基于零折射率超材料的精密光学测距方法技术

一种基于零折射率超材料的精密光学测距方法，反射面被固定在被测面上，入射光沿光轴方向经过零折射率超材料出射后在自由空间中传播距离D，被反射面反射按原路返回到零折射率超材料，在其中入射光与反射光相互叠加，合成波光强从最暗到最亮每变化一次，被测面的位移量为λ/4，根据合成波光强明暗变化次数N能准确测得被测面的连续位移量ΔD＝Nλ/4。通过在出射面和被测面上安装平面反射镜组可进一步提高系统测量精确度，位移分辨率达λ/(4M)。该方法操作简单、测量精准，位移分辨率小于传统干涉式测距方法的λ/2分辨率，可在光频下实现相移量的精确测量，分辨率达π/(2M)，适用于包括无线电波段和光波段的全波段范围。

【技术实现步骤摘要】
基于零折射率超材料的精密光学测距方法
本专利技术涉及一种基于零折射率超材料的精密光学测距方法,属于光学测距

技术介绍
激光由于其强方向性、高亮度、单色性、相干性等优点经常被用于光学测距的光源。激光测距是光学、激光技术、精密机械、电子学、微电子以及光电子学等多学科技术的综合应用，正向数字化、自动化、低成本、小型化方向发展。激光测距具有测量精度高、分辨率高抗干扰能力强、体积小、重量轻等一系列优点，在军事、科技、工程等方面都起到重要的作用。目前光学测距技术主要分为四种方法：脉冲式、干涉法、三角法和相位式。干涉法激光测距的原理是利用分束器将激光分为相互垂直的两束光，其中一束被固定反射镜发射，光程固定为参考光，另一束被被测面反射作为被测光，二者叠加生成周期为半波长λ/2的干涉条纹，干涉条纹会随被测面的距离变化而发生移动，通过记录移动条纹的数目可以计算出被测面的位移，干涉法激光测距的测量精度高，可以达到λ/2，使用激光光源可达到亚微米级。但该方法的光路搭建和操作过程都较复杂，从而影响其推广应用。要在光频范围准确测量相位变化难度较大，目前的相位式激光测距仪是用无线电波段的频率，对连续激光束进行幅度调制,并测定调制光往返一次所产生的相位延迟，再根据调制光的波长，换算此相位延迟所代表的距离，是一种通过测量相位延迟代替直接测量激光往返所需时间的高精度间接测量方法。相位式激光测距仪一般应用在精密测距中,其精度一般为毫米级。为了有效的反射信号，并使测定的目标限制在与仪器精度相称的某一特定点上，对这种测距仪都配置了被称为合作目标的反射镜。零折射率超材料是一种新兴的具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。根据折射率定义如果能够使εeff和μeff同时为零或其中一项为零就可以实现电磁波的等相位传输的物理性质。通过对材料组成结构的适当设计，零折射率超材料能够实现有效折射率为零，即neff＝0，对应光在超材料中传播的光程l＝nS＝0。由于相位恒定，所以对应的波失为零，即k＝0，所以在工作频段零折射率超材料能够准确保留入射波的相位信息。目前亟需一种能够同时实现对位移和相移变化量进行精确测量技术。
技术实现思路
本专利技术针对现有光学测距技术存在的不足，提供一种能够实现对相干范围内的位移和相移量进行精确连续调节和测量的基于零折射率超材料的精密光学测距方法。本专利技术的基于零折射率超材料的精密光学测距方法，是：将入射光沿光轴方向垂直入射到零折射率超材料的入射面上，并在零折射率超材料内部进行相位不变传输，然后从零折射率超材料的出射面出射，在自由空间传递一段距离D后，在被测量面上被反射，反射光按原路返回到零折射率超材料出射面，或通过平面镜组控制反射光在零折射率超材料出射面和被测面之间往返M次(往返距离2DM小于相干波长L)，在零折射率超材料中实现入射光与反射光的叠加，根据合成波的光强明暗变化次数N确定被测面的位移变化量。所述入射光是光源发出的经扩束、准直或起偏处理后的光束。所述入射光的频率为零折射率超材料的工作频率。所述零折射率超材料是任何有效折射率neff＝0的人造材料，该人造材料既可以是由非金属电介质材料组成的光子晶体，也可以是由金属、铁氧体、铁电体等材料构成的超材料结构。所述零折射率超材料的入射面和出射面，以及被测量面(反射面)相互平行，且垂直于光轴方向。所述零折射率超材料中入射光和经过M次往返的反射光的合成波光强从最暗(0)到最亮(最大值)每变化一次，被测面的位移变化为λ/(4M)，单程相位变化为π/(2M)。所述被测面的距离变化为ΔD＝Nλ/(4M)，N为在零折射率超材料中入射光和反射光的合成波的光强明暗变化次数，M为反射光在零折射率超材料出射面和被测面之间往返次数，λ为入射光的自由空间波长。所述反射光在零折射率超材料出射面和被测面之间M次往返，所历光程2MD小于光源的相干长度L＝λ2/Δλ，λ为入射光波长，Δλ为光源的光谱宽度，D为入射光在自由空间的传播距离。所述平面反射镜组为一组固定在零折射率超材料出射面和被测面上的平面反射镜，控制入射光在二者之间通过反射实现M次往返，最终将反射光反射回零折射超材料中，与入射光叠加，形成合成波。所述零相移超材料出光方向垂直的任意侧面位置依次设置光学接收装置、光电探测器和后续检测处理器，测量和分析零折射率超材料中的光强变化。光学接收装置为透镜或探针等装置，用来探测零折射率超材料中的光强变化。本专利技术利用零折射率超材料的相位不变传输特性，将入射光作为参考光，通过反射光携带被测面的位移和相位变化信息，使二者在零折射率超材料中相互叠加发生干涉，通过零折射率超材料内部光强的明暗变化直观反映和放大两束光的干涉相长或干涉相消信息，从而判定被测面的空间位移变化量ΔD和光波传播距离ΔD累积的相移量，位移分辨率可达λ/(4M)，相移分辨率可达π/(2M)。该方法可用于精密光学测距、传感和移相器的设计，能够同时实现对相移和位移变化的精确测量。本专利技术利用零折射率超材料“在零折射率工作频段能够准确保留入射波的相位信息”这一特性进行精密光学测量系统设计；具有以下特点：1.不需要分束装置，采用入射光直接代替传统干涉式光学测距所需固定光程的垂直参考光，简化了光路设计和操作步骤，同时也缩小了测距装置尺寸；2.代替传统方法中数条纹的方式，通过零折射率超材料内部光强的明暗变化直观反映和放大了被测面的位移和相移量，测量方法简单、准确、便捷；3.反射光单程往返位移分辨率可达λ/4，小于传统干涉式测距方法的分辨率λ/2，并且可作为精确移相器提供精准相位变化信息，在光频下相移分辨率可达π/2。通过增加反射光在出射面和被测面之间往返次数M，位移和相移分辨率分别可达λ/(4M)和π/(2M)，这是传统光学干涉技术远远无法企及的；4.根据零折射率超材料的设计精度不同，该方法适用于电磁波全波范围，可以覆盖包括无线电波段和光波段的宽广区域。附图说明图1是本专利技术中的光学测距系统结构原理图。图2是本专利技术的光学单程往返测距原理图。图3是本专利技术的反射光多次往返测距原理图。图4是反射光单程往返测距时合成波振幅A0随被测面位置D变化的曲线图。图中：1.光源，2.第一透镜，3.第二透镜，4.零折射率超材料，5.被测面(反射面)，6.光学接收装置，7.光电探测器，8.后续检测处理器，9.平面反射镜组。具体实施方式本专利技术的基于零相移超材料的精密激光测距方法采用如图1所示的光学测距系统实现。该系统包括光源1、第一透镜2、第二透镜3(两个透镜共同构成扩束装置，也可根据情况增加其他装置对入射光进行准直或起偏等处理)、零相移超材料4、被测面(反射面)5、光学接收装置6、光电探测器7和后续检测处理器8。在光源1与被测面5之间依次设置透镜2和透镜3作为扩束准直装置，零相移超材料4用来保持入射光相位不变传播，反射镜被固定在被测物体上作为被测面5。若要进一步提高系统测量精确度，可在出射面和被测面上安装平面反射镜组9控制反射光的往返光程。在零相移超材料4出射光垂直方向的任意侧面位置依次设置光学接收装置6、光电探测器7和后续检测处理器8，测量和分析零折射率超材料中的光强变化。光源1用于输出固定波长和固定频率的相干光，可根据零折射率超材料4的工作波长选择激光器或矢量本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于零折射率超材料的精密光学测距方法，其特征是：将入射光沿光轴方向垂直进入零折射率超材料的入射面，在零折射率超材料内部进行相位不变传输，从零折射率超材料出射面出射后，在自由空间传递一段距离D，在被测量面上被反射，反射光按原路返回到零折射率超材料出射面，或通过平面镜组控制反射光在零折射率超材料出射面和被测面之间往返M次，反射光最终返回零折射率超材料，在其中实现入射光与反射光的叠加，根据超材料中合成波的光强明暗变化次数N可准确测得被测面的位移变化量。

【技术特征摘要】
1.一种基于零折射率超材料的精密光学测距方法，其特征是：将入射光沿光轴方向垂直进入零折射率超材料的入射面，在零折射率超材料内部进行相位不变传输，从零折射率超材料出射面出射后，在自由空间传递一段距离D，在被测量面上被反射，反射光按原路返回到零折射率超材料出射面，或通过平面镜组控制反射光在零折射率超材料出射面和被测面之间往返M次，反射光最终返回零折射率超材料，在其中实现入射光与反射光的叠加，根据超材料中合成波的光强明暗变化次数N可准确测得被测面的位移变化量。2.根据权利要求1所述的基于零折射率超材料的精密光学测距方法，其特征是：所述入射光是光源发出的经扩束、准直或起偏等处理后的光束，入射光频率为零折射率超材料的工作频率。3.根据权利要求1所述的基于零折射率超材料的精密光学测距方法，其特征是：所述零折射率超材料是任何有效折射率neff＝0的人造材料，包括由非金属电介质材料组成的光子晶体，和由金属、铁氧体或铁电体材料构成的人造超材料结构。4.根据权利要求1所述的基于零折射率超材料的精密光学测距方法，其特征是：所述零折射率超材料的入射面和出射面，以及被测量面相互平行，且垂直于光轴方向。5.根据权利要求1所述的基于零折射率超材料的精密光学测距方法，其特征是：所述零...

【专利技术属性】
技术研发人员：董国艳，李振飞，
申请(专利权)人：中国科学院大学，
类型：发明
国别省市：北京,11