CN104330039A - 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 - Google Patents

Abstract

本发明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。

Description

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

技术领域

本发明涉及光学测量技术领域，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。

背景技术

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10^-4λ(波长λ＝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”的发明专利申请文件，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、第一个光纤耦合器、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、第二个光纤耦合器、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。

发明内容

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，本发明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。

本发明的技术方案是：

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耦合器Ⅰ，在亚波长孔径单模光纤Ⅰ出射端产生点衍射球面波前W1，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0.2μm至0.6μm；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700μm至800μm；可以用来验证算法的正确性。

一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射入光纤耦合器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，射入光纤耦合器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，本发明的有益效果是：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为本发明的连接示意图；

附图2为两根亚波长孔径单模光纤与测量探头连接示意图；

附图3为点衍射干涉仪三维坐标重构的模型。

图中：1-激光器；2-二分之一波片Ⅰ；3-偏振分光棱镜；4-四分之一波片；5-反射镜；6-移相器；7-光纤耦合器Ⅰ；8-亚波长孔径单模光纤Ⅰ；9-二分之一波片Ⅱ；10-光纤耦合器Ⅱ；11-亚波长孔径单模光纤Ⅱ；12-测量探头；13-CCD探测器；14-计算机；121-膜层。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例1：

如图1和2所示，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Ⅰ2、偏振分光棱镜3、四分之一波片4、反射镜5、移相器6、光纤耦合器Ⅰ7、亚波长孔径单模光纤Ⅰ8、二分之一波片Ⅱ9、光纤耦合器Ⅱ10、亚波长孔径单模光纤Ⅱ11、测量探头12、CCD探测器13、计算机14。图1中带箭头的细线表示光线，不带箭头的细线表示电路连接。激光器1为He-Ne偏振激光器。四分之一波片4的快轴方向与x轴成45°夹角。移相器6为位移分辨率高和频响高的压电陶瓷移相器。反射镜5与移相器6端面连接。CCD探测器13的像素数为1920×1080，对应横向和纵向像素尺寸都为5.5μm。探头12连接有亚波长孔径单模光纤Ⅰ8和亚波长孔径单模光纤Ⅱ11。亚波长孔径单模光纤Ⅰ8与测量探头12连接部为出射端，另一端连接有光纤耦合器Ⅰ7；亚波长孔径单模光纤Ⅱ11与测量探头12连接部为出射端，另一端连接有光纤耦合器Ⅱ10。亚波长孔径单模光纤Ⅰ8的出射端和亚波长孔径单模光纤Ⅱ11的出射端通过抛光技术对光纤端部进行处理，削尖了光纤使光纤端部呈圆锥状，圆锥高度为10μm，小头为出光口，出光口的孔径为0.5μm。为防止漏光，亚波长孔径单模光纤Ⅰ8的出射端和亚波长孔径单模光纤Ⅱ11的出射端的外表面分别镀有200nm厚的铬金属膜层121。如图2所示，亚波长孔径单模光纤Ⅰ8的出射端和亚波长孔径单模光纤Ⅱ11的出射端并排固定在测量探头12上。测量探头12设有通孔，通孔贯通测量探头12左右端面。亚波长孔径单模光纤Ⅰ8的出射端和亚波长孔径单模光纤Ⅱ11的出射端插入通孔，两个出射端的间距L为750μm。这样能够发出两个相干的几乎理想的球面波前，以便CCD探测器13实时采集干涉条纹，同时获得高亮度和大数值孔径的点衍射球面波前。

激光器1发出的光经过用来调整光强度的二分之一波片Ⅰ2、射入偏振分光棱镜3，分成透射光p和反射光s。透射光p依次经过用来微调整光强度的二分之一波片Ⅱ9、光纤耦合器Ⅱ10，在亚波长孔径单模光纤Ⅱ11的出射端产生点衍射球面波前W2，作为参考波前。反射光s经过四分之一波片4，射入反射镜5。反射镜5反射的反射光s’依次经过四分之一波片4、偏振分光棱镜3、光纤耦合器Ⅰ7，在亚波长孔径单模光纤Ⅰ8的出光端产生点衍射球面波前W1。CCD探测器13的数据输出口与计算机14的数据输入口电连接，将CCD探测器13实时采集球面波前W1和球面波前W2的干涉图传输给计算机14。计算机14的数据输出口与移相器6的数据输入口电连接，控制移相器6。移相器6端面移动反射镜5，得到需要的反射光s’。

用于三坐标测量的大数值孔径光纤点衍射干涉测量方法：

激光器1发出光波长λ为632.8nm的激光，经过二分之一波片Ⅰ2得到不同偏振方向的线偏振光。该线偏振光再经过偏振分光棱镜3分成透射光p和反射光s。其中，反射光s经过一个快轴方向与x轴成45°夹角的四分之一波片4后到达安装在移相器6上的反射镜5上，经反射镜5反射回来的反射光s’，第二次通过四分之一波片4后再透过偏振分光棱镜3到达光纤耦合器Ⅰ7耦合到亚波长孔径单模光纤Ⅰ8上，亚波长孔径单模光纤Ⅰ8末端的出光口产生点衍射球面波前作为检测波前W1。透射光p经过二分之一波片Ⅱ9后，经光纤耦合器Ⅱ10耦合到亚波长孔径单模光纤Ⅱ11上，亚波长孔径单模光纤Ⅱ11末端的出光口产生点衍射球面波前作为参考波前W2。两根亚波长孔径单模光纤在测量探头12上存在横向偏移，在CCD探测器13平面上实时形成两点衍射球面波前干涉条纹。利用计算机14控制移相器6对反射镜5进行多次移动来改变两点衍射球面波前之间的光程差，并利用CCD探测器13实时采集对应干涉图。

利用干涉场相位分布与光程差的对应关系可构建点衍射干涉仪三维坐标重构的模型如图3所示。定义CCD探测器13平面为XOY平面，中心为原点O，将CCD探测器13实时采集得到的两点衍射球面波前干涉条纹利用五步移相算法解调出干涉场中CCD探测器13平面上任意点P的相位差为

式中，r₁、r₂分别是P点到亚波长孔径单模光纤Ⅰ8、亚波长孔径单模光纤Ⅱ11的出光口的距离，(x，y，z)表示CCD探测器13平面上P点的坐标。(x₁，y₁，z₁)和(x₂，y₂，z₂)分别表示两根亚波长孔径单模光纤出光口的三维空间坐标；由此可知，两根亚波长孔径单模光纤出光口坐标与CCD探测器13平面上的任意点相位分布存在一一对应关系，可以得到

式中，(x^k，y^k，z^k)表示CCD探测器13平面上的第k个像素点的三维空间坐标。第一次均匀选取CCD探测器13平面上20个像素点的坐标和相位建立超定非线性方程组，然后利用L-M(Levenbery-Marquard)算法快速求解得到两根亚波长孔径单模光纤出光口的三维坐标的局部最优解；再将求得到的坐标局部最优解作为下一步的迭代初值，并在CCD探测器13平面上均匀选取48个像素点继续进行L-M算法迭代计算，从而求解出全局最优解，得到两亚波长孔径光纤点衍射出光端的三维坐标分别为(100.75,80,300)mm和(100,80,300)mm，取两者均值作为测量探头12即被测目标的坐标(100.375,80,300)mm，所得到的三维坐标测量结果达到亚微米量级精度，满足了高精度的三维坐标测量需要。两根根亚波长孔径单模光纤锥形出射端作为探针是整个用于三坐标测量的大数值孔径光纤点衍射干涉仪中的最关键元件，测量得到其衍射球面波前的光强透过率k＝0.6778，最大孔径角θ＝150°。因此采用此探针可以极大的扩展光纤点衍射干涉仪的测量范围，同时也降低了对探测器的感光灵敏度的要求。

Claims (5)

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。

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)的出射端呈圆锥状，出射端出光口的直径为0.2μm至0.6μm。

3.根据权利要求1或2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)的出射端的外表面分别镀有铬金属膜层(121)，膜层(121)厚度为150nm至250nm。

4.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)的出射端并排固定在测量探头(12)上，两个出射端的间距L为700μm至800μm。

5.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的测量方法，其特征在于：偏振分光棱镜(3)将激光器(1)发出的激光分成透射光p和反射光s，透射光p射入光纤耦合器Ⅱ(10)后，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经过与移相器(6)连接的反射镜(5)反射后，射入光纤耦合器Ⅰ(7)后，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，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(14)控制移相器(6)对反射镜(5)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(13)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(13)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。