[发明专利]便携式光纤干涉三坐标测量机及测量三坐标的方法

权利要求书

1.一种便携式光纤干涉三坐标测量机，其特征在于：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），其中：

一、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（9）、激光输入耦合器（8）、耦合用单模光纤（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，它们的出射端的端面中心与位于它们下方的光纤笔（2）的笔尖测头中心共线；

二、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；

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，它们之间有距离；

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），用来检测两单模光纤（101与102）的出射端发射回来的光干涉强度。

2.根据权利要求1所述的便携式光纤干涉三坐标测量机，其特征在于：所述单模光纤的有效内核直径为2-3um，它们的轴线间距为125 um。

3.一种测量三坐标的方法，其特征在于：应用如权利要求1或2所述的便携式光纤干涉三坐标测量机进行，所述方法按照下列步骤顺序进行：

一、组装设备

组装如权利要求1或2所述的便携式光纤干涉三坐标测量机，调整光纤笔（2）和CCD光电探测器二维阵列之间的位置，使得由两光纤（101与102）出射端产生的两球面波在CCD光电探测器阵列上，能产生明显的干涉条纹，并使两单模光纤（101与102）出射端端面中心点A、B与点C上下共线；

二、测量

给半导体激光器（9）加电，使之产生波长为λ的稳定激光束，光强能足以使两单模光纤（101与102）两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；

该激光束经输入耦合器（8）耦合进耦合用单模光纤（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（101与102）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；

三、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，计算出笔尖处的三维坐标。

4.根据权利要求3所述的测量三坐标的方法，其特征在于：所述步骤二按照以下步骤顺序进行：

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。

5.根据权利要求3所述的测量三坐标的方法，其特征在于：所述步骤三按照以下步骤顺序进行： 

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（2）笔尖接触的被测点 C的三维坐标如式IX所示：

，，  ----式IX。