[发明专利]基于双光栅的高精度三维角度测量方法与装置

权利要求书

1.一种基于双光栅的高精度三维角度测量方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

①、激光器发出的光束经过准直透镜后形成准直光束并出射；

②、①中所述准直光束经过一维平面透射光栅后，产生正一级衍射光束、负一级衍射光束和零级衍射光束；

③、②中所述的正一级衍射光束、负一级衍射光束经过一组对角线相互垂直的偏振分光镜组后得到一组与正一级衍射光束、负一级衍射光束相平行的出射光束；

④、③中所述与正一级衍射光束、负一级衍射光束相平行的出射光束再次经过一维透射光栅后，得到一组与光轴相平行的衍射光束；

⑤、②中所述的零级衍射光束经过1/4波片后垂直入射到一维平面反射光栅产生正一级衍射光束、负一级衍射光束，该正一级衍射光束、负一级衍射光束入射到②中所述的一维平面透射光栅得到一组与光轴相平行的出射光束；

⑥、调整一维平面反射光栅与一维平面透射光栅之间的距离，使④中所述的一组与光轴相平行的衍射光束与⑤所述的一组与光轴相平行的出射光束分别沿共光路传输，形成两组共光路光束，同时将一维平面反射光栅与一维平面透射光栅刚性连接作为组合靶标；

⑦、⑥所述的两组共光路光束经过聚焦透镜A和聚焦透镜B后分别经过偏振分光镜C和偏振分光镜D，通过偏振分光镜C和偏振分光镜D将共光路光束分离得到四束待测光束；

⑧、⑦所述的四束待测光束分别由光电探测器A、光电探测器B、光电探测器C和光电探测器D接收，当⑥中所述的组合靶标产生偏摆角α、俯仰角β以及旋转角γ变化时，用上述四个光电探测器探测聚焦光斑的位置变化信息，获得的光斑位置变化信息通过信号处理电路后送入计算机，计算获得组合靶标的三维角度的变化值；

组合靶标的偏摆角α、俯仰角β和旋转角γ分别按如下公式获取：

或

式中：Δ_1x、Δ_2x、Δ_3x、Δ_4x分别为光电探测器A、光电探测器B、光电探测器C、光电探测器D在相邻两个采样周期探测到的光斑位置信息在水平方向的位置变化量；Δ_1y、Δ_2y、Δ_3y和Δ_4y分别为光电探测器A、光电探测器B、光电探测器C和光电探测器D在相邻两个采样周期探测到的光斑位置信息在竖直方向的位置变化量；f为聚焦透镜A和聚焦透镜B的焦距；λ为激光器波长；p为一维平面透射光栅和一维平面反射光栅光栅常数。

2.一种应用于权利要求1所述的测量方法的基于双光栅的高精度三维角度测量装置，其特征在于：激光器(1)、准直透镜(2)、一维平面透射光栅(3)、1/4波片(4)、一维平面透射光栅(5)、沿光线a传播方向依次排列；所述一维平面透射光栅(3)透射面与入射光束垂直；偏振分光镜A(6)、偏振分光镜B(7)置于一维平面透射光栅(3)后侧，并且偏振分光镜A(6)、偏振分光镜B(7)对角线相互垂直并与激光器(1)光轴夹角为45°；聚焦透镜A(9)和偏振分光镜C(11)沿共光路光束i传播方向排列；聚焦透镜B(10)和偏振分光镜D(12)沿共光路光束j传播方向排列；光电探测器A(13)与光电探测器C(15)分别沿着偏振分光镜C(11)出射光束方向放置，并且置于聚焦透镜A(9)的焦平面处；光电探测器B(14)与光电探测器D(16)分别沿着偏振分光镜D(12)出射光束方向放置，并且置于聚焦透镜B(10)的焦平面处；所述光电探测器A(13)、光电探测器B(14)、光电探测器C(15)、光电探测器D(16)与计算机(17)相连；所述一维平面透射光栅(3)、1/4波片(4)、一维平面透射光栅(5)与载物台(8)刚性连接。