基于偏振態(tài)檢測的雙入射保偏平光纖耦合球微尺度傳感器的制造方法
【專利摘要】基于偏振態(tài)檢測的雙入射保偏平光纖耦合球微尺度傳感器屬于精密儀器制造及測量技術(shù)；該傳感器包括激光器A、B、起偏器A、B、平面反射鏡A、B、半透半反棱鏡、波片、探針、偏振態(tài)檢測裝置、計(jì)算機(jī)，其中探針由入射光纖A、入射光纖B、出射光纖、耦合球組成，半透半反棱鏡、波片、探針依次排列，所述激光器A出射光經(jīng)起偏器A由平面反射鏡A反射進(jìn)入射光纖A，激光器B出射光經(jīng)起偏器B由平面反射鏡B反射進(jìn)入射光纖B，偏振態(tài)檢測裝置A、B分別接收光束第一、二次經(jīng)半透半反棱鏡反射的光束，當(dāng)偏振態(tài)檢測裝置B檢測到的偏振態(tài)相對(duì)于偏振態(tài)檢測裝置A檢測到的偏振態(tài)的差值發(fā)生變化時(shí)，探針與被測孔發(fā)生觸測；本傳感器精度高，速度快。
【專利說明】基于偏振態(tài)檢測的雙入射保偏平光纖耦合球微尺度傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于精密儀器制造及測量技術(shù)，主要涉及一種基于偏振態(tài)檢測的雙入射保偏平光纖稱合球微尺度傳感器。
【背景技術(shù)】
[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(duì)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(yīng)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(shí)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(shí)現(xiàn)更小的內(nèi)尺寸測量、增加測量深度，最廣泛使用的辦法就是使用細(xì)長的探針深入微小構(gòu)件的內(nèi)腔進(jìn)行探測，通過瞄準(zhǔn)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)件尺寸的精密測量以坐標(biāo)測量機(jī)結(jié)合具有纖細(xì)探針的瞄準(zhǔn)發(fā)訊式探測系統(tǒng)為主，由于坐標(biāo)測量機(jī)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)比較成熟，可以提供精密的三維空間運(yùn)動(dòng)，因此瞄準(zhǔn)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(shè)計(jì)的關(guān)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(shù)研究院的H.Schwenke教授等人提出了一種微光珠散射成像法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(jìn)入光纖內(nèi)部傳播到微光珠上形成散射，用一個(gè)面陣CCD接收散射光形成敏感信號(hào)，實(shí)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(gè)微光珠，同時(shí)增加了一路對(duì)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(biāo)準(zhǔn)球時(shí)得到的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.2 μ m。據(jù)相關(guān)報(bào)道，此方法可以實(shí)現(xiàn)測量Φ151μπι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(dǎo)致成像模糊，降低了測量精度，因此無法實(shí)現(xiàn)大深徑比的高精度測量。
[0005]2.中國哈爾濱工業(yè)大學(xué)譚久彬教授和崔繼文教授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通，熔接球作為測頭，一根較長光纖引入光線，另外一根較短導(dǎo)出光線，克服了微光珠散射法測量深度的局限，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)直徑不小于
0.01mm、深徑比不大于15: I的微深孔測量時(shí)的精確瞄準(zhǔn)。這種方法雖然在一定程度上克服了遮蔽效應(yīng)，但耦合球?qū)崿F(xiàn)的反向傳輸?shù)墓饽芰渴钟邢?，測量深度難以進(jìn)一步提升。
[0006]3.美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)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(xué)設(shè)計(jì)在二維方向上將光纖測桿成像放大35倍左右，用2個(gè)面陣CCD分辨接收二維方向上光纖測桿所成的像，然后對(duì)接收到的圖像進(jìn)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(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)觸發(fā)式測量，該探測系統(tǒng)的理論分辨力可以達(dá)到4nm，探測系統(tǒng)的探針測頭直徑為Φ75μπι，實(shí)驗(yàn)中測量了 Φ129μπι的孔徑，其擴(kuò)展不確定度概算值達(dá)到了70nm(k = 2)，測量力為μΝ量級(jí)。該方法的局限是必須通過圖像算法進(jìn)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(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，測量數(shù)據(jù)計(jì)算量比較大，探測系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性較差，系統(tǒng)構(gòu)成比較復(fù)雜。
[0007]4.瑞士聯(lián)合計(jì)量辦公室研發(fā)了一個(gè)新型的坐標(biāo)測量機(jī)致力于小結(jié)構(gòu)件納米精度的可追跡的測量。該測量機(jī)采用了基于并聯(lián)運(yùn)動(dòng)學(xué)原理的彎曲鉸鏈結(jié)構(gòu)的新型接觸式探針，該設(shè)計(jì)可以減小移動(dòng)質(zhì)量并且確保全方向的低硬度，是一個(gè)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(shí)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(gè)由Philips CFT開發(fā)的高位置精度的平臺(tái)，平臺(tái)的位置精度為20nm。該測量系統(tǒng)測量重復(fù)性的標(biāo)準(zhǔn)偏差達(dá)到5nm，測量結(jié)果的不確定度為50nm。該種方法結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，同時(shí)要求測桿具有較高的剛度和硬度，否則難以實(shí)現(xiàn)有效的位移傳感，這使得測桿結(jié)構(gòu)難以進(jìn)一步小型化，測量深徑比同時(shí)受到制約，探測系統(tǒng)的分辨力難以進(jìn)一步提聞。
[0008]5.中國哈爾濱工業(yè)大學(xué)崔繼文教授和楊福玲等人提出了一種基于FBG Bending的微孔尺寸測量裝置及方法，該方法利用光纖光柵加工的探針和相應(yīng)的光源、檢測裝置作為瞄準(zhǔn)觸發(fā)系統(tǒng)，配合雙頻激光干涉儀測長裝置，可以獲得不同截面的微孔尺度。該方法的微尺度傳感器在觸測變形時(shí)，探針的主要應(yīng)力不作用于光纖光柵上，系統(tǒng)的分辨率很低，難以進(jìn)一步提聞。
[0009]綜上所述，目前微小尺寸和二維坐標(biāo)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(diǎn)而獲得了廣泛關(guān)注，利用其特有的光學(xué)特性和機(jī)械特性通過多種方式實(shí)現(xiàn)了一定深度上的微小內(nèi)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(yīng)的影響，難以實(shí)現(xiàn)測量深度的提升，同時(shí)降低了系統(tǒng)探測精度。基于雙光纖耦合的探針結(jié)構(gòu)雖然在一定程度上克服了遮蔽效應(yīng)，但目前尚未解決反向傳輸?shù)墓饽芰渴钟邢薜膯栴}，測量深度難以進(jìn)一步提升。
[0011]2.探測系統(tǒng)的位移分辨力難以進(jìn)一步提高。現(xiàn)存的探測系統(tǒng)的初級(jí)放大率較低，導(dǎo)致了其整體放大率較低，難以實(shí)現(xiàn)其位移分辨力的進(jìn)一步提高。美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院采用的探測方法的光學(xué)測桿的光學(xué)光路放大倍率僅有35倍，較低的初級(jí)放大倍率導(dǎo)致了其位移分辨力難以進(jìn)一步提高。
[0012]3.探測系統(tǒng)實(shí)時(shí)性差，難以實(shí)現(xiàn)精密的在線測量。美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院采用的探測方法必須使用兩路面陣CCD接收信號(hào)圖像，必須使用較復(fù)雜的圖像算法才能實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖測桿位移的高分辨力監(jiān)測，這導(dǎo)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(shí)時(shí)性能，難以實(shí)現(xiàn)微小內(nèi)腔尺寸和二維坐標(biāo)測量過程中瞄準(zhǔn)發(fā)訊與啟、止測量的同步性。
[0013]4.存在二維徑向觸測位移的耦合?；贔BG Bending的微孔尺寸測量方法的探針具有各向性能一致，在徑向二維觸測位移傳感時(shí)存在耦合，而且無法分離，導(dǎo)致二維測量存在很大誤差，無法實(shí)現(xiàn)徑向二維觸測位移的準(zhǔn)確測量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，滿足微小構(gòu)件尺寸測量的高精度、大深徑比與快速測量的需求，本發(fā)明提出了一種可深入微深內(nèi)腔體內(nèi)部將三光纖耦合球與內(nèi)腔體側(cè)壁觸測位置信息轉(zhuǎn)換為光束偏振態(tài)信息的基于偏振態(tài)檢測的雙入射保偏平光纖稱合球微尺度傳感器。
[0015]本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:
[0016]—種基于偏振態(tài)檢測的雙入射保偏平光纖稱合球微尺度傳感器，所述傳感器包括
激光器A、起偏器A、平面反射鏡A、激光器B、起偏器B、平面反射鏡B、半透半反棱鏡、波




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片、探針、偏振態(tài)檢測裝置A、偏振態(tài)檢測裝置B、計(jì)算機(jī)，所述探針由入射光纖A、入射光纖B、出射光纖共三根光纖和一個(gè)耦合球組成，所述入射光纖A與入射光纖B是兩根平包層保偏光纖，入射光纖A與入射光纖B平行固定連接，且入射光纖A與入射光纖B的保偏方向相互垂直，所述出射光纖為普通單模光纖，入射光纖A、入射光纖B和出射光纖的一端與耦合球固定連接，耦合球作為探針的觸點(diǎn)；激光器A、起偏器A、平面反射鏡A依次排列，激光器
B、起偏器B、平面反射鏡B依次排列，半透半反棱鏡、波片、探針依次排列，其中激光器A
出射光通過起偏器A、經(jīng)平面反射鏡A反射后的光束光軸與入射光纖A入射光光軸重合，激光器B出射光通過起偏器B、經(jīng)平面反射鏡B反射后的光束光軸與入射光纖B入射光光軸重合，所述激光器A經(jīng)起偏器A后的光束的偏振態(tài)與激光器b經(jīng)起偏器B后的光束的偏振態(tài)相差90°，偏振態(tài)檢 測裝置A位于兩束入射光第一次經(jīng)半透半反棱鏡反射后的反射光路光軸A與反射光路光軸B之間的中心線上，偏振態(tài)檢測裝置B位于探針的出射光纖的出射光
通過波片、經(jīng)半透半反棱鏡反射后的反射光路光軸上，通過數(shù)據(jù)線分別將偏振態(tài)檢測裝
置A和偏振態(tài)檢測裝置B與計(jì)算機(jī)相連，探針置于被測孔內(nèi)；以所述偏振態(tài)檢測裝置A檢測到的光束的偏振態(tài)作為參考信號(hào)，以所述偏振態(tài)檢測裝置B檢測到的光束的偏振態(tài)作為檢測信號(hào)，當(dāng)檢測信號(hào)的偏振態(tài)相對(duì)于參考信號(hào)的偏振態(tài)的差值發(fā)生變化時(shí)，探針與被測孔發(fā)生觸測。
[0017]本發(fā)明具有以下特點(diǎn)及良好效果:
[0018]1.傳感器的探針過兩根敏感方向相互垂直的平包層保偏光纖作為入射光纖，可以實(shí)現(xiàn)二維空間位置信號(hào)探測，且本傳感器具有的二維探測能力是解耦的；同時(shí)，采用兩根入射光纖可以增強(qiáng)探針的剛度。
[0019]2.光學(xué)探測信號(hào)在光纖內(nèi)部傳輸，不受微孔內(nèi)壁的影響，測量最大深徑比可達(dá)50: 1，滿足大深徑比微孔測量要求。
[0020]3.通過檢測出射光偏振態(tài)的變化判斷觸測信號(hào)，精度高，處理速度快，滿足工業(yè)需求。
[0021]4.該傳感器中引入?yún)⒖计窆?，可以消除環(huán)境因素對(duì)判斷觸測信號(hào)的影響，大大提高了傳感器對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力，可適用于工業(yè)現(xiàn)場測量。
[0022]5.采用特殊截面的平包層保偏光纖，使傳感器具有更高的靈敏度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1為基于偏振態(tài)檢測的雙入射保偏平光纖耦合球微尺度傳感器總體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖2為圖1中探針的俯視圖。
[0025]圖中:la、激光器A，lb、激光器B，2a、起偏器A，2b、起偏器B，3a、平面反射鏡A，3b、
平面反射鏡B, 4、 半透半反棱鏡,5、1/4λ波片,6a、入射光纖A, 6b、入射光纖B, 7、出射光纖,8、
耦合球，9、被測孔，10、探針，11、偏振態(tài)檢測裝置A，12、偏振態(tài)檢測裝置B，13a、反射光路光軸A，13b、反射光路光軸B，14、反射光路光軸，15、計(jì)算機(jī)。
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0027]—種基于偏振態(tài)檢測的雙入射保偏平光纖稱合球微尺度傳感器，所述傳感器包括激光器Ala、起偏器A2a、平面反射鏡A3a、激光器Bib、起偏器B2b、平面反射鏡B3b、半透半
反棱鏡4、1/4λ波片5、探針10、偏振態(tài)檢測裝置All、偏振態(tài)檢測裝置B12、計(jì)算機(jī)15，所述探

針10由入射光纖A6a、入射光纖B6b、出射光纖7共三根光纖和一個(gè)耦合球8組成，所述入射光纖A6a與入射光纖B6b是兩根平包層保偏光纖,入射光纖A6a與入射光纖B6b平行固定連接，且入射光纖A6a與入射光纖B6b的保偏方向相互垂直,所述出射光纖7為普通單模光纖,入射光纖A6a、入射光纖B6b和出射光纖7的一端與稱合球8固定連接,I禹合球8作為探針10的觸點(diǎn)；激光器Ala、起偏器A2a、平面反射鏡A3a依次排列，激光器Bib、起偏器
B2b、平面反射鏡B3b依次排列，半透半反棱鏡4、1/4λ波片5、探針10依次排列，其中激光器
Ala出射光通過起偏器A2a、經(jīng)平面反射鏡A3a反射后的光束光軸與入射光纖A6a入射光光軸重合，激光器Blb出射光通過起偏器B2b、經(jīng)平面反射鏡B3b反射后的光束光軸與入射光纖B6b入射光光軸重合,所述激光器Ala經(jīng)起偏器A2a后的光束的偏振態(tài)與激光器bib經(jīng)起偏器B2b后的光束的偏振態(tài)相差90°，偏振態(tài)檢測裝置All位于兩束入射光第一次經(jīng)半透半反棱鏡4反射后的反射光路光軸A13a與反射光路光軸B13b之間的中心線上,偏振態(tài)
檢測裝置B12位于探針10的出射光纖7的出射光通過IA波片5、1/4λ經(jīng)半透半反棱鏡4反射后
的反射光路光軸14上，通過數(shù)據(jù)線分別將偏振態(tài)檢測裝置All和偏振態(tài)檢測裝置B12與計(jì)算機(jī)15相連，探針10置于被測孔9內(nèi)；以所述偏振態(tài)檢測裝置All檢測到的光束的偏振態(tài)作為參考信號(hào)，以所述偏振態(tài)檢測裝置B12檢測到的光束的偏振態(tài)作為檢測信號(hào)，當(dāng)檢測信號(hào)的偏振態(tài)相對(duì)于參考信號(hào)的偏振態(tài)的差值發(fā)生變化時(shí)，探針10與被測孔9發(fā)生觸測。
[0028]測量使用時(shí):
[0029]由激光器Ala發(fā)出的光經(jīng)起偏器A2a成為偏振光S光，S光經(jīng)平面反射鏡A3a反射后垂直入射到半透半反棱鏡4，激光器Blb發(fā)出的光經(jīng)起偏器B2b成為偏振光P光，P光
經(jīng)平面反射鏡B3b反射后垂直入射到半透半反棱鏡4，其S、P兩束透射光經(jīng)1/4λ波片5后分
別進(jìn)入入射光纖A6a與入射光纖B6b后經(jīng)耦合球8反射后由出射光纖7出射后，再次經(jīng)過
1/4λ波片5,其偏振態(tài)相對(duì)于未兩次經(jīng)過了1/4λ波片5時(shí)的偏振態(tài)發(fā)生了 90°變化,即S光轉(zhuǎn)變?yōu)镻光，P光轉(zhuǎn)變?yōu)镾光，光束兩次經(jīng)過iA波片5可以防止光束返回激光器Ala、Blb造成
干擾，此時(shí)P光與S光經(jīng)半透半反棱鏡4反射后入射到偏振態(tài)檢測裝置B12上，偏振態(tài)檢測裝置B12檢測到的光束的偏振態(tài)用作檢測信號(hào)；在此過程中，由半透半反棱鏡4第一次反射的S光、P光兩束反射光入射到偏振態(tài)檢測裝置All上，偏振態(tài)檢測裝置All檢測到的光束的偏振態(tài)用作參考信號(hào)；在探針10受觸測變形時(shí)，將破壞保偏光纖的偏振保持特性，光纖中傳輸?shù)墓庑盘?hào)的偏振態(tài)會(huì)隨形變量的大小而向其他偏振態(tài)轉(zhuǎn)換，即當(dāng)探針10受X方向觸測變形時(shí)，將僅僅破壞入射光纖A6a中光束的偏振態(tài)，當(dāng)探針10受Y方向觸測變形時(shí)，將僅僅破壞入射光纖B6b中光束的偏振態(tài)。由此通過分析偏振態(tài)檢測裝置All與偏振態(tài)檢測裝置B12所得的偏振態(tài)的差值的變化即可以判斷是否發(fā)生觸測；當(dāng)探針10發(fā)生彎曲，即耦合球8與待測孔9發(fā)生觸碰時(shí)，偏振態(tài)檢測裝置B12所接收到的光束的偏振態(tài)發(fā)生變化，即該光束的偏振態(tài)相對(duì)于偏振態(tài)檢測裝置All檢測到的參考偏振態(tài)的差值發(fā)生變化，將該變化作為測量信號(hào)，用于移動(dòng)裝置或?qū)崿F(xiàn)測量裝置測長。
【權(quán)利要求】
1.一種基于偏振態(tài)檢測的雙入射保偏平光纖稱合球微尺度傳感器，其特征在于:所述傳感器包括激光器A (Ia)、起偏器A (2a)、平面反射鏡A (3a)、激光器B (Ib)、起偏器B (2b)、平面反射鏡B(3b)、半透半反棱鏡1/4波片(5)、探針(10)、偏振態(tài)檢測裝置A(Il)、偏振態(tài)

檢測裝置B(12)、計(jì)算機(jī)(15)，所述探針(10)由入射光纖A(6a)、入射光纖B(6b)、出射光纖(7)共三根光纖和一個(gè)耦合球(8)組成，所述入射光纖A ^a)與入射光纖B ^b)是兩根平包層保偏光纖，入射光纖A (6a)與入射光纖B (6b)平行固定連接,且入射光纖A (6a)與入射光纖B (6b)的保偏方向相互垂直,所述出射光纖(7)為普通單模光纖,入射光纖A (6a)、入射光纖B (6b)和出射光纖(7)的一端與耦合球⑶固定連接，耦合球⑶作為探針(10)的觸點(diǎn)；激光器A (Ia)、起偏器A (2a)、平面反射鏡A (3a)依次排列，激光器B (Ib)、起偏器B (2b)、平面反射鏡B(3b)依次排列，半透半反棱鏡(4)、i；1/4波片(5)、探針(10)依次排列，其中激


光器A(Ia)出射光通過起偏器A(2a)、經(jīng)平面反射鏡A(3a)反射后的光束光軸與入射光纖A (6a)入射光光軸重合，激光器B (Ib)出射光通過起偏器B (2b)、經(jīng)平面反射鏡B (3b)反射后的光束光軸與入射光纖B (6b)入射光光軸重合,所述激光器A(Ia)經(jīng)起偏器A (2a)后的光束的偏振態(tài)與激光器b (Ib)經(jīng)起偏器B (2b)后的光束的偏振態(tài)相差90° ,偏振態(tài)檢測裝置A(Il)位于兩束入射光第一次經(jīng)半透半反棱鏡(4)反射后的反射光路光軸A(13a)與反射光路光軸B(13b)之間的中心線上，偏振態(tài)檢測裝置B(12)位于探針(10)的出射光纖(7)的出射光通過1/4波片(5)、經(jīng)半透半反棱鏡(4)反射后的反射光路光軸(14)上，通過數(shù)據(jù)
線分別將偏振態(tài)檢測裝置A(Il)和偏振態(tài)檢測裝置B (12)與計(jì)算機(jī)(15)相連，探針(10)置于被測孔(9)內(nèi)；以所述偏振態(tài)檢測裝置A(II)檢測到的光束的偏振態(tài)作為參考信號(hào)，以所述偏振態(tài)檢測裝置B(12)檢測到的光束的偏振態(tài)作為檢測信號(hào)，當(dāng)檢測信號(hào)的偏振態(tài)相對(duì)于參考信號(hào)的偏振態(tài)的差值發(fā)生變化時(shí)，探針(10)與被測孔(9)發(fā)生觸測。
【文檔編號(hào)】G01B11/00GK103900472SQ201410118970
【公開日】2014年7月2日 申請(qǐng)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(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)