【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于光學測量領域，更具體的，涉及一種基于質心橢圓演變的新型結構光干涉測量方法。
技術介紹
1、計量學是人們理解和測量周圍環境，乃至整個宇宙的重要工具。光學干涉測量技術以其快速、無損和高精度的特點，在現代科技領域取得了顯著進展。特別是在基礎物理學和宇宙學的研究中，光學干涉測量發揮了至關重要的作用。例如，1887年的邁克爾遜-莫雷實驗利用干涉儀來測試是否存在一個光波傳播的絕對參照系，其結果對狹義相對論的發展起到了關鍵作用。現在，邁克爾遜干涉儀的原理被應用于激光干涉引力波天文臺(ligo)，用于探測引力波。
2、光學干涉儀便是利用光的干涉現象進行測量，具有非接觸性、高精度和測量范圍寬等特點。光學干涉儀作為一種精密的測量工具，種類繁多，被廣泛應用于機械工程、量子物理、材料科學和半導體工業等多個領域。在光學測量儀器中，可以直接測量的物理量包括光強度、頻率(波長)和偏振狀態。傳統的干涉信息提取方法之一是觀察由于光程差變化引起的干涉條紋或牛頓環的變化。通過改進干涉儀的結構和算法，研究人員已經實現了對微小擾動的精確測量，如表面粗糙度、薄膜厚度和微小形變等。除了光學干涉儀，還有許多其他測量技術可用于微擾測量，如電容式位移傳感器、電感式位移傳感器、壓電式加速度傳感器等。這些技術各有優缺點，適用于不同的測量場景和需求。
3、微擾測量技術可用于環境監測領域，如地質勘探、地震預測等。通過測量地殼的微小變形和位移等參數，可以為地質災害防治提供重要依據。盡管微擾測量技術已經取得了顯著進展，但仍面臨一些挑戰和限制。例如測量設備
4、除了傳統的平面相位分布的高斯光束外，具有螺旋相位分布的高階拉蓋爾-高斯光束(lg光束)或渦旋光束因其攜帶軌道角動量而受到廣泛關注。光學光束已經發展成為一個龐大的結構光家族，這些結構光場展現出許多獨特的光學特性，并在超分辨率顯微鏡、光學測量和操控、量子信息處理以及經典和量子通信系統等領域得到了廣泛應用。不同階次的lg光束之間的干涉可以形成復雜的空間條紋或圖案，這為光學測量打開了可檢測維度，能為多維度超靈敏光學測量與傳感提供新思路新途徑。
技術實現思路
1、為從結構光干涉場中提取更多維度的干涉信息，本專利技術公開了一種基于質心橢圓演變的結構光干涉測量方法，其目的在于利用質心橢圓參數演化實現干涉微擾的高分辨與多維信息測量，如光束夾角測量，共軛軌道角動量任意軌道態測量等。在理想的同軸干涉情況下，由完美圓形光斑測產生的結構光干涉場，其質心會因光程差的改變而產生周期性環繞運動，軌跡為理想的圓形。在有微擾的情況下，如光束有夾角、軌道角動量處于疊加態等，都會使圓形光斑變為橢圓。圓是理想狀態，橢圓是一般狀態。月滿易虧，物極必反。完美的圓形非常容易受擾動變為橢圓。基于該思想，本專利技術利用結構光干涉場的質心橢圓演變來測定干涉微擾量。
2、本專利技術提供的一種基于質心橢圓演變的結構光干涉測量方法，該方法通過選取合適的參考光束打破結構光同軸干涉場的旋轉對稱性，使質心位置偏離光束中心。利用相位調制器或平移手段動態改變光程差，從而使質心產生移動，并形成特定的橢圓軌跡。質心橢圓參數需要通過相機采集一系列干涉場，然后利用質心算法與擬合算法計算得到。該質心橢圓參數包含多維度信息，即質心位置與移動速度、橢圓中心位置、橢圓長短軸、橢圓率、長軸方位角、以及橢圓面積與質心環繞方向等參數。理想的同軸干涉條件下，質心軌跡為完美的圓形，微擾是圓變為橢圓。通過檢測質心橢圓參數演變就能反推測定干涉微擾程度，如光束夾角、軌道角動量疊加等微擾。
3、作為上述技術方案的一種改進，提取質心橢圓演變信息除了使用相機外，還能直接利用四象限探測器。四象限探測器的優勢在于數據處理時無需通過質心算法得到到質心信息，探測器本身輸出的信息就是質心坐標信息。與相機相比，四象限探測器不僅減少了數據處理的時間和成本，其高速采集速率還能快速響應環境擾動從而達到實時測量的效果。
4、基于上述質心橢圓演變的光學夾角測量，對于接近同軸條件下的微小光束夾角，質心橢圓中心位置與光束夾角之間呈線性近似關系，
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6、其中a＝ζ1/ζ0，表示兩束光束完全同軸(θ＝0°)干涉下完美圓形質心軌跡的半徑,ζ0＝∫(|e1|2+|e2|2)rdr，ζ1＝∫|e1e2|r2dr，θ和α分別表示干涉平面上一束光相對于另一光束的夾角與方位角，為干涉擾動導致的質心環繞相位角，k＝2π/λ，表示波矢，±取決于參考光與結構光拓撲電荷數之間的符號。通過質心橢圓中心坐標的偏移(δo)就能得到光束夾角另外，在大角度光束夾角條件下，可以通過質心橢圓的其他參數演變來測定，如橢圓率、方位向等。
7、基于上述質心橢圓演變的共軛軌道角動量疊加態測量，被測量的結構光束攜帶符號相反的軌道角動量其疊加態在模式龐加萊球上由球坐標決定。參考光的軌道角動量模式基為在模式龐加萊球上的球坐標為由軌道角動量疊加態決定的質心橢圓方程的一般形式為，
8、
9、其中表示結構光與參考光同軸干涉形成的圓形質心軌跡半徑，k＝2π/λ表示波矢。根據質心橢圓的一般方程能推導出質心橢圓的長軸方位角和橢圓角α和γ，滿足關系以及γ＝tan-1b/a，其中a與b分別為質心橢圓長軸與短軸，定義短軸b為有符號數，正負號由質心的環繞方向決定。將單位球的極坐標轉化為直角坐標，進而得到表征被測結構光在龐加萊球上的模態斯托克斯參數s1、s2、s3，具體地，
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11、s3＝sin?2γ,
12、其中σ＝+1或者-1表示參考光與測量光軌道角動量拓撲荷數之差的符號。此外，質心橢圓面積也能作為實驗可觀察量，用來量化軌道角動量疊加態的平均角動量數，
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14、其中表示理想渦旋光束(龐加萊球南北極點對應的純態)與參考光同軸干涉形成的圓形質心軌跡半徑。本專利技術具有如下有益效果：
15、1、本專利技術涉及一種新的干涉測量思想。在理想的同軸干涉情況下，由完美圓形光斑測產生的結構光干涉場，其質心會因光程差的改變而產生周期性環繞運動，軌跡為理想的圓形。在有微擾的情況下，如光束有夾角、軌道角動量處于疊加態等，都會使圓形質心軌跡變為橢圓。圓是理想狀態，橢圓是一般狀態。月滿易虧，物極必反。完美的圓形非常容易受擾動變為橢圓。本專利技術就是基于該思想對干涉光路中的微弱擾動進行高靈敏測定。
16、2、本專利技術提出了一種新的多維度干涉信息檢測方法。質心反映了場的平均位置信息，結構光干涉場的質心信息在平面上是二維的，能突破基于光強檢測的一維干涉信號限制。本專利技術涉及的質心信息為二維橢圓軌跡，豐富的橢圓參數提供了豐富的干涉信息可檢測維度，能為光學干涉技術的功能拓展與性能提升提供全新的思路。
17、3、本專利技術提出了一種光學干涉測量具有一定的抗環境干擾能力。基于結構干涉場的質本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種基于質心橢圓演變的結構光干涉測量方法，其特征在于，基于干涉場的二維質心橢圓軌跡可攜帶更多的干涉信息，突破傳統干涉測量中的一維光強信息限制；通過選取合適的參考光打破結構光與參考光同軸干涉場的旋轉對稱性，使干涉場質心位置偏離光軸中心；改變相位差，質心位置沿特定的質心軌跡移動；質心軌跡包含豐富的干涉信息，如質心位置與移動速度、橢圓中心位置、橢圓率，橢圓長短軸、長軸方位角、橢圓面積以及環繞方向等；干涉條件的輕微擾動會讓質心橢圓軌跡發生演變；通過測量質心橢圓參數，能夠實現光束夾角、共軛軌道角動量疊加等微擾參數的測量。
2.如權利要求1所述的獲取干涉場質心信息，其特征在于，需要選取特定的參考光與結構光進行同軸干涉從而形成渦旋干涉場；參考光與結構光的軌道角動量拓撲電荷數之差的絕對值應為1，從而打破干涉場的旋轉對稱性，使質心位置偏離光束中心；通過相位調制器或平移其中一路光束產生相位差，從而使質心發生移動形特定軌跡。
3.如權利要求1所述的測量干涉場質心橢圓參數，其特征在于，需要通過高速相機動態監測干涉場，利用質心算法計算干涉場的質心位置信息，或者利用四象限探測器直
4.如權利要求1所述的光束夾角測量，其特征在于，基于質心橢圓中心坐標偏移以及橢圓參數信息演變實現光束角度的超分辨測量；在微小夾角條件下(θ→0°)，質心橢圓中心位置與光束夾角呈線性近似關系，通過檢測質心橢圓中心坐標相對于理想圓形中心位置的偏移(ΔO)就能得到光束夾角其中a為兩光束完全同軸(θ＝0°)干涉條件下形成的完美圓形質心軌跡的半徑，k＝2π/λ表示波矢，±取決于參考光與結構光拓撲電荷數之間的符號；另外，在大角度光束夾角條件下，可以通過質心橢圓的其他參數演變來測定，如橢圓率、方位向等。
5.如權利要求1所述的共軛軌道角動量疊加態測量，其特征在于，被測量的結構光束攜帶符號相反的軌道角動量±l，其疊加態在模式龐加萊球上由球坐標決定；參考光的軌道角動量模式基為±|l-1|，在模式龐加萊球上的球坐標為被測結構光的疊加參數與質心橢圓方程能建立完備映射關系；將單位球的極坐標轉化為直角坐標(S1、S2、S3)，
...【技術特征摘要】
1.一種基于質心橢圓演變的結構光干涉測量方法，其特征在于，基于干涉場的二維質心橢圓軌跡可攜帶更多的干涉信息，突破傳統干涉測量中的一維光強信息限制；通過選取合適的參考光打破結構光與參考光同軸干涉場的旋轉對稱性，使干涉場質心位置偏離光軸中心；改變相位差，質心位置沿特定的質心軌跡移動；質心軌跡包含豐富的干涉信息，如質心位置與移動速度、橢圓中心位置、橢圓率，橢圓長短軸、長軸方位角、橢圓面積以及環繞方向等；干涉條件的輕微擾動會讓質心橢圓軌跡發生演變；通過測量質心橢圓參數，能夠實現光束夾角、共軛軌道角動量疊加等微擾參數的測量。
2.如權利要求1所述的獲取干涉場質心信息，其特征在于，需要選取特定的參考光與結構光進行同軸干涉從而形成渦旋干涉場；參考光與結構光的軌道角動量拓撲電荷數之差的絕對值應為1，從而打破干涉場的旋轉對稱性，使質心位置偏離光束中心；通過相位調制器或平移其中一路光束產生相位差，從而使質心發生移動形特定軌跡。
3.如權利要求1所述的測量干涉場質心橢圓參數，其特征在于，需要通過高速相機動態監測干涉場，利用質心算...
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