专利名称：电润湿光学开关的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种可切换光学元件，具体但非排他性地涉及一种适用于扫描不同类型光学记录载体的信息层的光学扫描装置的可切换光学元件，以及包含这种元件的光学扫描装置。
背景技术：
可以通过光学记录载体信息层如光盘(CD)、传统数字化视频光盘(DVD)和所谓Blu-RayTM盘的形式来存储数据。
近来，在蓝光激光二极管出现以后，提出了Blu-RaTM盘，蓝光激光二极管以明显比用于对传统DVD进行读或写数据的红光激光二极管更短的波长发射光。因为蓝光激光二极管的波长比更常用的红光激光二极管短，蓝光激光二极管可以在光盘上形成更小的光斑，从而Blu-RayTM盘的信息层轨道可以比传统DVD更紧密地间隔，这意味着Blu-RayTM盘比传统DVD具有更大存储容量—通常可以获得至少增加两倍的存储容量。
为了避免消费者不得不购买多种不同装置来对特殊类型的光学记录载体读出或写入数据，需要单一的光学扫描装置能够从多种不同格式的光学记录载体再现数据。
不过，该目的不易于实现，因为不同记录载体格式和相关的扫描装置具有不同性质。例如，CD是可使用的，尤其是，如CD-A(CD-音频)，CD-ROM(CD-只读存储器)和CD-R(CD-可记录)，并且设计成用大约785nm的激光波长和0.45的数值孔径(NA)进行扫描。另一方面，DVD设计成用650nm区域内的激光波长进行扫描，而Blu-RayTM盘设计成用405nm区域内的激光波长进行扫描。为了读出DVD，通常使用0.6的NA，而为了写入DVD，通常要求0.65的NA。
一个复杂因素是设计成在某一波长读出的光盘常常不能在另一波长下可读出。一个示例为CD-R，其中将特殊染料加入记录堆中，以便在785nm波长下获得高信号调制。在650nm波长下，来自光盘的信号的调制变得如此之小，这是由于在这一波长读出的染料的波长灵敏度不是可行的。
在引入具有更高数据容量的新型记录载体系统时，重要的是用于读出和写入的新装置向后可兼容现有的记录载体，以便获得高的市场接受水平。从而，DVD系统必须包含785nm和650nm激光器，以便能读出所有现有CD类型。同样，能读出所有CD，DVD和Blu-RayTM盘的系统应当包含785nm激光器、650nm激光器和405nm激光器。
不同类型记录载体的区别还在于其透明基底的厚度，其通常用作光盘数据载体层的保护层，结果，从记录载体进入面开始数据层的深度随记录载体类型而不同。例如，DVD的数据层深度为大约0.6mm，而CD的数据层深度为大约1.2mm。通常在光学扫描装置的物镜中补偿辐射束穿过保护层时产生的球面像差。
作为不同类型记录载体的这些不同性质的结果，如果例如试图用针对一种记录载体优化的光学扫描装置，从另一种不同类型记录载体读出数据，则会存在问题。例如，如果使用针对一种类型载体介质优化的物镜读出另一种载体介质，则会产生大量球面像差和不可忽略数量的球色差。该装置可设有三个物镜，一个物镜针对一个波长。不过，这种解决方案相对昂贵。
从而更为可取的是提供一种具有单个光学物镜的装置，用于使用不同波长的激光辐射扫描多种不同类型光载体介质。
国际专利申请WO 02/082437描述了这样一种用于在光学扫描装置内所用的物镜，用于从三种不同类型记录载体中读出数据。该透镜具有设置于辐射束路径内的相位结构。该相位结构包括多个不同高度的相位元件，当观察外形时多个相位元件设置成一系列台阶。不同高度的相位元件是相关的，并设置成对用于读出特定类型记录载体的辐射束产生所需的波前修正。
WO 02/082437所述类型的系统提供了一种对于使用光学扫描装置内一个物镜用相关的不同波长辐射束扫描三种不同类型光学记录载体时所产生的问题的解决方案。不过，所包含的相结构常常具有复杂性，相位元件具有很大范围的不同高度。这种相结构难以设计和制造成对于每个波长都能实现高光学效率。此外，其制造起来相对昂贵。
已经提出了使用流体系统提供具有可变性质光学元件的多种系统。
美国专利5,973,852描述了一种填充流体的可变放大率光学透镜。该透镜包括具有光学透明弹性薄膜的外壳，光学透明弹性薄膜设置在包含流体的腔室的一端上。使用泵组件将流体插入腔室中和从腔室抽出流体，从而薄膜相应地有选择地向外或向内凸出成凸透镜或凹透镜形状。国际专利申请WO 00/58763描述了一种基于电润湿的系统，从而可改变两种不同流体之间流体弯月面的曲率。其提出可使用该系统作为可变透镜。
美国专利6,288,846描述了可在两个不同离散状态之间切换的流体系统，以提供不同的波前修正。当系统处于其中一种状态时，流体与波前修正器之间形成近似为零的折射率差，以便不改变辐射束。在该系统的另一状态下，该折射率差是一个足够大的数值，从而改变辐射束的路径。使用流体控制系统切换流体系统。流体控制系统的例子包括手动或自动皮下注射器、蠕动泵、可压缩球以及压电、液压或气动激励器。
美国专利6,408,112描述了一种光学开关，其包括容纳于部件内部的通道和腔室中的流体系统。设置于空腔中的压电激励器使液体转移到通道中。在一个实施例中，液体流过包括菲涅耳透镜形释放结构的波前修正器的表面。在一个实施例中，流体系统中两种流体成分中的一种是气体，当流体移动到释放结构上面的位置时该气体受到压缩。不过，这种部件需要保持垂直取向以防止气体处于系统中包含压电泵的部分处。还披露了可使用两种适当的液体。不过，一个缺点是切换过程的可靠性，特别是在使用释放结构时，流体并非完全平滑地流动。切换过程中对平滑流体流动的要求，还限制了切换速度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种包括波前修正器的可切换光学元件，其可以通过一种可靠且有效的方式在至少第一与第二离散状态之间切换。
根据本发明，提供一种具有第一离散状态和不同的第二离散状态的可切换光学元件，该元件包括a)包括第一流体与不同的第二流体的流体系统；
b)具有一表面的波前修正器；以及c)流体系统开关，其作用于流体系统上以便在该元件的第一和第二离散状态之间切换，其中，当该元件处于第一离散状态时，波前修正器的表面被第一流体充分覆盖，并且当该元件处于第二离散状态时，波前修正器的表面被第二流体充分覆盖，其特征在于所述流体系统开关包括通过施加电润湿力而作用于流体系统上的电极结构；并且电压控制系统，其用于控制施加给该电极结构的电压，以便在该元件的第一与第二离散状态之间切换。
通过使用电板结构和其相关的电压控制系统，以便通过施加电润湿力而在第一与第二离散状态之间切换，提供了一种改进的流体切换系统，从而可由不同流体有选择地覆盖波前修正器的表面。可使用电润湿力来改变波前修正器表面上或邻近其表面的表面的可润湿性，从而分别为流体提供有效的排斥或吸引力，因而保证相对较快和可靠地切换。通过切换润湿程度，便于从波前修正器的表面上去除一种流体，并将另一种流体放置在波前修正器的表面上。
最好，该流体系统设置成以一种循环方式在第一与第二状态之间转变。由此，即使两流体包括两种不同液体，也能无需运动部件即可实现切换。
本发明的可切换光学元件可以包含在用于扫描三种不同光学记录载体的适当光学扫描装置中，每种记录载体需要使用具有不同波长的辐射束。用于提供预定波前修正的波前修正器的表面可以形成为易于且有效制造的简单结构。
提供本发明的可切换光学元件的不同离散状态，其中不同流体彼此分别具有不同折射率，从而为波前修正器的设计带来额外的自由度，在此情形中相位结构适用于不止一种的辐射束波长。波前修正器在每种离散状态下为预定波长的辐射束提供预定的波前修正。由下式给出在给定的辐射束波长λ下，具有折射率n的材料所制成的波前修正器表面的突起的台阶高度h，其中覆盖波前修正器表面的流体的折射率为ns
Φ=2πh(n-ns)λ---(1)]]>从而，当给定辐射束的波长改变时，波前修正器表面的突起所实现的波前修正也发生改变。此外，当通过改变覆盖波前修正器表面的流体而改变折射率ns时，波前修正器表面所实现的波前修正也发生改变。从而，可仅仅地对具有所读出记录载体类型专用的不同波长的辐射束进行不同的期望波前修正。
根据参照附图仅通过例子给出的本发明优选实施例的下述描述，显然可得出本发明的其他特征和优点。
图1和2表示根据本发明一个实施例，可切换光学元件在处于第一离散状态时分别沿线A-A和B-B的示意剖面图；图3和4表示图1和2的可切换光学元件在处于第二离散状态时分别沿线C-C和D-D的示意剖面图；图5表示包括根据本发明一个实施例的可切换光学元件的光学扫描装置的示意图；图6、7和8示意地表示根据本发明不同实施例的不同波前修正器的高度轮廓和近似的波前修正；图9和10表示根据本发明另一实施例的可切换光学元件在处于第一离散状态时分别沿线E-E和F-F的示意剖面图；图11和12表示图9和10中所示的可切换光学元件在处于第二离散状态时分别沿线G-G和F-F的示意剖面图；图13和14表示根据本发明不同实施例的波前修正器的示意高度轮廓，以及对于每个辐射束近似的波前修正；以及图15至18表示根据本发明另一实施例的可切换光学元件在处于四个不同离散状态时的示意剖面图。
具体实施例方式
参照图1到4，根据本发明的可切换光学元件的一个实施例包括腔室20，通过腔室的两个开口22、23流体性连接到具有两个相对端部的导管24。腔室的第一开口22与导管的第一端流体性连接，腔室的第二开口23与导管的第二端流体性连接，从而为流体系统形成流体密封的包围。腔室20的一侧被波前修正器26包围，并具有暴露于腔室20内部的表面28。波前修正器由透明材料，例如聚碳酸酯形成。波前修正器的表面28包括突起30形状的固体释放结构，其在波前修正器28的表面上形成一系列彼此平行设置的间隔线性脊。本实施例中波前修正器28表面的突起30的设置形成线性光学衍射光栅。图1到4示意地表示具有相等高度突起30的光栅。不过，突起彼此之间可为不同的高度。此外，放大了突起的尺寸；在优选实施例中，突起的高度为1μm的量级。另外，正如从下面的描述所能了解到的，还可以提供圆形同心衍射光栅和非周期性相位结构，其中突起是环形的或者至少形成环形部分。
腔室20还被盖板36包围，盖板36是由透明材料例如聚碳酸酯形成的平面元件。盖板36在疏水流体接触层32中被覆盖，其是透明的，且由例如DuPontTM(杜邦)制造的TeflonTM(特富龙)AF1600形成。该疏水流体接触层32的一个表面暴露于腔室20的内部。第一电润湿电极34处于盖板36与疏水流体接触层32之间。该第一电润湿电极34形成为透明导电材料板，例如氧化铟锡(ITO)。在流体接触层32与第一电润湿电极34之间可以形成由例如聚对二甲苯基构成的绝缘层(未示出)。注意，第一电润湿电极34具有与波前修正器表面28的一系列脊30所占据的区域完全重叠的工作区。疏水流体接触层32具有与波前修正器表面28的一系列脊30完全重叠的表面区域。
导管24形成在导管壁41与盖板40之间。盖板被其一个表面暴露于导管24内部的疏水流体接触层38所覆盖，疏水流体接触层由例如AF1600TM形成。第二电润湿电极40处于盖板42与疏水流体接触层38之间。该电极由导电材料，如氧化铟锡(ITO)构成。注意，第二电润湿电极40具有与导管24的大部分内部重叠的表面区域。
所包围的流体系统包括第一流体44和第二流体46。第一流体44包括具有预定折射率的水性导电流体，例如盐水。第二流体包括油基电绝缘流体，例如硅油。在本发明的该实施例中，第一流体44和第二流体46都是液体。第一流体44和第二流体46在两个流体弯月面48、49处彼此接触。
在如图1和2中所示可切换光学元件的第一离散状态下，第一流体44充分地填充腔室20和一部分导管24。通过充分填充，表明第一流体与波前修正器28表面的至少大部分突起30相接触。在该状态下，第一流体与腔室中疏水流体接触层32的至少大部分暴露表面接触。此外，存在由例如金属形成的、设置在靠近腔室一个开口22的导管24中的公共的第三电极50，其在两种状态下都与第一流体44填充的导管的部分相接触。在该元件的第一离散状态下，第二流体46充分填充导管24，除了第一流体44所填充的与公共的第三电极50相接触的部分以外。
在如图3和4中所示可切换光学元件的第二离散状态下，第一流体44充分填充导管24。在该第二离散状态下，第一流体44继续与设置于导管中上述部分的公共第三电润湿电极50相接触。此时，第一流体44与导管的疏水流体接触层38接触。此时，第二流体46充分填充腔室20，使第二流体46与波前修正器28的表面的突起30、以及腔室的疏水流体接触层32的暴露表面接触。此外，第二流体46填充导管24的一部分。该部分的导管24处于公共第三电极50所处位置的相对端。
第一电极34、第二电极40和第三电极50形成电润湿电板结构，其与电压控制系统(未示出)一起形成流体系统开关。该流体系统开关作用在所述的包括第一流体44和第二流体46的流体系统上，以便在可切换光学元件的所述第一与第二离散状态之间进行切换。在该元件的第一离散状态下，适当值的外加电压V1施加于第一电润湿电极34和公共第三电极50上。外加电压V1提供电润湿力，使得本发明的可切换光学元件趋于采取第一离散状态，其中导电的第一流体44移动以充分填充腔室20。作为外加电压V1的结果，腔室20的疏水流体接触层32暂时变成实质上至少相对而言是亲水性的，从而有助于优选第一流体44来充分填充腔室20。可以设想，在第一离散状态下，第二电润湿电极40与公共第三电极50上没有施加电压，从而导管中的流体接触层保持相对高的疏水性。
为了在可切换光学元件的第一离散状态与第二离散状态之间切换，流体系统开关的电压控制系统切断外加电压V1，并在第二电润湿电极40和公共第三电极50上施加适当值的第二外加电压V2。此外，可以设想，第一电润湿电极34与公共第三电极50上施加的电压V1被切断，从而第一电润湿电极34和公共第三电极50上没有施加电压。
此时可切换光学元件处于第二离散状态，其中由于外加电压V2提供的电润湿力，导致第一流体44充分填充导管24。通过外加电压V2，导管24的疏水流体接触层38此时至少相对而言是亲水的，并且趋向于吸引第一流体44。第一流体44移动以填充导管24中设有公共第三电极50的部分。如前面所述，此时第二流体46充分填充腔室20。腔室20的疏水流体接触层32此时相对而言是高度疏水的，有助于使第二流体处于第二离散状态。
在该元件的第一与第二离散状态之间转变期间，由于流体系统开关所控制的，流体系统的第一流体44和第二流体46以一种循环方式通过流体系统流动，每种流体相互置换。在从第一向第二离散状态转变过程中的这种循环流体流动下，第一流体44从腔室20流出，通过腔室的一个开口22进入导管24的一端。同时，第二流体46通过腔室的另一开口23从导管24的另一端进入腔室20中。在从第二向第一离散状态的转变过程中，发生相反的循环流体流动。
因而，当从第一离散状态变成第二离散状态时，第二电润湿电极40和公共第三电极50上的外加电压V2将导电的第一流体44吸引到腔室20中，从而将电绝缘的第二流体46置换到腔室20的外部。此外，腔室20的疏水流体接触层32将导电的第一流体44从腔室20排斥到导管24中。在这些方面，从第二向第一离散状态的转变与从第一向第二离散状态的转变相反。
图5示意地表示用于扫描光学记录载体信息层的光学扫描装置，在本例中光学记录载体为光盘。光学扫描装置包括根据本发明一个实施例的可切换光学元件，其与上面参照图1到4所描述的类似。
光学记录载体1包括透明层2，在其一侧上设置至少一个信息层3。该载体可包括多个设置在不同深度上的信息层，通过保护层4保护信息层背离透明层的一侧内部不受环境的影响。透明层面对装置的一侧为盘进入面5。透明层2作为光盘的基底，为信息层提供机械支撑。或者，透明层2可以具有保护信息层3的唯一功能，而由信息层另一侧上的层，例如由保护层4或者由另一信息层和与最上部信息层相连的透明层提供机械支撑。
信息可以以设置于图1中未示出的大致平行的、同心或螺旋轨道中的光学可检测标记的形式存储到光盘的信息层3中。标记可以为任何光学可读出形式，例如凹坑形式，或者具有反射系数或磁化方向与其周围不同的区域的形式，或者这些形式的组合。
扫描装置包括辐射源系统6，其包括可调谐半导体激光器或三个分离的半导体激光器。发射出第一、第二或第三预定波长的辐射束7。辐射束的第一、第二和第三预定波长对应于光学扫描装置所扫描的不同类型的光学记录载体1。例如，第一预定波长λ1为405nm，对应于Blu-RayTM盘；第二波长λ2为650nm，用于扫描DVD；第三波长λ3为785nm，对应于CD。预定波长的辐射束是发散的，且朝向透镜系统发射。透镜系统包括准直透镜8、根据本发明的可切换光学元件9和沿光轴11设置的物镜10。准直透镜8将辐射源系统6发射出的预定波长的发散辐射束7转变成基本准直的光束12。下面进一步描述的本发明可切换光学元件9修正了准直辐射束12的波前，波前修正是所读出的记录载体的类型专用的。物镜10将入射的波前经过修正的辐射束15转变成具有选定数值孔径(NA)的会聚束13，会聚束13在信息层3上形成焦斑14。设置检测系统16、第二准直透镜17和分束器18，以便在携带信息的辐射束19中检测数据信号，并且控制包括聚焦误差信号的信号，其用于机械调节物镜10的轴向位置。
可切换光学元件9的波前修正器的表面具有精确的设计和结构，从而当该元件处于其选定的一个离散状态时，对于特定波长的准直辐射束12施加预定的波前修正，这对所扫描的记录载体类型是专用的。现在将详细描述可切换光学元件的另一实施例。
在本发明一个实施例中，波前修正器表面的突起构成圆形衍射光栅。波前修正器由折射率为n＝1.6的聚碳酸酯材料形成，第一流体是折射率为n水＝1.350的盐水，第二流体是折射率为n油＝1.393的硅油。
下面的示例说明对于λ1辐射束选择零阶衍射，对于λ2和λ3辐射束选择一阶衍射的衍射光栅的设计。波前修正器的突起是环形的，且在作为波前修正器表面的径向分布而观察时形成一系列等宽度区域。每个区域包括多个径向子区域。每个区域中子区域的排列相类似，从而台阶构成了规则的重复相位结构。选择每个台阶的高度，使得其对于λ1辐射束引入2π整数倍的相位改变(Φ)，以便带来平坦的波前修正。对于发生2π相位改变的λ1辐射束，台阶的适当高度取决于可切换光学元件选择使用的离散状态。对于其中波前修正器的表面被第一流体覆盖的第一离散状态，高度的基本单位为
而对于其中表面被第二流体覆盖的第二离散状态，为
表I列表显示出对于λ1、λ2和λ3辐射束的每一个，产生2π相位改变的台阶高度的基本单位。表II列表显示出分别在第一和第二离散状态的每一个状态下，对于λ2和λ3辐射束，h油405或h水405(1.620μm)的台阶高度引入的相位改变(Φ)。
表I
表II
从这些表格可以看出，当对于每个辐射束使用该元件的相同离散状态时，λ3辐射束的相位改变近似为π。从而，在此情况下对于λ3辐射束仅有两个基本上不同的相位改变台阶是可能的，使得难以设计出相对简单且产生高效率一阶衍射的光栅。不过，当对于三个辐射束使用该元件的不同离散状态时，这种设计是可能的。考虑对于λ1和λ2辐射束两者，该元件用于第二离散状态下，而对于λ3辐射束，该元件用于第一离散状态下。
表III列表表示出当该元件用在所述的不同离散状态下时，对于λ2和λ3辐射束，mh油405的台阶高度引起的相位改变，其中m为台阶高度整数。
表2
表3
基于表1中的数据的变焦透镜的结构图与图1给出的类似。在这个基于表1中数据的变焦透镜中，第一个透镜单元1具有正折射率，并且在变焦和调焦期间相对于像平面是固定的。第二个透镜单元2具有负折射率，并且通过沿光轴移动而产生可变折射率的效果。第三个透镜单元3由正透镜和负透镜构成，并且整体上具有正折射率。第四个透镜单元4是由负透镜和正透镜构成的，整体上具有负折射率，并且在变焦和调焦期间相对于像平面是固定的。第五个透镜单元5具有正折射率，并且通过将它沿着光轴移动，由变焦和调焦而第五个透镜似为炫耀光栅锯齿分布52。在该分布中每一台阶的中心处，相位修正等于锯齿分布52在该位置的数值。通过对于辐射束λ3，使用其中该波前修正器表面被第一流体覆盖的元件的第一离散状态，并且对于λ1和λ2辐射束，使用其中波前修正器的表面被第二流体覆盖的第二离散状态，从而对于λ1，λ2和λ3辐射束的每一个都实现高效率。
表V给出了本发明另一实施例的详细内容，其包括采用6个子区域的衍射光栅，其中对于λ1，λ2和λ3辐射束的每一个效率甚至更高。
表V
未按照比例绘出的图7表示本发明另一实施例的衍射光栅其中一个区域的分布。通过与上述实施例相同的方式，波前修正器表面的突起为沿径向设置的、且在围绕该元件的光轴排列的径向区域中间隔开的同心台阶。所产生的波前修正具有台阶状分布，当该元件处于第二离散状态下对于λ2辐射束，当该元件处于第一离散状态时对于λ3辐射束，其近似为炫耀光栅锯齿分布54。在该分布的每个台阶的中心处，相位修正等于锯齿分布54在该位置的数值。
可以设想本发明的其他可能实施方式，其中波前修正器表面的突起形成衍射光栅。下面给出根据一般设计考虑进行的设置。
在这些实施例中，台阶高度h的基本单位对波长λa的辐射束引入0或2π整数倍的相位改变，并且对于波长为λb和λc的其他两个辐射束，相位改变相同或者至少相似。令na为第一离散状态下覆盖波前修正器表面的第一流体的折射率，nb为第二离散状态下覆盖波前修正器表面的第二流体的折射率，n为波前修正器的折射率。为了使台阶高<p>表10
通过与利用图2到5所描述的上述实施例相类似的方式，波前修正器的表面57包括突起58，在本实施例中其构成围绕处于表面57的零半径处的中点59设置的一系列同心圆形台阶。当以剖面分布图观察时，如图10和12中所示，突起58为设置成非周期性结构(NPS)的台阶，从中点59开始沿径向方向设置突起，使得突起并非规则重复的图案间隔。图10和12示意地表示NPS，突起58具有相等高度。不过，通常突起彼此之间具有不同高度，每个突起的高度通过台阶高度的共同基本单位相关。此外，夸大了突起的高度；在优选实施例中，该高度具有1μm的量级，且突起之间的距离为100μm的量级。
通过与利用图1到4所描述的本发明上述实施例相类似的方式，可切换光学元件可在两个离散状态之间切换，其中第一流体144与第二流体146设置得不同。在第一离散状态下，如图9和10中所示，在第一电润湿电极134与公共第三电极150上施加外加电压V3。该外加电压V3的数值选择为适于引起该元件从第二离散状态切换到第一离散状态的数值。第二电润湿电极140与公共第三电极150上没有施加电压。在可切换光学元件的该实施例的第二离散状态下，如图11和12中所示，在第二电润湿电极140与公共第三电极150上施加外加电压V4。该外加电压V4的数值选择为适于引起该元件从第一离散状态切换到第二离散状态的数值。第一电润湿电极134与公共第三电极150上没有施加电压。
现在将描述可切换光学元件的另一实施例，其中波前修正器的表面为非周期性相位结构(NPS)。将要描述的每一个进一步实施方式中的波前修正器表面的特定结构对应于多个不同预定波长的辐射束上所希望的不同预定波前修正，每种修正对于所扫描的不同种类记录载体而言是专用的。
在本发明另一实施例中，可切换光学元件包括NPS，波前修正器由折射率为n＝1.6的聚碳酸酯材料形成，第一流体为折射率为1.350的盐水，第二流体为折射率为1.4的硅油。使用所有不同的波长λ1＝405nm、λ2＝650nm和λ3＝785nm的三个不同辐射束。
下面的示例说明对于λ1和λ2辐射束提供平坦波前修正，对于λ3辐射束提供近似球面像差波前修正的NPS的设计。波前修正器表面上的突起形成为台阶，从而其对于λ1辐射束引入2π或其整数倍的相位改变。对于发生2π相位改变的λ1辐射束，NPS台阶高度的基本单位取决于该元件选择使用的离散状态。对于其中波前修正器表面被第一流体覆盖的第一离散状态，高度的基本单位为
对于其中表面被第二流体覆盖的第二离散状态，为
表VII列表表示出对于λ1，λ2和λ3辐射束中的每一个，产生2π相位改变的台阶高度。表VIII列表表示出在第一和第二离散状态的每一个状态下，h油405(2.025μm)或h水405(1.620μm)的台阶高度分别对λ2和λ3辐射束引入的相位改变(Φ)。
表VII
表VIII
从这些表格可以看出，当对于每个辐射束利用该元件的相同离散状态时，λ3辐射束的相位跳变近似为π。从而，在此情形中对于λ3辐射束仅存在两个明显不同的相位改变是可能的，使得难以设计出对于λ3辐射束产生至少大致球面波前修正的相对简单的NPS。不过，当对于三个辐射束使用该元件的不同离散状态时，可进行这种设计。考虑对于λ1辐射束该元件用于第一离散状态，并且对于λ2和λ3辐射束该元件用于第二离散状态的情形。
表III
表III表示对于λ2和λ3辐射束，所引入的相位改变近似相同。从而有8个不同台阶高度，其都可以用于将类似的波前修正引入λ2和λ3辐射束中。
例如Damman型衍射光栅结构可设计为对于λ1辐射束选择零阶衍射，并且对于λ2和λ3辐射束近似化锯齿形炫耀光栅。由于具有表III所描述的结构，对于λ2和λ3辐射束引入的相位改变近似相同，可设计出对于λ2和λ3辐射束都选择一阶衍射的衍射光栅结构。
表IV给出具有四个径向子区域的衍射光栅区域的分布，对于λ2和λ3辐射束都表现出高效率。
表IV
未按照比例绘出的图6表示表IV中详细给出的本发明实施例的衍射光栅的一个区域的分布。在本实施例中，波前修正器表面的突起为径向地设置、且在围绕元件光轴排列的径向区域中间隔开的同心台阶。所产生的波前修正具有台阶状分布，其对于λ2和λ3辐射束两者近<p>未按照比例绘出的图13表示表X中详细说明的NPS的分布，并表示NPS台阶的相对高度，其随着距该元件光轴(零半径)的径向距离而变。此外表示出所产生的λ2辐射束的近似平坦的波前修正60，并且所产生的波前修正具有近似了λ3辐射束的散焦结合了球面像差分布62的台阶状分布，用处于第二离散状态的元件实现两种波前修正。在该分布的每个台阶的中心处，相位调节等于分布62在该位置处的数值。
由于可将元件设置在不同离散状态带来额外的设计自由度，可设计出在NPS相位结构各台阶之间仅具有相对较小高度差的简单NPS，从而使波前修正器表面的制造过程明显地更加容易。
在本发明另一实施例中，其中可切换光学元件包括NPS，波前修正器由折射率n＝1.6的聚碳酸酯材料形成，第一流体为折射率为n＝1.344的盐水，第二流体是折射率为n＝1.393的硅油。在本例中，使用波长λ1＝405nm，λ2＝650nm和λ3＝785nm的三个辐射束。
对于发生2π相位改变的λ1辐射束，NPS台阶高度的基本单位取决于该元件选择使用的离散状态。对于波前修正器的表面被第一流体覆盖的第一离散状态，高度的基本单位为
对于表面被第二流体覆盖的第二离散状态，为
表XI列表表示对于每个离散状态，产生2π相位改变的台阶高度。表XII列表表示出，对λ2和λ3辐射束，h油405(1.957μm)或h水405(1.582μm)的台阶引入的相位改变(Φ)。
表XI
表XII
从这些表格可以看出，当对于每个辐射束该元件处于相同离散状态时，对于λ3辐射束相位改变波前修正差近似为π。从而，在此情形中可能仅有两个明显不同的相位改变，使得难以设计出对于λ3辐射束产生至少近似地球面波前修正的简单NPS。不过，当对于三个辐射束在不同离散状态下使用该元件时，这种简单的设计是可能的。考虑到这种情况，其中对于λ1和λ2辐射束在第二离散状态下使用该元件，对于λ3辐射束在第一离散状态下使用该元件。
表XIII列表表示出当在所述不同离散状态下使用该元件时，对于λ2和λ3辐射束，整数mh405油的台阶高度所引起的相位改变，其中m为台阶高度整数。
表XIII
表XIII表示对于λ2和λ3辐射束所引起的相位改变基本相同。各种台阶高度至少提供了八个明显不同的相位改变可能性。
下面的表XIV给出了具有23个径向区域的NPS说明，其对于λ2度h对于波长为λb和λc的两个辐射束引入至少近似相同的相位改变，则λbn-na≈λcn-nb---(4)]]>由此得出，nb基本上等于(优选处于0.05内，更优选处于0.025内)nb=n+λcλb(na-n)---(5)]]>未按照比例绘出的图8表示根据本发明另一实施例的衍射光栅的分布。通过与上述实施例类似的方式，波前修正器表面的台阶形突起为沿径向设置、且在围绕光轴排列的径向区域中间隔开的同心台阶，如表VI详细给出的。在本实施例中，第二流体的折射率与形成波前修正器的材料的折射率相匹配。例如，波前修正器材料，例如环状烯烃共聚物(COC)具有的折射率为n＝1.535，第一流体如盐水具有的折射率为n水＝1.350，第二流体如油具有的折射率为n＝1.535。对于λ1和λ2，波前修正器的表面被第二流体覆盖，对于λ3表面被第一流体覆盖。从而对于λ1和λ2辐射束，波前修正器表面的衍射光栅的二元台阶是不可见的，并引入平坦的波前修正。对于λ3辐射束，波前修正具有台阶状分布，在波前修正器的表面被第一流体覆盖时，其近似为炫耀光栅锯齿分布56。在该分布的每个台阶的中心处，相位修正等于锯齿分布56在该位置的数值。
表IV
图9到12示意地表示本发明可切换光学元件的另一实施例，适于包含在前面参照图5描述的光学扫描装置中。本发明该实施例的许多特征与利用图1到4描述的本发明上述实施例的特征相似。在此用数值。应当注意，在距离NPS的中心更远的径向区域处，对于λ2和λ3辐射束，不同的波前修正趋于合并，从而它们近似相同。
可以设想可切换NPS的其他可能实施方式。其根据下面给出的一般设计考虑来设计。
在这些实施例中，台阶高度h的基本单位对于波长为λa的辐射束引入了0或2π整数倍的相位改变，且对于波长为λb和λc的其他两个辐射束引入相同或至少相似的相位改变。令na为在该元件的第一离散状态下覆盖波前修正器表面的流体的折射率，nb为在第二离散状态下覆盖波前修正器表面的流体的折射率，n为波前修正器的折射率。为了使台阶高度h对于波长为λb和λc的两个辐射束引入至少近似相同的相位改变λbn-na≈λcn-nb---(10)]]>由此得出，nb基本上等于(优选处于0.05内，更优选处于0.025内)nb=n+λcλb(na-n)---(11)]]>图15，16，17和18表示分别处于第一、第二、第三和第四离散状态的本发明的另一实施例。图15至18中的每一个为示意性侧剖图。本发明该实施例的元件与图1到4和图9到12所示本发明上述实施例的部件相类似。从而此处用相同附图标记、增加200表示这些元件，并且前面的描述此处也适用。
除了波前修正器226的表面228以外，本发明该实施例的波前修正器226具有第二表面68。与波前修正器228的第一表面相类似，波前修正器的第二表面68包括包含突起70的固体释放结构。当以分布图观察时，这些突起70处于波前修正器的第二表面68的表面上。本实施例中突起70为形成围绕波前修正器表面68的中心点排列的一系列同心和圆形台阶的台阶，台阶的宽度彼此不同。突起的这种排列按照与使用图9到12描述的上述实施例相类似的方式形成NPS。或者，突起70可通过与上述本发明实施例相类似的方式形成衍射光栅。
正如对于本发明上述实施例所述的，突起70的排列设计为，对于特定波长的给定辐射束、且在该元件的选定离散状态下执行预定的波前修正。
波前修正器226的第二表面68暴露于与第一腔室20具有相类似结构的第二腔室72的内部。其包括被疏水流体接触层74覆盖的透明盖板78，其优选是透明的且由AF1600TM形成，其一个表面暴露于第二腔室72的内部。在盖板78与疏水流体接触层74之间设有第四电润湿电极76。该第四电润湿电极76优选由透明导电材料，如氧化铟锡(ITO)形成。与本发明上述实施例相类似，第四电润湿电极76具有与波前修正器226第二表面68的突起70的设置完全重叠的工作区域。疏水流体接触层74优选还与第二表面68的突起70的设置重叠。
本发明该实施例还包括与导管224的结构相类似的第二导管80，如上述实施例所述。由导管80由壁和盖板80构成，其被疏水流体接触层82和第五电润湿电极84覆盖，并且导管包括第六公共电极(未示出)。
按照与第一腔室220同第一导管224的流体连接相类似的方式，第二腔室72与第二导管80流体性连接，使得产生了保持第二流体系统的流体密封包围。在本发明该实施例中，第二流体系统对于被第一腔室220和第一导管224包围的流体系统具有相类似的性质，并包括第一流体244和第二流体246。第一流体244和第二流体246与本发明上述实施例的第一和第二流体相类似，并且在与第一流体系统的流体弯月面48、49相似的两个流体弯月面(未示出)处彼此接触。或者，第二流体系统的两种流体可以包括一种或多种与第一流体244和第二流体246相同或不同的流体。
通过施加不同电压以便将第一流体244和第二流体246设置于两个腔室220、72和两个导管224、80内，本发明的可切换光学元件可以处于四个离散状态，如图15，16，17和18中分别表示出的。在这些离散状态下第一流体244和第二流体246的设置与本发明上述实施例的光学元件的第一和第二离散状态具有相类似的性质。
通过与本发明上述实施例相类似的方式，第一电润湿电极234、第二电润湿电极240、第四电润湿电极76和第五电润湿电极84，与公共的第三和第六电极(未示出)分别地一起形成电润湿电极结构，其与电压控制系统(未示出)一起形成流体系统开关。通过施加必要的电压，该流体系统开关使本发明该实施例的元件可处于不同的离散状态，以便根据选定的离散状态设置第一流体244和第二流体246。与本发明上述实施例相类似，在离散状态之间转变过程中，该元件的两个流体系统的流体通过一种循环方式流动。
在本发明该实施例中，两个腔室220、72彼此之间没有互相连接，而是使用两个分离的流体系统。可以设想作为本发明另一种实施方式，单一流体系统通过一种循环方式在两个腔室220、72之间流动，而非流入分离的导管中。因此，在本实施例中，每个腔室用作另一腔室的导管。
注意，在上述实施例中，忽略了折射率随波长的改变。不过，这种改变一般相对较小。在这种改变不可忽略时，通过适当修正波前修正器的设计，可以将该影响考虑在内。
上述实施例中所描述的设置用于减小三种不同波长的不同辐射束其中至少之一的波前像差，使用单一物镜系统扫描不同类型光学记录载体。不使用可切换光学元件，采取均方根(RMS)值的至少一个波前像差将处于可接受的70mλ限度之上，而使用可切换光学元件，可将这种像差减小到小于70mλ。
通过本发明示例理解上述实施方式。可预见到本发明的其他实施方式。
在本令另一预想到的实施方式中，由双折射材料形成波前修正器。在本实施例中，对于某一波长的给定辐射束进行的预定波前修正还取决于辐射束的偏振态。从而，对于具有不同偏振态的辐射束可进行不同的预定波前修正。
在本发明另一预想到的实施方式中，该元件的流体系统的其中一种流体包括液晶材料。在此情形中，暴露于腔室内部的至少一个表面包括配向层。在本实施例中，其中流体系统的另一流体并非液晶材料，可以在提供非双折射单元或连续可变液晶单元的元件的两个离散状态之间切换，用于对给定辐射束进行波前修正。
作为本发明另一预想到的实施方式，选择波前修正器表面上突起的高度，使得在所选择的离散状态下，对于两个不同波长的辐射束，波前修正为2π的整数倍。这就产生平坦的波前修正。用于其余辐射束的波前修正是不同的，且由突起的高度以及所选择使用的离散状态决定。
在本发明另一实施例中，选择波前修正器表面上突起的高度，使得在一种选定的离散状态下，对于所有三个辐射束波前修正为2π的整数倍。这就对于所有三个辐射束产生平坦的波前修正。不过，通过对于一个辐射束切换离散状态，产生选定的波前修正。
在本发明多个所述实施例中，第一流体或第二流体的折射率可以选择为等于构成波前修正器的材料的折射率，从而在波前修正器的表面上产生零折射率差。结果，在该元件的所述折射率差为零的适当离散状态下，对于某一波长的至少一个辐射束进行平坦的波前修正。当该元件处于折射率差不再为零的另一离散状态时，对于不同波长的辐射束进行不同的波前修正。
在上述实施例中，每种流体为液体形式。或者，可用气体或蒸汽成分取代油成分。
在所述实施例中，电润湿电极和疏水流体接触层设置在靠近波前修正器表面的一个表面上。或者，或除此以外，对应的电润湿电极和疏水流体接触层可以形成在波前修正器表面的至少一部分上。这将有助于在切换过程中从波前修正器的表面上去除一种流体，并将另一种流体设置在波前修正器的表面上。此外，尽管电极和疏水流体接触层仅形成在上述实施例的导管的一个壁上，这些装置还可形成在导管的两个、三个或所有壁上，以便有助于校正切换期间流体的流动。
在上述实施例中，该元件设置成在切换过程中进行循环流体流动。或者，流体流动可以发生在与腔室连接的两个分离的容器之间。通过加压装置如压电泵激励器，可以有助于这种流体流动。
在本发明上述实施例中，将波前修正器表面的突起设置成以便形成例如衍射光栅或非周期性相位结构(NPS)。另外，对于本发明上述实施例，突起的排列具有围绕波前修正器表面的径向中点的旋转对称性。可预想到波前修正器表面突起的其他结构，其中将突起据此成形以便产生预定的波前修正。波前修正器表面突起的结构也不限于围绕波前修正器表面的径向中点的旋转对称性。此外，波前修正器不必包括突起；波前修正器可以例如为平滑球面或球形透镜表面、或者包括镜栅的平坦表面的形式。波前修正器可以工作于反射而非折射模式。
应当理解，与任何一个实施例有关的任何上述特征可单独使用，或者可以与所述的其他特征组合使用，并且还可以与任何其他实施例或者任何其他实施例的组合的一个或多个特征组合使用。此外，在不偏离所附权利要求限定的本发明范围的条件下，还可以采用上面没有描述的等效方式和变型。
权利要求
1.一种具有第一离散状态和不同的第二离散状态的可切换光学元件，该元件包括a)包括第一流体和不同的第二流体的流体系统；b)具有表面的波前修正器；以及c)流体系统开关，其作用于流体系统以便在该元件的第一与第二离散状态之间切换，其中，当该元件处于第一离散状态时，波前修正器的表面被第一流体充分覆盖，并且当该元件处于第二离散状态时，波前修正器的表面被第二流体充分覆盖，其特征在于所述流体系统开关包括电极结构，设置为通过施加电润湿力而作用于流体系统；和电压控制系统，设置用于控制施加给所述电极结构的电压，以便在该元件的第一与第二离散状态之间切换。
2.根据权利要求1所述的可切换光学元件，其中第一流体是导电的，第二流体是电绝缘的。
3.根据权利要求2所述的可切换光学元件，其中第一流体和第二流体两者都是液体。
4.根据前面任一权利要求所述的可切换光学元件，其中所述电极结构包括具有工作区域的第一电极，并且其中波前修正器的表面和第一电极的工作区域设置为基本重叠的结构。
5.根据前面任一权利要求所述的可切换光学元件，其中所述电极结构包括第一电极，第二电极和公共的第三电极，所述电压控制系统用于在该元件的第一和第二离散状态其中至少一个状态下，不同地向第一和第二电极施加电压。
6.根据前面任一权利要求所述的可切换光学元件，包括腔室，波前修正器的表面处于其中，和导管，该导管具有两个端部，每个端部在分离的位置处与腔室流体性连接，其中该元件设置成在该元件的第一与第二离散状态之间转变过程中，发生循环流体流动，使得流体从腔室经由所述两端中的一端进入导管，并且流体从导管经由所述两端中的另一端进入腔室中。
7.根据前面任一权利要求所述的可切换光学元件，其中波前修正器的表面包括一个或多个突起，该突起被设置成当该元件处于所述第一与第二离散状态其中之一时，对于预定波长的给定辐射束提供预定的波前修正。
8.根据权利要求7所述的可切换光学元件，其中所述突起围绕光轴同心地设置。
9.根据权利要求7所述的可切换光学元件，其中所述突起是线性的且彼此平行设置。
10.根据权利要求7、8或9所述的可切换光学元件，其中所述突起构成衍射光栅。
11.根据权利要求7、8或9所述的可切换光学元件，其中所述突起在横穿所述表面的方向上形成非周期性台阶状分布。
12.根据前面任一权利要求所述的可切换光学元件，包括第二波前修正器表面，该元件具有与第二表面相关的第三和第四离散状态，和包括第三流体和不同的第四流体的第二流体系统，其中当该元件处于第三离散状态时，第二表面被第三流体充分覆盖，并且当该元件处于第四离散状态时，第二表面被第四流体充分覆盖，其中电压控制系统设置为控制施加给所述电极结构的电压，以便在该元件的第三和第四离散状态之间切换。
13.根据前面任一权利要求所述的可切换光学元件，其中波前修正器包括双折射材料。
14.根据前面任一权利要求所述的可切换光学元件，其中第一和/或第二流体包括液晶材料。
15.一种用于扫描信息层的光学扫描装置，该装置包括根据前面任一权利要求所述的可切换光学元件，所述光学扫描装置包括a)用于发射第一预定波长的第一辐射束和第二预定波长的第二辐射束的辐射源系统，以及b)用于将辐射束会聚到相应信息层上的物镜系统，其中当该元件处于第一离散状态时，对第一辐射束提供第一预定波前修正，并且当该元件处于第二离散状态时，对第二辐射束提供第二预定波前修正元件。
16.根据权利要求15所述的光学扫描装置，其中第一预定波前修正至少接近于球面像差和/或散焦。
17.根据权利要求15或16所述的光学扫描装置，其中第二预定波前修正至少是近似平坦的。
18.根据权利要求15所述的光学扫描装置，其中所述辐射源系统适于发射第三预定波长的第三辐射束，其中当该元件处于第二状态时，对第三辐射束提供第三预定波前修正。
19.根据权利要求18所述的光学扫描装置，其中第三预定波前修正要么至少是近似平坦的，要么至少接近于球面像差和/或散焦。
全文摘要
本发明涉及一种具有第一离散状态和不同的第二离散状态的可切换光学元件。该元件包括包含第一流体(44)和不同的第二流体(46)的流体系统；具有一表面(28)的波前修正器(26)；以及流体系统开关，其作用于流体系统上，以便在该元件的第一与第二离散状态之间切换。当该元件处于第一离散状态时，波前修正器(26)的表面(28)被第一流体(44)充分覆盖。当该元件处于第二离散状态时，波前修正器的表面被第二流体(46)充分覆盖。该流体系统包括电极结构，该电极结构设置为通过施加电润湿力而作用于流体系统上；以及电压控制系统，用于控制施加给该电板结构的电压，以便在该元件的第一与第二离散状态之间切换。
文档编号G11B7/135GK1682142SQ03822170
公开日2005年10月12日 申请日期2003年9月12日 优先权日2002年9月19日
发明者B·H·W·亨德李克斯, S·库伊佩 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司