CN101171630A - 多辐射束光学扫描设备 - Google Patents

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CN101171630A CNA2006800151132A CN200680015113A CN101171630A CN 101171630 A CN101171630 A CN 101171630A CN A2006800151132 A CNA2006800151132 A CN A2006800151132A CN 200680015113 A CN200680015113 A CN 200680015113A CN 101171630 A CN101171630 A CN 101171630A
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Abstract

一种用于扫描光学记录载体(3)的信息层(2)的光学扫描设备(1)。该设备包括用于提供沿第一光学路径的至少第一辐射束、和沿不同的第二光学路径的第二辐射束的辐射源(7)。物镜系统(8)把所述辐射束会聚在所述信息层(2)上。光束偏转元件(30)被设置来向物镜系统的光轴折射所述第二辐射束。光束偏转元件包括至少一种流体(A)。控制器被提供来改变流体的配置以控制在预定的范围上由光束偏转元件所提供的折射量。

Description

多辐射束光学扫描设备
技术领域
本发明涉及一种利用至少两个辐射束的光学扫描设备，以及涉及制造和运行这样的设备的方法。本发明的具体实施例适合于在与两种或多种不同格式的光学记录载体(诸如紧密盘(CD)、传统的数字通用盘(DVD)、和所谓的下一代DVD(诸如蓝光盘(BD))兼容的光学扫描设备中使用。
背景技术
光学记录载体以各种不同的格式存在，每种格式通常被设计成由特定的波长的辐射束进行扫描。例如，CD是可提供的，尤其是作为CD-A(CD-音频)、CD-ROM(CD-只读存储器)和CD-R(CD-可记录)，它们被设计成藉助于具有约785nm的波长(λ)的辐射束进行扫描，另一方面，被设计成藉助于具有约650nm的波长的辐射束进行扫描，以及蓝光盘被设计成藉助于具有约405nm的波长的辐射束进行扫描。通常，波长越短，光盘相应的容量越大，例如，蓝光盘-格式盘比起DVD-格式盘具有更大的存储容量。
希望光学扫描设备是与不同格式的光学记录载体是可兼容的，例如响应于具有不同波长的辐射束扫描不同格式的光学记录载体，而优选使用一个物镜系统。例如，当引入具有更高存储容量的新的光学记录载体时，希望被使用来读出和/或写入到新的光学记录载体的相应的新的光学扫描设备能后向兼容，即，能够扫描具有现有格式的光学记录载体。
不幸地，被设计成以一定的波长被读出的光盘在另一个波长下常常是不可读出的。例如，在CD-R格式盘中，在记录堆栈上必须加上专门的染色，以便得到λ＝785nm的扫描光束的高的调制。在λ＝660nm时，来自光盘的调制信号变得太小(由于染色的波长灵敏度)，这样，在这个波长下的读出是不可行的。
为了允许在不同的格式之间的兼容性，光学扫描设备必须引入被设置来提供每个相关的波长的辐射束的辐射源。分开的、分立的辐射源可被利用于每个波长。替换地，利用利用多波长辐射源(例如，双波长激光器)。两种方法典型地导致不同的辐射束从不同的位置和/或以不同的角度被输出，即，不同的辐射束不是沿单个共同的光学路径输出的。
例如，在多激光器单芯片辐射源中，各个激光器典型地间隔开在径向扫描方向约100微米的距离(相对于光盘的扫描方向)。因此，不同的激光器的光轴不一致，因此很难使用单个检测器来检测从光学记录载体反射的所有的辐射束。而且，一个或多个光束将倾斜进入物镜系统，导致彗形像差，因此减小系统对于对准误差的容忍度。
对于这个问题的一个解决方案是利用衍射光栅，试图对准从两个不同的发射点发射的两个辐射束的光学路径。US 2002/01142527描述了引用这样的衍射元件的光学拾取设备。衍射元件是阶梯状衍射元件。阶梯尺寸被选择为使得第一辐射束传送通过衍射元件而没有衍射，而第二个不同的波长辐射束将被衍射元件衍射。
衍射元件可能是有相当损耗的。然而，对于使用三个或多个不同的波长辐射束的光学扫描设备，设计具有入射的辐射的传输的高效率和足够的位置公差(允许制造公差)适用的衍射光栅是有问题的。
US 5,278,813描述楔形棱镜的使用。棱镜是可旋转的，以便于提供光点在光盘上的位置的移位。棱镜被旋转，以便保证来自第二光束的光点入射在光盘的、与来自第一光束的光点的相同的位置。这样的系统的缺点在于，它利用棱镜的机械运动。利用需要机械运动的光束偏转装置是不希望的，因为这样的设备易于机械疲劳和/或对于振动是敏感的。
发明内容
本发明的实施例的目的是提供解决这里或其它地方提及的现有技术的一个或多个问题的多辐射束光学扫描设备。本发明的具体实施例的目的是提供利用至少三个不同的辐射束的改进的光学扫描设备。
按照本发明的第一方面，提供一种用于扫描光学记录载体的信息层的光学扫描设备，该设备包括：辐射源，用于提供沿第一光学路径的至少第一辐射束，和沿不同的第二光学路径的第二辐射束；物镜系统，具有光轴，用于把所述辐射束会聚在所述信息层上；以及光束偏转元件，被设置来将至少所述第二辐射束向光轴折射，其中光束偏转元件包括至少一种流体和控制器，该控制器用于改变所述流体的配置，以在预定的范围上可控制地改变由光束偏转元件提供的折射量。
有利地，这样的设备利用流体来限定折射界面、边界或表面。由偏转器元件所提供的折射度因此取决于流体的配置(例如，取向和形状)。折射度是折射量(波阵面的传播方向的改变)，该折射量将被提供给沿预定方向入射到界面上的辐射束。折射度可以通过改变以下的至少一项来改变：限定界面的材料的折射率，或界面相对于预定方向的角度。
因此，由于不需要刚性物体的运动(即，没有机械运动)，这样的光束配置元件不必易受机械疲劳的影响。另外，通过由偏转元件所提供的折射度的适当变化，有可能利用偏转元件基本上对准多个辐射束沿光轴的光学路径。
所述流体可包括双折射材料，以及控制器被设置来改变双折射材料的取向。
优选地，所述双折射材料包括液晶，以及控制器被设置来在液晶上提供电场，用于改变液晶的取向。
所述元件可包括腔室，以及所述至少一个流体可包括第一、极性流体和第二、绝缘流体，两种流体是不可混和的而且是沿界面分开的，以及控制器被设置来经由电润湿效应改变界面的配置。
控制器可被设置来改变界面的形状。
控制器可被设置来改变界面相对于光轴的角度。
界面可以基本上是平面。
优选地，控制器被设置来根据表示哪个辐射束是由所述辐射源提供的信号，改变由光束偏转元件提供的折射。
优选地，提供了检测器，该检测器用于检测从光学记录载体反射的至少一部分的辐射束，以及其中控制器被设置来根据由所述检测器检测的信号改变由光束偏转元件提供的折射。
优选地，该设备包括检测器，用于检测从光学记录载体反射的至少一部分辐射束；以及分束器，用于向光学记录载体传送从辐射源接收到的入射的辐射束，和用于向检测器传送从光学记录载体反射的光束；以及其中光束偏转元件被放置在辐射源与分束器之间。
优选地，该设备还包括像散校正板，其被设置来抵消由光束偏转元件引入到光束中的像散。
光束偏转元件可被设置来进一步折射第二辐射束，以便沿光轴引导第二辐射束的光学路径。
优选地，辐射源被设置来提供沿不同于所述第一和第二光学路径的第三光学路径的第三辐射束，该光束偏转元件还适用于朝光轴折射所述第三辐射束。
按照本发明的第二方面，提供了制造用于扫描光学记录载体的信息层的光学扫描设备的方法，包括：提供辐射源，该辐射源用于提供沿第一光学路径的至少第一辐射束，和沿不同的第二光学路径的第二辐射束；提供物镜系统，其具有光轴，用于把所述辐射束会聚在所述信息层上；以及提供光束偏转元件，其被设置成向光轴折射至少所述第二辐射束，其中光束偏转元件包括至少一种流体和控制器，该控制器用于改变所述流体的配置，以在预定的范围上可控制地改变由光束偏转元件所提供的折射量。
按照本发明的第三方面，提供了运行用于扫描光学记录载体的信息层的光学扫描设备的方法，该设备包括：辐射源，用于提供沿第一光学路径的至少第一辐射束，和沿不同的第二光学路径的第二辐射束；物镜系统，其具有光轴，用于把所述辐射束会聚在所述信息层上；以及光束偏转元件，其被设置成向光轴折射至少所述第二辐射束，其中光束偏转元件包括至少一种流体和控制器，该控制器用于改变所述流体的配置，以可控制地改变由光束偏转元件提供的折射量，其中运行的方法包括根据由辐射源提供的辐射束，在预定的范围上改变由光束偏转元件提供的折射。
附图说明
现在参照附图仅仅作为例子描述优选实施例，其中：
图1是按照本发明的实施例的光学扫描设备的示意图；
图2是按照本发明的可选实施例的光学扫描设备的一部分的示意图；
图3，4和5每个显示适用于图1和图2的光学扫描设备的、结合用于折射光束偏转的凹凸透镜设备的光束偏转元件的简化的侧视图截面；
图6A和6B显示在图3到5所示的任何一个光束偏转元件中使用的可选的电极配置的顶视图截面；
图7显示适用于图1和图2的设备的、基于液晶的光束偏转元件的简化的侧视图截面；以及
图8显示在扫描设备中光束偏转元件的一个工作模式。
具体实施方式
本发明人已认识到，代替利用刚性衍射光栅或刚性折射元件来改变辐射束的路径，可以利用能够流动的折射元件，例如，它是流体。通过在预定的范围上改变流体的配置(例如，流体本体的形状或流体内分子的取向)，由该元件对入射的辐射束提供的折射度可以类似地可控制地改变。典型地，利用易受电影响的流体，以及包括电极的控制器被设置来提供电场，用于改变流体的配置。
因此，这样的、引入流体的光束偏转元件可被控制成通过改变由光束偏转元件对不同的辐射束提供的折射量，例如允许该元件与利用三个或多个不同辐射束的光学扫描设备一起被利用，而使得从辐射源发射的光束的辐射路径的对准最佳化。
现在更详细地描述包括这样的光束偏转元件的光学扫描设备，然后描述光束偏转元件的进一步的细节。
图1显示用于藉助于第一辐射束4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，在透明层的一侧上设置了信息层2。背离透明层5的信息层2的一侧由保护层6保护，免受环境影响。透明层面对设备的一侧被称为入射面。透明层5通过提供对信息层2的机械支撑而用作为光学记录载体3的基板。替换地，透明层5可以具有保护信息层的唯一的功能，而机械支撑由在信息层2的另一侧上的层提供，例如由保护层6或由被连接到最上面的信息层的另外的信息层和透明层提供。应当指出，信息层具有第一信息层深度27，该深度在图1所示的这个实施例中对应于透明层5的厚度。信息层2是载体3的表面。
信息以被布置在基本上平行的、同心的、或螺旋形的轨道上的光学可检测的标记的形式(图上未示出)被存储在记录载体的信息层2。轨道是可以由聚焦的辐射束的光点跟随的路径。标记可以是任何光学上可读的形式，例如凹坑的形式，或具有反射系数的平地(area)，或不同于周围环境的磁化的方向，或这些形式的组合，在光学记录载体3具有圆盘形状的情形下。
如图1所示，光学扫描设备1包括辐射源7，准直器透镜18，分束器9，具有光轴19a的物镜系统8，衍射部件24，和检测系统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，和用于纠错的信息处理单元14。
在这个具体实施例中，辐射源7被设置来连续地或分开地提供第一辐射束4，第二辐射束4’，和第三辐射束4”。例如，辐射源7可包括用于连续地提供辐射束4，4’，4”中的两个的可调谐的半导体激光器，分开的激光器提供第三光束，或用于分开地提供这些辐射束的三个半导体激光器。辐射束4，4’，4”的至少两个的输出路径是不同的。例如，两个或多个辐射束可以从辐射源7的不同的物理位置和/或以相对于物镜系统的光轴19a的不同的角度被发射。典型地，每个辐射束是发散的。典型地，每个辐射束沿平行的光轴被发射，光束从不同的位置发射。例如，辐射束的光轴可以是平行的，相隔100微米，因为来自辐射源7的辐射束的发射点相隔100微米。辐射束路径的这种分隔通常是在径向扫描方向上(在光学记录载体上相对于光束扫描的方向)。
辐射束4具有波长λ1和偏振p1，辐射束4’具有波长λ2和偏振p2，以及辐射束4”具有波长λ3和偏振p3。波长λ1，λ2，和λ3都是不同的。优选地，任何两个波长之间的差值等于或大于20nm，更优选地，50nm。两个或多个p1，p2，和p3可以互相不同。
准直器透镜18被设置在光轴19a上，用于把发散的辐射束4变换成基本上准直的光束20。类似地，它把辐射束4’和4”变换成两个相应的基本上准直的光束20’和20”(图1中未示出)。
分束器9被设置用于向物镜系统8传送辐射束。在所显示的例子中，辐射束经由通过分束器9的传输向物镜系统8发送。优选地，分束器9用相对于光轴倾斜一个角度α的平面平行板形成，更优选地α＝45°。在这个具体实施例中，物镜系统8的光轴19a是与辐射源7的光轴共同的。
光束偏转元件30位于光轴19a上。在本具体实施例中，光束偏转元件30被放置在准直器透镜18与物镜系统8之间。
每个辐射束被发射经过光束偏转元件30。另外，光束偏转元件30被设置来引导每个辐射束朝向物镜系统8的光轴19a。在本具体实施例中，光轴19a是与辐射源7的光轴共同的，即，至少一个辐射束具有沿光轴19a的光学路径。已经与光轴19a对准的任何这样的辐射束被发射而不用通过光束偏转元件30的折射。没有与光轴19a对准的任何辐射束由光束偏转元件30向光轴19a引导。优选地，光束偏转元件30被设置成折射每个未对准的光束，以便与光轴对准，即，使得每个光束路径是沿光轴19a的。
把每个辐射束与光轴19a对准，通常会需要两个折射界面。第一折射界面将折射在光轴19a的方向上的辐射束，即，以使得它以一角度向光轴19a行进。然后第二折射界面再次折射该辐射束的光学路径，以使得它沿光轴19a。
物镜系统8被设置用于把准直的辐射束20变换成第一聚焦的辐射束15，以便在信息层2的位置上形成第一扫描光点16。
在扫描期间，记录载体3在主轴(图1中未示出)上旋转，然后信息层2通过透明层5被扫描。聚焦的辐射束15在信息层2上反射，由此形成反射光束21，该反射光束21在前向会聚光束15的光学路径上返回。物镜系统8把反射的辐射束21变换成反射的准直的辐射束22。分束器9通过向检测系统10传送至少一部分反射的辐射22，而把前向辐射束20与反射的辐射束22分隔开。在所显示的例子中，反射的辐射束22通过从在分束器9内的板的反射而向检测系统10传送。在所显示的具体实施例中，分束器9是偏振分束器。四分之一波片9’沿光轴19被放置在分束器9与物镜系统8之间。四分之一波片9’与偏振分束器9的组合确保大多数被反射的辐射束22被沿着检测系统光轴19b向检测系统10传送。
检测系统10包括会聚透镜25和检测器23，它们被设置用于获取所述的部分反射辐射束22。
检测器被设置来把所述的部分反射束变换成一个或多个电信号。
信号之一是信息信号，它的数值代表在信息层2上扫描的信息。信息信号由信息处理单元14处理，用于纠错。
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。聚焦误差信号代表在扫描光点16与信息层2的位置之间沿Z轴的高度上的轴向差值。优选地，这个信号通过“像散法”形成，该像散法尤其是从G.Bouwhuis，J.Braat，A.Huijiser等的书，“Priciplesof Optical Disc Systems”，pp.75-80(Adam Hilger 1985，ISBN0-85274-785-3)获知的。径向跟踪误差信号代表在信息层2的XY平面上在扫描光点16与扫描光点16所要遵循的信息层2中的轨道的中心之间的距离。这个信号可以从“径向推挽方法”形成，该方法也从前述的G.Bouwhuis的书，pp.70-73获知。
伺服电路11被设置用于，响应于焦点和径向跟踪误差信号，提供用于分别控制聚焦致动器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，使得它与信息层2的平面基本上一致。径向致动器13控制扫描光点16的径向位置，使得它通过改变物镜8的位置而与在信息层2中要遵循的轨道的中心线基本上一致。
物镜8被设置成用于把准直的辐射束20变换成具有第一数值孔径NA1的聚焦辐射束15，以便形成扫描光点16。换句话说，光学扫描设备1能够藉助于具有波长λ1、偏振p1、和数值孔径NA1的辐射束15扫描第一信息层2。
另外，在本实施例中的光学扫描设备还能够藉助于辐射束4’扫描第二光学记录载体3’的第二信息层2’，和藉助于辐射束4”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把准直的辐射束20’变换成具有第二数值孔径NA2的第二聚焦辐射束15’，以便形成在信息层2’的位置上的第二扫描光点16’。物镜8还把准直的辐射束20”变换成具有第三数值孔径NA3的第三聚焦辐射束15”，以便形成在信息层2’的位置上的第三扫描光点16”。
扫描光点16，16’，16”的任何一个或多个可以通过两个其它光点一起来形成用于提供误差信号。这些相关联的其它光点可以通过在光束20的路径上提供适当的衍射元件而形成。
类似于光学记录载体3，光学记录载体3’包括第二透明层5’，在第二透明层5’的一侧上，设置了具有第二信息层深度27’的信息层2’，以及光学记录载体3”包括第三透明层5”，在第三透明层5”的一侧上，设置了具有第三信息层深度27”的信息层2”。
在本实施例中，光学记录载体3，3’，3”，仅仅作为例子，分别是“蓝光盘”-格式盘、DVD-格式盘、和CD-格式盘。因此，波长λ1是处在365与445nm之间的范围，优选地，是405nm。数值孔径NA1在读模式和写模式下约等于0.85。波长λ2是处在620与700nm之间的范围，优选地，是650nm。数值孔径NA2在读模式下约等于0.6，和在写模式下在0.6以上，优选地为0.65。波长λ3是处在740与820nm之间的范围，优选地约为785nm。数值孔径NA3，对于从CD格式盘读信息，是在0.5以下，优选地是0.45，以及对于写信息到CD格式盘，优选地是在0.5与0.55之间。
图2显示通过按照本发明的替换实施例的扫描设备的一部分的辐射路径的简化示意图。图2中所示的扫描设备大体对应于图1中所示的设备，相同的附图标记用来表示相同的特征。在本具体实施例中，光束偏转元件被放置在辐射源7与分束器9之间的辐射路径上，而不是放置在准直器18与光学记录载体3之间(如图1所示)。这种设置具有优点：入射在检测器23上的光点是同轴的，即，光点不相互移位。然而，由于光束偏转元件30被放置在辐射源7与准直器18之间的发散光束中，所以像散可被引入到传输的辐射束中。为了防止任何这样的像散影响入射到光学记录载体3的信息层2上的最终得到的光点16，像散校正板32可被加到辐射束路径。像散校正板32被放置在分束器9与准直器18之间的辐射束路径上。像散校正板是透明板。像散校正板32被设置用于对传输的辐射束校正例如由光束偏转元件30引入到光束中的不想要的像散。板32被设置来把相反的像散施加到光束，以便从光束中抵消不想要的像散。例如，像散校正板可包括一个或多个折射界面，以便提供想要级别的像散给传输的光束，用于校正目的。
通过把像散校正板32放置在分束器9与准直器18之间，然后从光学载体3反射的辐射将只通过这个校正板32，而不通过光束偏转元件30。因此，如由分束器9向检测器23所传送的这个反射光束将包含像散。在上述的像散法中，典型地，图1所示的透镜25将被用来把像散引入到所传输的光束中，用于确保入射到检测器上的光束具有想要的像散，用于确定聚焦误差信号。在本具体实施例中，想要的像散量由像散校正板提供，因此，透镜25可以从光学扫描设备中除去。
光束偏转元件可以以各种方式被实施。
优选地，光束偏转元件被设置成提供入射的偏转光束的偏转预定范围。
在优选实施例中，光束偏转器将仅仅被设置来在一维上可控制地偏转光束。典型地，光束偏转器将只需要在一维上改变任何辐射束的路径，以使得路径对准光轴19a。例如，元件可以仅仅被设置来偏转光束路径，以改变最终得到的光点在光学记录载体的表面上的径向位置。如果需要，光学扫描设备可包括第二光束偏转元件。这个第二光束偏转元件可被取向以提供在与第一光束偏转元件所提供的方向正交的方向上的光束偏转。替换地，第二光束偏转元件可被取向以提供在与第一光束偏转元件所提供的方向相反的方向上的光束偏转。
光束偏转元件通常沿物镜系统的光轴19a顺序地放置。例如，如果第一光束偏转元件被设置来改变光点在X方向上的横向位置，则第二光束偏转元件可被设置来改变光点在Y方向上的横向位置(假设光轴19a垂直于XY平面)。
替换地，如果第一光束偏转元件被设置成朝向光点在X方向上的横向位置，则第二光束偏转元件可被设置来朝向光点在负X方向上的横向位置。因此，第一光束偏转元件将被设置来引导辐射束路径朝向光轴19a，第二光束偏转元件被设置来随后重新引导辐射束路径沿光轴19a。
适当的光束偏转元件例如是在作为WO 2004/051323，以“Apparatus for forming variable fluid meniscusconfigulations”公布的国际申请No.PCT/IB2003/005325内描述的。这样的设备包括流体腔室，该腔室保持由界面(凹凸透镜(meniscus))分开的两种不同的流体(A，B)。凹凸透镜的边缘由流体腔室的侧壁限制。两种流体是不可混和的，并且具有不同的折射率。一种流体不是电敏感的，例如，它是不导电的(绝缘的)非极性流体(诸如硅油或烷烃)。另一种流体是电敏感的流体，例如，它是导电的极性流体，诸如盐水溶液。电敏感的流体是受电场影响的流体。任何一种流体可以是液体、或气体、或可流动的任何材料，例如液晶。优选地，两种流体具有基本上相等的密度，以便形成光束偏转元件的设备与取向无关地起作用，即，不取决于在两种流体之间的重力作用。这可以通过适当地选择第一和第二流体组成而达到。
被放置在腔室壁附近的电极被用来控制凹凸透镜的边缘与腔室侧壁的接触角。电极被涂覆以电绝缘层，例如聚对二甲苯的电绝缘层。腔室典型地是圆柱形，沿光学元件的光轴延伸。不同的光束偏转元件的各种实施例显示于图3，4和5。在每种情形中，圆柱形腔室的截面可以是任何想要的形状，包括圆形(如图6A所示)或方形(如图6B所示)。
图6A和6B显示垂直于光轴19a而取的腔室的两个可选的截面。在图6A中，腔室具有圆形内壁60。多个分段电极位于光束偏转元件的光轴19b周围。侧壁分段电极62成队地分组，示出了用标号62a与62a’和62b与62b’等等表示的例子。一对的每个部件平行于在光轴19b的相对侧上的另一个部件。电压控制电路(未示出)被连接到电极结构，以将变化的电压起伏图(voltage pattern)施加到分段电极2。图6B显示具有限定一个方形的侧壁69的腔室的可选截面。两组轴向间隔开的、电润湿侧壁电极65，67和66，68围绕腔室的周界被间隔开。四个矩形分段电极65.66，67，68围绕光束偏转元件的光轴19b间隔开。相对的分段电极65，67被设置为一对，以及电极66，68被设置为一对。每对电极的纵向边缘是平行的。
典型地，另一个电极与被包含在腔室内的电敏感的(例如，导电的)流体进行电接触。典型地，该另一个电极位于腔室的末端。电压被施加到末端电极和各个侧壁电极。加到末端电极和任何侧壁电极上的电压将用来限定相邻的侧壁的表面接触角，即，凹凸透镜与侧壁的相邻部分相接触的角度。优选地，加到电极对上的电压被设置成使得在电极对上提供的接触角等于180°，如果腔室壁是平行的。例如，如果在末端电极与电极62a之间施加的电压被选择来在相邻的侧壁位置处提供60°的接触角，则被施加在末端电极与电极62a’之间的电压使得在与该电极相邻处提供120°的接触角。被施加到每个电极的电压优选地被选择以使得通过控制凹凸透镜的接触角而提供大体平坦的(即，平面)凹凸透镜。凹凸透镜优选地基本上是平面的，以便不给折射界面提供光功率。
图3显示适用于折射式光偏转(即用作为按照本发明的实施例的光束偏转元件)的流体凹凸透镜配置的侧视图截面。侧壁分段电极141，143沿腔室纵向延伸，平行于包含流体A，B的腔室的内部侧壁表面。凹凸透镜80限定两种流体A，B之间的界面。绝缘层110使两种流体隔开免与电极接触。
在本具体实施例中，第二流体B是电敏感的流体。电极112与第二流体B电接触。在所示的具体实施例中，电极112在腔室的一端连续延伸。在这样的情形中，电极是透明的，例如由ITO(氧化铟锡)形成。腔室也具有透明的的端壁104，106。
电压V4被施加到端壁电极112和侧壁电极141上，导致产生在液体A与流体接触层110之间的流体接触角θ4(例如，60°)。流体接触角是由凹凸透镜80的边缘与相邻的侧壁形成的角度。类似地，电压V5被施加到端壁电极112和侧壁电极143上，导致产生流体接触角θ5。在这个具体实施例中，选择电压V4和V5以使得接触角θ4和θ5的总和等于180°。这导致至少在图上显示的尺度上在液体A和B之间的平坦的流体凹凸透镜80。
具有第一光轴101入射光束由平坦的流体凹凸透镜80在相关的尺度上在垂直于侧壁电极141和143的方向上被偏转，以产生具有第二光轴82的出射光束，该第二光轴82相对于第一光轴101成角度θ1。入射光在图3中用箭头表示。将会看到，在这个例子中，由于光束在它从末端表面106出射时的轻微折射，光束偏转元件130的总的偏转大于θ1。
偏转角θ1可以通过改变施加的电极电压V4，V5而变化。优选地，接触角度θ4和θ5的总和保持在180°，以便提供在所显示的尺度上的平坦的凹凸透镜。
通过互相交换所施加的电压V4和V5，在相同角度平面上从第一光轴101到第二光轴82之间得到负的θ1的偏转角。因此，通过改变电压V4和V5的幅度，入射到光束偏转元件130的光束的偏转可以在连续的偏转角度范围上可控制地变化。
优选地，图3中所示的光束偏转元件130的截面类似于图6B中所示的截面。例如，电极141，143可以分别对应于电极65，67。那么另一对电极(未示出，但为了方便起见被标号为142和144)分别对应于电极66，68。这个第二电极对142，144，当从截面观看时，被放置成垂直于第一电极对141，143。以电压V4和V5被施加到电极141和143上而提供接触角θ4和θ5的相同的方式，电压V6和V7分别被施加到电极142和144，以限定各个清晰的接触角θ6和θ7。优选地，θ6和θ7相加为180°。如果电压V6和V7被选择以使得流体接触角θ6和θ7每个是90°，则这将导致在液体A和B之间的平坦的流体凹凸透镜80。换句话说，通过确保流体接触角θ6和θ7每个是90°，以及流体接触角θ4和θ5的和是180°，则会实现入射到光束偏转元件130上的光束的一维偏转。
在垂直于偏转角θ1的平面的平面上的入射光束的另一个一维偏转是通过分别控制在端壁电极112和侧壁电极142或144上施加的电压V6和V7以使得相应的流体接触角θ6和θ7的和也等于180°而达到的。通过改变施加的电极电压V6，V7，同时保持θ6和θ7的和等于180°，具有第一光轴101的入射光束可以被偏转第二偏转角θ2(未示出)，该第二偏转角θ2位于垂直于偏转角度θ1的平面上。因此，可以达到光束的偏转的二维控制，允许控制检测器23上在X和Y方向上的光点位置。
图4显示按照本发明的另一个实施例的、结合适用于折射光偏转的流体凹凸透镜配置的光束偏转元件230的侧视图截面。在所显示的配置中，与图3中所示的实施例相比较，可以达到更大的总的偏转角度(假设利用相同的流体)。这个实施例的特性类似于关于图3所描述的那些特性，但标号加增量100(例如，端壁204对应于图3中的端壁104)。在本实施例中，提供第二端壁电极84，它的形状是环形的以及与前壁204相邻(与前端壁电极212相比较，它的形状是环形的以及与后壁206相邻)。该第二端壁电极至少一部分被设置在流体腔室中，以使得电极作用在流体B的第二流体层上，图4中标记为B’。流体B(流体B’)的第二层通过第一流体凹凸透镜86与流体A的层分隔开。第二流体凹凸透镜88分隔开流体层A和B。在本具体实施例中，流体B’包括与如在以前的实施例中所描述的流体B相同的流体。然而，应当指出，流体B’可以是与流体A不可混和的、电敏感的任何可选择的流体，且优选地具有与流体A和B基本上相等的密度。
在本实施例中，两组轴向间隔的电润湿电极在侧壁的周边上被间隔开。优选地，电极被设置类似于图6B中的电极65，67。一组电极包括电极241a，243a。另一组电极包括电极241b，243b。分别施加到第二端壁电极84和侧壁电极241和243上的所施加的电压V8和V10的变化，使得相应的流体接触角θ8和θ10改变。第一流体凹凸透镜86在流体接触角θ8和θ10的和等于180°时是平坦的。类似地，第二流体凹凸透镜88的形状可以通过分别加到第一端壁电极206和侧壁电极241和243上的所施加的电压V9和V11的改变而改变。第二凹凸透镜88当在施加的电压V9和V11下流体接触角θ9和θ11的和等于180°时是平坦的。
沿第一光轴201的入射光束由平坦的第一流体凹凸透镜86在侧壁电极241，243的平面上一维地偏转。偏转的光束具有第二光轴90，且它在角度上相对于第一光轴210有一个偏转角θ90具有第二光轴90的偏转光束还被平坦的第二流体凹凸透镜88偏转。最终得到的另外的偏转光束具有第三光轴92，该第三光轴92在角度上相对于第二光轴90有一个偏转角θ92，偏转角θ90和θ92的和给出因流体之间的界面而引起的入射光束的组合偏转角。正如关于以前的实施例所详细说明的，通过把电压垂直于侧壁电极241，243分别施加到每个端壁电极204，206和每个侧壁电极242，244(未示出)，平坦的凹凸透镜86和88可被控制成在与偏转角θ90，θ92的平面垂直的另一个角度平面上偏转入射光束，因此，二维地偏转入射光束。
通过互相交换在侧壁电极对上施加的电压，可以得到偏转角θ90，θ92的负值。如果想要的话，如在其它实施例中那样，本实施例的电润湿电极可以电气地或通过使用所提供的旋转机构(例如，机械致动器)围绕光轴201旋转，以达到流体凹凸透镜的正确的角度定位。
在优选实施例中，第一凹凸透镜86被设置用来向光轴折射在光轴的一侧(例如，平行于光轴)上行进的第一辐射束。选择折射的角度和折射面的分隔(即，凹凸透镜86，88)以使得辐射束入射到第二折射面上在折射面(凹凸透镜88)与光轴相交叉的点处。第二折射面(凹凸透镜88)然后被设置来折射辐射束，以使得光束的光学路径是沿光轴的。优选地，光束偏转元件被设置得使得偏转角可以是反向的，即，从正交换到负(或反之亦然)，以使得光束偏转元件可被设置来类似地偏转另一个辐射束的路径，沿光轴的另一侧(离第一光束有一个距离，但在同一个平面上)行进，这样，该另一个光束沿光轴被对准。如果结合这样的光束偏转元件的光学扫描设备利用三种不同的辐射束，则优选地另一个(第三)辐射束沿光轴入射到光束偏转元件上，该元件可被配置成不折射光束的路径，例如通过改变凹凸透镜的平面垂直于光束而改变凹凸透镜以不提供折射。替换地，这个另外的光束也可以沿没有与光轴对准的光学路径提供，光束偏转器可操作以偏转这个另外的光束的路径，以便与光学扫描设备的光轴对准。
在另一个设想的实施例中，仅仅通过使用围绕腔室的周边间隔的单个电极组，两个平坦的流体凹凸透镜86，88被设置成互相平行。
图5显示使用适用于折射光偏转的流体凹凸透镜配置的光束偏转元件330的另一个实施例的侧截面视图。在关于图3和4所描述的实施例中，由流体凹凸透镜可达到的总的偏转由在相邻的流体之间的折射率差值和由于流体的固有特性而可行的流体接触角度范围限制。这个实施例，与可能实现的别的方式相比较，使得能够达到更大的总偏转角度。类似的特征通过使用类似的附图标记表示，但与图4相比较，附图标记加增量100，与图3相比较，附图标记加增量200(即，来自图3和图4的端面104，204现在标记为304)。在本实施例中，该侧壁电极对341，343不是互相平行的。同样的情形应用到垂直的侧壁电极对342，344(未示出)。在本实施例中，侧壁电极被设置为截锥体(frustum)。通过在末端电极313和各个侧面电极341，343上施加适当的电压V12和V13，当最终得到的流体接触角θ12和θ13具有适当的数值时，在液体A和B之间得到平坦的流体凹凸透镜94。应当明白的是，因为侧壁不互相平行，所以当流体接触角θ12和θ13和等于180°时，不会得到这样的平坦的流体凹凸透镜94。沿光轴301的入射光束然后会被凹凸透镜94一维地偏转到具有第二光轴96的方向。第一和第二光轴通过偏转角θ96彼此相关。
在参照图3-6B描述的实施例中，假设使用电润湿效应提供光束偏转元件。然而，应当明白的是，可以利用其它机制来提供可以在连续的范围内可控制地改变的光束偏转。因为机械致动器易于疲劳，所以，有利地，光束偏转元件通过控制流体和/或流体界面的配置(例如。形状或取向)而起作用。
例如，可以提供具有包含流体(即，能够流动的材料)的腔室的单元，包括具有两个或多个折射率的材料，即双折射材料。适当的材料是处在向列相的液晶。通过适当地施加电压，有可能改变液晶的取向(配置)，因此控制沿预定方向的单元的折射率。
从一种材料传递到另一种材料的光束被折射的角度取决于两种材料的折射率的差值。
因此，光束偏转元件可以通过提供液晶层而被形成，该层的至少一个表面横穿(即，跨过)辐射束路径(如在显示的实施例中跨过光轴19a)延伸。这个表面典型地是平面。平面表面和光轴19a是非正交的，即，表面的平面不垂直于光轴19a延伸。因此，通过适当地施加控制电压到液晶层，液晶的指向矢(director)(即，双折射材料的优先轴)的取向可以被改变。因此，由沿光轴19a入射到该层上的偏振光所经历的层的折射率可被改变。这允许改变在液晶与相邻的介质(例如，空气)之间的过渡面上折射的光束所经历的偏转角。
图7显示结合液晶732的光束偏转元件730的一个例子。液晶被夹心在两个电极734，736之间。通过把来自电压源738的电压施加到两个电极734，736，液晶分子的取向可被改变。
在任一方向上液晶的折射率取决于液晶分子相对于那个方向的取向。因此，通过控制施加到电极734，736的电压，液晶732沿光轴(以及，在本实施例中，平行于光轴19a的所有方向)的折射率可被调节。在本实施例中，电极横穿光轴以与光轴的非正交的角度延伸。电极限定液晶732的外表面。电极734，736由透明材料(例如ITO(氧化铟锡))形成。为了提供机械支撑，电极734，736被夹在刚性透明材料(例如玻璃或塑料)之中。辐射可以在进入这样的材料或从该材料出射时折射，因此这样的材料将对由光束偏转元件730提供的光束路径上的总的偏差有贡献。
液晶732具有横穿入射的辐射束的路径延伸的两个表面。每个表面与辐射束路径(即，在本实施例中的光轴19a)非正交。第一表面以电极734为边界，以及第二表面以电极736为边界。在本实施例中，两个表面是平行的。然而，两个表面可以与辐射束路径成任何预定的角度，例如，第一表面可以与辐射束路径成角度A，以及第二表面可以与辐射束路径成角度-A，这样，两个表面之间的角度是2A。因此，通过适当地选择相邻的材料(例如，电极)的折射率，第一表面可被用来向光轴19a折射光，以及第二表面被用来之后沿光轴19a折射光线。
替换地，如在上述任何一个实施例中那样，两个连续的光学元件可被用来提供这种功能，即，第一光学元件朝向光轴折射，第二光学元件使光折射远离光轴。液晶是双折射的，这样，分子的取向可被改变以为在取向矢的方向上的偏振提供第一折射率n1，和为在正交于取向矢方向的偏振提供第二折射率n2。因此，通过适当地控制液晶的取向(例如，通过使用适当的电场)，则可以提供在n1与n2之间的范围内的折射率的任何数值。优选地，与液晶相邻的材料的折射率是n3，其中n3的数值在n1与n2之间，如果偏振是在由光轴与取向矢构成的平面的话。因此，应明白，液晶可被控制以提供在第一方向上折射(例如，液晶的折射率大于n3)的折射面，在第二个、与第一方向相反的方向上折射(当液晶的折射率小于n3时)的折射面，和没有折射面(当液晶的折射率被控制为等于n3时)。
由横穿液晶的辐射束经受的折射率典型地取决于辐射束的偏振。在一些光学扫描设备中，有可能不同的辐射束具有不同的偏振。在这样的情形下，优选地，可以提供两个液晶光束偏转元件(或替换地，单个光束偏转元件包括两个分开的液晶层)。每个分开的液晶层然后可被控制以确保对于不同偏振的任何相应的光束提供适当的光束偏转。
在以上的实施例中，光束偏转元件没有光功率，即，它没有被设置来会聚(或发散)辐射束，而仅仅改变光束的路径。在其它实施例中，光束偏转元件可以例如通过提供弯曲的表面或界面而具有光功率。这样的光功率可以适用于促进辐射束聚焦到光学记录载体的表面上。
图8显示结合光束偏转元件30a的光学扫描设备的简化得多的工作模式。在图8中所示的光学扫描设备中，提供了三个辐射源7a，7b，7c。每个辐射源7a，7b，7c被设置来提供分开的、不同的辐射束。每个辐射束被利用来扫描各个光学记录载体的信息层。来自辐射源7a的辐射束被用来扫描第一类型光学记录载体3的信息层2。为了易于说明，没有显示介于其间的光学部件，例如，分束器、准直器、物镜等等。
每个辐射源7a，7b，7c被设置来提供基本上平行于光学扫描设备的光轴19a的分开的辐射束。在图8和9所示的例子中，一个辐射源7b被设置来提供与光轴19a对准的光束。其它的辐射源7a，7c被设置来提供平行于光轴19a、但与光轴19a分开的辐射束。为了易于说明起见，这种分离被夸大。从辐射源所发射的辐射束与光轴19a分离的典型数值小于200微米(通常，约为100微米)。
在图8所示的工作模式下，光束偏转元件30a被设置来不仅向光轴19a折射辐射束，而且随后沿光轴19a折射辐射束。单个光束偏转元件30a可被利用来提供这样的功能，例如，类似于关于图4所描述的元件。替换地，两个分开的光束偏转元件可被利用来提供这样的功能。
应明白，光束偏转元件30a还会被设置成通过提供相反的折射度而使得从辐射源7c发射的辐射束与光轴19a对准。
由光束偏转器提供的折射度的控制可以以多种方式提供。例如，光束偏转元件可被设置成根据哪个辐射束被光学扫描设备利用，来提供控制的折射度(包括没有折射)。替换地，由光束偏转元件提供的折射度的有效控制(active control)可以通过测量到达(landing)检测器上的光束而被提供。最终得到的光束到达信号可被利用作为伺服信号，用于控制由光束偏转元件(或多个光束偏转元件)提供的折射度。光束到达可以通过在具有被用来控制物镜系统的位置的致动器的伺服链路没有关闭(即，开环)时测量径向误差信号而被检测。
测量光束到达的更直接的方式由所谓的三光点推挽方法提供，其中测量主光点的推挽信号和两个卫星光点的推挽信号。通过利用三个推挽信号的适当选择的预定加权的和，径向跟踪信息和光束到达信息可被分隔开。通过引入利用流体的光束偏转元件来提供可变的折射量，多辐射束光学扫描设备可以使用光束偏转元件来对准沿光轴的光束而容易地实施，并且无需经受疲劳，且具有由于光束偏转元件而带来的相对低的辐射损耗。

Claims (15)

1.一种光学扫描设备(1)，用于扫描光学记录载体(3)的信息层(2)，该设备包括：
辐射源(7；7a，7b，7c)，用于提供沿第一光学路径的至少第一辐射束，和沿不同的第二光学路径的第二辐射束；
物镜系统(8)，具有光轴(19a)，用于把所述辐射束会聚在所述信息层(2)上；以及
光束偏转元件(30；130；230；330；730；30a)，被设置成向光轴(19a)折射至少所述第二辐射束，其中光束偏转元件(30；130；230；330；730；30a)包括至少一种流体(A，B，B’；730)和控制器(112，141，143；241a，243a，212，241b，243b；341，343，312；734，736)，该控制器用于改变所述流体的配置以在预定的范围上可控制地改变由光束偏转元件所提供的折射量。
2.如权利要求1要求的设备，其中所述流体包括双折射材料(732)，以及控制器(734，736)被设置以改变双折射材料的优先轴的取向。
3.如权利要求2要求的设备，其中所述双折射材料(732)包括液晶，以及控制器(734，736)被设置以在液晶(732)上提供电场，用于改变液晶的取向。
4.如权利要求1要求的设备，其中所述元件包括腔室，以及所述至少一个流体包括第一极性流体(B；B’)和第二绝缘流体(A)，这两种流体是不可混和的且沿界面(80；86，88；94)分隔开的，并且控制器(112，141，143；241a，243a，212，241b，243b；341，343，312；734，736)被设置来经由电润湿效应改变界面(80；86，88；94)的配置。
5.如权利要求4要求的设备，其中控制器(112，141，143；241a，243a，212，241b，243b；341，343，312)被设置来改变界面(80；86，88；94)的形状。
6.如权利要求4或权利要求5要求的设备，其中所述控制器(112，141，143；241a，243a，212，241b，243b；341，343，312)被设置来改变界面相对于光轴的角度。
7.如权利要求4到6中的任何一项所要求的设备，其中所述界面(80；86，88；94)基本上是平面的。
8.如以上任何一项权利要求所要求的设备，其中控制器(112，141，143；241a，243a，212，241b，243b；341，343，312；734，736)被设置来根据表示由所述辐射源(7；7a，7b，7c)提供哪个辐射束的信号，改变由光束偏转元件(30；130；230；330；730；30a)所提供的折射。
9.如以上任何一项权利要求所要求的设备，还包括检测器(23)，用于检测从光学记录载体(3)反射的至少一部分辐射束，以及其中控制器(112，141，143；241a，243a，212，241b，243b；341，343，312；734，736)被设置来根据由所述检测器检测的的信号，改变由光束偏转元件(30；130；230；330；730；30a)所提供的折射。
10.如以上任何一项权利要求所要求的设备，其中所述设备包括检测器(23)，用于检测从光学记录载体(3)反射的至少一部分辐射束；以及
分束器(9)，用于向光学记录载体(3)传送从辐射源接收的入射辐射束，和用于向检测器(23)传送从光学记录载体反射的光束；以及
其中光束偏转元件(30；130；230；330；730；30a)被定位在辐射源(7；7a，7b，7c)与分束器(9)之间。
11.如以上任何一项权利要求所要求的设备，还包括像散校正板(32)，其用于抵消由光束偏转元件(30)引入到光束中的像散。
12.如以上任何一项权利要求所要求的设备，其中光束偏转元件(30；130；230；330；730；30a)被设置来进一步折射第二辐射束，以便沿光轴(19a)引导第二辐射束的光学路径。
13.如以上任何一项权利要求所要求的设备，其中辐射源(7；7c)被设置来提供沿不同于所述第一和第二光学路径的第三光学路径的第三辐射束，光束偏转元件(30；130；230；330；730；30a)还适用于向光轴(19a)折射所述第三辐射束。
14.一种制造用于扫描光学记录载体的信息层的光学扫描设备的方法，该方法包括：
提供辐射源(7；7a，7b，7c)，用于提供沿第一光学路径的至少第一辐射束，和沿不同的第二光学路径的第二辐射束；
提供物镜系统(8)，其具有光轴(19a)，用于把所述辐射束会聚在所述信息层(2)上；以及
提供光束偏转元件(30；130；230；330；730；30a)，其被设置来向光轴(19a)折射至少所述第二辐射束，其中光束偏转元件(30；130；230；330；730；30a)包括至少一种流体(A，B，B’；730)和控制器(112，141，143；241a，243a，212，241b，243b；341，343，312；734，736)，该控制器用于改变所述流体的配置，以在预定的范围上可控制地改变由光束偏转元件所提供的折射量。
15.一种运行用于扫描光学记录载体的信息层的光学扫描设备的方法，该设备包括：辐射源(7；7a，7b，7c)，用于提供沿第一光学路径的至少第一辐射束和沿不同的第二光学路径的第二辐射束；物镜系统(8)，其具有光轴(19a)，用于把所述辐射束会聚在所述信息层(2)上；以及光束偏转元件(30；130；230；330；730；30a)，其被设置来向光轴(19a)折射至少所述第二辐射束，其中光束偏转元件(30；130；230；330；730；30a)包括至少一种流体(A，B，B’；730)和控制器(112，141，143；241a，243a，212，241b，243b；341，343，312；734，736)，该控制器用于改变所述流体的配置，以便可控制地改变由光束偏转元件所提供的折射量；
其中该运行的方法包括根据由辐射源提供的辐射束，在预定的范围上改变由光束偏转元件所提供的折射。
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