用于激光合束系統(tǒng)的光束位置監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)

陳昌博,韓旭東,徐新行

(1.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所,吉林 長春 130033；2.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

1 引 言

自1960年梅曼造出了世界上第一臺(tái)紅寶石激光器后,各種各樣的激光器相繼問世,如半導(dǎo)體激光器自20世紀(jì)60年代誕生以來,經(jīng)歷了飛速的發(fā)展[1]。激光技術(shù)也隨之發(fā)展,激光在軍事、醫(yī)療、通信等領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越多。近年來,各領(lǐng)域如材料加工、激光熔覆[2-3]等對(duì)高功率、多波段激光的應(yīng)用需求越來越旺盛。但是,單臺(tái)激光器受熱損傷、非線性效應(yīng)、熱透鏡效應(yīng)[4]、元件結(jié)構(gòu)、散熱條件等因素的影響,輸出激光的波長和功率有限[5]。如何獲得具有高功率、寬波長、高光束質(zhì)量的激光輸出已成為國際上的重大瓶頸問題,激光合束技術(shù)被證明是解決該難題的有效手段之一[6]。

激光合束技術(shù)種類較多,主要分為相干合束和非相干合束。相干合束是通過控制各個(gè)光束的頻率、振幅、相位差等參數(shù),使各光束通過干涉合成一束[7]。這種合束方法雖然得到的光束性能比較好,但是,對(duì)合束激光單元的光譜、偏振及相位等特性均有嚴(yán)格要求,并且隨著合束激光單元數(shù)量的增加,系統(tǒng)復(fù)雜程度急劇上升[8],因此尚未得到較為廣泛的應(yīng)用。非相干合束又可以分為光譜合束、偏振合束、波長合束和空間合束。四種合束方式各有優(yōu)缺點(diǎn):光譜合束可用于合束的單元器件數(shù)量多,合束功率明顯提高,但是輸出光束質(zhì)量不佳；偏振合束的效率高,主要用于單一波長工作,而且成本較高；波長合束可以對(duì)較寬波段范圍內(nèi)的多路激光進(jìn)行合束,但是對(duì)合束鏡的要求較高；空間合束的效率高,但是光束質(zhì)量較差。針對(duì)不同的目的和環(huán)境要求,可以選擇不同的合束方式進(jìn)行激光合束。

在激光合束中,影響合束質(zhì)量的因素較多,如遠(yuǎn)場(chǎng)中氣體熱效應(yīng)[9]、合束鏡膜的透過率、導(dǎo)光鏡組件的穩(wěn)定性、自動(dòng)校正機(jī)構(gòu)的精度和分辨率等。為了提高合束質(zhì)量與合束效率需要相應(yīng)的監(jiān)測(cè)裝置來對(duì)子光束進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),并為誤差修正提供依據(jù)[10],這對(duì)激光合束效果的提升有非常重要的意義。

目前,常用的監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括激光指向監(jiān)測(cè)與位置監(jiān)測(cè)。遠(yuǎn)場(chǎng)工作的合束,受激光平行性影響較大,而對(duì)激光位置偏差要求不高,因此現(xiàn)階段的監(jiān)測(cè)裝置多用來監(jiān)測(cè)激光方向,尤其是在遠(yuǎn)場(chǎng)中,激光發(fā)射系統(tǒng)指向監(jiān)測(cè)系統(tǒng)往往決定了整個(gè)外場(chǎng)試驗(yàn)效果的優(yōu)劣[11]。而忽視光束位置偏差的監(jiān)測(cè)與校正,這在一些對(duì)合束精度要求極高的場(chǎng)合是不能接受的,尤其是兼顧近場(chǎng)工作的合束激光,位置監(jiān)測(cè)是必要的。所謂位置監(jiān)測(cè)就是對(duì)光束或光束中心位置的監(jiān)測(cè),在完成各光束平行性校正后,各個(gè)光束中心位置偏差越小,重合面積越大,則激光合束的精度就越高。本文針對(duì)合束系統(tǒng)的近、遠(yuǎn)場(chǎng)高精度應(yīng)用要求設(shè)計(jì)了一種主要用于可見光波段、多波長激光合束的位置監(jiān)測(cè)裝置,當(dāng)已完成平行校正的子激光束之間沒有完全重合的時(shí)候,激光束通過位置監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在光電探測(cè)器上形成的光斑圖像中心坐標(biāo)會(huì)產(chǎn)生差異,通過計(jì)算可以得出各個(gè)激光束間實(shí)際位置,進(jìn)而可以通過調(diào)節(jié)導(dǎo)光鏡的方法來消除該位差,提高合束精度。

2 設(shè)計(jì)要求

激光合束系統(tǒng)不僅是在300～500 m的近場(chǎng)進(jìn)行工作,而且還要在20～30 km的遠(yuǎn)場(chǎng)中應(yīng)用。根據(jù)各子光束的波長、截面尺寸、位置合束精度以及安裝空間等要求,確定該位置監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)指標(biāo)如表1所示。

表1 位置監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)指標(biāo)

3 整體設(shè)計(jì)

3.1 光學(xué)設(shè)計(jì)

位置監(jiān)測(cè)裝置的原理主要是通過對(duì)各個(gè)子光束經(jīng)過必要的衰減后在光電探測(cè)器上形成的光斑位置的監(jiān)測(cè),來實(shí)現(xiàn)對(duì)激光束位置的監(jiān)測(cè),但是由于光電探測(cè)器的靶面尺寸有限,當(dāng)光斑較大或各子光束位置偏差較大時(shí),所有子光束無法在光電探測(cè)器上成完全像,因此在光電探測(cè)器之前加入一個(gè)縮束系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)所有子光束位置的監(jiān)測(cè),如圖1所示。在該光學(xué)系統(tǒng)中,光斑縮小的倍數(shù)與子激光束相對(duì)位置縮小的倍數(shù)是相同的。

圖1 位置監(jiān)測(cè)裝置光學(xué)原理圖

光學(xué)系統(tǒng)的口徑要確保合束激光的子光束能夠全部都進(jìn)入到光學(xué)系統(tǒng)中,因此光學(xué)系統(tǒng)的口徑必須大于子光束的尺寸,但是如果口徑太大將會(huì)使整個(gè)位置監(jiān)測(cè)裝置的體積過于龐大,無法適應(yīng)合束系統(tǒng)的應(yīng)用需求。所以選擇位置監(jiān)測(cè)裝置的口徑為60 mm,不僅大于最大子光束的直徑,約為50 mm,而且有一定的位置偏差余量,又能實(shí)現(xiàn)裝置的小體積。

另外,考慮到參與合束的子光束的波長差異較大,導(dǎo)致色差的存在,使得同一位置不同波長的子光束在光電探測(cè)器上形成的光斑大小和位置存在偏差,進(jìn)而會(huì)降低位置監(jiān)測(cè)裝置的精度。因此,用正透鏡和負(fù)透鏡的組合以及合適的材料來消色差。設(shè)計(jì)優(yōu)化后,選用H-ZPK1、H-ZF5和H-ZF2三種材料分別來制作三個(gè)透鏡,其消色差效果的仿真分析結(jié)果如圖2所示。

圖2 色差仿真結(jié)果圖

仿真分析中使用了三種不同波段的光束,理想的艾里斑半徑為3.711 μm,而仿真結(jié)果得到的RMS分別為2.761 μm、2.805 μm、2.943 μm,均比艾里斑半徑小很多,且各波段之間彌散斑半徑則比較相近,說明在不同的視場(chǎng)條件下針對(duì)不同的工作波段,系統(tǒng)成像的質(zhì)量均比較優(yōu)異,消色差效果良好。

3.2 CCD的選擇

在位置檢測(cè)裝置中,通過激光束在光電探測(cè)器上成像來實(shí)現(xiàn)對(duì)光束位置的監(jiān)測(cè)。因此,光電探測(cè)器一定程度上決定了監(jiān)測(cè)裝置的性能。光電探測(cè)器主要有三種:電荷耦合器件(CCD)、四象限探測(cè)器、CMOS圖像傳感器。三種探測(cè)器優(yōu)缺點(diǎn)如表2所示。

表2 三種探測(cè)器的優(yōu)缺點(diǎn)

在這三種光電探測(cè)器中,CCD的光譜響應(yīng)范圍在300～1100 nm且分辨力高,符合設(shè)計(jì)需求。而且CCD的環(huán)境適應(yīng)力強(qiáng),抗沖擊性能好,能夠在車載等復(fù)雜工況條件下工作,所以選擇CCD作為本裝置中的光電探測(cè)元件。

根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求,最終選擇CCD相機(jī)的性能參數(shù)如表3所示。

使用相機(jī)時(shí),必須注意CCD探測(cè)器極易受到激光的損傷[12],而且如果光太強(qiáng)會(huì)導(dǎo)致在CCD上形成的灰度圖上的光斑的灰度過飽和,影響光斑中心的定位。因此激光束必須經(jīng)過必要的衰減才能進(jìn)入到位置監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中,否則會(huì)引起CCD的損壞。

表3 所選擇CCD相機(jī)性能參數(shù)表

3.3 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.3.1 鏡筒的設(shè)計(jì)

將三個(gè)透鏡可以直接放置在箱體中,但是這樣對(duì)于裝調(diào)來說就比較困難,很難將三個(gè)透鏡的光軸實(shí)現(xiàn)同軸。因此在本裝置中,設(shè)計(jì)出一個(gè)鏡筒,使用前先將透鏡裝到鏡筒內(nèi)固定好,這樣透鏡的相對(duì)位置便于調(diào)節(jié),光軸也可以最大程度的實(shí)現(xiàn)重合。然后可以很方便地將裝上透鏡的鏡筒在箱體內(nèi)部進(jìn)行集成。除此之外,鏡筒的使用還可以避免雜光對(duì)光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的影響,且鏡筒的結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定,在車載等工況下透鏡間的距離也不易發(fā)生變化,從而保證光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量。

完成光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)后,如圖3所示,該光學(xué)系統(tǒng)長209 mm,最大外徑84 mm,最小內(nèi)徑即光學(xué)系統(tǒng)口徑60 mm。

圖3 位置監(jiān)測(cè)裝置光學(xué)系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)圖

3.3.2 箱體的設(shè)計(jì)與優(yōu)化分析

位置監(jiān)測(cè)裝置的箱體用來為光學(xué)系統(tǒng)與CCD相機(jī)提供安裝與集成平臺(tái),為了保證位置監(jiān)測(cè)裝置穩(wěn)定的工作性能,箱體必須具備足夠的結(jié)構(gòu)剛度,同時(shí)要保證位置監(jiān)測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)剛度足夠的情況下,還要對(duì)箱體進(jìn)行必要的輕量化,以方便使用。

初步設(shè)計(jì)出位置監(jiān)測(cè)裝置的箱體,箱體內(nèi)部的長寬高尺寸為295 mm×100 mm×104 mm,壁厚為10 mm,材料為鋁合金,同時(shí)為了減小箱體的重量,在箱體兩邊進(jìn)行開槽,如圖4所示。

圖4 箱體的三維圖

在有限元軟件ANSYS中,對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析。模態(tài)分析是計(jì)算結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的數(shù)值技術(shù),結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性包括固有頻率和振型,振動(dòng)特性確定后,可以對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化使其更加穩(wěn)定。

將箱體的槽深設(shè)為輸入?yún)?shù),將箱體的整體變形、一階頻率和質(zhì)量設(shè)為輸出參數(shù)。使用ANSYS中的模態(tài)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)工具。令箱體的槽深取值為2～7 mm范圍內(nèi)的六個(gè)整數(shù)值,然后進(jìn)行模態(tài)分析,最后得到六組各個(gè)槽深所對(duì)應(yīng)的最大變形、一階頻率和質(zhì)量,結(jié)果顯示隨著槽深的增加,最大變形和一階頻率都呈增加趨勢(shì),質(zhì)量則是減少,其中最大變形和質(zhì)量的變化與槽深大致呈正比例函數(shù)的關(guān)系,而一階頻率與槽深的關(guān)系如圖5所示。

圖5 一階頻率與槽深之間的關(guān)系

圖5中,橫坐標(biāo)為槽深的序號(hào),即1代表槽深為2 mm,2代表槽深為3 mm,以此類推?？v坐標(biāo)為一階頻率,從圖中可以看出一階頻率的變化范圍在490～515 Hz之間,變化并不大。另一方面,變形和質(zhì)量變化趨勢(shì)相反,因此不能同時(shí)滿足變形和質(zhì)量同時(shí)減小的優(yōu)化要求。

因此本文選擇一個(gè)折中點(diǎn),即槽深取5 mm,此時(shí)箱體的質(zhì)量和變形與其它點(diǎn)的值相比也處于中間位置,可以達(dá)到質(zhì)量和變形都較小的要求。這時(shí)的模態(tài)分析一階和二階振型如圖6,一階振頻為496.22 Hz,二階振頻為721.67 Hz。此時(shí)的質(zhì)量為3.19 kg,比未開槽時(shí)的質(zhì)量3.9 kg輕了18.2%,質(zhì)量減輕的同時(shí),前兩階振頻也較高滿足車載的條件。

模態(tài)分析中得到的變形量并非真實(shí)值,而是一個(gè)相對(duì)量,因此要對(duì)箱體繼續(xù)進(jìn)行諧響應(yīng)分析,取200～800 Hz的范圍,使其包含前兩階振頻,進(jìn)行掃頻后可以得到在前兩階振頻附近的最大變形量分別為8×10-7mm和1.9×10-5mm,都比較小,可以忽略不計(jì)。

從振頻、變形以及輕量化上可以看出設(shè)計(jì)的箱體可以滿足多種在工況下工作的需求。

圖6 槽深為5 mm時(shí)的前兩階振型圖

完成對(duì)位置監(jiān)測(cè)裝置的光學(xué)設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)與CCD相機(jī)的選擇后,獲得位置監(jiān)測(cè)裝置的實(shí)物如圖7所示,該裝置滿足合束系統(tǒng)的應(yīng)用需求。

圖7 實(shí)物圖

3.4 光斑中心定位

在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中,選定光電探測(cè)器后,接下來就是找出光斑的中心坐標(biāo),進(jìn)而求出光束的偏轉(zhuǎn)角度和位置偏差。一個(gè)好的算法對(duì)提高整個(gè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和精度十分關(guān)鍵。對(duì)于光斑中心的定位,已經(jīng)出現(xiàn)了很多算法,主要有三種:質(zhì)心法,擬合法,Hough法。這些算法適應(yīng)不同的環(huán)境,有各自的優(yōu)缺點(diǎn),如表4所示。

如圖8所示光斑在CCD上成的圖像,可以看出光斑圖像的背景顏色較深,灰度值非常小,而光斑本身的亮度非常大,灰度值非常高,目標(biāo)與背景的灰度值相差很大。另一方面,光斑特性主要受噪聲和通信信道中雜光、衍射和湍流效應(yīng)的影響,而在本裝置的機(jī)械設(shè)計(jì)上已經(jīng)避免了雜光和減小了振動(dòng)對(duì)裝置的影響,環(huán)境不會(huì)對(duì)系統(tǒng)形成特別大的干擾,近場(chǎng)中衍射和湍流效應(yīng)的影響又比較小,因此光斑的特性幾乎不受通信信道的影響。此外,可以通過對(duì)光斑圖像進(jìn)行去噪處理來保證定位精度。再考慮到系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性對(duì)合束精度的影響比較大,綜合以上因素,質(zhì)心法比較適合本裝置,因此本文選擇質(zhì)心法來定位光斑中心。

表4 三種光斑中心定位算法

圖8 光斑圖像

質(zhì)心法就是應(yīng)用像素的灰度值作為權(quán)重來計(jì)算光斑的質(zhì)心[13],對(duì)于大小為X×Y像素的圖像的灰度重心計(jì)算公式為:

(1)

(2)

其中,G[i,j]為第i行,第j列的像素的灰度值。

4 裝置性能的實(shí)驗(yàn)檢測(cè)

室溫條件下對(duì)光束位置監(jiān)測(cè)裝置的縮束倍率與監(jiān)測(cè)精度進(jìn)行了檢測(cè),檢測(cè)裝置主要包括激光器、快速反射鏡、濾波片、衰減片、監(jiān)測(cè)裝置和控制及顯示單元,如圖9所示。激光經(jīng)過快速反射鏡反射,然后經(jīng)過濾波片濾掉雜光,再經(jīng)過衰減片衰減,最后進(jìn)入監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成像。

圖9 實(shí)驗(yàn)裝置圖

4.1 縮束倍數(shù)的檢測(cè)

首先,要對(duì)激光束實(shí)際的光斑直徑進(jìn)行測(cè)量,對(duì)于光斑實(shí)際直徑的測(cè)量是使用人工測(cè)量,為了減小誤差,實(shí)驗(yàn)中不是對(duì)一個(gè)光斑進(jìn)行測(cè)量,而是對(duì)同時(shí)多個(gè)光斑的距離進(jìn)行測(cè)量。本實(shí)驗(yàn)中,如圖9所示,由一束激光經(jīng)反射鏡在前后兩個(gè)面多次反射后產(chǎn)生多條平行激光束,通過調(diào)節(jié)衰減用反射鏡在光路中的角度獲得進(jìn)入位置監(jiān)測(cè)裝置中一串光斑。利用其中的四個(gè)光斑,對(duì)兩端的光斑,即第一個(gè)和第四個(gè)光斑的實(shí)際中心位置之間的距離進(jìn)行測(cè)量,如圖10(a)所示。

圖10 實(shí)際和顯示的光斑位置

然后,對(duì)在CCD上成像的第一個(gè)和第四個(gè)光斑的中心距離進(jìn)行測(cè)量:在屏幕上對(duì)顯示的對(duì)應(yīng)的第一個(gè)和第四個(gè)光斑中心進(jìn)行標(biāo)記,如圖10(b)所示,通過顯示軟件獲得兩標(biāo)記點(diǎn)的位置坐標(biāo),其橫坐標(biāo)之差即為x軸方向上相差的像元數(shù)。

最后,根據(jù)縮束倍數(shù)公式計(jì)算:

(3)

d=N·δ0

(4)

其中,k為縮束倍數(shù)；D為實(shí)際光斑中心距離；d為屏幕上光斑中心距離；N為像元數(shù),即x方向的坐標(biāo)差；δ0為像元在x軸方向的尺寸。

為減小誤差,進(jìn)行多次測(cè)量和計(jì)算,取平均值,最終得到縮束倍數(shù)為15.6倍。

4.2 位置監(jiān)測(cè)精度的實(shí)驗(yàn)檢測(cè)

位置監(jiān)測(cè)裝置的監(jiān)測(cè)精度與相機(jī)的位置分辨率直接相關(guān),并由軟件對(duì)光斑脫靶量提取的跳動(dòng)量最終決定。因此通過監(jiān)測(cè)光斑脫靶量的跳動(dòng)量,計(jì)算獲得位置監(jiān)測(cè)裝置的監(jiān)測(cè)精度,公式如下:

η0=k·δ0

(5)

εL=ΔN·η0

(6)

其中,η0為像元分辨率；ΔN為最大跳動(dòng)值；εL為監(jiān)測(cè)精度。

最后,通過計(jì)算得到監(jiān)測(cè)精度為0.1 mm。

通過實(shí)驗(yàn),得到設(shè)計(jì)的位置監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的縮束倍數(shù)為15.6,監(jiān)測(cè)精度為0.1 mm,符合設(shè)計(jì)要求,滿足使用需要。

誤差的產(chǎn)生受光束特性影響較大,包括形狀、能量分布、衰減效果等,此外還有CCD測(cè)量時(shí)的誤差及數(shù)據(jù)處理的誤差等。

5 結(jié) 論

本文從位置監(jiān)測(cè)裝置的功能出發(fā),結(jié)合光學(xué)、機(jī)械以及算法等各個(gè)方面的知識(shí)對(duì)位置監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)和器件的選擇。對(duì)位置監(jiān)測(cè)裝置的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明裝置的性能符合設(shè)計(jì)要求,功能上能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)位置的監(jiān)測(cè),能夠在不同的環(huán)境中精確地、實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)各個(gè)激光束的位置,進(jìn)而提高波長合束的精度與效率。