專利名稱：同步移相偏振空間解碼裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及空間編解碼領(lǐng)域，特別是涉及一種解碼范圍寬、解碼精度高的同步移相偏振空間解碼裝置。

背景技術(shù)：
空間編解碼技術(shù)利用激光的脈沖頻率、偏振態(tài)等特性對空間位置上的差異進(jìn)行位置信息編解碼，可以應(yīng)用于激光制導(dǎo)、空間定位、信息傳輸和目標(biāo)識別等眾多領(lǐng)域?，F(xiàn)有的空間編碼方式主要分為調(diào)制盤旋轉(zhuǎn)空間編碼技術(shù)、空間掃描空間編碼技術(shù)和偏振空間編碼技術(shù)。調(diào)制盤旋轉(zhuǎn)空間編碼技術(shù)、空間掃描空間編碼技術(shù)需要用到機(jī)械旋轉(zhuǎn)或掃描裝置，限制了信號的編碼速度，不符合高速空間編解碼技術(shù)的發(fā)展趨勢。偏振空間編碼技術(shù)除了編解碼速度快這一主要特點(diǎn)以外，還具有激光信號復(fù)用、無編碼死區(qū)、作用距離遠(yuǎn)、激光光源要求低、結(jié)構(gòu)較簡單等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)今激光空間編解碼技術(shù)的發(fā)展方向。
在先技術(shù)[1](參見William W.Buchman.Postion determing systems.United StatesPatent 4030686，1977)描述了一種偏振空間編解碼技術(shù)，在該技術(shù)中線偏振激光束直接通過光軸與表面平行的雙折射光楔后，由發(fā)散光學(xué)系統(tǒng)發(fā)射出去形成一個大口徑的編碼光場。偏振空間解碼裝置為小口徑光學(xué)接收系統(tǒng)，包括1/4波片、分束器、兩個檢偏器及兩個光電探測器。激光束經(jīng)過1/4波片后被分束器進(jìn)行分光，分束后的兩束光分別經(jīng)過兩個透光軸相互垂直的檢偏器后由光電探測器所接收，利用兩路信號的差值與和值得到一個比值，該比值為雙折射光楔相位延遲量的正弦函數(shù)，進(jìn)而求解出空間位置信息。但是該技術(shù)將位置解碼范圍對應(yīng)的相位延遲量變化范圍限制為-90°～90°，且在-90°、90°附近由于正弦函數(shù)變化緩慢會引入計算誤差使空間位置解碼精度低。
在先技術(shù)[2](參見周木春，陳延如，趙琦等.激光偏振編碼制導(dǎo)中鈮酸鋰晶體編碼技術(shù)研究.光學(xué)學(xué)報，26290～293，2006)描述了一種偏振空間編解碼技術(shù)，在該技術(shù)中線偏振激光束通過光軸與表面平行的楔形電光晶體后，由發(fā)散光學(xué)系統(tǒng)發(fā)射出去形成一個大口徑的編碼光場。偏振空間解碼裝置與在先技術(shù)[1]描述的偏振空間解碼裝置相同。
圖1為在先技術(shù)的偏振空間編解碼裝置的原理圖。所述的偏振空間編解碼裝置包括偏振空間編碼裝置10和偏振空間解碼裝置12。偏振空間編碼裝置10發(fā)射出大口徑的編碼光束11在空間上形成一個編碼光場，編碼光束11在其出射方向上的對稱中心線稱為瞄準(zhǔn)中心線13。偏振空間解碼裝置12位于編碼光場中并對其所處位置處的編碼激光進(jìn)行解碼，即可得到自身偏離瞄準(zhǔn)中心線13的位置信息。
圖2為在先技術(shù)的偏振空間編碼裝置10的結(jié)構(gòu)圖。偏振空間編碼裝置10由激光光源20、擴(kuò)束鏡組21、起偏器22、雙折射光楔23、發(fā)射光學(xué)鏡組24組成。激光光源20發(fā)出的激光經(jīng)過擴(kuò)束鏡組21后進(jìn)行擴(kuò)束，擴(kuò)束的激光束由起偏器22變?yōu)榫€偏振光，線偏振光經(jīng)過雙折射光楔23、發(fā)射光學(xué)鏡組24后在空間上形成一個編碼光場。由于雙折射光楔23的相位延遲作用，編碼光場中不同的空間位置對應(yīng)不同的偏振態(tài)，編碼光場中偏振態(tài)的變化如圖3所示，從而實現(xiàn)了偏振空間編碼。該技術(shù)同樣存在位置解碼范圍對應(yīng)的相位延遲量變化范圍限制為-90°～90°，且在-90°、90°附近由于正弦函數(shù)變化緩慢會引入計算誤差使空間位置解碼精度低的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種同步移相偏振空間解碼裝置，該裝置的解碼范圍寬、解碼精度高。
本實用新型的技術(shù)解決方案 一種同步移相偏振空間解碼裝置，特點(diǎn)在于該裝置由沿編碼光束前進(jìn)方向上依次的孔徑光闌、濾光片、四分之一波片、衍射分束元件、聚焦透鏡、空間濾波器、檢偏器陣列、光電探測器陣列和信號處理系統(tǒng)組成，所述的四分之一波片的快軸與偏振空間編碼裝置)中雙折射光楔的相位延遲量變化的梯度方向所成的角度為45°；所述的衍射分束元件為二維光柵，其兩個光柵的刻線方向相互垂直，其中一個光柵的刻線方向與偏振空間編碼裝置中雙折射光楔的相位延遲量變化的梯度方向平行；所述的空間濾波器包含四個濾波小孔第一濾波小孔、第二濾波小孔、第三濾波小孔、第四濾波小孔成正方形排列；所述的檢偏器陣列包括四個檢偏器第一檢偏器、第二檢偏器、第三檢偏器、第四檢偏器，該第一檢偏器、第二檢偏器、第三檢偏器、第四檢偏器的透光軸與振空間編碼裝置中雙折射光楔的相位延遲量變化的梯度方向所成的角度分別為0°、45°、90°和135°并成正方形排列；所述的光電探測器陣列由四個光電探測器第一光電探測器、第二光電探測器、第三光電探測器、第四光電探測器組成，所述的四個檢偏器和四個光電探測器與所述的四個濾波小孔的位置一一對應(yīng)。
所述的四分之一波片為晶體四分之一波片、多元復(fù)合型四分之一波片、反射棱體型四分之一波片或者雙折射薄膜型四分之一波片。
所述的衍射分束元件是二維光柵、全息光柵或者達(dá)曼光柵，將一束入射光束形成四個強(qiáng)度相等的子光束。
所述的檢偏器陣列為四個檢偏器在一個平面內(nèi)形成的組合體，所述的檢偏器為偏振片或者偏振相位掩模。
所述光電探測器陣列為四個光電探測器形成的組合體或者多元光電探測器，所述的光電探測器為光電二極管、光電三極管、光電倍增管或者光電池。
利用上述同步移相偏振空間解碼裝置對空間位置進(jìn)行解碼的方法，包括下列步驟 ①建立所述的同步移相偏振空間解碼裝置； ②所述的同步移相偏振空間解碼裝置接收編碼光場的光束，利用所述的光電探測器陣列對通過檢偏器陣列的光強(qiáng)I1、I2、I3與I4進(jìn)行探測，光電探測器陣列輸出的電信號輸入信號處理系統(tǒng)進(jìn)行處理。所述的信號處理系統(tǒng)進(jìn)行下列運(yùn)算 當(dāng)時，則取 δ＝arcsin[(I1-I3)/(I1+I3)]； 當(dāng)且(I1-I3)/(I1+I3)≥0時，則取 δ＝180°-arcsin[(I1-I3)/(I1+I3)]； 當(dāng)且(I1-I3)/(I1+I3)＜0時，則取 δ＝-180°-arcsin[(I1-I3)/(I1+I3)]； 當(dāng)且(I1-I3)/(I1+I3)＞0時，則取 δ＝arccos(I2-I4)/(I2+I4)； 當(dāng)且(I1-I3)/(I1+I3)＜0時，則取 δ＝-arccos(I2-I4)/(I2+I4)。
③信號處理系統(tǒng)得到相位延遲量δ后，可以解碼得到編碼光場中空間位置L為
其中

為偏振空間編碼對應(yīng)的相位延遲量的總變化量，D為編碼光場的直徑，L的正方向與偏振空間編碼裝置中雙折射光楔的相位延遲量變化的梯度方向相同。
與在先技術(shù)相比，本實用新型的技術(shù)效果如下 1、解碼范圍寬。解碼過程中將正弦函數(shù)、余弦函數(shù)相結(jié)合求解相位延遲量，相位延遲量的變化范圍擴(kuò)大到-180°～180°，使解碼范圍得到了拓寬。
2、解碼精度高。解碼過程中不再存在-90°、90°附近由于正弦函數(shù)變化緩慢而引入計算誤差的問題，使解碼精度大幅度提高。

圖1為在先技術(shù)的偏振空間編解碼裝置的原理圖 圖2為在先技術(shù)的偏振空間編碼裝置的結(jié)構(gòu)圖 圖3為在先技術(shù)中編碼光束的偏振態(tài)分布 圖4為本實用新型同步移相偏振空間解碼裝置的結(jié)構(gòu)圖 圖5為本實用新型同步移相偏振空間解碼裝置的光路圖 具體實施方式

以下結(jié)合附圖和實施例對本實用新型作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)以此限制本實用新型的保護(hù)范圍。
先請參閱圖4，圖4為本實用新型所述的同步移相偏振空間解碼裝置的結(jié)構(gòu)圖，圖5為本實用新型所述的同步移相偏振空間解碼裝置的光路圖。本實用新型所述的同步移相偏振空間解碼裝置由孔徑光闌30、濾光片31、四分之一波片32、衍射分束元件33、聚焦透鏡34、空間濾波器35、檢偏器陣列36、光電探測器陣列37、信號處理系統(tǒng)38組成。其位置關(guān)系是在編碼光束前進(jìn)方向上依次是孔徑光闌30、濾光片31、四分之一波片32、衍射分束元件33、聚焦透鏡34、空間濾波器35、檢偏器陣列36、光電探測器陣列37、信號處理系統(tǒng)38。所述的四分之一波片32的快軸與振空間編碼裝置10中雙折射光楔23的相位延遲量變化的梯度方向所成的角度為45°。衍射分束元件33為二維光柵，其兩個光柵的刻線方向相互垂直，其中一個光柵的刻線方向與振空間編碼裝置10中雙折射光楔23的相位延遲量變化的梯度方向平行。所述的空間濾波器35包含濾波小孔351、濾波小孔352、濾波小孔353、濾波小孔354。檢偏器陣列36包括檢偏器361、檢偏器362、檢偏器363、檢偏器364，所述的檢偏器361、檢偏器362、檢偏器363、檢偏器364的透光軸與偏振空間編碼裝置10中雙折射光楔23的相位延遲量變化的梯度方向所成的角度分別為0°、45°、90°和135°。所述的光電探測器陣列37由光電探測器371、光電探測器372、光電探測器373、光電探測器374所組成。
編碼光束進(jìn)入本實用新型所述的同步移相偏振空間解碼裝置后，經(jīng)過孔徑光闌30、濾光片31、四分之一波片32后由衍射分束元件33進(jìn)行衍射分光，形成四個強(qiáng)度相等的(±1，±1)級衍射光束。四個強(qiáng)度相等的(±1，±1)級衍射光束由聚焦透鏡聚焦后透過空間濾波器35中的濾波小孔351、濾波小孔352、濾波小孔353和濾波小孔354，分別經(jīng)過檢偏器陣列36中檢偏器361、檢偏器362、檢偏器363與檢偏器364后由光電探測器陣列37中的光電探測器371、光電探測器372、光電探測器373與光電探測器374接收。光電探測器371、光電探測器372、光電探測器373與光電探測器374的電信號輸入信號處理系統(tǒng)38進(jìn)行處理可以對空間位置進(jìn)行解碼。
偏振空間編碼裝置10進(jìn)行偏振空間編碼時，從起偏器22出射的線偏振光用瓊斯矢量可以表達(dá)為 其中E0是出射光束的振幅。雙折射光楔23沿相位延遲量變化的梯度方向上各點(diǎn)處的瓊斯矩陣G1可以統(tǒng)一表達(dá)為 其中δ為相位延遲量。由發(fā)射光學(xué)鏡組24發(fā)射出去的編碼光束11中各點(diǎn)處可以統(tǒng)一用瓊斯矢量表示為 編碼光場中各點(diǎn)處對應(yīng)的相位延遲量可以表達(dá)為
其中

為偏振空間編碼對應(yīng)的相位延遲量的總變化量，D為編碼光場的直徑，L為相對于瞄準(zhǔn)中心線13的空間位置，L的正方向與振空間編碼裝置10中雙折射光楔23的相位延遲量變化的梯度方向相同。因此編碼光場中不同的空間位置對應(yīng)不同的偏振態(tài)，產(chǎn)生偏振態(tài)變化的相位延遲量δ隨空間位置L線性變化，從而實現(xiàn)了偏振空間編碼。
本實用新型所述的同步移相偏振空間解碼裝置用于接收編碼光場中自身位置處通過孔徑光闌30、濾光片31的編碼激光。四分之一波片32的瓊斯矩陣G2可以表達(dá)為 檢偏器陣列36中的檢偏器361、檢偏器362、檢偏器363、檢偏器364可以用瓊斯矩陣A統(tǒng)一表達(dá)為 其中α為檢偏器361、檢偏器362、檢偏器363、檢偏器364的透光軸與振空間編碼裝置10中雙折射23的相位延遲量變化的梯度方向所成的角度，分別為0°、45°、90°和135°。偏振器件以外的光學(xué)元件的瓊斯矩陣均可以表達(dá)為 即偏振器件以外的光學(xué)元件對偏振態(tài)不產(chǎn)生影響。從檢偏器361、檢偏器362、檢偏器363、檢偏器364出射的光束可以用瓊斯矢量S統(tǒng)一表達(dá)為 S＝AG2S1。
(8) 光電探測器陣列37中光電探測器371、光電探測器372、光電探測器373與光電探測器374所接收的光強(qiáng)可以統(tǒng)一表達(dá)為 其中*表示厄米運(yùn)算。在公式(9)中α分別取0°、45°、90°和135°，則光電探測器371、光電探測器372、光電探測器373、光電探測器374接收的光強(qiáng)I1、光強(qiáng)I2、光強(qiáng)I3與光強(qiáng)I4分別為 利用公式(10)～(13)可以精確計算出在-180°～180°范圍內(nèi)的相位延遲量，相位延遲量的計算過程為 當(dāng)時，則取 δ＝arcsin[(I1-I3)/(I1+I3)]；(14) 當(dāng)且(I1-I3)/(I1+I3)≥0時，則取 δ＝180°-arcsin[(I1-I3)/(I1+I3)]； (15) 當(dāng)且(I1-I3)/(I1+I3)＜0時，則取 δ＝-180°-arcsin[(I1-I3)/(I1+I3)]； (16) 當(dāng)且(I1-I3)/(I1+I3)＞0時，則取 δ＝arccos(I2-I4)/(I2+I4)；(17) 當(dāng)且(I1-I3)/(I1+I3)＜0時，則取 δ＝-arccos(I2-I4)/(I2+I4)。(18) 偏振空間編碼光路中參數(shù)

η、D是確定的，計算出相位延遲量δ后可以得到空間位置為
從而實現(xiàn)了偏振空間解碼。
本實用新型所述的同步移相偏振空間解碼裝置在解碼過程中將正弦函數(shù)、余弦函數(shù)相結(jié)合求解相位延遲量，可使偏振空間解碼范圍對應(yīng)的相位延遲量的變化范圍擴(kuò)大到-180°～180°，即使解碼范圍得到了拓寬。解碼時不再存在-90°、90°附近由于正弦函數(shù)變化緩慢而引入計算誤差的問題，使解碼精度大幅度提高。
本實用新型的最佳實施例的結(jié)構(gòu)、光路分別如圖4、圖5所示，其具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如下 同步移相偏振空間解碼裝置中孔徑光闌30的大小為1mm。四分之一波片32為零級石英波片，其相位延遲量精度為λ/300(λ＝635nm)。衍射分束元件33為二維光柵，柵線密度為200條/mm。聚焦透鏡34為雙膠合透鏡，其焦距為120mm。檢偏器陣列36中由檢偏器361、檢偏器362、檢偏器363、檢偏器364消光比優(yōu)于10-2的偏振片。探測器陣列37中光電探測器371、光電探測器372、光電探測器373、光電探測器374為光電二級管。信號處理系統(tǒng)38由四通道信號放大電路、100M四路同步數(shù)據(jù)采集卡與計算機(jī)組成。
利用最佳實施例進(jìn)行偏振空間解碼，解碼結(jié)果表明其解碼范圍對應(yīng)的相位延遲量變化范圍為-180°～180°，在整個編碼光場中各點(diǎn)處的位置解碼精度為編碼光場直徑的1/1000。
權(quán)利要求1.一種同步移相偏振空間解碼裝置，特征在于沿編碼光束前進(jìn)方向上由依次的孔徑光闌(30)、濾光片(31)、四分之一波片(32)、衍射分束元件(33)、聚焦透鏡(34)、空間濾波器(35)、檢偏器陣列(36)、光電探測器陣列(37)和信號處理系統(tǒng)(38)組成，所述的四分之一波片(32)的快軸與偏振空間編碼裝置(10)中雙折射光楔(23)的相位延遲量變化的梯度方向所成的角度為45°；所述的衍射分束元件(33)為二維光柵，其兩個光柵的刻線方向相互垂直，其中一個光柵的刻線方向與偏振空間編碼裝置(10)中雙折射光楔(23)的相位延遲量變化的梯度方向平行；所述的空間濾波器(35)包含四個濾波小孔第一濾波小孔(351)、第二濾波小孔(352)、第三濾波小孔(353)、第四濾波小孔(354)成正方形排列；所述的檢偏器陣列(36)包括四個檢偏器第一檢偏器(361)、第二檢偏器(362)、第三檢偏器(363)、第四檢偏器(364)，該第一檢偏器(361)、第二檢偏器(362)、第三檢偏器(363)、第四檢偏器(364)的透光軸與振空間編碼裝置(10)中雙折射光楔(23)的相位延遲量變化的梯度方向所成的角度分別為0°、45°、90°和135°并成正方形排列；所述的光電探測器陣列(37)由四個光電探測器第一光電探測器(371)、第二光電探測器372、第三光電探測器373、第四光電探測器374組成，所述的四個檢偏器和四個光電探測器與所述的四個濾波小孔的位置一一對應(yīng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的同步移相偏振空間解碼裝置，其特征在于所述的四分之一波片(32)為晶體四分之一波片、多元復(fù)合型四分之一波片、反射棱體型四分之一波片或者雙折射薄膜型四分之一波片。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的同步移相偏振空間解碼裝置，其特征在于所述的衍射分束元件(33)是二維光柵、全息光柵或者達(dá)曼光柵，將一束入射光束形成四個強(qiáng)度相等的子光束。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的同步移相偏振空間解碼裝置，其特征在于所述的檢偏器陣列(36)為四個檢偏器在一個平面內(nèi)形成的組合體，所述的檢偏器為偏振片或者偏振相位掩模。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的同步移相偏振空間解碼裝置，其特征在于所述光電探測器陣列(37)為四個光電探測器形成的組合體或者多元光電探測器，所述的光電探測器為光電二極管、光電三極管、光電倍增管或者光電池。
專利摘要一種同步移相偏振空間解碼裝置，由沿編碼光束前進(jìn)方向上依次的孔徑光闌、濾光片、四分之一波片、衍射分束元件、聚焦透鏡、空間濾波器、檢偏器陣列、光電探測器陣列和信號處理系統(tǒng)組成。本實用新型具有解碼范圍寬和解碼精度高的特點(diǎn)。
文檔編號G02B27/46GK201540409SQ20092007505
公開日2010年8月4日 申請日期2009年7月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月22日
發(fā)明者曾愛軍, 韓杰, 周光超, 馮春霞, 黃惠杰 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所