CN101147196A - 光学扫描设备 - Google Patents

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Abstract

一种光学扫描设备，其用于扫描具有第一覆盖层厚度的第一光学记录载体的信息层和具有不同的第二覆盖层厚度的第二光学记录载体的信息层。该设备包括用于将辐射光束会聚于信息层上的物镜系统。该物镜系统包括沿着光轴方向间隔开设置的第一透镜元件和第二透镜元件。该物镜系统还包括可切换光学元件，其包括第一流体和位于所述第一透镜和所述第二透镜之间的腔体。该物镜系统在第一构形和第二构形之间是可切换的，在第一构形中，第一流体占据该腔体的光学有效部分以使该物镜系统具有用于扫描该第一光学记录载体的信息层的第一焦距，以及在第二构形中，第一流体不占据该腔体的光学有效部分以使该物镜系统具有用于扫描该第二光学记录载体的信息层的不同的第二焦距。该物镜系统设置成满足下列条件：Focal 2－Focal1＞0.9(T2－T1)/N，其中T1是第一覆盖层厚度，T2是第二覆盖层厚度，T2＞T1，N是第二覆盖层的折射率，Focal1是第一焦距，Focal2是第二焦距。

Description

光学扫描设备
技术领域
本发明涉及一种用于光学扫描设备中的物镜，该光学扫描设备用于扫描具有不同覆盖层厚度的光学记录载体，本发明还涉及一种结合这种物镜的光学扫描设备，以及制造这种扫描设备的方法。本发明特别适于但是并不局限于提供一种用于扫描两种或多种类型的光学记录载体的塑料复合(plastic compound)物镜。
背景技术
可以将数据以光学记录载体的信息层的形式来存储。存在多种类型的光学记录载体，例如高密盘(CD)、常规的数字多功能光盘(DVD)和所谓的蓝光盘。
近年来已经提出了蓝光盘，其利用蓝色激光二极管，该蓝色激光二极管发射比从常规DVD读取信息或者将信息写入到该DVD中所用的红色激光二极管以短很多的波长发射光。由于蓝色激光二极管的波长比更普遍使用的红色激光二极管的波长短，因此蓝色激光二极管能够在盘上形成更小的光点，并且由此蓝光盘的信息层轨道可以比常规的DVD盘的信息层轨道间距更紧凑。因此，蓝光盘能够比常规的DVD具有更大的存储容量，通常能够获得存储容量的至少两倍的增长。
所希望的是，单个的光学扫描设备能够具有扫描(例如读取数据或写入数据)多种不同格式的光学记录载体的能力。然而，不同的记录载体格式以及相关联的扫描设备常常要求不同的特性。例如，CD设计成由大约为785nm的光束波长来扫描，且具有0.45的数值孔径。DVD设计成以650nm范围的光束波长来扫描，同时蓝光盘设计成以大约为405nm的光束波长来扫描。通常利用0.6的数值孔径来读取DVD，而通常采用0.65的数值孔径来写入到DVD。
通常，设计成以某些波长来读取的盘是不能以其它波长来读取的，例如由于形成层中的染料的波长敏感度。因此，多格式光学扫描设备(用于扫描多于一种类型的光学记录载体的设备)常常包含一个或多个辐射源，用于提供在所需波长的相关辐射光束。
不同类型的记录载体，其透明基板的厚度也是不同的。该透明基板通常起到保护层的作用，用于保护记录载体的信息层(数据携载层)。因此，从记录载体的入射面算起的厚度(覆盖层厚度)随着记录载体类型的不同而变化。例如，蓝光盘可以具有0.1mm的覆盖层厚度，DVD盘可以具有0.6mm的覆盖层厚度，CD可以具有1.2mm的覆盖层厚度。
为了减少制造成本，所希望的是用塑料而不是玻璃来形成物镜。因为塑料的折射率更低，因此通常由两种折射元件来形成物镜，即，形成为复合透镜。这样的两元件的透镜一般比相对应的单个物镜具有更短的自由工作距离。
发明内容
本发明实施例目的在于解决本文中涉及的或其他地方存在的现有技术的一个或多个问题。
根据本发明的第一方面，提供一种光学扫描设备，其用于扫描具有第一覆盖层厚度的第一光学记录载体的信息层和具有不同的第二覆盖层厚度的第二光学记录载体的信息层；该设备包括用于将辐射光束会聚于所述信息层上的物镜系统，该物镜系统包括沿着光轴方向间隔开设置的第一透镜元件和第二透镜元件；该物镜系统还包括可切换光学元件，该可切换光学元件包括第一流体和位于所述第一透镜和所述第二透镜之间的腔体；其中该物镜系统在第一流体占据该腔体的光学有效部分的第一构形和第一流体不占据该腔体的光学有效部分的第二构形之间是可切换的，以使得在其中一种所述构形中，该物镜系统具有用于扫描该第一光学记录载体的信息层的第一焦距，而在另一种构形中，该物镜系统具有用于扫描该第二光学记录载体的信息层的不同的第二焦距，并且该物镜系统设置成满足下列条件：Foca1 2-Foca11>0.9(T2-T1)/N，其中T1是第一覆盖层厚度，T2是第二覆盖层厚度，T2>T1，N是第二覆盖层的折射率，Foca11是第一焦距，Foca12是第二焦距。
由此，通过利用这样的可切换光学元件，通过流体的运动可以很容易地调整物镜的焦距，从而保持正被扫描的光学记录载体的外表面和物镜系统与之邻近的表面之间的合适的自由工作距离。通过利用这样的可切换光学元件，可以防止透镜因接触扫描记录载体造成的损坏。在一些情况下，自由工作距离可以相对较小，例如，如果在一个或多个所述构形中，利用物镜系统来扫描近场中的光学记录载体的信息层。
优选地，将物镜系统设置成满足以下条件：F2>F1，其中F2是第二构形中的物镜系统与第二光学载体之间的自由工作距离，且F1是第一构形的物镜系统与第一光学记录载体之间的自由工作距离。
优选地，所述焦距中至少一个足够大以确保该物镜系统与正被扫描的光学记录载体之间的自由工作距离比预定的最小值大。
优选地，所述焦距中的每个都足够大以确保该物镜系统与正被扫描的光学记录载体之间的自由工作距离比预定的最小值大。
所述最小自由工作距离可以是50μm。
优选地，第一流体是电灵敏的流体(electrically susceptiblefluid)，该腔体配有电极构形(configuration)，其中从电压控制系统向电极施加电压使得流体运动，并且其中该电极构形包括邻近腔体内壁并位于光学有效部分的位置处的至少一个第一中心电极，邻近腔体内壁并位于光学有效部分之外的位置处的至少一个第二电极，以及与电灵敏的流体接触的第三电极，使得当在所述第一电极和第三电极之间施加电压时，该光学元件将处于第一构形中，并且当在所述第二电极和第三电极之间施加电压时，该光学元件将处于第二构形中。
该腔体的内壁可以涂敷有绝缘疏水层。
该腔体还可以包括第一流体的蒸汽和第二流体中的一种，该第二流体具有与导电流体不同的折射率。
处于光学有效部分中的至少一个腔体壁可以形成折射透镜表面。
处于光学有效部分中的至少一个腔体表面可以形成衍射光栅结构。
该光学扫描设备可以设置为用于利用具有第一波长的第一辐射光束扫描第一信息层，利用具有第二波长的第二辐射光束扫描第二信息层，以及利用具有第三波长的第三辐射光束扫描第三光学记录载体的第三信息层，其中所述第一、第二和第三波长彼此不同，其中该衍射光栅结构包括预定高度的一系列阶梯以引入相位变化，在所述至少一种构形中，该相位变化是对于至少一个所述波长的2π的整数倍。
优选地，在该第一构形和该第二构形之间的焦距变化为扫描各个光学记录载体提供了所需的数值孔径的变化。
根据本发明的第二个方面，提供一种用于光学扫描设备的物镜系统，该光学扫描设备设置成扫描具有第一覆盖层厚度的第一光学记录载体的信息层和具有不同的第二覆盖层厚度的第二光学记录载体的信息层，该物镜系统适于将辐射光束会聚于所述信息层上，该物镜系统包括沿着光轴方向间隔开的第一透镜和第二透镜；该物镜系统还包括可切换光学元件，该可切换光学元件包括第一流体和位于所述第一透镜和所述第二透镜之间的腔体；其中该物镜系统在第一流体占据该腔体的光学有效部分的第一构形和第一流体不占据该腔体的光学有效部分的第二构形之间是可切换的，以使得在其中一种所述构形中该物镜系统具有用于扫描该第一光学记录载体的信息层的第一焦距，而在另一种构形中，该物镜系统具有用于扫描该第二光学记录载体的信息层的不同的第二焦距，并且该物镜系统设置成满足下列条件：Foca1 2-Foca11>0.9(T2-T1)/N，其中T1是第一覆盖层厚度，T2是第二覆盖层厚度，T2>T1，N是第二覆盖层的折射率，Foca11是第一焦距，Foca12是第二焦距。
根据本发明的第三个方面，提供一种制造光学扫描设备的方法，该光学扫描设备用于扫描具有第一覆盖层厚度的第一光学记录载体的信息层和具有不同的第二覆盖层厚度的第二光学记录载体的信息层；该方法包括：提供用于将辐射光束会聚于所述信息层上的物镜系统，该物镜系统包括沿着光轴方向间隔开的第一透镜元件和第二透镜元件；该物镜系统还包括可切换光学元件，该可切换光学元件包括第一流体和位于所述第一透镜和所述第二透镜之间的腔体；其中该物镜系统在第一流体占据该腔体的光学有效部分的第一构形和第一流体不占据该腔体的光学有效部分的第二构形之间是可切换的，以使得在其中一种所述构形中该物镜系统具有用于扫描该第一光学记录载体的信息层的第一焦距，而在另一种构形中，该物镜系统具有用于扫描该第二光学记录载体的信息层的不同的第二焦距，并且该物镜系统设置成满足下列条件：Foca12-Foca11>0.9(T2-T1)/N，其中T1是第一覆盖层厚度，T2是第二覆盖层厚度，T2>T1，N是第二覆盖层的折射率，Foca11是第一焦距，Foca12是第二焦距。
附图说明
现在将参照附图仅通过实例的方式来描述本发明的实施例，其中：
图1A和图1B示意性地示出传统的物镜系统分别扫描第一光学记录载体和具有更大的覆盖层厚度的第二光学记录载体的横截面示意图；
图2是根据本发明实施例的光学扫描设备的示意图；
图3A和图3B示出了根据本发明实施例的物镜系统在第一构形中用于扫描具有第一覆盖层厚度的盘和在第二构形中用于扫描具有更大的第二覆盖层厚度的盘的横截面示意图；以及
图4A和图4B示出了用于根据本发明另一个实施例的物镜系统中的可切换光学元件的径向横截面示意图。
具体实施方式
使用具有相对短的自由工作距离的透镜是所希望的，因为这样可以使设备的光学扫描头相对紧凑。但是，本发明人已经意识到如果将光学扫描设备设置为扫描不同类型的光学记录载体，则使用相对短的自由工作距离的物镜系统是有问题的。
例如，图1A和1B示出了包括沿着光轴104间隔开的第一透镜102和第二透镜103的物镜系统。图1A示出采用物镜系统102、103，利用第一辐射光束105来扫描覆盖层厚度T1的第一类型的光学记录载体101。图1B示出采用相同的物镜系统102、103，利用不同波长的第二辐射105＇来扫描覆盖层厚度T2的第二类型的记录载体101＇。可以看到，第一光学记录载体101具有比第二光学记录载体101＇小的覆盖层厚度。因此，物镜系统和光学记录载体101的邻近的外表面(入射表面)之间的自由工作距离F1比相应的与第二光学记录载体101＇之间的自由工作距离F2大得多。
因此可以看出，当记录载体的覆盖层厚度增大时，自由工作距离通常会相应地减小。这样是不希望的，因为这样会导致光学记录载体的表面与物镜接触的情况，可能会导致透镜或光学记录载体表面的损坏，特别是在光学扫描设备受到撞击的时候。
本发明人已经意识到这个问题可以通过在物镜的两个固定透镜元件之间插入包含流体的腔体来克服。该流体是可移置的，这样在一种构形中该流体占据该腔体的光学有效部分，而在另一种构形中，该流体不占据该腔体的光学有效部分。该腔体的光学有效部分是辐射光束(用于扫描各个光学记录载体的信息层)所通过的腔体的体积。该流体可以是任何流动的材料，如液体，气体或者液晶。
由此，腔体和相关联的流体用于提供一种折射率可变的元件，即一种折射元件，其性能根据第一流体是否占据该腔体的光学有效部分而改变。通过在两个位置之间移动该流体，可以很容易地改变物镜元件的焦距镜头(focal lens)，由此确保物镜系统和正被扫描的盘的入射表面之间的自由工作距离适合于正被扫描的特定记录载体。这样降低了透镜与被扫描的盘的表面相接触的可能性，由此也降低了损坏盘或透镜的可能性。
将物镜系统配置为满足下列条件：Foca12-Foca11>0.9(T2-T1)/N，
其中T1是第一覆盖层厚度，T2是第二覆盖层厚度，T2>T1，N是第二覆盖层的折射率，Foca11是第一焦距，Foca12是透镜系统的第二焦距。上述条件可以适用于所有的情况，即使当F2大于F1的时候，即透镜和第二光学载体之间的自由工作距离大于透镜和第一光学记录载体之间的自由工作距离(尽管事实上第二光学记录载体具有更大的覆盖层厚度)的时候。
即使当物镜系统在近场中被操作时，如，自由工作距离具有扫描辐射光束的一个波长的数量级时，所述条件也仍然适用。例如，自由工作距离可以与扫描辐射光束的波长(λ)的四分之一一样短，即最小自由工作距离是λ/4。
包括腔体和相关联的流体的折射率可变元件可以利用结合具有不同折射率的第一流体和第二流体的系统来形成。可以利用泵浦系统来移动第一流体以占据腔体的光学有效部分和不占据该腔体的光学有效部分(即当第二流体占据该腔体的光学有效部分时)。适合的泵浦系统例如在US2003/006140和PCT申请WO2004/027490中已经图示说明。在US2003/006140中，两种流体具有不相似的介电常数，介电泵浦和可变的介电泵浦被用于使流体沿着通道移动。通过将一条或多条通道适当地耦合到腔体，可以调节第一流体在腔体中的位置。
在WO2004/027490中，描述了结合有导电的第一流体和电绝缘的第二流体的可切换光学元件。提供具有两端的管道，每一端都流动地连接于腔体的分立的位置。通过施加电润湿力来改变腔体内第一流体的位置。
然而，利用这样的循环系统有许多不利之处。这样的循环系统相对复杂并且需要额外的空间。
如下面参考图3A、3B、4A和4B所描述的，优选的实施例采用不具有附加管道的单个腔体。第一流体以液体的形式存在于腔体内。腔体的剩余部分可以是基本上真空的或者可以充满具有折射率不同于第一液体的的第二流体(如液体)。优选地，第二流体是绝缘体(即，绝缘的)或非极性的。在实际中，应该理解，的通常处于基本上是真空的所述腔体的任何无液体的部分实际上将包含第一液体的蒸汽。
第一流体是电灵敏的，即其是对电场有反应的流体。例如，其可以是导电的或者极性液体。因此，通过适当地施加电压，可以使液体在占据腔体的光学有效部分的第一位置和没有占据腔体的光学有效部分的第二位置之间移动。优选的是，如果腔体的剩余部分或者基本上是真空的或者充满气体，那么液体和气体(或真空)之间的折射率差比两种液体之间的折射率差大得多。
现在将更加详细地描述合适的光学扫描设备，并随后进一步描述优选实施例的物镜系统的细节。
图2示出了利用第一辐射光束4来扫描第一光学记录载体3的第一信息层2的设备1，该设备包括物镜系统8。
光学记录载体3包括透明层5，在该透明层5的一侧上设置信息层2。信息层2与透明层5相背的一侧由保护层6保护以免受环境的影响。该透明层面向设备的一侧称为入射面。透明层5通过为信息层2提供机械支持而对光学记录载体3起到基板的作用。可选择地，透明层5可以只具有保护信息层的功能，而机械支持由信息层2另一侧上的层来提供，例如通过保护层6或者通过附加信息层和连接到最上侧信息层的透明层来提供。应该注意，信息层具有(在图2中所示的实施例中)与透明层5的厚度相应的第一信息层厚度27。信息层2是载体3的表面。
将信息以在基本上平行、同心的或螺旋的轨道中排列的光学可检测的标记的形式存储在记录载体的信息层2上，这在该图中未示出。轨道是可以由所聚焦的辐射光束的光点所遵循的路径。这些标记可以是任何光学可读的形式，如以反射系数或磁化方向不同于周围环境的凹坑或区域的形式，或者这些形式的组合。在这种情况下，光学记录载体3具有盘的形状。
如图2中所示，光学扫描设备1包括辐射源7、准直透镜18、分束器9、具有光轴19的物镜系统8，以及检测系统10。另外，光学扫描设备1包括伺服电路11、聚焦致动器12、径向致动器13、以及用于误差校正的信息处理单元14。
在该特定实施例中，辐射源7设置为连续地或者同时地提供第一辐射光束4、第二辐射光束4＇和第三辐射光束4＇＇。例如，辐射源7可以包括用于连续提供辐射光束4、4＇和4＇＇的可调谐半导体激光器，或者用于分别地提供这些辐射光束的三个半导体激光器。
辐射光束4具有波长λ1和偏振p1，辐射光束4＇具有波长λ2和偏振p2，辐射光束4＇＇具有波长λ3和偏振p3。波长λ1、λ2和λ3均不相同。优选的是，任何两个波长之差等于或大于20nm，更优选的是50nm。偏振p1、p2和p3中的两个或多个可以彼此不同。
准直透镜18设置在光轴19上，用于将辐射光束4转换为基本上准直的光束20。类似的是，该准直透镜将辐射光束4＇和4＇＇分别转换为两个基本上准直的光束20＇和20＇＇(图1中未示出)。
将分束器9设置为用于向物镜系统8传输这些辐射光束。优选的是，分束器9和平面平行板一起形成，该平面平行板相对于光轴倾斜角α，更优选的是，α＝45°。
将物镜系统8设置为将准直的辐射光束20转换为第一聚焦辐射光束15，以便在信息层2的位置中形成第一扫描光点16。
在扫描的过程中，记录载体3绕主轴(spindle)(图中1未示出)上旋转，然后通过透明层5扫描信息层2。聚焦辐射光束15在信息层2上反射，由此形成反射光束21，该反射光束在向前会聚的光束15的光路上返回。物镜系统8将反射的辐射光束21转换为准直的反射辐射光束22。分束器9通过将反射辐射22的至少一部分朝检测系统10传输而将向前的辐射光束20与反射的辐射光束22分离开。在所示的特定实施例中，分束器9是偏振分束器。四分之一波片9＇被定位在沿光轴19在分束器9和物镜系统8之间。四分之一波片9＇和偏振分束器9的组合可以确保大多数反射的辐射光束22被传输向检测系统10。
检测系统10包括会聚透镜和象限检测器，它们被设置为捕获反射的辐射光束22的所述部分并将其转变为一个或多个电信号。
信号中的一个是信息信号，该信号的值代表在信息层2上所扫描的信息。该信息信号由信息处理单元14来处理以校正误差。
来自检测系统10的其它信号是聚焦误差信号和径向跟踪误差信号。该聚焦误差信号代表沿着Z轴在扫描光点16和信息层2的位置之间的轴向高度差。优选地，所述信号由“像散法”形成，尤其该“像散法”可以从由G.Bouwhuis，J.Braat，A.Huijiser等撰写的“光盘系统原理”  (Principles of Optical  Disc Systems)第75-8 0页(Adam Hilger 1985，ISBN 0-85274-785-3)等获知。径向跟踪误差信号代表信息层2的XY平面中在扫描光点16和扫描光点16要遵循的信息层2中的轨道中心之间的距离。该信号可以由“径向推挽法”形成，所述“径向推挽法”同样可以从上述G.Bouwhuis撰写的书中第70-73页获知。
将伺服电路11设置为用于响应聚焦和径向跟踪误差信号而提供分别用于控制聚焦致动器12和径向致动器13的伺服控制信号。聚焦致动器12控制物镜8沿Z轴的位置，由此控制扫描光点16的位置，从而使得其与信息层2的平面基本上重合。径向致动器13控制扫描光点16的径向位置，从而通过改变物镜8的位置而使扫描光点与信息层2中该扫描光点待遵循的轨道的中心线基本上重合。
将物镜8设置为用于将准直辐射光束20转变为具有第一数值孔径NA1的聚焦辐射光束15，以便形成扫描光点16。换句话说，光学扫描设备1能够通过具有波长λ1、偏振p1和数值孔径NA1的辐射光束15扫描第一信息层2。
另外，虽然没有示出，但是在该实施例中的光学扫描设备也能够通过辐射光束4＇来扫描第二光学记录载体3＇的第二信息层2＇，并通过辐射光束4＇＇来扫描第三光学记录载体3＇＇的第三信息层2＇＇。因此，物镜系统8将准直辐射光束20＇转变为具有第二数值孔径NA2的第二聚焦辐射光束15＇，以便在信息层2＇的位置中形成第二扫描光点16＇。物镜8也可以将准直辐射光束20＇＇转变为具有第三数值孔径NA3的第三聚焦辐射光束15＇＇，以便在信息层2＇＇的位置中形成第三扫描光点16＇＇。
扫描光点16、16＇、16＇＇中的任何一个或多个可以与两个附加的光点一起形成用于提供误差信号。这些相关联的附加光点可通过在光束20的光路中提供适当的衍射元件来形成。
与光学记录载体3类似地，光学记录载体3＇包括第二透明层5＇，在该第二透明层5＇的一侧上设置具有第二信息层深度27＇的信息层2＇，光学记录载体3＇＇包括第三透明层5＇＇，在该第三透明层5＇＇的一侧上设置具有第三信息层深度27＇＇的信息层2＇＇。
在该实施例中，仅仅举例说明，光学记录载体3、3＇和3＇＇分别是“蓝光盘”格式的盘、“红色DVD”格式的盘和CD格式的盘。这样，波长λ1包括在365和445nm之间的范围内，优选是405nm。数值孔径NA1在读取模式和写入模式中均约等于0.85。波长λ2包括在620和700nm之间的范围内，优选是650nm。数值孔径NA2在读取模式中约等于0.6，在写模式中在0.6以上，优选是0.65。波长λ3包括在740和820nm之间的范围内，优选是大约785nm。数值孔径NA3在0.5以下，优选是0.45。
图3A和3B示出光学透镜系统8的实施例的横截面。透镜系统8由两个固体透镜元件82和84组成，这两个元件在其边界部分86粘接在一起。这两个透镜元件由玻璃或者透明塑料制成。液体腔体90位于在光轴19上透镜82和84之间。在这个实施例中，腔体90与光轴交叉的两个内壁都是折射表面。特别是，第一个内壁由透镜元件82的折射表面92限定，第二内表面是透镜元件84的折射表面94限定。两个透镜元件的公共内壁96连同表面92、94限定了腔体的容量。
腔体90部分地填充导电或极性液体98，例如盐水，在下文中也称为第一液体或第一流体。腔体90中的剩余空间99可以填充另一种不导电的流体，例如液体或气体，液体例如是油。可选择地，腔体的剩余空间99可以是真空的，实际上其可以包括第一液体98的蒸汽。腔体的这一剩余体积(如第二介质或真空)具有与极性液体98的折射率不同的折射率。
第一电极91，93邻近折射表面92和94的中心部分(即，与光轴交叉的部分)而设置。这些电极91，93限定了透镜系统8的光学有效部分，即通过入射的辐射光束20，20＇的部分，该入射辐射光束的波阵面由透镜系统8修正。第一电极对91，93由导电的光学透明材料制成，例如ITO(氧化铟锡)。这些电极在用于扫描相关的光学记录载体3，3，的光束20，20＇的波长是光学透明的。
第二电极装置95被设置在远离光轴19的、所述腔体的边缘部分，即光学有效部分之外的部分。该电极装置95的端部与第一电极91，93的端部之间由间隙78分开。电极装置95不必是透明的，其可以由金属材料制成。由于透镜系统8大体上是关于光轴19呈圆对称的，因此应该理解，间隙78通常是环形的。第三电极97与极性液体98电接触。电极97可以与极性液体98直接电接触。可选择地，电极97可以是绝缘的，并且电容性耦合到液体98。所述电极97永久地连接到电压源50的第一输出52。该电压源50的第二输出54通过开关60可以与第一电极91、93连接或与第二电极装置95连接。
电极的内侧，即面对液体腔体90的那一侧，覆盖有由例如聚对二甲苯(parylene)形成的透明电绝缘层。第一电极91、93的端部与第二电极95的端部之间的间隙78和所述层的内侧涂覆有疏水层。该层是透明的，并且可以由DuPontTM生产的TeflonTMAF1600形成。可选择地，可以采用既绝缘又疏水的单层。
第一电极91、93，第二电极装置95和第三电极97一起形成电润湿电极的构形，这些电极与电压控制系统50、52、54、60一起形成流体系统开关。所述流体系统开关作用在包含极性流体98的腔体90上，以便在流体占据光学有效部分(如在图3A中所示)的第一离散状态(或构形)与第一流体98没有占据光学有效部分(图3B)的第二离散状态之间切换。
如图3A中所示的，在该透镜系统的第一离散构形中，开关60将电压源50的第二输出54与第一电极91、93的电源连接，从而将适当大小的电压V施加在第一电极91、93和公共的第三电极97的每一个上。所施加的电压V提供电润湿力，以使得可切换单元采取第一状态。由于施加的电压V，第一电极91，93上覆盖的疏水层实质上变得至少相对亲水，从而帮助极性液体98优选填充第一电极之间的腔体空间中，即光学有效部分中。如果第二介质以前位于光学有效部分中，那么极性液体98将会移动(displace)该第二介质的位置。
在图3B所示的第二离散状态中，在由施加到所述电极装置95的电压提供的电润湿力的作用下，第一流体98填充邻近第二电极装置的腔体空间。透镜8可以通过开关60的操作在所述状态之间切换。在第二状态中，由于在电极97和95之间施加的电压，覆盖电极95上的疏水层现在至少是相对亲水的，并趋向于吸引第一极性液体98。在这个构形中，液体98不位于透镜系统8的光学有效部分中。
极性液体进入以及流出透镜系统8的光学有效部分的运动意味着两个折射表面92和94之间的空间中的折射率在两个值之间切换。由于这个折射率和折射表面的曲率一起决定了透镜系统8(如由固定的透镜元件82，84和腔体90所提供的)的光学功率，因此这个透镜的光学功率可以在两个离散值之间切换，即透镜8能够在两个不同的焦距之间切换。
在图3A所示的第一构形中，物镜系统8设置为利用第一辐射光束20、15扫描第一光学记录载体3的信息层2。第一光学记录载体具有厚度27的覆盖层5。光学透镜系统8配置为使得该透镜系统8在第一构形时的焦距被设置为将辐射光束20聚焦在信息层2上，由此产生光学记录载体3的入射表面和透镜系统8之间的自由工作距离F3。
在图3B所示的第二构形中，采用物镜系统8，利用第二辐射光束20＇、15＇扫描第二光学记录载体3＇的信息层2＇。第二光学记录载体3＇具有厚度27＇的透明层5＇。将观察到，第二覆盖层的厚度与第一覆盖层的厚度不同。选择透镜系统8在第二构形中的焦距以提供第二光学记录载体3＇的入射表面和透镜系统8之间的自由工作距离F4。
选择透镜系统在两种构形中的焦距使得在透镜系统8与正被扫描的光学记录载体之间保持最小的自由工作距离。所述的自由工作距离通常大于50μm，更优选地大于100μm，甚至于更优选地大于150μm。
优选地，选择第一液体98的量和腔体90的容积以使得液体98将总是与第一电极91、93和第二电极95接触。例如，当在图3A中所示的第一构形时，液体98的最外面的部分将优选地位于邻近第二电极95的边缘的位置。相应地，当处于图3B中所示的第二构形时，流体的最里面的部分(即，流体最接近光轴90的部分)将位于邻近电极91、93中的至少一个的表面的位置。通过这种方式，每次在透镜系统8的第一和第二构形之间转换的过程中，极性液体98总会受到最新的受激励的电极的电润湿力的影响。这样会便于液体在两种状态之间的运动。
为了进一步便于在两种状态之间的切换，第一电极91和93可以不被同时激励(或去激励(deactivated))，但是电极91、93中的一个可以具有一电压，该电压是在已经对电极93、91中的另一个施加完(去除了)之后一预定时段所施加的(或去除的)。
应当理解，仅仅是通过举例的方式来提供上述电极的布置。也可以采用适合于流体在腔体内运动的各种其它的电极构形。例如，可以将电极91分成多个离散的环。可以单独地控制每个环，即能够单独地控制施加在每个环上的电压，从而便于流体的运动。在这种情况下，可以省略电极97，因为该电极所提供的功能(即在一部分流体两端提供电压差)可以由所述环来提供。
透镜系统的一个或多个折射表面可以是非球面。非球面的表面可以校正由具有球面表面的透镜表面所引起的球面像差，从而不需要额外的透镜元件来进行这种校正。在图3A和3B所示的透镜系统中，一个或两个透镜内表面92、94和/或一个或两个透镜外表面83、85可以是非球面。透镜系统8的特定设计决定了该系统的哪个折射表面或者多少折射表面应该是非球面的。
可以使用这种透镜系统8来提供不同类型(格式)的光学记录载体之间的兼容性。例如，可以将透镜系统8设置为处于第一构形中从而为扫描蓝光盘提供相对短的焦距，并且为扫描DVD提供较长的第二焦距。通常，选择物镜的入射光瞳直径以提供蓝光盘扫描所需的数值孔径。焦距的增大会伴随着数值孔径的相应的减小。优选地，设计透镜的构形，从而使焦距的增大导致数值孔径的预定变化，以便对于蓝光盘所需的相同入射光瞳直径，提供DVD扫描所需的NA。因此，当在蓝光盘和DVD模式之间转换时，在该系统内不需要额外的入射光瞳减小装置。
应该理解，可以采用具有不同流体和成型表面的不同构形的透镜系统。在一个特定的实施例中，透镜系统基于PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)制成的两个元件。第一流体是水，即极性液体，第二流体是空气。现在将更加详细地描述图3的物镜。在所述实施例中，对于蓝光盘，自由工作距离是0.1mm，对于DVD扫描模式是0.325mm。物镜系统8对于蓝光盘和DVD扫描模式的入射光瞳直径是3.0mm，而相应的数值孔径对于蓝光盘是0.85而对于DVD是0.6。此外，对于蓝光盘所用的波长是405nm而对于DVD的是650nm。当读取蓝光盘时，第二流体沿着光轴流动，而当读取DVD盘时，第一流体沿着光轴流动。透镜元件82是双非球面透镜。透镜元件82由在405nm波长处折射率为1.506并且在650nm处折射率为1.489的PMMA制成。透镜元件82沿着光轴的厚度是1.7mm。面对辐射源的透镜表面的旋转对称形状由下式给出：
z ( r ) = Σ I = 1 8 B 2 i r 2 i
其中z是以毫米为单位的该表面在光轴方向上的位置，r是以毫米为单位的距光轴的距离，并且Bk是r的第k次幂的系数。
在所述实施例中，系数B2到B16分别是0.22479804，0.011737518，-0.0011272775，-0.0043806488，0.0030649439，0.00071979291，-0.00098418213和0.00019606689。面对着(邻近)盘的表面的非球面形状也由公式(1)给出，在该实施例中系数B2到 B16分别是0.021586261，0.016776859，0.0060300899，  -0.10186709，0.18624983，-0.1429133，0.049056447和-0.0058902642。沿着光轴在两个透镜元件82和84之间的腔体厚度是1.714mm。
第二透镜元件84是双非球面的。透镜元件84由PMMA制成。透镜元件84沿着光轴的厚度是0.8mm。面对辐射源的表面的非球面形状由公式(1)给出，其中系数B2到B16分别是0.86386843，0.60648623，-1.5327551，38.214572，-343.49687，1668.8654，-4046.122和3826.0365。面对该盘的表面的非球面形状由公式(1)给出，在该实施例中系数B2到B16分别是-0.23078012，1.7523731，  -20.860817，190.89565，-1049.4858，2991.2125，-3329.9621和0。该盘的覆盖层由在405nm波长处折射率为1.622并且在650nm处折射率为1.580的聚碳酸酯制成。蓝光盘的覆盖层厚度是0.1mm，DVD的覆盖层厚度是0.6mm。
在所述实施例中，第一构形中的焦距是Foca11＝1.767mm，而覆盖层厚度是T1＝0.1mm。在第二构形中，焦距Foca12＝2.445mm，T2＝0.6mm，覆盖层的折射率是N＝1.580。由此，满足(Foca12-Foca11)>(T2-T1)/N的要求。
在上述的实施例中，腔体和邻近的透镜之间的光学有效部分的界面描述为折射表面。然而，应该理解，一个或多个这样的表面可以不是折射的或者不仅仅是折射的。例如，一个或多个这样的表面可以是衍射的。例如，可以将一个成形为提供第一衍射光栅结构。
图4A和4B示出了如在根据本发明实施例的可选择的物镜系统中使用的腔体90＇。如在参考图3A和3B描述的实施例中，腔体90＇包括第一极性液体98。该极性液体98在其占据腔体的光学有效部分的第一构形(图4A所示)和其没有占据腔体的光学有效部分的第二构形之间是可以切换的。如参照图3A和3B所描述的，所述切换由电润湿电极系统来提供。
在所述特定的实施例中，在腔体的光学有效部分内限定腔体的其中一个表面提供了一种衍射光栅结构。该衍射光栅结构可以具有与极性液体98相同的折射率，或者其可以具有与第二介质99＇相同的折射率，或者可以具有与极性液体98和第二介质99＇都不同的折射率。
图4A和4B示出了该实施例的径向横截面，其中腔体和衍射光栅结构93＇关于光轴19呈圆对称。换句话说，衍射光栅结构由一系列与光轴19同心的环提供。可以将由这些环限定的该衍射光栅结构用于改变一个或多个入射的辐射光束的波阵面的相位。
例如，可以在光学扫描设备中采用在两个固定的物镜元件82、84之间结合有腔体90＇的物镜系统8，来扫描三种不同类型的光学记录载体，每种类型的光学记录载体都使用不同的辐射波长来扫描。
例如，可以选择衍射光栅的阶梯高度(step height)(即，沿光轴的衍射阶梯的长度)来引入相位变化，该相位变化对于两个波长是2π的整数倍。穿过腔体的各个辐射光束的波长将取决于在该腔体的光学有效部分中的介质(或第一流体的蒸汽)的折射率。由于在这个光学有效部分内的介质可以改变，因此根据该光程(optical length)系统是处于第一构形还是处于第二构形(即，第一流体的位置)，所述阶梯高度的各种改变都是可能的。
例如，阶梯高度可以改变，使得当腔体90＇处于第一构形时衍射光栅结构是对于第一波长的2π的整数倍，而当腔体90＇处于不同的构形时衍射光栅结构是对于不同的第二波长的2π的整数倍。
可选择地，可以选择阶梯高度来引入相位变化，该相位变化在腔体90′处于一种(即第一或第二)构形时是对于两种不同的波长的2π的整数倍。
现在将简要地描述该系统在利用三个光束的系统中实施的例子，每个光束用于扫描不同类型的光学记录载体。在第一构形中(如图4A中所示)，衍射光栅结构对于第一辐射光束是不可见的(即，其设置为引入相位变化，该相位变化是该辐射光束的波长的2π的整数倍)。该第一类型的光学记录载体由第一辐射光束扫描，透镜系统8的焦距只由该透镜的折射表面来提供。
采用第二构形来扫描第二和第三类型的光学记录载体。在第二构形中(如图4B所示)，衍射光栅结构对第二辐射光束是不可见的(即，其设置为引入相位变化，该相位变化是该辐射光束的波长的2π的整数倍)。由此，物镜的焦距再次仅由折射表面决定。所述第二构形的焦距当然会与第一构形的焦距不同，因为极性流体98处于不同的位置。
利用第三波长的辐射光束扫描第三类型的光学记录载体。由此，该衍射光栅结构会在第三辐射光束的波阵面中引入相位变化。因此，物镜系统8的焦距将不仅由相关的折射表面来限定，还由衍射相位结构来限定。因此，可以采用该物镜系统来为三种不同波长的辐射提供三个不同的焦距。每个焦距都设置为确保物镜系统和正在被扫描的盘之间的合适的自由工作距离。
优选地，也可以采用衍射相位结构来提供球面像差，从而对由覆盖层厚度引起的球面像差进行补偿。如上面所描述的，透镜系统的一个或多个折射表面可以是非球面。可以将该衍射光栅结构设置为对第三辐射光束提供球面像差，使得当物镜系统处于用于扫描第三类型的记录载体的适当构形时，由该衍射光栅结构和(多个)折射表面提供的全部球面像差可适于对由第三类型的光学记录载体的特定层厚度引起的球面像差进行补偿。
应该理解，上面仅通过实例的方式来描述，各种其它的实施方案也是可能的。例如，该光学有效部分内腔体的两个相对的表面可以是衍射的，每个表面都结合有一个或多个不同的衍射光栅。
如上面所描述的，通过提供物镜系统，该物镜系统的焦距根据正被扫描的光学记录载体而改变，以提供最小的预定自由工作距离，降低了对透镜或记录载体损坏的可能性。

Claims (14)

1.一种光学扫描设备(1)，其用于扫描具有第一覆盖层厚度(27)的第一光学记录载体(3)的信息层(2)和具有不同的第二覆盖层厚度(27′)的第二光学记录载体(3′)的信息层(2′)；
该设备包括用于将辐射光束(20)会聚于所述信息层(2，2′)上的物镜系统(8)，该物镜系统(8)包括沿着光轴(19)方向间隔开的第一透镜元件(82)和第二透镜元件(84)；
该物镜系统(8)还包括可切换光学元件，其包括第一流体(98)和位于所述第一透镜(82)和所述第二透镜(84)之间的腔体(90；90′)；
其中该物镜系统(8)在第一流体(98)占据该腔体(90；90′)的光学有效部分的第一构形和第一流体(98)不占据该腔体(90；90′)的光学有效部分的第二构形之间是可切换的，以使得在其中一种所述构形中，该物镜系统(8)具有用于扫描该第一光学记录载体(3)的信息层(2)的第一焦距，而在另一种构形中，该物镜系统(8)具有用于扫描该第二光学记录载体(3′)的信息层(2′)的不同的第二焦距，并且
该物镜系统设置成满足下列条件：
Foca12-Foca11＞0.9(T2-T1)/N，
其中T1是第一覆盖层厚度，T2是第二覆盖层厚度，T2＞T1，N是第二覆盖层的折射率，Foca11是第一焦距，Foca12是第二焦距。
2.如权利要求1所述的光学扫描设备(1)，其中将物镜系统设置为满足下面的条件：
F2＞F1
其中F2是第二构形中的物镜系统(8)与第二光学载体(3′)之间的自由工作距离，F1是第一构形的物镜系统(8)与第一光学记录载体(3)之间的自由工作距离。
3.如权利要求1所述的光学扫描设备，其中所述焦距中至少一个足够大以确保该物镜系统(8)与正被扫描的光学记录载体(3，3′)之间的自由工作距离比预定的最小值大。
4.如权利要求3所述的光学扫描设备，其中所述焦距中的每个都足够大以确保该物镜系统(8)与正被扫描的光学记录载体(3，3′)之间的自由工作距离比预定的最小值大。
5.如权利要求3或4所述的光学扫描设备，其中所述最小自由工作距离是50μm。
6.一种如前述任意一项权利要求所述的光学扫描设备，其中第一流体(98)是电灵敏的流体，该腔体(90)配有电极构形(91，93，95)，其中从电压控制系统(50)向电极施加电压使得流体(98)运动，并且
其中该电极构形包括邻近腔体(90)的内壁并位于光学有效部分的位置处的至少一个第一中心电极(91，93)，邻近腔体(90)内壁并位于光学有效部分之外的位置处的至少一个第二电极(95)，以及与电灵敏的流体(98)接触的第三电极(97)，使得当在所述第一电极(91，93)和第三电极(97)之间施加电压时，该光学元件将处于第一构形中，而当在所述第二电极(95)和第三电极(97)之间施加电压时，该光学元件将处于第二构形中。
7.如权利要求6所述的光学扫描设备，其中所述该腔体(90；90′)的内壁涂敷有绝缘疏水层。
8.如前述任意一项权利要求所述的光学扫描设备，其中该腔体(90；90′)还包括第一流体(98)的蒸汽和第二流体(99′)中的一种，该第二流体(99′)具有与第一流体(98)不同的折射率。
9.如前述任意一项权利要求所述的光学扫描设备，其中处于光学有效部分中的至少一个腔体壁形成折射透镜表面(92，94)。
10.如前述任意一项权利要求所述的光学扫描设备，其中处于光学有效部分中的至少一个腔体表面形成衍射光栅结构(93′)。
11.如前述权利要求10所述的光学扫描设备，其用于利用具有第一波长的第一辐射光束扫描第一信息层(2)，利用具有第二波长的第二辐射光束扫描第二信息层(2′)，以及利用具有第三波长的第三辐射光束扫描第三光学记录载体的第三信息层，其中所述第一、第二和第三波长彼此不同，以及
其中该衍射光栅结构(93′)包括预定高度的一系列阶梯以引入相位变化，在所述的至少一种构形中，该相位变化是对于至少一个所述波长的2π的整数倍。
12.如前述任意一项权利要求所述的光学扫描设备，其中在该第一构形和该第二构形之间的焦距变化为扫描各个光学记录载体(3，3′)提供了所需的数值孔径的变化。
13.一种用于光学扫描设备(1)的物镜系统(8)，该光学扫描设备设置为扫描具有第一覆盖层厚度(27)的第一光学记录载体(3)的信息层(2)和具有不同的第二覆盖层厚度(27′)的第二光学记录载体(3′)的信息层(2′)，该物镜系统(8)适于将辐射光束会聚于所述信息层(2，2′)上，该物镜系统(8)包括沿着光轴(19)方向间隔开的第一透镜(82)和第二透镜(84)；
该物镜系统还包括可切换光学元件，其包括第一流体(98)和位于所述第一透镜(82)和所述第二透镜(84)之间的腔体(90；90′)；
其中该物镜系统(8)在第一流体(98)占据该腔体的光学有效部分的第一构形和第一流体(98)不占据该腔体的光学有效部分的第二构形之间是可切换的，以使得在其中一种所述构形中该物镜系统(8)具有用于扫描该第一光学记录载体(3)的信息层(2)的第一焦距，而在另一种构形中，该物镜系统(8)具有用于扫描该第二光学记录载体(3′)的信息层(2′)的不同的第二焦距，并且
该物镜系统设置成满足下列条件：Foca12-Foca11＞0.9(T2-T1)/N，
其中T1是第一覆盖层厚度，T2是第二覆盖层厚度，T2＞T1，N是第二覆盖层的折射率，Foca11是第一焦距，Foca12是第二焦距。
14.一种用于制造光学扫描设备(1)的方法，该光学扫描设备用于扫描具有第一覆盖层厚度(27)的第一光学记录载体(3)的信息层(2)和具有不同的第二覆盖层厚度(27′)的第二光学记录载体(3′)的信息层(2′)；
该方法包括：提供用于将辐射光束会聚于所述信息层(2，2′)上的物镜系统(8)，该物镜系统(8)包括沿着光轴(19)方向间隔开的第一透镜元件(82)和第二透镜元件(84)；
该物镜系统还包括可切换光学元件，其包括第一流体(98)和位于所述第一透镜和所述第二透镜之间的腔体(90；90′)；
其中该物镜系统(8)在第一流体(98)占据该腔体(90；90′)的光学有效部分的第一构形和第一流体不占据该腔体(90；90′)的光学有效部分的第二构形之间是可切换的，以使得在其中一种所述构形中该物镜系统(8)具有用于扫描该第一光学记录载体(3)的信息层(2)的第一焦距，而在另一种构形中，该物镜系统(8)具有用于扫描该第二光学记录载体(3′)的信息层(2′)的不同的第二焦距，并且
该物镜系统设置成满足下列条件：Foca12-Foca11＞0.9(T2-T1)/N，
其中T1是第一覆盖层厚度，T2是第二覆盖层厚度，T2＞T1，N是第二覆盖层的折射率，Foca11是第一焦距，Foca12是第二焦距。
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