CN106908004B - 一种基于矢量光场的距离探测***及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于矢量光场的距离探测***及其应用，包括矢量光源、反光镜、双透镜、双缝、凸透镜、光电探测器和信号处理***；将双缝设置在初始点位置，将光电探测器设置在待测点位置，所述矢量光源向反光镜发射矢量光，矢量光经反光镜反射后，经双透镜调整光路宽度后，然后射入双缝，产生干涉图样；根据光电探测器测得的光信息获得所述待测物体的距离。该***具有测量精度高，且结构简单，安装方便，价格低廉，适用范围广的特点。

Description

一种基于矢量光场的距离探测***及其应用
技术领域
本发明涉及矢量光测位移领域，尤其涉及一种基于矢量光场的距离探测***及其应用。
背景技术
激光干涉法测位移。这是一种相对测量，它无法测得一个物体离仪器的绝对距离，但可以测得两被测物体的相对距离。它的原理是一台迈克尔逊干涉仪，利用反射镜距离变化时干涉条纹的变化来测量，反射镜从物体A运动到物体B，干涉条纹变化的数量反映了其距离。这种测量要求条件较高，但是可以精确测量，它也是目前所有测量手段中最精确的一种。而矢量光场测位移，是对光学测位移的一项技术革新，使得原来的干涉条纹由一维变为二维，极大的提高了***灵敏度，使得位移测量更加的精确。
发明内容
本发明的目的是在于提供一种利用矢量光场的干涉条纹的距离探测***及其应用，具有测量精度高，且结构简单，安装方便，价格低廉，适用范围广等特点。
本发明通过以下技术方案来实现：一种基于矢量光场的距离探测***，包括矢量光源、反光镜、双透镜、双缝、凸透镜、光电探测器和信号处理***；将双缝设置在初始点位置，将光电探测器设置在待测点位置，所述矢量光源向反光镜发射矢量光，矢量光经反光镜反射后，经双透镜调整光路宽度后，形成半径为ε的光束，然后射入双缝，产生干涉，经凸透镜聚焦后，射入光电探测器，光电探测器测得干涉图样中任一点P的光强I，并输入到信号处理***，信号处理***通过计算获得初始点到待测点之间的距离d＝πbx/(λδ)，其中，δ＝arccos[(I-2)/(2(cos2mθB))],m为拓扑荷数，b为狭缝间距，x为P点到干涉图样中心点的水平距离，θB＝arccos(b/(2ε))，λ为矢量光波长。
进一步地，所述的双缝模板为微结构双缝。
进一步地，所述的光电探测器为面阵探测器或线阵探测器，还可以是点阵探测器。
一种距离探测***在直线位移传感中的应用，该应用为，将所述光电探测器与待测物体连接，将所述双缝设置在待测物体直线运动的延长线上，根据光电探测器测得的光信息获得所述待测物体的实时位移。
本发明的有益效果在于：该***具有测量精度高，且结构简单，安装方便，价格低廉，适用范围广的特点。
附图说明
图1为矢量光束通过双缝的演示；
图2为双缝干涉装置示意图；
图3为矢量光束投射原理图；
图4为当初始相位为0，拓扑荷数为1，调控参数为1时的干涉条纹图样。
图中，矢量光源1、反光镜2、双透镜3、双缝4、凸透镜5、光电探测器6、信号处理***7。
具体实施方式
如图3所示，一种基于矢量光场的距离探测***，包括矢量光源1、反光镜2、双透镜3、双缝4、凸透镜5、光电探测器6和信号处理***7；将双缝4设置在初始点位置，将光电探测器6设置在待测点位置，所述矢量光源1向反光镜2发射矢量光，矢量光经反光镜2反射后，经双透镜3调整光路宽度后，形成半径为ε的光束，然后射入双缝4，产生干涉，经凸透镜5聚焦后，射入光电探测器6，干涉条纹的产生通过以下方法实现：
已知任意混合偏振态矢量光场的光场强度公式为：
其中r＝(x2+y2)1/2，即为经双透镜3调整光路宽度后的光束半径，r＝ε，θ＝arctan(y/x)，m为拓扑荷数，θ0为矢量光的初始相位，l/r0为矢量光沿径向的偏振态变化快慢参数。ex和ey分别为x方向和y方向上的单位矢量，A0表示振幅，在接下来的推算中，我们认为A位于光束截面上任意一点均为恒定值。r表示在狭缝所在的xy平面上，笛卡尔坐标系中原点到考察点的距离。θ为光束横截面所在的极坐标系的方位角。如图1所示，在xy平面上存在AB两条狭缝，狭缝之间的距离为b，同时AB狭缝到原点的距离相同，并且相互平行，与x轴垂直，狭缝宽度为a。当由公式所表示的单色混合偏振态矢量光场通过两条狭缝后，可以等效为两个次级线光源，最后在平行于xy平面后的观测平面上进行叠加。我们取d为狭缝到观测平面的距离。假设狭缝的宽度足够小且长度无限，此外狭缝间距b的尺度与缝到观测平面的距离d相比也足够小。
分解矢量光场进行理论计算：
将混合偏振态矢量光场分解为x与y方向的两个分量偏振光，彼此相对独立。表达式分别写作
Ex(θ)＝cos[mθ+2πl(r/r0)+θ0]
Ey(θ)＝sin[mθ+2πl(r/r0)+θ0]
当光束到达AB狭缝时，光束可以看成是如图1所示，从图中可以看出，只有恰好位于狭缝所在位置的光线才可以通过狭缝。狭缝AB关于y轴对称，因此位于两狭缝上y坐标值相同的两个点所对应原点的方位角分别为θA与θB。我们可以发现θA与θB互为补角关系，即θA＝π-θB。当分解的x与y方向的偏振光场通过AB狭缝时，其表达式可以写为：
可以分别写出x方向偏振态分量以及y方向偏振态分量在干涉后的光强表达式Ix与Iy。首先我们令
则Ix与Iy的光强表达式可以简化写为：
其中δ为通过AB两狭缝光束之间的相位差。在杨氏双缝干涉实验中，如图3-2所示，设入射光源的初相位为φ0(t)，它是一个随机产生的量，考察位置P处分别接收来自(QAP)与(QBP)两个光扰动的相位分别写为：
则相位差为
总的干涉强度公式为
I(x,y)＝Ix(x,y)+Iy(x,y)＝2+2cos(2mθB)cosδ
δ＝2πbx/(λd)
其中d是双缝所在平面到光电传感器所在平面的距离，也就是我们所需要测量的距离。
即d＝2πbx/(λδ)。
下面通过以下实验验证本发明所述方法的可靠性：
设置试验距离5cm、20cm、1m，按照图3所示的布置方式布置矢量光源1、反光镜2、双透镜3、双缝4、凸透镜5、光电探测器6和信号处理***7；将双缝4设置在初始点位置，将光电探测器6设置在待测点位置，所述矢量光源1向反光镜2发射矢量光，矢量光经反光镜2反射后，经双透镜3调整光路宽度后，形成半径为ε的光束，然后射入双缝4，产生干涉，经凸透镜5聚焦后，射入光电探测器6，光电探测器6测得干涉图样中任一点P的光强I，并输入到信号处理***7，信号处理***7通过计算获得初始点到待测点之间的距离d＝2πbx/(λδ)，其中，δ＝arccos[(I-2)/(2(cos2mθB))]；
m为拓扑荷数，b为狭缝间距，x为P点到干涉图样中心点的水平距离，θB＝arccos(b/(2ε))，λ为矢量光波长。
三个测量距离的结果输出如下表所示：
设定距离 5cm 20cm 1m
测量结果 5.002cm 19.998cm 100.003cm
本发明还提供上述距离探测***在直线位移传感中的应用，该应用为，将所述光电探测器7与待测物体连接，将所述双缝4设置在待测物体直线运动的延长线上，根据光电探测器7测得的光信息获得所述待测物体的实时位移。

Claims (4)

1.一种基于矢量光场的距离探测***，其特征在于，包括矢量光源(1)、反光镜(2)、双透镜(3)、双缝(4)、凸透镜(5)、光电探测器(6)和信号处理***(7)；将双缝(4)设置在初始点位置，将光电探测器(6)设置在待测点位置，所述矢量光源(1)向反光镜(2)发射矢量光，矢量光经反光镜(2)反射后，经双透镜(3)调整光路宽度后，形成半径为ε的光束，然后射入双缝(4)，产生干涉，经凸透镜(5)聚焦后，射入光电探测器(6)，光电探测器(6)测得干涉图样中任一点P的光强I，并输入到信号处理***(7)，信号处理***(7)通过计算获得初始点到待测点之间的距离d＝2πbx/(λδ)，其中，δ＝arccos[(I-2)/(2(cos2mθB))]；
m为拓扑荷数，b为狭缝间距，x为P点到干涉图样中心点的水平距离，θB＝arccos(b/(2ε))，λ为矢量光波长；
在探测直线位移时，将所述光电探测器与待测物体连接，将所述双缝设置在待测物体直线运动的延长线上，根据光电探测器测得的光信息获得所述待测物体的实时位移。
2.根据权利要求1所述的距离探测***，其特征在于，所述的双缝(4)为微结构双缝。
3.根据权利要求1所述的距离探测***，其特征在于，所述的光电探测器(6)为面阵探测器或线阵探测器，或是点阵探测器。
4.一种权利要求1所述距离探测***在直线位移传感中的使用方法，其特征在于，该方法为，将所述光电探测器(6)与待测物体连接，将所述双缝(4)设置在待测物体直线运动的延长线上，根据光电探测器(6)测得的光信息获得所述待测物体的实时位移。
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