專利名稱：緊湊型可切換光學(xué)單元的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可切換光學(xué)單元，其能夠控制通過該單元光學(xué)有效部分的輻射束，該單元包括腔和包含在該腔內(nèi)且具有的折射率不同于其周圍的導(dǎo)電液體，該腔設(shè)有電極配置，其中從電壓控制系統(tǒng)向電極施加電壓造成所述液體的運動。
本發(fā)明還涉及照相機(jī)系統(tǒng)和用于掃描光學(xué)記錄載體的包括這種可切換光學(xué)單元的光學(xué)頭。
背景技術(shù)：
國際專利申請WO03/069380描述了包括這種光學(xué)單元的其焦距能夠改變的透鏡元件和透鏡系統(tǒng)?？勺兘咕嗤哥R系統(tǒng)包括具有柱面壁的圓柱流體腔，該流體腔包括第一流體和第二流體，這兩種流體是不可混溶的。第一和第二流體具有不同的折射率，使得該流體之間具有彎月面形式的界面形成了折射表面，即改變通過該表面的輻射束聚散度(會聚度或發(fā)散度)的表面。第一電極設(shè)置在該柱面壁的內(nèi)側(cè)，并且該電極的內(nèi)側(cè)涂敷了流體接觸層。第二電極設(shè)置在該圓柱體的端面，并且該電極與第二流體相接觸。因為該流體接觸層具有被第二流體的可濕性，并且該可濕性根據(jù)第一與第二電極之間施加的電壓改變，所以改變該電壓能夠改變界面彎月面的形狀。這樣獲得了一種透鏡元件，其焦距能夠大范圍變化，例如該彎月面形狀能夠在凹面和凸面之間變化，前提是電極之間的電壓足夠大，例如100伏的數(shù)量級。凹面彎月面表示該透鏡元件具有負(fù)屈光力(optical power)，凸面彎月面表示該透鏡元件具有正屈光力。
為了實現(xiàn)該透鏡元件或者透鏡系統(tǒng)與取向無關(guān)地起作用，即對于兩種液體之間的重力效應(yīng)無依賴性，該液體應(yīng)當(dāng)具有相同的密度。這樣的液體的折射率之差是有限的。因為該差和該彎月面的曲率確定了該彎月面的折射能力，所以應(yīng)當(dāng)在電極之間施加較大電壓來實現(xiàn)該透鏡元件具有足夠的屈光力或者足夠的屈光力范圍。該大的電壓造成圓柱電極與流體接觸層之間的絕緣層中產(chǎn)生過大的電場強(qiáng)度，以及流體接觸層的充電，并且因此造成該層的退化。
此外，因為兩種液體填滿了該液體腔，所以需要膨脹腔來容納由于流體的熱膨脹造成的體積變化。該膨脹腔需要透鏡系統(tǒng)或?qū)⑹褂迷撏哥R元件的裝置中存在額外的空間。
在多數(shù)光學(xué)設(shè)備用途中，不必在一定范圍內(nèi)改變焦距，但是其必須能夠在兩個值之間切換焦距，例如在遠(yuǎn)攝配置或-模式與微距模式之間切換。對于這種用途而言，可以使用包括填滿兩種具有不同折射率的液體的液體腔的設(shè)備，并且其中通過電潤濕將液體切換入和切換出該設(shè)備的光學(xué)有效部分，即輻射束通過的部分。這需要液體循環(huán)系統(tǒng)將一種液體從液體腔的一端輸送到該腔的另一端，使得另一種液體能夠在該腔中移動。這種循環(huán)系統(tǒng)是一種較復(fù)雜的系統(tǒng)，并且需要額外的空間，包括這種循環(huán)系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)不適用于小型消費裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種開篇段落中所述的可切換光學(xué)單元，其具有簡單和緊湊的結(jié)構(gòu)，能夠利用較小電壓進(jìn)行驅(qū)動，其開創(chuàng)了新用途的先河。該單元的特征在于，該電極配置包括一對第一中央電極，其固定于該腔內(nèi)壁的光學(xué)有效部分的位置處，還包括第二電極裝置，其固定于該腔內(nèi)壁的光學(xué)有效部分之外的位置處，以及第三電極，其與液體接觸并且連續(xù)連接到電壓源的第一輸出端，該電壓源的第二輸出端以第一模式連接到至少一個第一電極，并且以第二模式連接到第二電極裝置。
如果將電壓源的第二輸出端連接到該第一電極對，則導(dǎo)電液體受到該第一電極對的吸引，使得該液體位于該設(shè)備的光學(xué)有效部分中。如果將液體腔設(shè)置在透鏡系統(tǒng)的折射表面之間，則該單元具有由導(dǎo)電液體的折射率和透鏡表面的曲率確定的第一屈光力。當(dāng)將電壓源的第二輸出端連接到第二電極裝置時，該導(dǎo)電液體受到第二電極裝置的吸引，使得該液體位于光學(xué)有效部分之外。因此，該設(shè)備具有由已經(jīng)取代了該極性液體的媒質(zhì)的折射率確定的第二屈光力。如后所述，該媒質(zhì)可以具有不同的性質(zhì)。
該單元的結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電液體的量應(yīng)當(dāng)使得該液體始終覆蓋第一電極和第二電極裝置的端部，它們彼此成直線。這樣確保了該導(dǎo)電液體始終經(jīng)受由激活的電極生成的電潤濕力，該激活的電極即向其施加了電壓的電極。
根據(jù)US-A4477158本身已知了一種透鏡系統(tǒng)，其通過將第一液體和第二液體交替地移入光學(xué)有效區(qū)域，屈光力能夠在兩個值之間切換。然而，在該系統(tǒng)中，通過使透鏡系統(tǒng)傾斜來移動液體，該透鏡系統(tǒng)可以構(gòu)成眼鏡片或者隱形眼鏡的一部分，并且尤其在眼鏡的耳承中，需要復(fù)雜的液體通道結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)這種移動。
該第二電極裝置可以包括與第一電極對設(shè)置在相同平面中的兩個平面環(huán)形電極。
然而，可切換光學(xué)單元的優(yōu)選實施例的特征在于，該第二電極裝置由具有U形橫截面的一個環(huán)形電極構(gòu)成。
該電極包括兩個平面環(huán)形部分和連接該環(huán)形部分的柱面部分，其允許在導(dǎo)電液體上施加更大的力。
優(yōu)選的是，該單元的特征在于該腔暴露于導(dǎo)電液體的內(nèi)部涂敷了絕緣疏水層。
這種手段防止了液體粘到內(nèi)壁上應(yīng)將其去除的位置處。
該可切換光學(xué)單元進(jìn)一步的特征在于該腔包括折射率不同于導(dǎo)電液體的媒質(zhì)。
該媒質(zhì)可以具有不同性質(zhì)。該單元的第一實施例的特征在于，該媒質(zhì)是液體。
該單元的第二實施例的特征在于，該媒質(zhì)是氣體。
該單元的第三實施例的特征在于，該腔的缺少液體部分是真空的。
實際上，這些部分會包含導(dǎo)電液體的蒸汽。如果該單元構(gòu)成了透鏡系統(tǒng)的一部分，則可以分別提高該系統(tǒng)在第一模式下和第二模式下的屈光力之差。這是由于導(dǎo)電液體與氣體的折射率之差可能比第一導(dǎo)電液體與另一種液體的折射率之差大得多造成的。
位于該器件光學(xué)有效部分中的液體腔的壁可以具有不同形狀或配置，這取決于該可切換光學(xué)單元的具體用途。在該單元的第一類實施例中，其包括至少一個透鏡元件，其特征在于位于光學(xué)有效部分中的至少一個腔壁是由折射透鏡表面構(gòu)成的。
第一類的第二實施例的特征在于位于光學(xué)有效部分中的兩個相對的腔壁中的每一個是由折射透鏡表面構(gòu)成的。
第一類實施例的光學(xué)單元固定到常規(guī)的透鏡元件上，或者嵌入常規(guī)的透鏡系統(tǒng)中，并且用于在兩個值之間切換該透鏡元件或者透鏡系統(tǒng)的屈光力。
第一類的第三優(yōu)選實施例的特征在于至少一個折射透鏡表面是非球面表面。
非球面表面應(yīng)當(dāng)理解為表示其基本形狀是球面或另一規(guī)則形狀，但真實形狀具有小偏差的表面，其可以校正由基本表面形狀引起的球差。在光學(xué)系統(tǒng)中使用非球面表面可以使該透鏡系統(tǒng)中透鏡元件的數(shù)量最小化，這是因為不再需要用于校正其它透鏡元件像差的附加透鏡元件。在本光學(xué)單元中，一個或兩個腔壁和/或一個或更多其它的透鏡表面可以具有非球面形狀。
可切換光學(xué)單元的第二類實施例的特征在于位于光學(xué)有效部分中的至少一個腔壁設(shè)有相位結(jié)構(gòu)。
相位結(jié)構(gòu)應(yīng)理解為表示包括位于不同高度的表面部分的表面結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)將相移引入通過不同表面部分的光束部分中。這種相位結(jié)構(gòu)能夠用于幾種功能。
第二類的第一實施例的特征在于該相位結(jié)構(gòu)為非周期性結(jié)構(gòu)，其使該單元成為波前修正單元。
這樣的單元例如可以用在用于掃描不同格式光學(xué)記錄載體的光學(xué)頭中，從而適應(yīng)掃描具有不同波長的光束的物鏡系統(tǒng)。
第二類的第二實施例的特征在于該相位結(jié)構(gòu)是周期性結(jié)構(gòu)。
同樣，這種單元可以用于光學(xué)頭中實現(xiàn)幾種目的。
該可切換光學(xué)單元的特征進(jìn)一步在于，電壓控制系統(tǒng)設(shè)置為單獨向第一電極提供電壓。
通過首先激勵一個第一電極，隨后激勵另一個第一電極，能夠改善第一流體和第二媒質(zhì)來回經(jīng)過中央部分的流動。如果該腔兩個主壁中的每一個都設(shè)有光學(xué)功能，例如光柵或者透鏡功能，則能夠相互獨立地切換這些功能。這提高了包括該切換單元的光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計自由度。
該可切換單元的特征進(jìn)一步在于，第一液體的折射率等于該腔壁光學(xué)相關(guān)材料的折射率。
如果該腔包含在透鏡系統(tǒng)中，則該光學(xué)相關(guān)材料是透鏡材料，或者是其中配置了相位結(jié)構(gòu)的材料。電極和絕緣層非常薄，使得它們對輻射沒有影響。如果在該單元中將第一液體定位在光學(xué)有效部分中，則該液體的折射率與所述材料的折射率沒有差別，因此也沒有光學(xué)不連續(xù)性，并且光學(xué)功能，例如光柵功能不再有效。當(dāng)?shù)诙劫|(zhì)定位到腔壁時，其變?yōu)橛行У?。這樣，能夠斷開、接通光柵功能或者其它光學(xué)功能。
該可切換光學(xué)單元可以用于小型照相機(jī)中，以使這種照相機(jī)具有遠(yuǎn)攝和微距模式。該照相機(jī)可以嵌入手持裝置(例如移動電話)中。
該可切換光學(xué)單元的另一個主要用途是掃描信息層的光學(xué)頭，該光學(xué)頭包括用于提供掃描束的輻射源單元，用于將掃描束聚焦為信息層中的掃描點的物鏡系統(tǒng)，以及用于將來自信息層的掃描束輻射轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕妮椛涿舾刑綔y單元。由于可切換光柵能夠按照相同方式處理不同波長的輻射束，所以本發(fā)明可以在這種光學(xué)頭中實現(xiàn)。這些光束可以是相同激光器發(fā)出的寫光束和讀光束，該激光器能夠在寫電平與讀電平之間切換。這些光束也可以是具有基本上不同波長的兩個或三個光束，這些光束用于掃描兩種或三種不同類型記錄載體中的信息層的光學(xué)頭中。
在兩光束和三光束光學(xué)頭中，該可切換光學(xué)單元也可以用作波前修正器，從而使物鏡系統(tǒng)適于將每個光束準(zhǔn)確聚焦為相關(guān)類型記錄載體的信息層中的掃描點。


以下，參照所述實施例，通過非限定性舉例的方式描述本發(fā)明的這些及其它方面，使其顯而易見。
在附圖中圖1a和1b表示了根據(jù)本發(fā)明的可切換透鏡系統(tǒng)單元分別處于第一模式和第二模式時的橫截面圖；圖2a和2b表示了根據(jù)本發(fā)明的可切換二元光柵單元分別處于第一模式和第二模式時的橫截面圖；圖3a和3b表示了根據(jù)本發(fā)明的可切換非周期性相位結(jié)構(gòu)單元的一小部分分別處于第一模式和第二模式時的橫截面圖；
圖4表示了包括可切換透鏡系統(tǒng)的小型化照相機(jī)的原理；圖5表示了包括這種小型化照相機(jī)的移動電話；圖6表示了其中能夠使用一個或多個根據(jù)本發(fā)明的可切換光學(xué)單元的光學(xué)頭。
具體實施例方式
圖1a和1b表示了其中將根據(jù)本發(fā)明的器件集成在透鏡系統(tǒng)1中的實施例的橫截面圖。該透鏡系統(tǒng)包括兩個固體透鏡元件2和4，它們在其邊界部分6處固定在一起。該透鏡元件可以由玻璃或者透明塑料制成。在透鏡元件之間存在液體腔10，透鏡元件的內(nèi)壁將該腔密封，即透鏡元件2的折射表面12、透鏡元件4的折射表面14和透鏡元件的共同內(nèi)壁16將其密封。該腔部分填充了導(dǎo)電的或極性液體18，例如鹽水，下文中還稱作第一液體。該腔中的其余空間填充了第二媒質(zhì)19，其可以是另一種不導(dǎo)電的液體，例如油。該第二媒質(zhì)也可以是氣體。該腔的其余空間也可以是真空的，實際上這表示其包括第一液體的蒸汽。第二媒質(zhì)具有不同于該極性液體折射率的折射率。
在折射表面12和14的中心部分上，設(shè)置了圓形第一電極20和22。這些電極限定了透鏡系統(tǒng)的光學(xué)有效部分8；即使入射輻射束通過的部分，該光束的波前因為透鏡系統(tǒng)而改變。這些電極，即第一電極對是由導(dǎo)電透明材料制成的，例如ITO(氧化銦錫)。第二電極裝置24設(shè)置在該腔的側(cè)部分9處，即光學(xué)有效部分8之外的部分。這些電極裝置的端部與第一電極的端部由間隙26分開。該電極裝置24不必是透明的，并且能夠由金屬材料制成。第三電極28與極性液體直接接觸。該電極永久連接到電壓源30的第一輸出端32。該源的第二輸出端34可以通過開關(guān)40和導(dǎo)線42連接到第一電極對，或者通過開關(guān)36和導(dǎo)線38連接到第二電極裝置。
該電極的內(nèi)側(cè)，即面對液體腔一側(cè)覆蓋有透明電絕緣層，其由例如聚對二甲苯基構(gòu)成。該層的內(nèi)側(cè)和第一電極端部與第二電極裝置端部之間的開口26涂敷了疏水層，其是透明的并且由例如DuPontTM生產(chǎn)的TeflonTMAF 1600構(gòu)成。該層防止液體在某些地方粘到腔壁上。如圖1a和1b所示，取代兩層，還可以使用既絕緣又疏水的單一層44。
第一電極對20、22，第二電極裝置24和第三電極28構(gòu)成了電潤濕電極配置，其與電壓控制系統(tǒng)30、36、38、40、42共同構(gòu)成了流體系統(tǒng)開關(guān)。該流體系統(tǒng)對包括極性流體18和第二媒質(zhì)的所述流體系統(tǒng)起作用，以便在可切換單元的第一和第二分立狀態(tài)之間進(jìn)行切換。
在該單元的第一分立狀態(tài)下，如圖1a所示，該開關(guān)40將電壓源的第二輸出端與第一電極對20、22相連，使得在第一電極20、22和公共的第三電極28中的每一個電極上施加具有適當(dāng)值的電壓V。所施加的電壓V提供電潤濕力，使得可切換單元采用第一狀態(tài)，其中極性液體18移動以填充第一電極20與22之間的空間，即光學(xué)有效部分。由于所施加的電壓V，腔10的疏水層44變?yōu)楸举|(zhì)上至少比較親水的，從而有助于極性液體18優(yōu)選填充第一電極之間的腔空間，即光學(xué)有效部分。朝第一電極之間的空間移動的極性液體18使第二媒質(zhì)19朝第二電極裝置24之間的腔空間即側(cè)腔空間9移動。如果可切換單元處于第一分立狀態(tài)，則該開關(guān)36使第二電極裝置與地電極41相連，使得在第二電潤濕電極裝置24上沒有施加電壓，并且在該電極裝置位置的層44保持高度疏水。
為了從第一分立狀態(tài)切換到第二分立狀態(tài)，將開關(guān)36移動到電壓源的第二輸出端34，并且將開關(guān)40移動到地電極41，使得在第二電極裝置24和公共的第三電極28上施加具有適當(dāng)值(例如V)的電壓，而在第一電極20、22上沒有施加電壓。
目前該可切換光學(xué)單元處于第二分立狀態(tài)，其中由于施加到第二電極裝置24上的電壓提供的電潤濕力，使得第一液體18填充了第二電極裝置24之間的腔空間。由于所施加的電壓，處于該電極裝置24位置的疏水層42目前至少為比較親水的，并且趨于吸引第一液體18。該液體移動以填充由第二電極裝置24密封的腔空間，并且使第二媒質(zhì)19朝第一電極20與22之間的腔空間移動，即朝該單元的光學(xué)有效部分移動。因為在這些電極上沒有施加電壓，所以在這些電極位置的層42保持高度疏水。
極性液體移入和移出該透鏡系統(tǒng)1的光學(xué)有效部分的運動表示兩個折射表面12和14之間的空間中的折射率在兩個值之間切換。因為該折射率以及折射表面的曲率確定了由該折射表面12和14以及該腔形成的透鏡子系統(tǒng)的屈光力，所以通過將電壓從第一電極對切換到第二電極裝置，能夠使該透鏡子系統(tǒng)的屈光力以及因此使整個透鏡系統(tǒng)的屈光力在兩個值之間切換，反之亦然。
兩個屈光力值之差取決于第一液體18與另一種媒質(zhì)19的折射率之差，而不像已知的電潤濕透鏡中的情況那樣受重力的影響。因此極性液體與媒質(zhì)19的密度不必匹配。這樣提供了以下優(yōu)點，能夠自由選擇兩種媒質(zhì)折射率差，使其適合預(yù)期的用途。第二媒質(zhì)也可以是液體；例如基于油的電絕緣液體，例如硅油。該第二媒質(zhì)還可以是氣體，其一般具有比液體低得多的折射率。原則上，該腔中未被極性液體占據(jù)的空間也可是真空的。原則上，該空間充滿極性液體的蒸汽，該蒸汽的折射率接近1。例如，如果該極性液體為其中溶解了鎢鹽的水，則其折射率會大于1.5。因此該極性液體與其蒸汽的折射率差可以大于0.5，其比已知的電潤濕透鏡中利用液體所獲得的折射率差大得多。
設(shè)有這樣實施例的可切換光學(xué)單元的透鏡系統(tǒng)的焦距可以在兩個差別很大的值之間切換，這樣允許利用該單元使透鏡系統(tǒng)在具有小焦距的遠(yuǎn)攝模式與具有大焦距的廣角或微距模式之間切換。
為了清楚，在圖1a中使第一電極20、22與極性液體18之間的一些空間保持開放，但實際上液體18填滿了這些電極之間的整個空間。因為在施加了電壓的電極任意區(qū)域處都存在電潤濕力，所以第一液體會覆蓋在該電極上的絕緣層的整個表面。在這種情況下，所獲得的液體覆蓋優(yōu)于利用泵浦移動液體的系統(tǒng)中可能獲得的液體覆蓋。這是本發(fā)明的可切換光學(xué)單元的最大優(yōu)點。
如圖1a和1b所示，選擇第一液體18的量和第一電極端部與第二電極裝置24端部之間的間隙26的寬度，使得在第一液體18位于光學(xué)有效部分8中的情況下，其仍舊覆蓋第二電極裝置24的邊界。在該液體位于該部分8之外的情況下，其仍舊覆蓋第一電極對的邊界。這樣，實現(xiàn)了在該單元的第一與第二分立狀態(tài)之間的每次轉(zhuǎn)變過程中，該極性液體18總能受到最近激勵的電極的電潤濕力，從而使其開始移動。
通過不同時激勵第一電極20和22而是一個接一個地激勵，如圖1a和1b中的情況，能夠改進(jìn)極性液體和第二媒質(zhì)朝第一和第二電極和遠(yuǎn)離該第一和第二電極的移動，以及液體和媒質(zhì)的相對位移。例如，如果極性液體必須移動到該單元的光學(xué)有效部分，首先向電極20施加電壓使得該電極上的空間首先充滿極性液體并且第二媒質(zhì)從該空間移動到該腔的側(cè)部分。然后，向電極22施加電壓，使得該電極下的空間也充滿極性液體，并且第二媒質(zhì)從該空間移動到該腔的側(cè)部分。本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠容易地設(shè)計出第一電極20和22的這種時序切換所需的電子開關(guān)結(jié)構(gòu)。如果環(huán)境需要這樣，也能夠一個接一個地激勵部分第二電極裝置。
第二電極裝置可以由兩個平面環(huán)形電極構(gòu)成。優(yōu)選的是該腔內(nèi)壁側(cè)也覆蓋有電極材料，其將這些電極連接，從而獲得了一個具有U形橫截面的環(huán)形電極。這樣，能夠放大第二電極裝置的表面，由此提高其功能性。
圖1a和1b表示了具有兩個固體透鏡元件的透鏡系統(tǒng)，該透鏡元件用于會聚輻射束b，其表示為平行光束，但是也可以是已經(jīng)會聚并應(yīng)當(dāng)使其更會聚的光束。該可切換光學(xué)器件也可以用于僅具有一個透鏡元件的透鏡系統(tǒng)中，或者具有不只兩個透鏡元件的系統(tǒng)中。該可切換光學(xué)器件也可以與具有一個或多個透鏡元件的發(fā)散透鏡系統(tǒng)組合起來。
包括該可切換光學(xué)器件的透鏡系統(tǒng)的一個或多個折射表面可以是非球面的。非球面表面可以校正由具有球面表面的透鏡表面引起的球差，使得不再需要附加透鏡進(jìn)行這種校正。在圖1a和1b的透鏡系統(tǒng)中，內(nèi)透鏡表面12和14中的一個或兩個和/或外透鏡表面44和46中的一個或兩個可以是非球面的。透鏡系統(tǒng)的具體設(shè)計確定了該系統(tǒng)的哪些折射表面以及幾個折射表面應(yīng)為非球面的。
本發(fā)明的原理不僅能夠用于在兩個值之間切換透鏡元件的折射能力，還可以用于切換其它光學(xué)元件的功能，例如具有周期性相位結(jié)構(gòu)的衍射光柵或者具有非周期性相位結(jié)構(gòu)的元件。具有相位結(jié)構(gòu)的元件包括位于兩個或多個高度的表面部分，并且這種元件引入入射輻射束中相應(yīng)數(shù)量的不同相移。
圖2a和2b表示了二元光柵的橫截面圖，即其表面部分設(shè)置在兩個高度的光柵，根據(jù)本發(fā)明能夠切換該光柵。該光柵單元50包括具有兩個主表面54和56的透明襯底52。利用公知的技術(shù)使表面56設(shè)有凹槽形式的光柵帶58。凹槽58與中間光柵條紋60在表面上交替。凹槽表面形成了液體腔110的中心部分108(即光學(xué)有效部分)的一個壁，該液體腔還包括側(cè)腔部分109。具有上表面78和下表面80的透明層76形成了該腔的另一中央壁。該腔110包括極性液體118和第二媒質(zhì)119，其可以是第二流體、氣體或者極性液體的蒸汽。
除了光柵結(jié)構(gòu)和主腔壁的曲率之外，圖2a和2b所示的實施例與圖1a和1b所示的實施例具有相同的結(jié)構(gòu)。圖2a和2b的實施例中類似于圖1a和1b的元件具有相同的附圖標(biāo)記，由每個標(biāo)記加上100來表示。在圖2a和2b的光柵單元中，按照相同的方式并且利用與圖1a和1b的透鏡系統(tǒng)中相同的裝置使第一液體118和第二媒質(zhì)119從中央部分108移動到液體腔110的側(cè)部分109，反之亦然。在圖2a中，極性液體18位于光學(xué)有效部分108之外，使得該單元處于與圖1b所示的單元相同的狀態(tài)。在圖2b中，極性液體位于有效部分中，使得該單元處于與圖1a所示的單元相同的狀態(tài)。
在圖2a所示的可切換光柵單元的第一分立狀態(tài)下，電壓源130經(jīng)由開關(guān)136和導(dǎo)線138連接到第二電極裝置124。在該狀態(tài)下，由于電極裝置124的電潤濕力，使極性液體118位于該腔的側(cè)部分109中，該側(cè)部分具有已變成親水的絕緣內(nèi)層144。在該狀態(tài)下，第一電極120和122經(jīng)由開關(guān)140和導(dǎo)線142連接到地電極141。第二媒質(zhì)119目前位于第一電極之間。
在圖2b所示的可切換光柵單元的第二分立狀態(tài)下，電壓源經(jīng)由開關(guān)140和導(dǎo)線142連接到第一電極120和122。在該狀態(tài)下，由于第一電極的電潤濕力，極性液體位于這些電極之間。在該狀態(tài)下，第二電極裝置經(jīng)由開關(guān)136和導(dǎo)線138連接到地電極。第二媒質(zhì)目前位于腔的側(cè)部分109中。
因為在該可切換光柵單元的第一和第二狀態(tài)下，光柵槽填滿了具有不同折射率的媒質(zhì)，所以該凹槽的光學(xué)深度，即幾何深度與折射率的乘積在兩種狀態(tài)下是不同的。這樣，例如允許利用光柵對具有不同波長的兩種輻射束實現(xiàn)相同的光柵功能，由此對于第一波長而言，該光柵單元處于第一狀態(tài)，對于第二波長而言，該光柵處于第二狀態(tài)。這種光柵能夠用于例如光學(xué)頭中，在該光學(xué)頭中使用兩種激光束來掃描不同類型的記錄載體，并且這兩種光束應(yīng)當(dāng)分為三個光束。
作為圖1a和1b所示的液體腔幾何結(jié)構(gòu)的可選方式，圖2a和2b的液體腔具有側(cè)腔部分，沿著光束b的傳播方向放大了該部分。這種方法可以降低在橫向于該傳播方向的方向上該可切換單元的尺寸，同時仍然具有可用于容納不應(yīng)位于該可切換單元的光學(xué)有效部分中的極性液體118或第二媒質(zhì)的足夠空間。圖2a和2b的腔幾何結(jié)構(gòu)也能夠用于圖1a和1b的透鏡系統(tǒng)中，并且在透鏡表面為凹面表面的情況下是特別優(yōu)選的，該透鏡表面構(gòu)成了該腔的壁，該凹面表面取代了圖1a和1b所示的凸面表面。
可能難以利用液體填滿相位光柵結(jié)構(gòu)或者使其清空，這是因為其包括垂直壁，即沿著垂直于液體流動方向及其尺寸的方向延伸的壁，即凹槽的深度和寬度小。本發(fā)明的可切換單元解決了這個問題，因為用于使液體移動的電潤濕力目前遍布了光柵結(jié)構(gòu)的整個表面，因此也遍布了該垂直壁。這是該單元相對于利用泵浦移動液體的液體切換系統(tǒng)的最大優(yōu)點。
該可切換光學(xué)單元還可以包括非周期性相位結(jié)構(gòu)?！稇?yīng)用光學(xué)》/Vol.40，No.35/2001中的論文“非周期性相位結(jié)構(gòu)在光學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用(Application of non periodic phase structures in opticalsystems)”描述了用于校正光學(xué)系統(tǒng)中的各種依賴于參數(shù)的波前像差的非周期性臺階相位結(jié)構(gòu)，該光學(xué)系統(tǒng)例如用于掃描光學(xué)記錄載體的光學(xué)頭。一般而言，這種相位結(jié)構(gòu)是臺階結(jié)構(gòu)，其與二元光柵的不同之處在于其具有不只兩個臺階(高度)，其為非周期性的并且具有比較寬的區(qū)域。兩個隨后的臺階之間的光路差可以是任意值，并且可以在整個結(jié)構(gòu)上任意改變。這種相位結(jié)構(gòu)允許很大的設(shè)計自由度。此外，構(gòu)成這種非周期性圖案的環(huán)形區(qū)域可以比較寬，這提高了可制造性。
先前提交的未公開PCT專利申請IB2003/004030公開了非周期性相位結(jié)構(gòu)與利用電潤濕力的可切換流體系統(tǒng)的組合，這樣可以在兩種不同的分立狀態(tài)之間有效地切換該相位結(jié)構(gòu)，以便在通過它的光束中提供不同的波前修正。該可切換流體系統(tǒng)利用了流體導(dǎo)管，其設(shè)置在液體腔之外，并且經(jīng)由腔壁中的兩個相對開口與該腔相連，從而將第一和第二液體移入和移出該液體腔。根據(jù)本發(fā)明，能夠有利地利用上文中參照圖1a、1b和圖2a、2b描述的不具有流體導(dǎo)管、僅具有流體腔和適當(dāng)?shù)碾姌O結(jié)構(gòu)的流體系統(tǒng)取代這種流體系統(tǒng)。
圖3a和3b表示了根據(jù)本發(fā)明的可切換設(shè)備200的小中央部分的橫截面圖，其具有非周期性相位結(jié)構(gòu)。因為該相位結(jié)構(gòu)是以非常大的比例示出的，所以僅能夠表示出其區(qū)域204中的一個。該相位結(jié)構(gòu)配置在透明襯底206中，并且包括多個這樣的區(qū)域，它們共同構(gòu)成了能夠設(shè)置在圖2a和2b中的二元光柵位置處的配置。圖3a和3b僅表示了流體腔210的中央部分208、分別設(shè)置在第一襯底206和第二襯底207上的第一電極220和222的部分以及流體切換系統(tǒng)的第一液體218和第二媒質(zhì)219。該切換系統(tǒng)的其它元件與圖2a和2b中的相同。
如圖3a和3b所示，該相位結(jié)構(gòu)的每個區(qū)域包括六個臺階270、272、274、276、278和280。這些裝置具有相同的寬度w，但具有不同的高度h。圖3a表示了處于第一分立狀態(tài)的可切換單元，其中沒有向第一電極220和222施加電壓。第二媒質(zhì)219位于第一電極之間，而第一液體位于液體腔的側(cè)部分(未示出)中。圖3b表示了處于第二分立狀態(tài)的單元，其中向第一電極提供了電壓，并且其中極性液體位于這些電極之間，因此該極性液體位于該單元的光學(xué)有效部分中，而第二媒質(zhì)位于液體腔的側(cè)部分中。按照如對于圖2a和2b中的二元光柵所述的相同方式，通過使極性液體218和第二媒質(zhì)219切入和切出該單元200的光學(xué)有效部分，能夠在兩個值之間切換臺階270-280的光學(xué)深度。
具有圖3a和3b的非周期性相位結(jié)構(gòu)的可切換單元可以用于與未公開PCT專利申請IB2003/004030中描述的可切換光學(xué)單元相同的目的。根據(jù)該單元特定的預(yù)期目的來確定該相位結(jié)構(gòu)的參數(shù)，例如臺階的寬度和不同深度以及極性液體與第二媒質(zhì)的折射率比。對于這些目的和參數(shù)而言，對于所涉及的相位結(jié)構(gòu)的目的和相關(guān)參數(shù)，參照未公開的PCT專利申請IB2003/004030，將該申請引入作為參考。
非周期性相位結(jié)構(gòu)比二元光柵結(jié)構(gòu)更難以填滿液體或者清空，因此將本文中所述的可切換光學(xué)單元用于切換非周期性相位結(jié)構(gòu)提供了比將其用于切換衍射光柵更多的優(yōu)點。
如圖3a和3b所示，第一電極220不必設(shè)置在相位結(jié)構(gòu)的頂部，而也可以設(shè)置在相位結(jié)構(gòu)與襯底204之間。盡管圖3a和3b表示了設(shè)置在相位結(jié)構(gòu)202頂部上的絕緣層244，但是該層也可以設(shè)置在相位結(jié)構(gòu)之下，從而位于該結(jié)構(gòu)與第一電極220之間。這種修改在圖2a和2b的實施例中也是可能的。
可以選擇第一液體和襯底的材料，使得它們具有相同的折射率，在襯底中配置了相位結(jié)構(gòu)、光柵結(jié)構(gòu)或者非周期性結(jié)構(gòu)。在該單元的分立狀態(tài)下，其中第一液體位于該單元的光學(xué)有效部分中并且填滿了相位結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)不再在入射光束中引起相移。在該單元的第二分立狀態(tài)下，其中第二媒質(zhì)填滿了該相位結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在入射光束中引起相移。這樣，通過將極性液體移入和移出包括該相位結(jié)構(gòu)的單元的中央部分，就能夠斷開和接通該相位結(jié)構(gòu)的功能。能夠在例如用于掃描光學(xué)記錄載體的光學(xué)頭中使用該可切換光學(xué)單元的該實施例，其中讀取光束應(yīng)當(dāng)分成三個光束，而不應(yīng)當(dāng)使寫入光束分開，該寫入光束可以具有與讀取光束相同的波長。
圖2a和2b以及圖3a和3b中所示的相位結(jié)構(gòu)可以配置在其自身的襯底上，并且形成了獨立元件。然而，這種相位結(jié)構(gòu)也可以設(shè)置在光學(xué)系統(tǒng)中已經(jīng)存在的元件的表面上，即與該元件集成，該元件例如透鏡元件。這樣，能夠限制將要傳播通過該系統(tǒng)的輻射束所經(jīng)過的表面數(shù)量。
本發(fā)明的可切換光學(xué)單元的性質(zhì)允許在該單元中包括兩個不同的相位結(jié)構(gòu)、光柵結(jié)構(gòu)或者非周期性結(jié)構(gòu)，由此由其自身的第一電極來切換這些結(jié)構(gòu)中的每一個。對于圖2a和2b而言，這表示光柵結(jié)構(gòu)也配置在襯底76中，對于圖3a和3b而言，這表示相位結(jié)構(gòu)也配置在襯底207中。通過切換提供給與該相位結(jié)構(gòu)相關(guān)的第一電極的電壓，能夠?qū)⑦@種可切換單元的每個相位結(jié)構(gòu)切換到兩種分立的狀態(tài)，而與另一個相位結(jié)構(gòu)的狀態(tài)無關(guān)。由此，最佳地利用了通過適當(dāng)?shù)碾娮忧袚Q系統(tǒng)相互獨立地激勵兩個第一電極的可能性，從而使該可切換光學(xué)單元的能力變大。能夠?qū)⑦@種單元切換到四種分立的狀態(tài)。
其中實現(xiàn)了本發(fā)明的透鏡系統(tǒng)例如圖1a和1b的透鏡系統(tǒng)可以非常小，并且適用于微型照相機(jī)中。圖4表示了這種照相機(jī)的原理。該照相機(jī)300包括具有光軸304的透鏡系統(tǒng)302和圖像接收單元312，其上形成了由透鏡系統(tǒng)形成的位于系統(tǒng)302左側(cè)的景物的圖像。該單元312可以是光電傳感器，例如CCD或者CMOS傳感器，但也可以是照相膠片。該照相機(jī)可以是靜態(tài)圖像照相機(jī)或者視頻照相機(jī)。該透鏡系統(tǒng)可以包括兩個雙凸透鏡元件306和308以及包括第一液體和第二媒質(zhì)(未示出)的液體腔310，和液體切換系統(tǒng)。該單元可以與圖1a和1b所示的單元類似。根據(jù)所需的能力，可以利用一個或多個固體透鏡元件使該透鏡系統(tǒng)延伸。
圖5表示了手持裝置的實例，其中使用了實現(xiàn)本發(fā)明的照相機(jī)。該裝置為圖5中以前視圖表示的移動電話320。該移動電話具有麥克風(fēng)322，其將使用者的聲音作為數(shù)據(jù)輸入，還具有揚聲器324，其輸出通信對方的聲音以及具有天線326，其發(fā)送和接收通信波。該移動電話還包括輸入撥號盤328，利用該輸入撥號盤使用者輸入數(shù)據(jù)，例如所要撥打的電話號碼，還包括顯示器330，例如液晶顯示板。該板可以用于顯示使用者通信對方的照片或者顯示數(shù)據(jù)和圖形。為了處理輸入數(shù)據(jù)和所接收到的數(shù)據(jù)，在該移動電話中包括數(shù)據(jù)處理單元(未示出)。
該移動電話320設(shè)有微型照相機(jī)332，其包括如前文中參照圖1b和圖4所述的透鏡系統(tǒng)。在圖5中僅表示了該照相機(jī)第一透鏡元件的前表面。如果該照相機(jī)沿著垂直于該電話前表面的線，即沿著垂直于圖5附圖平面的方向的尺寸足夠大，則可以沿著該方向設(shè)置該照相機(jī)的其它元件、其它的一個或多個透鏡元件以及圖像傳感器，該其它元件即液體切換系統(tǒng)的液體腔。該照相機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)可以設(shè)有折疊反射鏡，使得能夠平行于該電話的前表面設(shè)置該照相機(jī)的大部分光路，因此該電話可以比較薄。
通常，在用于移動電話的微型照相機(jī)中的透鏡系統(tǒng)具有固定的焦距，并且為遠(yuǎn)攝類型，這表示這些系統(tǒng)在傳感器上形成了與該照相機(jī)具有很大距離的物體或景物的清晰圖像。通過包括設(shè)有根據(jù)本發(fā)明的液體切換系統(tǒng)的透鏡系統(tǒng)，該照相機(jī)能夠在遠(yuǎn)攝模式和微距模式之間切換，使得與照相機(jī)具有短距離的物體或景物也能夠清晰地在傳感器上成像。
其它實現(xiàn)本發(fā)明的手持裝置是其中嵌入了微型照相機(jī)的個人數(shù)字助理PDA、便攜計算機(jī)和電子玩具。
本發(fā)明還可以用于非嵌入式照相機(jī)中，例如用于桌上電腦的照相機(jī)、用于內(nèi)部通信設(shè)備的照相機(jī)以及便攜尺寸和其它尺寸的照相機(jī)，例如數(shù)字照相機(jī)。該照相機(jī)可以為靜止圖像(照片)照相機(jī)或者視頻照相機(jī)。對于本發(fā)明而言，該照相機(jī)使用膠片還是電子傳感器是無關(guān)緊要的。
圖6示意表示了為了讀取和/或?qū)懭霐?shù)據(jù)而掃描光學(xué)記錄載體350的信息層的光學(xué)頭360，該記錄載體在本實例中為光盤。
該光學(xué)記錄載體包括透明層352，在其一側(cè)上設(shè)置了至少一個信息層354。該記錄載體可以包括設(shè)置在該記錄載體內(nèi)不同深度處的多個信息層，這將在后面參照圖8和9進(jìn)行描述。該信息層背對透明層的一側(cè)受到保護(hù)層356的保護(hù)而免受環(huán)境影響。該透明層面對光學(xué)頭的一側(cè)為盤入射表面358。該透明層352通過為一個或多個信息層提供機(jī)械支撐而起到該光學(xué)記錄載體的襯底的作用。可選擇的是，該透明層可以具有保護(hù)信息層354的單獨功能，而由位于信息層另一側(cè)的層提供機(jī)械支撐，例如利用保護(hù)層4或者與最上面的信息層相連的其他信息層和透明層。
信息可以以設(shè)置在基本上平行、同心或者螺旋的軌道中的光學(xué)可探測標(biāo)記(圖6中未示出)的形式存儲在該光學(xué)記錄載體的信息層354或者多個信息層中。該標(biāo)記可以是任意的光學(xué)可讀取形式，即信息坑的形式，或者反射系數(shù)或磁化方向與其周圍不同的區(qū)域的形式，或者這些形式的組合。
該光學(xué)頭360包括輻射源單元362，優(yōu)選為半導(dǎo)體激光器單元，其以最簡單的形式發(fā)射對應(yīng)于給定類型記錄載體的給定波長的一種輻射束364。該輻射束是發(fā)散的并且朝透鏡系統(tǒng)發(fā)射。該透鏡系統(tǒng)包括沿著光軸372設(shè)置的準(zhǔn)直透鏡366和物鏡370。該物鏡表示為單透鏡元件，但是可以包括兩個或多個透鏡元件，這主要取決于將要在信息層354中形成的光點的尺寸。該準(zhǔn)直透鏡將發(fā)散光束364變?yōu)榛旧蠝?zhǔn)直的光束374。物鏡370將入射輻射束382變?yōu)榫哂羞x定數(shù)值孔徑(NA)的會聚光束376，該光束到達(dá)信息層354中的焦點380。
通過圍繞平行于圖6的圖面的軸(未示出)旋轉(zhuǎn)記錄載體，能夠掃描軌道。通過沿著該光學(xué)記錄載體的徑向方向使記錄載體和光點380線性移動，能夠掃描該信息層的所有軌道。
為了讀取信息平面，利用了受到記錄載體反射的光束輻射。該輻射由附圖標(biāo)記390表示，其沿著相同路徑向回傳播，并且其一部分反射到朝向輻射敏感探測單元384的分束器388。第二準(zhǔn)直透鏡386使該輻射會聚。探測單元將帶有信息的入射輻射變?yōu)殡娦盘枺稍撾娦盘柲軌颢@得數(shù)據(jù)信號和包括聚焦誤差信號和跟蹤誤差信號的控制信號。該誤差信號用于調(diào)整光點380的軸向和徑向位置。
為了保持軌道上的點得到掃描，通常使用軌道伺服系統(tǒng)，其包括所謂的三光點光柵392，即將激光器單元362發(fā)出的光束364分成用于掃描的主光束和兩個附光束的光柵。該附光束在信息層中聚焦為附屬光點，其在徑向上位于由主光束形成的主光點的不同側(cè)。通過比較由附光點獲得的信號，能夠確定在主光點的中心與所要掃描的軌道的中心線之間是否存在偏差，并且能夠進(jìn)行測量以校正該偏差。
因為寫入數(shù)據(jù)比讀取數(shù)據(jù)需要大體上更多的輻射能量，所以對于用于寫入和讀取的光學(xué)頭而言，需要僅在讀取過程中具有位于輻射路徑中的三光點光柵。因此需要能夠斷開和接通的三光點光柵。為了滿足這個需要，如圖2a和2b所示的可切換光柵單元能夠取代常規(guī)的三光點光柵。
寫入和讀取光學(xué)頭的另一個方面在于，如果將激光器能量從讀取級別切換到寫入級別，激光光束的波長改變(反之亦然)。因為光學(xué)頭中存在的衍射元件，例如三光點光柵對于光束的波長偏移敏感，所以這種切換的結(jié)果是寫入光束的路徑不同于讀取光束的路徑。這個問題能夠通過利用具有兩種分立的“接通”狀態(tài)的可切換光柵單元392取代該常規(guī)衍射光柵而得到解決。該光柵單元包括參照圖2a和2b所述的可切換液體系統(tǒng)，其包括折射率不同于光柵材料的第一液體。通過適當(dāng)?shù)剡x擇第一液體和第二媒質(zhì)的折射率，如果將該可切換光柵切換到兩種分立狀態(tài)中用于一種波長的一種狀態(tài)和用于另一種波長的另一種狀態(tài)，則能夠?qū)崿F(xiàn)利用該可切換光柵以相同方式衍射不同波長的光束。
目前，能夠?qū)?shù)據(jù)存儲到具有不同格式的光學(xué)記錄載體的信息層中，該光學(xué)記錄載體例如緊致盤(CD)，其尤其可用作CD-A(音頻CD)、CD-ROM(只讀存儲CD)、CD-R(可記錄CD)和CD-RW(可改寫CD)，以及與CD相同類型的數(shù)字通用盤(DVD)。為了防止消費者不得不購買不同的設(shè)備以從CD類型或者DVD類型的記錄載體讀取數(shù)據(jù)或向上述記錄載體寫入數(shù)據(jù)，希望單獨的光學(xué)頭就能夠掃描不同格式的光學(xué)記錄載體。包括這種光學(xué)頭的裝置(播放器)稱作組合播放器。
然而，因為不同的記錄載體格式和相關(guān)的光學(xué)頭具有不同的特性，所以這個目標(biāo)不容易實現(xiàn)。例如，CD設(shè)計為利用波長約為785nm、數(shù)值孔徑為0.45的激光束進(jìn)行掃描，而另一方面DVD設(shè)計為利用波長在650nm區(qū)域內(nèi)且數(shù)值孔徑為0.6(用于讀取)和0.65(用于寫入)的激光束進(jìn)行掃描。
組合播放器的光學(xué)頭的輻射源單元應(yīng)當(dāng)發(fā)射波長為785nm的激光束，該光束可以稱作LD(低密度)光束，以及波長為650nm的激光束，該光束可以稱作HD(高密度)光束，這些光束應(yīng)當(dāng)遵循通過該光學(xué)頭的相同光路。如果為此目的而利用諸如三光點衍射光柵使這兩個光束衍射，則能夠使用參照圖2a和2b所述的衍射光柵，其能夠切換到兩種分立狀態(tài)。
為了生成具有不同波長的激光束，例如785nm和650nm的激光束，可以使用兩個獨立的二極管激光器。目前，可以獲得在一個外殼中包括兩個激光輻射生成狹縫的雙激光器，其適用于組合光學(xué)頭中。即使使用這種雙激光器，激光發(fā)射狹縫也會彼此相對偏移，并且因此兩個激光器會沿著不同路徑傳播通過該組合光學(xué)頭。這個問題能夠通過接近輻射源單元362設(shè)置衍射元件而得到解決，該衍射元件起到偏轉(zhuǎn)元件的作用，其使一束激光束偏轉(zhuǎn)，從而使其光軸與另一激光束的光軸重合。這種偏轉(zhuǎn)元件應(yīng)當(dāng)僅對其中一個激光束起作用，并且如果使用另一激光束，則應(yīng)當(dāng)斷開該元件。根據(jù)該探測系統(tǒng)384的設(shè)計方案，為兩個光束提供了不同的探測器元件，或者不提供，這種衍射光束偏轉(zhuǎn)器也可以用在探測系統(tǒng)一側(cè)。參照圖2a和2b并包括折射率與光柵材料相同的極性液體的所述的可切換光柵，非常適用于實現(xiàn)此目的的組合光學(xué)頭中。
組合光學(xué)頭的另一個重要方面在于相同的物鏡系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)使波長基本不同的激光束聚焦為具有不同尺寸的掃描點。此外，具有不同格式的光學(xué)記錄載體的透明襯底352的厚度不同，該襯底典型地用作該盤的保護(hù)層，并且因此信息層距離記錄載體入射面的深度隨記錄載體格式不同而變化。例如，DVD的信息層深度約為0.6mm，而CD的信息層深度約為1.2mm。穿過該保護(hù)層的輻射束導(dǎo)致的球差通常在光學(xué)頭的物鏡中得到補(bǔ)償。
由于不同格式的記錄載體的不同特性，如果試圖利用對于另一種不同格式的記錄載體已經(jīng)進(jìn)行優(yōu)化的光學(xué)頭從一種記錄載體讀取數(shù)據(jù)，則會造成問題。例如，如果利用已經(jīng)對于另一種格式的記錄載體進(jìn)行優(yōu)化的物鏡讀取一種格式的記錄載體，則會造成大量的球差以及不可忽略的球色差。
隨著藍(lán)光(Blu-Ray)TM記錄載體的出現(xiàn)，所述問題變得愈加明顯，最近在藍(lán)色二極管激光器出現(xiàn)之后已經(jīng)正式宣布了該記錄載體，該藍(lán)色二極管激光器與用于從常規(guī)DVD讀取數(shù)據(jù)或向其中寫入數(shù)據(jù)的紅色二極管激光器相比，發(fā)射短得多的波長，例如405nm。由于其更短的波長，藍(lán)色激光束能夠在記錄載體的信息層中形成較小的掃描點，并且因此藍(lán)光TM記錄載體的信息標(biāo)記和軌道的間隔能夠比常規(guī)DVD更緊密。這意味著藍(lán)光TM記錄載體比常規(guī)DVD具有更大的存儲能力。能夠掃描CD、DVD和藍(lán)光TM記錄載體的光學(xué)頭應(yīng)當(dāng)包括785nm激光器、650nm激光器和405nm激光器。
為了利用單一物鏡系統(tǒng)掃描不同格式的記錄載體，已經(jīng)提出了利用除折射表面之外還包括相位結(jié)構(gòu)的透鏡系統(tǒng)。國際專利申請WO02/082437描述了這種物鏡，該相位結(jié)構(gòu)包括具有不同高度的多個相位元件，如果觀察其輪廓這些元件設(shè)置為一系列臺階。不同高度的相位元件是相關(guān)并且進(jìn)行了安排的，從而在用于讀取特定格式的信息層的特定波長的輻射束中產(chǎn)生了希望的波前修正。所包含的相位結(jié)構(gòu)具有復(fù)雜的性質(zhì)，該相位元件具有大范圍的不同高度。這種相位結(jié)構(gòu)難以設(shè)計并制造成對每種波長都獲得高光學(xué)效率的程度。此外，它們制造成本高，這使得具有這種相位結(jié)構(gòu)的物鏡系統(tǒng)對于消費產(chǎn)品來講太昂貴了。
根據(jù)本發(fā)明，能夠?qū)⒄請D3a和3b所述的可切換相位結(jié)構(gòu)形式的波前修正器368與常規(guī)類型的物鏡系統(tǒng)370組合起來，從而獲得適用于掃描兩種或三種不同種類的記錄載體的單一物鏡系統(tǒng)。因為其為可切換的，所以這種相位結(jié)構(gòu)設(shè)有更大的設(shè)計自由度，從而使得該相位結(jié)構(gòu)比具有相同功能的常規(guī)相位結(jié)構(gòu)更簡單。如果該可切換相位結(jié)構(gòu)單元包括不只一個相位結(jié)構(gòu)并且如參照圖3a和3b所述的能夠相互獨立地切換不同的相位結(jié)構(gòu)，則進(jìn)一步增大了設(shè)計自由度。
根據(jù)其目的，波前修正器的相位結(jié)構(gòu)可以是周期性的或者非周期性的結(jié)構(gòu)。對于相位結(jié)構(gòu)自身的不同實施例和可切換相位結(jié)構(gòu)的能力而言，參照先前提交的未公開PCT專利申請IB2003/004030，關(guān)于這些方面該申請將其引入作為參考。先前專利申請的可切換光柵單元與本發(fā)明的可切換光柵單元的不同之處在于使用了流體切換系統(tǒng)，其中流體腔構(gòu)成了該單元的光學(xué)有效部分，以及使用了將流體移入和移出該腔的外部導(dǎo)管。在本發(fā)明的流體切換系統(tǒng)中，該單元的光學(xué)有效部分僅構(gòu)成了一部分流體腔，并且流體通常保留在該腔中，這使得該可切換相位結(jié)構(gòu)單元相當(dāng)簡單并且擴(kuò)大了其實際應(yīng)用。
取代獨立的波前修正器(368)，還可以在折射透鏡系統(tǒng)中包含該可切換相位結(jié)構(gòu)，這表示將一個或多個相位結(jié)構(gòu)與該透鏡系統(tǒng)的一個或多個折射表面集成。
除了上文中所述的應(yīng)用之外，本發(fā)明一般可以用于折射或衍射或者兩者結(jié)合的所有光學(xué)系統(tǒng)中，其中需要光學(xué)性能(例如屈光力)的切換來增大該系統(tǒng)的能力。一般而言，本發(fā)明還可以用于光學(xué)系統(tǒng)中，如果這些光學(xué)系統(tǒng)的元件能夠切換到兩個或多個分立狀態(tài)，則能夠設(shè)計并制造這些光學(xué)系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1.一種可切換光學(xué)單元(1、50、200)，其能夠控制通過該單元光學(xué)有效部分(8、108)的輻射束(b)，該單元包括腔(10、110)和包含在該腔內(nèi)且折射率不同于其周圍折射率的導(dǎo)電液體(18、118、218)，該腔設(shè)有電極配置(20、22、24、28；120、122、124、128；220、222)，其中從電壓控制系統(tǒng)(30、32、34、36、38、40、41、42；130、132、134、136、138、140、141、142)向電極施加電壓(V)造成所述液體的運動，其特征在于該電極配置包括一對第一中央電極(20、22；120、122；220、222)，其固定于該腔內(nèi)壁(12、14)的光學(xué)有效部分(8、108)的位置處，還包括第二電極裝置(24、124)，其固定于該腔內(nèi)壁的光學(xué)有效部分之外的位置處，以及第三電極(28、128)，其與導(dǎo)電液體接觸并且連續(xù)連接到電壓源(30、130)的第一輸出端(32、132)，該電壓源的第二輸出端(34、134)以第一模式連接到所述第一電極中的至少一個，并且以第二模式連接到第二電極裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可切換光學(xué)單元，其特征在于該第二電極裝置(24、124)由具有U形橫截面的一個環(huán)形電極構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的可切換光學(xué)單元，其特征在于該腔面對液體的內(nèi)壁(12、14)涂敷有絕緣疏水層(44、144)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的可切換光學(xué)單元，其特征在于該腔包括折射率不同于導(dǎo)電液體(18、118、219)的折射率的媒質(zhì)(19、119、219)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的可切換光學(xué)單元，其特征在于該媒質(zhì)(19、119、219)是液體。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的可切換光學(xué)單元，其特征在于該媒質(zhì)(19、119、229)是氣體。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的可切換光學(xué)單元，其中該腔(10、110、210)的缺少液體部分是真空的。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項所述的可切換光學(xué)單元，包括至少一個透鏡元件(2、4)，其特征在于位于光學(xué)有效部分(8)中的至少一個腔壁(12、14)是由折射透鏡表面構(gòu)成的。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的可切換光學(xué)單元，其特征在于位于光學(xué)有效部分(8)中的兩個相對腔壁(12、14)中的每一個是由折射透鏡表面構(gòu)成的。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的可切換光學(xué)單元，其特征在于折射透鏡表面(12、14、46、48)中的至少一個是非球面表面。
11.根據(jù)權(quán)利要求1-10中任一項所述的可切換光學(xué)單元，其特征在于位于光學(xué)有效部分(108)中的至少一個腔壁(56、78)具有相位結(jié)構(gòu)(58、60；202)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的可切換光學(xué)單元，其特征在于該相位結(jié)構(gòu)為非周期性結(jié)構(gòu)(202)，其使該單元成為波前修正單元。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的可切換光學(xué)單元，其特征在于該相位結(jié)構(gòu)為周期性結(jié)構(gòu)(58、60)。
14.根據(jù)權(quán)利要求1-13中任一項所述的可切換光學(xué)單元，其特征在于該電壓控制系統(tǒng)(30、32、34、36、38、40、41、42；32、134、136、138、140、141、142)設(shè)置為單獨向第一電極(20、22；120、122；220、222)提供電壓。
15.根據(jù)權(quán)利要求1-14中任一項所述的可切換光學(xué)單元，其特征在于導(dǎo)電液體(18、118、218)的折射率等于腔壁(12、14；112、114)的光學(xué)相關(guān)材料的折射率。
16.一種光學(xué)照相機(jī)(300)，其包括可控透鏡系統(tǒng)，其特征在于該透鏡系統(tǒng)(1、302)包括如權(quán)利要求1-10中任一項所述的可切換光學(xué)單元。
17.一種手持裝置，其包括如權(quán)利要求16所述的光學(xué)照相機(jī)(300)。
18.一種光學(xué)頭(360)，其用于掃描信息層(354)并且包括用于提供掃描束(364、374)的輻射源單元(362)，用于將掃描束(374)聚焦為信息層中的掃描點(380)的物鏡系統(tǒng)(370)，以及用于將來自信息層的掃描束輻射(390)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕妮椛涿舾刑綔y單元(384)，該輻射源為可切換的，從而分別發(fā)射讀取光束和寫入光束，其特征在于該光學(xué)頭包括用于讀取光束和寫入光束的衍射元件(392)，其為如權(quán)利要求13所述的可切換光柵單元(50)的形式。
19.一種光學(xué)頭(360)，其用于掃描信息層(354)并且包括用于提供掃描束(364、374)的輻射源單元(362)，用于將掃描束(374)聚焦為信息層(354)中的掃描點(380)的物鏡系統(tǒng)(370)，以及用于將來自信息層的掃描束輻射(390)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕妮椛涿舾刑綔y單元(384)，該輻射源為可切換的，從而分別發(fā)射讀取光束和寫入光束，其特征在于該光學(xué)頭包括僅用于讀取光束的衍射元件(392)，其為如權(quán)利要求15所述的可切換光柵單元(50)的形式。
20.一種光學(xué)頭(360)，其用于掃描信息層(354)并且包括用于提供掃描束(364、374)的輻射源單元(362)，用于將掃描束(374)聚焦為信息層中的掃描點(380)的物鏡系統(tǒng)(370)，以及用于將來自信息層的掃描束輻射(390)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕妮椛涿舾刑綔y單元(384)，該輻射源發(fā)射具有不同波長的至少兩個掃描束，以用于掃描不同格式的至少兩個信息平面，其特征在于該光學(xué)頭包括如權(quán)利要求15所述的可切換相位結(jié)構(gòu)(50)形式的光束偏轉(zhuǎn)元件，從而使該具有不同波長的至少兩個光束的光軸對準(zhǔn)。
21.一種光學(xué)頭(360)，其用于掃描信息層(354)并且包括用于提供掃描束(364、374)的輻射源單元(362)，用于將掃描束(374)聚焦為信息層中的掃描點(380)的物鏡系統(tǒng)(370)，以及用于將來自信息層的掃描束輻射(390)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕妮椛涿舾刑綔y單元(384)，該輻射源發(fā)射具有不同波長的至少兩個掃描束，以用于掃描不同格式的至少兩個信息平面，其特征在于該光學(xué)頭包括如權(quán)利要求13所述的可切換相位結(jié)構(gòu)(50)形式的三光點光柵(392)。
22.一種光學(xué)頭(360)，其用于掃描信息層(354)并且包括用于提供掃描束(364、374)的輻射源單元(362)，用于使掃描束(374)會聚為信息層中的掃描點(380)的物鏡系統(tǒng)(370)，以及用于將來自信息層的掃描束輻射(390)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕妮椛涿舾刑綔y單元(384)，該輻射源發(fā)射具有不同波長的至少兩個掃描束，以用于掃描不同格式的至少兩個信息平面，其特征在于該物鏡系統(tǒng)除了折射透鏡系統(tǒng)(370)之外還包括如權(quán)利要求13、14、15或16所述的可切換相位結(jié)構(gòu)單元(50、200)形式的波前修正單元(368)。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的光學(xué)頭(360)，其特征在于該波前修正單元(50、200)包含在折射透鏡系統(tǒng)(370)中。
全文摘要
一種可切換光學(xué)單元，其能夠控制通過該單元光學(xué)有效部分(8)的輻射束(b)，該單元包括包含導(dǎo)電液體(18)的流體腔(10)，該腔包括一對第一電極(20、22)，其固定于該腔內(nèi)壁(12、14)的光學(xué)有效部分的位置處，還包括第二電極裝置(24)，其固定于該腔內(nèi)壁的光學(xué)有效部分之外的位置處，以及第三電極(28)，其與導(dǎo)電液體連接。通過分別向該第一電極和第二電極裝置施加電壓(V)，能夠?qū)?dǎo)電液體移入和移出光學(xué)有效部分，從而在至少兩種分立狀態(tài)之間切換該單元(1)。
文檔編號G02B26/02GK1938609SQ200580010331
公開日2007年3月28日 申請日期2005年3月24日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月30日
發(fā)明者S·奎珀, B·H·W·亨德里克斯 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司