专利名称：可变折射表面的制作方法
发明的领域本发明涉及一种提供可变折射表面的元件，包括这种元件的设备，以及制造这种元件和这种设备的方法。这种元件特别适合于但不限于校正光学扫描设备中的球面像差。
发明的背景在各种光学系统中，可能出现不希望有的像差，这些像差容易降低该光学系统的性能。
例如，光盘，诸如CD(紧致盘)、DVD(数字视频盘或数字通用盘)和BD(蓝光盘)称为信息记录媒体，在该信息记录媒体上光学地记录或再现信息。翘曲的光盘导致扫描光束中的慧差，因此使光学记录系统的读出信号劣化。此外，该系统可能受温度变化的影响，例如当光学记录系统中的物镜温度升高时，其可能产生球面像差，从而导致读出信号劣化。
一些光盘具有两个或多个信息层。当从扫描一个信息层转换到扫描另一个信息层时(例如从双层盘中的第一层转换到第二层)，由于扫描光束必须穿过不同厚度的覆盖层而导致产生球面像差。为了能够准确读这两个信息层必须校正这种球面像差。
用于补偿这种不想要的像差的已知技术是在光束路径中提供可转换的液晶盒(liquid crystal cell)。该盒被安排成表现出具有可变量的球面像差，通过向该盒施加电压来控制球面像差量。EP1168055描述了这种球差校正设备。这种液晶设备的一个缺点在于其需要相对昂贵的液晶盒。
本发明实施例的目的在于提供一种光学元件，其可以解决本文中提到或没有提到的现有技术的一个或多个问题。
本发明特定实施例的目的在于提供一种适合于校正球面像差的相对便宜的光学元件。
发明概述在第一方面，本发明提供了一种用于提供可变折射表面的光学元件，该元件包括
-由至少一个侧壁确定的腔体；-延伸通过该腔体的光轴；-该腔体包含第一流体和第二流体，这两种流体在横断光轴延伸的弯月面上接触，该弯月面的周边由所述侧壁来限制，这两种流体基本上是不混溶的，并具有不同的折射率；-第一电润湿(electrowetting)电极，用于对由所述壁限制的弯月面周边的至少一部分起作用；以及-第二电润湿电极，其延伸通过该弯月面。
在这种元件中，可通过这两个电极来改变弯月面的形状。该弯月面有效地提供折射表面，该折射表面的形状是可变的。利用延伸通过该弯月面的电极使该弯月面形成大量新颖的形状，包括适合于校正球面像差的形状。与液晶盒相比，这种元件的制造相对便宜。
在另一方面，本发明提供一种设备，该设备包括用于提供可变折射表面的光学元件，该元件包括由至少一个侧壁确定的腔体；延伸通过该腔体的光轴；该腔体包含第一流体和第二流体，这两种流体在横断光轴延伸的弯月面上接触，该弯月面的周边由所述侧壁来限制，这两种流体基本上是不混溶的，并具有不同的折射率；第一电润湿电极，用于对由所述侧壁限制的弯月面周边的至少一部分起作用；以及第二电润湿电极，其延伸通过该弯月面。
在又一方面，本发明提供一种制造用于提供可变折射表面的光学元件的方法，该元件包括提供由至少一个侧壁确定的腔体，光轴延伸通过该腔体；用第一流体和第二流体填充该腔体，使得这两种流体在横断光轴延伸的弯月面上接触，该弯月面的周边由所述侧壁来限制，这两种流体基本上是不混溶的，并具有不同的折射率；提供第一电润湿电极，用于对由所述壁限制的弯月面周边的至少一部分起作用；以及提供第二电润湿电极，其延伸通过该弯月面。
在再一方面，本发明提供一种制造光学设备的方法，该方法包括以下步骤提供一种光学元件，该光学元件提供可变折射表面，该元件包括由至少一个侧壁确定的腔体；延伸通过该腔体的光轴；该腔体包含第一流体和第二流体，这两种流体在横断光轴延伸的弯月面上接触，该弯月面的周边由所述侧壁来限制，这两种流体基本上是不混溶的，并具有不同的折射率；第一电润湿电极，用于对由所述侧壁限制的弯月面周边的至少一部分起作用；以及第二电润湿电极，其延伸通过该弯月面。
附图简述现在通过实例的方式，参照附图更好地理解本发明，并示出怎样实现本发明的各个实施例，在附图中
图1示出依照本发明第一实施例的光学元件的横截面视图；图2示出图1中所示元件的腔体的透视图；图3示出图1中所示元件的腔体的横截面视图，其中示出弯月面的一种构形；图4示出依照本发明另一个实施例的元件的横截面平面视图；以及图5示出包括依照本发明实施例的元件的设备的示意表示。
优选实施例详述本发明的发明人已经认识到具有不同折射率的两种流体之间的弯月面的电润湿设备可用于提供像差补偿。
电润湿设备是利用电润湿现象来工作的设备。在电润湿过程中，利用外加电压来改变三相接触角。该三相构成两种流体和一种固体。通常，至少一种流体是液体。
流体是响应于任何力而改变其形状的物质，其易于流动成或符合容纳它的腔体的轮廓，包括气体、蒸汽、液体、以及能够流动的固液混合物。
图1示出依照本发明一个实施例的元件200。该元件200是一种光学元件(即，它被安排成改变入射到该设备上的光的特性)，在这个例子中，元件200用于提供可变折射表面，即折射表面，该折射表面的构形(例如形状或相对于光轴的倾斜角)可发生变化。
元件200包括在弯月面225上接触的第一流体220和第二流体230，这两种流体是不混溶的。第一流体220是不导电的非极性液体，如硅油或烷烃。这种油的一个例子是聚二甲基(8-12％)-苯甲基硅氧烷(phenylmethysiloxame)共聚物，其折射率n＝1.425。第二流体230是导电或极性液体，如含盐溶液的水(或水与乙二醇的混合物)。水的折射率通常为n＝1.334，但是溶解了盐可改变折射率。
将这两种流体220、230优选设置为具有相等的密度，以便使这两种液体之间的重力作用最小，从而使透镜功能元件与定向无关。这两种流体220、230具有不同的折射率，从而使这两种流体之间的弯月界面225起折射表面的作用，将入射到该表面的光折射。
至少一部分弯月面225横断光轴90延伸。术语横断不限于弯月面225垂直于光轴90，而只是表示该弯月面不平行于光轴90延伸。
改变弯月面225的形状会改变元件200提供的折射功能。通过电润湿现象，通过在环绕该设备周边延伸的环形电极242与电极260之间施加电压，并且还通过在延伸通过弯月面225的电极280与电极260之间施加电压来调节弯月面225的形状。在该特定实施例中，电极280沿光轴90延伸。这种电压施加改变了弯月面225与覆盖相关电极的表面之间的接触角。由于表面和电极的构形的原因，就能够提供适合于像差校正的弯月面形状。
为了使光透过该设备，该设备的至少是相对面(沿图中所示的定向，为顶面和底面)是透明的。在该特定实施例中，该元件具有圆筒210形式的带有侧壁的腔体215。光通过该圆筒的透明端212、214进入腔体215并从腔体215射出。流体220、230密封在由圆筒210的侧壁限定的密封空间或腔体215中。圆筒210的内表面的一端(电极260那一端)是亲水的，从而吸引极性流体230。圆筒210的其余部分(即相对的一端，以及内侧壁)涂有疏水涂层270。电极280和覆盖该电极的涂层270可以都是透明的。可替换的是，电极280和涂层270中的至少一个具有光吸收表面(例如，黑色)以防止光学假象，例如电极折射光。
电极260与流体230接触的区域可完全由亲水材料形成，或者可替换成涂敷亲水层(例如二氧化硅或玻璃)。电极260可由薄的绝缘层覆盖，从而使该电极与流体230电容性耦合。
在该特定实施例中，内表面的亲水区域260完全由透明的亲水导体覆盖(例如氧化铟锡)，以便形成与该流体导电接触的电极。
通过将该圆筒内表面的一个区域安排为亲水的，且该内表面的其余区域安排为疏水的，于是，应该理解，在该两种流体的系统中，设备的稳定性将大大增强。极性流体不会附着于仅仅希望具有非极性流体的任何内表面部分，反之亦然。
应该注意，这种情况没有禁止极性流体230与部分疏水涂层270接触。亲水层的目的是定位极性流体，即保持极性流体处于所希望的位置(该位置常常至少部分地限定该形状)。这样，相对小的亲水区域适合于这一目的。例如，设备的整个内表面都可以是疏水的，除了那些有必要使极性流体保持在一定形状或位置的区域之外。
电润湿可用于提高表面上的极性或导电流体的湿润性。如果一开始湿润性很小(对于极性液体来说，这通常称为疏水表面，例如特氟隆(Teflon)类表面)，那么可利用电压使其更大。如果一开始湿润性很大(对于极性液体来说，这通常称为亲水表面，例如二氧化硅)，那么施加电压将具有相对小的作用。因此，优选的是，在电润湿设备中，三相线路一开始就与疏水层接触。应该注意，弯月面225不与电极242和280导电接触，这两个电极通过绝缘覆盖层与这些流体相隔离开。
应该理解，不同湿润性的区域可完全由疏水材料或亲水材料形成。可替换的是，这些区域例如可通过浸涂或通过化学蒸气沉积法来涂敷具有疏水物质或亲水物质的其他材料而形成。
图2和3示出弯月面225的不同构形。
通过利用电润湿效应改变弯月面225与环绕电极280的表面的接触角，或与腔体215的内表面接触的弯月面的周边来改变这些构形。
在该特定实施例中，对元件200进行设置(即，流体、不同湿润性的表面和选定的电压范围)，使该元件可在两种构形之间转换，这两种构形都不提供光焦度(optical power)(即，因此该弯月面不用作透镜)。在这两种构形中，弯月面的中心部分和弯月面的周边位于沿光轴的相同距离处(即，位于同一个所述位置，如图中所示的轴所限定的)。在图2所示的构形中，弯月面是平坦的或平的，使得该弯月面不引入任何像差。
在图3所示的构形中，弯月面是环形的，因此，由该弯月面引入的波前畸变是球面像差。这种球面像差可用于抵消不希望的球面像差。
应该理解，上面的实施例仅仅是以实例的方式提供的，各种其他构形对本领域的技术人员来说都是显而易见的。例如，尽管电极280被描述为沿光轴延伸(因此延伸通过圆筒腔体215的中心)，但是该电极也可以安置在腔体中的任一点处，只要其延伸通过了弯月面225即可。
此外，尽管该腔体被描述为是圆筒形，但是应该理解，该腔体实际上可以是任何希望的形状。该腔体可具有圆形横截面，或者可具有任何其他所希望需的横截面，例如椭圆形、正方形或矩形。
尽管腔体的侧壁已经被图示为基本上平行于光轴，但是应该理解，该侧壁实际上可采取任何希望的形状，或与光轴90成任何希望的角度。例如，为了具有平的(或平坦的)弯月面而不必向电极施加电压，腔体的侧壁和中心电极壁能够按照弯月面与该侧壁的接触角一开始就处于垂直于光轴90的平面中的方式而相对于光轴倾斜成一定角度(换句话说，该腔体和电极280是圆锥的，或截头圆锥体的)。也可以仅仅使腔体的侧壁倾斜。在这种情况下，必须向中心电极施加电压以具有平坦弯月面。
在上面的实施例中，弯月面被描述为可在两种构形之间转换。但是，应该理解，该弯月面可在任何数量的希望构形之间转换。弯月面构形可以是连续可变的。在上面的实施例中，弯月面被描述为可在两种构形之间变换，这两种构形不提供光焦度。但是，应该理解，该弯月面可在具有光焦度的构形之间转换，包括可在不提供光焦度的构形与确实具有光焦度的构形的之间变换的弯月面。
在上面的实施例中，单个电极被描述为延伸通过该弯月面，并且单个电极对弯月面的周边起作用。应该理解，可以提供一个或多个这种电极。
例如，图4示出本发明另一个实施例的横截面视图，在该实施例中，元件300包括四个独立的电极243、244、245、246，而不是环绕腔体215的周边延伸的单个环形电极242，所述四个电极环绕腔体215的周边平均分开。
这种构形使得弯月面能够通过向不同电极施加不同电压而配置为多种形状。例如，如果施加电压而使电极244和246处的接触角相等，但是使在电极243处的接触角是更小的锐角，并且使电极245处的接触角是更大的钝角，那么弯月面就获得类似慧差波前变形的构形，因此引入慧差。
可替换的是，如果覆盖电极244和246的弯月面的周边具有相同的接触角，而覆盖电极243和245的弯月面具有相同的接触角，且该弯月面位于沿Z轴(即，沿光轴90)的不同位置，那么弯月面225获得类似像散波前变形的形状，因此引入像散。
这样，如图4中所示的这种元件300可用于产生一系列希望的像差，以抵消不希望的像差。
应该理解，这种元件可以结合到一系列的光学设备中。
图5示出用于扫描光学记录载体2的设备1，包括物镜18。该记录载体包括透明层3，信息层4置于该透明层的一侧。通过保护层5来保护该信息层上与透明层相反的一侧，使其不受环境影响。将透明层面向该设备的一侧称作入射面6。透明层3通过对信息层提供机械支撑而起到记录载体基底的作用。
可替换的是，透明层可以仅具有保护信息层的作用，而通过位于信息层另一侧上的一层来提供机械支撑，例如通过保护层5，或者通过连接到信息层4的附加信息层和透明层来提供机械支撑。
可以将信息按照在基本上平行、同心或螺旋轨道(图中未示出)上安排的可光学检测的标记的形式存储在记录载体的信息层4中。这些标记可以是光学可读的任何形式，例如凹坑或反射系数或磁化方向不同于其周围物的区域的形式，或这些形式的组合。
扫描设备1包括能够发射辐射光束12的辐射源11。辐射源可以是半导体激光器。分束器13朝向准直透镜14反射发散的辐射光束12，该准直透镜将发散光束12变为准直光束15。准直光束15入射在物镜系统18上。
物镜系统可包括一个或多个透镜和/或光栅。物镜系统18具有光轴19。物镜系统18将光束17变为会聚光束20，入射在记录载体2的入射面6上。该物镜系统具有适合于使辐射光束通过透明层3的厚度的球面像差校正。会聚光束20在信息层4上形成光点21。由信息层4反射的辐射形成发散光束22，由物镜系统18将其转变为基本上准直的光束23，随后由准直透镜14将其转变为会聚光束24。分束器13通过向检测系统25透射至少一部分会聚光束24而使正向光束与反射光束分开。该检测系统捕获该辐射，并将其变为电输出信号26。信号处理器27将这些输出信号变为各种其他信号。
这些信号之一是信息信号28，其值代表从信息层4读取的信息。通过信息处理单元来处理该信息信号以进行误差校正29。来自信号处理器27的其他信号是聚焦误差信号和径向误差信号30。聚焦误差信号代表光点21和信息层4之间的轴向高度差。径向误差信号代表在信息层4的平面内，光点21和在信息层中光点所跟随的轨道中心之间的距离。将聚焦误差信号和径向误差信号馈送到伺服电路31中，该伺服电路将这些信号变为分别控制聚焦致动器和径向致动器的伺服控制信号32。图中没有示出这些致动器。聚焦致动器控制物镜系统18在聚焦方向33上的位置，由此控制光点21的实际位置，从而使其与信息层4的平面基本上重合。径向致动器控制物镜18在径向34上的位置，由此控制光点21的径向位置，从而使其与信息层4中所跟随的轨道的中心线基本上重合。图中的轨道沿垂直于图面的方向行进。
在该特定实施例中图5的设备还适合于扫描第二类型的记录载体，其具有比记录载体2更厚的透明层。该设备可以使用辐射光束12或具有用于扫描第二类型记录载体的不同波长的辐射光束。该辐射光束的NA可适于这种类型的记录载体。相应地，必须适合该物镜系统的球面像差补偿。
在该特定实施例中，提供元件200以提供对球面像差的补偿。元件200被定位在光的路径中，优选定位于准直透镜14和物镜系统18之间。但是，如果需要，元件200可以结合到物镜系统18中，例如作为物镜的组成部分。提供弯月面控制系统400以向元件200的电极施加校正电压，从而使元件200提供所希望的球面像差补偿。
在另一个实施例中，元件200也提供慧差来补偿因盘倾斜产生的慧差。
通过提供如上所述的元件，可以为一系列光学系统，包括光学扫描设备，提供相对便宜的像差(包括非球面像差)补偿设备。
权利要求
1.一种用于提供可变折射表面的光学元件(200；300)，该元件包括-由至少一个侧壁(270)确定的腔体(215)；-延伸通过该腔体(215)的光轴(90)；-该腔体(215)包含第一流体(220)和第二流体(230)，这两种流体在横断光轴(90)延伸的弯月面(225)上接触，该弯月面的周边由所述侧壁(270)来限制，这两种流体(220，230)基本上是不混溶的，并具有不同的折射率；-第一电润湿电极(242；243)，用于对所述壁(270)限制的弯月面周边的至少一部分起作用；以及-第二电润湿电极(280)，其延伸通过该弯月面(225)。
2.如权利要求1中的元件，其中第二电极(280)沿光轴(90)延伸。
3.如权利要求1或2中的元件，进一步包括电压控制系统(240，285；400)，用于向所述第一电润湿电极(242，243)提供电压，并向所述第二电润湿电极(280)提供电压，以形成预定的弯月面构形。
4.如权利要求3中的元件，其中预定的构形包括基本上平坦的并在基本上垂直于光轴(90)的平面中延伸的弯月面(225)。
5.如权利要求3或4中的元件，其中预定的构形包括非平面的弯月面(225)，但是该弯月面(225)与所述侧壁(270)接触的周边位于沿光轴(90)上该弯月面(225)与第二电极(280)接触的位置基本上相同的位置处。
6.如上述任一项权利要求的元件，其中元件(300)进一步包括至少一个第三电润湿电极(244，245，246)，用于对与第一电润湿电极(243)作用的那部分弯月面相分开的一部分弯月面的周边起作用。
7.如上述任一项权利要求的元件，其中至少一个所述侧壁(270)相对于光轴(90)倾斜成一角度。
8.如上述任一项权利要求的元件，其中第一和第二流体(220，230)具有基本上相同的密度。
9.一种包括用于提供可变折射表面的光学元件(200)的设备(1)，该元件包括-由至少一个侧壁(270)确定的腔体(215)；-延伸通过该腔体(215)的光轴(90)；-该腔体(215)包含第一流体(220)和第二流体(230)，这两种流体在横断光轴(90)延伸的弯月面(225)上接触，该弯月面(225)的周边由所述侧壁(270)来限制，这两种流体(220，230)基本上是不混溶的，并具有不同的折射率；-第一电润湿电极(242；243)，用于对由所述侧壁(270)限制的弯月面周边的至少一部分起作用；以及-第二电润湿电极(280)，其延伸通过该弯月面(225)。
10.如权利要求9的设备，其中该设备进一步包括弯月面控制系统(400)。
11.如权利要求9或权利要求10的设备(1)，其中该设备是用于扫描光学记录载体(2)的信息层(4)的光学扫描设备，该设备包括用于产生辐射光束(12，15，20)的辐射源(11)，和用于将该辐射光束会聚在信息层(4)上的物镜系统(18)。
12.一种制造用于提供可变折射表面的光学元件(200；300)的方法，该方法包括-提供由至少一个侧壁(270)确定的腔体(215)，光轴(90)延伸通过该腔体(215)；-用第一流体(220)和第二流体(230)填充该腔体(215)，从而使这两种流体(220，230)在横断光轴(90)延伸的弯月面(225)上接触，该弯月面(225)的周边由所述侧壁(270)来限制，这两种流体(220，230)基本上是不混溶的，并具有不同的折射率；-提供第一电润湿电极(242；243)，用于对由所述壁(270)限制的弯月面周边的至少一部分起作用；以及-提供第二电润湿电极(280)，其延伸通过该弯月面(225)。
13.一种制造光学设备(1)的方法，该方法包括以下步骤-提供一种光学元件(200；300)，该光学元件用于提供可变折射表面，该元件包括-由至少一个侧壁(270)确定的腔体(215)；-延伸通过该腔体(215)的光轴(90)；-该腔体(215)包含第一流体(220)和第二流体(230)，这两种流体在横断光轴(90)延伸的弯月面(225)上接触，该弯月面(225)的周边由所述侧壁(270)来限制，这两种流体(220，230)基本上是不混溶的，并具有不同的折射率；-第一电润湿电极(242；243)，用于对由所述侧壁(270)限制的弯月面周边的至少一部分起作用；以及-第二电润湿电极(280)，其延伸通过该弯月面(225)。
全文摘要
一种用于提供可变折射表面的光学元件(200；300)。该元件包括由至少一个侧壁(270)确定的腔体(215)，光轴(90)延伸通过该腔体(215)。该腔体(215)包含第一流体(220)和第二流体(230)，这两种流体在横断光轴(90)延伸的弯月面(225)上接触。该弯月面(225)的周边由所述侧壁(270)来限制。这两种流体(220，230)基本上是不混溶的，并具有不同的折射率。第一电润湿电极(242；243)设置为用于对由所述壁(270)限制的弯月面周边的至少一部分起作用。第二电润湿电极(280)延伸通过该弯月面(225)。
文档编号G11B7/135GK1788225SQ200480013023
公开日2006年6月14日 申请日期2004年5月10日 优先权日2003年5月14日
发明者B·H·W·亨德里克斯, S·库伊佩 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司