CN107209002A - 干扰量度系统以及相关方法 - Google Patents

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Abstract

在此公开和说明一种装置、系统及方法，用于确定至少两点之间的距离，其中，利用干扰量度技术来确定该距离。

Description

干扰量度系统以及相关方法
背景技术
干扰量度是涉及一种波叠加的测量技术。干扰量度的一个优点包括可实现纳米精度的测量。因此，其被广泛应用于计量学、微加工、量子力学，和许多其他领域。干扰量度还可以用于测量位移，折射率变化，以及许多其他变量。
附图说明
以下结合附图对优选的实施例进行详细说明，来更全面地了解本发明的性质和优点，其中：
图1是根据本发明的一个方面的示例性光电探测器的横截面图。
图2A是根据本发明的另一方面的光纤通过光电探测器射出光的原理图。
图2B是根据本发明的另一方面的光纤通过光电探测器射出光的原理图，且另外含有透镜。
图3是根据本发明的另一方面的光纤通过透镜射出光，使光重新聚焦在光电探测器上的示意图。
图4是根据本发明的另一方面的用于测量距离的系统的示意图。
图5A是根据本发明的另一方面的用于测量相位差的电路的原理图。
图5B是根据本发明的另一方面的用于测量相位差的电路的原理图。
图6是根据本发明的一个方面的测量距离的系统的示意图。
图7是根据本发明的一个方面的测量距离的系统的示意图。
图8是根据本发明的一个方面的测量距离的系统的示意图。
具体实施方式
虽然下面的详细描述包含了许多示例性具体说明，但本领域的普通技术人员应理解，可对下面的具体说明进行多种变化和修改，并且被认为包含在这里。
因此，以下的实施例是在不损失一般性的前提下进行的，且不限制在此提出的任何权利要求。应理解，此处所使用的术语仅用于描述特定的实施例，并且不打算加以限制。除非另有定义，此处所使用的所有技术和科学术语具有与本公开技术所属领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
说明书和权利要求中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”和类似等，被用于区分相似的元素，且不一定用于描述特定的顺序或时间顺序。应理解，所使用的术语在适当的情况下可互换。从而在此描述的实施例能够以不同于本文中所示或其他描述以外的序列进行操作。同样，当在此所述的方法包括一系列步骤时，在此说明的步骤顺序并不是这些步骤可以执行的唯一秩序，且一些规定的步骤可以被省略和/或一些没有描述的其他步骤可被添加到方法中。
说明书和权利要求中的术语“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“上”、“下”和类似等，被用于描述的目的，且不一定用于描述永恒的相对位置。应当理解，所使用的术语在适当的情况下可互换，从而在此描述的实施例能够以不同于本文中所示或其他描述以外的方向操作。
本文所使用的“增强”、“改进”、“性能增强”、“升级”和类似等，当在用于描述装置或过程时，指的是相比已知的装置或过程，该装置提供明显更好的形式或功能。既适用于装置或过程中的单别部件的形式和功能，也适用于整个装置或过程。
如本文所用，“耦合”是指一个物体和另一个物体之间的物理连接或附着关系，包括直接或间接连接或附着关系。任何数量的物体都可以被耦合，例如材料、部件、结构、层、装置、对象等。
如本文所用，“直接耦合”指的是一个物体与另一个物体之间的物理连接或附着关系，其中物体之间至少有一个直接的物理接触点或彼此接触。例如，当一个材料层沉积在另一材料层上或相对于另一材料层时，这些层可以被称为直接耦合。
如本文所用，“相关”是指一个物体、属性或事件与另一物体、属性或事件之间的关系。例如，这种关系可以是一种交流关系。此外，这种关系可以是耦合关系，包括直接、间接、电或物理耦合。此外，这种关系可以是时间关系。
本文中所描述的对象或结构彼此“相邻”可以是彼此物理接触、彼此接近，或者在彼此相同的区域或区域内彼此物理接触，其适用于在此使用的短语的上下文。
在本申请中，“包含”、“包含有”、“含有”和“具有”等可以具有美国专利法赋予其的含义，也可以表示“包括”、“包括有”等，通常被解释为可扩充形式。术语“所组成”或“组成”是封闭形式的术语，仅包括与此类术语相结合的特定组件、结构、步骤等，以及与美国专利法相一致。“基本上所组成”或“基本上组成”具有“美国专利法”赋予的一般意义。特别是，这些术语一般是封闭术语，不允许列入附加项目、材料、部件、步骤或元素，但不会对与之相关的物体的基本和新颖特性或功能产生重大影响。例如，如果存在“基本上组成的语句，则是允许成分中存在微量元素，但不影响组合物的性质或特性的情况，即使依据该术语的物体列表中没有明确地表示。当使用扩充形式的术语，如“包含”或“包括”时，应理解，当明确表述时，可以是对“基本上所组成”或“基本上组成”语句的直接保障，反之亦然。
如本文所用，“实质上”指的是有关动作、特征、属性、状态、结构、物体或结果的完整或几乎完征的范围或程度。例如，“实质上”封闭的对象表示对象完全封闭的或几乎完全封闭。在一些情况下，偏离绝对完整性的确切允许程度可能取决于特定的上下文。然而，一般来说接近完成与绝对及完全完成将具有相同的总体结果。“实质上”同样适用于否定含义，涉及动作、特征、属性、状态、结构、项物体或结果完全或近乎完全缺乏。例如，一种成分实质上无颗粒表示要么完全没有颗粒，要么几乎完全没有颗粒，其效果就如同完全没有颗粒一样。换句话说，实质上无这种配料或这种元素的组合物实际上仍然可含有这些成分，只要其没有可衡量的影响。
如本文所用，术语“约”被用来提供数值范围终点的灵活性，指定值可以是“略高于”或“略低于”范围终点。然而，应理解，即使在本说明书中使用术语“约”来与特定数值有关，其也提供“约”术语中所支持的确切数值。
此外，组成、种类、或类似组群等是为方便起见，所述组群应不仅被解释为整体上，而且除非上下文另有说明还可以是组群中的各独立成员被分离及单独地明确表达，没有组群的其他成员。该申请中的详细说明和权利要求中包含上述两种组群。此外，组群的任何独立成员不应仅基于其在共群中的表现被视为实际上相当于同一组群中的任何其他成员，且无相反指示。
浓度、数量和其他数值数据在此可用来表现或表示范围格式。应理解，范围格式仅仅用于方便简洁起见，因此可被灵活解释为，不仅包括作为范围限制被明确阐述的数值，而且还包括各数值或子范围被明确阐述的范围内的所有个体数值。例如，“约1-5”的数值范围应被解释为不仅包括约1-5的明确阐述值，还包括该指定范围内的单个值和子范围。因此，包含在该数值范围内的单个值，例如2、3、4，以及例如1-3、2-4、3-5等子范围，以及分别为1、1.5、2、2.3、3、3.8、4、4.6、5和5.1。
同样的原则适用于只把一个数值作为最小值或最大值的范围。此外，该解释应被适用且不论在此描述的范围大小或特性。
本说明中涉及的“示例”表示至少一个实施例中包含与该示例有关的特定特征、结构或特性。因此，整个本说明书出现的短语“在示例中”并不一定是指同一个实施例。
示例性实施例
以下提供技术实施例的初步概述，然后进一步详细描述具体的技术实施例。初步概述目的在于帮助读者更好地理解该技术，但并不用来确定关键或必要的技术特征，也不用来在此请求的主题范围。
本公开涉及一种在环境中进行物理测量的新颖干扰量度装置、系统和方法。例如，在一个方面，可利用本技术，基于指定装置、系统或方法的具体设计和使用，来检测一维、二维和/或三维中的两个或多个点之间的距离。此外，该距离测量结果可以是绝对距离测量、相对距离测量，或两个或多个点之间的任何其他测量，包括固定点和移动点。移动点包括一个点相对于另一固定点或多个固定点移动的情况，以及多个点移动的情况。因此，本技术可用于测量位置、距离，以及位置和/或距离的变化、轨道移动对象、计量速度、加速度、减速度等。导致测量点之间距离变化的对象扩展或收缩也可以被跟踪或监视。
因此，在一个示例中，本公开的主题提供一种确定至少两点之间的距离的方法。该方法可以包括以下步骤：将相干光的光束分成离散的分量光束；引导各分量光束沿离散的波导路径朝向并进入相关的光电探测器，在各路径的所述相关的光电探测器中生成局部光电流。各分量光束可通过其相关的光电探测器被传递，冲击到另一路径中的光电探测器，在各光电探测器生成干扰光电流。干扰光电流之间的差异可与相关或相应探测器之间的距离相关连。
此外，本发明提供一种干扰量度装置，包括：信号或第一光电探测器、基准或第二光电探测器、光束源，和波导，被配置用来引导分裂的相干光的光束，沿第一路径穿过所述第一光电探测器并进入所述第二光电探测器，以及沿第二路径穿过所述第二光电探测器并进入所述第一光电探测器。该装置还可包括光调制器和/或锁定放大器。一方面，本发明提供一种系统，包括光纤干扰仪，具有与相干光源耦合的光纤，其中光纤分裂成至少两个光纤通道。
相干光源可以包括任何光生成装置或系统，可将相干光引入至光纤。非限制性的示例可包括：光纤激光器、固态激光器、气体激光器、类似激光二极管的半导体激光器，光子晶体激光器等，包括上述适当的组合。在一个特定的方面，光源可以是带尾纤的激光二极管。
可采用任何输出功率，来适用于该系统的其他部件，如光电探测器。根据应用，输出功率范围可以是1微瓦至1瓦特以上。然而在许多应用中，可以使用1-100毫瓦特。该输出功率可根据多种标准被选择，如所需的信号噪声比，检测频宽，光电探测器的线性响应的饱和度，以及在特定环境中使用干扰仪相关的任何光能安全问题。在一些示例中，优选是使相干光源的输出功率最大化，从而不折衰光电探测器或光电探测器生成的光电流，从而使光纤中射出的散光束的横向和纵向测量范围最大化。
此外，任何合适的相干光波长都可用于当前系统和方法。然而，本领域的技术人员应理解，红外和可见光范围内的相干光可能具有一些实践优势。因此，在一个方面，当前系统的光源能够射出波长为400nm至1000nm的相干光，或更高。在一些方面，光源可在红外范围内射出相干光(即波长为750nm至1000nm或更高，包括红外和近红外范围)。在一些方面，光源可在可见光范围内射出相干光(即波长为400nm至750nm)。然而，不同光源对于其射出的相干光具有不同的限制(即在更远的距离相干光可能变小)。因此，当光源的频率范围不足够窄来生成恰当的相干光束，在所需的距离产生干扰信号时一些光源可能不适合当前系统和方法的所有应用(即测量远距离)。
应注意，相干光被传递穿过光纤，然而，通过光电探测器从光纤被传输的光以及经其他光电探测器被检测的光，可能保持或也可能不保持完全一致，其取决于波导的尺寸、波导出口的尺寸、光电探测器的尺寸、探测器之间的距离等。同时必须有足够的相干光来产生干扰，“相干”可以包括空间和时间组成。该组成通常都需要产生所述的干扰效果。用于从相反的光纤通道接收透射光的两个光电探测器还可利用与相反的光纤通道不正交极化的光，来用于产生干扰。
光纤可以是能够沿其长度容纳和传输相干光的任何材料。一般来说，光纤可以是柔性的，具有最小质量和透明波导。各种材料可以用作光纤材料，包括二氧化硅，透明聚合物等，以及上述的适当组合，但并不局限于此。此外，在一些方面，光纤可以包括单模光纤，而在其他方面可以使用多模光纤。在其他方面，光可以不使用光纤被传递，因此，任何用于传递光允许干扰在光电探测器中出现的机制应被认为是在本范围内。例如，在一些方面，标准体光学装置可用来传递光。然而，由于单模光纤具有一些实践优势，在此特定参照此类波导。
各种单模光纤可用于当前系统和方法。在一些方面，可以根据其数值孔径来选择单模光纤。单模光纤的数值孔径可以控制光纤中产生的相干光束的角度，从而控制光纤中射出的光的横向和纵向范围。例如，当需要以较大角度(即大横向范围)从光纤端射出光束时，可以选择具有较大数值孔径的光纤。相反，在希望以较窄角度(即大纵向范围)从光纤端射出光束时，可以选择具有较小数值孔径的光纤。因此，单模光纤的数值孔径可以基于相干光束的较大横向或纵向覆盖度需要被选择。一般来说，增加横向覆盖(即光束发散)，会影响探测信号的纵向范围。相反，增加纵向范围(即光信号可被检测到的距离)会影响将探测到的光信号的横向覆盖或宽度。
因此，当前系统可以用于测量基于系统的纵向和横向覆盖的距离范围。例如，在单轴上的一维测量，当前系统的范围可较大(10米甚至更大)。在该几何状态下，从光纤射出的相干光束可通过透镜被瞄准或几乎瞄准而不是发散，以下将更详细地说明。然而，当需要三维位置测量时，基准及信号光束可能被发散，因此，较远距离落在其他光纤的指定探测器的功率可能较小。在这些条件下，噪声能够确定可被测量的最大纵向和横向距离。
非限制性示例仅用于说明的目的，从光纤射出的光穿过具2x10^-6米束腰的高斯形状的探测器，且发散半角为0.1弧度。其相当于近似4x10^-12平方米的有效光电探测器面积(使用简化的假设，即面积大约等于束腰尺寸的平方。其另外指示出当基准光束较小时光电探测器面积可较大)。在这个示例中，还假设高斯光束的功率为1mW。高斯光束将扩散传播到另一个探测器(类似的有效光电探测器面积)。由于扩散光束强度将下降。假设需要6.3nm分辨距离测量，要求光电探测器电流信噪比为100。在这种情况下，由其他光纤/光电探测器接收到的功率(类似的有效光电探测器面积＝4x10^-12平方米)可为4.8x10^-12瓦特(如示例1所示，在符合该示例的条件下基于计算出的散射噪声和1kHz探测频宽)。该信号光束传播及到达其他光电探测器后将具有的最大面积可产生近似8x10^-4平方米的信噪比，由下列关系确定：最大信号光束面积＝(信号功率/最小检测功率)*(光电探测器面积)＝(1x10^-3瓦特/4.8x10^-12瓦特)×(4x10^-12平方米)＝8x10^-4平方米。在这个示例中，最大光束面积相当于约2.8厘米的束宽。因此，在0.1弧度的发散角，光束可以扩散至约2.8厘米的半径，且仍然通过有效面积为4x10^-12平方米的探测器以100的信噪比被检测到。这意味两个光纤/光电探测器可以横向移动2.8厘米，距离测量分辨率没有显着减少(6nm)。在该发散角(0.1弧度)下，测量的最大纵向范围约为28厘米。当功率增大或频宽减小或发散角减小时，纵向范围也可增大。
该方法可提供显著的灵活性来执行一维、二维和三维距离测量。对于一维测量，无需对齐两个光纤/探测器，因为即使探测器没有横向对齐超过2.8厘米(相对于该非限制性示例)也可执行测量。
继续参照非限制性示例，多个基准光纤/探测器以小于2.8厘米分开被放置在基准面并分别被配置来独立测量基准光纤/探测器以及信号光纤/探测器之间的距离，然后采用三角测量方法，信号光纤/探测器的三维位置测量可以在较大的横向范围被检测(大于各探测器对(2.8厘米)的个体横向范围)。
其中发散角为0.01弧度，对应于约2x10^-5米的高斯束腰(有效探测器面积＝4x10^-10，且纵向范围将增加至约28米(假设1mW的功率，信噪比为100)，具约28厘米的横向范围。
合适的范围可以是光纤/光电探测器能够从相关的光纤/光电探测器中检测干扰光信号的任何范围。如上所述，干扰光束的最小探测功率可由检测过程中主导的噪声和检测系统的频宽确定。如下所示，由光电探测器检测的外差干扰信号与参考信号与信号光束的平方根成正比。基准光束是直接来自光纤的光并在进入与另一光纤相关的光电探测器之前冲击相邻侧的探测器。信号光束是已经穿过光电探测器并向另一光电探测器行进的光束。
如上所述，光纤可以被分割成离散的光纤通道，从而将相干光的光束分成离散的分量光束，并沿离散的波导路径引导各分量光束。一个或多个光纤通道可包括光调制器，如声光调制器、电光调制器、磁光调制器、机光调制器、相位调制器、或其他合适的装置。在具体的示例中，可以使用相位调制器。因此，传递至主光纤的相干光(例如，单模光纤)直接进入至各光纤通道，并各通道中的光能够以不同的频率被移频或调制(Δf1,Δf2,Δf3…)通过频率或相位调制装置。应注意，可以使用各种类型的调制，包括频率调制、相位调制、振幅调制、频移、相移等，以及上述其组合，但并不局限于此。通过在各信道中使用不同的调制频率，任何一对通道之间的干扰可通过检测两个通道的差频的外差信号被独立地检测。
半透明或光学性薄的光电探测器可以定位在光纤的各光纤通道附近或末端处。在此可使用任何半透明或光学性薄的光电探测器，如半透明或光学性薄的光电二极管，具有p-n结或PIN结。图1中示出具有PIN结的半透明光电探测器100的一个具体示例。如图1所示，硅晶片101可被集中蚀刻，来提供具有宽度W1的通道，以增加光电探测器100的透明度。替代地或组合地，光电探测器可设置在透明基板上，省去了创建通道的需要。特征102表示设置在氧化物层顶部的硅晶片101。特征103,104和105分别表示n+硅层、本征硅层，和p+硅层。特征106a表示沉积在p+硅层上的硅化物或金属接触。特征106b表示沉积在n+硅层上的硅化物或金属接触。特征107a和107b分别表示耦合至接触层106a和106b的引线。如上所述，图1仅示出合适的半透明或光学性薄的光电探测器的一个示例。本领域的技术人员应理解，可以利用各种适当的变化或替代物来制备合适的半透明或光学性薄的光电探测器。
光电探测器可被定位从而接收来自相关通道的相干光。其可使用多种配置来完成。在一个方面，光电探测器可制备在或耦合至光纤的光纤通道的端部。在另一方面，如图2A所示，光纤220可以向光电探测器210发射光。从光纤220的端部射出的光可冲击相邻侧213上的光电探测器210。然后，光可以从光电探测器210的相对侧215朝相关的基准光电探测器的相对侧被射出(未示出)。在另一方面，如图2B所示，从光电探测器210射出的光可被瞄准或几乎瞄准并引导至相关的光电探测器。或是如图3所示，透镜360可位于光电探测器310和光纤320之间，以将从光纤射出的相干光聚焦到光电探测器上。穿过光电探测器后，相干光将在由透镜确定的角度发散。在任何情况下，光电探测器(210,260,310)可大于相干光束的尺寸。在这种情况下，如图3所示，有效的外差检测区域根据基准光束(即来自光纤的光束)的大小被确定。
基于特定的应用，可以使用多种透镜，来改变相干光束发散角，从而在特定位置瞄准或聚焦相干光。作为非限制性示例，可使用梯度折射率透镜或常规透镜。因此，类似光纤的数值孔径，透镜也可以被用来控制光束发散角以及相关的光束的纵向或横向覆盖。
如上所述，至少一个光纤通道可被定向地朝向另一光纤通道，从而穿过相关光电探测器的光被射出并冲击至与另一光纤通道直接相关的光电探测器。因此，光电探测器从两侧接收光，每一侧来自不同的光纤通道，其中来自光纤通道中的一个的光通过调制装置以不同于其他光纤通道的频率被频移或相移。由于光进入光电探测器的两侧以及两个束的光干扰相关的光场变化，光电探测器中产生电荷载体。因此，各光电探测器从各个侧接收光，其中来自两个不同侧的光以不同的频率被调制(也可以不调制)。在这种条件下，可产生两个调制频率之间的差频的外差信号，其通过使用锁定放大器或其它合适的装置被检测。在此证明，通过在涉及的两个通道的各光电探测器处测量外差信号的相位，并比较这些相位(进行区别)，光经历的光学路径长度(相位延迟)，且在各光纤路径中(在到达光电探测器之前)被淘汰。同时，两个探测器的外差信号之间的位相差可与两个光电探测器之间的距离或光电探测器之间的距离变化直接有关。
如图4所示，例如，用于确定两点之间距离的系统可以包括相干光源430，具有耦合至其中的光纤420，被操作来接收及传输从光源430射出的相干光。光纤420被分成至少两个光纤通道420a,b，传输相干光。一个光纤通道420b中的光通过相位或频率调制装置440被频移或调制。在一些情况下，光电探测器410或412为透明的光电探测器，半透明的光电探测器，或光学性薄的光电探测器，可被耦合在或至各光纤通道420a,b的末端，在该特定的示例中。由此，各探测器接收直接来自光电探测器被耦合的光纤通道(基准光束)一侧上的光。其也可以是相邻侧。此外，当光纤通道被指向另一个，如图4所示，各探测器附加接收来自光电探测器没有被直接耦合的光纤通道的透射光(信号光束)。光电探测器的这一侧可称为相对侧。因此，在图4的示例中，光电探测器410接收直接来自光电探测器410被耦合的光纤通道420a的相邻侧的光，此外还接收来自光电探测器410没有被直接耦合的光纤通道420b的相对侧的透射光。各探测器中的两个光束的干扰将在各光电探测器中产生电荷载体，生成可测量的干扰光电流(外差信号)。
如图5A所示，锁定放大器570可用于从各光电探测器510,512中检测光电流。光电探测器510和512处产生的相应电流可通过放大器575a,b被放大。可使用选择性的滤波器580a,b在信号进入锁定放大器570之前过滤信号。然而，在许多情况下，锁定放大器可以提供适当的信号滤波而不添加补充滤波器。因此，锁定放大器可以用来确切地检测和提取来自两个光电探测器中每一个的差频信号的相位。另外，如图5B所示，来自光调制器540的频率的信号可以作为的基准信号发送至锁定放大器。同时，图5B示出来自单个光调制器的信号，信号也可以是来自多个光调制器，以下进行详细说明。
正如以下更详细说明的，来自各探测器的干扰光电流可以用来确定两个探测器或光纤端之间的距离或变化。应注意，来自两个光电探测器的两个外差信号在同一频率(两个通道或光纤臂的两个调制频率之间不同)。其可通过单个锁定放大器被检测，当一个信号作为基准输入锁定放大器且其他的作为至锁定放大器的信号(如图4所示)。也可以使用两个独立的锁定放大器，分别检测来自各光电探测器的外差信号，利用以两个调制器的差频直接从调制器产生的锁定放大器基准(电信号)，和来自单个光电探测器的锁定信号。在这种情况下，每个信号的相位可以单独计量，然后两信号之间的差异可以从两个锁定放大器中减去两个相位信号被确定。例如，如图6所示，光源630的光可被分成离散的光路朝向光电探测器610,612。朝向光电探测器612的光可通过光调制器640被调制。如图所示，锁定放大器670a,b可以分别检测来自各光电探测器610,612的外差信号，利用直接从调制器640产生的锁定放大器基准(电信号)。另一个示例中，如图7所示，光源730的光可被分成离散的光路朝向光电探测器710,712，各光路具有光调制器740a,b。该两个调制器740a,b的差频可作为光电探测器710,712处产生的各外差信号的基准信号。基准信号可被发送至混频器780以获取f1+f2和f1-f2基准信号。然后可利用滤波器790来消除基准信号f1+f2，只允许f1-f2基准信号在锁定放大器中被参考。在这种情况下，各外差信号的相位可以单独计量，且两个信号之间的差异可以从两个锁定放大器中减去两个相位信号被确定。
距离可通过使用多个探测器被确定，包括光纤通道的末端，光电探测器的表面，其他光电探测器结构等，由此，将进行距离测量的位置不应被视为限制本范围。在一个特定的方面，距离为光电探测器的相对表面之间的距离。在其他情况下，距离可以是测量的距离或位置变化，且无需知道光电探测器中的光检测的实际位置，也可确定从基准点至指定位置的距离。
此外，可以使用三角测量原理进行二维或三维测量。例如，一维系统可被构造成利用一对光纤和探测器来测量距离的变化。在该系统中，光的发散可使两个光纤/探测器中的一个相对于另一个在横向范围内横向移动而不会失去干扰信号。该系统测量的距离将是两个探测器之间的绝对距离的变化，即使两个探测器在一个轴上不对齐。当干扰(外差)信号被检测时，该测量的距离将是两个探测器之间总的3维距离。
从该系统可以构造二维或三维系统。其可以通过一个信号或定位光纤/感兴趣的探测器的三维位置被实现，且固定在基准网格中的一系列其他基准光纤/探测器是刚性的。这些基准探测器可以被排列，从而每一个与信号光纤/探测器一起运作，以便在任何给定时间内唯一地测量其之间绝对三维距离的变化。这可以通过使各基准光纤/探测器在该臂中具有与所有其它光纤/探测器不同的唯一频率偏移来实现，从而能够独立地检测来自每对基准光纤/探测器的干扰信号。当基准光纤/探测器在空间中都是横向分离和被固定时，通过测量信号光纤/探测器和所有基准光纤/探测器之间三维距离的变化，可利用三角公式来唯一地确定信号光纤相对于已知的基准光纤/探测器的三维位置。因此，为了获得信号光纤/探测器的三维信息，可以使用至少三个基准光纤/探测器。来自单个激光源的光可以在不同频率的各基准臂中被调制(频移、相移、振幅)，以向该臂提供唯一信号。光纤系统的初始校准过程可能需要建立用于提取信号光纤的二维或三维位置的方程。一旦校准，这些关系将使二维或三维位置以较快速度被确定。
图8示出利用多个探测器的系统800的一个具体示例。具体地说，光束源830可引导基准光束沿光路820a朝向信号光电探测器810的相邻侧。在一些示例中，可将光调制器840包括在该路径中。其将在信号光电探测器810上产生局部或初始光电流。信号光束可以从信号光电探测器810朝基准光电探测器812a,b,c的相对侧被射出，该基准光束可以是沿光纤传播及朝向光电探测器的相邻侧的相干光束。信号光束可以是从光电探测器的相对侧朝另一光电探测器的相对侧被射出的相干光束。因此，基准光束也可以沿光路820b被引导，但该基准光束可以通过光调制器840a,b,c被调制，从而具有与其他不同以及与光路820a的基准光束不同的光频率。调制的基准光束可被引导朝向各基准探测器812a,b,c的相邻侧，在各基准探测器812a,b,c产生局部或初始光电流。调制的信号光束可以从各基准探测器812a,b,c朝向信号光电探测器810的相对侧被射出。因此，信号干扰光电流可以在信号光电探测器810处被检测，由基准光束和调制的信号光束被生成，且干扰光电流可以在各基准光电探测器被检测，由各自调制的基准光束和信号光束被生成。信号干扰光电流和基准干扰光电流之间的差异可能与信号光电探测器和基准光电探测器之间的距离有关。更具体地说，基准光电探测器812a,b,c可具有固定的或已知的基准位置。由于信号光电探测器810相对于基准光电探测器812a,b,c移动，因此信号光电探测器的位置可以通过三角方程被确定。
虽然图8示出仅具有三个基准光电探测器的示例，但可使用任何合理数量的探测器。例如，可使用一组基准探测器。其可克服仅具有三各基准探测器的横向限制。因此，当信号光电探测器位于至少三个基准光电探测器的范围内，信号光电探测器的位置可以通过三角测量被确定。当信号光电探测器超出一个基准光电探测器的束宽的范围时，信号光电探测器可移动至一组光电探测器上的另一基准光电探测器的范围内。因此，信号光电探测器的位置仍然可以通过三角测量被确定。
干扰仪系统的校准可以通过多种方式被完成。在一个示例中，单独的校准定位系统可用于横向地精确扫描信号光电探测器以及在单个基准光电探测器附近的不同范围内。在扫描的过程中，两个光电探测器之间的距离可利用当前的方法测量干扰。该距离数据可以被拟合成三角公式，用来唯一地确定基准光纤的位置和信号探测器相对于基准位置的三维位置。一旦校准，信号探测器的位置可以被确定且无需校准定位系统。如上所述，指定的光电探测器从两侧接收光，靠近光纤的一侧与光电探测器直接连接，且光纤的相对侧朝向光电探测器，从而测量距离被确定。一方面，光电探测器可以足够薄以允许两侧的电场重叠来检测干扰信号(即外差信号，当一个光纤信号相对于另一光纤信号被频率调制时)，其中，两个探测器外差信号之间的相位差被用来来检测两个探测器之间距离或距离变化，消除对于光电探测器的两个光纤臂路径中的光程差的依赖。更具体地说，光电探测器中的两个波束的光干扰在光电探测器中产生电荷载流子，且由此产生的光电流包含各探测器中的外差信号，从而通过比较来检测两个探测器之间的距离变化。无须被任何科学理论束缚，各探测器中产生的光电流包括静态(直流)和时变光电流。各探测器中的光电流是正弦和近正弦，具有干扰仪的两个臂中的光束之间的频差Δf的频率。
下面描述了两个路径之间的光学相位差(光波数K0＝2π/λ0)。为方便起见使用术语探测器#和Ln进行说明，这些术语涉及图4中的图表。探测器#1中，具相位的差频(Δf)的正弦光电流(外差信号)如以下方程I被示出：
探测器#2中，具相位的差频(Δf)的正弦光电流(外差信号)如以下方程II被示出：
例如当各探测器的相位通过锁定放大器被测量时，相位之间的差异被测量，如以下方程III被示出：
在此可以看出，不同的相位取决于光纤末端和光k‐矢量k0之间的距离L3，其取决于波长，而不是取决于L1或L2。
在此公开的技术的一个优点涉及光电探测器的尺寸以及该尺寸如何在探测器之间对准。探测器的尺寸减小时，接收角具有良好的光学干扰增加。无须束缚于理论，光外差信号的强度与入射至各探测器的两个光束中每一个功率的平方根成正比。光电流与光外差信号的强度的比例在方程IV中被示出：
I＝电流＝alpha*光外差功率＝alpha2sqrt(P1*P2)
alpha为探测器的响应率
电流I的大小与光外差信号成正比，其与，探测器的相邻侧上检测到的信号功率P1，以及探测器的相对侧上检测到的信号功率P2的平方根成正比。由于探测器的相邻侧的信号功率P1已经很高，即使通过低功率发散光束P2也可以产生足够的外差光电流。值得注意的是，当光电探测器大于或更大于基准光束面积时，外差干扰信号将仅在基准光束可见的区域内产生。因此，探测外差信号的光电探测器的有效尺寸将为探测器上的基准光束尺寸。此外，由于光电探测器区域的有效尺寸通常较小，所以整体外差信号通常会减少。应注意，说明的光电探测器区域是有效的光电探测器区域，并且指定的光电探测器的实际尺寸可能更大。
然而，外差信号只取决于弱基准信号的平方根(发散光束)。由于该光电探测器的有效尺寸较小，信号与基准探测器的精确对齐对于确定距离并不是关键。换句话说，与直径较小的基准光束相比，穿过比例性较大的光电探测器的直径较大的相干光束(基准光束)须与紧角公差对齐。例如，光电探测器利用可见光(以0.5um波长为例)，其中约1mm的直径要求4X10-4弧度的角对准公差，从而在距离测量中实现良好的(有效的)干扰。
另一方面，有效尺寸约为2微米的的光电探测器(约2微米的基准光束宽度)，具有近似1.6×10-1弧度的角公差，来有效地产生干扰。因此，随着光电探测器尺寸的减小，角公差增大。
此外，无须束缚于理论，各光纤通道的基准光束的直径越小，光束的发散角越大，从而光束的发散角和对应的横向范围增加，且相对的光电探测器可被配置用来检测干扰信号。因此，光纤的选择可以基于纤芯的尺寸。单模光纤可具有直径小于15微米或小于10微米或小于1-2微米的芯。在一个方面，优选是单模光纤，这是由于其芯尺寸较小以及对应的直径较小的入射光束可以增加所发射的光的衍射角，以及相对的较小光电探测器的横向检测范围。光电探测器可以配置在光纤末端，覆盖与光纤芯出口相同的表面积或更大。在一方面，光电探测器可以由晶体硅制成，光纤芯的直径约为1-5微米。光电探测器还可以被定位在有透镜或无透镜的光纤末端附近。通过以不同宽度将基准光束聚焦在探测器上，透镜使有效的光电探测器区域被调整。
此外，由于入射光束可能非常小，且发散角较大，可以使用两个、三个或更多探测器来进行三维测量。由各探测器检测到的干扰信号可以被用来测量各探测器与其他探测器之间的距离，以及三角测量三维中光电探测器的任何一个相对于其他的位置。
较小尺寸和重量的光纤元件以及相对应的广泛的检测范围和角度，使当前技术可应用于各种各样的装置和配置。当前技术的优点之一在于，无需其他干扰测量方法为了高精度光束对准所要求的复杂的设备和时间限制。其还使用相对便宜的材料且成本生产较低。因此，当前技术在许多机器、设备和服务中可被利用和可取的。在一些示例中，干扰仪系统可操作地耦合到机器，例如量度设备、制造设备、机器人、车辆、机械工具等。在一方面，现有技术可用于计量，以便正确校准工程设备、测量设备和其他设备。在另一方面，当前技术可用于半导体和其他类似装置的微型制造中的量度，以确保晶片或其他基片和组件的正确对准，以评估表面，并执行任何其他合适的微型制造。在一个方面，多个光纤可以耦合到机械臂，使臂相对于基准帧精确地定位，以抓取或以其它方式啮合或避免物体。机械臂可以是固定机器人的一部分，也可以是移动机器人的一部分。该机器人可用于装配线、无人机或其他设备的军事应用、家用消费品或服务或其他各种产品和用途。如上所述，机器人可具有三个或更多的探测器，使其具有三维测量能力。实现其的一种方法是使用机器人上的三个或更多的臂、附件或其他可测量的位置，其分别具有一个光电探测器或一组光电探测器。此外，可以通过在远离机器人或其它装置的位置中配置一个或多个光电探测器来测量有关机器人或其它装置的位置信息。距离测量还可以用来测量角度和其他几何量。当前技术还可用于各种其他装置、系统和方法。其还可以测量速度、加速度等。
虽然当前技术的光电探测器可被耦合到光纤通道的两端，但在一些方面并不需要。该光电探测器可被连接到任何光源配置，可在各探测器生成适当的干扰图案，然后被用来确定光电探测器之间的距离。
示例
下面的示例涉及特定的实施例，并指出特定特征、元件或步骤可被使用或以其他方式组合来实现这些实施例。
在一个示例中，一种确定至少两点之间的距离的方法，可包括以下步骤：将相干光的光束分成离散的分量光束；引导各分量光束沿离散的波导路径朝向并进入相关的光电探测器，在各路径的所述相关的光电探测器中生成局部光电流；各分量光束通过其相关的光电探测器被传递，冲击到另一路径中的光电探测器，在各光电探测器生成干扰光电流；以及使干扰光电流之间的差异与相应探测器之间的距离相关连。
在一个示例中，可进一步包括利用透镜使至少一个分量波束聚焦在相关的光电探测器上。
在一个示例中，各分量光束通过其相关的光电探测器被传递，冲击到另一路径中的所述光电探测器的步骤进一步包括：通过透镜传递各分量光束，冲击到另一路径中的所述光电探测器。
在一个示例中，所述相干光的光束波长为400nm至1000nm。
在一个示例中，各波导路径由单模光纤组成。
在一个示例中，一个分量光束相对于另一分量光束被调制。
在一个示例中，所述调制的分量光束被频率调制。
在一个示例中，所述调制的分量光束被相位调制。
在一个示例中，多个分量光束相对于另一个被调制
在一个示例中，至少一个光电探测器是具有固定位置的基准光电探测器。
在一个示例中，通过使用锁定放大器来检测所述干扰光电流。
在一个示例中，通过使用各光电探测器处离散的锁定放大器来检测所述干扰光电流。
在一个示例中，一种干扰量度装置，可包括：第一光电探测器；第二光电探测器；光束源；和波导，被配置用来引导分裂的相干光的光束，从所述光束源沿第一路径穿过所述第一光电探测器并进入所述第二光电探测器，以及沿第二路径穿过所述第二光电探测器并进入所述第一光电探测器。
在一个示例中，所述干扰量度装置可进一步包括：光调制器，被定位用来调制被引导穿过所述第一光电探测器或所述第二光电探测器的所述相干光的光束。
在一个示例中，所述光调制器包括由声光调制器、电光调制器、磁光调制器、机光调制器、移相器，以及其组合构成的群中被选出的部件。
在一个示例中，所述光调制器为相位调制器。
在一个示例中，所述干扰量度装置可进一步包括：多个光调制器，被定位用来调制被引导穿过所述第一光电探测器和所述第二光电探测器的所述相干光束。
在一个示例中，所述第一光电探测器和所述第二光电探测器都为光学性薄的PIN光电探测器。
在一个示例中，所述光束源被操作射出具400nm至2000nm波长的相干光的光束。
在一个示例中，所述波导为单模光纤。
在一个示例中，所述干扰量度装置可进一步包括：锁定放大器，被操作耦合至所述第一个光电探测器、所述第二光电探测器，或两者。
在一个示例中，所述干扰量度装置可进一步包括：第一光调制器，沿所述第一路径被定为，来调制被引导穿过所述第一光电探测器的所述相干光的光束；第二光调制器，沿所述第二路径被定位，来调制被引导穿过所述第二光电探测器的所述相干光的光束；和锁定放大器，被操作耦合至所述第一光电探测器和所述第二光电探测器，其中，输入至所述锁定放大器的基准通过使用所述频率或相位调制器的电基准信号被导出。
在一个示例中，一种干扰量度装置，可包括：光束源；第一光电探测器；第一波导路径，从所述光束源延伸至所述第一光电探测器；第一调制器，沿所述第一波导路径被光电耦合并被操作来调制所述第一波导路径中的相干光束；第二光电探测器；第二波导路径，从所述光束源延伸至所述第二光电探测器；第二调制器，沿所述第二波导路径被光电耦合并被操作来调制所述第二波导路径中的相干光束；混频器，被操作耦合至所述第一调制器和第二调制器，所述混频器配置来确定所述调制器之间的差频；至少一个锁定放大器，被功能耦合至所说第一光电探测器或第二光电探测器中的至少一个，其中，所述混频器的所述差频被传递至所述锁定放大器作为基准信号。
在一个示例中，所述干扰量度装置可进一步包括：过滤器，被功能耦合至所述混频器，并被配置用来从所述混频器的所述差频中滤波附加频率。
在一个示例中，一种确定至少两点之间的距离的方法，可包括以下步骤：将基准光束引导朝向信号光电探测器的相邻侧；从所述信号光电探测器中射出信号光束，朝向基准探测器的相对侧；将调制的基准光束引导朝向所述基准光电探测器的相邻侧；将调制的信号光束朝向所述信号光探测器的相对侧发射；引导经所述基准光束和所述调制的信号光束生成的所述信号光电探测器处的信号干扰光电流；引导经所述调制的基准光束和所述信号光束生成的所述基准光电探测器处的基准干扰光电流；以及使所述信号干扰光电流和所述基准干扰光电流之间的差异与所述信号光电探测器和所述基准光电探测器之间的距离相关连。
在一个示例中，通过使用单模光纤、透镜或多个透镜或其组合将所述基准光束引导朝向所述信号光电探测器的所述相邻侧。
在一个示例中，通过使用单模光纤、透镜或多个透镜或其组合将所述调制的基准光束引导朝向所述基准光电探测器的所述相邻侧。
在一个示例中，该方法还可以包括使用透镜或多个透镜将所述信号光束引导朝向所述基准光电探测器的所述相对侧。
在一个示例中，该方法还可以包括使用透镜或多个透镜将调制信号光束引导朝向所述信号光电探测器的所述相对侧。
在一个示例中，使用锁定放大器来检测所述信号干扰光电流和所述基准干扰光电流。
在一个示例中，使用单独的锁定放大器来检测所述信号干扰光电流和所述基准干扰光电流。
在一个示例中，基准光电探测器与信号光电探测器的数量比至少为2:1。
在一个示例中，基准光电探测器与信号光电探测器的数量比至少为3:1。Maple代 码示例—Maple代码示出对本发明系统的操作进行建模的一个示例。
虽然上述示例为一个或多个特定应用中示例性的具体实施方案，但应理解，在不脱离本发明在此明确表达的原则和概念的前提下本领域中的普通技术人员可在形式，方法及使用细节中进行多种修改。因此，除了以下的权利要求，没有任何限制。

Claims (24)

1.一种确定至少两点之间的距离的方法，包括以下步骤：
将相干光的光束分成离散的分量光束；
引导各分量光束沿离散的波导路径朝向并进入相关的光电探测器，在各路径的所述相关的光电探测器中生成局部光电流；
各分量光束通过其相关的光电探测器被传递，冲击到另一路径中的光电探测器，在各光电探测器生成干扰光电流；以及
使干扰光电流之间的差异与相应探测器之间的距离相关连。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括利用透镜使至少一个分量波束聚焦在相关的光电探测器上。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，各分量光束通过其相关的光电探测器被传递，冲击到另一路径中的所述光电探测器的步骤进一步包括：通过透镜传递各分量光束，冲击到另一路径中的所述光电探测器。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述相干光的光束波长为400纳米至1000纳米。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，各波导路径由单模光纤组成。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，一个分量光束相对于另一分量光束被调制。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述调制的分量光束被频率调制。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述调制的分量光束被相位调制。
9.根据权利要求6所述的方法，其中，多个分量光束相对于另一个被调制。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，至少一个光电探测器是具有固定位置的基准光电探测器。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，通过使用锁定放大器来检测所述干扰光电流。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，通过使用各光电探测器处离散的锁定放大器来检测所述干扰光电流。
13.一种干扰量度装置，包括：
第一光电探测器；
第二光电探测器；
光束源；和
波导，被配置用来引导分裂的相干光的光束，从所述光束源沿第一路径穿过所述第一光电探测器并进入所述第二光电探测器，以及沿第二路径穿过所述第二光电探测器并进入所述第一光电探测器。
14.根据权利要求13所述的装置，进一步包括：光调制器，被定位用来调制被引导穿过所述第一光电探测器或所述第二光电探测器的所述相干光的光束。
15.根据权利要求14所述的装置，其中，所述光调制器包括由声光调制器、电光调制器、磁光调制器、机光调制器、移相器，以及其组合构成的群中被选出的部件。
16.根据权利要求14所述的装置，其中，所述光调制器为相位调制器。
17.根据权利要求13所述的装置，进一步包括：多个光调制器，被定位用来调制被引导穿过所述第一光电探测器和所述第二光电探测器的所述相干光束。
18.根据权利要求13所述的装置，其中，所述第一光电探测器和所述第二光电探测器都为光学性薄的PIN光电探测器。
19.根据权利要求13所述的装置，其中，所述光束源被操作射出具400纳米至2000纳米波长的相干光的光束。
20.根据权利要求13所述的装置，其中，所述波导为单模光纤。
21.根据权利要求13所述的装置，进一步包括：锁定放大器，被操作耦合至所述第一光电探测器、所述第二光电探测器，或两者。
22.根据权利要求13所述的装置，进一步包括：
第一光调制器，沿所述第一路径被定为，来调制被引导穿过所述第一光电探测器的所述相干光的光束；
第二光调制器，沿所述第二路径被定位，来调制被引导穿过所述第二光电探测器的所述相干光的光束；和
锁定放大器，被操作耦合至所述第一光电探测器和所述第二光电探测器，其中，输入至所述锁定放大器的基准通过使用所述频率或相位调制器的电基准信号被导出。
23.一种干扰量度装置，包括：
光束源；
第一光电探测器；
第一波导路径，从所述光束源延伸至所述第一光电探测器；
第一调制器，沿所述第一波导路径被光电耦合并被操作来调制所述第一波导路径中的相干光束；
第二光电探测器；
第二波导路径，从所述光束源延伸至所述第二光电探测器；
第二调制器，沿所述第二波导路径被光电耦合并被操作来调制所述第二波导路径中的相干光束；
混频器，被操作耦合至所述第一调制器和第二调制器，所述混频器配置来确定所述调制器之间的差频；
至少一个锁定放大器，被功能耦合至所说第一光电探测器或第二光电探测器中的至少一个，其中，所述混频器的所述差频被传递至所述锁定放大器作为基准信号。
24.根据权利要求23所述的装置，进一步包括：过滤器，被功能耦合至所述混频器，并被配置用来从所述混频器的所述差频中滤波附加频率。
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