激光CCD复合测量方法在ICF靶丸球度误差检测中的应用

    作为激光惯性约束聚变(ICF)实验研究燃料容器的空心靶丸,在内爆阶段,其表面缺陷会被直接放大,直接影响到内爆实验的成败。因此,对包括ICF靶丸球度误差在内的靶丸形状误差及表面粗糙度等参数都有着严格的要求。对于靶丸表面形貌的精密检测,早期多采用高分辨力显微镜观测靶丸表面参数,随着该领域研究的深入,相继提出了扫描电子显微镜(SEM)法、X射线法及利用原子力显微镜(AFM)等测量靶球表面形貌的方法[1-5]。但这些方法都有其局限性,SEM法只能从所得图像定性判断靶丸表面质量,而无法实现定量测量;AFM法只能实现靶丸表面的局部形貌及粗糙度检测。2005年前后,赵学森等人开发的AFM轮廓仪实现了对靶丸轮廓特征的精密检测,获得了靶丸表面的模数-功率谱特征,该测量方法精确度较高,可获得靶丸表面不扰动特征的定量信息。但该方法只在正交的3个圆周上进行取点测量,存在信息量偏低、效率不高等局限性[6]。本文提出了一种复合式测量方法,以开发的微型五坐标测量机为实验平台,采用9线法对其21项几何误差进行补偿。测头系统由激光测头与CCD组成,通过标定二者光轴中心的位置关系,把二者采集的数据成功融合到同一个坐标系中,并采用优化算法拟牛顿法完成了靶丸表面数据的处理,得到了靶丸的表面形貌及球度误差。

    1 复合测量方法

    复合式测量方法的关键是激光测头数据与CCD图像数据的有效融合。因此,需要建立二者数据融合的数学模型。二者的位置关系如图1所示,通过一个专用支架夹具连接,且可以通过紧固、调整螺钉进行位置的锁死与微调。要确定二者测量数据融合的数学模型就需要标定出二者光轴之间的位置关系,具体方法如下:

    (1)用一个<12 mm的标准钢球,在机床坐标系下,用CCD扫描其最大外圆,采用最小二乘法拟合得到最大外圆的圆心坐标(x10,y10);

    (2)用激光在0~170b的范围内扫描标准球的上球冠,拟合得到球心坐标(x20,y20,z20);

    (3)计算得到在oxy平面内二者光轴的位置关系

    所用激光测头为以色列OPTIMET公司的CONO测头。其结构如图2所示。由靶丸表面被测点返回的激光经过起偏器变成偏振光,再经过单轴晶体分裂成传播速度不同的寻常光和非寻常光。非寻常光的速度依赖于光束的人射角。检偏器位于单轴晶体的后面,与起偏器的方向正交。两束光在Gabor观测镜面上发生干涉,得到干涉的全息图。干涉条纹强度可表示为

    式中:K是波数;I0是入射光强;Zc是被测点到坐标原点的距离,即被测点的相对高度。r是Gabor观测镜面上一点Q距镜面中心的距离。由式(2)可知,纹图上各点光强与被测距离Zc及所在环状条纹的半径r有关。因此,通过标定光强与Zc的关系,就可以实现被测物在光轴方向上的高度测量。对获得的靶丸表面数据,采用拟牛顿法进行优化求解,得到靶丸的球度误差。