CN105637326B - 旋转检测设备 - Google Patents

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Abstract

一种旋转检测设备(2)，其包括：束源(6)，其用于发射偏振光束；散屑布置(39)，其用于消除或至少减少所述偏振光的第一和第二独立偏振分量之间的相干度以产生经散屑的偏振光束(108)；检测器(46A、46B)，其用于取决于入射在其上的光的强度输出信号，所述检测器(46A、46B)经布置使得所述经散屑的偏振光束(108)入射到其上；偏振器(41)，其用于定位在所述经散屑的偏振光束(108)的路径中，使得所述偏振器(41)相对于所述经散屑的偏振光束(108)的旋转导致从所述束源(6)入射到所述检测器(46A、46B)的所述光的强度的变化以及在从所述检测器(46A、46B)输出的所述信号中的相对应的变化；以及处理器(48A、48B、48C)，其用于基于从所述检测器(46A、46B)输出的所述信号的所述变化检测所述相对旋转。还描述了其它类型的旋转检测设备。

Description

旋转检测设备
技术领域
本发明涉及一种旋转检测设备。
背景技术
旋转检测设备使得能够检测到两个组件之间的相对旋转。这在有必要知道两个组件已经相对于彼此旋转使得可以采取随后的动作时是有用的。当有必要知道所述组件已经相对于彼此旋转的程度时，使得能够测量旋转的程度的旋转检测设备是有用的。例如，当移动的机器组件沿着轨迹行进时，此旋转检测设备将可用于确定移动的机器组件相对于静止的机器组件的旋转的程度。此信息使得能够校准机器。具体来说，此旋转检测设备可以用于校准坐标定位设备，例如，坐标测量机(CMM)、机床或旋转/倾斜台。
旋转检测设备还可以用于跟踪系统，例如，用于准确地跟踪机械臂的移动、或举例来说跟踪安装在CMM的套管轴上的工具的移动的系统。
发明内容
希望提供在旋转检测设备(例如上文所描述的旋转检测设备)的精度中的改进。
根据本发明的第一方面，提供一种旋转检测设备，其包括：束源，其用于发射偏振光束；散屑布置，其用于消除或至少减少偏振光的第一和第二独立偏振分量之间的相干度以产生经散屑的偏振光束；检测器，其用于取决于入射在其上的光的强度来输出信号，所述检测器经布置使得所述经散屑的偏振光束入射到其上；偏振器，其用于定位在经散屑的偏振光束的路径中，使得偏振器相对于经散屑的偏振光束的旋转导致从束源入射到检测器的光的强度的变化以及在从检测器输出的信号中的相对应的变化；以及处理器，其用于基于从检测器输出的信号的变化检测相对旋转。
经散屑的偏振光束可以替代地被称作经处理的偏振光束，所述经处理的偏振光束已经由该散屑布置处理以消除或至少减少偏振光的第一和第二独立偏振分量之间的相干度。
偏振光束可以包括具有第一和第二不同对应偏振状态的第一和第二束部分，由此相对应地提供来自检测器的第一和第二不同输出信号，并且其中处理器可操作以基于来自检测器的第一和第二输出信号之间的差值检测相对旋转。
第一和第二束部分可以相对于彼此在时间上间隔开。
束源可以包括对应地用于发射第一和第二束部分的第一和第二不同光源。
检测器可以包括用于提供第一和第二不同输出信号的单个检测器。
第一和第二束部分可具有基本上相同的波长。
所述设备可以包括用于使束源中的该光源或每一光源的波长稳定的构件。
第一和第二束部分可具有基本上相同的剖面和朝向偏振器的至少一个初始共同传播轴。
第一和第二束部分中的每一个在检测器上的轨迹可以至少部分重叠。
束源可以包括束调节器，在时间上间隔开的第一和第二束部分在被从束源发射之前通过所述束调节器。束调节器可以包括光纤。
所述设备可以包括用于提供在偏振器的偏振轴和偏振光的偏振方向之间的第一和第二不同相对定向的布置，由此相对应地提供来自检测器的第一和第三不同输出信号，并且其中处理器可操作以基于来自检测器的第一和第三输出信号之间的差值检测相对旋转。
根据本发明的第二方面，提供一种旋转检测设备，其包括：束源，其用于发射偏振光束；检测器，其用于取决于入射在其上的光的强度来输出信号，所述检测器经布置使得偏振光束入射到其上；偏振器，其用于定位在偏振光束的路径中，使得偏振器相对于偏振光束的旋转导致从束源入射到检测器的光的强度的变化以及在从检测器输出的信号中的相对应的变化；以及处理器，其用于基于从检测器输出的信号的变化检测相对旋转；其中偏振光束包括具有第一和第二不同对应偏振状态的第一和第二束部分；其中所述设备包括用于针对第一和第二束部分中的每一个提供在偏振器的偏振轴和所述束部分的偏振光的偏振方向之间的第一和第二不同相对定向的布置，由此相对应地提供来自检测器的第一到第四不同输出信号，所述不同输出信号对应地与以下各者有关：(1)第一束部分的第一相对定向；(2)第二束部分的第一相对定向；(3)第一束部分的第二相对定向；以及(4)第二束部分的第二相对定向；并且其中处理器可操作以基于来自检测器的第一到第四输出信号检测相对旋转。
所述设备可以包括散屑布置，其用于消除或至少减少来自束源的偏振光的第一和第二独立偏振分量之间的相干度以产生经由偏振器入射在检测器上的经散屑的偏振光束，使得通过处理器检测到的相对旋转在偏振器和经散屑的偏振光束之间。
处理器可以可操作以基于第一和第二输出信号之间的差值得出第一值，基于第三和第四输出信号之间的差值得出第二值，且基于第一值和第二值之间的差值检测相对旋转。
所述处理器可以可操作以基于第一和第三输出信号之间的差值得出第一值，基于第二和第四输出信号之间的差值得出第二值，且基于第一值和第二值之间的差值检测相对旋转。
所述设备可以包括可变增益级，其用于缩放输出信号、和/或与和所述输出信号相关的第一和第二不同相对定向中的一个相关联的差值和/或与第一和第二不同相对定向中的另一个相关联的差值。
偏振器可以形成用于提供第一和第二不同相对定向的布置的部分。偏振器可以包括用于提供第一和第二不同相对定向的偏振光束分光器，例如沃拉斯顿偏振器。
用于提供第一和第二不同相对定向的布置可以包括偏振光束分光器。
用于提供第一和第二不同相对定向的布置可以包括双折射偏振器。
用于提供第一和第二不同相对定向的布置可以包括沃拉斯顿偏振器。
检测器可以包括用于提供对应地与第一和第二不同相对定向有关的输出信号的第一和第二不同检测器。
用于提供第一和第二不同相对定向的布置可以包括用于使偏振光束旋转以提供第一和第二不同相对定向的构件。
第一和第二不同相对定向之间的差值可以是例如在1°和179°之间、在5°和175°之间、在15°和165°之间、在45°和135°之间或在85°和95°之间的任何非零值。第一和第二不同相对定向之间的差值可以大体上是90°。
根据本发明的第三方面，提供一种旋转检测设备，其包括：束源，其用于发射偏振光束；检测器，其用于取决于入射在其上的光的强度来输出信号，所述检测器经布置使得偏振光束入射到其上；偏振器，其用于定位在偏振光束的路径中，使得偏振器相对于偏振光束的旋转导致从束源入射到检测器的光的强度的变化以及在从检测器输出的信号中的相对应的变化；以及处理器，其用于基于从检测器输出的信号的变化检测相对旋转；其中偏振光束包括具有第一和第二不同对应偏振状态的第一和第二束部分，由此相对应地提供来自检测器的第一和第二不同输出信号，并且其中处理器可操作以基于来自检测器的第一和第二输出信号之间的差值检测相对旋转；并且其中所述设备包括半透明检测器布置，其用于在偏振光束的路径中定位在偏振器之前，使得第一和第二束部分入射到所述布置且入射光的至少部分通过所述布置，所述布置经调适且经布置以将处理器对相对旋转的检测影响为大体上是第一和第二束部分的强度之间的差值的线性函数，其中所述布置经调适以测量所述函数的偏移项且调整通过所述布置提供的影响以抵消偏移项的影响，和/或其中偏移项不随环境条件和/或第一和第二束部分的波长显著地漂移。
所述布置可以经调适以提供信号，所述信号大体上是第一和第二束部分的强度之间的差值的线性函数，且通过所述布置提供的信号可以经布置以影响处理器对相对旋转的检测。
所述设备可以包括控制单元，所述控制单元可操作以取决于通过所述布置提供的信号控制第一和第二束部分的相对强度。通过所述布置提供的信号由此经布置以影响处理器对相对旋转的检测。
处理器可以可操作以取决于通过所述布置提供的信号检测相对旋转。通过所述布置提供的信号由此经布置以影响处理器对相对旋转的检测。
散屑布置可以经配置以对应地为偏振光的第一和第二偏振分量提供第一和第二不同光程长度，其中第一和第二光程长度之间的差值超过源的相干长度。
散屑布置可以包括源，所述源经配置以具有如此的相干长度：该相干长度小于对应地由偏振光的第一和第二偏振分量经历的第一和第二不同光程长度之间的差值。
散屑布置可以经配置以使偏振光的第一和第二偏振分量对应地具有第一和第二不同光程长度，其中第一和第二路径之间的相位差或相移取决于参数，并且其中与在该参数的值上求平均的第一和第二偏振分量之间的干涉有关的干涉项大体上为零。
所述源可以被认为形成散屑布置的部分。
散屑布置可以包括双折射材料，例如呈双折射晶体形式，以用于定位在偏振光束的路径中。
位于在散屑布置和偏振器之间的经散屑的偏振光束的路径中的任何光学组件优选地不引入较大漂移。
散屑布置可以经布置以引入在偏振光的第一和第二独立偏振分量之间的光程长度中的差值。光程长度中的差值可以约为或大于偏振光的相干长度。
从束源发射的偏振光束可以部分或完全偏振。
通过处理器检测相对旋转可以包括检测到已发生的任何量的相对旋转。即使当相对于任何参考系确定偏振器的相对旋转的量时也是如此，因为通过确定相对旋转的量(至少在所述量为非零时)，确定已发生相对旋转。
通过处理器检测相对旋转可以包括确定相对旋转的量度。例如，所述量度可以是在偏振器和固定参考系之间的绝对角度，或绝对角度中的变化。固定参考系可以由束源中的一个或多个光学元件界定，例如保偏光纤的偏振轴或参考偏振器的偏振轴。应了解，就此而言，偏振器和入射在偏振器上的偏振光束之间的绝对角度可不与偏振器和参考偏振器之间的角度相同，但这两个角度是有关的，因为当偏振器相对于入射到其上的偏振光束旋转时，该两个角度改变相同的量(至少当参考偏振器固定时)。如果存在的话，固定参考系还可以由散屑布置(例如双折射材料)来界定。量度不必是实际角度，而可以是(以任何方式)取决于实际角度的某一其它值。量度可以是不时地角定向中的变化，而非是绝对角定向。
被检测到的相对旋转可以是角定向关于轴的旋转或改变，所述轴平行于偏振光束的传播轴延伸。
因为是检测相对旋转，所以用于相对旋转的偏振器和参考偏振器中的一个可以安装在并入有此旋转检测设备的机器的可移动部分上，而另一个安装在固定部分上。替代地，这两者均可以安装在机器的不同可移动部分上。
应了解，当说明束入射到特定元件时，并不意味所述束直接(即，在不通过另一光学元件的情况下)入射在其上。例如，当来自束源的偏振光束(经散屑或以其它方式进行处理)被描述为入射到检测器时，将是其已经通过偏振器之后。
应了解，检测器可以包括具有单独的对应输出的多个光敏感区域，其中从检测器输出的信号根据光敏感区域的输出的组合得出。此检测器的实例是具有四个光敏感区域的四边形单元，所述光敏感区域具有单独的对应输出；所述输出可以经组合以产生单一输出信号，因此所述四边形单元充当单个检测器。
当元件描述为可操作以执行或用于执行某一功能时，如果需要更加清楚地区分本发明与先前考虑的布置，那么所述元件可被认为经配置或经调适或经布置以执行所述功能而非仅能够执行所述功能。例如，当使用通过程序指令控制的通用处理器时，当适合于控制所述处理器以在操作期间执行功能的程序指令实际上就位时，所述处理器可以被认为经配置或经调适或经布置以执行功能。
一般来说，偏振器可以通过偏振轴表征。对于平面装置(例如细线、二色性材料)，所述偏振轴是在装置的平面内的轴。对于晶体光学，所述偏振轴是晶体的光学轴且其通常经定向以平行于输入窗口的平面。在经配置以测量关于传播轴的旋转的已知系统中，偏振轴经配置使得偏振轴垂直于传播轴。偏振轴有时被称作透射轴，尤其是(但并非排他地)相对于吸收偏振器(如与例如分光偏振器相反)。
附图说明
现将参考例如附图，其中：
图1是安装在坐标测量机(CMM)上的旋转检测设备的示意性图示；
图2是用于图1中示出的布置中的已知旋转检测设备的示意性图示；
图3是用于解释已知旋转检测设备的问题和本发明的实施例如何着手解决那些问题的示意性图示；
图4是用于例如图1中示出的布置中的根据本发明的实施例的旋转检测设备的示意性图示；
图5是沃拉斯顿偏振器的示意性图示，其作为用于提供在偏振器的偏振轴和入射到偏振器的偏振光的偏振方向之间的不同相对定向的布置的实例；
图6A和6B图示可以用于本发明的实施例的两种不同信号处理方案；以及
图7是根据本发明的替代实施例的旋转检测设备的示意性图示。
具体实施方式
图1图示如安装在坐标测量机(CMM)4上的旋转检测设备2。旋转检测设备2包括束源(或发射单元)6和接收器单元8。束源6经由基底单元10安装在CMM 4的机器台12上，使得它们不能相对于彼此移动。接收器单元8安装在CMM 4的套管轴18上，使得它们不能相对于彼此移动。束源6可操作以发射光束且接收器单元8相对于束源6布置以接收由束源6发射的束。旋转检测设备2可以用于确定：当束源6和接收器单元8沿着轨迹相对于彼此移动时，束源6和接收器单元8之间关于从束源6发射的束的传播轴的相对滚动(relative roll)、倾斜(pitch)和偏航(yaw)中的至少一个。
安装在机器台12上的束源6和基底单元10具有运动支撑件14的互补部分，该运动支撑件使得束源6能够准确地沿着CMM的X轴、Y轴以及Z轴中的任一个或沿着任何其它所希望的方向对准。用于使光学单元对准的此类运动支撑件是已知的，例如，如在WO 02/04890中揭示。
在使用中，接收器单元8通过套管轴18沿着近似平行于X轴的路径移动，且旋转检测设备2在此实例中用于检测和测量束源6和接收器8之间关于X轴的滚动。因此，可以确定在机器台12和套管轴18之间关于X轴的滚动的量且将其用于校准CMM 4的X轴。随后可以重复此过程以通过相应地使束源6和接收器8定向且对应地沿着Y轴和Z轴移动套管轴18而校准CMM 4的Y轴和Z轴。
在图1中说明的实例中，旋转检测设备2安装在CMM 4上且用于校准CMM 4。然而，应了解，旋转检测设备2不必一定安装在CMM上，且可以用于其中希望检测两个组件之间的相对旋转的许多不同应用中。
图2图示适合用于图1中说明的设置的已知旋转检测设备2。图2中说明的旋转检测设备2是在WO 2008/122808的图2中示出的设备2的简化版本。旋转检测设备2经配置以测量在束源6和接收器单元8之间关于由束源6发射的束的传播轴的相对滚动。束源6包括第一和第二光源20、22，偏振光束分光器28，保偏光纤30，非偏振光束分光器32，第一偏振器34，控制检测器36以及控制单元38。第一和第二光源20、22可以在一起被视为形成光源21。光通过光耦合元件29耦合到保偏光纤30中或从该保偏光纤解耦。束源6的组件相对于彼此固定。
第一光源20经配置以发射具有第一线性偏振状态的第一光束100，且第二光源22经配置以发射具有第二线性偏振状态的第二光束102。偏振光束分光器28经布置以将对应地由第一光源20和第二光源22发射的第一和第二光束100、102引导到保偏光纤30中。第一和第二光源20、22经布置使得至少当其对应的光束100、102到达保偏光纤30时，所述光束的偏振状态正交于彼此。
保偏光纤30是具有两个偏振轴的单模光纤。保偏光纤30经布置使得其偏振轴中的一个与第一光束100的第一偏振状态对准，并且使得其偏振轴中的另一个与第二光束102的第二偏振状态对准。因此，由第一和第二光源20、22发射的第一和第二光束100、102的偏振状态在所述光束前进通过保偏光纤30且从所述保偏光纤出来时得到维持(至少在理论上)。保偏光纤30用于使第一和第二光束100、102的路径共同对准，以便产生其间的空间重叠，并且因此当所述光束从束源6出来时它们至少初始地具有共同传播轴。
非偏振光束分光器32经配置以将从保偏光纤30出来的光束104分成朝向第一偏振器34的控制光束106以及朝向接收器单元8的实质上相同的接收器(或测量)光束108。
第一(或参考)偏振器34经布置使得其偏振轴与控制光束106的第一和第二偏振状态两者成近似45°的角度(即，与保偏光纤30的轴成近似45°的角度)。控制检测器36经配置以检测通过第一偏振器34的光的强度且将所检测到的强度输出到控制单元38。本文中所使用的术语‘检测器’意指光检测器，也就是说，用于测量入射到检测器上的光的强度的检测器。控制单元38经配置以基于来自控制检测器36的所检测到的强度控制第一和第二光源20、22的功率。这是为了避免来自第一和第二光源20、22的不希望的强度波动和/或偏振，所述强度波动和/或偏振将另外影响旋转的确定。
接收器单元8包括第二(或测量)偏振器42和检测器单元44，该检测器单元包括接收器检测器46和处理器48。第二偏振器42与第一偏振器34实质上相同，以与第一偏振器34实质上相同的定向而定向。第二偏振器42安装在接收器单元8内，使得当接收器单元8和束源6对准(使得在其间不存在滚动、倾斜或偏航)时，第二偏振器42的偏振轴与接收器光束108的第一和第二线性偏振状态两者成45°角。
接收器检测器46与控制检测器36实质上相同且经配置以检测通过第二偏振器42的光的强度且将所检测到的强度输出到处理器48。处理器48经配置以分析在一段时间内所检测到的强度且提供输出，该输出指示束源6和接收器单元8之间关于X轴的滚动的量。
接收器单元8通过通信链路82(例如无线通信链路)连接到计算机80。计算机80具有显示器(未图示)，经由所述显示器可以将指示束源6和接收器单元8之间的滚动的程度的读数提供给用户。
在使用中，控制单元38从时序单元(未图示)接收时钟信号。控制单元38使用时钟信号交替地给第一和第二光源20、22提供动力，使得它们以预定频率交替地发射第一和第二光束100、102，该第一和第二光束形成入射到接收器检测器46的接收器光束108的第一和第二部分。
当接收器光束108通过第二偏振器42时，该接收器光束被分解成两个正交向量分量，该分量中的一个平行于第二偏振器42的偏振轴(“平行分量”)，且该分量中的另一个垂直于偏振轴。接收器光束108的第一和第二部分中的每一个的平行分量通过第二偏振器42且通过接收器检测器46检测其强度。接收器检测器46输出指示所检测到的强度的信号，该信号被馈送到处理器48，该处理器48分析所检测到的强度且输出指示在束源6和接收器单元8之间的滚动的程度的信号。
所述设备经配置使得当束源6和接收器单元8对准时，在接收器检测器46处所接收的接收器光束108的第一和第二部分中的每一个的平行分量的强度将实质上相同。相反，当束源6和接收器单元8未对准时，到达接收器检测器46的接收器光束108的第一部分和第二部分中的一个的平行分量将超过另一个。这是因为，当在束源6和接收器单元8之间存在一定程度的滚动时，第二偏振器42的偏振轴将不再与第一和第二部分的偏振状态成45°(且第一偏振器34和第二偏振器42之间的角度将改变)。接收器光束108的具有在其偏振状态和偏振轴之间的较小角度的部分的平行分量将大于所述光束的另一个部分的平行分量。因此，通过接收器检测器46检测的接收器光束的第一部分和第二部分中的一个的所检测到的强度将超过另一个。
因此，所检测到的接收器光束108的第一部分的强度和所检测到的接收器光束108的第二部分的强度中的差值，与束源6和接收器单元8之间的滚动的程度(至少经过较小角度的滚动)成比例。从而，处理器48有可能基于所述差值确定滚动的程度。
此外，当束源6和接收器单元8沿着其轨迹移动时，束源6与接收器单元8之间的任何旋转都将导致所检测到的接收器光束108的第一和第二部分的强度中的改变。因此，在沿着轨迹移动期间，可以通过监视所检测到的强度中的变化有效地确定束源6和接收器单元8之间的滚动。
已知旋转检测设备的操作和配置的进一步细节可以在WO 2008/122808中找到，其内容通过引用结合在此。读者还可参考WO 92/21933，其内容也通过引用结合在此。
如上文参考图2所描述，在WO 2008/122808中所揭示的旋转检测设备中，两个光源20、22在束源6中组合且耦合到保偏光纤30，所述保偏光纤30具有第一和第二正交偏振轴。理想地，第一源20具有完全地耦合到保偏光纤30的第一轴的线性偏振，且第二源22具有完全地耦合到保偏光纤30的第二(正交)轴的线性偏振。
实际上，从保偏光纤30出来的光束104的第一部分(即，源于第一源20)将具有沿着保偏光纤30的第一轴的主要分量和沿着第二轴的较小分量。同样地，从保偏光纤30出来的光束104的第二部分(即，源于第二源22)将具有沿着保偏光纤30的第二轴的主要分量和沿着第一轴的较小分量。可以认为，存在从保偏光纤30的一个轴到另一个的‘损耗’。而且，‘损耗’分量可能不具有与主要分量相同的相位，因此从保偏光纤30出来的光的偏振一般将是椭圆形。保偏光纤30的两个轴之间的此略微耦合或‘损耗’通常被称作‘偏振模耦合’。
不仅是保偏光纤30的偏振模耦合将造成非理想特性。束源6中的所有光学组件都可能带来非理想特性。其它实例是光源20、22的有限消光比、组合光学器件的非理想特性(例如偏振光束分光器28的有限消光比)以及保偏光纤30的对准容限(tolerance)。
另外，束源6中的非偏振光束分光器32实际上不理想。例如，反射和透射之间的分光比对于不同的偏振将在某一程度上不同，且将在某一程度上取决于源的波长和光学器件的温度。相移还将被引入在非偏振光束分光器32的‘s’和‘p’分量之间，所述相移对于反射和透射将在某一程度上不同且还将在某一程度上取决于波长。第一和第二偏振器34、42还将在其透射特性上不相同。
另外，光源20、22的温度将随时间而改变，例如当它们升温或由于环境条件的总体变化导致，这将导致两个源20、22的波长的变化。保偏光纤30的温度也可能改变，这将导致在两个偏振分量之间的通过保偏光纤30引入的相移的变化。
本申请人已经了解，所有上述非理想特性(以及可能地其它特性)导致来自检测器单元44的滚动信号展示为随时间的变化(即使束源6(发射单元)和接收器单元8是静止的)。这被称作旋转(或滚动)漂移，且本申请人已经了解希望提供考虑此问题的旋转检测设备的愿望。
在本文中提出对WO 2008/122808的旋转检测设备的两个主要改变以解决由本申请人发现的上述问题。为了理解所提出的变化的性质以及它们如何有效解决上述问题，首先将给出WO 2008/122808的旋转检测设备的基础理论的更详细解释，以获得对为何发生所不希望的飘移的理解，接着将解释本发明的实施例如何试图消除或至少减少飘移的影响。此解释应被理解为由本申请人作出的发明性贡献的部分。
暂时仅考虑从束源6出来且经由第二偏振器42入射到接收器检测器46的接收器光束108的第一部分(即，源于第一源20的所述部分)。如图3中示意性地说明，第一部分具有沿着轴‘a’的主要偏振(电场)分量Ea和沿着正交轴‘b’的次要(较小)偏振(电场)分量Eb。主要和次要偏振分量可以被视为是接收器光束108的偏振光的第一和第二独立偏振分量。
轴‘a’和‘b’由在束源6中沿着光学路径的组件的组合界定，且不必与任何单一组件的物理轴相对应，例如保偏光纤30的偏振轴。实际上，因为光的偏振可以沿着任何两个轴分解(decomposed)或解析(resolved)，所以轴‘a’和‘b’可以被认为是“分解轴”且不必与系统的任何物理轴相对应，且实际上不必正交于彼此，在此意义上，任何二维向量都可以写成至少两个非平行向量的和。
为简单起见且不失一般性，我们认为所述轴在随后正交。
由于通过保偏光纤30和束源6中的其它光学器件引入的相移(如上文所解释)，沿着轴‘b’的较小分量Eb一般来说将具有相对于沿着轴‘a’的主要分量Ea(其经椭圆形偏振)的相移且较小分量因此可以表示为
第二偏振器42(在接收器单元8中)的偏振轴43经定向与‘a’轴(如上文所解释，该轴由束源6中的组件界定)成角度θ。角度θ随接收器单元8旋转(其内有第二偏振器42)而改变，且角度θ是最终待测量的(或至少某一取决于θ的量)。相移部分造成滚动漂移，如将在下文更详细可见。
通过第二偏振器42的光的振幅将是如投射(如图3中所说明)到第二偏振器42的偏振轴43上的主要和较小分量的和：
强度(即，接收器检测器46实际上感测到的强度)是：
可以通过将以下表达式代入到表达式(5)中来简化：
以得到：
还可能如下使Ia到Ib彼此有关：
Ib＝α1I1 (10)
Ia＝(1-α1)I1 (11)
其中I1是从束源6出来的接收器光束108的第一部分(即，源于第一源20)在通过第二偏振器42之前的总强度，且其中α1表征第一源20的两个分量之间的少量损耗。
将表达式(10)和(11)代入到表达式(9)中，且用替代以指示其为特定针对第一源20，获得用于从束源6出来的接收器光束108的第一部分的强度的变化的以下表达式：
其中
可以完全等效的方式得出用于从束源6出来的接收器光束108的第二部分(源于第二源22)的强度的变化的等效表达式。
因为，对于第二源22，主要分量沿着图3的‘b’轴对准，其中Eb大于Ea，所以上述表达式(10)和(11)变成：
Ia＝α2I2 (17)
Ib＝(1-α2)I2 (18)
将表达式(17)和(18)代入到表达式(9)中，且用替代以指示其为特定针对第二源22，获得用于强度的变化的以下表达式：
其中
尽管上文陈述第二源22的主要偏振分量沿着图3的‘b’轴对准，且因此正交于第一源20的主要偏振分量(其沿着图3的‘a’轴对准)，但这是为了便于解释和说明且实际上不必一定如此。无论第二源22的偏振如何，它都将仍具有沿着‘a’和‘b’轴(如上文所提及，所述轴仅是分解轴)分解(decomposed)或解析(resolved)的对应的分量，因此上述理论仍适应。
如上文参考图2所描述，且如WO 2008/122808中更详细解释，基于来自接收器检测器46的信号，处理器48(其在WO 2008/122808中被称为滚动测定器)计算所检测到的接收器光束108的第一部分的强度和所检测到的接收器光束108的第二部分的强度之间的差值。
这相当于表达式(16)减表达式(23)，从而给出用于滚动信号S的以下表达式，所述滚动信号是通过处理器48确定的信号：
以此方式获得差值的益处是可能影响I1的任何因素(例如温度)都将以实质上相同的方式影响I2，因此这两者之间的差值将实质上消除那些影响；就此而言，通过形成差值，来自表达式(16)的I1已经由表达式(24)中的(I1-I2)替代。应了解，即使不希望，但也有可能使用单一源而不采用此差值得出滚动信号，即，仅基于表达式(16)。
表达式(24)可以通过将下式：
插入到表达式(24)中以以给出下式来略微简化为：
表达式(26)的上述滚动信号S可以被认为是由三个组分构成：
S＝Z+P+R (27)
其中：
Z＝(I1-I2)(‘零点’) (28)
如从上述表达式(28)可见，‘零点’项是由于正好在接收器单元8处的偏振器42之前的接收器光束108的第一和第二部分(对应地源于两个光源20、22)的强度之间的差值导致。
如从上述表达式(29)可见，‘相移’项是由于以下因素导致：实际上，从束源6发射的接收器光束108的第一和第二部分的偏振是椭圆形，一般来说，为和的函数。如上文所描述，这是由于通过保偏光纤29和束源6中的其它光学器件引入的相移导致。
如从上述表达式(30)可见，至少当θ是45°时，“滚动”项大致与接收器单元8相对于束源6中的某一固定非漂移参考(即，如上文所定义的轴‘a’)的滚动θ成比例。这是因为当θ是45°时，cos2θ在其一阶线性区中。为了证明此，考虑滚动从初始值θ0的变化Δθ，因此表达式(30)变成：
R＝(I1+I2-2α1I1-2α2I2)cos(2θ0+2Δθ) (30-a)
将余弦展开到一阶给出：
R＝(I1+I2-2α1I1-2α2I2)[cos2θ0+2Δθsin2θ0] (30-b)
如从表达式(30-b)可见，当θ0是45°时，偏移cos2θ0是零且比例sin2θ0是1，且“滚动”项R大致与滚动中的变化Δθ成比例。电子滚动信号和实际物理滚动信号之间的比例的系数称为滚动比例尺。如从上述表达式(30-b)可见，滚动比例尺与(I1+I2-2α1I1-2α2I2)成比例。
然而，应了解，即使θ0不是45°，只要偏移项(I1+I2-2α1I1-2α2I2)[cos2θ0]不漂移超过可容许的范围，就仍可以测量滚动的变化。实际上，由于飘移是以与(I1+I2-2α1I1-2α2I2)成比例的滚动比例尺的形式，所述θ0优选非常靠近45°。还应注意，人们可以通过展开到高阶且通过校准来扩展测量范围。通常，如上文所述，展开到一阶至少对于高达±1000μrad的滚动变化Δθ将是足够的，但所述范围并不意味对本发明的限制，因为精度要求随应用不同而将不同。
本申请人已经确认‘零点’项(28)和‘相移’项(29)是旋转检测设备中的漂移的主要来源。滚动比例尺可能漂移，但这不是太大的问题，因为它将给出可以容许的比例尺误差，因为所述比例尺将与所测量的内容成比例(成较小百分比)的而不是与所测量的内容相当的某物。
为了对抗这些飘移，对WO 2008/122808的旋转检测设备提出两个主要改变。
第一改变旨在对抗由‘相移’项(29)导致的漂移。
在回头表达式(8)，可以看出‘相移’项(29)最终是的函数，其中是图3中所描绘的两个正交偏振分量之间的相位差(且所述可在各源之间不同)。这基本上是干涉项，该干涉项由椭圆形偏振光的两个异相正交分量之间的干涉产生。
本申请人已经了解，此干涉项仅在两个正交分量彼此相干或至少部分彼此相干时是问题，因此是常数或略微变化。当在两个分量之间不存在相干性时，在某一范围内取值且干涉项在这些值上的加权平均是零、极小或被减少。
因此本发明的实施例引入‘散屑’或‘加扰’元件，其目的是消除两个正交偏振分量之间的相干性(或至少减少相干性，因为即使并不完全消除而是仅减少相干性，也将获得某一优点)。
散屑元件不仅确保相位项是零(或至少是减少的)，而且它还具有提供针对所测量的滚动的机械参考的优点。在没有所述散屑元件的情况下，图3的轴‘a’和‘b’的定向得不到良好界定(不稳定和/或不固定)。
第二改变旨在对抗由‘零点’项(28)导致的漂移。此改变可以与第一改变组合而使用，或者独立于第一改变而使用。
考虑第一滚动信号SA，其借助第二偏振器42(在接收器单元8中)的偏振轴43如前所述在角度θ处时确定，因此SA通过表达式(26)给出如下：
SA＝(I1-I2)+PA+(I1+I2-2α1I1-2α2I2)cos2θ (31)
其中PA是用于表达式(27)和(29)中的相移项的缩写。
现在考虑第二滚动信号SB，其当第二偏振器42(在接收器单元8中)的偏振轴43从θ旋转90°时产生，因此表达式(31)中的θ变成θ+π/2：
SB＝(I1-I2)-PB+(I1+I2-2α1I1-2α2I2)cos(2θ+π) (32)
＝(I1-I2)-PB-(I1+I2-2α1I1-2α2I2)cos(2θ) (33)
可以看出，主要改变是将“滚动”项的符号从正转换成负。相位项PB的符号也示出为已经转换，因为它最终从表达式(8)得出，所述表达式在其中具有sin2θ项，且sin(2θ+π)＝-sin(2θ+π)。
因此经引入以从第一滚动信号SA得出第二滚动信号SB的变化将从：
SA＝Z+PA+R (34)
变成：
SB＝Z-PB-R (35)
现在，形成来自表达式(34)的SA和来自表达式(35)的SB之间的差值给出：
SA-SB＝(PA+PB)+2R (36)
所述差值(即，来自表达式(31)的SA和来自表达式(33)的SB之间的差值)的更完整表达式是：
SA-SB＝(PA+PB)+2(I1+I2-2α1I1-2α2I2)cos2θ (37)
因此已经消除‘零点’项Z。这是因为零点项(Z)是SA和SB两者共有的，而滚动信号(R)是差分的。因此通过减去信号SA和SB，获得没有零点漂移的滚动信号。然而，应注意，滚动比例尺(在cos2θ前的项)由于消光比和强度的变化将仍略微改变。
现在考虑当第二改变与第一改变组合使用。第一改变的实施方案将具有从表达式(37)消除‘相移’项PA和PB两者的效果，以给出：
SA-SB＝2(I1+I2-2α1I1-2α2I2)cos2θ (38)
因此，已经消除‘零点’项和‘相移’项两者，仅留下‘滚动’项。
上文所呈现的与第二改变有关的开始于表达式(31)的分析是基于表达式(26)，即具有两个源20、22。应了解，从表达式(16)开始(即，基于单一源)的类似分析也将适用。出于与上文在表达式(24)之后所陈述的原因相同的原因，两个源的使用是优选的。
还应了解，从表达式(31)开始，还可以执行类似分析，其中第二滚动信号SB基于第二偏振器42(在接收器单元8中)的偏振轴43从θ旋转除90°外的角度而得出。表达式(31)重复如下：
SA＝(I1-I2)+PA+(I1+I2-2α1I1-2α2I2)cos2θ (31)
现在考虑第二滚动信号SB，其在第二偏振器42(在接收器单元8中)的偏振轴43从θ旋转角度2γ时产生，因此表达式(31)中的θ变成θ+2γ：
SB＝(I1-I2)+PB+(I1+I2-2α1I1-2α2I2)cos(2θ+4γ) (39)
现在如果我们测量从-γ(其为两个偏振器轴的等分线)的小角度偏差Δθ，我们用Δθ-γ替换θ：
SA＝(I1-I2)+PA+(I1+I2-2α1I1-2α2I2)cos(2Δθ-2γ) (40)
SB＝(I1-I2)+PB+(I1+I2-2α1I1-2α2I2)cos(2Δθ+2γ) (41)
在Δθ中展开到一阶，我们得到：
cos(2Δθ-2γ)＝cos(-2γ)-(2Δθ)sin(-2γ)
＝cos(2γ)+(2Δθ)sin(2γ) (42)
cos(2Δθ+2γ)＝cos(2γ)-(2Δθ)sin(2γ) (43)
且因此我们有：
SA＝Z+PA+R (44)
SB＝Z-PB-R (45)
其中
Z＝(I1-I2)+(I1+I2-2α1I1-2α2I2)cos(2γ) (46)
且
R＝2(I1+I2-2α1I1-2α2I2)sin(2γ)Δθ (47)
可以看出，在使第二偏振器42(在接收器单元8中)的偏振轴43从θ旋转除90°外的角度中的唯一实际改变是由于因数sin(2γ)导致的减少的灵敏度。还可以看出，在2γ＝π/2时，获得最大信号灵敏度(最大滚动比例尺)。人们还可以将测量范围扩展到高阶且校准滚动信号；实际上找到此的另一方式是通过注意到：
cos(2Δθ-2γ)-cos(2Δθ+2γ)＝-2sin(-2γ)sin(2Δθ) (48)
且因此差值由下式精确给出：
SA-SB＝PA-PB+2(I1+I2-2α1I1-2α2I2)sin(2γ)sin(2Δθ) (49)
第二改变可以用至少以下两种方式实施，所述第二改变实际上使第二偏振器42(在接收器单元8中)旋转90°以得出第二信号SB，从第一信号SA减去所述第二信号。
实施第二改变的两种不同方法是基于以下了解：如上文结合表达式(33)所提及，用于得出第二信号SB的第二偏振器42的偏振轴43的90°旋转实际上是相对旋转，所述相对旋转可以通过在束源6中具有合适的布置以提供在偏振器的偏振轴和偏振光的偏振方向之间的相对旋转(第一方法)来实现，或通过在接收器单元8中具有合适的布置以提供在偏振器的偏振轴和偏振光的偏振方向之间的相对旋转(第二方法)来实现。
实施第二改变的第一方法因此将是在根据WO 2008/122808的接收器单元8中具有单一检测器单元44(确定来自两个光源20、22的信号之间的差值)，其中束源6中的布置替代地使光源20、22两者的偏振旋转90°。接收器单元8中的处理电子器件随后将形成来自单一检测器单元44的交替差值读数之间的差值。
实施第二改变的第二方法因此将是在接收器单元8中具有(例如)偏振光束分光器，以及在光束分光器的两个对应输出端口处具有两个此类检测器单元44(每个检测器单元44确定来自根据WO 2008/122808的两个光源20、22的信号之间的差值)。两个检测器单元44由此将对应地提供与两个偏振轴定向θ和(θ+90°)有关的两个滚动信号，其中接收器单元8中的处理电子器件形成来自两个检测器单元44的滚动信号之间的差值。
图4是实施本发明的旋转检测设备2的示意性图示，所述旋转检测设备基于实现第二改变的上述第二方法，且所述旋转检测设备还并入有上述第一改变。除与第一和第二改变有关的差值之外，图4的设备另外与上文参考图2所描述的设备大体地相同，且此处将仅提供对所述设备的不同于先前方案的那些方面的描述。
在图4的旋转检测设备2中，接收器单元8包括第一和第二检测器单元44A、44B，其中每个检测器单元44A、44B与图2的检测器单元44大体上相对应。因此，第一检测器单元44A包括第一接收器检测器46A和第一处理器48A，而第二检测器单元44B包括第二接收器检测器46B和第二处理器48B。提供第三处理器48C，所述第三处理器经布置以从第一和第二处理器48A、48B接收对应的信号，且经由通信链路82将信号输出到计算机80。
为了实施上述第二改变，在图4中提供沃拉斯顿偏振器(或棱镜)41以替代图2的第二(接收器)偏振器42。所述沃拉斯顿偏振器41经调适以将接收器光束108分成具有正交偏振的第一和第二接收器束108A和108B。第一接收器束108A朝向第一接收器检测器46A，而第二接收器束108B朝向第二接收器检测器46B。
沃拉斯顿偏振器41在图5中更加详细说明。沃拉斯顿偏振器41是双折射偏振器，其包括粘结在一起具有正交晶体轴的两个三角方解石棱镜。在内部界面处，非偏振束分成两个线性偏振光线，所述光线通常以15°和45°之间的发散角(注意，仅仅为简单起见，此发散角在图4中示出为90°)离开偏振器41。
沃拉斯顿偏振器41实际上以一个偏振器充当两个偏振器，并且因此实际上能够提供具有在角度θ°处的第一偏振轴43A的第一偏振器42A，以及具有在角度(θ+90)°处的第二偏振轴43B的第二偏振器42B。入射到沃拉斯顿偏振器41的接收器光束108的偏振沿着第一偏振轴43A分解以产生第一接收器束108A，且同时沿着第二偏振轴43B分解以产生第二接收器束108B。
沃拉斯顿偏振器41由此提供实现上述第二改变的布置，所述布置是用于提供在偏振器41的偏振轴和偏振光的偏振方向之间的第一和第二不同相对定向的布置，由此相对应地提供来自第一和第二接收器检测器46A、46B的第一和第二不同输出信号。
第三处理器48C可操作以基于来自第一和第二接收器检测器46A、46B(经由第一和第二处理器48A、48B)的第一和第二输出信号之间的差值而检测沃拉斯顿偏振器41相对于来自束源6的经散屑束的旋转。现将更详细描述通过处理器48A、48B、48C执行的信号处理。
在图4中示出的布置中，第一和第二处理器48A、48B对应地提供为第一和第二检测器单元44A、44B的部分，且以与在WO 2008/122808中描述的先前方案中的方式相同的方式操作。也就是说，第一和第二束部分(源于第一和第二源20、22)的强度之间的差值首先通过第一和第二处理器48A、48B(对应地与偏振器41的偏振轴和偏振光的偏振方向之间的两个不同相对定向相对应)形成。随后，来自第一和第二处理器48A、48B的两个信号之间的差值通过第三处理器48C形成。
此信号处理方案在图6A中示意性地说明。描绘两个支路A和B，所述两个支路对应地与图5中说明的偏振轴43A、43B的第一和第二不同定向相对应，所述支路产生第一和第二接收器束108A和108B。
第一接收器检测器46A位于支路A中，其中第一接收器束108A入射在其上。第一接收器检测器46A在图6A中示意性地说明为具有两个部分1和2；这些部分对应地与第一接收器束108A内的第一和第二束部分(源于第一和第二源20、22)相对应；这两个束部分在时间上彼此间隔开且通过第一接收器检测器46A一个接一个接收。第一接收器检测器46A取决于从第一接收器束108A的第一束部分入射在其上的光的强度输出第一信号A1，且取决于从第一接收器束108A的第二束部分入射在其上的光的强度输出第二信号A2。
类似地，第二接收器检测器46B位于支路B中，其中第二接收器束108B入射在其上。第二接收器检测器46B同样在图6A中示意性地说明为具有两个部分1和2；这些部分对应地与第二接收器束108B内的第一和第二束部分(源于第一和第二源20、22)相对应；这两个束部分在时间上彼此间隔开且通过第二接收器检测器46B一个接一个接收。第二接收器检测器46B取决于从第二接收器束108B的第一束部分入射在其上的光的强度输出第三信号B1，且取决于从第二接收器束108B的第二束部分入射在其上的光的强度输出第四信号B2。
第一处理器48A经布置以从第一接收器检测器46A接收第一和第二信号Al、A2，且取决于那些信号之间的差值确定且输出信号，所述差值示出为(Al-A2)。对于第一支路A，来自第一处理器48A的输出信号与上述表达式(26)相对应。
同样地，第二处理器48B经布置以从第二接收器检测器46B接收第三和第四信号B1、B2，且取决于那些信号之间的差值确定且输出信号，所述差值示出为(B1-B2)。对于第二支路B，来自第二处理器48B的输出信号与上述表达式(26)相对应。
第三处理器48C经布置以从第一和第二处理器48A、48B接收输出信号，且取决于那些信号之间的差值确定且输出信号，所述差值示出为(A1-A2)-(B1-B2)。
来自第三处理器48C的输出信号如先前馈送到计算机80。来自第三处理器48C的输出信号与上述表达式(38)相对应。
注意，由于在第一和第二接收器检测器46A、46B中的电子增益的略微差异，以及在通过沃拉斯顿偏振器41的两个束的透射(以产生用于第一和第二支路A、B的束108A和108B)中的差值，因此希望在用第三处理器48C差别化两个信号之前适当地缩放所述两个信号。所述缩放通过图6A中说明的可变增益级47A和47B执行(这些增益级将也存在于图4中，但为简单起见而没有在那里示出)。缩放因数可以通过略微改变源20、22中的一个的强度联机确定。用于‘零点’项的任何值(所述值通过改变源20、22中的一个的强度而改变)的两个差值信号之间的关系1是线性的且斜率是所希望的缩放因数。
在图6B中说明图6A的方案的替代的信号处理方案。如所说明，第二信号A2被馈送到第二处理器48B的第一输入，而不是馈送到第一处理器48A的第二输入，且第三信号B1被馈送到第一处理器48A的第二输入而不是馈送到第二处理器48B的第一输入。
由于此重新布置，第一处理器48A不再排他地与第一接收器检测器46A相关联，且因此在逻辑上不再是第一检测器单元4A的部分；所述第一处理器可以替代地被认为与第一检测器单元44A分开。同样地，第二处理器48B不再排他地与第二接收器检测器46B相关联，且因此在逻辑上不再是第二检测器单元44B的部分；所述第二处理器可以替代地被认为与第二检测器单元44B分开。
上述重新布置产生与从第一处理器48A输出的(A1-B1)(其与通过两个检测器46A和46B测量的第一束部分的强度之间的差值有关)有关的信号，以及与从第二处理器48B输出的(A2-B2)(其与通过两个检测器46A和46B测量的第二束部分的强度之间的差值有关)有关的信号。
来自第三处理器的输出与(A1-B1)-(A2-B2)有关，所述输出当然刚好与来自图6A的第一信号处理方案的输出相同。
同样，由于在第一和第二接收器检测器46A、46B的电子增益中的略微差异，以及在通过沃拉斯顿偏振器41的两个束的透射中的差值，来自两个检测器46A、46B的信号A1/A2和B1/B2在被馈送到处理器48A、48B之前各自(或至少一个)优选地被馈送到可变增益级47A、47B。同样，出于先前提到的相同原因，可变增益级优选地经适当地调整，以便在以与第一信号处理方案中描述的方式类似的方式差别化两个接收器检测器46A、46B之前，产生正确的缩放因数。
现将更详细描述可以联机执行以便适当地调整在图6B信号处理方案中的可变增益中的至少一个的过程。
假设相位项可忽略，则来自两个检测器的电子信号通过下式给出：
SA＝GA(Z+R) (50)
SB＝GB(Z-R) (51)
其中GA和GB是所得增益，所述增益包含沃拉斯顿偏振器41的透射、任何固定电子增益以及来自级47A和47B的可调整增益。差值信号随后通过下式给出：
SA-SB＝(GA-GB)Z+(GA+GB)R (52)
目标是改变增益GA和GB中的一个或两个以使右手侧上的Z项尽可能小，即，使(GA-GB)尽可能接近零。人们可以若干方式进行，包含：
(1)通过改变源20、22的功率使得滚动项是常数而零点项变化，人们可以作用于增益中的至少一个以减少差值信号的变化或使它可忽略。这将确保增益得到适当地设定，以实现上述目标且确保漂移不再显著。
(2)通过机械地确保滚动项尽可能小，人们可以改变源20、22中的至少一个的功率且作用于增益以减少差值的变化或使它可忽略。
还应注意，可以用以下方式使此方案等效于先前方案：
如果针对在增益GB的固定值处的增益GA的两个值，以及针对在增益GA的固定值处的增益GB的两个值，测量差值信号SA-SB，则获得以下四个信号：
S1＝SA1-SB＝GA1(Z+R)-GB(Z-R) (53)
S2＝SA2-SB＝GA2(Z+R)-GB(Z-R) (54)
S3＝SA-SB1＝GA(Z+R)-GB1(Z-R) (55)
S4＝SA-SB2＝GA(Z+R)-GB2(Z-R) (56)
从这些信号中，可以获得与信号SA和SB成比例的以下两个信号：
S1-S2＝(GA1-GA2)(Z+R) (57)
S3-S4＝(GB2-GA1)(Z-R) (58)
以此方式，此方案将减少到在本申请案中呈现的先前方案且可以应用先前描述的相同方法。注意，如果增益GA1或GA2中的一个是零，那么差值信号与SA成正比。这也适用于检测器B。
尽管第一、第二和第三处理器48A、48B、48C被说明为单独的功能单元，但它们也可以被认为是单一功能处理单元，且甚至可以在第一方案或第二方案中在物理上组合成单一处理单元。还应了解，通过上文所描述的处理器48A、48B、48C中的一个或多个执行的处理可以用软件或用硬件完成。所述处理器可以实施为差值放大器。类似地应了解，可变增益级47A、47B可以用硬件或软件实施，且它们可以并入到通过处理器48A、48B、48C中的一个或多个执行的处理中，而不是单独的且如图6A和6B中指示而定位。
与图6A的信号处理方案相比，图6B的信号处理方案实施起来可以更简单且更加功率和空间高效。如果用硬件实施，那么测量两个源之间的差值的电子器件就功耗而言将通常要求相对较高，且图6B的信号处理方案使用单一组电子器件(在处理器48C中)，而非如图6A的信号处理方案中的两组(在处理器48A和48B中)。如果处理器是作用于程序指令的通用处理器，那么与第一方案相比，第二方案的上述优点将不适用。
尽管上文描述了沃拉斯顿偏振器41，但可以替代地使用另一类型的类似偏振光束分光器，例如罗雄(Rochon)或塞拿蒙(Sénarmont)棱镜、薄膜偏振光束分光器或其它。
另外，还应了解，沃拉斯顿偏振器41仅作为用于提供在偏振器的偏振轴和偏振光的偏振方向之间的第一和第二不同相对定向的布置的一个实例提供，由此相对应地提供来自检测器的第一和第二不同输出信号(在此实例中，检测器包括两个单独检测器46A、46B，但在其它实施方案中这不是必须的)。
例如，用于提供第一和第二不同相对定向的布置可以替代地(如先前所提到)通过在束源6中提供用于使第一和第二源20、21的偏振旋转的布置来实施，其中普通偏振器42(例如参考图2所描述的偏振器)替代沃拉斯顿(或类似)偏振器41。在此情况下，将仅需要单一物理检测器46，所述物理检测器将在不同的对应时间而非同时提供与两个不同偏振定向有关的信号。
为了实施上述第一改变，提供‘散屑’布置(例如，在束源6中)，所述布置在本发明的实施例的情形下是意图消除或至少减少偏振光的主要和次要(第一和第二独立)偏振分量之间的相干性以产生‘经散屑’(或经处理)的偏振光束的布置。在图4布置中，接收器光束108可以被认为是经散屑的偏振光束。
散屑布置可以采用许多形式，但在图4中说明的实施例中，将呈双折射晶体39(在本文中还更一般地称为散屑元件39)形式的散屑布置引入作为在接收器光束108从束源6出来之前在所述接收器光束的光学路径中的最后光学元件。应了解，散屑元件39不必是在接收器光束108从束源6出来之前在所述接收器光束的光学路径中的最后光学元件，但它至少优选地位于上文所描述的非理想特性的主要源之后。换句话说，优选的是，位于经散屑的偏振光束的路径中的任何光学组件，即位于散屑元件39和偏振器(如果第二改变被实施的话，则是沃拉斯顿偏振器41；或如果第二改变未被实施的话，则是第二标准偏振器42)之间的任何光学组件都不引入较大漂移。
双折射晶体具有特定轴(被称为光学轴或晶体轴)，沿着所述轴的折射率不同于另两个正交轴的折射率。因此，在晶体轴的方向上偏振的线性偏振光，当其在晶体内部传播时，经历与在正交于晶体轴的方向上偏振的线性偏振光不同的路径长度。因此，对于在晶体内部传播的一般偏振光，沿着晶体轴和垂直于晶体轴的方向的正交分量将经历相移。如果传播长度足够长(即，晶体足够厚)从而产生比源的相干长度大得多的路径长度差值，那么相位项将平均为零，如上文所解释。宽带光源可以用于第一和第二源20、22中的每一个以便减少相干长度。晶体的轴与保偏光纤30的轴大致对准(且因此与两个源20、22大致对准)且它们提供针对可以测量的滚动的机械参考。
散屑布置的其它实施方案也可能用于消除或至少减少干涉项。如将从对干涉项的先前解释中清楚，散屑布置的概念非常类似于在干扰测量法中的相干性的概念：如果某一束分成两个路径(例如，干涉仪的两个臂)且随后重新组合，那么只要光程长度中的差值小于源的相干长度，就将观察到干涉条纹。如果目标是消除这些条纹，那么这可以若干方式完成，包含：
1.谱域：源的相干长度与其光谱带宽成反比，且因此如果使用产生比两个路径之间的光程差小得多的相干长度的宽带源，例如超辐射发光二极管(SLED)，那么将观察不到条纹。还可以使用窄带源，其中其波长调制得足够快(即，比观察时间更快)且超过所需宽带源的类似带宽。
2.时域：如果使用窄带源但足够快速地调制干涉仪的臂中的一个中的路径长度，那么干涉将被抹掉且这将产生所希望的效果。
3.空间域：如果在干涉仪的一个臂中插入在束宽度的不同点处产生不同路径长度的空间光调制器，那么在束宽度上的干涉的平均值将是零。或换句话说，源的空间相干性可以减少。
适用作散屑布置的所有这些方法都落入实现干涉项的消除的广泛方式：两个路径之间的相移取决于某参数且干涉项在此参数的值上取平均是零。
滚动测量中的相位项的类似情况如下：椭圆形偏振通过具有在其间的某一相移的在振荡的两个正交分量描述：如果相移是零或π，那么偏振是线性的，但对于任何其它相位值而言，偏振则一般来说是椭圆形的。随后当此偏振通过偏振器(其方向为两个正交方向之间的某处)时，存在与两个正交分量之间的相移有关的干涉项。换句话说，两个正交分量类似于两个干扰束，且它们之间的相移类似于路径长度差值。因此类似技术可以用于消除此干涉项，且所有技术都将落入本文中所使用的术语‘散屑布置’内。
具体来说，上文参考图4将散屑布置描述为呈双折射晶体39的形式。然而，应了解，散屑布置可以更一般地说包括除呈晶体形式外的双折射材料。例如，包括双折射材料的光纤可以充当散屑布置。
与WO 2008/122808的系统相比的另一改变是不需要控制偏振器34。可以保留控制偏振器，但它在实施散屑元件39时可能被认为是多余的，因为散屑元件39提供机械参考以替代控制偏振器34；保留控制偏振器34将通常仅起到引入不必要的漂移的作用。
如先前所提到，应了解，可以实施上述第一改变(用于引入散屑布置)而不用也实施上述第二改变(用于引入偏振旋转)，且反之亦然。如果实施第一改变而实施第二改变，那么图4的接收器单元8可以有效地由图2的接收器单元8替代，其中单一检测器单元44在接收器单元8中。如果实施第二改变而不实施第一改变，那么图4的束源6可以有效地由图2的束源6替代，而没有散屑元件39。
还如上文所提及，利用散屑布置甚至利用产生单一偏振的光的单一源(即，没有上文所描述的第一和第二束部分)将实现某益处；此布置将是基于上述表达式(16)而非表达式(24)。
应该提到，当采用具有第一和第二不同对应偏振状态的第一和第二束部分时，还可以使用单一光源而非如图4中示出具有用于产生第一和第二束部分的两个单独源20、22，所述单一光源被分成正交偏振路径，所述偏振路径被替代地短切(例如使用电动光学调制器或EOM)且随后重新组合且耦合到保偏光纤30。
此外，接收器检测器46以及相关联的处理器48可以位于束源6中而非位于接收器单元8中；这是因为束源6和偏振器41之间的相对旋转很重要，且偏振器41保留在接收器单元8中。(如果实施散屑元件39，那么重要的是散屑元件39和偏振器41之间的相对旋转；如下文所描述，散屑元件39不必提供于束源6中。)通过考虑WO 2008/122808的图5将容易地清楚其中接收器检测器46在束源6中的替代方案。
还应了解，关于先前在WO 2008/122808中的图6描述的其它变化(尤其但非排他地，与图11和12中的倾斜和偏航的测量有关的变化)同样适用于本发明的实施例，且那些变化以引用的方式并入本文中。其中接收器经配置以确定倾斜和偏航的程度的此系统的另外细节在WO 2008/122816中揭示，所述WO 2008/122816的全部内容通过引用并入到本说明书中。
上文参考图4(结合图1)所描述的方案由两个主要组件组成：束源6和接收器单元8(接收器单元8安装在CMM 4的套管轴18上)，其中散屑元件39位于束源6中且沃拉斯顿偏振器41、检测器46A、46B以及相关联的处理器48A、48B和48C在接收器单元8中。
还可能以如图7中示意性地说明的方式实施所述方案，其中散屑元件39从束源6移动到安装在CMM 4的套管轴18上的中间单元7中。接收器单元8(具有沃拉斯顿偏振器41、检测器46A、46B以及相关联的处理器48A、48B和48C)布置在中间单元7外的固定位置中。中间单元7布置在束源6和接收器单元8之间，因此其中的散屑元件39在从束源6发射的接收器光束108的路径中。接收器单元8中的沃拉斯顿偏振器41、检测器46A、46B以及相关联的处理器48A、48B和48C可以如上文参考图4所描述而布置和操作。
因此，一般来说，偏振器41、42相对于经散屑的偏振光束(即，由散屑布置的动作产生的束，无论是通过散屑元件39还是通过束源6中的旋转构件产生)的旋转导致入射到检测器46A、46B、46的光的强度的变化，以及在从检测器46A、46B、46输出的信号中的相对应的变化，所述相对应的变化是用于通过处理器48A、48B、48C、48确定偏振器相对于经散屑的偏振光束的旋转的基础。
图7的布置可以通过将接收器单元8的元件定位在束源6中而进一步改变，其中接收器光束108被“折叠”或由中间单元7中的反射性元件反射(根据WO 2008/122808的图5)，其中所述反射性元件位于散屑元件39之前或之后。
参考图7描述的这些布置具有其中仅具有少量元件的无源套管轴(中间)单元7的优点。
参考图7描述的两个布置中的第一个可以被认为比第二个更好，因为束在第一布置中在沃拉斯顿偏振器41和检测器46A、46B上的移动比在第二布置中的移动更小。由于来自沃拉斯顿偏振器41和检测器46A、46B的空间变化，这具有消除可能的问题的优点。然而，这些变化通过采用实质上类似波长的两个源20、22而大大减少；如果来自两个源20、22的两个束完全重叠，那么这些变化将是可忽略的。
在上文描述，表达式(28)的‘零点’项可以借助于引入偏振的旋转来对抗，如参考表达式(31)到(37)所解释。对抗零点项的替代的方法利用半透明检测器，所述半透明检测器像普通检测器一样放置在光束的路径中以用于输出信号，所述信号取决于落在所述半透明检测器上的光的强度，但不同于普通的检测器，所述半透明检测器允许至少某一比例的光通过它。
此半透明检测器可以至少以下两种方式用于消除或至少减少零点项。
在第一实施方案中，半透明检测器将替代图2的光束分光器32、控制偏振器34以及控制检测器36，其中半透明检测器替代地用作控制检测器。在接收器束108离开束源6之前在所述接收器束的路径中，半透明检测器将优选地是在束源6中的最后一个光学器件，即，在图2的光束分光器32的位置中。如果还如本文中以上所描述使用散屑元件，如果半透明检测器不引入相移，那么所述半透明检测器可以放置在散屑元件之后；如果散屑元件不引入零项的漂移，那么它可以放置在半透明检测器之后。参考表达式(28)，必须一提是，零点项是正好在偏振器42之前的两个源20、22(或对应地源于第一和第二源20、22的第一和第二束部分)的强度的差值，且控制单元38试图均衡从两个源20、22得出的信号。因此，使用半透明检测器的此布置将保持零点项接近零(只要半透明检测器关于两个源20、22的差分响应不显著地漂移)。
在第二实施方案中，束源6可以如其在图2中一样搁置，其中半透明检测器提供于接收器单元8中在偏振器42之前。半透明检测器可以经布置以测量来自两个源20、22的强度的差值和总和，且(只要半透明检测器关于两个源20、22的差分响应不显著地漂移)，这可以用于确定零点项，所述零点项随后可以通过处理器48从来自检测器46的信号减去。零点项可以基于差值除以总和而根据强度的总和和差值得出。两个检测器之间的增益的匹配可以使用类似于上文参考图6A所描述的技术(改变源中的一个的强度且获得所得曲线的梯度)的技术来执行。
在本发明的实施例的情形下的半透明检测器布置可以被认为是光电系统，其包括：自身半透明的检测器或者包括半透明组件的光学布置，所述半透明组件经布置以将光引导到不透明检测器上。此外，在本发明的实施例的情形下，光电系统应该优选地满足所有以下条件：
(a)来自两个源(第一和第二束部分)的光入射在光电系统的输入端口上。
(b)入射光的至少部分在光电系统的输出端口处离开系统。
(c)所述系统在输出端口处提供信号，所述信号大体上是两个源(第一和第二束部分)的强度之间的差值的线性函数。
(d)在条件(c)中提及的函数的偏移项应该优选地不随环境条件和/或源的波长显著地漂移。然而，如果存在任何此类漂移，那么所述系统应该经调适以测量偏移且调整其输出信号以抵消偏移的影响(例如，通过减去所述偏移)。偏移项可以被认为是所述函数的不取决于强度差值(但其可以取决于其它因素，例如操作温度等环境因素)的一部分。
优选地，所述系统还应该满足以下条件中的一个或两个：
(e)所述系统还提供与两个强度的总和成比例的信号。
(f)输出偏振由非相干线性分量构成，所述线性分量的对应的方向相对于输入偏振或相对于半透明检测器内的参考轴固定。然而，如果通过半透明检测器引入两个偏振分量之间的相移，那么由此相移产生的相位项应该不显著地漂移。
鉴于上述条件，在本发明的实施例的情形下，光束分光器和不透明检测器通常不被认为是“半透明检测器布置”，因为光束分光器实际上通常不满足条件(d)：即使差值的函数是线性的，它也将通常具有漂移的偏移项。并且所述光束分光器通常不满足条件(f)，因为所引入的相位项确实通常漂移。
现将更详细论述上述条件(c)，即，所述信号大体上是两个源的强度之间的差值的线性函数。
从表达式(27)可以看出，滚动信号S由来自Z(零点项，其为I1-I2)、相移项P以及物理滚动R的组分构成，如下：S＝Z+P+R。
因为目标是抵消Z，所以如上文所描述，需要的是，从半透明布置提供信号，该信号大体上是Z的线性函数，其中此函数的偏移项是非漂移的、或漂移的而被补偿，因此可以简单地从滚动信号S减去该信号以消除零点项Z(或至少减少其影响)。
然而，应了解，通过半透明检测器布置提供的信号的大体上线性性质不必完全通过半透明检测器布置内的检测器(和紧密相关联的电子器件)的实际响应来实现。如果半透明检测器布置的任何部分的物理响应贡献于Z的非线性函数，那么半透明检测器布置将经配置以执行进一步处理，所述处理有效地线性化所述响应，由此有效地获取Z的线性函数，所述线性函数可以用于消除或减少零点项的影响。此类处理可以通过提供专用处理器来执行，改专用处理器为半透明检测器布置的部分，或它可以通过已经提供的用以确定滚动信号的处理器48来执行。因此，在一些实施例中，半透明检测器的布置可以包括处理器48，其中半透明检测器布置的功能与处理器48的功能组合且不可与其分离。通过处理器48执行以线性化(必要时)所述函数的处理可以与通过处理器48执行以确定滚动信号的处理组合，因此这两者作为整体执行。

Claims (36)

1.一种旋转检测设备，其包括：
束源，其用于发射偏振光束；
散屑布置，其用于消除或至少减少偏振光的第一和第二独立偏振分量之间的相干度以产生经散屑的偏振光束；
检测器，其用于根据入射在其上的光的强度来输出信号，所述检测器经布置使得所述经散屑的偏振光束入射到其上；
偏振器，其定位在所述经散屑的偏振光束的路径中，从而使得所述偏振器相对于所述经散屑的偏振光束的旋转导致从所述束源入射到所述检测器的所述光的强度的变化以及在从所述检测器输出的所述信号中出现的相对应的变化；以及
处理器，其用于基于从所述检测器输出的所述信号的所述变化来检测所述偏振器相对于所述经散屑的偏振光束的所述旋转。
2.根据权利要求1所述的旋转检测设备，其中所述偏振光束包括第一和第二束部分，所述第一和第二束部分具有第一和第二不同对应偏振状态，由此相对应地提供来自所述检测器的不同的第一和第二输出信号，并且其中所述处理器可操作以基于来自所述检测器的所述第一和第二输出信号之间的差值检测所述偏振器相对于所述经散屑的偏振光束的所述旋转。
3.根据权利要求2所述的旋转检测设备，其中所述第一和第二束部分相对于彼此在时间上间隔开。
4.根据权利要求2所述的旋转检测设备，其中所述束源包括对应地用于发射所述第一和第二束部分的第一和第二不同光源。
5.根据权利要求3所述的旋转检测设备，其中所述束源包括对应地用于发射所述第一和第二束部分的第一和第二不同光源。
6.根据权利要求2到5中任一项所述的旋转检测设备，其中所述检测器包括用于提供所述第一和第二不同输出信号的单个检测器。
7.根据权利要求1所述的旋转检测设备，其中所述设备包括用于提供在所述偏振器的偏振轴和所述偏振光的偏振方向之间的第一和第二不同相对定向的布置，由此相对应地提供来自所述检测器的不同的第一和第三输出信号，并且其中所述处理器可操作以基于来自所述检测器的所述第一和第三输出信号之间的差值检测所述偏振器相对于所述经散屑的偏振光束的所述旋转。
8.根据权利要求7所述的旋转检测设备，其中所述偏振器形成用于提供所述第一和第二不同相对定向的所述布置的部分。
9.根据权利要求8所述的旋转检测设备，其中所述偏振器包括用于提供所述第一和第二不同相对定向的偏振光束分光器。
10.根据权利要求9所述的旋转检测设备，其中所述偏振光束分光器是沃拉斯顿偏振器。
11.根据权利要求7所述的旋转检测设备，其中所述检测器包括用于提供对应地与所述第一和第二不同相对定向有关的所述输出信号的第一和第二不同检测器。
12.根据权利要求7所述的旋转检测设备，其中用于提供所述第一和第二不同相对定向的所述布置包括用于使所述偏振光束旋转以提供所述第一和第二不同相对定向的构件。
13.根据权利要求1到5中任一项所述的旋转检测设备，其中所述散屑布置包括用于定位在所述偏振光束的所述路径中的双折射材料。
14.根据权利要求1所述的旋转检测设备，其中所述处理器对所述偏振器相对于所述经散屑的偏振光束的所述旋转的所述检测包括确定所述偏振器相对于所述经散屑的偏振光束的所述旋转的量度。
15.一种旋转检测设备，其包括：
束源，其用于发射偏振光束；
检测器，其用于取决于入射在其上的光的强度来输出信号，所述检测器经布置使得所述偏振光束入射到其上；
偏振器，其定位在所述偏振光束的路径中，从而使得所述偏振器相对于所述偏振光束的旋转导致从所述束源入射到所述检测器的所述光的强度的变化以及在从所述检测器输出的所述信号中出现的相对应的变化；以及
处理器，其用于基于从所述检测器输出的所述信号的所述变化检测所述偏振器相对于所述偏振光束的所述旋转；
其中所述偏振光束包括第一和第二束部分，所述第一和第二束部分具有第一和第二不同对应偏振状态；
其中所述设备包括用于针对所述第一和第二束部分中的每一个提供在所述偏振器的偏振轴和所述束部分的偏振光的偏振方向之间的第一和第二不同相对定向的布置，由此相对应地提供来自所述检测器的不同的第一到第四输出信号，所述第一到第四输出信号对应地与以下各者有关：(1)用于所述第一束部分的第一相对定向；(2)用于所述第二束部分的第一相对定向；(3)用于所述第一束部分的第二相对定向；以及(4)用于所述第二束部分的第二相对定向；以及
其中所述处理器可操作以基于来自所述检测器的所述第一到第四输出信号检测所述偏振器相对于所述偏振光束的所述旋转。
16.根据权利要求15所述的旋转检测设备，其中所述处理器可操作以基于第一和第二输出信号之间的差值得出第一值，基于第三和第四输出信号之间的差值得出第二值，且基于所述第一值和第二值之间的差值检测所述偏振器相对于所述偏振光束的所述旋转。
17.根据权利要求15所述的旋转检测设备，其中所述处理器可操作以基于第一和第三输出信号之间的差值得出第一值，基于第二和第四输出信号之间的差值得出第二值，且基于所述第一值和所述第二值之间的差值检测所述偏振器相对于所述偏振光束的所述旋转。
18.根据权利要求16所述的旋转检测设备，其中所述处理器可操作以基于第一和第三输出信号之间的差值得出第一值，基于第二和第四输出信号之间的差值得出第二值，且基于所述第一值和所述第二值之间的差值检测所述偏振器相对于所述偏振光束的所述旋转。
19.根据权利要求16所述的旋转检测设备，其包括可变增益级，其用于缩放所述输出信号、和/或与关于所述输出信号的所述第一和第二不同相对定向中的一个相关联的所述差值、和/或与所述第一和第二不同相对定向中的另一个相关联的所述差值。
20.根据权利要求17所述的旋转检测设备，其包括可变增益级，其用于缩放所述输出信号、和/或与关于所述输出信号的所述第一和第二不同相对定向中的一个相关联的所述差值、和/或与所述第一和第二不同相对定向中的另一个相关联的所述差值。
21.根据权利要求15到20中任一项所述的旋转检测设备，其中所述偏振器形成用于提供所述第一和第二不同相对定向的所述布置的部分。
22.根据权利要求21所述的旋转检测设备，其中所述偏振器包括用于提供所述第一和第二不同相对定向的偏振光束分光器。
23.根据权利要求22所述的旋转检测设备，其中所述偏振光束分光器是沃拉斯顿偏振器。
24.根据权利要求15到20中任一项所述的旋转检测设备，其中所述检测器包括用于提供对应地与所述第一和第二不同相对定向有关的所述输出信号的第一和第二不同检测器。
25.根据权利要求15到20中任一项所述的旋转检测设备，其中用于提供所述第一和第二不同相对定向的所述布置包括用于使所述偏振光束旋转以提供所述第一和第二不同相对定向的构件。
26.根据权利要求15所述的旋转检测设备，其进一步包括散屑布置，其用于消除或至少减少来自所述束源的偏振光的第一和第二独立偏振分量之间的相干度以产生经由所述偏振器入射在所述检测器上的经散屑的偏振光束，使得通过所述处理器检测到的相对旋转是在所述偏振器和所述经散屑的偏振光束之间的。
27.根据权利要求26所述的旋转检测设备，其中所述散屑布置包括用于定位在所述偏振光束的所述路径中的双折射材料。
28.根据权利要求15所述的旋转检测设备，其中所述处理器对所述偏振器相对于所述偏振光束的所述旋转的所述检测包括确定所述偏振器相对于所述偏振光束的所述旋转的量度。
29.一种旋转检测设备，其包括：
束源，其用于发射偏振光束；
检测器，其用于根据入射在其上的光的强度来输出信号，所述检测器经布置使得所述偏振光束入射到其上；
偏振器，其定位在所述偏振光束的路径中，使得所述偏振器相对于所述偏振光束的旋转导致从所述束源入射到所述检测器的所述光的强度的变化以及在从所述检测器输出的所述信号中出现的相对应的变化；以及
处理器，其用于基于从所述检测器输出的所述信号的所述变化检测所述偏振器相对于所述偏振光束的所述旋转；
其中所述偏振光束包括具有第一和第二不同对应偏振状态的第一和第二束部分，由此相对应地提供来自所述检测器的不同的第一和第二输出信号，并且其中所述处理器可操作以基于来自所述检测器的所述第一和第二输出信号之间的差值检测所述偏振器相对于所述偏振光束的所述旋转；以及
其中所述设备包括半透明检测器布置，其用于在所述偏振光束的所述路径中定位在所述偏振器之前，使得所述第一和第二束部分入射到所述布置且入射光的至少部分通过所述布置，所述布置经调整且经布置以将所述处理器对所述偏振器相对于所述偏振光束的所述旋转的所述检测影响为基本上是所述第一和第二束部分的所述强度之间的所述差值的线性函数，其中所述布置经调适以测量所述函数的偏移项、且调整通过所述布置提供的所述影响以抵消所述偏移项的影响，和/或其中所述偏移项不随环境条件和/或所述第一和第二束部分的波长显著地漂移。
30.根据权利要求29所述的旋转检测设备，其中所述布置经调适以提供信号，所述信号基本上是所述第一和第二束部分的所述强度之间的所述差值的线性函数，并且其中通过所述布置提供的所述信号经布置以影响所述处理器对所述偏振器相对于所述偏振光束的所述旋转的所述检测。
31.根据权利要求30所述的旋转检测设备，其包括控制单元，所述控制单元可操作以取决于通过所述布置提供的所述信号控制所述第一和第二束部分的相对强度。
32.根据权利要求30所述的旋转检测设备，其中所述处理器可操作以取决于通过所述布置提供的所述信号检测所述偏振器相对于所述偏振光束的所述旋转。
33.根据权利要求31所述的旋转检测设备，其中所述处理器可操作以取决于通过所述布置提供的所述信号检测所述偏振器相对于所述偏振光束的所述旋转。
34.根据权利要求29到33中任一项所述的旋转检测设备，其进一步包括散屑布置，其用于消除或至少减少来自所述束源的偏振光的第一和第二独立偏振分量之间的相干度以产生经由所述偏振器入射在所述检测器上的经散屑的偏振光束，使得通过所述处理器检测到的相对旋转是在所述偏振器和所述经散屑的偏振光束之间的。
35.根据权利要求34所述的旋转检测设备，其中所述散屑布置包括用于定位在所述偏振光束的所述路径中的双折射材料。
36.根据权利要求29所述的旋转检测设备，其中所述处理器对所述偏振器相对于所述偏振光束的所述旋转的所述检测包括确定所述偏振器相对于所述偏振光束的所述旋转的量度。
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