[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

本發明公開了一種基于渦旋光干涉圖樣精密位移檢測系統，包括干涉圖樣生成模塊、信號處理模塊、單片機軟件模塊。光電二極管采集干涉信號送入信號處理模塊處理；被測平面鏡M2做直線微位移運動時，花瓣狀干涉圖樣繞中心旋轉。使用光電二極管采集干涉圖樣將其轉換為光電流信號，傳輸至信號處理模塊處理，最后將濾波后的信號以及辨向細分后的數據采集進單片機處理模塊，計算出精密微位移量并在LCD上進行顯示。本發明通過光電二極管采集光信號并進行信號處理的方式，實現對干涉圖樣旋轉角度的測量，從而實現了對微小位移的精密、高速測量，解決了現有技術通過CCD相機進行圖像采集存在的無法準確測量位移變化較大或速度較快時的測量精度問題。

技術領域

本發明涉及光電檢測領域，尤其是涉及一種基于渦旋光干涉圖樣的精密位移檢測系統。

背景技術

渦旋光等相位面呈螺旋狀，存在相位奇點使得光束中心光強為零。利用渦旋光的這些特性使其在光學操縱、高分辨率顯微成像、光通信、量子通信以及光學測量等領域有著廣泛的應用。

發明人申請的系列專利中，利用渦旋光特殊的螺旋波前相位分布，搭建渦旋光干涉光路，將被測的直線位移轉換為干涉圖案的旋轉角度量，被測位移方向決定干涉圖案旋轉方向。干涉圖案的旋轉角度與被測位移呈線性關系且比值很大，因此可以通過測量干涉圖案的旋轉角度實現高精度的微位移測量。采用工業相機采集干涉圖像在計算機中進行圖像處理可以得到干涉圖像旋轉角度，但存在以下問題：旋轉一周以上的變化通過工業相機不易進行分辨，通過軟件進行編號處理較為復雜；對工業相機的性能要求較高，低幀率相機可能無法準確采集到干涉圖的變化。

目前存在的基于渦旋光的物體微位移測量中，大多使用CCD相機進行圖像采集，無法準確測量待測位移變化較大或待測物體快速運動時干涉圖案的變化，對測量結果的精度造成影響。

發明內容

針對上述存在的問題，本發明設計一種基于渦旋光干涉條紋讀取的檢測方法及其系統，旨在解決干涉圖案高速旋轉時測量精度問題。

為實現本發明的發明目的，本發明提供的技術方案是一種基于渦旋光干涉圖樣精密位移檢測系統，包括干涉圖樣生成模塊、信號處理模塊、單片機模塊。干涉圖樣生成機構包括：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。

優選的，所述的信號處理模塊包括有電流電壓轉換單元、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；