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技術 アラインメントの評価方法

出願人 オプタリシスリミテッド
発明者 ニュー,ニコラスジェイムズトッド,ロバート
出願日 2015年12月17日 (5年2ヶ月経過) 出願番号 2017-535682
公開日 2018年3月1日 (2年11ヶ月経過) 公開番号 2018-506063
状態 特許登録済
技術分野 回折格子、ホログラム光学素子
主要キーワード モノリシックブロック ソリッドブロック ブライトスポット 開口間隔 整数次数 光学ドメイン 中心極 電気機械的装置
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図面 (20)

課題・解決手段

第1の回折素子及び第2の回折素子の相対的なアラインメントを評価する方法。この方法は、遠視野における第1の回折パターンを形成するために第1の回折素子を照明し、遠視野における第2の回折パターンを形成するために第2の回折素子を照明することを含む。この方法は、遠視野における第1の回折パターンと第2の回折パターンとの間の位置関係及び回転関係の少なくとも一方を決定することをさらに含む。

概要

背景

光学ステム構築における共通の問題は、正確な光学性能を提供するために、複数の構成素子を正確に整列する方法である。自由空間における回折及びフーリエ光学システムにおいて、特に許容誤差ミクロンベルである場合には、装置及び構成素子の正確な配置が重要である。各構成素子は、中心に対して相対的に考慮される、3つの直線移動x、y、zと3つの角度移動ロール、ヨー、ピッチの6つの主軸に沿った正確な整列を必要とすることがある。光学システム全体にサブシステムがある場合、この基準は拡張され、各構成素子の局所的な軸に加えて全体的な軸を考慮する必要がある。

画素化された電気光学マイクロディスプレイアレイのような、光学的に結合した複数の回折素子空間光変調器SLM:Spatial Light Modulator)という用語で一般的にグループ化されているが、これらのアラインメントには特に難しさがある。これらは、シリコン液晶(LCoS)素子又はミラーベース微小電気機械MEM)素子でもよい。

回折光学システムでは、SLMのような回折素子は、像を生成する方法としてではなく、画素のサイズと同等の波長を有するコヒーレントレーザ光(例えば、632nmの赤色可視レーザ光)を変調する方法として用いられる。パターンをSLM画素アレイ対処することにより、素子を出る光は変形されてもよいし(ホログラフィックリプロダクション(holographic reproduction)及び光ツィーザアプリケーション(optical tweezer applications)の場合)、または、数値データを光学処理システムに入力するために使用されてもよい。そのようなシステムの例としては、米国特許出願公開第2010/085496号明細書及び米国特許出願公開第2006/050986号明細書で提案されているような、光学相関器パターン認識)及び光学的な微分関数(大きな方程式解くシステムを基礎とする)が含まれる。ゾーンプレートフレネルレンズ及び位相ランプのような特定のパターンを対処することにより、PCT/GB2013/051778で提案されているように、SLMを従来のフォーカシング及びビームステアリングの素子(レンズミラー)の代わりに使用することもできる。

概要

第1の回折素子及び第2の回折素子の相対的なアラインメントを評価する方法。この方法は、遠視野における第1の回折パターンを形成するために第1の回折素子を照明し、遠視野における第2の回折パターンを形成するために第2の回折素子を照明することを含む。この方法は、遠視野における第1の回折パターンと第2の回折パターンとの間の位置関係及び回転関係の少なくとも一方を決定することをさらに含む。

目的

光学システムの構築における共通の問題は、正確な光学性能を提供する

効果

実績

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請求項1

遠視野における第1の回折パターンを形成するために第1の回折素子照明し、前記遠視野における第2の回折パターンを形成するために第2の回折素子を照明し、前記遠視野における前記第1の回折パターンと前記第2の回折パターンとの間の位置関係及び回転関係の少なくとも一方を決定することを含む、前記第1の回折素子及び前記第2の回折素子の相対的なアラインメント評価方法

請求項2

前記遠視野における前記第1の回折パターンと前記第2の回折パターンとの間の位置関係は、前記第1の回折パターンの第1の特徴と前記第2の回折パターンの第2の特徴との間の位置関係を決めることにより決定される、請求項1に記載の評価方法。

請求項3

前記第1の特徴は、前記第1の回折パターンの最大値又は最小値であり、前記第2の特徴は、前記第2の回折パターンの最大値又は最小値である、請求項2に記載の評価方法。

請求項4

前記第1の特徴は、前記第1の回折パターンの第n次の最大値であり、前記第2の特徴は、前記第2の回折パターンの第n次の最大値である、請求項2に記載の評価方法。

請求項5

前記第1の特徴は、前記第1の回折パターンの第0次の最大値であり、前記第2の特徴は、前記第2の回折パターンの第0次の最大値である、請求項2に記載の評価方法。

請求項6

前記第1の回折パターン及び前記第2の回折パターンは、放射状に非対称な回折パターンである、請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載の評価方法。

請求項7

前記決定された位置関係及び回転関係の少なくとも一方に基づいて、前記第2の回折素子に対して前記第1の回折素子を回転させることを含む、請求項1乃至請求項6のいずれか1項に記載の評価方法。

請求項8

前記第1の回折パターンと前記第2の回折パターンとの間の前記位置関係及び前記回転関係の少なくとも一方が、所定の位置関係及び回転関係になるまで、前記第2の回折素子に対して前記第1の回折素子を回転させることをさらに含む、請求項7に記載の評価方法。

請求項9

前記第1の回折パターンが前記第2の回折パターンと実質的に重なるまで、前記第1の回折素子を前記第2の回折素子に対して回転させることをさらに含む、請求項7又は8に記載の評価方法。

請求項10

前記第2の回折素子に対して前記第1の回折素子を回転させた後に、請求項1に記載の方法を繰り返すステップをさらに含む、請求項7乃至請求項9のいずれか1項に記載の評価方法。

請求項11

遠視野における第1の回折素子の第1の像を形成するために前記第1の回折素子を照明し、前記遠視野における第2の回折素子の第2の像を形成するために第2の回折素子を照明し、前記遠視野における第1の像と第2の像との間の位置関係を決定することを含む、前記第1の回折素子及び前記第2の回折素子の相対的なアラインメントの評価方法。

請求項12

前記照明するステップは、前記第1の回折素子及び前記第2の回折素子を発散光で照明することを含む、請求項11に記載の評価方法。

請求項13

前記照明するステップは、実質的にコリメート光であり、光学的にインコヒーレントな光により前記第1の回折素子及び前記第2の回折素子を照明することを含む、請求項11に記載の評価方法。

請求項14

前記第1の像の第1の特徴と前記第2の像の第2の特徴との間の位置関係を決めることにより、前記遠視野における前記第1の像と前記第2の像との間の位置関係が決定されることを含む、請求項11乃至請求項13のいずれか1項に記載の評価方法。

請求項15

前記決定された位置関係に基づいて、前記第2の回折素子に対して前記第1の回折素子を移動させることを含む、請求項11乃至請求項14のいずれか1項に記載の評価方法。

請求項16

前記第1の像と前記第2の像との間の位置関係が所定の位置関係になるまで、前記第2の回折素子に対して前記第1の回折素子を移動することをさらに含む、請求項15に記載の評価方法。

請求項17

前記第1の像の一方の側が前記第2の像の対応する側と同一線上になるまで、前記第2の回折素子に対して前記第1の回折素子を移動することをさらに含む、請求項15に記載の評価方法。

請求項18

前記第2の回折素子に対して前記第1の回折素子を移動した後に、請求項11の方法を繰り返すステップをさらに含む、請求項11乃至請求項17のいずれか1項に記載の評価方法。

請求項19

前記第1の回折素子及び前記第2の回折素子を共通の平面上に固定することをさらに含む、請求項1乃至請求項18のいずれか1項に記載の評価方法。

請求項20

前記第1の回折素子は素子又は格子の2Dアレイであること及び前記第2の回折素子は素子又は格子の2Dアレイであることの少なくとも一方を含む、請求項1乃至請求項19のいずれか1項に記載の評価方法。

請求項21

前記第1の回折素子は、空間光変調器電荷結合素子(CCD)、回折光学素子相補型金属酸化膜半導体(CMOS)、マイクロ電気機械的装置、又はシリコン液晶素子である、請求項1乃至請求項20のいずれか1項に記載の評価方法。

請求項22

前記第1の回折素子に表示される第1の回折パターンに対応する像と、前記第2の回折素子に表示される第2の回折パターンに対応する像との間に光学的相関を実行することをさらに含む、請求項1乃至請求項21のいずれか1項に記載の評価方法。

請求項23

請求項1乃至請求項10のいずれか1項に記載のステップと請求項11乃至請求項22のいずれか1項に記載のステップとを含む、光学相関器の2つの空間光変調器をアラインメントする方法。

請求項24

添付の図面を参照して実質的に上述した第1の回折素子及び第2の回折素子の相対的なアラインメントを評価する方法と光学相関器の2つの空間光変調器を整列する方法。

技術分野

0001

本開示は、アラインメント評価方法に関する。特に、本開示は、第1の回折素子及び第2の回折素子の相対的なアラインメントの評価方法に関する。より詳細には、本開示は、第1の回折素子及び第2の回折素子の回転又は移動のアラインメントの評価方法に関する。さらに、より詳細には、本開示は、光学相関器(optical correlator)のような光学処理システムにおける第1の空間光変調器及び第2の空間光変調器の相対的なアラインメントの評価方法に関する。また、本開示は、複数の回折素子を整列する方法に関する。

背景技術

0002

光学ステム構築における共通の問題は、正確な光学性能を提供するために、複数の構成素子を正確に整列する方法である。自由空間における回折及びフーリエ光学システムにおいて、特に許容誤差ミクロンベルである場合には、装置及び構成素子の正確な配置が重要である。各構成素子は、中心に対して相対的に考慮される、3つの直線移動x、y、zと3つの角度移動ロール、ヨー、ピッチの6つの主軸に沿った正確な整列を必要とすることがある。光学システム全体にサブシステムがある場合、この基準は拡張され、各構成素子の局所的な軸に加えて全体的な軸を考慮する必要がある。

0003

画素化された電気光学マイクロディスプレイアレイのような、光学的に結合した複数の回折素子は空間光変調器(SLM:Spatial Light Modulator)という用語で一般的にグループ化されているが、これらのアラインメントには特に難しさがある。これらは、シリコン液晶(LCoS)素子又はミラーベース微小電気機械MEM)素子でもよい。

0004

回折光学システムでは、SLMのような回折素子は、像を生成する方法としてではなく、画素のサイズと同等の波長を有するコヒーレントレーザ光(例えば、632nmの赤色可視レーザ光)を変調する方法として用いられる。パターンをSLM画素アレイ対処することにより、素子を出る光は変形されてもよいし(ホログラフィックリプロダクション(holographic reproduction)及び光ツィーザアプリケーション(optical tweezer applications)の場合)、または、数値データを光学処理システムに入力するために使用されてもよい。そのようなシステムの例としては、米国特許出願公開第2010/085496号明細書及び米国特許出願公開第2006/050986号明細書で提案されているような、光学相関器(パターン認識)及び光学的な微分関数(大きな方程式解くシステムを基礎とする)が含まれる。ゾーンプレートフレネルレンズ及び位相ランプのような特定のパターンを対処することにより、PCT/GB2013/051778で提案されているように、SLMを従来のフォーカシング及びビームステアリングの素子(レンズミラー)の代わりに使用することもできる。

発明が解決しようとする課題

0005

光学システムへのデータ入力、並びに、必要に応じた光の方向付け及びフォーカシングの双方にSLMを使用し、これらの原理を使用した多くの構成素子を有する回折光学システムを実現することができる。これにより、最初の物理的なアラインメントが完了した後にパターンを動的に調整することができ、さらに、システムを他の光学システムを形成するように再構成することができるため、光学的なアラインメントがハードウェアタスクではなくソフトウェアタスクになるという大きな利点がある。しかし、SLMを物理的にアラインメントする方法の問題は残る。光学的な偏微分方程式ソルバシステムが、200を超えるSLMを必要とすることを考慮すると、このような多くの構成素子をアラインメントすることの困難は明らかである。

課題を解決するための手段

0006

本開示は、2つ以上の回折素子の相対的なアラインメントを評価するという問題に関する。また、本開示は、2つ以上の回折素子を整列することに関する。

0007

本開示の態様は、添付の独立項に定義される。

0008

要約すると、本開示は、光学処理システムにおけるSLMなどの回折素子の物理的なアラインメントを評価する方法に関する。

0009

光学処理システムにおける回折素子のアレイを提供することは利点があり、光学処理システムにおいて、個々の回折素子が少なくとも1つの平面内の少なくとも1つのタイル状アレイに配置されていてもよい。そのようなタイル状アレイにより、発明者らは、光学処理システムが正確に機能するように個々の回折素子を正確に整列させるという問題に対処してきた。隣接する回折素子及びタイル状アレイにおける他の回折素子と、複数の軸の個々の回折素子との整列が必要とされてもよい。さらに、アレイそれ自体はまた、他のアレイに対する整列が必要とされてもよい。そのようなアラインメントを行うためには、このようなシステムにおける回折素子のアラインメントを評価することが必要である。

0010

2つ以上の回折素子の相対的なアラインメントを評価する問題は、回折素子の相対的なアラインメントを比較するために、光のパターンの相対的なアラインメントを比較することができるように、遠視野において光のパターンを生成する回折素子を照明することにより対処される。光のパターンは、遠視野回折パターン及び回折素子の拡大画像の少なくとも一方であればよく、光のパターンの比較は、回折素子の位置、移動のアラインメント及び回転のアラインメントの少なくとも一方に関する情報を明らかにしてもよい。

0011

したがって、第1の回折素子及び第2の回折素子の相対的なアラインメントを評価する方法が提供され、この方法は、第1の回折素子を照明して遠視野における第1の回折パターンを形成し、第2の回折素子を照明して前記遠視野における前記第1の回折パターンと前記第2の回折パターンとの間の位置関係及び回転関係の少なくとも一方を決定することを含む。

0012

第1の回折素子及び第2の回折素子の相対的なアラインメントを評価する方法であって、第1の回折素子を照明して遠視野における第1の回折素子の第1の像を形成し、第2の回折素子を照明して遠視野における第2の回折素子の第2の像を形成し、遠視野における第1の像と第2の像との間の位置関係を決定することを提供してもよい。

発明の効果

0013

特に、本開示の方法による回折素子の相対的なアラインメントの評価の間に、回折素子に給電する必要はない。

0014

本開示は、2つ以上の回折素子の相対的なアラインメントを評価する非接触かつ高分解能の方法を提供するという利点がある。

0015

さらに、光学サブシステムを形成するために回折素子が使用される場合、この方法は、光学サブシステム自体が他の光学サブシステムと整列されて、より大きな光学システムを形成する方法を提供するという利点がある。

図面の簡単な説明

0016

光学システムの各構成素子について考慮することができる6つの自由度を示す図である。
従来の光学フーリエ変換(OFT)ステージ確立された概略を示す図である。
従来の4−fシステムを生成するための第2のOFTステージを組み込んだシステムを示す図である。
複数の光学的なステージを組み合わせることにより生成された偏微分方程式ソルバを示す図である。
ゾーンプレート回折格子を示す図である。
主に液晶面からなり、最後にカメラセンサが配置されている光学システムを示す図である。
SLMのタイル状アレイを示す図である。
画素グリッド及びその理論回折パターンを示す図である。
SLMの画素構造により生成される回折パターンを示す図である。
回折パターンを生成するためのダブルスリット構成を示す図である。
回折素子の回転軸の相対的なアラインメントを評価するための光学装置を示す図である。
2つの回折パターンの相対的なアラインメントを示し、中央の最大値ミスアラインメントを示す図である。
中心極大が整列された2つの回折パターンの相対的なアラインメントを示す図である。
回折素子の移動軸を整列させるための光学装置を示す図である。
2つのSLMの拡大投影画像を示す図である。
支持媒体に結合された構成素子を含む単一のフーリエ変換ステージシステムを示す概略図である。
支持媒体に結合された構成素子を含む単一のフーリエ変換ステージシステムを示す図である。
支持媒体に結合された構成素子を含む複数のフーリエ変換ステージシステムを示す概略図である。
支持媒体に結合された構成素子を含む複数の対向するフーリエ変換ステージシステムを示す概略図である。

実施例

0017

図面において、同様の参照符号は同様の部分を示している。

0018

実施形態については、図面を参照して詳細に説明する。

0019

本明細書で説明する実施形態は、非限定的な例としてのみSLMを参照する。本開示は、基板上にプリントされ又は別の方法で表された静的パターンを使用する回折素子などの他の回折素子にも等しく適用可能である。本開示は、CMOSセンサ又はCCDセンサのようなカメラセンサのものを含めて、セルがそれらを通過する光の波長に匹敵する大きさの複数のグリッドの相対的なアラインメントを評価することに等しく適用される。したがって、本開示は、回折素子に適用可能であることが理解される。

0020

本明細書で言及されるSLMは、ビデオプロジェクタにおいて使用されるタイプのSLMであってもよい。それらは、可変電圧レベルを液晶分子の層に印加するために使用される電極の画素グリッドからなる。画素のサイズは、3ミクロン×3ミクロンと小さくてもよい。SLMは、透過性(光が素子を通って投射される場合)又は反射性(光が画素グリッドの背後に配置されるミラーにより反射される場合)であってもよい。可能な解像度は、テレビディスプレイの開発に追随する傾向があり、現在のメガ画素(100万画素)以上であり、4k標準(3840×2160画素)が現在の最大値である。さらに、使用される液晶のタイプ、並びに入射ビーム及び出射ビーム経路に配置される偏光フィルタ及び波長板の配置に応じて、光の複雑な変調(すなわち、振幅及び位相)が可能となる。

0021

概略的には、実施形態は、コヒーレント光が回折素子を出るときにコヒーレント光の回折により生成された遠視野回折パターンを使用することにより、2つ以上の回折素子の回転のアラインメントを評価する方法を提供する。実施形態では、回折素子により生成された遠視野回折パターンの相対的なアラインメントが観察され、3つの軸までの回折素子の相対的な回転のアラインメントが評価される。さらなる実施形態は、装置から離れた距離に投影された2つ以上の回折素子の拡大画像を使用することにより、2つ以上の回折素子の移動のアラインメントを評価する方法を提供する。実施形態では、回折素子の拡大像の相対的なアラインメントを用いて、2つの軸までの回折素子の移動のアラインメントを評価する。さらなる実施形態は、回折素子がさらなる軸における移動のアラインメントを保証するために使用される精密に機械的に加工された支持媒体に取り付けられる平面のアラインメントの方法を提供する。本開示方法は、単独で又は組み合わせて使用することができる。方法を組み合わせることにより、2つ以上の回折素子を1つの軸に整列させることができ、さらに、5つの軸までのアラインメントに関して評価を行うことができる。

0022

図1は、局所的な座標系と全体的な座標系の両方に関して、各回折素子について考慮することができる6つの自由度を示しており、回折素子は、それ自体が大きなシステムに統合されなければならないサブシステムに統合することができる構成素子を形成する。図1は、3つの直線移動軸であるx、y、zと、回転軸であるピッチ、ロール、ヨー、p、r、wとを、x′、y′、z′、p′、r′、w′のように示される全体的に等価な軸と共に示している。

0023

図2は、従来の光学フーリエ変換(OFT)ステージの確立された概略を示す。共通の光軸に沿ってSLM201、正の集光レンズ203、カメラセンサ205が順次配置されている。SLM201は、光源(図示せず)からのコヒーレントなコリメート光202を受け取るように構成されている。レンズ203は、SLM201から共通の光軸に沿って距離fに配置され、空間変調された光204をSLMから受けるように構成される。カメラセンサ205は、レンズ203からの共通の光軸に沿って距離fに配置され、レンズ203から収束光206を受け取るように構成される。

0024

作動中、SLM201は、コンピュータにより駆動される数値関数g(x,y)を「表示」し、波長λのコヒーレントでコリメートされたレーザ光202(例えば、635nm、2mWのパワー)を変調し、SLM201において表現される数値関数g(x,y)を光学ドメインに効率的に変換する。変調された光204は、焦点距離fを有する正の集束レンズ203により受け取られる。これにより、正の収束レンズ203の後側焦点面に形成される数値関数g(x,y)のフーリエ変換G(u,v)が得られる。カメラセンサ205は、収束光206の強度分布を取り込むために、正の収束レンズの後方焦点面に配置される。x及びyは空間座標であり、u及びvは空間周波数座標であることに留意されたい。SLM201は、光が装置を通過する透過型であるが、反射型SLMも同様に適用可能であることに留意されたい。反射型SLMは、液晶層後ろに組み込まれたミラーを有し、液晶層及び電極層を介して光を反射する。

0025

カメラセンサでの分布形成とSLMを介して入力された入力関数との関係は、2次元光学フーリエ変換(OFT)の関係である。

0026

0027

第2のOFTステージを組み込むように図2のシステムを拡張することにより、従来の4−fシステムを生成することができる。従来の4−fシステムの例が図3に示されており、図3は共通の光軸に沿って順番に配置された第1のSLM301、第1のレンズ303、第2のSLM305、第2のレンズ307及びセンサ309を示す。第1のSLM301は、光源(図示せず)からコヒーレントなコリメート光302を受け取るように構成されている。第1のレンズ303は、第1のSLM301から共通の光軸に沿って距離fに配置され、第1のSLM301から空間的に変調された光304を受け取るように構成される。第2のSLM305は、第1のレンズ303からの共通の光軸に沿って距離fに配置され、第1のレンズ303から変調された収束光306を受け取るように構成される。第2のレンズ307は、第2のSLM305から共通の光軸に沿って距離fに配置され、フィルタリングされた光308を第2のSLM305から受け取る。センサ309は、第2のレンズ307から共通の光軸に沿って距離fに配置され、第2のレンズ307からフィルタリングされコリメートされた光310を受け取るように構成される。

0028

作動中、第1のSLM301上に表示された入力画像又はパターンは、波長λのコヒーレントなコリメート光302を変調して変調光304を生成する。変調光304は、第1のレンズ303により光学的にフーリエ変換され、得られた複素分布(complex distribution)は第2のSLM305に表示されたフィルタパターンと光学的に掛け算され、その結果の分布は第2のレンズ307により逆フーリエ変換され、フィルタリングされたコリメート光310を生成する。その結果は、センサ309により取り込まれる。このアーキテクチャは、整合フィルタ光学相関(matched filter optical correlation)を含む様々な目的に使用される。

0029

式2は、入力関数g(x,y)と参照関数r(x,y)との相関関数を示し、それぞれのフーリエ変換を大文字で示し、記号「*」は複素共役を示す。

0030

0031

同じ4−fアーキテクチャを使用して他の機能を実行することができ、そのうちの1つは以下に定義される光学的微分関数であり、g′(n)(x,y)は関数g(x,y)のn次導関数である。

0032

0033

複数のステージを組み合わせることにより、偏微分方程式ソルバのように、より大きな数学的プロセスを光学的に定式化することができる。このような構成の例を、図4に示す。図4は、図3の構成をそれぞれ含む光学ステージ404の2次元アレイ403を示す。光学ステージ404の光軸は平行に配置され、2次元アレイは光学ステージ404の光軸に垂直に位置する平面内に延在する。

0034

作動中、レーザ源401は複数の別々の経路402を通って進行するように分割され、それぞれが、再結合405される前に、光学的な微分ステージ404の光軸に沿って配置される。個々の光学ステージ404の数値結果は、カメラセンサにおいて足し合わせられる(図示せず)。このようなシステムによれば、達成可能な同等の電子処理速度は、従来のコンピュータの方法により提供することができる電子処理速度を十分に上回り、電力消費もわずかであり、電子マルチコア処理(electronic multi−core processing)に関連するデータ管理の問題もない。

0035

このような大きな光学システムを製造する際の大きな制限は、図1に示す軸の各々について、多数の構成素子を高い精度で整列させる方法である。これは、上記の4−fステージのそれぞれの中心におけるマトリクスマルチプリケーションステージ(matrix multiplication stage)にとっては、特に重要であり、フィルタSLMにおいて光学的に形成される空間周波数画素のそれぞれがフィルタSLM上のそれぞれの画素に入射しなければならない。特許出願PCT/GB2013/051778において、この一部は解決されているが、特許出願PCT/GB2013/051778では、レーザービームを動的に集束及び操作するために、レンズが除去され、ゾーンプレート回折格子パターン及び位相ランプ(phase ramps)に置き換えられている。図5は、正弦波ゾーンプレート回折格子パターンの一例を示す。円形暗い領域501は、半径方向に対称なパターンを形成するために、交互に同心円状の光502と暗い領域510により取り囲まれている。図6に示すように、このゾーンプレート及び位相ランプの使用は、主に液晶パネルで構成され、最後にカメラセンサが配置されている光学システムを提供する。

0036

図6は、第1の液晶パネル630、第2の液晶パネル650、第3の液晶パネル670及び第4の液晶パネル690を示しており、それらは、互いに平行に配置され、図3のfに等しい距離だけ離れ、パネルの平面に垂直な方向にオフセットされる。第1及び第4の液晶パネル630、690は入射光を反射する2次元アレイの光学パターン631、691を含み、第2及び第3の液晶パネル650、670はそれぞれ、入射光を透過するように配置された光学パターン651、671の2次元アレイを含む。最終的な結果を取り込むために、カメラセンサ693が配置される。

0037

作動中、コヒーレントなコリメートされたレーザ光610は、第1の液晶パネル630の第1の対処された光学パターン632から反射し、それにより変調される。変調された光は、第2、第3及び第4の液晶パネル650、670、690のそれぞれの第2、第3及び第4の光学パターン652、672、692によりさらに変調された後、カメラセンサ693により受け取られる。

0038

図6のアーキテクチャは、フレネルゾーンプレートレンズパターン(又は他のそのような回折レンズパターン)及びアラインメントのための位相ランプを使用する、再構成可能で動的な光学システムに適している。構成素子及び経路は、対向する液晶パネルに向けられたパターンの配置及びタイプにより規定される。しかし、従来の電子技術の処理速度を超える処理速度の提供を可能とするというコンセプトのためには、SLMパネルは非常に高い画素数を有しなければならない。非常に高い画素数のディスプレイ(例えば、100,000×100,000画素)は、カスタム製造が必要とされるために単位当たりコストが非常に高くなり、そのサイズのために歩留まりが低くなる可能性が高い。

0039

これらの問題のために、例えば、図7に示すように複数の回折素子をタイル状に組み合わせることが好ましい。図7は、単一の平面内に配置された個々のSLM701のタイル状の長方形アレイ700を示す。より大きなパネルと同じ有効解像度を達成するために、より小さいSLMを一緒にタイル状にすることは良い選択肢であるが、本発明者らは、これによると初期ハードウェアのアラインメントがより複雑になることを見出した。

0040

本開示は、複数の個々の回折素子が光学的に組み合わされたときに生じるアラインメントの問題に対処することに関する。複数の個々の回折素子が光学的に結合されている場合、上述した図1において定義した6つの自由度の軸x、y、z、r、p、wを考慮する必要がある。したがって、問題は簡単ではない。実施形態は、角度移動(回転)軸r、p、wに対応する。

0041

本発明者らは、回折素子の遠視野(フラウンホーファー)回折パターン(これはフーリエ変換と等価である)を調べることにより、回転軸r、p、wに対する相対的なアラインメントの基準が得られることを見出した。一実施形態では、パターン化されたグリッド又は2D素子アレイのような回折素子はコヒーレント光で照明され、生成された遠視野回折パターンは回折素子の相対的なアラインメントを評価するために使用される。特に、回折素子の相対的な回転又は移動のアラインメントを評価するために、遠視野回折パターンの特徴が比較される。

0042

図8aは、各回折素子が正方形の開口部901の2次元長方形アレイを含むグリッド900である実施形態を示す。

0043

図8bは、図8aのグリッド900を照明することにより生成された遠視野回折パターン(すなわち、等価フーリエ変換分布(the equivalent Fourier transform distribution))902の強度を示す。遠視野回折パターン902は、規則的な長方形アレイに配置された複数の最大値905を含む。最大値905は変化する強度に関する正方形のドットを含み、最大値は隣接する最大値間の間隔の約1/10の大きさを有する。最大値910の垂直線アレイ及び最大値920の水平線アレイは、最高強度の最大値を含む。最大値910の垂直線アレイは、遠視野回折パターン902の垂直中心線に沿って配置され、最大値920の水平線アレイは、遠視野回折パターン902の水平中心線に沿って配置される。最大値910の垂直線アレイ及び最大値920の水平線アレイは、直角に2等分する。遠視野回折パターン902の最高強度の最大値を含む0次の最大値930は、最大値910の垂直線アレイと最大値920の水平線アレイとの交点に形成される。1次の最大値911は、最大値910の垂直線アレイ上の0次の最大値のいずれかの側及び最大値920の水平線アレイ上に見出される。高次の最大値は、最大値910の垂直線アレイ及び最大値920の水平線アレイに沿った0次の最大値からさらに見出すことができ、例えば、2次の最大値912は1次の最大値911に隣接して見出される。

0044

図8cは、図8aの構造を有するSLMにより生成された図8bに示されるタイプの遠視野回折パターンの写真950を示す。

0045

図8aは、周期的な正方形の開口部のグリッドを示しているが、任意の回折素子を用いて回折パターンを生成することができると理解されてもよい。例えば、回折素子は、周期的な六角形の開口部のグリッドであってもよいし、複雑で不規則ノンバイナリアレイであってもよい。

0046

遠視野回折の基礎は、図9を参照して説明することができる。

0047

図9は、幅Wの第1の開口部1021と、第1の開口部から距離dに位置する幅Wの第2の開口部1022とを含む二重開口部スクリーン1020を示す。観察スクリーン1030は、二重開口部スクリーン1020と平行に、二重開口部スクリーン1020から距離Lに配置される。

0048

作動中、波長λを有するコリメートされたコヒーレント光1010は、二重開口部スクリーン1020に垂直に入射し、そこで光は、第1及び第2の開口部1021、1022により回折される。第1の開口部1021からの回折光は、第2の開口部1022を通過して、観察スクリーン1030に回折パターンを形成する。遠視野領域は、以下の基準が満たされる領域であると考えられる。

0049

0050

グリッドから生成された遠視野回折パターンは、典型的には、明暗干渉領域を含み、連続する最大値は、(1次元の場合)ある角度で等間隔離れている。

0051

0052

ここで、d=開口間隔、θ=回折角、m=整数次数、λ−光の波長である。

0053

コヒーレント光で照明されると、長方形又は正方形の画素を含むグリッドは、回折パターンの第1及び第2の線に沿って生じるブライトスポット(bright spot)を有する回折パターンを形成する。非回折光の「0次」の成分スポット(“zero order” component spot)は、第1及び第2の線の交点に位置する。

0054

ソリッドブロックベース(例えば、光学テーブル上)と平行に保持されている場合、ブロックに取り付けられた第1のSLMにより生成された回折パターンの向きは、回転軸r、p、wに関して、第1のSLMがソリッドブロックに対してどのように配置されているか又はどのように整列されているかを即時に測定することを提供する。

0055

図10は、2つのSLMを含む本開示の一実施形態を示す。支持媒体1120は、第1の面1121と、第1の面1121に隣接してこれに直交する第2の面1122と、第2の面1122に対向して平行な第3の面1123と、第1の面1121に対向して平行な第4の面1124を含む。第1の反射型SLM1130と、第1の反射型SLM1130に隣接する第2の反射型SLM1140とは、第1の面1121に接着され、支持媒体1120の内部に向いて配置される。すなわち、第1の反射型SLM1130及び第2の反射型SLM1140は、内部支持媒体1120から受け取った光を受け取り、空間変調するように構成されている。換言すれば、第1の反射型SLM1130及び第2の反射型SLM1140の光入力部は、支持媒体1120に向けられる。

0056

作動中、第1の反射型SLM1130及び第2の反射型SLM1140は、光源1101からの第2の表面1122を通るコリメートされた光1103により照明される。受け取られた光の第1の部分は、第1の反射SLM1130により回折され、受け取られた光の第2の部分は、第2の反射SLM1140により回折されて、それぞれ第1の回折光1105及び第2の回折光1106を生成し、支持媒体1120を通って第3の面1123を介してスクリーン1170に至る。第1及び第2の回折されたビーム1105、1106によりスクリーン1170上に投影される。

0057

図10は、第2の表面1122を通ってSLMに伝播するコリメート光1103を示しているが、コリメートされた光が、両方のSLMを照明する限り、コリメートされた光は、支持媒体中のいずれの経路に沿っても伝播することができると理解されてもよい。例を挙げると、コリメートされた光は、例えばミラーコーティングが支持媒体1120の第4の面1124上に配置される場合、上面を通って、又は他の方向から伝播することができる。

0058

実施形態では、光源1101はレーザであり、したがって、コリメートされた光1103はレーザ光であるが、任意のコヒーレントな光が適切であると理解されてもよい。例えば、他の実施形態では、ピンホール開口部と併せて他の光源を使用して、コリメート光1103を形成することができる。

0059

図10は、第1の反射型SLM1130及び第2の反射型SLM1140が支持媒体1120に接着され、支持媒体の内部に面するように配置されていることを示しているが、これらは、他の方法で接着又は取り付けられてもよい。例えば、他の実施形態では、第1の反射型SLM1130及び第2の反射型SLM1140は、それらの光学的な入力ポートが支持媒体1120に外側に面するように取り付けられてもよい。すなわち、実施形態では、第1の反射型SLM1130及び第2の反射型SLM1140は、支持媒体1120の外部から受け取った光を空間変調するように構成されている。

0060

図10は、第1の反射型SLM1130及び第2の反射型SLM1140を示しているが、任意の回折素子を使用することができると理解されてもよい。他の実施形態では、回折素子は、電荷結合素子(CCD)、回折光学素子相補型金属酸化膜半導体(CMOS)、マイクロ電気機械素子、又はシリコン上液晶素子である。しかし、放射状に非対称な回折パターンを生成する任意の素子が等しく適切であることは、以下から理解されてもよい。

0061

図10はスクリーン1170を示しているが、回折ビーム1105、1106を受け取る方法として、他の方法も適切であると理解されてもよい。例えば、他の実施形態では、スクリーン1170の代わりにカメラを使用することができる。

0062

実施形態では、SLMとスクリーンとの間に必要とされる距離を減少させるために、正レンズを、SLM1130、1140と正レンズの後側焦点面にフーリエ変換を生成するスクリーン1170との間の経路に(SLM及びスクリーンから距離fのところに)挿入してもよい。

0063

SLMの画素化されたグリッドは、必ずしもそうではないが、典型的には形状が正方形であり、素子のアクティブ領域にわたって周期的である。各画素は開口部と考えることができる。第1の反射型SLM1130及び第2の反射型SLM1140は、効果的に単一の複合グリッドとして機能する。したがって、スクリーン上のそれぞれの回折パターンは、第1の反射型SLM1130と第2の反射型SLM1140との相対的なアラインメントを表している。

0064

図11は、2つの重なり合う遠視野回折パターンの例を示す。第1の反射型SLM1130から生じる第1の遠視野回折パターン902aは、第2の反射型SLM1140から生じる第2の遠視野回折パターン902bと部分的に重なる。第1の回折パターン902aの第1の0次の最大値930aと第2の回折パターン902bの第2の0次の最大値930bとの間に水平距離Ψがある。第1の回折パターン902aは、第2の回折パターン902bに対して角度Φだけオフセットされている。すなわち、第1の回折パターン902aの最大値920aの第1の水平線アレイと第2の回折パターン902bの最大値920bの第2の水平線アレイとの間に角度Φがある。図11から、例えば、最大値910aの第1の垂直線アレイの3次の最大値913aと第2の垂直線アレイの3次の最大値913bとの間の距離最大値910bの値は0である。しかし、距離Ψが0よりも大きいので、w軸にミスアラインメントがあることがわかる。さらに、角度Φが0よりも大きいので、r軸にミスアラインメントもあることが分かる。

0065

スクリーン1170が支持媒体1120から離れて配置されるほど、方法の精度は向上する。スクリーン1170がSLMからL=2mの位置にある場合、2つのSLMは解像度が1920×1080画素であり、d=8μmサイズの正方形画素を有し、第1の反射SLM1130及び第2の反射SLM1140は、水平15.36mm、垂直6.64mmの大きさである。各SLMの画面上に生成された像が1000倍に拡大された場合、x軸又はy軸で1μmの変位は、画面上で1mmの変位を生じ、これは容易に検出することができる。遠視野の回折パターンにおけるより高次の項、例えば、より高次の最大値を確認するとき、任意の誤りを有するアラインメントが明らかになる。

0066

したがって、第1及び第2の回折面の相対的なアラインメントを評価する方法が提供され、この方法は、第1の回折素子を照明して遠視野における第1の回折パターンを形成し、遠視野における第2の回折パターンを形成するために第2の回折素子を照明し、遠視野における第1の回折パターンと第2の回折パターンとの間の位置関係及び回転関係の少なくとも一方を決定することを含む。

0067

これは、回折素子のアラインメントを評価するための非接触方法を提供する。回折素子のアラインメントを評価するための回折パターンの使用は、光を使用する他のアラインメントの方法よりも利点がある。回折パターンは、遠視野で見た場合に高解像度特性を示すことが多く、アラインメントの評価をする方法としては精度を上げることができる。さらに、この方法はスケーラブルであり、整列した素子を有するサブシステムの相対的なアラインメントを評価して、より大きなシステムを形成することができる。特に、第1及び第2の回折面が空間的にずれていても、フラウンホーファー回折の特性は、それらの遠視野回折パターンが正しく整列された場合、位相のオフセットと空間的に並置されるようなものである。

0068

図12は、図11の第1の回折パターン902a及び第2の回折パターン902bを示す。しかし、図11とは対照的に、距離Ψは0である。すなわち、第1の0次の最大値930a及び第2の0次の最大値930bが整列される。さらに、図13の角度Φは0より大きく、したがって、第1の回折パターン902aは第2の回折パターン902bに対して小さい角度Φだけ回転する。

0069

第1の反射型SLM1130及び第2の反射型SLM1140がr=1度のミスアラインメントを有する図12の例を挙げると、これは、最大値の第1の水平線アレイの3次の最大値913aと、最大値920bの第2の水平線アレイの3次の最大値913bとを含む。この例では、波長λ=532nmが用いられている。3次の最大値913aから0次の最大値930aまでの距離はρで示され、これは以下の式(6)から計算することができる。

0070

0071

分離距離εは、以下の式(7)の関係から計算することができる。

0072

0073

式(6)と(7)を組み合わせると式(8)になる。

0074

0075

最後に、式(7)と(8)を組み合わせてεを解くと、式(9)のようになる。

0076

0077

このようにして式(8)を用いると、3次のスポット間に7mmのずれが生じ、1度のミスアラインメントが生じる。これは容易に検出することができる。したがって、高い精度で小さなミスアラインメントを検出する方法が提供されると理解することができる。

0078

本発明者は、第1の回折パターン及び第2の回折パターンの特徴が、第1の回折素子と第2の回折素子との間の位置関係及び回転関係の少なくとも一方を決定するための有用な基準点を提供することを見出した。

0079

したがって、第1の回折パターンと第2の回折パターンとの位置関係は、第1の回折パターンの第1の特徴と第2の回折パターンの第2の特徴との位置関係を決定することにより決定される。

0080

第1の回折パターンの第1の特徴と第2の回折パターンの第2の特徴との位置関係を用いることにより、第1の回折パターンと第2の回折パターンとの位置関係をより容易に特定することができるという利点がある。したがって、2つの回折素子のアラインメントを評価する改良方法が提供される。

0081

本発明者らは、遠視野における第1の回折素子と第2の回折素子との間の位置関係及び回転関係の少なくとも一方を決定するために、最大値及び最小値が正確な基準点を提供することを見出した。

0082

したがって、実施形態では、第1の特徴は、第1の回折パターンの最大値又は最小値であり、第2の特徴は、第2の回折パターンの最大値又は最小値である。第1の特徴は、第1の回折パターンのn次の最大値であり、第2の特徴は、第2の回折パターンのn次の最大値であってもよい。第1の特徴は、第1の回折パターンの0次の最大値であり、第2の特徴は、第2の回折パターンの0次の最大値であってもよい。

0083

第1の回折パターン及び第2の回折パターンの最大値又は最小値を使用すると、第1の回折素子及び第2の回折素子の相対的なアラインメントを評価する、より正確な方法が提供されるという利点がある。

0084

図5のゾーンプレート回折格子パターンと同様の回折パターンを用いて、最大2つの回転軸における第1の回折素子及び第2の回折素子の回転のアラインメントを決定することができる。ピッチ軸p及びヨー軸wおける第1の回折素子及び第2の回折素子の相対的なアラインメントは、スクリーン上のx軸及びy軸における第1の回折パターン及び第2の回折パターンの相対的な移動のアラインメントを決定する。しかし、本発明者らは、第1の回折パターン及び第2の回折パターンが回転対称である場合に、回転軸rにおける第1の回折素子及び第2の回折素子のアラインメントを評価することができることをも見出したことから、実施形態では、第1の回折パターン及び第2の回折パターンは、放射状に非対称な回折パターンである。

0085

したがって、実施形態では、第1の回折パターン及び第2の回折パターンは、放射状に非対称な回折パターンである。

0086

実施形態では、第1の回折素子が素子又はグリッドの2Dアレイ及び第2の回折素子が素子又はグリッドの2Dアレイの少なくとも一方である。素子又はグリッドの2Dアレイは、遠視野において明確かつ容易に識別可能な特徴を有する回転対称回折パターンを生成するという利点がある。

0087

ミスアラインメントされた第1の反射型SLM1130及び第2の反射型SLM1140の場合、SLMの一方を他方に対して回転させることにより正しいアラインメントを達成することができる。例えば、適切な微調整取り付け機構を用いてSLMの背面に圧力を加えることにより、p軸及びw軸に沿った回転を調整することができる。p軸及びw軸に沿ったSLM間の角度差は、中心(0次)極大から離れた高次のスポットを調べることにより強調される、回折パターンの線形変位としてスクリーン上に示される。

0088

第1の回折素子と第2の回折素子とのアラインメントを行うための改良された方法が提供される。例えば、本開示の実施形態では、第1の回折素子は、決定された位置関係及び回転関係の少なくとも一方に基づいて、第2の回折素子に対して回転される。この方法は、第1の回折パターンと第2の回折パターンとの間の位置関係及び回転関係の少なくとも一方が、所定の位置関係及び回転関係の少なくとも一方になるまで、第2の回折素子に対して第1の回折素子を回転させるステップをさらに含んでもよい。

0089

第1の回折パターン902a及び第2の回折パターン902bが全体的に重なり合うように、第1の反射型SLM1130及び第2の反射型SLM1140の少なくとも一方を調整することにより、3つの回転軸r、p、wに沿ったアラインメントを達成することができる。第1の回折パターンは、第2の回折パターンと実質的に重なるまで、第2の回折素子に対して回転してもよい。

0090

実施形態では、第1の回折素子を第2の回折素子に対して回転させた後、本開示の態様を繰り返すことができる。

0091

第1の回折パターンと第2の回折パターンとの間の位置関係及び回転関係の少なくとも一方に基づいて、第1の回折素子を第2の回折素子に対して回転させる効果について観察することができるという利点がある。この観察により、第2の回折素子に対する第1の回折素子の回転の程度と、第1の回折パターンと第2の回折パターンとの間の位置関係及び回転関係との間の少なくとも一方との相関関係を決定することができる。したがって、第1の回転素子及び第2の回折素子の相対的なアラインメントのさらなる調整は、より確実及びより少ないステップの少なくとも一方により、実行することができる。

0092

さらなる実施形態では、第1の回折素子と第2の回折素子との間の相対的な移動のアラインメントを評価する方法が提供される。実施形態は、第1の反射型SLM1130及び第2の反射型SLM1140のx軸及びy軸(z軸は光軸である)に沿った直線的なアラインメントを考慮する。一実施形態では、発散光がSLMに入射し、遠視野回折パターンではなく、SLMの像がスクリーン上に形成される。これらの像の投影を通じて、x軸及びy軸に沿ったアラインメントの小さな差異が拡大され、測定の際に明らかになる。適切な調整を通じて、SLMの線形変換によりこれらの差異を補正することができ、素子を所定の位置に保持するのに適したマウントを使用することもできる。

0093

したがって、本開示の他の態様では、第1の回折素子及び第2の回折素子の相対的なアラインメントを評価する方法が提供され、この方法は、第1の回折素子を照明して、遠視野における第1の回折素子の第1の像を形成し、遠視野における第2の回折素子の第2の像を形成するために第2の回折素子を照明して、遠視野における第1の像と第2の像との位置関係を決定することを含んでもよい。

0094

第1の回折素子と第2の回折素子との相対的な移動のアラインメントを決定するための非接触的な方法が提供されるという利点がある。

0095

本発明者らは、第1の像及び第2の像の拡大された像を提供することにより改良された方法を実行できることを見出した。図13は、この配置の概略図を示す。

0096

作動中、レンズ1310を使用して発散ビーム1303を生成し、発散ビーム1303が第2の表面1122を伝播し、第1の反射型SLM1130及び第2の反射型SLM1140により反射され、反射ビーム1305、1306を生成する。2つのSLMの像が拡大され(光が発散しているため)、スクリーン1170上に投影される。

0097

したがって、実施形態では、照明するステップは、第1の回折素子及び第2の回折素子を発散光により照明することを含む。

0098

しかし、他の実施形態では、2つのSLMの像が他の方法により拡大される。第1及び第2のSLM1130、1140は、コリメートされた光の代わりに照射される。この実施形態では、第1及び第2のSLM1130、1104から反射されコリメートされた光は、第3の面1123及び支持媒体1120とスクリーン1170との間に配置された発散レンズを通して投影される。このようにして、第1及び第2のSLM1030、1040の拡大画像がスクリーン1170上に投影される。

0099

第1の像と第2の像を拡大することにより、遠視野における第1の像と第2の像との間の位置関係をより正確に決定することができるという利点がある。

0100

したがって、他の実施形態では、照明するステップは、実質的にコリメートされた光、任意にインコヒーレントな光で第1の回折素子及び第2の回折素子を照明することを含む。

0101

図14は、第1の反射型SLM1130の第1の拡大画像1410及び第1の拡大画像1410に隣接する第2の反射型SLM1140の第2の拡大画像1420を表示する図13のスクリーン1170上の例示的な像を示す。第1の拡大画像1410及び第2の拡大画像1420は、画面1170の上に長方形に近い形の明るい領域として現れる。距離Δxは、第1の方向における第1の拡大画像1410と第2の拡大画像1420との間の分離距離として定義される。Δxは、SLM素子の既知の間隔の倍率を参照し、第1の反射型SLM1130及び第2の反射型SLM1140の任意のミスアラインメントを計算することができる。距離Δyは、第1の拡大画像1410の下端1411と第2の拡大画像1420の下端1421との間の、第1の方向と直交する第2の方向の変位として定義される。Δyは、第1の反射型SLM1130及び第2の反射型SLM1140の正しいアラインメントためには、0でなければならない。

0102

本発明者は、遠視野における第1の像及び第2の像の特徴が、第1の回折素子と第2の回折素子との間の直線的な位置関係を決定するための有用な基準点を提供することを見出した。

0103

そこで、実施形態では、第1の像の第1の特徴と第2の像の第2の特徴との間の位置関係を決定することにより、遠視野における第1の像と第2の像との位置関係を決定する。

0104

第1の像の第1の特徴と第2の像の第2の特徴との間の位置関係を使用することにより、より容易に識別可能な第1の回折素子と第2の回折素子との位置関係を決定することができるという利点がある。

0105

第1の回折素子と第2の回折素子とのアラインメントを行うための改良された方法が提供される。例えば、実施形態では、方法は、決定された位置関係に基づいて、第1の回折素子を第2の回折素子に対して移動させることをさらに含む。この方法は、第1の像と第2の像との間の位置関係が所定の位置関係になるまで、第1の回折素子を第2の回折素子に対して移動させることをさらに含んでもよい。第1の回折素子は、第1の像の一方の側が第2の像の対応する側と同一線上になるまで、第2の回折素子に対して平行移動してもよい。

0106

実施形態では、第1の回折素子を第2の回折素子に対して回転させた後、本開示の態様を繰り返すことができる。

0107

第1の回折パターンと第2の回折パターンとの間の位置関係について、第1の回折素子を第2の回折素子に対して移動させる効果について観察することができるという利点がある。この観察により、第1の回折素子の第2の回折素子に対する決定された移動と、第1の回折パターンと第2の回折パターンとの位置関係との間の相関を決定することができる。したがって、第1の回転素子及び第2の回折素子の相対的なアラインメントのさらなる調整は、より確実及びより少ないステップの少なくとも一方により、実行することができる。

0108

前述したように、図2及び図3のような光学システムでは、回折素子を図1の6つの軸の全てに整列させることがしばしば重要である。

0109

一実施形態では、「z」軸は、回折素子を精密加工された支持媒体に接着することにより設定される。連続するSLM間の通常のエアギャップは、支持媒体に置き換えられる。

0110

一実施形態では、支持媒体は、十分な純度及び均一性を有し、回折素子及びカメラの構成物カバーガラスと同じ屈折率ガラス半透明、又は透明材料であってもよい。適切な材料の例は、溶融シリカ又はBK7ガラスである。さらなる実施形態では、屈折率適合型紫外線硬化接着剤又は他の適切な接着剤を使用して、素子を支持媒体に接合する。

0111

一実施形態を図15a及び15bに示す。図15aは、支持媒体820を含む単一のフーリエ変換ステージシステム800を示す。支持媒体820は、透明材料のモノリシックブロックである。第1の反射型SLM830、第1の反射型SLMに隣接する第2の反射型SLM850及び第2の反射型SLMに隣接するカメラセンサ860は、支持媒体820の第1の面821に結合され、支持媒体820の内部に「面する」ように配置される。反射面840は、支持媒体820の第2の面822の中央部分821cに結合され、支持媒体820の内部に面するように配置される。第2の面822の入力ポート822aは、支持媒体820の外部から入力光を受け取るように構成されている。

0112

作動中、コヒーレント光810は、入力ポート822aを介して支持媒体820に入り入力機能を表示する第1の反射型SLM830により反射され変調される。変調された光811は、次いで、有効焦点距離fの回折レンズを表示する第2の反射型SLM850に向かって平面鏡面840から反射されて進む。変調された光811は、次いで、第2の反射型SLM850により反射され、集束する。入力機能のフーリエ変換を形成する集束光813は、次いで、平面鏡面840から反射されて、カメラセンサ860で受け取られる。カメラセンサ860は、さらなる変調パターン(例えば、整合フィルタ配置のフィルタ)を表示するさらなるSLMであってもよく、光はブロックを出てさらなる処理のために次のブロックに進む。図15bは、図15aに示すカメラセンサ860を用いない例としてのフーリエ変換ステージシステム800の実際の実装の写真を示す。図15bは、支持媒体820、第1の反射型SLM830及び第2の反射型SLM850が支持媒体820の第1の面821に結合され、平面鏡面840が支持媒体の第2の面822の中央部分822cに結合され、支持媒体の外部からの入力光を受けるように配置された第2の面822の第2の面822aと、支持媒体の内部から出力光を伝播するように配置された第2の面822の出力ポート822bとを含む。

0113

第1の反射型SLM830及び第2の反射型SLM850が調整され、素子が正しくアラインメントされると、第1の反射型SLM830及び第2の反射型SLM850を支持媒体820に接着する接着剤を硬化させ、正しいアラインメント達成することができる。必要であれば、対処されたパターンの配置を調整することにより、SLM画素サイズの最小分解能及び別個の画素押収ステップ(pixel−seized steps)によるさらなる調整をソフトウェアで実行することができる。

0114

このように、図15aの第1の反射型SLM830、第2の反射型SLM850及びカメラセンサ860、並びに、図15bの第1の反射型SLM830及び第2の反射型SLM850の両方について、z軸のアラインメントが解決されると考えられる。これらの構成素子を一定幅の支持媒体820に固定し、第1の反射型SLM830でのコヒーレント光811の入射角を変更することにより、構成素子間の光路長を正確かつ安定に固定することができる。

0115

例えば、入力SLMと変換レンズとの間のフーリエ変換関係の場合、レンズの所与の波長に対する焦点距離は、以下の式により決定される。

0116

0117

ここで、f=レンズの焦点距離、N=使用された画素数(N×Nグリッド内)、p1=入力SLM画素の画素サイズ、p2=カメラ又はフィルタSLM画素の画素サイズ、λ=レーザ光の波長、である。

0118

適切な距離の例は、例えば、N=1000画素、p1=8μm、p2=8μm、λ=635nmであり、これらから、焦点距離f=100mmであってもよい。

0119

したがって、実施形態では、第1の回折素子及び第2の回折素子を共通平面上に固定することをさらに含む追加のステップが存在する。

0120

第1の回折素子及び第2の回折素子を共通平面上に固定することにより、回折素子の間隔をより確実に決定することができるという利点がある。すなわち、素子間の光路長をより正確に求めることができる。本明細書に記載された方法は、支持媒体に結合された複数のSLMを平面内に整列させるために使用されることができる。SLMは、異なるタイプであってもよく、カメラセンサ又は他の細かい画素グリッドで置き換えてもよい。異なる画素サイズの素子の場合、遠視野回折次数の間隔は、上記の式を使用して比較するために予め計算されてもよい。

0121

さらに、素子がサブブロックに結合され、より大きな光学システムを形成するために組み合わされる場合、同じ方法が適用されてもよい。この場合、全体的な軸x′、y′、z′、r′、p′、w′が考慮される。図16は、図15aに示されるタイプの第1の3−SLMサブシステム1601が、効率的な12−SLMシステムを生成するために、同一の第2の1602、第3の1603及び第4の1604 3−SLMサブシステムに対して整列されることを示している。3−SLMサブシステム1601、1602、1603、1604は、各ブロックからの出射光が経路内の次のブロックに入るように追加の平面鏡面が追加された1次元線形アレイに配置される。アレイは、SLM1611、1612、1613及び1614が同一平面上にあるように配置される。これは、SLM成分が既に整列されており、したがってスクリーン上に単一の回折パターンを生成する各ブロックに係る本明細書に記載の方法を用いて達成される。サブブロックのアラインメントは、回折パターンを整列させることによりr′、p′、w′軸を最初に整列させ、像投影を整列させることによりx′軸とy′軸とを整列させることにより、上述のように達成されてもよい。

0122

図16は、1次元線形アレイに結合されたサブシステムを示しているが、2次元アレイ又はサブシステムのグリッドも、対向するサブシステムと同様に等しく適用することができる。

0123

対向するサブシステムを含む実施形態が図17に示されており、図15aに示されるタイプの第1の3−SLMサブシステム1701は、効率的な12−SLMシステムを生成するために、第2の1702、第3の1703及び第4の1704 3−SLMサブシステムに対して整列される。この場合、第1及び第3のSLMサブシステム1701、1703は、第2及び第3のSLMサブシステム1702、1704と反対方向に向いている。第1のSLMサブシステム1701の出力ポート1712は、第2のSLMサブシステム1702の入力ポート1721と、第2のSLMサブシステム1702の出力ポート1722は、第3のSLMサブシステム1703の入力ポート1731と、第3のSLMサブシステムの出力ポート1732は、第4のSLMサブシステム1704の入力ポート1741と結合される。

0124

本明細書に記載される方法は、他の用途における表面の整列を試験及び監視するためにも使用することができる。コヒーレント光で照射したときに表面自体が適切な回折パターンを示さない場合、表面の整列は、画素化されたSLM、回折素子又は他の回折パターン生成パネルを表面に取り付け、それらをコヒーレント光で照明することにより行うことができる。回折パターンは、複数の表面がどのように整列されるかの尺度を提供するために使用されてもよい。したがって、本開示に記載されたこの方法は、他のタイプの光学システムの整列、又は直線的又は角変位の尺度が必要とされる機械部品、又は任意の他のタイプの面の整列を試験することにも利点がある。

0125

回折素子は、実施形態では言及されているが、用語は、通常、回折素子と呼ばれていない部品物体又は表面を含むことができると理解されてもよい。この点において、「回折素子」という用語は、コヒーレント光で照明された場合に遠視野に回折パターンを生成する成分を含むと理解されてもよい。

0126

一例として、実施形態では、第1の回折素子は空間光変調器、電荷結合素子(CCD)、回折光学素子、相補型金属酸化膜半導体(CMOS)、マイクロ電気機械的装置、又はシリコン上液晶素子である。

0127

実施形態では、この方法は、第1の回折素子に表示される第1の回折パターンに対応する像と、第2の回折素子に表示される第2の回折パターンに対応する像(例えば、「フィルタ」像)との間に光学相関を実行することをさらに含む。

0128

実施形態では、光学相関器の2つの空間光変調器をアラインメントする方法が提供される。

0129

態様及び実施形態は、上記で説明されているが、本明細書に開示された発明の概念から逸脱することなく変形されてもよい。

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