張 朝,朱健強
中國科學院上海光學精密機械研究所高功率鐳射物理重點實驗室
摘 要
光學支架起著支撐光學系統空間位置穩定性的作用，其結構穩定性直接決定著光學效能的長期穩定性。本報告針對可調節支撐鏡架中常用的調節結構進行了改進設計，改進結構可有效提升支撐鏡架的調節穩定性和靜置穩定性。搭建了鏡架穩定性測試平臺，結果驗證了改進調節結構對鏡架結構穩定性的有效性。
一
為什麼需要光學支撐鏡架？
光學儀器要實現各項光學指標，需要進行合理地光路設計，而光學指標的維持則需要穩定的機械支撐系統。光學支撐鏡架起著支撐光學元件空間位置的作用，其結構穩定性直接影響著光學系統的穩定性。
支撐鏡架結構中，調節支撐鏡架在引入調節性的同時也引入了聯接間隙，進而引入了結構不穩定性的因素。最常見的調節形式之一是螺紋微調結構。目前，提升結構的穩定性主要從材料的穩定性和結構設計方面來實現。由於調節機制所引入的不穩定性，主要表現在提升螺紋配合的調節精度以及新增鎖緊結構。而針對螺紋調節機制本身存在的不穩定性則研究較少。針對該方向，筆者從功能上進行拆解，新增精密滑動配合替代耦合在螺紋配合中的軸孔導向功能，來提升結構的穩定性。下面筆者搭建了鏡架穩定性對比測試平臺來驗證結構的有效性。
二
如何改進設計光學支撐鏡架結構？
1
結構改進設計
圖1所示為光學系統中常見的調節光學支撐鏡架，採用6個球面點接觸實現光學件的完全自由度約束。其中，螺紋微調結構是目前常見的調節結構，該結構採用螺紋配合，透過驅動調節絲桿，實現絲桿尖端的精密軸向進給。為了實現調節的順暢性，通常在螺紋配合表面塗抹一定量的潤滑脂。由於螺紋配合本身存在的配合徑向間隙以及加工誤差所引入的直線度誤差，導致絲桿相對螺母進行驅動時存在產生微量的傾斜擾動，直接影響著調節結構的驅動穩定性。此外，較大的徑向間隙下，潤滑脂的緩慢蠕動也會改變絲桿相對螺母的位置，進而影響支撐鏡架的結構穩定性。
圖1 光學支撐鏡架及常見的螺紋微調結構
基於此，筆者對螺紋微調結構進行了功能拆解並重組。螺紋微調結構中的螺紋配合起著驅動與導向功能，螺紋配合所耦合的軸孔配合起導向作用，螺紋配合起驅動作用。採用精密滑動配合替換軸孔配合，並與螺紋配合結構進行獨立設計，形成本文所提出的改進螺紋微調結構，如圖2所示。
圖2 螺紋微調結構功能拆解並重組
改進螺紋微調結構包含把手、螺母、導向杆和螺栓。螺母內孔面為精密滑動面，與導向杆的精密軸面進行精密滑動配合。螺母外螺紋與把手內螺紋進行螺紋配合。把手與導向杆透過螺栓進行固定。
改進螺紋微調結構的有效性如圖3所示。結構透過單獨加工的精密滑動配合實現精密導向，解耦原先耦合在螺紋配合中的驅動和導向功能，擺脫了較大的螺紋配合徑向間隙對導向的影響。由圖3可知，隨著徑向傾斜角誤差的減小(θ2<θ1)，軸向驅動誤差(△z2<△z1)和徑向傾斜誤差(△r2<△r1)也會相應地減小。此外，獨立的滑動配合還擺脫了螺紋配合中潤滑脂蠕動的影響，提升了結構的位置穩定性。
圖3 螺紋微調結構中徑向間隙的影響分析
2
實驗驗證結果
利用圖1中的光學支撐鏡架分別對兩種螺紋微調結構（改進與常用結構）進行了實驗驗證，包括驅動穩定性測試和位置穩定性測試。支撐鏡架只在圖1中的位置1安裝螺紋微調結構，位置2和位置3採用鋼珠替代。
圖4為安裝不同螺紋微調結構的光學支撐鏡架。驅動螺紋微調結構將調節鏡架pitch（繞x軸的旋轉）角位置。本文的評價指標為支撐鏡架在兩維方向的角漂移，即yaw（繞y軸的旋轉）和pitch（繞x軸的旋轉）值。
圖4 安裝不同螺紋微調結構的光學支撐結構。（a）常用結構；（b）改進結構
1） 驅動穩定性測試
驅動穩定性測試，對比不同螺紋微調結構的驅動穩定性差異，表現為驅動調節絲桿時對支撐鏡架的兩維傾角的影響。所搭建的驅動測試平臺，直接採用自準直儀對準測試鏡架進行測試。驅動螺紋微調結構做往復運動，測試鏡架俯仰方位也產生往復調節，經測試鏡架所反射的光斑在自準直儀CCD上也發生往復變化，實時記錄光斑位置並轉換為鏡架的角位置。
圖5所示為驅動測試中支撐鏡架在兩維方向上的角位置變化。可以看出隨著Pitch方位的角位置產生往復變化，yaw方位角位置也產生往復變化。該現象主要是由於反射鏡面上的光斑位置與鏡架旋轉中心不一致導致二維傾角存在串擾。為了比較兩種結構中所調節維度（pitch值）對未調節維度（yaw值）的影響，設定引數瞬時變化率ε’為ε’=dy/dx。其中，dx和dy表示角位置在x軸和y軸方向上的瞬時變化量。ε’值越小表示調節一維傾角對另一維的傾角擾動就越小，調節穩定性就越高。
圖5安裝不同微調絲桿結構下的光學調整架的瞬時變化率。（a）常用結構；（b）改進結構
圖5也繪製了調節不同螺紋微調結構對應鏡架的瞬時變化率ε’。可以看出，調節常用螺紋微調結構時，瞬時變化率ε’總存在較大的擾動（圖5a）；而調節改進結構時，ε’所產生的擾動則很小（圖5b）。實驗結果表明，改進螺紋微調結構可以有效地提升光學支撐鏡架的驅動穩定性。
2） 位置穩定性對比測試
如圖6所示，是一種穩定性對比測試方法。由鐳射器產生的鐳射束經分光鏡分為兩束後，分別經對比測試鏡架返回同一CCD，兩束光經過相同次數的折射與反射，且具有相同的光程長度。光學支撐鏡架的穩定性測試常施加熱衝擊。
圖6 穩定性對比測試光路及測試平臺
在本實驗中，採用兩個相同的加熱燈泡對兩個鏡架進行熱衝擊測試，其中加熱條件保持一致。單次熱衝擊包含熱機時間（2h），加熱時間（1h）和冷卻時間（3h）。實驗過程中，利用MATLAB軟體實時捕捉光斑視窗圖片，實驗結束後利用重心法得出光斑相對於視窗座標軸的位置。光斑在水平和豎直方向的漂移轉換為鏡架在yaw和pitch方向的角漂移。該測試方法可在同一光路中直接對不同鏡架進行穩定性測試，避免了不同時間段對單個鏡架測試所引入的環境對比誤差。
圖7所示為單次熱衝擊測試中安裝不同螺紋微調結構的支撐鏡架的角漂移曲線。在熱衝擊前後，兩種結構在pitch方向都產生較小量的漂移；在yaw方向，常用結構(61.2 μrad)相對改進結構(5.1 μrad)產生較大的漂移量。提取每次測試加熱前1h的平穩曲線資料和冷卻結束時1h的平穩資料（如圖7中的紅色陰影區域），取均值後作為鏡架單次熱衝擊前後的角位置。
圖7 兩次熱衝擊測試下不同支撐鏡架結構的角位置變化。（a）常用結構；（b）改進結構。
圖8顯示了兩種鏡架在14次熱衝擊測試中的角漂移變化情況，其中溫度為每次測試結束時的溫度值。安裝常用螺紋微調結構的支撐鏡架在pitch和yaw方向上的角漂移分別為22.8 μrad和343.9 μrad，而改進結構在兩方向上的角漂移則為26.8 μrad和18.9 μrad。兩種結構在pitch方向均產生輕微的角漂移，但在yaw方向改進結構則產生很小的角漂移。實驗結果驗證了改進螺紋微調結構對光學支撐鏡架徑向偏擺穩定性的提升。
圖8 不同支撐鏡架結構的角漂移。（a）常用結構；（b）改進結構
改善螺紋微調結構內部徑向間隙的同時，也改善了結構的軸向間隙，為了觀察改進螺紋微調結構對支撐鏡架結構的軸向穩定性影響，將原先的兩維調節支撐鏡架修改為一維調節支撐鏡架。如圖9所示，採用滾針結構替代原先的兩個鋼珠結構，剔除不同位置的鋼珠可能引入的擾動，同時為了擺脫pitch方向可能存在重力對測試的干擾，將螺紋微調結構佈置於調節光學支撐鏡架水平方位的位置。調節絲桿將調節鏡架的yaw位移。
圖9 改進光學支撐鏡架結構。（a）改進結構；（b）常用結構
再次搭建對比穩定性光路，測試兩種鏡架的穩定性。實驗結果如圖10所示。在15次熱衝擊測試中，常用結構在pitch和yaw方向上的最大角漂移分別為175 μrad和92 μrad，而改進結構在兩方向上的最大角漂移則為73.6 μrad和47.3 μrad。同時，兩種結構在yaw方向具有相同的變化趨勢，但改進結構表現出更優異的軸向穩定性。結果驗證了改進螺紋微調結構對光學支撐鏡架的軸向穩定性的有效性。
圖10 不同支撐鏡架結構的軸向穩定性測試。（a）改進結構；（b）常用結構
三
結 語
針對光學系統中的光學調節支撐鏡架所引入的不穩定性，尤其是支撐結構內部的螺紋微調結構可能引入的不穩定性，筆者對此進行了改進設計。所設計的改進螺紋微調結構，透過新增精密滑動配合替代了耦合在螺紋配合中的導向功能，擺脫了螺紋配合中較大徑向間隙對導向精度的影響，同時擺脫了螺紋配合中潤滑脂蠕動對結構徑向穩定性的影響。該螺紋微調結構可廣泛應用於需進行精密角度調整的結構中。
作者介紹
張朝，中國科學院上海光學精密機械研究所高功率鐳射物理重點實驗室，博士後
朱健強，中國科學院上海光學精密機械研究所高功率鐳射物理重點實驗室，室主任/研究員
