CN103235410A

CN103235410A - 磁流体变形镜装置

Info

Publication number: CN103235410A
Application number: CN2013101070064A
Authority: CN
Inventors: 吴智政; 袁帅
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2013-03-29
Filing date: 2013-03-29
Publication date: 2013-08-07

Abstract

本发明公开了一种磁流体变形镜装置，将铁磁流体盛放于容器中，再将液体反射膜材料倒在铁磁流体上，形成金属类似液体反射膜漂浮在铁磁流体液面上，构成磁流体变形镜的基本镜面系统；将微型电磁线圈组设置于容器下方，微型电磁线圈组通过导线接入到电流驱动电路上，构成磁流体变形镜的镜面变形驱动系统，使铁磁流体处于基本电磁场下；在容器的外部还设置亥姆霍兹电磁线圈，向铁磁流体施加与基本电磁场的磁力线方向垂直的附加电磁场，使附加电磁场与基本电磁场均匀叠加。本发明还公开了磁流体变形镜装置制备方法，通过叠加一个较大的、均匀性较好的垂直磁场，使磁流体变形镜响应线性化，并在相同的控制输入电流情况下，显著增大了镜面响应变形幅值。

Description

磁流体变形镜装置

技术领域

本发明涉及一种变形镜系统及其制备方法，特别是涉及一种自适应光学变形镜系统及其制备方法，应用于高清晰成像、激光整形和激光通讯等技术领域。

背景技术

自适应光学技术利用变形镜来实时校正光的波前像差，在高清晰成像、激光整形和激光通讯等领域得到了越来越广泛的应用。现今的变形镜大多是固态的，存在变形幅度小、制造成本高、难以扩展等缺点。随着纳米磁流体(magnetic fluid)技术的发展，近来人们提出了一种以磁流体为载体的液态变形镜方案，通过控制磁流体下方的电磁场从而使磁流体的表面发生变形，相比固态镜有变形幅度大、制造成本低、易于扩展等优点。但这种常规磁流体变形镜通过控制磁流体下方微型线圈组中的电流信号使镜面发生变形，系统的输入输出响应具有强非线性，而且当镜面变形量大时，微型线圈中的输入电流很大，这给变形镜的设计和控制都带来相当大的难度。

随着自适应性光学系统的应用日益广泛，磁流体变形镜以其自身的优点将得到广泛的应用，但同时对磁流体变形镜校正光波像差的能力也提出了更高的要求。其中如何解决磁流体变形镜响应的非线性问题以及减少微型线圈中的控制输入电流是现今磁流体变形镜研究中需要解决的一个关键问题。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种磁流体变形镜装置，在传统磁流体变形镜装置中微型电磁线圈产生的磁场中叠加一个较大的、均匀性较好的垂直磁场，有效解决了传统磁流体变形镜镜面非线性响应的问题，使磁流体变形镜响应线性化，并在控制输入电流一定的情况下，显著增大了镜面响应的变形幅值。

为达到上述发明创造目的，本发明采用下述技术方案：

一种磁流体变形镜装置，包括基本镜面系统和镜面变形驱动系统，即：将铁磁流体盛放于容器中，再将金属类似液体反射膜材料倒在铁磁流体上，形成金属类似液体反射膜漂浮在铁磁流体液面上，而构成磁流体变形镜的基本镜面系统；将微型电磁线圈组设置于容器下方，微型电磁线圈组与导线相连接入到电流驱动电路上，微型电磁线圈组还与另一条导线相连连接到地上，构成磁流体变形镜的镜面变形驱动系统，使铁磁流体处于基本电磁场下；在容器的外部还设置亥姆霍兹电磁感应线圈，向铁磁流体施加与基本电磁场的磁力线方向垂直的附加电磁场，使附加电磁场与基本电磁场均匀叠加。

上述亥姆霍兹电磁感应线圈包括两个电磁线圈，将电磁线圈和电磁线圈同时套在容器的外部，一个电磁线圈位于铁磁流体的上侧，另一个电磁线圈位于铁磁流体的下侧，构成亥姆霍兹电磁感应线圈结构。

上述微型电磁线圈组包括绕线和绕线筒，绕线绕在绕线筒上，绕线带有引线，其中一边引线与导线相连并接入到电流驱动电路上，另一边引线与导线相连并连接到地上。

本发明还提供了一种磁流体变形镜装置的制备方法，包括如下步骤：

a．将微型电磁线圈组安装在支架上，并将导线连接在微型电磁线圈组上，使微型电磁线圈组与导线相连接入到驱动电路上，微型电磁线圈组还与另一导线相连连接到地上；

b．将容器固定在支架上方，使在上述步骤a中的微型电磁线圈组位于容器下方；

c．将铁磁流体倒入容器内；

d．将反射膜液体缓慢倒入铁磁流体表面上，使铁磁流体表面上形成一层漂浮的均匀厚度的液体反射膜；

e．将亥姆霍兹电磁感应线圈套在容器外，使亥姆霍兹电磁感应线圈产生的均匀电磁场与在上述步骤a中的微型电磁线圈组生成的电磁场垂直叠加在一起，同时对容器内的铁磁流体施加外磁场控制作用，驱使流体表面发生变形，进而使液体反射膜随着磁流体表面的变形发生适应性变形。

作为本发明优选的技术方案，使在上述步骤a中的微型电磁线圈组的输入电流保持不变，通过调整亥姆霍兹线圈中的输入电流，可改变磁流体变形镜装置的镜面最大变形幅值。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1. 本发明磁流体变形镜使镜面响应线性化，并增大了镜面变形幅度，即增大了校正像差的能力；

2.在使镜面变形幅值大大提高的情况下，本发明磁流体变形镜还有效的减小了通入微型电磁线圈组的电流，从而减小了高密度微型电磁线圈组所产生的热量，有利于保证线圈工作的稳定性，降低温度对铁磁流体性能的影响；

3.本发明磁流体变形镜具有性能好、成本低、制备简便、易于扩展的技术优势，具有很好的应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例一磁流体变形镜装置的结构示意图。

图2为本发明实施例一的亥姆霍兹电磁感应线圈的结构示意图。

图3为本发明实施例一磁流体变形镜装置的制备流程图。

图4是本发明实施例二的磁流体变形镜装置的镜面变形响应与传统磁流体变形镜的镜面变形响应的镜面变形幅值与输入微型电磁线圈组的电流曲线对比关系图。

图5是本发明实施例三验证磁流体变形镜装置的镜面变形响应存在线性叠加原理的镜面变形幅值与输入微型电磁线圈组的电流曲线示意图。

图6 是本发明实施例四的磁流体变形镜装置的镜面变形幅值与输入亥姆霍兹电磁感应线圈的电流曲线示意图。

具体实施方式

本发明的优选实施例详述如下：

实施例一：

在本实施例中，参见图1和图2，一种磁流体变形镜装置，包括基本镜面系统和镜面变形驱动系统，具体为：将铁磁流体201盛放于容器204中，再将金属类似液体反射膜材料倒在铁磁流体201上，形成金属类似液体反射膜202漂浮在铁磁流体201液面上，而构成磁流体变形镜的基本镜面系统；将微型电磁线圈组203设置于容器204下方，微型电磁线圈组203与导线205相连接入到驱动电路上，微型电磁线圈组203还与另一导线206相连连接到地上，构成磁流体变形镜的镜面变形驱动系统，使铁磁流体201处于基本电磁场下；在容器204的外部还设置亥姆霍兹电磁感应线圈，向铁磁流体201施加与基本电磁场的磁力线方向垂直的附加电磁场B，使附加电磁场与基本电磁场均匀叠加。在本实施例中，在基本镜系统的基础上构造亥姆霍兹电磁感应线圈结构，通过合理设计电磁线圈，提高了传统磁流体变形镜的输入输出响应性能，包括获得了磁流体表面良好的线性响应特性，提高了镜面响应幅值。在本实施例中，增大磁流体表面的响应幅度，有效的减小了通入微型线圈组203的电流，从而减小了高密度微型线圈区所产生的热量，有利于保证线圈工作的稳定性，并减少由于局部温度过高对铁磁流体201性能的影响。

上述亥姆霍兹电磁感应线圈包括两个电磁线圈，即将电磁线圈101和电磁线圈102同时套在容器204的外部，使电磁线圈101位于铁磁流体201的上侧，使电磁线圈102位于铁磁流体201的下侧，构成亥姆霍兹电磁感应线圈结构，向铁磁流体201施加均匀稳定的电磁场，以便与基本镜系统的微型线圈组203生成的磁场垂直叠加，实现磁流体表面良好的线性响应。

上述微型电磁线圈组203包括绕线和绕线筒，绕线绕在绕线筒上，绕线带有引线，其中一边引线与导线205相连并接入到驱动电路上，另外一边引线与导线206相连并连接到地上。

在本实施例中，参见图3，磁流体变形镜装置的制备方法，包括如下步骤：

a．将微型电磁线圈组203安装在支架上，并将导线连接在微型电磁线圈组203上，使微型电磁线圈组203与导线205相连接入到驱动电路上，使微型电磁线圈组203与另一导线206相连连接到地上；

b．将容器204固定在支架上方，使在上述步骤a中的微型电磁线圈组203位于容器204下方；

c．将铁磁流体201倒入容器204内；

e．将亥姆霍兹电磁感应线圈套在容器204外，使亥姆霍兹电磁感应线圈产生的均匀电磁场与在上述步骤a中的微型电磁线圈组203生成的电磁场垂直叠加在一起，同时对容器204内的铁磁流体201施加外磁场作用，驱使铁磁流体201的流体表面发生变形，进而使液体反射膜随着铁磁流体201表面的变形发生适应性变形。本实施例磁流体变形镜装置具有性能好、成本低、制备简便、易于扩展的技术优势，具有很好的应用前景。

实施例二：

本实施例特别之处在于：

在本实施例中，参见图4，将上述实施例一磁流体变形镜装置的镜面变形响应与传统磁流体变形镜的镜面变形响应的镜面变形幅值与输入微型电磁线圈组的电流曲线进行对比，通过对比试验验证实施例一磁流体变形镜装置的镜面变形响应是否存在线性特征。

实施例一磁流体变形镜装置的镜面响应线性特性验证方法具体实施步骤为：

1）检测并记录向传统磁流体变形镜的一个微型电磁线圈单独通入电流时镜面对应位置的变形幅度特性曲线一；

2）检测并记录向上述实施例一磁流体变形镜装置与上述步骤1对应位置的微型电磁线圈单独通入电流时镜面相应位置的变形幅度特性曲线二；

3）观察上述两步骤获得的两条曲线可以发现曲线一是非线性的，曲线二是线性的。

传统磁流体变形镜和实施例一磁流体变形镜输入输出响应的实验比较结果如图4所示，横坐标为通入微型电磁线圈的电流，以毫安为单位，纵坐标为磁流体变形镜镜面变形幅值，以微米为单位。图4中的带‘*’号曲线是在没有驱动亥姆霍兹线圈情况下的镜面响应，也就是传统磁流体变形镜的镜面响应曲线；图4中的带‘○’号曲线是在驱动亥姆霍兹线圈情况下的镜面响应，也就是实施例一磁流体变形镜装置的镜面响应曲线。从图4中可看出，实施例一磁流体变形镜装置的镜面响应具有非常优良的线性特性，而传统磁流体变形镜的镜面响应是线性的，而且只能单向变形。

实施例三：

本实施例特别之处在于：

在本实施例中，参见图5，采用实施例一磁流体变形镜装置，验证实施例一磁流体变形镜装置的镜面响应是否存在线性叠加原理的具体实施步骤为：

1）任意选出实施例一磁流体变形镜装置的镜面变形驱动系统内的两个相邻微型电磁线圈，分别标为‘A’和‘B’，并选出两个线圈之间的某个位置作为观察点C；

2）向实施例一磁流体变形镜装置的镜面变形驱动系统内标记为‘A’的微型电磁线圈单独通入电流信号1，检测并记录观察点C的变形幅度特性曲线一；

3）向实施例一磁流体变形镜装置的镜面变形驱动系统内标记为‘B’的微型电磁线圈单独通入电流信号2，检测并记录观察点C的变形幅度特性曲线二；

4）向实施例一磁流体变形镜装置的镜面变形驱动系统内标记为‘A’和‘B’的两个微型电磁线圈同时分别通入电流信号1和电流信号2，检测并记录观察点C的变形幅度特性曲线三；

5观察上述步骤产生的三条变形幅度特性曲线可以发现：曲线三上的每个位置的幅值等于曲线一和曲线二对应位置的幅值之和，也就是说实施例一磁流体变形镜装置的镜面响应存在叠加原理。

如图5所示，实验验证了实施例一磁流体变形镜装置的镜面响应存在线性叠加原理。图中横坐标为通入微型电磁线圈的电流，以毫安为单位，纵坐标为实施例一磁流体变形镜装置的镜面变形幅值，以微米为单位。在驱动亥姆霍兹线圈的情况下，图中‘＋’号曲线表示单独驱动一个微型电磁线圈‘A’时镜面位置观察点C的响应；图中‘○’号曲线表示单独驱动微型电磁线圈‘B’时镜面位置观察点C的响应；图中‘

’号曲线表示同时驱动微型电磁线圈‘A’和‘B’时镜面位置观察点C的响应。

实施例四：

本实施例特别之处在于：

在本实施例中，保持在实施例一磁流体变形镜装置的微型电磁线圈的输入电流保持不变，可通过调整亥姆霍兹线圈中的输入电流，改变磁流体变形镜装置的镜面变形幅值。

在本实施例中，参见图6，还采用实施例一磁流体变形镜装置，验证实施例一磁流体变形镜装置的镜面响应幅值放大特性，本方法具体实施步骤为：

使实施例一磁流体变形镜装置的微型电磁线圈的输入电流保持32毫安不变时，改变亥姆霍兹线圈中的输入电流，检测镜面的变形幅值的变化，实验表明加大亥姆霍兹线圈中的输入电流，即改变垂直的叠加磁场大小，可显著提高变形镜的镜面变形幅值。

上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明磁流体变形镜装置及其制备方法的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种磁流体变形镜装置，包括基本镜面系统和镜面变形驱动系统，其特征在于：将铁磁流体（201）盛放于容器（204）中，再将金属类似液体反射膜材料倒在所述铁磁流体（201）上，形成金属类似液体反射膜（202）漂浮在所述铁磁流体（201）液面上，而构成磁流体变形镜的基本镜面系统；

将微型电磁线圈组（203）设置于所述容器（204）下方，所述微型电磁线圈组（203）与导线（205）相连接入到电流驱动电路上，所述微型电磁线圈组（203）还与另一导线（206）相连连接到地上，构成磁流体变形镜的镜面变形驱动系统，使所述铁磁流体（201）处于基本电磁场下；

在所述容器（204）的外部还设置亥姆霍兹电磁感应线圈，向所述铁磁流体（201）施加与基本电磁场的磁力线方向垂直的附加电磁场，使附加电磁场与基本电磁场均匀叠加。

2.根据权利要求1所述的磁流体变形镜装置，其特征在于：所述亥姆霍兹电磁感应线圈包括两个电磁线圈，即将电磁线圈（101）和电磁线圈（102）同时套在所述容器（204）的外部，使所述电磁线圈（101）位于所述铁磁流体（201）的上侧，使所述电磁线圈（102）位于所述铁磁流体（201）的下侧，构成亥姆霍兹电磁感应线圈结构。

3.根据权利要求1或2所述的磁流体变形镜装置，其特征在于：所述微型电磁线圈组（203）包括绕线和绕线筒，所述绕线绕在所述绕线筒上，所述绕线带有引线，其中一边引线与所述导线（205）相连并接入到电流驱动电路上，另外一边引线与所述导线（206）相连并连接到地上。

4. 一种权利要求1或2所述的磁流体变形镜装置的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

a．将微型电磁线圈组安装在支架上，并将导线连接在微型电磁线圈组上，使微型电磁线圈组与一条导线相连接入到电源上，使微型电磁线圈组还与另一导线相连连接到地上；

c．将铁磁流体倒入容器内；

e．将亥姆霍兹电磁感应线圈套在容器外，使亥姆霍兹电磁感应线圈产生的均匀电磁场与在上述步骤a中的微型电磁线圈组产生的电磁场垂直叠加在一起，同时对容器内的铁磁流体施加外磁场作用，驱使流体表面发生变形，进而使液体反射膜随着磁流体表面的变形发生适应性变形。

5.根据权利要求4所述的磁流体变形镜装置的制备方法，其特征在于：使在上述步骤a中的微型电磁线圈组的输入电流保持不变，通过调整亥姆霍兹线圈中的输入电流，改变磁流体变形镜装置的镜面最大变形幅值。