RU2186412C1 - Adaptive mirror - Google Patents

Abstract

FIELD: optics. SUBSTANCE: adaptive mirror has base, deformed plate which first surface is covered with reflecting coat and set of electromechanical converters made of ferroelectric ceramics fitted with controlling electrodes. Plate is fabricated from ferroelectric ceramics with diffuse phase transition. Electromechanical converters are made in body of plate and controlling electrodes are deposited on second surface of plate and are structural fractional figures. EFFECT: enhanced speed of response, reliability and time stability of optical system. 8 dwg

Description

Изобретение относится к оптике и предназначено для использования в качестве исполнительного устройства в адаптивных оптических системах. The invention relates to optics and is intended for use as an actuator in adaptive optical systems.

Известен модулятор волнового фронта [1]. Устройство содержит две механически соединенные пьезоэлектрические пластины из поляризованного материала с электродами на их поверхностях. Периферийные части пластин закреплены на основании, а их центральная часть через толкатель соединена с зеркалом. Изгибная деформация пластин преобразуется в перемещение зеркала, что позволяет осуществить фазовую коррекцию волнового фронта оптического излучения. Известное устройство обладает высокой чувствительностью при малых значениях напряженности управляющего сигнала, не превосходящих напряженности коэрцитивного поля. Known wavefront modulator [1]. The device contains two mechanically connected piezoelectric plates of polarized material with electrodes on their surfaces. The peripheral parts of the plates are fixed to the base, and their central part is connected through a pusher to a mirror. The bending deformation of the plates is converted to moving the mirror, which allows phase correction of the wavefront of optical radiation. The known device has high sensitivity at low values of the intensity of the control signal, not exceeding the strength of the coercive field.

Однако устройство не позволяет получить значительное перемещение зеркала, так как увеличение напряженности управляющего сигнала выше напряженности коэрцитивного поля сегнетоэлектрика приводит к деполяризации той пластины, в которой полярность сигнала и направление поляризации противоположны. Деполяризация пластин приводит к деградации электромеханических характеристик и снижает временную стабильность устройства. However, the device does not allow significant mirror movement, since an increase in the control signal strength above the coercive field strength of the ferroelectric leads to depolarization of the plate in which the signal polarity and direction of polarization are opposite. The depolarization of the plates leads to the degradation of the electromechanical characteristics and reduces the temporary stability of the device.

Наиболее близким аналогом является деформируемое зеркало [2]. Устройство содержит основание, деформируемую пластину с отражающим покрытием, биморфную пьезоэлектрическую пластину и размещенные между пластинами пьезоэлектрические электромеханические преобразователи со сферическими поверхностями. Деформируемая пластина прижимается к электромеханическим преобразователям путем создания разрежения в камере, содержащей преобразователи. Устройство позволяет осуществлять фокусировку и коррекцию фазы оптического излучения. The closest analogue is a deformable mirror [2]. The device comprises a base, a deformable plate with a reflective coating, a bimorphic piezoelectric plate and piezoelectric electromechanical transducers placed between the plates with spherical surfaces. The deformable plate is pressed against the electromechanical transducers by creating a vacuum in the chamber containing the transducers. The device allows focusing and phase correction of optical radiation.

Однако известное устройство имеет недостаточно высокое быстродействие из-за отсутствия жесткого соединения электромеханических преобразователей с биморфной и отражающей пластинами. Кроме того, наличие вакуумного насоса, создающего разрежение в камере устройства, существенно снижает надежность работы устройства и значительно увеличивает энергопотребление. Указанные недостатки не позволяют применить известное устройство в адаптивных оптических системах подвижных объектов. However, the known device has insufficiently high performance due to the lack of a rigid connection of electromechanical converters with bimorph and reflective plates. In addition, the presence of a vacuum pump that creates a vacuum in the chamber of the device, significantly reduces the reliability of the device and significantly increases energy consumption. These disadvantages do not allow the use of the known device in adaptive optical systems of moving objects.

Заявляемое в качестве изобретения адаптивное зеркало позволяет значительно повысить быстродействие оптической системы и применить ее для коррекции эффектов атмосферной турбулентности в реальном масштабе времени. Кроме того, заявляемое устройство позволяет существенно повысить надежность и временную стабильность оптической системы. The inventive adaptive mirror can significantly improve the speed of the optical system and apply it to correct the effects of atmospheric turbulence in real time. In addition, the inventive device can significantly improve the reliability and temporary stability of the optical system.

Указанный технический эффект достигается тем, что в адаптивном зеркале, включающем основание, деформируемую пластину, на первую поверхность которой нанесено отражающее покрытие, и набор электромеханических преобразователей из сегнетоэлектрической керамики, снабженных управляющими электродами, пластина изготовлена из сегнетоэлектрической керамики с размытым фазовым переходом, электромеханические преобразователи выполнены в теле пластины, управляющие электроды нанесены на вторую поверхность пластины и представляют собой фрактальные фигуры. The indicated technical effect is achieved in that in an adaptive mirror, including a base, a deformable plate, on the first surface of which a reflective coating is applied, and a set of electromechanical transducers from ferroelectric ceramics equipped with control electrodes, the plate is made of ferroelectric ceramics with a blurry phase transition, electromechanical converters are made in the body of the plate, the control electrodes are deposited on the second surface of the plate and represent a fractal nye figures.

Создание адаптивного зеркала стало возможным благодаря совокупности новой конструкции деформируемой пластины и управляющих электродов и нового материала для изготовления пластины. The creation of an adaptive mirror was made possible thanks to the combination of a new design of the deformable plate and control electrodes and new material for the manufacture of the plate.

Выбранный в качестве электроактивного материала сегнетоэлектрик с размытым фазовым переходом [3] обладает высокой электрострикционной деформацией, сравнимой с пьезодеформацией лучших пьезоэлектриков, и малым старением из-за отсутствия доменной структуры. Сочетание этих свойств позволяет создать высокочувствительный электромеханический преобразователь адаптивного зеркала с высокой временной стабильностью. A ferroelectric with a diffuse phase transition [3] selected as an electroactive material has a high electrostrictive deformation comparable with the piezoelectric deformation of the best piezoelectrics and low aging due to the absence of a domain structure. The combination of these properties allows you to create a highly sensitive electromechanical transducer adaptive mirrors with high temporal stability.

Выполнение электромеханических преобразователей в теле деформируемой пластины позволяет совместить в одной пластине функции отражающего элемента и элементов, модулирующих волновой фронт, избежать многочисленных механических соединений и тем самым существенно повысить быстродействие и надежность оптической системы. The implementation of electromechanical converters in the body of the deformable plate allows you to combine the functions of a reflecting element and elements modulating the wave front in one plate, to avoid numerous mechanical connections and thereby significantly increase the speed and reliability of the optical system.

Технический эффект изобретения достигается благодаря новому принципу электромеханического преобразования энергии в деформируемой пластине. Управляющие электроды электромеханических преобразователей нанесены на одну из поверхностей пластины, и в зазоре между ними возникает электрическое поле, которое, за счет электрострикционного эффекта в сегнетоэлектрике с размытым фазовым переходом, создает механические напряжения в приповерхностном слое, приводящие к изгибной деформации пластины. The technical effect of the invention is achieved thanks to the new principle of electromechanical energy conversion in a deformable plate. The control electrodes of the electromechanical converters are deposited on one of the surfaces of the plate, and an electric field appears in the gap between them, which, due to the electrostrictive effect in the ferroelectric with a diffuse phase transition, creates mechanical stresses in the surface layer, leading to bending deformation of the plate.

При этом существенным признаком является выполнение управляющих электродов в виде фрактальных фигур [4]. Например, выполнение границы электрода в виде самоподобной кривой Серпинского позволяет получить равномерную деформацию электроактивного материала в пределах электрода, так как эта кривая при многократном повторении процедуры ее построения охватывает практически всю поверхность электромеханического преобразователя (а в пределе проходит через все точки поверхности). In this case, an essential feature is the implementation of the control electrodes in the form of fractal figures [4]. For example, the implementation of the electrode boundary in the form of a self-similar Sierpinski curve makes it possible to obtain uniform deformation of the electroactive material within the electrode, since this curve, when it is repeated many times, covers almost the entire surface of the electromechanical transducer (and in the limit passes through all points on the surface).

Таким образом, создание адаптивного зеркала стало возможным благодаря совмещению в одном монолитном элементе - деформируемой пластине - нескольких функциональных элементов и принципиально новой конструкции электромеханического преобразователя, в частности геометрической форме электродов, воплощающей в себе техническую сущность решения задачи. Thus, the creation of an adaptive mirror became possible due to the combination of several functional elements and a fundamentally new design of the electromechanical transducer, in particular the geometric shape of the electrodes, embodying the technical essence of solving the problem in one monolithic element - a deformable plate.

Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и чертежами: фиг.1, 2, 3. На фиг.1а изображен общий вид адаптивного зеркала в режиме фокусировки оптического луча, на фиг.1б - общий вид в режиме фазовой модуляции волнового фронта. На фиг.2 представлен фрагмент адаптивного зеркала с одним электромеханическим преобразователем и схема электрических соединений. На фиг.3 показаны стадии построения фрактальной кривой Серпинского при изготовлении фотошаблона электрода электромеханического преобразователя. The invention is illustrated by the following description and drawings: FIGS. 1, 2, 3. FIG. 1 a shows a general view of an adaptive mirror in an optical beam focusing mode, and FIG. 1 b is a general view in a phase modulation mode of a wave front. Figure 2 presents a fragment of an adaptive mirror with one electromechanical converter and an electrical connection diagram. Figure 3 shows the stages of constructing the Sierpinski fractal curve in the manufacture of the photomask of the electrode of the electromechanical transducer.

Устройство содержит основание 1 и жестко закрепленную на нем пластину 2 из сегнетоэлектрической керамики с размытым фазовым переходом. На внешнюю поверхность пластины 2 нанесено отражающее покрытие 3. На другую поверхность пластины 2 нанесены адресные электроды 4 и общий электрод 5, отделенный от адресных электродов 4 зазором 6 (фиг.2). Границы электродов 4 и 5 представляют собой фрактальные кривые. На фиг. 3 показано построение фрактальной кривой путем последовательного соединения фигур, подобных исходному многоугольнику 7. Область пластины 2, перекрываемая адресным электродом 4, образует электромеханический преобразователь 8. Адресные электроды 4 электромеханических преобразователей 8 и общий электрод 5 подключены к выходным усилителям 9 системы управления. The device comprises a base 1 and a plate 2 made of ferroelectric ceramic with a blurred phase transition that is rigidly fixed on it. On the outer surface of the plate 2, a reflective coating 3 is applied. On the other surface of the plate 2, address electrodes 4 and a common electrode 5 are applied, separated from the address electrodes 4 by a gap 6 (FIG. 2). The boundaries of the electrodes 4 and 5 are fractal curves. In FIG. Figure 3 shows the construction of a fractal curve by connecting in series shapes similar to the original polygon 7. The area of the plate 2, overlapped by the address electrode 4, forms an electromechanical converter 8. The address electrodes 4 of the electromechanical converters 8 and the common electrode 5 are connected to the output amplifiers 9 of the control system.

Пластина 2 выполнена из сегнетоэлектрической керамики магнониобата-титаната свинца, изготовленной методом горячего прессования [5]. На полированную поверхность пластины 2 нанесено отражающее покрытие 3 методом напыления в вакууме [6] . Адресные электроды 4 и общий электрод 5 нанесены на другую поверхность пластины 2 методом фотолитографии [7]. Plate 2 is made of ferroelectric ceramic magnoniobate-titanate lead, made by hot pressing [5]. A reflective coating 3 is deposited on the polished surface of the plate 2 by spraying in vacuum [6]. The address electrodes 4 and the common electrode 5 are deposited on another surface of the plate 2 by photolithography [7].

Устройство работает следующим образом. Управляющий сигнал с выходного усилителя 9 поступает на адресный электрод 4 электромеханического преобразователя 8. При этом в зазоре 6 и в приповерхностном слое пластины 2 возникает электрическое поле. Так как сегнетоэлектрическая керамика с размытым фазовым переходом обладает весьма высокой диэлектрической проницаемостью, электрическое поле преимущественно сосредоточено внутри пластины 2. Вследствие электрострикционного эффекта в приповерхностном слое пластины 2 возникают механические напряжения, приводящие к деформации пластины 2. The device operates as follows. The control signal from the output amplifier 9 is fed to the address electrode 4 of the electromechanical converter 8. In this case, an electric field arises in the gap 6 and in the surface layer of the plate 2. Since ferroelectric ceramics with a diffuse phase transition has a very high dielectric constant, the electric field is mainly concentrated inside the plate 2. Due to the electrostriction effect, mechanical stresses arise in the surface layer of the plate 2, leading to deformation of the plate 2.

При одновременном подключении всех электромеханических преобразователей происходит деформация пластины 2 с радиусом кривизны R, показанная на фиг. 1а. Этой деформации соответствует режим фокусировки оптического луча. При подключении одного электромеханического преобразователя 8 (или группы соседних преобразователей) происходит локальная деформация пластины 2, позволяющая производить коррекцию фазы волнового фронта оптического излучения (фиг. 1б). When all electromechanical transducers are connected at the same time, the plate 2 deforms with the radius of curvature R shown in FIG. 1a. This deformation corresponds to the focusing mode of the optical beam. When connecting one electromechanical transducer 8 (or a group of adjacent transducers), a local deformation of the plate 2 occurs, which makes it possible to correct the phase of the wavefront of optical radiation (Fig. 1b).

Совмещение в одной монолитной пластине из электрострикционной керамики различных функций многоэлементного адаптивного зеркала при отсутствии многочисленных механических соединений позволяет существенно повысить быстродействие, временную стабильность и надежность устройства. Преимущества предлагаемого адаптивного зеркала позволят применить его в информационных оптических системах различного назначения, размещенных на подвижных объектах, в том числе на летательных аппаратах. The combination in one monolithic plate of electrostrictive ceramics of the various functions of a multi-element adaptive mirror in the absence of numerous mechanical connections can significantly increase the speed, temporary stability and reliability of the device. The advantages of the proposed adaptive mirror will allow it to be used in information optical systems for various purposes, located on moving objects, including aircraft.

Источники информации
1. Патент США 4280756, М.Кл. G 02 F 1/29, 1981.Sources of information
1. US patent 4280756, M. Cl. G 02 F 1/29, 1981.

2. Патент США 4239343, М.Кл. G 02 В 5/10, 1980. 2. US patent 4239343, M. Cl. G 02 B 5/10, 1980.

3. Веневцев Ю.Н. и др. Сегнето- и антисегнетоэлектрики семейства титаната бария. М., Химия, 1985, стр.165. 3. Venevtsev Yu.N. and others. Ferroelectric and antiferroelectrics of the barium titanate family. M., Chemistry, 1985, p. 165.

4. Соколов И.М. Фракталы. -Квант, 1989, 5, стр.6-13. 4. Sokolov I.M. Fractals. Quantum, 1989, 5, pp. 6-13.

5. Панич А.Е., Куприянов М.Ф. Физика и технология сегнетокерамики.- Ростов-на-Дону: Изд-во Рост. Ун-та, 1989. 5. Panich A.E., Kupriyanov M.F. Physics and technology of ferroceramics. - Rostov-on-Don: Publishing house Rost. University, 1989.

6. Технологические лазеры: Справочник: Т.2/Под общ. ред. Г.А.Абильсиитова - М.: Машиностроение. 1991, стр.329-331. 6. Technological lasers: Reference: T.2 / Under total. ed. G.A.Abilsiitova - M.: Mechanical Engineering. 1991, pp. 329-331.

7. Справочник технолога-приборостроителя. Т.2/Под ред. Е.А.Скороходова - М.: Машиностроение. 1980, стр.350-355. 7. Reference technologist instrument. T.2 / Ed. E.A. Skorokhodova - M.: Mechanical Engineering. 1980, pp. 350-355.

Claims (1)

Адаптивное зеркало, включающее основание, деформируемую пластину, на первую поверхность которой нанесено отражающее покрытие, и набор электромеханических преобразователей из сегнетоэлектрической керамики, снабженных управляющими электродами, отличающееся тем, что пластина изготовлена из сегнетоэлектрической керамики с размытым фазовым переходом, электромеханические преобразователи выполнены в теле пластины, управляющие электроды нанесены на вторую поверхность пластины и представляют собой фрактальные фигуры. An adaptive mirror, including a base, a deformable plate, on the first surface of which a reflective coating is applied, and a set of electromechanical transducers made of ferroelectric ceramics equipped with control electrodes, characterized in that the plate is made of ferroelectric ceramics with a diffuse phase transition, electromechanical transducers are made in the body of the plate, control electrodes are deposited on the second surface of the plate and are fractal shapes.

Images