CN102519370A - 基于正交二维微焦准直的微孔测量装置与方法 - Google Patents

Abstract

基于正交二维微焦准直的微孔测量装置与方法属于精密仪器制造和精密测试计量技术领域；支撑底座上装配两个支撑架，支撑架上装配横梁，支撑底座的凹槽内装配Z向运动部件，Z向测长装置装配在Z向运动部件的侧面，工作台固定在Z向运动部件的上方，Y向测长装置装配在工作台的内部，测量传感器固定吊挂在横梁的中间位置上，X向测长装置位于支撑底座的左侧位置，其平面反射镜固定装配在测量传感器的左侧，通过数据线依次将测量传感器、X、Y、Z向测长装置与计算机相连，该方法将工作台在指定测量方向的垂直方向上不断移动，反复测量得到的两触测点间的距离的最大值即为被测微孔直径，本发明具有传感零耦合、能进行方向探测、测力小等特点。

Description

基于正交二维微焦准直的微孔测量装置与方法

技术领域

本发明属于精密仪器制造及测量技术领域，特别涉及一种基于正交二维微焦准直的微孔测量装置与方法。

背景技术

随着航空航天工业、汽车工业、电子工业以及尖端工业等的不断发展，对于精密微小内腔构件的需求急剧增长。由于受到空间尺度的限制以及测量接触力的影响，微小内腔构件内尺寸的精密测量变得难以实现，尤其是测量深度难以提高，这些已然成为制约行业发展的“瓶颈”。为了实现更小的内尺寸测量、增加测量深度，最广泛使用的办法就是使用细长的探针深入微小内腔进行探测，通过瞄准发讯的方式测量不同深度上的微小内尺寸。因此，目前微小内尺寸的精密测量以坐标测量机结合具有纤细探针的瞄准发讯式探测系统为主，由于坐标测量机技术的发展已经比较成熟，可以提供精密的三维空间运动，因此瞄准触发式探针的探测方式成为微小内腔尺寸探测系统设计的关键。

目前，微小内腔尺寸测量的主要手段包括以下几种方法：

1.天津大学的杨世民教授等人提出了一种弹性尺寸传递理论，并依据此理论研制了膜片式盲小孔测头。该测头以膜片为敏感元件，并运用电容传感器来检测膜片的形变，把测杆视为弹性体，通过精密标定，可以自动补偿弹性测杆的变形误差。将此测头安装在三坐标测量机上，可对各种方向的通盲小孔进行接触测量，测出其任意截面的尺寸和形状误差。这种测头可以用于测量直径0.3mm以上、深径比达30的盲孔，测量的线性范围±20μm，精度优于±1μm。这种方法测头与测杆难以进一步小型化，且测头的最大非线性误差为0.2μm，测量精度难以进一步提高。

2.日本的T.Masuzawa等人利用硅加工的工艺制作了硅质微型探针，把探针作为阻抗元件接入电路中，提出一种振动扫描的方法进行孔径测量，把探针的机械变动量直接转变为电信号进行测量，能够对Ф100μm孔径实施测量，测量深度为0.2mm。这种测量方法由于采用了外加振动源，测量数据的漂移较大，另外，它的探针测头末端几何形状为矩形，测量孔时存在盲区，导致测量精度只能达到亚微米级。

3.德国联邦物理技术研究院的H.Schwenke教授等人提出了一种微光珠散射成像法，实现了对探针测头位置信息的二维检测。该方法利用单光纤作为探针测杆，把微光珠粘接或者焊接到测杆末端，使光线耦合进入光纤内部传播到微光珠上形成散射，用一个面阵CCD接收散射光形成敏感信号，实现了微力接触式测量。后来H.Schwenke教授等人拓展了这种方法，在测杆上粘接了一个微光珠，同时增加了一路对该微光珠的成像光路，这使得该探测系统具有了三维探测能力，测量标准球时得到的标准偏差为0.2μm。据相关报道，此方法可以实现测量Ф151μm的孔径，测量深度为1mm。这种方法在测量深孔过程中，由于微光珠散射角度较大，随着测量深度的增加，微光珠散射成像光斑的质量由于散射光线受到孔壁遮挡而逐渐降低，导致成像模糊，降低了测量精度，因此无法实施大深径比的高精度测量。

4.哈尔滨工业大学谭久彬教授和崔继文博士等人提出一种基于双光纤耦合的探针结构，把两根光纤通过末端熔接球连接，熔接球作为测头，一根较长光纤引入光线，另外一根较短导出光线，克服了微光珠散射法测量深度的局限，可以实现对直径不小于0.01mm、深径比不大于50∶1的微深孔测量时的精确瞄准。这种方法耦合球中存在相干光干涉，导致获取的信号信噪比较低，影响测量精度进一步提升。

5.美国国家标准技术研究院使用了单光纤测杆结合微光珠测头的探针，通过光学设计在二维方向上将光纤测杆成像放大35倍左右，用2个面阵CCD分辨接收二维方向上光纤测杆所成的像，然后对接收到的图像进行轮廓检测，从而监测光纤测杆的在测量过程中的微小移动，进而实现触发式测量，该探测系统的理论分辨力可以达到4nm，探测系统的探针测头直径为Ф75μm，实验中测量了Ф129μm的孔径，其扩展不确定度概算值达到了70nm(k＝2，测量力为μN量级。这种方法探测分辨力高，测量精度高，使用的测头易于小型化，可以测量较大深径比的微孔。该方法的局限是成像单元对光纤测杆的微位移放大倍数较低(仅有35倍，必须通过图像算法进一步提高分辨力，探测光纤测杆的二维微位移必须使用两套成像系统，导致系统结构比较复杂，测量数据计算量比较大，这些因素导致探测系统的分辨力难以进一步提高，探测系统的实时性较差，系统构成比较复杂。

6.瑞士联合计量办公室研发了一个新型的坐标测量机致力于小结构件纳米精度的可追迹的测量。该测量机采用了基于并联运动学原理的弯曲铰链结构的新型接触式探针，该设计可以减小移动质量并且确保全方向的低硬度，是一个具有三维空间结构探测能力的探针。这一传感结构的测量力低于0.5mN，同时支持可更换的探针，探针测头的直径最小到Ф100μm。探测系统结合了一个由Philips CFT开发的高位置精度的平台，平台的位置精度为20nm。该测量系统测量重复性的标准偏差达到5nm，测量结果的不确定度为50nm。该种方法结构设计复杂，同时要求测杆具有较高的刚度和硬度，否则难以实现有效的位移传感，这使得测杆结构难以进一步小型化，测量深径比同时受到制约，探测系统的分辨力难以进一步提高。

7.哈尔滨工业大学谭久彬教授和王飞等人提出了一种基于单光纤探针测杆的一维微焦准直的测量方法，该方法利用单光纤探针侧测杆的超大曲率与微柱面透镜的结构特点组建了点光源一维微焦准直成像光路，通过测量成像亮条纹的能量中心的位置与条纹宽度，从而获得光纤探针测杆的二维位移量信息，若对该装置如下配置：光纤探针测杆半径为10μm，其折射率n＝1.7，像距l’＝300mm，光电接收器像元尺寸为7μm，利用图像算法能够分辨0.1个像元的变化，其理论分辨力可达0.03nm。该方法所成像亮条纹的条纹宽度不易测量，同时在二维位移测量时，存在成像信息中的耦合问题，即成像亮条纹的能量中心的位置与条纹宽度的耦合问题。

综上所述，目前微小内腔尺寸和二维坐标探测方法中，由于光纤制作的探针具有探针尺寸小、测量接触力小、测量深径比大、测量精度高的特点而获得了广泛关注，利用其特有的光学特性和机械特性通过多种方式实现了一定深度上的微小内尺寸的精密测量。现有测量手段主要存在的问题有：

1.探测系统的位移分辨力难以进一步提高。现存的探测系统的初级放大率较低，导致了其整体放大率较低，难以实现其位移分辨力的进一步提高。美国国家标准技术研究院采用的探测方法的光学测杆的光学光路放大倍率仅有35倍，较低的初级放大倍率导致了其位移分辨力难以进一步提高。

2.探测系统在测量方向上没有绝对“0”位置。现存的对微小内腔的探测手段主要通过面阵CCD所接收的二维图像来判断光纤测杆的位移，这种方法不具有绝对“0”位置，导致探测系统难以辨别测量要素的极性，也难以获得更高的测量重复性。

3.探测系统实时性差，难以实现精密的在线测量。美国国家标准技术研究院采用的探测方法必须使用两路面阵CCD接收信号图像，并且由于光纤测杆成像光路放大倍率仅有35倍，必须使用较复杂的图像算法才能实现对光纤测杆位移的高分辨力监测，这导致测量系统需要处理的数据量大大增加，降低了探测系统的实时性能，难以实现微小内腔尺寸和二维坐标测量过程中瞄准发讯与启、止测量的同步性。

4.二维位移方向探测能力不足。哈尔滨工业大学提出的基于单光纤探针测杆的一维微焦准直的测量方法在沿轴方向离焦探测时没有方向探测能力，从而无法实现全面的二维位移测量。

5.存在二维位移传感的耦合。哈尔滨工业大学提出的基于单光纤探针测杆的一维微焦准直的测量方法在二维位移传感时存在耦合，被测位移量为二维位移时，该方法获得的二维信息之间有相关性，而且无法分离，导致二维测量存在很大误差，无法实现二维位移的准确测量。

发明内容

为了克服上述已有技术的不足，以满足微小内腔尺寸和二维坐标测量的高精度、大深径比与快速测量的需求，本发明提出了一种适用于微小内腔尺寸进行测量的装置与方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于正交二维微焦准直的微孔测量装置，在支撑底座上装配两个支撑架，在支撑架上装配横梁，在支撑底座的凹槽内装配Z向运动部件，Z向测长装置装配在Z向运动部件的侧面，将工作台固定在Z向运动部件的上方，Y向测长装置装配在工作台的内部，通过传感器连接件将测量传感器固定吊挂在横梁的中间位置上，X向测长装置的双频激光器、偏振分光镜组、λ/4玻片通过三脚架装配在支撑底座的左侧位置，X向测长装置的平面反射镜固定装配在测量传感器的左侧，通过数据线依次分别将测量传感器、Z向测长装置、Y向测长装置、X向测长装置与计算机相连；测量传感器的结构是：在装配台上安装第一连接架、第二连接架、第三连接架、第四连接架、第五连接架、第六连接架、第七连接架和第八连接架，第一位置调整架、第二位置调整架、分光镜、第四位置调整架、第三位置调整架、第五位置调整架、光电接收器A、光电接收器B分别装配在第一、二、三、四、五、六、七、八连接架上，在第一位置调整架上装配激光光源，在第二位置调整架上装配激光扩束镜，在第三位置调整架上装配折反式长工作距透镜A，在第四位置调整架上装配折反式长工作距透镜B，分光镜、激光扩束镜和折反式长工作距透镜A依次位于激光光源的直射光路上，折反式长工作距透镜B位于分光镜的反射光路上，且激光光源直射光路与分光镜反射光路正交，折反式长工作距透镜A和光电接收器A之间的点光源一维微焦准直成像光路A与折反式长工作距透镜B和光电接收器B之间的点光源一维微焦准直成像光路B相互正交，且分别在点光源一维微焦准直成像光路A和点光源一维微焦准直成像光路B上构成点光源A和点光源B，其中点光源A和点光源B分别位于折反式长工作距透镜A和折反式长工作距透镜B的像方焦点上，在第五位置调整架上安装光纤探针，光纤探针的末端为球形，光纤探针的测杆位于点光源一维微焦准直成像光路A和B的正交光路上，且点光源A和点光源B分别位于光纤探针的测杆的物方焦点上，点光源一维微焦准直成像光路A和B分别在光电接收器A和B上所成的两条亮条纹同时具有最小的偏度绝对值，此时光纤探针的位置为二维方向上的绝对“0”位置；工作台具有5个方向的自由度，可沿X、Y两轴做平移运动，绕着Z轴转动，绕着X轴、Y轴做俯仰运动，其中，点光源一维微焦准直成像光路A位于Y轴所在的方向上，点光源一维微焦准直成像光路B位于X轴所在的方向上，且Y向测长装置的中心线位于光纤探针的轴线与点光源一维微焦准直成像光路A的轴线所构成的平面上；X向测长装置由双频激光器、偏振分光镜组、λ/4玻片、平面反射镜构成，其中双频激光器、偏振分光镜组、λ/4玻片与点光源一维微焦准直成像光路B共轴；被测微孔放置在工作台上，光纤探针的球形末端与部分测杆伸入被测微孔内。

一种基于正交二维微焦准直的微孔测量方法，步骤如下：对光纤测杆的位置进行调整，使之位于绝对“0”位置；将光纤探针的球形末端与部分测杆伸入被测微孔内，将其位置锁定在某一指定截面，并沿某一指定的测量方向移动工作台；当光纤探针的球形末端与被测微孔内壁一侧可靠接触时，测量传感器发出信号，X向测长装置、Y向测长装置开始工作，并分别记录当前的X向位置信息p₁₁与Y向位置信息p₂₁；此后沿指定的测量方向的反方向移动工作台；光纤探针的球形末端与被测微孔另一侧内壁可靠接触时，测量传感器再次发出信号，X向测长装置、Y向测长装置开始工作，并分别再次记录当前的X向位置信息p₃₁与Y向位置信息p₄₁；此后计算得出光纤探针相对于被测微孔的位移量Δ₁＝((p₃₁-p₁₁)²+(p₄₁-p₂₁)²)^0.5；此后将被测微孔在与指定的测长方向垂直的方向上移动一段距离，再将工作台沿指定的测量方向移动，并使光纤探针的球形末端再次分别与被测微孔内壁两侧可靠接触，测量传感器再次发出信号，X向测长装置、Y向测长装置分别记录接触时的位置信息p₁₂、p₂₂、p₃₂、p₄₂，并再次计算得出光纤探针相对于被测微孔的位移量Δ₂＝((p₃₂-p₁₂)²+(p₄₂-p₂₂)²)^0.5；如此反复，计算得出若干组光纤探针相对于被测微孔的位移量Δ₃＝((p₃₂-p₁₂)²+(p₄₂-p₂₂)²)^0.5…Δ_k＝((p_3k-p_1k)²+(p_4k-p_2k)²)^0.5…Δ_n＝((p_3n-p_1n)²+(p_4n-p_2n)²)^0.5，测量过程停止，将其中的最大位移量记为Δ_max，被测微孔的直径为d＝Δ_max+d₀，其中d₀为光纤探针的球形末端的直径。

本发明具有以下特点及良好效果：

1.本发明所提出的装置是利用光纤探针测杆的微焦特性，组建了两路点光源一维微焦准直成像光路，利用每路光路在垂轴方向离轴过程中所形成的特有的高倍位移放大特性与二次折射偏转特性，产生了超高二维角(线位移灵敏度，从而在二维方向上位移分辨力均可达深亚纳米量级，这是本发明区别现有技术的主要创新点之一。

2.本发明所提出的装置将光纤探针测杆的二维位移转换为两条成像亮条纹的能量中心的位置的变化，这两条亮条纹的能量中心的位置在二维测量方向上各自具有惟一的极值点，这使本发明所提出的传感方法与装置在二维测量方向上具有了绝对“0”位置，而且还具有方向探测能力，这是本发明区别现有技术的主要创新点之二。

3.本发明所提出的装置具有对二维位移的传感中不存在耦合的特点，即该方法消除了现有一些方法在二维传感中存在的相关性，使各自维度的传感相互独立，这是本发明区别现有技术的主要创新点之三。

4.本发明中提出的测量方法能够实现微孔的任意指定方向的尺寸测量，这是本发明区别现有技术的主要创新点之四。

附图说明

图1为基于正交光路二维微焦准直的微孔测量装置的结构示意图

图2为图1的局部放大图

图3为测量传感器的结构示意图

图4为图3的仰视图

图5为X向测长装置的结构示意图

图6为基于正交光路二维微焦准直的微孔测量方法的测量过程示意图

图中：1-横梁，2-支撑架，3-支撑底座，4-Z向测长装置，5-Z向运动部件，6-工作台，7-Y向测长装置，8-被测微孔，9-X向测长装置，10-三脚架，11-测量传感器，12-传感器连接件，13-装配台，14-第一连接架，15-第二连接架，16-第三连接架，17-第四连接架，18-第五连接架，19-第六连接架，20-第七连接架，21-第八连接架，22-第一位置调整架，23-激光光源，24-第二位置调整架，25-激光扩束镜，26-分光镜，27-第三位置调整架，28-第四位置调整架，29a-折反式长工作距透镜A，29b-折反式长工作距透镜B，30-第五位置调整架，31a-点光源A，31b-点光源B，32-光纤探针，33a-点光源一维微焦准直成像光路A，33b-点光源一维微焦准直成像光路B，34a-光电接收器A，34b-光电接收器B，35-双频激光器，36-偏振反光镜组，37-λ/4玻片，38-平面反射镜，39-计算机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

一种基于正交二维微焦准直的微孔测量装置，在支撑底座3上装配两个支撑架2，在支撑架2上装配横梁1，在支撑底座3的凹槽内装配Z向运动部件5，Z向测长装置4装配在Z向运动部件5的侧面，将工作台6固定在Z向运动部件5的上方，Y向测长装置7装配在工作台6的内部，通过传感器连接件12将测量传感器11固定吊挂在横梁的中间位置上，X向测长装置9的双频激光器35、偏振分光镜组36、λ/4玻片37通过三脚架10装配在支撑底座3的左侧位置，X向测长装置9的平面反射镜38固定装配在测量传感器11的左侧，通过数据线依次分别将测量传感器11、Z向测长装置4、Y向测长装置7、X向测长装置9与计算机39相连；测量传感器11的结构是：在装配台13上安装第一连接架14、第二连接架15、第三连接架16、第四连接架17、第五连接架18、第六连接架19、第七连接架20和第八连接架21，第一位置调整架22、第二位置调整架24、分光镜26、第四位置调整架28、第三位置调整架27、第五位置调整架30、光电接收器A34a、光电接收器B34b分别装配在第一连接架14、第二连接架15、第三连接架16、第四连接架17、第五连接架18、第六连接架19、第七连接架20、第八连接架21上，在第一位置调整架22上装配激光光源23，在第二位置调整架24上装配激光扩束镜25，在第三位置调整架27上装配折反式长工作距透镜A29a，在第四位置调整架28上装配折反式长工作距透镜B29b，分光镜26、激光扩束镜25和折反式长工作距透镜A29a依次位于激光光源23的直射光路上，折反式长工作距透镜B29b位于分光镜26的反射光路上，且激光光源23直射光路与分光镜26反射光路正交，折反式长工作距透镜A29a和光电接收器A34a之间的点光源一维微焦准直成像光路A33a与折反式长工作距透镜B29b和光电接收器B34b之间的点光源一维微焦准直成像光路B33b相互正交，且分别在点光源一维微焦准直成像光路A33a和点光源一维微焦准直成像光路B33b上构成点光源A31a和点光源B31b，其中点光源A31a和点光源B31b分别位于折反式长工作距透镜A29a和折反式长工作距透镜B29b的像方焦点上，在第五位置调整架30上安装光纤探针32，光纤探针32的末端为球形，光纤探针32的测杆位于点光源一维微焦准直成像光路A33a和B33b的正交光路上，且点光源A31a和点光源B31b分别位于光纤探针32的测杆的物方焦点上，点光源一维微焦准直成像光路A33a和B33b分别在光电接收器A34a和B34b上所成的两条亮条纹同时具有最小的偏度绝对值，此时光纤探针的位置为二维方向上的绝对“0”位置；工作台6具有5个方向的自由度，可沿X、Y两轴做平移运动，绕着Z轴转动，绕着X轴、Y轴做俯仰运动，其中，点光源一维微焦准直成像光路A33a位于Y轴所在的方向上，点光源一维微焦准直成像光路B33b位于X轴所在的方向上，且Y向测长装置7的中心线位于光纤探针32的轴线与点光源一维微焦准直成像光路A33a的轴线所构成的平面上；X向测长装置9由双频激光器35、偏振分光镜组36、λ/4玻片37、平面反射镜38构成，其中双频激光器6、偏振分光镜组7、λ/4玻片8与点光源一维微焦准直成像光路B33b共轴；被测微孔8放置在工作台6上，光纤探针32的球形末端与部分测杆伸入被测微孔8内。

本发明的测量过程如下：

对光纤测杆32的位置进行调整，使之位于绝对“0”位置；将光纤探针32的球形末端与部分测杆伸入被测微孔8内，将其位置锁定在某一指定截面，并沿某一指定的测量方向移动工作台6；当光纤探针32的球形末端与被测微孔8内壁一侧可靠接触时，测量传感器11发出信号，X向测长装置9、Y向测长装置7开始工作，并分别记录当前的X向位置信息p₁₁与Y向位置信息p₂₁；此后沿指定的测量方向的反方向移动工作台；光纤探针32的球形末端与被测微孔8另一侧内壁可靠接触时，测量传感器11再次发出信号，X向测长装置9、Y向测长装置7开始工作，并分别再次记录当前的X向位置信息p₃₁与Y向位置信息p₄₁；此后计算得出光纤探针32相对于被测微孔8的位移量Δ₁＝((p₃₁-p₁₁)²+(p₄₁-p₂₁)²)^0.5；此后将被测微孔8在与指定的测长方向垂直的方向上移动一段距离，再将工作台沿指定的测量方向移动，并使光纤探针32的球形末端再次分别与被测微孔8内壁两侧可靠接触，测量传感器11再次发出信号，X向测长装置9、Y向测长装置7分别记录接触时的位置信息p₁₂、p₂₂、p₃₂、p₄₂，并再次计算得出光纤探针32相对于被测微孔8的位移量Δ₂＝((p₃₂-p₁₂)²+(p₄₂-p₂₂)²)^0.5；如此反复，计算得出若干组光纤探针32相对于被测微孔8的位移量Δ₃＝((p₃₂-p₁₂)²+(p₄₂-p₂₂)²)^0.5…Δ_k＝((p_3k-p_1k)²+(p_4k-p_2k)²)^0.5…Δ_n＝((p_3n-p_1n)²+(p_4n-p_2n)²)^0.5，测量过程停止，将其中的最大位移量记为Δ_max，被测微孔8的直径为d＝Δ_max+d₀，其中d₀为光纤探针32的球形末端的直径。

Claims (2)

1.一种基于正交二维微焦准直的微孔测量装置，其特征在于：在支撑底座(3)上装配两个支撑架(2)，在支撑架(2)上装配横梁(1)，在支撑底座(3)的凹槽内装配Z向运动部件(5)，Z向测长装置(4)装配在Z向运动部件(5)的侧面，将工作台(6)固定在Z向运动部件(5)的上方，Y向测长装置(7)装配在工作台(6)的内部，通过传感器连接件(12)将测量传感器(11)固定吊挂在横梁的中间位置上，X向测长装置(9)的双频激光器(35)、偏振分光镜组(36)、λ/4玻片(37)通过三脚架(10)装配在支撑底座(3)的左侧位置，X向测长装置(9)的平面反射镜(38)固定装配在测量传感器(11)的左侧，通过数据线依次分别将测量传感器(11)、Z向测长装置(4)、Y向测长装置(7)、X向测长装置(9)与计算机(39)相连；测量传感器(11)的结构是：在装配台(13)上安装第一连接架(14)、第二连接架(15)、第三连接架(16)、第四连接架(17)、第五连接架(18)、第六连接架(19)、第七连接架(20)和第八连接架(21)，第一位置调整架(22)、第二位置调整架(24)、分光镜(26)、第四位置调整架(28)、第三位置调整架(27)、第五位置调整架(30)、光电接收器A(34a)、光电接收器B(34b)分别装配在第一、二、三、四、五、六、七、八连接架(14、15、16、17、18、19、20、21)上，在第一位置调整架(22)上装配激光光源(23)，在第二位置调整架(24)上装配激光扩束镜(25)，在第三位置调整架(27)上装配折反式长工作距透镜A(29a)，在第四位置调整架(28)上装配折反式长工作距透镜B(29b)，分光镜(26)、激光扩束镜(25)和折反式长工作距透镜A(29a)依次位于激光光源(23)的直射光路上，折反式长工作距透镜B(29b)位于分光镜(26)的反射光路上，且激光光源(23)直射光路与分光镜(26)反射光路正交，折反式长工作距透镜A(29a)和光电接收器A(34a)之间的点光源一维微焦准直成像光路A(33a)与折反式长工作距透镜B(29b)和光电接收器B(34b)之间的点光源一维微焦准直成像光路B(33b)相互正交，且分别在点光源一维微焦准直成像光路A(33a)和点光源一维微焦准直成像光路B(33b)上构成点光源A(31a)和点光源B(31b)，其中点光源A(31a)和点光源B(31b)分别位于折反式长工作距透镜A(29a)和折反式长工作距透镜B(29b)的像方焦点上，在第五位置调整架(30)上安装光纤探针(32)，光纤探针(32)的末端为球形，光纤探针(32)的测杆位于点光源一维微焦准直成像光路A和B(33a、33b)的正交光路上，且点光源A(31a)和点光源B(31b)分别位于光纤探针(32)的测杆的物方焦点上，点光源一维微焦准直成像光路A和B(33a、33b)分别在光电接收器A和B(34a、34b)上所成的两条亮条纹同时具有最小的偏度绝对值，此时光纤探针的位置为二维方向上的绝对“0”位置；工作台(6)具有5个方向的自由度，可沿X、Y两轴做平移运动，绕着Z轴转动，绕着X轴、Y轴做俯仰运动，其中，点光源一维微焦准直成像光路A(33a)位于Y轴所在的方向上，点光源一维微焦准直成像光路B(33b)位于X轴所在的方向上，且Y向测长装置(7)的中心线位于光纤探针(32)的轴线与点光源一维微焦准直成像光路A(33a)的轴线所构成的平面上；X向测长装置(9)由双频激光器(35)、偏振分光镜组(36)、λ/4玻片(37)、平面反射镜(38)构成，其中双频激光器(6)、偏振分光镜组(7)、λ/4玻片(8)与点光源一维微焦准直成像光路B(33b)共轴；被测微孔(8)放置在工作台(6)上，光纤探针(32)的球形末端与部分测杆伸入被测微孔(8)内。

2.一种基于正交二维微焦准直的微孔测量方法，其特征在于所述方法步骤如下：对光纤测杆的位置进行调整，使之位于绝对“0”位置；将光纤探针的球形末端与部分测杆伸入被测微孔内，将其位置锁定在某一指定截面，并沿某一指定的测量方向移动工作台；当光纤探针的球形末端与被测微孔内壁一侧可靠接触时，测量传感器发出信号，X向测长装置、Y向测长装置开始工作，并分别记录当前的X向位置信息p₁₁与Y向位置信息p₂₁；此后沿指定的测量方向的反方向移动工作台；光纤探针的球形末端与被测微孔另一侧内壁可靠接触时，测量传感器再次发出信号，X向测长装置、Y向测长装置开始工作，并分别再次记录当前的X向位置信息p₃₁与Y向位置信息p₄₁；此后计算得出光纤探针相对于被测微孔的位移量Δ₁＝((p₃₁-p₁₁)²+(p₄₁-p₂₁)²)^0.5；此后将被测微孔在与指定的测长方向垂直的方向上移动一段距离，再将工作台沿指定的测量方向移动，并使光纤探针的球形末端再次分别与被测微孔内壁两侧可靠接触，测量传感器再次发出信号，X向测长装置、Y向测长装置分别记录接触时的位置信息p₁₂、p₂₂、p₃₂、p₄₂，并再次计算得出光纤探针相对于被测微孔的位移量Δ₂＝((p₃₂-p₁₂)²+(p₄₂-p₂₂)²)^0.5；如此反复，计算得出若干组光纤探针相对于被测微孔的位移量Δ₃＝((p₃₂-p₁₂)²+(p₄₂-p₂₂)²)^0.5…Δ_k＝((p_3k-p_1k)²+(p_4k-p_2k)²)^0.5…Δ_n＝((p_3n-p_1n)²+(p_4n-p_2n)²)^0.5，测量过程停止，将其中的最大位移量记为Δ_max，被测微孔的直径为d＝Δ_max+d₀，其中d₀为光纤探针的球形末端的直径。

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