CN100590381C - 束靶耦合传感器 - Google Patents

Abstract

束靶耦合传感器，本发明涉及光电传感器领域。它解决了现有监测系统设计、加工、装配难度大，成本高，易产生变形和散射等现象，以及对于特殊靶不能保证打靶的精度和可靠性的问题。它包括上中下三个监测单元，每个单元中包括CCD、显微物镜、激光反射镜和环形LED光源，用于监测靶的空间位置和姿态。环形LED用于实现对靶的照明。入射到靶点的激光通过激光反射镜反射到CCD像面上。CCD上采集的靶的图像和光点图像通过图像。采用真空电机、滚珠丝杠传动副实现上下两路显微监测系统的调焦，采用电动微位移平台实现中路显微监测系统的调焦。本发明实现了精确、快速引导，由于激光不直接打到靶上，光束引导不受靶的影响，对不同靶的适应性提高。

Description

束靶耦合传感器

技术领域

本发明涉及一种光电传感器领域。

背景技术

激光惯性约束聚变实验是目前国际上研究的最前沿研究课题之一，该实验通过多路高能激光轰击氘氚靶实现聚变反应，从而实现可控聚变。激光惯性约束聚变实验中需要将多路激光精确引导到实验靶上的指定位置。以往激光引导方式是将激光直接打到靶上通过监测仪监测光点在靶上的位置，由于通常打靶激光波长为紫外光，而监测系统所检测的光为可见光波段，因此对靶和光点的监测存在色差，解决色差问题的办法是采用反射式成像光学系统，但设计、加工、装配难度大，成本高，并且由于靶的形状多种多样，激光光点打到靶上后可能产生变形和散射等现象。对于黑洞类型的靶，激光弹着点的位置甚至是不可见的，因而常常通过盲调打靶，对调整机构的精度要求非常高，但还是不能保证打靶的精度和可靠性；对于多路激光打靶的情况，如果多路激光同时打到靶上，各光点之间相互重叠干扰，无法实现并行引导，只能单路依次引导，引导时间长，过程繁琐，因此激光光束随时间的漂移和各调整环节的时间稳定性将大大降低打靶的精度和可靠性；另外对于有些靶，是不允许激光直接辐照的。

发明内容

本发明为了解决现有监测系统设计、加工、装配难度大，成本高，易产生变形和散射等现象，以及对于特殊靶不能保证打靶的精度和可靠性的问题，而提出了一种束靶耦合传感器。

本发明的束靶耦合传感器包括上部监测单元、中部监测单元、下部监测单元和调焦机构；

上部监测单元由上路CCD、上显微物镜、上激光反射镜和上环形LED光源组成；

上激光反射镜的正中间开有圆孔，上显微物镜固定在所述圆孔的中心位置，所述上显微物镜的光轴垂直于所述上激光反射镜的反射面，上显微物镜的正上方设置有上路CCD，上环形LED光源安装在上激光反射镜的底部，上路CCD的摄像机像敏面中心轴、上显微物镜的光轴和上环形LED光源的中心轴都与上纵向聚光轴重合；

上激光反射镜，用于将入射激光反射到上路CCD中；

上环形LED光源，用于照射被测靶；

上显微物镜，将被测靶的图像投射在上路CCD中；

上路CCD，用于采集上激光反射镜所反射的激光和通过上显微物镜所投射出的被测靶的图像；

下部监测单元由下路CCD、下显微物镜、下激光反射镜和下环形LED光源组成；下部监测单元的组件连接关系与上部监测单元的组件连接关系相同，上部监测单元和下部监测单元镜像对称，对称平面与上纵向聚光轴垂直；上部监测单元和下部监测单元分别位于所述对称平面的上部和下部；

中部监测单元由中路CCD和中显微物镜组成；中路CCD用于采集中显微物镜所投射出的被测靶的图像，所述中路CCD的摄像机像敏面中心轴和中显微物镜的光轴都与中部监测单元的横向聚光轴重合，所述横向聚光轴在上部监测单元和下部监测单元的对称平面上，并且与上纵向聚光轴相交于中心点o；

调焦机构，用于分别调整上部监测单元、下部监测单元和中部监测单元使被测靶分别在上路CCD、下路CCD和中路CCD得到清晰成像。

本发明为一种基于光学共轭原理的激光靶引导传感器，通过CCD视觉监测分别对激光光点和靶进行定位和引导，避免引导过程中激光直接打到靶上，消除了靶对激光光点定位的诸多影响，可以实现靶和激光弹着点的同时监测，提高激光束引导精度，实现多路激光和靶的并行引导，大大缩短激光引导时间，另外可实现激光引导过程的可视化，激光光点在靶上的弹着点位置可以很直观的显示出来。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：采用三路CCD显微监测系统(上、下两路，中部一路)，对放在束靶耦合传感器中心的实验靶成像，利用光学共轭原理，将聚焦到靶上的多路激光反射到CCD像面上，通过计算机图像处理，实现靶的位置和姿态监测，以及激光弹着点在靶上弹着点位置的监测。通过真空电机、传动机构实现CCD显微监测系统的调焦。采用光栅位移传感器测量显微监测系统的调焦位置。采用环形LED光源对靶照明。

本发明的有益效果是，实现惯性约束聚变中靶和多路激光的精确、快速引导，由于激光不直接打到靶上，光束引导不受靶的影响，对不同靶的适应性提高。为惯性约束聚变激光和靶引导提供切实有效的手段。

附图说明

图1是束靶耦合传感器复位状态光路示意图；图2是束靶耦合传感器调焦状态光路示意图；图3是靶水平方向偏离坐标原点、不倾斜时上路CCD11和下路CCD31监测的图像示意图；图4是靶不偏离坐标原点、倾斜时上路CCD11和下路CCD31监测的图像示意图；图5是束靶耦合传感器中三路CCD的物像空间坐标系关系图；图6是束靶耦合传感器的俯视图；图7是图6的H-H的剖视图；图8是束靶耦合传感器的左视图；图9和图10是束靶耦合传感器的立体图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1、图2和图6至图10说明本实施方式，本实施方式束靶耦合传感器由上部监测单元、中部监测单元、下部监测单元、和调焦机构组成；

上部监测单元由上路CCD11、上显微物镜12、上激光反射镜13和上环形LED光源14组成；

上激光反射镜13的正中间开有圆孔，上显微物镜12固定在所述圆孔的中心位置，所述上显微物镜12的光轴垂直于所述上激光反射镜13的反射面，上显微物镜12的正上方设置有上路CCD11，上环形LED光源14安装在上激光反射镜13的底部，上路CCD11的摄像机像敏面中心轴、上显微物镜12的光轴和上环形LED光源14的中心轴都与上纵向聚光轴1重合；

上激光反射镜13，用于将入射激光反射到上路CCD11中；

上环形LED光源14，用于照射被测靶；

上显微物镜12，将被测靶的图像投射在上路CCD11中；

上路CCD11，用于采集上激光反射镜13所反射的激光和通过上显微物镜12所投射出的被测靶的图像；

下部监测单元由下路CCD31、下显微物镜32、下激光反射镜33和下环形LED光源34组成；下部监测单元的组件连接关系与上部监测单元的组件连接关系相同，上部监测单元和下部监测单元镜像对称，对称平面与上纵向聚光轴1垂直；上部监测单元和下部监测单元分别位于所述对称平面的上部和下部；

中部监测单元由中路CCD21和中显微物镜22组成；中路CCD21用于采集中显微物镜22所投射出的被测靶的图像，所述中路CCD21的摄像机像敏面中心轴和中显微物镜22的光轴都与中部监测单元的横向聚光轴2重合，所述横向聚光轴2在上部监测单元和下部监测单元的对称平面上，并且与上纵向聚光轴1相交于中心点o；

调焦机构，用于分别调整上部监测单元、下部监测单元和中部监测单元使被测靶分别在上路CCD11、下路CCD31和中路CCD21得到清晰成像。

具体实施方式二：结合图6至图10说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于增加了上部支撑架41、下部支撑架42和中部监测单元支架44；上部支撑架41、下部支撑架42和中部监测单元支架44分别用于固定上监测单元、下监测单元和中部监测单元。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图6至图10说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式二不同点在于调焦机构由上部调焦机构、下部调焦机构、中部调焦机构53和调焦机构支撑架43组成；上部调焦机构由上传动机构511、上调焦真空电机512和上转动齿轮513组成；上部调焦机构用于上下垂直调节上部支撑架41的位置，下部调焦机构由下传动机构521、下调焦真空电机522和下转动齿轮523组成：下部调焦机构用于上下垂直调节下部支撑架42的位置，调焦机构支撑架43内安装有上调焦真空电机512和下调焦真空电机522；下调焦真空电机522的驱动轴连接于调焦机构支撑架43下部的下转动齿轮523，下转动齿轮523与下传动机构521的动力输入齿轮相啮合，下传动机构521的动力输出端安装在下部支撑架42的延伸平台下；上部调焦机构的组件连接关系与下部调焦机构的组件连接关系相同；中部调焦机构53在固定中部监测单元上，中部调焦机构53通过中部监测单元支架44连接在上部监测单元上；中部调焦机构53用于左右水平调节中部监测单元的位置。其它组成和连接方式与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：结合图7和图9说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式三不同点在于下部支撑架42由下路CCD支架421、下激光反射镜支架422和下环形LED支架423组成；下激光反射镜支架422为具有矩形延伸平台的圆环形支架，下激光反射镜支架422的矩形延伸平台为支撑架42的延伸平台，下激光反射镜33嵌放于下激光反射镜支架422的圆环内，下激光反射镜支架422的下部设置有用于固定下路CCD31和下显微物镜32的下路CCD支架421；下激光反射镜支架422的上部设置有用于固定下环形LED光源34的下环形LED支架423，上部支撑架41由上路CCD支架411、上激光反射镜支架412和上环形LED支架413组成；上部支撑架41的组件连接关系与下部支撑架42的组件连接关系相同。其它组成和连接方式与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：结合图10说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式三不同点在于调焦机构支撑架43上增加了两组滑动机构，每组滑动机构的上部都设置有一个上滑动体432，所述的两组滑动机构的上滑动体432分别固定在上部支撑架41的延伸平台两端上，每组滑动机构的下部都设置有一个下滑动体433，所述的两组滑动机构的下滑动体433分别固定在下部支撑架42的延伸平台两端上，调焦机构支撑架43朝向监测单元方向的表面为工作面，两组滑动机构的两个滑道434分别设置在调焦机构支撑架43的工作面的两侧。其它组成和连接方式与具体实施方式三相同。

具体实施方式六：结合图6至图10说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式三不同点在于调焦机构支撑架43上增加了两个定位标志431，两个定位标志431的一端分别固定在调焦机构支撑架43的两个侧面上，两个定位标志431的另一端分别开有圆孔，所述两个圆孔的中心轴线交于中心点o。其它组成和连接方式与具体实施方式三相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式三不同点在于上传动机构511和下传动机构521采用滚动丝杠传动机构。其它组成和连接方式与具体实施方式三相同。

具体实施方式八：结合图6和图7说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一、四、五或六不同点在于增加了测距装置，测距装置由上部测距装置61和下部测距装置62组成；上部测距装置61和下部测距装置62，分别用于测量上部监测单元和下部监测单元位移大小。其它组成和连接方式与具体实施方式一、四、五或六相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式八不同点在于测距装置采用光栅位移传感器，其它组成和连接方式与具体实施方式八相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一不同点在于激光反射镜反射波长351nm的模拟光，反射率99.9％。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。

本发明的具体实施方式还可以是上述各具体实施方式的组合。

本发明的工作原理：

束靶耦合传感器的工作原理如图1所示，在复位状态下，束靶耦合传感器中心点o与上路CCD11和下路CCD31像敏面分别相对于上激光反射镜13和下激光反射镜33共轭，即有o₁P＝oP＝oQ＝o₂Q＝d。称与上路CCD11和下路CCD31像敏面对于上激光反射镜13和下激光反射镜33共轭的平面为上下监测单元的对准平面。在复位状态下，上下监测单元的对准平面重合于o点。

放在束靶耦合传感器中心o点的物经上中下上显微物镜分别成像在上中下CCD像敏面坐标原点o₁、o₃、o₂上。由于显微物镜景深较小，为了对不同靶清晰成像，通过调焦机构进行调节。上部监测单元和下部监测单元在各自真空电机的驱动下，通过传动机构传动，可分别对靶进行调焦，中部监测单元随上部监测单元上下移动，同时通过中部调焦机构53，即微型运动平台进行前后移动，从而实现对靶的调焦。

由于圆柱形靶在打靶中较为常用，下面以圆柱型靶打靶的光束和靶位监测为例，说明激光靶引导传感器的工作原理和流程。

首先通过与上下监测单元相连的光栅位移传感器监测，使束靶耦合传感器复位，在中部监测单元的监测下，使靶的z向中心与束靶耦合传感器中心o处于同一高度。当要对靶上下端面成像时，上下运动单元通过传统机构分别向上和向下运动靶长的一半，即上下运动单元位移

l为靶的高度，如图2所示。

通过靶端面在上下CCD像面上的成像位置，可以计算靶的姿态，如图3和图4所示。当靶轴线与束靶耦合传感器z轴平行时，如果靶沿垂直z轴方向平移，上下端面在上下CCD像面上同向平移，如图3所示，当靶中心与束靶耦合传感器中心重合但轴线与束靶耦合传感器z轴存在夹角时，在上下CCD上成像位置方向相反，相对于原点对称，如图4所示。

束靶耦合传感器物空间坐标系和三个CCD像面坐标系如图5所示。设上下CCD像面坐标系下的靶坐标分别为(x₁′，y₁′)，(x₂′，y₂′)，中部CCD像面坐标系下靶坐标为(x₃′，z₃′)，则靶在物空间的位置和姿态为：

$\left\{\begin{array}{c}x=\frac{{x_1}^{\′}/{\mathrm{\β}}_1+{x_2}^{\′}/{\mathrm{\β}}_2}{2}\\ y=\frac{{y_1}^{\′}/{\mathrm{\β}}_1+{y_2}^{\′}/{\mathrm{\β}}_2}{2}\\ z={z_3}^{\′}/{\mathrm{\β}}_3\\ \cos \mathrm{\α}=\frac{\sqrt{{({x_1}^{\′}/{\mathrm{\β}}_1-{x_2}^{\′}/{\mathrm{\β}}_2)}^2+{({y_1}^{\′}/{\mathrm{\β}}_1-{y_2}^{\′}/{\mathrm{\β}}_2)}^2}}{l}\\ \tan r=\frac{({y_1}^{\′}/{\mathrm{\β}}_1-{y_2}^{\′}/{\mathrm{\β}}_2)}{({x_1}^{\′}/{\mathrm{\β}}_1-{x_2}^{\′}/{\mathrm{\β}}_2)}\end{array}\right.---\left(1\right)$

α是靶轴线与z轴的夹角，γ是靶轴线在xoy平面上投影与x轴的夹角，β₁、β₂、β₃分别是上显微物镜12、中显微物镜22和下显微物镜32的放大倍率。

上中下三个环形LED光源为靶提供照明。

两个定位标志为正交定位标志，用于监测设备对束靶耦合传感器进行定位。定位标志上镀有反射膜，并刻划有十字标志。两个定位标志法线互相垂直，交于束靶耦合传感器中心。

上路CCD11、中路CCD21和下路CCD31是束靶耦合传感器的核心部件，为了保证靶和激光的定位精度和监测范围，要求CCD具备像元小、大面阵的特点。同时，由于受靶室内空间的限制、多路激光光路的限制以及传感器支撑机构的限制，要求CCD的外形尺寸小。综合以上因素，选择的CCD为美国Sentech公司的STC-83。

中部监测单元通过中部调焦机构53实现调焦，当靶上定位标志或某一部位超出显微系统的景深范围时，可前后调焦使中路CCD21对靶成清晰像。避免了前后移动靶架调焦而带来的盲推问题，提高对靶的定位精度。中部调焦机构53采用德国PI公司微位移平台，型号M-111.2VG(真空版)，调焦范围为0mm～15mm，运动分辨率0.2μm，直线度0.5μm，推力10N。

上下监测单元调焦位置通过光栅位移传感器的光栅反馈，从而实现对不同打靶截面的精确对准。所选光栅位移传感器型号为：海德汉ST1200。测量范围12mm，精度±1μm，光栅输出数字信号，避免了信号传输过程易受干扰的问题。

Claims (10)

1、束靶耦合传感器，其特征在于它包括上部监测单元、中部监测单元、下部监测单元和调焦机构；

上部监测单元由上路CCD(11)、上显微物镜(12)、上激光反射镜(13)和上环形LED光源(14)组成；

上激光反射镜(13)的正中间开有圆孔，上显微物镜(12)固定在所述圆孔的中心位置，所述上显微物镜(12)的光轴垂直于所述上激光反射镜(13)的反射面，上显微物镜(12)的正上方设置有上路CCD(11)，上环形LED光源(14)安装在上激光反射镜(13)的底部，上路CCD(11)的摄像机像敏面中心轴、上显微物镜(12)的光轴和上环形LED光源(14)的中心轴都与上纵向纵向聚光轴(1)重合；

上激光反射镜(13)，用于将入射激光反射到上路CCD(11)中；

上环形LED光源(14)，用于照射被测靶；

上显微物镜(12)，将被测靶的图像投射在上路CCD(11)中；

上路CCD(11)，用于采集上激光反射镜(13)所反射的激光和通过上显微物镜(12)所投射出的被测靶的图像；

下部监测单元由下路CCD(31)、下显微物镜(32)、下激光反射镜(33)和下环形LED光源(34)组成；下部监测单元的组件连接关系与上部监测单元的组件连接关系相同，上部监测单元和下部监测单元镜像对称，对称平面与上纵向聚光轴(1)垂直；上部监测单元和下部监测单元分别位于所述对称平面的上部和下部；

中部监测单元由中路CCD(21)和中显微物镜(22)组成；中路CCD(21)用于采集中显微物镜(22)所投射出的被测靶的图像，所述中路CCD(21)的摄像机像敏面中心轴和中显微物镜(22)的光轴都与中部监测单元的横向聚光轴(2)重合，所述横向聚光轴(2)在上部监测单元和下部监测单元的对称平面上，并且与上纵向聚光轴(1)相交于中心点(o)；

调焦机构，用于分别调整上部监测单元、下部监测单元和中部监测单元使被测靶分别在上路CCD(11)、下路CCD(31)和中路CCD(21)得到清晰成像。

2、根据权利要求1所述的束靶耦合传感器，其特征在于它还包括上部支撑架(41)、下部支撑架(42)和中部监测单元支架(44)；上部支撑架(41)、下部支撑架(42)和中部监测单元支架(44)分别用于固定上监测单元、下监测单元和中部监测单元。

3、根据权利要求2所述的束靶耦合传感器，其特征在于调焦机构由上部调焦机构、下部调焦机构、中部调焦机构(53)和调焦机构支撑架(43)组成；上部调焦机构由上传动机构(511)、上调焦真空电机(512)和上转动齿轮(513)组成；上部调焦机构用于上下垂直调节上部支撑架(41)的位置，下部调焦机构由下传动机构(521)、下调焦真空电机(522)和下转动齿轮(523)组成；下部调焦机构用于上下垂直调节下部支撑架(42)的位置，调焦机构支撑架(43)内安装有上调焦真空电机(512)和下调焦真空电机(522)；下调焦真空电机(522)的驱动轴连接于调焦机构支撑架(43)下部的下转动齿轮(523)，下转动齿轮(523)与下传动机构(521)的动力输入齿轮相啮合，下传动机构(521)的动力输出端安装在下部支撑架(42)的延伸平台下；上部调焦机构的组件连接关系与下部调焦机构的组件连接关系相同；中部调焦机构(53)在固定中部监测单元上，中部调焦机构(53)通过中部监测单元支架(44)连接在上部监测单元上；中部调焦机构(53)用于左右水平调节中部监测单元的位置。

4、根据权利要求3所述的束靶耦合传感器，其特征在于下部支撑架(42)由下路CCD支架(421)、下激光反射镜支架(422)和下环形LED支架(423)组成；下激光反射镜支架(422)为具有矩形延伸平台的圆环形支架，下激光反射镜支架(422)的矩形延伸平台为下部支撑架(42)的延伸平台，下激光反射镜(33)嵌放于下激光反射镜支架(422)的圆环内，下激光反射镜支架(422)的下部设置有用于固定下路CCD(31)和下显微物镜(32)的下路CCD支架(421)；下激光反射镜支架(422)的上部设置有用于固定下环形LED光源(34)的下环形LED支架(423)，上部支撑架(41)由上路CCD支架(411)、上激光反射镜支架(412)和上环形LED支架(413)组成；上部支撑架(41)的组件连接关系与下部支撑架(42)的组件连接关系相同。

5、根据权利要求3所述的束靶耦合传感器，其特征在于调焦机构支撑架(43)上还包括两组滑动机构，每组滑动机构的上部都设置有一个上滑动体(432)，所述的两组滑动机构的上滑动体(432)分别固定在上部支撑架(41)的延伸平台两端上，每组滑动机构的下部都设置有一个下滑动体(433)，所述的两组滑动机构的下滑动体(433)分别固定在下部支撑架(42)的延伸平台两端上，调焦机构支撑架(43)朝向监测单元方向的表面为工作面，两组滑动机构的两个滑道(434)分别设置在调焦机构支撑架(43)的工作面的两侧。

6、根据权利要求3所述的束靶耦合传感器，其特征在于调焦机构支撑架(43)上还包括了两个定位标志(431)，两个定位标志(431)的一端分别固定在调焦机构支撑架(43)的两个侧面上，两个定位标志(431)的另一端分别开有圆孔，所述两个圆孔的中心轴线交于中心点(o)。

7、根据权利要求3所述的束靶耦合传感器，其特征在于上传动机构(511)和下传动机构(521)采用滚动丝杠传动机构。

8、根据权利要求1、4、5或6所述的束靶耦合传感器，其特征在于它还包括测距装置，测距装置由上部测距装置(61)和下部测距装置(62)组成；上部测距装置(61)和下部测距装置(62)分别用于测量上部监测单元和下部监测单元的位移。

9、根据权利要求8所述的束靶耦合传感器，其特征在于测距装置采用光栅位移传感器。

10、根据权利要求1所述的束靶耦合传感器，其特征在于激光反射镜反射波长351nm的模拟光，反射率99.9％。

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