DE60217535T2

DE60217535T2 - Optisches versetzungssensorelement

Info

Publication number: DE60217535T2
Application number: DE60217535T
Authority: DE
Inventors: Ib-Rune Johansen; Olav Stanford SOLGAARD; Odd Lovhaugen; Hakon Sagberg; Henrik Rogne; Dag Wang
Original assignee: Sinvent AS
Current assignee: Sinvent AS
Priority date: 2001-11-13
Filing date: 2002-11-13
Publication date: 2007-11-15
Anticipated expiration: 2022-11-14
Also published as: CA2465299C; EP1446979A1; PT1446979E; NO20015552D0; CA2465299A1; ES2279894T3; SI1446979T1; CY1106434T1; EP1446979B1; DK1446979T3; US20050018541A1; US7184368B2; DE60217535D1; NO315397B1; WO2003043377A1; NO20015552L

Description

Diese Erfindung betrifft ein optisches Verschiebungssensorelement. Ein Beispiel kann ein Drucksensor oder ein Mikrofon sein, der bzw. das zumindest zwei im Wesentlichen ebene Flächen umfasst, die durch einen Hohlraum getrennt sind, der durch einen Abstandhalter definiert ist, wobei der Abstand zwischen den Flächen abhängig von einer Druckfluktuation in der Umgebung relativ zu dem Druck in dem Hohlraum variabel ist. Die Änderung des Abstands zwischen den Flächen kann durch eine Durchbiegung einer Fläche oder beider Flächen oder durch Zusammendrücken des Abstandhalters bewirkt werden.
Bis vor kurzem basierten Verschiebungssensoren wie zum Beispiel Mikrofone auf Kondensatorstrukturen und Impedanzmessungen. Dabei gibt es eine Anzahl von Nachteilen bezüglich Empfindlichkeit, dem Anlegen einer Hochspannungs-Vorspannung, Isolierung zwischen Schichten, Ausrichtung und Positionierung einer Membran relativ zu einer Rückelektrode, hohen Anforderungen an Vorverstärker und nichtlineares Ansprechen, was insgesamt zu kostspieligen und komplizierten Lösungen führt.
Optische Mikrofone sind in der Lage, viele der hauptsächlichen Probleme zu lösen, an denen kapazitive Sensoren leiden. Es bestehen keine Probleme beim Anlegen einer Vorspannung und kein Bedarf an einer elektrischen Isolierung. Interferometrische Sensoren sind in der Lage, mit weniger anspruchsvoller Elektronik eine gleiche oder bessere Empfindlichkeit zu erzielen als kapazitive Verschiebungssensoren, aber bis jetzt waren diese Lösungen relativ kostspielig, da das Problem der Ausrichtung und Positionierung noch nicht gelöst worden ist.
In Hall, N.A. und Deterkin, F.L., „Self-Calibrating Micromachined Microphones with Integrated Optical Displacement Detection", Transducers '01, The 11th International Conference on Solid-State Sensors and Actuators, München, Deutschland, 10. bis 14. Juni 2001, werden diese Probleme diskutiert und eine alternative Lösung wird vorgeschlagen, die optische diffraktive Gitter für eine Verschiebungsmessung implementiert.
Das in dem Aufsatz beschriebene Verfahren basiert zum Teil auf dem in der US 5,311,360 beschriebenen optischen Modulator und stellt eine zuverlässige optische Lösung zum Detektieren von Verschiebungen unter Verwendung einer einfachen Elektronik zur Verfügung, da die elektronischen Schaltungen nur die Änderung der Intensität der reflektierten optischen Signale messen. Der optische Teil ist jedoch noch immer recht kompliziert, da er die Verwendung von Linsen erfordert, um das Licht zu den Gittern hin und von diesen wegzuleiten und zu fokussieren, und benötigt somit sorgfältig positionierte optische Teile, um korrekt zu arbeiten.
Die US 5.794.023 beschreibt eine andere Verwendung einer diffraktiven Optik, bei der zwei Phasenzonenplatten benachbart zueinander positioniert sind, so dass die zweite Platte die Wirkung der ersten aufhebt. Ohne äußere Einflüsse bleibt das durchgelassene Licht unverändert.
In der US 4.636.076 ist ein optischer Dekodierer zum Messen von Positionsänderungen beschrieben. Ein reflektierendes Gitter wird zusätzlich zu einem durchlässigen Gitter verwendet, das auch inkrementelle Verschiebungen der Position aufweist. Ein Moiré-Effekt wird erhalten, der verwendet wird, um zu messen, um wie viele Perioden das Reflexionsgitter relativ zu dem Transmissionsgitter bewegt wird.
Die WO 99 29139 offenbart ein optisches Verschiebungssensorelement (siehe z. B. 3 und den zugehörigen Text) mit zwei reflektierenden Flächen, wobei eine der Flächen bewegbar ist. Durch einen Eingangs- und einen Ausgangswellenleiter tritt Licht in den Sensor ein und aus diesem aus. Die zweite reflektierende Fläche ist feststehend und mit einer Spiegelschicht überzogen.
Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung, die in dem zuvor erwähnten Aufsatz offenbarte Lösung zu verbessern, indem ein optisches Sensorelement zum Messen einer Verschiebung, eines Drucks, von akustischen Signalen oder dergleichen, ohne die Notwendigkeit einer komplizierten Optik zur Verfügung gestellt wird. Dies wird erreicht, indem ein Verschiebungssensor wie oben beschrieben vorgesehen und überdies wie in den beiliegenden Ansprüchen ausgeführt gekennzeichnet ist.
Gemäß der Erfindung ist das Gitter mit einem Fokussierungsvermögen versehen, um die Notwendigkeit einer komplizierten Optik zu beseitigen oder zu reduzieren. Dies wird unten stehend auf der Grundlage von Fresnel-Zonenplatten erklärt. Es ist bekannt, dass eine Fresnel-Zonenplatte eine flache Linse auf der Grundlage von Beugung bereitstellt.
Eine diffraktive Linse ist aus einer Anzahl von Zonen mit einer Stufe an der Grenze jeder Zone zusammengesetzt, wobei die Grenze einen Abstand r_j von der Linsenmitte aufweist und j die Stufennummer ist. Für eine Transmissionslinse ist die optische Höhe ho der Stufe oft gleich der Designwellenlänge λ₀ der Linse, sodass die physikalische Höhe hp ausgedrückt werden kann als:
wobei n (λ₀) der Brechungsindex bei λ₀ ist.
Die allgemeine Höhenfunktion f(r) für eine in Transmission betriebene diffraktive Linse mit einer Brennweite f ist:
wobei N die Anzahl der Zonen und n der Brechungsindex ist.
Die Phasenfunktion Φ (r, λ) bei Bestrahlung mit einer ebenen Welle mit einer Wellenlänge λ ist somit definiert als:
Diese diffraktive Linse kann bei Breitbandanwendungen nicht verwendet werden, da ihre Brennweite stark von der Wellenlänge abhängig ist, wobei die Brennweite ausgedrückt werden kann als
wobei f_m die Brennweite der Beugungsordnung m für λ ≠ λ₀ ist.
Wenn eine diffraktive Linse in Reflexion verwendet werden soll, entspricht der Schritt der halben Designwellenlänge. In dem allgemeinen Fall mehrerer Ordnungen lauten die entsprechenden Gleichungen wie folgt:
und
Die aktive Dicke der diffraktiven Linse ist in diesem Fall somit:
wobei die Neigung des Strahlenwegs ignoriert wird.
Zum Veranschaulichen der oben erklärten Theorie wird auf die beiliegenden 3 und 4 verwiesen.
Eine reflektierende Fresnel-Phasenzonenplatte besitzt eine physikalische Höhe hp = λ/2 und ein kontinuierliches Profil innerhalb jeder Zone, wie in 3A veranschaulicht ist. Eine binäre Phasenzonenplatte besitzt nur zwei Niveaus und kann erhalten werden, indem für die Linse bei der halben Höhe ein Schwellenwert gesetzt wird, wie in 3B veranschaulicht ist. Die neue reflektierende binäre Phasenzonenplatte besitzt nun eine reflektierende obere Schicht für alle Höhen oberhalb des Schwellenwerts und eine reflektierende untere Schicht für alle Höhen unterhalb des Schwellenwerts und die beiden Schichten sind nun nur um hp/2 oder λ/4 getrennt, wie in 3C veranschaulicht ist. 3D veranschaulicht die Linse von oben, wobei die weißen Felder die untere reflektierende Schicht und die schwarzen Felder die obere reflektierende Schicht sind. Es sollte angemerkt werden, dass eine binäre Phasenzonenplatte weniger effizient ist als eine Fresnel-Phasenzonenplatte mit einem kontinuierlichen Höhenprofil (3A).
4 veranschaulicht dasselbe wie 3D, dieses Muster ist jedoch von einem realen Aufbau genommen und die Aspektverhältnisse sind realistischer.
Die Erfindung basiert auf der Idee des Trennens der oberen reflektierenden Schicht und der unteren reflektierenden Schicht in zwei getrennte Strukturen, was ermöglicht, dass der Abstand zwischen den beiden Schichten geändert werden kann. Die Änderung der Höhe zwischen der oberen und der unteren reflektierenden Schicht ergibt eine Änderung der Intensität, wie in 5 veranschaulicht ist. Wenn die Höhe 0 beträgt, fungiert die Linse als ein Spiegel, und wenn die Höhe ¼ der Wellenlänge beträgt, wird der maximale Fokussierungseffekt erzielt.
Die Erfindung wird unten in Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen, die die Erfindung beispielhaft veranschaulichen, detaillierter beschrieben.
1 veranschaulicht den Querschnitt eines Sensors gemäß der Erfindung.
2 veranschaulicht das Prinzip der diffraktiven Linse.
3

a) veranschaulicht einen Querschnitt einer Fresnel-Phasenzonenplatte.
b) veranschaulicht einen Querschnitt einer Zonenplatte mit einem markierten Schwellenwert.
c) veranschaulicht einen Querschnitt einer binären Phasenzonenplatte.
d) veranschaulicht eine binäre Zonenplatte von oben betrachtet.

4 zeigt ein weiteres Beispiel einer binären Phasenplatte.
5 veranschaulicht die Intensität im Brennpunkt der Linse als eine Funktion des Abstands zwischen der oberen und der unteren reflektierenden Fläche.
6 wie 5, gibt jedoch den empfindlichsten Teil der Verwendung als Sensor an.
7 veranschaulicht eine Ausführungsform der Erfindung mit einer kontrollierten Zonenplattenhöhe.
8 veranschaulicht ein System, das eine Anzahl von Verschiebungssensoren gemäß der Erfindung für akustische Messungen verwendet.
9 veranschaulicht einen differenziellen diffraktiven Sensor gemäß der Erfindung.
10 Die Signale von den beiden in 9 gezeigten unterschiedlichen Höhenniveaus sind auf zwei verschiedene Detektoren fokussiert.
11 veranschaulicht eine 3-D diffraktive Phasenlinse, die in Reflexion arbeitet.
12 veranschaulicht die in 11 gezeigte Phasenlinse, wenn die zwei Teile der reflektierenden Linse das Licht in Phase summieren.
13 veranschaulicht die Herstellung einer Linse wie in den 11 und 12 gezeigt.
Das in 1 veranschaulichte optische Verschiebungssensorelement umfasst zwei im Wesentlichen ebene Flächen 1, 2, die durch einen ausgewählten Abstand getrennt sind. Die erste Fläche 1 besteht aus einem kreisförmigen oder kurvenförmigen optischen reflektierenden Gitter, das eine reflektierende Beugungslinse, wie oben definiert, bereitstellt, die auf einem transparenten Elementteil 3, der z. B. aus Kunststoff oder Glas hergestellt ist, positioniert ist.
Die zweite Fläche 2 besteht aus einer reflektierenden Fläche, die auf einem stabilen Elementteil 4 von einem beliebigen geeigneten Typ, z. B. aus Glas, positioniert ist.
In den Zeichnungen sind die beiden Elementteile 3, 4 durch einen Abstandhalter 5 getrennt, um für den ausgewählten Abstand zwischen den Flächen 1, 2 zu sorgen. Die Änderung des Abstands zwischen den Flächen kann durch eine Durchbiegung einer Fläche oder beider Flächen bewirkt werden.
Alternativ kann der Abstandhalter 5 aus einem beliebigen geeigneten Material bestehen, welches zulässt, dass sich der Abstand zwischen den Flächen mit fluktuierenden Drücken ändert, und kann alternativ als ein Teil eines der Elementteile 3, 4 vorgesehen sein.
Das Sensorelement gemäß der Erfindung kann auch einen Leckagekanal 8 zwischen dem Hohlraum und der Umgebung für einen langsamen Druckausgleich zwischen den beiden, ebenso wie, abhängig von dem Luftdurchsatz des Kanals, einen physikalischen Tiefpassfilter umfassen. Der Kanal kann abhängig von der Situation in jedem beliebigen geeigneten Teil des Sensorelements positioniert sein, wobei die genaue Position für die Erfindung unwichtig ist.
2 veranschaulicht das Prinzip der Erfindung, wobei sie schematisch veranschaulicht, wie eine Lichtquelle 6 Licht in Richtung der Zonenplatte emittiert, wobei das Licht dann in Richtung eines Detektors 7 reflektiert wird. Wenn der Abstand d zwischen den Flächen 1, 2 um einen Abstand Δx geändert wird, wird die Fokussierungswirkung der Linse geändert, was zu einer Reduktion der an dem Detektor 7 gemessenen Intensität führt.
2 zeigt einen Detektor und eine Lichtquelle, die an verschiedenen Orten positioniert sind. Alternativ können diese Elemente dieselbe optische Position einnehmen, beispielsweise durch die Verwendung eines Strahlenteilers. Dies erfordert ein etwas komplizierteres System, ermöglicht aber eine Quellen/Detektor-Einheit, die in einigen Fällen besser geeignet sein kann. Ein kompakteres System kann eine einzelne optische Faser umfassen, die an der optischen Achse bei der doppelten Brennweite der Linse endet, wobei die Quelle und der Detektor an dem anderen Ende der Glasfaser positioniert sind und durch einen Optokoppler getrennt sind.
Wenn eine kollimierte oder teilweise kollimierte Quelle verwendet wird (d.h. ein Diodenlaser oder eine LED), kann die abstimmbare binäre Linse verwendet werden, um das Licht auf den Detektor zu fokussieren.
Durch Verwendung von zumindest zwei Detektoren oder möglicherweise eines Detektorarrays, die bzw. das im Brennpunkt oder entlang der Linie von Brennpunkten der zusätzlichen Reflexionsordnungen der diffraktiven Linse positioniert sind bzw. ist, kann auch eine verbesserte Genauigkeit erzielt werden.
Der Sensor gemäß der Erfindung weist eine Membran auf, die empfindlich gegenüber Druckschwankungen ist. Eine geringe Änderung eines Druckes führt zu einer Verschiebung Δx der Membran. Eine Maske (auf ein Glassubstrat geklebt) ist über der Membran angeordnet. Die Kombination aus der reflektierenden Membran und der Maske arbeitet wie eine Fresnel-Zonenplatte. Diese binäre Linse ist dergestalt, dass sie die Quelle mit dem Detektor konjugiert, wie in 2 gezeigt ist.
Wie oben erwähnt, liegt für einen Abstand d von der Maske zu der Membran, z. B. wenn d ein ungerades Vielfaches von λ/4 ist, der Brennpunkt auf dem Detektor. Für einen Abstand d von der Maske zu der Membran, z.B. wenn d ein Multiplikator von λ/2 ist, wird die Phasenverzögerung 2π und das System arbeitet wie ein Spiegel (oder anders ausgedrückt, fokussiert nicht).
Durch Messen der Energie an dem Detektor ist es möglich, wie gut er fokussiert und die Δx-Verschiebung der Membran abzuleiten.
Wenn diese abstimmbare Linse als Verschiebungssensor verwendet wird, sollte der Abstand von dem reflektierenden Teil des reflektierenden Musters zu der reflektierenden Membran ein ungerades Vielfaches von λ/8 betragen.
Die physikalischen Abmessungen eines als Mikrofon verwendeten Sensors auf der Grundlage der in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsform können wie folgt lauten:
Der Durchmesser der gemusterten Fläche kann etwa 2 bis 3 mm betragen, die Dicke des Abstandhalters von 0,1 bis 8 Mikrometer, abhängig davon, welcher akustische Frequenzbereich abgedeckt werden soll. Der Durchmesser der Membran kann etwa 5 mm betragen. Der Abstand von den Flächen zu dem Detektor und der Quelle kann etwa 5 bis 10 mm betragen. Wenn der Detektor und die Quelle zu nahe beieinander liegen, kommen die Zonen zu nahe aneinander und Abschattungseffekte beginnen zu dominieren. Abschattungseffekte sind auch ein Problem, wenn ein Abstandhalter zu dick wird.
Wie in 4 veranschaulicht, umfasst die bevorzugte Ausführungsform ein kreisförmiges Streifenmuster in der diffrakiven Linse. Es ist jedoch möglich, andere Lösungen zu verwenden, wobei die nächst verwandten Kreisabschnitte sind, indem z. B. nur das dritte Streifenmuster ganz rechts in 4 verwendet wird. Die Fokussierungseigenschaften dieser Linse werden im Wesentlichen die gleichen sein wie bei einem kreisförmigen Muster, da jedoch das fokussierte Licht die optische Achse aus einer Richtung erreichen wird, kann ein Detektorarray entlang der optischen Achse angeordnet werden. In diesem Fall kann der Detektor, der die maximale Lichtintensität empfängt, den Ort des Brennpunkts angeben. Auch kann diese Ausführungsform ein Mittel zum Messen des Ortes mehrerer Reflexionsmodi des Gitters vorsehen, und ein eindeutiges Maß des Abstands zwischen den Flächen bereitstellen.
Andere Kurven, die allgemeinere konische Abschnitte betreffen, wie auch zweidimensionale Detektormatrizes, die an oder nahe der optischen Achse positioniert sind, können in einigen Fällen ebenfalls verwendet werden.
5 veranschaulicht die relative Intensität R am Brennpunkt der reflektierenden diffraktiven Linse als eine Funktion der Abstände zwischen den Flächen 1, 2, gemessen bezüglich der Wellenlänge λ. Wie aus der Figur offensichtlich, weist die Empfindlichkeit ihr Maximum auf, wenn die relative Intensität bei dem Abstand ein 1/8 λ und 3/8 λ ungefähr 50% beträgt. Indem ein Abstand nahe an einem dieser Bereiche gehalten wird, wird die Empfindlichkeit maximiert. Allerdings nimmt die Empfindlichkeit bei größeren Eingängen ab, wenn sich der Abstand 1/4 λ annähert. Das Sensorelement sollte daher vorzugsweise derart bemessen sein, dass der Betriebsbereich im Bereich von λ/8 + mλ/4 + nλ gehalten wird, wobei n, m = 0, 1, 2, 3, ...., wie in 6 veranschaulicht ist.
6 veranschaulicht die Punkte maximaler Empfindlichkeit entlang der Kurve in 5. Es sollte angemerkt werden, dass die veranschaulichten Beispiele hier eine ideale Situation zeigen, in der die Brechungsindizes und somit die Reflexionskoeffizienten nicht berücksichtigt sind. Die Betriebspunkte können somit abhängig von diesen Faktoren unterschiedlich positioniert sein, wobei die genauen Positionen der Betriebspunkte berechnet werden können, indem die Positionen berechnet werden, die denjenigen entsprechen, an dennen die zweite Ableitungsvariation des reflektierten Signals R Null beträgt.
Die Kurve ist periodisch mit Perioden von 1/2 λ. Um den so genannten „Quetschfilmeffekt" bei kleinen Abständen zwischen den Flächen zu vermeiden, der auftritt, da Luft in den und aus dem Raum zwischen den Flächen gequetscht wird, können größere Abstände als in den Zeichnungen veranschaulicht bevorzugt sein. Der Quetschfilmeffekt kann jedoch als ein Dämpfungseffekt verwendet werden, der eine Resonanz in dem System vermeidet und somit für einen Parameter sorgt, der bei der Herstellung des Sensorelements zu berücksichtigen ist.
Die reflektierenden Gitter und Flächen 1, 2 können abhängig von der Verwendung und den Wellenlängeneigenschaften dielektrisch oder metallisch sein. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, die in 7 veranschaulicht ist, sind die Flächen metallisch und mit einer elektrischen Spannungsversorgung verbunden, um eine Spannung zwischen den beiden Flächen bereitzustellen. 7 veranschaulicht eine Ausführungsform, bei der die reflektierenden Flächen nicht für diesen Zweck verwendet werden, sondern bei der zusätzliche metallische Schichten 9 in einer Anzahl von Positionen vorgesehen sind, um parallele Flächen zu erhalten.
Bei der in 7 veranschaulichten Ausführungsform ist der Detektor an einen Verstärker 10 angekoppelt, der ein Signal an eine Steuereinheit 11 liefert. Die Steuereinheit 11 liefert eine Spannung an die metallischen Schichten 9, um den Abstand zwischen den Flächen 1, 2 zu steuern.
Durch Einstellen der Spannung kann der Abstand zwischen den Flächen eingestellt werden und optimale Fokussierungseigenschaften können jederzeit erhalten werden. Die Spannung, die erforderlich ist, um den gewählten Abstand zu erhalten, weist auf den an dem Sensorelement vorgesehenen Druck hin, womit ein Verfahren zum Beschaffen eines Auslesesignals von dem Detektor bereitgestellt wird. Die elektrische Schaltung, um dieses zu beschaffen, ist gut bekannt, und ihr genaues Wesen ist für die Erfindung nicht wichtig. Daher wird sie hier nicht detaillierter beschrieben.
Ein elektrostatisches Feld kann angelegt werden, um den Abstand zwischen dem diffraktiven Muster und der reflektierenden Membran abzustimmen und die Sensorempfindlichkeit entsprechend zu optimieren oder die Verschiebung zu einer gegebenen Position zu sperren (wie ein Tunnelspitzensensor), was den dynamischen Bereich des Sensors erhöht.
Das diffraktive Muster könnte sich selbstverständlich auf einer Membran befinden, oder das diffraktive Muster könnte aus einer dünnen Schicht hergestellt sein, wobei die durchlässigen Teile weggeätzt wurden, um zuzulassen, dass die Luft durch das diffraktive Muster hindurchströmt.
8 veranschaulicht eine Anwendung der Erfindung, bei der ein Laser/LED 6 verwendet wird, um ein 2-D-Array von diffraktiven Mikrofonen 13 zu bestrahlen, und jedes der diffraktiven Muster ist derart entworfen, dass es bei einem vorbestimmten Teil eines 1-D oder 2-D optischen Detektorarrays 14 fokussiert.
Die diffraktiven Mikrofone können z. B. auf eine derartige Weise entworfen sein, dass ein Array-Lichtdetektor, d.h. eine CCD-Kamera, sie alle detektieren kann. Es ist dann möglich, einen akustischen Sensor herzustellen, der in der Lage ist, die Phase des akustischen Signals zu messen, und dadurch durch ein an sich bekanntes elektronisches Berechnungsmittel oder eine an sich bekannte Software die Phase eines akustischen Signals von einem Punkt/einer Richtung 12 im Raum zu rekonstruieren. Somit ist es möglich, einen akustischen Detektor herzustellen, der in der Lage ist, den Ton von z.B. einer Person 12 zu fokussieren und aufzunehmen und die Geräusche des restlichen Raumes zu unterdrücken.
9 veranschaulicht einen differenziellen diffraktiven Sensor gemäß der Erfindung, der mit zwei Fokussierungsmustern 1a, 1b in zwei verschiedenen Höhen bezüglich der reflektierenden unteren Membran vorgesehen ist. Die beiden unterschiedlichen Höhen können einfach hergestellt werden, indem zunächst ein Muster auf dem Glassubstrat hergestellt wird, dann eine dünne Schicht aus Glas gesputtert oder verdampft wird und dann auf das zweite Muster aufgebracht wird. In 10 sind die Signale von den beiden in 9 gezeigten unterschiedlichen Höhenniveaus auf zwei verschiedene Detektoren 7a, 7b fokussiert.
Der Hauptvorteil bei einem Differenzialsensor besteht darin, dass es möglich ist, eine Quellendrift zu kompensieren und genaue Ablesungen zu beschaffen. Wie in 9 veranschaulicht ist, ist die Differenz des Abstands zwischen den ersten reflektierenden Mustern 1a, 1b geeignet, um Messungen von verschiedenen Teilen der Kurve, die unter Bezugnahme auf die 5 und 6 erläutert sind, zu liefern. Somit können die an den Detektoren 7a, 7b gemessenen Signale A, B ein Differenzsignal liefern: A = I(1 – δ), B = I(1 + δ), δ << 1 Δ = (A – B)/(A + B) ≈ 2δ,wobei die Beiträge von der Quelle beinahe beseitigt sind und wobei A das detektierte Signal von der ersten Linse ist, während B das detektierte Signal von dem zweiten Gitter ist. I ist die von der Quelle empfangene Intensität, δ ist die Verschiebung der reflektierten Intensität R des reflektierten Lichts infolge einer relativen Bewegung zwischen den Flächen, und Δ ist das Differenzsignal zwischen den Detektoren.
11 veranschaulicht eine 3-D diffraktive Phasenlinse, die in Reflexion arbeitet. Wenn die Linse in einen oberen und einen unteren Teil aufgeteilt ist, kann eine abstimmbare Linse hergestellt werden, die als ein Sensor ähnlich dem binären Fokussierungssensor arbeiten kann. Die Linse wird aktiv sein, wenn die obere und untere Schicht mit (m × λ/2), m = 0, 1, 2, 3, ..., getrennt sind, und nicht aktiv sein, wenn die Schichten durch (m × λ/2) ± λ/4, m = 0, 1, 2, 3, ... getrennt sind. Zwischen aktiv und nicht aktiv kann die Konstruktion als Sensor verwendet werden.
12 veranschaulicht die in 11 gezeigte Phasenlinse, wenn die beiden Teile der reflektierenden Linse das Licht in Phase summieren und somit die Linse in einen Betriebsmodus setzen.
13 veranschaulicht die Herstellung einer Linse, wie in 11 und 12 gezeigt. Die Herstellung der Sensorlinse kann erfolgen, indem zuerst eine Form hergestellt wird und dann der untere Teil des 3-D-Musters z.B. in die Membran reproduziert wird und sie dann mit einem Metall überzogen wird, oder die Membran nur in der Form direkt mit Nickel galvanisiert wird. Das Metall in „abgeschatteten" Bereichen beeinflusst die Leistung nicht. Der obere Teil kann gebildet werden, indem zuerst eine Form hergestellt und dann das 3-D-Muster in einem transparenten Material, d.h. durch Formen in Kunststoff oder durch UV-Reproduktionstechniken, reproduziert wird. Wenn der obere Teil des 3-D-Musters fertig ist, muss auch dieser mit einem Metall überzogen werden. Da Metall nur in den Vertiefungen in dem oberen 3-D-Teil gewünscht ist, muss das Metall an der ebenen Oberfläche, d.h. durch Polieren, entfernt werden. Die Erfindung wurde hier primär in Bezug auf Mikrofone oder Drucksensoren beschrieben. Sie kann jedoch, allenfalls mit kleineren Anpassungen, auch bei anderen Gelegenheiten wie z. B. bei Beschleunigungsmessern oder ähnlichem verwendet werden, bei denen sich Flächen relativ zueinander bewegen. In dem Fall des Beschleunigungsmessers kann die sich bewegende Fläche z. B. mit einem Gewicht versehen sein, um die Empfindlichkeit zu erhöhen.

Claims

Optisches Verschiebungssensorelement, das zumindest zwei im Wesentlichen parallele Flächen (1, 2) umfasst, die durch einen Hohlraum getrennt sind, der durch einen Abstandhalter (5) und die Flächen (1, 2) definiert ist, wobei der Abstand zwischen den Flächen variabel ist, wobei eine erste der Flächen (1) auf einem zumindest teilweise transparenten Träger (3) positioniert ist und mit einem reflektierenden Muster versehen ist, wobei die zweite Fläche (2) eine reflektierende Fläche ist, dadurch gekennzeichnet, dass das reflektierende Muster als eine diffraktive Linse ausgebildet ist.
Optisches Element nach Anspruch 1, wobei das Muster ein kreisförmiges Muster ist.
Optisches Element nach Anspruch 1, wobei der Abstand zwischen den Flächen nahe bei λ/8 + mλ/4 + nλ liegt, wobei n, m = 0, 1, 2, 3, ... und λ die optische Wellenlänge ist.
Optisches Element nach Anspruch 1, wobei die reflektierenden Flächen des Elements metallische Flächen sind.
Optisches Element nach Anspruch 1, wobei das Element einen Leckagekanal zwischen dem Hohlraum und der Umgebung für einen langsamen Druckausgleich zwischen den beiden aufweist.
Optisches Element, das ein optisches Element nach Anspruch 1 sowie ferner eine Lichtquelle, die in Richtung der diffraktiven Linse ausgerichtet ist, und zumindest einen Detektor umfasst, der in einer ausgewählten Position vorgesehen ist, um Reflexionen von der diffraktiven Linse zu messen.
Optisches Element nach Anspruch 6, das ein Detektorarray umfasst, das die Positionen von zumindest einer Reflexionsordnung der diffraktiven Linse misst.
Optisches Element nach Anspruch 7, wobei das Detektorarray eine zumindest teilweise axiale Ausrichtung aufweist.
Optisches Element nach Anspruch 6, wobei jede Fläche mit einem elektrischen Leiter versehen ist, wobei die Leiter an eine elektrische Steuereinheit zum Anlegen einer Spannung an die Leiter angekoppelt sind, wobei die Spannungsversorgung auch an den mindestens einen Detektor gekoppelt ist, um den Abstand zwischen den Flächen zu steuern, wenn eine Änderung detektiert wird, wobei die Ausgangsspannung auch auf die Änderungen des Umgebungsdrucks hinweist.
Optisches Element nach Anspruch 9, wobei die Steuereinheit geeignet ist, den Arbeitsabstand zwischen den Flächen auf einen ausgewählten Wert einzustellen.
Optisches Element nach Anspruch 1, das einen Kanal zum kontrollierten Luftdurchlass zwischen dem Raum zwischen den Flächen und der Umgebung umfasst.
Optisches Element nach Anspruch 1, wobei die erste und zweite Fläche eine ringförmige Struktur definieren, die eine reflektierende Phasenlinse definiert, wobei das Muster in der ersten Fläche einen ersten Teil der Linse in einer zu den Flächen rechtwinkligen Richtung definiert und der zweite Teil einen zweiten Teil der Linse definiert.
Optisches System zum Messen von akustischen Signalen, das mindestens zwei Elemente nach einem der vorangehenden Ansprüche umfasst und bei dem die optischen Elemente in einem ein- oder zweidimensionalen Array positioniert sind, wobei das System auch ein ein- oder zweidimensionales Detektorarray zum Detektieren von Fluktuationen in dem empfangenen Licht entsprechend dem empfangenen akustischen Signal umfasst, wobei das Detektorarray an ein Berechnungsmittel zum Messen der Phase des empfangenen akustischen Signals an jedem optischen Element angekoppelt ist.
Optisches System nach Anspruch 13, wobei das Berechnungsmittel auch ein Mittel zum Berechnen der Position der akustischen Quelle umfasst.
Optisches System nach Anspruch 14, wobei das Berechnungsmittel ein Filtermittel zum Abschwächen von akustischen Signalen auf der Grundlage ihrer Positionen oder Richtungen, wie durch die berechnete Phase geliefert, umfasst.
Verwendung eines Elements nach Anspruch 1 als Drucksensor.
Verwendung eines Elements nach Anspruch 1 als Mikrofon.