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液晶与显示 2022年第1期37卷 21-28页

作者：张志高胡启立马文超姜律顾虎吴晶晶胡立发江南大学理学院江苏无锡214122 江苏省轻工光电工程技术研究中心江苏无锡214122 光电对抗测试评估技术重点实验河南洛阳471003 光电信息控制和安全技术重点实验室天津300308

变形镜是自适应光学(AO)系统的核心单元之一,本文提出了一种基于磁阻最小原理的新型音圈驱动器结构,在传统音圈结构设计上引入软磁材料-坡莫合金以减少磁漏,从而提高输出力与效率。使用ANSYS Maxwell建立模型进行仿真并优化了各组件的... 详细信息

变形镜是自适应光学(AO)系统的核心单元之一,本文提出了一种基于磁阻最小原理的新型音圈驱动器结构,在传统音圈结构设计上引入软磁材料-坡莫合金以减少磁漏,从而提高输出力与效率。使用ANSYS Maxwell建立模型进行仿真并优化了各组件的结构尺寸,结果表明该驱动器结构的力为3.4 N,效率可达9.05 N×W^(-1/2),响应时间为0.03 ms。同时,研究发现相邻驱动器间工作影响很小,以此确立了驱动器间距15 mm时,音圈变形镜交连值为11.7%,满足应用要求。本工作为研制大行变量、快速响应、低功耗和高驱动器密度的变形镜打下了坚实的基础,具有很好的应用前景。

关键词：自适应光学变形镜音圈驱动器交连值

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变形镜用高效率音圈驱动器的结构优化设计

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液晶与显示 2020年第11期35卷 1110-1119页

作者：曹朔张志高赵子云顾虎吴晶晶朱华新苏宙平张逸新胡立发江南大学理学院江苏无锡214122 江苏省轻工光电工程技术研究中心江苏无锡214122

音圈变形镜具有无磁滞、响应快、调制量大等优点,在大口径光学望远镜中已经替代了传统的压电变形镜。为提高音圈变形镜驱动器的效率,本文研究了影响驱动器电磁力和效率的因素,建立了音圈驱动器的三维模型,并利用有限元分析软件对其磁体... 详细信息

音圈变形镜具有无磁滞、响应快、调制量大等优点,在大口径光学望远镜中已经替代了传统的压电变形镜。为提高音圈变形镜驱动器的效率,本文研究了影响驱动器电磁力和效率的因素,建立了音圈驱动器的三维模型,并利用有限元分析软件对其磁体充磁方向、磁体尺寸、线圈尺寸和驱动器结构等参数进行了有限元仿真分析和优化。结果表明,本文设计的动磁式音圈驱动器输出力可达0.43 N,电机常数可达0.9,输出力和输入电流有良好的线性关系,为音圈变形设计和应用提供了理论基础。

关键词：变形镜音圈驱动器有限元仿真电磁力电机常数

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用于倾斜和高阶像差校正的音圈变形镜研究

用于倾斜和高阶像差校正的音圈变形镜研究

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作者：姜律江南大学

学位级别：硕士

为了获得更高的光束质量和成像分辨率,自适应光学技术在越来越多的光学系统中得到应用。变形镜是自适应光学系统中的重要单元,能够对静态像差和动态像差进行校正。其中,音圈变形镜因为驱动电压低、相位调制量大,在大型地基望远镜中补偿... 详细信息

为了获得更高的光束质量和成像分辨率,自适应光学技术在越来越多的光学系统中得到应用。变形镜是自适应光学系统中的重要单元,能够对静态像差和动态像差进行校正。其中,音圈变形镜因为驱动电压低、相位调制量大,在大型地基望远镜中补偿大气湍流引起的波前畸变。然而,用于天文观测的音圈变形镜因为体积大、成本高,难以在生物显微、可见光通信等领域中推广应用。此外,传统的自适应光学系统中,使用倾斜镜校正倾斜像差,变形镜校正高阶像差,整个系统成本较高,控制过程复杂。为了解决以上问题,本文在系统理论分析的基础上,设计了一种紧凑型音圈变形镜和一种校正全局倾斜的微偏转系统,同时提出了一种可在单镜面上实现倾斜像差和高阶像差校正的音圈变形镜结构。具体研究内容如下:(1)提出了一种紧凑型音圈变形镜,变形镜采用结构简单的微型音圈驱动器,使用ANSYS有限元软件对微型音圈驱动器的结构参数进行了优化,优化后音圈驱动器的电磁力相对于优化前提高了10%,效率提高为原来的2倍。确定镜面材料后,以波前拟合精度为评价指标,找到了69单元变形镜的最佳通光孔径和最优耦合系数区间。热分析结果显示,紧凑型音圈变形镜具有良好的热稳定性,镜面的温升在0.06 A电流下小于0.4℃,热畸变仅为12.36 nm。同时,紧凑型音圈变形镜具有0.65 ms的快速响应时间。对泽尼克像差的拟合结果表明,紧凑型音圈变形镜的波前拟合精度相较于大尺寸音圈变形镜提高了13%,可以满足小型化自适应光学系统的要求。(2)设计了一种校正全局倾斜的微偏转系统,系统采用万向型柔性铰链和簧片型柔性铰链复合传动结构,通过对比偏转台漂移量,确定驱动方式为力偶驱动。驱动器选择效率高的磁阻音圈驱动器,优化了双线圈结构磁阻音圈驱动器的尺寸参数。优化后的电流为0.03 A时驱动器可输出电磁力1.34 N,对应效率为5.72 N/W,满足微偏转系统的应用要求。以偏转幅度和归一化漂移为评价指标,逐一优化了万向型柔性铰链和簧片型柔性铰链的结构参数,优化后的微偏转系统在±1 N的力偶驱动下,偏转幅度达48.05μm(1.848 mrad),归一化漂移仅为0.0127%。结果显示,微偏转系统空载时,第一共振频率为549 Hz,其最大有效负载为25 g。(3)基于泽尼克多项式解耦波前像差的原理,提出了一种全阶像差校正的音圈变形镜结构,变形镜中的微偏转系统负责校正倾斜像差,偏转台上的紧凑型变形镜负责校正高阶像差。探究了微偏转系统对负责高阶像差校正的变形镜的影响,发现磁阻音圈驱动器的磁漏很小,对微型音圈驱动器产生的寄生力最大仅为0.018 m N,该影响可以在控制系统中进行补偿。此外,微偏转系统在最大工作电流下,使镜面温度上升0.59℃,热变形PV值仅为24 nm。使用97单元MEMS变形镜作为紧凑型变形镜原型,评估音圈变形镜的校正能力。结果显示,音圈变形镜可校正PV值高达24.94μm的倾斜像差,校正后的残余波前RMS小于1.5 nm。对于组合像差和随机像差,音圈变形镜的拟合精度均高于传统变形镜,对于像差成分为五阶泽尼克模式之内的随机像差,音圈变形镜相对于传统变形镜的拟合残余波前RMS下降率在9%以上。以上结果表明音圈变形镜能够校正倾斜像差和高阶像差,提高自适应光学系统的补偿效果,降低光路复杂度和系统成本,在眼底成像、机载成像等需要小型化自适应光学设备的系统中具有良好的应用前景。

关键词：自适应光学变形镜音圈驱动器波前像差像差校正

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高波前拟合精度的紧凑型音圈变形镜

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中国光学(中英文) 2023年第6期16卷 1463-1474页

作者：胡立发姜律胡启立徐星宇黄杨吴晶晶俞琳江南大学理学院江苏无锡214122 光电对抗测试与评估重点实验室河南洛阳471003 江苏省轻工光电工程技术研究中心江苏无锡214122

为了满足小型化自适应光学系统校正波前畸变的需求,基于系统理论分析设计了一种使用微型音圈驱动器的变形镜。使用电磁理论和有限元方法优化了微型音圈驱动器的结构参数。从热变形、共振频率、耦合系数等多个参数的角度对变形镜进行了... 详细信息

为了满足小型化自适应光学系统校正波前畸变的需求,基于系统理论分析设计了一种使用微型音圈驱动器的变形镜。使用电磁理论和有限元方法优化了微型音圈驱动器的结构参数。从热变形、共振频率、耦合系数等多个参数的角度对变形镜进行了优化。最后根据影响函数完成了波前拟合和残差计算。优化后的69单元紧凑型音圈变形镜具有大相位调制量、良好的热稳定性,第一共振频率为2220 Hz。对于PV值为1μm的前35项泽尼克模式,紧凑型音圈变形镜的拟合残差均小于30 nm。对于复杂随机像差,紧凑型VCDM能够将波前RMS降至原来的10%以下。结果表明,与传统的音圈变形镜相比,紧凑型音圈变形镜具有更高的波前拟合精度。高性能、低成本的紧凑型音圈变形镜在视网膜成像和机载成像系统中具有良好的应用前景。

关键词：自适应光学变形镜音圈驱动器多参数分析

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音圈变形镜的性能优化与多场耦合分析

音圈变形镜的性能优化与多场耦合分析

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作者：曹朔江南大学

学位级别：硕士

大气湍流扰动使光波前发生畸变,影响了天文望远镜的成像质量。随着自适应光学系统的发明与应用,畸变波前被主动校正从而提高了天文望远镜的成像分辨率。电子、机械、材料等技术的发展推动自适应光学技术应用于大功率激光、自由空间光通... 详细信息

大气湍流扰动使光波前发生畸变,影响了天文望远镜的成像质量。随着自适应光学系统的发明与应用,畸变波前被主动校正从而提高了天文望远镜的成像分辨率。电子、机械、材料等技术的发展推动自适应光学技术应用于大功率激光、自由空间光通信、眼底成像等领域,根据不同应用场景的需要,自适应光学系统中用于校正畸变波前的变形镜的种类越来越丰富。相较于压电陶瓷变形镜、薄膜变形镜、微机电系统变形镜,音圈变形镜具有调制量大、响应快、无磁滞、线性度高等优点,国外已较早开展关于音圈变形镜的研发,并成功应用于大型天文望远镜。国内关于音圈变形镜的研究尚处于实验室研究阶段。本文将对音圈变形镜进行研究,目标为设计一款可用于实验室的高效率小口径音圈变形镜,并通过有限元仿真的方法对变形镜的性能进行数值模拟。具体研究内容如下:(1)设计了一款用于变形镜的动磁式音圈驱动器,通过公式推导和有限元仿真对其结构参数进行优化。优化后的驱动器结构为双线圈动磁式音圈驱动器,其创新性的双线圈结构大大提高了驱动器的输出力和电机常数,输出力达到0.43N且与控制电流具有良好的线性关系,电机常数达到0.90,比欧洲南方天文台用于多镜望远镜自适应光学系统的音圈驱动器的电机常数提高了50%。同时该设计考虑到线圈发热的问题,减少了热量对镜面的影响。(2)设计了一个37单元音圈变形镜,驱动器阵列为正六边形排列,中心对称的排列方式简化了提取驱动器影响函数的过程。通过有限元仿真对比了K4玻璃、K9玻璃、ZERODUR微晶玻璃材料的形变能力,确定了镜面材料选用K4玻璃。采用Zernike多项式拟合像差的方法对镜面进行拟合,分析了镜面对低阶像差的拟合能力。对镜面进行模态仿真得到了镜面的固有频率为避免工作时产生共振现象提供了必要参数。(3)为了探究工作状态下音圈驱动器发热情况对变形镜性能的影响,通过多物理场耦合有限元分析仿真了音圈驱动器线圈的发热情况和对应温度情况下镜面的形变能力变化。结果表明,输入控制电流0.5A时线圈稳态温度将达到40°C,而40°C情况下镜面形变量相较于20°C情况下镜面形变量提高了11%。不同温度下镜面形变能力的较大差异影响了音圈驱动器对面形的控制精度导致校正畸变波前能力的下降,对影响函数和控制算法的优化提出了新要求。本工作通过完成高效率音圈驱动器和37单元音圈变形镜的设计和仿真验证,获得了音圈变形镜的优化设计方法,为大驱动单元数的音圈变形镜的设计打下了很好的基础;同时,本工作中提出的设计方法和思路,对用于倾斜镜和主动光学的音圈驱动器具有很好的参考价值。这对于降低变形镜的成本,推动自适应光学技术在更多领域的应用,促进天文观测、激光大气传输、眼底成像等学科领域的技术进步具有重要的意义。

关键词：自适应光学系统变形镜音圈驱动器有限元多物理场

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音圈变形镜的设计及其力学特性分析

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液晶与显示 2020年第8期35卷 801-807页

作者：刘新宇曹朔胡栋挺马文超赵子云吴晶晶朱华新苏宙平张逸新胡立发江南大学理学院江苏无锡214122 江苏省轻工光电工程技术研究中心江苏无锡214122

针对7单元音圈变形镜的结构进行了设计,对镜面进行了力学分析,并基于有限元ANSYS软件对镜面不同材料及物理参数对最大变形量及镜面应力的影响关系进行了仿真。实验结果表明,所设计的音圈变形镜在镜面具有优良力学特性的条件下,基本满足... 详细信息

针对7单元音圈变形镜的结构进行了设计,对镜面进行了力学分析,并基于有限元ANSYS软件对镜面不同材料及物理参数对最大变形量及镜面应力的影响关系进行了仿真。实验结果表明,所设计的音圈变形镜在镜面具有优良力学特性的条件下,基本满足了变形镜对校正量、影响函数等主要性能指标的要求。仿真结果可以为更多驱动单元数的音圈变形镜提供参考。

关键词：变形镜音圈驱动器光学玻璃自适应光学有限元分析

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