CN110308551B - 一种可电控的液体光学调相器 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种可电控的液体光学调相器，该液体光学调相器包括压电陶瓷管、外壳、环形垫片、可调平面上盖片和可调平面下盖片，所述可调平面上盖片固定于外壳的上端面，所述可调平面下盖片固定于环形垫片的外侧，环形垫片的内侧与压电陶瓷管的下端面紧密粘接，可调平面上盖片和可调平面下盖片的内部空间构成可调流体腔，所述可调流体腔内存储有透明流体材料。所述可调平面上盖片为光束的输入端，可调平面下盖片为光束的输出端。本技术方案将压电陶瓷技术的可调长度与流体控制技术相结合，设计了一种低成本的光学相位调制器，由于未使用电机等复杂设备，结合压电陶瓷的精密控制技术，大大降低了生产成本和生产技术。

Description

一种可电控的液体光学调相器

技术领域

本发明涉及一种可电控的液体光学调相器，可用于光学成像和光信息处理器件技术领域。

背景技术

高分辨率成像系统在空间科学和军事应用上都有着十分重要的意义。由于衍射极限的存在，光学系统的极限角分辨率受制于光波波长和光学系统的孔径。随着对光学系统分辨能力需求的提升，对于在一定波段下工作的光学系统，须不断加大其系统孔径。单孔径望远镜的孔径过大往往在制造和运输单孔径望远镜带来很多的不便利，因此许多研究人员致力于研究光学合成孔径技术，即使用多个小型光学透镜或光学系统综合成一个大孔径光学系统，通过调整光路使镜面和相位匹配，让通过各个子孔径的光束在共同焦平面上满足同相位要求，从而实现光场的相干叠加，达到与通光口径相当的单一大口径系统的衍射分辨率。光学相位调制器的难点在于相位调整，传统光学相位调制器件的结构较为复杂，制造过程也较为复杂。

发明内容

本发明的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，提出一种可电控的液体光学调相器。

本发明的目的将通过以下技术方案得以实现：一种可电控的液体光学调相器，包括压电陶瓷管、外壳、环形垫片、可调平面上盖片和可调平面下盖片，所述可调平面上盖片固定于外壳的上端面，所述可调平面下盖片固定于环形垫片的外侧，环形垫片的内侧与压电陶瓷管的下端面紧密粘接，可调平面上盖片和可调平面下盖片的内部空间构成可调流体腔，所述可调流体腔内存储有透明流体材料。

优选地，所述可调平面上盖片为光束的输入端，可调平面下盖片为光束的输出端。

优选地，所述压电陶瓷管的长度可调。

优选地，所述光学调相器的通光方向为可调流体腔腔轴方向，腔内透明流体在压电陶瓷电控伸缩作用下形成光程或相位可调流体柱。

优选地，所述环形垫片的侧壁上设有开孔，所述开孔连通可调流体腔内外。

优选地，所环形垫片的侧壁外设有密封箍带且在侧壁开孔内封存少量空气。

优选地，所述可调平面上盖片和可调平面下盖片上均设有微调螺丝和盖片螺丝孔。

优选地，所述外壳为弹性外壳，弹性外壳的表面设有一导线开口。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本技术方案将压电陶瓷技术的可调长度与流体控制技术相结合，设计了一种低成本的光学相位调制器，由于未使用电机等复杂设备，结合压电陶瓷的精密控制技术，大大降低了生产成本和生产技术，具有重要的技术价值和经济价值，将光学成像和光学信息处理领域得到了广泛的应用。

本发明将压电陶瓷长度调控应用于流体长度控制，该结构简单、易于调节、精度较高。该结构不使用复杂的机械装置，容易制作、成本低廉，具有重要的经济和技术价值，该结构理论简单，调节线性度高，解决了相位调控问题。

附图说明

图1为本发明的一种可电控的液体光学调相器的结构示意图。

具体实施方式

本发明的目的、优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释。这些实施例仅是应用本发明技术方案的典型范例，凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。

本发明揭示了一种可电控的液体光学调相器，如图1所示，该光学调相器包括压电陶瓷管1、外壳5、环形垫片7、可调平面上盖片2和可调平面下盖片3，所述可调平面上盖片2固定于外壳5的上端面，所述可调平面下盖片3固定于环形垫片7的外侧，环形垫片7的内侧与压电陶瓷管1的下端面紧密粘接，可调平面上盖片2和可调平面下盖片3的内部空间构成可调流体腔4，所述可调流体腔4内存储有透明流体材料。

所述可调平面上盖片2为光束的输入端，可调平面下盖片3为光束的输出端。所述压电陶瓷管1的长度为电控可调，所述光学调相器的通光方向为可调流体腔4腔轴方向，腔内透明流体在压电陶瓷电控伸缩作用下形成光程或相位可调流体柱。所述环形垫片7的侧壁上设有开孔8，所述开孔8连通可调流体腔4内外。环形垫片7由弹性材料制成，当压电陶瓷管的长度发生变化垫片同样会改变。

所环形垫片7的侧壁外设有密封箍带9且在侧壁开孔8内封存少量空气，从而垫片内部留有密封的空气柱，方便了对流体腔中的流体长度进行微量的调控。所述外壳5为弹性外壳5，弹性外壳5的表面设有一导线开口6，这个开口是预留给穿插导线来给压电陶瓷管进行通电的进而调控压电陶瓷管的长度。外壳5具有一定的弹性，当压电陶瓷管上下调整变化时，外壳也会随之有相应的微小变化，有维持结构稳定的作用。

所述可调平面上盖片2和可调平面下盖片3上均设有微调螺丝10和盖片螺丝孔11。这个结构的上下表面都是可以通过微调螺丝和上下盖片进行微调从而调整上下表面的平行度，有一种预调节的作用。垫片是由软性材料制造，当压电陶瓷通电之后，随着压电陶瓷长度的变化，垫片也有一定程度的弹性伸缩，空气柱中的液体也会有增减。

这种结构的环形垫片能辅助流体进行微量运动，进而调节流体柱的长度，也就是相应的改变了光程的大小。为了保护压电陶瓷管不受上述流体长时间的侵蚀作用，在压电陶瓷管的内外壁涂覆有μm级绝缘膜。因为压电陶瓷生产工艺非常成熟，价格不高，其它附件价格也很低廉，整个器件生产制作成本很低，具有很好的经济价值。

实施例1：

压电陶瓷管选用环形压电陶瓷叠堆致动器，压电陶瓷管电控调节长度范围可达10μm以上，流体腔内填充有折射率为n的透明流体，根据光程等于流体长度*折射率n的公式，光程可调范围也大于10μm。对于可见光，波长λ取0.55μm，由此可得本器件的光程(等于相位*λ/2π)调节范围约为20λ以上，可适用于大多数的相位调节场合。

环形压电陶瓷叠堆致动器位移分辨率高、响应快、变形大，制造工艺简单成熟，能通过模具注塑加工方法实现大规模生产。优选的，透明液体介质绝缘，无腐蚀性，透明度好，液体粘稠度适中，可选取光纤折射率匹配液、匹配膏、甲基硅油200Cst、甲基硅油500Cst等作为透明流体介质。上下盖片可以选用厚度极薄、透光性好的k9玻璃制作而成，软质的环形垫片可用硅橡胶，塑料等有机材料铸模而成。

实施例2：

本实施例是制成具有大调节范围的可电控的液体光学调相器，在实施例1的基础上，压电陶瓷同样还是选用环形压电陶瓷叠堆致动器。单个压电陶瓷管电控调节长度范围还是可达10μm以上，在压电陶瓷管1再堆叠一根相同的压电陶瓷管，即当前的压电陶瓷管长度为原先的两倍，这种情况下压电陶瓷管的电控调节范围就达到了20μm以上，流体腔内填充有折射率为n的透明流体。根据光程等于流体长度*折射率n的公式，光程可调范围也大于20μm，对于可见光，波长λ取0.55μm，由此可得本器件的光程(等于相位*λ/2π)调节范围约为40λ以上，如还需要更大的调节范围可以继续堆叠更多的压电陶瓷管，不过当前的装置应该适用于绝大大多数的相位调节场合。

实施例3：

本实施例是制成一种具有高调节精度的可电控的液体光学调相器，普通国产的压电陶瓷管的调控精度可达10nm，在实施例1的基础上，当流体腔内填充有折射率为n的透明流体，根据光程等于流体长度*折射率n的公式，光程可调范围也大于10μm。

对于可见光，波长λ取0.55μm，由此可得本器件的光程(等于相位*λ/2π)调节范围约为20λ以上，且调节精度小于0.1λ，这种调节精度是能满足大多数的相位调节场合。但如果需要更高的调节精度就可以使用进口的压电陶瓷，进口的压电陶瓷的性能会比国产的压电陶瓷好一点，它的调控精度可达1nm，由于国产压电陶瓷的调控精度近十倍。同样的，当流体腔内填充有折射率为n的透明流体，根据光程等于流体长度*折射率n的公式，光程可调范围也大于10μm，同样对于可见光，波长λ取0.55μm，由此可得本器件的光程(等于相位*λ/2π)调节范围约为20λ以上，且调节精度小于0.01λ，这就是非常高精度的可电控的液体光学调相器了。

实施例4：

本实施例是实用新型环保压电陶瓷制作的压电陶瓷管，目前常用的压电陶瓷有钛酸钡系、锆钛酸铅二元系及在二元系中添加第三种ABO3(A表示二价金属离子，B表示四价金属离子或几种离子总和为正四价)型化合物，如：Pb(Mn1/3Nb2/3)O3和Pb(Co1/3Nb2/3)O3等组成的三元系。如果在三元系统上再加入第四种或更多的化合物，可组成四元系或多元系压电陶瓷。此外，还有一种偏铌酸盐系压电陶瓷，如偏铌酸钾钠(Na0.5·K0.5·NbO3)和偏铌酸锶钡(Bax·Sr1-x·Nb2O5)等，它们与钛酸钡系、锆钛酸铅二元系相比有个最大的特点就是不含有毒的铅，这不仅对实验者的身体有好处，而且以后处理毁坏的调相器对环境保护也有利。

目前发现性能最好的无铅压电陶瓷是KNN，KNN是与PZT“最接近”的体系，与不同种类的PZT相比，有些KNN基已经基本达到PZT-8或PZT-4的性能，虽然与PZT-5的性能还有差距。特别是，硬性掺杂的KNN陶瓷表现出较大的机械品质因数，非常有望替代目前大量应用的PZT-8陶瓷。

从实际应用的角度来讲，如果KNN陶瓷具有比PZT明显的成本优势，在PZT多层驱动器中，一般需要采用Ag-Pd等贵金属作为内电极，而电极材料的成本可达总成本的60％，而KNN陶瓷可在低氧分压下与贱金属电极实现共烧。

因此本实施例中的压电陶瓷可选用KNN，不仅成本低，对环境有利，而且性能也不比PTZ压电陶瓷差，具有极高的性价比。

实施例5：

本实施例在实施例4的基础上更换了一种压电陶瓷的制作方式，将压电陶瓷与当下最流行的一种技术---3D打印技术相结合，首先将压电陶瓷粉与粘结剂混合并研磨，形成具有黏度的陶瓷浆料；将制备的KNN陶瓷浆料置于3D打印机中，并采用计算机辅助设计软件来构造压电陶瓷的模型，并将信息传送至所述3D打印机；启动所述3D打印机，将制备的陶瓷浆料涂覆至一基板上，同时采用飞秒激光烧结成型涂覆于所述基板上的陶瓷浆料；3D打印机继续喷出陶瓷浆料，飞秒激光继续对其进行烧结固化；陶瓷烧结完成后，将烧结后的所述陶瓷进行极化处理。

用3D打印技术制造出来的KNN压电陶瓷不但可以大大缩短压电陶瓷的制备时间，而且成型的压电陶瓷在压电性能与尺寸均符合所需压电陶瓷的要求，无需进行二次加工，简化了制备工艺。

实施例6：

本实施例在实施例1的基础上，将在流体腔中使用的光纤折射率匹配液、匹配膏、甲基硅油这类透明液体用离子液体来替代，比如有机离子液体。离子液体最大的特点就是蒸汽压接近于零，可用于真空体系进行反应，正因为这一特点导致了离子液体及其不易挥发，不仅减少了因会发而导致的环境污染问题，而且也不用担心因液体的挥发使得调相器不能使用继而延长调相器的使用寿命。离子液体满足成为流体腔中填充的透明液体的大部分条件，比如是透明液体，液体粘度适中，无腐蚀性这类特征，但是它也会存在一个小问题，那就是离子液体会有腐蚀性，如果离子液体与压电陶瓷管直接接触的话肯定会对压电陶瓷管造成破坏，所以为了弥补这唯一的缺陷，可以将调相器中的压电陶瓷管内外壁涂覆一层绝缘膜。

实施例7：

在实施例1中上下盖片使用的是厚度极薄、透光性好的K9玻璃制成，K9玻璃的光学性能的确很优秀，不过有一点不足就是太脆，这样就会导致在使用和运输调相器的过程中会容易损坏上下盖片，因此本实施例中使用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯共聚物(MS)这类光举性能较好的塑料来制作上盖片和下盖片。

聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)俗称有机玻璃，是光学性能最好的塑料。苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯共聚物(MS)由70％苯乙烯与30％甲基丙烯酸甲酯共聚物而成，共聚物的透光率比较高稍低于PMMA，但它改善了PMMA的耐候性、耐油性和耐磨性。

这些塑料大都有如下特性1.抗腐蚀能力强，不与酸、碱反应。2.塑料制造成本低。3.耐用、防水、质轻。4.是良好的绝缘体。最重要的是上述两种材质的透光性能到到90％，这是作为上下盖片的重要指标。将上述塑料只作为厚度极薄的上下盖片用在可电控的液体光学调相器上会增加调相器的耐用性已经降低成本。

实施例8：

在实施例1中软质材料的环形垫片使用的硅橡胶，硅橡胶有很多其他材料无法取代的特点，价格便宜，吸附性能高，缓冲性能良好，不易磨损。当压电陶瓷通电之后有了微小的位移量后，硅橡胶能够有效的做出反应控制着流体腔中透明液体的流进和流出。但是硅橡胶也有一些缺陷，那就是容易油腻，与其他物质的贴合性能会稍微差点，有可能在调相器永久之后调相器中的压电陶瓷管与垫片的贴合程度就没有那么好，可能会发生一些侧滑，那样就会影响光程的测量，就会影响调相器的准确性了。

本实施例中使用热塑性聚氨酯弹性体(TPU)材质来制作环形垫片，TPU是于橡胶和塑料之间的一种材料，高耐磨性、耐油、耐水、耐霉菌、不易老化，这一特性使得环形垫片与流体腔中的液体不会发生化学反应。而且TPU制品的承载能力、抗冲击性及减震性能突出，外力撤除后复原性比较好。当压电陶瓷发生位移量的变化，垫片也能够很好的伸缩。正由于良好的弹性、耐磨性、抗撕裂性、拉伸强度高、伸长率、长期压缩永久变形率低这些TPU材质的显著优点，使用TPU材质的环形垫片也是一个非常好的选择。

实施例9：

根据实施例的要求，压电陶瓷管的内外壁是要镀上一层膜将压电陶瓷管与主体腔中的透明液体分隔开，以及避免压电陶瓷通电后会与主体腔中透明液体发生反应，还能防止压电陶瓷被腐蚀。就当前来看使用派瑞林涂层是比较好的一种选择，派瑞林涂层是一种高分子热可塑性聚合体，由单体对二甲苯在真空状态下均匀分布在被涂装物的缝隙和表层然后聚合。

使用真空精细镀膜(Parylene Coating)的方法涂装材料，在经过汽化与裂解成为单体对二甲苯蒸气，进入涂装室中，在室温下以气相沉积(CVD)的方式，均匀渗入与涂布在涂装物的内部隙缝与表面，然后聚合成为聚对二甲苯高分子材料，汽化温度为150℃，裂解温度为650℃。

在真空下操作蒸气无孔不入效率极佳，不同于沉浸式或喷雾式的涂装，良好的覆被特性远优于Epoxy(电泳)、Spary(喷涂)、Dipper(含浸)等涂装方式，绝缘性良好，且能防潮、防锈。薄膜的厚度可以达到0.001mm-0.05mm。

在本实施例中使用的薄膜厚度为0.01mm。真空精细镀膜技术具有以下几种特点：1.可形成无针孔的极薄的膜层，2.各处厚度均匀一致，3.有极好的防潮性能，4.可防止产品表面微粒脱落，5.具有极高的绝缘强度，6.抵抗生锈、腐蚀、风化。

使用真空精细镀膜技术制作的派瑞林膜具有如下的保护作用：1.抗酸碱腐蚀，2.耐有机溶剂(不溶于任何普通溶剂)，3.低气体渗透性，高屏障效果，4.优异的温度稳定性，温度范围为200℃～-200℃，5.耐霉、耐细菌性。基于真空精细镀膜技术制作的派瑞林膜有上述特性和优点，本实施例中在压电陶瓷管的内外壁涂覆有10μm级派瑞林绝缘膜。

本技术方案将压电陶瓷的精确控制技术应用于透明流体柱长度的微量伸缩，实现了通过流体柱轴方向光束光程(相位)微量调控，该光学调相器结构成本低廉、精度高，将会在光学综合孔径成像和光信息处理领域中得到广泛的应用。结合弹性材质环形垫片，在非通光位置方向设置了垫片侧开孔，其内封存少量空气便于流体柱长度的微量控制和抵消热胀冷缩效应。

本发明尚有多种实施方式，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种可电控的液体光学调相器，其特征在于：包括压电陶瓷管（1）、外壳（5）、环形垫片（7）、可调平面上盖片（2）和可调平面下盖片（3），

所述可调平面上盖片（2）固定于外壳（5）的上端面，所述可调平面下盖片（3）固定于环形垫片（7）的外侧，环形垫片（7）的内侧与压电陶瓷管（1）的下端面紧密粘接，可调平面上盖片（2）和可调平面下盖片（3）的内部空间构成可调流体腔（4），所述可调流体腔（4）内存储有透明流体材料；所述光学调相器的通光方向为可调流体腔（4）腔轴方向，腔内透明流体在压电陶瓷电控伸缩作用下形成光程或相位可调流体柱；所述环形垫片（7）的侧壁上设有开孔（8），所述开孔（8）连通可调流体腔（4）内外；所述环形垫片（7）的侧壁外设有密封箍带（9）且在侧壁开孔（8）内封存少量空气；环形垫片由弹性材料制成。

2.根据权利要求1所述的一种可电控的液体光学调相器，其特征在于：所述可调平面上盖片（2）为光束的输入端，可调平面下盖片（3）为光束的输出端。

3.根据权利要求1所述的一种可电控的液体光学调相器，其特征在于：所述压电陶瓷管（1）的长度可调。

4.根据权利要求1所述的一种可电控的液体光学调相器，其特征在于：所述可调平面上盖片（2）和可调平面下盖片（3）上均设有微调螺丝（10）和盖片螺丝孔（11）。

5.根据权利要求1所述的一种可电控的液体光学调相器，其特征在于：所述外壳（5）为弹性外壳（5），弹性外壳（5）的表面设有一导线开口（6）。

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