FR2699270A1 - Integrated optical detector for detection of variation in optical path of light beam - uses waveguide to form measuring and reference beams and waveguide to connect interferometer to beam splitter - Google Patents
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Abstract
Description
CAPTEUR OPTIQUE INTEGRE POUR LA DETECTION DE LA VARIATION DE
CHEMIN OPTIQUE D'UN FAISCEAU LUMINEUX
La présente invention concerne un capteur optique intégré pour la mesure et/ou la détection de la variation du chemin optique d'un faisceau lumineux, comportant un premier guide d'onde pour transmettre un faisceau optique de lumière cohérente à partir d'une entrée connectée à une source optique externe stabilisée en longueur d'onde, des premiers moyens séparateurs interposés sur ledit premier guide d'onde pour générer un faisceau de mesure et un faisceau de référence, des moyens de transmission pour transmettre le faisceau de mesure jusqu'à une sortie connectée à un bras de mesure externe comportant un réflecteur destiné à réfléchir en direction de ladite sortie, une partie du faisceau de mesure de manière à former un faisceau de mesure réfléchi, et des moyens de mesure interférométrique pour faire interférer le faisceau de mesure réfléchi et le faisceau de référence.INTEGRATED OPTICAL SENSOR FOR DETECTING VARIATION OF
OPTICAL PATH OF A LIGHT BEAM
The present invention relates to an integrated optical sensor for measuring and / or detecting the variation of the optical path of a light beam, comprising a first waveguide for transmitting an optical beam of coherent light from a connected input a wavelength stabilized external optical source, first separating means interposed on said first waveguide for generating a measurement beam and a reference beam, transmission means for transmitting the measurement beam to a output connected to an external measurement arm comprising a reflector intended to reflect in the direction of said output, part of the measurement beam so as to form a reflected measurement beam, and interferometric measurement means for interfering with the reflected measurement beam and the reference beam.
On connaît déjà des dispositifs réalisés selon des technologies d'optique intégrée capables de mesurer optiquement des déplacements. Un dispositif connu par la publication européenne EP 0 286 528 comporte une source cohérente pour générer un faisceau monochromatique et des moyens pour scinder ce faisceau en un faisceau de mesure et deux faisceaux de référence déphasés pour créer deux voies déphasées. Le fait de devoir utiliser deux voies déphasées complique l'installation et peut tre à l'origine d'erreurs de mesure. De plus, ce dispositif nécessite l'utilisation d'un réflecteur, difficile à réaliser en optique intégré, sur la voie de référence.There are already known devices produced using integrated optical technologies capable of optically measuring displacements. A device known from European publication EP 0 286 528 comprises a coherent source for generating a monochromatic beam and means for splitting this beam into a measurement beam and two phase-shifted reference beams to create two phase-shifted channels. The fact of having to use two phase-shifted channels complicates the installation and can be the source of measurement errors. In addition, this device requires the use of a reflector, difficult to achieve in integrated optics, on the reference track.
La présente invention se propose de pallier cet inconvénient en réalisant un capteur simple, efficace et fiable, de construction économique et dont l'utilisation est particulièrement facile.The present invention proposes to overcome this drawback by providing a simple, efficient and reliable sensor, of economical construction and the use of which is particularly easy.
Dans ce but, le capteur selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comporte un deuxième guide d'onde constituant les moyens de transmission du faisceau de mesure des premiers moyens séparateurs à ladite sortie, un troisième guide d'onde reliant lesdits premiers moyens séparateurs aux moyens de mesure interfërométnque pour transmettre à ceux-ci le faisceau de référence, des seconds moyens séparateurs disposés en amont de ladite sortie, sur le trajet du deuxième guide d'onde pour séparer le faisceau de mesure réfléchi du faisceau de mesure transmis par ledit deuxième guide d'onde, et un quatrième guide d'onde reliant les seconds moyens séparateurs aux moyens de mesure interférométrique pour transmettre à ceux-ci le faisceau de mesure réfléchi. For this purpose, the sensor according to the invention is characterized in that it comprises a second waveguide constituting the means for transmitting the measurement beam from the first separating means to said output, a third waveguide connecting said first separating means to the interferometric measuring means for transmitting to them the reference beam, second separating means arranged upstream of said output, on the path of the second waveguide to separate the reflected measuring beam from the transmitted measuring beam by said second waveguide, and a fourth waveguide connecting the second separating means to the interferometric measuring means for transmitting to them the reflected measuring beam.
Selon un mode de réalisation préféré, les moyens de mesure interfërométrique sont pourvus de moyens agencés pour fournir deux signaux électroniques en. quadrature de phase et de moyens pour déduire de ces signaux une mesure de la variation du chemin optique du faisceau de mesure.According to a preferred embodiment, the interferometric measurement means are provided with means arranged to supply two electronic signals at. phase quadrature and means for deducing from these signals a measurement of the variation of the optical path of the measurement beam.
De préférence le capteur comporte un dispositif affaiblisseur interposé sur le faisceau de référence et ce dispositif affaiblisseur est intégré auxdits premiers moyens séparateurs.Preferably, the sensor comprises a weakening device interposed on the reference beam and this weakening device is integrated into said first separating means.
D'une façon avantageuse le capteur comporte un dispositif de référence en longueur d'onde couplé à une unité électronique de mesure et de contrôle de la longueur d'onde de la source optique externe.Advantageously, the sensor comprises a wavelength reference device coupled to an electronic unit for measuring and controlling the wavelength of the external optical source.
Il comporte également un dispositif de déphasage.It also includes a phase shift device.
De préférence, les moyens de mesure interfërométrique comportent deux organes élargisseurs de faisceaux interposés respectivement sur les troisième et quatrième guides d'onde.Preferably, the interferometric measurement means comprise two beam widening members interposed respectively on the third and fourth waveguides.
Dans la forme de réalisation préférée, le capteur est réalisé par technologie d'optique intégrée dans un bloc.In the preferred embodiment, the sensor is produced by optical technology integrated in a block.
La présente invention sera mieux comprise en référence à la description d'un exemple de réalisation préféré mais non limitatif et aux dessins annexés dans lesquels :
La figure 1 représente un schéma de principe du capteur selon l'invention.The present invention will be better understood with reference to the description of a preferred but nonlimiting embodiment and to the accompanying drawings in which:
Figure 1 shows a block diagram of the sensor according to the invention.
La figure 2 représente une forme de réalisation dudit capteur.Figure 2 shows an embodiment of said sensor.
En référence à la figure 1, le capteur 10 représenté reçoit un faisceau d'entrée provenant d'une source optique externe 11 stabilisée en longueur d'onde, ou qui est susceptible d'tre stabilisée par le capteur lui-mme selon un mode de fonctionnement qui sera décrit ci-dessous. Cette source, qui peut tre une diode laser, est choisie de telle manière que sa longueur de cohérence soit adaptée à la différence de chemin optique mesurée. Le capteur proprement dit comporte un premier guide d'onde 12 pour véhiculer le faisceau incident jusqu'à un diviseur de faisceau 13 qui sépare ce faisceau incident en deux faisceaux 14 et 15 qui seront appelés respectivement faisceau de mesure et faisceau de référence. A la sortie du diviseur 13 le faisceau de référence 15 est acheminé par un deuxième guide d'onde 16 vers une tte de mesure interfërométrique 17. Suivant l'intensité du faisceau on peut disposer sur ce faisceau de référence un affaiblisseur 18, éventuellement contrôlable. Par ailleurs les deux dispositifs diviseur 13 et affaiblisseur 18 peuvent éventuellement tre réunis en un seul composant 19, représenté en traits interrompus.With reference to FIG. 1, the sensor 10 shown receives an input beam coming from an external optical source 11 stabilized in wavelength, or which is capable of being stabilized by the sensor itself according to a mode of operation which will be described below. This source, which can be a laser diode, is chosen so that its coherence length is adapted to the difference in optical path measured. The actual sensor comprises a first waveguide 12 for conveying the incident beam to a beam splitter 13 which separates this incident beam into two beams 14 and 15 which will be called respectively measurement beam and reference beam. At the output of the divider 13 the reference beam 15 is conveyed by a second waveguide 16 to an interferometric measurement head 17. Depending on the intensity of the beam, a weakener 18, possibly controllable, can be placed on this reference beam. Furthermore, the two divider 13 and weakener 18 devices can optionally be combined into a single component 19, shown in broken lines.
Le composant 19 peut également tre un diviseur en parties inégales du signal lumineux. Le faisceau de mesure 14 est véhiculé par un troisième guide d'onde 20 vers une sortie associée à un bras de mesure 21 externe comportant un dispositif de déphasage facultatif 22, un dispositif de collimation 23 et un réflecteur 24. Après réflexion sur le réflecteur 24 le faisceau de mesure réfléchi traverse un diviseur 25 disposé en amont de la sortie sur le trajet du troisième guide d'onde 20 et destiné à dévier le faisceau réfléchi en provenance du bras de mesure 21. Ce faisceau réfléchi est ensuite dirigé par un quatrième guide d'onde 26 vers la tte de mesure interfërométrique 17. Le dispositif de déphasage 22 est contrôlable. Il a pour but d'améliorer les performances du capteur en augmentant le rapport signal/bruit. Il permet en fait de compenser le décalage des franges d'interférence, dû par exemple à un déplacement du réflecteur 24 pour des mesures de déplacement par systèmes automatiques bouclés. Le dispositif de collimation 23 est constitué par une lentille classique ou une lentille à gradient d'indice. Le réflecteur 24 est constitué par un miroir à face réfléchissante plane ou courbe, une lentille dont une face est revetue d'un film d'aluminium, ou par tout autre dispositif assurant la réflexion du faisceau incident. Le diviseur 25 a, de préférence, un taux de division de 50 %. Component 19 can also be a divider into unequal parts of the light signal. The measurement beam 14 is conveyed by a third waveguide 20 to an output associated with an external measurement arm 21 comprising an optional phase shift device 22, a collimation device 23 and a reflector 24. After reflection on the reflector 24 the reflected measurement beam passes through a divider 25 disposed upstream of the outlet on the path of the third waveguide 20 and intended to deflect the reflected beam coming from the measurement arm 21. This reflected beam is then directed by a fourth guide 26 towards the interferometric measurement head 17. The phase shift device 22 is controllable. It aims to improve the performance of the sensor by increasing the signal / noise ratio. It in fact makes it possible to compensate for the offset of the interference fringes, due for example to a displacement of the reflector 24 for displacement measurements by looped automatic systems. The collimation device 23 consists of a conventional lens or a gradient index lens. The reflector 24 is constituted by a mirror with a planar or curved reflecting face, a lens of which one face is coated with an aluminum film, or by any other device ensuring the reflection of the incident beam. The divider 25 preferably has a division rate of 50%.
La tte de mesure interfërométrique 17 est avantageusement du type intégré et comprend deux voies optiques d'entrée, constituées respectivement par les deuxième et quatrième guides d'onde 16 et 26, sur lesquelles sont interposés respectivement deux élargisseurs de faisceaux pour étaler et créer des fronts d'onde plans susceptibles de créer une figure d'interférence dans une zone d'interférence de ces faisceaux.The interferometric measurement head 17 is advantageously of the integrated type and comprises two optical input channels, constituted respectively by the second and fourth waveguides 16 and 26, on which are respectively interposed two beam wideners for spreading and creating fronts wave planes capable of creating an interference pattern in an interference zone of these beams.
Accessoirement, un dispositif de référence en longueur d'onde 27 peut tre placé à l'entrée du capteur pour permettre la stabilisation en longueur d'onde de la source optique externe 11. Il opère a. l'aide d'une partie du faisceau d'entrée, par exemple par absorption ou par dispersion chromatique. Ce dispositif de référence 27 est couplé à une unité électronique 28 de mesure et de contrôle de la longueur d'onde de la source optique 11 et transforme les variations de longueur d'onde de la source en variations d'amplitude. L'unité électronique 28 convertit les signaux optiques en un signal électronique de contrôle de la longueur d'onde de la source.Incidentally, a wavelength reference device 27 can be placed at the input of the sensor to allow the wavelength stabilization of the external optical source 11. It operates a. using part of the input beam, for example by absorption or by chromatic dispersion. This reference device 27 is coupled to an electronic unit 28 for measuring and controlling the wavelength of the optical source 11 and transforms the variations in wavelength of the source into variations in amplitude. The electronic unit 28 converts the optical signals into an electronic signal for controlling the wavelength of the source.
Le principe de fonctionnement de ce capteur est le suivant. La lumière incidente est divisée en deux parties par le diviseur 13. Une partie appelée faisceau de référence 15 est directement dirigée vers la tte de mesure interfërométrique 17. L'autre partie est dirigée vers le bras de mesure 21. Après réflexion et passage par le diviseur 25, qui peut tre rendu mobile, une partie du faisceau rejoint la tte de mesure interfërométrique 17 pour interférer avec le faisceau de référence. The operating principle of this sensor is as follows. The incident light is divided into two parts by the divider 13. A part called the reference beam 15 is directly directed towards the interferometric measurement head 17. The other part is directed towards the measurement arm 21. After reflection and passage through the divider 25, which can be made mobile, part of the beam joins the interferometric measurement head 17 to interfere with the reference beam.
La fonction du déphaseur 22 qui est optionnel, est de compenser un décalage, de moduler le signal afin d'effectuer par exemple une détection synchrone ou de mesurer des fluctuations d'indice.The function of the phase shifter 22 which is optional, is to compensate for an offset, to modulate the signal in order to carry out, for example, synchronous detection or to measure index fluctuations.
Ce capteur peut tre utilisé pour la mesure des variations de chemin optique. En particulier, dans un milieu d'indice constant, il permet de mesurer le déplacement d'un objet lié au réflecteur 24. Ces déplacements peuvent tre des translations selon l'axe optique du bras de mesure, des déplacements obliques par rapport à cet axe ou des rotations par rapport à un axe ne passant pas par l'axe optique du bras de mesure.This sensor can be used for measuring variations in the optical path. In particular, in a medium of constant index, it makes it possible to measure the displacement of an object linked to the reflector 24. These displacements can be translations along the optical axis of the measuring arm, oblique displacements relative to this axis or rotations with respect to an axis not passing through the optical axis of the measuring arm.
Dans la pratique, le capteur tel que représenté par la figure 2 se compose, par exemple, d'un bloc 30 constitué par un substrat en verre dopé, par exemple par traitement sélectif au moyen de bains de nitrate de potassium ou d'argent ou de sulfate de thallium ou par un substrat en silice dopée déposée sur un support en silicium. Il est réalisé selon une technologie d'optique intégrée.In practice, the sensor as shown in FIG. 2 consists, for example, of a block 30 constituted by a doped glass substrate, for example by selective treatment by means of potassium or silver nitrate baths or of thallium sulfate or by a doped silica substrate deposited on a silicon support. It is produced using integrated optical technology.
Sur ce bloc 30 sont préparés, au moyen de masques appropriés et par des techniques de gravure bien maîtrisées dans le domaine de la photolithographie, les différents guides d'ondes véhiculant respectivement le faisceau de référence, le faisceau de mesure, le faisceau de mesure réfléchi, la tte de mesure interférométrique, les diviseurs et, le cas échéant, le dispositif de référence 27 qui peut tre un interféromètre de Mach-Zehnder intégré.On this block 30 are prepared, by means of appropriate masks and by etching techniques well mastered in the field of photolithography, the various waveguides conveying respectively the reference beam, the measurement beam, the reflected measurement beam , the interferometric measuring head, the dividers and, where appropriate, the reference device 27 which can be an integrated Mach-Zehnder interferometer.
Les organes élargisseurs de faisceau de la tte de mesure interfërométrique sont de préférence des lentilles planaires, ou tout autre dispositif permettant d'obtenir des fronts d'onde sensiblement plans. A titre indicatif, la largeur des voies optiques 16,26 dans la partie confinée, en amont des organes élargisseurs, est de l'ordre de 6 à 8 gm et leur dimension transversale dans la partie large 31,32, en aval des organes élargisseurs, est sensiblement comprise entre 0,10 mm et 1 mm.The beam widening members of the interferometric measurement head are preferably planar lenses, or any other device making it possible to obtain substantially planar wave fronts. As an indication, the width of the optical channels 16.26 in the confined part, upstream of the widening members, is of the order of 6 to 8 gm and their transverse dimension in the wide part 31.32, downstream of the widening members , is substantially between 0.10 mm and 1 mm.
Les élargisseurs étendent les faisceaux, ce qui permet de créer une figure d'interférence. Grâce à l'étalement du faisceau, toute variation du déphasage provoque un décalage de toute la figure d'interférence.The wideners extend the beams, which creates an interference pattern. Thanks to the spreading of the beam, any variation of the phase shift causes a shift of the entire interference pattern.
L'écartement spatial des franges est défini par la longueur d'onde des signaux d'entrée et par l'angle que font entre eux les fronts d'onde des faisceaux élargis. Contrairement à ce qui se produit avec des guides d'ondes constitués par des fibres optiques individuelles dont le positionnement est souvent peu précis, les guides, réalisés selon une technologie d'optique intégrée, sont parfaitement fixes et 1'angle précité est extrmement précis. En effet, le positionnement des guides est défini par la géométrie du masque qui a servi à les réaliser. Pour un angle très petit, les franges d'interférence sont très écartées et pour un angle plus grand, les franges sont plus serrées.The spatial spacing of the fringes is defined by the wavelength of the input signals and by the angle between them the wave fronts of the widened beams. Contrary to what occurs with waveguides constituted by individual optical fibers whose positioning is often not very precise, the guides, produced according to an integrated optical technology, are perfectly fixed and the aforementioned angle is extremely precise. Indeed, the positioning of the guides is defined by the geometry of the mask which served to produce them. For a very small angle, the interference fringes are very wide apart and for a larger angle, the fringes are tighter.
Sur la face de sortie du bloc et dans la zone d'interférence, sont fixés deux détecteurs 33 qui sont, par exemple, constitués de deux photodiodes dont la longueur correspond à une demifrange et espacées d'un quart de frange pour obtenir deux signaux électroniques en quadrature de phase. Les détecteurs sont avantageusement réalisés sur un mme substrat semi-conducteur. On the output face of the block and in the interference zone, two detectors 33 are fixed which are, for example, made up of two photodiodes whose length corresponds to a half-fringe and spaced by a quarter of fringe to obtain two electronic signals in phase quadrature. The detectors are advantageously produced on the same semiconductor substrate.
La réalisation du capteur en optique intégrée monolithique assure une grande insensibilité aux chocs et aux vibrations grâce à l'excellente stabilité mécanique du substrat. De plus, la reproductibilité de fabrication est excellente car le positionnement des éléments sensibles, en particulier ceux de la tte interfërométrique autre que les détecteurs, est obtenu par des procédés planaires de micro-électronique parfaitement maîtrisés.The realization of the sensor in monolithic integrated optics ensures a great insensitivity to shocks and vibrations thanks to the excellent mechanical stability of the substrate. In addition, the reproducibility of manufacture is excellent because the positioning of the sensitive elements, in particular those of the interferometric head other than the detectors, is obtained by planar microelectronic methods perfectly mastered.
Les avantages du dispositif sont nombreux. On notera tout d'abord ceux qui sont inhérents à l'optique intégrée, à savoir le fait qu'il est insensible aux vibrations, compact, facile à réguler en température, et qu'il peut tre fabriqué en série. Par ailleurs, il est avantageux en ce qu'il résiste aux parasites électromagnétiques. La sortie des informations a lieu de façon non colinéaire à la direction d'injection de la lumière sur le composant, évitant ainsi une partie importante de l'éclairage parasite pouvant"éblouir"les détecteurs.The advantages of the device are numerous. First of all, note those which are inherent in integrated optics, namely the fact that it is insensitive to vibrations, compact, easy to regulate in temperature, and that it can be mass produced. Furthermore, it is advantageous in that it resists electromagnetic interference. The output of the information takes place in a non-collinear manner to the direction of injection of the light on the component, thus avoiding a large part of the stray lighting which can "dazzle" the detectors.
La structure proposée n'utilise pas d'éléments réflecteurs qui sont d'une réalisation délicate en optique intégrée. Il en résulte une simplicité de réalisation pouvant conduire à un abaissement conséquent du coût de production de ce type de dispositif.The proposed structure does not use reflective elements which are a delicate achievement in integrated optics. This results in a simplicity of construction which can lead to a consequent lowering of the production cost of this type of device.
Le bras de mesure 21 assure une fonction de filtrage spatial de la lumière. L'information optique n'est séparée, pour créer les signaux en quadrature, qu'après passage dans l'air, assurant une stabilité du déphasage entre ces signaux quelles que soient les perturbations de l'air. The measuring arm 21 performs a spatial light filtering function. The optical information is separated, to create the quadrature signals, only after passing through the air, ensuring a stability of the phase shift between these signals whatever the disturbances of the air.
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| EP0286528A1 (en) * | 1987-04-07 | 1988-10-12 | Commissariat A L'energie Atomique | Integrated-optics displacement sensor |
| EP0290789A2 (en) * | 1987-05-11 | 1988-11-17 | Hommelwerke GmbH | Device for measuring the distance between the device and a measuring surface |
| US4909629A (en) * | 1987-07-07 | 1990-03-20 | Kabushiki Kaisha Topcon | Light interferometer |
-
1992
- 1992-12-10 FR FR9215003A patent/FR2699270A1/en active Pending
Patent Citations (4)
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