[发明专利]具有波导结构的自混合干涉设备

说明书

技术领域

本发明涉及基于半导体激光源和光电探测器的自混合干涉设备，所述光电探测器被布置成检测由所述半导体激光源所发射的激光辐射的强度变化。

背景技术

这样的基于自混合干涉量度学(SMI)的激光传感器允许测量速度、振动和距离，涵盖广泛的应用范围。自混合干涉设备使用以下效应：从目标物体散射回来且再次进入激光腔的激光与谐振辐射干涉且因此影响设备的输出性质。当激光器在合适状况下操作时，往回耦合的光的响应为线性的，且所造成的输出功率的变化包含关于目标物体相对于设备的移动或距离的可追踪信息。测量输出功率的这些变化的频率。为此目的，通常利用光电二极管或光电晶体管来收集激光输出信号。在目标物体与激光腔之间的距离决定了往回散射的光在重新进入激光腔时的相位和因此是否存在相消或相长干涉。当物体移动时，该距离和因此相位以与物体速度成比例的速率变化。因此，相长干涉和相消干涉以与此速度成比例的频率发生。因为这个所谓的多普勒频率仅给出关于速度的大小而非关于其方向的信息，所以必须使用调制技术来确定该方向。当使用半导体激光器作为激光源时，特别地VCSEL(竖直腔表面发射激光器)，激光器能以限定的电流形状操作，例如，周期性锯齿或三角形电流，使得输出频率几乎即刻遵循这些电流变化，这归因于同时变化的光学谐振器长度。谐振器长度的这个变化是温度引起的，这源于激光器电流的消耗性加热。最后得到的谐振光和往回散射的光之间的频率差异可在合适的电子器件中评估且可转化回为关于目标物体的位置和其移动方向的信息。

WO 02/37410 Al公开了用于测量物体移动的方法和设备。该方法和设备使用自混合干涉效果以便测量物体移动，其在优选的应用中为手指在输入设备上的移动。利用这样的也被称为Twin-Eye激光传感器的设备，可以测量物体的准3D移位，特别地用于如PC鼠标这样的输入设备中。

这样的已知传感器的总高度不能自由减小，因为需要特定往返长度以便实现在正确状况下的多普勒频率。目前，这导致激光源输出表面(通常VCSEL)到所测量物体表面大约5mm的最小距离，和传感器底部到顶部6mm的总高度。尽管这个高度对于用于PC鼠标中并不施加限制，但其禁止用于诸如移动电话或mp3播放器这样的输入设备中。而且对于用于例如遥控器或笔记本的跟踪球，传感器高度优选地等于球的大小。在激光源的输出与所测量物体之间的大距离也造成了信号强度的显著减小，使得需要聚焦元件来使得光聚焦且再次获得信号强度。为了在两个方向上测量，使用彼此间隔开的两个激光源且需要光学元件来偏转束且使得激光聚焦。这个光学元件必须相对于VCSEL高度准确地放置以满足传感器准确度公差。

发明内容

本发明的目的在于提供自混合干涉设备，特别地用于输入设备中，与上文已知的自混合干涉设备相比，该自混合干涉设备可利用较低的高度和较低成本来实现。

利用根据权利要求1所述的自混合干涉设备来实现这个目的。这个设备的有利实施例是从属权利要求的主题且在说明书的随后部分中公开。

所提出的自混合干涉设备包括：基板，其具有集成的光波导结构；半导体激光源，特别是VCSEL，其布置于基板表面上且朝向所述表面发射激光辐射；以及，光电探测器，其布置成检测激光辐射的强度变化。波导结构光学地连接到激光源且被设计成将激光源发射的激光辐射引导至基板表面的向外耦合区并引导从基板外部的目标物体往回散射的激光辐射的一部分再次进入激光源。在该设备的有利实施例中，两个集成的光波导结构、两个半导体激光源和两个光电探测器布置于基板上使得目标物体的移动在两个独立轴中同时测量，如在上文所述的Twin-Eye激光传感器中。为此目的，两个激光源的激光辐射必须在彼此正交的方向中向外耦合。

通过使用集成的光波导结构来传送从激光源发射和往回反射到激光源的光，克服了该设备的总高度的上述限制。为了执行所期望的测量在激光源的发射表面与目标物体之间的光所需的距离由在激光源与向外耦合区之间的波导结构的长度来提供。由于波导结构在基板平面中平行于其表面延伸，这不会影响到整个设备的高度。因此可以调谐在激光源与向外耦合结构之间的波导结构的长度来实现所用信号处理机制的最佳多普勒频率。在激光源与向外耦合区之间的波导结构的光学长度可例如在0.2mm与100mm之间，优选地在2mm与20mm之间的范围。特别地对于在输入设备中的应用，波导结构可成形为将传感区，即向内耦合和向外耦合结构，放置于基板表面上的任何期望的位置。而且，通过排除对聚焦元件的需要且同时排除对于此元件的高度准确放置的需要，可以以更低成本来生产该设备。