專利名稱：光纖耦合干涉式位移傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地說涉及一種用于測量位移(物體位置的變化)的儀器，該儀器包括一些可以測量力、壓力或其它物理量的傳感器，這些物理量可以通過其產(chǎn)生的位移利用轉(zhuǎn)換器得到，更具體地說，涉及用于以高分辨率和高精度測量位移的光干涉儀。
傳統(tǒng)的用于精確測量位移的儀器是外差式光干涉儀。這種干涉儀利用兩種頻率的相干光。因此，需要兩個激光器，或一個產(chǎn)生兩種頻率的激光器，或一單一頻率的激光器加一或二個光頻移器。由于這些元件的尺寸和熱負載問題，該雙頻率光源通常單獨安置，與干涉儀的位移傳感光學(xué)元件(下文稱為傳感頭)分開。通常光源利用通過自由空間的準直光束向一個或幾個傳感頭提供光。因此，每個傳感頭必須與作為光源的光束相對準，在使用過程中傳感頭必須沿著光路移動。
現(xiàn)已知一些利用其它類型的干涉儀的光纖耦合位移傳感器，不過這些傳感器比外差式干涉儀的精度低。
如下的專利代表了一些用于測量距離或位移的光纖耦合干涉儀授予Cole等人的(5094534)和Ulrich(4596466)的美國專利介紹了低相干性的干涉儀。用于測量位移的傳統(tǒng)(高相干性)干涉測量法的精確的優(yōu)點來源于采用精確波長的光作為極為均勻和精細的衡量標準。而這些低相干性系統(tǒng)只是利用光將遠方位移進行本地重現(xiàn)。對于指定的時間，可以非常精確地實現(xiàn)重現(xiàn)，正像這些專利參考文獻所強調(diào)的那樣。但是本地位移的測量則遠低于通常的干涉測量法所能達到的速度/范圍/精度的級別。這些系統(tǒng)不受光纖長度變化的影響，但是僅能使用低相干性光。
如下的干涉儀都能利用高相干性光授予Tucker等人的5106192號美國專利是一種精度級別低于根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的幾個干涉儀構(gòu)成的系統(tǒng)，范圍針對與平面鏡或后向反射器對置的粗糙的光學(xué)表面。(按粗糙表面的干涉測量法，由相同物體上的相同點用兩種或更多種光的波長測量干涉相位。并按照相應(yīng)于激光波長的相位變化而不是按相應(yīng)于一個波長的絕對相位來計算近似的距離。由于在目標表面上被照亮的點可能包含半個波長量級的高度變化，本身讀出的任一相位是沒有什么意義的。距離精度通常比傳統(tǒng)干涉測量法小100到1000倍，對于根據(jù)本發(fā)明系統(tǒng)大約為平均波長與所采用的波長范圍之比)。該系統(tǒng)將光纖用在關(guān)鍵的光路上，但并沒有討論光纖長度的變化。
利用光的外差法能夠進行多路轉(zhuǎn)換利用相同的光纖連接裝置，幾個不同波長的干涉儀同時工作，這種多路轉(zhuǎn)換是根據(jù)外差的頻率區(qū)分而不是根據(jù)激光波長區(qū)分。因此，這里采用幾個激光器來測量一個物體，而按照本發(fā)明的系統(tǒng)幾個物體可以利用一個激光器測量。
如下的干涉儀涉及光滑的反射面而不是粗糙的表面在Optics Letter(光學(xué)通信)第17卷第1382-1384頁上(1992年10月1日)發(fā)表了U.Minoni的題為“Fiber-stress-insensitive interferometric setup fordisplacement measurements”(“用于位移測量的對光纖應(yīng)力不敏感的干涉計量裝置”)的論文。U.Minoni介紹了一種單頻率的干涉儀，測量兩個相差四分之一周期的相位。(一條光纖不僅用于光源而且還用于二個光探測器，所有三個通道都不是關(guān)鍵的。)從原理上講，這樣的雙相位單頻率干涉儀通過處理復(fù)數(shù)基帶信號而不是相當?shù)膶崝?shù)帶通信號，可以得到與雙頻干涉儀同樣的位移信息。實際上，處理復(fù)數(shù)基帶信號通常更為困難并且會產(chǎn)生更大的噪聲和漂移(見在Measurement Science and Technology(測量科學(xué)和技術(shù))1993年第4卷第907-926頁上N.Bobroff所著“Recent advances in displacementmeasuring interferometry”(“位移測量干涉儀的近期發(fā)展”))，這是由于這種情況需要對電信號的增益和偏差進行校準和穩(wěn)定。利用雙頻率的干涉儀的基帶信號易于維持最高的精度。
其余的干涉儀都是雙頻率型的(光源和信號處理的細節(jié)不同，這些傳統(tǒng)的技術(shù)是可互換的)。此外，它們都是按相同的方式采用光纖耦合的利用一維持偏振光纖(one polarization-preserving fiber)的兩種偏振模式。因此，光纖長度變化對它們都會產(chǎn)生影響，并且它們?nèi)祭貌煌问降碾p干涉儀在最終的輸出端來消除這類影響。雖然傳感器形式不同，但是，它們具有相同的固有的光效率(忽略在各元件中的過高損耗)并且在多個傳感器之間以相同程度共享光源，雖然這種可能性沒有經(jīng)常提到。
在Review of Scientific Instruments(科學(xué)儀器綜述)第61卷第753-5頁(1990.2)由F.Farahi和D.A.Jackson著有“A fiber optic interferometric systemfor surface profiling”(“用于表面加工的光纖干涉測量系統(tǒng)”)。介紹了一種準外差技術(shù)，其中信號處理彌補了光源中的某些經(jīng)濟方面的不足。這種光源(當伴隨適當?shù)男盘柼幚頃r)仍是可以與其它光源互換的。這種傳感器和在授予Chaney的5274436號美國專利中所示的傳感器相似。在5274436號美國專利中僅利用一個而不是兩個干涉儀來檢測目標的移動。這種“單端式”結(jié)構(gòu)的靈敏度為本發(fā)明的“推挽式”結(jié)構(gòu)的一半。此外，干涉儀的關(guān)鍵部分比本發(fā)明的系統(tǒng)具有較多的光學(xué)元件和較少的對稱性(見下文介紹的本發(fā)明中的圖6和圖7)。這樣就很難使其達到指定的精度。相位誤差的一個來源是反射器的橫向運動與波前偏差的綜合。(既使是良好的光學(xué)裝置也可能有0.1波長偏差，以及包括在本發(fā)明的系統(tǒng)中的某些裝置也含有明顯的橫向移動。)本發(fā)明的系統(tǒng)由于其具有推挽式的對稱性，所以最有效地消除了這種影響。
應(yīng)當指出，由反射器返回的光束經(jīng)過偏振處理(根據(jù)利用平面式或立體角式反射器進行的圓形偏振反變換)，以便使其與輸出的各光束分離，返回的光束與輸出光在空間上是重疊的。由于使用了平面鏡或共軸反射器而造成上述重疊。在本發(fā)明的系統(tǒng)中，返回的各光束已經(jīng)與輸出的光束在空間上是分開的，這是由于該立體角式的反射器是被偏離中心照射的。這種空間上的分開使得本發(fā)明的系統(tǒng)(下文介紹)能利用偏振坐標來產(chǎn)生對稱的推挽作用。這樣還使得立體角式的連接體能在保持光路之外保持最高的精度(見上文中的N.Bobroff)。
另一個代表現(xiàn)有技術(shù)的參考文獻是授予Kondo的4958929號美國專利，其介紹的一種推挽式結(jié)構(gòu)比下文介紹的本發(fā)明的系統(tǒng)在構(gòu)成上更復(fù)雜并且對稱性較小。Kondo的圖6中的實施例適合于公用光源。對比起來本系統(tǒng)沒有采用在該文中所述的90°的偏振旋轉(zhuǎn)。本系統(tǒng)利用了兩個附加的元件，即在光探測器前交叉配置的兩個檢偏器(在本申請附圖中的圖6-7所示A1-2)。這些附加的元件處在干涉儀的非關(guān)鍵部位上，另外也不貴。它們還提供了調(diào)節(jié)強度平衡的裝置，這一點對于消除某些誤差影響，例如由于偏振的混合作用產(chǎn)生的誤差影響，可能是有用的(參見上文中的N.Bobroff)。
在授予Kondo的4958929號美國專利的系統(tǒng)中，在兩個反射器的僅其中之一處，兩個反向偏振的光束分量換位(利用圓形偏振反變換或其它非專用的裝置)。在一些地方會需要光束交換，不過放在這里，在關(guān)鍵光路中需要至少一個附加的光學(xué)元件，因而破壞了對稱性。所建議的方法是向一個反射器發(fā)出圓形偏振光，向另一個發(fā)出直線偏振光，但當在反射器和波片中存在實際的缺陷時會影響精度。利用波片還使得偏振狀態(tài)與溫度相關(guān)(見上文的Bobroff)。在本系統(tǒng)中(見本申請的附圖中的圖6-7)，類似的光束交換(較遠的下游側(cè)，在分光器處)不需要波片。干涉儀的關(guān)鍵部位簡單、對稱，這是本文上面所參照的現(xiàn)有技術(shù)所無法比的，因此，對于元件缺陷的敏感性大為降低，并能夠產(chǎn)生很好的結(jié)果。
本發(fā)明將使用光纖的光學(xué)裝置的某些優(yōu)點(熱隔離、不受妨礙地接近小的或遠的空間位置，在可動結(jié)合點或柔性結(jié)構(gòu)之間的連接不會有損準直)補充到外差式干涉測量法(廣泛用于位移或距離的精確測量)中，同時保留了外差法精度高的優(yōu)點。使用光纖的光學(xué)元件還為幾個干涉儀公用一個光源提供了更大的自由度，另一個優(yōu)點是因采用了干涉儀的對稱形式從而消除了在光纖中的環(huán)境影響，還使系統(tǒng)對于某些光源的不確定性不敏感。最后，在本系統(tǒng)中通過對位移的遠距離干涉計量能夠?qū)勺儞Q為很小位移量的力、壓力或其它量進行遙測。
為了清楚地了解光纖類光學(xué)元件的作用，考慮外差式干涉儀由如下部分構(gòu)成(1)必需的雙頻率相干光源，(2)確定測量軸線的傳感頭，(3)光探測器系統(tǒng)。顯然，利用光纖連接將(2)和(3)分開，使得光機部分和光電部分能工作在不同的熱噪聲和電噪聲的環(huán)境中。所討論的所有系統(tǒng)都可根據(jù)這樣的功用利用光纖，并且具有這些特征的裝置都是可以從市場上購買得到的。然而，本發(fā)明是外差式干涉儀的一種特殊形式，其利用光纖連接由(1)向(2)提供光，由遠方的激光器向一個或多個傳感頭提供能源，并使得各傳感器在位置上有更大的靈活性。下面僅就光纖類光學(xué)元件后者的使用進行進一步討論。
在光纖耦合干涉儀中某些基本設(shè)計的依據(jù)是(1)如果兩束光相干，且如果兩束光橫向移動，光路的某些部分對于長度不是決定性的，但是如僅其中一束光束橫移則是決定性的；(2)光纖在有效長度內(nèi)產(chǎn)生的變化(例如隨溫度、彎曲應(yīng)力)，在關(guān)鍵光路中是不可忽略的。在外差干涉儀中，還應(yīng)考慮的是(3)各傳感器需要兩種頻率的光，(4)在每個傳感頭內(nèi)部，要將兩種頻率區(qū)分開來或從一種頻率中提取出另一種頻率是不便的；(5)對于兩種頻率采用各自的光源光路使得兩條光路都是關(guān)鍵的。在這種狀況下，必須考慮維持偏振光纖，其可以按照各自不同偏振模式獨立地輸送兩種光波。再者，這兩種模式之間的光程差可以比容差變化得更多，該差別可小于0.01波長(典型的波長處在或近于可見光范圍，數(shù)量級為1微米)。
因此，光纖耦合的外差干涉測量法需要新穎結(jié)構(gòu)的干涉儀，根據(jù)本發(fā)明要考慮光纖長度變化，下文將詳細討論。
本發(fā)明是一種利用光學(xué)外差式干涉測量法的精確位移測量裝置，其與上述現(xiàn)有的外差式干涉儀的區(qū)別在于(1)經(jīng)過一條光纖而不是常用的使光束明露的光學(xué)元件將所需的雙頻率激光由光源引向位移傳感頭。
(2)干涉儀產(chǎn)生具有互補對稱性的雙輸出。對于位移的響應(yīng)以差模模式產(chǎn)生，并可與不希望產(chǎn)生的影響區(qū)分開來，這些影響包括在光源光纖中以共模模式出現(xiàn)的狀態(tài)變化所產(chǎn)生的影響。
本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點是(1)傳感頭不需要與光源對準，僅將光纖與其連接。因此，傳感頭可以置于進行任何運動的物體上，或在空間或出入口非常有限的位置處。
(2)供光光路完全封閉，與激光安全相關(guān)的問題降低到最小程度。
(3)一個光源可很方便地與很多傳感頭結(jié)合使用。
(4)測量靈敏度提高，這是由于對于指定的激光波長，被檢測的位移產(chǎn)生兩倍于傳統(tǒng)干涉儀的相位變化。
通過參閱僅在于以舉例方式描述本發(fā)明的幾個實施例的附圖，可以明白本發(fā)明的上述和其它目的、特征和優(yōu)點，其中

圖1是利用光纖將下文要介紹的幾個傳感頭連接到雙頻率激光源的方框圖；圖2是為了說明本發(fā)明的原理采用傳統(tǒng)光學(xué)元件的傳感頭實施例的光學(xué)示意圖；圖3是本發(fā)明的為了更好地準直和穩(wěn)定所采用的定制的光學(xué)組件的傳感頭的優(yōu)選結(jié)構(gòu)的光學(xué)示意圖。
圖4是具有較低靈敏度和對稱性但仍然保持光纖耦合優(yōu)異特征的結(jié)構(gòu)較為簡單的傳感頭光學(xué)示意圖；圖5是圖2所示傳感頭簡化結(jié)構(gòu)的光學(xué)示意圖，并與圖2所示結(jié)構(gòu)具有相同的特性和優(yōu)點，但使用了較少元件的。
圖6是采用定制的光學(xué)組件的傳感頭優(yōu)選形式的光學(xué)示意圖，其為圖3所示傳感頭的簡化形式，同時比圖5中所示的傳感頭有更好的準直度和穩(wěn)定性。
圖7是圖6所示系統(tǒng)的光學(xué)示意圖，然而這種結(jié)構(gòu)用立方體分光器的半部元件取代了光學(xué)平板。
圖1表示一種傳統(tǒng)的光源裝置，其利用一個穩(wěn)定的單頻率激光器和兩個分別接收大約1/2的激光器輸出的頻移器。其中，各光纖均為維持偏振型(PM)；標號1，2，......，N表示的供光光纖分別送到N個傳感頭上。盡管還已知其它類型，但對頻移器來說聲光元件是良好的選擇。這些器件利用通常在20到100MHz之間的頻率RF1和RF2的電信號來驅(qū)動，這些信號確定了頻移的幅度。設(shè)計各個元件以便能夠提供向上或向下的頻移。通過取得在相同方向的兩個頻移，使通常所需的處在0.2到20MHz的光輸出頻率f1和f2之間的差與所選擇的RF1和RF2之間的差相同。利用PM光纖制備將光波分開或合并的所有光纖連接器和光耦合器。按照光輸入光纖時已形成的偏振或離開光纖時所需的偏振對光纖偏振軸定向。特別是，要對兩個輸入到光耦合器2上的光纖進行定向，使得頻率為f1和f2的光分量進入不同的光纖偏振模式。耦合器2然后將這兩個頻率分量按大體均衡的方式分配到所有N個輸出端。每個輸出端按在兩種偏振模式中所需的一種模式接收一個頻率分量。
圖2表示傳感器的工作情況。其中，F(xiàn)表示光纖，L表示準直透鏡，P1-2表示偏振型分光器，M1-2表示平面鏡，N表示非偏振型分光器，R1-2表示后向反射器，A1-2表示線性檢偏器，D1-2表示光探測器。以下各圖中相同的標號表示相同或相似元件。具有上述特性的PM型光通過光纖傳輸。在這一光纖的輸出端，光纖兩偏振軸以及因此形成的出射光的兩偏振軸的取向平行和垂直于頁面的平面。光束由光纖散射射出直到利用透鏡L校直成具有適當?shù)闹睆?。在這一透鏡之后，光束在所示光路的其余部分基本維持準直狀態(tài)，為了簡化表示，僅給出中心光線。
利用光的不同偏振特征，偏振式分光器P1將光分為兩個頻率分量，為了定義，令f1作為S偏振分量，朝向平面鏡M2反射。我們還假設(shè)，f1是兩個頻率中較大者。各平面鏡將它們各自的光朝非偏振分光器N反射(從不同的方向)，在這里每個光束在引向后向反射器R1或R2的兩個輸出光路之間進行分配，具有近于相等的功率。如所標識的那樣，后兩個光束再次包含兩種頻率和偏振分量。下面分析如果R1位置固定，R2沿所示方向按速度V移動會發(fā)生的現(xiàn)象即由R2反射的每個光束分量形成與V成比例的頻移(比例常數(shù)是激光波長倒數(shù)的2倍)。最后偏振分光器P2再次反射f2光束分量(正像P1所實現(xiàn)的一樣)，這是由于這些光仍然是S偏振光；f1光束分量直接通過(正像它們通過P1一樣)，因為它們?nèi)匀皇荘偏振光。因此，離開P2朝向光探測器的綜合光束按與輸入光不同的方式成為一對。每個探測器接收一個來自R2的多普勒頻移光束分量以及一個來自R1的未產(chǎn)生頻移的光束分量。
檢偏器A1和A2設(shè)在光探測器D1和D2之前。正像在傳統(tǒng)的外差式干涉儀(N.M.Oldham，J.A.Kraman，P.S.Hetrick，and E.C.Teague，“Electroniclimitation in phase meters for heterodyne interferometry”，Precision Engineering，vol.15，no.3，1993，PP.173-179。)中一樣，這些檢偏器按交叉的方式取向，以便傳輸入射光束中每個偏振分量的大約一半(使得所利用的兩個交叉部分差別是很小的)。每個所發(fā)送的光束仍然具有兩個頻率分量(已通過不同的光路行進)，不過現(xiàn)在這些光束已處相同的偏振狀態(tài)，因此形成光的干涉。干涉光相位是相干光束分量之間的相位差，并按照頻差隨時間變化。
在光探測器D1，這個頻差是(f1-f2)+KV，而在D2為(f1-f2)-KV。因此，看出一個后向反射器的假想移動是沿相反的方向移動了干涉儀的兩個輸出信號的頻率。假如運動的后向反射器陸續(xù)地趨于靜止，很明顯它的位置變化也會沿相反的方向移動兩個干涉光相位，正如在起始所述的一樣。同樣很清楚，在二光束輸入傳感頭之前(實際上是在分光器N之前的任一處)影響光的頻率f1或f2的某一相位漂移在相同方向?qū)蓚€干涉光相位產(chǎn)生均衡的影響。因此，預(yù)計在光纖F中可能會產(chǎn)生的這些相位漂移會沿相同的方向均衡地移動兩個干涉光相位，并且不影響相位差。
對于這些干涉儀的電信號的處理工作與傳統(tǒng)的外差式干涉儀相似，只是有兩個而不是一個干涉光的相位要隨位移變化，并且所關(guān)注的量是其間的相位差。已公知很多適宜的電信號相位的測量方法(見上文N.M.Oldham，J.A.Kraman等人的論文)。
上面，用所熟悉的光學(xué)元件解釋了基本原理。圖3表示了一種改進了的傳感頭的結(jié)構(gòu)，其中用一種定制的光學(xué)元件替換圖2中的分光器和平面鏡，以便引入光的準直部分。圖中，標號M1-2表示平面鏡涂層，所述定制元件是由兩個光學(xué)用玻璃平板組成。在將兩個平板組裝在一起之前，在需要形成N和P分光器之處沉積光學(xué)用涂敷層。與之相似，利用反射涂敷層形成平面鏡M1和M2。最好是在外表面的其余部分涂敷防反射層。
已知幾種雙頻率光源。選擇圖1所示的光源作為一種解決涉及24個傳感器的儀器使用問題的經(jīng)濟的方法?？梢允褂脙蓚€激光器而無頻移器。在這種情況下，某些對激光頻率差的自動控制方式(例如，光波電子器件系列2000激光偏差鎖定附件)是方便的，但是這種控制不必精確，這是由于只要信號處理器維持使用電信號頻率，(f1-f2)的逐漸變化就不會帶來不同的相位誤差。還已公知各種激光系統(tǒng)，它們沿共同的光路發(fā)出兩束分別可控頻率以及正交的線性偏振光(例如，Hewlett-Packard型號5517A)。對于這樣一種光源的光纖耦合器，僅需耦合器2的一個輸入端，如果僅使用一個傳感頭，則耦合器本身可以由一單個光纖來代替。另外，對于不需要考慮供光光纖靈活性的使用場合，自由空間的光可以從傳統(tǒng)的雙頻率光源向一個或多個如圖2所示形式的傳感頭或者一系列的傳感頭傳輸(在這種情況下圖中的光纖F和透鏡L可省去)。維持推挽式的對稱性。
還公知可以將光探測器遠離干涉儀設(shè)置，這樣能夠使一個放大器靠近探測器而不會加熱傳感頭。在這種變型方案中，圖2-4中的D1和D2不代表探測器本身而代表由光纖耦合到遠處的探測器的聚光器。一個聚光器可以簡單地是一種聚焦到探測器光纖端部的透鏡，它是圖中配置F-L的逆向布置。一個重要的差別是探測器光纖可以是多模式類型的，總體直徑遠大于供光光纖F，這樣就減輕了該聚光器的準直要求。在透鏡之前的一個孔徑光闌有助于獲得良好的外差效率。
此外，還公知利用一些反射器裝置可以增加位移檢測干涉儀的靈敏度，這些裝置向需檢測的位置轉(zhuǎn)送往返一次以上的光?？梢圆捎眠@種靈敏度倍增器獲得目前的光纖耦合傳感頭的優(yōu)點。
如果由于光學(xué)系統(tǒng)不完善導(dǎo)致入射到圖中檢偏器A1或A2上的兩個偏振分量的強度不均衡，這時可以通過調(diào)節(jié)檢偏器的取向使之加強較弱的光束來補償這種不均衡。
后向反射器R1或R2的位移，或者它們之間的移動差異可以檢測。與一個或兩個后向反射器相連的光束可以利用輔助平面鏡來折返，以便使位移靈敏度的軸線重新取向。
圖4表示一種可能的變型方案，其同僅一個干涉相位對于位移是靈敏的，但是利用如前所述的差模信號仍可以消除共模相位漂移，這樣仍可保持光纖耦合的優(yōu)點。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)各種光學(xué)傳感頭的結(jié)構(gòu)能夠提供與現(xiàn)有技術(shù)相同的特性和優(yōu)點，像圖2和3中的結(jié)構(gòu)一樣，但使用較少的元件，這些簡化的結(jié)構(gòu)表示在圖5-7中的結(jié)構(gòu)中。
由于前述光源部分沒變化，所以對它們的介紹將不再重復(fù)。
對于圖5中所示傳感器的介紹與先前對于準直透鏡L所介紹的相同。在這一點上，經(jīng)準直的光束包含按不同模式偏振的兩個頻率分量。
在圖5中，首先傳感器按如下的方式與圖2中所示的傳感器相區(qū)別。經(jīng)準直的光束通過非偏振型分光器N。在該處，S和P偏振的光束分量在引向后向反射器R1或R2的兩條輸出光路之間按近于相等的功率進行分配。因此輸出的光束仍然由如所標識的兩個頻率和偏振的分量組成。如上所述，f1是指P偏振分量，f2是指S偏振分量，其中f1是兩個頻率中較大的一個。還如前所述，如果R1位置是固定的，R2按速度V移動，則由R2反射的每個光束分量產(chǎn)生與V成比例的頻移。偏振型分光器P反射f2光束分量，因為它們是S偏振光；f1光束分量直接穿過，因為它們是P偏振光。同樣地，每個光探測器接收來自R2的多普勒頻移分量和來自R1的未曾頻移的分量。
由此對該傳感器的介紹與先前介紹的相同。把能使所形成的光束相干的檢偏器A1和A2也置于光探測器D1和D2之前。此外，在D1的頻差是(f1-f2)+KV，而在D2為(f1-f2)-KV。后向反射器的移動效果與前述是相同的，并且所形成的位置變化也引起兩束干涉光的相位沿相反的方向移動。應(yīng)再次指出，在到分光器N之前產(chǎn)生的相位漂移不會影響相位差，在電信號處理工作方面與前述沒有差別。
已根據(jù)基本的光學(xué)元件解釋了基本原理，圖6表示了對該傳感頭的構(gòu)成的一種改進方式。用一個定制的光學(xué)元件取代圖5中所示的分光器，使得能夠形成光準直。這種元件是由兩個光學(xué)平板玻璃組成。在將兩個平板組裝在一起之前，在需要形成N和P分光器的位置沉積光學(xué)用涂敷層。圖7表示由正方體分光器的兩個半部替代光學(xué)平板玻璃的另一種結(jié)構(gòu)形式。在所有的圖中，通過傾斜一些元件使其稍微偏離垂直入射光線可以消除在垂直入射的情況下會遇到的由光學(xué)表面產(chǎn)生的不需要的反射(未表示)或者按照傳統(tǒng)利用防反射涂敷層使之最小。
權(quán)利要求
1.一種測量位移的裝置，包括一種具有兩種波長和兩種正交偏振的相干光的光源；一偏振型分光器，一非偏振型分光器以及第一和第二后向反射器，上述各器件彼此相聯(lián)并構(gòu)成輸出第一和第二輸出光束的外差式干涉儀；一裝置，用于接收來自所述相干光光源的所述光以及用于將所述光引向所述干涉儀；第一和第二線性檢偏器，其位置適于分別接收所述第一和所述第二輸出光束，以及傳輸?shù)竭_所述檢偏器的每個所述輸出光束中的兩個正交偏振光中的每一束光中的一部分；以及第一和第二光探測器，用于分別檢測通過所述第一和第二檢偏器發(fā)出的光。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述外差式干涉儀還包含第二偏振型分光器以及第一和第二平面鏡表面。
3.如權(quán)利要求1或2所述的裝置，其中維持偏振光纖將所述光由所述光源傳輸?shù)剿龈缮鎯x的輸入通道。
4.如權(quán)利要求3所述的裝置，其中所述的用于接收光的裝置包括一透鏡，其定位適于使由所述光纖引出的光與所述干涉儀的輸入通道準直。
5.如權(quán)利要求1或2所述的裝置，其中所述的檢偏器包含第一和第二偏振濾波器，它們各自的偏振軸的取向基本上與所述輸出光束中的光的偏振方向相互交叉。
6.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述的干涉儀包含由透光材料構(gòu)成的第一三角形棱鏡，該棱鏡沿一個表面連接由透光材料構(gòu)成的第二三角形棱鏡，在所述第一棱鏡的所述一個表面上形成所述偏振型分光器和所述非偏振型分光器的光涂敷層。
7.如權(quán)利要求6所述的裝置，其中所述的第一和第二相連的棱鏡構(gòu)成一沿一個交叉線切開的立方體光學(xué)元件。
8.如權(quán)利要求2所述的裝置，其中所述的干涉儀包含一由透光材料構(gòu)成的第一平板，該平板沿一側(cè)面連接到由透光材料構(gòu)成的第二平板，在所述第一平板的所述一個側(cè)面上形成所述第一和所述第二偏振型分光器和所述非偏振型分光器的光學(xué)涂敷層，并且在所述第一和所述第二平板的相對側(cè)面上形成各自的所述第一和第二平面鏡涂敷層。
9.如權(quán)利要求6或8所述的裝置，其中所述兩連接的平板或棱鏡的外表面分別涂敷有防反射涂敷層。
10.如權(quán)利要求1所述的裝置，還包含第一和第二光纖，它們分別把光從所述第一和第二檢偏器傳輸?shù)剿龅谝缓偷诙馓綔y器。
全文摘要
一種光纖耦合傳感頭，包括具有雙輸出的外差式干涉儀，雙輸出對位移產(chǎn)生相反的響應(yīng)。雙頻激光通過一維持偏振光纖提供到傳感頭。每種頻率分量分別采用兩種偏振模式中的一種。利用推挽式對稱性來消除光纖相位變化。不需要利用波片來進行偏振變換。一個激光器可以結(jié)合很多傳感頭使用。
文檔編號G01B11/00GK1168967SQ9710990
公開日1997年12月31日 申請日期1997年2月28日 優(yōu)先權(quán)日1996年2月29日
發(fā)明者約翰·A·貝爾, 托馬斯·S·布雷登巴赫, 巴巴拉·A·凱普倫, 戴維·A·利普, 查爾斯·R·龐德 申請人:波音公司