压电扫描器非线性校正的实验研究

针对扫描探针显微镜的压电扫描器提出一种非线性校正方法。利用双频激光干涉仪对压电扫描管的位移-电压曲线进行测量,设计非线性校正算法,修正控制电压以实现对压电扫描管非线性校正,将该方法应用于扫描探针显微镜。实验表明该方法能实现压电扫描器的非线性校正。     

用于扫描探针显微镜的复合型三维压电扫描器

三维压电陶瓷扫描器是扫描探针显微镜的关键部件。本文作者设计制作了一种复合型三维压电陶瓷扫描器,并对扫描器的性能进行了检测。当激励电压为±400V时其扫描范围达到13μm×13μm。其x,y方向的非线性度小于0.36％,z方向的非线性度小于0.14％。这种扫描器被用于扫描近场光学显微镜探测系统中。     

用于红外凝视成像系统的光学微扫描器

空间分辨力不足限制了凝视型红外焦平面探测器的发展,微扫描技术可以在不降低探测器热灵敏度的前提下提高成像系统的空间分辨力,同时可以扩大成像系统的视场。为此设计了一种基于新型压电驱动器的光学微扫描器。介绍了新型压电驱动器和扫描器的工作原理,测试了扫描器的频响特性。采用软件补偿和串联硬件陷波器相结合的开环控制方法,补偿压电陶瓷迟滞效应和抑制机械谐振,加控制器后的100Hz三角波扫描非线性度从6%减小到了1%,提高了扫描线性度,实现了高频三角波扫描。     

压电陶瓷驱动器迟滞非线性的改善方法

压电陶瓷驱动器在微位移定位方面被广泛应用,但压电陶瓷驱动器的迟滞非线性严重影响其定位精度,因此,介绍了各种改善压电陶瓷驱动器迟滞非线性特性的方法,并提出了用3次样条插值法和最小二乘曲线拟合法来实现压电陶瓷驱动器的精确定位,改善压电陶瓷驱动器的迟滞非线性特性,实验表明,以上方法可使压电陶瓷驱动器的定位误差小于5％.     

柔性压电式微位移机构动态特性的实验研究

设计了一种压电式微位移机构,采用对称杠杆式柔性铰链放大机构对压电陶瓷输出位移进行放大,弥补了压电陶瓷位移行程过小的缺点.对微位移机构力学模型和压电陶瓷驱动器的动态特性进行了分析,指出压电陶瓷驱动器动态响应的迟滞非线性是影响压电式微位移驱动器控制性能的一个关键因素,直接关系到控制精度的提高,必须采取适当的控制算法予以修正.采用前馈控制同数字PID控制相结合的复合控制算法对柔性压电式微位移机构的控制过程进行校正补偿,建立了动态特性的闭环校正控制系统.实测结果表明,机构的动态响应时间显著缩短,实现了机构的快速响应.     

压电扫描器系统中迟滞补偿器的设计

在自适应光学、空间光通信、激光加工等领域,激光扫描器是其中的一项关键器件.基于压电陶瓷叠堆的传统激光扫描器很难实现较好的线性扫描,为此设计了一种基于迟滞补偿器的压电扫描器.介绍了基于迟滞补偿器的压电扫描器系统组成,分析了压电扫描器中迟滞回线的修正原理及方法.利用经过迟滞补偿后的驱动信号驱动激光扫描器进行扫描,实验结果表...     

压电式微位移机构动态特性研究

压电陶瓷驱动器在较高电场的作用下将产生严重的非线性,从而影响其定位精度。压电陶瓷驱动器的非线性不仅与材料的非线性、蠕变、滞后等因素有关,还与器件的动态响应特性有关。动态响应的迟滞非线性是影响压电式微位移驱动器控制性能的一个关键因素,直接关系到控制精度的提高。该文采用前馈控制同数字比例、积分和微分环节(PID)控制相结合的复合控制算法对一维压电式微位移机构的控制过程进行校正补偿,建立了动态特性的闭环校正控制系统。实测结果表明,机构的动态响应时间显著缩短,实现了机构的快速响应。     

基于电容传感器的精密压电微位移系统研究

利用高精度的电容传感器设计了一种带有位移反馈的压电陶瓷精密微位移系统,极大地矫正了压电陶瓷的非线性。设计了高精度的位移检测电路,实时采集电容传感器的电容量并转换成数字信号反馈给DSP,形成位移信息的闭环。结合带有前馈补偿的PID闭环控制策略,矫正压电陶瓷的非线性特性,进而实现微位移系统精密定位。对设计研制的微位移系统进行试验测试,结果表明:位移检测电路的电容分辨率可达0.000 1pF,微位移系统定位精度优于5nm,校正后迟滞误差低于1.0%。     

斐索干涉仪中压电陶瓷的非线性校正

相移器是斐索干涉仪的核心部件,其关键为压电陶瓷(PZT)致动器,而其迟滞非线性特性严重影响了相移精度,对光学元件的形貌检测造成不利影响。该文首先设计了PZT的控制系统,利用National Instruments（NI）动态数据采集设备（PCIe 6321）、LabVIEW系统及电压放大器组成电压驱动系统产生驱动信号,利用电阻式应变仪、惠斯通电桥作为位移传感器采集位移;其次,提出了一种多项式模型及基于PZT传递函数的前馈开环校正算法对PZT进行建模及校正;最后,在实验系统上对该算法进行了验证。实验结果表明,校正后,相移器的相移误差可被改善,校正前、后位移差小于10%。该系统可有效校正非线性,从而降低非线性相移对测量结果的影响,满足检测光学元件面形的高精度要求。     

基于新型压电驱动器的激光扫描器

在激光雷达等领域,通常希望激光光束实现低转动惯量高频率匀速扫描,而目前光束扫描器(如检流计式振镜、多面转镜等)很难达到这种要求,为此设计了一种基于新型压电驱动器的激光扫描器.激光扫描器基于-对新型的位移放大压电驱动器,有限元分析结果表明这种压电驱动器具有比传统杠杆式位移放大压电驱动器更好的高频特性.采用软件补偿和串联硬件陷波器相结合的开环控制方法,补偿压电陶瓷迟滞效应影响和抑制机械谐振,提高了扫描线性度,实现了高频三角波扫描.该扫描器还具有转动惯量低、体积小,结构简单、功耗低等优点.     

An analog notch filter for piezoelectric optical scanner

The optical scanner is one of the most important components in free-space optical communications,airborne and space-based lidars,adaptive optics,and so on.The performance of an optical scanner is frequently limited by the presence of mechanical resonances.This paper presents an analog notch filter with adjustable function to reject the mechanical resonances of the optical scanner.First of all,the structure and work principle of the piezoelectric optical scanner are introduced.Furthermore,the frequency sweep method based on virtual instruments is used to gain the natural frequency of the piezoelectric optical scanner.Then,the notch filters in series are used to reduce the oscillation of the scanner at the resonance frequencies.A variety of scanning experiments were carried out.After the introduction of the notch filter,the non-linearity was reduced to±1.1% from ±2.1%.The linearity performance was greatly improved.     

具有高品质因数的剪切力扫描近场光学显微镜在液体中的生物成像

基于剪切力的探针-试样间距控制扫描近场光学显微镜用于生物材料在液体中的成像比在空气中难得多。液体的黏性阻尼和软的试样表面要求更高的力检测灵敏度。最近我们试验成功的压电双晶片剪切力检测器结合力反馈技术,可以大幅度提高双晶片的机械谐振品质因数,从而改善在粘滞液体中力检测灵敏度。当双晶片在它的某一本征频率下被激励,通过调节一个适当的反馈力,它的机械谐振品质因数在水中可以从40增强到10^3,因此成像灵敏度获得显著改善。上述力检测技术被用于一些生物试样在液体环境下的拓扑和近场光学成像。所得到的力、相位和光学图像显示了高的成像质量和分辨率。实验结果证明上述装置尤其适宜于近场光学显微镜在生物领域的应用。     

VirtualLab Fusion对SNOM光纤探针外部光场分布的仿真

为了研究扫描近场光学显微镜（SNOM）光纤探针的光学特性,采用基于场追迹方法的光学软件VirtualLab Fusion进行了仿真实验,取得了SNOM光学探针尖端外部光场的分布情况。结果表明,沿z轴方向,不同截面上的光场分布都会呈现小孔衍射的图案,其中心斑点中心强度随着z值的变大而呈近似指数函数衰减,到z=100nm位置处几乎衰减为0;中心斑点轮廓线的半峰全宽随着z值的变大而呈现先不变后增大的趋势,其拐点处于z=20nm位置处,此时对应的中心强度值为7.2V/m2,这个强度值按指数函数计算正好处于z=0nm位置处强度的e-2。结果清晰显示了SNOM光学探针的光学特性,证实SNOM探针工作时需要与样品表面保持在10nm左右的必要性。     

用准静态电磁场方法研究扫描近场光学显微镜的耦合特性

为了研究扫描近场光学显微镜(SNOM)中探针和粗糙样品表面的耦合相互作用,采用准静态电磁场理论的方法,提出了一种模拟SNOM的理论模型。在该模型中,探针和样品突起由极化偶极子表示,样品平面的诱导极化效应由影像偶极子表示,应用偶极子辐射理论可以得到系统的场方程,通过自洽的方法可以求出任意偶极子位置处的严格解析解。该方法与通过并矢传播子方法得出的结果完全相同,其优点在于实用性和计算的简便性。     

用于扫描近场光学显微镜的一种新型非光学样品-探针间距测控方法

扫描近场光学显微镜ＳＮＯＭ自八十年代中期以来获得了的发展,并具有超衍射极限光学分辨率。作为ＳＮＯＭ的关键技术之一,样品与探针间距的控制十分重要而且实现起来比较困难。基于剪切力原理,本文提出了一种新型的样品－针尖间距测控的非光学方法,邓,利用压电陶瓷的压坟电效应,将压电陶瓷分为三部分,分别用地激励探针法动,固定地以及擦在振动变化。该方法的灵敏度很高,可将样吕－针尖的间距控制在３ｎｍ左右,而且廉价,制     

二维光学扫描中扫描角度非线性研究

分析了二维光学扫描角度非线性产生的原因,给出了二维扫描中仰角、方位角、垂直角方程的数学推导,对二维扫描的非线性进行了分析,讨论了非线性对角度跟踪和扫描成像等应用中的性能的影响,指出非线性修正的方法。     

扫描近场光学显微镜在生物学领域的应用

介绍了近期扫描近场光学显微镜（SNOM）在单分子探测、细胞精细结构和微生物学等研究领域中的应用进展,介绍了“量子荧光探针”、“生物纳米光学”的概念,指出了SNOM在细胞内部或膜表面进行单分子探测与单分子量化研究中的难题,并提出将其与超薄切片相结合以解决这些难题的思路。SNOM在各个领域的应用研究还远远不足,需要做更多的工作,其成像原理及图像数据的解析还需作深入研究。     

反射式扫描近场光学显微镜及其成像

介绍了一种光纤探针同时作为光源和探测器的反射式扫描近场光学显微镜，该装置通过采用相干探测、偏振分光等技术克服了该类显微镜所普遍面临的噪声背景干扰问题，具有较高的光学信噪比，并通过样品纵向振动调制锁相实现了对样品表面光强梯度信号的探测成像，进一步改善了成像质量。成像研究表明该装置可对近场衰逝分量进行有效探测并实现了超衍射极限成像。     

激光扫描共焦荧光显微镜的电子控制系统研究

介绍了激光扫描共焦荧光显微镜的电子控制系统,为了提高激光扫描器的定位精度,在系统中提出采用基于闭环象素时钟发生器的检流计振镜所固有的扫描非线性失真补偿方案,减少输出图象的枕形畸变,实现行扫描空间位置的均匀性。在以细分梯形波电流驱动反应式步进电机情况下,根据实测θ-i曲线,用反插法求得与步进电机运行非均匀性相补偿的相电流波,从而获得在小电流情况下高角度均匀的步进电机细分运行特性。