CN101632048A

CN101632048A - 带相干反馈的光学系统

Info

Publication number: CN101632048A
Application number: CN200680052579A
Authority: CN
Inventors: A·萨里尔; E·摩西; E·康福蒂; S·莱维特; J·加西亚; Y·赫费茨
Original assignee: Lenslet Ltd
Current assignee: Lenslet Ltd
Priority date: 2005-12-08
Filing date: 2006-12-08
Publication date: 2010-01-20
Also published as: WO2007141598A3; EP1987410A2; WO2007141598A2

Abstract

本发明公开一种对光场振幅灵敏的光测量系统。该系统使用干涉仪，同时反馈回路将从干涉仪的至少一个光输出出射的光强度保持在低水平。因此降低了干涉仪的输出处的检测器的散粒噪声，从而能够无需更强的光源而实现高速和高精确度测量。该测量系统可以在光计算中使用。

Description

带相干反馈的光学系统

相关申请

本申请要求2005年12月8日提交的美国临时申请号US60/748,422，标题为“Optical Multiplier with Coherent Feedback(带相干反馈的光学乘法器)”的依据119(e)的权益，其公开通过引用结合于本文。

技术领域

本发明大致涉及光处理领域，例如，光处理器，诸如使用相干反馈以减少读出散粒噪声的矢量-矢量乘法器或矢量-矩阵乘法器。

背景技术

光学矢量-矢量乘法器(VVM)和矢量-矩阵乘法器(VMM)一般是本领域中公知的。

在本领域中公知的光学VVM设计中，第一矢量的元素值表示为光信号，其中光的强度表示要相乘的值。每个光信号通过表示第二矢量的对应元素的光透射比的光衰减器。扇形收缩式光学器件(fan inoptics)收集表示第一与第二矢量的对应元素的倍率的衰减的光，并将其引导到光检测器。虽然所用的光源可以是相干源(例如激光)，但是光收集过程是不相干的，这导致光总强度等于所有收集的光束的强度之和。

这些系统中的主要噪声源是检测器上将表示计算结果的模拟光信号转换成电信号，然后使用模数转换器(ADC)转换成数字形式时的散粒噪声。

散粒噪声与所检测的光子的数量的平方根成比例。在精度极限处，精度上提高任何一位(bit)：计算会按4的系数减慢，光功率会按4的系数提高，或两者的组合导致用于表示结果值的光子数量上四倍增加。这对光计算机的精度和速度设定了一个极限。

当设计精确的光测量系统时也会遇到相似的散粒噪声问题。确切地说，难以测量大光信号中的小变化。散粒噪声因此阻碍了光计算机和测量系统的动态范围的增加。

发明内容

本发明一些实施例的目的在于使用相干光和反馈回路来提取测量的值。可选地，这用于减少散粒噪声。一些实施例能够实现更高速度和更高精度的光计算和测量而无需过度提高激光功率。一些实施例能够进行光计算和测量同时减少如下一个或几个系统缺陷的负面影响：例如光源不稳定、光系统不稳定、检测器噪声、检测器的非线性以及系统组件的有限动态范围。

本发明的一个方面在于能够精确地测量光衰减器的衰减而无需使用过强的光源或过长的积分时间。可选地，这通过减少检测器所检测到的光来实现。可选地，通过提供干涉仪来减少光，干涉仪的一个输入是已知的和/或可控的，而其输出在检测器上反映为相消干涉。

为此目的，干涉仪构造为具有要在第一臂中测量的衰减器和第二臂中的反馈衰减器。将来自光源的相干光在干涉仪的两个臂之间分光。在通过第一臂中的已测衰减器和第二臂中的反馈衰减器之后，来自两个臂的光彼此干涉，通过至少一个关键输出离开。干涉仪构造为使得在两个臂处的衰减相等时，离开关键输出的光强度为最小或某个其他期望的值。反馈回路控制反馈衰减器以使光强度在干涉仪的所述至少一个关键输出中是最小的。从而减少干涉仪的关键输出处设置的弱照明检测器处的散粒噪声，它与所述检测器上的强度的平方根成比例。当所述关键检测器上的光处于或接近最小强度时从反馈回路的状态提取测得的衰减的值。

在一个实施例中要测量的光衰减器表示光计算的结果，例如：标量的正乘法或双极乘法或矢量-矢量乘法。

本发明的上述示范实施例的一个潜在优点在于对相干光强度的变化不灵敏。因为干涉仪的两个臂中的衰减平衡导致至少一个关键输出处的光最小或无光，所以光源强度的大变化对反馈回路的状态保持平衡的影响可忽视。因此，尽管光源的变化大，仍可以测量衰减值的小变化。这一点能够实现成本的降低，因为可以使用例如二极管激光器的简单激光器而无需被动或主动地稳定激光器输出。可选地，可以将相干长度和/或强度稳定长度选为使这些光路匹配。备选地或附加地，将这些光路修改为使得它们在长度上接近或相等。

本发明的一些实施例的另一个潜在优点基于如下事实，系统的动态范围受限于反馈回路而非检测器的动态范围。可以将反馈回路中衰减器的电子元件设计为具有测量值所需的动态范围。相比之下，检测器上的光强度在执行测量时的关键时间期间保持在有限的范围内。

可选地，可以使用对光强度具有实质上非线性响应的光检测器，只要所述非线性检测器上的信号随着光强度消失而消失即可。相似地，光检测器的前端放大器可以是非线性的或具有有限的动态范围或甚至本质上是二进制的。

确切地说，根据本发明的示范实施例的系统和方法使用“空检测”，其中在计算结果的点处，检测器被干涉仪的“暗条纹”照射，因此检测器检测到的光亮度级是最小的，并且由于干涉仪的有限对比度，消除了散粒噪声或至少将其减至所产生的暗电流或寄生光所设置的值。

在根据本发明一些实施例的方法中，将来自单个激光器的相干光分成两个分支：计算(或者说测量)分支；以及反馈分支。

计算分支中的光经过与现有技术中公知的光处理器中采用的处理类似的光处理。但是与非相干光处理器相比，保持光的相位。

例如：

1.在矢量矢量乘法器(VVM)，相干光进入计算分支，其中：

a)将其分光到多个通道间，这些通道通常对应于多个矢量元素。

b)对于每个通道，将光调制为使光场振幅表示第一矢量元素的对应值。

c)对于每个通道，进一步按表示第二矢量元素的对应值的系数将光的振幅衰减。因此，光振幅表示第一与第二矢量元素的对应值的相乘。

d)将来自所有通道的光相干地相加在一起以形成具有表示矢量矢量相乘之和(即VVM数学运算的结果)的场振幅的输出光信号。

2.矢量矩阵乘法器(VMM)可以表示为第一矢量与多个第二矢量的平行VVM；并将来自VVM运算的结果重组为第三矢量。在VMM中，相干光进入计算分支，其中：

a)将其分光到K个输入通道间，K对应于第一矢量元素的数量。

b)对于每个输入通道，将光调制为使其场振幅表示对应的第一矢量元素的值。

c)将来自每个输入通道的光进一步分光到N个输出通道间，N对应于第二矢量元素的数量(形成N＝K*M个通道)。

d)对于每个输出通道，进一步按表示对应{k，m}矩阵元素的值的系数将光衰减。通道中的光的场振幅表示第一元素与矩阵元素的值相乘。

e)将来自与矩阵中相同行对应的所有通道的光相干地相加在一起以形成具有表示矢量矩阵相乘的第三矢量元素(即可VMM数学运算的结果)的场振幅的输出光信号。

应该注意计算中使用的值可以分成多个部分并按多个部分执行计算。维数大于可用通道的矢量(或矩阵或二者兼有)可以按多个部分相乘(例如，串行和/或并行)并将结果组合。附加地或备选地，可以将矢量(或矩阵或二者兼有)的元素分成多个部分，例如个别的位或一组位，并对这些部分执行计算，然后在考虑这些位或一组位的相对位置的同时将结果进行组合。

与其中检测输出光并将其数字化的非相干VVM或VMM处理器相比，在根据本发明的示范实施例的方法中，以干涉测量方式将输出光与来自反馈分支的光组合。反馈分支中的反馈机构对反馈光操作以在干涉仪的输出处产生最小光强度，其方法是通过提供与计算分支光信号具有相同场振幅但是相位相反的反馈光。可选地使用反馈回路衰减器以提供具有期望的绝对值振幅的反馈光。通过光干涉测量系统的特性和/或使用相移部件(可选地为可控的)来可选地保持反馈回路光的正确相位。可选地在反馈回路中使用移相器来确保反馈光的正确相位。

当在检测器上达到最小光条件时，反馈光因反馈回路的反应而产生的场振幅就表示期望的计算结果。

在一些实施例中，在处理时，光不是相干的，但是在处理之后，使之成为相干的，例如使用其振幅是通过以功率和/或控制信号的形式撞击非相干光确定的相干光源来处理。

在这些实施例的其中一些中，反馈回路和反馈信号是模拟的，并通过对所述反馈信号数字化来获得结果。

在其他一些实施例中，反馈回路是数字回路，使用数字步骤来更新反馈控制信号，并从数字状态的反馈回路获得计算结果。

在这些实施例的其中一些中，数字反馈回路使用“逐次逼近算法”，其中更改反馈控制信号时所用的步骤的大小具有变化的大小，例如，每个连续步骤按2的系数递减。

在这些实施例的其中一些中，使用逐次逼近算法，步骤的数量对应于计算结果中的位的数量。

在一些实施例中，位的数量取决于期望的计算精度并且可以根据计算环境改变。例如，可以采用比非关键计算高的精度执行关键计算，其方式类似于电子计算机中使用的“双精度”的使用，但是可以选择任何位数量。

应该注意在根据本发明示范实施例的一些方法中，计算时间与精度大约为线性的。

在逐次逼近的一些实施例中，位的数量(对应于计算分解的精度)等于步骤的数量，并因此与计算时间成比例。这与现有技术相当悬殊，现有技术中信号积分的时间与精度的平方成比例。

根据本发明一些实施例的方面，同时使用光场的振幅和相位作为表示值的方式，从而有利地利用了相干光处理。

在相干光求和中，将光的电磁场作为二维矢量相加。因此，通过笛卡尔坐标中的复数来标识场振幅。为了使检测器上的光为零，计算结果场和反馈场的振幅必须刚好彼此为负。即强度刚好为相同，但是相位彼此相反。

因为检测器一般具有有限面积，所以光在检测器上生成的电流是撞击检测器表面的总光功率的累积和。每个点处，功率由作为该点处的计算场合反馈场的矢量和给出的检测器上的场的平方的绝对值给出。在整个检测器的有效面积上可选地维持或至少大致维持振幅相等且相位相反的要求。

在一些应用中，可以假定计算中所用的值是不相关的或伪随机的。此外，在许多应用中可以对值重组(或以其他方式修改，例如通过添加随机值)来确保这些值的不相关或伪随机特性。已经使用模拟评估输入矢量和矩阵元素的值的随机特性产生具有在大多数输入情况下在统计上保持相似的形状的光束。

因此，可以产生并使用大致与计算结果光束形状匹配的反馈光束，其产生微小或可忽略的误差。

作为备选或附加方式，例如通过在检测器前设置光圈来限制检测器的有效面积，可以通过仅允许来自光束中心的场在检测器上干涉来提高精度。因为噪声与检测器上的光量不是非常相关，所以由于光圈所致的光损失的负面影响小。例如，可以选择允许总光束功率的90％的光圈，或者可以选择仅允许总光束功率的20％到80％的光圈。

在本发明的一些实施例中，将光圈的尺寸设为输入值所要求的误差容限和/或输入值的统计属性的已知匹配。

或者，可以使用“软”光圈或切趾光圈(例如带齿边缘光圈或灰度光圈)。可选地或备选地，可以使用光纤光学元件来对光束重新构形，例如可以使用单模光纤来将光束重新构形成接近衍射极限的高斯形状。可选地或备选地，可以对两个分支的其中之一或分别地对二者执行光束形状操纵。

在本发明的一些实施例中，根据本发明的系统中所用的至少一些光调制器是干涉调制器。

例如，可以将Mach-Zehnder干涉仪与设在其臂中的光电系统结合使用来调制光场。使用干涉仪作为调制器的一个潜在优点在于不像吸收型调制器，它还可以用于将光束的相位反转来表示负值。而且，不像吸收型调制器，大量光离开干涉仪，并不产生热，从而无需从系统散热。

附加地或备选地，可以使用移相装置来影响光束的相位以表示负值或复数值。

可以利用反射镜、透镜、透镜组(lenslets)、分束和/或其他光学部件以使用自由传播光束来制造干涉仪。

作为光学系统三维构造的备选方案，可以使用平面光学系统，其中将光以一维形式限制在介质材料薄层中。用于这些二维系统的光学元件例如通过平版印刷技术在玻璃薄层或其他透光基层上制作，其厚度约为传播光的波长。

与光散射和光束发散有关的问题可选地在这些二维系统中得以最小化，因为光实际仅在该层内散射或发散。而且，可选地在支持一个或少量的横向模式的维数中保持光束形状。

一维光学系统可以使用单模光纤来构造。可选地，使用偏振维持光纤。在这种光纤中传播的光的光束形状被保持，且在一些情况中该光束形状取决于光纤特征。应该注意可以采用平版印刷方式通过在透射基板的薄层上蚀刻薄光导来制作一维光学系统。

可以使用一维、二维、三维系统的组合来构造期望的光学系统。

在一些实施例中，根据本发明的系统中使用的元件是非理想的。例如用作调制器的元件可能具有非理想的响应。例如，用作调制器的Mach-Zehnder干涉仪具有周期性响应。可选地，使用计算值的预处理来进行补偿。在本发明的一些实施例中，对输入值(例如输入的矢量元素的值)进行预处理，之后才在调制器中使用它们来作用于光场。

在本发明的一些实施例中，对输出值(例如检测到光信号的值或反馈回路信号)进行后处理，之后才使用它们。例如，可以对表示计算结果的输出信号进行后处理以校正系统的非线性或已知系统误差。

可以使用模拟或数字或模拟与数字的组合来进行预处理、后处理或二者兼有。

为了实现快速计算周期，所有时变元件的驱动器可选地为快速的。例如，反馈回路中使用的检测器、驱动器和调制器可选地进行快速反应以使检测器中在时间上等于或短于计算周期时间的信号减至最少。一般，二进制电子元件较快速，并在相当速度下比线性电子元件消耗更少的功率。

在本发明的一些实施例中，二进制电路用于驱动例如根据本发明的一些实施例的相干反馈光计算系统的反馈回路调制器的部件。

例如，在连续的逼近反馈回路中，反馈场可选地按预定的缩减大小的步阶来改变。或者，可以使用类似于“西格玛德尔塔(sigma delta)”算法的算法。

在本发明的一些实施例中，使用快速雪崩光二极管(APD)作为检测器。这些检测器是快速且灵敏的。可选地，在其线性范围外部使用APD以获取非线性或二进制反馈回路中的增加的灵敏度和速度，而不会有损于总精确度。随着系统逼近分支之间的平衡，所以检测器上的信号减小而APD通常进入它的线性工作范围。相似地，这种技术还可以用于要被检测的信号调整在检测器的最佳精确度的窗口内。

在本发明的示范实施例中，要检测的信号在量值上是干涉前要测量的信号的30％以下、20％以下、10％以下、5％以下(或中间值)。作为备选或附加方案，要检测的信号的范围在量值上是干涉前要测量的信号的30％以下、20％以下、10％以下、5％以下、2％以下(或中间值)。可选地，散粒噪声按至少1、2、2、3、4、5、10或中间值的系数下降。

应该注意，单个系统可以包括两个或两个以上不同的测量电路，例如一个电路使用本文描述的干涉测量技术(例如，用于较大值)以及另一个使用标准或其他类型检测器(例如，用于低值或在由于如输入的过相关而导致干涉测量技术失效的情况)。

在本发明的一些实施例的另一个宽泛方面中，提供一种具有相干反馈的测量系统。

根据本发明的实施例的系统使用相干反馈回路来增加测量的速度和/或精确度。

在现有技术中使用的光测量系统中，使用变换器(transducer)来生成或调制指示被测值的光信号。然后利用检测器检测此信号，检测器将光转换成电信号，这常常是进行数字化。系统的分辨率无法好于检测器上的散粒噪声，因此强信号或长积分时间是必要的。

干涉测量法在本领域中是公知的，但是常常限于调制光信号的相位的变换器。这种系统的示例是常用于精确距离测量或光陀螺仪测量旋转速率的Michelson干涉仪。

本发明的一些实施例的目的在于，提供一种使用相干反馈回路的测量系统，其中光信号的振幅表示测量值。

本发明的一些实施例的另一个目的在于，提供一种使用相干反馈回路的测量系统，其中光的振幅和相位指示测量值。

在本发明的一个实施例中，使用相干反馈的光测量系统包括：提供相干光的相干光源；分束器，将来自所述相干光源的光分成测量分支和反馈分支；调制测量分支中的光以指示测量值的至少一个变换器；调制反馈分支中的光的至少一个光调制器用于将来自测量分支的光与来自反馈分支的光干涉的至少一个干涉仪；检测所述干涉仪的暗条纹的光的至少一个光检测器；以及反馈回路，响应来自所述至少一个光检测器的信号来控制反馈分支处的光调制器。

在一些实施例中，变换器调制测量分支中的光强度，并在测量分支与测量和反馈分支中的场振幅相等时，从反馈光的强度推断测量值。

在另一个示范实施例中，变换器调制测量分支中的光的强度和相位，反馈调制器调制反馈分支中的光的强度和相位。

在一些实施例中，所述反馈回路是非线性反馈回路。

在一些实施例中所述非线性反馈回路是二进制反馈回路。

在本发明的一些实施例中，当所述第一检测器上的光强度小时，对计算或测量值的直接测量取自第一光检测器；当计算或测量值的测量取自反馈回路时，可选地在所述第一检测器上的光强度大于预设值时使用第二光检测器。

在本发明的一些实施例中，使用反馈回路来跟踪待测的外部系统中的变化，并使用样本和保持来对反馈信号的状态采样。在一些实施例中，对反馈信号施加高频调制并使用高频调制进行跟踪。

除非另行定义，否则本文中使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域技术人员的常识相同的含义。虽然可以在本发明的实践或测试中使用与本文描述的那些相似或等效的方法和材料，但是下文描述了适合的方法和材料。如有冲突，将以本发明说明书(包含定义)为主。此外，这些材料、方法和示例仅为说明性的并无意作为限制。

附图简介

本文通过仅举例形式参考附图来描述本发明。现在具体详细地参考附图，要强调所示出的细节是举例形式的且仅是为了说明论述本发明的优选实施例，这些细节是基于确信有助于和易于理解本发明的原理和概念方面的描述而提出的。基于此，对本发明的结构细节的图示，在详细程度上不尝试超过基本理解本发明所需的，使得结合这些附图描述如何在实践中实施本发明的多种形式对于本领域技术人员是显而易见的。

在这些附图中：

图1说明现有技术中公知的简单光乘法器；

图2以示意形式说明如本领域中公知的2×2光矢量-矢量乘法器(VVM)。

图3以示意形式说明根据本发明实施例的相干反馈光乘法器；

图4a说明根据本发明实施例的使用二进制反馈回路的光乘法器；

图4b说明根据本发明实施例的使用数字反馈回路的光乘法器；

图4c说明根据本发明示范实施例适用于处理双极值的光乘法器；

图5a说明根据本发明另一个方面的具有相干信号反馈回路的光计算系统；

图5b说明根据本发明实施例的具有相干信号二进制反馈回路的光计算系统；

图5c说明根据本发明另一个方面的具有相干信号反馈回路的光计算系统；

图6说明根据本发明实施例的光VVM的计算分支的示意框图；

图7以示意方式说明根据本发明实施例的使用分束器的光VVM的计算分支的框图；

图8说明根据本发明实施例的使用用于分束和组合光束的透镜的光VVM的计算分支的示意框图；

图9以示意方式说明根据本发明的示范实施例的具有相干反馈回路的光VMM；

图10说明根据本发明示范实施例使用相干反馈的测量系统的示意框图；以及

图11说明根据本发明示范实施例的使用能够测量衰减和相移的相干反馈的测量系统的示意框图。

具体实施方式

下文的详细描述是实现本发明的最佳专门设想的方式的。此描述不应视为限制意义上的，而是仅出于说明根据本发明的通用原理而进行的描述。本发明的范围由所附权利要求最佳地定义。

在详细地解释本发明的至少一个实施例之前，应理解本发明在其应用上并不限于下文描述中提出或附图中图示的构造的细节和组件的布置。本发明能够有其他实施例或以多种方式实施或实现。而且要理解，本文采用的词汇和术语出于描述目的且不应视为限制。

在下文描述的多种附图的论述中，相似的编号指代相似的部分。

这些附图一般未按比例绘制。

为了简明，从一些附图中省略了非基本的部件。正如本文所使用的，以单数形式且以“一个”开头的部件或步骤应理解为并不排除多个部件或步骤，明确指出这种排除的情况除外。

参考附图，图1说明如本领域中公知的简单光乘法器100。

从光源104发出的输入光102进入光乘法器，光乘法器由沿着输入光102的光路设置的两个光强度衰减器106a和106b组成。

出射光110的强度由如下公式定义：

Exit＝Input*Transmission(a)*Transmission(b)＝Arbitrary*Value(a)*Value(b)

其中Exit是出射光的强度；Input是入射光的强度；Transmission(a)和Transmission(b)分别是衰减器106a和106b的透射比；Arbitrary是取决于系统构造的随机系数；以及Value(a)和Value(b)是要相乘的两个数值。

出射光110入射到光检测器112上，并被转换成与出射光的强度成比例的电信号。最后，模数转换器(ADC)114将来自光检测器112的电信号转换成数字形式。

为了简明，数字信号由细箭头表示，模拟电信号由中等箭头表示，而光路由粗箭头表示。

图2以示意方式说明如本领域中公知的光2×2矢量-矢量乘法器(VVM)200。

从光源204离开的输入光202被分束器205分成两个相等强度202-1和202-2的分支。

每个分支的光通过包括两个光强度衰减器的光乘法器。乘法器1包括衰减器206a1和206b1，而乘法器2包括衰减器206a2和206b2。为了简明，示出两个乘法器，但是乘法器的数量可以更多。

强度衰减器206由电子驱动器208以电方式控制，使得每个衰减器的透射度与要相乘的对应数值209a1、209a2、209b1和209b2成比例。

出射光210-1的强度因此与Value(a1)*Value(b1)成比例。相似地，出射光210-2的强度因此与Value(a2)*Value(b2)成比例。

出射光信号210-1和210-2以非相干方式在组合器211中组合，然后所产生的光入射到光检测器212上，在其中所产生的光被转换成电信号。最后，ADC 214将来自光检测器212的电信号转换成数字形式。

使用此光乘法器，数字输出215表示a1*b1+a2*b2的数学运算。此运算相当于矢量A＝{a1，a2}与矢量B＝{b1，b2}的矢量积。

该系统可以通过创建与矢量的维数一样多的通道来扩展到更大维的矢量。

将这种类型的系统向矢量矩阵乘法器(VMM)扩展是本领域中公知的。

例如Drer G.Fietelson的“光计算”(“Optical Computing”，Chapter4.3 MIT press 1988，其公开通过引用结合于本文)中描述的称为“标准光VMM”的处理器体系结构建议基于透射度矩阵使用光模型来执行矢量矩阵相乘(VMM)。在例如“可编程模拟矢量矩阵乘法器”(″Programmable Analog Vector-Matrix Mupltiplers″，by F.Kub，K，Moon，I.Mack，F，Long，in.IEEE Journal of Solid-State Circuits，vol 25(1)pp.207-214，1990，其通过引用结合于本文)中描述一种模拟电子矢量矩阵相乘单元。

美国专利4,937,776、5,448,749和5,321,639(其公开通过引用结合于本文)显见地描述了包括为用于矩阵/矢量操纵而建议的光学元件的体系结构。

光计算机的精确度上的一个限制是，检测器上不可避免的“散粒噪声”。甚至在理想的光检测器中，噪声至少等于检测到的光子的数量的平方根。因此要以高精确度测量信号，需要大量的光子。可以使用强光源或长积分时间。

因此，每个附加位的输出精确度需要：按4的系数减慢计算、按4的系数提高光功率，或减慢计算并提高光功率。这常常对光计算机的精确度和速度设置了限制。

根据本发明一些实施例的光系统和方法在关键检测器(或多个关键检测器)上光强度为最小或为零时工作。其潜在的优点在于，可以克服上面的限制。根据本发明示范实施例的系统使用光束之间的相干相减干涉：第一波束表示要测量的值，例如计算结果；而第二光束由反馈回路生成和控制。当第一和第二光束之间达到平衡时，输出处的光强度最小且与其检测关联的噪声也较小。测量值是从反馈回路电路推断出的。

图3说明根据本发明实施例的相干反馈光乘法器300的示意表示。

从相干光源304发出的相干输入光302被分束器305分成两个路径：计算通道输入光束302C和反馈通道输入光束302F。相干光源304可以是激光，优选地是固态激光，例如二极管激光或垂直空腔表面发射激光(VCSEL)。

计算输入通道302C的光通过光乘法器，光乘法器包括两个光振幅衰减器。该乘法器包括衰减器306a和306b。

振幅衰减器306由电子驱动器308以电方式控制，使得每个衰减器的振幅透射度与要相乘的数值“a”和“b”(分别由309a和309b表示)成比例。

光的强度与光场的平方振幅的绝对值成比例。因此，振幅衰减器306的驱动器308配置成使得衰减的光束的振幅与期望的值成比例。例如，要表示1.0的值，可以使用1.0的强度透射度(完全透射)；要表示值0.0，可以使用0.0的强度透射度(完全不透射)；以及要表示值0.5，可以使用0.25(0.5²)的强度透射度。

与其中不由始终为正的光强度来直接表示负数的相干光处理器相比，负振幅可选地由对光场的180度相移来实现。这样可以可选地由可控移相器(未示出)来表示。应该注意在一些实施例中，衰减器306不会引入意外和/或未知的相移。

计算通道出射光310C的振幅因此与a*b成比例。应该注意a和b都可以具有正值和/或负值。

反馈通道输入光束302F的光通过反馈衰减器驱动器308f驱动的反馈振幅衰减器306f。在本示例中，对反馈衰减器驱动器308f的输入是模拟形式的。

相干检测单元325将反馈振幅衰减器306f控制为当计算通道出射光310C的振幅等于反馈通道出射光310F的振幅时获得数字输出315。在此情况中，衰减器306f的振幅衰减的振幅透射比“f”等于衰减器306a和306b的组合振幅透射比，因此f＝a*b。

一般，相干检测单元325包括至少一个分束器。当两个光束进入分束器时，在两个光束之间发生干涉，使得在分束器的一个出口处，光场振幅是两个进入光束的振幅之和，而在另一个出口处，光场振幅是这两个进入光束的振幅之差。

在图3的示例中，相干检测单元325包括接收计算通道出射光310C和反馈通道出射光310F的分束器311。两个光束离开分束器311分别为：亮条纹310B和暗条纹310D。

为了简明，亮条纹由实线粗箭头标记，而暗条纹由虚线粗箭头标记。

开始于例如2.0的强度(任意单位)或2.0^1/2的场的输入光302，使用50∶50分束器305，在每个通道302C和302F的输入处有一个相等场振幅1.0(任意单位)。在通过每个通道中的衰减之后，计算通道出射光310C处的振幅是a*b，而反馈通道出射光310F处的振幅是f。

在50∶50分束器311的输出处，亮条纹310B的场振幅等于：

B＝1/2^1/2*(a*b+f)，且强度为：

|B|²＝|1/2^1/2*(a*b+f)|²＝1/2*(a*b)²+1/2f²+a*b*f；

而暗条纹310D处的场振幅等于：

D＝1/2^1/2(a*b-f)，且强度为：

|D|²＝|1/2^1/2*(a*b-f)|²＝1/2*(a*b)²+1/2*f²-a*b*f。

因此，光在暗条纹处最小，即当f＝a*b时在检测器312上最小。

反馈逻辑320从检测器312接收信号，并通过驱动器308来控制衰减器306f以便在获得输出315时达到平衡状况。

在一个实施例中，反馈逻辑320扫描(sweep)或倾斜(ramp)可能值，并识别检测器312处产生空信号的最可能值f。例如，ADC 314可以是在扫描期间检测器312的信号低于小的预设阈值时被触发。

在另一个实施例中，反馈逻辑320搜索f的可能值以查找使检测器312的信号最小的值。例如，可以使用“数字处方”(“NumericalRecipes”(William H.Press et al，Cambridge University press，Chapter 10，pages 274-277))中描述的最小化方法。应该注意检测器上的信号是f的尝试值的凹函数，并存在且容易发现单个最小值。实际上，在一些情况中，此函数大约为抛物线的，从而允许使用优化此类形状的方法。

应该注意，可以使用50∶50以外的比率的分束器。

利用能够实现完全透射的理想或接近理想的衰减器，使用两个50∶50分束器达到光的最优利用。可以使用不同的分束比率来补偿两个通道之间的不平衡。当使用50∶50以外的分束比率时，在f＝C*a*b(其中C是某个常数)时可以达到最小暗条纹。

图4a说明图3的光乘法器的二进制反馈回路变化的实施例，其中将模拟相干检测单元325替换成二进制相干检测单元425。

脉冲发生器430以高速率产生脉冲。

在工作中，模拟累加器420累计来自脉冲发生器430的脉冲的电荷，从而产生被模拟驱动器308f接收的倾斜模拟电压。同时数字累加器418累加(计数)这些脉冲，从而生成表示f的数值。

比较器416将来自光检测器312的信号与预设的接近零的阈值比较。当阈值交叉时，指示检测器312上的光接近于零，比较器416暂停计数，并使数字累加器418呈交它的值作为数字结果315。

本实施例用于演示根据本发明一些实施例的二进制反馈回路的实现。

应该注意，可达到最终值所需的周期数可能很大。此外，如果噪声偶尔高于预设阈值，则还存在检测器或比较器上的噪声可能导致由于阈值可能无法交叉而回路无法闭合的危险。此外，精确度也受限于比较器的预设阈值。

图4b是说明图4a的光乘法器的数字反馈回路改型的实施例，其中将二进制相干检测单元425替换成数字相干检测单元465。

数字斜坡发生器460产生由数字驱动器408f接收的数字斜坡值。

比较器416将来自光检测器312的信号与预设接近零的阈值比较，比较器416暂停斜坡并使数字斜坡发生器460呈交它的值作为数字结果315。

应该注意，虽然图4b的实施例看上去比图4a的实施例简单，但是实现高速模拟累加器和数字计数器的构造可以比高速数字驱动器的构造更简单。当数字驱动器308a和308b按每个计算周期改变它们的值时，反馈驱动器(例如308f和408f)基于每个反馈周期来更改它们的值，并可选地由比计算通道的衰减器的驱动器(308a，b)更快速的组件制成。

图4c说明根据本发明示范实施例的适用于处理双极值的光乘法器400。

在此实施例中，移相器306’与每个衰减器306添加在一行上。

在计算分支480C中，移相器306’a和306’b分别与衰减器306a和306b添加在一行上。应该注意衰减器和移相器的次序可以是任意的，因为在数学上来说它们的作用可以表示为光场与复数常数相乘，以及乘法运算变换方向(commutate)。

移相器306’从驱动器308接收表示值的符号(正号或负号)的信号，并相应地施加180度的相移。

或者，可以在计算分支中每个乘法通道仅安装一个移相器，并其状态可以由要相乘的两个值的组合符号确定。

在反馈分支480F中，将移相器305’f与衰减器306f添加在一行上，从而从驱动器408f接收信号，并在需要时对反馈路径中的光施加180度的相移。

或者，单个乘法器结果的符号可以由要相乘的两个值的组合符号以电方式确定，并将其与结果的数值一起呈交。

但是，正如下文将演示的，当计算分支包括用于执行更复杂的运算(例如VVM)的乘法通道时，每个通道使用至少一个移相器来表示双极值是有利的。

图5a说明根据本发明另一方面的具有相干带符号的反馈回路500的光计算系统。

最小值搜索算法的缺点在于，检测系统产生并被反馈回路使用的错误信号不包含有关要将尝试值所改变到的方向的信息。逐次的“试误”步骤收集方向信息，这可能降低系统的速度。

根据本发明一个方面，在反馈回路中使用至少两个检测器，每个检测器从干涉仪的不同输出端口接收光，并通过比较来自所述至少两个检测器的信号来推导出带符号的错误信号。

系统500包括三个子单元：计算分支408C；光干涉仪502；和带符号的反馈回路501。

正如已经描述的，计算分支408C通过衰减并可能地导致相位反转来使光通过它。

光干涉仪502从相干光源304接收输入光，并产生至少两个光输出523PD和523ND以被带符号的反馈回路501用来产生带符号的信号以便将回路闭合。光干涉仪502构造成在该干涉仪平衡时至少一个和可能地两个光输出为处于零或接近零的光信号。

在图5a的示范实施例中，光干涉仪502包括拾波分束器(pickoffbeam splitter)520，拾波分束器520从输入光束302中分出弱偏置光束形式的少量光。大部分的光作为主输入光束502离开拾波分束器520。

分束器505将主输入光束502分成计算输入光束502C和反馈输入光束502F。

在计算通道处，计算分支480C对该光束作用，从而产生计算通道出射光510C。计算通道出射光510C被分束器522分成两条相等的光束510C’。

在反馈通道处，反馈分支480F对光束作用，从而产生反馈通道出射光510F。在分束器521处与反馈通道出射光510F干涉，从而产生两个稍微不相等的光束：正反馈光束510FP和负反馈510FN，具体取决于分束器521处的场干涉的符号。

正反馈光束510FP和负反馈510FN的每一个与光束510C’的其中之一干涉，并且所产生的暗条纹523PD和523ND分别离开光干涉仪502，并分别检测器512P和512N检测到。

在偏置光束502d具有可忽略的强度且干涉仪平衡(即f＝a*b)的限制下，暗条纹523PD和523ND都表示检测器512P和512N的光功率为零。

但是，弱偏置光束502d打破了暗条纹523PD和523ND之间的对称性，从而能够通过比较检测器512P和512N上的信号来确定带符号的反馈信号。

为了分析检测器所产生的信号之间的差，从相干光源304处以某个任意强度单位的2.0+d²的功率开始。在拾波分束器520拾取光束302的d²功率情况下，光束502具有2^1/2的振幅，而光束502d具有d的振幅。

在分束器505将502分束之后，两个光束502C和502F都具有1.0的振幅；因此，光束510C和501F分别具有a*b和f的振幅。

光束510被均等地分成两个完全相同的光束510C’，每个光束510C’具有1/2^1/2a*b的振幅。

光束510F与光束502d干涉以产生如下两个光束：

光束510FP，具有1/2^1/2*f+1/2^1/2*d；以及

光束510FN，具有1/2^1/2*f-1/2^1/2*d。

在分束器523P的暗条纹输出处，光束523PD具有如下振幅：

1/2^1/2*a*b-(1/2^1/2*f+1/2^1/2*d)；而

在光束523N的暗条纹输出处，光束523PN具有如下振幅：

1/2^1/2*a*b-(1/2^1/2*f-1/2^1/2*d)。

因此，检测器512P上的功率由如下公式给出：

，其中D＝a*b-f表示计算值a*b与反馈值f之间的差。当f＝a*b时，检测器512P上的功率(由

给出)为小。

相似地，检测器512N上的功率由如下公式给出：

当f＝a*b时，检测器512N上的功率(由1/2*d²给出)为小。

为了产生带符号的反馈信号，差分放大器520以模拟方式从检测器512N的信号减去检测器512P的信号以给出：

，这是与反馈回路中的误差a*b-f成比例的带符号的值。

在图5a的示范实施例中，模拟积分器525对来自差分放大器520的误差信号积分，并将其馈送到反馈分支480F，从而将反馈回路闭合。

ADC 514将反馈信号数字化以产生期望的数字结果315。在计算分支408C处输入a和b的新值之后，可以在反馈回路开始作用(settle)时(例如通过观察差分放大器520的输出处的小信号)，触发ADC 514，或可以在预设时间或预设数量的周期处触发它，具体取决于所期望的精确度。

图5b说明根据本发明另一个实施例的具有相干带符号的二进制反馈回路的光计算系统570。

系统570是图5a中的本发明实施例的变化，其中代之带符号的反馈回路501，使用二进制带符号的反馈回路571。

二进制比较器530将检测器512P和512N的信号进行比较，从而产生取决于哪个信号较大而等于+1或-1的单个位。

模拟积分器535将比较器530的输出积分并产生反馈信号。同时数字积分器534将比较器530的输出积分并产生期望的数字结果315。

在一些实施例中，在完成计算过程之后将反馈回路复位到预设值。可选地，预设初始值处于中间范围上。可选地，回路中“f”的初始值保持与先前计算的结果相同。可选地，将“f”的初始值选为最可能的值。

在一些实施例中，模拟积分器535所取的步骤大小在每个连续步骤中递减。在这些实施例中，数字积分器534被连接到模拟积分器535的输出的ADC替代。在一些实施例中，在每个连续步骤中步骤的大小按2的系数递减。

在一些实施例中，步骤的大小取决于两个检测器之间的差信号的量值，该量值由两个比较器的信号的差所确定。

应该注意，分束器505和520的次序可以颠倒，而不会改变系统的操作。

图5c说明根据本发明的另一方面的具有相干带符号的反馈回路的光计算系统600。

在图5c中，因用于将来自反馈分支的光分成两个光束610FP和610FN的分束器621的小不平衡而导致两个检测器之间的不平衡。

光干涉仪602由分束器505构成，分束器505将输入光束302的光分成计算分支408C和反馈分支408F。

在计算分支处，计算分支480C对光束作用，从而产生计算通道出射光510C。计算通道出射光510C被分束器522分成两个相等的光束510C’。

在反馈通道处，反馈分支480F(包括衰减器和可选地移相器)对光束作用，从而产生反馈通道出射光510F。

非对称分束器621非均等地将出射光510F分成稍微强的正反馈光束610EP和稍微弱的负反馈光束610FN。

正反馈光束610FP和负反馈光束610FN的每一个与光束510C’的其中之一干涉，并分别产生的暗条纹623PD和623ND离开光干涉仪502，并分别被光检测器512P和512N检测到。

在非对称分束器621是不可忽略，且干涉仪是平衡的(即f＝a*b)的限制中，暗条纹623PD和623ND向检测器512P和512N呈交零光功率。

但是，该小非对称性打破了暗条纹623PD与623ND之间的对称性，从而能够通过比较检测器512P和512N上的信号来确定带符号的反馈信号。

为了分析检测器所产生的信号之间的差，开始于相干光源处某种任意强度单位的2.0的功率。

在由分束器505分束之后，光束502C和502F都具有1.0的振幅，因此，光束510C和510F分别具有a*b和f的振幅。

光束510C被均等地分成两个完全相同的光束510C’，每个光束具有1/2^1/2*a*b的振幅。

光束510F被非对称分束器621非均等地分束而产生如下两个光束：

光束610FP，具有1/2^1/2*f*(1+d)的振幅；以及

光束610FP，具有1/2^1/2*f*(1-d)的振幅。

在分束器623P的暗条纹输出处，光束623PD具有

的振幅；

在分束器623N的暗条纹输出处，光束623PN具有

的振幅。

因此，检测器512P上的功率由如下公式给出：

，其中D＝a*b-f表示计算值a*b与反馈值f之间的差。当f＝a*b时，检测器512P上的功率(由1/2(f*d)²给出)为小。

相似地，检测器512N上的功率由如下公式给出：

。当f＝a*b时，检测器512N的功率(由1/2(f*d)²给出)为小。

为了产生带符号的反馈信号，差分放大器520以模拟方式从检测器512的信号减去检测器512P的信号以给出：

，它是与反馈回路中的误差成比例的带符号的值。

由光干涉仪602产生的带符号的反馈误差信号随着反馈值逼近零而递减。

正如提起注意的，由于散粒噪声，计算值的精确测量中的差在高的值上是精确的，而在低的值上散粒噪声小。因此，可以构造将直接测量低计算值上的计算结果与使用干涉仪精确地测量高值上的计算结果进行组合的组合系统。例如，可以使用拾波分束器(未示出)从计算通道出射光310C拾取一些光并将其导向到直接测量光检测器(未示出)。可选地，如果直接测量光检测器上的信号低于预设值，则使用它的信号来确定结果，而如果其信号高于预设值，则使用来自反馈回路的信号。可选地，组合来自直接和间接的信号。在图5c的实施例中说明的数字反馈回路601中，一位数字化器624将来自差分放大器520的模拟信号数字化，从而产生例如具有值+1、0或-1的数字信号。数字积分器625对数字化器624的结果积分，并将其呈交到反馈回路分支480F。

当数字化器624测量到值“0”时，反馈回路平衡，并呈交数字结果315。

可选地，数字化器624具有一组不同的值，例如(+1和-1)；(+2、+1、0、-1、-2)等。

可选地，使用其他方法来确定干涉仪的平衡，例如一组步骤的数量、重复改变数字化器624的符号等。

应该注意，带符号的反馈回路601、751和501可以互换。

图6说明根据本发明实施例使用相干反馈的光VVM的计算分支480的示意框图。为了简明，将输入矢量示出为具有两个元素。

由分束器690将计算通道输入光束302C分成两个相等的光束。

多个驱动器608驱动的多个调制器606根据矢量元素值609对每个光束作用。在图6的示例中，两个衰减器606a1和606b1对上方通道作用；而两个衰减器606a2和606b2对下方通道作用。

相干光束组合器611以相干方式将两个通道组合以产生具有与a1*b1+a2*b2成比例的振幅的计算输出光束310C。

通过对计算分支添加更多的通道将光系统扩充到更高维的矢量。后面的附图中说明了此类扩充的示范实施例。

图7以示意方式说明根据本发明的使用分束器的光VVM的计算分支480的框图。

为了简明，演示了具有四个元素的输入矢量的情况。

通过多个分束器711连续地将计算通道输入光束302C分成两个相等的光束，从而形成N²个通道，其中N(在本例子中N＝2)是分束的层数。

两个调制器对每个光束作用。在图7中，调制器a1和b1对第一通道中的光作用，调制器a2和b2对第二通道作用，等等。

通过使用分束器713将光束振幅连续相加，对来自所有通道的光束进行相干组合。从分束器713上的干涉中选择亮条纹以产生具有与a1*b1+a2*b2+a3*b3+a4*b4成比例的振幅的计算输出光束310C。

可以通过增加分束的层数来实现大量的通道。

应该注意，不可避免地，一些光强度通过组合分束器713的暗条纹输出损失。

可以使用微型自由空间传播的光束来构造紧凑的系统。或者，可以使用光纤来构造光学元件。或者，可以通过平版印刷方式在透射薄膜上制作光学元件。

图8说明根据本发明实施例的使用扇形展开式光学器件(fan outoptics)811和扇形收缩式光学器件821的N×2光VVM的计算分支480C的示意框图，扇形展开式光学器件811用于将输入光束302C分成不同通道，扇形收缩式光学器件821用于将通道组合成输出光束310C。

计算通道输入光束302C被扇形展开式光学器件811分成N个相等的通道。

在图8的示范实施例中，扇形展开式光学器件811包括两个透镜：发散透镜815和准直透镜818。可选地，使用透镜组阵列来帮助将光对准到计算通道中。

调制器812对每个计算通道中的光起作用。

扇形收缩式光学器件821将来自多个通道的光聚焦，从而产生具有所有通道的振幅之和成比例的振幅的相干计算输出光束310C。

可选地，在会聚透镜825的焦点处插入针孔光圈823。这对于拒绝散射光和/或增加计算输出光束310C的空间相干性会有所帮助。

图8所示的扇形收缩/扇形展开系统帮助使用一维和二维光调制阵列作为衰减器812。可以在本发明的通用范围内使用透射或反射衰减器。

应该注意，不可避免地，一些光强度可能在针孔814处损失。正如提请注意的，基于反馈的系统中的光的损失不会以光损失降低直接测量系统的不精确性的方式增加不精确性。可以使用微型自由空间传播光束来构造紧凑的系统。或者，可以采用平版印刷方式制作二维光学元件。

应该注意先前的附图中公开的任何一种类型的干涉仪和反馈回路均可用于光VVM。

图9以示意方式说明根据本发明示范实施例的具有相干反馈回路900的光VMM。

光VMM 900包括相干光源304。来自相干光源304的光被水平扇形展开式光学器件(为了简明而未示出)投射到具有k个可单独控制的衰减器910(1)至910(k)的矢量衰减阵列910上，并投射到反馈垂直扇形展开式光学器件904。

每个衰减器910(c)调制通过它的光以呈交具有维数k的矢量“v”的矢量元素“c”的值v(c)，以与矩阵m相乘。每个衰减器910(c)与垂直扇形展开式光学器件(为了简明而未示出)关联，垂直扇形展开式光学器件将光发散到具有n*k个可单独控制的衰减器920(1，1)至920(n，k)的矩阵衰减阵列920的垂直列“c”上。

二维阵列920中的每个衰减器920(r，c)调制通过它的光以表示要与矢量相乘的矩阵元素的值m(r，c)。因此，衰减器920(r，c)的输出处的光的振幅与v(c)*m(r，c)成比例。

每个衰减器920(r，c)与水平扇形收缩式光学器件(为了简明而未示出)关联，水平扇形收缩式光学器件将来自行“r”中的所有衰减器的光导向到n个单元的阵列911中的相干检测单元911(r)。因此在相干检测单元911(r)的振幅等于矢量元素V(r)，其中V是通过将矢量v与矩阵m相乘产生的维数n的矢量。

来自反馈垂直扇形展开式光学器件904的光被投射到具有n个可单独控制的反馈衰减器950(1)至950(n)的垂直反馈衰减阵列950。来自反馈衰减器950(r)的光被导向到相干检测单元911(r)，在其中该光与从行“r”中的多个衰减器920(r，c)到达的光干涉。

每个相干检测单元911(r)与反馈回路930(r)(为了简明而仅示出两个，930(1)和930(2))关联，反馈回路930(r)控制对应的反馈衰减器950(r)，并产生期望的数字输出结果915(r)。

应该注意，先前附图中说明的干涉仪拓扑和反馈方法可以用于相干检测单元911和反馈回路930。例如，每个反馈衰减器950(r)可以与弱非衰减的光束关联以便能够实现图5a的相干检测拓扑。相似地，每个检测单元911(r)内的非对称分束器能够使用图5c的相干检测拓扑。可选地，不同的单元可以使用不同的方法，例如，如此系统可以较其他系统快速而精确度较低地读出一些计算值。

在本发明的一些实施例的另一宽泛方面中，提供使用相干反馈的测量系统。

图10说明根据本发明示范实施例的使用相干反馈的测量系统700的示意框图。

相干光源750将相干光提供到干涉仪769。在干涉仪769中，来自相干光源750的光被分束器757分在上方测量通道和下方反馈通道。

变换器752响应外部系统751的状态或速率改变而调制测量分支中的光。例如变换器752可以连接到外部系统或可以是外部系统的整体部分，或可以使用外部系统的光学特性。例如，可以利用光纤与温度相关的吸收特性来通过更改所述光纤的透射度以调制光。相似地，可以利用反射、吸收极性化等。

一般，外部系统的状态可能影响测量通道中的光的相位和振幅，但是在图10中，仅考虑振幅的变化，而在图11中，反馈回路同时跟踪并可选地测量相位和振幅。

反馈回路的目的是，要最小化或减少检测器上低于阈值水平的光强度。

应该注意，任何类型的干涉仪和任何相干反馈回路(带符号或不带符号的)的方法以及先前附图中专门描述的那些均可以使用。可以使用模拟、二进制和/或数字反馈回路。

可选地，外部系统和测量系统可以使用多个变换器，例如使用设在外部系统中的多个位置处的多个变换器。变换器可以沿着测量通道来设置，或首先将来自相干光源的光分在这些变换器之间，然后将它们组合以使用先前附图中所示针对计算分支的方法来形成信号的加权平均值。

与其中输入常常以突发和随机的方式改变的计算系统相比，大多数测量系统以持续性的方式改变其状态。因此，在测量系统中，可选地使反馈回路跟踪所测的外部系统的状态，并在需要时对其信号采样。改变的速率一般指示测量的最小采样率。常常，光信号是小的，例如当外部系统位于远程位置或功耗受限时。散粒噪声限制的检测系统会限制高采样率下的精确度。

在图10的示范实施例中，反馈通道中的光通过衰减器753，并在分束器756上与来自测量通道的光干涉。来自分束器756的暗条纹进入反馈回路764，在其中光照射在检测器755上。

在图10所示的示范实施例中，信号发生器761以显著高于系统760的期望采样率的频度生成信号。在求和结点711处将来自信号发生器761的信号加到反馈回路中，并通过驱动器754将所产生的信号馈送到衰减器753。因此，反馈回路中的光强度执行其平均值周围的高频抖动。可选地与信号发生器761同步的调谐放大器(例如同步放大器758)从检测器755接收检测到的信号，并提取与干涉仪769的不平衡成比例的带符号的误差信号。

积分器778将误差信号积分，并通过求和结点771和驱动器754将其馈送到反馈衰减器753。

ADC 759将表示外部系统751的状态的反馈信号数字化，并将其作为数字结果763来呈交。

可选地，使用滤波器(例如低通滤波器或陷波滤波器或二者兼有)以在反馈信号采样之前或其后数字化处理时来消除高频调制。

图11说明根据本发明示范实施例的使用能够测量衰减和相移的相干反馈的测量系统960的示意框图。

在某些情况下，变换器952会引起测量通道中的光的衰减和相移。无意的相对相位改变也可能会由反馈通道中的测量的改变引起，例如，机械应力以及热膨胀。

为了测量并/或补偿这些相位改变，调相器953插入在反馈通道中。在图11的示意性实施例中，高频移相器979引起围绕平均相位的较小相位变化——相应于来自信号发生器961的高频信号。信号发生器961所产生信号的频率选择成与信号发生器761的不同。因此，同步放大器958——其与信号发生器961同步，且接收来自检测器755的检测信号——可以提取与干涉计的相位不平衡成比例的带符号的错误信号。积分器978对相位错误信号进行积分，并通过驱动器954把它送给反馈移相器953。避免混淆幅度变化与相位偏移所引起的作用的一种备选方法在于，依次而非同时激活这两条反馈回路。

ADC 959将表示外部系统751的状态的反馈信号数字化。

应该注意，针对干涉仪769和反馈回路764的图10和11所示的实施例是为了演示本发明的宽泛方面而给出的。先前附图中说明的任何干涉仪拓扑和反馈方法均可用于根据本发明的相干测量系统。

与常用于测量小距离变化的本领域中使用的其他相干检测方法(例如相位灵敏的Michelson干涉仪)相比，根据本发明的一些实施例的方法对相位和振幅都很灵敏。

与常用于测量小信号的本领域中使用的其他相干检测方法(例如振幅灵敏外差检测)相比，根据本发明的一些实施例的方法对于相位和振幅都灵敏。此外，与外差检测相比，检测器及其电子元件利用小信号工作，并且只需有限的动态范围。

应该注意，从任何干涉仪的亮(或暗)条纹发出的光可以用于校准、用于确定反馈值“f”的初始值或用于监视目的。例如，在反馈回路分支完全被阻塞的情况中，在例如计算或测量周期的开始时，干涉仪输出中的输出光与计算分支中的光成比例。可以使用此光的直接测量来设置反馈回路的初始值，如果值低于预设值，则直接测量用作最终结果。可选地，在一个分支闭合而另一个分支开路为已知值的情况中，干涉仪输出中的输出光与相干光源的输出成比例。

下面申请人Lenslet Labs等的申请(其公开通过引用结合于本文)描述了可结合上述实施例(例如用于构造VMM系统)使用的方法和设备：

虽然本发明是参考某些示范实施例来描述的，但是在不背离上述原理的精神和范围的前提下，本领域技术人员将显见到并容易地实现多种修改。

应该理解，参考一个实施例描述的特征和/或步骤可以结合其他实施例来使用，并且并非本发明的所有实施例均具有特定附图所示或结合这些实施例之一描述的所有特征和/或步骤。本领域技术人员将设想到所述实施例的许多变化。

注意，上述实施例的其中一些实施例可能描述发明人设想的最佳实施方式，并因此包括对于本发明可能并非必要并作为示例来描述的结构、动作和结构和动作的细节。正如本领域中公知的，本文描述的结构和动作可被执行相同功能的等效物替代，即使结构或动作是不同的。因此，本发明的范围仅由如权利要求中所使用的组成部分和限制来限定。术语“包括”、“包含”及其本文使用的同义词表示“包括但不一定限于”。

Claims

1.一种使用相干反馈的光测量系统，包括：

相干光源；

分束器，其设在发自所述相干光源的光的光路上；

至少一个光调制变换器，其沿发自所述分束器的光的第一光路设置；

至少一个反馈光调制器，其沿发自所述分束器的光的第二光路设置；

至少一个干涉仪，其从所述第一和第二光路接收光；

至少一个光检测器，其从所述干涉仪接收光；以及

反馈回路，其从所述检测器接收信号，并将信号传送到所述反馈光调制器；

其中所述光调制变换器和所述一个反馈光调制器分别对光的所述第一和第二光路中的光强度起作用，

且其中所述反馈回路在至少一个光检测器上保持最小光强度。

2.一种使用非线性检测器的相干反馈线性光测量系统，包括：

相干光源；

分束器，其设在发自所述相干光源的光的光路上；

至少一个干涉仪，其从所述第一和第二光路接收光；

至少一个光检测器，其从所述干涉仪接收光；以及

其中所述至少一个光检测器具有非线性响应；以及

其中所述反馈回路在至少一个光检测器上保持最小光强度，

且其中从所述反馈回路提取所测量的信号。

3.一种具有大的动态范围的光计算系统，包括：

相干光源；

分束器，其设在发自所述相干光源的光的光路上；

多个计算光调制器，其沿发自所述分束器的光的第一光路设置；

至少一个干涉仪，其从所述第一和第二光路接收光；

至少一个光检测器，其从所述干涉仪接收光；以及

其中所述反馈回路在至少一个光检测器上保持最小光强度，以及

其中从所述反馈回路提取计算结果，以及

其中所述计算系统的动态范围受限于所述反馈回路的动态范围。

4.一种使用相干反馈的精确光测量系统，包括：

相干光源；

分束器，其设在发自所述相干光源的光的光路上；

至少一个干涉仪，其从所述第一和第二光路接收光；

至少一个光检测器，其从所述干涉仪接收光；以及

其中所述光调制变换器和所述一个反馈光调制器分别对光的所述第一和第二光路中的光强度起作用，以及

其中所述反馈回路保持至少一个光检测器上的最小光强度，以及

其中从所述反馈回路提取所测量的信号，以及

其中所述相干光源的输出中的相对强度变化大于测量的信号的相对精确度。

5.一种光计算系统，包括：

相干光源；

分束器，其设在发自所述相干光源的光的光路上；

至少一个干涉仪，其从所述第一和第二光路接收光；

至少一个光检测器，其从所述干涉仪接收光；以及

反馈回路，其从所述检测器接收信号，并将信号传送到所述反馈光调制器。

6.如权利要求5所述的光计算系统，其中所述光计算包括VVM。

7.如权利要求5所述的光计算系统，其中所述光计算包括VMM。

8.如权利要求5所述的光计算系统，其中所述反馈回路是非线性反馈回路。

9.如权利要求5所述的光计算系统，其中所述非线性反馈回路是二进制反馈回路。

10.如权利要求5所述的光计算系统，其中所述非线性反馈回路配置成将所述至少一个检测器上的光强度最小化。

11.一种使用相干反馈的光测量系统，包括：

相干光源；

分束器，其设在发自所述相干光源的光的光路上；

至少一个干涉仪，其从所述第一和第二光路接收光；

至少一个光检测器，其从所述干涉仪接收光；以及

12.如权利要求11所述的光测量系统，其中所述变换器调制测量分支中的光的强度。

13.如权利要求11所述的光测量系统，其中所述变换器调制所述测量分支中的光的强度和相位。

14.如权利要求11所述的光测量系统，其中所述反馈回路是非线性反馈回路。

11.如权利要求14所述的光测量系统，其中所述非线性反馈回路是二进制反馈回路。

12.如权利要求11所述的光测量系统，其中所述反馈回路配置成将所述至少一个检测器上的光强度最小化。

13.一种用于测量第一光束中的光的衰减的方法，所述方法包括如下步骤：

将相干光分成第一和第二光束；

衰减第一光束中的光；

以可控方式衰减第二光束中的光；

干涉来自第一和第二光的衰减的光；

检测表示从将来自第一和第二光的衰减的光的所述干涉获得的光的信号；以及

使用所述检测的信号来控制第二光束的光的所述衰减。

14.一种光检测的方法，包括：

(a)生成要测量的光信号；

(b)生成调制了振幅的光信号；

(c)将这两个光信号干涉以在检测器上实现期望的强度水平；以及

(d)基于所述生成期间所应用的调制来估算要测量的信号。

15.如权利要求14所述的方法，其中(b)包括将用于(a)的光进行分束并调制所述光。

16.如权利要求14所述的方法，其中所述干涉包括相对于所述光信号将强度水平降低至少50％。

17.一种用于光检测的设备，包括：

(a)光信号发生器，所述光信号发生器生成具有振幅的至少一个信号输出；

(b)反馈信号发生器，所述反馈信号发生器调制振幅的光；以及

(c)检测器，所述检测器配置成接收表示所述信号输出与所述所调制光之间的干涉的光信号；以及

(d)适于从所述反馈信号发生器的控制提取所述信号输出的值。

18.一种用于测量光信号的方法，包括：

用可控制的光对光信号进行干涉，其中所述干涉产生具有小于所述光信号的强度的干涉光；以及

检测指示所述干涉光的信号。

19.如权利要求18所述的测量光信号的方法，还包括使用所述检测到的信号来控制所述可控制的光的强度。

20.如权利要求19所述的测量光信号的方法，其中使用所述检测到的信号来控制所述可控制的光的强度包括，使用反馈回路中的所述检测到的信号。

21.如权利要求19所述的测量光信号的方法，其中从所述反馈回路的状态推断所测量的光信号的值。

22.如权利要求21所述的测量光信号的方法，其中当干涉光的强度低于预设值时，从所述反馈回路的状态推断所测量的光信号的值。