CN1685263A - 光学元件、制造这种光学元件的方法、以及对齐光束与这种光学元件的方法 - Google Patents

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Abstract

一种光学元件，光学元件设有一个接收平面(10)，所说的接收平面包括一个接收部分(11)，用于接收至少一个光束(2)，其中的接收平面(10)设有至少一个光检测元件(3)，对光检测元件进行安排，以检测所说光束的至少一部分是否投射在光检测元件的上面。此外，本发明还涉及一种制造光学元件的方法，其中：使用至少一种薄层淀积技术为光学元件基板提供至少一个光检测元件。

Description

光学元件、制造这种光学元件的方法、以及 对齐光束与这种光学元件的方法
技术领域
本发明涉及一种光学元件。
背景技术
这种光学元件在实践中是公知的。光学元件例如可以包括透镜、光栅、狭缝、光阑、滤光片、光学导体如光纤光缆、反光镜、或类似元件。在使用期间，光学元件例如定位在光学系统内的一个或多个光束的光路(一个或多个)中。因此，所说的光束由光学元件的接收平面来接收，例如由包含光学元件的外部表面的平面来接收。
在光学元件是一个完美的光学反光镜的情况下，所说的接收表面可以是这种光学元件的一个光反射表面。
另一方面，如果安排光学元件使其可以让至少一部分入射光束通过，例如在光学元件是透镜、光栅、狭缝、光阑、滤光片、或类似物的情况下，光束可以由光学元件的各种接收平面接收，所说的平面例如可以延伸到光学元件的前侧、后侧、和/或内部。
在一般情况下，每个光束和光学系统的每个光学元件都要相对于每个其它的光束和光学元件对齐以便实现期望的应用。例如可以期望，将光学元件和所说的激光束准确地对齐到一个光学系统的某个光轴，或者相对于光学系统的某个光轴对齐。对齐的期望精度例如可以是在微米的刻度。按照公知的第一种方法，光束和光学元件的对齐是通过视觉检查实现的。如果需要的话，可以手动校正光束和光学元件的对应位置。
按照公知的第二种方法，每个光束和每个光学元件是使用已经通过光学元件的所说光束的部分的特征对齐的。例如，如果光学元件是一个衍射元件，则当光学元件和光束在特定的位置对齐时，期望出现光束的特定衍射。因此，可以通过观察由所说的光学元件实现的光束的衍射来对齐这样的光学元件和光束。
这两种对齐方法是十分麻烦和耗费时间的，尤其是当光学系统包括几个必须相互对齐和至少相对于一个光束对齐的光学元件的时候更是如此。此外，这些方法都不能达到期望的对齐的高精度。
国际专利申请WO02/31569(Ohnstein等人)公开了一种微型定位系统，用于相对于一个光学器件如激光二极管精确地定位一个光学元件。该设备包括一个托架，所说的托架可以相对于基座沿X方向选择性地移动。光学元件耦合到所说的托架上，以使所说的光学元件可以相对于所说的基座沿Y方向移动。按照Ohnstein的国际专利申请，移动所说的光学元件，以使光束与光学元件的一个选择区相交。光学元件最好具有不同光学特性的不同的区域。因此，当光束在所说不同区域之间移动时，光学元件将产生不同的光学效果。按照Ohnstein的国际专利申请，可以在诸如光学对齐之类的应用中使用这种效果。
日本专利申请JP08005507公开了一种用于光轴对齐的方法和设备，其中使用激光束来对齐光纤。对齐光纤以使激光的发射强度最大。
美国专利申请4871250(Koseki)涉及一种激光束监视器，用于检测由高功率激光设备产生的激光束的功率和模式图样。所说的监视器包括一个束强度检测板，对于所说的束强度检测板进行安排，以便当激光束投射在所说的板上时可以检测激光束的局部强度。在一个CRT显示器上显示所检测的激光束的模式图样。通过参照这个显示器，操作人员可以调节所说激光设备的前反光镜和后反光镜的对齐情况，以校正或改变激光束的模式图样，如果需要的话。因此，Koseki利用所说的第二种方法来对齐光束和光学元件，这些光学元件就是所说的激光设备的前和后反光镜。
本发明的一个目的是解决上述的问题，因而具体来说可使每个光学元件和每个光束都能相当快地对齐并且以彼此相对来说相当高的精度对齐。
发明内容
本发明提供一种光学元件，该光学元件设有一个接收平面，所说的接收平面包括一个接收部分，用于接收至少一个光束，其中的接收平面设有至少一个光检测元件，对于光检测元件进行安排，以检测所说光束的至少一部分是否投射在光检测元件的上面。
这个光学元件和所说的光束彼此相对地对齐相当容易，因为至少一个光检测元件可提供有关其中光束与光学元件的接收平面发生接触的位置的准确信息。此外，根据每个光检测元件的性质，可以在使用所说的光学元件期间相当快地连续获得所说的信息。
当光学元件和所说的光束准确地对齐时，光学元件在所说的接收平面的接收部分内接收光束。至少一个光检测元件将检测是否将至少一部分光束投射在光检测元件上。可以通过所说的元件实现无源或者是有源检测。在这里，有源检测可涉及检测元件检测光束时产生一个信号的检测元件，例如检测元件包括一个热电偶的情况下。无源检测意味着当在检测元件上投射光束时检测元件的某些可测特性可能发生变化，例如检测元件包括的材料的电阻当在其上投射所说光束的光时要发生变化。
安排检测元件的方式有几种，其目的在于获得有关入射光束和光学元件的相对位置的信息。按照第一实施例，在所说的接收部分附近安排至少一个光检测元件。在这种情况下，该检测元件将不检测所说的光束是否使所说的光束与光学元件正确对齐。另一方面，如果光束和光学元件没有正确地对齐，则光束可能投射到至少一个光检测元件上，因此这个光检测元件可以检测光束在接收平面内的位置。在这种情况下，光束和光学元件可以移动到新的对应位置，以使光束不再会投射到至少一个光检测元件上。所说的移动可以手动地和/或自动地实现，例如，通过一个接收来自至少一个检测元件的数据的计算机实现。所说的移动例如可以包括使光学元件和/或光束重新定位和/或重新取向。这例如可以通过一个或多个在本领域中公知的定位系统来实现。
有益地，在每个光检测元件安排在所说接收部分的附近的情况下，至少一个光检测元件大体上包围接收平面的所说光接收部分的至少一部分。结果，不管光束和光学元件是否正确地对齐，至少一个光检测元件可能在接收部分的基本上所有侧上进行检测。优选地，所说的光接收部分中被所说的检测元件包围的部分只是略大于所说光束的沿所说的接收平面观察到的剖面，因此所说的对齐是非常准确的。
按照可替换的实施例，至少一个光检测元件至少部分地沿所说的接收部分延伸。当光学元件和所说光束正确地对齐时，在至少一个检测元件上将投射光束的某一个部分。对齐情况的变化可能导致每个检测元件以不同的方式检测这个光束。如果不期望出现对齐情况的这样一种变化，光束和光学元件可以向回移动到它们正确对齐的相对位置。
在从属权利要求中描述了本发明的另外的有益的实施例。
本发明还涉及制造按照本发明的光学元件的方法以及按照本发明对齐至少一个光束和光学元件的方法。
此外，本发明还涉及用于在可转动光盘(如CD或DVD)上或者从这个可转动光盘上记录和/或复制信息的一种光学设备。按照本发明的这种光学设备的特征在于存在至少一个按照本发明的光学元件。
附图说明
下面基于附图中表示的典型实施例更加详细地描述本发明。
图1是本发明的第一实施例的顶视图，其中的光束和光学元件在对齐当中；
图2是与图1类似的顶视图，其中的光束和光学元件没有对齐；
图3是本发明的第二实施例的顶视图；
图4是按照本发明的光学设备的实施例的示意设计。
具体实施方式
图1表示一个光学元件1的一部分。光学元件1设有一个接收平面10，用于接收光束2。所说的接收平面10例如可以包括一个外表面和/或一个光学元件1的交叉平面。接收平面10包括一个圆形的接收部分11，用于接收至少一个光束2。在图1中，光束2与附图的平面垂直延伸。因此，用剖面表示所说的光束2。
如图所示，接收平面10设有一个相当简单的具有中断环形式的光检测元件3。这个检测元件3在所说的接收平面10内基本上包围光接收部分11。
在图1的实施例中，所说的检测元件3安排在所说的接收部分11的附近。设置检测元件3来检测所说光束2中至少一部分是否投射到检测元件上。为此，所说的检测元件3所包括的材料的电阻当在其上投射所说光束2的光的时候要发生变化。这样一种材料例如可以包括金属(如铜)、合金、和/或另外合适的材料。
进而，对于检测元件3的不同部分进行安排，使它们可以连接到一个电测设备。为此，光学元件1要包括5个电连接件，每个电连接件都是在所说的接收平面11内延伸的一个接触片5。每个接触片都包括导电材料，如金属或类似材料。接触片5电连接到检测环3的外部边缘。这些接触片中的两个5a、5e分别连接到检测元件3的相对的两端，所说的相对端邻接环形形状的检测元件3的中断部分。第三个接触片5c在与所说环形中断部分相对的位置连接到检测环3。其余的两个接触片5b、5d在其它三个接触片5a、5c、5e的位置之间的那些地方耦合到检测元件3的相对侧。因此，从逆时钟方向看，检测元件3的第一环形部分3a的端部分别连接到第一和第二接触片5a、5b，第二环形部分3b的端部分别连接到第二和第三接触片5b、5c，第三环形部分3c的端部分别连接到第三和第四接触片5c、5d，第四环形部分3d的端部分别连接到第四和第五接触片5d、5e。所说的四个环形部分3a-3d在接收平面10内彼此相对地对称定位。
可以按照不同的方法制造在如图1所示的光学元件1。按照本发明，有益的作法是，使用至少一种薄层淀积技术，例如化学蒸汽淀积(CVD)、等离子加强的CVD(PE-CVD)、分子束外延(MBE)、溅射和/或蒸发，为光学元件1提供光检测环3。如果使用这样一种技术，就可以以高的精度确定检测元件3的尺寸。根据所用的技术，对投射光束的一部分，如图2所示。然后，有光束入射的每个环形部分的温度将要增加，导致所说环形部分的电阻的变化。例如，如果检测元件3包括金属，如铜，则由光束2照射的环形部分的电阻将要增加。
在以上所述之后，可以使用检测元件3来使光束2和光学元件1彼此对齐，从而使光学元件1基本上在接收平面10的接收部分11内接收光束2，导致如图1所示的情况。在本实施例中，检测元件3的应用包括测量它的电阻以检测在它的上面是否投射光束2的至少一部分。为此目的，通过未示出的电流源并且使用第一和第五接触片5a、5e向检测元件3施加电流I，所说的电流I流过所有的环形部分3a-3d。进而，通过图中未示出的测量装置测量接触片5a-5e中的每一个的电位V。鉴于前一个段落提及的，如果光束2和光学元件1正确对齐，检测元件3的环形部分3a-3d将具有基本上相等的电阻，导致接触片5a-5e具有基本上相等的电位。另一方面，如果光束2和光学元件1在如图2所示的x方向没有对齐，其中的部分光束照亮第三个环形部分3c，该第三个环形部分3c的电阻将要改变，导致相邻的第三和第四接触片5c、5d之间的电位差发生变化。通过所说的测量装置测量这个电位差。然后，就可以例如手动地和/或自动地重新对齐光束2和光学元件1，抵消观察到的电位变化，使检测元件3上不再投射光束2。例如，在已经检测到检测元件3的某种温度升高的情况下，移动光束2和光学元件1以使所说检测元件3的温度回落。
从以上所述得出结论，通过移动光束2和光学元件1使其从第一相对位置到第二相对位置，就可以对齐或者重新对齐光束2和光学元件1，在所说的第一相对位置通过至少一个光检测元件3检测到光束2，在所说的第二相对位置通过所说的检测元件3基本上检测不到光束2。图2表示在x方向没有对齐的一个可能的第一位置，而图1表示的是在x方向重新对齐后的一个可能的第二位置。通过随后扫描或移动光束2和光学元件1到一个第三相对位置可以改善重新对齐的精度，在第三相对位置通过至少一个光检测元件3再一次检测光束2。例如，在x方向进一步相对移动和/或在y方向相对移动之后可以获得第三位置。然后，使用第一、第二、和第三次相对位置获得的检测结果，例如通过取观察到的相对位置(其中的光束2是由光检测元件3刚刚检测到的)的平均值，可以确定光束2和光学元件1的最终相对位置。
有益地，光检测元件3具有相当小的体积，因此当由光束2照射光检测元件3时，这个元件3的加热相当快，所说的对齐过程相当快而且具有特定的精度。例如，所说的体积可以小于10000微米3。进而，为了改善可以获得的对齐精度，所说的光接收部分中由所说的光检测元件3至少部分包围的部分最好只比当在所说的接收平面10的方向观察时光束2的横截面积略大一点。此外，所说的光检测元件3可以具有相当小的厚度(在垂直于所说的光接收平面(x，y)的方向测量)，例如厚度约为100微米或者更小，特别是约1微米或者更小，或者甚至于约100纳米或者更小。所说的光检测元件3的宽度W也可以相当小，例如宽度约为1毫米或者更小，特别是宽度W小于约100微米，或者宽度W小于约1微米。
图3表示本发明的一个可替换的实施例，包括具有多个检测元件3`的一个光学元件1`，检测元件3`至少部分地在一个接收平面10`的光接收部分11`内延伸。这些检测元件包括平行隔开的金属条3`，每个金属条3`在它的相对的两端设有两个接触片5`。在使用期间，使用接触片5`在所说的检测金属条3`上可以实现电流-电压测量，以检测光束2是否投射在金属条3上。在光束2没有按照期望的那样投射的情况下，可以重新对齐光束2和光学元件1。在这个实施例中，除了作为用于对齐的光检测器以外，检测金属条3`还可以具有其它的功能。例如，还可以确定金属条3`的尺寸以使它们还能用作光栅，以提供光束2的某种衍射。
虽然已经参照附图较详细地描述了本发明的说明性实施例，但应该理解，本发明不限于这些实施例。本领域的普通技术人员在不偏离由权利要求书限定的本发明的范围或构思的条件下还可以实现各种各样的变化和改进。
例如，光学元件可以设有至少两个分隔开的光检测元件3。该至少两个检测元件之间的距离例如可略微大于所说光束的直径，所说的直径是在所说的接收平面内测量的，从而可以实现光束和光学元件的彼此相对的相当精确的对齐。在所说的距离和所说的光束直径之间的差例如可以小于约1毫米，特别是小于约1微米。
进而，可以参照某个目标、轴、点线、平面、或类似物来对齐至少一个光学元件和至少一个光束。按照另一个实施例，可以在光轴上，例如在光学系统的光轴上，对齐每个光束和每个光学元件。
此外，每个光检测元件3可以包括几种类型的材料，如金属、合金、导光材料、其它类型的材料、或者所说材料的组合。检测元件可以包括至少一个热电偶，它能够产生与它的温度有关的电信号。有益的作法是，对于检测元件进行安排，以便当在它的上面投射至少一部分所说的光束时能够加热所说的检测元件，因为利用相当廉价的、容易实施的装置就可以检测到这种热量的变化。此外，这种材料最好可承受高功率的光束，如激光光束。
此外，光学元件可以包括透镜、滤光片、光栅、光导体、如光纤和/或另外的光学元件。
当使用薄层淀积技术来制造至少一个检测元件的时候，可以使用本领域的普通技术人员公知的几个步骤，如制造掩膜、光刻胶涂敷、照射、蚀刻、光刻胶去除、层淀积、和/或其它的步骤，以便按照适合于对应的淀积技术(一种或多种)的顺序实现所说的步骤。
进而，当使用电压-电流测量来检测检测元件的温度的时候，可以采用直流电流和/或交流电流。
此外，光学元件1可以包括一个或多个接收平面，它们具有不同的形状，如平直的、弯曲的、和/或其它形状。在光学元件包括几个接收平面、并且所说的接收平面包括至少一个检测元件的时候，这些平面可以彼此相对地例如平行地和/或按照不同的方向延伸，并且这些平面可以相互靠近和/或相互隔开。
在光学元件1包括至少两个接收平面、而且每个接收平面包括至少一个光检测元件的情况下，也可以彼此相对地对齐光束的方向和光学元件的取向。进而，这样一种对齐是通过提供包括几个接收平面的一个光学元件实现的，其中的至少一个光检测元件是通过所有的这些接收平面延伸的，例如相对于至少一个光束的期望路径平行地延伸。
进而，每个接收平面可以从一个包围的区域和或从光学元件的内侧接收至少一个光束。
此外，每个接收平面可以包括一个以上的接收区域，用于接收至少一个光束。还有，可以使用一个光接收区域来接收一个以上的光束。
进而，可以用许多不同的方法形成每个光学元件3、确定光学元件3的形状、和/或确定光学元件3的尺寸。
按照本发明的光学元件可以应用到许多不同类型的光学系统中，例如当要相互对齐光纤时的对齐系统。其它的应用例如是光切换和光扫描设备、光存储设备、等等。
如图4所示的按照本发明的设备的实施例是一个光存储设备，具体来说是一个光盘播放器。该设备具有一个框架100并且包括：光拾取单元102、电机104、引线螺钉106、导向轴108、和转台110。
光拾取头102可以沿由双向箭头A表示的方向移动，这个方向在下面还称之为相对于放在所说的设备中的一个盘的最内位置和最外位置之间的横向方向，所说的盘例如是一个数据盘，如CD或DVD。导向轴108沿横向方向延伸。光拾取头102有一部分与导向轴108啮合。光拾取头102在它沿横向方向移动期间由导向轴108引导。
光拾取头102包括一个啮合部分102a，啮合部分102a有一个螺孔，引线螺钉106通过所说的螺孔延伸。
啮合部分102a与引线螺钉106啮合。引线螺钉106经过齿轮组耦合到横向电机104的输出轴，因此引线螺钉106能够通过电机104转动。当引线螺钉106转动时，光拾取头102沿横向方向移动。
在操作中，光盘在转台110上就位，转台110由未示出的电机驱动。
光拾取头102设有一个物镜112，这是按照本发明的光学元件的一个实施例。光束由标号114表示。该设备还设有通用的光学装置和电子装置。这些光学装置中的一个或多个也可以是本发明的光学元件。

Claims (37)

1.一种光学元件，光学元件设有一个接收平面(10)，所说的接收平面包括一个接收部分(11)，用于接收至少一个光束(2)，其中的接收平面(10)设有至少一个光检测元件(3)，对于光检测元件进行安排，以检测所说光束的至少一部分是否投射在光检测元件的上面。
2.根据权利要求1所述的光学元件，其中：至少一个光检测元件(3)安排在所说的接收部分(11)的附近。
3.根据权利要求1或2所述的光学元件，其中：至少一个光检测元件(3)包括的材料的电阻当所说光束(2)的光投射到它的上边的时候将发生变化，其中对于所说检测元件(3)进行安排以便连接到电测设备上。
4.根据前述权利要求中任何一个所述的光学元件，其中：至少一个光检测元件(3)基本上包围接收平面(10)的所说的光接收部分(11)的至少一部分。
5.根据权利要求4所述的光学元件，其中：至少一个光检测元件(3)基本上是环形形状。
6.根据权利要求4或5所述的光学元件，其中：由所说光检测元件(3)至少部分地包围的所说光接收部分只是略微大于所说的光束(2)沿所说的接收平面(10)观察到的横截面。
7.根据前述权利要求中任何一个所述的光学元件，其中：所说至少一个光检测元件(3)相对于所说光接收部分(11)对称地安排。
8.根据前述权利要求中任何一个所述的光学元件，其中：所说的接收平面(10)设有至少两个分隔开的光检测元件(3)。
9.根据权利要求8所述的光学元件，其中：在所述至少两个分隔开的光检测元件(3)之间的距离略大于所说光束(2)的直径，所说的直径是在所说的接收平面(10)内测量的。
10.根据权利要求9所述的光学元件，其中：在所说的距离和所说的光束直径之间的差小于约1毫米。
11.根据权利要求9所述的光学元件，其中：在所说的距离和所说的光束直径之间的差小于约1微米。
12.根据前述权利要求中任何一个所述的光学元件，其中：使用至少一种薄层淀积技术为光学元件(1)提供至少一个光检测元件(3)，例如使用CVD、PE-CVD、MBE、溅射和/或蒸发。
13.根据前述权利要求中任何一个所述的光学元件，其中：至少一个光检测元件(3)具有一个在垂直于所说的接收平面(x，y)测量的约为100微米或更小的厚度。
14.根据权利要求13所述的光学元件，其中：所说的厚度约为1微米或更小。
15.根据权利要求14所述的光学元件，其中：所说的厚度约为100纳米或更小。
16.根据前述权利要求中任何一个所述的光学元件，其中：每个光检测元件(3)具有一个在所说的光接收平面(10)内测量的约为1毫米或更小的宽度。
17.根据权利要求16所述的光学元件，其中：所说的宽度(W)小于约100微米。
18.根据权利要求16所述的光学元件，其中：所说的宽度(W)小于约1微米。
19.根据前述权利要求中任何一个所述的光学元件，其中：每个光检测元件(3)具有小于约10000微米3的体积。
20.根据前述权利要求中任何一个所述的光学元件，其中：至少一个光检测元件(3)包括至少一种导电材料，如金属。
21.根据前述权利要求中任何一个所述的光学元件，其中：至少一个光检测元件(3)包括至少一个热电偶。
22.根据前述权利要求中任何一个所述的光学元件，其中：光学元件(1)包括电连接件(4)，电连接件(4)连接到至少一个光检测元件(3)，以便将所说的检测元件连接到测量设备。
23.根据至少权利要求3所述的光学元件，其中：对于每个光检测元件(3)的不同部分进行安排，以便使其连接到一个电测设备。
24.根据至少权利要求1所述的光学元件，其中：至少一个检测元件(3)至少部分地在所说接收部分(11)内延伸。
25.根据权利要求24所述的光学元件，其中：对于至少一个检测元件(3)进行安排，以便提供一个光栅。
26.根据前述权利要求中任何一个所述的光学元件，其中：光学元件(1)包括透镜。
27.根据前述权利要求中任何一个所述的光学元件，其中：光学元件(1)包括滤光片。
28.根据前述权利要求中任何一个所述的光学元件，其中：光学元件(1)包括光栅。
29.根据前述权利要求中任何一个所述的光学元件，其中：光学元件(1)包括反光镜。
30.一种制造光学元件的方法，其中：使用至少一种薄层淀积技术为光学元件基板提供至少一个光检测元件(3)。
31.一种用于对齐至少一个光束和根据权利要求1-29中任何一个所述的光学元件的方法，其中：光束(2)投射在所说的光学元件(1)上，以使光学元件(1)可以在所说的接收平面(10)内接收光束(2)，其中：使用至少一个光检测元件(3)对齐光学元件(1)和光束(2)，以使光学元件基本上在接收平面(10)的接收部分(11)中接收光束(2)。
32.根据权利要求31所述的方法，其中：移动光束(2)和光学元件(1)，使其从第一相对位置移动到第二相对位置，在所说的第一相对位置通过至少一个光检测元件(3)检测到光束(2)，在所说的第二相对位置通过所说的光检测元件(3)基本上检测不到光束(2)。
33.根据权利要求32所述的方法，其中：随后移动光束(2)和光学元件(1)到一个第三相对位置，在第三相对位置通过至少一个光检测元件(3)和/或另一个光检测元件(3)再一次检测光束(2)，其中：使用第一、第二、和第三次相对位置获得的检测结果，可以确定光束和光学元件(1)的最终相对位置。
34.根据权利要求31-33中任何一个所述的方法，其特征在于：在一个光轴上对齐至少一个光束和光学元件(1)。
35.根据至少权利要求3和31所述的方法，其中：至少一个检测元件(3)的所说的使用包括测量它的电阻，以检测在它上面是否投射光束的至少一部分。
36.根据权利要求35所述的方法，其中：当检测到至少一个检测元件(3)的某个温度升高时，彼此相对地移动光束(2)和光学元件，以使所说检测元件(3)的温度回落。
37.一种在可转动光盘的信息层上或者从所说的信息层上记录和/或复制信息的光学设备，所说的设备包括根据权利要求1-29中任何一个所述的光学元件。
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