[发明专利]基于双光栅的高精度三维角度测量方法与装置

摘要

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。

主权项

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物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后分别经过偏振分光镜，通过偏振分光镜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：Δ1x、Δ2x、Δ3x、Δ4x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；Δ1y、Δ2y、Δ3y和Δ4y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、聚焦透镜B、聚焦透镜C和聚焦透镜D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；sinФ为激光器的波长λ与光栅常数p的比值。