Phaseform透射式变形镜

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德国Phaseform是第一个将 DPP技术应用到商业产品中的厂家——命名为Delta 7波前调制器，Delta 7是一种透射式波前调制器（Transmissive Wavefront Modulator），是一种连续表面、折射式、光流体、透射式的小型变形镜。  

Delta 7透射式变形镜的核心是一块可相位调制透射变形镜DPP，透射式变形镜DPP上具有63个电极驱动，配有专用的驱动电子设备和控制软件。Delta 7波前调制器的孔径直径为10mm，可与30mm光学笼式系统兼容，能够复制高达 7 阶径向Zernike泽尼克模式。它是为高要求的波前整形应用而设计的，在这种应用中，尺寸和性能都不能受到影响。

相位调制变形镜DPP的技术介绍（The Deformable Phase Plate Technology）

德国Phaseform基于创新的硬件和软件组件开发了折射式自适应光学元件系统（AO）。我们研究AO的核心是一种新型的光流体微系统技术（optofluidic microsystem technology），我们称之为相位调制变形板DPP，英文名为Deformable Phase Plate，也可叫小型变形镜（透射式）。其独特的结合了传统变形镜（DM）和透射式液晶空间光调制器（LC-SLM）的优点，形成了一种新型的超小微型化、高效、完全透射的透射变形镜。在本文中，我们将介绍DPP小型变形镜技术的主要原理。

透射变形镜DPP：一种新型波前调制器(DPP: A new type of wavefront modulator)

波前调制器（Wavefront modulator，WM）是一种主动器件，可用于局部的改变光传播的光程长度（OPL：几何长度和折射率的乘积）。目前有两种主流的WM类型：液晶空间光调制器（LC-SLM）和变形镜（DM）。

液晶空间光调制器（LC-SLM）利用密集的LC单元来局部改变OPL。因此，它们具有很高的空间分辨率，可以再现离散相位跳变，但容易产生衍射损耗。此外，相位调制与偏振调制耦合，而避免这种情况只能通过过滤掉偏振分量来避免，这会导致光效率明显的损失。

可变形反射镜（DM）提供高速、大振幅、波长和偏振无关的波前相位差调制，从根本上解决了LCSLM的主要缺点。然而，对于许多应用程序来说，它们的反射特性带来了系统规模、复杂性和成本方面的缺点

相位调制变形镜（DPP）是一种新型的完全透射、超小微型化的波形相位调制器，也是光流体小型变形镜。 它可以执行动态、实时的波前像差校正，就像普通镜头一样，这种小型变形镜可以直接放入光路中。

DPP相位调制变形镜的关键技术特点如下：

 - 透射式：小型变形镜DPP技术采用折射的原理。它与偏振无关，且镜片是透明的，使新型的连续表面波前调制器可以插入任何光束路径，而无需其他光束折叠光学元件。

 - 微型超紧凑：其非常小的尺寸允许非常紧凑的自适应变形系统设计。

 - 高分辨率：透射变形镜DPP在可见光范围内的多个波长提供高空间频率校正（包括球面像差）。

 - 可扩展：晶圆级制造、光流体封装和高精度组装使其成为一种强大且可扩展的技术。

折射自适应光学（Refractive Adaptive Optics）的应用：

Phaseform 开发基于创新硬件组件和软件的新一代自适应光学系统。我们的目标是为各种成像和光束整形应用提供可扩展且易于使用的解决方案。借助我们独特的折射式自适应光学元件方法，可充分利用您的光学系统。

-      生命科学与显微镜：正确的样品，介质和仪器诱发的像差，并简化您的成像工作流程。

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Phaseform透射式变形镜DPP的科学起源

透射变形镜DPP的诞生地是世界领先的光流体实验室之一，德国弗莱堡大学微系统工程系IMTEK（DPP技术由IMTEK开发，IMTEK是微系统技术的全球领导者) 的 Gisela 和 Erwin Sick 微光学实验室。在过去的 20 年里，那里的研究人员开发了多种有源微光学组件：流体透镜、虹膜、光圈、扫描仪、像差可调透镜、微型相机物镜和变焦系统。 所有这些经验都作为“DNA”体现在Phaseform的DPP技术中。

相位调制变形镜DPP的制造工艺

透射变形镜DPP也叫光流体小型变形镜，由一个密封的充满液体的体积组成，一侧是一个柔性聚合物膜，另一侧有是刚性透明玻璃基板。玻璃基板上的可单独寻址的透明电极阵列覆盖透明瞳孔区域。柔性膜由一个微加工垫片支撑。

薄膜和基底之间的体积充满高折射率的液体。当向电极施加电压信号时，导电膜被拉向基板。这种驱动会置换液体，并通过折射波前调制器，从而改变有效光程长度[2]。

透射变形镜DPP的总厚度只有0.85mm。这种超薄的设计带来了两个优点：几乎没有色散（例如，波长无关的行为），以及能够在很近的距离内堆叠多个设备[3]。这种可能性对于新兴的AO技术尤其有趣，例如多共轭自适应光学[4]。

相位调制变形镜DPP的驱动和控制

驱动透射变形镜DPP的执行器需要一个多通道的高压放大器，电压范围一般为为250-400 V（具体取决于具体的设备设计）。由于静电驱动器的低功耗，标准MEMS驱动器阵列就足够了。而定制开发的控制算法使用的是MEMS技术中，众所周知的约束优化（Constrained Optimization methods）方法，实时计算任何给定目标表面形状的必要电压 [5]。静电驱动的MEMS变形镜在当今的商业微系统中非常普遍。由于其低功耗、几乎不存在滞后、微米级的尺寸便于仪器小型化，结构简单，从而广受欢迎。DPP继承了这些所有的品质。

       虽然静电致动器只产生吸引力，膜与密封不可压缩液体之间的液体机械结构可用于双向（推拉）操作[6]。为了充分利用这一特性，DPP 有许多径向电极环绕的光学孔径，可以在孔径内产生大的向上位移，以实现几乎对称的双向驱动。因此，与其他静电膜式设备形成鲜明对比的是，DPP 可以围绕其静态“偏置”，并且不会以偏移方式运行。

图 4：由于光学液体的不可压缩性，DPP 能够在清晰的瞳孔内实现双向推拉驱动。

高空间频率波前校正（High spatial frequency wavefront correction）

由于其大部分电极位于透明瞳孔内，Phaseform透射式变形镜在透射、紧凑和高效的设备中提供了连续表面变形镜的多功能性。例如，一个63-actuator的DPP能够校正高达7阶径向阶Zernike模式，其最高阶的校正幅度仍然大于可见光范围内的两个波长。一阶和二阶球面像差模式的大振幅对于显微镜应用尤为重要。

众所周知，光流空设备对重力效应敏感，这会降低其性能。这是由于当光轴不平行于重力时在液体室中引起的压力梯度发生的。 DPP 的机械设计确保伪重力引起的像差足够小，这样它们就可以由设备自身轻松校正，而不会显着影响实际波前校正的可用范围。图5的左树和右树分别显示了同一DPP在水平方向和垂直方向上的Zernike复制性能。由于寄生像差仅限于彗差，其幅度仅为波长的一小部分，因此器件的校正性能实际上不受器件方向的影响。

图 5：DPP可以在开环中复制Zernike模式，在水平和垂直方向上都可以复制到第7个径向阶。众所周知，光流体设备对重力效应非常敏感。 DPP 通过结合机械刚性和大校正范围克服了这一点。即使在最后一行，校正幅度也大于可见光范围内的两个波长。 由于覆盖光学孔径的透明致动器的 2D 阵列，才可能实现这种级别的铰接。注意一阶和二阶球面模式的保真度和幅度，这在许多成像场景中是必不可少的。

级联多个 透射变形镜DPP（Cascading multiple DPPs）

沿光轴的极低厚度和高传输效率使得可以将多个小型变形镜DPP一个接一个的级联，以提高校正能力，包括范围和保真度。通过设计多个级联 DPP可以开发具有定制性能和特征的复合调制器单元，以满足应用的不同特定需求。

图 6 描述了一个这样的单元的性能。 在这种配置中，与具有单独低音和高音单元的高保真扬声器类似，其中一个DPP（带有 25 个电极）针对低空间频率畸变进行优化，而第二个DPP（带有 37 个电极）用于高频校正[ 3]。 针对大范围的波前相差，基于优化的控制方案使两个相位调制器能够同时工作。与典型的单调制器配置相比，这种安排显着提高了低阶和高阶模式的可用冲程和波前校正的保真度。

科学文献中包含需要多个 WM 的波前校正方案，特别是当目标像差来自不同深度的样品时。然而，由于使用多个 DM 的绝对复杂性，这些方法的实际实现非常少，每个 DM 位于不同的共轭平面，通过额外的光学器件中继。光流体小型变形镜DPP 技术将有助于将这些新技术推向实际应用。

图 6：分别使用具有 25 和 37 个电极的两个级联 DPP 复制高达 6 阶 Zernike 模式的实验结果。 (a) 分别使用 DPP1 和 DPP2（分别由绿色方块和蓝色三角形表示）以及级联配置和建议的控制方法（红色圆圈）比较最大可实现模式幅度及其相应的纯度。 (b) 使用级联 DPP 复制 Zernike 模式的概述。 左上图显示了彼此重叠的两个 DPP 的电极图案 [3]。

光流体小型变形镜DPP技术小结

随着光学系统越来越强大和复杂，光学像差对其性能的影响越来越重要。DPP技术为静态光学系统提供了动态整形能力，并提供了在不同场景下确保最佳系统性能的手段。我们设想，这些由DPP技术实现的新型波前调制器和自适应光学系统将成为未来光学的重要组成部分。基于DPP技术的波前调制器在未来将会越来越“通用”。

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