一種基於橫向偏振後的矢量光場的距離測量系統及其應用的製作方法
2023-04-30 02:21:46 2
本發明涉及矢量光測位移領域，尤其涉及一種基於橫向偏振後的矢量光場的距離測量系統及其應用。
背景技術：
：雷射幹涉法測位移。這是一種相對測量，它無法測得一個物體離儀器的絕對距離，但可以測得兩被測物體的相對距離。它的原理是一臺麥可遜幹涉儀，利用反射鏡距離變化時幹涉條紋的變化來測量，反射鏡從物體A運動到物體B，幹涉條紋變化的數量反映了其距離。這種測量要求條件較高，但是可以精確測量，它也是目前所有測量手段中最精確的一種。而矢量光場測位移，是對光學測位移的一項技術革新，使得原來的幹涉條紋由一維變為二維，極大的提高了系統靈敏度，使得位移測量更加的精確。技術實現要素：本發明的目的是在於提供一種基於橫向偏振後的矢量光場的距離測量系統及其應用。本發明通過以下技術方案來實現：一種基於橫向偏振後的矢量光場的距離測量系統，包括矢量光源、反光鏡、雙透鏡、雙縫、凸透鏡、橫向偏振片、光電探測器和信號處理系統；將雙縫設置在初始點位置，將光電探測器設置在待測點位置，所述矢量光源向反光鏡發射矢量光，矢量光經反光鏡反射後，經雙透鏡調整光路寬度後，形成半徑為ε的光束，然後射入雙縫，產生幹涉；幹涉光經凸透鏡聚焦後，射入橫向偏振片進行濾波，然後投射在光電探測器上，光電探測器測得經過偏振片濾波後的幹涉圖樣中任一點P的光強I，並輸入到信號處理系統，信號處理系統通過計算獲得初始點到待測點之間的距離d＝2πbx/(λδ)；其中,Ix為光強I的橫向分量，m為拓撲荷數，b為狹縫間距，x為P點到幹涉圖樣中心點的水平距離，θB＝arccos(b/(2ε))，λ為矢量光波長。θ0為矢量光的初始相位，l/r0為矢量光沿徑向的偏振態變化快慢參數。進一步地，所述的雙縫為微結構雙縫。進一步地，所述的光電探測器為面陣探測器或線陣探測器，還可以是點陣探測器。一種距離探測系統在直線位移傳感中的應用，其特徵在於，該應用為，將所述光電探測器與待測物體連接，將所述雙縫設置在待測物體直線運動的延長線上，根據光電探測器測得的光信息獲得所述待測物體的實時位移。本發明的有益效果在於：該系統具有測量精度高，且結構簡單，安裝方便，價格低廉，適用範圍廣的特點。附圖說明圖1為矢量光束通過雙縫的演示；圖2為雙縫幹涉裝置示意圖；圖3為矢量光束投射原理圖；圖4為當初始相位為0，拓撲荷數為1，調控參數l為1時的幹涉條紋圖樣。圖中，矢量光源1、反光鏡2、雙透鏡3、雙縫4、凸透鏡5、橫向偏振片6、光電探測器7、信號處理系統8。具體實施方式如圖3所示，一種基於橫向偏振後的矢量光場的距離測量系統，包括矢量光源1、反光鏡2、雙透鏡3、雙縫4、凸透鏡5、橫向偏振片6、光電探測器7和信號處理系統8；將雙縫4設置在初始點位置，將光電探測器7設置在待測點位置，所述矢量光源1向反光鏡2發射矢量光，矢量光經反光鏡2反射後，經雙透鏡3調整光路寬度後，形成半徑為ε的光束，然後射入雙縫4，產生幹涉；幹涉光經凸透鏡5聚焦後，射入橫向偏振片進行濾波，然後投射在光電探測器7上，幹涉條紋的產生通過以下方法實現：已知任意混合偏振態矢量光場的光場強度公式為其中r＝(x2+y2)1/2,即為經雙透鏡3調整光路寬度後的光束半徑，r＝ε，θ＝arctan(y/x)、l/r0為矢量光沿徑向的偏振態變化快慢參數。m為拓撲荷數，θ0為初始相位，ex和ey分別為x方向和y方向上的單位矢量，A0表示振幅，在接下來的推算中，我們認為A位於光束截面上任意一點均為恆定值。r表示在狹縫所在的xy平面上，笛卡爾坐標系中原點到考察點的距離。θ為光束橫截面所在的極坐標系的方位角。如圖1所示，在xy平面上存在AB兩條狹縫，狹縫之間的距離為b，同時AB狹縫到原點的距離相同，並且相互平行，與x軸垂直，狹縫寬度為a。當由公式所表示的單色混合偏振態矢量光場通過兩條狹縫後，可以等效為兩個次級線光源，最後在平行於xy平面後的觀測平面上進行疊加。我們取d為狹縫到觀測平面的距離。假設狹縫的寬度足夠小且長度無限，此外狹縫間距b的尺度與縫到觀測平面的距離d相比也足夠小。分解矢量光場進行理論計算：將混合偏振態矢量光場分解為x與y方向的兩個分量偏振光，彼此相對獨立。表達式分別寫作：Ex(θ)＝cos[mθ+2πl(r/r0)+θ0]Ey(θ)＝sin[mθ+2πl(r/r0)+θ0]當光束到達AB狹縫時，光束可以看成是如圖1所示，從圖中可以看出，只有恰好位於狹縫所在位置的光線才可以通過狹縫。狹縫AB關於y軸對稱，因此位於兩狹縫上y坐標值相同的兩個點所對應原點的方位角分別為θA與θB。我們可以發現θA與θB互為補角關係，即θA＝π-θB，θB＝arccos(b/(2ε))；當分解的x與y方向的偏振光場通過AB狹縫時，其表達式可以寫為：可以分別寫出x方向偏振態分量以及y方向偏振態分量在幹涉後的光強表達式Ix與Iy。首先我們令則Ix與Iy的光強表達式可以簡化寫為：其中δ為通過AB兩狹縫光束之間的相位差。在楊氏雙縫幹涉實驗中，如圖2所示，設入射光源的初相位為它是一個隨機產生的量，考察位置P處分別接收來自(QAP)與(QBP)兩個光擾動的相位分別寫為：則相位差為：δ＝2πbx/(λd)其中d是雙縫所在平面到光電傳感器所在平面的距離，也就是我們所需要測量的距離。下面通過以下實驗驗證本發明所述方法的可靠性：設置試驗距離5cm、20cm、1m，按照圖3所示的布置方式布置矢量光源1、反光鏡2、雙透鏡3、雙縫4、凸透鏡5、橫向偏振片6、光電探測器7和信號處理系統8；將雙縫4設置在初始點位置，將光電探測器7設置在待測點位置，所述矢量光源1向反光鏡2發射矢量光，矢量光經反光鏡2反射後，經雙透鏡3調整光路寬度後，形成半徑為ε的光束，然後射入雙縫4，產生幹涉；幹涉光經凸透鏡5聚焦後，射入橫向偏振片進行濾波，然後投射在光電探測器7上，光電探測器7測得經過偏振片濾波後的幹涉圖樣中任一點P的光強I，並輸入到信號處理系統8，信號處理系統8通過計算獲得初始點到待測點之間的距離d＝2πbx/(λδ)；其中,Ix為光強I的橫向分量，m為拓撲荷數，b為狹縫間距，x為P點到幹涉圖樣中心點的水平距離，θB＝arccos(b/(2ε))，λ為矢量光波長。θ0為矢量光的初始相位，l/r0為矢量光沿徑向的偏振態變化快慢參數。三個測量距離的結果輸出如下表所示：設定距離5cm20cm1m測量結果4.998cm20.001cm100.002cm本發明還提供上述系統在直線位移傳感中的應用，該應用為，將所述光電探測器7與待測物體連接，將所述雙縫4設置在待測物體直線運動的延長線上，根據光電探測器7測得的光信息獲得所述待測物體的實時位移。當前第1頁1 2 3