[發明專利]一種基于渦旋光干涉圖樣精密位移檢測系統

在審

• 申請號: 202210307429.X
• 申請日: 2022-03-25
• 公開（公告）號: CN115112023A
• 公開（公告）日: 2022-09-27
• 發明（設計）人: 夏豪杰;李英杰;李哲;李維詩;趙會寧;潘成亮
• 申請（專利權）人: 合肥工業大學
• 主分類號: G01B11/02
• 分類號: G01B11/02;G01B9/02;G01B9/02015
• 代理公司: 北京科名專利代理有限公司 11468
• 代理人: 陳朝陽

1.一種基于渦旋光干涉圖樣精密位移檢測系統，其特征在于，干涉圖樣生成模塊包括：He-Ne激光器產生的光束經空間光調制器轉換為攜帶軌道角動量的渦旋光束，經分光鏡進入邁克爾遜干涉儀的測量臂和參考臂，測量臂中光束由平面鏡M2直接回射到分光鏡，參考臂光束經角錐棱鏡M1反射到分光鏡，獲得具有相反拓撲荷數的渦旋光束，兩束共軛渦旋光束在分光鏡處重合并發生干涉，獲得中心對稱沿圓周分布的花瓣狀干涉條紋；

干涉圖樣生成模塊通過光電二極管與信號處理模塊連接至單片機處理模塊中；

所述的光電二極管采用4個光電二極管按特定角度差進行布局，確保采集到的光電信號具有相位差；

被測平面鏡M2進行直線微位移運動，花瓣狀干涉圖樣繞中心旋轉，使用光電二極管測量渦旋干涉圖的旋轉角度，將光信號轉換為光電流信號后，傳輸至硬件信號處理模塊處理，最后將數據采集進單片機軟件處理模塊，計算得出精密位移量。

2.根據權利要求1所述的一種基于渦旋光干涉圖樣精密位移檢測系統，其特征在于，所述的信號處理模塊包括電流電壓轉換單元、隔直處理單元、差分放大單元、正交化單元、歸一化單元、低通濾波單元以及辨向細分單元，其中，

電流電壓轉換單元為通過跨阻放大器將光電流信號轉換為光電壓信號；

隔直處理單元為通過電阻電容構建的高通網絡濾除直流分量，在電流電壓轉換電路的輸出端接電阻電容構成的隔直網絡，隔離直流信號；

差分放大單元為將4路電壓信號中相位相差180°的2路信號分別接入2個差分放大電路的正負輸入端，通過差分放大消除共模干擾，使4路信號變為2路電壓信號；

正交化單元為將2路信號通過正交化電路進行正交，抑制信號非正交誤差；

歸一化單元為將正交化之后的2路信號進行歸一化處理，抑制信號不等幅誤差；

低通濾波單元為使用低通濾波器進行濾波，濾除高頻干擾；

辨向細分單元為通過將上述正弦信號轉換為方波信號，比較兩路信號的上升沿信息，獲取方向信號，并且提取邊沿實現硬件細分。

3.根據權利要求1所述的一種基于渦旋光干涉圖樣精密位移檢測系統，其特征在于，

所述的光電二極管的布局為：

通過調整渦旋散斑干涉結構中的空間光調制器(SLM)改變拓撲荷數進而改變干涉圖樣的花瓣個數，已知確定的拓撲荷數，通過計算得到光電二極管布局時存在的角度差，

QUOTE (1)

其中， QUOTE 為角度差， QUOTE 為干涉圖樣中的花瓣個數。

4.根據權利要求1所述的一種基于渦旋光干涉圖樣精密位移檢測系統，其特征在于，所述的光電二極管通過DB9接口線連接至信號處理模塊。

5.根據權利要求2所述的一種基于渦旋光干涉圖樣精密位移檢測系統，其特征在于，所述的電流電壓轉換電路采用跨阻放大式結構，將運放的反饋電阻作為光電二極管的負載電阻，將光電流轉換為電壓信號；跨阻放大器的帶寬為

(2)。

6.根據權利要求書1所述的基于渦旋光干涉圖樣精密位移檢測系統，其特征在于，所述的單片機處理模塊包括AD采樣單元、軟件細分單元、數據處理單元以及LCD顯示單元，其中，

AD采樣單元為將信號處理模塊中濾波后的正余弦信號通過AD采集到單片機；

軟件細分單元為將兩路數字信號進行卦限細分，再在卦限內部進一步計算當前角度值；

數據處理單元為將軟件細分單元獲取的角度信號與信號處理模塊的辨向細分單元獲取的硬件細分數據進行計算得到精確的旋轉角度值，并計算出微位移量及位移方向；

LCD顯示單元為將微位移量大小及方向送到LCD上實時顯示。