JP2019056909A - 音響光学素子を駆動制御する方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】音響光学素子における圧電変換器を駆動制御して、不所望の光波長の偏向を低減または完全に回避すること。【解決手段】音響光学結晶１０７と、音響光学結晶１０７を機械的に振動させる圧電変換器１０５と、を備えた音響光学素子１０６を駆動制御する方法であって、少なくとも２つの異なる周波数によって圧電変換器を同時に励振する方法において、少なくとも２つの異なる周波数から成る少なくとも１つの混合周波数により、圧電変換器が付加的に励振される。【選択図】図４

Description

本発明は、音響光学素子を駆動制御する方法および装置、ならびにこのような装置を備えた顕微鏡に関する。

数多くの顕微鏡における主要な挑戦は、使用される方法とは無関係に、あらかじめ設定される１つまたは複数の波長を有する励振光を準備することである。その際、顕微鏡検査方法の種類に応じて、かつ／または、試料の種類に応じて、通例、あらかじめ設定されるスペクトル特性を有しなければならない１つまたは複数の励振光ビームが必要である。

このような光を準備するため、音響光学効果に基づく波長選択素子を使用することができる。このような音響光学素子は、通例、変換器または「トランスデューサ」とも称される音響信号発生器によって振動させられるいわゆる音響光学結晶を有する。通例、このような変換器は、圧電材料と、この材料に接触接続する２つ以上の電極とを有する。これらの電極に、一般に１０ＭＨｚと１０ＧＨｚとの間の領域内にある高周波を電気的に接続することにより、圧電材料は励振され、これによって結晶を通過する音響波を発生させることができる。音響光学結晶が際立っているのは、発生する音波により、結晶の光学特性が変化させられる点である。

このような音響光学素子の例は、音響光学チューナブルフィルタ（ＡＯＴＦ）、音響光学変調器（ＡＯＭ）、音響光学偏向器（ＡＯＤ）、音響光学ビームスプリッタ（ＡＯＢＳ）および音響光学ビームミキサ（ＡＯＢＭ）である。

音響光学素子を使用する際の特別な挑戦は、その駆動制御である。例えば正弦波状の駆動制御信号を用いて、結晶を通過する音波の密度変動の影響を受けない光学格子を作成することができる。この光学格子では、駆動制御周波数に適合する、光ビームの所定の波長が、結晶内で回折される。励振される電気的な振動のそれぞれの周波数に対し、対応する光学波長が存在し、この光学波長において結晶よって光が回折される。種々異なる複数の駆動制御周波数が同時に励振されると、（例えばＡＯＴＦ、ＡＯＢＳ、ＡＯＢＭ、ＡＯＭでは）複数の波長の光ビームを同時に偏向することができ、もしくは（例えばＡＯＤでは）入射する光ビームの波長を種々異なる方向の複数の光ビームに同時に偏向することができる。

しかしながら圧電変換器の特性曲線は、特に、電気的な振幅が比較的大きい場合、非線形性に結び付く、無視できない飽和特性を有する。回折格子を形成するため、通例、正弦波状の振動が使用される。圧電変換器にこのような振動が加えられると、非線形性に起因して、この振動の基本周波数に加えて、基本周波数の逓倍の付加的な周波数が発生する。複数の振動を同時に導入すると、さらなる混合周波数が発生する。この明細書において混合周波数とは、特に、基本周波数のすべての線形結合と理解することができる。例えば、連続スペクトルから２つの波長を選択するためにＡＴＯＦを使用すると、圧電変換器の非線形性に起因して、回折された光ビームに、不所望の別の波長が生じることがある。

この問題の考えられ得る一解決手段は、圧電変換器に加えられる源信号を事前に歪めて、線形の出力信号が得られるようにすることにより、圧電変換器の非線形の特性曲線を補償することである。

このように事前に歪めることにより、基本周波数の逓倍において、およびすべての混合周波数において、付加的な周波数成分が発生する。

しかしながら圧電変換器の構造および機能方式に目を向けると、このように事前に歪めることは不利であることがわかる。ゆえにこの圧電変換器を、有効電力のごく一部だけを消費するキャパシタと見なすことができる。供給される電力の大部分は、信号源に反射されて戻る。これは、特に、通常の音響光学結晶が駆動される周波数領域において当てはまる。

通例、圧電変換器と信号発生装置との間には整合ネットワークが挿入される。このネットワークは、コイルおよびコンデンサから成り、かつ、圧電変換器のインピーダンスを別のインピーダンスに変換し、その実部が、整合ネットワークを有しない圧電変換器のインピーダンスよりも、信号発生装置の出力インピーダンスに近くに位置するようにする。このようなインピーダンス整合は、限られた周波数領域だけにおいて可能である。通常の音響光学結晶では、約１オクターブが可能である。

ここから明らかであるのは、上で説明した事前に歪ませる方法は、整合ネットワークによって妨害されることである。事前に歪ませることによって生成される付加的な周波数は、整合ネットワークの帯域幅外にあり、圧電変換器に到達することはできない。

したがって本発明の課題は、音響光学素子における圧電変換器を駆動制御して、不所望の光波長の偏向が低減されるかまたは完全に回避されるようにすることである。

本発明によれば、独立請求項の特徴を備えた、圧電変換器および音響光学結晶を有する音響光学素子を駆動制御する方法および装置、ならびにこのような装置を備えた顕微鏡が提案される。有利な実施形態は、従属請求項および以下の説明の対象である。

本発明は、圧電変換器を、少なくとも２つの異なる周波数によって同時に励振すると、この圧電変換器が、少なくとも２つの異なる周波数から成る少なくとも１つの混合周波数によっても付加的に励振されるという手法に基づいている。少なくとも２つの異なる周波数から成るこの付加的な混合周波数により、非線形性に起因して結晶が励振されるのと同じ混合周波数における振動を所期のように補償して、これを低減させることができる。好適には、少なくとも２つの異なる周波数から成る少なくとも１つの混合周波数により、圧電変換器を励振し、これによって非線形性に起因して結晶が励振されるのと同じ混合周波数における振動が、低減されるかまたは完全に消去されるようにする。

源信号を事前に歪めるのとは異なり、本発明による方法では、少なくとも１つの混合周波数における振動を所期のように励振するだけである。少なくとも２つの周波数の線形結合から成りかつ基本周波数の極めて近くに位置するこれらの混合周波数は、最も問題となる混合周波数である。というのは、これらの混合周波数は、基本周波数の近傍の波長領域の光を回折させるからである。

本発明は、特に、まさにこれらの混合周波数を適切な位相で所期のように供給することにより、基本周波数の近傍の周波数領域におけるこれらの混合周波数を補償することに基づいている。

有利な一実施形態では、圧電変換器と信号発生装置との間に整合ネットワークが配置されており、この整合ネットワークは、圧電変換器のインピーダンスを別のインピーダンスに変換し、この別のインピーダンスの実部が、整合ネットワークを有しない圧電変換器のインピーダンスの実部よりも、信号発生装置の出力インピーダンスの近く位置するようにする。こうすることは有利である。というのはこれにより、より高い有効出力を圧電変換器に取り込めるからである。

好適には、整合ネットワークは、少なくとも１つのインダクタおよび／または少なくとも１つのキャパシタを有する。これにより、インピーダンスを有利には望み通りに変換することができる。

有利には、少なくとも１つの混合周波数も、少なくとも２つの周波数のうちの最も低い周波数の半分の周波数から、少なくとも２つの周波数のうちの最も高い周波数の２倍の周波数まで（言い換えるとそれぞれ１オクターブ上および下）の領域内にある。これにより、少なくとも１つの混合周波数は、有利な整合ネットワークの帯域幅内にある。

有利な実施形態では、少なくとも１つの混合周波数による励振の振幅を選択し、これにより、この振幅と、非線形性に起因して圧電変換器が励振されるのと同じ少なくとも１つの混合周波数における振動の振幅と、が完全に一致するかまたは実質的に一致するようにする。これにより、同じ少なくとも１つの周波数における振動は、位相が一致するとき、有利には大部分が補償される。ここで「実質的に」とは有利には、少なくとも１つの混合周波数の励振の振幅が、非線形性に起因して圧電変換器が励振されるのと同じ少なくとも１つの混合周波数における振動の振幅の９５％〜１０５％に相当することを意味する。

好適には少なくとも１つの混合周波数による励振の位相を選択し、これにより、少なくとも１つの妨害的な周波数成分が補償されるようにし、かつ／または、この位相が、非線形性に起因して圧電変換器が励振されるのと同じ少なくとも１つの混合周波数における振動に対し、完全に逆相にまたは実質的に逆相になるようにする。こうすることは有利である。というのはこれにより、少なくとも１つの混合周波数による励振が、まさに、非線形性に起因して圧電変換器が励振されるのと同じ少なくとも１つの混合周波数における振動を補償するためである。

別の有利な実施形態では、少なくとも２つの異なる周波数から成る１つよりも多くの周波数により、圧電変換器を励振する。少なくとも２つの異なる周波数が相互にどのくらい接近して位置しているか、かつ少なくとも２つの異なる周波数のうちのいくつが存在しているかに応じて、複数の混合周波数を関連させることができる。というのは、特に、基本周波数の極めて近くに位置する少なくとも２つの周波数から成る線形結合が関連しているからである。それはこれらの光が、基本周波数の近傍の波長領域において回折されるからである。

有利には、少なくとも２つの周波数のうちの最も低い周波数の半分から、少なくとも２つの周波数のうちの最も高い周波数の２倍までの領域内のすべての混合周波数により、圧電変換器を励振する。このことを制限的なものと理解すべきでない。したがって混合周波数の別の選択も考えられる。しかしながら少なくとも２つの周波数に対して１オクターブの最大間隔を有する混合周波数は、整合ネットワークの帯域幅内にある。

有利には音響光学チューナブルフィルタ、音響光学変調器（ＡＯＭ）、音響光学偏向器（ＡＯＤ）、音響光学ビームスプリッタ（ＡＯＢＳ）および音響光学ビームミキサ（ＡＯＢＭ）から、音響光学素子を選択する。特に音響光学チューナブルフィルタ（ＡＯＴＦ）は、本発明による方法に対し、適しており有利である。

本発明の別の利点および実施形態は、以下の説明および添付の図面から得られる。

上で挙げかつ以下でさらに説明する特徴は、それぞれ示された組み合わせだけでなく、本発明の枠を逸脱することなく、別の組み合わせにでもまたは単独でも使用できることは明らかである。

一実施例に基づいて本発明を図面に略示し、またこの図面を参照して以下で説明する。

圧電変換器の特性曲線のグラフである。 連続スペクトルを有する光ビームの、音響光学フィルタにおける偏向を略示する図である。 本発明による方法を実行した、連続スペクトルを有する光ビームの、音響光学フィルタにおける偏向を略示する図である。 音響光学素子を駆動制御する装置の一実施形態を略示する図である。

図１には、圧電変換器の一般的な特性曲線のグラフが示されている。ここでは、例えば、横軸の、圧電変換器に加わる電圧Ｖに対し、縦軸の、結晶に入力結合される音響振幅Ａがプロットされている。ここではこのグラフが、はじめのうちは線形に経過し、次に飽和状態に移行していることを見て取ることができる。

数学的には圧電変換器の飽和特性を、例えば
ｆ（ｘ）＝ａ×ｘ＋ｂ×ｘ^２＋ｃ×ｘ^３
の形の多項式によって表すことができる。ここで係数ａは、線形の増大または減小であり、ｂおよびｃは、飽和特性を定める。

通例、回折格子を形成するため、正弦波状の振動を使用する。上で示した特性曲線にこのような振動を加えると、この振動の基本周波数に加えて、この基本周波数の逓倍における複数の付加的な周波数が発生する。

（例えば周波数ω_１およびω_２を有する）複数の振動が導入されると、別の複数の混合生成物が生じる。これは、例えば、既知の周波数２ω_１−ω_２および２ω_２−ω_１である。

図２には、連続スペクトルを有する光ビームの、音響光学フィルタにおける偏向が略示されている。

この図の左上端のグラフは、例えば、入射する光ビーム１のスペクトルの強度分布を例示している。光ビーム１は、λ_minとλ_maxとの間の連続スペクトルを有する。この光ビームは、音響光学フィルタＡＯＴＦ２に向けられ、その音響光学結晶は、圧電変換器（図２および図３には図示せず）によって振動させられる。ここでこの音響光学フィルタＡＯＴＦ２は、周波数ω_１を有するＳ_１（ｔ）＝Ａ_１ｓｉｎ（ω_１ｔ）および周波数ω_２を有するＳ_２（ｔ）＝Ａ_２ｓｉｎ（ω_２ｔ）の２つの信号から成る合成信号によって励振され、これにより、λ_minとλ_maxとの間の連続スペクトルから２つの波長λ_１および波長λ_２が選択される。しかしながら圧電変換器の非線形性に起因して、回折された光束には不所望の波長λ₃も現れる。

これは、問題のある複数の混合周波数によって発生する。ゆえに、非線形性により、２ω_１−ω_２または３ω_２−２ω_１などのような、２つの基本周波数の混合周波数における振動も励振される。これらは、基本周波数の極めて近くに位置し、したがって基本周波数の近傍の波長領域の光を、この場合には波長λ₃を有する光を回折させる。

図３は、本発明の有利な実施形態を示し、圧電変換器は、周波数ω_１を有するＳ_１（ｔ）＝Ａ_１ｓｉｎ（ω_１ｔ）および周波数ω_２を有するＳ_２（ｔ）＝Ａ_２ｓｉｎ（ω_２ｔ）の２つの信号から成る合成信号に他に、周波数２ω_２−ω_１および位相φ_３を有する信号Ｓ_３（ｔ）＝Ａ_３ｓｉｎ（（２ω_２−ω_１）ｔ＋φ_３）によって付加的に励振される。

好適には、振幅Ａ_３および位相φ_３を適切に選択すると、この付加的な信号は、λ_３における光出力を増大させることはなく、これを低減または消滅させる。これは、例えば、個別の整合ネットワーク、トランスデューサおよび結晶の特性曲線について個別に校正することによって行うことができ、適切な駆動制御ソフトウェアを使用することができる。というのは、場合によっては、多くのグリッド点（有効周波数および対応する振幅および位相の組み合わせ）において校正を行わなければならないからである。さらに、それぞれの周波数配置において、補償が必要ないことも考えられる。妨害周波数の振幅は、周波数位置に応じて大きく異なる。この場合、妨害が特に際立っている混合周波数に補償を限定することができる。

図４には、本発明の好適な実施形態による、音響光学素子を駆動制御する装置の実施形態が略示されている。この装置は、信号発生器１０３と、信号発生器１０３を駆動制御する制御装置１０２と、を含んでいる。信号発生器１０３は、圧電変換器１０５および音響光学結晶１０７を有する音響光学素子１０６に信号を出力する。圧電変換器１０５には、圧電変換器１０５のインピーダンスを、信号発生器１０３のインピーダンスに整合させる整合ネットワーク１０４が前置接続されている。

制御装置１０２は、非線形性に起因して発生する励振を補償するため、例えば、複数の正弦波状の信号から成る合成信号によって圧電変換器１０５を従来のように駆動制御する他に、複数の混合周波数を有する、相応の複数の信号も付加的に出力するように構成されている。

基本的には、本発明による方法の、自動的に進行する方法ステップが、制御装置において実行される場合、光学的なフィードバックを設けることができる。このためには、例えば、音響光学結晶１０７を通過する光の少なくとも一部の少なくとも１つの特性を検出もしくは分析する検出器１０８を設けることができる。このためには、具体的には、音響光学結晶１０７を通過する光の一部を検出器の方向に偏向するビームスプリッタ１０９が設けられる。検出器は、フォトダイオードおよび／またはスペクトルメータを有していてよい。

Claims (11)

1. 音響光学結晶（１０７）と、前記音響光学結晶（１０７）を機械的に振動させる圧電変換器（１０５）と、を備えた音響光学素子（１０６）を駆動制御する方法であって、
   少なくとも２つの異なる周波数によって前記圧電変換器（１０５）を同時に励振する方法において、
   前記少なくとも２つの異なる周波数から成る少なくとも１つの混合周波数により、前記圧電変換器（１０５）が付加的に励振される、
   ことを特徴とする方法。
2. 前記少なくとも１つの混合周波数による前記励振の振幅を選択し、これにより、前記振幅と、非線形性に起因して前記圧電変換器（１０５）が励振されるのと同じ少なくとも１つの混合周波数における振動の振幅と、が完全に一致するかまたは実質的に一致するようにする、
   請求項１に記載の方法。
3. 前記少なくとも１つの混合周波数による前記励振の位相を選択し、これにより、少なくとも１つの妨害的な周波数成分が補償されるようにし、かつ／または、前記位相が、非線形性に起因して前記圧電変換器（１０５）が励振されるのと同じ少なくとも１つの混合周波数における振動に対し、完全に逆相にまたは実質的に逆相になるようにする、
   請求項１または２記載の方法。
4. 前記少なくとも２つの異なる周波数から成る１つよりも多くの混合周波数により、前記圧電変換器（１０５）を励振する、
   請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 前記少なくとも２つの周波数のうちの最も低い周波数の半分から、前記少なくとも２つの周波数のうちの最も高い周波数の２倍までの領域内のすべての混合周波数により、前記圧電変換器（１０５）を励振する、
   請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 音響光学チューナブルフィルタ、音響光学変調器、音響光学偏向器、音響光学ビームスプリッタおよび音響光学ビームミキサから、前記音響光学素子（１０６）を選択する、
   請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 音響光学結晶（１０７）と、
   前記音響光学結晶（１０７）を機械的に振動させる圧電変換器（１０５）と、
   前記圧電変換器（１０５）を少なくとも２つの周波数によって励振させるように構成された少なくとも１つの信号発生装置（１０３）と、
   を備えた音響光学素子（１０６）を駆動制御する装置において、
   前記装置は、少なくとも１つの制御装置（１０２）を有しており、
   前記制御装置（１０２）が、前記信号発生装置（１０３）を駆動制御し、これにより、前記少なくとも２つの異なる周波数から成る少なくとも１つの混合周波数により、前記圧電変換器（１０５）が付加的に励振されるように構成されている、
   ことを特徴とする装置。
8. 前記圧電変換器（１０５）と前記信号発生装置（１０３）との間に整合ネットワーク（１０４）が配置されており、前記整合ネットワーク（１０４）は、前記圧電変換器（１０５）のインピーダンスを別のインピーダンスに変換し、前記別のインピーダンスの実部が、前記整合ネットワーク（１０４）を有しない前記圧電変換器（１０５）のインピーダンスの実部よりも、前記信号発生装置（１０３）の出力インピーダンスに近くに位置するようにする、
   請求項７に記載の装置。
9. 前記整合ネットワーク（１０４）は、少なくとも１つのインダクタおよび／または少なくとも１つのキャパシタを有する、
   請求項８に記載の装置。
10. 前記制御装置（１０２）は、
    請求項１から６までのいずれか１項記載の方法を実行するように構成されている、
    請求項７から９までのいずれか１項記載の装置。
11. 請求項７から１０までのいずれか１項記載の装置を備えた顕微鏡。