[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

说明书

本发明属于精密测量技术领域与光学工程领域，具体涉及基于空间光调制的纳弧度量级三维角度测量方法与装置；该装置由半导体激光光源、凸透镜、多狭缝光阑、分光镜、偏振分光镜、转折镜、透射式空间光调制器、准直物镜组、面阵CCD、四象限位置探测器、固定平面反射镜以及反射靶标组成；该方法赋予反射靶标在光轴方向上的不对称性，使测量光束携带被测物俯仰角、偏航角信息的同时，敏感于被测物滚转角变化，从而使仪器装置具有对被测物三维角度变化的探测能力；由于本发明利用准直物镜组极大提高物镜焦距，因此具有在相同测量量程下，角度极限分辨力达到纳弧度量级的技术优势；利用凸透镜以及多狭缝光阑，同时利用四象限位置探测器与透射式空间光调制器进行漂移量反馈，提高系统稳定性至十纳弧度量级，从而解决光束漂移量限制自准直仪极限分辨力的问题。此外，本发明所设计的系统装置具有结构体积小、测量精度高、测量频响高的技术优势。

技术领域

本发明属于精密测量技术领域，具体涉及基于空间光调制的纳弧度量级三维角度测量方法与装置。

背景技术

在精密测量技术领域、光学工程领域、尖端科学实验领域和高端精密装备制造领域中，迫切需求在大工作范围下进行高分辨力、高精度、高稳定性的自准直角度测量技术。它支撑着上述领域技术与仪器装备的发展。

在精密测量技术与仪器领域，自准直仪与圆光栅组合，可以进行任意线角度测量；自准直技术与多面棱体组合，可以进行面角度测量和圆分度测量；最大工作距离从几米至上百米；分辨力从0.1角秒至0.01角秒。

在光学工程领域和尖端科学实验领域，自准直仪与两维互为垂直的两个圆光栅组合，可以进行空间角度的测量；由两路自准直仪组成位置基准，可以进行两两光轴夹角或平行性的测量。角度工作范围从几十角秒至几十角分。

在尖端科学实验装置和高端精密装备制造领域，采用自准直仪可以测量尖端科学实验装置和高端精密装备回转运动基准的角回转精度，测量直线运动基准的空间直线精度和两两运动基准的平行度和垂直度。

自准直技术具有非接触、测量精度高、使用方便等优点，在上述领域中具有广泛应用。

传统自准直仪如图1所示，该装置包括激光光源1、第一凸透镜41、第一分光镜2以及图像传感器3；激光光源1出射的光束，经过凸透镜41准直成平行光束后，入射到被测物51的反射面；从被测物51反射面反射的光束，由图像传感器3采集成像。这种结构下，从被测物51表面反射的光束只携带了被测物两轴的空间角度信息；自准直仪准直透镜的焦距一般为500mm，而常用传感器的极限位移分辨力在30到50nm之间，同时由于激光光源存在较大的漂移量，测量的不稳定性严重影响测量的极限分辨力。这些条件限制，使得该装置在测量被测物的空间角度信息时，不能测得被测物绕光轴方向转动的角度信息，只能测量到其它两轴的角度信息；同时该装置在测量被测物的空间角度信息时，难以突破0.003角秒(十纳弧度量级)的分辨力瓶颈。

综上所述，该系统存在以下三个问题：

第一、由于自准直仪的反射靶标只敏感于被测物两轴的空间角度信息，测量光束不携带绕光轴旋转的滚转角信息，因此该装置不具备测量物体空间三维角度信息的能力；

第二、由于自准直仪的准直物镜组焦距较短，大量程范围内传统位移传感器极限位移分辨力低，因此该装置难以达到0.001角秒(纳弧度量级)的高角度分辨力；

第三、传统自准直技术的激光光源存在光束漂移量，其光束的角漂量与平漂量严重影响自准直仪的稳定性，进而限制了自准直仪的极限分辨力。激光光源经凸透镜准直后由于其漂移量的存在，准直精度只能达到10^-7弧度量级(百纳弧度量级)。其光源的不稳定性带来的噪声严重限制了自准直仪极限分辨力的提高。

因此传统自准直技术，在不具备三维角度信息测量能力的同时，无法在传统测量范围内达到纳弧度量级的高角度分辨力。

发明内容