CN100451694C - 采用低相干的干涉测量法的光学传感器 - Google Patents

Abstract

本发明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。本发明还提供一个包括一个单个双折射楔的偏振干涉仪。本发明还提供一个用于色散补偿的光学传感器系统。本发明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LiB₃O₅晶体中的轨迹。

Description

采用低相干的干涉测量法的光学传感器

相关申请的交叉引用

本申请根据美国法典第35卷第120条(35USC§120)要求于2004年9月20日提交的美国临时专利申请60/610,950的优先权，该专利申请的技术特征通过引用结合到本申请文件中。

技术领域

本发明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。

背景技术

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Sr_xBa_1-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日在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降低。为了避免这样的情形，Lequime通过采用一个第二Wollaston棱镜和消色差的半波板，在这些配置中提出了一些修改，但代价是增加了该设备的复杂度。

由于用在他们的感应干涉仪中(还可能在读出干涉仪中)的晶体具有高度的双折射色散，干涉图样可能严重地变形，因而造成包络峰值或干涉条纹峰值的聚集，他们提出了两个方案来解决这个问题，一个方案包括用与感应干涉仪中同样的双折射材料来制造读出干涉仪，这种方案可能会增加读出干涉仪对环境影响的敏感度，因而不适用于基于工业的应用，所提出的另一种解决方案采用具有较窄的光谱的光源，其色散效应可以被忽略，但该解决方案的代价则是扩大了干涉条纹的路径长度差的范围，降低了包络峰值或干涉条纹峰值定位的精度。

发明内容

本发明提出了一个针对工业和其他应用的简单而稳健的光学传感器系统，其基于低相干的干涉方法，采用串行排列的干涉仪装置，用于测量诸如但不限于温度、压力、张力、位移的物理量。

本发明提供了一个光学传感器系统，其包括：

-一个具有对所测量的物理量敏感的路经长度差的感应干涉仪；

-一个具有相干长度比感应干涉仪的路径长度差更小的光源，诸如但不限于灯丝光源或LED光源，

-一个静态偏振读出干涉仪，其基于双束干涉仪配置，在一个方向上具有空间分布的路径长度差的变量，并包括一个由双折射晶体制成的的楔，优选地，该双折射晶体的折射特性对温度和频率具有低的依赖性，一个放置于双折射楔之前的线性偏振器，其将非偏振光分解为2个正交线性偏振分量，一个放置于双折射楔之后的线性分析器，其偏振轴平行于或垂直于偏振器的偏振轴，并将所传输的光的两个正交线性分量在双折射楔的输出端重新组合以使二者发生干涉，

-一组光纤和一个光耦合器，分别将感应干涉仪连接于读出干涉仪和光源，

-一个用于在读出干涉仪的输出端记录空间干涉图样的光电检测阵列，诸如但不限于线性CCD光电二极管阵列的，

-一个聚焦光学装置，用于通过读出干涉仪将传输的或反射的光从感应干涉仪传送到光电检测器装置的表面上，以及

-一个信号处理单元，用于：1)从光电检测器阵列上对干涉图样信号进行采样，2)噪声抑制和信号校正；3)检测干涉图样的包络或干涉条纹的峰值位置；4)将包络或干涉条纹的位置转换为感应干涉仪的路径长度差，并相应地转换为测量值。

本发明还提供一个采用单个光电检测器的扫描偏振读出干涉仪。

本发明还提供一个由对温度敏感的双折射材料制成的温度感应干涉仪，该对温度敏感的双折射材料与读出干涉仪的双折射楔的双折射材料具有相似的双折射色散特性。

本发明还提供一个用于测量物理量的串行排列的干涉仪光学传感器系统，其基于低相干干涉测量法，该系统包括一个生成以相干涉长度为特征的光强度的光系统，该系统还包括一个感应干涉仪，其具有一个长于相干长度的传感器路径长度差，用于接收光强度以及生成作为传感器路径长度差的函数的传感器光信号，其中传感器路径长度差可根据物理量的变化而改变。该系统还包括一个偏振读出干涉仪，其具有一个读出路径差，并基于双束干涉仪配置，接收传感器光信号并在输出位置生成作为读出路径长度差的函数的读出光信号，偏振读出干涉仪包括一个用于将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，一个用于在楔中传输后进行重组偏振分量的输出偏振器，一个用于转发通过接收偏振器所接收的传感器光信号的聚焦光学部件，双折射楔和输出偏振器，并向输出端提供作为读出路径长度差的函数的读出光信号。

优选地，该串行排列的干涉光学传感器系统的传感路径差包括第一双折射材料中的轨迹，双折射楔由第二双折射材料制成，其中第一和第二双折射材料具有相似的色散特性，以提供一个色散补偿光学传感器系统。

优选地，偏振读出干涉仪的读取路径长度差包括在空间上作为读出轴的函数而变化的读出路径长度差，读出光信号包括沿读出轴空间分布的信号，检测位置在空间上沿读出轴分布，以在检测位置提供分布干涉图样。

优选地，该串行排列的干涉仪光学传感器系统进一步包括位于检测位置的线性光电检测阵列，用于接收分布的干涉图样并生成作为读出路径长度差的函数的相应光电信号，该系统还进一步包括一个信号处理单元，用于根据光电检测器信号确定物理量，因而提供一个用于物理量测量的静态的光学传感器系统，包括前述分布干涉图样和线性光电检测器阵列。

优选地，该串行排列的干涉仪光学传感器系统可以是一个扫描干涉仪，其中，通过作为时间的函数并沿读出轴扫描双折射楔的位置，读出路径长度差作为时间的函数而变化，该系统可以进一步包括位于检测器位置的单个光电检测器，用于接收扫描的读出光信号和生成相应的光电检测器信号。

本发明还提供一个基于低相干的干涉测量方法的用于测量物理量的方法，该方法包括提供用于生成一个以相干长度为特征的光强度的光系统，该方法还包括提供一个感应干涉仪，其具有对物理量敏感的传感器路径长度差，该传感器路径长度差根据物理量的变化而变化，且其长于相干长度，该方法还包括提供一个偏振读出干涉仪，其具有一个读出路径长度差，且基于双束干涉仪配置，该偏振读出干涉仪包括一个用于将一个光束分解为两个线性正交偏振分量的输入偏振器，一个用于重组在楔中传输后的偏振分量的输出偏振器，以及一个聚焦光学部件，该方法还包括在检测位置提供一个光电检测器，该方法还包括将来自光系统的的光强度转发到感应干涉仪，其中该感应干涉仪生成作为其传感器路径长度差的函数的传感器光信号，该方法还包括采用聚焦光学装置通过输入偏振器转发传感器光信号，双折射楔和输出偏振器，以及通过重组偏振分量，在检测位置为输出位置生成作为读出路径长度差的函数的读出光信号，该方法还包括采用光电检测器检测读出光信号并生同所述检测到的读出光信号相应的光电检测器信号，该光电检测器信号成作为读出路径差的函数。最后，该方法还包括通过分析作为读出路径长度差的函数的光电检测器信号来确定物理量。

优选地，该方法进一步包括提供一个关联传感器路径长度差与物理量的校准数据库。

本发明还提供一个对温度敏感的色散补偿的串行排列的感应干涉仪，该干涉仪包括：一个具有LiB₃O₅晶体的感应干涉仪，该LiB₃O₅晶体具有X切割方向和LiB₃O₅双折射色散，所述感应干涉仪具有一个包括在所述LiB₃O₅晶体内的传感器路径长度差，其中该路经长度差对温度敏感，根据温度变化而变化，以提供一个温度敏感干涉仪；以及一个光耦合到所述感应干涉仪的读出干涉仪，该读出干涉仪具有MgF₂双折射色散的MgF₂晶体，所述读出干涉仪具有一个包括在所述LiB₃O₅晶体中的轨迹的读出路径长度差，凭借所述MgF₂双折射色散至少部分补偿所述LiB₃O₅双折射色散。

本发明还提供一个偏振干涉仪，其具有一个路径长度差，用于基于所接收的信号提供一个输出信号，该偏振干涉仪包括一个用于将输入光分解为两个线性正交分量的输入偏振器，该偏振干涉仪还包括单个双折射楔，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，该偏振干涉仪还包括一个用于重组在楔中传播后的偏振分量的输出偏振器，以及一个用于通过输入偏振器、单个双折射楔、输出偏振器向输出端位置方向转发输入光的聚焦光装置，其中，干涉仪在接收到输入信号时在输出端提供作为路径长度差的函数的输出信号。

优选地，单个双折射楔包括MgF₂晶体。

附图说明

为了使本发明更易于理解，通过在附图中的所示的例子来描述本发明的实施例。

图1为根据本发明的一个实施例，包括工作于反射模式的感应干涉仪的一个光学传感器的示意图；

图2为根据本发明的一个实施例，包括一个工作于传输模式的感应干涉仪的一个光学传感器的示意图；

图3A为包括圆柱透镜的、图1或图2的光学传感器的读出干涉仪的示意图；

图3B为包括一个圆柱反射镜的、图1或图2的光学传感器的读出干涉仪的示意图；

图4为图1或图2的光学传感器的读出干涉仪的部分示意图；

图5为根据一个变化的实施例，一个读出干涉仪的部分示意图；

图6为在与具有高斯分布的功率谱密度的有效光源一起使用时，在图1或图2的光学传感器的输出端上获取的干涉图样；

图7为根据另一个实施例的读出干涉仪的示意图；

图8为根据本发明的一个实施例，一个光学传感器的归一化差分双折射色散曲线的图像；

图9中的曲线(a)为根据本发明的一个具体实施例通过由MgF₂晶体楔制成的偏振读出干涉仪、一个由LiB₂O₅x切割晶体板制成的偏振感应干涉仪而获取的干涉图样的图像；以及

图9中的曲线(b)为根据本发明的一个具体实施例通过由MgF2晶体楔制成的偏振读出干涉仪、一个基于LiNbO3晶体的偏振感应干涉仪获取的干涉图样的图像；

通过以下详细描述，本发明的进一步的细节及其优点将变得更加明显。

具体实施方式

在下述实施例中，参考附图，描述了可以实施的本发明的例子，可以理解，在不脱离本发明公开的范围的前提下，本发明可以有其他实施例。

串行排列的干涉仪光学传感器装置有两种基本配置，即反射式和传输式配置。反射式配置的光学传感器示于图1，其包括一个用于反射模式的、具有对测量物理量敏感的路径长度差的感应干涉仪10。优选地，干涉仪是双束干涉仪26，或与该类干涉仪的很相似的装置，诸如低精密度的Fabry-Perot干涉仪。一组光纤17和一个光耦合器18将感应干涉仪10连接到光源11，并连接到读出干涉仪12。通过光耦合器18和光纤17，由光源发出的光22向感应干涉仪10发送，假设一个双束幅分(amplitude-division)感应干涉仪10的2束光的损耗是相等的，并假设在该感应干涉仪的输入端的静态光场具有高度的空间相关，则该干涉仪的输出端的功率谱密度Is(v)根据频谱干涉规律在频谱上被调制，如下等式所示：

$I_s\left(\mathrm{\ν}\right)=K_s{I}_{\mathrm{in}}\left(v\right)[1+\cos (2\mathrm{\π\ν}{\mathrm{\τ}}_s\left(M\right)+{\mathrm{\θ}}_s)]=K_s{I}_{\mathrm{in}}\left(\mathrm{\ν}\right)[1+\cos (2\mathrm{\π\ν}\frac{{\mathrm{\δ}}_s\left(M\right)}{c}+{\mathrm{\θ}}_s)]---\left(1\right)$

其中，v是光的频率，τ_s和δ_s(δ_s＝cτ_s)分别是感应干涉仪10的相对时间延迟和路径长度差，它们作为待测物理量M的幅度的函数而变化，c是真空中的光速，I_in(v)是在干涉仪10的输入端23上的光通量的功率密度，k_s和θ_s是依赖于感应干涉仪的类型和配置(反射或传输模式)的常数。

感应干涉仪10的输出端的光由相同的光纤17收集并向读出干涉仪12发送。离开光纤17的光24被采用聚焦光学器件20送至读出干涉仪12，读出干涉仪12是基于双束干涉仪配置的静态的偏振干涉仪，其具有空间上沿一个方向分布的路径长度差，并包括一个由双折射晶体制成的单楔13，在一个实施例中，其双折射特性具有低的频率依赖性和低的温度依赖性；一个置于双折射楔13之前的线性偏振器15，其将非偏振光分解为两个正交线性偏振分量；以及一个置于双折射楔13之后的、偏振轴沿平行于或垂直于偏振器15的偏振轴的线性分析器16，其在双折射楔13的输出端重新组合该传输光的两个正交线性偏振分量，使二者发生干涉。光束25穿过读出干涉仪并到达光电检测装置19的表面，信号处理单元21分析从光电检测装置19测量的光强度分布中获取的干涉图样，并确定该干涉图样的包络或干涉纹路的峰值位置，并将该位置转换为感应干涉仪10的路径长度差，响应地转换为测量值。

图2描述了光学传感器传输配置方式，其包括用于传输模式的感应干涉仪10且其路径长度差对测量物理量敏感。在一个实施例中，干涉仪是双束干涉仪26，或与该类干涉仪的很相似的装置，诸如低精度的Fabry-Perot干涉仪的。一组光纤17将感应干涉仪10连接到光源11和读出干涉仪12，公式(1)在这种类型的配置中依然成立。存在反射和传输配置的不同变化的实施方式，这里没有列举出来，因为这些改变的实施方式对本领域的技术人员而言是明显的。

图3A和图3B中示出了读出干涉仪12的聚焦光学器件20的实施例，聚焦光学器件20是一个由单个圆柱透镜20A或圆柱反射镜20B构成的、简单的变形成像系统，其将光纤的输出面27的图像投射到光电检测器阵列的表面，但仅在垂直方向上(图中的y方向)投射，在其他方向上，利用离开光纤的光束的发散特性，光束扩散到该阵列的长度之外，优选地，双折射楔13、线性分析器16和光电检测装置19这些装置之间相互靠近但更加远离输入光纤(没有明确地显示于图3A和图3B)，在此条件下，通过将双折射楔的角度限制到小角度(正如随后将讨论的那样)，由于双折射楔中的双折射，光束在光电检测器的表面分散将是非常小的，并且不会明显地降低干涉条纹的可见度。该配置的另一个优势在于，读出干涉仪12的输入端的光束的大小与其离双折射楔13的距离相比是非常小的，使得输入光束至少在x方向上可以近似地看作是点光源，从干涉理论可以知道，干涉条纹不局限于一个点光源，因而干涉条纹的可见度不会受到楔中的双折射效应的影响，对本领域的技术人员来讲，很明显，还存在许多可以用于读出干涉仪12的不同于上述两种方式的多种不同的变形的图像系统。

图4显示了读出干涉仪12的一个实施例的示意图，为易于理解，所述楔被放置于使其第一表面平行于x-y平面的位置，且其棱边平行于图中的y轴，所述楔32的厚度d(x)随在x轴上的位置呈线性函数的变化，如下所示：

d(x)＝xtan(W)+d₀    (2)

其中，W是楔的角度33，而d₀则是楔在x＝0的位置上的厚度，楔13由表现出光学各向异性的晶体构成；即光穿过晶体的速度依赖于传播方向和振动方向。在一个实施例中，楔的晶体具有平行于楔35的前表面的主要截面和一个垂直于楔13的边缘31的主要截面的主要振动方向轴14，在这样的方向安排下，主要振动轴以及双折射晶体的主要指数的方向相应于图4中的x、y和z轴。优选地，楔13由主要折射率为n_e和n_o的单轴晶体制成。不失一般性，x和y方向的折射率可任意选择为n_x≡n_e，以及n_y≡n_z≡n_o，使得晶体的双折射为B≡(n_e-n_o)＝(n_x-n_y)

优选地，线性偏振器15的传输轴30被安置在与前述对应于图中的x轴的主要振动轴成角度p＝±45度的方向上。优选地，线性分析器16的传输轴被安置于平行或垂直于偏振器15的传输轴30的方向上，优选地，使其方向角为A＝P或A＝P±90度。

接收自传感干涉仪10的光线24被送入读出干涉仪12，并以相对于x轴成角度P的方向线性偏振，所述线性偏振光一旦进入双折射楔的前部平面，就被分解为x和y正交偏振分量，由于的折射率n_e和n_o不同，二者便以不同的相位速率传播。仅考虑一般的入射光，在楔的背部平面上两个正交x和y分量之间的路径长度差δ_r以及相对时间延迟τ_r如下公式所示：

δ_r＝cτ_r＝Bd(x)＝(n_e-n_o)[xtan(W)+d₀]    (3)

该公式显示了δ_r(和τ_r)与位置x的线性依赖关系，可以认识到这样的事实，由于光学制造公差的固有限制，假定楔的厚度误差为Δd，则相应的相对路径长度差的误差Δδ等于BΔd，而一个Fizeau干涉仪的相应的相对路径长度差的误差等于2Δd，实际上这意味着，给定一个可接受的路径长度差的误差的限制，所带来的双折射楔的厚度公差限制大约会比Fizeau干涉仪的楔的厚度公差限制大2个数量级，因而，双折射楔比Fizeau楔更加容易制造，如果我们比较双折射楔与Fizeau楔的角度的生产公差，情况也是同样正确的。

图5显示了用于双折射楔的另一个实施例，优选地，厚度为61h的、采用与楔13同样的晶体材料制成的双折射板60，被放置于双折射楔13之前或之后，该双折射板60用于增加或减少读出干涉仪的路径长度差的操作范围的中点，该板的晶体被安排以使其3个主要振动轴62中的两个平行于该板的表面。在板60是由单轴晶体制成的情形中，如前面定义的其x和y主要振动轴，平行于该板的表面，它们在那个平面上的方向可以被调整为这样的两个位置：一个是与双折射楔13的晶体主要振动轴的方向相同，而另一个是在与双折射楔13的晶体主要振动轴成十字交叉的方向上。在板60和双折射楔13是由同样的单轴晶体制成的情形中，读出干涉仪的长度路径差为：

上面的公式显示了增加一个厚度为h的双折射板提供了一个简单的增加或减少路径长度差操作范围的中点的方法，而不必使用不同的楔，双折射板60可以直接结合于双折射楔13或与双折射楔13分离开使其可以很容易地被移动或改变。

楔的双折射晶体的选择是非常重要的，其基于晶体的3个特性的合适的组合：双折射的幅度，色散或双折射的频率依赖，晶体特性的温度依赖。给定适合用于感应应用的路径长度差，晶体的双折射B必须足够大，否则双折射楔将会成为具有一个大楔角的大体积的器件。另一方面，双折射的色散必须保持比较小，因为它会严重地扭曲干涉图样。该扭曲主要依赖于双折射的对波长的二级偏导

显然，路径长度差的温度依赖

同样必须小。公式(3)显示出

依赖于双折射的温度依赖

并依赖于楔的厚度的温度依赖关系

我们可以定义一个归一化的、用于路径长度差的温度依赖的温度系数χ，如下所示：

$\mathrm{\χ}\≡\frac{1}{{\mathrm{\δ}}_r}\frac{\∂{\mathrm{\δ}}_r}{\∂T}=(\frac{1}{B}\frac{\∂B}{\∂T}+\mathrm{\α})---\left(5\right)$

其中，α是晶体在垂直于图4中的x-y平面的方向上的温度扩展系数我们发现镁氟化物(MgF₂)和石英(SiO₂)晶体是优选的晶体，且前一个是最优选的。表1给出了这两种晶体的主要特性，为了比较，用于现有技术中的锂铌酸盐(LiNbO₃)的特性也显示于其中(在室温下、800nm波长范围内的特性)。

表1

虽然LiNbO₃具有比MgF₂和SiO₂更高的双折射，但其双折射的温度和波长依赖非常高，因而，采用该晶体设计的读出干涉仪将会导致严重的缺陷(LiNbO₃(x切割)晶体将在后续部分讨论)。

给定一个具有MgF₂双折射楔13和路径长度差范围大约是40000nm的读出干涉仪，在实践中这适合于大多数应用，并采用25mm长的光电检测器阵列，我们获得的楔角大约为7度，由于在双折射楔13的输出端的双折射，这样的角度导致相当小的光束分离(小于4微米)，因而不会显著地降低干涉图样条纹的可见性。

假设光源的相干长度远小于感应干涉仪12的路径长度差，并且光源为前述近似的点光源，由在读出干涉仪的输出端上的光电检测阵列记录的、代表光强度分布I_r(δ_r)与路径长度差δ_r之比的干涉图案(称为干涉图样)，可以通过由用于静态光场的通用干涉原理(参看L.Mandel与E.Wolf所著的，Optical coherence and quantumoptics，剑桥大学出版社1995出版，第159-170页)推导出的下述公式得到解释：

$I\left({\mathrm{\δ}}_r\right)=K_s{K}_r{I}_o[1+\cos \left({\mathrm{\θ}}_r\right)\mathrm{Re}\{{\mathrm{\γ}}_{11}\left({\mathrm{\δ}}_r\right)\}+\frac{1}{2}\cos ({\mathrm{\θ}}_r-{\mathrm{\θ}}_s)\mathrm{Re}\{{\mathrm{\γ}}_{12}({\mathrm{\δ}}_r-{\mathrm{\δ}}_s)\left\}\right]---\left(6\right)$

其中，γ₁₁是在读出干涉仪上的光振动的自相干的复角度，γ₁₂是读出和感应干涉仪上的光振动的相互相干的复角度，Re{}表示复数γ的实部，I₀是后面定义的有效光源的总强度，K_s，K_r及θ_s，θ_r是分别依赖于感应和读出干涉仪配置的常数。利用γ的以下通用形式：

${\mathrm{\γ}}_{11}\left({\mathrm{\δ}}_r\right)\≡\left|{\mathrm{\γ}}_{11}\left({\mathrm{\δ}}_r\right)\right|\exp \left\{i\right[{\mathrm{\α}}_{11}\left({\mathrm{\δ}}_r\right)-2\mathrm{\π}{v}_0\frac{{\mathrm{\δ}}_r}{c}\left]\right\},$

${\mathrm{\γ}}_{12}({\mathrm{\δ}}_r-{\mathrm{\δ}}_s)\≡\left|{\mathrm{\γ}}_{12}({\mathrm{\δ}}_r-{\mathrm{\δ}}_s)\right|\exp \left\{i\right[{\mathrm{\α}}_{12}({\mathrm{\δ}}_r-{\mathrm{\δ}}_s)-2\mathrm{\π}{v}_0\left(\frac{{\mathrm{\δ}}_r-{\mathrm{\δ}}_s}{c}\right)\left]\right\}---\left(7\right)$

${\mathrm{\α}}_{11}\left({\mathrm{\δ}}_r\right)=2\mathrm{\π}{v}_0\frac{{\mathrm{\δ}}_r}{c}+\arg \left\{{\mathrm{\γ}}_{11}\right\},{\mathrm{\α}}_{12}({\mathrm{\δ}}_r-{\mathrm{\δ}}_s)=2\mathrm{\π}{v}_0\left(\frac{{\mathrm{\δ}}_r-{\mathrm{\δ}}_s}{c}\right)+\arg \left\{{\mathrm{\γ}}_{12}\right\}$

其中，v_o是有效光源的平均频率，||代表复数值γ的复数模，而arg{}代表复数值γ的辐角，干涉图样可以如下形式来表示

$I_r\left({\mathrm{\δ}}_r\right)=K_s{K}_r{I}_0[1+\cos \left({\mathrm{\θ}}_r\right)|{\mathrm{\γ}}_{11}\left({\mathrm{\δ}}_r\right)\left|\cos \right[2\mathrm{\π}{v}_0\frac{{\mathrm{\δ}}_r}{c}-{\mathrm{\α}}_{11}\left({\mathrm{\δ}}_r\right)]---\left(8\right)$

$+\frac{1}{2}\cos ({\mathrm{\θ}}_r-{\mathrm{\θ}}_s)\left|{\mathrm{\γ}}_{12}({\mathrm{\δ}}_r-{\mathrm{\δ}}_s)\cos \right[2\mathrm{\π}{v}_0\left(\frac{{\mathrm{\δ}}_r-{\mathrm{\δ}}_s}{c}\right)-{\mathrm{\α}}_{12}({\mathrm{\δ}}_r-{\mathrm{\δ}}_s)\left]\right|]$

公式(8)显示在读出干涉仪12的输出端上的干涉图样的干涉条纹是两个幅度调制干涉条纹信号之和，这两个干涉条纹信号具有一个频率为v_o的余弦载波、一个相位函数α和一个包络函数|γ|，该包络函数常被称作可见度包络函数或相干包络函数，这是干涉图样的干涉条纹可见性的量度。

根据Wiener-Khintchine理论，我们有

${\mathrm{\γ}}_{11}\left({\mathrm{\δ}}_r\right)=\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}P\left(v\right)e^{-i2\mathrm{\πv}\frac{{\mathrm{\δ}}_r}{c}}\mathrm{dv},$ ${\mathrm{\γ}}_{12}({\mathrm{\δ}}_r-{\mathrm{\δ}}_s)=\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}P\left(v\right)e^{-i2\mathrm{\πv}\left(\frac{{\mathrm{\δ}}_r-{\mathrm{\δ}}_s}{c}\right)}\mathrm{dv}---\left(9\right)$

[0062]其中

$P\left(v\right)=\frac{I_{\mathrm{eff}}\left(v\right)}{I_0}---\left(10\right)$

[0063]为有效光源的归一化功率谱密度，且

$I_0=\underset{0}{\overset{\∞}{\∫}}{I}_{\mathrm{eff}}\left(v\right)\mathrm{dv}---\left(11\right)$

为该有效光源的总强度，后者由光源的有效频率密度I_eff(v)来定义，其中包括光电检测器的敏感度的波长依赖性和光学传感器器件的传输损耗和反射损耗的波长依赖性，公式(9)显示了自相干γ₁₁的复数辐角或互相干γ₁₂的复数辐角，以及有效光源p(v)的归一化功率谱密度形成一个傅立叶变换对，因而，干涉图样的干涉条纹的包络和相位依赖于光源的频谱。实际上，我们观察到，与余弦载波相比，α和|γ|是路径长度差的缓慢变化的函数，如果假设p(v)是高斯状分布，即

$P(v-v_0)=\frac{2\sqrt{\mathrm{In}2}}{\mathrm{\Δv}\sqrt{\mathrm{\π}}}\exp [-{\left(2\sqrt{\mathrm{In}2}\frac{v-v_0}{\mathrm{\Δv}}\right)}^2]---\left(12\right)$

其中，Δv是半幅全宽(full width-at-half-maximum)，于是，公式(8)就可以解析地计算出来，即

$I_r\left({\mathrm{\δ}}_r\right)=K_s{K}_r{I}_0[1+\cos \left({\mathrm{\θ}}_r\right)\exp [-{\left(\frac{\mathrm{\π\Δv}}{2\sqrt{\mathrm{In}2}}\frac{{\mathrm{\δ}}_r}{c}\right)}^2]\cos {\left(2\mathrm{\π}{v}_0\frac{{\mathrm{\δ}}_r}{c}\right)}_{15}$

$+\frac{1}{2}\cos ({\mathrm{\θ}}_r-{\mathrm{\θ}}_s)\exp [-{\left(\frac{\mathrm{\π\Δv}}{2\sqrt{\mathrm{In}2}}\frac{}{c}\right)}^2]\cos \left(2\mathrm{\π}{v}_0\frac{{\mathrm{\δ}}_r-{\mathrm{\δ}}_s}{c}\right)]---\left(13\right)$

图6显示了在一个具有高斯分布的功率谱密度的光源的读出干涉仪的输出端获取的一个典型的干涉图样。实心线条70代表所测试的干涉条纹，虚线71代表干涉条纹的包络，显然，该包络不是可直接观察的信号。干涉图样显示了两个干涉条纹包络：第一个干涉条纹包络，以后将其称为零干涉条纹包络72，其峰值位于位置74，在此位置上读出干涉仪的路径长度差等于0；第二个干涉条纹包络，以后将其称为待测干涉条纹包络73，其峰值位于位置75，在此位置上读出干涉仪12的路径长度差等于一个感应干涉仪10，即δ_r＝δ_s。为了进行下述分析，由于所测量的干涉条纹包络是感应应用感兴趣的一个方面，所以仅保留所测量的干涉条纹包络。由于归一化功率谱密度P(v)是实函数，所以具有傅立叶变换特性的公式(7)和(9)显示包络函数|γ₁₂|是以δ_r＝δ_s为以对称轴对称的，且α₁₂(0)等于0。因而，干涉条纹以其包络为中心，使得不论干涉条纹的峰值76还是干涉条纹包络的峰值77的位置，都提供了感应干涉仪的路径长度差以及所测量值的非模糊值。但是，注意到与干涉函数相比，包络是一个路径长度差的缓慢变化的函数，因而检测干涉条纹峰值的位置的方法通常比包络峰值检测方法更加敏感。

图7显示了另一个用于读出干涉仪12的实施例，一个扫描机械装置90在光束93的横向移动双折射楔13，由于楔13被放置于光束93之前，单个光检测器92便记录光强度。使用恰当的聚焦光学器件91，在楔位置上的光束93的横向尺寸94可以做得比较小，使得读出干涉仪12的路径长度差在光束尺寸上不会显著地改变。在该扫描极点读出干涉仪12的作用下，干涉图样在时域而不是空间域中形成，由于机械扫描不提供高的瞬时分辨率，这样的扫描干涉仪通常被限制于静态或准静态测量应用中。但是，这种方法具有明显的优势，具有较高的光通量，可以在用于光纤通信的1300nm或1550波长范围设计光检测方法，其受益于在这些频谱范围内的光纤的低吸收和双折射材料的低色散。大家知道，用于1300nm或1550波长范围的光电检测阵列对工业应用中制造有效成本的光传感器的解决方案而言，价格还是太昂贵了。另一方面，除应用于光纤通信工业的光源和光学器件之外，已经可以以相对较低的价格获得单个检测器，另一个相对于众所周知的扫描Michelson干涉仪的优势在于，该扫描极点读出干涉仪12不需要高分辨率的扫描机械装置，这可以从公式(3)中看出。

参看图4，光电检测器阵列19沿平行于x轴的方向放置，使该阵列的每个像素或光电二极管对应于一个已知的x位置。对于x轴上的一组x位置值校正读出干涉仪的路径长度差δ_r，可以采用不同的方法来进行校正，例如但不限于公知的光谱感光传输技术或采用可扫描的参考干涉仪。以可调节的读出速率从光电检测器阵列获取电子信号，该矩阵的每次扫描都提供一个代表空间分布的、所测量的干涉图样信号的电信号，如公式(8)的最后一项所示。该电信号由信号处理单元21数字地采样，该信号处理单元21搜索干涉条纹或干涉图样信号包络的峰值的x位。，一旦求解出该x位置，信号处理单元21便通过使用读出干涉仪的校正数据计算读出干涉仪12以及感应干涉仪10的相应的路径长度差。然后，采用感应干涉仪的校正数据将该数值转换为被测量的值。显然，可以将相似的方法用于图7中的扫描偏振读出干涉仪12的设计，因而，下面的讨论将会被限制于静态干涉仪的设计。

信号处理单元的一个最重要的任务是精确地获取从光电检测阵列19接收的待测量的干涉图样信号的干涉条纹和包络的峰值的x位置，通过恰当的基线(baseline)校正，消除采样干涉图样信号中每个静态干涉仪的内部固有的固定形式的噪声，固定形式的噪声主要取决于光学器件，特别是双折射楔13的清洁度，以及光电检测阵列19的单个光电二极管的非统一灵敏度。然后，在空间域或频域对这些基线校正过的信号进行数字滤波以降低基线校正过的信号中残留的人为的和动态噪声。基线校正过的信号的零频率和低频率分量也被消除，剩下的信号在后面称作校正后的干涉图样信号I_corr，代表干涉图样的振动分量，因而我们有

$I_{\mathrm{corr}}\left({\mathrm{\δ}}_r\right)\∝\mathrm{Re}\left\{{\mathrm{\γ}}_{12}({\mathrm{\δ}}_r-{\mathrm{\δ}}_s)\right\}=\left|{\mathrm{\γ}}_{12}({\mathrm{\δ}}_r-{\mathrm{\δ}}_s)\right|\cos [2\mathrm{\π}{v}_0\left(\frac{{\mathrm{\δ}}_r-{\mathrm{\δ}}_s}{c}\right)-{\mathrm{\α}}_{12}({\mathrm{\δ}}_r-{\mathrm{\δ}}_s)]---\left(14\right)$

该信号代表图6的、去掉DC分量的被测的量的干涉条纹包络73，被进一步处理以提取干涉条纹和包络峰值的x位置。首先，执行一个简单的搜索峰值的程序，以确定干涉条纹峰值，然后，在干涉条纹峰值周围执行多项式最小二乘拟合(a polynomial least-squarefit)以精确地确定干涉条纹峰值的位置，该方法的优势在于简单和易于实现，并不需要信号处理单元显著增多的计算功率。

尽管在理论上，包络峰值方法比干涉条纹峰值方法具有较小的分辨能力，在某些条件下定位包络的峰值比定位干涉条纹的峰值更有优势。为达到此目的，必须从校正过的干涉图样信号中提取包络函数，熟悉通信信号的人士可能会认识到校正过的干涉图样信号与幅度调制通信信号之间的相似之处，所以，采用数字信号处理方法、通过包络检测可以很容易地实现大家熟知的幅度解调技术。提供确定被测的量的干涉条纹包络的包络峰值的方法是本发明的一个目的。首先从校正过的干涉图样信号中提取出包络，例如，不论在空间域还是时域，采用Hilbert变换方法或平方、低通滤波方法来完成此项操作；然后，在干涉条纹峰值周围执行多项式最小二乘拟合(a polynomial least-square fit)以精确地确定干涉条纹峰值的位置。这样的数字信号处理方法需要以Nyquist速率或高于Nyquist速率的速率对干涉图样信号进行采样。现在的高密度光电检测器线性阵列已被广泛应用，使得该要求在实践中很容易被达到。

当感应(和/或读出)干涉仪包括色散介质时，路径长度差相对于频率就不再是固定的了。高阶色散可以使干涉图样包络产生显著的和不对称的扩展，使干涉条纹的可见度减小，以及使包络与干涉条纹之间的产生附加的相位偏移。如果不经过恰当的校正，这些虚假的效果将会严重地降低干涉条纹或包络的峰值检测方法的精确度。在现有技术中已建议使用由与感应干涉仪10相同的材料制作的读出干涉仪12，但是，正如我们在前面所述，这样的配置不是令人满意的。好的配置是使用与感应干涉仪10的双折射材料具有相似的色散项(例如线性或较高阶色散项)的双折射材料，而无需具备其被测的量的敏感性。在偏振感应和读出干涉仪的情形下，有多对具有相似色散的双折射晶体，但其中一个具有低的被测的量的敏感性。因此，本发明的一个目的是提供一个基于读出和感应干涉仪的色散特性的色散补偿方法，例如，读出干涉仪的MgF2晶体可以与三硼酸盐锂(LiB₃O₅)晶体配对，该双轴晶体可以作为偏振温度感应干涉仪来使用，将其温度系数与在现有技术中用于此目的的其他晶体相比，非常好(见表1)。依惯例，双折射晶体的主要指标n_z＞n_y＞n_x，x切割方向的(即y和z主要振动轴平行于晶体板的表面)LiB₃O₅晶体的双折射B＝(n_z-n_y)。以这样的定位，该晶体的双折射色散项就与MgF₂晶体相似，这可以通过描画这两个晶体之间的双折射色散项之差的曲线得到最好的认识。图8显示了用于MgF₂(Br)和LiB₃O₅x-cut(Bs)晶体在感兴趣的频率范围内的归一化差分双折射色散曲线ΔB，ΔB由下面的公式定义：

$\mathrm{\ΔB}\left(v\right)=2\frac{(B_r\left(v\right)-B_r\left(v_0\right))-(B_s\left(v\right)-B_s\left(v_0\right))}{B_r\left(v_0\right)+B_s\left(v_0\right)}---\left(15\right)$

其中，B(v)代表读出(下标为r)和感应(下标为s)干涉仪的频率依赖双折射函数，可以看出，ΔB在感兴趣的频率范围内在小于0.5％的范围内变化，如此小的变化不会导致干涉图样信号的任何显著的改变。

图9显示了通过由MgF₂晶体楔制成的偏振读出干涉仪，以及由LiB₃O₅x切割晶体板制成的偏振感应仪获取的所测的量的干涉图样信号曲线(曲线(a))，曲线(b)是用同样的读出干涉仪，而用现有技术中的LiNbO₃晶体获得的所测的量的干涉图样信号曲线，没有在图9中显示的是，在感应干涉仪的路径长度差改变时，LiB₃O₅x切割晶体的干涉条纹峰值与包络峰值保持在相同位置，另一方面，采用LiNbO₃晶体，在感应干涉仪的路径长度差改变时，干涉条纹会在包络内移动。还可以看到，在此情形中的包络比较宽，而对比度比较低。很明显，LiB₃O₅x切割晶体是一个较佳的选择。本发明的另一个目的是提供一个基于LiB₃O₅x切割晶体的偏振温度感应干涉仪，还可以设计出该干涉仪的各种各样的反射和传输配置，例如那些在Mariller和Lequime文件中描述的那样，但它们不在这里给出，因为对本领域的技术人员来将它们是很明显的。

虽然这里通过具体实施例描述了本发明，但其可以在不脱离这里定义的发明的精神和特性的前提下被修改，本发明的范围仅由所附权利要求的范围来限定。

Claims (38)

1.一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，一个单个双折射楔，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。

2.根据权利要求1所述的串行排列的干涉仪光学传感器系统，其中，所述传感器路径长度差包括在第一双折射材料中的轨迹，所述双折射楔由不同于所述第一双折射材料的第二双折射材料制成，其中所述第一和第二双折射材料具有相似的色散特性，以提供一个色散补偿的光学传感器系统。

3.根据权利要求2所述的串行排列的干涉仪光学传感器系统，其中，所述第一双折射材料包括x切割方向的LiB₃O₅，所述第二双折射材料包括MgF₂。

4.根据权利要求1所述的串行排列的干涉仪光学传感器系统，其中，所述偏振读出干涉仪的所述读出路径长度差包括在空间上作为读出轴的函数而变化的读出路径长度差。

5.根据权利要求4所述的串行排列的干涉仪光学传感器系统，其中，所述读出光信号包括在空间上沿所述读出轴分布的信号，且检测位置在空间上沿所述读出轴分布，以在检测位置上提供所分布的干涉图样。

6.根据权利要求5所述的串行排列的干涉仪光学传感器系统，其中，所述聚焦光学装置包括用于沿所述读出轴对所述分布的干涉图样进行聚焦的一个圆柱透镜和一个圆柱镜面中的一个。

7.根据权利要求5所述的串行排列的干涉仪光学传感器系统，进一步包括一根光纤，用于将所述传感器光信号从所述感应干涉仪转发到所述偏振读出干涉仪。

8.根据权利要求7所述的串行排列的干涉仪光学传感器系统，进一步包括一根光纤，用于将光强度从所述光系统转发到所述感应干涉仪。

9.根据权利要求5所述的串行排列的干涉仪光学传感器系统，其中所述传感器路径长度差包括第一双折射材料中的轨迹，所述双折射楔由第二双折射材料制成，其中所述第一和第二双折射材料具有相似的色散特性，以提供一个色散补偿的光传感器系统。

10.根据权利要求9所述的串行排列的干涉仪光学传感器系统，其中所述第一双折射材料包括x切割方向的LiB₃O₅，第二双折射材料包括MgF₂。

11.根据权利要求5所述的串行排列的干涉仪光学传感器系统，进一步包括位于检测位置上的光电检测阵列，用于接收所述分布的干涉图样，并生成作为读出路径长度差的函数的相应的光电检测信号。

12.根据权利要求11所述的串行排列的干涉仪光学传感器系统，进一步包括一个信号处理单元，用于从所述光电检测信号中确定物理量，进而提供一个用于测量所述物理量的静态光传感器系统。

13.根据权利要求12所述的串行排列的干涉仪光学传感器系统，其中，所述信号处理单元包括一个用于确定所分布的干涉图样的最大值的嵌入式软件，以根据对应于该最大值的读出路径长度差来获取所述物理量。

14.根据权利要求13所述的串行排列的干涉仪光学传感器系统，其中，所述嵌入式软件包括一个校准数据库，在该数据库中存有所述物理量的一系列值和与该一系列值相应的传感器路径长度差之间的关系。

15.根据权利要求14所述的串行排列的干涉仪光学传感器系统，其中，所述传感器路径长度差包括第一双折射材料中的轨迹，所述双折射楔由第二双折射材料制成，其中所述第一和第二双折射材料具有相似的色散特性，以提供一个色散补偿的静态光传感器系统。

16.根据权利要求15所述的串行排列的干涉仪光学传感器系统，其中，所述第一双折射材料包括x切割方向的LiB₃O₅，第二双折射材料包括MgF₂。

17.根据权利要求1所述的串行排列的干涉仪光学传感器系统，其中所述偏振读出干涉仪包括一个扫描偏振读出干涉仪，其中，所述读出路径长度差被扫描以在所述检测位置上提供一个扫描的读出光信号，该读出光信号随着所述扫描的读出路径长度差的变化而变化。

18.根据权利要求17所述的串行排列的干涉仪光学传感器系统，其中，所述传感器路径长度差包括第一双折射材料中的轨迹，所述双折射楔由第二双折射材料制成，其中所述第一和第二双折射材料具有相似的色散特性，以提供一个色散补偿的光传感器系统。

19.根据权利要求18所述的串行排列的干涉仪光学传感器系统，其中，所述第一双折射材料包括x切割方向的LiB₃O₅，第二双折射材料包括MgF₂。

20.根据权利要求17所述的串行排列的干涉仪光学传感器系统，进一步包括用于扫描所述双折射楔的位移装置。

21.根据权利要求20所述的串行排列的干涉仪光学传感器系统，进一步包括在检测位置上的单个光电检测器，用于接收所述扫描的读出光信号，并生成一个相应的光电检测信号，其中所述光电检测信号是随着所述扫描的读出路径长度差的变化而变化的信号。

22.根据权利要求21所述的串行排列的干涉仪光学传感器系统，其中，所述聚焦光学装置包括一个透镜和一个镜面中的一个，用于将所述扫描的读出光信号聚焦于所述单个光电检测器。

23.根据权利要求21所述的串行排列的干涉仪光学传感器系统，进一步包括一根光纤，用于将传感器光信号从所述感应干涉仪转发到所述偏振读出干涉仪。

24.根据权利要求23所述的串行排列的干涉仪光学传感器系统，进一步包括一根光纤，用于将所述光强度从所述光系统转发到所述感应干涉仪。

25.根据权利要求21所述的串行排列的干涉仪光学传感器系统，进一步包括一个信号处理单元，用于根据变化的光电检测器信号确定物理量，因而提供一个用于测量所述物理量的扫描光学传感器系统。

26.根据权利要求25所述的串行排列的干涉仪光学传感器系统，其中所述信号处理单元包括一个嵌入式软件，用于确定光电检测器信号的变化的最大值，以根据对应于该最大值的读出路径长度差来获取所述物理量。

27.根据权利要求26所述的串行排列的干涉仪光学传感器系统，其中，所述嵌入式软件包括一个校准数据库，在该数据库中存有所述物理量的一系列值和与该一系列值相应的传感器路径长度差之间的关系。

28.根据权利要求27所述的串行排列的干涉仪光学传感器系统，其中，所述传感器路径长度差包括第一双折射材料中的轨迹，所述双折射楔由第二双折射材料制成，其中所述第一和第二双折射材料具有相似的色散特性，以提供一个色散补偿的扫描光传感器系统。

29.根据权利要求28所述的串行排列的干涉仪光学传感器系统，其中，所述第一双折射材料包括x切割方向的LiB₃O₅，第二双折射材料包括MgF₂。

30.一种基于低相干的干涉测量法、用于测量物理量的方法，其包括：

提供一种光系统，该光系统用于生成具有以相干长度为特征的光强度；

提供一种感应干涉仪，其具有对物理量敏感的传感器路径长度差，该传感器路径长度差根据所述物理量的变化而改变，并且该传感器路径长度差比所述相干长度更长。

提供一种偏振读出干涉仪，其具有一个读出路径长度差，并基于双束干涉仪配置，所述偏振读出干涉仪包括一个用于将光分解为两个线性正交偏振分量的输入偏振器；一个单个双折射楔，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，其用于将在所述楔中传播后的偏振分量重新组合，以及一个聚焦光学装置；

还提供一个位于检测位置光电检测器；

将所述光强度从所述光系统转发到所述感应干涉仪，其中所述感应干涉仪生成作为其传感器路径长度差的函数的传感器光信号；

采用所述聚焦光学装置，通过输入偏振器、双折射楔和输出偏振器向所述输出位置转发所述传感器光信号，并在所述检测位置，通过重新组合所述偏振分量，生成作为所述读出路径长度差的函数的读出光信号；

采用所述光电检测器，检测所述读出光信号，并生成同所述检测到的读出光信号相应的光电检测器信号，该光电检测器信号作为所述读出路径长度差的函数；通过分析作为读出路径长度差的函数的所述光电检测器信号，确定物理量。

31.根据权利要求30所述的方法，进一步包括提供一个关联所述传感器路径长度差与所述物理量的校准数据库。

32.根据权利要求31所述的方法，其中所述提供感应干涉仪包括，在所述传感器路径长度差中提供第一双折射材料中的轨迹，其中所述提供偏振读出干涉仪包括提供由第二双折射材料制成的双折射楔，且进一步包括选择第一和第二双折射材料使得二者具有相似的色散特性，所述第一和第二双折射材料不同，以提供一个色散补偿的光传感器系统。

33.根据权利要求32所述的方法，其中所述转发所述传感器光信号包括，沿所述双折射楔分布所述传感器光信号，以生成作为所述读出光信号的空间分布的干涉图样。

34.一个对温度敏感的色散补偿的串行排列的干涉仪，其包括：

一个具有LiB₃O₅晶体的感应干涉仪，该LiB₃O₅晶体具有X切割方向和LiB₃O₅双折射色散，所述感应干涉仪具有一个包括在所述LiB₃O₅晶体中的轨迹的传感器路径长度差，该路径长度差对温度敏感并根据温度的变化而改变，以提供一个对温度敏感的干涉仪；以及

一个光耦合到所述感应干涉仪的读出干涉仪，该读出干涉仪具有MgF₂双折射色散的MgF₂晶体，所述读出干涉仪具有一个包括在所述LiB₃O₅晶体中的轨迹的读出路径长度差，凭借所述MgF₂双折射色散至少部分补偿所述LiB₃O₅双折射色散。

35.一个具有路径长度差的偏振干涉仪，用于当接收到输入光时提供输出信号，该偏振干涉仪包括：

一个输入偏振器，用于将所述输入光分解为两个线性正交偏振分量；

单个双折射楔，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，用于重新组合经由所述折射楔传播后的偏振分量；以及

一个聚焦光学装置，用于通过输入偏振器、单个双折射楔和输出偏振器，向输出位置转发输入光。

其中所述干涉仪当接收到所述输入光时，在输出位置提供作为路径长度差的函数的所述输出信号。

36.根据权利要求35所述的偏振干涉仪，其中，所述单个双折射楔包括MgF₂晶体。

37.根据权利要求36所述的偏振干涉仪，其中，所述路径长度差包括在空间上作为读出轴的函数而变化的路径长度差，所述输出信号包括在空间上沿所述读出轴分布的信号，且该输出位置在空间上沿所述读出轴分布，以在输出位置提供一个分布的干涉图样。

38.根据权利要求36所述的偏振干涉仪，进一步包括用于相对所述输入光，扫描所述单个双折射楔的装置，并从而扫描了路径长度差，以在所述检测位置提供一个扫描的输出信号，该输出信号随所述扫描的路径长度差的变化而变化。

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