CN109668525A - 基于反射光栅的高精度三维角度测量方法与装置 - Google Patents

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Abstract

基于反射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作为敏感器件，实现了高精度三维角度测量，采用一维平面透射光栅和一维平面反射光栅的组合，使得待测光束与光轴平行，极大地增大了测量系统的工作距离，并且使探测结构更挤紧凑；同时由于待测光束与光轴平行，消除了偏摆角测量的原理误差；更换不同线对的光栅可满足滚转角不同测量精度的要求。

Description

基于反射光栅的高精度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,主要涉及一种基于反射光栅的高精度三维角度测量方法与装置。
背景技术
角度作为基本的几何量计量检测的重要组成部分，高精度角度测量在微电子加工制造、精密仪器加工与装配、光学表面检测、建筑结构机械变形、精密运动监测、航空航天设备的加工与装配以及科学研究等领域有着广泛地应用。尤其是随着各领域的不断发展和提升，对角度测量的精度和稳定性要求也不断提高，因此高精度的三维角度测量方法与装置的研究显得尤为重要。
机械运动或机械变形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。为了得到物体精确的位姿变化或者准确的机械变形量，需要对三个方向的角度误差同时测量。
光学测角方法由于其非接触、长工作距以及高精度等特性被广泛应用于各个领域。传统的光学方法例如圆光栅法、干涉法、环形激光法以及激光自准直等方法虽然可以得到精确的角度测量值，但是由于测量原理的限制很难实现同时测量三个方向的角度变化值，因此三维角度测量的方法与装置还有待研究。
发明内容
本发明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三维角度测量的目的，提出了一种基于反射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：基于反射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物镜后形成准直光束并出射；
②、①中所述准直光束经过特殊加工的一维平面透射光栅的非光栅部分后入射到一维平面反射光栅，产生正一级衍射光束和负一级衍射光束，其中要求一维平面透射光栅和一维平面反射光栅的光栅常数相同；
③、②中所述的正一级衍射光束和负一级衍射光束入射到一维平面透射光栅的光栅面，得到与光轴平行的负一级二次衍射光束和正一级二次衍射光束；
④、③中所述的负一级二次衍射光束和正一级二次衍射光束分别经过透镜聚焦形成两个待测光斑，使用光电探测器探测两个待测光斑的位置信息；
⑤、当待测量平台发生三维角度变化时，利用光电探测器探测两个待测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处理后送入计算机，计算获得高精度三维角度变化值。
待测量一维平面反射光栅的偏摆角α、俯仰角β和旋转角γ分别按如下公式获取：
式中：ΔdA-x、ΔdB-x分别为光电探测器A、光电探测器B、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变化量；ΔdA-y、ΔdB-yy分别为光电探测器A、光电探测器B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变化量；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。
基于反射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、一维平面透射光栅沿准直光束a传播方向依次排列；所述一维平面透射光栅透射面、一维平面反射光栅反射面与准直光束a垂直；准直光束a经过一维平面透射光栅非光栅部分后入射到一维平面反射光栅，产生正一级衍射光束b和负一级衍射光束c；所述正一级衍射光束b和负一级衍射光束c经过一维平面透射光栅的光栅面部分得到与准直光束a平行的负一级衍射光束d和正一级衍射光束e；负一级衍射光束d经过聚焦透镜A聚焦后在焦平面形成待测光斑；光电探测器A被安装在所述聚焦透镜的焦平面处用来检测光斑的位置信息；正一级衍射光束e经过所述聚焦透镜B聚焦后在焦平面形成待测光斑；光电探测器B被安装在所述聚焦透镜的焦平面处用来检测光斑的位置信息；所述光电探测器A与光电探测器B与计算机相连；所述的一维平面透射光栅、一维平面反射光栅具有相同的光栅常数。
本发明的优点是：
(1)、利用一维平面反射光栅作为敏感器件，利用正一级衍射光束和负一级衍射光束的传播方向随着反射光栅角度的变化而变化来测量反射光栅的角度变化，可实现三维角度变化的同时测量，解算方法简单，可实现角度变化的快速测量。
(2)、一维反射光栅的正负一级衍射光束经过透射光栅进行光束传播方向校正后变为与光轴平行的光束，使得探测机构更加紧凑而且，极大增大了测量距离。
(3)、由于待测量光束消除了衍射角，与光轴平行，因此消除了偏摆角测量的原理误差。
附图说明
图1是基于反射光栅的高精度三维角度测量装置结构示意图
图2是光栅滚转前后光束方向变化示意图
图3是光栅滚转前后光束在光栅上投影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、一维平面反射光栅5、聚焦透镜6、聚焦透镜7、光电探测器A7a、光电探测器A的探测面8、光电探测器B 8a、光电探测器B的探测面9、计算机101、光电探测器A接收到的光斑初始位置102、光电探测器B接收到的光斑初始位置103、一维平面反射光栅角度变化后光电探测器A接收到的光斑位置104、一维平面反射光栅角度变化后光电探测器B接收到的光斑位置
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。
本发明基于反射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物镜后形成准直光束并出射；
②、①中所述准直光束经过特殊加工的一维平面透射光栅的非光栅部分后入射到一维平面反射光栅，产生正一级衍射光束和负一级衍射光束，其中要求一维平面透射光栅和一维平面反射光栅的光栅常数相同；
③、②中所述的正一级衍射光束和负一级衍射光束入射到一维平面透射光栅的光栅面，得到与光轴平行的负一级二次衍射光束和正一级二次衍射光束；
④、③中所述的负一级二次衍射光束和正一级二次衍射光束分别经过透镜聚焦形成两个待测光斑，使用光电探测器探测两个待测光斑的位置信息；
⑤、当待测量平台发生三维角度变化时，利用光电探测器探测两个待测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处理后送入计算机，计算获得高精度三维角度变化值。
待测量一维平面反射光栅的偏摆角α、俯仰角β和旋转角γ分别按如下公式获取：
式中：ΔdA-x、ΔdB-x分别为光电探测器A、光电探测器B、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变化量；ΔdA-y、ΔdB-yy分别为光电探测器A、光电探测器B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变化量；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。
如图1所示，基于反射光栅的高精度三维角度测量装置结构是：激光器1、准直透镜2、一维平面透射光栅3、一维平面透射光栅4沿准直光束a传播方向依次排列；所述一维平面透射光栅3透射面、一维平面反射光栅4反射面与准直光束a垂直；准直光束a经过一维平面透射光栅3非光栅部分后入射到一维平面反射光栅4，产生正一级衍射光束b和负一级衍射光束c；所述正一级衍射光束b和负一级衍射光束c经过一维平面透射光栅3的光栅面部分得到与准直光束a平行的负一级衍射光束d和正一级衍射光束e；负一级衍射光束d经过聚焦透镜A5聚焦后在焦平面形成待测光斑；光电探测器A7被安装在所述聚焦透镜A5的焦平面处用来检测光斑的位置信息；正一级衍射光束e经过所述聚焦透镜B6聚焦后在焦平面形成待测光斑；光电探测器B8被安装在所述聚焦透镜B6的焦平面处用来检测光斑的位置信息；所述光电探测器A7与光电探测器B8与计算机9相连；所述的一维平面透射光栅3、一维平面反射光栅4具有相同的光栅常数。
如图2所示，一维平面反射光栅4的三维角度发生变化时，正一级衍射光束b和负一级衍射光束c变为光束b1和光束c1,负一级衍射光束d和正一级衍射光束e变为光束d1和光束e1，通过测量对应光束之间的传播方向的变化量可实现对一维平面反射光栅4的三维角度变化值测量。
如图3所示，一维平面反射光栅4发生三维角度变化后，光电探测器A与光电探测器B接收到的光斑随一维平面反射光栅4三维角度变化在水平方向和竖直方向的位置变化示意图，通过探测光斑103相对于光斑101的位置变化量和光斑104相对于光斑102的位置变化量，可以计算出一维平面反射光栅4的三维角度变化值。

Claims (2)

1.基于反射光栅的高精度三维角度测量方法与装置，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物镜后形成准直光束并出射；
②、①中所述准直光束经过特殊加工的一维平面透射光栅的非光栅部分后入射到一维平面反射光栅，产生正一级衍射光束和负一级衍射光束，其中要求一维平面透射光栅和一维平面反射光栅的光栅常数相同；
③、②中所述的正一级衍射光束和负一级衍射光束入射到一维平面透射光栅的光栅面，得到与光轴平行的负一级二次衍射光束和正一级二次衍射光束；
④、③中所述的负一级二次衍射光束和正一级二次衍射光束分别经过透镜聚焦形成两个待测光斑，使用光电探测器探测两个待测光斑的位置信息；
⑤、当待测量平台发生三维角度变化时，利用光电探测器探测两个待测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处理后送入计算机，计算获得高精度三维角度变化值；
待测量一维平面反射光栅的偏摆角α、俯仰角β和旋转角γ分别按如下公式获取：
式中：ΔdA-x、ΔdB-x分别为光电探测器A、光电探测器B、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变化量；ΔdA-y、ΔdB-yy分别为光电探测器A、光电探测器B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变化量；f为聚焦透镜A和聚焦透镜B的焦距；sinΦ为激光器的波长与一维平面透射光栅光栅常数的比值。
2.一种基于反射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)、一维平面透射光栅(4)沿准直光束a传播方向依次排列；所述一维平面透射光栅(3)透射面、一维平面反射光栅(4)反射面与准直光束a垂直；准直光束a经过一维平面透射光栅(3)非光栅部分后入射到一维平面反射光栅(4)，产生正一级衍射光束b和负一级衍射光束c；所述正一级衍射光束b和负一级衍射光束c经过一维平面透射光栅(3)的光栅面部分得到与准直光束a平行的负一级衍射光束d和正一级衍射光束e；负一级衍射光束d经过聚焦透镜A(5)聚焦后在焦平面形成待测光斑；光电探测器A(7)被安装在所述聚焦透镜A(5)的焦平面处用来检测光斑的位置信息；正一级衍射光束e经过所述聚焦透镜B(6)聚焦后在焦平面形成待测光斑；光电探测器B(8)被安装在所述聚焦透镜B(6)的焦平面处用来检测光斑的位置信息；所述光电探测器A(7)与光电探测器B(8)与计算机(9)相连；所述的一维平面透射光栅(3)、一维平面反射光栅(4)具有相同的光栅常数。
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