[发明专利]一种三维小角度测量装置及其用于动态测量三维角度变化量的方法

说明书

技术领域

本发明属于光学精密测量领域，尤其涉及一种三维角度测量装置及其用于精确测量三维小角度变化量的方法。

背景技术

角度测量是工业生产、质量控制等环节中至关重要的一步，通常可以分为静态测量和动态测量两种。静态测量是指对加工或装配成的零组件角度以及仪器转动后恢复至静态等条件下的角位置的测量。动态角度测量是指对物体或系统在运动过程中，即设备在一定角速度和角加速度运动条件下的实时角度信号的测量，如卫星轨道对地球赤道面的夹角、精密设备主轴转动时的轴线角漂移。

小角度测量一般指10o以下甚至几十角秒的角度测量，其特点是测量范围小、测量精度高，测量误差一般为1″~2″，甚至可达0.1″或更小。光学测量方法具有测量准确度高和非接触测量以及灵敏度高等特点，被广泛应用于小角度的测量，在某些场合下正在逐渐取代传统的机械式和电磁式测量方法。目前，常用的光学测角方法主要有光学分度头法、多面棱体法、光电编码法、自准直法、平行干涉图法、圆光栅法、光学内反射法、激光干涉法以及环形激光法等。其中，光学准直法（包括自准直法）是一种应用相对较多的高精度小角度的测量方法。其优点是，原理简单，应用较为方便，测量精度和测量灵敏度高。但是，上述的测角方法通常只适用于一维或二维角度测量，不能实现对滚转角的测量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种非接触式的三维小角度测量装置及其用于精确测量三维小角度变化量的方法，以实现待测点与基准之间三维小角度变化量的高精度（角秒级）动态测量。

本发明的三维小角度测量装置，包括发射/接收装置、反射装置和数据处理计算机。发射/接收装置包括LED光源、十字型通光孔、分光棱镜A、测量镜头和光电探测器。LED光源发出的光，通过十字型通光、分光棱镜A后，再经测量镜头准直后入射至反射装置的反射面，然后反射回测量镜头，最后经分光棱镜A入射到光电探测器；数据处理计算机与光电探测器连通，实时采集图像数据并解算反射装置相对于发射/接收装置的三维角度变化量。

所述的L ED光源中心波长为632.8nm；

所述的十字型通光孔位于测量镜头与分光棱镜A组合而成的光具组的焦点位置；

所述的分光棱镜A边长为20mm，玻璃材料为BK7，与测量镜头同轴安装，与测量镜头最后一个光学面相距35.5mm；

所述的测量镜头包含6个普通球面镜透镜，所述6个球面镜透镜的球面形状、厚度、材料参数为：

曲面1：曲率半径167.731mm，厚度20.468mm，口径100mm，玻璃折射率1.43，玻璃阿贝系数95.0；

曲面2：曲率半径-286.907mm，口径100mm；

间隔1：17.482mm；

曲面3：曲率半径-247.520mm，厚度8.344mm，口径100mm，玻璃折射率1.80，玻璃阿贝系数42.4；

曲面4：曲率半径1255.162mm，口径100mm；

间隔2：11.083mm

曲面5：曲率半径137.666mm，厚度13.163mm，口径85mm，玻璃折射率1.49，玻璃阿贝系数70.4；

曲面6：曲率半径1571.168mm，口径85mm；

间隔3：144.138mm；

曲面7：曲率半径-94.840mm，厚度4.504mm，口径40mm，玻璃折射率1.52，玻璃阿贝系数64.1；

曲面8：曲率半径-135.891mm，口径40mm；

间隔4：48.151mm；

曲面9：曲率半径-69.725，厚度4.914mm，口径40mm，玻璃折射率1.71，玻璃阿贝系数53.8；

曲面10：曲率半径126.670，口径40mm；

间隔5：3.589mm

曲面11：曲率半径109.210，厚度18.861mm，口径40mm，玻璃折射率1.59，玻璃阿贝系数35.5；

曲面12：曲率半径-123.015，口径40mm；

所述的光电探测器的光敏面位于测量镜头与分光棱镜A组合而成的光具组的离焦面上，所述的离焦面在不同视场位置的弥散斑90％能量集中于5×5探测器像元的内，且不同视场位置点列图均方根半径值的差值小于1μm；