WO2024146600A1 - 干涉解调装置和干涉测量系统 - Google Patents

Abstract

一种干涉解调装置和干涉测量系统。干涉解调装置具有路径长度差，配置为接收调制光(5、6)，并在输出位置提供作为路径长度差的函数的光信号，干涉解调装置包括：第一偏振器(8)，配置为将调制光(5、6)分成不同的偏振分量；第二偏振器(10)，设置于第一偏振器(8)的下游且配置为组合不同的偏振分量；以及双折射元件(9)，位于第一偏振器(8)和第二偏振器(10)之间；聚光器，设置于第一偏振器(8)的上游；其中，双折射元件(9)包括入射表面(16)和出射表面(15)，入射表面(16)和出射表面(15)中的至少一个的至少一部分为非线性曲面表面。

Description

干涉解调装置和干涉测量系统

本申请要求于2023年1月4日递交的中国专利申请第202310006958.0号的优先权，在此全文引用上述中国专利申请公开的内容以作为本申请的一部分。

技术领域

本公开涉及干涉解调装置和干涉测量系统。

背景技术

“干涉测量法”是一种利用波的干涉现象进行测量的一种方法。通常将一束光分为两束光，即参考光和将由被测物理量调制的检测光，这两束光在叠加时形成干涉图。通过分析处理干涉图来获取被测物理量的相关信息。由于光的波长非常短，两束光的光路稍有不同就能被检测出来。因此，光学干涉测量法一直是非常有价值且非常精确的测量技术。

从干涉图获得待测物理量的信息可以采用基于低相干干涉的解调方法，所述方法使用解调干涉仪。当解调干涉仪产生的某个光程差与法布里珀罗(Fabry-Perot，F-P)腔(简称为法珀腔)产生的光程差相匹配时，会产生低相干干涉条纹峰值，通过解调计算出峰值位置，就能得到法布里珀罗腔的腔长信息，进而得到导致腔长变化的待测物理量的信息。

在已知的一种采用低相干的干涉测量法的光学传感器的方案中，偏振干涉仪具有光程差，并且所述偏振干涉仪在接收到输入光时，在输出位置提供作为光程差的函数的输出信号。

在已知的一种高分辨率偏振低相干干涉压力测量装置的方案中，双折射效应构成光学杠杆，通过设计带空间倾角的双折射光楔的二维空间楔角，实现低相干干涉条纹在水平和垂直方向上不同程度的缩放。该方案引入了双折射光楔 在垂直方向上的空间楔角，并利用面阵相机进行信号接收，同时满足大测量范围和高分辨率的压力解调。

发明内容

因此，本公开之目的是提供一种干涉解调装置和干涉测量系统，所述干涉解调装置和干涉测量系统提高了解调准确度。

上述目的通过根据下文所述的干涉解调装置和干涉测量系统来实现。

本公开涉及一种干涉解调装置，其具有路径长度差，配置为接收调制光，并在输出位置提供作为所述路径长度差的函数的光信号，所述干涉解调装置包括：第一偏振器，配置为将所述调制光分成不同的偏振分量；第二偏振器，设置于所述第一偏振器的下游且配置为组合所述不同的偏振分量；以及双折射元件，所述双折射元件位于所述第一偏振器和所述第二偏振器之间；聚光器，设置于所述第一偏振器的上游，且配置为接收调制光，通过所述第一偏振器、所述双折射元件、所述第二偏振器向所述输出位置转发所接收的调制光，以提供作为所述路径长度差的函数的光信号；其中，所述双折射元件包括入射表面和出射表面，所述入射表面和所述出射表面中的至少一个的至少一部分为非线性曲面表面。

在一实施方式中，所述双折射元件中间部分的厚度大于两个端部的厚度，所述厚度为所述双折射元件的入射表面及出射表面在平行于所述干涉解调装置的光轴方向的方向上的距离，并且所述双折射元件包括至少两个测量区段，所述至少两个测量区段中的第一测量区段覆盖所述中间部分的一部分和所述两个端部中的一个端部，第二测量区段覆盖所述中间部分的另一部分和所述两个端部中的另一端部。

在一实施方式中，所述入射表面和所述出射表面分别关于所述光轴对称，所述入射表面和所述出射表面中的至少一个为非线性曲面表面。

在一实施方式中，所述两个测量区段的入射表面或出射表面同时为凸面或 凹面。

在一实施方式中，所述入射表面和所述出射表面之中的至少一个整体为非线性曲面表面且为凸面或凹面。

在一实施方式中，所述非线性曲面表面的面形根据待测物理量的范围通过基于曲线模型的计算或通过离散点计算来确定。

在一实施方式中，所述双折射元件具有光楔的形式，并且所述计算基于与所述双折射元件相应的线性光楔的顶角、调制光的发散角、以及所述双折射元件的折射率。

本公开还提供了一种干涉测量系统，所述干涉测量系统包括：光源，发射相干光；干涉测量传感器装置，其具有传感器路径长度差，所述传感器路径长度差根据待测物理量的变化而改变，配置为接收所述相干光，且形成并输出作为所述传感器路径长度差的函数的调制光；以及至少一个如上文所述的干涉解调装置。

在一实施方式中，所述干涉测量系统包括多个干涉测量传感器装置，所述多个干涉测量传感器装置串联或并联在所述光源的下游。

在一实施方式中，由所述多个干涉测量传感器装置输出的调制光通过同一双折射元件的不同区段。

在一实施方式中，当所述光源为点光源时，所述非线性曲面表面为凸面；当所述光源为线光源时，所述非线性曲面表面为凹面。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下文中将对本公开实施例的附图进行简单介绍。其中，附图仅仅用于展示本公开的一些实施例，而非将本公开的全部实施例限制于此。附图中：

图1示出了基于线性表面设计的双折射光楔中的双折射干涉光路光程差的计算原理的示意图；

图2示出了光在基于线性表面设计的双折射光楔中的偏折的示意图；

图3示出了根据本公开的一个实施例的干涉测量系统的示意图；

图4示出了根据本公开的一个实施例的干涉测量系统中的双折射元件的原理图；

图5示出了根据本公开的一个实施例的干涉测量系统中的双折射元件的示意图；

图6示出了根据本公开的另一个实施例的干涉测量系统中的双折射元件的示意图；

图7示出了根据本公开的又一个实施例的干涉测量系统中的双折射元件的示意图；

图8示出了根据本公开的再一个实施例的干涉测量系统中的双折射元件的示意图；以及

图9示出了根据本公开的一个实施例的干涉测量系统中的双折射元件的示意图。

具体实施方式

为了使得本公开的技术方案的目的、技术方案和优点更加清楚，下文中将结合本公开具体实施例的附图，对本公开实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。附图中相同的附图标记代表相同的部件。需要说明的是，所描述的实施例是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本公开的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似 词语也不必然表示数量限制。“包括”、“包含”或者“具有”等类似的词语意指出现该词前面的元件或物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“连通”等类似的词语并非限定于附图中所示的物理的或者机械的连接或连通，而是可以包括与其等效的连接或连通，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

已知的干涉测量法的方案存在光程差解调准确度、物理量测量精度由于系统非线性而降低的问题。此外，已知的方案不能应用于多种物理量的同时测量，或者在用于测量多种物理量时存在光程差限制的问题，因此会增加制备工艺复杂程度，制备成本，以及造成生产浪费。

下面参考图1至图9详细描述根据本公开的干涉测量系统的实施方式。

由于双折射晶体的各向异性，入射到其上的光束将被分成偏振方向相互正交的两束偏振光，即正常光(o光)和非正常光(e光)。经过相同的传输距离，o光和e光传播的光程不同，两个分量在带空间倾角的双折射光楔中会产生光程差。如图1所示，由双折射晶体制成的光楔的光轴的方向垂直于附图平面，以光楔的直角边方向为x轴，则对于x轴上的任一点，对应的光程差为通过该点的o光和e光的折射率差与该点对应的厚度的乘积。对于同一个晶体，可以认为其折射率差为一个固定的常数，而晶体上每个点的厚度与该点在直角边的位置，即x轴的位置，线性相关。根据以上可以推导出，双折射光楔导致的光程差与入射点的位置线性相关，具体关系如下面的公式所示：
OPD＝(n_e-n_o)×(t(x))＝(n_e-n_o)×(x*tan(α)+offset)，

其中，x为入射点对应的x轴坐标，α为楔形晶体顶角角度，n_e为e光的折射率，n_o为o光的折射率，offset取决于x轴的起点(例如若x轴的起点在楔形晶体的顶角处，则offset为0)，t(x)为入射点位置对应的晶体厚度，OPD为入射点(即，x点)对应的光程差。

如图1所示以及根据上述公式可知，当光垂直入射于双折射光楔的入射表面上时，光程差与入射点位置对应的晶体厚度线性相关，即双折射光楔在o光和e光之间产生的光程差随光楔的厚度成线性变化。然而，在实际的光路中，光束具有一定的发散角，使得不是所有光均垂直入射于双折射光楔的入射表面上。离光轴越远，光束在双折射光楔上的入射角越大。例如，在每个零级干涉条纹产生的位置，o光和e光并非理想垂直入射。此外，光楔的顶角越大，其对光束的弯折效应越明显。因此，通过双折射光楔产生的o光和e光之间的实际光程差与根据上述公式计算出的光程差有偏差。所述偏差随着光楔顶角和光线入射角的变大而增加，最终导致o光和e光之间的光程差与光楔的厚度是非线性相关的。相应地，累积增加的光程差误差会给基于双折射元件的干涉测量系统带来非线性。

如图2所示，主光束在例如双折射光楔的直角边所在的入射表面上垂直入射，如虚线所示，而边缘光束在直角边处的入射角为θ1。根据斯涅尔光线折射定律，可以计算得到进入光楔后的折射角θo和θe，之后可以通过三角函数计算得到在边缘光束的o光和e光在每个入射点位置的实际光程差。该光程差与入射点对应的晶体厚度，光楔的顶角角度，以及入射角角度正相关。以常见光程差范围0～50000nm作为参考，由于光线的折射带来的非线性光程差的误差最大可以达到25％。对于基于光程差的测量系统来说，该非线性误差将会降低系统的线性度，从而减少解调光程差的准确度，并且降低与光程差对应的物理量，如压力，温度，应变，流速，力等的测量精度。

在本公开的一个实施例中，干涉解调装置，其具有路径长度差，配置为接收调制光，并在输出位置提供作为所述路径长度差的函数的光信号，所述干涉解调装置包括：

第一偏振器，配置为将所述调制光分成不同的偏振分量；

第二偏振器，设置于所述第一偏振器的下游且配置为组合所述不同的偏振分量；以及

双折射元件，所述双折射元件位于所述第一偏振器和所述第二偏振器之间；

聚光器，设置于所述第一偏振器的上游，且配置为接收调制光，通过所述第一偏振器、所述双折射元件、所述第二偏振器向所述输出位置转发所接收的调制光，以提供作为所述路径长度差的函数的光信号；

其中，所述双折射元件包括入射表面和出射表面，所述入射表面和所述出射表面中的至少一个的至少一部分为非线性曲面表面。

路径长度差由干涉解调装置中的双折射元件产生，并根据双折射元件的厚度变化而不同。

双折射元件具有非线性曲面表面，即非平面表面。例如，所述非线性曲面表面可以配置为使得调制光在通过双折射元件之后以与干涉解调装置的光轴成一角度出射，所述角度的正弦值的范围为0至0.65。例如，所述调制光平行于干涉解调装置的光轴传输，或者说平行于所述光轴由双折射元件出射。干涉解调装置的光轴为干涉解调装置接收的调制光的传输方向。

在本公开的一个实施例中，双折射元件为楔形，具有一个空间上沿一个方向分布的光程差，入射表面及出射表面中的一个为平面，一个为凸面或凹面。

通过双折射元件的非线性曲面表面，使得调制光在通过双折射元件之后的出射方向与干涉解调装置的光轴的角度减小，使出射点的双折射元件厚度更加接近入射点的双折射元件厚度，减小了非线性误差，提高了系统的线性度，从而提高了解调光程差的准确度，并且提高了与光程差对应的物理量，如压力，温度，应变，流速，力等的测量精度。

此外，在背景技术部分介绍的两种方案中，基于双折射光楔的干涉光路的光程差是唯一的。当采用这些方案中的干涉仪表作为解调仪表去并联或串联多个干涉测量光路或传感器时，为了避免不同通道的传感器干涉信号重叠对于解调信号的影响，要求不同的传感器或探测器之间必须有2～4μm的光程差，否则多个传感器或干涉测量光路的干涉峰重合，进而导致信号质量下降，对应地 带来解调的模糊性和准确度损失，甚至可能会出现信号失真而无法解调的情况。因此，在同时使用多个干涉测量传感器时，需要对传感器或探测光路的光程范围加以限制，这将增加系统的传感器端的制备工艺复杂程度，制备成本，以及造成生产浪费。

除此之外，在绝大多数应用情况下，需要使用2个传感器或者更多的传感器，以同时测量多点处的压力，温度，应变，流速，力等物理量。特别是在需要测量多种物理量时，如同时测量温度和压力时，不同的传感器有着不同的技术路线，制备工艺和成本，如果还需要额外增加光程差的限制，则工艺难度与制备成本将进一步增加。虽然也可以使用多个仪表实现多通道的同时运行，但是对应地会增加系统的复杂度，成本和体积。例如，多个传感器可以同时解耦其他物理量，如压力和温度同时解出，可以起到一加一大于二的效果。如果单一光程差限制了多通道传感器的应用，则会损失这样的益处。总的来说，上述两种方案的以单一光程差进行设计的解调系统对传感器或者目标解调光路端增加了光程差的限制，对应地增加了系统的制备工艺的复杂程度和制备成本，造成了生产浪费，并且增加了系统的整体体积，局限了多物理量同时测量的应用场景开发。

考虑到上述因素，本公开提出了一种可以补偿非线性误差，并且可选地可以同时用于多种物理量的同时测量的干涉测量系统。

如图3所示，根据本公开的干涉测量系统100包括光源1、干涉测量传感器装置4、以及干涉解调装置。所述光源1发射相干光2，例如低相干光，并且例如为卤钨灯，LED，SLED等。干涉测量传感器装置4配置为接收光源1所发出的相干光2，且形成并输出经由待测物理量调制的光5。调制光5可以携带与待测物理量相对应的光程信息。干涉解调装置配置为接收调制光6，且对调制光6进行解调以得到待测物理量的测量结果。调制光6为传输到达干涉解调装置的调制光5。

在一些示例中，干涉解调装置可以包括第一干涉解调装置B1(如图3中 右侧虚线框所示)或第二干涉解调装置B2(如图3中左侧虚线框所示)。

沿着光束传播的方向，第一干涉解调装置B1可以包括作为聚光器的聚焦光学部件7、第一偏振器8、双折射元件9、第二偏振器10、图像传感器11、以及信号处理单元12。聚焦光学部件7用于以聚焦方式接收调制光6并将其引入干涉解调装置的解调光路中，并且可以为透射元件或反射元件，或者可以为上述元件的组合。作为起偏器的第一偏振器8的第一偏振方向与作为检偏器的第二偏振器10的第二偏振方向相互垂直或平行。第一偏振器8配置为将所述调制光分成不同的偏振分量，而第二偏振器10配置为组合所述不同的偏振分量。双折射元件9位于第一偏振器8和第二偏振器10之间且具有与第一偏振器8的第一偏振方向成45°或-45°的光轴。第一偏振器8例如可以使调制光6变为线性偏振光，该线性偏振光入射到双折射元件9后形成o光和e光。图像传感器11获得完整的干涉光谱，并且可以为CCD，CMOS等。信号处理单元12接收来自图像传感器11的信号，并对信号进行处理。例如，信号处理单元12通过干涉光谱的强度和相位等物理量的变化的解调以得到光程差的变化量。

第一干涉解调装置B1中的双折射元件9具有非线性曲面表面，即非平面表面。例如，所述非线性曲面表面可以配置为使得调制光在通过双折射元件之后以与干涉解调装置的光轴成一角度出射，所述角度的正弦值的范围为0至0.65。例如，所述调制光平行于第一干涉解调装置B1的光轴传输，或者说平行于所述光轴由双折射元件9出射。干涉解调装置的光轴可以为干涉解调装置接收的调制光的传输方向。

在本公开的一个实施例中，双折射元件9中间部分的厚度大于两个端部的厚度，所述厚度为所述双折射元件的入射表面及出射表面在平行于所述干涉解调装置的光轴方向的方向上的距离。所述中间部分可以为双折射元件9具有最大厚度的部分或区段，也可以为双折射元件9具有最大厚度的截面。双折射元件9可以包括至少两个测量区段，所述至少两个测量区段中的第一测量区段覆 盖所述中间部分的一部分和所述两个端部中的一个端部，第二测量区段覆盖所述中间部分的另一部分(即，中间部分的剩余部分)和所述两个端部中的另一端部。例如，双折射元件9可以包括两个测量区段。两个测量区段分别具有空间上分布的光程差，可以用于实现两个物理量的同时解调。两个测量区段的入射表面及出射表面的曲面形状可以为凸面或凹面。

类似地，沿着光束传播的方向，第二干涉解调装置B2同样可以包括作为聚光器的聚焦光学部件、第一偏振器、双折射元件、第二偏振器、光探测器13、以及信号处理单元。光探测器13例如为光电二极管等。第二干涉解调装置B2与第一干涉解调装置B1的不同之处主要在于，使用获得干涉光谱的采样点的光探测器13来代替图像传感器11。其次，第二干涉解调装置B2的信号处理单元与第一干涉解调装置B1的信号处理单元所使用的信号处理与算法的原理也是不同的。第二干涉解调装置B2的信号处理单元接收来自光探测器13的信号，并对信号进行处理。例如，第二干涉解调装置B2的信号处理单元通过采样点在时域，频域，或者空间域的变化量来得到解调光信号的变化量。

第二干涉解调装置B2中的双折射元件也具有非线性曲面表面，即非平面表面。例如，所述非线性曲面表面可以配置为使得调制光在通过双折射元件之后以与干涉解调装置的光轴成一角度出射，所述角度的正弦值的范围为0至0.65。例如，所述调制光平行于第二干涉解调装置B2的光轴传输，或者说平行于所述光轴由双折射元件出射。

在另外一些示例中，干涉测量系统也可以包括如上所述的第一干涉解调装置B1和第二干涉解调装置B2二者。

如图3所示，干涉测量系统可以包括多个干涉测量传感器装置4，所述多个干涉测量传感器装置4串联或并联在光源1的下游。当然，干涉测量系统也可以仅包括一个干涉测量传感器装置4。干涉测量传感器装置4的数量可以取决于应用环境和需求。干涉测量传感器装置4基于双光束或多光束干涉，如迈克尔逊干涉仪，斐索干涉仪，法布里铂罗干涉仪等。这些干涉仪可以通过空间 光学搭建，也可以利用MEMS技术，Optics-on chip等技术将其制备成微型光学传感器芯片并通过光纤使其与系统连接。在绝大多数应用环境中，都是通过探头式传感器来检测对应的物理量。例如，干涉测量系统100中的多个干涉测量传感器装置4可以配置为同时操作，以实现多种物理量的同时测量。在包含多个干涉测量传感器装置4的情况下，多个干涉测量传感器装置4输出的调制光可被引导通过相同的双折射元件的不同区段。干涉解调装置配置为有例如两个路径长度差，这使得同一干涉解调装置同时解调不同类型物理量成为可能。

使用多个干涉测量传感器装置使得可以同时进行多个待测物理量的测量，如压力和温度的同时测量，可以起到一加一大于二的效果。

干涉测量系统100还包括分光器3，所述分光器3配置为接收从光源1发射的相干光2并将相干光2传输至干涉测量传感器装置4，以及将由干涉测量传感器装置4输出的调制光5传输至干涉解调装置，例如第一干涉解调装置B1和/或第二干涉解调装置B2。相干光2可以入射到干涉测量传感器装置4的干涉光路中，之后通过其中的反射镜，反射膜等结构转换为受到待测物理量的调制而形成的调制光5。调制光5返回到分光器3，并通过其而传输至解调干涉光路中。分光器3可以使用基于光纤原理的分路器、环形器，或者基于空间光学的分光棱镜来实现。

再次参见图3，干涉测量系统100还包括光纤，相干光2和/或调制光5、6通过光纤来传输。在其他示例中，相干光2和/或调制光5、6的传输可以通过空间光的形式来实现。当使用光纤传输时，干涉光路具有体积小，传输距离远，稳定性高，易于加工和组装等特性。

进入解调干涉光路，例如第一干涉解调装置B1的光路中的调制光6首先通过聚焦光学部件7以会聚方式入射到第一偏振器8上，所产生的线性偏振光入射到具有非线性曲面表面的双折射元件9后形成o光和e光。例如，由于双折射元件9的光轴与第一偏振器8的偏振方向成+45度或-45度，因此入射的 线偏振光可以分为沿着双折射元件9的光轴振动的o光，和垂直双折射元件9的光轴振动的e光这两束光。在双折射元件9中传输后，o光和e光入射到第二偏振器10上。由于第二偏振器10的偏振方向与第一偏振器8的偏振方向相同或相互垂直且因此与双折射元件9的光轴成+45度或-45度，o光和e光在通过第二偏振器10之后合并为具有相同偏振方向的光束。最终，所述光束在图像传感器11上形成干涉图案。以干涉测量系统100具有仅一个干涉测量传感器装置4的情况为例，串联的干涉光路所形成的干涉光谱为传感器干涉光谱和解调光路干涉光谱的卷积，公式如下所示：

其中，I(δ_r，δ_s)代表串联的两个光路干涉光谱的光强和两个光路光程差的关系，δ_r代表解调光路光程差，δ_s代表传感器光程差或传感器路径长度差(其根据待测物理量的变化而改变，可以用于指示待测物理量的大小)，υ₀代表光源的平均频率，γ₁为解调光路的自相关函数，θ_r为解调光路的初始相位，θ_s为解调光路或传感器的初始相位，γ₂为解调光路和目标光路或传感器的互相干函数，α₁为解调光路的相位函数，α₂为解调光路和目标光路或传感器的互相关相位函数，I₀为有效光强，以及K为和解调光路和目标光路或传感器的光强调制参数。

当解调光路的光程差和干涉测量传感器装置中的光程差相等，或者为整数倍关系时，两个干涉光谱的主极强重合，形成明暗相间的干涉条纹。系统的低相干光源所发射的相干光具有较宽的带宽，以卤钨灯为例，其带宽从可见光覆盖到近红外波段。在光源的光强足够的假设前提下，对于感光器件，如CCD，CMOS或光电二极管等，在这些感光器件的频率响应范围内，可以认为其接收到的所有波长光强相等。根据光学干涉理论，对于理想稳频的单波长激光，干 涉条纹中1到m级主极强距离其零级干涉的光程差为m个波长。因此，对于宽带光源，即低相干光源，其不同波长的光只有零级干涉条纹重合，而越高级别的干涉条纹越不重合。例如表现为，干涉信号光强在零级干涉位置，即光程差相等时达到最强，距离零级干涉越远，干涉主极强光强越弱。对于基于双折射晶体的解调光路来说，晶体的几何尺寸是已知的，晶体对于o光和e光的折射率是已知的，因此双折射晶体上任意位置对应的光程差也是已知的。在串联干涉光路系统中，干涉测量传感器装置4和解调光路的干涉光谱中光强最强的位置对应的即为传感器与解调光路中光程差相等的位置，该位置对应的解调光路的光程差是已知的，因此传感器对应的光程差可被确定。换句话说，通过分析处理所获得的干涉光谱，可以确定干涉测量传感器装置4中与待测物理量对应的光程差，因此可以获得待测物理量的测量结果。

本公开使用了具有非线性曲面表面的双折射元件，使得光在双折射元件上的入射位置和出射位置对应于同一个晶体厚度，从而补偿非线性光程差误差。因此，本公开的干涉测量系统可以提高解调光路的性能，从而以高精度来实现待测物理量的测量。此外，本公开的干涉测量系统没有光程差限制的问题。

下面结合图4详细描述非线性曲面表面如何对非线性光程误差进行补偿。如图4所示，将双折射元件9的光轴14设置为垂直于附图平面以晶体横截面进行演示，双折射元件9包括入射表面16和出射表面15。出射表面15为线性面，即平面，并且其投影与x轴重合。入射表面16为非线性曲面表面，并且关于y轴对称。为方便演示，非线性曲面表面，线性平面和光路未按照实际比例画出。理想点光源17位于y轴上，即y轴为干涉解调装置的光轴18。为了与线性的入射表面进行比较，图4中还示出了线性楔形晶体的线性入射表面19在附图平面中的投影。边缘光线20从理想点光源17发出，相对于干涉解调装置的光轴18具有发散角γ。边缘光线20分别与线性入射表面19和非线性入射表面16交于入射点A和点B，它们的坐标分别为A(x₁,y₁)和B(x₂,y₂)。根据斯涅耳定律可知，光线在不同折射率的介质的分界面处会发生偏折。那么，经由 线性入射表面19与非线性入射表面16的边缘光线20在出射表面15处的出射点分别为A′(x₁′,y₁′)和B′(x₂′,y₂′)。

根据斯涅耳定律，光线在通过两个不同折射率介质的分界面时会根据折射率的大小发生偏折，因此x₁′不等于x₁。也就是说，在线性入射表面19的情况下，由入射点A处的晶体厚度所计算的光程差不是实际光路所产生的光程差。

与此不同，在非线性入射表面16上的入射点B处，两个介质的分界面可以被认为是入射点B处对应曲线的切线，该切线相对线性入射表面19(即，平面)的直线偏折了角度β，其由附图标记23所指示。对应地，与分界面垂直的法线，即非线性入射表面16上的入射点B处的法线23，相对于线性入射表面19的入射点A处的法线24偏折了角度β。

从线性入射表面19折射的光线相对于其法线23的折射角为θ，其由附图标记25所指示。根据斯涅耳定律，θ可以通过下面的公式计算得出：
θ＝asin(n×sin(α+γ)/n_c)，

其中，n为空气折射率，n_c为晶体相对于入射光束的折射率，α为线性楔形晶体的顶角，即具有非线性曲面表面的双折射元件所基于的线性光楔的顶角。

根据三角函数关系，可以得出，当β满足β＝θ-α时，从非线性入射表面16上的入射点B入射的光线从出射点B′沿平行于光轴18的方向从双折射元件出射，出射点B′的横坐标x2′＝x2。因此，光线实际传播所导致的光程差与入射点处的晶体厚度所对应的光程差相等，因此抵消了由于光线折射带来的非线性光程差的误差。根据上述可知，在已知γ、n、n_c和α的情况下，可以计算得到β，进而获得入射点B的坐标，也就是非线性表面的面形。

上述非线性曲面表面的面形可以消除全部的光程差误差。然而，实际中所使用的非线性曲面表面可以不是必需使用上述方式来确定。

下面以图4中对称的线性表面和非线性表面为例对线性表面(即，平面) 情况下的光程差误差进行解释。对于固定厚度的楔形晶体，其非线性误差随着楔角(即，相应线性楔形晶体的顶角)的增加而增加。对于固定的楔形晶体厚度t，入射到其边缘的光线与光轴的夹角是已知的，如对于一般的多模光纤，其数值孔径可以为0.22，那么实际出射位置可根据上文所述的光程差公式通过计算得到。将该出射位置对应的光程差与根据线性表面入射位置的光程差做比较，可以得到线性表面带来的光程差误差的百分比。常见双折射光楔的几何参数和对应的光程差误差如下面的表1所示。

表1典型双折射光楔的几何参数和其线性表面对应的光程误差百分比

上述光程差误差会降低干涉解调系统的测量精度。本公开在具体应用中可以使用多种方式来获得校正上述误差所需的非线性曲面表面。

例如，可以针对上述表1中具有最大光程差误差的光楔顶角α＝14.3°进行简单的非线性表面设计，诸如使用下面简单的公式来描述非线性曲面表面：
y＝kx+b。

当然，还可以采用曲线模型来描述非线性曲面表面。特别是，一维光学干涉信号可以被认为是理想线性光斑，因此使用曲线模型来描述非线性曲面更便于处理。例如，使用二次项非线性曲线公式来描述非线性曲面，如以下公式：
y＝p2x²+p1x+p0。

对于绝大多数典型的光路设计，使用二次项非线性曲面作为非线性表面可将非线性误差降低90％甚至更高，这已经足以校正非线性误差且提供所需的较高精度。

对于光楔顶角更大，光程差更大，或者入射角度更大，即非线性程度更大的情况，还可以使用更高次项，如三次项，四次项，甚至是指数或者对数拟合 的非线性曲线模型来描述所需的非线性曲面表面，包括不限于各种非线性曲线模型的组合。这可以进一步减小光程差的误差，进一步提高测量精度。

上述方式可以简化计算并且便于进行处理，足以在较大程度上校正光程差误差。

为了获得更好的校正，也可以使用离散数据点的方式通过大量计算来获得所需的非线性曲面，如下表2所示。

表2非线性曲面表面离散点计算

上述基于离散数据点的方式可以在更大程度上校正光程差的误差，进一步提高干涉解调装置的精度，甚至可以实现光程差的误差的几乎全部校正。

图4仅示出了入射表面为非线性曲面表面的双折射元件，并且该入射表面相对于干涉解调装置的光轴对称设置。这种设计仅针对o光或e光进行了校正，或者是针对两束光采用不同权重进行了部分校正，其残留误差依然存在。特别是，在光程差较大的情况下，残留误差对于非线性误差的影响更大。

下面结合图5至9描述根据本公开的另外一些实施例的干涉测量系统中所 使用的双折射元件的更复杂变型。

如图5和6所示，双折射元件的入射表面16和出射表面15关于干涉解调装置的光轴18对称，并且均为非线性曲面表面。这种设计可以在光程差较大的情况下对非线性光程差误差进行补偿。两个表面的非线性化需要更复杂的计算，但其计算原理类似于上文参考图4所述，在此不再赘述。此外，入射表面16和出射表面15的凹凸通过计算来决定。

如图7所示，双折射元件的入射表面16和出射表面15关于干涉解调装置的光轴18不对称。这种设计可以应用于非对称的光学系统中。如图7所示，双折射元件的入射表面16为非线性曲面表面，而出射表面15为线性表面，即平面。此外，图7中的入射表面16包括位于光轴18两侧的两个区段16’和16”，这两个部分均为非线性曲面表面。图7所示的设计可以用于不同解调范围的两个干涉光路(即，干涉测量系统使用两个干涉测量传感器装置的情况)，例如，其中一个光路(即，一个干涉测量传感器装置)的解调范围较宽，另一个光路(即，另一个干涉测量传感器装置)的解调范围较窄，即，不同光路使用入射表面的不同区段，即光轴两侧的两个区段。以此方式，可以实现更灵活的应用，例如不同的物理量的测量或物理量的不同精度的测量。在其他示例中，这两个部分中的一个可以为非线性曲面表面，另一个为线性表面。

如图8所示，双折射元件整体具有近似光楔的形式，并且图8中全部的入射表面16为非线性表面且为凸面，而出射表面15为线性平面。如图9所示，双折射元件整体具有近似光楔的形式，并且其入射表面16为非线性表面且为凹面，而出射表面15为线性平面。图8和9的实施例仅用于测量一个物理量时使用。

在另外一些示例中，入射表面可以为平面，而出射表面整体为非线性曲面表面且为凸面或凹面。

在另外一些示例中，当使用相当于由点光源发出的调制光时，非线性曲面表面为凸面，双折射元件的入射表面和出射表面中的一个为凸的非线性曲面表 面，另一个为线性平面。或者，当使用平行的调制光时或光源为线光源时，非线性曲面表面为凹面，双折射元件的入射表面和出射表面中的一个为凹的非线性曲面表面，另一个为线性平面。图8中的双折射元件可以应用于光源为点光源的情况，而图9的双折射元件可以应用于光源为线光源的情况。

例如，上述非线性表面可以是引入高次项的非平面表面，例如可以通过MEMS-Optics、精密光学加工等技术进行加工。传统的晶体加工方式为机械走刀切割，其依赖于人工控制，加工误差在毫米级别，并且有着较高的损坏率。随着MEMS技术的飞速发展，本公开中使用的非线性曲面表面可以通过MEMS精密光学加工技术来实现。MEMS精密光学加工技术基于可编程电控切割刀，其最小精度可以达到微米量级，并且通过预先编写好的程序来控制电控机台对走刀轨迹，如通过同点多次划切的方法实现局部的圆弧曲线，从而实现非线性曲面表面的加工。

根据上文所述，非线性曲面表面的面形是在已知γ、n、n_c和α的情况下通过计算获得的，其中α为设计非线性表面所基于的线性楔形晶体的顶角并且是根据待测物理量的范围来确定的。例如，可以如上文所述通过基于曲线模型的计算或通过离散点计算来确定非线性曲面表面的面形。例如，所述计算基于与双折射元件相应的线性光楔的顶角、调制光的发散角、以及双折射元件的折射率。另外，所述计算可以根据干涉测量系统的所需测量精度来调整。例如，通过增大计算量，即针对较大数量的离散入射点进行计算，可以获得更精确的非线性光程差误差的补偿，因此可以提高干涉测量系统的测量精度。

上文所述的干涉测量系统采用具有非线性表面的双折射元件来补偿基于线性表面的双折射元件导致的光程差的影响，还可以用于多种物理量同时测量的情况，因此在优化非线性误差的基础上，扩展了待测物理量的选择范围，从而提高了解调系统的兼容性，降低了光路传感器端的制备工艺复杂程度、制备成本、以及整体体积，并且为多物理量同时测量的应用提供了可能。

本公开具有以下优势：

上文所述的干涉解调装置和干涉测量系统采用具有非线性表面的双折射元件来补偿基于线性表面的双折射元件导致的光程差的影响，优化了非线性误差。

在一些实施方式中，双折射元件中间部分的厚度大于两个端部的厚度，所述中间部分和所述两个端部分别形成两个测量区段，从而扩展了待测物理量的选择范围，提高了解调系统的兼容性，降低了光路传感器端的制备工艺复杂程度、制备成本、以及整体体积，并且为多物理量同时测量的应用提供了可能。

此外，上述披露的各技术特征并不限于已披露的与其它特征的组合，本领域技术人员还可根据公开目的进行各技术特征之间的其它组合，以实现本公开之目的为准。

Claims (11)

1. 一种干涉解调装置，其具有路径长度差，配置为接收调制光，并在输出位置提供作为所述路径长度差的函数的光信号，所述干涉解调装置包括：

   第一偏振器，配置为将所述调制光分成不同的偏振分量；

   第二偏振器，设置于所述第一偏振器的下游且配置为组合所述不同的偏振分量；以及

   双折射元件，所述双折射元件位于所述第一偏振器和所述第二偏振器之间；

   聚光器，设置于所述第一偏振器的上游，且配置为接收所述调制光，通过所述第一偏振器、所述双折射元件、所述第二偏振器向所述输出位置转发所述调制光，以提供作为所述路径长度差的函数的光信号；

   其中，所述双折射元件包括入射表面和出射表面，所述入射表面和所述出射表面中的至少一个的至少一部分为非线性曲面表面。
2. 根据权利要求1所述的干涉解调装置，其中，所述双折射元件中间部分的厚度大于两个端部的厚度，所述厚度为所述双折射元件的入射表面及出射表面在平行于所述干涉解调装置的光轴方向的方向上的距离，并且所述双折射元件包括至少两个测量区段，所述至少两个测量区段中的第一测量区段覆盖所述中间部分的一部分和所述两个端部中的一个端部，第二测量区段覆盖所述中间部分的另一部分和所述两个端部中的另一端部。
3. 根据权利要求2所述的干涉解调装置，其中，所述入射表面和所述出射表面分别关于所述光轴对称，所述入射表面和所述出射表面中的至少一个为非线性曲面表面。
4. 根据权利要求2所述的干涉解调装置，其中，所述两个测量区段的入射表面或出射表面同时为凸面或凹面。
5. 根据权利要求1所述的干涉解调装置，其中，所述入射表面和所述出射 表面之中的至少一个整体为非线性曲面表面且为凸面或凹面。
6. 根据权利要求1所述的干涉解调装置，其中，所述非线性曲面表面的面形根据待测物理量的范围通过基于曲线模型的计算或通过离散点计算来确定。
7. 根据权利要求6所述的干涉解调装置，其中，所述双折射元件具有光楔的形式，并且所述计算基于与所述双折射元件相应的线性光楔的顶角、调制光的发散角、以及所述双折射元件的折射率。
8. 一种干涉测量系统，其中，所述干涉测量系统包括：

   光源，发射相干光；

   干涉测量传感器装置，其具有传感器路径长度差，所述传感器路径长度差根据待测物理量的变化而改变，配置为接收所述相干光，且形成并输出作为所述传感器路径长度差的函数的调制光；以及

   至少一个如权利要求1至7中任一项所述的干涉解调装置。
9. 根据权利要求8所述的干涉测量系统，其中，所述干涉测量系统包括多个干涉测量传感器装置，所述多个干涉测量传感器装置串联或并联在所述光源的下游。
10. 根据权利要求9所述的干涉测量系统，其中，由所述多个干涉测量传感器装置输出的调制光通过同一双折射元件的不同区段。
11. 根据权利要求9所述的干涉测量系统，其中，当所述光源为点光源时，所述非线性曲面表面为凸面；当所述光源为线光源时，所述非线性曲面表面为凹面。