[发明专利]基于双光栅的高精度三维角度测量方法与装置

说明书

基于双光栅的高精度三维角度测量方法与装置属于精密仪器制造和精密测试计量技术；本发明采用一维平面反射光栅和一维平面透射光栅组成的组合靶标作为敏感器件，实现了敏感器件的三维角度变化量测量；采用共光路补偿测量方法，利用差分数据处理算法，可以有效地消除由光源扰动以及光束传播路径上引入的扰动，在实现三维角度变化量测量的同时，提高了三维角度测量精度和测量稳定性。

技术领域

本发明涉及基于双光栅的高精度三维角度测量方法与装置,属于精密仪器制造和精密测试计量技术领域。

背景技术

精密小角度测量是几何计量检测的基础和重要组成部分，在精密加工、精密装备制造与校准、国防工业中大型设备的加工与装配、大型建筑的机械变形以及计量测试等领域有着广泛地应用，随着相关领域的不断发展，对角度的测量精度与测量稳定性的要求也随之提高。

机械运动一般存在三个方向的角度误差，即偏摆角误差、俯仰角误差和旋转角误差。对三个角度的同时精确测量，是确保精密加工、精密安装的基础。激光由于其良好的单色性以及能量高的优点，被广泛的应用于长距离、高精度、非接触式角度测量中。在实际测量中，激光束的漂移是限制测量精度的主要因素，通常引起光束漂移的原因主要是：(1)激光器自身出射光束强度和方向不稳定引起的漂移；(2)光束传播路径中由于传播介质不均匀或存在大气湍流引起的光束方向漂移；(3)光束经过的光学器件受温度变化引起的热变形或者受到机械振动影响产生的光束方向漂移。因此抑制或消除自准直光束的漂移是提高自准直角度测量精度的重要途径。

目前基于光学测量的三维角度测量方法主要有以下几种：

基于反射光栅的三维角度测量方法(Gao W,Saito Y,Muto H,et al.A three-axis autocollimator for detection of angular error motions of a precisionstage[J].CIRP Annals-Manufacturing Technology,2011,60(1):515-518.)该方法利用反射光栅的零级和一级衍射光束的传播方向随着光栅的方位角变化而变化来测量光栅的方位角的变化值。该方法虽然可以同时测量光栅三维角度的变化值，但是没有考虑到光源自身角度漂移以及传播路径中空气扰动对测量的影响，稳定性较差。

基于激光干设法的三维角度测量(刘进博.基于摄像测量的平台绝对晃动量测量及修正方法研究[D].国防科学技术大学,2012.)。激光干涉法的测量精度相对较高，但是测量过程中容易受到环境的影响，并且旋转角测量受偏摆角和俯仰角的影响较大，测量精度稳定性差。

基于双二维自准直仪的三维角度测量方法(孙国燕,高立民,白建明,等.三维姿态角高精度测量装置[J].光学精密工程,2016,24(5):963-970.)。该测量系统主要由两个相同的二维自准直仪和一个反射部件组成，两个二维自准直仪的光轴夹角和反射部件的正斜反射面的夹角相同。通过光学自准直测量原理测量出正反射面和斜反射面的二维角度变化量，对两个自准直测量信息进行解析，得到反射靶标的三维角度变化。该方法没有考虑到光源自身角度漂移以及传播路径中空气扰动对测量的影响，稳定性较差，并且两路反射光束存在一定夹角，不适合长距离测量。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有方法与装置中的不足，为实现和达到高精度三维角度测量的目的，提出了一种基于双光栅的高精度三维角度测量方法与装置。

本发明的目的是这样实现的：基于双光栅的高精度三维角度测量方法包括以下步骤：

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；