(57)【要約】【課題】本発明は、第１の少なくとも部分的に反射性の表面と、回折パターンを有する第２の表面と、を含む光学変位センサに関する。【解決手段】表面が、素子間の距離が可変である素子上に提供され、各表面対が、それらの間にキャビティを画定する。センサはさらに、少なくとも１つの選択された波長レンジの光をキャビティに伝達する少なくとも１つの光源と、キャビティからの光を受け取る少なくとも１つの光検出器と、を含み、回折パターンが、光を、回折表面に対して既知の位置に提供された少なくとも１つの検出器に向けるように適合される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の少なくとも部分的に反射性の表面と、少なくとも２つの回折パターンを有する第２の表面と、を含む光学変位センサであって、前記表面が、素子間の距離が可変である素子上に提供され、各対が、それらの間にキャビティを画定する前記部分的に反射性の表面及び回折パターンを構成し、
前記センサがさらに、少なくとも１つの選択された波長レンジの光を前記キャビティに伝達する少なくとも１つの光源と、前記キャビティからの光を受け取る少なくとも１つの光検出器と、を含み、各対が、前記レンジ内の選択された波長において最大回折効率を提供するように適合され、前記回折パターンが、光を、回折表面に対して既知の位置に提供された少なくとも１つの検出器に向けるように適合され、前記検出器が、各対に対応する回折効率位相を測定するように適合された、光学変位センサ。
【請求項２】
それぞれ選択された波長において、０°、１２０°及び２４０°の位相オフセットを提供するキャビティ長さを有する３つの回折パターン及び３つの対を含む、請求項１に記載のセンサ。
【請求項３】
キャビティ長さを有する２つの回折パターン及び２つの対を含み、前記第１の回折パターンが、前記第１のパターンから回折された信号と反射された信号との間でそれぞれ、０°及び１８０°の位相オフセットを提供し、第２の回折パターンが、前記選択された波長において、前記回折された信号と反射された信号との間で９０°及び２７０°の位相オフセットを提供する、請求項１に記載のセンサ。
【請求項４】
前記回折パターンが、前記それぞれのセンサに向けて光を集束する回折レンズである、請求項１に記載のセンサ。
【請求項５】
各回折レンズが、ビーム中心に対してシフトされた光軸を有する円形パターンによって構成された、請求項４に記載のセンサ。
【請求項６】
各回折レンズの前記中心の領域が、前記光源から前記検出器へ反射を向けるのを防ぐように、表面処理を有して提供される、請求項５に記載のセンサ。
【請求項７】
キャビティ長さの差が、格子から向けられた光の間の選択された位相差を提供するように選択される、請求項１に記載のセンサ。
【請求項８】
前記光源が、特定の領域を覆う光ビームを放出し、前記ビームの断面に渡る前記キャビティの大きさが、本質的に同じ光の量にさらされるように、前記ビームの本質的に等しい領域を覆う、請求項１に記載のセンサ。
【請求項９】
前記表面が、前記光源に反射を戻すように向けるのを防ぐように処理された、請求項１に記載のセンサ。
【請求項１０】
前記光源が、前記反射領域と同軸に配置され、前記キャビティ及び検出器が、前記軸の周りに分布された、請求項１に記載のセンサ。
【請求項１１】
前記キャビティが、前記軸の周りの等しい大きさの区画を構成する、請求項１０に記載のセンサ。
【請求項１２】
前記光源が、前記軸から外れて配置され、前記キャビティが、前記中心の中心からの距離に対する周辺部の本質的に等しい領域及び本質的に区画を覆う、請求項１に記載のセンサ。
【請求項１３】
前記光源が、いくつかの選択された波長で光を伝達する光ファイバを通して前記キャビティを照射し、各回折パターンが、選択された波長の１つで光を１つまたはいくつかの光ファイバーに向け、前記光ファイバーが、信号を１つまたはいくつかの検出器に伝達する、請求項１に記載のセンサ。
【請求項１４】
前記光源が、いくつかの選択された波長の光を伝達する光ファイバーを通して前記キャビティを照射し、各回折パターンが、信号を１つまたはいくつかの検出器に伝達するように適合された前記光ファイバーに向けて光を戻す、請求項１に記載のセンサ。
【請求項１５】
前記照射ファイバーと前記回折パターンとの間の分散素子が、異なる波長を異なる回折パターンに向ける、請求項１３または１４に記載のセンサ。
【請求項１６】
前記キャビティが、異なるキャビティ長さを画定する、請求項１に記載のセンサ。
【請求項１７】
前記キャビティが、異なる波長の光で照射される、請求項１に記載のセンサ。
【請求項１８】
前記表面の１つがメンブレン上に配置された、請求項１に記載のセンサを含むマイクロフォン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学変位センサ素子に関する。一例は、スペーサによって画定されたキャビティによって離隔された２つの本質的に平坦な表面を含み、表面の距離がキャビティ内の圧力に対する環境の圧力変動に基づいて変化し得る圧力センサまたはマイクロフォンでありうる。表面間の距離の変化は、一方または両方の表面の変形によって、またはスペーサの圧縮によって発生し得る。
【背景技術】
【０００２】
最近まで、マイクロフォンのような変位センサは、キャパシタ構造及びインピーダンス測定に基づくものであった。これは、感度、高電圧バイアス、層間分離、背面電極に対するメンブレンの整列及び位置決定、プリアンプの必要性の高さ及び非線形応答に関する多くの欠点を有し、これら全てはコストがかかり、複雑な解決手段を必要とする結果となる。
【０００３】
特許文献１には、変調された回折効率を有する回折構造が、変位、圧力、音響信号又はその他同様なものを、複雑な光学系を必要とすることなく測定するための光学センサ素子を提供するために使用されるという改善方法が説明されている。これは、複雑な光学系の必要性を取り除き、または低減することができるように、集束能力を有する格子を用いて達成される。これは、フレネル領域平面に基づいて以下に説明される。フレネル領域平面は、回折に基づく平面レンズを提供することが知られている。この構造は図１に示される。しかし、この解決手段は、図２に示されるように、およそλ／８に限定されるダイナミックレンジを有し、これは反射表面を移動させることにより発生する信号を示す。信号は周期的である（最初の周期のみが図に示されている）。２つの第１の動作点が、λ／８及び３λ／８における２つの円によって示される。矢印は、センサのダイナミックレンジを示しており、発生した信号は、反射表面位置に対してほとんど線形的である。
【０００４】
ダイナミックレンジが位相がずれたいくつかの信号を結合することによって増大する、サインまたは準サイン信号を発生させる、別の種類の位置センサが存在する。非特許文献１及び非特許文献２は、いくつかの波長のダイナミックレンジで位置を得るために０、１２０°及び２４０°位相シフトを有する３つの信号を使用した、ファイバー系位置センサの例を議論している。非特許文献３に説明されるように、直角位相（９０°位相オフセット）の信号を使用することも可能である。
【０００５】
これはまた、特許文献２の特に要約並びに段落［００１３］、［００１６］及び［００２０］において、光学干渉センサで言及されている。
【０００６】
先行技術のもう１つの例は、特許文献３に示されており、これはファブリーペロー共振器に限定されており、反射光の量が測定される。反射されなかった光は透過する。この原理は、キャビティ長さの変化が格子の回折効率、すなわち光が０次（鏡面反射）及び−１／＋１次に主に向けられる量を変調する、我々の発明の格子読み出しとは異なる。メンブレンが全反射する場合、光は全く透過しない。ファブリーペローデバイスの全反射メンブレンの使用は、うまくいかないであろう。キャビティ長さの変化によって反射光の変調は全く発生しないであろう。
【０００７】
しかし、特許文献３は、ダイナミックレンジを拡張するためにいくつかの信号を使用することに言及しているが、まず、これらの信号は異なる波長で発生する。この時、段落［００２０］は、いくつかの信号によってインタロゲートすることが可能な複数の光学キャビティの積層体の使用及び、複数の光源の使用に言及している。非特許文献４は、２つの異なる格子線周期を有する２つの異なる格子を用いた、交互配置された変位エンコーダを示している。この実験において、２つの格子からの信号は、光が回折される角度によって分離され、これは今度は格子線の周期の関数となる。２つの信号を分離するために、デバイスは、コリメートされた光（ここでは集光レンズを有するバルクＨｅＮｅレーザー）によって照射されなければならず、光検出器は、格子から比較的遠く離されて（ここでは１０ｍｍ）配置されなければならない。結果的に得られる測定は、直交位相の２つの信号のために、照射波長の数倍のダイナミックレンジで実施可能であるが、この測定は、レーザー強度の変動によって影響を受けることとなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００５／００１８５４１号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００９／０２６８２１１号明細書
【特許文献３】米国特許第７３５５７２０号明細書
【特許文献４】欧州特許出願公開第２４８２０４０号明細書
【特許文献５】米国特許出願公開第２００５／０２５３０５２号明細書
【特許文献６】国際公開第２００２／００４８９５号
【特許文献７】米国特許出願公開第２０１１／０１９４８５７号明細書
【特許文献８】米国特許出願公開第２０１１／０１９４７１１号明細書
【特許文献９】米国特許出願公開第２００４／０１３０７２８号明細書
【特許文献１０】米国特許出願公開第２００６／０１９２９７６号明細書
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Brown, David A.ら著、“A symmetric 3x3 coupler based demodulator for fiber optic interferometric sensors”. SPIE, Fiber Optic and Laser Sensors IX Vol. 1584 (1991)
【非特許文献２】Reid, Greg J., and David A. Brown著、“Multiplex architecture for 3 x 3 coupler based fiber optic sensors.” SPIE, Distributed and Multiplexed Fiber Optic Sensors RI, Boston (1993)
【非特許文献３】Stowe, D., and Tsung-Yuan Hsu著、“Demodulation of interferometric sensors using a fiber-optic passive quadrature demodulator.” Lightwave Technology, Journal of 1.3 (1983): 519-523
【非特許文献４】D. Shin and B Kim著、“A laser interferometer encoder with two micromachined gratings generating phase shifted quadrature”, Journal of Micromechanics and Microengineering. 21 (2011) 085039
【非特許文献５】Lacolleら著、“Micromachined Optical Microphone based on a modulated diffractive lens”, 3rd of the EOS Topical Meeting on Optical Microsystems (OμS’09),Capri, sept 27-30., 2009
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１０】
そのため、本発明の目的は、増大したダイナミックレンジを有する比較的単純かつ高価でない変位センサを提供することである。また、光源における強度変動の効果を減少させる解決手段を提供することも目的である。本発明の目的は、添付された特許請求の範囲に記載された発明に従うセンサを用いることで解決する。提供される解決手段はまた、発散光源（ＶＣＳＥＬなど）からの光を異なる光検出器に集束する集束回折パターンを使用することによって、小型のＭＥＭＳデバイスに集積されてもよく、それによって異なる回折パターンからの信号を分離する小型で単純な方法を提供する。
【００１１】
説明される信号処理は、上述の刊行物、特に特許文献１に基づいている。
【００１２】
本発明は、いくつかの回折素子の使用に拡張するものとして説明されてもよい。回折素子は、同一の反射表面の下に配置されてもよく、反射表面に対するその高さは、全ての時点において、ほぼ一定である高さオフセット分だけ異なるものでなければならない（このほぼ一定である高さオフセットは、各回折素子ごとに異なる）。異なる回折素子からの反射及び／または回折は、いくつかの検出器に導かれ、位相差を有する信号を発生させる。
【００１３】
そのため、この原理は、以下のように説明されうる。
【００１４】
各回折素子が光をそれ自体の検出器に導く場合、電気信号は
【００１５】
【数１】
2019090837.tif 000003
【００１６】
で与えられ、以下の位相オフセット
【００１７】
【数２】
2019090837.tif 000004
【００１８】
を有し、Ｉは照射強度であり、λは照射の波長であり、ｄｉは、アイドル位置にある場合の反射表面に対する各回折素子の高さ（距離）であり、δはアイドル位置に対する反射表面の変位である。さらに、信号Ａがどのように発生するかについての情報は、特許文献１に記載されている。
【００１９】
そのため原理は、異なる位相オフセットを有するいくつかの信号を読むことであり、この方法は複数位相読み出しと呼ばれる。特殊な場合には、この方法は、（典型的には１８０°の位相差を有する２つの信号の差を取る場合）差分読み出し、または（９０°の位相差を有する２つの信号を用いる場合）直交読み出しと呼ばれる。
【００２０】
測定を行い、より直接的に、またはより直接的にではなく、ダイナミックレンジを増加させることができるように、位相がずれたいくつかのサイン波信号を結合させる原理は、いくつかのデバイス、例えば特許文献４、特許文献５及び特許文献６の光学位置センサにおいて既に実装されている。その他の応用例は、干渉距離測定及びＴＶホログラフィ（簡易特許検索は、これらの最近の出願についての関連する結果を返さなかった）でありうる。我々は、本発明を、回折読み出しを有する位置センサ、すなわち回折格子または集束回折レンズを有する場合の位置センサに限定したい。
【００２１】
特許文献１には、図９に示されるように、反射表面に対して２つの異なる高さを有する２つの回折素子が、１８０°の位相差を有する２つの信号Ａ１及びＡ２を与える、「差分マイクロフォン」についての実施形態が開示されている。
【００２２】
この時、以下の数式が成り立つ。
【００２３】
【数３】
2019090837.tif 000005
【００２４】
Ａ１及びＡ２を結合し、以下の数式の反射表面の変位を直接的に取り出すことによって照射量Ｉの変動を打ち消すことができる。
【００２５】
【数４】
2019090837.tif 000006
【００２６】
照射量の変動を打ち消すことはまた、位相差πの２つの信号を作り出す、回折素子によって集束された（−１次の回折の）光及び、回折素子によって反射された（０次の回折の）光を測定することによっても実装することができる。照射量の変動を打ち消すために反射及び回折の両方を用いることは、非特許文献５に説明されている。Ｈａｌｌらによる特許文献７及び８は、集束能力のない線形格子に適用される原理について議論している。
【００２７】
最も高い感度及びほぼ線形的な測定を達成するために、反射表面のアイドル位置または稼働点が、以下の数式で得られる曲線が（高い感度に関して）最も急になり、測定された信号のひずみを防ぐために最も線形的である状態にあることが重要である。
【００２８】
【数５】
2019090837.tif 000007
【００２９】
２つの第１の適切な稼働点が、図２に示されている。
【００３０】
曲線は実際にはλ／２の距離、または２πの位相の周期で周期的である。そのため、高い感度及び良好な線形性を確保するために、
【００３１】
【数６】
2019090837.tif 000008
【００３２】
は、π／２にπの整数倍を加えたものに近いものでなければならない。これは、アイドル位置における回折素子と反射表面との間の距離ｄが、ｍ＝１、２、３・・・に対して以下の数式を満たさなければならない。
【００３３】
【数７】
2019090837.tif 000009
【００３４】
したがって、距離ｄは非常に正確に定められなければならない。しかし、物理的な実装において、アイドル位置において反射表面に対する回折素子の高さは、第１の箇所において非常に正確な高さでデバイスを製造するのが非常に困難でありうるという事実に加えて、デバイスの熱安定性に起因して変化する可能性がある。この場合、我々は、回折素子の高さの摂動ｄｐｅｒｔｕｒｂａｔｉｏｎを有し、これは経時的に変化し得るかまたは変化しないが、全ての回折素子に関して同じである。
【００３５】
特許文献９及び１０において、反射表面が適切な稼働点に静電駆動によって変位されるという解決手段が提案されている。このシステムは、能動フィードバックシステムを必要とする。
【００３６】
複数位相読み出しもまた、この問題への改善方法として使用可能である。我々は例えば、Ｎ個の回折素子を有するデバイスを製造することができ、ｎ番目の回折素子の高さは以下の数式で与えられ、
【００３７】
【数８】
2019090837.tif 000010
【００３８】
この場合、以下の数式を満たす回折素子が存在することを確認している。
【００３９】
【数９】
2019090837.tif 000011
【００４０】
上記の条件を満たす回折素子を選択することで、全ての時点において良好な感度及び線形性を確保することとなる。例えば、４つの回折素子を有する場合、最も近い理想的な稼働点の高さがλ／３２以内、または位相がπ／８以内である稼働点を有する回折素子が存在することとなる。
【００４１】
本発明に従って提案される他の新規な特徴は、センサのダイナミックレンジを増加させることである。これにより、センサのダイナミックレンジを約λ／８の動作レンジから数λまで増大させることが可能になる。
【００４２】
これは、直交する以下の２つの信号を与える２つの回折素子を有するセンサの製造によって達成可能である。
【００４３】
【数１０】
2019090837.tif 000012
【００４４】
変位δは以下の複素数を最初に計算し、
【００４５】
【数１１】
2019090837.tif 000013
【００４６】
次いでこの複素数の位相を以下の数式のようにアンラップするすることによって得られる。
【００４７】
【数１２】
2019090837.tif 000014
【００４８】
この場合、デバイスは正確なアイドル位置（稼働点）を必要とせず、小さな高さ変動ｄｐｅｒｔｕｒｂａｔｉｏｎは、デバイスの感度または線形性を劣化させない。他の利点は、数λでありうる反射表面変位の大きさの理論的制限がないことである。しかし、この方法は、照射強度Ｉが既知であることを必要とする。これは、１８０°位相シフトを有する信号を与える回折素子を追加することによって同じデバイスに実装可能である。
【００４９】
直交する２つの信号からいくつかの波長のダイナミックレンジにおける位置を得るための代替的なアルゴリズムは、非特許文献３に記載されている。
【００５０】
４つの回折素子での複数位相読み出しを有する実装例について考慮されうる。４つの回折素子は以下の数式を与える。
【００５１】
【数１３】
2019090837.tif 000015
【００５２】
変位δは以下の数式で与えられ、
【００５３】
【数１４】
2019090837.tif 000016
【００５４】
これは照射強度Ｉとは独立である。
【００５５】
これは、上述の、複数位相読み出しの３つの利点である、照射量の変動の打ち消し、稼働点調整、ダイナミックレンジの増大の全てを与える原理の組み合わせである。
【００５６】
上述の解決手段の代替として、２つの回折素子の使用は直交する２つの信号を与え、２つの回折素子のそれぞれから回折され、反射された信号の両方が測定される。回折され、反射された信号は（１８０°位相オフセットだけ）位相が異なる。これは、以下の数式を有する上述の４つの信号を与えるが、Ｉは、倍数因子分だけ、回折され、反射された信号について異なりうるが、これは容易に修正可能である。
【００５７】
【数１５】
2019090837.tif 000017
【００５８】
照射信号及び反射表面変位の両方を、以下の数式の信号を与える３つの回折素子を用いることによって得ることができる。
【００５９】
【数１６】
2019090837.tif 000018
【００６０】
次いで、以下の複素数を計算する。
【００６１】
【数１７】
2019090837.tif 000019
【００６２】
計算すると、以下の数式を得る。
【００６３】
【数１８】
2019090837.tif 000020
【００６４】
信号照射量は、Ｓの絶対値を計算することによって容易に以下の数式で得ることができる。
【００６５】
【数１９】
2019090837.tif 000021
【００６６】
そして、反射表面変位は、Ｓの位相を計算し、アンラップすることによって以下の数式で得ることができる。
【００６７】
【数２０】
2019090837.tif 000022
【００６８】
これもまた、複数位相読み出しの以下の３つの利点、照射量の変動の打消し、稼働点調整、ダイナミックレンジの増大の全てを得ることとなる。
【００６９】
０、１２０°及び２４０°位相シフトを有する３つの信号から、いくつかの波長のダイナミックレンジの位置を得るための代替的なアルゴリズムは、非特許文献１及び非特許文献２で説明されている。
【００７０】
より一般的には、３つまたはそれ以上の適切な信号が使用されてもよく、Ｉを下の数式で得ることができる。
【００７１】
【数２１】
2019090837.tif 000023
【００７２】
また、変位を以下の数式で得ることができる。
【００７３】
【数２２】
2019090837.tif 000024
【００７４】
ここで、αｉは実定数であり、βｉは複素定数である。
【００７５】
より多くの信号を追加することは、測定に冗長性を加えることとなり、測定誤差を低減しうる。
【００７６】
本発明の技術的実現性は、例示として本発明を示す添付図面を参照してより詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】先行技術を示す。
【図２】先行技術を示す。
【図３】複数位相読み出し及び、ここでは４つの回折素子を有する位置センサを示す。
【図４】光源及び光検出器を有する本発明の１つの実施形態に従うデバイスである。
【図５】光軸をずらした光源及び光検出器を有する発明の他の実施形態に従うデバイスを示す。
【図６ａ】反射表面下の円形領域に配置された、光軸をずらした照射及び３つの異なる回折素子を有する図５の実施形態を示す。
【図６ｂ】反射表面下の円形領域に配置された、光軸をずらした照射及び３つの異なる回折素子を有する図５の実施形態を示す。
【図６ｃ】反射表面下の円形領域に配置された、光軸をずらした照射及び３つの異なる回折素子を有する図５の実施形態を示す。
【図７】軸上位置の光源を有する図４の実施形態を示す。
【図８】光軸をずらした実施形態における格子の直接反射を低減するための解決手段を示す。
【図９】軸上の解決手段の図８に類似する解決手段を示す。
【図１０】回折素子からキャビティの反対側の反射表面に実装された凹部を有する実施形態を示す。
【図１１】光を透過し、センサからの光を選択するための光ファイバーを使用する本発明の実施形態を示す。
【図１２】ファイバーを通して戻る異なる波長を受け取る、図１１に示された実施形態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００７８】
複数位相読み出しを有する変位センサは図３に示されている。デバイスは、少なくとも部分的に反射性であり、メンブレン（４）の側面でありうる表面（２）と、いくつかの回折素子（１ａ−ｄ）からなる。表面（２）及び回折素子（１ａ−ｄ）は、スペーサ（５）によって画定されたキャビティによって隔てられている。この実施形態においては、メンブレン（４）を支持するフレーム（６）が存在する。回折素子（１ａ−ｄ）は、少なくとも部分的に透明な基板（３）によって支持されている。２つまたはそれ以上の回折素子が存在し得る（この図においては４つである）。（１ａ−ｄ）と（２）との間の異なる高さは、基板（３）内に凹部を形成することによって実装され、そこに回折素子（１ａ−ｄ）が配置される。
【００７９】
回折素子（１ａ−ｄ）は、同じ反射表面（２）の下に配置され、反射表面に対するそれらの高さは、全ての時点において、ほぼ一定である高さオフセットだけ異なるものでなければならない（このほぼ一定である高さオフセットは、各回折素子とは異なる）。これは、（１）特許文献１に記載のような集束回折レンズであって、この場合回折レンズは異なる光軸を有し、そのためそれらはそれぞれ検出器が配置されうる異なる位置に回折されたスポットを集束する、集束回折レンズとして、または（２）特許文献９及び特許文献１０に記載のような非集束格子であって、この場合各格子素子からの回折は、格子素子が同じ場所に配置されていない、及び／または格子線が異なる配向を有するという事実によって分離される、非集束格子として、実装可能である。また、回折されまたは反射された光を、いくつかの検出器に集束するために追加的なレンズを使用することも可能でありうる。
【００８０】
読み出しの原理は、以下の通りである。回折素子（１ａ−ｄ）と反射表面（２）との間の距離が変化すると、回折素子（１ａ−ｄ）の回折効率が変調される。変調された信号は、デバイスを狭帯域光源（７）、例えばＶＣＳＥＬ（図４を参照）で照明することによって発生させることができる。このとき、いくつかの光検出器（８ａ−ｄ）は、回折素子によって反射されまたは回折された光を測定する。信号は、回折素子（１ａ−ｄ）と反射表面（２）との間の距離に同様の依存性を有するが、位相／高さオフセット（回折素子（１ａ−ｄ）と反射表面（２）との間の距離に対するオフセット）を伴う。
【００８１】
光検出器からの電気信号が処理され、それによって回折素子（１ａ−ｄ）と反射表面（２）との間の距離が、いくつかの波長のダイナミックレンジで得られる。これを達成するために、高さオフセットを伴う２つまたはそれ以上の回折素子が存在しなければならない。
【００８２】
上述したのと同様のデバイスが図５に示されており、ここでは、光源に反射して戻される光の量を低減することができるように、光源が回折素子（１ａ−ｄ）及び反射表面（２）の平面に対して傾けられている。レーザーダイオードに反射して戻された光は、典型的には光源のノイズを増加させることとなる。
【００８３】
上述のように、反射表面に対する回折素子の高さは、全ての時点において、各回折素子に対して固有の一定値だけ異なるものでなければならない。実際には、これは、互いに近接して、回折素子を反射表面下に配置することによって達成することができる。曲げメンブレンの場合、適切な配置は、その屈曲が最小であるメンブレンの中央である。図３において、回折素子は隣り合わせで示されているが、回折素子はむしろ、反射表面下の円形領域に配置することもできる。３つの回折素子を有する２つの例が、図６及び図７に示されている。
【００８４】
図６ａ−ｃには、光軸を外した、反射表面下の円形領域に配置された３つの異なる回折素子を有する実施形態が示されている。３つの異なる回折素子１１、１２、１３の位置が、図６ａに示されている。図６ｂは、反射線が示された、中央２１、２２、２３を有する集束回折素子を有する実施形態を示している。図６ｃは、さらに、３つの回折素子によって回折され、集束された光を測定する３つの検出器の位置３１、３２、３３とともに、回折素子の照射のための光源の位置１０を示している。光源及び３つの検出器は、回折素子の下に配置された平面に置かれ、相対的な位置は、互いの位置とともに、レンズの反射特性に応じて選択される。
【００８５】
円形領域上の３つのレンズの分布は、３つの回折素子全てからの反射に対して、本質的に等しい効率を提供するように選択される。
【００８６】
図７は、図６に示されたものと類似した、光軸上の実施形態を示しているが、光源が中央に配置され、そのため回折素子をそれぞれ有して提供される３つの等しい大きさの円形区画１１ａ、１２ａ、１３ａを有する。集束回折素子の使用の場合には、回折素子の中央領域２１、２２、２３を不透明２４にすることが有用である可能性があり、そのため、この場合には回折され集束された光を測定する検出器に反射される光は存在しない。これはまた、各回折素子の中心部が配置される基板上に、屈曲した表面２５をエッチングすることによっても達成することができる。同様に、光源に反射されて戻る光の量を最小化するために、光源上方の領域を不透明にし、またはエッチング２０することが有用である可能性がある。これは、図８及び図９に示されている。
【００８７】
図８は、回折され集束された光を測定する検出器上への、回折素子の中央領域からの０次回折に反射される光が存在しないように、集束回折素子の中央領域が透明にされ、または屈曲されることがどのように可能になるかを示している。
【００８８】
図９は、図８と同様の実装形態であるが、光軸上の実施形態である。
【００８９】
反射表面上に凹部を有する実施形態がある。代替的な実施形態は、図１０に示すように、平面内に回折素子（１ａ−ｄ）を配置すること、及び反射表面内に凹部（２ａ−ｄ）を実装することである。２つまたはそれ以上の回折素子が存在することができる。
【００９０】
図１１及び１２において、光源及び検出器は、光ファイバー４０を通して提供され、光ファイバー４０は、本質的に既知の方法で、光を回折素子１（ａ−ｄ）に向かって伝達する。この光は、選択されたスペクトルレンジを有してもよく、回折素子は、光ファイバーによって受け取られた光の波長が集束回折素子の同一性を示す、光ファイバーｓａへ向けて光を集束して戻すことができるように、集束特性を有して提供されてもよい。回折素子の特性が既知であり、反射表面２に対する回折素子の位置が既知であるため、相対的な変位を知りうる。これは、図１１においては、ファイバー端部に向けて集束する第１の回折素子１ａとして、一方図１２においてはファイバー端部に向けて集束する第４の回折素子として、図１１、１２に示されている。
【００９１】
そのため、まとめると、本発明は、第１の少なくとも部分的に反射性の表面及び少なくとも２つの回折パターンを有する第２の表面を含む光学変位センサであって、パターンは第１の表面から異なる距離を有する、及び／または所定の方向に異なる波長の光を向ける、光学変位センサに関する。回折パターンは、光をその異なる回折次数（０次回折、すなわち反射を含む）に向け、回折次数のいくつかの強度は、異なる信号を発生させることができるように測定可能である。この発明は、少なくとも２つの回折パターンによって発生した少なくとも２つの信号を必要とする。信号は、２つの表面の間の距離がおよそλ／８よりも大きな範囲で変化しないという必要性を緩和することを可能にする位相オフセットを有しなければならない。信号はまた、以下の、センサのおよそλ／８から数λへのダイナミックレンジの増加、照射強度における変動の打消しの１つまたは２つを可能にしうる。
【００９２】
特許文献１は、「差分マイクロフォン」の実装形態を説明しており、２つの異なる高さを有する２つの回折素子は、照射強度の変動を打ち消すように、１８０°の位相オフセットを有する２つの信号を発生させる。しかし、２つの信号は、２つの表面の間の距離がおよそλ／８よりも大きく変動しないという必要性の緩和を可能としない。
【００９３】
本発明の好適な実施形態によれば、第１の少なくとも部分的に反射性の表面と、少なくとも２つの回折パターンを有する第２の表面と、を含む光学変位センサであって、表面は、これらの間の距離が可変である素子上に提供され、各対が、その間にキャビティを画定する部分的に反射性の表面及び回折パターンからなる、光学変位センサに関する。
【００９４】
センサはまた、少なくとも１つの選択された波長範囲の光をこのキャビティ内に伝達する少なくとも１つの光源と、キャビティからの光を受け取る少なくとも１つの光検出器と、を含み、各対が、その範囲内の選択された波長で最大回折効率を提供するように適合され、この回折パターンが、少なくとも１つの回折次数の光を、回折表面に対する既知の位置に提供された少なくとも１つの検出器に向けるように適合され、検出器は、各対に対応する回折効率位相を測定するように適合される。
【００９５】
回折パターンと選択された回折次数との間の高さまたはキャビティ距離の差は、光検出器において発生した信号が、互いに対して所定の位相オフセットを有するように選択される。そのとき、信号は、光源強度に独立であり、光源の波長のおよそ１／８よりも長い動作レンジに渡って高い感度及び線形性を有する、２つの表面間の距離の測定を提供することができるように処理可能である。
【００９６】
光強度変動の効果を低減することができるとともに、大きなダイナミックレンジを提供する第１の、好適な実施形態は、選択された波長においてそれぞれ、０°、１２０°及び２４０°の位相オフセットを有して測定された、回折光を提供するキャビティ長さを有する３つの回折パターン及び３つの対を提供してもよい。
【００９７】
代替的に、本発明は、キャビティ長さを有する２つの回折パターン及び２つの対を含む。この場合、第１の回折パターンは、第１のパターンから回折され、反射された信号間にそれぞれ０°及び１８０°の位相オフセットを提供する。第２の回折パターンは、回折と反射との間で、選択された波長において９０°及び２７０°の位相オフセットを提供するように選択される。
【００９８】
また、少なくとも１つの選択された波長レンジにおける光を前述のキャビティ及び少なくとも１つの光検出器に伝達する少なくとも１つの光源を含むセンサは、キャビティからの光を受け取るために含まれる。
【００９９】
回折パターンは、光を、前述の回折表面に対する既知の位置に提供された少なくとも１つの検出器に向けるように適合される。各キャビティ及び回折パターンはまた、例えば、パターンの異なる回折次数に関して配置されたいくつかの検出器に光を伝達してもよい。
【０１００】
回折パターンは、各センサに向けて光を集束し、そのため、センサの効率及び感度を増大させる回折レンズであってもよい。
【０１０１】
回折レンズは、パターン平面内のビーム中心に対してずれた光軸を有する円形パターンによって構成されてもよく、そのためビーム中心に対して半径方向にずれた焦点を有してもよく、そこに、検出器または光ファイバーなどのその他の光サンプラーが配置されてもよい。
【０１０２】
各回折レンズの中央領域は、光源から検出器まで反射を向けるのを避け、そのため、選択された波長レンジ内の光のみが確実に検出器に向けて集束されることができるように、表面処理を有して提供される。表面はまた、光源に反射を戻すように向けることを防ぐその他の方法で処理されてもよい。
【０１０３】
キャビティ間のキャビティ長さの違いは、格子から向けられた光の間の選択された位相差を提供するように選択されてもよい。光源から伝達された光のビーム幅は、好適には回折部分及びキャビティの領域に相当する特定領域を覆うように選択されてもよい。そのため、ビーム断面に渡るキャビティの大きさは、キャビティが本質的に同じ量の光にさらされるように、ビーム内の本質的に等しい領域を覆う。キャビティ及び回折パターンの形状もまた、この目的のために選択されてもよい。
【０１０４】
１つの実施形態によれば、光源はこの反射領域と同軸に配置され、このキャビティ及び検出器は、この軸の周りに分布され、キャビティは軸の周りの等しい大きさの区画を構成する。
【０１０５】
代替的に、光源は、この軸から外れて位置してもよく、そこでは、キャビティは、この中央の中央からの距離に対する外周の本質的に等しい領域及び本質的な区画を覆う。これらの形状は、等しい量の光強度を受け取ることができるように計算される。
【０１０６】
光源は、選択された波長レンジで放出する任意の利用可能な種類からなるものであってよく、少なくとも１つの光ファイバーを通してキャビティに向けて伝達しうる。１つの実施形態によれば、光源は、いくつかの選択された波長で光を伝達し、１つまたはいくつかの受光光ファイバーに向けて１つの選択された波長で光を向けるそれぞれの回折パターンは、少なくとも１つの検出器に接続される。
【０１０７】
光源はまた、いくつかの選択された波長で光を伝達する光ファイバーを通してキャビティを照射するように選択されてもよく、同じ光ファイバーに向けて光を向けるように戻す各回折パターンは、例えばビームスプリッターなどを通して、信号を１つまたはいくつかの検出器に伝達するように適合される。
【０１０８】
そのため、光ファイバーを使用しない、入出力を兼ねる１つのファイバー、照射のための１つのファイバー及び、受容して検出器に伝達するためのいくつかのファイバー、いくつかの入力及びいくつかの出力、並びにいくつかの入力ファイバー及び１つの出力を含む、いくつかの選択肢が可能であり、例えば、入力信号が多重化される。上述のように、同じ１つまたは複数のファイバーが、入力及び出力のために使用されてもよい。
【０１０９】
さらに、分散素子が、照射ファイバーと、異なる回折パターンに対して異なる波長を導く回折パターンとの間に適用されてもよい。そのため、全ての選択された波長で全てのキャビティを照射する代わりに、各波長が、対応するキャビティに向けられ、ファイバーに戻されるように、ファイバー出力とキャビティとの間の分散素子を使用することが可能である。
【０１１０】
好適には、キャビティは、例えば回折パターンによって隔てられた波長によって得られる間隔を増大させることができるように、異なるキャビティ長さを画定する。
【０１１１】
キャビティは、用途並びに利用可能な光源、回折パターン及び検出器に応じた、任意の選択された波長レンジまたは複数のレンジで照射されてもよい。全てのキャビティは、完全な範囲で照射されてもよく、または異なる波長は、例えばキャビティ長さ及びパターン特性に応じて、異なるキャビティに向けて選択的に伝達される。
【０１１２】
上述のように、本発明は、表面、関連するキャビティ及び回折パターンを照射するために使用される光のいくつかの波長に渡る範囲のセンサの反射表面間の移動を覆う、幅広いダイナミックレンジを得るための手段を提供する。これは、有利には、感度を維持しつつ、表面間の小さな変位と大きな変位との間のダイナミックレンジの増大を提供するマイクロフォンに使用されてもよい。
【符号の説明】
【０１１３】
１ａ−ｄ  回折素子
２  表面
３  基板
４  メンブレン
５  スペーサ
６  フレーム
７  光源
８ａ−ｄ  光検出器
１０  光源の位置
１１、１２、１３  回折素子
２１、２２、２３  中央領域
２５  屈曲した表面
３１、３２、３３  検出器の位置
４０  光ファイバー
【図１】
2019090837.tif 000025
【図２】
2019090837.tif 000026
【図３】
2019090837.tif 000027
【図４】
2019090837.tif 000028
【図５】
2019090837.tif 000029
【図６ａ】
2019090837.tif 000030
【図６ｂ】
2019090837.tif 000031
【図６ｃ】
2019090837.tif 000032
【図７】
2019090837.tif 000033
【図８】
2019090837.tif 000034
【図９】
2019090837.tif 000035
【図１０】
2019090837.tif 000036
【図１１】
2019090837.tif 000037
【図１２】
2019090837.tif 000038
【手続補正書】
【提出日】平成31年3月20日(2019.3.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の少なくとも部分的に反射性の表面と、少なくとも３つの回折パターンを有する第２の表面と、を含む光学変位センサであって、前記表面が、それらの間の距離が可変である素子上に提供され、前記部分的に反射性の表面が、各回折パターンとともに各対を画定し、前記各対が、それらの間に各キャビティを画定し、前記各キャビティがそれぞれあるキャビティ長さを有し、
前記センサがさらに、少なくとも１つの選択された波長レンジの光を前記キャビティに伝達する少なくとも１つの光源と、前記キャビティからの光を受け取る少なくとも１つの光検出器と、を含み、各対が、前記レンジ内の選択された波長において最大回折効率を提供するように適合され、前記回折パターンが、光を、回折表面に対して既知の位置に提供された少なくとも１つの検出器に向けるように適合され、前記検出器が、各対に対応する回折効率位相を測定するように適合され、それによって、３つまたはそれ以上の信号が発生され、前記センサがさらに、前記３つまたはそれ以上の信号を処理して、前記光源の強度に独立である、前記第１の少なくとも部分的に反射性の表面と前記第２の表面との間の変位の測定を提供するように構成された処理手段を含み、
前記対が、前記選択された波長においてそれぞれ０、２π／３及び４π／３の位相オフセットを提供する、光学変位センサ。
【請求項２】
前記回折パターンが、前記それぞれのセンサに向けて光を集束する回折レンズである、請求項１に記載のセンサ。
【請求項３】
各回折レンズが、ビーム中心に対してシフトされた光軸を有する円形パターンによって構成された、請求項２に記載のセンサ。
【請求項４】
各回折レンズの中心の領域が、前記光源から前記検出器へ反射を向けるのを防ぐように、表面処理を有して提供される、請求項３に記載のセンサ。
【請求項５】
キャビティ長さの差が、格子から向けられた光の間の選択された位相差を提供するように選択される、請求項１に記載のセンサ。
【請求項６】
前記光源が、ある領域を覆う光ビームを放出し、前記ビームの断面に渡る前記キャビティの大きさが、同じ光の量にさらされるように、前記ビームの等しい領域を覆う、請求項１に記載のセンサ。
【請求項７】
前記第２の表面が、前記光源に反射を戻すように向けるのを防ぐように処理された、請求項１に記載のセンサ。
【請求項８】
前記光源が、前記第１の少なくとも部分的に反射性の表面と同軸に配置され、前記キャビティ及び検出器が、前記光軸の周りに分布された、請求項３に記載のセンサ。
【請求項９】
前記キャビティが、前記光軸の周りの等しい大きさの領域の区画を構成する、請求項８に記載のセンサ。
【請求項１０】
前記光源が、前記光軸から外れて配置され、前記キャビティが、前記ビーム中心の中心からの距離に対する周辺部の等しい領域及び区画を覆う、請求項３に記載のセンサ。
【請求項１１】
前記光源が、いくつかの選択された波長で光を伝達する光ファイバーを通して前記キャビティを照射し、各回折パターンが、選択された波長の１つで光を１つまたはいくつかの光ファイバーに向け、前記光ファイバーが、信号を１つまたはいくつかの検出器に伝達する、請求項１に記載のセンサ。
【請求項１２】
前記光源が、いくつかの選択された波長の光を伝達する光ファイバーを通して前記キャビティを照射し、各回折パターンが、信号を１つまたはいくつかの検出器に伝達するように適合された前記光ファイバーに向けて光を戻す、請求項１に記載のセンサ。
【請求項１３】
前記光ファイバーと前記回折パターンとの間の分散素子が、異なる波長を異なる回折パターンに向ける、請求項１１または１２に記載のセンサ。
【請求項１４】
前記キャビティが、異なるキャビティ長さを画定する、請求項１に記載のセンサ。
【請求項１５】
前記キャビティが、異なる波長の光で照射される、請求項１に記載のセンサ。
【請求項１６】
前記表面の１つがメンブレン上に配置された、請求項１に記載のセンサを含むマイクロフォン。
【請求項１７】
第１の少なくとも部分的に反射性の表面と、少なくとも２つの回折パターンを有する第２の表面と、を含む光学変位センサであって、前記表面が、それらの間の距離が可変である素子上に提供され、前記部分的に反射性の表面が、各回折パターンとともに各対を画定し、前記各対が、それらの間に各キャビティを画定し、前記各キャビティがそれぞれあるキャビティ長さを有し、
前記センサがさらに、少なくとも１つの選択された波長レンジの光を前記キャビティに伝達する少なくとも１つの光源と、前記キャビティからの光を受け取る少なくとも１つの光検出器と、を含み、各対が、前記レンジ内の選択された波長において最大回折効率を提供するように適合され、前記回折パターンが、光を、回折表面に対して既知の位置に提供された少なくとも１つの検出器に向けるように適合され、前記検出器が、各対に対応する回折効率位相を測定するように適合され、それによって、３つまたはそれ以上の信号が発生され、前記センサがさらに、前記３つまたはそれ以上の信号を処理して、前記光源の強度に独立である、前記第１の少なくとも部分的に反射性の表面と前記第２の表面との間の変位の測定を提供するように構成された処理手段を含み、
前記少なくとも２つの回折パターンが、第１及び第２の回折パターンを含み、前記選択された波長において、前記第１の回折パターンが、それぞれ、前記第１のパターンからの回折信号と前記第１のパターンからの反射信号との間で０及びπの位相オフセットを提供し、前記第２の回折パターンが、前記第２のパターンからの回折信号と前記第２のパターンからの反射信号との間でπ／２及び３π／２の位相オフセットを提供する、光学変位センサ。
【請求項１８】
第１の少なくとも部分的に反射性の表面と、少なくとも４つの回折パターンを有する第２の表面と、を含む光学変位センサであって、前記表面が、それらの間の距離が可変である素子上に提供され、前記部分的に反射性の表面が、各回折パターンとともに各対を画定し、前記各対が、それらの間に各キャビティを画定し、前記各キャビティがそれぞれあるキャビティ長さを有し、
前記センサがさらに、少なくとも１つの選択された波長レンジの光を前記キャビティに伝達する少なくとも１つの光源と、前記キャビティからの光を受け取る少なくとも１つの光検出器と、を含み、各対が、前記レンジ内の選択された波長において最大回折効率を提供するように適合され、前記回折パターンが、光を、回折表面に対して既知の位置に提供された少なくとも１つの検出器に向けるように適合され、前記検出器が、各対に対応する回折効率位相を測定するように適合され、それによって、３つまたはそれ以上の信号が発生され、前記センサがさらに、前記３つまたはそれ以上の信号を処理して、前記光源の強度に独立である、前記第１の少なくとも部分的に反射性の表面と前記第２の表面との間の変位の測定を提供するように構成された処理手段を含み、
前記対が、前記選択された波長においてそれぞれ０、π／２、π及び３π／２の位相オフセットを提供する、光学変位センサ。
【請求項１９】
第１の少なくとも部分的に反射性の表面と、少なくとも５つの回折パターンを有する第２の表面と、を含む光学変位センサであって、前記表面が、それらの間の距離が可変である素子上に提供され、前記部分的に反射性の表面が、各回折パターンとともに各対を画定し、前記各対が、それらの間に各キャビティを画定し、前記各キャビティがそれぞれあるキャビティ長さを有し、
前記センサがさらに、少なくとも１つの選択された波長レンジの光を前記キャビティに伝達する少なくとも１つの光源と、前記キャビティからの光を受け取る少なくとも１つの光検出器と、を含み、各対が、前記レンジ内の選択された波長において最大回折効率を提供するように適合され、前記回折パターンが、光を、回折表面に対して既知の位置に提供された少なくとも１つの検出器に向けるように適合され、前記検出器が、各対に対応する回折効率位相を測定するように適合され、それによって、３つまたはそれ以上の信号が発生され、前記センサがさらに、前記３つまたはそれ以上の信号を処理して、前記光源の強度に独立である、前記第１の少なくとも部分的に反射性の表面と前記第２の表面との間の変位の測定を提供するように構成された処理手段を含み、
前記対が、前記選択された波長においてそれぞれ０、２π／５、４π／５、６π／５及び８π／５の位相オフセットを提供する、光学変位センサ。
【請求項２０】
第１の少なくとも部分的に反射性の表面と、少なくとも７つの回折パターンを有する第２の表面と、を含む光学変位センサであって、前記表面が、それらの間の距離が可変である素子上に提供され、前記部分的に反射性の表面が、各回折パターンとともに各対を画定し、前記各対が、それらの間に各キャビティを画定し、前記各キャビティがそれぞれあるキャビティ長さを有し、
前記センサがさらに、少なくとも１つの選択された波長レンジの光を前記キャビティに伝達する少なくとも１つの光源と、前記キャビティからの光を受け取る少なくとも１つの光検出器と、を含み、各対が、前記レンジ内の選択された波長において最大回折効率を提供するように適合され、前記回折パターンが、光を、回折表面に対して既知の位置に提供された少なくとも１つの検出器に向けるように適合され、前記検出器が、各対に対応する回折効率位相を測定するように適合され、それによって、３つまたはそれ以上の信号が発生され、前記センサがさらに、前記３つまたはそれ以上の信号を処理して、前記光源の強度に独立である、前記第１の少なくとも部分的に反射性の表面と前記第２の表面との間の変位の測定を提供するように構成された処理手段を含み、
前記対が、前記選択された波長においてそれぞれ０、２π／７、４π／７、６π／７、８π／７、１０π／７及び１２π／７の位相オフセットを提供する、光学変位センサ。
【請求項２１】
第１の少なくとも部分的に反射性の表面と、少なくとも３つの回折パターンを有する第２の表面と、を含む光学変位センサであって、前記表面が、それらの間の距離が可変である素子上に提供され、前記部分的に反射性の表面が、各回折パターンとともに各対を画定し、前記各対が、それらの間に各キャビティを画定し、前記各キャビティがそれぞれあるキャビティ長さを有し、
前記センサがさらに、少なくとも１つの選択された波長レンジの光を前記キャビティに伝達する少なくとも１つの光源と、前記キャビティからの光を受け取る少なくとも１つの光検出器と、を含み、各対が、前記レンジ内の選択された波長において最大回折効率を提供するように適合され、前記回折パターンが、光を、回折表面に対して既知の位置に提供された少なくとも１つの検出器に向けるように適合され、前記検出器が、各対に対応する回折効率位相を測定するように適合され、それによって、３つまたはそれ以上の信号が発生され、前記センサがさらに、前記３つまたはそれ以上の信号を処理して、前記光源の強度に独立である、前記第１の少なくとも部分的に反射性の表面と前記第２の表面との間の変位の測定を提供するように構成された処理手段を含み、
前記少なくとも３つの回折パターンが、第１、第２及び第３の回折パターンを含み、前記選択された波長において、第１の回折パターンがそれぞれ、前記第１のパターンから回折された信号と反射された信号との間で０及びπの位相オフセットを提供し、第２の回折パターンがそれぞれ、前記第２のパターンから回折された信号と反射された信号との間でπ／３及び４π／３の位相オフセットを提供し、第３の回折パターンがそれぞれ、前記第３のパターンから回折された信号と反射された信号との間で２π／３及び５π／３の位相オフセットを提供する、光学変位センサ。
【外国語明細書】
2019090837000001.pdf