天文自适应光学系统微缩束镜-MEMS变形镜新型校正器研究

Segmented deformable mirrors(DMs) based on MEMS technology have the advantage of simple structure, low cost and short fabrication cycle compared with conventional DMs. As a result, the MEMS DMs attract more and more research interests and becomes a new popular research field of small wavefront corrector for adaptive optics system. However, the problems of small fill factors and the considerable diffraction casued by the gaps between adjacent elements of segmented MEMS DMs greatly limit their applications in astronomical telescope. A new lenslet/MEMS DMs hybrid corrector is proposed in this project. This corrector could effectively improve the fill factor, but not introduce the aberration or increase the comlexity of system. The working principles analysis, the design and fabrication, as well as the monolithic integration of the lenslet/MEMS DMs will be carried out in this project to get the prototype of the device. Moreover, the adaptive optics system setup will be build to test and verify the correction capability and application potential of the fabricated lenslet/MEMS DMs. This project will promote the practical use and industrialization of segmented MEMS DMs.

基于微机电系统（Micro Electro-Mechanical Systems，MEMS）技术的分立镜面变形镜克服了传统变形镜结构复杂、制作费时、成本昂贵的缺点，已成为自适应光学系统中小型波前校正器的研究热点。然而，分立镜面微变形镜填充因子较低、单元间隔对待校正波前造成衍射等问题影响了其在天文望远镜领域的应用。本项目提出了一种微透镜-MEMS变形镜混合校正器。这种新型校正器在进行波前校正时可有效增大系统的填充因子，且不引入像差及增加系统的复杂度。本项目拟对该混合校正器的工作原理、器件的结构设计和制作、以及单片集成工艺等进行研究，以期获得具有一定校正能力的原型样品并搭建自适应光学系统进行实验验证，从而准确评价本方案的校正效果和适用性。本项目的研究将为分立镜面微变形镜的实际应用奠定基础，有效促进MEMS技术的产业化。

本项目针对分立镜面MEMS变形镜填充因子较低的问题，提出了一种微透镜-MEMS变形镜混合校正器件，同时具有集成度高、响应速度快、驱动电压低等优势，较为适用于天文自适应光学系统。首先进行了混合校正器的能量利用率和像差分析。分析了能量利用率的三个主要影响因素，即单元间隙、释放孔和透印效应，分析了镜面不平整性的衍射效应。利用Matlab模拟计算了不同形状、不同类型的分立镜面变形镜的拟合误差系数。其次进行了微缩束镜和微变形镜的优化设计和分析。在存在缩束镜的情况下，变形镜的填充因子不再成为器件的制约因素，因而可在牺牲一定程度的填充因子情形下大大提高变形镜的其他各项性能指标，包括行程、表面质量、可靠性等。另外还制作了微缩束镜-微变形镜混合校正器，研究了加工工艺流程中的部分关键技术，在不采用倒装芯片键合的情况下，实现了微透镜和微变形镜的真正意义上的单片集成，从而大大提高了对准精度和系统集成度，并降低了工艺和材料成本。最后搭建了AO系统。由于大气湍流造成的波前像差常用Zernike多项式来表征，因而针对前几阶Zernike多项式开展了静态像差校正实验，分析了系统的校正效果和拟合残差，验证了器件的性能。本项目的研究提高了分立镜面MEMS变形镜的填充因子，将为其实际应用奠定基础。