学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

压电厚膜驱动的变形镜技术研究

作　者: 马剑强
导　师: 褚家如
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 精密仪器及机械
关键词: 自适应光学变形镜压电厚膜 MEMS 波前校正
分类号: TH74
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
下　载: 228次
引　用: 0次
阅　读: 论文下载

内容摘要

自适应光学技术对波前畸变进行实时测量并校正,能够补偿诸如大气湍流等动态扰动的影响,获得接近系统衍射极限的分辨率。随着自适应光学技术的发展,已经在天文望远镜、视网膜成像、激光光束整形、光通信等领域得到应用。变形镜作为一种波前校正器,是自适应光学系统的核心部件。其中,基于压电驱动的变形镜以其大变形量、高带宽等优点受到研究者的青睐。本论文以PZT厚膜作为驱动材料,以研究低成本、低驱动电压、大变形量变形镜为目标,对压电厚膜 MEMS变形镜和双驱动模式单压电片变形镜这两种变形镜进行研究。(1)压电厚膜MEMS变形镜研究。首先采用影响函数矩阵法研究变形镜参数对波前校正能力的影响,完善基于薄板理论和压电方程的电-机械耦合模型预测变形镜的变形行为。在此基础之上,对变形镜的结构参数如排列方式、致动器数目、影响函数、致动器尺寸、PZT/Si层厚度、镜面厚度等进行优化设计。研究压电厚膜MEMS变形镜的制作流程及关键工艺,采用研磨抛光技术实现高平整度硅基PZT的制备,成功研制满足波前校正要求的61单元变形镜样机。最后对变形镜样机进行测试,结果显示：100V工作电压获得约5μm的致动器变形量,一阶谐振频率为18kHz,16mm口径内PV幅值约为21μm,采用19单元和37单元对Zernike多项式像差进行重构,实验结果证明其具有较强的校正能力并适用于高阶像差的校正。(2)双驱动模式单压电片变形镜研究。该变形镜由两种类型致动器驱动：中心的致动器阵列用于校正波前像差,环形致动器用于产生整体偏置,只用正向驱动电压实现了双向波前校正能力。论文对其进行建模、优化、制备及测试。结果显示该变形镜的致动器变形量约为5μm@100V,最大离焦幅值为～15pm,初始镜面校平后优于λ/20RMS能够精确重构前5阶Zernike多项式面形,显示其优异的波前校正能力。该变形镜具有低成本、低驱动电压、大变形量等优势,具有在自适应光学中应用的潜力。(3)变形镜控制方法研究。研究基于波前反馈的控制方法,包括影响函数矩阵法和基于最速下降的闭环控制方法。通过影响函数方法实现变形镜初始镜面的校平,并重构Zernike多项式像差表征变形镜的波前校正性能。研究变形镜在光斑整形中的应用并搭建相应的实验装置。采用点扩散函数研究波前像差对光斑质量的影响。研究基于搜索算法(如模拟退火算法)的闭环反馈控制算法。经过变形镜对光束的校正,系统获得了按近衍射极限的聚焦光斑,为下一步应用奠定基础。基于以上研究,本论文在以下几个方面具有创新之处：(1)成功制备了满足波前校正要求的压电MEMS变形镜这一新类型变形镜,并对其校正性能进行表征；(2)提出了一种新型的双驱动模式单压电片变形镜,以正向驱动电压实现了双向波前校正能力；(3)搭建了基于泰曼-格林干涉仪的变形镜实验平台,可进行基于波前反馈和基于搜索算法的控制算法的实验研究。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-12
第1章绪论  12-34
  1.1 自适应光学  12-19
    1.1.1 自适应光学原理  12-14
    1.1.2 自适应光学发展历程  14-16
    1.1.3 自适应光学应用  16-19
  1.2 变形镜  19-31
    1.2.1 变形镜结构形式  19-20
    1.2.2 变形镜主要性能指标  20-21
    1.2.3 典型变形镜结构分析  21-28
    1.2.4 变形镜性能比较  28-30
    1.2.5 国内变形镜技术发展现状  30-31
  1.3 研究目的和意义  31-32
  1.4 本论文内容及结构  32-34
第2章压电厚膜 MEMS变形镜设计  34-56
  2.1 变形镜校正性能优化  34-40
    2.1.1 压电厚膜MEMS变形镜  34-35
    2.1.2 Zernike多项式  35-37
    2.1.3 影响函数矩阵法重构面形  37-38
    2.1.4 变形镜波前校正性能优化  38-40
  2.2 变形镜结构参数优化  40-50
    2.2.1 压电MEMS变形镜数值模型  40-45
    2.2.2 致动器变形的解析与有限元比较  45-46
    2.2.3 变形镜结构参数优化  46-50
  2.3 变形镜设计总结  50-52
  2.4 复合式致动器研究  52-54
    2.4.1 复合式致动器工作原理  52
    2.4.2 致动器应力分析  52-53
    2.4.3 仿真及实验比较  53-54
  2.5 本章小结  54-56
第3章压电厚膜MEMS变形镜制备与表征  56-80
  3.1 压电厚膜MEMS变形镜制备  56-62
    3.1.1 制备工艺流程  56-58
    3.1.2 关键工艺研究  58-60
    3.1.3 变形镜样机  60-62
  3.2 变形镜驱动电路制备  62-66
    3.2.1 驱动电路方案设计  62-63
    3.2.2 96通道驱动电源性能测试  63-66
  3.3 变形镜性能表征方法研究  66-70
    3.3.1 变形镜性能表征方法  66-67
    3.3.2 四步移相法重构镜面形貌原理  67-68
    3.3.3 镜面形貌测量实验  68-70
  3.4 变形镜性能表征  70-78
    3.4.1 致动器性能测试  70-75
    3.4.2 镜面性能测试  75-78
  3.5 本章小结  78-80
第4章控制算法及校正性能研究  80-100
  4.1 基于波前探测的控制方法  80-84
    4.1.1 影响函数矩阵法  81-82
    4.1.2 基于最速下降法的波前反馈闭环控制算法  82-84
  4.2 变形镜校正性能分析  84-89
    4.2.1 初始而形校正  84-86
    4.2.2 Zernike多项式像差重构  86-89
  4.3 光束整形研究  89-93
    4.3.1 有像差系统的光学点扩散函数  89-91
    4.3.2 变形镜光束整形能力仿真  91-93
  4.4 基于搜索算法的控制方法  93-96
    4.4.1 模拟退火算法  94-95
    4.4.2 模拟退火算法校正仿真  95-96
  4.5 光斑整形实验研究  96-99
    4.5.1 光斑整形实验系统  96-97
    4.5.2 实验结果及分析  97-99
  4.6 本章小结  99-100
第5章双驱动模式单压电片变形镜  100-122
  5.1 双驱动模式单压电片变形镜  100-108
    5.1.1 单压电片变形镜  100-102
    5.1.2 单压电片变形镜设计  102-103
    5.1.3 双驱动模式单压电片变形镜  103-105
    5.1.4 双驱动模式单压电片变形镜模型  105-106
    5.1.5 双驱动模式单压电片变形镜设计  106-107
    5.1.6 有限元仿真设计  107-108
  5.2 双驱动模式单压电片变形镜制备  108-110
  5.3 变形镜性能表征  110-115
    5.3.1 变形量表征  110-112
    5.3.2 工作带宽表征  112-113
    5.3.3 镜面质量表征  113-115
  5.4 变形镜校正性能表征  115-119
    5.4.2 Zernikc多项式重构  115-117
    5.4.3 光斑校正性能表征  117-119
  5.5 与国内外变形镜性能比较  119-120
  5.6 本章小结  120-122
第6章总结与展望  122-126
  6.1 总结  122-123
    6.1.1 本论文主要工作  122-123
    6.1.2 本论文主要创新点  123
  6.2 展望  123-126
    6.2.1 压电厚膜MEMS变形镜  123-124
    6.2.2 双驱动模式单压电片变形镜  124
    6.2.3 变形镜的应用  124-126
参考文献  126-136
在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果  136-138
致谢  138

压电厚膜驱动的变形镜技术研究

内容摘要

全文目录

相似论文