一种用于三坐标测量的大数值孔径光纤点衍射干涉装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种用于三坐标测量的大数值孔径光纤点衍射干涉装置及方法，涉及光学测量。激光器发出光经过偏振分光棱镜分成透射光和反射光，透射光在亚波长孔径光纤出射端产生点衍射球面波前W2，反射光经过移动的反射镜反射后在亚波长孔径光纤出射端产生点衍射球面波前W1，CCD探测器采集W1和W2干涉条纹，通过多步移相和L-M算法的二重迭代算法实现被测目标的三维坐标的测量。本发明专利技术解决现有技术三坐标测量点衍射干涉仪难以同时实现大数值孔径和高能量的衍射球面波前问题。有益效果：两个亚波长孔径光纤的探针作为测量探头，获得高亮度和大数值孔径的点衍射球面波前降低感光灵敏度的要求，扩大三坐标测量的光纤点衍射干涉系统测量范围。

【技术实现步骤摘要】
-种用于三坐标测量的大数值孔径光纤点衍射干涉装置及 方法
本专利技术涉及光学测量
，尤其是涉及一种用于三坐标测量的大数值孔径光 纤点衍射干涉装置及测量方法。
技术介绍
随着现代精密测量技术发展，三维坐标测量技术在精密测量、设计和生产加工中 的各个领域，例如空间定位、大型工件装配、尺寸测量、模具设计制造与检测、汽车制造等， 得到了越来越广泛的应用。同时，随着精密加工制造技术的不断发展，对三维坐标测量技术 的需求也不断提高。目前三维坐标测量主要采用三坐标测量机和多路激光跟踪仪。三坐标 测量机需要配置制作复杂、价格高昂的长导轨与庞大的测量平台，其结构复杂、设备庞大。 因此，不适用于现场测量。多路激光跟踪仪进行三维坐标测量一般需要多个测量仪器，成本 高，在系统布局方面存在一定难度，而且被测目标的形状误差和材料的不均匀性都将引入 非常大的测量误差，因此无法满足微米或者亚微米的测量精度要求。近年来，随着点衍射干 涉技术的快速发展，一种含有两点衍射光源的点衍射干涉仪被应用于三维坐标的测量，其 利用点衍射原理获得理想球面波前作为参考波前可以获得优于1〇_ 4A(波长A=632. 8nm) 量级的测量基准，避免了定位系统中标准镜所带来的误差，并且测量精度高具有较好的重 复性。目前国内外已公开的点衍射干涉系统中，基本都是利用针孔和单模光纤点衍射方法 来获得理想球面波前。针孔点衍射是利用亚微米量级甚至更小尺寸的衍射针孔来得到大数 值孔径点衍射球面波前。但是，微小尺寸针孔衍射的光强透过率非常低，导致所得衍射波前 能量变得非常微弱。因此，对系统中探测器感光灵敏度和检测系统的调整提出了很高的要 求。中国专利申请公布号CN103217104A，申请公布日2013年7月24日，名称为一种点衍射 三维绝对位移无导轨测量装置及方法的专利技术专利申请文件，公开了一种点衍射三维绝对 位移无导轨测量装置及方法。该测量装置为：线偏振激光器、第一个二分之一波片、偏振分 光棱镜、第二个二分之一波片、第一个光纤稱合器、第一根单模光纤、点衍射光纤探头、CCD 光电探测器、计算机顺次相连；线偏振激光器、第一个二分之一波片、偏振分光棱镜、四分之 一波片、反射镜、PZT移相器、第二个光纤稱合器、第二根单模光纤、点衍射光纤探头、CCD光 电探测器、计算机顺次相连。该测量方法为：线偏振激光器的线偏振光经第一个二分之一波 片后，被偏振分光棱镜分成反射光和透射光两部分。反射光被安装于移相器上的反射镜反 射前后共两次经过四分之一波片，并透过偏振分光棱镜，经光纤耦合器耦合到一根单模光 纤上；透射光通过第二个二分之一波片后，经光纤耦合器耦合到另一根单模光纤上。将两根 光纤的末端集成于一个点衍射光纤探头并安装在发生位移的被测目标上，可用探测器实时 采集干涉图。根据所得干涉场相位分布，组成非线性超定方程组，运用高斯牛顿迭代算法重 构出被测目标的三维绝对位移。该结构基于单模光纤获得具有较高亮度的点衍射球面波前 解决了传统三坐标装置结构复杂、设备庞大以及需要配置精密导轨等问题。但是，直接用单 模光纤作为点衍射源，虽然能实现较高的光强透过率，但其点衍射波前孔径角非常小，从而 限制了系统的横向（x-y方向）测量范围。另外，该方法是基于高斯牛顿迭代算法的，高斯 牛顿迭代算法效率低，收敛域低易发散并且十分依赖初值。这算法的初值在测量值的附近 才有效，如果初值离测量值比较远算法就失效了。
技术实现思路
为了解决现有技术存在的用于三坐标测量的点衍射干涉仪难以同时实现大数值 孔径和高能量的衍射球面波前的技术问题，本专利技术提供一种用于三坐标测量的大数值孔径 光纤点衍射干涉装置及方法，扩大光纤点衍射干涉系统的测量范围，同时降低了对探测器 的感光灵敏度的要求，为大数值孔径球面波对应范围的三维坐标高精度测量提供了可行方 法。 本专利技术的技术方案是： 一种用于三坐标测量的大数值孔径光纤点衍射干涉装置，它包括激光器、二分之一波 片I、偏振分光棱镜、四分之一波片、反射镜、移相器、二分之一波片II、测量探头、CCD探测 器，测量探头连接有亚波长孔径单模光纤I和亚波长孔径单模光纤II，亚波长孔径单模光 纤I与测量探头连接部为出射端，另一端连接有光纤耦合器I，亚波长孔径单模光纤II与 测量探头连接部为出射端，另一端连接有光纤耦合器II，反射镜与移相器输出端连接，激光 器发出的光经过二分之一波片I射入偏振分光棱镜，分成透射光P和反射光s，透射光p经 过二分之一波片II射入光纤耦合器II，在亚波长孔径单模光纤II出射端产生点衍射球面波 前W2,反射光s经过四分之一波片，射入反射镜，反射后，依次经过四分之一波片和偏振分 光棱镜射入光纤稱合器I，在亚波长孔径单模光纤I出射端产生点衍射球面波前Wl，CCD 探测器采集点衍射球面波前W1和点衍射球面波前W2干涉条纹，CCD探测器电连接有计算 机，计算机与移相器电连接。采用两个亚波长孔径单模光纤的出射端作为测量探头，利用这 两个探头可以同时获得高亮度和大数值孔径的点衍射球面波前，不但简化了检测系统的调 整难度，降低了对探测器的感光灵敏度的要求，而且还极大地扩大了用于高精度三坐标测 量的光纤点衍射干涉系统的测量范围，尤其是横向测量范围。 作为优选，亚波长孔径单模光纤I的出射端和亚波长孔径单模光纤II的出射端呈 圆锥状，出射端出光口的直径为0. 2ym至0. 6ym;亚波长孔径单模光纤的出口孔径小于激 光器发出光的波长可以获得更大数值孔径的点衍射球面波前。 作为优选，亚波长孔径单模光纤I的出射端和亚波长孔径单模光纤II的出射端的 外表面分别镀有铬金属膜层，膜层厚度为150nm至250nm;防止光纤侧壁的漏光。 作为优选，亚波长孔径单模光纤I的出射端和所述亚波长孔径单模光纤II的出射 端并排固定在测量探头上，两个出射端的间距L为700ym至800ym;可以用来验证算法的 正确性。 -种用于三坐标测量的大数值孔径光纤点衍射干涉装置的测量方法：偏振分光棱 镜将激光器发出的激光分成透射光P和反射光s，透射光p射入光纤稱合器II后，在亚波长 孔径单模光纤II出射端产生点衍射球面波前W2,反射光s经过与移相器连接的反射镜反 射后，射入光纤稱合器I后，在亚波长孔径单模光纤I出射端产生点衍射球面波前W1，点 衍射球面波前W1和点衍射球面波前W2形成两点衍射球面波前干涉条纹；计算机控制移相 器对反射镜进行多次移动，改变两点衍射球面波前之间的光程差，CCD探测器实时采集对 应干涉图；利用多步移相算法解调出干涉场中CCD探测器平面上任意点的相位分布；利用Levenbery-Marquard(L-M)算法的二重迭代算法算出被测目标的三维坐标值。 与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：采用两个亚波长孔径单模光纤的锥形出 射端作为测量探头，利用这两个探头可以同时获得高亮度和大数值孔径的点衍射球面波 前，不但简化了检测系统的调整难度，降低了对探测器的感光灵敏度的要求，而且还极大的 扩大了用于高精度三坐标测量的光纤点衍射干涉系统的测量范围，尤其是横向测量范围。 【附图说明】 附图1为本专利技术的连接示意图； 附图2为两根亚波长孔径单模光纤与本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于三坐标测量的大数值孔径光纤点衍射干涉装置，它包括激光器(1)、二分之一波片Ⅰ(2)、偏振分光棱镜(3)、四分之一波片(4)、反射镜(5)、移相器(6)、二分之一波片Ⅱ(9)、测量探头(12)、CCD探测器(13)，其特征在于：所述测量探头(12)连接有亚波长孔径单模光纤Ⅰ(8)和亚波长孔径单模光纤Ⅱ(11)，亚波长孔径单模光纤Ⅰ(8)与测量探头(12)连接部为出射端，另一端连接有光纤耦合器Ⅰ(7)，亚波长孔径单模光纤Ⅱ(11)与测量探头(12)连接部为出射端，另一端连接有光纤耦合器Ⅱ(10)，所述反射镜(5)与移相器(6)输出端连接，激光器(1)发出的光经过二分之一波片Ⅰ(2)射入偏振分光棱镜(3)，分成透射光p和反射光s，透射光p经过二分之一波片Ⅱ(9)射入光纤耦合器Ⅱ(10)，在亚波长孔径单模光纤Ⅱ(11)出射端产生点衍射球面波前W2，反射光s经过四分之一波片(4)，射入反射镜(5)，反射后，依次经过四分之一波片(4)和偏振分光棱镜(3)射入光纤耦合器Ⅰ(7)，在亚波长孔径单模光纤Ⅰ(8)出射端产生点衍射球面波前W1，所述CCD探测器(13)采集点衍射球面波前W1和点衍射球面波前W2干涉条纹，所述CCD探测器(13)电连接有计算机(14)，计算机(14)与移相器(6)电连接。...

【技术特征摘要】
1. 一种用于三坐标测量的大数值孔径光纤点衍射干涉装置，它包括激光器（1)、二分 之一波片I (2)、偏振分光棱镜（3)、四分之一波片（4)、反射镜（5)、移相器（6)、二分之一波 片II (9)、测量探头（12)、CCD探测器（13)，其特征在于：所述测量探头（12)连接有亚波长 孔径单模光纤I (8)和亚波长孔径单模光纤II (11)，亚波长孔径单模光纤I (8)与测量探 头（12)连接部为出射端，另一端连接有光纤耦合器I (7)，亚波长孔径单模光纤II (11)与 测量探头（12)连接部为出射端，另一端连接有光纤耦合器II (10)，所述反射镜（5)与移相 器（6)输出端连接，激光器（1)发出的光经过二分之一波片I (2)射入偏振分光棱镜（3)， 分成透射光P和反射光s，透射光p经过二分之一波片II (9)射入光纤稱合器II (10)，在 亚波长孔径单模光纤II (11)出射端产生点衍射球面波前W2,反射光s经过四分之一波片 (4) ，射入反射镜（5)，反射后，依次经过四分之一波片（4)和偏振分光棱镜（3)射入光纤耦 合器I (7)，在亚波长孔径单模光纤I (8)出射端产生点衍射球面波前W1，所述CCD探测器 (13)采集点衍射球面波前W1和点衍射球面波前W2干涉条纹，所述CCD探测器（13)电连接 有计算机（14)，计算机（14)与移相器（6)电连接。2. 根据权利要求1所述的一种用于三坐标测量的大数值孔径光纤点衍射干涉装置，其 特征在于：所述亚波长孔径单模光纤I (8)的出射端和所述亚波长孔径单模光纤II (11)的 出射端呈圆锥...

【专利技术属性】
技术研发人员：王道档，陈茜茜，徐杨波，刘维，赵军，孔明，
申请(专利权)人：中国计量学院，
类型：发明
国别省市：浙江;33