專利名稱：一種點(diǎn)衍射三維絕對位移無導(dǎo)軌測量裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)測量技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于點(diǎn)衍射球面波前干涉檢測技術(shù)的高精度光纖點(diǎn)衍射三維絕對位移無導(dǎo)軌測量裝置及方法。
背景技術(shù)：
作為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)與發(fā)展的一個重要支撐，三維絕對位移(或三維坐標(biāo))測量在精密測量、設(shè)計以及制造領(lǐng)域中發(fā)揮著越來越重要的作用。從加工制造過程中的空間定位、尺寸測量等傳統(tǒng)應(yīng)用到大型工件裝配、逆向工程、模具設(shè)計制造與檢測、汽車制造等大型制造業(yè)等新應(yīng)用領(lǐng)域，高精度三維絕對位移測量技術(shù)都是不可或缺的技術(shù)手段。高精度絕對位移測量技術(shù)是精密加工制造技術(shù)的基礎(chǔ)，同時也直接影響著其發(fā)展水平。隨著精密加工制造及測量技術(shù)的不斷發(fā)展，絕對位移的測量精度逐漸成為限制整個系統(tǒng)加工精度實現(xiàn)的主要因素，因此促成了對于高精度絕對位移測量技術(shù)的巨大需求。然而，當(dāng)前常用的三坐標(biāo)測量裝置，需要配置制作復(fù)雜、價格高昂的長導(dǎo)軌與龐大的測量平臺(通常為高平面度的大理石平臺)，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)備龐大，總重量往往達(dá)到數(shù)噸乃至數(shù)十噸，故不能滿足現(xiàn)場快速測量的需要，并且利用三坐標(biāo)測量機(jī)進(jìn)行測量時需要將被測物放到測量機(jī)上，而在生產(chǎn)中往往需要在加工、裝配現(xiàn)場進(jìn)行實時測量，還有部分測量對象根本無法搬到測量機(jī)上，且傳統(tǒng)的三坐標(biāo)測量機(jī)維護(hù)費(fèi)用昂貴，故限制了其應(yīng)用與推廣。因此，傳統(tǒng)的三坐標(biāo)測量機(jī)都因為其體積大、設(shè)備重等原因，均不能滿足大型工件現(xiàn)場快速測量的需要。為了實現(xiàn)現(xiàn)場快速、方便的測量，要求發(fā)展數(shù)字化無導(dǎo)軌現(xiàn)場和在線三坐標(biāo)測量機(jī)。近年來，隨著科學(xué)技術(shù)水平不斷提高和新型元器件的推出及性能的不斷提高，設(shè)計一種無導(dǎo)軌的高精度坐標(biāo)測量裝置已成為可能。但國內(nèi)這方面的技術(shù)還不夠成熟，并且多數(shù)廠家或者科研單位所使用的高精度三維絕對位移測量儀器都是直接從國外進(jìn)口，其價格也非常昂貴，動輒幾十萬、上百萬元，并且維護(hù)和改進(jìn)困難，尤其是缺乏自主知識產(chǎn)權(quán)，難以在實際應(yīng)用中得到推廣。而利用本發(fā)明所提出的一種點(diǎn)衍射三維絕對位移無導(dǎo)軌測量裝置，提供了一種新的技術(shù)方案，則可很好的解決該問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題，是針對傳統(tǒng)三坐標(biāo)裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)備龐大以及需要配置精密導(dǎo)軌等問題而導(dǎo)致無法滿足現(xiàn)場測量需要的缺點(diǎn)，提供一種點(diǎn)衍射三維絕對位移無導(dǎo)軌測量裝置及測量方法。點(diǎn)衍射三維絕對位移無導(dǎo)軌測量裝置包括線偏振激光器、第一個二分之一波片、偏振分光棱鏡、第二個二分之一波片、第一個光纖稱合器、第一根單模光纖、點(diǎn)衍射光纖探頭、四分之一波片、反射鏡、PZT移相器、第二個光纖耦合器、第二根單模光纖、CCD光電探測器和計算機(jī)；線偏振激光器、第一個二分之一波片、偏振分光棱鏡、第二個二分之一波片、第一個光纖耦合器、第一根單模光纖、點(diǎn)衍射光纖探頭、CCD光電探測器、計算機(jī)順次相連；線偏振激光器、第一個二分之一波片、偏振分光棱鏡、四分之一波片、反射鏡、PZT移相器、第二個光纖耦合器、第二根單模光纖、點(diǎn)衍射光纖探頭、CCD光電探測器、計算機(jī)順次相連。所述的一種點(diǎn)衍射三維絕對位移無導(dǎo)軌測量裝置，其特征在于，測量系統(tǒng)中兩根單模光纖的末端緊挨并排固定放置，并集成于所述的點(diǎn)衍射光纖探頭上，并且將該探頭安裝于發(fā)生位移的被測目標(biāo)上。點(diǎn)衍射三維絕對位移無導(dǎo)軌測量方法是:來自于線偏振激光器的偏振光束經(jīng)二分之一波片后，被偏振分光棱鏡分成兩部分，即P光透射、S光反射:p分量透射光通過第二個二分之一波片后，經(jīng)第一個光纖耦合器耦合到第一根單模光纖上，其出射端面得到點(diǎn)衍射球面波前Wl ;s分量反射光經(jīng)過一個快軸方向與X方向成45°夾角的四分之一波片后，被安裝于PZT移相器上的反射鏡反射回來，第二次經(jīng)過四分之一波片后透過偏振分光棱鏡，并通過第二個光纖耦合器耦合到第二根單模光纖上，其出射端面得到點(diǎn)衍射球面波前W2。兩根單模光纖在橫向上偏移，可于CCD光電探測器上得到兩點(diǎn)衍射球面波前干涉條紋，利用計算機(jī)控制PZT移相器對反射鏡進(jìn)行多步移相測量，并利用CCD光電探測器實時采集對應(yīng)干涉圖。所述的一種點(diǎn)衍射三維絕對位移無導(dǎo)軌測量方法，其特征在于，點(diǎn)衍射光纖探頭的三維絕對位移確定方法是:根據(jù)在CCD光電探測器上得到的多步移相點(diǎn)衍射球面波前干涉條紋，利用多步移相算法解調(diào)得到點(diǎn)衍射干涉場中相位分布，從中選取6個以上像素點(diǎn)處的相位值，組成非線性超定方程組，運(yùn)用高斯牛頓迭代算法重構(gòu)出兩光纖球面波出射端的三維坐標(biāo)，并取兩光纖球面波出射端的中心坐標(biāo)作為點(diǎn)衍射光纖探頭的三維坐標(biāo)，得到被測目標(biāo)的三維絕對位移量。利用點(diǎn)衍射方式獲取的高精度理想球面波前作為理想?yún)⒖紭?biāo)準(zhǔn)，以此為基礎(chǔ)可實現(xiàn)高精度的三維位移絕對測量。高精度光纖點(diǎn)衍射三維無導(dǎo)軌位移絕對測量系統(tǒng)采用單模光纖作為測量探頭，不但可利用其微小的纖芯尺寸獲得具有較大孔徑角的點(diǎn)衍射球面波前，進(jìn)而擴(kuò)大其位移絕對測量范圍，而且光纖具有體積小、重量輕、耐腐蝕等特點(diǎn)，便于實際測量系統(tǒng)安裝調(diào)節(jié)和應(yīng)用，此外還易于實現(xiàn)多點(diǎn)分布式測量。


下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明進(jìn)一步說明。圖1是高精度點(diǎn)衍射三維絕對位移無導(dǎo)軌測量系統(tǒng)原理圖；圖2是點(diǎn)衍射三維絕對位移無導(dǎo)軌測量系統(tǒng)組成模塊；圖3是本發(fā)明實施例中光纖點(diǎn)衍射干涉場相位分布圖；圖4是點(diǎn)衍射三維絕對位移無導(dǎo)軌測量的數(shù)學(xué)模型。圖中:線偏振激光器1、第一個二分之一波片2、偏振分光棱鏡3、第二個二分之一波片4、第一個光纖稱合器5、第一根單模光纖6、點(diǎn)衍射光纖探頭7、四分之一波片8、反射鏡9、PZT移相器10、第二個光纖耦合器11、第二根單模光纖12、CXD光電探測器13和計算機(jī)14。
具體實施例方式圖1所示為一種點(diǎn)衍射三維絕對位移無導(dǎo)軌測量裝置，它包括線偏振激光器1、第一個二分之一波片2、偏振分光棱鏡3、第二個二分之一波片4、第一個光纖稱合器5、第一根單模光纖6、點(diǎn)衍射光纖探頭7、四分之一波片8、反射鏡9、PZT移相器10、第二個光纖耦合器11、第二根單模光纖12、C⑶光電探測器13和計算機(jī)14 ;線偏振激光器1、第一個二分之一波片2、偏振分光棱鏡3、第二個二分之一波片4、第一個光纖稱合器5、第一根單模光纖6、點(diǎn)衍射光纖探頭7、CCD光電探測器13、計算機(jī)14順次相連；線偏振激光器1、第一個二分之一波片2、偏振分光棱鏡3、四分之一波片8、反射鏡9、PZT移相器10、第二個光纖稱合器
11、第二根單模光纖12、點(diǎn)衍射光纖探頭7、C⑶光電探測器13、計算機(jī)14順次相連。所述的兩根單模光纖的末端緊挨并排固定放置，并集成于所述的點(diǎn)衍射光纖探頭7上。點(diǎn)衍射光纖探頭7是整個三維絕對位移無導(dǎo)軌測量裝置中的一個關(guān)鍵元件，該探頭中所裝配的兩根光纖均為單模光纖，利用此探頭裝置可以直接得到兩個高精度的理想點(diǎn)衍射球面波前Wl和W2，進(jìn)而保證三維位移絕對測量的精度。實際測量中將該探頭安裝于發(fā)生位移的被測目標(biāo)上，由于單模光纖的纖芯尺寸非常細(xì)小，其直徑僅為2-3μπι左右，并且兩根光纖的末端緊挨并排固定放置，使得兩根光纖間的間距s約為125 μ m，則其端面出射光所得到的波面為近乎理想的點(diǎn)衍射球面波前。在兩根光纖出射端衍射成兩列相干球面波，這兩列相干球面波在CCD光電探測器13陣列上形成干涉條紋，每一個CCD光電探測器13都可以測出其所在空間點(diǎn)處的干涉光強(qiáng)度。點(diǎn)衍射三維絕對位移無導(dǎo)軌測量方法是:來自于線偏振激光器I的偏振光束經(jīng)二分之一波片2后,被偏振分光棱鏡3分成兩部分，即P光透射、s光反射:p分量透射光通過第二個二分之一波片4后，經(jīng)第一個光纖耦合器5耦合到第一根單模光纖6上，其出射端面得到點(diǎn)衍射球面波前Wl ;s分量反射光經(jīng)過一個快軸方向與X方向成45°夾角的四分之一波片8后，被安裝于PZT移相器10上的反射鏡9反射回來，第二次經(jīng)過四分之一波片8后透過偏振分光棱鏡3，并通過第二個光纖耦合器11耦合到第二根單模光纖12上，其出射端面得到點(diǎn)衍射球面波前W2。兩根單模光纖在橫向上偏移，可于CCD光電探測器13上得到兩點(diǎn)衍射球面波前干涉條紋，利用計算機(jī)14控制PZT移相器10對反射鏡9進(jìn)行多步移相測量，并利用CCD光電探測器13實時采集對應(yīng)干涉圖。

點(diǎn)衍射三維絕對位移無導(dǎo)軌測量方法，其特征在于，點(diǎn)衍射光纖探頭7的三維絕對位移確定方法是:由CCD光電探測器13上得到的兩點(diǎn)衍射球面波前干涉條紋，利用多步移相算法解調(diào)得到點(diǎn)衍射干涉場中相位分布。根據(jù)點(diǎn)衍射光纖探頭7中兩光纖球面波出射端與C⑶光電探測器13中某一點(diǎn)的光程差和C⑶光電探測器13中這一點(diǎn)的相位存在一一對應(yīng)的關(guān)系，從中選取6個以上像素點(diǎn)處的相位值，組成非線性超定方程組，以此通過運(yùn)用高斯牛頓迭代算法求解出兩光纖球面波出射端的三維坐標(biāo)，并取兩光纖球面波出射端的中心坐標(biāo)作為點(diǎn)衍射光纖探頭7的三維坐標(biāo)，得到被測目標(biāo)的三維絕對位移量。點(diǎn)衍射三維絕對位移無導(dǎo)軌測量裝置包括系統(tǒng)光路模塊、點(diǎn)衍射光纖探頭模塊以及CCD圖像采集模塊，如圖2所示。計算機(jī)14控制及數(shù)據(jù)處理模塊的功能是主要連接CCD圖像采集模塊以及系統(tǒng)光路模塊中的PZT移相器10，其作用是控制PZT移相器10進(jìn)行多步移相，將利用實時采集的對應(yīng)干涉圖進(jìn)行干涉波前解調(diào)，并由此通過計算機(jī)數(shù)值迭代算法實現(xiàn)位移量的絕對測量。實施例本實施例中的一種點(diǎn)衍射三維絕對位移無導(dǎo)軌測量裝置如圖1所示，出射光波長λ為632.8nm的穩(wěn)頻He-Ne激光器I經(jīng)二分之一波片2后,被偏振分光棱鏡3分成兩部分，即P光透射、s光反射:p分量透射光通過第二個二分之一波片4后,經(jīng)第一個光纖稱合器5耦合到第一根單模光纖6上；s分量反射光經(jīng)過一個快軸方向與X方向成45°夾角的四分之一波片8后，被安裝于PZT移相器10上的反射鏡9反射回來，第二次經(jīng)過四分之一波片8后透過偏振分光棱鏡3,并通過第二個光纖稱合器11稱合到第二根單模光纖12上。兩根單模光纖在橫向上偏移，可于CCD光電探測器13上得到兩點(diǎn)衍射球面波前干涉條紋。其中C⑶光電探測器13每個像素點(diǎn)的X方向?qū)?yīng)的長度是8.44 μ m，共有640個像素；y方向?qū)?yīng)的長度是9.78 μ m,共有480個像素。所述的兩根單模光纖的末端緊挨并排固定放置，并集成于所述的點(diǎn)衍射光纖探頭7上。該探頭中所裝配的兩根光纖均為單模光纖，在探頭中加工出兩個距離間隔約為125 μ m的通孔，并將兩個單模光纖出射光端面拋光磨平，再分別安裝固定于探頭的兩個通孔中，以保證其長期穩(wěn)定性。將該探頭安裝于發(fā)生位移的被測目標(biāo)上，由于單模光纖的纖芯尺寸非常細(xì)小，其直徑僅為2-3 μ m左右，并且兩根光纖間的間距s約為125 μ m，其端面出射光所得到的波面為近乎理想的點(diǎn)衍射球面波前。在兩根光纖出射端衍射成兩列相干球面波，這兩列相干球面波在CCD光電探測器13陣列上形成干涉條紋，每一個CCD光電探測器13都可以測出其所在空間點(diǎn)處的干涉光強(qiáng)度。利用PZT移相器10進(jìn)行多步移相，對實時采集的對應(yīng)干涉圖進(jìn)行干涉波前解調(diào)，可重構(gòu)出干涉光在每一個CCD光電探測器13所在空間點(diǎn)處的相位，所解調(diào)出的光纖點(diǎn)衍射干涉場相位分布如圖3所示。利用圖4所示的位移絕對測量的數(shù)學(xué)模型，定義CCD平面為xy平面，其中心位置為原點(diǎn)位置0，令CCD平面上干涉場中任意一空間點(diǎn)P (X，y, z)處到兩根單模光纖出射端面的距離分別為A和r2，由此可得P點(diǎn)處的相位差r(x，J，z)為:
權(quán)利要求
1.一種點(diǎn)衍射三維絕對位移無導(dǎo)軌測量裝置，其特征在于，它包括線偏振激光器(I)、第一個二分之一波片(2)、偏振分光棱鏡(3)、第二個二分之一波片(4)、第一個光纖稱合器(5)、第一根單模光纖(6)、點(diǎn)衍射光纖探頭(7)、四分之一波片(8)、反射鏡(9)、PZT移相器(10)、第二個光纖耦合器(11)、第二根單模光纖(12)、CCD光電探測器(13)和計算機(jī)(14)；線偏振激光器(I)、第一個二分之一波片(2)、偏振分光棱鏡(3)、第二個二分之一波片(4)、第一個光纖耦合器(5)、第一根單模光纖￠)、點(diǎn)衍射光纖探頭(7)、CCD光電探測器(13)、計算機(jī)(14)順次相連；線偏振激光器(I)、第一個二分之一波片(2)、偏振分光棱鏡(3)、四分之一波片(8)、反射鏡(9)、PZT移相器(10)、第二個光纖耦合器(11)、第二根單模光纖(12)、點(diǎn)衍射光纖探頭(7)、CCD光電探測器(13)、計算機(jī)(14)順次相連。
2.如權(quán)利要求1所述的一種點(diǎn)衍射三維絕對位移無導(dǎo)軌測量裝置，其特征在于，所述的兩根單模光纖的末端緊挨并排固定放置，并集成于所述的點(diǎn)衍射光纖探頭(7)上，并且將該探頭安裝于發(fā)生位移的被測目標(biāo)上。
3.一種使用如權(quán)利要求1所述的一種點(diǎn)衍射三維絕對位移無導(dǎo)軌測量方法，其特征在于，來自于線偏振激光器(I)的偏振光束經(jīng)二分之一波片(2)后，被偏振分光棱鏡(3)分成兩部分，即P光透射、s光反射:p分量透射光通過第二個二分之一波片(4)后,經(jīng)第一個光纖率禹合器(5) I禹合到第一根單模光纖(6)上,其出射端面得到點(diǎn)衍射球面波前Wl ;s分量反射光經(jīng)過一個快軸方向與X方向成45°夾角的四分之一波片(8)后，被安裝于PZT移相器(10)上的反射鏡(9)反射回來，第二次經(jīng)過四分之一波片(8)后透過偏振分光棱鏡(3)，并通過第二個光纖耦合器(11)耦合到第二根單模光纖(12)上，其出射端面得到點(diǎn)衍射球面波前W2 ;兩根單模光纖在橫向上偏移，可于CCD光電探測器(13)上得到兩點(diǎn)衍射球面波前干涉條紋，利用計算機(jī)(14)控制PZT移相器(10)對反射鏡(9)進(jìn)行多步移相測量，并利用CCD光電探測器(13)實時采集對應(yīng) 干涉圖。
4.一種使用如權(quán)利要求3所述的一種點(diǎn)衍射三維絕對位移無導(dǎo)軌測量方法，其特征在于，點(diǎn)衍射光纖探頭(7)的三維絕對位移確定方法是:根據(jù)在CCD光電探測器(13)上得到的多步移相點(diǎn)衍射球面波前干涉條紋，利用多步移相算法解調(diào)得到點(diǎn)衍射干涉場中相位分布，從中選取6個以上像素點(diǎn)處的相位值，組成非線性超定方程組，運(yùn)用高斯牛頓迭代算法重構(gòu)出兩光纖球面波出射端的三維坐標(biāo)，并取兩光纖球面波出射端的中心坐標(biāo)作為點(diǎn)衍射光纖探頭(7)的三維坐標(biāo)，得到被測目標(biāo)的三維絕對位移量。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種點(diǎn)衍射三維絕對位移無導(dǎo)軌測量裝置及方法。線偏振激光器的線偏振光經(jīng)第一個二分之一波片后，被偏振分光棱鏡分成反射光和透射光兩部分。反射光被安裝于移相器上的反射鏡反射前后共兩次經(jīng)過四分之一波片，并透過偏振分光棱鏡，經(jīng)光纖耦合器耦合到一根單模光纖上；透射光通過第二個二分之一波片后，經(jīng)光纖耦合器耦合到另一根單模光纖上。將兩根光纖的末端集成于一個點(diǎn)衍射光纖探頭并安裝在發(fā)生位移的被測目標(biāo)上，可用探測器實時采集干涉圖。根據(jù)所得干涉場相位分布，組成非線性超定方程組，運(yùn)用高斯牛頓迭代算法重構(gòu)出被測目標(biāo)的三維絕對位移。本發(fā)明易集成且無需導(dǎo)軌，為點(diǎn)衍射三維絕對位移無導(dǎo)軌的高精度測量提供了可行方法。
文檔編號G01B11/02GK103217104SQ20131008474
公開日2013年7月24日 申請日期2013年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月15日
發(fā)明者王道檔, 劉維, 王福民, 鄒慧, 王曉曉, 趙軍, 孔明 申請人:中國計量學(xué)院