的上表面做出親疏液圖案層。膜片下表面上制作有相同布局的親疏液圖案層，與底版上表面的親疏水圖案層對齊，一個個體積相等的液滴存在于親疏液圖案之間，與親液小圓形區(qū)域連接。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的有益效果是1、本發(fā)明提供的微液滴驅(qū)動連續(xù)鏡面能動變形反射鏡，采用微液滴陣列作為驅(qū)動器陣列，其制作對象均為簡單層狀平面圖案，工藝簡便，容易實現(xiàn)；避免了固體微驅(qū)動器的復雜制造工藝，成本大大降低。
2、本發(fā)明提供的微液滴驅(qū)動連續(xù)鏡面能動變形反射鏡，采用微液滴陣列作為驅(qū)動器陣列，其與薄膜鏡面的連接依靠液滴附著，實現(xiàn)簡便。
3、本發(fā)明提供的微液滴驅(qū)動連續(xù)鏡面能動變形反射鏡，采用微液滴陣列作為驅(qū)動器陣列，其與薄膜鏡面的連接過渡平滑、應(yīng)力極小，避免了因連接造成的高階像差。
4、本發(fā)明提供的微液滴驅(qū)動連續(xù)鏡面能動變形反射鏡，采用微液滴陣列作為驅(qū)動器陣列，液滴驅(qū)動器的剛度與作為鏡面薄膜的變形剛度在較為接近的數(shù)量級，使得獲得理想交連值成為可能。
5、本發(fā)明提供的微液滴驅(qū)動連續(xù)鏡面能動變形反射鏡，采用微液滴陣列作為驅(qū)動器陣列，具有對薄膜反射鏡面的保護功能。這是由于液滴變形具有以下特性當驅(qū)動液滴接觸角改變的電壓超過一定值時，液滴的變形達到飽和狀態(tài)，不會進一步驅(qū)動鏡面的變形。設(shè)計時，使液滴的高度變形量大于鏡面變形行程、但小于鏡面許可變形量之間，可以確保薄膜反射鏡面的安全。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)剖面圖，其中圖1a為變形前結(jié)構(gòu)剖面圖，圖1b變形后結(jié)構(gòu)剖面圖；圖2為圖1的B-B平面的剖面圖；圖3為圖1中I部位的局部放大圖；圖4為本發(fā)明中各個電位點示意圖；圖5為本發(fā)明中各點電位、各點間電容的關(guān)系示意圖。
其中硅或玻璃基座1，薄膜反射鏡面2，流滴3，氮化硅層4、疏液涂層5、疏液涂層5’、中心電極6、邊緣電極7、連接線8、親液區(qū)9。
具體實施例方式
如圖1、圖2、圖3所示，本發(fā)明微液滴驅(qū)動連續(xù)鏡面能動變形反射鏡由液滴3的陣列連接硅或玻璃基板1、薄膜反射鏡面2而形成一體，液滴3的陣列作為驅(qū)動薄膜反射鏡面2的驅(qū)動器陣列。在硅或玻璃基板1的上表面制作有電極層——由中心電極6、邊緣電極7組成的電極陣列；并在電極層上再覆蓋一層氮化硅4；氮化硅4的上表面做出親疏液圖案層5，薄膜反射鏡面2的下表面上制作有相同布局的親疏水圖案層5’，與基板1上表面的親疏水圖案層5對齊，一個個體積相等的液滴存在于親疏液圖案5和5’之間，與親液小圓形區(qū)域9粘附連接。
親疏液圖案層5和5’的親液區(qū)是一個個小圓形區(qū)域9并形成規(guī)則陣列，圖案上其余區(qū)域為疏液區(qū)。
液滴3具有相等的體積，從而使非工作狀態(tài)下具有相等的高度，使薄膜表面保持為一個平面。液滴3的其材料可以是金屬(如汞等)或水，采用汞可以減小蒸發(fā)帶來的不利影響。
中心電極6、邊緣電極7是經(jīng)過沉積一層金屬(如鋁、鉻等)、并刻蝕制成的，各個電極均用連線8接到硅或玻璃基板1外部，氮化硅層4采用沉積工藝制成。
薄膜反射鏡面可以采用鋁、鉻等金屬材料沉積而成，其上表面鍍反射膜。
根據(jù)Lippmann-Young公式，cosθ(Vk)-cosθ0=12γLGcVk2----(1)]]>其中，Vk是邊緣電極7與液滴3之間的電壓，θ0是當Vk為零時液滴3與疏液表面的接觸角，θ(Vk)是當施加Vk時液滴3與疏液表面的接觸角，γLG是液滴3與空氣接觸表面的表面張力，c是電介質(zhì)層(氮化硅層4)單位面積的電容?？梢姡S著Vk的變化，θ(Vk)將會相應(yīng)變化。
工作時，中心電極6接地，邊緣電極7接控制電壓V。從圖4可以看出，在V的作用下，a、b、c、d四點的電位不同。
Vk＝Vab(2)V＝Vab+Vbc+Vcd(3)各點電位、各段電容的關(guān)系如圖5所示，可以推導出cosθ(V)-cosθ0=ϵ2dγLG(CbcCcd+CbcCabCabCbc+CabCcd+CbcCcdV)2----(4)]]>其中，ε為氮化硅層4的介電常數(shù)，d為液滴3與邊緣電極7之間氮化硅層4的厚度，Cab、Cbc、Ccd分別為點1與點2、點2與點3、點3與點4之間的電容。
從公式(4)可以看出，在本發(fā)明的結(jié)構(gòu)中，隨著控制電壓V的變化，θ(V)相應(yīng)變化。而且，液滴3與邊緣電極7之間氮化硅層4的厚度d的減小有助于增大θ的變化幅度；通過控制d，可以調(diào)節(jié)液滴3高度h的變化行程。
通過改變控制電壓V，可以改變液滴3與親疏水圖案層5的接觸角θ，從而使液滴3變形、使其高度h發(fā)生變化。由于薄膜反射鏡面2剛度很小，其與變形液滴3連接的部分也將被拉低或頂高。通過控制各個位置液滴的接觸角，可以獲得希望的薄膜反射鏡面2的曲面形狀。
親液區(qū)9的直徑、液滴3的初始高度、液滴3的間距、液滴3與薄膜反射鏡面2的變形剛度可以根據(jù)變形的需要而確定。參數(shù)的設(shè)計確定主要表現(xiàn)為以下兩個方面第一，由親液區(qū)9的直徑、液滴3的初始高度、從公式(4)計算出的θ變化量聯(lián)合確定液滴3自由變化時的高度變化行程。由親液區(qū)9的直徑、液滴3的初始高度、其在空氣中的表面張力聯(lián)合計算出液滴3的變形剛度；再結(jié)合薄膜的變形剛度，可以計算出液滴驅(qū)動器的驅(qū)動行程。
第二，由液滴3、薄膜反射鏡面2的的剛度確定驅(qū)動器之間的交連值。由驅(qū)動器之間的交連值、液滴3的間距與排布方式聯(lián)合確定反射鏡面校正波前誤差的能力。
反射鏡面校正波前誤差的能力取決于能動鏡面的變形特性，其中最關(guān)鍵的參數(shù)是驅(qū)動器之間的交聯(lián)值。當驅(qū)動器所在能動鏡面位置對應(yīng)單位變形δ01時，同相鄰最近驅(qū)動器相連的鏡面位置由于材料彈性變化產(chǎn)生微小變形δ11，比值 稱為驅(qū)動器之間的交連值。經(jīng)驗表明，最佳的交連值約為4～12％。
當僅由單一驅(qū)動器驅(qū)動時，能動鏡面產(chǎn)生的表面形狀稱為該驅(qū)動器的影響函數(shù)。經(jīng)驗表明，當固體驅(qū)動器相對于鏡面而言剛度較大時，影響函數(shù)可以表示為高斯函數(shù)
δ(r)=δ0·exp(-cr2l2)]]>其中，δ(r)為鏡面的峰值變形量，r為測量點與驅(qū)動器的距離，/為相鄰驅(qū)動器間距；c為由驅(qū)動器剛度、鏡面剛度聯(lián)合決定的常數(shù)，此時主要由鏡面材料決定，例如當鏡面為光學玻璃時c＝3。
目前的微機械能動變形反射鏡均采用固體微驅(qū)動器，驅(qū)動器剛度遠遠大于薄膜的剛度，交連值幾乎為零，使得擬合出的面形的連續(xù)平滑性差、引起高階像差；這是其使用性能不夠理想的一個重要原因。在微觀尺度，液滴驅(qū)動器的剛度與作為鏡面的連續(xù)薄膜的變形剛度在較為接近的數(shù)量級，使得獲得理想交連值成為可能。設(shè)計中通過選取適當?shù)囊旱尾牧?、薄膜材料，使得液滴?qū)動器的剛度大于薄膜的變形剛度，并且使得常數(shù)c為2～3，則可以獲得較為理想的交連值。
所有驅(qū)動器的作用構(gòu)成能動鏡面的表面形狀，即鏡面可以表示為所有驅(qū)動器影響函數(shù)的線形加權(quán)和。即產(chǎn)生的鏡面形狀為S(x,y)=Σj=1NAj(x,y)cj]]>其中Aj(x，y)為第j個驅(qū)動器的歸一化影響函數(shù)，cj為第j個驅(qū)動器使鏡面產(chǎn)生的振幅，N為驅(qū)動器數(shù)量。在合理交連值的前提下，反射鏡面校正波前誤差的能力主要取決于驅(qū)動器的間距與排布方式。例如，在“曾志革，用自適應(yīng)光學技術(shù)實現(xiàn)激光束焦斑形態(tài)控制的技術(shù)研究，中國科學院光電技術(shù)研究所博士論文”中，為了對激光束焦斑形態(tài)進行控制，在鏡面尺寸大約為300mm×450mm、固體驅(qū)動器直徑大約為20～30mm的情況下，經(jīng)過對多種驅(qū)動器間距、排布進行對比，采用48個驅(qū)動器、驅(qū)動器間距60mm、驅(qū)動器呈6×8直方網(wǎng)格排布時，其波前的參殘余均方根誤差最小。
總之，本發(fā)明使一個連續(xù)薄膜反射鏡面的背面吸附在液滴陣列上，通過變化液滴的形狀與高度，使薄膜反射鏡面變形，產(chǎn)生與待校正波陣面共扼的曲面，同時本發(fā)明在電介質(zhì)表面上形成親液、疏液的布局圖形，從而將液滴固定在各個對應(yīng)的位置上，形成液滴陣列。本發(fā)明中薄膜反射鏡面的背面形成與液滴陣列對應(yīng)的親液、疏液的布局圖形，以使液滴能夠吸附在薄膜反射鏡面背面。本發(fā)明在液滴周邊、電介質(zhì)下設(shè)置電極，通過調(diào)節(jié)電極間電壓控制液滴與疏液面之間的接觸角，從而改變液滴的形狀與高度。本發(fā)明可以采用常溫下的金屬液體(例如汞)或水作為驅(qū)動液體。因此，制作工藝簡便、容易實現(xiàn)、成本低，且其與薄膜鏡面的連接實現(xiàn)簡便、過渡平滑、應(yīng)力極小，消除了固體驅(qū)動器與鏡面連接中不可避免的高階像差。本發(fā)明各個液滴即可以對薄膜鏡面施加拉力，也可以施加推力，鏡面僅靠驅(qū)動器陣列定位。
權(quán)利要求
1.一種微液滴驅(qū)動連續(xù)鏡面能動變形反射鏡，其特征在于它包括由液滴(3)的陣列連接硅或玻璃基版(1)、薄膜反射鏡面(2)而形成一體，液滴(3)的陣列作為驅(qū)動薄膜反射鏡面(2)的驅(qū)動器陣列，在硅或玻璃基板(1)的上表面制作出由中心電極(6)、邊緣電極(7)組成的電極陣列，并在電極上覆蓋一層氮化硅(4)；氮化硅(4)的上表面制作有親疏液圖案層(5)，薄膜反射鏡面(2)的下表面上制作有相同布局的親疏水圖案層(5’)，并與底版上表面的親疏水圖案層(5)對齊，一個個液滴存在于親疏液圖案5和5’之間，與親液小圓形區(qū)域(9)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微液滴驅(qū)動連續(xù)鏡面能動變形反射鏡，其特征在于所述親疏液圖案層(5)和(5’)的親液區(qū)是一個個小圓形區(qū)域(9)，并形成規(guī)則陣列，圖案上其余區(qū)域為疏液區(qū)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微液滴驅(qū)動連續(xù)鏡面能動變形反射鏡，其特征在于所述的各個液滴(3)具有相等的體積。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微液滴驅(qū)動連續(xù)鏡面能動變形反射鏡，其特征在于所述的液滴(3)的材料是金屬液體或水。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微液滴驅(qū)動連續(xù)鏡面能動變形反射鏡，其特征在于所述中心電極(6)、邊緣電極(7)是經(jīng)過沉積一層金屬、并刻蝕制成的，各個電極均用連線(8)接到硅或玻璃基板(1)外部，并接控制電壓。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微液滴驅(qū)動連續(xù)鏡面能動變形反射鏡，其特征在于所述的氮化硅(4)采用沉積工藝制成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微液滴驅(qū)動連續(xù)鏡面能動變形反射鏡，其特征在于所述的親疏液圖案(5)和(5’)采用與液滴材料相對應(yīng)的疏液材料涂層制成，其圖案經(jīng)曝光、腐蝕工序形成。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種微液滴驅(qū)動連續(xù)鏡面能動變形反射鏡，其特征在于所述的薄膜反射鏡面(2)由金屬材料沉積而成，其上表面鍍反射膜，形成反射面。
全文摘要
一種微液滴驅(qū)動連續(xù)鏡面能動變形反射鏡，由液滴的陣列連接硅或玻璃基板、薄膜連續(xù)反射鏡面而形成一體，液滴的陣列作為驅(qū)動薄膜反射鏡面的驅(qū)動器陣列；在硅或玻璃基板的上表面制作出由中心電極、邊緣電極組成的電極陣列，并在電極上覆蓋一層氮化硅；氮化硅的上表面制作有親疏液圖案層，薄膜反射鏡面的下表面上制作有相同布局的親疏水圖案層，并與底版上表面的親疏水圖案層對齊，一個個液滴存在于親疏液圖案之間，與親液小圓形區(qū)域連接。本發(fā)明中驅(qū)動器與薄膜鏡面的連接實現(xiàn)簡便、過渡平滑、應(yīng)力極小，可以獲得合理的驅(qū)動器間交連值，避免了能動反射鏡自身帶有的高階像差；本發(fā)明中驅(qū)動器制作工藝簡便、容易實現(xiàn)、成本低。
文檔編號G02B1/10GK1752793SQ200410009579
公開日2006年3月29日 申請日期2004年9月20日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月20日
發(fā)明者王皓, 姚漢民, 杜春雷, 羅先剛 申請人:中國科學院光電技術(shù)研究所