CN110836977A - 一种提高测量旋转体角速度干涉条纹衬比度的光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明的提高测量旋转体角速度干涉条纹衬比度的光学系统，包括激光光源、第一和第二偏振分束镜、分光棱镜、光电探测器和被测旋转物体，第一偏与第二偏振分束镜之间设置有螺旋相位片，第二偏振分束镜与待测旋转物体之间设置有四分之一波片；第一偏振分束镜反射的信号光经螺旋相位片转换为线偏振涡旋光，信号光与参考光经第二分光棱镜的反射和透射发生光外差干涉，光电探测器用于检测信号光与参考光的差频信号。本发明的光学系统，通过转动半波片可调节经第一偏振分束镜的反射光束与透射光束的光强比，使得照射于分光棱镜上的参考光与信号光的光强相等，使得干涉条纹衬比度最大，以准确反映待测旋转物体的转动角速度。
Description
技术领域
本发明涉及一种测量旋转体角速度的光学系统，更具体的说，尤其涉及一种提高测量旋转体角速度干涉条纹衬比度的光学系统。
背景技术
角速度可以反映旋转物体的运动特性，在诸多场合要求精确测量物体的旋转角速度，如电机轴转速、扫描反射镜转速、粒子自旋、精液中精子的类螺旋运动、天体的旋转及轨道运动等。常规测量角速度的方法，如陀螺仪、编码器等，在很多场合下应用受到限制。比如，液体中的粒子、空天运动目标及星空中天体角速度的测量，使用常规的测量手段很难实现。
涡旋是自然界最常见的现象之一，普遍存在于水、云和气旋等经典宏观系统。大量理论和实验证实，光波场中也存在涡旋。涡旋光是一种具有螺旋形波前结构的奇异光，其光束中心具有相位奇点，使其横截面光强呈环状中空分布。涡旋光作为波动的一种形式，具有由于螺旋形的相位结构而产生的轨道角动量。涡旋光的相位含有方位角项
其中l为涡旋光的角量子数，
为方位角。进入21世纪，人们对光学涡旋的认识达到了新的高度。与线性多普勒效应不同的是，当一束具有轨道角动量的涡旋光沿旋转轴垂直照射到粗糙的旋转体表面时，同样出现频移现象，称为旋转多普勒频移。通过旋转多普勒效应，可以实现旋转体角速度的测量。利用涡旋光的横向多普勒效应测量角速度，具有精度高、响应时间快、非接触测量等显著优点。但是这种方法也有一定的缺陷。由于散射光的光强太弱，干涉光场的条纹衬比度不高，导致光电探测器获取的差分频移信号信噪比不高。
发明内容
本发明为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种提高测量旋转体角速度干涉条纹衬比度的光学系统。
本发明的提高测量旋转体角速度干涉条纹衬比度的光学系统，包括激光光源、第一偏振分束镜、第二偏振分束镜、分光棱镜、光电探测器和被测旋转物体，激光光源用于产生线偏振激光；激光光源与第一偏振分束镜之间设置有半波片，激光光源发出的激光经半波片旋转偏振方向后，照射于第一偏振分束镜上，第一偏振分束镜的反射光和透射光分别作为信号光和参考光；其特征在于：所述第一偏振分束镜与第二偏振分束镜之间设置有螺旋相位片，第二偏振分束镜与待测旋转物体之间设置有四分之一波片；第一偏振分束镜反射的信号光经螺旋相位片转换为线偏振涡旋光，涡旋光入射于第二偏振分束镜上；第二偏振分束镜实现对入射的涡旋光的全反射，第二偏振分束镜反射的涡旋信号光经四分之一波片后照射于待测旋转物体上，旋转物体反射的信号光再次经过四分之一波片后，偏振方向相对于初始涡旋光发生90°旋转；
偏振方向发生90°旋转的信号光照射于第二偏振分束镜上发生透射，透射的信号光照射于分光棱镜上，第一偏振分束镜透射形成的参考光照射于分光棱镜上；信号光与参考光经第二分光棱镜的反射和透射发生光外差干涉，光电探测器用于检测信号光与参考光的差频信号。
本发明的提高测量旋转体角速度干涉条纹衬比度的光学系统，激光光源与半波片之间设置有扩束镜，激光光源发出的线偏振激光经扩束镜的扩束后照射于第一偏振分束镜上。
本发明的提高测量旋转体角速度干涉条纹衬比度的光学系统，第一偏振分束镜与分光棱镜之间设置有第一全反射镜，四分之一波片与待测旋转物体之间设置有第二全反射镜；第一偏振分束镜透射形成的参考光经第一全反射镜的反射后照射于分光棱镜上，四分之一波片透过的涡旋光和待测旋转物体反射的涡旋光均经第二全反射镜进行反射。
本发明的提高测量旋转体角速度干涉条纹衬比度的光学系统，所述光电探测器包括第一光电探测器和第二光电探测器，信号光经分光棱镜的透射光与参考光经分光棱镜的反射光相干涉，再经第一会聚透镜的会聚后照射于第一光电探测器上；信号光经分光棱镜的反射光与参考光经分光棱镜的透射光相干涉，再经第二会聚透镜的会聚后照射于第二光电探测器上。
本发明的提高测量旋转体角速度干涉条纹衬比度的光学系统，设螺旋相位片的角量子数为l，通过第一光电探测器和第二光电探测器滤除随机噪声后获得的差频信号为Δf,则满足：
由公式(1)可得：
其中，l为螺旋相位片的角量子数，Δf为探测器测得的差频信号频率。
本发明的有益效果是：本发明的光学系统，激光光源产生的线偏振光经半波片旋转偏振方向，再经第一偏振分束镜将激光分成偏振方向相互垂直的两路，透射的一路作为参考光，反射的一路作为信号光；信号光经螺旋相位片转换为具有一定角量子数的涡旋光，涡旋光经第二偏振分束镜全反射后再透过四分之一波片，涡旋光照射于待测旋转物体上反射回来再次经过四分之一波片，其偏振方向相对于初始涡旋光会发生90°旋转，偏振方向发生90°旋转的涡旋光与参考光的偏振方向一致，使得信号光与参考光可发生外差干涉，光电探测器通过获取差频信号来求取待测旋转物体的转速。通过转动半波片可调节经第一偏振分束镜的反射光束与透射光束的光强比，使得照射于分光棱镜上的参考光与信号光的光强相等，使得干涉条纹衬比度最大，提高光电探测器所检测的差频信号的信噪比，以准确反映待测旋转物体的转动角速度。
附图说明
图1为本发明的提高测量旋转体角速度干涉条纹衬比度的光学系统的结构示意图。
图中：1激光光源，2扩束镜，3半波片，4第一偏振分束镜，5第一全反射镜，6螺旋相位片，7分光棱镜，8第二偏振分束镜，9四分之一波片，10第二全反射镜，11待测旋转物体，12第一会聚透镜，13第二会聚透镜，14第一光电探测器，15第二光电探测器。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，给出了本发明的提高测量旋转体角速度干涉条纹衬比度的光学系统的结构示意图，其由激光光源1、扩束镜2、半波片3、第一偏振分束镜4、第一全反射镜5、螺旋相位片6、分光棱镜7、第二偏振分束镜8、四分之一波片9、第二全反射镜10、待测旋转物体11、第一会聚透镜12、第二会聚透镜13、第一光电探测器14和第二光电探测器15，所有同一方向上的光学元件中心共轴。扩束镜2和半波片3依次设置于激光光源1与第一偏振分束镜4之间，激光光源1用于产生线偏振激光，激光光源1发出的光源经扩束镜2的扩束后，再照射于半波片3上，半波片3用于旋转线偏振激光的偏振方向。偏振方向被改变后的激光照射于第一偏振分束镜4上发生透射和反射，反射光作为信号光，经第一偏振分束镜4的透射光作为参考光，如图1中所示，激光经第一偏振分束镜4后的反射光为S偏振光，透射光为P偏振光，S偏振光与P偏振光的偏振方向垂直。
螺旋相位片6设置于第一偏振分束镜4与第二偏振分束镜4之间，第一偏振分束镜4反射产生的信号光经螺旋相位片6后产生角量子数为l的线偏振涡旋光，涡旋光照射于第二偏振分束镜8上，第二偏振分束镜8实现对涡旋光的全反射。第二偏振分束镜8实现对涡旋光的全反射，是通过设置第一偏振分束镜4和第二偏振分束镜8对光线的偏振方向来实现的。照射于第二偏振分束镜8上的涡旋光发生全反射后，透过四分之一波片9，然后照射于第二全反射镜10上发生反射，反射后的涡旋光照射于待测旋转物体11上，由于待测旋转物体11的转动，会使其反射的涡旋光产生频移。
被待测旋转物体11反射的涡旋光经第二全反射镜10的发生后，再次透过四分之一波片9后涡旋光的偏振方向，相对于初始涡旋光的偏振方向会发生90°旋转。发生90°旋转后的涡旋光照射于第二偏振分束镜8上后会完全透过，涡旋光透过第二偏振分束镜8后的信号光变为P偏振光，使得信号光的偏振方向与参考光的振动方向相同。
第一偏振分束镜4透射的参考光经第一全反射镜5反射后，照射于分光棱镜7上，第二偏振分束镜8透射的涡旋信号光也照射于分光棱镜7上，且信号光与参考光的偏振方向相同。照射于分光棱镜7上的信号光的透射光，与照射于分光棱镜7上的参考光的反射光发生干涉，并经第一会聚透镜12的会聚后照射于第一光电探测器14上，由第一光电探测器14对信号光与参考光的差频信号进行检测。
照射于分光棱镜7上的信号光的反射光，与照射于分光棱镜7上的参考光的透射光发生干涉，并经第二会聚透镜13的会聚后照射于第二光电探测器15上，由第二光电探测器15对信号光与参考光的差频信号进行检测，第一光电探测器14和第二光电探测器15所检测的差频信号是等幅同相的，利用反相相减法可以滤除信号中的随机噪声，以获取精准的差频信号。
在待测旋转体11表面具有一定粗糙度的情况下，涡旋光照射于其表面并发射会，反射后的涡旋光的光强会发生一定的损失，而为了获得最佳的干涉效果，又要求照射于分光棱镜7上的信号光与参考光的光强相等，因此，经第一偏振分束镜4反射所产生的信号光的光强，应大于经其透射产生的参考光的光强，才可保证最终发生干涉的信号光与参考光的光强相等，其是通过旋转半波片3来实现的，通过旋转半波片3可旋转线偏振激光的偏振方向，以调节激光经第一偏振分束镜4反射光与透射光的比例，使照射于分光棱镜7上的信号光与参考光的光强相等，最终使干涉条纹衬比度最佳。
设螺旋相位片6的角量子数为l，通过第一光电探测器14和第二光电探测器15滤除随机噪声后获得的差频信号为Δf,则满足：
由公式(1)可得：
其中，l为螺旋相位片的角量子数，Δf为探测器测得的差频信号频率。
Claims (5)
1.一种提高测量旋转体角速度干涉条纹衬比度的光学系统，包括激光光源(1)、第一偏振分束镜(4)、第二偏振分束镜(8)、分光棱镜(7)、光电探测器和被测旋转物体(11)，激光光源用于产生线偏振激光；激光光源与第一偏振分束镜之间设置有半波片(3)，激光光源发出的激光经半波片旋转偏振方向后，照射于第一偏振分束镜(4)上，第一偏振分束镜的反射光和透射光分别作为信号光和参考光；其特征在于：所述第一偏振分束镜与第二偏振分束镜之间设置有螺旋相位片(6)，第二偏振分束镜(8)与待测旋转物体(11)之间设置有四分之一波片(9)；第一偏振分束镜反射的信号光经螺旋相位片转换为线偏振涡旋光，涡旋光入射于第二偏振分束镜(8)上；第二偏振分束镜实现对入射的涡旋光的全反射，第二偏振分束镜反射的涡旋信号光经四分之一波片(9)后照射于待测旋转物体(11)上，旋转物体反射的信号光再次经过四分之一波片后，偏振方向相对于初始涡旋光发生90°旋转；
偏振方向发生90°旋转的信号光照射于第二偏振分束镜(8)上发生透射，透射的信号光照射于分光棱镜(7)上，第一偏振分束镜透射形成的参考光照射于分光棱镜上；信号光与参考光经第二分光棱镜的反射和透射发生光外差干涉，光电探测器用于检测信号光与参考光的差频信号。
2.根据权利要求1所述的提高测量旋转体角速度干涉条纹衬比度的光学系统，其特征在于：激光光源(1)与半波片(3)之间设置有扩束镜(2)，激光光源(1)发出的线偏振激光经扩束镜的扩束后照射于第一偏振分束镜(4)上。
3.根据权利要求1或2所述的提高测量旋转体角速度干涉条纹衬比度的光学系统，其特征在于：第一偏振分束镜(4)与分光棱镜(7)之间设置有第一全反射镜(5)，四分之一波片(9)与待测旋转物体(11)之间设置有第二全反射镜(10)；第一偏振分束镜透射形成的参考光经第一全反射镜的反射后照射于分光棱镜(7)上，四分之一波片透过的涡旋光和待测旋转物体(11)反射的涡旋光均经第二全反射镜(10)进行反射。
4.根据权利要求1或2所述的提高测量旋转体角速度干涉条纹衬比度的光学系统，其特征在于：所述光电探测器包括第一光电探测器(14)和第二光电探测器(15)，信号光经分光棱镜(7)的透射光与参考光经分光棱镜的反射光相干涉，再经第一会聚透镜(12)的会聚后照射于第一光电探测器(14)上；信号光经分光棱镜的反射光与参考光经分光棱镜的透射光相干涉，再经第二会聚透镜(13)的会聚后照射于第二光电探测器(15)上。
5.根据权利要求4所述的提高测量旋转体角速度干涉条纹衬比度的光学系统，其特征在于：设螺旋相位片(6)的角量子数为l，通过第一光电探测器(14)和第二光电探测器(15)滤除随机噪声后获得的差频信号为Δf,则满足：
由公式(1)可得：
其中，l为螺旋相位片的角量子数，Δf为探测器测得的差频信号频率。
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