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用于变形镜的压电陶瓷以及驱动系统

1.变形镜简介

复杂时变的大气环境易对精密光机系统探测光、发射激光的空间传输产生高频的随机扰动,导致传感图像清晰度下降及激光聚焦形状溃散,极大地降低了作用效果。利用波前校正器可对空间光束的波前畸变进行自适应动态补偿,从而显著提高图像探测精度和激光传输性能。

典型的波前校正器包括液晶空间相位调制器、机械式变形镜和压电变形镜 (压电陶瓷驱动的可变形反射镜)等。其中,压电变形镜的工作响应频率最高,可达数千赫兹,且能够承载高功率密度激光,其具有广阔的应用前景。

变形镜(Deformable Mirror,DM)是自适应光学系统中实现波前校正的关键器件,其性能直接决定了系统的波前畸变校正能力。

目前,它们被广泛应用于天文观测、生物显微镜中的像差自适应校正和激光加工中的光束整形等领域。随着 DM应用的增加,对光学系统以及 DM 本身动态和静态控制的精度和速度要求不断提高。为了提高 DM的校正精度,不仅需要改变其自身特性,还需使用控制算法对 DM 进行控制。

同时,根据最新的市场趋势分析,预计未来几年全球变形镜市场保持稳健增长,市场规模有望在不久的将来达到一个可观的水平。

2.压电变形镜分类

根据锆钛酸铅 (PZT) 或钛酸钡等陶瓷作动器的结构形式和驱动方式,压电变形镜可以进一步分为压电叠堆变形镜、压电片变形镜和MEMS(micro‐electro mechanical systems,微机电系统)压电微变形镜等。

压电片变形镜以单层或双层的薄片状压电陶瓷作动器作为驱动单元,具有极致轻量化、集成度高、制作工艺简单和成本较低的优点。压电片变形镜具有多层复合薄壳结构,其在较高频率的控制电压激励下工作时易受到机械共振、位移-电压相位迟滞等动力学效应的影响,难以获得较高的形状控制精度。

压电叠堆变形镜的制作工艺复杂且成本高昂。

图片来源自网络

3.压电变形镜驱动系统

压电陶瓷驱动连续镜面压电变形镜(简称压电变形镜)时,每一个压电陶瓷校正器都对应一路高压放大器,因此,高压放大器的结构尺寸、驱动能力、信号质量、价格成本都需要在压电变形镜系统设计过程中被充分考虑。

根据工作原理,高压放大器电路可以分为线性功率放大电路和开关式功率放大电路。

开关式功率放大电路具有功率损耗较小、发热较小,容易做到大电流输出等优点。但是,这种电路需要依靠脉冲宽度调制(Pulse-width Modulation,PWM)进行功率输出,调制信号需要通过滤波电路复原信号,输出电压纹波较大,频响特性较差,同时造成电路体积增大。

相比开关式功率放大电路,线性功率放大电路由于其输出功率级晶体管处于线性放大区间,因此输出信号具有线性度好、稳定性强、纹波小和频响宽等优点,一直以来都是高精度压电陶瓷放大器的首选驱动方式。但是这类电路存在功耗较高、效率比较低的问题。

4.为什么选择隐冠半导体

隐冠半导体压电部门专注于精密定位执行器及运动系统的研发、生产制造、销售;是国内压电领域极少数拥有从压电陶瓷材料到压电陶瓷电机再到纳米精度压电运动台全产品链研发与批量生产能力的高科技企业,公司具有丰富的产业化经验。

隐冠可提供单片型压电陶瓷和叠堆型压电陶瓷和适配的驱控,达到亚毫秒响应时间,保证更快响应和更高精度的控制。隐冠自研自产的单片型和叠堆型压电陶瓷可以在较低电压下产生较大的驱动位移;搭配的自研自产的驱控采用功率放大电路将控制信号放大,以此驱动压电陶瓷,减少所需的驱动电压。

公司具有丰富的产品规格和种类以匹配不同的变形镜结构设计。公司可提供整套压电陶瓷控制系统,可实现快速安装、替换及维护。

针对客户的个性化集成需求,公司可以定制封装尺寸、电压、行程、金属端件等,以满足机械刚度和稳定性,以保证变形镜系统的可靠性和长期运行效果。

同时公司针对客户特定需求和具体应用场景,集成应变片实现闭环控制,并配置自研适配的驱控器,实现产品组合的技术和成本优势。

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