[发明专利]一种在线监测光栅三维角度扰动的方法和系统

权利要求书

1.一种在线监测光栅三维角度扰动的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

第一步，建立针对待监测光栅的监测光路，该监测光路包括有监测光源、扩束器、第一分光镜、第二分光镜和角锥，监测光源经扩束器入射至第一分光镜分为第一反射光和第一透射光，第一反射光垂直入射至待监测光栅面，第一透射光入射到第二分光镜分为第二反射光和第二透射光，第二反射光利特罗角入射到待监测光栅面，第二透射光入射至角锥；

第二步，建立远场探测单元，该远场探测单元包括有聚焦透镜、显微物镜和电荷耦合元件（CCD），该显微物镜的物面处于聚焦透镜的焦点位置，焦点成像在所述的电荷耦合元件（CCD）上；

第三步，采集光栅三维角度扰动信息，入射角锥的第二透射光经角锥反射，反射光依原路返回，经第二分光镜透射和第一分光镜反射进入至所述的远场探测单元；垂直入射的第一反射光经待监测光栅反射，反射光依原路返回，经第一分光镜透射进入至所述的远场探测单元；利特罗角入射的第二反射光经待监测光栅衍射，衍射光依原路返回，经第二分光镜反射和第一分光镜反射进入至所述的远场探测单元； 

第四步，光栅三维角度扰动监测，在远场探测单元的电荷耦合元件上，入射角锥光形成为第一远场焦斑，垂直入射光形成为第二远场焦斑，利特罗角入射光形成为第三远场焦斑，监测光路搭建完成，第一远场焦斑、第二远场焦斑和第三远场焦斑的初始位置重叠，以第一远场焦斑的位置为基准零位，若第二远场焦斑和第三远场焦斑偏离基准零位，则第二远场焦斑和第三远场焦斑的横向偏离量（S1）反映待监测光栅方位角扰动，第二远场焦斑的纵向偏移量（S2）反映待监测光栅俯仰角扰动，第三远场焦斑的纵向偏移量（S3）反映待监测光栅俯仰角和面内角扰动； 

第五步，光栅三维角度扰动计算，基于第四步中的三个偏移量（S1、S2、S3）通过如下公式来获得待监测光栅三维角度的扰动情况，即方位角θ_tilt，俯仰角θ_tip和面内角θ_rot：

其中，M为显微物镜的倍率，f为聚焦透镜的焦距，k_tip 为俯仰角在利特罗角入射下对纵向偏移的影响系数，k_rot为面内角在利特罗角入射下对纵向偏移的影响系数，若待监测光栅的光栅常数为1740g/mm，监测光源波长为632.8nm，则影响系数k_tip和k_rot分别为1.6696和1.1011。

2.一种用于在线监测光栅三维角度扰动的监测系统，其特征在于，该系统包括有监测光源、扩束器、第一分光镜、第二分光镜、角锥、聚焦透镜、显微物镜，电荷耦合元件（CCD）和计算模块；所述的监测光源、扩束器、第一分光镜、第二分光镜和角锥组成对于待监测光栅的监测光路，该监测光路中的监测光源经扩束器入射至第一分光镜分为第一反射光和第一透射光，第一反射光垂直入射至待监测光栅面，第一透射光入射到第二分光镜分为第二反射光和第二透射光，第二反射光利特罗角入射到待监测光栅面，第二透射光入射至角锥；所述的聚焦透镜、显微物镜和电荷耦合元件（CCD）组成远场探测单元，所述显微物镜的物面处于聚焦透镜的焦点位置，焦点成像在所述的电荷耦合元件（CCD）上；在所述的电荷耦合元件（CCD）上，入射角锥光形成第一远场焦斑，垂直入射光形成第二远场焦斑，利特罗角入射光形成第三远场焦斑，所述计算模块对采集的三个远场焦斑的相对偏移量计算以得出待监测光栅的三维角度扰动。

3.根据权利要求2所述的一种用于在线监测光栅三维角度扰动的监测系统，其特征在于，所述第一远场焦斑，第二远场焦斑和第三远场焦斑的初始位置重叠，以第一远场焦斑的位置为基准零位，若第二远场焦斑和第三远场焦斑偏离基准零位，则第二远场焦斑和第三远场焦斑的横向偏离量（S1）反映待监测光栅方位角扰动，第二远场焦斑的纵向偏移量（S2）反映待监测光栅俯仰角扰动，第三远场焦斑的纵向偏移量（S3）反映待监测光栅俯仰角和面内角扰动。