本發(fā)明涉及一種空間姿態(tài)測頭，特別是關于一種基于組合光柵的高信噪比空間姿態(tài)無源測頭，屬于光學測量。

背景技術：

1、六自由度同步測量系統(tǒng)用于測繪機床誤差圖并進行機床校準，可以同時測量多參數，簡化調整步驟，節(jié)約調整時間。在六自由度同步測量系統(tǒng)中，測頭設計包括有源測頭和無源測頭。有源測頭在測量過程中易受到線纜拖拽的影響，也有采用電池供電、無線信號傳輸的設計，但是體積相對龐大，抗干擾能力有限，測量姿態(tài)范圍較小，制造成本更高。相應地，無源測頭具有外形緊湊、體積小巧及制造成本低的優(yōu)點。

2、現有技術中公開的基于二維光柵的空間姿態(tài)無源測頭，包括一個整體的透射二維光柵和一個角錐棱鏡(或兩個二維光柵)，一束光入射該測頭后，經過光柵衍射、角錐棱鏡定向反射及光柵第二次衍射，獲得與原始入射光互相平行的測量光束，通過將測量光束之間的光程差(光波的相位差)和測頭的空間姿態(tài)建立起定量關系，從而實現測頭空間姿態(tài)的測量。

3、上述技術只包含一個整體的透射二維光柵和一個角錐棱鏡(或兩個二維光柵)，光束至少兩次入射二維光柵，每一次入射二維光柵通常至少產生9個衍射級次，而這些衍射光束中只有4～5束與入射光反向平行的光束用于空間姿態(tài)測量，對于空間姿態(tài)測量無用的衍射級次分走了大部分的入射光能量，經兩次衍射后，與最初入射光相互平行的第二次衍射光光強極弱，通常只有最初入射光的1～2％，極大降低了空間姿態(tài)測量的信噪比，導致空間姿態(tài)測量的隨機誤差增大。

技術實現思路

1、本發(fā)明旨在至少解決現有技術中存在的技術問題之一。為此，針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種基于組合光柵的高信噪比空間姿態(tài)無源測頭，解決現有技術中基于二維光柵的空間姿態(tài)無源測頭的返回光強度低導致的信噪比不足問題。

2、為了實現上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術方案為：

3、第一方面，本發(fā)明提供的一種基于組合光柵的高信噪比空間姿態(tài)無源測頭，該測頭包括角錐棱鏡和第一～第五透射光柵；所述角錐棱鏡的底部固定連接所述第一～第五透射光柵，且所述第一～第五透射光柵共面；第一透射光柵設置在所述角錐棱鏡底部中心，所述第一透射光柵采用二維透射光柵；第二～第五透射光柵設置在所述第一透射光柵的周邊，所述第二～第五透射光柵采用一維透射光柵，其中，所述第一～第五透射光柵呈“十”字型設置。

4、一個可能的實施方式中，所述第一透射光柵的兩個主周期方向為x軸和y軸，z軸與所述第一透射光柵平面的法線方向平行，所述第二透射光柵和第三透射光柵沿著x軸分布于所述第一透射光柵的兩側，所述第二透射光柵和所述第三透射光柵的柵線方向與y軸平行，所述第四透射光柵和所述第五透射光柵沿著y軸分布于所述第一透射光柵的兩側，所述第四透射光柵和所述第五透射光柵的柵線方向與x軸平行。

5、一個可能的實施方式中，所述第二透射光柵和所述第三透射光柵的光柵周期與所述第一透射光柵沿x軸的光柵周期均相等；所述第四透射光柵和第五透射的光柵周期與所述第一透射光柵沿y軸的光柵周期均相等。

6、一個可能的實施方式中，入射光以接近垂直的角度入射到所述第一透射光柵，經所述第一透射光柵產生的五束第一次衍射光由所述角錐棱鏡反射三次，得到的所述角錐棱鏡出射光與五束第一次衍射光分別平行；所述角錐棱鏡的五束出射光分別入射所述第一透射光柵至第五透射光柵，分別經所述第一透射光柵至第五透射光柵出射的五束第二次衍射光與原始入射光相互平行。

7、一個可能的實施方式中，第二～第五透射光柵采用閃耀光柵，能夠將衍射光能量集中到所需的+1或-1級衍射光上，即能夠使經所述角錐棱鏡的五束出射光分別到第一透射光柵至第五透射光柵出射的五束第二次衍射光衍射效率均達到90％以上。

8、一個可能的實施方式中，五束第二次衍射光在空間上彼此不重疊，且五束第二次衍射光在光柵平面上的截面分別被所述第一～第五透射光柵完整覆蓋。

9、第二方面，本發(fā)明還提供一種基于組合光柵的高信噪比空間姿態(tài)無源測頭，該測頭包括角錐棱鏡、第一透射光柵和第二透射光柵，所述第一透射光柵和第二透射光柵均采用一維透射光柵；所述角錐棱鏡的底面依次固定連接所述第一透射光柵和所述第二透射光柵，所述第一透射光柵和第二透射光柵間隔設置，且所述第一透射光柵和第二透射光柵所在平面相互平行，其中，所述第一透射光柵和第二透射光柵投影呈“十”字形設置。

10、一個可能的實施方式中，所述第一透射光柵的主周期方向為x軸，所述第二透射光柵的主周期方向為y軸，z軸與所述第一透射光柵平面的法線方向平行，其中，所述第一透射光柵沿x軸方向完全覆蓋所述角錐棱鏡底部，沿y軸方向具有一定寬度，柵線方向與y軸平行；所述第二透射光柵沿y軸方向完全覆蓋所述角錐棱鏡底部，沿x軸方向具有一定寬度，柵線方向與x軸平行，當沿z軸方向觀察，所述第一透射光柵與所述第二透射光柵的投影呈“十”字形。

11、一個可能的實施方式中，所述第一透射光柵和所述第二透射光柵采用兩個分立的透射光柵間隔設置在所述角錐棱鏡的底部，或者所述角錐棱鏡底面固定連接一體雙面的透射光柵。

12、一個可能的實施方式中，入射光以接近垂直的角度入射到所述第一透射光柵和第二透射光柵，經所述第一透射光柵和第二透射光柵產生的五束第一次衍射光由所述角錐棱鏡反射三次，得到的所述角錐棱鏡出射光與五束第一次衍射光分別平行，所述角錐棱鏡的五束出射光分別入射到所述第一透射光柵和第二透射光柵出射，分別經所述第一透射光柵和第二透射光柵出射的五束第二次衍射光與原始入射光相互平行。

13、本發(fā)明由于采取以上技術方案，其具有以下特點：

14、1、本發(fā)明的基于組合光柵的高信噪比空間姿態(tài)無源測頭，通過組合多個不同維度(一維或二維)、不同柵線方向的光柵，直接獲得更少的無用衍射級次，減少光束在測頭中傳播的能量損耗，從而實現高信噪比的空間姿態(tài)測量。

15、2、本發(fā)明在基于光柵的無源測頭中，分別對不同光束使用多個不同柵線形狀光柵，獲得更高的衍射效率，并將衍射光能量集中到空間姿態(tài)測量所需的光束上，以減少光束在測頭中傳播的能量損耗。

16、綜上，本發(fā)明可以廣泛應用于高信噪比的高精度空間姿態(tài)測量。

技術特征：

1.一種基于組合光柵的高信噪比空間姿態(tài)無源測頭，其特征在于，該測頭包括角錐棱鏡和第一～第五透射光柵；

2.根據權利要求1所述的基于組合光柵的高信噪比空間姿態(tài)無源測頭，其特征在于，所述第一透射光柵的兩個主周期方向為x軸和y軸，z軸與所述第一透射光柵平面的法線方向平行，所述第二透射光柵和第三透射光柵沿著x軸分布于所述第一透射光柵的兩側，所述第二透射光柵和所述第三透射光柵的柵線方向與y軸平行，所述第四透射光柵和所述第五透射光柵沿著y軸分布于所述第一透射光柵的兩側，所述第四透射光柵和所述第五透射光柵的柵線方向與x軸平行。

3.根據權利要求2所述的基于組合光柵的高信噪比空間姿態(tài)無源測頭，其特征在于，所述第二透射光柵和所述第三透射光柵的光柵周期與所述第一透射光柵沿x軸的光柵周期均相等；所述第四透射光柵和第五透射的光柵周期與所述第一透射光柵沿y軸的光柵周期均相等。

4.根據權利要求1所述的基于組合光柵的高信噪比空間姿態(tài)無源測頭，其特征在于，入射光以接近垂直的角度入射到所述第一透射光柵，經所述第一透射光柵產生的五束第一次衍射光由所述角錐棱鏡反射三次，得到的所述角錐棱鏡出射光與五束第一次衍射光分別平行；所述角錐棱鏡的五束出射光分別入射所述第一透射光柵至第五透射光柵，分別經所述第一透射光柵至第五透射光柵出射的五束第二次衍射光與原始入射光相互平行。

5.根據權利要求4所述的基于組合光柵的高信噪比空間姿態(tài)無源測頭，其特征在于，第二～第五透射光柵采用閃耀光柵，能夠將衍射光能量集中到所需的+1或-1級衍射光上，即能夠使經所述角錐棱鏡的五束出射光分別到第一透射光柵至第五透射光柵出射的五束第二次衍射光衍射效率均達到90％以上。

6.根據權利要求4所述的基于組合光柵的高信噪比空間姿態(tài)無源測頭，其特征在于，五束第二次衍射光在空間上彼此不重疊，且五束第二次衍射光在光柵平面上的截面分別被所述第一～第五透射光柵完整覆蓋。

7.一種基于組合光柵的高信噪比空間姿態(tài)無源測頭，其特征在于，該測頭包括角錐棱鏡、第一透射光柵和第二透射光柵，所述第一透射光柵和第二透射光柵均采用一維透射光柵；

8.根據權利要求7所述的基于組合光柵的高信噪比空間姿態(tài)無源測頭，其特征在于，所述第一透射光柵的主周期方向為x軸，所述第二透射光柵的主周期方向為y軸，z軸與所述第一透射光柵平面的法線方向平行，其中，所述第一透射光柵沿x軸方向完全覆蓋所述角錐棱鏡底部，沿y軸方向具有一定寬度，柵線方向與y軸平行；所述第二透射光柵沿y軸方向完全覆蓋所述角錐棱鏡底部，沿x軸方向具有一定寬度，柵線方向與x軸平行，當沿z軸方向觀察，所述第一透射光柵與所述第二透射光柵的投影呈“十”字形。

9.根據權利要求7所述的一種基于組合光柵的高信噪比空間姿態(tài)無源測頭，其特征在于，所述第一透射光柵和所述第二透射光柵采用兩個分立的透射光柵間隔設置在所述角錐棱鏡的底部，或者所述角錐棱鏡底面固定連接一體雙面的透射光柵。

10.根據權利要求7所述的一種基于組合光柵的高信噪比空間姿態(tài)無源測頭，其特征在于，入射光以接近垂直的角度入射到所述第一透射光柵和第二透射光柵，經所述第一透射光柵和第二透射光柵產生的五束第一次衍射光由所述角錐棱鏡反射三次，得到的所述角錐棱鏡出射光與五束第一次衍射光分別平行，所述角錐棱鏡的五束出射光分別入射到所述第一透射光柵和第二透射光柵出射，分別經所述第一透射光柵和第二透射光柵出射的五束第二次衍射光與原始入射光相互平行。

技術總結
本發(fā)明提供的一種基于組合光柵的高信噪比空間姿態(tài)無源測頭，該測頭包括角錐棱鏡和第一～第五透射光柵；所述角錐棱鏡的底部固定連接所述第一～第五透射光柵，且所述第一～第五透射光柵共面，第一透射光柵設置在所述角錐棱鏡底部中心，所述第一透射光柵采用二維透射光柵；第二～第五透射光柵設置在所述第一透射光柵的周邊，所述第二～第五透射光柵采用一維透射光柵，其中，所述第一～第五透射光柵呈“十”字型設置。因此，本發(fā)明通過組合多個不同維度(一維或二維)、不同柵線方向的光柵，直接獲得更少的無用衍射級次，減少光束在測頭中傳播的能量損耗，從而實現高信噪比的空間姿態(tài)測量。

技術研發(fā)人員：許晨璐,吳冠豪,曾理江
受保護的技術使用者：清華大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2025/5/15