CN110987729A - 一种粒子螺旋运动的全矢量运动信息测量方法和装置 - Google Patents

一种粒子螺旋运动的全矢量运动信息测量方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种粒子螺旋运动的全矢量运动信息测量方法和装置，方法利用具有强度与相位空间分布的结构光场，实现对粒子螺旋运动的全矢量运动信息的直接测量。装置包括结构光光源，分束器，反射镜，四分之一波片，半波片，合束器和检测装置，结构光光源产生的结构光被分束器分为探测光与参考光，四分之一波片将探测光由线偏振转换为圆偏振，探测光照射到螺旋运动的粒子上，被反射回的探测光携带粒子运动信息，与参考光相干叠加得到叠加光场后进行探测，实现对粒子螺旋运动的全矢量运动信息的测量。本发明突破了传统方案无法直接获取粒子螺旋运动的全矢量运动信息的限制，其在光学测量和传感等方面具有广泛的应用前景，填补了相关技术领域的空白。

Description

一种粒子螺旋运动的全矢量运动信息测量方法和装置
技术领域
本发明属于光学测量领域，更具体地，涉及一种粒子螺旋运动的全矢量信息测量方法和装置。
背景技术
螺旋运动的粒子在自然界中是常见的，比如，几乎所有长度小于0.5毫米的水生微生物的游动都呈现螺旋状。螺旋运动作为一种复合的三维运动形式，对其进行测量是具有意义的，同时也是具有挑战的。在以往的技术方案中，研究者们通过对二维的扩展测量来观测粒子的三维运动，比如采用摄像机或显微镜的标准光学系统，或采用具有大量数值计算的数字全息技术，但这些方案很难获得粒子运动信息的精确数值。
众所周知，多普勒效应被广泛应用于物体运动速度的测量，基于其发展起来的测量技术具有测量精度高、测量范围广、非接触等优势。一般而言，根据测量运动形式的不同，多普勒效应能被分为线性多普勒效应和旋转多普勒效应，其中，前者描述高斯光束在平移运动过程中产生的频移；后者描述涡旋光束在旋转运动过程中产生的频移。基于线性多普勒效应的测量技术通常被应用于确定平行于照明光束传播方向的速度分量，但直接利用这种技术来测量粒子的螺旋运动时，一般需要使用多个指向不同方向的激光源，或者使用单个能够快速切换其指向方向的激光源，因此其复杂度与成本是极高的。基于旋转多普勒效应的测量技术通常被应用于确定垂直于照明光束传播方向的旋转运动速度，考虑到粒子的螺旋运动可以分解为平移运动与旋转运动，因此，分别采用高斯光束和涡旋光束产生的线性与旋转多普勒效应对平移运动与旋转运动分步测量，能够获取粒子螺旋运动的信息。然而，这种方法无法实现对粒子螺旋运动的一次性同时测量，且无法判断粒子螺旋运动的方向，因此对粒子螺旋运动进行实时监测是难以实现的。鉴于此，设计一种针对粒子螺旋运动的全矢量信息进行一次性测量的装置是极其有必要的。
结构光束在近些年被广泛研究，其具有空间分布的振幅、偏振和相位。其中，涡旋光束作为一种相位空间分布型的结构光束，其具有相位在空间上呈螺旋分布的特性，这种空间相位的分布形式可以用轨道角动量拓扑荷数来表征。当涡旋光束包含有两个轨道角动量阶数时，其光斑表现为瓣状的干涉条纹，其瓣数为两个轨道角动量拓扑荷数之差。当采用涡旋光束来照射螺旋运动的粒子时，能同时产生线性与旋转多普勒效应，此时信号光的频谱将出现多个多普勒频移峰，若能够将这些频移峰区分开来，则能够推算粒子螺旋运动的平移与旋转分量，并可以一次性获得粒子螺旋运动的全矢量信息。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种粒子螺旋运动测量方法和装置，旨在实现对粒子螺旋运动的全矢量运动信息进行一次性无接触同时测量，以达到对粒子的复杂运动状态的监测，填补相关技术的空白。
为实现上述目的，按照本发明的一方面，提供了一种粒子螺旋运动的全矢量运动信息测量方法，包括：利用具有强度与相位空间分布的圆偏振的第一结构光作为探测光照射螺旋运动的粒子，利用与探测光呈镜像的强度与相位空间分布的线偏振的第二结构光作为参考光，螺旋运动的粒子反射回来的探测光与参考光相干叠加，得到包含粒子螺旋运动信息的叠加光场，通过检测叠加光场，获取粒子的螺旋运动的全矢量信息，包括平移运动分量的速度大小和方向以及旋转运动分量的速度大小和方向，实现粒子螺旋运动的全矢量运动信息测量。
优选地，结构光包含两个不同轨道角动量拓扑荷数的分量，且这两个分量的光强不同，参考光与探测光呈镜像，即参考光与探测光的轨道角动量拓扑荷数值相反，探测光的光强大于参考光光强。
优选地，螺旋运动的粒子的位置处于第一结构光两个轨道角动量拓扑荷分量的交叠区域内，将粒子的螺旋运动分解为平移运动分量和旋转运动分量，粒子的旋转中心与探测光光场中心保持重合，粒子的平移运动方向与入射的探测光光轴方向一致，粒子在其平移运动方向上对光具有高反射。
优选地，对叠加光场的检测分为两路进行，每一路分别经过一个检偏器，两路检偏器的偏振方向正交且分别与参考光偏振方向呈45度夹角，再分别经过一个探测器将随时间变化的光强度信号转换为电信号，最后通过傅里叶分析的频谱与相位谱获取粒子螺旋运动的全矢量运动信息。
按照本发明的另一方面，提供了一种粒子螺旋运动的全矢量运动信息测量装置，包括：结构光光源，分束器，反射镜，四分之一波片，半波片，合束器和检测装置。其中，结构光光源用于产生结构光作为光源，分束器用于将结构光分为两束分别作为探测光与参考光，反射镜用于调整探测光和参考光的传播方向，四分之一波片用于将探测光由线偏振转换为圆偏振，半波片用于调整参考光的线偏振方向，探测光照射到螺旋运动的粒子上，被反射回的探测光与参考光通过合束器相干叠加得到叠加光场，检测装置用于对叠加光场进行探测，实现对粒子螺旋运动的全矢量运动信息的测量。
优选地，结构光光源产生的结构光具有两个不同轨道角动量拓扑荷数分量，且这两个分量的光强不同，该结构光光源可以通过诸如空间光调制器、复合螺旋相位板、超表面等器件对激光器输出的高斯光场调控来构建。
优选地，分束器的分光比中，探测光的光强大于参考光的光强，该分束器可以直接采用功率不均分的器件，也可以通过半波片与偏振分束器件的组合来构建。
优选地，探测光和参考光从分束到合束叠加的过程中，被反射的次数分别为奇数和偶数，在检测装置处，探测光与参考光的轨道角动量拓扑荷数相反，呈镜像。
优选地，在探测光照射到螺旋运动的粒子之前可采用缩束器，用于调节探测光的光斑尺寸，使螺旋运动的粒子的位置处于结构光两个轨道角动量拓扑荷分量的交叠区域内。
优选地，检测装置包括分束器、第一检偏器、第一探测器、第二检偏器、第二探测器和信号处理模块。其中，分束器将叠加光场分为两路，一路依次经过第一检偏器和第一探测器，另一路依次经过第二检偏器和第二探测器，第一检偏器和第二检偏器的偏振方向正交且分别与参考光偏振方向呈45度夹角；最后利用信号处理模块对两路信号的频谱与相位谱进行傅里叶分析，同时获取粒子螺旋运动的平移与旋转分量的速度大小和方向全矢量运动信息。
通过本发明所构思的以上技术方案，本发明具有如下有益效果：
1、本发明可以实现对粒子螺旋运动的全矢量信息进行一次性无接触测量，其中包括粒子平移与旋转运动的速度大小和方向信息，克服了传统方案只能对粒子平移或旋转运动速度大小分步测量的局限性。
2、本发明对于粒子运动信息的测量，可以同时获取粒子平移运动与旋转运动分量的矢量信息，因此可实现对粒子的复杂运动状态的实时监测。
3、本发明提供的测量装置简单，属于技术成熟的干涉结构，只需在传统的激光干涉测量装置基础上，将高斯光源替换为结构光光源，将检测装置作为改进分为两路探测，因此本方法与装置具有对先前技术的继承性与发展性。
附图说明
图1是本发明提供的一种粒子螺旋运动的全矢量运动信息测量装置结构示意图；
图2是本发明提供的一种粒子螺旋运动的全矢量运动信息测量装置的一种改进结构示意图；
图3是本发明提供的一种粒子螺旋运动的全矢量运动信息测量装置的另一种改进结构示意图；
图4是本发明实施例提供的粒子螺旋运动的全矢量运动信息测量装置的结构示意图；
图5是本发明实施例提供的一种照射粒子的结构光场光斑及其偏振分布的结果示意图；
图6(a)是本发明实施例提供的一种粒子向前逆时针螺旋运动测量实验的结果示意图；
图6(b)是本发明实施例提供的一种粒子向后逆时针螺旋运动测量实验的结果示意图；
图6(c)是本发明实施例提供的一种粒子向前顺时针螺旋运动测量实验的结果示意图；
图6(d)是本发明实施例提供的一种粒子向后顺时针螺旋运动测量实验的结果示意图。
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不构成冲突就可以相互组合。
本发明提供了一种粒子螺旋运动的全矢量运动信息测量方法，包括：利用具有强度与相位空间分布的圆偏振的第一结构光作为探测光照射螺旋运动的粒子，利用与探测光呈镜像的强度与相位空间分布的线偏振的第二结构光作为参考光，螺旋运动的粒子反射回来的探测光与参考光相干叠加，得到包含粒子螺旋运动信息的叠加光场，通过检测叠加光场，获取粒子的螺旋运动的全矢量信息，包括平移运动分量的速度大小和方向以及旋转运动分量的速度大小和方向，实现粒子螺旋运动的全矢量运动信息测量。
具体地，结构光包含两个不同轨道角动量拓扑荷数的分量，且这两个分量的光强不同，参考光与探测光呈镜像，即参考光与探测光的轨道角动量拓扑荷数值相反，探测光的光强大于参考光光强。
具体地，螺旋运动的粒子的位置处于结构光两个轨道角动量拓扑荷分量的交叠区域内，将粒子的螺旋运动分解为平移运动分量和旋转运动分量，粒子的旋转中心与探测光光场中心保持重合，粒子的平移运动方向与入射的探测光光轴方向一致，粒子在其平移运动方向上对光具有高反射。
具体地，对叠加光场的检测分为两路进行，每一路分别经过一个检偏器，两路检偏器的偏振方向正交且分别与参考光偏振方向呈45度夹角，再分别经过一个探测器将随时间变化的光强度信号转换为电信号，最后通过傅里叶分析的频谱与相位谱获取粒子螺旋运动的全矢量运动信息。
本发明还提供了一种粒子螺旋运动的全矢量运动信息测量装置，包括：结构光光源，分束器，反射镜，四分之一波片，半波片，合束器和检测装置。其中，结构光光源用于产生结构光作为光源，分束器用于将结构光分为两束分别作为探测光与参考光，反射镜用于调整探测光和参考光的传播方向，四分之一波片用于将探测光由线偏振转换为圆偏振，半波片用于调整参考光的线偏振方向，探测光照射到螺旋运动的粒子上，被反射回的探测光与参考光通过合束器相干叠加得到叠加光场，检测装置用于对叠加光场进行探测，实现对粒子螺旋运动的全矢量运动信息的测量。
具体地，结构光光源产生的结构光具有两个不同轨道角动量拓扑荷数分量，且这两个分量的光强不同，该结构光光源可以通过诸如空间光调制器、复合螺旋相位板、超表面等器件对激光器输出的高斯光场调控来构建。
具体地，分束器的分光比中，探测光的光强大于参考光的光强，该分束器可以直接采用功率不均分的器件，也可以通过半波片与偏振分束器件的组合来构建。
具体地，探测光和参考光从分束到合束叠加的过程中，被反射的次数分别为奇数和偶数，在检测装置处，探测光与参考光的轨道角动量拓扑荷数相反，呈镜像。
具体地，在探测光照射到螺旋运动的粒子之前可采用缩束器，用于调节探测光的光斑尺寸，使螺旋运动的粒子的位置处于结构光两个轨道角动量拓扑荷分量的交叠区域内。
具体地，检测装置包括分束器、第一检偏器、第一探测器、第二检偏器、第二探测器和信号处理模块。其中，分束器将叠加光场分为两路，一路依次经过第一检偏器和第一探测器，另一路依次经过第二检偏器和第二探测器，第一检偏器和第二检偏器的偏振方向正交且分别与参考光偏振方向呈45度夹角；最后利用信号处理模块对两路信号的频谱与相位谱进行傅里叶分析，同时获取粒子螺旋运动的平移与旋转分量的速度大小和方向全矢量运动信息。
以下结合具体实施例及附图进行说明。
如图1所示，本发明提供的一种粒子螺旋运动的全矢量运动信息测量装置，包括：结构光光源1，分束器2，第一反射镜3，四分之一波片4，第二反射镜5，半波片6，合束器7，待检测运动粒子8和检测装置9。结构光光源1输出的结构光通过分束器2被分为探测光与参考光；探测光依次经过第一反射镜3调整传播方向，通过四分之一波片4将线偏振转换为圆偏振后，正入射待检测运动粒子8；参考光依次经过第二反射镜5调整传播方向，通过半波片6调整线偏振方向后，传输至合束器7处；待检测运动粒子8表面反射的探测光与参考光经过合束器7相干叠加，得到叠加光场；检测装置9用于探测叠加光场，实现获取粒子螺旋运动的全矢量运动信息。其中，结构光光源1产生的结构光具有两个不同轨道角动量拓扑荷数分量，且这两个分量的光强不同；分束器2的分光比中，探测光的光强大于参考光的光强；待检测运动粒子8的位置处于结构光两个拓扑荷分量的交叠区域内；检测装置9能够探测两个正交偏振方向的光强度时域信号，并能够进行傅里叶分析。
如图2所示，本发明提供的一种粒子螺旋运动的全矢量运动信息测量装置的一种改进，具体实施方式如下：
该装置包括：结构光光源1，第一分束器2，第一反射镜3，四分之一波片4，第二反射镜5，半波片6，合束器7，待检测运动粒子8，第二分束器91，第一检偏器92，第一探测器93，第二检偏器94，第二探测器95，缩束器10。该改进装置中，产生携带运动信息的探测光及其与参考光相干叠加的具体方式与实施例1方案一致；在探测光透过合束器7后，照射在带检测运动粒子8之前，增加缩束器10调整光斑尺寸，使待检测运动粒子8的位置处于结构光两个拓扑荷分量的交叠区域内；第二分束器91将叠加光场能量均分为两路；一路光依次通过第一检偏器92固定偏振方向和被第一探测器93接收；另一路光依次通过第二检偏器94固定偏振方向和被第二探测器95接收；第一探测器93和第二探测器95将光信号转换为电信号，最终获取粒子螺旋运动的全矢量信息。其中，第一检偏器92和第二检偏器94的偏振方向正交且分别与参考光偏振方向呈45度夹角。
如图3所示，本发明提供的一种粒子螺旋运动的全矢量运动信息测量装置的另一种改进，包括：结构光光源1，第一分束器2，四分之一波片4，反射镜5，半波片6，第二分束器7，待检测运动粒子8，合束器91，第一检偏器92，第一探测器93，第二检偏器94，第二探测器95，缩束器10。该改进装置在实施例2方案的基础上，对探测光照射螺旋运动粒子部分光路与分束探测部分光路进行了调整，其中，探测光照射粒子后被反射的探测光与参考光在合束时得到了两束用于探测的合束光；该改进装置原理与思路上与实施例2方案一致，但可以减少一块反射镜的使用。
如图4所示是一种具体的粒子螺旋运动的全矢量运动信息测量装置，其包括结构光光源1，第一半波片21，偏振分束器22，四分之一波片4，反射镜5，第二半波片6，分束器7，待检测运动粒子8，合束器91，第一检偏器92，第一光电探测器93，第二检偏器94，第二光电探测器95，第一透镜96，第二透镜97，电缆线98，信号处理模块99，缩束器10。结构光光源1输出的结构光通过第一半波片21和偏振分束器22的组合后被功率不均分地分为探测光与参考光；探测光依次通过四分之一波片4将线偏振转换为圆偏振，通过缩束器10调整光斑尺寸后，正入射待检测运动粒子8；参考光依次经过反射镜5调整传播方向，通过第二半波片6调整线偏振方向后，传输至合束器91处；待检测运动粒子8表面反射的探测光与参考光经过合束器91相干叠加，得到两路叠加光场；一路光依次通过第一检偏器92固定偏振方向，通过第一透镜96聚焦后，被第一光电探测器93接收；另一路光依次通过第二检偏器94固定偏振方向，通过第二透镜97聚焦后，被第二光电探测器95接收；第一光电探测器93和第二光电探测器95将光信号转换为电信号，并通过电缆线98传输到信号处理模块99。其中，第一半波片21和偏振分束器22的组合通过调节第一半波片21的快慢轴方向，能够调节探测光与参考光的功率配比；第一检偏器92和第二检偏器94的偏振方向正交，且分别与参考光偏振方向呈45度夹角。
如图5所示是一种具体的照射粒子的结构光场光斑及其偏振分布，照射粒子的结构光场包含0和5阶的轨道角动量拓扑荷数，两个阶数的功率比为1:2.5；结构光场的光斑在0与5阶交叠的环状区域内，表现为5阶周期对称的瓣状干涉条纹，其偏振分布为圆偏振。在测量过程中，粒子螺旋运动的位置处于结构光场光斑中5阶周期对称的区域内。
下面给出本实施例中利用本发明提供的测量装置对粒子螺旋运动的实验测量结果图，图6(a)从上到下依次是粒子向前逆时针螺旋运动测量实验的两个探测信号的频谱与相对相位谱；图6(b)从上到下依次是粒子向后逆时针螺旋运动测量实验的两个探测信号的频谱与相对相位谱；图6(c)从上到下依次是粒子向前顺时针螺旋运动测量实验的两个探测信号的频谱与相对相位谱；图6(d)从上到下依次是粒子向后顺时针螺旋运动测量实验的两个探测信号的频谱与相对相位谱。在信号频谱中，存在4个频谱峰，理论峰值频率大小分别为f1＝|2kvz+10Ω|/2π，f2＝|2kvz+5Ω|/2π，f3＝|2kvz|/2π，f4＝|5Ω|/2π，这里k为结构光波数，vz为粒子螺旋运动的平移分量速度，Ω为粒子螺旋运动的旋转分量速度；通过对两个探测信号的相位谱相减，得到相对相位谱，四个理论峰值频率对应的相对相位值中，有一个在0度附近，其他三个在90度或-90度附近。通过四个峰值频率对应的相对相位值以及频谱峰的峰值幅度，能够将四个峰值与理论峰值频率对应起来；其中，相对相位值在0度附近对应的理论峰值频率为f4，其他三个峰值幅度由高到低依次对应为f1、f2、f3；根据对应相对相位值的正负，能够判断f1、f2、f3频移值的正负，由此代入理论峰值频率大小公式，能够得到待测粒子螺旋运动的平移与旋转分量的四个方程，解方程组，即可获得粒子螺旋运动的全矢量信息。定义线性运动向前和旋转运动逆时针为两运动分量的正向，对于图6(a)，粒子螺旋运动的线性速度分量为1mm/s向前、旋转速度分量为200πrad/s逆时针，频谱中四个峰值频率f1、f2、f3、f4的测量值分别为4100Hz、3600Hz、3100Hz、500Hz，对应相对相位谱中的测量值分别为91.60°、89.18°、90.90°、-0.45°，将测量结果代入理论峰值频率公式，计算出的粒子螺旋运动的两分量的测量值在误差允许范围内是符合实际值的；对于图6(b)，粒子螺旋运动的线性速度分量为1mm/s向后、旋转速度分量为200πrad/s逆时针，频谱中四个峰值频率f1、f2、f3、f4的测量值分别为2110Hz、2610Hz、3110Hz、500Hz，对应相对相位谱中的测量值分别为-90.61°、-90.32°、-87.94°、0.57°，将测量结果代入理论峰值频率公式，计算出的粒子螺旋运动的两分量的测量值在误差允许范围内是符合实际值的；对于图6(c)，粒子螺旋运动的线性速度分量为1mm/s向前、旋转速度分量为200πrad/s顺时针，频谱中四个峰值频率f1、f2、f3、f4的测量值分别为2100Hz、2590Hz、3100Hz、500Hz，对应相对相位谱中的测量值分别为91.15°、88.11°、81.19°、0.95°，将测量结果代入理论峰值频率公式，计算出的粒子螺旋运动的两分量的测量值在误差允许范围内是符合实际值的；对于图6(d)，粒子螺旋运动的线性速度分量为1mm/s向后、旋转速度分量为200πrad/s顺时针，频谱中四个峰值频率f1、f2、f3、f4的测量值分别为4130Hz、3630Hz、3130Hz、500Hz，对应相对相位谱中的测量值分别为-91.10°、-88.47°、-88.51°、0.40°，将测量结果代入理论峰值频率公式，计算出的粒子螺旋运动的两分量的测量值在误差允许范围内是符合实际值的。
本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种粒子螺旋运动的全矢量运动信息测量方法，其特征在于，包括利用具有强度与相位空间分布的圆偏振的第一结构光作为探测光照射螺旋运动的粒子，利用与所述探测光呈镜像的强度与相位空间分布的线偏振的第二结构光作为参考光，所述螺旋运动的粒子反射回来的探测光与所述参考光相干叠加，得到包含粒子螺旋运动信息的叠加光场，通过检测叠加光场，获取粒子的螺旋运动的全矢量信息，包括平移运动分量的速度大小和方向以及旋转运动分量的速度大小和方向，实现粒子螺旋运动的全矢量运动信息测量。
2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述第一结构光和第二结构光均包含两个不同轨道角动量拓扑荷数的分量，且这两个分量的光强不同，所述参考光与所述探测光呈镜像，即所述参考光与所述探测光的轨道角动量拓扑荷数值相反，所述探测光的光强大于所述参考光光强。
3.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述螺旋运动的粒子的位置处于第一结构光两个轨道角动量拓扑荷分量的交叠区域内，将粒子的螺旋运动分解为平移运动分量和旋转运动分量，粒子的旋转中心与探测光光场中心保持重合，粒子的平移运动方向与入射的探测光光轴方向一致，粒子在其平移运动方向上对光具有高反射。
4.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，对叠加光场的检测分为两路进行，每一路分别经过一个偏振方向正交且分别与参考光偏振方向呈45度夹角的检偏器，再分别经过一个探测器将随时间变化的光强度信号转换为电信号，最后通过傅里叶分析的频谱与相位谱获取粒子螺旋运动的全矢量运动信息。
5.一种粒子螺旋运动的全矢量运动信息测量装置，其特征在于，包括结构光光源，分束器，反射镜，四分之一波片，半波片，合束器和检测装置，所述结构光光源用于产生结构光作为光源，所述分束器用于将结构光分为两束分别作为探测光与参考光，所述反射镜用于调整探测光和参考光的传播方向，所述四分之一波片用于将探测光由线偏振转换为圆偏振，所述半波片用于调整参考光的线偏振方向，探测光照射到螺旋运动的粒子上，被反射回的探测光与参考光通过所述合束器相干叠加得到叠加光场，所述检测装置用于对叠加光场进行探测，实现对粒子螺旋运动的全矢量运动信息的测量。
6.根据权利要求5所述的测量装置，其特征在于，所述结构光光源产生的结构光具有两个不同轨道角动量拓扑荷数分量，且这两个分量的光强不同，所述结构光光源通过空间光调制器、复合螺旋相位板、或者超表面等器件对激光器输出的高斯光场调控来构建。
7.根据权利要求5所述的测量装置，其特征在于，所述分束器的分光比中，探测光的光强大于参考光的光强，所述分束器为功率不均分的器件，或者通过半波片与偏振分束器件的组合来构建。
8.根据权利要求5所述的测量装置，其特征在于，所述探测光和参考光从分束到合束叠加的过程中，被反射的次数分别为奇数和偶数，在所述检测装置处，探测光与参考光的轨道角动量拓扑荷数相反，呈镜像。
9.根据权利要求5所述的测量装置，其特征在于，还包括缩束器，位于探测光照射到螺旋运动的粒子之前，用于调节探测光的光斑尺寸，使螺旋运动的粒子的位置处于结构光两个轨道角动量拓扑荷分量的交叠区域内。
10.根据权利要求5所述的测量装置，其特征在于，所述检测装置包括分束器、第一检偏器、第一探测器、第二检偏器、第二探测器和信号处理模块；所述分束器将叠加光场分为两路，一路依次经过第一检偏器和第一探测器，另一路依次经过第二检偏器和第二探测器，所述第一检偏器和第二检偏器的偏振方向正交且分别与参考光线偏振方向呈45度夹角；最后利用所述信号处理模块对两路信号的频谱与相位谱进行傅里叶分析，同时获取粒子螺旋运动的平移与旋转分量的速度大小和方向全矢量运动信息。
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