基于透射光栅的高精度滚转角测量方法与装置与流程

本发明属于精密仪器制造和精密测试计量技术领域，主要涉及一种基于透射光栅的高精度滚转角测量方法与装置。

背景技术：

精密小角度测量是几何计量探测的基础和重要组成部分，在微电子制造、精密装备制造与校准、光学元件加工与探测、航空航天以及船舶工业中大型设备的加工与装配、以及科学研究和工程制造等领域有广泛应用，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，及偏摆角误差、俯仰角误差和滚转角误差。其中，偏摆角和俯仰角误差可以通过激光干涉方法和自准直方法等测量技术进行测量，测量技术已经成熟并且已经商品化；对于滚转角误差，根据激光干涉原理和自准直测角原理都无法对滚转角误差进行直接测量，因此很难获得滚转角误差的精确测量值，所以高精度的滚转角误差测量还有待进一步研究。

技术实现要素：

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滚转角测量的目的，提出了一种基于透射光栅的高精度滚转角测量方法与装置。

本发明的目的是这样实现的：基于透射光栅的高精度滚转角测量方法包括以下步骤：

①、激光光源发出的光束经过准直物镜后形成准直光束；

②、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和负一级衍射光束，所述的一维平面透射光栅与待测量平台之间刚性连接；

③、②中所述的正一级衍射光束和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和负一级衍射光束相平行的出射光束；

④、③中所述与正、负一级衍射光束平行的出射光束再次经过透射光栅，得到一组与光轴平行的衍射光束；

⑤、④中所述的一组与光轴平行的衍射光束经过透镜聚焦作用后形成两个待探测光斑，同时利用光电探测器探测待探测光斑的位置信息；

⑥、当待测量平台发生滚转时，利用光电探测器探测⑤中所述的两个待探测光斑的位置变化信息，光斑的位置变化信息经过信号处理电路处理后送入计算机，计算获得滚转角的变化值；

待测量平台的滚转角γ按如下公式获取：

式中：δd+1为相邻两个采样周期的测量光束在光电探测器a上光斑y方向的位置差；δd-1为相邻两个采样周期的测量光束在光电探测器b上光斑y方向的位置差；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。

基于透射光栅的高精度滚转角测量装置的结构是：激光器、准直透镜、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；所述偏振分光镜a、偏振分光镜b置于一维平面透射光栅后侧，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°；正一级衍射光束b依次经过偏振分光镜a、偏振分光镜b反射后出射，得到的出射光束e与正一级衍射光束b平行；负一级衍射光束c依次经过偏振分光镜b、偏振分光镜a后出射，得到的出射光束d与负一级衍射光束c平行；所述的出射光束d和出射光束e再次经过一维平面透射光栅，得到与准直光束a相平行的衍射光束f和衍射光束g；衍射光束f经过聚焦透镜a聚焦后在焦平面形成待探测光斑；光电探测器a被安装在所述聚焦透镜a的焦平面处用来探测光斑的位置信息；衍射光束g经过所述聚焦透镜b聚焦后在焦平面形成待探测光斑；光电探测器b被安装在所述聚焦透镜b的焦平面处用来探测光斑的位置信息；所述光电探测器a与光电探测器b分别与计算机相连。

本发明的优点是：

(1)、利用一维平面透射光栅作为敏感器件，同时利用正一级衍射光束和负一级衍射光束实现差动测量，消除了由于光源光束漂移引入的测量误差，增强了测量系统抗干扰的能力，提高了测量精度。

(2)、待测量光束两次经过一维平面透射光栅，并且第一次衍射光束经过相互垂直的偏振分光镜组后的出射光束与入射光束平行，这使得出射光束再次经过透射光栅后的出射光束能够与激光器出射后的准直光束平行，并且能保证即使光栅发生偏摆和俯仰时，该出射光束仍然与原光束平行；因此系统的这种特性可以使得滚转角测量完全不受偏摆角和俯仰角的影响，提高了滚转角测量精度；同时该装置使得原本存在衍射角的衍射光束变为与激光器出射后的准直光束相平行的光束，使得探测单元更加紧凑，有利于实际应用。

(3)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，使得测量系统的测量分辨力相对于现有的基于透射光栅的滚转角测量方法(刘旭,匡翠方,王婷婷,等.基于共路平行光线的滚转角测量方法:,cn101846506a[p].2010.)在主要光学器件参数相同的条件下(光栅周期、聚焦透镜焦距以及探测器分辨力都相同)，测量系统的测量分辨力提高了一倍。

附图说明

图1基于透射光栅的高精度滚转角测量装置结构示意图

图2光栅滚转前后光束方向变化示意图

图3光栅滚转前后光束在光栅上投影变化示意图

图4光栅滚转前后光斑在光电探测器上位置变化示意图

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、偏振分光镜a5、偏振分光镜b6、聚焦透镜a7、聚焦透镜b8、光电探测器a9、光电探测器b10、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。

本发明所述基于透射光栅的高精度滚转角测量方法包括以下步骤：

①、激光光源发出的光束经过准直物镜后形成准直光束；

②、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和负一级衍射光束，所述的一维平面透射光栅与待测量平台之间刚性连接；

③、②中所述的正一级衍射光束和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和负一级衍射光束相平行的出射光束；

④、③中所述与正、负一级衍射光束平行的出射光束再次经过透射光栅，得到一组与光轴平行的衍射光束；

⑤、④中所述的一组与光轴平行的衍射光束经过透镜聚焦作用后形成两个待探测光斑，同时利用光电探测器探测待探测光斑的位置信息；

⑥、当待测量平台发生滚转时，利用光电探测器探测⑤中所述的两个待探测光斑的位置变化信息，光斑的位置变化信息经过信号处理电路处理后送入计算机，计算获得滚转角的变化值；

待测量平台的滚转角γ按如下公式获取：

式中：δd+1为相邻两个采样周期的测量光束在光电探测器a上光斑y方向的位置差；δd-1为相邻两个采样周期的测量光束在光电探测器b上光斑y方向的位置差；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。

基于透射光栅的高精度滚转角测量装置的结构是：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；所述偏振分光镜a4、偏振分光镜b5置于一维平面透射光栅3后侧，且偏振分光镜a4、偏振分光镜b5对角线相互垂直，并与激光器1光轴夹角为45°；正一级衍射光束b依次经过偏振分光镜a4、偏振分光镜b5反射后出射，得到的出射光束e与正一级衍射光束b平行；负一级衍射光束c依次经过偏振分光镜b5、偏振分光镜a4后出射，得到的出射光束d与负一级衍射光束c平行；所述的出射光束d和出射光束e再次经过一维平面透射光栅3，得到与准直光束a相平行的衍射光束f和衍射光束g；衍射光束f经过聚焦透镜a6聚焦后在焦平面形成待探测光斑；光电探测器a8被安装在所述聚焦透镜a6的焦平面处用来探测光斑的位置信息；衍射光束g经过所述聚焦透镜b7聚焦后在焦平面形成待探测光斑；光电探测器b9被安装在所述聚焦透镜b7的焦平面处用来探测光斑的位置信息；所述光电探测器a8与光电探测器b9分别与计算机10相连。

下面结合图1、图2和图3说明基于透射光栅的高精度滚转角测量装置的工作过程：激光准直光束沿z轴传播,当一维平面透射光栅3绕着光轴旋转γ角时，测量系统的衍射光束传播方向发生变化，待测衍射光束f、衍射光束g变为衍射光束f1、衍射光束g1；如图3所示，当一维平面透射光栅3绕光轴旋转，衍射光束f1与衍射光束g1在光栅上的投影之间的连线相对于衍射光束f、衍射光束g在光栅上的投影之间的连线旋转了2γ角度，因此相对于传统光栅旋转角测量，本发明的滚转角测量分辨力提高了一倍。

当光源存在角度漂移、一维平面透射光栅3旋转γ角度时，光斑在光电探测器上位置变化如图4所示。光斑a与光斑b分别为光电探测器a8与光电探测器b9在理想状态下接收到的光斑的初始位置，光斑a1与光斑b1分别为光源存在角度漂移、一维平面透射光栅3旋转γ角度时光电探测器a8与光电探测器b9接收到的光斑的位置；光斑a1与光斑a、光斑b1与光斑b在竖直方向的位置差分别为：

δd+1＝dγ+δ

δd-1＝-dγ+δ

式中：dγ为一维平面透射光栅3旋转γ角度引起的光电探测器a8与光电探测器b9光斑位置变化值；δ为光源存在角度漂移引起的光电探测器a8与光电探测器b9光斑位置变化值；

通过对所述光电测器a与光电测器b所接收的位置差信号进行差分计算可得到：

δd＝δd+1-δd-1＝2dγ

通过计算可以得到：

因此所述测量方法在实现高精度滚转角测量的同时，消除了激光光源角度漂移对测量结果精度的影响。