专利名称：同步移相偏振空间解码装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及空间编解码领域，特别是涉及一种解码范围宽、解码精度高的同步移相偏振空间解码装置。
背景技术：
空间编解码技术利用激光的脉冲频率、偏振态等特性对空间位置上的差异进行位置信息编解码，可以应用于激光制导、空间定位、信息传输和目标识别等众多领域。现有的空间编码方式主要分为调制盘旋转空间编码技术、空间扫描空间编码技术和偏振空间编码技术。调制盘旋转空间编码技术、空间扫描空间编码技术需要用到机械旋转或扫描装置，限制了信号的编码速度，不符合高速空间编解码技术的发展趋势。偏振空间编码技术除了编解码速度快这一主要特点以外，还具有激光信号复用、无编码死区、作用距离远、激光光源要求低、结构较简单等优点，是当今激光空间编解码技术的发展方向。
在先技术[1](参见William W.Buchman.Postion determing systems.United StatesPatent 4030686，1977)描述了一种偏振空间编解码技术，在该技术中线偏振激光束直接通过光轴与表面平行的双折射光楔后，由发散光学系统发射出去形成一个大口径的编码光场。偏振空间解码装置为小口径光学接收系统，包括1/4波片、分束器、两个检偏器及两个光电探测器。激光束经过1/4波片后被分束器进行分光，分束后的两束光分别经过两个透光轴相互垂直的检偏器后由光电探测器所接收，利用两路信号的差值与和值得到一个比值，该比值为双折射光楔相位延迟量的正弦函数，进而求解出空间位置信息。但是该技术将位置解码范围对应的相位延迟量变化范围限制为-90°～90°，且在-90°、90°附近由于正弦函数变化缓慢会引入计算误差使空间位置解码精度低。
在先技术[2](参见周木春，陈延如，赵琦等.激光偏振编码制导中铌酸锂晶体编码技术研究.光学学报，26290～293，2006)描述了一种偏振空间编解码技术，在该技术中线偏振激光束通过光轴与表面平行的楔形电光晶体后，由发散光学系统发射出去形成一个大口径的编码光场。偏振空间解码装置与在先技术[1]描述的偏振空间解码装置相同。
图1为在先技术的偏振空间编解码装置的原理图。所述的偏振空间编解码装置包括偏振空间编码装置10和偏振空间解码装置12。偏振空间编码装置10发射出大口径的编码光束11在空间上形成一个编码光场，编码光束11在其出射方向上的对称中心线称为瞄准中心线13。偏振空间解码装置12位于编码光场中并对其所处位置处的编码激光进行解码，即可得到自身偏离瞄准中心线13的位置信息。
图2为在先技术的偏振空间编码装置10的结构图。偏振空间编码装置10由激光光源20、扩束镜组21、起偏器22、双折射光楔23、发射光学镜组24组成。激光光源20发出的激光经过扩束镜组21后进行扩束，扩束的激光束由起偏器22变为线偏振光，线偏振光经过双折射光楔23、发射光学镜组24后在空间上形成一个编码光场。由于双折射光楔23的相位延迟作用，编码光场中不同的空间位置对应不同的偏振态，编码光场中偏振态的变化如图3所示，从而实现了偏振空间编码。该技术同样存在位置解码范围对应的相位延迟量变化范围限制为-90°～90°，且在-90°、90°附近由于正弦函数变化缓慢会引入计算误差使空间位置解码精度低的问题。
发明内容
本实用新型的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种同步移相偏振空间解码装置，该装置的解码范围宽、解码精度高。
本实用新型的技术解决方案 一种同步移相偏振空间解码装置，特点在于该装置由沿编码光束前进方向上依次的孔径光阑、滤光片、四分之一波片、衍射分束元件、聚焦透镜、空间滤波器、检偏器阵列、光电探测器阵列和信号处理系统组成，所述的四分之一波片的快轴与偏振空间编码装置)中双折射光楔的相位延迟量变化的梯度方向所成的角度为45°；所述的衍射分束元件为二维光栅，其两个光栅的刻线方向相互垂直，其中一个光栅的刻线方向与偏振空间编码装置中双折射光楔的相位延迟量变化的梯度方向平行；所述的空间滤波器包含四个滤波小孔第一滤波小孔、第二滤波小孔、第三滤波小孔、第四滤波小孔成正方形排列；所述的检偏器阵列包括四个检偏器第一检偏器、第二检偏器、第三检偏器、第四检偏器，该第一检偏器、第二检偏器、第三检偏器、第四检偏器的透光轴与振空间编码装置中双折射光楔的相位延迟量变化的梯度方向所成的角度分别为0°、45°、90°和135°并成正方形排列；所述的光电探测器阵列由四个光电探测器第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、第四光电探测器组成，所述的四个检偏器和四个光电探测器与所述的四个滤波小孔的位置一一对应。
所述的四分之一波片为晶体四分之一波片、多元复合型四分之一波片、反射棱体型四分之一波片或者双折射薄膜型四分之一波片。
所述的衍射分束元件是二维光栅、全息光栅或者达曼光栅，将一束入射光束形成四个强度相等的子光束。
所述的检偏器阵列为四个检偏器在一个平面内形成的组合体，所述的检偏器为偏振片或者偏振相位掩模。
所述光电探测器阵列为四个光电探测器形成的组合体或者多元光电探测器，所述的光电探测器为光电二极管、光电三极管、光电倍增管或者光电池。
利用上述同步移相偏振空间解码装置对空间位置进行解码的方法，包括下列步骤 ①建立所述的同步移相偏振空间解码装置； ②所述的同步移相偏振空间解码装置接收编码光场的光束，利用所述的光电探测器阵列对通过检偏器阵列的光强I1、I2、I3与I4进行探测，光电探测器阵列输出的电信号输入信号处理系统进行处理。所述的信号处理系统进行下列运算 当时，则取 δ＝arcsin[(I1-I3)/(I1+I3)]； 当且(I1-I3)/(I1+I3)≥0时，则取 δ＝180°-arcsin[(I1-I3)/(I1+I3)]； 当且(I1-I3)/(I1+I3)＜0时，则取 δ＝-180°-arcsin[(I1-I3)/(I1+I3)]； 当且(I1-I3)/(I1+I3)＞0时，则取 δ＝arccos(I2-I4)/(I2+I4)； 当且(I1-I3)/(I1+I3)＜0时，则取 δ＝-arccos(I2-I4)/(I2+I4)。
③信号处理系统得到相位延迟量δ后，可以解码得到编码光场中空间位置L为
其中
为偏振空间编码对应的相位延迟量的总变化量，D为编码光场的直径，L的正方向与偏振空间编码装置中双折射光楔的相位延迟量变化的梯度方向相同。
与在先技术相比，本实用新型的技术效果如下 1、解码范围宽。解码过程中将正弦函数、余弦函数相结合求解相位延迟量，相位延迟量的变化范围扩大到-180°～180°，使解码范围得到了拓宽。
2、解码精度高。解码过程中不再存在-90°、90°附近由于正弦函数变化缓慢而引入计算误差的问题，使解码精度大幅度提高。
图1为在先技术的偏振空间编解码装置的原理图 图2为在先技术的偏振空间编码装置的结构图 图3为在先技术中编码光束的偏振态分布 图4为本实用新型同步移相偏振空间解码装置的结构图 图5为本实用新型同步移相偏振空间解码装置的光路图 具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明，但不应以此限制本实用新型的保护范围。
先请参阅图4，图4为本实用新型所述的同步移相偏振空间解码装置的结构图，图5为本实用新型所述的同步移相偏振空间解码装置的光路图。本实用新型所述的同步移相偏振空间解码装置由孔径光阑30、滤光片31、四分之一波片32、衍射分束元件33、聚焦透镜34、空间滤波器35、检偏器阵列36、光电探测器阵列37、信号处理系统38组成。其位置关系是在编码光束前进方向上依次是孔径光阑30、滤光片31、四分之一波片32、衍射分束元件33、聚焦透镜34、空间滤波器35、检偏器阵列36、光电探测器阵列37、信号处理系统38。所述的四分之一波片32的快轴与振空间编码装置10中双折射光楔23的相位延迟量变化的梯度方向所成的角度为45°。衍射分束元件33为二维光栅，其两个光栅的刻线方向相互垂直，其中一个光栅的刻线方向与振空间编码装置10中双折射光楔23的相位延迟量变化的梯度方向平行。所述的空间滤波器35包含滤波小孔351、滤波小孔352、滤波小孔353、滤波小孔354。检偏器阵列36包括检偏器361、检偏器362、检偏器363、检偏器364，所述的检偏器361、检偏器362、检偏器363、检偏器364的透光轴与偏振空间编码装置10中双折射光楔23的相位延迟量变化的梯度方向所成的角度分别为0°、45°、90°和135°。所述的光电探测器阵列37由光电探测器371、光电探测器372、光电探测器373、光电探测器374所组成。
编码光束进入本实用新型所述的同步移相偏振空间解码装置后，经过孔径光阑30、滤光片31、四分之一波片32后由衍射分束元件33进行衍射分光，形成四个强度相等的(±1，±1)级衍射光束。四个强度相等的(±1，±1)级衍射光束由聚焦透镜聚焦后透过空间滤波器35中的滤波小孔351、滤波小孔352、滤波小孔353和滤波小孔354，分别经过检偏器阵列36中检偏器361、检偏器362、检偏器363与检偏器364后由光电探测器阵列37中的光电探测器371、光电探测器372、光电探测器373与光电探测器374接收。光电探测器371、光电探测器372、光电探测器373与光电探测器374的电信号输入信号处理系统38进行处理可以对空间位置进行解码。
偏振空间编码装置10进行偏振空间编码时，从起偏器22出射的线偏振光用琼斯矢量可以表达为 其中E0是出射光束的振幅。双折射光楔23沿相位延迟量变化的梯度方向上各点处的琼斯矩阵G1可以统一表达为 其中δ为相位延迟量。由发射光学镜组24发射出去的编码光束11中各点处可以统一用琼斯矢量表示为 编码光场中各点处对应的相位延迟量可以表达为
其中
为偏振空间编码对应的相位延迟量的总变化量，D为编码光场的直径，L为相对于瞄准中心线13的空间位置，L的正方向与振空间编码装置10中双折射光楔23的相位延迟量变化的梯度方向相同。因此编码光场中不同的空间位置对应不同的偏振态，产生偏振态变化的相位延迟量δ随空间位置L线性变化，从而实现了偏振空间编码。
本实用新型所述的同步移相偏振空间解码装置用于接收编码光场中自身位置处通过孔径光阑30、滤光片31的编码激光。四分之一波片32的琼斯矩阵G2可以表达为 检偏器阵列36中的检偏器361、检偏器362、检偏器363、检偏器364可以用琼斯矩阵A统一表达为 其中α为检偏器361、检偏器362、检偏器363、检偏器364的透光轴与振空间编码装置10中双折射23的相位延迟量变化的梯度方向所成的角度，分别为0°、45°、90°和135°。偏振器件以外的光学元件的琼斯矩阵均可以表达为 即偏振器件以外的光学元件对偏振态不产生影响。从检偏器361、检偏器362、检偏器363、检偏器364出射的光束可以用琼斯矢量S统一表达为 S＝AG2S1。
(8) 光电探测器阵列37中光电探测器371、光电探测器372、光电探测器373与光电探测器374所接收的光强可以统一表达为 其中*表示厄米运算。在公式(9)中α分别取0°、45°、90°和135°，则光电探测器371、光电探测器372、光电探测器373、光电探测器374接收的光强I1、光强I2、光强I3与光强I4分别为 利用公式(10)～(13)可以精确计算出在-180°～180°范围内的相位延迟量，相位延迟量的计算过程为 当时，则取 δ＝arcsin[(I1-I3)/(I1+I3)]；(14) 当且(I1-I3)/(I1+I3)≥0时，则取 δ＝180°-arcsin[(I1-I3)/(I1+I3)]； (15) 当且(I1-I3)/(I1+I3)＜0时，则取 δ＝-180°-arcsin[(I1-I3)/(I1+I3)]； (16) 当且(I1-I3)/(I1+I3)＞0时，则取 δ＝arccos(I2-I4)/(I2+I4)；(17) 当且(I1-I3)/(I1+I3)＜0时，则取 δ＝-arccos(I2-I4)/(I2+I4)。(18) 偏振空间编码光路中参数
η、D是确定的，计算出相位延迟量δ后可以得到空间位置为
从而实现了偏振空间解码。
本实用新型所述的同步移相偏振空间解码装置在解码过程中将正弦函数、余弦函数相结合求解相位延迟量，可使偏振空间解码范围对应的相位延迟量的变化范围扩大到-180°～180°，即使解码范围得到了拓宽。解码时不再存在-90°、90°附近由于正弦函数变化缓慢而引入计算误差的问题，使解码精度大幅度提高。
本实用新型的最佳实施例的结构、光路分别如图4、图5所示，其具体结构参数如下 同步移相偏振空间解码装置中孔径光阑30的大小为1mm。四分之一波片32为零级石英波片，其相位延迟量精度为λ/300(λ＝635nm)。衍射分束元件33为二维光栅，栅线密度为200条/mm。聚焦透镜34为双胶合透镜，其焦距为120mm。检偏器阵列36中由检偏器361、检偏器362、检偏器363、检偏器364消光比优于10-2的偏振片。探测器阵列37中光电探测器371、光电探测器372、光电探测器373、光电探测器374为光电二级管。信号处理系统38由四通道信号放大电路、100M四路同步数据采集卡与计算机组成。
利用最佳实施例进行偏振空间解码，解码结果表明其解码范围对应的相位延迟量变化范围为-180°～180°，在整个编码光场中各点处的位置解码精度为编码光场直径的1/1000。
权利要求1.一种同步移相偏振空间解码装置，特征在于沿编码光束前进方向上由依次的孔径光阑(30)、滤光片(31)、四分之一波片(32)、衍射分束元件(33)、聚焦透镜(34)、空间滤波器(35)、检偏器阵列(36)、光电探测器阵列(37)和信号处理系统(38)组成，所述的四分之一波片(32)的快轴与偏振空间编码装置(10)中双折射光楔(23)的相位延迟量变化的梯度方向所成的角度为45°；所述的衍射分束元件(33)为二维光栅，其两个光栅的刻线方向相互垂直，其中一个光栅的刻线方向与偏振空间编码装置(10)中双折射光楔(23)的相位延迟量变化的梯度方向平行；所述的空间滤波器(35)包含四个滤波小孔第一滤波小孔(351)、第二滤波小孔(352)、第三滤波小孔(353)、第四滤波小孔(354)成正方形排列；所述的检偏器阵列(36)包括四个检偏器第一检偏器(361)、第二检偏器(362)、第三检偏器(363)、第四检偏器(364)，该第一检偏器(361)、第二检偏器(362)、第三检偏器(363)、第四检偏器(364)的透光轴与振空间编码装置(10)中双折射光楔(23)的相位延迟量变化的梯度方向所成的角度分别为0°、45°、90°和135°并成正方形排列；所述的光电探测器阵列(37)由四个光电探测器第一光电探测器(371)、第二光电探测器372、第三光电探测器373、第四光电探测器374组成，所述的四个检偏器和四个光电探测器与所述的四个滤波小孔的位置一一对应。
2.根据权利要求1所述的同步移相偏振空间解码装置，其特征在于所述的四分之一波片(32)为晶体四分之一波片、多元复合型四分之一波片、反射棱体型四分之一波片或者双折射薄膜型四分之一波片。
3.根据权利要求1所述的同步移相偏振空间解码装置，其特征在于所述的衍射分束元件(33)是二维光栅、全息光栅或者达曼光栅，将一束入射光束形成四个强度相等的子光束。
4.根据权利要求1所述的同步移相偏振空间解码装置，其特征在于所述的检偏器阵列(36)为四个检偏器在一个平面内形成的组合体，所述的检偏器为偏振片或者偏振相位掩模。
5.根据权利要求1所述的同步移相偏振空间解码装置，其特征在于所述光电探测器阵列(37)为四个光电探测器形成的组合体或者多元光电探测器，所述的光电探测器为光电二极管、光电三极管、光电倍增管或者光电池。
专利摘要一种同步移相偏振空间解码装置，由沿编码光束前进方向上依次的孔径光阑、滤光片、四分之一波片、衍射分束元件、聚焦透镜、空间滤波器、检偏器阵列、光电探测器阵列和信号处理系统组成。本实用新型具有解码范围宽和解码精度高的特点。
文档编号G02B27/46GK201540409SQ20092007505
公开日2010年8月4日 申请日期2009年7月22日 优先权日2009年7月22日
发明者曾爱军, 韩杰, 周光超, 冯春霞, 黄惠杰 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所