[發(fā)明專利]具有波導結(jié)構(gòu)的自混合干涉設(shè)備

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201080047707.8
• 申請日: 2010-10-18
• 公開（公告）號: CN102575925A
• 公開（公告）日: 2012-07-11
• 發(fā)明（設(shè)計）人: A.普睿布姆
• 申請（專利權(quán)）人: 皇家飛利浦電子股份有限公司
• 主分類號: G01B9/02
• 分類號: G01B9/02;G01P3/36;G01P13/04;G01S7/481;G01S17/50;G06F3/042
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 黃維;劉鵬

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及基于半導體激光源和光電探測器的自混合干涉設(shè)備，所述光電探測器被布置成檢測由所述半導體激光源所發(fā)射的激光輻射的強度變化。

背景技術(shù)

這樣的基于自混合干涉量度學(SMI)的激光傳感器允許測量速度、振動和距離，涵蓋廣泛的應用范圍。自混合干涉設(shè)備使用以下效應：從目標物體散射回來且再次進入激光腔的激光與諧振輻射干涉且因此影響設(shè)備的輸出性質(zhì)。當激光器在合適狀況下操作時，往回耦合的光的響應為線性的，且所造成的輸出功率的變化包含關(guān)于目標物體相對于設(shè)備的移動或距離的可追蹤信息。測量輸出功率的這些變化的頻率。為此目的，通常利用光電二極管或光電晶體管來收集激光輸出信號。在目標物體與激光腔之間的距離決定了往回散射的光在重新進入激光腔時的相位和因此是否存在相消或相長干涉。當物體移動時，該距離和因此相位以與物體速度成比例的速率變化。因此，相長干涉和相消干涉以與此速度成比例的頻率發(fā)生。因為這個所謂的多普勒頻率僅給出關(guān)于速度的大小而非關(guān)于其方向的信息，所以必須使用調(diào)制技術(shù)來確定該方向。當使用半導體激光器作為激光源時，特別地VCSEL(豎直腔表面發(fā)射激光器)，激光器能以限定的電流形狀操作，例如，周期性鋸齒或三角形電流，使得輸出頻率幾乎即刻遵循這些電流變化，這歸因于同時變化的光學諧振器長度。諧振器長度的這個變化是溫度引起的，這源于激光器電流的消耗性加熱。最后得到的諧振光和往回散射的光之間的頻率差異可在合適的電子器件中評估且可轉(zhuǎn)化回為關(guān)于目標物體的位置和其移動方向的信息。

WO?02/37410?Al公開了用于測量物體移動的方法和設(shè)備。該方法和設(shè)備使用自混合干涉效果以便測量物體移動，其在優(yōu)選的應用中為手指在輸入設(shè)備上的移動。利用這樣的也被稱為Twin-Eye激光傳感器的設(shè)備，可以測量物體的準3D移位，特別地用于如PC鼠標這樣的輸入設(shè)備中。

這樣的已知傳感器的總高度不能自由減小，因為需要特定往返長度以便實現(xiàn)在正確狀況下的多普勒頻率。目前，這導致激光源輸出表面(通常VCSEL)到所測量物體表面大約5mm的最小距離，和傳感器底部到頂部6mm的總高度。盡管這個高度對于用于PC鼠標中并不施加限制，但其禁止用于諸如移動電話或mp3播放器這樣的輸入設(shè)備中。而且對于用于例如遙控器或筆記本的跟蹤球，傳感器高度優(yōu)選地等于球的大小。在激光源的輸出與所測量物體之間的大距離也造成了信號強度的顯著減小，使得需要聚焦元件來使得光聚焦且再次獲得信號強度。為了在兩個方向上測量，使用彼此間隔開的兩個激光源且需要光學元件來偏轉(zhuǎn)束且使得激光聚焦。這個光學元件必須相對于VCSEL高度準確地放置以滿足傳感器準確度公差。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供自混合干涉設(shè)備，特別地用于輸入設(shè)備中，與上文已知的自混合干涉設(shè)備相比，該自混合干涉設(shè)備可利用較低的高度和較低成本來實現(xiàn)。

利用根據(jù)權(quán)利要求1所述的自混合干涉設(shè)備來實現(xiàn)這個目的。這個設(shè)備的有利實施例是從屬權(quán)利要求的主題且在說明書的隨后部分中公開。

所提出的自混合干涉設(shè)備包括：基板，其具有集成的光波導結(jié)構(gòu)；半導體激光源，特別是VCSEL，其布置于基板表面上且朝向所述表面發(fā)射激光輻射；以及，光電探測器，其布置成檢測激光輻射的強度變化。波導結(jié)構(gòu)光學地連接到激光源且被設(shè)計成將激光源發(fā)射的激光輻射引導至基板表面的向外耦合區(qū)并引導從基板外部的目標物體往回散射的激光輻射的一部分再次進入激光源。在該設(shè)備的有利實施例中，兩個集成的光波導結(jié)構(gòu)、兩個半導體激光源和兩個光電探測器布置于基板上使得目標物體的移動在兩個獨立軸中同時測量，如在上文所述的Twin-Eye激光傳感器中。為此目的，兩個激光源的激光輻射必須在彼此正交的方向中向外耦合。

通過使用集成的光波導結(jié)構(gòu)來傳送從激光源發(fā)射和往回反射到激光源的光，克服了該設(shè)備的總高度的上述限制。為了執(zhí)行所期望的測量在激光源的發(fā)射表面與目標物體之間的光所需的距離由在激光源與向外耦合區(qū)之間的波導結(jié)構(gòu)的長度來提供。由于波導結(jié)構(gòu)在基板平面中平行于其表面延伸，這不會影響到整個設(shè)備的高度。因此可以調(diào)諧在激光源與向外耦合結(jié)構(gòu)之間的波導結(jié)構(gòu)的長度來實現(xiàn)所用信號處理機制的最佳多普勒頻率。在激光源與向外耦合區(qū)之間的波導結(jié)構(gòu)的光學長度可例如在0.2mm與100mm之間，優(yōu)選地在2mm與20mm之間的范圍。特別地對于在輸入設(shè)備中的應用，波導結(jié)構(gòu)可成形為將傳感區(qū)，即向內(nèi)耦合和向外耦合結(jié)構(gòu)，放置于基板表面上的任何期望的位置。而且，通過排除對聚焦元件的需要且同時排除對于此元件的高度準確放置的需要，可以以更低成本來生產(chǎn)該設(shè)備。