一种中阶梯光栅拼接方法和系统技术方案

本发明专利技术提供了一种中阶梯光栅拼接方法和系统，该系统采用了剪切干涉技术，当一束光照射到剪切板上，会在其前后两个面各产生一次反射，两束反射光之间会产生一个横向剪切量，重叠部分会产生干涉条纹。如果入射光由两束相邻且近似平行的光束组成，则干涉区域会分为三个区域。两束光的相对预定方位会影响中间区域的条纹模式，因而本发明专利技术通过测量干涉条纹对应的周期和旋转判断误差种类，并定量计算误差数值后对误差进行校准，实现光栅严格拼接。实现光栅严格拼接。实现光栅严格拼接。

【技术实现步骤摘要】
一种中阶梯光栅拼接方法和系统


[0001]本专利技术涉光学精密检测领域，具体涉及一种中阶梯光栅拼接方法和系统。

技术介绍

[0002]衍射光栅在光谱观测、精密测量、高能脉冲压缩等众多科学工程领域有着重要应用，其中大口径中阶梯光栅在天文光谱观测领域有极其重要的地位。制造大口径光栅有一定的技术难度，而作为替代方法，用制造技术更成熟的小口径光栅拼接成为光栅组，可以在获得与单块大光栅相近的光学性能的同时，一定程度上减少工程难度，且有可能降低成本。
[0003]两块光栅拼接会产生六个自由度的误差(包括三个平移误差，三个旋转误差)，其中平行于刻线方向的平移误差可以认为不影响拼接质量，其余五个误差均会对衍射波前产生影响。根据误差与波前的关系，部分误差之间会产生互补，因此需要通过观测手段将不同误差分离。
[0004]目前常见的光栅拼接技术中，一类为衍射法，即通过观察光栅组远场衍射光斑的能量分布情况来计算波前相位，这种方法使用较为广泛，其缺点是系统像差等会影响大口径条件下观测结果的准确性。另一类为干涉法，即通过观测光栅组的近场干涉条纹来计算波前。其中，直接用菲索干涉仪观测的方法需要反复调节干涉仪位置观察不同级次，要实现定量计算需要配合移相技术，流程较为复杂，且对环境振动要求较高；欧洲南方天文台ESPRESSO采用激光不等径干涉仪(LUPI)配合高度计的方法没有严格校正位移误差；清华曾理江等人提出的双波长外差干涉方法没有严格校正旋转误差。
[0005]光栅拼接的常规方法是通过先测量零级，分离两项误差，然后测量衍射级(通常为1级)校正其余误差。而中阶梯光栅通常不能直接对零级做干涉测量，必须测量衍射级。
[0006]常规方法中，为了实现误差分离，至少需要在两次不同条件下(波长、入射角度或衍射级次不同的情况下)的测量，但是中阶梯光栅由于测量的是衍射级，必须测量两个不同的级次，而不能只改变波长或者入射角度，且测量的两个级次m1、m2的最大公约数必须为1，否则结果会存在原理上的缺陷。目前的方法没有专门讨论过这个问题。

技术实现思路

[0007]为了克服现有技术问题，本申请提供了一种的中阶梯光栅拼接的解决方案，用以实现中阶梯光栅的拼接以及误差校准。
[0008]为实现上述目的，本专利技术采用以下具体技术方案：
[0009]本专利技术第一方面提供了一种中阶梯光栅拼接方法，所述方法应用于中阶梯光栅拼接系统，所述系统设置于转台上，所述系统包括光源、分束镜、拼接机构、剪切板和图像采集单元；所述拼接机构上安装有平面反射镜或拼接光栅；所述光源发出的光束经由分束镜分为第一光束和第二光束，第一光束进入所述拼接机构，第二光束经由所述剪切板反射后被所述图像采集单元所捕捉；
[0010]所述方法包括以下步骤：
[0011]在所述拼接机构上安装平面反射镜，并通过所述第一光束对应的反射光来标定转台旋转零点，同时记录此时的条纹周期，并计算图像采集单元拍摄到的条纹周期对应的像素数与实际长度的比例；
[0012]从所述拼接机构上拆下所述平面反射镜，并在所述拼接机构上安装拼接光栅，旋转所述转台至第一预设角度，测量所述剪切板的屏幕上的当前条纹的斜率，根据斜率计算第一误差Δθy，控制促动器对所述第一误差Δθy进行第一校准，记录第一校准后的当前条纹周期vp1；
[0013]将转台旋转至第二预设角度，记录旋转后的条纹周期vp2，并根据条纹周期vp1和条纹周期vp2计算第二误差Δθx和第三误差Δθz，控制促动器对所述第二误差Δθx和第三误差Δθz进行第二校准，记录当前条纹错位Δφ2；
[0014]将转台旋转回第一预设角度，记录此时条纹错位Δφ1，根据所述条纹错位Δφ2和条纹错位Δφ1计算第四误差Δx和第五误差Δz，控制促动器对所述第四误差Δx和第五误差Δz进行第三校准。
[0015]作为一种可选的实施例，所述第一误差Δθy为所述拼接光栅绕Y轴方向的旋转误差，所述第二误差Δθx为所述拼接光栅绕X轴方向的旋转误差，所述第三误差Δθz为所述拼接光栅绕Z轴方向上的旋转误差，所述第四误差Δx为所述拼接光栅沿坐标X轴方向上的位移误差，所述第五误差Δz为所述拼接光栅沿坐标Z轴方向上的位移误差；
[0016]所述第一误差Δθx、第二误差Δθx、第三误差Δθz、第四误差Δx和第五误差Δz满足以下公式：
[0017][0018][0019][0020]其中，λ表示波长，α表示光栅入射角，β表示衍射角，m表示衍射级次，φ
z
表示沿传播方向的相位错位，dφ/dx和dφ/dy表示波前的相位梯度。
[0021]作为一种可选的实施例，所述条纹周期包括干涉条纹在u方向上的周期和干涉条纹在v方向上的周期；计算公式如下：
[0022][0023][0024]其中，v
p
为干涉条纹在u方向上的周期，u
p
为干涉条纹在v方向上的周期。
[0025]作为一种可选的实施例，所述条纹错位Δφ2和条纹错位Δφ1是指干扰条纹在u方向上的错位，计算公式如下：
[0026][0027]作为一种可选的实施例，所述斜率计算公式如下：
[0028][0029]作为一种可选的实施例，所述第一预设角度为
‑
36级的littrow角64.137
°
。
[0030]作为一种可选的实施例，所述第二预设角度为
‑
37级littrow角67.644
°
。
[0031]本专利技术第二方面HIA提供了一种中阶梯光栅拼接系统，所述系统设置于转台上，所述系统包括光源、分束镜、拼接机构、剪切板和图像采集单元；所述拼接机构上安装有平面反射镜或拼接光栅；所述光源发出的光束经由分束镜分为第一光束和第二光束，第一光束进入所述拼接机构，第二光束经由所述剪切板反射后被所述图像采集单元所捕捉；
[0032]所述中阶梯光栅拼接系统用于执行如本专利技术第一方面所述的方法步骤。
[0033]作为一种可选的实施例，所述拼接光栅包括第一光栅和第二光栅，所述促动器包括第一促动器和第二促动器；所述第一促动器用于调整所述第一光栅的误差，所述第二促动器用于调整所述第二光栅的误差。
[0034]作为一种可选的实施例，所述第一促动器和所述第二促动器均为压电陶瓷。
[0035]本专利技术提供了一种中阶梯光栅拼接方法和系统，该系统采用了剪切干涉技术，当一束光照射到剪切板上，会在其前后两个面各产生一次反射，两束反射光之间会产生一个横向剪切量，重叠部分会产生干涉条纹。如果入射光由两束相邻且近似平行的光束组成，则干涉区域会分为三个区域。两束光的相对预定方位会影响中间区域的条纹模式，因而本专利技术通过测量干涉条纹对应的周期和旋转判断误差种类，并定量计算误差数值后对误差进行校准，实现光栅严格拼接。
附图说明
[0036]图1是本专利技术一实施例涉及的中阶梯光栅拼接方法的流程图；
[0037]图2是本专利技术一实施例涉及的中阶梯光栅本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种中阶梯光栅拼接方法，其特征在于，所述方法应用于中阶梯光栅拼接系统，所述系统设置于转台上，所述系统包括光源、分束镜、拼接机构、剪切板和图像采集单元；所述拼接机构上安装有平面反射镜或拼接光栅；所述光源发出的光束经由分束镜分为第一光束和第二光束，第一光束进入所述拼接机构，第二光束经由所述剪切板反射后被所述图像采集单元所捕捉；所述方法包括以下步骤：在所述拼接机构上安装平面反射镜，并通过所述第一光束对应的反射光来标定转台旋转零点，同时记录此时的条纹周期，并计算图像采集单元拍摄到的条纹周期对应的像素数与实际长度的比例；从所述拼接机构上拆下所述平面反射镜，并在所述拼接机构上安装拼接光栅，旋转所述转台至第一预设角度，测量所述剪切板的屏幕上的当前条纹的斜率，根据斜率计算第一误差Δθy，控制促动器对所述第一误差Δθy进行第一校准，记录第一校准后的当前条纹周期vp1；将转台旋转至第二预设角度，记录旋转后的条纹周期vp2，并根据条纹周期vp1和条纹周期vp2计算第二误差Δθx和第三误差Δθz，控制促动器对所述第二误差Δθx和第三误差Δθz进行第二校准，记录当前条纹错位Δφ2；将转台旋转回第一预设角度，记录此时条纹错位Δφ1，根据所述条纹错位Δφ2和条纹错位Δφ1计算第四误差Δx和第五误差Δz，控制促动器对所述第四误差Δx和第五误差Δz进行第三校准。2.如权利要求1所述的中阶梯光栅拼接方法，其特征在于，所述第一误差Δθy为所述拼接光栅绕Y轴方向的旋转误差，所述第二误差Δθx为所述拼接光栅绕X轴方向的旋转误差，所述第三误差Δθz为所述拼接光栅绕Z轴方向上的旋转误差，所述第四误差Δx为所述拼接光栅沿坐标X轴方向上的位移误差，所述第五误差Δz为所述拼接光栅沿坐标Z轴方向上的位移误差；所述第一误差Δθx、第二误差Δθx、第三误差Δθz、第四误差Δx和第五误差Δz满足以下公式：下公式：下公式：其中，λ表示波长，α表示光栅入射角，β表示衍射角，m表示...

【专利技术属性】
技术研发人员：糜小涛，李文昊，于宏柱，李逸凡，江思博，周敬萱，高键翔，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
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