專利名稱：基于衍射光學(xué)元件的溫度補償光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)系統(tǒng)，所述光學(xué)系統(tǒng)對諸如激光二極管的發(fā)射波長的變化進行補償。這樣的波長變化可能由溫度變化或者跳模(modehops)引起。通過使發(fā)射機和接收機部分的衍射角相同而提供根據(jù)本發(fā)明所述的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在單個衍射光學(xué)元件(DOE)中實現(xiàn)激光飛行時間測速儀(LTV)的所有光學(xué)功能的思想已在EP0770219中提出。EP0770219的系統(tǒng)用于固體表面上的速度測量。該系統(tǒng)的主要優(yōu)點是，系統(tǒng)的校準是衍射光學(xué)元件中所固有的，并且就第一近似值而言與該波長無關(guān)，并因此能夠使用便宜和不穩(wěn)定的激光二極管。
LTV系統(tǒng)在圖1中概略示出。源于帶有準直透鏡的激光二極管的準直束入射到DOE的中心部分上。DOE將光束衍射，分離并聚焦到兩個焦點，以形成傳感器的測量體積(measurement volume)。由通過焦點的流動所攜帶的粒子使得光朝著所有方向散射。某些光逆向散射，并被DOE的接收機部分收集。這是一種透鏡，將測量體積衍射并成像到兩個檢測器上。通過測量體積的粒子將在每個檢測器中引起信號峰，并伴有延時。當已知該延時以及兩焦點之間的距離時，則可以確定粒子速度，并因此確定流動速度。
DOE的衍射角與波長十分相關(guān)，并且即使對于溫度穩(wěn)定的激光二極管來說，發(fā)射波長也將不限于在1～3個縱模內(nèi)。這是由于在溫度依賴上的跳模和滯后。對于785nm激光來說，這意味著波長不確定度是約±0.3nm。如圖2中所示，所測得的發(fā)射峰波長被示為激光二極管溫度的函數(shù)。對LTV流動傳感器來說，重要的是具有空間上明確限定的測量體積，在該測量體積中經(jīng)過聚焦的激光束在一定準確度內(nèi)平行。這可以通過在檢測器前面應(yīng)用窄孔徑(共焦系統(tǒng))部分地實現(xiàn)。接收機衍射透鏡須將在流動中的測量體積成像到檢測器孔徑上。然而，如果接收機部分的衍射角與發(fā)射機部分的入射角不同，那么檢測器平面中的成像位置將取決于波長。當具有大檢測器時，這不成問題，但若為了減少串擾和限制測量體積而插入窄孔徑時，，這是一個嚴重的問題。
本發(fā)明的目的是提供上述問題的一種解決方案一亦即提供一種傳感器構(gòu)造，其中在檢測器平面中的成像位置與波長無關(guān)。

發(fā)明內(nèi)容
圖3示出了當發(fā)射機部分的入射角為65°時，計算得到的成像位置的變化是關(guān)于接收機部分的衍射角的函數(shù)。圖1中所示的現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)相應(yīng)于接收機衍射角為30°時的計算結(jié)果。顯然，只有對嚴格相同的角度，位置的變化才是零。對10°的角度差，觀察到波長移動0.5nm時成像位置移動約5μm。這種移動是危險的，因為孔徑尺寸通常為相同的尺寸。
上述目的的第一方面是提供一種用于基于物體和射到該物體的光之間的準彈性相互作用來確定該物體的狀況或狀態(tài)的裝置，該裝置包括衍射光學(xué)元件，適合于用入射光束照射，該衍射光學(xué)元件包括用于限定衍射平面的衍射區(qū)域，入射光束與該衍射平面的法線形成入射角，該衍射區(qū)域包括-第一衍射結(jié)構(gòu)，用于衍射并聚焦第一光束到所述物體，及-第二衍射結(jié)構(gòu)，相對于所述第一衍射結(jié)構(gòu)側(cè)向設(shè)置，用于衍射并聚焦第二光束到所述物體，該第一和第二光束在與所述衍射平面的法線成第一衍射角下進行衍射，所述第一和第二衍射結(jié)構(gòu)將所述第一和第二光束聚焦在所述同一聚焦平面中，該聚焦平面基本上垂直于所述第一和第二光束的傳播方向，
所述衍射區(qū)域還包括-接收衍射結(jié)構(gòu)，用于衍射已與所述物體相互作用的所述光束中的光，該經(jīng)過衍射的光在與所述衍射平面的法線成第二衍射角下進行衍射，其中所述入射光束的所述入射角與所述第二衍射角的大小基本上相等。
所述裝置還可以包括-接收機，用于收集和檢測從所述衍射結(jié)構(gòu)衍射的光，及-處理器，有效連接于所述接收機，用于基于所述檢測到的光來確定所述物體的狀況或狀態(tài)。
衍射區(qū)域可以包括用于將附加光束衍射到所述物體上的附加衍射結(jié)構(gòu)，該附加光束的每一個都在與所述衍射平面的法線成第一衍射角下進行衍射。優(yōu)選的是，該附加光束應(yīng)聚焦在與所述第一和第二光束相同的聚焦平面中。
所述裝置還可以包括用于發(fā)射所述入射光束的光源。此外，該裝置可以包括用于使該發(fā)射的光束準直的裝置。這種準直裝置可以是衍射構(gòu)件，如透鏡。
優(yōu)選的是，所述光源所發(fā)射的基本上是在400到10600nm之間的單色光。甚至更優(yōu)選的是，該光源為激光器，如激光二極管?？捎玫募す舛O管的適用波長如635，660～680，780，800，830nm。所述檢測器可以包括第一和第二光敏區(qū)。甚至更進一步，在該檢測器光敏區(qū)的前面可以設(shè)置空間濾光器。
這種空間濾光器可以簡單地是針孔?？蛇x擇地，位于所述光敏區(qū)前面的該空間濾光器可以包括連接到該檢測器光敏區(qū)上的光纖。這可以是兩個光纖。
所述檢測器可以包括單一光敏區(qū)，在其前面設(shè)置空間濾光器。
在第二方面，本發(fā)明涉及一種用于測量一種流體(氣體或液體)流速的流量傳感器。優(yōu)選的是，該流量傳感器包括按照本發(fā)明第一方面所述的裝置。
在第三方面，本發(fā)明涉及一種用于測量物體表面速度的速度傳感器。優(yōu)選的是，該速度傳感器包括按照本發(fā)明第一方面所述的裝置。
在一個第四方面，本發(fā)明涉及一種用于基于物體和射到該物體的光之間的準彈性相互作用來確定該物體狀況或狀態(tài)的方法，該方法包括以下步驟提供衍射光學(xué)元件，并用入射光束照射該衍射光學(xué)元件，該衍射光學(xué)元件包括用于限定衍射平面的衍射區(qū)域，該入射光束與該衍射平面的法線形成入射角，該衍射區(qū)域包括-第一衍射結(jié)構(gòu)，用于衍射并聚焦第一光束到所述物體，及-第二衍射結(jié)構(gòu)，相對于所述第一衍射結(jié)構(gòu)側(cè)向設(shè)置，用于衍射并聚焦第二光束到所述物體，該第一和第二光束在與所述衍射平面的法線成第一衍射角下進行衍射。
所述第一和第二衍射結(jié)構(gòu)將所述第一和第二光束聚焦在所述同一聚焦平面中，該聚焦平面基本上垂直于所述第一和第二光束的傳播方向。
所述衍射區(qū)域還包括-接收衍射結(jié)構(gòu)，用于衍射來自于已與所述物體相互作用的光束中的光，該經(jīng)過衍射的光在與所述衍射平面的法線成第二衍射角下進行衍射，其中所述入射光束的入射角與所述第二衍射角的大小基本上相等。


下面參照附圖詳細說明本發(fā)明，其中圖1示出了一種非補償LTV系統(tǒng)；圖2示出了激光二極管的峰發(fā)射波長隨激光二極管溫度變化的函數(shù)一箭頭表示測量循環(huán)；圖3示出了對于接收機部分的不同衍射角的成像位置變化，發(fā)射機部分的入射角為65°一發(fā)射機的衍射角為25°，并等于接收機部分的入射角一波長改變?yōu)?.5nm；圖4示出了一種補償LTV系統(tǒng)，其接收機部分的衍射角與發(fā)射機部分的入射角相同；圖5示出了使用透射發(fā)射機和反射接收機元件的補償LTV系統(tǒng)；圖6示出了使用反射發(fā)射機和透射接收機元件的補償LTV系統(tǒng)；圖7示出了使用相同衍射角和相同焦距的補償LTV系統(tǒng)。
具體實施例方式
如上所述，本發(fā)明涉及一種光學(xué)系統(tǒng)，所述光學(xué)系統(tǒng)對諸如激光二極管的光源的發(fā)射波長的變化進行補償。這樣的波長波動可能是由溫度變化或跳模引起。
按照本發(fā)明，通過使發(fā)射機與接收機部分的衍射角相同來提供波長補償。這樣，由通過測量體積的微粒所產(chǎn)生的反向散射光被接收機透鏡收集，并向來自激光二極管的入射準直激光束的相反方向衍射。如圖4中所示。圖4中所示構(gòu)造產(chǎn)生的一個小問題是，由接收機部分收集和衍射的光必須與入射準直激光束在空間上分開。這可以用許多不同的方法實現(xiàn)。
圖1和圖4中所示的實施例基于使用透射DOE。通過在表面浮雕式DOE(surface relief DOE)上施加反射涂層，可以將該DOE作為反射DOE。反射涂層可以是一薄層金(Au)，但也可以用其它材料，例如鋁(Al)，或銀(Ag)。DOE本身可以用光阻材料(photoresist)制成。
在另一個實施例中，將DOE分成反射元件和透射元件。如圖5中所示，其中接收機DOE作為反射元件起作用，而發(fā)射機元件是透射DOE。由接收機所衍射的光將獲得這樣的方向，所述方向與準直光束在DOE平面中的單反射/鏡面反射相一致。
相反的解決方案也是可能的。此處，發(fā)射機DOE作為反射DOE起作用，而接收機DOE作為透射DOE起作用。這如圖6中所示。
優(yōu)選地，所述DOE被實現(xiàn)為在光阻材料中的透射表面浮雕光柵?？梢允褂媚M干涉寫入設(shè)備，441.6nmHeCd-激光器，以及連續(xù)分次曝光生產(chǎn)該DOE。為了通過抑制較高的衍射級而最大化所述光柵的衍射效率，采用約90°的總衍射角(入射角加衍射角)。對表面浮雕光柵結(jié)構(gòu)的使用使得能在各種聚合物材料中采用諸如注射成型或壓紋來復(fù)制DOE。在圖7所示的實施例中，入射角是65°，衍射角是25°。發(fā)射機元件和接收機元件的焦距相同，并且都等于160mm。接收機元件的衍射角與發(fā)射機元件的入射角相同。實際上發(fā)射機和接收機衍射元件在光柵常數(shù)和焦距方面的相同大大簡化了DOE的模擬記錄過程。在這個系統(tǒng)中，在DOE之后所接收的光是準直的——類似于入射激光束。此處可以利用只反射準直激光束的窄鏡面將所接收的光與入射激光束分開。所接收的光將能夠通過這個鏡面，并用衍射透鏡成像到檢測器平面上。重要的是，在此處使用衍射透鏡，是為了不因使用衍射元件而引入新的波長依賴。在圖7所示的系統(tǒng)中，能夠?qū)⑺械墓鈱W(xué)元件都保持在DOE的一側(cè)上，并因而增加了傳感器單元的有效工作距離。
通常應(yīng)該提到的是，本發(fā)明可適合于各種應(yīng)用。因此，在不背離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對所披露的實施例進行各種改變和修改。
權(quán)利要求
1.一種用于基于物體和射到該物體的光之間的準彈性相互作用來確定該物體的狀況或狀態(tài)的裝置，該裝置包括衍射光學(xué)元件，適合于用入射光束照射，該衍射光學(xué)元件包括用于限定衍射平面的衍射區(qū)域，入射光束與該衍射平面的法線形成入射角，該衍射區(qū)域包括-第一衍射結(jié)構(gòu)，用于衍射并聚焦第一光束到所述物體，和-第二衍射結(jié)構(gòu)，相對于所述第一衍射結(jié)構(gòu)側(cè)向設(shè)置，用于衍射并聚焦第二光束到所述物體，該第一和第二光束在與所述衍射平面的法線成第一衍射角下進行衍射，所述第一和第二衍射結(jié)構(gòu)將所述第一和第二光束聚焦在所述同一聚焦平面中，該聚焦平面基本上垂直于所述第一和第二光束的傳播方向，所述衍射區(qū)域還包括-接收衍射結(jié)構(gòu)，用于衍射已與所述物體相互作用的所述光束中的光，該經(jīng)過衍射的光在與所述衍射平面的法線成第二衍射角下進行衍射，其中所述入射光束的入射角與所述第二衍射角的大小基本上相等。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，還包括-接收機，用于收集和檢測從所述接收衍射結(jié)構(gòu)衍射的光，及-處理器，有效連接于所述接收機，用于基于所述檢測到的光來確定所述物體的狀況或狀態(tài)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述衍射區(qū)域包括用于將附加光束衍射到所述物體上的附加衍射結(jié)構(gòu)，該附加光束的每一個在與所述衍射平面的法線成所述第一衍射角下進行衍射。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其中所述附加光束被聚焦在與所述第一和第二光束相同的聚焦平面中。
5.根據(jù)權(quán)利要求1～4中任何一個所述的裝置，還包括用于發(fā)射所述入射光束的光源。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，還包括用于使所述發(fā)射的光束準直的裝置。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的裝置，其中所述光源發(fā)射波長在400到10600nm之間的光。
8.根據(jù)權(quán)利要求5～7中任何一個所述的裝置，其中所述光源是基本上單色的光源。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其中所述光源是激光器。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其中所述光源是激光二極管。
11.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其中所述檢測器包括第一和第二光敏區(qū)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，還包括設(shè)置于所述檢測器光敏區(qū)前面的空間濾光器。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的裝置，其中位于所述光敏區(qū)前面的所述空間濾光器為針孔。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的裝置，其中位于所述光敏區(qū)前面的空間濾光器包括兩個連接到所述檢測器光敏區(qū)的光纖。
15.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其中所述檢測器包括單一光敏區(qū)。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的裝置，還包括位于所述檢測器光敏區(qū)前面的空間濾光器。
17.一種用于測量流體流速的流量傳感器，該流量傳感器包括根據(jù)上述權(quán)利要求中任何一個所述的裝置。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的流量傳感器，其中所述流體是氣體。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的流量傳感器，其中所述流體是液體。
20.一種用于測量物體的表面速度的速度傳感器，該速度傳感器包括根據(jù)權(quán)利要求1～16中任何一個所述的裝置。
21.一種用于基于物體和射到該物體的光之間的準彈性相互作用來確定該物體的狀況或狀態(tài)的方法，該方法包括以下步驟提供衍射光學(xué)元件，并用入射光束照射該衍射光學(xué)元件，該衍射光學(xué)元件包括用于限定衍射平面的衍射區(qū)域，該入射光束與該衍射平面的法線形成入射角，該衍射區(qū)域包括-第一衍射結(jié)構(gòu)，用于衍射并聚焦第一光束到所述物體，及-第二衍射結(jié)構(gòu)，相對于所述第一衍射結(jié)構(gòu)側(cè)向設(shè)置，用于衍射并聚焦第二光束到所述物體，該第一和第二光束在與所述衍射平面的法線成第一衍射角下進行衍射。所述第一和第二衍射結(jié)構(gòu)將所述第一和第二光束聚焦在所述同一聚焦平面中，該聚焦平面基本上垂直于所述第一和第二光束的傳播方向。所述衍射區(qū)域還包括-接收衍射結(jié)構(gòu)，用于衍射來自于已與所述物體相互作用的光束中的光，該經(jīng)過衍射的光在與所述衍射平面的法線成第二衍射角下進行衍射，其中所述入射光束的入射角與所述第二衍射角的大小基本上相等。
全文摘要
一種用于基于物體和射到該物體的光之間的準彈性相互作用來確定該物體的條件或狀態(tài)的裝置，它包括衍射光學(xué)元件，所述衍射光學(xué)元件具有一個衍射區(qū)域，所述衍射區(qū)域包括第一衍射結(jié)構(gòu)和第二衍射結(jié)構(gòu)，上述第一衍射結(jié)構(gòu)用于衍射第一光束并把該第一光束聚焦到物體上，上述第二衍射結(jié)構(gòu)在側(cè)向上相對于第一衍射結(jié)構(gòu)設(shè)置，用于衍射第二光束并把該第二光束聚焦到物體上。第一和第一衍射結(jié)構(gòu)把第一和第二光束聚焦在同一聚焦平面中，聚焦平行基本上垂直于第一和第二光束的傳播方向。衍射區(qū)域還包括一個接收衍射的結(jié)構(gòu)，所述接收衍射的結(jié)構(gòu)用于衍射已與物體相互作用的光束中的光。經(jīng)過衍射的光以一個衍射角衍射。衍射角的大小基本上等于入射光的入射角。
文檔編號G01S7/481GK1650174SQ03809481
公開日2005年8月3日 申請日期2003年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月5日
發(fā)明者C·達姆－汗森 申請人:卡姆斯特魯普股份有限公司