随着现代计量光学的深入发展以及在微米和亚微米尺度研究的微小光学逐渐成熟,越来越多的学者利用光学器件、光学原理以及光学效应的来进行微小角度测量的研究。同时,对于微小角度测量的精确度、远距离、简洁度以及测量的时实性等要求越来越高。微光学器件,由光的传播方式的不同,可以分为折射光学器件和衍射光学器件。如,变折射率平面微透镜阵列是属于折射型光学器件,二元光学器件是衍射型光学器件。现如今光学精密器件的制作工艺也日益完善,比如折射型光学器件的平面微透镜阵列,采用的光刻离子交换制作工艺也日驱成熟。在这个日新月异、高速发展的信息化时代,微光学元件的应用发挥着举足轻重的作用。目前,微光学器件在光学测量、光学计算、光通信、光束整形、光学成像特性、光通信等方面有着不可估量的作用。微小旋转角度的测量目前广泛应用于导弹跟踪、卫星测量、传感与检测、机器人应用、船舰追踪、无人机跟踪、数控机床等航天航空、航海、医疗等多个领域。但是,目前的微小角度测量技术存在测量结果精确度不高、测量方法复杂、测量数据不易处理、测量的时效性不强等缺点。因此,急需要寻找一种简单、高效、精确的测量技术。微小旋转角度由于角度较小,没有特定的取值范围,一般采用微型角度传感器来测量,利用电磁感应原理,把测量到的角度信号转化为电信号,最后再输出电信号值。也有采用切线位移法、激光自准直法等众多测量方法。在这些测量微小角度的方法中,采用光学原理的方法来测量,具有测量结果精确度高、测量过程具有非接触性等优势,这几年逐渐成为研究微小角度的热点。利用光学原理测量时,一般会利用一种重要的光学元件:光栅。如衍射光栅、划线光栅、全息光栅、阵列波导光栅、光纤光栅、达曼(Dammann)光栅等等,各种新型光栅的衍射结构具有空间周期性的特点。本文重点研究的是由纵横交错的栅线交叉形成,形如方形阵列结构的二维栅格。着重分析二维透射光栅的泰伯效应以及所产生的莫尔条纹,提出利用泰伯-莫尔效应法,可对微小旋转角度进行快速高效、非接触性、高精度测量。主要完成的工作如下:(1)深入详细分析利用二维栅格泰伯效应产生莫尔叠栅条纹进行微小旋转角度测量的理论原理。即周期性结构物体的泰伯效应,包括对周期性物体完全相同的泰伯像和完全相反的泰伯子像进行分析;对周期性结构物体相互叠合形成莫尔叠栅条纹的动态显示效应的原理以及莫尔条纹节距的特点,即莫尔条纹宽度越大,栅线夹角越小的规律进行深入分析,为提出微小旋转角度的测量原理和实验验证分析奠定基础。(2)本文提出了利用单色平行光入射第一块二维栅格,在泰伯距离处形成相同的泰伯像,选取合适的泰伯像,此时再与第二块二维栅格形成莫尔叠栅条纹,利用莫尔条纹具有放大的动态显示效应,进行微小旋转角度非接触远距离的测量。搭建了二维栅格衍射光学测试系统以及微小旋转角度测试系统,进行实验测量和实验数据处理,且所得的实验结果与理论分析保持一致。因此,利用周期性物体的泰伯效应产生自成像的莫尔叠栅条纹测量微小角度是可行的,并把这种测量方法称为泰伯—莫尔效应法。总之,本文丰富了现代计量光学微小角度测量的内容。所提出的二维光栅泰伯效应产生放大的莫尔叠栅条纹测量微小角度的方法具有高精度性、非接触性、高灵敏性、高时效性等优势,对航天航空航海以及生产生活等各个领域具有一定的应用价值。