快速响应反射镜主动减振技术

　　0 引言

　　光学系统是一种较为精密、复杂的系统，通常工作在相对稳定的实验室环境中。随着光学系统应用领域的不断扩展， 一些复杂的光学系统逐渐从实验室走向实际应用现场， 而大部分应用现场的环境相对于实验室要恶劣得多， 在应用现场进行的光束传输实验， 不可避免地存在着附属设备的随机振动和地面的抖动， 严重影响光束的质量及光束指向的稳定性。因此，研究光学系统的减振技术，对提高光学系统的工作稳定性具有重要的意义[1]。

　　由于振动干扰的复杂性， 传统的无源隔振技术很难有效地隔离精密设备工作平台的超低频振动信号，因为无源隔振元件( 如隔振器等) 的刚度不可能无限降低，隔振器参数也不能实时调节。与此同时，有源隔振系统在隔离超低频振动方面相比无源要成效显著些。但是工程实用化都还有一定的距离。为了达到理想的减振效果， 文中将有源控制和光路计算相结合，基于几何光学、机械控制和减振隔振理论[2-7]，研究提出了一种基于快速响应反射镜的主动减振技术，有望应用到实际的减振控制中。

　　1 基于快速响应反射镜的主动减振技术

　　1.1 技术原理

　　文中提出的基于快速响应反射镜的主动减振技术原理是依据传输光线失调方程， 得出光路失调量与光路中快速响应反射镜位姿之间的计算关系[8-11]，从而获取反射镜所需作动的角度值， 利用步进电机调节反射镜，补偿振动引起的光路失调，达到光路稳定的目的，原理如图1 所示。入射光路经快速响应反射镜反射后，经分束镜一路出射，一路作为探测光路进入接收屏，同时采用CCD 及其数据采集系统对探测光路进行检测。

　　所谓的快速响应反射镜就是装有作动器的反射镜， 可以根据振动引起的光路失调量计算其作动响应值，通过步进电机控制其位姿。其中，快速响应反射镜工作逻辑如图2 所示。首先由光斑失调检测模块对探测器获取的光斑进行实时检测， 从而得到光斑失调量[12];考虑实验搭建的光路，具有图象背景灰度值较小、目标灰度值较高、且目标的灰度分布为抛物面或高斯曲面等特性， 因此采用灰度重心法来定位光斑[13-18];然后通过光路失调计算模块对光斑失调量进行计算，并得出快速响应反射镜补偿量;最后由快速调节反射镜电机控制模块对反射镜进行调节， 通过反射镜的快速调整来补偿由于振动引起的光路失调，最终使光路达到稳定[19-20]。

　　1.2 数值计算

　　基于几何光学及矩阵光学理论[21]， 分析光学系统的振动失调光束传输变换矩阵， 根据机械振动引起的近轴光学系统的光束指向在三维位移失调下的传输方程， 找出光路失调量与光路中快速响应反射镜位姿之间的计算关系。