1、光学工程专业毕业论文 精品论文 双压电片变形反射镜的性能分析与应用研究关键词：反射镜 双压电片变形镜 优化设计 性能分析 波前校正器摘要：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(gt;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(BimorphDM)是近年来在天文、军事和民用自适应光学系
2、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。BimorphDM 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 BimorphDM 是切实可行的，并且 BimorphDM 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 BimorphDM 器件，按照 BimorphDM 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：BimorphDM的性能特点，探讨适合将它作为波前校
3、正器的应用领域。 首先，采用解析法阐释了 BimorphDM 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 BimorphDM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，BimorphDM 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BimorphDM 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 BimorphDM 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
4、元模型对影响 BimorphDM 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 BimorphDM 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 BimorphDM 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 BimorphDM 面形变化中离焦项贡献最大，在 13到 25的测
5、试区间内，离焦项 P-V 值增大了 1.37m，而像散、彗差和球差项的 P-V 变化均小于 0.15m，面彤热稳定性主要由材料的热膨胀系数决定；BimorphDM 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 BimorphDM 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 BimorphDM 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
6、远场聚焦光斑，从不同角度说明 BimorphDM 对低阶像差的良好空间校正能力。实验表明，BimorphDM 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；BimorphDM 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，BimorphDM 对 3-20 项 Zemike像差的拟合误差都小于 0.5，体现了 BimorphDM 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
7、出了 36 单元BimorphDM 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 BimorphDM 在 20mm 口径内离焦电极变形量达到 2.89m，各电极总变形量达 8.49m；通过对比 36 单元 BimorphDM 方案、现有 20 单元BimorphDM、以及目前人眼系统中使用的 37 单元分立变形镜对 3-35 项 Zemike像差的拟合效果，表明 36 单元 BimorphDM 对前 25 项 Zemike 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。正文内容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
8、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(gt;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(BimorphDM)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。BimorphDM 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
9、现有工艺设备及经验研制 BimorphDM 是切实可行的，并且BimorphDM 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 BimorphDM 器件，按照BimorphDM 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：BimorphDM 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BimorphDM 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 BimorphDM 影响
10、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，BimorphDM 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 BimorphDM 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BimorphDM 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 BimorphDM 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 BimorphDM 器
11、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 BimorphDM 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 BimorphDM 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 1.37m，而像散、彗差和球差项的P-V 变化均小于 0.15m，面彤热稳定性主要由材料的热膨胀系数决定；BimorphDM 的响应频率大约在 4kHz 左右。
12、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 BimorphDM 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 BimorphDM 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 BimorphDM 对低阶像差的良好空间校正能力。实验表明，BimorphDM 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
13、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，BimorphDM 对 3-20 项 Zemike 像差的拟合误差都小于 0.5，体现了 BimorphDM 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 BimorphDM 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BimorphDM 在 20mm 口径内离焦电极变形量达到 2.89m，各电极总
14、变形量达8.49m；通过对比 36 单元 BimorphDM 方案、现有 20 单元 BimorphDM、以及目前人眼系统中使用的 37 单元分立变形镜对 3-35 项 Zemike 像差的拟合效果，表明 36 单元 BimorphDM 对前 25 项 Zemike 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。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(gt;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
15、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(BimorphDM)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。BimorphDM 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 BimorphDM 是切实可行的，并且BimorphDM 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 Bimorp
16、hDM 器件，按照BimorphDM 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：BimorphDM 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BimorphDM 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 BimorphDM 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，BimorphDM 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
17、前国际上 BimorphDM 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BimorphDM 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 BimorphDM 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 BimorphDM 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 BimorphDM 各电极的影响函数具有较好的旋转对称性；变形量-电
18、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 BimorphDM 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 1.37m，而像散、彗差和球差项的P-V 变化均小于 0.15m，面彤热稳定性主要由材料的热膨胀系数决定；BimorphDM 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 BimorphDM 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
19、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 BimorphDM 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 BimorphDM 对低阶像差的良好空间校正能力。实验表明，BimorphDM 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；BimorphDM 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，BimorphDM 对 3-20 项 Zemike 像
20、差的拟合误差都小于 0.5，体现了 BimorphDM 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 BimorphDM 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BimorphDM 在 20mm 口径内离焦电极变形量达到 2.89m，各电极总变形量达8.49m；通过对比 36 单元 BimorphDM 方案、现有 20 单元 BimorphDM、以及目前人眼系统中使用的 37 单元分立变形镜对 3-35 项 Zemike 像差的拟合效果，表明
21、 36 单元 BimorphDM 对前 25 项 Zemike 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。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(gt;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(BimorphDM)是近年来在天文、军事和民用自适应光学系统
22、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。BimorphDM 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 BimorphDM 是切实可行的，并且BimorphDM 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 BimorphDM 器件，按照BimorphDM 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：BimorphDM 的性能特点，探讨适合将它作为波前校正器
23、的应用领域。 首先，采用解析法阐释了BimorphDM 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 BimorphDM 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，BimorphDM 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 BimorphDM 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BimorphDM 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
24、型对影响 BimorphDM 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 BimorphDM 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 BimorphDM 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 BimorphDM 面形变化中离焦项贡献最大，在 13到25的测试区间
25、内，离焦项 P-V 值增大了 1.37m，而像散、彗差和球差项的P-V 变化均小于 0.15m，面彤热稳定性主要由材料的热膨胀系数决定；BimorphDM 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 BimorphDM 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 BimorphDM 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
26、光斑，从不同角度说明 BimorphDM 对低阶像差的良好空间校正能力。实验表明，BimorphDM 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；BimorphDM 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，BimorphDM 对 3-20 项 Zemike 像差的拟合误差都小于 0.5，体现了 BimorphDM 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
27、36 单元 BimorphDM 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BimorphDM 在 20mm 口径内离焦电极变形量达到 2.89m，各电极总变形量达8.49m；通过对比 36 单元 BimorphDM 方案、现有 20 单元 BimorphDM、以及目前人眼系统中使用的 37 单元分立变形镜对 3-35 项 Zemike 像差的拟合效果，表明 36 单元 BimorphDM 对前 25 项 Zemike 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。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
28、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(gt;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(BimorphDM)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。BimorphDM 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
29、及经验研制 BimorphDM 是切实可行的，并且BimorphDM 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 BimorphDM 器件，按照BimorphDM 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：BimorphDM 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BimorphDM 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 BimorphDM 影响函数的解析表
30、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，BimorphDM 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 BimorphDM 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BimorphDM 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 BimorphDM 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 BimorphDM 器件的初始面形
31、、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 BimorphDM 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 BimorphDM 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 1.37m，而像散、彗差和球差项的P-V 变化均小于 0.15m，面彤热稳定性主要由材料的热膨胀系数决定；BimorphDM 的响应频率大约在 4kHz 左右。 其次，介绍了
32、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 BimorphDM 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 BimorphDM 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 BimorphDM 对低阶像差的良好空间校正能力。实验表明，BimorphDM 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；BimorphDM 各电极
33、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，BimorphDM 对 3-20 项 Zemike 像差的拟合误差都小于 0.5，体现了 BimorphDM 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 BimorphDM 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BimorphDM 在 20mm 口径内离焦电极变形量达到 2.89m，各电极总变形量达8.
34、49m；通过对比 36 单元 BimorphDM 方案、现有 20 单元 BimorphDM、以及目前人眼系统中使用的 37 单元分立变形镜对 3-35 项 Zemike 像差的拟合效果，表明 36 单元 BimorphDM 对前 25 项 Zemike 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。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(gt;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
35、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(BimorphDM)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。BimorphDM 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 BimorphDM 是切实可行的，并且BimorphDM 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 BimorphDM 器件
36、，按照BimorphDM 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：BimorphDM 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BimorphDM 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 BimorphDM 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，BimorphDM 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 B
37、imorphDM 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BimorphDM 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 BimorphDM 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 BimorphDM 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 BimorphDM 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
38、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 BimorphDM 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 1.37m，而像散、彗差和球差项的P-V 变化均小于 0.15m，面彤热稳定性主要由材料的热膨胀系数决定；BimorphDM 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 BimorphDM 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
39、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 BimorphDM 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 BimorphDM 对低阶像差的良好空间校正能力。实验表明，BimorphDM 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；BimorphDM 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，BimorphDM 对 3-20 项 Zemike 像差的拟合误差
40、都小于 0.5，体现了 BimorphDM 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 BimorphDM 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BimorphDM 在 20mm 口径内离焦电极变形量达到 2.89m，各电极总变形量达8.49m；通过对比 36 单元 BimorphDM 方案、现有 20 单元 BimorphDM、以及目前人眼系统中使用的 37 单元分立变形镜对 3-35 项 Zemike 像差的拟合效果，表明 36 单元
41、 BimorphDM 对前 25 项 Zemike 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。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(gt;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(BimorphDM)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
42、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。BimorphDM 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 BimorphDM 是切实可行的，并且BimorphDM 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 BimorphDM 器件，按照BimorphDM 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：BimorphDM 的性能特点，探讨适合将它作为波前校正器的应用领域。
43、 首先，采用解析法阐释了BimorphDM 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 BimorphDM 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，BimorphDM 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 BimorphDM 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BimorphDM 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 B
44、imorphDM 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 BimorphDM 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 BimorphDM 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 BimorphDM 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
45、P-V 值增大了 1.37m，而像散、彗差和球差项的P-V 变化均小于 0.15m，面彤热稳定性主要由材料的热膨胀系数决定；BimorphDM 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 BimorphDM 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 BimorphDM 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
46、角度说明 BimorphDM 对低阶像差的良好空间校正能力。实验表明，BimorphDM 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；BimorphDM 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，BimorphDM 对 3-20 项 Zemike 像差的拟合误差都小于 0.5，体现了 BimorphDM 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
47、BimorphDM 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BimorphDM 在 20mm 口径内离焦电极变形量达到 2.89m，各电极总变形量达8.49m；通过对比 36 单元 BimorphDM 方案、现有 20 单元 BimorphDM、以及目前人眼系统中使用的 37 单元分立变形镜对 3-35 项 Zemike 像差的拟合效果，表明 36 单元 BimorphDM 对前 25 项 Zemike 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。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
48、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(gt;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(BimorphDM)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。BimorphDM 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
49、BimorphDM 是切实可行的，并且BimorphDM 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 BimorphDM 器件，按照BimorphDM 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：BimorphDM 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BimorphDM 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 BimorphDM 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，BimorphDM 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 BimorphDM 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BimorphDM 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
