CN103080827B - 多于一个倍频程的声光偏转器 - Google Patents

Abstract

本发明申请所描述的技术应用多于一个倍频程的扩展频率范围来驱动一声光偏转器，从而挑战了将带宽限制在正好一个倍频程以下的常规设计。该扩展频率范围和时间正好的光束消隐相组合，减少了由于光束消隐所消耗的所谓啁啾信号的比例，这增加了扫描信号的工作、有效部分。

Description

多于一个倍频程的声光偏转器

相关申请

本申请要求2010年8月30日提交的第61/378,251号美国临时专利申请发明名称为“多于一个倍频程的声光偏转器(Acousto-OpticDeflectorsOverOneOctave)”的权益。

本发明人关于声光偏转器的先前研究包括2004年3月2日公告的第6,700,600号美国专利。

背景技术

对于本发明的分类，我们建议本公开的所属技术领域被视为涉及一种光学元件，该光学元件与施加到衍射晶体上的时变声音频率信号成比例地改变穿射的光束（traversingopticallight）的特征方向（characteristicdirection），具体地、所谓的声光偏转器（Acousto-OpticDeflector，AOD）。当导致偏转的信号改变时，穿过该声光偏转器的光的衍射是时间的函数。该导致偏转的信号改变了该衍射晶体的大量光学特性，通过光学传播媒质来改变衍射。在光控元件的表面或里面产生的超声波在该元件内建立产生光学参数(例如折射率)的改变的条件，从而直接控制该光。

瑞典MicronicMydataAB公司(下称″Micronic公司″)构建了用于掩模制造和直接刻写工件的基础设备。Prexision和LRS图形生成器可制作大面积的掩模；所制作的掩模可用于，例如，生产采用最新图形生成器模型中的在第十代基板上的大尺寸平板显示器或电视机。Omega图形生成器可制作用于芯片制造的掩模或中间掩膜（reticle）。这些图形生成器的共同之处在于使用扫描激光光束在工件的表面形成潜像，并使用声光偏转器(AOD)控制扫描。本申请描述了一种改良的声光偏转器，其实际应用优于Micronic公司的图形生成器。

应供应商的指定，Micronic公司曾使用了一种以100兆赫兹的带宽工作的声光偏转器。在某些应用中，施加到这种声光偏转器的驱动频率的中心在大约200兆赫兹。在实际应用中，人们已确定可以在大约130兆赫兹的频率范围上使用这种声光偏转器。通过施加中心在200兆赫兹的带宽，工作范围中的最低频率和最高频率分别为：200-130/2=135兆赫兹；以及200+130/2=265兆赫兹。Micronic公司已测试的其它声光偏转器已具有150兆赫兹的指定带宽。

存在一种普遍的设计常规规则，声光偏转器必须以小于一个倍频程来操作声光偏转器，即最高频率必须小于最低频率的两倍。该常规规则防止被声光偏转器扫描的光获得扫描光束的更高衍射级(任何频率的倍数)。为驱动声光偏转器，曾使用由直接数字合成(DDS)卡生成的5兆赫兹/微秒的频率啁啾（chirp，或线性调频）。与上述常规规则一致，该频率啁啾具有大约为24微秒的扫描时间。所谓的啁啾产生一种锯齿图形（pattern），即频率逐渐上升至最大频率限制，然后逐步下降至最小频率限制。这种啁啾产生频率的逐渐上升和不连续的逐步下降的重复序列。在以下附图中，典型地呈现了这种啁啾的仅一个周期。所属领域的技术人员明白，这种锯齿图形通过许多周期无限地继续。

本发明公开的方法可推翻旧的常规规则，获得一种具有扩展频率带宽的声光偏转器，其带宽多于一个倍频程的大约10-30%。

有机会改善构图（patterning）和检查系统的扫描电子器件。可获得更好、更快、更高效的部件和系统。公开的技术适用于光束的刻写和读取。

发明内容

所描述的技术利用多于一个倍频程的扩展频率范围来驱动声光偏转器，从而挑战了将带宽限制到就在一个倍频程以内的设计常规规则。通过该扩展频率范围和时间正好的光束消隐相组合，减少了由于光束消隐所消耗的所谓啁啾信号的比例。这增加了扫描信号的工作和有效部分。在本发明的权利要求书、说明书和附图中描述了本发明的具体方面。

附图说明

图1说明了在一种简化的光学系统上使用带有声光偏转器的视场光阑（fieldstop）。

图2说明了一种位于孔径的右边缘处的、尺寸适合于容纳200-380兆赫兹的驱动频率的视场光阑、以及一种限制晶体内的光束的大小的孔径光阑。

图3说明了消隐时间如何与孔径光阑的宽度相互影响。

图4-5表示了与啁啾信号成比例地减少的消隐时间。

图6示出了可在哪儿设置孔径光阑。通常，可将其设置在照明被准直（collimate）或近似准直的位置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。所描述的优选实施例只是为了说明本发明的特点，而不是为了限制本发明之权利要求书所定义的范围。熟悉本领域的技术人员将了解在以下描述之下的各种等同变换。

本发明公开了一种装置和方法，其挑战了将声光偏转器操作限制在一个倍频程的设计常规规则。为挑战常规规则，已经使用一种至少为6.1兆赫兹/微秒的扩展频率啁啾来驱动声光偏转器。这种扩展的频率啁啾对应于增加的声光偏转器驱动带宽以及增加的穿过该声光偏转器的射线的扫描角度。在该声光偏转器中引起的频率越高，衍射越强。对比以往将声光偏转器的驱动带宽限制在一个倍频程，本说明书描述了具有1.3个倍频程带宽的系统。

鬼像（ghostimage）是设计常规避免的问题。声光偏转器的衍射晶体沿着第一和第二阶路径和可能地沿着其它路径将入射光束衍射在零阶路径上。第一和第二阶路径相隔一个倍频程。被设计为使用多于一个倍频程带宽的系统可能容易在工件上产生鬼像，这是由于沿着第二阶路径进行的衍射。

在本发明公开的技术方案中，教导了一种对策的组合，减轻了导致了一个倍频程的设计常规的鬼像的问题。与设计常规相反，孔径取景和消隐间隔的组合允许声光偏转器的驱动带宽超过一个倍频程。

图1说明了在一种简化的光学系统上使用带有声光偏转器的视场光阑。来自照明光源的光束101a、101b和101c通过衍射晶体110的光学路径在某些情况下以被称为布拉格角（Braggangle）的角度(104)被投射。该光束穿过一孔径光阑103，该孔径光阑103具有第一和第二边缘105、106。该声光偏转器由至少一个射频驱动器（RFdriver）111驱动，有时候由多个射频驱动器驱动，这可通过其相互的相位关系来进行控制。该射频驱动器在该声光偏转器中引起一声波113。与可几乎瞬间覆盖从105至106的距离的无线电波或光波不同，当声波贯穿该声光偏转器的晶体在孔径的宽度上行进时，该声波具有一定的、不可忽略的传播时间。由于这样的传播时间，声波贯穿声光偏转器的宽度时，在频率方面变化。另外，当声波贯穿该宽度时，声波减弱，对此可设计系统来进行补偿。

该晶体的衍射特性取决于声波的局部频率。在图中，对光线101a、101b和101c图示了响应于晶体内不同的局部声音频率而稍微不同的衍射角度。这通过在穿过该声光偏转器的衍射光线和未衍射光线的延伸之间的角度来描述。透镜元件117、119将该衍射光线传递到一视场光阑120。该视场光阑防止该声音频率的谐波穿过该视场光阑。例如，如图2所示，如果一个200兆赫兹的衍射信号产生了光线101c的最小衍射，使其落入该视场光阑120的边缘126之内，那么400兆赫兹的衍射信号(作为所述200兆赫兹的信号的谐波)将衍射该光线，以至其被该视场光阑的相对边缘125阻止。边缘125和边缘126之间的间隙足够小，以便使用的最低频率的谐波应该落在该视场光阑之外。

图2说明了来自右孔径边缘的、尺寸适合于容纳200-380兆赫兹的驱动频率的视场光阑120。追踪光线101c的路径以找到200兆赫兹(231)、380兆赫兹(232)以及2*200或400兆赫兹(233)的驱动频率。在该视场光阑上，200兆赫兹的信号(231)穿过该视场光阑至边缘126处。380兆赫兹的信号(232)穿过该视场光阑至相对边缘125处。400兆赫兹的信号(233)被该视场光阑阻挡，止于边缘125的左边。

追踪光线101a的路径以找到270兆赫兹(241)、450兆赫兹(242)以及2*270或540兆赫兹(243)的驱动频率。如预期，当光线101a被270兆赫兹的信号(241)衍射时，该光线通过该视场光阑。同样如预期，当该孔径光阑103的左边缘105处的光线101a被540兆赫兹的信号(243)衍射时，其落在离视场光阑120中的开口外面很远处。然而，当光线101a被450兆赫兹的驱动频率(242)衍射时，其表现为穿过该视场光阑。在200-380兆赫兹的工作范围内，这实际上将不会发生，因为光束的消隐的缘故。

对于光线101c，该视场光阑符合常规，即仅能够使用一个倍频程的驱动频率。相反，对于光线101a，该视场光阑表现为通过可以超过一个倍频程的频率，因为450兆赫兹大于2*200或400兆赫兹。同样，由于光束的消隐的缘故，这实际上不会发生。如图2所示，频率的全范围具有大于一个倍频程的范围，但是对于该孔径光阑内每个点（101a、101b、101c)，使用小于一个倍频程。当具有最低频率的孔径边缘106接近一个倍频程、例如如图2所示的200-380兆赫兹时，频率范围的限制将出现。

图6示出了可放置孔径光阑的一些位置。通常，可将其设在照明被准直或近似准直的位置。优选地，该孔径靠近发生衍射的地方。理想地，该孔径可设在605的位置，并嵌在该衍射晶体之内。更实际地，该孔径可紧跟该声光偏转器的前面603)或后面607。在实际系统中，可存在在准直仪L7和该声光偏转器之间的望远镜（telescope）L5-L6，以及/或者在该声光偏转器和最后的透镜L2之间设置的望远镜L3-L4。L1是用于补偿该声光偏转器内明显的柱面透镜效应的柱面透镜。也可以在601和/或609找到等同于可设置孔径光阑的地方605的孔径平面。需要注意的是，该孔径光阑可位于该视场光阑之后。该视场光阑应该处于该声光偏转器和工件之间，并且位于或靠近图像平面，例如在望远镜L3-L4中或靠近该工件。

图3说明了消隐时间如何与孔径103中的开口宽度105至106相互影响。在图3的一般布置中，消隐时间是声波贯穿晶体110、通过孔径光阑开口，从边缘105传播至边缘106所需的时间。或者说，填充时间是超声波贯穿声光偏转器中的孔径来“填充”它或“填充了它”所需的时间。光束被消隐以在啁啾信号中的间断性贯穿该开口时，避免该晶体充当偏转器的作用。声波313代表了消隐前在该晶体内的啁啾位置。最高频率通过该晶体从左边传播到右边。当啁啾信号从其最高频率降到最低频率时，间断性立即紧跟所述最高频率。声波314在孔径的中间表现出间断性。当传播至孔径的远端边缘106时，声波315表现出间断性。声波313-315大致上代表了当所述间断性通过时消隐该光束且不使用该晶体进行光衍射。这种创新性的啁啾具有两个益处：其一，它允许使用更宽的频率范围，从而允许更宽的扫描角度；其二，它允许更短的消隐总时间，或者说允许使用更高的啁啾速率，从而使扫描速度更快。

图4-5表示了与该啁啾信号成比例地减少的消隐时间。图4示出了通过晶体从左边传播到右边的现有技术的啁啾。x轴代表啁啾在声光偏转器的晶体内的位置(最初生成的频率位于图的右边)。y轴表示通过一个倍频程、从lx变化到2x的频率。如图所示，较低的频率首先贯穿该晶体，尽管也可以采用相反的布置。当所述啁啾贯穿该晶体时，该声光偏转器可用，直到斜坡之间的间断性或梯度（step）(见图3,313)到达左边的较近的孔径开口105。消隐持续进行，直到所述间断性穿过较远的孔径开口106(见315)。利用现有技术的啁啾，在啁啾频率范围的某个部分期间，当所述间断性穿过所述孔径开口时，所述光束被消隐。

图5示出了通过在1.3个倍频程上变化范围来挑战常规设计的具有创新性的啁啾。在图中，频率扫描（frequencysweep）的0.3个单位仍然被消隐，但是所述啁啾扫描了1.3个倍频程。与现有技术对比，为消隐而消耗的啁啾的比例从0.3/1.0减少至0.3/1.3，或从0.30减少至0.23。

最然不最优的，但这种创新性的啁啾可以带来设计上的改进。例如，该声光偏转器的驱动信号可能上升多于一个倍频程，达比允许间断性贯穿该晶体的活性部分所需的更长的时间，并且要补偿的消隐扩大。或者，该驱动信号可能上升一个倍频程以上，达比所述间断性贯穿该孔径所需的更少的时间。那么，潜在可用的工作周期（dutycycle）的一部分将被贡献给消隐。

更常见地，我们认为，将驱动频率范围被使用和未消隐的比例增加至少5%或优选地大约10%的有用的。将啁啾频率范围以及由此的潜在衍射增加10%或更多是有用的。和以上实施方式一致，我们发现当扩展的声光偏转器驱动频率范围为至少1.10、1.15、1.20、1.25或1.30个倍频程时或处于以上任意两种数值之间的范围时的工业效用。理论上，所述频率范围可以甚至更高——2.00或以上。

通常，声光偏转器的吞吐量随带宽越大而增加。所述啁啾的用于衍射的部分被限制为最大的一个倍频程(或稍微小于一个倍频程)，而所述啁啾频率范围的其余部分被消隐，和填充时间相对应。实际上，扫描的长度可以是恒定的，但是扫描可以运行得更快，同时越来越多的啁啾周期被该消隐时间消耗。与扫描相对应的啁啾的部分被限制为最大一个倍频程(或稍微小于一个倍频程)，而所述啁啾的其余部分被消隐。对于孔径中的不同的点，啁啾的不同部分被消隐。该消隐时间等于(或稍微大于)超声波穿过该孔径所需的时间。通过较宽的频率范围，多于一个倍频程的频率在消隐时间期间被啁啾。因此，较宽的频率范围意味着更高的扫描速率以及更高的像素时钟。宽的带宽和高的数据速率之间的权衡选择取决于有多想要使用高的像素速率。在一个倍频程的频率范围以上(其是低频率的两倍的高频率)，吞吐量的增益随着范围的增大而减少。这种折衷的一个实际目标是大约1.3个倍频程的频率范围。在实际应用中，预计，频率范围是2.0个倍频程或更高将产生不希望的坏处。由于当前实践中在定时精度上的限制，频率范围的更高端可以是1.65个倍频程。这可能随着更快速的时钟和计算以合理的成本变得可用而变化。

一些具体实施例

本发明所公开的技术可用作装置、方法、制品或软件。

本发明提供了一种声光偏转器，包括：一衍射晶体；耦接到该衍射晶体的至少一个射频驱动器；穿过该衍射晶体的光衍射路径，其具有响应于该射频驱动器的衍射特征；耦接到该射频驱动器的驱动器电路，用于扫描从第一频率到第二频率的扩展频率范围，其中所述第一频率和第二频率跨越多于一个倍频程的频率范围。该射频驱动器通过该衍射晶体引起一声波。所述扩展频率范围增加了被扫描的频率的工作部分，该工作部分其与扫描的被消隐的部分不同。该声光偏转器的优点体现在多个方面。

在本发明的一些实施例中，该声光偏转器进一步包括生成一消隐间隔参考的电路，其中该消隐间隔参考促使穿过该光衍射路径的光束在消隐时间内消隐，这限制了多于一个倍频程的扩展频率范围的使用，以致该声光偏转器的未消隐的工作频率范围是小于一个倍频程的范围。

在本发明的其他实施例中，该声光偏转器进一步包括一消隐电路，其中，当该来自驱动器电路的高频率和低频率之间的间断性在该光衍射路径中传播时，该消隐电路促使穿过该光衍射路径的一光束消隐；由此，由于该驱动器电路扫描所述多于一个倍频程的扩展频率范围，该声光偏转器的未消隐的工作频率接近一个完整的倍频程。

另一个实施例包括一孔径光阑，设在沿着该光衍射路径的该衍射晶体之前。在此实施例中，该驱动器电路促使被扫描的频率在所述第一频率以上继续上升超过一个倍频程，达近似等于驱动频率中的间断性贯穿该孔径光阑所需的时间。在本文中，“近似等于”意味着在2%以内。或者，被扫描的频率可在所述低频率以上继续上升超过一个倍频程，达比驱动频率中的间断性贯穿该孔径所需的更少的时间，或长于该时间，且伴有性能损失，如上所述。

上述这些实施例中的任意还可包括一视场光阑，设在衍射晶体和工件之间。所述消隐和视场光阑中的开口的组合不允许被衍射的辐射通过多于一个倍频程的扩展频率范围而穿过该视场光阑。

所述第一频率和第二频率之间的比率的范围可产生商业上有用的效果。所披露的5个比率(+/-3%)包括1.10、1.15、1.20、1.25和1.30个倍频程。我们进一步公开了使用等于至少这些数值的所述第一频率和第二频率之间的比率的情况。以上描述了这些比率的基本原理。倍频程比率的范围可以由这些比率中的任意两个、例如1.10-1.20或1.15-1.30为界限。

我们亦可以将本发明公开的技术描述为一种驱动声光偏转器的方法，其中该声光偏转器包括一衍射晶体以及一孔径。该孔径设在一照明光源和该衍射晶体之间。该方法包括施加一驱动信号至该衍射晶体。该驱动信号扫描多于一个倍频程的频率范围。该方法进一步包括：当该驱动信号的频率范围的间断性通过该衍射晶体的一部分传播时，将定向穿过该孔径中的开口的至少一光束消隐在该衍射晶体上，其中该衍射晶体由于该孔径中的开口而暴露于该光束下。

在本发明的一些实施例中，该方法进一步包括利用继续上升超过一个倍频程达近似等于所述间断性通过该孔径中的开口所需的时间的频率来驱动该衍射晶体。该扩展频率范围和消隐之间的关系可用各种替代方式进行表示，而产生细微变化范围的权利要求。

可选地，该方法进一步包括利用继续上升超过一个倍频程达比所述间断性通过该孔径中的开口所需的更少的时间的频率来驱动该晶体。

该方法可包括通过一视场光阑传递定向穿过该孔径的光束，其中所述消隐和视场光阑中的开口的组合使穿过该视场光阑和到达工件的被衍射的辐射限制到所述小于一个倍频程的驱动信号在该孔径内任何点处所衍射的辐射。

如上所述，在设备实施方式的描述中提到，所述第一频率和第二频率之间的比率的范围可产生商业上有用的效果。所披露的5个比率(+/-3%)包括1.10、1.15、1.20、1.25和1.30个倍频程。我们进一步公开了使用取至少这些数值的所述第一频率和第二频率之间的比率的情况。以上描述了这些比率的基本原理。倍频程比率的范围可以由这些比率或数值中的任意两个为界限，例如1.10-1.20或1.15-1.30。

相应的制品为包括计算机指令的非暂时性储存媒体。该计算机指令当在一处理器或控制器上运行时，促使该处理器或控制器以及相关的设备实施上述任何方法。或者，该计算机指令当和其它适当的硬件相结合时，可产生上述任何装置。

相应的软件可被设置为实施各种方法或作为装置的一组件。该软件当在一处理器或控制器上运行时，促使该处理器或控制器以及相关的设备实施上述任何方法。或者，该软件当和其它适当的硬件相结合时，产生上述任何装置。

Claims (12)

1.一种设在一照明光源和一工件之间的声光偏转器，其中该声光偏转器包括：

一衍射晶体；

耦接到所述衍射晶体的至少一个射频驱动器，其中所述至少一个射频驱动器被配置用于通过所述衍射晶体引起一声波；

穿过所述衍射晶体的光衍射路径，具有响应所述射频驱动器的衍射特征；

被配置以设在一照明光源和一视场光阑之间的一孔径；

具有一开口的一视场光阑，该视场光阑被配置以设在所述衍射晶体和一工件之间；

所述声光偏转器的特征进一步在于：

耦接到所述至少一个射频驱动器的一驱动器电路，用于扫描从第一频率到第二频率的扩展频率范围，其中所述第一频率和第二频率跨越多于一个倍频程的频率范围；其中所述驱动器电路进一步被配置用于生成至少一光束的消隐；而且，所述驱动器电路通过所述孔径生成的消隐和所述视场光阑中的所述开口相组合，以至于不允许来自所述孔径中的任何点的被衍射的辐射穿过该视场光阑和贯穿所述多于一个倍频程的扩展频率范围。

2.根据权利要求1所述的声光偏转器，其中所述驱动器电路被配置用于生成一消隐间隔参考，其促使穿过所述光衍射路径的一光束在一消隐时间内消隐，这限制了所述多于一个倍频程的扩展频率范围的使用，以致所述声光偏转器的在所述孔径的开口内的任何点上一未消隐的工作频率范围是小于一个倍频程的工作频率范围。

3.根据权利要求1所述的声光偏转器，其中，所述驱动器电路被配置用于当来自所述驱动器电路的所述第一频率和第二频率之间的间断性在所述光衍射路径中传播时促使穿过所述光衍射路径的一光束消隐，由此，由于该驱动器电路扫描所述多于一个倍频程的扩展频率范围，所述声光偏转器的未消隐的工作频率在所述孔径的开口内的至少一点上接近整整一个倍频程。

4.根据权利要求1所述的声光偏转器，其中所述驱动器电路被配置用于促使被扫描的频率在所述第一频率上继续上升超过一个倍频程，时间近似等于驱动频率的间断性贯穿所述孔径的开口所需的时间。

5.根据权利要求1-4任何一项所述的声光偏转器，其中所述第一频率和第二频率的比率是至少1.10个倍频程。

6.根据权利要求1-4任何一项所述的声光偏转器，其中所述第一频率和第二频率的比率是至少1.20个倍频程。

7.根据权利要求1-4任何一项所述的声光偏转器，其中所述第一频率和第二频率的比率是至少1.30个倍频程。

8.一种驱动声光偏转器的方法，其中该声光偏转器包括：一衍射晶体；耦接到一射频驱动器的一驱动器电路，被配置用于通过所述衍射晶体引起一声波；具有一开口的一视场光阑，设在所述衍射晶体和一工件之间；以及具有一开口的一孔径，所述孔径设在一照明光源和所述衍射晶体之间，所述方法包括：

施加一驱动信号至所述衍射晶体，其中所述驱动信号扫描多于一个倍频程的频率范围，所述方法的特征进一步在于以下动作：

当所述驱动信号的频率范围的间断性通过所述衍射晶体的一部分传播时，将定向穿过所述孔径中的一开口的至少一光束消隐在所述衍射晶体上，其中所述衍射晶体由于所述孔径中的开口而暴露于该光束下，其中，所述消隐和所述视场光阑中的开口的组合不允许来自所述孔径中的任何点的被衍射的辐射穿过该视场光阑、贯穿所述多于一个倍频程的扩展频率范围。

9.根据权利要求8所述的方法，进一步包括利用继续上升超过一个倍频程达近似等于所述间断性通过该孔径中的开口所需的时间的频率来驱动所述衍射晶体。

10.根据权利要求8所述的方法，进一步包括利用继续上升超过一个倍频程达比所述间断性通过该孔径中的开口所需的更少的时间的频率来驱动所述晶体。

11.根据权利要求8所述的方法，进一步包括通过一视场光阑将定向穿过所述孔径的所述光束传递到所述晶体上，其中所述消隐和所述视场光阑中的开口的组合使穿过所述视场光阑的被衍射的辐射限制在所述的驱动信号的小于一个倍频程所衍射的辐射上。

12.根据权利要求8-11任何一项所述的方法，进一步包括使用至少为1.20个倍频程的范围的声音频率。