CN109579778B - 一种基于双波长分光自准直三维角度测量装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于精密测量技术领域与光学工程领域，具体涉及一种基于双波长分光自准直三维角度测量装置与方法；该装置由光源、分光镜、透射式准直镜、固定反射镜、合作靶标、绿光滤光片、红光滤光片以及RGB色彩图像传感器组成；该方法滤光片和合作靶标，使测量光束分为红色和绿色的测量光，分别经固定平面反射镜以及合作靶标反射后返回，分别在图像传感器上形成各自图像，利用该两图像位置解算出合作靶标相对于光轴的俯仰角、偏航角以及滚转角，从而具有对被测物空间三维转角的探测能力；由于本发明对于滚转角采用的是光杠杆放大原理，与俯仰角和偏航角的测量原理一致，因此对于三维角度测量均具有高精度大工作距的技术优势，进而具有在相同工作距离下增加测量精度，或在相同测量精度下增加工作距离的优势；由RGB色彩图像传感器接收两路测量光斑，降低了对后续图像处理技术的要求，提高了测量装置的频响。此外，本发明所设计的合作靶标具有结构简单、制作成本低的技术优势。

Description

一种基于双波长分光自准直三维角度测量装置与方法

技术领域

本发明属于精密测量技术领域，具体涉及一种基于双波长分光自准直三维角度测量装置与方法。

背景技术

在精密测量技术领域、光学工程领域、尖端科学实验领域和高端精密装备制造领域中，迫切需求在大工作距下进行大工作范围、高精度的自准直三维角度测量技术。它支撑着上述领域技术与仪器装备的发展。

在精密测量技术与仪器领域，自准直仪与圆光栅组合，可以进行任意线角度测量；自准直技术与多面棱体组合，可以进行面角度测量和圆分度测量；最大工作距离从几米至上百米；分辨力从0.1角秒至0.001角秒。

在光学工程领域和尖端科学实验领域，自准直仪与两维互为垂直的两个圆光栅组合，可以进行空间角度的测量；由两路自准直仪组成位置基准，可以进行空间三维角度的测量。角度工作范围从几十角秒至几十角分。

在尖端科学实验装置和高端精密装备制造领域，采用自准直仪可以测量尖端科学实验装置和高端精密装备回转运动基准的角回转精度，测量直线运动基准的空间直线精度和两两运动基准的平行度和垂直度。

自准直技术具有非接触、测量精度高、使用方便等优点，在上述领域中具有广泛应用。

传统自准直仪如图1所示，该装置包括光源1、透射式准直镜4、分光镜2以及图像传感器3；光源1出射的光束，经过透射式准直镜4准直成平行光束后，入射到被测物51的反射面；从被测物51反射面反射的光束，由图像传感器3采集成像。这种结构下，从被测物51表面反射的光束只携带了被测物两轴的空间角度信息。这个条件限制，使得该装置在测量被测物的空间角度信息时，不能测得被测物绕光轴方向转动的角度信息，只能测量到其它两轴的角度信息。

而基于光栅技术和图像处理技术的改进型自准直仪可以测得被测物空间三维角度信息，但存在以下两个问题：

第一、对于绕光轴方向的滚转角的测量原理与传统自准直仪对垂直于光轴的俯仰角和偏航角测量原理不一致，导致对被测物空间三维角度的测量精度不同，且基于图像处理技术的绕光轴方向滚转角测量精度与垂直于光轴的俯仰角和偏航角相比低了一个数量级；

第二、改进型自准直仪需利用光栅的衍射光来测量绕光轴方向旋转角角度信息，而衍射光存在较大的发散角。当仪器工作在大工作距的条件下时，测量光不能被图像传感器采集。使得改进型自准直仪在大工作距的工作条件下，不具备对被测物进行空间三维角度测量的能力。

因此传统自准直仪不能测量物体的空间三维角度信息。而以上两个问题，说明改进型自准直仪器具备测量物体的空间三维角度信息的能力，但绕轴方向滚转角的测量精度较低；并且不具备大工作距条件下三维角度测量能力。

发明内容

针对传统自准直角度测量装置所存在的不能测量被测物绕光轴方向的旋转角问题，本发明公开了一种基于双波长分光自准直三维角度测量装置与方法，同传统自准直测量装置相比，具有在相同测量精度与工作距离的条件下同时测量被测物空间中绕三轴旋转角的三维角度的技术优势；而相较于其他自准直三维角度测量装置，在都具备同时测量被测物空间中绕三轴旋转角的三维角度的条件下，在绕光轴方向的滚转角测量中具有高精度、高频响、大工作距的技术优势。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于双波长分光自准直三维角度测量装置，包括光源、分光镜、透射式准直镜、固定反射镜、合作靶标、绿光滤光片、红光滤光片以及RGB色彩图像传感器；光源出射的光束，经过透射式准直镜准直成平行光束。一路透过合作靶标中的分光镜和红光滤光片，变为红光，入射到合作靶标中的平面反射镜上，反射的光束沿光路原路返回后由RGB色彩图像传感器采集成像；另一路被合作靶标中的分光镜反射，透过绿色滤光片变为绿光，入射到固定平面反射镜上，反射的光束沿光路原路返回后由RGB色彩图像传感器采集成像；

所述合作靶标包括分光镜、红光滤光片和平面反射镜，其安装至被测物的测量表面上；而固定平面反射镜与绿光滤光片独立于合作靶标，其不与合作靶标和被测物相连，其固定于与光源、分光镜、图像传感器、透射式准直镜固定的相同测量基座上。当被测物发生空间三维角度转动时，合作靶标随被测物产生相同的空间三维角度转动，而固定反射镜和测量装置的其他部分固定于测量基座上不产生运动。

所述合作靶标中的红光滤光片和固定平面反射镜前的绿光滤光片起双波长分光的作用。经分光镜反射的测量光束经过绿光滤光片，其透射光为绿光；而经分光镜透射的测量光束经过红光滤光片，其透射光为红光。两束测量光共光路返回于RGB色彩图像传感器汇聚成像，其中红色光斑为经合作靶标中平面反射镜反射的测量光束光斑，其中绿色光斑为经固定平面反射镜反射的测量光束光斑；

一种在上述基于双波长分光自准直三维角度测量装置上实现的基于双波长分光自准直三维角度测量方法，包括以下步骤：

步骤a、将组合靶标固定至被测物表面，放置固定平面反射镜和红滤光片使其镜面平行于分光镜的出射面；

步骤b、点亮光源，调整被测物以及固定平面反射镜的位置，使RGB色彩图像传感器接收的两个红绿光斑处于图像传感器中心位置，使固定平面反射镜的位置固定；

步骤c、组合靶标随被测物产生空间三维转动，RGB色彩图像传感器输出经平面反射镜反射的光束红色光斑的位移值，其中光斑距离图像传感器中心位置分解为S1、S2，RGB色彩图像传感器输出固定平面反射镜反射的光束绿色光斑的位移值，其中光斑距离图像传感器中心位置为S3；

步骤d、利用红色光斑的位移S1、S2，按照S1＝f·tan(2β),S2＝f·tan(2γ)计算求得β、γ，其中β、γ为被测物绕y、z轴顺时针转动的角度；

步骤e、利用绿色光斑的位移S3，按照S3＝f·tan(θ)计算求得θ，其中θ为经分光镜反射一路光束回光与光轴的夹角；

步骤f、按照ɑ＝G(θ，β，γ)计算求得ɑ，其中ɑ为被测物绕x轴顺时针转动的角度，G表示一个函数。最终得到被测物绕x、y、z轴顺时针转动的角度ɑ、β、γ。

有益效果：

同传统自准直角度测量装置相比，本发明将其中的平面镜靶标替换为合作靶标与固定平面反射镜作为物体空间三维转角探测单元。这种结构设置，将测量光束一分为二，一路经过合作靶标中的平面反射镜反射后携带了被测物俯仰角、偏航角的角度信息，另一路经过固定平面反射镜反射后携带了被测物绕光轴方向转动的滚转角角度信息。这两路测量光被传感器采集，因此不仅得到了物体俯仰角、偏航角的信息，而且还得到了物体滚转角的角度信息，使仪器装置具备了测量物体绕光轴滚转角及垂直光轴的俯仰角、偏航角角度的三维角度测量能力；滚转角的测量原理与传统自准直仪测量俯仰角、偏航角的原理一致，利用光杠杆的放大效应，使得本发明测量精度高于采用光栅和图像处理技术的装置；本发明装置不会产生光栅衍射效应带来的衍射光，测量回光与原光束角度偏差小，在相同的测量范围下，本发明装置具有较大的工作距离。因此，同传统自准直角度测量装置相比，本发明具有在相同工作距离、相同测量精度下增加角度测量维数的技术优势；同基于光栅技术与图像处理技术的改进型自准直仪相比，本发明具有在相同角度测量维数下的大工作距离、高精度的技术优势。

除此之外，本发明还具有以下几种技术优势：

第一、选择分光镜和平面反射镜组成组合靶标，体积重量小，安装至被测物表面不会影响被测物空间三维角度运动；且由平面反射镜作为固定平面反射镜，相较于其他自准直三维角度测量装置中的特殊靶标，结构简单，易于加工制造。

第二、选择固定平面反射镜作为第三维角度传感装置，结构简单且与另外绕垂直于光轴两轴的传感原理基本一致，使得本发明的绕光轴方向与垂直于光轴两轴的其他两轴方向的旋转角都保持相同量级的高测量精度；

第三、本发明中分光镜作为组合靶标的一部分与被测物共同产生空间三维角度的旋转，使得绕垂直于光轴的其中一轴的旋转角(偏航角)测量精度提高一倍。

第四、选择分光镜与滤光片或二向色镜分别对两束测量光的波长成分作区分，并由一路RGB色彩图像传感器接收红绿光斑，或两路图像传感器(CCD)分别接收两路测量光斑，降低了对后续图像处理技术的要求，提高了测量装置的频响。

附图说明

图1是传统自准直角度测量装置的结构示意图。

图2是本发明基于双波长分光自准直三维角度测量装置具体实施例一的结构示意图。

图3是具体实施例一中合作靶标安装的第一种结构示意图。

图4是具体实施例一中合作靶标安装的第二种结构示意图。

图5是本发明基于双波长分光自准直三维角度测量装置具体实施例二的结构示意图。

图6是本发明基于双波长分光自准直三维角度测量装置具体实施例三的结构示意图。

图中：1光源、2分光镜、3第一图像传感器、4透射式准直镜、5合作靶标、51平面反射镜、52分光镜、53红光滤光片、54二向色镜、6固定平面反射镜、7被测物、8绿光滤光片、9第二图像传感器、10RGB色彩图像传感器、11红色光源、12绿色光源、13二向色镜、14分光镜。

具体实施例

下面结合附图对本发明具体实施例作进一步详细描述。

具体实施例一

本实施例是基于双波长分光自准直三维角度测量装置实施例。

本实施例的基于双波长分光自准直三维角度测量装置，结构示意图如图2所示。该角度测量装置包括光源1、分光镜2、透射式准直镜4、合作靶标5(其中包括分光镜52，红光滤光片53，平面反射镜51)、固定平面反射镜6、绿光滤光片8、RGB色彩图像传感器10。

光源1出射的光束，经过透射式准直镜4准直成平行光束后，入射到合作靶标5中的分光镜52上分为两束测量光；一路透过合作靶标中的分光镜52和红光滤光片53，变为红光，入射到合作靶标5中的平面反射镜51上，反射的光束沿光路原路返回后由RGB色彩图像传感器10采集成像；另一路被合作靶标5中的分光镜52反射，透过绿色滤光片8变为绿光，入射到固定平面反射镜6上，反射的光束沿光路原路返回后由RGB色彩图像传感器10采集成像。

所述分光镜2设置在光源1与透射式准直镜4之间，RGB色彩图像传感器10设置在透射式准直镜4焦平面处，与光源1的位置共轭；在固定合作靶标5的被测物表面与光轴垂直，且不绕光轴方向旋转的条件下，RGB色彩图像传感器10所成点像均在像面中心位置。

测量原理如下：

若测量被测物7的空间三维转角，首先需定义被测物7三维转角的空间坐标系：如图3所示，设光轴方向为x轴、向下的方向为y轴、垂直被测物7表面向外的方向为z轴；且定义被测物7的空间三维转角分别为绕x轴、y轴、z轴顺时针方向旋转的ɑ、β、γ。

其次，所述合作靶标5，包括分光镜52、红光滤光片53和平面反射镜51，固定在被测物7的表面上，如图3，因此合作靶标5的空间三维角度变化即为被测物7的空间三维角度变化。而固定反射镜6和绿光滤光片8则不与合作靶标5、被测物7连接，其固定于测量基座上。

当被测物7绕x轴、y轴、z轴顺时针方向分别旋转ɑ、β、γ角从而产生空间三维角度转动时，合作靶标5也绕x轴、y轴、z轴顺时针方向分别旋转了ɑ、β、γ角，而固定反射镜6空间位置不变。

经过分光镜52透射入射于合作靶标中平面反射镜51上的光束，由于平面镜51随被测物7产生空间三维角度转动，因此经平面反射镜51反射的光束与原光束产生2β、2γ角的偏转。与传统自准直仪测量的原理一致，此路光束汇聚于第一图像传感器3上，光束光斑与图像传感器中心位置分别产生位移S1与S2。

且满足以下关系，S1＝f·tan(2β),S2＝f·tan(2γ)，f为透射式准直镜4的焦距。

因此根据RGB色彩图像传感器10上红光光斑与图像传感器中心位置的位移S1与S2就可以计算出被测物7绕y轴、z轴旋转的角度β、γ角。

经过分光镜52反射入射于固定反射镜6的光束，由于分光镜52随被测物7产生空间三维角度转动，因此经固定平面反射镜6反射的光束，再经分光镜52反射与原光束产生θ角的偏转，此路光束汇聚于RGB色彩图像传感器10上，光束光斑与图像传感器中心位置产生位移S3。

且满足以下关系，S3＝f·tan(θ)，f为透射式准直镜4的焦距。

由空间几何关系得θ＝F(ɑ，β，γ)，同理可得ɑ＝G(θ，β，γ)，F、G分别表示两个函数。

因此根据RGB色彩图像传感器10上绿光光斑与图像传感器中心位置的位移S3就可以计算出此路光束与原光束的空间夹角θ；再根据公式ɑ＝G(θ，β，γ)和之前求得的β、γ值，就可解算出ɑ角，从而得到被测物7绕x轴、y轴、z轴旋转的角度ɑ、β、γ角，获得被测物7的空间三维转角信息。

本实施例的基于双波长分光自准直三维角度测量方法实施例，包括以下步骤：

步骤a、将组合靶标5固定至被测物7表面，放置固定平面反射镜6和绿色滤光片8使其镜面平行于分光镜52的出射面；

步骤b、点亮光源1，调整被测物7以及固定平面反射镜6的位置，使RGB色彩图像传感器接收的两个红绿光斑处于图像传感器中心位置，使固定平面反射镜6的位置固定；

步骤c、组合靶标5随被测物产生空间三维转动，RGB色彩图像传感器10输出经平面反射镜51反射的光束红色光斑的位移值，其中光斑距离图像传感器中心位置分解为S1、S2，同时RGB色彩图像传感器10输出固定平面反射镜6反射的光束绿色光斑的位移值，其中光斑距离图像传感器中心位置为S3；

步骤d、利用红色光斑的位移S1、S2，按照S1＝f·tan(2β),S2＝f·tan(2γ)计算求得β、γ，其中β、γ为被测物绕y、z轴顺时针转动的角度；

步骤e、利用绿色光斑的位移S3，按照S3＝f·tan(θ)计算求得θ，其中θ为经分光镜反射一路光束回光与光轴的夹角；

步骤f、按照ɑ＝G(θ，β，γ)计算求得ɑ，其中ɑ为被测物绕x轴顺时针转动的角度，G表示一个函数。最终得到被测物绕x、y、z轴顺时针转动的角度ɑ、β、γ。

本发明的创新点在于利用红色滤光片53组成合作靶标5，且在固定反射镜6前加入绿色滤光片。这种结构通过滤光片赋予两路测量光束不同的波长性质，并用RGB色彩图像传感器作为传感器同时接收绿色和红色光束光斑。从而解决了图像传感器接收的两个光斑的识别区分问题，简化了图像传感器图像处理的程序，降低对图像处理软件技术的要求；同时提高了数据处理的速度，从而提高了系统的频响。

具体实施例二

本实施例是基于双波长分光自准直三维角度测量装置实施例。

本实施例的基于双波长分光自准直三维角度测量装置，结构示意图如图4所示。在具体实施例一的基础上，本实施例的合作靶标5只包含分光镜52、红色滤光片53；合作靶标5中的分光镜52红色滤光片53和直接安装在被测物7的表面上。

本实施例的基于双波长分光自准直三维角度测量方法实施例，包括以下步骤：

步骤a、将组合靶标5固定至被测物7表面，放置固定平面反射镜6和绿色滤光片8使其镜面平行于分光镜52的出射面；

步骤b、点亮光源1，调整被测物7以及固定平面反射镜6的位置，使RGB色彩图像传感器接收的两个红绿光斑处于图像传感器中心位置，使固定平面反射镜6的位置固定；

步骤c、组合靶标5随被测物产生空间三维转动，RGB色彩图像传感器10输出经被测物7表面反射的光束红色光斑的位移值，其中光斑距离图像传感器中心位置分解为S1、S2，同时RGB色彩图像传感器10输出固定平面反射镜6反射的光束绿色光斑的位移值，其中光斑距离图像传感器中心位置为S3；

步骤d、利用红色光斑的位移S1、S2，按照S1＝f·tan(2β),S2＝f·tan(2γ)计算求得β、γ，其中β、γ为被测物绕y、z轴顺时针转动的角度；

步骤e、利用绿色光斑的位移S3，按照S3＝f·tan(θ)计算求得θ，其中θ为经分光镜反射一路光束回光与光轴的夹角；

步骤f、按照ɑ＝G(θ，β，γ)计算求得ɑ，其中ɑ为被测物绕x轴顺时针转动的角度，G表示一个函数。最终得到被测物绕x、y、z轴顺时针转动的角度ɑ、β、γ。

具体实施例三

本实施例是基于双波长分光自准直三维角度测量装置实施例。

本实施例的基于双波长分光自准直三维角度测量装置，结构示意图如图5所示。在具体实施例一的基础上，本实施例的基于双波长分光自准直三维角度测量装置将合作靶标5中的分光镜52和红光滤光片53换为二向色镜54，去掉固定反射镜6前的绿光滤光片8，将光源1换为红色光源11和绿色光源12，在分光镜2与红色光源11和绿色光源12之间加入分光镜14；

本实施例的基于双波长分光自准直三维角度测量方法实施例，包括以下步骤：

步骤a、将组合靶标5固定至被测物7表面，放置固定平面反射镜6使其镜面平行于组合靶标5的下表面；

步骤b、点亮红色光源11、绿色光源12，调整被测物7以及固定平面反射镜6的位置，使RGB色彩图像传感器接收的两个红绿光斑处于图像传感器中心位置，使固定平面反射镜6的位置固定；

步骤c、组合靶标5随被测物产生空间三维转动，RGB色彩图像传感器10输出经平面反射镜51反射的光束红色光斑的位移值，其中光斑距离图像传感器中心位置分解为S1、S2，同时RGB色彩图像传感器10输出固定平面反射镜6反射的光束绿色光斑的位移值，其中光斑距离图像传感器中心位置为S3；

步骤d、利用红色光斑的位移S1、S2，按照S1＝f·tan(2β),S2＝f·tan(2γ)计算求得β、γ，其中β、γ为被测物绕y、z轴顺时针转动的角度；

步骤e、利用绿色光斑的位移S3，按照S3＝f·tan(θ)计算求得θ，其中θ为经分光镜反射一路光束回光与光轴的夹角；

步骤f、按照ɑ＝G(θ，β，γ)计算求得ɑ，其中ɑ为被测物绕x轴顺时针转动的角度，G表示一个函数。最终得到被测物绕x、y、z轴顺时针转动的角度ɑ、β、γ。

本实施例的改进在于可以利用二向色镜54替代了分光镜52、红光滤光片53以及绿光滤光片，合作靶标的结构得以简化，装调简单便捷。其次，本实施例将单光源1替换为红光光源11与绿光光源12，使测量光光能变强、光源波长性质差异显著，避免两路中有光斑光强过弱造成的不可测量的问题。

具体实施例四

本实施例是基于双波长分光自准直三维角度测量装置实施例。

本实施例的基于双波长分光自准直三维角度测量装置，结构示意图如图6所示。在具体实施例三的基础上，本实施例的基于双波长分光自准直三维角度测量装置将RGB色彩图像传感器10换为第一图像传感器3与第二图像传感器9，在第一图像传感器3、第二图像传感器9与分光镜2之间加入二向色镜13；

本实施例的基于双波长分光自准直三维角度测量方法实施例，包括以下步骤：

步骤a、将组合靶标5固定至被测物7表面，放置固定平面反射镜6使其镜面平行于组合靶标5的下表面；

步骤b、点亮红色光源11、绿色光源12，调整被测物7以及固定平面反射镜6的位置，使第一图像传感器3与第二图像传感器9接收的两个红绿光斑均处于图像传感器中心位置，使固定平面反射镜6的位置固定；

步骤c、组合靶标5随被测物产生空间三维转动，第一图像传感器3输出经平面反射镜51反射的光束红色光斑的位移值，其中光斑距离图像传感器中心位置分解为S1、S2，第二图像传感器9输出固定平面反射镜6反射的光束绿色光斑的位移值，其中光斑距离图像传感器中心位置为S3；

步骤d、利用第一图像传感器3采集的光斑的位移S1、S2，按照S1＝f·tan(2β),S2＝f·tan(2γ)计算求得β、γ，其中β、γ为被测物绕y、z轴顺时针转动的角度；

步骤e、利用第二图像传感器9采集的光斑的位移S3，按照S3＝f·tan(θ)计算求得θ，其中θ为经分光镜反射一路光束回光与光轴的夹角；

步骤f、按照ɑ＝G(θ，β，γ)计算求得ɑ，其中ɑ为被测物绕x轴顺时针转动的角度，G表示一个函数。最终得到被测物绕x、y、z轴顺时针转动的角度ɑ、β、γ。

本实施例的改进在于利用第一图像传感器3与第二图像传感器9替代了RGB色彩图像传感器10、利用二向色镜13区分两路不同波长组分的红光和绿光测量光束，从而解决了图像传感器接收的两个光斑的识别区分问题，简化了图像传感器图像处理的程序，降低对图像处理软件技术的要求；同时提高了数据处理的速度，从而提高了系统的频响。

Claims (6)

1.一种基于双波长分光自准直三维角度测量装置，其特征在于，包括光源(1)、第一分光镜(2)、透射式准直镜(4)、合作靶标(5)、固定平面反射镜(6)、绿光滤光片(8)以及RGB色彩图像传感器(10)，所述合作靶标(5)由平面反射镜(51)、第二分光镜(52)、红光滤光片(53)组成；光源(1)出射的光束，经过透射式准直镜(4)准直成平行光束后，入射到合作靶标(5)中的第二分光镜(52)上分为两束测量光；一路透过合作靶标中的第二分光镜(52)和红光滤光片(53)，变为红光，入射到合作靶标(5)中的平面反射镜(51)上，反射的光束沿光路原路返回后由RGB色彩图像传感器(10)采集成像；另一路被合作靶标(5)中的第二分光镜(52)反射，透过绿色滤光片(8)变为绿光，入射到固定平面反射镜(6)上，反射的光束沿光路原路返回后由RGB色彩图像传感器(10)采集成像；

所述第一分光镜(2)设置在光源(1)与透射式准直镜(4)之间，RGB色彩图像传感器(10)设置在透射式准直镜(4)焦平面处，与光源(1)的位置共轭；在固定合作靶标(5)的被测物表面与光轴垂直，且不绕光轴方向旋转的条件下，RGB色彩图像传感器(10)所成点像均在像面中心位置；

所述合作靶标(5)，包括第二分光镜(52)、红光滤光片(53)和平面反射镜(51)，固定在被测物(7)的表面上，因此合作靶标(5)的空间三维角度变化即为被测物(7)的空间三维角度变化；而固定平面反射镜(6)和绿光滤光片(8)则不与合作靶标(5)、被测物(7)连接，其固定于测量基座上；

或

所述合作靶标(5)，包括第二分光镜(52)和红光滤光片(53)，固定在被测物(7)的表面上，因此合作靶标(5)的空间三维角度变化即为被测物(7)的空间三维角度变化；而固定平面反射镜(6)和绿光滤光片(8)则不与合作靶标(5)、被测物(7)连接，其固定于测量基座上；此时被测物(7)的测量表面充当反射面，代替平面反射镜(51)。

2.在权利要求1所述一种基于双波长分光自准直三维角度测量装置上实现的一种基于双波长分光自准直三维角度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤a、将组合靶标(5)固定至被测物(7)表面，放置固定平面反射镜(6)和绿色滤光片(8)使其镜面平行于第二分光镜(52)的出射面；

步骤b、点亮光源(1)，调整被测物(7)以及固定平面反射镜(6)的位置，使RGB色彩图像传感器(10)接收的两个红绿光斑处于图像传感器中心位置，使固定平面反射镜(6)的位置固定；

步骤c、组合靶标(5)随被测物产生空间三维转动，RGB色彩图像传感器(10)输出经平面反射镜(51)反射的光束红色光斑的位移值，其中光斑距离图像传感器中心位置分解为S1、S2，同时RGB色彩图像传感器(10)输出固定平面反射镜(6)反射的光束绿色光斑的位移值，其中光斑距离图像传感器中心位置为S3；

步骤d、利用红色光斑的位移S1、S2，按照S1＝f·tan(2β),S2＝f·tan(2γ)计算求得β、γ，其中β、γ为被测物绕y、z轴顺时针转动的角度；

步骤e、利用绿色光斑的位移S3，按照S3＝f·tan(θ)计算求得θ，其中θ为经第二分光镜反射一路光束回光与光轴的夹角；

步骤f、按照ɑ＝G(θ，β，γ)计算求得ɑ，其中ɑ为被测物绕x轴顺时针转动的角度，G表示一个函数；最终得到被测物绕x、y、z轴顺时针转动的角度ɑ、β、γ。

3.一种基于双波长分光自准直三维角度测量装置，其特征在于，包括红光光源(11)、绿光光源(12)、第三分光镜(14)、第一分光镜(2)、透射式准直镜(4)、合作靶标(5)、固定平面反射镜(6)以及RGB色彩图像传感器(10)，所述合作靶标(5)由平面反射镜(51)、二向色镜(54)组成；红光光源(11)以及绿光光源(12)出射的光束，经过透射式准直镜(4)准直成平行光束后，入射到合作靶标(5)中的二向色镜(54)上分为两束测量光；红色测量光透过合作靶标中的二向色镜(54)，入射到合作靶标(5)中的平面反射镜(51)上，反射的光束沿光路原路返回后由RGB色彩图像传感器(10)采集成像；另一路绿色测量光被合作靶标(5)中的二向色镜(54)反射，入射到固定平面反射镜(6)上，反射的光束沿光路原路返回后由RGB色彩图像传感器(10)采集成像；

所述第一分光镜(2)设置在红光光源(11)、绿光光源(12)与透射式准直镜(4)之间，RGB色彩图像传感器(10)设置在透射式准直镜(4)焦平面处，与红光光源(11)以及绿光光源(12)的位置共轭；在固定合作靶标(5)的被测物表面与光轴垂直，且不绕光轴方向旋转的条件下，RGB色彩图像传感器(10)所成点像均在像面中心位置；

所述合作靶标(5)，包括二向色镜(54)和平面反射镜(51)，固定在被测物(7)的表面上，因此合作靶标(5)的空间三维角度变化即为被测物(7)的空间三维角度变化；固定平面反射镜(6)则不与合作靶标(5)、被测物(7)连接，其固定于测量基座上；

所述第三分光镜(14)放置在红光光源(11)、绿光光源(12)与第一分光镜(2)之间，将红光光源(11)与绿光光源(12)合束，使入射于合作靶标(5)的测量光束存在两种波长组分；

所述二向色镜(54)放置在合作靶标(5)中的平面反射镜(51)前，将测量光束中的绿色光反射于固定反射镜(6)，将其中的红色光透射于合作靶标(5)中的平面反射镜(51)上，使两路测量光具有不同的波长组分。

4.在权利要求3所述一种基于双波长分光自准直三维角度测量装置上实现的一种基于双波长分光自准直三维角度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤a、将组合靶标(5)固定至被测物(7)表面，放置固定平面反射镜(6)使其镜面平行于组合靶标(5)的下表面；

步骤b、点亮红色光源(11)、绿色光源(12)，调整被测物(7)以及固定平面反射镜(6)的位置，使RGB色彩图像传感器(10)接收的两个红绿光斑处于图像传感器中心位置，使固定平面反射镜(6)的位置固定；

步骤c、组合靶标(5)随被测物产生空间三维转动，RGB色彩图像传感器(10)输出经平面反射镜(51)反射的光束红色光斑的位移值，其中光斑距离图像传感器中心位置分解为S1、S2，同时RGB色彩图像传感器(10)输出固定平面反射镜(6)反射的光束绿色光斑的位移值，其中光斑距离图像传感器中心位置为S3；

步骤d、利用红色光斑的位移S1、S2，按照S1＝f·tan(2β),S2＝f·tan(2γ)计算求得β、γ，其中β、γ为被测物绕y、z轴顺时针转动的角度；

步骤e、利用绿色光斑的位移S3，按照S3＝f·tan(θ)计算求得θ，其中θ为经二向色镜反射一路光束回光与光轴的夹角；

步骤f、按照ɑ＝G(θ，β，γ)计算求得ɑ，其中ɑ为被测物绕x轴顺时针转动的角度，G表示一个函数；最终得到被测物绕x、y、z轴顺时针转动的角度ɑ、β、γ。

5.一种基于双波长分光自准直三维角度测量装置，其特征在于，包括红光光源(11)、绿光光源(12)、第三分光镜(14)、第一分光镜(2)、透射式准直镜(4)、合作靶标(5)、固定平面反射镜(6)、二向色镜(13)、第一图像传感器(3)以及第二图像传感器(9)，所述合作靶标(5)由平面反射镜(51)、二向色镜(54)组成；红光光源(11)以及绿光光源(12)出射的光束，经过透射式准直镜(4)准直成平行光束后，入射到合作靶标(5)中的二向色镜(54)上分为两束测量光；红色测量光透过合作靶标中的二向色镜(54)，入射到合作靶标(5)中的平面反射镜(51)上，反射的光束沿光路原路返回后透过二向色镜(13)由第一图像传感器(3)采集成像；另一路绿色测量光被合作靶标(5)中的二向色镜(54)反射，入射到固定平面反射镜(6)上，反射的光束沿光路原路返回后经二向色镜(13)反射由第二图像传感器(9)采集成像；

所述第一分光镜(2)设置在红光光源(11)、绿光光源(12)与透射式准直镜(4)之间，第一图像传感器(3)、第二图像传感器(9)设置在透射式准直镜(4)焦平面处，与红光光源(11)以及绿光光源(12)的位置共轭；在固定合作靶标(5)的被测物表面与光轴垂直，且不绕光轴方向旋转的条件下，第一图像传感器(3)、第二图像传感器(9)所成点像均在像面中心位置；

所述合作靶标(5)，包括二向色镜(54)和平面反射镜(51)，固定在被测物(7)的表面上，因此合作靶标(5)的空间三维角度变化即为被测物(7)的空间三维角度变化；固定平面反射镜(6)则不与合作靶标(5)、被测物(7)连接，其固定于测量基座上；

所述二向色镜(13)放置在第一图像传感器(3)、第二图像传感器(9)与第一分光镜(2)之间，将测量光束中的绿色光反射于第二图像传感器(9)，将其中的红色光透射于合作靶标(5)中的第一图像传感器(3)上，使第一图像传感器(3)与第二图像传感器(9)分别探测经平面反射镜(51)反射的红光与经固定平面反射镜(6)反射的绿光。

6.在权利要求5所述一种基于双波长分光自准直三维角度测量装置上实现的一种基于双波长分光自准直三维角度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤a、将组合靶标(5)固定至被测物(7)表面，放置固定平面反射镜(6)使其镜面平行于组合靶标(5)的下表面；

步骤b、点亮红色光源(11)、绿色光源(12)，调整被测物(7)以及固定平面反射镜(6)的位置，使第一图像传感器(3)与第二图像传感器(9)接收的两个红绿光斑均处于图像传感器中心位置，使固定平面反射镜(6)的位置固定；

步骤c、组合靶标(5)随被测物产生空间三维转动，第一图像传感器(3)输出经平面反射镜(51)反射的光束红色光斑的位移值，其中光斑距离图像传感器中心位置分解为S1、S2，第二图像传感器(9)输出固定平面反射镜(6)反射的光束绿色光斑的位移值，其中光斑距离图像传感器中心位置为S3；

步骤d、利用第一图像传感器(3)采集的光斑的位移S1、S2，按照S1＝f·tan(2β),S2＝f·tan(2γ)计算求得β、γ，其中β、γ为被测物绕y、z轴顺时针转动的角度；

步骤e、利用第二图像传感器(9)采集的光斑的位移S3，按照S3＝f·tan(θ)计算求得θ，其中θ为经二向色镜反射一路光束回光与光轴的夹角；

步骤f、按照ɑ＝G(θ，β，γ)计算求得ɑ，其中ɑ为被测物绕x轴顺时针转动的角度，G表示一个函数；最终得到被测物绕x、y、z轴顺时针转动的角度ɑ、β、γ。

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