CN1505769A - 光补偿元件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光补偿元件(1)，其包括：第一透明表面(4′)，其上装有透明电极(3′)；第二透明表面(4)，其上布置有多个透明主电极(33、36)，若干个该主电极各自通过横向电极(32)连接控制电极(31)；以及材料(2)，其具有随所加电压而改变的折射率，所述材料布置在第一和第二透明表面(4′、4)之间。本发明的目的是改进所述的补偿元件。为此，每个主电极(33、36)在一准确的位置上连接横向电极(32)。

Description

光补偿元件
技术领域
本发明涉及一种用于影响波前的光补偿元件，如权利要求1的前序部分所述。
背景技术
诸如这样的补偿元件已由JP 10-221703公开。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种比现有技术更好的补偿元件。
为此目的，本发明规定每个主电极或者大部分主电极在一点上，且仅在一点上与横向电极相连。其优点在于，可以节约多达50％的接触电极。与主补偿元件相比，在此情形中不需要在主电极两侧将电压彼此精确地匹配。这导致了更大的设计自由度，由于连接仅需要设置在主电极的一侧上。此外，所需的驱动电极的数量得以减少。
如果横向电极和驱动电极由相同的材料形成，且横向电极的横截面比主电极的小，则这具有沿横向电极具有大的电压降的优点，使得可以在短距离内获得大的电势变化。此情形中，横向电极上的电压降比驱动电极上的大，且横向电极不需要具有高的电阻率。再一个优点在于，在主电极上发生小的电压降，于是允许获得更快的电势变化，且可在整个主电极上获得尽可能均匀的电势，即使采用更小的电阻。
主电极有利地以基本上旋转对称的方式布置，且对于恒定的半径具有带相同数学符号的恒定的电压。其优点在于，当使用大量的开关材料，例如铁电液晶时，在相应于特定半径的整个环上可获得相同的开关响应，即相同的光变化。如果将向列材料用作开关材料，则所施加的电压也可以具有不同的数学符号，因为这对利用这些材料可以获得的光学效果没有影响。然而，在其他开关材料的情形中，不同的数学符号将导致不同的反应。根据所需的相位修正曲线，有利地是也可以采用除旋转对称几何形状之外的其它几何形状。
本发明规定主电极为带不同半径的几乎封闭的多环的形状，且在横向电极的与环的开口相对的侧面上与横向电极相连。这样做的优点在于，对提供电势而言，如果横向电极经过各个环的开口，则尽可能大比例的可用面积被所需的主电极形状所覆盖，且仅小部分表面被横向电极所占据。有利地是以尽可能大的填充因子来覆盖圆形面积，且将主电极布置得彼此紧邻，但彼此不接触。有利地，横向电极在环的开口区域中具有更大的横截面。其优点在于，在横向电极上在连接各个环的区域中更大的电压降发生。这导致更宽的可用电势范围和更低的工作电压。自横向电极分接的电势通过各个主电极的环得以维持。这导致了自外向内以旋转对称方式升高或降低的电势曲线。电势曲线的形状通过选择横向电极上的分接点来控制。
根据本发明的一个实施例，在主电极之间布置一修正电极。在此情形下，修正电极可以借助另外的驱动电极驱动。提供一个或多个这样的修正电极的优点不仅在于其可以获得连续升高或降低的电势曲线，还在于可获得任意所需的电势曲线。
本发明规定补偿元件的两个表面具有结构化的电极。其优点在于，通过电极的不同结构实现或补偿了不同的光学效应。在此情形下，不仅提供了旋转对称的布置，还提供了除此之外的其它表面分布。在此方式中，可以以所提供的电势曲线来对倾斜、聚焦、散焦和/或像散进行补偿，其中圆柱透镜、楔形透镜、球形透镜和/或非球形透镜结合在一单独的补偿元件内。
有利地是，将不同的电压施加到横向电极上。本发明规定横向电极具有可变的横截面。其优点在于获得任何所需的非线性电压降，且因此电势曲线具有非线性升高。于是通过以此方式调节横向电极可获得补偿元件的任何所需的相位形式。
供电电极有利地设置在主电极和横向电极之间，且其与横向电极的接触点布置得使得它们不等距。这提出了优化电势曲线的有利的又一个变量。
根据本发明，向驱动电极施加不同电压。其优点在于根据所需的相位曲线向主电极施加不同电压，且通过以此方式结合所用材料的相移/电压特性改变电势曲线，来获得不同的相位曲线。于是对于驱动电极上的相同电压差可获得不同的电势曲线。
有利的是，向布置在具有可变折射系数的材料的相对侧面上的电极结构施加不同的电压。即使在最简单的情形下，这些电极结构中的第一个是平坦的，其也允许施加到横向电极的其它电极结构上的电势的零点通过改变施加到第一电极结构上的电压而沿横向电极移动。这允许获得不同的相位曲线，而无需改变施加到另一电极结构上的电压。
根据本发明的用于读取和/或写入光学记录介质的装置具有根据本发明的补偿元件。其优点在于，可以补偿例如因倾斜或因不同的层厚发生的波前扰动，尤其是在具有大存储密度的光记录介质的情形中。诸如此类的波前扰动对读取和写入这样的光记录介质的准确性具有重大影响。这些波前扰动优选地在根据本发明的装置中得以补偿。
本发明的其它优点还包含在对实施列的以下说明中。显然的是，本发明不限于所述例子，而是包括本领域技术人员所熟悉的各种不同形式。
附图说明
图1示出贯穿补偿元件的横截面；
图2示出用于球差的电极结构；
图3示出用于慧差的电极结构；
图4示出相移/电压特性曲线；
图5示出具有修正电极的电极结构；
图6示出图5的细节视图；
图7示出涉及图5的根据第一变量的横跨横向电极的电压降；
图8示出涉及图5的根据第二变量的横跨横向电极的电压降；
图9示出具有改形横向电极的电极结构；
图10示出图9的细节视图；
图11示出具有不同分枝的电极结构；
图12示出图11的细节视图；
图13示出具有恒定横截面的横向电极的电压降；
图14示出具有不同横截面的横向电极的电压降；以及
图15示出具有供电电极的横向电极的电压降。
具体实施方式
根据本发明的补偿元件例如采用液晶作为具有可变折射系数的材料，液晶作为局部电场的函数调制入射光束的相位。具体地，下文中说明具有特别有效的电极结构的液晶元件。在此情形中，形成了内部电压降，调节波前的电极可以获得该电压降。此步骤允许大量电极在低驱动复杂性条件下运行。大量的电极允许相位曲线的高分辨率描绘，因此允许对波前进行良好的校正。具体地，元件构造成使得它们也将补偿随时间变化的波前缺陷。首先将参照用于修正慧差和球差的两个元件说明工作的方法。
此处所述的液晶元件用于修正光学系统中诸如慧差、球差等的波前缺陷。在此情形中，这些元件因一种电极结构而有别于其它元件，该电极结构尽可能地简单，但却富于创意，并将所需的驱动限制在最小。该驱动仅由驱动电压提供，优选地为1kHz且幅值约2-10V的AC电压，该电压的幅值可调。电极结构中形成的内部电压降使得可以形成连续的波前变形。在示例性实施例中，电极结构仅包括一个透明的、导电的且具有均匀的表面电阻的氧化铟锡层，也称作ITO，于是其可非常容易地形成。然而，诸如聚合物等的其它透明导电材料也可有利地用于此目的。
下文中所述的元件用于补偿慧差或球差，尤其是在用于读取或写入光记录介质的装置中，例如DVD拾取头。尤其在将采用更短波长光源的下一代此类装置的情形中，将要求主动补偿。DVD的该趋势是采用数值孔径NA＝0.85的物镜，且保护层厚度为0.1mm。在不同层间，例如从多层光记录介质的层I到层II切换时发生的球差必须得到补偿。如果基板较厚，则通过主动倾斜补偿，盘倾斜的容许偏差可以显著增大。
补偿元件在图1中以截面的形式示出，并且呈液晶补偿元件1的形式，该补偿元件1利用薄的液晶层2的折射率的局部变化来调制波前。
局部折射率分布通过适当的电极结构3产生，且可以通过所加电压改变。网状技术(meshing technique)，即在电极结构3上产生的电压降，可用于极大地减少需要被驱动的电极的数量。图1示出了诸如这样的元件的横截面。电极结构3、3′由透明导电材料构成，此情形中为氧化铟锡ITO，并且借助光刻敷在玻璃基板4，4′上。聚酰亚胺层5用于液晶2的标准取向，并且在通过旋涂法旋涂后在优选方向上得以摩擦。单元在真空下充入液晶2，最后密封。
间隔物6防止两电极面接触，并控制单元厚度。电极结构3′在此情形中示作接地电极，而没有任何特殊结构。
用于球差的电极结构在图2中示出。图2中示出的电极结构允许对类似圆锥或球形形式的波前进行补偿。在此情形中仅需要两个驱动电极31。于是，根据液晶层的单元厚度和所用的材料，可以实现两个或多个Pi相调制。
细的横向电极32在两个宽的驱动电极31的辅助下馈入。由于它们窄，所以对于相同的表面电阻率，它们具有大得多的电阻。在驱动电极31上下降的电压于是在整个横向电极32上基本上全部下降。在沿横向电极32的不同位置上，借助主电极33拾取各所需电势。于是，主电极33处于各个相关电势。通过分接点的数量和位置可以获得相位阶数(phase stage)和诸如线性、对数曲线等的相位曲线。
在此示例性实施例中，主电极33呈圆环形，该些圆环在左侧部分与横向电极32相连，而在中心点右侧，它们每一个均具有一开口34，横向电极34经过该开口而至右侧驱动电极31。
用于修正慧差的电极结构在图3中说明。所示电极图案使得可以补偿类似彗形象差的波前。同样，在此情形中仅需要两个驱动电极31。
与图2所示的球差修正元件的区别在于电压分接的特征。用于电压下降的横向电极32现在位于调制区外围。供电电极35从横向电极32中分接所需电势，并将其输送到主电极36。
在此情形中，主电极36的形状取决于所需的相位调制以及为此目的所需的电势分布。主电极36的数量取决于所需的相位量子化(phasequantization)。各个主电极36上的电势借助液晶曲线中特定工作范围上方的横向电极32的分接点37的适当电势分接来优化(此处还可参见图4)，以允许尽可能有效的修正。
工作电压范围的选择和分接点37的选择提供了两个自由度，该自由度为连续调制所需。
如图4所示的液晶驱动技术的特性曲线，其也被称为液晶校准曲线，示出了补偿元件的以度数[°]表示的局部相移、以及由电极结构预定的以伏特[V]绘制的局部电势。此相移/电压特性曲线示出了电势差施加在电极结构3、3′上时发生的相移。通过适当选择驱动范围，并结合选择横向电极32上的分接点37，形成尽可能适当的相位曲线。
作为示例，对于球差，推荐一介于主电极33的最中心的环上的3.5V与最外部的环上的5.2V之间的电势，以形成其曲率尽可能为球形的曲线。通过沿横向电极32适当地选择分接点37，可以将曲线向理想球形优化。如果需要不同曲率的曲线，则可以采用约2伏特和2.7伏特之间的范围，较为线性的范围例如在2.7伏特和3.3伏特之间、以及例如在6伏特以上出现。
关于开关响应和开关时间，需要注意以下方面：向列液晶的开关时间基本上取决于单元厚度和所用材料。此情形下，最大可获得的相移正比于单元厚度。对于具有小于半波长(lambda)(即小于所用光的波长的一半)的峰谷值(peak to valley value)的波前的修正，利用向列材料可以获得少于10ms的开关时间。对于两倍或更多倍波长，只能获得几百毫秒的开关时间。
存在可在诸如这些元件的元件中用作相移材料的不同液晶混合物、以及诸如晶体、聚合物、聚合物液晶组合物的其它材料。由于其具有良好透射性的高的双折射、低驱动电压、良好的极化特性、以及低成本，向列液晶对于不太快且在几十毫秒至几秒的范围内的开关过程是非常适合的材料。不同的材料总体上可用于减少开关时间。然而，这也有其它不利的影响。在晶体的情形下，该不利的影响例如为折射系数的微小改变以及高驱动电压；或者在在铁电液晶的情形下，为具有改变极化的特性的双折射。如果本发明的概念被用于诸如此类的更快的材料，则与根据本发明所实现的优点相比，已提及的这些缺点变成次要因素。
如上所述的发明所利用的内部电压降还使得可以形成更为复杂的电极、以及与之相关的相位曲线，例如组合彗差球差元件或2D彗差校正元件。用于修正像差的液晶补偿元件直到现在仍仅利用连接到单独的表面电极的直接供给线来制造。在此情形中，各个主电极被直接驱动。诸如此类的元件具有非常大的瞬间相变，其幅度由控制电极的数量控制。假设5个驱动电极，则在1*λ波前修正的情形中，波前仅以λ/5的步长得以修正。根据本发明的元件仅需要一个单独的驱动电压，此外，允许更精细的相位量子化。例如，对于50个主电极，为λ/50。
根据本发明的用于补偿元件1的电压分接的概念、以及用于任意所需形状的主电极的供电电极35的概念尤其有利，它们是用于补偿球差和彗差的电极图案和元件。根据本发明还提供具有不同的、相反的电极结构的元件。在此情形中，根据本发明，电极结构3、3′布置在相对的玻璃基板4、4′上。于是，彗差和球差例如在一个元件中得以补偿。根据本发明的具有较复杂主电极的元件允许任意所需的像差，诸如网格光栅(checker grating)、光劈阵列(wedge array)等的可开关阵列，非对称球差修正，任意所需的径向对称修正，或局部集成在该元件中的特殊功能。本发明的范围同样包括具有不止一次地利用该电压降的内电极的元件。此情形中，不仅提供具有两个或多个横向电极32以及一个电压供给的方案，还提供具有两个或多个横向电极32以及两个或多个电压供给的方案。例如可以利用隔离层和电压电路形成根据本发明的多层电极结构。
下文中说明了其它示例性实施例。这些示出了具有用于修正波前的尤其有效的电极曲线的各种形式。以下附图中示出的对电极结构的所有拓展均用于形成旋转对称的相位曲线，该曲线现在实际上具有任意所需的形式。上述例子主要说明球形曲线，但也包括此处更加详细说明的非球形曲线。曲线图给出了对横向电极上下降的电压曲线的示意性说明。液晶层中出现的相移在图4所示的相移/电压特性曲线的辅助下获得。于是根据所选的电压范围可形成以不同方式修正的波前。
图5示出了根据本发明的电极结构，具有与结合图2所述的结构相应的修正电极、驱动电极31、横向电极32和主电极33。开口34保持略宽，且允许修正电极38、39穿过，该修正电极至少连接主电极33中的一个。
这在图6中得以详细显示。这示出了横向电极32和主电极33(此二电极仅部分地或至多不完全地得以显示)、以及修正电极38、39。与横向电极相同，这些电极经过开口34，并在接触点30与各情形下横向电极33中的一个相连。由于此主电极33还与电极结构3的左侧区域中的横向电极32相连(此处未示出)，所以这也改变了横向电极32上的电势曲线。这一拓展的球形电极曲线使得能获得更好的相位匹配或形成更高阶的旋转对称曲线。修正电极38、39用于改变球形曲线。
图7示出相对于在水平轴上绘示的半径R的沿垂直轴绘示的电压降U。电压曲线的镜像轴7由半径R＝0表示，即在环形主电极22的中心。K1、K2表示修正电极操作的点。如图所示，最大半径Rmax与修正电极操作点K1、K2之间的电势曲线基本上是线性的，但在点K1、K2处具有转折点。
图8示出电压降相应于图5的不同曲线，修正电极38、39上的电压选择成点K1和K2之间的倾斜度与曲线的其它部分相反。
图9示出了具有改进的横向电极32的电极结构。如结合图1所描述的那样，左侧区域中的横向电极32连接主电极33，而开口34设置在右侧区域中。横向电极32在左侧区域具有加粗区8。其电阻于是被局部改变，即分接出的电压彼此不同，尽管分接点之间距离相同。再者，这允许波前理想地与所需特性相匹配。
图10示出了示意性显示且放大的改进的横向电极32。此情形中的加粗区8不仅以恒定加宽的横截面区域而存在，该区域均匀且在特定范围内延伸，而且以不规则的加宽区形成，如其右侧所示。
图11示出了来自图2的在横向电极32上具有可变分接的电极结构。主电极33与横向电极32相连的分接点37不再布置成等间距的，与图2相反，而是彼此以不同的距离隔开。设置供电电极35以用于横向电极32和主电极33之间的连接。
其细节示于图12。
图13示出了具有恒定横截面的横向电极的电压降。此情形下的曲线图相应于图7和8中的曲线图。其示出了半径上具有倾斜角α的线性曲线。此情形中，α不能超出最大值αmax＝45°。
图14示出了相应于图13中的电压降的电压降，但是用于具有不同横截面的横向电极。电压升α以相应于横截面变化的方式变化，但是同样在此情形中，其不能超过上限值αmax。
图15示出了相应于以上附图中的电压降的电压降，但采用供电电极35。此情形中可能出现的分接点37之间的距离的扩大和压缩使得能获得大于先前曲线图中的αmax的斜角α。这也尤其是因为供电电极35的小的横截面，该横截面允许更精细的调谐。

Claims (10)

1.一种光补偿元件(1)，包括：
第一透明表面(4′)，其上装有透明电极(3′)；
第二透明表面(4)，其上布置有大量透明主电极(33、36)，两个或多个该主电极在各情形下通过横向电极(32)连接驱动电极(31)；
材料(2)，其作为所加电压的函数而改变其折射率，并布置在第一和第二透明表面(4′、4)之间，
其特征在于，每个主电极(33、36)在一点上，且仅在一点上连接横向电极(32)。
2.如权利要求1所述的光补偿元件，
其特征在于，横向电极(32)和驱动电极(31)包括相同的材料，且横向电极的横截面小于主电极的横截面。
3.如前述权利要求中的任一项所述的光补偿元件，
其特征在于，主电极(33)以大致旋转对称的方式布置，且对恒定的半径(R)具有带相同数学符号的恒定电压。
4.如前述权利要求中的任一项所述的光补偿元件，
其特征在于，主电极(33)呈具有不同半径的基本封闭的环的形式，且在相对于开口的侧面上连接横向电极(32)。
5.如前述权利要求中的任一项所述的光补偿元件，
其特征在于，至少一个修正电极(38)布置在主电极(33、36)之间，且可以借助另外的驱动电极驱动。
6.如前述权利要求中的任一项所述的光补偿元件，
其特征在于，两个表面(4、4′)具有结构化的电极(3、3′)。
7.如前述权利要求中的任一项所述的光补偿元件，
其特征在于，可以在驱动电极(31)上施加不同的电压。
8.如前述权利要求中的任一项所述的光补偿元件，
其特征在于，横向电极(32)具有变化的横截面(8)。
9.如前述权利要求中的任一项所述的光补偿元件，
其特征在于，供电电极(35)布置在主电极(33、36)和横向电极(32)之间，且它们的与横向电极(32)的接触点(37)布置成使得其间距不等。
10.一种用于读取光记录介质和/或向光记录介质中写入的装置，包括如前述权利要求中的任一项所述的光补偿元件(1)。
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