[发明专利]基于高速相机的单光束三自由度激光干涉仪

权利要求书

1.一种基于高速相机的单光束三自由度激光干涉仪，包括：单一频率的第一输入光束、迈克尔逊干涉结构、高速探测与图像解耦模块；

其特征在于：上位机和高速相机组成高速探测与图像解耦模块；

所述迈克尔逊干涉结构包括固定的参考平面反射镜以及可移动的目标平面反射镜；所述第一输入光束入射至迈克尔逊干涉结构后被分成第一测量光束和第一参考光束；第一测量光束被目标平面反射镜至少反射一次且第一参考光束被参考平面反射镜至少反射一次；并且第一测量光束和第一参考光束在输出行进路径中至少有一部分重合并形成第一单光束空间干涉条纹图像；

所述激光干涉仪工作原理如下：所述第一输入光束入射至第一分光面后其反射光束形成第一测量光束，其透射光束形成第一参考光束；其中第一测量光束接触可移动的目标平面反射镜后被反射并经过第一分光面后透射输出；同时，第一参考光束接触固定的参考平面反射镜被反射并经过第一分光面后反射输出；输出的第一测量光束和第二参考光束在输出行进路径中至少有一部分重合并形成第一单光束空间干涉条纹图像；高速相机接收第一单光束空间干涉条纹图像；上位机通过三自由度解耦方法对每一帧所述第一单光束空间干涉条纹图像实现三自由度信号线性解耦以得到目标平面反射镜相对于参考平面反射镜的偏摆角、俯仰角以及位移信息；

所述三自由度解耦方法包括：

步骤一，在高速相机探测到的空间干涉条纹图像中，分别选择经过空间干涉条纹图像中心的一行和一列作为水平独立分量和竖直独立分量；

步骤二，目标平面反射镜相对于参考平面反射镜的偏摆和俯仰角分别与空间干涉条纹图像的水平独立分量和竖直独立分量的空间频率呈现出正比规律，对空间干涉条纹图像的水平独立分量和竖直独立分量分别进行离散傅里叶变换后，在信号幅度谱中获得各独立分量的空间频率，由水平独立分量和竖直独立分量的空间频率分别解算出目标平面反射镜相对于参考平面反射镜的偏摆角和俯仰角；

步骤三，目标平面反射镜相对于参考平面反射镜的位移与空间干涉条纹图像的水平独立分量或竖直独立分量的相位呈现出正比规律，对空间干涉条纹图像的水平独立分量和竖直独立分量分别进行离散傅里叶变换后，在信号相位谱中的相应频率分量上分别获得其相位值，由其中任意相位值解算出目标平面反射镜相对于参考平面反射镜的位移。

2.根据权利要求1所述基于高速相机的单光束三自由度激光干涉仪，其特征在于：固定的参考平面反射镜的反射面与第一参考光束不垂直，使得第一测量光束和第一参考光束在输出行进路径中非共轴传输。

3.根据权利要求1所述的基于高速相机的单光束三自由度激光干涉仪，其特征在于，高速探测与图像解耦模块包括分辨率高于300K且帧率高于10K的高速相机，且其探测面可以有效接收第一测量光束和第一参考光束在输出路径形成的第一单光束空间干涉条纹图像。