CN116635691A - 光学位移传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光学位移传感器(2)，其包括反射面(4)和一个或多个衍射光栅(6)，所述一个或多个衍射光栅与所述反射面一起各自定义相应的干涉布置。所述反射面(4)相对于所述衍射光栅(6)是移动的，或反之亦然。来自光源(8)的光经由所述干涉布置传播，以在相应的一组光检测器(10)处产生干涉图样。每个干涉图样取决于所述反射面(4)与所述相应光栅(6)之间的间隔。准直光学布置(14)至少部分地准直所述光源(8)与所述衍射光栅(6)之间的所述光。对于所述干涉布置或每个干涉布置，当所述反射面(4)或所述衍射光栅(6)处于零位移位置时，在所述衍射光栅(6)与所述反射面(4)之间传播的所述光的光程长度L满足以下关系：以在j的20％以内，其中n是整数；其中Tz是Talbot长度，定义为：其中λ是所述光的波长，并且其中p是相应的衍射光栅(6)的光栅周期。替代地，L可满足：以在p的20％以内，其中m是奇整数。另外地或替代地，所述光学位移传感器(34；112)可包括两个或更多个衍射光栅(44、46；116)并且可构造成使用分束布置(48；126)或多个光源元件向每个光栅(44、46；116)提供相应的单独光束(62、64；132)。

Description

光学位移传感器

本发明大体上涉及光学位移传感器，并且具体但不排他地涉及用于光学麦克风的光学位移传感器。

麦克风用于将声波转换为电信号，通常通过测量响应于环境声振动而振动的可移动构件(例如膜)的位移。有多种测量这种可移动构件的位移的方式，其包括电容读出(通常称为电容式麦克风)和静电或电磁读出机制(例如动态麦克风)。

读出麦克风膜位置的另一种方式是使用光学位移传感器，该传感器使用光学干涉读出。在此类系统的典型实例中，在与膜相邻的基板上设置衍射光栅，并且将光引导到该衍射光栅上。光的第一部分从光栅反射回来。第二部分通过衍射辐射的光栅透射。衍射的辐射打在膜上，膜将其反射到光栅上。辐射穿过光栅，并且两部分光发生干涉，形成可以被检测器检测到的干涉图样。干涉图样的形状(即空间分布)与光栅的衍射级相匹配，但引导入这些衍射级的光强取决于两部分光的相对相位，并且因此取决于光栅与膜之间的距离。因此，可以根据检测器处光强的变化来确定膜的位置(以及因此膜的移动)。

这种光学位移传感器具有高信噪比(SNR)和高灵敏度，这有利于用于光学麦克风和其他应用。然而，希望进一步改进这种光学位移传感器的性能。

从第一方面来看，本发明提供了一种光学位移传感器，其包括：

反射面；

一个或多个衍射光栅，其与该反射面间隔开，其中该衍射光栅或每个衍射光栅与该反射面一起定义相应的干涉布置，并且其中i)该反射面或ii)该衍射光栅或每个衍射光栅相对于另一者是可移动的；

光源，其布置成向所述干涉布置提供光，使得对于每个干涉布置，所述光的第一部分经由该干涉布置沿着第一光程传播，并且所述光的第二部分经由所述干涉布置沿着不同的第二光程传播，从而引起该第一光程与第二光程之间的光程差，该光程差取决于该干涉布置的该反射面与该衍射光栅之间的间隔；以及

对于每个干涉布置，相应的一组一个或多个光检测器，其布置成检测由取决于所述光程差的光的所述第一部分和所述第二部分产生的干涉图样的至少一部分；

准直光学布置，其布置成至少部分地准直该光源与该衍射光栅之间的光；

其中，对于该干涉布置或每个干涉布置，当该反射面或该衍射光栅处于零位移位置时，该衍射光栅与该反射面间隔开一定距离，使得光的相应的第一部分在该衍射光栅与该反射面之间沿着光程长度L行进；

其中该衍射光栅或每个衍射光栅包括具有光栅周期p的周期性衍射光栅，使得对于该干涉布置或每个干涉布置，该光栅周期p和该光程长度L满足以下关系：

以在的20％以内，其中n是整数；

其中Tz是Talbot长度，定义为：

其中λ是该光的波长。

申请人已经意识到，在利用衍射光栅的光学位移传感器中，大量的光可能由于衍射而损失，损害了光学位移传感器的性能(例如降低灵敏度)。虽然衍射光栅允许将光分离到对应于不同衍射级的单独通道中以产生对应于反射面与衍射光栅之间的间隔的信号(例如差分信号)，但通常一些光在各方向上衍射，使得它最终不会被光检测器收集，例如它可能由于衍射光栅与反射面之间的气隙中的多次反射和吸收而损失。申请人进一步意识到，可以通过在光打在衍射光栅之前至少部分准直该光并且通过对于每个光栅配置光学位移传感器使得光栅周期p和光程长度L满足等式1的关系来改善这种损失。

由于平面波被周期性光栅衍射时出现的衍射图案的特性，等式1的关系改善了这些损失。当平面波被周期性光栅衍射时，会产生重复图案，其中光栅的图像在距光栅平面的规则距离处重复。规则距离是Talbot长度Tz。在Talbot长度的一半处以及在Talbot长度一半的奇数倍处，衍射光是光栅的图像，但该图像横向平移了半个光栅周期。

根据本发明，光程长度L使得在第一部分光打在光栅上并且被光栅衍射之后，它在被反射面反射之后再次打在光栅上之前传播总距离2L。

根据等式1的关系，2L对应于整数个Talbot长度，这意味着衍射的第一光部分中光栅的重复自像与实际衍射光栅的位置重合。这导致更多的光经由衍射光栅耦合(即由光栅向光检测器透射或反射)，以便它可以传播到光检测器，在那里它有助于检测到的信号。

申请人还意识到当2L对应于Talbot长度的一半的奇数倍时可以获得类似的益处。因此，从第二方面来看，本发明提供了一种光学位移传感器，其包括：

反射面；

一个或多个衍射光栅，其与该反射面间隔开，其中该衍射光栅或每个衍射光栅与该反射面一起定义相应的干涉布置，并且其中i)该反射面或ii)该衍射光栅或每个衍射光栅相对于另一者是可移动的；

光源，其布置成向所述干涉布置提供光，使得对于每个干涉布置，所述光的第一部分经由该干涉布置沿着第一光程传播，并且所述光的第二部分经由所述干涉布置沿着不同的第二光程传播，从而引起该第一光程与第二光程之间的光程差，该光程差取决于该干涉布置的该反射面与该衍射光栅之间的间隔；以及

对于每个干涉布置，相应的一组一个或多个光检测器，其布置成检测由取决于所述光程差的光的所述第一部分和所述第二部分产生的干涉图样的至少一部分；

准直光学布置，其布置成至少部分地准直该光源与该衍射光栅之间的光；

其中，对于该干涉布置或每个干涉布置，当该反射面或该衍射光栅处于零位移位置时，该衍射光栅与该反射面间隔开一定距离，使得光的相应的第一部分在该衍射光栅与该反射面之间沿着光程长度L行进；

其中该衍射光栅或每个衍射光栅包括具有光栅周期p的周期性衍射光栅，使得对于该干涉布置或每个干涉布置，该光栅周期p和该光程长度L满足以下关系：

以在的20％以内，其中m是整数；

其中Tz是Talbot长度，定义为：

其中λ是该光的波长。

根据等式3的关系，2L对应于Talbot长度的一半的奇数倍，这意味着衍射的第一光部分中光栅的重复自像与实际衍射光栅重合但横向平移了半个光栅周期。这导致大部分光从衍射光栅反射回反射面，反射面又将它再次反射回衍射光栅，即使得光经历另一个距离为2L的往返行程。当该光再次打在衍射光栅上时，它已经行进了4L的总距离，即在衍射光栅与反射面之间的两个往返行程。在这种情况下，根据等式3的关系，4L对应于整数个Talbot长度。因此，在两个往返行程之后，衍射的第一光部分中光栅的重复自像与实际衍射光栅的位置重合。这导致更多的光经由衍射光栅耦合(即由光栅向光检测器透射或反射)，以便它可以传播到光检测器，在那里它有助于检测到的信号。这种配置可提供额外的优势，因为它可以使光学位移传感器对反射面或衍射光栅的移动的灵敏度加倍，归因于光在反射面与衍射光栅之间的间隙中经历了两个往返行程。

光的准直有助于这种效果，因为它意味着光的传播角度不会随着光栅表面上的位置而变化(或者变化小于光未至少部分准直时的变化)。因此，对于衍射光栅与反射面之间给定的垂直间隔，光程长度L在衍射光栅的整个表面上也不会变化(或变化较小)，这意味着等式1或等式3的关系可能在整个衍射光栅表面的所有或基本上所有位置都得到满足，有助于减少光损失。

应当理解，为了在显着、有用的范围内提供减少光损失的益处，不需要精确地满足等式1的关系。申请人已经发现，如果光程长度L满足等式1以在的20％的裕度以内，则可以实现光损失的有用减少。在一组实施例中，光栅周期p和光程长度L满足等式1的关系以在/>的15％以内。

应当理解，为了在显着、有用的范围内提供减少光损失的益处，不需要精确地满足等式3的关系。申请人已经发现，如果光程长度L满足等式3以在的20％的裕度以内，则可以实现光损失的有用减少。在一组实施例中，光栅周期p和光程长度L满足等式3的关系以在的15％以内。

光学位移传感器优选包括膜，其中反射面包括或设置在膜的表面上。

在反射面相对于衍射光栅是可移动的实施例中，反射面可设置在可移动构件中或可移动构件上，或包括可移动构件的一部分。衍射光栅可相对于光源和光检测器固定，例如，光学位移传感器可包括基板并且衍射光栅可设置在该基板中或该基板上，或者可包括该基板的一部分。

在衍射光栅或每个衍射光栅相对于反射面是可移动的实施例中，衍射光栅可设置在可移动构件中或可移动构件上，或包括可移动构件的一部分。反射面可以相对于光源和光检测器固定，例如，光学位移传感器可包括基板并且反射面可以设置在该基板中或该基板上，或者可以包括该基板的一部分。

作为非限制性实例，可移动构件可为膜或(例如加速度计或地震检波器中的)检测质量。

应当理解，在“反射面”的背景下，反射意味着该表面至少是部分反射的，尽管它可以是基本上或完全反射的，例如取决于光学位移传感器的特定配置。

当说该衍射光栅或每个衍射光栅包括周期性光栅时，应理解，这意味着该衍射光栅或每个衍射光栅包括一组等间隔的平行光栅线。在提供多个衍射光栅的情况下，优选地，每个衍射光栅位于相应的平面上，其中所有光栅的平面彼此平行。更一般地，优选地，该衍射光栅或每个衍射光栅位于平行于反射面的平面上，使得该反射面和该衍射光栅的相对运动垂直于所述平面。应理解，这忽略了由于反射面或衍射光栅在移动期间的轻微变形而导致的与平面的任何偏差。

优选地，该衍射光栅或每个衍射光栅被制造成使得光栅线对于打在衍射光栅面向光源的一侧的光具有高反射率，例如相对于光栅线之间的区域。这可有助于提供高衍射效率。

在根据等式1的关系适用的实施例中，优选地，光栅线对于打在衍射光栅面向反射面的一侧的光具有低反射率，例如相对于对于打在衍射光栅面向光源的一侧的光的反射率较低。这可有助于减少光在衍射光栅与反射面之间的间隙中的多次内反射，这可有助于提高光学位移传感器的性能，例如如上所述，通过增加根据等式1适用的本发明的第一方面提供的益处。

在根据等式3的关系适用的实施例中，优选地，光栅线对于打到衍射光栅面向反射面的一侧的光具有高反射率，例如相对于光栅线之间的区域。这可有助于在光的第一个往返行程之后将光反射回反射面，以便它在衍射光栅与反射面之间经历第二个往返行程。这可有助于提高光学位移传感器的性能，例如如上所述，通过增加根据等式3适用的本发明的第二方面提供的益处。

上述高反射率和低反射率特性可通过合适的涂层(例如多层涂层、抗反射涂层等)或其他表面处理(例如抗反射处理)来提供，例如应用于光栅线和/或光栅线之间的区域。

光的波长λ可为表征由光源产生的有限波长谱的波长。例如，波长可为光的波长谱的峰值波长或中心波长。

在这个背景下的“零位移位置”是指如果反射面或衍射光栅不受其设计用于测量的任何合成外力的影响将采用的平衡位置。

准直光学布置可包括单个光学元件，或者它可包括多个元件。

本文所用的术语“光检测器”不限于分立的光检测器器件(例如光电二极管)，还可包括单独检测入射在其一个以上区域上的光的器件，例如，CCD，其中不同的像素或像素区域各自为入射到其上的入射光提供单独的信号。

在一组实施例中，光学位移传感器包括至少两个衍射光栅。每个衍射光栅的光程长度L可不同，例如如下所述，这优选地通过配置光学位移传感器使得在每个衍射光栅与反射面之间存在对于每个衍射光栅不同的垂直光程长度来实现。这样的布置可有利地允许扩展光学位移传感器的动态范围，例如如WO2014/202753中所描述的。不同的光程长度提供不同的相位偏移，导致具有相对相位偏移的多个光信号。组合这些信号以提供光学测量可以扩展光学位移传感器的操作范围。

在一组实施例中，在每个衍射光栅与反射面之间存在对于每个衍射光栅不同的垂直光程长度。可以通过相对于反射面以不同的高度偏移定位衍射光栅来提供垂直光程长度差，例如，通过在具有阶梯式轮廓的基板上设置衍射光栅。不同的高度偏移可由基板中不同深度的蚀刻凹槽提供，例如，其中，衍射光栅设置于凹槽内。垂直光程长度差可由反射面中不同高度的区域(例如阶梯式轮廓或蚀刻凹槽)提供，例如，其中反射面固定并且衍射光栅相对于该反射面移动。因此应当理解，反射面不需要是单一的平面表面，而是可例如包括多个区域或小平面，例如各自相对于其上具有光栅的可移动构件具有不同的高度偏移。然而，通过衍射光栅与反射面之间的物理距离差来提供光程长度差并不是必需的。可以其他方式提供光程长度差，而不必要求具有非平面轮廓的基板，例如使用光学延迟膜。

应理解，尽管反射面不需要是单个平面表面，而是可例如包括多个区域或小平面，但这并不意味着该表面可包括单独的、可独立移动的表面。例如，反射面可设置在公共可移动构件(例如膜)上或形成其一部分，或者衍射光栅可设置在公共可移动构件(例如膜)上。

在一组实施例中，在零位移位置，反射面与衍射光栅中的衍射光栅或每个衍射光栅分离至少15μm的垂直距离。

在具有一个以上衍射光栅的实施例中，优选地，光栅周期p对于每个衍射光栅是相同的。引入相位偏移所需的高度偏移通常非常小(例如，在波长尺度上)，因此所有光栅都有可能在规定的裕度以内满足上述等式1或等式3的关系，即使有由高度偏移提供的相位偏移。例如，反射面与光栅之间的典型零位移间距可在30μm至40μm的范围内，或者大于30μm，例如大于40μm。这可有利地有助于减少阻尼。对应的光栅周期(例如对应于30μm至40μm的范围)可在5μm至6μm的范围内，这可以提供合适的衍射角，例如波长为850nm。

当说准直布置至少部分地准直光时，这意味着从准直光学布置发出的光具有比打在准直光学布置上的光更小的光束角。光束可会聚或发散，即光束角可指光束会聚或发散的角度。优选地，准直光学布置完全或基本上完全准直光，例如，使得准直后的光的光束角小于10°，例如小于5°，例如小于2°，例如小于1°，例如小于0.5％，例如小于0.1％。在一组实施例中，准直光学布置是或包括透镜。

如上所述，衍射光栅或反射面可设置(例如沉积或蚀刻)在基板中或基板上(例如包括基板的表面)。在一些实施例中，衍射光栅或反射面位于基板的第一侧上，以便反射面和衍射光栅面向彼此，并且准直光学布置设置在基板的面向光源的第二侧上。在一些实施例中，衍射光栅或反射面可设置在第一基板中或第一基板上，并且准直光学布置可设置在光源与第一基板之间的第二基板上。准直光学布置可设置在光源的表面上，例如，光源可为背发射VCSEL(即，发射器位于VCSEL的背面，并且通过正面将光发射出VCSEL)，其中准直光学布置可设置在(例如蚀刻到)其发射(即正)面上。

干涉布置可构造成使得衍射光栅定位在光源与反射面之间。光检测器可设置在干涉布置的与光源相同的一侧，例如邻近光源。光源和光检测器可设置在公共光电基板上。干涉布置可构造成使得反射面定位在光源与衍射光栅之间。光检测器可设置在干涉布置的与光源相对的一侧，例如，面向衍射光栅。

基板可由任何合适的材料制成，例如硅或玻璃。

光源可包括激光器，例如垂直腔面发射激光器(VCSEL)，例如背发射VCSEL。VCSEL可在其表面上包括一个或多个光学元件(例如，准直光学布置和/或分束光学布置)。

在一组实施例中，光学位移传感器包括两个或更多个衍射光栅；并且

a)每个衍射光栅包括在相应的光栅线方向上延伸的一组平行光栅线，并且其中一组所述衍射光栅中的每个衍射光栅的光栅线方向不同于所述组中的每个其他衍射光栅的光栅线方向；并且/或者

b)光学位移传感器包括分束光学布置，该分束光学布置被布置成将光分离成两个或更多个束，其中将两个或更多个束中的每一个引导到衍射光栅中的相应的衍射光栅上。

这本身具有新颖性和创造性，因此当从第三个方面来看时，本发明提供了一种光学位移传感器，其包括：

反射面；

两个或更多个衍射光栅，其与该反射面间隔开，其中每个衍射光栅与该反射面一起定义相应的干涉布置，并且其中i)该反射面或ii)该衍射光栅相对于另一者是可移动的；

光源，其布置成向所述干涉布置提供光，使得对于每个干涉布置，所述光的第一部分经由该干涉布置沿着第一光程传播，并且所述光的第二部分经由所述干涉布置沿着不同的第二光程传播，从而引起该第一光程与第二光程之间的光程差，该光程差取决于该干涉布置的该反射面与该衍射光栅之间的间隔；以及

对于每个干涉布置，相应的一组一个或多个光检测器，其布置成检测由取决于所述光程差的光的所述第一部分和所述第二部分产生的干涉图样的至少一部分；

准直光学布置，其布置成至少部分地准直该光源与该衍射光栅之间的光；

并且其中：

a)每个衍射光栅包括在相应的光栅线方向上延伸的一组平行光栅线，并且其中一组所述衍射光栅中的每个衍射光栅的光栅线方向不同于所述组中的每个其他衍射光栅的光栅线方向；并且/或者

b)光学位移传感器包括分束光学布置，该分束光学布置被布置成将光分离成两个或更多个束，其中将两个或更多个束中的每一个引导到衍射光栅中的相应的衍射光栅上。

在根据本发明的第一方面和/或第二方面的一组实施例中，光学位移传感器包括两个或更多个衍射光栅；并且光源包括多个光源元件，使得光被提供为多个光束，其中每个光源元件提供所述束中的相应的束，并且其中将每个光束引导到衍射光栅中的相应的衍射光栅上。这样的实施例也可以设置有如上所述的特征a)。

这本身具有新颖性和创造性，因此从第四方面来看，本发明提供了一种光学位移传感器，其包括：

反射面；

两个或更多个衍射光栅，其与该反射面间隔开，其中每个衍射光栅与该反射面一起定义相应的干涉布置，并且其中i)该反射面或ii)该衍射光栅相对于另一者是可移动的；

光源，其布置成向所述干涉布置提供光，使得对于每个干涉布置，所述光的第一部分经由该干涉布置沿着第一光程传播，并且所述光的第二部分经由所述干涉布置沿着不同的第二光程传播，从而引起该第一光程与第二光程之间的光程差，该光程差取决于该干涉布置的该反射面与该衍射光栅之间的间隔；以及

对于每个干涉布置，相应的一组一个或多个光检测器，其布置成检测由取决于所述光程差的光的所述第一部分和所述第二部分产生的干涉图样的至少一部分；

准直光学布置，其布置成至少部分地准直该光源与该衍射光栅之间的光；

其中该光源包括多个光源元件，使得光被提供为多个光束，其中每个光源元件提供所述光束中的相应的束，并且其中将每个光束引导到衍射光栅中的相应的衍射光栅上。

多个光源元件可排列成阵列。光源可包括具有多个发射器的垂直腔面发射激光器(VCSEL)(即，以便多个发射器中的每一个发射器都是光源元件中的一个光源元件)。光源可包括正发射VCSEL或背发射VCSEL。VCSEL可在其表面上包括一个或多个光学元件(例如，准直光学布置)。光源元件可以独立地操作(例如，单独地或以子组)。例如，这可以允许光学位移传感器的省电操作模式。

准直光学布置可布置成至少部分地准直多个光束中的每个光束，例如，准直光学布置可包括多个准直光学元件，其中所述准直光学元件中的每个准直光学元件都布置成至少部分地准直所述光束中的相应的束。根据第四方面的实施例也可具有如上文关于第三方面所述的特征a)。

在适用的情况下，第一方面和第二方面的任选特征也可为第三方面和第四方面的特征。

分束光学布置可包括单个光学元件，或者它可包括多个元件。分束光学布置可为或包括分束器，例如衍射分束器。分束光学布置可为折射的或衍射的，例如，分束光学布置可为或包括衍射光栅。

分束光学布置可将光束引导到它们各自的衍射光栅上或朝向它们各自的衍射光栅。分束光学布置可至少部分准直光束。

分束光学布置可包括准直光学布置。准直光学布置和分束光学布置可形成为执行至少部分地准直光的功能和将光分离成两个或更多个束的功能两者的单个部件。可用于准直和分开光束的元件的非限制性实例包括合成相位全息元件和具有多个小平面的折射透镜。

如上所述，衍射光栅或反射面可设置(例如沉积或蚀刻)在基板中或基板上(例如包括基板的表面)。在一些实施例中，衍射光栅或反射面位于基板的第一侧上，以便反射面和衍射光栅面向彼此，并且分束光学布置设置在基板的面向光源的第二侧上。在一些实施例中，衍射光栅或反射面设置在第一基板中或第一基板上，并且分束光学布置设置在光源和第一基板之间的第二基板上。

分束光学布置可以设置在光源的表面上，例如，光源可为背发射垂直腔表面发射激光器(VCSEL)，其中分束光学布置可设置在其前表面上(例如整体形成在其中/其上、安装在其上或蚀刻到其中)。例如，分束光学布置可包括形成在光源的表面上的透镜(例如多面体透镜)。作为另一实例，分束光学布置可包括蚀刻到光源的表面中的衍射光栅。

在光源的表面上设置分束光学布置可提供各种优点。例如，它可使光学位移传感器的光学部件在晶圆级更容易对齐。它可使光学位移传感器更加紧凑。由于具有更少的部件，它可以使光学位移传感器更容易并入封装(例如麦克风外壳)中。

提供特征a)和b)中的一个或两个特征，或者提供多个光源元件(每个光源元件提供引导到光栅中的相应的光栅上的光束)，提供了在空间上分离穿过每个干涉布置的光的技术效果，以便它可以更容易地被不同的光检测器收集，以为每个衍射光栅产生单独的信号。

在特征a)的情况下，光束至少由于光栅线的不同定向而在空间上分离。当光束打在周期性衍射光栅上时，产生的衍射级在垂直于光栅线的方向上在空间上分离。因此，当光束打在具有不同光栅线定向的多个衍射光栅上时，这会产生多组衍射级(每个光栅一个)，其中每组衍射级在不同平面上空间分离(并且因此各组衍射级在空间上彼此分离)。光可正常打在光栅上，例如作为入射在与多个光栅重叠的区域上的光束。在那种情况下，单独的光栅定向可用于将光分离到包括不同组的衍射级的单独通道中。

在特征b)的情况下，至少由于分束光学布置将光分离成多束(例如，每个衍射光栅一束)，光在空间上分离。在多个光源元件提供多个光束的特征的情况下，由于由在空间上分离的光源元件提供，所以光束在空间上分离。

光束可以描述为“离轴”，例如相对于打在分束光学布置上的光的光束轴，例如其中每个光束都与所述轴成一定角度传播。由于打在衍射光栅上的光束在空间上分离，因此由光栅产生的各组衍射级也将在空间上分离。

光束可与相应的衍射光栅所在平面的法线成一定角度打在衍射光栅上。每个光束可为准直的或基本准直的，例如通过单独的准直光学布置或通过分束光学布置。优选地，每个束的传播的方向在这样的平面中：该平面i)平行于所述束打在其上的衍射光栅的光栅线方向和ii)垂直于所述衍射光栅所在平面。这样的定向可有利地有助于提供本发明的第一方面和第二方面的特征的益处，这些特征涉及改善由于衍射引起的光损失。

光学位移传感器可正好具有两个衍射光栅。在适用的情况下，本文中在正好具有两个光栅的实施例的背景下描述的任何任选特征也可以是包括三个或更多个衍射光栅的实施例的任选特征。

在一组实施例中，每个光束以与相应的衍射光栅所在平面的法线成相应的入射角打在其相应的衍射光栅上，其中每个衍射光栅的入射角与每个其他衍射光栅的入射角不同。

在一组实施例中，每个光束以与相应的衍射光栅所在平面的法线成相应的入射角打在其相应的衍射光栅上，其中一组所述衍射光栅中的每个衍射光栅的入射角与所述组中每个其他衍射光栅的入射角不同。

应理解，如果两个入射角相对于法线具有相同的极角但不同的方位角，或者相对于法线具有相同的方位角但不同的极角，或者相对于法线具有不同的极角和不同的方位角，则可认为它们彼此不同。

例如，在正好具有两个光栅的实施例中，光栅可具有相同的定向并且在平行于光栅线方向的方向上彼此间隔开。相应的光束可以相应的入射角打在每个光栅上，这些入射角具有相同的极角但相差180°的方位角。

在一组实施例中，打在衍射光栅上的光的或光束的束方向垂直于衍射光栅的表面。

在一些实施例中，每个衍射光栅都沿着从光栅之间的中心点径向延伸的一组线中的线定向。应理解，“沿着线定向”意味着光栅与所述线重叠并且其光栅线方向平行于所述线。

在一组实施例中，光学位移传感器包括N个光栅，其中衍射光栅相对于彼此以(360°)/N或其倍数的角度定向。

应理解，衍射光栅的方向是指其光栅线的方向。

在一些实施例中，该干涉布置或每个干涉布置包括一对衍射光栅，这对衍射光栅具有相同的光栅周期和相同的光栅线方向，并且与反射面分离相同的光学距离，使得这对衍射光栅一起发挥作用以将光引导到对应于所述干涉布置的同一组一个或多个光检测器上。

在一组实施例中，衍射光栅布置成旋转对称复合衍射光栅。例如，衍射光栅可包括扇形或圆的在直径上对置的扇形对，或三角形或六边形、八边形或其他多边形中在直径上对置的三角形对。应理解，旋转对称是指绕复合衍射光栅的轴的衍射光栅的位置，并且不一定指光栅的所有特性(例如，光栅可以非旋转对称的方式具有不同的高度偏移)。

如上所述的所产生的多组衍射级的空间分离可有利地允许更容易地将这些衍射级引导到光检测器上，例如使用光束控制光学布置。

在一组实施例中，光学位移传感器包括光束控制光学布置，该光束控制光学布置被布置成将每个干涉布置的第一光部分和第二光部分引导到针对所述干涉布置所设置的相应光检测器上。

光束控制光学布置可包括一个或多个光束控制光学元件，例如一个或多个折射和/或衍射光学元件。

光束控制光学布置可包括多个棱镜或光栅，它们可例如蚀刻到基板表面中或在基板表面上图案化，例如，使用聚合物。

在一组实施例中，分束光学布置和光束控制光学布置设置在公共基板上。例如，光束控制光学布置可定位在(例如环绕)分束光学布置周围，例如，多个光束控制光学元件定位在分束光学布置周围。

光束控制光学布置可有利地在光检测器和/或其他部件的定位方面提供更大的自由度。例如，光束控制光学布置可包括多个光束控制光学元件，每个光束控制光学元件配置成将相应的光束引导到光检测器中的一个光检测器上。这在具有三个、四个或更多个光栅的实施例中可特别有用。优选地，光检测器和与每个干涉布置相关联的其他部件布置成具有足够的间距以避免和与其他干涉布置相关联的光程重叠。光栅的数量越多，放置光检测器和其他部件的空间就越受限，因此在这些情况下，更大的放置自由度是有帮助的。

优选地，光束控制光学布置与上述特征b)结合设置，尽管它可以与特征a)和b)两者或与特征a)和/或多个光源元件的特征结合设置。在光打在光栅上之前将光分成多束(例如，其中每个光束与衍射光栅的表面法线成一定角度)可有利地提供额外的自由度，这可用于控制光束射到光检测器上。这可使光学位移传感器，特别是光检测器的对准更容易，例如，通过允许更大的光检测器和其他部件的定位公差。进一步特别的优点是，它使得能够检测第0衍射级(例如，否则可能会直接射回到光源，使得它可能无法定位光检测器以接收第0衍射级)。

应当理解，当光打在周期性衍射光栅上时，该光将衍射成多个衍射级，其包括中心衍射级(通常称为第0或第零衍射级)，以及位于该中心衍射级的每一侧的、在垂直于光栅线方向的方向上分离的衍射级。这两个衍射级可称为第一衍射级，或第+1衍射级和第-1衍射级。

在一组实施例中，每组一个或多个光检测器包括两个光检测器，并且所述光检测器被布置成使得第+1衍射级打在所述光检测器中的第一光检测器上并且第-1衍射级打在所述光检测器中的第二光检测器上。

可在光在打到衍射光栅上之前不被分离的实施例中并且在光法向入射到衍射光栅上的情况下设置光检测器的这种布置。在这样的实施例中，第0衍射级可射回到光源，同时第+1衍射级和第-1衍射级与光栅表面法线成一定角度，使得该第+1衍射级和该第-1衍射级在垂直于光栅线方向的方向上与该第0衍射级在空间上分离。这种空间分离意味着第+1衍射级和第-1衍射级不会沿光源方向传播回来，并且因此光检测器可以适当定位以接收该第+1衍射级和该第-1衍射级。

在一组实施例中，每组一个或多个光检测器包括三个光检测器，其中所述光检测器被布置成使得第+1衍射级打在所述光检测器中的第一光检测器上，第0衍射级打在所述光检测器中的第二光检测器上并且第-1衍射级打在所述光检测器中的第三光检测器上。

可在光在打到衍射光栅上之前被分离的实施例中并且在光以与光栅所在平面的法线成一定角度打到衍射光栅上的情况下设置光检测器的这种布置。在这样的布置中，第-1衍射级、第0衍射级和第+1衍射级通常不会沿光源方向传播回来，并且会在空间上彼此分离，使得光检测器可以定位成接收该第-1衍射级、该第0衍射级和该第+1衍射级。由于衍射级的特性，这可以有利地允许生成差分信号。由于布置中的对称性，检测到的第-1衍射级和第+1衍射级的强度通常相同，但第0衍射级提供不同的信号，该信号可以与该第-1衍射级和/或该第+1衍射级一起使用以产生差分信号。在这些和其他实施例中，来自第-1衍射级和第+1衍射级的信号可组合成单个信号，例如来自定位成接收该第-1衍射级和该第+1衍射级的光检测器的信号可相加。

本发明扩展到包括如上所述的光学位移传感器的光学麦克风(和其他类型的压力传感器)。然而，在本发明的范围内，其他应用也是可能的。本发明扩展到包括如上所述的光学位移传感器的加速度计或地震检波器。更一般地，光学位移传感器可提供外部刺激的测量，诸如两体积流体之间的压力差、声波或振动。

现将仅通过举例的方式参考附图描述某些优选实施例，其中：

图1示出了本发明的第一实施例的光学位移传感器的示意性表示；

图2示出了根据第一实施例的包括三个衍射光栅的复合衍射光栅的视图，其包括对应于三个光栅的检测器位置的表示；

图3示出了指示具有单个光栅的光学位移传感器的操作范围的图表。

图4a示出了根据本发明的光学位移传感器的第二实施例的示意性正视图；

图4b示出了图4a中所示的第二实施例的光学位移传感器的示意性侧视图；

图4c示出了图4a和4b中所示的第二实施例的光学位移传感器的示意性平面图；

图5a示出了根据本发明的光学位移传感器的第三实施例的示意性正视图；

图5b示出了图5a中所示的第三实施例的光学位移传感器的示意性平面图，示出了光程的横截面与它们打在其上的光学表面；

图5c示出了用于图5a和5b中所示的实施例的光学位移传感器的示例性光检测器布局的示意性平面图；

图6示出了根据第四实施例的光学位移传感器的示意性正视图；

图7示出了根据第五实施例的光学位移传感器的示意性正视图；

图8示出了根据第六实施例的光学位移传感器的示意性正视图；并且

图9示出了根据第七实施例的光学位移传感器的示意性正视图。

图1示出了根据本发明第一实施例的光学位移传感器2。在该实例中，光学位移传感器2形成光学麦克风的一部分。光学位移传感器2包括膜4，其具有反射面并且响应环境声波而振动。光学位移传感器2进一步包括复合衍射光栅6，下面结合图2对其进行详细描述。光学位移传感器2进一步包括光源8和六个检测器10，其中两个检测器在图1所示的视图中可见。光源8定位成经由透镜14将光12引导到衍射光栅6上。光12以光束角θv从光源发出。透镜14准直光12，然后光作为平面波打到复合衍射光栅6上。

在该实例和下面描述的其他具体实施例中，膜的反射面相对于衍射光栅移动，但是在变型和其他实例中，光栅可相对于固定反射面(例如基板的表面)移动。例如，该实施例中的复合衍射光栅可以制作在膜上。在某些变型和其他实例中，例如在膜上沉积多个光栅的情况下，可使用光学延迟膜提供光学相位偏移(例如，而不是下述的高度偏移)，或者固定反射面可提供高度偏移，例如可在反射面中设置凹槽。

由于膜在声波存在下振动，膜与复合衍射光栅之间的间隔发生变化。在图1中，间隔由间隙g表示。当膜不受声压波影响时，它通过“零位移”位置中的平衡分离与复合衍射光栅间隔开，在该实例中是复合衍射光栅的Talbot长度的半整数倍，即它满足以下等式：

其中n是整数，Tz是Talbot长度，定义为：

其中λ是光的波长，并且p是复合光栅的光栅周期。等式7可以近似表示为：

在上式中，L为光在复合光栅与膜之间行进的光程长度。在本实例中，光在复合光栅与膜之间行进的光程长度L和复合光栅与膜之间的平衡间隔相同，因为光法向入射在复合光栅上。

如上所述，对光程长度L(以及因此膜与复合光栅之间的间距)的这种条件减少了由于衍射(例如，通过膜与复合光栅之间的气隙中的多次反射和吸收)引起的光损失。由以上公开内容可知，例如在本实施例中，光程长度L可改为满足等式3，这也可减少由于衍射引起的损失。

图2示出了复合衍射光栅6。在该实例中，复合衍射光栅6具有圆形形状并且分成六个扇形，定义三个衍射光栅，每个衍射光栅包括相应的一对衍射光栅区域。第一衍射光栅14包括第一衍射光栅区域14a、14b；第二衍射光栅16包括第二对衍射光栅区域16a、16b；并且第三衍射光栅18包括第三对衍射光栅区域18a、18b。衍射光栅区域14a、14b、16a、16b、18a、18b均具有相同的光栅周期。每个衍射光栅14、16、18都具有对应的一对检测器。第一衍射光栅14对应于第一对检测器20a、20b。第二衍射光栅16对应于第二对检测器22a、22b。第三衍射光栅18对应于第三对检测器24a、24b。

第一衍射光栅14的衍射光栅区域14a、14b彼此在直径上对置(相对于复合衍射光栅6的第一直径)并且每个光栅区域都包括线性衍射光栅，光栅线准径向定向。在该背景下的准径向用于表示光栅线彼此平行并且平行于第一直径。第一对检测器20a、20b也彼此在直径上对置(相对于复合衍射光栅的垂直于第一直径的第二直径)。

当光12入射到复合衍射光栅上时，部分光照射到第一衍射光栅14上。这部分光的第一部分通过第一衍射光栅14透射以被膜4反射，并且然后再次入射到第一衍射光栅14上。第一衍射光栅14透射该第一部分光并将其衍射成多个衍射级，其包括第-1衍射级、第0衍射级和第+1衍射级。照射第一衍射光栅的光的第二部分被第一衍射光栅反射并衍射成多个衍射级，其包括第-1衍射级、第0衍射级和第+1衍射级。

在每种情况下，第0衍射级都射回光源。第-1衍射级和第+1衍射级以与第0衍射级成一定角度从第一衍射光栅发出，并且因此在垂直于第一衍射光栅的光栅线的方向上与第0衍射级在空间上分离。光检测器20a、20b定位成使得第-1衍射级入射到一个光检测器20a上并且第+1衍射级入射到另一个光检测器20b上。在每种情况下，入射光包括来自第一部分和第二部分的光。由于第一光部分经由膜与第一衍射光栅之间的间隙行进而第二部分不行进，所以在第一光部分和第二光部分的路径之间存在光程差，其取决于膜位移。因此，第一部分和第二部分发生干涉，使得衍射为每一衍射级的光的强度取决于膜位移。因此，在光检测器20a、20b处检测到的第-1衍射和第+1衍射的强度可用于确定膜位移。

第二衍射光栅和第三衍射光栅相对于第一衍射光栅具有高度偏移，并且这将在下面详述。在其他方面，第二衍射光栅16和第二对检测器22a、22b的结构和定向与第一衍射光栅14和第一对检测器20a、20b的相同，但旋转了60°。类似地，第三衍射光栅18和第三对检测器24a、24b相对于第一衍射光栅14和第一对检测器20a、20b旋转120°。在每种情况下，衍射光栅产生的衍射级在垂直于光栅线的方向上分离，因此衍射光栅的不同定向用于在空间上分离每个衍射光栅产生的衍射级，以便可以将它们引导到不同的探测器上。

如上所述，三个衍射光栅14、16、18具有相对高度偏移。这是因为，对于相对于膜具有间距的衍射光栅，仅存在相对较小的膜位移范围，对于该膜位移，衍射为衍射级的光强度近似为线性。如图3所示。

图3示出了光的干涉透射和反射部分的相对衍射效率。如上所述，对于每个光栅14、16、18，相应的检测器20a、20b、22a、22b、24a、24b定位成接收第-1级衍射峰和第1级衍射峰。然而，可以另外地或替代地检测其他衍射级，例如在其他实施例中，除了第-1衍射级和第+1衍射级之外，还可检测第0衍射级。第一条线26对应于第0级峰。第二条线28对应于第+1级峰。

如图3所示，第0级峰和第+1级峰的相对衍射效率随膜与光栅之间的距离呈正弦变化，并且第零级峰和第一级峰呈反相。传声器的灵敏度由针对膜位移给定变化的输出信号的变化决定。因此从图3可以看出，最大灵敏度出现在操作范围30中，其中线26、28具有最大梯度并且近似线性。

因此，对于每个光栅，膜的运动只能在对应于膜与光栅之间的距离(2n+1)λ/8(其中n是整数)的工作点周围大约±λ/16(对应于大约±50nm的膜位移)的操作范围30中以高灵敏度来确定。在其他距离处，存在低灵敏度区域32。因此，可以用一个光栅检测的动态范围是有限的。因此，在光学位移传感器2中，三个光栅14、16、18对应于不同的工作点设置在距膜稍有不同的距离处，以覆盖更大范围的膜位置，从而扩展了光学麦克风的动态范围。

由于高度偏移在光的波长尺度上，将理解，对于具有相对高度偏移的多个光栅仍然可以满足等式5(或等式3)以在合适的裕度内。

图4a至4c示出了根据本发明的光学位移传感器34的第二实施例。图4a示出了光学位移传感器34的示意性正视图，图4b示出了光学位移传感器34的示意性侧视图，图4c示出了光学位移传感器34的示意性平面图。

光学位移传感器34包括膜36、第一透明基板38、第二透明基板40和光电基板42。在第一透明基板38面向膜36的一侧上制作两个衍射光栅44、46。第二透明基板40包括分束光学布置48和围绕分束布置48的光束控制光学布置50。该实例中的分束布置48是具有多个小平面的透镜的形式(尽管可以使用其他布置)，以便它也提供准直器的功能。该实例中的光束控制光学布置50包括蚀刻到基板表面中的多个棱镜，尽管其他布置也是可能的。光电基板42包括光源52，其在该实例中是垂直腔面发射激光器(VCSEL)和六个光检测器54a、54b、54c、56a、56b、56c(其中两个光检测器在图4a中可见)。

VCSEL布置成沿着轴60将非准直光58射向分束布置48。分束布置48将非准直光58分离并准直成两束独立的准直光束62、64，与非准直光58的轴60成一定角度传播，使得将每个光束62、64都引导到衍射光栅44、46中的相应的衍射光栅上。每个光束62、64都以与上文参考图1描述的相同方式与相应的光栅44、46和膜36相互作用，即第一部分62a、64a穿过光栅44、46以被膜36反射回光栅44、46，并且然后被光栅44、46透射和衍射成第-1衍射级、第0衍射级和第1衍射级66a、66b、66c、68a、86b、68c。第二部分62b、64b被光栅36反射和衍射成第-1衍射级、第0衍射级和第1衍射级66a、66b、66c、68a、68b、68c。从图4c可以看出，第-1衍射级和第+1衍射级66a、66c、68a、68c与第0衍射级66b、86b分离，使得第-1衍射级、第0衍射级和第+1衍射级66a、66b、66c、68a、86b、68c沿垂直于相应的衍射光栅44、46的光栅线的方向在空间上分离。

由于分束布置48使两个光束62、64以与轴60成一定角度传播，返回的衍射光的第一部分和第二部分(即第-1衍射级、第0衍射级和第+1衍射级)66a、66b、66c、68a、86b、68c也与轴60成一定角度传播。这意味着第-1衍射级、第0衍射级和第+1衍射级66a、66b、66c、68a、86b、68c在相对于分束布置48横向位移的区域处穿过第二透明基板40，使得它们穿过光束控制光学布置50。光束控制光学布置50折射第-1衍射级、第0衍射级和第+1衍射级66a、66b、66c、68a、86b、68c，重新定向它们，使得每个光束的每个衍射级都打在光检测器54a、54b、54c、56a、56b、56c中的一个光检测器上。

分束布置48与衍射光栅44、46相结合的布置导致所有六个衍射级(即每个光束的第-1衍射级、第0衍射级和第+1衍射级)在空间上分离，使得它们可以被光束控制光学布置50控制到相应的光检测器54a、54b、54c、56a、56b、56c上。然后，在光检测器54a、54b、54c、56a、56b、56c处检测到的信号可以用于为每个光束(即对应于每个衍射光栅)生成差分信号。

两个衍射光栅44、46具有相对高度偏移(即，使得每个光束的信号对应于膜36的不同工作点)，以与上文参考图3描述的方式类似的方式扩展光学位移传感器34的操作范围。在该实例中，膜36与光栅44、46之间的间距使得对于每个光束从光栅44、46到膜36的光程长度是Talbot长度的半整数倍(在适当的裕度以为，如上所述)，以提供与减少光损失相关的益处，尽管这不是必需的并且可以在没有该特征的情况下提供其他实施例和该实施例的变型。

图5a和5b分别示出了根据本发明的光学位移传感器70的第三实施例的示意性正视图和示意性平面图。图5a的实施例类似于图4a至4c的实施例，除了光学位移传感器70包括三个光栅和三组对应的光检测器。为清楚起见，图5a和5b中仅示出了一个光栅和一组光检测器。下面参考图5b和5c讨论另外两个光栅和其他组光检测器的放置。

光学位移传感器70包括膜72、第一透明基板74、第二透明基板76和光电基板78。图5a和5b示出了在第一透明基板74面向膜72的一侧上制作的第一衍射光栅80。第二透明基板76包括分束布置82和围绕分束布置82的光束控制光学布置84。该实例中的分束布置82是具有多个小平面的透镜的形式，以便它也提供准直器的功能，尽管其他布置也是可能的。该实例中的光束控制光学布置84包括蚀刻到基板表面中的多个棱镜，其中每个棱镜都构造成将光束中的相应的束折射到光检测器中的一个光检测器上，尽管其他光束控制光学布置也是可能的。光电基板78包括光源86，其在该实例中是垂直腔面发射激光器(VCSEL)。图5b示出了一组三个光检测器88a、88b、88c(其中一个光检测器在图5a中可见)。

如图5a所示，VCSEL 86发射光束角为θL的非准直光90。非准直光90沿光束轴92射出。分束布置82将未准直的光90分离并准直成三束分离的、基本准直的光束，图5a中示出了其中的第一光束94。第一光束94在垂直于第一光栅表面并且平行于第一光栅80的光栅线方向的平面上以与光束轴92成角度θB朝向第一衍射光栅80传播。

第一光束94的第一部分96穿过第一衍射光栅80并且从膜72反射。然后，反射的第一部分返回通过衍射光栅80，在那里它被衍射成第-1衍射级、第0衍射级和第1衍射级。第一光束94的第二部分98被第一光栅80反射，该第一光栅将其衍射成第-1衍射级、第0衍射级和第1衍射级。衍射级在垂直于第一光栅80的光栅线方向的方向上在空间上分离。光束控制光学布置84将第-1衍射级、第0衍射级和第+1衍射级中的每个衍射级都引导到光检测器88a、88b、88c中的相应的光检测器上。第一部分和第二部分96、98的衍射级在光检测器88a、88b、88c处发生干涉，使得在每个光检测器88a、88b、88c处检测到的光强度取决于第一光栅80与膜72之间的间隔。因此，检测到的光强度可以用于确定膜位置变化时的膜位移。

如上所述，分束布置82将未准直的光90分成三个光束。除了第一光束94之外，还产生第二光束和第三光束。相应的第二衍射光栅和第三衍射光栅用于从第二光束和第三光束产生相应的第-1衍射级、第0衍射级和第+1衍射级，将这些光束以与上文关于第一光栅描述的相同方式引导到相应的光检测器上。

图5b示出了在平面图中观看时，由VCSEL 86、分束布置82、第一光栅80、光束控制光学布置84的光束控制元件100(配置成将第0衍射级引导到对应的光检测器上)和光检测器88a、88b、88c占用的区域的相对位置。虚线圆102示出了打到第0衍射级的那些元件中的每个元件上的光束的区域。可以看出，每种情况下的光束宽度都小于该光束打到其上的元件的区域，这是为了避免边缘衍射效应。

从图5b还可以看出，除了VCSEL 86和分束布置82之外，其余元件定位在圆的120°扇形103以内。其余两个衍射光栅和对应的光束控制元件和各组光检测器(图5b中未示出)类似地位于120°扇形中，这些扇形相对于图5b中所示的扇形旋转了120°和240°，使得这三个扇形在平面图中一起形成一个圆，其中该圆包含光学位移传感器70的所有元件。

图5c示出了图5a和5b中所示实施例的光学位移传感器70的示例性光检测器布局的示意性平面图。该布局具有三重旋转对称性，使得存在三组光检测器104、106，每组都包含在圆110中的三个120°扇形108中的一个扇形以内，如点划线所示。以实线描绘的光检测器104定位成从每个光栅接收第0衍射级。以虚线描绘的光检测器106定位成接收第-1衍射级和第+1衍射级。

在图5a和5b的实例中，三个光栅具有相对高度偏移以为膜提供多个工作点，以与上文参考图3描述的方式类似的方式增加麦克风的动态范围。

在该实例中，虽然这不是必需的，但选择膜与衍射光栅之间的间隔，使得第一光部分针对每个衍射光栅行进的光程是Talbot长度的半整数倍(在合适的裕度以内，如上文所述)，以提供上文所述的与减少光损失有关的优点。

图6示出了根据第四实施例的光学位移传感器112的示意性正视图。第四实施例可认为是图4a-c的实施例的变型，尽管在其他实施例中可提供相同或相似的变型，例如在图5a-c的实施例中。

光学位移传感器112包括膜114和两个衍射光栅116。衍射光栅116与膜一起各自形成相应的干涉布置118。

膜112和衍射光栅114被支撑在基板120上方。(为清楚起见，图6中未示出支撑膜114和衍射光栅116的支撑结构。)VCSEL 122和六个光检测器124(其中两个光检测器在图6中可见)设置在基板120上。

在该实施例中，VCSEL 122是包括两个发射器126的背发射VCSEL。在VCSEL 122的正(发射)面中形成两个棱镜128。包括透镜130的准直光学布置定位在VCSEL 122与衍射光栅116之间。

在操作中，发射器126各自发射相应的光束132。每个光束穿过其中棱镜128中的一个棱镜。棱镜128将光束132引导到透镜130中的相应的透镜上，该透镜准直光束132。然后，光束132打在衍射光栅116中的相应的衍射光栅上。

光束132中的每个光束都以与上文参考图1、4a和5a描述的相同方式与相应的光栅116和膜114相互作用，即第一部分穿过相应的光栅116以被膜114反射回光栅116，并且然后被光栅116透射和衍射为第-1衍射级、第0衍射级和第1衍射级，这些衍射级各自打在检测器124中的相应的检测器上。第二部分被相应的光栅116反射和衍射为第-1衍射级、第0衍射级和第1衍射级，这些衍射级各自打在检测器124中的相应的检测器上，在检测器处第二部分与对应的第一部分发生干涉，并且由此产生的信号由该检测器测量。

因此可以看出，该实施例不同于图4a-c的实施例，因为使用多个光源(即发射器126)来提供单独的光束，而不是使用分束光学布置来从单个光源分离单个光束。此外，该特定实例包括VCSEL表面上的棱镜124，其提供控制功能，将光束132引导到透镜130上，尽管这不是该实施例或任何其他实施例的必要特征。

图7示出了根据第五实施例的光学位移传感器134的示意性正视图。该实施例也是图4a-c的实施例的变型。光学位移传感器134在大多数方面与图6的光学位移传感器112相同，并且以类似的方式操作。然而，它的不同之处在于将光束引导到光栅上的方式。

光学位移传感器134包括定位在基板140上方的膜136和两个衍射光栅138，基板140具有安装在其上的VCSEL 142和六个光检测器144。VCSEL 142是背发射VCSEL，具有各自提供光束148的两个发射器146。然而，VCSEL 142不是在VCSEL表面上具有棱镜和用于引导和准直光束148的单独安装的透镜，而是在其正(发射)面上具有透镜150。透镜150既准直又引导光束148，使得它们打在光栅138上。

图8示出了根据第六实施例的光学位移传感器152的示意性正视图。该实施例也是图4a-c的实施例的变型。光学位移传感器152在大多数方面与图7的光学位移传感器134相同，并且以类似的方式操作。然而，它的不同之处在于将光束引导到光栅上的方式。

光学位移传感器152包括定位在基板158上方的膜154和两个衍射光栅156，基板158具有安装在其上的VCSEL 160和六个光检测器162。VCSEL 160是背发射VCSEL。然而，在该实施例中，VCSEL 160只有一个发射器164，其提供单个光束166。进一步地，在VCSEL 160的正(发射)面上有衍射光学元件168，而不是透镜。

来自VCSEL的发射器164的光束168打在衍射光学元件168上，该衍射光学元件分离并准直光束166以产生两束单独的准直光束170，然后这两束单独的准直光束打在衍射光栅156上。

图9示出了根据第七实施例的光学位移传感器172的示意性正视图。该实施例也是图4a-c的实施例的变型。光学位移传感器172在大多数方面与图6的光学位移传感器112相同，并且以类似的方式操作。然而，它的不同之处在于将光束引导到光栅上的方式。

光学位移传感器172包括定位在基板178上方的膜174和两个衍射光栅176，基板178具有安装在其上的VCSEL 180和六个光检测器182。VCSEL 180具有两个发射器184，这两个发射器各自提供相应的光束186，但在该实施例中，VCSEL 180是正发射VCSEL并且它没有任何棱镜、透镜或其他光学元件形成在其正面中或其正面上。相反，单独的单个透镜188定位在VCSEL 180与光栅176之间。在该实例中，透镜188是折射透镜，但这不是必需的，例如在其他实施例中，透镜188可为衍射透镜。将两个光束186引导到透镜188上，并且每个光束186都穿过透镜188的不同部分，该透镜准直光束186并且将它们引导到光栅176中的相应的光栅上。

在技术上适用的情况下，在正好具有两个衍射光栅的特定实施例的背景下描述的任选特征和变型也可适用于具有三个或更多个衍射光栅的实施例，反之亦然。

应当理解，上述实施例仅是示例性的，并且在由所附权利要求书限定的本发明的范围内还可以有其他实施例和变型。

Claims (26)

1.一种光学位移传感器，其包括：

反射面；

一个或多个衍射光栅，其与所述反射面间隔开，其中所述衍射光栅或每个衍射光栅与所述反射面一起定义相应的干涉布置，并且其中i)所述反射面或ii)所述衍射光栅或每个衍射光栅相对于另一者是可移动的；

光源，其布置成向所述干涉布置提供光，使得对于每个干涉布置，所述光的第一部分经由所述干涉布置沿着第一光程传播，并且所述光的第二部分经由所述干涉布置沿着不同的第二光程传播，从而引起所述第一光程与所述第二光程之间的光程差，所述光程差取决于所述干涉布置的所述反射面与所述衍射光栅之间的间隔；以及

对于每个干涉布置，相应的一组一个或多个光检测器，其布置成检测由取决于所述光程差的光的所述第一部分和所述第二部分产生的干涉图样的至少一部分；

准直光学布置，其布置成至少部分地准直所述光源与所述衍射光栅之间的所述光；

其中，对于所述干涉布置或每个干涉布置，当所述反射面或所述衍射光栅处于零位移位置时，所述衍射光栅与所述反射面间隔开一定距离，使得光的相应的第一部分在所述衍射光栅与所述反射面之间沿着光程长度L行进；

其中所述衍射光栅或每个衍射光栅包括具有光栅周期p的周期性衍射光栅，使得对于所述干涉布置或每个干涉布置，所述光栅周期p和所述光程长度L满足以下关系：

以在的20％以内，其中n是整数；

其中T_z是Talbot长度，定义为：

其中λ是所述光的波长。

2.根据权利要求1所述的光学位移传感器，其包括至少两个衍射光栅。

3.根据权利要求2所述的光学位移传感器，其中所述光程长度L对于每个衍射光栅是不同的。

4.根据任一前述权利要求所述的光学位移传感器，其中在所述零位移位置，所述反射面与所述衍射光栅中的所述衍射光栅或每个衍射光栅分离至少15μm的垂直距离。

5.根据任一前述权利要求所述的光学位移传感器，其中所述光学位移传感器包括两个或更多个衍射光栅；并且

a)每个衍射光栅包括在相应的光栅线方向上延伸的一组平行光栅线，并且其中一组所述衍射光栅中的每个衍射光栅的光栅线方向不同于所述组中的每个其他衍射光栅的光栅线方向；并且/或者

b)所述光学位移传感器包括分束光学布置，所述分束光学布置被布置成将所述光分离成两个或更多个束，其中将所述两个或更多个束中的每一个引导到所述衍射光栅中的相应的衍射光栅上。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的光学位移传感器，其中所述光学位移传感器包括两个或更多个衍射光栅；并且所述光源包括多个光源元件，使得所述光被提供为多个光束，其中每个光源元件提供所述束中的相应的束，并且其中将每个光束引导到所述衍射光栅中的相应的衍射光栅上。

7.一种光学位移传感器，其包括：

反射面；

两个或更多个衍射光栅，其与所述反射面间隔开，其中每个衍射光栅与所述反射面一起定义相应的干涉布置，并且其中i)所述反射面或ii)所述衍射光栅相对于另一者是可移动的；

光源，其布置成向所述干涉布置提供光，使得对于每个干涉布置，所述光的第一部分经由所述干涉布置沿着第一光程传播，并且所述光的第二部分经由所述干涉布置沿着不同的第二光程传播，从而引起所述第一光程与所述第二光程之间的光程差，所述光程差取决于所述干涉布置的所述反射面与所述衍射光栅之间的间隔；以及

对于每个干涉布置，相应的一组一个或多个光检测器，其布置成检测由取决于所述光程差的光的所述第一部分和所述第二部分产生的干涉图样的至少一部分；

准直光学布置，其布置成至少部分地准直所述光源与所述衍射光栅之间的所述光；

并且其中：

b)每个衍射光栅包括在相应的光栅线方向上延伸的一组平行光栅线，并且其中一组所述衍射光栅中的每个衍射光栅的光栅线方向不同于所述组中的每个其他衍射光栅的光栅线方向；并且/或者

b)所述光学位移传感器包括分束光学布置，所述分束光学布置被布置成将所述光分离成两个或更多个束，其中将所述两个或更多个束中的每一个引导到所述衍射光栅中的相应的衍射光栅上。

8.根据权利要求5或7所述的光学位移传感器，其中所述准直光学布置和所述分束光学布置形成为单个部件，所述单个部件执行至少部分地准直所述光的功能和将所述光分离成两个或更多个束的功能两者。

9.一种光学位移传感器，其包括：

反射面；

两个或更多个衍射光栅，其与所述反射面间隔开，其中每个衍射光栅与所述反射面一起定义相应的干涉布置，并且其中i)所述反射面或ii)所述衍射光栅相对于另一者是可移动的；

光源，其布置成向所述干涉布置提供光，使得对于每个干涉布置，所述光的第一部分经由所述干涉布置沿着第一光程传播，并且所述光的第二部分经由所述干涉布置沿着不同的第二光程传播，从而引起所述第一光程与所述第二光程之间的光程差，所述光程差取决于所述干涉布置的所述反射面与所述衍射光栅之间的间隔；以及

对于每个干涉布置，相应的一组一个或多个光检测器，其布置成检测由取决于所述光程差的光的所述第一部分和所述第二部分产生的干涉图样的至少一部分；

准直光学布置，其布置成至少部分地准直所述光源与所述衍射光栅之间的所述光；

其中所述光源包括多个光源元件，使得所述光被提供为多个光束，其中每个光源元件提供所述束中的相应的束，并且其中将每个光束引导到所述衍射光栅中的相应的衍射光栅上。

10.根据任一前述权利要求所述的光学位移传感器，其中在每个衍射光栅与所述反射面之间存在对于每个衍射光栅不同的垂直光程长度。

11.根据任一前述权利要求所述的光学位移传感器，其中所述准直光学布置包括透镜。

12.根据任一前述权利要求所述的光学位移传感器，其中所述束与所述相应的衍射光栅所在平面的法线成一定角度打在所述衍射光栅上。

13.根据权利要求12所述的光学位移传感器，其中每个束的传播的方向在这样的平面中：所述平面i)平行于所述束打在其上的所述衍射光栅的光栅线方向和ii)垂直于所述衍射光栅所在平面。

14.根据任一前述权利要求所述的光学位移传感器，其中所述光学位移传感器包括两个或更多个衍射光栅，并且其中某个束或每个束以与所述相应的衍射光栅所在平面的法线成相应入射角打在其相应的衍射光栅上，其中一组所述衍射光栅中的每个衍射光栅的入射角与所述组中每个其他衍射光栅的入射角不同。

15.根据任一前述权利要求所述的光学位移传感器，其中打在所述衍射光栅上的所述光的或光束的束方向垂直于所述衍射光栅的表面。

16.根据任一前述权利要求所述的光学位移传感器，其中所述光学位移传感器包括两个或更多个衍射光栅，并且其中每个衍射光栅沿着从所述光栅之间的中心点径向延伸的一组线中的线定向。

17.根据任一前述权利要求所述的光学位移传感器，其中所述光学位移传感器包括N个光栅，其中所述衍射光栅相对于彼此以(360°)/N或其倍数的角度定向。

18.根据任一前述权利要求所述的光学位移传感器，其中所述干涉布置或每个干涉布置包括一对衍射光栅，所述一对衍射光栅具有相同的光栅周期和相同的光栅线方向，并且与所述反射面以相同的光学距离分离，使得所述一对衍射光栅一起发挥作用以将光引导到对应于所述干涉布置的同一组一个或多个光检测器上。

19.根据任一前述权利要求所述的光学位移传感器，其中所述衍射光栅被布置成旋转对称复合衍射光栅。

20.根据任一前述权利要求所述的光学位移传感器，其进一步包括光束控制光学布置，所述光束控制光学布置被布置成将每个干涉布置的第一光部分和第二光部分引导到针对所述干涉布置所设置的相应的光检测器上。

21.根据权利要求20所述的光学位移传感器，其中某个分束光学布置或所述分束光学布置和所述光束控制光学布置被设置在公共基板上。

22.根据任一前述权利要求所述的光学位移传感器，其中每组一个或多个光检测器包括两个光检测器，并且其中所述光检测器被布置成使得第+1衍射级打在所述光检测器中的第一光检测器上并且第-1衍射级打在所述光检测器中的第二光检测器上。

23.根据任一前述权利要求所述的光学位移传感器，其中每组一个或多个光检测器包括三个光检测器，并且其中所述光检测器被布置成使得第+1衍射级打在所述光检测器中的第一光检测器上，第0衍射级打在所述光检测器中的第二光检测器上并且第-1衍射级打在所述光检测器中的第三光检测器上。

24.根据任一前述权利要求所述的光学位移传感器，其进一步包括膜，其中所述反射面包括或被设置在所述膜的表面上。

25.一种光学麦克风，其包括根据任一前述权利要求所述的光学位移传感器。

26.一种光学位移传感器，其包括：

反射面；

一个或多个衍射光栅，其与所述反射面间隔开，其中所述衍射光栅或每个衍射光栅与所述反射面一起定义相应的干涉布置，并且其中i)所述反射面或ii)所述衍射光栅或每个衍射光栅相对于另一者是可移动的；

光源，其布置成向所述干涉布置提供光，使得对于每个干涉布置，所述光的第一部分经由所述干涉布置沿着第一光程传播，并且所述光的第二部分经由所述干涉布置沿着不同的第二光程传播，从而引起所述第一光程与所述第二光程之间的光程差，所述光程差取决于所述干涉布置的所述反射面与所述衍射光栅之间的间隔；以及

对于每个干涉布置，相应的一组一个或多个光检测器，其布置成检测由取决于所述光程差的光的所述第一部分和所述第二部分产生的干涉图样的至少一部分；

准直光学布置，其布置成至少部分地准直所述光源与所述衍射光栅之间的所述光；

其中，对于所述干涉布置或每个干涉布置，当所述反射面或所述衍射光栅处于零位移位置时，所述衍射光栅与所述反射面间隔开一定距离，使得光的相应的第一部分在所述衍射光栅与所述反射面之间沿着光程长度L行进；

其中所述衍射光栅或每个衍射光栅包括具有光栅周期p的周期性衍射光栅，使得对于所述干涉布置或每个干涉布置，所述光栅周期p和所述光程长度L满足以下关系：

以在的20％以内，其中m是整数；

其中T_z是Talbot长度，定义为：

其中λ是所述光的波长。