基于光栅的共光路跟随式高精度三维角度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,主要涉及一种基于光栅的共光路跟随式高精度三维角度测量方法与装置。

背景技术：

随着高端制造业的不断发展，对精密制造加工技术以及高精度测量技术提出了越来越高的要求。高精度三维角度测量作为高精度测量的重要组成部分，被广泛的应用于导轨运动的姿态监测、物体的表面形貌检测、精密仪器的标定校准、大型建筑的几何变形测量等领域，因此小角度测量仪器是精密制造、精密加工、计量测试、航空航天以及科研领域必备的常规仪器。

基于光学测量法的小角度测量由于其非接触、精度高、工作距离大等优点，许多学者和科研单位对光学小角度测量进行了深入的研究。目前常用的光学测角方法主要有以下几种：

基于自准直与莫尔条纹结合的测量方法(邓立新,杨建坤,戴穗安,等.莫尔条纹技术的三维测角方法研究[j].光学与光电技术,2010,08(3):39-41.)。该方法结合了自准直测角原理和莫尔条纹测角原理，利用自准直原理测量反射镜的偏摆角和俯仰角，利用莫尔条纹测角原理测量旋转角。该方法虽然可以实现同时实现三维角度测量，但是为了实现旋转角的测量，准直透镜的焦距不能过大，因此限制了偏摆角和俯仰角的测量分辨力，并且ccd获取的光斑尺寸较大，限制了偏摆角和俯仰角的测量范围，另外随着工作距离增加，光束能量发散，条纹的对比度下降，因此工作距离受限。

自准直与光束变形原理相结合方法。例如：专利号为cn103925890a的中国专利公开了一种“一种基于光束畸变的三维角度测量系统”。该方法利用自准直原理根据ccd探测器的光斑位置可测出偏摆角和俯仰角；通过柱透镜与特殊四面体反射镜使光束发生畸变，根据ccd探测器的光斑形状的改变可以测得旋转角。该方法由于通过测量图像的形变来测量旋转角，因此对系统的光学性能要求会非常高。因此光学器件的加工精度和安装精度限制了系统的测量精度，同时系统的存在的像差也使得成像不完善，系统测量误差较大。

基于多干涉仪测角法(lix,itos,gaow.measurementofsix-degree-of-freedomplanarmotionsbyusingamultiprobesurfaceencoder[j].opticalengineering,2014,53(12):122405.)。该方法利用不同光束的光程差与相应光束的距离的比值测量靶标的偏摆角和俯仰角；通过测量不同光束在光电探测器的竖直方向的位置差与相应光束间距离的比值来测量旋转角。该测量系统涉及到多个干涉仪，系统复杂，测量容易受到环境干扰，测量稳定性较差。

基于反射光栅自准直测角法(gaow,saitoy,mutoh,etal.athree-axisautocollimatorfordetectionofangularerrormotionsofaprecisionstage[j].cirpannals-manufacturingtechnology,2011,60(1):515-518.)。该方法通过测量反射光栅的零级、正负一级衍射光束传播方向随着反射光栅三维角度变化的变化量来测量光栅的角度变化值。该方法可以实现三维角度测量，但是该方法无法消除光源的角度漂移以及环境对角度测量的影响，同时由于衍射角的存在使得该方法不适合长工作距离测量，并且俯仰角和旋转角之间由于测量原理的原因其测量范围相互制约。

技术实现要素：

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，提出了一种基于光栅的共光路跟随式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：基于光栅的共光路跟随式高精度三维角度测量方法包括以下步骤：

①、将激光光源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；

⑦、⑥中所得到的两组共光路光束分别经过偏振分光镜，得到四路待探测光束；

⑧、⑦中获得的四路待探测光束经过透镜聚焦形成待探测光斑，同时利用光电探测器探测待探测光斑的位置信息；

⑨、当三维角度产生装置产生三维角度变化时，待测量一维平面反射光栅发生相应的三维角度变化，用光电探测器探测待探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，计算获得一维平面反射光栅发生三维角度变化；

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、δdc-x、δdd-x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变化量；δda-y、δdb-y、δdc-y、δdd-y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竖直方向的变化量；f为聚焦透镜a、聚焦透镜b、聚焦透镜c和聚焦透镜d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。

⑩、通过压电陶瓷控制由一维平面透射光栅、偏振分光镜组与一维角度产生装置构成的旋转角补偿机构旋转一定的角度，该角度即为通过⑨获得的一维平面反射光栅的旋转角信息，旋转角补偿机构的旋转角由下面公式获取：

基于光栅的共光路跟随式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，且偏振分光镜a与偏振分光镜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c依次经过偏振分光镜a、偏振分光镜b后出射，得到的出射光束g与正一级衍射光束c平行；负一级衍射光束d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h与负一级衍射光束d平行；一维平面透射光栅产生的零级衍射光束b经过1/4波片垂直入射到一维平面反射光栅，衍射产生的正一级衍射光束e和负一级衍射光束f分别经过偏振分光镜a与偏振分光镜b后透射，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得正一级衍射光束e、负一级衍射光束f分别与出射光束h、出射光束g经过偏振分光镜组后光束共光路传输；两组共光路光束经过一维平面透射光栅后产生共光路衍射光束i、j与共光路衍射光束k、l；所述共光路衍射光束i、j经过偏振分光镜c分光后产生的两路光束分别由聚焦透镜a与聚焦透镜b聚焦后在焦平面形成待测光斑；所述共光路衍射光束k、l经过偏振分光镜d分光后产生的两路光束分别由聚焦透镜c与聚焦透镜d聚焦后在焦平面形成待测光斑；光电探测器a和光电探测器b分别被安装在所述聚焦透镜a、聚焦透镜b的焦平面处，光电探测器c和光电探测器d分别被安装在所述聚焦透镜c和聚焦透镜d的焦平面处；所述光电探测器a、光电探测器b、光电探测器c、光电探测器d分别与计算机相连；1/4波片、一维平面反射光栅与三维角度产生装置刚性连接；一维平面透射光栅、偏振分光镜a、偏振分光镜b与一维角度产生装置刚性连接；所述一维平面透射光栅与一维平面反射光栅光栅常数相同；

所述激光器、准直透镜、一维平面透射光栅、1/4波片、一维平面反射光栅、三维角度产生装置、聚焦透镜b、聚焦透镜d、光电探测器b、光电探测器d、计算机组成测量光束获得及测量系统；

所述激光器、准直透镜、一维平面透射光栅、偏振分光镜a、偏振分光镜b、偏振分光镜c、偏振分光镜d、光电探测器a、光电探测器c、聚焦透镜a、聚焦透镜c、计算机组成参考光束获得、测量以及旋转角补偿系统。

本发明的优点是：

(1)、利用一维平面反射光栅作为待测器件，可同时实现三维角度测量，测量原理简单，结构紧凑。

(2)、采用共光路测量原理，待测光束分为测量光束和参考光束，测量光束方向变化量包括一维平面反射光栅的角度变化值以及光束传播过程中和光源不稳定引入的角漂值，参考光束方向变化量包括光束传播过程中和光源不稳定引入的角漂值。通过对测量光束和对应的参考光束进行分析，可以消除光束传播过程中和光源不稳定引入的角度漂移值对待测角度的影响，得到精确的反射光栅的角度变化值，提高了微角度测量的测量精度和长时间测量的稳定性。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发出的准直光束平行的光束，在使探测单元更加紧凑的同时，增大了工作距离，更利于实际应用。

(3)、采用跟随式测量方式和闭环控制以及柔性机械偏转系统，在实现高精度、高稳定性三维角度测量的同时，大幅度提高了旋转角的测量范围，同时消除了旋转角变化对俯仰角测量范围的限制。

附图说明

图1是基于光栅的共光路跟随式高精度三维角度测量装置结构示意图

图2是测量光束测量系统示意图

图3是参考光束测量系统示意图

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、1/4波片6、一维平面反射光栅7、三维角度产生装置8、偏振分光镜b9、一维角度产生装置10、偏振分光镜d11、光电探测器c12、聚焦透镜c13、聚焦透镜d14、光电探测器d15、偏振分光镜c16、光电探测器a17、聚焦透镜a18聚焦透镜b19、光电探测器b20、计算机

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方案做详细描述。

本发明所述基于光栅的共光路跟随式高精度三维角度测量方法包括以下步骤：

①、将激光光源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；

⑦、⑥中所得到的两组共光路光束分别经过偏振分光镜，得到四路待探测光束；

⑧、⑦中获得的四路待探测光束经过透镜聚焦形成待探测光斑，同时利用光电探测器探测待探测光斑的位置信息；

⑨、当三维角度产生装置产生三维角度变化时，待测量一维平面反射光栅发生相应的三维角度变化，用光电探测器探测待探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，计算获得一维平面反射光栅发生三维角度变化；

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、δdc-x、δdd-x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变化量；δda-y、δdb-y、δdc-y、δdd-y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竖直方向的变化量；f为聚焦透镜a、聚焦透镜b、聚焦透镜c和聚焦透镜d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。

⑩、通过压电陶瓷控制由一维平面透射光栅、偏振分光镜组与一维角度产生装置构成的旋转角补偿机构旋转一定的角度，该角度即为通过⑨获得的一维平面反射光栅的旋转角信息，旋转角补偿机构的旋转角由下面公式获取：

基于光栅的共光路跟随式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a4、偏振分光镜b8置于一维平面透射光栅3后侧，且偏振分光镜a4与偏振分光镜b8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c依次经过偏振分光镜a4、偏振分光镜b8后出射，得到的出射光束g与正一级衍射光束c平行；负一级衍射光束d依次经过偏振分光镜b8、偏振分光镜a4后出射，得到的出射光束h与负一级衍射光束d平行；一维平面透射光栅3产生的零级衍射光束b经过1/4波片5垂直入射到一维平面反射光栅6，衍射产生的正一级衍射光束e和负一级衍射光束f分别经过偏振分光镜a4与偏振分光镜b8后透射，调整一维平面反射光栅6与一维平面透射光栅3之间的距离使得正一级衍射光束e、负一级衍射光束f分别与出射光束h、出射光束g经过偏振分光镜组后光束共光路传输；两组共光路光束经过一维平面透射光栅3后产生共光路衍射光束i、j与共光路衍射光束k、l；所述共光路衍射光束i、j经过偏振分光镜c15分光后产生的两路光束分别由聚焦透镜a17与聚焦透镜b18聚焦后在焦平面形成待测光斑；所述共光路衍射光束k、l经过偏振分光镜d10分光后产生的两路光束分别由聚焦透镜c12与聚焦透镜d13聚焦后在焦平面形成待测光斑；光电探测器a16和光电探测器b19分别被安装在所述聚焦透镜a17、聚焦透镜b18的焦平面处，光电探测器c11和光电探测器d14分别被安装在所述聚焦透镜c12和聚焦透镜d13的焦平面处；所述光电探测器a16、光电探测器b19、光电探测器c11、光电探测器d14分别与计算机20相连；1/4波片5、一维平面反射光栅6与三维角度产生装置7刚性连接；一维平面透射光栅3、偏振分光镜a4、偏振分光镜b8与一维角度产生装置9刚性连接；所述一维平面透射光栅3与一维平面反射光栅6光栅常数相同；

所述激光器1、准直透镜2、一维平面透射光栅3、1/4波片5、一维平面反射光栅6、三维角度产生装置7、聚焦透镜b18、聚焦透镜d13、光电探测器b19、光电探测器d14、计算机20组成测量光束获得及测量系统；

所述激光器1、准直透镜2、一维平面透射光栅3、偏振分光镜a4、偏振分光镜b8、偏振分光镜c15、偏振分光镜d10、光电探测器a16、光电探测器c11、聚焦透镜a17、聚焦透镜c12、计算机20组成参考光束获得、测量以及旋转角补偿系统。

下面结合图1和图2说明测量光束获得及测量系统的工作过程：所述激光器1出射的光束经过准直透镜2准直后变为准直光束a，准直光束a垂直入射到一维平面透射光栅3后产生的零级衍射光束b继续垂直入射到一维平面反射光栅6，经一维平面反射光栅6衍射后产生正一级衍射光束d和负一级衍射光束e，正一级衍射光束d和负一级衍射光束e再次入射到一维平面透射光栅3分别产生与准直光束a平行的衍射光束f与衍射光束g，衍射光束f与衍射光束g分别经聚焦透镜d13与聚焦透镜b18聚焦后，由光电探测器d14与光电探测器b19分别接收，形成测量信号，测量信号包含一维平面透射光栅的三维角度变化信息和各种光束漂移扰动信号。

如图2所示，当一维平面反射光栅6发生三维角度变化时，正一级衍射光束e和负一级衍射光束f分别变为衍射光束e1与衍射光束f1，衍射光束e1与衍射光束f1经过一维平面透射光栅3作用后变为衍射光束i1与衍射光束k1。衍射光束i与衍射光束i1、衍射光束k与衍射光束k1之间的传播方向变化值随着一维平面反射光栅6三维角度变化而变化，因此通过测量光束方向的变化值计算出一维平面反射光栅6三维角度变化值。

下面结合图1和图3说明参考光束获得、测量以及旋转角补偿系统的工作过程：所述激光器1出射的光束经过准直透镜2准直后变为准直光束a，准直光束a垂直入射到一维平面透射光栅3后产生正一级衍射光束c与负一级衍射光束d，正一级衍射光束c依次经过偏振分光镜a4与偏振分光镜b8后再次入射到一维平面透射光栅3，得到与准直光束a平行的衍射光束j，负一级衍射光束d依次经过偏振分光镜a8与偏振分光镜b4后再次入射到一维平面透射光栅3，得到与准直光束a平行的衍射光束l，调整一维平面透射光栅3与一维平面反射光栅6之间的距离，使得衍射光束j与衍射光束i、衍射光束l与衍射光束k共光路传输，衍射光束i与衍射光束k为待测光束，衍射光束j与衍射光束l为参考光束，衍射光束j与衍射光束l分别经过偏振分光镜d15与偏振分光镜c10反射后分别经聚焦透镜c12与聚焦透镜a17聚焦后，由光电探测器c11与光电探测器a16分别接收，形成参考信号，参考信号包含各种光束漂移扰动信号；

旋转角补偿机构由一维平面透射光栅3、一维角度产生装置9、偏振分光镜a4、偏振分光镜b8组成。其中一维角度产生装置9主要由控制器与一维角度偏转装置构成。控制器控制一维角度偏转装置绕着与准直光束a垂直的方向旋转，控制器的输出信号有下面公式给出：

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