多维精密光学调整架坐标解耦合分析

　　0 引 言

　　光学装调实验中光学元器件的调整，实际上就是对其六个自由度中的几个自由度进行调整[1]。不同的光学调整架基本设计理念都是为了实现对一个或多个自由度进行调整并保证调整精度[2]。光学实验中，常用的是对光学元器件五个自由度进行调整的五维调整架[3]。

　　对于五维光学调整架，由于受系统安装空间的限制、系统装调状态的要求、机械结构设计难度以及加工工艺的限制，调整架的三维平移调整自由度之间无 法做到两两正交;二维旋转自由度的回转中心和光学元器件的光学中心无法做到重合[4-5];因此在进行五个自由度调整时，各维调整量之间存在坐标耦合，即 调整其中的一维，会引起其它另一维甚至几维的变动。一般在光学系统装调实验中，由于无法对各位置调整量之间的坐标耦合关系进行量化和补偿校正，通常忽略坐 标耦合情况[6]。但是，忽略坐标耦合关系会造成实际机械调整量和光学调整量的期望值之间存在差异[7]，因而，也影响光学系统装调过程的收敛速度，使系 统装调过程变慢甚至发散。

　　1 数学模型

　　某离轴三反射光学系统设计具有接近衍射极限的像质，各光学元件的位置精度要求极高：位移量定位精度要求达微米级，角度量定位精度要求达角秒级; 针对该系统的精密装调过程设计开发了电动精密五维光学调整架，由于受系统装调状态的要求以及系统安装空间、机械结构设计和加工工艺的限制，该精密五维光学 调整架五维调整自由度之间存在一定程度的坐标耦合现象;为了便于分析各维之间的坐标耦合关系，将该五维光学调整架进行简化建模如图1 所示。

　　图1 中：1) 调整架三维平移自由度中，x轴和 z 轴相互垂直，y 轴与 z 轴成 85°，且在与水平面垂直的 YOZ 平面内;2) 二维旋转自由度的回转中心和光学元器件的光学中心不重合，绕 x 轴旋转的俯仰调节量α的回转中心和光学元器件的光学中心之间的水平距离为542.8 mm、竖直距离为 352.8 mm，绕 y 轴旋转的方位调节量β回转中心和光学元器件的光学中心之间的水平距离为 823 mm;该五维调整架的各维坐标耦合关系如表 1 所示，因此，为了实现高精度的光学调整必须对该五维精密光学调整架进行坐标解耦合处理。

　　2 坐标解耦合分析

　　2.1 坐标解耦合方法与步骤

　　由表 1 可知，在进行 y 轴调节时会引起 z 轴的变动，在进行俯仰量α调节时会引起 y 轴和 z 轴的变动，在进行方位量β调节时会引起 x 轴的变动。根据该五维精密光学调整架各维运动自由度之间的耦合关系，设计了以下方法和步骤对该光学调节架进行坐标解耦合处理，如图2 所示。