基于压电驱动的可变形透镜设计与制备

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透射式结构设计的波前校正器可直接嵌入光路系统中,而无需像反射式波前校正器那样引入折叠光路。本文提出了基于压电驱动的可变形透镜,由环形压电片驱动薄玻璃带动中间工作区域产生离面位移,改变透射介质厚度使透过的光线产生光程差。可直接嵌入光路系统中校正低阶Zernike多项式像差,极大地简化了光路系统。结构改进后提出的集成傅里叶透镜的可变形透镜,用于直接嵌入光路中生成可调的艾里光束;而不需要像其它生成艾里光束方式一样,在光路系统后方额外增加一块傅里叶透镜。结构紧凑极大地简化了生成艾里光束的光路系统,为生成可调艾里光束提供一种有效的方法。结构改进后所提出的集成变焦功能的可变形透镜,结构一体化且使用便捷;能够有效降低变焦透镜填充液体自身重力带来的像差影响,提升光学质量。具体工作如下:(1)基于压电驱动的可变形透镜研制。提出了一种由环形单压电片、玻璃层和透射介质组成的可变形透镜。建立了单压电片驱动薄玻璃的有限元模型,仿真证明可变形透镜对典型低阶Zernike多项式像差具有优异的重构性能。根据最优参数比,实物制备了可变形透镜,搭建光学平台并对其性能进行表征。校正系统前后测得镜面峰谷值从约1.9um降低至0.2 um,相应的均方根值为0.024 um(<λ/26),低于衍射极限。重构第Z3-Z9项典型低阶Zernike多项式像差归一化残余误差分别为1.05%、4.14%、1.24%、2.99%、5.19%、5.08%、1.96%。实验证明其对典型低阶Zernike多项式像差具有良好的重构能力。(2)集成傅里叶透镜的可变形透镜研制。对制备的可变形透镜进行改进,将原先背面粘接的平面玻璃板替换成傅里叶透镜,即实物制备了集成傅里叶透镜的可变形透镜。利用该透镜直接生成幅值系数从-0.2 um到0.2 um艾里光束的立方相位。闭环实验生成立方相位的残余误差小于相应目标幅值的3.4%,其主瓣轮廓由70 um到85 um,旁瓣也明显增多。然后在无波前传感器的控制实验中,首先使用基于Zernike模式的爬山法(ZMHC),以CCD采集到的光强作为评价函数校正系统中的像差。校正后生成的艾里斑直径大小为40 um,与理论相一致。然后在开环控制中将相应的立方相位电压直接加到各个致动器上,生成的立方相位残余误差小于相应目标幅值的17%。生成的艾里光束光强分布和传播轨迹与理论一致。显示了集成傅里叶透镜的可变形透镜在直接生成幅值可调艾里光束方面的潜在应用。(3)集成变焦功能的可变形透镜研制。制备了实物并测试了其性能,测试表明在水平光轴下,10 mm工作口径下内外环单个致动器的峰谷值约分别为1.499 um与0.854um。重构Z3、Z6、Z7的均方根值约为1.001 um、0.600 um、0.301 um,归一化残余误差分别为1.50%、2.00%、3.65%。变焦过程中随着屈光度变化,其初始面形的像差幅值逐渐增加,该透镜可降低除Z12以外的其它低阶像差。在不同光轴倾角下,可最小化填充液体自身重力带来的像差影响,校平后面型的均方根值均小于0.031μm(~λ/20)。证明了集成变焦功能的可变形透镜在降低变焦透镜像差方面的潜在应用。
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