CN107356234A - 一种基于光栅的空间姿态无源测头 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于光栅的空间姿态无源测头，其特征在于，该测头包括角锥棱镜和透射二维光栅，所述透射二维光栅的出光面与所述角锥棱镜的底面固定连接。入射光以接近垂直的角度入射到所述透射二维光栅，经所述透射二维光栅产生的第一次衍射光分别由所述角锥棱镜反射三次，所述角锥棱镜的出射光与第一次衍射光分别平行，所述角锥棱镜的出射光经所述透射二维光栅发生第二次衍射，经所述透射二维光栅出射的第二次衍射光与原始入射光相互平行。本发明可以广泛应用于空间姿态的高精度测量。

Description

一种基于光栅的空间姿态无源测头
技术领域
本发明涉及一种无源光栅测头，特别是关于一种基于光栅的空间姿态无源测头，属于光学测量技术领域。
背景技术
美国API(Automated Precision Inc)公司近年推出了六自由度同步测量系统—XD Laser激光干涉仪，用于测绘机床误差图并进行机床校准。XD Laser激光干涉仪在测量靶镜里将测量光分成三束，一束用于干涉测距，一束基于位置传感器测量横向位置，一束用自准直原理测角。上述所有功能集中在一个尺寸70mm×94mm×45mm的测头中，可以同时测量多参数，简化了调整步骤，节约了调整时间。XD Laser激光干涉仪将之前用2-3天才能完成的机床误差测绘缩短到几小时。虽然XD Laser激光干涉仪的测头是有源设计，但是测量数据可以通过无线传输获得，并用充电电池供电使用方便。
雷尼绍公司也推出了指标与之类似的六自由度测量系统，XM-60多光束激光干涉仪，同样采用一个测头完成六自由度测量，也采用了无线信号传输，避免了测试过程中电缆的拖拽。目前这类测量系统市场售价约20万美元，这类仪器的测头多为有源设计，抗干扰能力有限，姿态测量范围也比较小，主要用于离线测绘机床的误差图。上述现有的测头都是有源的且比较庞大，离实际应用尚有一定的距离。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种结构简单、测量准确且测量范围大的基于光栅的空间姿态无源测头。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种基于光栅的空间姿态无源测头，其特征在于，该测头包括角锥棱镜和透射二维光栅，所述透射二维光栅的出光面与所述角锥棱镜的底面固定连接。
进一步地，入射光以接近垂直的角度入射到所述透射二维光栅，经所述透射二维光栅产生的第一次衍射光分别由所述角锥棱镜反射三次，所述角锥棱镜的出射光与第一次衍射光分别平行，所述角锥棱镜的出射光经所述透射二维光栅发生第二次衍射，经所述透射二维光栅出射的第二次衍射光与原始入射光相互平行。
进一步地，所述入射光与所述透射二维光栅接近垂直定义为入射光与z的夹角范围为-5°到+5°，其中，z轴为垂直所述透射二维光栅面。
进一步地，所述透射二维光栅够覆盖所述角锥棱镜的底部。
进一步地，进入所述角锥棱镜的衍射光线与z轴夹角不得大于26.56°，即对光经过所述透射二维光栅时的衍射角θ有一定限制，当考虑入射光垂直所述透射二维光栅面时，应当满足：
其中，z轴为垂直所述透射二维光栅面，d为光栅周期，λ为光波长。
为实现上述目的，本发明还采取以下技术方案：一种基于光栅的空间姿态无源测头，其特征在于，该测头包括参数相同的第一透射二维光栅和第二透射二维光栅，所述第一透射二维光栅与第二透射二维光栅平行设置，且所述第一透射二维光栅与第二透射二维光栅之间有一定的间距。
进一步地，入射光以接近垂直的角度入射到所述第一透射二维光栅，经所述第一透射二维光栅产生的第一次衍射光发射到所述第二透射二维光栅，经所述第二透射二维光栅出射的第二次衍射光与原始入射光相互平行。
进一步地，所述第一透射二维光栅与第二透射二维光栅之间的间距不做限定，只要满足所述第一透射二维光栅的衍射光线能够入射到所述第二透射二维光栅上即可。
为实现上述目的，本发明还采取以下技术方案：一种基于光栅的空间姿态无源测头，其特征在于，该测头包括参数相同的透射二维光栅和反射二维光栅，所述透射二维光栅与反射二维光栅平行设置，且所述透射二维光栅与所述反射二维光栅之间有一定的间距。
进一步地，入射光以接近垂直的角度入射到所述透射二维光栅，经所述透射二维光栅产生的第一次衍射光入射到所述反射二维光栅，经所述反射二维光栅出射的第二次衍射光与原始入射光相互平行。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明可以将光栅的衍射特性与角锥棱镜的反射特性相结合，或者直接利用两个平行且有一定间距的透射二维光栅完成空间姿态的测量，因此本发明作为一个无源测头应用于姿态测量，与现有的有源测头相比，抗干扰能力好、结构简单且实用性好。2、本发明采用角锥棱镜与透射二维光栅，或者采用两个平行且有一定间距的二维光栅，因此能够将测头自身的姿态变化转换成入射光的光程变化，进而转换成光的相位变化，因此具有很高的测量精度。3、对于角锥棱镜与透射二维光栅而言，只要进入角锥棱镜或第一透射二维光栅的衍射光线与z轴夹角小于等于26.56°所有的角度都可以进行位姿测量，测量范围大；对于两个平行且有一定间距的二维光栅而言，则测量范围更大。综上所述，本发明可以广泛应用于空间姿态的高精度测量。
附图说明
图1是现有的透射二维光栅结构示意图；
图2是本发明实施例1的光路传播平面示意图；
图3是本发明入射光为单色光的镜像光栅对模型的平面示意图；
图4是本发明的入射光为宽带光的镜像光栅对模型的平面示意图，也同时是本发明实施例2的光路传播示意图；
图5是本发明的镜像光栅对模型的三维示意图；
图6是本发明实施例3的光路传播示意图。
具体实施方式
以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅仅是用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。本发明将所有透射二维光栅定义为x-y平面，垂直于透射二维光栅定义为z轴。
实施例1：
如图1、图2所示，本实施例提供的基于光栅的空间姿态无源测头，包括一个角锥棱镜1和一面透射二维光栅2，透射二维光栅2的出光面与角锥棱镜1的底面固定连接，入射光a以某个角度入射到透射二维光栅2(本实施例的入射角度与透射二维光栅2垂直，实际使用此角度可以是入射光与透射二维光栅2接近垂直即可，例如入射光与z的夹角范围为-5°到+5°)，经透射二维光栅2产生的第一次衍射光a1和a2分别由角锥棱镜1反射三次(由于图2为平面图只显示反射2次，实际角锥棱镜1的三个侧面均进行一次反射)，角锥棱镜1的出射光b1和b2与第一次衍射光a1和a2分别平行，角锥棱镜1的出射光b1和b2经透射二维光栅2发生第二次衍射，经透射二维光栅2出射的第二次衍射光c1和c2与原始入射光a相互平行，本实施例的入射光a与出射光(c1和c2)均在透射二维光栅2的一侧。
在一个优选的实施例中，本发明对角锥棱镜1的尺寸没有具体限制，可以根据与实际应用进行选择，但是考虑到实际测量中光束存在一定口径，透射二维光栅2需要能够覆盖角锥棱镜1的底部，本发明需要满足出射光与入射光在空间上能够错开。
在一个优选的实施例中，为了保证衍射光经角锥棱镜1可以恰好反射三次平行出射，进入角锥棱镜1的衍射光线与z轴夹角不得大于26.56°，即对光经过透射二维光栅2时的衍射角θ有一定限制。根据光栅方程对光栅周期d和光波长λ的关系有一定限制，当考虑入射光垂直透射二维光栅面时，应当满足：
本实施例的空间姿态无源测头对满足上述条件的所有波长的光均适用，也就是说，本实施例的空间姿态无源测头既可以适用单色光也可以使用宽带光，但是不管是单色光还是宽带光，经透射二维光栅2出射的所有不同波长的第二次衍射光均与原始入射光相互平行。
下面以本实施例的空间姿态无源测头具体结构详细说明本发明的空间姿态无源测头的测量原理：本实施例的空间姿态无源测头的透射二维光栅2周期方向即为x、y方向，假设透射二维光栅2的光栅常数dx＝dy＝d。
如图2所示，当入射光从透射二维光栅2垂直入射时，产生的第一次衍射光中(±1,0)和(0,±1)级衍射光分别在x轴和y轴上。本发明的空间姿态无源测头可以对宽带入射光发生衍射，且同一级衍射光中不同波长分量产生不同的衍射角，从而走过不同的光程导致光波相位随波长的规律变化，实现对不同波长光的线性相位调制。综上，入射光经过透射二维光栅2衍射经角锥棱镜1反射三次最后再经透射二维光栅2衍射。角锥棱镜1与透射二维光栅2结合能够将测头空间姿态变化转换成入射光的光程变化。
为了便于直观理解和光程的计算，利用反射镜的镜像成像特点，可以等效地将入射光和透射二维光栅面经角锥棱镜1做了三次镜像得到入射光虚像a’和二维光栅的虚像2’(注意到平面情况下是做两次镜像，单色光如图3所示，宽带光如图4所示)，从而得到等效的透射二维光栅对，如图5所示，其中，二维光栅对垂直间距固定并记为D。
假设初始垂直透射二维光栅面的入射光绕y轴旋转了小角度αy，绕x轴旋转了小角度αx，因此在光栅坐标系中入射光的波矢为kinc＝k(sinαy,sinαxcosαy,cosαxcosαy)T。假设在光栅坐标系中第(m,n)级衍射光波矢为θ和是空间球坐标系中衍射光波矢kmn的方位角。入射光波长为λ，透射二维光栅的两个方向上的光栅常数均为d，则由二维光栅方程：
通过上述公式，可以建立空间姿态无源测头空间姿态角(αy,αx)和某一级衍射光方位角的关系，从而可以实现所有波长光线的追迹。
由于透射二维光栅对垂直间距固定，θ和的变化会引起光波在x方向和y方向上的光程的变化从而引起光波相位的变化。当αy,αx为小角度时以(1,0)级衍射光即分布在x轴上的衍射光为例，根据上述光栅方程可以忽略不计，θ也能够关于波长λ唯一确定。因此光波走过的几何距离相对初值(αy,αx)＝(0,0)时的变化为：
转换成相位值，并进行近似得到：
可以进一步微分得到αy的微小变化量Δαy与相位变化量Δφ的关系：
可以看到Δφ关于Δαy的线性关系，通过常用的光波相位获取方法(例如干涉法)来测量(1,0)级衍射光的相位变化Δφ获得测头的空间姿态角αy的值。类似地利用(0,1)级衍射光的相位信息即可实现测头的空间姿态角αx的测量。上述推导过程对于单色光和宽带光都是成立的，两种光只是可能需要不同的相位测量方法计算。
实施例2：
如图4所示，基于上述测量原理，本实施例基于光栅的空间姿态无源测头还可以采用两个参数相同的透射二维光栅进行实现，包括第一透射二维光栅3和第二透射二维光栅4，第一透射二维光栅3与第二透射二维光栅4平行设置，且第一透射二维光栅3与第二透射二维光栅4之间有一定间距，入射光a以接近垂直的角度入射到第一透射二维光栅3，经第一透射二维光栅3产生的第一次衍射光a1和a2发射到第二透射二维光栅4，经第二透射二维光栅4出射的第二次衍射光c1和c2与原始入射光a相互平行，其中，第一透射二维光栅3与第二透射二维光栅4之间的距离不做限定，只要满足第一透射二维光栅3的衍射光线能够入射到第二透射二维光栅4上即可，本实施例的入射光a和出射光(c1和c2)分布在透射二维光栅的两侧。本实施例和实施例1基于光栅的空间姿态无源测头的测量原理是完全相同的，在此不做赘述。
实施例3：
如图6所示，基于上述测量原理，本实施例基于光栅的空间姿态无源测头还可以采用参数相同的一个透射二维光栅和一个反射二维光栅进行实现，其包括透射二维光栅5和反射二维光栅6，透射二维光栅5与反射二维光栅6平行设置，且透射二维光栅5与反射二维光栅6之间有一定间距，入射光a以接近垂直的角度入射到透射二维光栅5，经透射二维光栅5产生的零级衍射光a’入射到反射二维光栅6上，正负一级衍射光a1和a2发射到透射二维光栅5上，经反射二维光栅6出射的第二次衍射光c1和c2与原始入射光a相互平行，其中，透射二维光栅5与反射二维光栅6之间的距离不做限定，只要满足反射二维光栅6的衍射光线能够入射到透射二维光栅5上即可，本实施例的入射光a和出射光(c1和c2)分布在基于光栅的空间姿态无源测头的同侧。
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种基于光栅的空间姿态无源测头，其特征在于，该测头包括角锥棱镜和透射二维光栅，所述透射二维光栅的出光面与所述角锥棱镜的底面固定连接。
2.如权利要求1所述的一种基于光栅的空间姿态无源测头，其特征在于，入射光以接近垂直的角度入射到所述透射二维光栅，经所述透射二维光栅产生的第一次衍射光分别由所述角锥棱镜反射三次，所述角锥棱镜的出射光与第一次衍射光分别平行，所述角锥棱镜的出射光经所述透射二维光栅发生第二次衍射，经所述透射二维光栅出射的第二次衍射光与原始入射光相互平行。
3.如权利要求2所述的一种基于光栅的空间姿态无源测头，其特征在于，所述入射光与所述透射二维光栅接近垂直定义为入射光与z的夹角范围为-5°到+5°，其中，z轴为垂直所述透射二维光栅面。
4.如权利要求1所述的一种基于光栅的空间姿态无源测头，其特征在于，所述透射二维光栅够覆盖所述角锥棱镜的底部。
5.如权利要求1到4任一项所述的一种基于光栅的空间姿态无源测头，其特征在于，进入所述角锥棱镜的衍射光线与z轴夹角不得大于26.56°，即对光经过所述透射二维光栅时的衍射角θ有一定限制，当考虑入射光垂直所述透射二维光栅面时，应当满足：
<mrow> <mi>sin</mi> <mi>&amp;theta;</mi> <mo>&lt;</mo> <mfrac> <mi>&amp;lambda;</mi> <mi>d</mi> </mfrac> </mrow>
其中，z轴为垂直所述透射二维光栅面，d为光栅周期，λ为光波长。
6.一种基于光栅的空间姿态无源测头，其特征在于，该测头包括参数相同的第一透射二维光栅和第二透射二维光栅，所述第一透射二维光栅与第二透射二维光栅平行设置，且所述第一透射二维光栅与第二透射二维光栅之间有一定的间距。
7.如权利要求6所述的一种基于光栅的空间姿态无源测头，其特征在于，入射光以接近垂直的角度入射到所述第一透射二维光栅，经所述第一透射二维光栅产生的第一次衍射光发射到所述第二透射二维光栅，经所述第二透射二维光栅出射的第二次衍射光与原始入射光相互平行。
8.如权利要求6或7所述的一种基于光栅的空间姿态无源测头，其特征在于，所述第一透射二维光栅与第二透射二维光栅之间的间距不做限定，只要满足所述第一透射二维光栅的衍射光线能够入射到所述第二透射二维光栅上即可。
9.一种基于光栅的空间姿态无源测头，其特征在于，该测头包括参数相同的透射二维光栅和反射二维光栅，所述透射二维光栅与反射二维光栅平行设置，且所述透射二维光栅与所述反射二维光栅之间有一定的间距。
10.如权利要求9所述的一种基于光栅的空间姿态无源测头，其特征在于，入射光以接近垂直的角度入射到所述透射二维光栅，经所述透射二维光栅产生的第一次衍射光入射到所述反射二维光栅，经所述反射二维光栅出射的第二次衍射光与原始入射光相互平行。
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