跨尺度测量范文

跨尺度测量范文（精选3篇）

跨尺度测量 第1篇

随着超精密加工技术、半导体工业、MEMS和NEMS技术的发展,使得机械、电子、光学、材料等工业不断地微型化、精密化,对它们进行超精密表面形貌测量的需求越来越迫切[1,2,3]。特别是在加工制造业,精确的加工工具表面形貌特征可以对加工结果做出仿真和预测,进而对加工工具外形特征、装夹方式、加工工艺流程等提出指导性建议,保证并优化产品质量。其中,用于精密磨削加工的金刚石砂轮表面形貌特征非常复杂,在研究它的表面形貌时,除了对分布在砂轮表面上的各个金刚石颗粒的微形貌进行测量,获得其精确的特征参数,更要求对颗粒在表面上的位置进行准确定位,从宏观上确定它们之间的相互关系和分布规律,从而更全面地分析研究金刚石颗粒这类具有微形貌特征的微观结构对宏观形态所表现出来的加工性能、加工质量的影响。

应对此类从微观到宏观均需做精密测量的工件时,需要在大视场范围内对微观结构进行形貌测量与分布规律的快速扫描,传统三维表面形貌测量技术难以同时满足高分辨与大视场的要求,通常在获取微观结构的形貌特征后,采取图像拼接的方式来研究微观结构的分布规律,而图像拼接过程往往比较复杂,砂轮表面的曲面外形更增加了拼接和测量的难度,因此应该采用相对简单的跨尺度测量方式。

常见的跨尺度测量方案主要有两种:一种是将两种或多种不同分辨力的传感器融合在一起,共同完成测量任务[4,5],如白光干涉技术和原子力显微技术的结合[6],这种方式将各个传感器的分辨力和测量范围取长补短,以达到大范围和高精度的目的;另一种则是将多种形貌测量算法和图像处理方法相结合,通过复杂的数学建模来实现不同尺度下的测量[7,8,9]。这两类方法各有优劣:多传感器的综合测量平台需要融合多种测量工具,在传感探头装配和拆卸、不同分辨力测量传感器之间的衔接、过渡,以及仪器耦合、数据融合等方面存在着不足;而通过软件实现不同尺度表面形貌分离的技术手段通常建模较复杂,对于不同材料或不同加工方式得到的表面形貌,往往需要重新建模,难以实现通用性。

本文将数字微镜器件(DMD)引入到工件表面形貌测量之中,通过研究针对DMD的控制方法以及基于DMD的测量策略,利用软件编程对DMD所构建结构光的参数进行控制,无需任何硬件的装卸或更替,实现对材料表面微观结构纵、横向参数的测量。

1 数字微镜器件

1.1 DMD 介绍

数字微镜器件(DMD)于1987年由TI公司发明,它的表面实际上是由可以进行快速翻转的小反射镜组成的阵列,单个反射镜的尺寸为10.8μm×10.8μm,反射镜间的间距为1μm,其形状和分布如图1所示。

DMD的每个微镜(小反射镜)可在程序的控制下绕各自的轴做±12°的偏转;由于每个微镜皆可独立控制,因而可利用DMD构建各种空间结构光,被广泛应用于全息成像[10]、数字光刻[11]、表面形貌测量[12]等诸多领域。DMD微镜的偏转如图2所示。

1.2 DMD 空间光反射调制模型

在跨尺度测量的应用中,基于DMD的结构光的形状、大小、强度等是主要关注对象,这些都和DMD的空间光反射调制模型紧密相关。假设一个光束照射在通电状态下的DMD表面,由于微镜处于+12°或-12°两种状态之一,因此空间中的接收屏上会出现两个反射像,如图3所示。

依照反射定律,参照图3中所注参数,容易得到a、b两个反射像的间距为

其中:S表示微镜平面与接收屏的距离,通常该值可以看作定值,因此由式(1)可知,两个反射像的间距2L完全由光束的入射角θ决定:θ越小,2L越大,即入射角与微镜平面的夹角越小,两个反射像的间距越大。

假定入射光束的光强值为I0,且光束在传播、反射期间能量不会损失;a、b两个反射像的光强值分别表述为Ia和Ib,它们和入射光束的光强值有如下关系:

由式(2)容易得知,a、b两个反射像为互补像,将DMD引入到测量系统后,由于通常只使用其中一个反射像,故可利用互补像这一特性构造不同形状、大小的光源,进而实现构建不同参数结构光的目标。

为了控制微镜的偏转情况,设计了一套DMD控制系统,它可以精确控制任一微镜偏转到+12°或-12°,还可以控制微镜保持在+12°或-12°位置上的振动频率,实现对结构光灰度的控制,这意味着一对互补像的光强可以随意调配,进而实现对结构光强度的调节和控制。

2 跨尺度测量装置

设计了一套基于DMD的跨尺度测量装置,如图4所示。图中,DMD控制器可以控制DMD微镜的偏转状态,DMD反射入射光束后,在空间中制造出测量所需的结构光;吸收板用于吸收经DMD反射后产生的其中一个互补像;另一个互补像经过光学系统后照射在被测样品表面,被测样品放置在工作台上,可在步进电机的驱动下做三维移动,并由光栅测长装置记录位移的具体数值;光束被样品反射后,经光学系统到达CCD表面。PC可以控制工作台的位移、获取光栅读数,以及对CCD采集到的图像做后续处理等等。该测量装置对待不同的被测样品时,并不需要对测量系统硬件做任何转换或替换,也无需对样品表面形貌建立复杂的数学模型,仅通过DMD控制器变换DMD微镜的偏转状态,形成不同参数的结构光,即可满足被测样品表面形貌精密测量以及微细结构分布规律的测量要求;甚至在应对一些样品表面的不同区域有不同形貌特征的测量任务时,亦可在同一测量面内,构建出参数不同的结构光。图5是构建的几种不同类型的结构光。

3 DMD 控制策略

被测物面上微观结构的形貌特征可归纳为横向尺寸、位置以及高度信息三个参数,所述跨尺度测量的目的是在毫米量级或微米量级上获知微观结构的横向尺寸和位置信息,在微米量级或更高精度等级上以高度信息为主体还原微观结构的表面形貌特征。论文采用了线结构光来扫描被测物表面以获得微观结构的横向位置和横向尺寸,其中线结构光的条纹粗细、间距、扫描频率、方向均可调节,可应对各种形状的表面特征,且无需改变被测物在载物台上的方位,快速获取不同形状和方向的微观结构的外形尺寸和位置信息。

通常的扫描方式是:将一列或多列微镜的偏转角度和振动频率调整一致以形成线结构光,再以类似逐行扫描的方式依次让相邻列的微镜偏转,并保持同样的振动频率以维持线结构光的光强不变;扫描方式还可设置为以某点为圆心的半径扫描。各扫描方式如图6和图7所示。

扫描过程中,扫描间隔时间可精确控制至毫秒级,其中线结构光的粗细、光强等参数均可以进行调整,以应对复杂的特殊被测对象。

在确定了微观结构的形状、外形尺寸和位置之后,还需要对微观结构的表面形貌特征做精确测量,主要以获取高度信息为主,本文采用了并行共焦的测量方法进行上述研究工作。由于DMD反射光束后,在空间中可以形成微镜阵列的像,且单个微镜的尺寸只有10.8μm,因而单个微镜或若干个微镜群可在共焦测量中看作是一个共焦点,图8展示了由DMD微镜所构成的不同点大小的共焦点阵列。

作者前期的研究发现[13],点尺寸越小,共焦测量中所获取的光强位移曲线越尖锐,与共焦测量轴向分辨力密切相关的半极值满宽也越小,因此所获得的被测物面的高度信息也越精确;同时,点尺寸越大,能给视场带来更好的照明条件,针对不同表面特征的被测物应选择合理的点尺寸参数。采用光分束器件能够形成点阵列并进行并行共焦测量,但是这些器件大部分已有固定的特征参数,难以根据被测物的需要进行调整,因而这也成为了DMD进行并行共焦测量的巨大优势,即能够根据被测物表面情况、照明条件、环境因素等任意调整点阵列的点尺寸、点间距等参数,且无需进行硬件变动或光路调整。

4 实验研究

作者研究了DMD微镜的偏转控制机理,设计并编译了DMD微镜的控制软件,搭建了基于DMD的跨尺度实验平台,如图9所示。

选取了长度为1.05 mm(I号量块)、1.15 mm(II号量块)和1.25 mm(III号量块)的量块,分别由装夹工具夹持并固定在载物台上,在最小步长为10μm的步进电机推动下沿光轴方向移动;找到线结构光照射下所形成条纹的最清晰位置后,由CCD采集图像信息,经过二值化处理后,通过计算条纹所占据的CCD像素数目获得量块的长度测量值。测量中,条纹方向与量块长度方向间的角度应该为0°,这样才能保证计算结果的误差最小。实际测量时,难以保证量块的长度方向和线光束间的夹角为0°;而采用DMD形成的线结构光则可以通过软件编程轻松实现线结构光的旋转,如图10所示。

I号、II号及III号量块的长度测量数据见表1。

由测量数据可知,利用DMD构建的线结构光的测量误差小于0.5%;作者尝试改变线结构光的粗细参数,但经过实验对比发现,线结构光的粗细程度与被测对象横向尺寸的测量分辨力无明显关系。

在光轴方向上,被测物表面的高度信息测量主要依赖于点阵列中光点的大小,一般情况下,光点越小,测量高度时所对应的轴向分辨力越高。考虑到CCD像素值与DMD像素值以及光学系统参数的匹配关系,构造了直径为34μm的光点进行实验,经过20×光学系统后,光点直径变成1.7μm,利用该光点组成的点阵列对由量块构建的1 050μm的台阶进行测量,测量后的三维重构图如图11所示。

mm

经测量和计算,该台阶的实测高度值为1 051.11μm,考虑到量块黏合误差、位移装置误差、光学系统像差等多种误差因素,可得知:利用34μm直径的光点进行共焦测量,理论上可获得优于1μm的轴向测量精度。作者又改变了扫描频率、间距等参数,对硬币表面进行了测量,得到如图12?15。

从图12~图15不难看出,扫描间距的适当减小有利于辨识被测物的细节特征,但是扫描参数的确定需与光学系统、CCD等硬件的参数相匹配,否则将会出现扫描间距减小到3时,图像质量反而下降的问题。因而在检测微观特征量之间的相互关系时,可以选择较大的扫描间距和较高的扫描频率以缩短检测时间;而需要精确测量时,切换到适当的扫描参数可有助于获取有效的细节特征量。

5 结 论

研究了DMD微镜的控制方法,可根据测量需要用软件编程的方式设计不同类型的结构光,这些结构光的形状、大小、光强等参数均可调节;研究了DMD结构光的扫描方式和扫描策略,可精确控制扫描方向、速度及时间。搭建了跨尺度测量平台,利用DMD构造的线结构光测量物体的横向尺寸,测量误差小于0.5%;利用DMD构造的光点阵列进行并行共焦测量,理论上可获得优于1μm的轴向测量精度;改变扫描参数,发现随着扫描间距的减小,虽然牺牲了测量时间,但是被测物的细节更容易被辨识,同时扫描间距的减小量会受到测量系统硬件的限制。用于跨尺度测量的DMD控制方法与扫描策略充分发挥了DMD柔性控制优势,对表面形貌测量具有重大意义。

摘要：为了测量被测物面的微观特征量及这些特征量间的关系,提出基于数字微镜器件(DMD)的跨尺度测量方法,研究针对DMD的控制方法及基于DMD的测量策略,在不对测量系统硬件做任何修改的前提下,仅通过软件编程实现对DMD结构光参数的改变,理论上可实现从0.1μm到1 mm的跨尺度测量。搭建了基于DMD的跨尺度测量平台,实验结果表明,轴向测量精度与横向分辨力均可达到微米级,可实现对表面微观结构的快速扫描。该方法可以较好地解决目前诸多表面形貌测量中存在的多尺度问题。

跨尺度测量 第2篇

1 跨尺度运动图像的运动分析

在人类视觉环境中包含着大量的信息,其中运动的目标信息是其重要的组成部分,所以,加强对运动图像的分析十分重要。一般来说,对跨尺度运动图像的运动分析分为目标的检测、目标的追踪两个方面[1]。其中,目标检测是对空间运动着的目标进行监视,并提取运动图像的跨尺度特征;运动追踪则是在运动目标检测的基础上,利用得到的跨尺度特征来确定运动图像的位置,也就是说,对运动目标进行定位,为跨尺度运动图像分析提供准确的数据。由于运动图像信息具有重要的研究价值,而这些研究价值的关键则是在于对运动目标的检测与追踪结果,鉴于此,对于跨尺度运动图像的目标检测与追踪是实现运动分析的重要步骤。

2 跨尺度运动图像的目标检测方法

在实现对目标的追踪之前,要先确定运动图像中的目标,即要对运动目标进行检测。当前,对运动图像中的目标的检测主要是监视图像是否发生变化,如果发生了变化,就表明出现了新的目标;如果没有变化,那么就没有新的目标。鉴于此,目标检测的理想算法应具有以下特征:一是在各种天气条件和光纤变化的情况下应是鲁棒的;二是能够克服个别物体运动的干扰;三是可以满足视线内的运动目标的叠加[2]。虽然理想的算法能够有效地对目标进行检测,但在实际应用中却会受到各种环境因素的影响,加上缺乏硬件支持,所以需要对各种算法进行折衷思考。近年来,在跨尺度运动图像的目标检测中涌现了大量的优秀算法,尤其是对图像分割方面,活动轮廓模型作为一种综合的图像处理方法,通过对目标的初始轮廓进行自动修复,因而可以详细地对目标进行分割,不需要进行处理便可以直接对运动目标进行搜索,此外,活动轮廓模型具有较好的抗噪声能力,所以已成功的应用于图像的分割中,进而为目标检测服务。同时,运用小波光流估计算法能够正确的显示出目标运动的方向和速率,尤其是在同一个运动图像中的不同运动速率的运动目标来说,通过将这个方法与其他技术结合,能够准确的检测出运动目标。此外,光流技术具有很大的灵活性,尤其是其中的图像色彩信息为小波光流估计法提供了可靠的依据,有效地解决了传统光流估计的病态性。当前,小波光流估计法作为一个热门的研究领域,具有跨尺度多分辨率的特点,特别在光流的估计当中,运用色彩信息提高了算法估计的准确性,实现了精准的目标检测。但就当前基于色彩信息的光流场估计方法来说,如何解决离散小波系数在平移中的不变性,成为实现色彩信息与小波光流估计方法有效结合的重要内容。

3 跨尺度运动图像的目标追踪方法

追踪,就是对目标所处的状态进行了解,当前,对于简单的追踪问题,目标所处的状态一般就是指目标的空间位置。当前,在计算机技术飞速发展的背景下,跨尺度运动图像的目标追踪技术得到了广泛的发展。但相对地,为了确保目标定位的准确性,对于追踪方法的精确性也提出了更高的要求。就现有的图像追踪技术而言,大多是基于贝叶斯框架实现的,其中,比较常用的是卡尔曼滤波方法,通过运用递推估计方法来“滤波”,得出当前目标所处的状态。由于这种方法需要在线性高斯型的系统中运行,所以,在卡尔曼滤波方法的基础上,提出了一种粒子滤波算法[3]。通俗来讲,粒子滤波算法面对的是非线性非高斯问题,通过在空间状态中寻找一组随机的粒子样本,并对目标的概率密度函数进行近似,从而获得状态的最小方差分布的过程,这也是一种后验概率的运算方法。通常来讲,目标追踪所求的是对这个空间状态的一个解,也就是来确定每个粒子与实际解的真实距离,其中距离最小的粒子则是最优解。由于当粒子的数量趋于无穷的时候,其结果近似于任何形式的概率密度分布,因而,可以对任何运动状态下的目标进行追踪,具有非常广泛的应用。此外,在跨尺度运动图像的目标追踪过程中,通过加入多维的信号处理方法,从而确保运动的图像不受样本位置或是运动速率的影响。实验结果表明,这种追踪方法的能够精准解决非高斯运动目标的追踪问题。然而,粒子滤波算法在我国的起步较晚,其本身还不太成熟,仍存在着一些问题,尤其是在算法硬件的实现方面,还要进一步研究。

4 结语

精密微小内尺度测量技术研究进展 第3篇

随着极端制造技术的不断发展,对精密微小内腔体零部件的需求迅速增长,其应用领域也在不断扩展。精密微小内尺度测量技术为精密微小内腔体零部件的制造和加工提供了有力的检测保障,因而对新技术的发展起到了重要的推动作用。目前,航空航天及汽车领域中高性能发动机的微喷嘴直径已由原来的300μm缩减至现在的180~200μm。但随着对航空航天器及汽车总体性能要求的不断提高,微喷嘴直径为180μm的发动机的性能也不能满足要求,因而减小微喷嘴的基本尺寸以及提高其尺寸和形状精度成为解决发动机动力性能问题的关键。为此,国内外学者展开深入研究,期望将喷嘴直径降至120μm甚至90μm,使其深径比超过20∶1甚至达到40∶1;同时要求其尺寸、形状及位置精度不超过1μm。这些指标的提出对测量技术提出了严峻的挑战,要求测量原理及测量方法等方面都相应有所创新或提高[1,2,3,4,5]。

在外形尺寸及平面尺寸测量方面,人们已经取得了1nm甚至0.1nm的分辨率。相对而言,内尺寸的测量水平却十分落后。由于被测面在内部,测量工具受到空间限制,使一般测头无法伸入到被测件内部,导致测量过程无法进行,因而精密微小内尺度技术的发展受到了现有测量技术的限制,使内尺寸的测量原理及方法成为国际上该领域的重要技术难题[6,7]。虽然国内外学者对此进行了大量研究,提出了一些测量方法,如气动测量法[8]、光束端面扫描测量法[9]、衍射测量法[10,11]等,从一定程度上满足了某些场合的要求,达到了一定的测量精度,但综合这些测量方法,它们存在的共性问题是:①测量精度不够高,一般大于1μm;②对内尺寸表面杂质和毛刺的影响不能消除;③对深孔或者盲孔无法完成测量任务。因此在保证测量精度的前提下,扩展测量下限是当今微小内尺度测量发展的方向,也是目前微小内尺度测量领域亟待解决的科学问题。

近年来,随着数学、计算机科学、光纤光学、数字图像处理等技术的发展,非接触式、补偿式或瞄准触发式的测量方式为微小内尺度提供了新的测量技术,本文主要介绍几种相关的新型测量技术,并对基于光纤的瞄准触发式测量技术进行详细分析与讨论。

1 振动扫描式测量技术

振动扫描式测量技术原理如图1所示[12]。固定在测架上的振荡器按照一定频率使探针在被测表面的垂直方向上产生微小幅度的振动,当探针与被测表面临界接触时,敏感电路将闭合。由于探针一直处于振动状态,所以电路闭合现象是间歇发生的。当探针按正弦信号激励振荡时,由输出电压曲线的变化可获得信号载荷周期D。当探针与被测表面间的距离x0变化时,信号的载荷周期D也随之变化,其函数关系可由下式表示:

式中,a为振荡幅度。

假定幅度a已知,通过测量D并参考关系曲线(图2),可获得探针与被测表面间的距离。该传感技术的特点是:可测微孔,最小孔径可达200μm;可测深度小,约300μm;精度高,测量不确定度可达0.1~0.5μm,分辨率可达0.01~0.05μm;抗干扰能力强;无接触变形,不损坏表面。

为了提高测量精度、扩大测量范围,一些学者对振动式扫描方法进行了改进[13,14,15,16]。1997年Masuzawa提出了双探针振动扫描系统[17,18],如图3所示,其探针由硅片作为基片通过腐蚀而成,通过检测双探针之间的电导率可以得到待测表面的形状。此方法易受灰尘与氧化物的影响,可以实现直径为127μm、深度为300μm孔的三维测量。

为了提高可测深度,2000年Yamamoto等[19]提出了大长径比振动扫描测量系统,其探针也是由硅片作为基片通过腐蚀而成的,其形式如图4所示。该系统通过演示示教的方法可以实现直径为200μm、深度为1000μm孔的三维测量,如图5所示。

2 膜片式弹性测头测量技术

膜片式弹性测头测量技术由天津大学张国雄教授提出[20,21,22]。这种新型测头由-微细测杆组成,此微细测杆作为一个弹性体,被安装在三坐标测量机或其他测量机上,应用弹性位移传递原理可自动补偿测杆的变形误差。测头结构及测量原理如图6所示。膜片固定在测头壳体上,细测杆与膜片下表面相连,在膜片的上表面安装一个圆盘,4个电容传感器测头x1、x2、y1、y2固定在壳体上面,可以感受圆盘的位移,4个测头的读数和反映了测端沿Z轴的位移,测头x1、x2的读数差反映了测端沿X轴的位移,测头y1、y2的读数差反映了测端沿Y轴的位移。利用这种结构进行测量,其测量范围与测杆直径有关。天津大学精密仪器与光电子工程学院经过优化设计,选取的测杆直径为150μm,长度为7000μm,测球的直径为200μm,可测直径300μm以上、深径比可达40∶1的通、盲小孔,不确定度优于1μm。

在此测量方法中,相对测杆来讲,膜片的刚度不可忽略不计,因此必须考虑测杆的变形量;如使这一影响达到最小,应增大测杆和测球的直径来减小测量范围。但此优化设计的测头无法对小于300μm的腔体进行测量。

3 组合悬臂梁测量技术

组合悬臂梁测量技术由德国联邦物理技术研究院(PTB)的代高良于2006年提出[23,24,25],利用分别沿水平和竖直方向、末端彼此粘连的两个原子力显微镜(AFM)探针进行测量,其测量原理及结构如图7所示。测量时,沿竖直方向的AFM探针伸入被测微小腔体内部,以探测其内部信息。当竖直方向的AFM探针与被测微小结构内壁接触时,其横向位置的变化将转变为沿水平方向AFM探针的弯曲或扭矩。通过检测此弯曲或扭矩即可得到竖直方向AFM探针的横向位置变化,最终实现对微结构的测量。

(a) (b)

此测量技术采用的AFM探针本身存在振动,其共振频率为266.67kHz。由于共振的存在,在探针扫描被测表面的分子或原子形状信息时,将不利于尺寸的测量。特别地,应用此探针进行轮廓测量时,由于探针采集到的被测表面分子或原子形状信息必须进行滤波等处理,导致轮廓原始信息丢失,使轮廓测量精度降低。

4 基于光纤的瞄准触发式测量技术

4.1 光纤微力接触式测量技术

光纤微力接触式测量技术由德国联邦物理技术研究院和天津大学于1997年至1998年联合提出[26,27,28,29,30,31,32],其原理如图8所示。测量系统主要包括光学成像单元、照明单元、光纤触测单元和三维CNC控制运动单元。被照明的接触测头的球心位置可利用光学成像系统和CCD摄像机确定。传光光纤经拉伸及弯曲后,作为“测杆”被置于光学系统的光轴上。微型触测球体通过粘连或热熔方法被连接在光纤的拉伸端,形成测头。微型触测球体被调整到光学系统的焦平面内,由位于光纤另一端的冷光源照明。被照明的触测球体反射或漫反射回来的光,经光学成像系统在位于像平面的CCD上形成圆形亮光斑。当测头触测工件时(触测球体相对于CCD移动),亮光斑在CCD上的位置将发生变化。光斑中心位置的变化与被测点的空间坐标相对应,可以利用相应的图像处理软件以亚像素的精度计算得到。

从理论上讲,若光学系统采用10倍物镜,CCD像素间距为10μm,则光学系统标尺应为1μm/像素。当亮光斑在CCD上所成图像多于50像素时,利用亚像素插分优化算法,光斑中心位置的横向分辨率可达0.05μm。当然,系统的实际横向分辨率还取决于图像算法和光斑的成像质量。触测工件时,触测球体在光轴方向上的离焦距离可以利用CCD上亮光斑直径大小的变化计算得到,然后进行补偿。具体来讲,当触测球体离焦时,将导致亮光斑的边界对比度减弱,若采用灰度阈值法进行边界判断,则相当于亮光斑的直径被放大了,因而对测量精度造成一定影响。亮光斑直径的变化和轴向离焦距离的关系可以通过实验标定出来。

从原理上讲,如果测杆和测头的直径在40~100μm之间,则该测量方法可测量100μm的微孔直径。但是当被测孔的直径特别小时,由触测球体返回的光因被孔壁“挡”在孔内而无法全部返回到透镜上,从而使CCD摄像机接收到的光线很少,成像不清晰,导致测量精度大大降低;当测量深度增大时,这一影响将更加严重,因此被测腔体深处的信息无法得到。据相关报告,此方法可以实现对直径200μm、深1000μm微孔的测量[33]。

4.2 光纤倾斜测量技术

光纤倾斜测量技术由美国National Institute of Standards and Technology(NIST)的Stone于2004年提出[34,35,36],其原理如图9所示。在作为悬臂的光纤另一端粘接一微球作为探针,微球伸入被测腔体内部触测腔体表面;激光器在距光纤微球适当位置处照明光纤,光纤的影像则经物镜与目镜放大后成像于CCD相机上。测量时整个探针系统固定在坐标测量机上,其空间位置由坐标测量机实时得到。当探针触测到腔体内部时,由于腔体壁的“阻挡”而使探针无法继续运动,同时光纤固定端仍在移动,因此光纤将会发生倾斜,导致CCD相机上的光纤影像也发生倾斜,光纤的倾斜量可以通过数字图像处理软件得到。

在此技术中,通过光学系统实现对探针位置的检测,如图10所示。光纤作为一柱透镜对光源发出的光进行成像。当选择光纤直径为50μm时,光源发出的光经准直透镜后平行入射到光纤上,经光纤柱透镜汇聚后光束最窄部分宽度为8μm。当系统中物镜的数值孔径为0.2时,则进入CCD相机成像系统的光束宽度为90nm。但由于光的衍射作用,实际进入CCD相机成像系统的光束宽度约为3.6μm。系统中采用的物镜与目镜放大倍率分别为5倍和7倍,因此最终在CCD相机的像平面上光纤成像宽度为125μm,约为15像素。

从原理上讲,光纤端面粘接的微球直径小于100μm时即可对基本尺寸不小于100μm的腔体进行测量。通过检测位于微球下方几毫米处的光纤,即可实现几毫米深的腔体的测量。但由测量原理易知,光纤作为一悬臂梁结构,当检测位置距微球下方越远时,微球移动较小距离时产生的光纤倾斜量也越小,从而使检测光纤倾斜量变得困难。

4.3 双光纤耦合测量技术

双光纤耦合测量技术由笔者于2005年提出[37,38,39,40],其测量原理如图11所示。该方法通过耦合器实现光能量在双光纤间的耦合,完成光能量的反向传输,从而将光纤作为传感器,将横向微小位移转换为出射光纤导出光束的偏转。探针由两根光纤组成,其中一根光纤作为入射光纤,另一根作为出射光纤,入射光纤和出射光纤的一端与耦合器固定连接。耦合器作为探针的触点,光束经入射光纤导入耦合器后由出射光纤导出,导出光束经显微物镜进入CCD摄像系统。通过图像定位算法得到出射光束在CCD上形成的光斑能量中心位置,由CCD上光斑能量中心位置与传感器触测点空间位置的对应关系即可得出传感器触测测头与被测腔体内壁的接触状况,再结合坐标测量机等装置即可实现对被测腔体的测量。

在此测量方法中,最小可测腔体的基本尺寸由光纤直径与耦合器的尺寸决定,最小可达10~20μm。由于受力光纤与检测光纤分开,保证检测光纤不受触测力影响,因此测量深度不受光纤的限制,可以实现对微形深腔体的尺寸与形状的测量,同时也可实现对被测件上各个内腔体之间相对位置的测量。

基于光纤自身的特性进行微内腔体测量技术中,为内腔体测量端提供准确的瞄准信号是提高测量精度的关键。光纤微力接触式测量技术中,当被测腔体基本尺寸较小时,采集到的图像信号微弱,使瞄准精度下降。光纤倾斜式测量技术要求图像能够检测出光纤倾斜量在几十纳米量级,使后续的图像信号处理难度增加,硬件成本高。而双光纤耦合测量技术中检测导出光束的偏转量,在不增加硬件成本的前提下显著提高了测量精度;同时在保证出射光纤长度时,导出光束的偏转及光强度不受测量深度的影响,可以为微小内腔体测量提供准确的瞄准信号,从而使测量精度大大提高。

5 结论

微小内尺度的精密测量问题是测量界出现的新问题,隐含着很多难度巨大的关键技术,其中亟待解决的是在一定精度和范围内的可测性问题,其关键是可测深度问题,即解决测量范围、可测深度与测量精度之间的矛盾。因此微小内尺度的精密测量必需从以下三个方面入手解决:①测头的微型化,以扩大测量范围;②将测头伸入被测腔体内部,得到腔体内部的信息;③在保证测量范围与可测深度的前提下提高测量精度。现有的测量方法如果单从光学方面或机械方面考虑,都不能很好地解决这类测量问题,因此综合利用光学方法测量表面轮廓的快速性和高精度性及机械测量方法的可靠性,可以较好地解决微内腔体精密测量的问题,是微内腔体精密测量的发展趋势。在目前的测量方法中,双光纤耦合测量技术通过耦合器实现光能量在不同光纤间的耦合,完成光能量的反向传输,利用出射光束的偏转测量微小横向位移的光纤传感器较好地解决了测量范围、可测深度与测量精度三者之间的矛盾,是微小内尺度测量方案的一个全新发展方向。

摘要：针对微小内尺度的精密测量问题介绍了非接触式、补偿式与瞄准触发式等几种测量新技术。分析了每一种测量技术的测量机理,通过对其结构设计分析得出该技术适用的测量范围,并对其测量性能进行了讨论;重点分析了瞄准触发式测量技术,并对其性能进行了比较。最后对微小内尺度的精密测量发展方向进行了总结。