光电设备、自混合干涉仪和操作自混合干涉仪的方法

技术领域

本公开涉及用于自混合干涉仪的位移传感器的光电设备、自混合干涉仪以及操作自混合干涉仪的方法。本公开的一个方面涉及一种光学麦克风。

背景技术

光学传感器常见于当今各种电子设备中，例如移动设备、手机、平板或膝上型计算机、手表等，以及非移动设备，例如台式计算机等。光学传感器可以被设计为位移传感器、光学麦克风、用于距离和/或速度测量、折射率测量等的光学设备。例如，光学麦克风可以制造成具有光学读出。这些设备通常需要满足消费类产品麦克风的限制条件，例如具有短外腔长度的小尺寸、简单的光路结构、足够宽的带宽以覆盖20kHz音频、无伪像和无中断工作等。

在现有技术中，已经提出了基于自混合干涉(简称SMI)的光学传感器。半导体激光器(诸如垂直腔面发射激光器或VCSEL)发射的激光束被引导到反射面(或目标)上，该反射面随着施加的声压而移动(见图8A)。反射的激光被反馈到激光器中，这使得光场通过光干涉来影响激光器的操作。由于反射光根据表面位置经历不同的相移，因此总光强也在变化(见图8B)。可以通过用专用光电检测器感测光强(即，读出功率)或者通过感测激光器电压/电流特性(例如，通过其电压读出)来捕获光强。目标距离d处反射光的相移如下：

其中，λ为激光发射波长。换句话说，相移还取决于激光发射的波长λ。

然而，读出信号(功率或电压/电流)与原始表面位置没有直接的单调或线性关系，而是遵循周期性函数，该函数在半个光波长(λ/2，例如880nm激光的440nm)的每个表面行程中重复(见图8B)。考虑以光学麦克风形式布置的光学传感器。为了使光学麦克风实现高AOP(声学过载点的缩写)，即麦克风能够处理而没有过度的信号失真的最大声的音频信号，读出机制可能有必要能够处理多个这样的周期，以从其重建具有低失真的原始音频信号。

现有技术已经提出了几种尝试来克服这个问题。一种读出技术包含在感兴趣的信号频带中开启的调节环路。光电二极管电流I

虽然现有技术采用各种环路架构解决读出问题，但这些解决方案严重限制了最大范围。然而，一些光学传感器(如光学麦克风)依赖于大的可用位移范围来精确地重建表面运动，例如作为声音信号。

本公开的目的是提供一种用于自混合干涉仪位移传感器的光电设备、一种自混合干涉仪和一种操作自混合干涉仪的方法，该自混合干涉仪具有改进的属性，包括更大的检测范围和降低的复杂性。

这些目的通过独立权利要求的主题实现。从属权利要求中描述了进一步的发展和实施例。

应理解，与任何一个实施例相关的任何特征可单独使用，或与本文所述的其他特征结合使用，也可与任何其他实施例的一个或多个特征结合使用，或与任何其他实施例的任何组合结合使用，除非作为备选方案进行了说明。此外，在不脱离所附权利要求中定义的光电设备、自混合干涉仪和用于操作自混合干涉仪的方法的范围的情况下，也可以采用下面未描述的等同物和修改。

发明内容

以下涉及光学传感器领域的改进的概念，例如光学麦克风。改进的概念采用了“相位扫描”技术，该技术使用半导体激光器作为调谐元件。然后，扫描的多个相位值用于计算目标或表面(例如薄膜)的位置。例如，这些计算出的位置可用于重建声音信号。

在至少一个实施例中，用于自混合干涉仪的光电设备包括驱动器块、半导体激光器、检测器和交换网络。驱动器块可操作用于提供时间调制控制信号，其中控制信号具有周期性波形。半导体激光器可操作用于发射具有时间相关特性的激光，该时间相关特性是控制信号和自混合干涉光学反馈的函数。检测器可操作用于根据时间相关特性产生检测信号。交换网络被布置成在控制信号的每个周期提供检测信号的时间序列。

时间调制控制信号遵循时间的周期性函数。例如，控制信号是半导体激光器的驱动电流。时间调制可以以非连续的方式实现。控制信号可以改变半导体激光器的内部属性，使得发射(例如发射波长和/或功率输出)也以时间相关的方式受到影响。因此，时间相关特性被改变。此外，如果光电设备用于自混合干涉仪中，则光学反馈(例如通过进入激光腔的反射光)也可以改变时间相关特性。在没有由SMI引起的光场的情况下，时间相关特性可能没有变化，但时间调制控制信号有变化。

所提出的概念具有多种优势。当用于具有薄膜的自混合干涉仪时，光电设备能够处理超过λ/2的薄膜运动(即多个干涉周期)。可实现的AOP不受半导体激光器的波长调谐范围的限制，这成为短外腔长度的限制因素。精细的目标位置分辨率可能远低于一个完整的SMI条纹。

与现有技术解决方案相比，没有围绕SMI结构的调节回路，而是恒定的周期性刺激(“扫描”)。这减轻了调节环路稳定性可能导致的速度限制，并使功耗从周期性稳态保持恒定。事实上，来自薄膜闲置位置的光相位可以是任意的，并且不必被调整或调节到特定的相位。它允许随工艺变化而变化，或随温度漂移，使其对大规模生产具有鲁棒性。来自半导体激光器的慢响应是可以容忍的，因为在特征化之后，当从单个多相位结果计算SMI相位时可以将其考虑在内。半导体激光器的驱动和信号感测可以连续地用于测量位移(例如，用于音频)，即不需要被中断来执行校准操作(例如，用于“锁相”)，校准操作消耗功率但对测量结果没有任何直接贡献。这可以提高功率效率。这些优势伴随着更大的检测范围和更低的硬件复杂性。

在至少一个实施例中，用于自混合干涉仪的光电设备包括通用集成电路。通用集成电路至少包括驱动器块、检测器和交换网络。此外，部件也可以集成到通用集成电路中，使得光电设备可以被认为是全集成设备。然而，半导体激光器可以不包含在通用集成电路中，而是电连接和/或附着到通用集成电路。这样，半导体激光器可以使用与普通集成电路不同的技术来制造。例如，通用集成电路可以由CMOS工艺制造，而半导体激光器可以基于GaAs技术。

在至少一个实施例中，检测器包括光电检测器和/或电压表和/或电流表。光电检测器可操作用于提供检测信号作为光功率读出。电压表可操作用于提供检测信号作为电压读出。电流表可操作用于提供检测信号作为电流读出。这里提出的概念适用于不同的传感器读出，例如功率读出、电流和电压读出，使得检测器可以实施为例如光电检测器和/或电压表/电流表。

在至少一个实施例中，交换网络配置为呈现交换状态的序列。在每个交换状态下，交换网络从检测信号的时间序列中提供检测信号。

检测信号是半导体激光器的时间相关特性的测量，最终由控制信号和自混合干涉的光学反馈(如果存在)确定。因此，检测信号也可以以时间为函数而变化。在某种意义上，交换网络通过交换状态的序列扫描检测信号。该序列可以在与控制信号相同的周期内结束。交换状态的时间序列可以确定检测信号的时间分辨率。检测信号可以从交换状态的时间序列中作为模拟或数字检测值获取，并与相应的时间相关联。因此，检测信号的时间变化可以从检测值明显看出。

在至少一个实施例中，驱动器块包括刺激发生器和驱动器电路。刺激发生器可操作用于产生以时间为函数的周期性刺激波形。驱动器电路被布置成接收刺激波形，并且可操作用于根据所接收的刺激波形产生控制信号。

周期性刺激波形可被视为确定控制信号调制的函数。例如，刺激波形可以是时间的非连续函数。刺激波形可以是由周期性重复的阶跃函数和/或线性函数的部分组成的部分函数。部分可以与某个时间或时间戳相关联。驱动器电路可以是产生控制信号(例如驱动电流或电压)的电子部件，例如放大器。

在至少一个实施例中，光电设备还包括时钟发生器。时钟发生器可操作用于提供时钟信号。驱动器电路可操作用于提供与时钟信号同步的时间调制控制信号。交换状态的序列与时钟信号同步。这样，时间调制控制信号和交换状态的时间序列是同步的。

在至少一个实施例中，刺激发生器与时钟信号同步，因此刺激波形的时间相关性由时钟信号确定。

更详细地，可使用刺激发生器实施同步。当在给定时间内与时钟信号同步时，刺激波形分别保持由形成刺激波形的函数部分定义的值。刺激波形被馈送到驱动器电路，驱动器电路进而产生具有同步时间行为的时间调制控制信号或周期性IVCSEL波形。例如，控制信号可以是半导体激光器的偏置或驱动电流。反过来，检测信号也具有同步时间行为。这样，控制信号和检测可以容易地彼此关联，即给定的控制信号(例如驱动电流)可以唯一地与通过交换网络获取的检测值关联。

在至少一个实施例中，驱动器电路包括放大器，该放大器可操作用于产生时间调制控制信号作为半导体激光器的驱动电流。

在至少一个实施例中，光电设备还包括模数转换器。在一种选择中，模数转换器耦合在检测器和交换网络之间。模数转换器可操作用于接收检测信号并将检测信号以数字形式提供给交换网络。在另一种选择中，模数转换器耦合到交换网络的输出端，并且包括时间交错的ADC通道。每个通道可以与交换网络的相应输出端相关联。模数转换器可以将检测信号转换成数字检测值。数字形式可以降低信号处理的复杂性。

在至少一个实施例中，光电设备还包括计算单元。计算单元可操作用于从检测信号的时间序列中获取检测值，并计算指示要放置在半导体激光器的视场中的目标距离的输出。例如，在自混合干涉仪中，光电设备可以放置在可移动薄膜的前面。该时间相关特性是控制信号和自混合干涉的函数，该自混合干涉是来自在薄膜处反射的激光的光学反馈。从检测信号的时间序列获取的检测值可以通过薄膜的变化距离来调制，使得计算的输出是变化的目标距离的测量。

在至少一个实施例中，计算单元包括目标相位计算单元和/或相位展开单元。目标相位计算可操作用于根据相应控制信号和检测信号的时间序列来确定输出。相位展开单元可操作用于从所计算的输出中去除相位不连续性。

在至少一个实施例中，自混合干涉仪包括根据本文讨论的方面中的一个或多个的光电设备。反射薄膜相对于半导体激光器放置，以便形成自混合干涉仪。

在至少一个实施例中，驱动器块、半导体激光器、检测器和/或交换网络集成到通用集成电路中。

半导体激光器(可以是VCSEL)可以不集成到集成电路中，因为集成电路(例如，包括检测器、驱动器块或信号处理块等其他部件，如目标相位计算单元和相位展开单元)可以以硅CMOS工艺制造，而半导体激光器可以具有砷化镓(GaAs)基底。在这种情况下，半导体激光器可以附着到通用集成电路(或硅)的表面，并通过胶粘垫或焊盘连接。

在至少一个实施例中，自混合干涉仪被布置为光学麦克风，并可操作用于提供声音信号作为输出。

在至少一个实施例中，操作自混合干涉仪的方法包括提供时间调制控制信号的步骤，其中控制信号具有周期性波形。激光被发射向目标，该激光具有与时间相关特性，该特性是控制信号和自混合干涉光学反馈的函数。产生检测信号，该检测信号表示自混合干涉，该自混合干涉取决于从目标反射回的激光和取决于时间相关特性。最后，在控制信号的每个周期提供检测信号的时间序列。

在至少一个实施例中，根据相应控制信号和检测信号的时间序列来计算到目标的距离，和/或以时间为函数计算距离以导出声音信号。

进一步的优点和有利实施例以及所呈现的说明书的进一步发展源自下文结合附图所描述的实施例。

在实施例和附图中，相同或相似作用的部件可各自配备相同的附图标记。所示的元件和它们彼此之间的尺寸比例原则上不被认为是真实的比例；相反，为了更好地表现和/或更好地理解，诸如层、部件、结构元件和区域的单个元件可以以夸大的厚度或大尺寸示出。

附图说明

图1显示了具有光电设备的自混合干涉仪的示例实施例，

图2显示了半导体激光器的时间相关特性的示例说明，

图3显示了时间调制控制信号的示例，

图4显示了示例检测信号，

图5显示了另一示例检测信号，

图6显示了另一示例检测信号，

图7显示了以距离和相应刺激相位

图8A显示了现有技术中自混合干涉仪的示例实施例，以及

图8B显示了取决于目标位置的周期性SMI读出信号。

具体实施方式

图1显示了具有光电设备的自混合干涉仪的示例实施例。光电设备包括驱动器块、交换网络SWN以及检测器DTC和半导体激光器SCL。例如，光电设备被实施为集成电路，其部件被集成到通用基层中。然而，在其他实施例中，光电设备的至少一部分可以被实施为单独的部件，例如在通用集成电路的外部。例如，半导体激光器可以是光电设备的独立部件。在这种情况下，例如，半导体激光器可以安装或电连接到通用集成电路。

半导体激光器SCL相对于反射薄膜MBN定位。半导体激光器和薄膜一起形成自混合干涉仪，其中由激光器发射的激光束可以从薄膜反射回半导体激光器。在该实施例中，半导体激光器包括垂直腔面发射激光器，或VCSEL。可以实施为其他激光器，包括边缘发射激光二极管、外腔二极管激光器、光学泵浦表面发射外腔半导体激光器(VECSEL)或光子晶体表面发射激光二极管(PCSEL)，仅举几个例子。对于VCSEL，激光腔相对于制造晶片垂直指向。VCSEL可以安装在基层上，使得发射的激光可以指向薄膜。一般来说，可以使用任何可以在自混合干涉测量设备中设置的半导体激光器。一些传统的激光器或边缘发射激光二极管也可以能够接收激光回到它们的激光腔中并经历自混合。

驱动器块包括刺激发生器SGE和驱动器电路DRV，该驱动器电路还包括放大器。驱动器电路的输出耦合到半导体激光器。刺激发生器耦合到驱动器电路的输入。

检测器DTC包括光电检测器，例如光电二极管。检测器相对于半导体激光器SCL布置，使得激光器发射的激光可以被检测器收集。检测器的输出连接到模数转换器ADC。模数转换器的输出连接到交换网络SWN的输入侧。

交换网络SWN可实施为解复用器。例如，交换网络包括单个输入端，其连接到模数转换器ADC的输出。此外，交换网络包括多个输出端。输入端仅在限定的交换状态下电连接到输出端中的任何一个。根据所需的应用，输出端的数量可以不同。例如，可以选择该数量以满足信号采集的期望精度，这将从下面的讨论中显而易见。

光电设备还包括时钟发生器CLK。时钟发生器耦合到驱动器块(通过刺激发生器)和交换网络。

输出端耦合至信号处理块。信号处理块包括目标相位计算单元TPC。目标相位计算单元还连接到相位展开单元PUU。这两个单元可以被实施为一个或多个微控制器或微处理器，例如数字信号处理器(DSP)，或者被实施为其一部分。然而，这两个单元本身也可以是电子部件，例如基于逻辑或数字电路。相位展开单元包括提供测量信号的输出，该测量信号指示半导体激光器和薄膜之间的距离。此外，这两个单元可以实施在上述通用集成电路上，例如形成ASIC。然而，通过使用外部部件作为目标相位计算单元和/或相位展开单元，也可以完全或部分地执行信号处理。

自混合干涉仪的操作基于自混合干涉(以下表示为SMI)。为了例示改进的概念，下面假设自混合干涉仪被设计成具有光学读出的光学麦克风。然而，一般来说，下面讨论的概念可以应用于其他应用，例如位移传感器和用于距离和/或速度测量、折射率测量等的光学设备。

半导体激光器SCL(例如VCSEL)发射激光束，该激光束被引导到放置在可变距离d处的反射薄膜MBN上。在作为光学麦克风的应用中，薄膜最终会随着施加的声压而移动。发射光的反射可以被接收回到激光腔中以产生自混合干涉。在激光腔中，内部光场和被薄膜反向散射或反射的返回激光束之间发生干涉。半导体激光器和薄膜形成自混合干涉仪。

所施加的声压导致光程长度变化或相移变化，取决于薄膜位置。因此，总光强也会因相移的变化而变化。例如，半导体激光器的光功率是调制波形，形成激光器的时间相关特性的一部分。该调制波形可以通过用专用光电检测器感测光强(功率读出，该示例实施例)或通过感测激光器电压/电流特性(电压/电流读出)来捕获。

自混合干涉可能以可检测的方式改变半导体激光器SCL或其发射的相干光的性能属性或参数。这些变化在下文中表示为时间相关特性。时间相关特性包括例如结电压、偏置电流、电源电压或功率输出的变化。此外，自混合干涉取决于薄膜MBN和激光腔之间的距离，使得该距离可以与检测器DTC产生的检测信号(例如，I

可使用时间复用(或扫描)SMI读出技术操作光电设备。刺激发生器SGE产生周期性刺激波形。例如，刺激波形可以是时间的非连续函数。刺激波形可以是由周期性重复的阶跃函数和/或线性函数的部分组成的部分函数。刺激发生器可以与由时钟发生器CLK产生的时钟信号同步，使得对于给定时间，刺激波形保持由形成刺激波形的函数的各部分分别定义的值。刺激波形被馈送到驱动器电路DRV，该驱动器电路又产生时间调制控制信号，例如周期性I

因此，半导体激光器操作的时间相关特性可由控制信号确定。时间相关特性的一个参数是发射波长λ，其以控制信号(例如偏置电流)为函数而偏移。因此，控制信号转换成激光波长λ的定义序列或演变。结果，目标位置d的SMI相位

可通过检测器DTC检测不同的偏移相位值。在该实施例中，光电检测器产生光电流I

在该实施例中，产生的检测信号或I

提取的数字检测值然后用于计算对应于目标(或薄膜)位置的SMI相位值，表示为d。例如，如果目标位置恒定，则扫描的多个相位值从一个扫描周期到下一个扫描周期保持恒定，并且提取将产生重复的恒定重建位置结果。信号处理在计算单元中执行，例如目标相位计算TPC和/或相位展开单元PUU。处理的细节将在下面进一步讨论。

所涉及的相位计算很复杂，这就是为什么使用ADC对I

请注意，在几种现有技术中没有SMI相位调节环路。干涉仪是“自由运行”的，具有独立于当前薄膜位置的周期性刺激波形，并且薄膜位置是根据该独立刺激产生的任何一组值来计算的。注意，为了提取具有相位信息的SMI信号，计算可能仍然需要知道刺激波形，以便补偿引起的强度变化。可以选择波长变化以覆盖一个完整干涉相位周期的相移，但是可以扩展到例如两个周期以从驱动器-VCSEL-检测器链提取增益信息。

图2显示了半导体激光器的时间相关特性的示例例示。可以选择刺激波形以适应刺激发生器复杂性和SMI干涉仪动态响应的需要。该图示出了三个曲线图，它们都是以时间t为函数。最上面的曲线图示出了简单时间调制控制信号的示例，在该示例中是偏置电流I

中间的图显示了半导体激光器的非SMI光功率P

图3显示了时间调制控制信号的示例。

该顶部的图描绘了更复杂的时间调制控制信号，即周期性I

图4示出了示例检测信号。对于d

响应遵循函数：

其中P

SMI相位

其依次由I

交换网络在时钟信号的控制下采用交换状态的序列。在每个交换状态中，交换网络从检测信号的时间序列中提供检测信号。在某种意义上，交换网络通过与时钟信号同步地改变其交换状态来扫描响应函数。同时，控制信号也与时钟信号同步。当交换网络从一个交换状态改变到另一交换状态时，检测信号可以作为控制信号(这里是驱动电流I

在这种调谐方法中，激光波长λ可能不是影响检测信号的唯一因素。光电设备可以在检测器处的光功率P

所提出的SMI干涉仪可用作光学麦克风。根据SMI反馈电平C的强度，所获得的SMI相位结果是薄膜的原始刺激相位的更多(高C)或更少(低C)失真版本。对于给定的麦克风结构，这种失真的特征通常是已知的(给定C)，因此如果需要，可以将补偿添加到目标相位计算中。

所提出的SMI干涉仪可适用于振动计或其他测距应用，这些应用需要快速(>>1kHz)转换、亚纳米分辨率和多波长周期最大信号，特别是在外腔长度(到目标的距离)已知的情况下。

本文中的概念适用于功率读出、电流和电压读出，因此检测器可实施为例如光电检测器和/或电压表。该计算在目标相位计算单元TPC中进行。

图5示出了另一示例检测信号。对于d

考虑在时间戳t

从这四个I

对I

(假设

使用cos(a+b)＝cos acosb-sin asinb可以得到

现在可用于提取I和Q值：

图6示出了另一示例检测信号。对于d

在该示例中，可以选择刺激波形的部分以产生波长调制(作为I

该图例示了这种加权和求和。驱动电流(控制信号)I

扫过扫描IQ提取也可以用矩形加权来执行。这种方法类似于上面详细讨论的利用正弦加权的IQ提取，但是加权是利用矩形因子(常数，仅符号变化)而不是余弦/正弦加权来完成的，即图6中的图a)。这简化了计算，但会降低SMI相位结果的精度。

扫过扫描IQ提取也可以用SMI整形加权来执行，这里加权涉及预先计算的预期SMI响应曲线，而不是余弦/正弦加权，即图6中的图c)。与正弦加权相比，这有望使处理线性化，即位移和计算的SMI相位之间的关系失真更小。

图7显示了作为距离和相应刺激相位

SMI特性是关于位移d的周期函数。相应的刺激相位角

该算法可以被实施为基于前一个样本的相位结果

如果

如果

这样，得到的

可以设想实施相位偏移波整形和处理复用多相的其他选项，并且必须根据期望的应用进行评估，例如评估其可行性(精度、处理复杂性、变化鲁棒性)。特别地，简单的开/关I

虽然本说明书包含许多细节，但这些细节不应被解释为对本发明或所要求保护的范围的限制，而应被解释为对本发明特定实施例的特定特征的描述。本说明书中在独立实施例的上下文中描述的某些特征也可以在单个实施例中组合实施。相反，在单个实施例的上下文中描述的各种特征也可以在多个实施例中单独或以任何合适的子组合来实施。此外，尽管特征可能在上面被描述为在某些组合中起作用，并且甚至最初被如此要求保护，但是来自所要求保护的组合的一个或多个特征在一些情况下可以从该组合中删除，并且所要求保护的组合可以针对子组合或子组合的变型。

类似地，尽管在附图中以特定顺序描绘了操作，但这不应被理解为要求以所示的特定顺序或顺序执行这些操作，或者要求执行所有示出的操作，以实现期望的结果。在某些情况下，多任务和并行处理可能是有利的。

已经描述了许多实施方式。然而，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种修改。因此，其他实施方式也在权利要求的范围内。

参考

ADC模数转换器

CLK时钟发生器

DRV驱动器电路

DTC检测器

MBN薄膜

PUU相位展开单元

SCL半导体激光器

SGE刺激发生器

SWN交换网络

TPC目标相位计算单元