[发明专利]光学位移传感器

说明书

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)。

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：