[发明专利]一种结构光干涉测速仪

说明书

本发明公开了一种结构光干涉测速仪，包括发射设备、接收设备、反射式复合螺旋相位板；发射设备置于测量原地，用于发射、接收和处理光信号，接收设备置于远程待测物体处，用于探测和反向传输光信号，接收设备可采用迈克尔逊或马赫泽德干涉配置；发射设备和接收设备中采用扩束器和缩束器调节光束尺寸，保证光场在近远端间准直传输；反射式复合螺旋相位板粘贴在待测物体表面，将照射的探测光转换为结构光；参考高斯光和结构光合束为叠加光，在发射设备中利用双位置检测装置对叠加光检测并进行信号处理，可获取远程待测物体的平移、旋转或两者组合的多维度运动速度信息。本发明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。

技术领域

本发明属于光学测量领域，更具体地，涉及一种结构光干涉测速仪。

背景技术

基于经典多普勒效应构造的传统激光干涉仪，可利用激光高斯光束来测量目标物体的平移运动信息，比如对目标物体的水平位移与线速度进行无接触式测量，然而其无法测量目标物体的旋转运动信息。目前，获取目标物体旋转运动信息的方法一般是采用接触式或机械式测量，比如基于陀螺仪设计的角速度传感器，再比如基于机械齿轮的角速度测量仪，而这些方法无法测量目标物体的平移运动信息。对于既包含有平移运动信息又包含有旋转运动信息的复合运动，比如螺旋运动，通过已有的方法无法实现对平移与旋转两种运动形式的一次性无接触同时测量。目前缺乏一种有效的方法实现对具有复杂运动的目标物体的运动轨迹与运动形式进行实时跟踪，鉴于此，设计一种针对复合运动进行实时监测的装置是极其有必要的。

近些年研究发现，结构光束具有随空间变化的振幅、偏振和相位分布，其中相位型结构光束能产生旋转多普勒效应，即对于垂直于相位型结构光束传播方向上的旋转运动物体，能引起光束的多普勒频移。激光涡旋光束作为相位型结构光束的一种，其具有相位在空间上呈螺旋分布的特性。高斯光束的同轴干涉光场呈现出同心环分布的干涉条纹，即牛顿环；涡旋光束与高斯光束的同轴干涉光场呈现出螺旋形干涉条纹，其螺旋条纹数目与涡旋光束的拓扑电荷数一致；两个不同拓扑电荷数的涡旋光束之间的同轴干涉光场呈现出花瓣状的干涉条纹，其花瓣条纹数目与两涡旋光束的拓扑电荷数之差一致。对于涡旋光束与高斯光束的同轴干涉光场，当涡旋光束沿着光轴旋转时，将产生旋转多普勒效应，其直观表现在干涉条纹的旋转；当涡旋光束与高斯光束的光程差随时间变化时，将产生线性多普勒效应，其直观的表现同样为干涉条纹发生旋转。因此，涡旋光束与高斯光束的干涉条纹的旋转同时由线性与旋转多普勒效应决定。对于两个不同拓扑电荷数的涡旋光束之间的同轴干涉光场，当两涡旋光束同时沿着光轴旋转时，将产生旋转多普勒效应，其直观表现在干涉条纹的旋转；如若保证两涡旋光之间的光程差保持不变，则不会发生线性多普勒效应。自由空间产生涡旋光束最常用的方法是利用螺旋相位板，螺旋相位板的厚度随方位角而变化，因此螺旋相位板能够将入射的高斯光束调制成具有螺旋相位分布的涡旋光束，其中，涡旋光束中包含的轨道角动量拓扑荷数理论上可以为单个，也可以为多个的任意组合。前述高斯光和结构光之间能同时存在线性与旋转多普勒效应，这两者分别对应于平移与旋转两种运动形式，此外不同拓扑荷数的涡旋光束之间能存在旋转多普勒效应，这对应于旋转运动形式。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种结构光干涉测速仪，旨在实现对远程待测物体的多维度复杂运动的全矢量信息进行一次性无接触同时测量，填补相关技术的空白。