TWI674470B - 具有多個輸出光束之聲光偏光器 - Google Patents

具有多個輸出光束之聲光偏光器 Download PDF

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Abstract

一種光學設備包含一聲光介質及附接至該聲光介質之多個壓電換能器之一陣列。一驅動電路經耦合以將各別驅動信號施加至該等壓電換能器，在該多個壓電換能器中之每一者處，該等各別驅動信號至少包含處於不同各別第一及第二頻率之第一及第二頻率分量且針對該等第一及第二頻率分量具有不同各別相位偏移。

Description

具有多個輸出光束之聲光偏光器
本發明一般而言係關於光學裝置及系統，且特定而言係關於聲光裝置。
聲光裝置使用音波來使光繞射。在此種類之一典型裝置中，將一換能器(諸如一壓電換能器)附接至一聲光介質(通常一適合透明晶體或玻璃)。換能器由一電信號驅動以在一特定頻率下振動，且因此在聲光介質中形成音波。由於該等音波之聲光介質之膨脹及壓縮調變局部折射率且因此在介質內形成具有由驅動信號之頻率判定之一週期之一光柵結構。入射於此光柵上之一光束將因此在其通過裝置時繞射。
各種類型之聲光裝置係為此項技術中所已知。舉例而言，聲光偏光器使用入射光束之繞射來操縱輸出光束之角度。輸出光束之偏光角度取決於聲光材料中之光柵結構之週期且可因此藉由適當地變化驅動信號頻率而調整。
可利用一多頻率驅動信號驅動聲光偏光器以便將入射光束繞射成以不同各別角度之多個輸出光束。舉例而言，由Hecht在以引用之方式併入本文中之「Multifrequency Acoustooptic Diffraction」(IEEE聲學及超聲學會刊(IEEE Transactions on Sonics and Ultrasonics)，SU-24，第7頁至第18頁(1977))中及由Antonov等人在同樣以引用之方式併 入本文中之「Efficient Multiple-Beam Bragg Acoustooptic Diffraction with Phase Optimization of a Multifrequency Acoustic Wave」(技術物理學(Technical Physics)，52：8，第1053頁至第1060頁(2007))中闡述此種類之多頻率驅動之進一步細節。
亦已在專利文獻中闡述具有多個輸出光束之聲光裝置。舉例而言，美國專利第5,890,789號闡述一種多光束發射裝置，該多光束發射裝置利用具有不同頻率之複數個電信號進行驅動、使用一光學波導類型聲光元件或諸如此類來將自一光源發射之一光束分裂成複數個光束。作為另一實例，美國專利申請公開案第2009/0073544號闡述一種用於光學分裂及單色相干電磁輻射之調變之裝置，其中一聲光元件將由一光束源產生之光束分裂成若干個部分光束。安置於聲光元件之下游之一聲光調變器被饋送分裂之部分光束且利用額外高頻率電信號進行驅動。
作為又另一實例，美國專利第5,255,257號闡述一種電子電路，該電子電路據稱允許一聲光偏光器在高功率位準下用於多頻率模式(每一頻率之間具有一最小量之相互調變)中。藉由精確控制相對於一共同參考頻率之每一單獨頻率之個別定相而達成多個單獨信號頻率之間的干擾之減小。亦控制每一頻率之相對相位使得針對呈現給聲光偏光器之經組合信號達成一低最大功率而無需降低多個信號頻率之總體平均功率。
本發明之實施例提供用於光學偏光之經改良裝置及方法。
因此，根據本發明之一實施例提供一種光學設備，其包含一聲光介質及附接至該聲光介質之多個壓電換能器之一陣列。一驅動電路經耦合以將各別驅動信號施加至該等壓電換能器，在該多個壓電換能器中之每一者處，該等各別驅動信號至少包含處於不同各別第一及第 二頻率之第一及第二頻率分量且針對該等第一及第二頻率分量具有不同各別相位偏移。
通常，在該等第一及第二頻率下之該等各別相位偏移經選擇使得處於該等第一及第二頻率之聲波以不同各別第一及第二波前角度傳播穿過該聲光介質。在一所揭示實施例中，該聲光介質經組態以接收一輸入輻射光束且將該輸入光束分裂成處於由該等第一及第二頻率判定之各別第一及第二光束角度之至少第一及第二輸出光束，且其中該等第一及第二波前角度經選擇以便滿足在該等第一及第二光束角度下之各別布拉格(Bragg)條件。
在某些實施例中，由該驅動電路施加之該等驅動信號進一步包含處於一第三頻率、具有不同於該等第一及第二頻率分量之一相位偏移之至少一第三頻率分量。該至少第一、第二及第三頻率可界定一哥倫布(Golomb)尺。
在一所揭示實施例中，由該驅動電路施加之該等驅動信號進一步包含一或多個諧波頻率分量，該一或多個諧波頻率分量具有經選擇以便消除在該聲光介質中由於該等第一及第二頻率分量中之至少一者而在該等第一及第二頻率中之至少一者之一倍數下產生之諧波之各別振幅及相位。
在某些實施例中，該設備包含一輻射源，該輻射源經組態以引導一輸入輻射光束入射於該聲光介質上之，其中該聲光介質經組態以將該輸入光束分裂成處於由該至少第一及第二頻率分量之該等各別頻率判定之各別光束角度之多個輸出光束。該等驅動信號之該至少第一及第二頻率分量具有經選擇使得該多個輸出光束具有相等各別強度之不同各別振幅。
根據本發明之一實施例亦提供一種光學設備，其包含經組態以接收一輸入輻射光束之一聲光介質及附接至該聲光介質之至少一個壓 電換能器。一驅動電路經耦合以將一驅動信號施加至該至少一個壓電換能器，該驅動信號包含具有各別頻率之至少三個頻率分量，該等各別頻率界定一哥倫布尺且經選擇以便致使該聲光介質將該輸入光束分裂成處於由該等各別頻率判定之各別光束角度之多個輸出光束。
由該驅動電路施加之該驅動信號可進一步包含一或多個諧波頻率分量，該一或多個諧波頻率分量具有經選擇以便消除在該聲光介質中在該至少三個頻率分量之該等各別頻率中之至少一者之一倍數下產生之諧波之各別振幅及相位。另外或另一選擇係，該驅動信號之該至少三個頻率分量具有經選擇使得該多個輸出光束具有相等各別強度之不同各別振幅。
根據本發明之一實施例另外提供一種光學設備，其包含經組態以接收一輸入輻射光束之一聲光介質及附接至該聲光介質之至少一個壓電換能器。一驅動電路經耦合以將一驅動信號施加至該至少一個壓電換能器，該驅動信號包含多個頻率分量，該多個頻率分量至少包含：處於各別第一及第二基本頻率之第一及第二基本分量，該等各別第一及第二基本頻率經選擇以便致使該聲光介質將該輸入光束分裂成處於由該等第一及第二基本頻率判定之各別光束角度之第一及第二輸出光束；及一或多個諧波頻率分量，其具有經選擇以便消除該聲光介質中之處於該等基本頻率之各別倍數之諧波之各別振幅及相位。
根據本發明之一實施例進一步提供一種光學方法，其包含引導一輸入輻射光束入射於一聲光介質上，多個壓電換能器之一陣列附接至該聲光介質。將各別驅動信號施加至該等壓電換能器，在該多個壓電換能器中之每一者處，該等各別驅動信號至少包含處於不同各別第一及第二頻率之第一及第二頻率分量且針對該等第一及第二頻率分量具有不同各別相位偏移，以便致使該聲光介質將該輸入光束分裂成處於由該等各別第一及第二頻率判定之各別光束角度之至少第一及第二 輸出光束。
根據本發明之一實施例此外提供一種光學方法，其包含引導一輸入輻射光束入射於一聲光介質上，至少一個壓電換能器附接至該聲光介質。將一驅動信號施加至該至少一個壓電換能器，該驅動信號包含具有各別頻率之至少三個頻率分量，該等各別頻率界定一哥倫布尺且經選擇以便致使該聲光介質將該輸入光束分裂成處於由該等各別頻率判定之各別光束角度之多個輸出光束。
根據本發明之一實施例此外提供一種光學方法，其包含引導一輸入輻射光束入射於一聲光介質上，至少一個壓電換能器附接至該聲光介質。將一驅動信號施加至該至少一個壓電換能器，該驅動信號包含多個頻率分量，該多個頻率分量至少包含：處於各別第一及第二基本頻率之第一及第二基本分量，該等各別第一及第二基本頻率經選擇以便致使該聲光介質將該輸入光束分裂成處於由該等第一及第二基本頻率判定之各別光束角度之第一及第二輸出光束；及一或多個諧波頻率分量，其具有經選擇以便消除該聲光介質中之處於該等基本頻率之各別倍數之諧波之各別振幅及相位。
依據本發明之實施例之以下詳細說明連同圖式將更全面地理解本發明，其中：
1‧‧‧點
2‧‧‧點
20‧‧‧多光束偏光系統/系統
22‧‧‧雷射
23‧‧‧單個輸入光束/輸入光束
24‧‧‧聲光偏光器/偏光器
26‧‧‧壓電換能器/換能器
28‧‧‧驅動電路/電路/驅動器
30‧‧‧多個輸出光束/輸出光束
32‧‧‧掃描鏡/單個鏡
34‧‧‧掃描透鏡/光學器件
36‧‧‧目標表面/表面
40‧‧‧換能器/壓電換能器
42‧‧‧頻率產生器
44‧‧‧相移器
46‧‧‧聲波
50‧‧‧頻率選擇區塊/區塊
52‧‧‧諧波消除區塊/區塊
54‧‧‧相位調整區塊/區塊
56‧‧‧多通道數位轉類比轉換器
62‧‧‧橫條
64‧‧‧橫條
66‧‧‧橫條
68‧‧‧橫條
70‧‧‧橫條
72‧‧‧曲線
74‧‧‧線
80‧‧‧第一曲線
82‧‧‧第二曲線
84‧‧‧第三曲線
θ1‧‧‧角度/偏光角度
θ2‧‧‧角度/偏光角度
圖1係根據本發明之一實施例之一多光束偏光系統之一示意性圖形圖解說明；圖2係根據本發明之一實施例之用於產生多個輸出光束之一聲光偏光器之一示意性剖面圖；圖3係根據本發明之一實施例之由換能器之一經定相陣列驅動之一聲光偏光器之一示意性剖面圖；圖4係根據本發明之一實施例之示意性地圖解說明用於一聲光偏 光器之一多頻率驅動電路之一方塊圖；圖5A至圖5E係根據本發明之一實施例之示意性地圖解說明一多光束聲光偏光器之輸出光束當中之強度變化之圖表；圖6係根據本發明之一實施例之示意性地圖解說明施加至換能器之一陣列之相位延遲之一圖表；圖7係示意性地展示根據本發明之一實施例驅動之一聲光偏光器之一頻譜之一圖表；及圖8係根據本發明之一實施例之示意性地圖解說明用於等化來自一聲光偏光器之多個輸出光束當中之強度之一方法之一流程圖。
概述
由於其高速度及角度範圍，因此聲光裝置係用於使用一單個輸入輻射源來產生光學輻射之多個光束且使光學輻射之多個光束偏光之有吸引力之裝置。然而，很大程度上由於調變器之聲光回應中之低繞射效率及非線性之問題，因此尚未在實踐中廣泛地採用此等裝置。此等非線性導致在聲光調變器中產生處於驅動頻率之諧波及處於和差頻率之波，從而導致至不期望繞射階之光束功率之損失及對不同輸出光束之功率位準之不良控制。
本文中所闡述之本發明之實施例解決此等問題且因此使得一聲光裝置能夠以高效率及對分佈至輸出光束之功率之精確控制而產生多個輸出光束。在所揭示實施例中，此一裝置包括接收一輸入輻射光束之一聲光介質及附接至該聲光介質之至少一個壓電換能器。一驅動電路將包括具有新穎有利性質之多個頻率分量之一驅動信號施加至壓電換能器(或換能器)。在所揭示實施例中，驅動信號包括處於各別基本頻率之多個基本分量，該等各別基本頻率經選擇以便致使聲光介質將輸入光束分裂成處於由對應基本頻率判定之各別光束角度之多個輸出 光束。驅動信號中之此等頻率可經調變以便操縱輸出光束。
在某些實施例中，為排除由如上文所解釋之非線性引起之問題，驅動信號亦包括諧波頻率分量，該等諧波頻率分量具有經選擇以便消除聲光介質中之處於基本頻率之倍數之諧波的各別振幅及相位。因此，來自輸入光束之原本會由於此等諧波而損失至處於不期望角度之寄生光束之能量替代地被輸送至所要輸出光束中。
另外或另一選擇係，可應用此種類之信號消除技術來抑制以對應於基本頻率之和與差之角度的寄生繞射。然而，當基本頻率均等地間隔開或甚至隨機地間隔開時，特定和差頻率可與基本頻率中之一或多者重合，從而導致輸出光束當中之難以控制之振幅之變化。為確保和差頻率與基本頻率良好地分離，在本發明之某些實施例中，基本頻率經選擇以便界定其中無兩對頻率係間隔開相同距離之一哥倫布尺。
在某些實施例中，多個壓電換能器之一陣列附接至聲光介質且驅動為一經定相陣列。出於此目的，驅動電路施加在多個換能器中之每一者處包括處於各種頻率之分量(如上文所闡述)、針對不同頻率分量具有不同各別相位偏移之驅動信號。此等相位偏移通常經選擇使得不同頻率下之聲波以不同各別波前角度傳播穿過聲光介質。該等波前角度可經選擇(藉由相位偏移之適當選擇)使得以其不同各別光束角度之多個輸出光束滿足此等光束角度下之各別布拉格條件。
系統說明
圖1係根據本發明之一實施例之一多光束偏光系統20之一示意性圖形圖解說明。一輻射源(諸如一雷射22)發射可包括可見、紫外線或紅外線輻射之脈衝或連續之光學輻射之一單個輸入光束23。輸入光束23入射於一聲光偏光器24上，聲光偏光器24將輸入光束分裂成多個輸出光束30。一驅動電路28(亦簡單地稱為一「驅動器」)將一多頻率驅動信號施加至一或多個壓電換能器26，一或多個壓電換能器26驅動偏 光器24以便在將輸入光束分裂成多個輸出光束30之聲光介質中產生聲波。偏光器24可包括此項技術中已知之任何適合聲光介質，包含諸如石英、二氧化碲(TeO2)、鍺或玻璃材料(諸如熔融二氧化矽或硫屬化物玻璃)之結晶材料。可沿著特定較佳晶體方向切割結晶介質以獲得所要聲光性質(舉例而言，在音速及雙折射率方面)。換能器26可類似地包括通常經由一金屬接合層附接至聲光介質之一或多件任何適合壓電材料(諸如鈮酸鋰)。驅動電路28之操作及驅動電路28所產生之驅動信號之細節呈現於以下圖及以下說明中。
在所圖示實施例中，一掃描鏡32經由一掃描透鏡34在一目標表面36上方掃描輸出光束30。此種類之配置可用於多種應用中，諸如多光束雷射鑽孔及印刷。雖然在此圖中僅展示一單個鏡32，但替代實施例(圖中未展示)可採用可一起或獨立地被掃描之雙軸鏡及/或此項技術中已知之任何其他適合類型之光束掃描器。在一替代實施例中，可串聯部署兩個聲光偏光器，其中一者將輸入光束23分裂成沿著一第一方向分離之多個輸出光束，而另一者在正交方向上掃描光束。所有此等實施例可利用本文中所闡述之多頻率驅動方案且被認為係在本發明之範疇內。
圖2係根據本發明之一實施例之聲光偏光器24之一示意性剖面圖。此圖圖解說明由驅動電路28及壓電換能器26提供之多頻率驅動之效應及操作。來自驅動電路28之多頻率驅動信號致使壓電換能器26產生處於多個驅動頻率之聲波，該等聲波傳播穿過偏光器24中之聲光介質。不同驅動頻率中之每一者在晶體中建立處於一對應空間頻率之一聲光繞射光柵，亦即，晶體含有不同空間頻率之多個經疊加光柵。
當輸入光束23進入偏光器24時，偏光器中之光柵中之每一者以一不同角度(取決於光柵頻率)使輸入光束繞射。因此，偏光器24將輸入光束23分裂成以對應於不同頻率f1、f2...之不同角度θ1、θ2...之多個 輸出光束30。光學器件34將該等輸出光束聚焦以在目標表面36上形成點1、2...之一對應陣列。藉由與輸入光束23之脈衝適當同步而調變處於對應頻率之信號之振幅，驅動電路26可控制由輸入光束之每一脈衝產生之對應輸出光束30之強度。更特定而言，驅動電路28可將對應頻率分量接通或關斷以便選擇將在每一脈衝下產生之輸出光束30之組合。另外或另一選擇係，驅動電路26可調變分量頻率f1、f2...以便調變對應角度θ1、θ2...且因此改變該等點在表面36上之位置。
圖3係根據本發明之一實施例之具有附接至偏光器之聲光介質之換能器40之一經定相陣列之聲光偏光器24的一示意性剖面圖。雖然在前述圖中將換能器26展示為一整體區塊，但在實踐中，可以使用換能器40之一陣列之此方式實施本發明之所有實施例。
將驅動電路28概念性地圖示為包括一頻率產生器42，頻率產生器42透過各別相移器44來驅動換能器40，使得將信號以不同各別相位偏移饋送至換能器。因此，傳播穿過偏光器24之聲介質之聲波46之波前不平行於換能器40所附接至的介質之面。波前角度通常由相移器44之適當設定而選擇，使得輸入光束23與波前之間的角度θ滿足針對給定驅動頻率之布拉格條件，亦即，sinθ=nλ/2d，其中λ係輸入光束之波長、n係繞射階(通常n=1)且d係處於給定頻率之聲波之波長。波前角度之此選擇增強由偏光器24進行之繞射之效率，尤其在其中一被動延遲線無法良好地匹配相位差之遠離f0(在其下毗鄰頻道之間的相位差係零之頻率)之頻率下。下文參考圖6進一步闡述用於設定毗鄰換能器之間的相位偏移之準則。
在本文中所揭示之實施例中，驅動電路28將具有處於多個不同頻率之頻率分量之各別驅動多頻率信號施加至壓電換能器40。針對此等頻率中之每一者，布拉格條件產生一不同繞射角度。因此，針對偏光器24在所有頻率下之最佳效能，相移器44在換能器40中之每一者處 針對每一頻率施加一不同相位偏移。因此，該等頻率下之聲波46以不同各別波前角度傳播穿過聲光介質，該等不同各別波前角度經選擇以便滿足針對對應輸出光束30之對應頻率f1、f2...及偏光角度θ1、θ2...之各別布拉格條件。
圖4係根據本發明之一實施例之示意性地圖解說明用於聲光偏光器24之驅動電路28之功能組件之一方塊圖。驅動電路28之數位組件可通常實施於硬線或可程式化邏輯(諸如一可程式化閘陣列)中。雖然為概念性清晰起見而將圖4中之區塊展示為單獨組件，但在實踐中，可將此等組件之功能組合於一單個邏輯裝置中。另一選擇係，可將電路28之數位組件中之至少某些數位組件實施於在一電腦或專用微處理器上運行之軟體中。
一頻率選擇區塊50選擇將在驅動偏光器24時施加之若干個基本頻率f1、f2...以便產生以對應偏光角度θ1、θ2...之輸出光束30。若將橫向地掃描輸出光束角度(如圖1中所展示之系統20中)，則區塊50可經程式化以隨時間將此等頻率中之每一者調變多達±△f之一量，從而導致每一光束之角度掃描調變多達±△θ。因此，通常區塊50產生一系列頻率向量，每一向量包括將在一特定時間施加至偏光器24以便產生以對應角度{θi+δθi}之m個輸出光束30之數目m個基本頻率值{fi+δfi}，其中δfi及δθi分別係在範圍±△f及±△θ內之頻率及角度變化。在實踐中，在系統20之總體頻率範圍△F中可能存在Nmax個單獨輸出光束，其中Nmax=△F*D/VS(其中D係光學孔徑，且VS係聲介質中之音速)。頻率移位±△f係兩個毗鄰頻率之間的範圍(△F=2△f*Nmax)。通常，在Nmax個可能光束之陣列內選擇m個子光束。
圖5A至圖5E係根據本發明之實施例之示意性地圖解說明聲光偏光器24之輸出光束30當中之強度變化之圖表。此等圖表圖解說明偏光器24中之頻率非線性對輸出光束之各別強度之效應，其中可在圖中之 垂直軸上就輸出光束強度之方差(標準偏差-STD)相對於輸出光束之平均強度之比率而量化該效應。水平軸展示由頻率選擇區塊50以各種頻率選擇方案產生之基本頻率，所有該等頻率選擇方案皆包含十個基本頻率。另一選擇係，可使用較大或較小數目個基本頻率。藉由針對所選擇頻率之集合多次測試光束強度而獲得圖表中之方差，其中隨機選擇之相位與該集合中之每一頻率相關聯。
圖5A中之橫條62展示當使用均等間隔開之基本頻率(毗鄰頻率之間具有相對小間隔(約2MHz))之一集合時之強度方差。不同頻率當中之和差效應導致以其他頻率為代價之某些頻率之增強，使得輸出光束30之相對強度廣泛地變化，多達100%。此種類之不受控制之強度變化在諸多多光束工業應用中係不適合的。可藉由將頻率較遠地散佈開(如橫條64所圖解說明，以約6MHz之間隔，如圖5B中所展示)而減小問題之嚴重性，但光束當中之實質強度變化仍存留。
圖5C及圖5D中之橫條66及68圖解說明另一方法，其中基本頻率以隨機間隔散佈於可用範圍(在本實例中60MHz至120MHz)內。此方法將輸出光束30當中之強度方差減小至小於約20%，但此位準之變化對於精確應用而言仍係過高的。
在由圖5E中之橫條70所圖解說明之方案中，基本頻率經選擇以便界定一哥倫布尺，意指無兩對頻率係間隔開相同距離。在系統20之間隔開△F/(Nmax-1)之Nmax個可用解析度點內界定該尺。由於頻率之此分佈，因此任何給定對基本頻率之和與差將不與任何其他對基本頻率之各別和或差重合，且形式2*f1-f2或f1+f2-f3之基本頻率之組合將不與任何其他基本頻率重合，但將落於橫條70之間的間隔內。因此，如圖5E中所展示，輸出光束30之間的強度變化小於約2%。此僅係選自Nmax個可用輸出光束當中之一10光束尺之一項實例，且可界定將滿足此等準則之具有不同尺頻率分佈之其他m光束尺。此外，可藉 由添加處於尺頻率之和差頻率的具有經選擇以便消除處於此等頻率之寄生波之各別振幅及相位之頻率分量、以類似於下文所闡述之諧波消除技術之一方式來消除聲光偏光器24中之處於該等和差頻率之寄生波。
現在返回至圖4，區塊50所選擇之頻率之集合由一諧波消除區塊52進行補充。如上文所解釋，偏光器24之聲光介質中之非線性產生處於基本頻率之倍數之諧波，且亦可能產生處於由基本頻率之間的和與差給定之中間頻率之波。此等非線性分量對偏光器24之效能具有一寄生效應，此乃因其在偏光器中形成致使輸入光束23之能量之一部分將以不期望角度繞射之光柵分量。
區塊52藉由將校正諧波頻率分量添加至由區塊50產生之頻率向量而解決此問題。此等校正分量之各別振幅及相位經選擇以便消除聲光介質中之寄生(諧波及和/差)波。具體而言，區塊52計算寄生波之預期振幅及相位，且添加寄生頻率下之相同振幅但具有相反相位之校正分量。可基於偏光器24之行為之一數學模型而先驗計算校正分量之振幅及相位或可以實證方式設定該等之校正分量之振幅及相位。在任一情形中，淨結果將係寄生頻率下之聲光介質中之光柵分量之振幅的一實質減小，且因此輸入光束能量之一較大部分至在所要角度方向上之輸出光束30中之轉移。
一相位調整區塊54產生對應於由區塊50及54提供之頻率分量之時域樣本之多個串流。每一串流被引導至換能器40中之一各別者且含有相同頻率分量但具有不同各別相位偏移。根據每一頻率下之偏光器24中之聲波46之所要波前角度而選擇此等相位偏移。通常，樣本串流之間的相對相位偏移在整個頻率範圍內係不均勻的，而是隨頻率增加，使得波前角度同樣隨頻率增加以便滿足每一頻率下之布拉格條件，如上文所解釋。
具體而言，區塊54可根據以下公式而設定不同頻率下之相位偏移：
在此方程式中：△φ(f)係頻率f下之區塊54之兩個毗鄰輸出頻道之間的相位差；S係毗鄰換能器40之中心之間的距離；λ係光學光束波長；Vs係聲光介質中之聲速；且f0係給出毗鄰頻道之間的零相位差且滿足針對光學輸出光束之布拉格條件之所施加頻率。
圖6係根據本發明之一實施例之示意性地圖解說明由區塊54施加至換能器40之相位延遲之一圖表。圖中之一曲線72表示隨頻率而變之實際經量測相位延遲，其中f0=200MHZ。為進行比較，一線74展示針對一固定一米延遲線之隨頻率而變之相位延遲。由區塊54提供之頻率相依相位調整之益處在高頻率下尤其明顯。
返回至圖4，區塊50、52及54通常實施於數位邏輯及/或軟體中，如上文所解釋。將來自區塊54之數位樣本串流輸入至一多通道數位轉類比轉換器56之各別通道，多通道數位轉類比轉換器56產生對應輸出信號以驅動換能器40。假定頻率分量及相位偏移之適當選擇，換能器將產生處於不同基本頻率且以不同波前角度之偏光器24中之聲波之一疊加，而在聲光介質中由非線性程序產生之寄生波將被抑制。
圖7係示意性地展示當根據本發明之實施例驅動時之聲光偏光器24之一頻譜之一圖表。具體而言，圖表展示隨偏光器之驅動頻率而變之偏光器之繞射之效率(亦即，來自以所要角度繞射之輸入光束23之可用能量之百分比)。
一第一曲線80展示當在不進行諧波消除且在換能器40之間具有由一固定延遲線設定之相位延遲之情況下(亦即，在區塊52及54非作用之情況下)驅動偏光器24時之基線繞射效率。一第二曲線82展示藉由相位調整(區塊54)之波前角度調整之效應，其主要(但非排他地)增強較高頻率下之繞射效率。一第三曲線84展示主要在低頻率下之效率之增強，此乃因藉由區塊52之諧波消除。淨結果係偏光器24之有效頻寬達約50%之一增強。
圖8係根據本發明之一實施例之示意性地圖解說明用於等化來自聲光偏光器24之輸出光束30當中之強度之一方法之一流程圖。在系統20之諸多應用(諸如雷射印刷及機械加工)中，輸出光束30具有相等(以在一預定義容差內)之各別強度係重要的。圖8之方法可由驅動器28應用於設定驅動信號之頻率分量之相對振幅以便滿足此準則。雖然可基於一所計算模型而先驗進行此等設定，但在實踐中，使用一適合量測裝置(舉例而言，一相機(圖中未展示))量測所產生輸出光束30之實際強度作為至校準階段中之當前等化演算法之一輸入通常係較佳的。
可針對出自尺頻率之集合之可能驅動頻率之每一非空子集而執行圖8之方法。針對每一此子集，產生一系列解，其中在一迭代程序中每一解產生具有比先前解所產生之光束之強度稍微強的強度之一組等化強度輸出光束。換言之，每一逐次解使用先前解作為一起始點。就其繞射效率而表達該等強度，且將目標效率E之列表(針對逐次迭代)連同所准許解容差△提供為至程序之一輸入。
計算以最小目標強度(或效率)開始，其中驅動信號之頻率分量設定為相等小振幅。驅動電路28施加具有m個不同頻率分量下之m個振幅之一向量X0之一驅動信號，且量測裝置在一量測步驟90處量測m個輸出光束30之各別光學強度之一向量M。一處理器(未展示)計算M內(亦即，所有光束內)之平均效率Mavg，且在一效率評估步驟92處評估 M中之效率中之每一者與Mavg之偏差。
若在步驟92處計算之最大偏差大於△，則在增量量測步驟94處採取一額外量測Mp(其中輸入振幅設定為[X0˙(1+δ)])，且採取另一量測Mm(其中輸入振幅設定為[X0˙(1-δ)])。(此處δ係一小增量，其取決於量測程序中之雜訊量，舉例而言δ=0.05)。假定經量測強度(Mp,Mm)及自X0之相對改變，處理器然後針對每一光束單獨地擬合一線性模型，且在一模型化步驟96處針對每一光束i對該模型進行求解以找到應產生目標效率E之相對改變ui。(另一選擇係，可在步驟94處採取較大數目個量測，且處理器可然後計算一高階模型(諸如一個二次式模型)。)將U採取為所有所計算改變ui之向量，處理器在一振幅更新步驟98處計算向量X0 U(其中針對每一光束單獨地進行乘法運算)。將該結果用作振幅向量X0以用於通過步驟90之下一迭代。
當在步驟92處發現M中之所量測強度與Mavg之最大偏差小於△時，處理器在一效率評估步驟100處檢查當前解X0以針對當前迭代判定M是否在自目標效率E之容差△內。若該解不在自E之容差△內，則在一振幅更新步驟102處根據(舉例而言)值更新當前振幅向量X0。(另一選擇係，可在此步驟處使用其他更新，諸如E/Mavg之不同指數。)該程序然後再次返回至步驟90。
當在步驟100處發現M在E之△內時，處理器在一列表檢查步驟104處檢查是否已到達目標效率E之整個列表。若否，則當前向量X0變為起始點以用於通過前述步驟之下一迭代，其中在一效率更新步驟106處將E設定為列表中之下一目標效率。當已到達列表中之最後效率值時，等化程序在一終止步驟108處結束。然而，若選擇一不切實際之目標效率，則該程序可在到達步驟108之前失敗。
將瞭解，以實例之方式引用上文所闡述之實施例，且本發明不限於上文中特別展示及闡述之內容。而是，本發明之範疇包含上文中 所闡述之各種特徵之組合及子組合兩者，以及熟習此項技術者在閱讀上述說明後將聯想到且在先前技術中未揭示之對該等各種特徵之更改及修改。

Claims (21)

  1. 一種光學設備，其包括：一聲光介質；多個壓電換能器之一陣列，其附接至該聲光介質；及一驅動電路，其經耦合以將各別驅動信號施加至該等壓電換能器，在該多個壓電換能器中之每一者處，該等各別驅動信號至少包括處於不同各別第一及第二頻率之第一及第二頻率分量且針對該等第一及第二頻率分量具有不同各別相位偏移，其中由該驅動電路施加之該等驅動信號進一步包括一或多個諧波頻率分量，該一或多個諧波頻率分量具有經選擇以便消除在該聲光介質中由於該等第一及第二頻率分量中之至少一者而在該等第一及第二頻率中之至少一者之一倍數下產生之諧波之各別振幅及相位。
  2. 如請求項1之設備，其中在該等第一及第二頻率下之該等各別相位偏移經選擇使得處於該等第一及第二頻率之聲波以不同各別第一及第二波前角度傳播穿過該聲光介質。
  3. 如請求項2之設備，其中該聲光介質經組態以接收一輸入輻射光束且將該輸入光束分裂成處於由該等第一及第二頻率判定之各別第一及第二光束角度之至少第一及第二輸出光束，且其中該等第一及第二波前角度經選擇以便滿足在該等第一及第二光束角度下之各別布拉格條件。
  4. 如請求項1之設備，其中由該驅動電路施加之該等驅動信號進一步包括處於一第三頻率、具有不同於該等第一及第二頻率分量之一相位偏移之至少一第三頻率分量。
  5. 如請求項4之設備，其中該至少第一、第二及第三頻率界定一哥倫布尺。
  6. 如請求項1之設備，且其包括一輻射源，該輻射源經組態以引導一輸入輻射光束入射於該聲光介質上，其中該聲光介質經組態以將該輸入光束分裂成處於由該至少第一及第二頻率分量之該等各別頻率判定之各別光束角度之多個輸出光束。
  7. 如請求項6之設備，其中該等驅動信號之該至少第一及第二頻率分量具有經選擇使得該多個輸出光束具有相等各別強度之不同各別振幅。
  8. 一種光學設備，其包括：一聲光介質，其經組態以接收一輸入輻射光束；至少一個壓電換能器，其附接至該聲光介質；及一驅動電路，其經耦合以將一驅動信號施加至該至少一個壓電換能器，該驅動信號包括具有各別頻率之至少三個頻率分量，該等各別頻率界定一哥倫布尺且經選擇以便致使該聲光介質將該輸入光束分裂成處於由該等各別頻率判定之各別光束角度之多個輸出光束。
  9. 如請求項8之設備，其中由該驅動電路施加之該驅動信號進一步包括一或多個諧波頻率分量，該一或多個諧波頻率分量具有經選擇以便消除在該聲光介質中在該至少三個頻率分量之該等各別頻率中之至少一者之一倍數下產生之諧波之各別振幅及相位。
  10. 如請求項8之設備，其中該驅動信號之該至少三個頻率分量具有經選擇使得該多個輸出光束具有相等各別強度之不同各別振幅。
  11. 一種光學設備，其包括：一聲光介質，其經組態以接收一輸入輻射光束；至少一個壓電換能器，其附接至該聲光介質；及一驅動電路，其經耦合以將一驅動信號施加至該至少一個壓電換能器，該驅動信號包括多個頻率分量，該多個頻率分量至少包括：處於各別第一及第二基本頻率之第一及第二基本分量，該等各別第一及第二基本頻率經選擇以便致使該聲光介質將該輸入光束分裂成處於由該等第一及第二基本頻率判定之各別光束角度之第一及第二輸出光束；及一或多個諧波頻率分量，其具有經選擇以便消除該聲光介質中之處於該等基本頻率之各別倍數之諧波之各別振幅及相位。
  12. 一種光學方法，其包括：引導一輸入輻射光束入射於一聲光介質上，多個壓電換能器之一陣列附接至該聲光介質；及將各別驅動信號施加至該等壓電換能器，在該多個壓電換能器中之每一者處，該等各別驅動信號至少包括處於不同各別第一及第二頻率之第一及第二頻率分量且針對該等第一及第二頻率分量具有不同各別相位偏移，以便致使該聲光介質將該輸入光束分裂成處於由該等各別第一及第二頻率判定之各別光束角度之至少第一及第二輸出光束，其中施加該等各別驅動信號進一步包括：施加一或多個諧波頻率分量，該一或多個諧波頻率分量具有經選擇以便消除在該聲光介質中由於該等第一及第二頻率分量中之至少一者而在該等第一及第二頻率中之至少一者之一倍數下產生之諧波之各別振幅及相位。
  13. 如請求項12之方法，其中在該等第一及第二頻率下之該等各別相位偏移經選擇使得處於該等第一及第二頻率之聲波以不同各別第一及第二波前角度傳播穿過該聲光介質。
  14. 如請求項13之方法，其中該等第一及第二波前角度經選擇以便滿足在該等第一及第二光束角度下之各別布拉格條件。
  15. 如請求項12之方法，其中施加該等各別驅動信號進一步包括施加處於一第三頻率、具有不同於該等第一及第二頻率分量之一相位偏移之至少一第三頻率分量。
  16. 如請求項15之方法，其中該至少第一、第二及第三頻率界定一哥倫布尺。
  17. 如請求項12之方法，其中施加該等驅動信號包括：設定該等驅動信號之該至少第一及第二頻率分量，以具有經選擇使得該多個輸出光束具有相等各別強度之不同各別振幅。
  18. 一種光學方法，其包括：引導一輸入輻射光束入射於一聲光介質上，至少一個壓電換能器附接至該聲光介質；及將一驅動信號施加至該至少一個壓電換能器，該驅動信號包括具有各別頻率之至少三個頻率分量，該等各別頻率界定一哥倫布尺且經選擇以便致使該聲光介質將該輸入光束分裂成處於由該等各別頻率判定之各別光束角度之多個輸出光束。
  19. 如請求項18之方法，其中施加該驅動信號進一步包括：施加一或多個諧波頻率分量，該一或多個諧波頻率分量具有經選擇以便消除在該聲光介質中在該至少三個頻率分量之該等各別頻率中之至少一者之一倍數下產生之諧波之各別振幅及相位。
  20. 如請求項18之方法，其中施加該驅動信號包括將：設定驅動信號之該至少三個頻率分量，以具有經選擇使得該多個輸出光束具有相等各別強度之不同各別振幅。
  21. 一種光學方法，其包括：引導一輸入輻射光束入射於一聲光介質上，至少一個壓電換能器附接至該聲光介質；及將一驅動信號施加至該至少一個壓電換能器，該驅動信號包括多個頻率分量，該多個頻率分量至少包括：處於各別第一及第二基本頻率之第一及第二基本分量，該等各別第一及第二基本頻率經選擇以便致使該聲光介質將該輸入光束分裂成處於由該等第一及第二基本頻率判定之各別光束角度之第一及第二輸出光束；及一或多個諧波頻率分量，其具有經選擇以便消除該聲光介質中之處於該等基本頻率之各別倍數之諧波之各別振幅及相位。
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