OKO波前校正器介紹：

前言：

1997年，荷蘭OKO公司成立（公司全名：Flexible Optical B.V.）。OKO公司是世界上最早進行自適應光學產品研發和銷售的公司之一，該公司的創始人正是薄膜變形鏡的發明人Vdovin博士。

OKO公司主營產品就是MMDM薄膜變形鏡、PDM變形鏡等自適應光學器件。因為變形鏡優良的光學性能、低廉的價格，一經推出就受到了全世界范圍內自適應光學研究人員和用戶的關注和青睞。尤其是15mm口徑、37通道的MMDM最受歡迎，被稱為“OKO Mirror”。

變形反射鏡 deformable mirrors（DM):
1) MMDM ：Micro-machined Membrane Deformable Mirrors 微機械薄膜可變形反射鏡

MMDM是怎么樣變形的？

MMDM本質上是一種膜DM，是采用微加工技術制造（ bulk micromachining）的。其膜非常的薄，取決于具體所采用的技術，可制造的厚度在0.5至10μm，直徑在5至到50毫米之間。這層薄膜安裝在二維的電極陣列平面上，在膜和單個電極之間施加的任何電勢都會導致膜因靜電吸引而變形。不同的電壓組合應用于各電極上可以在形成各樣特定形狀的膜表面，這便是MMDM能夠隨心所欲變形的原因。

當然，MMDM膜只能被靜電吸引到電極結構上，產生相對于平面的凹形光學形狀。但是，若我們選取一個稍微凹的平面作為參考，那么便可以說實現了雙方向操作。為了實現這一點，膜最初應朝向執行器偏轉，并通過調整執行器電壓使其成為完美的球形。在這種狀態下，膜可以從電極結構向正極移動，從負極向執行器結構移動，見圖2.1。

MMDM都有些什么樣的典型產品？

任何OKO DM的基本產品編號由3部分組成。第一部分是類型分類，如：“MMDM”或“PDM”等。第二部分是鏡面孔徑，單位為mm。第三部分，用減號“-”分隔，用來描述控制通道的數量。例如：“MMDM15-37”指直徑為15 mm的薄膜微機械變形鏡，由37個執行器控制。PDM50-109是指直徑50 mm的壓電變形鏡，由109個執行器控制。”PDM11x55-20-linear“對應于帶11x55 mm矩形孔徑的線性壓電DM，受控由20個執行器執行。

一、圓形鏡面

1. MMDM10-1-focus

從編號我們可以發現，這面反射鏡只有一個執行器，換言之，它僅能在維持整體球狀的基礎上，改變其中心的鏡面形狀。

這面鏡子被設計用于離焦/散焦（defocus）像差的快速校正，可以在不到一毫秒的時間內將焦距從無窮大改變到大約50厘米，允許每秒改變焦距1000次。由于變焦的速度非常快，該反射鏡可用于激光和成像系統中的焦點動態選擇。

離焦/散焦（defocus)校正器是一種10毫米單通道MMDM，專門用于校正散焦像差。該反射鏡在整個光圈上有優于2條條紋的P-V初始平坦度。對于鍍鋁器件，反射鏡的光功率可在0…+2屈光度范圍內連續控制。

DM的電容小于200 pF，電流消耗幾乎為零。這些器件可以由一個電壓源驅動，該電壓源的內阻非常高，可達幾十兆歐，因為它們不消耗直流電流。驅動器電壓應在0至Vmax范圍內。可用涂層：鋁、金。可用尺寸：10mm。孔徑為5 mm和15 mm的設備可按特殊訂單提供。

組裝后的反射鏡和控制原理

2. MMDM 15-37

15mm 37通道的MMDM在1997年被引入，并且成為了最流行的變形反射鏡之一，乃至被稱為“OKO Mirror”。

如圖7.4所示，反射鏡包含一個安裝在PCB支架上的硅片。該硅片包含被涂覆以形成鏡子的氮化硅（復合材料）薄膜和一塊包含控制電極結構、墊片和連接器PCB板。它同時也提供了鏡像包作為服務，反射膜的形狀被由施加在控制電極上的電壓控制。 

（注意：反射鏡可被組裝進不同的包裝設計中，所以你到手的反射鏡可能看起來會不同）

該裝置可用于激光、望遠鏡、眼科設備、顯示器和成像光學中的低階光學像差（如散焦、像散、彗差等）的快速動態校正。

3. MMDM15-17-TT

這個變形鏡很特殊。它包含了用于補償抖動的壓電尖端傾斜工作臺（piezoelectric tip-tilt

Stage）。該變形鏡已安裝在獨立的傾斜臺上，集成在變形鏡的外殼之中。

其原理大致和MMDM15-37一致，而其中的傾斜臺則由兩個施加在兩個壓電執行器上的電壓控制。同樣這個裝置可用于激光、望遠鏡、眼科設備、顯示器和成像光學中的低階光學像差（如散焦、像散、彗差等）的快速動態校正中。

4.線形鏡面

MMDM11x39-19/38 linear

硅微機械反射鏡由OKO技術利用硅體微機械加工技術制造。

在時域上，該裝置可用于控制飛秒級激光器和放大器中超快脈沖的持續時間和時間形狀。在空間域中，該裝置可以又作為一個普通的變形鏡來控制擴展的一維激光束的相位，功能相當廣泛。

鏡子如圖7.24所示，包含一塊安裝在PCB支架上的硅片。硅片包含經過涂層形成鏡面微機械薄膜，并安裝在6個測微螺釘上（見圖7.24（b），以調整反射鏡形狀和反射鏡與致動器的距離。

OKO公司的MMDM的型號還有很多，它們的原理基本類似，區別是光圈更大，執行器更多，調節更精細，筆者便不在此一一贅述。有興趣的讀者可以移步至：http://www.okotech.com/；查看更多MMDM型號與參數。

PDM又是怎么樣變形的？它與MMDM有什么區別？

2) PDM ：Piezoelectric Deformable Mirrors 壓電變形鏡

  原理：

壓電DM最主要元件是一塊由玻璃、熔接二氧化硅或硅（具體取決于應用）制成的薄固體板，該板涂有適當的光學涂層，并直接連結到以二維陣列排布的壓電執行器上。因此，任何一個執行器的伸長都會導致反射板的整體形變。

不同于MMDM，PDM的執行器既可以拉也能推出反射板，并具有自由邊緣。所以，當所有執行器以相同的位移一起移動時，反射板只會平移，而不會產生任何變形，平移的范圍等于自由執行器的最大行程。若當僅某個執行器推或執行器的行程相差各異的時候，板子便會產生形變，從而達到校正波前的目的。

PDM又有那些產品？

1. PDM30-19

如圖7.28所示，該反射鏡由19個與底座支架連接的壓電柱狀執行器組成，其反光板連結在執行器的頂部結構上并涂上鏡面。面板的形狀由施加在面板上的電壓控制執行器。

該裝置可用于低階的快速動態校正光學像差，如散焦、像散、彗差等激光、望遠鏡、眼科、顯示器和普通成像光學。

2. PDM50-19/37/79/109

該反射鏡原理上和上一個基本相同，但其擁有更大的光圈和更富有選擇度的執行器。因此，該壓電OKO反射鏡能適用于激光、望遠鏡、眼科、顯示器和一般成像光學中的大高階光學像差（如散焦、散光、彗差等）的快速動態校正，此外，鏡子可配備HR涂層和冷卻風扇，特別適用于大功率應用，功率處理能力高達數十千瓦。

線形PDM

3. PDM11x55-20

如圖7.48所示，反射鏡由20個壓電柱執行器組成，壓電柱執行器連接至基座支架。反射板粘結在執行器結構的頂部，并進行涂層以形成反射鏡。面板的形狀由施加在致動器上的電壓控制。與MMDM相同，線形的PDM既可以在時域上，用于控制飛秒級激光器和放大器中超快脈沖的持續時間和時間形狀；也可以在在空間域中，又作為一個普通的變形鏡來控制擴展的一維激光束的相位。

OKO公司更多PDM型號與參數，可移步至:【網站地址】。

OKO公司的變形鏡的使用案例

1） Oskar Hofmann, Oliver Pütsch, Jochen Stollenwerk and Peter Loosen.

Model-based analysis of highly dynamic laser beam shaping using deformable mirrors. Procedia CIRP 74:602 - 606, 2018.

本文考慮了不同型號的 OKO 鏡片用于激光束成形的適用性。

2） Jacopo Antonello and Michel Verhaegen.
Modal-based phase retrieval for adaptive optics. J. Opt. Soc. Am. A 32(6):1160–1170, June 2015.
Optical aberrations have detrimental effects in multiphoton microscopy. These effects can be curtailed by implementing model-based wavefront sensorless adaptive optics, which only requires the addition of a wavefront shaping device, such as a deformable mirror (DM) to an existing microscope. The aberration correction is achieved by maximizing a suitable image quality metric. We implement a model-based aberration correction algorithm in a second-harmonic microscope. The tip, tilt, and defocus aberrations are removed from the basis functions used for the control of the DM, as these aberrations induce distortions in the acquired images. We compute the parameters of a quadratic polynomial that is used to model the image quality metric directly from experimental input–output measurements. Finally, we apply the aberration correction by maximizing the image quality metric using the least-squares estimate of the unknown aberration.

作者使用了17ch MMDM與壓電尖端傾斜工作臺

3） Patrick Llull, Xin Yuan, Lawrence Carin and David J Brady.

Image translation for single-shot focal tomography. Optica 2(9):822–825, September 2015.

Focus and depth of field are conventionally addressed by adjusting longitudinal lens position. More recently, combinations of deliberate blur and computational processing have been used to extend depth of field. Here we show that dynamic control of transverse and longitudinal lens position can be used to decode focus and extend depth of field without degrading static resolution. Our results suggest that optical image stabilization systems may be used for autofocus, extended depth of field, and 3D imaging.

作者使用了17ch MMDM與尖端傾斜階段

4）Kaoru Yamanouchi, Steven Cundiff, Regina Vivie-Riedle, Makoto Kuwata-Gonokami and Louis DiMauro (eds.).

Ultrafast Phenomena XIX: Proceedings of the 19th International Conference, Okinawa Convention Center, Okinawa, Japan, July 7-11, 2014. Chapter Measurement and Characterization of Sub-5 fs Broadband UV Pulses in the 230–350 nm Range, pages 744–748, Springer International Publishing, 2015.

We report a new design of an all-reflective 3rd-order frequency resolved optical gating setup (FROG) for measurement and characterization of ultrashort UV-pulses in the 230–350 nm spectral range and tested it using 7.3 fs pulses generated in the 250–300 nm range. This setup allows also heterodyne detection which significantly increases its sensitivity.

作者使用了線性MMDM

4） Saisai Niu, Jianxin Shen, Chun Liang, Yunhai Zhang and Bangming Li.

High-resolution retinal imaging with micro adaptive optics system. Appl. Opt. 50(22):4365–4375, August 2011.

作者描述了一個基于 OKO 技術公司的 37 通道 MMDM 和沙克-哈特曼波前傳感器的視網膜成像系統。

5） Nicholas Devaney, Eugenie Dalimier, Thomas Farrell, Derek Coburn, Ruth Mackey, David Mackey, Francois Laurent, Elizabeth Daly and Chris Dainty.

眼部和大氣波面的校正：各種變形鏡的性能比較。

事實上，我只是從如山堆積般的論文中選取了幾篇比較有意思和代表意義的，有興趣的讀者可以移步至OKO官網:【）】,上面羅列了大量國際上使用OKO公司變形鏡發表的學術論文和研究成果。

術語欄：

像差：因為系統本身或者外界因素導致的，所得到的次成像與理論成像的差距。

光圈：光圈是一個用來控制光線透過鏡頭，進入機身內感光面光量的裝置，它通常是在鏡頭 內。對于已經制造好的鏡頭，我們不可能隨意改變鏡頭的直徑，但是我們可以通過在鏡 頭內部加入多邊形或者圓形，并且面積可變的孔狀光柵來達到控制鏡頭通光量，這個裝 置就叫做光圈。

執行器：在反射鏡中，用于控制局部鏡面形狀的單元。

通道數：執行器的數量，同時也是輸入端需要輸入的電壓數量。

離焦/散焦（defocus)：離焦，就是偏離焦點引起的像質模糊；散焦，焦點還處在焦點位置，  但是由于物理原因造成成像不夠清晰。（說法不一，在此暫時統一歸為一類）

更多術語，請移步至靈動智能光學官網：【網站】。

尾標：

靈動智能光學作為OKO公司在國內的技術支持和售后服務中心，將一如既往的為客戶提供技術方面的支持和服務，助力我國自適應光學的發展！

【靈動智能光學：荷蘭OKO公司在國內的技術支持和售后服務中心】

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