CN102102989B - 基于涡旋位相板的激光光束基准定标方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于涡旋位相板的激光光束基准定标方法和装置，将激光器出射的激光，通过反射镜和角锥棱镜折转光束之后，采用涡旋位相板对激光光束进行位相编码，应用平行光束的远场干涉衍射原理，编码后的平行光束中央将产生干涉暗斑作为激光光束的位置基准，且该暗斑的位置由涡旋位相板中心点决定，不随光束飘移而变化，并且不受光斑质量的影响，最终通过电荷耦合器件获取暗点中心位置。该基准可用作直线导轨直线度误差检测的基准或者监测物体二维位置变化的基准。本发明结构简单，避免引入附加误差；系统稳定性强，有利于实际应用；定位准确且不易受周围环境影响。

Description

基于涡旋位相板的激光光束基准定标方法和装置

技术领域

本发明属于光学测试领域，具体涉及一种基于涡旋位相板的激光光束基准定标方法和装置。

背景技术

由于激光具有方向性好、单色性强、能量集中等特点，随着科学技术的发展，目前在显微观测、距离测量、光存储、数据传输等领域，得到了越来越广泛的应用。在很多实际应用中，往往需要使用各种位置敏感器件接收激光光束光斑信号，获取激光光斑的相对位置信息，进而产生反馈或测试信号，达到系统目的。由于激光光斑的在位置敏感器件表面不可能呈现为理想像点，而是有一定面积大小的光斑，因此，必须采用技术手段指定光斑内特定点作为光斑的位置基准。常用的作为光束位置基准的点包括几何中心点或光强最强点两种方式。然而当激光光斑被部分遮挡或者位置敏感器件位置与光束方向不垂直时，上述两种方式往往不能得到稳定的基准；之后，也有研究人员使用光斑“能量重心点”即光斑内光强平均中心点的位置作为光束基准，这种方式虽然避免了上述问题，在实际各种以激光为光源的设备中，由于装置振动、温度湿度差异等原因，激光光束在使用一段时间后，往往不可避免地会产生横向位置飘移或角度倾斜现象，因此上述两种光斑基准都会随之产生偏移，进而影响整个系统的性能。

因此，也有研究人员在光束路径上使用环形孔径光阑，人为地对光束进行部分遮挡，在位置敏感器件上的光斑中央制造一个暗斑作为光束基准。该方法解决了由于光束自身抖动或光斑质量不好造成的测量误差，只要可以保证环形孔径光阑相对机械位置的稳定即可以保证位置敏感器件上光斑中央暗斑的稳定，与之前的设计方案相比具有更高的准确性。但是，当环形孔径光阑中央挡光部分面积过大时，由于暗斑面积的增大，反而不容易准确定位；而当中央挡光部分面积过小时，由于光束先天具有的衍射特性，中央暗斑很容易由于衍射效应而被湮灭，出现暗斑消失的情况，这一点在激光光路光程过长时表现得尤为明显。

发明内容

本发明提供了一种基于涡旋位相板的激光光束基准定标方法和装置，克服了现有技术在设计原理和工程实现上的不足。

一种基于涡旋位相板的激光光束基准定标方法，包括以下步骤：

(1)将由激光光源发出的工作光束通过由单模光纤和准直镜构成的组合装置进行准直；

(2)将经过准直的工作光束依次通过带有二维平移调整机构的角锥棱镜和带有二维角度调整机构的反射镜进行光路折转，调节调整机构使得所述的角锥棱镜进行二维平移和所述的反射镜进行二维转动，使经光路折转后的工作光束的出射方向与位置敏感器件垂直；

(3)将0～2π涡旋位相板固定在一个带有二维平移调整机构的调节架上，调节所述的调节架，使所述的0～2π涡旋位相板的中心与经光路折转后出射的工作光束的中心重合，所述的工作光束通过0～2π涡旋位相板进行0～2π涡旋位相编码；

(4)经过位相编码后的工作光束垂直投射到位置敏感器件上，获取光斑中央暗斑中心位置信号作为工作光束的位置基准，完成激光光束基准定标。所述的光斑中央暗斑中心位置信号，为稳定的、不随工作光束抖动而发生变化的基准。

将位置敏感器件固定在被测量物体上，利用上述方法产生的激光光束基准，可以实时监测被测量物体的二维偏移和测量直线导轨的二维直线度误差。

步骤(3)中，所述的0～2π涡旋位相板可以通过光刻加工或空间光调制器来实现。

本发明采用涡旋位相板对激光光束进行位相编码，应用平行光束的远场干涉衍射原理，编码后的平行光束中央将产生干涉暗斑作为激光光束的位置基准，且该暗斑的位置由涡旋位相板中心点决定，不随光束飘移而变化，并且不受光斑质量的影响，最终通过电荷耦合器件获取暗点中心位置。

一种用于实现上述基于涡旋位相板的激光光束基准定标装置，包括：

激光光源，用于产生工作光束；

由单模光纤和准直镜构成的组合装置，用于对所述的激光光源产生的工作光束进行准直；

带有二维平移调整机构的角锥棱镜和带有二维角度调整机构的反射镜，用于对经准直后的工作光束进行光路折转，使得折转后的工作光束的出射方向与位置敏感器件垂直；

带有二维平移调整机构的0～2π涡旋位相板，用于对折转后的工作光束进行0～2π涡旋位相编码，所述的0～2π涡旋位相板的中心与所述的折转后的工作光束的中心重合；以及

位置敏感器件，用于探测垂直投射到其上的经位相编码后的工作光束，获取光斑中央暗斑中心位置信号，作为所述的工作光束的位置基准。

本发明中，所述的激光光源可以为通用的任何产生准直激光的光源，优选使用激光器。

本发明中，所述的二维平移调整机构优选为平移台，可以使用机械传动装置或无机械传动的压电陶瓷。

本发明中，所述的二维角度调整机构优选为角偏转器件，可以使用机械传动装置或无机械传动的压电陶瓷。

所述的平移台或角偏转器件优选为无机械传动的压电陶瓷，其具有更高的反馈调整速度和调整精度，可以达到平行偏移30纳米以下，角度偏移0.1弧秒以下。并且，使用无机械传动的压电陶瓷时，调整时间延迟和使用寿命也远好于机械传动装置。

本发明中，所述的位置敏感器件优选为二维CCD(Charge-coupledDevice，电荷耦合元件)探测器。

本发明中，所述的0～2π涡旋位相板可以通过光刻加工或空间光调制器来实现。

本发明的工作原理如下：

将激光器出射的激光，通过反射镜和角锥棱镜折转光束之后，进一步经过0～2π涡旋位相板进行位相编码。经过位相编码后的激光光束，由于在光束横截面内各点的位相延迟不同，根据平行光束的干涉衍射原理，在远场将在光束中央形成暗斑。由于暗斑的中心位置仅由0～2π涡旋位相板中心位置决定，不随光束的飘移或者光斑质量的差异而发生变化，暗斑的中心位置可以通过电荷耦合器件获取，并作为直线导轨直线度误差检测的基准或者监测物体二维位置变化的基准。

相对于现有技术，本发明具有以下有益的技术效果：

(1)结构简单，仅需要一个采样点进行信号采样，没有成像镜组，避免由于工作光束的不稳定使系统引入附加误差；

(2)实现原理容易，系统稳定性强，有利于实际应用；

(3)采用光束远场衍射原理，仅仅需要保持位相板一个光学元件的稳定即可以实现精确定位，相比之前的技术，本发明定位准确且不易受周围环境影响。

附图说明

图1为本发明的基于涡旋位相板的激光光束基准定标装置示意图。

图2为本发明中0～2π涡旋位相板示意图，a为横向示意图，b为立体示意图。

图3为本发明中位置敏感器件上的光强分布图；其中，a为整个器件上的光强分布图，b为沿光强分布中心点的径向剖面强度曲线。

图4为采用本发明进行直线导轨直线度误差测量的装置示意图。

图中：

激光光源1；由单模光纤和准直镜构成的组合装置2；带有二维平移调整机构的角锥棱镜3；带有二维角度调整机构的反射镜4；带有二维平移调整机构的0～2π涡旋位相板5；位置敏感器件6；移动平台7；直线导轨8。

具体实施方式

下面结合附图和实施例来详细说明本发明，但本发明并不仅限于此。

如图1所示的一种基于涡旋位相板的激光光束基准定标装置，包括：

激光光源1，用于产生工作光束；

由单模光纤和准直镜构成的组合装置2，用于对所述的激光光源1产生的工作光束进行准直；

带有二维平移调整机构的角锥棱镜3和带有二维角度调整机构的反射镜4，用于对经准直后的工作光束进行光路折转，使得折转后的工作光束的出射方向与位置敏感器件6垂直；

带有二维平移调整机构的0～2π涡旋位相板5，用于对折转后的工作光束进行0～2π涡旋位相编码，0～2π涡旋位相板5的中心与所述的折转后的工作光束的中心重合；以及

位置敏感器件6，用于探测垂直投射到其上的经位相编码后的工作光束，获取光斑中央暗斑中心位置信号，作为所述的工作光束的位置基准。

由激光光源1发出的工作光束，将依次通过由单模光纤和准直镜构成的组合装置2、带有二维平移调整机构的角锥棱镜3、带有二维角度调整机构的反射镜4、带有二维平移调整机构的0～2π涡旋位相板5，并最终在位置敏感器件6上形成光斑，如图1实线所示。

其中，位置敏感器件6为二维CCD探测器。

其中，二维平移调整机构为无机械传动的压电陶瓷平移台，具有更高的反馈调整速度和调整精度，可以达到平行偏移30纳米以下；二维角度调整机构为无机械传动的压电陶瓷角偏转器件，具有更高的反馈调整速度和调整精度，可以达到角度偏移0.1弧秒以下。此外，压电陶瓷平移台或角偏转器件，调整时间时间延迟和使用寿命也远好于机械传动装置。

采用上述基准定标装置进行激光光束基准定标的方法，包括以下步骤：

(1)将由激光光源1发出的工作光束通过由单模光纤和准直镜构成的组合装置2进行准直，减小光束发散角；

(2)将经过单模光纤和准直镜组合装置2基本准直的工作光束依次通过带有二维平移调整机构的角锥棱镜3和带有二维角度调整机构的反射镜4进行光路折转，并且通过调节调整机构分别调节角锥棱镜3的横向位置和反射镜4的俯仰，进而对工作光束的准直度进行调整，使经光路折转后工作光束的出射方向与位置敏感器件垂直；

(3)将0～2π涡旋位相板5固定在一个带有二维平移调整机构的调节架上，调节所述的调节架，使0～2π涡旋位相板5的中心与经光路折转后出射的工作光束中心重合，所述的工作光束通过0～2π涡旋位相板5进行0～2π涡旋位相编码；

位相板的主要原理是使通过它的光束在不同位置产生不同的相位延迟以达到相位编码的目的。如图2所示为0～2π涡旋位相板5的横向示意图(a)和立体示意图(b)。0～2π涡旋位相板5对入射光的位相延迟量Δα由如下公式决定：

式中，为位相板平面上位置极坐标矢量与x轴的夹角。

(4)经过位相编码后的工作光束垂直投射到位置敏感器件上，获取光斑中央暗斑中心位置信号作为工作光束的位置基准，完成激光光束基准定标。光斑中央暗斑中心位置信号为稳定的、不随工作光束抖动而发生变化的基准。

经过涡旋位相板编码后的工作光束，根据干涉衍射原理，将在远场产生干涉效应，并最终影响横截面上的光强分布。

根据菲涅尔衍射公式，远场电场分布E(x″，y″，z)可以写为：

$E(x^{\′},y^{\′},z)=\frac{e^{\mathrm{ikz}}}{\mathrm{i\λz}}\∫{\∫}_{-\∞}^{\∞}E(x,y,0)O(x,y,0)e^{\mathrm{ik}/2z[{(x^{\′}-x)}^2+{(y^{\′}-y)}^2]}\mathrm{dxdy}$

其中，k为工作光束波数，由公式

决定，λ为工作光束波长；

E(x，y，0)为工作光束的截面强度分布函数，当光束为理想均匀平面波时，可以认为E≡1；当光束为高斯波时，E(x，y，0)可以写为：

$E(x,y,0)={\mathrm{Ae}}^{-[(x^2+y^2)/a^2]}$

其中a为光束束腰半径大小；

O(x，y，0)为透射函数，当光束经过0～2π涡旋位相板5编码后，可以写为：

式中，

为位相板平面上位置极坐标矢量与x轴的夹角。

通过上述计算，可以得到工作光束远场横截面上场强分布，进一步通过公式I＝|E|²可以得到光强分布图。

当经过涡旋位相板5编码后的工作光束在远场通过位置敏感器件6接收后，位置敏感器件6上的光强分布将如图3所示。图3中，a为整个器件上的光强分布图，b为沿光强分布中心点的径向剖面强度曲线。从图3中可以看到，在光束截面内将出现一个明显的暗斑，该暗斑的位置由0～2π涡旋位相板5位置决定，与工作光束中心点位置没有关系。当工作光束处于抖动时，光斑几何中心点位置发生改变，造成暗斑周围的光强分布会发生变化，而暗斑中心点位置并不改变、并且此时暗斑中心点光强I(0，0，z)≈0。

由位置敏感器件6获得的图像经过数字图像处理，可以得到暗斑中心点位置，从而得到工作光束的位置基准，完成激光光束基准定标。

采用上述激光光束基准定标装置和方法，可以动态测量目标物体在二维平面内振动情况。具体实施方案就是：将目标物体与位置敏感器件6刚性连接即可。当目标物体振动时，将带动位置敏感器件6一起振动。在这种状态下，以工作光束在位置敏感器件6上光斑的中央暗斑中心点位置作为基准，记录得到的位置将动态变化，进而与基准进行比较可以得到偏振量Δ。根据运动的相对性原理，此时-Δ即为目标物体的实时振幅大小和方向。

采用上述激光光束基准定标装置和方法，可以测量直线导轨的二维直线度误差，直线度误差的大小是用来评价直线导轨的直线性。具体实施方案就是：将位置敏感器件6安装在可沿直线导轨移动的移动平台上。

图4给出了采用本发明进行直线导轨直线度误差测量的装置示意图。包括：激光光源1；由单模光纤和准直镜构成的组合装置2；带有二维平移调整机构的角锥棱镜3；带有二维角度调整机构的反射镜4；带有二维平移调整机构的0～2π涡旋位相板5；位置敏感器件6；移动平台7；和直线导轨8。

按照前述的方法，先将系统工作光束调整到与直线导轨8平行，之后将0～2π涡旋位相板5固定在一个带有二维平移调整机构的调节架上，调整该调节架使涡旋位相板5的中心与光束中心重合。再将位置敏感器件6与移动平台7进行刚性连接。此时，由于0～2π涡旋位相板5的位置固定不变，工作光束上的暗斑中心不会随着光束抖动而改变，因此可以用作高稳定性的测量直线基准。当移动平台7与位置敏感器件6一起沿直线导轨8进行直线移动，由于直线导轨8存在二维直线度误差会造成位置敏感器件6上下起伏和左右平移。因此，可以以工作光束在位置敏感器件6上暗斑中心点位置作为基准，记录得到的暗斑位置将动态变化，进而与初始位置进行比较可以得到偏移量Δ。根据运动的相对性原理，此时-Δ即为直线导轨的直线度误差大小和方向，亦即可以得到直线导轨8的二维直线度误差。

Claims (7)

1.一种基于涡旋位相板的激光光束基准定标方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将由激光光源发出的工作光束通过由单模光纤和准直镜构成的组合装置进行准直；

(2)将经过准直的工作光束依次通过带有二维平移调整机构的角锥棱镜和带有二维角度调整机构的反射镜进行光路折转，调节调整机构使得所述的角锥棱镜进行二维平移和所述的反射镜进行二维转动，使经光路折转后的工作光束的出射方向与位置敏感器件垂直；

(3)将0～2π涡旋位相板固定在一个带有二维平移调整机构的调节架上，调节所述的调节架，使所述的0～2π涡旋位相板的中心与经光路折转后出射的工作光束的中心重合，所述的工作光束通过0～2π涡旋位相板进行0～2π涡旋位相编码；

(4)经过位相编码后的工作光束垂直投射到位置敏感器件上，获取光斑中央暗斑中心位置信号作为工作光束的位置基准，完成激光光束基准定标。

2.如权利要求1所述的基于涡旋位相板的激光光束基准定标方法，其特征在于，步骤(3)中，所述的0～2π涡旋位相板通过光刻加工或空间光调制器来实现。

3.一种基于涡旋位相板的激光光束基准定标装置，其特征在于，包括：

激光光源，用于产生工作光束；

由单模光纤和准直镜构成的组合装置，用于对所述的激光光源产生的工作光束进行准直；

带有二维平移调整机构的角锥棱镜和带有二维角度调整机构的反射镜，用于对经准直后的工作光束进行光路折转，使得折转后的工作光束的出射方向与位置敏感器件垂直；

带有二维平移调整机构的0～2π涡旋位相板，用于对折转后的工作光束进行0～2π涡旋位相编码，所述的0～2π涡旋位相板的中心与所述的折转后的工作光束的中心重合；以及

位置敏感器件，用于探测垂直投射到其上的经位相编码后的工作光束，获取光斑中央暗斑中心位置信号，作为所述的工作光束的位置基准。

4.如权利要求3所述的基于涡旋位相板的激光光束基准定标装置，其特征在于，所述的二维平移调整机构为平移台，所述的二维角度调整机构为角偏转器件。

5.如权利要求4所述的基于涡旋位相板的激光光束基准定标装置，其特征在于，所述的平移台或角偏转器件采用无机械传动的压电陶瓷。

6.如权利要求3所述的基于涡旋位相板的激光光束基准定标装置，其特征在于，所述的位置敏感器件为二维CCD探测器。

7.如权利要求3所述的基于涡旋位相板的激光光束基准定标装置，其特征在于，所述的0～2π涡旋位相板通过光刻加工或空间光调制器来实现。

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