本發(fā)明涉及矢量光測(cè)位移領(lǐng)域，尤其涉及一種基于矢量光場(chǎng)的距離探測(cè)系統(tǒng)及其應(yīng)用。
背景技術(shù)：
：激光干涉法測(cè)位移。這是一種相對(duì)測(cè)量，它無法測(cè)得一個(gè)物體離儀器的絕對(duì)距離，但可以測(cè)得兩被測(cè)物體的相對(duì)距離。它的原理是一臺(tái)邁克爾遜干涉儀，利用反射鏡距離變化時(shí)干涉條紋的變化來測(cè)量，反射鏡從物體A運(yùn)動(dòng)到物體B，干涉條紋變化的數(shù)量反映了其距離。這種測(cè)量要求條件較高，但是可以精確測(cè)量，它也是目前所有測(cè)量手段中最精確的一種。而矢量光場(chǎng)測(cè)位移，是對(duì)光學(xué)測(cè)位移的一項(xiàng)技術(shù)革新，使得原來的干涉條紋由一維變?yōu)槎S，極大的提高了系統(tǒng)靈敏度，使得位移測(cè)量更加的精確。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的是在于提供一種利用矢量光場(chǎng)的干涉條紋的距離探測(cè)系統(tǒng)及其應(yīng)用，具有測(cè)量精度高，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，價(jià)格低廉，適用范圍廣等特點(diǎn)。本發(fā)明通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：一種基于矢量光場(chǎng)的距離探測(cè)系統(tǒng)，包括矢量光源、反光鏡、雙透鏡、雙縫、凸透鏡、光電探測(cè)器和信號(hào)處理系統(tǒng)；將雙縫設(shè)置在初始點(diǎn)位置，將光電探測(cè)器設(shè)置在待測(cè)點(diǎn)位置，所述矢量光源向反光鏡發(fā)射矢量光，矢量光經(jīng)反光鏡反射后，經(jīng)雙透鏡調(diào)整光路寬度后，形成半徑為ε的光束，然后射入雙縫，產(chǎn)生干涉，經(jīng)凸透鏡聚焦后，射入光電探測(cè)器，光電探測(cè)器測(cè)得干涉圖樣中任一點(diǎn)P的光強(qiáng)I，并輸入到信號(hào)處理系統(tǒng)，信號(hào)處理系統(tǒng)通過計(jì)算獲得初始點(diǎn)到待測(cè)點(diǎn)之間的距離d＝πbx/(λδ)，其中，δ＝arccos[(I-2)/(2(cos2mθB))],m為拓?fù)浜蓴?shù)，b為狹縫間距，x為P點(diǎn)到干涉圖樣中心點(diǎn)的水平距離，θB＝arccos(b/(2ε))，λ為矢量光波長(zhǎng)。進(jìn)一步地，所述的雙縫模板為微結(jié)構(gòu)雙縫。進(jìn)一步地，所述的光電探測(cè)器為面陣探測(cè)器或線陣探測(cè)器，還可以是點(diǎn)陣探測(cè)器。一種距離探測(cè)系統(tǒng)在直線位移傳感中的應(yīng)用，該應(yīng)用為，將所述光電探測(cè)器與待測(cè)物體連接，將所述雙縫設(shè)置在待測(cè)物體直線運(yùn)動(dòng)的延長(zhǎng)線上，根據(jù)光電探測(cè)器測(cè)得的光信息獲得所述待測(cè)物體的實(shí)時(shí)位移。本發(fā)明的有益效果在于：該系統(tǒng)具有測(cè)量精度高，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，價(jià)格低廉，適用范圍廣的特點(diǎn)。附圖說明圖1為矢量光束通過雙縫的演示；圖2為雙縫干涉裝置示意圖；圖3為矢量光束投射原理圖；圖4為當(dāng)初始相位為0，拓?fù)浜蓴?shù)為1，調(diào)控參數(shù)為1時(shí)的干涉條紋圖樣。圖中，矢量光源1、反光鏡2、雙透鏡3、雙縫4、凸透鏡5、光電探測(cè)器6、信號(hào)處理系統(tǒng)7。具體實(shí)施方式如圖3所示，一種基于矢量光場(chǎng)的距離探測(cè)系統(tǒng)，包括矢量光源1、反光鏡2、雙透鏡3、雙縫4、凸透鏡5、光電探測(cè)器6和信號(hào)處理系統(tǒng)7；將雙縫4設(shè)置在初始點(diǎn)位置，將光電探測(cè)器6設(shè)置在待測(cè)點(diǎn)位置，所述矢量光源1向反光鏡2發(fā)射矢量光，矢量光經(jīng)反光鏡2反射后，經(jīng)雙透鏡3調(diào)整光路寬度后，形成半徑為ε的光束，然后射入雙縫4，產(chǎn)生干涉，經(jīng)凸透鏡5聚焦后，射入光電探測(cè)器6，干涉條紋的產(chǎn)生通過以下方法實(shí)現(xiàn)：已知任意混合偏振態(tài)矢量光場(chǎng)的光場(chǎng)強(qiáng)度公式為：其中r＝(x2+y2)1/2，即為經(jīng)雙透鏡3調(diào)整光路寬度后的光束半徑，r＝ε，θ＝arctan(y/x)，m為拓?fù)浜蓴?shù)，θ0為矢量光的初始相位，l/r0為矢量光沿徑向的偏振態(tài)變化快慢參數(shù)。ex和ey分別為x方向和y方向上的單位矢量，A0表示振幅，在接下來的推算中，我們認(rèn)為A位于光束截面上任意一點(diǎn)均為恒定值。r表示在狹縫所在的xy平面上，笛卡爾坐標(biāo)系中原點(diǎn)到考察點(diǎn)的距離。θ為光束橫截面所在的極坐標(biāo)系的方位角。如圖1所示，在xy平面上存在AB兩條狹縫，狹縫之間的距離為b，同時(shí)AB狹縫到原點(diǎn)的距離相同，并且相互平行，與x軸垂直，狹縫寬度為a。當(dāng)由公式所表示的單色混合偏振態(tài)矢量光場(chǎng)通過兩條狹縫后，可以等效為兩個(gè)次級(jí)線光源，最后在平行于xy平面后的觀測(cè)平面上進(jìn)行疊加。我們?nèi)為狹縫到觀測(cè)平面的距離。假設(shè)狹縫的寬度足夠小且長(zhǎng)度無限，此外狹縫間距b的尺度與縫到觀測(cè)平面的距離d相比也足夠小。分解矢量光場(chǎng)進(jìn)行理論計(jì)算：將混合偏振態(tài)矢量光場(chǎng)分解為x與y方向的兩個(gè)分量偏振光，彼此相對(duì)獨(dú)立。表達(dá)式分別寫作Ex(θ)＝cos[mθ+2πl(wèi)(r/r0)+θ0]Ey(θ)＝sin[mθ+2πl(wèi)(r/r0)+θ0]當(dāng)光束到達(dá)AB狹縫時(shí)，光束可以看成是如圖1所示，從圖中可以看出，只有恰好位于狹縫所在位置的光線才可以通過狹縫。狹縫AB關(guān)于y軸對(duì)稱，因此位于兩狹縫上y坐標(biāo)值相同的兩個(gè)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)原點(diǎn)的方位角分別為θA與θB。我們可以發(fā)現(xiàn)θA與θB互為補(bǔ)角關(guān)系，即θA＝π-θB。當(dāng)分解的x與y方向的偏振光場(chǎng)通過AB狹縫時(shí)，其表達(dá)式可以寫為：可以分別寫出x方向偏振態(tài)分量以及y方向偏振態(tài)分量在干涉后的光強(qiáng)表達(dá)式Ix與Iy。首先我們令則Ix與Iy的光強(qiáng)表達(dá)式可以簡(jiǎn)化寫為：其中δ為通過AB兩狹縫光束之間的相位差。在楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，如圖3-2所示，設(shè)入射光源的初相位為φ0(t)，它是一個(gè)隨機(jī)產(chǎn)生的量，考察位置P處分別接收來自(QAP)與(QBP)兩個(gè)光擾動(dòng)的相位分別寫為：則相位差為總的干涉強(qiáng)度公式為I(x,y)＝Ix(x,y)+Iy(x,y)＝2+2cos(2mθB)cosδδ＝2πbx/(λd)其中d是雙縫所在平面到光電傳感器所在平面的距離，也就是我們所需要測(cè)量的距離。即d＝2πbx/(λδ)。下面通過以下實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證本發(fā)明所述方法的可靠性：設(shè)置試驗(yàn)距離5cm、20cm、1m，按照?qǐng)D3所示的布置方式布置矢量光源1、反光鏡2、雙透鏡3、雙縫4、凸透鏡5、光電探測(cè)器6和信號(hào)處理系統(tǒng)7；將雙縫4設(shè)置在初始點(diǎn)位置，將光電探測(cè)器6設(shè)置在待測(cè)點(diǎn)位置，所述矢量光源1向反光鏡2發(fā)射矢量光，矢量光經(jīng)反光鏡2反射后，經(jīng)雙透鏡3調(diào)整光路寬度后，形成半徑為ε的光束，然后射入雙縫4，產(chǎn)生干涉，經(jīng)凸透鏡5聚焦后，射入光電探測(cè)器6，光電探測(cè)器6測(cè)得干涉圖樣中任一點(diǎn)P的光強(qiáng)I，并輸入到信號(hào)處理系統(tǒng)7，信號(hào)處理系統(tǒng)7通過計(jì)算獲得初始點(diǎn)到待測(cè)點(diǎn)之間的距離d＝2πbx/(λδ)，其中，δ＝arccos[(I-2)/(2(cos2mθB))]；m為拓?fù)浜蓴?shù)，b為狹縫間距，x為P點(diǎn)到干涉圖樣中心點(diǎn)的水平距離，θB＝arccos(b/(2ε))，λ為矢量光波長(zhǎng)。三個(gè)測(cè)量距離的結(jié)果輸出如下表所示：設(shè)定距離5cm20cm1m測(cè)量結(jié)果5.002cm19.998cm100.003cm本發(fā)明還提供上述距離探測(cè)系統(tǒng)在直線位移傳感中的應(yīng)用，該應(yīng)用為，將所述光電探測(cè)器7與待測(cè)物體連接，將所述雙縫4設(shè)置在待測(cè)物體直線運(yùn)動(dòng)的延長(zhǎng)線上，根據(jù)光電探測(cè)器7測(cè)得的光信息獲得所述待測(cè)物體的實(shí)時(shí)位移。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3