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
技術領域
[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】
[0002]波前校正器作為自適應光學系統(tǒng)中的關鍵部件，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)制器作為自適應光學系統(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確度高等優(yōu)勢。自上世紀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)。盡管液晶自適應光學研究取得突破性進展，但是仍有以下缺點:依賴偏振光、響應速度慢、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光學系統(tǒng)中的應用。
[0004]固態(tài)變形鏡是目前自適應光學系統(tǒng)中應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_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，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光學系統(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)自適應光學系統(tǒng)的首選，也是研究最多、應用最廣、技術發(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，設計和制作比較復雜，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，如采用普通的導線易導致線圈發(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計方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明所要解決的技術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)明是通過下述技術方案來解決上述技術問題的: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，并使鏡面響應線性化，有利于鏡面變形的精確控制，大大提高了自適應光學系統(tǒng)對復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，并使鏡面響應線性化，有利于鏡面變形的精確控制，大大提高了自適應光學系統(tǒng)對復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，以詳細說明本發(fā)明的技術方案。
[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。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，應用COMSOL有限元軟件建立幾何模型，因為電磁波從遠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)明解決的技術問題、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，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，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權項】
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，并使鏡面響應線性化。4.如權利要求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，尺寸設計為內(nèi)徑70mm，外徑140mm，高20mm。7.如權利要求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