[发明专利]基于双光栅的三维角度测量方法与装置

说明书

基于双光栅的三维角度测量方法与装置属于精密仪器制造和精密测试计量技术领域；本发明采用一维平面反射光栅、1/4波片以及一维平面透射光栅组成的组合靶标作为敏感器件，通过光电探测器探测经过组合靶标作用后返回的待测光束的方向变化量来探测组合靶标的三维角度变化值，实现三维角度变化量的精密测量；本发明采用双光栅作为敏感器件，保证待测光束与入射光束光轴平行，在实现高精度三维角度变化量同时测量的同时，极大的增加了测量系统的工作距离，并且使整个测量系统更加紧凑。

技术领域

本发明属于精密仪器制造和精密测试计量技术领域，主要涉及一种基于双光栅的三维角度测量方法与装置。

背景技术

精密微角度测量精密仪器制造和精密测试计量不可或缺的一部分。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述已有方法与装置中的不足，为实现和达到高精度三维角度测量，提出了一种基于双光栅的三维角度测量方法与装置。

本发明的目的是这样实现的：基于双光栅的三维角度测量方法包括以下步骤：

①、激光光源发出的光束经过准直透镜后形成准直光束并出射；

②、①中所述的准直光束经过一维平面透射光栅的透射面和1/4波片后垂直入射到一维平面反射光栅后衍射产生零级衍射光束、正一级衍射光束和负一级衍射光束；

③、②中所述的零级衍射光束再次经过1/4波片和一维平面透射光栅的透射面后出射；正一级衍射光束和负一级衍射光束再次经过1/4波片和一维平面透射光栅，得到一组与①中所述的准直光束相平行的正一级衍射光束和负一级衍射光束；

④、②中所述的零级衍射光束经过偏振分光镜和反射镜反射后得到与①中所述的准直光束相平行的出射光束，所述出射光束经过聚焦透镜聚焦后由光电探测器A接收用于探测偏摆角和俯仰角的变化值；

⑤、③中获得与准直光束相平行的正一级衍射光束和负一级衍射光束经过偏振分光镜和反射镜反射后得到两束与①中所述的准直光束相平行的出射光束，所述两束光束分别由光电探测器B和光电探测器C直接接收用于探测旋转角的变化值；

⑥、当组合靶标发生三维角度变化时，④中和⑤中所述的光电探测器A、光电探测器B和光电探测器C探测到的光斑位置产生相应的变化，探测到的光斑位置变化信息通过信号处理后送入计算机，计算获得组合靶标的三维角度变化值，所述的组合靶标偏摆角α、俯仰角β以及旋转角γ变化值分别按如下公式获取：

式中：Δd_0x和Δd_0y为相邻两个采样周期的测量光束在光电探测器A形成光斑的水平方向和竖直方向位置差；Δd_1y为相邻两个采样周期的测量光束在光电探测器B形成光斑的竖直方向位置差；Δd-_1y为相邻两个采样周期的测量光束在光电探测器C形成光斑的竖直方向位置差；f为聚焦透镜焦距；θ为一维平面反射光栅的一级衍射角；L为一维平面透射光栅、一维平面反射光栅之间的距离。