光學(xué)調(diào)整架穩(wěn)定性檢測(cè)裝置的研制

顏石

摘 要：該文提出了一種測(cè)量光學(xué)調(diào)整架穩(wěn)定性的檢測(cè)方法，建立了整套的測(cè)量裝置。該裝置可對(duì)所有能夠安裝光學(xué)鏡片的調(diào)整架的穩(wěn)定性進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)精度高，測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)，使用簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉。為國內(nèi)該領(lǐng)域填補(bǔ)了空白。

關(guān)鍵詞：光學(xué)調(diào)整架 穩(wěn)定性 檢測(cè)

中圖分類號(hào)：TH204 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）06（a）-0091-02

隨著激光技術(shù)的發(fā)展，激光系統(tǒng)也日益復(fù)雜，其主要組成部分光學(xué)元件的種類與數(shù)量都有大幅度的增長(zhǎng)。在復(fù)雜的激光系統(tǒng)中，光學(xué)元件的穩(wěn)定性對(duì)整體系統(tǒng)有非常重要的意義。由于光學(xué)元件是安裝在各種光學(xué)調(diào)整架上的，因此調(diào)整架的長(zhǎng)期穩(wěn)定性直接決定了激光系統(tǒng)的穩(wěn)定性。該文我們提出了一種簡(jiǎn)易的測(cè)量調(diào)整架穩(wěn)定性的方式，并研制成裝置，使用更加方便，編制了程序可自動(dòng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和計(jì)算。

1 調(diào)整架穩(wěn)定性檢測(cè)裝置簡(jiǎn)介

將一束激光打在安裝有鏡片的光學(xué)調(diào)整架上，鏡片將激光反射回光電位置探測(cè)器（PSD）表面，軟件自動(dòng)記錄坐標(biāo)并經(jīng)過簡(jiǎn)單計(jì)算就可以獲得調(diào)整架在X和Y方向上的漂移數(shù)據(jù)。

2 調(diào)整架穩(wěn)定性檢測(cè)裝置硬件構(gòu)成

該測(cè)量裝置的核心硬件是激光器，PSD，反射鏡，選光器和相應(yīng)的控制電路。該裝置使用的激光光源選用小于5 mW的He-Ne激光。NEWFOCUS公司生產(chǎn)的M2931型PSD，關(guān)鍵參數(shù)為：

光電探測(cè)器面積：9 mm×9 mm

位置分辨率：<0.5 μm

數(shù)字信號(hào)輸出：USB2.0

該測(cè)量系統(tǒng)中的除電路控制器之外的全部硬件，全部安裝在的光學(xué)平板上，系統(tǒng)外部再以鐵制外殼封裝，外殼預(yù)留出走線孔和出光、進(jìn)光孔，以靜電噴涂工藝制成黑色，避免外界背景光形成干擾，也令該裝置整體美觀。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。

一個(gè)半透半反的分束鏡將激光分成2束，一束透射至待測(cè)鏡架并反射到PSD表面，稱之為目標(biāo)光，一束由分束鏡直接反射至PSD表面作為反饋光路，稱之為參考光。將分束鏡至待測(cè)鏡架和PSD的兩束光光程分別命名為L(zhǎng)2和Ll，待測(cè)鏡架至PSD的光程為L(zhǎng)。

由于目標(biāo)光和參考光是同時(shí)入射到PSD表面的，為了分別測(cè)量，需要增加一個(gè)電路控制的選光器，分別對(duì)二束光進(jìn)行遮擋測(cè)量，再由軟件對(duì)二束光的坐標(biāo)位置進(jìn)行分別記錄和計(jì)算。

引入描述系統(tǒng)漂移的兩個(gè)參數(shù)，設(shè)激光器自身的角度漂移為β，待測(cè)鏡架的角度漂移為α。為簡(jiǎn)單起見，僅以β和α代替X或者Y其中一維的漂移角。需進(jìn)行計(jì)算的，即為從PSD的數(shù)據(jù)輸出中消除掉β，求出α就可以獲得調(diào)整架漂移量，鏡架漂移計(jì)算如公式一：

αx=（ΔX/2L）-[（L+L0+L2） Δx]/[2L（L1+L0）]

αy=（ΔY/2L）-[（L+L0+L2） Δy]/[2L（LI+L0）]

軟件會(huì)分別從PSD讀取Δx（Δy）和ΔX（ΔY），再測(cè)量出L，L0和L2的實(shí)際尺寸，再經(jīng)過軟件計(jì)算就可以獲得調(diào)整架漂移角度的數(shù)據(jù)。

在實(shí)際系統(tǒng)中，為了獲得較高分辨率，PSD距離激光器和待測(cè)調(diào)整架都需較長(zhǎng)。調(diào)整架放置于該測(cè)量系統(tǒng)外部，距離不受限制，激光器放置于系統(tǒng)內(nèi)部，以當(dāng)前最穩(wěn)定的方式，將反射鏡片和分束鏡都以膠粘合的方式，粘在一體成型的鏡臺(tái)上，鏡臺(tái)與光學(xué)平板以M6螺釘緊壓固定。經(jīng)測(cè)量，此種反射鏡固定方式的穩(wěn)定性非常優(yōu)異，不會(huì)對(duì)測(cè)量精度造成影響。為了加長(zhǎng)距離，在系統(tǒng)內(nèi)以反射鏡進(jìn)行若干次反射，再入射至PSD表面。

3 調(diào)整架穩(wěn)定性檢測(cè)裝置軟件構(gòu)成

計(jì)算機(jī)與電控制器以RS232端口相連，RS232端口用于向程序發(fā)送指令判斷當(dāng)前測(cè)量的為哪一束光，與PSD以USB2.0端口相連接。程序以VB語言編譯，運(yùn)行過程如下：

接通電源后，電控制器每隔4.8 s（可調(diào)）發(fā)送一個(gè)電信號(hào)，對(duì)選光器進(jìn)行順（逆）時(shí)針的旋轉(zhuǎn)，分別遮擋二束光路，同時(shí)也對(duì)程序發(fā)送信號(hào)，標(biāo)稱當(dāng)前允許通過的是目標(biāo)光或是參考光，程序?qū)⒂涗涀鴺?biāo)數(shù)據(jù)，采樣率為10組坐標(biāo)/秒，在第一個(gè)4.8 s的時(shí)間范圍內(nèi)，假設(shè)允許通過的是目標(biāo)光，由于選光器旋轉(zhuǎn)需要一定的時(shí)間，因此程序以中間的3秒所記錄的為準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，將這30組坐標(biāo)取平均值，可以獲得在第一個(gè)4.8秒內(nèi)目標(biāo)光的平均坐標(biāo)，程序?qū)⑦@一坐標(biāo)記錄入“目標(biāo)光”數(shù)據(jù)庫，并定之為ΔX（ΔY）。

第一個(gè)4.8 s結(jié)束后，電控制器發(fā)送信號(hào)至選光器，選光器遮擋目標(biāo)光，在記錄中間30組參考光的坐標(biāo)值并取平均后，程序?qū)⑦@坐標(biāo)記錄入“參考光”數(shù)據(jù)庫，定之為Δx（Δy）。程序?qū)瓷鲜龉揭粚?duì)這二個(gè)坐標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，最終可獲得在9.6 s內(nèi)調(diào)整架的實(shí)時(shí)漂移量。在第一個(gè)完整的9.6 s內(nèi)，計(jì)算出來的漂移量為（x0，y0），之后的坐標(biāo)為（xi，yi）（0≤i），程序?qū)⒚恳粋€(gè)坐標(biāo)顯示值定義為（xi-x0，yi-y0），即，程序?qū)⒌谝粋€(gè)坐標(biāo)值定義為（0，0）點(diǎn)XY坐標(biāo)原點(diǎn)，如此每一個(gè)坐標(biāo)值的示數(shù)，都是自測(cè)試開始起調(diào)整架的漂移量。

軟件界面里，左上方為“參考光”和“目標(biāo)光”光斑位置顯示區(qū)，便于測(cè)前調(diào)節(jié)。下方紅綠燈為系統(tǒng)測(cè)試時(shí)當(dāng)前允許通過的光路顯示。界面左下方為漂移量的輸出曲線。該區(qū)域橫坐標(biāo)為時(shí)間軸，單位為分（min）。縱坐標(biāo)為漂移量，單位為微弧度（μrad）。當(dāng)橫縱坐標(biāo)超出范圍時(shí)坐標(biāo)將自動(dòng)調(diào)整。

調(diào)整架的X與Y方向的漂移角度同時(shí)顯示在該坐標(biāo)中自動(dòng)繪成調(diào)整架的實(shí)時(shí)漂移曲線。下方的按鈕可分別只顯示X、Y已及XY方向漂移量與時(shí)間的曲線。Offset X和Offset Y以數(shù)據(jù)方式直接顯示當(dāng)時(shí)X和Y的漂移量，MaX Offset X和Max Offset Y顯示在整個(gè)測(cè)量過程中X和Y的最大漂移量，RunningTime為測(cè)量時(shí)間。打靶精度用于整體評(píng)價(jià)該款調(diào)整架的穩(wěn)定性。“Save Data as*.xls”按鈕用于將測(cè)量結(jié)果以Excal數(shù)據(jù)導(dǎo)出，方便對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的分析。

界面右上方為端口設(shè)置區(qū)為RS232端口和USB的參數(shù)設(shè)置，右下方參數(shù)設(shè)置區(qū)用于手動(dòng)輸入上述公式一中的L，L0，L1，L2參數(shù)，PSD的電壓數(shù)據(jù)與實(shí)際距離的系數(shù)比，激光入射到PSD表面的角度等參數(shù)都在這一區(qū)域內(nèi)設(shè)置，一次設(shè)置完畢后軟件自動(dòng)保存。

4 系統(tǒng)的分辨率

該測(cè)量系統(tǒng)精度主要取決于PSD讀數(shù)精度，PSD原廣精度為<0.5 μm，參考光光程實(shí)際尺寸為1.35 m，即最小分辨率為0.5/1.35=0.37 μm ad。但在實(shí)際使用中，背景噪聲等都會(huì)影響精度。在最優(yōu)化狀態(tài)下，經(jīng)過數(shù)次測(cè)量，取其中背景抖動(dòng)最強(qiáng)烈的一次結(jié)果作為系統(tǒng)自身誤差，約為0.8 μrad，當(dāng)前任何一款調(diào)整架的漂移量都大于這分辨率若干倍，因此該系統(tǒng)用于檢測(cè)調(diào)整架的穩(wěn)定性是切實(shí)可行的。

5 結(jié)語

該文建立了一種基于PSD的光學(xué)調(diào)整架穩(wěn)定性檢測(cè)裝置，抗環(huán)境干擾能力較強(qiáng)，使用方便，用程序?qū)μ綔y(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，可以直接輸出調(diào)整架精細(xì)的實(shí)時(shí)漂移曲線，可導(dǎo)出數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的后續(xù)處理。軟件直觀，屆面友好，探測(cè)分辨率高（0.8μrad），形成了一套完整獨(dú)立的調(diào)整架穩(wěn)定性檢測(cè)裝置。endprint

摘 要：該文提出了一種測(cè)量光學(xué)調(diào)整架穩(wěn)定性的檢測(cè)方法，建立了整套的測(cè)量裝置。該裝置可對(duì)所有能夠安裝光學(xué)鏡片的調(diào)整架的穩(wěn)定性進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)精度高，測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)，使用簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉。為國內(nèi)該領(lǐng)域填補(bǔ)了空白。

關(guān)鍵詞：光學(xué)調(diào)整架 穩(wěn)定性 檢測(cè)

中圖分類號(hào)：TH204 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）06（a）-0091-02

隨著激光技術(shù)的發(fā)展，激光系統(tǒng)也日益復(fù)雜，其主要組成部分光學(xué)元件的種類與數(shù)量都有大幅度的增長(zhǎng)。在復(fù)雜的激光系統(tǒng)中，光學(xué)元件的穩(wěn)定性對(duì)整體系統(tǒng)有非常重要的意義。由于光學(xué)元件是安裝在各種光學(xué)調(diào)整架上的，因此調(diào)整架的長(zhǎng)期穩(wěn)定性直接決定了激光系統(tǒng)的穩(wěn)定性。該文我們提出了一種簡(jiǎn)易的測(cè)量調(diào)整架穩(wěn)定性的方式，并研制成裝置，使用更加方便，編制了程序可自動(dòng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和計(jì)算。

1 調(diào)整架穩(wěn)定性檢測(cè)裝置簡(jiǎn)介

將一束激光打在安裝有鏡片的光學(xué)調(diào)整架上，鏡片將激光反射回光電位置探測(cè)器（PSD）表面，軟件自動(dòng)記錄坐標(biāo)并經(jīng)過簡(jiǎn)單計(jì)算就可以獲得調(diào)整架在X和Y方向上的漂移數(shù)據(jù)。

2 調(diào)整架穩(wěn)定性檢測(cè)裝置硬件構(gòu)成

該測(cè)量裝置的核心硬件是激光器，PSD，反射鏡，選光器和相應(yīng)的控制電路。該裝置使用的激光光源選用小于5 mW的He-Ne激光。NEWFOCUS公司生產(chǎn)的M2931型PSD，關(guān)鍵參數(shù)為：

光電探測(cè)器面積：9 mm×9 mm

位置分辨率：<0.5 μm

數(shù)字信號(hào)輸出：USB2.0

該測(cè)量系統(tǒng)中的除電路控制器之外的全部硬件，全部安裝在的光學(xué)平板上，系統(tǒng)外部再以鐵制外殼封裝，外殼預(yù)留出走線孔和出光、進(jìn)光孔，以靜電噴涂工藝制成黑色，避免外界背景光形成干擾，也令該裝置整體美觀。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。

一個(gè)半透半反的分束鏡將激光分成2束，一束透射至待測(cè)鏡架并反射到PSD表面，稱之為目標(biāo)光，一束由分束鏡直接反射至PSD表面作為反饋光路，稱之為參考光。將分束鏡至待測(cè)鏡架和PSD的兩束光光程分別命名為L(zhǎng)2和Ll，待測(cè)鏡架至PSD的光程為L(zhǎng)。

由于目標(biāo)光和參考光是同時(shí)入射到PSD表面的，為了分別測(cè)量，需要增加一個(gè)電路控制的選光器，分別對(duì)二束光進(jìn)行遮擋測(cè)量，再由軟件對(duì)二束光的坐標(biāo)位置進(jìn)行分別記錄和計(jì)算。

引入描述系統(tǒng)漂移的兩個(gè)參數(shù)，設(shè)激光器自身的角度漂移為β，待測(cè)鏡架的角度漂移為α。為簡(jiǎn)單起見，僅以β和α代替X或者Y其中一維的漂移角。需進(jìn)行計(jì)算的，即為從PSD的數(shù)據(jù)輸出中消除掉β，求出α就可以獲得調(diào)整架漂移量，鏡架漂移計(jì)算如公式一：

αx=（ΔX/2L）-[（L+L0+L2） Δx]/[2L（L1+L0）]

αy=（ΔY/2L）-[（L+L0+L2） Δy]/[2L（LI+L0）]

軟件會(huì)分別從PSD讀取Δx（Δy）和ΔX（ΔY），再測(cè)量出L，L0和L2的實(shí)際尺寸，再經(jīng)過軟件計(jì)算就可以獲得調(diào)整架漂移角度的數(shù)據(jù)。

在實(shí)際系統(tǒng)中，為了獲得較高分辨率，PSD距離激光器和待測(cè)調(diào)整架都需較長(zhǎng)。調(diào)整架放置于該測(cè)量系統(tǒng)外部，距離不受限制，激光器放置于系統(tǒng)內(nèi)部，以當(dāng)前最穩(wěn)定的方式，將反射鏡片和分束鏡都以膠粘合的方式，粘在一體成型的鏡臺(tái)上，鏡臺(tái)與光學(xué)平板以M6螺釘緊壓固定。經(jīng)測(cè)量，此種反射鏡固定方式的穩(wěn)定性非常優(yōu)異，不會(huì)對(duì)測(cè)量精度造成影響。為了加長(zhǎng)距離，在系統(tǒng)內(nèi)以反射鏡進(jìn)行若干次反射，再入射至PSD表面。

3 調(diào)整架穩(wěn)定性檢測(cè)裝置軟件構(gòu)成

計(jì)算機(jī)與電控制器以RS232端口相連，RS232端口用于向程序發(fā)送指令判斷當(dāng)前測(cè)量的為哪一束光，與PSD以USB2.0端口相連接。程序以VB語言編譯，運(yùn)行過程如下：

接通電源后，電控制器每隔4.8 s（可調(diào)）發(fā)送一個(gè)電信號(hào)，對(duì)選光器進(jìn)行順（逆）時(shí)針的旋轉(zhuǎn)，分別遮擋二束光路，同時(shí)也對(duì)程序發(fā)送信號(hào)，標(biāo)稱當(dāng)前允許通過的是目標(biāo)光或是參考光，程序?qū)⒂涗涀鴺?biāo)數(shù)據(jù)，采樣率為10組坐標(biāo)/秒，在第一個(gè)4.8 s的時(shí)間范圍內(nèi)，假設(shè)允許通過的是目標(biāo)光，由于選光器旋轉(zhuǎn)需要一定的時(shí)間，因此程序以中間的3秒所記錄的為準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，將這30組坐標(biāo)取平均值，可以獲得在第一個(gè)4.8秒內(nèi)目標(biāo)光的平均坐標(biāo)，程序?qū)⑦@一坐標(biāo)記錄入“目標(biāo)光”數(shù)據(jù)庫，并定之為ΔX（ΔY）。

第一個(gè)4.8 s結(jié)束后，電控制器發(fā)送信號(hào)至選光器，選光器遮擋目標(biāo)光，在記錄中間30組參考光的坐標(biāo)值并取平均后，程序?qū)⑦@坐標(biāo)記錄入“參考光”數(shù)據(jù)庫，定之為Δx（Δy）。程序?qū)瓷鲜龉揭粚?duì)這二個(gè)坐標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，最終可獲得在9.6 s內(nèi)調(diào)整架的實(shí)時(shí)漂移量。在第一個(gè)完整的9.6 s內(nèi)，計(jì)算出來的漂移量為（x0，y0），之后的坐標(biāo)為（xi，yi）（0≤i），程序?qū)⒚恳粋€(gè)坐標(biāo)顯示值定義為（xi-x0，yi-y0），即，程序?qū)⒌谝粋€(gè)坐標(biāo)值定義為（0，0）點(diǎn)XY坐標(biāo)原點(diǎn)，如此每一個(gè)坐標(biāo)值的示數(shù)，都是自測(cè)試開始起調(diào)整架的漂移量。

軟件界面里，左上方為“參考光”和“目標(biāo)光”光斑位置顯示區(qū)，便于測(cè)前調(diào)節(jié)。下方紅綠燈為系統(tǒng)測(cè)試時(shí)當(dāng)前允許通過的光路顯示。界面左下方為漂移量的輸出曲線。該區(qū)域橫坐標(biāo)為時(shí)間軸，單位為分（min）。縱坐標(biāo)為漂移量，單位為微弧度（μrad）。當(dāng)橫縱坐標(biāo)超出范圍時(shí)坐標(biāo)將自動(dòng)調(diào)整。

調(diào)整架的X與Y方向的漂移角度同時(shí)顯示在該坐標(biāo)中自動(dòng)繪成調(diào)整架的實(shí)時(shí)漂移曲線。下方的按鈕可分別只顯示X、Y已及XY方向漂移量與時(shí)間的曲線。Offset X和Offset Y以數(shù)據(jù)方式直接顯示當(dāng)時(shí)X和Y的漂移量，MaX Offset X和Max Offset Y顯示在整個(gè)測(cè)量過程中X和Y的最大漂移量，RunningTime為測(cè)量時(shí)間。打靶精度用于整體評(píng)價(jià)該款調(diào)整架的穩(wěn)定性。“Save Data as*.xls”按鈕用于將測(cè)量結(jié)果以Excal數(shù)據(jù)導(dǎo)出，方便對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的分析。

界面右上方為端口設(shè)置區(qū)為RS232端口和USB的參數(shù)設(shè)置，右下方參數(shù)設(shè)置區(qū)用于手動(dòng)輸入上述公式一中的L，L0，L1，L2參數(shù)，PSD的電壓數(shù)據(jù)與實(shí)際距離的系數(shù)比，激光入射到PSD表面的角度等參數(shù)都在這一區(qū)域內(nèi)設(shè)置，一次設(shè)置完畢后軟件自動(dòng)保存。

4 系統(tǒng)的分辨率

該測(cè)量系統(tǒng)精度主要取決于PSD讀數(shù)精度，PSD原廣精度為<0.5 μm，參考光光程實(shí)際尺寸為1.35 m，即最小分辨率為0.5/1.35=0.37 μm ad。但在實(shí)際使用中，背景噪聲等都會(huì)影響精度。在最優(yōu)化狀態(tài)下，經(jīng)過數(shù)次測(cè)量，取其中背景抖動(dòng)最強(qiáng)烈的一次結(jié)果作為系統(tǒng)自身誤差，約為0.8 μrad，當(dāng)前任何一款調(diào)整架的漂移量都大于這分辨率若干倍，因此該系統(tǒng)用于檢測(cè)調(diào)整架的穩(wěn)定性是切實(shí)可行的。

5 結(jié)語

該文建立了一種基于PSD的光學(xué)調(diào)整架穩(wěn)定性檢測(cè)裝置，抗環(huán)境干擾能力較強(qiáng)，使用方便，用程序?qū)μ綔y(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，可以直接輸出調(diào)整架精細(xì)的實(shí)時(shí)漂移曲線，可導(dǎo)出數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的后續(xù)處理。軟件直觀，屆面友好，探測(cè)分辨率高（0.8μrad），形成了一套完整獨(dú)立的調(diào)整架穩(wěn)定性檢測(cè)裝置。endprint

摘 要：該文提出了一種測(cè)量光學(xué)調(diào)整架穩(wěn)定性的檢測(cè)方法，建立了整套的測(cè)量裝置。該裝置可對(duì)所有能夠安裝光學(xué)鏡片的調(diào)整架的穩(wěn)定性進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)精度高，測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)，使用簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉。為國內(nèi)該領(lǐng)域填補(bǔ)了空白。

關(guān)鍵詞：光學(xué)調(diào)整架 穩(wěn)定性 檢測(cè)

中圖分類號(hào)：TH204 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）06（a）-0091-02

隨著激光技術(shù)的發(fā)展，激光系統(tǒng)也日益復(fù)雜，其主要組成部分光學(xué)元件的種類與數(shù)量都有大幅度的增長(zhǎng)。在復(fù)雜的激光系統(tǒng)中，光學(xué)元件的穩(wěn)定性對(duì)整體系統(tǒng)有非常重要的意義。由于光學(xué)元件是安裝在各種光學(xué)調(diào)整架上的，因此調(diào)整架的長(zhǎng)期穩(wěn)定性直接決定了激光系統(tǒng)的穩(wěn)定性。該文我們提出了一種簡(jiǎn)易的測(cè)量調(diào)整架穩(wěn)定性的方式，并研制成裝置，使用更加方便，編制了程序可自動(dòng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和計(jì)算。

1 調(diào)整架穩(wěn)定性檢測(cè)裝置簡(jiǎn)介

將一束激光打在安裝有鏡片的光學(xué)調(diào)整架上，鏡片將激光反射回光電位置探測(cè)器（PSD）表面，軟件自動(dòng)記錄坐標(biāo)并經(jīng)過簡(jiǎn)單計(jì)算就可以獲得調(diào)整架在X和Y方向上的漂移數(shù)據(jù)。

2 調(diào)整架穩(wěn)定性檢測(cè)裝置硬件構(gòu)成

該測(cè)量裝置的核心硬件是激光器，PSD，反射鏡，選光器和相應(yīng)的控制電路。該裝置使用的激光光源選用小于5 mW的He-Ne激光。NEWFOCUS公司生產(chǎn)的M2931型PSD，關(guān)鍵參數(shù)為：

光電探測(cè)器面積：9 mm×9 mm

位置分辨率：<0.5 μm

數(shù)字信號(hào)輸出：USB2.0

該測(cè)量系統(tǒng)中的除電路控制器之外的全部硬件，全部安裝在的光學(xué)平板上，系統(tǒng)外部再以鐵制外殼封裝，外殼預(yù)留出走線孔和出光、進(jìn)光孔，以靜電噴涂工藝制成黑色，避免外界背景光形成干擾，也令該裝置整體美觀。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1。

一個(gè)半透半反的分束鏡將激光分成2束，一束透射至待測(cè)鏡架并反射到PSD表面，稱之為目標(biāo)光，一束由分束鏡直接反射至PSD表面作為反饋光路，稱之為參考光。將分束鏡至待測(cè)鏡架和PSD的兩束光光程分別命名為L(zhǎng)2和Ll，待測(cè)鏡架至PSD的光程為L(zhǎng)。

由于目標(biāo)光和參考光是同時(shí)入射到PSD表面的，為了分別測(cè)量，需要增加一個(gè)電路控制的選光器，分別對(duì)二束光進(jìn)行遮擋測(cè)量，再由軟件對(duì)二束光的坐標(biāo)位置進(jìn)行分別記錄和計(jì)算。

引入描述系統(tǒng)漂移的兩個(gè)參數(shù)，設(shè)激光器自身的角度漂移為β，待測(cè)鏡架的角度漂移為α。為簡(jiǎn)單起見，僅以β和α代替X或者Y其中一維的漂移角。需進(jìn)行計(jì)算的，即為從PSD的數(shù)據(jù)輸出中消除掉β，求出α就可以獲得調(diào)整架漂移量，鏡架漂移計(jì)算如公式一：

αx=（ΔX/2L）-[（L+L0+L2） Δx]/[2L（L1+L0）]

αy=（ΔY/2L）-[（L+L0+L2） Δy]/[2L（LI+L0）]

軟件會(huì)分別從PSD讀取Δx（Δy）和ΔX（ΔY），再測(cè)量出L，L0和L2的實(shí)際尺寸，再經(jīng)過軟件計(jì)算就可以獲得調(diào)整架漂移角度的數(shù)據(jù)。

在實(shí)際系統(tǒng)中，為了獲得較高分辨率，PSD距離激光器和待測(cè)調(diào)整架都需較長(zhǎng)。調(diào)整架放置于該測(cè)量系統(tǒng)外部，距離不受限制，激光器放置于系統(tǒng)內(nèi)部，以當(dāng)前最穩(wěn)定的方式，將反射鏡片和分束鏡都以膠粘合的方式，粘在一體成型的鏡臺(tái)上，鏡臺(tái)與光學(xué)平板以M6螺釘緊壓固定。經(jīng)測(cè)量，此種反射鏡固定方式的穩(wěn)定性非常優(yōu)異，不會(huì)對(duì)測(cè)量精度造成影響。為了加長(zhǎng)距離，在系統(tǒng)內(nèi)以反射鏡進(jìn)行若干次反射，再入射至PSD表面。

3 調(diào)整架穩(wěn)定性檢測(cè)裝置軟件構(gòu)成

計(jì)算機(jī)與電控制器以RS232端口相連，RS232端口用于向程序發(fā)送指令判斷當(dāng)前測(cè)量的為哪一束光，與PSD以USB2.0端口相連接。程序以VB語言編譯，運(yùn)行過程如下：

接通電源后，電控制器每隔4.8 s（可調(diào)）發(fā)送一個(gè)電信號(hào)，對(duì)選光器進(jìn)行順（逆）時(shí)針的旋轉(zhuǎn)，分別遮擋二束光路，同時(shí)也對(duì)程序發(fā)送信號(hào)，標(biāo)稱當(dāng)前允許通過的是目標(biāo)光或是參考光，程序?qū)⒂涗涀鴺?biāo)數(shù)據(jù)，采樣率為10組坐標(biāo)/秒，在第一個(gè)4.8 s的時(shí)間范圍內(nèi)，假設(shè)允許通過的是目標(biāo)光，由于選光器旋轉(zhuǎn)需要一定的時(shí)間，因此程序以中間的3秒所記錄的為準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，將這30組坐標(biāo)取平均值，可以獲得在第一個(gè)4.8秒內(nèi)目標(biāo)光的平均坐標(biāo)，程序?qū)⑦@一坐標(biāo)記錄入“目標(biāo)光”數(shù)據(jù)庫，并定之為ΔX（ΔY）。

第一個(gè)4.8 s結(jié)束后，電控制器發(fā)送信號(hào)至選光器，選光器遮擋目標(biāo)光，在記錄中間30組參考光的坐標(biāo)值并取平均后，程序?qū)⑦@坐標(biāo)記錄入“參考光”數(shù)據(jù)庫，定之為Δx（Δy）。程序?qū)瓷鲜龉揭粚?duì)這二個(gè)坐標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，最終可獲得在9.6 s內(nèi)調(diào)整架的實(shí)時(shí)漂移量。在第一個(gè)完整的9.6 s內(nèi)，計(jì)算出來的漂移量為（x0，y0），之后的坐標(biāo)為（xi，yi）（0≤i），程序?qū)⒚恳粋€(gè)坐標(biāo)顯示值定義為（xi-x0，yi-y0），即，程序?qū)⒌谝粋€(gè)坐標(biāo)值定義為（0，0）點(diǎn)XY坐標(biāo)原點(diǎn)，如此每一個(gè)坐標(biāo)值的示數(shù)，都是自測(cè)試開始起調(diào)整架的漂移量。

軟件界面里，左上方為“參考光”和“目標(biāo)光”光斑位置顯示區(qū)，便于測(cè)前調(diào)節(jié)。下方紅綠燈為系統(tǒng)測(cè)試時(shí)當(dāng)前允許通過的光路顯示。界面左下方為漂移量的輸出曲線。該區(qū)域橫坐標(biāo)為時(shí)間軸，單位為分（min）。縱坐標(biāo)為漂移量，單位為微弧度（μrad）。當(dāng)橫縱坐標(biāo)超出范圍時(shí)坐標(biāo)將自動(dòng)調(diào)整。

調(diào)整架的X與Y方向的漂移角度同時(shí)顯示在該坐標(biāo)中自動(dòng)繪成調(diào)整架的實(shí)時(shí)漂移曲線。下方的按鈕可分別只顯示X、Y已及XY方向漂移量與時(shí)間的曲線。Offset X和Offset Y以數(shù)據(jù)方式直接顯示當(dāng)時(shí)X和Y的漂移量，MaX Offset X和Max Offset Y顯示在整個(gè)測(cè)量過程中X和Y的最大漂移量，RunningTime為測(cè)量時(shí)間。打靶精度用于整體評(píng)價(jià)該款調(diào)整架的穩(wěn)定性。“Save Data as*.xls”按鈕用于將測(cè)量結(jié)果以Excal數(shù)據(jù)導(dǎo)出，方便對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的分析。

界面右上方為端口設(shè)置區(qū)為RS232端口和USB的參數(shù)設(shè)置，右下方參數(shù)設(shè)置區(qū)用于手動(dòng)輸入上述公式一中的L，L0，L1，L2參數(shù)，PSD的電壓數(shù)據(jù)與實(shí)際距離的系數(shù)比，激光入射到PSD表面的角度等參數(shù)都在這一區(qū)域內(nèi)設(shè)置，一次設(shè)置完畢后軟件自動(dòng)保存。

4 系統(tǒng)的分辨率

該測(cè)量系統(tǒng)精度主要取決于PSD讀數(shù)精度，PSD原廣精度為<0.5 μm，參考光光程實(shí)際尺寸為1.35 m，即最小分辨率為0.5/1.35=0.37 μm ad。但在實(shí)際使用中，背景噪聲等都會(huì)影響精度。在最優(yōu)化狀態(tài)下，經(jīng)過數(shù)次測(cè)量，取其中背景抖動(dòng)最強(qiáng)烈的一次結(jié)果作為系統(tǒng)自身誤差，約為0.8 μrad，當(dāng)前任何一款調(diào)整架的漂移量都大于這分辨率若干倍，因此該系統(tǒng)用于檢測(cè)調(diào)整架的穩(wěn)定性是切實(shí)可行的。

5 結(jié)語

該文建立了一種基于PSD的光學(xué)調(diào)整架穩(wěn)定性檢測(cè)裝置，抗環(huán)境干擾能力較強(qiáng)，使用方便，用程序?qū)μ綔y(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，可以直接輸出調(diào)整架精細(xì)的實(shí)時(shí)漂移曲線，可導(dǎo)出數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的后續(xù)處理。軟件直觀，屆面友好，探測(cè)分辨率高（0.8μrad），形成了一套完整獨(dú)立的調(diào)整架穩(wěn)定性檢測(cè)裝置。endprint