МЕМБРАННОЕ ЗЕРКАЛО Советский патент 2016 года по МПК G02B5/08 

Изобретение относится к оптическому приборостроению, в частности к средствам адаптивной оптики, и предназначено для коррекции волнового фронта пучка излучения в условиях атмосферной турбулентности и других фазоискажающих воздействий - с целью приведения его к некоторой оптимальной форме, обеспечивающей максимум интенсивности на облучаемой цели.

Известен матричный мембранный модулятор света, зеркальная поверхность которого содержит множество микроскопических, отдельно управляемых элементов, и каждый из них может менять свою кривизну таким образом, что осуществляется пространственная фазовая модуляция излучения, отраженного его зеркальной поверхностью [IEEE Trans. Aerospase and Electron. Syst., v.6, № 4, p. 458÷467, 1970 г.]

Мембранный модулятор излучения представляет собой оптически плоскую подложку с напыленными на нее полосками электродов, которая покрывается тонким перфорированным слоем электроизоляционного материала. Сверху перфорированного слоя натянута тонкая полимерная металлизированная мембрана. При подаче сигналов управления на электроды элементы мембраны, которые находятся над перфорациями, электростатически отклоняются. В результате, отраженный от мембраны свет модулируется по фазе.

Использование в устройстве жесткой подложки не позволяет эффективно использовать это устройство для коррекции фазовых искажений, распределение которых по поверхности фазового корректора всегда имеет непрерывный, плавный характер, а управление его компенсацией в этом устройстве может осуществляться дискретными участками отражающей мембраны, что в конечном итоге приводит к появлению нескомпенсированных фазовых искажений в промежутках между перфорациями. Наличие многочисленных микроскопических перфораций в электроизоляционной подложке и необходимость реализации весьма малых зазоров с большой точностью требует использования специфических технологических методов и предъявляет весьма жесткие требования по разнотолщинности к используемым материалам, к точности обработки их поверхностей.

Кроме того, изгиб пленки над перфорациями возможен в этом устройстве лишь в сторону электрода, что снижает динамические возможности устройства, причем форма изогнутой поверхности над перфорацией однозначна - параболическая.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является адаптивное мембранное зеркало, управляемое электростатически, выбранное за прототип, разработанное фирмой "PerKin-Elmer" [см. сб. "Адаптивная оптика", под ред. Витриченко Э.А., стр.428-447, М., "Мир", 1980 г.] Оно представляет собой металлическую заземленную мембрану с отражающим слоем, помещенную между прозрачным электродом, к которому приложено напряжение U₀, и группой электродов, представляющих собой набор токопроводящих прокладок и к которым прикладывается напряжение U₀±ΔU, где ΔU - напряжение сигнала коррекции. Благодаря значительному числу электродов (≈53) достигается определенная коррекция волнового фронта как следствие изгиба отражающей поверхности металлической мембраны под действием электрического поля, вызванного каждым отдельным электродом. Погрешность отработки формы поверхности зеркала приводами определяется функцией отклика мембраны, представляющей собой закон смещения точек ее поверхности от воздействия единичного привода, и количеством корректирующих приводов [см. R. Hudgin, J. Opt. Soc. Am. 67, 393-395 (1977), и Pearson J. Opt. Soc. Am. 67, 325-333 (1977)], а так как число их конечно, то погрешность отработки формы является присущей всем известным устройствам адаптивной коррекции с дискретными приводами. Кроме того, для сведения этой ошибки к минимуму и повышения точности системы, в состав которой входит мембранное зеркало, количество каналов управления и, следовательно, количество приводов должно быть большим (≈60), что в значительной степени усложняет блок управления устройством, а также датчик волнового фронта, с которого поступает сигнал на коррекцию.

Целью настоящего изобретения является повышение точности фазовой коррекции оптического излучения за счет минимизации ошибки отработки формы поверхности зеркала, а также уменьшение массы и сложности конструкции.

Поставленная цель достигается тем, что в мембранном зеркале с электростатическим управлением и содержащем вакуумированный корпус, металлическую, защемленную по контуру, заземленную мембрану с отражающим покрытием, в оправе, прозрачный и непрозрачный электроды, между которыми расположена мембрана, непрозрачный электрод выполнен в виде диэлектрической мишени, за которой расположены электронная пушка и фокусирующе-отклоняющая система.

Кроме того, в качестве диэлектрической мишени используется сегнетоэлектрик, например BaTiO₃.

Сущность изобретения заключается в использовании создаваемого на поверхности диэлектрической мишени непрерывного, мгновенного, управляемого распределения потенциалов электрического поля, создаваемого на его поверхности электронной пушкой и фокусирующе-отклоняющей системой.

Описанная совокупность признаков в известной литературе применительно к адаптивным системам не описана.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых:

на фиг.1 изображена принципиальная схема устройства;

на фиг.2 - конкретная реализация предлагаемого устройства;

Предлагаемое устройство (фиг.1) содержит защитное окно 1 с нанесенным на его поверхность прозрачным электродом 2 (например, покрытие 26Г), которые обладают необходимым пропусканием для рабочей длины волны, металлическую заземленную мембрану с отражающим покрытием 3, выполненную, например, из Ni или Mo пленки с толщиной 0,25÷5 мкм, одна сторона которой отполирована с точностью не хуже λ/20, где λ - длина волны рабочего излучения. Мембрана 3 натянута с некоторым усилием на оправу 4 (см. фиг.2) и зафиксирована на ней, например, при помощи эпоксидной смолы. Устройство содержит также диэлектрическую мишень 5, расположенную за мембраной, на расстоянии 10÷50 мкм и диаметр которой равен диаметру активной деформируемой области отражающей мембраны 3. Диэлектрическая мишень 5 выполнена из материала, обладающего возможностью удержания на своей поверхности электрического заряда, и отполирована с обеих сторон с точностью не хуже λ/20 при ее толщине 0,05÷2,5 мм. В качестве материала мишени 5 может быть использован сегнетоэлектрик BaTiO₃. В устройство введена электронная пушка 6 (аналогичная по исполнению электронным пушкам, используемым в электронно-лучевых трубках запоминающего типа), фокусирующе-отклоняющая система 7, которая выполнена, например, в виде электромагнитного фокусирующего элемента 8 (см. фиг.2), ускоряющего электрода 9 (к которому приложено напряжение 3÷15 кB) и секции сканирования электронным лучом 10. Все элементы фокусирующе-отклоняющей системы 7 и электронная пушка 6 выполнены аналогично элементам электронно-лучевых трубок и являются практически заимствованными. Подробное описание элементов фокусирующе-отклоняющих систем дано в книгах: Богданов Г.М. "Прикладные телевизионные установки" М., "Связь", 1979 г., Криксунов Л.З. "Справочник по основам инфракрасной техники" М., "Советское радио", 1978 г.

Мембрана 3 с оправой 4 закреплена в вакуумированном корпусе 11, который замыкает объем мембрана 3 - электронная пушка 6. Кроме того, в корпусе 11 выполнены клапаны 12 и 13.

Устройство работает следующим образом:

сигнал коррекции поступает на устройство (см. фиг.1) с датчика волнового фронта (на чертеже не показан) на катод электронной пушки 6 и фокусирующе-отклоняющую систему 7, устроенную аналогично фокусирующе-отклоняющей системе электронно-лучевой трубки, которые формируют на поверхности диэлектрической мишени 5, путем последовательной развертки, непрерывное распределение зарядов (потенциальный рельеф), вызванное непрерывно меняющимся от точки к точке электрическим полем, что приводит к соответственному изгибу металлической мембраны 3 под действием электростатических сил. В результате изгиба поверхности мембраны 3, в соответствии с управляющим воздействием, пучок излучения, отраженный от ее поверхности, приобретает вполне определенную пространственную фазовую модуляцию, и после прохождения им возмущающего слоя турбулентной атмосферы волновой фронт приобретает необходимую оптимальную форму в плоскости облучения цели.

Если к прозрачному электроду 2, расположенному на защитном окне 1, приложено U₀, а потенциальный рельеф, сформированный на поверхности диэлектрической мишени 5, имеет значение U₀±ΔU(r,φ), где ΔU(r,φ) - распределение потенциала вызванное сигналом коррекции в полярных координатах (r,φ) плоскости мишени 5, то металлическая мембрана 3 изогнется в точном соответствии со сформированным потенциальным рельефом.

Изгиб мембраны 3 в поперечном направлении описывается уравнением:

$$\frac{{\partial }^{2}z}{\partial t^2}=\frac{T}{\sigma }{\nabla }^{2}z+\frac{F(r,t)}{\sigma }\left(1\right)$$

z - вертикальное смещение соответствующих точек мембраны;

t - время;

T - сила натяжения мембраны на единицу длины;

σ - плотность мембраны, приведенная к толщине;

$${\nabla }^2$$ - оператор Лапласа;

F(r,t) - внешнее воздействие на мембрану на расстоянии от ее центра.

В точках, где потенциал равен U₀+ΔU(r,φ), мембрана 3 изогнется в сторону мишени 5, а в точках, где потенциал равен U₀-ΔU(r,φ), - в сторону защитного окна 1. Внутренний объем устройства внутри корпуса 11 герметизирован и для обеспечения работоспособности электронной пушки 6 из него откачан воздух. Устанавливая перепад давлений между полостями А и Б (см. фиг.2), разделенными мембраной 3, осуществляем ее демпфирование. Возможность использования в устройстве управляемого демпфирования воздуха расширяет его динамические возможности, позволяет управлять его частотной характеристикой.

Управление величиной перепада давлений между полостями А и Б (см. фиг.2) осуществляется при помощи клапанов 12 и 13.

Адаптивное мембранное зеркало в системе коррекции волнового фронта представляет собой один из трех необходимых для работы этой системы элементов, кроме него в которую входят: датчик волнового фронта и блок обработки информации. Использование предлагаемого устройства возможно в сопряжении с обычным многоканальным датчиком волнового фронта [см. J.W. Hardy ТИИЭР, 66, 31 (1978)], но наибольший интерес представляет использование для такой системы в качестве датчика волнового фронта высокочувствительного телевизионного приемника (на чертеже не показан), для которого фазовые искажения в пучке излучения преобразованы в соответствующее распределение интенсивностей (например, при помощи фазово-контрастного метода Цернике) и который выдает развертку зарегистрированных им фазовых искажений в виде совокупного видеосигнала коррекции непосредственно на предлагаемое устройство.

Отсутствие многоканальной обработки информации позволяет минимизировать ошибку отработки формы поверхности зеркала, что позволяет увеличить точность адаптивной системы, в состав которой входит предлагаемое устройство, по сравнению со всеми существующими адаптивными оптическими системами, в которых используется фазовая компенсация зеркалами с дискретными приводами. Кроме того, отсутствие многоканальной обработки информации существенно упрощает блок обработки информации, что снижает стоимость адаптивной оптической системы, в которой используется предлагаемое устройство. Отсутствие необходимости использовать многоэлементные управляющие электродные платы, используемые в системах с дискретными приводами для управления поверхностью, снижает вес и повышает технологичность устройства.

Устройство может быть использовано в оптических локационных системах, осуществляя коррекцию искажений волнового фронта пучка излучения, распространяющегося в турбулентной атмосфере, в прецизионных интерферометрах и высокоточных лазерных гироскопах, в системах оптической связи.

Кроме того, поскольку для предлагаемого устройства смещение точек мембраны удовлетворяет уравнению Лапласа (1), само зеркало может служить аналоговым устройством оптической ЭВМ.

Изобретение относится к средствам адаптивной оптики и может быть использовано для коррекции волнового фронта пучка излучения в условиях атмосферной турбулентности и других фазоискажающих воздействий. Сущность: мембранное зеркало содержит вакуумированный корпус, оправу, прозрачный (2) и непрозрачный (5) электроды. Между прозрачным (2) и непрозрачным (5) электродами расположена металлическая заземленная мембрана (3) с отражающим покрытием, закрепленная по контуру оправы. При этом непрозрачный электрод (5) выполнен в виде диэлектрической мишени. За диэлектрической мишенью (5) установлена электронная пушка (6) с фокусирующе-отклоняющей системой (7). Технический результат: повышение точности фазовой коррекции оптического излучения за счет минимизации ошибки отработки формы поверхности зеркала, а также снижение массы и упрощение конструкции. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Мембранное зеркало с электростатическим управлением, содержащее вакуумированный корпус, оправку, прозрачный и непрозрачный электроды, между которыми расположена металлическая заземленная мембрана с отражающим покрытием, закрепленная по контуру оправы, установленной в корпусе, отличающееся тем, что, с целью повышения точности фазовой коррекции оптического излучения за счет минимизации ошибки отработки формы поверхности зеркала, снижения массы и упрощения конструкции, непрозрачный электрод выполнен в виде диэлектрической мишени, за которой установлена электронная пушка с фокусирующе-отклоняющей системой.

2. Мембранное зеркало по п.1, отличающееся тем, что диэлектрическая мишень выполнена в виде сегнетоэлектрической пластины.