光学测量作为无损高精度检测的主要手段,在工业生产、国防重工、科学研究等众多领域备受推崇。然而,由于物体滚转角地变化并不改变光路和光轴的倾角,因此,光学测量还始终停留在二维测量技术范畴。近年来,基于不同光学原理的三维角度测量技术被陆续提出。例如,单目视觉法,能够实现较大的测量范围及三个维度角的独立识别,但精度较低。干涉法具有高分辨率和高精度测量性能,但干涉信号测量系统内部光学元件多,光路偏转次数多,测量范围受限。偏振变化法测量范围大但分辨率低,不适合高精度测量场合。所以,目前亟需能满足高分辨率、高精度、三维角度同时测量等性能优势的测量系统。当前,自准直仪与其他测量仪器而言具备更高精度、更高分辨率和更远程测距等性能优势,有望成为未来三维角度测量技术的研究热点。基于此,本文提出了一种基于空间坐标向量解析的滚转角测量理论,并设计了滚转角测量角锥镜结构,实现了滚转角的测量,解决了滚转角测量技术难题。在此基础上,本文利用空间向量解析的方法,探明了多维反射体结构与三维角度信息解算的相互关系,提出了三维角度同时测量理论模型,并设计了三维角锥镜结构,实现了三维角度同时测量。主要研究内容和成果如下:1.建立三维自准直仪理论模型。利用空间坐标向量解析法,分析光束特性,推导非标准角锥镜的反射矩阵,获得反射光束与非标准角锥镜三维角度信息的解算关系式,提出多维非标准角锥镜与三维角度信息解算理论。2.基于三维自准直仪的理论基础,设计非标准角锥镜结构。首先,运用Solid Works软件绘制非标准角锥镜模型,Zemax软件搭建传统光电自准直仪仿真系统。将非标准角锥镜模型导入自准直仪仿真系统替换平面反射镜作为反射体部分,利用仿真系统追迹反射光斑位置变化趋势,观察仿真系统反射光斑位移变化与理论成像之间的关系,验证三维角度信息解算理论的正确性和可行性。3.实验验证。首先,基于德国物理技术研究所提出的空间角度自准直仪校准（Spatial Angular Autocollimator Calibration,SAAC）技术搭建实验标定平台,有效消除了标定仪器相互间两个测量轴同时啮合时的串扰误差,校准平台的不确定度贡献为2.25",可作为实验测量基准。然后,基于三维自准直仪进行单一维度测量实验,验证在无多维角度互相串扰的情况下三维自准直仪的实验现象,实验结果表明,在测量范围10°内,单一维度角的最大不确定度分别为57.10"、55.25"和40.43";最后,基于三维自准直仪进行三个维度角组合测量实验,验证在多维度角互相串扰的情况下的实验现象,实验表明,在测量范围10°内,三维组合角度最大不确定度分别为394.16"、455.36"和319.57"。本文在保持传统自准直仪经典内部结构的前提下,仅替换其外部测量元件实现在测量范围10°内三维角度的同时测量。与传统自准直仪的测量范围1°相比,该方法将测量范围扩大了10倍。