双压电变形反射镜的优化设计

*本课题得到国家科委863高科技项目部分支持。

**现工作单位:钢铁研究总院工艺研究所,北京100081。

收稿日期:1998-04-07;收到修改稿日期:1998-07-14

第19卷　第9期

1999年9月光　学　学　报ACT A OPT ICA SIN ICA V o l.19,N o.9September ,1999

双压电变形反射镜的优化设计

*杨　强**　朱建平　曹根瑞

(北京理工大学光电工程系,北京100081)

摘　要　利用K o ko ro w ski 导出的自由边界条件下双压电变形镜表面位移-电压所满足的偏微分方程,运用高斯迭代法求解该方程,得出变形镜的静态响应函数矩阵f (r , )。考虑到由大气湍流造成的光学波前畸变中各泽尼克(Zer nike)基元模式的统计权重分布,以及变形镜的实际装夹定位方式,对双压电变形反射镜的优化设计进行了分析。结果表明:变形镜的校正能力随被校正的各项泽尼克模式像差在大气湍流造成的波前畸变中所占统计权重的不同而有很大的差别,其优化设计结果也随之而变;变形镜的定位方式对其校正能力有一定的影响,但影响不大。

关键词　自适应光学,　变形反射镜,　优化设计,　响应函数矩阵。

1　引 言

变形反射镜(通常也称之为波前校正器)是自适应光学系统中的核心器件之一,它具有能可控地改变其反射波前相位畸变的特点。目前国内外用得比较普遍的分立式压电变形镜具有灵敏度高、校正自由度多、动态范围大等优点,但造价昂贵,结构复杂,加之随着控制电极的增多,信号处理电路也变得复杂,导致整个系统的响应速度变慢。相比之下双压电变形镜具有工作电压低、动态范围大、结构简单、造价低廉以及在和曲率波前传感器配合使用的情况下系统响应速度快等优点。不足之处是它只适合于校正低阶像差,但在多数情况下,这已能满足使用要求,因此仍有广阔的应用前景。

双压电变形镜的优化设计工作目前在国外初见报道[1～3]。本文研究的重点是针对大气湍流造成的光学波前畸变中各泽尼克基元模式统计权重的不同,以及变形镜的实际装夹定位方式不同,对优化设计作更深入的研究和探讨。

2　双压电变形镜的工作原理

利用压电体的逆压电效应,把两个沿旋转对称轴方向极化的圆片形压电材料以相反的极化方向粘到一起构成一双压电片变形镜,当在圆片的两侧加电压时,横向压电效应将使两个粘成一体的圆片朝相反的方向弯曲,如图1所示。Kokorow ski 导出了决定这种双压电变形镜

的变形量与所加电压之间满足的微分方程[4]:

2w (x ,y )=-4V (x ,y )/ah 2(1)

其中V (x ,y )为变形镜上所加的电压,h 为薄圆片的厚度,a 为和压电材料有关的常数,w (x ,y )为圆片表面上点(x ,y )处的法向位移, 2是二维拉普拉斯算子。同时存在的纵向逆压电效应也将导致薄圆片在厚度方向发生变化,但在圆盘直径远大于圆盘厚度h 的情况下,该变化和w (x ,y )相比可以忽略不计。

图2所示为控制电极的分布图。图中电极1～7与镜面的有效通光口径相对应;电极8～13在有效通光口径之外,用以控制有效通光口径的边界条件。把该器件固定于半径为R 3的圆周上,当各电极加上一定电压而使表面变形时,变形量的计算问题就成为求解上述泊松(Po isso n )方程的第一边值问题。不难通过求解极坐标形式下的泊松方程得到镜面上(r ,

)F ig .1Pr inciple of bimor ph defor mable mirr or F

ig .2Electro de patt ern of 13-seg ment bimo rph

defor mable m irr o r

处的法向位移与电压的关系:

w (r , )r r +w (r , )r /r +w (r , ) /r 2=-4V (r , )/ah 2

V (r , )=V 0, R i

(2)

这里假设a 和h 为已知常数,其中i

两种特殊情况:

1)当在13个电极上同时加电压V 时,求解上述泊松方程的第一边值问题可以得到[5]:

w a (x ,y )=

V ah 2(R 23- 2),(3)

其中 2=x 2+y 2。

2)在第一个电极上加电压V ,而其它电极电压均为0时,作二级近似,解上述方程得到:

w b (x ,y )=V ah 2[(R 21- 2)+2R 21ln R 3R 1

], (0≤ ≤R 1)-2VR 21ah 2ln R 3, (R 1< ≤R 3)(4)当对电极2～13逐个施加电压时,很难给出上述泊松方程的解析解,但可以用高斯迭代法求解[5]。图3所示为运用该算法得到的13幅当电压分别作用于图2所示的各电极时变形镜的变形图。

考虑到用泽尼克多项式表示和分析光学零件面形误差或光学系统波像差的方法已被广泛应用,因此以图3所示的用高斯迭代法求得的各电极在单位电压作用下所引起的镜面变形函数或响应函数f 1(r , ),f 2(r , ),…,f 13(r , )为基底,在 ≤R 2(变形镜的有效工作口径)

1164光 学 学 报

19卷　

　Fig .3T he deformation profiles responded for each electrode actuation of bim orph m irror calculated by Gauss ian

iteration algorith m

范围内,对泽尼克多项式前8项(或更多项)基元波面(倾斜-X 、Y ;离焦;像散-X 、Y ;纯彗差-X 、Y ;球差)逐项进行最小二乘拟合,便可得出欲使变形镜分别产生泽尼克基元波面形式的变形时应施加的控制电压系数矩阵,以便作为控制变形镜工作的一组基本数据备用。为此,首先可写出:

V i ,1f 1(r , )+V i ,2f 2(r , )+…V i ,13f 13(r , )=z i (r , )

(5)这里取i =1…8,V i ,1…V i ,13为拟合第i 项泽尼克基元波面时各电极应施加的电压系数。显然

(5)式为一超定方程组。记拟合第i 项泽尼克基元波面时的波前残差的方差为:!(i )= m k =1 m i =1{z i (r k , l )- 13j =1V i ,j f j (r k , l )}2(6)

式中m ×m 为响应函数f j 的采样点数。以V i ,j 作自变量,当满足最小二乘拟合条件时,应有:

?!(i ) V i ,t = m k =1 m l =12[ 13j =1V i ,j f i (r k , l )-z i (r k , l )]f t (r k , l )=0(7)

当t 取尽1～13里所有自然数时,即可得到用以产生各泽尼克基元波面的控制电压矩阵表达式:

V =[F ]-113×13[Z ′i ,1Z ′i ,2…Z ′i ,13]T (8)

其中[F ]-113×13和Z ′

i ,t 的求法可参考文献[5]。3　控制电极的优化

控制电极划分的形式不同可得到不同的响应函数组{f 1,f 2,f 3,…,f 13},以此为基底分别最小二乘拟合泽尼克多项式的前n 项时将得到不同的拟合残差的方差值。同时,考虑到大气湍流造成的波前畸变中各项基元波面所占的比重是不同的。Noll 根据大气湍流的柯尔莫哥洛夫(Ko lmog orov )模型,建立了用泽尼克多项式表示的大气湍流造成的波前相位畸变的数学模型并给出当前n 项像差已得到校正后,残余波前相位畸变的方差为[6]:#2?=〈?2〉- n i =1〈 a i 2〉(9)

1165

9期杨　强等: 双压电变形反射镜的优化设计

式中〈?2〉表示大气湍流造成波前位相畸变方差的系综平均值,a i为以泽尼克多项式表示大气湍流畸变波前时第“i”项泽尼克模式像差的系数。当n>10时,(9)式可近似为:

#2?≈0.294n-3/2(D/r0)濔(10)式中D为被考察波前的直径,r0为大气相干长度。

表1列出了大气湍流波前相位畸变中,前n项泽尼克模式像差得到校正后的残余波前相位方差值(当D/r0=1时)。例如表中n=1时所对应的#2?= 1.030(rad2)就表示常数项或称活塞项模式像差得到校正后的残余位相方差。表中前项与后项所对应的相位方差值之差就代表了前一项泽尼克模式相位畸变的方差。例如表中第二项(n=2)与第三项(n=3)之差#2?,2 -#2?,3=0.582-0.134=0.448(rad2)就代表了第二项,即波前在y方向的倾斜所造成的相位方差。因此可按下式定义大气湍流所造成的波前畸变中各项泽尼克模式像差所占的比重:

A i=#2?,j-#2?,j+1

#2?,1, (i=1,2,3,…)(11)

T able1.The residual err or for Zernike poly nom ials and Kolm ogro v turbulence n#2?/rad2n#2?/rad2n#2?/r ad2n#2?/r ad2

1 1.03050.08890.046130.033

20.58260.065100.040140.031

30.13470.059110.038150.028

40.11180.053120.035160.027

为了更切合实际地评价变形镜用于校正大气湍流所造成的波前畸变的能力,根据大气湍流造成的波前畸变中各项泽尼克模式像差所占比重的不同,给变形镜校正各项泽尼克模式像差时的残余相位方差赋以相应的权重系数A i是合理的。于是可写出变形镜用于校正前n项泽尼克模式像差时的残余相位均方差e i的加权平均值

E=1

n

n

i=1

A i e i(12)

e i可参照(6)式写出:

e i=!i/(m2-1)(13)显然,E值越小就表示变形镜拟合大气湍流畸变波前的误差越小,即校正能力越强。因此可以此作为评价变形镜校正能力大小的标准,或作为变形镜优化设计的依据。例如比较变形镜控制电极在不同的划分形式下所求得E值的大小,就可以找出其最佳电极分布。

下面以图2所示的电极划分形式为例,并且考虑到变形镜边界的整周精确定位在技术上较难实现,故在采用120°均分三点定位情况下,分别计算等权(A i=1)和加权情况下变形镜校正前8项泽尼克模式像差时的残余相位均方差的平均值随电极环半径比例不同时的变化规律,如图4所示。

由图4可以看出,用等权法得到的最佳控制电极半径比例为R1!R2!R3=0.9!2.0!4.0,用加权法得到的为R1!R2!R3=0.8!2.0!4.0,加权情况下变形镜的校正能力明显优于等权情况。

如取R1!R2!R3=0.8!2.0!4.0,改变三个定位点的位置,如图5(a)中的黑点改成图5(b)中的所示,经计算得到两种不同的定位点安排方式下拟合误差的加权平均值之比为E a/E b= 0.9870,可见图5(a)所示的定位点安排方式比图5(b)的要略好。

1166光 学 学 报19卷　

　Fig.4The w eigh ted and unw eighted correction capab ility variations of the 13-electrode birmorph deformable mirror s how n in Fig.2vers us th e d iffer ent R 1(R 2!R 3= 2.0!4.0)at correcting the first 8th Zernike model

aberration s induced b y th e atmosph eric air tu rbulence

仍然取R 1!R 2!R 3=0.8!2.0!4.0,变

形镜的定位方式如图5(a ),但将第三层电

极(8～13)沿顺时针(或逆时针)旋转30°,

如图5(c )。通过计算得到E a /E c =0.

9824,可见图5(a )所示的电极分布形式的

校正效果比图5(c )的要好。

图6所列为用图5(a)所示的13单元

变形镜分别校正各项泽尼克基元波面时的

残余均方差e i 及同时校正大气湍流的前8

项或前15项泽尼克模式像差时的加权平均

值E 8和E 15。　Fig.5Different arr angement of three positionin g points (dots in Fig.)and different electrode p attern s for

comparis on of fitting

errors

　Fig.6T he distrib ution of correction error of the 13-electrode bimorph deform able mirror sh ow n in Fig.5(a)at

correcting each Zernik e model aberrations.W here E 8and E 15are cor resp on ding to the w eighted average

err or for correcting th e first 8th and 15th Zern ike model aberration s res pectively

由图6看出,13单元变形镜适合于校正泽尼克多项式的低阶模式像差,对于高阶模式像差,其校正能力较差。为了进一步提高变形镜的校正能力,可适当增加其校正电极的数量,如分别采用图7(a )和图7(b )所示的19单元变形镜方案,其中图7(a )所示的通光口径为R 3,增加的6个电极位于通光口径之内,图7(b)所示的通光口径为R 2,增加的6个电极位于通光口径之外。在对它们的控制电极各自进行优化设计之后,分别计算了它们校正各项泽尼克模式像差时的残余均方差e i 和同时校正前8项或15项时的残余均方差的加权平均值E 8和E 15,如图8所示。

1167

9期杨　强等: 双压电变形反射镜的优化设计

F ig.7T w o differ ent electr ode pa tter ns o f 19-segment bimo rph mir r

or

　F ig.8T he compar ison of co rr ect ion er ro r o f the 19-electro de bimo r ph defor mable mirr or s with

different elect ro de patter n show n in Fig .7at co rr ecting ea ch Zer nike model aber r atio ns .

Wher e E 8and E 15are co rr espo nding to the weighted av era ge err or s fo r co rr ecting the fir st

8th and 15th Zernike mo del aberr ations respect ively

可见,如采用图7(a )所示的19单元电极分布形式,变形镜校正泽尼克模式像差前15项的残余均方差的加权平均值从13单元时的2.0460减小到1.3190,其校正能力得到较大的改善。值得注意的是,由于只增加了控制变形镜镜面曲率的内部电极数,而控制其边界条件的外部电极数并没有增加,这时变形镜校正高阶项像差的能力虽有较大的提高,但对低阶项像差的校正效果并无大的改进。

如采用图7(b)所示的形式。其中电极1～7对应有效通光口径,8～19都用于控制边界条件。与图7(a)相比,其校正低阶模式像差的能力有明显提高,且校正高阶模式像差的能力差别不大。

结　论　1)若被校波前畸变中各基元模式像差所占的统计权重不同,影响变形镜校正能力的各控制电极半径比的优化值也不同。考虑到用于校正大气湍流造成的波前畸变的自适应光学系统,13单元双压电变形镜的控制电极的最佳半径比为R 1!R 2!R 3=0.8!2.0!4.0。

2)当变形镜分别采用理论上的整圈装夹定位方式和现实可行的三点装夹定位方式时,变形镜的校正能力有所不同;在采用三点装夹定位方式时,三定位点相对控制电极的分布位置不同,变形镜的校正能力也有所不同,但它们的差别都不很大。

3)19单元的双压电变形镜比13单元的有更强的校正能力。若所增加的校正电极分布在通光口径之内,对高阶模式像差的校正能力有显著提高,但对低阶模式像差作用不大;若所增加的校正电极分布在通光口径之外,对高阶和低阶模式像差的校正能力都有显著提高。1168光 学 学 报19卷　

参考文献

[1]R oddier F ,No rt hco ti M .　A simple low -o rder adaptive o pt ics system fo r nea r-infrar ed applicatio n.

P ublication of the A str onomical S ociety of the Pacif ic ,1991,103∶131～149

[2]G affar d J P,Jag o ur el P.　A dapt ive O ptics:Descr iptio n o f available components at L A SERDO T.Pr oc .

S PI E ,1994,2201∶608～702

[3]Kudry ashov A V ,Shmalhousen V L.　Semipassive bimor ph flexible mir ro rs for at mospher ic adaptive

o ptics applicatio ns .Op t .Engng .,1996,35(11)∶3064～3073

[4]K oko ro wski S A .　A naly sis of adapt ive o ptical elements m ade fr om piezoelectric bim or phs .J .Op t .

S oc .A m .,1979,69(1)∶181～187

[5]杨　强,曹根瑞.　13单元双压电晶片变形镜控制电极的优化设计.光学技术,1996,5∶15～20

[6]N oll R J .　Z ernike po ly nomia ls and atmo spher ic t ur bulence .J .Op t .Soc .A m .,1976,66(3)∶207～

211

The Optimization Design of Bimorph Deformable Mirror

Yang Qiang Zhu Jianping Cao Genrui

(Op toelectronic Engineering Dep ar tment ,Beij ing I nstitute of T echnology ,Beij ing 100081)

(Receiv ed 7April 1998;revised 14July 1998)

Abstract Based on t he part ial different ial equation relat ed to the displacement of bimorph deformable mirror w ith free boundary condition and its applied voltag e deduced by S. A.Kokorow ski,a mat rix of static response functions f (r , )of mirror is derived w ith Gaussian it erat ion.Considering the statist ical w eight factors of different Zernike model aberrations caused by at mospheric turbulence ,and the diff erent arrangement s of mirror positioning ,the opt imization of the bimorph deformable mirror is analyzed .T he results indicat e that ,t he correction capability of bimorph deformable mirror is great ly dependent on t he statistic w eight function of the corrected Zernike model w ave aberrations induced by at mospheric air turbulence ,so far as to the optimization design of mirror .And the dif ferent w ays of mirror posit ioning w ill slight ly affect its correct ion capabilit y .

Key words adapt ive opt ics ,　def ormable mirror ,　optimization design ,　response function .1169

9期杨　强等: 双压电变形反射镜的优化设计

Thorlabs可变形反射镜

MEMS可变形反射镜 MEMS可变形反射镜通用性强、技术成熟，而且校正波前的分辨率高，是目前自适应光学中最常用的可变形反射镜结构。BMC 的可变形反射镜使用先进的MEMS生产技术，具有微加工的固有优势。 ●大驱动器阵列提供高分辨率的波前校正； ●先进的微结构使相邻驱动器之间的串扰降到最低； ●最优设计满足高速应用要求的高速波前整形。 连续表面反射镜(平滑的波前控制) 分割表面反射镜(SLM无串扰的控制) Multi-DM可变形反射镜 Multi-DM是BMC畅销的可变形反射镜，它的结构紧凑，使用简单，能够完成复杂的波前补偿。Multi-DM反射镜表面通过140个低串扰的精密驱动器控制，非常适合显微镜、视网膜成像和激光光束控制等多种应用。反射镜可选连续表面或分割表面(型号后缀-SLM)，分别用于自适应光学或空间光调制应用。 特性 ●驱动器数：140 (方形，12x12，四角无效) ●镀膜：铝膜、金膜或保护银膜 ●零磁滞 ●帧率可达20 kHz ●亚纳米平均步长 ●占空比：>99% (DM) / >98% (SLM)

可变形反射镜和控制器 校正高阶像差：使用Multi-DM得到高阶泽尼克模式 Hex可变形反射镜 BMC的Hex Class可变形反射镜是最新推出的类型。反射镜表面由多个分割部分组成，每个分割部分通过三个驱动器调节俯仰和伸缩，从而控制波前。Hex Class可变形反射镜非常适合从in vivo显微镜到高分辨天文学的多种应用。

特性 ●反射镜镀膜：金膜、铝膜和保护银膜 ●零磁滞 ●亚纳米平均步长 ●占空比：>98% ●驱动器间距：375 μm ●机械响应：<100 μs ●驱动器间串扰：~13% ●可选全面的电机械校准 Hex可变形反射镜实物图

换能器优化设计与实验

燕山大学 本科毕业设计（论文）文献综述 课题名称：超声波换能器优化设计与实验 学院（系）：里仁学院 年级专业：工业自动化仪表2班 学生姓名：孙骏 指导教师：童凯 完成日期： 2013年3月27日

一、课题国内外现状 超声技术出现于20世纪初期.它是以经典声学理论为基础,同时结合电子学、材料学、信号处理技术、雷达技术、固体物理、流体物理、生物技术及计算技术等其他领域的成就而发展起来的一门综合性高新技术学科。近一个世纪的发展历史表明,超声学是声学发展中最为活跃的一部分,它不仅在一些传统的工农业技术中获得广泛应用,而且已经渗透到国防、生物、医学及航空航天等高技术领域。 超声技术已成为国际上公认的高科技领域.随着科学技术的发展,超声技术必将在我国的国民经济建设中发挥越来越大的作用。超声换能器是超声技术中的一个重要组成部分,其研发水平直接决定了超声技术的发展及应用广泛程度。超声换能器的研究是一门综合技术,其发展与现代科学技术密切相关.电子技术、自动控制技术、计算机技术以及新材料技术是影响超声换能器发展水平的一些重要的高新技术。 1、超声换能器的种类 目前超声换能器的种类有很多。按照能量转换的机理和所用的换能材料,可分为压电换能器、磁致伸缩换能器、静电换能器(电容型换能器)、电磁声换能器、机械型超声换能器等.按照换能器的振动模式,可分为纵向(厚度)振动换能器、剪切振动换能器、扭转振动换能器、弯曲振动换能器、纵-扭复合以及纵-弯复合振动模式换能器等。按照换能器的工作介质,可分为气介超声换能器、液体换能器以及固体换能器等.按照换能器的工作状态,可分为发射型超声换能器、接收型超声换能器和收发两用型超声换能器。按照换能器的输入功率和工作信号,可分为功率超声换能器、检测超声换能器、脉冲信号换能器、调制信号换能器和连续波信号换能器等.按照换能器的形状,可分为棒状换能器、圆盘型换能器、圆柱型换能器、球形换能器及复合型超声换能器等。另外,不同的应用需要不同形式的超声换能器,如平面波超声换能器、球面波超声换能器、柱面波超声换能器、聚焦超声换能器以及阵列超声换能器等等。 2、超声换能器的性能参数 超声换能器是一种能量转换器件,其性能描述与评价需要许多参数。超声换能器的特性参数包括共振频率、频带宽度、机电耦合系数、电声效率、

经典实验讲义-菲涅尔双面反射镜干涉 (测量实验)

菲涅尔双面反射镜干涉 (测量实验) 一、实验目的 观察双平面干涉现象及测量光波波长 二、实验原理 如附图7所示的是双面镜装置是由两块平面反射镜M 1和M 2组成，两者间夹一很小的 附图7 菲涅尔双面镜 角?。S 是与M 1和M 2的交线（图中以M 表示）平行的狭缝，用单色光照明后作为缝光源。从同一光源S 发出的光一部在M 1上反射，另一部分在M 2上发射，所得到的两反射光 是从同一入射波前分出来的，所以是相干的，在它们的重叠区将产生干涉。对于观察者来说，两束相干光似乎来自S 1和S 2，S 1和S 2是光源S 在两反射镜中的虚像，由简单的几何光学原理可证明，由S 光源发出的，后被两反射镜反射的两束相干光在屏幕上的光程差与将S 1、S 2视为两相干光源发出两列相干光波到达幕上的光程差相同。与双棱镜实验相似，根据双棱镜的实验中推导出的公式/xd D λ=?，亦可算出它的波长λ。 三、实验仪器 1、钠光灯（可加圆孔光栏） 2、凸透镜L ： f=50mm 3、二维调整架： SZ-07 4、单面可调狭缝： SZ-22 5、双面镜 6、测微目镜Le （去掉其物镜头的读数显微镜） 7、读数显微镜架 : SZ-38 8、三维底座： SZ-01 9、二维底座： SZ-02 10、一维底座： SZ-03 11、一维底座： SZ-03 12、凸透镜： f=150mm 13、He —Ne 激光器(632.8nm) 14、白屏H ： SZ-13 15、二维调整架： SZ-07 16、通用底座： SZ-01 17、通用底座： SZ-01

四、仪器实物图及原理图 图十一（1） 图十一（2） 五、实验步骤 1、把全部仪器按照图十一的顺序在平台上摆放好（图上数值均为参考数值）， 靠拢后目测调至共轴。而后放入双面镜。 2、调节双面镜的夹角，使其与入光的夹角大约为半度，如图十一（2）。（亦 可用激光器替换钠灯，白屏H代替微测目镜，使细激光束同时打在棱边 尽量靠近的双面镜的两个反射镜上，在远离双面镜交棱的白屏上看到干 涉条纹。） 3、然后如图放入测微目镜，找到被双面镜反射的光线。调节单缝的宽度并 旋转单缝使它与双面镜的双棱平行，用测微目镜观察双平面反射镜干涉

双压电变形反射镜的优化设计

*本课题得到国家科委863高科技项目部分支持。 **现工作单位:钢铁研究总院工艺研究所,北京100081。 收稿日期:1998-04-07;收到修改稿日期:1998-07-14 第19卷　第9期 1999年9月光　学　学　报ACT A OPT ICA SIN ICA V o l.19,N o.9September ,1999 双压电变形反射镜的优化设计 *杨　强**　朱建平　曹根瑞 (北京理工大学光电工程系,北京100081) 摘　要　利用K o ko ro w ski 导出的自由边界条件下双压电变形镜表面位移-电压所满足的偏微分方程,运用高斯迭代法求解该方程,得出变形镜的静态响应函数矩阵f (r , )。考虑到由大气湍流造成的光学波前畸变中各泽尼克(Zer nike)基元模式的统计权重分布,以及变形镜的实际装夹定位方式,对双压电变形反射镜的优化设计进行了分析。结果表明:变形镜的校正能力随被校正的各项泽尼克模式像差在大气湍流造成的波前畸变中所占统计权重的不同而有很大的差别,其优化设计结果也随之而变;变形镜的定位方式对其校正能力有一定的影响,但影响不大。 关键词　自适应光学,　变形反射镜,　优化设计,　响应函数矩阵。 1　引 言 变形反射镜(通常也称之为波前校正器)是自适应光学系统中的核心器件之一,它具有能可控地改变其反射波前相位畸变的特点。目前国内外用得比较普遍的分立式压电变形镜具有灵敏度高、校正自由度多、动态范围大等优点,但造价昂贵,结构复杂,加之随着控制电极的增多,信号处理电路也变得复杂,导致整个系统的响应速度变慢。相比之下双压电变形镜具有工作电压低、动态范围大、结构简单、造价低廉以及在和曲率波前传感器配合使用的情况下系统响应速度快等优点。不足之处是它只适合于校正低阶像差,但在多数情况下,这已能满足使用要求,因此仍有广阔的应用前景。 双压电变形镜的优化设计工作目前在国外初见报道[1～3]。本文研究的重点是针对大气湍流造成的光学波前畸变中各泽尼克基元模式统计权重的不同,以及变形镜的实际装夹定位方式不同,对优化设计作更深入的研究和探讨。 2　双压电变形镜的工作原理 利用压电体的逆压电效应,把两个沿旋转对称轴方向极化的圆片形压电材料以相反的极化方向粘到一起构成一双压电片变形镜,当在圆片的两侧加电压时,横向压电效应将使两个粘成一体的圆片朝相反的方向弯曲,如图1所示。Kokorow ski 导出了决定这种双压电变形镜

第44讲-围护结构及支撑结构与基坑变形控制

2020环球网校二级建造师《市政公用工程管理与实务》考点精讲 【考点】围护结构（板桩、钢管桩、灌注桩、SMW、重力式水泥土挡墙） 1.基坑围护结构体系 ，经 围护结构体系 2.预制混凝土板桩 ①施工较为困难，对机械要求高，挤土现象很严重。 ②需辅以止水措施。 ③自重大，受起吊设备限制，不适合大深度基坑。 3.钢板桩 ①成品制作，可反复使用。 ②施工简便，但施工有噪声。 ③刚度小，变形大，与多道支撑结合，在软弱土层中也可采用。

④新的时候止水性尚好，如有漏水现象，需增加防水措施。 ⑤最大开挖深度7～8m。 4.钢管桩 ①截面刚度大于钢板桩，在软弱土层中开挖深度较大。 ②需有防水措施相配合。 5.灌注桩 ①刚度大，可用在深大基坑。 ②施工对周边地层、环境影响小，噪声低、适于城区施工。 ③需降水或与能止水的搅拌桩、旋喷桩等配合使用。 6.SMW工法桩 （一）结构特点 ①强度大，止水性好。 ②内插的型钢可拔出反复使用，经济性好。 ③用于软土地层时，一般变形较大。 （二）技术要点 ① 28d无侧限抗压强度不应小于设计要求，且不宜小于0.5MPa。 ②水泥：不低于P·O 42.5级普通硅酸盐水泥。 ③特别软弱或较硬地层，钻进速度较慢时水泥用量宜适当提高。砂性土宜外加膨润土。 ④单根型钢接头不宜超过2个，相邻型钢接头宜错开，距离不宜小于1m，接头距基坑底面 2m。 7. / 水泥土搅拌桩挡墙 ①无支撑，墙体止水性好，造价低。 ② ③0.6；淤泥质土——0.7；淤泥——0.8。 ④ ⑤，0.7h；淤泥——1.3h，0.8h。 ⑥ 28d无侧限抗压强度不宜小于 ⑦板厚不宜小于150mm、C15。

压电换能器的主要技术参数(V2.2)

上海谐鸣超声设备有限公司 谐鸣超声技术支持：电话013681952953（王工）、QQ 2564620565 1 压电换能器的主要技术参数 压电（超声）换能器的技术参数较多，大致有以下一些： 1、灵敏度：指换能器转化能量的效率，高灵敏度表示高的转化效率； 2、谐振（工作）频率：指换能器谐振时的频率，谐振时，换能器灵敏度趋 于最高，该参数和系统紧密相关； 3、指向性：指换能器辐射面各方向角度发射或接收信号的强度变化，一般 测试换能器主声轴的一个平行截面，测距、定位、成像时需考虑该指标； 4、盲区（余振）：指换能器余振或拖尾的严重程度，即驱动信号结束后，换 能器自身惯性振动持续的时间，测距成像类换能器需检测该指标； 5、耐温性：指换能器能正常工作的高低温极限； 6、耐压力性：指换能器能正常工作的高低压力极限； 7、电参数：指换能器本身的阻抗（导纳）、容值、感值等，和系统匹配相关； 8、振幅：指换能器在固定驱动电压下的振动幅度，和灵敏度基本类似，利 用换能器的动能时需参考该指标； 9、电压极限：指换能器可加的最大电压值，大功率超声系统特别需考虑该 指标，电压长期超过该值易引起压电陶瓷的退极化； 10、密封性：指换能器在液体中的密封性，水下换能器需考虑该指标； 11、耐腐蚀性：指换能器对腐蚀性环境抵抗能力，腐蚀性环境下应用需考虑 该指标； 12、带宽：指换能器灵敏度的平坦程度，或对不同频率信号的兼容程度； 13、其他：如重量、体积、外形尺寸、外壳材料、信号引出方式、换能器安 装接口类型等。 以上罗列的是换能器主要指标参数，不同的仪器设备、不同的应用环境和场合要求不太一样，有一定的选择性，并不是指标越多、要求越高越好，如有的场合要求指向性越尖越好，而有的场合又希望指向性的开角大些好。此外，每增加一项考核指标，都会同时增加换能器制造者、使用者的工作量和成本，部分指标会导致换能器制造工作量和成本成倍的增加，这没有必要，只有选择和系统或使用场合相应的指标参数才是合理有效的。

超声造影剂声学特性的优化设计与实验测定

超声造影剂声学特性的优化设计与实验测定1 宗瑜瑾，万明习，王素品，陈红 西安交通大学生物医学信息工程教育部重点实验室，生命科学与技术学院，西安(710049) E-mail：mxwan@https://www.sodocs.net/doc/b29201922.html, 摘要：本文基于超声造影剂微泡在声场中的理论振动模型，建立了用于对超声造影剂的声学特性进行优化设计与分析的计算机辅助设计系统。利用该系统，从理论上计算和估计不同的微泡半径、声压等参数对微泡的基波和二次谐波的影响，以得到获得最佳二次谐波特性的声学条件。并在此基础上，对优化条件下超声造影剂的声学特性进行了体外声学实验测定。实验结果表明，该优化设计系统的计算结果在一定范围内能够与实验结果较好地吻合，可从理论上对造影剂的制备和应用进行指导。 关键词：超声造影剂，声压，基波，二次谐波 1．前言 与其它成像模式中造影剂的作用类似，超声造影剂(Ultrasound contrast agent, UCA)是一类能够显著增强医学超声成像信号的诊断试剂。由于超声造影剂与周围组织的声阻抗差高、共振散射强，可显著增强在组织背景下血液流动中UCA的散射信号，所以在微血管血流灌注成像方面具有很大的潜力[1-5]。目前，超声造影剂已从当初的自由气泡发展成为蛋白质、表面活性剂、脂类或聚合物等包膜并包裹高分子量难溶气体的微泡。包膜的存在增加了微泡的“寿命”，使微泡内的气体不容易溶解、扩散到周围的血液中，提高了微泡的稳定性。但是包膜的存在又影响了微泡在声场中的振动，使得微泡在声场中的行为变得更加复杂[6-9]。 为了能够更好地了解超声造影剂在声场作用下的振动，找到其用于基波增强、谐波成像等不同成像模式时的最佳工作条件。本文基于单个超声造影剂在声场中振动的理论模型，建立了超声造影剂声学特性的优化设计分析系统，用于微泡声学特性的计算机辅助设计和分析。从理论上计算不同声学参数的条件下超声造影剂的半径振动曲线和散射回波，并利用体外声学测试系统测定了自制的JD-95型超声造影剂在不同优化条件下的声学特性。 2．材料与方法 2.1 超声造影剂 本文所用的自制超声造影剂JD-95 是在通入六氟化硫(SF6)气体的情况声 振Span 和Tween等表面活性剂溶液［10］ 制得。采用Multisizer 3颗粒自动分析仪 (Beckman-Coulter公司，美国)测量该造 影剂的粒度分布与浓度，得到其粒度分 布如图1所示，平均粒径为1.495um， 图1 JD-95的粒度分布曲线 90%以上的微泡直径在10um以下，浓 度为3.8×109个/ml。 1本课题得到国家自然科学基金（No.30270404，69925101）及国家863计划（No. 2004AA218020）项 目的资助。

红外感应开关上的菲涅尔镜片的原理和应用

菲涅尔镜片的原理和应用 菲涅尔镜片是红外线探头的“眼镜”，它就象人的眼镜一样，配用得当与否直接影响到使用的功效，配用不当产生误动作和漏动作，致使用户或者开发者对其失去信心。配用得当充分发挥人体感应的作用，使其应用领域不断扩大。 菲涅尔镜片是根据法国光物理学家FRESNEL发明的原理采用电镀模具工艺和PE（聚乙烯）材料压制而成。镜片（0.5mm厚）表面刻录了一圈圈由小到大，向外由浅至深的同心圆，从剖面看似锯齿。圆环线多而密感应角度大，焦距远；圆环线刻录的深感应距离远，焦距近。红外光线越是靠进同心环光线越集中而且越强。同一行的数个同心环组成一个垂直感应区，同心环之间组成一个水平感应段。垂直感应区越多垂直感应角度越大；镜片越长感应段越多水平感应角度就越大。区段数量多被感应人体移动幅度就小，区段数量少被感应人体移动幅度就要大。不同区的同心圆之间相互交错，减少区段之间的盲区。区与区之间，段与段之间，区段之间形成盲区。由于镜片受到红外探头视场角度的制约，垂直和水平感应角度有限，镜片面积也有限。镜片从外观分类为：长形、方形、圆形，从功能分类为：单区多段、双区多段、多区多段。 下图是常用镜片外观示意图：

下图是常用三区多段镜片区段划分、垂直和平面感应图。 当人进入感应围，人体释放的红外光透过镜片被聚集在远距离A区或中距离B区或近距离C 区的某个段的同心环上，同心环与红外线探头有一个适当的焦距，红外光正好被探头接收，探头将光信号变成电信号送入电子电路驱动负载工作。整个接收人体红外光的方式也被称为被动式红外活动目标探测器。 镜片主要有三种颜色，一、聚乙烯材料原色，略透明，透光率好，不易变形。二、白色主要用于适配外壳颜色。三、黑色用于防强光干扰。镜片还可以结合产品外观注色，使产品整体更美观。 每一种镜片有一型号（以年号+系列号命名），镜片主要参数：

换能器优化设计与实验

燕山大学 本科毕业设计（论文）开题报告 课题名称：超声波换能器优化设计与实验 学院（系）：里仁学院 年级专业：工业自动化仪表2班 学生姓名：孙骏 指导教师：童凯 完成日期：2013年3月27日

一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义 （一）本课题研究意义 超声换能器是实现声能与电能相互转换的部件。最早的超声换能器是P.郎之万(P1L angevin) 在1917 年为水下探测设计的夹心式换能器。这个换能器是以石英晶体为压电材料, 用两块钢板在两侧夹紧而成的。1933 年以后出现的叠片型磁致伸缩换能器, 强度高、稳定性好、功率容量大, 迅速取代了当时的郎之万换能器。到了50 年代, 由于电致伸缩材料钛酸钡铁电陶瓷、锆钛酸铅压电陶瓷的研制成功, 使郎之万型超声换能器再度兴起。目前压电超声的应用范围很广, 且对超声测量精度、测量范围、超声功率以及器件的微小化程度的要求越来越高。目前妨碍超声广泛应用的原因是缺少适用、可靠、经济、耐用的超声换能器。但是超声换能器历来是各种超声应用的关键部件, 其性能描述与评价需要许多参数。超声换能器的特性参数包括共振频率、频带宽度、机电耦合系数、电声效率、机械品质因数、阻抗特性、频率特性、指向性、发射及接收灵敏度等等。不同用途的换能器对性能参数的要求不同,例如,对于发射型超声换能器,要求换能器有大的输出功率和高的能量转换效率；而对于接收型超声换能器,则要求宽的频带和高的灵敏度及分辨率等。因此，在换能器的具体设计过程中，必须根据具体的应用,对换能器进行性能测试实验与分析，从而进行合理的设计与优化。 （二）国内外研究动态 1、超声压电材料的发展 (1)压电复合材料换能器：目前压电陶瓷是超声换能器中最常用的材料，具有机电转换效率高、易与电路匹配、性能稳定、易加工和成本低等优点得到广泛应用。同时，压电陶瓷材料也存在声特性阻抗高，不易与人体软组织及水的声阻抗匹配；机械品质因数高，带宽窄；脆性大、抗张强度低、元件成型较难及超薄高频换能器不易加工等缺陷。20世纪70年代美国Newnham 等J开始对复合材料的研究，复合材料是将压电陶瓷和高分子材料按一定的连通方式、一定的体积比例和一定的空间几何分布复合而成，目前研究和应用最广泛的为l-3型压电复合材料，其具有高灵敏度、低声特性阻抗、较低的机械品质因数和容易成型等特性。复合材料超声换能器可实现多频率成像、谐波成像和其他非线性成像，其性能明显优于压电陶瓷材料制作的换

微变形反射镜技术应用及发展

47, 022201 (2010) ?2010 中国激光杂志社 doi: 10.3788/lop47.022201 微变形反射镜技术应用及发展 陈力子关小伟张政 (63655部队，新疆乌鲁木齐 841700) 摘要变形反射镜是用于自适应光学中波前校正的重要元件，它能产生可控的波面校正量对波面相位加以校正。但随着自适应光学技术的发展，传统变形反射镜已不能满足微型化、集成化的发展需求，而基于微机电加工技术的新型变形反射镜的出现解决了传统变形反射镜存在的问题。介绍了微变形反射镜的工作原理，国内外微变形反射镜技术的发展情况及其在自适应光学中的应用，并对分立式与连续表面微变形反射镜的校正能力进行了比较分析，最后阐述了微变形反射镜器件技术展望。 关键词自适应光学；微变形反射镜；波前校正；校正能力 中图分类号 TN256 OCIS 220.4000 230.4685 文献标识码 A Development and Application of MEMS Deformable Mirror Chen Lizi Guan Xiaowei Zhang Zheng (Army No.63655, Urumchi, Xinjiang 841700, China) Abstract Deformable mirror (DM) is a very important element in adaptive optical system, and it can perform dynamic phase modulation and endow optical system the ability to decrease the influence of dynamic wavefront errors. Deformable mirror of conventional adaptive optics can not satisfy the need of miniaturization and integration, but the deformable micro-mirror based on microelectro-mechanical systems (MEMS) can solve these problems. The theory and development of MEMS-DM and its application in adaptive optics are summarized, the fitting capability of MEMS-DM are discussed. At last, a prospect of MEMS-DM is given. Key words adaptive optics; MEMS deformable mirror; wavefront correction; correction capability 1 引言 自适应光学的概念最初是由美国天文学家Babcock于1953年提出的，此后随着大型激光工程及光学系统的发展，以及相关支撑技术的日益成熟，20世纪70年代首次实现工程应用，之后迅速在军事、天文、激光、眼科医学等领域得到广泛的应用[1,2]。传统自适应光学系统通常是由探测器、控制器和校正器三部分构成。变形反射镜作为自适应光学系统重要的波前校正元件，能在外部控制下实现高速、高精度的光学镜面面形变化、平移或转角，从而产生可控的波面校正量对波面相位加以校正。 然而传统变形反射镜由于体积大，控制复杂，已不能满足自适应光学系统向微型化、集成化的发展需求。随着微机电系统(MEMS)的发展，20世纪90年代实现微变形反射镜的研制，这种器件的单元尺寸达到微米级，可以与光波波长相比拟，便于仪器小型化，可以用集成电路的平面工艺制作，易于批量生产，价格便宜，容易制成多阵列元件，产品性能重复性好，成品率高，便于光机电集成，具有低惯性，即使在高频工作状态下，也可以通过较小的力进行精确定位，此外还具有宽带宽的优点。 收稿日期：2009-04-17; 收到修改稿日期：2009-07-03 作者简介：陈力子(1981—)，男，工程师，主要从事自适应光学技术方面的研究。E-mail: lzchen1234@https://www.sodocs.net/doc/b29201922.html,

菲涅尔光学屏幕的成像原理解析

菲涅尔光学屏幕的成像原理解析 背投光学屏幕目前广泛应用于大型会议室、指挥控制中心、培训教育、电视会议、展示厅、展览馆、礼堂、体育馆、音乐厅、超级市场、机场、车站、码头、自助餐厅、橱窗等场合，甚至各种环境光强烈的复杂环境。那么到底什么是为光学屏幕和菲涅尔光学屏幕，他们是如何成像的呢，于传统投影屏幕有什么区别呢？ 1、光学屏幕定义 包含一个或多个光学镜头系统的投影屏幕称为光学屏幕，在镜头里面，光线被折射，方向发生了改变，只有背投屏幕能控制光线的方向，故只有背投屏幕才有光学屏幕。光线的方向取决于投影屏幕材料的折射系数及镜头的剖面形状。2、市面上有哪些光学背投屏幕 目前市面上主要菲涅尔光学屏幕有丹麦DNP公司的GWA巨型广角屏幕/NWA 新广角屏幕/Holo Screen/SIGMA西格玛屏幕、美国Stewart斯图尔特公司的/背投漫反射硬幕/BlackHawk Xtreme NEW/MicroWave背投光学屏幕/PowerView背投光学屏幕/OptaWave背投光学屏幕、丹麦SVS公司的WA1806背投光学屏幕/vision2000防滑伤光学屏幕、成都FSCREEN菲斯特公司的FL光学屏幕。 丹麦DNP公司是世界最著名的菲涅尔光学屏幕制造商，下面我们主要以DND公司菲涅尔光学屏幕为样本来解释器光学原理，其他公司的基本原理都差不多。 3、光学菲涅尔镜头 传统的镜头与菲涅尔镜头的区别如下图所示：

菲涅尔镜头中只有曲面是镜头中起作用的部分，若将其他部分去掉并拉平有效的镜头部分（如右图所示）就得到了一个菲涅尔镜头。镜头由CAD/CAM加工中心采用钻石切割，一块屏幕上，多达10,000种不同的镜头剖面，背投屏幕模具投资巨大，DNP公司是唯一拥有自己的模具厂的背投屏幕制造商。故DNP每一种系列的产品都有不同的焦距；每个剖面的尺寸＝屏幕的点距（分辨率）。 4、菲涅尔镜头与柱状镜头工作原理及结合后工作原理示意图 菲涅尔及柱状镜头结合可达到180度水平观视角，DNP屏幕广角系列因此在全球获得巨大的市场占有率。成为多年来市场上最受欢迎的投影屏幕，适于各种应用场合。 菲涅尔与雾状透镜结合的屏幕也是DNP公司九种屏幕系列中的一种。它是专门为某些特殊应用而开发的，几年前就已投放市场。但由于视角不如广角屏幕系列，适用面较窄，DNP公司仅将其作为一种补充产品。 5、双层屏幕与单层屏幕的区别，双层屏幕具有以下几个特点： 有比单层屏幕更好的中心到边角的亮度均匀性； 非常适用于短距离投影 非常适用于多屏幕拼接。 6、DNP公司双层屏幕增高对比度的两种滤光系统工作原理图

超声波换能器的匹配设计

超声波换能器的匹配设计 一、匹配概述 超声波发生器与换能器匹配包括两个方面，一是通过匹配使发生器向换能器输出额定的电功率，这是由于发生器需要一个最佳的负载才能输出额定功率所致，把换能器的阻抗变换成最佳负载，也即阻抗变换作用；二是通过匹配使发生器输出效率最高，这是由于换能器有静电抗的原因，造成工作频率上的输出电压和电流有一定相位差，从而使输出功率得不到期望的最大输出，使发生器输出效率降低，因此在发生器输出端并上或串上一个相反的抗，使发生器负载为纯电阻，也即调谐作用。由此可见匹配的好坏直接影响着功率超声源的产生和效率。二、阻抗匹配 为了使功率放大器输出额定功率最大；在电源电压给定条件下主要取决于负载阻抗。一般在D类开关型功放中其发生器变压器初级等效负载Rl'上的输出功率表达式为： 式中，V Am为等效负载上的基波幅度； vcc为电源电压；vces为功放管饱和压降，故 为了保证系统有一定功率余量(因输出变压器，末级匹配回路及晶体管损耗电阻都有损耗，po' 需要乘上一个约等于1．4—1．5的系数。即输出功率po为1．5Po'； 从上式可知，在电源电压给定之后，输出功率的大小取决于等效负载RL’。目前大多数功率超声发生器的负载为压电型换能器，其阻抗约为几十欧姆至几百欧姆间，为了要达到要求的额定功率，因此需要对换能器负载RL进行阻抗变换。由高阻抗变换为低阻抗。一般常用的方法，通过输出变压器的初次级线圈的匝数

比进行变换。变压器次初级匝数比为n／m，则输出功率PO时的初级电阻 举例：要求一发生器输出在换能器上的功率为1000W，设直流电VCC为220V，VCES=10V，功率应留有一定余量，则PO=1.5PO'=1500W。则变压器初 级的 若换能器谐振时等效电阻RL＝200Ω，则输出变压器次级／初级圈数比 以上称谓阻抗变换，是通过输出变压器实行的。 输出变压器是超声波发生器阻抗匹配、传输功率的重要部件，它的设计与绕制工艺对发生器的工作安全是十分重要的。它不仅会以漏感、励磁电流等方式影响电路的工作，其漏感还是形成输出电压尖峰的主要原因。为此，在设计时，应选取具有高磁通密度B，高导磁率μ，高电阻率ρc和低矫顽力Hc的高饱和材料作铁芯。一般在防止高频变压器的瞬态饱和时，在设计时要注意如下几点：1．工作磁通密度B的选取 铁芯材料的磁感应增量ΔB愈大，所需线圈匝数愈少，直流电阻R也愈小，从而线圈的铜损Pm也愈小。ΔB取得高时，传输的脉冲前沿就愈陡。因此，在设计变压器时，选取高磁通密度的材料作铁芯，这对降低变压器的损耗、减小体积和重量都是很有利的。为了避免在稳态或过渡过程中发生饱和，一般选取工作磁通密度B≤Bs／3为宜，这里Bs为磁芯的最大和磁通密度。 2.要保证初级电感量足够大 一般要求变压器初级阻抗应满足下式关系：WLl≥15RL'，其中RL' 为次级负载所算到初级边的等效电阻值，WLl为初级电感感抗，若初级电感量太小，励 6.5Ω

菲涅尔透镜的原理及应用

菲涅尔透镜的原理及应用 （国防科大理学院光学小组第六组） [摘要] 菲涅尔透镜多是由聚烯烃材料注压而成的薄片，镜片表面一面为光面，另一面刻录了由小到大的同心圆。菲涅尔透镜的在很多时候相当于红外线及可见光的凸透镜，效果较好，但成本比普通的凸透镜低很多。菲涅尔透镜可按照光学设计或结构进行分类。菲涅尔透镜作用有两个：一是聚焦作用；二是将探测区域内分为若干个明区和暗区，使进入探测区域的移动物体能以温度变化的形式在PIR上产生变化热释红外信号。 [关键词] 菲涅尔透镜；原理；分类；应用；研究与发展状况 本文主要从菲涅尔透镜的历史，基本原理，分类，作用，应用以及国内外的研究与发展状况等方面完整介绍了菲涅尔透镜的相关知识。 1.简介 菲涅尔透镜 (Fresnel lens)，又称螺纹透镜，是由法国物理学家奥古斯汀·菲涅尔（Augustin·Fresnel)发明的，他在1822年最初使用这种透镜设计用于建立一个玻璃菲涅尔透镜系统——灯塔透镜。菲涅尔透镜多是由聚烯烃材料注压而成的薄片，也有玻璃制作的，镜片表面一面为光面，另一面刻录了由小到大的同心圆，它的纹理是利用光的干涉及扰射和根据相对灵敏度和接收角度要求来设计的，透镜的要求很高，一片优质的透镜必须是表面光洁，纹理清晰，其厚度随用途而变，多在1mm左右，特性为面积较大，厚度薄及侦测距离远。

菲涅尔透镜 菲涅尔透镜作用有两个：一是聚焦作用；二是将探测区域内分为若干个明区和暗区，使进入探测区域的移动物体能以温度变化的形式在PIR上产生变化热释红外信号。菲涅尔透镜的在很多时候相当于红外线及可见光的凸透镜，效果较好，但成本比普通的凸透镜低很多。多用于对精度要求不是很高的场合，如幻灯机、薄膜放大镜、红外探测器等。 2.菲涅尔透镜的历史 通过将数个独立的截面安装在一个框架上从而制作出更轻更薄的透镜，这一想法常被认为是由布封伯爵提出的。孔多塞(1743-1794)提议用单片薄玻璃来研磨出这样的透镜。而法国物理学家兼工程师菲涅尔亦对这种透镜在灯塔上的应用寄予厚望。根据史密森学会的描述，1823年，第一枚菲涅尔透镜被用在了吉伦特河口的哥杜昂灯塔（Phare de Cordouan）上；透过它发射的光线可以在20英里（32千米）以外看到。苏格兰物理学家大卫·布儒斯特爵士被看作是促使英国在灯塔中使用这种透镜的推动者。 3.菲涅尔透镜的基本原理 菲涅尔透镜的工作原理十分简单：假设一个透镜的折射能量仅仅发生在光学表面（如：透镜表面），拿掉尽可能多的光学材料，而保留表面的弯曲度。

超声波换能器的匹配设计

一、匹配概述 超声波发生器与换能器匹配包括两个方面，一是通过匹配使发生器向换能器输出额定的电功率，这是由于发生器需要一个最佳的负载才能输出额定功率所致，把换能器的阻抗变换成最佳负载，也即阻抗变换作用；二是通过匹配使发生器输出效率最高，这是由于换能器有静电抗的原因，造成工作频率上的输出电压和电流有一定相位差，从而使输出功率得不到期望的最大输出，使发生器输出效率降低，因此在发生器输出端并上或串上一个相反的抗，使发生器负载为纯电阻，也即调谐作用。由此可见匹配的好坏直接影响着功率超声源的产生和效率。二、阻抗匹配 为了使功率放大器输出额定功率最大；在电源电压给定条件下主要取决于负载阻抗。一般在D类开关型功放中其发生器变压器初级等效负载Rl'上的输出功率表达式为： 式中，VAm为等效负载上的基波幅度； vcc为电源电压；vces为功放管饱和压降，故 为了保证系统有一定功率余量(因输出变压器，末级匹配回路及晶体管损耗电阻都有损耗，po' 需要乘上一个约等于1．4—1．5的系数。即输出功率po 为1．5Po'； 从上式可知，在电源电压给定之后，输出功率的大小取决于等效负载RL’。目前大多数功率超声发生器的负载为压电型换能器，其阻抗约为几十欧姆至几百欧姆间，为了要达到要求的额定功率，因此需要对换能器负载RL进行阻抗变换。由高阻抗变换为低阻抗。一般常用的方法，通过输出变压器的初次级线圈的匝数比进行变换。变压器次初级匝数比为n／m，则输出功率PO时的初级电阻 举例：要求一发生器输出在换能器上的功率为1000W，设直流电VCC为220V，

VCES=10V，功率应留有一定余量，则PO='=1500W。则变压器初级的 Ω若换能器谐振时等效电阻RL＝200Ω，则输出变压器次级／初级圈数比 以上称谓阻抗变换，是通过输出变压器实行的。 输出变压器是超声波发生器阻抗匹配、传输功率的重要部件，它的设计与绕制工艺对发生器的工作安全是十分重要的。它不仅会以漏感、励磁电流等方式影响电路的工作，其漏感还是形成输出电压尖峰的主要原因。为此，在设计时，应选取具有高磁通密度B，高导磁率μ，高电阻率ρc和低矫顽力Hc的高饱和材料作铁芯。一般在防止高频变压器的瞬态饱和时，在设计时要注意如下几点：1．工作磁通密度B的选取 铁芯材料的磁感应增量ΔB愈大，所需线圈匝数愈少，直流电阻R也愈小，从而线圈的铜损 Pm也愈小。ΔB取得高时，传输的脉冲前沿就愈陡。因此，在设计变压器时，选取高磁通密度的材料作铁芯，这对降低变压器的损耗、减小体积和重量都是很有利的。为了避免在稳态或过渡过程中发生饱和，一般选取工作磁通密度B≤Bs／3为宜，这里Bs为磁芯的最大和磁通密度。 2.要保证初级电感量足够大 一般要求变压器初级阻抗应满足下式关系：WLl≥15RL'，其中RL' 为次级负载所算到初级边的等效电阻值，WLl为初级电感感抗，若初级电感量太小，励磁电流将比较大，励磁电流过大，变压器的损耗将增加，温升随之增高，从而降低Bs，使变压器进入饱和的可能性增大。 3．要考虑“集肤效应”的影响 在高频工作时，流过导线的电流会产生“集肤效应”。这相当于减少了导线有效截面积，增加了导线的电阻，从而引起导线的压降增大，导致变压器温度升高，结果增大了变压器进入饱和的危险性，建议采用小直径的多股导线并绕的方

基于有限元法的水声换能器设计与分析

基于有限元法的水声换能器设计与分析 李道江，陈航，倪云鹿 基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金（20070699018） 作者简介：李道江（1982-），男，博士研究生，主要研究方向：水声换能器及基阵的优化设计. （西北工业大学航海学院，西安 710072） 摘要：本文阐述了利用有限元法研究换能器的原理，利用有限元法对Tonpliz 型换能器进行 了模态分析和谐响应分析，根据分析结果制作出换能器实物并进行了消声水池试验测试。测 试结果表明：在一定误差范围内，有限元法能够有效地对换能器的工作状态进行仿真模拟， 并能准确地解算其工作参数，能为换能器的设计和优化提供可靠的技术指导。 关键词： 有限元法；水声换能器；模态分析；谐响应分析；试验测试 The Design and Analysis of Underwater Transducer based on the Finite Element Method LI Daojiang, Chen Hang, NI Yunlu (School of Marine Technology, Northwestern Polytechnical University, Xi'an 710072, China) Abstract: The theory of the Finite Elements Method is expatiated, the modal analysis and harmonious analysis is done by the Finite Elements Method, the transducer is made according to the analytic results and the experiments are carried out. The experiment result shows that: the working state of transducer can be simulated and the working parameters can be calculated by the Finite Elements Method in a certain error range, and dependable technique can be supplied for transducer’s design and optimization. Key words: the Finite Element Method; modal analysis ；underwater transducer ； harmonious analysis; experiment test 0 引言 Tonpliz 型换能器也称为喇叭型换能器，由于在几何尺寸、性能参数和安装等方面具有 的优点，目前在各型声纳中得到广泛的应用[1]。 目前水声换能器的研究方法有：等效网络法、瑞利法以及有限差分法和有限元法[2]。前两种方法都是通过等效网络分析换能器的工作特 性，其特点是结果精确但计算繁复。而有限元法将换能器复杂的结构化整为零，进行离散化， 建立局部矩阵，然后在集零为整，通过计算机对其进行数值计算，具有建模简单、运算速度 快、结果直观等特点[3]-[6]。本文利用有限元法研究了Tonpliz 型换能器，制作出实物并进行 了消声水池测试。 1 理论分析 有限元法处理结构问题的有限元方程为[7]： [][][]M u C u K u F ++= （1） 式中[]M 是质量矩阵，[]C 是阻尼矩阵，[]K 是刚度矩阵，u 是节点位移，F 是载荷矢 量。 式（1）中当F =0时，分析类型为模态分析，主要用于计算结构体的固有频率和振型，

AN005_超声波换能器设计解析

AN104-2011 超声波流量换能器设计 1.引言 本文件旨在说明超声波流量换能器设计，主要内容包括组成、结构和封装及技术要求。本设计的超声波换能器应用于超声波热量表，超声波水表的流量测量应用。 2.组成 超声波换能器由压电片、导电胶、吸声材料、导电柱、接线板、接线板、挡圈和金属外壳组成，如图2-1所示。 3.1外壳 换能器外壳结构尺寸如图3-1所示。整个外形为凸台圆柱体，它分为上下两个部分，上部分为开放的圆柱体，其外形制成外螺纹和卡口形状，用于安装时支撑和固定整个壳体。下部分为封闭圆柱体，其凸出面作为声波辐射面。壳体内部为两个不同直径的腔室，其中下腔室称为压电腔，用于安装压电片和填充吸声材料，而上腔室用于安装接线板和挡圈，称为接线腔。这两个腔室连通在一起并保持同轴同心。在制造换能器外壳时应注意以下几点： ?材料选取：采用无铅秘磷黄铜捧材车制加工，如C3604、C3771或HPB59-1等。以上标号材料的

声速大约为4270～4400米/秒。 ?加工精度：下腔室内外表面的光洁度应满足▼6以上要求，厚度1mmm，公差±0.05mm ?内腔室端部应无毛刺，且平整光滑。 图3-1 换能器外壳尺寸 3.2压电片 压电式超声波换能器是利用压电片的压电效应原理来工作的。当超声波发射振子（换能器）通以电脉冲信号时，由于振子的机械振动会产生超声波信号，因此能在固体和流体中传播，超声波频率取决于振 子的固有谐振频率。超声波换能器的性能好坏取决于压电晶片的技术性能和合理的结构设计。表3-1给出 超声波流量换能器的基本参数要求。 压电片材料的物理性质，尺寸与形状都与传感器特性密切相关。本设计选择ANN-P5F-1001压电片,其主要技术参数： ?压电材料：锆钛酸铅（PbTi03-PbZr03）

菲涅尔双面镜干涉法

全息光栅制作方法的设计和研究 全息光学元件（HOE）是指采用全息方法（包括计算全息方法）制作的，可以完成准直、聚焦、分束、成像、光束偏转光 束扫描等功能的元件。在完成上述功能时，它不是基于光的反射 和规律折射，而是基于光的衍射和干涉原理。所以全息光学元件 又称为衍射元件。常用的全息光学元件包括全息透镜、全息光栅 和全息空间滤波器等。全息光栅是一种重要的分光元件。作为光 谱分光元件，与传统的刻划光栅相比，具有以下优点：光谱中 无鬼线、杂散光少、分辨率高、有效孔径大、生产效率高、价格 便宜等，已广泛应用于各种光栅光谱仪中，供科研、教学、产 品开发之用。作为光束分束器件，在集成光学和光通信中用作 光束分束器、光互连器、耦合器和偏转器等。在光信息处理中， 可作为滤波器用于图像相减、边沿增强等。本实验主要进行平 面全息光栅的设计和制作实验。 一. 实验目的 1.学习掌握制作全息光栅的原理和方法。 2.学习掌握制作全息复合光栅的原理和方法，观察其莫尔条 纹。 3.设计制作全息光栅并测出其光栅常数（要求所制作的光栅 不少于100条/毫米） 二、实验原理 1．全息光栅 全息光学元件是指基于光的衍射和干涉原理，采用全息方法 制作的，可以完成准直、聚焦、分束、成像、光束偏转、光束扫 描等功能的元件。光全息技术主要利用光相干迭加原理，简单讲 就是通过对复数项（时间项）的调整，使两束光波列的峰值迭加，峰谷迭加，达到相干场具有较高的对比度的技术。常用的全息光 学元件包括全息透镜、全息光栅和全息空间滤波器等。其中全息

光栅就是利用全息照相技术制作的光栅，在科研、教学以及产品开发等领域有着十分广泛用途。 一般在光学稳定的平玻璃坯件上涂上一层给定型厚度的光致抗蚀剂或其他光敏材料的涂层，由激光器发生两束相干光束，使其在涂层上产生一系列均匀的干涉条纹，光敏物质被感光，然后用特种溶剂溶蚀掉被感光部分，即在蚀层上获得干涉条纹的全息像，所制得为透射式衍射光栅。如在玻璃坯背面镀一层铝反射膜，可制成反射式衍射光栅。 作为光谱分光元件，全息光栅与传统的刻划光栅相比，具有以下优点：光谱中无鬼线、杂散光少、分辨率高、有效孔径大、价格便宜等；全息光栅已广泛应用于各种光栅光谱仪中。作为光束分束器件，全息光栅在集成光学和光学通信中用作光束分束器、光互连器、耦合器和偏转器等；在光信息处理中，可作为滤波器用于图像相减、边沿增强等。 2.光栅条纹 光栅，也称衍射光栅，是基于多缝衍 射原理的重要光学元件。光栅是一块刻有 大量平行等宽、等距狭缝（刻线）的平面 玻璃或金属片，其狭缝数量很大，一般每 毫米几十至几千条。单色平行光通过光栅 会形成暗条纹很宽、明条纹很细的图样， 而这些锐细而明亮的条纹称作谱线。谱线 的位置随波长而异，因此当复色光通过光 栅时，不同波长光所产生的谱线在不同位 置出现而形成光谱。也就是说，光通过光 栅形成光谱是单缝衍射和多缝干涉的共同结果（如图1）。 3.光栅方程 光栅方程sin d k θλ=描述了光栅结构 与光的入射角和衍射角之间的关系，它表示当衍射角θ满足sin d k θλ=的时候发生干涉加强现象，其中d 即为光栅常数。而当光以入射角i θ入射时，光栅方程写为 (sin sin )i d k θθλ+=。 4.光栅常数 图1 光通过光栅形成光谱