CN110031963A - 用于运行可调的光学谐振器的方法和设备以及光学谐振器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于运行可调的光学谐振器的方法和设备以及光学谐振器。本发明涉及一种用于运行可调的光学谐振器（100）的方法（300），其中光学谐振器具有：第一镜面元件（102）；在镜面距离方面能相对于第一镜面元件移动地布置的第二镜面元件（104）；被分配给第一镜面元件的第一电极（106）；和被分配给第二镜面元件的第二电极（112）。第二电极与第一电极对置地来布置，其中通过向第一电极施加交变电位，第二镜面元件能偏移。在该方法中，首先将用于改变镜面距离的驱动交变电位与用于探测镜面距离的探测交变电位叠加，以便获得交变电位。量取附在第二电极上的电极电位。最后，在使用交变电位和电极电位的情况下产生表示镜面距离的距离信号。

Description

用于运行可调的光学谐振器的方法和设备以及光学谐振器

技术领域

本发明的出发点是一种根据独立权利要求的前序部分所述的设备或方法。本发明的主题也是一种计算机程序。

背景技术

具有强烈的微型化的可能性的可调的光谱滤波器例如可以借助于MEMS技术作为法布里-珀罗干涉仪（Fabry-Pérot-Interferometer）来实现。

在出版文献US 6381022 B1中描述了一种针对法布里-珀罗干涉仪的电容分析。

发明内容

在该背景下，利用这里所提出的方案，提出了根据独立权利要求所述的一种用于运行可调的光学谐振器的方法、一种使用该方法的设备，一种光学谐振器和一种相对应的计算机程序。通过在从属权利要求中提及的措施，对在独立权利要求中说明的设备的有利的扩展方案和改进方案都是可能的。

提出了一种用于运行可调的光学谐振器的方法，其中该光学谐振器具有：第一镜面元件；在镜面距离方面能相对于第一镜面元件移动地布置的第二镜面元件；被分配给第一镜面元件的第一电极；和被分配给第二镜面元件的第二电极，其中第二电极与第一电极对置地来布置，其中通过在第一电极上施加第一交变电位，第二镜面元件能偏移，其中该方法包括如下步骤：

将具有驱动频率的用于改变镜面距离的驱动交变电位与具有探测频率的用于探测镜面距离的探测交变电位叠加，以便获得第一交变电位；

在第一电极上施加第一交变电位；

量取附在第二电极上的电极电位；而且

在使用第一交变电位和电极电位的情况下产生表示镜面距离的距离信号。

按照一个实施方式，第二电极可以通过运算放大器保持在虚拟接地上。因此，在运算放大器的与第二电极耦合的第二输入端和第一电极之间可以施加引起第一交变电位的第一交变电压。

在该方法中，可单向移动的镜面可以差分电容式地来探测，这可以通过施加附加的高频交变电压或附加的高频交变电位来实现。

必要时，可以将具有驱动频率的用于可选地双向地改变镜面距离的可选的、另一驱动交变电位与具有探测频率的用于探测镜面距离的另一探测交变电位一起使用，以便获得另一交变电位。

在此，该光学谐振器具有第三电极，其中第二电极与第三电极对置地来布置，其中通过将第一交变电位施加给第一电极而将另一交变电位施加给第三电极，第二镜面元件能双向地偏移。在叠加的步骤中，将具有另一驱动频率的用于双向地改变镜面距离的另一驱动交变电位与具有另一探测频率的用于探测镜面距离的另一探测交变电位叠加，以便获得另一交变电位。在施加的步骤中，可以将该另一交变电位施加给第三电极。

因此，引起该另一交变电位的另一交变电压可以与引起第一交变电位的第一交变电压相对应地由驱动交变电位与探测交变电位的叠加形成。

这里提出的方案基于如下认识：具有双向的驱动电极的光学谐振器、比如法布里-珀罗干涉仪的空腔长度可以在致动运行期间差分电容式地来测量，其方式是将适当的交变电压信号调制到用于使该光学谐振器的镜面元件中的至少一个镜面元件偏移的致动电压上。在此，双向的驱动电极同时被用作探测电极，例如通过将具有探测频率的附加的高频交变电压信号调制得远高于该光学谐振器的机械谐振频率来被用作探测电极，使得该附加的电压仅仅最低限度地干扰该光学谐振器的运行。例如可以通过对信号的紧接着的解调制来实现对镜面距离的探测。

这种方法提供了准确地确定镜面距离的优点，而为此不需要附加的电极区或对电极区的分段，也就是说可以使用更少的馈电线或电线（也被称作Wires）和焊盘，这降低了光学谐振器的总尺寸并且借此也降低了构件的成本。还可以充分利用差分电容式读出的总归存在的优点。因此，不仅可以实现基于法布里-珀罗干涉仪的传感器的进一步的微型化，而且可以提高该光学谐振器的驱动和探测能力。

第一或第二镜面元件可以被理解为例如板状的半透光的镜面或者半透光的镜面层。可调的光学谐振器可以被理解为具有通过使镜面元件中的至少一个镜面元件朝两个方向偏移引起的可变的滤波范围的谐振器。例如，至少第二镜面元件可以朝两个方向悬挂在光学谐振器中，比如借助于适当的载体或者通过镜面的以膜片的形式的设计来朝两个方向悬挂在光学谐振器中。可选地，第二镜面元件的悬挂可以是有弹性的。通过施加第一交变电位和另一交变电位，该镜面元件可以是能单向或双向偏移的，其中镜面距离被改变了第二镜面元件的偏移。在此，第二电极可以固定地安装在载体或第二镜面元件上。第一镜面元件例如可以安装在该光学谐振器的外壳的与第二镜面元件对置的壁部分上。第一电极例如同样可以安装在该壁部分上，使得第一镜面和第一电极处在一个平面内。与此相应地，第三电极例如可以安装在外壳的与具有第一电极和第一镜面元件的壁部分对置的壁部分上。替选地，两个镜面元件都可以是能偏移的。

探测交变电位例如可以被理解为高频交变电压信号。有利地，探测交变电位可具有比驱动交变电位更高的频率。探测交变电位的探测频率尤其可以大于该光学谐振器的机械谐振或驱动频率。

探测交变电位例如可以是矩形信号。然而，该探测交变电位也可具有其它适当的振荡形式。另一探测交变电位可以根据该探测交变电位来产生。例如，该探测交变电位和该另一探测交变电位可以是反相的。用作致动电压的交变电位可以是能自由选择的。

距离信号例如可以是通过解调制产生的信号。这样，该距离信号例如可以表示直流电压，该直流电压的值具有与镜面距离的明确的关联。有利地，该距离信号可以通过借助于差分放大器求参考电容与第一和第二电极之间的电容之差来产生。

在借助于MEMS技术来实现的法布里-珀罗干涉仪中充分利用了：在两个平面平行的高反射层（所述两个平面平行的高反射层的距离也被称作空腔长度）之间的空腔在光波长的范围内只针对其中空腔长度对应于半波长的整数倍的那些波长表明强烈的透射。空腔长度例如可以借助于静电或压电致动来改变，由此形成光谱上可调的滤波元件。为了可以将这种法布里-珀罗干涉仪用作微型化的光谱仪，重要的是知道两个反射器的准确的距离。除了这里描述的方案之外，这例如可以通过经由驱动电压对滤波波长的直接校准或者通过由以附加的板间距可变的电容的形式的单独的位置传感器准确地确定当前的镜面距离来实现。这里描述的方案的优点在于：没有占据额外的空间而且使法布里-珀罗干涉仪的微型化变得容易。

按照一个实施方式，该方法包括如下步骤：在使用电极电位作为输入信号的情况下通过运算放大器来将输出信号输出。在此，在产生的步骤中，可以在使用该输出信号的情况下产生距离信号。运算放大器可以被理解为具有两个输入端和一个输出端的直流电压耦合的电子放大器。有利的是，运算放大器实施为差分放大器。然而，视实施方式而定，该运算放大器也可以以其它方式来布线。由此，以微小的计算花费就可以产生距离信号。

按照另一实施方式，在输出的步骤中，输出信号可以在使用差分放大器作为运算放大器的情况下被输出。差分放大器可以被理解为同时起反相放大器和同相放大器作用的放大器。

按照另一实施方式，在产生的步骤中，该输出信号可以在使用第一交变电位的情况下被解调制，以便获得直流电压作为距离信号。通过该实施方式，距离信号可以尽可能无干扰地产生。

还有利的是：在叠加的步骤中，将驱动交变电位与探测交变电位叠加，该探测交变电位的频率大于该光学谐振器的机械谐振频率。由此，可以避免由于该探测交变电位引起的对镜面的由驱动交变电位造成的移动的干扰。

有利地，在施加的步骤中，第一交变电位可以与另一交变电位反相。由此可以高效地改变镜面距离。

该方法例如可以以软件或硬件或者以软件和硬件的混合形式来实现，例如在控制设备中实现。

这里所提出的方案还提供了一种设备，该设备被构造为在相对应的装置中执行、操控或实现这里所提出的方法的变型方案的步骤。通过本发明的以设备的形式的所述实施变型方案，也可以快速并且高效地解决本发明所基于的任务。

为此，该设备可具有：至少一个计算单元，用于处理信号或数据；至少一个存储单元，用于存储信号或数据；至少一个与传感器或执行器的接口，用于从传感器读入传感器信号或者用于将数据信号或控制信号输出给执行器；和/或至少一个通信接口，用于读入或输出嵌入到通信协议中的数据。计算单元例如可以是信号处理器、微控制器或者诸如此类的，其中存储单元可以是闪速存储器、EPROM或者磁存储单元。通信接口可以被构造为无线地和/或有线地读入或输出数据，其中可以读入或输出有线数据的通信接口可以例如电地或光学地从相对应的数据传输线中读入这些数据或者可以例如电地或光学地将这些数据输出到相对应的数据传输线中。

在本情况下，设备可以被理解为电气设备，所述电气设备对传感器信号进行处理并且根据此来输出控制和/或数据信号。该设备可具有接口，所述接口可以硬件式地和/或软件式地来构造。在硬件式的构造方案中，接口例如可以是所谓的系统ASIC的部分，所述系统ASIC包含该设备的各种各样的功能。然而也可能的是，这些接口是特有的集成电路或者至少部分地由分立式器件组成。在软件式的构造方案中，这些接口可以是软件模块，所述软件模块例如在微控制器上存在于其它软件模块旁边。

这里提出的方案还提供了具有如下特征的可调的光学谐振器：

第一镜面元件；

在镜面距离方面能相对于第一镜面元件移动地布置的第二镜面元件；

被分配给第一镜面元件的第一电极；和

被分配给第二镜面元件的第二电极；和

第三电极，其中第二电极与第一电极和第三电极对置地来布置，其中通过将一个交变电位施加给第一电极而将另一交变电位施加给第三电极，第二镜面元件能双向地偏移。

按照一个实施方式，该光学谐振器可具有按照上文的实施方式的设备。

按照另一实施方式，该光学谐振器可具有外壳，该外壳具有光入射孔，其中第一镜面元件、第二镜面元件、第一电极、第二电极和第三电极由该外壳来容纳。在此，第二镜面元件可以有弹性地悬挂在光入射孔与第一镜面元件之间。由此，该光学谐振器可以特别紧凑地来实施。

按照另一实施方式，该光学谐振器可具有载体，该载体有弹性地悬挂在外壳中。在此，第二镜面元件和第二电极可以布置在该载体上。由此，第二镜面元件和第二电极可以彼此机械耦合。

按照另一实施方式，第二电极可以布置在该载体的与第一电极对置的一侧和该载体的与第三电极对置的一侧，或者附加地或替选地，第二电极可以布置在该载体的边缘。通过该实施方式，以尽可能小的电极区就可以实施该光学谐振器。

附图说明

本发明的实施例在附图中示出并且在随后的描述中进一步予以阐述。其中：

图1示出了按照实施例的光学谐振器的示意图；

图2示出了按照实施例的设备的示意图；而

图3示出了按照实施例的方法的流程图。

具体实施方式

在随后对本发明的有利的实施例的描述中，相同或者类似的附图标记被用于在不同的附图中示出的并且起类似作用的要素，其中省去了对这些要素的重复的描述。

图1示出了按照实施例的光学谐振器100的示意图。示出了以法布里-珀罗干涉仪的形式的光学谐振器100的原理结构，在该光学谐振器100中，第一镜面元件102和与该第一镜面元件102对置地布置的第二镜面元件104限定了光学空腔，该光学空腔的长度能通过将交变电位施加给至少一个被分配给第一镜面元件102的第一电极106来改变。按照不同的实施例，光学空腔可以是能单向或双向变化的。空腔的长度也可以被称作镜面距离。两个镜面元件102、104都被实施为半透光的镜面板或镜面层。按照该实施例，第二镜面元件104有弹性地悬挂在光学谐振器100的外壳108中。第二镜面元件104在施加交变电位时的偏移x用竖直箭头来表征。取决于偏移x的镜面距离用双箭头来表征。

示例性地，第二镜面元件104安装在放置在外壳108中间的载体110上，该载体例如有弹性地悬挂在外壳108上。在壁部分上也布置有第一电极106，该第一电极因此与第一镜面元件102处在一个平面内。示例性地，第一镜面元件102布置在第一电极106的两个彼此间隔开的第一电极部分中间。视实施方式而定，这两个第一电极部分也可以例如环形地完全包围第一镜面元件而且这样构成单个的第一电极106。

类似于第一镜面元件102，第二镜面元件104分配有第二电极112，该第二电极112如第一电极106那样具有两个彼此间隔开的第二电极部分，这两个彼此间隔开的第二电极部分如在第一电极106的情况下那样例如也可以环形地连接成单个的第二电极112。所述第二电极部分这里示例性地各安装在载体110的边缘并且因此能在外壳108中移动。应该注意到：不仅能实现其中镜面104安装在专用的载体层110上的实施方案，但是也能实现其中涉及本身用作弹簧悬挂的膜镜面的实施方案。在这种情况下，110和104相同。在此，第二电极部分中的各一个第二电极部分与第一电极部分中的各一个第一电极部分对置。与第一镜面元件102对置的第二镜面元件104示例性地布置在所述第二电极部分中间。

外壳108具有与载体110对置的光入射孔114。第二镜面元件104布置在光入射孔114与第一镜面元件102之间，使得通过光入射孔114射入的光首先射到第二镜面元件104上。也能实现其中光入射孔与第一镜面层102对置地实施的布局。

除了两个电极106、112之外，光学谐振器100还具有第三电极116，该第三电极布置在外壳108的与具有第一镜面元件102的壁部分对置的壁部分上，使得第二电极112布置在第一电极106与第三电极116之间。示例性地，类似于两个电极106、112，第三电极116具有两个第三电极部分，其中光入射孔114布置在所述第三电极部分中间而且同样例如可以连接成一个环形电极。在此，第二电极112的第二电极部分不仅在载体110的朝向第一镜面元件102的一侧延伸而且在载体110的朝向光入射孔114的一侧延伸，使得第二电极部分中的各一个第二电极部分与第三电极部分中的各一个第三电极部分对置。为了双向地改变镜面距离，同样能将交变电位施加给第三电极116，其中在第一电极106与第二电极112之间存在第一分电容C₁而在第二电极112与第三电极116之间存在第二分电容C₂。

随后，在图1中示出的原理结构换种方式再次予以描述。

以镜面元件102、104的形式的两个镜面的距离能通过将电位施加给电极106、116以所限定的方式来改变。为此，第二镜面元件104有弹性地来悬挂，该第二镜面元件在图1中是上方的镜面。使用第二镜面元件104本身作为弹簧悬挂与使用专用的镜面载体层作为载体110并且使用专用的弹簧悬挂是同样可能的，如在图1中示出的那样。

在第二镜面元件104朝正的x方向偏移时，在两个电极112、116之间的电容C₂增大。同时，在电极106、112之间的电容C₁减小并且两个电容之差因此发生变化。在图2中示出了用于差分电容式读出的分析电路的实施例。

图2示出了按照实施例的设备200的示意图。设备200例如被构造用于探测在上文依据图1描述的光学谐振器中的镜面距离。为此，该设备200各与第一电极106、第二电极112和第三电极116的连接端连接，而且该设备200被构造为：为了改变镜面距离，将第一交变电位202施加给第一电极106而且可选地将另一交变电位204施加给第三电极116。在此，该设备200通过将用于驱动第二镜面元件的驱动交变电位与高频探测交变电位叠加来产生第一交变电位202。可选地，该设备200被构造为：根据第一交变电位202来产生另一交变电位204。按照该实施例，该设备200产生与第一交变电位202反相的另一交变电位204。

通过第二电极112的连接端，该设备200量取附在第二电极112上的电极电位206。电极电位206和第一交变电位202由该设备200差分电容式地来处理。作为该处理的结果，该设备200产生表示镜面距离的距离信号U_out。

按照一个实施例，该设备200包括运算放大器208，该运算放大器具有：连接到第二电极112上的反向输入端210，通过负号来表征；和连接到接地的同向输入端212，通过正号来表征。运算放大器208被构造为：在使用表示电极电位206的输入信号214的情况下，将输出信号216输出，该输出信号被该设备200用于产生距离信号U_out。

按照一个实施例，该设备200被构造为：在解调制单元218中在使用交变电位202的情况下通过对输出信号216进行解调制来产生距离信号U_out。因此，距离信号U_out表示直流电压，根据该直流电压的值可以确定镜面距离。为了更好的可识别性，运算放大器208和解调制单元218在图2中在该设备200之外示出。

按照一个实施例，第二电极112的连接端通过运算放大器208保持在虚拟接地上。在此，在第一电极106与虚拟接地之间以及在第三电极116与虚拟接地之间施加反相的交变电压。在这种情况下，两个分电容C₁、C₂作为分压器来起作用。最终得到的输出信号216紧接着与输入电压解调制并且提供与偏移x成比例的直流电压U_out。

例如，向两个电极106、116各施加一个矩形的交变电位，其中所述矩形的交变电位彼此反相。第二电极112的连接端通过运算放大器208保持在固定的电位上，该固定的电位的绝对值通过第二镜面元件的偏移x来确定。视运算放大器而定，第二电极112的连接端附加地还应该纯电阻性地连接到接地上，以便避免施密特触发器。最后，通过输出信号216与也被称作输入交变电压的第一交变电位202的紧接着的解调制，获得直流电压，该直流电压的值取决于偏移x。

通过将第一交变电位202的频率选择得远高于光学谐振器的机械谐振频率，可以保证：就故障模式的激发而言，所施加的交变电压分量没有对系统的致动造成显著影响。

按照另一实施例，运算放大器208被实施为差分放大电路，其中电容C₂连接到反向输入端210上而电容C₁连接到同向输入端212上。在这种情况下，没有将反相的交变电压施加给两个分电容。

即使在只使用一个探测电容的情况下也可以应用对高频探测交变电位的调制的原理，该高频探测交变电位的频率例如远高于光学谐振器的机械驱动频率。这在图1中对应于电容C₂缺失，在这种情况下，该电容C₂通过相对应的静止的参考电容、例如在ASIC中的参考电容来替代。

图3示出了按照实施例的方法300的流程图。例如在使用如在上文依据图2描述的那样的设备的情况下，可以实施用于探测在可调的光学谐振器的两个镜面元件之间的镜面距离的方法300。在这种情况下，在第一步骤310中，将驱动交变电位与探测交变电位叠加，以便产生交变电位。在第二步骤320中，将该交变电位施加给第一电极，而且可选地将另一交变电位施加给第三电极。在第三步骤330中，量取附在第二电极上的电极电位。最后，在第四步骤340中，在使用该交变电位和该电极电位的情况下产生距离信号。

如果一个实施例包括在第一特征与第二特征之间的“和/或”逻辑关系，那么这被察知为使得该实施例按照一个实施方式不仅具有第一特征而且具有第二特征，而按照另一实施例或者只具有第一特征或者只具有第二特征。

Claims (12)

1.一种用于运行可调的光学谐振器（100）的方法（300），其中所述光学谐振器（100）具有：第一镜面元件（102）；在镜面距离方面能相对于所述第一镜面元件（102）移动地布置的第二镜面元件（104）；被分配给所述第一镜面元件（102）的第一电极（106）；和被分配给所述第二镜面元件（104）的第二电极（112），其中所述第二电极（112）与所述第一电极（106）对置地来布置，其中通过在所述第一电极（106）上施加第一交变电位（202），所述第二镜面元件（104）能偏移，其中所述方法（300）包括如下步骤：

将具有驱动频率的用于改变所述镜面距离的驱动交变电位与具有探测频率的用于探测所述镜面距离的探测交变电位叠加（310），以便获得所述第一交变电位（202）；

在所述第一电极（106）上施加（320）所述第一交变电位（202）；

量取（330）附在所述第二电极（112）上的电极电位（206）；而且

在使用交变电位（202）和电极电位（206）的情况下产生（340）表示所述镜面距离的距离信号（U_out）。

2.根据权利要求1所述的方法（300），其中所述光学谐振器（100）具有第三电极（116），其中所述第二电极（112）与所述第三电极（116）对置地来布置，其中通过在所述第一电极（106）上施加所述第一交变电位（202）而在所述第三电极（116）上施加另一交变电位（204），所述第二镜面元件（104）能双向地偏移，其中在叠加（310）的步骤中，将具有另一驱动频率的用于双向地改变所述镜面距离的另一驱动交变电位与具有另一探测频率的用于探测所述镜面距离的另一探测交变电位叠加，以便获得所述另一交变电位（204），而且在施加（320）的步骤中，在所述第三电极（116）上施加所述另一交变电位（204）。

3.根据上述权利要求之一所述的方法（300），所述方法具有如下步骤：在使用所述电极电位（206）作为输入信号（214）的情况下通过运算放大器（208）来将输出信号（216）输出，其中在产生（340）的步骤中，在使用所述输出信号（216）的情况下产生所述距离信号（U_out）。

4.根据权利要求3所述的方法（300），其中在产生（340）的步骤中，所述输出信号（216）在使用所述第一交变电位（202）的情况下被解调制，以便获得直流电压作为所述距离信号（U_out）。

5.根据上述权利要求之一所述的方法（300），其中在叠加（310）的步骤中，将所述驱动交变电位与如下探测交变电位叠加，所述探测交变电位的频率大于所述光学谐振器（100）的机械谐振频率。

6.根据权利要求2至5之一所述的方法（300），其中在施加（320）的步骤中，所述第一交变电位（202）与所述另一交变电位（204）反相。

7.一种设备（200），所述设备具有单元（208、218），所述单元被构造为：实施和/或操控根据上述权利要求之一所述的方法（300）。

8.一种光学谐振器（100），其具有如下特征：

第一镜面元件（102）；

在镜面距离方面能相对于所述第一镜面元件（102）移动地布置的第二镜面元件（104）；

被分配给所述第一镜面元件（102）的第一电极（106）；

被分配给所述第二镜面元件（104）的第二电极（112）；和

第三电极（116），其中所述第二电极（112）与所述第一电极（106）和所述第三电极（116）对置地来布置，其中通过在所述第一电极（106）上施加第一交变电位（202）而在所述第三电极（116）上施加另一交变电位（204），所述第二镜面元件（104）能双向地偏移。

9.根据权利要求8所述的光学谐振器（100），所述光学谐振器具有根据权利要求7所述的设备（200）。

10.根据权利要求8或9所述的光学谐振器（100），所述光学谐振器具有外壳（108），所述外壳具有光入射孔（114），其中所述第一镜面元件（102）、所述第二镜面元件（104）、所述第一电极（106）、所述第二电极（112）和所述第三电极（116）由所述外壳（108）来容纳，其中所述第二镜面元件（104）有弹性地悬挂在所述光入射孔（114）与所述第一镜面元件（102）之间。

11.根据权利要求10所述的光学谐振器（100），所述光学谐振器具有载体（110），所述载体有弹性地悬挂在所述外壳（108）中，其中所述第二镜面元件（104）和所述第二电极（112）布置在所述载体（110）上。

12.根据权利要求11所述的光学谐振器（100），其中所述第二电极（112）布置在所述载体（110）的与所述第一电极（106）对置的一侧和所述载体（110）的与所述第三电极（116）对置的一侧，和/或所述第二电极（112）布置在所述载体（110）的边缘。