專利名稱：基于一維微焦準直的微小內(nèi)腔尺寸和二維坐標傳感方法與裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于精密儀器制造及測量技術領域，特別是一種"亞宏觀"領域中對微小、復雜 內(nèi)腔的結構尺寸和二維坐標的傳感方法與裝置，尤其適用于大深徑比微小孔的測量。
背景技術：
工業(yè)產(chǎn)品發(fā)展的趨勢之一就是內(nèi)尺度微小化與精密化，隨著航空航天工業(yè)、電子工業(yè)、 醫(yī)療器械的發(fā)展，精密微小內(nèi)腔構件的需求急劇增長，如燃料射噴管、慣性儀表、光纖插芯、 拉絲模、電路印板和醫(yī)療器械中的孔(如耳咽管)等。由于受到空間尺度的限制以及測量 接觸力的影響，微小內(nèi)腔構件內(nèi)尺度的精密測量變得難以實現(xiàn)，尤其是測量深度難以提高， 這些已成為制約行業(yè)發(fā)展的"瓶頸"。顯微鏡成像法雖然可以測量微小內(nèi)腔尺寸，但是測量深 度受到很大限制，無法進一步擴展應用領域。為了實現(xiàn)更小的內(nèi)尺寸測量、增加測量深度， 最廣泛使用的辦法是使用細長的探針伸入微小內(nèi)腔進行探測，通過瞄準發(fā)訊的方式測量不同
深度上的微小內(nèi)尺寸。因此，目前微小內(nèi)腔尺寸的精密測量主要以坐標測量機(CMM， Coordinate Measuring Machine)結合具有纖細探針的瞄準發(fā)訊式探測系統(tǒng)(PS， Probing System) 為主，其中坐標測量機技術的發(fā)展已經(jīng)比較成熟，可以提供精密的三維空間運動，因此瞄準 觸發(fā)式探針的探測方式成為微小內(nèi)腔尺寸探測系統(tǒng)設計的關鍵。
目前，微小內(nèi)尺寸測量的主要手段包括以下幾種方法
1、 中國天津大學的楊世民教授等人提出一種彈性尺寸傳遞理論，基于這一原理研制了膜 片式盲小孔測頭，以膜片為敏感元件，把測桿視為變形很大的彈性體，通過精密標定自動補 償彈性測桿變形誤差，將測頭安裝在三坐標測量機上，可對各種方向的通盲小孔進行接觸測 量，測出其任意截面的尺寸和形狀誤差，可以測量①300 pm、深徑比為40的盲孔，測量結果 的不確定度為lpm (楊世民，李樹和，張國雄等。膜片式小孔測頭的設計與研究，計量學報， 1998年第19巻第2期)。這種方法測頭與測桿難以進一步小型化，測頭的最大非線性誤差為 0.2pm，測量精度難以進一步提高。
2、 日本的Masuzawa等人利用硅加工的工藝制作了硅質(zhì)微型探針，把探針作為阻抗元件 接入電路中，提出一種振動掃描的方法進行孔徑測量，把探針的機械變動量直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?號進行測量，能夠?qū)IOO nm孔徑實施測量，測量深度可達到3mm，測量結果的不確定度 為 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.)。這種方法由于采用 了外加振動源，測量數(shù)據(jù)的漂移較大，另外，它的探針測頭末端幾何形狀為矩形，測量孔時 存在盲區(qū)，導致測量精度只能到達亞微米級。
3、 德國聯(lián)邦物理技術研究院(PTB， Physikalisch-Technische Bundesanstalt)的Schwenke 教授等人提出了一種微光珠散射成像法，實現(xiàn)了對探針測頭的二維監(jiān)測，他們利用單光纖作為探針測桿，把微光珠粘接或者焊接到測桿末端，使光線耦合進入光纖內(nèi)部傳播到微光珠上 形成散射，用一個面陣CCD接收散射光形成敏感信號，實現(xiàn)了微力接觸式測量，測量了 0214 pm的孔徑，測量深度為0.8mm，測量結果的不確定度為1 pm，測量力為pN量級(吉貴軍， Schwenke H Tmpet E，羅震。發(fā)動機噴油嘴微小噴油孔尺寸和形狀測量系統(tǒng)，內(nèi)燃機學報， 1998年，第16巻第4期)。后來Schwenke教授等人拓展了這種方法，在測桿上粘接了一個 微光珠，同時增加了一路對該微光珠的成像光路，這使得該探測系統(tǒng)具備了三維探測能力， 測量標準球時得到的標準偏差為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)。這種方法在測量深孔過程中，由于微光珠 散射角度較大，隨著測量深度的增加，微光珠散射成像光斑的質(zhì)量由于散射光線受到孔壁遮 擋而逐漸降低，導致成像模糊，降低了測量精度，因此無法實施大深徑比的高精度測量。
4、中國哈爾濱工業(yè)大學譚久彬教授和崔繼文博士等人提出一種基于雙光纖耦合的探針結 構，把兩根光纖通過末端熔接球連接，熔接球作為測頭， 一根較長光纖引入光線，另外一根 較短導出光線，克服了微光珠散射法測量深度的局限，可以測量O100nm以上的孔，測量結 果的不確定度為0.25 pm，測量深度可以達到5mm (譚久彬，崔繼文，鄒麗敏等?；陔p光 纖耦合的微小內(nèi)腔尺寸測量裝置與方法，專利申請?zhí)朲L200510102478.6)。這種方法由于探 針尺寸很小且具有微觀的特征結構，因此制作工藝難度很大，給實際應用帶來困難，測量精 度為亞微米量級。
5 、美國國家標準技術研究院(National Institute of Standard Technology, NIST)使用了單光纖 測桿結合微光珠測頭的探針，通過光學設計在二維方向上將光纖測桿成像放大35倍左右，用 2個面陣CCD分辨接收二維方向上光纖測桿所成的像，然后對接收到的圖像進行輪廓檢測， 從而監(jiān)測光纖測桿的在測量過程中的微小移動，進而實現(xiàn)觸發(fā)式測量，該探測系統(tǒng)的理論分 辨力可以達到4nm，探測系統(tǒng)的探針測頭直徑為①50 pm，實驗中測量了 0129 的孔徑， 測量結果的擴展不確定度達到了70mn(k-2)，測量深度可以達到5mm，測量力為nN量級(B. Muralikrishnan, J.A. Stone,丄R. Stoup. Fiber deflection probe for small hole metrology. Precision Engineering 30 (2006) 154-164.)。這種方法探測分辨力高，測量精度高，使用的測頭易于小型 化，可以測量較大深徑比的微孔，是目前微小內(nèi)腔尺寸測量中測量分辨力最高的方法。該方 法的局限是成像單元對光纖測桿的微位移放大倍數(shù)較低(僅有35倍)，必須通過圖像算法進 一步提高分辨力，探測光纖測桿的二維微位移必須使用兩套成像系統(tǒng)，導致系統(tǒng)結構比較復 雜，測量數(shù)據(jù)計算量比較大，這些因素導致探測系統(tǒng)的分辨力難以進一步提高，探測系統(tǒng)的 實時性較差，系統(tǒng)構成比較復雜。
6、瑞士聯(lián)合計量辦公室(Swiss Federal Office of Metrology, METAS )研發(fā)了一個新型 的坐標測量機致力于小結構件納米精度的可追跡的測量。該測量機采用了基于并聯(lián)運動學原 理的彎曲鉸鏈結構的新型接觸式探針，該設計可以減小移動質(zhì)量并且確保全方向的低硬度， 是一個具有三維空間結構探測能力的探針。這一傳感結構的測量力低于0.5mN，同時支持可 更換的探針，探針頭的直徑最小到OO.hmn。探測系統(tǒng)結合了一個由PhilipsCFT開發(fā)的高位 置精度的平臺，平臺的位置精度為20nm。該測量系統(tǒng)測量重復性的標準偏差達到5nm，最大 偏差為20nm，測量結果的不確定度為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.)。該種方法結構設計復雜，同時要求測桿具有較高的剛度和硬度，否則難以實 現(xiàn)有效的位移傳感，這使得測桿結構難以進一步小型化，測量深徑比同時受到制約，探測系 統(tǒng)的分辨力難以進一步提高。
綜上所述，目前微小內(nèi)腔尺寸和二維坐標探測方法中，由于光纖制作的探針具有探針尺 寸小、測量接觸力小、測量深徑比大、測量精度高的特點而獲得了廣泛關注，利用其特有的 光學特性和機械特性通過多種方式實現(xiàn)了一定深度上的微小內(nèi)尺寸的精密測量?，F(xiàn)存測量手 段主要存在的問題有
1、 探測系統(tǒng)的位移分辨力難以進一步提高。美國國家標準技術研究院采用的探測方法具 有4nm的理論分辨力(B. Muralikrishnan, J.A. Stone, J.R. Stoup. Fiber deflection probe for small hole metrology. Precision Engineering 30 (2006) 154—164.)，這一分辨力是通過兩個步驟獲得的。 第一個步驟是光學成像放大，放大倍率為35倍，該步驟中，光纖測桿直徑一般在20tmi 125pm 之間，若要大幅提高光學成像放大倍率，則需要較復雜的成像系統(tǒng)設計以及較大面積的CCD 接收器，這將導致該方法在微小深孔的測量應用中失去可實施性。第二個步驟為使用圖像算 法進行輪廓識別，從而判斷光纖測桿的位移量，該步驟的分辨力只能夠到達亞像素級水平， 難以大幅提高。
2、 探測系統(tǒng)在測量方向上沒有絕對"0"位置。現(xiàn)存的對微小內(nèi)腔的探測手段主要通過 面陣CCD所接收的二維圖像來判斷光纖測桿的位移，這種方法不具有絕對"0"位置，這導 致探測系統(tǒng)難以辨別測量要素的極性，也難以獲得更高的測量重復性。
3、 探測系統(tǒng)實時性差，難以實現(xiàn)精密的在線測量。美國國家標準技術研究院采用的探測 方法必須使用兩路面陣CCD接收信號圖像(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 纖測桿成像光路放大倍率僅有35倍，必須使用較復雜的圖像算法才能實現(xiàn)對光纖測桿位移的 高分辨力監(jiān)測，這導致測量系統(tǒng)需要處理的數(shù)據(jù)量大大增加，降低了探測系統(tǒng)的實時性能， 難以實現(xiàn)微小內(nèi)腔尺寸和二維坐標測量過程中瞄準發(fā)訊與啟、止測量的同步性。
4、 實現(xiàn)位移傳感的結構比較復雜。美國國家標準技術研究院采用的探測方法必須使用兩 路正交的光纖測桿成像光路才能實現(xiàn)對光纖測桿位移的二維探測(B. Murali- krishnan, J.A. Stone, J.R. Stoup. Fiber deflection probe for small hole metrology. Precision Engineering 30 (2006) 154~164.)，這導致成像光路的調(diào)整比較困難，需要校對兩路光路的正交性，兩路光路后續(xù)的 圖像信號處理也比較復雜，需要解決兩路信號的同步性問題，這些都使得該種方法在具體使 用和操作方面無法進一步提高工作效率。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述已有技術的不足，以滿足微小內(nèi)腔尺寸和二維坐標測量高精度、大深徑比 與快速測量的需求，本發(fā)明提出一種基于一維微焦準直的微小內(nèi)腔尺寸和二維坐標傳感方法 與裝置。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的-
一種基于一維微焦準直的微小內(nèi)腔尺寸和二維坐標傳感方法，通過以下步驟實現(xiàn)對光纖 探針測桿二維位移的傳感
將光纖探針測桿的一部分作為具有超大曲率的微柱面雙凸透鏡使用；
② 利用步驟①所述的微柱面雙凸透鏡組建點光源一維微焦準直成像光路，所成像為一亮 條紋；
③ 利用步驟②所述的點光源一維微焦準直成像光路將光纖探針測桿相對于點光源的二維 位移變化轉(zhuǎn)變?yōu)辄c光源一維微焦準直成像光路所成的亮條紋變化，即亮條紋的能量中心位置 的變化和亮條紋的寬度的變化；
④ 點光源與微柱面雙凸透鏡在唯一一個特定的物距下，步驟②所述的點光源一維微焦準 直成像光路所成像具有最小的條紋寬度和最小的偏度絕對值，將該特定的物距下的光纖探針 測桿所在位置作為二維位移傳感方向上的絕對"0"位置；
⑤ 利用光電轉(zhuǎn)換器件將步驟③所述的點光源一維微焦準直成像光路所成像轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?br> 號；
⑥ 利用數(shù)據(jù)采集與處理模塊實現(xiàn)將步驟⑤所得到的電信號進行采集與處理，獲得步驟③ 所述的點光源一維微焦準直成像光路所成像的變化信息，完成對光纖探針測桿相對于點光源 的二維位移變化量的提取。
一種基于一維微焦準直的微小內(nèi)腔尺寸和二維坐標傳感裝置，包括裝配臺，在裝配臺上 從左至右依次裝配第一連接架、第二連接架、第三連接架和第四連接架，四維調(diào)整架、球面 透鏡組、五維調(diào)整架和CCD依次分配安裝在第一連接架、第二連接架、第三連接架和第四連 接架下側(cè)部上，平行光光源配裝在四維調(diào)整架上，光纖探針測桿配裝在五維調(diào)整架上，在光 纖探針測桿下端部上安裝光纖探針測頭，數(shù)據(jù)傳輸線兩端分別連接在CCD和數(shù)據(jù)采集處理器 上，其中由平行光光源和球面透鏡組組成點光源獲取單元，通過光的折射方式獲得點光源； 由點光源和光纖探針測桿組成點光源一維微焦準直成像單元；CCD、數(shù)據(jù)傳輸線和數(shù)據(jù)采集 處理器組成光電接收以及數(shù)據(jù)采集處理單元。
本發(fā)明具有以下特點及良好效果
1、 本發(fā)明所提出的傳感方法與裝置是利用光纖探針測桿具有超大曲率和微柱面雙凸透 鏡的結構特點，組建了點光源一維微焦準直成像光路，利用因微焦準直與超大曲率微柱面雙 凸透鏡在離軸過程中所形成的特有的高倍位移放大特性與二次折射偏轉(zhuǎn)特性，產(chǎn)生了超高角 (線)位移靈敏度，位移分辨力可達深亞納米量級，這是本發(fā)明區(qū)別現(xiàn)有技術的主要創(chuàng)新點 之一。
2、 本發(fā)明所提出的傳感方法與裝置將光纖探針測桿的二維位移轉(zhuǎn)換為亮條紋空間狀態(tài)
的變化，其條紋狀態(tài)的變化特性在二維測量方向上各自具有惟一的極值點，這使本發(fā)明所提
出的傳感方法與裝置在二維測量方向上具有了絕對"0"位置，這是本發(fā)明區(qū)別現(xiàn)有技術的 主要創(chuàng)新點之二。3、 本發(fā)明所提出的傳感方法與裝置僅使用一個線陣CCD即可實現(xiàn)對光纖探針測桿的二 維位移信息的高速提取，所提取的測量信號簡單易處理，易于實現(xiàn)高速在線測量，這是本發(fā) 明區(qū)別現(xiàn)有技術的主要創(chuàng)新點之三。
4、 本發(fā)明所提出的傳感方法與裝置系統(tǒng)結構簡單，在一個光路上即可實現(xiàn)對光纖探針 測桿的二維位移量的高倍放大(放大倍率可達幾千倍至上萬倍)與傳感，這是本發(fā)明區(qū)別現(xiàn) 有技術的主要創(chuàng)新點之四。
綜上所述，本發(fā)明不僅具備了單光纖探針測量力小、易于小型化以及可測量深徑比大的 特點，特別是傳感方法與裝置的位移分辨力相對于現(xiàn)有的4nm的技術水平獲得了一個數(shù)量級 以上的提高，且具有二維測量方向上的絕對"0"位置，系統(tǒng)結構簡單、測量信號處理高效 可靠、實時性好、易于實際應用，可直接形成具有納米級、亞納米級乃至深亞納米級位移分 辨力的微小內(nèi)腔尺寸和二維坐標傳感方法與裝置，使用的光纖探針為目前主要微小內(nèi)腔尺度 探測方法中采用的光纖探針，其測量力為^N量級，光纖探針測桿半徑可加工至10nm，光纖 探針測頭半徑可加工至20[im，測量深度可達到5mm。


圖1為本發(fā)明的通過光的折射原理獲取點光源的基于一維微焦準直的微小內(nèi)腔尺寸和二 維坐標傳感裝置示意圖
圖2為本發(fā)明的通過光的反射原理獲取點光源的基于一維微焦準直的微小內(nèi)腔尺寸和二 維坐標傳感裝置示意圖
圖3為本發(fā)明的通過光的衍射原理獲取點光源的基于一維微焦準直的微小內(nèi)腔尺寸和二 維坐標傳感裝置示意圖
圖中l(wèi).裝配臺，2.第一連接架，3.第二連接架，4.五維調(diào)整架，5.第三連接架，6.第四連 接架，7.四維調(diào)整架，8.平行光光源，9.球面透鏡組，IO.點光源，ll.光纖探針測桿，12.光纖 探針測頭，13.點光源一維微焦準直成像光路光軸，14.數(shù)據(jù)采集處理器，15.CCD， 16.數(shù)據(jù)線， 17.凹面反射鏡，18.平面反射鏡，19.微孔光闌。
具體實施例方式
一種基于一維微焦準直的微小內(nèi)腔尺寸和二維坐標傳感方法，通過以下步驟實現(xiàn)對光纖
探針測桿二維位移的傳感
①將光纖探針測桿11的一部分作為具有超大曲率的微柱面雙凸透鏡使用； 光纖探針測桿11是將一段光學纖維作為探針的測桿，目的是需要利用光學纖維特有的光 學特性和機械特性其光學特性在于光纖探針測桿能夠作為柱面雙凸透鏡使用，能夠?qū)c光 源10所發(fā)射的光線進行一維準直；其機械特性在于光學纖維具有較高的剛度，抗變形能力很 強。由于想要探測的的對象為微小內(nèi)腔，因此光纖探針測桿11的半徑通常很小，其半徑通常
在10nm 100nm之間，其作為柱面透鏡的曲率在105m"~104m"之間，微柱面雙凸透鏡的焦距 為微米量級。光纖探針測桿11所形成的微柱面雙凸透鏡的焦距f可近似表達為-
2x(巧—1)
其中空氣的折射率為l，光纖探針測桿ll的折射率為n,，光纖探針測桿ll的半徑為r， 可見當n產(chǎn)1.5，光纖測桿半徑在100pm以內(nèi)時，f小于50nm。
② 利用步驟Q所述的微柱面雙凸透鏡組建點光源一維微焦準直成像光路，所成像為一亮 條紋；
利用光的折射、反射或者衍射原理獲得點光源，將點光源放置在光纖探針測桿ll作為柱 面透鏡部分的焦線上，則點光源所發(fā)出的光線被微柱面雙凸透鏡一維準直，所成像為一亮條 紋。
③ 利用步驟②所述的點光源一維微焦準直成像光路將光纖探針測桿相對于點光源的二維 位移變化轉(zhuǎn)變?yōu)辄c光源一維微焦準直成像光路所成的亮條紋變化，即亮條紋的能量中心位置 的變化和亮條紋的寬度的變化；
當光纖探針測桿11相對于點光源IO在點光源一維微焦準直成像光路光軸13的垂直方向 發(fā)生位移時，點光源10經(jīng)光纖探針測桿11準直后的光線將和點光源一維微焦準直成像光路 光軸13產(chǎn)生轉(zhuǎn)角，因此點光源10經(jīng)一維微焦準直所成的亮條紋像的能量中心位置將發(fā)生變 化，且隨著像距的增加光路的位移放大倍率將線性增大，點光源10與光纖探針測桿11之間 的距離(物距)為微米量級，而像距通常在100mm以上，因此該光路能夠?qū)⒐饫w探針測桿 11相對于點光源10的偏移量高倍放大，放大倍率可達幾千倍至上萬倍。
根據(jù)幾何光學的基本理論可以推導出，在點光源一維微焦準直成像光路中，當點光源IO 位于光纖探針測桿11的焦線上、光纖測桿的半徑為r、像距為l'、光纖探針測桿11的折射率 為im、空氣的折射率為1時，此時該光路對光纖探針測桿11在準直光路光軸13垂直方向上 的位移放大率(3滿足
A*~^~^~ (2)
由于光纖測桿半徑一般在10pm^62.5nm之間，若取n尸L5， r=200mm,則容易計算出 放大率p的范圍在13333-2133之間，這與美國國家標準技術研究院采用的光學系統(tǒng)所具有 的35倍初級放大率相比獲得了兩個數(shù)量級以上的提升。例如選取光纖探針測桿11的半徑為 25pm，其對應的垂軸放大倍率根據(jù)式(2)可算得為5333.3，如果使用的CCD15的像元尺寸 為10pm，通過數(shù)據(jù)處理能夠分辨0.1個像元的變化，則此時傳感裝置對光纖探針測桿11在 點光源一維微焦準直成像光路光軸13垂軸方向位移的理論分辨力a為
a =-^ 0.2歸 (3)
5333.3
如果對該裝置采用當前市場上所能獲得的最佳的參數(shù)配備，g卩光纖探針測桿ll的半徑 為l(Vm時，其折射率n產(chǎn)1.7，像距r-300mm， CCD像元尺寸為7pm，利用圖像算法能夠分 辨0.1個像元的變化，則傳感裝置對光纖探針測桿11在準直光路垂軸方向位移的理論分辨力a可達0.03nm。
進一步增加像距，進一步減小CCD15像元的尺寸，進一步提高數(shù)據(jù)處理的分辨力，則該 理論分辨力還可以提高。
當光纖探針測桿11在點光源一維微焦準直成像光路光軸13方向發(fā)生位移時，成像條紋 的寬度將相應發(fā)生變化，變化率同樣具有高倍線性放大特性。
可見，單個點光源一維微焦準直成像光路不僅實現(xiàn)了將光纖探針測桿11的位移量的高 倍放大，而且所成像同時包含了光纖探針測桿11的二維位移信息，且該二維位移的成像信 息是可解耦的，即點光源一維微焦準直成像光路所成亮條紋的能量中心的位置與條紋的寬度 分別能夠與光纖探針測桿11的二維位移相對應。因此與現(xiàn)存主要測量手段相比，本發(fā)明所 提出的傳感方法具有更高的位移分辨力和更加簡單的系統(tǒng)結構，更便于實際應用。
④ 點光源與微柱面雙凸透鏡在唯一一個特定的物距下，步驟②所述的點光源一維微焦準 直成像光路所成像具有最小的條紋寬度和最小的偏度絕對值，將該特定的物距下的光纖探針 測桿11所在位置作為二維位移傳感方向上的絕對"0"位置。
光纖探針測桿11在點光源一維微焦準直成像光路光軸13垂直方向發(fā)生位移時，其成像 條紋能量的中心位置和偏度將發(fā)生變化，其偏度絕對值具有唯一的極小值，可將成像條紋能 量偏度絕對值有極小值的位置作為該方向位移探測范圍的絕對"0"位置。光纖探針測桿11 在點光源一維微焦準直成像光路光軸13方向發(fā)生位移時，其成像條紋的偏度不變，條紋寬 度將相應發(fā)生變化，條紋寬度具有唯一的極小值，可將成像條紋寬度具有極小值的位置作為 該方向位移探測的絕對"0"位置。
⑤ 利用光電轉(zhuǎn)換器件將步驟③所述的點光源一維微焦準直成像光路所成像轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枴?br> 以光纖探針為主的現(xiàn)存的微小內(nèi)腔尺度探測系統(tǒng)中，大多數(shù)探測系統(tǒng)必須使用1個或者 2個面陣CCD才能獲得探針的二維微位移信息，同時必須使用較復雜的圖像算法實現(xiàn)探測系 統(tǒng)的高分辨力，這使得測量中的需要處理的數(shù)據(jù)量很大，降低了系統(tǒng)的實時性。本發(fā)明所設 計的點光源一維微焦準直成像光路實現(xiàn)了將光纖探針測桿11 二維位移量的高倍放大(放大 倍率可達幾千倍至上萬倍)，所成的像為一條狹長的條紋，只需要知道條紋的中心位置和寬 度就可以精確獲得光纖測桿的二維微位移信息，因此僅使用1個線陣CCD即可高效提取測 量信號，線陣CCD的采樣幀(行)頻最高可達68kHz以上，并且采集到的信號使用較簡單 的算法即可獲得高分辨力的識別，大大提高了探測系統(tǒng)的實時性。與現(xiàn)存主要測量手段相比， 本發(fā)明所提出的傳感方法與裝置其測量信號數(shù)據(jù)處理過程計算量更小，速度更快，更易于保 證微小內(nèi)腔尺寸和二維坐標測量過程中瞄準發(fā)訊與啟、止測量的同步性，能夠?qū)嵤└呔鹊?在線測量。
⑥ 利用數(shù)據(jù)采集與處理模塊實現(xiàn)將步驟⑤所得到的電信號進行采集與處理，獲得步驟③ 所述的點光源一維微焦準直成像光路所成像的變化信息，完成對光纖探針測桿相對于點光源 的二維位移變化量的提取。一種基于一維微焦準直的微小內(nèi)腔尺寸和二維坐標傳感裝置，包括裝配臺l,在裝配臺l 上從左至右依次裝配第一連接架2、第二連接架3、第三連接架5和第四連接架6，四維調(diào)整 架7、球面透鏡組9、五維調(diào)整架4和CCD15依次分配安裝在第一連接架2、第二連接架3、 第三連接架5和第四連接架6下側(cè)部上，平行光光源8配裝在四維調(diào)整架7上，光纖探針測 桿11配裝在五維調(diào)整架4上，在光纖探針測桿11下端部上安裝光纖探針測頭12，數(shù)據(jù)傳輸 線16兩端分別連接在CCD15和數(shù)據(jù)采集處理器14上，其中由平行光光源8和球面透鏡組 9組成點光源獲取單元，通過光的折射方式獲得點光源10;由點光源10和光纖探針測桿11 組成點光源一維微焦準直成像單元；CCD15、數(shù)據(jù)傳輸線16和數(shù)據(jù)采集處理器14組成光電 接收以及數(shù)據(jù)采集處理單元。
所述的基于一維微焦準直的微小內(nèi)腔尺寸和二維坐標傳感裝置，其平行光光源8所發(fā)射 的平行光光束的軸心、球面透鏡組9的光軸的軸心、點光源10的中心以及CCD15的中心在 點光源一維微焦準直成像光路光軸13上，形成共軸光路，且光纖探針測桿11的軸線在豎直 方向與點光源一維微焦準直成像光路光軸13垂直相交，光纖探針測頭12與點光源一維微焦 準直成像光路光軸13有l(wèi)mm以上的距離。
所述的基于一維微焦準直的微小內(nèi)腔尺寸和二維坐標傳感裝置，其點光源獲取單元可由 平行光光源8、平面反射鏡18和凹面反射鏡17組成，利用光的反射獲取點光源10，其中平 行光光源8和平面反射鏡18配裝在裝配臺1的上方，凹面反射鏡17配裝在裝配臺1的下方。
所述的基于一維微焦準直的微小內(nèi)腔尺寸和二維坐標傳感裝置，其點光源獲取單元可由 平行光光源8和微孔光闌19組成，利用光的衍射獲取點光源10，其中微孔光闌19配裝在裝 配臺1下方，介于平行光光源8和光纖探針測桿11之間，且微孔光闌19的中心在點光源一 維微焦準直成像光路的光軸13上，微孔光闌19的中心與點光源10的中心重合。
權利要求
1、一種基于一維微焦準直的微小內(nèi)腔尺寸和二維坐標傳感方法，其特征在于通過以下步驟實現(xiàn)對光纖探針測桿二維位移的傳感①將光纖探針測桿的一部分作為具有超大曲率的微柱面雙凸透鏡使用；②利用步驟①所述的微柱面雙凸透鏡組建點光源一維微焦準直成像光路，所成像為一亮條紋；③利用步驟②所述的點光源一維微焦準直成像光路，將光纖探針測桿相對于點光源的二維位移變化轉(zhuǎn)變?yōu)辄c光源一維微焦準直成像光路所成亮條紋能量中心位置的變化和亮條紋寬度的變化；④點光源與微柱面雙凸透鏡在唯一一個特定的物距下，步驟②所述的點光源一維微焦準直成像光路所成像具有最小的條紋寬度和最小的偏度絕對值，將該特定的物距下的光纖探針測桿所在位置作為二維位移傳感方向上的絕對“0”位置；⑤利用光電轉(zhuǎn)換器件將步驟③所述的點光源一維微焦準直成像光路所成像轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?；⑥利用?shù)據(jù)采集與處理模塊實現(xiàn)將步驟⑤所得到的電信號進行采集與處理，獲得步驟③所述的點光源一維微焦準直成像光路所成像的變化信息，完成對光纖探針測桿相對于點光源的二維位移變化量的提取。
2、 根據(jù)權利要求1所述的基于一維微焦準直的微小內(nèi)腔尺寸和二維坐標傳感方法，其特 征在于微柱面雙凸透鏡的焦距為微米量級。
3、 根據(jù)權利要求1所述的基于一維微焦準直的微小內(nèi)腔尺寸和二維坐標傳感方法，其特 征在于使用一個線陣光電轉(zhuǎn)換器件實現(xiàn)對光纖探針測桿二維位移信息的提取。
4、 一種基于一維微焦準直的微小內(nèi)腔尺寸和二維坐標傳感裝置，包括裝配臺(1)，其特 征在于在裝配臺(1)上從左至右依次裝配第一連接架(2)、第二連接架(3)、第三連接架(5) 和第四連接架(6)，四維調(diào)整架(7)、球面透鏡組(9)、五維調(diào)整架(4)和CCD (15)依 次分別安裝在第一連接架(2)、第二連接架(3)、第三連接架(5)和第四連接架(6)下側(cè) 部上，平行光光源(8)配裝在四維調(diào)整架(7)上，光纖探針測桿(11)配裝在五維調(diào)整架 (4)上，在光纖探針測桿(11)下端部上安裝光纖探針測頭(12)，數(shù)據(jù)傳輸線(16)兩端 分別連接在CCD (15)和數(shù)據(jù)采集處理器(14)上，其中由平行光光源(8)和球面透鏡 組(9)組成點光源獲取單元，獲得點光源(10);由點光源(10)和光纖探針測桿(11)組 成點光源一維微焦準直成像單元；CCD (15)、數(shù)據(jù)傳輸線(16)和數(shù)據(jù)采集處理器(14)組 成光電接收以及數(shù)據(jù)采集處理單元。
5、 根據(jù)權利要求4所述的基于一維微焦準直的微小內(nèi)腔尺寸和二維坐標傳感裝置，其特 征在于平行光光源(8)所發(fā)射的平行光光束的軸心、球面透鏡組(9)的光軸的軸心、點光 源(10)的中心以及CCD (15)的中心在點光源一維微焦準直成像光路光軸(13)上，形成 共軸光路，且光纖探針測桿(ll)的軸線在豎直方向與點光源一維微焦準直成像光路光軸(13) 垂直相交，光纖探針測頭(12)與點光源一維微焦準直成像光路光軸(13)有l(wèi)mm以上的距 離。
6、 根據(jù)權利要求4所述的基于一維微焦準直的微小內(nèi)腔尺寸和二維坐標傳感裝置，其特 征在于點光源獲取單元可由平行光光源(8)、平面反射鏡(18)和凹面反射鏡(17)組成，通過光的反射獲取點光源(10),其中平行光光源(8)和平面反射鏡(18)配裝在裝配臺(1) 的上方，凹面反射鏡(17)配裝在裝配臺(1)的下方。
7、根據(jù)權利要求4所述的基于一維微焦準直的微小內(nèi)腔尺寸和二維坐標傳感裝置，其特 征在于點光源獲取單元可由平行光光源(8)和微孔光闌(19)組成，通過光的衍射獲取點光 源(10)，其中微孔光闌(19)配裝在裝配臺(1)下方，介于平行光光源(8)和光纖探針測 桿(11)之間，且微孔光闌(19)的中心在點光源一維微焦準直成像光路光軸(13)上，微 孔光闌(19)的中心與點光源(10)的中心重合。
全文摘要
基于一維微焦準直的微小內(nèi)腔尺寸和二維坐標傳感方法與裝置屬于精密儀器制造及測量技術領域，特別是一種“亞宏觀”領域中對微小、復雜內(nèi)腔的結構尺寸和二維坐標的傳感方法與裝置，尤其適用于大深徑比微小孔的測量，本發(fā)明利用光纖探針測桿具有超大曲率和微柱面透鏡的結構特點組建了點光源一維微焦準直成像光路，利用該光路實現(xiàn)了對光纖探針測桿二維位移量的高倍放大與傳感，本發(fā)明不僅具備單光纖探針測力小、易小型化及測量深徑比大的特點，特別是分辨力最高可達深亞納米量級，且在二維測量方向具有絕對“0”位，系統(tǒng)結構簡單、實時性好、易于實際應用，在對微小內(nèi)腔尺寸和二維坐標實施快速、超精密的測量與校準中具有顯著優(yōu)勢。
文檔編號G01B11/03GK101520314SQ20091007162
公開日2009年9月2日 申請日期2009年3月24日 優(yōu)先權日2009年3月24日
發(fā)明者崔繼文, 飛 王, 譚久彬 申請人:哈爾濱工業(yè)大學