[发明专利]一种基于非标准柱面角锥镜的滚转角测量方法

说明书

本发明请求保护一种基于非标准柱面角锥镜的滚转角测量方法，属于光学测量仪器领域，其包括步骤：运用空间坐标向量解析方法，在保留传统自准直仪的基本内部结构下，将标准角锥镜的一个反射平面加工为特定规律的圆柱面，形成了一种能够对滚转角敏感的反射体；使用非标准柱面角锥镜代替平面反射镜，从而构建用于测量滚转角的自准直仪测量系统；在以上研究基础上，推导这种特殊反射体的结构与反射光束空间坐标矢量变化的数学关系，建立了滚转角自准直测量系统的测量公式。从而实现大角度测量三维自准直仪的整体研制。本发明不仅能够实现针对滚转角度的大量程测量，同时还能够保证传统自准直测量所具有的高分辨率、超精度和远工作距离等性能。

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的角锥镜，分析光在自准直仪内的反射情况，从而实现对旋转物体滚转角的测量方法。

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。而角度测量系统在精密机械加工，机床对准，精密仪器校准等领域发挥着重要作用。目前基于光学原理的新测角方法研究，由于具有更高的测量稳定性和精度等性能优点，正成为科学界的研究热点受到广泛关注。 Y.D.Cai(文献Y.D.Cai,B.H.Yang,and K.C.Fan,Robustroll angular error measurement system for precision machines.[J].Optics.Express,2019,27(6):8027.) 利用平行光栅的方法来测量滚转角，运用此方法可得到较高的分辨率和测量精度，但由于滚转角度信息依靠光斑的二维位移实现测量，因此量程性能受光电探测器(PSD)的尺寸和工作距离限制。2016年，Yin Y(文献Yin Y,Cai S,Qiao Y.Design,fabrication,and verification of a three-dimensionalautocollimator[J]. Applied Optics,2016,55(35):9986.)等学者，通过在自准直仪的光源和接收器前分别加装刻度光栅和折射光栅，并将直角棱镜作为反射体的技术手段，生成了条纹形的成像光斑(莫尔纹)，再基于莫尔条纹测量法测得滚转角。该方法解决了滚转角测量的技术难题，但受莫尔条纹测量理论的限制，该设计方案面临量程小、且无法保证系统的稳定性能等技术问题，使之很难满足于市场运用。

发明内容

本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种基于非标准柱面角锥镜的滚转角测量方法。本发明的技术方案如下：

一种基于非标准柱面角锥镜的滚转角测量方法，其包括以下步骤：

运用空间坐标向量解析方法，在保留传统自准直仪的基本内部结构下，将标准角锥镜的一个反射平面加工为特定规律的圆柱面，形成了一种能够对滚转角敏感的反射体；

使用非标准柱面角锥镜代替平面反射镜，从而构建用于测量滚转角的改进自准直仪测量系统；

推导特殊反射体的结构与反射光束空间坐标矢量变化的数学关系，并基于这种数学关系建立了滚转角自准直测量系统的测量公式。

进一步的，所述运用空间坐标向量解析方法，在保留传统自准直仪的基本内部结构下，将标准角锥镜的一个反射平面加工为特定规律的圆柱面，形成了一种能够对滚转角敏感的反射体，具体包括：

运用空间坐标向量解析方法，并结合欧拉空间旋转关系，柱面角锥镜的反射面夹角关系为L_1-2＝90°，L_2-3＝L_1-3＝90°-δ，L_1-2、L_2-3、L_1-3分别表示1面与2面、2面与 3面、1面与3面的夹角；δ为角锥镜的有效结构角。按照该关系，将第三个反射平面定向形变为柱面；而柱面的设计遵循圆柱轴O'O”垂直于角锥镜1和2面的交线，即圆柱轴垂直于角锥镜的OZ轴；圆柱轴O'O”与反射平面1和2分别形成相等角度，据以上原则从而实现柱面角锥镜的设计。