一种基于双波长涡旋光自共轭干涉的大量程皮米级位移测量系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于双波长涡旋光自共轭干涉的大量程皮米级位移测量系统及方法，该测量系统包括第一涡旋光发生器、第二涡旋光发生器、第一二维光电传感器、第二二维光电传感器和辅助测量反射镜，且第一涡旋光发生器和第二涡旋光发生器发出的涡旋光的波长不同。本发明专利技术的测量系统采用马赫

【技术实现步骤摘要】
一种基于双波长涡旋光自共轭干涉的大量程皮米级位移测量系统及方法


[0001]本专利技术涉及一种基于双波长涡旋光自共轭干涉的大量程皮米级位移测量系统及方法，属于光学干涉精密计量


技术介绍

[0002]皮米级位移的测量在几何参量测量研究中具有举足轻重的意义。军工、航空航天、生物医学、精密机械、流场测量、微力测量和固体表面测量等诸多实际应用场合中都有获取物体高精度位移的需求，例如：机床刀头位置定位、工件加工误差检测、集成电路加工、大桥桥墩的形变、大坝墙体的变形测量等。而激光干涉皮米级位移测量技术由于具有非接触性、测量精度高、可溯源等独特优势一直是人们研究的热点。
[0003]传统的光学干涉仪常采用双光束通道或多光束通道进行相干测量，因此整个测量系统体积庞大、结构复杂、造价昂贵并且测量范围受限于光源的相干长度，测量精度低，观测范围小。且这类方法通常采用两列平面波进行干涉，干涉图样为一系列黑白相间的平行直条纹，通过计数条纹的移动量来或得皮米级位移的大小，最大的弊端就是无法精确计数条纹的移动量，且需要开发专门的条纹计数算法，计算速度慢，很难同时做到皮米级位移的高精度快速测量。
[0004]中国专利文献CN111121644A公开了一种基于涡旋光与球面波干涉的皮米级位移测量方法及装置，其中一束光照射至空间光调制器产生涡旋光束作为参考光，另一束光经透镜变为球面波后照射至物体上，两束光干涉后干涉条纹呈螺旋状分布；当物体发生微小位移时两束光的光程差改变，螺旋干涉条纹发生旋转，通过旋转角度可以确定物体的皮米级位移量。但是该专利技术所提出的方法难以非常精确地获得螺旋干涉条纹的旋转角度，且测量范围小，很难满足实际应用中的测量需求。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种基于双波长涡旋光自共轭干涉的大量程皮米级位移测量系统及方法，可以实现位移的皮米级快速测量，测量精度高，测量速度快，且能够实现大量程皮米级位移测量。
[0006]术语解释：
[0007]1.CCD：Charge Coupled Device的简称，电荷耦合器件。它能够将光线变为电荷并将电荷存储及转移，也可将存储的电荷取出使电压发生变化，因此是理想的CCD相机元件，以其构成的CCD相机具有体积小、重量轻、不受磁场影响、具有抗震动和撞击之特性而被广泛应用。
[0008]2.CMOS：Complementary Metal Oxide Semiconductor的简称，互补金属氧化物半导体。其中的N型半导体和P型半导体间的互补效应所产生的电流可以处理芯片记录和解读成影像，可以作为数码摄影中的图像传感器。
[0009]本专利技术的技术方案为：
[0010]一种基于双波长涡旋光自共轭干涉的大量程皮米级位移测量系统，包括第一涡旋光发生器、第二涡旋光发生器、第一二维光电传感器、第二二维光电传感器和辅助测量反射镜，且第一涡旋光发生器和第二涡旋光发生器发出的涡旋光的波长不同；通过设置两个发射不同涡旋光的发生器可以增大量程，实现更大测量范围的皮米级位移测量；
[0011]所述辅助测量反射镜固定在待测样品上，用于将光路原路返回；
[0012]所述第一涡旋光发生器发出的涡旋光经第四分光棱镜分为第一透射光和第一反射光两路，
[0013]第一反射光作为参考光，经第三分光棱镜反射输出；
[0014]第一透射光作为测量光，依次经过第一分光棱镜、偏振分光棱镜照射到所述辅助测量反射镜上，经过辅助测量反射镜反射回来的涡旋光再依次经过偏振分光棱镜、第一分光棱镜、第一转向反射镜、第一道威棱镜，再经过第三分光棱镜透射输出；第一道威棱镜用于在光路中增加一次反射以达到共轭干涉的目的，与设置反射镜相比更为简便；
[0015]第三分光棱镜反射出的反射光和透射出的透射光在第一二维光电传感器上发生干涉，得到第一干涉光强分布图像；
[0016]所述第二涡旋光发生器发出的涡旋光经第五分光棱镜分为第二透射光和第二反射光两路，
[0017]第二反射光作为参考光，经第六分光棱镜反射射出；
[0018]第二透射光作为测量光，依次经过第二分光棱镜、第三转向反射镜、偏振分光棱镜照射到所述辅助测量反射镜上，经过辅助测量反射镜反射回来的涡旋光依次经过偏振分光棱镜、第三转向反射镜、第二分光棱镜、第二转向反射镜、第二道威棱镜，再经过第六分光棱镜透射射出；
[0019]第六分光棱镜反射出的反射光和透射出的透射光在第二二维光电传感器上发生干涉，得到第二干涉光强分布图像；
[0020]在待测样品移动前后，先分别提取第一干涉光强分布图像和第二干涉光强分布图像的相对旋转角，再计算得到第一干涉光强分布图像和第二干涉光强分布图像的全行程旋转角度，最后求得待测样品的皮米级位移量，实现大量程皮米级位移快速测量。
[0021]根据本专利技术优选的，所述第一涡旋光发生器产生波长为300
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700nm，拓扑荷为1
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4的线偏振涡旋光；所述第二涡旋光发生器产生波长为300
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700nm，拓扑荷为1
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4的线偏振涡旋光；
[0022]进一步优选的，所述第一涡旋光发生器产生波长为633nm，拓扑荷为1的线偏振涡旋光；所述第二涡旋光发生器产生波长为643nm，拓扑荷为1的线偏振涡旋光。
[0023]根据本专利技术优选的，所述第一二维光电传感器、第二二维光电传感器为CCD、CMOS或二维光电探测器阵列。
[0024]根据本专利技术优选的，所述偏振分光棱镜对P偏振光与S偏振光的透过率之比大于1000，且对P偏振光的透过率在90％以上。如此设置的好处在于，能够提高偏振纯度，确保偏振分光棱镜有比较好的分光效果，避免不同波长涡旋光之间的相互干扰。
[0025]根据本专利技术优选的，所述第一分光棱镜和第二分光棱镜均为透射率与反射率之比5：5的分光棱镜。不具有偏振特性。如此设置的好处在于，与其他分光棱镜相配合，使到达第
一、第二二维光电传感器的参考光与测试光强度接近，实现更好的干涉效果。
[0026]根据本专利技术优选的，所述第三分光棱镜、第四分光棱镜、第五分光棱镜和第六分光棱镜的透射率与反射率之比均为7：3。不具有偏振特性。如此设置的好处在于，与其他分光棱镜相配合，使到达第一、第二二维光电传感器的参考光与测试光强度接近，实现更好的干涉效果。
[0027]一种基于双波长涡旋光自共轭干涉的大量程皮米级位移测量方法，采用上述的测量系统，包括如下步骤：
[0028](1)第一涡旋光发生器和第二涡旋光发生器分别发出波长为λ1和λ2的涡旋光，且λ2＞λ1，由第一二维光电传感器获得待测样品发生位移前、位移后的第一干涉光强分布图像；由第二二维光电传感器获得待测样品发生位移前、位移后的第二干涉光强分布图像；
[0029](2)通过对第一干涉强度分布图像和第二第一干涉强度分布图像进行处理，得到第一干涉强度分布图像和第二第一干涉强度分布图像的相对旋转角度本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于双波长涡旋光自共轭干涉的大量程皮米级位移测量系统，其特征在于，包括第一涡旋光发生器、第二涡旋光发生器、第一二维光电传感器、第二二维光电传感器和辅助测量反射镜，且第一涡旋光发生器和第二涡旋光发生器发出的涡旋光的波长不同；所述辅助测量反射镜固定在待测样品上，用于将光路原路返回；所述第一涡旋光发生器发出的涡旋光经第四分光棱镜分为第一透射光和第一反射光两路，第一反射光作为参考光，经第三分光棱镜反射输出；第一透射光作为测量光，依次经过第一分光棱镜、偏振分光棱镜照射到所述辅助测量反射镜上，经过辅助测量反射镜反射回来的涡旋光再依次经过偏振分光棱镜、第一分光棱镜、第一转向反射镜、第一道威棱镜，再经过第三分光棱镜透射输出；第三分光棱镜反射出的反射光和透射出的透射光在第一二维光电传感器上发生干涉，得到第一干涉光强分布图像；所述第二涡旋光发生器发出的涡旋光经第五分光棱镜分为第二透射光和第二反射光两路，第二反射光作为参考光，经第六分光棱镜反射射出；第二透射光作为测量光，依次经过第二分光棱镜、第三转向反射镜、偏振分光棱镜照射到所述辅助测量反射镜上，经过辅助测量反射镜反射回来的涡旋光依次经过偏振分光棱镜、第三转向反射镜、第二分光棱镜、第二转向反射镜、第二道威棱镜，再经过第六分光棱镜透射射出；第六分光棱镜反射出的反射光和透射出的透射光在第二二维光电传感器上发生干涉，得到第二干涉光强分布图像；在待测样品移动前后，先分别提取第一干涉光强分布图像和第二干涉光强分布图像的相对旋转角，再计算得到第一干涉光强分布图像和第二干涉光强分布图像的全行程旋转角度，最后求得待测样品的皮米级位移量，实现大量程皮米级位移快速测量。2.根据权利要求1所述的一种基于双波长涡旋光自共轭干涉的大量程皮米级位移测量系统，其特征在于，所述第一涡旋光发生器产生波长为300
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700nm，拓扑荷为1
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4的线偏振涡旋光；所述第二涡旋光发生器产生波长为300
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700nm，拓扑荷为1
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4的线偏振涡旋光。3.根据权利要求2所述的一种基于双波长涡旋光自共轭干涉的大量程皮米级位移测量系统，其特征在于，所述第一涡旋光发生器产生波长为633nm，拓扑荷为1的线偏振涡旋光；所述第二涡旋光发生器产生波长为643nm，拓扑荷为1的线偏振涡旋光。4.根据权利要求1所述的一种基于双波长涡旋光自共轭干涉的大量程皮米级位移测量系统，其特征在于，所述第一二维光电传感器、第二二维光电传感器为CCD、CMOS或二维光电探测器阵列。5.根据权利要求1所述的一种基于双波长涡旋光自共轭干涉的大量程皮米级位移测量系统，其特征在于，所述偏振分光棱镜对P偏振光与S偏振光的透过率之比大于1000，且对P偏振光的透过率在90％以上。6.根据权利要求1所述的一种基于双波长涡旋光自共轭干涉的大量程皮米级位移测量系统，其特征在于，所述第一分光棱镜和第二分光棱镜均为透射率与反射率之比5：5的分光棱镜。
7.根据权利要求1所述的一种基于双波长涡旋光自共轭干涉的大量程皮米级位移测量系统，其特征在于，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨忠明，胡晓宁，杨栋，刘兆军，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：