光學調整架穩定性檢測裝置的研制

顏石

摘 要：該文提出了一種測量光學調整架穩定性的檢測方法，建立了整套的測量裝置。該裝置可對所有能夠安裝光學鏡片的調整架的穩定性進行檢測，檢測精度高，測試時間長，使用簡單，造價低廉。為國內該領域填補了空白。

關鍵詞：光學調整架 穩定性 檢測

中圖分類號：TH204 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）06（a）-0091-02

隨著激光技術的發展，激光系統也日益復雜，其主要組成部分光學元件的種類與數量都有大幅度的增長。在復雜的激光系統中，光學元件的穩定性對整體系統有非常重要的意義。由于光學元件是安裝在各種光學調整架上的，因此調整架的長期穩定性直接決定了激光系統的穩定性。該文我們提出了一種簡易的測量調整架穩定性的方式，并研制成裝置，使用更加方便，編制了程序可自動對數據進行記錄和計算。

1 調整架穩定性檢測裝置簡介

將一束激光打在安裝有鏡片的光學調整架上，鏡片將激光反射回光電位置探測器（PSD）表面，軟件自動記錄坐標并經過簡單計算就可以獲得調整架在X和Y方向上的漂移數據。

2 調整架穩定性檢測裝置硬件構成

該測量裝置的核心硬件是激光器，PSD，反射鏡，選光器和相應的控制電路。該裝置使用的激光光源選用小于5 mW的He-Ne激光。NEWFOCUS公司生產的M2931型PSD，關鍵參數為：

光電探測器面積：9 mm×9 mm

位置分辨率：<0.5 μm

數字信號輸出：USB2.0

該測量系統中的除電路控制器之外的全部硬件，全部安裝在的光學平板上，系統外部再以鐵制外殼封裝，外殼預留出走線孔和出光、進光孔，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。系統結構如圖1。

一個半透半反的分束鏡將激光分成2束，一束透射至待測鏡架并反射到PSD表面，稱之為目標光，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。將分束鏡至待測鏡架和PSD的兩束光光程分別命名為L2和Ll，待測鏡架至PSD的光程為L。

由于目標光和參考光是同時入射到PSD表面的，為了分別測量，需要增加一個電路控制的選光器，分別對二束光進行遮擋測量，再由軟件對二束光的坐標位置進行分別記錄和計算。

引入描述系統漂移的兩個參數，設激光器自身的角度漂移為β，待測鏡架的角度漂移為α。為簡單起見，僅以β和α代替X或者Y其中一維的漂移角。需進行計算的，即為從PSD的數據輸出中消除掉β，求出α就可以獲得調整架漂移量，鏡架漂移計算如公式一：

αx=（ΔX/2L）-[（L+L0+L2） Δx]/[2L（L1+L0）]

αy=（ΔY/2L）-[（L+L0+L2） Δy]/[2L（LI+L0）]

軟件會分別從PSD讀取Δx（Δy）和ΔX（ΔY），再測量出L，L0和L2的實際尺寸，再經過軟件計算就可以獲得調整架漂移角度的數據。

在實際系統中，為了獲得較高分辨率，PSD距離激光器和待測調整架都需較長。調整架放置于該測量系統外部，距離不受限制，激光器放置于系統內部，以當前最穩定的方式，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上，鏡臺與光學平板以M6螺釘緊壓固定。經測量，此種反射鏡固定方式的穩定性非常優異，不會對測量精度造成影響。為了加長距離，在系統內以反射鏡進行若干次反射，再入射至PSD表面。

3 調整架穩定性檢測裝置軟件構成

計算機與電控制器以RS232端口相連，RS232端口用于向程序發送指令判斷當前測量的為哪一束光，與PSD以USB2.0端口相連接。程序以VB語言編譯，運行過程如下：

接通電源后，電控制器每隔4.8 s（可調）發送一個電信號，對選光器進行順（逆）時針的旋轉，分別遮擋二束光路，同時也對程序發送信號，標稱當前允許通過的是目標光或是參考光，程序將記錄坐標數據，采樣率為10組坐標/秒，在第一個4.8 s的時間范圍內，假設允許通過的是目標光，由于選光器旋轉需要一定的時間，因此程序以中間的3秒所記錄的為準確數據，將這30組坐標取平均值，可以獲得在第一個4.8秒內目標光的平均坐標，程序將這一坐標記錄入“目標光”數據庫，并定之為ΔX（ΔY）。

第一個4.8 s結束后，電控制器發送信號至選光器，選光器遮擋目標光，在記錄中間30組參考光的坐標值并取平均后，程序將這坐標記錄入“參考光”數據庫，定之為Δx（Δy）。程序將按上述公式一對這二個坐標進行計算，最終可獲得在9.6 s內調整架的實時漂移量。在第一個完整的9.6 s內，計算出來的漂移量為（x0，y0），之后的坐標為（xi，yi）（0≤i），程序將每一個坐標顯示值定義為（xi-x0，yi-y0），即，程序將第一個坐標值定義為（0，0）點XY坐標原點，如此每一個坐標值的示數，都是自測試開始起調整架的漂移量。

軟件界面里，左上方為“參考光”和“目標光”光斑位置顯示區，便于測前調節。下方紅綠燈為系統測試時當前允許通過的光路顯示。界面左下方為漂移量的輸出曲線。該區域橫坐標為時間軸，單位為分（min）。縱坐標為漂移量，單位為微弧度（μrad）。當橫縱坐標超出范圍時坐標將自動調整。

調整架的X與Y方向的漂移角度同時顯示在該坐標中自動繪成調整架的實時漂移曲線。下方的按鈕可分別只顯示X、Y已及XY方向漂移量與時間的曲線。Offset X和Offset Y以數據方式直接顯示當時X和Y的漂移量，MaX Offset X和Max Offset Y顯示在整個測量過程中X和Y的最大漂移量，RunningTime為測量時間。打靶精度用于整體評價該款調整架的穩定性。“Save Data as*.xls”按鈕用于將測量結果以Excal數據導出，方便對數據進行進一步的分析。

界面右上方為端口設置區為RS232端口和USB的參數設置，右下方參數設置區用于手動輸入上述公式一中的L，L0，L1，L2參數，PSD的電壓數據與實際距離的系數比，激光入射到PSD表面的角度等參數都在這一區域內設置，一次設置完畢后軟件自動保存。

4 系統的分辨率

該測量系統精度主要取決于PSD讀數精度，PSD原廣精度為<0.5 μm，參考光光程實際尺寸為1.35 m，即最小分辨率為0.5/1.35=0.37 μm ad。但在實際使用中，背景噪聲等都會影響精度。在最優化狀態下，經過數次測量，取其中背景抖動最強烈的一次結果作為系統自身誤差，約為0.8 μrad，當前任何一款調整架的漂移量都大于這分辨率若干倍，因此該系統用于檢測調整架的穩定性是切實可行的。

5 結語

該文建立了一種基于PSD的光學調整架穩定性檢測裝置，抗環境干擾能力較強，使用方便，用程序對探測的數據進行計算，可以直接輸出調整架精細的實時漂移曲線，可導出數據進行進一步的后續處理。軟件直觀，屆面友好，探測分辨率高（0.8μrad），形成了一套完整獨立的調整架穩定性檢測裝置。endprint

摘 要：該文提出了一種測量光學調整架穩定性的檢測方法，建立了整套的測量裝置。該裝置可對所有能夠安裝光學鏡片的調整架的穩定性進行檢測，檢測精度高，測試時間長，使用簡單，造價低廉。為國內該領域填補了空白。

關鍵詞：光學調整架 穩定性 檢測

中圖分類號：TH204 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）06（a）-0091-02

隨著激光技術的發展，激光系統也日益復雜，其主要組成部分光學元件的種類與數量都有大幅度的增長。在復雜的激光系統中，光學元件的穩定性對整體系統有非常重要的意義。由于光學元件是安裝在各種光學調整架上的，因此調整架的長期穩定性直接決定了激光系統的穩定性。該文我們提出了一種簡易的測量調整架穩定性的方式，并研制成裝置，使用更加方便，編制了程序可自動對數據進行記錄和計算。

1 調整架穩定性檢測裝置簡介

將一束激光打在安裝有鏡片的光學調整架上，鏡片將激光反射回光電位置探測器（PSD）表面，軟件自動記錄坐標并經過簡單計算就可以獲得調整架在X和Y方向上的漂移數據。

2 調整架穩定性檢測裝置硬件構成

該測量裝置的核心硬件是激光器，PSD，反射鏡，選光器和相應的控制電路。該裝置使用的激光光源選用小于5 mW的He-Ne激光。NEWFOCUS公司生產的M2931型PSD，關鍵參數為：

光電探測器面積：9 mm×9 mm

位置分辨率：<0.5 μm

數字信號輸出：USB2.0

該測量系統中的除電路控制器之外的全部硬件，全部安裝在的光學平板上，系統外部再以鐵制外殼封裝，外殼預留出走線孔和出光、進光孔，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。系統結構如圖1。

一個半透半反的分束鏡將激光分成2束，一束透射至待測鏡架并反射到PSD表面，稱之為目標光，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。將分束鏡至待測鏡架和PSD的兩束光光程分別命名為L2和Ll，待測鏡架至PSD的光程為L。

由于目標光和參考光是同時入射到PSD表面的，為了分別測量，需要增加一個電路控制的選光器，分別對二束光進行遮擋測量，再由軟件對二束光的坐標位置進行分別記錄和計算。

引入描述系統漂移的兩個參數，設激光器自身的角度漂移為β，待測鏡架的角度漂移為α。為簡單起見，僅以β和α代替X或者Y其中一維的漂移角。需進行計算的，即為從PSD的數據輸出中消除掉β，求出α就可以獲得調整架漂移量，鏡架漂移計算如公式一：

αx=（ΔX/2L）-[（L+L0+L2） Δx]/[2L（L1+L0）]

αy=（ΔY/2L）-[（L+L0+L2） Δy]/[2L（LI+L0）]

軟件會分別從PSD讀取Δx（Δy）和ΔX（ΔY），再測量出L，L0和L2的實際尺寸，再經過軟件計算就可以獲得調整架漂移角度的數據。

在實際系統中，為了獲得較高分辨率，PSD距離激光器和待測調整架都需較長。調整架放置于該測量系統外部，距離不受限制，激光器放置于系統內部，以當前最穩定的方式，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上，鏡臺與光學平板以M6螺釘緊壓固定。經測量，此種反射鏡固定方式的穩定性非常優異，不會對測量精度造成影響。為了加長距離，在系統內以反射鏡進行若干次反射，再入射至PSD表面。

3 調整架穩定性檢測裝置軟件構成

計算機與電控制器以RS232端口相連，RS232端口用于向程序發送指令判斷當前測量的為哪一束光，與PSD以USB2.0端口相連接。程序以VB語言編譯，運行過程如下：

接通電源后，電控制器每隔4.8 s（可調）發送一個電信號，對選光器進行順（逆）時針的旋轉，分別遮擋二束光路，同時也對程序發送信號，標稱當前允許通過的是目標光或是參考光，程序將記錄坐標數據，采樣率為10組坐標/秒，在第一個4.8 s的時間范圍內，假設允許通過的是目標光，由于選光器旋轉需要一定的時間，因此程序以中間的3秒所記錄的為準確數據，將這30組坐標取平均值，可以獲得在第一個4.8秒內目標光的平均坐標，程序將這一坐標記錄入“目標光”數據庫，并定之為ΔX（ΔY）。

第一個4.8 s結束后，電控制器發送信號至選光器，選光器遮擋目標光，在記錄中間30組參考光的坐標值并取平均后，程序將這坐標記錄入“參考光”數據庫，定之為Δx（Δy）。程序將按上述公式一對這二個坐標進行計算，最終可獲得在9.6 s內調整架的實時漂移量。在第一個完整的9.6 s內，計算出來的漂移量為（x0，y0），之后的坐標為（xi，yi）（0≤i），程序將每一個坐標顯示值定義為（xi-x0，yi-y0），即，程序將第一個坐標值定義為（0，0）點XY坐標原點，如此每一個坐標值的示數，都是自測試開始起調整架的漂移量。

軟件界面里，左上方為“參考光”和“目標光”光斑位置顯示區，便于測前調節。下方紅綠燈為系統測試時當前允許通過的光路顯示。界面左下方為漂移量的輸出曲線。該區域橫坐標為時間軸，單位為分（min）。縱坐標為漂移量，單位為微弧度（μrad）。當橫縱坐標超出范圍時坐標將自動調整。

調整架的X與Y方向的漂移角度同時顯示在該坐標中自動繪成調整架的實時漂移曲線。下方的按鈕可分別只顯示X、Y已及XY方向漂移量與時間的曲線。Offset X和Offset Y以數據方式直接顯示當時X和Y的漂移量，MaX Offset X和Max Offset Y顯示在整個測量過程中X和Y的最大漂移量，RunningTime為測量時間。打靶精度用于整體評價該款調整架的穩定性。“Save Data as*.xls”按鈕用于將測量結果以Excal數據導出，方便對數據進行進一步的分析。

界面右上方為端口設置區為RS232端口和USB的參數設置，右下方參數設置區用于手動輸入上述公式一中的L，L0，L1，L2參數，PSD的電壓數據與實際距離的系數比，激光入射到PSD表面的角度等參數都在這一區域內設置，一次設置完畢后軟件自動保存。

4 系統的分辨率

該測量系統精度主要取決于PSD讀數精度，PSD原廣精度為<0.5 μm，參考光光程實際尺寸為1.35 m，即最小分辨率為0.5/1.35=0.37 μm ad。但在實際使用中，背景噪聲等都會影響精度。在最優化狀態下，經過數次測量，取其中背景抖動最強烈的一次結果作為系統自身誤差，約為0.8 μrad，當前任何一款調整架的漂移量都大于這分辨率若干倍，因此該系統用于檢測調整架的穩定性是切實可行的。

5 結語

該文建立了一種基于PSD的光學調整架穩定性檢測裝置，抗環境干擾能力較強，使用方便，用程序對探測的數據進行計算，可以直接輸出調整架精細的實時漂移曲線，可導出數據進行進一步的后續處理。軟件直觀，屆面友好，探測分辨率高（0.8μrad），形成了一套完整獨立的調整架穩定性檢測裝置。endprint

摘 要：該文提出了一種測量光學調整架穩定性的檢測方法，建立了整套的測量裝置。該裝置可對所有能夠安裝光學鏡片的調整架的穩定性進行檢測，檢測精度高，測試時間長，使用簡單，造價低廉。為國內該領域填補了空白。

關鍵詞：光學調整架 穩定性 檢測

中圖分類號：TH204 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）06（a）-0091-02

隨著激光技術的發展，激光系統也日益復雜，其主要組成部分光學元件的種類與數量都有大幅度的增長。在復雜的激光系統中，光學元件的穩定性對整體系統有非常重要的意義。由于光學元件是安裝在各種光學調整架上的，因此調整架的長期穩定性直接決定了激光系統的穩定性。該文我們提出了一種簡易的測量調整架穩定性的方式，并研制成裝置，使用更加方便，編制了程序可自動對數據進行記錄和計算。

1 調整架穩定性檢測裝置簡介

將一束激光打在安裝有鏡片的光學調整架上，鏡片將激光反射回光電位置探測器（PSD）表面，軟件自動記錄坐標并經過簡單計算就可以獲得調整架在X和Y方向上的漂移數據。

2 調整架穩定性檢測裝置硬件構成

該測量裝置的核心硬件是激光器，PSD，反射鏡，選光器和相應的控制電路。該裝置使用的激光光源選用小于5 mW的He-Ne激光。NEWFOCUS公司生產的M2931型PSD，關鍵參數為：

光電探測器面積：9 mm×9 mm

位置分辨率：<0.5 μm

數字信號輸出：USB2.0

該測量系統中的除電路控制器之外的全部硬件，全部安裝在的光學平板上，系統外部再以鐵制外殼封裝，外殼預留出走線孔和出光、進光孔，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。系統結構如圖1。

一個半透半反的分束鏡將激光分成2束，一束透射至待測鏡架并反射到PSD表面，稱之為目標光，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。將分束鏡至待測鏡架和PSD的兩束光光程分別命名為L2和Ll，待測鏡架至PSD的光程為L。

由于目標光和參考光是同時入射到PSD表面的，為了分別測量，需要增加一個電路控制的選光器，分別對二束光進行遮擋測量，再由軟件對二束光的坐標位置進行分別記錄和計算。

引入描述系統漂移的兩個參數，設激光器自身的角度漂移為β，待測鏡架的角度漂移為α。為簡單起見，僅以β和α代替X或者Y其中一維的漂移角。需進行計算的，即為從PSD的數據輸出中消除掉β，求出α就可以獲得調整架漂移量，鏡架漂移計算如公式一：

αx=（ΔX/2L）-[（L+L0+L2） Δx]/[2L（L1+L0）]

αy=（ΔY/2L）-[（L+L0+L2） Δy]/[2L（LI+L0）]

軟件會分別從PSD讀取Δx（Δy）和ΔX（ΔY），再測量出L，L0和L2的實際尺寸，再經過軟件計算就可以獲得調整架漂移角度的數據。

在實際系統中，為了獲得較高分辨率，PSD距離激光器和待測調整架都需較長。調整架放置于該測量系統外部，距離不受限制，激光器放置于系統內部，以當前最穩定的方式，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上，鏡臺與光學平板以M6螺釘緊壓固定。經測量，此種反射鏡固定方式的穩定性非常優異，不會對測量精度造成影響。為了加長距離，在系統內以反射鏡進行若干次反射，再入射至PSD表面。

3 調整架穩定性檢測裝置軟件構成

計算機與電控制器以RS232端口相連，RS232端口用于向程序發送指令判斷當前測量的為哪一束光，與PSD以USB2.0端口相連接。程序以VB語言編譯，運行過程如下：

接通電源后，電控制器每隔4.8 s（可調）發送一個電信號，對選光器進行順（逆）時針的旋轉，分別遮擋二束光路，同時也對程序發送信號，標稱當前允許通過的是目標光或是參考光，程序將記錄坐標數據，采樣率為10組坐標/秒，在第一個4.8 s的時間范圍內，假設允許通過的是目標光，由于選光器旋轉需要一定的時間，因此程序以中間的3秒所記錄的為準確數據，將這30組坐標取平均值，可以獲得在第一個4.8秒內目標光的平均坐標，程序將這一坐標記錄入“目標光”數據庫，并定之為ΔX（ΔY）。

第一個4.8 s結束后，電控制器發送信號至選光器，選光器遮擋目標光，在記錄中間30組參考光的坐標值并取平均后，程序將這坐標記錄入“參考光”數據庫，定之為Δx（Δy）。程序將按上述公式一對這二個坐標進行計算，最終可獲得在9.6 s內調整架的實時漂移量。在第一個完整的9.6 s內，計算出來的漂移量為（x0，y0），之后的坐標為（xi，yi）（0≤i），程序將每一個坐標顯示值定義為（xi-x0，yi-y0），即，程序將第一個坐標值定義為（0，0）點XY坐標原點，如此每一個坐標值的示數，都是自測試開始起調整架的漂移量。

軟件界面里，左上方為“參考光”和“目標光”光斑位置顯示區，便于測前調節。下方紅綠燈為系統測試時當前允許通過的光路顯示。界面左下方為漂移量的輸出曲線。該區域橫坐標為時間軸，單位為分（min）。縱坐標為漂移量，單位為微弧度（μrad）。當橫縱坐標超出范圍時坐標將自動調整。

調整架的X與Y方向的漂移角度同時顯示在該坐標中自動繪成調整架的實時漂移曲線。下方的按鈕可分別只顯示X、Y已及XY方向漂移量與時間的曲線。Offset X和Offset Y以數據方式直接顯示當時X和Y的漂移量，MaX Offset X和Max Offset Y顯示在整個測量過程中X和Y的最大漂移量，RunningTime為測量時間。打靶精度用于整體評價該款調整架的穩定性。“Save Data as*.xls”按鈕用于將測量結果以Excal數據導出，方便對數據進行進一步的分析。

界面右上方為端口設置區為RS232端口和USB的參數設置，右下方參數設置區用于手動輸入上述公式一中的L，L0，L1，L2參數，PSD的電壓數據與實際距離的系數比，激光入射到PSD表面的角度等參數都在這一區域內設置，一次設置完畢后軟件自動保存。

4 系統的分辨率

該測量系統精度主要取決于PSD讀數精度，PSD原廣精度為<0.5 μm，參考光光程實際尺寸為1.35 m，即最小分辨率為0.5/1.35=0.37 μm ad。但在實際使用中，背景噪聲等都會影響精度。在最優化狀態下，經過數次測量，取其中背景抖動最強烈的一次結果作為系統自身誤差，約為0.8 μrad，當前任何一款調整架的漂移量都大于這分辨率若干倍，因此該系統用于檢測調整架的穩定性是切實可行的。

5 結語

該文建立了一種基于PSD的光學調整架穩定性檢測裝置，抗環境干擾能力較強，使用方便，用程序對探測的數據進行計算，可以直接輸出調整架精細的實時漂移曲線，可導出數據進行進一步的后續處理。軟件直觀，屆面友好，探測分辨率高（0.8μrad），形成了一套完整獨立的調整架穩定性檢測裝置。endprint