基于零折射率超材料的精密光学测距方法

摘要

一种基于零折射率超材料的精密光学测距方法，反射面被固定在被测面上，入射光沿光轴方向经过零折射率超材料出射后在自由空间中传播距离D，被反射面反射按原路返回到零折射率超材料，在其中入射光与反射光相互叠加，合成波光强从最暗到最亮每变化一次，被测面的位移量为λ/4，根据合成波光强明暗变化次数N能准确测得被测面的连续位移量ΔD＝Nλ/4。通过在出射面和被测面上安装平面反射镜组可进一步提高系统测量精确度，位移分辨率达λ/(4M)。该方法操作简单、测量精准，位移分辨率小于传统干涉式测距方法的λ/2分辨率，可在光频下实现相移量的精确测量，分辨率达π/(2M)，适用于包括无线电波段和光波段的全波段范围。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于零折射率超材料的精密光学测距方法,属于光学测距技术领域。

背景技术

激光由于其强方向性、高亮度、单色性、相干性等优点经常被用于光学测距的光源。激光测距是光学、激光技术、精密机械、电子学、微电子以及光电子学等多学科技术的综合应用，正向数字化、自动化、低成本、小型化方向发展。激光测距具有测量精度高、分辨率高抗干扰能力强、体积小、重量轻等一系列优点，在军事、科技、工程等方面都起到重要的作用。

目前光学测距技术主要分为四种方法：脉冲式、干涉法、三角法和相位式。

干涉法激光测距的原理是利用分束器将激光分为相互垂直的两束光，其中一束被固定反射镜发射，光程固定为参考光，另一束被被测面反射作为被测光，二者叠加生成周期为半波长λ/2的干涉条纹，干涉条纹会随被测面的距离变化而发生移动，通过记录移动条纹的数目可以计算出被测面的位移，干涉法激光测距的测量精度高，可以达到λ/2，使用激光光源可达到亚微米级。但该方法的光路搭建和操作过程都较复杂，从而影响其推广应用。

要在光频范围准确测量相位变化难度较大，目前的相位式激光测距仪是用无线电波段的频率，对连续激光束进行幅度调制,并测定调制光往返一次所产生的相位延迟，再根据调制光的波长，换算此相位延迟所代表的距离，是一种通过测量相位延迟代替直接测量激光往返所需时间的高精度间接测量方法。相位式激光测距仪一般应用在精密测距中,其精度一般为毫米级。为了有效的反射信号，并使测定的目标限制在与仪器精度相称的某一特定点上，对这种测距仪都配置了被称为合作目标的反射镜。

零折射率超材料是一种新兴的具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。根据折射率定义如果能够使ε_eff和μ_eff同时为零或其中一项为零就可以实现电磁波的等相位传输的物理性质。通过对材料组成结构的适当设计，零折射率超材料能够实现有效折射率为零，即n_eff＝0，对应光在超材料中传播的光程l＝nS＝0。由于相位恒定，所以对应的波失为零，即k＝0，所以在工作频段零折射率超材料能够准确保留入射波的相位信息。

目前亟需一种能够同时实现对位移和相移变化量进行精确测量技术。

发明内容

本发明针对现有光学测距技术存在的不足，提供一种能够实现对相干范围内的位移和相移量进行精确连续调节和测量的基于零折射率超材料的精密光学测距方法。

本发明的基于零折射率超材料的精密光学测距方法，是：

将入射光沿光轴方向垂直入射到零折射率超材料的入射面上，并在零折射率超材料内部进行相位不变传输，然后从零折射率超材料的出射面出射，在自由空间传递一段距离D后，在被测量面上被反射，反射光按原路返回到零折射率超材料出射面，或通过平面镜组控制反射光在零折射率超材料出射面和被测面之间往返M次(往返距离2DM小于相干波长L)，在零折射率超材料中实现入射光与反射光的叠加，根据合成波的光强明暗变化次数N确定被测面的位移变化量。

所述入射光是光源发出的经扩束、准直或起偏处理后的光束。

所述入射光的频率为零折射率超材料的工作频率。

所述零折射率超材料是任何有效折射率n_eff＝0的人造材料，该人造材料既可以是由非金属电介质材料组成的光子晶体，也可以是由金属、铁氧体、铁电体等材料构成的超材料结构。

所述零折射率超材料的入射面和出射面，以及被测量面(反射面)相互平行，且垂直于光轴方向。

所述零折射率超材料中入射光和经过M次往返的反射光的合成波光强从最暗(0)到最亮(最大值)每变化一次，被测面的位移变化为λ/(4M)，单程相位变化为π/(2M)。

所述被测面的距离变化为ΔD＝Nλ/(4M)，N为在零折射率超材料中入射光和反射光的合成波的光强明暗变化次数，M为反射光在零折射率超材料出射面和被测面之间往返次数，λ为入射光的自由空间波长。

所述反射光在零折射率超材料出射面和被测面之间M次往返，所历光程2MD小于光源的相干长度L＝λ²/Δλ，λ为入射光波长，Δλ为光源的光谱宽度，D为入射光在自由空间的传播距离。

所述平面反射镜组为一组固定在零折射率超材料出射面和被测面上的平面反射镜，控制入射光在二者之间通过反射实现M次往返，最终将反射光反射回零折射超材料中，与入射光叠加，形成合成波。

所述零相移超材料出光方向垂直的任意侧面位置依次设置光学接收装置、光电探测器和后续检测处理器，测量和分析零折射率超材料中的光强变化。光学接收装置为透镜或探针等装置，用来探测零折射率超材料中的光强变化。

本发明利用零折射率超材料的相位不变传输特性，将入射光作为参考光，通过反射光携带被测面的位移和相位变化信息，使二者在零折射率超材料中相互叠加发生干涉，通过零折射率超材料内部光强的明暗变化直观反映和放大两束光的干涉相长或干涉相消信息，从而判定被测面的空间位移变化量ΔD和光波传播距离ΔD累积的相移量，位移分辨率可达λ/(4M)，相移分辨率可达π/(2M)。该方法可用于精密光学测距、传感和移相器的设计，能够同时实现对相移和位移变化的精确测量。

本发明利用零折射率超材料“在零折射率工作频段能够准确保留入射波的相位信息”这一特性进行精密光学测量系统设计；具有以下特点：

1.不需要分束装置，采用入射光直接代替传统干涉式光学测距所需固定光程的垂直参考光，简化了光路设计和操作步骤，同时也缩小了测距装置尺寸；

2.代替传统方法中数条纹的方式，通过零折射率超材料内部光强的明暗变化直观反映和放大了被测面的位移和相移量，测量方法简单、准确、便捷；

3.反射光单程往返位移分辨率可达λ/4，小于传统干涉式测距方法的分辨率λ/2，并且可作为精确移相器提供精准相位变化信息，在光频下相移分辨率可达π/2。通过增加反射光在出射面和被测面之间往返次数M，位移和相移分辨率分别可达λ/(4M)和π/(2M)，这是传统光学干涉技术远远无法企及的；

4.根据零折射率超材料的设计精度不同，该方法适用于电磁波全波范围，可以覆盖包括无线电波段和光波段的宽广区域。

附图说明

图1是本发明中的光学测距系统结构原理图。

图2是本发明的光学单程往返测距原理图。

图3是本发明的反射光多次往返测距原理图。

图4是反射光单程往返测距时合成波振幅A₀随被测面位置D变化的曲线图。

图中：1.光源，2.第一透镜，3.第二透镜，4.零折射率超材料，5.被测面(反射面)，6.光学接收装置，7.光电探测器，8.后续检测处理器，9.平面反射镜组。

具体实施方式

本发明的基于零相移超材料的精密激光测距方法采用如图1所示的光学测距系统实现。该系统包括光源1、第一透镜2、第二透镜3(两个透镜共同构成扩束装置，也可根据情况增加其他装置对入射光进行准直或起偏等处理)、零相移超材料4、被测面(反射面)5、光学接收装置6、光电探测器7和后续检测处理器8。在光源1与被测面5之间依次设置透镜2和透镜3作为扩束准直装置，零相移超材料4用来保持入射光相位不变传播，反射镜被固定在被测物体上作为被测面5。若要进一步提高系统测量精确度，可在出射面和被测面上安装平面反射镜组9控制反射光的往返光程。在零相移超材料4出射光垂直方向的任意侧面位置依次设置光学接收装置6、光电探测器7和后续检测处理器8，测量和分析零折射率超材料中的光强变化。

光源1用于输出固定波长和固定频率的相干光，可根据零折射率超材料4的工作波长选择激光器或矢量网络分析仪等作为光源1。第一透镜2和第二透镜3将光源发出入射光进行扩束，也可增加相应的准直或起偏等装置对入射光进行调制。零折射率超材料4能够使入射光在其中相位不变传输，若入射光和反射光在其中相干叠加，可通过其内部光强变化直观反映和放大入射光和反射光干涉相长或干涉相消情况。被测面5通过反射使入射光按原路返回到零折射率超材料4中，与入射光相互叠加。光学接收装置6用于收集零折射率超材料中随光强强弱变化的漏射光波，并将其送入光电探测器7。光电探测器7把光信号转换为电信号，提供给后续检测处理器8使用。后续检测处理器8完成信号的放大、分析、计数、显示等处理任务。平面反射镜组9是安装在出射面和被测面上的反射镜组，通过对出射光的往复反射累积反射光的光程和相移量，提高系统的测量精度。

零折射率超材料4可以是任何有效折射率n_eff＝0的人造材料，既可以是由非金属电介质材料组成的光子晶体，也可以是由金属、铁氧体、铁电体等材料构成的超材料结构。

如图2所示，定义零折射率超材料的出射面位于坐标原点O，入射光E₁的波函数表示为E₁(z,t)＝Acos(kz-ωt)，其中A为振幅大小，k为波矢，ω为角频率，z为空间位移，t为时间；经被测量面一次反射后的反射光为与入射光基本相同的反向波，反射光的波函数表示为E₂(z,t)＝Acos(kz+ωt+δ)，δ为相位差。与入射光E₁相比较，除传播方向相反外，E₂还存在一个由于光波在空间传播累积的相位差δ，若设被测面与零折射率超材料出射面之间的距离为D，相位差δ与往返距离2D相关，即δ＝4πD/λ，λ为入射光的自由空间波长；往返光波(入射光与反射光)在零折射率超材料中相互叠加，合成波表示为：

E(z,t)＝E₁+E₂＝2Acos(kz+δ/2)cos(ωt-δ/2)，

第二项cos(ωt-δ/2)表明叠加波场中任一点仍然做角频率为ω的简谐振动，而第一项2Acos(kz+δ/2)的绝对值则表示坐标为z处合成波的振幅大小，标记为A₀，即有：

A₀(z)＝|2Acos(kz+δ/2)，

在零折射率超材料中，因为波矢k＝0，所以入射波与反射波的合成波振幅可表示为：

A₀＝|2Acos(δ/2)|＝|2Acos(2πD/λ)|，

与原点z＝0位置合成波的振幅相同，当入射光波长λ一定，合成波的振幅由被测面与原点O之间的距离D决定。振幅从最大值|2A|到最小值0每变化一次，合成波的光强I＝A₀²明暗变化一次，往返光程累积相位差δ＝π,被测物体的位移变化量ΔD＝λ/4，单程累积相位差为δ/2＝π/2；若连续测量，根据合成波光强的明暗变化次数N能够确定被测面的连续位移变化量为ΔD＝Nλ/4。

图3与图2比较，不同点在于一组平面反射镜被分别安装在出射面和被测面上，使反射光在二者之间被多次反射，控制反射光往返次数M，其间反射光累积光程为了l＝2MD，累积相位差δ＝4πMD/λ，入射光和反射光在零折射率超材料中叠加的合成波的光强明暗变化一次，被测面的位移变化量ΔD＝λ/(4M),光波从出射面到被测面间累积相位差为δ/2＝π/(2M)

图4给出了反射光单程往返时振幅A₀随被测面位置D变化的特性曲线，零折射率超材料中振幅A₀的变化周期为λ/2，振幅A₀从最大值2A变化为最小值0，零折射率超材料中的合成波光强I由最强4A²到最弱0变化一次，被测面的移动距离ΔD为λ/4。

下面结合具体实施例对本发明作进一步阐述，但本发明并不限于以下实施例。所述方法如无特别说明均为常规制备方法。

实施例1

当光源1的入射光频率为14.483GHz的TM偏振光，对应空间波长为2.07cm，选择二维正方晶格结构光子晶体作为零折射率超材料4。设光子晶体的晶格常数为a，由Al₂O₃介质柱(介电常数ε＝10)在空气背景(ε＝1)中按正方晶格结构周期排列，介质柱半径为0.213a。当光子晶体阵列周期尺寸为11.74mm，陶瓷柱的半径r＝2.5mm，组成15a×10a的长方形阵列，此时二维正方晶格结构光子晶体在狄拉克点归一化频率ω_D＝0.567，对应入射频率14.483GHz时的有效折射率n_eff＝0。

按照图1所示，装配光学测距系统。光源1选用安捷伦矢量网络分析仪，发出的入射波经微波波导起偏为TM偏振波，沿光轴方向垂直入射到零折射率超材料4上，超材料的入射面和出射面，以及反射面相互平行并垂直于光轴，保证入射光与出射光与系统光轴平行，出射光在空间传播一段距离后被被测面5反射，沿原路径反向传播，反射光在零折射率超材料4中与入射光叠加发生干涉，通过干涉相长或干涉相消引起零折射率超材料中光强的明暗变化，通过光学接收装置6，将收集到的光强信息聚焦到光电探测器7中，光电探测器7将光信号转变为电信号后传递给后续检测处理器8，后续检测处理器8对信号的强弱、变化次数、变化时间等信息进行判断、统计和分析，给出位移量，相移量和变化时间等分析结果。

实施例2

本实施例与实施例1不同之处是，选择二维三角晶格结构光子晶体作为零折射率超材料4。若光子晶体的晶格常数为a，由Al₂O₃介质柱(介电常数ε＝10)在空气中按三角晶格结构周期排列，介质柱半径为0.196a。当光子晶体阵列周期尺寸为12.77mm，Al₂O₃陶瓷柱的半径r＝2.5mm，组成的长方形阵列，此二维三角晶格结构光子晶体在狄拉克点归一化频率ω_D＝0.617，对应入射频率14.483GHz时有效折射率n_eff＝0。

实施例3

本实施例与实施例1不同之处是，光源1的入射光频率为16.2GHz的TM偏振光，其在真空中波长为1.85cm，选择二维正方晶格结构光子晶体作为零折射率超材料4。由氧化铝介质柱(介电常数ε＝12.5)在空气中按正方晶格结构周期排列，介质柱半径为2mm。当光子晶体阵列周期尺寸为1cm，组成15a×10a的长方形阵列，此二维正方晶格结构光子晶体在狄拉克点归一化频率ω_D＝0.541，对应入射频率16.2GHz时的有效折射率n_eff＝0。

实施例4

本实施例与实施例1不同之处是，光源1入射光为红外波长1550nm波段，利用220nm绝缘硅片上排列的正方空气孔阵列组成阻抗匹配零折射率的芯片狄拉克锥超材料，可以作为零折射率超材料4，放入精密光学测距系统中实现精密激光测位移和相移。零折射率芯片狄拉克锥超材料的设计方法详见文献：“CMOS-Compatible Zero-Index Metamaterial”，Daryl Vulis,Yang Li,Orad Reshef,Mei Yin,PhilipShota Kita,Marko Loncar,and Eric Mazur，CLEO:Science and Innovations,Paper#STh3E.8。

零折射率超材料4可以是任何有效折射率n_eff＝0的人造材料，不限于上述实施例中所提及的几种。