Sensor óptico que usa interferometría de baja coherencia.

Un interferómetro de polarización (12), que tiene una diferencia en la longitud de la trayectoria, para proporcionar, tras recibir una luz de entrada

(24), una señal de salida, comprendiendo el interferómetro de polarización:

un polarizador de entrada (15) para descomponer dicha luz de entrada (24) en un primer y un segundo componentes ortogonales de polarización lineal dispuestos a lo largo de una primera (x) y una segunda (y) direcciones respectivamente;

una única cuña birrefringente (13) en la cual dichos componentes de polarización se propagan a diferentes velocidades, estando orientada la cuña (13) a lo largo de la primera dirección (x);

un polarizador de salida (16) para recombinar, después de la propagación en la cuña (13), los componentes de polarización; y

una disposición óptica anamórfica (20) para confinar la luz de entrada (24) en la segunda dirección (y) y para retransmitir la luz de entrada (24) a través de la única cuña birrefringente (13) y el polarizador de salida (16) y hacia una localización de salida,

en donde la luz de entrada (24) se considera procedente de una fuente puntual (27) al menos en la primera dirección (x);

en donde no hay una disposición óptica de enfoque para enfocar la luz de entrada (24) en la primera dirección (x) entre la fuente puntual (27) y la localización de salida;

con lo que dicho interferómetro (12), tras recibir dicha luz de entrada (24), proporciona, en la localización de salida, dicha señal de salida como una función de la diferencia en la longitud de la trayectoria.

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/CA2005/001349.

Solicitante: OPSENS INC.

Nacionalidad solicitante: Canadá.

Dirección: 2014, CYRILLE-DUQUET SUITE 125 QUEBEC QC G1N 4N6 CANADA.

Inventor/es: DUPLAIN,GAÉTAN.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION G — FISICA > METROLOGIA; ENSAYOS > MEDIDAS NO ESPECIALMENTE ADAPTADAS A UNA VARIABLE... > Medios mecánicos para la transferencia de la magnitud... > G01D5/26 (que utilizan medios ópticos, p. ej. que utilizan luz infrarroja, visible o ultravioleta)
  • SECCION G — FISICA > OPTICA > ELEMENTOS, SISTEMAS O APARATOS OPTICOS (G02F tiene... > Elementos ópticos distintos de las lentes (guías... > G02B5/30 (Elementos polarizantes (dispositivos moduladores de luz G02F 1/00))
  • SECCION G — FISICA > METROLOGIA; ENSAYOS > MEDIDA DE LA LONGITUD, ESPESOR O DIMENSIONES LINEALES... > Instrumentos según se especifica en los subgrupos... > G01B9/02 (Interferómetros)
  • SECCION G — FISICA > METROLOGIA; ENSAYOS > MEDIDA DE TEMPERATURAS; MEDIDA DE CANTIDADES DE CALOR;... > G01K11/00 (Medida de la temperatura basada en las variaciones físicas o químicas, que no entran en los grupos G01K 3/00, G01K 5/00, G01K 7/00, ó G01K 9/00)

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Fragmento de la descripción:

Sensor óptico que usa interferometría de baja coherencia Campo de la invención

Esta descripción se refiere a un sensor óptico basado en interferometría de baja coherencia (LCI) para medir una cantidad física. En particular, se refiere a un sensor óptico basado en LCI basado en una disposición de interferómetros en tándem con un interferómetro de lectura de polarización.

Antecedentes de la técnica

El interferómetro se conoce como una herramienta de medición óptica muy precisa para medir una cantidad física mediante cambios inducidos por el mesurando en la diferencia en la longitud de la trayectoria del interferómetro. Cuando se usa una fuente de luz de banda estrecha, la longitud de coherencia de la fuente generalmente es mayor que la diferencia en la longitud de la trayectoria del interferómetro y, por lo tanto, la medición sufre una ambigüedad de fase 27t, debido a la naturaleza periódica de las franjas del interferograma, que pueden restringir muy severamente las aplicaciones de medición. El problema de ambigüedad en fase 2n se evita usado una fuente de luz con longitud de coherencia corta. En este caso, las franjas del interferograma se localizan estrechamente en una región con una diferencia en la longitud de la trayectoria de manera que la variación de la diferencia en la longitud de la trayectoria puede determinarse sin la ambigüedad 2n localizando el pico de la franja o el pico de la envolvente del interferograma. Este tipo de interferometría se conoce como interferometría de luz blanca o de baja coherencia (LCI).

Los sistemas ópticos basados en interferometría de baja coherencia han sido estudiados ampliamente y se han desarrollado satisfactoriamente en aplicaciones comerciales tales como tomografía de coherencia óptica (OCT) y perfilometría de baja coherencia (LCP), que se han convertido en herramientas de medición convencionales. Se obtiene información de una imagen en sección transversal bidimensional usando OCT o información de la profundidad de la superficie usando LCP formando un interferómetro entre las superficies de ensayo y de referencia y explorando la diferencia en la longitud de la trayectoria entre ellas a través de un intervalo de valores. Estos sistemas de medición óptica están dirigidos en su mayoría a aplicaciones de tipo laboratorio o similares cuando las condiciones medioambientales son una preocupación menor.

Los sistemas de detección óptica basados en LCI y dirigidos a aplicaciones industriales y otras aplicaciones de tipo distinto de laboratorio han emergido también como productos comerciales pero aún no son herramientas de medición convencionales y hay solo unos pocos proveedores comerciales. Para estos tipos de aplicaciones se requiere que la parte detectora del sistema de medición esté significativamente separada de la parte de acondicionamiento o lectura de señal. En este caso, el sensor óptico basado en LCI necesita dos interferómetros normalmente conectados con una fibra óptica: 1) el interferómetro de detección, que está sometido a la magnitud física que se va a medir y 2) el interferómetro de lectura que se usa para medir los cambios inducidos por el mesurando en la diferencia en la longitud de la trayectoria del interferómetro de detección. Esta disposición denominada de interferómetros en tándem generalmente es más compleja que la de la configuración de un único interferómetro.

Es probable que los sensores ópticos dirigidos a aplicaciones industriales y otras aplicaciones de tipo distinto de laboratorio se expongan a condiciones medioambientales severas. Por lo tanto, es importante que el interferómetro de detección se diseñe para que sea sensible a un tipo de mesurando y que limite los efectos falsos de otros mesurandos. Debe producir también una relación constante e idealmente lineal entre la diferencia en la longitud de la trayectoria y el mesurando. De la misma manera, el interferómetro de lectura debe ser muy estable, es decir, su calibrado interno debe permanecer válido durante un largo periodo de tiempo. También debe proporcionar una lectura constante con una dependencia mínima de factores ambientales tales como temperatura, vibración etc. Estos requisitos industriales "obligatorios" añadidos a las restricciones económicas evitan que muchas de las tecnologías de detección óptica desarrolladas en los laboratorios alcancen el mercado de los sensores industriales y otros mercados distintos del laboratorio.

Ya se ha propuesto un número de sensores ópticos para medir una magnitud física. La Patente de Estados Unidos N2 4.14.393 de Cetas, febrero 1979 y la Patente de Estados Unidos N2 4.598.996 Taniuchi, julio 1986 desvelan el uso de diferentes cristales birrefringentes en una configuración de interferómetro de dos haces como el elemento detector para medir la temperatura. Usan cristales tales como LiTa3, LiNb3, BaTi3 y SrxBai-xNb26 para formar un interferómertro de detección de polarización y miden la intensidad de la luz en la salida del interferómetro, que varía sinusoidalmente debido a los cambios inducidos por la temperatura en la birrefringencia del cristal. Su sistema de detección óptica está basado en una fuente de luz de banda estrecha de manera que su técnica de medición sufre una ambigüedad de fase 2n y, por lo tanto, ofrece un intervalo de medición limitado.

La Patente de Estados Unidos N2 5.255.68 de Emo et al., octubre 1993, usa cristales similares y una disposición de interferómetros de detección distinta de la de Cetas y Tanaiuchi para medir la temperatura, pero su sistema de

detección óptica aprovecha las propiedades de baja coherencia de la fuente de luz que usan. Sin embargo, el espectro de la fuente de luz, modulado de acuerdo con la birrefringencia dependiente de temperatura del cristal, se registra usando un espectrómetro dispersivo que se sabe que tiene un menor rendimiento óptico que un interferómetro. Puesto que la señal resultante se obtiene en el dominio de la frecuencia o de la longitud de onda en lugar de en el dominio del tiempo o espacial, usan un método de procesamiento de señales por Transformada de Fourier Discreta que puede consumir tiempo, sin mencionar el coste y complejidad de usar una configuración de espectrómetro dispersivo. Además, se sabe que los cristales mencionados anteriormente tienen una fuerte dependencia de su birrefringencia, lo que puede reducir gravemente la precisión del método de procesamiento de señales por transformada de Fourier.

También se conoce en la técnica el documento de Bosselmann y Ulrich titulado "High-accuracy position-sensing with fiber-coupled white-light interferometers" publicado en OFS84, 5-7 septiembre, 1984, en el que describe el uso de un interferómetro de Michelson como interferómetro de lectura en una configuración basada en LCI. La diferencia en la longitud de la trayectoria del interferómetro de Michelson se explora desplazando uno de sus dos espejos y las franjas del interferograma se registran en la salida del interferómetro usando un único fotodetector. La localización del pico de la franja en el interferograma se determina a partir de los valores medidos tomados en diferentes posiciones exploradas del espejo móvil. Debido a sus piezas ópticas móviles, la estabilidad mecánica es el punto débil de este sistema, sin mencionar el problema de tener que medir la posición del espejo móvil con alta precisión.

La Patente de Estados Unidos N2 5.392.117 de Belleville et al., febrero, 1995, la Patente de Estados Unidos N2 5.349.439 de Graindorge et al., septiembre 1994 y el documento de Duplain et al. "Absolute Fiber-Optic Linear Position and Displacement Sensor" publicado en OSA Technical Digest Series, Vol. 16, 1997 describen el uso de un interferómetro de Fizeau para la medición de la diferencia en la longitud... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Un interferómetro de polarización (12), que tiene una diferencia en la longitud de la trayectoria, para proporcionar, tras recibir una luz de entrada (24), una señal de salida, comprendiendo el interferómetro de polarización:

un polarizador de entrada (15) para descomponer dicha luz de entrada (24) en un primer y un segundo componentes ortogonales de polarización lineal dispuestos a lo largo de una primera (x) y una segunda (y) direcciones respectivamente;

una única cuña birrefringente (13) en la cual dichos componentes de polarización se propagan a diferentes velocidades, estando orientada la cuña (13) a lo largo de la primera dirección (x);

un polarizador de salida (16) para recombinar, después de la propagación en la cuña (13), los componentes de polarización; y

una disposición óptica anamórfica (2) para confinar la luz de entrada (24) en la segunda dirección (y) y para retransmitir la luz de entrada (24) a través de la única cuña birrefringente (13) y el polarizador de salida (16) y hacia una localización de salida,

en donde la luz de entrada (24) se considera procedente de una fuente puntual (27) al menos en la primera dirección (x);

en donde no hay una disposición óptica de enfoque para enfocar la luz de entrada (24) en la primera dirección (x) entre la fuente puntual (27) y la localización de salida;

con lo que dicho interferómetro (12), tras recibir dicha luz de entrada (24), proporciona, en la localización de salida, dicha señal de salida como una función de la diferencia en la longitud de la trayectoria.

2. El interferómetro de polarización de la reivindicación 1, en el que dicha cuña birrefringente única comprende un cristal de MgF2.

3. El interferómetro de polarización de la reivindicación 2, en el que dicha diferencia en la longitud de la trayectoria comprende una diferencia en la longitud de la trayectoria que varía espacialmente como una función de un eje de lectura a lo largo de la primera dirección (x) y en el que dicha señal de salida comprende una señal distribuida espacialmente a lo largo de dicho eje de lectura y adicionalmente en el que la localización de salida está distribuida espacialmente a lo largo de dicho eje de lectura, para proporcionar de esta manera un interferograma distribuido en la localización de salida.

4. Un sistema de sensor óptico de interferómetros en tándem, basado en interferometría de baja coherencia, para medir una cantidad física, comprendiendo el sistema:

un sistema de iluminación (11) que genera una intensidad de la luz (22) caracterizado por una longitud de

coherencia;

un interferómetro de detección (1), que tiene una diferencia en la longitud de la trayectoria del sensor mayor que dicha longitud de coherencia, para recibir la intensidad de la luz (22) y generar una señal luminosa del sensor como una función de dicha diferencia en la longitud de la trayectoria del sensor, en donde dicha diferencia en la longitud de la trayectoria del sensor puede modificarse mediante una variación de la cantidad física; y un interferómetro de lectura de polarización (12) de acuerdo con la reivindicación 1, teniendo dicho interferómetro de lectura de polarización una diferencia en la longitud de la trayectoria de lectura y estando basado en una configuración del interferómetro de dos haces, recibir la señal luminosa del sensor y generar, en una localización de salida y como función de dicha diferencia en la longitud de la trayectoria de lectura, una señal luminosa de lectura.

5. El sistema de sensor óptico de interferómetros en tándem de la reivindicación 4, en el que dicha diferencia en la longitud de la trayectoria del sensor comprende una trayectoria en un primer material birrefringente y dicha cuña birrefringente está hecha de un segundo material birrefringente diferente de dicho primer material birrefringente, y en el que dichos primero y segundo materiales birrefringentes tienen propiedades de dispersión similares, para proporcionar de esta manera un sistema de sensor óptico de dispersión compensada.

6. El sistema de sensor óptico de interferómetros en tándem de la reivindicación 4, en el que dicha diferencia en la longitud de la trayectoria de lectura del interferómetro de lectura de polarización comprende una diferencia en la longitud de la trayectoria de lectura que varía espacialmente como una función del eje de lectura a lo largo de la primera dirección (x).

7. El sistema de sensor óptico de interferómetros en tándem de la reivindicación 6, en el que dicha señal luminosa de lectura comprende una señal distribuida espacialmente a lo largo de dicho eje de lectura y en el que la localización de detección está distribuida espacialmente a lo largo de dicho eje de lectura, para proporcionar de esta manera un interferograma distribuido en la localización de detección.

8. El sistema de sensor óptico de interferómetros en tándem de la reivindicación 7, en el que dicha disposición óptica anamórfica comprende uno de una lente cilindrica y un espejo cilindrico para confinar a lo largo de dicho eje de lectura dicho interferograma distribuido.

9. El sistema de sensor óptico de interferómetros en tándem de la reivindicación 7, que comprende además una fibra óptica para retransmitir la señal luminosa del sensor desde el interferómetro de detección hasta el interferómetro de lectura de polarización.

1. El sistema de sensor óptico de interferómetros en tándem de la reivindicación 9, que comprende además una fibra óptica para retransmitir la intensidad de la luz desde el sistema de iluminación hasta el interferómetro de detección.

11. El sistema de sensor óptico de interferómetros en tándem de la reivindicación 7, que comprende además una serie de fotodetectores situados en la localización de detección, para recibir dicho interferograma distribuido y generar una señal de fotodetector correspondiente como una función de la diferencia en la longitud de la trayectoria de lectura.

12. El sistema de sensor óptico de interferómetros en tándem de la reivindicación 11, que comprende además una unidad de procesamiento de señales para determinar la cantidad física a partir de la señal de fotodetector variable, proporcionando de esta manera un sistema de sensor óptico para la medición de dicha cantidad física.

13. El sistema de sensor óptico de interferómetros en tándem de la reivindicación 12, en el que dicha unidad de procesamiento de señales comprende un software embebido para determinar un máximo de la variación de la señal del fotodetector, para obtener así dicha cantidad física a partir de la diferencia en la longitud de la trayectoria de lectura correspondiente a este máximo.

14. El sistema de sensor óptico de interferómetros en tándem de la reivindicación 13, en el que dicho software embebido comprende una base de datos de calibrado en la que se almacena una relación entre una serie de valores de dicha cantidad física y su diferencia en la longitud de la trayectoria del sensor correspondiente.

15. El sistema de sensor óptico de interferómetros en tándem de las reivindicaciones 7 o 14, en el que dicha diferencia en la longitud de la trayectoria del sensor comprende una trayectoria en un primer material birrefringente y dicha cuña birrefringente está hecha de un segundo material birrefringente y en el que dichos primer y segundo materiales birrefringentes tienen propiedades de dispersión similares.

16. El sistema de sensor óptico de interferómetros en tándem de las reivindicaciones 5 o 15, en el que dicho primer material birrefringente comprende LÍB3O5 con orientación de corte x y el segundo material birrefringente comprende MgF2.

17. Un método, basado en interferometría de baja coherencia, para medir una cantidad física, comprendiendo el método:

proporcionar un sistema de iluminación (11) para generar una intensidad de la luz (22) caracterizada por una longitud de coherencia;

proporcionar un interferómetro de detección (1) para recibir la intensidad de la luz (22) y generar una señal luminosa del sensor, que tiene una diferencia en la longitud de la trayectoria del sensor que es sensible a la cantidad física de tal manera que puede modificarse mediante una variación de la cantidad física y que es mayor que dicha longitud de coherencia;

proporcionar un interferómetro de lectura de polarización (12) que tiene una diferencia en la longitud de la trayectoria de lectura y que está basado en una configuración de interferómetro de dos haces, comprendiendo dicho interferómetro de lectura de polarización (12) un polarizador de entrada (15) para descomponer la señal luminosa del sensor en un primer y un segundo componentes de polarización ortogonales lineales dispuestos a lo largo de una primera (x) y una segunda (y) dirección, respectivamente, una única cuña birrefringente (13) en la que dichos componentes de polarización se propagan a diferente velocidad, estando orientada la cuña (13) a lo largo de la primera dirección (x), un polarizador de salida (16) para recombinar después de la propagación en la cuña (13) los componentes de polarización y una disposición óptica anamórfica (2) para confinar la señal luminosa del sensor en la segunda dirección (y) y para retransmitir la señal luminosa del sensor a través de la única cuña birrefringente (13) y el polarizador de salida (16) y hacia una localización de salida, en donde la señal luminosa del sensor se considera procedente de una fuente puntual (27), al menos en la primera dirección (x), en donde no hay una disposición óptica de enfoque para enfocar la señal luminosa del sensor en la primera dirección (x) entre la fuente puntual (27) y la localización de salida; proporcionar, en una localización de detección, un fotodetector (19);

retransmitir la intensidad de la luz desde el sistema de iluminación (11) al interferómetro de detección (1), en donde dicho interferómetro de detección (1) genera la señal luminosa del sensor como una función de su diferencia en la longitud de la trayectoria del sensor; retransmitir dicha señal luminosa del sensor, usando dicha disposición óptica anamórfica (2) a través del polarizador de entrada (15), la cuña birrefringente (13) y el polarizador de salida (16) y hacia dicha localización de salida y generando, en dicha localización de detección por recombinación de dichos componentes de polarización, una señal luminosa de lectura como una función de dicha diferencia en la longitud de la trayectoria de lectura;

detectar, con dicho fotodetector (19), dicha señal luminosa de lectura; y

generar una señal de fotodetector correspondiente a la señal luminosa de lectura detectada, como una función de la diferencia en la longitud de la trayectoria de lectura para determinar la cantidad física analizando la señal del fotodetector como una función de la diferencia en la longitud de la trayectoria de lectura.

18. El método de acuerdo con la reivindicación 17, que comprende además proporcionar una base de datos de calibrado que relaciona dicha diferencia en la longitud de la trayectoria del sensor con dicha cantidad física.

19. El método de acuerdo con la reivindicación 17, en el que dicha etapa de proporcionar un interferómetro de 1 detección comprende proporcionar en dicha diferencia de longitud en la trayectoria del sensor una trayectoria en un

primer material birrefringente y en donde dicha etapa de proporcionar un interferómetro de lectura de polarización comprende proporcionar una cuña birrefringente hecha de un segundo material birrefringente y comprende además seleccionar dichos primer y segundo materiales birrefringentes de manera que tengan propiedades de dispersión similares, siendo diferentes dichos primer y segundo materiales birrefringentes, para proporcionar de esta manera un 15 sistema de sensor óptico de dispersión compensada.

2. El método de acuerdo con la reivindicación 18, en el que dicha retransmisión de dicha señal luminosa del sensor comprende distribuir dicha señal luminosa del sensor a lo largo de la cuña birrefringente tal como para producir, como una señal luminosa de salida, un interferograma distribuido espacialmente.