CN105258923B - 用于制作复制拼接光栅中的误差检测方法 - Google Patents
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Abstract
用于制作复制拼接光栅中的误差检测方法，涉及光栅拼接技术领域，解决现有光栅复制拼接误差检测方法由于入射光从光栅上表面入射，存在母版光栅基底折射率会导致两块拼接光栅的衍射光出射方向不一致，探测器不能同时接收两块光栅的衍射光进而导致测量精度低等问题，包括拼接光栅放置在底部透光且无遮拦的拼接架上；在拼接架下方放置两块平面镜；用光栅衍射波前测量干涉仪出射光源入射到两块平面镜，通过调节两块平面镜的角度，使入射光穿过光栅毛坯照射到光栅铝层面，拼接光栅零级及闪耀衍射级次的两束光沿原路返回至干涉仪；调整两块光栅拼接架的位置及角度姿态，使得两块光栅的衍射波前差最小化。本发明方法提高了复制拼接光栅的制作精度。
Description
技术领域
本发明涉及大尺寸平面衍射光栅制作领域，具体涉及一种制作复制拼接光栅中的误差检测方法。
背景技术
米级尺寸平面衍射光栅在天文光谱分析、惯性约束核聚变激光快点火系统等众多科研领域中都有着重要的应用。光栅复制拼接方法具有低成本、易于工程化等优点，是制作米级以上尺寸平面光栅的主要方法之一。
光栅复制拼接法是指利用复制工艺将两块或更多小尺寸的光栅复制到同一块玻璃毛坯上，根据光栅的使用精度要求，调节各块子光栅姿态和相对位置关系，在该玻璃毛坯上形成的拼接光栅在一定精度要求下可当作一整块光栅使用。光栅复制拼接法主要分为传统复制拼接法和新型复制拼接法，传统复制拼接法是指先将两块子光栅进行拼接，再利用复制工艺将两块子光栅的槽形同时复制到一块面积为二者之和的光栅基底上，从而制作得到复制拼接光栅；
新型复制拼接法是用一块光栅母版，如现有申请号为CN201510190510.4的专利，在光栅基底的相邻区域分时复制，调整每次复制过程中子光栅的位置姿态满足精度要求，得到面积为子光栅整数倍的复制拼接光栅。
现有的光栅复制拼接检测技术是将平行单色光入射至光栅上表面，由衍射波前测量干涉仪接收光栅的零级反射光和闪耀级次的衍射光，通过分析计算出光栅拼接误差。
对于传统复制拼接法而言，现有的光栅复制拼接检测技术只能在两块子光栅的拼接过程中进行光栅拼接误差检测；由于现有的光栅复制拼接检测技术是在光栅上表面实现测量的，无法在光栅复制过程中对光栅拼接误差进行在线监测，若复制过程中光栅的拼接误差变大则可能导致光栅拼接失败；因此该检测技术存在以下缺陷：①不能够实时在光栅复制过程中检测拼接误差，复制拼接光栅的成功率低；②现有的检测方法需使用两台干涉仪检测，系统复杂且价格昂贵；使用一台干涉仪分时对光栅零级反射光和闪耀级次的衍射光进行检测，则需要不断搬动干涉仪的位置，这对光路调整极为不便。
此外，若将现有检测技术用于新型复制拼接法，由于新型复制拼接法是在复制过程中拼接两块光栅，而复制过程中光栅表面并不暴露于外表面，即入射光并不能直接入射到第二次复制时产生的光栅表面，需要穿过母版光栅基底，而第一块光栅并没有母版光栅，因此拼接误差检测时存在光栅母版的影响，该检测方法存在以下缺陷：①从光栅上表面入射时，母版光栅基底折射率会导致两块拼接光栅的衍射光出射方向不一致，探测器不能同时接收两块光栅的衍射光；②母版光栅基底会引入附加光程差，导致拼接误差检测时受到影响。因此，采用现有检测技术无法实现对新型复制拼接法的拼接误差的高精度测量。
发明内容
本发明为解决现有光栅复制拼接误差检测方法由于入射光从光栅上表面入射，存在母版光栅基底折射率会导致两块拼接光栅的衍射光出射方向不一致，探测器不能同时接收两块光栅的衍射光进而导致测量精度低等问题，提供一种用于制作复制拼接光栅中的误差检测方法。
用于制作复制拼接光栅中的误差检测方法，用于对一块光栅母版在光栅毛坯上分时复制获得的两块光栅存在的误差进行检测，该方法由以下步骤实现：
步骤一、将光栅毛坯放置在底部设置有透光孔的拼接架上，并在所述拼接架下方放置零级光路平面反射镜和闪耀级次平面反射镜；
步骤二、光栅衍射波前测量干涉仪出射准直光，光源分别入射至零级光路平面反射镜和闪耀级次平面反射镜，调整所述零级光路平面反射镜和闪耀级次平面反射镜的角度，使零级衍射光和闪耀级次的衍射光依次穿过拼接架的透光孔以及光栅毛坯的铝层表面入射至第一次复制形成的光栅与第二次复制形成的光栅的接缝处，然后原路返回经零级光路平面反射镜和闪耀级次平面反射镜反射至光栅衍射波前测量干涉仪；
步骤三、根据光栅衍射波前测量干涉仪接收的零级衍射光和闪耀级次的衍射光的干涉条纹，调整光栅拼接架的位置及角度姿态，使第一次复制形成的光栅3与第二次复制形成的光栅的衍射波前差小于λ/4。
本发明的有益效果：本发明设计一种应用于复制拼接过程中的实时拼接误差检测方法，采用在光栅下表面穿过光栅毛坯来实现光栅拼接误差的测量，该方法可同时适用于传统复制拼接法和新型复制拼接法，实现在光栅拼接及光栅复制过程中对光栅拼接误差的实时检测，提高复制拼接光栅的制作精度，保证制作复制拼接光栅的成功率；此外，本发明仅利用一台光栅衍射波前测量干涉仪，分光束实现对拼接光栅零级光及衍射光的测量，简化了检测光路，为实际测量拼接误差提供方便。
附图说明
图1为采用本发明所述的用于制作复制拼接光栅中的误差检测方法中拼接误差的结构示意图；
图2为采用本发明所述的用于制作复制拼接光栅中的误差检测方法进行误差检测的结构示意图；
图3为采用本发明所述的用于制作复制拼接光栅中的误差检测方法进行局部检测示意图；
图4为采用本发明所述的用于制作复制拼接光栅中的误差检测方法进行误差检测侧视图；
图5为采用本发明所述的用于制作复制拼接光栅中的误差检测方法进行误差测量原理示意图。
图中：1、复制拼接架，2、光栅毛坯，3、第一次复制时形成的光栅，4、第二次复制时形成的光栅，5、零级光路平面反射镜，6、闪耀级次平面反射镜，7、光栅衍射波前测量干涉仪，8、第一干涉条纹，9、第二干涉条纹，10、铝层表面。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1至图5说明本实施方式，用于制作复制拼接光栅中的误差检测方法，在复制拼接过程中，入射光从穿过光栅毛坯的方向入射，照射到光栅表面，光栅的零级衍射光和闪耀级次的衍射光共用一套接收系统。
S1、将光栅毛坯2放置在底部透光且无遮拦的拼接架1上；
S2、在所述拼接架1下方放置两块平面反射镜；
S3、用光栅衍射波前测量干涉仪7的准直光作为光源，光源入射到两块平面镜，通过调节两块平面镜的角度，使入射光穿过光栅毛坯照射到光栅铝层表面10，拼接光栅零级及闪耀衍射级次的两束光沿原路返回至光栅衍射波前测量干涉仪7；
S4、观察光栅衍射波前测量干涉仪7视野中的两组干涉条纹，并调整光栅拼接架1的位置及角度姿态，使得第一次复制形成的光栅3和第二次复制形成的光栅4的衍射波前差小于λ/4。λ为波长。
本实施方式中，选择入射光从穿过光栅毛坯2底面的方向入射至光栅铝层表面10，实时测量复制拼接过程中存在的拼接误差，提高了复制拼接光栅的制作精度，保证了制作复制拼接光栅的成功率；此外，本发明仅利用一台光栅衍射波前测量干涉仪，分光束实现对拼接光栅零级光及衍射光的测量，简化了检测光路，为实际测量拼接误差提供方便。
本实施方式中，步骤S3具体为，光栅衍射波前测量干涉仪7的出射光经过两块不同角度的平面反射镜分成两束光，穿过光栅毛坯2入射到复制拼接光栅(第一次复制形成的光栅与第二次复制形成的光栅)接缝处，光栅的零级衍射光及闪耀级次衍射光分别沿两束入射光的原方向返回，再经过两块平面反射镜，回到中。
结合图1，建立笛卡尔空间直角坐标系o-xyz，xoy平面为复制拼接架平面，z轴垂直于复制拼接架1，x轴为光栅矢量方向，y轴为光栅的栅线方向，拼接时存在绕x、y、z轴的三维角度误差Δθx、Δθy、Δθz和沿x、z轴的两维位移误差Δx、Δz。
本实施方式中，所述的光栅衍射波前测量干涉仪7测量拼接误差的具体检测过程如下：其中光栅衍射波前测量干涉仪7为ZYGO干涉仪，
结合图2至图5，所述ZYGO干涉仪的出射光是经过准直扩束后的激光，经由零级光路平面反射镜5和闪耀级次平面反射镜6反射后，通过拼接架1的通光孔，穿过光栅毛坯2打到的拼接狭缝处，其中零级光路平面反射镜5和闪耀级次平面反射镜6摆放的角度是由光栅方程在利特罗条件下计算得到，第一次复制形成的光栅3和第二次复制形成的光栅4的零级衍射光和闪耀级次衍射光分别沿原路返回，再经过零级光路平面反射镜5和闪耀级次平面反射镜6回到ZYGO干涉仪中。
结合图5，图中为ZYGO干涉仪理论上接收到的干涉条纹，其中8是零级光路平面反射镜5反射回ZYGO的光，即拼接光栅中第一次复制形成的光栅的零级衍射光，9是闪耀级次平面反射镜6反射回ZYGO的光，即拼接光栅中第二次复制形成的光栅4的闪耀级次衍射光。拼接光栅零级衍射光产生的第一干涉条纹8包含三维误差信息，分别是Δθx、Δθy、Δz。由第一次复制形成的光栅3产生的条纹定为基准条纹，对应第一干涉条纹8的左侧，调整第二次复制形成的光栅4产生的条纹，对应于第一干涉条纹8的右侧。Δθx会使第一干涉条纹8的右侧条纹宽窄发生变化，调整Δθx直至第一干涉条纹8左右两侧的条纹宽窄一致，Δθx消除。Δθy会使第一干涉条纹8的右侧条纹倾斜发生变化，调整Δθy直至第一干涉条纹8左右两侧的条纹倾斜一致，Δθy消除。Δz会使第一干涉条纹8左右的条纹发生错位，并且随着Δz的变化，错位发生周期性变化，因对于第二次复制时加入与第一次相同的配重，所以Δz不会像机械拼接一样存在n·Δz(其中n＝0,1,2…)，Δz会在一个条纹内错位，因此调整Δz是第一干涉条纹8左右两侧的条纹不发生错位时Δz消除。
拼接光栅闪耀级次衍射光产生的第二干涉条纹9包含五维误差信息，分别是Δθx、Δθy、Δθz、Δx、Δz，而通过第一干涉条纹8已经将Δθx、Δθy、Δz调整为零，只剩Δθz、Δx、Δz。与第一干涉条纹8的调整一致，先将第二干涉条纹9左侧的条纹调为水平，Δθz会导致第二干涉条纹9的右侧发生倾斜变化，调整Δθz第二干涉条纹9右侧的条纹成水平后Δθz为零。现在残留的误差为Δx，Δx导致第二干涉条纹9左右两侧的干涉条纹发生错位，因此调整Δx使第二干涉条纹9左右两侧的条纹对准，则Δx＝nd(其中n＝0,1,2…)，d为条纹间距。通过对零级及衍射光的检测及调节，实现五维拼接误差调整。
Claims (4)
1.用于制作复制拼接光栅中的误差检测方法，用于对一块光栅母版在光栅毛坯(2)上分时复制获得的两块光栅存在的误差进行检测，其特征是，该方法由以下步骤实现：
步骤一、将光栅毛坯(2)放置在底部设置有透光孔的拼接架(1)上，并在所述拼接架(1)下方放置零级光路平面反射镜(5)和闪耀级次平面反射镜(6)；
步骤二、光栅衍射波前测量干涉仪(7)出射准直光，光源分别入射至零级光路平面反射镜(5)和闪耀级次平面反射镜(6)，调整所述零级光路平面反射镜(5)和闪耀级次平面反射镜(6)的角度，使零级衍射光和闪耀级次的衍射光依次穿过拼接架(1)的透光孔以及光栅毛坯(2)的铝层表面(10)入射至第一次复制形成的光栅(3)与第二次复制形成的光栅(4)的接缝处，然后原路返回经零级光路平面反射镜(5)和闪耀级次平面反射镜(6)反射至光栅衍射波前测量干涉仪(7)；
步骤三、根据光栅衍射波前测量干涉仪(7)接收的零级衍射光和闪耀级次的衍射光的干涉条纹，调整光栅拼接架的位置及角度姿态，使第一次复制形成的光栅(3)与第二次复制形成的光栅(4)的衍射波前差小于λ/4。
2.根据权利要求1所述的用于制作复制拼接光栅中的误差检测方法，其特征在于，步骤二中，所述零级光路平面反射镜(5)和闪耀级次平面反射镜(6)的位置通过光栅方程在利特罗条件下计算获得。
3.根据权利要求1所述的用于制作复制拼接光栅中的误差检测方法，其特征在于，所述光栅衍射波前测量干涉仪(7)根据接收的干涉条纹判断第一次复制形成的光栅与第二次复制形成的光栅存在五维拼接误差。
4.根据权利要求3所述的用于制作复制拼接光栅中的误差检测方法，其特征在于，拼接误差的消除方法为：
所述光栅衍射波前测量干涉仪(7)接收零级衍射光产生的第一干涉条纹(8)包含三维误差信息，分别是x轴、y轴的两维角度误差Δθx、Δθy和z轴的位移误差Δz；
由第一次复制形成的光栅(3)产生的条纹定为基准条纹，对应第一干涉条纹(8)的左侧，调整第二次复制形成的光栅(4)产生的条纹，对应于第一干涉条纹(8)的右侧；Δθx使第一干涉条纹(8)的右侧条纹宽窄发生变化，调整Δθx直至第一干涉条纹(8)左右两侧的条纹宽窄一致，Δθx消除；Δθy使第一干涉条纹(8)的右侧条纹倾斜发生变化，调整Δθy直至第一干涉条纹(8)左右两侧的条纹倾斜一致，Δθy消除；Δz使第一干涉条纹(8)左右的条纹发生错位，进行第二次复制时加入与第一次复制时加入相同的配重，调整Δz使第一干涉条纹(8)左右两侧的条纹不发生错位时Δz消除；
闪耀级次衍射光产生的第二干涉条纹(9)包含五维误差信息，分别是绕x、y、z轴的三维角度误差Δθx、Δθy、Δθz和沿x、z轴的两维位移误差Δx、Δz，通过第一干涉条纹(8)将Δθx、Δθy、Δz调整为零，对于Δθz、Δx，将第二干涉条纹(9)左侧的条纹调为水平，Δθz使第二干涉条纹(9)的右侧发生倾斜变化，调整Δθz使第二干涉条纹(9)右侧的条纹成水平后Δθz为零，Δx使第二干涉条纹(9)左右两侧的干涉条纹发生错位，调整Δx使第二干涉条纹(9)左右两侧的条纹对准，实现五维拼接误差的消除。
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