基于双光栅的三维角度测量方法与装置制造方法及图纸

基于双光栅的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；本发明专利技术采用一维平面反射光栅、1/4波片以及一维平面透射光栅组成的组合靶标作为敏感器件，通过光电探测器探测经过组合靶标作用后返回的待测光束的方向变化量来探测组合靶标的三维角度变化值，实现三维角度变化量的精密测量；本发明专利技术采用双光栅作为敏感器件，保证待测光束与入射光束光轴平行，在实现高精度三维角度变化量同时测量的同时，极大的增加了测量系统的工作距离，并且使整个测量系统更加紧凑。

Three-Dimensional Angle Measurement Method and Device Based on Double Grating

The three-dimensional angle measurement method and device based on double gratings belongs to the field of precision instrument manufacture and precision measurement technology. The combined target composed of one-dimensional plane reflection grating, 1/4 wave plate and one-dimensional plane transmission grating is used as the sensitive device, and the combined target is detected by the photoelectric detector by detecting the direction change of the beam to be measured after the combined target action. The double grating is used as a sensitive device to ensure that the beam to be measured is parallel to the beam axis of the incident beam. While realizing the simultaneous measurement of the high-precision three-dimensional angle change, the working distance of the measuring system is greatly increased, and the whole measuring system is more compact.

【技术实现步骤摘要】
基于双光栅的三维角度测量方法与装置
本专利技术属于精密仪器制造和精密测试计量
，主要涉及一种基于双光栅的三维角度测量方法与装置。
技术介绍
精密微角度测量精密仪器制造和精密测试计量不可或缺的一部分。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服上述已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，提出了一种基于双光栅的三维角度测量方法与装置。本专利技术的目的是这样实现的：基于双光栅的三维角度测量方法包括以下步骤：①、激光光源发出的光束经过准直物镜后形成准直光束并出射；②、①中所述的准直光束经过一维平面透射光栅的透射面和1/4波片后垂直入射到一维平面反射光栅后衍射产生零级衍射光束、正一级衍射光束和负一级衍射光束；③、②中所述的零级衍射光束再次经过1/4波片和一维平面透射光栅的透射面后出射；正一级衍射光束和负一级衍射光束再次经过1/4波片和透射光栅，得到一组与①中所述的准直光束相平行的负一级衍射光束和正一级衍射光束；④、②中所述的零级衍射光束经过偏振分光镜和反射镜反射后得到与①中所述的准直光束相平行的出射光束，所述出射光束经过聚焦透镜聚焦后由光电探测器接收用于探测偏摆角和俯仰角的变化值；⑤、③中获得与准直光束相平行的负一级衍射光束和正一级衍射光束经过偏振分光镜和反射镜反射后得到两束与①中所述的准直光束相平行的出射光束，所述两束光束分别由光电探测器直接接收用于探测旋转角的变化值；⑥、当靶标发生三维角度变化时，④中和⑤中所述的光电探测器探测到的光斑位置产生相应的变化，探测到的光斑位置变化信息通过信号处理后送入计算机，计算获得靶标的三维角度变化值，所述的靶标偏摆角α、俯仰角β以及旋转角γ变化值分别按如下公式获取：式中：Δd0x和Δd0y为相邻两个采样周期的测量光束在光电探测器A形成光斑的水平方向和竖直方向位置差；Δd1y为相邻两个采样周期的测量光束在光电探测器B形成光斑的竖直方向位置差；Δd-1y为相邻两个采样周期的测量光束在光电探测器C形成光斑的竖直方向位置差；f为聚焦透镜焦距；θ为一维平面反射光栅的一级衍射角；L为一维平面透射光栅、一维平面反射光栅之间的距离。基于双光栅的三维角度测量装置的结构是：激光器出射的光束经过单模光纤耦合后出射，由准直透镜准直后得到准直光束a，准直光束a先后经过偏振分光镜、一维平面透射光栅的非光栅面和1/4波片后，垂直入射到一维平面反射光栅发生衍射，产生零级衍射光束e、正一级衍射光束b和负一级衍射光束c；正一级衍射光束b和负一级衍射光束c再次经过1/4波片后入射到一维平面透射光栅的光栅面产生与准直光束a相平行的光束f和光束d；零级衍射光束e经过1/4波片和一维平面透射光栅的非光栅面后继续传播；光束f和光束d先后经过偏振分光镜和平面反射镜反射后分别入射到光电探测器C和光电探测器B；零级衍射光束e经过偏振分光镜和平面反射镜反射后由聚焦透镜后入射到位于聚焦透镜焦平面处的光电探测器A；所述光电探测器C、光电探测器B以及光电探测器A与计算机相连；所述靶标固定件与一维平面反射光栅、1/4波片和一维平面透射光栅之间刚性连接；所述靶标固定件、一维平面反射光栅、1/4波片和一维平面透射光栅组成组合靶标(102)作为移动部件，用于产生待测量角度信号；所述激光器、单模光纤、准直透镜、偏振分光镜、平面反射镜、电探测器C、光电探测器B、聚焦透镜、光电探测器A和计算机组成光源和信号探测系统(101)。本专利技术的优点是：(1)利用双光栅作为靶标，在实现三维角度测量的同时，消除了旋转角与俯仰角和偏摆角的耦合误差。(2)采用双光栅作为靶标，准直光束经过双光栅作用后，使得原本存在衍射角的衍射光束变为与激光器发射的准直光束平行的光束，使得探测单元更加紧凑，有利于实际应用。附图说明图1是基于双光栅的三维角度测量装置结构示意图图2是偏摆角和俯仰角测量原理示意图图3是旋转角测量原理示意图图4是旋转角测量光斑位置变化示意图图中件号说明:1、激光器2、单模光纤3、准直透镜4、偏振分光镜5、靶标固定件6、一维平面反射光栅7、1/4波片8、一维平面透射光栅9、平面反射镜10、电探测器C11、光电探测器B12、聚焦透镜13、光电探测器A14、计算机101、光源和信号探测系统102、组合靶标具体实施方式下面结合附图和具体实施方案对本专利技术做详细描述。本专利技术所述基于双光栅的三维角度测量方法包括以下步骤：①、激光光源发出的光束经过准直物镜后形成准直光束并出射；②、①中所述的准直光束经过一维平面透射光栅的透射面和1/4波片后垂直入射到一维平面反射光栅后衍射产生零级衍射光束、正一级衍射光束和负一级衍射光束；③、②中所述的零级衍射光束再次经过1/4波片和一维平面透射光栅的透射面后出射；正一级衍射光束和负一级衍射光束再次经过1/4波片和透射光栅，得到一组与①中所述的准直光束相平行的负一级衍射光束和正一级衍射光束；④、②中所述的零级衍射光束经过偏振分光镜和反射镜反射后得到与①中所述的准直光束相平行的出射光束，所述出射光束经过聚焦透镜聚焦后由光电探测器接收用于探测偏摆角和俯仰角的变化值；⑤、③中获得与准直光束相平行的负一级衍射光束和正一级衍射光束经过偏振分光镜和反射镜反射后得到两束与①中所述的准直光束相平行的出射光束，所述两束光束分别由光电探测器直接接收用于探测旋转角的变化值；⑥、当靶标发生三维角度变化时，④中和⑤中所述的光电探测器探测到的光斑位置产生相应的变化，探测到的光斑位置变化信息通过信号处理后送入计算机，计算获得靶标的三维角度变化值，所述的靶标偏摆角α、俯仰角β以及旋转角γ变化值分别按如下公式获取：式中：Δd0x和Δd0y为相邻两个采样周期的测量光束在光电探测器A形成光斑的水平方向和竖直方向位置差；Δd1y为相邻两个采样周期的测量光束在光电探测器B形成光斑的竖直方向位置差；Δd-1y为相邻两个采样周期的测量光束在光电探测器C形成光斑的竖直方向位置差；f为聚焦透镜焦距；θ为一维平面反射光栅的一级衍射角；L为一维平面透射光栅、一维平面反射光栅之间的距离。基于双光栅的三维角度测量装置的结构是：激光器1出射的光束经过单模光纤2耦合后出射，由准直透镜3准直后得到准直光束a，准直光束a先后经过偏振分光镜4、一维平面透射光栅8的非光栅面和1/4波片7后，垂直入射到一维平面反射光栅6发生衍射，产生零级衍射光束e、正一级衍射光束b和负一级衍射光束c；正一级衍射光束b和负一级衍射光束c再次经过1/4波片7后入射到一维平面透射光栅8的光栅面产生与准直光束a相平行的光束f和光束d；零级衍射光束e经过1/4波片7和一维平面透射光栅8的非光栅面后继续传播；光束f和光束d先后经过偏振分光镜4和平面反射镜9反射后分别入射到光电探测器C10和光电探测器B11；零级衍射光束e经过偏振分光镜4和平面反射镜9反射后由聚焦透镜12后入射到位于聚焦透镜12焦平面处的光电探测器A13；所述光电探测器C10、光电探测器B11以及光电探测器A13与计算机14相连；所述靶标固定件5与一维平面反射光栅6、1/4波片7和一维平面透射光栅8之间刚性连接；所述靶标固定件5、一维平面反射光栅6、1/4波片7和一维平面透射光栅8组成组合靶标102作为移动部件，用于产生待测量角度信号；所述激光器1、单模光纤2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于双光栅的三维角度测量方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：①、激光光源发出的光束经过准直物镜后形成准直光束并出射；②、①中所述的准直光束经过一维平面透射光栅的透射面和1/4波片后垂直入射到一维平面反射光栅后衍射产生零级衍射光束、正一级衍射光束和负一级衍射光束；③、②中所述的零级衍射光束再次经过1/4波片和一维平面透射光栅的透射面后出射；正一级衍射光束和负一级衍射光束再次经过1/4波片和透射光栅，得到一组与①中所述的准直光束相平行的负一级衍射光束和正一级衍射光束；④、②中所述的零级衍射光束经过偏振分光镜和反射镜反射后得到与①中所述的准直光束相平行的出射光束，所述出射光束经过聚焦透镜聚焦后由光电探测器接收用于探测偏摆角和俯仰角的变化值；⑤、③中获得与准直光束相平行的负一级衍射光束和正一级衍射光束经过偏振分光镜和反射镜反射后得到两束与①中所述的准直光束相平行的出射光束，所述两束光束分别由光电探测器直接接收用于探测旋转角的变化值；⑥、当靶标发生三维角度变化时，④中和⑤中所述的光电探测器探测到的光斑位置产生相应的变化，探测到的光斑位置变化信息通过信号处理后送入计算机，计算获得靶标的三维角度变化值，所述的靶标偏摆角α、俯仰角β以及旋转角γ变化值分别按如下公式获取：...

【技术特征摘要】
1.一种基于双光栅的三维角度测量方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：①、激光光源发出的光束经过准直物镜后形成准直光束并出射；②、①中所述的准直光束经过一维平面透射光栅的透射面和1/4波片后垂直入射到一维平面反射光栅后衍射产生零级衍射光束、正一级衍射光束和负一级衍射光束；③、②中所述的零级衍射光束再次经过1/4波片和一维平面透射光栅的透射面后出射；正一级衍射光束和负一级衍射光束再次经过1/4波片和透射光栅，得到一组与①中所述的准直光束相平行的负一级衍射光束和正一级衍射光束；④、②中所述的零级衍射光束经过偏振分光镜和反射镜反射后得到与①中所述的准直光束相平行的出射光束，所述出射光束经过聚焦透镜聚焦后由光电探测器接收用于探测偏摆角和俯仰角的变化值；⑤、③中获得与准直光束相平行的负一级衍射光束和正一级衍射光束经过偏振分光镜和反射镜反射后得到两束与①中所述的准直光束相平行的出射光束，所述两束光束分别由光电探测器直接接收用于探测旋转角的变化值；⑥、当靶标发生三维角度变化时，④中和⑤中所述的光电探测器探测到的光斑位置产生相应的变化，探测到的光斑位置变化信息通过信号处理后送入计算机，计算获得靶标的三维角度变化值，所述的靶标偏摆角α、俯仰角β以及旋转角γ变化值分别按如下公式获取：式中：Δd0x和Δd0y为相邻两个采样周期的测量光束在光电探测器A形成光斑的水平方向和竖直方向位置差；Δd1y为相邻两个采样周期的测量光束在光电探测器B形成光斑的竖直方向位置差；Δd-1y为相邻两个采样周期的测量光束在光电探测器C形成光斑的竖直方向位置差；f为聚焦透镜焦距；θ为一维平面反射光栅的一级衍射角；L为一维平面透射光栅、一维平面反射光栅之间的距离。2.一种基...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔继文，任文然，谭久彬，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23