专利名称：多层压电可变形双压电晶片反射镜的制作方法
发明的领域本发明涉及一种可控制的光学器件，其可用于各种光学装置和系统中辐射波前的静、动态控制，这些装置和系统包括天文望远镜、工业激光仪器和跟踪及制导的光学系统。
发明的背景已知一种未冷却可变形双压电晶片反射镜(bimorph mirror)，它包括两块压电平板，其中之一用作反射并带有13个分区控制电极(参见J.-P.Gaffard，P.Jagourel，P.Gigan.自适应光学器件激光器(Laserdot)可用部件的描述，-Proc.SPIE，1994年，2201卷，688-702页)。由于相反的横向压电效应，作为在有源的双压电晶片结构中因为平行于光学表面方向的压电陶瓷的变形产生弯矩的结果，实现这种双压电晶片反射镜中反射面的变形。在这种反射镜中，光学表面的最大可控位移的幅度不超过10微米(μm)，并且这一幅值是在对所有控制电极同时施加最大电压(400伏)的情况下获得的。这种双压电晶片反射镜的不足之处如下反射面可控变形幅值小，灵敏度低(不超过25微米/千伏)，光学表面成型过程的劳动强度高，光学表面的质量和稳定性差而且反射镜强度和可靠性低。
已知一种多层压电可变形双压电晶片反射镜，它包括一个外罩，做成具有一个盖和一个反射面的套筒，该反射面制在套筒底部的外侧；及一个装在套筒底部内侧的压电元件，该压电元件不能伸过反射面的界限(参见SU专利，1808159，HOIS 3/02，1993)。该反射镜有一额外的压电陶瓷平板，该平板位于反射面和主陶瓷平板之间并刚性地同两者结合在一起。这一辅助的平板独立地在主平板上使用，这意味着它的控制电极并不同其他电极电气地连接。这一辅助压电陶瓷平板的目的是稳定反射镜反射面的初始工作形状，以降低它的机电滞后，并且在某些条件下扩大反射面可控位移的范围。在这种情况下，由于每一压电陶瓷平板的变形产生的弯矩和它们的进一步叠加，实现反射面的变形。每一压电陶瓷平板由于相反的横向压电效应而在平行于反射面的方向发生变形。该反射镜的不足之处如下反射镜金属外罩上存在电势，反射面可控变形的幅值小(最大11.2微米)，灵敏度低(最大为37.3微米/千伏)，光学表面成型过程的劳动强度高，光学表面的质量和稳定性差而且反射镜的强度和可靠性低。
发明概要本发明的目的是为可变形双压电晶片反射镜的可控光学表面位移的幅值提供增加量，并且改进反射镜的灵敏度。除此之外，所提出的结构能降低反射镜光学表面成型过程的劳动投入，提高其初始形状的质量和稳定性，改善其强度和可靠性，以及提供更均匀的反射面变形。
所述目的通过一个多层压电双压电晶片反射镜来实现，该反射镜包括一个外罩，做成具有一个盖和一个反射面的套筒，该反射面在套筒底部的外侧形成；及一个同套筒底部内表面联接在一起的压电元件，该压电元件不伸过反射面的界限。所述压电元件至少由两块压电陶瓷平板制成，这些压电陶瓷平板依次平行于套筒底部的内侧面放置。这些压电陶瓷平板在它们的相对表面上制作一些电极。这些电极是实心的。相邻压电陶瓷平板的极化矢量指向相反，它们的同性电极相互间电气连接。套筒被做成具有变厚度底部的单件。反射面在具有较大厚度的底部中心部位形成。最好使套筒的底部被冷却，并且相邻的压电陶瓷平板通过一个公共电极相互连接，外罩空腔注入弹性密封混合物。双压电晶片反射镜的可控光学表面的位移幅值的增加和它的灵敏度的提高归结为下述原因1.附加弯矩的存在产生于每一额外压电陶瓷平板的使用，并通过使用至少由两块压电陶瓷平板制成的压电元件来实现其存在；2.所有压电陶瓷平板的变形是同步和同相的(这意味着数值和符号相同)，这一结果通过使用实心的电极，并且使相邻平板的极化矢量指向相反，以及它们的同性电极用电气连接的方式来实现；3.反射面(即套筒底部)在它的外围部分刚度的降低，因而提供了同反射面更好的弹性连接。这通过使用制成一件的套筒来实现，该套筒具有变厚度底部和在具有较大厚度的底部中心部位形成的反射面。
应该注意到上述所列理由的第一条存在于受冷却的，取作原型的双压电晶片反射镜中。的确，当在反射镜结构中使用第二块压电陶瓷平板时，在它变型过程中产生一个附加弯矩，该弯矩叠加到第一块压电陶瓷平板变形过程中产生的弯矩上。但即使这样，在两层双压电晶片结构中产生的整个弯矩的增加，以及反射面变形幅值和反射镜灵敏度的增加也许不会发生，因为当从一层双压电晶片反射镜变成一种多层结构时，出现下述三个因素的竞争1.由于新的压电陶瓷平板的存在产生的额外弯矩叠加到现存的弯矩上；2.与一层反射镜相比，由第一块压电陶瓷平板变形产生的弯矩值降低了，因为在二层反射镜的情况下，这一弯矩必须不仅补偿来自反射面的反作用，还要补偿来自第二块(新板)压电陶瓷平板的反作用；3.由于两块平板的同时弯形，在“第一块(旧板)压电陶瓷平板-第二块(新板)压电陶瓷平板”的结构中产生的额外弯矩叠加到现存弯矩上。
显然，对于双压电晶片反射镜可控光学表面的位移幅值的增加和它的灵敏度的增加来说，上述所列因素的第一第起积极作用，而第二条起消积作用。只有当“第一块(旧板)压电陶瓷平板-第二块(新板)压电陶瓷平板”结构中产生的额外弯矩与由第一块(旧)压电陶瓷平板的变形产生的弯矩符号相同时，第三因素的影响才是积极的。但是，只有当第二块(新)压电陶瓷平板的变形具有相同的符号，并且在数值上超过第一块(旧)压电陶瓷平板的变形，这一情况才成为可能。对于所有其它情况，第三因素的影响都上消积的，甚至当两块压电陶瓷板的变形具有相同符号但有不同数值时，情况也是这样。
根据上述讨论，很显然，当从一层反射镜变成二层发射镜时，前二个因素具有基本的性质，并且总是存在的，因而第二个因素决不能去掉。如果在反射镜运行过程中的每一时刻加在第二块压电陶瓷平板上的控制电压具有相同的符号，并在数值上超过加在第一块平板上的控制电压，则第三因素的影响也可以变成积极的。不幸的是，在二层反射镜中以这样的方式对压电陶瓷平板施加控制的所有方法都是绝对不方便的。情况的确是这样，首先，所有这些方法要求具备两条独立的控制通道。其次，当反射镜在动态模式运行时，加在第二块压电陶瓷平板上的控制电压值需要不断同加在第一块压电陶瓷平板上的电压值进行比较，这是非常不方便的。
当从二层反射镜变成三层反射镜，因而进一步变成多层反射镜时，所有上述提到的三个因素变得更加强烈，即1.叠加到现存弯矩上的额外弯矩随着加入每一块额外压电陶瓷平板而变小，因为双压电晶片结构的整体刚度增加得越来越大；2.因为在多层反射镜中每一块压电陶瓷平板必须补偿反射面的反作用和所有其它压电陶瓷平板的反作用，所有现存压电陶瓷平板的变形产生的弯矩值都被降低，而不仅仅是第一块板；3.在由每一对相邻压电陶瓷平板形成的每一双压电晶片结构中产生的额外弯矩的增加被累加。
由二层双压电晶片反射镜类推，显然，对多层反射镜来说，通过若干压电陶瓷平板的简单增加不可能实现上面提出的目标。此外，当加在所有压电陶瓷平板上的控制电压具有相同的极性，并且后面平板的数值大于前面平板的数值时，要获得第三因素的积极效应，多层反射器比二层反射器更为困难，并且在动态模式中实际上这是不可能的。所以，第三因素对变形幅值的影响几乎总是消极的。
由于专门设计，本发明通过完全排除第三因素克服了这一情况，其中每一对相邻平板的所有连接都不是双压电晶片。当任意相邻压电陶瓷平板绝对均匀地变形时，或者换句话说，当所有其它各点都相同的条件下，一个相同值的控制电压被施加到每一压电陶瓷平板上，就实现了这一结果。这就是为什么所有压电陶瓷平板的变形都是同步和同相的原因，即正如上面注意到(参见第二条款，原文第二页)的第二个原因导致了提出的目的。本发明的相应区别特征在于所有电极制成实心的，相邻压电陶瓷平板的极化矢量指向相反，并且它们的同性电极电气相互连接。因此，只有这种区别特征同第一个特征(即压电元件至少由两块压电陶瓷平板制成，因而是一个多层元件)的组合提供了所提出的技术目的。
另一方面，应该注意到即使第三个因素的影响被排除，前二个因素之间的竞争仍然会发生。它从多层双压电晶片反射镜的灵敏度和可控变形增加的观点确定了额外压电陶瓷板最佳数量的存在。就是说，每一额外压电陶瓷平板的加入(即使提供上述定义过的指向和连接)将导致的不是变形幅值的增加，而是它的降低。换句话说，压电陶瓷平板数量的进一步增加将引起多层双压电晶片结构的刚度增加，以至于不允许达到所提出的技术目的。
本发明通过下述事实克服了这一情况同原型相比较，通过与反射镜外罩更好的弹性连接以一定的过剩量补偿多层双压电晶片结构刚度的增加。为了做到这一点，似乎降低反射平板(或套筒的底部)在它的外围部分的刚度就可以了。这就是如上所述的第三个原因，其允许实现所提出的技术目的。其中区别特征是套筒被设计成具有变厚度底部的一件，并且反射面在具有较大厚度的底部中心部位形成。所以，只有所有列出区别特征的组合才允许有把握获得一种多层双压电晶片反射镜光学表面可控位移幅值的合理增加，这意味着有把握获得一个合理的以上提出的技术目的。
换句话说，表征外罩和压电元件实施例的特征的组合提供了带有反射面的元件整体刚度的降低和该压电元件的整体刚度的降低，允许明显增加反射器灵敏度。尽管具有指向相反极化矢量的相邻压电陶瓷平板的利用已被知晓，参见1981年3月24日发表的美国专利No.4257686,Cl.G02F1/00，只有把以上提出的特征与外罩和电极布置的实施例表征的特征相组合，才允许实现以上提出的技术目的，由此相应降低了带有反射面的元件重量和压电元件的重量以及所列所有元件的整体刚度。
如果提供压电平板的最小可能厚度，成比例地增加并且平板的数量，则可获得反射器灵敏度的增加，其中原因之一归结为控制电压的降低。这一结果直接构成了这样的事实双压电晶片反射镜的灵敏度是光学表面变形值与所加控制电压的比值。
双压电晶片反射镜光学表面成型过程的劳动投入的减少和它的初始形状质量的改进通地提供具有变厚度制成一件的套筒来实现，反射面在具有较大厚度的底部中心部位形成。本发明上述特征产生的直接结果如下a)在抛光过程中，反射镜的光学表面和抛光工具之间的接触更为均匀；b)外罩的外围部分，即除底侧面外的套筒壁被排除在抛光过程之外。
多层压电陶瓷可变形双压电晶片反射镜的另一个特征在于相邻压电陶瓷平板相互之间通过公共电极连接。这使结构更为简单和方便。事实上，即使这样，两个不同压电陶瓷平板的连接点处使用一个电极而不是两个电极。
本发明进一步的特征在于，外罩的空腔用弹性密封混合物填充。弹性密封胶可减弱抛光过程中抛光工具作用在反射面上的压力，这减少了光学表面成型过程中的劳动强度，并改进了它的初始形状质量。这就提供了光学表面同抛光工具的更为均匀的接触。由于反射镜运行过程中作用在反射镜外罩上的外部冲击，振动和其它载荷被弹性密封混合物所抑制，反射镜初始反射面的稳定性以及它的强度和可靠性的增加得以实现。因为密封胶保护反射镜内部结构免受直接损伤，所以反射镜的可靠性也得以提高。此外，密封混合物的使用用于使套筒底部回到它的初始位置。所以，本发明符合取得专利的条件即新颖性(N)，创造性(IS)，实用性(IA)。
上述所列本发明的优点通过下列实施例和附图的描述将会变得更为清楚。
附图的简述
图1是按照本发明的一种多层压电陶瓷可变形双压电晶片反射镜的轮廓图。
发明优选实施例的详细描述参照图1，压电陶瓷可变形双压电晶片反射镜包括设计成一件的外罩1，即一个带有盖2和底面1外表面上形成的反射面的套筒。底部中心部位比它的外围部分具有较大厚度。一个压电陶瓷元件连接到套筒底部的内表面上。该压电陶瓷元件包括几个(三个，如图1所示，或者更多个)压电陶瓷平板4，它们平行安装在套筒底部的内表面上。压电陶瓷平板具有实心(solid)的控制电极5，诸电极5位于平板的相对表面上。相邻平板4的极化矢量6，如图1所示，指向相反。它们的同性电极5通过导体7相互间连接起来，并且通过电线8连接到电气连接器9上。外罩空腔可填充密封混合物10。如图1所示，相邻平板4通过公共电极5相互连接。外罩1的底部可以被冷却(图1未表示)。
多层压电可变形双压电晶片反射镜工作如下一个控制电压通过电连接器9加到每一个压电陶瓷平板4上。所以，所有压电陶瓷平板4由于相反的横向压电效应而变形。每一平板4由于特定选择的方位并且电极5按上面描述来安装，其变形将是相等的。换句话说，三层(因而是一个多层)压电陶瓷结构将作为一件变形，这意味着作为一个相应厚度的单块板变形。所以，只要给出上述描述的压电陶瓷平板4的方位和电极5的连接，一个多层压电陶瓷结构将等效于单块压电陶瓷平板。
记住这一点，很容易理解连接的“外罩1的底-多层压电陶瓷结构”等效于两块单板的连接，一个是反射板，而另一个是压电陶瓷板。这样的-种连接通称为类无源(seem-passive)双压电晶片结构(例如，参见Kokorowski S.A.压电双晶制作的自适应光学元件的分析，-J.Opt.Soc.Am.<美国光学学会杂志>，1979年，69卷，第1期.181-187页)。所以，在压电陶瓷上电压的作用下，反射镜的反射面3将按某种方式变形，即由于在双压电晶片结构中产生的弯矩而变形。所以，正如上面描述，由于所有提出的区别特征的组合，本实施例有把握提供反射镜光学表面可控位移幅值的显著增加。
因为可变形反射镜的灵敏度是反射面变形值同所加控制电压的比值，从上面的考虑可以看出在提出的多层双压电晶片反射镜中，所有区别特征，即外罩和压电元件的设计特征的组合，有把握提供比已知类似装置和原型更大的灵敏度。显然，如果双压电晶片反射镜结构使用超过三块的压电陶瓷平板4或多层压电元件，只要压电陶瓷平板4，电极5和外罩1按照上面描述的来定向，连接和设计，则所有上述论点仍然适用。
当相邻压电陶瓷平板通过公共电极连接时，本发明最简单和方便的实施例得以实现。的确，这样，一个多层压电元件可以被制作，例如，通过薄压电膜在铂上的烧结，代替具有电极的每一个压电陶瓷平板的简单连接施加到电极的两个表面上。在这种情况下，压电陶瓷平板本身没有控制电极，铂垫片用于这一目的。除此之外，在烧结过程中发生的压电膜的热处理把它们变成硬(但薄)的压电平板。结果，包括多层压电元件的压电平板看上去是被公共电极连接的。
由于使用弹性密封混合物填充外罩的空腔产生的初期优点已被注意到。还需补充的是，当由液体密封混合物填充外罩空腔并进一步干燥时，外罩壁以及压电元件的表面出现粘接。因此，在反射镜制造或运行过程中作用的任何载荷作用下，密封混合物表现为一种弹簧该弹簧使反射面(即套筒底部)，回到它的初始位置。
需要强调正如在原型中那样，反射面(套筒底部)可以被冷却。例如，它可以包括允许水或其它冷却剂流过的通道，该通道直接安装在反射面3的下面。
所提出的多层双压电晶片反射镜的实施例的另一个重要优点是为降低控制电压值而不降低反射面有用变形的幅值，能降低各个压电平板4的厚度，因而更进一步增加了灵敏度。对于已知的类似装置和原型，存在一个单一压电陶瓷平板厚度的下限，因为它的刚度必须足够大以便提供反射面的最大变形(弯曲)。另一方面，双压电晶片结构的整体厚度也有一个下限，因为它的刚度必须提供成型光学表面和抛光反射镜的能力。所以，对于已知的类似装置和原型，存在一个最大允许厚度，该厚度能实现具有有效性能的可变形双压电晶片反射镜。
由上所述，对于一个所提出的多层双压电晶片反射镜，显然不存在对各个压电陶瓷平板4厚度的任何限制。很明显，整个压电结构刚度的可能不足可以通过增加压电平板4的数量容易地得到补偿。所以，所提出的实施例提供了生产具有大幅值可控光学表面位移的低电压，高灵敏度的单通道可变形双压电晶片反射镜的可能性。
工业应用本发明可使用已知材料和技术方法在标准工业设备上实现。在反射镜结构中使用的压电平板也是一种标准的工业产品。
实际上，本发明可以用在任何光学系统中，在那里对光束的轴对称失真有必要进行高精度动态修正(补偿)，例如，在加工时为获得全场的均匀焊接，用在具有一个“飞行”(flying)光学装置的工业激光系统中。
权利要求
1.一种多层压电可变形双压电晶片反射镜包括一个设计为套筒的外罩，该外罩带有一个盖和一个在套筒底部外侧上做成的反射面；及一个连接到套筒底部内表面的压电元件，该压电元件不伸过反射面的界限；在该反射镜中压电元件至少由两块压电陶瓷平板制成，压电陶瓷平板依次平行于套筒底部的内表面设置，压电陶瓷平板在它们相对的表面上具有一些电极，这些电极是实心的，相邻压电陶瓷平板的极化矢量指向相反，并且它们的同性电极相互间电气地连接，套筒被设计成一个具有变厚度底部的单件，并且反射面在具有较大厚度的底部中心部位形成。
2.根据权利要求1所述的反射镜，其中使套筒底部被处于冷却状态。
3.根据权利要求1和权利要求2所述的反射镜，其中相邻压电陶瓷平板通过一个公共电极相互连接。
4.根据权利要求1至3任一项所述的反射镜，其中外罩的空腔被弹性密封混合物填充。
全文摘要
一种多层压电可变形双压电晶片反射镜可用于天文望远镜，激光工业系统，制导和跟踪系统，该反射镜包括一个带有一个盖2的做成套筒的外罩1。反射面3在套筒底部外侧面上形成。至少两个压电陶瓷平板4被连接到套筒底部的内表面上，且不能超过反射面的界限。压电陶瓷平板在它们相对的表面上具有实心电极5，相邻压电陶瓷平板的极化矢量6指向相反，并且它们的同性电极通过电线7相互间电气连接。套筒被设计成一个具有变厚度底部的件，并且带有反射面3的底部中心部位比外围部分具有较大的厚度。外罩1的空腔可填充弹性密封胶10。
文档编号G02B26/08GK1145667SQ96190026
公开日1997年3月19日 申请日期1996年3月6日 优先权日1996年2月12日
发明者安德烈·格纳迪耶维奇·萨夫罗诺夫 申请人:亚莱斯唐公司