TWI482952B - 光干涉系統 - Google Patents

Description

光干涉系統

本發明是有關於一種光學系統，且特別是關於一種光干涉系統。

智慧節能建築之發展，以優質的生活環境為基礎，提供面對未來居家環境、居家照護、安全監測、建築物能源自給及節能等智慧生活空間等議題，並希望藉由電機、電子、資訊、通訊、自動化等相關產業技術的導入，來結合建構安全、健康、便利與舒適的生活環境。在高智慧節能網路平台上，光纖可提供居家安全及多功能環境監測的節能感測元件，以達到低能源消耗與低操作成本的目標。

由相關文獻來看，自1970年代早期，光纖已逐漸應用在感測器上，而非只有在通訊領域裡。此後，光纖感測器的研究迅速成長，而現在主要發展的技術可用於各種感測的光纖感測器，其不同於其他的感測器是因為光纖感測器可以應用於分時多工、分波多工形式等，也因此光纖感測從光纖通訊中分離出來一套新的技術。

光纖感測器因具有靈敏度高及動態範圍大等優點，利用光纖及光纖元件來量測如聲波、溫度、振動、壓力、流量、應變或速度等物理變化量，已成為光電領域的研究焦點之一。近年來，已有許多研究探討藉由將光纖感測器埋入或黏貼於待測物中，以監控待測物的應變量。

圖1繪示現有技術的光干涉系統。現有技術透過寬頻光源與延遲干涉在馬赫-詹德干涉儀(Mach-Zehnder Interferometer)的架構下，獲得空間干涉圖形，藉以量測待測物的應變量。詳言之，現有技術的光干涉系統100包括光源110a、參考光源110b、光耦合器120a、120b、可調變光路徑長度的準直器(Collimator)130、波長分工耦合器(Wavelength-Division Multiplexing Coupler)140、光感測器150a、150b、濾波器160a、160b、資料擷取器(Data Acquisition,DAQ)170以及電腦180。

光耦合器120a接收來自於光源110a及參考光源110b的光束，並將光束分成量測光束BM1及參考光束BR1，其中待側物O配置於量測光束BM1的傳遞路徑上，而可調變光路徑長度的準直器130配置於參考光束BR1的傳遞路徑上。通過待側物O的量測光束BM2以及通過準直器130的參考光束BR2在光耦合器120b干涉後，透過波長分工耦合器140將兩個不同波長的光束分開，並分別傳遞至光感測器150a、150b，再分別經由濾波器160a、160b濾除雜訊。最後，藉由資料擷取器170以及電腦180去監控待測物的應變量。

在現有技術的光干涉系統100中，需配置波長不同於光源110a的參考光源110b，以作為光干涉系統100的光學尺。此外，在光源110a及參考光源110b的配置下，更需額外配置波長分工耦合器140以將兩個不同波長的光束分開。因此，建構現有技術的光干涉系統100會花費相對高的成本。

本發明提供一種光干涉系統，其具有相對低的成本。

本發明提供一種光干涉系統，適於量測待測物的應變量，光干涉系統包括光源、第一光耦合器、第二光耦合器、移動平台、第三光耦合器、感測單元、雙向傳遞單元、雙通道光偵測器、濾波器、資料擷取器以及電腦。光源適於發出光束。第一光耦合器配置於光束的傳遞路徑上。第二光耦合器配置於來自第一光耦合器的光束的傳遞路徑上，且來自第一光耦合器的光束經由第一光路徑以及第二光路徑傳遞至第二光耦合器。移動平台配置於第二光路徑上。第三光耦合器配置於來自第二光耦合器的光束的傳遞路徑上，且來自第二光耦合器的光束經由第三光路徑以及第四光路徑傳遞至第三光耦合器。感測單元配置於第三光路徑上，且由至少一光纖所形成。雙向傳遞單元配置於第三光耦合器輸出的光路徑上，其中傳遞至雙向傳遞單元的光束被反向傳遞回第一光耦合器，且由雙向傳遞單元反向傳遞回第一光耦合器的光束適於作為光學尺。雙通道光偵測器接收由第三光耦合器輸出至另一光路徑上的光束以及由雙向傳遞單元反向傳遞回第一光耦合器的光束。濾波器電性連接於雙通道光偵測器。資料擷取器電性連接於濾波器。電腦電性連接於資料擷取器。

在本發明之一實施例中，前述的光纖為單模光纖。

在本發明之一實施例中，前述之雙向傳遞單元為布拉 格光纖光柵。

在本發明之一實施例中，前述之移動平台包括多個準直器以及馬達。

在本發明之一實施例中，前述之馬達為步進馬達(Step Motor)或線性馬達(Linear Motor)。

在本發明之一實施例中，前述由第三光耦合器輸出至另一光路徑上的光束透過光纖傳遞至雙通道光偵測器。

在本發明之一實施例中，前述由雙向傳遞單元反向傳遞回第一光耦合器的光束透過光纖傳遞至雙通道光偵測器。

在本發明之一實施例中，前述之光源為低同調的雷射光源。

在本發明之一實施例中，前述之雷射光源為超螢光發光二極體(Super-luminescent Light Emitting Diode,SLED)。

在本發明之一實施例中，前述來自於光源的光束透過光纖傳遞至第一光耦合器。

在本發明之一實施例中，前述第一光路徑、第二光路徑以及第四光路徑分別由至少一光纖所形成。

在本發明之一實施例中，前述之光束的中心波長大於1300奈米且小於1600奈米。

基於上述，本發明之光干涉系統利用雙向傳遞單元所反向傳遞的光束作為本發明之光干涉系統的光學尺。如此，本發明之光干涉系統可以不用配置參考光源及波長分工耦合器，而具有相對低的成本。

為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

圖2為本發明一實施例之光干涉系統的示意圖。請參照圖2，本實施例之光干涉系統200可對待測物進行檢測。舉例而言，本實施例之光干涉系統200適於量測待測物的應變量。所述待測物可以是大樓、橋樑或是其他需要藉由監控其應變行為以判斷其完整性(例如是否受到損壞、是否需要進行修補)的物體。

本實施例之光干涉系統200包括光源210、第一光耦合器220a、第二光耦合器220b、第三光耦合器220c、移動平台230、感測單元250、雙向傳遞單元240、雙通道光偵測器260、濾波器270、資料擷取器280以及電腦290。

光源210適於發出光束B1。在本實施例中，光源210例如為低同調的雷射光源。舉例而言，光源210可以是中心波長為1550奈米且半高寬值約為60奈米的超螢光發光二極體，但本發明不限於此。舉例而言，本實施例可透過選用中心波長較短之光源，以進一步提升本實施例之光干涉系統200的解析度。同時，為避免所選用之中心波長過短而導致多模(multi-mode)現象的產生，本實施例之光束B1的中心波長較佳是大於1300奈米且小於1600奈米。

第一光耦合器220a配置於光束B1的傳遞路徑上。在本實施例中，來自於光源210的光束B1例如透過光纖Fa 傳遞至第一光耦合器220a，且本實施例之第一光耦合器220a例如為光纖耦合器。所述光纖耦合器可將來自於光源210的光束B1分成兩道光束B2、B3，並將此兩道光束B2、B3從光纖耦合器(此處指第一光耦合器220a)之另一端的兩條光纖F1、F2輸出，其中輸出端之分光比端視製程參數而定，此為此領域具有通常知識者所知悉，於此便不再贅述。

第二光耦合器220b配置於來自第一光耦合器220a的光束B2、B3的傳遞路徑上，且來自第一光耦合器220a的光束B2、B3經由第一光路徑L1以及第二光路徑L2傳遞至第二光耦合器220b。在本實施例中，第二光耦合器220b例如為光纖耦合器，且來自第一光耦合器220a的光束B2、B3例如是分別透過光纖F1、F2而傳遞至第二光耦合器220b。亦即是，本實施例之第一光路徑L1以及第二光路徑L2分別是由至少一光纖所形成的光路徑，且所述光纖例如是單模光纖。

移動平台230配置於第二光路徑L2上，其可用以調變本實施例之光干涉系統200中的光程差。詳言之，移動平台230包括兩個準直器232以及馬達(未繪示)，其中馬達可用以控制兩個準直器232間的距離，藉以調變所述光程差。在本實施例中，準直器232例如是光纖準直器，而馬達可以是步進馬達或線性馬達。此外，兩個準直器232分別連接於光纖F2a及F2b。換言之，本實施例之第二光路徑L2由光纖F2a、移動平台230及光纖F2b所構成，而 光束B3通過光纖F2a、移動平台230及光纖F2b而傳遞至第二光耦合器220b。

第三光耦合器220c配置於來自第二光耦合器220b的光束B4、B5的傳遞路徑上，且來自第二光耦合器220b的光束B4、B5經由第三光路徑L3以及第四光路徑L4傳遞至第三光耦合器220c。在本實施例中，第三光耦合器220c例如為光纖耦合器，且來自第二光耦合器220b的光束B4、B5例如是分別透過光纖F3、F4而傳遞至第三光耦合器220c。亦即是，本實施例之第三光路徑L3以及第四光路徑L4分別是由至少一光纖所形成的光路徑，且所述光纖例如是單模光纖。

感測單元250配置於第三光路徑L3上，且由光纖F3所形成。亦即是，本實施例藉由偵測光纖F3的應變量(例如是光纖F3的拉伸與壓縮量)以監控待測物的應變量。因此，藉由將感測單元250配置於待測物中，例如是配置於大樓中或貼附於橋樑內，如此，當大樓或橋樑受到地震的震盪或拉扯，又或者是受到其他天災、人禍而造成其損壞時，本實施例之光干涉系統200可即時監控待測物的應變量，而判斷待測物之完整性，以適時對待測物進行修補。

此外，第三光耦合器220c具有兩個輸出的光路徑L5、L6。雙向傳遞單元240配置於第三光耦合器220c輸出的光路徑L5上，其中傳遞至雙向傳遞單元240的光束B6被反向傳遞回第一光耦合器220a。感測單元250感測單元250感測單元250詳言之，本實施例的雙向傳遞單元 240例如為布拉格光纖光柵。圖3A為布拉格光纖光柵與光纖的示意圖，圖3B至圖3D分別為圖3A中入射光束、反射光束及穿透光束的波長-光強度示意圖。請參照圖3A，光纖Fd包括核心(core)a1及外殼(cladding)a2，其中外殼a2包覆核心a1，且核心a1的折射率會大於外殼a2的折射率。布拉格光纖光柵240位於核心a1中，其中布拉格光纖光柵240的折射率不同於核心a1的折射率。布拉格光纖光柵240的製作例如是利用具有週期性結構圖案的光罩置於光纖Fd上，再利用高能量短波長的紫外線照射後，而在核心a1的部份區域中產生干涉條紋。

請參照圖3A至圖3D，沿光纖Fd之軸向(即核心a1的延伸方向)行進的光束B6會受到布拉格光纖光柵240的作用而產生反射，其中正向傳遞的光束B6會與反向傳遞的光束B7b耦合。當兩個相同模態耦合時，符合布拉格反射條件之光束(即光束B6中波長約為2倍布拉格光纖光柵240週期T的光束B7b)會被反射，而其餘的光束B7a沿光束B6的原傳遞路徑繼續前進。此外，在本實施例中，於光束B7a的傳遞路徑上可選擇性地設置光阻絕器1，以阻絕光束B7a。

基於上述，請再參照圖2，從第三光耦合器220c輸出至光路徑L5的光束B6在傳遞至雙向傳遞單元240後，會被反向傳遞，且通過第三光耦合器220c、第二光耦合器220b、第一光路徑L1及第二光路徑L2而反向傳遞回第一光耦合器220a，並由雙通道光偵測器260所接收。

詳言之，雙通道光偵測器260適於接收由第三光耦合器220c輸出至光路徑L6上的光束B8以及由雙向傳遞單元240反向傳遞回第一光耦合器220a的光束B7b。在本實施例中，由第三光耦合器220c輸出至光路徑L6上的光束B8例如是透過光纖Fc傳遞至雙通道光偵測器260，其中光纖Fc與光纖F3、F4位於第三光耦合器220c的相對兩側，而光纖Fc與光纖Fd位於第三光耦合器220c的同一側。此外，由雙向傳遞單元240反向傳遞回第一光耦合器220a的光束B7b例如是透過光纖Fb傳遞至雙通道光偵測器260，其中光纖Fb與光纖Fa位於第一光耦合器220a的同一側，且光纖Fb與光纖Fa為不同的光路徑。

本實施例之光干涉系統200利用雙向傳遞單元240所反向傳遞的光束B7b作為光干涉系統200的光學尺，並將此光學尺(光束B7b)與光束B8進行比對，藉以判定待測物所受的應變應力大小(或待測物的應變量)。是以，本實施例之光干涉系統200可以不用額外配置參考光源及波長分工耦合器，而可具有相對低的成本。

此外，本實施例之雙通道光偵測器260可包括光放大器與光感測器等儀器用以接收及處理光訊號並轉變為電訊號，其中光感測器可以是光電二極體或電荷耦合元件。

此外，透過兩條連接訊號線2a、2b將雙通道光偵測器260電性連接於濾波器270，可接而將雙通道光偵測器260之電訊號傳遞至濾波器270，以過濾電訊號中之雜訊。

另外，透過兩條訊號線3a、3b將濾波器270電性連 接於資料擷取器280，可再將所述過濾過的電訊號傳遞至資料擷取器280，以將類比訊號轉變成數位訊號，並透過一條訊號線4將資料擷取器280電性連接於電腦290的，以將數位訊號傳遞至電腦290中，以進行訊號的比對，並判定待測物的應變量。

圖4為本實施例之光干涉系統200的一量測數據，其中圖4中的曲線A為光束B8干涉後之圖形，而曲線B則為光束B6，即所述光學尺。請參照圖4，曲線A包括3個波包A1、A2、A3，其中波包A1、A2、A3的寬窄取決於光源所發出之光束之頻譜的寬窄(即光束之波長的涵蓋範圍)。當光源所發出之光束的頻譜越寬，則於傅立葉轉換(Fourier Transform)後，可得到越窄的時域(time domain)。此外，波包A1、A2、A3的相對位置則取決於待測物所受到的應力形式。

詳言之，請參照圖2及圖4，圖2中之第三光路徑L3與第四光路徑L4存在光程差△L1，而第一光路徑L1與第二光路徑L2存在光程差△L2。藉由調變圖2中之移動平台230，使△L2為0時(即第一光路徑L1與第二光路徑L2的光程差為0時)，則可得到波包A2。另外，當△L2等於△L1時，可得到波包A1，而當△L2為負的△L1時，可得到波包A3。在待測物受到不同的應力下，感測單元250的應變量會隨之改變，進而改變第三光路徑L3與第四光路徑L4的光程差△L1。因此，透過判別波包A1、A3的位置變化量，即可得到不同時間下之待測物的應變量。

舉例而言，如圖4所示，在時間t1時，波包A1及波包A3之波峰位置例如是分別對應到曲線B之位置X1a及位置X2a。在時間t2時，感測單元受到應力的作用下，波包A1及波包A3之波峰位置分別往遠離波包A2之位置移動，且波包A1及波包A3之波峰位置例如是分別對應到曲線B之位置X1b及位置X2b。如圖4所示，位置X1a與位置X1b共相距10個波峰與波谷的距離，其中若光束的波長為1550奈米(即波峰與波谷的距離為775奈米)，則位置X1a與位置X1b的差值為775奈米的10倍，也就是7750奈米。同理，位置X2a與位置X2b的差值亦為7750奈米。換言之，在時間t1與t2之間，待測物因應力的作用而有了15500奈米的位移(即待測物的應變量)。

需說明的是，在不同的應力下，波包A1及波包A3之波峰位置會有不同的移動方向。舉例而言，當待測物受到擠壓應力時，波包A1及波包A3也有可能往鄰近波包A2之位置移動。換言之，本實施例並不用以限定應力的形式。

由於在待測物受到應力時，波包A1及波包A3的位置會一起改變(一起往遠離波包A2之位置移動或往鄰近波包A2之位置移動)，而具有兩倍的位移量。因此，本實施例之光干涉系統200可使光學尺在此系統下的解析度提高兩倍。

圖5及圖6為圖2中之光纖F3在不同的應力大小下的應力-位移曲線圖。從圖5及圖6可知，本實施例的光干 涉系統200無論是在小範圍的應變量(如圖5所示)或大範圍的應變量(如圖6所示)下，皆可具有良好的靈敏度以及高精密解析度，且無論是拉伸(loosen)應力或壓縮(tighten)應力皆能達到感測要求。

綜上所述，本發明實施例之光干涉系統利用雙向傳遞單元所反向傳遞的光束去建構光學尺。因此，本發明實施例之光干涉系統可以不用配置參考光源及波長分工耦合器，而具有相對低的成本。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100、200‧‧‧光干涉系統

110a、210‧‧‧光源

110b‧‧‧參考光源

120a、120b‧‧‧光耦合器

130、232‧‧‧準直器

140‧‧‧波長分工耦合器

150a、150b‧‧‧光感測器

160a、160b、270‧‧‧濾波器

170、280‧‧‧資料擷取器

180、290‧‧‧電腦

220a‧‧‧第一光耦合器

220b‧‧‧第二光耦合器

220c‧‧‧第三光耦合器

230‧‧‧移動平台

240‧‧‧雙向傳遞單元

250‧‧‧感測單元

260‧‧‧雙通道光偵測器

1‧‧‧光阻絕器

2a、2b、3a、3b、4‧‧‧訊號線

a1‧‧‧核心

a2‧‧‧外殼

A、B‧‧‧曲線

A1、A2、A3‧‧‧波包

B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7a、B7b、B8‧‧‧光束

BM1、BM2‧‧‧量測光束

BR1、BR2‧‧‧參考光束

Fa、Fb、Fc、Fd、F1、F2、F2a、F2b、F3、F4‧‧‧光纖

L1‧‧‧第一光路徑

L2‧‧‧第二光路徑

L3‧‧‧第三光路徑

L4‧‧‧第四光路徑

L5、L6‧‧‧光路徑

T‧‧‧週期

O‧‧‧待側物

X1a、X2a、X1b、X2b‧‧‧位置

圖1為現有技術的光干涉系統。

圖2為本發明一實施例之光干涉系統的示意圖。

圖3A為布拉格光纖光柵與光纖的示意圖。

圖3B至圖3D分別為圖3A中入射光束、反射光束及穿透光束的波長-光強度示意圖。

圖4為本實施例之光干涉系統的一量測數據。

圖5及圖6為圖2中之光纖在不同的應力大小下的應力-位移曲線圖。

200‧‧‧光干涉系統

210‧‧‧光源

220a‧‧‧第一光耦合器

220b‧‧‧第二光耦合器

220c‧‧‧第三光耦合器

230‧‧‧移動平台

232‧‧‧準直器

240‧‧‧雙向傳遞單元

250‧‧‧感測單元

260‧‧‧雙通道光偵測器

270‧‧‧濾波器

280‧‧‧資料擷取器

290‧‧‧電腦

1‧‧‧光阻絕器

2a、2b、3a、3b、4‧‧‧訊號線

B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7b、B8‧‧‧光束

Fa、Fb、Fc、Fd、F1、F2、F2a、F2b、F3、F4‧‧‧光纖

L1‧‧‧第一光路徑

L2‧‧‧第二光路徑

L3‧‧‧第三光路徑

L4‧‧‧第四光路徑

L5、L6‧‧‧光路徑

Claims (12)

1. 一種光干涉系統，包括：一光源，適於發出一光束；一第一光耦合器，配置於該光束的傳遞路徑上；一第二光耦合器，配置於來自該第一光耦合器的該光束的傳遞路徑上，且來自該第一光耦合器的該光束經由一第一光路徑以及一第二光路徑傳遞至該第二光耦合器；一移動平台，配置於該第二光路徑上；一第三光耦合器，配置於來自該第二光耦合器的該光束的傳遞路徑上，且來自該第二光耦合器的該光束經由一第三光路徑以及一第四光路徑傳遞至該第三光耦合器；一感測單元，配置於該第三光路徑上，且由至少一光纖所形成；一雙向傳遞單元，配置於該第三光耦合器輸出的一光路徑上，其中傳遞至該雙向傳遞單元的光束被反向傳遞回該第一光耦合器，且由該雙向傳遞單元反向傳遞回該第一光耦合器的該光束適於作為光學尺；一雙通道光偵測器，接收由該第三光耦合器輸出至另一光路徑上的該光束以及由該雙向傳遞單元反向傳遞回該第一光耦合器的該光束；一濾波器，電性連接於該雙通道光偵測器；一資料擷取器，電性連接於該濾波器；以及一電腦，電性連接於該資料擷取器。
2. 如申請專利範圍第1項所述之光干涉系統，其中該 光纖為單模光纖。
3. 如申請專利範圍第1項所述之光干涉系統，其中該雙向傳遞單元為布拉格光纖光柵。
4. 如申請專利範圍第1項所述之光干涉系統，其中該移動平台包括：多個準直器；以及一馬達。
5. 如申請專利範圍第4項所述之光干涉系統，其中該馬達為步進馬達或線性馬達。
6. 如申請專利範圍第1項所述之光干涉系統，其中由該第三光耦合器輸出至另一光路徑上的該光束透過一光纖傳遞至該雙通道光偵測器。
7. 如申請專利範圍第1項所述之光干涉系統，其中由該雙向傳遞單元反向傳遞回該第一光耦合器的該光束透過一光纖傳遞至該雙通道光偵測器。
8. 如申請專利範圍第1項所述之光干涉系統，其中該光源為低同調的雷射光源。
9. 如申請專利範圍第8項所述之光干涉系統，其中該雷射光源為超螢光發光二極體。
10. 如申請專利範圍第1項所述之光干涉系統，其中來自於該光源的該光束透過一光纖傳遞至該第一光耦合器。
11. 如申請專利範圍第1項所述之光干涉系統，其中該第一光路徑、該第二光路徑以及該第四光路徑分別由至少一光纖所形成。
12. 如申請專利範圍第1項所述之光干涉系統，其中該光束的中心波長大於1300奈米且小於1600奈米。