[发明专利]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

说明书

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：