專(zhuān)利名稱(chēng)：對(duì)偏振敏感的分束器及制造該分束器和含該分束器的磁光掃描器的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種對(duì)偏振敏感的分束器，它包括至少一個(gè)雙折射材料制成的透明楔形元件，還涉及掃描包含這種分束器的磁光記錄載體的器件。
本發(fā)明還涉及制造包括至少一個(gè)用雙折射材料制成的透明楔形元件的對(duì)偏振敏感的分束器的方法，還涉及制造掃描磁光記錄載體的器件的方法。
這種對(duì)偏振敏感的分束器在美國(guó)專(zhuān)利US4，951，274中有描述，它在那里用于一磁光記錄系統(tǒng)的取樣元件。該分束器采用了兩個(gè)石英制成的透明楔形，這兩個(gè)透明楔形元件固定在一起，相互間夾角在45°-135°范圍內(nèi)。這樣的分束器(Wollaston棱鏡)在磁光記錄系統(tǒng)的取樣元件中成比例地占有較大空間。另外，石英部件必須精密加工成形。
本發(fā)明的一個(gè)主要目的是提供一種小而輕的對(duì)偏振敏感的分束器。為其目的，本發(fā)明要提供一種能按所需方式簡(jiǎn)單而精確地定位于光路中的分束器。希望提供這樣的分束器，其中正交偏振光成分在傳輸中被分離，然后相互岔開(kāi)。為其目的，本發(fā)明還要提供一種制造這樣的對(duì)偏振敏感的分束器的簡(jiǎn)單方法。
這些和其它目標(biāo)通過(guò)開(kāi)始一段中所描述的對(duì)偏振敏感的分束器來(lái)實(shí)現(xiàn)，根據(jù)本發(fā)明的這種分束器，其特點(diǎn)在于楔形元件包括一塊單軸取向聚合材料，它是從硬化液晶單體組合物加工成形的。
按根據(jù)本發(fā)明的對(duì)偏振敏感的分束器的一個(gè)非常合適的實(shí)施方案，這種分束器包括其聚合物材料取向各不相同的兩個(gè)或三個(gè)楔形元件。
根據(jù)本發(fā)明的分束器的一個(gè)特別實(shí)施方案包括設(shè)在聚合物材料中，分別處于分束器入光面和出光面上的減反射光柵。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)用以掃描磁光記錄載體的器件包括一個(gè)分束器，其中有從單軸取向聚合物材料加工成形的楔形組件。由于這種分束器尺寸小，器件的光路可做得很緊湊。
要得到總厚度較小的分束器，可并列若干小楔形組件成鋸齒結(jié)構(gòu)。另外在這種情況下，也可采用取向互不相同的楔形元件對(duì)。
根據(jù)本發(fā)明，提供一種制造對(duì)偏振敏感的分束器的方法這一目標(biāo)是這樣實(shí)現(xiàn)的在兩襯底板上設(shè)置取向?qū)?，然后布置襯底板使其取向?qū)酉鄬?duì)，之間形成一楔形空間，之后在此楔形空間填充液晶單體組合物，后者硬化后形成一楔形組件。
之后，如果需要，可將襯底板除去。如果要保留一個(gè)或兩個(gè)襯底板，例如，它們要用作分束器外側(cè)的保護(hù)物時(shí)，則最好采用厚度在0.1到1毫米范圍內(nèi)的襯底板。
美國(guó)專(zhuān)利US5，042，925確定描述了帶由硬化液晶單體組合物組成的偏振層的對(duì)偏振敏感的分束器，但其偏振層不是楔形的。這種已知的分束器較大，其部分起傳輸作用，部分起反射作用。要使它正常工作，光路中的精確定位和取向是很重要的。
參照以下將描述的實(shí)施方案，可更清楚地了解本發(fā)明的這些及其它特點(diǎn)。
在附圖中

圖1顯示構(gòu)成涉及本發(fā)明的楔形元件的合適的單體組合物。
圖2顯示X基的例子。
圖3顯示M基的例子。
圖4顯示一種合適的液晶單體組合物的結(jié)構(gòu)式。
圖5顯示用在一對(duì)偏振敏感的分束器中的楔形元件。
圖6和7顯示兩個(gè)含有兩個(gè)楔形元件的對(duì)偏振敏感的分束器的實(shí)施方案。
圖8顯示包含三個(gè)楔形元件的對(duì)偏振敏感的分束器的一個(gè)實(shí)施方案。以及圖9顯示用以掃描磁光記錄載體的器件。
圖10顯示用以掃描磁光記錄載體的器件;
圖11a和11b顯示圖10器件的分束器和檢測(cè)系統(tǒng)的兩個(gè)取向;
圖12a和12b顯示將PPBS立方體和楔形元件集成一體的兩個(gè)實(shí)施例;
圖12c顯示將PPBS板和楔形元件集成一體的一個(gè)實(shí)施例;
圖13a顯示了一個(gè)用于掃描磁光記錄載體的器件;
圖13b，13c和13d顯示了將鏡和楔形元件集成一體的實(shí)施例。
圖1顯示若干適于制造用于根據(jù)本發(fā)明的對(duì)偏振敏感的分束器的楔形元件的單體。合適的單體有(尤其是)丙烯酸酯化合物(R基為一氫原子)，甲基丙烯酸酯化合物(R基為一甲基)，氯代丙烯酸酯和氟代丙烯酸酯化合物(R-基為一氯原子或氟原子)，環(huán)氧化合物和乙烯基醚化合物。圖2中顯示X基的例子。其中P值可在1到約12范圍內(nèi)。圖3顯示-M-基的例子。為了光致聚合作用使單體組合物硬化，可采用光引發(fā)劑，其性質(zhì)可按已知方式調(diào)節(jié)得適合單體組合物的性質(zhì)。芳族羰基化合物是適于硬化二(甲基)丙烯酸酯化合物的光敏引發(fā)劑，而二芳基碘化合物如六氟砷化二苯碘可用來(lái)硬化環(huán)氧化合物和乙烯基醚。
實(shí)施方案1一種單體組合物的制備按如下方式，將一種液晶二丙烯酸酯化合物-其結(jié)構(gòu)示于圖4(例如用歐洲專(zhuān)利申請(qǐng)EP261，712所描述的方法制成)與重量比2%的光敏引發(fā)劑-2，2-二甲氧基-2-苯基乙酰苯(Ciba-Geigy公司銷(xiāo)售)。
在兩塊矩形玻璃板上涂覆尼龍取向?qū)?，用一塊抗起毛布沿平行于每塊玻璃一邊的方向摩擦之。然后將玻璃板相對(duì)放置，并使其摩擦方向平行，同時(shí)在玻璃板之間留一楔形空間。在兩玻璃板之間，靠近其一邊的地方放一隔離片，使兩玻璃板之間夾角，即楔角為4°。玻璃板之間的空間填充前述單體組合物，之后用光化學(xué)輻射方法，在此例中是用紫外(UV)光照射，形成一固體楔形元件，最后除去玻璃板。
圖5顯示得到的楔形元件1，其中分子取向2選得與元件光軸垂直，與楔的窄邊平行。一束入射非偏振光3被分成一異常光束4和一正常光束5，它們的偏振方向互不相同。這兩出射光束之間夾角正比于楔角和雙折射率(birefringence)值。因?yàn)樗玫木酆衔锊牧嫌休^大的雙折射率，所以要使兩出射光束間達(dá)到一給定的夾角，只須較小的楔角。對(duì)如晶體石英分束器，由于其雙折射率比聚合物材料小得多，所以要使兩束光間達(dá)到同樣夾角，晶體石英分束器楔角是聚合物所做的分束器的約15倍。因?yàn)樾ń菦Q定分束器厚度，所以很明顯，根據(jù)本發(fā)明的分束器可做得比石英分束器薄得多。
除尼龍取向?qū)油猓刹捎闷渌阎娜∠驅(qū)尤缇埘啺坊蚓垡蚁?，或從一定角度濺射的氧化硅層。如果需要，可選擇加磁場(chǎng)，如15千高斯場(chǎng)強(qiáng)，來(lái)得到取向。
R.A.M.Hikmet和D.J.Bror的文章-Polymer32(9)，pp1627-1632(1991)描述了可用來(lái)制造根據(jù)本發(fā)明的對(duì)偏振敏感的分束器的合適材料及其它方法。該文章描述了適用于動(dòng)態(tài)力學(xué)測(cè)量的自承重平板元件。
實(shí)施方案2制成兩個(gè)如實(shí)施方案1所描述的楔形元件。但其中一個(gè)元件的摩擦方向，即分子取向與楔形窄邊成45°角。
圖6顯示包括兩個(gè)楔形元件11和12的對(duì)偏振敏感的分束器，其中取向13和14的方向與分束器光軸垂直，并互成45°角。
原理上，這樣一個(gè)雙分束器，可稱(chēng)作改進(jìn)型Wollaston棱鏡，將一非偏振入射光束15分成四個(gè)子光束，其中兩束，bo，o和be，e相重，另兩束be，o和bo，e各從bo，o與be，e的方向張開(kāi)一相反的角度。這些子光束的第一和第二角標(biāo)表示對(duì)于第一和第二楔形元件來(lái)說(shuō)，該子光束分別是正常光束(o)或異常光束(e)。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，由子光束bo，o和be，e形成的方向不變的非偏振光用16表示，改變了傳播方向，且偏振方向互相垂直的子光束be，o和bo，e分別用17，18表示。這樣一種分束器很適用于磁光記錄載體的掃描元件中。
方向不變的光束16的功率與改變方向的光束17和18的功率之和的比值取決于取向13和14間的夾角。當(dāng)夾角為0°時(shí)，該比值為無(wú)窮大，即只存在不變方向的光束16。光夾角為45°時(shí)，比值為1。夾角為90°時(shí)，比值為零，即不存在不變方向的光束16，分束器的作用象未改進(jìn)的Wollaston棱鏡一樣。如果入射光束15是偏振的，三束光間功率之比也取決于入射光束的偏振狀態(tài)。制造一個(gè)，例如，夾角不為45°或90°的石英分束器會(huì)產(chǎn)生很大的切割損耗，用聚合物材料制造一個(gè)同樣的分束器與制造圖6所示分束器基本上相同，其中，摩擦方向之一應(yīng)是不同的。
實(shí)施方案3制造兩個(gè)實(shí)施方案1中描述的楔形元件，但一個(gè)元件上的摩擦方向，即分子取向選得與楔形窄邊成90°角。楔形元件用中性光學(xué)膠固定在一起。
圖7顯示一個(gè)包括兩個(gè)楔形元件21和22的對(duì)偏振敏感的分束器，其中取向23和24的方向與光軸垂直且相互垂直。如果需要，此分束器(Wollaston棱鏡)上可設(shè)減反射光柵層25和26，方法是采用帶所需光柵的玻璃板將光柵復(fù)制到分束器的入射面和出射面，即光束進(jìn)入分束器的面和離開(kāi)分束器的面上。光柵的作用是給定液晶單體組合物和硬化得到的雙折射聚合物的分子的取向。對(duì)800nm的波長(zhǎng)，一個(gè)合適的光柵上應(yīng)該有高為0.2μm，周期為0.48μm的隆起線。如果需要給分束器一個(gè)很平的表面，可在其上設(shè)置一薄玻璃層。
實(shí)施方案4制造三個(gè)實(shí)施方案1所描述的楔形元件，其中第一元件28的楔角與第三元件11的楔角相等，第二元件27的楔角二倍于第一元件的楔角，然后三個(gè)元件如圖8所示結(jié)合到一分束器中。第一和第三元件的摩擦方向29和13相同，而第二元件的摩擦方向30與摩擦方向13成90°角。由于其對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，這種棱鏡被稱(chēng)作雙Wollaston棱鏡，它只對(duì)透射光束4和5的波前產(chǎn)生很小的干擾。摩擦方向13和30之間90°的夾角使一束非偏振入射光15分裂成兩束偏振光4和5。若使夾角在0°到90°范圍內(nèi)，而不是90°，則入射光分裂成兩束偏振光和一束非偏振光，如圖6中Wollaston棱鏡對(duì)光束的分裂一樣。對(duì)許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)，石英制成的雙Wollaston棱鏡太大了，不適用。而聚合物材料的雙Wollaston棱鏡可做得很小。
根據(jù)本發(fā)明的對(duì)偏振敏感的分束器既小雙輕。很容易將它設(shè)置在一光學(xué)器件中。尤其是容易將它定位于光路中，這是因?yàn)槠淙∠?與光束或光軸的夾角)要求不是很?chē)?yán)格，其光學(xué)性質(zhì)取決于制造楔形元件時(shí)玻璃板之間夾角的選擇。
圖9顯示根據(jù)本發(fā)明的磁光記錄載體掃描器件的一個(gè)實(shí)施方案。該記錄載體包括一個(gè)形式為半導(dǎo)體激光，用以提供掃描光束32的光源31。一個(gè)用以聚焦光源產(chǎn)生的光束的透鏡系統(tǒng)設(shè)在掃描光束的光路中。該系統(tǒng)包括，一個(gè)準(zhǔn)直透鏡33和一個(gè)物鏡系統(tǒng)34，它用來(lái)聚焦掃描光束以在記錄載體的信息平面36上形成一掃描光班35。在光路中設(shè)置有一個(gè)部分偏振分束器37(PPBS)。此PPBS的構(gòu)造與功能在，例如，歐洲專(zhuān)利說(shuō)明書(shū)0078673號(hào)中有所介紹。此器件最好還包括一個(gè)光柵38，用來(lái)將光束32分成三個(gè)子光束給跟蹤伺服系統(tǒng)，如果需要，給能彎折光路的鏡39。
掃描光束在記錄載體中被反射并經(jīng)由物鏡系統(tǒng)和可能存的鏡39通到PPBS。通過(guò)PPBS的光束隨后被對(duì)偏振敏感的分束器40分成一束方向不變的光束，和兩束改變了方向，且偏振方向互相垂直的光束，如圖6所示。根據(jù)本發(fā)明，此分束器包括兩個(gè)由雙折射材料，即單軸取向聚合物制成的楔形元件，它是通過(guò)硬化一液晶單體組合物而形成的，分束器中兩個(gè)楔形元件的取向不同。分束器形成的光束隨后通過(guò)透鏡41，還有可能通過(guò)柱面透鏡42，然后這些光束進(jìn)入探測(cè)系統(tǒng)43。
由于所需楔角較小，分束器40可以比較薄。對(duì)直徑為5mm的光束，厚度不超過(guò)0.5mm的分束器就足以分開(kāi)出射光束了。這樣一個(gè)薄分束器可簡(jiǎn)單地固定在分束器37上，從而減少光路中組件的數(shù)量。通過(guò)復(fù)制技術(shù)可把光柵38也設(shè)在分束器37上，以進(jìn)一步減少組件數(shù)量。
分束器40產(chǎn)生的不變向光束可用來(lái)形成一伺服信號(hào)，用此伺服信號(hào)可將掃描光點(diǎn)保持在記錄載體中正確位置上。而兩束改變方向，相互垂直偏振的光束可用來(lái)產(chǎn)生代表存在信息平面36中的信息的信息信號(hào)。來(lái)自記錄載體的光功率在兩極化光束一方和不變方向光束一方之間的分配可根據(jù)信息信號(hào)和侍服信號(hào)的帶寬來(lái)調(diào)節(jié)。一般來(lái)說(shuō)，帶寬大，光束功率也應(yīng)大，偏振光束功率與變向光束功率的比值靠分束器40的楔形部件取向的夾角α，在圖6中為取向13和14間夾角，在圖7中為取向23和24間夾角，來(lái)調(diào)節(jié)。夾角最好大于45°，使變向偏振光束中有足夠的光，以產(chǎn)生寬帶信息信號(hào)。本發(fā)明可給出取0°到90°間任意值的取向夾角。夾角的選擇取決于分束器的使用情況。
圖10顯示了本發(fā)明的用于掃描磁光記錄載體的器件的另一個(gè)實(shí)施例。該實(shí)施例采用了含有一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的雙折射材料制成的楔形元件的對(duì)偏振敏感的分束器45。而圖9的實(shí)施例采用包括兩個(gè)楔形元件的分束器。圖10所示的器件具有兩個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)，一個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)46置于通過(guò)分束器45的光束通路中并且用于產(chǎn)生信息信號(hào)，另一個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)47置于從記錄載體返回的光束中并通過(guò)耦合光柵48偏轉(zhuǎn)，且用于產(chǎn)生伺服信號(hào)。圖11a顯示一個(gè)光分束器45和檢測(cè)系統(tǒng)46的透視圖。光分束器將入射光49分成兩束出射光50和51，其每一束入射到分隔檢測(cè)系統(tǒng)的兩半個(gè)之間的分隔線52的一側(cè)上。由于光束由三束光柵38產(chǎn)生，四個(gè)光斑53靠在檢測(cè)系統(tǒng)的側(cè)邊。出射光束50和51的所要求的取向和極化可以如此獲得通過(guò)將光分束器的楔形的取向方向54定為45°，且該分束器帶有形成楔形的兩個(gè)平面的交線55。分束器和檢測(cè)系統(tǒng)的另一個(gè)取向示于圖11b。
在圖10中的器件中的PPBS37′和分束器楔形元件45可以集中在一個(gè)單元中以使器件更緊湊。圖12a顯示了一個(gè)單元，其中楔形元件45與形成PPBS37′的立方體的一個(gè)面光學(xué)地相連接。楔形元件也可以設(shè)置在立方體的斜邊面上以和PPBS的涂層56相接觸，如圖12b所示。在PPBS以一個(gè)平的平行板37″的形式存在時(shí)，如圖12c所示，PPBS涂層56可以設(shè)置在板的一側(cè)上，而楔形元件45則設(shè)置在板的另一側(cè)。
圖13a顯示了用于掃描一個(gè)磁光記錄載體的器件的另一個(gè)實(shí)施例，該器件帶有用于折疊器件光通路的鏡57。該鏡可以有益地與分束器楔形元件45相結(jié)合。楔形元件45以其側(cè)面之一裝于平的平行板58，楔形元件的另一側(cè)具有一個(gè)反射涂層57。圖13b顯示了鏡和楔形元件的結(jié)合，其楔形元件的帶有反射涂層的那一側(cè)安裝于一板上，圖13c和13d示出了鏡與楔形元件相結(jié)合，它們采用了全內(nèi)反射以偏轉(zhuǎn)光束。楔形元件45可以安排在棱鏡59的斜邊面上，如圖13c所示或安排在棱鏡中入射光束照射到的那一面，如圖13d所示。
除了用在磁光記錄載體的掃描器件中外，本發(fā)明的分束器也可選用在其它要將光束分成不同偏振光以確定光束偏振狀態(tài)的器件中。有時(shí)希望引出光束功率的很小一部分來(lái)確定偏振狀態(tài)，而不變向光束中功率用作其它目的。這一點(diǎn)可通過(guò)根據(jù)本發(fā)明的分束器來(lái)滿意地實(shí)現(xiàn)。如果圖6所示分束器的取向夾角小于45°，則不變向光束16功率大于偏振光束17，18功率之和。通過(guò)確定偏振光束功率，也可結(jié)合不變向光束的功率，可以確定光束的偏振狀態(tài)。本發(fā)明的分束器的優(yōu)點(diǎn)是只須在光路中設(shè)一個(gè)光學(xué)組件便可得到任意光束功率比。此器件可以是光通訊系統(tǒng)中的接收器，如雜志FunkschauVol18，1991pp.79-85所登綜述文章所描述的，其中光束中信息用外差技術(shù)探測(cè)。
權(quán)利要求
1.一種對(duì)偏振敏感的分束器，它包括至少一個(gè)用雙折射材料制成的透明楔形元件。其特點(diǎn)在于楔形元件包括一塊單軸取向聚合物材料，這塊聚合物材料是通過(guò)硬化液晶單體組合物形成的。
2.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的對(duì)偏振敏感的分束器，其特點(diǎn)在于它有兩個(gè)聚合物材料取向不同的楔形元件。
3.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的對(duì)偏振敏感的分束器，其特點(diǎn)在于它有三個(gè)挨個(gè)排列的楔形元件，其中外面兩個(gè)元件的聚合物材料取向相同，所述取向與中間元件的取向不同。
4.一種根據(jù)權(quán)利要求1，2或3的對(duì)偏振敏感的分束器，其特點(diǎn)在于入射面和反射面中至少有一個(gè)其上設(shè)有一減反射光柵。
5.一種根據(jù)權(quán)利要求2，3或4的對(duì)偏振敏感的分束器，其特點(diǎn)在于楔形元件中聚合物材料的取向間夾角大于45°。
6.一種掃描磁光記錄載體的器件，它包括一個(gè)提供掃描光束的光源，一套將掃描光束引到記錄載體的信息平面上的光學(xué)系統(tǒng)。一套設(shè)在來(lái)自記錄載體的掃描光束的通路中的光敏檢測(cè)系統(tǒng)，和一種根據(jù)權(quán)利要求1，2，3，4或5所述的，設(shè)在所述探測(cè)系統(tǒng)之前的對(duì)偏振敏感的分束器。
7.一種制造對(duì)偏振敏感的分束器的方法，其中分束器包括至少一個(gè)雙折射材料制成的透明楔形元件，其特點(diǎn)在于兩個(gè)襯底板上各設(shè)一取向?qū)?，然后布置襯底板使其取向?qū)酉鄬?duì)而置，形成一楔形空隙，然后向空隙中填充一種液晶單體組合物，再將此組分硬化，形成一楔形元件，之后，如果需要，將襯底板除去。
8.一種根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其特點(diǎn)在于第二個(gè)具有不同取向方向的單軸取向聚合物材料透明楔形元件用類(lèi)似方法成形，之后這兩個(gè)楔形元件用中性光學(xué)膠結(jié)合在一起。
全文摘要
一種包括至少一個(gè)雙折射材料制成的透明楔形元件的對(duì)偏振敏感的分束器按以下方式制成，在兩個(gè)襯底板上各設(shè)一取向?qū)?，布置襯底板使其取向?qū)酉鄬?duì)，形成一楔形空隙。用一液晶單體組合物填充此空隙。然后使單體組合物硬化，形成一單軸取向聚合物材料的楔形元件。在除去襯底板的可能情況下，兩個(gè)或三個(gè)楔形元件可結(jié)合到一Wollaston棱鏡上，用在磁光記錄系統(tǒng)的取樣元件中。
文檔編號(hào)G02B5/30GK1080729SQ93107430
公開(kāi)日1994年1月12日 申請(qǐng)日期1993年6月19日 優(yōu)先權(quán)日1992年6月23日
發(fā)明者R·A·M·?？嗣滋? W·G·奧菲, J·J·M·布拉特 申請(qǐng)人:菲利浦電子有限公司