葉 朗 獨(dú)偉鋒 全旭松 徐 旭 熊 召

（中國(guó)工程物理研究院激光聚變研究中心，綿陽(yáng) 621900）

為實(shí)現(xiàn)光束快速引導(dǎo)和準(zhǔn)直，復(fù)雜光路中的光機(jī)模塊往往設(shè)計(jì)了多維電動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。以倍頻模塊為例，倍頻模塊上裝有倍頻晶體，每塊晶體具有偏擺和俯仰二維調(diào)整功能[1]。為了提高光束準(zhǔn)直效果和效率，避免光束準(zhǔn)直調(diào)整過(guò)程中發(fā)生二維聯(lián)動(dòng)效應(yīng)，二維調(diào)整轉(zhuǎn)軸機(jī)構(gòu)往往要求設(shè)計(jì)為二維正交性結(jié)構(gòu)。但是，由于加工、安裝誤差的存在，難以保證二維轉(zhuǎn)軸機(jī)構(gòu)絕對(duì)正交。在實(shí)際的光路調(diào)節(jié)和光機(jī)精密轉(zhuǎn)軸安裝過(guò)程中，需要進(jìn)行二維調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)正交性角度偏差測(cè)量[2-3]。

王建永等基于球面三角計(jì)算方法和向量運(yùn)算方法的正交度，研究多維轉(zhuǎn)臺(tái)對(duì)測(cè)量精度的影響[4]。范晉偉等基于多體系統(tǒng)理論建立非正交五軸數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)誤差模型，以球桿儀測(cè)量旋轉(zhuǎn)軸誤差[5]。丁文研究了非正交軸系全站儀坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)誤差分析方法[6]。針對(duì)多維旋轉(zhuǎn)軸的角度偏差測(cè)量，通過(guò)非接觸式電容測(cè)微儀和平晶與多齒分度盤(pán)組合測(cè)試方法實(shí)現(xiàn)二維工作臺(tái)正交性檢測(cè)[7]，通過(guò)三軸磁傳感器非正交性的測(cè)量實(shí)現(xiàn)三軸傳感器非正交性誤差測(cè)量[8]，通過(guò)三軸磁傳感器實(shí)現(xiàn)正交性校正矢量[9]，并基于平行光管工作原理的三軸穩(wěn)定平臺(tái)框架測(cè)量軸正交性[10]。

這些研究具有重要的參考價(jià)值，但是并不適用于測(cè)量復(fù)雜光路中光機(jī)模塊多維電動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)軸角度偏差，所以提出了基于光學(xué)自準(zhǔn)直原理的復(fù)雜光路中光機(jī)模塊多維電動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)軸角度偏差測(cè)量方法，并用于終端光學(xué)組件中的倍頻晶體二維調(diào)整機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)軸夾角測(cè)量。

1 二維轉(zhuǎn)軸機(jī)構(gòu)

以高功率固體激光裝置中倍頻晶體模塊為例，倍頻晶體模塊二維轉(zhuǎn)軸機(jī)構(gòu)由偏擺軸和俯仰軸組成，如圖1 所示。偏擺旋轉(zhuǎn)軸為AB，俯仰旋轉(zhuǎn)軸為CD。為避免光束準(zhǔn)直調(diào)整過(guò)程中發(fā)生二維聯(lián)動(dòng)效應(yīng)，減小分量造成的影響，通常要求偏擺旋轉(zhuǎn)軸和俯仰旋轉(zhuǎn)軸正交性偏差不超過(guò)1°。

圖1 倍頻晶體模塊轉(zhuǎn)軸機(jī)構(gòu)

2 二維轉(zhuǎn)軸夾角測(cè)量方法

基于自準(zhǔn)直原理，在待測(cè)調(diào)整機(jī)構(gòu)基準(zhǔn)面上安裝反射鏡。反射鏡所在平面與二維旋轉(zhuǎn)軸構(gòu)成的平面平行，利用光電自準(zhǔn)直儀對(duì)反射鏡表面進(jìn)行準(zhǔn)直。準(zhǔn)直完后調(diào)整待測(cè)機(jī)構(gòu)，即調(diào)整圖1 中的AB軸、CD軸，此時(shí)可在自準(zhǔn)直電荷耦合器件（Charge Coupled Device，CCD）上讀出X軸、Y軸方向角度分量。

2.1 偏擺轉(zhuǎn)軸與自準(zhǔn)直儀X 軸方向夾角測(cè)量方法

偏擺轉(zhuǎn)軸與自準(zhǔn)直儀X軸方向夾角測(cè)量如圖2 所示，其中O點(diǎn)為自準(zhǔn)直儀參考點(diǎn)，坐標(biāo)面OXY為自準(zhǔn)直成像坐標(biāo)面，二維轉(zhuǎn)軸機(jī)構(gòu)坐標(biāo)平面為偏擺軸AB與俯仰軸CD組成的平面。在二維轉(zhuǎn)軸機(jī)構(gòu)上安裝反射鏡，在反射鏡前架設(shè)自準(zhǔn)直儀，并用角錐棱鏡確定自準(zhǔn)直CCD 視場(chǎng)內(nèi)的自準(zhǔn)直絕對(duì)參考點(diǎn)位置O，調(diào)節(jié)自準(zhǔn)直姿態(tài)并對(duì)反射鏡進(jìn)行準(zhǔn)直，使反射回的叉絲像點(diǎn)與位置O重合。調(diào)整偏擺轉(zhuǎn)軸AB，叉絲像點(diǎn)運(yùn)動(dòng)至P點(diǎn)，讀取P點(diǎn)的X軸、Y軸角度分量β0、θ0。

圖2 偏擺轉(zhuǎn)軸與自準(zhǔn)直儀X 軸方向夾角測(cè)量

由調(diào)整前后的準(zhǔn)直像點(diǎn)規(guī)律，可知OP⊥AB。根據(jù)三角函數(shù)關(guān)，系可得

2.2 俯仰轉(zhuǎn)軸與自準(zhǔn)直儀X 軸方向夾角測(cè)量方法

調(diào)整俯仰轉(zhuǎn)軸CD，叉絲像點(diǎn)運(yùn)動(dòng)至Q點(diǎn)，讀取Q點(diǎn)的X軸、Y軸角度分量β1、θ1，如圖3 所示。

圖3 俯仰轉(zhuǎn)軸與自準(zhǔn)直儀X 軸方向夾角測(cè)量

由調(diào)整前后的準(zhǔn)直像點(diǎn)規(guī)律，可知OQ⊥CD。根據(jù)三角函數(shù)關(guān)系，可得

2.3 二維轉(zhuǎn)軸角度分析

由角度關(guān)系可知，偏擺軸、俯仰軸與自準(zhǔn)直儀X軸方向夾角之差就是偏擺軸和俯仰軸的夾角。根據(jù)式（1）和式（2）可求得偏擺軸與俯仰軸的夾角，即

其正交性角度偏差可表示為

2.4 系統(tǒng)測(cè)試誤差分析

采用自準(zhǔn)直方法實(shí)現(xiàn)二維轉(zhuǎn)軸夾角測(cè)量，其測(cè)量誤差主要來(lái)源于利用角錐確定參考點(diǎn)O產(chǎn)生的誤差M。自準(zhǔn)直儀測(cè)量β0、θ0產(chǎn)生的誤差分別為Nx1、Ny1，自準(zhǔn)直儀測(cè)量β1、θ1產(chǎn)生的誤差分別為Nx2、Ny2，則二維轉(zhuǎn)軸夾角測(cè)量誤差可表示為

3 實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證提出的測(cè)量方法，以終端光學(xué)組件（Final Optics Assembly，F(xiàn)OA）二倍頻晶體作為實(shí)驗(yàn)測(cè)試對(duì)象，搭建二倍頻在線模塊的轉(zhuǎn)軸夾角測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖4 所示。

圖4 終端倍頻模塊二維轉(zhuǎn)軸夾角測(cè)試平臺(tái)

本次共完成4 套終端光學(xué)組件的二倍頻晶體二維轉(zhuǎn)軸測(cè)試實(shí)驗(yàn)，測(cè)量結(jié)果如表1 所示。根據(jù)測(cè)試方法中的式（2）～式（4），分析獲得被測(cè)對(duì)象轉(zhuǎn)軸角度數(shù)據(jù)，如表2 所示。

表1 測(cè)試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 單位：°

實(shí)驗(yàn)中使用的角錐精度為3″，自準(zhǔn)直儀測(cè)量誤差為0.3″，將其帶入式（5），獲得測(cè)量誤差為3.06″。從表2 可得，對(duì)倍頻模塊的二維調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)測(cè)得軸正交性能偏差最大為0.306°。

4 結(jié)語(yǔ)

基于光學(xué)自準(zhǔn)直原理的多維電動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)軸夾角的測(cè)量方法，應(yīng)用于終端光學(xué)組件中的二倍頻晶體二維調(diào)整機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)軸夾角進(jìn)行測(cè)量驗(yàn)證，分別測(cè)試了4 組二倍頻晶體的二維轉(zhuǎn)軸角度偏差，獲得二倍頻晶體精密調(diào)整軸的軸正交性能偏差最大為0.306°，測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量誤差可控制在3.06″。結(jié)果表明，提出的轉(zhuǎn)軸角度偏差測(cè)量方法能有效實(shí)現(xiàn)二維調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)軸角度測(cè)量與調(diào)試。