改进的利用滤光器的自混合模块制造技术

提供了用于在自混合条件下生成、增强和检测激光的幅度调制和相位调制的系统和方法。所述系统可以包括激光器和检测器，所述检测器用于提取自混合信号的特性，随后使用以硬件或软件方式被实现的算法来解释所述自混合信号的特性。在激光器是垂直腔体表面发射激光器(VCSEL)的情况下，可通过借助分束器对表面光发射进行监测来检测输出信号，或在一些实施例中作为来自激光器的底表面的发射来监测。在一些实施例中，系统可以进一步包括波长滤光器，诸如信号路径中的标准具。

Improved self-mixing module using filter

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】改进的利用滤光器的自混合模块相关申请的交叉引用本申请要求2016年6月13日提交的题为“ImprovedSelf-MixModuleUtilizingFilters(改进的利用滤光器的自混合模块)”的美国临时申请第62/349,123号的权益和优先权，其内容通过引用整体被并入本文。
本专利技术公开文本涉及信号处理并涉及基于激光自混合的机制的传感器。还公开了用于针对传感器的改进的封装的方式。
技术介绍
本文中所提供的背景描述用于总体地呈现本公开的上下文的目的。在此
技术介绍
部分所描述的程度上的当前命名的专利技术人的工作以及在递交时可不以其他方式作为现有技术的描述的各方面既不明确地又不隐含地被承认为反对本公开的现有技术。激光器和激光二极管中的自混合(或也被称为光学反馈干涉)是一种用于感测与运动相关的物理现象的敏感机制。该敏感性是由于以下因素引起的：激光器对于甚至是微小水平的光学反馈也具有极大的敏感度、该反馈的相对的相位变化、以及这些相位变化发生在光自身的光波长量级的距离尺度上。另外，激光器对这些变化的时间响应在极限情况下仅受激光器腔体内光子的寿命限制，其本身在几十皮秒的量级上，因此响应可以非常快。因此，高速、高灵敏度、以及高空间分辨率的潜力使得自混合成为一种非常有吸引力的传感器技术。还因为自混合的实现需要最少的外部部件并且硬件的复杂度可较低，所以自混合是一种有吸引力的技术。进一步的益处在于该技术是固有地自对准的。这些传感器还可以包含诸如降噪和信息提取算法之类的各种水平的信号处理，该信号处理通常是针对特定应用和感兴趣的被测量高度定制的。高速的专用电路(ASCIS)的可用性允许紧凑的和高性能的自混合传感器。基于自混合的激光传感器已经于各处存在了很长时间，主要用于振动测量、位移、轮廓测量和测速。诸如题为“LaserSelf-MixingMeasuringDevice(激光自混合测量设备)”的美国专利No.8,416,424B2(该专利通过引用以其全部内容被并入本文)中所描述的设备之类的常规设备似乎公开了在激光器与检测器之间的光路中具有移动的衍射光栅的一种这样的自混合测量设备。所述设备大多数用于较短距离的工业应用，在这样的工业应用中，可实现的信号电平足以用于可靠的检测和传感器灵敏度。由此，增加可获得的信号电平将引起可由该技术寻址的应用空间的广泛扩展。垂直腔体表面发射激光器(VCSEL)可以是对于自混合而言特别适合的一种半导体激光器形式。已知VCSEL中的自混合。然而，VCSEL受到与传统激光器相同的限制中的许多限制，即低的可获得的信号电平。已经为了优化VCSEL以用于改进VCSEL自混合性能而做了工作，但改进的程度对于本文中所构想的多个感兴趣消费者应用而言仍是不足的。可能最成功的应用和最近的发展是将VCSEL使用在光学鼠标的基于自混合的传感器中，在该传感器中目标距离在厘米的量级上。另外，基于VCSEL的紧凑型低成本封装方法将使得自混合传感器到消费者应用和市场中的渗透率能够提高，消费者应用和市场将从对该自混合传感器的利用中显著获益。
技术实现思路
以下提供了本公开的一个或多个实施例的简化概述以便提供对此类实施例的基本理解。此概述不是所有构想的实施例的广泛综览，并且既非旨在标识所有实施例的关键性或决定性要素，亦非旨在描述任何或所有实施例的范围。本专利技术公开文本的系统和方法可以包括例如用于通过利用滤光器(特别是法布里-珀罗(Fabry-Perot)滤光器)来改进自混合的系统、设备和方法。本专利技术公开文本的系统和方法还可以包括例如用于通过利用VCSEL(特别是被设计用于增加底部发射水平或与标准具集成的VCSEL)来改进自混合传感器的系统、设备和方法。本公开文本的系统和方法可以提供其他的和/或附加的益处或优点。鉴于自混合传感器的可扩展性和灵敏度的所概述的限制，本公开文本的一个或多个实施例的目的是提供一种有效放大来自于自混合装置的输出信号的装置。本公开文本的至少一个实施例基于使用波长滤光器(优选地为法布里-珀罗标准具)通过在滤光器通带之一的边缘上的波长处进行操作来增强信号幅度。因此，将波长滤光器安置在监测信号的光路中，安置在检测器前。本公开文本的一个或多个实施例的另一个目的是通过使用垂直腔体激光器来实现更小、更具成本效益的自混合传感器。特别地，通过利用来自VCSEL的基板侧(背)发射，从而不需要单独的分束器部件，并可以能够实现高效的垂直堆叠的封装配置。本公开文本的至少一个实施例的又一个目的是利用VCSEL的独特结构，以便将滤光器直接集成到VCSEL结构本身中。在本公开文本的一个或多个实施例中，提供了一种激光自混合装置，包括：激光器，所述激光器用于产生激光束；检测器，所述检测器用于监测该光束的一部分的强度；装置，所述装置用于将激光的所述部分耦合进入检测器；以及光学滤光器，所述光学滤光器在激光器和检测器之间的光路中。可以通过外部透镜的方式将激光束聚焦到部分反射的目标上，并且该透镜还用于将被反射的光中的一些光耦合回到激光器腔体中。光学滤光器可以具有拥有窄范围和波长的至少一个通带，使得可使用电流或温度或其他手段来调节激光器以便在通带的陡峭区域上操作。可以存在有位于滤光器和检测器之间的光路中的孔径、孔、狭缝或其他开口。被反射回到激光器腔体中的光中的一些光的耦合生成了具有时间信息、频率信息和波长信息的自混合信号，该时间信息、频率信息和波长信息涉及目标反射表面的相对移动。在本公开文本的一个或多个实施例中，激光自混合设备的操作包括在激光器中产生激光并将该光的一部分引导到部分反射的目标上。随后将被反射的光中的一些光耦合回到激光器腔体中。激光的另一部分不会前进到目标，而是被引导朝向检测器。该激光或其一部分的样本在穿过滤光器之后或从滤光器反射之后被引导在检测器处。检测器生成与入射到该检测器的表面的光的量成比例的输出信号。由于被反射的光的耦合所引起的激光器内的自混合效应，该输出信号随时间变化。测量和处理输出信号，以便提取关于目标的与位移或移动相关的信息。滤光器的目的在于向对于经采样的激光束的波长非常敏感的检测器提供信号，使得波长的非常小的变化造成滤光器的透射特性或反射特性的大的变化。换言之，在遇到滤光器之后，采样的自混合调制光中的光子到达检测器的概率很大程度上取决于其波长。由于自混合信号的物理性质在时间上与振幅或强度调制同步地表现出波长调制，因此滤光器可以用于有效地放大或抑制可用于检测的信号。可以操作激光器使得发射光的波长对应于滤光器透射或反射特性中相对陡峭变化的区域。如果在滤光器特性的上升沿(在该上升沿中，透射或反射随波长增加而增加，并且伴随着向更长波长的移动，采样光信号强度增加)上进行操作，则效果是加性的(同相)并且信号的表观上的峰到峰调制将增加。如果在滤光器特性的下降沿(在该下降沿中，透射或反射随着波长的增加而减少，并且伴随着向更长波长的移动，采样光信号的强度增加)上工作，则效果是减性的(异相)并且信号的表观上的峰到峰调制将减少。如果在滤光器特性的下降沿(在该下降沿中，透射或反射随着波长的增加而增加，并且伴随着向更短波长的移动，采样光信号的强度增加)上工作，则效果是减性的(异相)并且信号的表观上的峰到峰调制将减少。如果在滤光器特性的下降沿(在该下本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于激光发射的传感器设备，包括：至少一个激光器，所述激光器从至少一个孔径发射光，所述激光器包括腔体和至少一个镜子；检测器；滤光器，所述滤光器位于相对于所述腔体固定的位置；以及至少一个光学透镜，所述至少一个光学透镜将激光发射的一部分大致聚焦到目标表面上，并且将从所述目标表面反射的任何光的一部分耦合回到所述激光器腔体中，其中，第一光路在所述激光器与所述目标表面之间运载从所述激光器发射的所述光的第一部分，并且第二光路在所述激光器与所述检测器之间运载从所述激光器发射的所述光的第二部分，其中，所述目标表面仅设置在所述第一光路内；并且其中，所述滤光器设置在至少所述第二光路内。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.06.13 US 62/349,1231.一种用于激光发射的传感器设备，包括：至少一个激光器，所述激光器从至少一个孔径发射光，所述激光器包括腔体和至少一个镜子；检测器；滤光器，所述滤光器位于相对于所述腔体固定的位置；以及至少一个光学透镜，所述至少一个光学透镜将激光发射的一部分大致聚焦到目标表面上，并且将从所述目标表面反射的任何光的一部分耦合回到所述激光器腔体中，其中，第一光路在所述激光器与所述目标表面之间运载从所述激光器发射的所述光的第一部分，并且第二光路在所述激光器与所述检测器之间运载从所述激光器发射的所述光的第二部分，其中，所述目标表面仅设置在所述第一光路内；并且其中，所述滤光器设置在至少所述第二光路内。2.如权利要求1所述的传感器设备，其特征在于，所述滤光器设置在所述第一光路和所述第二光路内。3.如权利要求1至2中任一项所述的传感器设备，其特征在于，所述激光器是VCSEL。4.如权利要求3所述的传感器设备，其特征在于，在与所述激光器相同的基板上生长所述检测器。5.如权利要求1至4中任一项所述的传感器设备，其特征在于，所述滤光器是光栅或标准具中的一种。6.如权利要求1至5中任一项所述的传感器设备，其特征在于，所述激光器具有用于发射光的多个孔径。7.如权利要求1至6中任一项所述的传感器设备，其特征在于，进一步包括对所述激光发射的一部分进行采样并将其呈现给所述检测器的装置。8.如权利要求7所述的传感器设备，其特征在于，所述采样装置是分束器。9.如权利要求8所述的传感器设备，其特征在于，相对于所述激光器的光轴成一角度地定位所述分束器。10.如权利要求7至9中任一项所述的传感器设备，其特征在于，所述滤光器存在于所述激光发射的经采样的部分的光路中。11.如权利要求7至10中任一项所述的传感器设备，其特征在于，所述经采样的部分不大于所述激光发射的50％。12.如权利要求7至11中任一项所述的传感器设备，其特征在于，所述经采样的部分不少于所述激光发射的10％。13.如权利要求7至12中任一项所述的传感器设备，其特征在于，所述激光器是VCSEL，并且通过所述VCSEL的底表面发射所述光。14.如权利要求1至13中任一项所述的传感器设备，其特征在于，所述激光器包括具有涂层的底部发射表面。15.如权利要求14所述的传感器设备，其特征在于，所述涂层在所述激光发射的所述波长上是抗反射的。16.如权利要求14所述的传感器设备，其特征在于，所述涂层在所述激光发射的所述波长上是反射性的。17.如权利要求1至16中任一项所述的方法，其特征在于，所述检测器从由以下各项组成的群组中选择：光检测器、PIN光检测器、谐振腔光检测器或雪崩光电二极管。18.如权利要求1至17中任一项所述的传感器设备，其特征在于，所述激光器是边缘发射激光器。19.如权利要求1至17中任一项所述的传感器设备，其特征在于，所述激光器是固态激光器。20.如权利要求1至17中任一项所述的传感器设备，其特征在于，所述激光器是气体激光器。21.如权利要求1至20中任一项所述的传感器设备，其特征在于，所述光具有在约800nm与1000nm之间的波长。22.如权利要求1至21中任一项所述的传感器设备，其特征在于，所述滤光器由光栅和空间滤光器或狭缝组成。23.如权利要求1至22中任一项所述的传感器设备，其特征在于，所述滤光器是具有小于约5nm的自由光谱范围的标准具。24.如权利要求1至23中任一项所述的传感器设备，其特征在于，所述滤光器是具有小于约1nm的自由光谱范围的标准具。25.如权利要求1至24中任一项所述的传感器设备，其特征在于，所述滤光器是具有大于约5的精细度的标准具。26.如权利要求1至25中任一项所述的传感器设备，其特征在于，所述滤光器是具有大于约10的精细度的标准具。27.如权利要求1至26中任一项所述的传感器设备，其特征在于，所述滤光器具有透射峰值，并且最接近所述光的波长的所述透射峰值的一半最大透射带宽处的全宽度小于或等于1nm。28.如权利要求1至27中任一项所述的传感器设备，其特征在于，所述激光器具有多个发射孔径。29.如权利要求1至28中任一项所述的传感器设备，其特征在于，所述激光器是具有至少一个镜子和基板的VCSEL，并且所述滤光器是包括所述VCSEL的至少一个镜子和所述基板的标准具。30.如权利要求29所述的传感器设备，其特征在于，进一步包括所述基板上的反射涂层。31.如权利要求30所述的传感器设备，其特征在于，所述滤光器被安装到所述检测器。32.如权利要求1至31中任一项所述的传感器设备，其特征在于，所述激光器是VCSEL，并且所述激光器被安装到所述滤光器。33.如权利要求1至23中任一项所述的传感器设备，其特征在于，所述滤光器被安装到所述检测器。34.如权利要求1至34中任一项所述的传感器设备，其特征在于，所述激光器是具有顶表面和底表面的VCSEL，并且从所述顶表面发射出的峰值光学功率与从所述底表面发射出的所述峰值光学功率的比率在1∶1与10∶1之间。35.如权利要求1至34中任一项所述的传感器设备，其特征在于，进一步包括外壳。36.一种经封装的传感器设备，包括：外壳；激光器，所述激光器从孔径发射光，所述光具有波长；检测器，所述检测器在所述外壳的第一端处被安装到基板；滤光器，所述滤光器设置在所述激光器与所述检测器之间；以及至少一个光学透镜，所述至少一个光学透镜位于所述外壳的第二端处。37.如权利要求36所述的经封装的传感器设备，其特征在于，所述激光器是VCSEL。38.如权利要求36至37中任一项所述的传感器设备，其特征在于，所述外壳由经模制的塑料组成。39.如权利要求38所述的经封装的传感器设备，其特征在于，所述至少一个光学透镜是与所述外壳一体成形的。40.如权利要求36至37中任一项所述的传感器设备，其特征在于，所述外壳由金属组成。41.如权利要求40所述的经封装的传感器设备，其特征在于，所述透镜是被固定到所述外壳的塑料插件。42.如权利要求36至41中任一项所述的经封装的传感器设备，其特征在于，至少将所述检测器和所述滤光器设置在所述外壳的腔体内。43.如权利要求36至42中任一项所述的经封装的传感器设备，其特征在于，将所述激光器安装在所述外壳的外表面上的凹槽内。44.如权利要求36至43中任一项所述的经封装的传感器设备，其特征在于，所述基板被安装到所述外壳上。45.如权利要求36至44中任一项所述的经封装的传感器设备，其特征在于，所述滤光器是标准具。46.如权利要求36至45中任一项所述的经封装的传感器设备，其特征在于，所述检测器从由以下各项组成的群组中选择：光检测器、PIN光检测器、谐振腔光检测器或雪崩光电二极管。47.如权利要求36至46中任一项所述的经封装的传感器设备，其特征在于，所述波长在约800nm与1000nm之间。48.如权利要求36至47中任一项所述的经封装的传感器设备，其特征在于，所述滤光器具有小于约5n...

【专利技术属性】
技术研发人员：K·约翰逊，T·费什曼，T·巴基什，
申请(专利权)人：维克萨股份有限公司，沃寇族姆系统有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US