便携式光纤干涉三坐标测量机及测量三坐标的方法

摘要

本发明公开了一种便携式光纤干涉三坐标测量机及测量三坐标的方法，该测量机包括光纤衍射球面波发生装置、光纤笔、球面波干涉光强度测量仪，其测量方法是采用多参考点多边测量原则，组成非线性超定方程组，应用最小二乘迭代方法，求解出两光纤球面波出射端中心A、B在o-xyz坐标系中的坐标，再利用共线条件求解出光纤笔笔尖（被测点）的三维坐标。本发明的构件组成简单，成本低廉，测量时易于操作且测量结果可靠，测量精度可达到1um，如果有效增大CCD光电探测器阵列的尺寸，测量精度可提高到0.1um。本发明适用于在任何场合进行三维坐标的测量。

说明书

技术领域

本发明涉及一种空间坐标的测量仪器及其使用方法，具体地说是一种便携式光纤干涉三坐标测量机及测量三坐标的方法。

背景技术

三坐标测量机作为一种高效的精密测量仪器，将一切尺寸、形状、位置等几何量测量都归结为坐标测量，利用软件求特征参数，进行评定，使它具有很强的通用性；而且，由于其测量范围大、精度高，易与柔性制造系统和计算机集成制造系统相连接，因而它在机械、电子、汽车和航空航天等工业中有极广泛的应用。

然而，一台传统的三坐标测量机的总重量往往达数吨乃至数十吨，利用三坐标测量机进行测量时需要将被测物放到测量机上，而生产中往往要求在加工、装配现场，在装备上进行测量，还有一些对象根本就无法搬到三坐标测量机上，所以传统的三坐标测量机都因其笨重等原因，均不能满足大型工件现场快速测量的需要。为了实现现场测量，要求发展数字化无导轨便携式现场和在线三坐标测量机。

在国外，近几年来便携式三坐标测量机的发展非常迅速，并有成熟产品投放市场，最具代表性的有激光跟踪视觉三坐标测量机和关节臂式三坐标测量机，但这些便携式三坐标测量机的技术高度保密，而且价格昂贵，在国内很难推广，只有一些科研院所和大型企业在使用。

专利号为200410019071.2的中国发明专利，公开了一种“光笔式便携三维坐标测量系统”，是利用CCD摄像机视觉成像原理和数字图像处理技术来进行测量。由于z轴为摄像机的光轴方向，该方向上的镜头畸变最大，加之测量背景中存在图像干扰等因素，使得虽然在x、y轴方向上的测量精度可以达到0.1mm，但在z轴方向的测量精度还达不到0.1mm。

发明内容

本发明要解决的技术问题，是提供一种便携式光纤干涉三坐标测量机及测量三坐标的方法，其中的测量机构件组成简单，成本低廉，便于携带与装配，其测量三坐标的方法易于操作且测量结果可靠，测量过程不受环境条件的限制，测量精度可达到1um，如果能有效增大CCD光电探测器阵列的尺寸，其测量精度可以进一步提高到0.1 um。

本发明为解决上述技术问题，所采用的技术方案是：

一种便携式光纤干涉三坐标测量机，包括光纤衍射球面波发生装置、光纤笔、球面波干涉光强度测量仪，其中：

（1）光纤衍射球面波发生装置与光纤笔

①光纤衍射球面波发生装置包括半导体激光器、激光输入耦合器、耦合用单模光纤、激光耦合器、移相器、两单模光纤、光纤固定环；

②半导体激光器、激光输入耦合器、耦合用单模光纤、激光耦合器依次相串接；

③两单模光纤的一端连接于激光耦合器的输出光束端，它们分别经移相器后将它们的经研磨的出射端于光纤笔的固定环上固定，它们的出射端的端面中心与位于它们下方的光纤笔的笔尖测头中心共线；

（2）球面波干涉光强度测量仪

①球面波干涉光强度测量仪为由CCD光电探测器组成的二维阵列；

②球面波干涉光强度测量仪位于两单模光纤两出射端端面的前方，它们之间有距离。（两球面波能在强度测量仪上产生比较明显的干涉条纹即可，平行设置时相对而言干涉条纹比较明显）；

③激光耦合器的输入光束端连接有独立的CCD光电探测器，用来检测两单模光纤的出射端发射回来的光干涉强度。（以保证两单模光纤发射的球面波有足够的光强）

作为本发明的优化，所述单模光纤的有效内核直径为2-3um，它们的轴线间距为125um。（有效内核直径限定为2-3um，主要是为了保证两模光纤的出射端能产生高质量的球面波。两单模光纤的轴线距离为125um，由光纤外径和光纤固定环结构决定，两单模光纤的轴线距离应尽量小，以保证两光纤出射端产生的球面波为相干光波）

本发明还提供了一种测量三坐标的方法，利用上述便携式光纤干涉三坐标测量机并按照下述步骤顺序进行：

（1）组装设备

组装所述的便携式光纤干涉三坐标测量机，调整光纤笔和CCD光电探测器二维阵列之间的位置，使得由两光纤出射端产生的两球面波在CCD光电探测器阵列上，能产生比较明显的干涉条纹，并使两单模光纤出射端端面中心点A、B与点C上下共线；

（2）测量

给半导体激光器加电，使之产生波长为λ的激光束，该激光束应该稳定，而且其光强能足以使两单模光纤的出射端产生的两相干球面波在CCD阵列上产生明显的干涉条纹。（目前采用波长为632.8nm，功率为2.0mw，光管长205mm的氦氖激光器，当然也可以使用其它波长的激光束，只要满足上述要求就可以）；

该激光束经输入耦合器耦合进耦合用单模光纤；

再由一个2×2激光耦合器将输入光束按50：50 等分到两根同样的单模光纤中，在它们的出射端衍射成两列相干球面波，这两列相干球面波在CCD光电探测器阵列上形成干涉条纹，每一个CCD光电探测器都可以测出其所在空间点处的干涉光强度；

（3）计算

通过移相技术，计算出干涉光在每一个CCD光电探测器所在空间点处的相位；

由这些相位，根据球面波干涉理论和移相测量原理建立数学模型，求解，得出A、B两点的三维坐标；

再根据A、B、C共线条件，计算出笔尖即被测点C处的三维坐标。

作为本发明所提供方法中测量步骤（2）的具体化，它是这样进行的：

①将世界坐标系的原点固定于CCD光电探测器阵列中某一探测器上，其xy平面位于光电探测器阵列平面内，设A、B两点在世界坐标系中的坐标分别为A(x_A，y_A，z_A)、B(x_B，y_B，z_B)，任一CCD光电探测器在世界坐标系统中的坐标为P(x，y，z)。则从A、B两点发出的两列球面波在光电探测器P处的复振幅表示形式分别为：

，  ---------------------------式I

式I中，U₁、U₂分别为两列球面波在A、B处的光强，r₁、r₂分别为光电探测器P到A、B点的距离，，分别为两列球面波在A、B点处的相位，也称为两列球面波的初相位，

k为波常数。

②根据球面波干涉理论，两列球面波在P点处的干涉场强度为：

 ------------式II

式II中，，；为两列球面波分别由A点和B点到达P点时由于光程差而产生的相位差，记为；为两列球面波分别在A点和B点时，二者的相位差，该相位差为一常数；为两列球面波在P点总的相位差。

作为本发明所提供方法中计算步骤（3）的具体化，它是按照如下步骤进行：

①根据球面波位相分布公式如下：

-----式III

②两列球面波在P 点总的相位差可以通过四步移相测量技术来计算。通过调节移相器的位置，使得两列球面波在P点的相位差依次为、、、，即：

、

、，

则 -------------------------------------- 式IV

对于球面波干涉场内的每一点，都可以由上述方法计算该点处两相干波的相位差；由式IV计算出的在到之间，所以；

由于CCD光电探测器阵列中相邻传感器之间的距离和都小于，所以在整个阵列中，在一次计算中各参考点之间的相位可以控制在之内，而对于每一个参考点来说是一样的，即为一常量；

如果将其中一个参考点记为，其对应的记为：

 --------------------式V

其它各点对应的记为：

 --------------------式VI

用式VI减去式V式，得： ------------------式VII

③由式VII和式III联立，采用六个以上的参考点，组成非线性超定方程组，利用最小二乘迭代方法求解出和六个未知数，其目标函数为：

   （）------------------式VIII， 

其中，

对于每一个参考点，由移相测量技术计算得到；

④解出A、B两点的三维坐标和后，根据A、B、C共线的已知条件，设B、C两点之间的距离为,则光纤笔笔尖接触的被测点 C的三维坐标如式IX所示：

，，  ----式IX。

本发明由于采用了上述的技术方案，其与现有技术相比所取得的技术进步在于：

本发明所提供的测量机构件组成简单，成本低廉，便于携带与装配，其测量三坐标的方法易于操作且测量结果可靠，测量过程不受环境条件的限制，CCD光电探测器阵列的尺寸是影响测量机测量精度的主要因素之一，利用目前常规尺寸（长×宽=6.4mm×4.8mm）的CCD，测量精度可达到1um；如果能有效增大CCD光电探测器阵列的尺寸，例如采用20.48mm×20.48mm的CCD阵列，其测量精度可以进一步提高到0.1 um。

本发明适用于在任何场合进行三维坐标的测量。

本发明下面将结合说明书附图与具体实施例作进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例所提供便携式光纤干涉三坐标测量机的构件组成关系示意图；

图2为图1中光纤笔2与单模光纤101、102间的联接关系、位置关系示意图；

图3是图2的左视图；

图4是本发明实施例的空间点分布规律图，图中方格表示球面波干涉光强度测量仪1的CCD光电探测器，黑方格表示选中的CCD光电探测器所在空间点。

图中：1—球面波干涉光强度测量仪，2—光纤笔，3—固定环，4—移相器，5—激光耦合器，6—CCD光电探测器，7—耦合用单模光纤，8—激光输入耦合器，9—半导体激光器，101、102—单模光纤；A、B—单模光纤101与102的出射端端面中心，C—光纤笔2的笔尖测头中心亦即被测点，X、Y、Z—三维坐标系的三轴；图中箭头表示三维坐标系的三轴方向。

具体实施方式

实施例    便携式光纤干涉三坐标测量机及其测量三坐标的方法

一、便携式光纤干涉三坐标测量机

图1所示为一种便携式光纤干涉三坐标测量机，它包括光纤衍射球面波发生装置、光纤笔2、球面波干涉光强度测量仪1，它们的构件组成分别表述如下：

（1）光纤衍射球面波发生装置与光纤笔2

①光纤衍射球面波发生装置包括半导体激光器9、激光输入耦合器8、单模光纤7、激光耦合器5、移相器4、单模光纤101与102、光纤固定环3。

②半导体激光器9、激光输入耦合器8、耦合用单模光纤7、激光耦合器5依次相串接。

③单模光纤101与102的有效内核直径为2-3um，它们的轴线间距为125um，它们的一端连接于激光耦合器5的输出光束端，它们分别经移相器4后将它们的经研磨的出射端于光纤笔2的固定环3上固定。

单模光纤101与102的出射端的端面中心A、B（A与B相距125um）与位于它们下方的光纤笔2的笔尖测头中心C点共线，如图2与图3所示。

（2）球面波干涉光强度测量仪1

①球面波干涉光强度测量仪1为由CCD光电探测器组成的二维阵列，如图4所示。

②球面波干涉光强度测量仪1位于两单模光纤101与102两出射端端面的前方，它们之间相隔地设置，以使两单模光纤101与102两出射端所发出的球面波能在强度测量仪上产生比较明显的干涉条纹即可。

③激光耦合器的输入光束端连接有独立的CCD光电探测器6。

二、便携式光纤干涉三坐标测量机测量三坐标的方法

该方法按照下述步骤顺序进行：

（1）组装设备

组装前述的便携式光纤干涉三坐标测量机，选择合适位置固定球面波干涉光强度测量仪1的CCD光电探测器二维阵列，并使两单模光纤出射端端面中心点A、B与点C上下共线；

（2）测量

给半导体激光器9（本实例中采用波长为632.8nm，功率为2.0mw，光管长205mm的氦氖激光器）加电，使之产生波长为632.8nm的激光束。

该激光束经输入耦合器8耦合进光纤7；再由一个2×2激光耦合器5将输入光束按50：50 等分到两根同样的单模光纤101、102中，在两根光纤出射端衍射成两列相干球面波，这两列相干球面波在球面波干涉光强度测量仪1的CCD光电探测器阵列上形成干涉条纹，每一个CCD光电探测器都可以测出其所在空间点处的干涉光强度。

①将世界坐标系的原点固定于CCD光电探测器阵列中某一探测器上，其xy平面位于光电探测器阵列平面内，设A、B两点在世界坐标系中的坐标分别为A(x_A，y_A，z_A)、B(x_B，y_B，z_B)，球面波干涉光强度测量仪1的任一CCD光电探测器在世界坐标系统中的坐标为P(x，y，z)。则从A、B两点发出的两列球面波在光电探测器P处的复振幅表示形式分别为：

，  -----------------------式I

式I中，U₁、U₂分别为两列球面波在A、B处的光强，r₁、r₂分别为光电探测器P到A、B点的距离，，分别为两列球面波在A、B点处的相位，也称为两列球面波的初相位，k为波常数，本实例中激光束的波长为632.8nm，所以，。

②根据球面波干涉理论，两列球面波在P点处的干涉场强度为：

 ------------式II

式II中，，；为两列球面波分别由A点和B点到达P点时由于光程差而产生的相位差，记为；为两列球面波分别在A点和B点时，二者的相位差，该相位差为一常数；为两列球面波在P点总的相位差。

（3）计算

它是按照如下步骤进行：

①根据球面波位相分布公式如下：

-----式III

②两列球面波在P 点总的相位差可以通过四步移相测量技术来计算。通过调节移相器的位置，使得两列球面波在P点的相位差依次为、、、，即：

、

、，

则 -------------------------------------- 式IV

对于球面波干涉场内的每一点，都可以由上述方法计算该点处两相干波的相位差；由式IV计算出的在到之间，所以；

由于CCD光电探测器阵列中相邻传感器之间的距离和都小于，所以在整个阵列中，在一次计算中各参考点之间的相位可以控制在之内，而对于每一个参考点来说是一样的，即为一常量；

如果将其中一个参考点记为，其对应的记为：

 --------------------式V

其它各点对应的记为：

 --------------------式VI

用式VI减去式V式，得： ------------------式VII

③由式VII和式III联立，采用6个以上的参考点，组成非线性超定方程组，利用最小二乘迭代方法求解出和6个未知数，其目标函数为：

 （）------------------式VIII， 

其中，

对于每一个参考点，由移相测量技术计算得到；

本实例中采用20个参考点，如图4中黑点所示，从左上角的黑点开始，按行排序，依次为，各参考点在坐标系中的坐标分别为：

，单位为mm。两列球面波在各参考点的相位差依次为，由式IV其计算值分别为单位为弧度。对应的分别为 0.52333，1.04979，1.57009，2.09344，-0.00004，0.52324，1.04621，1.57013，2.09346，0，0.52315，1.04692，1.57018，2.09335，0，0.52326，1.04636，1.57083，2.09319，单位为弧度。这样由式VIII可产生一个由19个方程组成的方程组，由最小二乘迭代方法求解出和为，坐标值单位为mm。

④解出A、B两点的三维坐标和后，根据A、B、C共线的已知条件，则光纤笔笔尖接触的被测点 C的三维坐标如式IX所示，在本测量实例中。

，，  ----式IX。

至此，完成了对C点三维坐标的测量过程，其三维坐标为：。