[发明专利]基于空间光调制的纳弧度量级三维角度测量方法与装置

权利要求书

1.基于空间光调制的纳弧度量级三维角度测量装置，其特征在于，包括第一分光镜(2)、准直物镜组(4)、反射靶标(5)、半导体激光光源(6)、第四凸透镜(7)、多狭缝光阑(8)、偏振片(9)、第二偏振分光镜(10)、第一面阵CCD(11)、第二面阵CCD(12)、第二分光镜(13)、四象限位置探测器(14)、第一转折镜(15)、第二转折镜(16)、固定平面反射镜(17)、透射式空间光调制器(18)；所述准直物镜组(4)由第一凸透镜(41)与第一凹透镜(42)组成；所述反射靶标(5)包括第一偏振分光镜(52)和平面反射镜(51)，其安装至被测物的测量表面上，因此反射靶标(5)的空间三维角度变化即为被测物的空间三维角度变化；而固定平面反射镜(17)独立于反射靶标，其不与反射靶标(5)和被测物相连，其固定于测量基座上；

半导体激光光源(6)经第四凸透镜(7)准直，透射式空间光调制器(18)透射后，平行入射于多狭缝光阑(8)；以多狭缝光阑(8)作为物面，发出的测量光依次经偏振片(9)、第一分光镜(2)透射；经第二分光镜(13)反射的线偏振光，垂直入射于四象限位置探测器(14)，作为漂移量反馈探测单元；经第二分光镜(13)透射的线偏振光，经过第一转折镜(15)、第二转折镜(16)的转折后，垂直入射于准直物镜组(4)准直成平行光束，入射于反射靶标(5)；一路透过反射靶标(5)中的第一偏振分光镜(52)，入射到反射靶标(5)中的平面反射镜(51)上，反射的光束再经过反射靶标(5)中的第一偏振分光镜(52)透射后，沿光路原路返回再经测量端第二偏振分光镜(10)透射后由第一面阵CCD(11)采集成像；另一路被反射靶标中的第一偏振分光镜(52)反射，入射到固定平面反射镜(17)上，反射的光束再经过反射靶标中的第一偏振分光镜(52)反射后，沿光路原路返回再经测量端第二偏振分光镜(10)反射后由第二面阵CCD(12)采集成像；

所述多狭缝光阑(8)是由两组三条平行等距等宽的直线狭缝组成的透射式光阑，两组直线狭缝互相垂直，半导体激光光源(6)经第四凸透镜(7)准直后照射于多狭缝光阑(8)，因此两组互相垂直的三条平行等距等宽的直线光斑为该装置的一个物，其发出的光束为该装置的测量光；

或

所述多狭缝光阑(8)是由两组四条平行等距等宽的直线狭缝组成的透射式光阑，两组直线狭缝互相垂直，半导体激光光源(6)经第四凸透镜(7)准直后照射于多狭缝光阑(8)，因此两组互相垂直的四条平行等距等宽的直线光斑为该装置的一个物，其发出的光束为该装置的测量光；

所述第一面阵CCD(11)和第二面阵CCD(12)设置在准直物镜组(4)焦平面处，与多狭缝光阑(8)的位置共轭；当反射靶标(5)不产生三维角度变化的条件下，第一面阵CCD(11)与第二面阵CCD(12)所采集的光斑中心均在传感器几何中心位置；所述四象限位置探测器(14)设置在第二分光镜(13)后，采集半导体激光光源(6)的实时漂移量；所述透射式空间光调制器(18)放置于第四凸透镜(7)与多狭缝光阑(8)之间，用于调制测量光，使测量光垂直入射于多狭缝光阑(8)；

所述第一转折镜(15)与第二转折镜(16)互相平行放置，镜面法向方向均与光束入射方向存在一个固定小角度。

2.根据权利要求1所述的基于空间光调制的纳弧度量级三维角度测量装置，其特征在于，还包括第二凹透镜(43)、第二凸透镜(44)以及第三凸透镜(45)；

所述第二凹透镜(43)、第二凸透镜(44)、第三凸透镜(45)与第一凸透镜(41)、第一凹透镜(42)共同组成准直物镜组(4)。

3.根据权利要求1所述的基于空间光调制的纳弧度量级三维角度测量装置，其特征在于，还包括第二凹透镜(43)、第二凸透镜(44)以及第三凸透镜(45)；

所述第二凹透镜(43)、第二凸透镜(44)、第三凸透镜(45)与第一凸透镜(41)、第一凹透镜(42)共同组成准直物镜组(4)；

所述第二分光镜(13)放置在准直物镜组(4)与反射靶标(5)之间；测量光由第二分光镜(13)分束，反射光束经第二分光镜(13)反射至四象限位置探测器(14)采集成像，透射光束经第二分光镜(13)透射继续传播。

4.根据权利要求1、2或3所述基于空间光调制的纳弧度量级三维角度测量装置上实现的基于空间光调制的纳弧度量级三维角度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤a、将反射靶标(5)固定至被测物表面，放置固定平面反射镜(17)使其镜面平行于反射靶标(5)中第一偏振分光镜(52)的出射面；

步骤b、点亮半导体激光光源(6)，调整被测物以及固定平面反射镜(17)的位置，使第一面阵CCD(11)与第二面阵CCD(12)接收的光斑处于传感器中心位置，使固定平面反射镜(17)的位置固定；

步骤c、观察第一面阵CCD(11)与第二面阵CCD(12)的光斑明亮程度，调节偏振片(9)转角使得两个图像传感器接收到的光强一致；

步骤d、当四象限位置探测器(14)输出半导体激光光源(6)的光斑位移漂移量E1、E2时，透射式空间光调制器(18)调整半导体激光光源(6)的光束方向，使光斑位移漂移量E1、E2始终为0；

步骤e、反射靶标(5)随被测物产生空间三维转动，第一面阵CCD(11)输出经反射靶标中平面反射镜反射的光束光斑的位移值，其中光斑距离传感器中心位置分解为S1、S2，第二面阵CCD(12)输出固定平面反射镜反射的光束光斑的位移值，其中光斑距离图像传感器中心位置为S3；

步骤f、利用第一面阵CCD(11)光斑的位移S1、S2，按照S1＝f·tan(2β),S2＝f·tan(2γ)计算求得β、γ，其中β、γ为被测物绕y、z轴顺时针转动的角度；

步骤g、利用第二面阵CCD(12)光斑的位移S3，按照S3＝f·tan(θ)计算求得θ，其中θ为经第一偏振分光镜52反射一路光束回光与光轴的夹角；

步骤h、按照ɑ＝G(θ，β，γ)计算求得ɑ，其中ɑ为被测物绕x轴顺时针转动的角度，G表示一个函数；最终得到被测物绕x、y、z轴顺时针转动的角度ɑ、β、γ。