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技术

基于干涉原理的拼接镜面用边缘传感器及其工作方法，特征是在被测拼接镜面的子镜拼缝上放置平晶或者球面透镜，其前表面完全增透，后表面设置镀膜；在被测拼接镜面的子镜和平晶或球面透镜的另一侧放置平行光源，其光线经过半透半反棱镜垂直入射到平晶或者球面透镜后表面一部分光束返回，另一部分经过子镜表面沿原路反射，两束反射光形成干涉条纹，经半透半反棱镜进入显微放大成像系统，用CCD或CMOS探测器进行靶面接受和数字化成像，即可处理处相邻子镜的拼接误差。本发明专利技术避免了星光和波前传感器占用和浪费光学系统的有限的高成像质量视场，价格便宜、性能稳定、不受环境因素影响。适用于各种光学拼接镜面的相邻子镜之间拼接误差检测。

Detection structure based on blazed grating splicing technology and adjustment method of splicing error

【技术实现步骤摘要】
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
本申请属于光学测量领域，本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术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，像素本文档来自技高网...

【技术保护点】
1. 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CCD A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CCD A的两束光束在CCD A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CCD B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CCD B上的光束干涉形成的条纹；CCD A与CCD B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。/n

【技术特征摘要】
1.一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的两束光束在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。


2.根据权利要求1所述的基于闪耀光栅拼接技术的检测结构，其特征在于，所述基准光栅A放置在固定的安装座上，所述调整光栅B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。


3.根据权利要求1所述的基于闪耀光栅拼接技术的检测结构，其特征在于，所述两个激光光源A、B通过分光棱镜，耦合到检测系统中。


4.根据权利要求1所述的基于闪耀光栅拼接技术的检测结构，其特征在于，所述准直扩束系统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。


5.根据权利要求1所述的基于闪耀光栅拼接技术的检测结构，其特征在于，所述分束镜为半反半透镜或者分光棱镜，实现光束的分光功能。


6.根据权利要求1所述的基于闪耀光栅拼接技术的检测结构，其特征在于，所述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形成拼接光栅的0级检测光。


7.根据权利要求1-6之一所述的基于闪耀光栅拼接技术的检测结构，其特征在于，所述零级检测光和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A和调整光栅B上。


8.权利要求1所述的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闪耀光栅拼接结构中，该结构中光路检测系统形成的干涉图为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，整个光路中都是在主激光光源A的入射条件下完成；
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反射和反射镜后，光束垂直入射到光栅表面，光束经过光栅反射的0级光经过分光棱镜和标准镜反射后入射到CCDB探测器上，与经过反射镜的光束入射到分光棱镜上反射后到CCDB上的光束相互干涉，形成干涉条纹；调节标准镜的方位角控制干涉条纹的周期、方向；m级次光干涉图形成的结构为：经过半反半透镜的准直光在分光棱镜处，透射光入射到拼接光栅上，经拼接光栅自准直衍射后经半反半透镜反射到探测器CCDA上，与入射光经分光镜反射光在标准镜上反射，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和驱动装置A、驱动装置B与拼接光栅的调节光栅的调节结构相连，调节结构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A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B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上的干涉条纹，其方法是基准光栅A不动，调节标准镜的方位角，...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩建，姜明达，张凯，肖东，朱永田，
申请(专利权)人：中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所，
类型：发明
国别省市：江苏;32