一种大范围高精度的点衍射干涉三维坐标测量方法

摘要

本发明提供一种大范围高精度的点衍射干涉三维坐标测量方法，涉及测量技术领域。测量探头发出球面波并形成干涉场，光电探测器实时采集干涉条纹图片，当光电探测器无法得到清晰的干涉条纹图片时，计算机控制三维导轨移动，直至光电探测器能够再次采集到清晰的干涉条纹图片，计算机对干涉条纹图片运用多步移相算法得到相位差信息，利用迭代算法得到被测物上测量探头此时的三维坐标。本发明解决了现有技术中点衍射干涉测量系统实现的三个方向上的坐标位置在测量范围上存在很大的局限性的技术问题。本发明有益效果为：突破了因为光纤点衍射波前孔径角、光电探测器性能和测量探头结构等因素的限制，及大地提高了点衍射干涉三维绝对坐标测量范围。

权利要求

1.一种大范围高精度的点衍射干涉三维坐标测量方法：它包括：密闭仓（13）、CDD光电探测器（14）、三维导轨（15）和计算机，密闭仓（13）内偏振激光器（1）发出的激光经过分光棱镜（3）分成两路，一路反射光经过四分之一波片（4）被与压电陶瓷移相器（6）连接的反射镜（5）反射，再经过四分之一波片（4）成为透射光，被耦合器Ⅰ（7）耦合到亚波长孔径光纤SFⅠ（8），另一路透射光被耦合器Ⅱ（10）耦合到亚波长孔径光纤SFⅡ（11），两条亚波长孔径光纤伸出密闭仓（13）外，平行集成于测量探头（12），其特征在于：所述CDD光电探测器（14）与三维导轨（15）的垂直杆连接，所述测量探头（12）放置于被测物（16）表面，偏振激光器（1）发出激光，两根亚波长孔径光纤在测量探头（12）末端部各自发出高精度球面波并形成干涉场，计算机控制压电陶瓷移相器（6）及反射镜（5）微位移，CDD光电探测器（14）实时采集干涉条纹图片，当CDD光电探测器（14）无法得到清晰的干涉条纹图片时，计算机控制三维导轨（15）移动，直至CDD光电探测器（14）能够再次采集到清晰的干涉条纹图片，计算机对CDD光电探测器（14）采集的干涉条纹图片运用多步移相算法得到相位差信息，利用迭代算法得到被测物（16）上测量探头（12）此时的三维坐标，通过被测物（16）表面所有的三维坐标，得到被测物（16）的三维几何量信息；每个测量点，CDD光电探测器（14）采集清晰的干涉条纹图片为四幅及以上。

2.根据权利要求1所述的一种大范围高精度的点衍射干涉三维坐标测量方法，其特征在于：在同一个被测物（16）测试中，所述CDD光电探测器（14）与三维导轨（15）的垂直杆连接固定。

3.根据权利要求1所述的一种大范围高精度的点衍射干涉三维坐标测量方法，其特征在于：所述测量探头（12）放置被测物（16）表面开始测量时，将此时的CDD光电探测器（14）位置设定为三维坐标的原点。

4.根据权利要求1所述的一种大范围高精度的点衍射干涉三维坐标测量方法，其特征在于：当CCD光电探测器（14）无法采集清晰的干涉条纹时，计算机控制三维导轨（15）移动，CDD光电探测器（14）再次采集到清晰的干涉图像，三维导轨相对移动量加上移动后计算机分析得到的测量探头（12）位置，即为测量探头（12）此时的空间位置信息。

说明书

一种大范围高精度的点衍射干涉三维坐标测量方法

技术领域

[0001] 本发明涉及测量技术领域，尤其是涉及一种大范围高精度的点衍射干涉三维坐标测量方法。

背景技术

[0002] 随着现代工业的生产扩大和快速发展，三维坐标测量在精密测量、设计以及制造领域中发挥着越来越重要的作用。作为一种通用和精确的测量方法，三坐标测量机已经成为现代工业制造质量保障的重要手段，被广泛应用于定位、尺寸测量和逆向工程等领域。然而，由于昂贵的高精度专用导轨和巨大的大理石测量平台，使得它不能满足加工现场的实时快速测量要求。随着点衍射干涉技术的不断发展，人们提出了利用点衍射干涉仪实现对三维位移的高精度测量，该方法避免了传统干涉仪中标准元件加工误差对于三维测量精度的影响。从点衍射干涉技术发展至今，国内外已公开的点衍射干涉系统，主要有针孔点衍射干涉系统和光纤点衍射干涉仪系统。中国专利申请公布号CN104330039A，申请公布日2015年2月4日，名称为“一种用于三坐标测量的大数值孔径光纤点衍射干涉装置及方法”的发明专利申请文件，采用两个亚波长孔径单模光纤的锥形出射端作为测量探头，利用这两个探头可以同时获得高亮度和大数值孔径的点衍射球面波前，主要是扩大了横向测量范围。中国专利申请公布号CN105066880A，申请公布日2015年11月18日，名称为“基于粒子群解调点光源干涉的三维坐标快速测量方法” 的发明专利申请文件，提供了一种抗干扰能力强和测量精度高的基于粒子群解调点光源干涉的三维坐标快速测量方法。中国专利申请公布号CN106643507A，申请公布日2017年5月10日，名称为“一种基于双通道点衍射干涉的三坐标测量装置及方法”的发明专利申请文件，使用两个亚微米孔径光纤对，解决了现有仅一个光纤对的点衍射干涉仪在x和y两个方向上存在灵敏度不一样，造成的在平行于条纹方向上存在精度低的问题。但是，因为光纤点衍射波前孔径角、CDD光电探测器的性能和激光器功率等因素的限制，以上点衍射干涉测量系统可以实现的三个方向上的坐标位置在测量范围上存在很大的局限性。特别是对大件被测物，难以做到高精度测量。

发明内容

[0003] 为了解决现有技术中点衍射干涉测量系统实现的三个方向上的坐标位置在测量范围上存在很大的局限性难以做到对大件被测物高精度测量的技术问题，本发明提供一种大范围高精度的点衍射干涉三维坐标测量方法，极大地扩展了三维测量的范围。

[0004] 本发明的技术方案是：一种大范围高精度的点衍射干涉三维坐标测量方法：它包括：密闭仓、CDD光电探测器、三维导轨和计算机，密闭仓内偏振激光器发出的激光经过分光棱镜分成两路，一路反射光经过四分之一波片被与压电陶瓷移相器连接的反射镜反射，再经过四分之一波片成为透射光，被耦合器耦合到亚波长孔径光纤SFⅠ，另一路透射光被耦合器耦合到亚波长孔径光纤SFⅡ，两条亚波长孔径光纤伸出密闭仓外，平行集成于测量探头， CDD光电探测器与三维导轨的垂直杆连接，测量探头放置被测物表面，偏振激光器发出激光，两根亚波长孔径光纤在测量探头末端部各自发出高精度球面波并形成干涉场，计算机控制压电陶瓷移相器及反射镜微位移，CDD光电探测器实时采集干涉条纹图片，当CDD光电探测器无法得到清晰的干涉条纹图片时，计算机控制三维导轨移动，直至CDD光电探测器能够再次采集到清晰的干涉条纹图片，计算机对CDD光电探测器采集的干涉条纹图片运用多步移相算法得到相位差信息，利用迭代算法得到被测物上测量探头此时的三维坐标，通过被测物表面所有的三维坐标，得到被测物的三维几何量信息。

[0005] 作为优选，在同一个被测物测试中，所述CDD光电探测器与三维导轨的垂直杆连接固定。

[0006] 作为优选，测量探头放置被测物表面开始测量时，将此时的CDD光电探测器位置设定为三维坐标的原点。

[0007] 作为优选，当CCD光电探测器无法采集清晰的干涉条纹时，计算机控制三维导轨移动，CDD光电探测器再次采集到清晰的干涉图像，三维导轨相对移动量加上移动后计算机分析得到的测量探头位置，即为测量探头此时的空间位置信息。

[0008] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：突破了因为光纤点衍射波前孔径角、CDD光电探测器性能和测量探头结构等因素的限制，及大地提高了点衍射干涉三维绝对坐标测量范围。构成测试的设备要求不高，测量精度高，使用范围广。

附图说明

[0009] 附图1为本发明测试示意图；

[0010] 附图2为本发明的系统光路图。

[0011] 图中：1-偏振激光器；2-二分之一波片Ⅰ；3-分光棱镜；4-四分之一波片；5-反射镜；6-压电陶瓷移相器；7-耦合器Ⅰ；8-亚波长孔径光纤SFⅠ；9-二分之一波片Ⅱ；10-耦合器Ⅱ；
11-亚波长孔径光纤SFⅡ；12-测量探头；13-密闭仓；14- CDD光电探测器；15-三维导轨；16-被测物。

具体实施方式

[0012] 下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

[0013] 实施例1：

[0014] 如图1和2所示，一种大范围高精度的点衍射干涉三维坐标测量方法，它包括：密闭仓13、CDD光电探测器14、三维导轨15和计算机。密闭仓13内偏振激光器1发出的激光经过二分之一波片Ⅰ2射入分光棱镜3分成两路：一路反射光经过四分之一波片4被与压电陶瓷移相器6连接的反射镜5反射，再经过四分之一波片4成为透射光，被耦合器Ⅰ7耦合到亚波长孔径光纤SFⅠ8；另一路透射光经过二分之一波片Ⅱ9被耦合器Ⅱ10耦合到亚波长孔径光纤SFⅡ11。两条亚波长孔径光纤伸出密闭仓13外，平行集成于测量探头12。CDD光电探测器14与三维导轨15的垂直杆连接。在同一个被测物16测试中， CDD光电探测器14与三维导轨（15）的垂直杆连接固定。CDD光电探测器14与三维导轨的垂直杆固定后，不能移动，也不能转动。测量探头12放置被测物16表面。图1中，为了表达清楚，只是示出了测量探头12，与测量探头12连接的两条亚波长孔径光纤及密闭仓13图中未示。图中点画线表示测量被测物16的中间的一点。

[0015] 当测量探头12如图1的A位置，偏振激光器1发出波长λ为632.8nm激光。两根亚波长孔径光纤在测量探头12末端部各自发出高精度球面波并形成干涉场。计算机控制压电陶瓷移相器6对反射镜5进行多次移动来改变两点衍射球面波前之间的光程差，CDD光电探测器14实时采集干涉条纹图片。每个测量点，CDD光电探测器14采集清晰的干涉条纹图片为四幅及以上。本实施例以采集清晰的干涉条纹图片为五幅连续干涉图为例说明。测量探头12在A位置，开始测量，将此时的CDD光电探测器14位置设定为三维坐标的原点。计算机对CDD光电探测器14采集的干涉条纹图片运用多步移相算法得到相位差信息。利用迭代算法得到被测物16上测量探头12此时的三维坐标。测量探头12沿被测物16轮廓移动，到如图1的B位置。此时，CDD光电探测器14无法得到清晰的干涉条纹图片。计算机控制三维导轨15移动，直至CDD光电探测器14能够再次采集到清晰的干涉条纹图片，如图1中点画线所示。计算机控制压电陶瓷移相器6对反射镜5进行多次移动来改变两点衍射球面波前之间的光程差，CDD光电探测器14实时采集五幅清晰的干涉条纹图片。计算机对CDD光电探测器14采集的干涉条纹图片运用多步移相算法得到相位差信息。三维导轨相对移动量加上移动后计算机分析得到的测量探头12位置，即为测量探头12此时的空间位置信息。

[0016] 具体说明：当测量探头12在A位置时，CCD光电探测器14固定在三维导轨15上，并设置清零，此时三维导轨15对应坐标为（0，0，0）m。计算机根据采集得到图片重构出测量探头12以CCD光电探测器14为中心的三维空间坐标为（20，10，300）mm。测量探头12移动到B位置后，CCD光电探测器14无法采集到清晰图像。计算机控制三维导轨15移动，直到CCD光电探测器14能够采集到清晰的干涉条纹。此时对应三维导轨坐标为（0，1.200，0）m。同时计算机重构得到此时测量探头的三维空间坐标（10，15，200）mm。合成得到此时B位置的空间三维坐标为（10，1215，200）mm。同理可以移动到其他位置，待被测物16轮廓全部测量后，将每一测量点的三维坐标得到被测物16的三维几何量信息。