采用导模谐振的角传感器、系统以及方法

摘要

一种角度传感器、系统和方法利用导模谐振。该角传感器包括导模谐振(GMR)光栅和谐振处理器。谐振处理器确定入射到GMR光栅上的信号的入射角。谐振处理器使用GMR光栅对信号的导模谐振响应来确定入射角。角感测系统包括GMR光栅、谐振处理器并进一步包括产生信号的光源。该方法包括：提供GMR光栅、当接收到入射信号时检测在GMR光栅中产生的导模谐振，并根据GMR光栅对入射信号的响应中出现的导模谐振的数目或这些导模谐振之间的光谱距离来确定入射信号的入射角。

权利要求

1.一种角传感器，包括：

导模谐振(GMR)光栅；以及

谐振处理器，所述谐振处理器根据所述GMR光栅对信号的导模谐振响应来确定入射在所述GMR光栅上的所述信号的入射角。

2.如权利要求1所述的角传感器，其特征在于，所述GMR光栅包括二维光栅，所确定的入射角是相对于所述二维光栅的平整表面测得的角。

3.如权利要求2所述的角传感器，其特征在于，所述二维光栅包括形成在电介质片的表面层中的电介质特征的二维周期阵列。

4.如权利要求3所述的角传感器，其特征在于，所述电介质特征包括所述表面层中的孔。

5.如权利要求1所述的角传感器，其特征在于，所述GMR光栅包括电介质片的表面轮廓，所述表面轮廓包括从电介质片的表面突出的表面特征阵列。

6.如权利要求1所述的角传感器，其特征在于，所述谐振处理器根据所述导模谐振响应中的一对导模谐振之间的光谱距离确定所述入射角，所确定的入射角与所述光谱距离成正比。

7.如权利要求1所述的角传感器，其特征在于，所述谐振处理器通过对所述导模谐振响应中的谐振计数来确定所述入射角，其中一个谐振的计数代表相对于所述GMR光栅的表面为垂直入射角的入射角。

8.如权利要求1所述的角传感器，其特征在于，所述信号是宽带光信号，且所述谐振处理器包括：产生由所述GMR光栅产生的响应信号的光谱的光谱分析仪，所述响应信号是导模谐振响应。

9.如权利要求8所述的角传感器，其特征在于，所述谐振处理器还包括：检测所述光谱中的波峰的波峰检测器，

其中所述入射角的确定包括对测得波峰的数目进行计数和测量一对测得波峰之间的光谱距离中的一者或两者。

10.如权利要求1所述的角传感器，其特征在于，所述信号是扫描的窄带光信号，且所述谐振处理器包括：光学检测器，所述光学检测器接收由所述GMR光栅产生的响应信号作为导模谐振响应；以及功率计，所述功率计测量由所述光学检测器输出的功率电平，所述功率电平与所述响应信号的大小成正比；

其中所述窄带光学信号随时间在一光频率范围上频率扫描，所述入射角通过对测得功率电平中的波峰数目进行计数和通过测量所测得功率电平中一对波峰之间的时间距离中的一者或两者来确定。

11.如权利要求1所述的角传感器，其特征在于，所述谐振处理器接收和处理来自所述GMR光栅的响应信号，所述响应信号是所述GMR光栅的透射响应信号。

12.如权利要求1所述的角传感器，其特征在于，所述谐振处理器接收和处理来自所述GMR光栅的响应信号，所述响应信号是所述GMR光栅的反射信号。

13.一种角感测系统，包括：

光源，所述光源产生光信号；

导模谐振(GMR)光栅，所述GMR光栅产生对入射到所述GMR光栅表面上的所述光信号的导模谐振响应；以及谐振处理器，所述谐振处理器使用所述导模谐振响应来确定所述光信号对所述GMR光栅的表面的入射角，其中所确定的入射角由所述角感测系统存储或输出或者由所述角感测系统存储并输出。

14.如权利要求13所述的角感测系统，其特征在于，所述谐振处理器包括光谱分析仪，所述光谱分析仪根据所述导模谐振响应的光谱中的一对谐振特征之间的光谱距离来确定所述入射角，所述谐振特征对应于所述导模谐振响应中的导模谐振。

15.如权利要求13所述的角感测系统，其特征在于，所述通过光源产生的光信号是宽带光信号和在频率中时间扫描的窄带光信号之一，并且所述光源进一步包括使所述光信号线性偏振的偏振器。

16.如权利要求13所述的角感测系统，其特征在于，所述GMR光栅包括绝缘体上硅(SOI)晶片，所述晶片具有在所述硅的表面内蚀刻的孔的方点阵。

17.如权利要求13所述的角感测系统，其特征在于，所述GMR光栅是一维GMR光栅。

18.一种入射角确定方法，所述方法包括：

提供导模谐振(GMR)光栅；

当所述GMR光栅收到入射信号时，检测在所述GMR光栅内产生的导模谐振；以及根据所述导模谐振的数目和所述导模谐振之间的光谱距离中的一者或两者来确定所述入射信号的入射角，所述导模谐振在所述GMR光栅对所述入射信号的响应中出现。

19.如权利要求18所述的入射角确定方法，其特征在于，当存在一个以上的导模谐振时，所确定的入射角与一对导模谐振之间的光谱距离成正比，当仅存在一个导模谐振时，所确定的入射角是相对于所述GMR光栅表面的垂直入射角。

20.如权利要求18所述的入射角确定方法，其特征在于，所述入射信号是宽带光信号和时间扫描的窄带光信号中的一者。

21.如权利要求18所述的入射角确定方法，其特征在于，确定所述入射角包括：测量来自所述GMR光栅的响应信号的光谱；

识别所述光谱中的光谱特征，所述光谱特征与在所述GMR光栅中产生的导模谐振相关联；以及执行对所识别的光谱特征的数目计数和测量一对识别的光谱特征之间的光谱距离中的一项或两项操作，其中当计数出仅有一个识别的光谱特征时，所述入射角被确定为相对于所述GMR光栅表面的垂直入射角，并且当计数出有一个以上识别的光谱特征时，所述入射角被确定为与光谱距离成正比。

说明书

采用导模谐振的角传感器、系统以及方法

[0001] 关联申请的交叉引用

[0002] 无

[0003] 有关联邦资助研究或开发的声明

[0004] 无

[0005] 背景

[0006] 1.技术领域

[0007] 本发明涉及传感器。具体地，本发明涉及被用作角传感器的装置。

[0008] 2.关联技术的说明

[0009] 角传感器在很多种场合中应用以确定和监测角取向和角运动。例如，角传感器一般应用于控制系统以监测和控制该系统的特定元件的取向和/或运动。采用角传感器的应用范围大至宇宙飞船和卫星姿态/取向控制、小至制造过程中确定衬底的取向。因而，角传感器和角感测一般可以在例如消费电子、汽车、制造设备、导航系统甚至通信系统(例如天线位置控制)的装置和系统中找到。

[0010] 总地来说，角传感器和角感测可分成两类：绝对角传感器/感测和相对角传感器/感测。绝对角传感器/感测确定目标的绝对取向(且经常为绝对位置)。绝对角或位置传感器的例子是在惯性参照系中测量目标的加速度的惯性传感器。另一方面，相对角传感器/感测确定目标相对于基准目标、角或方向(例如基准角)的相对角或取向。光角传感器一般用作相对角传感器。示例性光学相对角传感器通常采用基准光信号的激光干涉和/或准直。

[0011] 微机电系统(MEM)惯性位置传感器已出现在角感测场合中。遗憾的是，MEM装置对制造和部署而言常常阻却性地昂贵。基于角感测的激光干涉仪和准直光源同样昂贵并通常要求稳定的(常常是极端稳定的)工作条件以实现准确的角确定。即使非常简单的基于角形反射器的直角入射检测器也会随着时间流逝而遭遇质量下降和校准偏移，这部分地因为环境因素造成的反射器表面条件变化。此外，这些技术经常在集成到集成电路(IC)或在要求传统制造技术的生产过程中产生问题。

[0012] 简述

[0013] 在本发明的一些实施例中提供一种角传感器。该角传感器包括导模谐振(GMR)光栅和谐振处理器。谐振处理器确定入射到GMR光栅上的信号的入射角。谐振处理器根据GMR光栅对信号的导模谐振响应来确定入射角。

[0014] 在本发明的其它实施例中提供一种角感测系统。该角感测系统包括产生光信号的光源。该角感测系统还包括导模谐振(GMR)光栅。该GMR光栅产生对入射到GMR光栅表面上的光信号的导模谐振响应。该角感测系统还包括使用导模谐振响应来确定光信号对GMR光栅表面的入射角的谐振处理器。所确定的入射角是由角感测系统存储和输出的入射角中的一者或两者。

[0015] 在本发明的其它实施例中提供一种入射角确定方法。该入射角确定方法包括提供导模谐振(GMR)光栅。该入射角确定方法还包括检测当受到入射信号时在GMR光栅中产生的导模谐振。入射角确定方法还包括根据导模谐振的数量和导模谐振之间的光谱距离中的一者或两者确定入射信号的入射角。导模谐振出现在GMR光栅对入射信号的响应中。

[0016] 本发明的某些实施例具有作为上文中描述特征的附加或代替中的一者或两者的其它特征。本发明的这些和其它特征将通过参照下面的附图变得详细。

[0017] 附图简述

[0018] 本发明实施例的多个特征可结合附图参照下面的详细说明而更容易理解，其中相同附图标记表示相同结构部件，在附图中：

[0019] 图1示出根据本发明一个实施例的角传感器的框图。

[0020] 图2A示出根据本发明一个实施例的一维(1D)GMR光栅的横截面图。

[0021] 图2B示出根据本发明另一实施例的1D GMR光栅的横截面。

[0022] 图3示出根据本发明一个实施例的二维(2D)GMR光栅的立体图。

[0023] 图4示出与图1的角传感器关联的导模谐振的示例性光谱图。

[0024] 图5示出根据本发明一个实施例的角感测系统的框图。

[0025] 图6示出根据本发明一个实施例的入射角确定的方法的流程图。

[0026] 详细说明

[0027] 本发明的实施例有利于确定信号入射角和确定平整表面相对于入射信号的角取向中的一者或两者。具体地说，该平整表面是导模谐振(GMR)光栅的表面。通过信号在GMR光栅中诱发的导模谐振被用来确定入射角。本发明的基于GMR的角确定实施例基本呈现出高灵敏度、高角分辨率和大动态范围。此外，这些基于GMR的角确定实施例相对不易受到信号强度波动的影响，并且这些实施例中的一者或全部对于平整表面的某一物理质量下降有相对弹性并能实现例如高刷新率(＞1MHz)。因而，基于GMR的角确定可应用于很宽范围的工作环境或工况并可用于大量应用中。

[0028] 基于GMR的角确定中采用的GMR光栅可集成到或集成入基本任何表面，并通常利用相对小的形状因数或表面上的覆盖区域。具体地说，GMR光栅是使用包括但不局限于电路制造中使用的基于微米光刻法/纳米光刻法的表面布图的许多传统制造方法制造而成的。例如，可采用传统半导体制造技术(例如CMOS兼容制造工艺)在集成电路(IC)表面上建
立GMR光栅。因而，本发明各实施例中采用基于GMR的角确定的角传感器可轻易地与IC上的传统电路集成。此外，这种示例性集成角传感器可例如使用目前可获得的制造方法实现在小至1平方毫米(mm)的表面覆盖区域内。

[0029] 在本文中，“导模谐振”定义为通过例如衍射光栅的相位匹配部件在波导中激起同时从波导提取的反常谐振。入射到衍射光栅上的激励信号或波(例如光)耦合于其中，并在例如入射角和信号波长的某些组合的某些情形下本质上但通常临时地作为谐振模式中的能量被“捕获”在波导中。谐振模式可例如显示为金属光栅表面上的表面波的激励(即表面等离子体激元)或表现为波导的电介质层本体内的谐振波(例如导模或准导模)。被捕获的能量可从波导中逃逸，并建设性和毁坏性地与通过光栅反射的信号或通过光栅透射的信号组合。导模谐振通常也被称为“散逸式谐振”。

[0030] 本文使用的“导模谐振(GMR)光栅”被定义为能支持导模谐振的与波导耦合的任何衍射光栅。GMR光栅也被命名和称为“谐振光栅波导”和“电介质波导光栅”。例如，光学GMR光栅可包括电介质片波导，在该波导的一个表面层上形成有衍射光栅。衍射光栅可包括形成在电介质板表面上的凹槽或凸脊。在另一示例中，GMR光栅是电介质板内具有周期交变的折射率的平整介质板(例如相位光栅)。示例性相位光栅可通过在介质板中或贯穿介质板形成周期性阵列的孔而形成。在其中激励出导模谐振的GMR光栅表面上入射的信号可同时被提取作为从GMR光栅的入射表面反射的反射信号(即反射波)或透过GMR光栅并逸出GMR光栅与入射表面相对的一侧的透射信号(即透射波)中的一者或两者。

[0031] 在各实施例中，GMR光栅可以是一维(1D)光栅或二维光栅。1D GMR光栅可例如包括一组平行和基本平直的凹槽，这些凹槽仅沿第一方向(例如沿x轴)周期排列。2D GMR光栅的一个例子包括介质片或介质板中的孔阵列，在该介质片或介质板中，这些孔沿两个正交方向(例如沿x轴和y轴两者)周期地间隔排列。对GMR光栅和导模谐振的进一步讨论可在例如Magnusson等人的美国专利No.5,216,680和Wawro等人的美国专利No.7,167,615中找到，这两篇文献均通过援引整体包含于此。

[0032] GMR光栅特征之一是入射波的入射角与GMR光栅响应之间的角度关系。该响应可以是反射响应或透射响应。考虑一种包括相对浅或薄的介质层并具有光栅周期Λ的一维GMR光栅。作为该一维光栅的入射波的自由空间波长λ的函数的平面波矢量β通过等式(1)的频散关系给出。

[0033]

[0034] 其中neff(λ)是光栅导模的有效折射率。有效折射率neff(λ)是导模在1D GMR光栅中传播的材料的折射率的加权平均值。1D GMR光栅内的平面动量的准导模和波长λ的入射波(例如光束)之间的相互关系可按照整数次模m通过等式(2)予以表述：

[0035]

[0036] 其中入射波是具有折射率n的介质入射并具有入射角θ，而Λ是1D GMR光栅的周期。其相互作用产生1D GMR光栅的导模谐振响应。导模谐振响应是波长λ和入射角θ两者的函数。在一些实施例中，导模谐振响应是反射响应，而在其它实施例中，导模响应是1D GMR光栅的透射响应。本文中，入射角θ被定义为入射波的主要入射方向和平行于GMR光栅表面的平面之间的夹角。

[0037] 例如，入射波可以是入射到1D光学GMR光栅上的光信号。该入射光信号可引起来自光信号入射到的表面的反射光响应信号。替代地，入射光信号可透过1D光学GMR光栅，并从与入射表面相对的产生透射光响应信号的一侧射出。入射角是在平行于入射表面的平面和光信号到达1D光学GMR光栅的方向之间的角度测量。

[0038] 导模谐振响应可在反射响应或透射响应(例如光反射/透射光谱)的光谱内作为光谱特征(例如光谱中的波峰)检测出。具体地说，具体整数次模m的光谱特征位于反射/透射光谱内的波长λm处，它满足由等式(3)给出的关系βeff(λ)＝|βm(λ，θ)|。

[0039]

[0040] 从等式(3)可以清楚看到m次模的光谱特征成对地发生，所述成对的特征相隔光谱距离Δλm，所述光谱距离Δλm是由等式(4)给出的入射角θ的函数。

[0041]

[0042] 从等式(4)可以清楚看出，对于直角入射角(即θ＝90°)，光谱距离等于零，这表示只有一个导模谐振。此外从等式(4)可以清楚看出，光谱距离Δλm与谐振的绝对光谱位置以及入射波的强度或振幅无关。实际上，对于给定光栅周期Δ，谐振分裂发生将导致光谱特征之间的光谱距离Δλm仅为入射角θ、入射介质n的折射率和模阶次m的函数。

[0043] 特别地，光谱距离Δλm与光栅的物理成份(例如光栅的光栅类型和有效折射率neff)无关。例如，GMR光栅的表面氧化不影响氧化表面相对于未氧化表面的测得光谱距离Δλm。因而，作为角传感器的光栅校正不受光栅层成份变化的影响。

[0044] 为简单起见，在衬底或片以及衬底/片上的任何层或结构之间不作出区别，除非这种区别是正确理解所必需的。同样，所有衍射光栅具有统称，除非为正确理解有必要作出区别。此外，如本文所述，冠词“一”在专利领域中具有其普通含义，即“一个或多个”。例如，“一层”一般指一个或多个层，并因此“该层”表示“该一个或多个层”。另外，本文中对“顶”、“底”、“高”、“低”、“上”、“下”、“左”或“右”的任何引用在本文中不作为限定。此外，本文中的例子仅为示例性的并以阐述为目的给出并且不作为限定。

[0045] 图1示出根据本发明一个实施例的角传感器100的框图。角传感器100确定信号102的入射角。角传感器100将入射角确定为从角传感器100的表面平面至信号102的到
达方向测得的角。在各实施例中，信号102可以是宽带信号(例如白光)或频率扫描窄带信号102(例如频率扫描的单色光)。

[0046] 总地来说，在某一范围频率内随时间扫描或扫频信号102。例如，信号102可包括来自光源(图1中未示出)的光信号102，其中光信号102是宽带信号102，例如但不局限于白光。又如，可通过随时间扫描产生频率扫描的光信号102的连续波激光来产生光信号
102。在一些实施例中，可将信号102准直(例如准直的光信号)。在一些实施例中，可使光信号102偏振(例如偏振的光信号)。

[0047] 角传感器100包括导模谐振(GMR)光栅110。一般来说，GMR光栅110可以是能够支持导模谐振的任何光栅。在一些实施例中，GMR光栅110是耦合于平面电介质波导(例如电介质片或薄板)的平整衍射光栅。自此测量入射角的表面是通常包括衍射光栅的GMR光栅110的平整表面。

[0048] 在一些实施例中，GMR光栅110包括光栅周期为Λ的一维衍射光栅。这些实施例在本文中叫作“1D GMR光栅”。图2A示出根据本发明一个实施例的1D GMR光栅110的横截面图。如图所示，1D GMR光栅110包括形成在电介质片或层114的顶表面层上的衍射光栅112。衍射光栅112可形成为周期间隔的光栅元件，这些光栅元件可以是例如具有光栅周期Λ的凸脊和凹槽中的一者或两者。光栅元件例如可通过模制或蚀刻等机械地形成。替代地，可通过在电介质片114的表面上沉积和形成另一材料(例如电介质或金属)的图案来形成光栅元件。

[0049] 图2B示出根据本发明另一实施例的1D GMR光栅110的横截面。如图2B所示，1D GMR光栅110的衍射光栅112包括在电介质片114中周期交替的第一电介质材料和第二电介质材料的狭带。狭带以光栅周期Λ周期地间隔开并基本相互平行。在一些实施例中，沿光栅周期Λ的方向(即狭带交替的方向)测得的宽度与从一个狭带至下一狭带的距离基
本相同。第一电介质材料的折射率n1不同于第二电介质材料的折射率n2，这导致沿光栅周期Λ方向周期性交替变化的折射率。该周期性交替变化的折射率形成电介质片114内的衍射光栅112。

[0050] 在1D GMR光栅110中，基本垂直于衍射光栅112(例如垂直于凸脊、凹槽或电介质狭带)的光栅周期Λ地确定入射角。因此，包括1D GMR光栅110的角传感器100可用来确定信号102相对于单个方向或轴(例如x轴)的入射角。为了测量相对于第二——通常为垂直——方向或轴的入射角，可采用基于第二1D GMR光栅的角传感器100。例如，可利用沿坐标系的主轴(例如笛卡尔坐标系的x轴和y轴)彼此垂直取向的两个基于1D GMR光栅
的角传感器100来确定在含角传感器100的平面之上的2π球面半空间内的任意入射角。

[0051] 在其它实施例中，GMR光栅110包括2D衍射光栅，并在本文中称为2DGMR光栅110。图3示出根据本发明实施例的2D GMR光栅110的立体图。如图所示，2D GMR光栅110的衍射光栅112包括形成在电介质片114的表面层内的若干2D周期性孔阵列。2D周期性孔阵
列具有二维周期Λ，该二维周期Λ在电介质片114的表面层内造成周期性重复的折射率不连续性。该周期性重复的折射率不连续性形成衍射光栅112。

[0052] 例如，电介质片114可包括在绝缘体上硅(SOI)晶片，而衍射光栅112可包括在硅(Si)表面内蚀刻的孔的方点阵。在该例中，孔可具有约400纳米(nm)的直径，并被蚀刻至约25nm的深度。方点阵内的孔之间的间距或其周期Λ可约为1.05微米(μm)(即其中Λ＝Λ1＝Λ2)。在该例中，Si可以是具有约50nm厚度的层。

[0053] 尽管在图3中表示为孔，然而本质上可通过引入2D周期性重复的不连续性的任何手段来制造2D衍射光栅112。例如，可使用折射率与电介质片114的折射率不同的电介质材料来填充上述孔。在另一示例中，2D衍射光栅由孔或填充孔(例如电介质塞)提供，所述孔或填充孔完全延伸通过电介质片114的整个厚度。在又一示例中，可利用突出表面特征(例如凸点)的阵列作为2D衍射光栅。在一些实施例中，该2D衍射光栅112的光栅周期Λ1沿周期阵列的第一方向(例如x轴)与周期阵列的第二方向(例如y轴)不同。

[0054] 再次参见图1，角传感器100还包括谐振处理器120。谐振处理器120确定从GMR光栅110的导模谐振响应104至信号102的入射角。具体地说，谐振处理器120从导模谐振响应104提取信息并利用所提取的信息来确定入射角。在一些实施例中，谐振处理器120从关联于由GMR光栅110产生的导模谐振响应的响应信号104提取信息。

[0055] 例如，通过入射信号102和GMR光栅110的导模之间的相互作用产生响应信号104。在一些实施例中，响应信号104可以是如图1所示的透射响应信号104。当采用透射响应信号104时，谐振处理器120(或其检测器部分)可位于GMR光栅110的与信号入射到
的一侧相反的一侧。替代地，响应信号104可以是反射响应信号(未示出)。通过反射的响应信号104，谐振处理器120(或其检测器部分)通常面向GMR光栅110的入射侧定位。在
一些实施例中，采用透射响应和反射响应信号104二者，因此谐振处理器120包括透射和反射接收组件。

[0056] 在一些实施例中，谐振处理器120根据一对导模谐振之间的光谱距离确定入射角。在这些实施例中，确定的入射角正比于光谱距离。光谱距离是导模谐振响应104的光谱内的距离。例如，光谱距离可以是来自GMR光栅110的响应信号的光谱内的一对谐振中的第一谐振位置和第二谐振位置之间的频率差或等价的波长差。

[0057] 在其它实施例中，谐振处理器120通过对导模谐振响应104中的谐振计数来确定入射角。具体地说，当通过谐振处理器120对单个谐振计数时，入射角被确定为垂直于GMR光栅110(例如成90°)。如果通过谐振处理器120对一个以上的谐振计数时，入射角由谐振处理器120确定为小于90°。在一些实施例中，当谐振处理器120对一个以上的谐振计数时，谐振处理器120采用光谱距离来确定入射角。本文中，“垂直入射角”被定义为入射角θ＝90度。

[0058] 在一些实施例中，谐振处理器120可包括光谱分析仪。光谱分析仪产生由GMR光栅110产生的响应信号104的光谱。具体地说，光谱分析仪可从通过宽带(多频)入射信号102产生的响应信号104来产生光谱。可利用光谱分析仪——例如但不局限于波峰检测器——的功能来识别导模谐振。一旦识别，可对导模谐振计数和/或确定谐振之间的光谱距离。许多光谱分析仪例如提供测量光谱距离的功能。可如上所述地根据光谱距离(或计数)来确定入射角。

[0059] 在其它实施例中，谐振处理器120包括信号检测器(例如光学检测器)。信号检测器接收由GMR光栅110产生的响应信号104。在这些实施例中，谐振处理器120进一步包括功率计。功率计测量由信号检测器输出的功率电平，该功率电平与响应信号104的大小成正比。例如，当入射信号102包括频率扫描的窄带信号102时，可利用谐振处理器120的这些实施例。入射角是通过对测得功率电平的波峰数进行计数或通过测量测得功率电平中的一对波峰之间的时间间距而确定的。

[0060] 例如，谐振处理器120可包括从GMR光栅110接收响应信号104的CMOS或CCD传感器。又如，谐振处理器120可包括波长敏感的微传感器的阵列。示例性谐振处理器120可进一步包括专用集成电路(ASIC)，该专用集成电路执行波峰搜寻或另一模式识别算法以根据传感器的输出识别和提取谐振信息。ASIC可进一步根据提取的谐振信息来计算入射角。

[0061] 图4示出与图1的角传感器100关联的导模谐振的示例性光谱图。具体地说，第一图示光谱130表示当以垂直入射角(θ＝0°)照射时由光学GMR光栅110产生的响应信号104的典型光谱。在垂直入射时，单导模谐振如光谱130中出现的单波峰132所示那样形成。图4中的第二图示光谱140表示以入射角θ照射下的光学GMR光栅110的典型
光谱。光谱140包括两个波峰142、144。两波峰142、144之间的相对光谱距离Δλ与入射角θ成正比。

[0062] 通常来说，对于给定入射角和GMR光栅110的特殊结构(例如周期Λ)，可以有两个以上的导模谐振，它们又在光谱中产生两个以上的波峰。然而，当存在两个以上的波峰时，可通过一对波峰之间的相对间隔来确定入射角。例如，可利用最靠近光谱中点的最先两个波峰之间的相对光谱距离。光谱的中点是对于入射信号102的垂直入射角会出现单波峰处的那个点。另外，尽管在本文中描述为波峰，然而可利用指示GMR光栅110中的导模谐振的其它光谱特征来识别和定位谐振。例如，也可利用光谱中的一个或多个波谷、相对于光谱平均水平的过零以及光谱中的拐点。

[0063] 图5示出根据本发明一个实施例的角感测系统200的方框图。如图所示，角感测系统200利用光信号202，并因此在本实施例中为光子或光角感测系统200。在其它实施例中，用适于产生非光学类信号的组件来代替光学组件，因此可将角感测系统200视为一般的角感测系统(未示出)。角感测系统200输出确定的光信号202的入射角。

[0064] 角感测系统200包括导模谐振(GMR)光栅210。GMR光栅210因与入射到GMR光栅210表面上的光信号202相互作用而产生导模谐振响应。在一些实施例中，GMR光栅210基本类似于上面关于角传感器100描述的GMR光栅110。

[0065] 角感测系统200还包括谐振处理器220。谐振处理器220确定光信号202在GMR光栅210表面上的入射角。谐振处理器220采用导模谐振响应来作出角确定。在一些实施例中，谐振处理器220基本类似于上面关于角传感器100描述的谐振处理器120。

[0066] 角感测系统200还包括光源230。光源230产生光信号202。在一些实施例中，光源230是产生宽带光信号202(例如白光)的宽带光源230。在其它实施例中，光源230是一种扫描窄带光源230，该扫描窄带光源230产生在频率上时间扫描的窄带光信号202。例如，窄带光源230可以是单色扫描的连续波激光器230。光源230包括发出光信号202的
光发射器232。尽管在本文中通过示例表述为来自光源230的光信号202，然而角感测系统
200通常可通过产生能充当信号202的波的任意信号源230来实现。

[0067] 在一些实施例中，光信号源230是产生准直光信号202的准直光源230。例如，光源230可进一步包括准直器234(例如透镜或针孔)。准直器234位于光源230和GMR光栅210之间，并用来使经过准直器234的光信号202变得准直。在一些实施例中，光源230进一步包括偏振器236。偏振器236通常也位于光源230和GMR光栅210之间。偏振器236
将从其中通过的光信号202转换成经偏振的光信号202(例如线性偏振的光信号)。

[0068] 尽管示例性地表述为利用来自光源230的光信号202，角感测系统200通常可包括产生定向的“波包含”信号202(例如射频信号、微波信号或声音信号)的几乎任何光源230。在这种一般配置中，前述光学GMR光栅210和谐振处理器220同样可由与波包含信号
202和由此产生的谐振响应的GMR光栅210和谐振处理器220代替。

[0069] 图6示出根据本发明一个实施例的入射角确定方法300的流程图。入射角确定方法300包括提供(310)导模谐振(GMR)光栅。例如，所提供(310)的GMR光栅可以是1D
GMR光栅。又如，所提供(310)的GMR光栅是2D GMR光栅。在一些实施例中，所提供(310)的GMR光栅基本类似于前面关于角传感器100描述的GMR光栅110。

[0070] 入射角确定方法300还包括当收到入射信号时检测(320)在GMR光栅中产生的导模谐振。例如，入射信号可以是入射到GMR光栅表面上的光信号。该入射光信号例如可以是宽带光信号和时间扫描的窄带光信号中的一者。在一些实施例中，检测(320)导模谐振可包括根据入射信号检测由GMR光栅产生的响应信号。在各实施例中，响应信号可以是透射响应信号和反射响应信号中的一个或多个。

[0071] 入射角确定方法300还包括确定(330)入射信号的入射角。入射角是根据GMR光栅响应入射信号出现的导模谐振的数量和导模谐振之间的光谱距离中的一者或两者确定的(330)。在一些实施例中，当存在一个以上的导模谐振时，所确定(330)的入射角与一对导模谐振之间的光谱距离成正比。在其它实施例中，当GMR光栅响应入射信号仅有一个导模谐振时，入射角被确定为垂直于GMR光栅的表面。

[0072] 在一些实施例中，确定(330)入射角包括测量来自GMR光栅的响应信号的光谱。确定(330)还包括识别光谱中与GMR光栅中产生的导模谐振关联的光谱特征。例如，所识别的光谱特征可以是光谱中的波峰。确定(330)还包括对所识别光谱特征的数目(即数量)进行计数和测量一对所识别光谱特征之间的光谱距离中的一者或两者。如上所述，当只有一个识别的光谱特征时，入射角被确定(330)为垂直于GMR光栅的表面。当有一个以上识别的光谱特征时，入射角被确定(330)为正比于光谱距离。

[0073] 由此对使用导模谐振确定入射角的角传感器、角感测系统和方法进行了描述。然而应当理解，前述实施例仅说明了代表本发明原理的许多特定实施例中的一些实施例。显然，本领域技术人员可设计出许多其它配置而不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围。