主/偏场耦合作用下双压电片变形镜力学控制原理与方法研究

It remains challenging in adaptive optics to improve spatial resolution and to develop the dynamic, high-speed, high-precision correction technique to eliminate nonlinear and hysteresis errors in controlling Piezoelectric Bimorph Deformable Mirror (PBDM). We propose to develop a theoretical model for PBDM under biasing fields. The model allows us to address the following:. 1) the influence of the complicated structural & environmental factors on PBDM. The nonlinear and hysteresis characteristics of PBDM will be clarified in great detail in the frame of macro mechanism. And the precise dynamic input-output curve will be obtained;. 2) finite element method of biasing fields. A three-dimensional parameterized model will be established with large scale finite numerical simulation software and computer programming languages under biasing fields, and the automatic optimization algorithms of structural & environmental parameters of PBDM will be developed. The small scale challenge of electrode area and separation distance between electrodes will be solved, which will increase the spatial resolution of PBDM;. 3) the design & controlling method. The method enables us to use beneficial biasing fields and eliminate the influence of bad ones.. The research outputs of this proposal will advance the theory for precise design of PBDM, and essentially stimulate the developments of new products in this field..

提高双压电片变形镜空间分辨率和发展其动态高速高精度非线性迟滞校正控制技术是当前自适应光学中技术难题之一。本申请拟将力学和机械研究领域发挥重要作用的偏场增量场理论模型，交叉应用于自适应光学领域，开展双压电片变形镜力学控制原理与方法研究，包括以下内容：1）建构双压电片变形镜偏场增量场模型，从宏观机理揭示变形量/输入电压的非线性迟滞关系，给出精确的非线性迟滞动态模型； 2）发展偏场有限元法，基于偏场思想，利用大型的有限元软件和编程语言开发对环境因素进行快速分析和对结构参数进行精确设计、优化技术方法，突破电极面积及其间距小尺度化的难题，提高空间分辨率；.3）提出偏场设计和控制的方法，利用有用偏场，补偿消除有害偏场。. 本申请项目的研究成果有助于建立可以用来指导双压电片变形镜精确设计和产品开发的实用理论方法，这将对新产品开发和应用起到关键的推动作用。

提出了连线镜面分立式双压电片变形镜，创新了变形构造，基于偏场理论构建了连线镜面分立式双压电片变形镜力学控制模型，建立模型的线性/非线性静力学方程和动力学方程，提出了连线镜面分立式双压电片变形镜力学控制方法，利用解析方法给出了驱动单元较为准确的输入/输出的线性与非线性关系, 并发展了偏场有限元法，并利用该有限元方法对解析方法进行了验证，两种方法所得到结果基本一致。基于变形镜力学控制模型进行了数值计算，并给出了变形镜影响函数。研究结果表明，与传统压电变形镜相比，连线镜面分立式双压电片变形镜有望提高变形镜量程同时拓展其控制带宽。取得以下标志性成果：在包括国际仪器领域顶级期刊Journal of Astronomical Telescopes,Instruments, and Systems（2017年被中科院JCR列为仪器领域1区TOP期刊，每年该期刊发表论文总数仅为54篇）和国际顶级光学期刊Optics Express等在内的重要国际权威期刊发上发表第一作者兼通讯作者SCI论文7篇；参加了三次国际会议，发表会议4篇；申请了7项国家专利（授权两项），其中一项名为 “一种以梁型压电促动器为驱动的变形镜” 授权专利获2017年度南京市优秀专利奖；获软件著作权4项；超额完成研究任务。