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基于三光纖共球耦合的微測量力瞄準傳感器的制造方法
【專利摘要】基于三光纖共球耦合的微測量力瞄準傳感器屬于精密儀器制造及測量技術；該傳感器包括激光器、擴束準直鏡、光纖耦合透鏡、導管、顯微物鏡b、CCD相機b、顯微物鏡a、CCD相機a、計算機和由入射光纖、耦合器、出射光纖a、出射光纖b組成的探針，耦合器作為探針的觸點，光束經(jīng)入射光纖導入耦合器后分別由出射光纖a和出射光纖b導出，導出光束分別經(jīng)顯微物鏡a、顯微物鏡b進入CCD相機a、CCD相機b，通過圖像處理技術即可得到兩束出射光束分別在CCD上形成的光斑能量中心位置，由CCD相機上光斑能量中心位置與傳感器觸測點在空間位置的一一對應關系即可得出傳感器在空間的瞄準情況；本傳感器可測深徑比大，具有三維探測能力。
【專利說明】基于三光纖共球耦合的微測量力瞄準傳感器
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于精密儀器制造及測量技術，特別涉及一種基于三光纖共球耦合的微測量力瞄準傳感器。
【背景技術】
[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微小構(gòu)件遮蔽效應的限制以及測量接觸力的影響，微小構(gòu)件尺寸的精密測量變得難以實現(xiàn)，尤其是微小內(nèi)腔構(gòu)件的測量深度難以提高，這些已然成為制約行業(yè)發(fā)展的“瓶頸”。為了實現(xiàn)更小的尺寸測量、增加測量深度，最廣泛使用的辦法就是使用細長的探針深入微小構(gòu)件的內(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，目前微小構(gòu)件尺寸的精密測量主要以坐標測量機結(jié)合具有纖細探針的瞄準發(fā)訊式探測系統(tǒng)為主，由于，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構(gòu)件尺寸探測系統(tǒng)設計的關鍵。
[0003]目前，微小構(gòu)件尺寸測量的主要手段包括以下幾種方法:
[0004]1.德國聯(lián)邦物理技術研究院的H.Schwenke教授等人提出了一種微光珠散射成像法，實現(xiàn)了對探針測頭位置信息的二維檢測。該方法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。后來H.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)具有了三維探測能力，測量標準球時得到的標準偏差為0.2 μ m。據(jù)相關報道，此方法可實現(xiàn)測量Φ 151 μ m的孔徑，測量深度為1mm。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，因此無法實現(xiàn)大深徑比的高精度測量。
[0005]2.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(jié)構(gòu)，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，可以實現(xiàn)對直徑不小于
0.01mm、深徑比不大于50: I的微深孔測量時的精確瞄準。這種方法目前僅能實現(xiàn)二維位置信息的檢測，不具備三維探測能力。
[0006]3.美國國家標準技術研究院使用了單光纖測桿結(jié)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Φ75μπι，實驗中測量了 Φ129μπι的孔徑，其擴展不確定度估算值達到了70nm(k=2)，測量力為μ N量級。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。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(jié)構(gòu)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(gòu)成比較復雜；且該方法目前僅具有二維探測能力。
[0007]4.中國哈爾濱工業(yè)大學譚久彬教授和王飛等人提出了一種基于單光纖探針測桿的一維微焦準直的測量方法，該方法利用單光纖探針測桿的超大曲率與微柱面透鏡的結(jié)構(gòu)特點組建了點光源一維微焦準直成像光路，通過測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桿的二維位移量信息，若對該裝置如下配置:光纖探針測桿半徑為10 μ m,其折射率η=1.7,像距r=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個像元的變化，其理論分辨力可達0.03nm。該方法所成像亮條紋的條紋寬度不易測量，同時在二維位移測量時，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。隨后，崔繼文等人又提出一種基于正交二維微焦準直的微孔測量方法，該方法解決了二維信息耦合的問題，但是該方法只能實現(xiàn)二維微尺度測量，不具備三維測量能力。
[0008]5.瑞士聯(lián)合計量辦公室研發(fā)了一個新型的坐標測量機致力于小結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(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,同時支持可更換的探針，探針測頭的直徑最小到ΦΙΟΟμπι。探測系統(tǒng)結(jié)合了一個由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)測量重復性的標準偏差達到5nm，測量結(jié)果的不確定度為50nm。該種方法結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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聞。
[0009]綜上所述，目前微小尺寸和坐標探測方法中，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尺寸的精密測量。現(xiàn)存測量手段主要存在的問題有:
[0010]1.探測系統(tǒng)的測量深度受限。德國PTB的微光珠散射成像法受遮蔽效應的影響，難以實現(xiàn)測量深度的提升，同時降低了系統(tǒng)探測精度。
[0011]2.探測系統(tǒng)的位移分辨力難以進一步提高?，F(xiàn)存的探測系統(tǒng)的初級放大率較低，導致了其整體放大率較低，難以實現(xiàn)其位移分辨力的進一步提高。美國國家標準技術研究院采用的探測方法的光學測桿的光學光路放大倍率僅有35倍，較低的初級放大倍率導致了其位移分辨力難以進一步提高。
[0012]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，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。
[0013]4.三維位移方向探測能力不足。哈爾濱工業(yè)大學提出的基于雙光纖耦合的探針結(jié)構(gòu)和基于正交二維微焦準直的微孔測量方法都不具有三維探測能力，只能實現(xiàn)微尺度的二維測量，無法滿足當前微尺度三維測量的需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]本發(fā)明的目的是克服微小構(gòu)件尺寸測量方法現(xiàn)有技術中存在的不足之處，提供一種適用于大深徑比微小構(gòu)件尺寸測量的基于三光纖共球耦合的微測量力瞄準傳感器，通過耦合器及顯微物鏡將傳感器探針在微孔內(nèi)的微小觸測位移量轉(zhuǎn)變?yōu)镃CD圖像捕捉系統(tǒng)的橫向位移量，由圖像質(zhì)心定位算法實現(xiàn)對孔壁測量時的高精度三維瞄準。
[0015]本發(fā)明的技術方案是:一種基于三光纖共球耦合的微測量力瞄準傳感器包括激光器、擴束準直鏡、光纖耦合透鏡、導管、探針、顯微物鏡a、CCD相機a和計算機，數(shù)據(jù)線將CCD相機a與計算機連通，探針置于待測微孔內(nèi)，所述探針包括入射光纖、耦合器和出射光纖a，耦合器作為探針的觸點分別與入射光纖和出射光纖a連接，激光器發(fā)出的光束經(jīng)擴束準直鏡和光纖I禹合透鏡后進入入射光纖，光束經(jīng)入射光纖導入I禹合器后由出射光纖a導出，導出光束經(jīng)顯微物鏡a進入CCD相機a，所述探針還包括出射光纖b，所述出射光纖b與耦合器連接，且出射光纖b的末端呈80-100°彎曲狀，光束經(jīng)入射光纖導入耦合器后由出射光纖b導出，導出光束經(jīng)顯微物鏡b進入CXD相機b，數(shù)據(jù)線將CXD相機b與計算機連通。
[0016]本發(fā)明的優(yōu)點是:
[0017]1.傳感器中的出射光纖a與出射光纖b對于沿軸方向作用力和垂軸方向作用力均會產(chǎn)生響應，且作用力之間相互解耦，因而可以實現(xiàn)三維空間位置信號探測，即本傳感器具有相互解耦的三維探測能力。
[0018]2.本傳感器可以通過改變顯微物鏡a、顯微物鏡b的放大率來改變傳感器的測量分辨力，節(jié)約成本以滿足不同場合的要求。
[0019]3.光學探測信號僅在光纖內(nèi)部傳輸，不受微尺度構(gòu)件遮蔽效應的影響，測量最大深徑比可達40: 1，滿足大深徑比微結(jié)構(gòu)測量要求。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1是基于三光纖共球耦合的微測量力瞄準傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖中:1、激光器,2、擴束準直鏡,3、光纖稱合透鏡,4、導管,5、待測微孔,6、入射光纖，7、耦合器，8、出射光纖a，9、出射光纖b，10、探針，11、顯微物鏡b，12、CCD相機b，13、顯微物鏡a，14、CXD相機a，15、計算機。
【具體實施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明實施例作進一步詳細描述。
[0023]一種基于三光纖共球耦合的微測量力瞄準傳感器包括激光器1、擴束準直鏡2、光纖耦合透鏡3、導管4、探針10、顯微物鏡al3、(XD相機al4和計算機15，數(shù)據(jù)線將CXD相機al4與計算機15連通，探針10置于待測微孔5內(nèi)，所述探針10包括入射光纖6、耦合器7和出射光纖a8，耦合器7作為探針10的觸點分別與入射光纖6和出射光纖a8連接，激光器I發(fā)出的光束經(jīng)擴束準直鏡2和光纖耦合透鏡3后進入入射光纖6，光束經(jīng)入射光纖6導入耦合器7后由出射光纖a8導出，導出光束經(jīng)顯微物鏡al3進入CXD相機al4，所述探針10還包括出射光纖b9，所述出射光纖b9與耦合器7連接，且出射光纖b9的末端呈80-100°彎曲狀，光束經(jīng)入射光纖6導入I禹合器7后由出射光纖b9導出，導出光束經(jīng)顯微物鏡bll進入CXD相機bl2，數(shù)據(jù)線將CXD相機bl2與計算機15連通。
[0024]所述出射光纖b9的末端彎曲角度優(yōu)選為90°。
[0025]利用導管4將入射光纖6彎曲以便提供圖像捕獲空間，也可以不使用導管4，而直接用熱定型法將入射光纖6彎曲，以便提供圖像捕獲空間。利用熱定型法將出射光纖b9的末端彎曲80-100°，以便感知沿軸方向的作用力，與出射光纖a8配合從而實現(xiàn)三維探測能力，其中當出射光纖b9的末端彎曲角度為90°時，其在沿軸方向具有最高的靈敏度。
[0026]本發(fā)明的工作過程如下:
[0027]提前半小時打開激光器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6之間的相對位置與姿態(tài)，保證最大光能量進入入射光纖6。調(diào)整出射光纖a8與顯微物鏡al3、出射光纖b9與顯微物鏡bll之間的相對位置與姿態(tài),保證出射光纖a8的出射端面相對顯微物鏡al3、出射光纖b9的出射端面相對顯微物鏡bll是近軸區(qū)內(nèi)物體，以提高成像質(zhì)量。將探針10伸入待測微孔5內(nèi)部，并使之與待測微孔5產(chǎn)生相對位移，當耦合器7與待測微孔5孔壁接觸時，通過顯微物鏡al3、顯微物鏡bll將探針10在待測微孔5內(nèi)的微小觸測位移量轉(zhuǎn)變?yōu)镃CD相機al4、CCD相機bl2圖像捕捉系統(tǒng)的橫向位移量，即通過CCD相機al4對探針10在X向與Y向的觸測位移量進行探測，通過CCD相機bl2對探針10在Z向的觸測位移量進行探測，最終由圖像質(zhì)心定位算法實現(xiàn)對孔壁測量時的高精度三維瞄準。
【權(quán)利要求】
1.一種基于三光纖共球耦合的微測量力瞄準傳感器，所述傳感器包括激光器(I)、擴束準直鏡(2)、光纖耦合透鏡(3)、導管(4)、探針(10)、顯微物鏡a(13)、CCD相機a(14)和計算機(15)，數(shù)據(jù)線將CCD相機a (14)與計算機(15)連通，探針(10)置于待測微孔(5)內(nèi)，所述探針(10)包括入射光纖(6)、耦合器(7)和出射光纖a(8)，耦合器(7)作為探針(10)的觸點分別與入射光纖(6)和出射光纖a(8)連接，激光器(I)發(fā)出的光束經(jīng)擴束準直鏡(2)和光纖耦合透鏡(3)后進入入射光纖(6)，光束經(jīng)入射光纖(6)導入耦合器(7)后由出射光纖a(8)導出，導出光束經(jīng)顯微物鏡a(13)進入CCD相機a(14)，其特征在于:所述探針(10)還包括出射光纖b (9)，所述出射光纖b (9)與耦合器(7)連接，且出射光纖b (9)的末端呈80-100°彎曲狀，光束經(jīng)入射光纖(6)導入耦合器(7)后由出射光纖b(9)導出，導出光束經(jīng)顯微物鏡b (II)進入C⑶相機b (12)，數(shù)據(jù)線將C⑶相機b (12)與計算機(15)連通。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于三光纖共球耦合的微測量力瞄準傳感器，其特征在于:所述出射光纖b (9)的 末端彎曲角度優(yōu)選為90°。
【文檔編號】G01B11/00GK103900470SQ201410118924
【公開日】2014年7月2日 申請日期: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 申請人:哈爾濱工業(yè)大學