一种基于旋转多普勒效应的物体角速度测量装置.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN111830272A(43)申请公布日2020.10.27(21)申请号202010816672.5(22)申请日2020.08.14(71)申请人中国计量大学地址310018浙江省杭州市江干区下沙高教园区学源街258号中国计量大学(72)发明人陈越洋李劲松张浩然徐阳(51)Int.Cl.G01P3/36(2006.01)权利要求书1页说明书4页附图1页(54)发明名称一种基于旋转多普勒效应的物体角速度测量装置(57)摘要本发明涉及一种基于旋转多普勒效应的物体角速度测量装置，包括激光器、准直扩束透镜、相位型空间光调制器、计算机、分光棱镜、二次反射直角棱镜、聚焦透镜、CCD图像传感器和旋转轴，其中:激光器发出高斯光束，光束经准直扩束透镜扩束准直后照射在相位型空间光调制器上，将计算全息图通过计算机传输到相位型空间光调制器中生成涡旋光束并透射部分高斯光束；两种光束叠加后经分光棱镜透射后沿光轴入射到与旋转轴同步旋转的二次反射直角棱镜上；在其内部经历两次反射后叠加光束经分光棱镜反射后通过聚焦透镜会聚在CCD图像传感器上产生干涉；通过计算机计算干涉图样中暗斑的转动角度得出旋转物体角速度。本发明的装置结构简单，易于操作。CN111830272ACN111830272A权利要求书1/1页1.一种基于旋转多普勒效应的物体角速度测量装置，包括激光器、准直扩束透镜、相位型空间光调制器、计算机、分光棱镜、二次反射直角棱镜、聚焦透镜、CCD图像传感器和旋转轴，其特征在于，在激光束传播的光轴上，依次放置激光器、准直扩束透镜、相位型空间光调制器、分光棱镜、二次反射直角棱镜和旋转轴；所述计算机分别与相位型空间光调制器、CCD图像传感器相连；所述聚焦透镜位于分光棱镜正上方且与分光棱镜相平行；所述CCD图像传感器位于聚焦透镜正上方。2.根据权利要求1所述的一种基于旋转多普勒效应的物体角速度测量装置，其特征在于，所述激光器发出的光依次入射到准直扩束透镜、相位型空间光调制器、分光棱镜；所述相位型空间光调制器置于后述分光棱镜前，通过计算机加载计算全息图，用于生成带涡旋的基模拉盖尔高斯光束并部分透射基模高斯光束。3.根据权利要求1所述的一种基于旋转多普勒效应的物体角速度测量装置，其特征在于，所述二次反射直角棱镜两反射面的夹角为90°，入射光束与出射光束的夹角为180°且二次反射直角棱镜下反射面的二分之一处与旋转轴相连。4.根据权利要求1所述的一种基于旋转多普勒效应的物体角速度测量装置，其特征在于，所述旋转轴与入射光束光轴共轴且在前述二次反射直角棱镜下反射面的二分之一处与其相连。2CN111830272A说明书1/4页一种基于旋转多普勒效应的物体角速度测量装置技术领域[0001]本发明涉及一种基于旋转多普勒效应的物体角速度测量装置。背景技术[0002]光子携带角动量早在1909年Poynting就提出了这一概念，并和光的偏振态相联系，1936年光子的自旋角动量被Beth等利用力学实验成功验证出来，测定了左、右旋圆偏振光的自旋角动量。1992年Allen通过研究表明，光子还携带有另外一种形式的动量，叫做轨道角动量。携带有这种轨道角动量的光叫做涡旋光，可以通过螺旋相位板、空间光调制器、计算全息等方式制备，涡旋光有着圆环形的强度分布和螺旋形的相位分布，其相位可以用eilθ来描述，其中l是其拓扑荷数，表征的是涡旋光束在一个波长内相位由0到2π的跳变次数，θ是涡旋光相位角。因此一束涡旋光的光场分布可以表示为：[0003][0004]线性多普勒效应广为人们熟知，指的是如果波源与观察者之间存在相对速度，那么观察者接收到波的频率会和波源存在一定的频率差。线性多普勒效应已经被广泛应用于测量物体移动速度、加速度等领域。多普勒效应不光存在于机械波，电磁波领域也同样存在。与线性多普勒不同的是，当一束具有轨道角动量的光沿着旋转轴照射到粗糙的旋转体表面时，光的频率会发生变化，这种由于波源和观察者之间的角向运动导致光频率的改变，称为旋转多普勒效应。[0005]目前利用涡旋光旋转多普勒效应测量旋转物体角速度的方法在国际上出现不久，1997年圣安德鲁斯大学J.Courtial等人观测到旋转涡旋光束会产生多普勒频移现象。2013年英国物理学家马丁·拉弗瑞(MartinLavery)和他的同事提出利用涡旋光旋转多普勒效应测量旋转金属圆盘角速度的方法，并进行了实验验证。发明内容[0006]为了克服已有技术所存在的缺陷，本发明目的在于：针对现有利用光学陀螺测量旋转物体角速度装置所存在的不足提出了一种基于旋转多普勒效应测量物体角速度的新装置。本装置结构简单，所用设备较少，没有复杂的光路和繁多的传感和机械设备；随着技术的发展能适用的环境和条