CN111856772A - 一种空间滤波器端透镜五维调节方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高功率激光系统中的空间滤波器端透镜调节方法与装置，包括鬼像定位法、位姿调节法和五维控制机构，使得空间滤波器端透镜自动化调节。鬼像定位法确定最强光斑的位置测量到端透镜的一阶鬼点焦距，根据位置关系确定端透镜在光轴Z向上的位置，再根据光束的完整衍射环判断透镜的位姿满足调节要求。五维控制机构包括动平台、静平台、中间平台、至少三条支链以及连接平台的固定支杆。控制机构连接到计算机上，通过控制多条支链协作配合达到调节目的。本发明具有鬼像中心位置误差敏感性高、低阶鬼像成像质量清晰的特点，结合激光光束衍射成像，可进行入射光单侧有限空间调节操作，并联控制机构精度高可拆装使用。
Description
技术领域
本发明涉及一种高功率激光系统中的空间滤波器端透镜调节方法与装置，特别是一种涉及集鬼像定位、位姿调节和五维控制机构为一体的空间滤波器端透镜自动化调节方法及其装置。
背景技术
空间滤波器是高功率激光装置中重要的组成部件之一，其中透镜元件的调节对于激光光束的输出质量存在显著影响。空间滤波器的两个透镜和位于像面的滤波小孔需要严格满足同轴共焦的要求。如果空间滤波器失调，通过两个透镜的光束将产生明显的像差，严重影响激光的光束质量，因此空间滤波器两端的透镜经常需要多自由度调节，保证光束精准度满足同轴共焦要求。
传统的透镜调节方式主要为三拉三顶螺杆结构，但由于长时间的重力影响使其容易发生微小偏移。后来通过球关节结构改善了偏移现象，但在光轴方向的平移调节仍十分费力，在空间滤波器内部抽真空的情况下手动旋转平移滑套更是难上加难。不仅如此，现有的手动调节为非联动运动，常会由于平移调节而导致已经调好的角度位置发生变化，需要进行重新调节。因此现有技术依然存在一定的不足，在实际应用中十分不便。
发明内容
本发明基于单透镜鬼成像原理和光斑衍射成像原理实现定位和准直，通过空间并联多维控制在现有技术的基础上更高效便捷地解决上述问题，为高功率激光系统中空间滤波器调节的自动化发展，提供一种单侧近场小范围调控的端透镜光束准直方案。
本发明装置采用了以下技术方案：
一种用于空间滤波器端透镜调节的五维并联机构，其特点在于，包括动平台、静平台、中间平台、支链以及连接所述静平台和中间平台的固定支杆。
所述的静平台由互相平行的前静平台和后静平台，以及连接前静平台和后静平台的连接柱构成，在所述的后静平台上设有与所述空间滤波器的固定法兰相对应的螺纹孔。
所述的支链至少三条，每条分别由二对球铰链、连杆、滑块、固定支杆、伺服电机和丝杆组成，所述的伺服电机安装在所述的后静平台上，该伺服电机的转动轴与丝杆的一端相连，该丝杆的另一端依次穿过所述的前静平台和滑块；所述的铰链座设有供所述钢球嵌入的卡槽，二对球铰链分别固定在所述的滑块和所述的动平台上，所述连杆的两端分别连接所述的球铰链。
所述的固定支杆上设有供滑块移动的轨道。
所述的伺服电机驱动所述的丝杆转动，从而带动滑块在所述固定支杆的轨道上移动，使所述的球铰链转动，最终实现多条支链协同运动控制动平台产生五维动作。
每对球铰链由固定铰链座、钢球和活动铰链座活动连接而成。
一种空间滤波器端透镜的调节方法，其特点在于，该方法包括如下步骤：
步骤1.将上述五维并联机构安装到所述的空间滤波器上。
步骤2.空间滤波器端透镜主光轴Z向定位：
在主光轴的上方固定光束转折器和激光器，使激光器发出的光通过光束转折器分成两束平行光分别射向空间滤波器端透镜。
沿主光轴方向设置供CCD相机移动的导轨，通过计算机控制CCD相机沿主光轴向端透镜移动，直至扫描到端透镜前光斑为止，确定最强光斑的位置，记录CCD相机相对于端透镜的位置为一阶鬼点位置，并测量得到端透镜到一阶鬼点位置距离为f1。
计算端透镜实际焦距f0，公式如下：
其中，n为介质折射率，d为端透镜的中心厚度，R1表示端透镜入射面曲率半径， f1为一阶鬼像的焦距，fF为端透镜表面顶点到端透镜焦点的距离。
设空间滤波器的滤波小孔板到波纹管出射端面的距离d1，调节波纹管与端透镜的间距d2，按照透镜主轴Z向定位要求，满足d2＝f0-d1，即完成端透镜主光轴 Z向调节。
步骤3.俯仰偏航和X-Y面平移衍射成像定位：
沿空间滤波器端透镜主光轴方向放置分光镜和激光器，使激光器发出的光经分光镜透射后，入射到空间滤波器端透镜，经该端透镜的反射光经过分光镜反射形成反射光。
沿该反射光方向依次放置标准透镜、滤光片和CCD相机，使该反射光穿过标准透镜和滤光片汇聚后的光斑被CCD相机采集，按照高斯成像公式确定标准透镜的精确位置，使CCD相机能够采集合适尺寸的衍射光斑。
计算机接收CCD相机采集的光斑信号并处理，控制所述的五维并联机构的动平台运动，从而调节端透镜的位置姿态，直至光斑位于坐标系原点且出现完整衍射环。
步骤4.通过固定螺套连接空间滤波器上的固定法兰，通过固定螺杆连接透镜法兰，保证透镜法兰相对固定法兰处于静止位置。
还包括步骤5，将五维并联机构移出，拆除CCD相机、分光镜、标准透镜、滤光片和激光器。
所述的步骤1具体是：
步骤1.1设计固定螺套和固定螺杆，通过螺纹连接形成可调伸缩杆件，固定螺套和固定螺杆外表面设计为六棱柱结构，配合扳手拆装螺套和螺杆。
空间滤波器波纹管组件中透镜法兰和固定法兰上开有与动平台、静平台对应的三个M8螺纹孔，在固定法兰上开有三个Φ10通孔，构成的圆半径大于M8 螺纹孔组成的圆半径，所述的固定螺套可穿过通孔用螺母固定，固定螺套与通孔接触面为球台面，配合螺母加装球状垫片，使固定螺套在通孔内可允许摆动一定角度θ，θ取决于固定法兰的厚度b，摆动角度θ计算方法如下：
(64-b2)X2+20b2X-36b2＝0
θ＝arctan(X/b)
步骤1.2将固定螺杆旋出固定法兰上的螺孔，旋松固定螺套，透镜法兰与固定法兰仅由波纹管形成柔性连接，这使得透镜法兰可在有限空间内获得五自由度运动；随后将五维控制机构装在波纹管组件上，将静平台通过三根螺栓连接紧贴在固定法兰上，使两者相对固定；同样地，通过螺栓固定透镜法兰和动平台。
步骤1.3将五维并联机构通过线缆连接到计算机的接口上，然后通电使所有电机可以进行信号控制以达到调节目的。
所述的步骤3中计算机是采用霍夫变换识别衍射环圆弧和定位圆心坐标，再利用样条插值法或最小二乘法对圆心坐标进行迭代调节直到在CCD相机中心位置采集到完整衍射环。
与现有技术相比本发明有益效果是：
该透镜调节装置的光路传输元件在对端透镜进行Z向定位时，只需要在空间滤波器单侧1.5米范围内进行控制调节，鬼像在中心位置误差敏感性高，采集到清晰的一阶鬼像，定位精度可达毫米级(2.59mm)，并联控制机构精度高可拆装使用。
附图说明
图1透镜鬼成像Z向定位示意图
图2透镜并联调节装置示意图
图3五维并联机构总体结构图
图4装置单支路结构图
图5装置支路爆炸图
图6光束准直衍射光斑
图7固定螺杆螺套连接图
图8固定螺套，其中，a为结构示意图，b为a的A-A剖视图
图9固定螺杆
图中：
1.CCD相机；2.光束转折器；3.激光器；4.端透镜；5波纹管；6.滤波小孔板； 7.空间滤波器；8.计算机；9.标准透镜；10.分光镜；11.动平台；12.透镜法兰；13. 固定螺套；14.静平台；15.固定法兰；16.滤光片；17.固定螺杆；18.中间平台；B-1.球铰链；B-2.钢球；B-3.连杆；B-4.滑块；B-5.固定支杆；B-6.伺服电机；B-7. 丝杆；B-8.前静平台；B-9.连接柱；B-10.后静平台；B-11.M8螺纹孔；B-12.电机螺孔；B-13.Φ10通孔连接螺母；B-14.M8固定螺纹
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步地说明。
本发明在当空间滤波器端透镜需要调节的情况下使用，通过以下步骤实施：
(1)安装五维控制机构：将固定螺杆17旋出固定法兰15上的螺孔，旋松固定螺套13，透镜法兰12与固定法兰15仅由波纹管5形成柔性连接，这使得透镜法兰12可在有限空间内获得五自由度运动。随后将五维控制机构套在包括固定法兰15、波纹管5和透镜法兰12上，透镜法兰12与固定法兰15仅由波纹管5 形成柔性连接，这使得透镜法兰12可在有限空间内获得五自由度运动。随后将五维控制机构安装在波纹管组件上，将静平台14通过三根螺栓连接紧贴在固定法兰15上使其固定，同样地，通过螺栓固定透镜法兰12和动平台11。伺服电机B-6驱动丝杆B-7转动，带动滑块B-4在固定支杆B-5轨道上前后移动，多条支链协同运动控制动平台11产生五维动作。
(2)端透镜主光轴Z向定位：在主轴光路上方固定光束转折器2，激光器3发出的光通过光束转折器2分成两束平行光分别射向空间滤波器端透镜4。由于端透镜4的透射反射效应，两束平行光会在靠近透镜出形成多重鬼像，其中距离透镜入射面最远的像被称为一阶鬼像。由计算机发送指令控制CCD相机1沿光轴向靠近端透镜4方向移动，直至扫描到端透镜4前光斑为止，根据图像软件微调 CCD相机1位置，确定最强光斑的位置，记录CCD相机1相对于端透镜4的位置为一阶鬼点位置，通过测量得到端透镜4到一阶鬼点位置距离为f1。根据如下鬼像简化计算公式可以计算出端透镜实际焦距f0：
其中n为介质折射率，d为端透镜4的中心厚度，R1表示端透镜4入射面曲率半径，f1为一阶鬼像的焦距，fF为端透镜4表面顶点到端透镜4焦点的距离。
设空间滤波器7的滤波小孔板6到波纹管5出射端面的距离d1，调节波纹管 5与端透镜4的间距d2，按照透镜主轴Z向定位要求，满足d2＝f0-d1，即完成端透镜4主光轴Z向调节。
(3)俯仰偏航和X-Y面平移衍射成像定位：沿空间滤波器端透镜主光轴方向放置分光镜10和激光器3，使激光器3发出的光经分光镜10透射后，入射到空间滤波器端透镜4，经该端透镜4的反射光经过分光镜10反射形成反射光。
沿该反射光方向依次放置标准透镜9、滤光片16和CCD相机1，使该反射光穿过标准透镜9和滤光片16汇聚后的光斑被CCD相机1采集，按照高斯成像公式确定标准透镜9的精确位置，使CCD相机能够采集合适尺寸的衍射光斑。
计算机8接收CCD相机1采集的光斑信号并处理，控制所述的五维并联机构的动平台11运动，从而调节端透镜4的位置姿态，直至光斑位于坐标系原点且出现完整衍射环。
最后，通过固定螺套13连接空间滤波器7上的固定法兰15，通过固定螺, 杆17连接透镜法兰12。由于固定螺套13和固定螺杆17为可伸缩螺纹连接，能够保证透镜法兰12相对固定法兰15处于静止位置。分别卸载动静平台14与固定法兰15和透镜法兰12上的螺栓螺母，将五维控制机构小心移出，拆除安装的 CCD相机1、分光镜10和激光器3。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或者替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。
Claims (6)
1.一种用于空间滤波器端透镜调节的五维并联机构，其特征在于，包括动平台(11)、静平台(14)、中间平台(18)、支链以及连接所述静平台(14)和中间平台(18)的固定支杆(B-5)；
所述的静平台(14)由互相平行的前静平台(B-8)和后静平台(B-10)，以及连接前静平台(B-8)和后静平台(B-10)的连接柱(B-9)构成，在所述的后静平台(B-10)上设有与所述空间滤波器的固定法兰(15)相对应的螺纹孔(B-14)；
所述的支链至少三条，每条分别由二对球铰链(B-1)、连杆(B-3)、滑块(B-4)、固定支杆(B-5)、伺服电机(B-6)和丝杆(B-7)组成，所述的伺服电机(B-6)安装在所述的后静平台(B-10)上，该伺服电机(B-6)的转动轴与丝杆(B-7)的一端相连，该丝杆(B-7)的另一端依次穿过所述的前静平台(B-8)和滑块(B-4)；所述的球铰链(B-1)设有供所述钢球(B-2)嵌入的卡槽，二对球铰链(B-1)分别固定在所述的滑块(B-4)和所述的动平台(11)上，所述连杆(B-3)的两端分别连接所述的球铰链(B-1)；
所述的固定支杆(B-5)上设有供滑块(B-4)移动的轨道；
所述的伺服电机(B-6)驱动所述的丝杆(B-7)转动，从而带动滑块(B-4)在所述固定支杆(B-5)的轨道上移动，使所述的球铰链(B-1)转动，最终实现多条支链协同运动控制动平台(11)产生五维动作。
2.根据权利要求1所述的用于空间滤波器端透镜调节的五维并联机构，其特征在于，每对球铰链(B-1)由固定铰链座、钢球(B-2)和活动铰链座活动连接而成。
3.一种空间滤波器端透镜的调节方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤1.将权利要求1或2所述的五维并联机构安装到所述的空间滤波器上；
步骤2.空间滤波器端透镜主光轴Z向定位：
在主光轴的上方固定光束转折器(2)和激光器(3)，使激光器(3)发出的光通过光束转折器(2)分成两束平行光分别射向空间滤波器端透镜(4)；
沿主光轴方向设置供CCD相机移动的导轨，通过计算机控制CCD相机沿主光轴向端透镜(4)移动，直至扫描到端透镜(4)前光斑为止，确定最强光斑的位置，记录CCD相机(1)相对于端透镜(4)的位置为一阶鬼点位置，并测量得到端透镜(4)到一阶鬼点位置距离为f1；
计算端透镜实际焦距f0，公式如下：
其中，n为介质折射率，d为端透镜(4)的中心厚度，R1表示端透镜(4)入射面曲率半径，f1为一阶鬼像的焦距，fF为端透镜(4)表面顶点到端透镜(4)焦点的距离；
设空间滤波器(7)的滤波小孔板(6)到波纹管(5)出射端面的距离d1，调节波纹管(5)与端透镜(4)的间距d2，按照透镜主轴Z向定位要求，满足d2＝f0-d1，即完成端透镜(4)主光轴Z向调节；
步骤3.俯仰偏航和X-Y面平移衍射成像定位：
沿空间滤波器端透镜主光轴方向放置分光镜(10)和激光器(3)，使激光器(3)发出的光经分光镜(10)透射后，入射到空间滤波器端透镜(4)，经该端透镜(4)的反射光经过分光镜(10)反射形成反射光；
沿该反射光方向依次放置标准透镜(9)、滤光片(16)和CCD相机(1)，使该反射光穿过标准透镜(9)和滤光片(16)汇聚后的光斑被CCD相机(1)采集，按照高斯成像公式确定标准透镜(9)的精确位置，使CCD相机能够采集合适尺寸的衍射光斑；
计算机(8)接收CCD相机(1)采集的光斑信号并处理，控制所述的五维并联机构的动平台(11)运动，从而调节端透镜(4)的位置姿态，直至光斑位于坐标系原点且出现完整衍射环；
步骤4.通过固定螺套(13)连接空间滤波器(7)上的固定法兰(15)，通过固定螺杆(17)连接透镜法兰(12)，保证透镜法兰(12)相对固定法兰(15)处于静止位置。
4.根据权利要求3所述的空间滤波器端透镜的调节方法，其特征在于，还包括步骤5，将权利要求1或2所述的五维并联机构移出，拆除CCD相机(1)、分光镜(10)、标准透镜(9)、滤光片(16)和激光器(3)。
5.根据权利要求3所述的空间滤波器端透镜的调节方法，其特征在于，所述的步骤1具体是：
步骤1.1设计固定螺套(13)和固定螺杆(17)，通过螺纹连接形成可调伸缩杆件，固定螺套(13)和固定螺杆(17)外表面设计为六棱柱结构，配合扳手拆装螺套和螺杆；
空间滤波器波纹管组件中透镜法兰(12)和固定法兰(15)上开有与动平台(11)、静平台(14)对应的三个M8螺纹孔，在固定法兰(15)上开有三个Φ10通孔，构成的圆半径大于M8螺纹孔组成的圆半径，所述的固定螺套(13)可穿过通孔用螺母固定，固定螺套(13)与通孔接触面为球台面，配合螺母加装球状垫片，使固定螺套在通孔内可允许摆动一定角度θ，θ取决于固定法兰的厚度b，摆动角度θ计算方法如下：
(64-b2)X2+20b2X-36b2＝0
θ＝arctan(X/b)
步骤1.2将固定螺杆(17)旋出固定法兰(15)上的螺孔，旋松固定螺套(13)，透镜法兰(12)与固定法兰(15)仅由波纹管(5)形成柔性连接，这使得透镜法兰(12)可在有限空间内获得五自由度运动；随后将五维控制机构装在波纹管组件上，将静平台(14)通过三根螺栓连接紧贴在固定法兰(15)上，使两者相对固定；同样地，通过螺栓固定透镜法兰(12)和动平台(11)。
步骤1.3将五维并联机构通过线缆连接到计算机(8)的接口上，然后通电使所有电机可以进行信号控制以达到调节目的。
6.根据权利要求3所述的空间滤波器端透镜的调节方法，其特征在于，所述的步骤3中计算机(8)是采用霍夫变换识别衍射环圆弧和定位圆心坐标，再利用样条插值法或最小二乘法对圆心坐标进行迭代调节直到在CCD相机(1)中心位置采集到完整衍射环。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN112630923A (zh) * | 2020-12-07 | 2021-04-09 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 一种空间滤波器端透镜位姿锁定装置及方法 |
| CN115079346A (zh) * | 2022-07-20 | 2022-09-20 | 之江实验室 | 一种空间光耦合至光纤的装调装置和方法 |
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| CN115079346A (zh) * | 2022-07-20 | 2022-09-20 | 之江实验室 | 一种空间光耦合至光纤的装调装置和方法 |
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