本发明专利技术提供一个基于低相干的干涉测量方法的串行排列的干涉仪光学传感器系统来测量物理量的方法和系统。该系统包括一个光系统、一个感应干涉仪和一个偏振读出干涉仪。本发明专利技术还提供一个包括一个单个双折射楔的偏振干涉仪。本发明专利技术还提供一个用于色散补偿的光学传感器系统。本发明专利技术还提供一个对温度敏感的干涉仪，其包括在一个具有ｘ切割方向的ＬｉＢ↓［３］Ｏ↓［５］晶体中的轨迹。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一个用于测量物理量的基于低相干的干涉测量法(LCI)的光学传感器，特别地，涉及一个基于包含一个偏振读出干涉仪的串行排列的干涉仪装置的、基于LCI的光学传感器。
技术介绍
干涉仪作为用于利用待测物理量所引起的干涉仪路径长度差的改变来测量物理量的非常精确的光学测量工具是公知的。由于干涉图样的干涉条纹的周期特性，在采用一个窄带光源时，该光源的相干长度通常大于干涉仪的路径长度差，由于干涉图样的条纹的周期性，因而使得测量存在2π的相位模糊，这可能严重地限制测量的应用。通过使用短的相干长度的光源可以避免2π相位模糊的问题，在这种情形下，干涉图样的条纹被很狭窄地限制于路径长度差的区域之内，使得可以通过定位干涉图样的条纹峰值或包络峰值来判定无2π相位模糊的路径长度差的变化量。这种类型的干涉测量法被称为白光或低干涉的干涉测量法(LCI)。基于低干涉的干涉测量法的光学系统已被广泛研究，并且已被成功地开发应用于商业应用中，例如已成为标准测量工具的光学相干断层扫描仪(OCT)和低干涉拉模孔光洁度检查仪(LCP)。通过在测试和参考表面之间形成一个干涉仪，并在一定数值范围内扫描二者之间的路径长度差，采用OCT获取二维剖面图像信息，或采用LCP获取表面深度信息，这些光学测量系统多数针对实验室类型的应用或不太关注环境条件的类似应用。基于LCT和针对工业应用、其它非实验室类型的应用的光学感应系统，已经以商业产品的面貌出现，但是它们仍然不是标准测量工具，而且仅有少量商业供应。对这些应用类型而言，需要将测量系统的感应部分和信号调整部分或读出部分明显地分离开来。在此情形下，基于LCI的光学传感器需要通常连接到一根光纤的两个干涉仪1)传感干涉仪，其感应待测物理量的大小；以及2)读出干涉仪，其用于测量待测物理量引起的感应干涉仪的路径长度差的变化，该装置被称作为串行排列的干涉仪装置，通常比单个干涉仪配置更加复杂。针对工业应用及其他非实验室类型的应用的光学传感器大都暴露于严酷的环境条件下，所以将感应干涉仪设计为对一种待测物理量敏感而限制其他待测物理量所造成的虚假的影响，这是很重要的。同时还必须使得路径长度差和被测量物理量之间的有固定的、理想线性的关联，同样，读出干涉仪必须是稳定可靠的，即其内部校准必须长时间保持有效，读出干涉仪还必须提供以最小程度依赖于诸如温度、振动等环境因素的固定的读出数据，这些增加于经济约束的工业“必备”要求阻碍了许多发展于实验室的光学感应技术进入工业传感器及其他非实验室市场。许多用于测量物理量的光学传感器已被提了出来，1979年2月公布的、Cetas的美国专利No.4,140,393和1986年7月公布的、Taniuchi的美国专利No.4,598,996公开了在双束干涉仪配置中，使用不同的双折射晶体作为测量温度的感应部件。他们使用了诸如LiTaO3、LiNbO3、BaTiO3及SrxBa1-xNb2O6的晶体以形成偏振感应干涉仪，他们在干涉仪的输出端测量光强度，该光强度根据温度引起的晶体双折射的变化而按正弦曲线变化，它们的光学感应系统是基于窄带光源的，所以它们的测量技术会受到2π相位模糊的影响，因而只能提供有限的测量范围。公布于1993年10月的、Emo等人的美国专利5,255,068使用了与Cetas和Taniuchi的专利相似的晶体和感应干涉装置以测量温度，但其光学感应系统得益于其使用的光源的低相干特性，但是，采用一种已知的、具有比干涉仪更低的光通过量的色散光谱仪，来记录根据晶体依赖于温度的双折射特性来调制的光源的光谱，由于是在频域或波长域而不是时域或空间域获取最后的信号，所以他们采用离散傅立叶变换信号处理方法，除采用色散光谱仪配置的费用和复杂度之外，该处理方法比较耗时，而且，已知上述晶体的双折射特性具有很强的频率依赖性，这会严重地降低傅立叶变换信号处理方法的精度。在本领域中已公知，在1984年9月5至7目在OFS’84出版的、由Bosselmann和Ulrich撰写的名为“High-accuracyposition-sensing with fiber-coupled white-light”的文件中，他们描述了将Michelson干涉仪用作在基于LCI的配置中的读出干涉仪的使用方法，通过改变Michelson干涉仪中两个镜面中的一个的位置来扫描Michelson干涉仪的路径长度差，并采用单个光电检测器在干涉仪的输出端记录干涉图样的条纹，从可动镜面的不同扫描位置的获得测量值中可以确定干涉图样的条纹峰值的位置，由于其中的可动光学部分，除不得不以高精度测量可动镜面的位置之外，机械稳定性也是该系统的弱点。公布于1995年2月的、Belleville等的美国专利No.5,392,117，公布于1994年9月的、Graindorge等的美国专利No.5,349,439以及出版于1997年的、在OSA Technical Digest Series，Vol.16上Duplain等人发表的名为“Absolute Fiber-Optic LinearPosition and Displacement Sensor”，这些文件都描述了用于感应干涉仪的路径长度差的测量的Fizeau干涉仪的应用，这些基于LCI的光学感应系统包括采用一个线性光电检测器阵列在Fizeau读出干涉仪的输出端记录干涉图样的条纹，以及确定干涉图样的条纹峰值位置，虽然该Fizeau干涉仪不包含移动器件，但其由一种空气楔或一种固体光学楔组成，这样的器件不容易被制造，因为其要求使用非常复杂的薄膜沉积方法，或要求使用具有严格厚度公差、光学排列、材料稳定性和光学质量要求的光学器件制造和装配方法，而且，虽然Fizeau干涉仪可以以低的精密度来制造，但此时，其中仍然保留多束干涉仪，当用于LCI配置时，干涉条纹的可见性通常低于二束干涉仪。Lequime的美国专利No.4,814,604及No.4,867,565，以及Mariller和Lequime发表于SPIE Proceedings，Vol.798的名为“Fiber-Optic White-Light birefringent temperature sensor”，这些文献公开了包括与Cetas和Taniuchi的专利公开的配置相似的偏振感应干涉仪并基于LCI的光学感应装置的应用，其基于LCI的光学传感器系统包括采用线性光电检测器阵列或单个光电检测器记录在偏振读出干涉仪的输出端上的干涉条纹图案，其偏振读出干涉仪是置于两个偏振器之间的不同双折射单元的非常复杂的排列，该双折射单元至少包括一个具有沿着一个表面粘在一起的两个基本双折射棱镜的晶体板以形成一个Wollaston或一个改进的Wollaston棱镜，这些棱镜被安置在不同的形状的Babinet补偿器和Soleil补偿器中，这样的配置类型造成了复杂的安装设备，并带来严重缺陷，在其最简单的配置中，干涉条纹的定位平面位于Wollaston棱镜之内，并向Wollaston棱镜的出口面倾斜，该情形要求光学校正以在光电检测器的表面形成干涉条纹图像。但是，定位平面的倾斜导致在光电检测器表面上产生残留聚焦误差，除非光源在空间上高度相干，否则会导致干涉条纹对比度的本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于低相干的干涉测量法用于测量物理量的串行排列的干涉仪光学传感器系统，该系统包括：一个光系统，用于生成以相干长度为特征的光强度；一个感应干涉仪，其具有比所述相干长度更长的传感器路径长度差，用于接收光强度并生成作为所述传感 器路径长度差的函数的传感器光信号，其中所述传感器路径长度差可以根据物理量的变化而改变；以及一个偏振读出干涉仪，其具有一个读出路径长度差，并基于双束干涉仪配置，接收所述传感器光信号，并在输出位置生成作为所述读出路径长度差的函数的读出光 信号，所述偏振读出干涉仪包括一个用于将所述传感器光信号分解为两个线性正交偏振分量的输入偏振器，一个双折射楔，在其中，所述两个偏振分量以不同的速度传播，一个输出偏振器，其用于重新组合经所述楔传播后的偏振分量，以及一个聚焦光学装置，其用于通过所述输入偏振器、所述双折射楔和所述输出偏振器向所述输出位置转发所接收的所述传感器光信号，以提供作为读出路径差的函数的读出光信号。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：加埃唐迪普兰，
申请(专利权)人：奥普森斯公司，
类型：发明
国别省市：CA[加拿大]
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