一种基于微型音圈驱动器的紧凑型音圈变形镜制造技术

本发明专利技术公开了一种基于微型音圈驱动器的紧凑型音圈变形镜，属于自适应光学领域。本申请考虑微音圈驱动器的输出力相比常规的音圈驱动器小了两到三个量级，采用聚酰亚胺替代常规所采用的玻璃、碳化硅等刚度系数大的材料做薄镜面，为了使其满足刚度要求，通过弹簧结构为其提供一定的刚度，并综合考虑音圈变形镜的结构参数、材料、工作电流等与音圈变形镜的相位调制量、频率等性能的相关性，平衡和优化结构参数，获得综合性能最佳的紧凑型音圈变形镜。经过实验验证，本申请提供的单个微型驱动器可达到最大输出力为1mN，电机常数0.032N

【技术实现步骤摘要】
一种基于微型音圈驱动器的紧凑型音圈变形镜


[0001]本专利技术涉及一种基于微型音圈驱动器的紧凑型音圈变形镜，属于自适应光学领域。

技术介绍

[0002]自适应光学系统里重要的器件之一变形镜，又称变形反射镜(deformable mirror，DM)，主要用于校正波前畸变，补偿由于大气湍流、重力和温度等引起的光学系统像差的变化；在眼底视网膜高分辨率成像系统中，也可以用于补偿人眼的像差，获得视网膜细胞的高分辨率图像。常见的变形镜有分立促动器连续镜面变形镜、分块拼接式变形镜、双压电变形镜、薄膜变形镜、MEMS(Micro Electromechanical System，MEMS)变形镜和自适应次镜。其中应用最广泛的是压电变形镜，但它受限于材料特性具有迟滞、调制量低、驱动电压高且体积大等缺点，在眼底成像、生物显微成像等系统中不具优势，而基于音圈电磁驱动器的变形次镜因其行程大、无迟滞、精度高、响应快等特点被多个大型望远镜系统采用，取得不错的观测效果。
[0003]1993年，意大利切特里天文台的Piero Salinari首次提出使用音圈驱动器来控制自适应光学系统的可变形次镜[P.Salinari,C.Del Vecchio and V.Biliotti,A study of an adaptive secondary mirror[C].in Proc.ESO Conference,ICO
‑
16 Satellite Conference,Active and Adaptive Optics,August 1993]。他们在当时条件下可以将驱动器直径做到25mm内，并且估算了单个驱动器的功率范围为0.3W至0.5W。这种基于音圈驱动器的新型变形镜简化了自适应光学系统，提高了成像分辨率。2012年，具有1170个驱动器的可变形次镜在VLT(Very Large Telescope，VLT)望远镜上安装[BIASI R,ANDRIGHETTONI M,ANGERER G.VLT deformable secondary mirror:integration and electromechanical tests results[C]//Adaptive Optics Systems III.International Society for Optics and Photonics,2012,8447:84472G.]，镜面直径1.12m，响应时间0.5ms。这些变形镜的音圈驱动器直径从20mm到30mm不等，更适合地基大口径光学望远镜的自适应次镜。但音圈驱动器直径过大，会限制音圈变形镜在自适应光学系统中的应用。因此，研究基于微型音圈驱动器的变形镜非常重要，它的高密度驱动器有利于高精度波前校正，从而获得高分辨率图像。
[0004]1997年，C.Divoux和O.Cugat研究了微型音圈可变形镜[C.Divoux,O.Cugat,G.Reyne,J.Boussey
‑
Said,and S.Basrour,"Deformable mirror using magnetic membranes:Application to adaptive optics in astrophysics,"IEEE Trans.Magn.34,3564
‑
3567(1998).]，早期的设计受限于当时计算机和有限元分析的发展水平，电流引起的温度升高非常明显，综合性能比较差。2006年，EJFernandez使用Imagine Eyes公司制造的MIRAO 52可变形镜进行人眼像差校正[E.J.Fernandez,L.Vabre,B.Hermann,A.Unterhuber,B.Povazay,and W.Drexler,"Adaptive optics with a magnetic deformable mirror:applications in the human eye,"Opt.Express 14,8900
‑
8917
(2006).]。但目前有关该公司的音圈变形镜的文章主要是应用方面的报道，没有理论和结构设计方面的报道。
[0005]常规音圈变形镜的音圈驱动器直径在20mm左右，结构尺寸比较大，且变形镜的镜面可以采用玻璃、碳化硅等材料，其本身有一定的刚度，因此，其驱动器可以采用多种结构来进行设计。而微音圈驱动器的直径在毫米量级，约1～2mm左右，尽管微音圈驱动器给紧凑型音圈变形镜的各种应用带来了结构紧凑、驱动电压低、校正精度高等优点，但也给设计带来了困难：
[0006]1)微音圈驱动器的输出力相比常规的音圈驱动器小了两到三个量级，因此，不能用玻璃、碳化硅等刚度系数大的材料做薄镜面；
[0007]2)微音圈驱动器和其镜面之间如何连接才能使得微音圈驱动器既具有一定的刚度，又不能像常规音圈变形镜有那么大的刚度。
[0008]3)一般应用要求变形镜具有大的相位调制深度，这要求增大输入电流，而大的电流会引起热损耗引起温度升高，微音圈驱动器及其排列如果设计不合理，会由于空间狭小、散热不畅导致温度升高，从而导致薄镜面面形变化，影响校正效果和成像质量。
[0009]4)以往文献报道的只侧重于紧凑型音圈变形镜的某一项性能的提升。而音圈变形镜的结构参数、材料、工作电流等与音圈变形镜的相位调制量、频率等性能密切相关；而且，随着自适应光学技术在眼底视网膜成像、超分辨显微成像、激光大气传输等等应用对光束质量的要求提高，减小音圈变形镜的体积，提高其综合性能非常关键。
[0010]因此，考虑应用对微型音圈驱动器的紧凑型变形镜的性能指标的理论要求，如何平衡和优化设计结构参数，获得综合性能最佳的紧凑型音圈变形镜成为一个亟待解决的难题。

技术实现思路

[0011]为了提供一种结构紧凑、驱动电压低、校正精度高、波前校正能力更好的变形镜，本申请提供了一种微型音圈驱动器，所述微型音圈驱动器直径在毫米量级，包括：薄镜、支柱、永磁体、音圈和弹簧；所述永磁体通过支柱与薄镜相连，且所述弹簧套在所述支柱上；所述音圈与永磁体同轴，且位于其下方，与永磁体之间存在间隙。
[0012]可选的，所述薄镜材料为聚酰亚胺。
[0013]可选的，所述薄镜厚度20μm～50μm。
[0014]可选的，所述音圈的内半径和外半径均分别为0.2
±
0.02mm和2
±
0.2mm，高度设置为1
±
0.05mm。
[0015]可选的，所述永磁体的半径为1
±
0.1mm，高度设置为0.2
±
0.02mm。
[0016]可选的，所述音圈为铜线圈。
[0017]可选的，所述铜线圈为线径0.1mm铜漆包线。
[0018]本申请还提供一种基于微型音圈驱动器的紧凑型音圈变形镜，所述变形镜包括若干权利要求1
‑
6所述的微型音圈驱动器和弹簧固定本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种微型音圈驱动器，其特征在于，所述微型音圈驱动器直径在毫米量级，包括：薄镜、支柱、永磁体、音圈和弹簧；所述永磁体通过支柱与薄镜相连，且所述弹簧套在所述支柱上；所述音圈与永磁体同轴，且位于其下方，与永磁体之间存在间隙。2.根据权利要求1所述的微型音圈驱动器，其特征在于，所述薄镜材料为聚酰亚胺。3.根据权利要求2所述的微型音圈驱动器，其特征在于，所述音圈的内半径和外半径均分别为0.2
±
0.02mm和2
±
0.2mm，高度设置为0.4
±
0.04mm。4.根据权利要求3所述的微型音圈驱动器，其特征在于，所述永磁体的半径均为1
±
0.1mm，高度设置为0.2
±
0.02mm。5.根据权利要求3所述的微型音圈驱动器，其特征在于，所述音圈为铜线...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡立发，姜律，徐星宇，杨燕燕，冯佳濠，华晟骁，吴晶晶，黄杨，
申请(专利权)人：江南大学，
类型：发明
国别省市：