JP2018517937A - 層状構造を有する音響光学偏向器およびその偏向器を用いて光ビームを偏向させる方法 - Google Patents

層状構造を有する音響光学偏向器およびその偏向器を用いて光ビームを偏向させる方法 Download PDF

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Abstract

本発明の主題は、層状構造を有する音響光学偏向器（１０）に関し、その本質は、少なくとも２つの音響光学結晶（１２）を含むことであり、それらの結晶の各々に少なくとも１つの電気音響変換器（１４）が接続されるとともに、隣接する結晶（１２）は、音響アイソレータ（１６）によって分離されている。本発明の主題は、さらに、音響光学偏向器（１０）を用いて光ビームを偏向させる方法に関し、この方法は、音響光学偏向器（１０）が少なくとも２つの音響光学結晶（１２’，１２”）を含み、それらのうち、第１の音響光学結晶（１２’）において、第１の音響光学結晶（１２’）に接続された第１の電気音響変換器（１４’）を用いて第１の音波（１５’）を生成し、第２の音響光学結晶（１２”）において、第２の音響光学結晶（１２”）に接続されるとともに第１の音響光学結晶（１２’）と第２の結晶（１２”）との間に配置された第２の電気音響変換器（１４”）を用いて第２の音波（１５”）を生成する、ことを特徴とする。
【選択図】図２ａ

Description

本発明の主題は、層状構造を有する音響光学偏向器に関する。
本発明の主題は、さらに、音響光学偏向器を用いて光ビームを偏向させる方法に関する。
近年、神経活動の３次元検査のための様々な光学的方法が開発されているが、それらのうちのごく少数のみが走査速度の要件を満たし、それらのうちの一部のみが、脳組織のより深部領域を検査するのに適している（非特許文献１、非特許文献２、非特許文献３、非特許文献４）。
既存のソリューションのうち、音響光学技術では、検査ボリュームにおける関心点の事前選択を可能として、所与のボリューム中の要素をすべて測定する必要はないようにすることで、最高走査速度が確保される。
２光子顕微鏡法では、組織のより深部領域を検査することが可能となる。高ボリューム分解能の２光子顕微鏡法で使用される音響光学偏向器は、偏向器を横切る音波によって形成される光学格子の分解能が偏向器のアパーチャのサイズに正比例するので、大きいアパーチャ（１５〜１７ｍｍ）を有していなければならない。
「インビボ」測定では、測定中の試料の動きを考慮して、この動きを補正することが特に重要である。測定値を後ほど補正するためには、測定対象点の周囲について記録することも必要となるが、これによって、時間分解能は著しく低下することになる。音響光学偏向器の切り替え時間によって、すなわち偏向器のアパーチャを横切る音波の伝搬時間によって、走査速度の向上に制限が課される。音波の伝搬時間を短縮することは、音波の進行路の長さを短縮することによってのみ、すなわち偏向器のアパーチャのサイズを縮小することによってのみ可能であるが、これはボリューム分解能の低下につながることになる。
国際公開第２０１３／１０２７７１号
Ｇ．Ｋａｔｏｎａ等著「Ｒｏｌｌｅｒ Ｃｏａｓｔｅｒ Ｓｃａｎｎｉｎｇ ｒｅｖｅａｌｓ ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ ｔｒｉｇｇｅｒｉｎｇ ｏｆ ｄｅｎｄｒｉｔｉｃ ｓｐｉｋｅｓ ｉｎ ＣＡ１ ｉｎｔｅｒｎｅｕｒｏｎｓ」Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｕｎｉｔｅｄ Ｓｔａｔｅｓ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ，Ｖｏｌ．１０８，２１４８〜２１５３頁，２０１１年 Ｖ．Ｎｉｋｏｌｅｎｋｏ等著「ＳＬＭ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ： Ｓｃａｎｌｅｓｓ Ｔｗｏ−Ｐｈｏｔｏｎ Ｉｍａｇｉｎｇ ａｎｄ Ｐｈｏｔｏｓｔｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ Ｓｐａｔｉａｌ Ｌｉｇｈｔ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒｓ」Ｆｒｏｎｔｉｅｒｓ ｉｎ ｎｅｕｒａｌ ｃｉｒｃｕｉｔｓ，Ｖｏｌ．２（５），２００８年 Ｔ．Ｆ．Ｈｏｌｅｋａｍｐ，Ｄ．Ｔｕｒａｇａ，Ｔ．Ｅ．Ｈｏｌｙ著「Ｆａｓｔ ｔｈｒｅｅ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ ｉｍａｇｉｎｇ ｏｆ ａｃｔｉｖｉｔｙ ｉｎ ｎｅｕｒａｌ ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎｓ ｂｙ ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ−ｃｏｕｐｌｅｄ ｐｌａｎａｒ ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ」Ｎｅｕｒｏｎ，Ｖｏｌ．５７，６６１〜６７２頁，２００８年 Ｅ．Ｊ．Ｂｏｔｃｈｅｒｂｙ等著「Ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ−ｆｒｅｅ ｔｈｒｅｅ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｍｕｌｔｉｐｈｏｔｏｎ ｉｍａｇｉｎｇ ｏｆ ｎｅｕｒｏｎａｌ ａｃｔｉｖｉｔｙ ａｔ ｋＨｚ ｒａｔｅｓ」Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｕｎｉｔｅｄ Ｓｔａｔｅｓ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ，Ｖｏｌ．１０９，２９１９〜２９２４頁，２０１２年
本発明の目的は、現状技術による欠点が解消された音響光学偏向器、および光ビームを偏向させる方法を提供することである。偏向とは、ビームの何らかの部分の偏向をも意味し、ひいては、ビームを合焦させること、または偏向器の後に配置されたレンズもしくはレンズ系を用いて合焦させ得る分散ビームの形成をも意味する。
本発明は、いくつかの音響光学結晶、および個々の音響光学結晶に接続された電気音響変換器をセットアップすることによって、音響光学偏向器の切り替え時間は短縮され得るという認識に基づくものである。さらに、本発明者らが認識したことは、個々の音響光学結晶に接続された変換器の同期制御によって、音響光学偏向器を通過する光ビームを、１点または複数点にも合焦させ得るということである。
課題は、本発明による層状構造を有する音響光学偏向器によって解決され、その本質は、少なくとも２つの音響光学結晶を含むことであり、それらの結晶の各々に少なくとも１つの電気音響変換器が接続されるとともに、隣接する結晶は、音響アイソレータによって分離されている。
課題は、音響光学偏向器を用いて光ビームを偏向させることを目的とした方法によって、本発明により解決され、その本質は、音響光学偏向器が少なくとも２つの結晶を含むことであり、それらのうち、第１の結晶において、第１の結晶に接続された第１の電気音響変換器を用いて音波を生成し、第２の結晶において、第２の結晶に接続されるとともに第１の結晶と第２の結晶との間に配置された第２の電気音響変換器を用いて第２の音波を生成する。
本発明のさらなる効果的な実施形態は、添付の従属請求項で規定している。
本発明についてのさらなる詳細は、添付の図面および例示的な実施形態から明らかになるであろう。
本発明による層状構造を有する音響光学偏向器の例示的な実施形態の概略図を示している。 例示的な電気音響偏向器の例示的な実施形態の概略断面図を示している。 光ビームを１点に合焦させることを示した、動作中の、本発明による層状構造を有する音響光学偏向器の一実施形態の概略断面図を示している。 光ビームを複数点に合焦させることを示した、動作中の、本発明による層状構造を有する音響光学偏向器の一実施形態の概略断面図を示している。 図２ａによる層状構造を有する音響光学偏向器で生成される音波の周波数の距離依存性を示している。 図２ｂによる層状構造を有する音響光学偏向器で生成される音波の周波数の距離依存性を示している。
本発明による層状構造を有する音響光学偏向器１０の例示的な実施形態の概略図を図１ａに示している。層状構造を有する音響光学偏向器１０は、例示目的で円によって示すアパーチャ１１を有している。層状構造を有する音響光学偏向器１０は、少なくとも２個の、好ましくは数個の、より好ましくは３〜６個の結晶１２を含むことが好ましく、これらにより、アパーチャ１１は厚さｄの帯状域に分割される。結晶１２の厚さｄは、（図１に示すように）同一であるか、または異なるか、いずれかである。結晶１２は、好ましくは、機械的ストレスの影響によって屈折率が変化している（ＴｅＯ２、ＬｉＮｂＯ３のような）単結晶で構成することができる。結晶１２の各々には、音波を生成するのに適した少なくとも１つの電気音響変換器１４が接続されるとともに、隣接する音響光学結晶１２は、音響アイソレータ１６によって互いに分離されている。この場合には、結晶１２の側面に圧電結晶を接着してから、所望の厚さが得られるまで、その圧電結晶を徐々に研削していくことによって、変換器１４の振動子（以下を参照）を構築することができる。本発明による層状構造を有する音響光学偏向器１０の変換器１４には、さらに、１つ以上の電気信号発生器１８が接続される。
好ましくは、各々の変換器１４が結晶１２に接続されることで、その中で音波の生成が可能であり、このとき、隣接する別の結晶１２から、この場合には音響アイソレータ１６によって分離されることで、その変換器によって別の結晶においても音波が生成されることを防いでいる。これは、図１に示す実施形態の場合には、例えば、第１の音響光学結晶１２’と隣接する第２の音響光学結晶１２”との間で、第１の音響光学結晶１２’に接続された電気音響変換器１４が、第１の音響光学結晶１２’と第２の音響光学結晶１２”との間に配置されるとともに、第１の音響光学結晶１２’と第２の音響光学結晶１２”との間の音響アイソレータが、電気音響変換器１４と第２の音響光学結晶１２”との間に配置されることを意味する。
層状構造を有する音響光学偏向器１０の好ましい実施形態の場合には、それらの音響光学結晶１２に接続された電気音響変換器１４はいずれも、２つの電極２０ａ、２０ｂと、それらの間に配置された圧電板２２と、を含む（図１ｂを参照）ことが好ましく、その場合、２つの電極２０ａ、２０ｂのうち、電極２０ａは、圧電板２２の振動を伝えるため、ひいては結晶１２において音波を生成するために適切であるように、結晶１２に接続される。例えば、電極２０ａを形成する金属層は、アブレーション（蒸着）を用いて、結晶１２の適切な表面に付与することができる。２つの電極２０ａ、２０ｂのうちの少なくとも１つは、変換器１４を制御する電気信号発生器１８に接続される。好ましくは、それらの変換器１４は、互いに独立に、個別に制御することができる。
圧電板２２は、（石英、トルマリンのような）特殊材料で構成された板であり、電場をかけると、その表面は変形して、一方向に伸張するとともに他方向に収縮する。
電気信号発生器を介して電極２０ａ、２０ｂに接続される電圧を周期的に変化させることによって、圧電板２２を周期的に振動させることができる。圧電板２２は、その周期的振動を、電極２０ａに接続された音響光学結晶１２に対して電極２０ａを介して伝達し、この影響によって、伝達された振動の周期と同じ周期の音波１５が音響光学結晶１２において生成される。
本発明による層状構造を有する音響光学偏向器１０の例示的な実施形態の場合には、隣接する音響光学結晶１２の間に音響アイソレータが配置されており、それは、好ましくは蒸発金属および空気で構成することができる。
好ましい実施形態の場合には、音響アイソレータ１６は、空隙および／または真空空間を含む。電気音響変換器１４によって生成された音波１５は、空気のような希薄ガスで満たされた空隙内または真空空間内では、基本的に伝搬することが不可能であり、このため、音響光学結晶１２内を伝搬する音波１５が、音響アイソレータ１６によって分離された隣接する音響光学結晶１２内に広がることを防ぐことができる。
以下では、本発明による層状構造を有する音響光学偏向器１０の使用方法、すなわち層状構造を有する音響光学偏向器１０を用いて光ビーム５０を偏向させる手順を、上記の例示的な要素を参照して提示する。
層状構造を有する音響光学偏向器１０は、図２ａおよび２ｂに示すように、少なくとも２つの音響光学結晶１２を含み、それらのうち、第１の音響光学結晶１２’において、第１の音響光学結晶１２’に接続された第１の電気音響変換器１４’を用いて第１の音波１５’を生成し、第２の音響光学結晶１２”において、第２の音響光学結晶１２”に接続されるとともに第１の音響光学結晶１２’と第２の音響光学結晶１２”との間に配置された第２の電気音響変換器１４”を用いて第２の音波１５”を生成する。
電気音響変換器１４’、１４”は、電気信号発生器１８によって制御され、これにより、好ましくは周期的電圧信号が、より好ましくはチャープ電圧信号が、電気信号発生器１８を用いて変換器１４’、１４”の電極２０’、２０”に送られる。個々の音響光学結晶１２’、１２”に接続された電気音響変換器１４’、１４”の同期制御によって、同期させた音波１５’、１５”を個々の音響光学結晶１２’、１２”において生成し、このとき、電気音響変換器１４’、１４”の電極２０’、２０”に送られる電圧信号の影響によって、電気音響変換器１４’、１４”の圧電板２２’、２２”は振動を開始し、この振動が、これらに接続された音響光学結晶１２’、１２”に伝わる。
図２ａは、本発明による層状構造を有する音響光学偏向器の、これを通過する光ビーム５０を１点に合焦させる制御を示している。
本実施形態の場合には、音響光学偏向器１０のアパーチャ１１全体を満たす、所望の周波数プロファイルを有する音波１５を音響光学偏向器１０において生成し、このとき、個々の音響光学結晶１２’、１２”では、所与の音響光学結晶１２’、１２”に属する電気音響変換器１４’、１４”を用いて、所与の音響光学結晶１２’、１２”に相当する音波１５部分に応じた周波数プロファイルを有する音響信号１５’、１５”を生成する。本発明の文脈において、周波数プロファイルとは、音波１５の伝搬方向に沿った音波１５の空間周波数分布を意味する。
図２ａに示す実施形態の場合には、チャープ信号の周波数プロファイルで音波１５を生成し、このとき、個々の音響光学結晶１２’、１２”では、所与の音響光学結晶１２’、１２”に属する電気音響変換器１４’、１４”を用いて、所与の音響光学結晶１２’、１２”に相当するチャープ信号の空間部分を生成する。
チャープ信号とは、その周波数が経時的に増加または減少する信号である。チャープ信号の周波数の経時変化が線形か非線形かに応じて、チャープ信号は線形または非線形のいずれかであると判断される。線形チャープ信号は、固定焦点スポットを形成するために、音響光学偏向器において使用される。特許文献１は、音響光学偏向器における非線形チャープ信号の使用について論じている。
チャープ信号の周波数プロファイルと同じ周波数プロファイルを有する音波１５が音響光学結晶１２を横切り、その結果、音響光学結晶１２において、音波１５の伝搬方向に連続的に変化する屈折率が得られる。音波１５の伝搬方向に対してある角度で、最初は平行な光ビーム５０が、チャープ信号の周波数プロファイルと同じ周波数プロファイルを有する音波１５で満たされた音響光学結晶１２を通過して出射するときには、チャープ信号の周波数が経時的に増加するか減少するかに応じて、収束するか、または発散するか、いずれかとなる。音響光学偏向器１０の変換器１４および音響アイソレータ１６は、それらに当たる光ビーム５０部分を遮るが、この遮りによって、音響光学偏向器１０を通過する光ビーム５０の輝度分布を与えるＰＳＦ（点広がり関数）の最大強度がわずかに減少するにすぎない。すなわち、この遮りは、音響光学偏向器１０を通過する光ビーム５０の焦点面に投影される強度分布には現れない。音響光学偏向器１０の外での光ビーム５０の合焦は、当業者には明らかであるように、音響光学偏向器１０の後に配置された例えばレンズまたはレンズ系（典型的には対物レンズ）である光学素子によって生じることが好ましい。音波１５が音響光学結晶１２内で伝搬するにつれて、合焦させた光ビーム５０の焦点は、直線に沿って連続的に移動する。この焦点の移動は、例えば、層状構造を有する音響光学偏向器１０を次々といくつか配置することによって補償することができ、この場合、隣接している、層状構造を有する音響光学偏向器１０において伝搬される音波１５の伝搬方向は、反対である。
図２ａに示す本発明による層状構造を有する音響光学偏向器１０の実施形態の場合には、個々の音響光学結晶１２’、１２”に接続された電気音響変換器１４’、１４”の同期制御によって、通過する光ビーム５０を、（この場合は、音響光学偏向器１０の後に配置されたレンズまたはレンズ系を伴って）個々の音響光学結晶１２’、１２”を用いて１点に合焦させる。音響光学結晶１２の間に配置される電気音響変換器１４の厚さは、通過する光ビーム５０の遮りを最小限とするために、１００μｍ未満であることが好ましいが、当然のことながら、音響光学結晶１２の間に配置される電気音響変換器１４の厚さが１００μｍよりも大きい実施形態も想定できる。よって、音響アイソレータ１６の厚さも最小限とすることが企図される。
電気音響変換器１４の効率は、通常、最大周波数ｆｍａｘと最小周波数ｆｍｉｎによって規定される周波数範囲において最適であり、すなわち、音波１５を生成するのに最も適しているは、この範囲においてである。周波数ｆｍｉｎおよびｆｍａｘは、その周波数ｆｍｉｎおよびｆｍａｘで変換器１４によって生成される出力が、変換器１４に供給される電力の半分まで低下するように、すなわち、周波数ｆｍｉｎとｆｍａｘの間での変換器の出力が５０％より高いように、与えることができる。チャープ信号の場合には、電気音響変換器１４によって生成される音波１５の周波数が連続的に変化することによって、音波１５の周波数は、しばらくすると必然的に周波数範囲の限界の１つに達することになる。この場合、音波１５の励起は中断されることになり、そして使用できる周波数範囲内の周波数で励起を再開して、新たな音波１５を生成することができる。音波１５の励起が中断されると、音響光学結晶１２を通過する光ビーム５０の合焦も中断される。新たな音波１５の生成に伴って、すなわち音響光学結晶１２を完全に満たすことによって、再び光ビーム５０を合焦させる。従って、光ビーム５０の焦点の崩壊から再び光ビーム５０全体を完全に合焦させるまでの経過時間は、新たな音波１５が音響光学結晶１２を満たすのに要する時間量によって決まる。
Ｎ個の音響光学結晶１２を含む層状構造を有する音響光学偏向器１０の好ましい実施形態の場合には、個々の音響光学結晶１２を分離する音響アイソレータ１６が互いから同じ距離ｄに配置されており、音響光学偏向器１０のアパーチャ１１全体にわたる音波１５は、単一の（分割されていない）音響光学結晶１２を含んで同じアパーチャ１１を有する音響光学偏向器と比較して、１／Ｎの時間で構築される。従って、Ｎ個の音響光学結晶１２を含む音響光学偏向器１０の場合には、光ビーム５０の焦点の崩壊からその再合焦までの経過時間は、単一の音響光学結晶１２を含んで同じサイズのアパーチャを有する音響光学偏向器と比較して、１／Ｎまで減少する。
図３ａには、音響光学結晶１２’、１２”において生成される音波１５の、図２ａによる実施形態の場合の層状構造を有する音響光学偏向器１０のアパーチャ１１全体にわたる空間周波数分布を示している。
本実施形態の場合に、このようにして生成される音波１５に関して、互いに同じ距離にある任意の２点で測定される周波数差は一定となり、すなわち、（変換器１４および音響アイソレータ１６の位置に途切れを有する）距離−周波数関数に、連続線形関数を当てはめることができる。当然のことながら、他の制御方式によって、（例えば、焦点を所与の軌道で移動させるために）非線形周波数関数を構築してよい。
本発明による層状構造を有する音響光学偏向器１０の他の実施形態の断面図を、図２ｂに示しており、この場合、光ビーム５０を複数点に合焦させ、さらに必要に応じて、層状構造を有する音響光学偏向器１０から様々に異なる距離（深さ）で合焦させる。この場合は、音響光学偏向器１０の後に配置されたレンズまたはレンズ系を用いて合焦させることができる。
本実施形態の場合には、複数のチャープ信号で構成される周波数プロファイルで、音波１５を生成して、層状構造を有する音響光学偏向器１０のアパーチャ１１を通過する光波を複数点に合焦させ、このとき、個々の音響光学結晶１２’、１２”では、所与の音響光学結晶１２’、１２”に属する電気音響変換器１４’、１４”を用いて、所与の音響光学結晶１２’、１２”に相当するチャープ信号の所与の空間部分を生成する（図３ｂを参照）。
層状構造を有する音響光学偏向器１０において、いくつかの音響光学結晶１２’、１２”で生成されるチャープ信号によって、層状構造を有する音響光学偏向器１０を通過する光ビーム５０をいくつかの位置で合焦させ、すなわち、個々の音響光学結晶１２’、１２”に接続された変換器１４’、１４”の同期制御によって、個々の音響光学結晶１２’、１２”を用いて（それらのビーム部分を、ビーム部分の数と同数の点に合焦させることで）、通過する光ビーム５０を少なくとも２点に合焦させる。
好ましい実施形態の場合には、層状構造を有する音響光学偏向器１０の音響光学結晶１２のそれぞれによって、それを通過する光ビーム５０部分を異なる点に合焦させるようにして、光ビーム５０を複数点に合焦させることができる。当然のことながら、層状構造を有する音響光学偏向器１０におけるいくつかの（隣接または非隣接）音響光学結晶１２によって光ビーム５０の一部を合焦させ、その音響光学偏向器１０におけるその他の音響光学結晶１２によって他の点に合焦させる実施形態を想定することができる。また、入射光ビーム５０を、音響光学偏向器１０の結晶１２によって２つより多くのビームに分割して、２つより多くの点に合焦させることも想定できる。
添付の請求項によって定められる保護範囲から逸脱することなく、上記で開示した実施形態の種々の変形が当業者には明らかであろう。
本発明の主題は、層状構造を有する音響光学偏向器に関する。
本発明の主題は、さらに、音響光学偏向器を用いて光ビームを偏向させる方法に関する。
近年、神経活動の３次元検査のための様々な光学的方法が開発されているが、それらのうちのごく少数のみが走査速度の要件を満たし、それらのうちの一部のみが、脳組織のより深部領域を検査するのに適している（非特許文献１、非特許文献２、非特許文献３、非特許文献４）。
既存のソリューションのうち、音響光学技術では、検査ボリュームにおける関心点の事前選択を可能として、所与のボリューム中の要素をすべて測定する必要はないようにすることで、最高走査速度が確保される。
２光子顕微鏡法では、組織のより深部領域を検査することが可能となる。高ボリューム分解能の２光子顕微鏡法で使用される音響光学偏向器は、偏向器を横切る音波によって形成される光学格子の分解能が偏向器のアパーチャのサイズに正比例するので、大きいアパーチャ（１５〜１７ｍｍ）を有していなければならない。
「インビボ」測定では、測定中の試料の動きを考慮して、この動きを補正することが特に重要である。測定値を後ほど補正するためには、測定対象点の周囲について記録することも必要となるが、これによって、時間分解能は著しく低下することになる。音響光学偏向器の切り替え時間によって、すなわち偏向器のアパーチャを横切る音波の伝搬時間によって、走査速度の向上に制限が課される。音波の伝搬時間を短縮することは、音波の進行路の長さを短縮することによってのみ、すなわち偏向器のアパーチャのサイズを縮小することによってのみ可能であるが、これはボリューム分解能の低下につながることになる。
国際公開第２０１３／１０２７７１号
Ｇ．Ｋａｔｏｎａ等著「Ｒｏｌｌｅｒ Ｃｏａｓｔｅｒ Ｓｃａｎｎｉｎｇ ｒｅｖｅａｌｓ ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ ｔｒｉｇｇｅｒｉｎｇ ｏｆ ｄｅｎｄｒｉｔｉｃ ｓｐｉｋｅｓ ｉｎ ＣＡ１ ｉｎｔｅｒｎｅｕｒｏｎｓ」Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｕｎｉｔｅｄ Ｓｔａｔｅｓ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ，Ｖｏｌ．１０８，２１４８〜２１５３頁，２０１１年 Ｖ．Ｎｉｋｏｌｅｎｋｏ等著「ＳＬＭ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ： Ｓｃａｎｌｅｓｓ Ｔｗｏ−Ｐｈｏｔｏｎ Ｉｍａｇｉｎｇ ａｎｄ Ｐｈｏｔｏｓｔｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ Ｓｐａｔｉａｌ Ｌｉｇｈｔ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒｓ」Ｆｒｏｎｔｉｅｒｓ ｉｎ ｎｅｕｒａｌ ｃｉｒｃｕｉｔｓ，Ｖｏｌ．２（５），２００８年 Ｔ．Ｆ．Ｈｏｌｅｋａｍｐ，Ｄ．Ｔｕｒａｇａ，Ｔ．Ｅ．Ｈｏｌｙ著「Ｆａｓｔ ｔｈｒｅｅ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ ｉｍａｇｉｎｇ ｏｆ ａｃｔｉｖｉｔｙ ｉｎ ｎｅｕｒａｌ ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎｓ ｂｙ ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ−ｃｏｕｐｌｅｄ ｐｌａｎａｒ ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ」Ｎｅｕｒｏｎ，Ｖｏｌ．５７，６６１〜６７２頁，２００８年 Ｅ．Ｊ．Ｂｏｔｃｈｅｒｂｙ等著「Ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ−ｆｒｅｅ ｔｈｒｅｅ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｍｕｌｔｉｐｈｏｔｏｎ ｉｍａｇｉｎｇ ｏｆ ｎｅｕｒｏｎａｌ ａｃｔｉｖｉｔｙ ａｔ ｋＨｚ ｒａｔｅｓ」Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｕｎｉｔｅｄ Ｓｔａｔｅｓ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ，Ｖｏｌ．１０９，２９１９〜２９２４頁，２０１２年
本発明の目的は、現状技術による欠点が解消された音響光学偏向器、および光ビームを偏向させる方法を提供することである。偏向とは、ビームの何らかの部分の偏向をも意味し、ひいては、ビームを合焦させること、または偏向器の後に配置されたレンズもしくはレンズ系を用いて合焦させ得る分散ビームの形成をも意味する。
本発明は、いくつかの音響光学結晶、および個々の音響光学結晶に接続された電気音響変換器をセットアップすることによって、音響光学偏向器の切り替え時間は短縮され得るという認識に基づくものである。さらに、本発明者らが認識したことは、個々の音響光学結晶に接続された変換器の同期制御によって、音響光学偏向器を通過する光ビームを、１点または複数点にも合焦させ得るということである。
上記目的は、添付の請求項による音響光学偏向器および方法によって達成される。
本発明のさらなる効果的な実施形態は、添付の従属請求項で規定している。
本発明についてのさらなる詳細は、添付の図面および例示的な実施形態から明らかになるであろう。
本発明による層状構造を有する音響光学偏向器の例示的な実施形態の概略図を示している。 例示的な電気音響変換器の例示的な実施形態の概略断面図を示している。 光ビームを１点に合焦させることを示した、動作中の、本発明による層状構造を有する音響光学偏向器の一実施形態の概略断面図を示している。 光ビームを複数点に合焦させることを示した、動作中の、本発明による層状構造を有する音響光学偏向器の一実施形態の概略断面図を示している。 図２ａによる層状構造を有する音響光学偏向器で生成される音波の周波数の距離依存性を示している。 図２ｂによる層状構造を有する音響光学偏向器で生成される音波の周波数の距離依存性を示している。
本発明による層状構造を有する音響光学偏向器１０の例示的な実施形態の概略図を図１ａに示している。層状構造を有する音響光学偏向器１０は、例示目的で円によって示すアパーチャ１１を有している。層状構造を有する音響光学偏向器１０は、少なくとも２個の、好ましくは数個の、より好ましくは３〜６個の結晶１２を含むことが好ましく、これらにより、アパーチャ１１は厚さｄの帯状域に分割される。結晶１２の厚さｄは、（図１に示すように）同一であるか、または異なるか、いずれかである。結晶１２は、好ましくは、機械的ストレスの影響によって屈折率が変化している（ＴｅＯ２、ＬｉＮｂＯ３のような）単結晶で構成することができる。結晶１２の各々には、音波を生成するのに適した少なくとも１つの電気音響変換器１４が接続されるとともに、隣接する音響光学結晶１２は、音響アイソレータ１６によって互いに分離されている。この場合には、結晶１２の側面に圧電結晶を接着してから、所望の厚さが得られるまで、その圧電結晶を徐々に研削していくことによって、変換器１４の振動子（以下を参照）を構築することができる。本発明による層状構造を有する音響光学偏向器１０の変換器１４には、さらに、１つ以上の電気信号発生器１８が接続される。
好ましくは、各々の変換器１４が結晶１２に接続されることで、その中で音波の生成が可能であり、このとき、隣接する別の結晶１２から、この場合には音響アイソレータ１６によって分離されることで、その変換器によって別の結晶においても音波が生成されることを防いでいる。これは、図１に示す実施形態の場合には、例えば、第１の音響光学結晶１２’と隣接する第２の音響光学結晶１２”との間で、第１の音響光学結晶１２’に接続された電気音響変換器１４が、第１の音響光学結晶１２’と第２の音響光学結晶１２”との間に配置されるとともに、第１の音響光学結晶１２’と第２の音響光学結晶１２”との間の音響アイソレータが、電気音響変換器１４と第２の音響光学結晶１２”との間に配置されることを意味する。
層状構造を有する音響光学偏向器１０の好ましい実施形態の場合には、それらの音響光学結晶１２に接続された電気音響変換器１４はいずれも、２つの電極２０ａ、２０ｂと、それらの間に配置された圧電板２２と、を含む（図１ｂを参照）ことが好ましく、その場合、２つの電極２０ａ、２０ｂのうち、電極２０ａは、圧電板２２の振動を伝えるため、ひいては結晶１２において音波を生成するために適切であるように、結晶１２に接続される。例えば、電極２０ａを形成する金属層は、アブレーション（蒸着）を用いて、結晶１２の適切な表面に付与することができる。２つの電極２０ａ、２０ｂのうちの少なくとも１つは、変換器１４を制御する電気信号発生器１８に接続される。好ましくは、それらの変換器１４は、互いに独立に、個別に制御することができる。
圧電板２２は、（石英、トルマリンのような）特殊材料で構成された板であり、電場をかけると、その表面は変形して、一方向に伸張するとともに他方向に収縮する。
電気信号発生器を介して電極２０ａ、２０ｂに接続される電圧を周期的に変化させることによって、圧電板２２を周期的に振動させることができる。圧電板２２は、その周期的振動を、電極２０ａに接続された音響光学結晶１２に対して電極２０ａを介して伝達し、この影響によって、伝達された振動の周期と同じ周期の音波１５が音響光学結晶１２において生成される。
本発明による層状構造を有する音響光学偏向器１０の例示的な実施形態の場合には、隣接する音響光学結晶１２の間に音響アイソレータが配置されており、それは、好ましくは蒸発金属および空気で構成することができる。
好ましい実施形態の場合には、音響アイソレータ１６は、空隙および／または真空空間を含む。電気音響変換器１４によって生成された音波１５は、空気のような希薄ガスで満たされた空隙内または真空空間内では、基本的に伝搬することが不可能であり、このため、音響光学結晶１２内を伝搬する音波１５が、音響アイソレータ１６によって分離された隣接する音響光学結晶１２内に広がることを防ぐことができる。
以下では、本発明による層状構造を有する音響光学偏向器１０の使用方法、すなわち層状構造を有する音響光学偏向器１０を用いて光ビーム５０を偏向させる手順を、上記の例示的な要素を参照して提示する。
層状構造を有する音響光学偏向器１０は、図２ａおよび２ｂに示すように、少なくとも２つの音響光学結晶１２を含み、それらのうち、第１の音響光学結晶１２’において、第１の音響光学結晶１２’に接続された第１の電気音響変換器１４’を用いて第１の音波１５’を生成し、第２の音響光学結晶１２”において、第２の音響光学結晶１２”に接続されるとともに第１の音響光学結晶１２’と第２の音響光学結晶１２”との間に配置された第２の電気音響変換器１４”を用いて第２の音波１５”を生成する。
電気音響変換器１４’、１４”は、電気信号発生器１８によって制御され、これにより、好ましくは周期的電圧信号が、より好ましくはチャープ電圧信号が、電気信号発生器１８を用いて変換器１４’、１４”の電極２０’、２０”に送られる。個々の音響光学結晶１２’、１２”に接続された電気音響変換器１４’、１４”の同期制御によって、同期させた音波１５’、１５”を個々の音響光学結晶１２’、１２”において生成し、このとき、電気音響変換器１４’、１４”の電極２０’、２０”に送られる電圧信号の影響によって、電気音響変換器１４’、１４”の圧電板２２’、２２”は振動を開始し、この振動が、これらに接続された音響光学結晶１２’、１２”に伝わる。
図２ａは、本発明による層状構造を有する音響光学偏向器の、これを通過する光ビーム５０を１点に合焦させる制御を示している。
本実施形態の場合には、音響光学偏向器１０のアパーチャ１１全体を満たす、所望の周波数プロファイルを有する音波１５を音響光学偏向器１０において生成し、このとき、個々の音響光学結晶１２’、１２”では、所与の音響光学結晶１２’、１２”に属する電気音響変換器１４’、１４”を用いて、所与の音響光学結晶１２’、１２”に相当する音波１５部分に応じた周波数プロファイルを有する音響信号１５’、１５”を生成する。本発明の文脈において、周波数プロファイルとは、音波１５の伝搬方向に沿った音波１５の空間周波数分布を意味する。
図２ａに示す実施形態の場合には、チャープ信号の周波数プロファイルで音波１５を生成し、このとき、個々の音響光学結晶１２’、１２”では、所与の音響光学結晶１２’、１２”に属する電気音響変換器１４’、１４”を用いて、所与の音響光学結晶１２’、１２”に相当するチャープ信号の空間部分を生成する。
チャープ信号とは、その周波数が経時的に増加または減少する信号である。チャープ信号の周波数の経時変化が線形か非線形かに応じて、チャープ信号は線形または非線形のいずれかであると判断される。線形チャープ信号は、固定焦点スポットを形成するために、音響光学偏向器において使用される。特許文献１は、音響光学偏向器における非線形チャープ信号の使用について論じている。
チャープ信号の周波数プロファイルと同じ周波数プロファイルを有する音波１５が音響光学結晶１２を横切り、その結果、音響光学結晶１２において、音波１５の伝搬方向に連続的に変化する屈折率が得られる。音波１５の伝搬方向に対してある角度で、最初は平行な光ビーム５０が、チャープ信号の周波数プロファイルと同じ周波数プロファイルを有する音波１５で満たされた音響光学結晶１２を通過して出射するときには、チャープ信号の周波数が経時的に増加するか減少するかに応じて、収束するか、または発散するか、いずれかとなる。音響光学偏向器１０の変換器１４および音響アイソレータ１６は、それらに当たる光ビーム５０部分を遮るが、この遮りによって、音響光学偏向器１０を通過する光ビーム５０の輝度分布を与えるＰＳＦ（点広がり関数）の最大強度がわずかに減少するにすぎない。すなわち、この遮りは、音響光学偏向器１０を通過する光ビーム５０の焦点面に投影される強度分布には現れない。音響光学偏向器１０の外での光ビーム５０の合焦は、当業者には明らかであるように、音響光学偏向器１０の後に配置された例えばレンズまたはレンズ系（典型的には対物レンズ）である光学素子によって生じることが好ましい。音波１５が音響光学結晶１２内で伝搬するにつれて、合焦させた光ビーム５０の焦点は、直線に沿って連続的に移動する。この焦点の移動は、例えば、層状構造を有する音響光学偏向器１０を次々といくつか配置することによって補償することができ、この場合、隣接している、層状構造を有する音響光学偏向器１０において伝搬される音波１５の伝搬方向は、反対である。
図２ａに示す本発明による層状構造を有する音響光学偏向器１０の実施形態の場合には、個々の音響光学結晶１２’、１２”に接続された電気音響変換器１４’、１４”の同期制御によって、通過する光ビーム５０を、（この場合は、音響光学偏向器１０の後に配置されたレンズまたはレンズ系を伴って）個々の音響光学結晶１２’、１２”を用いて１点に合焦させる。音響光学結晶１２の間に配置される電気音響変換器１４の厚さは、通過する光ビーム５０の遮りを最小限とするために、１００μｍ未満であることが好ましいが、当然のことながら、音響光学結晶１２の間に配置される電気音響変換器１４の厚さが１００μｍよりも大きい実施形態も想定できる。よって、音響アイソレータ１６の厚さも最小限とすることが企図される。
電気音響変換器１４の効率は、通常、最大周波数ｆｍａｘと最小周波数ｆｍｉｎによって規定される周波数範囲において最適であり、すなわち、音波１５を生成するのに最も適しているは、この範囲においてである。周波数ｆｍｉｎおよびｆｍａｘは、その周波数ｆｍｉｎおよびｆｍａｘで変換器１４によって生成される出力が、変換器１４に供給される電力の半分まで低下するように、すなわち、周波数ｆｍｉｎとｆｍａｘの間での変換器の出力が５０％より高いように、与えることができる。チャープ信号の場合には、電気音響変換器１４によって生成される音波１５の周波数が連続的に変化することによって、音波１５の周波数は、しばらくすると必然的に周波数範囲の限界の１つに達することになる。この場合、音波１５の励起は中断されることになり、そして使用できる周波数範囲内の周波数で励起を再開して、新たな音波１５を生成することができる。音波１５の励起が中断されると、音響光学結晶１２を通過する光ビーム５０の合焦も中断される。新たな音波１５の生成に伴って、すなわち音響光学結晶１２を完全に満たすことによって、再び光ビーム５０を合焦させる。従って、光ビーム５０の焦点の崩壊から再び光ビーム５０全体を完全に合焦させるまでの経過時間は、新たな音波１５が音響光学結晶１２を満たすのに要する時間量によって決まる。
Ｎ個の音響光学結晶１２を含む層状構造を有する音響光学偏向器１０の好ましい実施形態の場合には、個々の音響光学結晶１２を分離する音響アイソレータ１６が互いから同じ距離ｄに配置されており、音響光学偏向器１０のアパーチャ１１全体にわたる音波１５は、単一の（分割されていない）音響光学結晶１２を含んで同じアパーチャ１１を有する音響光学偏向器と比較して、１／Ｎの時間で構築される。従って、Ｎ個の音響光学結晶１２を含む音響光学偏向器１０の場合には、光ビーム５０の焦点の崩壊からその再合焦までの経過時間は、単一の音響光学結晶１２を含んで同じサイズのアパーチャを有する音響光学偏向器と比較して、１／Ｎまで減少する。
図３ａには、音響光学結晶１２’、１２”において生成される音波１５の、図２ａによる実施形態の場合の層状構造を有する音響光学偏向器１０のアパーチャ１１全体にわたる空間周波数分布を示している。
本実施形態の場合に、このようにして生成される音波１５に関して、互いに同じ距離にある任意の２点で測定される周波数差は一定となり、すなわち、（変換器１４および音響アイソレータ１６の位置に途切れを有する）距離−周波数関数に、連続線形関数を当てはめることができる。当然のことながら、他の制御方式によって、（例えば、焦点を所与の軌道で移動させるために）非線形周波数関数を構築してよい。
本発明による層状構造を有する音響光学偏向器１０の他の実施形態の断面図を、図２ｂに示しており、この場合、光ビーム５０を複数点に合焦させ、さらに必要に応じて、層状構造を有する音響光学偏向器１０から様々に異なる距離（深さ）で合焦させる。この場合は、音響光学偏向器１０の後に配置されたレンズまたはレンズ系を用いて合焦させることができる。
本実施形態の場合には、複数のチャープ信号で構成される周波数プロファイルで、音波１５を生成して、層状構造を有する音響光学偏向器１０のアパーチャ１１を通過する光波を複数点に合焦させ、このとき、個々の音響光学結晶１２’、１２”では、所与の音響光学結晶１２’、１２”に属する電気音響変換器１４’、１４”を用いて、所与の音響光学結晶１２’、１２”に相当するチャープ信号の所与の空間部分を生成する（図３ｂを参照）。
層状構造を有する音響光学偏向器１０において、いくつかの音響光学結晶１２’、１２”で生成されるチャープ信号によって、層状構造を有する音響光学偏向器１０を通過する光ビーム５０をいくつかの位置で合焦させ、すなわち、個々の音響光学結晶１２’、１２”に接続された変換器１４’、１４”の同期制御によって、個々の音響光学結晶１２’、１２”を用いて（それらのビーム部分を、ビーム部分の数と同数の点に合焦させることで）、通過する光ビーム５０を少なくとも２点に合焦させる。
好ましい実施形態の場合には、層状構造を有する音響光学偏向器１０の音響光学結晶１２のそれぞれによって、それを通過する光ビーム５０部分を異なる点に合焦させるようにして、光ビーム５０を複数点に合焦させることができる。当然のことながら、層状構造を有する音響光学偏向器１０におけるいくつかの（隣接または非隣接）音響光学結晶１２によって光ビーム５０の一部を合焦させ、その音響光学偏向器１０におけるその他の音響光学結晶１２によって他の点に合焦させる実施形態を想定することができる。また、入射光ビーム５０を、音響光学偏向器１０の結晶１２によって２つより多くのビームに分割して、２つより多くの点に合焦させることも想定できる。
添付の請求項によって定められる保護範囲から逸脱することなく、上記で開示した実施形態の種々の変形が当業者には明らかであろう。

Claims (14)

  1. 層状構造を有する音響光学偏向器（１０）であって、少なくとも２つの音響光学結晶（１２）を含み、前記音響光学結晶の各々に少なくとも１つの電気音響変換器（１４）が接続されるとともに、隣接する前記結晶（１２）は、音響アイソレータ（１６）によって分離されている、ことを特徴とする音響光学偏向器。
  2. 第１と第２の隣接する音響光学結晶（１２’，１２”）を含み、前記音響光学結晶のうちの前記第２の音響光学結晶（１２”）に接続された前記電気音響変換器（１４”）は、前記第１と第２の音響光学結晶（１２’，１２”）の間に配置されており、前記第１と第２の音響光学結晶の間の前記音響アイソレータ（１６）は、前記変換器（１４”）と前記第１の音響光学結晶（１２’）との間に配置されている、ことを特徴とする、請求項１に記載の音響光学偏向器。
  3. 前記少なくとも２つの変換器（１４’，１４”）は、互いに独立に制御可能であることを特徴とする、請求項１または２に記載の音響光学偏向器。
  4. 前記音響光学結晶（１２’，１２”）に接続された前記少なくとも２つの電気音響変換器（１４’，１４”）は、２つの電極（２０）と、前記２つの電極の間に配置された圧電板（２２）とを有し、前記２つの電極のうちの一方の電極（２０ａ）は、前記音響光学結晶（１２）に接続されている、ことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の音響光学偏向器。
  5. 前記音響光学結晶（１２’，１２”）の間に配置された前記変換器（１４”）の厚さは、１００μｍ未満であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の音響光学偏向器。
  6. 前記２つの電極（２０）のうちの少なくとも一方の電極（２０ａ、２０ｂ）は、前記変換器（１４）を制御する電気信号発生器（１８）に接続されていることを特徴とする、請求項４または５に記載の音響光学偏向器。
  7. 前記音響アイソレータ（１６）は、ブランキング信号を生成する第２の電気音響変換器（１４ａ）を有することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の音響光学偏向器。
  8. 前記音響アイソレータ（１６）は、空隙および／または真空空間を有することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の音響光学偏向器。
    (請求項８)
    音響光学偏向器（１０）を用いて光ビームを偏向させる方法であって、前記音響光学偏向器（１０）は、少なくとも２つの音響光学結晶（１２’，１２”）を含み、前記音響光学結晶のうち、第１の音響光学結晶（１２’）において、前記第１の音響光学結晶（１２’）に接続された第１の電気音響変換器（１４’）を用いて第１の音波（１５’）を生成し、第２の音響光学結晶（１２”）において、前記第２の音響光学結晶（１２”）に接続されるとともに前記第１の音響光学結晶（１２’）と前記第２の結晶（１２”）との間に配置された第２の電気音響変換器（１４”）を用いて第２の音波（１５”）を生成する、ことを特徴とする方法。
  9. 個々の前記音響光学結晶（１２’，１２”）に接続された前記電気音響変換器（１４’，１４”）の同期制御によって、個々の前記音響光学結晶（１２’，１２”）において同期的に音波（１５’、１５”）を生成することを特徴とする、請求項７に記載の方法。
  10. 個々の前記結晶（１２’，１２”）に接続された前記電気音響変換器（１４’，１４”）の同期制御によって、個々の前記音響光学結晶を用いて前記光ビーム（５０）を１点に合焦させることを特徴とする、請求項７または８に記載の方法。
  11. 個々の前記結晶（１２’，１２”）に接続された前記電気音響変換器（１４’，１４”）の同期制御によって、個々の前記音響光学結晶（１２’，１２”）を用いて前記光ビーム（５０）を少なくとも２点に合焦させることを特徴とする、請求項７または８に記載の方法。
  12. 前記音響光学偏向器（１０）において、前記音響光学偏向器（１０）のアパーチャ（１１）全体を満たす所望の周波数プロファイルを有する音波（１５）を生成し、このとき、個々の前記音響光学結晶（１２）では、所与の音響光学結晶（１２）に属する前記電気音響変換器（１４）を用いて、所与の音響光学結晶（１２）に相当する前記音波（１５）の空間部分を生成する、ことを特徴とする、請求項７〜１０のいずれか１項に記載の方法。
  13. 個々の前記音響光学結晶（１２）において、所与の音響光学結晶（１２）に属する前記電気音響変換器（１４）を用いて、所与の音響光学結晶（１２）に相当するチャープ信号の空間部分を生成することによって、前記チャープ信号に対応した周波数プロファイルを有する音波（１５）を生成することを特徴とする、請求項７〜９または１１のいずれか１項に記載の方法。
  14. 個々の前記音響光学結晶（１２）において、所与の音響光学結晶（１２）に属する前記電気音響変換器（１４）を用いて、所与の音響光学結晶（１２）に相当する前記チャープ信号の所与の空間部分を生成することによって、複数のチャープ信号で構成される周波数プロファイルを有する音波（１５）を生成して、前記音響光学偏向器（１０）の前記アパーチャ（１１）を通過する前記光ビーム（５０）を複数点に合焦させる、ことを特徴とする、請求項８または９または１０または１１のいずれか１項に記載の方法。
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