基于彈性反射薄膜的磁液變形鏡及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于反射薄膜的磁液變形鏡及其制造方法，該變形鏡以磁性液體為驅(qū)動載體，利用濺射法在彈性薄膜上制備一層固態(tài)納米金屬膜，來提高鏡面反射率，合理優(yōu)化設(shè)計永磁環(huán)尺寸產(chǎn)生均勻大磁場，并結(jié)合微型線圈產(chǎn)生的擾動磁場來控制鏡面變形。磁性液體置于第二容器之中，反射薄膜位于磁性液體的表面，容器上蓋位于反射薄膜的上方，微型電磁驅(qū)動線圈陣列作為驅(qū)動器安裝在第一容器的底部，并將每個電磁線圈的一條引線接地，另一條引線接到電流驅(qū)動電路上，將第一容器和第二容器置于永磁環(huán)內(nèi)部，利用支架使鏡面位于環(huán)內(nèi)中間位置。本發(fā)明提出的磁液變形鏡成本低、制作簡單、性能良好，且驅(qū)動器易于擴展。
【專利說明】
基于彈性反射薄膜的磁液變形鏡及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種變形鏡及其制造方法，特別是涉及一種基于反射薄膜的磁液變形鏡及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]波前校正器作為自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，其動態(tài)性能和校正精度對系統(tǒng)的整體性能和應(yīng)用范圍起著決定性的作用，現(xiàn)有兩種基本的波前校正器分別為液晶空間光調(diào)制器和固態(tài)變形鏡。
[0003]液晶空間光調(diào)制器作為自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中重要的波前校正器，具有校正單元多、價格低廉、制作周期短和校正準(zhǔn)確度高等優(yōu)勢。自上世紀(jì)70年代液晶在光位相調(diào)制和波前校正方面的研究開始出現(xiàn)。盡管液晶自適應(yīng)光學(xué)研究取得突破性進展，但是仍有以下缺點:依賴偏振光、響應(yīng)速度慢、光能量損失大、低損傷閾值等，這些限制了液晶空間光調(diào)制器在大氣湍流校正、高功率激光像差校正等自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用。
[0004]固態(tài)變形鏡是目前自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的波前校正元件，固態(tài)變形鏡以其表面局部變形來改變?nèi)肷涔獾牟ㄇ靶螤钸_(dá)到校正波前的目的。這類變形鏡的主要優(yōu)點是它們固有的高反射率性能使校正后的光波射能量丟失較少，因此更加適合校正能量密度較低的光波畸變波前。根據(jù)鏡面形式可分為連續(xù)表面和分立表面兩種類型。分立鏡面變形鏡致動器變形量大、易于加工裝配、更換和維修。其缺點為子鏡相互獨立無法得到連續(xù)面形，波前校正精度低；同時由于子鏡之間的存在間隙造成能量損失、衍射效應(yīng)，在紅外波段工作時接縫處產(chǎn)生熱輻射將影響成像探測。這種變形鏡適用于要求控制單元數(shù)多、通光口徑大和動態(tài)校正范圍大的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)。連續(xù)鏡面變形鏡具有波前擬合誤差小、光能利用率高、空間分辨率高、能保持相位連續(xù)和易于拋光鍍膜等優(yōu)點，是多數(shù)自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的首選，也是研究最多、應(yīng)用最廣、技術(shù)發(fā)展最成熟的波前校正器。上述固態(tài)變形鏡各有優(yōu)勢，但是共同缺點就是較高的驅(qū)動器通道成本以及相對較低的變形行程，設(shè)計和制作比較復(fù)雜，成本高。
[0005]相較而言，磁液變形鏡以納米磁性液體為驅(qū)動載體，通過周邊電磁場來控制鏡面的變形，具有變形幅度大、制造成本低、驅(qū)動器易于擴展等優(yōu)點。由于磁性液體通常具有較低的反射率(大約為4%)，可使用一種稱為金屬類似液體膜(MeLLFs)的膠體顆粒覆蓋膜來提高變形鏡反射率。然而，金屬類似液體膜一般不能與商業(yè)磁流體兼容(大多數(shù)商業(yè)磁流體都是油基的)，故只能覆蓋于水基型的磁性液體表面，而且配制過程復(fù)雜，成本較高。最終制得的金屬液狀納米薄膜很容易受到振動影響而破裂，因此對鏡體支撐系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求和環(huán)境要求較高。存放過程中，薄膜表面的金屬粒子長時間暴露于空氣中易被氧化，使得薄膜的表面性質(zhì)發(fā)生改變，從而導(dǎo)致薄膜完全破裂。
[0006]磁液變形鏡主要利用磁液下方的空心電磁驅(qū)動線圈產(chǎn)生的微小驅(qū)動磁場來控制鏡面的變形，通過疊加一大的均勻磁場可提高磁液變形鏡鏡面的變形行程和響應(yīng)線性化。通常均勻磁場可由特殊的電磁線圈產(chǎn)生，如亥姆霍茲線圈或麥克斯韋線圈等。但是，利用電磁線圈所能產(chǎn)生的磁場往往較小，為產(chǎn)生大的均勻磁場，所需的電流很大，如采用普通的導(dǎo)線易導(dǎo)致線圈發(fā)熱，造成線路損傷。所以通過大幅增大電流來提高亥姆霍茲線圈或麥克斯韋線圈內(nèi)部產(chǎn)生的磁場強度，從而提高鏡面變形行程是不可行的。本專利針對上述問題提出了一種新的磁液變形鏡設(shè)計方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種基于反射薄膜的磁液變形鏡及其制造方法，通過合理設(shè)計永磁環(huán)的參數(shù)尺寸、反射膜的材料和變形鏡的整體結(jié)構(gòu)，解決變形鏡變形行程小和反射率低等缺點，可實現(xiàn)鏡面的線性可控大行程變形。
[0008]本發(fā)明是通過下述技術(shù)方案來解決上述技術(shù)問題的:一種基于反射薄膜的磁液變形鏡，其特征在于，其包括第一容器、第二容器、微型電磁驅(qū)動線圈陣列、磁性液體、容器上蓋、反射薄膜、永磁環(huán)，磁性液體置于第二容器之中，反射薄膜位于磁性液體的表面，容器上蓋位于反射薄膜的上方，微型電磁驅(qū)動線圈陣列作為驅(qū)動器安裝在第一容器的底部，并將微型電磁驅(qū)動線圈陣列中每個電磁線圈的一條引線接地，另一條引線接到電流驅(qū)動電路上，第一容器和第二容器都置于永磁環(huán)內(nèi)部。
[0009]本發(fā)明將微型電磁驅(qū)動線圈陣列作為驅(qū)動器安裝在第一容器內(nèi)底部的蜂窩型排布的凸臺上，微型電磁驅(qū)動線圈有兩條引線，一條引線通過容器壁上的孔接地，另一條引線通過容器壁上的孔接到電流驅(qū)動電路上，構(gòu)成磁液變形鏡的鏡面變形驅(qū)動系統(tǒng);并向第二容器中倒入磁性液體，再將反射薄膜均勻平整地鋪在磁液表面，為防止薄膜周邊破損及起褶皺現(xiàn)象，將容器上蓋覆蓋在薄膜之上，使薄膜能夠貼浮在磁液表面，構(gòu)成磁液變形鏡的基本磁液鏡面系統(tǒng);在外部設(shè)置軸向磁化永磁環(huán)產(chǎn)生均勻、強磁場，將基本磁液鏡面系統(tǒng)和鏡面變形驅(qū)動系統(tǒng)共同構(gòu)成的磁液變形鏡放到永磁環(huán)中，構(gòu)成磁液變形鏡系統(tǒng)。
[0010]優(yōu)選地，所述永磁環(huán)是依靠永磁材料來產(chǎn)生穩(wěn)恒磁場，不需要線圈和外加電源，具有體積小、磁場穩(wěn)定的優(yōu)點。
[0011]優(yōu)選地，所述永磁環(huán)提供一個的均勻垂直磁場和微型電磁驅(qū)動線圈陣列產(chǎn)生的擾動磁場疊加，增加磁液變形鏡的變形量，并使鏡面響應(yīng)線性化，有利于鏡面變形的精確控制，大大提高了自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)對復(fù)雜光波畸變的校正能力。
[0012]優(yōu)選地，所述第一容器底部是蜂窩型排布的凸臺。
[0013]優(yōu)選地，所述反射薄膜的材料為聚氨酯，厚度小于10um，利用濺射法在其表面制備一層固態(tài)納米金屬膜，來提高鏡面反射率。
[0014]優(yōu)選地，所述永磁環(huán)是將六個尺寸和剩磁完全相同的磁環(huán)(軸向磁化)，同軸緊密排列，串接而成的。并對每個磁環(huán)進行軸向磁化，為在磁環(huán)內(nèi)部產(chǎn)生均勻大磁場，尺寸設(shè)計為內(nèi)徑70mm，外徑140mm，高20mm。
[0015]優(yōu)選地，所述微型電磁驅(qū)動線圈陣列由電磁線繞制而成，用于產(chǎn)生擾動磁場。
[0016]本發(fā)明還提供一種基于反射薄膜的磁液變形鏡的制造方法，該方法包含以下步驟:步驟一、將微型電磁驅(qū)動線圈陣列安裝于容器內(nèi)底部的蜂窩型排布的凸臺上，并將微型電磁驅(qū)動線圈陣列的引線從磁液變形鏡容器壁上的孔中引出，一端接在電流驅(qū)動電路上，另一端接地；
步驟二、將圓形薄壁容器固定在步驟一中裝有微型電磁驅(qū)動線圈陣列的容器上部，該圓形薄壁容器的底部剛好與微型電磁驅(qū)動線圈陣列的頂部接觸；
步驟三、將磁性液體倒入圓形薄壁容器中，作為變形鏡鏡面驅(qū)動載體；
步驟四、將彈性反射膜均勻平整地鋪在磁性液體的表面，用于提高鏡面的反射率；步驟五、把基于反射薄膜的磁液變形鏡放置在永磁環(huán)內(nèi)部中心位置，利用支架使鏡面高度正好是永磁環(huán)高度的一半，完成磁液變形鏡的組裝。
[0017]本發(fā)明的積極進步效果在于:本發(fā)明提出的磁液變形鏡能夠消除因氧化、振動而導(dǎo)致的金屬液狀反射薄膜破裂問題，而且磁性液體因反射薄膜的限制作用，在外加磁場過大時，避免了磁液Rosensweig(羅森史維格)不穩(wěn)定現(xiàn)象;在失重情況下，磁液也不會縮聚成球狀，故能應(yīng)用于外太空中；本發(fā)明利用軸向磁化的永磁環(huán)提供一個較大的均勻垂直磁場和微型電磁驅(qū)動線圈產(chǎn)生的擾動磁場疊加，增加磁液變形鏡的變形量，并使鏡面響應(yīng)線性化，有利于鏡面變形的精確控制，大大提高了自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)對復(fù)雜光波畸變的校正能力；本發(fā)明的永磁環(huán)是依靠永磁材料來產(chǎn)生穩(wěn)恒磁場，不需要線圈和外加電源，具有體積小、磁場穩(wěn)定的優(yōu)點；本發(fā)明提出的磁液變形鏡具有成本低、制作簡單、性能良好，且易于擴展等技術(shù)優(yōu)勢。
【附圖說明】
[0018]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖2是本發(fā)明的永磁環(huán)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖3是本發(fā)明永磁環(huán)內(nèi)的磁場分布仿真結(jié)果示意圖。
[0021]圖4是本發(fā)明磁環(huán)內(nèi)中間平面上的磁感應(yīng)強度沿半徑方向的分布曲線示意圖。
【具體實施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖給出本發(fā)明較佳實施例，以詳細(xì)說明本發(fā)明的技術(shù)方案。
[0023]如圖1所示，本發(fā)明基于反射薄膜的磁液變形鏡包括第一容器1、第二容器2、微型電磁驅(qū)動線圈陣列3、磁性液體4、反射薄膜5、容器上蓋6、永磁環(huán)7，磁性液體4置于第二容器2之中，反射薄膜5位于磁性液體4的表面，容器上蓋6位于反射薄膜5的上方，微型電磁驅(qū)動線圈陣列3作為驅(qū)動器安裝在第一容器I的底部，并將微型電磁驅(qū)動線圈陣列中每個電磁線圈的一條引線8接地，另一條引線9接到電流驅(qū)動電路上，第一容器I和第二容器2都置于永磁環(huán)7內(nèi)部，利用支架使基于反射薄膜的磁液變形鏡的鏡面位于環(huán)內(nèi)中間位置。
[0024]上述永磁環(huán)如圖2所示，是六個尺寸和剩磁完全相同的磁環(huán)(軸向磁化)，同軸緊密排列(充磁方向一致)，串接而成的，當(dāng)磁環(huán)尺寸和位置合適時，各個磁環(huán)的磁場分布將疊加到一起，使軸線上某一段區(qū)域的磁場分布均勻，從而形成均勻磁場。為在磁環(huán)內(nèi)部產(chǎn)生均勻大磁場，每個磁環(huán)尺寸設(shè)計為內(nèi)徑70mm，外徑140mm，高20mm。把基于反射薄膜的磁液變形鏡放置在永磁環(huán)內(nèi)部中心位置，利用支架使鏡面高度正好是永磁環(huán)高度的一半。向基本磁液變形鏡系統(tǒng)中的磁性液體施加均勻大磁場，并與磁液鏡面變形驅(qū)動系統(tǒng)中的微型電磁驅(qū)動線圈產(chǎn)生的擾動磁場疊加，可增加磁液變形鏡的變形量，并實現(xiàn)鏡面良好的線性響應(yīng)。本實施例中用到的永久磁鐵是最早使用的一種磁場產(chǎn)生裝置，直到現(xiàn)在仍然在生產(chǎn)和科學(xué)實驗中廣泛使用。由于永久磁鐵是依靠永磁材料來產(chǎn)生穩(wěn)恒磁場，不需要線圈和外加電源，因此具有體積小，磁場穩(wěn)定的優(yōu)點。利用軸向磁化的永磁環(huán)來實現(xiàn)軸向均勻磁場是最佳的選擇。
[0025]永磁環(huán)內(nèi)的磁場分布仿真結(jié)果參見圖3，磁環(huán)內(nèi)中間平面上的磁感應(yīng)強度沿半徑方向的分布曲線參見圖4。根據(jù)永磁環(huán)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，使用有限元多物理場分析軟件COMSOLMultiphysics進行仿真。首先，應(yīng)用COMSOL有限元軟件建立幾何模型，因為電磁波從遠(yuǎn)處觀測就是一個球面波，所以在磁環(huán)外部的空氣采用一個球形來進行幾何建模。其次，對模型采用自由四面體進行網(wǎng)格剖分。然后，模型采用剩余磁通密度進行加源。最后，根據(jù)永磁環(huán)的工作原理分析。從仿真結(jié)果可以看出，永磁環(huán)內(nèi)部產(chǎn)生一個較大的均勻強磁場(約為8OmT)，滿足磁液變形鏡對均勾強磁場的要求。
[0026]另外，上述反射薄膜中，考慮到鏡面變形所需的柔韌性，及與金屬納米顆粒的附著能力，優(yōu)選超薄彈性薄膜的材料為聚氨酯(PU)，厚度小于10um，利用濺射法在其表面制備一層固態(tài)納米鋁膜，來提高鏡面反射率。要求沉積膜厚均勻，具有較好的附著力(與彈性薄膜)和較小的內(nèi)應(yīng)力。該反射薄膜不僅可以長期使用，而且磁性液體因反射膜的限制作用，在外加磁場過大時，避免了磁液Rosensweig(羅森史維格)不穩(wěn)定現(xiàn)象;在失重情況下，磁液也不會縮聚成球狀，故能應(yīng)用于外太空中。
[0027]本發(fā)明基于反射薄膜的磁液變形鏡的具體制造方法如下:步驟一、將微型電磁驅(qū)動線圈陣列安裝于第一容器內(nèi)底部的蜂窩型排布的凸臺上，并將微型電磁驅(qū)動線圈陣列的兩條引線從磁液變形鏡容器壁上的孔中引出，一端接在電流驅(qū)動電路上，另一端接地；
步驟二、將第二容器固定在步驟一中裝有微型電磁驅(qū)動線圈陣列的第一容器上部，該第二容器的底部剛好與線圈的頂部接觸；
步驟三、將磁性液體倒入第二容器中，作為變形鏡鏡面驅(qū)動載體；
步驟四、將反射膜均勻平整地鋪在磁性液體的表面，用于提高鏡面的反射率；
步驟五、把基于反射薄膜的磁液變形鏡放置在永磁環(huán)內(nèi)部中心位置，利用支架使鏡面高度正好是永磁環(huán)高度的一半，完成磁液變形鏡的組裝。
[0028]其中，第二容器是圓形薄壁容器。
[0029]本發(fā)明將微型電磁驅(qū)動線圈安裝在容器內(nèi)底部的蜂窩型排布的凸臺上，微型電磁驅(qū)動線圈有兩條引線，一條引線通過容器壁上的孔接地，另一條引線通過容器壁上的孔接到電流驅(qū)動電路上，構(gòu)成磁液變形鏡的鏡面變形驅(qū)動系統(tǒng);并向另一圓形薄壁容器中倒入磁性液體，再將反射薄膜均勻平整地鋪在磁液表面，為防止薄膜周邊破損及起褶皺現(xiàn)象，將容器上蓋覆蓋薄膜之上，使薄膜能夠貼浮在磁液表面，構(gòu)成磁液變形鏡的基本磁液鏡面系統(tǒng);在外部設(shè)置永磁環(huán)產(chǎn)生均勻、強磁場，將基本磁液鏡面系統(tǒng)和鏡面變形驅(qū)動系統(tǒng)共同構(gòu)成的磁液變形鏡放到永磁環(huán)中，構(gòu)成磁液變形鏡系統(tǒng)。
[0030]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，該變形鏡以磁性液體為驅(qū)動載體，利用濺射法在彈性薄膜上制備一層固態(tài)納米金屬膜，來提高鏡面反射率，合理優(yōu)化設(shè)計永磁環(huán)尺寸產(chǎn)生均勻大磁場，并結(jié)合微型線圈產(chǎn)生的擾動磁場來控制鏡面變形。不僅解決了現(xiàn)有磁液變形鏡中磁液表面金屬類似液體膜配制難、易破裂以及應(yīng)用受限等問題，而且解決了亥姆霍茲線圈或麥克斯韋線圈內(nèi)部產(chǎn)生的磁場強度小的問題。與傳統(tǒng)固態(tài)變形鏡相比，該變形鏡變形行程大、成本低、制作簡單、性能良好，并且驅(qū)動器易于擴展。
[0031]以上所述具體實施例，對本發(fā)明解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種基于反射薄膜的磁液變形鏡，其特征在于，其包括第一容器、第二容器、微型電磁驅(qū)動線圈陣列、磁性液體、容器上蓋、反射薄膜、永磁環(huán)，磁性液體置于第二容器之中，反射薄膜位于磁性液體的表面，容器上蓋位于反射薄膜的上方，微型電磁驅(qū)動線圈陣列作為驅(qū)動器安裝在第一容器的底部，并將微型電磁驅(qū)動線圈陣列中每個電磁線圈的一條引線接地，另一條引線接到電流驅(qū)動電路上，第一容器和第二容器都置于永磁環(huán)內(nèi)部。2.如權(quán)利要求1所述基于反射薄膜的磁液變形鏡，其特征在于，所述永磁環(huán)是依靠永磁材料來產(chǎn)生穩(wěn)丨旦磁場。3.如權(quán)利要求1所述基于反射薄膜的磁液變形鏡，其特征在于，所述永磁環(huán)提供一個的均勻垂直磁場和微型電磁驅(qū)動線圈陣列產(chǎn)生的擾動磁場疊加，增加磁液變形鏡的變形量，并使鏡面響應(yīng)線性化。4.如權(quán)利要求1所述基于反射薄膜的磁液變形鏡，其特征在于，所述第一容器底部是蜂窩型排布的凸臺。5.如權(quán)利要求1所述基于反射薄膜的磁液變形鏡，其特征在于，所述反射薄膜的材料為聚氨酯，厚度小于10um，利用濺射法在其表面制備一層固態(tài)納米金屬膜，來提高鏡面反射率。6.如權(quán)利要求1所述基于反射薄膜的磁液變形鏡，其特征在于，所述永磁環(huán)是六個尺寸和剩磁完全相同的磁環(huán)，同軸緊密排列，并對每個磁環(huán)進行軸向磁化，為在磁環(huán)內(nèi)部產(chǎn)生均勾大磁場，尺寸設(shè)計為內(nèi)徑70mm，外徑140mm，高20mm。7.如權(quán)利要求1所述基于反射薄膜的磁液變形鏡，其特征在于，所述微型電磁驅(qū)動線圈陣列由電磁線繞制而成，用于產(chǎn)生擾動磁場。8.一種基于反射薄膜的磁液變形鏡的制造方法，其特征在于，其包含以下制備步驟: 步驟一、將微型電磁驅(qū)動線圈陣列安裝于容器內(nèi)底部的蜂窩型排布的凸臺上，并將微型電磁驅(qū)動線圈陣列的引線從磁液變形鏡容器壁上的孔中引出，一端接在電流驅(qū)動電路上，另一端接地； 步驟二、將圓形薄壁容器固定在步驟一中裝有微型電磁驅(qū)動線圈陣列的容器上部，該圓形薄壁容器的底部剛好與微型電磁驅(qū)動線圈陣列的頂部接觸； 步驟三、將磁性液體倒入圓形薄壁容器中，作為變形鏡鏡面驅(qū)動載體； 步驟四、將彈性反射膜均勻平整地鋪在磁性液體的表面，用于提高鏡面的反射率； 步驟五、把基于反射薄膜的磁液變形鏡放置在永磁環(huán)內(nèi)部中心位置，利用支架使鏡面高度正好是永磁環(huán)高度的一半，完成磁液變形鏡的組裝。
【文檔編號】G02B26/08GK105842844SQ201610337777
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年5月22日
【發(fā)明人】吳智政, 孔祥會, 吳君秋, 黃明雙, 閔令坤
【申請人】上海大學(xué)