CN108709514A - 一种紧凑型滚转角传感器装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光电检测与测量领域，并具体公开了一种紧凑型滚转角传感器装置及测量方法，包括线偏振光产生模块、传感模块和集成检测模块，线偏振产生模块包括激光器和线偏振器，传感模块包括波片，波片与待测旋转元件相连并同步转动，集成检测模块包括圆偏振分束超透镜和光强探测器；所述方法采用所述装置进行测量，由激光器发出的准直单色光经线偏振器起偏为线偏振光，然后经波片调制为椭圆偏振光，再垂直照射至圆偏振分束超透镜，经偏振分离和会聚后，得到左旋圆偏振会聚光和右旋圆偏振会聚光，最后左旋和右旋圆偏振会聚光会聚到探测器感光面上不同的两点上，并由探测器测量其光强。本发明具有测量范围大、测量精度高、整体体积小、光路简单的优点。
Description
技术领域
本发明属于光电检测与测量领域，更具体地，涉及一种紧凑型滚转角传感器装置及测量方法。
背景技术
滚转角，作为六个自由度之一，是物体绕其纵轴旋转的角位移。结合其他五个自由度(包括两个转动位移和三个移动位移)，可以完全确定一个物体在三维空间中的位置。因此，滚转角能够直接影响机器人的运动性能以及计算机辅助制造的产品质量。除此之外，滚转角在其他应用中也起着重要作用，如飞行体空间对接和阿贝误差修正等。鉴于滚转角在许多领域中的重要作用，因此有必要对其进行精确、可靠的测量和控制。
在众多测量方法中，光学测量法以其非接触、高精度和设计灵活的优势受到广泛研究，并成为滚转角测量的主要方法。根据响应信号的不同，目前这些光学测量方法可主要分为干涉法、偏振法和几何法，其分别将滚转角的变化转换为两束探测光的相位变化、探测光的位置变化和偏振变化。清华大学的殷纯永等在公开号为CN1335483A的专利文献中，提出用双频横向塞曼激光器的正交线偏振光实现滚转角测量,该专利采用干涉测量方法，实现了较高的测量精度，但测量范围小，而且测量系统复杂。浙江大学的刘勇等在文献“Smallangle measurement method based on the total internal multi-reflection”(Optics&Laser Technology,2012,44:1346-1350)中提出利用全内反射的反射率随光束角度改变的变化来测量滚转角，该文献采用几何测量方法，实现了高精度的测量，但其测量范围较小，且系统光路复杂，测量装置体积较大。清华大学的李世光等在文献“Compactoptical roll-angle sensor with large measurement range and high sensitivity”(Optics Letter,2005,30(3):242-244)中提出利用石榴石通过分时调制的方式测量滚转角，该文献采用偏振测量方法，实现了大范围、较高精度的滚转角测量，且测量系统较为简单，但该测量装置的体积仍然较大。上述这些方法涉及的滚转角测量装置均由多个体元件组成，这直接造成了复杂的系统光路和庞大的装置体积，从而限制了这些滚转角测量装置在一些空间受限情况下的应用。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种紧凑型滚转角传感器装置及测量方法，其通过对关键组件基于超表面的圆偏振分束透镜(为便于描述，下文称为圆偏振分束超透镜)的结构及具体布置方式的研究与设计，以将偏振选择、光束偏离和会聚的功能集成在一个元件上，使得装置结构极为紧凑，通过偏振法与超表面的结合，可实现滚转角的大范围测量，同时具有测量精度高、整体体积小、光路简单的优点，适用于空间大小受限，且在较大回转角度范围内要求高测量精度的情况。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种紧凑型滚转角传感器装置，其特征在于，包括线偏振光产生模块、传感模块和集成检测模块，其中，所述线偏振产生模块包括激光器和线偏振器，所述传感模块包括波片，该波片作为传感元件与待测旋转元件相连并同步转动，以将待测旋转元件的滚转角变化转换为探测光束的偏振变化，所述集成检测模块包括基于超表面的圆偏振分束透镜和光强探测器；其中，由激光器发出的准直单色光首先经过线偏振器起偏为线偏振光，然后经波片调制为椭圆偏振光，再垂直照射至圆偏振分束超透镜，并经圆偏振分束超透镜的偏振分离和会聚后，得到一束具有左旋圆偏振的会聚光和一束具有右旋圆偏振的会聚光，即左旋会聚光和右旋会聚光，最后左旋会聚光和右旋会聚光会聚到探测器感光面上不同的两点上，并由探测器测量其光强。
作为进一步优选的，所述线偏振器、波片、圆偏振分束超透镜和光强探测器的工作面相互平行，并且与激光器发出的准直单色光保持垂直。
作为进一步优选的，所述圆偏振分束超透镜包括石英基底及设置在该石英基底上的两交叉排列的多晶硅椭圆柱阵列，其中一阵列用于会聚入射光中的左旋圆偏振分量，得到具有右旋圆偏振的会聚光，该阵列定义为左旋阵列，另一阵列用于会聚入射光中的右旋圆偏振分量，得到具有左旋圆偏振的会聚光，该阵列定义为右旋阵列。
作为进一步优选的，左旋阵列中多晶硅椭圆柱与水平线呈αL夹角，该αL夹角采用如下方式计算：
其中，(xL,yL,zL)为左旋阵列中多晶硅椭圆柱底部的中心点坐标，(xfL,yfL,zfL)为左旋阵列会聚的光束在探测器感光面上的焦点坐标。
作为进一步优选的，右旋阵列中多晶硅椭圆柱与水平线呈αR夹角，该αR夹角采用如下方式计算：
其中，(xR,yR,zR)为右旋阵列中多晶硅椭圆柱底部的中心点坐标，(xfR,yfR,zfR)为右旋阵列会聚的光束在探测器感光面上的焦点坐标。
作为进一步优选的，所述圆偏振分束超透镜采用如下方式制备：
(1)以500μm厚的熔融石英为基底，并在该基底上沉积339nm厚的多晶硅薄膜；
(2)在多晶硅薄膜表面上蒸镀20nm厚的Cr金属导电层；
(3)在Cr金属导电层表面旋涂150nm厚的负型氢硅酸盐光刻胶；
(4)将与左、右旋阵列中多晶硅椭圆柱对应的图案写在光刻胶上，并用NaOH水溶液进行显影；
(5)刻蚀Cr金属导电层，以刻蚀出的Cr金属导电层的图案为掩模，对多晶硅薄膜层进行刻蚀；
(6)去除多晶硅薄膜层表面的Cr金属导电层和光刻胶，获得所需的圆偏振分束超透镜。
作为进一步优选的，每个椭圆柱的作用与二分之一波片相似，具有180°相位延迟量，且透射率＞60％。
作为进一步优选的，所述波片通过固定元件与待测旋转元件相连。
按照本发明的另一方面，提供了一种滚转角测量方法，其利用所述的紧凑型滚转角传感器装置进行测量，其特征在于，该方法包括如下步骤：
S1激光器发出准直单色光，准直单色光经线偏振器起偏为线偏振光；
S2线偏振光经与待测旋转元件相连并同步转动的波片后调制为椭圆偏振光，再垂直照射至圆偏振分束超透镜；
S3垂直照射至圆偏振分束超透镜的光经圆偏振分束超透镜偏振分离和会聚后，得到一束具有左旋圆偏振的会聚光和一束具有右旋圆偏振的会聚光，即左旋会聚光和右旋会聚光；
S4左旋会聚光和右旋会聚光分别会聚至探测器感光面上不同的两点上，并由探测器测量其光强；
S5根据探测器测量获得的光强计算出待测旋转元件的滚转角。
作为进一步优选的，所述根据探测器测量获得的光强计算出待测旋转元件的滚转角具体为：
S51计算滚转角的估计值
其中，I-1和I+1分别为左旋会聚光和右旋会聚光的光强；
S52计算滚转角的实际值：
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1.本发明采用超表面将偏振选择、光束偏离和会聚的功能集成到一个关键元件上，使得滚转角传感器装置的整体结构极为紧凑，极大地减小了测量装置的体积。
2.本发明的滚转角传感器装置采用偏振法将待测物体的转动转换为探测光偏振态的变化，然后通过超表面元件解析偏振态变化，从而计算出待测物体的滚转角，极大简化了光路系统，进一步减小测量装置的体积，并提高了测量的准确性。
3.本发明研究设计的滚转角传感器装置，不仅光路简单、体积小，同时还具有测量范围大、测量精度高的优点，本发明滚转角传感器的灵敏度可达到1，测量范围可达到90°。
4.本发明还对圆偏振分束超透镜的结构设计进行了研究，通过对椭圆柱的布置，使其长轴与水平线的夹角与其所需的相位对应，以保证圆偏振分束超透镜将入射光有效的分束成左旋会聚光和右旋会聚光，并将其分别会聚到探测器感光面上的两个焦点上。
5.本发明还对圆偏振分束超透镜的椭圆柱的性能进行研究与设计，使得每个椭圆柱可看作二分之一波片，即具有180°相位延迟量(相位延迟量指的是在椭圆柱长轴和短轴方向，光传播的相位差，例如波片的相位延迟量指的是快轴和慢轴方向的相位差)且具有＞60％的高透射率，以使得圆偏振分束超透镜会聚能力较大，减小噪声对测试结果产生影响，提高测试的准确性。
6.本发明还对圆偏振分束超透镜的制备方法进行了研究，获得了适用于制备本发明圆偏振分束超透镜的工艺，具有制备流程简单方便，易于实施的特点，具备大规模生产的可行性。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种紧凑型滚转角传感器装置的结构示意图；
图2(a)-(b)是本发明实施例提供的集成检测模块的一种结构示意图；
图3(a)-(b)是本发明实施例提供的椭圆柱均匀阵列的透射特性图；
图4(a)-(i)是本发明实施例提供的圆偏振分束超透镜的性能分析图(LP、LCP和RCP分别指线偏振光、左旋圆偏振光和右旋圆偏振光)；
图5是本发明实施例提供的圆偏振分束超透镜的加工流程图；
图6是本发明实施例提供的滚转角估计值与滚转角输入值的理论关系曲线图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明实施例提供的一种紧凑型滚转角传感器装置，其包括线偏振光产生模块1、传感模块2和集成检测模块3，其中，线偏振产生模块1包括依次设置的激光器101和线偏振器102，线偏振器102可通过光学胶直接集成在激光器101的激光出口，或者直接采用内置线偏振器的激光器；传感模块2包括波片201，该波片201作为传感元件，其譬如通过固定元件202与待测旋转元件相连，并与待测旋转元件同步转动，以将待测旋转元件的滚转角变化转换为探测光束的偏振变化，集成检测模块3包括依次设置的圆偏振分束超透镜301和光强探测器302，圆偏振分束超透镜301可通过光学胶直接集成到光强探测器302的感光面。通过上述结构的滚转角传感器装置使得由激光器101发出的准直单色光(单波长的准直光束)首先经过线偏振器102起偏为线偏振光，然后经波片201调制为椭圆偏振光，再垂直照射至圆偏振分束超透镜301，并经圆偏振分束超透镜301的偏振分离和会聚后，得到一束具有左旋圆偏振的会聚光(即左旋会聚光)和一束具有右旋圆偏振的会聚光(即右旋会聚光)，最后两束(即左旋会聚光和右旋会聚光)分别会聚到探测器302感光面上不同的两点上，并由探测器302测量其光强。
具体的，线偏振器102、波片201、圆偏振分束超透镜301和光强探测器302依次设置，并且工作面相互平行，且与激光器101发出的准直单色光保持垂直，从而保证探测光以0度入射角分别与线偏振器102、波片201和圆偏振分束超透镜301相作用。
本发明的线偏振器可选用传统的格兰泰勒(Glan-Taylor)棱镜、格兰激光棱镜、格兰汤姆森(Glan-Thompson)棱镜和洛匈(Rochon)棱镜等，偏振器材料可以为方解石、石英、氟化镁、YVO4和α-BBO等；也可选用新型的薄膜类偏振器和结构类偏振器。不同类型不同材料的偏振器有不同的制备工艺及性能，因此满足本装置紧凑、微型化要求和起偏功能的偏振器都能应用于本发明装置中。本实施例的偏振器102优选采用薄膜偏振器，在保证高消光比的情况下，减小了整个装置的体积。波片可选用四分之一波片或者二分之一波片，其材料可用云母、石英和液晶等。两种类型的波片对探测光偏振的调制功能不同，也直接关系到偏振分束透镜超表面的设计。因此满足与偏振分束器匹配的波片都能应用于本发明装置中。本实施例中优选四分之一波片，并优选采用真零级波片，减小相位延迟量的误差。
本发明的圆偏振分束超透镜也可选用线偏振分束超透镜。不同类型的偏振分束超透镜对探测光的偏振响应不同，与波片的选择密切相关。例如选用线偏振分束超透镜时，可搭配二分之一波片。因此满足与波片匹配的偏振分束超透镜都能应用于本发明装置中。
在上述装置中，探测器同时对两束光的光强进行测量，可选用光电二极管阵列、电荷耦合器件(Charge Coupled Device,CCD)图像传感器和互补金属氧化物半导体(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Transistor,CMOS)图像传感器。不同探测器有各自的特点，因此能够使本装置紧凑，同时能够实现光强实时测量的探测器都能应用于本发明装置中。
本实施例中，对于集成检测模块3中的圆偏振分束超透镜301，其为基于超表面的圆偏振分束透镜，其设计原理如图2所示。如图2所示，圆偏振分束超透镜301包括熔融石英基底及设置在该石英基底上的两交叉排列的多晶硅椭圆柱阵列，所有椭圆柱的结构尺寸相同，其中一阵列用于会聚入射光中的左旋圆偏振分量以得到具有右旋圆偏振的会聚光，该阵列定义为左旋阵列，另一阵列用于会聚入射光中的右旋圆偏振分量以得到具有左旋圆偏振的会聚光，该阵列定义为右旋阵列，即石英基底上设置有两组多晶硅椭圆柱阵列，分别为左旋阵列和右旋阵列，这两组阵列交叉布置，两组阵列交叉布置构成一N×N阵列，N×N阵列中上下两行椭圆柱的位置上下对应，并且同一行中的椭圆柱等间距布置，同一椭圆柱与四周椭圆柱的间距相等。如图2所示，左旋阵列中的多晶硅椭圆柱用黑色表示，右旋阵列中的多晶硅椭圆柱用白色表示，黑色与白色多晶硅椭圆柱交叉布置，构成一4×4阵列，其中第一行均为黑色，且等间距布置，第二行均为白色，且等间距布置，第三行均为黑色，且等间距布置，第四行均为白色，且等间距布置，白色椭圆柱与其上方黑色椭圆柱之间的间距等于该白色椭圆柱与其下方黑色椭圆柱之间的间距也等于该白色椭圆柱与其右边白色椭圆柱之间的间距，同样也等于该白色椭圆柱与其左边白色椭圆柱之间的间距。当然也可以设计其他N×N阵列，设计原理同上，不赘述。如图2所示，圆偏振分束超透镜301中黑色椭圆柱阵列会聚入射光中的左旋圆偏振分量于焦点QfL(xfL,yfL,zfL)，白色椭圆柱阵列会聚入射光中右旋圆偏振分量于焦点QfR(xfR,yfR,zfR)。
而为了使得黑色椭圆柱阵列顺利的会聚入射光中的左旋圆偏振分量于焦点QfL(xfL,yfL,zfL)，则需要对黑色椭圆柱阵列进行研究与设计，其中，同一行中的黑色椭圆柱的中心连线与水平线平行，并且等间距布置，且黑色椭圆柱的长轴与水平线呈αL夹角，该αL由黑色椭圆柱的相位决定。
具体而言，当左旋圆偏振光入射时，任意一个黑色椭圆柱底部(椭圆柱与基底接触的一面)中心点位置处(xL,yL,zL)的相位应满足：
其中，λ是入射光的工作波长， (xfL,yfL,zfL)为左旋阵列所会聚光束在探测器感光面上的焦点坐标，即左旋阵列会聚的光束在探测器感光面上的坐标，即焦点QfL(xfL,yfL,zfL)的坐标。
则αL＝βL/2，即椭圆柱的长轴与水平线的夹角为βL/2，其通过逆时针旋转黑色椭圆柱使其长轴与水平线呈αL即可实现。通过上述方式可将所有黑色椭圆柱的布置角度确定出来。
同理，为了使得白色椭圆柱阵列顺利的会聚入射光中的右旋圆偏振分量于焦点QfR(xfR,yfR,zfR)，则需要对白色椭圆柱阵列进行研究与设计，其中，同一行中的白色椭圆柱的中心连线与水平线平行，并且等间距布置，且白色椭圆柱的长轴与水平线呈αR夹角，该αR由白色椭圆柱的相位决定，该白色椭圆柱与其上方黑色椭圆柱之间的距离，以及与其下方黑色椭圆柱之间的距离，均等于同一行中相邻两白色椭圆柱的布置间距。
具体的，当右旋圆偏振光入射时，任意一个白色椭圆柱底部(椭圆柱与基底接触的一面)中心点位置处(xR,yR,zR)的相位应满足：
其中，λ是入射光的工作波长， (xfR,yfR,zfR)为右旋阵列所会聚光束在探测器感光面上的焦点坐标，即右旋阵列会聚的光束在探测器感光面上的坐标，即焦点QfR(xfR,yfR,zfR)的坐标。
则αR＝-βR/2，即椭圆柱的长轴与水平线的夹角为-βR/2，其通过顺时针旋转白色椭圆柱使其长轴与水平线呈αR即可实现。通过上述方式可将所有白色椭圆柱的布置角度确定出来。
实际操作过程中，椭圆柱之间的间距预先设定，具体间距可根据实际需要进行限定，即所有椭圆柱的中心点事先确定，并且焦点QfL和QfR也事先给定，那么即可计算出αL及αR，然后只需对应椭圆柱的长轴与水平线的夹角等于对应的αL及αR值，即可保证圆偏振分束超透镜301将入射光有效的分束成左旋会聚光和右旋会聚光，并将其分别会聚到探测器感光面上的两个焦点QfL和QfR上。如图2(a)-(b)所示，可以以椭圆柱阵列和基底界面的中心作为原点(0,0,0)，以椭圆柱的延伸方向为z轴，以铅垂线为x轴，以水平线为y轴建立坐标系，那么αL为黑色椭圆柱的长轴与y轴的夹角，其由长轴与y轴平行的椭圆柱逆时针旋转获得，αR为白色椭圆柱的长轴与y轴的夹角，其由长轴与y轴平行的椭圆柱顺时针旋转获得。
椭圆柱的结构尺寸直接影响圆偏振分束超透镜301的性能，研究发现当每个椭圆柱可看作理想的二分之一波片时，圆偏振分束超透镜301的会聚能力最大，圆偏振分束超透镜301可将入射圆偏振光全部转换成具有相反旋向的圆偏振光。对于不同的工作波长，所设计的圆偏振分束超透镜中椭圆柱的结构尺寸不同，在本实施例中，针对633nm的工作波长进行设计，具体结构参数为：椭圆柱在x和y方向上的间隔是294nm；椭圆柱高度是339nm；椭圆柱长轴直径是185nm；椭圆柱短轴直径是114nm，焦点QfL和QfR的坐标分别是(-1.9,0,-5.9)μm和(1.9,0,-5.9)μm。将本实施例中的椭圆柱单元排列成均匀阵列，并利用时域有限差分(Finite-DifferentTime-Domain,FDTD)法对其透射特性进行分析，分析结果如图3所示。从图中可以看出，椭圆柱均匀阵列在工作波长633nm处的透射率约为60％，相位延迟量约为-180°，根据超表面中的局部效应近似可知，每个椭圆柱的特性与二分之一波片一致。
本实施例中，滚转角传感器的性能与圆偏振分束超透镜的偏振消光比和会聚能力直接相关。因此，有必要对所设计的圆偏振分束超透镜进行数值仿真分析，分析结果如图4所示。偏振消光比定义为：当左(右)旋圆偏振光照射时，左(右)旋圆偏振出射光与右(左)旋圆偏振出射光的能量之比。理想情况下，偏振消光比应该等于0，会聚能力可用焦平面光强分布的半高全宽表示(Full Width at the Half Maximum,FWHM)。由图4(a)、4(b)、4(d)、4(e)、4(g)和4(h)可知，圆偏振分束超透镜将入射光中的左旋圆偏振分量和右旋圆偏振分量分别会聚到(-1.8,0,-5.2)μm和(1.8,0,-5.3)μm，该位置与理论值吻合较好。由图4(c)、4(f)和4(i)可知，圆偏振分束超透镜具有较好的会聚能力，其焦平面光强分布的半高全宽为470nm。此外，由图4(f)和(i)可知，圆偏振分束超透镜具有较低的偏振消光比，其值为0.02。
如图5所示，本发明还提供了圆偏振分束超透镜的制备方法，包括如下步骤：
1)以500μm厚的熔融石英为基底，并在该基底上沉积339nm厚的多晶硅薄膜，具体可采用低压化学气相沉积(Low Pressure Chemical Vapor Deposition,LPCVD)法在670℃的环境中进行，
2)在多晶硅薄膜表面上蒸镀20nm厚的Cr金属导电层；
3)在Cr金属导电层表面以2000rpm的转速旋涂150nm厚的负型氢硅酸盐光刻胶(Hydrogen Silsesquioxane,HSQ)；
4)将与左、右旋阵列中多晶硅椭圆柱对应的图案写在光刻胶上，并用浓度为1％的NaOH水溶液进行显影，例如通过电子束光刻(Electron BeamLithography,EBL)技术将所需图案写在光刻胶上；
5)刻蚀Cr金属导电层，具体的，通过反应离子刻蚀(Reactive Ion Etching,RIE)技术用Cl刻蚀Cr金属导电层，然后以刻蚀出的Cr金属导电层的图案为掩模，对多晶硅薄膜层进行刻蚀，具体的，通过干刻蚀技术在SF6和C4F8混合气体中对多晶硅薄膜层进行刻蚀；
6)用于刻蚀剂去除多晶硅薄膜层表面的Cr金属导电层和光刻胶，获得所需的圆偏振分束超透镜。
获得圆偏振分束超透镜后，采用光学胶将制备好的圆偏振分束超透镜和光强探测器302进行胶合，即可获得集成检测模块3。在圆偏振分束超透镜301和光强探测器302胶合过程中，选择折射率与熔融石英相近的光学胶，并且保证探测光束垂直照射到圆偏振分束超透镜301后，两子光束的焦点处于光强探测器302的感光面上。
本发明还提供了一种滚转角的测量方法，其利用本发明设计的紧凑型滚转角传感器装置进行测量，具体包括如下步骤：
S1激光器101发出准直单色光，准直单色光经线偏振器102起偏为线偏振光；
S2线偏振光经与待测旋转元件相连并同步转动的波片201后调制为椭圆偏振光，再垂直照射至圆偏振分束超透镜301，在测量过程中，待测旋转元件保持转动，旋转速度可根据需要进行限定；
S3垂直照射至圆偏振分束超透镜的光经圆偏振分束超透镜偏振分离和会聚后，得到一束具有左旋圆偏振的会聚光和一束具有右旋圆偏振的会聚光，即左旋会聚光和右旋会聚光；
S4左旋会聚光和右旋会聚光分别会聚至探测器302感光面上不同的两点上，并由探测器302实时测量其光强；
S5根据探测器测量获得的光强计算出待测旋转元件的滚转角。
即由激光器发出的激光经过线偏振偏振器起偏得到线偏振光；线偏振光经过与待测旋转物体固连的波片调制，偏振态发生改变；经波片调制的偏振光通过偏振分束透镜超表面，得到一对正交偏振的会聚光束；两会聚光束聚焦于探测器的感光面，并由探测器对分离的两会聚光束进行实时光强测量；通过待测旋转物体带动波片旋转，波片每旋转一个角度，探测器记录一组光强值；根据光强值计算得到被测物体滚转角的大小，波片每转一个角度，记录一组光强值，并用该光强值计算出对应的滚转角度，转的角度不同就有不同的光强，一组光强值与一个滚转角度对应。
具体的，根据探测器测量获得的光强计算出待测旋转元件的滚转角具体为：
S51计算滚转角的估计值
其中，I-1为左旋阵列会聚光在探测器上焦点QfL处的光强；I+1为右旋阵列会聚光在探测器上焦点QfR处的光强，两光强值由探测器测量获得；
S52计算滚转角的实际值：
其中，滚转角估计值的计算公式采用如下原理建立：
首先，建立滚转角传感器装置的光学系统模型为：
S'm＝MCPBL,mR(-θ′)MQWPR(θ′)S,
其中，m＝+1和-1，分别表示入射光中的右旋圆偏振光分量和入射光中的左旋圆偏振光分量；S＝I0[1,1,0,0]T是探测光通过线偏振器102后的斯托克斯矢量，上标T表示矩阵转置，I0表示通过线偏振器102后探测光的光强；S'm是经过圆偏振分束超透镜301后，偏振分离得到的两子光束(即左旋会聚光和右旋会聚光)的斯托克斯矢量；MQWP和MCPBL分别是波片201和圆偏振分束超透镜301的穆勒矩阵；δ是波片201的相位延迟量； 其中θ0是波片201快轴相对于线偏振器102透射轴的初始角度，是波片201快轴转动的角度，也表示待测旋转物体的滚转角度的估计值。
根据上述公式，斯托克斯矢量S'm的第一个元素Im为：
根据上述公式(1)，可计算出滚转角的估计值：
图6为估计的滚转角与真实的滚转角θ在0°到180°范围内的理论关系。其中解析的仿真结果由公式(1)和(2)计算得到，而数值的仿真结果由FDTD方法和公式(2)计算得到。前者用于评估该滚转角传感器性能的极限，而后者考虑传感器设计过程中的近似效应(如局部效应和相位离散效应)，从而对传感器的性能进行数值评估。分析的滚转角度范围[0°,180°]由波片201的机械旋转周期决定。从图6中可以看出，估计的滚转角被限制在[-45°,45°]范围内，与真实的滚转角θ不相等，这是由于公式(2)中反正弦值域的取值范围[-90°,90°]所致。
由图6可知，滚转角估计值的数值结果与解析结果匹配得非常好，只是在曲线的拐角处有些差异，这主要是由非零的偏振消光比引起。对于右(左)旋圆偏振光入射时即θ等于45°(135°)，白(黑)色椭圆柱阵列将其会聚于焦点QRL(QfL)，同时黑(白)色椭圆柱阵列也会将其发散，该发散光产生的噪声导致偏振消光比不等于零。对于线偏振光入射时即θ等于0°、90°或者180°，两焦点处的光强(包括信号光强和噪声)几乎相等，根据公式(2)可知，估算的滚转角不受噪声的影响。当入射光偏振态从线偏振变为圆偏振，发散光噪声对数值结果的影响变大。由上述分析可知，该问题可通过提高圆偏振分束超透镜的会聚能力来缓解。
从图6中可以看出，估算的滚转角在[0°,180°]范围内不是单调变化的，但具有非常好的线性度。选择单调范围最大的部分[45°,135°]作为测量区间，在该区间内，解析结果的曲线斜率为1。因此本发明实施例提出的滚转角传感器的灵敏度可达到1，测量范围可达到90°，在估计的滚转角的基础上，统一加上90°，即可以得到真实的滚转角。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种紧凑型滚转角传感器装置，其特征在于，包括线偏振光产生模块(1)、传感模块(2)和集成检测模块(3)，其中，所述线偏振产生模块(1)包括激光器(101)和线偏振器(102)，所述传感模块(2)包括波片(201)，该波片(201)作为传感元件与待测旋转元件相连并同步转动，以将待测旋转元件的滚转角变化转换为探测光束的偏振变化，所述集成检测模块(3)包括圆偏振分束超透镜(301)和光强探测器(302)；其中，由激光器(101)发出的准直单色光首先经过线偏振器(102)起偏为线偏振光，然后经波片(201)调制为椭圆偏振光，再垂直照射至圆偏振分束超透镜(301)，并经圆偏振分束透镜超表面(301)的偏振分离和会聚后，得到一束具有左旋圆偏振的会聚光和一束具有右旋圆偏振的会聚光，即左旋会聚光和右旋会聚光，最后左旋会聚光和右旋会聚光会聚到探测器(302)感光面上不同的两点上，并由探测器(302)测量其光强。
2.如权利要求1所述的紧凑型滚转角传感器装置，其特征在于，所述线偏振器(102)、波片(201)、圆偏振分束超透镜(301)和光强探测器(302)的工作面相互平行，并且与激光器(101)发出的准直单色光保持垂直。
3.如权利要求1或2所述的紧凑型滚转角传感器装置，其特征在于，所述圆偏振分束超透镜(301)包括石英基底及设置在该石英基底上的两交叉排列的多晶硅椭圆柱阵列，其中一阵列用于会聚入射光中的左旋圆偏振分量，得到具有右旋圆偏振的会聚光，该阵列定义为左旋阵列，另一阵列用于会聚入射光中的右旋圆偏振分量，得到具有左旋圆偏振的会聚光，该阵列定义为右旋阵列。
4.如权利要求3所述的紧凑型滚转角传感器装置，其特征在于，左旋阵列中多晶硅椭圆柱与水平线呈αL夹角，该αL夹角采用如下方式计算：
其中，(xL,yL,zL)为左旋阵列中多晶硅椭圆柱底部的中心点坐标，(xfL,yfL,zfL)为左旋阵列会聚的光束在探测器感光面上的焦点坐标。
5.如权利要求3所述的紧凑型滚转角传感器装置，其特征在于，右旋阵列中多晶硅椭圆柱与水平线呈αR夹角，该αR夹角采用如下方式计算：
其中，(xR,yR,zR)为右旋阵列中多晶硅椭圆柱底部的中心点坐标，(xfR,yfR,zfR)为右旋阵列会聚的光束在探测器感光面上的焦点坐标。
6.如权利要求4或5所述的紧凑型滚转角传感器装置，其特征在于，所述圆偏振分束超透镜采用如下方式制备：
(1)以500μm厚的熔融石英为基底，并在该基底上沉积339nm厚的多晶硅薄膜；
(2)在多晶硅薄膜表面上蒸镀20nm厚的Cr金属导电层；
(3)在Cr金属导电层表面旋涂150nm厚的负型氢硅酸盐光刻胶；
(4)将与左、右旋阵列中多晶硅椭圆柱对应的图案写在光刻胶上，并用NaOH水溶液进行显影；
(5)刻蚀Cr金属导电层，以刻蚀出的Cr金属导电层的图案为掩模，对多晶硅薄膜层进行刻蚀；
(6)去除多晶硅薄膜层表面的Cr金属导电层和光刻胶，获得所需的圆偏振分束透镜超表面。
7.如权利要求1-6任一项所述的紧凑型滚转角传感器装置，其特征在于，每个椭圆柱看作二分之一波片，具有180°相位延迟量且透射率＞60％。
8.如权利要求1-7任一项所述的紧凑型滚转角传感器装置，其特征在于，所述波片(201)通过固定元件(202)与待测旋转元件相连。
9.一种滚转角测量方法，其利用权利要求1-8任一项所述的紧凑型滚转角传感器装置进行测量，其特征在于，该方法包括如下步骤：
S1激光器(101)发出准直单色光，准直单色光经线偏振器(102)起偏为线偏振光；
S2线偏振光经与待测旋转元件相连并同步转动的波片(201)后调制为椭圆偏振光，再垂直照射至圆偏振分束超透镜(301)；
S3垂直照射至圆偏振分束超透镜的光经圆偏振分束超透镜偏振分离和会聚后，得到一束具有左旋圆偏振的会聚光和一束具有右旋圆偏振的会聚光，即左旋会聚光和右旋会聚光；
S4左旋会聚光和右旋会聚光分别会聚至探测器(302)感光面上不同的两点上，并由探测器(302)测量其光强；
S5根据探测器测量获得的光强计算出待测旋转元件的滚转角。
10.如权利要求9所述的一种滚转角测量方法，其特征在于，所述根据探测器测量获得的光强计算出待测旋转元件的滚转角具体为：
S51计算滚转角的估计值
其中，I-1和I+1分别为左旋会聚光和右旋会聚光的光强；
S52计算滚转角的实际值：
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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