一种基于双通道点衍射干涉的三坐标测量装置及方法与流程

本发明涉及点衍射三维测量技术领域，特备涉及一种基于双通道点衍射干涉的三坐标测量装置及方法。

背景技术：

为了达到现代制造业对于产品精度越来越高的要求，很多高精度绝对位移测量方法被使用于日常的测量精度与高效率测量的生产之中。目前三维坐标测量主要采用三坐标测量机和激光跟踪仪。三坐标测量仪作为一种高效的绝对位移测量系统，已经被广泛的适用于高精度定位、尺寸测量以及复现产品等的工作。

目前，三坐标测量机需要价格高昂的高精度专用导轨，高平面度的大理石测量平台。实时测量时，需要将待测件放置于测量平台之上，由传感器进行测量，不具备便携性。近年来，点衍射干涉技术得到了迅速的发展，并在高精度光学检测领域中得到了较好的实际运用。尤其是随着光纤制造工艺以及针孔加工技术的发展，可获得2-3μm量级甚至更小尺寸的点衍射源，很好的促进了点衍射干涉测量技术的快速发展及应用。在点衍射干涉技术中，利用点衍射原理获得理想球面波前可以达到衍射极限性能的分辨率，一次作为参考波前可获得优于于10^-4λ(波长λ＝632.8nm)量级的测量基准，并使得检测精度具有较好的再现性。点衍射干涉仪本身不受导轨限制，且直接避免了传统干涉仪中标准镜引入的误差，用点衍射方法获得高精度的标准球面，为更高精度的测量提供支持。

目前，点衍射干涉测量系统均以一个光纤对实现三维绝对位移测量系统，在x和y两个方向上存在灵敏度不一样造成的在平行于条纹方向上存在精度低的问题。

技术实现要素：

本发明的目的提供一种基于双通道点衍射干涉的三坐标测量装置及方法，提高了测量的精度。

为解决现有技术存在的问题，本发明提供一种基于双通道点衍射干涉的三坐标测量装置，该装置包括：偏振激光器沿所述偏振激光器的发出的光传播方向上还设置有偏振分光棱镜，其特征在于，所述激光经过偏振分光棱镜被分成透射光和反射光，沿所述透射光传播方向，设置有第三偏振分光棱镜；沿所述反射光传播方向依次设置有四分之一波片、反光镜；沿所述反射光经过反射镜反射后的传播方向，在所述偏振分光棱镜之后，还设置有第二分光棱镜；沿光的传播方向，所述第一分光棱镜和第三分光棱镜之后分别设置有一对光纤耦合器以及与所述光纤耦合器连接的亚微米孔径光纤。

本技术方案在偏振分光棱镜后还设置有第二分光棱镜和第三分光棱镜，相应的设置了两对亚微米孔径光纤，因此可以在点衍射出射端获取三维坐标，提高了测量的精度。

其中，还包括：测量探头，与每根亚微米孔径光纤的光线出射端连接，用于获取每两根亚微米孔径光纤的出射光在横向或纵向产生的偏移；

探测器，沿光的传播方向，设置于测量探头之后，用于采集两点衍射球面波前干涉条纹。

本技术方案在亚微米孔径光纤的光线出射端设置测量探头，并通过测量探头获取出射光在横向和纵向产生的偏移，并通过探测器采集干涉条纹，从而为后期的分析提供了条件。

其中，还包括移相器，所述移相器与所述反射镜连接。通过移相器对反射镜的移动可以获得多组干涉条纹，进而提高了测量的精度。

其中，所述移相器为压电陶瓷移相器。

其中，还包括分析处理装置，所述处理装置为计算机，所述计算机设置于所述移相器与所述探测器之间。

其中，所述四分之一波片的快轴方向与X轴成45度夹角。

其中，所述探测器的像素为1920×1080，对应横向和纵向像素尺寸都为5.5μm。

相应的本发明还提供一种基于双通道点衍射干涉的三坐标测量方法，该方法包括：偏振激光器发出的激光进入偏振分光棱境被分成透射光和反射光，所述透射光经过第三偏振光棱镜通过激光耦合器的耦合进入第一组亚微米孔径光纤；所述反射光经过反射镜的反射、第二分光棱镜后，通过激光耦合器的耦合进入第二组亚微米孔径光纤；

交替开启第一组亚微米孔径光纤中的一根光纤和第二组亚微米孔径光纤中的一根光纤，使开启的两根光纤的出射光在测量探头产生代表横向偏移或纵向偏移的点衍射球面波前，进而在探测器平面产生干涉条纹。

另外，还包括：

计算机控制压电移相器对反射镜进行多次移动，来改变两点衍射球波前之间的光程差；

探测器实时采集多个对应的干涉条纹，并将所述采集的干涉条纹图像发送至计算机。

另外，还包括：

计算机将探测器实时采集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探测器平面上任意点的相位分布；

计算机利用智能优化算法求解得到成对亚微米孔径光纤点衍射出射端的三维坐标的最优解。

本发明实施例不仅设置有偏振分光棱镜，还设置有第二分光棱镜和第三分光棱镜，而且第二分光棱镜和第三分光棱镜分别通过一对光纤耦合器与亚微米孔径光纤连接，这样本发明的检测装置中就设置了两对亚微米孔径光纤，即设置了四根亚微米孔径光纤，同时实现了三个方向上的高精度测量，提高了点衍射三维测量的精度。

附图说明

图1是本发明一种基于双通道点衍射干涉的三坐标测量装置的一种实施例的示意图；

图2是本发明一种基于双通道点衍射干涉的三坐标测量方法的一种实施例的流程示意图；

图3是本发明基于双通道点衍射干涉的三坐标测量方法的光纤对G1接通时对应解包裹后的相位示意图；

图4是本发明一种基于双通道点衍射干涉的三坐标测量方法的光纤对G2接通时对应解包裹后的相位示意图；

图5是本发明一种基于双通道点衍射干涉的三坐标测量方法的双通道点衍射干涉仪绝对位移测量模型；

图6是本发明一种基于双通道点衍射干涉的三坐标测量方法在对应于测量目标的各种旋转位置时x和y方向上的测量灵敏度。

其中：1、偏振激光器，2、第一个二分之一波片，3、偏振分光棱镜，4、四分之一波片反射镜，5、反射镜，6、移相器，7、第二分光棱镜，8、第一光纤耦合器，9、第二光纤耦合器，10、第一亚微米孔径光纤，11、第二亚微米孔径光纤，12、第二二分之一波片，13、第三分光棱镜，14、第三偏振光纤耦合器，15、第四偏振光纤耦合器，16、第三亚微米孔径光纤，17、第四亚微米孔径光纤，18、测量探头，19、探测器，20、计算机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

参考图1，该图本发明一种基于双通道点衍射干涉的三坐标测量装置的一种实施例的示意图，该装置包括：偏振激光器1、第一个二分之一波片2、偏振分光棱镜3、四分之一波片4、反射镜5、压电陶瓷移相器6、第二分光棱镜7、第一光纤耦合器8、第二光纤耦合器9、第一亚微米孔径光纤10、第二亚微米孔径光纤11、第二二分之一波片12、第三分光棱镜13、第三光纤耦合器14、第四光纤耦合器15、第三亚微米孔径光纤16、第四亚微米孔径光纤17、测量探头18、CCD探测器19、计算机20；图中带箭头的线表示光纤，不带箭头的线表示电路连接线。偏振激光器1可以采用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可采用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10的像素数为1920×1080，对应横向和纵向像素尺寸都为5.5μm。测量探头18连接有第一亚微米孔径光纤SF1 10、第四亚微米孔径光纤SF2 17、第二亚微米孔径光纤SF3 11和第三亚微米孔径光纤SF4 16。第一亚微米孔径光纤SF1 10与测量探头18连接部为出射端，另一端连接有第一光纤耦合器8；第四亚微米孔径光纤SF2 17与测量探头18连接部为出射端，另一端连接有第四光纤耦合器15；第二亚微米孔径光纤SF3 11与测量探头18连接部为出射端，另一端连接有第二光纤耦合器9；第三亚微米孔径光纤SF4 16与测量探头18连接部为出射端，另一端连接有第三光纤耦合器14。

偏振激光器1发出的激光经过调整光强的第一个二分之一波片2，射入偏振分光棱镜3分成透射光p和反射光s。其中一束反射光s经过四分之一波片4后到达反射镜5上，经反射镜5反射回来的光s’先后通过四分之一波片4、偏振分光棱镜3、第二分光棱镜7分成透射光pSF1和反射光sSF3，透射光pSF1到达第一个光纤耦合器8耦合到第一亚微米孔径光纤10上，反射光sSF3到达第二光纤耦合器9耦合到第二亚微米孔径光纤11上，两根光纤末端产生点衍射球面波前作为检测波前W1；另一束透射光p经过用来微调光强的第二个二分之一波片12到达第三分光棱镜13分成透射光pSF4和反射光sSF2，反射光sSF2到达第四光纤耦合器15耦合到第四亚微米孔径光纤17上，透射光pSF4到达第三个光纤耦合器14耦合到第三亚微米孔径光纤16上，两束光纤末端产生点衍射球面波前作为参考波前W2。CCD探测器19的数据输出口与计算20的数据输入口连接，将CCD探测器19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20。计算机20的数据输出口与移相器6的数据输入口连接，计算机20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’。

需要说明的，本文所说的第一亚微米孔径光纤10和第二亚微米孔径光纤11共同称为第一组亚微米孔径光纤；第三亚微米孔径光纤16和第四亚微米孔径光纤17共同称为第二组亚微米孔径光纤。

下面说明本发明的另一方面。

参考图2，该图是本发明一种基于双通道点衍射干涉的三坐标方法的一种实施例的流程示意图，包括如下步骤：

步骤s11，偏振激光器发出的激光进入偏振分光棱境被分成透射光和反射光，所述透射光经过第三分光棱镜通过激光耦合器的耦合进入第一组亚微米孔径光纤；所述反射光经过反射镜的反射、第二分光棱镜后，通过激光耦合器的耦合进入第二组亚微米孔径光纤；

具体实现时，偏振He-Ne激光器1发出光波长λ为632.8nm的激光，经过第一个二分之一波片2得到不同偏振方向的线偏振光，再经过第偏振分光棱镜3分成透射光p和反射光s。其中一束反射光s经过一个快轴方向与x轴成45°夹角的四分之一波片4后到达安装在压电移相器6上的反射镜5上，经反射镜5反射回来的光s’，第二次通过四分之一波片4后再透过偏振分光棱镜3到达第二分光棱镜7分成透射光pSF1和反射光sSF3，透射光pSF1到达第一个光纤耦合器8耦合到第一根亚微米孔径光纤10上，反射光sSF3到达第二个光纤耦合器9耦合到第二根亚微米孔径光纤11上，两根光纤末端产生点衍射球面波前作为检测波前W1；另一束透射光p经过第二个二分之一波片12到达第三分光棱镜13分成透射光pSF4和反射光sSF2，反射光sSF2到达第三光纤耦合器14耦合到第三根亚微米孔径光纤16上，透射光pSF4到达第四光纤耦合器15耦合到第四亚微米孔径光纤15上，两根光纤末端产生点衍射球面波前作为参考波前W2。

步骤s12，交替开启第一组亚米孔径光纤中的一根光纤和第二组亚米孔径光纤中的一根光纤，使开启的两根光纤的出射光在测量探头产生代表横向偏移或纵向偏移的点衍射球面波前，进而在探测器平面产生干涉条纹；

具体实现时，先打开光纤对G1(SF1与SF2)，关闭光纤对G2(SF3与SF4)，两亚微米孔径光纤分别在测量探头18上产生横向偏移，在CCD探测器19平面上实时形成和待测测量探头18三坐标值相对应的两点衍射球面波前干涉条纹。

步骤s13，计算机控制压电移相器对反射镜进行多次移动，来改变两点衍射球波前之间的光程差；具体实现时，利用计算机20控制压电移相器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19实时采集横向偏移对应干涉图。关闭光纤对G1(SF1与SF2)，打开光纤对G2(SF3与SF4)，重复上述操作，获得纵向偏移对应的干涉图。

步骤s14，探测器实时采集多个对应的干涉条纹，并将所述采集的干涉条纹图像发送至计算机。

步骤s15，计算机将探测器实时采集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探测器平面上任意点的相位分布；并利用智能优化算法求解得到成对亚微米孔径光纤点衍射出射端的三维坐标的最优解。参考图3和图4为横向偏移与纵向偏移对应干涉图解调出的相位分布图，如图所示，横向时x方向相位变化大于y方向，纵向时y方向相位变化大于x方向。

如图5所示，建立测量探头的球坐标与系统的直角坐标系数学模型，其中(a)表示测量空间，(b)表示辅助球面坐标系；以探测器平面上像素范围的中心作为所选计算点区域的中心坐标，选取至少6个像素点的坐标及其对应的相位建立超定非线性方程组，然后利用粒子群算法快速求解得到两亚微米孔径光纤点衍射出射端中心O’的三维坐标分别为(5.056，5.717，115.056)mm和(5.486，5.072，114.768)mm。

对只有一个光纤对时系统模型分析，CCD上任意点P的相位为

如图5(b)所示，CCD平面为xoy平面，其中心点O为直角坐标系的原点。r1，r2分别为P点到两根光纤出射端面的距离。如图5(a)所示，探头上的SF1与SF2是两个点衍射源(亚微米孔径光纤的出射端)，它们之间间隔距离为d。以SF1与SF2的中点O′(x₀，y₀，z₀)为原点建立探头的辅助球坐标系，其中θ与σ分别为方位角与极角。

对应有相位在x和y方向的相位差的偏导数(DS_x，DS_y)为

分析得到图6示出了对应于测量目标绕z轴的各种旋转位置(极角)时x和y方向上的测量灵敏度，其中方位角为90°。如图2所示，当极角为0°时，x方向(垂直于边缘方向)的测量灵敏度DS_x远大于y方向(平行于边缘方向)的测量灵敏度DS_y；并且DS_x和DS_y随着极角增大分别减小和增加。横向正交方向的测量灵敏度的差异可能导致某些横向方向上的测量精度低。

通过分析得到，选取仅光纤对G1接通时对应的亚微米孔径光纤出射端的x坐标，仅光纤对G2接通时的对应的亚微米孔径光纤出射端的y坐标，光纤对G1和G2时分别对应的亚微米孔径光纤出射端的z坐标的平均值作为测量探头的三维坐标，最终合成(5.056，5.072，114.912)mm实现被测目标的三维坐标的高精度测量。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。