一种基于双涡旋光梳的滚转角测量装置及方法

本发明涉及滚转角测量领域，具体涉及一种基于双涡旋光梳的滚转角测量装置及方法。

背景技术：

1、角度是描述物体几何形状和运动的重要参数，在机械工具和坐标测量机、机器人运动导航、航天器自动对接、激光干涉仪等方面具有重要意义。与偏航角、俯仰角相比，滚转角由于其角位移方向与测量光束垂直，被认为是光学测量中最难测量的角度。研究高精度滚转角测量技术在航空航天、精密机械加工等领域有重要的应用价值。

2、传统的滚转角测量方法分为接触式测量法和非接触式测量法。接触式测量法由于接触探针的使用会造成待测物体的损害，同时测量精度相对较低。非接触式测量法包括偏振调制法、平行光束测量法和干涉法。其中，偏振调制法通过测量不同偏振入射光而产生的光强变化实现滚转角测量，该方法的测量精度受偏振器件性能的限制。平行光束测量法通过测量光束的二维位移来获取待测物体的滚转角，可测量的二维位移差受光电探测器尺寸的影响。干涉法是一种将待测滚转角转化为干涉现象进行测量的方法。与其它方法相比，干涉法具有较高测量精度。然而，在干涉测量过程中由于需要进行多次光路偏转，导致角度测量范围受限。

3、为了克服目前存在的技术难题，结合双光梳光谱和光学涡旋，提出了一种高精度、宽测量范围的双涡旋光梳干涉测量滚转角的方法，通过将双光梳光谱精确快速的相位测量扩展到滚转角测量，可以实现全圆周2π角的高精度测量。

技术实现思路

1、本发明克服现有技术中测量角度受限，测量精度不足的问题，提供一种结构简单，测量精度高的基于双涡旋光梳的滚转角测量装置及方法，其可以实现全圆周2π滚转角的测量。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于双涡旋光梳的滚转角测量装置，包括第一光学频率梳、第二光学频率梳、第一四分之一波片、第一涡旋波片、第二四分之一波片、第二涡旋波片、分光元件、狭缝、透镜、探测器和信号处理单元；

3、所述第一光学频率梳和第二光学频率梳用于产生重复频率不同的两束激光；所述第一涡旋波片和第二涡旋波片的拓扑荷不同，所述狭缝固定设置在待测物体上，并穿过待测物体的转动轴心与其同步转动；

4、所述第一光学频率梳发出的光经第一四分之一波片产生左旋圆偏光，然后经过第一涡旋波片产生右旋圆偏振涡旋光后入射至分光元件；

5、所述第二光学频率梳发出的光经过第二四分之一波片产生右旋圆偏光，然后经过第二涡旋波片产生左旋圆偏振涡旋光后入射至分光元件并与所述右旋圆偏振涡旋光重合，重合后的两束光经过第一导光器件导光后沿待测物体的转动轴入射至所述狭缝，在狭缝进行空间干涉采样后经过透镜聚焦进入探测器的探测窗口；

6、所述探测器的输出端与信号处理单元连接，信号处理单元用于对干涉信号进行计算，得到其干涉相位，并根据干涉相位计算得到其实时滚转角大小。

7、所述第一导光器件包括第一45°反射镜和第二45°五反射镜。

8、所述的一种基于双涡旋光梳的滚转角测量装置，还包括第二导光器件和第三导光器件，所述第二导光器件包括第三45°反射镜和第四45°反射镜，用于将第一光学频率梳的光束导向所述分光元件并使其与射向分光元件的右旋圆偏振涡旋光光束重合；

9、所述第三导光器件包括第五反射镜，用于将第二光学频率梳的光束导向所述分光元件。

10、所述第一光学频率梳和第二光学频率梳的重复频率差远小于其重复频率。

11、所述狭缝宽度为100μm。

12、所述的一种基于双涡旋光梳的滚转角测量装置，还包括抗混叠滤波器和射频滤波器，所述抗混叠滤波器为带宽30mhz的低通滤波器，用于从被噪声畸变和污染了的信号中提取原始信号所携带的信息；射频滤波器为带宽为ghz量级的低通滤波器。

13、第一涡旋波片和第二涡旋波片的拓扑荷分别为l1＝-1，l2＝2。

14、此外，本发明还提供了一种基于双涡旋光梳的滚转角测量方法，基于所述的一种基于双涡旋光梳的滚转角测量装置实现，包括以下几个步骤：

15、s1、使待测物体滚转角为0，获取其干涉信号，计算得到参考干涉相位φref；

16、s2、实时获取待测物体转动时的干涉信号，计算得到测量干涉相位φsig；

17、s3、计算待测滚转角大小，计算公式为：

18、θslit＝(φsig-φref)/|l2-l1|；

19、其中，l1和l2分别表示第一涡旋波片和第二涡旋波片的拓扑荷。

20、所述步骤s1和s2中，对获取的干涉信号先进行快速傅里叶变换分析获得傅里叶变换光谱图，然后对光谱图进行傅里叶逆变化，进而得到对应的干涉相位。

21、本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

22、本发明基于双光梳光谱和光学涡旋，提出了一种基于双涡旋光梳的滚转角测量装置及方法，利用了光学频率梳的超精密相位稳定性和高可控性，通过双光梳光谱精确快速的相位测量进行滚转角测量，即检测的角度为滚轴对应的平面方位角，这是传统双光梳光谱方法所没有实现的角度检测新维度；并且对双光梳光谱的滚转角与相位之间进行尺寸转换，可实现高分辨率的全圆周2π角测量；本发明同时具备结构简单，测量精度高的优势，将成为滚转角测量的有力工具。

技术特征：

1.一种基于双涡旋光梳的滚转角测量装置，其特征在于，包括第一光学频率梳(1)、第二光学频率梳(2)、第一四分之一波片(5)、第一涡旋波片(6)、第二四分之一波片(7)、第二涡旋波片(8)、分光元件(10)、狭缝(13)、透镜(14)、探测器(15)和信号处理单元；

2.根据权利要求1所述的一种基于双涡旋光梳的滚转角测量装置，其特征在于，所述第一导光器件包括第一45°反射镜(11)和第二45°五反射镜(12)。

3.根据权利要求1所述的一种基于双涡旋光梳的滚转角测量装置，其特征在于，还包括第二导光器件和第三导光器件，所述第二导光器件包括第三45°反射镜(3)和第四45°反射镜(4)，用于将第一光学频率梳(1)的光束导向所述分光元件(10)并使其与射向分光元件(10)的右旋圆偏振涡旋光光束重合；

4.根据权利要求1所述的一种基于双涡旋光梳的滚转角测量装置，其特征在于，所述第一光学频率梳(1)和第二光学频率梳(2)的重复频率差远小于其重复频率。

5.根据权利要求1所述的一种基于双涡旋光梳的滚转角测量装置，其特征在于，所述狭缝(13)宽度为100μm。

6.根据权利要求1所述的一种基于双涡旋光梳的滚转角测量装置，其特征在于，还包括抗混叠滤波器和射频滤波器，还包括抗混叠滤波器和射频滤波器，所述抗混叠滤波器为带宽30mhz的低通滤波器，用于从被噪声畸变和污染了的信号中提取原始信号所携带的信息；射频滤波器为带宽为ghz量级的低通滤波器。

7.根据权利要求1所述的一种基于双涡旋光梳的滚转角测量装置，其特征在于，第一涡旋波片(6)和第二涡旋波片(8)的拓扑荷分别为l1＝-1，l2＝2。

8.一种基于双涡旋光梳的滚转角测量方法，基于权利要求1所述的一种基于双涡旋光梳的滚转角测量装置实现，其特征在于，包括以下几个步骤：

9.根据权利要求8所述的一种基于双涡旋光梳的滚转角测量方法，其特征在于，所述步骤s1和s2中，对获取的干涉信号先进行快速傅里叶变换分析获得傅里叶变换光谱图，然后对光谱图进行傅里叶逆变化，进而得到对应的干涉相位。

技术总结
本发明属于光学精密测量技术领域，公开了一种基于双涡旋光梳的滚转角测量装置及方法，装置包括第一光学频率梳、第二光学频率梳；狭缝固定设置在待测物体上，并与待测物体同步转动；第一光学频率梳发出的光经第一四分之一波片、第一涡旋波片产生右旋圆偏振涡旋光后入射至分光元件；第二光学频率梳发出的光经过第二四分之一波片、第二涡旋波片产生左旋圆偏振涡旋光后入射至分光元件并与右旋圆偏振涡旋光重合，重合后的两束光沿待测物体的转动轴入射至狭缝，在狭缝进行空间干涉采样后进入探测器的探测窗口；探测器的输出信号经信号处理单元计算计算得到其实时滚转角大小。本发明可以实现滚转角的精密测量，可应用于航空航天、精密机械加工等领域。

技术研发人员：元晋鹏,汪丽蓉,高薇
受保护的技术使用者：山西大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/21