(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の軸に沿って光を通す音響光学結晶と、
前記第１の軸に実質的に垂直な第２の軸に沿って配置された複数の電極と、
を備える音響光学デバイスであって、
各前記電極は、
前記第１の軸に沿って一つの中点を有する相互作用長と、
該電極の相互作用長の中点に位置する面積重心と、
開口関数Ｙ（ｘ）（ここで、ｘは前記相互作用長に沿った距離）によって定められる形状の上部縁端と、
Ｙ（ｘ）の最大値／Ｙ（ｘ）の最小値で定義されるアポダイゼーション比であって、該電極の相互作用長に平行な方向に沿って１より大きいアポダイゼーション比と、
を有しており、
前記開口関数Ｙ（ｘ）及び該開口関数Ｙ（ｘ）の一次導関数は、該電極の相互作用長に沿って不連続点を有さず、
前記開口関数Ｙ（ｘ）は、該電極の相互作用長の中点においてｘ軸に垂直な鏡面に対して非対称である、音響光学デバイス。
【請求項２】
前記複数の電極は、電極アレイ状に重ね合わされている、請求項１記載の音響光学デバイス。
【請求項３】
前記開口関数Ｙ（ｘ）は、前記アポダイゼーション比が無限大近くに増加するように、かつ各前記電極が前記電極アレイから放射される音響エネルギーの合計に実質的に影響を与えることなく前記相互作用長のいずれか一方の側から電気的な相互接続によって駆動可能となるように、前記上部縁端の形状を定めている、請求項２記載の音響光学デバイス。
【請求項４】
Ｌが開口の相互作用長を表すとき、前記開口関数Ｙ（ｘ）は次式
【数１】
0004451973.tif 000007
を満たす、請求項１記載の音響光学デバイス。
【請求項５】
Ｌが開口の相互作用長を表し、Ｈが電極の最大高を表し、Ｒがアポダイゼーション比を表すとき、前記開口関数Ｙ（ｘ）は次式
【数２】
0004451973.tif 000008
によって定義される、請求項１記載の音響光学デバイス。
【請求項６】
Ｌが開口の相互作用長を表し、Ｈが電極の最大高を表し、Ｒがアポダイゼーション比を表すとき、前記開口関数Ｙ（ｘ）は次式
【数３】
0004451973.tif 000009
によって定義される、請求項１記載の音響光学デバイス。
【請求項７】
前記電極は、開口関数−Ｙ（ｘ）によって定められる形状の下部縁端をさらに有する、請求項１記載の音響光学デバイス。
【請求項８】
Ｌが開口の相互作用長を表し、Ｈが電極の最大高を表し、Ｒがアポダイゼーション比を表すとき、前記上部縁端の開口関数Ｙ（ｘ）は次式
【数４】
0004451973.tif 000010
によって定義されるとともに、
前記下部縁端の開口関数−Ｙ（ｘ）は次式
【数５】
0004451973.tif 000011
によって定義される、請求項７記載の音響光学デバイス。
【請求項９】
Ｌが開口の相互作用長を表し、Ｈが電極の最大高を表し、Ｒがアポダイゼーション比を表すとき、前記開口関数Ｙ（ｘ）は次式
【数６】
0004451973.tif 000012
によって定義されるとともに、
前記下部縁端の開口関数−Ｙ（ｘ）は次式
【数７】
0004451973.tif 000013
によって定義される、請求項７記載の音響光学デバイス。
【請求項１０】
前記開口関数Ｙ（ｘ）の二次導関数は、前記電極の相互作用長に沿って不連続点を有さない、請求項１記載の音響光学デバイス。
【請求項１１】
各前記電極は、前記複数の電極における別の電極の縁端の全長にほぼ隣接して延びる縁端を有している、請求項１記載の音響光学デバイス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は音響光学の分野等における応用に係る電極設計に関し、特に平衡のとれた重心、滑らかな縁端、１より大きいアポダイゼーション比を有する電極に関する。
【０００２】
【従来の技術】
音響光学（ＡＯ）デバイスは特定結晶の光弾性効果に基づいている。この結晶は音波が結晶の光学特性を変化させるようできている。音波は通常ピエゾエレクトリック変換器を用いて結晶に投入される。結晶が音波を伝播する際に、疎密領域が結晶の光学特性を変化させる。結晶を透過した光はさらに結晶中を進むにつれて偏向、変調、および/あるいは周波数偏移される。結晶の光学特性の変化は音波によって発生する歪みにより引き起こされる屈折率の変化に起因する。音響光学デバイスの優れた総合解説書については、アキス・Ｐ・グートズリス、デニス・Ｒ・パープ著「音響光学デバイスの設計と製作」（マーセル・デッカー社、ニューヨーク、ＮＹ，１９９４年）を参照のこと。
【０００３】
ピエゾエレクトリック変換器は頂部電極と底部電極間にピエゾエレクトリック材料を配置して形成される。複合電極を用いてマルチチャンネルデバイスを製作することもできる。二、三の設計では、電極アレイを重ね合わせてオーバーラップ音場を生成するのが望ましい。こうした電極アレイはアポダイズ電極から構成されることが多い。アポダイズ電極は、その高さが電極の相互作用長にわたって変化する電極である。電極のアポダイゼーション比は電極の最小高で割った電極の最大高である。
【０００４】
音響光学の応用において使用する場合、原則として光は音響光学結晶に入射して、電極の相互作用長に平行で電極の高さに垂直な方向に移動する。電極の重心は電極の質量の中心にある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術では、アポダイズ電極は電極の面積重心が電極の相互作用長の中点にくるように作られてきた。しかし、こうするには、従来技術の電極の形状は基本的に２つの基本形状、通常２つの台形、の合計となる。２つの台形が互いに結合されて共有形状を形成する場合、この共有形状の縁端の２つの台形の交点での傾斜は不連続である。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の好適な実施例によれば、電極の相互作用長に平行な方向に沿って１より大きいアポダイゼーション比を有する電極が提供される。また電極は開口関数Ｙ（ｘ）によって定義される上部縁端を有する。開口関数Ｙ（ｘ）は電極の相互作用長に平行な方向に沿って不連続点を有さない。電極の面積重心は相互作用長の中点にある。
【０００７】
本発明によって、全相互作用長にわたって連続した１次導関数及び２次導関数を有する両縁端を備えた、単一基本形状の電極の設計が可能となる。これは、相互作用長の中点にある面積重心を維持する一方、音場プロファイリング用の「滑らかな」縁端を可能にする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明は音響光学的相互作用に最適な電極設計に関する。本発明の実施例の説明から明らかになるように、相互作用長の中点に面積重心を有する電極が形成可能である。さらに、電極高さアポダイゼーション、音場プロファイリング用の滑らかな縁端、電極アレイをオーバーラップ音場内に重ね合わせる機能等ダイナミックレンジが広い。本発明の一実施例においては、よく考えられた開口関数を用いて電極の相互作用長（Ｌ）、電極の最大高（Ｈ）、電極のアポダイゼーション比（Ｒ）の点から電極形状を規定している。
【０００９】
図１は、音響光学結晶１４、ピエゾエレクトリック材料１２、頂部電極１１、底部電極１３とを有する、音響光学デバイスの側面図である。電極はピエゾエレクトリック材料１２の厚みによって離隔される。線・矢印１５で表される音波は頂部電極１１および底部電極１３を通る信号に応じてピエゾエレクトリック材料１２によって発生される。矢印１６は音響光学結晶１４に伝達される入射光ビームを表す。音響光学結晶１４全体の屈折率は、ピエゾエレクトリック材料によって発生され且つ音響光学結晶１４に伝播される音波に基づいて変化する。音波を用いれば、入射光ビームが音響光学結晶１４中を進む時に光ビームのどの部分を回折するか制御可能である。電極の形状は音響光学結晶１４中を伝播する音波の形状に影響を与える。
【００１０】
例えば、図２は従来技術による重ね合わせ電極アレイの上面図である。重ね合わせ電極アレイは電極２１、電極２２、電極２３、電極２４、電極２５を含む。重ね合わせ電極アレイは音響光学結晶の頂部にある。矢印２８は入射光ビームの進行方向を表す。光ビームは音響光学結晶に入射すると、音響光学結晶中を進む（あるいは反射される）。
【００１１】
各電極の相互作用長は図２に示した矢印２９に平行である。電極２１のアポダイゼーション比は電極２１の最大高２７を電極２１の最小高２６で割ることで算定できる。
【００１２】
図２に示した電極は各々相互作用長の中点に面積重心を有する。しかし、図２に示した各電極は基本的に２つの基本形状の合計である。
【００１３】
例えば、図３に示すように、電極２１の形状は台形３１と台形３２の合計である。電極２２の形状は台形３３と台形３４の合計である。台形が交差するところでは縁端の傾斜は不連続である。これは音場プロファイリングには不利である。
【００１４】
特に、電極２１の場合、点３５及び点３６において、台形３１および台形３２の縁端が交差する。よって、点３５及び点３６において、電極２１の縁端の傾斜は不連続となる。これは音場プロファイリングには不利である。同様に、電極２２の場合、点３７及び点３８において、台形３３および台形３４の縁端が交差する。よって、点３７及び点３８において、電極２２の縁端の傾斜は不連続となる。これは音場プロファイリングには不利である。
【００１５】
電極のアポダイゼーション比が増大しオーバーラップ音場が発生すると、図２、３に示した電極設計に別の重大な欠点が出てくる。
【００１６】
これを図４に示す。図４において、電極４１、電極４２、電極４３、電極４４、電極４５は各々極めて高いアポダイゼーション比を有する。電極４２、４４はボウタイ状である。この形状の電極のアポダイゼーション比が増大すると、中間部の高さが減少する。この断面積の減少はアポダイゼーション比に比例する２つの基本台形間に有限の電気抵抗を発生させる。理論的には、アポダイゼーション比が無限大まで増大すると、これらボウタイ電極を形成する２つの台形間の電気抵抗も増大する。この効果は、マルチチャンネル音響光学性質を必要とする応用では、音響光学デバイスの性能を低下させる惧れがある。
【００１７】
すなわち、マルチチャンネル音響光学デバイスにおいては、電極の電気的相互接続は所望の音響光学性能のみならずサイズやコストに対しても重要な役割を果たす。簡略化のため電極をマルチチャンネル電極アレイ状に電気接続する場合、電極の相互作用長の一端あるいは他端への接続を行うのが望ましい。これは、通常、ある電極から次の電極へと交互に進めて行われる。これが単端駆動方式である。これが全マルチチャンネル電気的相互接続機構で最小の複合体である。
【００１８】
図４に示した電極４２、４４のようなボウタイ状電極は、単端駆動に使用可能なアポダイゼーション比のダイナミックレンジが制限されている。各台形の発生音響エネルギーは上述の有限電気抵抗の効果によって異なる。実際には、ダイアモンド状電極４１、４３、４５から発生される音響エネルギーはボウタイ状電極４２、４４によって発生される音響エネルギーとはバランスがとれない。この発生音響エネルギーの不均衡は電極アレイの効率を制限する。
【００１９】
図５は本発明の好適な実施例に従って成形された電極５３である。電極５３は単一の基本形から成り、その基本形の縁端は全相互作用長にわたって連続した一次導関数及び二次導関数を有しており、音場プロファイリング用の「滑らかな」縁端を提供する。電極５３の面積重心５４は電極５３の相互作用長５８の中点に現れる。すなわち、電極５３の相互作用長の始点から面積重心５４に位置する終点までの長さ５９は相互作用長５８の１／２に等しい。電極５３の相互作用長５８はｘ軸５１に沿って延びている。電極５３の高さはｙ軸５２に平行に測定される。
【００２０】
電極５３はｘ軸５１を中心に対称である。よって、電極５３のアポダイゼーション比は高さ５６（電極５３の最大高の１／２の相当）を高さ５７（電極５３の最小高の１／２に相当）で割ることによって算定可能である。
【００２１】
電極５３の相互作用長に沿って、開口関数Ｙ（ｘ）を用いてｘ軸から電極５３の上部縁端までの開口５５を定義する。本発明の一実施例においては、開口関数Ｙ（ｘ)はｓｉｎ（ｘ）の形を有する。例えば、 電極５３の上部縁端は以下の数式１で示される開口関数によって定義される。
【数１】
0004451973.tif 000002
【００２２】
電極５３の下部縁端は電極５３の上部縁端のミラーイメージである。よって、電極５３の下部縁端は以下の数式２で示される開口関数Ｙ（ｘ）によって定義される。
【数２】
0004451973.tif 000003
【００２３】
数式１、２で示される電極形状は滑らかな縁端を有し、相互作用長に沿ってアポダイズされている。アポダイゼーション比が無限大に近づく場合、電極をアレイ状に重ね合わせて、アレイからの放射音響エネルギーの合計に影響を与えることなく今までどおり単端電気接続から駆動可能である。アレイ内の各電極はどちら側からでも駆動可能である。さらに、各電極の面積重心は相互作用長の中点に現れる。
【００２４】
しかし、同じ目的を達成する別の開口関数を用いることもできる。例えば、本発明の別の好適な実施例においては、開口関数Ｙ（ｘ）はｓｉｎ２（ｘ）の形を有する。例えば、電極５３の上部縁端は以下の数式３で示される開口関数によって定義される。
【数３】
0004451973.tif 000004
【００２５】
電極５３の下部縁端は電極５３の上部縁端のミラーイメージである。よって、電極５３の下部縁端は以下の数式４で示される開口関数によって定義される。
【数４】
0004451973.tif 000005
【００２６】
本質的に、開口関数は一定の基準を満たす場合最適である。第一に電極がアポダイズされている。さらに、開口が滑らかな縁端を有する（すなわち不連続点がない）縁端を生成する。又、電極の面積重心が電極の相互作用長の中点に現れる。開口関数Ｙ（ｘ）が次の数式５を満たす場合に、後２つの基準が満たされる。
【数５】
0004451973.tif 000006
【００２７】
その他積極的な特徴として、アポダイゼーション比を無限大まで増大可能な形状を有する点があげられる。また、電極をアレイ状に重ね合わせることができ、アレイ内の各電極がアレイからの放射音響エネルギーの合計に影響を与えることなく、単端電気接続によってどちらの側からでも駆動可能であるので有利である。当業者周知のように、上で示した開口関数Ｙ（ｘ）の例のほかに、こうした基準をすべて満たす開口関数は数多く存在する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  音響光学デバイスの一般的な構成である。
【図２】  従来技術の電極形状の例である。
【図３】  従来技術の電極形状の例である。
【図４】  従来技術の電極形状の例である。
【図５】  本発明の好適な実施例による電極形状である。
【図６】  本発明の好適な実施例に従って成形された入れ子電極アレイである。
【符号の説明】
１１…頂部電極、１２…ピエゾエレクトリック材料、１３…底部電極、１４…音響光学結晶、５３…電極、５４…面積重心、５５…開口、５６、５７…高さ、５８…相互作用長
【図１】
0004451973.tif 000014
【図２】
0004451973.tif 000015
【図３】
0004451973.tif 000016
【図４】
0004451973.tif 000017
【図５】
0004451973.tif 000018
【図６】
0004451973.tif 000019