针对激光聚变靶丸内表面轮廓高精度无损测量的迫切需求, 研制了一套激光聚变靶丸内表面轮廓测量系统。该系统通过最小二乘算法(LSC)计算出靶丸回转偏心量, 并利用偏心调整台对靶丸偏心进行自动快速调整; 然后, 系统软件控制气浮回转轴承驱动靶丸旋转, 利用激光差动共焦传感器(LDCS)轴向响应曲线过零点及光线追迹算法精确计算出靶丸内表面轮廓上每个采样点的几何位置; 最后, 对靶丸内轮廓测量数据进行LSC评定得到其圆度信息。实验证明, 靶丸回转偏心的自动调整时间可达22 s, 当采样点分别为1 024, 2 048及4 096时, 靶丸内轮廓测量时间分别可达10, 20及40 s, 且圆度测量标准差可达19 nm(1 024点)。该系统实现了靶丸回转偏心的自动快速调整及其内轮廓的高精度、无损、快速、自动测量。

为解决激光差动共焦元件参数测量系统中人工调整元件姿态效率低、重复性差的问题, 研制了激光共焦球面元件姿态自动调整系统。基于共焦原理, 建立了元件失调量与电动四维调整机构调整量关系的数学模型, 并根据CCD探测器实时获取的光斑位置信号分析出被测件的姿态信息, 结合闭环反馈控制算法实现姿态自动调整。利用电动四维调整机构搭建了自动调整实验装置, 实验结果表明: 研制的电动调整机构平移调整分辨力达到0.5 μm, 倾斜调整分辨力达到8″; 调整系统能够快速、稳定地将被测件姿态失调量调至误差范围内, 有效提高调整重复性及效率, 对激光差动共焦测量系统实现全自动球面元件参数检测格外重要。

为了从海量激光聚变靶丸中高效检测出符合激光核聚变试验要求的靶丸, 提出一种针对靶丸流水式测量的快速筛选技术。所提技术利用机械臂控制显微镜逐一对待测靶丸放大并通过CCD成像, 利用空间矩亚像素细分算法计算出靶丸的亚像素级轮廓信息, 进行圆度评定, 并根据圆度大小对靶丸进行筛选。通过机械臂和靶丸放置盘之间的三维运动配合, 可遍历测量所有待测靶丸。经过理论及实验证明该方法空间分辨力优于0.51μm, 可快速、精确地对海量靶丸进行初步筛选。