邊緣驅動雙腔可變形透鏡的設計及制備

張 昕, 韓小帥, 鮑凱業, 俞歷程, 馬劍強

(寧波大學 機械工程與力學學院,浙江 寧波 315211)

0 引言

自適應光學技術主要實現實時波前像差校正,廣泛應用于天文成像[1]、顯微成像[2]及激光加工[3]等領域。由于反射式變形鏡需要復雜的折疊光路和中繼光學元件,無法引入顯微成像系統中,會導致系統實現難及成本高[4-5]等問題。可變形透鏡能很好地解決此問題,它具有小型化及低電壓等優勢。研究人員利用不同的材料與驅動方式設計出多種不同工作原理的可變形透鏡。Ghilardi等[6]提出了一種介電彈性體透鏡,通過對多致動器施加不同電壓的組合,調節散光和離焦。Banerjee等[7]利用一種流體相位調制器,通過靜電力驅動使前4階的Zernike像差得到高保真再現。Peng等[8]提出了一種低成本壓電驅動的可變形透鏡,對于Zernike像差第3-9項具有良好的校正能力,并能夠直接嵌入原光學系統中,從而減小了系統的體積。

可變形透鏡校正像差的研究主要集中在對低階像差的校正,通常不能校正高階像差,尤其是球差像差的校正[9-10]。本文提出了一種新的可變形透鏡結構,并建立有限元模型對可變形透鏡校正像差的性能進行仿真,制備了可變形透鏡的樣機,通過搭建測試平臺對可變形透鏡的重構能力進行表征,并驗證了其性能。

1 結構和工作原理

如圖1(a)所示,可變形透鏡主要包括上下兩腔,中間通過玻璃圓片分隔。可變形透鏡的上下表面為帶環形壓電致動器的薄玻璃圓片,平面薄玻璃與壓電圓環相互粘接,并固支于玻璃圓環。如圖1(b)所示,上壓電環上表面其圖形化為兩環等角度的分立式致動器,共形成32個壓電致動器,當給壓電致動器施加電壓,壓電材料會伸長變形。每個扇區分立式致動器的獨立作用,會使上表面中間通光口徑窗口產生復雜的彎曲,帶動中間工作區域產生位移,使腔體內液體厚度產生變化,產生光程差。當各致動器通過閉環控制施加對應的電壓,使光瞳口徑內玻璃的變形產生與波前畸變相共軛的變形,即可達到校正像差的目的。下腔體平面薄玻璃內側粘接一玻璃凸臺,其折射率與透射介質折射率匹配。外側粘接環形壓電片,當下表面的壓電致動器帶動鏡面產生變形,會使可變形透鏡重構出離焦面型。但同時由于下腔體中間玻璃凸臺的約束作用,使通光口徑中心部分區域的變形小于周圍其他區域,用于重構球差像差。當上下腔體的致動器共同作用時,即可對前4階Zernike像差有良好的校正效果。

圖1 可變形透鏡結構及可變形透鏡的工作原理圖

2 性能仿真

2.1 結構優化

通過Ansys Workbench對可變形透鏡進行靜力學分析,研究中使用的玻璃材料為洛陽古洛玻璃有限公司生產的超薄浮法玻璃,光透過率達91%,彈性良好。使用蘇州攀特陶瓷科技有限公司生產的壓電陶瓷片,確定材料各項物理性能參數,如表1所示。

表1 可變形透鏡材料參數

建立有限元模型,由于銀電極及粘接層的厚度遠小于壓電材料層及玻璃層的厚度,通過材料定義、模型建立、網格劃分及電壓加載求解后,得到單個致動器對光瞳口徑內鏡面的驅動性能。在自適應光學系統中,通常用Zernike多項式擬合各種復雜的波前面型。初步確定上壓電環環形內徑為?10 mm,外徑為?20 mm,厚度為100 μm,可變形透鏡的工作口徑為?8mm。

為了得到可變形透鏡的最好性能,在初始參數尺寸確定的情況下,對上壓電環致動器數量、致動器徑向寬度及薄玻璃厚度進行仿真優化。仿真不同情況下可變形透鏡對各項Zernike像差的重構能力(Zernike多項式均方根(RMS)值)及歸一化殘余誤差(殘余像差RMS值除以目標像差RMS值),如圖2所示。

由圖2可知,需要選擇重構RMS值大,及各項歸一化殘余誤差較小的參數,電壓為-50～+50 V。由圖2(a)可知,較少的致動器數量會增大歸一化殘余誤差,當致動器數量較多時,又將增加可變形透鏡的制造難度。當上壓電環兩圈電極劃分為內圈16個致動器與外圈16個致動器時,此時各階Zernike像差歸一化殘余誤差較小,表明各階像差重構的質量較好。由圖2(b)可知,上壓電環兩圈電極的寬度在內圈?3 mm、外圈?2 mm時能夠得到最大的重構幅值,對應的歸一化殘余誤差也較小。由圖2(c)可知,玻璃厚度較薄將導致其不受控制,從而使其歸一化殘余誤差增大。玻璃厚度較大將導致可變形透鏡的重構能力下降。選擇玻璃厚為100 μm時,能使歸一化殘余誤差較小,同時使可變形透鏡的重構幅值盡可能增大。

由圖2可知,由于鏡面是通過邊緣致動器驅動,在可變形透鏡的工作區域內無反方向的驅動力,對球差的重構能力幾乎為0。

2.2 整體重構性能仿真

將各致動器仿真得到的影響函數進行組合,確定可變形透鏡各階Zernike像差重構幅值及歸一化殘余誤差,如圖3所示。由圖可知,可變形透鏡對于3-14項Zernike像差都有良好的重構能力。對可變形透鏡的整體仿真結果可知,將工作口徑為?8 mm的可變形透鏡應用于顯微成像系統中,能有效校正顯微成像系統中的低階像差。

3 制備過程

可變形透鏡的制備過程(見圖4)如下:

圖4 可變形透鏡的制備過程

1) 通過納秒脈沖激光將厚度100 μm、表面鍍銀電極的上、下腔體環形壓電片切割出環狀圖案,并將上PZT分割為等角度的兩環獨立扇區的分立式致動器,其內、外環直徑分別為?10 mm、?16 mm和?16 mm、?20 mm。每環中分割等角度的16個扇形電極。

2) 使用光學環氧膠將壓電環與厚0.1 mm的薄玻璃粘接,并將薄玻璃固支到內徑?20 mm、外徑?25 mm、厚為2mm的玻璃圓環上。通過加熱,加速環氧膠的固化過程。

3) 使用透光性大于98%的UV膠,將直徑?4 mm、厚0.2 mm的玻璃凸臺固化到下腔體的通光口徑中心位置。

4) 將可變形透鏡上下兩腔組合在一起,通過中間厚1 mm的玻璃圓片將其分為2個完全獨立的腔體,使用硅橡膠密封玻璃圓環邊緣。

5) 在2個玻璃圓環的側壁各開1個方槽(尺寸1 mm×1 mm),通過注射器將折射率匹配液注入腔體中。

6) 通過銀膠將壓電環上表面的銀電極與柔性電路板相互連接,獨立引出每個電極。機械分裝好可變形透鏡,裝配后的可變形透鏡樣機如圖5所示,整體直徑為?30 mm。

圖5 可變形透鏡的實物圖

4 實驗

搭建可變形透鏡測試實驗系統如圖6所示。將半導體激光器輸出的635 nm紅色激光通過焦距125 mm的平凸透鏡L1準直,達到可變形透鏡(DL)的工作口徑區域。L2和L3分別為焦距100 mm和40 mm的透鏡,光束經過L2、L3構成的縮束系統縮束后,通過哈特曼波前傳感器將采集到的波前數據使用最速下降法對可變形透鏡的致動器電壓進行閉環控制。

圖6 可變形透鏡測試實驗系統

4.1 致動器性能測試

首先分別對各致動器進行性能測試。如圖7(a)所示,Act1和Act17分別表示上壓電環內圈與外圈致動器對有效口徑的變形影響情況,選取內圈和外圈的典型致動器,對典型致動器施加50 V電壓,通過波前傳感器測定內、外圈致動器作用于有效口徑的變形量分別為0.558 μm和0.678 μm,Act33表示下PZT環形致動器作用于有效口徑的變形量及經過Zernike擬合得到的各階Zernike像差。由于玻璃凸臺的約束作用,使得原本彎曲變形的中心區域呈現較平整的情況。通過分析Zernike像差可確定有效口徑內主要生成第4、12項Zernike像差,分別為0.632 μm和0.085 μm。由于玻璃凸臺邊緣粘膠及存在初始像差的影響,將導致存在除4、12項Zernike像差影響最終重構的誤差。圖7(b)為Act1、Act17及Act33的波前變形的截面曲線。

圖7 致動器性能測試及Act1、Act17、Act33的波前變形截面曲線

4.2 重構性能測試

對致動器施加-50～50 V電壓,使用最速下降法進行閉環迭代,對Zernike像差進行重構實驗。實驗結果表明,可變形透鏡對前4階Zernike像差重構能力良好,圖8分別為第3、4、6、7、12階Zernike像差的重構實驗擬合的波前形貌圖。通過計算可知,第3、4階的歸一化殘余誤差小于5%,其重構幅值與仿真結果相近,且由于雙腔的共同作用,離焦重構幅值比單腔的重構幅值大。第12項Zernike像差重構幅值為0.192 μm,解決了由于邊緣驅動的可變形透鏡中間無致動器而無法重構出球差的問題。

圖8 典型像差重構實驗擬合的波前形貌圖

5 結束語

針對顯微成像系統中存在的像差,本文設計了一種邊緣驅動的雙腔結構的可變形透鏡。對其進行有限元優化仿真,并實際制備了一套可變形透鏡樣機。對制備的樣機進行了單個致動器性能測試和重構性能測試。實驗結果表明,可變形透鏡對于前4階的Zernike像差重構能力良好,整體滿足顯微成像系統的像差校正。