正电压边缘驱动的双压电片变形镜研制

为提高变形镜的热稳定性,提出一种用正电压边缘驱动的双压电片变形镜,通过环形电极产生整体离焦偏置,分立电极校正波前像差,只用正向电压即可实现镜面双向变形,且此变形镜结构对称受热应力影响小.制备变形镜样机并进行测试,测试结果表明:初始镜面展平后残余误差小于λ/30(λ=1 064nm);精确重构了典型低阶Zernike多项式像差,像散、离焦、三叶草和彗差像差的重构幅值分别达到11.1μm、9.7μm、5.7μm和4.2μm,归一化残余误差分别为1.0%、1.0%、3.3%、6.0%;此外,实验生成了新型无衍射艾里光束,并显示出优异的重构性能.     

带像差校正功能的柔性变焦透镜

为了校正柔性变焦透镜变焦过程中出现的光学像差,提出了一种带校正像差功能的柔性变焦透镜。所提透镜由变焦模块和基于压电致动器的像差校正模块组成。制备了变焦透镜的原理样机并搭建实验光学系统对其进行了测试。测试结果表明,所提透镜可实现-1～5 D的屈光力变化;像差校正模块可精确重构3～9项Zernike多项式像差,归一化残余误差小于4%;对不同屈光力下的系统像差进行校正,校正后系统的波前像差下降幅值均在76%以上,系统成像质量明显提升。     

变形镜生成贝塞尔光束的质量影响因素分析

为了提高变形镜生成的贝塞尔光束的质量,探究其影响因素,研究了变形镜致动器环数以及光束入射角对贝塞尔光束质量的影响。当致动器环数从3环增大到5环时,变形镜重构的10μm幅值锥形相位的残差方均根从70 nm降低到26 nm,降低了变形镜圆顶角对光束质量的影响,所生成的贝塞尔光束轴向光强分布更接近理想分布,证明提高变形镜致动器环数可有效提高贝塞尔光束的质量。另外,采用入射角分别为15°、30°、45°的光束生成贝塞尔光束,实验结果表明,所生成的贝塞尔光束质量均较高,且不受光束入射角影响。本研究可为变形镜生成高质量贝塞尔光束提供参考,有利于其应用。     

基于泽尼克多项式的单压电变形镜PID控制

为了提高变形镜的控制精度及简化控制, 提出采用基于泽尼克(Zernike)多项式的PID控制算法, 实现对单压电变形镜的闭环反馈控制. 首先, 建立基于Zernike多项式的PID闭环控制模型. 其次, 搭建基于哈特曼波前传感器的自适应光学测试平台, 使用62单元单压电变形镜进行闭环控制实验. 最后, 通过相位片模拟扰动像差, 并对扰动像差进行实时PID闭环校正. 实验结果表明: 在相位片旋转速度和外界扰动像差相同的条件下, 采用基于Zernike多项式的PID控制算法对波前像差进行校正, 比采用直接反馈方法校正精度提高了50%左右. 证明采用基于Zernike多项式的PID控制算法能提高单压电变形镜动态像差的校正精度以及简化控制系统.     

具有迟滞补偿的单压电变形镜的闭环校正性能

对具有迟滞补偿的单压电变形镜的闭环校正性能进行了研究。提出了基于Prandtl-Ishlinskii(PI)迟滞模型的变形镜闭环控制算法,搭建了基于哈特曼波前传感器的自适应光学测试平台,分别进行了静态像差和动态像差的闭环校正实验。实验结果表明:在静态像差的闭环校正中,迟滞消除算法比未消除算法具有更快的校正速度;对于波前像差均方根的平均值为168nm的动态像差,校正后的残差从消除前的33nm降低到校正后的25nm,证明了所提算法可有效应用于压电变形镜自适应光学系统。     

Closed-loop correction and ocular wavefronts compensation of a 62-element silicon unimorph deformable mirror

Adaptive optics(AO) systems greatly improve the resolution of retinal imaging instruments by actively correcting ocular aberrations. In this Letter, closed-loop correction as well as ocular aberration compensation of a 62-element silicon unimorph deformable mirror(DM) driven by only positive voltage is performed. The experimental results show that the root-mean square(RMS) wavefront of the initial mirror surface is reduced to0.011 μm in a closed-loop AO system. The DM reproduces Zernike shapes from the third to 35 th mode accurately. The simulated compensation of 200 ocular wavefronts shows that the average RMS value after correction is reduced to 0.017 μm.     

带边缘驱动的214单元单压电变形镜仿真与实验

为了提高用于天文自适应光学系统的单压电变形镜的校正能力,提出了一种直径为75 mm且包含214个单元的带边缘驱动的单压电变形镜,单压电变形镜的边缘由数个压电堆栈执行器支撑.首先,通过有限元方法对变形镜进行仿真建模,分析比较三点、六点能动支撑对变形镜性能的影响.之后制备了三点、六点边缘驱动的变形镜样机.最后,利用波前传感器测试了边缘执行器对低阶像差的校正能力.实验结果表明:在0~100 V电压下,三点能动支撑与六点能动支撑变形镜均可重构大于12μm的倾斜像差,对应的归一化残余误差小于0.06,六点致动对像散和三叶草像差也具有较好的校正能力,证明边缘执行器可提高单压电变形镜的校正能力.     

带像差校正功能的柔性变焦透镜

快照式光谱成像系统可实时获取运动目标的光谱图像,在动态目标跟踪和识别等领域有着迫切的应用需求。快照式光谱成像系统的光谱分辨率与空间分辨率相互制约,针对现有快照式分光成像系统数值孔径小、难以同时实现高光谱分辨率和高空间分辨率的问题,提出了一种基于Dyson同心结构的新型快照式分光成像系统,它具有数值孔径大、成像性能优和结构紧凑等优点;视场离轴和复杂化设计可在保持光学成像性能的同时,增大机械装调空间,具有很好的工程可实施性。优化设计得到的新型快照式分光成像系统的数值孔径达到了0.3,光谱分辨率优于0.54 nm,空间采样点数为112×24。这种高光谱分辨率和高空间分辨率的快照式分光成像系统可为研究对大视场内快速运动目标进行精确探测识别的快照式光谱成像系统提供重要的理论基础。     

矩形水冷压电变形镜的制备与表征

针对板条激光器射出激光束畸变问题,提出了一种边缘驱动的矩形水冷压电变形镜.首先建立有限元模型对变形镜校正性能和热性能进行仿真,结果显示在功率为10 k W的激光照射下加载冷却条件,变形镜镜面温度降至45℃,冷却效果显著;然后通过实验成功制备了60单元20mm×4 mm口径的变形镜样机,搭建了基于Shack-Hartman传感器的自适应光学测试系统,并对变形镜典型致动器影响函数、校正性能、频率响应特性进行了表征.测试结果显示:变形镜典型致动器在100 V电压驱动下的变形量为1.0～1.5μm,能够较准确重构低阶正弦函数面形,一阶固有频率约为650 Hz.该矩形水冷压电变形镜具备一定的校正能力,在低成本板条激光器校正领域具有一定的应用前景.