NO20140263A1 - Optisk bevegelsessensor - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelsen angår en optisk anordning og et tilhørende system for å måle forskyvning.

Inntil nylig har forskyvningssensorer slik som akselerometre vært baser på kapasitansstruk-turer og impedansmålinger. Dette har et antall ulemper knyttet til sensitivitet, høyspent forspenning, isolasjon mellom lag, innretting og plassering av membran i forhold til bakelektrode, høye krav til forforsterkere og ikke-lineær respons, som til sammen fører til kostbare og kompliserte løsninger.

Optiske posisjonsgivere er i stand til å detektere sideveis forskyvning av en skala i forhold til et lesehode. Lesehodet omfatter en lyskilde som opplyser et reflekterende diffraksjonsgitter gradert på skalaen. Diffraksjonsgitteret virker som en strål edel er, som sammen med andre optiske komponenter frembringer interferensbånd på lesehodet. Disse interferensbåndene med skalaen og deres posisjon kan måles ved hjelp av en eller flere detektorer. Det er flere utførelsesformer av slike givere, som særlig skiller seg fra hverandre ved hvordan de forskjellige strålene belyser og avbøyes av gitteret på skalaen kombineres for å frembringe interferensbånd, slik som [1], [2] og [3].

Med formål å integrere en miniatyrisert posisjonssensor med MEMS-anordninger, ble det funnet opp en annen type gitterbasert posisjonssensor. I denne kjente teknikken, består gitteret av en første overflate med reflekterende linjer og en andre reflekterende overflate uten mønster under. Hele strukturen kan analyseres som en deformerbar diffraksjonsstruktur med spor som består av to nivåer: Et toppnivå bestående av reflekterende linjer på den første overflaten og et bunnivå som består av delen av den andre flaten under området mellom de reflekterende linjene av den første overflaten. Ettersom avstanden mellom de to overflatene endres, så endres høyden av sporene i diffraksjonsstrukturen, hvilket fører til at diffraksjonseffektiviteten endres [4], [5].

Måten å drive en slik posisjonssensor på er ganske forskjellig fra [1, 2 & 3]. I dette tilfellet er gitteret på den første overflaten fast posisjon i forhold til et lesehode plassert over den første overflaten. Belysningen er ikke tilpasset til å frembringe interferensbånd med gitteret, men i stedet å være i stand til å skjelne minst én diffraksjonsorden reflektert av gitteret. Én eller flere fotodetektorer på lesehodet brukes til å måle lysintensiteten i én eller flere av disse diffraksjonsordenene. Merk at disse diffraksjonsordenene er ved fast posisjon på lesehodet, ettersom gitteret på den første overflaten ikke beveger seg sammenlignet med lesehodet. Men ettersom diffraksjonseffektiviteten til diffraksjonsstrukturen moduleres, endres andelen av lys som avbøyes til de forskjellige diffraksjonsordenene. For å oppsummere, endrer en endring av avstanden mellom de to overflatene høyden av sporene som utgjør en deformerbar diffraksjonsstruktur, hvilket i sin tur endrer diffraksjonseffektiviteten til diffraksjonsstrukturen, hvilket kan måles av fotodetektorer passende plassert på et lesehode. Slike posi sjons sensorer kan implementeres med lineære gitterlinjer [4], eller med fokuserende diffraksjonsmønstre som fokuserer en diffraksjonsorden på en detektor [5].

Deformerbare diffraksjonsstrukturer slik som [4] og [5] er velegnet til måling av avstanden mellom to overflater, men er ute av stand til å detektere enhver sideveis forskyvning, da slik forskyvning ikke vil endre formen på sporene i diffraksjonsstrukturen. Det er således et formål med den foreliggende oppfinnelsen å frembringe målinger som angår bevegelser sideveis i forhold til diffraksjonsmønstrene eller -strukturene.

Nanomekaniske eller nærfeltgjtre kan brukes til å detektere sideveis forskyvning [9 & 10]. Disse består av sett av gjtterlinjer plassert på to parallelle overflater, som danner flere åpninger hvis bredde og dybde modifiseres av sideforskyvningen av en av overflatene i forhold til den andre. Disse anordningene består av gitterlinjer som er mindre enn bølge-lengden til lyset brukt til å belyse anordningen både i bredde og tykkelse. Avstanden mellom de to overflatene må også være mindre enn bølgelengden til lyset. Faktisk frembringer ikke nærfelt-gitre noen diffraksjonsordener andre enn den 0'te diffraksjonsordenen (speilende refleksjon), ettersom dette ville kreve at gitterets periode er minst lik lysets bølgelengde. Som en konsekvens, må nærfelt-gitre drives i refleksjon eller transmisjon, og mangler derfor evnen til å rette lyset ved forhåndsbestemte vinkler ved å konstruere passende gitterperioder. Nærfelt-gitre kan faktisk forstås som åpninger hvis transparens kan innstilles ved å bevege to nanostrukturer i forhold til hverandre.

Formålene med denne oppfinnelsen oppnås ved å bruke en anordning og et system som beskrevet ovenfor ogkarakterisertsom angitt i de uavhengige patentkravene.

De deformerbare diffraksjonsgjtrene slik som den foreliggende oppfinnelsen består typisk av gitterlinjer med bredde større enn lysets bølgelengde. For eksempel må gitterets periode være omkring fire ganger lysets bølgelengde for å gi en første diffraksjonsorden ved en innfallsvinkel på 7° i en littrow-konfigurasjon (typisk arbeidsvinkel i vår oppfinnelse). Videre trenger ikke avstanden mellom de to overflatene med diffraksjonsstrukturer å være mindre enn bølgelengden til lysets bølgelengde, og vil av praktiske grunner velges med en avstand på flere titalls bølgelengder (for eksempel 10 til 20 pm med en belysningsbølgelengde på 1 um). Et deformerbart gitter vil fortrinnsvis bli brukt i sitt første eller høyere diffraksjonsorden, da disse diffraksjonsordenene kan rettes i forhåndsbestemte retninger ved å tilpasse gitter-perioden. For eksempel kan den første diffraksjonsordenen til og med fokuseres på en detektor ved å bruke diffraksjonsstrukturer utformet som en diffraksjonslinse.

Foretrukket utførelsesform

Hensikten med oppfinnelsen er å implementere en miniatyrisert posisjonssensor som kan integreres med MEMS-anordninger, og som er følsom for sideveis forskyvning mellom to overflater. Dette oppnås ved å lage et mønster på en først minst delvis transparent overflate med et diffraksjonsmønster (her kalt toppdiffraksjonsmønsteret), og lage et mønster på den andre overflaten med et diffraksjonsmønster tilsvarende mønsteret på den første overflaten (her kalt bunndiffraksjonsmønsteret). Mønsteret på den andre overflaten kan enten være reflekterende linjer på en minst delvis transparent overflate, eller spor etset på en reflekterende overflate. Som et alternativ, kan mønstrene også være refraktive, eller transparente, diffraksjonsmønstre hvor detektorene kan være plassert på motsatt side av paret som lyskilden. Topp- og bunnmønstrene danner en deformerbar diffraksjonsstruktur som tilnærmet kan beskrives som et diffraksjonselement hvor linjene forblir ved faste posisjoner, men hvor sporenes form modifisere ettersom topp- og bunnmønstrene forskyves i forhold til hverandre i en retning i plan med overflatene og vinkelrett på diffraksjonslinjene. Da bunndiffraksjons-mønsteret beveger seg i forhold til toppdiffraksjonsmønsteret på den første overflaten, vil formen til sporene i diffraksjonsstrukturen bli modifisert, og diffraksjonseffektiviteten til diffraksjonsstrukturen vil bli modulert. Dette kan måles av fotodetektorer på et lesehode på samme måte som i [4] og [5].

Oppfinnelsen vil bli beskrevet nærmere nedenfor med henvisning til de vedføyde tegningene, som illustrerer oppfinnelsen ved hjelp av eksempler.

Figur 1 -2 illustrerer eksempler fra kj ent teknikk.

Figur 3 illustrerer en foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen, hvor gitterlinjene i toppdiffraksjonsmønsteret kan være plassert på et transparent substrat av hensyn til mekanisk integritet. Figur 4 illustrerer at formen til sporene i en ekvivalent diffraksjonsstruktur endres med

forskyvningen av den andre overflaten i forhold til den første overflaten.

Figur 5 illustrerer flere par av diffraksjonsmønstre som gir flere signaler.

Figur 6 Illustrerer at flere par av diffraksjonsmønstre gir flere signaler.

Figur 7 Illustrerer to par av diffraksjonsmønstre med ortogonal orientering for å avføle

forskyvning i begge retningene i planet.

Figur 8 illustrerer en eksentrisk del av en linse kan brukes som den ene av

diffraksj onsmønstrene.

Figur 9 illustrerer en utførelsesform av oppfinnelsen som omfatter en åpning over de

nevnte andre gitrene.

Figur 10 illustrerer en mekanisk struktur for å bære et diffraksjonsmønster som

hovedsakelig tillater bevegelse i én retning i planet som vist med pilen.

Figur 11 illustrerer to strukturer som vist i figur 10 plassert med perpendikulære

orienteringer.

Figur 12 illustrerer en struktur for å bære de andre diffraksjonsmønstrene i en anordning

med følsomhet vinkelrett på planet.

Figur 13,14 illustrerer topp- og bunnriss av tre strukturer med følsomhet i perpendikulære

retninger.

Figur 15,16 illustrerer en utførelsesform tre perpendikulært orienterte anordninger med

gitterbærende utspring.

Figur 17,18 illustrerer en utførelsesform som tillater bevegelse i alle tre retninger, men med

bare én masse og med individuelle fjærer for hver retning.

Figur 19 illustrerer en utførelsesform som tillater bevegelse i alle tre retninger, som

bruker samme fjær.

Figur 20 illustrerer målinger ifølge kj ent teknikk.

Figur 21 illustrerer kjent teknikk inkludert en posisjonssensor med flerfaseavlesing og

her fire diffraksj onselementer.

Figur 22 illustrerer løsningen i figur 21 med en tillagt masse for vibrasjons- og

akselerasj onsmålinger.

Figur 23-31 illustrerer utførelsesformer av løsningen i figur 21.

Ifølge oppfinnelsen består den første overflaten av reflekterende gitterlinjer, fortrinnsvis avsatt på en transparent overflate med avstand mellom seg. Den andre overflaten kan bestå av gitterlinjer etset Å/4 på en fullt reflekterende overflate, og hvor det etsede mønsteret tilsvarer de reflekterende gitterlinjene på den første overflaten som vist i figur 1, som illustrerer kjent teknikk fra US7184368. Under begrensende antakelser om avstanden mellom de to overflatene sammenlignet med gitterlinjenes periode og innfallsvinkelen til lyset som faller på den første overflaten, kan strukturen tilnærmes med en diffraksj onsstruktur med en form på sporene som vist i figur 2. Gyldigheten av denne antakelsen må sjekkes ved å kjøre full-felt simulering av strukturen. Som et eksempel, har vi funnet at en gjtterperiode ned til 4 um, en avstand mellom de to overflatene opptil 20 um og en innfallsvinkel opptil omtrent 7° vil gi en tilfredsstillende oppførsel ved en bølgelengde omkring 1 um.

Med denne tilnærmingen er det enkelt å utlede diffraksjonseffektiviteten til den ekvivalente diffraksjonsstrukturen ved å bruke skalar diffraksjonsteori, for eksempel ved å bruke Fraunhofers diffraksjonsformel. Det følger at diffraksjonseffektiviteten varierer ettersom formen til hvert spor i den ekvivalente diffraksjonsstrukturen modifiseres som følge av forskyvningen av den andre overflaten i forhold til den første overflaten, i en retning vinkelrett på gjttersporene og i plan med de to overflatene.

Variasjonene i diffraksjonseffektivitet for spor formet som i figurene 1 og 2 er nær et sinussignal med en periode tilsvarende en sideveis forskyvning lik en periode av linjene i diffraksj onsmønsteret.

Variasjonene i diffraksj onseffektivitet kan enkelt måles ved å måle lys reflektert eller avbøyd

i én eller flere diffraksjonsordener i diffraksjonsstrukturen. Modulasjonen av lysintensiteten i den første diffraksjonsordenene tilknyttet strukturen beskrevet ovenfor er nær et sinussignal. En mulig implementasjon av et lesehode er vist i figur 1.

I en variant av den foretrukne utførelsesformen er det mulig å bruke et diffraksjonsmønster som består av avbøyende fresnel-linselinjer på den første overflaten 101 og tilsvarende spor på den andre overflaten 102. Dette har fordelen å forenkle resten av det optiske systemet ved å muliggjøre bruk av en punktkilde (så som VCSEL) og en fotodetektor plassert slik at lys avbøyd til første orden fokuseres på den, og muliggjøre en høy ytelse uten bruk av ytterligere komponenter slik som linser. En ulempe er at mønstrene på de to overflatene 101, 102 ikke vil være perfekt tilpasset når forskyvningen mellom de to overflatene øker, med den negative effekten at modulasjonen av diffraksj onseffektivitet avtar når forskyvningen øker, og begrenser i noen grad det brukbare området av forskyvning som kan måles. Men i praksis kan adekvat utforming sikre at forskyvningen kan måles selv når flere gitterperioder overskrides.

Den beskrevne forskyvningssensoren kan også brukes til å måle vertikale forskyvninger, det vil si avstanden mellom de to overflatene. En variasjon i denne avstanden vil faktisk også modifisere formen til sporene i det ekvivalente gitteret, og dermed modulere dets diffraksj onseffektivitet. Dette kan imidlertid også oppnås uten å påføre den andre overflaten et mønster som beskrevet i de nevnte patentene [4] og [5], og er ikke gjenstand for denne oppfinnelsen.

For å kansellere variasjon i belysningsintensitet, kan det være nyttig å måle diffraksjons-effektivitetene til to diffraksj onsordener som gir signaler med en 180° faseforskyvning, slik som den 0'te orden (speilrefleksjon) og +/- første orden. Subtraksjon av ett signal fra det andre (etter skalering med en konstant faktor) gir et signal som ikke er påvirket av variasjoner i belysningens intensitet.

Flere signaler med vilkårlig faseforskyvning fra hverandre kan genereres av flere par av diffraksjonsmønstre plassert på de samme to overflatene, men hvor topp- og bunnmønstrene i hvert par av diffraksjonsmønstre er forskjøvet sideveis med en avstand som gir den ønskede faseforskjellen. Figur 3 illustrerer et slikt system hvor gjtterlinjene i toppdiffraksjons-mønsteret kan være plassert på et transparent substrat av hensyn til mekanisk integritet, ikke vist i denne figuren, og en andre overflate med et andre bunnmønster plassert under seg, der sistnevnte kan bevege seg i sideretningen. Figur 4 illustrerer at formen til sporene i en ekvivalent diffraksj onsstruktur endres med forskyvningen av den andre overflaten i forhold til den første overflaten.

Å ha flere signaler med passende faseforskyvning kan muliggjøre rekonstruksjon av sideforskyvningen over flere perioder av sinussignal et generert av hvert par av diffraksjons-mønstre, for eksempel med to signaler i kvadratur [6]. Tre signaler med 0, 120 og 240° faseforskyvning muliggjør måling av sideforskyvningen over flere perioder, samt kanselering av variasjoner i belysningsintensitet [7, 8]. Dette er vist i figur 5, hvor flere par av diffrak-sjonsmønstre gir flere signaler. Ve å modifisere sideforskyvningen mellom topp- og bunn-mønstrene er det mulig å genererer flere faseforskj øvne signaler.

Et annet alternativ er vist i figur 6, hvor flere par av forskjellige mønstre gir flere signaler. Ved å modifisere høyden mellom topp- og bunnmønstrene er det mulig å generere flere faseforskjøvne signaler. Her oppnås de forskjellige høydene ved å innføre en vertikal forskyvning i plasseringen av toppdiffraksjonsmønstrene. Men disse vertikale forskyvningene kan også implementeres i bunndiffraksjonsmønstrene.

To sett av diffraksj onsmønsterpar med ortogonal orientering kan brukes for å måle forskyvning i de to retningene i plan med overflatene. Et eksempel er vist i figur 7. De to settene kan plasseres på de samme topp- og bunnoverflatene, og derved gi målinger av forskyvning i to retninger. De to settene kan også plasseres på to overflater som beveger seg uavhengig av hverandre, og slik gi en måling av forskyvningen av det første overflateparet i én retning og av det andre overflateparet i den ortogonale retningen.

Å legge til en måling av forskyvningen i retningen vinkelrett på overflatene kan oppnås ved å bruke et sett diffraksjonsmønstre som er følsom for vertikal forskyvning, slik som [5] eller

[6], og slik gi tre-akset posisjonsmåling av det samme overflateparet, eller av overflatepar som beveger seg uavhengig av hverandre, integrert i samme MEMS-anordning.

Når det brukes flere par av diffraksjonsmønstre eller flere sett av par, er det mulig å bruke en felles lyskilde til belysning. Det er også mulig å bruke ett eller flere optiske fibre til innsamling av de optiske signalene. Systemet kan konstrueres slik at diffraksjonsmønstrene sender signaler med forskjellige bølgelengder til en felles optisk fiber, som så tillater separasjon av disse optiske signalene.

Et annet alternativ er vist i figur 8, hvor ett av diffraksjonsmønstrene utgjøres av en eksentrisk (off-axis) del av en del av en linse. Dette vil gjøre det mulig å fokusere og rette lyset mot en detektor. Generelt gjør dette prinsippet det mulig å fokusere og rette lys fra diffraksjons-mønstre med forskjellige funksjoner mot sine respektive detektorer, dvs gjøre det mulig å detektere og demodulere faseforskj øvne signaler. Ulempen er at perioden til den binære linsen endres over regionen av interesse, så bare en forskyvning med et begrenset antall perioder kan tillates. Ved en forskyvning over for mange perioder vil effektiviteten til diffraksjonsmodula-sj onen bli redusert.

Avlesningsmetoden er svært godt egnet til bruk i akselerometre, geofoner og gyroer. Når den brukes som et akselerometer eller en geofon, kan orienteringen av sensoren være viktig. I seismisk undersøkelse kan geofonen eller akselerometeret plasseres i en slingrebøyle som setter sensoren i stand til å innrette seg med gravitasjonsfeltet. Et slikt slingrebøylesystem kan tilføre kompleksitet og øke sannsynligheten for svikt, og en løsning hvor sensoren selv er i stand til å bestemme orienteringen vil bli foretrukket. I figur 9 har vi vist en mulig løsning. Ved å plassere en åpning foran et gitter som beveger seg, er det mulig å måle sensorens orientering, dvs intensiteten kan gå fra 0 til max når orienteringen til én av aksene i et akselerometer eller en geofon endres fra -g til g. Signalet fra orienteringssensoren kan rettes mot en dedikert detektor, eller åpningen kan kombineres med sensoren for sideveis forskyvning. Den siste løsningen reduserer antall detektorer (eller kilder) som kreves, men kombinasjonen av sensorer vil gjøre demodulasjonen mer kompleks.

I de følgende figurene 10 til 19 vil forskjellige strukturer bære det bevegelige mønsteret. Det statiske mønsteret kan monteres i et hus i forhold til dette som en øvre eller nedre del.

Figur 10 viser en mekanisk struktur for å bære det andre diffraksjonsmønsteret ifølge oppfinnelsen som hovedsakelig tillater bevegelse i én retning i planet som vist med pilen. Fjærene er tykkere i den vertikale retningen, og gjør dermed strukturen mindre følsom overfor akselerasjoner eller vibrasjoner i den vertikale retningen. Fjærene er mest fleksible i retningen indikert med pilen.

Så langt har vi drøftet akselerometre med en masse som beveger seg i planet som vist i figur 11, hvor det andre, bunn-, gitteret i hver anordning ifølge oppfinnelsen er plassert på eller tilknyttet to strukturer som vist i figur 10 er mest følsom i x- og y-retningen. To mekaniske strukturer plassert side ved side, hvor én struktur er mer følsom overfor akselerasjon i planet i én retning (dvs x), mens den andre strukturen er mer følsom i en annen retning (dvs y), fortrinnsvis vinkelrett på den første. I tillegg er det ønskelig å integrere z-aksen på den samme sensoranordningen, fortrinnsvis på den samme silisiumskiven (waferen) som de andre to retningene.

Dette er vist i figur 12: Tverrsnitt av en mekanisk struktur som er mest følsom overfor akselerasjonene i de verikale retningen (bevegelser ut av planet), hvor det tilhørende andre, bunn-, diffraksjonsgitteret er plassert på eller tilknyttet den bevegelige massen. Strukturen har fjærer både på toppen og på bunnen, hvilket gjør strukturen mindre følsom overfor bevegelser i planet. Her er fjærene vist som hele membranen, men fjærene kan selvsagt være bare 3 eller 4 bjelker i radial retning, eller andre konfigurasjoner som undertrykker bevegelse i planet. Figur 13 og 14 viser topp- og bunnriss av mekaniske strukturer for å måle bevegelsene i planet i to retninger i planet, og én for å måle bevegelser ut av planet (akselerasjon). Fordelen med dette er at det er mulig å fremstille de mekaniske og optiske delene på samme skive med presisjonslitografi og reaktiv ioneetsing (RIE) på f eks en silisium skive, rette denne inn med toppskiven med diffraksj onsoptikk og binde disse sammen, og så binde en siste skive med elektronikken, laserne og detektorene på toppen, og endelig pakke skivene inn i flere 100 fullt innrettede sensorer med integrert optikk og elektronikk. Denne typen sammenstilling på skivenivå muliggjør lave kostnader ved produksjon i store volumer. Figur 15 og 16 illustrerer en struktur med mekaniske utspring. De andre gitrene er plassert nær hverandre på endene av tre forskjellige utspring, slik at de mekaniske bevegelsene av de tre sensorene kan måles i samme område, som vist med en stiplet sirkel. Dette gjør det mulig å bruke én enkelt lyskilde (dvs en VCSEL), hvis lavt strømforbruk er påkrevet. Figur 17 og 18 viser en mekanisk struktur som tillater bevegelse i alle tre retninger. Senterstrukturen beveger seg opp og ned, og de to strukturene utenfor tillater bevegelse i de to ortogonale retningene i planet. Bevegelsen i alle tre retninger kan måles med gitre plassert i sentrum, eller aksene kan skilles ved å plassere gitrene i ett av hjørnene på en slik måte at noen av gitterstrukturene er plassert på den ytre rammen, andre er plassert på den indre rammen, og den siste retningen er plassert på sentermassen (og kanskje med en mekanisk utspringstruktur). Figur 19 viser en annen mekanisk struktur som muliggjør bevegelse i alle tre retninger. Denne strukturen skiller seg fra den forrige ved at denne strukturen tillater bevegelse i alle retninger i planet. Retningen ut av planet kan dimensjoneres ved tykkelsen og lengden av spiralfjærene, eller senterstrukturen kan ha en membranfjær som tillater bevegelse ut av planet.

Denne foreliggende oppfinnelsen kan beskrives som en videreutvikling av bruken av flere diffraksj onselementer med flere høyder i forhold til en reflekterende overflate. Diffraksj onselementene kan plasseres under den samme reflekterende overflaten, og i én utførelsesform må høydene over den reflekterende overflaten til enhver tid avvike kun med en nær konstant høydeforskyvning (denne tilnærmet konstante høydeforskyvningen er forskjellig for hvert diffraksjonselement). I en annen utførelsesform endres denne høyden i forhold til den reflekterende overflaten for alle strukturene, men noen av diffraksjonsstrukturene brukes til å måle høyden, og det korrigeres for denne høyden ved rekonstruksjonen av sidefor-skyvningene. Refleksjonen og/eller diffraksjonen fra de forskjellige diffraksjonselementene er rettet mot flere detektorer og genererer signaler med faseforskj eller.

Prinsippet kan dermed beskrives som følger:

Hvis hvert diffraksj onselement retter lys mot sin egen detektor, gis et elektrisk signal

med en faseforskyvning

og hvor I er belysningens intensitet, X, er belysningens bølgelengde, dn er høyden (distansen) av hvert diffraksj onselement i forhold til den reflekterende overflaten i dens inaktive stilling og 8 er forskyvningen av den reflekterende overflaten i forhold til dens inaktive stilling. Ytterligere informasjon om hvordan signalet A genereres finnes i US2005/0018541.

Prinsippet er altså å lese flere signaler med forskjellige faseforskyvninger, og vi kaller denne metoden flerfaseavlesing. I spesielle tilfeller kan metoden kalles differensiell avlesing (når differansen mellom to signaler tas, typisk med en 180° faseforskj ell) eller kvadratisk avlesing (når det brukes to signaler med en 90° faseforskj ell).

Prinsippet å kombinere flere sinusformede signaler ute av fase for å gjøre en måling - og mer eller mindre direkte å øke det dynamiske området - er allerede implementert i flere anordninger, for eksempel i optiske posisjonssensorer EP2482040, US2005/0253052 og WO 2002/04895. Andre anvendelser kan være interferometrisk avstandsmåling og TV-holografi (et raskt patentsøk ga ikke relevante resultater for disse siste anvendelsene). Vi vil begrense denne oppfinnelsen til posisjonssensorer med en diffraksjonsavlesing, dvs når det brukes et diffraksj onsgjtter eller en fokuserende diffraksj onslinse.

I US 2005/0018541 beskrives en implementasjon av en "differensiell mikrofon" hvor to diffraksjonselementer med to forskjellige høyder i forhold til den reflekterende overflaten gir to signaler Al og A2 med en faseforskj ell på 180° som illustrert i figur 9 i publikasjonen.

Da har vi:

Det er mulig å kansellere fluktuasj onene i belysningen / ved å kombinere A i og A2, og å innhente forskyvningen av den reflekterende overflaten direkte:

Kansellering av belysningsfluktuasj onene kan også implementeres ved å måle lys fokusert (i den -l'te diffraksjonsordenen) av diffraksjonselementet og reflektert lys (0'te diffraksjonsorden) fra diffraksj onselementet, hvilket gir to signaler med faseforskj ell n. Ved å bruke både refleksjonen og diffraksjonen til å kansellere belysningsfluktuasj on ble publisert i en presentasjon av Lacolle m fl, "Micromachined Optical Microphone based on a modulated diffractive lens", 3rd of the EOS Topical Meeting on Optical Microsystems (OnS'09),Capri, 27.-30. sept. 2009. Patentsøknader av Hall m fl US2011/0194857 og US2011/0194711 drøfter prinsippet anvendt på et lineært gitter uten muligheter for fokusering.

For å oppnå høyest mulig følsomhet og en nær lineær måling, er det viktig at den reflekterende overflatens inaktive posisjon eller arbeidspunkt er plassert der kurven som gir yl = /(l + co<s>( ys + <p)) er brattest (for høy følsomhet) og mest lineær for å unngå forvrengning i målesignalet. De to første egnede arbeidspunktene er vist i den foreliggende figur 2.

Kurven er faktisk periodisk med en periode på X/ 2 i avstand eller 2n i fase. For å sikre høy følsomhet og god linearitet, må cp derfor være nær n/ 2 pluss et heltallig multiplum av n. Dette betyr at avstanden d mellom diffraksj onselementet og den reflekterende overflaten ved dens inaktive posisjon må tilfredsstille

Avstanden d må altså defineres svært nøyaktig. I en fysisk implementasjon er det imidlertid mulig at høyden av diffraksj onselementet i forhold til den reflekterende overflaten i sin inaktive posisjon endres på grunn av anordningens termiske stabilitet kombinert med det faktum at det i utgangspunktet kan være svært vanskelig å fremstille en anordning med svært nøyaktig høyde. I dette tilfellet har vi perturbasjon i høydene til diffraksjonselementene dperturbasjon, som kanskje, kanskje ikke, varierer med tiden, men som er den samme for alle diffraksj onselementene.

IUS2004/0130728 og US2005/0192976 foreslås en løsning hvor den reflekterende overflaten forskyves med elektrostatisk aktivering til et ordentlig arbeidspunkt. Dette systemet krever et aktivt tilbakekoblingssystem.

Flere faser ut kan også brukes som botemiddel for dette problemet. Vi kan for eksempel fabrikere en anordning med N diffraksj onselementer hvor høyden av det n'te diffraksj onselementet er gitt av

I dette tilfellet er vi sikre på at det eksisterer et diffraksj onselement som tilfredsstiller

Å velge diffraksj onselementet som tilfredsstiller betingelsen ovenfor vil sikre god følsomhet og linearitet til enhver tid. Hvis vi for eksempel har 4 diffraksj onselementer vil det være et diffraksj onselement med et arbeidspunkt som er innen A/32 fra det nærmeste ideelle arbeidspunktet i høyde eller n/S i fase.

Et annet nytt trekk tilbudt i følge kjent teknikk er muligheten for å øke sensorens dynamiske område. Dette gjør det mulig å øke sensorens dynamiske område fra~X/8 bevegelsesområde til flere X.

Dette kan oppnås ved å fremstille en sensor med to diffraksj onselementer som gir to signaler i kvadratur:

Forskyvningen S utledes ved først å beregne det komplekse tallet Og så ved å "pakke ut", eng. unwrap, fasen til det komplekse tallet

I dette tilfellet krever ikke anordningen en nøyaktig inaktiv posisjon (arbeidspunkt) og en liten høydevariasjon dperturbasjon vil ikke degradere følsomheten eller lineariteten til anordningen. En annen fordel er at det ikke er noen teoretisk grense for amplituden til den reflekterende overflatens forskyvning, som kan være flere X. Men denne metoden krever at belysningens intensitet I er kjent. Dette kan implementeres i samme anordning ved å tilføye diffraksj onselementer som gir signal med en 180° faseforskyvning.

En alternativ algoritme for å utlede posisjonen på et dynamisk område på flere bølgelengder fra 2 signaler i kvadratur er beskrevet i Stow, D. og Tsung-Yuan Hsu. "Demodulation of interferometric sensors using a fiber-optic passive quadrature demodulator." Lightwave Technology, Journal of 1.3 (1983): 519-523 [3].

I en implementasjon med flerfaseavlesing kan fire diffraksj onselementer vurderes. Fire diffraksj onselementer gjr: Forskyvningen å utledes ved

som er uavhengig av belysningens intensitet /.

Dette er en kombinasjon av prinsippene beskrevet ovenfor som gir alle de tre fordelene med flerfaseavlesing:

• Kansellering av fluktuasjoner i belysningen

• Arbeidspunktjustering

• Økt dynamisk område

Et alternativ til løsningen ovenfor: bruk av to diffraksj onselementer gir to signaler i kvadratur, hvor både diffraksj ons- og refleksjonssignalene fra hvert av de to diffraksj onselementene måles. Diffraksj ons- og refleksjonssignalene er ute av fase (med en 180° faseforskyvning). Dette gir de fire signalene beskrevet ovenfor, med <p = 0,-, n,—, men hvor /kan være forskjellig for diffraksj ons- og refleksjonssignalene, dog bare med en multiplikativ faktor som enkelt kan korrigeres.

Både belysningssignalet og forskyvningen av den reflekterende overflaten kan finnes ved å bruke tre forskjellige diffraksj onselementer som gir signalene:

Vi beregner så det komplekse tallet Etter utvikling finner vi

Belysningssignalet kan enkelt utledes ved å beregne modulus av S:

Og forskyvningen av den reflekterende overflaten kan utledes ved å beregne og pakke ut fasen til S:

Dette gir også alle tre fordeler med flerfaseavlesing:

• Kansellering av fluktuasjoner i belysningen

• Arbeidspunktjustering

• Økt dynamisk område

En alternativ algoritme for å utlede posisjonen på et dynamisk område med flere bølgelengder fra 3 signaler med 0, 120° og 240° faseforskyvning er beskrevet i artikler av Brown, David A. m fl,. "A symmetric 3x3 coupler based demodulator for fiber optic interferometric sensors." SPIE, Fiber Optic and Laser Sensors IX Vol. 1584 (1991) [1] og Reid, Greg J. og David A. Brown. "Multiplex architecture for 3 x 3 coupler based fiber optic sensors." SPIE, Distributed andMultiplexed Fiber Optic Sensors RI, Boston (1993) [2].

Mer generelt kan tre eller flere passende signaler brukes der det er mulig å utlede / med:

Og utlede forskyvningen med

hvor a, er reelle konstanter og /?; er komplekse konstanter.

Å tilføye flere signaler tilføyer redundans til målingen og kan redusere målefeil.

En forskyvningssensor med flerfaseavlesing er vist i figur 21. Sensoren i figur 21 kan tilsvare målinger i vertikal retning, men som vist i forbindelse med figur 6 kan de forskjellige nivåene også brukes for sidebevegelser eller kombinasjoner av bevegelser som vist i figurene 13-16, men spesielt i figurene 17-19, hvor alle diffraksjonsmønstrene kan påføres samme overflate, der flere nivåer eller mønstre for hver følsomhetsretning kan brukes (ikke vist i tegningene).

Anordningen består av en overflate (2) som er i det minste delvis reflekterende, og kan være siden av en membran (4) og flere diffraksj onselementer (la-d). Overflaten (2) og diffraksjonselementene (la-d) er atskilt av et hulrom definert av et avstandsstykke (5). I denne utførelses-formen er det en ramme (6) som understøtter membranen (4). Diffraksj onselementene (la-d) understøttes av et minst delvis transparent substrat (3). Det kan være 2 eller flere diffraksjonselementer (på figuren er det 4). Forskjellige høyder mellom (la-d) og (2) er implementert ved å lage fordypninger i substratet (3) hvor diffraksj onselementene (la-d) er plassert.

Diffraksj onselementene (la-d) er plassert under den samme reflekterende overflaten (2) og høydene deres i forhold til den reflekterende overflaten må til enhver tid avvike bare med en høydeforskyvning som er nær konstant (denne nær konstante høydeforskyvningen er forskjellig for hvert diffraksj onselement). Dette kan implementeres som: 1. fokuserende diffraksjonslinser, som i US2005/0018541, i hvilket tilfelle diffraksjonslinsene har forskjellig optisk akse slik at hver av dem fokuserer diffraksjonsflekken på forskjellige lokasjoner hvor detektorene kan plasseres, 2. ikke-fokuserende gitre, som i US2004/0130728 og US2006/0192976, i hvilket tilfelle diffraksjonen fra hvert gitterelement splittes av det faktum at gjtterelementet ikke er plassert på samme sted, eller/og har forskjellig orientering av gitterlinjene. Det kan eventuelt være mulig å bruke ytterligere linser for å fokusere det avbøyde eller reflekterte lyset på flere detektorer.

Avlesingsprinsippet er som følger: Når avstanden mellom diffraksj onselementene (la-d) og den reflekterende overflaten (2) endres, så moduleres diffraksjonseffektiviteten til diffraksj onselementene (la-d). Modulerte signaler kan genereres ved å belyse anordningen med en smalbåndet lyskilde (7), for eksempel en VCSEL (se figur 23). Flere fotodetektorer (8a-d) måler så lyset som reflekteres eller avbøyes av diffraksj onselementene. Signalene avhenger tilsvarende av distansen mellom diffraksj onselementene (la-d) og den reflekterende overflaten (2), men med en fase/høydeforskyvning (en forskyvning i forhold til avstanden mellom diffraksj onselementene (la-d) og den reflekterende overflaten (2)).

Ved å legge en masse til membranen som vist i figur 22, blir sensoren følsom overfor vibrasjoner og akselerasjoner.

De elektriske signalene fra fotodetektorene behandles, slik at avstanden mellom diffraksj onselementene (la-d) og den reflekterende overflaten (2) utledes, på et dynamisk område over flere bølgelengder. For å oppnå dette, må det være to eller flere diffraksj onselementer med en høydeforskyvning.

En anordning tilsvarende den som er beskrevet ovenfor er vist i figur 24, hvor lyskilden er skråstilt i forhold til planet til diffraksj onselementene (la-d) og den reflekterende overflaten (2), for å redusere mengden lys som reflekteres tilbake til lyskilden. Lys som reflekteres tilbake inn i en laserdiode vil typisk øke kildestøyen.

Som nevnt ovenfor, må høydene til diffraksj onselementene i forhold til den reflekterende overflaten til enhver tid avvike bare med en konstant som er særegen for hvert diffraksj onselement. I praksis kan dette oppnås ved å plassere diffraksj onselementene nær hverandre under den reflekterende overflaten. I tilfellet med en membran som bøyer seg, vil en passende lokasjon være sentrum av membranen, hvor kurvaturen dens er minimal. I figur 21 og 22 er diffraksj onselementene vist side ved side, men diffraksj onselementene kan i stedet plassers i et sirkulært område under den reflekterende overflaten. To eksempler med tre diffraksj onselementer er vist i figur 25 og figur 26.

I figur 25a-c vises en eksentrisk (off-axis) utførelsesform med tre forskjellige diffraksjonselementer plassert i et sirkulært område under den reflekterende overflaten. Posisjonen til de tre forskjellige diffraksj onselementene 11, 12, 13 er vist i figur 25a. I figur 25b vises en utførelsesform med fokuserende diffraksj onselementer med senter 21, 22, 23, hvis reflekterende linjer er vist. Figur 25c viser i tillegg posisjonen 10 til en lyskilde for belysning av diffraksj onselementene, samt posisjonene 31, 32, 33 til tre detektorer som måler lys som er avbøyd og fokusert av de tre diffraksj onselementene. Lyskilden og de tre detektorene er plassert i et plan som befinner seg under diffraksj onselementene, og de relative posisjonene er valgt avhengig av refleksjonsegenskapene til linsene samt av deres innbyrdes posisjoner.

Fordelingen av de tre linsene over det sirkulære området er valgt for å gi essensielt lik effektivitet i refleksjonene fra alle tre diffraksj onselementene.

Figur 26 viser en sentrisk (on-axis) utførelsesform tilsvarende den som vises i figur 25, men hvor lyskilden er plassert i sentrum og således med tre sirkel del er lia, 12a, 13a med samme størrelse, der hver er utstyrt med diffraksj onselementer. I tilfellet der det brukes fokuserende diffraksj onselementer, kan det være nyttig å gjøre senterområdene 21, 22, 23 av diffraksj onselementene ugjennomsiktig 24, slik at ikke noe lys reflekteres på detektorene, som i dette tilfellet måler det avbøyde og fokuserte lyset. Dette kan også oppnås ved å etse en kurvet

overflate 25 på substratet der den sentrale delen av hvert diffraksj onselement befinner seg. På tilsvarende måte kan det være nyttig å gjøre området over lyskilden ugjennomsiktig eller etset 20 for å minimere mengden av lys som reflekteres tilbake til lyskilden. Dette er vist i figur 27 og figur 28. Figur 27: Illustrasjon av hvordan senterområdet til et fokuserende diffraksj onselement kan lages ugjennomsiktig eller kurvet, slik at ikke noe lys reflekteres inn i den 0'te diffraksjonsorden fra senterområdet til diffraksj onselementene på detektorene som måler det avbøyde og fokuserte lyset. Figur 28: Tilsvarende implementasjon som figur 27, men i en sentrisk implementasjon.

Utførelsesformer med fordypninger på den reflekterende overflaten. En alternativ utførelsesform er å plassere diffraksj onselementene (la-d) i planet og implementere fordypningene (2a-d) i den reflekterende overflaten som vist i figur 29. Det kan være to eller flere diffraksj onselementer.

I figur 30 og 31 er lyskilden og detektorene frembrakt gjennom en optisk fiber 40, som på kjent måte overfører lys mot diffraksj onselementene l(a-d). Dette lyset kan ha et valgt spektralområde, og diffraksj onselementene kan være utstyrt med fokuserende egenskaper for å fokusere lys tilbake mot den optiske fiberen slik at bølgelengden til lyset som mottas av den optiske fiberen indikerer identiteten til det fokuserende diffraksj onselementet. Da egenskapene til diffraksj onselementene er kjent, er posisjonen av diffraksj onselementene i forhold til den reflekterende overflaten 2 kjent, og den relative forskyvningen kan finnes. Dette er vist i figurene 30 og 31 ettersom det første diffraksj onselementet 31a fokuserer mot fiberenden i figur 30, mens det fjerde diffraksj onselementet fokuserer mot fiberenden i figur 31.

For å oppsummere, angår oppfinnelsen altså en optisk forskyvningssensoranordning omfattende en første minst delvis transparent plan overflate med et første diffraksjonsmønster. Den transparente delen kan utgjøres av et transparent materiale eller åpninger hvor det reflekterte mønsteret er plassert på rette eller kurvede bjelker. Anordningen omfatter også en andre plan overflate som omfatter et andre diffraksjonsmønster og er parallell med den første overflaten. De to diffraksjonsmønstrene er tilpasset til å avbøye lys innen et valgt område av bølge-lengder, der den andre overflaten er plassert under og parallelt med den første overflaten slik at de utgjør et par hvor de første og andre diffraksjonsmønstrene er essensielt like og overlappende. Anordningen omfatter også forskyvningsmidler for å tillate at ett av mønstrene beveges i forhold til det andre i en retning parallelt med overflatene, der anordningen altså frembringer et bevegelsesfølsomt diffraksjonsmønster da den samlede diffraksjonen fra paret av diffraksjonsmønstre endres ved en relativ sidebevegelse mellom de to overflatene. Diffraksjonsmønstrene kan velges å være reflekterende og/eller transparente avhengig av plasseringen av lyskilde og detektor og andre praktiske hensyn.

Diffraksjonsmønstrene utgjøres fortrinnsvis av reflekterende linjer, hvor mønsteret på den andre overflaten også inneholder etsede spor med reflekterende overflater mellom linjene som utgjør mønsteret, der sporene har en valgt dybde. Sporene kan ha en etsedybde på lambda/4, hvor lambda er en valgt bølgelengde for lys innenfor et valgt belysningsspektrum.

Anordningen kan inneholde minst to par av diffraksjonsmønstre plassert på de samme to overflatene, der mønsterparene minst delvis har retningsbestemte trekk med forskjellig orientering og derved frembringer en følsomhet overfor bevegelser i tilsvarende forskjellige retninger, og dermed er i stand til å frembringe en følsomhet for bevegelser i minst to retninger. De forskjellige orienteringene kan f eks være vinkelrett på hverandre eller 0, 120 eller 240° i overflateplanet.

Diffraksjonsmønstrene kan være lineære, men utgjøres fortrinnsvis av fokuserende diffraksj onslinser som fokuserer lyset på et valgt punkt, f eks for å bli mottatt av en detektor.

Alternativt kan to eller flere diffraksjonsmønstre være forskjøvet i planet i en valgt retning langs overflatene for å gi tilsvarende optiske signaler i forhold til posisjonen sideveis av de to overflatene, men med en faseforskyvning.

En av overflatene i hvert par kan være koblet til den andre gjennom en fjær og utstyrt med en kjent masse. Dermed utgjør anordningen en akselerasjons- eller vibrasjonsfølsom anordning. Anordningen kan også tilpasses til kun å tillate forskyvning i den ene retningen som skal måles, eller fjæren kan tillate bevegelser i forskjellige retninger i planet, f eks perpendikulært for å måle bevegelser i enhver retning i planet.

Ifølge oppfinnelsen kan anordningen implementeres i et system som også omfatter belysningsmidler inkludert minst én lyskilde som sender ut lys med den valgte bølgelengden mot mønstrene og detektormidler for å motta lys avbøyd av mønstrene. Detektormidlene kan være tilpasset til å måle det avbøyde lyset og være koblet til analysemidler for å måle bevegelsen. Både lys utsendt fra lyskilden og lys mottatt av detektorene kan overføres gjennom lysledere avhengig av praktiske betraktninger.

Anordningen i systemet kan omfatte et antall mønsterpar, der detektormidlene er tilpasset til å motta lys fra de individuelle mønsterparene, men systemet kan alternativt omfatte flere anordninger hvor hver omfatter et mønsterpar, der detektormidlene er tilpasset til å motta lys fra de individuelle mønsterparene.

I tillegg kan hver anordning omfatte et diffraksj onsmønsterpar som er koblet til det andre gjennom en fjær, den bevegelige delen utstyres med en kjent masse og slik utgjøre en akselerasjonsfølsom anordning, der systemet altså utgjør en tredimensjonal akselerasjons-sensor.

En anordning ifølge oppfinnelsen kan også utstyres med en grov forskyvningssensor ifølge kjent teknikk kombinert med forskyvningssensoren basert på et deformerbart avbøyende optisk element, og hvor det grove elementet brukes til å måle de større forskyvningene, dvs orienteringen til en geofon eller et akselerometer. Den grove forskyvningssensoren kan være et deformerbart avbøyende optisk element med lengre perioder. Den grove forskyvningssensoren er laget av én eller flere åpninger og et bevegelig optisk element, hvor den grove forskyvningen modulerer mengden av lys som reflekteres eller transmitteres, der dette bevegelige optiske elementet kan være et diffraksj onselement eller en diffraksj onslinse.

I tillegg, i en utførelsesform som omfatter mer enn ett par av diffraksj onselementer, brukes perioder i diffraksjonsmønsteret til å rekonstruere signalet og gi et mål for absolutt forskyvning.

Systemet ifølge oppfinnelsen kan omfatte minst én fotodetektor tilpasset til å måle lysintensiteten avbøyd i én eller flere diffraksjonsordener, og slik gi et mål for posisjonen til en overflate i forhold til en annen i en retning i plan med de to overflatene. Lyset til og/eller fra lyskilden eller/og fotodetektorene kan overføres gjennom minst en optisk fiber, og minst to lyskilder kan brukes til å belyse hvert diffraksjonsmønsterpar for å kansellere fluktuasjoner i belysningsintensitet.

Systemet kan utstyres med midler for å måle forskyvning av tre elementer i sine tre respektive ortogonale retninger og bruke en felles lyskilde til belysning, hvor ett diffraksjonsmønster i hvert par er plassert på utspring på de bevegelige elementene og plassert slik at de er nær hverandre.

Referanser:

[1] JP 2011014897 / EP 2 482 040 A2 Optical Encoder with Misalignment Detection and Adjustment Method Associated Therewith

[2] WO 2008/030681 INTERFEROMETRIC POSITION ENCODER EMPLOYTNG

SPATIAL FILTERING OF DIFFRACTION ORDERS

[3] Higurashi and Renshi Sawada, Micro-encoder based on higher-order diffracted light interference, 2005 J. Micromech. Microeng. 15 1459

[4] Highly-sensitive displacement-measuring optical device, US 2004/0130728 Al and US 2006/0192976 Al

[5] Optical displacement sensor element, US 2005/0018541

[6] Stowe, D., and Tsung-Yuan Hsu. "Demodulation of interferometric sensors using a fiber-optic passive quadrature demodulator." Lightwave Technology, Journal of 1.3 (1983): 519-523.

[7] Brown, David A. m fl "A symmetric 3x3 coupler based demodulator for fiber optic interferometric sensors." SPIE, Fiber Optic and Laser Sensors IX Vol. 1584 (1991)

[8] Reid, Greg J. og David A. Brown. "Multiplex architecture for 3 x 3 coupler based fiber optic sensors." SPIE, Distributed and Multiplexed Fiber Optic Sensors RL Boston (1993).

[9] US2003128361 (Al) - LIGHT MODULATION APPARATUS AND OPTICAL

SWITCH, MOVEMENT DETECTING DEVICE AND DISTANCE MEASURING DEVICE, ALIGNMENT DEVICE AND SEMICONDUCTOR ALIGNER, AND PROCESSES THEREOF

[10] US7173764 (B2) - Apparatus comprising a tunable nanomechanical near-field grating and method for controlling far-field emission

Claims (28)

1. Forskyvningssensoranordning omfattende en første minst delvis transparent plan overflate med et første diffraksjonsmønster og en andre plan overflate som omfatter et andre diffraksjonsmønster, der diffraksjonsmønstrene er tilpasset til å avbøye lys innen et valgt område av bølgelengder, der den andre overflaten er plassert under og parallelt med den første overflaten slik at de utgjør et par hvor de første og andre diffraksjonsmønstrene er essensielt like, der anordningen også omfatter forskyvningsmidler for å muliggjøre en bevegelse i en retning parallelt med overflatene, der anordningen altså frembringer et bevegelsesfølsomt diffraksj onsmønster.

2. Anordning ifølge krav 1, hvor diffraksjonsmønstrene utgjøres av reflekterende linjer.

3. Anordning ifølge krav 2, hvor mønsteret på den andre overflaten består av etsede spor med reflekterende overflater, der sporene har en valgt dybde.

4. Anordning ifølge krav 3, hvor sporene har en etsedybde på lambda/4, hvor lambda er en valgt bølgelengde for lys innenfor et valgt belysningsspektrum.

5. Anordning ifølge krav 1, omfattende minst to par av diffraksjonsmønstre plassert på de samme to overflatene, der mønsterparene minst delvis har retningsbestemte trekk med forskjellig orientering og derved frembringer en følsomhet overfor bevegelser i tilsvarende forskjellige retninger, og dermed er i stand til å frembringe en følsomhet for bevegelser i minst to retninger.

6. Anordning ifølge krav 5, omfattende to mønsterpar hvor de forskjellige orienteringene er perpendikulært orientert i forhold til overflatene.

7. Anordning ifølge krav 1, hvor diffraksjonsmønstrene utgjøres av fokuserende diffraksj onslinser.

8. Anordning ifølge krav 1, omfattende minst to par av diffraksjonsmønstre forskjøvet i planet i en valgt retning langs overflatene for å gi tilsvarende optiske signaler i forhold til posisjonen sideveis av de to overflatene, men med en faseforskyvning.

9. Anordning ifølge krav 1, omfattende minst to par av diffraksjonsmønstre forskjøvet vinkelrett på planet for å gi tilsvarende optiske signaler i forhold til posisjonen sideveis av de to overflatene, men med en faseforskyvning.

10. Anordning ifølge krav 9 eller 10, hvor faseforskyvningen er 90°.

11. Anordning ifølge krav 9 eller 10, omfattende tre mønsterpar, hvor faseforskyvningen erO, 120 og 240°.

12. Anordning ifølge krav 1, hvor en av sensorene i hvert par er koblet til den andre gjennom en fjær og utstyrt med en kjent masse, og dermed utgjør en akselerasjonsfølsom anordning.

13. Anordning ifølge krav 12, hvor hvert element med en masse er forbundet med fjærer som hovedsakelig tillater forskyvning i den ene retningen som skal måles.

14. Anordning ifølge krav 12, hvor fjæren også tillater forskyvning i den retningen vinkelrett på overflatene.

15. Anordning ifølge krav 1, men hvor en grov forskyvningssensor er kombinert med forskyvningssensoren basert på et deformerbart avbøyende optisk element, og hvor det grove elementet brukes til å måle de større forskyvningene, dvs orienteringen til en geofon eller et akselerometer.

16. Anordning ifølge krav 15, hvor den grove forskyvningssensoren er et deformerbart optisk element med lenger perioder.

17. Anordning ifølge krav 15, hvor den grove forskyvningssensoren er laget av én eller flere åpninger og et bevegelig optisk element, hvor den grove forskyvningen modulerer mengden av lys som reflekteres eller transmitteres.

18. Anordning ifølge krav 17, hvor det bevegelige optiske elementet er et diffraksjonselement eller en diffraksj onslinse.

19. Anordning ifølge krav 1, omfattende minst to par av diffraksjonsmønstre med forskjellige perioder i diffraksjonsmønsteret som derved brukes til å rekonstruere signalet og gi et mål for den absolutte forskyvningen.

20. Målesystem omfattende en anordning ifølge krav 1, også omfattende belysningsmidler inkludert minst én lyskilde som sender ut lys med den valgte bølgelengden mot mønstrene og detektormidler for å motta lys avbøyd av mønstrene.

21. System ifølge krav 20, hvor anordningen omfatter et antall mønsterpar, der detektormidlene er tilpasset til å motta lys fra de individuelle mønsterparene.

21. System ifølge krav 20, hvor anordningen omfatter et antall anordninger som hver omfatter et mønsterpar, der detektormidlene er tilpasset til å motta lys fra de individuelle mønsterparene.

23. System ifølge krav 21 eller 22, også omfattende en tredje anordning med en følsomhetsretning vinkelrett på de minst to anordningene.

24. System ifølge krav 23, hvor hver anordning omfatter et diffraksjonsmønsterpar som er koblet til det andre gjennom en fjær og er utstyrt med en kjent masse og slik utgjør en akselerasjonsfølsom anordning, der systemet altså utgjør en tredimensjonal aksel erasj onssensor.

25. System ifølge krav 20, også omfattende minst én fotodetektor tilpasset til å måle lysintensiteten avbøyd i én eller flere diffraksjonsordener, og slik gi et mål for posisjonen til en overflate i forhold til den andre i en retning i plan med de to overflatene.

26. System ifølge krav 20, hvor lys til og/eller fra lyskilden eller/or fotodetektorene overføres gjennom minst én optisk fiber.

27. System ifølge krav 20, hvor minst to lyskilder belyser hvert diffraksj onsmønsterpar for å kansellere fluktuasjoner i belysningsintensitet.

28. System ifølge krav 23, for å måle forskyvning av tre elementer i sine tre respektive ortogonale retninger og bruke en felles lyskilde til belysning, hvor ett diffraksjonsmønster i hvert par er plassert på utspring på de bevegelige elementene slik at de kan plasseresnær hverandre.