自適應光學波前校正器技術發(fā)展現狀

林旭東 ，薛 陳，劉欣悅，王建立，衛(wèi)沛鋒

(1.中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春130033;2.中國西南電子設備研究所，四川 成都610036)

1 引 言

1953 年，美國天文學家Babcock 發(fā)表論文［1］首次提出用閉環(huán)校正波前誤差的方法來補償天文視寧度，此方法成為了自適應光學的創(chuàng)始設想。自適應光學技術是以光學波前為控制對象的自動控制系統(tǒng)，利用對光學波前的實時測量校正，使光學系統(tǒng)具有自動適應外界條件變化，始終保持良好工作狀態(tài)的能力。

自適應光學系統(tǒng)包含3 個主要組成部分: 波前傳感器、計算控制處理器和波前校正器。波前傳感器用于測量光瞳面位置的光學像差，有Shack-Hartmann 傳感器［2］、Pyramid 傳感器［3］、曲率傳感技術［4］和剪切干涉技術［5］等多種實現形式。計算控制處理器把波前傳感器的輸出實時轉化為波前校正器的輸入。根據波前處理實時性的要求，計算控制單元有不同的構建模式［6-9］。波前校正器在光路中一般與波前傳感器成共軛位置關系，它能夠主動產生一個面形以補償所測得的波前誤差。目前，市場上已經能夠買到一些波前校正器，但是，由于其在自適應光學系統(tǒng)中的重要性，針對不同應用需求的新型波前校正器仍然是當前的研究熱點，也是本文的關注點。

波前校正器通過改變光波前傳輸的光程或改變傳輸媒介的折射率來改變入射光波前的相位結構，從而達到對波面相位進行校正的目的。大多數波前校正器是通過改變自身鏡面的面形( 即改變光程差) 實現對波面相位的校正，而其它如基于液晶技術的器件是通過改變折射率的方法對波面相位進行校正的［10］。一般要求波前校正器有足夠多的空間自由度，能夠很好地擬合所要校正的波像差，而且響應速度應遠超過擾動波前的時間改變頻率［11］。當然，波前校正器的線性度、校正量、實現的難易程度、成本等因素也是考慮的要點。

目前，波前校正器主要有分離促動器連續(xù)表面變形鏡、拼接子鏡變形鏡、薄膜變形鏡、雙壓電片變形鏡、微電子機械系統(tǒng)( MEMS) 變形鏡、基于液晶技術的空間光調制器及自適應次鏡。20 世紀90 年代之前，波前校正器( 主要是變形鏡) 的研究進展已在文獻［12］中詳細介紹。本文主要綜述了各波前校正器的最新進展，介紹了各校正器的基本原理，分析了研制技術難點和現狀，以及應用發(fā)展趨勢。

2 各波前校正器基本原理及技術現狀

2．1 分離促動器連續(xù)鏡面變形鏡

這種變形鏡的基本結構如圖1 所示，它主要由3 個部件組成: 基底、促動器和連續(xù)鏡面薄片。薄片面形由促動器的推拉改變。要求基底的剛度遠大于薄鏡片的剛度，這樣，促動器的推拉運動效果就會大部分地在薄鏡片上面反應出來，文獻［13］中詳細介紹了這種變形鏡的設計要點。

圖1 分離促動器連續(xù)表面變形鏡的基本構成Fig.1 Main construction of deformable mirror with discrete actuators and continuous faceplate

2.1.1 分離促動器連續(xù)鏡面變形鏡的基本原理

這種變形鏡采用的促動器一般由壓電或電致伸縮材料制成，由鋯鈦酸鉛材料Pb( Zr，Ti) O3制成的壓電促動器稱為PZT，由鈮鎂酸鉛材料Pb( Mg，Nb) O3制成的電致伸縮促動器稱為PMN。當給促動器施加電壓時，促動器的長度會發(fā)生改變，從而引起鏡面的局部面形發(fā)生類似高斯函數的形變［14］，整體鏡面的面形可以簡化表示為:

式中:Vi表示給第i個促動器施加的電壓，ri(x，y) 為第i個促動器處鏡面的響應函數。一個促動器作用時，其相鄰促動器位置的鏡面面形也會發(fā)生變形，其變形量一般為最大變形量的10% ～30%，稱作耦合系數。響應函數及耦合系數決定了變形鏡對像差的校正能力，而它們又由設計時的諸多參數確定，如薄鏡片的材料與厚度、促動器的材料特性、促動器排列間距等［15］。

2.1.2 分離促動器連續(xù)鏡面變形鏡的技術現狀及發(fā)展

中科院光電技術研究所已研制成多套自適應光學系統(tǒng)［16］。較早的37 單元自適應光學系統(tǒng)［17］中，變形鏡采用的就是分離促動器連續(xù)鏡面的形式，變形鏡共有55 個促動器，內3 圈有37 個主促動器，外圈是18 個輔助促動器，輔助促動器用于改善鏡面外圍主促動器的響應函數，其上所加電壓是相鄰兩個主促動器電壓的平均值。該變形鏡的通光口徑為100 mm，變形量為±1.5 μm，非線性滯后＜±4%，諧振頻率＞2 kHz。之后研制的61 單元變形鏡［18-19］有61 個促動器，鏡面通光口徑為120 mm，最大變形量為±3 μm，非線性滯后＜5%，諧振頻率＞2 kHz，耦合系數為8% ～12%，圖2 為61 單元變形鏡的促動器與波前傳感器的子孔徑排列對準關系圖。近兩年，他們又研制了127 單元變形鏡，并在望遠鏡上取得了觀測效果［20］。

圖2 61 單元變形鏡的促動器布局和傳感器子孔徑的對應關系Fig.2 Relative positions of DM actuators with 61 elements and subapertures of Hartmann sensor

中科院長春光機所自適應光學技術研究小組成功研制了21、97 和137 單元分離促動器連續(xù)鏡面變形鏡［21-23］，圖3 為137 單元變形鏡的促動器排列示意圖和變形鏡實物圖，促動器采用低壓PZT 壓電陶瓷材料。137 單元變形鏡通光口徑為90 mm，促動器采用13 ×13 的正方形排列方式，促動器間距為7 mm，最大變形量為±2.5 μm，相鄰促動器位置變形量為3 μm，非線性遲滯＜5%，整體諧振頻率＞12 kHz，耦合系數為22% ～26%，經過主動展平之后全口徑面形優(yōu)于λ/50( λ =632.8 nm) RMS。

圖3 137 單元變形鏡及其促動器排列示意圖Fig.3 137-element DM and its actuator arrangement

20 世紀90 年代后，國外1 000 單元以下量級、促動器間距在4 ～8 mm 之間的分離促動器連續(xù)鏡面變形鏡的技術已比較成熟，并在大望遠鏡上得到了應用［24-27］，而且有了標準的產品對外出售。法國CILAS 公司的變形鏡大部分采用PZT壓電陶瓷材料，圖4 是其52 單元帶制冷( 用于激光束校正) 的變形鏡［28］，該變形鏡通光口徑為50 mm，促動器間距為8 mm，以方形8 ×8 陣列編排，單促動器最大變形量為±2.5 μm，非線性遲滯＜5%，諧振頻率＞14 kHz，主動展平后面形優(yōu)于10 nm RMS。

圖4 CILAS 公司的52 單元變形鏡Fig.4 52-element deformable mirror of CILAS Company

美國Xinetics 公司的變形鏡研發(fā)能力也很強，目前已經形成促動器間距分別為5 和7 mm的兩個變形鏡產品系列，促動器單元數從幾十單元到接近1 000 單元。該公司變形鏡的促動器大多采用PMN 材料，PMN 型促動器相對于PZT 促動器的優(yōu)勢在于非線性遲滯更小、工作壽命更長，且PMN 型促動器所要求的控制電壓也較小。但是，PMN 型促動器的響應受溫度影響較大，需特殊考慮［29］。文獻［30］介紹了目前使用的3 個單元數較多(349、577 和941) 的變形鏡的性能測試情況，這3 個變形鏡都是采用分離促動器連續(xù)鏡面的形式，促動器間距為7 mm，都是PMN 促動器。展平后，577 單元變形鏡面形優(yōu)于17 nm RMS，349 和941 單元變形鏡的面形優(yōu)于20 nm RMS。349 單元變形鏡應用于Keck 望遠鏡的自適應光學系統(tǒng)中，圖5 是349 單元變形鏡的前后視圖。941 單元變形鏡正用于SOR3.5 望遠鏡的自適應光學系統(tǒng)中［31］。

圖5 Keck 望遠鏡的349 單元變形鏡Fig.5 349-element deformable mirror used in Keck telescope

圖6 CILAS 公司的MiniDM 原型Fig.6 MiniDM prototype of CILAS company

近年來，隨著甚大型望遠鏡的研制和更高分辨率、更高對比度成像要求的提出，變形鏡的單元數和面形精度需向更高量級發(fā)展。由于薄鏡面加工能力的限制，1 000 單元以上量級的變形鏡促動器之間的間距不可能再像之前那么大，否則會造成薄鏡面直徑過大，難以加工，需要采用高密促動器的加工和制作技術及鏡面粘接、加工技術。CILAS 在歐洲南方天文臺的支持下開展了高密度變形鏡的研制［32］，圖6 為其研制的MiniDM 原型，促動器為50 ×50 的壓電陶瓷陣列形式( 圖6 左圖所示) ，間距為1 mm，采用PZT 橫向壓電效應，促動器最大變形量為3 μm。

為了滿足空間日冕觀測望遠鏡［33］和行星高分辨率成像望遠鏡的需要［34］，Xinetics 公司進行了1 000 單元以上量級變形鏡及控制系統(tǒng)的研制。這種單元量級的變形鏡使用高密度的陶瓷陣列和3D 陶瓷加工技術。圖7 為高密度陶瓷促動器陣列模塊，單元數為32 ×32，間距為1 mm。圖8為經過拋光和鍍膜之后的高密度變形鏡，促動器陣列為42 ×42，間距為1 mm［35］。另外，通過多塊的高密度陶瓷促動器陣列模塊的拼接還可實現更多單元數的變形鏡，如Xinetics 給帕洛馬山5.1 m 望遠鏡研制的4 356 單元變形鏡采用的就是這種形式，圖9 左側為促動器模塊拼接圖片，右側為實際的4 356 單元變形鏡［36］。

圖7 促動器陣列模塊Fig.7 Actuator array module

圖8 42 mm×42mm 變形鏡Fig.8 42 mm×42 mm deformable mirror

圖9 66 ×66 促動器陣列及4356 單元變形鏡Fig.9 66 ×66 actuator array and 4356-element deformable mirror

2．2 拼接子鏡變形鏡

拼接子鏡變形鏡的基本結構如圖10 所示，它的鏡面由多個小的子鏡拼接而成，每個子鏡下面由1 個( 做沿光束傳播方向的piston 運動) 或3 個促動器( 包括piston 和2D 的傾斜調整tip/tilt) 進行面形調整。顯而易見，在對波前校正能力方面每個子鏡有3 個促動器的校正器好于只有1 個促動器的情況。

圖10 拼接子鏡變形鏡Fig. 10 Fundamental structures of segmented deformable mirror

與連續(xù)鏡面變形鏡不同，拼接子鏡變形鏡每個子鏡之間有縫隙，縫隙一方面使光能的利用率降低，另一方面又加大了調整難度，因為每兩個相鄰子鏡的邊緣共相位才能保證有連續(xù)的波前結構［37］，所以在自適應光學系統(tǒng)中的實際應用很少。比較典型的拼接子鏡變形鏡是20 世紀90 年代初Thermotrex 給美國軍方研制的512 拼接單元變形鏡［38］，如圖11 所示。其中，每個拼接子鏡有3 個壓電陶瓷促動器，整個變形鏡的通光口徑為22 cm。

圖11 512 子鏡拼接變形鏡Fig.11 512-segment deformable mirror

針對甚大型望遠鏡的特點，主鏡采用拼接形式，口徑為30 ～100 m，文獻［39］設計了一套既能校正拼接子鏡之間共相位誤差( 低時間頻率) ，又能校正高時空頻率波前像差的自適應拼接3 鏡( 為整個望遠鏡光路系統(tǒng)中的第3 塊鏡子) 。它利用了前文提到的陶瓷陣列模塊技術，如圖12 所示。該自適應拼接3 鏡的每個拼接子鏡既可以做piston 和tip/tilt 傾斜調整，用于相鄰子鏡之間的共相位調整，又能校正高頻的波前誤差。

圖12 含有傾斜調整的拼接自適應3 鏡Fig. 12 Segmented adaptive tertiary mirror with tilt control

2．3 薄膜變形鏡

2.3.1 薄膜變形鏡的基本原理

文獻［40］第一次提出了利用薄膜的電致形變效應來制作變形鏡的概念。薄膜鏡的形變原理如圖13 所示，薄膜自身剛度很小，所以只需很小的力就能使其面形發(fā)生改變，一般用圖示中的電致伸縮促動器來使薄膜發(fā)生形變。薄膜的周圍需要固定支撐，并提供張力使薄膜形成平面。文獻［41］中給出了薄膜鏡的靜態(tài)形變?yōu)?

式中:p(r) 為與控制電壓有關的薄膜所受應力( 單位是Nm-2) ，Tm表示薄膜的線性張力( 單位是Nm-1) 。

由于增加促動器的數量會減小促動器所能產生的變形量，所以薄膜鏡一般做成單元數不是很多，這樣就有大的校正量適合于校正低階的波像差。

圖13 薄膜鏡的變形原理Fig.13 Deflection principle of membrane mirror

2.3.2 薄膜變形鏡的技術發(fā)展現狀

由于薄膜鏡具有整體質量輕、成本低、能夠主動校正波像差等優(yōu)點，滿足了空間反射鏡超輕、超大口徑等的要求，在空間科學領域得到了廣泛的應用，文獻［42］綜述了空間薄膜鏡的國內外發(fā)展現狀。由于薄膜材料較脆、諧振頻率較低等因素的影響，薄膜鏡在自適應光學技術的應用，特別是在校正高頻的大氣擾動等方面發(fā)展緩慢。但是，由于具有一定的優(yōu)點，且隨著新型材料的出現、新工藝的研究，高促動器單元密度的薄膜變形鏡仍然是目前的研究熱點［43］。1994 年，日本SUBARU望遠鏡的自適應光學系統(tǒng)中設計了一個薄膜變形反射鏡［44］，圖14 是其設計圖，薄膜材料采用硝化纖維，厚為2 μm，直徑為50.8 mm，有效通光口徑為25 mm，面形為0.03λrms，電極促動器采用5 ×5 方形排列，間距為 4 mm，控制電壓為(500 ±200) V，真空中諧振頻率為1.6 kHz。

圖14 SUBARU 望遠鏡薄膜變形鏡設計圖Fig. 14 Prototype of membrane deformable mirror of SUBARU telescope

荷蘭OKO 公司目前提供的薄膜鏡產品［45］有37 個15 mm 口徑的控制通道、59 個30 mm口徑的控制通道、79 個40/50 mm 口徑的控制通道的薄膜鏡可選，薄膜材料為氮化硅，厚度為500 ～700 nm，單個促動器最大能產生1 000 nm 的變形量，電極促動器為1.8 mm［46］。圖15 為其中的37 個控制通道15 mm 口徑薄膜鏡，該變形鏡在人眼自適應光學技術中得到了較好的應用［47-48］。

圖15 OKO 的37 單元薄膜變形鏡Fig.15 37-element membrane deformable mirror produced by OKO

文獻［49］報道了高峰值功率激光加工中的激光束整形應用，評估了不同材料制成的薄膜鏡的一些不同特性，可以作為薄膜鏡設計的參考。

2．4 雙壓電變形鏡

2.4.1 雙壓電變形鏡的基本原理

雙壓電片變形鏡的基本結構如圖16 所示，它由2 片壓電陶瓷片粘接在一起，在2 片壓電陶瓷片中間排列有控制電極，陶瓷片的上下端面設置有公共電極，在一面陶瓷面上粘接有一薄光學玻璃片作為反射鏡。雙壓電片變形鏡利用的是壓電陶瓷的橫向壓電效應，當給控制電極施加電壓時，其中的一片壓電陶瓷橫向擴張，另一片壓電陶瓷橫向收縮，整體作用的效果就是使鏡面在施加電壓的電極位置發(fā)生局部彎曲變形［50］。鏡面的彎曲變形可以表示為:

式中:V(x，y) 為壓電陶瓷片平面上的電極電壓分布，A是一個常量，與壓電陶瓷片的材料特性有關。

圖16 雙壓電片變形鏡的橫截面示意圖Fig.16 Cross section of bimorph deformable mirror

2.4.2 雙壓電變形鏡的技術發(fā)展現狀

在國內，北京理工大學較早開始進行雙壓電片變形鏡的研究，他們對自制的13 單元雙壓電片變形鏡的控制電極進行了優(yōu)化設計［51］，并對變形鏡的主要參數性能進行了測試［52］。中科院光電技術研究所和國防科技大學合作研制了20 單元雙壓電片變形鏡［53］，并進行了性能測試與應用研究［54］，圖17 為其實物圖。

圖17 20 單元雙壓電片變形鏡Fig.17 20-element bimorph deformable mirror

在國外，CILAS 為歐洲南方天文臺研制了多套雙壓電片變形鏡，在自適應光學系統(tǒng)中的一個成功應用就是為SUBARU 望遠鏡研制的188 單元變形鏡，圖18 給出了該變形鏡的實物圖和電極排布圖，該變形鏡使SUBARU 望遠鏡達到了衍射極限［55］。文獻［32］給出了CILAS 研制的雙壓電片變形鏡的性能指標及相關參數的計算方法。

圖18 188 單元雙壓電片變形鏡及電極排布圖Fig.18 188-element bimorph deformable mirror and its electrode geometry

受壓電片彎曲形變特性的影響，雙壓電片變形鏡的空間分辨率( 即單元數) 難以提高，一般就在幾百單元量級［56］。但是，通過對材料、結構設計等的優(yōu)化，雙壓電片變形鏡的校正量可以做大，從而適用于校正大的低階波像差，如用在人眼的眼底成像［57］和激光光束整形［58］方面。圖19 是一個由美國AOptix 公司研制的用于校正人眼較大幅值的低階波像差的雙壓電片變形鏡，其通光口徑為10 mm，促動器數量為37 個，最大校正量為±18 μm。

圖19 37 單元大行程雙壓電片變形鏡Fig. 19 37-element bimorph deformable mirror with large stroke

2．5 MEMS 變形鏡

2.5.1 MEMS 變形鏡的基本原理

MEMS 是20 世紀80 年代迅速發(fā)展起來的一門綜合性新興多學科交叉技術。它包括微能源、微驅動器、微傳感器、微控制器和微操作器等，集成于一個微小的空間，可實現一種或多種設定的功能。MEMS 變形鏡就是用類似電子芯片光刻技術制成的含有多個微小校正單元的變形鏡。根據制作方法的不同，MEMS 變形鏡有兩種實現形式，一種是類似薄膜變形鏡的校正器，如圖20 所示［59］，文獻［60］中介紹了該類型MEMS 校正器的制作過程; 另一種是表面微機械加工的校正器［61］，類似分離促動器變形鏡，如圖21 所示［62］。

圖20 基于MEMS 技術的薄膜變形鏡Fig.20 Membrane deformable mirror based on MEMS

圖21 拼接式MEMS 變形鏡Fig.21 MEMS segmented deformable mirror

2.5.2 MEMS 變形鏡的技術發(fā)展現狀

國際上MEMS 變形鏡的主要研究單位有美國空軍研究實驗室( AFRL) 、美國Boston 大學精密工程研究實驗室( PERL) 、Texas Instrument 公司、加州大學Berkeley 分校，以及荷蘭的OKO Technologies 公司等。目前，美國在MEMS 變形鏡方面的研究水平在國際上處于領先地位。國內在這方面與國外存在較大差距，清華大學、華中科技大學等近10 所大學和相關研究所相繼成立了MEMS 研究機構，并在MEMS 基礎上對加工微型的變形鏡進行了一些有益的嘗試，取得了一定的成果［63］。

圖22 為華中科技大學研制的一種新型的帶透明電極的可變形反射鏡［64］，該變形鏡的最大優(yōu)點就是可以產生兩個方向的形變，在較小的驅動電壓下能產生-14 μm 的最大形變，也能產生+5 μm的形變，甚至更大，也就是說變形鏡的最大變形量可以達到19 μm。圖23 為Boston 大學精密工程研究實驗室為Gemini South 望遠鏡制作的4 096單元MEMS 變形鏡［65］，每個單元尺寸為400 μm，其最大變形量能夠達到3 μm，工作帶寬達到2.5 kHz。

圖22 帶透明電極可變形反射鏡示意圖Fig.22 Schematic drawing of MEMS deformable mirror with transparent electrodes

圖23 波士頓微機械加工中心研制的4096 單元MEMS 變形鏡Fig.23 4096-element MEMS deformable mirror fabricated by Boston Micromachines Corporation

MEMS 變形鏡在自適應光學系統(tǒng)中的應用也取得了較好的效果，向東等人利用圖22 中的MEMS 變形鏡構建了視網膜成像自適應光學平臺，對黃斑中心凹周圍的毛細血管進行了清晰成像［66］。南京航空航天大學的李邦明等人利用OKO 的37 單元MEMS 變形鏡構建了一套視網膜細胞顯微鏡系統(tǒng)，并實現了對活體人眼視網膜細胞成像［67］。文獻［68］介紹了一套基于MEMS 變形鏡的自適應光學實驗系統(tǒng)，并在望遠鏡上完成了對低軌目標的較高分辨率成像。

基于MEMS 技術的變形鏡在國內外研究機構的努力下，取得了較好的效果，但是目前還存在一些主要問題: ( 1) 靜電驅動pull-in 現象的存在使MEMS 變形鏡的校正行程有限; ( 2) MEMS 工藝犧牲層釋放后的殘余應力使變形鏡的初始面形較差;(3) 多單元數的MEMS 變形鏡需要研究能夠與其有效集成在一起的集成控制電路，傳統(tǒng)的電路板控制將會很難實現。這些是深入研究與應用MEMS 變形鏡的難點及急需解決的關鍵問題。

2．6 基于液晶技術的空間光調制器

2.6.1 相位調制的基本原理

前面介紹的波前校正器都是通過控制光程差進行光學相位補償，而液晶空間光調制器是通過控制折射率來調制波前相位。這是由于液晶材料具有電控雙折射效應，光入射到液晶層，被分為e光和o 光，對應的折射率分別是非尋常光折射率ne和尋常光折射率no。當給液晶層施加電壓時，電場作用下液晶分子會發(fā)生偏轉，且不同電壓對應于不同液晶傾角:

e 光的折射率ne會隨所加電壓的大小而改變:

當垂直于液晶層表面施加電壓，保持入射光的偏振方向平行于液晶光軸時，液晶空間光調制器就能夠對入射光產生純相位調制［69］:

式中:d為液晶層厚度，λ 為入射光波長。

2.6.2 液晶空間光調制器的技術發(fā)展現狀

液晶空間光調制器作為一種新型的波前校正器件，具有校正單元多、價格低廉、制作周期短和校正準確度高等優(yōu)勢，目前已成為國內外的研究熱點［70-71］。中科院長春光機所對液晶空間光調制器及其應用進行了多方面的研究，利用液晶空間光調制器搭建了自適應光學實驗系統(tǒng)，在對水平大氣擾動校正［72-73］、視網膜血管成像［74］和天文目標成像［75-76］等多方面取得了較好的成果。文獻［68］中報道了利用液晶空間光調制器作為波前校正器實現了對國際空間站的自適應光學校正成像。液晶空間光調制器應用中的主要限制因素是需要偏振光入射、校正頻率低和色散等。隨著科技的發(fā)展，這些問題將會被逐一解決［77］。

2．7 自適應次鏡

1998 年，美國著名的具有6 個鏡筒的多鏡面望遠鏡( Multiple Mirror Telescope，MMT) 被改造成為一個單鏡面6.5 m 口徑的望遠鏡。2003 年，在這個望遠鏡上，一個新的自適應光學的變形次鏡調試成功［78］，這是自適應光學變形鏡面的一個重要進展。利用次鏡本身作為變形鏡的最大好處是大大減少了反射或者透射面的數量，提高了望遠鏡的效率。據文獻報道，這個裝置減少了在其它的自適應光學系統(tǒng)中所需要的8 個鏡面。

圖24 給出了該自適應次鏡的結構圖，它由6自由度平臺、支撐架、制冷夾板、音圈促動器、參考背板和薄變形鏡片組成。其中，6 自由度平臺用于實現對次鏡整體的姿態(tài)調整，支撐架上有電控箱實現對鏡面面形的控制，制冷夾板除了用于促動器的定位之外，還有水制冷管道用于對音圈電機及其驅動電路的制冷，參考背板用于給薄鏡片提供穩(wěn)定的參考面。與其它的變形鏡面不同，這個次鏡的變形依靠電磁力來實現，在薄鏡面的背后共膠粘著336 個永磁體，每個永磁體對應有一個線圈，構成一個音圈促動器，線圈和永磁體的距離為0.2 mm，當線圈中加上電流以后，就有力施加在薄鏡面上，實現對面形的校正［79］。

圖24 MMT336 單元自適應次鏡結構圖Fig.24 Structure diagram of 336-element secondary deformable mirror of MMT

在MMT 的自適應次鏡取得成功之后，大雙筒( Large Binocular Telescope，LBT) 望遠鏡也研制了兩個672 單元的自適應次鏡，并在MMT 次鏡的基礎上進行了多方面的改進［80］。圖25 為第一個LBT 自適應次鏡［81］。

圖25 672 單元LBT 自適應次鏡Fig. 25 672-element deformable secondary mirror of LBT

3 波前校正器技術發(fā)展展望

波前校正器不僅可作為自適應光學系統(tǒng)的核心部件，在天文望遠鏡以及空間對地詳查相機上也得到了應用，近年來還成功地在光束凈化、光束整形、激光腔內像差校正以及醫(yī)學人眼像差的檢測與校正等方面得到了應用。

分離促動器連續(xù)鏡面變形鏡具有技術成熟、可靠性高、工作帶寬高等優(yōu)點，目前仍然是天文望遠鏡自適應光學系統(tǒng)中使用最多的波前校正器，而且隨著壓電陶瓷材料及加工工藝的改進和提高，目前已經能夠研制小促動器間距、高密度的促動器陣列。歐洲南方天文臺正在研究利用該技術實現40 m 極大望遠鏡( ELT) 的自適應四鏡，而且，基于此主動變形校正技術的空間望遠鏡也是目前的研究熱點。目前，國內1 000 單元量級以下的變形鏡技術上已經較為成熟，但是對于更大口徑望遠鏡的需求，要求更高密度、口徑更大的變形鏡，就需要在系統(tǒng)集成、薄變形鏡片的加工、陶瓷工藝等方面開展進一步的研究。

由于拼接子鏡波前變形鏡子鏡之間有縫隙，需要復雜的共相位調整，而且單元數難以做得很多，鏡面較大，目前使用很少。

薄膜和雙壓電晶片變形鏡表面彎曲變形的特性決定了其校正單元數不能太多，而且薄膜變形鏡受薄膜特性的影響，整體的諧振頻率不能做到很高，所以它們一般適合在寬的空間頻率范圍內校正大幅值的低階波像差，例如應用在人眼像差校正中。

MEMS 變形鏡由于具備可以實現系統(tǒng)的小型化、成本適中、響應速度快和能夠批量生產等特點，而在軍用和民用科學儀器方面具有巨大的潛在市場，而且，MEMS 技術與電子技術有很好的兼容性，能夠實現高度的技術集成。但是，MEMS 變形鏡尺寸較小，在很多需要大光學口徑的系統(tǒng)中應用受到限制，而且，現在MEMS 能夠實現的鍍膜范圍有限、很難得到好的面形質量，另外還存在衍射現象等［46］，這些都暫時限制了MEMS 變形鏡在自適應光學系統(tǒng)中的成熟發(fā)展，非常期待技術的進一步創(chuàng)新。

雖然液晶校正器還存在一些問題，但是，目前液晶校正器所取得的一些成果還是很值得肯定的。它的低成本、單元數較多、可以用于透射模式等特點令人們相信其應用會隨著材料、工藝等技術的發(fā)展和存在問題的逐漸解決而越來越廣泛。

自適應次鏡是針對大型望遠鏡的實際需要而構建的系統(tǒng)，涉及大口徑薄非球面鏡面(a/h比達500) 的加工與面形控制等關鍵的光學、機械及電控技術。目前，國外在這方面技術相對較為成熟，而且也很好地實現了其科學目標。但是，國內尚未研制出自適應次鏡，需要在薄非球面鏡面加工、穩(wěn)定支撐、促動器及電控等方面繼續(xù)研究、實驗，以滿足將來大型望遠鏡的可能需求。

綜上所述，波前校正器是自適應光學系統(tǒng)中的關鍵部件，其性能的好壞直接影響系統(tǒng)的校正能力。目前，有上述多種校正器得到了實際的應用和驗證，并取得了較好的效果，但是，由于各校正器的不同特點決定了它們有各自最適用的系統(tǒng)，在系統(tǒng)設計時應予與考慮。而且，隨著應用需求的進一步提升，一方面可以通過材料、工藝等的技術進步來提高各波前校正器的技術性能，另一方面可以通過不同性能間校正器的相互配合( 例如，校正大幅值低階像差的校正器與校正小幅值高階像差的校正器配合使用等) 來實現系統(tǒng)要求，而這些都需要在技術和理論上的進一步創(chuàng)新才能實現。

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