專利名稱：基于二維微焦準(zhǔn)直的微小內(nèi)腔尺寸和三維坐標(biāo)傳感方法與裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于精密儀器制造及測量技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種"亞宏觀"領(lǐng)域中對微小、復(fù)雜 內(nèi)腔的結(jié)構(gòu)尺寸和三維坐標(biāo)的傳感方法與裝置，尤其適用于大深徑比微小盲孔的三維結(jié)構(gòu)尺 寸探測。
背景技術(shù)：
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(gòu)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(gòu)件內(nèi)尺度的精密測量變得難以實(shí)現(xiàn)，測量深徑比難以提高，尤其 是難以實(shí)現(xiàn)深盲微小孔的結(jié)構(gòu)尺寸測量，這些已成為制約行業(yè)發(fā)展的"瓶頸"。為了實(shí)現(xiàn)更小 內(nèi)尺寸的測量、提高測量深徑比，最廣泛使用的辦法是使用細(xì)長的探針伸入微小內(nèi)腔進(jìn)行探 測，通過瞄準(zhǔn)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(biāo)測量機(jī)(CMM, Coordinate Measuring Machine)結(jié)合具有纖細(xì)探針的瞄準(zhǔn)發(fā)訊式 探測系統(tǒng)(PS, Probing System)為主，其中坐標(biāo)測量機(jī)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)比較成熟，可以提供 精密的三維空間運(yùn)動(dòng)，因此瞄準(zhǔn)發(fā)訊式探針的探測方式成為微小內(nèi)腔尺寸探測系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān) 鍵。目前大多數(shù)用于微小內(nèi)腔測量的探針設(shè)計(jì)僅僅具有二維探測能力，這將難以實(shí)現(xiàn)如盲孔 深度或者狹縫深度尺寸的測量。因此，為了精確獲得復(fù)雜的微小內(nèi)腔的三維空間結(jié)構(gòu)尺寸， 需要實(shí)現(xiàn)一種具有高分辨力、具有三維探測能力的探針。
在微小內(nèi)腔結(jié)構(gòu)件三維結(jié)構(gòu)測量工作中，尤其是深盲微小孔的測量工作中，目前具有三 維探測能力的探針實(shí)現(xiàn)手段主要包括以下幾種方法-
1、 我國天津大學(xué)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具 有三維探測能力的膜片式盲小孔測頭，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(biāo)定自動(dòng)補(bǔ)償彈性測桿變形誤差，將測頭安裝在三坐標(biāo)測量機(jī)上，可對各種方向的 通盲小孔進(jìn)行接觸測量，測出其任意截面的尺寸和形狀誤差，可以測量O300 pm、深徑比為 40的盲孔，測量結(jié)果的不確定度為lum (楊世民，李樹和，張國雄等。膜片式小孔測頭的設(shè) 計(jì)與研究，計(jì)量學(xué)報(bào)，1998年第19巻第2期)。這種方法測頭與測桿難以進(jìn)一步小型化，測 頭的最大非線性誤差為0.2Hm，測量精度難以進(jìn)一步提高。
2、 德國聯(lián)邦物理技術(shù)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(shí)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(jìn)入光纖內(nèi)部傳播到微光珠上 形成散射，用一個(gè)面陣CCD接收散射光形成敏感信號，實(shí)現(xiàn)了微力接觸式測量，測量了 (D214 Hm的孔徑，測量深度為0.8mm，測量結(jié)果的不確定度為1 ^un，測量力為nN量級(吉貴軍， Schwenke H Tmpet E，羅震。發(fā)動(dòng)機(jī)噴油嘴微小噴油孔尺寸和形狀測量系統(tǒng)，內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，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(gè) 微光珠，同時(shí)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(biāo)準(zhǔn)球時(shí)得到的標(biāo)準(zhǔn)偏差為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)。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(dǎo)致成像模糊，降低了測量精度，因此無法實(shí)施大深徑比的高精度測量。
3 、美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院(National Institute of Standard Technology, NIST)使用了單光纖 測桿結(jié)合微光珠測頭的探針，通過光學(xué)設(shè)計(jì)在二維方向上將光纖測桿成像放大35倍左右，用 2個(gè)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(jìn)行輪廓檢測， 從而監(jiān)測光纖測桿的在測量過程中在空間二維方向上的微小移動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)觸發(fā)式測量，該 探測系統(tǒng)的理論分辨力可以達(dá)到4nm，探測系統(tǒng)的探針測頭直徑為O50 nm，實(shí)驗(yàn)中測量了 0129tim的孔徑，測量結(jié)果的擴(kuò)展不確定度達(dá)到了 70nm(k=2),測量深度可以達(dá)到5mm，測 量力為mN量級(b. Muralikrishnan， j.A. Stone, j.r. Stoup. Fiber deflection probe for small hole metrology. Precision Engineering 30 (2006) 154^164.)。后來，B.Muralikrishnan等人利用光纖桿 彎曲技術(shù)拓展了這一方法的探測維度，使該方法使用的光纖探針具有三維探測能力，并且在 Z向的探測分辨力比X (或者Y)向提高了 100倍，另外兩個(gè)方向的探測分辨力沒有變化， 同時(shí)還引入了聲學(xué)振動(dòng)法實(shí)現(xiàn)虛擬掃描，克服了光纖測頭粘滯力的影響(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)。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)腔三維尺寸探測中分辨力最高的方法。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(jìn)一步提高分辨力， 探測光纖測桿的三維微位移必須使用兩套成像系統(tǒng)，導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，這些因素導(dǎo)致 探測系統(tǒng)的分辨力難以進(jìn)一步提高，探測系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性較差，系統(tǒng)構(gòu)成比較復(fù)雜，更為不理 想的是該方法所提出的Z向傳感方法共用了另外兩個(gè)維度的光路，這導(dǎo)致該探測系統(tǒng)在測量 Z向時(shí)另外兩個(gè)測量方向不能同時(shí)工作，例如在測量斜坡時(shí)傳感系統(tǒng)無法解決Z向信息和另 外兩個(gè)方向信息的信號耦合問題，因此該種方法雖然能夠?qū)崿F(xiàn)Z向的位移探測，但由于無法 解決三維位移信號的耦合問題使得該方法不能成為真正意義上的三維探針。
4、瑞士聯(lián)合計(jì)量辦公室(Swiss Federal O迅ce of Metrology, METAS )研發(fā)了一個(gè)新型 的坐標(biāo)測量機(jī)致力于小結(jié)構(gòu)件納米精度的可追跡的測量。該測量機(jī)采用了基于并聯(lián)運(yùn)動(dòng)學(xué)原 理的彎曲鉸鏈結(jié)構(gòu)的新型接觸式探針，該設(shè)計(jì)可以減小移動(dòng)質(zhì)量并且確保全方向的低硬度， 是一個(gè)具有三維空間結(jié)構(gòu)探測能力的探針。這一傳感結(jié)構(gòu)的測量力低于0.5mN，同時(shí)支持可 更換的探針，探針頭的直徑最小到則.lmm。探測系統(tǒng)結(jié)合了一個(gè)由Philips CFT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(fù)性的標(biāo)準(zhǔn)偏差達(dá)到5nm，最大 偏差為20nm，測量結(jié)果的不確定度為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.)。該種方法探測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，同時(shí)要求測桿具有較高的剛度和硬度，否則難以實(shí)現(xiàn)有效的位移傳感，這使得測桿結(jié)構(gòu)難以進(jìn)一步小型化，測量深徑比同時(shí)受到制約， 探測系統(tǒng)的分辨力難以進(jìn)一步提高。
綜上所述，目前微小內(nèi)腔尺寸三維探測方法中，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(diǎn)而獲得了廣泛關(guān)注，利用其特有的光學(xué)特 性和機(jī)械特性，通過多種方式實(shí)現(xiàn)了一定深度上的微小內(nèi)尺寸的精密測量。現(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(jìn)一步提高。美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院采用的探測方法在 二維方向上具有4nm的理論分辨力，在第三維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)，即在二維方向上成像獲得的靈敏度特征參數(shù)為300nm/pixel，在 第三維方向(Z向)成像獲得的靈敏度特征參數(shù)為3nm/pixel。 4nm的分辨力是通過兩個(gè)步驟 獲得的，第一個(gè)步驟是光學(xué)成像放大，放大倍率為35倍，該步驟中，光纖測桿直徑一般在 20nm 125^un之間，若要大幅提高光學(xué)成像放大倍率，則需要較復(fù)雜的成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及較 大面積的CCD接收器，這將導(dǎo)致該方法在微小深孔的測量應(yīng)用中失去可實(shí)施性。第二個(gè)步驟 為使用圖像算法進(jìn)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(dá)亞 像素級水平，難以大幅提高。該方法雖然在Z向獲得了較高的分辨力，但是Z向探測只能單 獨(dú)工作，不能和X、 Y向探測同時(shí)工作，例如該系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)對斜坡結(jié)構(gòu)要素的有效探測， 只能測量與Z向垂直的平面在Z向的位置。
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(dǎo) 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(fù)性。
3、 探測系統(tǒng)實(shí)時(shí)性差，難以實(shí)現(xiàn)精密的在線測量。美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)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(fù)雜的圖像算法才能實(shí)現(xiàn)對光纖測桿位移的 高分辨力監(jiān)測，這導(dǎo)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(shí)時(shí)性能， 難以實(shí)現(xiàn)微小內(nèi)腔尺寸和三維坐標(biāo)測量過程中瞄準(zhǔn)發(fā)訊與啟、止測量的同步性。
4、 實(shí)現(xiàn)位移傳感的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)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(shí)現(xiàn)對光纖測桿位移的三維探測(B. Murali- krishnan， J.A. Stone, J.R. Stoup. Fiber deflection probe for small hole metrology. Precision Engineering 30 (2006) 15^164.)，這導(dǎo)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(fù)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(jìn)一步提高工作效率。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述已有技術(shù)的不足，以滿足微小內(nèi)腔尺寸和三維坐標(biāo)測量高精度、大深徑比 與快速測量的需求，本發(fā)明提出一種基于二維微焦準(zhǔn)直的微小內(nèi)腔尺寸和三維坐標(biāo)傳感方法 與裝置。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的
一種基于二維微焦準(zhǔn)直的微小內(nèi)腔尺寸和三維坐標(biāo)傳感方法，通過以下步驟實(shí)現(xiàn)對光纖 探針測桿三維位移的傳感
① 將光纖探針測桿的一部分與微球面雙凸透鏡結(jié)合；
② 利用步驟①所述的微球面雙凸透鏡組建點(diǎn)光源二維微焦準(zhǔn)直成像光路，所成像為一亮 光斑；
③ 利用步驟②所述的點(diǎn)光源二維微焦準(zhǔn)直成像光路將光纖探針測桿相對于點(diǎn)光源的三維 位移變化轉(zhuǎn)變?yōu)辄c(diǎn)光源二維微焦準(zhǔn)直成像光路所成的亮光斑變化，即亮光斑的能量中心的二
維位置的變化和亮光斑的面積的變化；
④ 點(diǎn)光源與微球面雙凸透鏡在唯一一個(gè)特定的物距下，步驟②所述的點(diǎn)光源二維微焦準(zhǔn) 直成像光路所成像具有最小的光斑面積和最小的二維偏度絕對值，將該特定的物距下的光纖
探針測桿所在位置作為三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(diǎn)光源二維微焦準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)將步驟⑤所得到的電信號進(jìn)行采集與處理，獲得步驟③ 所述的點(diǎn)光源二維微焦準(zhǔn)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(diǎn)光源 的三維位移變化量的提取。
一種基于二維微焦準(zhǔn)直的微小內(nèi)腔尺寸和三維坐標(biāo)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，懸臂梁配裝在五維調(diào)整架上，在懸臂梁的 末端安裝光纖探針測桿，在光纖探針測桿的中部安裝微球面雙凸透鏡，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(diǎn)光源獲取單元，通過光的折射方式獲得點(diǎn)光源；由點(diǎn)光源和微 球面雙凸透鏡組成點(diǎn)光源二維微焦準(zhǔn)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(diǎn)及良好效果
1、本發(fā)明利用微球面雙凸透鏡具有超大曲率和微小焦距的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，組建了點(diǎn)光源二 維微焦準(zhǔn)直成像光路，利用因微焦準(zhǔn)直與超大曲率微球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(dá)深亞納米量級，這是本發(fā)明區(qū)別現(xiàn)有技術(shù)的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)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三維位移轉(zhuǎn)換為亮光斑空間狀態(tài) 的變化，其變化特性在三維測量方向上各自具有惟一的極值點(diǎn)，這使本發(fā)明所提出的傳感方 法與裝置在三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(shù)的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn) 之二。
3、 本發(fā)明所提出的傳感方法與裝置僅使用一個(gè)面陣CCD即可實(shí)現(xiàn)對光纖探針測桿的三 維位移信息的高效提取，所提取的測量信號簡單易處理，易于實(shí)現(xiàn)在線測量，這是本發(fā)明區(qū) 別現(xiàn)有技術(shù)的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)之三。
4、 本發(fā)明所提出的傳感方法與裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，在一個(gè)光路上即可實(shí)現(xiàn)對光纖探針 測桿三維位移量的高倍放大(放大倍率可達(dá)幾千倍至上萬倍)與傳感，這是本發(fā)明區(qū)別現(xiàn)有 技術(shù)的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)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(diǎn)，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(shù)水平獲得了一個(gè)數(shù)量級 以上的提高，且具有三維測量方向上的絕對"0"位置，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、測量信號處理高效可 靠、實(shí)時(shí)性好、易于實(shí)際應(yīng)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)腔尺寸和三維坐標(biāo)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，微球面雙凸透鏡的球面半徑可加工至2(^m， 光纖探針測桿半徑可加工至lOprni，光纖探針測頭半徑可加工至20pm，測量深度可達(dá)到5mm。


圖1為本發(fā)明的通過光的折射原理獲取點(diǎn)光源的基于二維微焦準(zhǔn)直的微小內(nèi)腔尺寸和三 維坐標(biāo)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(diǎn)光源的基于二維微焦準(zhǔn)直的微小內(nèi)腔尺寸和三 維坐標(biāo)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(diǎn)光源的基于二維微焦準(zhǔn)直的微小內(nèi)腔尺寸和三 維坐標(biāo)傳感裝置示意圖
圖4a為本發(fā)明的微球面雙凸透鏡與光纖探針測桿的結(jié)合方式為嵌入式結(jié)構(gòu) 圖4b為本發(fā)明的微球面雙凸透鏡與光纖探針測桿的結(jié)合方式為鄰接式結(jié)構(gòu) 圖中l(wèi).裝配臺，2.第一連接架，3.第二連接架，4.懸臂梁，5.五維調(diào)整架，6.第三連接架， 7.第四連接架，8.四維調(diào)整架，9.平行光光源，IO.球面透鏡組，ll.點(diǎn)光源，12.微球面雙凸透 鏡，13.光纖探針測頭，14.光纖探針測桿，15.點(diǎn)光源一維微焦準(zhǔn)直成像光路光軸，16.數(shù)據(jù)采 集處理器，17.CCD， 18.數(shù)據(jù)線，19.凹面反射鏡，20.平面反射鏡，21.微孔光闌。
具體實(shí)施例方式
一種基于二維微焦準(zhǔn)直的微小內(nèi)腔尺寸和三維坐標(biāo)傳感方法，通過以下步驟實(shí)現(xiàn)對光纖 探針測桿三維位移的傳感
①將光纖探針測桿的一部分與微球面雙凸透鏡結(jié)合；由于要通過組建點(diǎn)光源二維微焦準(zhǔn)直成像光路實(shí)現(xiàn)對光纖探針測桿14的三維位移監(jiān)測， 因此需要使用具有微小焦距的微球面雙凸透鏡12與光纖探針測桿11相結(jié)合，使他們具有相 同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，微球面雙凸透鏡12的球面半徑通常在20nm~100Mm之間，因此其曲率在 5xl(^m" 10"m"之間。光纖探針測桿14是將一段光學(xué)纖維作為探針的測桿，主要目的是需要 利用光學(xué)纖維特有機(jī)械特性，其機(jī)械特性在于光學(xué)纖維具有較高的剛度，抗變形能力很強(qiáng)， 易于小型化，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1(Vm 100tim之間，微球面雙凸透鏡的焦距為微米量級。
微球面雙凸透鏡12所形成的微球面雙凸透鏡的焦距f可近似表達(dá)為
廣r X (2 _ M,)
~^——11 (1)
2x(巧-1)
其中空氣的折射率為1，微球面雙凸透鏡12的折射率為m，微球面雙凸透鏡12的球面 半徑為r。可見當(dāng)n尸1.6，微球面雙凸透鏡12的半徑在lOOjim以內(nèi)時(shí)，f小于33.33pm。
②利用步驟①所述的微球面雙凸透鏡組建點(diǎn)光源二維微焦準(zhǔn)直成像光路，所成像為一亮 光斑；
利用光的折射、反射或者衍射原理獲得點(diǎn)光源，將點(diǎn)光源放置在微球面雙凸透鏡12的焦 點(diǎn)上，則點(diǎn)光源所發(fā)出的光線被微球面雙凸透鏡12二維準(zhǔn)直，所成像為一亮光斑。
③利用步驟②所述的點(diǎn)光源二維微焦準(zhǔn)直成像光路將光纖探針測桿相對于點(diǎn)光源的三維 位移變化轉(zhuǎn)變?yōu)辄c(diǎn)光源二維微焦準(zhǔn)直成像光路所成的亮光斑變化，即亮光斑的能量中心的二 維位置的變化和亮光斑的面積的變化；
當(dāng)光纖探針測桿14在與點(diǎn)光源二維微焦準(zhǔn)直成像光路光軸15的垂直平面上發(fā)生二維位 移時(shí)，微球面雙凸透鏡12相應(yīng)發(fā)生二維位移，點(diǎn)光源11經(jīng)微球面雙凸透鏡12準(zhǔn)直后所成光 斑的能量中心將相應(yīng)產(chǎn)生二維位移，點(diǎn)光源11經(jīng)微球面雙凸透鏡12準(zhǔn)直后的光線將和點(diǎn)光 源二維微焦準(zhǔn)直成像光路光軸15產(chǎn)生轉(zhuǎn)角，隨著像距的增加光路的位移放大倍率將線性增 大，由于點(diǎn)光源11與微球面雙凸透鏡12之間的距離(物距)為微米量級，而像距通常在100mm 以上，因此該光路能夠形成將微球面雙凸透鏡12相對于點(diǎn)光源11的二維偏移量高倍放大現(xiàn) 象，放大倍率可達(dá)幾千倍至上萬倍。
根據(jù)幾何光學(xué)的基本理論可以推導(dǎo)出，在點(diǎn)光源二維微焦準(zhǔn)直成像光路中，當(dāng)點(diǎn)光源ll 位于微球面雙凸透鏡12的焦點(diǎn)上、微球面雙凸透鏡12的球面半徑為r、像距為1，、微球面 雙凸透鏡12的折射率為m、空氣的折射率為1時(shí)，此時(shí)該光路對微球面雙凸透鏡12在準(zhǔn)直 光路光軸15垂直方向上的二維位移放大率卩滿足
〃《~~^~ (2)
由于微球面雙凸透鏡12的球面半徑一般選擇在20拜~62.5網(wǎng)之間，若取n產(chǎn)1.6， r=200mm，則容易計(jì)算出放大率|3的范圍在7500~2400之間，這與美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院 采用的光學(xué)系統(tǒng)所具有的35倍初級放大率相比獲得了兩個(gè)數(shù)量級以上的提升。例如選取微 球面雙凸透鏡12的球面半徑為25trni，其對應(yīng)的垂軸放大倍率|3根據(jù)式(2)可算得為6000，如果使用的CCD17的像元尺寸為l(Him，利用數(shù)據(jù)處理算法能夠分辨0.1個(gè)像元的變化，則 此時(shí)傳感裝置對光纖探針測桿14在與點(diǎn)光源二維微焦準(zhǔn)直成像光路光軸15垂直的二維測量 方向上的理論位移分辨力a為
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如果對該裝置采用當(dāng)前市場上所能獲得的最佳的參數(shù)配備，即微球面雙凸透鏡12的
球面半徑為20nm時(shí)，其折射率n產(chǎn)1.7，像距l(xiāng)，=400mm， CCD像元尺寸為7pm，利用圖像 算法能夠分辨0.1個(gè)像元的變化，則傳感裝置對光纖探針測桿14在準(zhǔn)直光路垂軸方向二維位 移的理論分辨力a可達(dá)0.04nm。
繼續(xù)增加像距，進(jìn)一步減小CCD17像元的尺寸，進(jìn)一步提高圖像算法的分辨力，則該 理論分辨力還可以提高。
當(dāng)光纖探針測桿14在點(diǎn)光源二維微焦準(zhǔn)直成像光路光軸15方向發(fā)生位移時(shí)，成像光斑 的面積將相應(yīng)發(fā)生變化，變化率同樣具有高倍線性放大特性。
可見，單個(gè)點(diǎn)光源二維微焦準(zhǔn)直成像光路不僅實(shí)現(xiàn)了將光纖探針測桿14的位移量的高倍 放大，而且所成像同時(shí)包含了光纖探針測桿14的三維位移信息，且該三維位移的成像信息是 可解耦的，即點(diǎn)光源二維微焦準(zhǔn)直成像光路所成亮光斑的能量中心的二位置與光斑的面積分 別能夠與光纖探針測桿14的三維位移相對應(yīng)。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(jié)構(gòu)，更便于實(shí)際應(yīng)用。
④ 點(diǎn)光源與微球面雙凸透鏡在唯一一個(gè)特定的物距下，步驟②所述的點(diǎn)光源二維微焦準(zhǔn) 直成像光路所成像具有最小的光斑面積和最小的二維偏度絕對值，將該特定的物距下的光纖 探針測桿所在位置作為三維位移傳感方向上的絕對"0"位置；
光纖探針測桿14在點(diǎn)光源二維微焦準(zhǔn)直成像光路光軸15垂直方向發(fā)生二維移時(shí)，微球 面雙凸透鏡12同時(shí)發(fā)生二維位移，這導(dǎo)致點(diǎn)光源11的成像光斑能量的中心位置和偏度將在 二維方向上發(fā)生變化，各方向上的偏度絕對值分別具有唯一的極小值，可將成像光斑各方向 能量偏度絕對值有極小值的位置作為二維方向上位移探測范圍上的絕對"0"位置。光纖探針 測桿14在點(diǎn)光源二維微焦準(zhǔn)直成像光路光軸15方向發(fā)生位移時(shí)，微球面雙凸透鏡12同時(shí)發(fā) 生位移，其成像光斑的偏度不變，光斑面積將相應(yīng)發(fā)生變化，光斑面積具有唯一的極小值， 可將成像光斑面積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(diǎn)光源二維微焦準(zhǔn)直成像光路所成像轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦?br> 號；
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2個(gè)面陣 CCD才能獲取光纖探針測桿14的三維位移信息，同時(shí)由于光學(xué)成像部分放大倍率不高而必 須使用較復(fù)雜的圖像算法實(shí)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(shí)時(shí)性。本發(fā)明所設(shè)計(jì)的點(diǎn)光源二維微焦準(zhǔn)直成像光路實(shí)現(xiàn)了將光纖探針測桿 14三維位移量的高倍放大(放大倍率可達(dá)幾千倍至上萬倍)，所成的像為一個(gè)亮光斑，只需 要知道光斑能量的二維中心位置和面積就可以精確獲得光纖探針測桿14的三維微位移信息，因此可以只使用1個(gè)面陣CCD即可高效提取光纖探針測桿14的三維位移信號，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(shí)時(shí)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(jì)算量更小，速度 更快，更易于保證微小內(nèi)腔尺寸和三維坐標(biāo)測量過程中瞄準(zhǔn)發(fā)訊與啟、止測量的同步性，更 易于實(shí)施快速、高精度的在線測量。
⑥利用數(shù)據(jù)采集與處理模塊實(shí)現(xiàn)將步驟⑤所得到的電信號進(jìn)行采集與處理，獲得步驟③ 所述的點(diǎn)光源二維微焦準(zhǔn)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(diǎn)光源 的三維位移變化量的提取。
一種基于二維微焦準(zhǔn)直的微小內(nèi)腔尺寸和三維坐標(biāo)傳感裝置，包括裝配臺l，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6和第四連接架7，四維 調(diào)整架8、球面透鏡組IO、五維調(diào)整架5和CCD17依次分配安裝在第一連接架2、第二連接 架3、第三連接架6和第四連接架7下側(cè)部上，平行光光源9配裝在四維調(diào)整架8上，懸臂 梁4配裝在五維調(diào)整架5上，在懸臂梁4的末端安裝光纖探針測桿14，在光纖探針測桿14 的中部安裝微球面雙凸透鏡12，在光纖探針測桿14下端部上安裝光纖探針測頭13，數(shù)據(jù)傳 輸線18兩端分別連接在CCD17和數(shù)據(jù)采集處理器16上，其中由平行光光源9和球面透鏡 組10組成點(diǎn)光源獲取單元，通過光的折射方式獲得點(diǎn)光源11;由點(diǎn)光源11和微球面雙凸透 鏡12組成點(diǎn)光源二維微焦準(zhǔn)直成像單元；CCD17、數(shù)據(jù)傳輸線18和數(shù)據(jù)采集處理器16組成 光電接收以及數(shù)據(jù)采集處理單元。
所述的基于二維微焦準(zhǔn)直的微小內(nèi)腔尺寸和三維坐標(biāo)傳感裝置，其平行光光源9所發(fā)射 的平行光光束的光軸、球面透鏡組10的光軸、點(diǎn)光源11的中心、微球面雙凸透鏡12的光軸 以及CCD17的中心在點(diǎn)光源二維微焦準(zhǔn)直成像光路光軸15上，形成共軸光路，光纖探針測 頭12與點(diǎn)光源二維微焦準(zhǔn)直成像光路光軸15有l(wèi)mm以上的距離。
所述的基于二維微焦準(zhǔn)直的微小內(nèi)腔尺寸和三維坐標(biāo)傳感裝置，其點(diǎn)光源獲取單元可由 平行光光源9、平面反射鏡20和凹面反射鏡19組成，通過光的反射獲取點(diǎn)光源11，其中平 行光光源9和平面反射鏡20配裝在裝配臺1的上方，凹面反射鏡19配裝在裝配臺1的下方。
所述的基于二維微焦準(zhǔn)直的微小內(nèi)腔尺寸和三維坐標(biāo)傳感裝置，其點(diǎn)光源獲取單元可由 平行光光源9和微孔光闌21組成，通過光的衍射獲取點(diǎn)光源11 ，其中微孔光闌21配裝在裝 配臺1下方，介于平行光光源9和微球面雙凸透鏡12之間，且微孔光闌21的中心在點(diǎn)光源 一維微焦準(zhǔn)直成像光路光軸15上，微孔光闌21的中心與點(diǎn)光源10的中心重合。
所述的基于二維微焦準(zhǔn)直的微小內(nèi)腔尺寸和三維坐標(biāo)傳感裝置，其光纖探針測桿14與微 球面雙凸透鏡12的結(jié)合方式為嵌入式，即將微球面雙凸透鏡12嵌入到光纖探針測桿14當(dāng)中。
所述的基于二維微焦準(zhǔn)直的微小內(nèi)腔尺寸和三維坐標(biāo)傳感裝置，其光纖探針測桿14與微 球面雙凸透鏡12的結(jié)合方式還可以是鄰接式，即將微球面雙凸透鏡12粘接在光纖探針測桿 14的旁側(cè)。
權(quán)利要求
1、一種基于二維微焦準(zhǔn)直的微小內(nèi)腔尺寸和三維坐標(biāo)傳感方法，其特征在于通過以下步驟實(shí)現(xiàn)對光纖探針測桿三維位移的傳感①將光纖探針測桿的一部分與微球面雙凸透鏡結(jié)合；②利用步驟①所述的微球面雙凸透鏡組建點(diǎn)光源二維微焦準(zhǔn)直成像光路，所成像為一亮光斑；③利用步驟②所述的點(diǎn)光源二維微焦準(zhǔn)直成像光路，將光纖探針測桿相對于點(diǎn)光源的三維位移變化轉(zhuǎn)變?yōu)辄c(diǎn)光源二維微焦準(zhǔn)直成像光路所成亮光斑能量中心的二維位置變化和亮光斑面積的變化；④點(diǎn)光源與微球面雙凸透鏡在唯一一個(gè)特定的物距下，步驟②所述的點(diǎn)光源二維微焦準(zhǔn)直成像光路所成像具有最小的光斑面積和最小的二維偏度絕對值，將該特定的物距下的光纖探針測桿所在位置作為三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(diǎn)光源二維微焦準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)將步驟⑤所得到的電信號進(jìn)行采集與處理，獲得步驟③所述的點(diǎn)光源二維微焦準(zhǔn)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(diǎn)光源的三維位移變化量的提取。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于二維微焦準(zhǔn)直的微小內(nèi)腔尺寸和三維坐標(biāo)傳感方法，其特 征在于微球面雙凸透鏡的焦距為微米量級。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的基于二維微焦準(zhǔn)直的微小內(nèi)腔尺寸和三維坐標(biāo)傳感方法，其特 征在于使用一個(gè)面陣光電轉(zhuǎn)換器件實(shí)現(xiàn)對光纖探針測桿三維位移信息的提取。
4、 一種基于二維微焦準(zhǔn)直的微小內(nèi)腔尺寸和三維坐標(biāo)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(6) 和第四連接架(7)，四維調(diào)整架(8)、球面透鏡組(10)、五維調(diào)整架(5)和CCD (17)依 次分配安裝在第一連接架(2)、第二連接架(3)、第三連接架(6)和第四連接架(7)下側(cè) 部上，平行光光源(9)配裝在四維調(diào)整架(8)上，懸臂梁(4)配裝在五維調(diào)整架(5)上， 在懸臂梁(4)的末端安裝光纖探針測桿(14)，在光纖探針測桿(14)的中部安裝微球面雙 凸透鏡(12)，在光纖探針測桿(14)下端部上安裝光纖探針測頭(13)，數(shù)據(jù)傳輸線(18) 兩端分別連接在CCD (17)和數(shù)據(jù)采集處理器(16)上，其中由平行光光源(9)和球面 透鏡組(10)組成點(diǎn)光源獲取單元，獲得點(diǎn)光源(ll);由點(diǎn)光源(11)和微球面雙凸透鏡(12) 組成點(diǎn)光源二維微焦準(zhǔn)直成像單元；CCD (17)、數(shù)據(jù)傳輸線(18)和數(shù)據(jù)采集處理器(16) 組成光電接收以及數(shù)據(jù)采集處理單元。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于二維微焦準(zhǔn)直的微小內(nèi)腔尺寸和三維坐標(biāo)傳感裝置，其特 征在于平行光光源(9)所發(fā)射的平行光光束的光軸、球面透鏡組(10)的光軸、點(diǎn)光源(11) 的中心、微球面雙凸透鏡(12)的光軸以及CCD (17)的中心在點(diǎn)光源二維微焦準(zhǔn)直成像光 路光軸(15)上，形成共軸光路，光纖探針測頭(12)與點(diǎn)光源二維微焦準(zhǔn)直成像光路光軸(15)有l(wèi)mm以上的距離。
6、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于二維微焦準(zhǔn)直的微小內(nèi)腔尺寸和三維坐標(biāo)傳感裝置，其特 征在于點(diǎn)光源獲取單元可由平行光光源(9)、平面反射鏡(20)和凹面反射鏡(19)組成， 通過光的反射獲取點(diǎn)光源(11)，其中平行光光源(9)和平面反射鏡(20)配裝在裝配臺(1)的上方，凹面反射鏡(19)配裝在裝配臺(1)的下方。
7、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于二維微焦準(zhǔn)直的微小內(nèi)腔尺寸和三維坐標(biāo)傳感裝置，其特 征在于點(diǎn)光源獲取單元可由平行光光源(9)和微孔光闌(21)組成，通過光的衍射獲取點(diǎn)光 源(11)，其中微孔光闌(21)配裝在裝配臺(1)下方，介于平行光光源(9)和微球面雙凸 透鏡(12)之間，且微孔光闌(21)的中心在點(diǎn)光源一維微焦準(zhǔn)直成像光路光軸(15)上， 微孔光闌(21)的中心與點(diǎn)光源(11)的中心重合。
8、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于二維微焦準(zhǔn)直的微小內(nèi)腔尺寸和三維坐標(biāo)傳感裝置，其特 征在于光纖探針測桿(14)與微球面雙凸透鏡(12)的結(jié)合方式為嵌入式。
9、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于二維微焦準(zhǔn)直的微小內(nèi)腔尺寸和三維坐標(biāo)傳感裝置，其特 征在于光纖探針測桿(14)與微球面雙凸透鏡(12)的結(jié)合方式為鄰接式。
全文摘要
基于二維微焦準(zhǔn)直的微小內(nèi)腔尺寸和三維坐標(biāo)傳感方法與裝置屬于精密儀器制造及測量技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種“亞宏觀”領(lǐng)域中對微小、復(fù)雜內(nèi)腔尺寸和三維坐標(biāo)的傳感方法與裝置，尤其適用于大深徑比微小盲孔的三維探測，本發(fā)明將微球面雙凸透鏡與光纖探針測桿結(jié)合，利用微球面雙凸透鏡組建了點(diǎn)光源二維微焦準(zhǔn)直成像光路，利用該光路實(shí)現(xiàn)了對光纖探針測桿三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(diǎn)，特別是分辨力最高可達(dá)深亞納米量級，且在三維測量方向具有絕對“0”位，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)時(shí)性好、易于實(shí)際應(yīng)用，在對微小內(nèi)腔尺寸和三維坐標(biāo)實(shí)施快速、超精密的測量與校準(zhǔn)中具有顯著優(yōu)勢。
文檔編號G01B11/03GK101520313SQ20091007162
公開日2009年9月2日 申請日期2009年3月24日 優(yōu)先權(quán)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(xué)