[發明專利]光學位移傳感器

在審

• 申請號: 202180083878.4
• 申請日: 2021-12-14
• 公開（公告）號: CN116635691A
• 公開（公告）日: 2023-08-22
• 發明（設計）人: 哈康·薩格柏格;馬修·拉科爾
• 申請（專利權）人: 挪威商聲熙貝爾公司
• 主分類號: G01B9/02015
• 分類號: G01B9/02015
• 代理公司: 北京弘權知識產權代理有限公司 11363
• 代理人: 許偉群;李少丹

本發明涉及一種光學位移傳感器(2)，其包括反射面(4)和一個或多個衍射光柵(6)，所述一個或多個衍射光柵與所述反射面一起各自定義相應的干涉布置。所述反射面(4)相對于所述衍射光柵(6)是移動的，或反之亦然。來自光源(8)的光經由所述干涉布置傳播，以在相應的一組光檢測器(10)處產生干涉圖樣。每個干涉圖樣取決于所述反射面(4)與所述相應光柵(6)之間的間隔。準直光學布置(14)至少部分地準直所述光源(8)與所述衍射光柵(6)之間的所述光。對于所述干涉布置或每個干涉布置，當所述反射面(4)或所述衍射光柵(6)處于零位移位置時，在所述衍射光柵(6)與所述反射面(4)之間傳播的所述光的光程長度L滿足以下關系：以在j的20％以內，其中n是整數；其中Tz是Talbot長度，定義為：其中λ是所述光的波長，并且其中p是相應的衍射光柵(6)的光柵周期。替代地，L可滿足：以在p的20％以內，其中m是奇整數。另外地或替代地，所述光學位移傳感器(34；112)可包括兩個或更多個衍射光柵(44、46；116)并且可構造成使用分束布置(48；126)或多個光源元件向每個光柵(44、46；116)提供相應的單獨光束(62、64；132)。

本發明大體上涉及光學位移傳感器，并且具體但不排他地涉及用于光學麥克風的光學位移傳感器。

麥克風用于將聲波轉換為電信號，通常通過測量響應于環境聲振動而振動的可移動構件(例如膜)的位移。有多種測量這種可移動構件的位移的方式，其包括電容讀出(通常稱為電容式麥克風)和靜電或電磁讀出機制(例如動態麥克風)。

讀出麥克風膜位置的另一種方式是使用光學位移傳感器，該傳感器使用光學干涉讀出。在此類系統的典型實例中，在與膜相鄰的基板上設置衍射光柵，并且將光引導到該衍射光柵上。光的第一部分從光柵反射回來。第二部分通過衍射輻射的光柵透射。衍射的輻射打在膜上，膜將其反射到光柵上。輻射穿過光柵，并且兩部分光發生干涉，形成可以被檢測器檢測到的干涉圖樣。干涉圖樣的形狀(即空間分布)與光柵的衍射級相匹配，但引導入這些衍射級的光強取決于兩部分光的相對相位，并且因此取決于光柵與膜之間的距離。因此，可以根據檢測器處光強的變化來確定膜的位置(以及因此膜的移動)。

這種光學位移傳感器具有高信噪比(SNR)和高靈敏度，這有利于用于光學麥克風和其他應用。然而，希望進一步改進這種光學位移傳感器的性能。

從第一方面來看，本發明提供了一種光學位移傳感器，其包括：

反射面；

一個或多個衍射光柵，其與該反射面間隔開，其中該衍射光柵或每個衍射光柵與該反射面一起定義相應的干涉布置，并且其中i)該反射面或ii)該衍射光柵或每個衍射光柵相對于另一者是可移動的；

光源，其布置成向所述干涉布置提供光，使得對于每個干涉布置，所述光的第一部分經由該干涉布置沿著第一光程傳播，并且所述光的第二部分經由所述干涉布置沿著不同的第二光程傳播，從而引起該第一光程與第二光程之間的光程差，該光程差取決于該干涉布置的該反射面與該衍射光柵之間的間隔；以及

對于每個干涉布置，相應的一組一個或多個光檢測器，其布置成檢測由取決于所述光程差的光的所述第一部分和所述第二部分產生的干涉圖樣的至少一部分；

準直光學布置，其布置成至少部分地準直該光源與該衍射光柵之間的光；

其中，對于該干涉布置或每個干涉布置，當該反射面或該衍射光柵處于零位移位置時，該衍射光柵與該反射面間隔開一定距離，使得光的相應的第一部分在該衍射光柵與該反射面之間沿著光程長度L行進；

其中該衍射光柵或每個衍射光柵包括具有光柵周期p的周期性衍射光柵，使得對于該干涉布置或每個干涉布置，該光柵周期p和該光程長度L滿足以下關系：

以在的20％以內，其中n是整數；

其中Tz是Talbot長度，定義為：