高精度大口径光栅五自由度拼接精度的测量方法与流程

本发明属于拼接精度测量领域，涉及一种利用反射和衍射光实现大口径光栅拼接精度测量的方法。

背景技术：

作为一种重要的色散元件，衍射光栅是大型光学系统以及科学仪器的核心器件，广泛用于天文光谱分析、激光惯性约束核聚变等领域。提高光栅口径可有效提高天文望远镜系统的分辨率和信噪比，也可增强高能短脉冲激光装置的峰值功率和输出能力。

在当前直接制造大口径光栅仍不成熟的条件下，采用机械拼接的方法获得大口径光栅是一种经济性好、质量可靠、效率高的解决方案。因此，通过光栅拼接技术实现的阵列光栅是制造大口径光栅理想的技术方案。然而，采用机械拼接方法实现大口径光栅的拼接和调整，需要解决其空间多个自由度的高精度测量问题。

目前，单块光栅的刻线可达数千line/mm，刻线误差要求小于1/10光栅常数，周期误差小于1/100光栅常数。光栅拼接要求各子光栅之间有极高的相对位置精度：空间旋转精度不大于1μrad，平动精度不大于10nm，且要实现空间5自由度调整。因此，拼接过程中的高精度测量以及各自由度间的耦合是光栅拼接测量的主要难点，尤其对多块光栅拼接精度的测量难度更大。传统方法多采用千分表进行机械式测量，或者采用位移传感器或平行光管等方法间接测量拼接精度。上述方法中各拼接自由度间耦合度较高，操作繁琐，效率较低，不适于大口径拼接光栅的精度测量。因此，探索具有高精度、高效率、高可靠性且操作简便的光栅拼接精度测量方法具有重要意义和实用价值。

技术实现要素：

为了解决现有光栅拼接精度测量方法各自由度间耦合度高、操作繁琐、精度差等问题，本发明提供了一种高精度大口径光栅五自由度拼接精度的测量方法。该方法具有测量精度高、各自由度间耦合度弱、操作简便、能够有效地提高光栅的拼接效率和拼接精度等优点，可用于大口径拼接光栅空间五自由度拼接精度的测量。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种高精度大口径光栅五自由度拼接精度的测量方法，包括如下步骤：

一、光栅三维转动精度的测量

(1)定义垂直于静光栅栅线的方向为x轴，平行于静光栅栅线方向为y轴，静光栅的法线方向为z轴；

(2)将测试光束入射至待拼接光栅的拼缝处，根据拼接光栅产生的零级反射光和一级衍射光获得待拼接光栅的三维转动拼接精度：俯仰角θx、偏转角θy、旋转角度θz，所述俯仰角θx、偏转角θy、旋转角度θz的计算公式如下：

式中：

θx-光栅绕x轴转动的角度；

θy-光栅绕y轴转动的角度；

θz-光栅绕z轴转动的角度；

δα-零级反射光相对光栅无偏转时出射光束俯仰角α的变化量；

δβ-一级衍射光相对光栅无偏转时出射光束左右角度β的变化量；

α-光束与x-z平面的夹角；

β-光束与y-z平面的夹角。

二、光栅二维平动精度的测量

(1)将俯仰角θx、偏转角θy以及旋转角度θz调整至合格范围；

(2)将测试光束入射至待拼接光栅的拼缝处，根据拼接光栅产生的零级反射光的远场焦斑能量比值测量光栅的二维平动精度。

相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：

光栅各空间自由度间测量耦合度低，操作简便，能有效地提高光栅的拼接效率和拼接精度，可用于高精度拼接光栅的空间五个自由度拼接精度的测量。

附图说明

图1为本发明中测量光束及拼接光栅的空间位姿定义示意图；

图2为本发明所采用的光路系统的原理图；

图3为本发明中光栅沿z向平动位移和焦斑能量比值对应关系曲线；

图中：1-光源系统；2-半透半反镜a；3-聚焦透镜；4-显微物镜；5-ccd图像传感器；6-反射镜a；7-半透半反镜b；8-动光栅a；9-静光栅；10-动光栅b；11-反射镜b；12-反射镜c；13-光束。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

具体实施方式一：本实施方式提供了一种综合利用反射光和衍射光实现大口径光栅拼接精度测量的方法，基于光的干涉原理，利用光栅的零级反射光和一级衍射光的干涉场分别测量光栅的俯仰、偏转和旋转角度，通过分裂的远场焦斑能量比值测量光栅的二维平动精度。具体步骤如下：

一、光栅三维转动精度的测量

使入射的测量光束经拼接光栅的拼缝处，出射光束的空间方向会发生偏转，两个光栅产生的衍射光在ccd图像传感器中分别成像，读取两像间距d可以计算出光束的偏转角度δ。光束的偏转角度δ和光栅的空间旋转角度θ具有确定的理论对应关系，根据两者的对应关系可得光栅的三维旋转精度，即俯仰角θx、偏转角θy以及旋转角度θz。

所述的光束空间方向包括：

俯仰角度α：光束与x-z平面的夹角；

左右角度β：光束与y-z平面的夹角。

所述的光束的偏转角度包括：

俯仰角度偏差δα：光栅偏转后的出射光束(即：零级反射光)相对光栅无偏转时出射光束俯仰角α的变化量；

左右角度偏差δβ：光栅偏转后的出射光束(即：一级衍射光)相对光栅无偏转时出射光束左右角度β的变化量。

所述的俯仰角度偏差δα以及左右角度偏差δβ均由ccd图像传感器中焦斑偏移距离计算得出。

所述的光栅的空间转动角度包括：

光栅的俯仰角θx：光栅绕x轴转动的角度；

光栅的偏转角θy：光栅绕y轴转动的角度；

光栅的面内旋转角θz：光栅绕z轴转动的角度。

所述的光束的空间方向和光栅转动角度定义时所采用的坐标系是如下的笛卡尔坐标系：垂直于静光栅栅线的方向为x轴，平行于静光栅栅线方向为y轴，静光栅的法线方向为z轴。

所述的光束偏转角度的计算方法是：

其中：

δi＝α，β——分别为光束的俯仰角度偏差和左右角度偏差；

dj＝x，y——ccd图像传感器中焦斑中心横向和纵向偏移距离；

m——显微物镜放大倍数；

d——聚焦透镜焦距。

所述的光栅转动角度θ和光束转动角度δ的理论对应关系具体是指：

二、光栅二维平动精度的测量

针对光栅组二维平动精度的测量，可以利用干涉场进行测量。若动光栅相对静光栅在z向或x向发生平动偏移，则零级反射光的远场焦斑会产生分裂。其中最强的两焦斑能量比值和光栅相对平动位移量具有确定的理论对应关系。根据两者的理论对应关系可得光栅的二维平动精度

所述的光栅二维平动包括：

光栅的前后平动δz：光栅沿z轴的平行移动；

光栅的左右平动δx：光栅沿x轴的平行移动；

所述的焦斑能量比值和光栅相对平动位移量的理论对应关系按照图3所示曲线查取。

具体实施方式二：本实施方式提供了一种综合利用反射光和衍射光实现大口径光栅拼接精度测量的方法，该方法以中间位置为静光栅、两侧为动光栅所组成的三块光栅拼接而成的大口径光栅组为对象。如图1和图2所示，具体测量步骤如下：

测量步骤一：动光栅b10相对静光栅9的俯仰角θx及偏转角θy的测量。

调整光路系统，使光源系统1发出的测量子光束a1、b1经半透半反镜a2透射后入射至静光栅9和动光栅b10拼缝处，由动光栅b10和静光栅9出射的零级反射光经反射镜c12反射后原路返回至动光栅b10和静光栅9，再返回至半透半反镜a2，经半透半反镜a2反射后由聚焦透镜3聚焦并经显微物镜4放大，最后在ccd图像传感器5中成像。由动光栅b10和静光栅9出射的零级反射光分别在ccd图像传感器5中形成两个焦斑，测量两焦斑的横向距离dx及纵向距离dy，根据公式(1)计算得光束的俯仰角度偏差δα和左右角度偏差δβ，再根据公式(2)计算得到光栅俯仰角θx，根据公式(3)计算得到光栅偏转角θy。

测量步骤二；动光栅b10相对静光栅9的面内旋转角度θz的测量。

调整光路系统，使光源系统1发出的测量子光束a1、b1经半透半反镜a2透射后入射至静光栅9和动光栅b10的拼缝处，由静光栅9和动光栅b10出射的一级衍射光经反射镜c12反射后原路返回至动光栅b10和静光栅9，然后返回至半透半反镜a2，经半透半反镜a2反射后由聚焦透镜3聚焦，再经显微物镜4放大，最后在ccd图像传感器5中成像。由动光栅b10和静光栅9出射的一级衍射光分别在ccd图像传感器5中形成两个焦斑，测量两焦斑的纵向距离dy，再根据公式(1)可得光束的左右角度偏差δβ，由公式(4)计算得到光栅的面内旋转角度θz。

测量步骤三：动光栅b10相对静光栅9的二维平动精度的测量。

将动光栅b10相对静光栅9的光栅俯仰角θx、偏转角θy以及旋转角度θz调整至合格范围以消除光栅旋转对二维平动精度的影响，方可进行二维平动精度测量。调整光路系统，使光源系统1发出的测量子光束a1、b1经半透半反镜a2透射后入射至静光栅9和动光栅b10的拼缝处，由静光栅9和动光栅b10出射的零级反射光经反射镜c12反射后原路返回至动光栅b10和静光栅9，然后返回至半透半反镜a2，经半透半反镜a2反射后由聚焦透镜3聚焦，再经显微物镜4放大，最后在ccd图像传感器5中成像。由于光栅相对平动的影响，经动光栅b10和静光栅9产生的两束零级反射光发生干涉，干涉光斑在远场发生分裂。选取其中最强的两个焦斑并计算其能量比值，按图3所示的焦斑能量比值和平动位移量的对应曲线可查得光栅的平动精度。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同的是，切换测试光路：在光路系统中增加平行设置的半透半反镜b7和反射镜a6、以及反射镜b11，其它光学器件的位置保持不变。具体测试步骤如下：

测量步骤一：动光栅a8相对静光栅9的俯仰角θx及偏转角θy的测量。

光源系统1发出的测量子光束a1、b1经半透半反镜a2透射后，再依次经半透半反镜b7和反射镜a6反射后，发生平移，平移后的子光束为a2、b2，子光束a2、b2入射至动光栅a8和静光栅9拼缝处，由动光栅a8和静光栅9出射的零级反射光经反射镜b11反射后原路返回并再次入射到动光栅a8和静光栅9，再依次经反射镜a6、半透半反镜b7和半透半反镜a2反射，由聚焦透镜3聚焦后经显微物镜4放大，最后在ccd图像传感器5中成像。由动光栅a8和静光栅9出射的零级反射光在ccd中形成两个焦斑，根据公式(1)计算得光束的俯仰角度偏差δα和左右角度偏差δβ，再根据公式(2)计算得到光栅俯仰角θx，根据公式(3)计算光栅的偏转角θy。

测量步骤二：动光栅a8相对静光栅9的旋转角θz的测量。

使光源系统1发出的测量子光束a1、b1经半透半反镜a2透射后再经平行布置的半透半反镜b7和反射镜a6反射后平移为子光束a2、b2，子光束a2、b2入射至动光栅a8和静光栅9拼缝处，由光栅出射的一级衍射光经反射镜b11反射后返回到动光栅a8和静光栅9，再依次经反射镜a6、半透半反镜b7和半透半反镜a2反射，由聚焦透镜3聚焦后经显微物镜4放大，最后在ccd图像传感器5中成像。由动光栅a8和静光栅9出射的一级衍射光将分别在ccd图像传感器5中形成两个焦斑，测量两焦斑纵向距离dy，再根据公式(1)可得光束的左右角度偏差δβ，由公式(4)计算得到光栅的面内旋转角度θz。

测量步骤三：动光栅a8相对静光栅9的二维平动精度的测量。

将动光栅b10相对静光栅9的光栅俯仰角θx、偏转角θy以及旋转角度θz调整至合格范围以消除光栅旋转对二维平动精度的影响，方可进行二维平动精度测量。

使光源系统1发出的测量子光束a1、b1经半透半反镜a2透射后再经平行布置的半透半反镜b7和反射镜a6反射后平移为子光束a2、b2，子光束a2、b2入射至动光栅a8和静光栅9拼缝处，经动光栅a8和静光栅9出射的零级反射光经反射镜b11反射后返回到动光栅a8和静光栅9，再依次经反射镜a6，半透半反镜b7和半透半反镜a2反射，由聚焦透镜3聚焦后经显微物镜4放大，最后在ccd图像传感器5中成像。经动光栅a8和静光栅9产生的两束零级反射光因光栅相对平动的影响发生焦斑分裂，选取其中最强的两焦斑并计算其能量比值，按图3所示的焦斑能量比值和平动位移量的对应曲线可查得光栅的实际平动精度。