CN112762863B - 一种四自由度激光指向控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种四自由度激光指向控制系统及其控制方法，包括：CO₂激光器，用于发出激光光束；指向调节模块，包括第一压电陶瓷偏摆镜和第二压电陶瓷偏摆镜，用于调节激光光束的指向；分光模块，用于将激光光束分成第一光束和第二光束；第一光束轰击锡靶；第二光束传输至指向位置监测模块；指向位置监测模块，包括第一相机和第二相机，用于分别对激光指向的近场光斑位置和远场光斑位置进行测量；工控机，用于根据第一相机、第二相机中的光斑位置与预定位置的偏差，解算施加给指向调节模块的驱动信号，以实时调整第一压电陶瓷偏摆镜和第二压电陶瓷偏摆镜的水平与俯仰角度。这样可以实现对激光指向的准直稳定控制，显著降低光束的抖动情况。

Description

一种四自由度激光指向控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及激光技术领域，特别是涉及一种四自由度激光指向控制系统及其控制方法。

背景技术

极紫外(Extreme Ultraviolet，EUV)光刻技术的出现，给半导体产业注入了新的活力，有望推动其继续高速发展，使摩尔定律得以延续。从目前研究来看，用高功率的窄脉宽、高重频CO₂激光轰击锡靶是获取高质量EUV的最优方法，即激光诱导等离子体(LaserProduced Plasma，LPP)技术。获得高质量的EUV光，必须以高精度、高稳定性的激光光束持续轰击液滴锡靶，但激光器内部的热漂移、空气湍流和温度梯度、光学元件和反射镜中的热效应、机械支架的振动等因素会使激光光束产生抖动，严重影响了EUV的转化效率。

为了保证高功率CO₂激光能够稳定、精确地轰击锡滴，需要对激光光束进行指向控制，以提高激光光束的指向精确性。而现有的激光光束指向控制系统采用两支基于PSD的测量光路，分别对激光光束的位置和指向进行测量，得到激光指向位置的四路反馈测量值，采用两套快速反射镜对激光光束的位置和指向进行纠正。该系统基于多变量输入输出形式，需要测量得到光路中各段光程距离、PSD探测器前端聚焦镜焦距，光束控制传递矩阵中各变量表达式复杂，双反射镜转动调节过程中会引入耦合误差，影响控制精度。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种四自由度激光指向控制系统及其控制方法，可以降低光束抖动情况，提高光束指向稳定性，进而有效提高光束准直精度。其具体方案如下：

一种四自由度激光指向控制系统，包括：

CO₂激光器，用于发出激光光束；

指向调节模块，包括第一压电陶瓷偏摆镜和第二压电陶瓷偏摆镜，用于调节所述激光光束的指向；

分光模块，用于将所述激光光束分成相互垂直的第一光束和第二光束；所述第一光束轰击锡靶；所述第二光束传输至指向位置监测模块；

所述指向位置监测模块，包括第一相机和第二相机，用于分别对激光指向的近场光斑位置和远场光斑位置进行测量；

工控机，分别与所述指向位置监测模块和所述指向调节模块电连接，用于根据所述第一相机、所述第二相机中的光斑位置与预定位置的偏差，解算施加给所述指向调节模块的驱动信号，以实时调整所述第一压电陶瓷偏摆镜和所述第二压电陶瓷偏摆镜的水平与俯仰角度，使所述第一相机、所述第二相机中的光斑位置与预定位置重合。

优选地，在本发明实施例提供的上述四自由度激光指向控制系统中，所述工控机，具体用于根据当前时刻所述第一相机、所述第二相机中的光斑质心位置坐标与基准位置坐标的偏差值，以及耦合系数关系矩阵，实时计算出下一时刻给所述第一压电陶瓷偏摆镜和第二压电陶瓷偏摆镜的后端压电促动器双轴施加的驱动电压值；根据第一公式对所述耦合系数关系矩阵进行表征；所述第一公式为：

其中，ΔCAM_X1、ΔCAM_Y1、ΔCAM_X2、ΔCAM_Y2为所述第一相机、所述第二相机中测量到的光斑质心位置坐标与基准位置坐标的偏差值，A为所述耦合系数关系矩阵，ΔX₁和ΔX₂分别为两个压电促动器在X轴的位移变化量，ΔY₁和ΔY₂分别为两个压电促动器在Y轴的位移变化量，ΔU_X1和ΔU_X2分别为给两个压电促动器在X轴方向上的驱动电压变化值，ΔU_Y1和ΔU_Y2分别为给两个压电促动器在Y轴方向上的驱动电压变化值，K为压电促动器输出位移量与输入电压值的比例系数，B＝AK。

优选地，在本发明实施例提供的上述四自由度激光指向控制系统中，所述工控机，具体用于根据第二公式实时计算出第k个闭环周期后的给压电促动器双轴施加的驱动电压值；所述第二公式为：

其中，ΔCAM(k)与ΔCAM(k-1)分别代表第(k-1)和第k个采样周期下所述第一相机、所述第二相机中测量得到的激光光斑质心位置坐标与基准位置坐标的偏差值，K_p为PI控制器中的比例系数，K_I为PI控制器中的积分系数。

优选地，在本发明实施例提供的上述四自由度激光指向控制系统中，所述指向调节模块还包括：分别与所述第一压电陶瓷偏摆镜和所述第二压电陶瓷偏摆镜电连接的压电陶瓷驱动器，以及与所述压电陶瓷驱动器电连接的数模转换器；其中，

所述第一压电陶瓷偏摆镜，用于将所述激光光束反射至所述第二压电陶瓷偏摆镜；

所述第二压电陶瓷偏摆镜，用于将所述激光光束反射至所述分光模块；

所述压电陶瓷驱动器，用于驱动所述第一压电陶瓷偏摆镜和所述第二压电陶瓷偏摆镜；

所述数模转换器，用于将所述工控机输出的数字信号转换为模拟信号，并将所述模拟信号提供给所述第一压电陶瓷偏摆镜和所述第二压电陶瓷偏摆镜。

优选地，在本发明实施例提供的上述四自由度激光指向控制系统中，所述指向位置监测模块还包括：衰减镜，第一分束镜，反射镜，第一凸透镜；其中，

所述衰减镜，用于将所述第二光束进行衰减处理；

所述第一分束镜，用于处理后的所述第二光束分光成相互垂直的第三光束和第四光束；所述第三光束直接入射至所述第一相机的靶面，形成近场光斑；所述第四光束通过所述反射镜反射后，经所述第一凸透镜聚焦，并入射至所述第二相机的靶面，形成远场光斑。

优选地，在本发明实施例提供的上述四自由度激光指向控制系统中，所述指向位置监测模块还包括：位于所述衰减镜和所述第一分束镜之间的光阑；

所述光阑，用于过滤掉所述第二光束周围的杂散光。

优选地，在本发明实施例提供的上述四自由度激光指向控制系统中，所述分光模块包括：第二分束镜、合束镜和第二凸透镜；其中，

所述第二分束镜，用于将所述激光光束分成所述第一光束和所述第二光束；

所述合束镜，用于汇聚所述第一光束；

所述第二凸透镜，用于使所述第一光束聚焦。

本发明实施例还提供了一种四自由度激光指向控制系统的控制方法，包括：

CO₂激光器发出激光光束；

指向调节模块调节所述激光光束的指向；所述指向调节模块包括第一压电陶瓷偏摆镜和第二压电陶瓷偏摆镜；

分光模块将所述激光光束分成相互垂直的第一光束和第二光束；所述第一光束轰击锡靶；所述第二光束传输至指向位置监测模块；

所述指向位置监测模块分别对激光指向的近场光斑位置和远场光斑位置进行测量；所述指向位置监测模块包括第一相机和第二相机；

工控机根据所述第一相机、所述第二相机中的光斑位置与预定位置的偏差，解算施加给所述指向调节模块的驱动信号，以实时调整所述第一压电陶瓷偏摆镜和所述第二压电陶瓷偏摆镜的水平与俯仰角度，使所述第一相机、所述第二相机中的光斑位置与预定位置重合。

优选地，在本发明实施例提供的上述四自由度激光指向控制系统的控制方法中，所述工控机根据所述第一相机、所述第二相机中的光斑位置与预定位置的偏差，解算施加给所述指向调节模块的驱动信号，具体包括：

所述工控机根据当前时刻所述第一相机、所述第二相机中的光斑质心位置坐标与基准位置坐标的偏差值，以及耦合系数关系矩阵，实时计算出下一时刻给所述第一压电陶瓷偏摆镜和第二压电陶瓷偏摆镜的后端压电促动器双轴施加的驱动电压值；根据第一公式对所述耦合系数关系矩阵进行表征；所述第一公式为：

其中，ΔCAM_X1、ΔCAM_Y1、ΔCAM_X2、ΔCAM_Y2为所述第一相机、所述第二相机中测量到的光斑质心位置坐标与基准位置坐标的偏差值，A为所述耦合系数关系矩阵，ΔX₁和ΔX₂分别为两个压电促动器在X轴的位移变化量，ΔY₁和ΔY₂分别为两个压电促动器在Y轴的位移变化量，ΔU_X1和ΔU_X2分别为给两个压电促动器在X轴方向上的驱动电压变化值，ΔU_Y1和ΔU_Y2分别为给两个压电促动器在Y轴方向上的驱动电压变化值，K为压电促动器输出位移量与输入电压值的比例系数，B＝AK。

优选地，在本发明实施例提供的上述四自由度激光指向控制系统的控制方法中，所述工控机实时计算出下一时刻给所述第一压电陶瓷偏摆镜和第二压电陶瓷偏摆镜的后端压电促动器双轴施加的驱动电压值，具体包括：

所述工控机根据第二公式实时计算出第k个闭环周期后的给压电促动器双轴施加的驱动电压值；所述第二公式为：

其中，ΔCAM(k)与ΔCAM(k-1)分别代表第(k-1)和第k个采样周期下所述第一相机、所述第二相机中测量得到的激光光斑质心位置坐标与基准位置坐标的偏差值，K_p为PI控制器中的比例系数，K_I为PI控制器中的积分系数。

从上述技术方案可以看出，本发明所提供的一种四自由度激光指向控制系统及其控制方法，包括：CO₂激光器，用于发出激光光束；指向调节模块，包括第一压电陶瓷偏摆镜和第二压电陶瓷偏摆镜，用于调节激光光束的指向；分光模块，用于将激光光束分成相互垂直的第一光束和第二光束；第一光束轰击锡靶；第二光束传输至指向位置监测模块；指向位置监测模块，包括第一相机和第二相机，用于分别对激光指向的近场光斑位置和远场光斑位置进行测量；工控机，分别与指向位置监测模块和指向调节模块电连接，用于根据第一相机、第二相机中的光斑位置与预定位置的偏差，解算施加给指向调节模块的驱动信号，以实时调整第一压电陶瓷偏摆镜和第二压电陶瓷偏摆镜的水平与俯仰角度，使第一相机、第二相机中的光斑位置与预定位置重合。

本发明通过具有两个压电陶瓷偏摆镜的指向调节模块、具有两台相机的指向位置监测模块、分光模块和工控机的相互作用，采用两台相机分别对激光指向的近场、远场光斑位置进行测量，基于“两点确定一条直线”的原理，实时调整两个压电陶瓷偏摆镜水平与俯仰角度，使光斑在近场、远场相机中的光斑位置与预定位置重合，进而实现对激光指向的准直稳定控制，显著降低了光束的抖动情况，提高了光束的指向稳定性，进而有效提高了光束的准直精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的四自由度激光指向控制系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的四自由度激光指向控制系统的控制方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种四自由度激光指向控制系统，如图1所示，包括：

CO₂激光器1，用于发出激光光束；

指向调节模块2，包括第一压电陶瓷偏摆镜21和第二压电陶瓷偏摆镜22，用于调节激光光束的指向；

分光模块3，用于将激光光束分成相互垂直的第一光束和第二光束；第一光束轰击锡靶(锡靶存储在锡滴靶室6中)；第二光束传输至指向位置监测模块4；

指向位置监测模块4，包括第一相机41(即近场相机)和第二相机42(远场相机)，用于分别对激光指向的近场光斑位置和远场光斑位置进行测量；

工控机5，分别与指向位置监测模块4和指向调节模块2电连接，用于根据第一相机41、第二相机42中的光斑位置与预定位置的偏差，解算施加给指向调节模块2的驱动信号，以实时调整第一压电陶瓷偏摆镜21和第二压电陶瓷偏摆镜22的水平与俯仰角度，使第一相机41、第二相机42中的光斑位置与预定位置重合。

在本发明实施例提供的上述四自由度激光指向控制系统中，通过具有两个压电陶瓷偏摆镜的指向调节模块、具有两台相机的指向位置监测模块、分光模块和工控机的相互作用，采用两台相机分别对激光指向的近场、远场光斑位置进行测量，基于“两点确定一条直线”的原理，实时调整两个压电陶瓷偏摆镜水平与俯仰角度，使光斑在近场、远场相机中的光斑位置与预定位置重合，进而实现对激光指向的准直稳定控制，显著降低了光束的抖动情况，提高了光束的指向稳定性，进而有效提高了光束的准直精度。

在实际应用中，CO₂激光器可以选取重复频率10kHz，脉宽10～15ns，波长为10.6μm的CO₂激光器；压电陶瓷偏摆镜是高精度二维压电陶瓷偏摆镜(S-340PiezoTip/TiltPlatform)，驱动器为配套的线性电压放大器(E-P04K009 controller/Amplifier)。压电陶瓷偏摆镜自身带有传感器，可实现带有闭环反馈的高精度运动，其闭环偏摆角范围约为±1mrad,分辨率为0.5μrad,角度可重复性精度为±1μrad。使用的相机探测器为Pyrocam IV(PY-IV)相机，搭配BeamGage图像分析软件,其脉冲宽度检测范围1fs～12.8ms，有效探测大小为25.6mm×25.6mm,单个像素大小为75μm×75μm。

进一步地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述四自由度激光指向控制系统中，工控机5，具体可以用于根据当前时刻第一相机41、第二相机42中的光斑质心位置坐标与基准位置坐标的偏差值，以及耦合系数关系矩阵，通过光束准直控制算法实时计算出下一时刻给第一压电陶瓷偏摆镜21和第二压电陶瓷偏摆镜22的后端压电促动器双轴施加的驱动电压值，以实时调整第一压电陶瓷偏摆镜21和第二压电陶瓷偏摆镜22的水平与俯仰角度，使第一相机41、第二相机42中的光斑质心位置坐标与基准位置坐标重合。

在本发明中，光束准直控制算法的核心是根据当前时刻第一相机41、第二相机42中测量到的光斑质心位置坐标与基准位置坐标的偏差值，实时计算出下一时刻需要给两个压电陶瓷偏摆镜后端压电促动器双轴的驱动电压值。其中，压电促动器输出位移与输入电压值间存在一定的固有非线性迟滞效应，在这里将压电促动器输出位移与输入电压间近似线性化，并给出如下关系式：

其中，ΔX₁和ΔX₂分别为两个压电促动器在X轴的位移变化量，ΔY₁和ΔY₂分别为两个压电促动器在Y轴的位移变化量，ΔU_X1和ΔU_X2分别为给两个压电促动器在X轴方向上的驱动电压变化值，ΔU_Y1和ΔU_Y2分别为给两个压电促动器在Y轴方向上的驱动电压变化值，K为压电促动器输出位移量与输入电压值的比例系数。

实际调节过程中，考虑到压电陶瓷偏摆镜在水平与俯仰方向上的角度变化所引起的相机中光斑质心在X、Y轴方向的位置变化存在一个固定的角度耦合关系，此处将该耦合关系做近似线性化处理。在光束准直控制算法中，假设一4×4矩阵用以表征当两个反射镜在压电促动器水平、俯仰方向发生位移变化时，所引起的第一相机41、第二相机42中光斑位置在X、Y轴方向上的位移变化量与前者之间所存在的固有耦合系数关系。具体通过下列公式对该耦合关系式进行表征：

其中，ΔCAM_X1、ΔCAM_Y1、ΔCAM_X2、ΔCAM_Y2为第一相机41、第二相机42中测量到的光斑质心位置坐标与基准位置坐标的偏差值，A为耦合系数关系矩阵。由于矩阵K和A均为常量，记B＝AK：

由上述公式推导关系，根据当前时刻测量得到的第一相机41、第二相机42中光斑质心位置与标定位置X、Y轴方向上的偏差量，以及耦合系数关系矩阵，即可以计算出下一时刻两个压电促动器在X轴与Y轴方向上所需要施加的驱动电压变化量，进而调节光束指向目标点。

由于系统中所存在的非线性影响会使控制系统产生波动，因此光路准直过程中，还需要在上述关系式中乘以一个取值小于1的增益系数gain来提升将光束指向调节到目标点过程中的迭代收敛稳定性。根据当前时刻第一相机41、第二相机42中的光斑位置偏移量，逐一计算出下一时刻需要给各压电促动器X、Y轴方向上施加的驱动电压变化量，使光束指向不断趋近于目标点空间位置。

将PI控制应用到该准直控制算法中，以提升控制系统的动态响应特性与稳态控制精度，此时工控机，具体可以用于根据下述公式实时计算出第k个闭环周期后的给压电促动器双轴施加的驱动电压值：

其中，K_p为PI控制器中的比例系数，K_I为PI控制器中的积分系数，ΔCAM(k)与ΔCAM(k-1)分别代表第(k-1)和第k个采样周期下第一相机、第二相机中测量得到的激光光斑质心位置坐标与基准位置坐标的偏差值，即ΔCAM_X1(k)、ΔCAM_Y1(k)、ΔCAM_X2(k)、ΔCAM_Y2(k)分别为第k个采样周期下第一相机、第二相机中测量得到的激光光斑质心位置坐标与基准位置坐标的偏差值，ΔCAM_X1(k-1)、ΔCAM_Y1(k-1)、ΔCAM_X2(k-1)、ΔCAM_Y2(k-1)分别为第(k-1)个采样周期下第一相机、第二相机中测量得到的激光光斑质心位置坐标与基准位置坐标的偏差值。

上述耦合系数关系矩阵中内部各元素取值的准确获得至关重要，直接决定了光束准直控制最终的定位精度。同时，当准直光路发生变化时，需要对该耦合矩阵中各元素取值进行重新标定。

为了标定光束准直控制耦合矩阵中各元素的取值，分别对两个压电促动器的X轴和Y轴施加从小到大的驱动电压值，并记录下对应第一相机41、第二相机42中光斑质心位置的变化量ΔCAM_X1、ΔCAM_Y1、ΔCAM_X2、ΔCAM_Y2。根据质心位置变化量与驱动电压值来标定耦合矩阵中各元素的取值。根据下式，当只给第一个电压促动器X轴方向施加驱动电压时，其它ΔU_Y1、ΔU_X2、ΔU_Y2均为0时，

上式可以写成：

此时根据第一相机41、第二相机42的光斑质心位置在X、Y轴的变化量ΔCAM_X1、ΔCAM_Y1、ΔCAM_X2、ΔCAM_Y2，即可求解出上述矩阵中第一列元素B₁₁、B₂₁、B₃₁、B₄₁的取值。同样方法，可以依次求解出其它各列元素的取值，进而完成对该耦合关系矩阵中各元素的取值标定。

本发明的上述光束准直控制算法中矩阵传递参数标定容易，矩阵参数表征了镜片不同转动方向与激光指向位置的耦合关系，同时将PI比例-积分校正应用到控制算法中，提升了控制系统的动态响应特性与稳态控制精度。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述四自由度激光指向控制系统中，如图1所示，指向调节模块2还可以包括：分别与第一压电陶瓷偏摆镜21和第二压电陶瓷偏摆镜22电连接的压电陶瓷驱动器23，以及与压电陶瓷驱动器23电连接的数模转换器24；其中，第一压电陶瓷偏摆镜21，用于将激光光束反射至第二压电陶瓷偏摆镜22；第二压电陶瓷偏摆镜22，用于将激光光束反射至分光模块3；压电陶瓷驱动器23，用于驱动第一压电陶瓷偏摆镜21和第二压电陶瓷偏摆镜22；数模转换器24，用于将工控机5输出的数字信号转换为模拟信号，并将模拟信号提供给第一压电陶瓷偏摆镜21和第二压电陶瓷偏摆镜22。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述四自由度激光指向控制系统中，如图1所示，指向位置监测模块4还可以包括：衰减镜43，第一分束镜44，反射镜45，第一凸透镜46；其中，衰减镜43，用于将第二光束进行衰减处理；第一分束镜44，用于处理后的第二光束分光成相互垂直的第三光束和第四光束；第三光束直接入射至第一相机41的靶面，形成近场光斑；第四光束通过反射镜45反射后，经第一凸透镜46聚焦，并入射至第二相机42的靶面，形成远场光斑。较佳地，第一分束镜44可以设置为50:50分束镜，此时第三光束和第四光束的功率相同。

进一步地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述四自由度激光指向控制系统中，指向位置监测模块4还可以包括：位于衰减镜43和第一分束镜44之间的光阑47；光阑47，用于过滤掉第二光束周围的杂散光。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述四自由度激光指向控制系统中，如图1所示，分光模块3可以包括：第二分束镜31、合束镜32和第二凸透镜33；其中，第二分束镜31，用于将激光光束分成第一光束和第二光束；较佳地，第二分束镜31可以设置为99:1分束镜，此时第一光束和第二光束之间的功率比值为99:1；合束镜32，用于汇聚第一光束；第二凸透镜33，用于使第一光束聚焦。

具体地，在本发明实施例提供的上述四自由度激光指向控制系统中，主泵浦CO₂激光经过高透反射镜/分束镜(99:1)进入指向位置监测模块，在指向位置监测模块中首先通过衰减镜对激光做进一步衰减处理，然后通过小孔光阑滤除光斑的外围轮廓及部分杂散光；之后通过50％的分束镜分别采集近场、远场激光光束，其中近场激光经过50％的分束镜反射后直接入射至第一相机靶面，50％的分束镜透射后的另一路光束通过反射镜后，经过聚焦镜对激光进行聚焦(聚焦光斑直径约5mm)，之后入射至第二相机靶面，作为远场光斑，第二相机主要通过光斑位置的变化来检测主光路的激光角度偏移量。

经试验测试，在现有的激光指向控制系统中，一般光束水平抖动幅度为±3μm，垂直抖动幅度为±6μm；而在本发明中，在连续的时间段内选取了三组数据，光束水平抖动幅度分别降为±1.6μm、±1.4μm、±1.3μm，垂直抖动幅度分别降为±3.1μm、±2.9μm、±3.4μm；可知，在本发明提供的激光指向控制系统中，光束抖动得到明显的改善，抖动幅度降低了约50％，且可以长时间保持准直效果。光束指向稳定性降低到6μrad以下，相比准直之前的14μrad，提高了约57.1％。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种四自由度激光指向控制系统的控制方法，由于该方法解决问题的原理与前述一种四自由度激光指向控制系统相似，因此该方法的实施可以参见四自由度激光指向控制系统的实施，重复之处不再赘述。

在具体实施时，本发明实施例提供的四自由度激光指向控制系统的控制方法，如图2所示，具体包括以下步骤：

S201、CO₂激光器发出激光光束；

S202、指向调节模块调节激光光束的指向；指向调节模块包括第一压电陶瓷偏摆镜和第二压电陶瓷偏摆镜；

S203、分光模块将激光光束分成相互垂直的第一光束和第二光束；第一光束轰击锡靶；第二光束传输至指向位置监测模块；

S204、指向位置监测模块分别对激光指向的近场光斑位置和远场光斑位置进行测量；指向位置监测模块包括第一相机和第二相机；

S205、工控机根据第一相机、第二相机中的光斑位置与预定位置的偏差，解算施加给指向调节模块的驱动信号，以实时调整第一压电陶瓷偏摆镜和第二压电陶瓷偏摆镜的水平与俯仰角度，使第一相机、第二相机中的光斑位置与预定位置重合。

需要说明的是，步骤S202至步骤S205不分先后顺序，在此不做限定。

在本发明实施例提供的上述四自由度激光指向控制系统的控制方法中，可以执行通过上述步骤S201至S205，采用两台相机分别对激光指向的近场、远场光斑位置进行测量，基于“两点确定一条直线”的原理，实时调整两个压电陶瓷偏摆镜水平与俯仰角度，使光斑在近场、远场相机中的光斑位置与预定位置重合，进而实现对激光指向的准直稳定控制，显著降低了光束的抖动情况，提高了光束的指向稳定性，进而有效提高了光束的准直精度。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述四自由度激光指向控制系统的控制方法中，步骤S205工控机根据第一相机、第二相机中的光斑位置与预定位置的偏差，解算施加给指向调节模块的驱动信号，具体可以包括：工控机根据当前时刻第一相机、第二相机中的光斑质心位置坐标与基准位置坐标的偏差值，以及耦合系数关系矩阵，实时计算出下一时刻给第一压电陶瓷偏摆镜和第二压电陶瓷偏摆镜的后端压电促动器双轴施加的驱动电压值；根据第一公式对耦合系数关系矩阵进行表征；第一公式为：

其中，ΔCAM_X1、ΔCAM_Y1、ΔCAM_X2、ΔCAM_Y2为第一相机、第二相机中测量到的光斑质心位置坐标与基准位置坐标的偏差值，A为耦合系数关系矩阵，ΔX₁和ΔX₂分别为两个压电促动器在X轴的位移变化量，ΔY₁和ΔY₂分别为两个压电促动器在Y轴的位移变化量，ΔU_X1和ΔU_X2分别为给两个压电促动器在X轴方向上的驱动电压变化值，ΔU_Y1和ΔU_Y2分别为给两个压电促动器在Y轴方向上的驱动电压变化值，K为压电促动器输出位移量与输入电压值的比例系数，B＝AK。

进一步地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述四自由度激光指向控制系统的控制方法中，上述步骤中，工控机实时计算出下一时刻给第一压电陶瓷偏摆镜和第二压电陶瓷偏摆镜的后端压电促动器双轴施加的驱动电压值，具体可以包括：工控机根据第二公式实时计算出第k个闭环周期后的给压电促动器双轴施加的驱动电压值；第二公式为：

其中，ΔCAM(k)与ΔCAM(k-1)分别代表第(k-1)和第k个采样周期下第一相机、第二相机中测量得到的激光光斑质心位置坐标与基准位置坐标的偏差值，K_p为PI控制器中的比例系数，K_I为PI控制器中的积分系数。

关于上述各个步骤更加具体的工作过程可以参考前述实施例公开的相应内容，在此不再进行赘述。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

本发明实施例提供的一种四自由度激光指向控制系统及其控制方法，包括：CO₂激光器，用于发出激光光束；指向调节模块，包括第一压电陶瓷偏摆镜和第二压电陶瓷偏摆镜，用于调节激光光束的指向；分光模块，用于将激光光束分成相互垂直的第一光束和第二光束；第一光束轰击锡靶；第二光束传输至指向位置监测模块；指向位置监测模块，包括第一相机和第二相机，用于分别对激光指向的近场光斑位置和远场光斑位置进行测量；工控机，分别与指向位置监测模块和指向调节模块电连接，用于根据第一相机、第二相机中的光斑位置与预定位置的偏差，解算施加给指向调节模块的驱动信号，以实时调整第一压电陶瓷偏摆镜和第二压电陶瓷偏摆镜的水平与俯仰角度，使第一相机、第二相机中的光斑位置与预定位置重合。这样通过具有两个压电陶瓷偏摆镜的指向调节模块、具有两台相机的指向位置监测模块、分光模块和工控机的相互作用，采用两台相机分别对激光指向的近场、远场光斑位置进行测量，基于“两点确定一条直线”的原理，实时调整两个压电陶瓷偏摆镜水平与俯仰角度，使光斑在近场、远场相机中的光斑位置与预定位置重合，进而实现对激光指向的准直稳定控制，显著降低了光束的抖动情况，提高了光束的指向稳定性，进而有效提高了光束的准直精度。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的四自由度激光指向控制系统及其控制方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种四自由度激光指向控制系统，其特征在于，包括：

CO₂激光器，用于发出激光光束；

指向调节模块，包括第一压电陶瓷偏摆镜和第二压电陶瓷偏摆镜，用于调节所述激光光束的指向；

分光模块，用于将所述激光光束分成相互垂直的第一光束和第二光束；所述第一光束轰击锡靶；所述第二光束传输至指向位置监测模块；

所述指向位置监测模块，包括第一相机和第二相机，用于分别对激光指向的近场光斑位置和远场光斑位置进行测量；

工控机，分别与所述指向位置监测模块和所述指向调节模块电连接，用于根据所述第一相机、所述第二相机中的光斑位置与预定位置的偏差，解算施加给所述指向调节模块的驱动信号，以实时调整所述第一压电陶瓷偏摆镜和所述第二压电陶瓷偏摆镜的水平与俯仰角度，使所述第一相机、所述第二相机中的光斑位置与预定位置重合；

所述工控机，具体用于根据当前时刻所述第一相机、所述第二相机中的光斑质心位置坐标与基准位置坐标的偏差值，以及耦合系数关系矩阵，实时计算出下一时刻给所述第一压电陶瓷偏摆镜和第二压电陶瓷偏摆镜的后端压电促动器双轴施加的驱动电压值；根据第一公式对所述耦合系数关系矩阵进行表征；所述第一公式为：

其中，ΔCAM_X1、ΔCAM_Y1、ΔCAM_X2、ΔCAM_Y2为所述第一相机、所述第二相机中测量到的光斑质心位置坐标与基准位置坐标的偏差值，A为所述耦合系数关系矩阵，ΔX₁和ΔX₂分别为两个压电促动器在X轴的位移变化量，ΔY₁和ΔY₂分别为两个压电促动器在Y轴的位移变化量，ΔU_X1和ΔU_X2分别为给两个压电促动器在X轴方向上的驱动电压变化值，ΔU_Y1和ΔU_Y2分别为给两个压电促动器在Y轴方向上的驱动电压变化值，K为压电促动器输出位移量与输入电压值的比例系数，B＝AK。

2.根据权利要求1所述的四自由度激光指向控制系统，其特征在于，所述工控机，具体用于根据第二公式实时计算出第k个闭环周期后的给压电促动器双轴施加的驱动电压值；所述第二公式为：

其中，ΔCAM(k)与ΔCAM(k-1)分别代表第(k-1)和第k个采样周期下所述第一相机、所述第二相机中测量得到的激光光斑质心位置坐标与基准位置坐标的偏差值，K_p为PI控制器中的比例系数，K_I为PI控制器中的积分系数。

3.根据权利要求2所述的四自由度激光指向控制系统，其特征在于，所述指向调节模块还包括：分别与所述第一压电陶瓷偏摆镜和所述第二压电陶瓷偏摆镜电连接的压电陶瓷驱动器，以及与所述压电陶瓷驱动器电连接的数模转换器；其中，

所述第一压电陶瓷偏摆镜，用于将所述激光光束反射至所述第二压电陶瓷偏摆镜；

所述第二压电陶瓷偏摆镜，用于将所述激光光束反射至所述分光模块；

所述压电陶瓷驱动器，用于驱动所述第一压电陶瓷偏摆镜和所述第二压电陶瓷偏摆镜；

所述数模转换器，用于将所述工控机输出的数字信号转换为模拟信号，并将所述模拟信号提供给所述第一压电陶瓷偏摆镜和所述第二压电陶瓷偏摆镜。

4.根据权利要求3所述的四自由度激光指向控制系统，其特征在于，所述指向位置监测模块还包括：衰减镜，第一分束镜，反射镜，第一凸透镜；其中，

所述衰减镜，用于将所述第二光束进行衰减处理；

所述第一分束镜，用于处理后的所述第二光束分光成相互垂直的第三光束和第四光束；所述第三光束直接入射至所述第一相机的靶面，形成近场光斑；所述第四光束通过所述反射镜反射后，经所述第一凸透镜聚焦，并入射至所述第二相机的靶面，形成远场光斑。

5.根据权利要求4所述的四自由度激光指向控制系统，其特征在于，所述指向位置监测模块还包括：位于所述衰减镜和所述第一分束镜之间的光阑；

所述光阑，用于过滤掉所述第二光束周围的杂散光。

6.根据权利要求5所述的四自由度激光指向控制系统，其特征在于，所述分光模块包括：第二分束镜、合束镜和第二凸透镜；其中，

所述第二分束镜，用于将所述激光光束分成所述第一光束和所述第二光束；

所述合束镜，用于汇聚所述第一光束；

所述第二凸透镜，用于使所述第一光束聚焦。

7.一种如权利要求1至6任一项所述四自由度激光指向控制系统的控制方法，其特征在于，包括：

CO₂激光器发出激光光束；

指向调节模块调节所述激光光束的指向；所述指向调节模块包括第一压电陶瓷偏摆镜和第二压电陶瓷偏摆镜；

分光模块将所述激光光束分成相互垂直的第一光束和第二光束；所述第一光束轰击锡靶；所述第二光束传输至指向位置监测模块；

所述指向位置监测模块分别对激光指向的近场光斑位置和远场光斑位置进行测量；所述指向位置监测模块包括第一相机和第二相机；

工控机根据所述第一相机、所述第二相机中的光斑位置与预定位置的偏差，解算施加给所述指向调节模块的驱动信号，以实时调整所述第一压电陶瓷偏摆镜和所述第二压电陶瓷偏摆镜的水平与俯仰角度，使所述第一相机、所述第二相机中的光斑位置与预定位置重合；

所述工控机根据所述第一相机、所述第二相机中的光斑位置与预定位置的偏差，解算施加给所述指向调节模块的驱动信号，具体包括：

所述工控机根据当前时刻所述第一相机、所述第二相机中的光斑质心位置坐标与基准位置坐标的偏差值，以及耦合系数关系矩阵，实时计算出下一时刻给所述第一压电陶瓷偏摆镜和第二压电陶瓷偏摆镜的后端压电促动器双轴施加的驱动电压值；根据第一公式对所述耦合系数关系矩阵进行表征；所述第一公式为：

其中，ΔCAM_X1、ΔCAM_Y1、ΔCAM_X2、ΔCAM_Y2为所述第一相机、所述第二相机中测量到的光斑质心位置坐标与基准位置坐标的偏差值，A为所述耦合系数关系矩阵，ΔX₁和ΔX₂分别为两个压电促动器在X轴的位移变化量，ΔY₁和ΔY₂分别为两个压电促动器在Y轴的位移变化量，ΔU_X1和ΔU_X2分别为给两个压电促动器在X轴方向上的驱动电压变化值，ΔU_Y1和ΔU_Y2分别为给两个压电促动器在Y轴方向上的驱动电压变化值，K为压电促动器输出位移量与输入电压值的比例系数，B＝AK。

8.根据权利要求7所述的四自由度激光指向控制系统的控制方法，其特征在于，所述工控机实时计算出下一时刻给所述第一压电陶瓷偏摆镜和第二压电陶瓷偏摆镜的后端压电促动器双轴施加的驱动电压值，具体包括：

所述工控机根据第二公式实时计算出第k个闭环周期后的给压电促动器双轴施加的驱动电压值；所述第二公式为：

其中，ΔCAM(k)与ΔCAM(k-1)分别代表第(k-1)和第k个采样周期下所述第一相机、所述第二相机中测量得到的激光光斑质心位置坐标与基准位置坐标的偏差值，K_p为PI控制器中的比例系数，K_I为PI控制器中的积分系数。

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