一种结构光干涉测量方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种结构光干涉测量方法和装置，方法利用结构光干涉，实现对运动物体的平移与旋转运动速度大小和方向的全矢量运动信息的同时测量。装置包括激光器、分束器、反射镜、扩束器、反射式器件、合束器和检测装置，激光器输出高斯光，分束器将高斯光分为探测光与参考光，扩束器调整探测光的光斑尺寸，反射式器件附着在运动物体的表面产生结构光，合束器将携带物体运动信息的结构光与参考光干涉叠加得到干涉光场，检测装置对干涉光场进行探测，实现获取运动物体的全矢量运动信息。本发明专利技术突破了传统方案无法同时测量物体的平移与旋转运动速度的全矢量运动信息的限制，其在光学测量和传感等方面具有广泛的应用前景，填补了相关技术领域的空白。

A method and device of structural light interference measurement

【技术实现步骤摘要】
一种结构光干涉测量方法和装置
本专利技术属于光学测量领域，更具体地，涉及一种结构光干涉测量方法和装置。
技术介绍
基于经典多普勒效应构造的传统激光干涉仪，可利用激光高斯光束来测量目标物体的平移运动信息，比如对目标物体的水平位移与线速度进行无接触式测量，然而其无法测量目标物体的旋转运动信息。目前，获取目标物体旋转运动信息的方法一般是采用接触式或机械式测量，比如基于陀螺仪设计的角速度传感器，再比如基于机械齿轮的角速度测量仪，而这些方法无法测量目标物体的平移运动信息。对于既包含有平移运动信息又包含有旋转运动信息的复合运动，比如螺旋运动，通过已有的方法无法实现对平移与旋转两种运动形式的一次性无接触同时测量。目前缺乏一种有效的方法实现对具有复杂运动的目标物体的运动轨迹与运动形式进行实时跟踪，鉴于此，设计一种针对复合运动进行实时监测的装置是极其有必要的。近些年研究发现，结构光束具有随空间变化的振幅、偏振和相位分布，其中相位型结构光束能产生旋转多普勒效应，即对于垂直于相位型结构光束传播方向上的旋转运动物体，能引起光束的多普勒频移。激光涡旋光束作为相位型结构光束的一种，其具有相位在空间上呈螺旋分布的特性。高斯光束的同轴干涉光场呈现出同心环分布的干涉条纹，即牛顿环；涡旋光束与高斯光束的同轴干涉光场呈现出螺旋形干涉条纹，其螺旋条纹数目与涡旋光束的拓扑电荷数一致；两个不同拓扑电荷数的涡旋光束之间的同轴干涉光场呈现出花瓣状的干涉条纹，其花瓣条纹数目与两涡旋光束的拓扑电荷数之差一致。对于涡旋光束与高斯光束的同轴干涉光场，当涡旋光束沿着光轴旋转时，将产生旋转多普勒效应，其直观表现在干涉条纹的旋转；当涡旋光束与高斯光束的光程差随时间变化时，将产生线性多普勒效应，其直观的表现同样为干涉条纹发生旋转。因此，涡旋光束与高斯光束的干涉条纹的旋转同时由线性与旋转多普勒效应决定。对于两个不同拓扑电荷数的涡旋光束之间的同轴干涉光场，当两涡旋光束同时沿着光轴旋转时，将产生旋转多普勒效应，其直观表现在干涉条纹的旋转；如若保证两涡旋光之间的光程差保持不变，则不会发生线性多普勒效应。自由空间产生涡旋光束最常用的方法是利用螺旋相位板，螺旋相位板的厚度随方位角而变化，因此螺旋相位板能够将入射的高斯光束调制成具有螺旋相位分布的涡旋光束，其中，涡旋光束中包含的轨道角动量拓扑荷数理论上可以为单个，也可以为多个的任意组合。前述高斯光和结构光之间能同时存在线性与旋转多普勒效应，这两者分别对应于平移与旋转两种运动形式，此外不同拓扑荷数的涡旋光束之间能存在旋转多普勒效应，这对应于旋转运动形式。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷，本专利技术提供了一种结构光干涉测量方法和装置，旨在实现对目标物体的平移与旋转运动的全矢量信息进行一次性无接触同时测量，以达到对目标物体的复杂运动状态的监测，填补相关技术的空白。为实现上述目的，按照本专利技术的一方面，提供了一种结构光干涉测量方法，包括：将激光器输出的高斯光分成两路分别作为探测光和参考光，探测光入射到能将高斯光转换为结构光的反射式器件上，该反射式器件附着在运动物体的表面，其反射的结构光携带有运动物体的平移与旋转运动信息，反射的结构光与参考光叠加得到干涉光场，通过检测干涉光场，可以同时获取运动物体的平移与旋转运动速度的大小和方向的全矢量运动信息，实现基于结构光干涉的运动物体的测量。优选地，附着在运动物体表面的反射式器件，将高斯光转换为由两个不同轨道角动量拓扑荷数分量叠加的结构光，较小的轨道角动量拓扑荷数分量具有较小的半径，较大的轨道角动量拓扑荷数分量具有较大的半径，该反射式器件中心与运动物体的旋转中心重合，且与入射探测光的光轴重合。优选地，对探测光或参考光的光斑尺寸进行适当调节，使得探测光与参考光叠加所得干涉光场的内侧和外侧具有两种不同的光场结构形式；对于内侧的干涉光场，其主要由参考光与运动物体反射的结构光中半径较小和具有较小轨道角动量拓扑荷数的分量相互叠加干涉而成，表现为螺旋状的干涉条纹；对于外侧的干涉光场，其主要由运动物体反射的结构光中两个具有不同轨道角动量拓扑荷数的分量相互叠加干涉而成，表现为花瓣状的干涉条纹。优选地，对干涉光场的检测使用两个探测点，位于干涉光场内侧与外侧部分的交界环形区域，两个探测点随时间变化的光强度信号被探测转换为电信号后，通过傅里叶变换分析频谱(幅度谱和相位谱)可以一次性推出运动物体的平移与旋转运动速度的大小和方向的全矢量运动信息。按照本专利技术的另一方面，提供了一种结构光干涉测量装置，包括：激光器、分束器、反射镜、扩束器、能将高斯光转换为结构光的反射式器件、合束器和检测装置，激光器输出高斯光作为光源，分束器将高斯光分为探测光与参考光两路，反射镜用来调整参考光传播方向，扩束器用来调整探测光的光斑尺寸，能将高斯光转换为结构光的反射式器件附着在运动物体的表面，用于产生携带物体运动信息的结构光，合束器用于将携带物体运动信息的结构光与参考光干涉叠加得到干涉光场，检测装置用于对干涉光场进行探测，同时获取运动物体的平移与旋转运动速度的大小和方向的全矢量运动信息。优选地，干涉测量装置可以采用马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)干涉方式或迈克尔逊(Michelson)干涉方式；马赫-曾德尔干涉方式中分束器和合束器为不同器件，迈克尔逊干涉方式中分束器和合束器为相同器件。优选地，被附着于运动物体表面的反射式器件，将高斯光转换为由两个不同轨道角动量拓扑荷数分量叠加的结构光，反射式器件可以为复合螺旋相位板、超材料、超表面等结构光产生器件，其中心与运动物体的旋转中心重合，且与入射探测光的光轴重合。优选地，采用马赫-曾德尔干涉方式时，利用扩束器对探测光的光斑尺寸扩束；采用迈克尔逊干涉方式时，利用孔阑限制参考光的光斑尺寸；通过调节探测光或参考光的光斑尺寸，干涉光场的内侧和外侧具有两种不同的光场结构形式。优选地，检测装置可以采用包括具有两个探测点的探测器和信号处理模块；具有两个探测点的探测器将两个探测点处的光信号转换为电信号，其两个探测点分别位于干涉光场内侧与外侧部分的交界环形区域，利用信号处理模块对探测器的两探测点的信号频谱(幅度谱和相位谱)进行傅里叶分析，实现对运动物体的平移与旋转运动速度的大小和方向的全矢量运动信息的结构光干涉测量。优选地，检测装置也可以采用包括分束器、第一探测器、第二探测器和信号处理模块；分束器将干涉光场分为两路，第一探测器和第二探测器分别位于两路干涉光场内侧与外侧部分的交界环形区域，最后利用信号处理模块对两路信号的频谱(幅度谱和相位谱)进行傅里叶分析，实现对运动物体的平移与旋转运动速度的大小和方向的全矢量运动信息的结构光干涉测量。通过本专利技术所构思的以上技术方案，本专利技术具有如下有益效果：1、本专利技术可以实现对运动物体的平移与旋转运动的全矢量信息进行一次性无接触同时测量，克服了传统激光单频干涉仪只能测量平移速度而无法同时测量旋转速度的局限性。2、本专利技术对于运动信息的测量，不仅能测量运动速度大小，还能测量运动方向，因此可实现对运动物体的复杂运本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种结构光干涉测量方法，其特征在于，包括将激光器输出的高斯光分成两路分别作为探测光和参考光，所述探测光入射到能将高斯光转换为结构光的反射式器件上，所述反射式器件附着在运动物体的表面，其反射的结构光携带有运动物体的平移与旋转运动信息，反射的结构光与参考光叠加得到干涉光场，通过检测干涉光场，可以同时获取运动物体的平移与旋转运动速度的大小和方向的全矢量运动信息，实现基于结构光干涉的运动物体的测量。/n

【技术特征摘要】
1.一种结构光干涉测量方法，其特征在于，包括将激光器输出的高斯光分成两路分别作为探测光和参考光，所述探测光入射到能将高斯光转换为结构光的反射式器件上，所述反射式器件附着在运动物体的表面，其反射的结构光携带有运动物体的平移与旋转运动信息，反射的结构光与参考光叠加得到干涉光场，通过检测干涉光场，可以同时获取运动物体的平移与旋转运动速度的大小和方向的全矢量运动信息，实现基于结构光干涉的运动物体的测量。


2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述附着在运动物体的表面的反射式器件，将高斯光转换为由两个不同轨道角动量拓扑荷数分量叠加的结构光，较小的轨道角动量拓扑荷数分量具有较小的半径，较大的轨道角动量拓扑荷数分量具有较大的半径，所述反射式器件中心与运动物体的旋转中心重合，且与探测光的光轴重合。


3.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，对探测光或参考光的光斑尺寸进行调节，使得探测光与参考光叠加所得干涉光场的内侧和外侧具有两种不同的光场结构形式；对于内侧的干涉光场，其主要由参考光与运动物体反射的结构光中半径较小和具有较小轨道角动量拓扑荷数的分量相互叠加干涉而成，表现为螺旋状的干涉条纹；对于外侧的干涉光场，其主要由运动物体反射的结构光中两个具有不同轨道角动量拓扑荷数的分量相互叠加干涉而成，表现为花瓣状的干涉条纹。


4.根据权利要求3所述的测量方法，其特征在于，对干涉光场的检测使用两个探测点，位于干涉光场内侧与外侧部分的交界环形区域，两个探测点随时间变化的光强度信号被探测转换为电信号后，通过傅里叶变换分析幅度谱和相位谱可以一次性推出运动物体的平移与旋转运动速度的大小和方向的全矢量运动信息。


5.一种结构光干涉测量装置，其特征在于，包括激光器、分束器、反射镜、扩束器、能将高斯光转换为结构光的反射式器件、合束器和检测装置，所述激光器输出高斯光作为光源，所述分束器将高斯光分为探测光与参考光两路，所述反射镜用来调整参考光传播方向，所述扩束器用来调整探测光的光斑尺寸，所述能将高斯光转换为结构光的反射...

【专利技术属性】
技术研发人员：王健，方良，万镇宇，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42