CN115164741A - 一种基于矢量光场的测距系统 - Google Patents

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CN115164741A CN202210891202.4A CN202210891202A CN115164741A CN 115164741 A CN115164741 A CN 115164741A CN 202210891202 A CN202210891202 A CN 202210891202A CN 115164741 A CN115164741 A CN 115164741A
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胡晓博
陈瑞品
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Abstract

本发明公开了一种基于矢量光场的测距系统，包括携带准直扩束功能的对角线方向线偏振光生成器、任意结构矢量光束的产生系统、矢量质量因子测量系统以及CCD接收装置。所述矢量光束产生系统中设有数字微镜器件(Digital Micromirror Devices,DMD)，利用数字调控技术可以生成矢量质量因子(Vector Quality Factor,VQF)随距离规律变化的圆艾里涡旋矢量光束，通过矢量质量因子测量系统VQF参数的获得，实现纵向传输距离的检测，从而运用到对距离需要进行监测的行业，具有检测装置成本低、易集成、调控灵活且适用范围广等特点。

Description

一种基于矢量光场的测距系统
技术领域
本发明涉及光电技术领域，具体涉及到一种基于矢量光场的测距系统。
背景技术
激光作为人类20世纪最伟大的发明之一，已被广泛应用于医疗、工业和激光武器等领域。由于激光具有单色性好、方向性强等优点，以激光作为光源对目标的距离进行测定是目前距离测量常用的手段。光具有多种属性(振幅、相位、空间模式、频率、偏振等)，利用光的丰富属性，开发新型激光测距技术，对推动人类社会进步具有重要意义。其中，偏振态，作为光的重要属性之一，为诸多激光技术的实现提供了可靠的技术途径。
将空间模式与偏振自由度以一种不可分离的方式耦合，能够获得一类空间偏振变化的结构光场，由于其横向偏振极化分布的不均匀性，此类光场又称为矢量光场。矢量光场在同一波面上不同位置具有空间变化的偏振状态，这样独特的空间-偏振耦合性质为激光技术催生了更加广泛的应用，同时，鉴于常规的测距方式存在灵活性低下，成本高，适用范围小，测距效率低下等问题，本发明设计了一种能够快速测距、适用场景广泛的一种基于矢量光场的测距系统。
发明内容
为了克服上述现有技术中的缺陷，本发明提供了一种基于矢量光场的测距系统，能够利用圆艾里涡旋矢量光场的矢量质量因子(VQF)实现对距离的快速测量。
技术方案
一种基于矢量光场的测距系统，包括从左至右依次设置的携带准直扩束功能的对角线方向的线偏振光生成器、任意矢量光束的产生系统、矢量质量因子测量系统以及CCD接收装置，所述产生系统中设有数字调控光场参数的数字微镜器件DMD。
进一步的，所述线偏振光生成器包括一组准直扩束透镜，所述准直扩束透镜包括焦距为20mm的透镜一、焦距为200mm的透镜二，所述线偏振光生成器还包括激光器。
进一步的，所述线偏振光生成器还包括二分之一波片。
进一步的，所述产生系统包括设置于所述线偏振光生成器右侧的沃拉斯顿棱镜。
进一步的，所述产生系统还包括四分之一波片，所述产生系统还包括焦距为100mm的透镜三、焦距为100mm的透镜四。
进一步的，所述产生系统还包括数字微镜器件DMD，所述数字微镜器件DMD所加载的全息图包含数字光栅，通过调节光栅系数，可实现左、右旋圆偏振两束光沿同一传输路径传输。
进一步的，所述产生系统所产生的圆艾里涡旋矢量光束表示为：
Figure BDA0003767613980000021
其中，cosθ、
Figure BDA0003767613980000022
为权重因子，(r,φ)为柱坐标参数，
Figure BDA0003767613980000023
和
Figure BDA0003767613980000024
为左、右旋圆偏振基失，另外，
Figure BDA0003767613980000025
为两个偏振基失之间存在的相位差，
Figure BDA0003767613980000026
与
Figure BDA0003767613980000027
作为两正交空间模式基失，分别为携带
Figure BDA0003767613980000028
轨道角动量的圆艾里涡旋光束，
Figure BDA0003767613980000029
为普朗克常量。
进一步的，所述圆艾里涡旋光束可表示为：
Figure BDA00037676139800000210
其中Ai()表示艾里函数；r是半径，r0是光束主环半径；a是截止因子；ω是束腰半径；m是拓扑荷；v是初始发射角参量。
进一步的，所述圆艾里涡旋矢量光束在不改变光路中任何光学元器件的前提下，通过改变所述数字微镜器件DMD上加载的全息图参数，能够动态调控矢量光场的横向偏振分布。
进一步的，所述矢量质量因子测量系统包括角度可调谐的检偏器与四分之一波片。
进一步的，通过矢量质量因子测量系统不同光学元件的单独或同时使用，可分别获得计算四个斯托克斯参量所需的四组光强投影测量值。
进一步的，通过四个斯托克斯参量可推导计算矢量光束的矢量质量因子。
进一步的，通过矢量质量因子参数的获得，可推导传播距离，从而进行测距。
有益效果
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
DMD数字化产生偏振态可调控的矢量光束，具有灵活性高、产生速率快、成本低、适用范围广等特点，通过特殊矢量光束的产生，仅通过对其偏振态重建，即可通过计算机数字编程一键获取其斯托克斯参数、矢量质量因子以及距离等信息，因而具备快速测距的优势，除此之外，改变矢量光场参数还可以使该系统面向更多复杂实际应用场景。
附图说明
图1为本发明一种基于矢量光场的测距系统的结构示意图；
图2为圆艾里涡旋矢量光场在不同传输距离处的偏振态分布图；
图3为圆艾里涡旋矢量光场的矢量质量因子随传输距离的变化曲线图。
附图标记
线偏振光生成器A、产生系统B、矢量质量因子测量系统C、CCD接收装置D、激光器1、透镜一2、透镜二3、二分之一波片4、沃拉斯顿棱镜5、四分之一波片6、透镜三7、透镜四8、数字微镜器件DMD9。
具体实施方式
为更好地说明阐述本发明内容，下面结合附图和实施实例进行展开说明：
有图1-图3所示，本发明公开了一种基于矢量光场的测距系统，包括从左至右依次设置的携带准直扩束功能的对角线(45°)方向的线偏振光生成器A、任意矢量光束的产生系统B、矢量质量因子测量系统C以及CCD接收装置D，所述产生系统B中设有数字调控光场参数的数字微镜器件DMD9。
进一步的，所述线偏振光生成器A包括一组准直扩束透镜，所述准直扩束透镜包括焦距为20mm的透镜一2、焦距为200mm的透镜二3，所述准直扩束透镜可实现光束准直且尺寸十倍扩大，所述线偏振光生成器A还包括激光器1。
进一步的，所述线偏振光生成器A还包括二分之一波片4，用于调整输出光束的偏振态为对角线45度。
进一步的，所述产生系统B包括设置于所述线偏振光生成器A右侧的沃拉斯顿棱镜5，用于将+45°线偏振光沿水平、竖直两个偏振方向等光强投影成两束，且两束具有正交偏振态的光束传输夹角约为1.5°。
进一步的，所述产生系统B还包括四分之一波片6，用于改变水平、竖直线偏振态分别为左旋、右旋圆偏振，所述产生系统B还包括焦距为100mm的透镜三7、焦距为100mm的透镜四8。
进一步的，所述产生系统B还包括数字微镜器件DMD9，所述数字微镜器件DMD9所加载的全息图包含数字光栅，通过调节光栅系数，可实现左、右旋圆偏振两束光沿同一传输路径传输。
进一步的，所述产生系统B所生成的圆艾里涡旋矢量光束表示为：
Figure BDA0003767613980000031
其中，cosθ、
Figure BDA0003767613980000032
为权重因子，(r,φ)为柱坐标参数，
Figure BDA0003767613980000033
和
Figure BDA0003767613980000034
为左、右旋圆偏振基失，另外，
Figure BDA0003767613980000041
为两个偏振基失之间存在的相位差，
Figure BDA0003767613980000042
与
Figure BDA0003767613980000043
作为两正交空间模式基失，分别为携带
Figure BDA0003767613980000044
轨道角动量的圆艾里涡旋光束，
Figure BDA0003767613980000045
为普朗克常量。
进一步的，所述圆艾里涡旋光束可表示为：
Figure BDA0003767613980000046
其中Ai()表示艾里函数；r是半径，r0是光束主环半径；a是截止因子；ω是束腰半径；m是拓扑荷；v是初始发射角参量。
进一步的，在不移动任何光学元器件的前提下，圆艾里涡旋光场可通过所述数字微镜器件DMD9、计算机对目标光场进行调控，从而实现具有不同偏振态分布的矢量光束产生。
进一步的，所述矢量质量因子测量系统C包括角度可调谐的检偏器与四分之一波片。
进一步的，所述矢量质量因子测量系统C只放置角度为0°的检偏器时，可通过所述CCD接收装置D采集水平方向的光强投影，即Ih。
进一步的，所述矢量质量因子测量系统C只放置角度为45°的检偏器时，可通过所述CCD接收装置D采集对角线方向的光强投影，即Id。
进一步的，所述矢量质量因子测量系统C放置角度为45°的四分之一波片与0°检偏器时，可通过所述CCD接收装置D采集右旋圆偏振方向的光强投影，即Ir。
进一步的，所述矢量质量因子测量系统C不放置任何光学元件时，可通过所述CCD接收装置D采集光束总光强，即I0。
进一步的，通过获得的四个光强(Ih、Id、Ir、I0)进行计算可获得四个斯托克斯参量(S0,S1,S2,S3)。具体关系为：
S0＝I0,S1＝2Ih-S0,S2＝2Id-S0,S3＝2Ir-S0
进一步的，根据四个斯托克斯参量(S0,S1,S2,S3)可对目标矢量光场进行横向偏振态分布重建。
进一步的，对四个斯托克斯参量(S0,S1,S2,S3)进行局域积分可获得S0、S1、S2、S3积分值。
进一步的，通过四个斯托克斯积分值(S0、S1、S2、S3)可获得矢量质量因子(VQF)。具体关系为：
Figure BDA0003767613980000047
进一步的，可通过VQF推导传播距离，从而进行测距。
进一步的，在不改变光路的前提下，所述圆艾里涡旋矢量光束仅通过改变所述数字微镜器件DMD9上加载的所述圆艾里涡旋矢量光束中的发射角参数，可实现调控VQF变化曲线。
具体地，光源为532nm的激光源，将其调制成圆艾里涡旋矢量光场可以实现距离测量；
图2表明了圆艾里涡旋矢量光场
Figure BDA0003767613980000051
在传输距离分别为在z1＝0mm、z2＝80mm、z3＝580mm的横向偏振分布图，其中线段表示线偏振，右箭头的圆圈表示右旋椭圆偏振，左箭头的圆圈表示左旋椭圆偏振，随着传输距离的增加，圆艾里涡旋矢量光束的偏振状态由初始的均匀分布的线偏振，逐渐演变为左、右椭圆偏振、直至变为左、右旋圆偏振态呈内、外圆环分布；
图3表明了圆艾里涡旋矢量光场
Figure BDA0003767613980000052
的矢量质量因子VQF随距离的变化曲线，随着传输距离的增加，VQF在[0,1]之间变化，因此可以通过VQF值的获得实现距离测量。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明技术方案进行了详细的说明，本领域的技术人员应当理解，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行同等替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神与范围。

Claims (7)

1.一种基于矢量光场的测距系统，其特征在于：包括从左至右依次设置的携带准直扩束功能的对角线方向的线偏振光生成器(A)、任意矢量光束的产生系统(B)、矢量质量因子测量系统(C)以及CCD接收装置(D)，所述线偏振光生成器(A)包括从左至右依次设置的激光器(1)、一组准直扩束透镜、用于调整输出光束的偏振态为对角线45度的二分之一波片(4)，所述准直扩束透镜包括焦距为20mm的透镜一(2)、焦距为200mm的透镜二(3)，所述产生系统(B)包括从左至右依次设置的沃拉斯顿棱镜(5)、用于改变光束偏振状态的四分之一波片(6)、焦距为100mm的透镜三(7)、焦距为100mm的透镜四(8)、数字调控光场参数的数字微镜器件DMD(9)，所述矢量质量因子测量系统(C)包括角度可调谐的检偏器以及四分之一波片。
2.根据权利要求1所述的一种基于矢量光场的测距系统，其特征在于：所述产生系统(B)所生成的圆艾里涡旋矢量光束表示为：
Figure FDA0003767613970000011
其中，cosθ、
Figure FDA0003767613970000012
为权重因子，(r,φ)为柱坐标参数，
Figure FDA0003767613970000013
和
Figure FDA0003767613970000014
为左、右旋圆偏振基失，另外，
Figure FDA0003767613970000015
为两个偏振基失之间存在的相位差，
Figure FDA0003767613970000016
与
Figure FDA0003767613970000017
作为两正交空间模式基失，分别为携带
Figure FDA0003767613970000018
轨道角动量的圆艾里涡旋光束，
Figure FDA0003767613970000019
为普朗克常量。
3.根据权利要求2所述的一种基于矢量光场的测距系统，其特征在于：所述圆艾里涡旋光束可表示为：
Figure FDA00037676139700000110
其中Ai()表示艾里函数；r是半径，r0是光束主环半径；a是截止因子；ω是束腰半径；m是拓扑荷；v是初始发射角参量。
4.根据权利要求3所述的一种基于矢量光场的测距系统，其特征在于：在不变光路的前提下，圆艾里涡旋矢量光场可通过所述数字微镜器件DMD(9)、计算机对目标光场进行数字调控，从而实现圆艾里涡旋矢量光场的横向偏振分布调控。
5.根据权利要求4所述的一种基于矢量光场的测距系统，其特征在于：通过矢量质量因子测量系统(C)的多次光强投影测量能够实现对目标矢量光场的横向偏振分布进行重建，从而获得四个斯托克斯参数：S0,S1,S2,S3。
6.根据权利要求5所述的一种基于矢量光场的测距系统，其特征在于：经过矢量质量因子测量系统(C)测量的四个斯托克斯参数，可实现矢量光场矢量质量因子的获得。
7.根据权利要求6所述的一种基于矢量光场的测距系统，其特征在于：通过矢量光场矢量质量因子推导传播距离，从而进行测距。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115933208A (zh) * 2022-12-09 2023-04-07 聊城大学 一种基于全息图编码的任意矢量光束产生方法

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