[发明专利]空间调制装置

说明书

提供了一种用于高频空间调制电磁辐射的方法，其中调制是相位、极化或传播方向。该方法包括衬底，该衬底承载光学元件的有序阵列，该有序阵列与待调制的入射的电磁辐射束成相对运动，且测量所述相对运动。该阵列包含至少三个光学元件和至少两种不同类型的光学元件。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。可以通过减薄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。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。

技术领域

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WO 2018/213923，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。

发明内容

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。