CN100589188C - 可变形镜及具有该可变形镜的光学拾取装置 - Google Patents

可变形镜及具有该可变形镜的光学拾取装置 Download PDF

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Abstract

一种可变形镜，其设置有：支撑基部；镜子部，其设置为面对该支撑基部，并且在该镜子部的背对该支撑基部的一侧上具有受光照射的镜面；多个压电元件，所述压电元件夹在该支撑基部和该镜子部之间以便与该支撑基部和该镜子部两者接触，所述压电元件改变该镜面的形状且彼此独立地设置；以及多个固定部，所述固定部夹在该支撑基部和该镜子部之间，以便与该支撑基部和该镜子部两者接触，所述固定部将该镜子部固定至该支撑基部，所述固定部的设置数量与所述压电元件相同，并且所述固定部彼此独立地设置；这里，各压电元件设置为比彼此独立设置的各固定部更靠近该镜子部的中心，所述各压电元件与所述多个固定部中最靠近该压电元件设置的固定部配成对。

Description

可变形镜及具有该可变形镜的光学拾取装置
技术领域
本发明涉及一种允许镜面的形状变化的可变形镜，尤其是涉及一种可变形镜的结构。本发明还涉及一种设置有这种可变形镜的光学拾取装置。
背景技术
当使用光学拾取装置从例如CD(压缩盘)或DVD(数字多用盘)等光盘中读取信息或者向其写入信息的时候，光学拾取装置的光轴和盘面之间的关系理论上应当是垂直的。然而在现实中，当光盘旋转的时候，它们的关系并非总是保持垂直。结果，对于诸如CD或DVD之类的光盘而言，当其盘面相对于光轴变为倾斜的时候，激光的光路会弯折从而产生彗形像差。
当产生彗形像差的时候，照在光盘上的激光点会偏离正确位置；并且不利地是，当彗形像差比允许值大时，就无法准确地读写信息。有鉴于此，现有技术中已经提出了一些方法，以利用可变形镜来矫正上述的彗形像差和其它的像差。
例如，JP-A-2004-070004提出了一种利用可变形镜减小波前像差的方法，其中该可变形镜采用压电元件并具有单压电晶片或者双压电晶片的结构。这里的可变形镜例如具有如图7A和图7B所示的结构。图7A示出了从与该可变形镜的镜子材料101相对侧看过去的、去除了镜子安装部件108的可变形镜。图7B为沿着图7A中的A-A线切开的剖视图。该可变形镜包括压电元件102、配线电极(wiring electrode)103、单独电极104、镜子基部105、固定部106以及缝隙107。
根据JPA-2004-070004，当在配线电极103接地的情况下，向一个单独电极104施加正电压而向另一个单独电极上施加负电压时，压电元件102中的一个膨胀而另一个收缩。因此，位于镜面沿A-A方向的中心的一侧上的镜面部分变为凸形，而位于另一侧的镜面部分变为凹形。在JP-A-2004-070004中还描述了在光学拾取装置中使用该可变形镜有助于减少波前像差。
然而，JP-A-2004-070004指出，在具有上述结构的可变形镜中，当镜面的形状变化时，在诸如设置于镜子材料101的表面上的缝隙107处之类的位置产生畸变。为了矫正所述畸变，JP-A-2004-070004提出了一种具有弹性结构的可变形镜，该弹性结构设置在畸变产生处附近以减小镜面的畸变和增加镜面的变化效率。
在其它现有技术的可变形镜中，如JP-A-H05-333274所示，其提出了一种通过使用多个致动器改变镜子本身的形状来进行相位控制的方法。
然而，当例如，通过在支撑基部和镜子部之间夹有压电元件并且通过利用置于支撑基部上的压电元件的侧向位移来改变可变形镜的镜面，可以发现，如图8中箭头所示，当压电元件被驱动时，在位于压电元件和镜子部彼此相互接触一侧的相对侧上的镜子部的镜面上产生了畸变。图8示出了通过有限元素法(finite-element method)获得的计算机模拟结果，有限元素法是一种用作用于分析结构的畸变或应力的近似分析技术的通用技术。
换句话说，例如，只要如同JP-A-2004-070004和JP-A-H05-333274中所述的那样通过压电元件的压缩改变了镜子的形状，不可避免地会在有压电元件设置的位置处的镜面上产生局部畸变。基于这个原因，如果具有JP-A-2004-070004或JP-A-H05-333274所述构造的可变形镜设置于光学拾取装置中，在镜面上会产生局部畸变，由此不可能正确地矫正像差。
发明内容
鉴于上述现有技术中面临的缺陷，本发明的一个目的是提供一种可变形镜，其可以改变镜面的形状，并且能够在不受到镜面上产生的畸变影响的情况下正确地矫正像差。本发明的另一目的是提供一种可变形镜，其能提供足够宽的镜子形状变化范围。本发明的又一目的是提供一种光学拾取装置，其设置有不受镜面上的畸变影响的可变形镜，并且因此能在较宽的范围内正确地矫正像差。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方案，提供了一种可变形镜，其设置有：支撑基部；镜子部，其设置为面对该支撑基部，并且在该镜子部的背对该支撑基部的一侧上具有受光照射的镜面；多个压电元件，所述压电元件夹在该支撑基部和该镜子部之间，以便与该支撑基部和该镜子部两者接触，所述压电元件改变该镜面的形状且彼此独立地设置；以及多个固定部，所述固定部夹在该支撑基部和该镜子部之间，以便与该支撑基部和该镜子部两者接触，所述固定部将该镜子部固定至该支撑基部，所述固定部的设置数量与所述压电元件相同，并且所述固定部彼此独立地设置。这里，各压电元件设置为比彼此独立设置的各固定部更靠近该镜子部的中心，所述各压电元件与所述多个固定部中最靠近该压电元件设置的固定部配成对。需要注意的是，在连接至所述压电元件的电极部分设置在镜子部的镜面侧的相对侧的情况下，镜子部包括所述电极部分，并且这还应用于下文的说明中。
在这种结构下，因为镜子部和固定部固定在一起，所以可以利用设置为比固定部更靠近镜子部中心的压电元件的少量位移来均匀地改变镜面的形状，这有助于正确地矫正像差。
另外，因为固定部结合于镜子部的边缘，所以可以通过压电元件的少量位移来增加镜面的变形。
而且，因为压电元件设置在受光束照射的镜面区域的外侧，所以可以均匀地改变不产生畸变的镜面的形状。
因为压电元件设置为靠近固定部，所以可以通过压电元件的膨胀和收缩来进一步增加镜面的变形。
因为压电元件和固定部形成的多个单独对沿十字形方向对称设置，所以可以更均匀地改变镜面的形状和更正确地矫正像差。
根据本发明的光学拾取装置设置有具有如上所述构造的可变形镜。这使得可以防止镜面在压电元件被驱动以改变镜子的形状时产生畸变，并且因此精确地矫正像差。而且通过可变形镜的镜子部的变形量的增加，还可以获得较宽的像差矫正范围。
附图说明
图1A示出了构成本发明实施的可变形镜的部件的分解立体图；
图1B为沿着图1A中a-a线剖开的剖视图；
图2A示意性地示出了可变形镜的一个改型的剖视图，该可变形镜具有形成为凹形的镜子部；
图2B示意性地示出了可变形镜的另一改型的剖视图，该可变形镜具有突起，该突起形成于该镜子部的镜面侧的相对侧并与压电元件相接触的部分中；
图3示出了从镜子部的镜面侧看过去，可变形镜的俯视图；
图4A为剖视图，其示意性地说明了没有电压施加于可变形镜的压电元件时的状态；
图4B为剖视图，其示意性地说明了电压施加于可变形镜的压电元件从而压电元件收缩的状态；
图4C为剖视图，其示意性地说明了电压施加于可变形镜的压电元件从而压电元件膨胀的状态；
图5A为剖视图，其示意性地说明了压电元件和可变形镜的固定部如何定位与镜子部变形量之间的关系；
图5B为剖视图，其示意性地说明了压电元件和可变形镜的固定部如何定位与镜子部变形量之间的关系，其中，所述压电元件的设定为更靠近所述固定部；
图6示出了本发明实施的利用可变形镜的光学拾取装置的光学系统轮廓的示图；
图7A示出了传统可变形镜的结构的示图；
图7B为沿着图7A中A-A线剖开的传统可变形镜的剖视图；以及
图8示出了当传统可变形镜的压电元件被驱动时，在传统可变形镜的镜面上如何产生畸变的示图。
具体实施方式
下文将参考附图说明本发明的实施例。应当理解的是，以下所述的实施例仅为示例，因此并不表示对于本发明实施的方式进行任何限定。还应当理解的是，在附图中，各部件的尺寸和厚度、形状变化时发生的变形量等等，都出于便于理解的目的而进行了放大，因此这些尺寸与实际观测到的尺寸并不相同。
图1A示出了构成本发明实施的可变形镜的部件的分解立体图。图1B为沿着图1A中a-a线剖开的剖视图，其示出了所有的部件均结合在一起的状态。
根据本发明的可变形镜1被构造为像差矫正镜，其利用压电元件4的竖直位移使形成在镜子部3的顶侧的镜面的形状变化。支撑基部2上安装有多个压电元件4和多个固定部5。支撑基部2例如由诸如陶瓷或玻璃之类的绝缘材料形成。支撑基部2中形成有多个电极孔6，通过所述电极孔6将电压供至压电元件4。
通过压电元件4改变镜子部3的镜面的形状，并且镜子部3反射从光源射入的光束。镜子部3优选由刚性的并且可以导电的材料形成，从而能将电压供至压电元件4。这种材料的实例包括硅以及诸如铝和铁之类的金属。镜子部3也可以由诸如玻璃之类的绝缘材料形成，尽管这样镜子部不具有导电性。在镜子部3是由诸如玻璃之类的绝缘材料形成的情况下，为了实现与压电元件4电导通，有必要在镜子部3的与其镜面相对侧上通过气相沉积金等方法形成电极图案，或者在镜子部3的镜面的相对侧上安装电极。
镜子部3可以由单一材料形成。可选择地，也可以由硅形成镜子部3的基底部，然后通过铺设铝涂层或类似物来覆盖该基底部的顶侧以形成镜面。也可以在基底部上形成多个层。
在该实施例中，镜子部3为平板形。可选择地，该镜子部3可以根据本发明的目的形成为其它任何形状或进行其它的改变。例如，如图2A中所示，镜子部3的镜面部分可以为凹形，从而镜子部3可以从整体上形成为凹形。如图2B所示，还可以在镜子部3的镜面的相对侧上、镜子部3与压电元件4相接触的部分中形成有突起3a。这里，图2A和图2B示出了镜子部3和固定部5结合之前的状态以使能够更容易地理解镜子部3的形状。
凹面的镜子部3例如通过将具有不同热收缩系数的材料铺设在一起而形成。例如，在镜子部3由硅形成的情况下，突起3a通过干蚀刻形成。
如图1A和图1B所示，多个固定部5夹在支撑基部2和镜子部3之间，并且设置在俯视时多个压电元件4的外部。而且，固定部5的顶面结合于镜子部3。在本实施例中，固定部5与支撑基部2分开，可选择地，支撑基部2和固定部5可以一体成形，或根据本发明的目的形成为其它任何形状或进行其它的改变。优选的是，各固定部5的高度相等以防止镜子部3的镜面畸变，还优选的是，调整固定部5和压电元件4的高度之间的关系以使镜面不产生畸变。
如图1A和图1B所示，压电元件4夹在支撑基部2和镜子部3之间。而且，例如如图1B中所示，压电元件4通过电极孔6连接于单独电极(未示出)，所述电极孔6形成于面对压电元件4的底面的一侧。压电元件4的顶面与作为公共电极的镜子部3相接触，这样允许压电元件4膨胀和收缩。在如上所述的镜子部3是由绝缘材料形成的情况下，在镜子部3的镜面的相对侧上气相沉积有电极层，以在镜子部3上提供电极，并且这个电极被用作公共电极。
压电元件4和镜子部3可以结合在一起也可以不结合在一起。在它们不结合在一起并且在如本实施例中镜子部3为平板形的情况下，当压电元件4收缩时，压电元件4和镜子部3进入非接触状态，从而断开镜子部3与压电元件4的电导通，这样使压电元件4不会进一步收缩。基于这个原因，镜子部3的镜面的变化范围变小了。在这种情况下，可以使用如图2A所示的镜子部3，其通过镜面部分的凹陷而使镜子部3的整体形状为凹形，或者使用如图2B所示的镜子部3，其在镜面的相对侧上、镜子部3与压电元件4相接触的部分中形成有突起。通过这种镜子部3，当压电元件4收缩时能够维持镜子部3与压电元件4电导通。结果，可以通过收缩压电元件4而改变镜子部3的形状，并防止了镜子部3的变化范围减小。
压电元件4是由例如PZT(锆钛酸铅，Pb(ZrXTi1-X)O3)的压电陶瓷或者由例如聚偏二氟乙烯的压电聚合物形成。其中，压电陶瓷因其高机械强度而优选。
在这个实施例中，压电元件4为矩形柱状，并在压电元件4与镜子部3相接触的顶端处变细。然而，这些压电元件可以形成为任何形状，例如，压电元件4的顶端可以为长方体形或圆柱形。
下面将说明压电元件4如何设置在可变形镜1中。如图1A中所示，在本实施例中，优选对称设置多个压电元件4。然而，为了在各位置均匀地改变镜子部3的镜面形状，更优选的是，在俯视时沿着十字形方向对称地设置四个压电元件4。多个固定部5分别沿对称设置的多个压电元件4的连线与各压电元件4邻接设置。为了更正确地改变镜面的形状，更优选的是，使压电元件4相对于通过镜子部3的镜面中心的轴线对称设置。另外，还可以通过考虑到与射入可变形镜1的光束的关系来设置压电元件4。
图3示出了从镜子部3的镜面侧看过去，可变形镜1的俯视图。在图3中，在镜子部3中心部分示出的圆形部分的内部区域为照射区7，镜子部3的在该照射区7中的镜面被光束照射。压电元件4和固定部5设置于该镜面的相对侧的、该照射区7的外侧。如前面参照图8所述，当压电元件4膨胀或收缩时，在压电元件4与镜子部3接触位置的相对侧、在镜面的局部产生畸变。然而，当设置根据本实施例的压电元件4时，当压电元件4膨胀或收缩时光束不会受到镜面上产生的畸变的影响。由于光束不受到镜面上产生的畸变的影响，因此在矫正像差时能够正确地进行矫正。
光束的照射区7由进入可变形镜1的光束的有效直径来界定。例如，在执行诸如从光盘读取信息之类操作的光学读取装置中，数值孔径基于诸如CD或DVD之类光盘的类型而变化。因此，当从半导体激光器发射的光束进入可变形镜1时，有效直径并不总是保持恒定，因此，光束的照射区会发生变化。基于这个原因，有必要在设计过程中考虑到该因素来设置压电元件4。
现在将参考图4A、图4B和图4C说明具有如上所述结构的可变形镜1的操作。例如，如图4A至图4C所示，当压电元件4被驱动时，可变形镜1的形状改变。图4A至图4C为可变形镜1沿着图1A的a-a线剖开的剖视图。
图4A示出了没有电压施加于压电元件4时的状态。当电压施加于压电元件4时，所述压电元件膨胀或收缩。如图4B所示，当左侧压电元件4和右侧压电元件4收缩时镜子部3变为凹形。如图4C所示，当左侧压电元件4和右侧压电元件4膨胀时镜子部3变为凸形。单个压电元件4膨胀或收缩可通过在此具体说明的方式以外的其它任何方式进行组合。例如，在图4A至图4C中，可以使左侧压电元件4和右侧压电元件4中的一个膨胀而使另外一个收缩。无论压电元件4膨胀还是收缩，由于压电元件4设置在以光束照射的照射区7的外侧，所以在光束的照射区7内、在镜子部3的镜面上不会产生畸变。
如图5A中所示，压电元件4并不必须设置为靠近固定部5。然而，如图5B中所示，优选的是，压电元件4和固定部5彼此靠近地设置。当固定部5和压电元件4设置为彼此靠近时，当压电元件4被驱动时对镜子部3的镜面的施力点与镜子部3的中心之间的距离增大。即，如图5B中所示，这有助于增大镜子部3的镜面的变形量。这里，图5A和图5B为沿着图1A中a-a线剖开的可变形镜1的剖视图。
根据本实施例，优选的是，与压电元件4靠近设置的固定部5固定至镜子部3的外周部分。进一步优选的是，固定部5固定至镜子部3的边缘。这有助于当压电元件4被驱动时对镜子部3的镜面的施力点与镜子部3的中心之间的距离增大。这可以进一步增大镜面的变形量。
除了本实施例中具体说明的以外，可以任意设置具有任意数量的压电元件4。然而，为了在各位置均匀地改变镜子部3的镜面的形状，优选将多个压电元件4在俯视时对称地设置，当考虑到镜子部3的尺寸和其他因素时，更优选的是，沿着十字形方向对称地设置四个压电元件4。进一步更优选的是，使压电元件4在俯视时，相对于通过镜子部3的镜面中心的轴线对称设置。在设置多个压电元件4的情况下，优选单独调整各压电元件4的高度，以防止在镜子部3的镜面上产生畸变。
在上述的实施例中，如图1A所示，可变形镜1整体上为长方体形，然而，可变形镜1的形状并不限定于这种特定的形状，而是可以根据本发明的目的进行修改。例如，支撑基部2、镜子部3或者其他任何部件都可以形成圆形，并且支撑基部2可以形成为比镜子部3大。
下面将阐述作为本发明另一实施例的、根据本发明的、利用可变形镜的光学拾取装置11。根据本发明的、整合有可变形镜1的光学拾取装置11包括构造为例如如图6中所示的光学系统。光学拾取装置11的光学系统可以根据本发明的目的以任何方式构造。
如图6中所示的光学拾取装置11设置有半导体激光器12、准直透镜13、分光器14、根据本发明的可变形镜1、四分之一波片15、物镜16、聚光透镜18以及光电检测器19。
从半导体激光器12发出的激光由准直透镜13转变为平行光束。该平行光束被传送通过分光器14，随后由四分之一波片15改变其偏振状态，之后在可变形镜1上反射，并且随后由物镜16聚焦在光盘17上。从光盘17反射的激光通过物镜16，之后在可变形镜1上反射，然后通过四分之一波片15，随后由分光器14反射，并且随后由聚光透镜18聚光并引导至光电检测器19。
在这个实施例中，可变形镜1的功能一方面是作为传统使用的凸镜(raising mirror)。另一方面，在这个光学系统中，例如当光盘17相对于激光光轴发生倾斜的时候，如前所述地会产生彗形像差。可改变可变形镜1的镜面的形状以矫正这种彗形像差。就是说，可变形镜1还用来矫正像差。具体而言，当基于从光电检测器19获得的信号，需要矫正诸如彗形像差之类的波前像差时，设置于光学拾取装置11中的控制器(未示出)发送信号给可变形镜1，以指示其改变镜子部3的镜面的形状，从而矫正该像差。根据本发明，当镜子部3的镜面的形状改变时，只有不具有畸变的部分才被用于矫正像差，这使得可以进行正确的像差矫正。
根据本发明，对能够改变镜面的形状的可变形镜进行了巧妙地设计，以使反射光束不受压电元件被驱动时所产生的畸变的影响。
而且，对所述可变形镜进行了巧妙地设计，以使镜子部的变形量增加。
采用根据本发明的利用可变形镜的光学拾取装置可以防止当整合在可变形镜中的压电元件被驱动时可变形镜的镜面产生畸变，从而准确地矫正像差。而且，利用可变形镜的镜面的变形量的增加，还可以实现特定程度的像差矫正。

Claims (19)

1.一种可变形镜，其包括：
支撑基部；
镜子部，其设置为面对该支撑基部，并且在该镜子部的背对该支撑基部的一侧上具有受光照射的镜面；
多个压电元件，所述压电元件夹在该支撑基部和该镜子部之间，以便与该支撑基部和该镜子部两者接触，所述压电元件改变该镜面的形状且彼此独立地设置；以及
多个固定部，所述固定部夹在该支撑基部和该镜子部之间，以便与该支撑基部和该镜子部两者接触，所述固定部将该镜子部固定至该支撑基部，所述固定部的设置数量与所述压电元件相同，并且所述固定部彼此独立地设置；
其中，各压电元件设置为比彼此独立设置的各固定部更靠近该镜子部的中心，
所述各压电元件与所述多个固定部中最靠近该压电元件设置的固定部配成对。
2.如权利要求1所述的可变形镜，其中，所述多个固定部结合于该镜子部。
3.如权利要求1所述的可变形镜，其中，所述多个固定部结合于该镜子部的边缘。
4.如权利要求1所述的可变形镜，其中，所述多个压电元件设置于受光束照射的镜面区域的外侧。
5.如权利要求2所述的可变形镜，其中，所述多个压电元件设置于受光束照射的镜面区域的外侧。
6.如权利要求3所述的可变形镜，其中，所述多个压电元件设置于受光束照射的镜面区域的外侧。
7.如权利要求1所述的可变形镜，其中，所述多个压电元件分别位于靠近各所述固定部的位置。
8.如权利要求2所述的可变形镜，其中，所述多个压电元件分别位于靠近各所述固定部的位置。
9.如权利要求3所述的可变形镜，其中，所述多个压电元件分别位于靠近各所述固定部的位置。
10.如权利要求4所述的可变形镜，其中，所述多个压电元件分别位于靠近各所述固定部的位置。
11.如权利要求5所述的可变形镜，其中，所述多个压电元件分别位于靠近各所述固定部的位置。
12.如权利要求6所述的可变形镜，其中，所述多个压电元件分别位于靠近各所述固定部的位置。
13.如权利要求1所述的可变形镜，其中，在俯视该可变形镜时，所述多个压电元件和所述多个固定部形成的多个单独对沿十字形方向对称地设置。
14.如权利要求2所述的可变形镜，其中，在俯视该可变形镜时，所述多个压电元件和所述多个固定部形成的多个单独对沿十字形方向对称地设置。
15.如权利要求3所述的可变形镜，其中，在俯视该可变形镜时，所述多个压电元件和所述多个固定部形成的多个单独对沿十字形方向对称地设置。
16.如权利要求4所述的可变形镜，其中，在俯视该可变形镜时，所述多个压电元件和所述多个固定部形成的多个单独对沿十字形方向对称地设置。
17.如权利要求7所述的可变形镜，其中，在俯视该可变形镜时，所述多个压电元件和所述多个固定部的多个单独对沿十字形方向对称地设置。
18.一种可变形镜，其包括：
支撑基部；
镜子部，其设置为面对该支撑基部，并且在该镜子部的背对该支撑基部的一侧上具有受光束照射的镜面；
多个压电元件，所述压电元件夹在该支撑基部和该镜子部之间，以便与该支撑基部和该镜子部两者接触，所述压电元件改变该镜面的形状且彼此独立地设置；以及
多个固定部，所述固定部与该支撑基部接触并结合至该镜子部，所述固定部夹在该支撑基部和该镜子部之间，所述固定部的设置数量与所述压电元件相同，并且所述固定部彼此独立地设置；以及
其中，所述固定部结合于该镜子部的外周部分，
其中，所述多个压电元件通过与最靠近该压电元件设置的相应固定部形成多个单独对，对称地设置在受该光束照射的镜面区域的外侧，以及
所述压电元件设置为比与所述压电元件形成所述单独对的所述固定部更靠近该镜子部的中心。
19.一种光学拾取装置，其包括如权利要求1所述的可变形镜。
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