專利名稱：可變折射表面的制作方法
發(fā)明的領域本發(fā)明涉及一種提供可變折射表面的元件，包括這種元件的設備，以及制造這種元件和這種設備的方法。這種元件特別適合于但不限于校正光學掃描設備中的球面像差。
發(fā)明的背景在各種光學系統(tǒng)中，可能出現不希望有的像差，這些像差容易降低該光學系統(tǒng)的性能。
例如，光盤，諸如CD(緊致盤)、DVD(數字視頻盤或數字通用盤)和BD(藍光盤)稱為信息記錄媒體，在該信息記錄媒體上光學地記錄或再現信息。翹曲的光盤導致掃描光束中的慧差，因此使光學記錄系統(tǒng)的讀出信號劣化。此外，該系統(tǒng)可能受溫度變化的影響，例如當光學記錄系統(tǒng)中的物鏡溫度升高時，其可能產生球面像差，從而導致讀出信號劣化。
一些光盤具有兩個或多個信息層。當從掃描一個信息層轉換到掃描另一個信息層時(例如從雙層盤中的第一層轉換到第二層)，由于掃描光束必須穿過不同厚度的覆蓋層而導致產生球面像差。為了能夠準確讀這兩個信息層必須校正這種球面像差。
用于補償這種不想要的像差的已知技術是在光束路徑中提供可轉換的液晶盒(liquid crystal cell)。該盒被安排成表現出具有可變量的球面像差，通過向該盒施加電壓來控制球面像差量。EP1168055描述了這種球差校正設備。這種液晶設備的一個缺點在于其需要相對昂貴的液晶盒。
本發(fā)明實施例的目的在于提供一種光學元件，其可以解決本文中提到或沒有提到的現有技術的一個或多個問題。
本發(fā)明特定實施例的目的在于提供一種適合于校正球面像差的相對便宜的光學元件。
發(fā)明概述在第一方面，本發(fā)明提供了一種用于提供可變折射表面的光學元件，該元件包括
-由至少一個側壁確定的腔體；-延伸通過該腔體的光軸；-該腔體包含第一流體和第二流體，這兩種流體在橫斷光軸延伸的彎月面上接觸，該彎月面的周邊由所述側壁來限制，這兩種流體基本上是不混溶的，并具有不同的折射率；-第一電潤濕(electrowetting)電極，用于對由所述壁限制的彎月面周邊的至少一部分起作用；以及-第二電潤濕電極，其延伸通過該彎月面。
在這種元件中，可通過這兩個電極來改變彎月面的形狀。該彎月面有效地提供折射表面，該折射表面的形狀是可變的。利用延伸通過該彎月面的電極使該彎月面形成大量新穎的形狀，包括適合于校正球面像差的形狀。與液晶盒相比，這種元件的制造相對便宜。
在另一方面，本發(fā)明提供一種設備，該設備包括用于提供可變折射表面的光學元件，該元件包括由至少一個側壁確定的腔體；延伸通過該腔體的光軸；該腔體包含第一流體和第二流體，這兩種流體在橫斷光軸延伸的彎月面上接觸，該彎月面的周邊由所述側壁來限制，這兩種流體基本上是不混溶的，并具有不同的折射率；第一電潤濕電極，用于對由所述側壁限制的彎月面周邊的至少一部分起作用；以及第二電潤濕電極，其延伸通過該彎月面。
在又一方面，本發(fā)明提供一種制造用于提供可變折射表面的光學元件的方法，該元件包括提供由至少一個側壁確定的腔體，光軸延伸通過該腔體；用第一流體和第二流體填充該腔體，使得這兩種流體在橫斷光軸延伸的彎月面上接觸，該彎月面的周邊由所述側壁來限制，這兩種流體基本上是不混溶的，并具有不同的折射率；提供第一電潤濕電極，用于對由所述壁限制的彎月面周邊的至少一部分起作用；以及提供第二電潤濕電極，其延伸通過該彎月面。
在再一方面，本發(fā)明提供一種制造光學設備的方法，該方法包括以下步驟提供一種光學元件，該光學元件提供可變折射表面，該元件包括由至少一個側壁確定的腔體；延伸通過該腔體的光軸；該腔體包含第一流體和第二流體，這兩種流體在橫斷光軸延伸的彎月面上接觸，該彎月面的周邊由所述側壁來限制，這兩種流體基本上是不混溶的，并具有不同的折射率；第一電潤濕電極，用于對由所述側壁限制的彎月面周邊的至少一部分起作用；以及第二電潤濕電極，其延伸通過該彎月面。
附圖簡述現在通過實例的方式，參照附圖更好地理解本發(fā)明，并示出怎樣實現本發(fā)明的各個實施例，在附圖中

圖1示出依照本發(fā)明第一實施例的光學元件的橫截面視圖；圖2示出圖1中所示元件的腔體的透視圖；圖3示出圖1中所示元件的腔體的橫截面視圖，其中示出彎月面的一種構形；圖4示出依照本發(fā)明另一個實施例的元件的橫截面平面視圖；以及圖5示出包括依照本發(fā)明實施例的元件的設備的示意表示。
優(yōu)選實施例詳述本發(fā)明的發(fā)明人已經認識到具有不同折射率的兩種流體之間的彎月面的電潤濕設備可用于提供像差補償。
電潤濕設備是利用電潤濕現象來工作的設備。在電潤濕過程中，利用外加電壓來改變三相接觸角。該三相構成兩種流體和一種固體。通常，至少一種流體是液體。
流體是響應于任何力而改變其形狀的物質，其易于流動成或符合容納它的腔體的輪廓，包括氣體、蒸汽、液體、以及能夠流動的固液混合物。
圖1示出依照本發(fā)明一個實施例的元件200。該元件200是一種光學元件(即，它被安排成改變入射到該設備上的光的特性)，在這個例子中，元件200用于提供可變折射表面，即折射表面，該折射表面的構形(例如形狀或相對于光軸的傾斜角)可發(fā)生變化。
元件200包括在彎月面225上接觸的第一流體220和第二流體230，這兩種流體是不混溶的。第一流體220是不導電的非極性液體，如硅油或烷烴。這種油的一個例子是聚二甲基(8-12％)-苯甲基硅氧烷(phenylmethysiloxame)共聚物，其折射率n＝1.425。第二流體230是導電或極性液體，如含鹽溶液的水(或水與乙二醇的混合物)。水的折射率通常為n＝1.334，但是溶解了鹽可改變折射率。
將這兩種流體220、230優(yōu)選設置為具有相等的密度，以便使這兩種液體之間的重力作用最小，從而使透鏡功能元件與定向無關。這兩種流體220、230具有不同的折射率，從而使這兩種流體之間的彎月界面225起折射表面的作用，將入射到該表面的光折射。
至少一部分彎月面225橫斷光軸90延伸。術語橫斷不限于彎月面225垂直于光軸90，而只是表示該彎月面不平行于光軸90延伸。
改變彎月面225的形狀會改變元件200提供的折射功能。通過電潤濕現象，通過在環(huán)繞該設備周邊延伸的環(huán)形電極242與電極260之間施加電壓，并且還通過在延伸通過彎月面225的電極280與電極260之間施加電壓來調節(jié)彎月面225的形狀。在該特定實施例中，電極280沿光軸90延伸。這種電壓施加改變了彎月面225與覆蓋相關電極的表面之間的接觸角。由于表面和電極的構形的原因，就能夠提供適合于像差校正的彎月面形狀。
為了使光透過該設備，該設備的至少是相對面(沿圖中所示的定向，為頂面和底面)是透明的。在該特定實施例中，該元件具有圓筒210形式的帶有側壁的腔體215。光通過該圓筒的透明端212、214進入腔體215并從腔體215射出。流體220、230密封在由圓筒210的側壁限定的密封空間或腔體215中。圓筒210的內表面的一端(電極260那一端)是親水的，從而吸引極性流體230。圓筒210的其余部分(即相對的一端，以及內側壁)涂有疏水涂層270。電極280和覆蓋該電極的涂層270可以都是透明的。可替換的是，電極280和涂層270中的至少一個具有光吸收表面(例如，黑色)以防止光學假象，例如電極折射光。
電極260與流體230接觸的區(qū)域可完全由親水材料形成，或者可替換成涂敷親水層(例如二氧化硅或玻璃)。電極260可由薄的絕緣層覆蓋，從而使該電極與流體230電容性耦合。
在該特定實施例中，內表面的親水區(qū)域260完全由透明的親水導體覆蓋(例如氧化銦錫)，以便形成與該流體導電接觸的電極。
通過將該圓筒內表面的一個區(qū)域安排為親水的，且該內表面的其余區(qū)域安排為疏水的，于是，應該理解，在該兩種流體的系統(tǒng)中，設備的穩(wěn)定性將大大增強。極性流體不會附著于僅僅希望具有非極性流體的任何內表面部分，反之亦然。
應該注意，這種情況沒有禁止極性流體230與部分疏水涂層270接觸。親水層的目的是定位極性流體，即保持極性流體處于所希望的位置(該位置常常至少部分地限定該形狀)。這樣，相對小的親水區(qū)域適合于這一目的。例如，設備的整個內表面都可以是疏水的，除了那些有必要使極性流體保持在一定形狀或位置的區(qū)域之外。
電潤濕可用于提高表面上的極性或導電流體的濕潤性。如果一開始濕潤性很小(對于極性液體來說，這通常稱為疏水表面，例如特氟隆(Teflon)類表面)，那么可利用電壓使其更大。如果一開始濕潤性很大(對于極性液體來說，這通常稱為親水表面，例如二氧化硅)，那么施加電壓將具有相對小的作用。因此，優(yōu)選的是，在電潤濕設備中，三相線路一開始就與疏水層接觸。應該注意，彎月面225不與電極242和280導電接觸，這兩個電極通過絕緣覆蓋層與這些流體相隔離開。
應該理解，不同濕潤性的區(qū)域可完全由疏水材料或親水材料形成?？商鎿Q的是，這些區(qū)域例如可通過浸涂或通過化學蒸氣沉積法來涂敷具有疏水物質或親水物質的其他材料而形成。
圖2和3示出彎月面225的不同構形。
通過利用電潤濕效應改變彎月面225與環(huán)繞電極280的表面的接觸角，或與腔體215的內表面接觸的彎月面的周邊來改變這些構形。
在該特定實施例中，對元件200進行設置(即，流體、不同濕潤性的表面和選定的電壓范圍)，使該元件可在兩種構形之間轉換，這兩種構形都不提供光焦度(optical power)(即，因此該彎月面不用作透鏡)。在這兩種構形中，彎月面的中心部分和彎月面的周邊位于沿光軸的相同距離處(即，位于同一個所述位置，如圖中所示的軸所限定的)。在圖2所示的構形中，彎月面是平坦的或平的，使得該彎月面不引入任何像差。
在圖3所示的構形中，彎月面是環(huán)形的，因此，由該彎月面引入的波前畸變是球面像差。這種球面像差可用于抵消不希望的球面像差。
應該理解，上面的實施例僅僅是以實例的方式提供的，各種其他構形對本領域的技術人員來說都是顯而易見的。例如，盡管電極280被描述為沿光軸延伸(因此延伸通過圓筒腔體215的中心)，但是該電極也可以安置在腔體中的任一點處，只要其延伸通過了彎月面225即可。
此外，盡管該腔體被描述為是圓筒形，但是應該理解，該腔體實際上可以是任何希望的形狀。該腔體可具有圓形橫截面，或者可具有任何其他所希望需的橫截面，例如橢圓形、正方形或矩形。
盡管腔體的側壁已經被圖示為基本上平行于光軸，但是應該理解，該側壁實際上可采取任何希望的形狀，或與光軸90成任何希望的角度。例如，為了具有平的(或平坦的)彎月面而不必向電極施加電壓，腔體的側壁和中心電極壁能夠按照彎月面與該側壁的接觸角一開始就處于垂直于光軸90的平面中的方式而相對于光軸傾斜成一定角度(換句話說，該腔體和電極280是圓錐的，或截頭圓錐體的)。也可以僅僅使腔體的側壁傾斜。在這種情況下，必須向中心電極施加電壓以具有平坦彎月面。
在上面的實施例中，彎月面被描述為可在兩種構形之間轉換。但是，應該理解，該彎月面可在任何數量的希望構形之間轉換。彎月面構形可以是連續(xù)可變的。在上面的實施例中，彎月面被描述為可在兩種構形之間變換，這兩種構形不提供光焦度。但是，應該理解，該彎月面可在具有光焦度的構形之間轉換，包括可在不提供光焦度的構形與確實具有光焦度的構形的之間變換的彎月面。
在上面的實施例中，單個電極被描述為延伸通過該彎月面，并且單個電極對彎月面的周邊起作用。應該理解，可以提供一個或多個這種電極。
例如，圖4示出本發(fā)明另一個實施例的橫截面視圖，在該實施例中，元件300包括四個獨立的電極243、244、245、246，而不是環(huán)繞腔體215的周邊延伸的單個環(huán)形電極242，所述四個電極環(huán)繞腔體215的周邊平均分開。
這種構形使得彎月面能夠通過向不同電極施加不同電壓而配置為多種形狀。例如，如果施加電壓而使電極244和246處的接觸角相等，但是使在電極243處的接觸角是更小的銳角，并且使電極245處的接觸角是更大的鈍角，那么彎月面就獲得類似慧差波前變形的構形，因此引入慧差。
可替換的是，如果覆蓋電極244和246的彎月面的周邊具有相同的接觸角，而覆蓋電極243和245的彎月面具有相同的接觸角，且該彎月面位于沿Z軸(即，沿光軸90)的不同位置，那么彎月面225獲得類似像散波前變形的形狀，因此引入像散。
這樣，如圖4中所示的這種元件300可用于產生一系列希望的像差，以抵消不希望的像差。
應該理解，這種元件可以結合到一系列的光學設備中。
圖5示出用于掃描光學記錄載體2的設備1，包括物鏡18。該記錄載體包括透明層3，信息層4置于該透明層的一側。通過保護層5來保護該信息層上與透明層相反的一側，使其不受環(huán)境影響。將透明層面向該設備的一側稱作入射面6。透明層3通過對信息層提供機械支撐而起到記錄載體基底的作用。
可替換的是，透明層可以僅具有保護信息層的作用，而通過位于信息層另一側上的一層來提供機械支撐，例如通過保護層5，或者通過連接到信息層4的附加信息層和透明層來提供機械支撐。
可以將信息按照在基本上平行、同心或螺旋軌道(圖中未示出)上安排的可光學檢測的標記的形式存儲在記錄載體的信息層4中。這些標記可以是光學可讀的任何形式，例如凹坑或反射系數或磁化方向不同于其周圍物的區(qū)域的形式，或這些形式的組合。
掃描設備1包括能夠發(fā)射輻射光束12的輻射源11。輻射源可以是半導體激光器。分束器13朝向準直透鏡14反射發(fā)散的輻射光束12，該準直透鏡將發(fā)散光束12變?yōu)闇手惫馐?5。準直光束15入射在物鏡系統(tǒng)18上。
物鏡系統(tǒng)可包括一個或多個透鏡和/或光柵。物鏡系統(tǒng)18具有光軸19。物鏡系統(tǒng)18將光束17變?yōu)闀酃馐?0，入射在記錄載體2的入射面6上。該物鏡系統(tǒng)具有適合于使輻射光束通過透明層3的厚度的球面像差校正。會聚光束20在信息層4上形成光點21。由信息層4反射的輻射形成發(fā)散光束22，由物鏡系統(tǒng)18將其轉變?yōu)榛旧蠝手钡墓馐?3，隨后由準直透鏡14將其轉變?yōu)闀酃馐?4。分束器13通過向檢測系統(tǒng)25透射至少一部分會聚光束24而使正向光束與反射光束分開。該檢測系統(tǒng)捕獲該輻射，并將其變?yōu)殡娸敵鲂盘?6。信號處理器27將這些輸出信號變?yōu)楦鞣N其他信號。
這些信號之一是信息信號28，其值代表從信息層4讀取的信息。通過信息處理單元來處理該信息信號以進行誤差校正29。來自信號處理器27的其他信號是聚焦誤差信號和徑向誤差信號30。聚焦誤差信號代表光點21和信息層4之間的軸向高度差。徑向誤差信號代表在信息層4的平面內，光點21和在信息層中光點所跟隨的軌道中心之間的距離。將聚焦誤差信號和徑向誤差信號饋送到伺服電路31中，該伺服電路將這些信號變?yōu)榉謩e控制聚焦致動器和徑向致動器的伺服控制信號32。圖中沒有示出這些致動器。聚焦致動器控制物鏡系統(tǒng)18在聚焦方向33上的位置，由此控制光點21的實際位置，從而使其與信息層4的平面基本上重合。徑向致動器控制物鏡18在徑向34上的位置，由此控制光點21的徑向位置，從而使其與信息層4中所跟隨的軌道的中心線基本上重合。圖中的軌道沿垂直于圖面的方向行進。
在該特定實施例中圖5的設備還適合于掃描第二類型的記錄載體，其具有比記錄載體2更厚的透明層。該設備可以使用輻射光束12或具有用于掃描第二類型記錄載體的不同波長的輻射光束。該輻射光束的NA可適于這種類型的記錄載體。相應地，必須適合該物鏡系統(tǒng)的球面像差補償。
在該特定實施例中，提供元件200以提供對球面像差的補償。元件200被定位在光的路徑中，優(yōu)選定位于準直透鏡14和物鏡系統(tǒng)18之間。但是，如果需要，元件200可以結合到物鏡系統(tǒng)18中，例如作為物鏡的組成部分。提供彎月面控制系統(tǒng)400以向元件200的電極施加校正電壓，從而使元件200提供所希望的球面像差補償。
在另一個實施例中，元件200也提供慧差來補償因盤傾斜產生的慧差。
通過提供如上所述的元件，可以為一系列光學系統(tǒng)，包括光學掃描設備，提供相對便宜的像差(包括非球面像差)補償設備。
權利要求
1.一種用于提供可變折射表面的光學元件(200；300)，該元件包括-由至少一個側壁(270)確定的腔體(215)；-延伸通過該腔體(215)的光軸(90)；-該腔體(215)包含第一流體(220)和第二流體(230)，這兩種流體在橫斷光軸(90)延伸的彎月面(225)上接觸，該彎月面的周邊由所述側壁(270)來限制，這兩種流體(220，230)基本上是不混溶的，并具有不同的折射率；-第一電潤濕電極(242；243)，用于對所述壁(270)限制的彎月面周邊的至少一部分起作用；以及-第二電潤濕電極(280)，其延伸通過該彎月面(225)。
2.如權利要求1中的元件，其中第二電極(280)沿光軸(90)延伸。
3.如權利要求1或2中的元件，進一步包括電壓控制系統(tǒng)(240，285；400)，用于向所述第一電潤濕電極(242，243)提供電壓，并向所述第二電潤濕電極(280)提供電壓，以形成預定的彎月面構形。
4.如權利要求3中的元件，其中預定的構形包括基本上平坦的并在基本上垂直于光軸(90)的平面中延伸的彎月面(225)。
5.如權利要求3或4中的元件，其中預定的構形包括非平面的彎月面(225)，但是該彎月面(225)與所述側壁(270)接觸的周邊位于沿光軸(90)上該彎月面(225)與第二電極(280)接觸的位置基本上相同的位置處。
6.如上述任一項權利要求的元件，其中元件(300)進一步包括至少一個第三電潤濕電極(244，245，246)，用于對與第一電潤濕電極(243)作用的那部分彎月面相分開的一部分彎月面的周邊起作用。
7.如上述任一項權利要求的元件，其中至少一個所述側壁(270)相對于光軸(90)傾斜成一角度。
8.如上述任一項權利要求的元件，其中第一和第二流體(220，230)具有基本上相同的密度。
9.一種包括用于提供可變折射表面的光學元件(200)的設備(1)，該元件包括-由至少一個側壁(270)確定的腔體(215)；-延伸通過該腔體(215)的光軸(90)；-該腔體(215)包含第一流體(220)和第二流體(230)，這兩種流體在橫斷光軸(90)延伸的彎月面(225)上接觸，該彎月面(225)的周邊由所述側壁(270)來限制，這兩種流體(220，230)基本上是不混溶的，并具有不同的折射率；-第一電潤濕電極(242；243)，用于對由所述側壁(270)限制的彎月面周邊的至少一部分起作用；以及-第二電潤濕電極(280)，其延伸通過該彎月面(225)。
10.如權利要求9的設備，其中該設備進一步包括彎月面控制系統(tǒng)(400)。
11.如權利要求9或權利要求10的設備(1)，其中該設備是用于掃描光學記錄載體(2)的信息層(4)的光學掃描設備，該設備包括用于產生輻射光束(12，15，20)的輻射源(11)，和用于將該輻射光束會聚在信息層(4)上的物鏡系統(tǒng)(18)。
12.一種制造用于提供可變折射表面的光學元件(200；300)的方法，該方法包括-提供由至少一個側壁(270)確定的腔體(215)，光軸(90)延伸通過該腔體(215)；-用第一流體(220)和第二流體(230)填充該腔體(215)，從而使這兩種流體(220，230)在橫斷光軸(90)延伸的彎月面(225)上接觸，該彎月面(225)的周邊由所述側壁(270)來限制，這兩種流體(220，230)基本上是不混溶的，并具有不同的折射率；-提供第一電潤濕電極(242；243)，用于對由所述壁(270)限制的彎月面周邊的至少一部分起作用；以及-提供第二電潤濕電極(280)，其延伸通過該彎月面(225)。
13.一種制造光學設備(1)的方法，該方法包括以下步驟-提供一種光學元件(200；300)，該光學元件用于提供可變折射表面，該元件包括-由至少一個側壁(270)確定的腔體(215)；-延伸通過該腔體(215)的光軸(90)；-該腔體(215)包含第一流體(220)和第二流體(230)，這兩種流體在橫斷光軸(90)延伸的彎月面(225)上接觸，該彎月面(225)的周邊由所述側壁(270)來限制，這兩種流體(220，230)基本上是不混溶的，并具有不同的折射率；-第一電潤濕電極(242；243)，用于對由所述側壁(270)限制的彎月面周邊的至少一部分起作用；以及-第二電潤濕電極(280)，其延伸通過該彎月面(225)。
全文摘要
一種用于提供可變折射表面的光學元件(200；300)。該元件包括由至少一個側壁(270)確定的腔體(215)，光軸(90)延伸通過該腔體(215)。該腔體(215)包含第一流體(220)和第二流體(230)，這兩種流體在橫斷光軸(90)延伸的彎月面(225)上接觸。該彎月面(225)的周邊由所述側壁(270)來限制。這兩種流體(220，230)基本上是不混溶的，并具有不同的折射率。第一電潤濕電極(242；243)設置為用于對由所述壁(270)限制的彎月面周邊的至少一部分起作用。第二電潤濕電極(280)延伸通過該彎月面(225)。
文檔編號G11B7/135GK1788225SQ200480013023
公開日2006年6月14日 申請日期2004年5月10日 優(yōu)先權日2003年5月14日
發(fā)明者B·H·W·亨德里克斯, S·庫伊佩 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司