[发明专利]一种大量程光电自准直仪的三维测角方法

说明书

本发明请求保护一种大量程光电自准直仪的三维测角方法，属于光学测量仪器领域，其步骤包括：①运用空间坐标向量解析方法，设计一种三维自准直仪的隅角镜；②利用反射体反射角灵敏度的调节方法，优化上述隅角镜的反射角灵敏度，从而获得兼具大量程和三维角度测量两种反射特性的反射体设计结构。③在以上研究基础上，利用所设计的新型隅角镜结构替换传统自准直仪的平面反射镜，从而构建大角度测量三维自准直仪测量系统，并建立该反射体的角度变化与反射光斑位移信息的数学关系模型，实现大角度测量三维自准直仪的整体研制。本发明突破了自准直光学三维测量的理论限制，实现了三维角度测量；还明显的提升了自准直仪的量程。

技术领域

本发明属于光学测量仪器领域，具体是提出一种具有特殊结构角的隅角镜，分析光在自准直仪内的反射情况，从而实现对旋转物体旋转角的三维测量的方法。

背景技术

自准直仪是利用光学自准直原理，用于小角度测量的重要测量仪器。由于它具有较高的准确度和测量分辨力，因而被广泛应用于工业生产、国防技术和科学研究等领域，如：在角度测量、平板的平面度测量、轴系的角晃动测量。为了扩大光电自准直仪的应用领域，其大的测量范围和三维角度测量成为了近年来的研究热点。

Gorodetskiy A E(文献Gorodetskiy A E，Konyakhin I A，Tarasova I L，etal.Analysis of Errors at Optic-Electronic Autocollimation Control System withActive Compensation[M].Smart Electromechanical Systems.Springer，Cham，2016：251-258.)设计了一种基于SEMS系统结构的光电自准直仪，该系统利用《零位测量法》和电动调节装置以保证测量过程中，光斑始终维持在准直镜口径内，从而实现增加自准直仪测角范围的目的，但是该设计方案由于机械调校过程，严重影响了自准直仪的动态测量特性。2016年，Yin Y(文献Yin Y，Cai S，Qiao Y.Design，fabrication，and verification of athree-dimensional autocollimator[J].Applied Optics，2016，55(35)：9986.)等人在自准直仪中引入莫尔技术，开发了一种实现三自由度同步测量的新方法。该自准直器在正负200弧秒范围内具有优于0.74弧秒的精度。但是这些技术由于采用多组独立反射体进行测量，使得装配和调试过程及其复杂，对测量环境的要求也较为苛刻，故难以运用于工业生产中。

发明内容

本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种大量程光电自准直仪的三维测角方法。本发明的技术方案如下：

一种大量程光电自准直仪的三维测角方法，其包括以下步骤：

1)运用空间坐标向量解析方法，并结合欧拉空间旋转关系，使得异型隅角镜的各反射面有效的结构角度满足以下关系：δ₃＝-δ，δ₂＝δ，δ_12a＝δ²，δ_12b＝δ，其中δ₂、δ₃分别为异型隅角镜的第二反射面(2)绕其OX轴旋转的角度、第一反射面(1)绕第一反射面(1)和第三反射面(3)的交线旋转的角度，δ表示为隅角镜各反射面的有效结构角，反射面(1a)与(1b)为反射面(1)内折不同的角度形成的新的反射面，δ_12a、δ_12b分别为反射面(1a)和反射面(1b)绕OZ轴旋转的角度；

2)分析异型隅角镜内光束的反射情况，得到各反射光束的矢量变化信息，确定有效光学孔径的大小，利用几何光学计算出不同反射顺序下反射面(1)的有效面积；