ELEMENTO ÓPTICO DE DIFRACCIÓN CONFIGURABLE.

Elemento óptico de difracción configurable que comprende una configuración de subelementos de difracción rectangulares de igual tamaño,

teniendo cada uno una superficie reflectante, en el que cada subelemento está adaptado para poder moverse de forma controlable en la dirección vertical con respecto a la superficie del elemento, y en el que una serie de los subelementos están dotados de una red de difracción reflectante con una serie de características espectrales escogidas caracterizado porque la red de dicha serie de subelementos presenta un patrón de difracción de enfoque que constituye una lente de difracción

La presente invención se refiere a un elemento óptico de difracción configurable que comprende una configuración de subelementos de difracción que tienen una superficie reflectante.

La descomposición de luz en sus frecuencias (longitudes de onda) constituyentes es fundamental para la espectroscopia óptica. Según esta invención, se proporciona una clase de dispositivos ópticos que sirven como filtros espectrales configurables. Los dispositivos reciben un haz incidente compuesto por luz de diferentes frecuencias. Dirigen parte de la luz en una cierta dirección o sobre un punto focal. Los dispositivos consisten en un sistema de microestructuras de difracción móviles sobre un sustrato. Aplicando diferentes tensiones al dispositivo, se alteran las posiciones relativas de las microestructuras y así también se altera la composición espectral de la luz difractada.

Los filtros espectrales son importantes para todas las clases de medidas ópticas. En lo sucesivo se usa el término filtro espectral en un sentido amplio para describir todos los dispositivos que eliminan luz selectivamente con frecuencias específicas, total o parcialmente, de una trayectoria luminosa. Si las propiedades del filtro pueden cambiarse con el tiempo aplicando diferentes tensiones, temperaturas u otros medios de accionamiento, el filtro recibe el nombre de ajustable o configurable. No existe una distinción clara entre ajustable y configurable con la excepción de que el segundo término implica que puede conseguirse un intervalo más amplio de posibles funciones del filtro. Los filtros ópticos configurables son especialmente importantes para espectroscopia. Un ejemplo es la red basculable de un monocromador convencional. Para las definiciones que aquí se ofrecen se trata de un ejemplo de un filtro óptico ajustable (o configurable).

Un elemento óptico de difracción es un holograma o una red óptica uni o bidimensional, fabricado para sintetizar un campo luminoso mediante exposición a diferentes partes de un haz de luz incidente para diferentes retardos de fase y/o modulaciones de amplitud. Con sistemas microelectromecánicos (SMEM) es posible fabricar EOD configurables. Con la tecnología actual de micromecanizado de silicio no es difícil fabricar piezas móviles con dimensiones inferiores a 10 micrómetros. En un EOD configurable (EODC) la parte superior de dichas piezas móviles será una superficie óptica: espejos, redes o estructuras más complejas para filtro o enfoque. En lo sucesivo se llamará a cada superficie subelemento de difracción. Sus posiciones relativas pueden ajustarse con una resolución muy inferior a las longitudes de onda ópticas típicas, y la interferencia entre reflexiones de las diferentes partes determina el campo luminoso resultante.

Se ha diseñado e implementado un EODC para sintetizar filtros espectrales ("el policromador") por parte de G.B. Hocker y col. "The polychromator: A programmable SMEM diffraction grating for synthetic spectra" en Solid-State Sensor and Actuator Workshop, páginas 89-91, Hilton Head Island, Carolina del Sur, junio de 2000. Este dispositivo es una configuración de vigas controlada electrostáticamente. Las vigas pueden moverse verticalmente y la parte superior de cada viga se refleja y desempeña el papel de elemento de la red. La teoría sobre la que se basan los filtros sintéticos viene dada por Michael B. Sinclair y col. "Synthetic spectra: a tool for correlation spectroscopy", Applied Optics, 36(15), 1997, que se basa a su vez en el algoritmo de recuperación de fase (ARF) desarrollado por Gerchberg y Saxton hacia 1970. (Véase por ejemplo J.R. Fienup. "Phase retrieval algorithms: a comparison", Applied Optics, 21(15):58-69, 1982). La desventaja del "policromador” es que la luz con un intervalo espectral amplio se difracta en un único ángulo, lo que limita la resolución que puede obtenerse. Puede obtenerse una resolución superior con un número mayor de vigas, pero así se aumenta la complejidad del dispositivo y su control deja de ser práctico. También es una desventaja que la luz no pueda enfocarse en un detector. Es posible con una red cóncava reglada o, como se mostrará, con un patrón de difracción de enfoque. Finalmente, los numerosos huecos entre los elementos de la red móvil pueden reducir la eficacia de la difracción.

La patente de EE.UU. 5.905.571, Aparato óptico para formar espectrómetros de correlación y procesadores ópticos, describe un aparato óptico para formar espectrómetros de correlación y procesadores ópticos. El aparato óptico comprende uno o más elementos ópticos de difracción formados en un sustrato para recibir luz de una fuente y procesar la luz incidente. El aparato óptico incluye un elemento de direccionamiento para dirigirse alternativamente a cada elemento óptico de difracción del mismo para producir durante una unidad de tiempo una primera correlación con la luz incidente, y para producir durante una unidad de tiempo diferente una segunda correlación con la luz incidente que sea diferente de la primera correlación. En un ejemplo, el aparato óptico está en la forma de un espectrómetro de correlación; y en otras formas de realización, el aparato está en la forma de un procesador óptico. En algunas formas de realización, el aparato óptico comprende una pluralidad de elementos ópticos de difracción en un sustrato común para formar las redes primera y segunda que interceptan alternativamente la luz incidente para diferentes unidades de tiempo. En otras formas de realización, el aparato óptico incluye una red de difracción programable eléctricamente que puede conmutarse alternativamente entre una pluralidad de estados de red de la misma para procesar la luz incidente. El aparato óptico puede formarse, al menos en parte, por un procedimiento de micromecanización.

La patente de EE.UU. 5.757.536, Red de difracción programable eléctricamente, describe una red de difracción programable eléctricamente. La red programable incluye un sustrato que tiene una pluralidad de electrodos formados en la misma y un elemento de red móvil encima de cada uno de los electrodos. Los elementos de la red son programables electrostáticamente para formar una red de difracción para difractar un haz de luz incidente cuando se refleja desde las superficies superiores de los elementos de la red. La red de difracción programable, formada por un procedimiento de micromecanización, tiene aplicaciones para procesamiento de información óptica (por ejemplo, dispositivos de correlación óptica y ordenadores), para multiplexado y demultiplexado de una pluralidad de haces luminosos de diferentes longitudes de onda (por ejemplo, para comunicaciones por fibra óptica), y para formación de espectrómetros (por ejemplo, espectrómetros de correlación y de barrido). Un dispositivo de este tipo presenta la desventaja de tener que controlar un gran número de elementos para conseguir una alta resolución espectral dentro de un intervalo espectral estrecho.

La solicitud US-2002/0.105.725 también desvela un EODC.

El objeto de esta invención es proporcionar un elemento óptico de difracción configurable que proporcione una buena resolución dentro de un intervalo de frecuencias escogido, por ejemplo, para búsquedas espectrales, con un número bajo de partes accionadas eléctricamente. La invención proporciona también el enfoque del haz de luz, eliminando la necesidad de componentes ópticos adicionales.

Esto se obtiene usando un elemento según las reivindicaciones adjuntas.

Según los ejemplos son posibles varias extensiones/mejoras de la red de difracción programable eléctricamente. Se recogerán a continuación y se explicarán en detalle más adelante.

- Puede prepararse un EODC para enfocar la luz. Así se reduce la necesidad de componentes ópticos adicionales, que pueden ser caros y requerir una alineación difícil. Una forma de preparar un dispositivo de enfoque consiste en modelar los subelementos de difracción como zonas de Fresnel o sectores de zonas de Fresnel.

- Puede usarse un número bajo de subelementos anchos con una superficie de red brillante en lugar de un número elevado de subelementos estrechos con una superficie reflectante plana. Véase la diferencia entre la fig. 1 y la fig. 2. Para un gran grupo de aplicaciones se reducirá así la complejidad mecánica del EODC y se aumentará la eficacia de la difracción.

- La modulación de fase también puede obtenerse moviendo la viga hacia los lados, es decir, en una dirección paralela a la superficie. Con tecnología se silicio sobre aislante (SOI) con accionadores de tipo peine es posible... [Seguir leyendo]

1. Elemento óptico de difracción configurable que comprende una configuración de subelementos de difracción rectangulares de igual tamaño, teniendo cada uno una superficie reflectante, en el que cada subelemento está adaptado para poder moverse de forma controlable en la dirección vertical con respecto a la superficie del elemento, y en el que una serie de los subelementos están dotados de una red de difracción reflectante con una serie de características espectrales escogidas caracterizado porque la red de dicha serie de subelementos presenta un patrón de difracción de enfoque que constituye una lente de difracción.

2. Elemento óptico de difracción según la reivindicación 1 en el que la dimensión física del subelemento es sustancialmente mayor que el periodo espacial típico de la red de difracción en dichos subelementos.

3. Elemento óptico de difracción según la reivindicación 1 en el que la configuración de subelementos es una configuración bidimensional.