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案例研究2:
利用可變形反射鏡提供精準的波前修正

Iris AO, Inc. 及愛特蒙特光學的全新調適性光學裝置模組,輕鬆實現波前修正

UVP

可變形反射鏡是調適性光學裝置應用的必備品。調適性光學裝置是指一組軟硬體技術,用於最佳化波前穿透高度像差介質。例如,天文學家使用調適性光學裝置取得夜空的最佳影像,即使大氣造成遠方星體光線畸變也沒問題。儘管眼睛內部的玻璃體會造成畸變,眼科醫師也能利用調適性光學裝置,搜集眼部視網膜的銳利圖像 (請參閱第 4 頁的延伸光學裝置功能)。適合以上及其他應用的調適性光學裝置系統,需要使用可變形反射鏡。

可變形反射鏡 (DM) 是由多個促動器組成,連接至反射表面,會改變形狀以回應電流訊號。改變形狀是為了精準補償穿透介質造成的像差。20 多年前的 DM 及其電子裝置體積龐大、價格高昂,只有少數預算不受限制的高階應用能夠使用。目前微製程技術的進展成果,讓更多使用者能夠使用調適性光學裝置技術。

位於美國加州柏克萊市的 Iris AO, Inc.是在可變形反射鏡的技術進展方面取得領先地位的其中一家公司。他們以獨特的微機電系統 (MEMS) 製造法,生產具有卓越特性的 DM (請參閱第 5 頁的頂級反射鏡)。例如,該公司的可變形反射鏡,具有廣大的動態範圍、高雷射損傷閾值,以及無可比擬的穩定性。如此出色的穩定性,在管理 DM 形狀的控制演算法方面排除許多限制,讓使用者享有前所未見的彈性,量身打造創新的補償例行程序。  

Iris AO 111 Actuator Deformable Mirror (EO stock #33-267) with a Vortex aberration of charge 9, applied using the included Graphical User Interface (GUI)
圖1: Iris AO 111 促動器可變形反射鏡 (EO 庫存編號 #33-267) 具備電荷 9 的渦旋像差,應用時使用隨附的圖形使用者介面 (GUI)

開啟成效卓越的協同合作

Iris AO 瞭解自己需要讓各界知道其 DM 的獨特效益。單獨展示可變形反射鏡或許令人印象深刻,展現公司的專業製造技術,但並沒有機會展現其功能。Iris AO 為了展示可變形反射鏡功能,打造完整的調適性光學裝置模組,以便進行光束成像、主動修正可變形反射鏡,並展現光束品質的強化成果。模組需要可變形反射鏡及相機,以及相關的反射鏡與調整配件。

愛特蒙特光學工程師發現 Iris AO 的展示活動,並注意到 Iris AO 在建立及維持光束品質上所面臨的挑戰。EO 工程師過去曾經協助客戶處理類似問題,因此立即討論以尋求改進方法。EO 團隊建議 Iris AO 採用更優異的相機介面、穩定的光學調整配件,而使用的光學裝置也要具備精準度更高的鍍膜及表面品質。隔年 Iris AO 就展示簡化且更加可靠的相機介面:其中採用 CMOS 單色 USB 相機,以及各種邊緣塗黑的消色差透鏡,以提升光學效能,同時減少雜散光及強化系統訊噪比效能,並以更出色的鋁反射鏡加強系統反射和整體穿透效果,而穩定及重複的 EO 動態調整座則協助系統對準,減少不必要的震動。以上所有強化成果,都使用 EO 廣泛產品線之中的標準項目。  

從展示裝置到技術測試台

Iris AO 工程師瞭解自己建立的獨立模組,除了做為展示工具,也能做為整合裝置,讓使用者將調適性光學裝置功能導入本身應用之中。模組也能讓使用者更輕鬆地將調適性光學裝置功能導入本身系統之中。不過 Iris AO 客戶具有多種不同需求,包含從紫外線到紅外線等橫跨光譜的各種應用。為了提供以上客戶最好的服務,需要多種獨特版本的模組,而其中採用元件的個別表面品質及鍍膜規格,都能支援整體系統的效能需求。Iris AO 尋求過去曾協助他們打造可靠展示模組的元件供應商的幫助,亦即:愛特蒙特光學。

愛特蒙特光學定位獨樹一幟,有能力支援調適性光學裝置模組的開發專案。EO 擁有全球最多的現貨光學裝置庫存,提供快速的光學裝置修改服務,以及一系列完整的內部光學元件製造能力。Iris AO 與 EO 攜手合作,利用雙方內部的設計專業技術,以及廣泛的庫存和客製光學裝置,大幅強化系統效能。由於 EO 製造許多元件,因此完整記錄及控制各種零件規格與製程,讓 Iris AO 等客戶深具信心,確信自己能夠在涵蓋設計、原型乃至於量產階段的整個產品生命週期間,獲得高品質元件協助。EO 一系列廣泛的庫存光機組件和高品質相機,也代表 Iris AO 在打造最佳系統設計時,不必為產品規格做出妥協。

以 Iris AO 的可變形反射鏡為例,其堅固程度足以在濕度 40% 以下的控管環境中運作,無需額外保護措施。Iris AO 為了保險起見,決定將 DM 包裝在覆蓋窗鏡之中,避免鏡面的意外接觸或微粒污染。不過問題是窗鏡可能會減弱光學穿透、反射「鬼影」,或是在光學系統之中造成無法偵測的波前誤差。Iris AO 也不希望使用的窗鏡不支援其 DM 的高雷射損傷閾值。他們利用愛特蒙特光學內部建立原型的能力,以修改標準光學裝置的方式打造專屬窗鏡。Iris AO 與愛特蒙特光學攜手打造的客製窗鏡直徑為 20mm,厚 3mm,表面平整度為 λ/20,並採用最佳的 VIS-NIR 抗反射鍍膜。

相機也經過精心挑選,以符合系統需求。快速介面及簡易的相機配置是關鍵所在,能充分利用 Iris AO DM 獨特的控制系統架構。EO 工程師建議採用簡單快速的 USB 相機介面,能夠使用一般的實驗室軟體輕鬆設定。

EO 工程師在協助 Iris AO 設計模組的過程中,瞭解到這類調適性光學裝置功能,對許多客戶都相當實用。雙方在光學裝置之創新前線協同合作的最終步驟,就是同意愛特蒙特光學向其客戶群供應 Iris AO 調適性光學裝置模組 (EO 庫存編號 #33-740)。  

The Iris AO Adaptive Optics Kit is an image-based adaptive optics imaging solution consisting of a MEMS based deformable mirror, optics, optomechanics, camera, and GUI controller software.
圖2: Iris AO 調適性光學裝置套件是以影像為基礎的調適性光學裝置成像解決方案,包含以 MEMS 為基礎的可變形反射鏡、光學裝置、光機組件、相機與 GUI 控制器軟體。

組合的力量

設計師在系統納入調適性光學裝置時,一般會使用可變形反射鏡搭配波前傳感器。波前傳感器提供的訊號,可預估與完美光束或平坦波前的偏差程度。波前傳感器的偏差訊號,可由電腦處理轉換為一組電壓,用於控制可變形反射鏡的促動器。為了確保光束的適當修正,可變形反射鏡電壓必須與其對波前傳感器訊號的效應有所關聯。可惜對大部分可變形反射鏡而言,促動器電壓與波前傳感器量測結果之間的關係時常因可變形反射鏡的機械或熱漂移,或光學路徑其他地方的不穩定情形產生變化;Iris AO 模組避免了這項常見的互動問題,進而簡化使用方式。

標準模組從一開始就完全略過波前傳感器。這是因為 AO 獨特的可變形反射鏡設計非常穩定,讓促動器電壓及部門配置之間的關係能夠長期不變。反射鏡在出貨前會進行校準,其效果可維持數年之久。

穩定性簡化了波前修正。控制系統的運作方式,則是評估影像品質,同時透過一系列預先定義的形狀運作可變形反射鏡。當然在使用圓形光圈的情況下,最便利的形狀就是 Zernike 函數。隨著反射鏡掃描一組最高達 55 的Zernike 函數時,軟體就會追蹤影像品質。演算法結合各個 Zernike 函數的最佳幅度,產生一組促動器控制電壓,實現最佳的整體影像品質。  

First 55 Zernike modes fitted with the Iris AO 111 Actuator Deformable Mirror.
圖3: 前 55 個安裝 Iris AO 111 促動器可變形反射鏡的 Zernike 模式。

協同合作開花結果

調適性光學裝置模組代表兩家企業共同合作,利用各自強項所能創造的成果。Iris AO 具有獨特的可變形反射鏡架構,並深入瞭解創新的控制系統設計。愛特蒙特光學則具備廣泛的光學元件功能知識,從特殊光學鍍膜到相機特性,以及穩定及重複的必要調整配件,支援各種嚴格的效能規格。反射鏡穩定性、光學裝置品質、相機介面的清楚程度,以及簡易的控制演算法,共同讓調適性光學裝置模組成為「隨插即用」的子系統。新模組提供調適性光學裝置的強大功能,具備固定式元件易於整合的特色。設計師首次能夠補償其應用的先天像差,無需處理相位量測及重新建構波前等複雜問題。  

延伸光學裝置功能

高效能光學系統設計師投入大量心力,使系統盡可能達到完美。他們成功製作的光學系統,其效能受到光線的基本物理行為的限制,也就是所謂的繞射極限系統。這代表製造不精準及對位公差等問題非常小,完全不會影響影像品質。不過近乎完美的光學裝置,在透過畸變介質拍攝物體影像時,並沒有很大幫助。

例如,天文學家花費許多時間與金錢,建構非常大型的望遠鏡,取得遠方星球的完美影像。然而當光線進入大氣時,由於部分波前會比其他波前延遲,光線會出現不均勻傳播的情形。望遠鏡光圈範圍之中的不同傳播延遲,會造成波前畸變,亦即望遠鏡無法再產生整齊清晰的影像。以前的天文學家唯有等待「良好視野」,亦即良好的大氣傳播條件,然而望遠鏡光圈越大,就可能造成越高的光束像差,即使在良好條件下也一樣。

數十年前,一系列的技術突破發明了調適性光學裝置,進而開啟實現更大型望遠鏡的契機。調適性光學裝置系統可感應光束之中的像差,然後修改可變形反射鏡形狀,補償介質產生的傳播誤差。因此現在可由直徑數公尺的望遠鏡,產生繞射極限的影像。

天文學不是唯一受益於調適性光學裝置的領域,視網膜成像品質也因調適性光學裝置而大幅提升。眼睛內部介質破壞光學傳播的方式,就和大氣一樣。20 多年前的研究人員與臨床醫師,如果需要視網膜影像,能使用的方法不多,而且最多只能獲得模糊影像。將調適性光學裝置納入成像系統之後,現在可利用裝置產生清晰影像,顯示視網膜之中的單一細胞。

調適性光學裝置技術迅速進展,以前述兩項領域作為先鋒,開創各種全新應用。例如,調適性光學裝置可修正雷射焊接常見的光束畸變,或是限制自由空間光學通訊速度的像差。調適性光學裝置甚至可用於沒有像差問題的應用,例如同調光束合併。隨著這項技術功能日漸強大且更加易於使用,無疑將出現更多全新應用。 

First 55 Zernike modes fitted with the Iris AO 111 Actuator Deformable Mirror.
圖4: 使用及不使用 AO 的微膠細胞影像,透過活鼠薄顱骨窗口於大腦皮質表面下方 220μm 拍攝,顯示 Iris AO 111 促動器可變形反射鏡 (頂端) 如何加強影像銳利度,修正活組織折射率不均勻造成的像差。相片由特拉維夫大學 (Tel Aviv University) Pablo Blinder 小組提供。

頂級反射鏡

可變形反射鏡是調適性光學裝置系統的核心。如其名稱所示,可變形反射鏡可變更形狀,回應一組控制訊號。控制訊號會發送至個別促動器,依據驅動促動器的電壓改變長度。促動器衝程的間距、位置及長度,在不同機型的可變形反射鏡之中並不一樣。可變形反射鏡分為兩種獨特類型:連續面及分節反射鏡。

連續面可變形反射鏡是以一層反射薄膜建構,以其背側連接促動器。分節反射鏡是由個別反射材料組成,每個材料都連接一個或多個促動器。促動器有許多類型,包括壓電及靜電驅動。

Iris AO 可變形反射鏡採用分節設計,其中每個六角形分節是由三個靜電促動器驅動。即使沒有詳細探究替代設計,仍然可以概述部分 Iris AO 設計的特色與效益。

Iris AO 使用微機電系統 (MEMS) 技術,在三個對稱電極上方打造可動平台結構。製程期間將殘留應力導入多晶矽之中,讓六角形分節在底座上方自行鬆開,以三個彎曲結構連接至基材。控制三個電極的電壓,以變更各節平台與基材之間的距離,也用於控制基材相對於晶片表面的角度。之後每節有三個獨立的自由度:平移、傾斜及俯仰。因此 37 節版本的 Iris AO 可變形反射鏡,具有 111 個平移 - 傾斜 - 俯仰促動器,並依此作為型號。

Iris AO DM 設計的另一項獨特元件,就是獨立製造的反射節。具反射效果的六角形分節,是以單獨的微加工步驟製造,然後以覆晶方式黏合至多晶矽促動器平台陣列。這樣可消除分節厚度的限制,亦即分節厚度足以達到堅硬程度,並具備優異的表面品質 (平整度優於 20nm RMS)

彎曲結構/促動器組件的確實控制,搭配獨立製造的反射鏡分節,讓 Iris AO DM 享有卓越的穩定性。一旦應用一組電壓建立特定反射鏡外型,前述外型將維持不變,直到關閉 DM 為止。此外,反射鏡分節厚度代表 DM 具有高雷射損傷閾值。校準是這項設計方法的另一項重大優勢,應用電壓與分節位置之間的關係由原廠設定,可維持準確長達數年之久。Iris AO DM 結合以上各種特色,成為許多應用的首要選擇,享有調適性光學裝置的各種效益。 

Close-up of the Iris AO 111 Actuator Deformable Mirror (EO stock number #33-267) made of 37 hexagonal segments.
圖5: 特寫:Iris AO 111 促動器可變形反射鏡 (EO 庫存編號 #33-267) 由 37 個六角形分節組成。
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