空间调制装置的制作方法

本发明涉及一种用于高频空间调制电磁辐射的方法和装置。调制可以是相位、极化或传播方向。

背景技术：

多路复用光谱学需要一种在空间上调制辐射场的手段。在经典的傅里叶变换光谱中，光学元件沿着光轴进行相位调制，该光学元件位于与光轴垂直的平面中。在经典的hadamard光谱学中，将代码掩模放置在与光轴相交的平面中，并且入射辐射沿检测器的方向透射或反射。这些方法中调制通常是沿着一条路径展开。本发明优选但非必然与本申请人于2018年5月23日提交的美国申请15/987,279中所述的高效多路复用(hems)结合使用，其中美国申请15/987,279同2018年11月29日公开的pct申请pct/ca2018/050599相一致，为wo2018/213923，其公开内容通过引用并入本文。hems是一种多路复用方法，可通过沿多个路径调制粒子通量来提高粒子通量测量的信噪比(snr)。因此，hems方法需要具有多个输出方向的新型空间调制器，这在现有技术中是不需要的。本发明提供了一种适合在hems系统内使用的调制系统。以下描述包括一些关于hems的参考，并且应当理解，这些仅仅是示例性的，并且本文中的本发明可以与其他方法一起使用。

多路复用光谱仪中光谱通道的数量与测量系列中应用于输入辐射的不同调制模式n的数量成比例。光谱通道的数量可从数百到数千，这根据应用所需要的光谱带宽和分辨率来定。在高吞吐量的工业检查应用中，每分钟检查数百至数千个对象，这需要以毫秒为单位收集每个对象的数据。综合考虑这些因素，调制速率需要超过100khz。基于可调谐微镜阵列的市售mems器件能够保持约5khz的持续调制速率和约50khz的突发模式速率。最高速率受反射镜相对于为移动反射镜提供的(通常为电)力的惯性限制。通过减小反射镜的尺寸，进而减小反射镜的惯性，可以实现更高的速率。但是，当反射镜的尺寸接近入射辐射的波长λ时，来自反射镜边缘的衍射效应变得越来越重要。本发明的目的是通过允许使用更大的反射镜来减少边缘衍射效应。微镜阵列的持续调制速率受热因素的限制。然而，mems器件具有能够动态地改变图案组以便改变分辨率或聚焦在感兴趣区域上的期望特征。因此，需要一种新型的空间调制器，其可在超过100khz的速率下运行，这些速率也是动态适应的。

不同调制模式之间的转换会引入不良的卷积效应，从而降低系统性能。按照惯例，在空间调制器配置接近定义的不同调制模式的间隔期间获取样本。在需要在空间调制器配置之间进行快速转换的系统中，占空比的很大一部分可能会用在转换中，而不是用于收集数据，从而导致可达到的snr降低。因此，需要增加占空比，计数的光子数量和snr的方法。本发明的另一个目的是通过减少转换时间来改善占空比。

技术实现要素：

根据本发明的一个方面，提供了一种用于在空间上调制电磁辐射的方法，包括以下步骤：

收集要在空间上调制的电磁辐射；

将所述辐射引导到衬底上的光学元件的有序阵列上；

平移所述衬底，以使至少两个不同的光学元件在两个不同的时间接合入射辐射；

在所述两个不同时间测量衬底位置；

并将所述位置发送给用户；

其中，光学元件阵列具有至少三个光学元件和至少两个光学元件，所述至少三个光学元件和所述至少两个光学元件对入射在其上的所述辐射进行不同地调制。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于测量衬底的位移的方法，该方法包括以下步骤：

用反射或透射的位置指示器阵列将光束引导到衬底上；

使衬底相对于所述光束移动，以在不同的时间透射或反射来自至少两个不同的位置标记的部分光束；

每隔一段时间测量透射或反射光的强度；以及

多次分析所述测得的光强度，以提供有关衬底位置的信息。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于在空间上调制电磁辐射的方法，包括以下步骤：

收集要在空间上调制的电磁辐射；

将所述辐射引导到衬底材料上的光学元件的有序阵列上；

平移所述衬底材料，以使至少两个不同的光学元件在两个不同的时间接合入射辐射；

其中至少一些光学元件由衬底材料形成并与衬底材料形成整体。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于在空间上调制电磁辐射的方法，包括以下步骤：

收集要在空间上调制的电磁辐射；

将所述辐射引导到衬底上的光学元件的有序阵列上；

平移所述衬底，以使至少两个不同的光学元件在两个不同的时间接合入射辐射；

其中衬底是形成闭环的柔性带，其中带绕环平移，并且光学元件沿平移方向布置。

本发明包括衬底，该衬底承载相对于待调制的电磁辐射的入射束相对运动的光学元件的有序阵列和测量该相对运动的装置，其中所述阵列包含至少三个光学元件和至少两个不同类型的光学元件。优选地，至少一些光学元件由衬底材料形成并且与衬底材料形成整体。可以通过蚀刻，机加工或激光切割之类的减薄工艺在衬底材料上制作光学元件。可以通过反射层的沉积之类的加成工艺在衬底材料上制作光学元件。

待调制的电磁辐射入射到衬底的被称为有源区域的区域上。所有光学元件的至少在有源区域的一部分被称为有源的。所有其余的光学元件都被称为无源的。随着衬底相对于入射电磁辐射移动，有源区域也移动，并且各个光学元件的名称也发生变化。优选地，相对运动是周期性的，从而导致每个光学元件每隔一定时间落入有源区的内部和外部。

所述相对运动可以是平移，旋转或平移和旋转的组合，只要这种运动具有使入射在衬底上的电磁辐射束的中心按定义的顺序撞击在每个光学元件上的效果。选择参照系是为了方便操作。使用入射电磁辐射的参照系以进行当前的讨论。在这种情况下，源的位置和入射电磁辐射的传播方向是固定的，并且衬底会移动。假设光学元件之间相距α。在线性平移的情况下，每秒撞击的光学元件的数量在本文中称为线频率vl＝v/α，其中v是衬底的线速度。在旋转的情况下，每秒撞击的光学元件的数量为vl＝α/rω，其中ω是角速度，r是光学元件所在位置的半径。光学元件在平移(或旋转)方向上的尺寸可以小于α，在这种情况下，元件之间存在间隙，该间隙不以与任何光学元件相同的方向引导入射的电磁辐射。优选地，间隙区域(如果有的话)是吸收性的。

测量相对运动的装置可以是附接到衬底上的常规设计的光学或磁性位置编码器。优选地，用于测量相对运动的装置是衬底固有的。在一个优选的实施例中，衬底带有沿衬底的平移或旋转方向放置的反射或透射位置的指示器的阵列。优选地，位置指示器的阵列具有与光学元件的阵列相同的周期性。优选地，位置标记器的阵列与光学元件的阵列平行且与光学元件的阵列邻近。优选地，位置标记的尺寸为α/2。优选地，位置指示器之间的衬底区域涂覆有吸收材料。位置标记可以反射或透射探测光束强度的不同部分，以传达更多信息。例如，反射或透射探测光束强度的第一部分的第一种类型的位置标记表示序列的开始。反射或透射探测光束强度的第二部分的第二种类型的位置标记表示二进制的位置标记。反射或透射探测光束强度的第三部分的第三种类型的位置标记表示二进制零。这三种类型的位置标记足以对阵列的每个位置进行唯一标记。一束探测辐射从入射辐射线性移出，以被调制并聚焦到一个区域，该区域小于或等于一个位置指示器占据的区域。

从每个位置指示器透射或反射的探针辐射被导向至检测器，该检测器可以是例如光电二极管。当探测光束和第一位置指示器对准时，所述第一位置标记类型的探测光束强度特征的一部分入射在检测器上。当衬底相对于所述第一位置指示器位移时，返回到检测器的探测光束的部分减小到零，然后随着接近与第二位置标记的对准而上升到第二位置标记类型的部分特征。因此，在检测器处接收到的强度在与每个位置标记对准时周期性地上升到特征值，并且在位置标记之间的中点下降到零。返回到检测器的探测光束的强度以至少比线路频率vl高四倍的采样频率vs进行临时采样。优选地，vs/vl>20。由检测器测量的强度传输到数字处理器，并且数字处理器计算衬底相对于待调制的入射电磁辐射中心的位置。

与入射在不同类型的光学元件上的电磁辐射相比，每种不同类型的光学元件均使得入射在该元件上的电磁辐射以不同的状态离开该元件。不同状态可能与传播方向、相位或极化有关。在任何时刻，该有序阵列都被划分为一个有源区域和一个无源区域，该有源区域包括一组光学元件，该组光学元件具有至少一些待调制的入射电磁辐射，其中该入射电磁辐射撞击在其上，而所述无源区域包括一组光学元件，这组光学元件中，没有撞击在其上的待测量的电磁辐射。

一种类型的光学元件是光阑。在这种情况下，除了来自光阑边缘的衍射效应之外，入射的电磁辐射保持不变地离开这种类型的光学元件。

第二种类型的光学元件是透射型的。在这种情况下，入射的电磁辐射通过透明介质，其中相位发生变化，并且相位与透明介质的光学厚度成比例。每个不同的光学厚度导致不同的相位变化，因此对应于不同类型的光学元件。

第三种光学元件是反射型的。在这种情况下，入射的电磁辐射以等于入射角的反射角离开光学元件。反射元件的取向可以相对于入射电磁辐射的方向旋转以给出不同的入射角。每个不同的入射角使入射辐射沿不同的方向反射，因此对应于不同类型的光学元件。此外，反射光学元件可位于垂直于入射电磁辐射的方向的平面中并且仅在距平均衬底表面的距离上不同。在这种情况下，距平均衬底表面的每个距离引起不同的相变，因此构成不同类型的光学元件。

第四种光学元件是折射型的。在这种情况下，入射的电磁辐射撞击折射率不同于一种材料的材料，并以依据入射角和所述折射率的角度离开光学元件。由于入射角和折射率都可以变化，以改变电磁辐射的出射方向，因此折射率和入射角的每种组合构成了不同类型的光学元件。

第五种光学元件是衍射型的。在这种情况下，入射的电磁辐射撞击可能在间距和方向上变化的一组衍射光栅线。间距和方向的每个变化都会使入射的电磁辐射在不同的方向上发生衍射和相长干涉，因此，它们的每种组合都构成了不同类型的光学元件。

第六种光学元件是偏振的。在这种情况下，入射的电磁辐射撞击到偏振光学器件上，该偏振光学器件的取向可能会发生变化，每个取向都会导致入射的电磁辐射以不同的偏振态射出。因此，每个偏振器取向构成不同类型的光学元件。

上面列举的不同类型的光学元件可以组合以产生改变入射辐射的至少一个特性的其他类型的光学元件。

在一些实施例中，光学元件是平面的，而在其他实施例中，光学元件具有弯曲的表面。具体地，具有弯曲表面的光学元件可以用于将入射在所述表面上的辐射聚焦到检测器位置。

在最优选的实施例中，可移动衬底是柔性带，其在闭环中平移光学元件的阵列，其中，对于沿着闭环的至少一个区域，所述带基本上是平坦的。优选地，通过两个或更多个链轮将带环保持为刚性形状，该两个或更多个链轮通过驱动孔接合带，从而以受控的速率平移带。术语“基本上是平坦的”是指带表面平行于两个链轮之间的线，且公差为2度。如此限定的平坦衬底表面可以对应于入射电磁辐射与光学元件阵列相互作用的有源区域。每种类型的光学元件都具有沿着同一方向引导电磁辐射的功能。在hems应用中，每种类型的光学元件将电磁辐射引导到专用于该类型的检测器上。光学元件通常在垂直于平坦衬底的方向上具有特征，其中平坦衬底大于衬底表面中的标准偏差。

在一些实施例中，带包含光学厚度变化的区域，并且光学厚度变化的区域彼此靠近布置，以改变入射辐射通量的相位，从而产生干涉图案。

在一些实施例中，衍射特征的间距沿着带的长度变化。此特征可用于改变衍射系统的自由光谱范围，这一光谱范围在例如感兴趣的光谱区域的低光谱分辨率下的宽光谱测量和感兴趣的光谱区域的高光谱分辨率扫描之间交替。

在优选实施例中，可移动衬底是盘，并且光学元件的阵列布置在围绕旋转中心的盘的周边附近的轨道中，并且靠近光学元件的阵列的第二同心轨道包含位置标记的阵列，这一位置标记的阵列具有与光学元件相同的角距。

在一些实施例中，可移动衬底是相对于入射辐射经历谐波运动的电弧，并且光学元件阵列沿着电弧的外边缘布置。

在一些实施例中，光学元件可以在至少两种不同类型的光学元件之间转换，并且所述转换发生在光学元件处于无源区域中的时间段内。该特征允许本发明的空间调制器动态地改变其调制方案，而不会由于转换时间而损失占空比。例如，微镜在无源区域中从第一固定角度改变为第二固定角度。

在一些实施例中，诸如空间调制器上的微镜之类的光学元件可以改变取向。当元件处于无源区域时，取向发生变化。例如，在具有在0和10度之间的有源区域的旋转盘空间调制器上，光学元件的取向在0-10度范围内是固定的。转换发生在10-360度范围内。在该示例中，所需的调制速率降低了36倍。这种配置将平移调制器的高线频率与动态可调微镜阵列的适应性结合在一起。

在一些实施例中，至少一些光学元件由响应电光效应的材料组成，并且通过在所述光学元件上施加电压来实现类型的改变。

附图说明

图1是本发明的优选实施例的放大段的轮廓图。

图2是图1的实施例的示意图，示出了闭环。

图3是优选实施例的另一示意图，示出了动态变化的光学元件。

图4a是本发明的摆实施例的示意图。

图4b是本发明的盘的实施例的轮廓图。

图5是本发明的盘实施例的示意图，示出了不同类型的位置标记。

图6是来自一系列位置标记的理论波形图和噪声波形图。

图7是示出用于测量位置的方法的流程图。

具体实施方式

图1示出了本发明的优选实施例的透视图。带状的可移动衬底10以速度v沿着30所示的方向从左平移到右通过入射电磁辐射入射在衬底10上的区域200，其携带光学元件111的阵列40，包括组件11、12、13、14、15、16、17、19。该区域200指定为有源区域，相邻区域201指定为无源区域。有源区域200内的光学元件将入射的电磁辐射调制为“接通”状态。无源区域201内的光学元件将入射的电磁辐射调制为“关闭”状态。所示的段优选是总长度为l的闭环的一部分。有源区域200的长度为a。有源区域中的光学元件将在由光学元件类型指定的不同方向上引导入射em辐射时间为a/v，其中重复周期为l/v。

光学元件11是光阑，该光阑允许入射的em辐射基本上不改变地通过，除了由于光阑的边缘引起的衍射效应之外。如果光阑的侧面比入射em辐射的波长大得多，则衍射效应最小。光阑11在无源区域201内，因此在所示的瞬间没有电磁辐射通过。但是，当衬底10沿方向30平移时，光阑11将在稍后的时间进入有源区域200。之所以能实现调制，是因为仅当光阑11在有源区域200中时，才通过光阑11进行传输。

光学元件12和13是具有不同间距的衍射光栅。每个波长的入射em辐射被衍射为数阶。对于0阶，衍射光栅12和13将em辐射反射到同一方向。对于0阶以外的阶(即+/-1)，衍射光栅12和13将入射的em辐射衍射到不同的角度。衍射光栅12完全在无源区域201中，因此在由衍射光栅12的间距确定的角度上没有观察到em辐射。衍射光栅13部分地位于有源区域200中，因此将入射em定向为由光栅间距确定的角度，只要衍射光栅13保留在有源区域200内即可。光学元件12和13可以是由动态可调微镜阵列组成的衍射光栅，该微镜阵列可以通过改变微镜行的方向来改变在无源区域201中的间距。

光学元件14和15是与em辐射100成不同角度倾斜的反射镜，因此，当反射镜14和15在有源区域200内时，所述em辐射被反射为不同角度。检测器放置在反射的合适角度，由此每个人都可以观察到反射的em辐射，仅存在反射的em辐射可以例如表示二进制“1”。

当衬底带10沿方向30平移时，光学元件15将进入无源区域201，并且不久之后光学元件15将进入无源区域201。不存在反射的em辐射可例如表示二进制“0”。在一些实施例中，所述元件位于无源区域201中时，反射镜元件14和15的倾斜角度可以改变。

光学元件16和17是与衬底表面平行的反射镜。每个入射em辐射均以相同的角度反射，但由于平均衬底平面上方的高程不同，它们具有不同的相位。光学元件16和17可以例如是法布里珀罗滤波器或干涉仪的一部分。光学元件16和17可以例如是步进扫描迈克尔逊干涉仪的一部分。如图所示，光学元件16和17在有源区域200中。光学元件16和17沿方向30平移，进入无源区域201，其中在一些实施例中，镜面高度的变化会在元件l/v的下一个重复周期中产生一个不同的相移。

光学元件19是具有相邻缓冲区18的色散棱镜，它们均位于无源区域201内。当棱镜位于有源区域200中时，入射的em辐射被折射成由棱镜的几何形状和棱镜的折射率确定的角度。在一些实施例中，缓冲区18用于为相邻的光学元件提供畅通的光路。在一些实施例中，光学元件不邻接缓冲区。

位置指示器的阵列在20处被示出为与光学元件40的阵列相邻并且平行于光学元件40的阵列。如图所示，位置指示器是光阑，在所述光阑的部分与探针光束相交时，光阑会发射探针光束。检测器(未示出)测量发射的探针光束的强度，并且计算设备计算衬底相对于探针光束的位置。

图1中所示的示例可以例如在如上文引用的hems申请中所描述的多路复用光谱仪中使用。

图2给出了图1所示装置的示意性俯视图。带衬底10在链轮51、52和53周围形成一个闭环。带上载有光学元件，该光学元件包括在14和15示出的具有不用倾斜角度的反射镜，还包括光阑11。待调制的入射的em辐射100入射在有源区域200上，该有源区域在链轮51和53之间基本上是平坦的。在emms应用中，入射的em辐射可以例如按波长分散在有源区域200上。来自光阑元件11的调制的em辐射沿方向31行进，并在检测器41处观察到。来自反射镜元件14的调制的em辐射沿方向34行进，并在检测器44处观察到。来自反射镜元件15的调制的em辐射沿方向35沿方向35行进，并在检测器45处观察到。为了进行说明，在带衬底10的平面中画出了检测器44和45。在一个优选实施例中，反射镜14和15在垂直于皮带运动方向的方向上倾斜，并且检测器44和45在附图平面的上方和下方。探针光束101由光源80产生，并且透射通过位置指示器光阑(未示出)的部分产生光束102，该光束102被光电二极管81接收并通过模数转换器82转换为数字幅度。计算设备83分析数字幅度序列，该计算设备83输出传送给用户的衬底带位置84的数字表示。位置信息对于基于本文的装置的空间调制器的光学仪器的操作至关重要，因为可以根据位置信息和空间调制器几何形状的知识来计算可操作的精确调制配置。在hems应用中，光阑11和反射镜14和15可例如沿着带行进方向具有50微米的宽度和50m/s的带衬底速度，以给出1mhz的调制速率。通过该示例的设置，可以在1毫秒内测量具有1000个波长通道的光谱。通过图2的设置可以产生更高和更低的调制速率。

图3给出了图1中所示的带衬底的示意图。三种类型的光学元件13、14和15(阴影不同)沿着沿方向30行进的带轴在线中排列开来。有源区域表示为200。光学元件14是在无源区域201中的可移动反射镜，该可移动反射镜以放大图示出，绕枢轴25旋转到新位置的24。位置指示器20平行于光学元件40的阵列排成一行。图3所示的两排孔21与图2所示的链轮51、52和53接合以平移带衬底10。

图4a示出了另一种设置，其中，图1中最清楚地示出的光学元件111的阵列安装在衬底301上，该衬底301放置在进行谐波运动的摆或杆300上。杆可以例如被激发以在mems器件上在共振频率下振荡。对于亚毫米级的mems器件而言，从技术上讲，振荡要比线性平移更容易实现。光学元件既可以在由摆臂扫出的平面内沿弧线安装，也可以在与摆轴垂直的平面内沿弧线安装。例如，可以在hems应用中描述的多路复用光谱仪中使用图4a中所示的示例。

图4b示出了一个实施例的透视图，其中光学元件111的阵列围绕垂直于盘平面的盘112的圆周安装。在这种布置中，光学元件对于入射辐射具有恒定的半径和预设的恒定宽度。布置成填充盘平面中的空间的光学元件通常是楔形的，这会扭曲hems光谱仪的分辨率。通过增加光学元件所处的半径，可以将扭曲减小到阈值以下。

图5示出了盘28形式的衬底10的俯视图，盘28具有旋转轴27和旋转方向31。有源区域表示为200。盘衬底10承载阴影区域不同的三种类型的光学元件13、14和15，这三种类型的光学元件布置成在有源区域200中形成长度为10的代码序列。具有不同径向尺寸的三种不同类型的位置指示器示出为74、75和76。

位置标记74、75和76传输不同幅度的探头光束，如图2中清除示出。在所示示例中，具有最大径向长度的位置标记75表示代码序列的开始，而位置标记74和76分别表示二进制“0”和“1”，用于标记代码序列的每个扇区。位置标记76与位置标记74的区别在于径向长度更大。分配给不同长度的位置标记的值可以互换，并且可以存在表示多个值的多个长度。在嘈杂的环境中，如图所示的二进制级别是最可靠的。在所示的示例中，有源区域中的扇区标签由位置指示器76和77表示为二进制“11”。在所示的示例中，两个二进制数字足以唯一地标记所有扇区。可以使用更多的二进制数字。扇区标签的起点和终点由相对于索引峰75的位移引用。所示的扇区标签与索引峰75相邻，但可能出现在索引峰之间的任何位置。在第一索引峰和第二索引峰之间的扇区标签区域优选地更靠近第一索引峰，在这种情况下，可以推断出平移或旋转的方向。例如，可以在hems应用中描述的多路复用光谱仪中使用图5中所示的示例。

图6示出了由图2中的检测器81接收的理论波形(底部曲线)和添加了噪声的相应波形(顶部曲线)。主峰对应于一个位置指示器，该位置指示器标记了图5中75所示的代码序列的开始，并指定为索引峰。其余的峰值对应于图5中的位置指示器74。某些位置标记74可以用作扇区标识符，在这种情况下，它们都具有相同的值。当用现有技术的比较器分析时，峰位置的周期性由于噪声而变化。当达到阈值时，比较器触发。信号中的噪声会移动阈值的位置，比较器中的噪声可能会移动阈值本身。在本发明中，通过在比波形频率高得多的频率下对来自位置指示器的波形采样以获得每个峰值至少4个点并且优选地大于20个点，大大降低了由噪声引起的位置抖动。在仿真中，较高的采样率可减小测量位置与实际位置之间的差异，并更好地抵抗噪声的影响。峰值从索引峰开始连续编号。

如图7所示，一旦知道了波形的近似频率和相位，就可以计算出波形中的最小值相对于索引峰的近似位置，并将其用作积分极限以计算峰面积和矩。峰矩的计算方式为：从索引峰的位移之和(以分数峰宽单位)乘以在近似最小位移之间的每个位移处测得的峰振幅。峰面积是近似最小位移之间的峰振幅之和。峰中心的计算方式为：峰矩除以峰面积。获得n个峰中心的位置，然后进行最小二乘回归以使峰数与峰中心相关。回归的斜率和截距分别给出频率和相位。这些对频率和相位的改进近似值可用于计算下一组最小值。也就是说，随着算法的每次迭代，在存在噪声的情况下测得的峰值位置会收敛到实际峰值位置。可以根据自上一个索引峰开始的频率、相位和时钟滴答数(在adc处的测量)来计算衬底的位置。所达到的精度约为adc测量之间转换的20％，这相当于每行周期进行20次测量时，约为光学元件尺寸的1％。