CN212409909U - 光纤感测系统 - Google Patents

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Abstract

光纤感测系统包括多个光学探头、光源以及将光源连接到多个光学探头的分光单元。分光单元将从光源发射的光分成多个分光，分光被传输到多个光学探头。

Description

光纤感测系统
技术领域
本公开总体涉及传感器，并且更具体地涉及用于测量温度的光纤感测系统。
背景技术
该部分中的陈述仅提供与本公开有关的背景信息，并且可能不构成现有技术。
光纤感测器已经在半导体应用中用于测量温度。这主要是由于光纤感测器不受射频(RF)、微波辐射和高电压的影响。因此，光纤感测器可以在半导体晶片处理腔室中提供更准确的温度测量，而不会受到RF、微波辐射和高电压的影响，然而在非光学温度传感器中则会受RF、微波辐射和高电压的影响。因此，可以将光纤感测器集成到静电吸盘(ESC) 中以更准确和可靠地测量晶片的温度。
通常，在半导体应用中为多个目标位置提供多个光学传感器，每个光学传感器都需要光纤电缆和控制箱，该控制箱基于通过光纤电缆传输的光来计算并确定目标位置的温度。因此，需要将多条光纤电缆通过处理腔室路由到各个控制箱，因此占用了半导体腔室中的宝贵空间，并导致了复杂的设计。
本公开解决了在半导体应用以及具有挑战性环境的其他应用中与光纤感测器的实施有关的这些问题。
实用新型内容
在一种形式中，提供了一种光纤感测系统，其包括多个光学探头、光源以及将光源连接到多个光学探头的分光单元。分光单元将从光源发出的光分成多个分光。分光被传输到多个光学探头。
在该光纤感测系统的变型中，在本文阐述的附加系统中，分光单元包括至少两组分光器，其可进一步包括连接到光源的第一组分光器和设置在第一组分光器和光学探头之间的第二组分光器。一种形式的第一组分光器包括初级分光器，用于将从光源发射的光分成第一分光和第二分光。在该变型中，第二组分光器包括两个次级分光器，用于将第一分光和第二分光分别分成两个第三分光和两个第四分光。更进一步地，分光单元可以包括“n”组分光器，用于将来自光源的光分成2n个分光以用于2n个光学探头，其中n是自然数。在一个变型中，第一组分光器直接连接至光源，并且仅包括一个分光器。
在另一个变型中，滤光器设置在主光路中并且位于分光单元和光源之间。在这种形式中，光学检测器可以邻近滤光器布置。在另一种形式中，多个滤光器设置在分光的路径中并且位于分光单元和多个光学探头之间。多个光学检测器可以与多个滤光器相邻。更进一步地，分光单元可以选自由多组分光器、多分支电缆组件和波分复用装置的组。光学开关模块可以布置在分光单元和多个光学探头之间。光学开关模块可以被配置为允许或阻挡一个或多个分光到达多个光学探头。
在另一种形式中，提供了一种光纤感测系统，其包括：多个光学探头，每个光学探头包括用于检测目标的温度的荧光材料；光源；控制器；和用于将从光源发出的光分成多个分光的分光单元。分光行进至多个光学探头，并被多个光学探头的荧光材料吸收并重新发射。控制器基于由多个光学探头重新发射的光来确定目标的温度。
在该光纤感测系统的变型中，在本文所述的其他系统中，控制器同时确定多个目标的温度。此外，多个滤光器布置在分光的路径中，并且控制器可以顺序地确定多个目标的温度。也可以提供用于控制分光到光学探头的传输和阻挡的光学开关模块。
在又一形式中，提供了一种光纤感测系统，其包括单个光源、多个光学探头以及设置在单个光源与多个光学探头之间的多个分光器。多个分光器包括n组分光器，其将从光源发射的光分成2n个分光以供2n个光学探头使用。
根据本文提供的描述，其他应用方面将变得显而易见。应当理解，描述和特定示例仅旨在用于说明的目的，并不旨在限制本公开的范围。
附图说明
通过详细描述和附图，将更加全面地理解本公开，其中：
图1是根据本公开的一种形式构造的光纤感测系统的示意图；
图2是根据本公开的另一种形式构造的光纤感测系统的示意图；
图3是根据本公开的又一种形式构造的光纤感测系统的示意图；
图4是图3的光纤感测系统的光开关模块的示意图；
图5是可以用在本公开的各种形式中的任意一形式的光纤感测系统中的分光单元的示意图；和
图6是根据本公开的又一种形式构造的光纤感测系统的示意图。
在附图的若干视图中，相应的附图标记指示相应的部分。
具体实施方式
以下描述本质上仅是示例性的，并且无意于限制本公开、应用或用途。
参照图1，根据本公开的第一形式构造的光纤感测系统10包括控制箱12、光学探头14以及将光学探头14连接到控制箱12的光纤电缆16。光学探头14和光纤电缆16可以被保护性覆盖物18覆盖。光学探头14被配置为放置在目标附近以检测目标的温度，并且可以包括荧光材料。
控制箱12包括光源20、光学检测器22、滤光器24和控制器25，该控制器25包括软件和/或固件，用于基于由光学检测器22接收的信号来计算并确定光学探头14的温度，进而计算并确定相邻目标的温度。光源 20可以是LED光源、激光器或任何常规光源。滤光器24被放置在光源 20附近并且位于从光源20到光学探头14的光路中。
在操作中，控制器25控制光源20向光学探头14发射脉冲光。具有第一波形26的脉冲光行进通过滤光器24朝向光纤电缆16的末端处的光学探头14，并被光学探头14的荧光材料吸收。光学探头14的荧光材料吸收一部分的光能，并通过同一根光纤电缆16向滤光器24重新发射具有第二波形28的光，滤光器24进而将重新发射的光朝向光学检测器22反射。
第二波形28在波形、波长、相位和/或强度方面可以与第一波形16不同。光学探头14的荧光材料重新发射的光通常具有更长的波长，并且由于光学探头14和目标处的升高/降低的温度而具有与光源最初发射的光的强度不同的强度。光学探头14的荧光材料重新发射的光的强度取决于荧光材料根据温度对光的吸收和重新发射。控制箱12的控制器25接收来自光学检测器22的与来自光学探头14的重新发射的光的强度有关的信号，使重新发射的光的强度与光学探头14的荧光材料的吸收和发射相关联，并基于荧光材料的吸收和发射来确定荧光材料和目标的温度。
参照图2，根据本公开的另一种形式构造的光纤感测系统30包括控制箱32、多个光学探头34以及将多个光学探头34连接到控制箱32的多个光纤电缆36。
控制箱32包括光源40、主光缆42、初级分光器44、多个次级分光器46、多个滤光器48、多个光学检测器50和多个次级光缆52。初级分光器44通过主光缆42直接连接到光源40。多个次级分光器46设置在初级分光器44和多个滤光器48之间，并且通过多个次级光缆52连接到初级分光器44和多个滤光器48。通过多个光缆36将多个滤光器48连接到多个光学探头34。多个光学检测器50与多个滤光器48相邻设置。通过使用从光学探头34重新发射的光经过滤光器48到达光学检测器50的目标温度的确定与结合图1所描述的相类似。因此，为清楚起见，在此省略其描述。
初级分光器44和次级分光器46构成分光单元54，分光单元54 被配置为将来自单个光源的光进行多次分光而分成多个分光，以使用单个光源40将光传输到多个光学探头34，以用于多个目标位置的温度测量。结果是，需要单个控制箱32以简化光纤感测系统的设计。
在如图2所示的示例性形式中，初级分光器44将来自光源40的光55分成第一分光56和第二分光57。次级分光器48通过次级光缆52 连接到初级分光器44，以进一步将第一分光56分成两个第三分光58，并进一步将第二分光57分成两个第四分光59。结果是，两个第三分光58 和两个第四分光59(即，总共4个分光)由一个初级分光器44和两个次级分光器46生成。
分光器46的数量取决于待测量的目标的数量以及所使用的光学探头34的数量。初级分光器44构成第一组分光器。两个次级分光器46 构成第二组分光器。在图2的示例性形式中，只有一个初级分光器直接连接到主光缆50，以将来自光源的光分成两个分光。包括两个分光器48的第二组设置在第一组分光器46和滤光器36之间，以将光进一步分成两个分光。因此，来自单个光源40的光可以被分成四个分光，以用于四个光学探头36。
通过继续这种分光过程，可以将更多的光学探头34集成到光纤感测系统30中。当使用n组分光器时，从光源发出的光被分离n次以生成 2n个分光以供2n个光学探头使用，用于检测2n个目标的温度，其中n为零或任何自然数，例如0、1、2、3、4…。
例如，当不使用分光器时(即，n＝0)，来自光源的光不被分离，因此光源只能使用一个光学探头。当使用第一组分光器(例如，仅初级分光器44)时(即，n＝1)，来自光源的光被分离一次以产生两个分光(即， 21)，以用于两个光学探头。当使用两组分光器(例如，初级分光器44和两个次级分光器46)时(即，n＝2)，来自光源的光被分离两次以产生四个分光(即，22＝4)，以用于四个光学探头。当使用三组分光器(初级分光器44，两个次级分光器46和四个三级分光器)时(即，n＝3)，来自光源的光被分离三次以生成八个分光(即23＝8)，以用于八个光学探头。
因此，通过使用分光单元54，可以将包括单个光源40和单个主光缆55的单个控制箱32用于多个光学探头34以测量多个目标的温度，从而简化了用于多点温度测量的光纤感测系统的结构。可以设置特定的软件程序和算法，以便可以针对从光源发出的光的强度和从光学探头返回的接收光的强度来校准每个分光。LED或激光可用作最佳效果的光源。
参照图3，根据本公开的另一形式构造的光纤感测系统60使用波分复用(WDM)装置和光学开关作为用于分光的分光单元。更具体地，光纤感测系统60包括控制箱62和多个光学探头64。控制箱62包括光源 66、滤光器68、波分复用器(WDM)70、光学开关模块72、多个光学接收器74、和光学检测器78。滤光器68布置在光源66和WDM 70之间。光学检测器78邻近滤光器68布置。
波分复用(WDM)装置70被配置为将来自主光缆76的组合光束分成具有多个波长的分光。具有不同波长的分光被引导到它们各自的光学接收器74和光学探头64。光学开关模块72放置在WDM装置70和光学接收器74之间，以控制通过光学开关模块72和到达光学接收器74，其对每个分光起到通门或闭门的作用。如图3所示，取决于所使用的光学检测器78的数量，仅允许分光中的一个或一部分通过光学开关模块72到达相应的接收器74和相应的光学探头64以进行温度测量。当仅使用一个光学检测器78和仅一个滤光器68时，由光学开关模块72控制分光一次一个地到达各接收器74和光学探头64。
光纤感测系统是否可以同时执行或顺序执行多个目标位置处的温度测量取决于所使用的滤光器和光学检测器的数量。当仅使用一组滤光器和光学检测器时，滤光器邻近光源并位于主光路中，以用于多个目标位置的顺序温度测量。当使用多个滤光器和光学检测器时，滤光器和光学检测器的数量对应于分光的数量和光学探头的数量，以用于同时进行的温度测量。滤光器设置在分光光路中。
参照图4，光学开关模块72可以是微机电系统(MEMS)装置，其包括上基板80、下基板82和反射器84。反射器84相对于上基板80和下基板82成一定角度设置。在上基板80上设置有多个输入光纤86和输出光纤88。下基板82包括集成在第二基板82中的反射镜90的矩阵。上基板80和下基板82可以是硅芯片。当光在输入光纤86中沿着输入路径 92传输时，光被其中一个反射镜90反射到反射器84，反射器84进而将光反射到另一个反射镜90。然后另一个反射镜90将由反射器84反射的光沿着输出路径94中的一个反射到输出光纤88。通过机械地移动下基板82 并改变反射镜90的位置，入射光可能不会被反射镜90反射或入射光的反射方向可能被改变，从而阻挡或允许光传输到输出光纤88中的一个，然后返回到相应的光学检测器。
参照图5，各种形式的分光单元可以由多分支电缆组件100代替。多分支电缆组件100包括第一连接器102、多个第二连接器104、设置在第一连接器102和第二连接器104之间的分光构件106、第一光缆108和多个第二光缆110。第一光缆108包括多个光纤芯112。多个第二光缆110 设置在分光构件106和第二连接器104之间并分别具有一个光纤芯114。通过将第一连接器102连接到光源并且通过将第二连接器104连接到多个光学探头，多分支电缆组件100允许使用单个光源用于多个光学探头，以用于多个目标位置处的温度感测/测量。如前文所述，包括多分支电缆组件 100的光纤感测系统是否可以进行多个目标位置处的同时温度测量或顺序温度测量，取决于所使用的滤光器的数量以及滤光器设置在主光路还是分光路中。
参考图6，根据本公开的又一形式构造的光纤感测系统120使用图5的多分支电缆组件100和控制箱122中的光学开关模块72。更具体地，光学感测系统120包括控制箱122和多个光学探头124。控制箱122包括光源126、滤光器128、多分支电缆组件100、光学开关模块72和光学检测器130。光学开关模块72和多分支电缆组件100在结构和功能方面与图 4和图5所示的那些相同，因此为了清楚在此省略其详细描述。滤光器128 设置在主光路中并且位于光源126和多分支电缆组件100之间。仅一个光学检测器130设置在滤光器128附近。通过适当地控制分光通过光学开关模块72，只有一个分光被传输到相应的光学探头，并且被该光学探头重新传输返回到滤光器128和光学检测器130。通过使用光学开关模块72和仅一个光学检测器130，多个光学探头可以一次一个地检测多个目标位置的温度。
应当注意的是，本公开不限于描述和示出为示例的形式。已经描述的各种修改且更多的修改是本领域技术人员的知识的一部分。在不脱离本公开和本专利的保护范围的情况下，可以将这些和进一步的修改以及技术上的等同替代添加到说明书和附图。

Claims (15)

1.一种光纤感测系统，其特征在于，所述光纤感测系统包括：
多个光学探头；
光源；
分光单元，其将所述光源连接到所述多个光学探头；和
至少一个滤光器，所述至少一个滤光器设置在从所述光源到所述多个光学探头的光路中，用于控制通过所述多个光学探头进行的同时或顺序温度测量，
其中，所述分光单元将从所述光源发射的光分成多个分光，所述分光被传输到所述多个光学探头。
2.根据权利要求1所述的光纤感测系统，其特征在于，所述分光单元包括至少两组分光器。
3.根据权利要求2所述的光纤感测系统，其特征在于，所述分光单元包括连接到所述光源的第一组分光器以及设置在所述第一组分光器和所述光学探头之间的第二组分光器。
4.根据权利要求2所述的光纤感测系统，其特征在于，所述第一组分光器包括初级分光器，所述初级分光器用于将从所述光源发射的光分成第一分光和第二分光。
5.根据权利要求4所述的光纤感测系统，其特征在于，所述第二组分光器包括两个次级分光器，所述两个次级分光器用于将所述第一分光和所述第二分光分别分成两个第三分光和两个第四分光。
6.根据权利要求1所述的光纤感测系统，其特征在于，所述分光单元包括n组分光器，所述n组分光器用于将来自所述光源的光分成2n个分光，以用于2n个光学探头，其中，n是自然数。
7.根据权利要求6所述的光纤感测系统，其特征在于，所述第一组分光器直接连接至所述光源，并且仅包括一个分光器。
8.根据权利要求1所述的光纤感测系统，其特征在于，所述滤光器布置在主光路中并且位于所述分光单元与所述光源之间。
9.根据权利要求8所述的光纤感测系统，其特征在于，所述的光纤感测系统还包括：与所述滤光器相邻设置的光学检测器。
10.根据权利要求1所述的光纤感测系统，其特征在于，所述至少一个滤光器包括布置在所述分光的路径中并且位于所述分光单元与所述多个光学探头之间的多个滤光器。
11.根据权利要求10所述的光纤感测系统，其特征在于，所述的光纤感测系统还包括：与所述多个滤光器相邻的多个光学检测器。
12.根据权利要求1所述的光纤感测系统，其特征在于，所述分光单元选自由多组分光器、多分支电缆组件、和波分复用装置组成的组。
13.根据权利要求12所述的光纤感测系统，其特征在于，所述光纤感测系统还包括：光学开关模块，所述光学开关模块设置在所述分光单元与所述多个光学探头之间，并且被配置为允许或阻挡所述分光中的一个或多个到达所述多个光学探头。
14.根据权利要求1所述的光纤感测系统，其特征在于，所述的光纤感测系统还包括：控制器，其中，所述多个光学探头各自包括用于检测目标的温度的荧光材料，所述分光行进至所述多个光学探头并且被所述多个光学探头的所述荧光材料吸收并重新发射，所述控制器基于所述多个光学探头重新发射的光来确定所述目标的温度。
15.根据权利要求14所述的光纤感测系统，其特征在于，所述控制器同时确定多个目标的温度。
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