[發明專利]一種點衍射三維絕對位移測量方法

無效

• 申請號: 201310183535.2
• 申請日: 2013-05-15
• 公開（公告）號: CN103267485A
• 公開（公告）日: 2013-08-28
• 發明（設計）人: 王道檔;王福民;鄒慧;劉維;郭天太;孔明;趙軍
• 申請（專利權）人: 中國計量學院
• 主分類號: G01B11/02
• 分類號: G01B11/02
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 張法高

技術領域

本發明屬于光學測量技術領域，尤其涉及一種基于點衍射球面波前干涉檢測技術的高精度光纖點衍射三維絕對位移測量方法。

背景技術

自20世紀60年代三坐標測量機問世以來，三維坐標的測量得到廣泛的應用和發展。三坐標測量機需要三個方向上的標準尺和一個三維測頭。基于點、線、面結構光視覺傳感器組成的光學坐標測量系統具有非接觸、測量精度合適、速度快、自動化程度高和現場抗干擾能力強等優點。但是，結構光方法涉及不同視覺方向坐標系的變換和數據的拼接與融合問題，數據處理相當復雜。另外，選用激光干涉測量系統的三坐標測量機測量中存有阿貝偏置，在測量過程中會產生阿貝系統誤差。近年來，由于光纖制造工藝以及針孔加工技術的發展，可獲得2-3微米量級、甚至更小尺寸的點衍射源，為點衍射測量技術的發展及應用提供了前提條件。

發明內容

本發明要解決的技術問題，是針對傳統三坐標測量機測量系統中的阿貝誤差，以及復雜的數據處理，提供一種點衍射三維絕對位移測量方法。

點衍射三維絕對位移測量方法的步驟如下：

1)利用一個含有兩點衍射源的測量探頭安裝于被測目標之上，并通過CCD光電探測器實時采集由測量探頭中兩點衍射源產生的兩列相干球面波得到的干涉場，得到相應的干涉圖樣I₀；

2)對步驟1)得到的干涉圖樣I₀進行施加漢寧窗預處理，得到新的干涉圖樣I₁；

3)對步驟2)得到的干涉圖樣I₁進行快速傅里葉變換(FFT)，可得到相應的頻譜圖，對此頻譜圖施加帶通濾波器將包含有用的+1級頻譜提取出來，同時濾除其他頻譜級次，并對僅含+1級次的頻譜進行逆傅里葉變化(iFFT)，即可重構出相應的干涉場相位信息分布；

4)定義CCD平面上中心像素點為三坐標系原點，平面干涉場中任意一空間點P(x,y,z)處到測量探頭中兩點衍射源的距離分別為r₁和r₂，(x₁,y₁,z₁)和(x₂,y₂,z₂)分別為測量探頭中兩點衍射源的坐標。根據光程差與相位分布之間的對應的關系，可得：

其中，(x,y,z)為P點坐標且為已知；

5)由步驟3)得到的干涉場相位信息分布和步驟4)中坐標(x₁,y₁,z₁)和(x₂,y₂,z₂)與空間點P處相位分布的一一對應的關系，根據三維坐標的最小二乘重構模型：

其中，表示實際測量得到相位的差值，和分別為：

從所得相位分布中選取k個像素點(k≥6)，組成非線性超定方程組，通過運用高斯牛頓法對目標函數F的最小化重構出兩球面波出射端坐標(x₁,y₁,z₁)和(x₂,y₂,z₂)，取兩球面波出射端的中心坐標作為測量探頭的三維坐標，進而得到被測目標的三維絕對位移量。

本發明的有益效果：

本發明利用測量探頭上點衍射源所產生的高質量衍射球面波進行高精度三維絕對位移測量，與傳統的三坐標測量機的測量系統相比，該方法簡單易行，誤差來源少，且大大簡化了傳統三坐標測量機的測量系統中復雜的數據處理，在光學測量技術領域里具有廣闊的應用前景和重要的應用價值。

附圖說明

圖1是CCD光電探測器采集得到的原始干涉圖I₀；

圖2是對原始干涉圖施加漢寧窗進行預處理得到的新的干涉圖I₁；

圖3是對采集到的單幅干涉圖I₁進行快速傅里葉變換(FFT)得到的頻譜圖；

圖4是對頻譜圖施加帶通濾波器后得到的+1級頻譜圖；

圖5是對包含有用波前信息的+1級頻譜圖進行逆傅里葉變化(iFFT)重構出的干涉場相位信息分布；

圖6是針對三維絕對位移無導軌測量方法所建立的數學模型示意圖。

具體實施方式

以下結合附圖和實施例對本發明做進一步的說明。

點衍射三維絕對位移測量方法的步驟如下：