（问题）高端光电仪器与装备是现代科技创新的重要基础，直接影响重大科学工程的实施能力、先进制造水平以及关键领域的安全保障能力。随着先进制造、精密运动控制和重大科学装置不断迈向纳米级加工、长时间稳定运行和更复杂的工况，传统以俯仰、偏航为主的二轴角度测量已难以满足需求。越来越多的场景提出“三轴微小角度”同步高分辨力测量要求：高精度获取俯仰角、偏航角的同时，还要可靠测得滚转角的微小变化，并实现实时监测与补偿。 （原因）从技术演进来看，激光自准直凭借非接触、高灵敏度和测量效率高等特点，长期以来一直是超精密角度测量的主流方案。在二轴测量中，该技术已较成熟：利用准直物镜的“光杠杆”效应，将微小角度变化转换为探测器上的光斑位移，从而实现高灵敏度检测。但当测量从二轴扩展到三轴时，系统结构、误差耦合和标定复杂度都会显著上升，单一路径难以同时兼顾量程、精度、安装空间与环境适应性。 以超精密光刻装备为例，为保证晶圆加工精度，工件台运动过程中的姿态角检测常需达到微弧度量级；在大科学装置中，为确保实验数据可靠，需要对大尺度框架与支撑结构的微小角度形变进行在线监测与补偿；在航空航天领域，有效载荷位姿检测精度直接影响成像、测绘与指向控制效果，多传感器安装夹角的三轴姿态一致性也需要长期稳定保持。这些需求共同推动三轴超精密测角技术加速发展。 （影响）研究团队围绕三轴激光自准直测量的关键技术路径进行了系统梳理，并提出基于“两路独立自准直光路协同”的三轴测量结构：待测对象绕x、y、z三轴产生角度变化后，两路激光经物镜准直入射到目标表面并反射回程，分别由探测器接收并解算角度信息。其中一路获取某一组合的俯仰与滚转信息，另一路获取偏航与滚转信息，通过两路结果融合实现三轴姿态角测量。该方案强调用多光路信息互补，满足高端装备对“同时、同域、同基准”姿态感知的需求。 同时，团队对现有典型三轴方案的瓶颈进行了归纳分析。以“双路自准直法”为例，该方法在空间以一定夹角布置两套传统自准直系统来获得三轴信息，结构直观、工程实现相对容易，但也引入新的误差与约束：其一，两路系统往往都能感知某一共同轴（如偏航或滚转有关量），当两路结果存在偏差时，如何可信融合并完成一致性校准成为关键；其二，正交或特定夹角的布置对工作距离、测量范围和安装空间提出较强限制，在大型装备的狭小腔体或复杂光机结构中落地难度更高。 再如“光束变形法”等路线，通过引入楔形棱镜等器件作为反射靶标，使光束随滚转角变化产生特征变形，并结合光斑空间位置变化解算俯仰与偏航，思路较新，但对器件加工与装调精度、系统稳定性以及误差建模提出更高要求，其工程可复制性与长期运行可靠性仍需继续验证。 （对策）面向工程应用的三轴超精密测角，关键是同时解决“测得准”和“用得稳”。业内普遍认为，下一步需要在三上持续攻关：一是围绕多光路信息融合建立可溯源的统一标定与误差分离模型，解决共同轴信息不一致带来的融合难题；二是提升结构紧凑化与集成能力，在保证精度的同时拓展工作距离与适用量程，降低对严格正交布置的依赖；三是增强对温漂、振动、空气扰动等环境因素的抑制与补偿能力，形成适配超精密运动平台的在线检测方案，推动技术从原理验证走向装备级应用。 （前景）随着工业母机、光刻装备、空间遥感与大科学装置对“高精度、长时间、强鲁棒”姿态感知的需求持续提升，三轴激光自准直测角有望在超精密制造过程监测、关键部件装调检测、在轨载荷标定与结构健康监测等场景拓展应用。通过多光路协同、算法融合与高稳定光机系统的综合突破，三轴姿态测量能力有望向更高分辨力、更强环境适应性与更易工程部署的方向演进，为高端装备关键环节提供更可靠的微小角度测量基础。
从微米到纳米，从二轴到三轴，每一次测量精度的提升都在重塑现代工业的精度边界。该进展不仅说明了我国在精密仪器领域的自主突破，也提示我们：只有持续投入基础研究，才能为高端装备装上更可靠的“中国眼睛”，在全球科技竞争中争取更主动的位置。