CN110988897A - 位移大小与方向的高精度单光路测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种位移大小与方向的高精度单光路测量方法及装置；所述方法是在被测物体上安装反射镜，且沿光轴方向移动，入射光沿光轴方向垂直进入光子晶体，出射后垂直射向反射镜并原路返回，在光轴方向上入射光与反射光叠加在光源和反射镜之间形成驻波共振，反射镜和光子晶体一起构成半开放的介质谐振器，通过光谱分析判断出反射镜的位移变化并实时判断出被测物体的移动方向；所述装置包括依次设置于同一光轴方向上的光源、准直装置、光子晶体和反射镜，光子晶体的侧面垂直于光轴方向设置有光谱仪。本发明可以实现测量精度从微波到可见光波段量级的变化，可以实现对位移大小和方向的同时测量，可以实现

精度的长距离测量以及超高精度的短距离测量。

Description

位移大小与方向的高精度单光路测量方法及装置

技术领域

本发明涉及一种用于高精度测量位移大小与方向的单光路测量方法及装置，属于光学测距技术领域。

背景技术

随着科学技术的飞速发展，对测距技术的精度提出了越来越高的要求，高精度的距离测量技术在精密加工、航空航天、精密计量和科学研究等方面的具有非常重要的应用。激光以方向性好、亮度高、单色性好、相干性等特点在测距技术中得到了很好的应用，光学测距技术根据其测量机制的不同主要分为三大类：飞行时间测量、相位测量和干涉测量。飞行时间法的测量原理是通过记录脉冲光信号的往返时间计算出被测距离，这种测量方式精度相对较低但测量距离较远。相位式测量是通过测量经调制的连续光波的往返相位差间接测量距离，但这种方式受相位测量条件的限制，需要结合其他测量方法或同时使用多个调制频率来进行精确测距；干涉测量中参考光和测量光相干叠加形成干涉条纹，通过对干涉条纹计数实现距离测量，但光路的搭建和操作比较复杂。

介质谐振器以低损耗、高介电常数的特点得到了迅速的发展，不同于金属谐振腔，介质谐振器具有开放的介质边界，电磁波可以透过介质边界向外辐射能量，同时它高介电常数的特点也使得谐振器可以存储更多的能量。

光子晶体是折射率周期性变化的电介质结构，也是一类重要的介质谐振器，本发明基于光子晶体介质谐振器提出了一种新的位移测量方法，通过对光子晶体谐振器辐射光的光谱分析测量被测物体的位移大小及方向。

发明内容

本发明针对现有光学测距技术存在的不足，提出一种位移大小与方向的高精度单光路测量方法，该方法结构简单、设计灵活、测量方便，通过光谱分析就可实现对位移的测量。同时提供一种实现该方法的装置。

本发明的位移大小与方向的高精度单光路测量方法，如下所述：

在被测物体上安装反射镜，且沿光轴方向移动，入射光沿光轴方向垂直进入具有狄拉克锥形色散特性的光子晶体，出射后垂直射向反射镜，然后原路返回；在光轴方向上，入射光与反射光叠加在光源和反射镜之间形成驻波共振，反射镜和光子晶体一起构成半开放的介质谐振器；随着反射镜的移动，引起光子晶体侧面垂直辐射光谱的变化，通过光谱分析判断出反射镜的位移变化；当反射镜沿光轴远离光子晶体时，光谱中谐振峰会发生红移；当反射镜沿光轴靠近光子晶体时，谐振峰会发生蓝移，由此实时判断出被测物体的移动方向。

所述光源为狄拉克点附近的宽光源。

所述通过光谱分析判断出反射镜的位移变化，是指：在光谱变化的过程中，狄拉克点的透过率最大最小值变换一次，反射镜移动距离为λ_D/4，反射镜的移动距离D＝N·λ_D/4，λ_D是狄拉克波长，N是狄拉克点透过率的高低变化次数。

所述反射镜的位移测量精度为λ_D/4，λ_D是狄拉克波长。

所述反射镜的位移超高测量精度为ΔD＝λ_i/2-λ_i+1/2；λ_i是第i阶谐振峰的本征波长，i是谐振级，定义为狄拉克波长左侧的第一个峰为一阶谐振模式，第二个为二阶谐振模式，依次类推。

光子晶体通过设计可以呈现狄拉克锥形色散特性，在狄拉克点光子晶体的有效介电常数和有效磁导率同时为零，使其有效折射率n_eff为零，对应无限大波长。在狄拉克点附近，光子晶体的有效折射率随频率发生线性变化，且n_eff＜＜1，对不同频率的光波长具有不同的放大作用。在狄拉克点附近，在满足内部场谐振条件时，光子晶体谐振体会沿垂直方向辐射电磁波，通过分析光子晶体谐振体沿垂直方向的透射谱会发现随着反射镜的移动，透射光谱中谐振峰会发生相应的移动，当反射镜沿光轴远离光子晶体时，光谱中谐振峰会发生红移；当反射镜沿光轴靠近光子晶体时，谐振峰会发生蓝移，由此可以实时判断出反射镜的移动方向。并且，狄拉克点的透过率从最大到最小变化一次，反射镜的位移为λ_D/4，根据狄拉克点的透过率周期变化次数可以计算出反射镜的移动距离，从而实现λ_D/4的高精度测量。因此本发明所设计的测量方法可以实现对位移大小和方向的同时测量。

当选择不同谐振峰为测量基准时，第i阶谐振峰再次重合的位移周期为其λ_i/2＝n_effL/i (其中λ_i是该谐振峰的本征波长，L为光子晶体的x方向的长度)，由此可知对于固定尺寸的光子晶体谐振体来说，当选择不同测量基准时，该测量方法的测量精度也不同，可以灵活变化。

实现上述方法的位移大小与方向的高精度单光路测量装置，采用如下技术方案：

该装置，包括依次设置于同一光轴方向上的光源、准直装置、光子晶体和反射镜；

光源：用于提供狄拉克点附近的宽频入射光；

准直装置：将入射光波前转换为平面波，垂直入射进入光子晶体；可采用现有准直器；

反射镜：安装在被测物体上沿光轴方向移动，与光子晶体一起构成半开放介质谐振器，

光子晶体：由介质圆柱按正方结构周期性排列而成。

所述光子晶体结构参数为r＝0.213a，r介质圆柱半径，a晶格常数，介电常数ε＝10，磁导率μ＝1。

所述光子晶体的侧面垂直于光轴方向设置有光谱仪，用于测量光子晶体的垂直方向透射光谱。

与传统的双光路干涉技术相比，本发明具有以下特点：

1.本发明的测量频段可调，根据标量不变性原理，通过对光子晶体结构参数的等比例的缩放可以实现测量精度从微波到可见光波段量级的变化。

2.本发明为单光路设计，不同于传统干涉法测距的双光路设计，利用光子晶体在狄拉克点附近的线性色散和谐振特性，光路结构简单、操作方便。

3.本发明采用宽光谱分析方法替代单色光干涉强度明暗变化进行精密位移测量，基于0 阶狄拉克点的测量精度为λ_D/4，比传统单色光干涉测量精度λ₀/2更高,基于其他高阶谐振频率的测量精度可在不同谐振模式间灵活转换。

4.本发明可以实现对位移大小和方向的同时测量。

5.本发明可以实现λ_D/4精度的长距离测量以及超高精度的短距离测量。

附图说明

图1是本发明位移大小与方向的高精度单光路测量装置的工作原理图。

图2是本发明中基于二维正方结构光子晶体的半开放介质谐振器的结构示意图。

图3是狄拉克点附近有效折射率随归一化频率的变化关系图。

图4是以0阶狄拉克点频率为基准移动步长为λ_D/8的垂直透射谱示意图。

其中：1光源，2准直装置，3光子晶体，4反射镜，5光谱仪。

具体实施方式

本发明通过单光路高精度地进行位移大小与方向的测量，是将反射镜安装在被测物体上被测物体沿光轴方向移动，入射光沿光轴方向垂直进入光子晶体，出射后垂直射向反射镜，然后原路返回。在光轴方向上，入射光与反射光叠加在光源和反射镜之间形成驻波共振，反射镜和光子晶体一起构成半开放的介质谐振器。光子晶体本身的谐振特性与其操作波长有关，不同波长的光具有不同的谐振特性。随着反射镜的移动，引起光子晶体侧面垂直辐射光谱的变化，通过光谱分析判断出反射镜的位移大小及方向的变化。

实现上述方法进行位移大小与方向的高精度单光路测量的装置，如图1所示，包括依次设置的光源1、准直装置2、光子晶体3和反射镜4，四者共光轴，反射镜4沿光轴方向运动，在光子晶体的侧面垂直于光轴方向设置有光谱仪5，光轴方向为x方向。

光源1：提供狄拉克点附近的宽频入射光。光源1的波长范围可设置为1350nm-1650nm。

准直装置2：将入射光波前转换为平面波，垂直入射进入光子晶体；采用现有准直器。

光子晶体3：介质圆柱按正方结构周期性排列，其结构参数为r＝0.213a，r介质圆柱半径， a晶格常数，介电常数ε=10，磁导率μ＝1。

反射镜4：安装在被测物体上沿光轴方向移动，和光子晶体一起构成半开放介质谐振器，其结构如图2所示。可采用现有各种使反射镜4移动的装置，如螺旋移动机构、电动推杆等。

光谱仪5：放置在光子晶体3侧面垂直于光轴方向，用于测量光子晶体3的垂直方向透射光谱。

光谱中谐振峰的位置是固定的，反射镜4的移动引起半开放介质谐振器轴向几何参数的变化，导致光谱中谐振峰的移动。不同谐振峰的n_eff(光子晶体中的有效折射率)不同，依据有效介质理论，光子晶体3中的有效折射率n_eff可以表示为：

式中n_eff,ε_eff,μ_eff,λ_eff分别是光子晶体3中的有效折射率、有效介电常数、有效磁导率和有效波长，λ₀是空间中的波长。在狄拉克点n_eff＝0，波长无限大；狄拉克点附近，n_eff不为零且|n_eff|＜＜1，图3是有效折射率随归一化频率的变化关系。随着反射镜的移动，光谱中各谐振峰会发生周期性变化。当反射镜4远离光子晶体时，光谱中谐振峰红移，反之，谐振峰蓝移。在光谱变化的过程中，狄拉克点的透过率高低变化最剧烈，透过率最大最小值变换一次，反射镜4移动距离为λ_D/4，假设狄拉克点透过率的高低变化次数N，可计算出反射镜4的移动距离D＝N·λ_D/4，λ_D是狄拉克波长。

由于垂直透射光谱是随反射镜移动连续变化的，在其他高阶谐振峰的位置不易分辨透过率高低变化，但各高阶谐振峰是周期性变化的，变化周期为T＝λ_i/2＝n_effL/i，λ_i是第i阶谐振峰的本征波长，i是谐振级，定义为狄拉克波长左侧的第一个峰为一阶谐振模式，第二个为二阶谐振模式，依次类推。L为光子晶体3的x方向的长度。第i阶和i+1阶谐振峰周期交替出现，二者之间对应的反射镜6的位移为：

上式为相邻谐振半波长之间的差值，各阶谐振峰由高阶到低阶依次重合，且相邻峰之间的差值趋于一个定值ΔD，据此可以实现更高精度的测量。

光子晶体介质谐振器是测量技术中的关键组成部件，其结构参数决定了工作波段。通过对光子晶体结构进行等比例缩放可以实现从微波到光波段沿光轴方向不同精度位移大小及位移方向的测量。

下面结合具体实例对本发明作进一步说明，但本发明的实施方式并不仅限于此。

实施例1

λ_D/4精度的长距离测量超高精度的短距离测量

在模拟实验中，如图2所示，二维正方结构光子晶体3的结构参数为：晶格常数 a＝880.4nm，介质柱半径r＝187.525nm，介电常数10，磁导率1，阵列大小20×20，狄拉克波长设计为通信波段附近λ_D＝1550nm。光源1的波长范围为1350nm-1650nm。反射镜4为光学反射镜。用光谱仪5测量光子晶体侧面垂直透射光谱。从图4中可以看出随反射镜4向右移动，透射光谱中的谐振峰逐渐红移，高阶谐振峰逐渐向低阶谐振峰移动；反之，当反射镜4向左移动时，光谱中各谐振峰的发生蓝移，由此可判断出反射镜的移动方向。以狄拉克点为测量参考点，透过率每从最高和最低值之间变化一次，反射镜4的移动距离为387.5nm(即λ_D/4)，并且随着反射镜移动周期性变化，图中实线标识狄拉克点位置。若该位置透过率的大小变化次数为N，可知反射镜4的移动距离为D＝N·λ_D/4。

实施例2

超高精度的短距离测量

在反射镜4的移动过程中，光谱中各阶谐振峰重合周期是λ_i/2(i是谐振级，定义光谱中狄拉克点左侧的第一个峰为一阶谐振模式，第二个为二阶谐振模式，依次类推)，第i阶与第 i+1阶依次重合，并且相邻谐振峰之间的差值趋于一个定值。计算20×20阵列光子晶体中相邻光谱之间的差值变化，测量装置的设计及结构参数和实施例1一致。各谐振半波长之间的差值见下表。

谐振级	λ<sub>i</sub>/2(nm)	ΔD(nm)
			1	760.95
2	751.39	9.56
			3	741.76	9.63
4	732.38	9.38
			5	722.94	9.44
6	713.75	9.19
			7	704.52	9.23
8	695.53	8.99
			9	686.51	9.02
10	677.47	9.04

反射镜4每移动ΔD，光谱中谐振峰从高阶到低阶依次重合，据此以达到距离测量的目的。ΔD＝λ_i/2-λ_i+1/2即该方式的测量精度，通过光谱可以得到上表的数据，受模拟软件测量精度以及光子晶体尺寸的影响，表中相邻谐振波长之间的差值ΔD并不是完全一致，存在一定的误差。但随着光子晶体尺寸增大，误差越来越小，并且ΔD越来越小，即测量精度越高。反射镜的移动距离D可表示为：

上式中i和j是光谱中谐振级，且i＜j。

Claims (8)

1.一种位移大小与方向的高精度单光路测量方法，其特征是：

在被测物体上安装反射镜，且沿光轴方向移动，入射光沿光轴方向垂直进入具有狄拉克锥形色散特性的光子晶体，出射后垂直射向反射镜，然后原路返回；在光轴方向上，入射光与反射光叠加在光源和反射镜之间形成驻波共振，反射镜和光子晶体一起构成半开放的介质谐振器；随着反射镜的移动，引起光子晶体侧面垂直辐射光谱的变化，通过光谱分析判断出反射镜的位移变化；当反射镜沿光轴远离光子晶体时，光谱中谐振峰会发生红移；当反射镜沿光轴靠近光子晶体时，谐振峰会发生蓝移，由此实时判断出被测物体的移动方向。

2.根据权利要求1所述位移大小与方向的高精度单光路测量方法，其特征是：所述光源为狄拉克点附近的宽光源。

3.根据权利要求1所述位移大小与方向的高精度单光路测量方法，其特征是：所述通过光谱分析判断出反射镜的位移变化，是指：在光谱变化的过程中，狄拉克点的透过率最大最小值变换一次，反射镜移动距离为λ_D/4，反射镜的移动距离D＝N·λ_D/4，λ_D是狄拉克波长，N是狄拉克点透过率的高低变化次数。

4.根据权利要求1所述位移大小与方向的高精度单光路测量方法，其特征是：所述反射镜的位移测量精度为λ_D/4，λ_D是狄拉克波长。

5.根据权利要求1所述位移大小与方向的高精度单光路测量方法，其特征是：所述反射镜的位移超高测量精度为ΔD＝λ_i/2-λ_i+1/2；λ_i是第i阶谐振峰的本征波长，i是谐振级，定义为狄拉克波长左侧的第一个峰为一阶谐振模式，第二个为二阶谐振模式，依次类推。

6.一种位移大小与方向的高精度单光路测量装置，其特征是：包括依次设置于同一光轴方向上的光源、准直装置、光子晶体和反射镜；

光源：用于提供狄拉克点附近的宽频入射光；

准直装置：将入射光波前转换为平面波，垂直入射进入光子晶体；

反射镜：安装在被测物体上沿光轴方向移动，与光子晶体一起构成半开放介质谐振器，

光子晶体：由介质圆柱按正方结构周期性排列而成。

7.根据权利要求6所述的位移大小与方向的高精度单光路测量装置，其特征是：所述光子晶体结构参数为r＝0.213a，r介质圆柱半径，a晶格常数，介电常数ε＝10，磁导率μ＝1。

8.根据权利要求6所述的位移大小与方向的高精度单光路测量装置，其特征是：所述光子晶体的侧面垂直于光轴方向设置有光谱仪，用于测量光子晶体的垂直方向透射光谱。

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