CN113218339A

CN113218339A - 一种结构光调制测微小角度的装置

Info

Publication number: CN113218339A
Application number: CN202110596773.0A
Authority: CN
Inventors: 李劲松; 张浩然; 苏衍峰
Original assignee: China Jiliang University
Current assignee: China Jiliang University
Priority date: 2021-05-31
Filing date: 2021-05-31
Publication date: 2021-08-06

Abstract

本发明提供一种结构光调制测微小角度的装置，包括：激光器、光阑、准直扩束器、分束镜、螺旋相位板、反射镜、电荷耦合器、计算机，其中：激光器出射光经光阑滤去杂光，再经准直扩束器到达分束镜1，并分为两束光，一束经螺旋相位板，到达分束镜2；另一束经两个反射镜(其中一个角度可调)，也到达分束镜2，两束光发生干涉，条纹由电荷耦合器接收并传至计算机解算。两束光分别为涡旋光、平面光，具有较长相干长度，干涉形成叉形条纹，会随经过反射镜的光束到达分束镜2角度变化而改变，由电荷耦合器接收并通过计算机解算，根据全息干涉计量法得出光束改变的微小角度。本发明利用条纹变化测量光束改动的微小角度，结构简单，易于操作。

Description

一种结构光调制测微小角度的装置

技术领域

本发明属于光电检测技术领域中的角位移精度动态检测，特别涉及一种结构光调制测微小角度的装置。

背景技术

微小角位移的测量在地球物理、工程实践和科学实验中有着重要的影响。不仅可以广泛应用于工业自动化的测量和监控系统，尤其适用于机械变化频繁，环境影响较大的领域，如：航空、电子、纺织、船舶、冶金等行业。

角位移的测量是一种很重要的工程技术。现有的测量角位移的方法有两种，一种是使用嵌入式角位移传感器，一种是基于电磁信号处理的精密测量系统。嵌入式角位移传感器主要用在大型齿轮的角位移精密测量，但是由于安装和机械加工的原因，这类角位移传感器在使用过程中会存在误差，并且误差修正的过程存在一定的局限性，使其在工业应用方面具有一定的局限性；基于电磁信号处理的精密测量系统包括电磁探头、信号处理电路、控制器、通信器及上位机等，所涉及的设备对电磁环境的要求较高，并且使用原理复杂，使其不能广泛应用。因此，需要寻找一种结构更简单、更易于应用的微小角位移测量系统。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是：实现装置简单，易于操作的微小角度检测。

为达到上述目的，本发明的技术方案具体是这样实现的：

本发明提供了一种结构光调制测微小角度的装置，包括：激光器，光阑，准直扩束器，分束镜1，螺旋相位板，分束镜2，反射镜，角度可调的反射镜，电荷耦合器，计算机。激光器右侧共轴且依次放置光阑、准直扩束器、分束镜1、螺旋相位板、分束镜2、电荷耦合器；在分束镜1下方依次放置反射镜及另一个角度可调的反射镜，保证两束光均可到达分束镜2及其后方的电荷耦合器中；电荷耦合器连接一个计算机。

所述的光阑位于激光器与准直扩束器之间，利用光阑可以滤去杂光。

所述的分束镜1将光束分为两束后，其中一束经过螺旋相位板，获得螺旋相位，形成涡旋光，到达分束镜2；另一束光经过一个反射镜及一个角度可调的反射镜，也到达分束镜2。

所述的电荷耦合器置于分束镜2之后，用于接收两光束的干涉条纹信息；所述的计算机与电荷耦合器相连，对电荷耦合器记录的条纹信息进行解算，并根据全息干涉计量的理论得出经过反射镜的光束所改动的微小角度。

本发明工作流程如下：

激光器出射一束光，首先经过光阑滤去杂光，再由准直扩束器扩束准直，接着经分束镜1分为两束，其中一束经螺旋相位板后携带螺旋相位，形成涡旋光，到达分束镜2；另一束光经过反射镜及另一个角度可调的反射镜，也到达分束镜2。在光路中，由于其中一个反射镜角度可调，也即光束到达分束镜2时的角度可调。两光束在分束镜2处发生干涉，条纹由电荷耦合器接收并传输至计算机中，进行条纹信息的解算工作，基于全息干涉计量理论得到经过反射镜的光束所改变的微小角度。一束光为涡旋光，另一束光为平面光，两者具有较长相干长度，干涉条纹为叉形条纹，电荷耦合器接收条纹信息并传输至计算机。调节反射镜角度会改变两束光干涉时的相干角度，从而使得干涉条纹也发生改变，由计算机解算干涉条纹的变化即可得到相干角度的微小变化，也即得到角度可调反射镜改变的角度。

由于采用了上述的技术方案，本发明所取得的有益效果是：

本装置中涡旋光与平面光干涉形成的叉形条纹会随经过反射镜的光束角度改变而产生变化。通过全息干涉计量法，解算条纹信息，即可解得微小角度变化。大大简化装置结构，使得操作更加简单，同时降低计算机解算角度变化的运算时间。

附图说明

构成本发明的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明结构示意图。

图2为通过改变反射镜角度，进而改变两光束的相干角度及发生干涉的干涉条纹模拟图，调整角度分别为1°、2°、3°。

附图标记说明：1-激光器；2-光阑；3-准直扩束器；4-分束镜1；5-螺旋相位板；6-分束镜2；7-反射镜；8-角度可调的反射镜；9-电荷耦合器；10-计算机。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。以下结合附图对本发明的实施例进行说明，这些附图均为简化的示意图，仅以示意；

本发明提供了一种结构光调制测微小角度的装置，如图1为一种结构光测微小角度的装置示意图，其中包括激光器(1)，光阑(2)，准直扩束器(3)，分束镜1(4)，螺旋相位板(5)，分束镜2(6)，反射镜(7)，角度可调反射镜(8)，电荷耦合器(9)，计算机(10)。

所述实施例中激光器出射波长λ＝632nm，束腰半径ω₀＝5mm，涡旋光拓扑荷数为1。

所述实施例中，利用角度可调的反射镜，使得经过反射镜的光束到达分束镜2时的角度分别改变1°，2°，3°。

本装置工作时，激光器(1)出射一束光束，首先由光阑(2)滤去杂光，再经过准直扩束器(3)扩束准直后进入分束镜1(4)，由分束镜1(4)分为两束光，其中一束经过螺旋相位板(5)获得螺旋相位，形成涡旋光，到达分束镜2(6)；另一束光经反射镜(7)及角度可调的反射镜(8)到达分束镜2(6)。两光束在分束镜2(6)处发生干涉，产生干涉条纹，再由电荷耦合器(9)探测接收，最终传输至计算机(10)中。其中一束光为涡旋光，另一束光为平面光，两者拥有较长相干长度，发生干涉后会产生叉状条纹，由电荷耦合器(9)接收记录。通过角度可调的反射镜(8)来改变经过反射镜的光束到达分束镜2(6)的角度，从而使得叉形干涉条纹也随之改变。计算机(10)解析叉形干涉条纹的变化以测得光束改变的微小角度。

为了更好的理解该发明装置，对本发明理论部分进行补充说明：

当一束沿Z轴传播的涡旋光束E₁exp(ilθ)，其中l为该涡旋光束的拓扑荷数，另一束平面波传播方向与Z轴夹角为α，则平面波函数可以写成

E₂exp(ikxsinα+ikzcosα)

假设两束光的束腰在Z＝0的平面上，则当两束光发生干涉时，干涉光强分布为

I＝E₁ ²+E₂ ²+2E₁E₂cos(lθ-kxsinα)

若两光束都为单位振幅光束时，光强分布为

I＝2+2cos(lθ-kxsinα)

由上述公式可知，两光束干涉时，光强分布会因平面波与Z轴夹角改动而发生变化，不难得出，两光束的干涉条纹也随之变化。利用计算机解析电荷耦合器所记录的干涉条纹信息，解算出平面波与Z轴夹角，即为该发明中反射镜调节的微小角度。

Claims

1.一种结构光调制测微小角度的装置，包括：激光器，光阑，准直扩束器，分束镜1，螺旋相位板，分束镜2，反射镜，角度可调的反射镜，电荷耦合器，计算机，其特征在于，激光器右侧共轴且依次放置光阑、准直扩束器、分束镜1、螺旋相位板、分束镜2、电荷耦合器；在分束镜1下方依次放置反射镜及一个角度可调的反射镜。保证两束光均可到达分束镜2，再由后方的电荷耦合器接收；电荷耦合器连接一个计算机。

2.根据权利要求1所述的结构光调制测微小角度的装置，其特征在于，所述的光阑位于激光器与准直扩束器之间，利用光阑滤去杂光。

3.根据权利要求1所述的结构光调制测微小角度的装置，其特征在于，所述的分束镜1将光束分为两束后，其中一束经过螺旋相位板，获得螺旋相位，形成涡旋光，到达分束镜2；另一束光经过一个反射镜及一个角度可调的反射镜，也到达分束镜2。

4.根据权利要求1所述的结构光调制测微小角度的装置，其特征在于，所述的电荷耦合器置于分束镜2之后，用于接收两束光的干涉条纹信息；所述的计算机与电荷耦合器相连，对电荷耦合器记录的条纹信息进行解算，并根据全息干涉计量理论得出经过反射镜的光束所改动的微小角度。