一種基于雙通道點衍射干涉的三坐標測量裝置及方法與流程
本發明涉及點衍射三維測量技術領域，特備涉及一種基于雙通道點衍射干涉的三坐標測量裝置及方法。
背景技術：
為了達到現代制造業對于產品精度越來越高的要求，很多高精度絕對位移測量方法被使用于日常的測量精度與高效率測量的生產之中。目前三維坐標測量主要采用三坐標測量機和激光跟蹤儀。三坐標測量儀作為一種高效的絕對位移測量系統，已經被廣泛的適用于高精度定位、尺寸測量以及復現產品等的工作。
目前，三坐標測量機需要價格高昂的高精度專用導軌，高平面度的大理石測量平臺。實時測量時，需要將待測件放置于測量平臺之上，由傳感器進行測量，不具備便攜性。近年來，點衍射干涉技術得到了迅速的發展，并在高精度光學檢測領域中得到了較好的實際運用。尤其是隨著光纖制造工藝以及針孔加工技術的發展，可獲得2-3μm量級甚至更小尺寸的點衍射源，很好的促進了點衍射干涉測量技術的快速發展及應用。在點衍射干涉技術中，利用點衍射原理獲得理想球面波前可以達到衍射極限性能的分辨率，一次作為參考波前可獲得優于于10-4λ(波長λ＝632.8nm)量級的測量基準，并使得檢測精度具有較好的再現性。點衍射干涉儀本身不受導軌限制，且直接避免了傳統干涉儀中標準鏡引入的誤差，用點衍射方法獲得高精度的標準球面，為更高精度的測量提供支持。
目前，點衍射干涉測量系統均以一個光纖對實現三維絕對位移測量系統，在x和y兩個方向上存在靈敏度不一樣造成的在平行于條紋方向上存在精度低的問題。
技術實現要素：
本發明的目的提供一種基于雙通道點衍射干涉的三坐標測量裝置及方法，提高了測量的精度。
為解決現有技術存在的問題，本發明提供一種基于雙通道點衍射干涉的三坐標測量裝置，該裝置包括：偏振激光器沿所述偏振激光器的發出的光傳播方向上還設置有偏振分光棱鏡，其特征在于，所述激光經過偏振分光棱鏡被分成透射光和反射光，沿所述透射光傳播方向，設置有第三偏振分光棱鏡；沿所述反射光傳播方向依次設置有四分之一波片、反光鏡；沿所述反射光經過反射鏡反射后的傳播方向，在所述偏振分光棱鏡之后，還設置有第二分光棱鏡；沿光的傳播方向，所述第一分光棱鏡和第三分光棱鏡之后分別設置有一對光纖耦合器以及與所述光纖耦合器連接的亞微米孔徑光纖。
本技術方案在偏振分光棱鏡后還設置有第二分光棱鏡和第三分光棱鏡，相應的設置了兩對亞微米孔徑光纖，因此可以在點衍射出射端獲取三維坐標，提高了測量的精度。
其中，還包括：測量探頭，與每根亞微米孔徑光纖的光線出射端連接，用于獲取每兩根亞微米孔徑光纖的出射光在橫向或縱向產生的偏移；
探測器，沿光的傳播方向，設置于測量探頭之后，用于采集兩點衍射球面波前干涉條紋。
本技術方案在亞微米孔徑光纖的光線出射端設置測量探頭，并通過測量探頭獲取出射光在橫向和縱向產生的偏移，并通過探測器采集干涉條紋，從而為后期的分析提供了條件。
其中，還包括移相器，所述移相器與所述反射鏡連接。通過移相器對反射鏡的移動可以獲得多組干涉條紋，進而提高了測量的精度。
其中，所述移相器為壓電陶瓷移相器。
其中，還包括分析處理裝置，所述處理裝置為計算機，所述計算機設置于所述移相器與所述探測器之間。
其中，所述四分之一波片的快軸方向與X軸成45度夾角。
其中，所述探測器的像素為1920×1080，對應橫向和縱向像素尺寸都為5.5μm。
相應的本發明還提供一種基于雙通道點衍射干涉的三坐標測量方法，該方法包括：偏振激光器發出的激光進入偏振分光棱境被分成透射光和反射光，所述透射光經過第三偏振光棱鏡通過激光耦合器的耦合進入第一組亞微米孔徑光纖；所述反射光經過反射鏡的反射、第二分光棱鏡后，通過激光耦合器的耦合進入第二組亞微米孔徑光纖；
交替開啟第一組亞微米孔徑光纖中的一根光纖和第二組亞微米孔徑光纖中的一根光纖，使開啟的兩根光纖的出射光在測量探頭產生代表橫向偏移或縱向偏移的點衍射球面波前，進而在探測器平面產生干涉條紋。
另外，還包括：
計算機控制壓電移相器對反射鏡進行多次移動，來改變兩點衍射球波前之間的光程差；
探測器實時采集多個對應的干涉條紋，并將所述采集的干涉條紋圖像發送至計算機。
另外，還包括：
計算機將探測器實時采集的兩點衍射球面波前干涉條紋利用五步移相算法解調出干涉場中探測器平面上任意點的相位分布；
計算機利用智能優化算法求解得到成對亞微米孔徑光纖點衍射出射端的三維坐標的最優解。
本發明實施例不僅設置有偏振分光棱鏡，還設置有第二分光棱鏡和第三分光棱鏡，而且第二分光棱鏡和第三分光棱鏡分別通過一對光纖耦合器與亞微米孔徑光纖連接，這樣本發明的檢測裝置中就設置了兩對亞微米孔徑光纖，即設置了四根亞微米孔徑光纖，同時實現了三個方向上的高精度測量，提高了點衍射三維測量的精度。
附圖說明
圖1是本發明一種基于雙通道點衍射干涉的三坐標測量裝置的一種實施例的示意圖；
圖2是本發明一種基于雙通道點衍射干涉的三坐標測量方法的一種實施例的流程示意圖；
圖3是本發明基于雙通道點衍射干涉的三坐標測量方法的光纖對G1接通時對應解包裹后的相位示意圖；
圖4是本發明一種基于雙通道點衍射干涉的三坐標測量方法的光纖對G2接通時對應解包裹后的相位示意圖；
圖5是本發明一種基于雙通道點衍射干涉的三坐標測量方法的雙通道點衍射干涉儀絕對位移測量模型；
圖6是本發明一種基于雙通道點衍射干涉的三坐標測量方法在對應于測量目標的各種旋轉位置時x和y方向上的測量靈敏度。
其中：1、偏振激光器，2、第一個二分之一波片，3、偏振分光棱鏡，4、四分之一波片反射鏡，5、反射鏡，6、移相器，7、第二分光棱鏡，8、第一光纖耦合器，9、第二光纖耦合器，10、第一亞微米孔徑光纖，11、第二亞微米孔徑光纖，12、第二二分之一波片，13、第三分光棱鏡，14、第三偏振光纖耦合器，15、第四偏振光纖耦合器，16、第三亞微米孔徑光纖，17、第四亞微米孔徑光纖，18、測量探頭，19、探測器，20、計算機。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明進行詳細說明。
參考圖1，該圖本發明一種基于雙通道點衍射干涉的三坐標測量裝置的一種實施例的示意圖，該裝置包括：偏振激光器1、第一個二分之一波片2、偏振分光棱鏡3、四分之一波片4、反射鏡5、壓電陶瓷移相器6、第二分光棱鏡7、第一光纖耦合器8、第二光纖耦合器9、第一亞微米孔徑光纖10、第二亞微米孔徑光纖11、第二二分之一波片12、第三分光棱鏡13、第三光纖耦合器14、第四光纖耦合器15、第三亞微米孔徑光纖16、第四亞微米孔徑光纖17、測量探頭18、CCD探測器19、計算機20；圖中帶箭頭的線表示光纖，不帶箭頭的線表示電路連接線。偏振激光器1可以采用He-Ne偏振激光器，四分之一波片4的快軸方向與x軸成45°夾角，移相器6可采用位移分辨率高和頻響高的壓電陶瓷移相器，反射鏡5與移相器6端面連接，CCD探測器10的像素數為1920×1080，對應橫向和縱向像素尺寸都為5.5μm。測量探頭18連接有第一亞微米孔徑光纖SF1 10、第四亞微米孔徑光纖SF2 17、第二亞微米孔徑光纖SF3 11和第三亞微米孔徑光纖SF4 16。第一亞微米孔徑光纖SF1 10與測量探頭18連接部為出射端，另一端連接有第一光纖耦合器8；第四亞微米孔徑光纖SF2 17與測量探頭18連接部為出射端，另一端連接有第四光纖耦合器15；第二亞微米孔徑光纖SF3 11與測量探頭18連接部為出射端，另一端連接有第二光纖耦合器9；第三亞微米孔徑光纖SF4 16與測量探頭18連接部為出射端，另一端連接有第三光纖耦合器14。
偏振激光器1發出的激光經過調整光強的第一個二分之一波片2，射入偏振分光棱鏡3分成透射光p和反射光s。其中一束反射光s經過四分之一波片4后到達反射鏡5上，經反射鏡5反射回來的光s’先后通過四分之一波片4、偏振分光棱鏡3、第二分光棱鏡7分成透射光pSF1和反射光sSF3，透射光pSF1到達第一個光纖耦合器8耦合到第一亞微米孔徑光纖10上，反射光sSF3到達第二光纖耦合器9耦合到第二亞微米孔徑光纖11上，兩根光纖末端產生點衍射球面波前作為檢測波前W1；另一束透射光p經過用來微調光強的第二個二分之一波片12到達第三分光棱鏡13分成透射光pSF4和反射光sSF2，反射光sSF2到達第四光纖耦合器15耦合到第四亞微米孔徑光纖17上，透射光pSF4到達第三個光纖耦合器14耦合到第三亞微米孔徑光纖16上，兩束光纖末端產生點衍射球面波前作為參考波前W2。CCD探測器19的數據輸出口與計算20的數據輸入口連接，將CCD探測器19實時采集球面波前W1和球面波前W2的干涉圖傳輸給計算機20。計算機20的數據輸出口與移相器6的數據輸入口連接，計算機20控制移相器6。移相器6端面移動反射鏡5，得到需要的反射光s’。
需要說明的，本文所說的第一亞微米孔徑光纖10和第二亞微米孔徑光纖11共同稱為第一組亞微米孔徑光纖；第三亞微米孔徑光纖16和第四亞微米孔徑光纖17共同稱為第二組亞微米孔徑光纖。
下面說明本發明的另一方面。
參考圖2，該圖是本發明一種基于雙通道點衍射干涉的三坐標方法的一種實施例的流程示意圖，包括如下步驟：
步驟s11，偏振激光器發出的激光進入偏振分光棱境被分成透射光和反射光，所述透射光經過第三分光棱鏡通過激光耦合器的耦合進入第一組亞微米孔徑光纖；所述反射光經過反射鏡的反射、第二分光棱鏡后，通過激光耦合器的耦合進入第二組亞微米孔徑光纖；
具體實現時，偏振He-Ne激光器1發出光波長λ為632.8nm的激光，經過第一個二分之一波片2得到不同偏振方向的線偏振光，再經過第偏振分光棱鏡3分成透射光p和反射光s。其中一束反射光s經過一個快軸方向與x軸成45°夾角的四分之一波片4后到達安裝在壓電移相器6上的反射鏡5上，經反射鏡5反射回來的光s’，第二次通過四分之一波片4后再透過偏振分光棱鏡3到達第二分光棱鏡7分成透射光pSF1和反射光sSF3，透射光pSF1到達第一個光纖耦合器8耦合到第一根亞微米孔徑光纖10上，反射光sSF3到達第二個光纖耦合器9耦合到第二根亞微米孔徑光纖11上，兩根光纖末端產生點衍射球面波前作為檢測波前W1；另一束透射光p經過第二個二分之一波片12到達第三分光棱鏡13分成透射光pSF4和反射光sSF2，反射光sSF2到達第三光纖耦合器14耦合到第三根亞微米孔徑光纖16上，透射光pSF4到達第四光纖耦合器15耦合到第四亞微米孔徑光纖15上，兩根光纖末端產生點衍射球面波前作為參考波前W2。
步驟s12，交替開啟第一組亞米孔徑光纖中的一根光纖和第二組亞米孔徑光纖中的一根光纖，使開啟的兩根光纖的出射光在測量探頭產生代表橫向偏移或縱向偏移的點衍射球面波前，進而在探測器平面產生干涉條紋；
具體實現時，先打開光纖對G1(SF1與SF2)，關閉光纖對G2(SF3與SF4)，兩亞微米孔徑光纖分別在測量探頭18上產生橫向偏移，在CCD探測器19平面上實時形成和待測測量探頭18三坐標值相對應的兩點衍射球面波前干涉條紋。
步驟s13，計算機控制壓電移相器對反射鏡進行多次移動，來改變兩點衍射球波前之間的光程差；具體實現時，利用計算機20控制壓電移相器6對反射鏡5進行多次移動來改變兩點衍射球面波前之間的光程差，并利用CCD探測器19實時采集橫向偏移對應干涉圖。關閉光纖對G1(SF1與SF2)，打開光纖對G2(SF3與SF4)，重復上述操作，獲得縱向偏移對應的干涉圖。
步驟s14，探測器實時采集多個對應的干涉條紋，并將所述采集的干涉條紋圖像發送至計算機。
步驟s15，計算機將探測器實時采集的兩點衍射球面波前干涉條紋利用五步移相算法解調出干涉場中探測器平面上任意點的相位分布；并利用智能優化算法求解得到成對亞微米孔徑光纖點衍射出射端的三維坐標的最優解。參考圖3和圖4為橫向偏移與縱向偏移對應干涉圖解調出的相位分布圖，如圖所示，橫向時x方向相位變化大于y方向，縱向時y方向相位變化大于x方向。
如圖5所示，建立測量探頭的球坐標與系統的直角坐標系數學模型，其中(a)表示測量空間，(b)表示輔助球面坐標系；以探測器平面上像素范圍的中心作為所選計算點區域的中心坐標，選取至少6個像素點的坐標及其對應的相位建立超定非線性方程組，然后利用粒子群算法快速求解得到兩亞微米孔徑光纖點衍射出射端中心O’的三維坐標分別為(5.056，5.717，115.056)mm和(5.486，5.072，114.768)mm。
對只有一個光纖對時系統模型分析，CCD上任意點P的相位為
如圖5(b)所示，CCD平面為xoy平面，其中心點O為直角坐標系的原點。r1，r2分別為P點到兩根光纖出射端面的距離。如圖5(a)所示，探頭上的SF1與SF2是兩個點衍射源(亞微米孔徑光纖的出射端)，它們之間間隔距離為d。以SF1與SF2的中點O′(x0，y0，z0)為原點建立探頭的輔助球坐標系，其中θ與σ分別為方位角與極角。
對應有相位在x和y方向的相位差的偏導數(DSx，DSy)為
分析得到圖6示出了對應于測量目標繞z軸的各種旋轉位置(極角)時x和y方向上的測量靈敏度，其中方位角為90°。如圖2所示，當極角為0°時，x方向(垂直于邊緣方向)的測量靈敏度DSx遠大于y方向(平行于邊緣方向)的測量靈敏度DSy；并且DSx和DSy隨著極角增大分別減小和增加。橫向正交方向的測量靈敏度的差異可能導致某些橫向方向上的測量精度低。
通過分析得到，選取僅光纖對G1接通時對應的亞微米孔徑光纖出射端的x坐標，僅光纖對G2接通時的對應的亞微米孔徑光纖出射端的y坐標，光纖對G1和G2時分別對應的亞微米孔徑光纖出射端的z坐標的平均值作為測量探頭的三維坐標，最終合成(5.056，5.072，114.912)mm實現被測目標的三維坐標的高精度測量。
以上所述是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也視為本發明的保護范圍。
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