基于闪耀光栅拼接技术的检测结构及其拼接误差调整方法与流程
本申请属于光学测量领域，本发明涉及一种基于闪耀光栅拼接技术的检测结构及其拼接误差调整方法。特别是一种大尺寸拼接光栅衍射波前拼接检测及其校正方法范围。
背景技术：
随着现代技术发展和科学进步，对于自然界探知手段及其能力的需要越来越高，在天文物理学和高能脉冲激光等特殊研究领域对大口径平面衍射光栅的需求越来越急迫。天文领域中，随着望远镜口径的增大，必须配备相应的大尺寸分光元件—光栅，才能有效实现望远镜的高分辨率、高精度及高稳定性探测，而对于后者，惯性约束核聚变（icf）为解决国际上普遍存在着能源危机，提供有效的途径，其技术前提是需要大口径的脉冲压缩光栅通过啁啾脉冲放大原理产生高能量的激光脉冲。以上方面不仅可应用于民用，在军事上和国防上也具有极大的应用价值，因此对技术的核心元件——大口径的光栅，一直是处于禁运状态。
对于大口径光栅制作，可主要方案分为采用单块光栅的大尺寸和拼接技术。由于生产m量级尺寸单个光栅存在着较大的技术难题：如衍射波前难以控制、杂散光严重、制作和复制过程中缺乏有效的控制手段和相应的设备，所以国际上通常采用拼接技术实现m级尺寸光栅。实现多个子块光栅拼接而成的大尺寸光栅，高精度的拼接检测误差检测技术的发展是实现高稳定性、高精度拼接光栅的前提。
现有技术中拼接光栅检测手段包括干涉检测和光场能量检测。光场能量检测主要是根据检测由于存在的拼接误差而产生的光斑能量分布变化进行调节，分析过程复杂且调节精度较低，并且在入射光存在波前像差条件下对光斑影响较大。干涉检测技术通过干涉法对条纹的形状进行调节，精度高，可视化程度好。所以干涉检测是实现高精度的拼接光栅主要检测手段。
201510881610.1号中国专利申请设计了基于光强能量分布检测技术，该技术针对拼接光栅的能量分布进行调整，精度较低；201610344818.4及201610344783.4号中国专利申请设计了一种检测拼接光栅拼接误差检测技术，该技术是基于干涉法，采用干涉仪获得零级和干涉级次条纹，该技术主要针对普通衍射光栅进行检测。然而用于天文或者惯性约束核聚变中的大口径光栅，是由闪耀光栅拼接而成，闪耀光栅零级能量太弱，干涉仪产生的光束不能形成干涉条纹，需要较强的激光进行入射；由于拼接光栅的调整维度存在着相互耦合性，因此分别根据零级和干涉级进行分部调整，过程过于复杂，难度较大，基于棱镜产生的变入射角技术对拼接光栅的方位进行调整，视场小，结构复杂，并且调整限制多，从而影响着调节拼接误差的精度。
技术实现要素：
本发明目的是为了解决大尺寸的衍射光栅拼接技术的检测和调整难题，提出了一种米级拼接光栅波前检测结构和检测方法，基于双波长的条纹测量和零级、衍射级次光同步检测调整技术，最大化的实现闪耀拼接光栅的调整和检测，该装置具有低成本、结构简单、高精度，可完成大尺寸光栅拼接的高精度的基本要求。
为实现上述技术目的，本发明提供了如下技术方案：一种基于闪耀光栅拼接技术的检测结构，其特征在于，设有两个不同波长的激光光源，激光光源a与激光光源b发出的激光经过准直扩束系统后，由半反半透镜分成两束，分别形成衍射m级检测条纹及0级检测条纹，衍射m级检测条纹是由经分光棱镜反射到标准反射镜反射后到达ccda的光束与入射光束透过分光棱镜到达拼接光栅后自准直反射的光束经半反半透镜反射后到达ccda，两束光束在ccda上形成干涉条纹；0级检测条纹是由半反半透镜分出的另一束经反射镜、分光棱镜入射到拼接光栅上反射再经分光棱镜反射到ccdb上的光束与入射光束经分光棱镜反射后在标准反射镜上反射到ccdb上的光束干涉形成的条纹；ccda与ccdb的输出经计算机数据处理系统分别接入驱动装置a、驱动装置b；光栅拼接结构由两个相同的光栅组成，其中基准光栅a，提前放置好理想的位置，调整光栅b作为需要调节的光栅，在驱动装置a和驱动装置b的指令下，使调整光栅b严格的和基准光栅a拼接。
参照图1：基于双波长光源及同步干涉技术的闪耀光栅拼接结构及拼接误差调整方法，检测系统主要包括：激光光源a，激光光源b，准直扩束系统3，半反半透镜4，反射镜5，分光棱镜6、分光棱镜7、标准反射镜8、9，光栅拼接结构10（其中包括基准光栅a和调整光栅b，所以该两者的标号分别是10a和10b）、图像采集装置11、12，计算机数据处理系统13、驱动装置a14、驱动装置b15。
拼接光栅结构主要是由两个相同的光栅组成，其中基准光栅a10，提前放置好理想的位置，调整光栅b10，作为需要调节的光栅，在驱动装置a14和驱动装置b15的指令下，使其调整光栅b10严格的和基准光栅a10拼接。
基准光栅a10放置在固定的安装座上，调整光栅b10放置在调整安装座上，其可调参数主要包括方位角∆θx，∆θy，∆θz，平移∆x和垂直方向移动∆z。
为实现光栅的严格拼接，系统需要两个不同波长激光光源，其中一个激光光源为主调节激光光源a，另一个为辅助激光光源b，两个激光光源的波长不同，为了后期调节拼接光栅的∆z方向。
两个激光光源a、b通过分光棱镜，耦合到检测系统中。
准直扩束系统3主要将激光光束准直扩束，实现理想准直的、口径较大的探测光束，其探测光束的口径由准直光束的口径决定，而准直光束口径影响拼接光栅上探测视场的大小。
分束镜4为半反半透镜或者分光棱镜，主要实现光束的分光功能。其中透射光束为拼接光栅m级次波前检测光，反射光束通过反射镜5形成拼接光栅的0级检测光。
零级检测光和m级次自准直光束入射到拼接光栅的拼缝处，使得检测光平均分布到基准光栅a10和调整光栅b10上。目的是使得调节视场和基准视场大小相同。
m级次检测光主要沿着拼接光栅的自准直方向入射，在拼接光栅上衍射后，沿着原路光束返回。在拼接光栅没有完全对准条件下，以基准光栅的自准直方向为调节基准。
m级次检测光的干涉条纹形成条件为：经过半反半透镜4的准直光在分光棱镜6处，透射光入射到拼接光栅10上，经拼接光栅10自准直衍射后经半反半透镜6反射到探测器ccda上，作为干涉光中的拼接光栅光束；入射光经分光镜6反射光在标准镜9上反射，后经分光镜透射后入射到探测器ccda上，形成干涉光束中的参考光束，拼接光栅光束与参考光束相互干涉，在探测器上形成m级次的干涉条纹或干涉图。
0级次检测光的干涉条纹形成条件为：经过半反半透镜4反射光在反射镜5的方位调节下正入射拼接光栅10，在此入射条件下，经过反射镜5的光束经分光棱镜7后反射到标准反射镜8后的反射光在透过半反半透镜7到达探测器ccdb上，形成0级光束的参考光，在经过反射镜5的光束经分光棱镜7后透射到拼接光栅上后反射，原路返回的0级光再经分光棱镜7反射后入射到探测器ccdb上形成0级次的拼接光栅光束。拼接光栅光束与0级光参考光束相互干涉，在探测器ccdb上形成干涉条纹或干涉图。
在m级次和0级次的干涉中标准镜8、标准镜9的镜面为理想的无像差镜面。
在m级次和0级次的干涉中探测器ccda，ccdb为1024×1280像素或者任何像素，像素越大，数据处理精度越高。
计算机控制程序主要作用是通过m级干涉条纹和0级干涉条纹计算拼接光栅b相对于基准光栅a的位移和角度偏差，从而驱动拼接光栅的移动。
驱动装置a14、驱动装置b15主要作用是分别为根据m级和0级干涉条纹计算下的调节数值，驱动拼接光栅移动。
完成本申请第二个发明任务的技术方案是，上述基于闪耀光栅拼接技术的检测结构拼接误差调整方法，其特征在于，步骤如下：
步骤一，手动调节或目视调节：将基准光栅和调节光栅先进行手动调节办法，近似通过目视调节，实现基准光栅和调节光栅的方位角和位移在目视的理想位置。
步骤二，搭建双波长的闪耀光栅拼接结构检测光路，将拼接光栅的整个结构放置在附图1所示的闪耀光栅拼接结构中，该结构中光路检测系统形成的主要干涉图为0级光干涉图和m级次衍射光干涉图。
双波长光路主要是指光路中的所需光源为两个激光光源a和激光光源b，其中主调节激光光源a是在检测系统和调节系统中始终使用的光源，而辅助激光光源b则是在检测系统和调节系统中当调节闪耀拼接光栅∆z参数时使用的光源，两个光源同时在系统中调节，完成闪耀光栅的严格拼接。除此之外，整个光路中无特殊说明都是在主激光光源a的入射条件下完成。在操作中以主调节激光光源a波长为632.8nm，辅助激光光源2的波长为537nm。
其中，0级光干涉图其形成的主要结构为：入射光束经过半反半透镜4反射和反射镜5后，光束垂直入射到光栅表面，光束经过光栅反射的0级光经过分光棱镜7和标准镜8反射后入射到ccdb探测器上，与经过反射镜5的光束入射到分光棱镜7上反射后到ccdb上的光束相互干涉，形成干涉条纹。调节标准镜8的方位角可控制干涉条纹的周期、方向。m级次光干涉图形成的主要结构为：经过半反半透镜4的准直光在分光棱镜6处，透射光入射到拼接光栅上，经拼接光栅10自准直衍射后经半反半透镜6反射到探测器ccda上，与入射光经分光镜6反射光在标准镜9上反射，后经分光镜透射后入射到探测器ccda上的光束相互干涉，在探测器上形成m级次的干涉条纹或干涉图。
步骤三，将ccda和ccdb形成的干涉图经过计算机控制程序13和驱动装置a14,驱动装置b15与拼接光栅的调节光栅的调节结构相连，调节结构可满足调节光栅的五维调整，分别为：方位角∆θx，∆θy，∆θz，平移∆x和垂直方向移动∆z；驱动装置a14为ccdb干涉图所计算的调节数值进行驱动，其驱动方位角为∆θx，∆θy，和垂直方向移动∆z；驱动装置b15为ccda干涉图所计算的调节数值进行驱动，其驱动方位角为∆θz，∆θy，和平移方向移动∆x。
步骤四，在步骤二和步骤三基础上，完成测试系统的基本调试上，进行高精度的基于干涉法的调整。首先对闪耀拼接光栅b的零级光束进行调节。首先调节基准光栅a的干涉图，由于零级光束的入射光一半光束入射到基准光栅上，因此调节入射到基准光栅a上的干涉条纹，其方法是基准光栅a不动，调节标准镜8的方位角，使得在ccdb上形成清晰的干涉条纹图像。在视场内干涉条纹有三个到8个为最佳。固定标准镜8的方位角，此时基准光栅a10和标准镜8不动的前提下，采集ccdb上的整个干涉图，其中一半为0级次基准光栅a10的干涉图，另一半为0级次调节光栅b的干涉图，在理想的拼接光栅无调节误差情况下，基准光栅a10和调节光栅b10干涉图应完全相同，当干涉图存在不同时，存在调节误差，根据干涉图图样，在计算机控制程序13和驱动装置a14共同作用下，移动调节光栅b的参数方位角∆θx，∆θy，使得基准光栅a和调节光栅b的干涉图条纹周期相同，条纹方向完全相同，从而完成了拼接光栅方位角∆θx，∆θy的调节。
步骤五，在步骤四的基础上，进一步对闪耀拼接光栅的垂直平移∆z进行调节。采用双波长的调节方案对拼接光栅的垂直平移∆z进行调节，其基本原理为：根据光栅形成的基本条件：
其中i是干涉条纹强度，a是系数，△为光程差，拼接光栅的光程差为△=2×cosα×∆z。在零级光垂直入射条件下α=0，此时△=2×∆z。当在零级光只存在拼接误差∆z时，波长λ1和波长λ2拼接光栅产生相同的条纹条件下，满足公式：
如果波长λ1和波长λ2的干涉条纹同时对准，即δz的计算结果满足以下关系式
由于m1和m2为整数，则：
flcm为最小公倍数函数.δz初始调整距离，即调整阈值为
采用双波长的方案，分为三步，第一步，手动调节：即通过高精度的距离测量仪器如游标卡尺等使得基准光栅a和调节光栅b的垂直平移距离误差小于60.452微米；第二步，通过ccda采集主调节光源a为入射光条件下的干涉条纹，调整垂直平移∆z的大小，使得基准光栅a和调节光栅b形成的干涉条纹完全平行无错位，打开辅助激光光源b，关闭主调节光源a，通过ccdb采集辅助调节光源b为入射光条件下的干涉条纹，调整垂直平移∆z的大小，使得基准光栅a和调节光栅b形成的干涉条纹完全平行无错位。第三步，重复使用第一步和第二步，在调整垂直平移∆z的大小，使得在主调节光源a和辅助调节光源b中产生的干涉条纹，即基准光栅与调节光栅在一个视场内产生的干涉条纹都不存在条纹错位现象，则此时∆z调整完毕，此时满足∆z=0的条件唯一。每次使用∆z调节都是通过ccdb采集到的干涉条纹在计算机控制程序13计算下驱动调节装置a14对拼接光栅中的调节光栅进行控制。
步骤六，在步骤一至步骤五基础上，进一步对拼接光栅的衍射级次m级的干涉条纹进行调节。首先调节基准光栅a的干涉图，由于m级光束的入射光一半光束入射到基准光栅a上，因此调节入射到基准光栅a上的干涉条纹，其方法是基准光栅a不动，调节标准镜9的方位角，使得在ccda上形成清晰的干涉条纹图像。在视场内干涉条纹有三个到八个为最佳。固定标准镜9的方位角，此时基准光栅a和标准镜9不动的前提下，采集ccda上的整个干涉图，其中一半为m级次基准光栅a的干涉图，另一半为m级次调节光栅b的干涉图，在理想的拼接光栅b无调节误差情况下，基准光栅a和调节光栅b干涉图应完全相同，当干涉图存在不同时，存在调节误差，根据干涉图图样，在计算机控制程序13和驱动装置b15共同作用下，分别移动调节光栅b的参数方位角∆θy，∆θz，使得基准光栅a10和调节光栅b10的干涉图条纹周期相同，从而完成了拼接光栅方位角调节。如图6（a）、6（b）、6（c）所示。
步骤七，在步骤一至步骤六基础上，进一步对拼接光栅的衍射级次m级的干涉条纹进行调节。若ccda上的干涉图中m级次的基准光栅a干涉条纹和调节光栅b干涉条纹之间存在错位，根据干涉图图样，在计算机控制程序13和驱动装置b15共同作用下，移动调节光栅b的参数平移∆x，使得基准光栅a和调节光栅b的干涉图条纹完全平行，从而完成了拼接光栅方位角∆x调节。如图6（d）所示。当基准光栅a和调节光栅b的干涉条纹完全相同时，完成闪耀拼接光栅的m级次调节。
步骤八，重复步骤四至步骤七，使得拼接光栅中的零级干涉条纹和m级次干涉条纹中，基准光栅a条纹和调节光栅b条纹完全相同，如果存在误差，则根绝相应的调节步骤进行调节。当不同级次条纹完全相同时，调节完毕。实现闪耀拼接光栅的完全拼接。
本发明通过基于双波长的条纹测量和零级、衍射级次光同步检测调整技术，最大化的实现闪耀拼接光栅的调整和检测，本发明的装置具有低成本、结构简单、高精度，可完成大尺寸光栅拼接的高精度的基本要求。
附图说明：
为更为清楚的说明本发明的技术方案和实施办法，下面将对本发明所需要的附图进行简单的介绍。
图1为闪耀光栅拼接检测结构示意图；
图2为闪耀光栅拼接误差参数示意图；
图3为m级光与0级光在拼接光栅拼接处的入射面结构示意图；
图4闪耀拼接光栅m级次光束波前检测干涉示意图；
图5闪耀拼接光栅0级次光束波前检测干涉示意图；
图6闪耀拼接光栅m级次干涉条纹调整过程示意图。
具体实施方式：
下面将结合本发明实施案例中的附图，对本发明的技术方案和方法进行详细、清楚的描述。实施例1，基于闪耀光栅拼接技术的检测结构及其拼接误差调整方法，其主要步骤分为：
步骤一，手动调节或目视调节：将基准光栅a和调节光栅b先进行手动调节办法，近似通过目视调节，实现基准光栅a和调节光栅b的方位角和位移在目视的理想位置。
步骤二，搭建双波长的闪耀光栅拼接结构检测光路，将拼接光栅的整个结构放置在附图1所示的闪耀光栅拼接结构中，该结构中光路检测系统形成的主要干涉图为0级光干涉图和m级次衍射光干涉图。
双波长光路主要是指光路中的所需光源为两个激光光源a和激光光源b，其中主调节激光光源a是在检测系统和调节系统中始终使用的光源，而辅助激光光源b则是在检测系统和调节系统中当调节闪耀拼接光栅∆z参数时使用的光源，两个光源同时在系统中调节，完成闪耀光栅的严格拼接。除此之外，整个光路中无特殊说明都是在主激光光源a的入射条件下完成。在操作中以主调节激光光源a波长为632.8nm，辅助激光光源b的波长为537nm。
其中，0级光干涉图其形成的主要结构为：入射光束经过半反半透镜4反射和反射镜5后，光束垂直入射到光栅表面，光束经过光栅反射的0级光经过分光棱镜7和标准镜8反射后入射到ccdb12探测器上，与经过反射镜5的光束入射到分光棱镜7上反射后到ccdb12上的光束相互干涉，形成干涉条纹。调节标准镜8的方位角可控制干涉条纹的周期、方向。m级次光干涉图形成的主要结构为：经过半反半透镜4的准直光在分光棱镜6处，透射光入射到拼接光栅上，经拼接光栅10自准直衍射后经半反半透镜6反射到探测器ccda11上，与入射光经分光镜6反射光在标准镜9上反射，后经分光镜透射后入射到探测器ccda11上的光束相互干涉，在探测器上形成m级次的干涉条纹或干涉图。
步骤三，将ccda和ccdb形成的干涉图经过计算机控制程序13和驱动装置a14、驱动装置b15与拼接光栅的调节光栅b的调节结构相连，调节结构可满足调节光栅的五维调整，分别为：方位角∆θx，∆θy，∆θz，平移∆x和垂直方向移动∆z。驱动装置a14为ccdb干涉图所计算的调节数值进行驱动，其驱动方位角为∆θx，∆θy，和垂直方向移动∆z；驱动装置b15为ccda干涉图所计算的调节数值进行驱动，其驱动方位角为∆θz，∆θy，和平移方向移动∆x。
步骤四，在步骤二和步骤三基础上，完成测试系统的基本调试上，进行高精度的基于干涉法的调整。首先对闪耀拼接光栅的零级光束进行调节。首先调节基准光栅a的干涉图，由于零级光束的入射光一半光束入射到基准光栅a10上，因此调节入射到基准光栅上的干涉条纹，其方法是基准光栅不动，调节标准镜8的方位角，使得在ccdb上形成清晰的干涉条纹图像。在视场内干涉条纹有三个到8个为最佳。固定标准镜8的方位角，此时基准光栅a10和标准镜8不动的前提下，采集ccdb上的整个干涉图，其中一半为0级次基准光栅的干涉图，另一半为0级次调节光栅的干涉图，在理想的拼接光栅无调节误差情况下，基准光栅a10和调节光栅b干涉图应完全相同，当干涉图存在不同时，存在调节误差，根据干涉图图样，在计算机控制程序13和驱动装置a14共同作用下，移动调节光栅b10的参数方位角∆θx，∆θy，使得基准光栅a和调节光栅b的干涉图条纹周期相同，条纹方向完全相同，从而完成了拼接光栅方位角∆θx，∆θy的调节。
步骤五，在步骤四的基础上，进一步对闪耀拼接光栅的垂直平移∆z进行调节。采用双波长的调节方案对拼接光栅的垂直平移∆z进行调节；其基本原理为：根据光栅形成的基本条件：
其中i是干涉条纹强度，a是系数，△为光程差，拼接光栅的光程差为△=2×cosα×∆z。在零级光垂直入射条件下α=0，此时△=2×∆z。当在零级光只存在拼接误差∆z时，波长λ1和波长λ2拼接光栅产生相同的条纹条件下，满足公式：
如果波长λ1和波长λ2的干涉条纹同时对准，即δz的计算结果满足以下关系式
由于m1和m2为整数，则：
flcm为最小公倍数函数.δz初始调整距离，即调整阈值为
采用双波长的方案，分为三步，第一步，手动调节：即通过高精度的距离测量仪器如游标卡尺等使得基准光栅a10和调节光栅b10的垂直平移距离误差小于60.452微米；第二步，通过ccdb采集主调节光源a为入射光条件下的干涉条纹，调整垂直平移∆z的大小，使得基准光栅a10和调节光栅b10形成的干涉条纹完全平行无错位，打开辅助激光光源b，关闭主调节光源a，通过ccdb采集辅助调节光源b为入射光条件下的干涉条纹，调整垂直平移∆z的大小，使得基准光栅a和调节光栅b形成的干涉条纹完全平行无错位。第三步，重复使用第一步和第二步，在调整垂直平移∆z的大小，使得在主调节光源a和辅助调节光源b中产生的干涉条纹，即基准光栅a与调节光栅b在一个视场内产生的干涉条纹都不存在条纹错位现象，则此时∆z调整完毕，此时满足∆z=0的条件唯一。每次使用∆z调节都是通过ccdb采集到的干涉条纹在计算机控制程序13计算下驱动调节装置a14对拼接光栅中的调节光栅b进行控制。
步骤六，在步骤一至步骤五基础上，进一步对拼接光栅的衍射级次m级的干涉条纹进行调节。首先调节基准光栅a的干涉图，由于m级光束的入射光一半光束入射到基准光栅a上，因此调节入射到基准光栅a上的干涉条纹，其方法是基准光栅a不动，调节标准镜9的方位角，使得在ccda上形成清晰的干涉条纹图像。在视场内干涉条纹有三个到八个为最佳。固定标准镜9的方位角，此时基准光栅a和标准镜9不动的前提下，采集ccda上的整个干涉图，其中一半为m级次基准光栅的干涉图，另一半为m级次调节光栅的干涉图，在理想的拼接光栅无调节误差情况下，基准光栅a和调节光栅b干涉图应完全相同，当干涉图存在不同时，存在调节误差，根据干涉图图样，在计算机控制程序13和驱动装置b15共同作用下，分别移动调节光栅b的参数方位角∆θy，∆θz，使得基准光栅a和调节光栅b的干涉图条纹周期相同，从而完成了拼接光栅方位角调节。如图6（a）、6（b）、6（c）所示。
步骤七，在步骤一至步骤六基础上，进一步对拼接光栅的衍射级次m级的干涉条纹进行调节。若ccda上的干涉图中m级次的基准光栅a干涉条纹和调节光栅b干涉条纹之间存在错位，根据干涉图图样，在计算机控制程序13和驱动装置b15共同作用下，移动调节光栅b的参数平移∆x，使得基准光栅a和调节光栅b的干涉图条纹完全平行，从而完成了拼接光栅方位角∆x调节。如图6（d）所示。当基准光栅a和调节光栅b的干涉条纹完全相同时，完成闪耀拼接光栅的m级次调节。
步骤八，重复步骤四至步骤七，使得拼接光栅中的零级干涉条纹和m级次干涉条纹中，基准光栅a条纹和调节光栅b条纹完全相同，如果存在误差，则根绝相应的调节步骤进行调节。当不同级次条纹完全相同时，调节完毕。实现闪耀拼接光栅的完全拼接。
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