[发明专利]一种基于光栅的空间姿态无源测头

说明书

本发明涉及一种基于光栅的空间姿态无源测头，其特征在于，该测头包括角锥棱镜和透射二维光栅，所述透射二维光栅的出光面与所述角锥棱镜的底面固定连接。入射光以接近垂直的角度入射到所述透射二维光栅，经所述透射二维光栅产生的第一次衍射光分别由所述角锥棱镜反射三次，所述角锥棱镜的出射光与第一次衍射光分别平行，所述角锥棱镜的出射光经所述透射二维光栅发生第二次衍射，经所述透射二维光栅出射的第二次衍射光与原始入射光相互平行。本发明可以广泛应用于空间姿态的高精度测量。

技术领域

本发明涉及一种无源光栅测头，特别是关于一种基于光栅的空间姿态无源测头，属于光学测量技术领域。

背景技术

美国API(Automated Precision Inc)公司近年推出了六自由度同步测量系统—XD Laser激光干涉仪，用于测绘机床误差图并进行机床校准。XD Laser激光干涉仪在测量靶镜里将测量光分成三束，一束用于干涉测距，一束基于位置传感器测量横向位置，一束用自准直原理测角。上述所有功能集中在一个尺寸70mm×94mm×45mm的测头中，可以同时测量多参数，简化了调整步骤，节约了调整时间。XD Laser激光干涉仪将之前用2-3天才能完成的机床误差测绘缩短到几小时。虽然XD Laser激光干涉仪的测头是有源设计，但是测量数据可以通过无线传输获得，并用充电电池供电使用方便。

雷尼绍公司也推出了指标与之类似的六自由度测量系统，XM-60多光束激光干涉仪，同样采用一个测头完成六自由度测量，也采用了无线信号传输，避免了测试过程中电缆的拖拽。目前这类测量系统市场售价约20万美元，这类仪器的测头多为有源设计，抗干扰能力有限，姿态测量范围也比较小，主要用于离线测绘机床的误差图。上述现有的测头都是有源的且比较庞大，离实际应用尚有一定的距离。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种结构简单、测量准确且测量范围大的基于光栅的空间姿态无源测头。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种基于光栅的空间姿态无源测头，其特征在于，该测头包括角锥棱镜和透射二维光栅，所述透射二维光栅的出光面与所述角锥棱镜的底面固定连接。

进一步地，入射光以接近垂直的角度入射到所述透射二维光栅，经所述透射二维光栅产生的第一次衍射光分别由所述角锥棱镜反射三次，所述角锥棱镜的出射光与第一次衍射光分别平行，所述角锥棱镜的出射光经所述透射二维光栅发生第二次衍射，经所述透射二维光栅出射的第二次衍射光与原始入射光相互平行。

进一步地，所述入射光与所述透射二维光栅接近垂直定义为入射光与z的夹角范围为-5°到+5°，其中，z轴为垂直所述透射二维光栅面。

进一步地，所述透射二维光栅够覆盖所述角锥棱镜的底部。

进一步地，进入所述角锥棱镜的衍射光线与z轴夹角不得大于26.56°，即对光经过所述透射二维光栅时的衍射角θ有一定限制，当考虑入射光垂直所述透射二维光栅面时，应当满足：

其中，z轴为垂直所述透射二维光栅面，d为光栅周期，λ为光波长。

为实现上述目的，本发明还采取以下技术方案：一种基于光栅的空间姿态无源测头，其特征在于，该测头包括参数相同的第一透射二维光栅和第二透射二维光栅，所述第一透射二维光栅与第二透射二维光栅平行设置，且所述第一透射二维光栅与第二透射二维光栅之间有一定的间距。

进一步地，入射光以接近垂直的角度入射到所述第一透射二维光栅，经所述第一透射二维光栅产生的第一次衍射光发射到所述第二透射二维光栅，经所述第二透射二维光栅出射的第二次衍射光与原始入射光相互平行。

进一步地，所述第一透射二维光栅与第二透射二维光栅之间的间距不做限定，只要满足所述第一透射二维光栅的衍射光线能够入射到所述第二透射二维光栅上即可。