JP2002508088A

JP2002508088A - クロストークを低減した音響光学変調器アレイ

Info

Publication number: JP2002508088A
Application number: JP50867099A
Authority: JP
Inventors: ヤオシー−ケイ; エムタムキンジョン
Original assignee: エテックシステムズインコーポレイテッド
Priority date: 1997-07-08
Filing date: 1998-06-19
Publication date: 2002-03-12
Also published as: CA2296278A1; WO1999003016A1; KR20010014272A; IL133749A0; EP0988575A1

Abstract

(57)【要約】音響光学変調器を用いたマルチチャネルレーザービーム装置における電気的クロストーク（ＲＦ）を低減する。これは記録密度を低減することなしに、変調器の電極（４４ａ、...４４ｈ）を２次元のアレイとして配置することにより行われる。これにより、得られるレーザービームスポット間にポテンシャルギャップが生じる問題が発生するが、このギャップはレーザビームの所定の光路に配置されたビーム並進装置（５０）により補正される。

Description

【発明の詳細な説明】クロストークを低減した音響光学変調器アレイ関連する出願へのクロスリファレンス本明細書の請求の範囲に対して１９９７年７月８日付米国国内出願の第６０／０５１９７３号明細書の出願日を主張する。発明の背景本発明の技術分野本発明は光ビームの変調、変調されたレーザービームでの特に高い記録密度を有する改善された音響光学変調器に関する。従来技術の説明マルチチャネルレーザービーム装置は例えばレーザ−書き込みの適用分野、例えば電子回路基板を作成する目的で複数のレーザービームを用いてフォトレジスト上にパターンを描画する分野で使用されている。この装置は周知の音響光学変調器アレイを使用している。この種の変調器では電気エネルギが圧電変換器を介して音波に変換され、音波が入射するレーザービームないし光ビームを変調する。音波は変調器ボディの光学屈折率を歪ませる。このボディは典型的には結晶性材料またはガラスから成っており、この中をレーザービームが通過する。歪みは空間的にも時間的にも周期性を有しており、したがってレーザービームを偏向または変調させる３次元のダイナミックな回折格子を生じさせる。このような音響光学デバイスは広帯域の信号処理において周知である。このような変調器１０の例が図１のＡに示されている。ここには変調器ボディ１４の外側が示されている。光ビーム１６はボディ１４の左方表面から到来し、ボディ１４を通過する。水平方向の線は回折格子特性を示している。変調器ボディ内の分子は音波の存在により圧縮されているかまたは展開されており、３次元のダイナミツク位相格子効果を生じさせ、従来の回折格子を生じさせるのではないことを理解すべきである。電気入力信号（“入力”）は変換器ボディ２１の表面電極２０に印加される。この変換器ボディは圧電材料から成る薄いプレートであり、変調器ボディ１４の表面にボンディングされている。変換器ボディ２１は電極２０の下方に配置されている。光ビーム１６はボディ１４に表面を介して圧電変換器２１がボンディングされている表面に直交的に入射する。電気入力信号の周波数およびパワーにより、生じた音波の存在に起因して変調器ボディ１４を通過しながら光ビーム１６がどの程度偏向されるかを定める。一般には音響的な終了点例えば吸音器２２が変調器ボディ１４の変換器ボディ２１がボンディングされているのとは反対側の表面に設けられ、電気信号が印加される。これに代えて、変換器ボディ２１がボンディングされているのとは反対側の変調器ボディの表面を所定の角度で切断して、入射する音波が軸線から外れて反射し、徐々に変調器ボディによって吸収されるように構成することができる。電極２０とグラウンド電極２４との導電接続により電気入力ポートが形成され、そこへ印加される電圧信号が空間的に均一な電場を変換器ボディ２１の圧電性の活性領域に形成する。これにより均一な音波が発生され、変調器ボディ１４内を伝搬する。一方で変調器ボディは光ビーム１６の意図的な偏向を生じさせる。変調器１４の材料の光弾性係数により、実際の効果は変調器ボディ１４の屈折率におけるかなりの変動によって生じる。変調器ボディは基本的には音速で伝搬する運動性の（ダイナミックな）回折格子を形成し、この格子強度入力の電気エネルギによって定められる。出力光ビームの偏向角および運動性の回折格子が生じる際の規模は音波の周波数および振幅に依存する。図１のＡには唯一の変換器２１のみが示されており、この変換器は入射する唯一の光ビーム１６を変調するための入力電極２０を有している。このコンテクストにおける“光ビーム”は変調することのできる全ての電磁波を指しており、可視光だけではなく、レーザーまたは他の線源からの紫外光または赤外線を含む他の周波数の光を含む。図１のＢのマルチチャネル変調器の平面図に示されているマルチチャネルレーザービーム装置では、電極側から入射する複数のレーザー光ビーム１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄが唯一の変調器ボディに印加される。変調器ボディの表面には相応する数の変換器電極２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄが形成されており、変調すべき各ビームに対して１つの変換器電極が対応する。図１のＢの平面図に示されているような装置は複数の電極２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄを変調器ボディ１４上の変換器ボディの表面に有している。典型的には４つ以上または８つ以上の電極が存在しており、それぞれ相応の入射ビームを偏向する。各電極の物理的なサイズは変調器の帯域幅（速度）の２乗に反比例しており、高速の変調器アレイの場合にきわめて小さくすることができ、１０ＭＨｚのオーダの変調器の帯域幅に対して数１００μｍ〜数ｍｍのオーダである。この種の変調器の変換器アレイを従来のフォトリソグラフィ手段を用いて形成し、小さい電極を規定することは周知の手法である。ただし短絡を阻止するために電極の間には有限のギャップが設けられる。典型的なレーザー描画装置では意図的な応用が小さなレーザービームドットのアレイを形成するために時間的に変調されて行われ、典型的には１インチ当たり３００個〜１００００個以上の記録密度を有するドットが描画媒体上に形成される。変調された光学ドットアレイをドットアレイ方向に対して正規直交の方向に移動させると、つまりラスタ走査させると、光感応性の媒体に変調信号による記録画像が形成される。もちろん連続的な特性のパターンを印刷するためには、光感応性の媒体上の隣接するレーザービームドット間に著しいギャップがあってはならない。所望のレーザービームドットは変調器アレイのレーザービームよりも大幅に小さくなる傾向があるので、光学的な描画技術がレーザービーム径を低減するために使用され、変調器アレイからの隣接の変調レーザービーム間のギャップが消去される。図２のＡの左方には従来技術の４チャネルのリニア変調器アレイからの光出力ビームが示され、このビームは隣接するレーザービームドット間に有限のギャップを有しており、図の右方には関連してレーザービーム強度が示されている。ギャップは走査方向が図２のＢに示されているレーザービームアレイの方向に対して相対的に回転される場合に低減または消去することができる。図２のＡの１次元のアレイでは隣接するチャネル間の各キャップは同じベクトル量ｄを有する。線画像を図２のＢのように角度αで回転させると、ドット間の全てのギャップは距離ｄ（ｃｏｓα）まで低減される。ギャップはｄ（ｃｏｓα）がほぼレーザービーム径に等しい場合効果的に走査パターン内で消去される（図２のＢの右方を参照）。ｄ（ｃｏｓα）がレーザービーム径よりも小さい場合には、得られる光強度分布はきわめて滑らかになる。ただし走査方向の回転後に書き込みビームは走査方向に沿って図２のＢのように分離される。ラスタパターンの第１の線は後続の線に先行して印刷される。ずらされた走査線は各チャネルへのＲＦ入力信号を隣接するビームに対する時間的先行分に等しい量だけ遅延させることによって補償することができる。適切なビームの遅延により拡散する変調ビームのビームドットは効果的に“ライン状”にされる。米国特許第４７９６０３８号明細書および第４８０６９２１号明細書を参照されたい。図１のＣには音波が所定の距離を伝搬して入射レーザービームに関連し、信号の音響的遅延を生じさせることが示されている。実際にはこの距離には僅かではあるが有限の変動が生じ、変調されたレーザービーム間の信号遅延のばらつきをもたらす。このばらつきは電気的遅延から音響的遅延を減算して変調ビームのドットを“ライン”にすることにより消去される。しかし密にパッケージングされた変調器アレイでは音響的な近接性と電気的な近接性の両方により過度のチャネル間クロストークの問題が存在する。各電極２０ａ）...、２０ｄで発生された音波を伝搬させる間の音響的なクロストークは通常、波の回折理論にしたがってふるまい、変換器電極および変調器ボディのジオメトリを考慮することにより最小化できる。ただし到来する信号内の電気的ＲＦクロストーク（高周波クロストーク）は変換器アレイに加えられて消去がより困難となり、通常はクロストーク源が支配的である。この問題は特に誘導性のＲＦコイルが変換器電極２０ａ、...、２０ｄのインピーダンスマッチングが必要とされ、また供給導体と各変換器電極２０ａ、...、２０ｄに接続されている（図示されない）ボンディングワイヤとが近接しているために困難である。入射するレーザービームを遮断するために、変換器電極への給電は変調器の変換器アレイの２つの側から到来させなければならない。多数の供給導体が変換器電極の長さの僅か数ｍｍの領域に押し込まれざるを得ない。変換器素子が入射する光ビームに平行な方向に分散されている場合にはこうした密な記録密度により容易に２次元の変調器アレイが得られる。音響光学変調器の他の重要な特性は変調器ボディの中央の光学軸線の屈曲である。図１のＣには図１のＢの構造体の側面図が示されており、ここでは接続ワイヤ２６を有する第１の電極２０ａのみが示されている。他の電極は正確に電極２０ａとともに１列に配置されているので見えない。並列の水平方向の線のグループは回折格子を示しているが、これはもちろん実際には見えない。レーザービーム１６ａの入射角（変調器ボディ１４の外側の空気中で測定された角度）は周知のようにブラッグ角θ_Bであり、これはで与えられる。ここでλは入射するレーザービーム１６ａの波長であり、Λは音波の波長である。出力レーザービームは音響光学的な回折格子に対して対称であり、θ_Bの出射角を有する。したがって図示のように入射するレーザービーム１６ａは音響光学変調器の中央で伝搬方向に全偏向角２θ_Bだけ屈曲している。概要本発明によれば、１次元のみの電極列に代えて、変換器電極がレーザービームの伝搬方向に分散され、ＲＦ供給回路に対するより大きな間隔が得られる。多数のチャネルを有する変調器アレイでは、変換器電極は２次元で複数の列（少なくとも２つの列）に配置することができ、各列は少なくとも１つの電極を有する。この２次元の音響光学変調器アレイでは隣接する変調器素子（電極）間に両方向での物理的な分離度の大幅な増加が可能となる。物理的な分離度が大きくなるにつれて変調器アレイへの供給導体間の電気的絶縁性を簡単に高めることができ、近接するチャネル間で有効な分離を行うことができる。ただし本発明の発明者が発見したところでは、２次元の変調器アレイは音響光学変調器の中央の光学軸線の屈曲に関する問題に起因して望ましくない画像アーティファクトを発生させることがある。このため隣接する走査線間のプリントギャップを消去するために付加的な処理を行わなければならない。２次元のアレイでは平行な列による変調器の行が存在する。各変調器の中央の光学軸線の屈曲により１つの行の変調器からの出力ビームはラテラル方向での２Ｄｓｉｎθ_Bのオフセットを示す。ここでＤは変調器の行における素子間分離である。したがってそれぞれの列全体の出力ビームは行内の配列順序に対して共通したラテラル方向オフセットを示す。その結果２次元の変調器アレイの出力ビームは線形の分布ではなく２次元の分布を示す。一般に２次元の出力レーザービームアレイが走査方向に対して行内の隣接する素子間の垂直方向の分離度に近似する量だけ回転されると、行間のギャップＧは有効な書き込みビームアレイを発生させる。本発明による補正により、発生したビームは隣接する全てのビーム間に均一なピッチないし間隔を有する分布を示す。１つの実施形態では、画像の行間のギャップはビーム並進装置、例えば傾斜されたパラレルプレートを変調器アレイ後方の所定のビーム素子の光路に設けることにより除去される。これにより全てのチャネルのビームが均一なピッチの唯一の真直な線となることがわかった。これに代えて、入射するレーザービームがビーム源の個所で例えば傾斜されたパラレルプレートにより前処理され、これによりビームが真直な線（または均一なピッチを有する線）を形成して変調器ボディから出射される。図面の簡単な説明図１のＡ、Ｂ、Ｃには従来技術による音響光学変調器が示されている。図２のＡ、Ｂには従来技術による１次元の電極アレイと得られる走査パターンとが示されている。図３には本発明による変調器アレイの２次元の電極アレイの例が示されている。図４には、本発明による行形の変調器がどのように入射ビームに整合されて偏向されてビームをラテラル方向でオフセットさせるかが示されている。図５のＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄには本発明による２次元の電極アレイと得られる走査パターンとが示されている。図６には本発明によるギャップを補償するための傾斜されたパラレルプレートの用法が示されている。図７には傾斜されたパラレルプレートの選択的な配置状態が示されている。詳細な説明図３には本発明による音響光学変調器のボディ４０の表面上の変換器電極アレイが示されている。この実施例で図示されているのは複数の列として配置された８つの電極である。他の構成要素、例えばこれらの電極に接続されたワイヤおよび吸音器は、上述のように従来のものと同様なので図示されていない。ここでは電極の配置の仕方だけが異なっている。この場合には４つの列が存在している。第１の列は電極４４ａ。４４ｅを有しており、図示の列はずれて配置されている。各列の間の分離度はフォーカスの光学的深度によって制限されている。なぜなら全ての音響光学変調器を入射するレーザービームのフォーカス内に配置してピーク変調速度およびピーク回折効率を達成しなければならないからである。数１００μｍの直径の典型的なレーザービームではフォーカス深度は数ｃｍとなり、変調器から成る長い行または平行な列から成る行を得ることができる。図３には１つの列当たり２つの電極が示されているが、他の実施例では列当たり１つだけ、または列当たり２つ以上の電極が存在する。有利には隣接する変調器素子（電極）間の物理的な分離度が大幅に増大され、これによりＲＦ信号の分離が容易になる。ただしこの電極アレイには、図３の音響光学変調器の中央の光学軸線および図４の構造体の側面図に示された光学軸線の屈曲に関連したユニークな特性がある。変調器の１行における隣接するビームのラテラル方向でのオフセットは図４に示されているように２Ｄｓｉｎθ_B に等しく、ここでＤは隣接する電極列の間のピッチであり、θ_Bはブラッグ入射角である。チャネル数が少ない場合には変調器アレイの全ての素子を傾斜された１つの行、すなわち図３の素子４４ａ、４４ｂ、４４ｃ、４４ｄとしてのみ配置することができる。得られるビームスポットが傾斜された角度、列方向での電極の分離状態、および行方向で圧縮された電極の分離状態（２Ｄｓｉｎθ_B）にかかわらず真直な線として保持される。図３の２次元の音響光学変調器の出力側では、レーザービームスポットは図１のＡの従来技術によって形成される所望の単純な線形の分布に代えて、図５のＢに示されているレーザービームの２次元の分布を形成する。図５のＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄには８チャネルの変調器アレイにより２次元で変調されたビームアレイが示されている。変調器は図３と同様に４つの電極列として電極間のピッチＤで配置された８つの電極を有する。図５のＢに示されているこのアレイの光出力（ビームスポット）はそれぞれ４つのドットから成る２つの線を有している。この線はｘ方向（水平方向）に沿って間隔２Ｄｓｉｎθ_B、ｙ方向すなわち垂直方向に沿って間隔ｄを有している。ビームアレイを走査方向に対して回転させると隣接する走査線間のギャップが消去され、走査線装置は図５のＣに示されているような形態となり、レーザー強度プロフィルはｙ方向に沿って図５のＤに示されているように連続する走査線の２つのグループがギャップＧで分離されている状態となる。一般にこのギャップは望ましくない。図５のＣではであり、ここでであり、φは回転角である。この問題を解決するアプローチは次のようなものとなる。１つの方法は図６に示されているようにビーム並進装置を設けることである。この装置は例えば傾斜された“パラレルプレート”５０であり、このプレートはビーム軸線に対して傾斜されており、光学的に平坦なガラスから成る。このプレートはラテラル方向で複数のビームないしチャネルを並進運動ないしオフセットする。このことは図６の水平方向の線として示されている。プレート５０の傾斜角は上述のギャップを克服するのに必要なビームのオフセット量の関数である。したがって図６に示されているように、唯一の傾斜されたパラレルプレート５０を８チャネルの変調器アレイ４０の上方のチャネル１〜４に対する共通の光路に導入することにより、８つのビーム全てを均一なピッチの１つの真直な線にすることができる。このことは得られた書き込みパターン５６として示されている。パラレルプレート５０をこれに代えて変換器ないし変調器４０の“上流側”に配置し、これにより図７に示されているように“プレ傾斜”を達成することができる。選択的に複数の傾斜されたパラレルプレートは変調器アレイ装置に依存して構成することができる。例えば付加的なチャネルは付加的なパラレルプレートを必要とする。図７の装置は、変調器に入ってくる前にビームスポットが比較的大きな径となり、したがってチャネル間の間隔がより大きくなり、傾斜されたプレート５０の傾斜角の臨界条件が小さくなるので有利であることがわかっている。加えてこれはビームスプリッタアレイの部分として簡単に達成することができる。ビームスプリッタアレイは複数のレーザービームを変調器アレイに対して定める。電極の個々の形状は本発明の２次元の電極アレイの使用に際してあまり重要ではない。典型的な適用分野ではアスペクト比が例えば１０：１以上の比較的長く幅の狭い電極が使用されているが、これに限定されない。電極は例えば長方形、菱形、または他の形状でもよい。電極の典型的な形状およびサイズは寸法３００ μｍ×６ｍｍ（６０００μｍ）の細長い長方形、すなわち２０：１のアスペクト比である。典型的な相応のビームスポット径は変調器ボディのセンタの個所で１００μｍ〜２００μｍである。ここでの説明は例示的なものであり、本発明はこれに限定されない。他の修正形態は当業技術者がこの明細書を考慮する場合、および添付の請求の範囲内に相当する場合に可能である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＣＡ，ＣＮ，ＩＬ，ＪＰ，ＫＲ，ＭＸ，ＲＵ，ＳＧ (72)発明者ジョンエムタムキンアメリカ合衆国アリゾナオロヴァレーエヌ．カッパースプリングストレイル 11306

Claims

【特許請求の範囲】１．入射する複数の放射ビームが内部を通過するのに適した変換器ボディと、該変換器ボディの表面上の複数の電極とを有しており、該電極の１つはそれぞれの放射ビームに結合されており、前記電極は入射する放射ビームによって定められる軸線に対して複数の行列を有するアレイとして配置されている、ことを特徴とする音響光学変調器。２．前記アレイは各列に少なくとも１つの電極を有する、請求項１記載の変調器。３．第１の列の電極は隣接する第２の列の電極に対してずらされて配置されている、請求項２記載の変調器。４．各電極のアスペクト比は少なくとも１０：１である、請求項１記載の変調器。５．さらに入射するビームを並進運動させるように構成されたビーム並進装置を有している、請求項１記載の変調器。６．前記ビーム並進装置は変換器ボディとビーム源との間に配置されている、請求項５記載の変調器。７．前記ビーム並進装置は変換器ボディとビームの到達点との間に配置されている、請求項５記載の変調器。８．前記ビーム並進装置は透明なプレートであり、入射するビームの軸線に対して所定の角度で傾斜されている、請求項５記載の変調器。９．前記電極は２つのグループとして配置されており、一方の電極のグループに入射するビームのみが前記ビーム並進装置に入射する、請求項５記載の変調器。１０．さらに変換器ボディを通過した後に均一なピッチが定められるようにビームを集合的に配置する手段を有する、請求項１記載の変調器。１１．入射する複数のビームを一方が他方に沿うように配置するステップと、入射するビームによって定められる軸線に対してビームを２次元で音響的に偏向し、該ビームを変調するステップとを有する、ことを特徴とする入射する複数の放射ビームを変調する方法。１２．さらにビームの一部を並進運動させるステップを有し、並進運動および偏向された後のビームを相互に均一なピッチで配置する、請求項１１記載の方法。１３．並進運動させるステップを偏向のステップの後に行う、請求項１２記載の方法。１４．並進運動させるステップを偏向のステップの前に行う、請求項１２記載の方法。１５．さらに入射するビームを音響的に偏向される前に配置し、音響的に偏向された後ビームがターゲットに入射する際に集合的に相互に均一なピッチを定めるステップを有する、請求項１１記載の方法。