双压电片变形反射镜的性能分析与应用研究

论文摘要

目前国内的自适应光学系统,大多采用我国自主研发的连续表面分立驱动压电变形镜（以下简称分立变形镜）完成波前像差的校正功能,由于受限现有构造工艺,导致分立变形镜的构造成本较高且镜面尺寸较大（>30mm）,而高成本和系统难以小型化是阻碍自适应光学技术拓展应用领域的两个主要原因。在系统成本或体积受到限制的应用中,以成本相对低廉、易于小型化的新型变形镜替代现有变形镜是解决上述问题的有效途径。双压电片变形镜（Bimorph DM）是近年来在天文、军事和民用自适应光学系统中应用日益广泛的一种新型波前校正器件,以其构造相对简单、结构灵活多样和适于校正低阶像差等特性成为相关领域的研究热点。Bimorph DM在构成材料、构造方法上与分立变形镜有很多共同点,因此利用现有工艺设备及经验研制Bimorph DM是切实可行的,并且Bimorph DM器件的性能分析及应用研究对现有自适应光学系统的改进具有十分重要的意义。本论文围绕我国自行研制的20单元Bimorph DM器件,按照Bimorph DM的理论分析、器件性能测试、控制方法研究以及在闭环自适应系统中的应用探索——这样一条主线展开研究,目的在于分析Bimorph DM的性能特点,探讨适合将它作为波前校正器的应用领域。首先,采用解析法阐释了Bimorph DM器件的变形机理,详细推导了反映其变形量与加载电压之间关系的双调和方程,并且通过求解该方程给出了紧支撑条件下圆形Bimorph DM影响函数的解析表达式。利用该表达式分析了变形量随各因素的变化规律。分析表明,Bimorph DM电极的变形量与加载电压的幅值成正比,与压电层厚度的平方成反比。当电极面积加倍时,变形量增加约1.4倍。针对目前国际上Bimorph DM向多层结构发展的趋势,首次利用上述表达式对比分析了2层、3层和5层Bimorph DM结构,指出层数增多带来的优势及问题;为进一步验证解析法得到的结论,采用有限元模型对影响Bimorph DM变形量的主要因素进行了定量计算,弥补了解析法中引入边界近似的不足,使理论分析更加切近实际器件的真实情况。然后,实验测试分析了20单元Bimorph DM器件的初始面形、影响函数、变形量——电压特性曲线、影响函数的线性叠加特性、蠕爬现象、面形热稳定性以及频率响应等性能参数。经测定,20单元Bimorph DM各电极的影响函数具有较好的旋转对称性;变形量——电压特性曲线近似成环形,加载电压与变形量之间并不是一一对应关系,电压一定时表面变形量的具体数值还与器件前一时刻的状态有关;在温度引起的Bimorph DM面形变化中离焦项贡献最大,在13℃到25℃的测试区间内,离焦项P-V值增大了1.37μm ,而像散、彗差和球差项的P-V变化均小于0.15μm ,面形热稳定性主要由材料的热膨胀系数决定;Bimorph DM的响应频率大约在4kHz左右。其次,介绍了分立变形镜配合哈特曼传感器自适应系统中使用的直接斜率控制算法,通过对离焦电极的解耦操作,提出了适合20单元Bimorph DM配合哈特曼传感器自适应系统的修正控制算法。这种解耦操作,对同时采用两个或两个以上变形镜进行像差校正的自适应光学系统也适用。再次,搭建了基于20单元Bimorph DM和哈特曼传感器的自适应光学系统,采用哈特曼传感器和CCD相机同时探测近场波前和远场聚焦光斑,从不同角度说明Bimorph DM对低阶像差的良好空间校正能力。实验表明,Bimorph DM对于自身初始面形具有较好的补偿能力,该能力可以适当降低对器件构造的工艺要求;Bimorph DM各电极对电压响应重复性较好,压电材料的迟滞和蠕爬现象等特性对器件静态像差的校正影响较小,系统闭环后各像差的远场光斑分布得到显著改善;除个别项外,Bimorph DM对3-20项Zernike像差的拟合误差都小于0.5,体现了Bimorph DM适合校正大幅度、低阶像差的优势。此外,分析了变形镜镜面有效孔径和哈特曼传感器通光孔径的对准误差对实验结果的影响。针对目前人眼视网膜成像系统提出了36单元Bimorph DM的设计方案,并对该方案进行了理论论证。结果表明400v电压加载下,36单元Bimorph DM在20mm口径内离焦电极变形量达到2.89μm ,各电极总变形量达8.49μm ;通过对比36单元Bimorph DM方案、现有20单元Bimorph DM、以及目前人眼系统中使用的37单元分立变形镜对3-35项Zernike像差的拟合效果,表明36单元Bimorph DM对前25项Zernike的理论拟合误差都小于0.5,可以达到人眼视网膜成像系统的像差校正要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 综述
• 第一章 前言
• 1.1 自适应光学的基本概念
• 1.2 自适应光学的发展历程
• 1.3 我国自适应光学技术的发展
• 1.4 双压电片变形反射镜的发展
• 1.5 本论文的研究背景及主要内容
• 第二章 自适应光学基本理论
• 2.1 波前传感技术
• 2.2 波前复原算法
• 2.3 波前校正技术
• 2.4 波前控制技术
• 2.5 像差描述方法及光束质量评价标准
• 2.5.1 像差的Zernike多项式描述方法
• 2.5.2 光束质量评价标准
• 第三章 几种微小型变形镜性能比较分析
• 3.1 液晶空间光调制器（LC-SLM）
• 3.1.1 LC-SLM的工作原理
• 3.1.2 LC-SLM性能分析
• 3.1.3 LC-SLM的研究现状
• 3.2 微机械分立变形镜（MEMS DM）
• 3.2.1 MEMS DM构造方法及工作原理简介
• 3.2.2 MEMS DM性能分析
• 3.2.3 MEMS DM的研究现状
• 3.3 微机械薄膜变形镜（MMDM）
• 3.3.1 MMDM的构造方法及工作原理
• 3.3.2 MMDM性能分析
• 3.3.3 MMDM的研究现状
• 3.4 双压电片变形镜（Bimorph DM）
• 3.4.1 Bimorph DM构造方法及工作原理
• 3.4.2 Bimorph DM性能分析
• 3.4.3 Bimorph DM发展趋势
• 3.5 本章小结
• 双压电片变形镜研究
• 第四章 双压电片变形镜理论分析——解析法
• 4.1 基本理论工具
• 4.1.1 胡克定律
• 4.1.2 压电效应
• 4.1.3 层分析理论（Classical Lamination Theory）
• 4.1.4 中性面的定义
• 4.1.5 基本假设
• 4.2 双调和方程的推导
• 4.3 双调和方程的求解
• 4.3.1 边界条件
• 4.3.2 影响函数在边界点的补充定义
• 4.4 任意形状加载影响函数的计算
• 4.5 影响Bimorph DM变形量因素分析
• 4.6 各种层结构的Bimorph DM性能比较
• 4.7 解析法的局限性
• 4.8 本章小结
• 第五章 双压电片变形镜理论分析——有限元法
• 5.1 ALGOR有限元软件简介
• 5.2 Bimorph DM有限元模型的建立及分析方法
• 5.3 影响Bimorph DM变形因素的有限元模型验证
• 5.4 本章小结
• 第六章 双压电片变形镜性能测试、分析
• 6.1 结构参数
• 6.2 影响函数
• 6.2.1 影响函数的测量
• 6.2.2 变形量——电压特性曲线
• 6.2.3 影响函数的线性叠加特性
• 6.2.4 蠕爬现象（Creep）
• 6.2.5 测量结果与理论计算结果对比分析
• 6.3 面形热稳定性
• 6.3.1 实验装置及测量方法
• 6.3.2 Bimorph DM温度敏感系数测量结果
• 6.3.3 Bimorph DM面形热稳定性有限元分析
• 6.4 频率响应特性
• 6.5 本章小结
• 第七章 20 单元双压电片变形镜与哈特曼配合控制方法研究
• 7.1 连续表面分立驱动压电变形镜配合哈特曼传感器的直接斜率法
• 7.2 Bimorph DM与连续表面分立驱动压电变形镜的异同
• 7.2.1 结构及装夹固定
• 7.2.2 驱动方式
• 7.2.3 影响函数
• 7.2.4 电极之间的耦合关系
• 7.3 Bimorph DM配合哈特曼传感器的修正控制方法
• 7.4 本章小结
• 第八章 基于20 单元双压电片变形镜自适应光学系统闭环校正实验
• 8.1 Bimorph DM闭环校正静态像差实验
• 8.1.1 实验目的和系统结构
• 8.1.2 方法和步骤
• 8.1.3 实验结果分析及仿真对比
• 8.2 Bimorph DM对Zernike像差拟合能力测试实验
• 8.2.1 实验方法和步骤
• 8.2.2 实验结果分析及仿真对比
• 8.3 实验误差分析及存在问题说明
• 8.4 本章小结
• 第九章 用于人眼视网膜成像系统的双压电片变形镜设计
• 9.1 人眼像差简介
• 9.2 自适应光学在眼科学中的应用
• 9.3 Bimorph DM设计方案及其仿真论证
• 9.4 本章小结
• 结束语
• 第十章 总结与展望
• 10.1 本论文的主要研究内容和结论
• 10.2 主要创新点
• 10.3 研究意义
• 10.4 后续工作展望
• 附录
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的论文目录
• 致谢