摘要：将MEMS技术用于自适应光学系统具有重大意义。本文从原理及制作工艺上论述了几种新型的可变形反射镜，为下一步的深入研究打下基础。

关键词：硅微加工；自适应光学；可变形反射镜

中图分类号：TN256 文献标识码： A 文章编号：1003-353X(2004)05-0064-04

自适应光学是新近发展起来的一种集光学、机械与电学为一身的技术，一方面由于没有一种技术能同时对其中的部件如可变形反射镜、控制系统及波前探测器等进行制造，这就决定了其系统既复杂又昂贵，极大地限制了其应用范围；另一方面自适应光学系统又具有传统光学系统无法比拟的优越性能，尤其在一些特殊应用场合如航空航天领域、军事领域等。由此可见，发展自适应光学系统是必要的。因而，在保证性能的前提下尽可能降低系统的复杂程度和成本是当前研究的主要方向。

本文主要讨论DMs就是自适应光学系统中一个重要的组成部分，其主要是用来补偿由光路中各种因素引起的成像质量降低的问题^[1]。给出了一种传统的机械式可变形反射镜的典型结构^[2]。

它主要利用材料的逆压电特性，通过施加电压，引起材料膨胀或收缩，从而带动镜面变形。其缺点在于：①系统体积庞大；②驱动电压大，且变形量小；③单个驱动单元造价昂贵。同时由于压电材料的性质决定了整个系统的响应速度较慢，因而它不适用于有特殊要求的实时控制系统。为了克服上述缺点，进一步拓宽自适应光学系统的应用领域，人们一直在不断探索，随着微加工技术的出现，这一问题正在逐步得到解决。以下介绍三种基于硅微加工工艺设计的新型DMs。

2 设计及制造

2.1 薄膜DMs
薄膜DMs整体结构如。

其具体加工工艺为：首先在准备好的硅片两侧，用LPCVD方法淀积一层数微米厚的氮化硅，如(a)，其作用为构成反射镜镜面主体和作为硅片背腐蚀的掩模；其次用典型的光刻、腐蚀方法对硅片进行背腐蚀，加工出设计的镜面形状，如(b)；然后在另一衬底上（通常是硅片或玻璃）通过沉积、光刻和腐蚀方法加工出所需的电极及引线，如(c)；接着通过键合工艺，将上述二者合二为一，如(d)；经过封装等一系列后续工艺，即可制造出终成品。
由可知，其镜面主体是由一层厚度为几微米的Si₃N₄膜构成的。为了提高镜面的反射率，通常都在其上表面鍍上几百纳米厚的金、铝等高反材料。整个系统是通过施加在底部电极上的电压产生的静电力驱动镜面向下运动，从而改变反射面面型，达到特定的目的。常见的是用作聚焦校正器，通过改变施加在电极上电压的大小，就可控制镜面的曲率半径，相应获得不同的焦点位置。

此种反射镜的特点是结构简单，加工工艺易于实现，响应频率高。但是有一点不能忽视，由于镜面主体是由一薄层Si₃N₄构成的，而LPCVD沉积的Si₃N₄膜内往往有很大的内应力，因而不可能做出具有大表面积的反射镜，同时其镜面的平整度也有待进一步改进。有报道指出^[3]，已成功研制出具有此种结构的直径为15mm，焦距变化为5m～∞的可变形反射镜。

2.2 平面盘式DMs
此结构是从上一结构发展而来的^[4，5] ，如所示。这种结构的特点在于其镜面是由硅片的一个表面所构成的，它充分利用了整个硅片机械性能稳定的特点，通过化学机械抛光（CMP）处理，获得具有理想平整度的镜面质量，极大改善了其光学特性。

之所以将镜面背面设计成台柱结构，是为了缩短镜面与驱动电极的间距。由相应的物理知识可知，两平行极板间的静电力F∝AV²/d²，其中A为极板面积；V为极板之间的电势差；d为极板间距。由此可见，在获得一定静电力F 的情况下，如果间距小，则相应所需的驱动电压也就小。从此角度考虑，这种台柱结构是有利的，但是随着台柱的加入，整个反射镜活动部分的质量也将大大增加，这样一来将降低系统的谐振频率，因为f∝1/m。因此台柱结构的设计必须综合考虑这两方面因素的影响。

2.3 活塞式分离DMs
上述两种结构的共性是它们都采用体加工方法制造，且镜面都是连续的，这种连续面型的缺点是，当给某个电极施加电压时，它不仅驱动其上方对应的镜面运动，还会带动镜面的其他部分产生变形，这就是常说的电极间的“串话”问题。当可变形反射镜用于波前校正时，必须控制其镜面形状，就上述两种结构而言，由于要考虑电极之间的影响函数，从而导致其控制算法相当复杂。为了简化算法，相应提出了分离DMs的思想^[6]。是其中的一种结构，它采用表面微加工技术制造，其镜面下方对应一个驱动电极（图中未显示出）。

虽然有以上优点，但从图中也可看到，梁与反射镜之间以及反射镜与反射镜之间存在着间隙，这势必会降低整个反射表面的光学填充系数，同时这些间隙还会对入射光产生衍射效应，这些都会对经DMs反射后的光束质量带来负面影响。解决这种问题的办法是采用多层结构（），即在原有基础上增加两道牺牲层和结构层淀积工艺。虽然各个反射镜之间的间隙无法消除（这是所有分离式DMs的固有性质），但梁与反射镜的间隙却得以消除，这将大大提高反射镜的光学性能。

使用硅微加工技术设计制造用于自适应光学系统的可变形反射镜是一种全新的思想，它以其传统变形镜所无法比拟的优势而受到越来越多人的关注。国外如美国的Stanford大学、Boston大学以及Texas Instrument公司等众多科研机构已较早对此进行了系统研究，其中有些成果已成功地投入商业使用。而国内在这方面起步较晚，且鲜有成果报道。这主要是受限于现有的工艺水平，因而今后一段时间的研究重点应放在工艺突破上。