專利名稱：磁流體變形鏡裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種變形鏡系統(tǒng)及其制備方法，特別是涉及一種自適應(yīng)光學(xué)變形鏡系統(tǒng)及其制備方法，應(yīng)用于高清晰成像、激光整形和激光通訊等技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)利用變形鏡來實時校正光的波前像差，在高清晰成像、激光整形和激光通訊等領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)今的變形鏡大多是固態(tài)的，存在變形幅度小、制造成本高、難以擴展等缺點。隨著納米磁流體(magnetic fluid)技術(shù)的發(fā)展,近來人們提出了一種以磁流體為載體的液態(tài)變形鏡方案，通過控制磁流體下方的電磁場從而使磁流體的表面發(fā)生變形，相比固態(tài)鏡有變形幅度大、制造成本低、易于擴展等優(yōu)點。但這種常規(guī)磁流體變形鏡通過控制磁流體下方微型線圈組中的電流信號使鏡面發(fā)生變形，系統(tǒng)的輸入輸出響應(yīng)具有強非線性，而且當(dāng)鏡面變形量大時，微型線圈中的輸入電流很大，這給變形鏡的設(shè)計和控制都帶來相當(dāng)大的難度。隨著自適應(yīng)性光學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用日益廣泛，磁流體變形鏡以其自身的優(yōu)點將得到廣泛的應(yīng)用，但同時對磁流體變形鏡校正光波像差的能力也提出了更高的要求。其中如何解決磁流體變形鏡響應(yīng)的非線性問題以及減少微型線圈中的控制輸入電流是現(xiàn)今磁流體變形鏡研究中需要解決的一個關(guān)鍵問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的 目的在于克服已有技術(shù)存在的不足，提供一種磁流體變形鏡裝置，在傳統(tǒng)磁流體變形鏡裝置中微型電磁線圈產(chǎn)生的磁場中疊加一個較大的、均勻性較好的垂直磁場，有效解決了傳統(tǒng)磁流體變形鏡鏡面非線性響應(yīng)的問題，使磁流體變形鏡響應(yīng)線性化，并在控制輸入電流一定的情況下，顯著增大了鏡面響應(yīng)的變形幅值。為達到上述發(fā)明創(chuàng)造目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案:
一種磁流體變形鏡裝置，包括基本鏡面系統(tǒng)和鏡面變形驅(qū)動系統(tǒng)，即:將鐵磁流體盛放于容器中，再將金屬類似液體反射膜材料倒在鐵磁流體上，形成金屬類似液體反射膜漂浮在鐵磁流體液面上，而構(gòu)成磁流體變形鏡的基本鏡面系統(tǒng)；將微型電磁線圈組設(shè)置于容器下方，微型電磁線圈組與導(dǎo)線相連接入到電流驅(qū)動電路上，微型電磁線圈組還與另一條導(dǎo)線相連連接到地上，構(gòu)成磁流體變形鏡的鏡面變形驅(qū)動系統(tǒng)，使鐵磁流體處于基本電磁場下；在容器的外部還設(shè)置亥姆霍茲電磁感應(yīng)線圈，向鐵磁流體施加與基本電磁場的磁力線方向垂直的附加電磁場，使附加電磁場與基本電磁場均勻疊加。上述亥姆霍茲電磁感應(yīng)線圈包括兩個電磁線圈，將電磁線圈和電磁線圈同時套在容器的外部，一個電磁線圈位于鐵磁流體的上側(cè)，另一個電磁線圈位于鐵磁流體的下側(cè)，構(gòu)成亥姆霍茲電磁感應(yīng)線圈結(jié)構(gòu)。上述微型電磁線圈組包括繞線和繞線筒，繞線繞在繞線筒上，繞線帶有引線，其中一邊引線與導(dǎo)線相連并接入到電流驅(qū)動電路上，另一邊引線與導(dǎo)線相連并連接到地上。
本發(fā)明還提供了一種磁流體變形鏡裝置的制備方法，包括如下步驟:
a.將微型電磁線圈組安裝在支架上，并將導(dǎo)線連接在微型電磁線圈組上，使微型電磁線圈組與導(dǎo)線相連接入到驅(qū)動電路上，微型電磁線圈組還與另一導(dǎo)線相連連接到地上；
b.將容器固定在支架上方，使在上述步驟a中的微型電磁線圈組位于容器下方；
c.將鐵磁流體倒入容器內(nèi)；
d.將反射膜液體緩慢倒入鐵磁流體表面上，使鐵磁流體表面上形成一層漂浮的均勻厚度的液體反射膜；
e.將亥姆霍茲電磁感應(yīng)線圈套在容器外，使亥姆霍茲電磁感應(yīng)線圈產(chǎn)生的均勻電磁場與在上述步驟a中的微型電磁線圈組生成的電磁場垂直疊加在一起，同時對容器內(nèi)的鐵磁流體施加外磁場控制作用，驅(qū)使流體表面發(fā)生變形，進而使液體反射膜隨著磁流體表面的變形發(fā)生適應(yīng)性變形。作為本發(fā)明優(yōu)選 的技術(shù)方案，使在上述步驟a中的微型電磁線圈組的輸入電流保持不變，通過調(diào)整亥姆霍茲線圈中的輸入電流，可改變磁流體變形鏡裝置的鏡面最大變形幅值。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見的突出實質(zhì)性特點和顯著優(yōu)點:
1.本發(fā)明磁流體變形鏡使鏡面響應(yīng)線性化，并增大了鏡面變形幅度，即增大了校正像差的能力；
2.在使鏡面變形幅值大大提高的情況下，本發(fā)明磁流體變形鏡還有效的減小了通入微型電磁線圈組的電流，從而減小了高密度微型電磁線圈組所產(chǎn)生的熱量，有利于保證線圈工作的穩(wěn)定性，降低溫度對鐵磁流體性能的影響；
3.本發(fā)明磁流體變形鏡具有性能好、成本低、制備簡便、易于擴展的技術(shù)優(yōu)勢，具有很好的應(yīng)用前景。


圖1為本發(fā)明實施例一磁流體變形鏡裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明實施例一的亥姆霍茲電磁感應(yīng)線圈的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明實施例一磁流體變形鏡裝置的制備流程圖。圖4是本發(fā)明實施例二的磁流體變形鏡裝置的鏡面變形響應(yīng)與傳統(tǒng)磁流體變形鏡的鏡面變形響應(yīng)的鏡面變形幅值與輸入微型電磁線圈組的電流曲線對比關(guān)系圖。圖5是本發(fā)明實施例三驗證磁流體變形鏡裝置的鏡面變形響應(yīng)存在線性疊加原理的鏡面變形幅值與輸入微型電磁線圈組的電流曲線示意圖。圖6是本發(fā)明實施例四的磁流體變形鏡裝置的鏡面變形幅值與輸入亥姆霍茲電磁感應(yīng)線圈的電流曲線示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明的優(yōu)選實施例詳述如下:
實施例一:
在本實施例中，參見圖1和圖2，一種磁流體變形鏡裝置，包括基本鏡面系統(tǒng)和鏡面變形驅(qū)動系統(tǒng)，具體為:將鐵磁流體201盛放于容器204中，再將金屬類似液體反射膜材料倒在鐵磁流體201上，形成金屬類似液體反射膜202漂浮在鐵磁流體201液面上，而構(gòu)成磁流體變形鏡的基本鏡面系統(tǒng)；將微型電磁線圈組203設(shè)置于容器204下方，微型電磁線圈組203與導(dǎo)線205相連接入到驅(qū)動電路上，微型電磁線圈組203還與另一導(dǎo)線206相連連接到地上，構(gòu)成磁流體變形鏡的鏡面變形驅(qū)動系統(tǒng)，使鐵磁流體201處于基本電磁場下；在容器204的外部還設(shè)置亥姆霍茲電磁感應(yīng)線圈，向鐵磁流體201施加與基本電磁場的磁力線方向垂直的附加電磁場B，使附 加電磁場與基本電磁場均勻疊加。在本實施例中，在基本鏡系統(tǒng)的基礎(chǔ)上構(gòu)造亥姆霍茲電磁感應(yīng)線圈結(jié)構(gòu)，通過合理設(shè)計電磁線圈，提高了傳統(tǒng)磁流體變形鏡的輸入輸出響應(yīng)性能，包括獲得了磁流體表面良好的線性響應(yīng)特性，提高了鏡面響應(yīng)幅值。在本實施例中，增大磁流體表面的響應(yīng)幅度，有效的減小了通入微型線圈組203的電流，從而減小了高密度微型線圈區(qū)所產(chǎn)生的熱量，有利于保證線圈工作的穩(wěn)定性，并減少由于局部溫度過高對鐵磁流體201性能的影響。上述亥姆霍茲電磁感應(yīng)線圈包括兩個電磁線圈，即將電磁線圈101和電磁線圈102同時套在容器204的外部，使電磁線圈101位于鐵磁流體201的上側(cè)，使電磁線圈102位于鐵磁流體201的下側(cè)，構(gòu)成亥姆霍茲電磁感應(yīng)線圈結(jié)構(gòu)，向鐵磁流體201施加均勻穩(wěn)定的電磁場，以便與基本鏡系統(tǒng)的微型線圈組203生成的磁場垂直疊加，實現(xiàn)磁流體表面良好的線性響應(yīng)。上述微型電磁線圈組203包括繞線和繞線筒，繞線繞在繞線筒上，繞線帶有引線，其中一邊引線與導(dǎo)線205相連并接入到驅(qū)動電路上，另外一邊引線與導(dǎo)線206相連并連接到地上。在本實施例中，參見圖3，磁流體變形鏡裝置的制備方法，包括如下步驟:
a.將微型電磁線圈組203安裝在支架上，并將導(dǎo)線連接在微型電磁線圈組203上，使微型電磁線圈組203與導(dǎo)線205相連接入到驅(qū)動電路上，使微型電磁線圈組203與另一導(dǎo)線206相連連接到地上；
b.將容器204固定在支架上方，使在上述步驟a中的微型電磁線圈組203位于容器204下方；
c.將鐵磁流體201倒入容器204內(nèi)；
d.將反射膜液體緩慢倒入鐵磁流體表面上，使鐵磁流體表面上形成一層漂浮的均勻厚度的液體反射膜；
e.將亥姆霍茲電磁感應(yīng)線圈套在容器204外，使亥姆霍茲電磁感應(yīng)線圈產(chǎn)生的均勻電磁場與在上述步驟a中的微型電磁線圈組203生成的電磁場垂直疊加在一起，同時對容器204內(nèi)的鐵磁流體201施加外磁場作用，驅(qū)使鐵磁流體201的流體表面發(fā)生變形，進而使液體反射膜隨著鐵磁流體201表面的變形發(fā)生適應(yīng)性變形。本實施例磁流體變形鏡裝置具有性能好、成本低、制備簡便、易于擴展的技術(shù)優(yōu)勢，具有很好的應(yīng)用前景。實施例二:
本實施例特別之處在于:
在本實施例中，參見圖4，將上述實施例一磁流體變形鏡裝置的鏡面變形響應(yīng)與傳統(tǒng)磁流體變形鏡的鏡面變形響應(yīng)的鏡面變形幅值與輸入微型電磁線圈組的電流曲線進行對比，通過對比試驗驗證實施例一磁流體變形鏡裝置的鏡面變形響應(yīng)是否存在線性特征。實施例一磁流體變形鏡裝置的鏡面響應(yīng)線性特性驗證方法具體實施步驟為:1)檢測并記錄向傳統(tǒng)磁流體變形鏡的一個微型電磁線圈單獨通入電流時鏡面對應(yīng)位置的變形幅度特性曲線一；
2)檢測并記錄向上述實施例一磁流體變形鏡裝置與上述步驟I對應(yīng)位置的微型電磁線圈單獨通入電流時鏡面相應(yīng)位置的變形幅度特性曲線二；
3)觀察上述兩步驟獲得的兩條曲線可以發(fā)現(xiàn)曲線一是非線性的，曲線二是線性的。傳統(tǒng)磁流體變形鏡和實施例一磁流體變形鏡輸入輸出響應(yīng)的實驗比較結(jié)果如圖4所示，橫坐標(biāo)為通入微型電磁線圈的電流，以毫安為單位，縱坐標(biāo)為磁流體變形鏡鏡面變形幅值，以微米為單位。圖4中的帶號曲線是在沒有驅(qū)動亥姆霍茲線圈情況下的鏡面響應(yīng)，也就是傳統(tǒng)磁流體變形鏡的鏡面響應(yīng)曲線；圖4中的帶‘〇’號曲線是在驅(qū)動亥姆霍茲線圈情況下的鏡面響應(yīng)，也就是實施例一磁流體變形鏡裝置的鏡面響應(yīng)曲線。從圖4中可看出，實施例一磁流體變形鏡裝置的鏡面響應(yīng)具有非常優(yōu)良的線性特性，而傳統(tǒng)磁流體變形鏡的鏡面響應(yīng)是線性的，而且只能單向變形。實施例三:
本實施例特別之處在于:
在本實施例中，參見圖5，采用實施例一磁流體變形鏡裝置，驗證實施例一磁流體變形鏡裝置的鏡面響應(yīng)是否存在線性疊加原理的具體實施步驟為:
1)任意選出實施例一磁流體變形鏡裝置的鏡面變形驅(qū)動系統(tǒng)內(nèi)的兩個相鄰微型電磁線圈，分別標(biāo)為‘A’和‘B’，并選出兩個線圈之間的某個位置作為觀察點C ；
2)向?qū)嵤├淮帕黧w變形鏡裝置的鏡面變形驅(qū)動系統(tǒng)內(nèi)標(biāo)記為‘A’的微型電磁線圈單獨通入電流信號I，檢測并記錄觀察點C的變形幅度特性曲線一；
3)向?qū)嵤├淮帕黧w變形鏡裝置的鏡面變形驅(qū)動系統(tǒng)內(nèi)標(biāo)記為‘B’的微型電磁線圈單獨通入電流信號2，檢測并記錄觀察點C的變形幅度特性曲線二 ；
4)向?qū)嵤├淮帕黧w變形鏡裝置的鏡面變形驅(qū)動系統(tǒng)內(nèi)標(biāo)記為‘A’和‘B’的兩個微型電磁線圈同時分別通入電流信號I和電流信號2，檢測并記錄觀察點C的變形幅度特性曲線—■.---，
5觀察上述步驟產(chǎn)生的三條變形幅度特性曲線可以發(fā)現(xiàn):曲線三上的每個位置的幅值等于曲線一和曲線二對應(yīng)位置的幅值之和，也就是說實施例一磁流體變形鏡裝置的鏡面響應(yīng)存在疊加原理。如圖5所示，實驗驗證了實施例一磁流體變形鏡裝置的鏡面響應(yīng)存在線性疊加原理。圖中橫坐標(biāo)為通入微型電磁線圈的電流，以毫安為單位，縱坐標(biāo)為實施例一磁流體變形鏡裝置的鏡面變形幅值，以微米為單位。在驅(qū)動亥姆霍茲線圈的情況下，圖中‘ + ’號曲線表示單獨驅(qū)動一個微型電磁線圈‘A’時鏡面位置觀察點C的響應(yīng)；圖中‘〇’號曲線表示單獨驅(qū)動微型電磁線圈‘B’時鏡面位置觀察點C的響應(yīng)；圖中‘A’號曲線表示同時驅(qū)動微型電磁線圈‘A’和‘B’時鏡面位置觀察點C的響應(yīng)。實施例四:
本實施例特別之處在于:
在本實施例中，保持在實施例一磁流體變形鏡裝置的微型電磁線圈的輸入電流保持不變，可通過調(diào)整亥姆霍茲線圈中的輸入電流，改變磁流體變形鏡裝置的鏡面變形幅值。

在本實施例中，參見圖6，還采用實施例一磁流體變形鏡裝置，驗證實施例一磁流體變形鏡裝置的鏡面響應(yīng)幅值放大特性，本方法具體實施步驟為:
使實施例一磁流體變形鏡裝置的微型電磁線圈的輸入電流保持32毫安不變時，改變亥姆霍茲線圈中的輸入電流，檢測鏡面的變形幅值的變化，實驗表明加大亥姆霍茲線圈中的輸入電流，即改變垂直的疊加磁場大小，可顯著提高變形鏡的鏡面變形幅值。上面結(jié)合附圖對本發(fā)明實施例進行了說明，但本發(fā)明不限于上述實施例，還可以根據(jù)本發(fā)明的發(fā)明創(chuàng)造的目的做出多種變化，凡依據(jù)本發(fā)明技術(shù)方案的精神實質(zhì)和原理下做的改變、修飾、替代、組 合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，只要符合本發(fā)明的發(fā)明目的，只要不背離本發(fā)明磁流體變形鏡裝置及其制備方法的技術(shù)原理和發(fā)明構(gòu)思，都屬于本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種磁流體變形鏡裝置，包括基本鏡面系統(tǒng)和鏡面變形驅(qū)動系統(tǒng)，其特征在于:將鐵磁流體(201)盛放于容器(204)中，再將金屬類似液體反射膜材料倒在所述鐵磁流體(201)上，形成金屬類似液體反射膜(202)漂浮在所述鐵磁流體(201)液面上，而構(gòu)成磁流體變形鏡的基本鏡面系統(tǒng)； 將微型電磁線圈組(203 )設(shè)置于所述容器(204 )下方，所述微型電磁線圈組(203 )與導(dǎo)線(205)相連接入到電流驅(qū)動電路上，所述微型電磁線圈組(203)還與另一導(dǎo)線(206)相連連接到地上，構(gòu)成磁流體變形鏡的鏡面變形驅(qū)動系統(tǒng)，使所述鐵磁流體(201)處于基本電磁場下； 在所述容器(204)的外部還設(shè)置亥姆霍茲電磁感應(yīng)線圈，向所述鐵磁流體(201)施加與基本電磁場的磁力線方向垂直的附加電磁場，使附加電磁場與基本電磁場均勻疊加。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁流體變形鏡裝置，其特征在于:所述亥姆霍茲電磁感應(yīng)線圈包括兩個電磁線圈，即將電磁線圈(101)和電磁線圈(102 )同時套在所述容器(204 )的外部，使所述電磁線圈(101)位于所述鐵磁流體(201)的上側(cè)，使所述電磁線圈(102)位于所述鐵磁流體(201)的下側(cè)，構(gòu)成亥姆霍茲電磁感應(yīng)線圈結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的磁流體變形鏡裝置，其特征在于:所述微型電磁線圈組(203)包括繞線和繞線筒，所述繞線繞在所述繞線筒上，所述繞線帶有引線，其中一邊引線與所述導(dǎo)線(205)相連并接入到電流驅(qū)動電路上，另外一邊引線與所述導(dǎo)線(206)相連并連接到地上。
4.一種權(quán)利要求1 或2所述的磁流體變形鏡裝置的制備方法，其特征在于，包括如下步驟: a.將微型電磁線圈組安裝在支架上，并將導(dǎo)線連接在微型電磁線圈組上，使微型電磁線圈組與一條導(dǎo)線相連接入到電源上，使微型電磁線圈組還與另一導(dǎo)線相連連接到地上； b.將容器固定在支架上方，使在上述步驟a中的微型電磁線圈組位于容器下方； c.將鐵磁流體倒入容器內(nèi)； d.將反射膜液體緩慢倒入鐵磁流體表面上，使鐵磁流體表面上形成一層漂浮的均勻厚度的液體反射膜； e.將亥姆霍茲電磁感應(yīng)線圈套在容器外，使亥姆霍茲電磁感應(yīng)線圈產(chǎn)生的均勻電磁場與在上述步驟a中的微型電磁線圈組產(chǎn)生的電磁場垂直疊加在一起，同時對容器內(nèi)的鐵磁流體施加外磁場作用，驅(qū)使流體表面發(fā)生變形，進而使液體反射膜隨著磁流體表面的變形發(fā)生適應(yīng)性變形。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的磁流體變形鏡裝置的制備方法，其特征在于:使在上述步驟a中的微型電磁線圈組的輸入電流保持不變，通過調(diào)整亥姆霍茲線圈中的輸入電流，改變磁流體變形鏡裝置的鏡面最大變形幅值。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種磁流體變形鏡裝置，將鐵磁流體盛放于容器中，再將液體反射膜材料倒在鐵磁流體上，形成金屬類似液體反射膜漂浮在鐵磁流體液面上，構(gòu)成磁流體變形鏡的基本鏡面系統(tǒng)；將微型電磁線圈組設(shè)置于容器下方，微型電磁線圈組通過導(dǎo)線接入到電流驅(qū)動電路上，構(gòu)成磁流體變形鏡的鏡面變形驅(qū)動系統(tǒng)，使鐵磁流體處于基本電磁場下；在容器的外部還設(shè)置亥姆霍茲電磁線圈，向鐵磁流體施加與基本電磁場的磁力線方向垂直的附加電磁場，使附加電磁場與基本電磁場均勻疊加。本發(fā)明還公開了磁流體變形鏡裝置制備方法，通過疊加一個較大的、均勻性較好的垂直磁場，使磁流體變形鏡響應(yīng)線性化，并在相同的控制輸入電流情況下，顯著增大了鏡面響應(yīng)變形幅值。
文檔編號G02B26/06GK103235410SQ20131010700
公開日2013年8月7日 申請日期2013年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月29日
發(fā)明者吳智政, 袁帥 申請人:上海大學(xué)