CN115016116A - 一种用于大口径光学系统装调的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的引入小口径平面反射镜替代传统的大口径平面反射镜,小口径平面反射镜具备俯仰和方位调整机构,通过电动远程控制可实现小口径平面镜的任意角度的调节。小口径平面反射镜被安装在一个二维平移机构上,控制器控制二维平面导轨,可实现小口径平面反射镜在二维空间内移动。在确保小口径平面反射镜在使用角度下的面形符合要求后,结合波前测试设备,进行系统的检测和装调。为提高装配效率,本发明提出单口径下的系统波前测量及装调、稀疏子孔径下的系统波前测量及装调以及全口径下的系统波前测量及装调三个步骤完成系统的装调。在各个步骤的装调中,波前测量结果到失调量的解算通过反向优化计算方法给出。
Description
技术领域
本发明属于光学检测及装配领域,涉及一种光学系统波前测量及系统装调的装置及方法。
背景技术
大口径光学系统的检测与装调是当前硬科技的前沿项目之一,对空间远距离成像、激光武器聚焦等一系列应用具有重要的商业价值。而随着光学系统口径的不断增大,这对光学检测和装配也提出了更多的要求。
常用的像质测量方法有星点检测法、阴影法、平行光管测试法、哈特曼检测法、相位复原检测法、自准直检测法等。
其中,星点检测法是光学系统像质检测的最基本的方法,实际的检测过程需要经过肉眼和经验的判断,是一种半定量的检测方法,无法满足现代光学系统的像质检测及装调需求。
阴影法利用遮挡等手段检测光学系统由于像差引入的对预期轨迹的偏移,它结构简单,灵敏度高,但依然是一种半定量检测方法。
平行光管测试法主要是用来完成望远镜装配完成后的最终像质评价,在平行光管测试过程中,由大口径平行光管发出的准直光束通过光学系统并最终聚焦到光学系统的焦平面上,通过分析探测器上的焦斑像,计算出光斑的能量集中度或者系统的MTF来实现系统检测。这种检测方法需要一个大口径长焦距的平行光管,使得测试成本大幅度增加。
哈特曼检测法是从几何光学的观点来研究经过光学系统后光线偏离理想光束的程度,从而检验出光学系统的成像质量。传统的哈特曼法中探测器得出的光阑直径较大,光斑质心坐标的提取精度较低,光能损失大,分辨率低。通常,在实验室内使用哈特曼时,需要大口径平行光管等目标发生器提供目标光源,因此增加了测试成本,在外场使用哈特曼传感器时,它的测试结果易受到大气湍流等因素的影响,也不利于大口径光学系统的测试和装调。
相位复原检测法是一种基于图像处理的波前传感方法,它使用光学系统采集到的图像来估计系统的波前。这种方法不同于干涉测量方法在于干涉法需要与系统波前相匹配的参考波面来形成干涉条纹,从而预测系统的波前。不同于哈特曼和曲率传感器的地方在于不需要光学系统的出瞳图像就能测量波前。然而,这种方法非常依赖于处理算法,通常非常耗时,而且不一定能得到系统波面信息的收敛解。
自准直检测法使用干涉测量方法进行检测,通常使用一大口径标准平面镜作为参考镜。这种方法测试精度高,在实际的应用非常广泛,然而,在部分情况下难以适用。比如,有些光学系统在跟踪目标运行时,光线入射方向和系统光轴方向不为0°,在该状态下主镜的面形检测是一项关键问题。此时用大口径平面镜检测和装调系统时,平面反射镜呈倾斜状态,此时难以保证平面镜的面形精度。因此也无法使用该方法进行大口径系统高精度的检测和装调。
发明内容
为了解决现有的大口径光学系统在工作姿态下的波前检测检测难度大、成本高,装调困难等技术问题,本发明提供了一种用于大口径光学系统装调的装置及方法。
本发明的技术解决方案是:
该用于大口径光学系统装调的方法包括以下步骤:
1】搭建测量及装调光路
选用波前测量设备及面形完整的平面反射镜,并使波前测量设备的出射光经大口径光学系统后入射至平面反射镜,平面反射镜对入射光进行反射,反射光再经大口径光学系统后入射至波前测量设备;大口径光学系统包括主镜和次镜,其中次镜设置在六自由度调整装置上;
2】单口径下的系统波前测量及装调
2.1】调整平面反射镜俯仰姿态,使平面反射镜移动至大口径光学系统孔径的中央位置;
2.2】微调平面反射镜俯仰姿态,使得波前测量设备测量得到的波前x方向倾斜及y方向倾斜最小时,记录对应的Zernike多项式系数;
2.3】依据式(1)对步骤2.2】的测量数据进行优化:
其中Vi是步骤2.2】测得的系统波前对应的Zernike多项式系数,Ti是不存在失调状态下的波前Zernike系数,ωi是加权因子;运行优化程序,得出大口径光学系统的次镜六个姿态的失调量;
2.4】根据步骤2.3】得出的大口径光学系统中次镜的六个姿态的失调量,对大口径光学系统中的次镜位置进行六自由度调整;调整完成后重复步骤2.2】至2.4】,直至低阶像差项系数小于阈值1/50λ后,进入步骤3处理;
3】稀疏子孔径下的系统波前测量及装调
3.1】更换稀疏子孔径,并调整平面反射镜俯仰姿态;
3.2】微调平面反射镜俯仰姿态,使得波前测量设备测量得到的各子孔径波前x方向倾斜及y方向倾斜最小;
3.3】将经步骤3.2】测量所得的各子孔径波前进行数据拼接为W,并获取到低阶项像差系数Vi后代入式(1):
其中Vi是稀疏子孔径拼接获得的低阶Zernike多项式系数,Ti是不存在失调状态下的波前Zernike系数,ωi是加权因子;运行优化程序,得出大口径光学系统的次镜10六个姿态的失调量;
所述Wi依据式(2)获取:
其中NS是稀疏子孔径的个数,L是全口径Zernike多项式最高阶数,Pi,Txi和Tyi是第i个子孔径的平移、x方向倾斜、y方向倾斜的系数;Am是拼接重建出的波前系数,Vi是Am的低阶部分。当在第i个子孔径时,χ(x,y;i)=1,否则χ(x,y;i)=0;
3.4】根据步骤3.3】得出的大口径光学系统的次镜六个姿态的失调量,对大口径光学系统中的次镜位置进行六自由度调整;调整完成后重复步骤3.2至3.4,直至低阶像差项系数小于阈值1/50λ后,进入步骤4处理;
4】全口径下的系统波前测量及装调
4.1】更换为全口径子孔径分布,并相应调整平面反射镜俯仰姿态;
4.2】微调平面反射镜俯仰姿态,使得波前测量设备测量得到的全口径波前x方向倾斜及y方向倾斜最小;
4.3】将经步骤3.2】测量所得的各子孔径波前进行数据拼接,并获取到低阶项像差系数Vi后代入式(1):
其中Vi是全口径子孔径获得的低阶Zernike多项式系数,Ti是不存在失调状态下的波前Zernike系数,ωi是加权因子;运行优化程序,得出大口径光学系统的次镜10六个姿态的失调量;
所述Wi依据式(2)获取:
其中NS是全口径子孔径的个数,L是全口径Zernike多项式最高阶数,Pi,Txi和Tyi是第i个子孔径的平移、x方向倾斜、y方向倾斜的系数;Am是拼接重建出的波前系数,Vi是Am的低阶部分;当在第i个子孔径时,χ(x,y;i)=1,否则χ(x,y;i)=0;
4.4】根据步骤4.3】得出的大口径光学系统的次镜六个姿态的失调量,对大口径光学系统中的次镜位置进行六自由度调整;调整完成后重复步骤4.2】至4.4】,直至低阶像差项系数小于阈值1/50λ后,完成装调。
进一步地,所述步骤1】中面形完整的平面反射镜是通过如下方式进行检测:波前测量设备发出的光束经由倾斜角度下的平面反射镜反射,反射光到达标准球面反射镜,光束经标准球面反射镜发射后再次返回至平面反射镜,最后再由平面反射镜反射至波前测量设备,由波前测量设备测量利用反射回的光束来进行平面反射镜的面形检测;平面反射镜通过面形检测后,进入步骤2处理。
进一步地,所述步骤2.3】、步骤3.3】、步骤4.3】中,运行优化程序具体是指,运行阻尼最小二乘算法、梯度下降法、或高斯-牛顿法优化程序。
进一步地,所述步骤2.3】、步骤3.3】、步骤4.3】中,式(1)中i=4~9。
该用于大口径光学系统装调的装置,包括平面反射镜、用于对平面反射镜进行姿态调整的平面反射镜姿态调整装置、主镜、次镜以及波前测量设备;所述波前测量设备发出的光束依次经次镜、主镜后射入平面反射镜,平面反射镜对入射光进行反射,反射光再依次经主镜、次镜反射后射入波前测量设备。
进一步地,所述平面反射镜姿态控制装置包括反射镜控制机构,第一竖直电控导轨,第二竖直电控导轨,水平电控导轨以及控制器;所述小口径平面反射镜设置于反射镜控制机构上,反射镜控制机构用于在控制器的控制下带动小口径平面反射镜进行俯仰和方位姿态调整;所述反射镜控制机构设置于水平电控导轨上,且在控制器的控制下带动反射镜控制机构在水平电控导轨上做水平运动;所述水平电控导轨设置于第一竖直电控导轨和第二竖直电控导轨上,且在控制器的控制下沿第一竖直电控导轨和第二竖直电控导轨做升降运动。
与现有技术相比,本发明的优点是:
与使用一大口径标准平面镜作为参考镜进行的自准直检测方法相比,本发明使用的平面反射镜口径小,可确保在倾斜角度下的面形,检测精度高,并且成本低廉。
与传统的星点法及阴影法相比,本发明提供的装置和方法能够实现大口径光学系统波前的定量化测量,结合反向优化计算方法,可以量化给出系统元件失调量,精准化指导系统装调。
与哈特曼波前传感方法相比,哈特曼波前传感器分辨率受到了微透镜个数的限制,另外在外场使用哈特曼传感器时,它的测试结果易受到大气湍流等因素的影响,也不利于大口径光学系统的测试和装调。而本发明可使用动态干涉仪作为波前测量设备,具有较高的测量分辨率,使用自准直测试的结构也减小了光束传输的路程,规避了大气湍流的影响。
与传统的拼接检测的方法相比,本发明提供的设备和方法主要用途为大口径光学系统的装调。不同于传统拼接检测一次性拼接给出系统的波前分布,本发明提出单口径测量及装调、稀疏子孔径拼接测量及装调、全口径拼接测量及装调的三个测试装调步骤,从而尽可能地提高装调效率。
本发明提供的装置结构简单、造价低,可以解决大口径光学系统在使用姿态下的像质测量及装配问题。
附图说明
图1是本发明提供的大口径光学系统波前测量装置的原理示意图。
图2是本发明提供的平面反射镜在倾斜角度下的面形测量标定原理示意图。
图3是本发明提供的测量装置和方法用于一个大口径光学系统装调的原理图。
图4是本发明所采用装调策略中小口径平面镜与大口径光学系统通光口径分布示意图。
附图标记说明:
1-平面反射镜,2-反射镜控制机构,3-第一竖直电控导轨a,4-第二竖直电控导轨b,5-水平电控导轨,6-控制器;7-球面反射镜,8-波前测量设备;9-主镜,10-次镜,11-六自由度调整机构,12-波前处理及失调量反馈系统。
13-单口径下孔径分布,14-稀疏子孔径分布,15-全口径子孔径分布,16-平面反射镜孔径,17-大口径光学系统通光孔径。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明,显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例,而不是全部实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通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,都应当属于本发明的保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明,但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施,本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广,因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
本发明的发明构思是:
引入小口径平面反射镜替代传统的大口径平面反射镜,小口径平面反射镜具备俯仰和方位调整机构,通过电动远程控制可实现小口径平面镜的任意角度的调节。小口径平面反射镜被安装在一个二维平移机构上,控制器控制二维平面导轨,可实现小口径平面反射镜在二维空间内移动。在确保小口径平面反射镜在使用角度下的面形符合要求后,结合波前测试设备,进行系统的检测和装调。为提高装配效率,本发明分三个步骤开展系统的装调工作,即单口径下的系统波前测量及装调、稀疏子孔径下的系统波前测量及装调以及全口径下的系统波前测量及装调。子孔径波前到全口径波前的数据通过拼接计算完成,而波前测量结果到失调量的解算通过反向优化计算方法给出。
以下结合附图对本发明进行详细说明。
如图1所示,本发明所提供的大口径光学系统波前测量装置由小口径平面反射镜1,反射镜控制机构2,第一竖直电控导轨a3,第二竖直电控导轨b4,水平电控导轨5以及控制器6组成。
反射镜控制机构2可实现平面反射镜1的俯仰和方位两个角度的电动控制。反射镜控制机构2与平面反射镜1连接到二维平移导轨上,可由二维平移导轨带动在二维平面内运动。二维平移导轨由第一竖直电控导轨a3、第二竖直电控导轨b4、水平电控导轨5组成。控制器6集成控制平面反射镜1的俯仰方位以及二维平移导轨的水平和竖直方向移动。控制器6发出同步信号,使得第一竖直电控导轨a3与第二竖直电控导轨b4同步运动。
为测量大口径光学系统在使用姿态下的像质,平面反射镜1需要倾斜一定角度下使用,为确保平面反射镜1在该姿态下的面形精度,须对其面形检测。图2是本发明提供的平面反射镜在倾斜角度下的面形测量标定原理示意图。主要设备包括波前测量设备8以及球面反射镜7。波前测量设备8发出的光束经由倾斜角度下的平面反射镜1反射,反射光到达标准球面反射镜7,光束再次返回到波前测量设备8,由波前测量设备8测量完成平面反射镜1的面形。
图3是本发明提供的测量装置和方法用于一个大口径光学系统装调的原理图。值得说明的是,本发明所述的装置和方法也适合于其他类型的大口径光学系统的装调检测。图3中主镜9、次镜10、六自由度调整机构11组成一个工作姿态光轴与水平线存在倾角的大口径光学系统。次镜10连接在六自由度调整机构11上,可实现空间6自由度的调整。
使用本发明提供的装置可采用三个过程完成系统的装调工作,即单口径下的系统波前测量及装调、稀疏子孔径下的系统波前测量及装调以及全口径下的系统波前测量及装调。三个过程下的平面反射镜孔径16与大口径光学系统通光孔径17的相对分布关系如图4所示。波前测量结果到失调量的解算通过反向优化计算方法给出。具体如下:
步骤1:打开波前测量设备8,使其发出光束。使用二维平移导轨控制平面反射镜1,使其移动到大口径光学系统孔径中央位置。调整平面反射镜1的俯仰方位姿态,使得其反射的光束经过主镜9和次镜10后再次到达波前测量设备8,由波前测量设备8测量波前。
步骤2:微调平面反射镜1的俯仰方位姿态,使得波前测量设备8上测量得到的波前的x方向倾斜,y方向倾斜最小。此时,完成一次单口径下的系统波前测量。
步骤3:波前处理及失调量反馈系统12用以从波前测量数据计算得出次镜10的六自由度失调量,并反馈给六自由度调整机构11。具体为:在Zemax或Code V等光学设计软件中建立大口径光学系统模型。将孔径设置为平面反射镜1所覆盖的孔径,设置次镜六个姿态的自由度为变量,建立以下优化目标函数:
其中Vi是目前测得的系统波前对应的Zernike多项式系数,Ti是不存在失调状态下的波前Zernike系数,Wi是加权因子。一般情况下,可以取i=4~9。对应于离焦、像散、彗差及球差这些低阶像差项。
运行阻尼最小二乘等优化程序,便可得出次镜10六个姿态的失调量。将该失调量反馈给六自由度调整机构11,便完成一次次镜10的调整。
步骤4:重复步骤2~3,使得离焦、像散、彗差及球差这些低阶像差项系数小于一定阈值。便完成单口径上的系统波前测量以及系统装调。
步骤5:按照稀疏子孔径分布14测量系统的波前,具体测试依据步骤1到步骤2。测得的稀疏子孔径分布下的波前可通过两种处理方式完成系统调整。具体为:
5.1在Zemax或Code V等光学设计软件中建立大口径光学系统模型。并建立多重结构,不同结构中的光瞳分布按照稀疏子孔径分布14排布。建立在多重结构下的优化目标函数,将稀疏子孔径中各孔径下测得的低阶Zernike多项式系数设为Vi,带入公式1,生成优化目标。设置次镜六个姿态的自由度为变量。运行阻尼最小二乘等优化程序,便可得出次镜10的六个姿态的失调量。将该失调量反馈给六自由度调整机构11,便完成一次次镜10的调整。
5.2将稀疏子孔径分布14上的波前数据进行数据拼接,完成稀疏子孔径分布14上的拼接波前分布,进而通过反向优化计算和失调量反馈,完成一次次镜10的调整。其数据拼接计算方法为:
假设待大口径光学系统在稀疏子孔径分布14上的波前W(x,y)可以由Zernike多项式表示,可以建立如下数学模型:
其中NS是子孔径的个数,L是全口径Zernike多项式最高阶数,Pi,Txi和Tyi是第i个子孔径的平移、x方向倾斜、y方向倾斜的系数。Am是拼接重建出的全口径波前系数。当在第i个子孔径时,χ(x,y;i)=1,否则χ(x,y;i)=0。稀疏子孔径分布14上的波前数据经由公式(2)拟合后,便可获取大口径光学系统通光孔径17上的Zernike多项式系数。进而通过步骤3完成一次次镜10的调整。
重复步骤5.1或步骤5.2,直至获取的大口径光学系统通光孔径17上的低阶像差项系数小于一定阈值,完成稀疏子孔径下的系统波前测量及装调。
步骤6:按照全口径子孔径分布15测量系统的波前,具体测试依据步骤1到步骤2。测得的全口径孔径分布下的波前可通过两种处理方式完成系统调整。具体为:
6.1建立按照全口径子孔径分布15的多重结构模型。依据5.1陈述的方法完成一次次镜10的调整。
6.2使用全局优化拼接计算方法对数据做拼接处理,获得大口径光学系统通光口径17上的Zernike多项式系数,进而通过步骤3完成一次次镜10的调整。
重复步骤5.1或步骤5.2,直至获取的大口径光学系统通光孔径17上的低阶像差项系数小于一定阈值,且波前均方根误差满足技术要求,便完成了整个系统的波前测量和装调。
Claims (6)
1.一种用于大口径光学系统装调的方法,其特征在于:
1】搭建测量及装调光路
选用波前测量设备及面形完整的平面反射镜,并使波前测量设备的出射光经大口径光学系统后入射至平面反射镜,平面反射镜对入射光进行反射,反射光再经大口径光学系统后入射至波前测量设备;
2】单口径下的系统波前测量及装调
2.1】调整平面反射镜俯仰姿态,使平面反射镜移动至大口径光学系统孔径的中央位置;
2.2】微调平面反射镜俯仰姿态,使得波前测量设备测量得到的波前x方向倾斜及y方向倾斜最小时,记录对应的Zernike多项式系数;
2.3】依据式(1)对步骤2.2】的测量数据进行优化:
其中Vi是步骤2.2】测得的系统波前对应的Zernike多项式系数,Ti是不存在失调状态下的波前Zernike系数,ωi是加权因子;运行优化程序,得出大口径光学系统的次镜六个姿态的失调量;
2.4】根据步骤2.3】得出的大口径光学系统中次镜的六个姿态的失调量,对大口径光学系统中的次镜位置进行六自由度调整;调整完成后重复步骤2.2】至2.4】,直至低阶像差项系数小于阈值1/50λ后,进入步骤3处理;
3】稀疏子孔径下的系统波前测量及装调
3.1】更换稀疏子孔径,并调整平面反射镜俯仰姿态;
3.2】微调平面反射镜俯仰姿态,使得波前测量设备测量得到的各子孔径波前x方向倾斜及y方向倾斜最小;
3.3】将经步骤3.2】测量所得的各子孔径波前进行数据拼接,并获取到低阶项像差系数Vi后代入式(1):
其中Vi是稀疏子孔径拼接获得的低阶Zernike多项式系数,Ti是不存在失调状态下的波前Zernike系数,ωi是加权因子;运行优化程序,得出大口径光学系统的次镜10六个姿态的失调量;
所述Wi依据式(2)获取:
其中NS是稀疏子孔径的个数,L是全口径Zernike多项式最高阶数,Pi,Txi和Tyi是第i个子孔径的平移、x方向倾斜、y方向倾斜的系数;Am是拼接重建出的波前系数,Vi是Am的低阶部分。当在第i个子孔径时,x(x,y;i)=1,否则x(x,y;i)=0;
3.4】根据步骤3.3】得出的大口径光学系统的次镜六个姿态的失调量,对大口径光学系统中的次镜位置进行六自由度调整;调整完成后重复步骤3.2至3.4,直至低阶像差项系数小于阈值1/50λ后,进入步骤4处理;
4】全口径下的系统波前测量及装调
4.1】更换为全口径子孔径分布,并相应调整平面反射镜俯仰姿态;
4.2】微调平面反射镜俯仰姿态,使得波前测量设备测量得到的全口径波前x方向倾斜及y方向倾斜最小;
4.3】将经步骤3.2】测量所得的各子孔径波前进行数据拼接为W,并获取到低阶项像差系数Vi后代入式(1):
其中Vi是全口径子孔径获得的低阶Zernike多项式系数,Ti是不存在失调状态下的波前Zernike系数,ωi是加权因子;运行优化程序,得出大口径光学系统的次镜10六个姿态的失调量;
所述Wi依据式(2)获取:
其中NS是全口径子孔径的个数,L是全口径Zernike多项式最高阶数,Pi,Txi和Tyi是第i个子孔径的平移、x方向倾斜、y方向倾斜的系数;Am是拼接重建出的波前系数,Vi是Am的低阶部分;当在第i个子孔径时,x(x,y;i)=1,否则x(x,y;i)=0;
4.4】根据步骤4.3】得出的大口径光学系统的次镜六个姿态的失调量,对大口径光学系统中的次镜位置进行六自由度调整;调整完成后重复步骤4.2】至4.4】,直至低阶像差项系数小于阈值1/50λ后,完成装调。
2.根据权利要求1所述的用于大口径光学系统的装调方法,其特征在于:
所述步骤1】中面形完整的平面反射镜是通过如下方式进行检测:波前测量设备发出的光束经由倾斜角度下的平面反射镜反射,反射光到达标准球面反射镜,光束经标准球面反射镜发射后再次返回至平面反射镜,最后再由平面反射镜反射至波前测量设备,由波前测量设备测量利用反射回的光束来进行平面反射镜的面形检测;平面反射镜通过面形检测后,进入步骤2处理。
3.根据权利要求1所述的用于大口径光学系统的装调方法,其特征在于:
所述步骤2.3】、步骤3.3】、步骤4.3】中,运行优化程序具体是指,运行阻尼最小二乘算法、梯度下降法、或高斯-牛顿法优化程序。
4.根据权利要求1至3任一所述的用于大口径光学系统的装调方法,其特征在于:
所述步骤2.3】、步骤3.3】、步骤4.3】中,式(1)中i=4~9。
5.一种用于大口径光学系统装调的装置,其特征在于:
包括平面反射镜、用于对平面反射镜进行姿态调整的平面反射镜姿态调整装置、主镜、次镜以及波前测量设备;所述波前测量设备发出的光束依次经次镜、主镜后射入平面反射镜,平面反射镜对入射光进行反射,反射光再依次经主镜、次镜反射后射入波前测量设备。
6.根据权利要求5所述的用于大口径光学系统装调的装置,其特征在于:
所述平面反射镜姿态控制装置包括反射镜控制机构,第一竖直电控导轨,第二竖直电控导轨,水平电控导轨以及控制器;
所述小口径平面反射镜设置于反射镜控制机构上,反射镜控制机构用于在控制器的控制下带动小口径平面反射镜进行俯仰和方位姿态调整;所述反射镜控制机构设置于水平电控导轨上,且在控制器的控制下带动反射镜控制机构在水平电控导轨上做水平运动;所述水平电控导轨设置于第一竖直电控导轨和第二竖直电控导轨上,且在控制器的控制下沿第一竖直电控导轨和第二竖直电控导轨做升降运动。
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