[发明专利]一种绝对式六自由度光栅编码器

说明书

本发明公开了一种绝对式六自由度光栅编码器，包括由光源模块产生的准直光束，经PBS产生光束L1和L2，所述光束L2首先通过复合光栅分光模块分光为光束L2‑1、L2‑2和L2‑3，光束L2‑1利用复合光栅的二维光栅区域产生衍射光，所述衍射光经绝对式四自由度测量模块测量出复合光栅的θsubgt;x/subgt;,θsubgt;y/subgt;,θsubgt;z/subgt;及z方向绝对位姿，所述L2‑2和L2‑3两光束分别通过X和Y向掩膜版进入参考码道，所述掩膜版与参考码道拥有同样的编码，在码道对齐时会产生负向脉冲，以此标记零位。光束L2‑1衍射产生的光束，与光束L1在二维参考光栅产生的光束产生干涉现象，并由绝对式二自由度测量模块接收，解析x和y方向的相位变化进而得到位移增量信息，耦合负向脉冲的标记得到其绝对位姿。

技术领域

本发明涉及位姿测量技术领域，具体为一种绝对式六自由度光栅编码器。

背景技术

合成孔径光学系统是对孔径的拓展，主要可用于大型望远镜和高能激光物理聚焦镜等。科学仪器望远镜是目前人类探索宇宙的重要手段之一，无论何种望远镜，比如射电望远镜、光学望远镜，其主要性能参数之一是分辨率，分辨率和其口径大小相关，但单块大面积望远镜镜面难以制作，目前主要采用的子镜拼装的方式，观测性能受限于其子镜的拼接精度，同时由于重力载荷、温度变化、湿度变化等环境因素的影响，安装完成的子镜间相对位姿会产生微小变化，这会直接导致主镜产生较大的面形误差。而另外一种则是高能激光的聚焦镜面，这种聚焦同样需要子镜的安装配合，尽可能的减少面型误差，才能保证能量的高度集中。目前的位姿测量方案对环境稳定性要求较高，长期使用且矫正下仍然出现面型误差，因此急需一种更稳定、更高精度的，能够对位姿进行绝对测量的设备。

随着望远镜的使用，误差累计将导致其性能大幅下降，例如南非大望远镜由于湿度影响造成观测性能下降，霍比埃伯利望远镜由于温度影响而产生的观测性能下降。在即将建成的大麦哲伦望远镜中，也对子镜位姿测量极为关注。由中国参与，多国合作研究的30m望远镜(ThirtyMeterTelescope)，其主镜由492块六边形子镜拼接而成，预计2027年完工后会成为世界首座极端巨大望远镜。2021年12月25日，耗资约100亿美元的詹姆斯韦伯太空望远镜从法属圭亚那库鲁航天中心发射升空，其寿命的限制之一也是子镜的姿态。而高能激光物理研究的聚焦过程往往也需要较长的工作时间，在此期间均要保持子镜镜面的位姿标准。因而，子镜的空间位姿检测需求十分急切，不仅在安装时需要检测绝对位姿，并且需要在后续使用过程中测量并反馈，从而调节子镜的位姿，进而主动控制子镜使主镜面形满足需求。如何对子镜位姿进行高精度测量，为实现子镜共焦和共相的调整提供依据，是用于天文观测的大口径光学系统研究的核心技术。

关于位姿测量有电磁式位移测量和光学位移测量，其中电磁式测量方法中，电容式传感器的精度可达纳米级别，由多个电容传感器组成的多自由度测量系统。目前已用于凯克和加纳利大型望远镜的子镜位姿的实时检测，其有较高的准确性和稳定性，但是由电容传感器组成的测量系统不仅复杂，并且对温度和湿度敏感，长期累积存在误差较大的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在使用过程中能够减少误差的绝对式六自由度光栅编码器，以便实现合成孔径光学系统位姿的精准监控。