哈尔滨工业大学刘英想教授团队《AFM》：采用新型超声电机的小型成像模组

  成像设备在医疗诊断、生命科学以及工业检测等领域的应用日益广泛，这些领域的加快速度进行发展对成像设备性能要求也随之提升。成像模组作为光学成像系统的核心组件，其成像精度直接决定了图像的清晰度、对比度和色彩还原度。为满足下一代成像设备对高精度、高效率和小型化的需求，驱动装置一定要具有以下特性：高精度且稳定运行，以确保成像的准确性和稳定能力；紧凑的结构和轻量化的设计，以适应多种场景下的灵活部署和便携性需求。然而，传统的驱动装置，如音圈电机和步进电机，由于其体积非常庞大、容易发热以及易受磁干扰等局限性，难以满足这些综合要求。尽管智能材料的出现为驱动装置的设计提供了新的思路，但相关驱动器在出力、精度、行程、制造工艺以及温度稳定性等方面仍存在不足。相比之下，超声电机因其结构设计灵活、断电后能自锁保持镜头位置稳定以及抗电磁干扰能力强而非常关注；然而，在实现结构小型化设计方面，该技术仍面临诸多挑战，特别是如何进一步减小体积以提高集成度，需要更深入的探索。

  针对上述挑战，哈尔滨工业大学刘英想教授团队提出了一种新型的小型超声电机设计的具体方案。该电机的定子创新性地采用了中空金属薄板的面内径向和面外弯曲振动模态。通过这一设计，电机实现了以下具体技术指标：尺寸为7×27×7 mm³，重量为11.8 g，位移分辨力为0.52 μm；这为其在高精度成像模组中的应用提供了可能。基于所研制的小型超声电机，团队提出了压电驱动成像模组的构建策略，并成功研制出样机。调焦试验表明该成像模组在70 ms内即可获取清晰图像，且在42 mm的图像范围内实现了119.57 lp/mm的图像分辨率。此外，团队还通过集成成像模组的实时成像和图像质量评估功能，有效验证了调焦功能和提高了成像效率。该研究旨在研制出紧凑、高精度且高效的成像模组，以满足光学成像领域的需求，并推动相关科研和应用的发展。

  首先，研究人员利用中空金属薄板的面内径向与面外弯曲复合振动实现动子的直线驱动。该结构通过融合驱动足与动子导轨的设计，进一步实现了定子的小型化设计。为了验证这一设计的可行性，研究人员还采用了有限元仿真方法，对其工作原理进行了初步验证。

  随后，研究团队通过研制样机并进行了一系列机械输出特性实验，全面评估了其速度、推力及位移分辨率等性能。实验结果为，该超声电机尺寸为27×27×7 mm³，重量为11.8 g，表现出紧凑和轻量化的特点。其机械输出特性为：速度达到122.93 mm/s，推力为0.14 N，位移分辨率为0.52 μm。由于这些性能参数在同尺寸和类型的超声电机中较为突出，该超声电机在成像模组的应用中展现出了显著的潜力和优势。

  基于所研制的小型超声电机，研究团队提出了压电驱动成像模组的构建策略，旨在实现模组的集成与小型化。该策略综合考量了小型超声电机的最大输出力、镜头模组的重量以及所需的调焦分辨力等核心参数。针对镜头组件采用了中空结构设计，这一设计既优化了透光路径，保证了图像质量，又有效减轻了成像模组的总重量，满足了轻量化设计的要求。小型超声电机直接驱动镜头进行调焦，这一设计避免了额外传动机构的引入。此外，团队还设计了专用PCB转接板，以提高空间利用率，实现了更高的集成度。经过上述优化设计，所构建的成像模组整体体积为42×42×25mm³，质量为73.495g。

  进一步地，研究团队对压电驱动成像模组调焦性能进行了详细验证，通过调节高频步进脉冲激励信号的占空比，实现了对像距的精确控制。实验根据结果得出，该成像模组能够在70 ms内完成目标图像的清晰调焦，且在高频步进脉冲激励电压占空比为1%时，在42 mm的图像范围内达到了119.57 lp/mm的图像调焦分辨率。

  最后，为逐步提升成像模组的实用性和系统集成度，团队开发了基于QT框架的上位机软件。该软件不仅实现了实时成像的功能，还集成了图像清晰度评价模块，该模块融合了Roberts、Sobel边缘检测算法以及线对计算方式，能够对捕获的图像进行客观和量化的清晰度分析。这一设计不仅充分展示了成像模组的性能，还提升了成像效率与系统的集成度。

  在这项研究中，研究团队创新地提出了一种基于径弯振动模态的小型超声电机，并成功将其应用于成像模组中。成像试验表明该模组展现出了微米级别的精确调焦能力，这一特性对于提升成像系统的整体性能具备极其重大意义。在小型超声电机的设计与成像模组的构建方面，研究团队提出了新的技术思路和方法，为未来成像设备的发展提供了技术参考和可行的解决方案。

  未来，研究团队将继续优化小型超声电机设计，以逐步提升其性能和稳定能力。同时，团队计划集成小型化电源设计，以有效减小成像模组的体积和重量，从而增强其便携性和实用性。此外，团队还将积极探索该技术在医疗诊断、多光谱成像分析以及工业检测等领域的潜在应用，旨在拓展光学成像系统的应用场景范围，并推动其持续发展。

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