專利名稱：可調(diào)光學(xué)結(jié)構(gòu)特征反饋控制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及壓縮調(diào)節(jié)的光學(xué)結(jié)構(gòu)；更特別說，涉及具有力或位移反饋控制的壓縮調(diào)節(jié)的光學(xué)結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
有多種可以使用可調(diào)纖維布拉格(Bragg)光柵原理的應(yīng)用。這些包括可調(diào)濾波器、可重配置的光增加/降低多路轉(zhuǎn)換器、光性能監(jiān)視器、鎖波器、可調(diào)激光器等。每一個這些應(yīng)用將從準(zhǔn)確、可重復(fù)和不需要光學(xué)環(huán)路控制，也就是說，不需要直接測量光柵的波長調(diào)節(jié)光柵的能力中受益。
在現(xiàn)有技術(shù)中，因為布拉格光柵的波長由光柵的張力和溫度唯一確定，原理上說，如果能一直簡單測量光柵的張力和溫度，人們就總可以知道光柵的波長。在實際中，通過將光柵連接到一個諸如壓電元件的驅(qū)動器，然后拉伸光纖某一預(yù)定數(shù)量，就可實現(xiàn)這一點。如果維持驅(qū)動器和光纖之間的位置關(guān)系，人們則可以通過測量驅(qū)動器的位移從理論上推斷布拉格光柵的波長。
但是已經(jīng)知道，如果在光纖和驅(qū)動器之間有某些無效移動，則驅(qū)動器位移的測量將導(dǎo)致錯誤的波長決定。例如，當(dāng)張力調(diào)節(jié)有包層的光纖時，這一效應(yīng)幾乎不可避免，因為已知的連接技術(shù)將包括某種具有有限保持能力的環(huán)氧粘接。另外，從纖維的可靠性的方面通過施加張力調(diào)節(jié)纖維布拉格光柵被認(rèn)為是不可接受的，因為纖維的壽命通過連續(xù)張緊可能顯著縮短。
另外可選的一種已知方法是把布拉格光柵包封在一個能夠承受高壓縮負(fù)載的全玻璃元件中，它可以結(jié)合到一個通過張力可用于可靠而精確調(diào)節(jié)的布拉格光柵裝置中。這一技術(shù)最初應(yīng)用于壓力傳感器，并安裝到圍繞該裝置的一個玻璃外殼中以允許將流體靜力學(xué)壓力轉(zhuǎn)換為壓縮張力。該元件的芯(狗骨)可以用于其它允許壓縮負(fù)載影響布拉格光柵波長的結(jié)構(gòu)中。例如，玻璃元件的端部可以研磨成圓錐形狀，該形狀配裝在機(jī)械連接到位移驅(qū)動器上的本體的圓錐座上。這一組合的玻璃元件布拉格光柵在調(diào)節(jié)能力方面與上面公開的標(biāo)準(zhǔn)纖維光柵相比有兩個主要的優(yōu)點。第一個優(yōu)點是，因為該元件放置在壓力下而不是張力下，因此該裝置本質(zhì)上可靠。第二個優(yōu)點是，因為該裝置可以使用具有任意大小和形狀的玻璃制造，因此簡化了形成對驅(qū)動器的無滑動連接(例如玻璃在金屬座上，沒有環(huán)氧粘接來抵御大的力)。
然而，如果人們要關(guān)注極高的準(zhǔn)確性，則即使在玻璃對金屬的接觸區(qū)內(nèi)也不能忽略無效運動或遲滯。例如，經(jīng)過一段時間，底座可能稍微變形，從而改變玻璃元件的實際位移相對于驅(qū)動器的實際位移。如果測量的是驅(qū)動器的位移而不是玻璃元件的位移，則將在測量中引入有誤差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一個具有壓縮調(diào)節(jié)的光學(xué)結(jié)構(gòu)和位移傳感器的可調(diào)光學(xué)裝置。
壓縮調(diào)節(jié)的光學(xué)結(jié)構(gòu)響應(yīng)光信號，并進(jìn)一步響應(yīng)位移傳感器信號，用于提供一個壓縮調(diào)節(jié)的光學(xué)結(jié)構(gòu)信號，該信號包含關(guān)于壓縮調(diào)節(jié)的光學(xué)結(jié)構(gòu)的光特征的改變的信息，和用于進(jìn)一步提供由壓縮調(diào)節(jié)的光學(xué)結(jié)構(gòu)的位移的改變引起的激勵信號。
位移傳感器響應(yīng)該激勵信號，用于提供包含關(guān)于壓縮調(diào)節(jié)的光學(xué)結(jié)構(gòu)的位移的改變的信息的位移傳感器信號。
壓縮調(diào)節(jié)的光學(xué)結(jié)構(gòu)可以采用狗骨結(jié)構(gòu)的形式，它是一個全玻璃壓縮單元，具有由一個較窄的中間部分分開的較寬的端部，該窄部分在其內(nèi)有布拉格光柵。
位移傳感器包括一個電容傳感器，它固定到壓縮調(diào)節(jié)的光學(xué)結(jié)構(gòu)上，用于測量在兩個平行相對的板之間的電容變化，該電容變化依賴于相對于兩個平行相對板的間隙或面積的變化。壓縮調(diào)節(jié)的光學(xué)結(jié)構(gòu)的位移變化引起在兩個平行相對板之間的間隙的變化，而電容的變化依賴于間隙的變化。另外可選擇的方案是，壓縮調(diào)節(jié)的光學(xué)結(jié)構(gòu)的位移特征的變化引起在兩個平行相對板之間的重疊面積的改變，而電容的變化依賴于該重疊面積的改變。
電容傳感器可以具有兩個金屬包層的管，它們固定在壓縮調(diào)節(jié)的光學(xué)結(jié)構(gòu)上，使得金屬面彼此以一個其間的小間隙面對。兩個平行相對板可以固定在從狗骨結(jié)構(gòu)的寬端部結(jié)束的部件上。小間隙可以大約是200微米。該電容傳感器具有連接到金屬包層的管上的電極以允許將電容傳感器連接到能夠測量電容量的電子裝置上。兩個金屬包層管的每一個分別固定在或形成一個較寬的端部的相應(yīng)一個上。較窄的中間部分可以有一個在其內(nèi)布置的布拉格光柵或Fabry-Perot干涉儀。Fabry-Perot干涉儀可以包括一對分開預(yù)定距離的纖維布拉格光柵。
位移傳感器還可以包括使用固定在壓縮調(diào)節(jié)的光學(xué)結(jié)構(gòu)上的兩個線圈的電感檢測，用以測量在兩個線圈之間的電感的變化。可以使用其它的間隙檢測技術(shù)，諸如基于光、磁、微波、飛行時間的傳感器。此外，可以檢測施加在壓縮元件(亦即光柵或Fabry-Perot干涉儀間隙)上或其周圍的力并反饋以控制光學(xué)結(jié)構(gòu)的壓縮調(diào)節(jié)。
事實上，本發(fā)明提供一個裝置，它結(jié)合一個測量壓縮調(diào)節(jié)的光學(xué)結(jié)構(gòu)的位移的高精確度裝置，包括一個具有纖維布拉格光柵或Fabry-Perot干涉儀的可調(diào)節(jié)元件。這一混合裝置將允許真正的間接裝置來控制纖維布拉格光柵或Fabry-Perot干涉儀的波長，不需要光學(xué)環(huán)路控制。該裝置結(jié)合一個帶有可調(diào)光柵元件的高精確度、可能無漂移的電容或電感傳感器。例如，電容傳感器通過利用在兩個平行相對板之間的間隙和/或板的面積的變化時的電容的變化測量位移。雖然可以設(shè)計連接方法而使驅(qū)動器和可調(diào)玻璃元件之間的蠕變最小，但是在實際中很難完全消除它。由于這一理由，特別希望在可調(diào)元件上直接結(jié)合一個電容傳感器以形成一個帶有內(nèi)置電子位移決定的整體可調(diào)布拉格光柵。直接在玻璃元件上結(jié)合位移傳感器允許人們直接測量與該元件上的張力直接相關(guān)的位移，因此允許直接和實時地了解布拉格波長。下面表示和描述這一概念的多種可能的實施例。然而，一個最簡單的實施例包括在該可調(diào)玻璃元件之上固定的兩個覆蓋金的管，使得金的表面彼此面對，其間有一個小間隙(大約200微米)。理想說，該管應(yīng)該焊接在狗骨元件的大直徑部分上。然而，因為沒有力要抵御，因此原理上它們可以環(huán)氧粘接在其位置。電極連接在包金的管上以允許電容器連接到能夠測量電容的電子裝置上。當(dāng)狗骨元件張緊時，平行板之間的間隙將改變，從而引起電容改變。因此，電容的測量將直接與布拉格波長相關(guān)，只要要么保持元件的溫度恒定或者測量元件的溫度。因為該管直接連接到狗骨上，因此它們完全不活動和不滑動。
與前面描述的一致，電容傳感器提供一種理想的位移測量方法，它可以直接集成到壓縮調(diào)節(jié)的纖維布拉格光柵元件中。下面討論幾種電容傳感器結(jié)構(gòu)，它們可以用于本申請中，每一種結(jié)構(gòu)具有特別的優(yōu)點和缺點。為優(yōu)化在這一設(shè)計中使用的電容傳感器，必須考慮包括這樣的電路，它用于測量電容，并最終變換電容為位移(或力)。為保持電容傳感器的功能范圍上的一致的分辨率和準(zhǔn)確度，在電容器區(qū)域內(nèi)的變化將產(chǎn)生與電容成正比的變化(其與板分開相反，它顯示反比例關(guān)系)。
在可能使用混合電容或電感傳感器和可調(diào)FBG之外，在壓縮元件中形成的其它裝置也可以從增加一個電容位移傳感器中受益。這種例子可以有纖維Fabry-Perot對、布拉格光柵對、分布式反饋激光器、干涉布拉格光柵激光器。
本發(fā)明的全部動因是避免使用從壓縮調(diào)節(jié)的光學(xué)結(jié)構(gòu)傳輸?shù)墓鈱W(xué)光來調(diào)節(jié)壓縮元件的波長，它將增加可用于總系統(tǒng)的光。例如，如果串聯(lián)n個壓縮調(diào)節(jié)的光學(xué)結(jié)構(gòu)的話，同時為這n個壓縮調(diào)節(jié)的光學(xué)結(jié)構(gòu)的每一個使用光的各x％，則可以使用光的近似nx％來調(diào)節(jié)總系統(tǒng)，這可能顯著減少可用于總系統(tǒng)的光的量。實際上，相對于為調(diào)節(jié)壓縮元件的光學(xué)性能，本發(fā)明提供一個開路控制系統(tǒng)。
從下面在附圖中表示的本發(fā)明的實施例的詳細(xì)描述，上述和其它目的、特征和優(yōu)點顯而易見。


附圖包括幾個圖，且下面是對它們的簡要說明圖1是一個可調(diào)光學(xué)裝置的方框圖，它是本發(fā)明的主題；圖2是圖1所示可調(diào)光學(xué)裝置的一個實施例的示意圖；圖3是一個管中管電容傳感器結(jié)構(gòu)的示意圖，它可以是圖1所示可調(diào)光學(xué)裝置的實施例的一部分；圖4是一個單管電容傳感器結(jié)構(gòu)的示意圖，它可以是圖1所示可調(diào)光學(xué)裝置的實施例的一部分；圖5是一個多管中管電容傳感器結(jié)構(gòu)的示意圖，它可以是圖1所示可調(diào)光學(xué)裝置的實施例的一部分；圖6是一個管中管電容差分傳感器結(jié)構(gòu)的示意圖，它可以是圖1所示可調(diào)光學(xué)裝置的實施例的一部分；圖7是為圖1所示可調(diào)光學(xué)裝置的另一個傳感器結(jié)構(gòu)的示意圖；圖8是為圖1所示可調(diào)光學(xué)裝置的又一個傳感器結(jié)構(gòu)的示意圖；圖9是為圖1所示可調(diào)光學(xué)裝置的又一個傳感器結(jié)構(gòu)的示意圖；圖9A是為圖9所示可調(diào)光學(xué)裝置的又一個傳感器結(jié)構(gòu)的示意圖；圖10是為圖1所示可調(diào)光學(xué)裝置的又一個傳感器結(jié)構(gòu)的示意圖；圖11是為圖1所示可調(diào)光學(xué)裝置的又一個傳感器結(jié)構(gòu)的示意圖；圖12是為圖1所示可調(diào)光學(xué)裝置的又一個傳感器結(jié)構(gòu)的示意圖；圖13是為圖1所示可調(diào)光學(xué)裝置的又一個傳感器結(jié)構(gòu)的示意圖；圖14是為圖1所示可調(diào)光學(xué)裝置的又一個傳感器結(jié)構(gòu)的示意圖；圖15是為圖1所示可調(diào)光學(xué)裝置的又一個傳感器結(jié)構(gòu)的示意圖；圖16A是為圖2所示可調(diào)光學(xué)裝置的傳感器結(jié)構(gòu)的第一板的示意圖；和圖16B是為圖2所示可調(diào)光學(xué)裝置的傳感器結(jié)構(gòu)的第二板的示意圖。
具體實施例方式
圖1基本發(fā)明圖1表示總體上用附圖標(biāo)記20指示的一個可調(diào)光學(xué)裝置，它具有一個壓縮調(diào)節(jié)的光學(xué)結(jié)構(gòu)22和一個位移傳感器24。
壓縮調(diào)節(jié)的光學(xué)結(jié)構(gòu)22響應(yīng)光學(xué)信號，和另外響應(yīng)位移傳感器信號，用于提供壓縮調(diào)節(jié)的光學(xué)結(jié)構(gòu)信號，該信號包含關(guān)于壓縮調(diào)節(jié)的光學(xué)結(jié)構(gòu)的光學(xué)特征的改變的信息，且還用于另外提供由在壓縮調(diào)節(jié)的光學(xué)結(jié)構(gòu)22的位移中的改變引起的激勵信號。
位移傳感器24響應(yīng)來自壓縮調(diào)節(jié)的光學(xué)結(jié)構(gòu)22的激勵信號，用以提供位移傳感器信號，該信號包含關(guān)于在壓縮調(diào)節(jié)的光學(xué)結(jié)構(gòu)的位移的改變的信息。
壓縮調(diào)節(jié)的光學(xué)結(jié)構(gòu)22采取狗骨形結(jié)構(gòu)(以下稱“狗骨結(jié)構(gòu)”)，該結(jié)構(gòu)是一個全玻璃壓縮單元，它可以通過玻璃沉淀(collapsing)技術(shù)形成，該玻璃沉淀技術(shù)在1999年12月6日遞交的美國專利申請系列號No.09/455,867(CiDRA文檔No.CC 0036B)、以及在1999年12月6日遞交的美國專利申請系列號No.09/455,865(CiDRA文檔No.CC-0078B)中表示和說明，這兩個申請整體結(jié)合在這里作為參考，下面會詳細(xì)討論。壓縮調(diào)節(jié)的光學(xué)結(jié)構(gòu)22也可以是稱為纖維條的單一大直徑波導(dǎo)管形式，其在1999年12月6日遞交的美國專利申請系列號No.09/455,868(CiDRA文檔No.CC 0230)、以及在1999年12月6日遞交的專利申請系列號No.09/456,112(CiDRA文檔No.CC 0129B)中表示和說明，這兩個申請整體結(jié)合在這里作為參考，下面會詳細(xì)討論。壓縮調(diào)節(jié)的光學(xué)結(jié)構(gòu)22也可以包括基于布拉格光柵、纖維布拉格光柵或以Fabry-Perot干涉儀為基的光學(xué)結(jié)構(gòu)，如這里討論的。下面關(guān)于壓縮調(diào)節(jié)的光學(xué)結(jié)構(gòu)22和總狗骨結(jié)構(gòu)的多個不同的實施例表示和說明本發(fā)明。
位移傳感器24可以包括對位移測量的電容或電感的檢測。電容檢測根據(jù)固定在壓縮調(diào)節(jié)的光學(xué)結(jié)構(gòu)22上用給定間隙或距離分開的板來表示和說明，而電感檢測理解為由給定間隙或距離分開的線圈(代替板)。
本發(fā)明的范圍無意限制可調(diào)光學(xué)裝置20的任何特定的應(yīng)用。例如，可預(yù)見到的應(yīng)用有可調(diào)光學(xué)裝置20用作光學(xué)檢測裝置(諸如壓力傳感器)，以及作為光學(xué)信號產(chǎn)生裝置(諸如激光裝置)。
圖2可調(diào)光學(xué)裝置22圖2表示一個總體上用附圖標(biāo)記50指示的可調(diào)光學(xué)裝置，它具有壓縮調(diào)節(jié)的光學(xué)結(jié)構(gòu)22(還請參見圖1)和位移傳感器24(還請參見圖1)。
壓縮調(diào)節(jié)的光學(xué)結(jié)構(gòu)22包括一個其內(nèi)布置有一個壓縮元件56的玻璃元件54、一對連接到玻璃元件54并布置在外殼60之內(nèi)的支架58、和布置在一個支架58和外殼60的壁之間的驅(qū)動器62。驅(qū)動器62可以是提供壓力的任何類型的裝置，包括壓電(PZT)裝置、步進(jìn)電動機(jī)、磁致伸縮裝置、或任何類型的壓力感應(yīng)裝置。玻璃元件54有兩個寬端部54a、54b和一個窄的中間部分54c。位移傳感器24包括一個位移傳感器電路70、一個位移傳感器控制器71和電容元件72、74，該電容元件連接到玻璃元件54和驅(qū)動器62上。電容元件72、74固定在玻璃元件54的寬端部54a、54b，并當(dāng)寬端部54a、54b由壓縮力或壓力位移時彼此相對運動。
在運行時，玻璃元件54響應(yīng)沿光纖52的光學(xué)信號，而驅(qū)動器62響應(yīng)來自位移傳感器控制器71的位移傳感器信號，用于提供一個沿光纖52的壓縮調(diào)節(jié)的光學(xué)結(jié)構(gòu)信號，該信號包含關(guān)于在玻璃元件54內(nèi)的壓縮元件56的光學(xué)特征改變的信息，且還用于提供一個由壓縮調(diào)節(jié)的光學(xué)結(jié)構(gòu)22的玻璃元件54的寬端部54a、54b的位移變化引起的激勵。當(dāng)驅(qū)動器62壓縮玻璃元件54時產(chǎn)生該激勵。
位移傳感器24的電容元件72、74響應(yīng)激勵(亦即運動)用于提供位移傳感器信號，該信號包含關(guān)于壓縮調(diào)節(jié)的光學(xué)結(jié)構(gòu)22的玻璃元件54的寬端部54a、54b的位移變化的信息。該激勵由位移電路70檢測且由位移傳感器控制器71處理。為理解本發(fā)明，重要的是要注意，電容元件72、74被描述為位移傳感器24的一部分(還請參見圖1)。然而，本發(fā)明的精神也包括理解電容元件72、74可以被描述為壓縮調(diào)節(jié)的光學(xué)結(jié)構(gòu)22的一部分(還請參見圖1)。在這種場合，壓縮調(diào)節(jié)的光學(xué)結(jié)構(gòu)22應(yīng)該向位移傳感器24提供某個激勵信號。該激勵信號可以采取電容、電感、光學(xué)、微波或飛行時間信號的形式。本發(fā)明的范圍不打算限制在任何特定類型的位移檢測上。
可以使用位移傳感器電路70和位移傳感器控制器來校準(zhǔn)驅(qū)動器62的操作。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，玻璃元件54的位移可以由于隨時間的消耗而改變，由于在由一個壓縮力周期地壓縮和驅(qū)動下維持的效應(yīng)改變。位移傳感器電路70和位移傳感器控制器71將考慮這一位移變化，以便與這一位移變換一致地修改驅(qū)動驅(qū)動器62的信號。本領(lǐng)域的技術(shù)人員在閱讀本發(fā)明書結(jié)合附圖中所表示的內(nèi)容之后，不需要經(jīng)驗就理解，如何實現(xiàn)位移傳感器電路70和位移傳感器控制器71。
此外，本發(fā)明的范圍不打算限制在執(zhí)行校準(zhǔn)處理。與位移的變化相關(guān)聯(lián)的校準(zhǔn)可以由位移傳感器電路70、位移傳感器控制器71、或在驅(qū)動器62中的一個控制器或某一另外的電路來執(zhí)行。
圖2還表示一個熱敏電阻電路和傳感器76，用以檢測位于壓縮元件56附近的玻璃元件54的環(huán)境溫度。與在1999年11月23日遞交的美國專利申請系列號No.09/448,367(CiDRA文檔No.CC 0218和WFVA文檔No.712-2-76)中表示和描述了與光學(xué)結(jié)構(gòu)有關(guān)的熱敏電阻電路和傳感器76，它們整體結(jié)合在這里作為參考。
狗骨結(jié)構(gòu)如上所述，“狗骨”結(jié)構(gòu)104是一個全玻璃纖維布拉格光柵壓縮單元，具有纖維布拉格光柵(FBG)114，如圖所示，或采取分布式反饋(DFB)激光器的形式。狗骨結(jié)構(gòu)104可以采用具有在其內(nèi)熔化的光纖102的玻璃管的形式。如圖所示，較窄的中間部分104c具有在其內(nèi)布置的纖維布拉格光柵114，帶有沿壓縮軸間隔開的光柵。如圖所示，較寬的端部104a、104b具有比較窄的中間部分104c更大的橫斷面。狗骨結(jié)構(gòu)104提供對施加在一個或多個較寬的端部104a、104b上的壓縮力的放大，這時壓力施加在較窄的中間部分22c內(nèi)的間隔開的纖維布拉格光柵上。由“狗骨”結(jié)構(gòu)104的放大類似流體動力學(xué)中的Pascal原理，該原理指施加在限制在封閉容器中的流體上的外部壓力不經(jīng)減少通過整個流體傳輸，所以該壓力作為在“狗骨”結(jié)構(gòu)104中的每單位面積上的力的函數(shù)施加。
狗骨結(jié)構(gòu)104可以通過取光纖并將其插入到一個校準(zhǔn)管中形成，該校準(zhǔn)管的內(nèi)直徑剛好比光纖的外直徑大一點，然后把狗骨沉淀在光纖上。例如，這種玻璃沉淀技術(shù)在美國專利申請系列號No.09/455,867(CiDRA文檔No.CC 0036B)以及在美國專利申請系列號No.09/455,865(CiDRA文檔No.CC 0078B)中表示和描述，上面已經(jīng)討論。特別是，這一玻璃沉淀技術(shù)涉及沉淀1毫米光纖管，然后沉淀3毫米管到該1毫米管上?？梢匝心ド傻娜ＡЧ芤孕纬伞肮饭恰毙谓Y(jié)構(gòu)104。本發(fā)明相對一個“狗骨”形的壓縮單元進(jìn)行了說明，然而本發(fā)明的范圍打算包括其他不是“狗骨”的結(jié)構(gòu)，諸如直管形圓柱結(jié)構(gòu)。
狗骨結(jié)構(gòu)104也可以采用具有一個芯的單一大直徑波導(dǎo)管的形式，芯內(nèi)帶有間隔開的光柵，也稱為纖維條，在美國專利申請系列號No.09/455,868(CiDRA文檔No.CC 0230)以及在美國專利申請系列號No.09/456,112(CiDRA文檔No.CC 0129B)中表示和描述，上面已經(jīng)討論。
壓縮調(diào)節(jié)的狗骨結(jié)構(gòu)104的結(jié)構(gòu)還在專利申請系列號No.09/456,112(CiDRA文檔No.CC 0129)中更詳細(xì)表示和描述，上面已經(jīng)討論。
圖3管中管電容傳感器結(jié)構(gòu)圖3表示一個總體上用附圖標(biāo)記100指示的管中管電容傳感器結(jié)構(gòu)，其可以用于圖2所示可調(diào)光學(xué)裝置。該管中管電容傳感器結(jié)構(gòu)100相對于連接到一個壓縮調(diào)節(jié)的玻璃元件104上的光纖102表示?？烧{(diào)光學(xué)裝置100具有一個“管中管”設(shè)計，其可以用于使用電容傳感器測量壓縮調(diào)節(jié)的玻璃元件104的位移，該電容傳感器中的有效面積隨位移改變。
如圖所示，壓縮調(diào)節(jié)的玻璃元件104具有一個“狗骨”結(jié)構(gòu)，該“狗骨”結(jié)構(gòu)有兩個較寬的端部104a、104b，它們由一個較窄的中間部分104c分開。一個較寬的端部104a具有一個內(nèi)管106，它有一個內(nèi)電容板108，而另一個較寬的端部104b具有一個外管，它有一個外電容板112。較窄的中間部分104c有一個形式為纖維布拉格光柵的壓縮元件114。壓縮元件114也可以采用Fabry-Perot干涉儀的形式，它有兩個分開一個預(yù)定距離的布拉格光柵。在一個實施例中，電容板108、112具有金屬包層，諸如金。玻璃元件104的位移的改變引起在兩個電容板108、112之間的間隙的改變，而電容的改變依賴于重疊面積的改變。
如圖所示，兩個包金的管106、110固定在玻璃元件104之上，使得金表面彼此相對，其間間隙很小(大約200微米)。理想上說，管106、110應(yīng)該焊接到狗骨元件的大直徑部分上。然而，因為沒有力要抵御，原理上，它們可以用環(huán)氧粘接就位。電極(未示出)應(yīng)該連接到包金管上，以允許電容器連接到一個能夠測量電容的電子裝置(未示出)上。隨著狗骨元件張緊，平行板之間的間隙改變，從而引起電容改變。因此，電容的測量將直接與布拉格波長相關(guān)，只要該元件的溫度要么保持恒定或者被測量。因為管直接連接到玻璃元件104，因此它們完全不活動和不會滑動。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將能夠不需經(jīng)驗而實現(xiàn)該電子電路(未示出)，以測量在兩個電容板108、112之間的電容的改變。
圖4單管電容傳感器結(jié)構(gòu)圖4表示一個總體上用附圖標(biāo)記200指示的單管電容傳感器結(jié)構(gòu)，其可以用于圖2所示的可調(diào)光學(xué)裝置100中。單管中管電容傳感器結(jié)構(gòu)200相對于連接到壓縮調(diào)節(jié)的玻璃元件204的光纖202表示。在圖2-4中相似的元件除100以外用相似的參考標(biāo)記標(biāo)示。
上面圖3中的設(shè)計被簡化，如圖4所示，這通過去除一個管110和把剩余的管206在壓縮調(diào)節(jié)的玻璃元件204的大直徑上延伸而實現(xiàn)。
如圖所示，壓縮調(diào)節(jié)的玻璃元件204有兩個較寬的端部204a、204b，它們由一個較窄的中間部分204c分開。一個較寬的端部204a具有一個內(nèi)管206，它有一個內(nèi)電容板208，而另一個較寬的端部204b具有一個外表面，它帶有一個外電容板212。
單管電容傳感器結(jié)構(gòu)200大大簡化了制造并可以消除與其它設(shè)計的校準(zhǔn)事項。對于基于三角區(qū)域的電容傳感器的復(fù)雜情況可以是傳感器的有限區(qū)域改變，因此是測量分辨率的限制。
圖5多管中管電容傳感器結(jié)構(gòu)圖5表示總體上用附圖標(biāo)記300指示的多管中管電容傳感器結(jié)構(gòu)，其可以用于圖2所示的可調(diào)光學(xué)裝置100中。多管中管電容傳感器結(jié)構(gòu)300相對于連接到壓縮調(diào)節(jié)的玻璃元件304的光纖302表示。在圖3-5中相似的元件除100以外用相似的參考標(biāo)記標(biāo)示?？烧{(diào)光學(xué)裝置300有多個管，它們可以交錯，當(dāng)壓縮壓縮元件時增加有效面積變化。
如圖所示，壓縮調(diào)節(jié)的玻璃元件304有兩個較寬的端部304a、304b，它們由一個較窄的中間部分304c分開。一個較寬的端部304a具有管306a、306b，它們有電容板308a、308b、308c，而另一個較寬的端部104b具有管310a、310b，它們帶有電容板312a、312b、312c。
圖6管中管電容差分傳感器結(jié)構(gòu)圖6表示總體上用附圖標(biāo)記400指示的管中管電容差分傳感器結(jié)構(gòu)，其可以用于圖2所示的可調(diào)光學(xué)裝置100中。管中管電容差分傳感器結(jié)構(gòu)400相對于連接到壓縮調(diào)節(jié)的玻璃元件404的光纖402表示。在圖3-6中相似的元件除100以外用相似的參考標(biāo)記標(biāo)示。
管中管電容差分傳感器結(jié)構(gòu)400作為差分傳感器形成，所以一個電容部分將減少其值，而另一個電容部分將增加，提供一個差分測量，其可以提供增加的分辨率。
如圖所示，壓縮調(diào)節(jié)的玻璃元件404有兩個較寬的端部404a、404b，它們由一個較窄的中間部分404c分開。一個較寬的端部404a具有一個內(nèi)管406，它有電容板408a、408b，而另一個較寬的端部404b具有一個外管410，它有電容板412a、412b。在操作時，一個電容值隨壓縮減小，而另一個電容值隨壓力增加。例如，如圖所示，如果施加一個壓縮力，則在板408a、412a之間的電容減小(較小的重疊板面積)，而在電容板408b、412b之間的電容增加(較大的重疊板面積)，且反之亦然，當(dāng)壓縮力松弛時。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員不需經(jīng)驗而能夠?qū)崿F(xiàn)差分電子電路(未示出)，以測量在電容板408a、412a或408b、412b之間的電容的改變。
圖7圖7表示總體上用附圖標(biāo)記500指示的一個可調(diào)光學(xué)裝置，其具有帶電容元件502、504的電容傳感器結(jié)構(gòu)，電容元件可以是板或桿，如圖所示。圖2和7中相似的元件用相似的參考標(biāo)記標(biāo)示。
位移傳感器24(圖1)或位移電路70(圖2)未示出，但是應(yīng)連接到電容元件502、504上。
圖8圖8表示總體上用附圖標(biāo)記600指示的一個電容傳感器結(jié)構(gòu)，其具有電容元件602、604，電容元件可以是L型板或桿，如圖所示。圖2和7-8中相似的元件用相似的參考標(biāo)記標(biāo)示。
位移傳感器24(圖1)或位移電路70(圖2)未示出，但是應(yīng)連接到L型電容元件602、604上。
圖9和9A圖9表示總體上用附圖標(biāo)記700指示的一個電容傳感器結(jié)構(gòu)，帶有重疊的電容元件702、704，電容元件可以是板或桿，如圖所示。圖2和7-9中相似的元件用相似的參考標(biāo)記標(biāo)示。圖9A表示一個另外可選的實施例，其中，一個重疊的電容元件704’具有鋸齒形狀。
位移傳感器24(圖1)或位移電路70(圖2)未示出，但是應(yīng)連接到電容元件702、704上。
圖10圖10表示總體上用附圖標(biāo)記800指示的一個電容傳感器結(jié)構(gòu)，帶有重疊的電容元件802、804，電容元件可以是板或桿，具有對應(yīng)的成角度的電容表面，如圖所示。圖2和7-10中相似的元件用相似的參考標(biāo)記標(biāo)示。
位移傳感器24(圖1)或位移電路70(圖2)未示出，但是應(yīng)連接到電容元件802、804上。
圖11圖11表示總體上用附圖標(biāo)記900指示的一個電容傳感器結(jié)構(gòu)，帶有電容元件902、904，電容元件可以是具有對應(yīng)表面的管，如圖所示。圖2和7-11中相似的元件用相似的參考標(biāo)記標(biāo)示。
本發(fā)明的范圍不打算限制任何特定的可變電容器結(jié)構(gòu)或形狀。
位移傳感器24(圖1)或位移電路70(圖2)未示出，但是應(yīng)連接到電容元件902、904上。
圖12圖12表示總體上用附圖標(biāo)記1000指示的一個電容傳感器結(jié)構(gòu)，帶有電容元件1002、1004，電容元件可以是具有連接到電容表面的對應(yīng)線1006、1008的管，如圖所示。圖2和7-12中相似的元件用相似的參考標(biāo)記標(biāo)示。
位移傳感器24(圖1)或位移電路70(圖2)未示出，但是應(yīng)連接到電容元件1002、1004上。
圖13圖13表示總體上用附圖標(biāo)記1100指示的一個差分電容傳感器結(jié)構(gòu)，帶有電容元件1102、1104，電容元件可以是重疊的桿、管或板，如圖所示。差分電容傳感器1100還可以包括一個參考電容器1108和一個可變電容器1110。參考電容器1108不變化和允許補(bǔ)償溫度，而可變電容器1110則關(guān)于兩個總體上用附圖標(biāo)記1110a、1110b指示的不同的電容器的值變化。圖2和7-13中相似的元件用相似的參考標(biāo)記標(biāo)示。
位移傳感器24(圖1)或位移電路70(圖2)未示出，但是應(yīng)連接到參考電容器1108和可變電容器1110上。
圖14圖14表示總體上用附圖標(biāo)記1200指示的一個差分電容傳感器結(jié)構(gòu)，帶有電容元件1202，它包括兩個可變差分電容器1204、1206，如圖所示。一個可變差分電容器1204具有板1204a、1204b，它們分別固定在玻璃元件54的一個寬的部分54a的表面上和電容元件202的表面上。另一個可變差分電容器1206具有板1206a、1206b，它們分別固定在玻璃元件54的另一個寬的部分54b的表面上和電容元件1202的表面上。圖2和7-13中相似的元件用相似的參考標(biāo)記標(biāo)示。
位移傳感器24(圖1)或位移電路70(圖2)未示出，但是應(yīng)連接到差分電容器1204、1206上。
圖15圖15表示總體上用附圖標(biāo)記1300指示的一個差分電容傳感器結(jié)構(gòu)，帶有電容元件1302、1304，電容元件可以是重疊的桿、管或板，如圖所示。差分電容傳感器1100包括一個參考電容器1306和一個可變電容器1310，它具有板1和板2，如圖所示。圖2和7-15中相似的元件用相似的參考標(biāo)記標(biāo)示。
位移傳感器24(圖1)或位移電路70(圖2)未示出，但是應(yīng)連接到參考電容器1306和可變電容器1308上。
圖16A、16B圖16A表示總體上用附圖標(biāo)記1400指示的一第一電容板的例子，它可以用于在圖1-15中所示的一個或者多個電容板。該第一電容板與在圖16B中表示的一第二電容板1500配合以減少來自在這些電容板的兩個接地之間的電磁干擾(EMI)帶來的噪聲和電壓。
第一電容板1400包括一個外環(huán)1402、一個中間環(huán)1404和一個內(nèi)環(huán)1406。如圖所示，中間環(huán)1404通過線1404a連接到電壓源(未示出)，外環(huán)1402和內(nèi)環(huán)1406通過線1406a連接到接地源(未示出)。
第二電容板1500包括一個外環(huán)1502和一個中間環(huán)1504。如圖所示，中間環(huán)1504通過線1504a連接到電壓源(未示出)，外環(huán)1402通過線1406a連接到接地源(未示出)。
電壓線1404a和1504a，和接地線1406a和1502a可以通過圖2中表示的線72a、74a連接到位移傳感器電路70。
在操作中，組合的電容板1400、1500減小邊緣效應(yīng)并作為對漂移干擾的耦合的屏蔽。
本發(fā)明的范圍雖然關(guān)于使用電容器來測量間隙距離描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解，可以使用其它間隙檢測技術(shù)，諸如基于電感、光學(xué)、磁、微波、飛行時間的間隙傳感器。此外，本發(fā)明的范圍還打算包括測量或檢測施加在補(bǔ)償元件之上或其周圍的力，并反饋該力以控制光學(xué)結(jié)構(gòu)的壓縮調(diào)節(jié)。
雖然參考本發(fā)明的實施例描述和表示了本發(fā)明，但是在其內(nèi)或?qū)ζ淇梢赃M(jìn)行上述以及各種其它的增加或刪減，而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種可調(diào)光學(xué)裝置，其包括一個壓縮調(diào)節(jié)的光學(xué)結(jié)構(gòu)，它響應(yīng)光學(xué)信號，且另外響應(yīng)位移傳感器信號，用于提供壓縮調(diào)節(jié)的光學(xué)結(jié)構(gòu)信號，所述信號包含關(guān)于該壓縮調(diào)節(jié)的光學(xué)結(jié)構(gòu)的光學(xué)特征的改變的信息，和用于另外提供由該壓縮調(diào)節(jié)的光學(xué)結(jié)構(gòu)的位移的變化引起的激勵信號；和一個位移傳感器，它響應(yīng)所述激勵信號，用于提供位移傳感器信號，所述信號包含關(guān)于壓縮調(diào)節(jié)的光學(xué)結(jié)構(gòu)的位移的變化的信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可調(diào)光學(xué)裝置，其特征在于，所述位移傳感器包括連接到壓縮調(diào)節(jié)的光學(xué)結(jié)構(gòu)上的電容傳感器，用于測量電容的變化，所述電容變化依賴于位移的改變。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可調(diào)光學(xué)裝置，其特征在于，電容傳感器包括兩個平行相對板，而電容的變化依賴于關(guān)于兩個平行相對板的間隙或面積的變化。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的可調(diào)光學(xué)裝置，其特征在于，所述壓縮調(diào)節(jié)的光學(xué)結(jié)構(gòu)的位移的變化引起在兩個平行相對板之間的間隙的變化，和電容的變化依賴于間隙的變化。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的可調(diào)光學(xué)裝置，其特征在于，所述壓縮調(diào)節(jié)的光學(xué)結(jié)構(gòu)的位移的變化引起在兩個平行相對板之間的重疊面積的變化，和電容的變化依賴于重疊面積的變化。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可調(diào)光學(xué)裝置，其特征在于，壓縮調(diào)節(jié)的光學(xué)結(jié)構(gòu)具有一個電容傳感器，它有兩個固定在壓縮調(diào)節(jié)的光學(xué)結(jié)構(gòu)上的金屬包層的管，使得金屬表面彼此相對，其間有一個小間隙。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的可調(diào)光學(xué)裝置，其特征在于，所述小間隙大約200微米。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的可調(diào)光學(xué)裝置，其特征在于，所述壓縮調(diào)節(jié)的光學(xué)結(jié)構(gòu)是一個狗骨結(jié)構(gòu)，它具有由一個較窄的中間部分分開的較寬的端部；其中，兩個金屬包層的管的每一個固定在或形成一個較寬的端部的相應(yīng)的一個上。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的可調(diào)光學(xué)裝置，其特征在于，電容傳感器具有連接到金屬包層管上的電極，以允許將電容傳感器連接到能夠測量電容的位移傳感器電路上。
10.根據(jù)權(quán)利要求3所述的可調(diào)光學(xué)裝置，其特征在于，較窄的中間部分在其內(nèi)布置有一個纖維布拉格光柵。
11.根據(jù)權(quán)利要求4所述的可調(diào)光學(xué)裝置，其特征在于，較窄的中間部分在其內(nèi)布置有一個Fabry-Perot干涉儀。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可調(diào)光學(xué)裝置，其特征在于，位移傳感器包括一個管中管電容傳感器結(jié)構(gòu)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的可調(diào)光學(xué)裝置，其特征在于，管中管電容傳感器結(jié)構(gòu)包括一個帶內(nèi)電容板的內(nèi)管和一個帶外電容板的外管。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可調(diào)光學(xué)裝置，其特征在于，位移傳感器包括一個單管電容傳感器結(jié)構(gòu)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的可調(diào)光學(xué)裝置，其特征在于，所述單管電容傳感器結(jié)構(gòu)包括一個帶第一電容器板的管，用于與布置在壓縮調(diào)節(jié)的光學(xué)結(jié)構(gòu)的表面上的第二電容器板電容配合。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可調(diào)光學(xué)裝置，其特征在于，所述位移傳感器包括多個管中管電容傳感器結(jié)構(gòu)。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的可調(diào)光學(xué)裝置，其特征在于，多個管中管電容傳感器結(jié)構(gòu)包括多個內(nèi)管，帶有相應(yīng)的內(nèi)電容板，和多個外管，帶有多個外電容板。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可調(diào)光學(xué)裝置，其特征在于，位移傳感器包括一個差分電容傳感器結(jié)構(gòu)。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可調(diào)光學(xué)裝置，其特征在于，差分電容傳感器結(jié)構(gòu)包括一第一可變電容器和一第二可變電容器。
20.一種可調(diào)光學(xué)裝置，其包括一個壓縮調(diào)節(jié)的光學(xué)結(jié)構(gòu)，它響應(yīng)光學(xué)信號，且另外響應(yīng)一個傳感器信號，用于提供壓縮調(diào)節(jié)的光學(xué)結(jié)構(gòu)信號，所述信號包含關(guān)于該壓縮調(diào)節(jié)的光學(xué)結(jié)構(gòu)的光學(xué)特征的改變的信息，和另外提供由關(guān)于該壓縮調(diào)節(jié)的光學(xué)結(jié)構(gòu)的物理參數(shù)的變化引起的激勵信號；和一個傳感器，它響應(yīng)所述激勵信號，用于提供傳感器信號，所速信號包含關(guān)于壓縮調(diào)節(jié)的光學(xué)結(jié)構(gòu)的物理參數(shù)的變化的信息。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的可調(diào)光學(xué)裝置，其特征在于，所述傳感器檢測關(guān)于壓縮調(diào)節(jié)的光學(xué)結(jié)構(gòu)的位移。
22.一種調(diào)節(jié)光柵波長的方法，其包括步驟獲得其內(nèi)具有布拉格光柵的壓縮可調(diào)元件，該壓縮可調(diào)元件具有橫跨布拉格光柵的電容器，該電容器具有與光柵波長相關(guān)的板和板之間的間隙；測量電容器的電容值；和根據(jù)電容值壓縮該壓縮可調(diào)元件以設(shè)定希望的基于電容值的光柵波長。
全文摘要
一種可調(diào)光學(xué)裝置，其具有一個壓縮調(diào)節(jié)的光學(xué)結(jié)構(gòu)和一個位移傳感器。壓縮調(diào)節(jié)的光學(xué)結(jié)構(gòu)響應(yīng)光學(xué)信號和位移傳感器信號，用于提供壓縮調(diào)節(jié)的光學(xué)結(jié)構(gòu)信號，該信號包含關(guān)于壓縮調(diào)節(jié)的光學(xué)結(jié)構(gòu)的光學(xué)特征的變化的信息，且用于提供一個由壓縮調(diào)節(jié)的光學(xué)結(jié)構(gòu)的位移的變化引起的激勵信號。位移傳感器響應(yīng)激勵信號提供一個位移傳感器信號，該信號包含關(guān)于壓縮調(diào)節(jié)的光學(xué)結(jié)構(gòu)的位移變化的信息。壓縮調(diào)節(jié)的光學(xué)結(jié)構(gòu)是一個全玻璃壓縮單元，形狀像狗骨。位移傳感器是一個固定在全玻璃壓縮單元上的電容器，用于測量兩個平行相對的板之間的電容。
文檔編號G01D5/26GK1427947SQ01808884
公開日2003年7月2日 申請日期2001年3月6日 優(yōu)先權(quán)日2000年3月16日
發(fā)明者M·A·普特納姆, R·N·布魯卡托, M·A·達(dá)維斯, D·G·貝勒莫雷, W·A·赫爾姆 申請人:塞德拉公司