[发明专利]一种基于涡旋光干涉图样精密位移检测系统

说明书

本发明公开了一种基于涡旋光干涉图样精密位移检测系统，包括干涉图样生成模块、信号处理模块、单片机软件模块。光电二极管采集干涉信号送入信号处理模块处理；被测平面镜M2做直线微位移运动时，花瓣状干涉图样绕中心旋转。使用光电二极管采集干涉图样将其转换为光电流信号，传输至信号处理模块处理，最后将滤波后的信号以及辨向细分后的数据采集进单片机处理模块，计算出精密微位移量并在LCD上进行显示。本发明通过光电二极管采集光信号并进行信号处理的方式，实现对干涉图样旋转角度的测量，从而实现了对微小位移的精密、高速测量，解决了现有技术通过CCD相机进行图像采集存在的无法准确测量位移变化较大或速度较快时的测量精度问题。

技术领域

本发明涉及光电检测领域，尤其是涉及一种基于涡旋光干涉图样的精密位移检测系统。

背景技术

涡旋光等相位面呈螺旋状，存在相位奇点使得光束中心光强为零。利用涡旋光的这些特性使其在光学操纵、高分辨率显微成像、光通信、量子通信以及光学测量等领域有着广泛的应用。

发明人申请的系列专利中，利用涡旋光特殊的螺旋波前相位分布，搭建涡旋光干涉光路，将被测的直线位移转换为干涉图案的旋转角度量，被测位移方向决定干涉图案旋转方向。干涉图案的旋转角度与被测位移呈线性关系且比值很大，因此可以通过测量干涉图案的旋转角度实现高精度的微位移测量。采用工业相机采集干涉图像在计算机中进行图像处理可以得到干涉图像旋转角度，但存在以下问题：旋转一周以上的变化通过工业相机不易进行分辨，通过软件进行编号处理较为复杂；对工业相机的性能要求较高，低帧率相机可能无法准确采集到干涉图的变化。

目前存在的基于涡旋光的物体微位移测量中，大多使用CCD相机进行图像采集，无法准确测量待测位移变化较大或待测物体快速运动时干涉图案的变化，对测量结果的精度造成影响。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明设计一种基于涡旋光干涉条纹读取的检测方法及其系统，旨在解决干涉图案高速旋转时测量精度问题。

为实现本发明的发明目的，本发明提供的技术方案是一种基于涡旋光干涉图样精密位移检测系统，包括干涉图样生成模块、信号处理模块、单片机模块。干涉图样生成机构包括：He-Ne激光器产生的光束经空间光调制器转换为携带轨道角动量的涡旋光束，经分光镜进入迈克尔逊干涉仪的测量臂和参考臂，测量臂中光束由平面镜M2直接回射到分光镜，参考臂光束经角锥棱镜M1反射到分光镜，获得具有相反拓扑荷数的涡旋光束，两束共轭涡旋光束在分光镜处重合并发生干涉，获得中心对称沿圆周分布的花瓣状干涉条纹；

干涉图样生成模块通过光电二极管与信号处理模块连接至单片机模块中；

所述的光电二极管采用4个光电二极管按特定角度差进行布局，确保采集到的光电信号具有相位差。

被测平面镜M2进行直线微位移运动，花瓣状干涉图样绕中心旋转，使用光电二极管测量涡旋干涉图的旋转角度，将光信号转换为光电流信号后，传输至硬件信号处理模块处理，最后将数据采集进单片机软件处理模块，计算得出精密位移量。

优选的，所述的信号处理模块包括有电流电压转换单元、隔直处理单元、差分放大单元、正交化单元、归一化单元、低通滤波单元以及辨向细分单元，其中，

电流电压转换单元为通过跨阻放大器将光电流信号转换为光电压信号；

隔直处理单元为通过电阻电容构建的高通网络滤除直流分量，在电流电压转换电路的输出端接电阻电容构成的隔直网络，隔离直流信号；

差分放大单元为将4路电压信号中相位相差180°的2路信号分别接入2个差分放大电路的正负输入端，通过差分放大消除共模干扰，使4路信号变为2路电压信号；