[发明专利]一种高效率音圈驱动器及变形镜

说明书

本发明公开了一种高效率音圈驱动器及变形镜，属于自适应光学领域。本发明通过推导音圈驱动器电机常数的解析公式，掌握了影响音圈驱动器效率的因素，设计了一种新的结构的音圈驱动器；在此基础上，利用有限元的方法进行仿真，对永磁体、线圈的几何参数、物理参数进行了优化，并用电机常数进行评价，得出最佳的参数数据：包括永磁体内径、外径和厚度，线圈的内径、外径和厚度，以及永磁体和线圈之间的气隙大小。在不改变音圈的匝数条件下，就达到了提高音圈驱动器效率150％的优异效果，更适用于制作大驱动单元数、低损耗和高调制精度的音圈变形镜。

技术领域

本发明涉及一种高效率音圈驱动器及变形镜，属于自适应光学领域。

背景技术

1953年Babcock首次提出自适应光学的概念，即通过实时探测和校正大气湍流引起的光学畸变，提高目标图像的分辨率。变形镜是自适应光学系统的核心器件之一。经过多年的研究开发，人们研制出了不同类型的变形镜：PZT变形镜、电致伸缩变形镜、薄膜变形镜、MEMS、音圈变形镜等，并广泛应用天文观测、显微成像、大功率激光、眼底成像等领域。其中，PZT变形镜是目前最广泛使用的变形镜，但它有磁滞，且调制量低，限制了其在大口径望远镜次镜方面的应用。相较于PZT变形镜，音圈变形镜的调制量大、无磁滞，同时还具有结构简单、体积小、噪声低、比推力高、响应速度快、精度高、维护方便、可靠性高等优点。

1993年，意大利阿切特里天文台的P.Salinari提出了基于音圈驱动器的非接触变形镜，并于1999年研制了30单元和36单元音圈变形镜，误差衰减可达100赫兹(0分贝衰减水平)，该变形镜的音圈驱动器基本结构是薄镜面下粘接圆柱状的永磁体，永磁体下面间隔约100微米空间是线圈，这样的结构也称为非接触式音圈变形镜，如图1所示。2002年，MMT的336单元音圈变形镜研制成功，用作MMT望远镜的次镜，极大简化了自适应光学系统，提高了入射光的利用效率。其在H波段的斯特列尔比达到了0.2，在M波段的斯特列尔比达到了0.98【Wildi F P,Brusa G,Lloyd-Hart M,et al.First light of the 6.5-m MMT adaptiveoptics system[C],Astronomical Adaptive Optics Systems and Applications.Editedby Tyson,Robert K.；Lloyd-Hart,Michael.International Society for Optics andPhotonics,2003.】。2010年，有672个驱动器的音圈变形镜安装在LBT望远镜上，在H波段的斯特列尔比达到了0.8【Xompero Marcoa,Armando Riccardia,DanielaZanottia.Adaptive secondary mirror for LBT and its capacitive sensors:how canwe calibrate them？[C].SPIE Proc,2008.7015(3Q):1-9.】。2012年正式运行的VLT巡天望远镜的变形次镜有1170个音圈驱动器，所有模式的拟合误差rms为62.5nm【Arsenault R,Biasi R,Gallieni D,et al.A deformable secondary mirror for the VLT[C]Advancesin Adaptive Optics II.2006.】，该变形镜与前面的不同，它的永磁体不与镜面直接粘接，而是设置在两线中间，通过杆与镜面连接，如图2所示。国内多个研究组也开展了关于音圈变形镜的研究。中科院光电技术研究所设计了动磁式音圈电机，输出力可达±0.5N，阶跃响应时间为50ms，对离焦像差拟合PV值可达50um【张玉方,李国平.用于薄镜面主动光学的音圈力促动器设计[J].光学精密工程,2013,21(11):2836-2844.】。长春光机所通过音圈驱动器校正400mm反射镜面形，经过校正后的RMS可达λ/40【王昕彤.基于音圈促动器的镜面面形校正技术研究[D].2019.】。