专利名称：动反射镜激光瞄准装置、动反射镜靶面传感器及其激光瞄准方法
技术领域：
本发明涉及到一种用于对多束激光进行瞄准操作的装置，特别涉及一种动反射镜激光瞄准装置、动反射镜靶面传感器及其激光瞄准方法。
背景技术：
引导多束激光进行精确瞄准的技术可应用于高端制造检测工业领域，也可用于引导多束激光对微小目标的瞄准的其他特殊应用领域。在上述应用中，需要使用专用的激光瞄准装置将数百路激光束同时引导到几个毫米左右的指定目标区域内，进而由数百路激光束对目标进行烧蚀。通常，将引导激光瞄准目标靶的过程简称为束靶耦合过程，将由这种激光瞄准装置形成的用于引导多束激光瞄准目标的专用传感器称为靶面传感器。传统的靶面传感器通过采用共轭反射形式避免了激光直接照射到目标靶上产生的变形和散射问题，在一定程度上解决了激光对目标靶的瞄准问题，使得束靶耦合精度得到一定程度的提高。但是对于数百路的激光束并行引导的打靶过程，该靶面传感器却存在着反馈光斑之间彼此混叠、相互干扰的缺陷，导致无法同时形成对每束入射激光的精确反馈。因此，只能采用单束激光依次引导打靶的方式来克服该缺陷。但是，这又存在引导过程耗时繁琐的问题。并且，在长时间的引导过程中，由于激光束随时间的漂移和系统自身的理化特性变化，使得原本已经瞄准的激光束随着时间的推移，又偏离了目标靶。结果，为了提高瞄准精度而延长调节时间，而延长时间又加剧了设备漂移对精度的影响，导致整个束靶耦合过程顾此失彼，形成恶性循环。因此，在束靶耦合问题上，传统的靶面传感器一直难以在精度和效率方面取得一个均衡。此外，传统的靶面传感器只能获取激光瞄准点的屏幕位置信息，而无法精确获取激光入射的角度等空间信息，也无法控制激光在靶腔内部的分布，进而无法实现激光能量在靶腔内的分布优化。
发明内容
本发明的目的是提供一种动反射镜激光瞄准装置以及由该装置构成的动反射镜靶面传感器，通过在所述动反射镜激光瞄准装置中提供一套动反射镜系统驱动反射镜进行小范围高精度的平动，进而实现了激光对目标靶的快速精确瞄准，解决了光斑混叠现象，节约了瞄准时间，提高了打靶精度。根据本发明的第一个方面，提供了一种动反射镜激光瞄准装置，所述装置包括图像采集装置，用于采集入射到其上的光线以形成图像；动反射镜，用于将多个激光器发射的激光反射到该图像采集装置上；透镜，其设置在目标靶和所述图像采集装置之间，用于将该目标靶的图像透射到所述图像采集装置上；其中，所述动反射镜可沿着垂直于所述图像采集装置的方向相对于该图像采集装置作直线运动。
其中，通过一伺服驱动系统来驱动所述动反射镜运动。可选的，所述伺服驱动系统包括一伺服电机和一传动装置，所述传动装置将所述伺服电机输出的旋转运动转化为直线运动，以控制所述动反射镜沿直线运动。可选的，所述伺服驱动系统包括一手动装置和一传动装置，所述传动装置将所述手动装置输出的旋转运动转化为直线运动，以控制所述动反射镜沿直线运动。可选的，所述伺服驱动系统还可以采用磁致伸缩、压电陶瓷、直线电机、气动方式或液压方式的其中之一来驱动所述动反射镜的直线运动。可选的，所述传动装置可以采用蜗轮蜗杆或伞齿轮对配合滚珠丝杠实现传动，也可以采用楔形块对实现传动。其中，所述动反射镜可通过滑动装置或滚动装置作直线运动。可选的，所述伺服驱动系统还包括长度传感器，其用于检测所述动反射镜的运动位置并提供反馈信号，以实现对该动反射镜的闭环控制。根据本发明的第二个方面，还提供了一种动反射镜靶面传感器，该动反射镜靶面传感器包括由前述动反射镜激光瞄准装置构成的第一激光瞄准装置；由前述动反射镜激光瞄准装置构成的第二激光瞄准装置，所述第一激光瞄准装置和第二激光瞄准装置以目标靶为中心对称设置；中部视觉检测系统，用于实现对目标靶的径向调焦成像；差动调焦系统，用于实现对目标靶进行轴向调焦成像。所述差动调焦系统具有一旋向相反的差动丝杠，用于控制所述第一激光瞄准装置和第二激光瞄准装置相对于所述目标靶的轴向调焦。所述中部视觉检测系统包括图像采集装置和透镜。根据本发明的第三个方面，还提供了一种激光瞄准方法，该方法利用本发明的第一方面的动反射镜激光瞄准装置进行操作，其包括下述步骤调定目标靶的位置，使得动反射镜处于共轭位置，记录目标靶在图像采集装置上成像的位置作为目标位置①；将动反射镜从共轭位置向图像采集装置的方向移动到第一位置，使激光在图像采集装置上成像到② 点；将动反射镜向图像采集装置的方向继续移动到第二位置，使激光在图像采集装置上成像到③点；将激光偏航任意角度α，使其在图像采集装置上成像到④点；将动反射镜向远离图像采集装置的方向移动到第三位置，使激光在图像采集装置上成像到⑤点；在图像采集装置上确定线段④⑤与线段②③的延长线的汇交点⑥；将激光摆动角度β，使得激光在图像采集装置上成像到点①⑥所在直线上的⑦点；将动反射镜向远离图像采集装置的方向移动到共轭位置，使激光在图像采集装置上成像到⑧点；将动反射镜向图像采集装置的方向移动返回到所述第三位置，使激光再次成像到⑦点；在图像采集装置上确定一参考目标位置⑨点的位置，使得当激光在图像采集装置上成像到该⑨点时该激光刚好瞄准目标靶； 控制激光俯仰角摆动，使得激光在图像采集装置上的成像点沿①⑥所在直线运动到⑨点； 将动反射镜复位到共轭位置，使激光在图像采集装置上成像点汇聚到前述目标位置①点。根据本发明的第四个方面，还提供了一种激光瞄准方法，该方法利用本发明第二个方面的动反射镜靶面传感器进行操作，其包括下述步骤调定目标靶的位置，使得动反射镜处于共轭位置，记录目标靶在图像采集装置上成像的位置作为目标位置①；将动反射镜从共轭位置向图像采集装置的方向移动到第一位置，使激光在图像采集装置上成像到② 点；将动反射镜向图像采集装置的方向继续移动到第二位置，使激光在图像采集装置上成像到③点；将激光偏航任意角度α，使其在图像采集装置上成像到④点；将动反射镜向远离图像采集装置的方向移动到第三位置，使激光在图像采集装置上成像到⑤点；在图像采集装置上确定线段④⑤与线段②③的延长线的汇交点⑥；将激光摆动角度β，使得激光在图像采集装置上成像到点①⑥所在直线上的⑦点；将动反射镜向远离图像采集装置的方向移动到共轭位置，使激光在图像采集装置上成像到⑧点；将动反射镜向图像采集装置的方向移动返回到所述第三位置，使激光再次成像到⑦点；在图像采集装置上确定一参考目标位置⑨点的位置，使得当激光在图像采集装置上成像到该⑨点时该激光刚好瞄准目标靶； 控制激光俯仰角摆动，使得激光在图像采集装置上的成像点沿①⑥所在直线运动到⑨点； 将动反射镜复位到共轭位置，使激光在图像采集装置上成像点汇聚到前述目标位置①点。根据本发明的第五个方面，还提供了一种激光瞄准方法，该方法包括根据本发明第三或第四个方面所述的方法，同时对多束激光进行瞄准操作。如上所述，本发明的动反射镜激光瞄准装置及其构成的动反射镜靶面传感器采用了动反射镜技术，解决了多目标反馈图像混叠问题，实现了精确、快速引导，提高了束靶耦合引导效率。通过实施本发明，能够实现惯性约束聚变中对甚多路激光的精确引导，实现激光对目标靶的快速精确瞄准，解决了光斑混叠现象，节约了瞄准时间，提高了打靶精度。进而，在上述动反射镜系统的结构基础上，本发明提出针对动反射镜的快速束靶耦合操作方法，可以实现对甚多路激光的同时、快速的引导，减少调整时间，提高打靶效率。
图1是现有技术的靶面传感器的结构示意图；图2显示了根据本发明第一实施方式的动反射镜激光瞄准装置的结构示意图；图3是本发明的动反射镜靶面传感器的立体结构示意图；图4是本发明的动反射镜靶面传感器的结构主视图；图5是本发明的动反射镜靶面传感器的结构左视图；图6是本发明的动反射镜靶面传感器的差动调焦系统的结构示意图；图7是本发明的示例性动反射镜伺服驱动系统的结构示意图；图8是动反射镜运动与反射激光光斑的轨迹关系示意图；图9显示了基于本发明的动反射镜激光瞄准装置进行单束激光瞄准的原理图；图10显示了计算参考目标位置⑨点位置的原理图；图11显示了多束激光瞄准的中心汇聚原理图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式
并参照附图，对本发明进一步详细说明。图1是现有技术的靶面传感器的结构示意图。如图1所示，现有技术的靶面传感器主要包括上部激光瞄准装置、中部激光瞄准装置和下部激光瞄准装置。上部激光瞄准装置包括上CXD相机2、上光学镜头组1和上反射镜19，下部激光瞄准装置包括下CXD相机10、下光学镜头组11和下反射镜13，中部激光瞄准装置包括中CXD相机9和中光学镜头组16。上反射镜19和下反射镜13分别固定在上反射镜固定装置3和下反射镜固定装置14上，上CXD相机2通过上CXD相机支撑架20固定在上反射镜固定装置3上，下CXD相机10通过下CXD相机支撑架12固定在下反射镜固定装置14上，由此保证上、下部激光瞄准装置中的CXD相机(下文中简称为(XD)与反射镜之间的相对距离不变。所述上部激光瞄准装置和下部激光瞄准装置还分别包括上照明系统18和下照明系统15，用于为目标在CXD上成像提供照明。此外，所述靶面传感器还包括一套驱动系统，用于驱动所述上部激光瞄准装置和下部激光瞄准装置作差动运动。该驱动系统包括位置传感器5，用于为驱动系统提供位置反馈，保证位置控制的精度要求。传感器固定台架4，用于固定位置传感器5。控制电机8，用于输出旋转动力。传动装置7，与控制电机8耦合，用于将控制电机8输出的旋转运动传递给丝杠驱动装置6，通过丝杠驱动装置6转化为直线运动。该丝杠驱动装置6与上反射镜固定装置3、下反射镜固定装置14和传感器固定台架4固定连接，由此驱动上部激光瞄准装置、下部激光瞄准装置和位置传感器5的运动。控制电机8通过传动装置7驱动丝杠驱动装置6旋转，进而带动上部、下部激光瞄准装置差动运动，使得目标靶17的上、下端面距离上反射镜19、下反射镜13的反射面的距离，分别等于该上反射镜19、下反射镜13距离对应的上CXD相机2、下CXD相机10的距离， 从而建立了光学共轭关系。同时，还必须保证目标靶17的上、下端面能够清晰的成像到对应的上CXD相机2、下CXD相机10的像面上。可见，在现有技术的靶面传感器中，反射镜与CCD相机之间的距离是恒定不变的， 在瞄准过程中不能调节该距离。因此，现有技术的靶面传感器是基于固定式光学共轭关系， 需要通过瞄准建立准确的共轭关系，并在操作过程中保证共轭距离的恒定不变，以确保共轭关系成立。这种类型的靶面传感器存在下述缺陷。例如，对于单束激光，只能获取激光汇聚焦斑的“点”平面信息，无法精确获得入射激光光束的角度信息，因此只能调节激光在检测CCD像面上的位置，不能主动控制激光按照要求的角度入射。此外，对于多束激光同时入射的情形，会出现多个聚焦光斑在目标位置附近发生混叠的现象，并且无法准确判断各个光斑分别来自哪束激光。这样，不仅降低了瞄准的精度，而且也使得瞄准时间极大加长。而时间加长极大地提高了对各种定位机构和激光发射装置自身稳定性的要求，这样不仅导致成本的急剧上升，有些要求甚至是目前的工业水平无法解决的。随着瞄准时间的加长，各定位机构自身的漂移也在不断积累，使得对甚多束激光的瞄准就更加难上加难了。因此，有必要采取措施以实现在尽量短的时间内实现快速精确的瞄准。本发明正是基于该问题对上述现有的靶面传感器进行结构改进，同时提出了与该结构改进相对应的甚多束激光瞄准方法。第一实施方式下面介绍本发明的动反射镜激光瞄准装置的结构及其原理。图2显示了根据本发明第一实施方式的动反射镜激光瞄准装置的结构示意图。
如图2所示，所述动反射镜激光瞄准装置包括一目标靶0，多个激光器发射的多束激光照射到目标靶上，图像采集装置用于采集入射到其上的光线以形成图像，透镜设置在所述目标靶和所述图像采集装置之间，用于将所述目标靶的图像透射到所述图像采集装置上。特别的，还包括一动反射镜，其设置在所述目标靶和所述图像采集装置之间，将所述多个激光器发射的多束激光反射到该图像采集装置上以形成光斑，并且所述动反射镜可沿着垂直于所述图像采集装置的方向相对于该图像采集装置作直线运动。这里，图像采集装置优选的采用CXD相机，但本发明不限制于此。显然，任何具有图像采集功能的图像采集装置都能适用于本发明的激光瞄准装置。图2中，C⑶相机置于透镜焦距位置，目标靶0位于透镜工作距离处，可将目标靶通过透镜清晰成像到CXD上。对目标靶的位置进行调定，是要使得目标靶中心轴与透镜光轴同轴，并且使得目标靶处于透镜镜头的工作距离位置。此外，本实施方式的动反射镜的初始位置为共轭位置，即CCD与反射镜反射面的距离和目标靶0点与反射镜反射面的距离相等，dl = d2，均为目标靶到CXD距离的一半。 其中，0’点是目标靶0点在CXD上的成像。共轭原理为0点与0’点关于反射镜反射面对称，入射到0点的激光通过反射镜反射后落在0’点，反射激光到CCD的距离与到目标靶端面的距离相等，0’点和0点是共轭的。实际应用中，反射镜处于共轭位置时，只需控制激光的反射落点的位置就可以认为激光直射在其共轭点位置上，从而避免了激光直接照射对共轭点位置的目标靶的损伤，也避免了激光照射目标靶产生不确定散射变形对瞄准效果的影响。本发明中，共轭位置是指同一入射角度激光汇聚点到C⑶像面距离的二分之一位置处。如图2所示，入射激光对目标靶的瞄准等效于在CXD像面上反射激光的光斑对目标靶成像的瞄准。这种方式避免了直接将激光打在目标靶上对目标靶的预加热，也避免了激光照射目标靶产生不确定散射变形对瞄准效果的影响，便于实现激光对目标的瞄准。第二实施方式下面介绍本发明的动反射镜靶面传感器。图3是本发明的动反射镜靶面传感器的立体结构示意图。图4是本发明的动反射镜靶面传感器的结构主视图。图5是本发明的动反射镜靶面传感器的结构左视图。如图3、图4、图5所示，本发明的动反射镜靶面传感器包括第一激光瞄准装置(位于图中左侧)、第二激光瞄准装置(位于图中右侧)、中部视觉检测系统、差动调焦系统以及动反射镜伺服驱动系统。其中，第一激光瞄准装置和第二激光瞄准装置均采用具有相同结构的激光瞄准装置，以目标靶为中心对称设置。因此，下文中，所有的对称部件均以左、右命名以体现这种对称关系。左、右分别指属于第一激光瞄准装置和第二激光瞄准装置。<第一、第二激光瞄准装置>第一激光瞄准装置包括左透镜122、左反射镜123、左CXD相机121。第二激光瞄准装置包括右透镜112、右反射镜113、右CXD相机111。这里，所述左反射镜和右反射镜均为可运动式反射镜，其可以相对于CCD作直线运动。第一、第二激光瞄准装置的上述各部件的轴线重合，构成本发明的动反射镜靶面传感器的轴线。所述左、右反射镜123、113用于将入射激光反射到其对应的C⑶像敏面上。如图 4、图5所示，右反射镜113通过4个右反射镜固定块214固定在右反射镜运动基座215，左反射镜123同样通过4个左反射镜固定块2M固定在左反射镜运动基座225，由此保持反射镜和反射镜运动基座之间位置相对固定。在本发明的实施例中，所述反射镜优选的是环形激光反射镜，但不限制于此，其他能够反射激光的反射镜也能适用于本发明。左、右透镜122、112用于将被测的目标靶图像透射到对应的CXD像敏面上。如图 4所示，右透镜112安装在右系统固定基座216的镜头孔内，左透镜122安装在左系统固定基座2 导向柱内的镜头孔中。这样，在系统组装调试过程中，透镜镜头组可以在固定基座 216,226内前后运动，使得透镜能够相对于CXD平动，通过位置变化来改变镜头组成像的工作距离，保证了组装调试的灵活性。左、右C⑶相机121、111用于采集反射镜反射的激光和目标靶通过透镜所成的像。右CXD相机111安装在右相机连接块213上，通过4条右连接筋肋212将右相机连接块213和右系统固定基座216连接在一起。类似的，对称的设置有左连接筋肋222、左相机连接块223、左系统固定基座2 和左CXD相机121。这样，通过连接筋肋将相机连接块安装在安装基座上，再将相机与相机连接块连接，由此实现将CXD相机固定在安装基座上。 CCD相机和相机连接块之间的间隙可调，以便于提高系统的适用性。此外，右CXD相机111和右透镜112之间为开放空间，没有镜头管连接相机和镜头。这样，经过反射镜反射的激光光束以及目标靶的图像可以无障碍的在CCD相机上同时成像。左CXD相机121与右CXD相机111对称设置，二者位置、结构和功能相同，在此不
再赘述。<中部视觉检测系统>中部视觉检测系统包括中部CXD相机131和中部透镜132。通过中部相机固定架 232将中部视觉检测系统固定在中部系统连接架231上。中部系统连接架231与中部镜头调焦微动平台33固定连接在一起。该中部镜头调焦微动平台33可选的安装在右系统固定基座216上，构成中部镜头调焦系统，其用于辅助调节目标靶的姿态以及调整与镜头的工作距离，实现中部视觉检测系统对目标靶的径向(与动反射镜靶面传感器的轴线垂直)调焦成像。<差动调焦系统>差动调焦系统34用于对目标靶进行轴向调焦成像，以控制安装在调焦平台上的左、右两侧激光瞄准装置。通过对目标靶的差动调焦，实现了左、右透镜到目标靶左、右端面的相同距离并清晰成像。图6是本发明的动反射镜靶面传感器的差动调焦系统的结构示意图。如图6所示，差动调焦系统34包括真空电机341、调焦系统基座342、滑轨343、左滑块344、直线编码器345、差动丝杠346、右滑块347。其中左滑块344固定连接安装在第一激光瞄准装置的固定基座2 上，右滑块347固定连接在第二激光瞄准装置的固定基座 216上。这里，所述例如可以采用螺栓连接方式。另外，该左滑块344、右滑块347安装在滑轨343上，并能够沿滑轨343运动。通过一旋向相反的差动丝杠346的驱动，可以实现所述左、右滑块同向和反向的差动运动，进而控制左、右两套激光瞄准装置相对于目标靶的轴向调焦，获得目标靶在CCD相机上的清晰成像。<动反射镜伺服驱动系统>
下面介绍本发明的动反射镜靶面传感器的动反射镜伺服驱动系统。在本发明的动反射镜靶面传感器中，通过在反射镜及其安装基座之间设置动反射镜伺服驱动系统，来实现上述左、右反射镜能够相对于CCD直线运动。图7是本发明的示例性动反射镜伺服驱动系统的结构示意图。所述动反射镜伺服驱动系统包括左侧伺服驱动系统和右侧伺服驱动系统，分别用于驱动左反射镜和右反射镜的运动。该左侧伺服驱动系统和右侧伺服驱动系统对称设置， 具有相同的结构和功能。现在以右侧伺服驱动系统为例介绍其结构。图7中，各部件对应的附图标记分为两组，其中上部的附图标记表示右侧伺服驱动系统的对应部件，下部括号中的附图标记表示左侧伺服驱动系统的对应部件。例如，211 表示右L型连接板，下部括号中的附图标记“(221) ”表示左L型连接板，依此类推。如图7所示，右侧伺服驱动系统包括右伺服电机311、右电机安装座312、右联轴器 313、右蜗杆314、右丝杠轴承座315、右蜗轮丝杠316、右蜗杆轴承座317、右丝杠螺母318、右滑轨运动副319、右长度传感器3110 (参见图4)。右伺服电机311安装在右电机安装座312 上，该电机通过右联轴器313与右蜗杆314连接，通过右蜗轮丝杠316将水平旋转运动转变为垂直旋转运动，并按照设计速比降低电机转速。右蜗轮丝杠316通过右丝杠螺母318将旋转运动转化为直线运动，二者构成右侧伺服驱动系统的传动装置。右L型连接板211与右丝杠螺母318和右滑轨运动副319连接，右丝杠螺母318的运动带动右L型连接板211 沿着右滑轨运动副319的滑轨做直线运动。其中，右长度传感器3110具备高精度的位置检测能力，用于检测右反射镜113的运动位置并提供一反馈信号，从而实现对反射镜的高精度闭环控制。右滑轨运动副319的滑轨安装在第二激光瞄准装置的固定基座216的导向柱上，右L型连接板211与右反射镜运动基座215固定连接。这样，通过上述伺服驱动系统可以实现对反射镜沿导轨直线运动的高精度闭环控制。如上所述，本发明优选的采用电机驱动方式作为伺服驱动系统的具体实施方式
， 即通过电动机及与其连接的传动装置，驱动反射镜沿其直线轨道滑动，实现对反射镜位置的精确控制。但是本发明不限制于此，实际上，任何其他能够提供动力输出的动力输出装置都能适用于本发明的动反射镜靶面传感器。例如，可以采用手动装置，通过手柄及其相连接的传动装置，驱动反射镜沿其直线轨道滑动，实现对反射镜位置的精确控制。又例如，还可以采用磁致伸缩、压电陶瓷、直线电机、气动方式、液压方式等其他方式实现动反射镜的直线位移精确控制。此外，蜗轮、蜗杆除了换向和减速的作用外还具有自锁功能，以避免外部负载导致的反射镜位置发生变化。如上所述，本发明的传动换向装置不限于蜗轮蜗杆与滚珠丝杠的配合，实际上，任何具有换向能力的装置都适合于本发明，例如，伞齿轮对配合滚珠丝杠或楔形块对都可以用来实现本发明的传动换向装置。第一激光瞄准装置与第二激光瞄准装置结构和工作原理完全相同，对称设置，构成左右两套具有高精密检测及位置控制的动反射镜激光瞄准装置。第一激光瞄准装置例如包括左伺服电机321、左电机安装座322、左联轴器323、左蜗杆324、左丝杠轴承座325、左蜗轮丝杠326、左蜗杆轴承座327、左丝杠螺母328、左滑轨运动副329、左长度传感器3210等。 同理，左长度传感器3210用于检测左反射镜的运动位置并提供一反馈信号，从而实现对反射镜的高精度闭环控制。本发明的实施例中，滑轨运动副319、329，固定基座216、2 和L型连接板211、 221优选的通过螺钉连接，L型连接板和左右反射镜基座215、225优选的通过螺栓固定连接，从而使安装在反射镜基座上的反射镜能够沿滑轨相对于CCD相机运动。另外，虽然示例性的采用左滑轨运动副3 和右滑轨运动副319来支持动反射镜能够以导轨滑动的方式直线运动，但本发明不限制于此。例如，还可以采用滚动(例如滚轮、滚珠等滚动装置)来对反射镜运动进行支撑和导向，使其能够按照要求的精度和速度进行平动。所述左、右长度传感器例如可以用海德汉长度计，但本发明不限制于此。左右激光瞄准装置的反射镜轴线、透镜光轴和CXD法线相互重合，并且，左右激光瞄准装置的光轴相互重合。此外，中部CXD像敏面的中心轴和中部透镜的光轴重合，并与左右激光瞄准装置的光轴垂直。左右激光瞄准装置与中部视觉检测系统的光轴处于同一平面内。如上所述，介绍了本发明的动反射镜靶面传感器的结构。在该传感器的操作过程中，放置在传感器中心点的目标靶经左、中、右激光瞄准装置分别成像在三个CXD像敏面上。由于显微物镜景深较小，为了对不同靶清晰成像，通过调焦机构进行调节。左右激光瞄准装置在轴向目标靶差动聚焦系统的驱动下，等距、等速向目标靶微动进行调焦，中部视觉检测系统随其微动的同时通过中部调焦微型运动平台进行前后运动，从而控制对靶的径向的精确调焦。进一步，在本实施方式中，在左、右两个激光瞄准装置的基础上还分别设置了一套动反射镜伺服驱动系统，通过该系统驱动反射镜沿其法线(即激光瞄准装置的光轴)相对于CCD平动(直线移动)，可以实现小范围高精度的反射镜平动。进而，能够实现惯性约束聚变中对甚多路激光的精确引导，实现激光对目标靶的快速精确瞄准，解决了光斑混叠现象，节约了瞄准时间，提高了打靶精度。第三实施方式下面介绍本发明的动反射镜激光瞄准装置的工作原理。〈动反射镜工作方式〉图8是动反射镜运动与反射激光光斑的轨迹关系示意图。如图8所示，激光从①点入射，通过反射镜反射，在CXD上成像，在CXD上方以平面图的形式显示了 C⑶上的成像结果。当反射镜沿垂直箭头方向(即朝向C⑶方向)运动时， 其在C⑶上的成像点则沿水平箭头方向(在C⑶像敏面上)运动。具体来说，当反射镜处于共轭位置时，入射激光在②点反射，并在CCD像敏面上的②点形成光斑；反射镜向CCD方向运动到位置I时，入射激光在③点反射，并在CCD像敏面上的③点形成光斑；反射镜继续向CXD方向运动到位置II时，入射激光在④点反射，并在CXD像敏面上的④点形成光斑。<基于动反射镜激光瞄准装置的激光瞄准方法>基于动反射镜激光瞄准装置的激光瞄准方法，是指基于本发明第一实施方式的动反射镜激光瞄准装置，调定多束激光的空间入射角度，使其汇聚于空间上的某一指定点。另外，根据本发明第二实施方式的动反射镜靶面传感器是基于第一实施方式的动反射镜激光瞄准装置形成的，因而本实施方式的激光瞄准方法同样也适用于该动反射镜靶面传感器。图9显示了基于本发明的动反射镜激光瞄准装置进行单束激光瞄准的原理图。
图9中，显示了单束激光通过反射镜反射到CXD上的成像情况。其中，CXD上部的平面图显示了激光在CXD上的成像光斑分布情况。本发明的单束激光的瞄准方法包括如下步骤首先，调定目标靶的位置，使得动反射镜处于共轭位置。此时，目标靶与靶面传感器同轴，并且目标靶、动反射镜和C⑶之间满足共轭反射关系。记录目标靶①'在C⑶上成像的位置作为中心位置①，该中心位置①即为激光瞄准的目标位置。下一步，将反射镜从共轭位置向C⑶方向运动位移量hi到运动位置I，此时激光在反射镜上的反射点②处反射，并在CCD上成像到②点。下一步，将反射镜继续向C⑶方向运动位移量Ii2到运动位置II，此时激光在反射镜上的反射点③处反射，并在CCD上成像到③点，此时确定经过光斑②③的反射镜的法平面，即经过光斑②③两点并与反射镜平面垂直的平面(下同)。下一步，控制激光器偏航角摆动任意小幅角度α，此时激光在反射镜上的反射点 ④处反射，并在CCD上成像到④点。这里，激光器偏航角是指激光器绕反射镜法线(即光轴)转动的角度，这种形式的转动称为偏航，该偏航经过激光发光点，绕反射镜平面法线转动。下一步，将反射镜向远离C⑶方向运动位移量t!3返回到运动位置III，此时激光在反射镜上的反射点⑤处反射，并在CCD上成像到⑤点，此时确定经过光斑④⑤的反射镜的法平面。下一步，在CCD上确定线段④⑤与线段②③的延长线的汇交点⑥，此时确定过点 ①⑥的反射镜的法平面。图9中，⑥'点是激光器的实际位置。下一步，控制激光器偏航角摆动角度β，使得激光在CCD上成像的⑦点与点①⑥ 共线，即使得激光在CCD的光斑落在点①⑥所在直线上。此时激光在反射镜上的反射点⑦ 处反射。这里，激光器做偏航角摆动的转轴例如是通过⑥'点且垂直于反射镜平面的直线。激光器围绕该转轴旋转地角度叫偏航角。下一步，将动反射镜向远离CCD方向运动返回到共轭位置，此时激光在反射镜上的反射点⑧处反射，并在CCD上成像到⑧点。如图9所示，成像点⑧点也处在点①⑥所在的直线上。下一步，将反射镜向CXD方向运动到前述位置III。此时，激光成像点返回到前述⑦点。下一步，在C⑶上确定一参考目标位置⑨点的位置，使得当激光在图像采集装置上成像到该⑨点时该激光刚好瞄准目标靶。如图9所示，参考目标位置⑨点与目标位置①点共线，①点在⑥到⑨点的延长线上。参考目标位置⑨点的作用是当激光经动反射镜反射在图像采集装置上成像点处于所述参考目标位置⑨点时，该激光束刚好瞄准目标靶所在的①‘点，即激光射向与该参考目标位置⑨点对应的动反射镜上的反射点⑨的延长线刚好通过目标靶所在的①'点。参见图10，确定所述参考目标位置⑨点的目的在于，在控制激光器俯仰角摆动使激光在CCD上成像的光斑沿①⑥所成的直线移动到CCD上的参考目标位置⑨点之后，当反射镜移动到共轭位置时，激光刚好反射到CCD上的目标位置①点(即相当于激光准确的射向共轭的目标靶①'点)，由此可以准确无误的完成中心调定。使用参考目标位置⑨点是为了解决多激光光束瞄准时，直接瞄准目标位置①点时发生的光斑混叠问题，并且用于精确瞄准。⑨点距①点越远，则多个激光束成像点之间发生混叠的可能性就越小。本发明中参考目标位置⑨点的位置是指反射镜在位置III处时，激光在C⑶上的成像点⑦点沿着①⑥直线运动到⑨点的距离T^通过下述方式计算得到图10显示了计算参考目标位置⑨点位置的原理图。如图10所示，因为，Δ⑥'⑦'⑨' Δ⑥'⑧'①'(即三角形⑥'⑦'⑨'
相似于三角形⑥'⑧'①'，下同)，所以
权利要求
1.一种动反射镜激光瞄准装置，所述装置包括 图像采集装置，用于采集入射到其上的光线以形成图像；动反射镜，用于将激光器发射的激光反射到该图像采集装置上； 透镜，其设置在目标靶和所述图像采集装置之间，用于将该目标靶的图像透射到所述图像采集装置上； 其特征在于所述动反射镜可沿着垂直于所述图像采集装置的方向相对于该图像采集装置作直线运动。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，通过一伺服驱动系统来驱动所述动反射镜运动。
3.根据权利要求2所述的装置，所述伺服驱动系统包括一伺服电机和一传动装置，所述传动装置将所述伺服电机输出的旋转运动转化为直线运动，以控制所述动反射镜沿直线运动。
4.根据权利要求2所述的装置，所述伺服驱动系统包括手动装置和传动装置，所述传动装置将所述手动装置输出的旋转运动转化为直线运动，以控制所述动反射镜沿直线运动。
5.根据权利要求2所述的装置，所述伺服驱动系统还可以采用磁致伸缩、压电陶瓷、直线电机、气动方式或液压方式的其中之一来驱动所述动反射镜的直线运动。
6.根据权利要求3或4所述的装置，所述传动装置可以采用蜗轮蜗杆或伞齿轮对配合滚珠丝杠实现传动，也可以采用楔形块对实现传动。
7.根据权利要求1-5中任一项所述的装置，其中，所述动反射镜通过滑动装置或滚动装置作直线运动。
8.根据权利要求1-5中任一项所述的装置，所述伺服驱动系统还包括长度传感器，其用于检测所述动反射镜的运动位置并提供反馈信号，以实现对该动反射镜的闭环控制。
9.一种动反射镜靶面传感器，该动反射镜靶面传感器包括由权利要求1-8中任一项所述的动反射镜激光瞄准装置构成的第一激光瞄准装置； 由权利要求1-8中任一项所述的动反射镜激光瞄准装置构成的第二激光瞄准装置，所述第一激光瞄准装置和第二激光瞄准装置以目标靶为中心对称设置； 中部视觉检测系统，用于实现对目标靶的径向调焦成像； 差动调焦系统，用于实现对目标靶进行轴向调焦成像。
10.根据权利要求9所述的动反射镜靶面传感器，其中，所述差动调焦系统具有旋向相反的差动丝杠，用于控制所述第一激光瞄准装置和第二激光瞄准装置相对于所述目标靶的轴向调焦。
11.根据权利要求9所述的动反射镜靶面传感器，其中，所述中部视觉检测系统包括图像采集装置和透镜。
12.一种激光瞄准方法，该方法利用前述权利要求1-8中任一项的动反射镜激光瞄准装置进行操作，其包括下述步骤调定目标靶的位置，使得动反射镜处于共轭位置，记录目标靶在图像采集装置上成像的位置作为目标位置①；将动反射镜从共轭位置向图像采集装置的方向移动到第一位置，使激光在图像采集装置上成像到②点；将动反射镜向图像采集装置的方向继续移动到第二位置，使激光在图像采集装置上成像到③点；将激光偏航任意角度α，使其在图像采集装置上成像到④点； 将动反射镜向远离图像采集装置的方向移动到第三位置，使激光在图像采集装置上成像到⑤点；在图像采集装置上确定线段④⑤与线段②③的延长线的汇交点⑥； 将激光摆动角度β，使得激光在图像采集装置上成像到点①⑥所在直线上的⑦点； 将动反射镜向远离图像采集装置的方向移动到共轭位置，使激光在图像采集装置上成像到⑧点；将动反射镜向图像采集装置的方向移动返回到所述第三位置，使激光再次成像到⑦点。在图像采集装置上确定一参考目标位置⑨点的位置，使得当激光在图像采集装置上成像到该⑨点时该激光刚好瞄准目标靶；控制激光俯仰角摆动，使得激光在图像采集装置上的成像点沿①⑥所在直线运动到⑨点。将动反射镜复位到共轭位置，使激光在图像采集装置上成像点汇聚到前述目标位置①点。
13. —种激光瞄准方法，该方法利用前述权利要求9-11中任一项的动反射镜靶面传感器进行操作，其包括下述步骤调定目标靶的位置，使得动反射镜处于共轭位置，记录目标靶在图像采集装置上成像的位置作为目标位置①；将动反射镜从共轭位置向图像采集装置的方向移动到第一位置，使激光在图像采集装置上成像到②点；将动反射镜向图像采集装置的方向继续移动到第二位置，使激光在图像采集装置上成像到③点；将激光偏航任意角度α，使其在图像采集装置上成像到④点； 将动反射镜向远离图像采集装置的方向移动到第三位置，使激光在图像采集装置上成像到⑤点；在图像采集装置上确定线段④⑤与线段②③的延长线的汇交点⑥； 将激光摆动角度β，使得激光在图像采集装置上成像到点①⑥所在直线上的⑦点； 将动反射镜向远离图像采集装置的方向移动到共轭位置，使激光在图像采集装置上成像到⑧点；将动反射镜向图像采集装置的方向移动返回到所述第三位置，使激光再次成像到⑦点。在图像采集装置上确定一参考目标位置⑨点的位置，使得当激光在图像采集装置上成像到该⑨点时该激光刚好瞄准目标靶；控制激光俯仰角摆动，使得激光在图像采集装置上的成像点沿①⑥所在直线运动到⑨点。将动反射镜复位到共轭位置，使激光在图像采集装置上成像点汇聚到前述目标位置①点ο
14.根据权利要求11或12所述的激光瞄准方法，其中，通过下式计算参考目标位置⑨ 点的位置！^二⑥^①其中；^表示线段⑦⑨的长度。⑤⑥， 山③
15.一种激光瞄准方法，该方法包括根据前述权利要求12-14任一项所述的方法，同时对多束激光进行瞄准操作。
全文摘要
一种动反射镜激光瞄准装置、动反射镜靶面传感器及其激光瞄准方法。所述动反射镜激光瞄准装置包括采集入射光线以形成图像的图像采集装置，将激光反射到图像采集装置上以形成光斑的动反射镜，将目标靶透射到图像采集装置上的透镜，所述动反射镜可相对于所述图像采集装置作直线运动。本发明通过提供动反射镜系统，实现动反射镜的小范围高精度的平动，进而实现激光对目标靶的快速精确瞄准，解决了光斑混叠现象，节约了瞄准时间，提高了打靶精度。
文档编号G02B23/12GK102193182SQ20111010873
公开日2011年9月21日 申请日期2011年4月28日 优先权日2011年4月28日
发明者史亚莉, 吴保林, 张文生, 张正涛, 李海鹏, 王颢星, 董秋雷, 郝银星 申请人:中国科学院自动化研究所