专利名称：基于二维微焦准直的微小内腔尺寸和三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 内腔的结构尺寸和三维坐标的传感方法与装置，尤其适用于大深径比微小盲孔的三维结构尺 寸探测。
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，测量深径比难以提高，尤其 是难以实现深盲微小孔的结构尺寸测量，这些已成为制约行业发展的"瓶颈"。为了实现更小 内尺寸的测量、提高测量深径比，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，因此瞄准发讯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。目前大多数用于微小内腔测量的探针设计仅仅具有二维探测能力，这将难以实现如盲孔 深度或者狭缝深度尺寸的测量。因此，为了精确获得复杂的微小内腔的三维空间结构尺寸， 需要实现一种具有高分辨力、具有三维探测能力的探针。
在微小内腔结构件三维结构测量工作中，尤其是深盲微小孔的测量工作中，目前具有三 维探测能力的探针实现手段主要包括以下几种方法-
1、 我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具 有三维探测能力的膜片式盲小孔测头，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O300 pm、深径比为 40的盲孔，测量结果的不确定度为lum (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0.2Hm，测量精度难以进一步提高。
2、 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 (D214 Hm的孔径，测量深度为0.8mm，测量结果的不确定度为1 ^un，测量力为nN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, (H. Schwenke, F. Waldele, C. Weiskirch, H. Kunzmann. Opto隱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。
3 、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在空间二维方向上的微小移动，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O50 nm，实验中测量了 0129tim的孔径，测量结果的扩展不确定度达到了 70nm(k=2),测量深度可以达到5mm，测 量力为mN量级(b. Muralikrishnan， j.A. Stone, j.r. Stoup. Fiber deflection probe for small hole metrology. Precision Engineering 30 (2006) 154^164.)。后来，B.Muralikrishnan等人利用光纤杆 弯曲技术拓展了这一方法的探测维度，使该方法使用的光纤探针具有三维探测能力，并且在 Z向的探测分辨力比X (或者Y)向提高了 100倍，另外两个方向的探测分辨力没有变化， 同时还引入了声学振动法实现虚拟扫描，克服了光纤测头粘滞力的影响(B.Muralikrishnan, J.A.Stone， J.R.Stoup， ENANCED CAPABILITIES OF THE NIST FIBER PROBE FOR MICROFEATURE METRO- LOGY. Proceedings of the Annual Meeting of the ASPE2006， Monterey CA)。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，是目前微小内腔三维尺寸探测中分辨力最高的方法。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， 探测光纤测杆的三维微位移必须使用两套成像系统，导致系统结构比较复杂，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，更为不理 想的是该方法所提出的Z向传感方法共用了另外两个维度的光路，这导致该探测系统在测量 Z向时另外两个测量方向不能同时工作，例如在测量斜坡时传感系统无法解决Z向信息和另 外两个方向信息的信号耦合问题，因此该种方法虽然能够实现Z向的位移探测，但由于无法 解决三维位移信号的耦合问题使得该方法不能成为真正意义上的三维探针。
4、瑞士联合计量办公室(Swiss Federal O迅ce 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则.lmm。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，最大 偏差为20nm，测量结果的不确定度为50nm (A. Kung， F. Meli and R. Thalmann， Ultraprecision Micro-CMM Using a Low Force 3D Touch Probe, Measurement Science and Technology 18 (2007), pp. 319-327.)。该种方法探测系统结构设计复杂，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，目前微小内腔尺寸三维探测方法中，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在 二维方向上具有4nm的理论分辨力，在第三维方向上具有更高的分辨力(B. Muralikrishnan, J.A. Stone, J.R. Stoup. Fiber deflection probe for small hole metrology. Precision Engineering 30 (2006) 154~164. B.Muralikrishnan, J.A.Stone, J.R.Stoup， ENANCED CAPABILITIES OF THE NIST FIBER PROBE FOR MICROFEATURE METRO- LOGY. Proceedings of the Annual Meeting of the ASPE2006, Monterey CA)，即在二维方向上成像获得的灵敏度特征参数为300nm/pixel，在 第三维方向(Z向)成像获得的灵敏度特征参数为3nm/pixel。 4nm的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 20nm 125^un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。该方法虽然在Z向获得了较高的分辨力，但是Z向探测只能单 独工作，不能和X、 Y向探测同时工作，例如该系统无法实现对斜坡结构要素的有效探测， 只能测量与Z向垂直的平面在Z向的位置。
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三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三维探测(B. Murali- krishnan， J.A. Stone, J.R. Stoup. Fiber deflection probe for small hole metrology. Precision Engineering 30 (2006) 15^164.)，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三维坐标测量高精度、大深径比 与快速测量的需求，本发明提出一种基于二维微焦准直的微小内腔尺寸和三维坐标传感方法 与装置。
本发明的目的是这样实现的
一种基于二维微焦准直的微小内腔尺寸和三维坐标传感方法，通过以下步骤实现对光纤 探针测杆三维位移的传感
① 将光纤探针测杆的一部分与微球面双凸透镜结合；
② 利用步骤①所述的微球面双凸透镜组建点光源二维微焦准直成像光路，所成像为一亮 光斑；
③ 利用步骤②所述的点光源二维微焦准直成像光路将光纤探针测杆相对于点光源的三维 位移变化转变为点光源二维微焦准直成像光路所成的亮光斑变化，即亮光斑的能量中心的二
维位置的变化和亮光斑的面积的变化；
④ 点光源与微球面双凸透镜在唯一一个特定的物距下，步骤②所述的点光源二维微焦准 直成像光路所成像具有最小的光斑面积和最小的二维偏度绝对值，将该特定的物距下的光纤
探针测杆所在位置作为三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所述的点光源二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 所述的点光源二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 的三维位移变化量的提取。
一种基于二维微焦准直的微小内腔尺寸和三维坐标传感装置，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，悬臂梁配装在五维调整架上，在悬臂梁的 末端安装光纤探针测杆，在光纤探针测杆的中部安装微球面双凸透镜，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；由点光源和微 球面双凸透镜组成点光源二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、本发明利用微球面双凸透镜具有超大曲率和微小焦距的结构特点，组建了点光源二 维微焦准直成像光路，利用因微焦准直与超大曲率微球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三维位移转换为亮光斑空间状态 的变化，其变化特性在三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 法与装置在三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面阵CCD即可实现对光纤探针测杆的三 维位移信息的高效提取，所提取的测量信号简单易处理，易于实现在线测量，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 测杆三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，且具有三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三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，微球面双凸透镜的球面半径可加工至2(^m， 光纤探针测杆半径可加工至lOprni，光纤探针测头半径可加工至20pm，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二维微焦准直的微小内腔尺寸和三 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二维微焦准直的微小内腔尺寸和三 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二维微焦准直的微小内腔尺寸和三 维坐标传感装置示意图
图4a为本发明的微球面双凸透镜与光纤探针测杆的结合方式为嵌入式结构 图4b为本发明的微球面双凸透镜与光纤探针测杆的结合方式为邻接式结构 图中l.装配台，2.第一连接架，3.第二连接架，4.悬臂梁，5.五维调整架，6.第三连接架， 7.第四连接架，8.四维调整架，9.平行光光源，IO.球面透镜组，ll.点光源，12.微球面双凸透 镜，13.光纤探针测头，14.光纤探针测杆，15.点光源一维微焦准直成像光路光轴，16.数据采 集处理器，17.CCD， 18.数据线，19.凹面反射镜，20.平面反射镜，21.微孔光阑。
具体实施例方式
一种基于二维微焦准直的微小内腔尺寸和三维坐标传感方法，通过以下步骤实现对光纤 探针测杆三维位移的传感
①将光纤探针测杆的一部分与微球面双凸透镜结合；由于要通过组建点光源二维微焦准直成像光路实现对光纤探针测杆14的三维位移监测， 因此需要使用具有微小焦距的微球面双凸透镜12与光纤探针测杆11相结合，使他们具有相 同的运动状态，微球面双凸透镜12的球面半径通常在20nm~100Mm之间，因此其曲率在 5xl(^m" 10"m"之间。光纤探针测杆14是将一段光学纤维作为探针的测杆，主要目的是需要 利用光学纤维特有机械特性，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， 易于小型化，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1(Vm 100tim之间，微球面双凸透镜的焦距为微米量级。
微球面双凸透镜12所形成的微球面双凸透镜的焦距f可近似表达为
广r X (2 _ M,)
~^——11 (1)
2x(巧-1)
其中空气的折射率为1，微球面双凸透镜12的折射率为m，微球面双凸透镜12的球面 半径为r。可见当n尸1.6，微球面双凸透镜12的半径在lOOjim以内时，f小于33.33pm。
②利用步骤①所述的微球面双凸透镜组建点光源二维微焦准直成像光路，所成像为一亮 光斑；
利用光的折射、反射或者衍射原理获得点光源，将点光源放置在微球面双凸透镜12的焦 点上，则点光源所发出的光线被微球面双凸透镜12二维准直，所成像为一亮光斑。
③利用步骤②所述的点光源二维微焦准直成像光路将光纤探针测杆相对于点光源的三维 位移变化转变为点光源二维微焦准直成像光路所成的亮光斑变化，即亮光斑的能量中心的二 维位置的变化和亮光斑的面积的变化；
当光纤探针测杆14在与点光源二维微焦准直成像光路光轴15的垂直平面上发生二维位 移时，微球面双凸透镜12相应发生二维位移，点光源11经微球面双凸透镜12准直后所成光 斑的能量中心将相应产生二维位移，点光源11经微球面双凸透镜12准直后的光线将和点光 源二维微焦准直成像光路光轴15产生转角，随着像距的增加光路的位移放大倍率将线性增 大，由于点光源11与微球面双凸透镜12之间的距离(物距)为微米量级，而像距通常在100mm 以上，因此该光路能够形成将微球面双凸透镜12相对于点光源11的二维偏移量高倍放大现 象，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，在点光源二维微焦准直成像光路中，当点光源ll 位于微球面双凸透镜12的焦点上、微球面双凸透镜12的球面半径为r、像距为1，、微球面 双凸透镜12的折射率为m、空气的折射率为1时，此时该光路对微球面双凸透镜12在准直 光路光轴15垂直方向上的二维位移放大率卩满足
〃《~~^~ (2)
由于微球面双凸透镜12的球面半径一般选择在20拜~62.5网之间，若取n产1.6， r=200mm，则容易计算出放大率|3的范围在7500~2400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。例如选取微 球面双凸透镜12的球面半径为25trni，其对应的垂轴放大倍率|3根据式(2)可算得为6000，如果使用的CCD17的像元尺寸为l(Him，利用数据处理算法能够分辨0.1个像元的变化，则 此时传感装置对光纤探针测杆14在与点光源二维微焦准直成像光路光轴15垂直的二维测量 方向上的理论位移分辨力a为
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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，即微球面双凸透镜12的
球面半径为20nm时，其折射率n产1.7，像距l，=400mm， 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14在准直光路垂轴方向二维位 移的理论分辨力a可达0.04nm。
继续增加像距，进一步减小CCD17像元的尺寸，进一步提高图像算法的分辨力，则该 理论分辨力还可以提高。
当光纤探针测杆14在点光源二维微焦准直成像光路光轴15方向发生位移时，成像光斑 的面积将相应发生变化，变化率同样具有高倍线性放大特性。
可见，单个点光源二维微焦准直成像光路不仅实现了将光纤探针测杆14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14的三维位移信息，且该三维位移的成像信息是 可解耦的，即点光源二维微焦准直成像光路所成亮光斑的能量中心的二位置与光斑的面积分 别能够与光纤探针测杆14的三维位移相对应。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 点光源与微球面双凸透镜在唯一一个特定的物距下，步骤②所述的点光源二维微焦准 直成像光路所成像具有最小的光斑面积和最小的二维偏度绝对值，将该特定的物距下的光纤 探针测杆所在位置作为三维位移传感方向上的绝对"0"位置；
光纤探针测杆14在点光源二维微焦准直成像光路光轴15垂直方向发生二维移时，微球 面双凸透镜12同时发生二维位移，这导致点光源11的成像光斑能量的中心位置和偏度将在 二维方向上发生变化，各方向上的偏度绝对值分别具有唯一的极小值，可将成像光斑各方向 能量偏度绝对值有极小值的位置作为二维方向上位移探测范围上的绝对"0"位置。光纤探针 测杆14在点光源二维微焦准直成像光路光轴15方向发生位移时，微球面双凸透镜12同时发 生位移，其成像光斑的偏度不变，光斑面积将相应发生变化，光斑面积具有唯一的极小值， 可将成像光斑面积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所述的点光源二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2个面阵 CCD才能获取光纤探针测杆14的三维位移信息，同时由于光学成像部分放大倍率不高而必 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二维微焦准直成像光路实现了将光纤探针测杆 14三维位移量的高倍放大(放大倍率可达几千倍至上万倍)，所成的像为一个亮光斑，只需 要知道光斑能量的二维中心位置和面积就可以精确获得光纤探针测杆14的三维微位移信息，因此可以只使用1个面阵CCD即可高效提取光纤探针测杆14的三维位移信号，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三维坐标测量过程中瞄准发讯与启、止测量的同步性，更 易于实施快速、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 所述的点光源二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 的三维位移变化量的提取。
一种基于二维微焦准直的微小内腔尺寸和三维坐标传感装置，包括装配台l，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6和第四连接架7，四维 调整架8、球面透镜组IO、五维调整架5和CCD17依次分配安装在第一连接架2、第二连接 架3、第三连接架6和第四连接架7下侧部上，平行光光源9配装在四维调整架8上，悬臂 梁4配装在五维调整架5上，在悬臂梁4的末端安装光纤探针测杆14，在光纤探针测杆14 的中部安装微球面双凸透镜12，在光纤探针测杆14下端部上安装光纤探针测头13，数据传 输线18两端分别连接在CCD17和数据采集处理器16上，其中由平行光光源9和球面透镜 组10组成点光源获取单元，通过光的折射方式获得点光源11;由点光源11和微球面双凸透 镜12组成点光源二维微焦准直成像单元；CCD17、数据传输线18和数据采集处理器16组成 光电接收以及数据采集处理单元。
所述的基于二维微焦准直的微小内腔尺寸和三维坐标传感装置，其平行光光源9所发射 的平行光光束的光轴、球面透镜组10的光轴、点光源11的中心、微球面双凸透镜12的光轴 以及CCD17的中心在点光源二维微焦准直成像光路光轴15上，形成共轴光路，光纤探针测 头12与点光源二维微焦准直成像光路光轴15有lmm以上的距离。
所述的基于二维微焦准直的微小内腔尺寸和三维坐标传感装置，其点光源获取单元可由 平行光光源9、平面反射镜20和凹面反射镜19组成，通过光的反射获取点光源11，其中平 行光光源9和平面反射镜20配装在装配台1的上方，凹面反射镜19配装在装配台1的下方。
所述的基于二维微焦准直的微小内腔尺寸和三维坐标传感装置，其点光源获取单元可由 平行光光源9和微孔光阑21组成，通过光的衍射获取点光源11 ，其中微孔光阑21配装在装 配台1下方，介于平行光光源9和微球面双凸透镜12之间，且微孔光阑21的中心在点光源 一维微焦准直成像光路光轴15上，微孔光阑21的中心与点光源10的中心重合。
所述的基于二维微焦准直的微小内腔尺寸和三维坐标传感装置，其光纤探针测杆14与微 球面双凸透镜12的结合方式为嵌入式，即将微球面双凸透镜12嵌入到光纤探针测杆14当中。
所述的基于二维微焦准直的微小内腔尺寸和三维坐标传感装置，其光纤探针测杆14与微 球面双凸透镜12的结合方式还可以是邻接式，即将微球面双凸透镜12粘接在光纤探针测杆 14的旁侧。
权利要求
1、一种基于二维微焦准直的微小内腔尺寸和三维坐标传感方法，其特征在于通过以下步骤实现对光纤探针测杆三维位移的传感①将光纤探针测杆的一部分与微球面双凸透镜结合；②利用步骤①所述的微球面双凸透镜组建点光源二维微焦准直成像光路，所成像为一亮光斑；③利用步骤②所述的点光源二维微焦准直成像光路，将光纤探针测杆相对于点光源的三维位移变化转变为点光源二维微焦准直成像光路所成亮光斑能量中心的二维位置变化和亮光斑面积的变化；④点光源与微球面双凸透镜在唯一一个特定的物距下，步骤②所述的点光源二维微焦准直成像光路所成像具有最小的光斑面积和最小的二维偏度绝对值，将该特定的物距下的光纤探针测杆所在位置作为三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所述的点光源二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所述的点光源二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三维位移变化量的提取。
2、 根据权利要求1所述的基于二维微焦准直的微小内腔尺寸和三维坐标传感方法，其特 征在于微球面双凸透镜的焦距为微米量级。
3、 根据权利要求l所述的基于二维微焦准直的微小内腔尺寸和三维坐标传感方法，其特 征在于使用一个面阵光电转换器件实现对光纤探针测杆三维位移信息的提取。
4、 一种基于二维微焦准直的微小内腔尺寸和三维坐标传感装置，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(6) 和第四连接架(7)，四维调整架(8)、球面透镜组(10)、五维调整架(5)和CCD (17)依 次分配安装在第一连接架(2)、第二连接架(3)、第三连接架(6)和第四连接架(7)下侧 部上，平行光光源(9)配装在四维调整架(8)上，悬臂梁(4)配装在五维调整架(5)上， 在悬臂梁(4)的末端安装光纤探针测杆(14)，在光纤探针测杆(14)的中部安装微球面双 凸透镜(12)，在光纤探针测杆(14)下端部上安装光纤探针测头(13)，数据传输线(18) 两端分别连接在CCD (17)和数据采集处理器(16)上，其中由平行光光源(9)和球面 透镜组(10)组成点光源获取单元，获得点光源(ll);由点光源(11)和微球面双凸透镜(12) 组成点光源二维微焦准直成像单元；CCD (17)、数据传输线(18)和数据采集处理器(16) 组成光电接收以及数据采集处理单元。
5、 根据权利要求4所述的基于二维微焦准直的微小内腔尺寸和三维坐标传感装置，其特 征在于平行光光源(9)所发射的平行光光束的光轴、球面透镜组(10)的光轴、点光源(11) 的中心、微球面双凸透镜(12)的光轴以及CCD (17)的中心在点光源二维微焦准直成像光 路光轴(15)上，形成共轴光路，光纤探针测头(12)与点光源二维微焦准直成像光路光轴(15)有lmm以上的距离。
6、 根据权利要求4所述的基于二维微焦准直的微小内腔尺寸和三维坐标传感装置，其特 征在于点光源获取单元可由平行光光源(9)、平面反射镜(20)和凹面反射镜(19)组成， 通过光的反射获取点光源(11)，其中平行光光源(9)和平面反射镜(20)配装在装配台(1)的上方，凹面反射镜(19)配装在装配台(1)的下方。
7、 根据权利要求4所述的基于二维微焦准直的微小内腔尺寸和三维坐标传感装置，其特 征在于点光源获取单元可由平行光光源(9)和微孔光阑(21)组成，通过光的衍射获取点光 源(11)，其中微孔光阑(21)配装在装配台(1)下方，介于平行光光源(9)和微球面双凸 透镜(12)之间，且微孔光阑(21)的中心在点光源一维微焦准直成像光路光轴(15)上， 微孔光阑(21)的中心与点光源(11)的中心重合。
8、 根据权利要求4所述的基于二维微焦准直的微小内腔尺寸和三维坐标传感装置，其特 征在于光纤探针测杆(14)与微球面双凸透镜(12)的结合方式为嵌入式。
9、 根据权利要求4所述的基于二维微焦准直的微小内腔尺寸和三维坐标传感装置，其特 征在于光纤探针测杆(14)与微球面双凸透镜(12)的结合方式为邻接式。
全文摘要
基于二维微焦准直的微小内腔尺寸和三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、复杂内腔尺寸和三维坐标的传感方法与装置，尤其适用于大深径比微小盲孔的三维探测，本发明将微球面双凸透镜与光纤探针测杆结合，利用微球面双凸透镜组建了点光源二维微焦准直成像光路，利用该光路实现了对光纤探针测杆三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，且在三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三维坐标实施快速、超精密的测量与校准中具有显著优势。
文档编号G01B11/03GK101520313SQ20091007162
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