KR20070003965A - 복굴절 광학계 - Google Patents

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KR20070003965A
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베르나르두스 에이치. 더블유. 헨드릭스
코엔 티. 에이치. 에프. 리에덴바움
쇼에르트 스탈링아
스테인 쿠이페
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코닌클리케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

본 발명은 유체 챔버(1)와 복굴절부로 이루어진 광학계에 관한 것이다. 상기 유체 챔버는, 서로 다른 굴절률을 갖는 제 1 및 제 2 유체(10,12)를 포함하고, 상기 유체 사이의 경계는 메니스커스(14)를 형성한다. 복굴절부는, 서로 다른 편광을 갖는 제 1 방사빔(3b) 및 제 2 방사빔(3c)의 특성을 변화 가능하다. 상기 메니스커스의 구성의 변동에 의해 제 1 방사빔 및 제 2 방사빔의 특성에 있어서 변동이 생긴다. 상기 메니스커스의 구성의 변동은, 전기습윤에 의해 제어되어도 된다.
광학계, 유체 챔버, 복굴절부, 메니스커스, 굴절률

Description

복굴절 광학계{BIREFRINGENT OPTICAL SYSTEM}
본 발명은 복굴절 부재를 포함하는 광학계에 관한 것이다. 특히, 본 발명은, 광 데이터 매체용 광학주사장치, 편광 빔 스플리터 및 현미경 등의 광학계에서 사용하기 위한 복굴절 부재에 관한 것이다.
응용 광학에서는 복굴절 재료가 널리 사용되고 있다. 복굴절 재료는, 광학 이방성으로 인해 2개의 서로 다른 굴절률을 나타낸다. 광학적 이방성 재료는, 광학특성이 모든 방향으로 동일하지 않은 재료이다. 이러한 이방성으로 인해, 복굴절 매체로 향하는 방사빔은, 굴절각이 서로 다른 2개의 빔으로 분할된다. 복굴절 재료에 입사되는 편광 상태가 서로 다를 때 2개의 부분으로 이루어진 방사빔은, 그 빔의 일부분이 정상 굴절률에 따라 굴절되고 그 빔의 나머지 부분이 이상 굴절률에 따라 굴절되게 분할된다.
월라스톤(Wollaston) 프리즘은, 복굴절 재료를 이용하는 광학장치의 일례이다. 월라스톤 프리즘은, 비복굴절부와 복굴절부로 이루어진 편광 빔 분할 프리즘이다. 프리즘을 통해 빛나는 방사빔은, 상기 부분 사이의 경계에서 직각으로 편광된 2개의 광선으로 분리된다. 월라스톤 프리즘은, 현미경, 이를테면, 상기 직각 편광된 광선을 사용하여 3차원 샘플의 2개의 서로 다른 영역을 주사하는 노마스키(Nomarski) 현미경에서 사용된다. 그러나, 월라스톤 프리즘의 특성은 가변적이지 않다.
출력 광선의 방향과 각도를 변경하도록 예를 들면, 현미경 샘플에 포커싱을 하도록 렌즈의 특성을 변경하는 것이 종종 바람직하다. 액정 렌즈는, 다중층 광 저장 매체('DVD pick-up system reads two layers simultaneously'-Optics and Lasers Europe, September 2000)를 주사하기 위한 광학주사장치에서 사용되었다. 액정은, 자유롭게 유동 가능하지만, 상호 작용하여 결정체의 방식으로 큰 크기 순으로 형성 및 유지할 수 있는 긴 분자로 이루어진다. 네마틱 액정은, 실질적으로 평행하게 놓인 분자로 이루어진다. 그 분자가 실질적으로 평행하도록 배향되는 경우, 상기 액정은, 광학적으로 이방성이므로, 복굴절성이다. 그 평행한 액정의 방위의 방향은, 상기 분자를 배향하는 정렬층을 설치하고 전압을 인가함으로써 제어될 수 있다. 전압을 인가하면, 상기 분자는 회전하여 자계와 정렬된다.
구성물 분자의 네마틱 방위를 전압을 인가하여 변경함으로써 광학 목적을 위한 액정 렌즈의 특성을 제어하는 것은, 그 결정체가 전압에 따라 정렬하는데 약간의 시간이 걸리기 때문에 항상 이상적인 것은 아니다. 정렬하는데 걸린 시간은, 예를 들면 광학매체를 실시간으로 주사하면서 렌즈의 형상을 변경하기 위해 아주 지연되어도 된다.
(발명의 요약)
본 발명의 일 국면에서는, 제 1 유체를 포함한 유체 챔버를 구비하고, 서로 다른 편광을 갖는 제 1 방사빔 및 제 2 방사빔의 특성을 변화 가능한 복굴절부를 구비한 광학계가,
- 상기 유체 챔버는, 제 2 유체 챔버를 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 유체는 굴절률이 서로 다르고, 그 유체 사이의 경계는 메니스커스를 형성하고,
- 상기 복굴절부는, 메니스커스의 구성의 변동에 의해 제 1 방사빔 및 제 2 방사빔의 특성에 있어서 변동이 생기도록 배치된 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 2개의 유체 사이의 메니스커스를 이동하여 빠르게 변경될 수 있는 특성을 갖는 복굴절 광학소자를 제공한다. 그 유체 사이의 메니스커스는, 높은 정확도로 거의 순식간에 이동될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예는, 특히 광학 매체의 급속 적응형 주사와, 현미경 샘플에의 고속 포커싱을 하는데 적합한 광학소자를 제공한다.
유체란, 그 형상이 힘에 따라 변경하는 물질이고, 그 용기의 형상에 맞추어지게 된다. 유체는, 액체, 기체, 및 고체와 액체의 혼합물, 유동 가능한 고체와 기체를 포함한다.
상기 메니스커스의 구성은, 그 크기, 형상, 그 유체에 대한 챔버의 위치 및 곡률(예: 볼록 또는 오목인지의 여부)의 정도를 포함한다. 메니스커스의 구성의 변동은, 이들 특성 중 하나 또는 모두의 변화를 포함하여도 된다.
바람직한 실시예에서, 상기 유체 챔버는, 유체 접촉층에 의해 상기 유체로부 터 이격된 제 1 전극과, 상기 유체 중 하나와 도전적으로 통하는 접촉전극으로 이루어진다. 본 실시예에서, 상기 유체 접촉층은, 상기 전극간의 전압에 따라 변하는 상기 유체 중 하나에 의해 습윤성을 가져, 상기 메니스커스의 구성은 상기 전압에 따라 변한다. 그러므로, 메니스커스의 구성은, 전극에 의해 인가된 전압을 제어하여서 급속하고 정확하게 제어될 수 있다.
일 구성에서, 제 1 유체는 복굴절부로 이루어진다. 본 구성에서, 제 1 유체는 액정 분자로 이루어져도 되고, 상기 유체 챔버는 액정 분자를 정렬하는 정렬층을 포함한다. 그 정렬층은, 유체 챔버에서 메니스커스에 반대로 배치되어, 액정 분자의 장축의 네마틱 방위를 제어함으로써 액정 분자의 복굴절 특성을 제어하여도 된다. 그 정렬층을 상기 메니스커스에 반대로 놓음으로써, 상기 정렬층은, 입력 방사빔의 평면에 대해 분자를 정렬하여 그 빔을 굴절시킨다.
제 1 유체가 복굴절부로 이루어지고, 유체 챔버가 복수의 서로 다른 메니스커스 구성을 생성하도록 배치되는 경우, 상기 메니스커스는 상기 제 1 유체와 제 2 유체 사이에 실질적으로 평면 경계를 형성한다. 평면 메니스커스는, 빔이 입사되는 메니스커스의 포인트에 상관없이 입사 방사빔에 대한 일정한 굴절각을 나타낼 것이다. 그에 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 광학계는, 가변 특성을 갖는 월라스톤 프리즘을 설치하여, 가변성이 빠르고 아주 정확한 이점을 갖는다. 이와는 달리, 메니스커스는, 제 1 및 제 2 유체 사이에 만곡된 경계를 형성하기도 한다. 특히, 광학계는, 가변 복굴절 렌즈의 형태이어도 된다. 일 실시예에서는, 본 발명에 따른 광학계를 사용하여 광 데이터 저장매체의 서로 다른 층을 주사하여도 된다. 상기 메니스커스는 하나 또는 2개의 축으로 만곡되어도 된다.
액정분자의 배향에 관한 정렬층의 효과는, 그 층에 대한 각 분자의 근접에 비례한다. 따라서, 상기 정렬층으로부터 더 멀리 떨어진 분자는, 적절하게 정렬될 가능성이 보다 적어서, 전체적으로 액정의 광학특성이 이질성이 된다. 그러므로, 두꺼운 복굴절층이 필요한 경우나, 복굴절 유체의 굴절특성이 불충분하거나 부적합한 경우, 복굴절부는 고체재료로 형성된다. 고체 복굴절부는, 광학계가 그 유체 챔버 내에 그 광학계의 하나의 이상의 부재 사이에서 높은 경계각 또는 큰 곡률을 제공하도록 배치되는 응용에 있어서 적합하기도 하다.
복굴절부가 고체 재료로 형성되고, 복굴절부가 실질적으로 평면인 굴절표면을 갖고, 유체 챔버가 복수의 서로 다른 메니스커스 구성을 생성하도록 구성되는 경우, 상기 메니스커스는 제 1 유체와 제 2 유체 사이에 실질적으로 평면 경계를 형성하여도 된다. 이와는 달리, 복굴절부가 만곡된 굴절 표면을 갖는 경우, 메니스커스는 제 1 유체와 제 2 유체 사이에 만곡된 경계를 형성하여도 된다. 따라서, 빔의 빠르고 정확한 굴절에 의한 메니스커스의 이점은, 고체 복굴절 재료의 광학특성과 결합하여 제공된다.
본 발명의 일 실시예는, 상술한 것과 같은 광학계를 구비하는, 광 기록매체를 주사하는 광학주사장치의 형태를 취한다. 본 실시예에서, 메니스커스는, 광 기록매체에서 서로 다른 정보 데이터 저장층 깊이의 주사시에 일어나는 변동을 정정가능하도록 구성된다. 광 데이터 저장매체는, 제조 오류가 생겨서 정보 저장층의 상대적 깊이가 변동하게 되어, 그 주사처리는 광학적인 수차가 생길 수도 있다. DVD(디지털 다기능 디스크)에서 데이터 저장층의 깊이의 전형적인 제조 변동값은 5㎛이다. 본 발명은 상기 변동값을 주사빔(들)을 데이터 저장층에 정확히 포커싱하도록 메니스커스의 구성을 빠르게 조정하여 정정할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예는, 상술한 것과 같은 광학계를 구비한 광학 현미경 장치이다. 광학 현미경 장치에 있어서, 광학계는, 대물렌즈를 거쳐서 3차원 샘플에 제 1 및 제 2 방사빔을 포커싱하여 출력 화상을 생성하도록 구성되고, 이때의 광학계는 출력 화상의 콘트라스트를 변화시키도록 메니스커스의 구성을 변화시킨다. 본 발명에 의해 메니스커스 구성을 조정하여서 콘트라스트를 최적화할 수 있어서, 현미경 화질을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징 및 이점은, 첨부도면을 참조한 예시로만 나타낸 이하의 본 발명의 바람직한 실시예로부터 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예를 측면도로 나타내고,
도 2는 여기에 도시된 점선을 가로질러 도시한 도 1에 도시된 실시예의 단면도,
도 3은 메니스커스가 서로 다른 원하는 구성으로 변경된 경우의 도 1의 실시예를 나타내고,
도 4a 및 4b는 만곡된 메니스커스를 갖는 본 발명의 제 2 실시예를 나타내고,
도 5는 고체 복굴절부를 구비한 본 발명의 제 3 실시예를 나타내고,
도 6은 도 5에 도시된 것처럼 본 발명의 실시예를 포함한 가변 편광 빔 스플리터를 나타내고,
도 7은 고체 복굴절부를 구비한 본 발명의 제 4 실시예를 나타내고,
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 광학계를 포함하는 광 기록매체를 주사하기 위한 광학주사장치를 나타내고,
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 광학계를 포함한 광학 현미경 장치를 나타낸다.
(발명의 구성)
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 광학계를 측면도로 나타낸 것이다. 유체 챔버(1)는, 4개의 측벽을 갖고, 그 중의 2개 측벽(2,4)이 도시되어 있다. 상기 유체 챔버(1)는, 입출력 방사빔의 입사 및 출사를 허용하도록 투과적인 단부 벽(7,8)을 더 구비한다. 유체 챔버(1)는, 혼화불가능하고, 평면인 메니스커스(14)에 의해 분리된 제 1 및 제 2 유체(10,12)를 둘러싼다. 상기 단부 벽(8)은, 제 2 유체(12)와 접촉하는 정렬층(6)을 구비한다. 제 1 및 제 2 측벽 전극(15,16)은, 측벽(2,4) 내에 내장된다. 제 1 및 제 2 측벽전극(15,16)은, 절연층(17,19) 및 유체 접촉층(18,11) 각각에 의해 제 1 및 제 2 유체(10,12)로부터 분리된다. 접촉전극(20)은, 제 2 유체(12)와 직접 접촉하여, 상기 챔버의 일단에 배치된 환상 전극이다. 이와는 달리, 상기 전극(20)은, 제 2 유체(12)에 용량 결합되어도 된다. 접촉전극(20)의 중앙부는, 제 2 유체(12)가 정렬층(6)과 도전적으로 통하도록 개구를 구비한다. 입력 광선(3a)으로 나타낸 입력 빔은 유체 챔버에 입사되고, 굴절되어 유체 챔버(1)에 출력 광선(3b, 3c)으로 나타낸 제 1 및 제 2 출력 방사빔으로서 남는다.
접촉전극(20)은, 전압 V0을 생성한다. 제 1 및 제 2 측벽 전극(15,16)은, 전압 V1 및 V2를 각각 생성한다.
상기 제 1 유체(10)는, 제 2 유체(12)와 혼화 불가능하다. 이러한 실시예에서, 제 1 유체(10)는, 실리콘 오일 또는 알칸 등의 전기 절연성 액체이다. 제 1 및 제 2 유체(10,12)의 밀도는 동일하게 구성되는 것이 바람직하여, 광학계는 중력에 상관없이 임의의 방위로 기능한다. 제 1 유체(10)의 밀도는, 분자 구성물의 적절한 선택과, 제 1 유체(10) 및/또는 제 2 유체(12)에의 분자 구성물 첨가에 의해 제 2 유체(12)의 밀도와 동일하도록 구성되어도 된다.
제 2 유체(12)는, 액정 분자로 이루어지고 복굴절성이다. 액정 분자는 정렬층(6)에 의해 정렬된다. 정렬층(6)은, 인듐 주석 산화물로 이루어진 박층으로 코팅된 유리의 층이다. 제 2 유체(12)와 접촉하고 있는 정렬층(6)의 표면에는, 상기 인듐 주석 산화물에 찍히거나 마찰된 (미도시된) 미세홈이 형성된다. 상기 미세홈은, 평행한 리지의 형판을 형성함으로써 제 2 유체(12)에서의 액정 분자를 정렬하도록 작동한다. 상기 미세홈은 제 2 유체(12)의 원하는 광학특성에 따라 정렬층(6)을 가로질러 임의의 방향으로 배향되어도 된다.
정렬층(6)의 미세홈은, 액정 분자의 장축에 배향되어서, 상기 광학계의 복굴 절(광학)축의 방향을 정의한다. 미세홈의 축에 평행하게 선형적으로 편광된 방사선은, 제 2 유체(12)를 횡단할 때 이상 굴절률에 따라 굴절된다. 이와 대조하여, 상기 미세홈의 축에 대해 90도로 선형 편광된 광선은, 정상 굴절률에 따라 굴절된다.
제 1 및 제 2 전극(15,16)은, 금속재료로 형성되고, 예를 들면 파릴렌으로 형성된 절연층(17,19)으로 코팅된다. 이 절연층의 두께는, 50nm∼100㎛이다. 상기 절연층(17,19)은, 유체 접촉층(11,18)에 의해 제 1 및 제 2 유체(10,12)로부터 분리되어, 광학계의 측벽(2,4)으로 메니스커스의 접촉각 x1,x2의 히스테리시스를 감소시킨다.
유체 접촉층(11,18)은, 두께가 5nm∼50㎛이고, 듀퐁사 제조 TeflonTMAF1600 등의 비정질 플루오로카본으로 형성되는 것이 바람직하다. 상기 AF1600 코팅은, 딥 코팅으로 제조되어도 된다. 상기 절연층(17,19)을 형성하는 파릴렌 코팅물은, 화학기상증착에 의해 도포되어도 된다. 유체 접촉층과 절연층, 이를테면 수 마이크로미터 두께의 AF1600층으로서의 역할을 하는 단일층을 사용하는 것도 가능하다.
제 1 및 제 2 유체(10,12)는, 서로에 대해 혼화 불가능하여서, 메니스커스(14)에 의해 분리된 2개의 유체 몸체로 분리된다. 제 1 및 제 2 측벽전극(15,16)과 접촉전극(20)간에 전압이 없을 때, 유체 접촉층(18)의 습윤성은, 제 1 유체(10)에 대해 제 2 유체(12)보다 높다. 전기습윤으로 인해, 제 2 유체(12)에 의한 유체 접촉층(18)의 습윤성은, 제 1 및 제 2 측벽 전극(15,16)과 접촉 전극(20)에 의한 전압의 인가에 따라 변하여, 3 상 라인(유체 접촉층(18), 제 1 유체(10) 및 제 2 유체(12)의 라인)과 메니스커스의 접촉각 x1, x2를 변화시킨다. 이와 같이 하여, 메니스커스의 구성은, 전극에 의해 인가된 전압에 따라 가변적이다.
도 2는 여기에 도시된 점선을 가로질러 도시된 도 1에 도시된 실시예의 단면도이다. 상기 측벽(2,3,4,5) 모두가 도시되어 있다. 상기 측벽(2,3,4,5)은, 유체 챔버(1)의 광축 둘레의 정사각형 외곽선을 형성한다. 상기 측벽(3)은, 절연층(24)으로 둘러싸인 제 3 측벽전극(22)을 구비하고, 이에 대한 대향 측벽(5)은 절연층(28)으로 둘러싸인 제 4 측벽전극(26)을 구비한다. 여기서 알 수 있는 것은, 유체 접촉층(11,18)이 측벽 모두의 둘레에 연속층을 형성한다는 것이다. 제 3 측벽전극(22)은, 전압 V3을 생성하고, 제 4 측벽전극(26)은 전압 V4를 생성한다. 각 측벽전극의 전압은, (미도시된) 전압제어 시스템에 의해 개별적으로 제어된다. 도 1을 참조하여 알 수 있듯이, 제 1 조합의 전압을 상기 전극 사이에 인가하면, 메니스커스(14)는 원하는 제 1 메니스커스 구성을 채택한다. 전압 V0,V1 및 V2의 조합은, 제 2 유체(12)의 습윤성이 측벽 2에 대해 측벽 4에 대해서보다 크도록 배치되어, 각진 평면 메니스커스를 형성한다. V3 및 V4를 동일하게 제어하여 각각의 측벽(3,5)에서 90도의 메니스커스 접촉각을 이루게 한다. 상기 접촉각 x1,x2는, 전압 V1 및 V2에 의해, 상기 메니스커스가 확실히 평면이도록 동일하게 제어된다. 이러한 제 1 구성에서, 메니스커스(14)와 유체 접촉층(18)간의 접촉각 x1, x2는, 예를 들면, 약 120도이다.
도 3은 원하는 서로 다른 구성으로 메니스커스를 변경한 도 1의 실시예를 나타낸다. 제 2 조합의 전압 V0,V1,V2,V3 및 V4를 전극간에 인가하여, 양쪽 측벽(2,4)에 대해 제 2 유체의 습윤성이 동일하다. 이 경우에, 전압 V3과 V4의 크기는 동일하다. 상기 메니스커스는, 제 1 메니스커스 구성에 대해 각도가 감소된 메니스커스 구성을 채택한다. 이러한 제 2 구성에서, 접촉각 x1,x2는 약 90도이어서, 입력 광선(3a)으로 나타낸 입력 빔은 메니스커스와 직각으로 충돌하여 출력 광선(3b,3c)으로 나타낸 출력 빔 구성요소 중 어느 한쪽에 대해 굴절이 일어나지 않는다.
그러므로, 여기서 알 수 있는 것은, 제 1 및 제 2 출력 광선(3b, 3c)의 굴절각과 각도 분리각은 전극간에 인가된 전압에 의해 매우 정밀하게 제어되고 빠르게 변경될 수 있다는 것이다.
도 4a 및 도 4b는 만곡된 메니스커스 구성을 제공하는 본 발명의 실시예를 도시한다. 도 1, 2 및 3에 대해 설명된 것과 유사한 구성요소는 100씩 증가된 도 4a 및 도 4b에 제공되어 있고, 여기서는 이전의 설명을 적용한다. 종전대로, 제 1 유체(110)는, 정렬층(106)에 의해 정렬된 액정 분자를 포함하는 제 2 유체(112)와 혼화 불가능하다. 만곡된 회전 대칭형 메니스커스는, 유체 챔버에 바람직하게는 원통형인 단일 측벽 전극(115)을 설치하여 형성되고, 절연층(117)으로 코팅된다. 마찬가지로, 상기 유체 접촉층(111,118)은, 바람직하게는 원통형이다. 측벽 전극(115)의 전압 V1은 모든 측면에서 동일하고, 광학계 내의 유체(10,12)가 작용하여 가변 오목 또는 볼록 메니스커스를 형성한다. 단일 빔(103a)이 입력되는 경우, 제 1 및 제 2 유체 110과 112 사이의 메니스커스(114)의 형상과 제 2 유체(112)의 복굴절로 2개의 빔이 출력되어, 광학계의 광축 OA를 따라 서로 다른 포인트(103b, 103c)에 포커싱된다.
도 4a에서, 제 1 조합의 전압 V0, V1은 전극 사이에 인가되고, 메니스커스(114)는 제 2 유체(112)에 대해 오목한 제 1 메니스커스 구성을 채택한다. 도 1, 2 및 3을 참조하여 설명된 실시예에서는, 전극에 의해 인가된 조합 전압의 선택에 의해 제 1 메니스커스 구성의 형상과 각도를 결정한다. 본 실시예에서, 메니스커스(114)와 유체 접촉층(118)간의 접촉각 x1,x2는 항상 동일하다. 도 4에 도시된 구성에서, 접촉각은 예를 들면, 150도이다.
제 2 조합의 전압을 상기 전극 사이에 인가하면, 도 4b에 도시된 것처럼, 측벽에 대한 메니스커스의 각도는 감소된다. 이 메니스커스는 오목도가 감소된 제 2 메니스커스 구성을 채택한다. 이러한 제 2 구성에서, 메니스커스(114)와 유체 접촉층(118)간의 접촉각 x1,x2는, 예를 들면 약 100도이다.
여기서 알 수 있는 것은, 제 1 및 제 2 출력 광선의 초점(103b,103c)이 메니스커스의 형상의 변화로 인해, 그 메니스커스의 구성이 변경됨에 따라 변한다는 것이다. 상기 메니스커스 구성은, 전극 사이에 인가된 전압에 의해 매우 정밀하게 제어될 수 있어서, 출력 광선의 초점에 대해 가변하는 복굴절 렌즈를 구비한다.
도 5는 고체 복굴절부를 갖는 본 발명의 제 3 실시예를 나타낸다. 도 1, 2 및 3에 관련하여 설명된 것들과 유사한 구성요소는, 도 5에서 200씩 증가되게 구성되고, 여기서는 이전의 설명을 적용한다. 종전대로, 제 1 및 제 2 유체(210,212)는 서로에 대해 혼화 불가능하다; 그러나, 본 실시예에서 제 2 유체(212)는, 복굴절성이 아니다. 유체 챔버(201)는, 고체 복굴절부(250)를 포함한다. 고체 복굴절부는, 방해석 등의 임의의 광학적 이방성 고체로 제조되어도 된다. 유체(212)는, 물 또는 염용액 등의 전기적 도전성 액체이다. 환상 접촉전극(220)의 프로파일은, 고체 복굴절부(250)의 각진 경계를 제 2 유체(212)와 맞추도록 구성된다.
평면 메니스커스(214)의 각도의 변경은, 입력 광선(203a)으로 나타낸 입력 빔의 고체 복굴절부(250) 상의 입사각을 변경한다. 메니스커스의 접촉각 x1, x2는 전극간에 인가된 전압에 의해 조정되어, 도 1을 참조하여 상술한 것처럼, 유체(212)와 고체 복굴절부(250) 사이의 경계에 입사 광선(203a)의 입사각을 제어한다.
이에 따라, 본 발명의 실시예는, 도 6에 도시된 것처럼, 가변 편광 빔 스플리터를 제공할 수 있다. 도 5의 정수들과 유사한 정수들은 도 6에 도시되어 있고, 여기서는 이전의 설명을 사용하여 행한다. 메니스커스(214)의 구성을 변화시킴으로써, 광선(203b)으로 나타낸 제 1 출력 빔이 선택적으로, 전체적으로 내부적으로 반사되거나 또는 유체(212)와 고체 복굴절부(250) 사이의 경계에서 굴절되도록, 고체 복굴절부(250)에 의해 입사각을 변화시키는 것이 가능하다. 전체적인 내부 반사일 경우에, 출력 광선(230b)은, 유체(212)로 다시 반사되고 출력 창(213)을 통과한다. 나머지 성분(광선(203c))은, 고체 복굴절부(250)를 통과하고 단부 벽(208)을 거쳐 유체 챔버(201) 바깥으로 간다. 입력 광선(203a)의 입사각은, 메니스커스(114)의 구성을 변경하여 조정되어, 전체적으로 내부적으로 0,1 또는 2개의 서로 다른 편광 상태를 반사하여도 된다. 따라서, 전체적으로 내부적으로 반사되지 않은 편광상태에서 입사 광선의 성분만이 유체 챔버를 통과하여 상기 단부 벽(208)으로부터 나가 는 것이 허용된다.
그러나, 여기서 알 것은, 상기 광학계가 내부 반사가 없도록 배치되어도 되고, 상기 실시예가 가변 편광 빔 스플리터로서 사용되는데 제한되지 않는다는 것이다.
도 7은 고체 복굴절부를 포함하는 본 발명의 제 4 실시예를 나타낸 것으로, 여기서 광학계는, 메니스커스가 만곡되도록 구성되고, 상기 고체 복굴절부와 유체 사이의 경계도 만곡되도록 배치된다. 도 4a 및 4b의 정수들과 유사한 정수들이 도시되어 있고, 여기서는 이전의 설명을 사용하여 행한다. 원통형 메니스커스는, 도 4a 및 도 4b를 참조하여 설명된 것처럼 단일 전극을 갖는 원통형 배치에 의해 제공된다. 입력 빔(103a)은, 제 1 및 제 2 유체(110,112)에 의해 굴절되고, 고체 복굴절부(150)와 제 2 유체(112) 사이의 경계에서 더욱 굴절되어, 광축 OA를 따라 2개의 서로 다른 포인트(103b, 103c)에 포커싱된다. 이 포커스의 포인트는, 이전에 설명된 것처럼, 메니스커스 구성을 변경하여 제어될 수 있다. 이러한 다른 구성은, 고체 복굴절부의 광학특성을 필요로 하고, 만곡된 메니스커스와 고체/액체 경계면이 예를 들어, 광 데이터 저장매체의 데이터 저장층을 판독하는 것이 필요한, 응용에 있어서 적절하다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 광학계를 구비한 광 기록매체를 주사하는 광학주사장치를 도시한 것이다. 도 4a 및 도 4b를 참조하여 설명된 본 발명의 실시예는, 도시된 주사장치에 포함된다. 방사원(300)은, 시준렌즈(304)를 통해 주사빔(302)을 보낸다. 이 시준된 주사빔(306)은, 도 4a 및 도 4b를 참조하여 설명 된 것처럼, 빔 스플리터(308)를 통과해, 유체 챔버(101)에 전송된다. 상기 시준된 주사빔은, 상기 유체 챔버(101)를 통과하여, 그 유체(112)의 복굴절에 기인하여, 2개의 서로 다른 굴절률에 의해 2개의 굴절된 주사빔으로 분할된다. 상기 2개의 굴절된 주사빔은, 본 예시에서는 광 디스크인 광 데이터 매체(316)의 2개의 데이터 저장층(318,320)에 포커싱된다. 이중층 블루레이TM 디스크일 경우에, 상기 2개의 데이터 저장층의 깊이는, 0.1mm와 0.07mm이어서, 0.03mm만큼 이격되어 있다. 이 주사빔은, 그 2개의 데이터 저장층(318, 320)으로부터 다시 반사되어 빔 스플리터(308)로 가고, 이 빔은 시준기(322)를 거쳐 검출계(324)에 전송되고, 이때 검출계에서는 상기 2개의 데이터 저장층(318,320)에서의 반사를 거친 빔에 있는 인코딩된 데이터를 디코딩한다.
2개의 데이터 저장층 상의 주사빔의 포커스는, 광학계의 메니스커스(114)의 구성을 제어함으로써 조정된다. 광 기록매체(316)의 구조, 위치지정 또는 이동에 있어서의 변동으로, 데이터 저장층이 주사빔의 초점으로부터 이동되게 한다. 상기 메니스커스(114)의 구성을 변경함으로써, 주사빔은 양쪽의 데이터 저장층을 동시에 매우 정확하고 빠르게 재포커싱되어, 중단되지 않고 데이터를 판독되게 한다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 광학계를 포함한 광학 현미경 장치를 나타낸 것이다. 도 1, 2 및 3을 참조하여 설명한 것처럼, 본 발명의 실시예에 따른 광학장치는, 종래의 월라스톤 프리즘 대신에 노마스키 현미경에 내장된다. 노마스키 현미경 방법은, 샘플의 3차원 릴리프 구조를 나타낸 칼라 윤곽 맵을 생성하는 편광 형 광학 현미경 방법의 일 형태이다.
광원(400)은, 렌즈(408)를 거쳐 포커싱되고 편광기(404)에 의해 선형으로 편광된 방사빔을 방출한다. 이 방사빔은, 도 1, 2 및 3을 참조하여 설명된 것처럼, 빔 스플리터(406)에 의해 분할되어 광학계(1)를 통해 전송된다. 이 빔은, 제 2 유체(12)의 복굴절에 의해 그 빔의 2개의 편광성분으로 분할되어 대물렌즈(408)를 거쳐 샘플(410) 상에 전송된다. 광학계(1)는, 대물렌즈(408)를 거쳐 상기 샘플 상에 2개의 변위된 직각 편광된 초점을 생성한다. 상기 샘플로부터 반사된 방사빔은, 대물렌즈(408), 광학계(1) 및 빔 스플리터(406)를 거쳐 되돌아와, 상대적으로 위상 이동된 편광을 갖는 상기 방사빔의 2개의 성분을 가진채 분석기(412)에 도달한다. 상기 분석기(414)를 통과하는 광은, 관측 평면(416)에 결상된다.
종래의 복굴절 프리즘 대신에 본 발명의 실시예에 따른 광학계를 제공함으로써, 대물렌즈를 거쳐 샘플 상에 광선의 2개의 프로브 포인트의 포커스는, 샘플의 위치를 물리적으로 이동할 필요 없이 또는, 어떠한 다른 현미경의 구성요소 없이도, 화상의 최적의 콘트라스트를 조정 및 조율하여도 된다. 메니스커스의 구성은, 그 화상의 콘트라스트를 최적화하도록 매우 빠르고 정확하게 변경되어도 된다.
사용자로부터의 신호에 의거하여 최적의 화상 콘트라스트를 결정하기 위해 상기 메니스커스를 조정하여도 된다. 이와는 달리, 콘트라스트를 위해 메니스커스 조정을, 화상 분석수단으로 이루어진 (미도시된) 전자제어회로에 의해 행해도 된다. 상기 화상 분석수단은, 샘플의 화상을 분석하고, 상기 제어회로는 그 분석에 따라 상기 광학계의 전극간의 전압을 제어하여서 상기 메니스커스 구성을 조정한다.
상기 실시예들은, 본 발명의 예시적인 예로서 이해되어야 할 것이다. 본 발명의 또 다른 실시예를 생각할 수 있다. 예를 들면, 메니스커스의 구성은, 전기습윤 이외의 수단에 의해 제어되어도 된다; 예를 들면, 일련의 유체 챔버 내의 압력 변화를 사용하여 메니스커스 또는 가요성 멤브레인의 위치 및 형상을 변경하여도 된다.
상기 유체 챔버는, 상기 유체의 열팽창으로 인한 체적 변화를 수용하기 위해 팽창 챔버, 이를테면 그 챔버의 벽들 중 하나에 가요성 멤브레인으로 구성되어도 된다. 상기 유체 중 한쪽 또는 양쪽은 수증기, 또는 가스이어도 된다. 상기 유체 접촉층(11,18) 및 절연층(17)은, AF1600의 하나의 연속층으로 형성되어도 된다.
접촉전극(20)과 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 측벽전극(15,16,22,26)은, 전압제어회로에 접속되어 전압 V0, V1,V2,V3,V4를 조절 및 제어하여도 된다. 그 후, 전압제어회로를 사용하여 사용 중에 메니스커스 구성을 빠르게 변경 및 조절하여도 된다. 4보다 많은 측벽전극은, 광축 둘레의 어떠한 배치로도 설치되어도 된다. 여기서 안 것은, 측벽전극 배치와 측벽전극 전압 크기의 다양한 조합이 다양한 메니스커스 형상을 형성가능하게 한다는 것이다.
상기 유체 중 하나가 도전성 유체일 경우(예를 들면, 도 1을 참조하여 설명된 실시예일 경우, 제 2 유체(12)), 절연층과 접촉전극(20)은, 용량소자를 형성한다. 그 용량은, 종래의 수단을 사용하여 측정될 수 있고, 그 메니스커스의 구성은 상기 용량에 대해 조절 및 제어될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 광학계는, 카메라와 같은 촬상장치 내에 구현되어도 된다. 또한, 본 발명의 실시예는, 광학계를 통해 전송된 방사빔에 의해 광 데이터 매체의 데이터 저장층에 데이터를 기록하는, 광 저장장치에의 기록 처리에 사용되어도 된다.
어느 하나의 실시예와 관련하여 설명된 임의의 특징은 하나의 특징만 또는 상술한 다른 특징과 조합하여 사용되어도 되고, 또한 임의의 다른 실시예의 하나 이상의 특징과 조합하여 사용되어도 되거나 또는 임의의 다른 실시예의 임의의 조합과 조합하여 사용되어도 된다는 것을 알 수 있을 것이다. 아울러, 첨부하는 청구항에 기재된 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면 상술하지 않은 동등한 것과 변형도 이용하여도 된다.

Claims (11)

  1. 제 1 유체를 포함한 유체 챔버를 구비하고, 서로 다른 편광을 갖는 제 1 방사빔 및 제 2 방사빔의 특성을 변화 가능한 복굴절부를 구비한 광학계로서,
    상기 유체 챔버는, 제 2 유체 챔버를 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 유체는 굴절률이 서로 다르고, 그 유체 사이의 경계는 메니스커스를 형성하고,
    상기 복굴절부는, 메니스커스의 구성의 변동에 의해 제 1 방사빔 및 제 2 방사빔의 특성에 있어서 변동이 생기도록 배치된 것을 특징으로 하는 광학계.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 유체 챔버는, 유체 접촉층에 의해 상기 유체로부터 이격된 제 1 전극과, 상기 유체 중 하나와 도전적으로 통하거나 용량 결합된 접촉전극으로 이루어지고, 상기 유체 접촉층은, 상기 전극간의 전압에 따라 변하는 상기 유체 중 하나에 의해 습윤성을 가져, 상기 메니스커스의 구성이 상기 전압에 따라 변하는 것을 특징으로 하는 광학계.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 유체는 복굴절부를 구비한 것을 특징으로 하는 광학계.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 유체는 액정 분자로 이루어지고, 상기 유체 챔버는 액정 분자를 정렬하는 정렬층을 포함하고, 이 정렬층은, 유체 챔버에서 메니스커스에 반대로 배치된 것을 특징으로 하는 광학계.
  5. 선행하는 청구항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유체 챔버는 복수의 서로 다른 메니스커스 구성을 생성하도록 배치되고, 이 때, 상기 메니스커스는 상기 제 1 유체와 제 2 유체 사이에 실질적으로 평면 경계를 형성하는 것을 특징으로 하는 광학계.
  6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 유체 챔버는 복수의 서로 다른 메니스커스 구성을 생성하도록 배치되고, 이 때, 상기 메니스커스는, 제 1 유체와 제 2 유체 사이에 만곡된 경계를 형성하는 것을 특징으로 하는 광학계.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 복굴절부는 고체재료로 형성된 것을 특징으로 하는 광학계.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 복굴절부는 실질적으로 평면인 굴절표면을 갖고, 상기 유체 챔버는 복수의 서로 다른 메니스커스 구성을 생성하도록 배치되고, 이때 상기 메니스커스는 실질적으로 평면인 것을 특징으로 하는 광학계.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 복굴절부는 만곡된 굴절 표면을 갖고, 상기 유체 챔버는 복수의 서로 다른 메니스커스 구성을 생성하도록 배치되고, 이때 상기 메니스커스는 만곡된 것을 특징으로 하는 광학계.
  10. 선행하는 청구항 중 어느 한 항에 따른 광학계를 구비하는, 광 기록매체를 주사하는 광학주사장치로서, 상기 메니스커스는, 광 기록매체에서 서로 다른 정보 데이터 저장층 깊이의 주사시에 일어나는 수차를 정정 가능하도록 구성된 것을 특징으로 하는 광학주사장치.
  11. 청구항 1 내지 9 중 어느 한 항에 따른 광학계를 구비한 광학 현미경 장치로서, 상기 광학계는, 대물렌즈를 거쳐서 3차원 샘플에 제 1 및 제 2 방사빔을 포커싱하여 출력 화상을 생성하도록 구성되고, 이때의 광학계는 출력 화상의 콘트라스트를 변화시키도록 메니스커스의 구성을 변화시키는 것을 특징으로 하는 광학 현미경 장치.
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