【OKO】OKO变形镜中常见问题答疑（Frequently Asked Questions）

Frequently Asked Questions

常见问题解答

Deformable mirrors:

变形镜：

• What is MMDM?

MMDM stands for “Micromachined Membrane Deformable Mirror”.

MMDMs with 37, 39, 59, and 79 control channels are fabri-cated by

Flexible Optical BV (Okotech), http://www.okotech.com,

Polakweg 10-11, 2288 GG Rijswijk ZH, TheNetherlands,

fax: +31-70 262 94-20, email: oko@okotech.com.

 MMDM consists of a thin (500 to 10000 nm thick) membrane made of silicon nitride or a nitride - poly - nitride sandwich.The membrane is coated by a thin layer of aluminum or gold to produce a highly reflective surface. The membrane is fixed to silicon frame and suspended over a number of planar electrodes. When the membrane is electrically grounded and a voltage is applied to one or a number of the electrodes, the

membrane is deformed locally changing its shape. Differentcombinations of voltages applied to different electrodes formdifferent shapes.

·什么是MMDM？

MMDM代表的是“微机械薄膜可变形镜”的简写。

拥有37，39，59和79可控通道的MMDM都是来自于：
 公司：Flexible Optical BV (Okotech),

网址：http://www.okotech.com

地址：Polakweg 10-11, 2288 GG Rijswijk ZH, TheNetherlands,

传真: +31-70 262 94-20，

邮箱：oko@okotech.com

MMDM由一层由氮化硅或氮化物-多氮化物三明治制成的薄（500至10000纳米厚）膜 组成。该膜由一层薄薄的铝或金涂层，以产生高反射表面。膜固定在硅框架上，并悬挂 在许多平面电极上。当膜被电接地并向一个或多个电极施加电压时，膜局部变形，从而 改变其形状。施加在不同电极上的不同电压组合形成不同的形状。

• What is PDM?

PDM stands for “Piezoelectric Deformable Mirror”. PDMs with 18, 19, 37, 79, and 109 control channels are fabricated by

Flexible Optical BV (Okotech), http://www.okotech.com,

Polakweg 10-11, 2288 GG Rijswijk ZH, TheNetherlands,

fax: +31-70 262 94-20, email: oko@okotech.com.

·什么是PDM？

PDM代表的是“压电可变形镜”的简写。

拥有18，19，37，79和可控通道的PDM都是来自于：
 公司：Flexible Optical BV (Okotech),

网址：http://www.okotech.com

地址：Polakweg 10-11, 2288 GG Rijswijk ZH, TheNetherlands,

传真: +31-70 262 94-20，

邮箱：oko@okotech.com

• What is “biased operation”?

The MMDM membrane can be deflected only in the direction

of the electrode structure because the electrostatic force canbe only attractive. The deflected membrane can produceonly concave optical shapes. To achieve a bi-directional op-eration the membrane should be initially deflected towardsthe actuators and made perfectly spherical by adjusting theactuator voltages. From this state the membrane can bemoved to both positive (from the electrode structure) andnegative (to the actuator structure) directions by controllingthe actuators voltage.

·什么是“有偏操作”？

MMDM膜只能在电极结构的方向上偏转，因静电力只能吸引，所以，偏转膜只能产生 凹面光学形状。为了实现双向操作，偏转膜最初应朝向致动器偏转，并通过调整致动器 电压，使其成为完美的球形。在这种状态下，通过控制执行器电压，膜可以向正方向（从 电极结构）和负方向（到执行器结构）移动。

• How to bias the MMDM?

In the simplest case biasing can be achieved by applying a constant voltage to all actuators of the MMDM. Theoreticallyunder the constant bias the MMDM should take a parabolicshape. In practice, MMDM biased with a constant voltagehas a figure error of up to 300nm RMS from the nearestperfect parabola. The bias voltages should be adjusted tomake the biased surface perfect. The theoretical value of thebias voltage equals to:

0.71 · V

max

where V_max is the maximum voltage that can be applied to

the mirror. This value provides for equal mirror strokes in

positive and negative direction from the biased position. For

example, with 8-bit digital control (one byte, 0 to 255 per

channel) all electrodes should be set to 180. These values

should be adjusted to obtain a perfect spherical figure.

·如何偏转MMDM？

在最简单的情况下，可以通过向MMDM的所有执行器施加恒定电压来实现偏置。理论 上，在恒定偏置下，MMDM应为抛物线形状。在实践中，用恒定电压偏置的MMDM 与最接近的完美抛物线的图形误差高达300nm RMS。应调整偏置电压以使偏置表面完 美。偏置电压的理论值等于：

0.71V_max ，

其中V_max 是可施加到反射镜上的最大电压。该值提供了从偏置位置向正方向和负方向 相同的镜面偏置。例如，使用8位数字控制（一个字节，每个通道0到255）时，所有 电极应设置为180。应调整这些值以获得完美的球形图形。

• Is it possible to use MMDM for tilt correction (scanner

mode)?

The device can be specially calibrated to correct for tilts,

preserving the diffraction-limited quality of the reflected

 beam in the range of about 25λ/D where Λ is the wavelength

 and D is the mirror diameter. Using the device in scanner

 mode will reduce its correction performance for higher order

 aberrations.

OKO manufactures a special MMDM with 2 tip-tilt channels

and 17 deformable mirror channels. This device uses special

piezoelectric tip-tilt stage. The MMDM is mounted to this

stage inside the DM package.

·能否使用MMDM进行倾斜校正（扫描仪模式）？

该装置可以专门校准，以纠正倾斜，保持光束范围约为反射光的衍射限制质 量，其中λ为波长，D为镜径。在扫描仪模式下使用该设备将降低其对高阶像差的校正 性能。

而OKO制造了一种特殊的MMDM，具有2个倾斜通道和17个可变形镜通道。该装置 采用特殊的压电倾斜台，MMDM就安装在DM包裹内的台子上。

• How good the mirrors will correct our aberrations?

Information about the spatial and temporal spectra of the

aberrated wavefronts is required for a good answer to this 

question. Membrane mirrors in general are good in correct-

 ing smooth continuous aberrations. 37-ch MMDM provides

high-quality correction of all 3-rd order aberrations and is reasonably good in correcting the 5-th order aberrations. 79-ch MMDM will correct aberrations up to 5th order. PDMwith 19 and 37 channels will correct low order aberrationswith relatively large amplitude. OKO mirrors can be flat- tened to produce better than λ/20 rms reflected wavefronts. Contact OKO with specific questions on the correction per- formance.

·反射镜校正像差时表现如何？

要很好地回答这个问题，首先得需要关于畸变波前的空间和时间光谱的信息。一般来说，薄膜反射镜相当擅长校正平滑的连续像差。37通道的 MMDM提供所有3阶像差的高质量校正，并且在校正5阶像差方面表现的也相当不错。 79通道MMDM则能校正高达5阶的像差。具有19和37个通道的PDM将校正振幅相对较大的低阶像差。OKO反射镜可以展平，以产生比λ/20 rms反射波前更好的反射波前。

联系OKO了解有关校正表现的具体问题。

• How large can be the amplitude of the corrected aber-

rations?

Standard 37-ch 15-mm DM provides about 20000nm of wave-front deformation for defocus. Third and fifth order aberra-tions with wavefront amplitudes of up to 3000 nm can becorrected. In general the dynamic range is higher for lowspatial frequencies.

The maximum profile difference between the adjacent actua- tors reaches 800 nm for MMDM and can be as large as 2 μm for a PDM.

·可以校正多大的像差振幅？

标准37通道15毫米DM为离焦提供约20000nm的波前变形，可以校正波前振幅高达 3000 nm的三阶和五阶像差。通常，低空间频率的动态范围较高。对于MMDM，相邻 执行器之间的最大轮廓差达到800 nm；对于PDM，最大轮廓差可达2μm。

• How linear is the MMDM response?

The displacement of the MMDM surface is approximately

proportional to the square of the applied voltage. The mirrorresponse can be linearized using the operation of square root.For 8-bit biased digital control the following expression canbe used to convert the control signal CS (in the range -1...1)into the control byte CB applied directly to the digital boardcontrolling the mirror actuator:

CB=(int)sqrt(0.5*(CS+1))*255.;

This formula provides linear correspondence between the control signal CS and the mirror displacement and sets the mirror into theoretical biased position when CS=0. MMDM features negligible hysteresis.

·MMDM响应的线性度如何？

MMDM表面的位移大致与施加电压的平方成正比。反射镜响应可以使用平方根运算进 行线性化。对于8位偏置数字控制，可使用以下表达式将控制信号CS（范围-1…1）转 换为直接应用于控制后视镜执行器的数字板的控制字节CB：

CB=(int)sqrt(0.5 * (CS+1)) * 255.;

该公式提供了控制信号CS和反射镜位移之间的线性对应关系，并在CS=0时将反射镜设 置为理论偏置位置。MMDM具有可忽略的滞后。

• How linear is the PDM response?

OKO piezoelectric mirrors have linear response and feature 7 to 10% hysteresis and up to 1% creep. Application of special control procedures to the PDM can reduce the hysteresis by a factor of 5.

·PDM响应的线性度如何？

OKO压电镜具有线性响应，具有7%至10%的滞后和高达1%的蠕变。对PDM应用特殊 控制程序可将滞后降低5倍。

• What is the size of MMDM?

As in 2013, OKO Tech fabricates membrane mirrors with

diameters of 10, 15, 30, 40 and 50 mm with 1 to 79 channelsand linear membrane mirrors with 11x39mm membrane.

• What is the size of PDM?

As in 2013, OKO Tech fabricates 30 mm piezoelectric mirrors with 19 and 37 actuators and 50 mm mirrors with 37, 79, and 109 actuators. Linear configuration with 10x55mm aperture and 20 (2x10) actuators is also available.

·MMDM有哪些型号？

与2013年一样，OKO Tech制造了直径为10、15、30、40和50 mm的膜反射镜，带有 1到79个通道，和带有11x39 mm膜的线性膜反射镜。

·PDM有哪些型号？

与2013年一样，OKO Tech制造了带有19个和37个执行器的30 mm压电反射镜，以及 带有37个、79个和109个执行器的50 mm反射镜。还可提供带有10x55mm孔径和20 （2x10）执行器的线性配置。

• How good is the initial figure of OKO deformable mir-

rors?

The standard scratch/dig is 20/10. Scratch/dig 10/5 is avail- able on special request.

 The initial figure of MMDM is flat with RMS deviation from the nearest reference plane better than 400nm. OKO mirrorwith 37 channels and a diameter of 15 mm will have less than 1 fringe of astigmatism in a 10mm aperture, averaged over a number of devices. Larger MMDM have 8 adjustment screws that allow to set the initial figure of the mirror. The initial optical quality is very good.

The initial figure of PDM is flat with RMS deviation from the nearest sphere better than 500 nm. The initial surface may have some irregularity due to random hysteresis state of different actuators. These irregularities are always formed as combinations of the mirror influence functions, thus they are completely correctable by the mirror.

·OKO变形镜的初始形状如何？

标准刮痕/挖痕为20/10。刮痕/挖痕10/5可根据特殊要求提供。

MMDM的初始图形平坦，与最近基准面的均方根偏差大于400nm。具有37个通道和 15 mm直径的OKO反射镜在10 mm光圈内的像散条纹少于1条，在许多设备上平均。 较大的MMDM有8个调整螺钉，可用于设置后视镜的初始形状。初始光学质量非常好。

PDM的初始图形平坦，与最近球体的均方根偏差大于500 nm。由于不同执行器的随机 滞后状态，初始表面可能会有一些不规则。这些不规则总是作为反射镜影响函数的组合 形成的，因此它们完全可以由反射镜校正。

• What is the power handling ability of OKO DM?Standard 15mm Al-coated MMDM can handle up to 3 Woptical load in the visible range. On a special order MMDMcan be coated with a special HR metal-dielectric coatings,making them suitable for optical loads of up to 500 W andeven 1 kW in some cases.

 Piezoelectric mirrors can be coated with high-power HR coatings, making them suitable for optical load of up to15 kW and higher - on a special order.

·OKO的DM功率处理能力如何？

标准15mm镀铝MMDM可在可见光范围内处理高达3W的光学负载。在特殊订单上， MMDM可以涂上特殊的HR金属电介质涂层，使其适用于高达500 W甚至在某些情况 下为1 kW的光学负载。

压电镜可涂上高功率HR涂层，使其适合高达15 kW及更高的光学负载-特殊订单。

Wavefront sensors

波前传感器：

• What is FrontSurfer?

FrontSurfer is a wavefront analysis and control systembased on Shack-Hartmann wavefront sensors and deforma-ble mirrors from OKO Technologies.

·什么是FrontSurfer？

FrontSurfer是一个基于Shack Hartmann波前传感器和OKO Technologies可变形反射镜的 波前分析和控制系统。

• What the FrontSurfer system can be applied for?Applications include optical shop testing of transmissiveand reflective optics, alignment of optical systems, real-timemonitoring and compensation of optical aberrations withadaptive optics.

·什么是FrontSurfer？

FrontSurfer是一个基于Shack Hartmann波前传感器和OKO Technologies可变形反射镜的 波前分析和控制系统。

• What the FrontSurfer system can be applied for?Applications include optical shop testing of transmissiveand reflective optics, alignment of optical systems, real-timemonitoring and compensation of optical aberrations withadaptive optics.

·FrontSurfer系统可以运用在什么地方？

应用包括透射和反射光学的光学车间测试、光学系统校准、实时监测和自适应光学补偿 光学像差。

• What is included in the FrontSurfer wavefront sensor

package?

 The wavefront sensor package includes FrontSurfer software and a measurement head - Hartmann or Shack-Hartmannwavefront sensor. The Hartmann wavefront sensor consist of a precision Hartmann mask and a CMOS (or CCD) camera. In the Shack-Hartmann sensor, the mask is replaced by a microlens array.

·FrontSurfer 波前传感器包裹中都含有些什么？

波前传感器包裹包含FrontSurfer软件和探头-Hartmann或Shack-Hartmann 波前传感器。 哈特曼波前传感器由精密哈特曼掩模和CMOS（或CCD）摄像机组成。在夏克哈特曼传 感器中，掩模被微透镜阵列取代。

• Which modifications of FrontSurfer software are avail-

able?

 FrontSurfer is available in two modifications - with andwithout support for adaptive optics feedback.

• How many measurements are required for FrontSur-

fer to reconstruct a wavefront?

One in the absolute measurement mode and two in thereference mode.

·FrontSurfer软件的哪些修改可用？

FrontSurfer有两种版本-支持和不支持自适应光学反馈。

·FrontSurfer重建波前需要多少次测量？

一次处于绝对测量模式，两次处于绝对测量模式参考模式。

• What is the absolute measurement mode of FrontSur-

fer?

In this mode, the wavefront is reconstructed from one inten-sity pattern captured by the wavefront sensor. Geometricparameters of the Hartmann mask or microlens array areused for the reference. This mode can only be used witha precision Hartmann mask (or microlens array) havingcomplete hexagonal or square structure of subapertures (forexample, see Figure 3.5).

• What is the reference measurement mode of FrontSur-

fer?

 In this mode, the wavefront is reconstructed from two inten- sity patterns captured by the wavefront sensor. The first one(main pattern) is measured in presence of the the aberration to be reconstructed, and the second one (reference pattern) is measured for calibration purposes, i.e., with the aberra- tion removed. In this mode, the microlens array (Hartmann mask) can be neither complete nor regular; one can even use an array with random positioning of sub-apertures.

·FrontSurfer 中的绝对测量模式是什么？

在此模式下，波前由波前传感器（WFS）捕获的一个强度模式重建。哈特曼掩模或微透 镜阵列的几何参数可用作参考。该模式只能与具有完整六角形或方形子孔径结构的精密 哈特曼掩模（或微透镜阵列）一起使用。

·FrontSurfer 中的参考测量模式是什么？

在此模式下，波前由波前传感器捕获的两个强度模式重建。第一个（主图案）是在存在 待重建像差的情况下测量的，第二个（参考图案）是为了校准目的而测量的，即在消除 像差的情况下测量的。在这种模式下，微透镜阵列（哈特曼掩模）既不完整也不规则； 甚至可以使用具有随机子孔径定位的阵列。

• What is the sensitivity of FrontSurfer wavefront sen-

sor?

Typical configuration of the FrontSurfer wavefront sensor(see parameters in Table 3.1) has a noise-limited sensitivity of about λ/100 PV (for λ=0.63 μm). The sensitivity can be improved by averaging over multiple frames to about λ/500 rms.

·FrontSurfer 中波前传感器的敏感度是多少？

FrontSurfer波前传感器的典型配置（见表3.1中的参数）的噪声限制灵敏度约为λ/100 PV（对于λ=0.63μm）。通过在多个帧上平均到大约λ/500 RMS，可以提高灵敏度。

• What is the precision of FrontSurfer wavefront sen-

sor?

Typical configuration of the FrontSurfer wavefront sensor(see parameters in Table 3.1) has a precision of about λ/60 PV (for λ=0.63 μm) in the reference mode and about λ/10 PV in the absolute measurement mode.

In the reference mode, the precision is mainly limited by thesensor noise and can be improved by averaging over mul-tiple frames and using a microlens array with larger focaldistance. In the absolute measurement mode, the precisionis limited by fabrication errors of the microlens array (orHartmann mask).

Please note that the precision is specified for low-order aber-rations, when the sampling error can be neglected. It isimportant that the microlens array (or Hartmann mask)provides sufficient sampling for the aberration.

·FrontSurfer波前传感器的精度是多少？

FrontSurfer波前传感器的典型配置在参考模式下的精度约为λ/60 PV（其中λ =0.63μm），在绝对测量模式下的精度约为λ/10 PV。

在参考模式下，精度主要受到传感器噪声的限制，可以通过多帧平均和使用具有较大焦 距的微透镜阵列来提高。在绝对测量模式下，精度受到微透镜阵列（或哈特曼掩模）制 造误差的限制。

请注意，当采样误差可以忽略时，精度是针对低阶像差指定的。微透镜阵列（或哈特曼 掩模）为像差提供足够的采样非常重要。

• Which mask or microlens array can be used with Front-

Surfer?

In the reference mode, any mask or microlens array withup to several hundred subapertures over the image sensorarea can be used. For the absolute measurement mode, aprecision array with complete hexagonal or square structureof sub-apertures is required.

·FrontSurfer 可以使用哪一种掩模或微透镜阵列？

在参考测量模式下，可以使用在图像传感器区域上具有数百个子孔径的任何掩模或微透镜阵列。对于绝对测量模式，需要具有完整六边形或方形子孔径结构的精密阵列。

• Which camera can be used with FrontSurfer?

FrontSurfer can be interfaced with any camera or frame grabber, but it requires a special video plugin for FrontSurfer.Plugins for a number of popular cameras are included in thedistribution. FrontSurfer manual contains description of the

functions that should be included in the plugin. The usercan develop his own plugin following these instructions.

·FrontSurfer 可以使用哪一种摄像头？

FrontSurfer可以与任何摄像头或帧抓取器连接，但它需要FrontSurfer的特殊视频插件。 许多流行相机的插件都包含在发行版中。FrontSurfer手册包含插件中应包含的功能说 明。用户可以按照以下说明开发自己的插件。

• How to use FrontSurfer wavefront sensor for optical

shop testing?

 Setup for testing of optical components should provide opti- cal conjugation between the component under test and thewavefront sensor with proper scaling. See the section 3.4 for general recommendations and typical measurement schemes.

·如何使用FrontSurfer波前传感器进行光学车间测试？

光学元件测试装置应提供被测元件和波前传感器之间的光学共轭，并具有适当的比例。一般建议和典型测量方案见第3.4节。

Adaptive optical systems

自适应光学系统：

• What is included in a typical FrontSurfer adaptive

optics package?

 FrontSurfer adaptive optics package includes a deformable mirror with a full set of control electronics and the FrontSur- fer wavefront sensor package including FrontSurfer softwarewith adaptive optics enabled.

·典型的FrontSurfer自适应光学组件包括哪些内容？

FrontSurfer自适应光学组件包括一个带有全套控制电子设备的可变形反射镜， FrontSurfer波前传感器组件包括启用自适应光学的FrontSurfer软件。

• Which deformable mirror can be used with FrontSur-

fer?

FrontSurfer have embedded support of OKO’s deformablemirror controllers, including 24-channel ISA and PCI boardsand 40-channel USB and ethernet driver modules. Withthese features, FrontSurfer can control any mirror fromOKO Technologies - MMDM with up to 79 channels andPDM with up to 109 channels - or any custom mirror usingthe same controllers. Custom controllers can be interfaced toFrontSurfer using external libraries - plugins. FrontSurfermanual contains instructions on development of a custommirror plugin.

·哪种变形镜可用于FrontSurfer？

FrontSurfer嵌入式支持OKO的变形镜控制器，包括24通道ISA和PCI板以及40通道 USB和以太网驱动模块。通过这些功能，FrontSurfer可以控制OKO Technologies的任何 镜像（MMDM最多79个通道，PDM最多109个通道），或者使用相同的控制器控制任 何自定义镜像。自定义控制器可以使用外部库-插件连接到FrontSurfer。FrontSurfer手 册包含关于开发自定义镜像插件的说明。

• How to integrate FrontSurfer adaptive optics pack-

age into your application?

FrontSurfer adaptive optics package can be used for build-ing an adaptive optical system for correction of aberrations.Optical design of the system is dependent on the applicationand should be made by a specialist. In general, the system 

should provide optical conjugation between the optical aber-rations, deformable mirror and the wavefront sensor withproper scaling.

·如何将FrontSurfer自适应光学组件集成到您的应用程序中？

FrontSurfer自适应光学组件可用于构建用于校正像差的自适应光学系统。系统的光学设 计取决于应用，应由专家进行。一般来说，系统应提供光学像差、变形镜和具有适当比 例的波前传感器之间的光学共轭。

• What is the closed-loop correction speed in FrontSur-

fer?

The average correction rate is dependent on the camera, the computer and the available light in the system. OKO has demonstrated working AO systems with frame rates from 1 to 1500 frames per second.

·FrontSurfer中闭环校正的速度如何？

平均校正率取决于摄像机、计算机和系统中的可用灯光。OKO演示了如何使用帧速率为 每秒1到1500帧的AO系统。

• What is included in a complete adaptive optical sys-

tem from OKO Technologies?

 On demand, OKO Technologies can supply a complete closed- loop adaptive optical system (AOS), which includes all nec- essary optical and mechanical components in addition to the FrontSurfer adaptive optics package. It has a numerical aperture of 1:10 and can be applied for real-time correction of optical aberrations and generation of precision wavefronts.The system is shown in Figure 4.2.

·OKO Technologies的完整自适应光学系统包括哪些内容？

根据需要，OKO Technologies可以提供完整的闭环自适应光学系统（AOS），除了 FrontSurfer自适应光学包裹外，还包括所有必要的光学和机械组件。它的数值孔径为 1:10，可用于实时校正光学像差和生成精确的波前。

• How to improve the stability of AO operation?

·Ensure the DM, the tip-tilt correector, the WF pupil are

correctly conjugated to the aberration source (pupil).

·Make sure the image in the WFS has all spots clearlyvisible, good S/N ratio and no oversaturation.

·Make sure all other parameters are correctly set in the

software and the calibration results are sound. Check

SVD values and modes.

·如何提升自适应光学系统操作的稳定性？

1.确保DM、倾斜校正器、波前瞳与像差源（瞳孔）正确共轭。

2.确保波前传感器中的图像具有清晰可见的所有斑点、良好的信噪比和无过饱和。

3.确保软件中所有其他参数设置正确，校准结果良好。记得检查SVD值和模式。