申请/专利权人：中国工程物理研究院激光聚变研究中心

申请日：2019-07-24

公开（公告）日：2024-06-21

公开（公告）号：CN110413009B

主分类号：G05D3/10

分类号：G05D3/10;G02B23/00;G02B27/34

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.06.21#授权;2019.11.29#实质审查的生效;2019.11.05#公开

摘要：本发明公开了一种瞄准系统，该瞄准系统包括光学元件、延长节、二维调节台、支撑机构、支撑机构后端法兰、转接法兰、变焦距光学系统和视觉系统，变焦距光学系统的前端面向光学元件，后端与视觉系统连接。变焦距光学系统内设有“十”字分划板，它的瞄准轴穿过“十”字分划板的“十”字中心和支撑机构后端法兰的后端面中心。在瞄准系统中安装有转动调节装置，用于驱动变焦距光学系统的瞄准轴沿两正交方向转动，还设置有照明光源，能够方便照亮靶及光学系统。本发明的瞄准系统兼具节约空间、使用方便、瞄准精度高和工作效率高的优点，可用于等离子体诊断中，对等离子体目标靶、光学元件和探测器进行“三点一线”瞄准。

主权项：1.一种瞄准系统，其特征在于，所述的瞄准系统包括光学元件1、延长节2、二维调节台3、支撑机构4、支撑机构后端法兰5、转接法兰6、变焦距光学系统8和视觉系统14；其连接关系是，所述的光学元件1、延长节2、二维调节台3、支撑机构4、支撑机构后端法兰5和转接法兰6从前至后顺序连接；所述的变焦距光学系统8通过连接件9与转接法兰6固定连接，变焦距光学系统8的前端面向光学元件1，后端与视觉系统14连接，变焦距光学系统8内设有“十”字分划板，变焦距光学系统8的瞄准轴穿过“十”字分划板的“十”字中心和支撑机构后端法兰5的后端面中心；所述的瞄准系统还安装有转动调节装置，转动调节装置用于驱动变焦距光学系统8的瞄准轴沿两正交方向转动；所述的光学元件1为成像光学元件或色散光学元件，所述的成像光学元件为针孔、针孔阵列、狭缝或狭缝阵列中的一种，所述的色散光学元件为光栅或晶体中的一种；所述的延长节2为固定长度的圆筒或伸缩圆筒；所述的变焦距光学系统8为内调焦望远镜或长焦距显微镜；所述的二维调节台3具有两个方向的平动调节自由度，驱动光学元件1沿垂直于瞄准轴的两正交方向平动，驱动方式为手动或电动；所述的转接法兰6为中心透光的环形结构。

全文数据：一种瞄准系统技术领域本发明属于等离子体诊断技术领域，具体涉及一种瞄准系统。背景技术在等离子体诊断中，对等离子体目标靶（以下简称为靶）、光学元件和探测器进行“三点一线”瞄准，是光学元件和探测器有效工作的基础，通常需要建立专门的瞄准系统。传统的瞄准系统中瞄准仪和光学元件一般分置于靶的两侧。传统瞄准系统的瞄准精度高，可达几十微米。但是存在以下缺点：第一，瞄准仪难以与瞄准系统其他部件集成，调节量大，导致建立基准的难度大，工作效率低；第二，瞄准仪与探测器的安装方位不同，瞄准仪和瞄准光路需要占用额外的空间；第三，当瞄准仪一侧的空间受限时，要么在瞄准光路中添加反射镜以折转瞄准光路，要么更改探测器的安装方位，使用极不方便；第四，需要先安装探测器，后进行瞄准，因为探测器的阻挡，导致照明不方便。近年来，中国专利文献库公开了专利号为ZL201510696016.5、名称为《诊断设备准直装置及方法》的发明专利，该专利使用准直激光作为瞄准仪，基准容易建立，提高了在线准直工作效率，同时节约了空间。但在实际应用中，还存在以下缺点：第一，牺牲了瞄准精度，虽然准直激光具有准直度高的优点，但是准直激光远距离传播后光斑直径可达毫米量级，在狭窄的靶室内，又难以布置位置灵敏探测器，依靠人眼观测，必然导致瞄准精度大幅降低，一旦靶、光学元件和探测器要求较高瞄准精度时，容易超出瞄准允差范围；第二，需要使用纸片以辅助观测准直激光的位置，在有限的靶室空间内操作纸片非常不方便；第三，需要事先离线准直光学元件和探测器，拉低了总体工作效率。在等离子体诊断中，人们希望瞄准系统能在有限的时间、空间范围内方便地完成高精度瞄准，即瞄准系统必须兼顾节约空间、使用方便、瞄准精度高和工作效率高的要求，使用性能才算达标。然而由上可知，现有的两种瞄准系统各有显著缺陷，长期以来使用性能难以达到要求。发明内容本发明所要解决的技术问题是提供一种瞄准系统。本发明的瞄准系统包括光学元件、延长节、二维调节台、支撑机构、支撑机构后端法兰、转接法兰、变焦距光学系统和视觉系统；其连接关系是，所述的光学元件、延长节、二维调节台、支撑机构、支撑机构后端法兰和转接法兰从前至后顺序连接；所述的变焦距光学系统通过连接件与转接法兰固定连接，变焦距光学系统的前端面向光学元件，后端与视觉系统连接，变焦距光学系统内设有“十”字分划板，变焦距光学系统的瞄准轴穿过“十”字分划板的“十”字中心和支撑机构后端法兰的后端面中心；所述的瞄准系统还安装有转动调节装置，转动调节装置用于驱动变焦距光学系统的瞄准轴沿两正交方向转动。所述的光学元件为成像光学元件或色散光学元件，所述的成像光学元件为针孔、针孔阵列、狭缝或狭缝阵列中的一种，所述的色散光学元件为光栅或晶体中的一种。所述的延长节为固定长度的圆筒或伸缩圆筒。所述的二维调节台具有两个方向的平动调节自由度，驱动光学元件沿垂直于瞄准轴的两正交方向平动，驱动方式为手动或电动。所述的转动调节装置为安装在支撑机构上的球关节转动调节装置，或者为安装在支撑机构后端法兰与转接法兰之间的弹性体。所述的转接法兰为中心透光的环形结构。所述的变焦距光学系统的前端配有照明光源，所述的照明光源包括环形光源或同轴光源。所述的变焦距光学系统为内调焦望远镜或长焦距显微镜。所述的视觉系统为目视系统，或者所述的视觉系统包括数字相机和显示器，数字相机与变焦距光学系统的后端固定连接，显示器与数字相机电连接。在沿光学元件光路传播方向的反方向，即光学元件的前方布置有辅助照明光源。本发明的瞄准系统工作过程如下：瞄准时，以靶、光学元件上的指定点为瞄准点，使分划板“十”字中心分别与二者对准，在2m调焦范围内，现代变焦距光学系统的技术水平足以达到十几至几十微米的对准精度。瞄准系统的瞄准精度主要取决于靶、光学元件的对准精度，对探测器的瞄准精度要求不高，这是因为探测器的通常有较大的探测面，瞄准精度达到亚毫米级就足以满足应用需求。完成靶、光学元件的瞄准后，撤除弹性体、转接法兰、变焦距光学系统和视觉系统，将探测器与支撑机构后端法兰连接。因为瞄准轴穿过支撑机构后端法兰的中心，可通过机械结构保证探测器上的瞄准点对准支撑机构后端法兰的中心，从而实现靶、光学元件、探测器“三点一线”瞄准。本发明的瞄准系统具有以下优点：1.节约空间。传统瞄准系统的瞄准仪的安装方位与探测器不同，故瞄准仪及瞄准光路需要占用额外的空间，而本发明的瞄准系统的变焦距光学系统与探测器处于同一安装方位，无需占用额外空间。因此，本发明的瞄准系统具有节约空间的优点。2.使用方便。对于传统瞄准系统，当瞄准仪一侧的空间受限时，需要添加反射镜，或者更改探测器的安装方位，使用极不方便，而本发明的瞄准系统完全不需要使用反射镜，能够方便地安装于任意指定方位；相比传统瞄准系统，本发明的瞄准系统设置了照明光源和辅助照明光源，照明方便；此外，激光准直方案需要使用纸片以辅助观测准直激光的位置，降低了使用方便性，而本发明的瞄准系统利用变焦距光学系统和视觉系统，即可直观定位靶和光学元件，无需辅助措施，使用方便。3.工作效率高。相比传统瞄准系统，本发明的瞄准系统集成度高，调节量小，容易建立基准，一般能在20分钟至60分钟内完成瞄准。相比激光准直方案，本发明无需离线准直，提高了总体工作效率。因此，本发明的瞄准系统具有工作效率高的优点。4.瞄准精度高。瞄准系统的瞄准精度主要取决于靶和光学元件的对准精度。相比传统瞄准系统，本发明的瞄准系统的调焦范围更短，若采用相同的瞄准仪，理论上，本发明的瞄准系统对靶和光学元件的对准精度更高，可达十几至几十微米；激光准直方案的激光束斑直径达毫米量级，其瞄准精度为几百微米至毫米量级，远低于本发明的瞄准系统的瞄准精度。综上所述，本发明的瞄准系统兼具节约空间、使用方便、瞄准精度高和工作效率高的优点，使用性能显著提升。附图说明图1为本发明的瞄准系统的实施例1的结构示意图；图2为本发明的瞄准系统的实施例2的结构示意图；图中，1.光学元件2.延长节3.二维调节机构4.支撑机构5.支撑机构后端法兰6.转接法兰7.照明光源8.变焦距光学系统9.连接件10.数字相机11.显示器12.辅助照明光源13.弹性体14.视觉系统。具体实施方式本发明的瞄准系统包括光学元件1、延长节2、二维调节台3、支撑机构4、支撑机构后端法兰5、转接法兰6、变焦距光学系统8和视觉系统14；其连接关系是，所述的光学元件1、延长节2、二维调节台3、支撑机构4、支撑机构后端法兰5和转接法兰6从前至后顺序连接；所述的变焦距光学系统8通过连接件9与转接法兰6固定连接，变焦距光学系统8的前端面向光学元件1，后端与视觉系统14连接，变焦距光学系统8内设有“十”字分划板，变焦距光学系统8的瞄准轴穿过“十”字分划板的“十”字中心和支撑机构后端法兰5的后端面中心；所述的瞄准系统还安装有转动调节装置，转动调节装置用于驱动变焦距光学系统8的瞄准轴沿两正交方向转动。所述的光学元件1包括成像光学元件和色散光学元件，所述的成像光学元件包括针孔、针孔阵列、狭缝或狭缝阵列，所述的色散光学元件包括光栅或晶体。所述的延长节2为固定长度的圆筒或伸缩圆筒。所述的二维调节台3具有两个方向的平动调节自由度，驱动光学元件1沿垂直于瞄准轴的两正交方向平动，驱动方式为手动或电动。所述的转动调节装置为安装在支撑机构4上的球关节转动调节装置，或者为安装在支撑机构后端法兰5与转接法兰6之间的弹性体13。所述的转接法兰6为中心透光的环形结构。所述的变焦距光学系统8的前端配有照明光源7，所述的照明光源包括环形光源或同轴光源。所述的变焦距光学系统8为内调焦望远镜或长焦距显微镜。所述的视觉系统14为目视系统，或者所述的视觉系统14包括数字相机10和显示器11，数字相机10与变焦距光学系统8的后端固定连接，显示器11与数字相机10电连接。在沿光学元件1光路传播方向的反方向，即光学元件1的左侧布置有辅助照明光源12。下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。实施例1如图1所示，本实施例中，光学元件1为针孔阵列，延长节2为伸缩筒，以调节针孔阵列的成像放大倍数。二维调节台3为电动二维调节台，以电动方式驱动针孔阵列沿垂直于瞄准轴的两正交方向平动。转动调节装置为安装在支撑机构后端法兰5与转接法兰6之间的弹性体13，通过调校弹性体13来驱动变焦距光学系统8的瞄准轴沿两正交方向转动。变焦距光学系统8为内调焦望远镜，在变焦距光学系统8的前端配有照明光源7，照明光源7为环形光源，方便照明靶及光学元件1。视觉系统14为图1中虚线框部分，包括数字相机10和显示器11，数字相机10与变焦距光学系统8的后端固定连接，显示器11与数字相机10电连接。分别以靶心、针孔阵列中心、探测器中心作为瞄准点。瞄准时，首先将针孔阵列从光路中移走，利用照明光源7或辅助照明光源12照亮靶，利用数字相机10作为观测传感器，调节变焦距光学系统8，调校弹性体13，驱动变焦距光学系统8转动，使靶的像中心与分划板“十”字中心重合。然后重新安装针孔阵列至延长节2前端，利用照明光源7或辅助照明光源12照亮针孔阵列，利用数字相机10作为观测传感器，调节变焦距光学系统8，调节二维调节台3、针孔阵列，使针孔阵列的像的中心线与分划板“十”字丝重合。采用高准直度的变焦距光学系统8，在2米调焦范围内，靶心和针孔阵列中心的瞄准精度优于30μm。最后，撤除弹性体13、转接法兰6、连接件9和视觉系统14，将探测器与支撑机构后端法兰5连接，通过机械加工、装配使探测器中心与支撑机构后端法兰5的中心重合，即完成靶、光学元件、探测器“三点一线”瞄准。一般能在20分钟至60分钟内完成瞄准。变焦距光学系统8和探测器的安装方位相同，因此瞄准系统不会占用额外空间，不存在需要在瞄准光路中添加反射镜的问题，能够方便地安装在靶室上的任意方位。调校弹性体13驱动瞄准轴转动，会使瞄准轴偏离支撑机构后端法兰5的中心，进而影响探测器的瞄准精度，下面对此进行讨论。令转接法兰6半径为R，分划板“十”字中心对准靶心时，瞄准轴相对其初始位置的转动角度为θ，则瞄准轴偏离支撑机构后端法兰5的中心的偏离量Δ=R1cosθ-1。在等离子体诊断中，R通常小于120mm，若θ1°，则Δ20μm，如此小的偏离量Δ几乎不影响探测器的对准精度。但是，当θ变大时，偏离量Δ也随着变大。因此本实施例适用于瞄准轴转动角度θ较小的情况，一般要求θ3°。本实施例中的光学元件还可以为针孔、狭缝、狭缝阵列、光栅或晶体。实施例2如图2所示，本实施例与实施例1的实施方式基本相同，主要区别在于：（I）光学元件1为狭缝；（II）延长节2为固定长度的圆筒，狭缝的工作距离为固定值；（III）二维调节台3为手动二维调节台，以手动方式驱动狭缝沿垂直于瞄准轴的两正交方向平动；（IV）变焦距光学系统8为长焦距显微镜；（V）照明光源7为同轴光源；（VI）视觉系统14为目视系统，为图2中虚线框内部分，包括目镜和人眼；（VII）转动调节装置为安装在支撑机构4上的球关节转动调节装置，驱动变焦距光学系统8沿垂直于瞄准轴的两正交方向转动。本实施例中，支撑机构后端法兰5与转接法兰6为刚性连接，通过机械加工和装配能保证瞄准轴总是穿过支撑机构后端法兰5的中心，因此，本实施例的适用范围更广，理论上，瞄准轴转动角度θ可为任意值。本实施例中，靶心和狭缝中心的瞄准精度与实施例1相同，探测器的瞄准精度则高于实施例1，因为瞄准轴不会偏离支撑机构后端法兰的中心。本实施例同样不占用额外瞄准空间，使用方便，一般能在20分钟至60分钟内完成瞄准。本实施例中的光学元件还可以为针孔、针孔阵列、狭缝阵列、光栅或晶体。以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

权利要求：1.一种瞄准系统，其特征在于，所述的瞄准系统包括光学元件1、延长节2、二维调节台3、支撑机构4、支撑机构后端法兰5、转接法兰6、变焦距光学系统8和视觉系统14；其连接关系是，所述的光学元件1、延长节2、二维调节台3、支撑机构4、支撑机构后端法兰5和转接法兰6从前至后顺序连接；所述的变焦距光学系统8通过连接件9与转接法兰6固定连接，变焦距光学系统8的前端面向光学元件1，后端与视觉系统14连接，变焦距光学系统8内设有“十”字分划板，变焦距光学系统8的瞄准轴穿过“十”字分划板的“十”字中心和支撑机构后端法兰5的后端面中心；所述的瞄准系统还安装有转动调节装置，转动调节装置用于驱动变焦距光学系统8的瞄准轴沿两正交方向转动。2.根据权利要求1所述的瞄准系统，其特征在于，所述的光学元件1为成像光学元件或色散光学元件，所述的成像光学元件为针孔、针孔阵列、狭缝或狭缝阵列中的一种，所述的色散光学元件为光栅或晶体中的一种。3.根据权利要求1所述的瞄准系统，其特征在于，所述的延长节2为固定长度的圆筒或伸缩圆筒。4.根据权利要求1所述的瞄准系统，其特征在于，所述的二维调节台3具有两个方向的平动调节自由度，驱动光学元件1沿垂直于瞄准轴的两正交方向平动，驱动方式为手动或电动。5.根据权利要求1所述的瞄准系统，其特征在于，所述的转动调节装置为安装在支撑机构4上的球关节转动调节装置，或者为安装在支撑机构后端法兰5与转接法兰6之间的弹性体13。6.根据权利要求1所述的瞄准系统，其特征在于，所述的转接法兰6为中心透光的环形结构。7.根据权利要求1所述的瞄准系统，其特征在于，所述的变焦距光学系统8的前端配有照明光源7，所述的照明光源包括环形光源或同轴光源。8.根据权利要求1所述的瞄准系统，其特征在于，所述的变焦距光学系统8为内调焦望远镜或长焦距显微镜。9.根据权利要求1所述的瞄准系统，其特征在于，所述的视觉系统14为目视系统，或者所述的视觉系统14包括数字相机10和显示器11，数字相机10与变焦距光学系统8的后端固定连接，显示器11与数字相机10电连接。10.根据权利要求1所述的瞄准系统，其特征在于，在沿光学元件1光路传播方向的反方向，即光学元件1的前方布置有辅助照明光源12。

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