CN1732402A - 可配置的衍射光学元件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可配置的衍射光学元件，包括具有反射表面的衍射子元件的一个阵列，其中每个子元件在一个选定范围内具有可控制的位置，以及其中多个子元件具有一个反射光栅，具有多种选定的光谱特性。

Description

可配置的衍射光学元件

本发明涉及一种可配置的衍射光学元件，包括具有反射表面的衍射子元件的一个阵列。

光分解为其构成频率(波长)是光谱学的基础。根据本发明，一类光学装置被用作可配置的滤光片。该装置接收由不同频率的光组成的入射光束，将该光的一部分引向某个方向，或者引到焦点上。该装置包括在基底上的可移动的衍射微结构的一个系统。通过向该装置施加不同的电压，我们可以改变该微结构的相对位置，并且因此我们还可以改变被衍射光的光谱组成。

滤光片对于各种光学测量都很重要。以下我们使用滤光片这个术语广义地描述从光路中完全或部分地有选择性地去除特定频率的光的所有装置。如果通过施加不同电压、温度或其它激励方法可以使该滤光片的特性随时间变化，则我们称之为可调谐的或可配置的滤光片。可调谐与可配置之间没有明显的区别，除了后者意味着可以实现更大范围的可能的滤光片功能。可配置的滤光片对于光谱学尤其重要。一个例子是常规多色仪的可倾斜光栅。根据我们的定义，这是一个可调谐的(或可配置的)滤光片的例子。

一个衍射光学元件是广义的一维或二维光栅或全息图，通过使入射光束的不同部分受到不同的相位延迟和/或幅度调制，用于合成一个光场。采用微机电系统(MEMS)，有可能制造可配置的DOE。采用目前的硅微切削加工技术，不难制造尺寸小于10微米的移动部件。在一个可配置的DOE(CDOE)中，这种移动部件的顶部将是一个光学表面：反射镜、光栅或用于滤光或聚焦的更复杂的结构。以下我们将每个表面称为一个衍射子元件。它们的相对位置可以以比典型光波长小得多的分辨率被调谐，并且来自该不同部件的反射之间的干涉确定了合成的光场。

G.B.Hocker等人在“多色仪(polychromator)：用于合成光谱的一个可编程MEMS衍射光栅”，固态传感器及激励器讨论会，89-91页，希尔顿海德岛，南卡罗来纳州，2000年6月，已经设计并实施了用于合成滤光片的一种CDOE(“多色仪”)。该装置是静电控制的光束阵列。该光束可以垂直移动，并且每个光束的顶部反射并起着光栅元件的作用。Michael B.Sinclair等人，“合成光谱：相关光谱学的一种工具”，应用光学，36卷，15期，1997年，给出了合成滤光片的基本原理，而它又是基于Gerchberg和Saxton在1970年左右开发的相位恢复算法(PRA)。(见例如J.R.Fienup，“相位恢复算法：一种比较”，应用光学，21卷，15期，58-69页，1982年。)“多色仪”的缺点是具有宽光谱范围的光以单一的角度衍射，限制了能够达到的分辨率。采用多个光束可以达到更高的分辨率，但是这样增加了装置的复杂性并无法控制。还有一个缺点是光无法聚焦到一个探测器上。采用一个凹形光栅或如将所示的一个聚焦衍射图案，有可能使光聚焦到一个探测器上。最后，移动光栅元件之间的许多间隙会降低衍射效率。

美国专利5,905,571，用于构成相关光谱仪及光处理器的光学仪器，描述了用于构成相关光谱仪及光处理器的光学仪器。该光学仪器包括在基底上构成的一个或多个衍射光学元件，用于接收来自光源的光并处理该入射光。该光学仪器包括一个寻址元件，用于交替地寻址每个衍射光学元件，以对于一个时间单位产生与入射光的第一相关，以及对于一个不同的时间单位产生与入射光的不同于第一相关的第二相关。在本发明的一个较好实施例中，该光学仪器的形式是一个相关光谱仪；在其它实施例中，该仪器的形式是一个光处理器。在一些实施例中，该光学仪器包括在公共基底上的多个衍射光学元件，用于构成第一和第二光栅，对于不同的时间单位交替地拦截入射光。在其它实施例中，该光学仪器包括一个可电编程的衍射光栅，可以在多个光栅状态之间交替地切换，用于处理入射光。该光学仪器可以至少是部分地通过微切削加工工序构成。

美国专利5,757,536，可电编程的衍射光栅，描述了一种可电编程的衍射光栅。该可编程的光栅包括一个基底，其上构成多个电极，并且在每个电极上具有一个可移动的光栅元件。该光栅元件是可电编程的，以构成一个衍射光栅，用于当入射光从光栅元件的上表面反射时使其发生衍射。该可编程的衍射光栅，通过微切削加工工序构成，可以应用于光信息处理(例如，光相关器和计算机)，用于不同波长的多个光束的复用和解复用(例如，用于光纤通信)，以及用于构成光谱仪(例如，相关和扫描光谱仪)。这种类型的装置的缺点是必须控制很多个元件，以在一个窄的光谱范围内获得高的光谱分辨率。

本发明的目的是提供一种可配置的衍射光学元件，在选定频率范围内具有良好的分辨率，例如用于光谱探询，具有少数的电激励部件。本发明还提供光束的聚焦，而不需要附加的光学元件。

这是使用根据所附的权利要求的元件实现的。

根据本发明，该可电编程的衍射光栅的一些扩展/改进是可能的。以下列出并在随后详细解释。

●一个CDOE可以用来聚焦光线。这样减少了附加的光学元件的需要，附加的光学元件可能昂贵并且对准困难。制造聚焦装置的一种方法是使该衍射子元件的形状象菲涅耳带或扇形的菲涅耳带。

●具有闪耀光栅表面的少数的宽的子元件可以用于替代具有平反射表面的多数的窄的子元件。见图1与图2之间的区别。对于一个大组的应用，这样将同时降低该CDOE的机械复杂性并且提高衍射效率。

●通过横向即平行于该表面方向移动光束，也可以获得相位调制。采用带梳形驱动器的绝缘体上硅结构(SOI)，有可能使用更少的工序步骤制造更好的光学表面。

●前面的例子全部都是一维阵列。即使是菲涅耳带结构在极坐标中也可以看作一维阵列。在更一般的情况下，该CDOE的平面被分成任意的小块，其中每个小块是具有由垂直或水平移动产生的相位调制的衍射子元件。

以下将参考附图描述本发明，通过例子说明本发明。

图1说明已知技术，其中光栅是通过多个反射的平表面之间的相对位置构成的。

图2说明本发明的原理。

图3说明本发明的第一备选实施例。

图4说明本发明的第二备选实施例。

图5说明本发明的第三实施例，其中该子元件构成一个二维阵列。

图1所示的光栅的原理描述如下：从一个平屏幕的远场衍射的菲涅耳近似被简化为对屏幕处的光场进行傅立叶变换。对于一维空间，这可以写成

U(ksinθ)＝F[u(x)]            (1)

其中，k＝2π/λ，θ为衍射角，x为屏幕位置。如果我们要设计一个DOE用于入射角为零的准直光，则U将是我们的目标函数且u(x)是该DOE孔径的复透射/反射系数。U为k与sinθ乘积的函数——波长和角度起着相同的作用。一个DOE可以用于合成对于一个固定波长的空间(角度)图案，或者对于一个固定角度的光谱图案，或者二者的组合。除非另有说明，我们以下将考虑一个固定角度的光谱图案，并且我们写k_x＝ksinθ。

为了确定在远场中产生目标函数U的衍射表面的形状，我们取等式1的逆傅立叶变换：

u(x)＝F^-1[U(ksinθ)]        (2)

这导致一个复函数u(x)，其中相位角和幅度都变化。但是，通常我们对于u(x)有一些限制，例如|u(x)|＝1。这意味着我们限于或选定仅控制u(x)的相位。在这种情况下，我们必须采取数值算法得到u(x)。这种算法的一个例子是PRA，表现为不同名字的不同变型。这里，通过迭代傅立叶变换，在空间和光谱域施加限制或约束，得到u(x)。

参考图1，它说明了已知技术，类似上述“多色仪”的一个光束阵列是一个合适的装置，用于演示可配置的DOE的基本特性以及迭代傅立叶变换。忽略元件之间的间隔，该光束阵列的复反射系数可以写成

$u\left(x\right)=\exp \left[\mathrm{i\φ}\left(x\right)\right]=\left[\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{u}_n\mathrm{\δ}(x-\mathrm{nd})\right]*p\left(x\right)---\left(3\right)$

p(x)为单光束的反射系数，u_n＝exp(iφ_n)，*表示卷积。对于具有平反射表面的光束，p(x)＝rect(x/d)。对于入射角为α且衍射角为β的光，DOE高度h与相位延迟φ之间的关系为φ＝2πh(cosα+cosβ)/λ。

等式3的傅立叶变换为

$U\left(k_x\right)=F\left[\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{u}_n\mathrm{\δ}(x-\mathrm{nd})\right]F\left[p\left(x\right)\right]=\left[\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{u}_n\exp (-i{k}_x\mathrm{nd})\right]P\left(k_x\right)---\left(4\right)$

方括号中的和就是系数u_n的截断的傅立叶级数。该级数关于k_x是周期性的，周期Δk_x＝2π/d。该项乘以p(x)的傅立叶变换。在p(x)＝rect(x/d)，P(k_x)＝sinc(k_xd/2π)的情况下，给定一个目标函数U，采用例如上述PRA算法可以确定系数u_n。至于一个规则的光栅，可以被分解的最高光学频率与Nd，光栅元件的数量与光栅周期的乘积成比例，而截止频率或自由光谱范围由该sinc包络函数的第一零点给定：

P(k_x)＝sinc(k_xd)＝0k_x0＝2π/d     (5)

很多光谱学应用要求在以频率k_c为中心的一个相对窄的频率范围Δk_x内有相对高的分辨率。

由等式5，我们看到为了保证k_c小于k_x0，周期d必须足够小——需要一个小的d以获得一个足够宽的光谱范围。但是由于分辨率与Nd成比例，因此需要一个大的N以保持高的分辨率。这导致必须分别控制成百或上千光束的一个复杂的装置。M.A.Butler等人的“用于光谱域的光学全息术的一种基于MEMS的可编程的衍射光栅”，IEDM，2001年，找到了改进“多色仪”的设计的一种方法，其中他们在光路中使用一个附加的光栅。我们发现改变光束表面本身要方便得多。以下描述了解决方案，一个光栅阵列。

图2说明根据本发明的一个光栅，其中根据上述已知技术的光束的平顶部被一个短光栅取代，光栅周期d_S＜d。对于一个正弦光栅，我们有p(x)＝rect(x/d)exp(i2πx/d_S)。然后我们使P(k_x)＝sinc(k_xd/2π-d/d_S)。这本质上是等式5的sinc包络向我们选定频率的一个偏移。该频率偏移由该两个光栅周期的比值确定。因此，我们可以以少量的光束/元件实现高分辨率的滤光。

图3说明一个类似的解决方案，其中该衍射子元件被横向移动。

如果一个元件被横向移动一个距离D，则φ与D之间的关系为φ＝2πD(sinα-sinβ)/λ，忽略子元件周围区域的贡献。

许多MEMS装置基于SOI结构，横向移动由静电梳形驱动器激励。与通常用于制造具有垂直移动的光束结构的多层多晶硅工序相比，这些结构更刚硬并且也更易于制造。

图4说明根据本发明的一个聚焦装置。扩展到具有任意形状的子元件，有可能制造聚焦的可配置的滤光片。如果我们将子元件的形状制成对应一个给定焦距的菲涅耳带，则可以看出对于一个一维光束阵列或光栅阵列，焦点处的强度是相同的。

还有可能使用具有聚焦衍射图案的一个等尺寸的矩形子元件阵列。具有这种结构的光谱合成将是不同的，因为从单个元件的衍射积分的贡献不再对应等式4中的傅立叶级数中的单项。

图5说明根据本发明的一个双阵列，具有反射镜元件的一个二维矩阵，每个反射镜元件包括在表面处的一个衍射光栅。

对等式2中的目标函数进行逆傅立叶变换给我们一个带相位和幅度信息的复函数u(x)。我们可以采用幅度和相位控制实施一个带光栅双阵列或子元件对阵列的CDOE。如果两个子元件具有相同的垂直位置，则发生具有最大幅度的相长干涉。如果子元件的高度的差值对应π的相移，则发生相消干涉，幅度为零。光发生衍射离开光路。

如参考图2-5所述，本发明提供了具有较大子元件2的一种解决方案，其中每个子元件具有一个光栅。每个子元件上的光栅可以具有任意合适的光栅周期，没有制造任意光栅时存在的限制以外的其它限制。

根据本发明的衍射子元件的尺寸应当对应每个子元件上的光栅的周期数，例如大约100μm。

因此，有可能提供一种可调节的衍射光栅，比根据已知技术的类似光栅具有更高的分辨率，因而更适用于例如光谱研究、滤光等。

根据图2、4和5的光束或子元件可以在垂直于元件表面的方向移动。但是，在图3中，如上所述，子元件的位置可以在平行于表面的横向移动。这些移动的任意组合当然是可能的，尽管实际上实现起来很复杂。典型地，相对于入射或反射光的方向的移动应当约为光波长的1/2。

Claims (7)

1.可配置的衍射光学元件，包括具有反射表面的衍射子元件的一个阵列，其中每个每个子元件在一个选定范围内具有可控制的位置，以及其中多个子元件具有一个反射光栅，具有多种选定的光谱特性。

2.根据权利要求1的衍射光学元件，其中带有一个衍射光栅的子元件的实际尺寸比所述子元件上的衍射光栅的典型空间周期大得多。

3.根据权利要求1的衍射光学元件，其中每个子元件的位置在垂直于元件表面的方向是可调节的。

4.根据权利要求1的衍射光学元件，其中每个子元件的位置在平行于元件表面的方向是可调节的。

5.根据权利要求1的衍射光学元件，其中每个子元件的位置在平行于入射或反射光束的光轴的方向是可调节的。

6.根据权利要求1的衍射光学元件，其中带有一个衍射光栅的子元件上的该光栅构成一个衍射透镜。

7.根据权利要求1的衍射光学元件，其中该子元件阵列是一个二维阵列。

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