具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

如图1所示，在第一方面，本发明提供了一种中阶梯光栅拼接方法，所述方法包括以下步骤：

首先进入步骤S101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；

而后进入步骤S102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；

而后进入步骤S103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；

而后进入步骤S104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。

在本实施例中，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。如图5所述，所述系统包括光源1、分束镜2、拼接机构3、剪切板6和图像采集单元8；所述拼接机构3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。剪切板6与图像采集单元8之间还设置有剪切板的屏幕7，第二光束经由剪切板6反射后先进入剪切板的屏幕7，而后被图像采集单元8所捕捉。图像采集单元8可以是为具有光学图像采集功能的电子元件，优选为包含图像传感器的光学相机。

在本实施方式中，如图2所示，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(1)：

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。

一般情况下，两块光栅在拼接时涉及五个自由度的误差，分别为沿三个坐标轴的位移误差Δx，Δy，Δz和绕三个坐标轴的旋转误差Δθx，Δθy和Δθz。其中，平行于刻线方向的位移误差Δy对拼接质量的影响可以忽略。当满足理想拼接条件时，公式(1)中的各项参数满足dφ/dx＝0，dφ/dy＝0，φ_z＝2nπ。通过公式(1)页可以看出，Δx和Δz、Δθx和Δθz存在互补关系，单次观测不足以将其分离，因而本申请采用多次测量的方式对上述五个自由度的误差进行测量校准。

如图3所示，图3中的区域1和区域3分别为光线B1、光线B2各自在剪切板前后表面的反射光形成的干涉，区域2为光线B1在剪切板后表面的反射光与光线B2在剪切板前表面的反射光的干涉。在本实施方式中，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，即计算的条纹周期为图3中区域2形成的干涉条纹对应的条纹周期，区域2中干涉条纹在u、v两个方向的周期的计算公式(2)如下：

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。

在本实施方式中，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，具体为区域2中干涉条纹在u方向上的错位，计算公式(3)如下：

在实际应用场景中，通过公式(2)、(3)计算并不能总是获得完整的u方向上的干涉周期，因而可以通过测量斜率间接得到u方向上的干涉周期，斜率计算公式(4)如下：

公式(4)中的方程式中共有五项未知数，通过测量两个衍射级次，可以获得两组方程式，联立后即可解出所有误差项，各项误差对干涉条纹产生的影响如图4所示。在图4中，干涉条纹图像(a)表示当前拼接的两个中阶梯光栅位置无误差，如图3中的三个区域条纹一致连续；干涉条纹图像(b)表示当前拼接的两个中阶梯光栅位置存在误差Δx,如图3中的区域2条纹产生错位；干涉条纹图像(c)表示前拼接的两个中阶梯光栅位置存在误差Δz，图3中的区域2条纹存在错位；干涉条纹图像(d)表示前拼接的两个中阶梯光栅位置存在误差Δθx，如图3中的区域2的条纹周期发生变化；干涉条纹图像(d)表示前拼接的两个中阶梯光栅位置存在误差Δθy，如图3中的区域2的条纹存在旋转发生偏差；干涉条纹图像(f)表示前拼接的两个中阶梯光栅位置存在误差Δθz，如图3中的区域2的条纹周期发生变化。

如图5所示，光源1产生的激光光束通过准直透镜变成平行光束，然后经过分光镜一部分光入射到拼接机构3中的第一光栅4和第二光栅5，另一部分入射到剪切板6，入射到拼接光栅的光栅经过分束镜2也入射到剪切板。照射到剪切板6上的光，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。如果入射光是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，即图3中的区域1、区域2和区域3。两束光的相对预定方位会影响中间区域的条纹模式，因而可以通过测量条纹周期和旋转判断误差种类，并定量计算误差数值，实现光栅严格拼接。所述预定方位是指光传播的方向，是一个空间方向，主要是指三个角度和光束相对的位置。

在本申请中，所述拼接机构本身是由多个商用装置组装而成，企所处位置和运动方向都经过精确计算后进行排布。具体使用方法是连接到计算机，在系统自带的控制软件里面输入要前进/后退的数值。系统中的5个控制部件分别对应五项误差的调整，不同误差的调整装置之间各自独立运行。

在本申请中，在拼接机构上安装光栅之前，需要先安装平面反射镜来完成转台的旋转零点标定，若不标定零点后面无法确定旋转的度数。通过标定旋转零点可以使得后续旋转角度的调整变得更加准确。

在本实施方式中，先用平面反射镜产生条纹，测量其宽度，从而可以获得相机(即图像采集单元)拍摄到的条纹周期对应的像素数与实际长度的比例，为后面测量周期做准备。在安装反射镜时，如果当前拼接机构已经位于旋转零点，则光束原路返回。如果当前拼接机构所在位置不位于旋转零点则会使条纹宽度不等于理论值，可以通过调整当前拼接机构的位置使得其处于旋转零点。当然，拼接机构的位置是否位于旋转零点的判断可以通过其误差小于预设误差进行确定，例如正负0.5度范围内的误差对实验结果影响可以不计。

在本实施方式中，所述第一预设角度为-36级的littrow角64.137°，所述第二预设角度为-37级littrow角67.644°。Littrow角是由光栅本身的参数决定的，是通过光学基本定律计算的得到的一个与实验本身无关的常量。使用littrow角的原因是一方面该级次衍射光可以原路返回，另一方面可以使得光线能量非常集中，有利于测量。

在本实施方式中，在做实验验证时选用的是79gr/mm的中阶梯光栅，当使用632.8nm光源时，根据光栅的能量分布曲线，会采用-36级和-37级作为工作级次，而这两个级次的littrow角分别对应64.137°和67.644°。当刻线密度和光源波长改变时，选用的级次和其对应角度也会随之变化。因此，在另一些实施例中，当选用不同的光源或中阶梯光栅时，第一预设角度和第二预设角度也会随之调整，只需满足以下条件即可：(1)第一预设角度是一个工作级次的littrow角；(2)第二预设角度是该工作级次(即第一预设角度对应的工作级次)的一个相邻级次(+1或-1)级次的littrow角，具体选用哪一个可以结合衍射光强度等因素由使用者自行判断。

请参阅图6，在第二方面，本申请还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；所述中阶梯光栅拼接系统用于执行如本申请第一方面所述的方法步骤。

具体的，所述系统包括拼接机构、促动器、连接件、旋转控制机构，所述系统设置在转台12上，所述拼接机构上设置有第一光栅放置位置11和第二光栅放置位置12，所述拼接光栅包括第一光栅和第二光栅，所述第一光栅设置于所述第一光栅放置位置11，所述第二光栅设置于所述第二光栅放置位置12。所述促动器包括第一促动器16和第二促动器13；所述第一促动器16用于调整所述第一光栅的误差，所述第二促动器13用于调整所述第二光栅的误差。优选的，所述第一促动器16和所述第二促动器13均为压电陶瓷。

所述旋转控制机构包括第一旋转控制机构17、第二旋转控制机构18、第三旋转控制机构20；所述连接件包括第一连接件14、第二连接件15、第三连接件19和第四连接件21。所述第一连接件14固定于第二连接件15上，所述第一促动器16固定于所述第一连接件14上，所述第一促动器16固定于所述第三连接件19上，所述第三连接件19固定于所述第三旋转控制机构20上，所述第三旋转控制机构20固定于所述第四连接件21上。所述第一旋转控制机构17、第二旋转控制机构18、第三旋转控制机构20分别用于放置于其上的机械装置沿不同的方向旋转。例如第一旋转控制机构17用于控制第二光栅的滚转，第二旋转控制机构18用于控制第二光栅的俯仰，所述第三旋转控制机构20控制第一光栅的方位。

如图7所示，所述剪切板6包括第一剪切板61和第二剪切板62，所述剪切板的屏幕7包括第一剪切板的屏幕71和第二剪切板的屏幕72，所述图像采集单元8包括第一图像采集单元81和第二图像采集单元82。图7所示的中阶梯光栅拼接系统的工作原理与图5相似，不同地方在于图7采用包含剪切板、剪切板的屏幕和图像采集单元在内的两套剪切系统来对干扰条纹的误差进行测量。

本发明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。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。