帶有端面微結(jié)構(gòu)的雙光纖共球耦合微測(cè)量力瞄準(zhǔn)傳感器的制造方法
【專利摘要】帶有端面微結(jié)構(gòu)的雙光纖共球耦合微測(cè)量力瞄準(zhǔn)傳感器屬于精密儀器制造及測(cè)量技術(shù)；該傳感器包括激光器、擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡、光纖耦合透鏡、導(dǎo)管、顯微物鏡、CCD相機(jī)、計(jì)算機(jī)和由入射光纖、耦合器、帶有錐形端面微結(jié)構(gòu)的出射光纖組成的探針，耦合器作為探針的觸點(diǎn)，光束經(jīng)入射光纖導(dǎo)入耦合器后由帶有錐形端面微結(jié)構(gòu)的出射光纖導(dǎo)出，導(dǎo)出光束經(jīng)顯微物鏡進(jìn)入CCD相機(jī)，通過圖像處理技術(shù)即可得到出射光束在CCD相機(jī)上形成的光斑能量中心位置，由CCD相機(jī)上光斑能量中心位置與傳感器觸測(cè)點(diǎn)在空間位置的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系即可得出傳感器在空間的瞄準(zhǔn)情況；本傳感器探針中的出射光纖帶有端面微結(jié)構(gòu)，極大的提高了檢測(cè)信號(hào)的信噪比，提升了傳感器的測(cè)量分辨力。
【專利說明】帶有端面微結(jié)構(gòu)的雙光纖共球耦合微測(cè)量力瞄準(zhǔn)傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于精密儀器制造及測(cè)量技術(shù)，特別涉及一種帶有端面微結(jié)構(gòu)的雙光纖共球耦合微測(cè)量力瞄準(zhǔn)傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著航空航天工業(yè)、汽車工業(yè)、電子工業(yè)以及尖端工業(yè)等的不斷發(fā)展，對(duì)于精密微小構(gòu)件的需求急劇增長。由于受到空間尺度和待測(cè)微小構(gòu)件遮蔽效應(yīng)的限制以及測(cè)量接觸力的影響，微小構(gòu)件尺寸的精密測(cè)量變得難以實(shí)現(xiàn)，尤其是微小內(nèi)腔構(gòu)件的測(cè)量深度難以提高，這些已然成為制約行業(yè)發(fā)展的“瓶頸”。為了實(shí)現(xiàn)更小的尺寸測(cè)量、增加測(cè)量深度，最廣泛使用的辦法就是使用細(xì)長的探針深入微小構(gòu)件的內(nèi)腔進(jìn)行探測(cè)，通過瞄準(zhǔn)發(fā)訊的方式測(cè)量不同深度上的微小內(nèi)尺寸。因此，目前微小構(gòu)件尺寸的精密測(cè)量主要以坐標(biāo)測(cè)量機(jī)結(jié)合具有纖細(xì)探針的瞄準(zhǔn)發(fā)訊式探測(cè)系統(tǒng)為主，由于，坐標(biāo)測(cè)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)觸發(fā)式探針的探測(cè)方式成為微小構(gòu)件尺寸探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。
[0003]目前，微小構(gòu)件尺寸測(cè)量的主要手段包括以下幾種方法:
[0004]1.德國聯(lián)邦物理技術(shù)研究院的H.Schwenke教授等人提出了一種微光珠散射成像法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)探針測(cè)頭位置信息的二維檢測(cè)。該方法利用單光纖作為探針測(cè)桿，把微光珠粘接或者焊接到測(cè)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(hào)，實(shí)現(xiàn)了微力接觸式測(cè)量。后來H.Schwenke教授等人拓展了這種方法，在測(cè)桿上粘接了一個(gè)微光珠，同時(shí)增加了一路對(duì)該微光珠的成像光路，這使得該探測(cè)系統(tǒng)具有了三維探測(cè)能力，測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)球時(shí)得到的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.2 μ m。據(jù)相關(guān)報(bào)道，此方法可實(shí)現(xiàn)測(cè)量Φ 151 μ m的孔徑，測(cè)量深度為1mm。這種方法在測(cè)量深孔過程中，由于微光珠散射角度較大，隨著測(cè)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(cè)量精度，因此無法實(shí)現(xiàn)大深徑比的高精度測(cè)量。
[0005]2.中國哈爾濱工業(yè)大學(xué)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(jié)構(gòu)，把兩根光纖通過末端熔接球連接，熔接球作為測(cè)頭，一根較長光纖引入光線，另外一根較短導(dǎo)出光線，克服了微光珠散射法測(cè)量深度的局限，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)直徑不小于0.01mm、深徑比不大于50: I的微深孔測(cè)量時(shí)的精確瞄準(zhǔn)。但是該方法的耦合球中存在相干光的干涉，且光束經(jīng)出射光纖出射后迅速衰減，探測(cè)器檢測(cè)到的光能量較低，最終導(dǎo)致獲取的信號(hào)信噪比較低，影響測(cè)量精度進(jìn)一步提升。
[0006]3.美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院使用了單光纖測(cè)桿結(jié)合微光珠測(cè)頭的探針，通過光學(xué)設(shè)計(jì)在二維方向上將光纖測(cè)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(cè)桿所成的像，然后對(duì)接收到的圖像進(jìn)行輪廓檢測(cè)，從而監(jiān)測(cè)光纖測(cè)桿的在測(cè)量過程中的微小移動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)觸發(fā)式測(cè)量，該探測(cè)系統(tǒng)的理論分辨力可以達(dá)到4nm，探測(cè)系統(tǒng)的探針測(cè)頭直徑為Φ75μπι，實(shí)驗(yàn)中測(cè)量了 Φ129μπι的孔徑，其擴(kuò)展不確定度估算值達(dá)到了70nm(k = 2)，測(cè)量力為μ N量級(jí)。這種方法探測(cè)分辨力高，測(cè)量精度高，使用的測(cè)頭易于小型化，可以測(cè)量較大深徑比的微孔。該方法的局限是成像單元對(duì)光纖測(cè)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(cè)光纖測(cè)桿的二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，測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算量比較大，這些因素導(dǎo)致探測(cè)系統(tǒng)的分辨力難以進(jìn)一步提高，探測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性較差，系統(tǒng)構(gòu)成比較復(fù)雜。
[0007]4.瑞士聯(lián)合計(jì)量辦公室研發(fā)了一個(gè)新型的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)致力于小結(jié)構(gòu)件納米精度的可追跡的測(cè)量。該測(cè)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(cè)能力的探針。這一傳感結(jié)構(gòu)的測(cè)量力低于0.5mN,同時(shí)支持可更換的探針，探針測(cè)頭的直徑最小到ΦΙΟΟμπι。探測(cè)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(tái)，平臺(tái)的位置精度為20nm。該測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量重復(fù)性的標(biāo)準(zhǔn)偏差達(dá)到5nm，測(cè)量結(jié)果的不確定度為50nm。該種方法結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，同時(shí)要求測(cè)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(cè)桿結(jié)構(gòu)難以進(jìn)一步小型化，測(cè)量深徑比同時(shí)受到制約，探測(cè)系統(tǒng)的分辨力難以進(jìn)一步提聞。
[0008]5.中國哈爾濱工業(yè)大學(xué)譚久彬教授和王飛等人提出了一種基于單光纖探針測(cè)桿的一維微焦準(zhǔn)直的測(cè)量方法，該方法利用單光纖探針測(cè)桿的超大曲率與微柱面透鏡的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)組建了點(diǎn)光源一維微焦準(zhǔn)直成像光路，通過測(cè)量成像亮條紋的能量中心的位置與條紋寬度，從而獲得光纖探針測(cè)桿的二維位移量信息，若對(duì)該裝置如下配置:光纖探針測(cè)桿半徑為10 μ m,其折射率η=1.7,像距I’ = 300mm,光電接收器像元尺寸為7 μ m,利用圖像算法能夠分辨0.1個(gè)像元的變化，其理論分辨力可達(dá)0.03nm。該方法所成像亮條紋的條紋寬度不易測(cè)量，同時(shí)在二維位移測(cè)量時(shí)，存在成像信息中的耦合問題，即成像亮條紋的能量中心的位置與條紋寬度的耦合問題，因此，該方法不具備二維精密測(cè)量的能力。
[0009]綜上所述，目前微小尺寸和坐標(biāo)探測(cè)方法中，由于光纖制作的探針具有探針尺寸小、測(cè)量接觸力小、測(cè)量深徑比大、測(cè)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尺寸的精密測(cè)量。現(xiàn)存測(cè)量手段主要存在的問題有:
[0010]1.探測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量深度受限。德國PTB的微光珠散射成像法受遮蔽效應(yīng)的影響，難以實(shí)現(xiàn)測(cè)量深度的提升，同時(shí)降低了系統(tǒng)探測(cè)精度。
[0011]2.探測(cè)系統(tǒng)的位移分辨力難以進(jìn)一步提高?，F(xiàn)存的探測(cè)系統(tǒng)的初級(jí)放大率較低，導(dǎo)致了其整體放大率較低，難以實(shí)現(xiàn)其位移分辨力的進(jìn)一步提高。美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院采用的探測(cè)方法的光學(xué)測(cè)桿的光學(xué)光路放大倍率僅有35倍，較低的初級(jí)放大倍率導(dǎo)致了其位移分辨力難以進(jìn)一步提高。
[0012]3.探測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性差，難以實(shí)現(xiàn)精密的在線測(cè)量。美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院采用的探測(cè)方法必須使用兩路面陣CCD接收信號(hào)圖像，必須使用較復(fù)雜的圖像算法才能實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖測(cè)桿位移的高分辨力監(jiān)測(cè)，這導(dǎo)致測(cè)量系統(tǒng)需要處理的數(shù)據(jù)量大大增加，降低了探測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能，難以實(shí)現(xiàn)微小內(nèi)腔尺寸和二維坐標(biāo)測(cè)量過程中瞄準(zhǔn)發(fā)訊與啟、止測(cè)量的同步性。
[0013]4.存在二維位移傳感的耦合，導(dǎo)致二維位移方向探測(cè)能力不足。哈爾濱工業(yè)大學(xué)提出的基于單光纖探針測(cè)桿的微焦準(zhǔn)直測(cè)量方法在二維位移傳感時(shí)存在耦合，被測(cè)位移量為二維位時(shí)，該方法獲得的二維信息之間有相關(guān)性，而且無法分離，導(dǎo)致二維測(cè)量存在很大誤差，無法實(shí)現(xiàn)二維位移的準(zhǔn)確測(cè)量。
[0014]5.出射光束由于衍射效應(yīng)而迅速衰減，使接收器接收的光能量較小。哈爾濱工業(yè)大學(xué)提出的基于雙光纖耦合的探針結(jié)構(gòu)中，出射光束由于正常的空間衍射而迅速衰減，使得CCD接收的光能量較小，信號(hào)的信噪比降低，因此分辨力較低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]本發(fā)明的目的是克服微小構(gòu)件尺寸測(cè)量方法現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種適用于大深徑比微小構(gòu)件尺寸測(cè)量的帶有端面微結(jié)構(gòu)的雙光纖共球耦合微測(cè)量力瞄準(zhǔn)傳感器，通過耦合器及顯微物鏡將傳感器探針在微孔內(nèi)的微小位移量轉(zhuǎn)變?yōu)镃CD圖像捕捉系統(tǒng)的橫向位移量，由圖像質(zhì)心定位算法實(shí)現(xiàn)對(duì)孔壁測(cè)量時(shí)的高精度瞄準(zhǔn)。
[0016]本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種帶有端面微結(jié)構(gòu)的雙光纖共球稱合微測(cè)量力貓準(zhǔn)傳感器，所述傳感器由激光器、擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡、光纖耦合透鏡、導(dǎo)管、探針、顯微物鏡、CCD相機(jī)和計(jì)算機(jī)構(gòu)成，數(shù)據(jù)線將CXD相機(jī)與計(jì)算機(jī)連通，探針置于待測(cè)微孔內(nèi)；所述探針包括入射光纖、耦合器和帶有錐形端面微結(jié)構(gòu)的出射光纖，耦合器分別與入射光纖和帶有錐形端面微結(jié)構(gòu)的出射光纖連接，耦合器作為探針的觸點(diǎn)，激光器發(fā)出的光束經(jīng)擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡與光纖耦合透鏡進(jìn)入入射光纖，光束經(jīng)入射光纖導(dǎo)入耦合器后由帶有錐形端面微結(jié)構(gòu)的出射光纖導(dǎo)出，導(dǎo)出光束經(jīng)顯微物鏡進(jìn)入CXD相機(jī)。
[0017]經(jīng)入射光纖導(dǎo)入耦合器后的高斯光束經(jīng)過帶有錐形端面微結(jié)構(gòu)的出射光纖后將變?yōu)榻频呢惾麪柟馐频呢惾麪柟馐膫鞑ゾ嚯x遠(yuǎn)大于高斯光束的傳播距離，因此經(jīng)顯微物鏡進(jìn)入CCD相機(jī)的光能量增大，信號(hào)的信噪比提高，從而提高了傳感器的分辨力。
[0018]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:
[0019]1.傳感器的探針中的出射光纖帶有端面微結(jié)構(gòu)，極大的提高了檢測(cè)信號(hào)的信噪t匕，使傳感器具有納米級(jí)的分辨力，相比于由不帶端面微結(jié)構(gòu)的出射光纖組成的雙光纖耦合傳感器，分辨力提升了 30%以上。
[0020]2.本傳感器可以通過改變顯微物鏡的放大率來改變傳感器的測(cè)量分辨力，節(jié)約成本以滿足不同場(chǎng)合的要求。
[0021]3.光學(xué)探測(cè)信號(hào)僅在光纖內(nèi)部傳輸，不受微孔內(nèi)壁的影響，測(cè)量最大深徑比可達(dá)50: 1，滿足大深徑比微孔測(cè)量要求。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1是帶有端面微結(jié)構(gòu)的雙光纖共球耦合微測(cè)量力瞄準(zhǔn)傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖2是帶有非球面形端面微結(jié)構(gòu)的探針結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖3是帶有球面形端面微結(jié)構(gòu)的探針結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖中:1、激光器,2、擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡,3、光纖稱合透鏡,4、導(dǎo)管,5、入射光纖,6、稱合器，
7、帶有錐形端面微結(jié)構(gòu)的出射光纖，8、探針，9、待測(cè)微孔，10、顯微物鏡，IUCCD相機(jī)，12、計(jì)算機(jī)，13、帶有非球面形端面微結(jié)構(gòu)的出射光纖，14、帶有球面形端面微結(jié)構(gòu)的出射光纖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施例作進(jìn)一步詳細(xì)描述。[0027]實(shí)施例1:
[0028]一種帶有端面微結(jié)構(gòu)的雙光纖共球耦合微測(cè)量力瞄準(zhǔn)傳感器，所述傳感器由激光器1、擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡2、光纖耦合透鏡3、導(dǎo)管4、探針8、顯微物鏡10、CXD相機(jī)11和計(jì)算機(jī)12構(gòu)成，數(shù)據(jù)線將CXD相機(jī)11與計(jì)算機(jī)12連通，探針8置于待測(cè)微孔9內(nèi)；所述探針8包括入射光纖5、稱合器6和帶有錐形端面微結(jié)構(gòu)的出射光纖7,稱合器6分別與入射光纖5和帶有錐形端面微結(jié)構(gòu)的出射光纖7連接，耦合器6作為探針8的觸點(diǎn)，激光器I發(fā)出的光束經(jīng)擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡2與光纖稱合透鏡3進(jìn)入入射光纖5,光束經(jīng)入射光纖5導(dǎo)入稱合器6后由帶有錐形端面微結(jié)構(gòu)的出射光纖7導(dǎo)出，導(dǎo)出光束經(jīng)顯微物鏡10進(jìn)入CCD相機(jī)11。
[0029]利用導(dǎo)管4將入射光纖5彎曲以便提供圖像捕獲空間，也可以不使用導(dǎo)管4，而直接用熱定型法將入射光纖5彎曲以便提供圖像捕獲空間。帶有錐形端面微結(jié)構(gòu)的出射光纖7的使用可以極大的提高了檢測(cè)信號(hào)的信噪比，使傳感器具有納米級(jí)的分辨力。
[0030]本發(fā)明的工作過程如下:
[0031]提前半小時(shí)打開激光器1，使激光器I發(fā)出的光束穩(wěn)定。調(diào)整光纖稱合透鏡3與入射光纖5之間的相對(duì)位置與姿態(tài)，保證最大光能量進(jìn)入入射光纖。調(diào)整帶有錐形端面微結(jié)構(gòu)的出射光纖7與顯微物鏡10之間的相對(duì)位置與姿態(tài)，保證出射光纖7的出射端面相對(duì)顯微物鏡10是近軸區(qū)內(nèi)物體，以提高成像質(zhì)量。將探針8伸入待測(cè)微孔9內(nèi)部，并使之與待測(cè)微孔9產(chǎn)生相對(duì)位移，當(dāng)耦合器6與待測(cè)微孔9孔壁接觸時(shí)，通過顯微物鏡10將探針8在待測(cè)微孔9內(nèi)的微小觸測(cè)位移量轉(zhuǎn)變?yōu)镃CD相機(jī)11圖像捕捉系統(tǒng)的橫向位移量，即通過CCD相機(jī)11對(duì)探針8在X向與Y向的位移量進(jìn)行探測(cè)，最終由圖像質(zhì)心定位算法實(shí)現(xiàn)對(duì)孔壁測(cè)量時(shí)的高精度瞄準(zhǔn)。
[0032]實(shí)施例2:
[0033]探針8由入射光纖5、|禹合器6和帶有非球面形端面微結(jié)構(gòu)的出射光纖13構(gòu)成,非球面形端面微結(jié)構(gòu)提高了檢測(cè)信號(hào)的信噪比。本實(shí)施例的其他部件及工作過程均與實(shí)施例1相同。
[0034]實(shí)施例3:
[0035]探針8由入射光纖5、|禹合器6和帶有球面形端面微結(jié)構(gòu)的出射光纖14構(gòu)成,球面形端面微結(jié)構(gòu)提高了檢測(cè)信號(hào)的信噪比。本實(shí)施例的其他部件及工作過程均與實(shí)施例1相同。
【權(quán)利要求】
1.一種帶有端面微結(jié)構(gòu)的雙光纖共球耦合微測(cè)量力瞄準(zhǔn)傳感器，所述傳感器由激光器(I)、擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡(2)、光纖耦合透鏡(3)、導(dǎo)管(4)、探針(8)、顯微物鏡(10)、CCD相機(jī)(11)和計(jì)算機(jī)(12)構(gòu)成，數(shù)據(jù)線將CCD相機(jī)(11)與計(jì)算機(jī)(12)連通，探針(8)置于待測(cè)微孔(9)內(nèi)；其特征在于:所述探針(8)包括入射光纖(5)、耦合器(6)和帶有錐形端面微結(jié)構(gòu)的出射光纖(7), f禹合器(6)分別與入射光纖(5)和帶有錐形端面微結(jié)構(gòu)的出射光纖(7)連接，耦合器(6)作為探針(8)的觸點(diǎn)，激光器(I)發(fā)出的光束經(jīng)擴(kuò)束準(zhǔn)直鏡(2)與光纖耦合透鏡(3)進(jìn)入入射光纖(5)，光束經(jīng)入射光纖(5)導(dǎo)入耦合器(6)后由帶有錐形端面微結(jié)構(gòu)的出射光纖⑵導(dǎo)出，導(dǎo)出光束經(jīng)顯微物鏡(10)進(jìn)入CCD相機(jī)(11)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶有端面微結(jié)構(gòu)的雙光纖共球耦合微測(cè)量力瞄準(zhǔn)傳感器，其特征在于:所述探針(8)由入射光纖(5)、耦合器(6)和帶有非球面形端面微結(jié)構(gòu)的出射光纖(13)構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶有端面微結(jié)構(gòu)的雙光纖共球耦合微測(cè)量力瞄準(zhǔn)傳感器，其特征在于:所述探針(8)由入射光纖(5)、耦合器(6)和帶有球面形端面微結(jié)構(gòu)的出射光纖(14)構(gòu)成。
【文檔編號(hào)】G01B11/00GK103900468SQ201410118922
【公開日】2014年7月2日 申請(qǐng)日期:2014年3月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月20日
【發(fā)明者】崔繼文, 李俊英, 譚久彬 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)