CN109470177B - 基于双光栅的三维角度测量方法与装置 - Google Patents

基于双光栅的三维角度测量方法与装置 Download PDF

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Abstract

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。

Description

基于双光栅的三维角度测量方法与装置
技术领域
本发明属于精密仪器制造和精密测试计量技术领域，主要涉及一种基于双光栅的三维角度测量方法与装置。
背景技术
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。
发明内容
本发明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。
本发明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透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波片和一维平面透射光栅，得到一组与①中所述的准直光束相平行的正一级衍射光束和负一级衍射光束；
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A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正一级衍射光束和负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B和光电探测器C直接接收用于探测旋转角的变化值；
⑥、当组合靶标发生三维角度变化时，④中和⑤中所述的光电探测器A、光电探测器B和光电探测器C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，计算获得组合靶标的三维角度变化值，所述的组合靶标偏摆角α、俯仰角β以及旋转角γ变化值分别按如下公式获取：
Figure GDA0002470748890000021
Figure GDA0002470748890000022
Figure GDA0002470748890000023
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；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；
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、光 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)。
本发明的优点是：
(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、光 电探测器C11、光电探测器B 12、聚焦透镜13、光电探测器A 14、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发明做详细描述。
本发明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透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波片和一维平面透射光栅，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正一级衍射光束和负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、当组合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，计算获得组合靶标的三维角度变化值，所述的组合靶标偏摆角α、俯仰角β以及旋转角γ变化值分别按如下公式获取：
Figure GDA0002470748890000041
Figure GDA0002470748890000042
Figure GDA0002470748890000043
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 B11和光电探测器C10；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B11、光电探测器C10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；
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、准直透镜3、偏振分光镜4、平面反射镜9、光电探测器B11、光电探测器C10、聚焦透镜12、光电探测器A13和计算机14组成光源和信号探测系统101。
下面结合图1和2说明实现偏摆角和俯仰角测量的工作过程：实现偏摆角和俯仰角装置包括：激光器1、单模光纤2、准直透镜3、偏振分光镜4、一维平面反射光栅6、1/4波片7、平面反射镜9、聚焦透镜2、光电探测器A13；
在测量偏摆角和俯仰角时，其光路传播路径如下：
激光器1发射的光束经过单模光纤2耦合后出射，出射端位于准直透镜3 的焦点处，光束经过准直透镜3准直后形成准直光束a，准直光束先后经过偏振分光镜4、1/4波片7和一维平面透射光栅8的非光栅面后垂直入射到一维平面反射光栅6的光栅面，光束经过一维平面反射光栅6衍射作用后产生零级衍射光束e，零级衍射光e束再次经过1/4波片7，经过1/4波片7两次作用后光束的偏振态与原偏振态方向垂直，然后经过偏振分光镜4和平面反射镜9反射后入射到聚焦透镜12，光束经过聚焦透镜12聚焦后由光电探测器A13接收。
当组合靶标102发生三维角度变化时，待测光束的传播反向发生相应的变化，同时引起光电探测器A13接收到的光斑的位置发生变化，根据光斑的位置变化量可计算出组合靶标102的偏摆角和俯仰角变化值，偏摆角α和俯仰角β测量值由如下公式给出：
Figure GDA0002470748890000051
Figure GDA0002470748890000052
其中：Δd0x和Δd0y为相邻两个采样周期的测量光束在光电探测器A13形成光斑的水平方向和竖直方向位置差；f为聚焦透镜12焦距；
下面结合图1、图3和图4说明实现旋转角测量的工作过程：实现偏摆角和俯仰角装置包括：激光器1、单模光纤2、准直透镜3、偏振分光镜4、一维平面透射光栅8、一维平面反射光栅6、1/4波片7、平面反射镜9、光电探测器B11、光电探测器C10；
在测量旋转角时，其光路传播路径如下：
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，入射光束经过一维平面反射光栅6的衍射作用后产生正一级衍射光束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经过1/4波片7透射后入射到一维平面反透光栅8的光栅面后衍射产生光束f与光束d，光束f与光束d先后经过偏振分光镜4和平面反射镜9 反射后分别由光电探测器B11、光电探测器C10接收；
如图3和图4所示，当组合靶标102发生旋转时，光线的传播示意图如图3 所示，光电探测器的光斑位置变化如图4所示。如图3所示，其中光束f与光束 d发生平移后变为光束f1与光束d1，光束f1与光束d1相对于光束f与光束d 并没有发生传播方向变化；如图4所示，光电探测器B11与光电探测器C10接收的光斑位置变化轨迹为半径为D的圆。其中D为光束f和光束d与准直光束a 的间距,103为光斑的运动轨迹。
根据光电探测器B11与光电探测器C10接收的光斑的位置变化量可计算出组合靶标102的旋转角变化值，旋转角γ测量值由如下公式给出：
Figure GDA0002470748890000061
其中：Δd1y为相邻两个采样周期的测量光束在光电探测器B11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C10形成光斑的竖直方向位置差；f为聚焦透镜12焦距；θ为光栅的一级衍射角；L为一维平面透射光栅8、一维平面反射光栅6之间的距离。

Claims (3)

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透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波片和一维平面透射光栅，得到一组与①中所述的准直光束相平行的正一级衍射光束和负一级衍射光束；
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A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正一级衍射光束和负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B和光电探测器C直接接收用于探测旋转角的变化值；
⑥、当组合靶标发生三维角度变化时，④中和⑤中所述的光电探测器A、光电探测器B和光电探测器C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，计算获得组合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：
Figure FDA0002470748880000011
Figure FDA0002470748880000012
Figure FDA0002470748880000013
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。
2.一种基于双光栅的三维角度测量装置，其特征在于：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C(10)和光电探测器B(11)；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A(13)；所述光电探测器C(10)、光电探测器B(11)以及光电探测器A(13)与计算机(14)相连；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；
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)、准直透镜(3)、偏振分光镜(4)、平面反射镜(9)、光电探测器B(11)、光 电探测器C(10 )、聚焦透镜(12)、光电探测器A(13)和计算机(14)组成光源和信号探测系统(101)。
3.根据权利要求2所述的一种基于双光栅的三维角度测量装置，其特征在于，一维平面透射光栅(8)和一维平面反射光栅(6)具有相同的光栅周期。
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