涡旋光与平面波干涉的精密角位移测量装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种涡旋光与平面波干涉的精密角位移测量方法，基于马赫泽德干涉结构搭建光学干涉系统，当待测平面镜和参考平面镜的相对位置不再平行时，由其反射回来的两个光束再次相遇时会发生离轴干涉，产生中间具有分叉结构，周围区域等间距分布的条形干涉图样。此时待测平面镜产生微小角位移时，两束反射光之间的光程差发生变化，干涉图样也会发生相应的变化，该干涉图样包含了待测平面镜倾斜角变化的大小及方向等相关信息。使用CCD相机分别采集平面镜处于不同位置处的干涉图样，通过对干涉图样做进一步的图像处理和计算，可以得到条纹间距和干涉条纹的倾斜角度，进而得到待测平面镜角度变化的大小和方向。面镜角度变化的大小和方向。面镜角度变化的大小和方向。

【技术实现步骤摘要】
涡旋光与平面波干涉的精密角位移测量装置及方法


[0001]本专利技术涉及光电检测领域，特别是涉及一种基于涡旋光与平面波干涉的干涉条纹叉口方向与条纹间距变化，对待测平面镜偏转角度的方向及大小进行检测的装置以及方法。

技术介绍

[0002]涡旋光是指具有螺旋型波前结构的光束，在传播过程中波前会绕着传播方向以螺旋的方式前进。涡旋光束中心存在相位奇点，因此中心光强为零，光强呈环形分布，与普通光相比其最大的特点就是涡旋光的相位围绕奇点沿垂直于传播方向呈螺旋状分布。独特的结构使涡旋光在光学通信、光学测量和微粒操纵等研究领域有着广泛的应用。随着在精密测量中对角位移的测量精度要求越来越高，对角位移的测量方法也提出了越来越高的要求。基于光学的角位移测量方法由于具有较高的精度而备受关注，角位移测量的应用范围也越来越广泛，涉及诸多领域。光学角位移测量方法主要有自准直法，光学内反射法，圆光栅法以及激光干涉法等，现有的干涉测量方法多基于迈克尔逊干涉仪结构利用高斯光束干涉进行测量，生成的是明暗相间的呈条纹状分布的粗细均匀的条纹，此种测量方法的精度多由两束光的光程差决定，是一种间接测量方法，引入了位移测量误差。其普通光的干涉条纹无明显特征，只能根据干涉条纹判断出角位移的大小，无法全方位判断角位移变化的具体方向。

技术实现思路

[0003]针对上述存在的问题，本专利技术结合马赫泽德干涉仪结构，提出了一种基于涡旋光与平面波干涉的角位移测量装置及方法及应用，且在光路的另一侧引入了平行光管同时对平面镜的角位移测量作为对比，提高了系统的可靠性和测量精度，旨在解决角位移的方向和大小实现同时测量的问题。
[0004]本专利技术的有益效果包括：
[0005]本专利技术设计将对平面镜位姿即倾斜角大小及方向的测量转换为对涡旋光与平面波干涉图样条纹间距及叉口方向的测量，增加了系统的稳定性和抗干扰性，适合于光学平台上光学元件位姿变化的测量，满足精度较高的微光学、微电子等领域的测试要求。
附图说明
[0006]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0007]图1为本专利技术的光学干涉系统结构示意图；
[0008]图2为本专利技术的涡旋光与平面波干涉图样；
[0009]图3为本专利技术的光束偏转后的倾角θ和方位角γ关系示意图；
[0010]图4为本专利技术的改变倾斜角θ的平面波(l1＝0)与涡旋光束(l2＝2)离轴干涉图样；
[0011]图5为本专利技术的改变方位角γ的平面波(l1＝0)与涡旋光束(l2＝2)离轴干涉图样；
[0012]图6为本专利技术的测量系统的工作流程图；
[0013]图7为本专利技术的平面反射镜的旋转原理图；
[0014]图8倾角与干涉条纹间距关系原理图；
[0015]图9γ＝0.25π时涡旋光与平面波的干涉条纹图。
具体实施方式
[0016]下面将结合附图对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
[0017]图1为本专利技术的光学干涉系统结构示意图，图6为本专利技术的测量系统的工作流程图，结合图6以及图1，对本专利技术的一种涡旋光与平面波干涉的精密角位移测量装置说明如下：
[0018]本专利技术测量装置包括计算机、PI控制系统、光学干涉系统和图像采集系统，其中，光学干涉系统结构为基于马赫泽德干涉仪结构的涡旋光与平面波干涉的角位移测量系统，具体结构为，
[0019]包括波长λ＝632.8nm的He
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Ne激光器，He
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Ne激光器产生的激光束经第一平面反射镜(M1)后入射到第一透镜(L1)和第二透镜(L2)组成的透镜组进行准直扩束后，进入第一分光棱镜(BS1)后被分为两束光，为透射光和反射光，其中透射光透过第二分光棱镜(BS2)后，通过第三透镜(L3)调节涡旋光光斑半径的大小后，入射到第二平面反射镜(M2)上，光束经第二平面反射镜(M2)反射后返回第二分光棱镜(BS2)，并被第二分光棱镜(BS2)反射后入射到第四分光棱镜(BS4)上，经第四分光棱镜(BS4)反射后由图像采集系统的CCD相机接收；
[0020]进入第一分光棱镜(BS1)后的另一束反射光，经第一分光棱镜(BS1)反射后入射到螺旋相位板(SPP)生成携带轨道角动量的涡旋光，生成的携带轨道角动量的涡旋光通过第三分光棱镜(BS3)后入射到第三平面反射镜(M3)上，第三平面反射镜(M3)反射回来的光再次经第三分光棱镜(BS3)反射后入射到第四分光棱镜(BS4)，两束光在第四分光棱镜(BS4)上再次相遇时发生干涉，当第二平面反射镜(M2)和第三平面反射镜(M3)相对存在一个小角度时，其反射回来的两束光发生离轴干涉，生成中心区域具有分叉结构、其它区域呈等间距的干涉条纹，干涉条纹图样如图2所示，干涉图样由图像采集系统CCD相机采集接收；
[0021]安装在带PiezoMike驱动器的运动反射镜底座上，该底座与压电惯性驱动器(PI)配合使用，由计算机软件控制驱动器，使待测平面镜绕x方向和y方向产生与光轴(z轴)方向微小的角位移，分别记为α和β。
[0022]其中，第二平面反射镜(M2)为双面抛光的平面反射镜，安装在带PiezoMike驱动器的运动反射镜底座上，该底座与压电惯性驱动器(PI)配合使用，由计算机软件控制驱动器，使待测平面镜绕x轴方向和y轴方向产生与光轴(z轴)方向微小的角位移，分别记为α和β。即改变平面镜倾斜角进而改变反射光相对于入射光的倾角θ和方位角γ，其与光轴方向的关系如图3所示。其中θ为反射回去的涡旋光束相对于入射光束的倾角，定义为波矢k与z轴正方向的夹角，γ为xoy面内波矢k的投影与x轴正方向的夹角。
[0023]所述的第二平面反射镜(M2)的另一侧设置有平行光管，对压电惯性驱动器(PI)控
制的第二平面反射镜(M2)的角位移进行测量，将两种测量倾角的结果进行对比，可对光学干涉测量的精度进行评估。
[0024]所述的PI控制系统为压电惯性驱动器。
[0025]拓扑荷数为|l|的涡旋光与平面波干涉时将在涡旋光束中心产生分叉数为|l|+1的分叉条纹，边缘区域为等间距分布的干涉条纹。当平面镜的倾斜方向不变，只改变大小时，干涉条纹的条纹间距会发生相应的变化如图4所示，光束倾角θ越大，条纹越密集。倾角大小保持不变，只改变平面镜倾斜的方向，即方位角γ发生变化时，干涉条纹的叉口方向会发生相应的变化如图5所示，方位角γ与叉口方向具有一一对应关系。因此通过对接收到的干涉图样进行图像处理可以得到条纹间距和条纹分叉口的方向，由条纹间距与倾角之间的关系可得到待测平面镜倾斜角度的大小，根据条纹分叉的方向可判断出待测平面镜倾斜的方向，即实现对平面镜位姿的检测。
[0026]下面结合其它附图对本专利技术的测量方法说明如下：...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种涡旋光与平面波干涉的精密角位移测量装置，其特征在于，包括计算机、PI控制系统、光学干涉系统和图像采集系统，其中，光学干涉系统结构为基于马赫泽德干涉仪结构的涡旋光与平面波干涉的角位移测量系统，具体结构为：包括波长λ＝632.8nm的He
‑
Ne激光器，He
‑
Ne激光器产生的激光束经第一平面反射镜(M1)反射后入射到第一透镜(L1)和第二透镜(L2)组成的透镜组进行准直扩束后，进入第一分光棱镜(BS1)后被分为两束光，为透射光和反射光，其中透射光通过第二分光棱镜(BS2)后，经第三透镜(L3)调节涡旋光光斑半径的大小后，入射到第二平面反射镜(M2)上，光束经第二平面反射镜(M2)反射后返回第二分光棱镜(BS2)，并被第二分光棱镜(BS2)反射后入射到第四分光棱镜(BS4)上，经第四分光棱镜(BS4)反射后由图像采集系统的CCD相机接收；进入第一分光棱镜(BS1)后的另一束反射光，经第一分光棱镜(BS1)反射后入射到螺旋相位板(SPP)生成携带轨道角动量的涡旋光，生成的涡旋光通过第三分光棱镜(BS3)后入射到第三平面反射镜(M3)上，第三平面反射镜(M3)反射回来的光再次经第三分光棱镜(BS3)反射后入射到第四分光棱镜(BS4)，两束光在第四分光棱镜(BS4)上再次相遇时发生干涉，当第二平面反射镜(M2)和第三平面反射镜(M3)相对存在一个小角度时，其反射回来的两束光发生离轴干涉，生成中心区域具有分叉结构、其它区域呈等间距的干涉条纹，干涉图样由图像采集系统CCD相机采集接收；其中，第二平面反射镜(M2)为双面抛光的平面反射镜，安装在带PiezoMike驱动器的运动反射镜底座上，该底座与压电惯性驱动器(PI)配合使用，由计算机软件控制驱动器，使待测平面镜绕x轴方向和y轴方向产生与光轴(z轴)方向微小的角位移，分别记为α和β。即通过改变待测平面镜倾斜角进而改变反射光相对于入射光的倾角θ和方位角γ，其中θ为反射回去的涡旋光束相对于入射光束的倾角，定义为波矢k与z轴正方向的夹角，γ为xoy面内波矢k的投影与x轴正方向的夹角。2.根据权利要求1所述的一种涡旋光与平面波干涉的精密角位移测量装置，其特征在于，所述的第二平面反射镜(M2)的另一侧设置有平行光管，对压电惯性驱动器(PI)控制的第二平面反射镜(M2)的角位移进行测量，将两种测量倾角的结果进行对比，可对光学干涉测量的精度进行评估。3.根据权利要求1所述的一种涡旋光与平面波干涉的精密角位移测量装置，其特征在于，所述的PI控制系统为压电惯性驱动器。4.一种如权利要求1
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3中任一权利要求所述的一种涡旋光与平面波干涉的精密角位移测量方法，其特征在于，所述的精密角位移测量方法包括如下步骤：搭建基于马赫泽德干涉仪结构的涡旋光与平面波干涉的角位移测量系统；第二平面反射镜(M2)与第三平面反射镜(M3)反射回来的光束于第四分光棱镜(BS4)再次相遇时发生离轴干涉，产生中间具有分叉结构、周围等间距分布的条形干涉图样，其中一个平面反射镜产生角位移时，两束反射光之间的光程差发生变化，干涉图样也会发生相应的变化，该干涉图样包含了平面反射镜倾斜角变化的大小及方向等相关信息；使用CCD相机分别采集平面反射镜处于不同位置处的干涉图样；通过对干涉图样做进一步的图像处理和计算，得到条纹间距，进而得到平面反射镜角位移的大小；当平面反射镜的倾斜方向变化时，通过对条纹间距的大小及叉口方向进行分析来获得
平面反射镜倾斜角变化的大小及方向。5.根据权利要求4所述的一种涡旋光与平面波干涉的精密角位移测量方法，其特征在于，所述的干涉图样的特征信息与角位移变化的关系计算具体过程为：He
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Ne激光器发出的光束经螺旋相位板(SPP)转换为携带轨道角动量的涡旋光...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏豪杰，李哲，赵会宁，李维诗，张进，常松涛，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：