CN1934630A - 多层可变折射率单元 - Google Patents

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O·K·安德森
M·L·M·巴里斯特雷里
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Abstract

一种可变折射率单元(140)包括光轴和可控可变折射率的第一层(144a，146a，146a’)，第一层以第一预定配置在横切光轴的第一平面中延伸。可控可变折射率的不同的第二层(144b，146b，146b’)以第二预定配置在横切光轴的不同的第二平面中延伸。第二层(144b，146b，146b’)与第一层(144a，146a，146a’)重叠。

Description

多层可变折射率单元
技术领域
本发明涉及可变折射率单元，涉及包括这样的可变折射率单元的光学设备，和涉及制造这样的单元的方法。
背景技术
可变折射率单元是一种设备，其中可以可控地改变所述设备的至少一部分的折射率。这样的单元例如可以用于控制透射通过所述单元的光的相位。术语光应当被理解成包括可见电磁辐射和其它波长的电磁辐射。
用于光学地记录和再现信息的信息记录介质(即光学记录载体)以各种形式出现。例如，存在各种类型的光盘，例如CDs(光盘)和DVDs(数字视频光盘或数字通用光盘)。在相同的记录表面上具有多个记录层的记录介质(例如每侧双层DVD)也正在发展。此外，高密度光学存储设备正在发展，例如BD(蓝光)。
有必要在用于读和/或写这样的光学记录载体的光信号中校正波阵面误差。
例如，高密度光学记录载体典型地需要物镜具有高NA(数值孔径)，因此增加了光束的波阵面象差。
这样的象差可以导致引起设备性能的损失，例如从光学记录载体读和/或写信息的精度受到损失。因此，在高密度光学存储设备中理想的是当扫描光盘时动态地校正所以波阵面误差。例如，由误差或光盘覆盖层厚度的变动产生的象差影响会变得明显。
美国申请no.10/050,604(被公开为公开文本No.US2002/0105890 A1)描述了一种适合于校正球面象差的象差校正装置。图1和2分别是相同类型的象差校正元件的平面图和横截面图。
图1示出了在大体在X-Y平面中延伸的元件40的平面图；也显示了元件40的一部分的展开图40’。元件40是圆形的，并且大体圆形地对称。
图2显示了大体在Z方向上延伸的元件40的径向横截面图，其中ρ为径向距离，即ρ＝0是元件的中心，ρ＝500是元件的外周边。
可以看到元件40包括厚度均匀的液晶平面层44，其大体在元件40的整个面积上延伸。所示的特殊元件在功能上被分为十一个不同的环形区段(42a，42b，42c，...42k)。每个区段包括布置在液晶层44的两侧的一对透明电极。例如，位于外区段42a中的电极46a，46’a将液晶44夹在中间，这些电极宽度为A。每个电极通过间隙43与相同层中的相邻电极分开，以防止相邻电极之间的电接触，例如电极46’a通过间隙43与电极46’分开。通过改变每对电极上的电压，可以改变电极之间向列液晶的取向，从而将期望的相移赋予入射光信号。
环形区段的数量，和每个环形区段的宽度由需要元件40提供的相位函数确定。例如，图1和2中所示的元件40适合于提供球面象差补偿。因此，朝着元件周边的许多环形区段必须具有相对较薄的宽度，从而在短径向距离上提供所需的相对较大的相移变化。特别对于涉及高数值孔径物镜的应用，位于元件的外缘的电极的期望宽度变得如此之小以至于难以制造。此外，需要分离相邻电极的间隙43是不合需要的，因为它导致液晶层44的取向异常，所以由元件提供的相位函数异常。
发明内容
本发明的实施方式的目标是解决现有技术的一个或多个问题，无论所述问题在这里被提出还是另外被提出。本发明的特定实施方式的目标是提供一种可变折射率单元，其适合于向入射光束提供相对较陡的相位轮廓，同时仍然相对容易制造。
根据本发明的第一方面提供了一种可变折射率单元，包括光轴，可控可变折射率的第一层，其以第一预定配置在横切光轴的第一平面中延伸，和可控可变折射率的不同的第二层，其以第二预定配置在横切光轴的不同的第二平面中延伸。第二层与第一层重叠。
术语重叠指的是第二层部分覆盖第一层，或者覆盖第一层并且延伸超出第一层。通过重叠这样的层，通过利用仅仅一层的薄部分延伸超出另一层，可以产生提供陡的相位轮廓但是仍然易于制造的可变折射率单元。此外，当所述单元使用重叠层时，可以产生不同的相位轮廓而不会由于在相邻区段之间存在间隙而在相位轮廓内出现异常。
优选地所述单元至少还包括可控可变折射率的第三层，其以第三预定配置在横切光轴的第三平面中延伸，第三层与第一层和第二层两者重叠。
优选地，可控可变折射率的每一层包括具有可变折射率的材料层，所述材料层的每一个具有均匀的厚度。
更优选地，所述层的每一个包括夹在两个透明电极之间的液晶层，所述电极用于控制液晶层的折射率。优选地，所述单元还包括用于控制施加到每个电极的电压的控制单元。
优选地，所述电极仅仅将一部分所述液晶层夹在中间。
优选地，所述层的每一个是平行的。
优选地，所述层的每一个是环形的，每个环具有不同的尺寸。
更优选地，每个环围绕公共轴设置。
优选地，所述单元被布置成通过控制所述层的折射率校正光波阵面中的象差，从而向入射光信号提供预定的相位轮廓。
根据本发明的第二方面提供了一种包括如上所述的单元的光学设备。
优选地，所述光学设备是用于扫描光学记录载体的信息层的光学扫描设备，所述设备还包括用于生成辐射光束的辐射源和用于将辐射光束会聚到信息层上的物镜系统。
根据本发明的第三方面提供了一种操作光学设备的方法，所述光学设备包括如上所述的单元。所述方法包括控制可控可变折射率的所述层的至少一个的折射率，从而向入射光信号提供预定相位调制。
根据本发明的第四方面提供了一种制造光学设备的方法。所述方法包括提供可控可变折射率的第一层，其以第一预定配置在横切光轴的第一平面中延伸。所述方法还包括提供可控可变折射率的不同的第二层，其以第二预定配置在横切光轴的不同的第二平面中延伸，使得第二层与第一层重叠。
附图说明
为了更好地理解本发明，和为了显示如何实现相同的实施方式，现在将作为例子参考附图，其中：
图1显示了已知光学元件的平面图，包括一个截面的近视图；
图2显示了图1的元件的径向横截面；
图3显示了根据本发明的第一实施方式的可变折射率单元的径向横截面；
图4显示了图3的单元的平面图；
图5显示了可以由图3的单元提供以用于补偿球面象差的相位函数；和
图6显示了根据本发明的实施方式的光学扫描设备的示意图。
具体实施方式
图3显示了可变折射率单元140的横截面图。所述横截面图沿着单元的半径截取，其中ρ表示沿着半径距中心的距离。ρ的值是以微米为单位的。
图4显示了单元140的平面图。单元140的平面图看上去大体类似于图1中所示的现有技术元件40。单元140被布置成提供适合于球面象差校正的相位函数。因此，单元140是圆形对称的。在功能上，它被有效的分割成多个同轴环形区段142a-142k。每个区段能够为入射辐射光束提供不同的相移。该单元140与图1中所示的现有技术相比的重要区别在于，单元140在相邻区段之间不具有间隙43。
从图3可以看出，单元140由多个液晶层144a-144f形成。在该特定实施方式中，单元140由六个独立的液晶层形成。为了简化制造过程，每层基本上跨越单元140的全部面积而延伸，并且每层140a-140f具有均匀的厚度。此外，为了简化设计标准，每层具有基本相等的厚度，即层144a具有与层144b相同的厚度。层140a-140f平行，并且每层在基本垂直于单元140的光轴的平面中延伸。光轴平行于Z轴延伸穿过单元的径向中心(即穿过ρ＝0)。
在六个液晶层144a-144f中，除了一个(144f)以外的所有层都由各自的一对透明电极146a，146a’，...146e，146e’部分包围。
通过在一对电极上施加电压，可以改变夹在所述电极之间的液晶的取向。所以，通过控制在每对电极上施加的电压，可以可控地改变夹在所述电极之间的液晶的折射率。在该实施方式中所述电极是大致平面的，并且每个电极在基本平行于相关液晶层的平面中延伸，即电极146a，146a’平行于液晶层144a延伸。
在该实施方式中，每个电极是环形的，并且在指定对中的每个电极具有一致的配置，即形状和尺寸。当所述电极用于控制液晶的折射率时，每对电极与夹在所述电极之间的液晶一同起作用，从而有效地提供可控折射率的层，该层以预定配置在横切光轴的平面中延伸。在该特定实施方式中，所述平面垂直于光轴延伸，尽管应当理解术语横切也涵盖这样的情况，即其中所述平面以不平行于光轴的任意角度延伸。
电极对被布置成使得可控可变折射率的每个有效功能层与可控可变折射率的另一层重叠。例如，由包围液晶层144e的电极146e，146e’提供的功能层延伸到区段142b中，因此超出由在周边包围液晶层144d(其仅仅延伸直至并包括区段142c)的电极146d，146d’提供的功能层的端部。由于重叠的区域(即区段142b)具有相对薄的宽度(即10微米)，这允许单元140提供陡的相移轮廓，同时仍然使用相对宽的电极。
图3和4中所示的可变折射率单元140被布置成提供适合于补偿波阵面误差的相位函数，所述波阵面误差起因于盘面的覆盖层为90微米而不是100微米的标称值，即其它层比规格薄10微米。假设用于扫描光盘的辐射光束波长为λ0＝0.4微米。相位函数中的每个阶跃(相位中的变化)的值为0.37157弧度。表1指示了相位函数如何与每个功能区段(142a-142k)相关。每个径向区段的内半径由值ρINNER表示，并且外半径由ρOUTER表示，每个区段具有宽度Δρ，并且也表示出了由每个区段赋予的以弧度为单位的相移。
表1
  区段   ρINNER(μm)   ρOUTER(μm)   Δρ(μm)   相位(弧度)
  142k   0   117   117   -0.18578
  142j   117   169   52   -0.55735
  142I   169   211   42   -0.92892
  142h   211   251   40   -1.30049
  142g   251   293   42   -1.67205
  142f   293   432   139   -2.04362
  142e   432   453   21   -1.67205
  142d   453   469   16   -1.30049
  142c   469   481   12   -0.92892
  142b   481   491   10   -0.55735
  142a   491   500   9   -0.18578
图5根据表1示出了以弧度为单位的相移随着径向距离的变化。
从图3可以看出，在该实施方式中，可控可变折射率的环形功能层被布置成使得每个连续功能层具有比前一功能层更大的内半径和更大的外半径，并且每个功能层跨越预定数量(在该情况下为五个)的区段延伸。由单元140的区段提供的总相移是由所述区段内对准的每个功能层提供的相移之和。例如，在区段142j中，仅仅由覆盖一部分液晶层144a的电极146a，146a’提供的功能层出现在所述区段中，因此对所述区段的相位变化负责。相反，五个功能层的每一个均落入区段142f中，因此由透射通过区段142f的辐射光束经历的相移将是这些层提供的累积相移。
假设未限制在电极之间的液晶具有折射率n，则位于电极之间的液晶的折射率可以表示为n-|Δn|，其中Δn是由施加在电极之间的电压导致的绝对折射率差。每个相邻区段之间的折射率差Δn的绝对值由以下关系式确定：
其中dLC是每个液晶层的厚度，0.37157是每个区段之间的阶跃值(相移的变化)。例如，如果假设dLC大约为1微米，并且假设辐射光束的波长为λ0＝0.4微米，于是对于0.37157的相位阶跃，这给出了绝对折射率差Δn大约为0.0237。
从图3可以容易地看出，用于本发明的多层单元140中的电极比用于现有技术的单层形式的电极要宽得多。例如，从表1可以确定图3所示的实施方式中电极的宽度在198微米和315微米之间变化(与具有类似于所述区段的尺寸的现有技术设计中的电极相比，因此宽度从139微米向下变化到难以制造的9微米尺寸)。
功能层由透明材料，例如由玻璃层彼此分开。在以上实施方式中可以设想每个功能层之间的每个玻璃层的典型厚度大约为100微米。电极可以由任何透明材料制造，例如PEDOT(聚(3，4-乙二氧噻吩))。优选地，为了使透射通过单元的辐射光束的比例最大化，电极相对薄，例如厚度小于50纳米，更优选厚度小于15纳米。
应当理解的是以上实施方式仅仅作为例子被提供，并且各种备选实施方式对于技术人员来说是将显而易见的。例如，在以上实施方式中，可控可变折射率的每个功能层由将液晶层夹在中间的一对电极提供。每个这样的功能层当然可以由任何材料提供，其中可以结合控制机构可控地改变折射率以实现所述改变。此外，所述单元的特定配置已被描述成适合于校正球面象差。应当理解的是，其它配置将适合于提供其它功能，例如用于校正光波阵面中的彗发。此外，除了图3和4中所示的特定配置之外的其它配置实际上也可以用于校正球面象差。
根据本发明的实施方式的可变折射率单元可以用于各种应用和设备。图6显示了用于扫描光学记录载体2的设备1，包括物镜系统18。记录载体包括透明层3，在其一侧上布置了信息层4。背离透明层的信息层的该侧受到保护层5保护以免受环境影响。面对设备的透明层的该侧被称为进入面6。透明层3通过为信息层提供机械支撑而用作记录载体的衬底。
可选择地，透明层可以具有保护信息层的唯一功能，而机械支撑由信息层的另一侧上的层提供，例如由保护层5或由进一步的信息层和连接到信息层4的透明层提供。
信息可以以光学可检测标记的形式存储在记录载体的信息层4中，所述标记布置在基本平行的、同心的或螺旋形的轨道中，其未在图6中示出。所述标记可以采用任何光学可读形式，例如采用凹坑的形式，或者具有反射系数或磁化方向不同于它们的周围环境的区域的形式，或者这些形式的组合。
扫描设备1包括可以发出辐射光束12的辐射源11。辐射源可以是半导体激光器。光束分裂器13朝着准直透镜14反射发散的辐射光束12，所述准直透镜将发散光束12转换成准直光束15。准直光束15入射在物镜系统18上。
物镜系统18可以包括一个或多个透镜和/或光栅。物镜系统18具有光轴19。物镜系统18将光束17改变成会聚光束20，入射在记录载体2的进入面6上。物镜系统具有适于辐射光束通过透明层3的厚度穿行的球面象差校正。会聚光束20在信息层4上形成光斑21。由信息层4反射的辐射形成发散光束22，由物镜系统18转换成基本准直的光束23并且随后由准直透镜14转换成会聚光束24。光束分裂器13通过朝着检测系统25传送至少一部分会聚光束24而分离正向和反射的光束。检测系统俘获辐射并且将它转换成电输出信号26。信号处理器27将这些输出信号转换成各种其它信号。
所述信号之一是信息信号28，其值代表从信息层4读出的信息。信息信号由用于误差校正的信息处理单元29处理。来自信号处理器27的其它信号是聚焦误差信号和径向误差信号30。聚焦误差信号代表光斑21和信息层4之间的轴向高度差。径向误差信号代表在信息层4的平面中光斑21和光斑将要跟随的信息层中的轨道中心之间的距离。聚焦误差信号和径向误差信号30被馈送到伺服电路31中，其将这些信号转换成伺服控制信号32以用于分别控制聚焦致动器和径向致动器。所述致动器未在图6中示出。聚焦致动器控制物镜系统18在聚焦方向33上的位置，由此控制光斑21的实际位置，使得它基本上与信息层4的平面重合。径向致动器控制物镜18在径向方向34上的位置，由此控制光斑21的径向位置，使得它基本上与信息层4中将被跟随的轨道的中心线重合。图6中的轨道行进在垂直于图6的平面的方向上。
在该特定实施方式中的图6的设备也适于扫描第二种类型的记录载体，该记录载体具有比记录载体2更厚的透明层。所述设备可以使用辐射光束12或具有用于扫描第二种类型的记录载体的不同波长的辐射光束。该辐射光束的NA可以适合所述类型的记录载体。物镜系统的球面象差补偿必须相应地被适应。
例如，在双层DVR(数字视频记录)光盘中，两个信息层具有0.1mm和0.08mm的深度；它们因此典型地被分开0.02mm。当从一层到另一层重新聚焦时，由于信息层深度的差异，产生一些200mλ的不希望的球面象差，其需要进行补偿。这可以通过将预定量的球面象差引入到物镜系统18中，使得球面象差抵消而得以实现。
在本发明的一个实施方式中，通过使用根据本发明的实施方式的可变折射率单元140，通过改变入射到物镜系统18上的光束15的相位将球面象差引入到物镜系统18中。这样的可变折射率单元140可以作为额外的设备结合在光束15的光程内，或者可以形成透镜14的一部分。通过改变单元内的所述层的折射率，可以改变跨越光束15的相位分布，从而引入期望的球面象差。
通过将合适的控制信号(或多个控制信号)施加到可变折射率单元140来引发期望的球面象差。例如，如果可变折射率单元140利用夹在各个电极之间的液晶层，那么将从电压源提供合适的电压信号以按照需要改变每层内的折射率，从而提供期望的总球面象差。
通过提供利用可控可变折射率的重叠层的可变折射率单元，能够提供这样的单元，其中在小面积上发生折射率变化，而不需要具有可变折射率的单独的相应的小面积层。

Claims (13)

1.一种可变折射率单元(140)包括：
-光轴；
-可控可变折射率的第一层(144a，146a，146a’)，以第一预定配置在横切光轴的第一平面中延伸；和
-可控可变折射率的不同的第二层(144b，146b，146b’)，以第二预定配置在横切光轴的不同的第二平面中延伸；
其中第二层(144b，146b，146b’)与第一层(144a，146a，146a’)重叠。
2.如权利要求1所述的单元，还至少包括可控可变折射率的第三层(144c，146c，146c’)，以第三预定配置在横切光轴的第三平面中延伸，该第三层(144c，146c，146c’)与第一层(144a，146a，146a’)和第二层(144b，146b，146b’)两者重叠。
3.如权利要求1或2所述的单元，其中可控可变折射率的每一层(144a-144e，146a-146e，146a’-146e’)包括具有可变折射率的材料层(144a-144e)，所述材料层(144a-144e)的每一个具有均匀的厚度。
4.如上述任一权利要求所述的单元，其中可控可变折射率的所述层(144a-144e，146a-146e，146a’-146e’)的每一个包括夹在两个透明电极(146a-146e，146a’-146e’)之间的液晶层(144a-144e)，所述电极用于控制液晶层(144a-144e)的折射率，
所述单元还包括用于控制施加到每个电极的电压的控制单元。
5.如权利要求4所述的单元，其中所述电极(146a-146e，146a’-146e’)仅仅将一部分所述液晶层(144a-144e)夹在中间。
6.如上述任一权利要求所述的单元，其中所述层(144a-144e，146a-146e，146a’-146e’)的每一个是平行的。
7.如上述任一权利要求所述的单元，其中所述层(144a-144e，146a-146e，146a’-146e’)的每一个是环形的，每个环具有不同的尺寸。
8.如权利要求7所述的单元，其中每个环围绕公共轴设置。
9.如上述任一权利要求所述的单元，其中所述单元被布置成通过控制所述层(144a-144e，146a-146e，146a’-146e’)的折射率来校正光学波阵面中的象差，从而向入射的光学信号提供预定相位轮廓。
10.一种光学设备(1)，包括如权利要求1所述的单元(140)。
11.如权利要求10所述的光学设备(1)，其中所述光学设备(1)是用于扫描光学记录载体(2)的信息层(4)的光学扫描设备，所述设备(1)还包括用于生成辐射光束(12)的辐射源(11)和用于将辐射光束(12)会聚到信息层(4)上的物镜系统(18)。
12.一种操作光学设备(1)的方法，所述光学设备(1)包括如权利要求1所述的单元(140)，所述方法包括：
-控制可控可变折射率的所述层(144a-144e，146a-146e，146a’-146e’)的至少其中一个的折射率，从而向入射光学信号提供预定的相位调制。
13.一种制造光学设备(1)的方法，所述方法包括：
-提供可控可变折射率的第一层(144a，146a，146a’)，其以第一预定配置在横切光轴的第一平面中延伸；和
-提供可控可变折射率的不同的第二层(144b，146b，146b’)，其以第二预定配置在横切光轴的不同的第二平面中延伸，使得第二层与第一层重叠。
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