CN107710055B

CN107710055B - 对准方法

Info

Publication number: CN107710055B
Application number: CN201580072882.5A
Authority: CN
Inventors: 尼古拉斯·詹姆斯·纽; 罗伯特·托德
Original assignee: Optalysys Ltd
Current assignee: Optalysys Ltd
Priority date: 2015-01-08
Filing date: 2015-12-17
Publication date: 2021-03-19
Anticipated expiration: 2035-12-17
Also published as: US10409084B2; EP3243100A1; GB201500285D0; WO2016110667A1; JP6656722B2; CN107710055A; US20170299882A1; EP3243100B1; JP2018506063A

Abstract

一种评估第一和第二衍射元件的相对对准的方法。该方法包括照射第一衍射元件以在远场中形成第一衍射图案并照射第二衍射元件以在远场中形成第二衍射图案。该方法还包括确定远场中第一衍射图和第二衍射图之间的位置和/或旋转关系。

Description

对准方法

技术领域

本公开涉及一种对准评估方法。特别的是，本公开涉及一种评估第一和第二衍射元件相对对准的方法。更加特别的是，本公开涉及一种第一和第二衍射元件旋转或平移评估的方法。更加特别的是，本公开涉及在一种光学处理系统中，比如一种光学相关器中的第一和第二空间光学调制器的相对对准的评估方法。本公开还涉及一种多个衍射元件对准的方法。

背景技术

光学系统构建中的一个常见问题是如何精确地对准多个组件以提供恰当的光学性能。在自由空间衍射和傅立叶光学系统中，设备和部件的正确放置是至关重要的，特别是当所涉及的公差在微米级的时候。每个部件要能够沿着六个主轴进行精确对准，表示为相对于中心点的三个线性平移，x，y，z和三个角度平移，滚动，俯仰，偏转。如果在整个光学系统内存在子系统，则此原则应被扩展，即除了每个部件的局部轴之外，还必须考虑全局轴。

尤其困难的是，诸如像素化的电子光学显微阵列的多个光学耦合的衍射元件的对准，这些元件通常被归类为空间光学调制器(SLM)。这些能够是硅基液晶(LCoS)设备或者是基于镜面的微机电(MEMs)设备。

在衍射光学系统中，诸如SLM的衍射元件不用作产生图像的手段，而是作为调制相干激光的方式，使其波长与像素尺寸(例如632nm红色可见激光)相符。通过将图案寻址到SLM像素阵列，离开设备的光或者被成形(在全息再现和光镊应用的情况下)，或者被用于输入数值数据到一个光学处理系统中。此种系统的实例包括光学相干器(图像识别)和光学衍射功能(作为较大方程求解系统的基础)，例如在专利US2010085496和US2006050986中被提出的内容。如PCT/GB2013/051778中提出的那样，通过寻址特定的图案，例如波带片，菲涅尔透镜和相位斜波，SLM也能够被用于代替传统的聚焦和光束控制元件(透镜，反射镜)。

利用这些原理，大元件计数衍射光学系统能够被实现，通过使用SLM输入数据到光学系统中，这就和根据需求引导和聚焦光一样。相比于一种硬件任务，将光学对准变成一种软件任务具有明显的优点，因为只要初始物理对准完成，图像是能够被动态地调节的，此外，系统可以被重新配置以形成其他的光学系统。然而，如何物理对准SLM的问题依然存在。考虑到光学偏微分方程求解系统可能需要包含超过200个SLM，对准如此大量的组件，其难度是很明显的。

本公开涉及两个或更多个衍射元件的相对对准的评估问题。本公开还涉及两个或更多个衍射元件的对准。

发明内容

本公开的范围在所附的独立权利要求书中定义。

概括的说，本公开涉及一种方法，用于评估光学处理系统中诸如SLM的衍射元件的物理对准。在光学处理系统中提供衍射元件阵列应该是有优势的，其中各个衍射元件被置于至少一个平面中的至少一个平铺阵列。利用这种平铺方式，本发明人已经准确地解决了各个衍射元件的对准问题，使得光学处理系统能够准确地起作用。将各个衍射元件在多个轴上与平铺阵列中相邻的衍射元件和其他衍射元件对准，这应该是必要的。此外，阵列本身也应该需要相对于其他阵列被对准。评估这种系统中衍射元件的对准是必要的，以便执行任何这样的对准。通过照射衍射元件以在远场中产生光图案，使得一个光图案的相对对准能够被用来对照衍射元件的相对对准，由此解决了两个或更多个衍射元件的相对对准的评估问题，光图案能够是衍射元件的远场衍射图案和/或放大图像，并且与光图案的对比可以揭示衍射元件的位置，平移和/或旋转对准的信息。

因此，这里提供了一种评估第一和第二衍射元件的相对对准的方法，该方法包括照射第一衍射元件以在远场中形成第一衍射图案，照射第二衍射元件以在远场中形成第二衍射图案，同时确定远场中第一衍射图案和第二衍射图案之间的位置和/或旋转关系。

这里还提供了一种评估第一和第二衍射元件的相对对准的方法，该方法包括照射第一衍射元件以在远场中形成第一衍射元件的第一影像，照射第二衍射元件以在远场中形成第二衍射元件的第二影像，同时确定远场中第一影像和第二影像之间的位置关系。

值得注意的是，在根据本公开的方法评估衍射元件的相对对准期间，衍射元件不需要被供电。有利的是，本公开提供了一个评估两个或更多个衍射元件的相对对准的非接触和高分辨率方法。

更加有利的是，在衍射元件被用于形成光学子系统的情况下，该方法提供了将光学子系统本身与其它光学子系统对准以的手段，以形成一种更大的光学系统。

附图说明

现在将结合参考附图描述本公开的实施例，其中：

图1展示了光学系统中的每个部件能够被考虑的六个自由度；

图2展示了已确立的经典光学傅立叶变换(OFT)级的布局；

图3展示了结合一个第二OFT级以创建经典的4-f系统的系统；

图4展示了通过组合多个光学级创建的偏微分方程求解器；

图5展示了一个波带片衍射光栅；

图6展示了一个主要由液晶面板，带有照相传感器的末端组成的光学系统；

图7展示了一个平铺的SLM阵列；

图8a展示了一个像素化网格及其理论上的衍射图；

图8b展示了由一个SLM的像素结构所产生的衍射图；

图9展示了用于产生衍射图案的双狭缝排布；

图10展示了用于评估衍射元件的旋转轴线的相对对准的光学装置；

图11展示了两种衍射图案的相对对准，其中中心极大值是不对准的；

图12 展示了两种衍射图案的相对对准，其中中心极大值是对准的；

图13展示了中用于对准衍射元件的平移轴的光学装置；

图14展示了两个SLM的放大投影图像；

图15a展示了包含结合到支撑介质的部件的单一傅里叶变换级系统的示意图；

图15b展示了包含结合到支撑介质的部件的单一傅里叶变换级系统；

图16展示了包含结合到支撑介质的部件的多重傅里叶变换级系统的示意图；

图17展示了包含结合到支撑介质的部件的多重逆傅里叶变换级系统的示意图。

在附图中，相同的附图标记表示相同的部分。

具体实施方式

现在将结合参考附图详细描述实施例。

本文描述的实施例仅通过非限制性实例来指代SLM。本公开同样可应用于其它衍射元件，例如使用静态图案印刷或以其它方式表示在基底上的衍射元件。本公开同样适用于大量网格的相对对准的评估，其网格的尺寸与要通过它们的光线的波长相当，包括相机传感器的网格，例如CMOS或者CCD传感器。因此应当理解，本公开可应用于衍射元件。

这里提到的SLM可能是视频投影机中使用的类型。它们由电极的像素化网格组成，该电极用于将可变电压等级施加到一层液晶分子上。像素的尺寸可以小至3微米×3微米。该SLM可以是透射的(其中光线投射通过设备)或反射的(其中光被置于像素化网格之后的反射镜反射)。可用的分辨率倾向于遵循电视显示器的发展，目前为百万像素(100万个像素)及以上， 4K标准(3840X2160像素)是当前的最高标准。此外，根据所使用的液晶类型和偏振滤光器的布置以及被置于输入和输出光束的路径上的波片，光的复杂调制(即振幅和相位)可以被实现。

概括地说，实施例通过使用由相干光在离开衍射元件时的衍射产生的远场衍射图案，提供了一种用于评估两个或多个衍射元件的旋转对准的方法。在实施例中，观察由衍射元件产生的远场衍射图的相对对准，以便在多达三个轴上评估衍射元件的相对旋转对准。此外，实施例通过使用两个或更多投射到离设备一段距离的衍射元件的放大图像，提供了一种评估两个或更多衍射元件的平移对准的方法。在实施例中，使用衍射元件放大图像的相对对准来评估衍射元件在至多两个轴上的平移对准。实施例提供了一种平面对准方法，其中衍射元件被附接到一个精确加工的支撑介质上，该介质用以确保衍射元件在另一轴线上的平移对准。所公开的方法可以单独使用或组合使用。通过组合方法，可以在一个轴上对准两个或更多个衍射元件，并且可以对至多另外五个轴的对准进行评估。

图1展示了在局部坐标系和全局坐标系上都要被考虑的每个衍射元件的六个自由度，其中衍射元件形成可被集成到子系统中的组件，然后它必须自身被集成到一个更大的系统中。图1 表示了三个线性平移轴x，y，z以及三个旋转轴，俯仰，滚动和偏转，p，r，w，全局中等价表示为x'，y'，z'，p'，r'，w”。

图2展示了经典光学傅立叶变换(OFT)级的已确立的布局。一个SLM201，一个正会聚透镜 203和一个照相机传感器205沿着共同的光学轴依次配置。该SLM201被布置成用来接收来自光源(未展示)的相干的准直光202。透镜203被置于沿着公共光学轴并且与SLM201距离为 f的位置，同时被布置成从SLM接收空间调制光204。相机传感器205被置于沿着公共光学轴并且与透镜203距离为f的位置，并且被布置成从透镜203接收会聚光206。

在操作中，SLM201“显示”一个由计算机驱动的数字函数g(x，y)，其调制波长为λ(例如 635nm，2mW功率)的相干准直激光202，将SLM201中表达的数字函数g(x，y)有效地转换进光域中。调制光204然后被焦距f的正会聚透镜203接收。这导致正会聚透镜203后焦平面处形成的数字函数g(x，y)的傅里叶变换G(u，v)。相机传感器205位于正会聚透镜的后焦平面处，以捕获会聚光206的强度分布。需要注意的是，x和y是空间坐标，u和v是空间频率坐标。SLM201是透射型的，其中光穿过该装置，但是需要注意的是，反射型的SLM同样的适用。反射型SLM具有一个结合在液晶层后面的反射镜，其反射光线使其穿过液晶和电极层。

相机传感器分布形形式与通过SLM输入的输入函数之间的关系满足二维光学傅立叶变换 (OFT)：

G(u,v)＝FT[g(x,y)]＝∫∫g(x,y)exp[-i2π(ux+vy)]dxdy (1)

通过将图2的系统扩展以并入一个第二OFT级，能够产生一个经典的4-f系统。图3中展示了一个经典的4-f系统的实例，包括沿着公共光轴依次布置的第一SLM301，第一透镜303，第二SLM305，第二透镜307和传感器309。第一SLM301被布置成从一个光源(未展示)接收相干准直光302。第一透镜303位于沿着公共光轴与第一SLM301距离f的位置，并且被布置成从第一SLM301接收空间调制光304。第二SLM305位于沿着公共光轴与第一透镜303距离f的位置，并且被布置成从第一透镜303接收调制的会聚光306。第二透镜307位于沿着公共光轴与第二SLM305距离f的位置，并且被布置成从第二SLM305接收滤过光308。传感器309 位于沿着公共光轴与第二透镜307距离f的位置，并且被布置成从第二透镜307接收滤过的准直光310。

在操作中，在第一SLM301上显示的一个输入图像或图案调制波长为λ的相干的准直光302 以产生调制光304。调制光304由第一透镜303进行光学傅立叶变换，以在第一透镜303的后焦平面处产生调制会聚光306。所得到的复合分布与在第二SLM305上显示的滤波图案光学相乘，其中所得分布由第二透镜307进行傅里叶逆变换，以产生滤过的准直光310。结果被传感器309捕获。该架构用于一系列目的，包括匹配滤波器光学相关。

输入函数g(x，y)和参考函数r(x，y)之间的相关函数如等式2所示，相应的傅里叶变换用大写表示，符号“*”表示共轭复数：

r(x,y)*g(x,y)＝FT[R(u,v)*G(u,v)] (2)

相同的4-f架构能够被用来执行其他功能，其中一个是如下定义的光学导数函数，其中是 g’⁽ⁿ⁾(x,y)是函数g(x，y)的第n阶导数：

g’⁽ⁿ⁾(x,y)＝FT[(i2πuv)ⁿG(u,v)] (3)

通过组合多个级，更大的运算过程可以光学地公式化，例如在偏微分方程求解器中。在图4 中能够看到这样一种布置的实例。图4展示了光学级404的一种二维阵列403，其中每一级都包含图3所示的配置。光学级404的光轴平行布置，并且二维阵列在垂直于光学平台404 的光轴的平面内延伸。

在操作中，在重组405之前，激光源401被分割以通过多个分离路径402前进，这将沿着光学倒数级404的光轴。各个光学平台404的数值结果在相机传感器(未展示)处被光学求和。基于这样的系统，可获得的等效电子处理速率远远超出了传统计算方法可以提供的，而其功耗仅为传统方法一小部分，并且没有电子多核处理的数据管理问题。

制造这种大型光学系统的主要限制在于如何在图1所示的每个轴上高精度地对准多个部件。上述4-f级中心的矩阵乘法级是特别重要的，其中每个在滤波器SLM形成的光学空间频率像素必须入射到滤波器SLM上的各个像素上。这个问题已经在专利申请PCT/GB2013/051778中被部分解决，其中透镜被移除并用波带片衍射光栅图案和相位斜波代替，以动态地聚焦和引导激光束。图5展示了一个正弦波带片衍射光栅图案的实例。圆形暗区域501被交替的同心光区域502和暗区域510包围以形成一种径向对称的图案。使用波带片和相位斜波提供了一种光学系统，该系统主要由液晶面板组成，末端有一个相机传感器，正如图6所示的那样。图6展示了一个第一液晶面板630，一个第二液晶面板650，一个第三液晶面板670和一个第四液晶面板690，它们彼此平行排布并且在垂直于面板平面的方向上偏移，它们互相之间被分离的距离等于图3中的f。第一和第四液晶面板630,690包含被布置成反射入射光的光学图案631,691的二维阵列，并且第二和第三液晶面板650,670各自包含被布置成透射入射光的光学图案651,671的二维阵列。一个相机传感器693被设置以捕获最终的结果。

在操作中，相干准直激光610从第一液晶面板630的第一寻址光学图案632反射并被其调制。调制光在被相机传感器693接收之前，分别由第二，第三和第四液晶面板650,670,690的第二，第三和第四光学图案652,672,692进一步调制。

通过使用菲涅尔波带板/透镜图案(或其他这样的衍射透镜图案)和用于对准的相位斜波，图 6中的架构适用于一种可重构的动态光学系统。组件和路径由寻址到相对液晶面板的图案的位置和类型来定义。然而，为了能够提供超出传统电子技术的处理速率，SLM面板必须具有非常高的像素数量。由于需要定制制造，并且因为其尺寸而可能具有较低的成品率，因此极高像素数显示器(例如，100,000x100,000像素)会带来非常高的单位成本。

由于这些问题，所以更合适于通过例如图7所示的平铺方式来组合多个衍射元件。图7展示了布置在单个平面中的各个SLM701的平铺矩形阵列700。将较小的SLM平铺在一起以获得和较大面板相同效果的分辨率，是有一个吸引力的替代方案，但是发明人已经认识到这将增加初始硬件对准的复杂度。

本公开涉及解决多个独立衍射元件被光学组合时产生的对准问题。如果多个单独的衍射元件被光学耦合，则需要考虑先前在图1中定义的六个自由度x，y，z，r，p，w。这个问题并不是微不足道的。

实施例涉及角平移(旋转)轴r，p，w。

本发明人已经认识到，通过检查衍射元件的远场(弗劳恩霍夫)衍射图(其等同于傅立叶变换)，可以得到在旋转轴r，p，w上的相对对准的测量。在一个实施例中，衍射元件，例如图案化网格或元件的2D阵列，其被相干光照射，并且所产生的远场衍射图被用于评估衍射元件的相对对准。特别的，对比远场衍射图案的特征以便评估衍射元件的相对旋转或平移对准。图8a展示了一个实施例，其中每个衍射元件都是一个网格900，其包括一个方形孔901的二维矩形阵列。

图8b展示了通过照射图8a所示的网格900而产生的远场衍射图案(即等效的傅里叶变换分布)902的强度。远场衍射图案902包含了多个以规则矩形阵列排布的极大值905。极大值 905包括不同强度的方形点并且极大值的尺寸约为相邻极大值之间的间距的1/10。极大值910 的垂直线阵列和极大值920的水平线阵列包括最高强度的极大值。极大值910的垂直线阵列沿着远场衍射图案902的垂直中心线布置，极大值920的水平线阵列沿着远场衍射图案902 的水平中心线布置。极大值910的垂直线阵列和极大值920的水平线阵列以直角平分。一个零阶极大值930，其包含远场衍射图案902的最高强度极大值，形成在极大值910的垂直线阵列和极大值920的水平线阵列的交叉点上。一阶极大值911被发现位于极大值910垂直线阵列和极大值920水平线阵列的零阶极大值的两旁从零阶极大值沿着极大值910的垂直线阵列和极大值920的水平线阵列可以进一步找到更高阶的极大值，例如在一阶极大值911的相邻位置可以找到二阶极大值912。

图8c展示了图8b所示类型的远场衍射图案的照片950，其由具有图8a的结构的SLM所产生。尽管图8a展示了一种周期性矩形孔的网格，但是应当被理解的是，可以使用任何衍射元件来产生衍射图案。例如，衍射元件可以是周期性六边形孔的网格或者复杂不规则非二元阵列。参考图9能够说明远场衍射的基础。

图9展示了一个双孔屏幕1020，其包含一个宽度为W的第一孔1021和一个宽度也为W的第二孔，第二孔位于距第一孔距离为d的位置。一个观察屏幕1030被与双孔屏幕1020平行设置，其与双孔屏幕1020距离为L。

在操作中，波长λ的准直相干光1010被垂直入射到双孔屏幕1020，于是光被第一和第二孔 1021,1022衍射。来自第一孔1021的衍射光与来自第二孔1022的衍射光互相干涉，在观察屏1030处形成了衍射图。远场区域被认为是超越以下标准的区域：

W²/Lλ<<1 (4)

从一个网格产生的远场衍射图通常包含明暗干涉区域，其极大值依次以一个角间距(在一维情况下)等间隔的排布：

dsinθ_m＝mλ (5)

其中d＝孔间距，θ＝衍射角，m＝整数阶，λ＝光的波长。

当用相干光照射时，一个包含矩形或正方形像素的网格形成了一个具有亮点的衍射图案，亮点沿着衍射图案的第一和第二行出现。一个未衍射光的“零阶”分量点位于第一和第二线的交点处。

如果一个固体块在基底上(例如在光学平台上)保持平行，则附接到该固体块的第一SLM所产生的衍射图的方向提供了一种即时测量方法，基于旋转轴r，p，w，测量第一SLM如何被定位或如何相对于固体块被对准。

图10展示了包括两个SLM的本公开的一个实施例。一个支撑介质1120包括一个第一面1121，一个与第一面1121相邻且正交的第二面1122，一个与第二面1122相对并平行的第三面1123 和一个与第一面1121相对且平行的第四面1124。一个第一反射SLM1130和一个与第一反射 SLM1130相邻的第二反射SLM1140，二者被结合到第一面1121并且布置成面向支撑介质1120 的内部。也就是说，第一反射SLM1130和第二反射SLM1140被布置成接收并且空间调制内部支撑介质1120收到的光。换句话说，第一反射SLM1130和第二反射SLM1140的光学输入部分被引导进入支撑介质1120中。

在操作中，第一反射SLM1130和第二反射SLM1140被来自光源1101穿过第二表面1122的准直光1103所照射。一个接收光的第一部分被第一反射SLM1130衍射，同时一个接收的光的第二部分被第二反射SLM1140衍射，分别产生了一个第一衍射光束1105和一个第二衍射光束 1106，二者都从支撑介质1120中传播出来穿过第三面1123到达一个屏幕1170。通过第一和第二衍射光束1105，1106，一个远场衍射图案在屏幕1170上形成。

尽管图10展示了准直光1103穿过第二表面1122传播到SLM，但是应该理解的是，准直光能够沿着任何路径传播到支撑介质中，只要准直光照射到两个SLM。例如，将镜面涂层放置在支撑介质1120的第四面1124上，则准直光可以通过顶表面或从其它方向传播。

在实施例中，光源1101是一种激光，因此准直光1103是激光，但是应该理解，任何相干光都是适合的。例如，在其他实施例中，其他光源能够与一个针孔结合使用以形成准直光1103。尽管图10展示了第一反射SLM1130和第二反射SLM1140被连接到支撑介质1120上，并被布置为面向支撑介质的内部，但是可以理解的是它们能够以其它方式连接或安装。例如，在其他实施例中，第一反射SLM1130和第二反射SLM1140能够被安装成使得它们的光输入端口面向支撑介质1120的外面。也就是说，在实施例中，第一反射SLM1130和第二反射SLM1140布置成接收和空间调制支撑介质1120外部接收的光。

尽管图10展示了第一反射SLM1130和第二反射SLM1140，但是应该理解，可以使用任何衍射元件。在其它实施例中，衍射元件是电荷耦合装置，衍射光学元件，互补的金属氧化物半导体，微机电器件或硅基的液晶器件。然而，从后面的描述能够理解的是，任何产生径向不对称衍射图案的元件同样适用。

虽然图10展示了一种屏幕1170，但是可以理解的是，其他接收衍射光束1105,1106的装置也是合适的。例如，在其他实施例中，可以使用一个相机代替屏幕1170。

可选地，在实施例中，将一个正透镜插入在SLM1130,1140和屏幕1170之间的路径(在于SLM 和屏幕的距离为f的位置)，以在正透镜的后焦平面中产生傅立叶变换，以减少SLM和屏幕之间所需的距离。

SLM的像素化网格在穿过设备的有效区域时的形状和周期性通常是，但不总是正方的。每个像素点应该被认为是一个孔第一反射SLM1130和第二反射SLM1140有效地起到了一个单一组合网格的作用。因此，屏幕上的相应衍射图案代表着第一反射SLM1130和第二反射SLM1140 的相对对准。

图11展示了两个远场衍射图案的重叠实例。一个由第一反射SLM1130产生的第一远场衍射图案902a与一个由第二反射SLM1140产生的第二远场衍射图案902b部分重叠。在第一衍射图案902a的第一零阶极大值930a和第二衍射图案902b的第二零阶极大值930b之间存在水平距离Ψ。第一衍射图案902a相对于第二衍射图案902b的偏移角度为Φ。也就是说，在第一衍射图案902a的极大值920a的第一水平线阵列与第二衍射图案902b的极大值920b的第二水平线阵列之间存在一个角度Φ。从图11上能够看出，设备沿着轴p对准，因为，举例来说，极大值910a的第一垂直线阵列的第三阶极大值913a与极大值910b的第二垂直线阵列的第三阶极大值913b之间的距离为零。然而，可以看出，在轴w上存在未对准，因为距离Ψ大于零。此外，因为角度Φ大于零，所以能够认为在r轴上也存在未对准。

方法的精确度进一步增加了屏幕1170与支撑介质1120之间的距离。在屏幕1170距SLM的距离L＝2m的情况下，两个SLM的分辨率为1920×1080像素，并且具有d＝8μm的正方形像素尺寸，第一反射SLM1130和第二反射SLM1140产生一个水平方向15.36mm和垂直方向6.64mm的有效区域。如果在每个SLM的屏幕上产生的图像被放大了1000倍，则在x或y轴上1um的位移会在屏幕上产生1mm的位移，这能够容易地被检测到。当检查远场衍射图案中的高阶项，例如较高阶极大值时，任何未对准都会变得清楚。

因此可以理解的是，这里提供了一种用于评估第一和第二衍射面相对对准的方法，所述方法包括：照射第一衍射元件以在远场中形成第一衍射图案；照射第二衍射元件以在远场中形成第二衍射图案；以及确定远场中的第一衍射图案和第二衍射图案之间的位置和/或旋转关系。这提供了用于评估衍射元件的对准的非接触方法。使用衍射图案评估衍射元件的对准方法相对于其它使用光的对准方法具有如下优点：当在远场观察时，衍射图案通常显示高分辨率特征，从而能更加精确的执行对准评估任务。此外，该方法也是可扩展的，允许评估对准元件的子系统的相对对准以形成更大的系统。值得注意的是，即使第一和第二衍射面可能在空间上偏置，弗劳恩霍夫衍射的性质使得它们的远场衍射图在它们被正确对准时在空间上具有一个相位偏置。

图12展示了图11的第一衍射图案902a和第二衍射图案902b。然而，与图11不同，距离Ψ为零。也就是说，第一零阶极大值930a和第二零阶极大值930b被对准。此外，图13中的角度Φ大于零，因此第一衍射图案902a相对于第二衍射图案902b旋转了一个小角度Φ。

如果采用图12的实例，其中第一反射SLM1130和第二反射SLM1140在r＝1度的位置未对准，则将导致极大值920a的第一水平线阵列的第三阶极大值913a和极大值920b的第二水平线阵列的第三阶极大值913b之间产生一个为ε距离。实例中的波长为λ＝532.从三阶极大值913a 到零阶极大值930a的距离表示为ρ，其能够从以下计算得到：

ρ＝Ltanθ_m (6)

分离距离ε能够从以下关系式计算：

ε＝2ρsin(Φ/2) (7)

组合式(6)和(7)得到：

ε＝2Ltan(θ_m)sin(Φ/2) (8)

最后结合方程(7)和(8)和求解ε得到：

ε＝2Ltan(sin^-1(mλ/d))sin(Φ/2) (9)

结合该实例使用等式(8),在第三阶点之间由于1度的未对准,产生7mm的间隔。这能够很容易地被检测到。因此能够认为，这里提供了一种高精度的检测微小未对准的方法。

本发明人认识到，第一衍射图案和第二衍射图案的特征提供了一种用于确定第一衍射元件和第二衍射元件之间的位置和/或旋转关系的有用的参考点。

因此，在实施例中，通过确定第一衍射图案的第一特征和第二衍射图案的第二特征之间的位置关系，来确定远场中的第一衍射图案和第二衍射图案之间的位置关系。

有利的是，通过使用第一衍射图案的第一特征和第二衍射图案的第二特征之间的位置关系，可以更加简单的确定识别第一衍射图案和第二衍射图案之间的位置关系。因此，提供了一种评估两个衍射元件的对准的改进方法。

发明人已经认识到，在远场中，极大值和极小值提供了用于确定第一衍射元件和第二衍射元件之间的位置和/或旋转关系的精确参考点。

因此，在实施例中，第一特征是第一衍射图案的极大值或极小值，第二特征是第二衍射图案的极大值或极小值可选地，第一特征是第一衍射图案的n阶极大值，第二特征是第二衍射图案的n阶极大值。可选的，第一特征是第一衍射图案的零阶极大值，第二特征是第二衍射图案的零阶极大值。

有利的是，使用第一衍射图案和第二衍射图案的极大值或极小值提供了一种更精确的评估第一衍射元件和第二衍射元件的相对对准的方法。

类似于图5的波带片衍射光栅图案的衍射图案能够被用来在至多两个旋转轴上确定第一衍射元件和第二衍射元件的旋转对准。第一和第二衍射元件在俯仰和偏转轴线p和w中的相对对准决定了屏幕中x轴和y轴上的第一和第二衍射图案的相对平移对准。然而，在实施例中，第一衍射图案和第二衍射图案是径向不对称的衍射图案，因为发明人已经认识到，如果第一和第二衍射图案是旋转对称的，那么第一和第二衍射元件在旋转轴r上的对准也可以被评估。

因此，在实施例中，第一衍射图案和第二衍射图案是径向不对称的衍射图案。

在实施例中，第一衍射元件是一个元件或者网格的2D阵列并且/或者第二衍射元件是一个元件或者网格的2D阵列。有利的是，元件或网格的2D阵列产生了一种旋转对称的衍射图案，其在远场中具有明确的定义和易于识别的特征。

在第一反射SLM1130和第二反射SLM1140未对准的情况下，可以通过基于其他的SLM旋转其中一个SLM来实现正确的对准。例如，通过使用适当的微调机构向SLM的背面施加压力，可以使其沿着轴线p和w的转动以达到调节的目的。SLM之间沿着轴p和w的角度差异将在屏幕上显示为在衍射图案中的线性位移-通过检查远离中心(零阶)极大值的高阶点来高亮显示。本文提供了一种用于执行第一衍射元件与第二衍射元件的对准的改进方法。例如，在本公开的实施例中，基于确定的位置和/或旋转关系，第一衍射元件相对于第二衍射元件旋转。可选的是，该方法还包括相对于第二衍射元件旋转第一衍射元件，直到第一衍射图案和第二衍射图案之间的位置和/或旋转关系到达预定的位置和/或旋转关系。

通过调整第一反射SLM1130和/或第二反射SLM1140使得第一衍射图案902a和第二衍射图案 902b完全重叠，可以实现沿着三个旋转轴线r，p，w的对准。可选的是，第一衍射元件相对于第二衍射元件旋转，直到第一衍射图案基本上与第二衍射图案重叠。

在实施例中，可以在相对于第二衍射元件旋转第一衍射元件之后重复本公开的方面。

有利的是，可以执行一个对于在第一衍射图案和第二衍射图案之间的位置和/或旋转关系上第一衍射元件相对于第二衍射元件的旋转效果的观察。通过这种观察，可以确定第一衍射元件相对于第二衍射元件的旋转度与第一衍射图案和第二衍射图案之间的位置和/或旋转关系之间的相互关系。因此，关于第一和第二衍射元件的相对对准的任何进一步的调整，可以在基于更高的确定性和/或更少的调节步骤的情况下，更加简单的被执行。

在另外的实施例中，提供了一种对第一衍射元件和第二衍射元件之间的相对平移对准的评估方法。实施例中考虑到了第一反射SLM1130和第二反射SLM1140沿着x轴和y轴(其中z轴是光轴)的线性对准。在一个实施例中，发散光入射到SLM上，在屏幕上形成了SLM的图像而不是远场衍射图案。通过这些图像的投影，沿着x轴和y轴的任何小的对准差异都会被放大并且在检查时变得明显。通过精细调整，通过SLM的线性平移来校正这些差异-选择性的使用一个适当的底座来固定设备。

在本公开的另一方面，提供了一种对第一和第二衍射元件相对对准的评估方法，所述方法包括：照射第一衍射元件以形成远场中的第一衍射元件的第一图像；照射第二衍射元件以形成远场中的第二衍射元件的第二图像；确定远场中第一图像和第二图像之间的位置关系。

有利的是，这里提供了一种确定第一衍射元件和第二衍射元件的相对平移对准的非接触性的方法。

本发明者已经意识到通过提供第一和第二图像的放大版本，一个改进的方法可以被执行。图 13展示了这种布局的排布。

在操作中，一个透镜1310被用于产生一个发散光束1303，该光束穿过第二表面传播并且被第一反射SLM1130反射，同时第二反射SLM1140产生了反射光束1305，1306。两个SLM的图像被放大(因为光是发散的)并且被投射到一个屏幕1170上。

因此，在实施例中，照射的步骤包含用发散光照射第一和第二衍射元件。

但是，在其他的实施例中，两个SLM的图像被通过其他的方法放大。第一和第二SLM1130， 1140替代的被准直光照射在这个实施例中，从第一和第二SLM1130中被反射的准直光被投射穿过第三表面1123同时穿过一个位于支撑介质1120和屏幕1170之间的发散透镜。以这种方式，将第一和第二SLM1030,1040的放大图像投影到屏幕1170上。

有利的是，通过放大第一图像和第二图像，可以更加精确地获得远场中的第一图像和第二图像之间的位置关系。

因此，在其他实施例中，照射步骤包括以大体上的准直光，可选地，非相干光照射第一和第二衍射元件。

图14展示了图13的屏幕1170上的图像实例，其显示第一反射SLM1130的第一放大图像1410 和与第一放大图像1410相邻的第二反射SLM1140的第二放大图像1420。第一放大图像1410 和第二放大图像1420在屏幕1170上显示为近似矩形的亮区域。一个距离Δx被定义为在第一方向上的第一放大图像1410和第二放大图像1420之间的间隔距离。可以依据SLM装置的已知间隔的放大倍率来考虑Δx，以计算第一反射SLM1130和第二反射SLM1140的任何未对准。一个距离Δy被定义为在第二方向上第一放大图像1410的底部边缘1411与第二放大图像1420的底部边缘1421之间的位移，其中第二方向与第一方向正交。对于第一反射SLM1130 和第二反射SLM1140的正确对准而言，Δy应为零。

本发明人已经认识到，远场中的第一图像和第二图像的特征提供了用于确定第一衍射元件和第二衍射元件之间的线性位置关系的有用参考点。

因此，在实施例中远场中第一图像和第二图像的位置关系是通过第一图像的第一特征和第二图像的第二特征之间的位置关系的确定而确定。

有利的是，通过使用第一图像的第一特征和第二图像的第二特征之间的位置关系，第一衍射元件和第二衍射元件之间的位置关系可以被更加简单的识别和确定。

这里提供了一种用于执行第一衍射元件与第二衍射元件对准的改进方法。例如，在实施例中，该方法进一步包含基于所确定的位置关系，第一衍射元件相对于第二衍射元件的平移。可选的是，该方法还包含第一衍射元件相对于第二衍射元件平移，直到第一图像与第二图像之间的位置关系达到预定的位置关系。可选的是，第一衍射元件相对于第二衍射元件平移，直到第一图像的一侧与第二图像的相应侧共线。

在实施例中，可以在相对于第二衍射元件旋转第一衍射元件之后重复本公开的观点。

有利的是，可以执行一个对于在第一衍射图案和第二衍射图案之间的位置关系上的第一衍射元件相对于第二衍射元件的平移效果的观察通过这种观察，可以确定第一衍射元件相对于第二衍射元件的平移与第一衍射图案和第二衍射图案之间的位置关系之间的相互关系。因此，关于第一和第二衍射元件的相对对准的任何进一步的调整，可以在基于更高的确定性和/或更少的调节步骤的情况下，更加简单的被执行。

如前所述，在诸如图2和图3所示的光学系统中，通常的重点是衍射元件在图1的所有六个轴上对准。

在一个实施例中，通过将衍射元件连接到一个精密设计的支撑介质来设定“z”轴。通常，连续的SLM之间的气隙由支撑介质代替。

在一个实施例中，支撑介质是一种具有足够纯度和均匀性的玻璃或半透明或透明材料，并且可选择的具有与衍射元件和照相组件的遮盖玻璃相同的折射率。例如，合适的材料能够是石英玻璃或者BK7玻璃。在另外的实施例中，使用折射率匹配的紫外线固化粘合剂或其它合适的粘合剂将装置粘合到支撑介质上。

图15a和15b展示了一个实施例。图15a展示了一个单傅里叶变换级系统800，其包含一个支撑介质820。该支撑介质820是一种透明材料的砌块。一个第一反射SLM830，一个与第一反射SLM相邻的第二反射SLM850和一个与第二反射SLM相邻的照相传感器860被结合到支撑介质820的第一表面821，并且被布置成“面向”支撑介质820的内部。一个反射面840被连接到支撑介质820的第二表面822的一个中央区域821c，并且被布置成面向支撑介质820的内部。第二表面822的一个输入端口822a被布置成接受从支撑介质820的外部射入的光。在操作中，相干光810通过输入端口822a进入支撑介质820，并被表现出输入功能的第一反射SLM830反射和调制。调制光811随后继续被平面镜表面840反射到一个显示有效焦距为f的衍射透镜的第二反射SLM850中。调制光811然后被第二反射SLM850反射并聚焦。聚焦光813形成输入功能的傅立叶变换，然后继续从平面镜表面840反射，被相机传感器860接收。或者，相机传感器860被替换为一个其他的SLM，其表现出一个另外的调制图像(例如匹配滤波器配置中的滤波器)，光离开该区块进入到后续区块进行进一步的处理。图15b展示了一个没有图15a所示的相机传感器860的实例照片，该实例为傅里叶变换级系统800的实际实现。图15b展示了支撑介质820，第一反射SLM830和连接到支撑介质820的第一表面821的第二反射SLM850，连接到支撑介质第二面822的中心部分822c的平面镜表面840，被布置成接收支撑介质的外部射入光的第二面822的输入端口822a，以及被布置成传出从支撑介质内部射出光的第二面822的输出端口822b。

一旦第一反射SLM830和第二反射SLM850被调整好并且设备都被正确的对准，则粘合到支撑介质820上的第一反射SLM830和第二反射SLM850能被修正并且正确的对准可以被实现。如果需要，可以通过寻址图案的调整来在软件层面执行基于SLM像素尺寸的最小分辨率和离散像素-捕捉步骤的进一步调整。

因此，不仅能够解决图15a的第一反射SLM830，第二反射SLM850和相机传感器860在z轴上的对准，而且可以解决图15b的第一反射SLM830和第二反射SLM850在z轴上的对准。通过将这些部件固定到恒定宽度的支撑介质820上，并改变在第一反射SLM830处的相干光811 的入射角，可以准确且稳定地固定部件之间的光程长度。

例如，对于输入SLM和变换透镜之间的傅立叶变换关系，透镜的给定波长的焦距由以下等式确定：

f＝Np₁p₂/λ (10)

其中：

f＝透镜焦距；N＝使用的像素数(在一个NxN网格中)；p1＝输入SLM像素的像素大小；p2＝相机或滤镜SLM像素的像素大小；λ＝激光的波长

一个合适距离的实例可以作为示例，N＝1000个像素，p1＝8μm，p2＝8μm，λ＝635nm，此时可以导出焦距f＝100mm。

在实施例中，存在一个附加步骤，其进一步包含将第一和第二衍射元件固定在一个公共平面上。

有利的是，将第一和第二衍射元件固定在共同的平面上允许更加准确的确定衍射元件的间隔。也就是说，部件之间的光程长度能够被更加准确的确定。本文描述的方法可以用于被结合到支持介质中的，在一个平面上的多个SLM的对准。SLM能够是不同类型的，也能够用相机传感器或任何其他精细像素化网格来代替。对于不同像素尺寸的设备，可以使用上述等式预先计算出远场衍射级的间距以进行对照。

此外，如果这些设备被结合到子模块，然后将其组合以形成更大的光学系统，则可以应用相同的方法-这次考虑全局轴x'，y'，z'，r'，p'，W”。图16展示了一个这样的实例，其中图15a所示类型的第一3-SLM子系统1601相对于同样的第二1602,第三1603和第四16043-SLM子系统对准，创建了一个有效的12-SLM系统。此3-SLM子系统1601，1602，1603 和1604被排布在一个一维线性阵列上，通过添加额外的平面镜表面使得来自每一个模块的射出光沿着这个路径进入随后的模块中。该阵列被布置成SLM1611,1612,1613和1614是共面的。通过使用本文所描述的方法能够实现，每个模块的SLM组件已经已被对准，并因此在屏幕上产生单一衍射图。子模块能够按照以前那样实现对准，首先通过对准衍射图案来对准r'，p'， w'轴，通过对准图像投影来对准x'和y'轴。

虽然图16展示了组合在一个一维线性阵列中的子系统，但是能够同样地应用子系统的二维阵列或网格，作为相对的子系统。

图17中展示了一个包含相对的子系统的实施例，其中图15a所示类型的第一3-SLM子系统 1701相对于第二1702，第三1703和第四17043-SLM子系统被对准，以产生有效的12-SLM系统。在这种情况下，第一和第三SLM子系统1701,1703面向与第二和第三SLM子系统1702,1704 相反的方向。第一SLM子系统1701的输出端口1712与第二SLM子系统1702的输入端口1721 配合，第二SLM子系统1702的输出端口1722与第三SLM子系统1703的输入端口1731配合，第三SLM子系统的输出端口1732与第四SLM子系统1704的输入端口1741配合。

本文所述的方法也可用于测试和监测其它应用中的表面的对准。如果表面本身在用相干光照射时不显示合适的衍射图案，则可以通过将像素化的SLM，衍射元件或其他衍射图形生成面板附着到表面上并用相干光照明来执行表面的对准。衍射图案可用于提供多个表面如何对准的度量。因此，本公开中描述的这种方法可以有益于其他类型光学系统的对准，或者机器部件的对准测试，或需要线性或角位移测量的任何其它类型的表面的对准测试。

尽管在实施例中提及衍射元件，但是应该理解的是，该术语可以包括通常不被称为衍射元件的部件，对象或表面。基于这个观点应该被理解的是，术语“衍射元件”包括在相干光照射时在远场中产生衍射图案的组件。

在实施例中出现的实例仅作为举例使用，第一衍射元件是空间光调制器；电荷耦合器件；衍射光学元件；互补的金属氧化物半导体；微机电装置；或硅基的液晶器件。

在实施例中，该方法还包括在对应于第一衍射元件上显示的第一衍射图案的图像和对应于显示在第二衍射元件上的第二衍射图案的图像(例如，“滤波”图像)之间的执行光学相关性。在实施例中，提供了一种对准光学相关器的两个空间光调制器的方法。

虽然上面已经描述了许多观点和实施例，但是在不脱离本公开的发明概念的情况下相应的变化依然能够被实现。

Claims

1.一种评估在以单个平面布置的衍射元件的平铺阵列中的第一衍射元件和第二衍射元件的相对对准的方法，其中，所述第一衍射元件包括网格或元件的二维阵列，所述第二衍射元件包括网格或元件的二维阵列，所述方法包括：

照射第一衍射元件以在远场中形成第一衍射图案，所述第一衍射图案包括第一行极大值，以及横穿所述第一行极大值的第二行极大值；

照射第二衍射元件以在远场中形成第二衍射图案，所述第二衍射图案包括第三行极大值，以及横穿所述第三行极大值的第四行极大值；

在远场中确定所述第一行极大值中的远离其中心极大值的极大值和所述第三行极大值中的远离其中心极大值的极大值之间的第一位置和/或旋转关系；并且

在远场中确定所述第二行极大值中的远离其中心极大值的极大值和所述第四行极大值中的远离其中心极大值的极大值之间的第二位置和/或旋转关系。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于所确定的第一位置和/或旋转关系和第二位置和/或旋转关系，使第一衍射元件相对于第二衍射元件旋转。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，进一步包括使第一衍射元件相对于第二衍射元件旋转，直到所确定的第一位置和/或旋转关系和第二位置和/或旋转关系为预定的位置和/或旋转关系。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，进一步包括使第一衍射元件相对于第二衍射元件旋转，直到第一衍射图案与第二衍射图案重叠。

5.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，进一步包括在使第一衍射元件相对于第二衍射元件旋转之后，通过以下步骤评估第一衍射元件和第二衍射元件的相对对准：

照射第一衍射元件以在远场中形成又一第一衍射图案，所述又一第一衍射图案包括又一第一行极大值，以及横穿所述又一第一行极大值的又一第二行极大值；

照射第二衍射元件以在远场中形成又一第二衍射图案，所述又一第二衍射图案包括又一第三行极大值，以及横穿所述又一第三行极大值的又一第四行极大值；

在远场中确定所述又一第一行极大值中的远离其中心极大值的极大值和所述又一第三行极大值中的远离其中心极大值的极大值之间的又一第一位置和/或旋转关系；并且

在远场中确定所述又一第二行极大值中的远离其中心极大值的极大值和所述又一第四行极大值中的远离其中心极大值的极大值之间的又一第二位置和/或旋转关系。

6.一种评估第一衍射元件和第二衍射元件的相对对准的方法，所述方法包括：

利用发散光或基本上准直的非相干光照射第一衍射元件以在远场中形成第一衍射元件的第一图像；

利用发散光或基本上准直的非相干光照射第二衍射元件以在远场中形成第二衍射元件的第二图像；以及

确定远场中第一图像和第二图像之间的位置关系。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，通过确定第一图像的第一特征和第二图像的第二特征之间的位置关系来确定远场中的第一图像和第二图像之间的位置关系。

8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述方法包括基于所确定的位置关系，使第一衍射元件相对于第二衍射元件平移。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括使第一衍射元件相对于第二衍射元件平移，直到第一图像与第二图像之间的位置关系为预定的位置关系。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法包括使第一衍射元件相对于第二衍射元件平移，直到第一图像的一侧与第二图像的相应侧共线。

11.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，在使第一衍射元件相对于第二衍射元件平移之后，通过以下步骤评估第一衍射元件和第二衍射元件的相对对准：

利用发散光或基本上准直的非相干光照射第一衍射元件以在远场中形成第一衍射元件的又一第一图像；

利用发散光或基本上准直的非相干光照射第二衍射元件以在远场中形成第二衍射元件的又一第二图像；以及

确定远场中所述又一第一图像和所述又一第二图像之间的又一位置关系。

12.根据权利要求1或6所述的方法，其特征在于，所述方法包括将第一和第二衍射元件固定在一个公共平面上。

13.根据权利要求1或6所述的方法，其特征在于，第一衍射元件是空间光调制器；衍射光学元件；微机电装置；或硅基的液晶器件。

14.一种对准光学相关器的两个空间光调制器的方法，所述方法包括权利要求1至5和权利要求6至13中任一项所述的步骤。