基于透射光栅的高精度滚转角测量方法与装置制造方法及图纸

基于透射光栅的高精度滚转角测量方法与装置属于精密仪器制造和精密测试计量技术；本发明专利技术采用一维平面透射光栅作为敏感器件，实现了敏感器件的滚转角变化量测量；本发明专利技术解决了现有方法与装置中的测量精度低、工作距离短等不足，利用双衍射光束进行差动测量，消除了由光源光束角度漂移引入的测量误差；待测光束与光轴平行，极大地增大了测量装置的工作距离，同时使探测结构更挤紧凑；激光光束两次经过透射光栅作用，使系统测量分辨力提高了一倍；该测量系统消除了偏摆角和俯仰角对旋转角测量的影响；更换不同线对的光栅可满足不同测量精度的要求。

High Precision Roll Angle Measurement Method and Device Based on Transmitting Grating

The high-precision rolling angle measurement method and device based on transmission grating belongs to precision instrument manufacturing and precision measurement technology; the present invention adopts one-dimensional plane transmission grating as a sensitive device to realize the measurement of rolling angle variation of the sensitive device; the present invention solves the shortcomings of the existing method and device, such as low measurement accuracy, short working distance and so on, and makes use of double-diffraction beam to carry out differential operation. The measurement eliminates the measurement error caused by the angle drift of the light source beam; the measured beam is parallel to the optical axis, which greatly enlarges the working distance of the measuring device and makes the detection structure more compact; the laser beam passes through the transmission grating twice, so that the measurement resolution of the system is doubled; the measurement system eliminates the influence of the yaw angle and pitch angle on the rotation angle measurement; The gratings with different line pairs can meet the requirements of different measurement accuracy.

【技术实现步骤摘要】
基于透射光栅的高精度滚转角测量方法与装置
本专利技术属于精密仪器制造和精密测试计量
，主要涉及一种基于透射光栅的高精度滚转角测量方法与装置。
技术介绍
精密小角度测量是几何计量探测的基础和重要组成部分，在微电子制造、精密装备制造与校准、光学元件加工与探测、航空航天以及船舶工业中大型设备的加工与装配、以及科学研究和工程制造等领域有广泛应用，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，及偏摆角误差、俯仰角误差和滚转角误差。其中，偏摆角和俯仰角误差可以通过激光干涉方法和自准直方法等测量技术进行测量，测量技术已经成熟并且已经商品化；对于滚转角误差，根据激光干涉原理和自准直测角原理都无法对滚转角误差进行直接测量，因此很难获得滚转角误差的精确测量值，所以高精度的滚转角误差测量还有待进一步研究。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服现有方法与装置中的不足，为实现和达到高精度滚转角测量的目的，提出了一种基于透射光栅的高精度滚转角测量方法与装置。本专利技术的目的是这样实现的：基于透射光栅的高精度滚转角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；②、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和负一级衍射光束，所述的一维平面透射光栅与待测量平台之间刚性连接；③、②中所述的正一级衍射光束和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和负一级衍射光束相平行的出射光束；④、③中所述与正、负一级衍射光束平行的出射光束再次经过透射光栅，得到一组与光轴平行的衍射光束；⑤、④中所述的一组与光轴平行的衍射光束经过透镜聚焦作用后形成两个待探测光斑，同时利用光电探测器探测待探测光斑的位置信息；⑥、当待测量平台发生滚转时，利用光电探测器探测⑤中所述的两个待探测光斑的位置变化信息，光斑的位置变化信息经过信号处理电路处理后送入计算机，计算获得滚转角的变化值；待测量平台的滚转角γ按如下公式获取：式中：Δd+1为相邻两个采样周期的测量光束在光电探测器A上光斑y方向的位置差；Δd-1为相邻两个采样周期的测量光束在光电探测器B上光斑y方向的位置差；f为聚焦透镜A和聚焦透镜B的焦距；sinФ为激光器的波长与一维平面透射光栅光栅常数的比值。基于透射光栅的高精度滚转角测量装置的结构是：激光器、准直透镜、一维平面透射光栅沿光线a传播方向依次排列；所述一维平面透射光栅透射面与入射光束垂直；所述偏振分光镜A、偏振分光镜B置于一维平面透射光栅后侧，且偏振分光镜A、偏振分光镜B对角线相互垂直，并与激光器光轴夹角为45°；正一级衍射光束b依次经过偏振分光镜A、偏振分光镜B反射后出射，得到的出射光束e与正一级衍射光束b平行；负一级衍射光束c依次经过偏振分光镜B、偏振分光镜A后出射，得到的出射光束d与负一级衍射光束c平行；所述的出射光束d和出射光束e再次经过一维平面透射光栅，得到与准直光束a相平行的衍射光束f和衍射光束g；衍射光束f经过聚焦透镜A聚焦后在焦平面形成待探测光斑；光电探测器A被安装在所述聚焦透镜A的焦平面处用来探测光斑的位置信息；衍射光束g经过所述聚焦透镜B聚焦后在焦平面形成待探测光斑；光电探测器B被安装在所述聚焦透镜B的焦平面处用来探测光斑的位置信息；所述光电探测器A与光电探测器B分别与计算机相连。本专利技术的优点是：(1)、利用一维平面透射光栅作为敏感器件，同时利用正一级衍射光束和负一级衍射光束实现差动测量，消除了由于光源光束漂移引入的测量误差，增强了测量系统抗干扰的能力，提高了测量精度。(2)、待测量光束两次经过一维平面透射光栅，并且第一次衍射光束经过相互垂直的偏振分光镜组后的出射光束与入射光束平行，这使得出射光束再次经过透射光栅后的出射光束能够与激光器出射后的准直光束平行，并且能保证即使光栅发生偏摆和俯仰时，该出射光束仍然与原光束平行；因此系统的这种特性可以使得滚转角测量完全不受偏摆角和俯仰角的影响，提高了滚转角测量精度；同时该装置使得原本存在衍射角的衍射光束变为与激光器出射后的准直光束相平行的光束，使得探测单元更加紧凑，有利于实际应用。(3)由于待测量光束两次经过一维平面透射光栅，经过光栅两次作用，使得测量系统的测量分辨力相对于现有的基于透射光栅的滚转角测量方法(刘旭,匡翠方,王婷婷,等.基于共路平行光线的滚转角测量方法:,CN101846506A[P].2010.)在主要光学器件参数相同的条件下(光栅周期、聚焦透镜焦距以及探测器分辨力都相同)，测量系统的测量分辨力提高了一倍。附图说明图1基于透射光栅的高精度滚转角测量装置结构示意图图2光栅滚转前后光束方向变化示意图图3光栅滚转前后光束在光栅上投影变化示意图图4光栅滚转前后光斑在光电探测器上位置变化示意图图中件号说明:1、激光器2、准直透镜3、一维平面透射光栅4、偏振分光镜A5、偏振分光镜B6、聚焦透镜A7、聚焦透镜B8、光电探测器A9、光电探测器B10、计算机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透射光栅的高精度滚转角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；②、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和负一级衍射光束，所述的一维平面透射光栅与待测量平台之间刚性连接；③、②中所述的正一级衍射光束和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和负一级衍射光束相平行的出射光束；④、③中所述与正、负一级衍射光束平行的出射光束再次经过透射光栅，得到一组与光轴平行的衍射光束；⑤、④中所述的一组与光轴平行的衍射光束经过透镜聚焦作用后形成两个待探测光斑，同时利用光电探测器探测待探测光斑的位置信息；⑥、当待测量平台发生滚转时，利用光电探测器探测⑤中所述的两个待探测光斑的位置变化信息，光斑的位置变化信息经过信号处理电路处理后送入计算机，计算获得滚转角的变化值；待测量平台的滚转角γ按如下公式获取：式中：Δd+1为相邻两个采样周期的测量光束在光电探测器A上光斑y方向的位置差；Δd-1为相邻两个采样周期的测量光束在光电探测器B上光斑y方向的位置差；f为聚焦透镜A和聚焦透镜B的焦距；sinФ为激光器的波长与一维平面透射光栅光栅常数的比值。基于透射光栅的高精度滚转角测量装置的结构是：激光器1、准直透镜2、一维平面透射光栅3沿光线a传播方向依次排列；所述一维平面透射光栅3透射面与入射光束垂直；所述偏振分光镜A4、偏振分光镜B5置于一维平面透射光栅3后侧，且偏振分光镜A4、偏振分光镜B5对角线相互垂直，并与激光器1光轴夹角为45°；正一级衍射光束b依次经过偏振分光镜A4、偏振分光镜B5反射后出射，得到的出射光束e与正一级衍射光束b平行；负一级衍射光束c依次经过偏振分光镜B5、偏振分光镜A4后出射，得到的出射光束d与负一级衍射光束c平行；所述的出射光束d和出射光束e再次经过一维平面透射光栅3，得到与准直光束a相平行的衍射光束f和衍射光束g；衍射光束f经过聚焦透镜A6聚焦后在焦平面形成待探测光斑；光电探测器A8被安装在所述聚焦透镜A6的焦平面处用来探测光斑的位置信息；衍射光束g经过所述聚焦透镜B本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于透射光栅的高精度滚转角测量方法，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；②、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和负一级衍射光束，所述的一维平面透射光栅与待测量平台之间刚性连接；③、②中所述的正一级衍射光束和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和负一级衍射光束相平行的出射光束；④、③中所述与正、负一级衍射光束平行的出射光束再次经过透射光栅，得到一组与光轴平行的衍射光束；⑤、④中所述的一组与光轴平行的衍射光束经过透镜聚焦作用后形成两个待探测光斑，同时利用光电探测器探测待探测光斑的位置信息；⑥、当待测量平台发生滚转时，利用光电探测器探测⑤中所述的两个待探测光斑的位置变化信息，光斑的位置变化信息经过信号处理电路处理后送入计算机，计算获得滚转角的变化值；待测量平台的滚转角γ按如下公式获取：

【技术特征摘要】
1.一种基于透射光栅的高精度滚转角测量方法，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；②、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和负一级衍射光束，所述的一维平面透射光栅与待测量平台之间刚性连接；③、②中所述的正一级衍射光束和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和负一级衍射光束相平行的出射光束；④、③中所述与正、负一级衍射光束平行的出射光束再次经过透射光栅，得到一组与光轴平行的衍射光束；⑤、④中所述的一组与光轴平行的衍射光束经过透镜聚焦作用后形成两个待探测光斑，同时利用光电探测器探测待探测光斑的位置信息；⑥、当待测量平台发生滚转时，利用光电探测器探测⑤中所述的两个待探测光斑的位置变化信息，光斑的位置变化信息经过信号处理电路处理后送入计算机，计算获得滚转角的变化值；待测量平台的滚转角γ按如下公式获取：式中：Δd+1为相邻两个采样周期的测量光束在光电探测器A上光斑y方向的位置差；Δd-1为相邻两个采样周期的测量光束在光电探测器B上光斑y方向的位置差；f为聚焦透镜A和聚焦透镜B的焦距；sinФ为激光器的波长与一维平面透射光栅光栅常...

【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