JP2019508670A - 光学mems干渉計におけるミラーの位置決めのための自己較正 - Google Patents
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Abstract
Description
本米国特許出願は、35U.S.C.§119(e)に従って、参照することによりその全体が本明細書に組み込まれ、本米国特許出願の一部をなす以下の米国仮特許出願に基づいて優先権を主張するものである。
1.2015年12月18日に出願され、係属中の「光学MEMS干渉計におけるミラーの位置決めのための自己較正」と題する米国仮特許出願第62/269,866号(代理人整理番号SIWA−1007PROV3)。
1.2014年1月28日に出願され、係属中の「光MEMS干渉計におけるミラーの位置合わせのための自己較正」と題する米国特許出願第14/165,997号(代理人整理番号BASS01−00017I1)であって、参照することによりその全体が本明細書に組み込まれ、本米国特許出願の一部をなす以下の米国仮特許出願に基づいて、35U.S.C.§120に従って、継続中の一部(CIP)として、優先権を主張する出願。
a.2011年3月9日に出願され米国特許第8,873,125号として特許された「光学干渉計におけるミラー位置を決定する技術」と題する米国特許出願第13/044,238号(代理人整理番号BASS01−00008)であって、35U.S.C.§119(e)に従って、参照することによりその全体が本明細書に組み込まれ、すべての目的のために本米国特許出願の一部を構成する以下の米国仮特許出願に基づいて優先権を主張する出願。
(i).2010年3月9日に提出され現在失効している「MEMSベースのシステムのためのエレクトロニクス:設計上の問題およびトレードオフ」と題する米国仮特許出願第61/311,966号(代理人整理番号BASS01−00008)。
本発明は、一般には、光学的分光法および干渉法に関し、特に、光学干渉計におけるマイクロメカニカル(微小電子機械)システム(Micro Electro-Mechanical System)(MEMS)技術の使用に関する。
微小電気機械システム(MEMS)とは、超微細加工技術による一般のシリコン基板上における機械要素、センサ、アクチュエータおよび電子回路の統合をいう。例えば、マイクロエレクトロニクスは、典型的には、集積回路(IC)工程を使用して製造されるが、マイクロメカニカル部品は、シリコンウェーハの部分を選択的にエッチングで除去し、または新しい構造層を追加して機械的、エレクトロメカニカル(電子機械的)部品を形成する、適合する微細機械加工工程を使用して製造される。MEMSデバイスは、その低コスト、バッチ処理能力、および標準的なマイクロエレクトロニクスとの適合性ゆえに、分光法、プロフィロメトリ、環境センシング、屈折率測定(または材料認識)、ならびに他のいくつかのセンサ用途における使用のための魅力的な候補である。加えて、MEMSデバイスが小型であることは、そのようなMEMSデバイスのモバイル機器およびハンドヘルド機器への組み込みも容易にする。
ここで、2つの連続するゼロ交差710間の距離(Δx)はλ0/2に等しい。
ここで
である。
ここで、A1、A2、A3...は、メインバーストに対する二次バーストの相対強度であり、OPD1、OPD2、OPD3、...は、二次バーストとメイン(中央)バーストとの間の光路差である。
Claims (26)
- 微小電気機械システム(MEMS)装置であって、
MEMS干渉計であって、
光を受けて反射させるように光学的に結合され、そこからインターフェログラムを形成するよう構成された少なくとも1のミラーであって、当該少なくとも1のミラーの第1のミラーが非平面表面を有する少なくとも1のミラーと、
可動ミラーの変位を生じさせるために前記少なくとも1のミラーの可動ミラーに結合された、可変静電容量を有するMEMSアクチュエータと、
を有するMEMS干渉計と、
記憶された前記MEMSアクチュエータの静電容量を前記可動ミラーのそれぞれの格納された位置にマッピングするテーブルを維持するメモリと、
前記MEMSアクチュエータに結合された静電容量検知回路であって、
前記可動ミラーの移動の結果として形成される前記インターフェログラムの中央バーストに対応する前記可動ミラーの第1の基準位置で前記MEMSアクチュエータの第1の測定された静電容量を検知し、
前記可動ミラー及び前記非平面表面の移動の結果として形成される前記インターフェログラムの二次バーストに対応する前記可動ミラーの第2の基準位置で前記MEMSアクチュエータの第2の測定された静電容量を検知する、
よう構成された静電容量検知回路と、
前記第1の基準位置での前記第1の測定された静電容量及び前記第2の基準位置での前記第2の測定された静電容量を使用し、前記テーブルに記憶された静電容量に適用すべき補正量を判断するよう構成された較正モジュールと、
を具えることを特徴とするMEMS装置。 - 請求項1に記載のMEMS装置において、
さらに、前記静電容量検知回路が、前記MEMSアクチュエータの現在の静電容量を決定するよう構成されており、
前記テーブルにアクセスし、前記MEMSアクチュエータの前記現在の静電容量と前記補正量との組み合わせに基づいて、前記可動ミラーの現在位置を決定するよう構成されたディジタル信号プロセッサをさらに具えることを特徴とするMEMS装置。 - 請求項1に記載のMEMS装置において、
既知の波長を有する入射ビーム生成し、前記干渉計に前記入射ビームを与えるよう構成された光源をさらに具えており、
前記静電容量検知回路が、さらに、前記可動ミラーが、前記入射ビーム及び前記可動ミラーの移動の結果として生成されるさらなるインターフェログラムの少なくとも2つのゼロ交差を通過する際に、静電容量の変化を測定するよう構成されており、
さらに、前記静電容量の変化及び前記さらなるインターフェログラムに基づいて前記テーブルを埋めるよう構成されたディジタル信号プロセッサを具えることを特徴とするMEMS装置。 - 請求項1に記載のMEMS装置において、
前記テーブルが、初期静電容量検知曲線を表しており、
前記較正モジュールが、さらに、前記MEMSアクチュエータの前記第1及び第2の測定された静電容量を、前記第1及び第2の基準位置における前記テーブル内の対応するそれぞれの記憶された静電容量と比較して、前記第1及び第2の測定された静電容量と前記テーブル内の対応する記憶された静電容量との間のそれぞれの誤差を計算するよう構成されており、
前記較正モジュールが、さらに、前記初期静電容量検知曲線及び前記計算された誤差を用いて、補正された静電容量検知曲線を推定するよう構成されており、前記補正量が、前記補正された静電容量検知曲線と前記初期静電容量検知曲線との間の差に対応することを特徴とするMEMS装置。 - 請求項1に記載のMEMS装置において、
さらに、広帯域光ビームを生成し、前記広帯域光ビームを第1および第2の測定された静電容量の検出中に前記MEMS干渉計に提供するように構成された広帯域光源を具えることを特徴とするMEMS装置。 - 請求項1に記載のMEMS装置において、
さらに、前記広帯域光ビームを受信するように光学的に結合され、既知の波長を有する入力ビームを生成し、前記入力ビームを前記干渉計に供給するよう構成された狭帯域光学フィルタを具えており、
前記静電容量検知回路は、さらに、前記可動ミラーが前記入力ビーム及び前記可動ミラーの動きの結果として生成されるさらなるインターフェログラムの少なくとも2つのゼロ交差を通過する際に、静電容量変化を測定するように構成され、
さらに、前記静電容量変化と前記さらなるインターフェログラムに基づいて前記テーブルを埋めるように構成されたディジタル信号プロセッサを具えることを特徴とするMEMS装置。 - 請求項1に記載のMEMS装置において、
前記静電容量検知回路は、前記可動ミラーおよび前記非平面表面の移動の結果として生成される前記インターフェログラムのそれぞれの少なくとも1つの追加の二次バーストに対応する、前記可動ミラーのそれぞれの少なくとも1つの追加の基準位置で、前記MEMSアクチュエータの少なくとも1つの追加の測定静電容量を検知するように構成され、
前記較正モジュールは、さらに、前記第1の基準位置における前記第1の測定静電容量、前記第2の基準位置における前記第2の測定静電容量、および前記それぞれの少なくとも1つの追加の基準位置における前記少なくとも1つの追加の測定静電容量を使用して、前記補正量を決定するよう構成されることを特徴とするMEMS装置。 - 請求項1に記載のMEMS装置において、
前記第1のミラーの非平面表面は、主表面と、前記主表面からオフセットされた少なくとも1つの追加の表面とを含んでおり、
前記主表面は、前記干渉計の光軸において前記第1ミラーの中心に位置し、前記インターフェログラムの中心バーストを生成するように構成されており、
前記少なくとも1つの追加の表面は、前記第1のミラーの縁部の近くに位置し、前記インターフェログラムの二次バーストを生成するように構成される、
ことを特徴とするMEMS装置。 - 請求項8に記載のMEMS装置において、
前記少なくとも1つの追加の表面が、
前記第1のミラーの第1端部の前記主表面に隣接し、前記主表面に対して第1のオフセットを有する第1のオフセット面と、
前記第1のミラーの前記第1の端部の前記第1のオフセット面に隣接し、前記主表面に対して第2のオフセットを有する第2のオフセット面と、
前記第1のミラーの前記第1の端部に対向する第2の端部の前記主表面に隣接し、前記主表面に対して第3のオフセットを有する第3のオフセット面と、
前記第1のミラーの前記第2の端部の前記第3のオフセット面に隣接し、前記主表面に対して第4のオフセットを有する第4のオフセット面と、
を有しており、
前記第1のオフセット面、前記第2のオフセット面、前記第3のオフセット面および前記第4のオフセット面のそれぞれは、前記インターフェログラムのそれぞれの二次バーストを生成するように構成される、
ことを特徴とするMEMS装置。 - 請求項1に記載のMEMS装置において、
前記第1ミラーの前記非平面表面は、主表面と、前記主表面からオフセット量だけオフセットしたオフセット面とを含んでおり、
前記オフセット面は、前記干渉計の光軸において前記第1のミラーの中心に配置され、前記インターフェログラムの前記二次バーストを生成するように構成され、
前記主表面は、その両側の前記オフセット面に隣接しており、前記インターフェログラムの前記中心バーストを生成するように構成されていることを特徴とするMEMS装置。 - 請求項10に記載のMEMS装置において、
前記第1のミラーの前記非平面表面は、前記主表面から追加のオフセット量だけオフセットされた追加のオフセット面をさらに含み、前記主表面の両側で前記主表面に隣接する前記追加のオフセット面は、前記インターフェログラムの追加の二次バーストを生成するよう構成されることを特徴とするMEMS装置。 - 請求項1に記載のMEMS装置において、
前記第1のミラーの前記非平面表面は、主表面と、前記主表面の両側の対応する傾斜表面と、前記主表面の両側の対応する反射表面とを含んでおり、
前記主表面は、前記干渉計の光軸において前記第1ミラーの中心に位置し、前記インターフェログラムの中心バーストを生成するように構成され、
前記傾斜表面は、前記主表面に対してそれぞれの角度でそれぞれ位置決めされ、前記反射表面のそれぞれ1つから光を反射して、前記インターフェログラムの前記二次バーストを生成するように構成されることを特徴とするMEMS装置。 - 請求項1に記載のMEMS装置において、
前記MEMSアクチュエータは2つのプレートを有する静電アクチュエータであり、前記静電容量検知回路は前記2つのプレート間の現在の静電容量を検知するよう構成されていることを特徴とするMEMS装置。 - 請求項13に記載のMEMS装置において、
前記MEMSアクチュエータは、静電櫛形駆動アクチュエータであることを特徴とするMEMS装置。 - 請求項1に記載のMEMS装置において、
前記静電容量検知回路は、前記現在の静電容量を受け取り、静電容量に比例する出力電圧を生成するよう構成された静電容量−電圧変換器を含むことを特徴とするMEMS装置。 - 請求項1に記載のMEMS装置において、前記MEMS干渉計が、さらに、
入射ビームを受け取り、前記入射ビームを第1の干渉ビームおよび第2の干渉ビームに分割するように光学的に結合されたビームスプリッタと、
前記第1の干渉ビームを受け取り、前記第1の干渉ビームを前記ビームスプリッタに向けて反射して、第1の反射干渉ビームを生成するように光学的に結合された固定ミラーと、
前記第2の干渉ビームを受け取るように光学的に結合され、前記第2の干渉ビームを前記ビームスプリッタに向けて反射して、第2の反射干渉ビームを生成する前記可動ミラーと、
前記第1の反射干渉ビームと前記第2の反射干渉ビームとの間の干渉の結果として生成されたインターフェログラムを検出するように光学的に結合された検出器と、
を含んでおり、
前記可動ミラーの変位は、前記変位の2倍に等しい前記第1の干渉ビームと前記第2の干渉ビームとの間の光路長差を生成することを特徴とするMEMS装置。 - 請求項16に記載のMEMS装置において、
前記中心バースト及び前記二次バーストは、前記第1干渉ビームと前記第2干渉ビームとの間のゼロ光路長差にそれぞれ対応することを特徴とするMEMS装置。 - 請求項1に記載のMEMS装置において、
前記MEMS干渉計は、フーリエ変換赤外(FTIR)分光計を含むことを特徴とするMEMS装置。 - 請求項1に記載のMEMS装置において、
前記第1のミラーが可動ミラーであることを特徴とするMEMS装置。 - 微小電気機械システム(MEMS)干渉計を較正するための方法であって、
少なくとも1つのミラーを提供するステップであって、前記少なくとも1つのミラーの第1のミラーは、前記MEMS干渉計内に非平面表面を有し、前記少なくとも1つのミラーの可動ミラーがMEMSアクチュエータに結合されて、前記可動ミラーの変位を引き起こし、前記MEMSアクチュエータは可変静電容量を有する、ステップと、
前記MEMSアクチュエータの記憶された静電容量を前記可動ミラーのそれぞれの記憶された位置にマッピングするテーブルを維持するステップと、
前記可動ミラーの移動の結果として生成されたインターフェログラムの中心バーストに対応する前記可動ミラーの第1の基準位置における前記MEMSアクチュエータの第1の測定された静電容量を検知するステップと、
前記可動ミラーと前記非平面表面との移動の結果として生成されたインターフェログラムの二次バーストに対応する、前記可動ミラーの第2の基準位置における前記MEMSアクチュエータの第2の測定された静電容量を検知するステップと、
前記第1の基準位置における前記第1の測定された静電容量および前記第2の基準位置における前記第2の測定された静電容量を用いて、前記テーブル内の前記記憶された静電容量に適用される補正量を決定するステップと、
を具えることを特徴とする方法。 - 請求項20に記載の方法において、さらに、
前記MEMSアクチュエータの現在の静電容量を決定するステップと、
前記MEMSアクチュエータの現在の静電容量と前記補正量との組み合わせに基づいて前記可動ミラーの現在位置を決定するステップとを具えることを特徴とする方法。 - 請求項20に記載の方法において、さらに、
前記MEMS干渉計において既知の波長を有する入力ビームを受け取るステップと、
前記入力ビーム及び前記可動ミラーの移動の結果として生成された追加のインターフェログラムの少なくとも2つのゼロ交点を通過するときの静電容量の変化を測定するステップと、
前記静電容量の変化と前記インターフェログラムに基づいて前記テーブルを埋めるステップと、
を具えることを特徴とする方法。 - 請求項20に記載の方法において、
前記テーブルは初期静電容量検知曲線を表しており、さらに、
前記第1および第2の測定された静電容量と前記テーブル内の対応する記憶された静電容量との間のそれぞれの誤差を計算するために、前記MEMSアクチュエータの前記第1および第2の測定された静電容量を前記テーブル内の対応する記憶されたそれぞれの静電容量と比較するステップと、
前記初期静電容量検知曲線及び前記計算された誤差を使用して補正された静電容量検知曲線を外挿するステップと、
前記補正された静電容量検知曲線と前記初期静電容量検知曲線との差として補正量を決定するステップと、
を具えることを特徴とする方法。 - 請求項20に記載の方法において、さらに、
前記可動ミラーおよび前記非平面表面の移動の結果として生成されたインターフェログラムのそれぞれの少なくとも1つの追加の二次バーストに対応する、前記可動ミラーのそれぞれの少なくとも1つの追加の基準位置における前記MEMSアクチュエータの少なくとも1つの追加の測定された静電容量を検知するステップと、
前記第1の基準位置における前記第1の測定された静電容量、前記第2の基準位置における前記第2の測定された静電容量、および前記それぞれの少なくとも1つの追加の基準位置における前記少なくとも1つの追加の測定された静電容量を使用して、前記テーブル内の記憶された位置に適用されるべきそれぞれの位置補正を決定するステップと、
を具えることを特徴とする方法。 - 請求項20に記載の方法において、
前記中心バーストおよび前記二次バーストはそれぞれ、前記非平面表面の結果としての前記MEMS干渉計内のゼロ光路長差に対応することを特徴とする方法。 - 請求項20に記載の方法において、
前記第1のミラーが可動ミラーであることを特徴とする方法。
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