本發(fā)明屬于拼接精度測量領(lǐng)域，涉及一種利用反射和衍射光實現(xiàn)大口徑光柵拼接精度測量的方法。

背景技術(shù)：

作為一種重要的色散元件，衍射光柵是大型光學(xué)系統(tǒng)以及科學(xué)儀器的核心器件，廣泛用于天文光譜分析、激光慣性約束核聚變等領(lǐng)域。提高光柵口徑可有效提高天文望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的分辨率和信噪比，也可增強高能短脈沖激光裝置的峰值功率和輸出能力。

在當(dāng)前直接制造大口徑光柵仍不成熟的條件下，采用機械拼接的方法獲得大口徑光柵是一種經(jīng)濟性好、質(zhì)量可靠、效率高的解決方案。因此，通過光柵拼接技術(shù)實現(xiàn)的陣列光柵是制造大口徑光柵理想的技術(shù)方案。然而，采用機械拼接方法實現(xiàn)大口徑光柵的拼接和調(diào)整，需要解決其空間多個自由度的高精度測量問題。

目前，單塊光柵的刻線可達(dá)數(shù)千line/mm，刻線誤差要求小于1/10光柵常數(shù)，周期誤差小于1/100光柵常數(shù)。光柵拼接要求各子光柵之間有極高的相對位置精度：空間旋轉(zhuǎn)精度不大于1μrad，平動精度不大于10nm，且要實現(xiàn)空間5自由度調(diào)整。因此，拼接過程中的高精度測量以及各自由度間的耦合是光柵拼接測量的主要難點，尤其對多塊光柵拼接精度的測量難度更大。傳統(tǒng)方法多采用千分表進(jìn)行機械式測量，或者采用位移傳感器或平行光管等方法間接測量拼接精度。上述方法中各拼接自由度間耦合度較高，操作繁瑣，效率較低，不適于大口徑拼接光柵的精度測量。因此，探索具有高精度、高效率、高可靠性且操作簡便的光柵拼接精度測量方法具有重要意義和實用價值。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有光柵拼接精度測量方法各自由度間耦合度高、操作繁瑣、精度差等問題，本發(fā)明提供了一種高精度大口徑光柵五自由度拼接精度的測量方法。該方法具有測量精度高、各自由度間耦合度弱、操作簡便、能夠有效地提高光柵的拼接效率和拼接精度等優(yōu)點，可用于大口徑拼接光柵空間五自由度拼接精度的測量。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

一種高精度大口徑光柵五自由度拼接精度的測量方法，包括如下步驟：

一、光柵三維轉(zhuǎn)動精度的測量

(1)定義垂直于靜光柵柵線的方向為x軸，平行于靜光柵柵線方向為y軸，靜光柵的法線方向為z軸；

(2)將測試光束入射至待拼接光柵的拼縫處，根據(jù)拼接光柵產(chǎn)生的零級反射光和一級衍射光獲得待拼接光柵的三維轉(zhuǎn)動拼接精度：俯仰角θx、偏轉(zhuǎn)角θy、旋轉(zhuǎn)角度θz，所述俯仰角θx、偏轉(zhuǎn)角θy、旋轉(zhuǎn)角度θz的計算公式如下：

式中：

θx-光柵繞x軸轉(zhuǎn)動的角度；

θy-光柵繞y軸轉(zhuǎn)動的角度；

θz-光柵繞z軸轉(zhuǎn)動的角度；

δα-零級反射光相對光柵無偏轉(zhuǎn)時出射光束俯仰角α的變化量；

δβ-一級衍射光相對光柵無偏轉(zhuǎn)時出射光束左右角度β的變化量；

α-光束與x-z平面的夾角；

β-光束與y-z平面的夾角。

二、光柵二維平動精度的測量

(1)將俯仰角θx、偏轉(zhuǎn)角θy以及旋轉(zhuǎn)角度θz調(diào)整至合格范圍；

(2)將測試光束入射至待拼接光柵的拼縫處，根據(jù)拼接光柵產(chǎn)生的零級反射光的遠(yuǎn)場焦斑能量比值測量光柵的二維平動精度。

相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下有益效果：

光柵各空間自由度間測量耦合度低，操作簡便，能有效地提高光柵的拼接效率和拼接精度，可用于高精度拼接光柵的空間五個自由度拼接精度的測量。

附圖說明

圖1為本發(fā)明中測量光束及拼接光柵的空間位姿定義示意圖；

圖2為本發(fā)明所采用的光路系統(tǒng)的原理圖；

圖3為本發(fā)明中光柵沿z向平動位移和焦斑能量比值對應(yīng)關(guān)系曲線；

圖中：1-光源系統(tǒng)；2-半透半反鏡a；3-聚焦透鏡；4-顯微物鏡；5-ccd圖像傳感器；6-反射鏡a；7-半透半反鏡b；8-動光柵a；9-靜光柵；10-動光柵b；11-反射鏡b；12-反射鏡c；13-光束。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的說明，但并不局限于此，凡是對本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍中。

具體實施方式一：本實施方式提供了一種綜合利用反射光和衍射光實現(xiàn)大口徑光柵拼接精度測量的方法，基于光的干涉原理，利用光柵的零級反射光和一級衍射光的干涉場分別測量光柵的俯仰、偏轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)角度，通過分裂的遠(yuǎn)場焦斑能量比值測量光柵的二維平動精度。具體步驟如下：

一、光柵三維轉(zhuǎn)動精度的測量

使入射的測量光束經(jīng)拼接光柵的拼縫處，出射光束的空間方向會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，兩個光柵產(chǎn)生的衍射光在ccd圖像傳感器中分別成像，讀取兩像間距d可以計算出光束的偏轉(zhuǎn)角度δ。光束的偏轉(zhuǎn)角度δ和光柵的空間旋轉(zhuǎn)角度θ具有確定的理論對應(yīng)關(guān)系，根據(jù)兩者的對應(yīng)關(guān)系可得光柵的三維旋轉(zhuǎn)精度，即俯仰角θx、偏轉(zhuǎn)角θy以及旋轉(zhuǎn)角度θz。

所述的光束空間方向包括：

俯仰角度α：光束與x-z平面的夾角；

左右角度β：光束與y-z平面的夾角。

所述的光束的偏轉(zhuǎn)角度包括：

俯仰角度偏差δα：光柵偏轉(zhuǎn)后的出射光束(即：零級反射光)相對光柵無偏轉(zhuǎn)時出射光束俯仰角α的變化量；

左右角度偏差δβ：光柵偏轉(zhuǎn)后的出射光束(即：一級衍射光)相對光柵無偏轉(zhuǎn)時出射光束左右角度β的變化量。

所述的俯仰角度偏差δα以及左右角度偏差δβ均由ccd圖像傳感器中焦斑偏移距離計算得出。

所述的光柵的空間轉(zhuǎn)動角度包括：

光柵的俯仰角θx：光柵繞x軸轉(zhuǎn)動的角度；

光柵的偏轉(zhuǎn)角θy：光柵繞y軸轉(zhuǎn)動的角度；

光柵的面內(nèi)旋轉(zhuǎn)角θz：光柵繞z軸轉(zhuǎn)動的角度。

所述的光束的空間方向和光柵轉(zhuǎn)動角度定義時所采用的坐標(biāo)系是如下的笛卡爾坐標(biāo)系：垂直于靜光柵柵線的方向為x軸，平行于靜光柵柵線方向為y軸，靜光柵的法線方向為z軸。

所述的光束偏轉(zhuǎn)角度的計算方法是：

其中：

δi＝α，β——分別為光束的俯仰角度偏差和左右角度偏差；

dj＝x，y——ccd圖像傳感器中焦斑中心橫向和縱向偏移距離；

m——顯微物鏡放大倍數(shù)；

d——聚焦透鏡焦距。

所述的光柵轉(zhuǎn)動角度θ和光束轉(zhuǎn)動角度δ的理論對應(yīng)關(guān)系具體是指：

二、光柵二維平動精度的測量

針對光柵組二維平動精度的測量，可以利用干涉場進(jìn)行測量。若動光柵相對靜光柵在z向或x向發(fā)生平動偏移，則零級反射光的遠(yuǎn)場焦斑會產(chǎn)生分裂。其中最強的兩焦斑能量比值和光柵相對平動位移量具有確定的理論對應(yīng)關(guān)系。根據(jù)兩者的理論對應(yīng)關(guān)系可得光柵的二維平動精度

所述的光柵二維平動包括：

光柵的前后平動δz：光柵沿z軸的平行移動；

光柵的左右平動δx：光柵沿x軸的平行移動；

所述的焦斑能量比值和光柵相對平動位移量的理論對應(yīng)關(guān)系按照圖3所示曲線查取。

具體實施方式二：本實施方式提供了一種綜合利用反射光和衍射光實現(xiàn)大口徑光柵拼接精度測量的方法，該方法以中間位置為靜光柵、兩側(cè)為動光柵所組成的三塊光柵拼接而成的大口徑光柵組為對象。如圖1和圖2所示，具體測量步驟如下：

測量步驟一：動光柵b10相對靜光柵9的俯仰角θx及偏轉(zhuǎn)角θy的測量。

調(diào)整光路系統(tǒng)，使光源系統(tǒng)1發(fā)出的測量子光束a1、b1經(jīng)半透半反鏡a2透射后入射至靜光柵9和動光柵b10拼縫處，由動光柵b10和靜光柵9出射的零級反射光經(jīng)反射鏡c12反射后原路返回至動光柵b10和靜光柵9，再返回至半透半反鏡a2，經(jīng)半透半反鏡a2反射后由聚焦透鏡3聚焦并經(jīng)顯微物鏡4放大，最后在ccd圖像傳感器5中成像。由動光柵b10和靜光柵9出射的零級反射光分別在ccd圖像傳感器5中形成兩個焦斑，測量兩焦斑的橫向距離dx及縱向距離dy，根據(jù)公式(1)計算得光束的俯仰角度偏差δα和左右角度偏差δβ，再根據(jù)公式(2)計算得到光柵俯仰角θx，根據(jù)公式(3)計算得到光柵偏轉(zhuǎn)角θy。

測量步驟二；動光柵b10相對靜光柵9的面內(nèi)旋轉(zhuǎn)角度θz的測量。

調(diào)整光路系統(tǒng)，使光源系統(tǒng)1發(fā)出的測量子光束a1、b1經(jīng)半透半反鏡a2透射后入射至靜光柵9和動光柵b10的拼縫處，由靜光柵9和動光柵b10出射的一級衍射光經(jīng)反射鏡c12反射后原路返回至動光柵b10和靜光柵9，然后返回至半透半反鏡a2，經(jīng)半透半反鏡a2反射后由聚焦透鏡3聚焦，再經(jīng)顯微物鏡4放大，最后在ccd圖像傳感器5中成像。由動光柵b10和靜光柵9出射的一級衍射光分別在ccd圖像傳感器5中形成兩個焦斑，測量兩焦斑的縱向距離dy，再根據(jù)公式(1)可得光束的左右角度偏差δβ，由公式(4)計算得到光柵的面內(nèi)旋轉(zhuǎn)角度θz。

測量步驟三：動光柵b10相對靜光柵9的二維平動精度的測量。

將動光柵b10相對靜光柵9的光柵俯仰角θx、偏轉(zhuǎn)角θy以及旋轉(zhuǎn)角度θz調(diào)整至合格范圍以消除光柵旋轉(zhuǎn)對二維平動精度的影響，方可進(jìn)行二維平動精度測量。調(diào)整光路系統(tǒng)，使光源系統(tǒng)1發(fā)出的測量子光束a1、b1經(jīng)半透半反鏡a2透射后入射至靜光柵9和動光柵b10的拼縫處，由靜光柵9和動光柵b10出射的零級反射光經(jīng)反射鏡c12反射后原路返回至動光柵b10和靜光柵9，然后返回至半透半反鏡a2，經(jīng)半透半反鏡a2反射后由聚焦透鏡3聚焦，再經(jīng)顯微物鏡4放大，最后在ccd圖像傳感器5中成像。由于光柵相對平動的影響，經(jīng)動光柵b10和靜光柵9產(chǎn)生的兩束零級反射光發(fā)生干涉，干涉光斑在遠(yuǎn)場發(fā)生分裂。選取其中最強的兩個焦斑并計算其能量比值，按圖3所示的焦斑能量比值和平動位移量的對應(yīng)曲線可查得光柵的平動精度。

具體實施方式三：本實施方式與具體實施方式二不同的是，切換測試光路：在光路系統(tǒng)中增加平行設(shè)置的半透半反鏡b7和反射鏡a6、以及反射鏡b11，其它光學(xué)器件的位置保持不變。具體測試步驟如下：

測量步驟一：動光柵a8相對靜光柵9的俯仰角θx及偏轉(zhuǎn)角θy的測量。

光源系統(tǒng)1發(fā)出的測量子光束a1、b1經(jīng)半透半反鏡a2透射后，再依次經(jīng)半透半反鏡b7和反射鏡a6反射后，發(fā)生平移，平移后的子光束為a2、b2，子光束a2、b2入射至動光柵a8和靜光柵9拼縫處，由動光柵a8和靜光柵9出射的零級反射光經(jīng)反射鏡b11反射后原路返回并再次入射到動光柵a8和靜光柵9，再依次經(jīng)反射鏡a6、半透半反鏡b7和半透半反鏡a2反射，由聚焦透鏡3聚焦后經(jīng)顯微物鏡4放大，最后在ccd圖像傳感器5中成像。由動光柵a8和靜光柵9出射的零級反射光在ccd中形成兩個焦斑，根據(jù)公式(1)計算得光束的俯仰角度偏差δα和左右角度偏差δβ，再根據(jù)公式(2)計算得到光柵俯仰角θx，根據(jù)公式(3)計算光柵的偏轉(zhuǎn)角θy。

測量步驟二：動光柵a8相對靜光柵9的旋轉(zhuǎn)角θz的測量。

使光源系統(tǒng)1發(fā)出的測量子光束a1、b1經(jīng)半透半反鏡a2透射后再經(jīng)平行布置的半透半反鏡b7和反射鏡a6反射后平移為子光束a2、b2，子光束a2、b2入射至動光柵a8和靜光柵9拼縫處，由光柵出射的一級衍射光經(jīng)反射鏡b11反射后返回到動光柵a8和靜光柵9，再依次經(jīng)反射鏡a6、半透半反鏡b7和半透半反鏡a2反射，由聚焦透鏡3聚焦后經(jīng)顯微物鏡4放大，最后在ccd圖像傳感器5中成像。由動光柵a8和靜光柵9出射的一級衍射光將分別在ccd圖像傳感器5中形成兩個焦斑，測量兩焦斑縱向距離dy，再根據(jù)公式(1)可得光束的左右角度偏差δβ，由公式(4)計算得到光柵的面內(nèi)旋轉(zhuǎn)角度θz。

測量步驟三：動光柵a8相對靜光柵9的二維平動精度的測量。

將動光柵b10相對靜光柵9的光柵俯仰角θx、偏轉(zhuǎn)角θy以及旋轉(zhuǎn)角度θz調(diào)整至合格范圍以消除光柵旋轉(zhuǎn)對二維平動精度的影響，方可進(jìn)行二維平動精度測量。

使光源系統(tǒng)1發(fā)出的測量子光束a1、b1經(jīng)半透半反鏡a2透射后再經(jīng)平行布置的半透半反鏡b7和反射鏡a6反射后平移為子光束a2、b2，子光束a2、b2入射至動光柵a8和靜光柵9拼縫處，經(jīng)動光柵a8和靜光柵9出射的零級反射光經(jīng)反射鏡b11反射后返回到動光柵a8和靜光柵9，再依次經(jīng)反射鏡a6，半透半反鏡b7和半透半反鏡a2反射，由聚焦透鏡3聚焦后經(jīng)顯微物鏡4放大，最后在ccd圖像傳感器5中成像。經(jīng)動光柵a8和靜光柵9產(chǎn)生的兩束零級反射光因光柵相對平動的影響發(fā)生焦斑分裂，選取其中最強的兩焦斑并計算其能量比值，按圖3所示的焦斑能量比值和平動位移量的對應(yīng)曲線可查得光柵的實際平動精度。