CN109470176B - 基于双光栅的高精度三维角度测量方法与装置 - Google Patents

基于双光栅的高精度三维角度测量方法与装置 Download PDF

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    • G01B11/26—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring angles or tapers; for testing the alignment of axes

Abstract

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。

Description

基于双光栅的高精度三维角度测量方法与装置
技术领域
本发明涉及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领域。
背景技术
精密小角度测量是几何计量检测的基础和重要组成部分，在精密加工、精密装备制造与校准、国防工业中大型设备的加工与装配、大型建筑的机械变形以及计量测试等领域有着广泛地应用，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，即偏摆角误差、俯仰角误差和旋转角误差。对三个角度的同时精确测量，是确保精密加工、精密安装的基础。激光由于其良好的单色性以及能量高的优点，被广泛的应用于长距离、高精度、非接触式角度测量中。在实际测量中，激光束的漂移是限制测量精度的主要因素，通常引起光束漂移的原因主要是：(1)激光器自身出射光束强度和方向不稳定引起的漂移；(2)光束传播路径中由于传播介质不均匀或存在大气湍流引起的光束方向漂移；(3)光束经过的光学器件受温度变化引起的热变形或者受到机械振动影响产生的光束方向漂移。因此抑制或消除自准直光束的漂移是提高自准直角度测量精度的重要途径。
目前基于光学测量的三维角度测量方法主要有以下几种：
基于反射光栅的三维角度测量方法(Gao W,Saito Y,Muto H,et al.A three-axis autocollimator for detection of angular error motions of a precisionstage[J].CIRP Annals-Manufacturing Technology,2011,60(1):515-518.)该方法利用反射光栅的零级和一级衍射光束的传播方向随着光栅的方位角变化而变化来测量光栅的方位角的变化值。该方法虽然可以同时测量光栅三维角度的变化值，但是没有考虑到光源自身角度漂移以及传播路径中空气扰动对测量的影响，稳定性较差。
基于激光干设法的三维角度测量(刘进博.基于摄像测量的平台绝对晃动量测量及修正方法研究[D].国防科学技术大学,2012.)。激光干涉法的测量精度相对较高，但是测量过程中容易受到环境的影响，并且旋转角测量受偏摆角和俯仰角的影响较大，测量精度稳定性差。
基于双二维自准直仪的三维角度测量方法(孙国燕,高立民,白建明,等.三维姿态角高精度测量装置[J].光学精密工程,2016,24(5):963-970.)。该测量系统主要由两个相同的二维自准直仪和一个反射部件组成，两个二维自准直仪的光轴夹角和反射部件的正斜反射面的夹角相同。通过光学自准直测量原理测量出正反射面和斜反射面的二维角度变化量，对两个自准直测量信息进行解析，得到反射靶标的三维角度变化。该方法没有考虑到光源自身角度漂移以及传播路径中空气扰动对测量的影响，稳定性较差，并且两路反射光束存在一定夹角，不适合长距离测量。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现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的目的，提出了一种基于双光栅的高精度三维角度测量方法与装置。
本发明的目的是这样实现的：基于双光栅的高精度三维角度测量方法包括以下步骤：
①、激光器发出的光束经过准直透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一维透射光栅后，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、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A和聚焦透镜B后分别经过偏振分光镜C和偏振分光镜D，通过偏振分光镜C和偏振分光镜D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A、光电探测器B、光电探测器C和光电探测器D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，用上述四个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：
Figure GDA0002470748930000031
或
Figure GDA0002470748930000032
Figure GDA0002470748930000033
Figure GDA0002470748930000034
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和聚焦透镜B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。
基于双光栅的高精度三维角度测量装置的结构是：激光器、准直透镜、一维平面透射光栅、1/4波片、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；偏振分光镜A、偏振分光镜B置于一维平面透射光栅后侧，并且偏振分光镜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°；聚焦透镜A和偏振分光镜C沿共光路光束i传播方向排列；聚焦透镜B和偏振分光镜D沿共光路光束j传播方向排列；光电探测器A与光电探测器C分别沿着偏振分光镜C出射光束方向放置，并且置于聚焦透镜A的焦平面处；光电探测器B与光电探测器D分别沿着偏振分光镜D出射光束方向放置，并且置于聚焦透镜B的焦平面处；所述电探测器A、光电探测器B、光电探测器C和光电探测器D与计算机相连；所述一维平面透射光栅、1/4波片、一维平面透射光栅与载物台刚性连接。
本发明的优点是：
(1)、本发明利用一维平面透射光栅与一维平面反射光栅组成的组合靶标作为角度检测元件，利用一维平面透射光栅与一维平面反射光栅的正负一级衍射光束分别互为共光路测量系统中的参考光束和测量光束，使得测量系统在实现三维角度测量的同时实现共光路补偿，消除了光源自身存在的角度漂移和传播路径引入的光束角度漂移对测量结果的影响，提高了测量精度和测量稳定性。
(2)、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，使测量系统的旋转角测量分辨力提高了一倍。
(3)、系统处于初始状态时，待测光束与光源出射光束平行，增大了测量装置的工作距离，使得共光路系统的优势更加有意义。
附图说明
图1是基于双光栅的高精度三维角度测量装置结构示意图
图2是三维角度测量装置组合靶标工作原理示意图
图3是光电探测器光斑位移示意图
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、1/4波片5、一维平面反射光栅6、偏振分光镜A 7、偏振分光镜B 8、载物台9、聚焦透镜A 10、聚焦透镜B 11、偏振分光镜C 12、偏振分光镜D 13、光电探测器A 14、光电探测器B 15、光电探测器C 16、光电探测器D 17、计算机
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方案对本发明做详细描述。
本发明所述基于双光栅的高精度三维角度测量方法包括以下步骤：
①、激光器发出的光束经过准直透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一维透射光栅后，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、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A和聚焦透镜B后分别经过偏振分光镜C和偏振分光镜D，通过偏振分光镜C和偏振分光镜D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A、光电探测器B、光电探测器C和光电探测器D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，用上述四个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：
Figure GDA0002470748930000051
或
Figure GDA0002470748930000052
Figure GDA0002470748930000053
Figure GDA0002470748930000054
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和聚焦透镜B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。
基于双光栅的高精度三维角度测量装置的结构是：激光器1、准直透镜2、一维平面透射光栅3、1/4波片4、一维平面透射光栅5、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；偏振分光镜A6、偏振分光镜B7置于一维平面透射光栅3后侧，并且偏振分光镜A6、偏振分光镜B7对角线相互垂直并与激光器1光轴夹角为45°；聚焦透镜A9和偏振分光镜C11沿共光路光束i传播方向排列；聚焦透镜B10和偏振分光镜D12沿共光路光束j传播方向排列；光电探测器A13与光电探测器C15分别沿着偏振分光镜C11出射光束方向放置，并且置于聚焦透镜A9的焦平面处；光电探测器B14与光电探测器D16分别沿着偏振分光镜D12出射光束方向放置，并且置于聚焦透镜B10的焦平面处；所述光电探测器与计算机17相连；所述一维平面透射光栅3、1/4波片4、一维平面透射光栅5与载物台8刚性连接。
如图(2)所示，当组合靶标发生三维角度变化时，共光路光束i和共光路光束j的传播方向发生相应的变化，组成共光路光束i的两路光束互为参考光束，组成共光路光束j的两路光束互为参考光束,通过测量所述的四路光束的角度变化值，利用差分数据处理方法，得到更高精度的组合靶标的角度变化值。
如图(3)所示,当组合靶标发生三维角度变化时，光斑在光电探测器上的位移会发生相应的变化。根据光栅的衍射原理与平面反射原理，可以得到四个光电探测器上光斑在水平方向和竖直方向的位移变化量与光栅三维角度变化量的关系：光电探测器A13探测信号：
Δ1x＝f×δ1x (1)
Figure GDA0002470748930000061
光电探测器B14探测信号：
Δ2x＝f×δ2x (3)
Figure GDA0002470748930000062
光电探测器C15探测信号：
Δ3x＝f×(2α+δ3x) (5)
Δ3y＝f×(2β+δ3y) (6)
光电探测器D16探测信号：
Δ4x＝f×(2α+δ4x) (7)
Δ4y＝f×(2β+δ4y) (8)
光电探测器A13与光电探测器C15探测的信号为共光路信号，因此有：
δ1x＝δ3x
δ1y＝δ3y
光电探测器B14与光电探测器D16探测的信号为共光路信号，因此有：
δ2x＝δ4x
δ2y＝δ4y
由公式(1)与公式(5)联立可以得到偏摆角α：
Figure GDA0002470748930000071
由公式(3)与公式(7)联立可以得到偏摆角α：
Figure GDA0002470748930000072
由公式(2)、公式(4)、公式(6)与公式(8)联立可以得到俯仰角β与旋转角γ：
Figure GDA0002470748930000073
Figure GDA0002470748930000074
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和聚焦透镜B的焦距；δ1x、δ2x、δ3x和δ4x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所探测的光束由于光源抖动和传播路径引入的扰动在水平方向角漂移分量；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所探测的光束由于光源抖动和传播路径引入的扰动在竖直方向角漂移分量。
因此，基于双光栅的高精度三维角度测量方法和装置可以实现高精度三维角度测量；其特点在于该装置在实现三维角度同时测量的同时，可以通过共光路测量的方法消除了光源自身存在的角度漂移和传播路径引入的光束角度漂移对测量结果的影响，提高了角度的测量精度和测量稳定性；相对于传统基于光栅的旋转角度测量方法，该方法旋转角测量分辨力提高了一倍，并且通过更换不同光栅常数的光栅可实现不同分辨力的旋转角测量。

Claims (2)

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透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一维透射光栅后，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、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A和聚焦透镜B后分别经过偏振分光镜C和偏振分光镜D，通过偏振分光镜C和偏振分光镜D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A、光电探测器B、光电探测器C和光电探测器D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，用上述四个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：
Figure FDA0002470748920000011
或
Figure FDA0002470748920000012
Figure FDA0002470748920000013
Figure FDA0002470748920000021
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和聚焦透镜B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。
2.一种应用于权利要求1所述的测量方法的基于双光栅的高精度三维角度测量装置，其特征在于：激光器(1)、准直透镜(2)、一维平面透射光栅(3)、1/4波片(4)、一维平面透射光栅(5)、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；偏振分光镜A(6)、偏振分光镜B(7)置于一维平面透射光栅(3)后侧，并且偏振分光镜A(6)、偏振分光镜B(7)对角线相互垂直并与激光器(1)光轴夹角为45°；聚焦透镜A(9)和偏振分光镜C(11)沿共光路光束i传播方向排列；聚焦透镜B(10)和偏振分光镜D(12)沿共光路光束j传播方向排列；光电探测器A(13)与光电探测器C(15)分别沿着偏振分光镜C(11)出射光束方向放置，并且置于聚焦透镜A(9)的焦平面处；光电探测器B(14)与光电探测器D(16)分别沿着偏振分光镜D(12)出射光束方向放置，并且置于聚焦透镜B(10)的焦平面处；所述光电探测器A(13)、光电探测器B(14)、光电探测器C(15)、光电探测器D(16)与计算机(17)相连；所述一维平面透射光栅(3)、1/4波片(4)、一维平面透射光栅(5)与载物台(8)刚性连接。
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