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相位調(diào)制變形鏡DPP的技術(shù)介紹（The Deformable Phase Plate Technology）

德國(guó)Phaseform基于創(chuàng)新的硬件和軟件組件開(kāi)發(fā)了折射式自適應(yīng)光學(xué)元件系統(tǒng)（AO）。我們研究AO的核心是一種新型的光流體微系統(tǒng)技術(shù)（optofluidic microsystem technology），我們稱(chēng)之為相位調(diào)制變形板DPP，英文名為Deformable Phase Plate，也可叫小型變形鏡（透射式）。其的結(jié)合了傳統(tǒng)變形鏡（DM）和透射式液晶空間光調(diào)制器（LC-SLM）的優(yōu)點(diǎn)，形成了一種新型的超小微型化、高效、透射的透射變形鏡。在本文中，我們將介紹DPP小型變形鏡技術(shù)的主要原理。

透射變形鏡DPP：一種新型波前調(diào)制器(DPP: A new type of wavefront modulator)

波前調(diào)制器（Wavefront modulator，WM）是一種主動(dòng)器件，可用于局部的改變光傳播的光程長(zhǎng)度（OPL：幾何長(zhǎng)度和折射率的乘積）。目前有兩種主流的WM類(lèi)型：液晶空間光調(diào)制器（LC-SLM）和變形鏡（DM）。

液晶空間光調(diào)制器（LC-SLM）利用密集的LC單元來(lái)局部改變OPL。因此，它們具有很高的空間分辨率，可以再現(xiàn)離散相位跳變，但容易產(chǎn)生衍射損耗。此外，相位調(diào)制與偏振調(diào)制耦合，而避免這種情況只能通過(guò)過(guò)濾掉偏振分量來(lái)避免，這會(huì)導(dǎo)致光效率明顯的損失。

可變形反射鏡（DM）提供高速、大振幅、波長(zhǎng)和偏振無(wú)關(guān)的波前相位差調(diào)制，從根本上解決了LCSLM的主要缺點(diǎn)。然而，對(duì)于許多應(yīng)用程序來(lái)說(shuō)，它們的反射特性帶來(lái)了系統(tǒng)規(guī)模、復(fù)雜性和成本方面的缺點(diǎn)

相位調(diào)制變形鏡（DPP）是一種新型的透射、超小微型化的波形相位調(diào)制器，也是光流體小型變形鏡。 它可以執(zhí)行動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)的波前像差校正，就像普通鏡頭一樣，這種小型變形鏡可以直接放入光路中。

DPP相位調(diào)制變形鏡的關(guān)鍵技術(shù)特點(diǎn)如下：

 - 透射式：小型變形鏡DPP技術(shù)采用折射的原理。它與偏振無(wú)關(guān)，且鏡片是透明的，使新型的連續(xù)表面波前調(diào)制器可以插入任何光束路徑，而無(wú)需其他光束折疊光學(xué)元件。

 - 微型超緊湊：其非常小的尺寸允許非常緊湊的自適應(yīng)變形系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

 - 高分辨率：透射變形鏡DPP在可見(jiàn)光范圍內(nèi)的多個(gè)波長(zhǎng)提供高空間頻率校正（包括球面像差）。

 - 可擴(kuò)展：晶圓級(jí)制造、光流體封裝和高精度組裝使其成為一種強(qiáng)大且可擴(kuò)展的技術(shù)。

Phaseform透射式變形鏡DPP的科學(xué)起源

透射變形鏡DPP的誕生地是的光流體實(shí)驗(yàn)室之一，德國(guó)弗萊堡大學(xué)微系統(tǒng)工程系IMTEK（DPP技術(shù)由IMTEK開(kāi)發(fā)，IMTEK是微系統(tǒng)技術(shù)的) 的 Gisela 和 Erwin Sick 微光學(xué)實(shí)驗(yàn)室。在過(guò)去的 20 年里，那里的研究人員開(kāi)發(fā)了多種有源微光學(xué)組件：流體透鏡、虹膜、光圈、掃描儀、像差可調(diào)透鏡、微型相機(jī)物鏡和變焦系統(tǒng)。 所有這些經(jīng)驗(yàn)都作為“DNA”體現(xiàn)在Phaseform的DPP技術(shù)中。

相位調(diào)制變形鏡DPP的制造工藝

透射變形鏡DPP也叫光流體小型變形鏡，由一個(gè)密封的充滿(mǎn)液體的體積組成，一側(cè)是一個(gè)柔性聚合物膜，另一側(cè)有是剛性透明玻璃基板。玻璃基板上的可單獨(dú)尋址的透明電極陣列覆蓋透明瞳孔區(qū)域。柔性膜由一個(gè)微加工墊片支撐。

薄膜和基底之間的體積充滿(mǎn)高折射率的液體。當(dāng)向電極施加電壓信號(hào)時(shí)，導(dǎo)電膜被拉向基板。這種驅(qū)動(dòng)會(huì)置換液體，并通過(guò)折射波前調(diào)制器，從而改變有效光程長(zhǎng)度[2]。

透射變形鏡DPP的總厚度只有0.85mm。這種超薄的設(shè)計(jì)帶來(lái)了兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：幾乎沒(méi)有色散（例如，波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的行為），以及能夠在很近的距離內(nèi)堆疊多個(gè)設(shè)備[3]。這種可能性對(duì)于新興的AO技術(shù)尤其有趣，例如多共軛自適應(yīng)光學(xué)[4]。

相位調(diào)制變形鏡DPP的驅(qū)動(dòng)和控制

驅(qū)動(dòng)透射變形鏡DPP的執(zhí)行器需要一個(gè)多通道的高壓放大器，電壓范圍一般為為250-400 V（具體取決于具體的設(shè)備設(shè)計(jì)）。由于靜電驅(qū)動(dòng)器的低功耗，標(biāo)準(zhǔn)MEMS驅(qū)動(dòng)器陣列就足夠了。而定制開(kāi)發(fā)的控制算法使用的是MEMS技術(shù)中，的約束優(yōu)化（Constrained Optimization methods）方法，實(shí)時(shí)計(jì)算任何給定目標(biāo)表面形狀的必要電壓 [5]。靜電驅(qū)動(dòng)的MEMS變形鏡在當(dāng)今的商業(yè)微系統(tǒng)中非常普遍。由于其低功耗、幾乎不存在滯后、微米級(jí)的尺寸便于儀器小型化，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，從而廣受歡迎。DPP繼承了這些所有的品質(zhì)。

       雖然靜電致動(dòng)器只產(chǎn)生吸引力，膜與密封不可壓縮液體之間的液體機(jī)械結(jié)構(gòu)可用于雙向（推拉）操作[6]。為了充分利用這一特性，DPP 有許多徑向電極環(huán)繞的光學(xué)孔徑，可以在孔徑內(nèi)產(chǎn)生大的向上位移，以實(shí)現(xiàn)幾乎對(duì)稱(chēng)的雙向驅(qū)動(dòng)。因此，與其他靜電膜式設(shè)備形成鮮明對(duì)比的是，DPP 可以圍繞其靜態(tài)“偏置”，并且不會(huì)以偏移方式運(yùn)行。

圖 4：由于光學(xué)液體的不可壓縮性，DPP 能夠在清晰的瞳孔內(nèi)實(shí)現(xiàn)雙向推拉驅(qū)動(dòng)。

高空間頻率波前校正（High spatial frequency wavefront correction）

由于其大部分電極位于透明瞳孔內(nèi)，Phaseform透射式變形鏡在透射、緊湊和高效的設(shè)備中提供了連續(xù)表面變形鏡的多功能性。例如，一個(gè)63-actuator的DPP能夠校正高達(dá)7階徑向階Zernike模式，其階的校正幅度仍然大于可見(jiàn)光范圍內(nèi)的兩個(gè)波長(zhǎng)。一階和二階球面像差模式的大振幅對(duì)于顯微鏡應(yīng)用尤為重要。

，光流空設(shè)備對(duì)重力效應(yīng)敏感，這會(huì)降低其性能。這是由于當(dāng)光軸不平行于重力時(shí)在液體室中引起的壓力梯度發(fā)生的。 DPP 的機(jī)械設(shè)計(jì)確保偽重力引起的像差足夠小，這樣它們就可以由設(shè)備自身輕松校正，而不會(huì)顯著影響實(shí)際波前校正的可用范圍。圖5的左樹(shù)和右樹(shù)分別顯示了同一DPP在水平方向和垂直方向上的Zernike復(fù)制性能。由于寄生像差于彗差，其幅度僅為波長(zhǎng)的一小部分，因此器件的校正性能實(shí)際上不受器件方向的影響。

圖 5：DPP可以在開(kāi)環(huán)中復(fù)制Zernike模式，在水平和垂直方向上都可以復(fù)制到第7個(gè)徑向階。，光流體設(shè)備對(duì)重力效應(yīng)非常敏感。 DPP 通過(guò)結(jié)合機(jī)械剛性和大校正范圍克服了這一點(diǎn)。即使在行，校正幅度也大于可見(jiàn)光范圍內(nèi)的兩個(gè)波長(zhǎng)。 由于覆蓋光學(xué)孔徑的透明致動(dòng)器的 2D 陣列，才可能實(shí)現(xiàn)這種級(jí)別的鉸接。注意一階和二階球面模式的保真度和幅度，這在許多成像場(chǎng)景中是的。

級(jí)聯(lián)多個(gè) 透射變形鏡DPP（Cascading multiple DPPs）

沿光軸的極低厚度和高傳輸效率使得可以將多個(gè)小型變形鏡DPP一個(gè)接一個(gè)的級(jí)聯(lián)，以提高校正能力，包括范圍和保真度。通過(guò)設(shè)計(jì)多個(gè)級(jí)聯(lián) DPP可以開(kāi)發(fā)具有定制性能和特征的復(fù)合調(diào)制器單元，以滿(mǎn)足應(yīng)用的不同特定需求。

圖 6 描述了一個(gè)這樣的單元的性能。 在這種配置中，與具有單獨(dú)低音和高音單元的高保真揚(yáng)聲器類(lèi)似，其中一個(gè)DPP（帶有 25 個(gè)電極）針對(duì)低空間頻率畸變進(jìn)行優(yōu)化，而第二個(gè)DPP（帶有 37 個(gè)電極）用于高頻校正[ 3]。 針對(duì)大范圍的波前相差，基于優(yōu)化的控制方案使兩個(gè)相位調(diào)制器能夠同時(shí)工作。與典型的單調(diào)制器配置相比，這種安排顯著提高了低階和高階模式的可用沖程和波前校正的保真度。

科學(xué)文獻(xiàn)中包含需要多個(gè) WM 的波前校正方案，特別是當(dāng)目標(biāo)像差來(lái)自不同深度的樣品時(shí)。然而，由于使用多個(gè) DM 的復(fù)雜性，這些方法的實(shí)際實(shí)現(xiàn)非常少，每個(gè) DM 位于不同的共軛平面，通過(guò)額外的光學(xué)器件中繼。光流體小型變形鏡DPP 技術(shù)將有助于將這些新技術(shù)推向?qū)嶋H應(yīng)用。

圖 6：分別使用具有 25 和 37 個(gè)電極的兩個(gè)級(jí)聯(lián) DPP 復(fù)制高達(dá) 6 階 Zernike 模式的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 (a) 分別使用 DPP1 和 DPP2（分別由綠色方塊和藍(lán)色三角形表示）以及級(jí)聯(lián)配置和建議的控制方法（紅色圓圈）比較可實(shí)現(xiàn)模式幅度及其相應(yīng)的純度。 (b) 使用級(jí)聯(lián) DPP 復(fù)制 Zernike 模式的概述。 左上圖顯示了彼此重疊的兩個(gè) DPP 的電極圖案 [3]。

光流體小型變形鏡DPP技術(shù)小結(jié)

隨著光學(xué)系統(tǒng)越來(lái)越強(qiáng)大和復(fù)雜，光學(xué)像差對(duì)其性能的影響越來(lái)越重要。DPP技術(shù)為靜態(tài)光學(xué)系統(tǒng)提供了動(dòng)態(tài)整形能力，并提供了在不同場(chǎng)景下確保系統(tǒng)性能的手段。我們?cè)O(shè)想，這些由DPP技術(shù)實(shí)現(xiàn)的新型波前調(diào)制器和自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)將成為未來(lái)光學(xué)的重要組成部分?；?span>DPP技術(shù)的波前調(diào)制器在未來(lái)將會(huì)越來(lái)越“通用”。