专利名称：基于一维微焦准直的微小内腔尺寸和二维坐标传感方法与装置的制作方法
技术领域：
本发明属于精密仪器制造及测量技术领域，特别是一种"亚宏观"领域中对微小、复杂 内腔的结构尺寸和二维坐标的传感方法与装置，尤其适用于大深径比微小孔的测量。
背景技术：
工业产品发展的趋势之一就是内尺度微小化与精密化，随着航空航天工业、电子工业、 医疗器械的发展，精密微小内腔构件的需求急剧增长，如燃料射喷管、惯性仪表、光纤插芯、 拉丝模、电路印板和医疗器械中的孔(如耳咽管)等。由于受到空间尺度的限制以及测量 接触力的影响，微小内腔构件内尺度的精密测量变得难以实现，尤其是测量深度难以提高， 这些已成为制约行业发展的"瓶颈"。显微镜成像法虽然可以测量微小内腔尺寸，但是测量深 度受到很大限制，无法进一步扩展应用领域。为了实现更小的内尺寸测量、增加测量深度， 最广泛使用的办法是使用细长的探针伸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，目前微小内腔尺寸的精密测量主要以坐标测量机(CMM， Coordinate Measuring Machine)结合具有纤细探针的瞄准发讯式探测系统(PS， Probing System) 为主，其中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，微小内尺寸测量的主要手段包括以下几种方法
1、 中国天津大学的杨世民教授等人提出一种弹性尺寸传递理论，基于这一原理研制了膜 片式盲小孔测头，以膜片为敏感元件，把测杆视为变形很大的弹性体，通过精密标定自动补 偿弹性测杆变形误差，将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，可以测量①300 pm、深径比为40的盲孔，测量结果 的不确定度为lpm (杨世民，李树和，张国雄等。膜片式小孔测头的设计与研究，计量学报， 1998年第19巻第2期)。这种方法测头与测杆难以进一步小型化，测头的最大非线性误差为 0.2pm，测量精度难以进一步提高。
2、 日本的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OIOO nm孔径实施测量，测量深度可达到3mm，测量结果的不确定度 为 0.5 nm (B.J. Kim, T. Masuzawa and T. Bourouina The vibroscanning method for the measurement of micro-hole profiles, Meas. Sci. Technol. 10 (1999) 697—705.)。这种方法由于采用 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，导致测量精度只能到达亚微米级。
3、 德国联邦物理技术研究院(PTB， Physikalisch-Technische Bundesanstalt)的Schwenke 教授等人提出了一种微光珠散射成像法，实现了对探针测头的二维监测，他们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，测量了 0214 pm的孔径，测量深度为0.8mm，测量结果的不确定度为1 pm，测量力为pN量级(吉贵军， Schwenke H Tmpet E，罗震。发动机喷油嘴微小喷油孔尺寸和形状测量系统，内燃机学报， 1998年，第16巻第4期)。后来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备了三维探测能力， 测量标准球时得到的标准偏差为0.2|im (H. Schwenke, R Waldele, C. Weiskirch， H. Kunzmann. Opto-tactile Sensor for 2D and 3D Measurement of Small Structures on Coordinate Measuring Machines, Annals of CIRP 50/1 (2001), pp. 361-364)。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、中国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，可以测量O100nm以上的孔，测量结 果的不确定度为0.25 pm，测量深度可以达到5mm (谭久彬，崔继文，邹丽敏等。基于双光 纤耦合的微小内腔尺寸测量装置与方法，专利申请号ZL200510102478.6)。这种方法由于探 针尺寸很小且具有微观的特征结构，因此制作工艺难度很大，给实际应用带来困难，测量精 度为亚微米量级。
5 、美国国家标准技术研究院(National Institute of Standard Technology, NIST)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①50 pm，实验中测量了 0129 的孔径， 测量结果的扩展不确定度达到了70mn(k-2)，测量深度可以达到5mm，测量力为nN量级(B. Muralikrishnan, J.A. Stone,丄R. Stoup. Fiber deflection probe for small hole metrology. Precision Engineering 30 (2006) 154-164.)。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，是目前微小内腔尺寸测量中测量分辨力最高的方法。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(Swiss Federal Office of Metrology, METAS )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，探针头的直径最小到OO.hmn。探测系统结合了一个由PhilipsCFT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，最大 偏差为20nm，测量结果的不确定度为50nm (A. Kung, R Meli and R. Thalmann， Ultraprecision
5Micro-CMM Using a Low Force 3D Touch Probe， Measurement Science and Technology 18 (2007): pp. 319-327.)。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。
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。现存测量手 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。美国国家标准技术研究院采用的探测方法具 有4nm的理论分辨力(B. Muralikrishnan, J.A. Stone, J.R. Stoup. Fiber deflection probe for small hole metrology. Precision Engineering 30 (2006) 154—164.)，这一分辨力是通过两个步骤获得的。 第一个步骤是光学成像放大，放大倍率为35倍，该步骤中，光纤测杆直径一般在20tmi 125pm 之间，若要大幅提高光学成像放大倍率，则需要较复杂的成像系统设计以及较大面积的CCD 接收器，这将导致该方法在微小深孔的测量应用中失去可实施性。第二个步骤为使用图像算 法进行轮廓识别，从而判断光纤测杆的位移量，该步骤的分辨力只能够到达亚像素级水平， 难以大幅提高。
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，这导 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(B. Murali- krishnan, J.A. Stone, J.R. Stoup. Fiber deflection probe for small hole metrology. Precision Engineering 30 (2006) 154~164.)，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、 实现位移传感的结构比较复杂。美国国家标准技术研究院采用的探测方法必须使用两 路正交的光纤测杆成像光路才能实现对光纤测杆位移的二维探测(B. Murali- krishnan, J.A. Stone, J.R. Stoup. Fiber deflection probe for small hole metrology. Precision Engineering 30 (2006) 154~164.)，这导致成像光路的调整比较困难，需要校对两路光路的正交性，两路光路后续的 图像信号处理也比较复杂，需要解决两路信号的同步性问题，这些都使得该种方法在具体使 用和操作方面无法进一步提高工作效率。
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高精度、大深径比 与快速测量的需求，本发明提出一种基于一维微焦准直的微小内腔尺寸和二维坐标传感方法 与装置。本发明的目的是这样实现的-
一种基于一维微焦准直的微小内腔尺寸和二维坐标传感方法，通过以下步骤实现对光纤 探针测杆二维位移的传感
将光纤探针测杆的一部分作为具有超大曲率的微柱面双凸透镜使用；
② 利用步骤①所述的微柱面双凸透镜组建点光源一维微焦准直成像光路，所成像为一亮 条纹；
③ 利用步骤②所述的点光源一维微焦准直成像光路将光纤探针测杆相对于点光源的二维 位移变化转变为点光源一维微焦准直成像光路所成的亮条纹变化，即亮条纹的能量中心位置 的变化和亮条纹的宽度的变化；
④ 点光源与微柱面双凸透镜在唯一一个特定的物距下，步骤②所述的点光源一维微焦准 直成像光路所成像具有最小的条纹宽度和最小的偏度绝对值，将该特定的物距下的光纤探针 测杆所在位置作为二维位移传感方向上的绝对"0"位置；
⑤ 利用光电转换器件将步骤③所述的点光源一维微焦准直成像光路所成像转变为电信
号；
⑥ 利用数据采集与处理模块实现将步骤⑤所得到的电信号进行采集与处理，获得步骤③ 所述的点光源一维微焦准直成像光路所成像的变化信息，完成对光纤探针测杆相对于点光源 的二维位移变化量的提取。
一种基于一维微焦准直的微小内腔尺寸和二维坐标传感装置，包括装配台，在装配台上 从左至右依次装配第一连接架、第二连接架、第三连接架和第四连接架，四维调整架、球面 透镜组、五维调整架和CCD依次分配安装在第一连接架、第二连接架、第三连接架和第四连 接架下侧部上，平行光光源配装在四维调整架上，光纤探针测杆配装在五维调整架上，在光 纤探针测杆下端部上安装光纤探针测头，数据传输线两端分别连接在CCD和数据采集处理器 上，其中由平行光光源和球面透镜组组成点光源获取单元，通过光的折射方式获得点光源； 由点光源和光纤探针测杆组成点光源一维微焦准直成像单元；CCD、数据传输线和数据采集 处理器组成光电接收以及数据采集处理单元。
本发明具有以下特点及良好效果
1、 本发明所提出的传感方法与装置是利用光纤探针测杆具有超大曲率和微柱面双凸透 镜的结构特点，组建了点光源一维微焦准直成像光路，利用因微焦准直与超大曲率微柱面双 凸透镜在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，产生了超高角 (线)位移灵敏度，位移分辨力可达深亚纳米量级，这是本发明区别现有技术的主要创新点 之一。
2、 本发明所提出的传感方法与装置将光纤探针测杆的二维位移转换为亮条纹空间状态
的变化，其条纹状态的变化特性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，这是本发明区别现有技术的 主要创新点之二。3、 本发明所提出的传感方法与装置仅使用一个线阵CCD即可实现对光纤探针测杆的二 维位移信息的高速提取，所提取的测量信号简单易处理，易于实现高速在线测量，这是本发 明区别现有技术的主要创新点之三。
4、 本发明所提出的传感方法与装置系统结构简单，在一个光路上即可实现对光纤探针 测杆的二维位移量的高倍放大(放大倍率可达几千倍至上万倍)与传感，这是本发明区别现 有技术的主要创新点之四。
综上所述，本发明不仅具备了单光纤探针测量力小、易于小型化以及可测量深径比大的 特点，特别是传感方法与装置的位移分辨力相对于现有的4nm的技术水平获得了一个数量级 以上的提高，且具有二维测量方向上的绝对"0"位置，系统结构简单、测量信号处理高效 可靠、实时性好、易于实际应用，可直接形成具有纳米级、亚纳米级乃至深亚纳米级位移分 辨力的微小内腔尺寸和二维坐标传感方法与装置，使用的光纤探针为目前主要微小内腔尺度 探测方法中采用的光纤探针，其测量力为^N量级，光纤探针测杆半径可加工至10nm，光纤 探针测头半径可加工至20[im，测量深度可达到5mm。
图1为本发明的通过光的折射原理获取点光源的基于一维微焦准直的微小内腔尺寸和二 维坐标传感装置示意图
图2为本发明的通过光的反射原理获取点光源的基于一维微焦准直的微小内腔尺寸和二 维坐标传感装置示意图
图3为本发明的通过光的衍射原理获取点光源的基于一维微焦准直的微小内腔尺寸和二 维坐标传感装置示意图
图中l.装配台，2.第一连接架，3.第二连接架，4.五维调整架，5.第三连接架，6.第四连 接架，7.四维调整架，8.平行光光源，9.球面透镜组，IO.点光源，ll.光纤探针测杆，12.光纤 探针测头，13.点光源一维微焦准直成像光路光轴，14.数据采集处理器，15.CCD， 16.数据线， 17.凹面反射镜，18.平面反射镜，19.微孔光阑。
具体实施例方式
一种基于一维微焦准直的微小内腔尺寸和二维坐标传感方法，通过以下步骤实现对光纤
探针测杆二维位移的传感
①将光纤探针测杆11的一部分作为具有超大曲率的微柱面双凸透镜使用； 光纤探针测杆11是将一段光学纤维作为探针的测杆，目的是需要利用光学纤维特有的光 学特性和机械特性其光学特性在于光纤探针测杆能够作为柱面双凸透镜使用，能够对点光 源10所发射的光线进行一维准直；其机械特性在于光学纤维具有较高的刚度，抗变形能力很 强。由于想要探测的的对象为微小内腔，因此光纤探针测杆11的半径通常很小，其半径通常
在10nm 100nm之间，其作为柱面透镜的曲率在105m"~104m"之间，微柱面双凸透镜的焦距 为微米量级。光纤探针测杆11所形成的微柱面双凸透镜的焦距f可近似表达为-
2x(巧—1)
其中空气的折射率为l，光纤探针测杆ll的折射率为n,，光纤探针测杆ll的半径为r， 可见当n产1.5，光纤测杆半径在100pm以内时，f小于50nm。
② 利用步骤Q所述的微柱面双凸透镜组建点光源一维微焦准直成像光路，所成像为一亮 条纹；
利用光的折射、反射或者衍射原理获得点光源，将点光源放置在光纤探针测杆ll作为柱 面透镜部分的焦线上，则点光源所发出的光线被微柱面双凸透镜一维准直，所成像为一亮条 纹。
③ 利用步骤②所述的点光源一维微焦准直成像光路将光纤探针测杆相对于点光源的二维 位移变化转变为点光源一维微焦准直成像光路所成的亮条纹变化，即亮条纹的能量中心位置 的变化和亮条纹的宽度的变化；
当光纤探针测杆11相对于点光源IO在点光源一维微焦准直成像光路光轴13的垂直方向 发生位移时，点光源10经光纤探针测杆11准直后的光线将和点光源一维微焦准直成像光路 光轴13产生转角，因此点光源10经一维微焦准直所成的亮条纹像的能量中心位置将发生变 化，且随着像距的增加光路的位移放大倍率将线性增大，点光源10与光纤探针测杆11之间 的距离(物距)为微米量级，而像距通常在100mm以上，因此该光路能够将光纤探针测杆 11相对于点光源10的偏移量高倍放大，放大倍率可达几千倍至上万倍。
根据几何光学的基本理论可以推导出，在点光源一维微焦准直成像光路中，当点光源IO 位于光纤探针测杆11的焦线上、光纤测杆的半径为r、像距为l'、光纤探针测杆11的折射率 为im、空气的折射率为1时，此时该光路对光纤探针测杆11在准直光路光轴13垂直方向上 的位移放大率(3满足
A*~^~^~ (2)
由于光纤测杆半径一般在10pm^62.5nm之间，若取n尸L5， r=200mm,则容易计算出 放大率p的范围在13333-2133之间，这与美国国家标准技术研究院采用的光学系统所具有 的35倍初级放大率相比获得了两个数量级以上的提升。例如选取光纤探针测杆11的半径为 25pm，其对应的垂轴放大倍率根据式(2)可算得为5333.3，如果使用的CCD15的像元尺寸 为10pm，通过数据处理能够分辨0.1个像元的变化，则此时传感装置对光纤探针测杆11在 点光源一维微焦准直成像光路光轴13垂轴方向位移的理论分辨力a为
a =-^ 0.2歸 (3)
5333.3
如果对该装置采用当前市场上所能获得的最佳的参数配备，g卩光纤探针测杆ll的半径 为l(Vm时，其折射率n产1.7，像距r-300mm， CCD像元尺寸为7pm，利用图像算法能够分 辨0.1个像元的变化，则传感装置对光纤探针测杆11在准直光路垂轴方向位移的理论分辨力a可达0.03nm。
进一步增加像距，进一步减小CCD15像元的尺寸，进一步提高数据处理的分辨力，则该 理论分辨力还可以提高。
当光纤探针测杆11在点光源一维微焦准直成像光路光轴13方向发生位移时，成像条纹 的宽度将相应发生变化，变化率同样具有高倍线性放大特性。
可见，单个点光源一维微焦准直成像光路不仅实现了将光纤探针测杆11的位移量的高 倍放大，而且所成像同时包含了光纤探针测杆11的二维位移信息，且该二维位移的成像信 息是可解耦的，即点光源一维微焦准直成像光路所成亮条纹的能量中心的位置与条纹的宽度 分别能够与光纤探针测杆11的二维位移相对应。因此与现存主要测量手段相比，本发明所 提出的传感方法具有更高的位移分辨力和更加简单的系统结构，更便于实际应用。
④ 点光源与微柱面双凸透镜在唯一一个特定的物距下，步骤②所述的点光源一维微焦准 直成像光路所成像具有最小的条纹宽度和最小的偏度绝对值，将该特定的物距下的光纤探针 测杆11所在位置作为二维位移传感方向上的绝对"0"位置。
光纤探针测杆11在点光源一维微焦准直成像光路光轴13垂直方向发生位移时，其成像 条纹能量的中心位置和偏度将发生变化，其偏度绝对值具有唯一的极小值，可将成像条纹能 量偏度绝对值有极小值的位置作为该方向位移探测范围的绝对"0"位置。光纤探针测杆11 在点光源一维微焦准直成像光路光轴13方向发生位移时，其成像条纹的偏度不变，条纹宽 度将相应发生变化，条纹宽度具有唯一的极小值，可将成像条纹宽度具有极小值的位置作为 该方向位移探测的绝对"0"位置。
⑤ 利用光电转换器件将步骤③所述的点光源一维微焦准直成像光路所成像转变为电信号。
以光纤探针为主的现存的微小内腔尺度探测系统中，大多数探测系统必须使用1个或者 2个面阵CCD才能获得探针的二维微位移信息，同时必须使用较复杂的图像算法实现探测系 统的高分辨力，这使得测量中的需要处理的数据量很大，降低了系统的实时性。本发明所设 计的点光源一维微焦准直成像光路实现了将光纤探针测杆11 二维位移量的高倍放大(放大 倍率可达几千倍至上万倍)，所成的像为一条狭长的条纹，只需要知道条纹的中心位置和宽 度就可以精确获得光纤测杆的二维微位移信息，因此仅使用1个线阵CCD即可高效提取测 量信号，线阵CCD的采样帧(行)频最高可达68kHz以上，并且采集到的信号使用较简单 的算法即可获得高分辨力的识别，大大提高了探测系统的实时性。与现存主要测量手段相比， 本发明所提出的传感方法与装置其测量信号数据处理过程计算量更小，速度更快，更易于保 证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，能够实施高精度的 在线测量。
⑥ 利用数据采集与处理模块实现将步骤⑤所得到的电信号进行采集与处理，获得步骤③ 所述的点光源一维微焦准直成像光路所成像的变化信息，完成对光纤探针测杆相对于点光源 的二维位移变化量的提取。一种基于一维微焦准直的微小内腔尺寸和二维坐标传感装置，包括装配台l,在装配台l 上从左至右依次装配第一连接架2、第二连接架3、第三连接架5和第四连接架6，四维调整 架7、球面透镜组9、五维调整架4和CCD15依次分配安装在第一连接架2、第二连接架3、 第三连接架5和第四连接架6下侧部上，平行光光源8配装在四维调整架7上，光纤探针测 杆11配装在五维调整架4上，在光纤探针测杆11下端部上安装光纤探针测头12，数据传输 线16两端分别连接在CCD15和数据采集处理器14上，其中由平行光光源8和球面透镜组 9组成点光源获取单元，通过光的折射方式获得点光源10;由点光源10和光纤探针测杆11 组成点光源一维微焦准直成像单元；CCD15、数据传输线16和数据采集处理器14组成光电 接收以及数据采集处理单元。
所述的基于一维微焦准直的微小内腔尺寸和二维坐标传感装置，其平行光光源8所发射 的平行光光束的轴心、球面透镜组9的光轴的轴心、点光源10的中心以及CCD15的中心在 点光源一维微焦准直成像光路光轴13上，形成共轴光路，且光纤探针测杆11的轴线在竖直 方向与点光源一维微焦准直成像光路光轴13垂直相交，光纤探针测头12与点光源一维微焦 准直成像光路光轴13有lmm以上的距离。
所述的基于一维微焦准直的微小内腔尺寸和二维坐标传感装置，其点光源获取单元可由 平行光光源8、平面反射镜18和凹面反射镜17组成，利用光的反射获取点光源10，其中平 行光光源8和平面反射镜18配装在装配台1的上方，凹面反射镜17配装在装配台1的下方。
所述的基于一维微焦准直的微小内腔尺寸和二维坐标传感装置，其点光源获取单元可由 平行光光源8和微孔光阑19组成，利用光的衍射获取点光源10，其中微孔光阑19配装在装 配台1下方，介于平行光光源8和光纤探针测杆11之间，且微孔光阑19的中心在点光源一 维微焦准直成像光路的光轴13上，微孔光阑19的中心与点光源10的中心重合。
权利要求
1、一种基于一维微焦准直的微小内腔尺寸和二维坐标传感方法，其特征在于通过以下步骤实现对光纤探针测杆二维位移的传感①将光纤探针测杆的一部分作为具有超大曲率的微柱面双凸透镜使用；②利用步骤①所述的微柱面双凸透镜组建点光源一维微焦准直成像光路，所成像为一亮条纹；③利用步骤②所述的点光源一维微焦准直成像光路，将光纤探针测杆相对于点光源的二维位移变化转变为点光源一维微焦准直成像光路所成亮条纹能量中心位置的变化和亮条纹宽度的变化；④点光源与微柱面双凸透镜在唯一一个特定的物距下，步骤②所述的点光源一维微焦准直成像光路所成像具有最小的条纹宽度和最小的偏度绝对值，将该特定的物距下的光纤探针测杆所在位置作为二维位移传感方向上的绝对“0”位置；⑤利用光电转换器件将步骤③所述的点光源一维微焦准直成像光路所成像转变为电信号；⑥利用数据采集与处理模块实现将步骤⑤所得到的电信号进行采集与处理，获得步骤③所述的点光源一维微焦准直成像光路所成像的变化信息，完成对光纤探针测杆相对于点光源的二维位移变化量的提取。
2、 根据权利要求1所述的基于一维微焦准直的微小内腔尺寸和二维坐标传感方法，其特 征在于微柱面双凸透镜的焦距为微米量级。
3、 根据权利要求1所述的基于一维微焦准直的微小内腔尺寸和二维坐标传感方法，其特 征在于使用一个线阵光电转换器件实现对光纤探针测杆二维位移信息的提取。
4、 一种基于一维微焦准直的微小内腔尺寸和二维坐标传感装置，包括装配台(1)，其特 征在于在装配台(1)上从左至右依次装配第一连接架(2)、第二连接架(3)、第三连接架(5) 和第四连接架(6)，四维调整架(7)、球面透镜组(9)、五维调整架(4)和CCD (15)依 次分别安装在第一连接架(2)、第二连接架(3)、第三连接架(5)和第四连接架(6)下侧 部上，平行光光源(8)配装在四维调整架(7)上，光纤探针测杆(11)配装在五维调整架 (4)上，在光纤探针测杆(11)下端部上安装光纤探针测头(12)，数据传输线(16)两端 分别连接在CCD (15)和数据采集处理器(14)上，其中由平行光光源(8)和球面透镜 组(9)组成点光源获取单元，获得点光源(10);由点光源(10)和光纤探针测杆(11)组 成点光源一维微焦准直成像单元；CCD (15)、数据传输线(16)和数据采集处理器(14)组 成光电接收以及数据采集处理单元。
5、 根据权利要求4所述的基于一维微焦准直的微小内腔尺寸和二维坐标传感装置，其特 征在于平行光光源(8)所发射的平行光光束的轴心、球面透镜组(9)的光轴的轴心、点光 源(10)的中心以及CCD (15)的中心在点光源一维微焦准直成像光路光轴(13)上，形成 共轴光路，且光纤探针测杆(ll)的轴线在竖直方向与点光源一维微焦准直成像光路光轴(13) 垂直相交，光纤探针测头(12)与点光源一维微焦准直成像光路光轴(13)有lmm以上的距 离。
6、 根据权利要求4所述的基于一维微焦准直的微小内腔尺寸和二维坐标传感装置，其特 征在于点光源获取单元可由平行光光源(8)、平面反射镜(18)和凹面反射镜(17)组成，通过光的反射获取点光源(10),其中平行光光源(8)和平面反射镜(18)配装在装配台(1) 的上方，凹面反射镜(17)配装在装配台(1)的下方。
7、根据权利要求4所述的基于一维微焦准直的微小内腔尺寸和二维坐标传感装置，其特 征在于点光源获取单元可由平行光光源(8)和微孔光阑(19)组成，通过光的衍射获取点光 源(10)，其中微孔光阑(19)配装在装配台(1)下方，介于平行光光源(8)和光纤探针测 杆(11)之间，且微孔光阑(19)的中心在点光源一维微焦准直成像光路光轴(13)上，微 孔光阑(19)的中心与点光源(10)的中心重合。
全文摘要
基于一维微焦准直的微小内腔尺寸和二维坐标传感方法与装置属于精密仪器制造及测量技术领域，特别是一种“亚宏观”领域中对微小、复杂内腔的结构尺寸和二维坐标的传感方法与装置，尤其适用于大深径比微小孔的测量，本发明利用光纤探针测杆具有超大曲率和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，利用该光路实现了对光纤探针测杆二维位移量的高倍放大与传感，本发明不仅具备单光纤探针测力小、易小型化及测量深径比大的特点，特别是分辨力最高可达深亚纳米量级，且在二维测量方向具有绝对“0”位，系统结构简单、实时性好、易于实际应用，在对微小内腔尺寸和二维坐标实施快速、超精密的测量与校准中具有显著优势。
文档编号G01B11/03GK101520314SQ20091007162
公开日2009年9月2日 申请日期2009年3月24日 优先权日2009年3月24日
发明者崔继文, 飞 王, 谭久彬 申请人:哈尔滨工业大学