CN114894099B - 一种大量程高精度阶梯光栅机械拼接位移检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大量程高精度阶梯光栅机械拼接位移检测系统及方法。本发明采用双级次同步调节方法，首先利用光栅衍射0级，对纵向位移Δz进行调节，通过色散干涉条纹与双波长干涉测量技术结合，通过先粗调后细调方案，从而消除拼接光栅纵向位移误差Δz的误差周期性；通过光栅衍射m级次中采用干涉条纹测量技术，完成横向位移Δx的精确调整。通过上述过程，有效解决了拼接光栅中位移误差耦合性和周期性问题，实现了在阶梯光栅拼接过程中大量程和高精度的检测特点，通过偏振元件，实现了光束能量的有效利用。

Description

一种大量程高精度阶梯光栅机械拼接位移检测系统及方法

技术领域

本发明属于光学精密检测领域，具体涉及一种阶梯光栅机械拼接的大量程高精度位移检测系统及检测方法。

背景技术

大尺寸阶梯光栅是天文光谱分析，激光核聚变等领域的重要光学元件。随着科学技术的快速发展，在天文领域和高能脉冲领域对大尺寸阶梯光栅的需求更加迫切。在天文领域中，为了实现更暗天体的探测及其他科研目标，各国研制的望远镜都在朝着更大口径更高的光谱分辨率方向发展，望远镜的口径越大，其配备的高分辨率光谱仪所要求的阶梯光栅尺寸越大，一般来说，望远镜的口径在十米及以上尺寸，必须配备米级的阶梯光栅。而在能源领域中，为了应对能源危机，世界各国都在进行激光核聚变领域的研究，为了提高输出能效，对光栅尺寸的需求同样达到了米量级。

现有的光栅制备技术中，对于大尺寸单体光栅制备来说，由于存在各种技术难题，如刻划精度难以保证，衍射波前难以控制，目前制备成功的最大单体光栅尺寸为400×500mm，很难达到米量级的制备尺寸。所以国际上通常采用拼接技术来实现米量级的阶梯光栅制备，通过高精度的检测技术实现两块及以上的子光栅精准拼接，达到高稳定性、高精度的拼接效果。在光栅拼接过程中，会存在五维误差影响最后的拼接效果，并且它们之间存在一定的耦合性。目前，常见的光栅拼接检测技术有光斑法和条纹法，光斑法主要是利用光栅的衍射光波被聚焦在探测器上形成的衍射光斑的变化来判断光栅间的拼接误差；条纹法主要是利用拼接光栅栅面反射光于干涉仪参考光形成的干涉条纹的变化来判断光栅间的拼接误差。对于光斑法而言，当入射光存在波前像差时会对远场光斑产生较大影响，并且其分析过程相对复杂，而采用条纹法测量精度较高，干涉条纹易于观察。

发明内容

本发明的目的是解决大尺寸拼接光栅的位移检测调整的技术难题提出一种大量程高精度阶梯光栅机械拼接位移检测系统及方法，该系统及方法将色散干涉条纹技术与双波长干涉条纹技术相结合，采用先零级后m级，先粗调后精调的流程，进一步对相互耦合的位移误差(Δx、Δz)进行解耦和精确位移调整实现对拼接光栅位移精确检测和调整。

为实现上述技术目的，本发明实施提供了如下技术方案：

一种大量程高精度阶梯光栅机械拼接位移检测系统，包括光栅衍射0级检测光路和光栅衍射m级检测光路；其中：

光栅衍射0级检测光路包括双波长干涉检测光路和色散条纹传感检测光路；

所述双波长干涉检测光路采用迈克尔逊干涉光路，包括两束不同波长的激光光源、两块1/2波片、两块偏振分光棱镜、偏振片、标准反射镜、两块1/4波片、全波段消偏振分光棱镜、消色差显微物镜、第一探测器CCD，两束激光光源光分别经1/2波片、第一块偏振分光棱镜、偏振片进入第二块偏振分光棱镜，再分别进入标准反射镜、经第一块1/4波片和色散条纹传感检测光路的全波段消偏振分光棱镜进入色散条纹传感检测光路的消色差显微物镜、经第二块1/4波片进入第一探测器CCD，从消色差显微物镜出射的光束经抛物面反射镜到达阶梯光栅；

所述色散条纹传感检测光路包括全波段消偏振分光棱镜、消色差显微物镜、两块半反半透分光镜、白光光源、棱栅、第二探测器CCD、夏克-哈特曼探测器，双波长干涉检测光路出射的部分光束经全波段消偏振分光棱镜进入消色差显微物镜，另一部分光束经全波段消偏振分光棱镜依次经第一块半反半透分光镜的反射、第二块半反半透分光镜的透射、棱栅进入夏克-哈特曼探测器，白光光源设置于第一块半反半透分光镜的透射方向，第二探测器CCD设置于第二块半反半透分光镜的反射方向；

所述光栅衍射m级检测光路采用菲索干涉测量光路，包括激光器、半反半透镜、准直镜、标准镜、第三探测器CCD，激光器发出的光束一部分依次经半反半透分光镜、准直镜、标准镜到达阶梯光栅，同时另一部分经半反半透分光镜进入第三探测器CCD。

进一步的，所述阶梯光栅包括基准光栅和调整光栅，所述基准光栅的位置固定，所述调整光栅的姿态可调整，可调整的参数为角度误差Δθ_x，Δθ_y，Δθ_z，位移误差Δx，Δz。

进一步的，光栅衍射0级检测光路出射的光束经过消色差显微物镜变为发散光，照射到抛物面反射镜表面，经抛物面反射镜反射后变为平行光，正入射到阶梯光栅的拼接狭缝处，在正入射条件下光束经过阶梯光栅原路反射，反射光进入位移检测系统中，通过光栅衍射0级检测光路获得基准光栅与调整光栅的位移变化信息。

进一步的，所述色散条纹传感检测光路中，白光光源准直入射到全波段消偏振分光棱镜，并经全波段消偏振分光棱镜反射到色散条纹传感检测光路中，经阶梯光栅反射的光束经抛物面反射镜、消色差显微物镜、第一块半反半透分光镜，其中一路光束入射到第二探测器CCD中，形成PSF点，另一路光束入射到棱栅以及夏克-哈特曼传感器上，形成色散条纹，可通过所述色散条纹的变化对调整光栅的位移进行粗调整。

进一步的，由第二块偏振分光棱镜出射的反射光束经标准反射镜反射后透过第二块偏振分光棱镜入射到第一探测器CCD处，形成阶梯光栅拼接过程中的参考光束；由第二块偏振分光棱镜出射的透射光束经过消色差显微物镜和抛物面反射镜，由阶梯光栅反射后原路返回，经过第二块偏振分光棱镜后反射到第一探测器CCD处，形成阶梯光栅拼接过程中的调整光束；参考光束和调整光束相互干涉，在第一探测器CCD上形成0级次的干涉条纹。

进一步的，激光器发出的入射光束经过准直镜变为平行光束，平行光束入射到标准镜后，一路光束经标准镜反射后原路返回，经半反半透镜反射到第三探测器CCD中，形成m级检测过程的参考光束；另一路光束透过标准镜后沿着阶梯光栅的自准直方向入射，经阶梯光栅的m级次衍射后原路返回到第三探测器CCD上，形成m级次检测过程的调整光束；所述参考光束和调整光束相互干涉，在第三探测器CCD上形成m级次的干涉条纹。

进一步的，所述标准反射镜和标准镜均为理想的无像差镜面。

一种大量程高精度阶梯光栅机械拼接位移检测方法，包括：

步骤1：搭建权利要求1-7中任意一项所述的大量程高精度阶梯光栅机械拼接位移检测系统；在阶梯光栅的拼接过程中存在五维误差影响光栅的拼接效果，包括三个角度误差Δθ_x，Δθ_y和Δθ_z，两个位移误差Δx和Δz；其中：

步骤2：对三个角度误差Δθ_x，Δθ_y和Δθ_z进行调整：

步骤2-1：利用光栅衍射0级检测光路中的双波长干涉检测光路调整基准光栅的干涉图，使零级光束入射光斑的一半照射在基准光栅表面，保持基准光栅位置、姿态不变，调整标准反射镜的位置和角度，使第一探测器CCD中出现清晰的干涉条纹图像；

步骤2-2：固定标准反射镜的位置和角度，调整调整光栅的位置和角度，使第一探测器CCD的另外半边出现干涉条纹，此时采集第一探测器CCD上的整个干涉图，当基准光栅和调整光栅形成的干涉条纹粗细和倾斜不一致时，存在拼接误差，根据干涉条纹图利用算法分析处理，得到拼接误差的具体数值，调整调整光栅的角度Δθ_x和Δθ_y，使得基准光栅和调整光栅的干涉条纹周期相同，条纹方向完全相同，从而完成拼接光栅的角度误差Δθ_x和Δθ_y的调整；

步骤3：对位移误差Δz进行调整：

步骤3-1：利用色散条纹传感检测光路进行检测粗调

步骤3-1-1：对于给定未知平移误差的色散条纹图，首先利用对比度增强技术对其预处理，然后对条纹进行区域选择和滤波处理，进而对处理过的图形进行二维傅里叶变换，并求取幅值；

步骤3-1-2：在频谱面内进行0级滤波，寻找和精确计算次峰位置，根据具体的系统，对系统进行标定，获得线性系数参数，从而根据线性系数与次峰相对y轴偏移量，获得位移信息；

步骤3-1-3：根据位移误差的数值，调整纵向位移误差Δz，将其标定在微米量级；

步骤3-2：利用双波长干涉检测光路进行检测细调

步骤3-2-1：调整纵向位移误差Δz在预定范围内；

步骤3-2-2：使用第一束激光光源进行检测，通过第一探测器CCD采集到干涉条纹信息，调整纵向位移误差Δz的大小，使得基准光栅和调整光栅形成的干涉条纹完全平行并且没有错位；

步骤3-2-3：关闭第一束激光光源，使用第二束激光光源继续进行检测，通过第一探测器CCD采集到干涉条纹信息，调整纵向位移误差Δz的大小，使得基准光栅和调整光栅形成的干涉条纹完成平行并且没有错位；

步骤3-2-4：重复步骤3-2-2和步骤3-2-3，继续调整纵向位移误差Δz的大小，使得在第一束激光光源和第二束激光光源中产生的干涉条纹各自均水平对齐并且无错位，即基准光栅和调整光栅在两个光源下产生的干涉条纹皆处于完全对齐状态，此时Δz调整完成；

步骤4：利用光栅衍射m级检测光路对位移误差Δx、Δθ_z进行调整：

在第三探测器CCD上相互干涉形成干涉条纹，若第三探测器CCD上的干涉图中m级次的基准光栅干涉条纹和调节光栅干涉条纹之间存在错位，根据干涉条纹计算误差信息，进一步调节调整光栅的横向位移误差Δx，使得基准光栅和调整光栅的干涉条纹完全平行并且粗细相同无错位，从而完成光栅拼接过程中横向位移误差的调整；在m级检测光路中，使得基准光栅和调整光栅上的干涉条纹方向保持水平，即可消除Δθ_z；

步骤5，重复步骤3-4，直至0级干涉条纹和m级干涉条纹中，基准光栅和调整光栅所形成的干涉条纹完全平行且粗细相同无错位，调整结束，实现大尺寸阶梯光栅的拼接。

进一步的，步骤3-1中，在位移较大时，色散条纹在焦面光强分布表示为：

λ(x)＝λ₀+C₀x

其中，I₀为平均光强，γ为条纹对比度，φ为光程差，λ₀为中心波长，x为色散方向，C₀为线色散率，φ₀为初始相位；其经过一阶泰勒展开及欧拉公式变换，其二维频谱表示为：

其中A为频谱中次峰相对于x轴的偏移量，次峰相对于y轴的偏移量可表示为：

进一步的，步骤3-2中根据在正入射条件下拼接光栅产生的光程差为：Δ＝2Δz,在探测器上形成干涉条纹近似表示为：

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的系统及方法有效解决了拼接光栅中位移误差耦合性和周期性问题，实现了在阶梯光栅拼接过程中大量程和高精度的检测特点，通过偏振元件，实现了光束能量的有效利用。本发明的系统及方法具有大量程、抗干扰能力强、光束能量利用率高和高精度的特点。

附图说明

为了更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为大量程高精度阶梯光栅机械拼接位移检测系统示意图

图2为光栅拼接误差参数示意图

图3为零级粗调检测系统结构示意图

图4为色散条纹计算位移流程图

图5为零级双波长精调检测系统结构示意图

图6为m级检测系统结构示意图

图中标记：1-第一激光光源；2-第二激光光源；31-第一1/2波片；32-第二1/2波片；41-第一偏振分光棱镜；42-第一偏振分光棱镜；5-偏振片；6-标准反射镜；71-第一1/4波片；72-第二1/4波片；8-第一准直镜；9-第一探测器CCD；10-全波段消偏振分光棱镜；11-白光光源；121-第一半反半透分光镜；122-第二半反半透分光镜；13-棱栅；14-第二探测器CCD；15-夏克-哈特曼探测器；16-消色差显微物镜；17-抛物面反射镜；18-第二准直镜；19-标准镜；20-阶梯光栅；201-基准光栅；202-调整光栅；21-激光器；22-半反半透镜；23-第三探测器CCD；24-光斑。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明基于干涉原理，采用色散条纹传感技术与条纹干涉技术相结合，实现机械拼接位移测量的大量程和高精度的检测调整方法。检测系统主要包括：在光栅0级检测中，包括双波长干涉测量与色散条纹传感测量两部分，其中，双波长检测光路中使用迈克尔逊干涉光路，元件包括：不同波长的第一激光光源1、第二激光光源2、第一1/2波片31、第二1/2波片32、第一偏振分光棱镜(PBS)41、第二偏振分光棱镜42、偏振片5、标准反射镜6、第一1/4波片71、第二1/4波片72和消色差显微物镜16。用于色散条纹传感技术位移检测光路使用元件包括：全波段消偏振分光棱镜10、白光光源11、第一半反半透分光镜121、第一半反半透分光镜122、棱栅13、第二探测器CCD14、夏克-哈特曼探测器15、消色差显微物镜16。在拼接光栅的m级次检测中，采用菲索干涉测量光路，元件包括：激光器21、第二准直镜18、半反半透镜22、标准镜19及第三探测器CCD23。

阶梯光栅20主要由两个相同的光栅组成，提前固定好基准光栅201,调整光栅202作为可调整的光栅，通过调整精密调整架控制调整光栅202姿态，保证基准光栅201和调整光栅202完美拼接。

基准光栅201放在固定的安装底座中，调整光栅202放置在可调精密调整架上，其可调整的参数有角度误差Δθ_x，Δθ_y，Δθ_z，和位移误差Δx,Δz。

为了实现光栅的严格拼接，检测系统需要一个白光光源11和两个不同波长的激光光源，其中白光光源11用于拼接过程中粗调整，两个激光光源用于精调整，一个为主调节的第一激光光源1，另外一个为辅助调节的第二激光光源2，两个激光光源波长不同，便于调整拼接光栅Δz的大小。

白光光源11、第一激光光源1和第二激光光源2分别经过光纤耦合器进行准直，使进入第一偏振分光棱镜41的光束为准直光束。

整个光栅拼接过程采用先零级再m级，先粗调再精调的检测调整方法，在光栅的零级检测光路(1)中，检测光束采用正入射条件，主要检测纵向位移误差Δz，零级检测光经过消色差显微物镜16，使检测光束变为发散光，照射到抛物面反射镜17表面，经抛物面反射镜17反射后变为平行光，正入射到阶梯光栅20的拼接狭缝处，在正入射条件下光束经过光栅原路反射，反射光进入位移检测系统中，通过干涉和色散条纹传感技术获得基准光栅与调整光栅的位移变化信息。

在零级检测光路中，包括粗调检测分析系统(A)和精调检测分系统(B)，可以实现大量程、高精度的检测特点。

在粗调检测分析系统(A)中，使用白光光源11，可以加入不同带宽的滤波片，白光光源11经过光纤耦合器准直入射到全波段消偏振分光棱镜10，反射到检测光路中，光束经过消色差显微物镜16以及抛物面反射镜17后变为平行光束，平行光经过光栅反射后原路返回到第二半反半透分光镜122中，其中一路光束入射到第二探测器CCD14中，形成PSF点，另一路光束入射到棱栅13以及夏克-哈特曼传感器15上，形成色散条纹，通过条纹的变化对调整光栅位移进行粗调整。

在精调检测分析系统(B)中，采用双波长干涉位移检测，采用第一激光光源1和第二激光光源2作为光源。

第一1/2波片31和第二1/2波片32主要是对第一激光光源1和第二激光光源2的偏振态方向进行调整。经过1/2波片调整之后，两激光光源的偏振方向相互垂直，经过第一偏振分光棱镜41和偏振片5，入射到干涉偏振分光棱镜中，

光束经第二偏振分光棱镜42后，反射光束经标准平面6反射后返回透过第二偏振分光棱镜42入射到第一探测器CCD9处，形成拼接光栅过程中的参考光束；透射光束经过消色差显微物镜16和抛物面反射镜17扩束，经过阶梯光栅20反射，原路返回的光束经过第二偏振分光棱镜42反射到第一探测器CCD 9处，形成拼接光栅的调整光束；参考光束和调整光束相互干涉，在第一探测器CCD 9上形成0级次的干涉条纹。

光栅拼接的m级次检测光路，m级次检测光主要沿着拼接光栅自准直方向(Littrow角)入射，主要检测横向位移误差Δx，其光路采用菲索干涉测量系统，激光器21发出的激光光源波长为632.8nm，入射光束经过第二准直镜18后变为平行光束，平行光束入射到标准镜19后，一路光束反射后原路返回经半反半透镜22反射到第三探测器CCD23中，形成m级检测过程的参考光束；另一路透过标准镜经光栅的m级次衍射后原路返回到第三探测器CCD23上，形成m级次检测过程的调整光束；拼接光栅m级次检测的参考光束和调整光束相互干涉，在第三探测器CCD23上形成m级次的干涉条纹。

在0级次和m级次的干涉中标准反射镜6和标准镜19的镜面为理想的无像差镜面。

在0级次和m级次的干涉中第一探测器CCD9、第二探测器CCD14、第三探测器CCD23为1024*1280像素或者任何像素，像素越大，数据处理精度越高。0级光路白光检测中的另外一个探测器为夏克-哈特曼探测器15。

实现阶梯光栅机械拼接的大量程高精度位移检测方法的主要步骤分为：

步骤一，通过眼睛目视进行手动调节：将基准光栅和调整光栅先进行手动调整的方法，通过目视，近似的将基准光栅和调整光栅的方位角和位移调整到目视范围内的理想位置。

步骤二，按照附图1搭建大量程高精度阶梯光栅机械拼接位移检测系统，将拼接光栅的整个结构置于图1所示的阶梯光栅20位置处，该检测系统可以获得0级光干涉图和m级次衍射光干涉图。在基准光栅201和调整光栅202的拼接过程中会存在五维误差影响光栅的拼接效果，具体如图2所示，三个角度误差Δθ_x，Δθ_y和Δθ_z，两个位移误差Δx和Δz。

步骤三，对零级光束进行检测调整，利用双波长干涉光路(B)，首先调整基准光栅的干涉图，让零级光束入射光斑24的一半照射在基准光栅表面，保持基准光栅位置、姿态不变，缓慢调整标准反射镜6的位置和角度，使在第一探测器CCD9中出现清晰的干涉条纹图像，在视场内看到5-8个干涉条纹为最佳状态。固定标准反射镜6的位置和角度，调整调整光栅的位置和角度，使第一探测器CCD9的另外半边出现干涉条纹，此时采集第一探测器CCD9上的整个干涉图，在理想的拼接光栅无误差的情况下，基准光栅和调整光栅形成的干涉条纹粗细和倾斜会保持一致；当左右两半部分干涉条纹不一致时，存在拼接误差，根据干涉条纹图利用算法分析处理，得到拼接误差的具体数值，经过调整调整光栅的角度Δθ_x和Δθ_y，使得基准光栅和调整光栅的干涉条纹周期相同，条纹方向完全相同，即左右两半部分的干涉条纹粗细一致，角度倾斜一致，为了便于观察调整，使基准光栅和调整光栅形成的干涉条纹保持水平。从而完成了拼接光栅的角度误差Δθ_x和Δθ_y的调整。

步骤四，在步骤三的基础上，进一步对阶梯光栅拼接的纵向位移误差Δz进行检测调整，调整顺序按照先粗调再精调的方式。粗调光路(A)如图3所示，采用色散条纹传感位移检测技术，对纵向位移误差Δz进行调整，其光路结构为：白光光源11经过光纤耦合器由第一半反半透镜121入射到全波段消偏振分光棱镜10后，反射到检测光路中，光束经过消色差显微物镜16变为发散光，经过抛物面反射镜17反射后变为平行光垂直入射到光栅缝隙上，经光栅反射后按原路返回，经过第二半反半透镜122中，其中一路入射到第二探测器CCD14处，形成PSF点，另一路光束入射到棱栅13及夏克-哈特曼传感器15上，形成色散条纹。根据干涉条纹的信息可以计算得到位移误差的具体数值，调整位移误差Δz达到精调可调范围之内。色散条纹处理计算位移误差的流程如图4。

其基本原理为：

在位移较大时，色散条纹在焦面光强分布可表示为：

λ(x)＝λ₀+C₀x

其中，I₀为平均光强，γ为条纹对比度，φ为光程差，λ₀为中心波长，x为色散方向，C₀为线色散率，φ₀为初始相位。其经过一阶泰勒展开及欧拉公式变换，其二维频谱可表示为：

其中A为频谱中次峰相对于x轴的偏移量，次峰相对于y轴的偏移量可表示为：

即：频谱次峰相对于y轴的偏移量dx与位移引起的光程差φ之前呈现较好的线性关系，因此通过对色散条纹进行傅里叶变换处理，通过计算y轴偏移量的大小，进而计算出位移的大小。从原理可知，当位移误差较大时，干涉条纹频谱图中次峰位置远离y轴，当位移误差较小时，次峰位置接近于y轴，因此在位移的粗调过程中，可通过观察干涉条纹频谱图中的次峰位置定性的进行位移调整。

采用色散条纹传感技术的步骤为：对于给定未知平移误差的色散条纹图，首先利用对比度增强技术对其预处理，然后对条纹进行区域选择和滤波处理，进而对处理过的图形进行二维傅里叶变换，并求取幅值。在频谱面内进行0级滤波，寻找和精确计算次峰位置，根据具体的系统，对系统进行标定，获得线性系数参数，从而根据线性系数与次峰相对y轴偏移量，获得位移信息。根据位移误差的数值，调整纵向位移误差Δz，将其标定在微米量级。

步骤五，在步骤3-4的基础上，重复调整步骤四，使纵向位移误差Δz调整到精调可测范围之内，切换采用双波长光路继续对纵向位移误差Δz进行高精度调整，如图5所示，其光路结构为：光源采用双波长形式，同时使用第一激光光源1、波长为632.8nm；第二激光光源2、波长为532nm，两个激光光源经过光纤耦合器准直入射，分别经过1/2波片对光源的偏振态方向进行调整，调整后偏振方向相互垂直的两个激光光源经过第一偏振分光棱镜41和偏振片5，入射到第二偏振分光棱镜42中，其中一路反射光束为参考光束，经过标准反射镜6反射后透过第二偏振分光棱镜42，入射到第一探测器CCD9处，另一路透射光束经消色差显微物镜16变为发散光，再经抛物面反射镜17后变为光斑尺寸更大的平行光，垂直入射到待拼接光栅的表面，经阶梯光栅20反射后原路返回的光束经过第二偏振分光棱镜42反射到第一探测器CCD9处，参考光束与调整光束相互干涉，产生干涉条纹，根据得到的干涉条纹图，可以计算出相应的位移误差值，使经调整光栅形成的干涉条纹数量与基准光栅形成的干涉条纹一致。

其基本原理为：

根据在正入射条件下拼接光栅产生的光程差为：Δ＝2Δz,在探测器上形成干涉条纹可近似表示为：

当波长与拼接误差满足关系：2Δz＝m₁λ₁时，产生亮条纹，以波长632.8nm计算，即Δz每移动距离为316.4nm，则干涉条纹对准一次，即单波长有效测量动态范围为316.4nm。在引入波长λ₂的光束后，在满足两个波长同时干涉条纹对准情况下：2Δz＝m₁λ₁＝m₂λ₂,由于m₁和m₂必须是整数，因此Δz的周期变为λ₁/2和λ₂/2的最小公倍数，干涉条纹才能对准，以调整波长参数为例：主调节波长为632.8nm，辅助调整波长为532nm，则Δz的初始调整距离为1.67微米。

采用双波长光路检测，具体步骤为：1.在步骤三的粗调基础之上，调整纵向位移误差Δz在1.67微米范围内；2.使用第一激光光源1进行检测，通过第一探测器CCD9采集到的干涉条纹信息，调整纵向位移误差Δz的大小，使得基准光栅和调整光栅形成的干涉条纹完全平行并且没有错位；3.关闭第一激光光源1，使用第二激光光源2继续进行检测，通过第一探测器CCD9采集到的干涉条纹信息，调整纵向位移误差Δz的大小，使得基准光栅和调整光栅形成的干涉条纹完成平行并且没有错位；4.重复2、3步，继续调整纵向位移误差Δz的大小，使得在第一激光光源1和第二激光光源2中产生的干涉条纹各自都处于水平对齐并且无错位，即基准光栅和调整光栅在两个光源下产生的干涉条纹皆处于完全对齐状态，则此时Δz调整完成。

步骤六，在步骤1-5的基础上，进一步对拼接光栅的衍射级次m级的干涉条纹进行调节，具体结构如图6。将m级检测装置(2)按照Littrow入射条件放置，检测光路采用菲索干涉测量系统，使激光器21发出的激光光束透过半反半透镜22后，经第二准直镜18后变为平行光，平行光束到达标准镜19后分为两路，一路为标准镜反射的光束经过半反半透镜22到达第三探测器CCD23，另一路为透过标准镜19经光栅m级次衍射后原路返回，经过半反半透镜22到达第三探测器CCD23的光束，这两束光在第三探测器CCD23上相互干涉，形成干涉条纹，通过计算条纹错位可以获得横向位移Δx的大小，进而调整光栅姿态。在m级检测光路中，使得基准光栅和调整光栅上的干涉条纹方向保持水平，即可消除Δθ_z。

步骤七，在步骤1-6的基础上，进一步重复步骤六，若第三探测器CCD14上的干涉图中m级次的基准光栅干涉条纹和调节光栅干涉条纹之间存在错位，根据干涉条纹计算误差信息，进一步调节调整光栅的横向位移误差Δx，使得基准光栅和调整光栅的干涉条纹完全平行并且粗细相同无错位。从而完成光栅拼接过程中横向位移误差的调整。

步骤八，重复步骤4-7，使得光栅拼接过程中0级干涉条纹和m级干涉条纹中，基准光栅和调整光栅所形成的干涉条纹完全平行且粗细相同无错位。如果存在误差，根据条纹信息进一步调整光栅姿态，直至两级次干涉条纹完成一致时，调整结束，实现大尺寸阶梯光栅的拼接。

综上所述，本发明采用双级次同步调节方法，首先利用光栅衍射0级，对纵向位移Δz进行调节，通过色散干涉条纹与双波长干涉测量技术结合，通过先粗调后细调方案，从而消除拼接光栅纵向位移误差Δz的误差周期性；通过光栅衍射m级次中采用干涉条纹测量技术，完成横向位移Δx的精确调整。通过上述过程，有效解决了拼接光栅中位移误差耦合性和周期性问题，实现了在阶梯光栅拼接过程中大量程和高精度的检测特点，通过偏振元件，实现了光束能量的有效利用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种大量程高精度阶梯光栅机械拼接位移检测系统，其特征在于，包括光栅衍射0级检测光路和光栅衍射m级检测光路；其中：

光栅衍射0级检测光路包括双波长干涉检测光路和色散条纹传感检测光路；

所述双波长干涉检测光路采用迈克尔逊干涉光路，包括两束不同波长的激光光源、两块1/2波片、两块偏振分光棱镜、偏振片、标准反射镜、两块1/4波片、全波段消偏振分光棱镜、消色差显微物镜、第一探测器CCD，两束激光光源光分别经1/2波片、第一块偏振分光棱镜、偏振片进入第二块偏振分光棱镜，再分别进入标准反射镜、经第一块1/4波片和色散条纹传感检测光路的全波段消偏振分光棱镜进入色散条纹传感检测光路的消色差显微物镜、经第二块1/4波片进入第一探测器CCD，从消色差显微物镜出射的光束经抛物面反射镜到达阶梯光栅；

所述色散条纹传感检测光路包括全波段消偏振分光棱镜、消色差显微物镜、两块半反半透分光镜、白光光源、棱栅、第二探测器CCD、夏克-哈特曼探测器，双波长干涉检测光路出射的部分光束经全波段消偏振分光棱镜进入消色差显微物镜，另一部分光束经全波段消偏振分光棱镜依次经第一块半反半透分光镜的反射、第二块半反半透分光镜的透射、棱栅进入夏克-哈特曼探测器，白光光源设置于第一块半反半透分光镜的透射方向，第二探测器CCD设置于第二块半反半透分光镜的反射方向；

所述光栅衍射m级检测光路采用菲索干涉测量光路，包括激光器、半反半透镜、准直镜、标准镜、第三探测器CCD，激光器发出的光束一部分依次经半反半透分光镜、准直镜、标准镜到达阶梯光栅，同时另一部分经半反半透分光镜进入第三探测器CCD。

2.根据权利要求1所述的一种大量程高精度阶梯光栅机械拼接位移检测系统，其特征在于，所述阶梯光栅包括基准光栅和调整光栅，所述基准光栅的位置固定，所述调整光栅的姿态可调整，可调整的参数为角度误差Δθ_x，Δθ_y，Δθ_z，位移误差Δx，Δz。

3.根据权利要求2所述的一种大量程高精度阶梯光栅机械拼接位移检测系统，其特征在于，光栅衍射0级检测光路出射的光束经过消色差显微物镜变为发散光，照射到抛物面反射镜表面，经抛物面反射镜反射后变为平行光，正入射到阶梯光栅的拼接狭缝处，在正入射条件下光束经过阶梯光栅原路反射，反射光进入位移检测系统中，通过光栅衍射0级检测光路获得基准光栅与调整光栅的位移变化信息。

4.根据权利要求3所述的一种大量程高精度阶梯光栅机械拼接位移检测系统，其特征在于，所述色散条纹传感检测光路中，白光光源准直入射到全波段消偏振分光棱镜，反射光束经过消色差显微物镜以及抛物面反射镜后变为平行光束，平行光经过阶梯光栅反射后原路返回到第二半反半透分光镜，经第二半反半透分光镜的分光作用，其中一路光束入射到第二探测器CCD中，形成PSF点，另一路光束入射到棱栅以及夏克-哈特曼探测器上，形成色散条纹，可通过所述色散条纹的变化对调整光栅的位移进行粗调整。

5.根据权利要求3所述的一种大量程高精度阶梯光栅机械拼接位移检测系统，其特征在于，由第二块偏振分光棱镜出射的反射光束经标准反射镜反射后透过第二块偏振分光棱镜入射到第一探测器CCD处，形成阶梯光栅拼接过程中的参考光束；由第二块偏振分光棱镜出射的透射光束经过消色差显微物镜和抛物面反射镜，由阶梯光栅反射后原路返回，经过第二块偏振分光棱镜后反射到第一探测器CCD处，形成阶梯光栅拼接过程中的调整光束；参考光束和调整光束相互干涉，在第一探测器CCD上形成0级次的干涉条纹。

6.根据权利要求2所述的一种大量程高精度阶梯光栅机械拼接位移检测系统，其特征在于，激光器发出的入射光束经过准直镜变为平行光束，平行光束入射到标准镜后，一路光束经标准镜反射后原路返回，经半反半透镜反射到第三探测器CCD中，形成m级检测过程的参考光束；另一路光束透过标准镜后沿着阶梯光栅的自准直方向入射，经阶梯光栅的m级次衍射后原路返回到第三探测器CCD上，形成m级次检测过程的调整光束；所述参考光束和调整光束相互干涉，在第三探测器CCD上形成m级次的干涉条纹。

7.根据权利要求1所述的一种大量程高精度阶梯光栅机械拼接位移检测系统，其特征在于，所述标准反射镜和标准镜均为理想的无像差镜面。

8.一种大量程高精度阶梯光栅机械拼接位移检测方法，其特征在于，包括：

步骤1：搭建权利要求1-7中任意一项所述的大量程高精度阶梯光栅机械拼接位移检测系统；在阶梯光栅的拼接过程中存在五维误差影响光栅的拼接效果，包括三个角度误差Δθ_x，Δθ_y和Δθ_z，两个位移误差Δx和Δz；其中：

步骤2：对三个角度误差Δθ_x，Δθ_y和Δθ_z进行调整：

步骤2-1：利用光栅衍射0级检测光路中的双波长干涉检测光路调整基准光栅的干涉图，使零级光束入射光斑的一半照射在基准光栅表面，保持基准光栅位置、姿态不变，调整标准反射镜的位置和角度，使第一探测器CCD中出现清晰的干涉条纹图像；

步骤2-2：固定标准反射镜的位置和角度，调整调整光栅的位置和角度，使第一探测器CCD的另外半边出现干涉条纹，此时采集第一探测器CCD上的整个干涉图，当基准光栅和调整光栅形成的干涉条纹粗细和倾斜不一致时，存在拼接误差，根据干涉条纹图利用算法分析处理，得到拼接误差的具体数值，调整调整光栅的角度Δθ_x和Δθ_y，使得基准光栅和调整光栅的干涉条纹周期相同，条纹方向完全相同，从而完成拼接光栅的角度误差Δθ_x和Δθ_y的调整；

步骤3：对位移误差Δz进行调整：

步骤3-1：利用色散条纹传感检测光路进行检测粗调

步骤3-1-1：对于给定未知平移误差的色散条纹图，首先利用对比度增强技术对其预处理，然后对条纹进行区域选择和滤波处理，进而对处理过的图形进行二维傅里叶变换，并求取幅值；

步骤3-1-2：在频谱面内进行0级滤波，寻找和精确计算次峰位置，根据具体的系统，对系统进行标定，获得线性系数参数，从而根据线性系数与次峰相对y轴偏移量，获得位移信息；

步骤3-1-3：根据位移误差的数值，调整纵向位移误差Δz，将其标定在微米量级；

步骤3-2：利用双波长干涉检测光路进行检测细调

步骤3-2-1：调整纵向位移误差Δz在预定范围内；

步骤3-2-2：使用第一束激光光源进行检测，通过第一探测器CCD采集到干涉条纹信息，调整纵向位移误差Δz的大小，使得基准光栅和调整光栅形成的干涉条纹完全平行并且没有错位；

步骤3-2-3：关闭第一束激光光源，使用第二束激光光源继续进行检测，通过第一探测器CCD采集到干涉条纹信息，调整纵向位移误差Δz的大小，使得基准光栅和调整光栅形成的干涉条纹完成平行并且没有错位；

步骤3-2-4：重复步骤3-2-2和步骤3-2-3，继续调整纵向位移误差Δz的大小，使得在第一束激光光源和第二束激光光源中产生的干涉条纹各自均水平对齐并且无错位，即基准光栅和调整光栅在两个光源下产生的干涉条纹皆处于完全对齐状态，此时Δz调整完成；

步骤4：利用光栅衍射m级检测光路对位移误差Δx、Δθ_z进行调整：

在第三探测器CCD上相互干涉形成干涉条纹，若第三探测器CCD上的干涉图中m级次的基准光栅干涉条纹和调节光栅干涉条纹之间存在错位，根据干涉条纹计算误差信息，进一步调节调整光栅的横向位移误差Δx，使得基准光栅和调整光栅的干涉条纹完全平行并且粗细相同无错位，从而完成光栅拼接过程中横向位移误差的调整；在m级检测光路中，使得基准光栅和调整光栅上的干涉条纹方向保持水平，即可消除Δθ_z；

步骤5，重复步骤3-4，直至0级干涉条纹和m级干涉条纹中，基准光栅和调整光栅所形成的干涉条纹完全平行且粗细相同无错位，调整结束，实现大尺寸阶梯光栅的拼接。

9.根据权利要求8所述的一种大量程高精度阶梯光栅机械拼接位移检测方法，其特征在于，步骤3-1中，在位移较大时，色散条纹在焦面光强分布表示为：

λ(x)＝λ₀+C₀x

其中，I₀为平均光强，γ为条纹对比度，φ为光程差，λ₀为中心波长，x为色散方向，C₀为线色散率，φ₀为初始相位；其经过一阶泰勒展开及欧拉公式变换，其二维频谱表示为：

其中A为频谱中次峰相对于x轴的偏移量，次峰相对于y轴的偏移量可表示为：

10.根据权利要求8所述的一种大量程高精度阶梯光栅机械拼接位移检测方法，其特征在于，步骤3-2中根据在正入射条件下拼接光栅产生的光程差为：Δ＝2Δz,在探测器上形成干涉条纹近似表示为：