專利名稱：可切換光學(xué)元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及可切換光學(xué)元件，和包括可切換光學(xué)元件的光學(xué)裝置。本發(fā)明還涉及可切換光學(xué)元件的制造方法以及光學(xué)掃描裝置的制造方法?？汕袚Q光學(xué)元件特別適合于但不限于用作光學(xué)光闌、快門或?yàn)V色器。
背景技術(shù)：
基于機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件的包括快門、光闌等的可切換光學(xué)元件是已知的?；跈C(jī)械運(yùn)動(dòng)部件的可切換光學(xué)元件具有可在不同光學(xué)透射率的預(yù)定狀態(tài)，例如高或低幅度衰減狀態(tài)之間切換的光學(xué)透射性質(zhì)。然而，機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件相對(duì)較大并且制造起來昂貴。此外，機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件易于受到磨損，從而具有有限壽命，且在其壽命期間會(huì)發(fā)生可靠性問題。
美國專利申請(qǐng)2001/0017985描述了一種光學(xué)裝置，其不需要機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件且具有可在預(yù)定狀態(tài)之間切換的光學(xué)透射性質(zhì)。圖12和13表示裝置100，其包括密封于容器103中的基本上不透明的第一流體101和基本上透明的第二流體102。流體不發(fā)生混合，并且設(shè)置在容器103中使其邊界104形成大致球形表面的截面。利用電毛細(xì)現(xiàn)象(電潤(rùn)濕)，第一流體101與第二流體102之間的邊界104的形狀可在圖12的結(jié)構(gòu)與圖13的結(jié)構(gòu)之間改變。
在圖12的結(jié)構(gòu)中，沒有電壓施加給裝置100，入射在裝置100上的光被基本不透明的第一流體101阻擋。向裝置施加電壓產(chǎn)生圖13的結(jié)構(gòu)。在圖13中，第一流體101與第二流體102之間的邊界104成形為使得將第一流體101從裝置100的光路中排除?？刂七吔?04的形狀，使邊界104與容器103的內(nèi)部表面接觸，迫使第一流體101離開接觸區(qū)域。從而入射在裝置100上的光不會(huì)被第一流體101阻擋，裝置100基本上是透明的。
裝置100具有若干缺點(diǎn)。首先，裝置100相對(duì)來說是不靈活的，因?yàn)榻佑|區(qū)域的形狀難以控制成除了圓形以外的其他形狀。第二，實(shí)際上在從導(dǎo)通狀態(tài)(圖13)變到關(guān)斷狀態(tài)(圖12)時(shí)，難以使第二流體102與容器103的內(nèi)部表面分離。第二流體102在內(nèi)部表面上的分離與粘附很可能表現(xiàn)出一種非單調(diào)轉(zhuǎn)變。
第三，在關(guān)斷狀態(tài)下，兩種流體之間的界面104的彎曲表明在其區(qū)域上該裝置可能不具有均勻透射性質(zhì)。第四，由于彎曲表面，光學(xué)有效區(qū)明顯小于裝置的實(shí)際尺寸。第五，由于兩種流體之間的邊界104通常是彎曲的，流體必須具有基本相等的折射率，以避免在邊界處引入透鏡效應(yīng)。其他要求涉及到流體能發(fā)生電潤(rùn)濕的性質(zhì)，并且賦予透射性質(zhì)所需的可變性。從而，可用在該裝置中的流體的范圍相對(duì)受到限制，并且為了獲得工作裝置必須在某些性質(zhì)上作出折衷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的一個(gè)目的在于提供一種可切換光學(xué)元件，其解決了此處提到或者未提到的現(xiàn)有技術(shù)的一個(gè)或多個(gè)問題。另一目的在于提供一種制造這種元件的方法。
第一方面，本發(fā)明提供一種可切換光學(xué)元件，包括流體腔室，其包括沿可切換光學(xué)元件的光軸彼此相對(duì)設(shè)置的第一和第二流體；與第一流體耦合的第一電極；以及第二電極，其中第二流體設(shè)置成響應(yīng)于施加給第一和第二電極的電壓，大致橫穿光軸而運(yùn)動(dòng)，從而改變流體腔室沿光軸方向的透射率。
可以將該裝置設(shè)計(jì)成具有非圓形或其他形狀的有效區(qū)。此外，第二流體無需與流體腔室的內(nèi)部表面接觸以提供透射率的相當(dāng)大的改變，從而不會(huì)發(fā)生第二液體與該表面分離的問題。而且，第一與第二流體之間可為大致平面的界面，在元件上產(chǎn)生高度均勻性。這還避免了由于第一與第二流體之間的邊界所帶來的透鏡效應(yīng)，表明該可切換元件中可使用更寬范圍的流體，從而在流體選擇時(shí)必須進(jìn)行的折衷可以更少。此外，大致平面的界面使元件較薄。
另一方面，本發(fā)明提供包括可切換光學(xué)元件的光學(xué)裝置，其中所述可切換光學(xué)元件包括流體腔室，該流體腔室包括沿可切換光學(xué)元件的光軸彼此相對(duì)設(shè)置的第一和第二流體；與第一流體耦合的第一電極；以及第二電極，其中第二流體設(shè)置成根據(jù)施加給第一和第二電極的電壓大致橫穿光軸而運(yùn)動(dòng)，從而改變流體腔室沿光軸方向的透射率。
又一方面，本發(fā)明提供一種可切換光學(xué)元件的制造方法，該方法包括以下步驟提供包括沿可切換光學(xué)元件的光軸彼此相對(duì)設(shè)置的第一與第二流體的流體腔室；和提供與第一流體耦合的第一電極，以及第二電極，其中第二流體設(shè)置成根據(jù)施加給第一和第二電極的電壓大致橫穿光軸而運(yùn)動(dòng)，從而改變流體腔室沿光軸的透射率。
再一方面，本發(fā)明提供一種光學(xué)掃描裝置的制造方法，該光學(xué)掃描裝置用于掃描光學(xué)記錄載體的信息層，該方法包括以下步驟提供用于產(chǎn)生第一輻射束的第一輻射源；提供用于將第一輻射束會(huì)聚到信息層上的物鏡系統(tǒng)；以及提供用于控制第一輻射束的可切換光學(xué)元件，該方法的特征在于所提供的可切換光學(xué)元件包括包括沿可切換光學(xué)元件的光軸彼此相對(duì)設(shè)置的第一和第二流體的流體腔室，與第一流體耦合的第一電極，以及第二電極，其中第二流體設(shè)置成根據(jù)施加給第一和第二電極的電壓大致橫穿光軸而運(yùn)動(dòng)，從而改變流體腔室沿光軸方向的透射率。
根據(jù)附圖中給出的優(yōu)選特征顯然可以得出本發(fā)明的其他目的和優(yōu)點(diǎn)。


為了更好地理解本發(fā)明，并且表示本發(fā)明的實(shí)施例如何實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)在將通過例子參照所附示意圖，其中圖1表示根據(jù)本發(fā)明第一優(yōu)選實(shí)施例，處于第一狀態(tài)的可切換光學(xué)元件的側(cè)視圖；圖2表示圖1的可切換光學(xué)元件處于第二狀態(tài)時(shí)的側(cè)視圖；圖3表示圖1的可切換光學(xué)元件處于第一狀態(tài)時(shí)的平面圖；圖4表示圖1的可切換光學(xué)元件處于第二狀態(tài)時(shí)的平面圖；圖5表示根據(jù)本發(fā)明第二優(yōu)選實(shí)施例，放置于激光諧振腔內(nèi)部的可切換光學(xué)元件的側(cè)視圖；圖6表示根據(jù)本發(fā)明第三優(yōu)選實(shí)施例，放置于對(duì)光學(xué)記錄載體進(jìn)行掃描的裝置內(nèi)的可切換光學(xué)元件的示意側(cè)視圖；圖7表示根據(jù)本發(fā)明第四優(yōu)選實(shí)施例，處于第一狀態(tài)的雙可切換光學(xué)元件的側(cè)視圖；
圖8表示圖7的可切換光學(xué)元件處于第二狀態(tài)時(shí)的平面圖；圖9表示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，包括兩個(gè)可切換光學(xué)元件的照相機(jī)裝置的側(cè)視圖；圖10表示根據(jù)本發(fā)明第五實(shí)施例的可切換光學(xué)元件的側(cè)視圖；圖11表示根據(jù)本發(fā)明第六實(shí)施例的可切換光學(xué)元件的側(cè)視圖；圖12表示處于關(guān)斷狀態(tài)的現(xiàn)有技術(shù)裝置的側(cè)視圖；以及圖13表示處于導(dǎo)通狀態(tài)的圖12裝置的側(cè)視圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了可以克服與圖12和13的裝置100有關(guān)的缺陷，并提供了一種緊湊的、沒有機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件、并且能用于多種應(yīng)用中的可切換光學(xué)元件。通過提供一種可切換光學(xué)元件，其中將流體設(shè)置成大致橫穿元件的光軸而運(yùn)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)多種效果，例如可變孔徑光闌、可切換濾色器和快門?，F(xiàn)在將描述作為快門的本發(fā)明第一實(shí)施例的操作。
圖1表示根據(jù)本發(fā)明第一優(yōu)選實(shí)施例處于第一狀態(tài)的可切換光學(xué)元件1的側(cè)視圖?？汕袚Q光學(xué)元件1的光軸平行于線A-A，并且該裝置的有效區(qū)延伸到區(qū)域B上?？汕袚Q光學(xué)元件1包括用以形成快門的流體腔室2、第一流體20和第二流體22。第一流體20和第二流體22由基本不溶合的流體組成，并沿光軸彼此相對(duì)地置換。第二流體22基本上不透明，并且在第一狀態(tài)下設(shè)置在可切換光學(xué)元件1內(nèi)，以便在區(qū)域B上形成連續(xù)層，從而防止光在區(qū)域B處穿過可切換光學(xué)元件1。在第一狀態(tài)下快門關(guān)閉。
圖2表示可切換光學(xué)元件1處于第二狀態(tài)時(shí)的側(cè)視圖。在第二狀態(tài)下，第二流體22設(shè)置成使光可以沿光軸A-A、并穿過區(qū)域B透射。在第二狀態(tài)下，通過將第二流體22拉到一側(cè)，并沿著遠(yuǎn)離且橫穿光軸的方向遠(yuǎn)離區(qū)域B，從而打開快門。
現(xiàn)在將更詳細(xì)地描述可切換光學(xué)元件1的操作；特別是將要描述如何使用第二流體22將可切換光學(xué)元件1從第一狀態(tài)切換到第二狀態(tài)。
圖1和2中還表示出第一電極24、第二電極26和介電接觸層28。接觸層28包括處于第二電極26與第一流體20和第二流體22之間的絕緣阻擋層。在可切換光學(xué)元件1中，第一流體20包括極性或?qū)щ娨后w，此處為水；第二流體22包括非導(dǎo)電液體，此處為油。油與水基本上不溶合，從而形成不同的第一流體20和第二流體22。油與水選擇成具有大致相同的密度，使可切換光學(xué)元件1相對(duì)而言不受到重力和慣性影響。如果元件足夠小，則第一與第二流體的密度可以不同。接觸層28包括具有疏水表面的電絕緣材料。接觸層28的疏水表面保證可切換光學(xué)元件1在不工作時(shí)處于圖1中所示的第一狀態(tài)。
第二電極26和接觸層28處于裝置的光路中，從而由基本透明材料制成。例如，第二電極26包括一層透明導(dǎo)體氧化銦錫，其在液晶顯示領(lǐng)域中是公知的。
可使用其他透光導(dǎo)電層例如RuO2，PEDOT。接觸層包括非晶碳氟化合物，因?yàn)檫@類材料高度疏水，具有低介電常數(shù)，且具有良好的光學(xué)透射率?？墒褂镁哂羞m當(dāng)性質(zhì)組合的其他材料，例如聚酰胺。
第一電極24通過與第一流體20直接接觸而與第一流體20耦合。通過在第一電極24與第一流體20之間形成直接接觸，可保證其間良好的導(dǎo)電接觸。然而，可通過電容耦合將第一電極24與第一流體20耦合。相反，第二電極26優(yōu)選與第一流體20和第二流體22分離。接觸層28在流體腔室2的內(nèi)部與第二電極26之間形成絕緣阻擋層。
通過從電壓源V向第一電極24和第二電極26施加電壓，電潤(rùn)濕效應(yīng)通過水增大了接觸層28的可潤(rùn)濕性。這是因?yàn)樗械淖杂呻姾杀坏谝浑姌O24排斥，并被吸引到第二電極26，從而導(dǎo)致水被吸引到第二電極26。有效地，第二電極26與第一流體20容性耦合。如果施加足夠大的電壓，迫使水接觸到接觸層28，并且油移動(dòng)到旁邊，則產(chǎn)生圖2中所示的第二狀態(tài)，其中油移動(dòng)離開第二光軸和區(qū)域B。從第一電極24和第二電極26去除電壓，使可切換光學(xué)元件1返回圖1的結(jié)構(gòu)。
圖3和4表示圖1和2的可切換光學(xué)元件1分別處于第一狀態(tài)和第二狀態(tài)時(shí)的平面圖?？梢钥闯觯汕袚Q光學(xué)元件1包括大致正方形形狀，然而還可以為包括圓形、橢圓形、六邊形或不規(guī)則形狀的其他形狀。
可采用多種技術(shù)保證油以一種可預(yù)測(cè)和可再現(xiàn)的方式移動(dòng)離開光軸。改變流體腔室2的內(nèi)表面的潤(rùn)濕性提供了一種方便的技術(shù)，用于根據(jù)所施加的電壓控制油移動(dòng)的方向。
作為油運(yùn)動(dòng)的一個(gè)例子，在圖1和2的實(shí)施例中，第二電極26分成多個(gè)等尺寸的獨(dú)立可尋址線段，其在接觸層28上彼此平行延伸。通過依次向獨(dú)立可尋址線段施加電壓，可依次增大這些段上接觸層28的可潤(rùn)濕性，從而控制觸發(fā)油運(yùn)動(dòng)的位置，隨后控制油跨越接觸層28移動(dòng)的方向。當(dāng)施加電壓以便將可切換光學(xué)元件1從第一狀態(tài)切換到第二狀態(tài)時(shí)，在區(qū)域B上獨(dú)立可尋址線段可以具有一次連續(xù)施加給每一個(gè)線段的電壓，而其他線段沒有激勵(lì)。這樣就在施以電壓的線段下方產(chǎn)生出可潤(rùn)濕性增大的恒定大小的移動(dòng)區(qū)域。
可使用其他電極組合來控制油的運(yùn)動(dòng)。例如，可使用多個(gè)獨(dú)立可尋址同心環(huán)形電極，通過從最內(nèi)側(cè)開始依次向每一個(gè)環(huán)形電極施加電壓，來控制離開其共同中心的運(yùn)動(dòng)。在另一示例中，可使用具有一個(gè)非導(dǎo)電區(qū)域的電極或者在接觸層下面沒有電極的區(qū)域。在此情形中，油傾向于聚集在非導(dǎo)電區(qū)域上方的區(qū)域。利用均勻電極，通過在制造時(shí)初始化的運(yùn)動(dòng)，或者裝置中存在的其他不均勻性，可實(shí)現(xiàn)油的運(yùn)動(dòng)。
作為另一種通過施加不同電極電壓而控制接觸層可潤(rùn)濕性的方法，例如通過用水提供具有第一可潤(rùn)濕性的接觸層的第一區(qū)域，和具有第二更高可潤(rùn)濕性的較小疏水性的第二區(qū)域，可改變跨越元件的接觸層固有的可潤(rùn)濕性。在此情形中，響應(yīng)于施加給電極的電壓，將從相對(duì)較小疏水區(qū)域來觸發(fā)油的運(yùn)動(dòng)。
可使流體腔室的內(nèi)部表面具有不均勻性，以增大對(duì)于所施加的電極電壓作出響應(yīng)時(shí)第二流體的運(yùn)動(dòng)的再現(xiàn)性。
例如通過用疏水或親水材料涂覆流體腔室的側(cè)壁，使得側(cè)壁與油/水之間界面張力的改變可增大響應(yīng)于所施加的電極電壓在特定方向上油運(yùn)動(dòng)的可再現(xiàn)性。此外，可選擇壁的可潤(rùn)濕性從而使液-液界面在關(guān)斷狀態(tài)下大致為平面，或者具有特定曲率半徑(例如以增強(qiáng)光軸附近油置換的觸發(fā))。
另外，可使流體腔室的內(nèi)部表面具有某些幾何不均勻性，例如不規(guī)則特征，如朝向裝置中心延伸的突起。關(guān)于裝置光軸不對(duì)稱的特征，也可以提供適當(dāng)?shù)牟痪鶆蛐?，能增大響?yīng)于所施加的電極電壓發(fā)生的油運(yùn)動(dòng)的可再現(xiàn)性。
可使接觸層的厚度或介電性質(zhì)在元件上具有預(yù)定分布，以便響應(yīng)于所施加的電極電壓，在不同區(qū)域處產(chǎn)生不同電場(chǎng)強(qiáng)度。這樣會(huì)產(chǎn)生電潤(rùn)濕效果的局部增大。例如，在接觸層的較薄區(qū)域處，水與第二電極相對(duì)更靠近在一起，從而產(chǎn)生更高的電場(chǎng)。由于該區(qū)域中增大的可潤(rùn)濕性，所以在更高電場(chǎng)區(qū)域處觸發(fā)油的運(yùn)動(dòng)?？墒褂镁哂信c第二電極接觸的第一凹面和與油接觸的第二大致平坦表面的接觸層。
在此情形中，接觸層最薄部分上方的油層首先移動(dòng)，油運(yùn)動(dòng)從這一區(qū)域開始進(jìn)行。
另一種局部增大電潤(rùn)濕效果的技術(shù)包括，設(shè)置從接觸層延伸的突起。突起可以設(shè)置成從油層延伸，并且在沒有電壓施加給電極時(shí)直接與水連通。該突起表面對(duì)于水的可用性提供給水一個(gè)起點(diǎn)，當(dāng)電壓施加給電極時(shí)從該起點(diǎn)水可以更易于置換油。此外，在從油層突出的區(qū)域中可用親水涂層覆蓋突起，因?yàn)樵趶挠蛯油怀龅膮^(qū)域中水使得突起的可潤(rùn)濕性增大，這會(huì)增大突起的效果?；蛘?，突起可以設(shè)置成當(dāng)沒有電壓施加給電極時(shí)處于油層下方，并通過減小接觸層與水的分隔來提供局部增大電潤(rùn)濕效果。
通過單獨(dú)或結(jié)合使用上述技術(shù)，可制造出作為可變孔徑光闌的可切換光學(xué)元件，使油移動(dòng)離開光軸上的中央?yún)^(qū)域。可使用所制造的光闌替代例如激光諧振腔內(nèi)、光盤記錄/再現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)、或照相機(jī)內(nèi)的機(jī)械光闌。
圖5表示包括第一鏡面51和第二鏡面52、以及光闌形式的可切換光學(xué)元件53的激光諧振腔50。激光腔的輸出光束取決于第一鏡面51和第二鏡面52的形狀、第一鏡面51與第二鏡面52的間隔、以及第一鏡面51與第二鏡面52之間光路中存在的例如由光闌53提供的任何限制。在“Laser beams and resonators”，H.Kogelnik和T.Li，Appl.Opt.5，(1966)第1550-1567頁，以及A.E.Siegman的書“Lasers”，University Science Books，Mill Valley，California(chapter 19)中詳盡地描述了具有有限孔徑的激光諧振器。為了能將特定激光源用于多種應(yīng)用中，希望改變第一鏡面51和第二鏡面52、和/或光闌53，以便能調(diào)諧腔內(nèi)的諧振模式，從而調(diào)節(jié)輸出光束。然而，通過調(diào)節(jié)鏡面和/或光闌來實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧激光腔的傳統(tǒng)機(jī)械方法昂貴、笨重且不可靠。通過使用根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的光闌53，可電控制腔內(nèi)的模式結(jié)構(gòu)而不依賴機(jī)械移動(dòng)部件。
所述可切換光闌的另一種應(yīng)用為用在用于掃描光學(xué)記錄載體62的裝置61中。圖6表示用于掃描光學(xué)記錄載體62的裝置61，包括物鏡618。記錄載體包括透明層63，在其一側(cè)上設(shè)有信息層64。通過保護(hù)層65使信息層背離透明層的一側(cè)不受環(huán)境影響。透明層面對(duì)裝置的一側(cè)稱作進(jìn)入面66。透明層63通過為信息層提供機(jī)械支撐，起到記錄載體的基底的作用。
或者，透明層可具有保護(hù)信息層的唯一功能，而由設(shè)置在信息層另一側(cè)上的層，例如通過保護(hù)層65或者與信息層64連接的另一信息層及透明層來提供機(jī)械支撐。
信息可以以排列成大致平行、同心或螺旋軌道(圖中沒有示出)的光學(xué)可檢測(cè)標(biāo)記的形式存儲(chǔ)到記錄載體的信息層64中。標(biāo)記可以為任何光學(xué)可讀形式，例如凹坑形式，或者反射系數(shù)或磁化方向與其周圍不同的區(qū)域的形式，或者這些形式的組合。
掃描裝置61包括可發(fā)射輻射束612的輻射源611。輻射源可以為半導(dǎo)體激光器。分束器613朝向準(zhǔn)直透鏡614反射發(fā)散的輻射束612，其將發(fā)散光束612會(huì)聚成準(zhǔn)直光束615。準(zhǔn)直光束615入射到包括根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的可變孔徑光闌600的物鏡系統(tǒng)618上。
物鏡系統(tǒng)可包括一個(gè)或多個(gè)透鏡和/或光柵。物鏡系統(tǒng)618具有光軸619。物鏡系統(tǒng)618將光束17變成會(huì)聚光束620，入射到記錄載體62的進(jìn)入面66上。物鏡系統(tǒng)具有適應(yīng)于輻射束通過透明層63的厚度方向而穿過的球面像差校正。會(huì)聚光束620在信息層64上形成光斑621。被信息層64反射的輻射形成發(fā)散光束622，通過物鏡系統(tǒng)618變成大致準(zhǔn)直的光束623，并隨后通過準(zhǔn)直透鏡614變成會(huì)聚光束624。分束器613通過朝向檢測(cè)系統(tǒng)625透射至少一部分會(huì)聚光束624，分離前向光束和反射光束。檢測(cè)系統(tǒng)捕獲輻射，并將其轉(zhuǎn)換成電輸出信號(hào)626。信號(hào)處理器627將這些輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成各種其他信號(hào)。
其中一個(gè)信號(hào)為信息信號(hào)628，其數(shù)值表示從信息層64讀出的信息。信息處理單元對(duì)信息信號(hào)進(jìn)行處理以便進(jìn)行誤差校正629。來自信號(hào)處理器627的其他信號(hào)為聚焦誤差信號(hào)和徑向誤差信號(hào)630。聚焦誤差信號(hào)表示光斑621與信息層64之間在高度上的軸向差異。徑向誤差信號(hào)表示光斑612與光斑跟隨的信息層中軌道中心之間的、在信息層64平面中的距離。聚焦誤差信號(hào)和徑向誤差信號(hào)饋入伺服電路631，伺服電路631將這些信號(hào)轉(zhuǎn)變成伺服控制信號(hào)632，用于分別控制聚焦激勵(lì)器和徑向激勵(lì)器。圖中沒有表示出激勵(lì)器。聚焦激勵(lì)器控制物鏡系統(tǒng)618在聚焦方向633的位置，從而控制光斑621的實(shí)際位置，使其基本上與信息層64的平面重合。徑向激勵(lì)器控制物鏡618在徑向方向634的位置，從而控制光斑621的徑向位置，使其基本上與信息層64中所跟隨的軌道中線重合。圖中的軌道沿垂直于圖平面的方向延伸。
在該特定實(shí)施例中，圖6的裝置還適于掃描比記錄載體62具有更厚透明層的第二種記錄載體。該裝置使用具有不同波長(zhǎng)的輻射光束掃描第二種記錄載體。裝置61中包括與第二種記錄載體有關(guān)的第二輻射源。在該優(yōu)選實(shí)施例中，輻射源611包括CD激光器和DVD激光器，從而該裝置能掃描CD和DVD光盤，并且還能在適當(dāng)?shù)腃D和DVD光盤上記錄。
讀出CD光盤的光束所需的數(shù)值孔徑(NA)一般為0.45，而讀出DVD光盤所需的NA為0.65。通過將可切換光闌600引入裝置61的光路中用于掃描物鏡系統(tǒng)618處的光學(xué)記錄載體，可將光束NA變成適合CD和DVD光盤這兩種格式。
除了光闌600進(jìn)行切換以將光束NA調(diào)節(jié)成適于要再現(xiàn)的記錄介質(zhì)以外，在再現(xiàn)與記錄模式之間切換時(shí)還可使用光闌改變光束的NA。在寫入時(shí)，為了在光盤信息層上的光斑中產(chǎn)生高峰值功率，優(yōu)選通過比讀出光盤時(shí)稍高的NA將光束聚焦到光盤上。用光盤上光斑的中心峰值將標(biāo)記寫到光盤上，光斑的旁瓣不包含足以改變記錄介質(zhì)狀態(tài)的能量。結(jié)果，使光斑的旁瓣對(duì)于光盤傾斜更加敏感的更高的NA，在記錄時(shí)沒有任何問題。相反，在讀出過程中，優(yōu)選產(chǎn)生高邊緣強(qiáng)度和非常小的旁瓣，以防止旁瓣反射產(chǎn)生串?dāng)_。從而，為了讀出，優(yōu)選比寫入狀態(tài)更低的NA?？墒褂霉怅@600使光束分布與記錄或讀出要求匹配。同樣產(chǎn)生光束NA的改變，可使用根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的可切換光學(xué)元件，來改變記錄與讀出模式之間的光束形狀。如上所述，通常使記錄光束形成高峰值強(qiáng)度的形狀。然而，為了進(jìn)行讀出，重要的是減小相鄰軌道之間的串?dāng)_。在有些情況下可使用橢圓形或其他非圓形對(duì)稱光束形狀，通過改變可切換光學(xué)元件的孔徑形狀引入光束整形。
盡管將光學(xué)信息存儲(chǔ)系統(tǒng)描述成具有CD和DVD能力，然而可切換光學(xué)元件同樣可用于具有其他信息存儲(chǔ)格式，如藍(lán)光光盤的系統(tǒng)。
適合用作第二流體的油包括礦物油，例如硅油?？烧{(diào)節(jié)所選擇的油的光學(xué)透射性質(zhì)，以通過向油中添加適當(dāng)量的染料或顏料而產(chǎn)生某種效果。通過選擇添加到油中的染料的數(shù)量和種類，可獲得不同光學(xué)效果。例如，為了獲得上述快門或光闌，通過添加黑色染料使油基本上不透明?；蛘?，可加入彩色染料以便產(chǎn)生可切換濾光器效果。作為另一個(gè)例子，可將光散射粒子加入油中以產(chǎn)生可切換漫反射濾光器。可以設(shè)想，可使用具有固有顏色或光散射效應(yīng)的油取代經(jīng)過染色或其他處理的無色油，以產(chǎn)生光學(xué)透射率的所需改變，應(yīng)當(dāng)理解，可切換光學(xué)元件可工作于可見光譜外部，對(duì)于例如電磁光譜的UV或IR部分是有效的?？汕袚Q濾光器的應(yīng)用包括用于照相機(jī)和攝像機(jī)，其中可使用青色濾光器在日光靈敏度與夜光靈敏度之間切換，或者用于通過時(shí)序投影而重疊不同彩色圖像的視頻投影系統(tǒng)。
圖7表示包括雙濾色器的可切換光學(xué)元件7。雙濾色器包括兩個(gè)元件，每個(gè)設(shè)置為大致如參照本發(fā)明第一實(shí)施例所描述的那樣起作用，但被包圍在單個(gè)流體腔室中，它們之間沒有固體分隔邊界。通過在單個(gè)可切換光學(xué)元件中結(jié)合兩個(gè)濾色器，可減小尺寸。
流體腔室2包括第一流體20、作為第一濾色器的第二流體22、以及作為第二濾色器的第三流體23。第一流體20、第二流體22和第三流體23沿光軸彼此相對(duì)置換。第一電極24與第一流體20接觸，并且為第一與第二濾色器所共有。
為了獲得雙濾色器效果，選擇第二與第三流體的透射率為不同的。例如，第二流體22被著色成青色，且在第一狀態(tài)下設(shè)置在可切換光學(xué)元件1內(nèi)以形成跨越區(qū)域B的連續(xù)層，從而過濾在區(qū)域B處穿過可切換光學(xué)元件1的光。例如，第三流體23被著色成品紅，且在第一狀態(tài)下設(shè)置在可切換光學(xué)元件1中，以形成跨越區(qū)域B的連續(xù)層，從而過濾在區(qū)域B處穿過可切換光學(xué)元件1的光。流體腔室2內(nèi)所有液體的密度選擇成大致相等，在可切換光學(xué)元件4受到重力和慣性載荷時(shí)提供了穩(wěn)定性。如果系統(tǒng)足夠小，則第一與第二流體的密度可不同。
通過在公共的第一電極24與第二電極26和/或第一與第二濾色器的第三電極26’上施加適當(dāng)電壓，可以產(chǎn)生雙濾色器，其中由第二流體22和第三流體23組成的濾色層中的任一或兩者可以切換到元件光路外部。第三電極26’通過第二接觸層28’與流體腔室內(nèi)的流體分隔開。第二接觸層28’在第三電極26’與第一流體20、第二流體22和第三流體23之間形成絕緣層?？筛淖兊谝缓偷诙V色器的第二電極26和第三電極26’，或者第一和第二濾色器的其他性質(zhì)，使其每一個(gè)對(duì)于所施加的電壓作出不同響應(yīng)，可以產(chǎn)生一定范圍的效果。下面有關(guān)圖10和11的描述給出更多細(xì)節(jié)。
圖8表示當(dāng)電壓施加給第一電極24、第二電極26和第三電極26’時(shí)可切換光學(xué)元件4的平面圖。第二電極26和第三電極26’每個(gè)均包括多個(gè)獨(dú)立可尋址的線電極，然而第二電極26的線大致彼此垂直地排列，從而第二流體22和第三流體23可沿不同方向移動(dòng)離開光軸?？墒褂闷渌姌O結(jié)構(gòu)來提供不同的效果。
在關(guān)斷狀態(tài)下流體腔與水接觸的內(nèi)壁是充分親水的。通過這種方式水保持在兩個(gè)油體之間，且阻止油體移動(dòng)離開元件末端。
圖9表示包括兩個(gè)可切換光學(xué)元件的照相機(jī)9。設(shè)置光闌91和快門92，并且可以用于控制照相機(jī)94內(nèi)的CCD 93或其他光探測(cè)器對(duì)光的接收。使用根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的光闌91和快門92，允許光闌91與快門92彼此非?？拷卦O(shè)置。這有利于制造出緊湊型裝置。此外，通過保證快門92靠近光闌91設(shè)置，使快門92的所需開口直徑最小。這有利于隨著快門92尺寸的減小而縮短快門92的最小開關(guān)時(shí)間。
在明亮環(huán)境下，減小光闌開口的直徑，且需要較快的快門速度。如上所述，隨著所需快門開口尺寸的減小，當(dāng)快門92靠近光闌設(shè)置時(shí)更易于實(shí)現(xiàn)較快的快門速度。在低照明環(huán)境下，光闌開口的直徑增大。然而，在低照明環(huán)境下還需要具有長(zhǎng)曝光時(shí)間，從而所需快門開口增大的尺寸增大和引起的較慢開關(guān)可以相適應(yīng)。
在打開和關(guān)閉快門92的同時(shí)通過動(dòng)態(tài)改變光闌開口的尺寸，可獲得不同的光學(xué)效果。
圖10表示結(jié)合在單個(gè)裝置中的可切換濾色器和光闌的側(cè)視圖。此外通過將多個(gè)元件結(jié)合在一個(gè)組中，也減小了尺寸，減小了穿過裝置的光所必須通過的邊界數(shù)量。由于每個(gè)邊界代表一次可能的反射損耗，因此減少邊界數(shù)量是有益的。另外，與制造兩個(gè)提供相同功能的分離元件的成本相比，與制造雙元件有關(guān)的制造成本減少。
可以進(jìn)一步集成其他元件，例如參見圖11中所示的光學(xué)裝置11。光學(xué)裝置11包括透鏡和可切換光學(xué)元件。例如圖11中所示的透鏡是可調(diào)節(jié)的，然而，與可切換光學(xué)元件整體形成的電潤(rùn)濕透鏡、其他固定或可調(diào)節(jié)透鏡可以與可切換光學(xué)元件耦合。
并且，圖11裝置的第一電極24和第二電極26進(jìn)一步包括透鏡調(diào)節(jié)電極27和第三流體23。第一流體20與第三流體23是基本透明的，并且沿曲面25相遇。由第一流體20與第三流體23的第二接觸層28’的可潤(rùn)濕性決定了休息時(shí)表面25的曲率。
通過在第一與第二電極之間施加電壓V1，可如上所述改變第二流體22的位置，產(chǎn)生光闌效果。通過在第一電極24與透鏡調(diào)節(jié)電極27之間施加電壓V2，可改變第一流體與第三流體之間的界面25的形狀，以提供功率可調(diào)節(jié)的透鏡。
盡管此處提到第一流體為水，然而應(yīng)當(dāng)理解該術(shù)語包含一定范圍的充分極性和/或?qū)щ娏黧w?？墒褂贸陀鸵酝獾牧黧w系統(tǒng)來提供適當(dāng)?shù)碾姖?rùn)濕效果，實(shí)際上其中一種流體可包括氣體或蒸汽而非液體。在油和水示例中，水中可包括電解質(zhì)如氯化鈉，以便能對(duì)裝置進(jìn)行電學(xué)測(cè)量。
為了簡(jiǎn)化制造，接觸層可包括處于襯底頂部的疏水表面涂層?？蓪⒁r底形成為所需形狀，并且可將疏水表面涂層涂覆到其上。使用這種技術(shù)可使制造接觸層所需的疏水材料的量最少，其是有利的，因?yàn)檫m當(dāng)疏水材料傾向于相對(duì)昂貴。用作接觸層的適當(dāng)疏水材料或者接觸層的疏水表面涂層包括非晶含氟聚合物。
與機(jī)械裝置相比，為了實(shí)現(xiàn)相同效果，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的可切換光學(xué)元件可制造得相對(duì)緊湊。并且由于緊湊的直徑，還可以將可切換光學(xué)元件制造得在光軸方向非常薄。目前可制造出的實(shí)際裝置其直徑為500μm那樣小，高達(dá)厘米量級(jí)的一定范圍的較大裝置也是可能的。
當(dāng)直徑很小時(shí)，可控制可切換光學(xué)元件以產(chǎn)生10ms量級(jí)的切換時(shí)間。
如前面所述，為了增大可切換光學(xué)元件對(duì)于重力、旋轉(zhuǎn)或震動(dòng)載荷的抵抗力，可使油與水的密度相匹配。在相對(duì)較小的系統(tǒng)中，可切換光學(xué)元件中表面和界面張力趨于支配慣性力，使裝置相對(duì)穩(wěn)定。試驗(yàn)檢驗(yàn)表明，直徑小于大約5mm的裝置對(duì)于一定范圍的第一和第二流體而言是足夠穩(wěn)定的。對(duì)于更大裝置，第一與第二流體的密度實(shí)現(xiàn)緊密匹配就變得更加重要。為了對(duì)水的密度提供一定程度的微調(diào)，可以將可變數(shù)量的甲醇或其密度與純水不同的其他水容性流體與水混合。由此，可精確改變水的密度，以便產(chǎn)生與油密度的良好匹配。
還可以通過混合不同密度的油來與其他液體的密度相匹配，從而實(shí)現(xiàn)密度匹配。
此外此處描述了根據(jù)本發(fā)明的可切換光學(xué)元件的應(yīng)用，本領(lǐng)域技術(shù)人員可想到使用可切換光學(xué)元件的其他光學(xué)裝置。此外，可使用串聯(lián)或并聯(lián)的多個(gè)可切換光學(xué)元件，以便為光學(xué)裝置提供可切換傳輸性質(zhì)。
例如，可將可切換紅、綠和藍(lán)濾色器組合到時(shí)序重疊投影儀或其他顯示裝置中。
圖7的雙濾色器實(shí)施例包括包含兩個(gè)可變性質(zhì)的可切換光學(xué)元件的例子。顯然，可變性質(zhì)的所有其他組合，例如快門與濾色器、快門與光闌、濾色器與光闌等也是可能的。此外，在包括可變透鏡的圖11的實(shí)施例中，可切換光學(xué)元件也可以具有所述的任何可變性質(zhì)。
所述可切換光學(xué)元件具有優(yōu)于現(xiàn)有已知裝置和技術(shù)的多個(gè)優(yōu)點(diǎn)。還詳細(xì)描述了該裝置，并提供了這一技術(shù)特別適用的若干應(yīng)用。
權(quán)利要求
1.一種可切換光學(xué)元件，包括包含沿可切換光學(xué)元件的光軸彼此相對(duì)設(shè)置的第一和第二流體(20，22)的流體腔室(2)、與第一流體(20)耦合的第一電極(24)、以及第二電極(26)，其中第二流體(22)設(shè)置成響應(yīng)于施加給第一和第二電極(24，26)的電壓大致地橫穿光軸而移動(dòng)，從而改變流體腔室(2)沿光軸方向的透射率。
2.如權(quán)利要求1所述的可切換光學(xué)元件，其中第二流體(22)為非導(dǎo)電液體，第一流體(20)是極性液體和導(dǎo)電液體中的至少一種。
3.如權(quán)利要求1或2所述的可切換光學(xué)元件，還包括第一接觸層(28)，所述第一接觸層(28)在第二電極(26)與流體腔室(2)內(nèi)的第一和第二流體(20，22)之間形成絕緣阻擋層。
4.如權(quán)利要求3所述的可切換光學(xué)元件，其中所述第一接觸層(28)包括與對(duì)于第一流體(20)相比，具有對(duì)于第二流體(22)更高可潤(rùn)濕性的材料。
5.如權(quán)利要求3或4所述的可切換光學(xué)元件，其中所述第一接觸層(28)包括非晶含氟聚合物。
6.如前面任何一個(gè)權(quán)利要求所述的可切換光學(xué)元件，其中所述第一接觸層(28)包括通過第一流體(20)而具有第一可潤(rùn)濕性的第一區(qū)域，和通過第一流體(20)而具有第二更高可潤(rùn)濕性的第二區(qū)域。
7.如前面任何一個(gè)權(quán)利要求所述的可切換光學(xué)元件，其中通過電潤(rùn)濕效應(yīng)引起第二流體(22)的運(yùn)動(dòng)。
8.如權(quán)利要求7所述的可切換光學(xué)元件，其中所述第一接觸層(28)包括一個(gè)區(qū)域，在該區(qū)域處第二電極(26)與第一和第二流體(20，22)的間隔減小，以局部增大電潤(rùn)濕效果。
9.如權(quán)利要求7或8所述的可切換光學(xué)元件，其中所述第一接觸層(28)包括伸入流體腔室(2)中的區(qū)域，以便局部增大電潤(rùn)濕效果。
10.如權(quán)利要求7至9其中任何一個(gè)所述的可切換光學(xué)元件，其中流體腔室(2)的內(nèi)部表面包括不均勻性，用于增大響應(yīng)于施加給第一和第二電極(24，26)的電壓的第二流體(22)運(yùn)動(dòng)的可再現(xiàn)性。
11.如從屬于權(quán)利要求6的權(quán)利要求7至10其中任何一個(gè)所述的可切換光學(xué)元件，其中所述可潤(rùn)濕性增大的區(qū)域處于可切換光學(xué)元件的光軸上。
12.如前面任一權(quán)利要求所述的可切換光學(xué)元件，其中第二電極(26)包括多個(gè)獨(dú)立可尋址段。
13.如權(quán)利要求12所述的可切換光學(xué)元件，其中所述獨(dú)立可尋址段設(shè)置用于響應(yīng)于一定范圍的施加電壓，在第一接觸層(28)上產(chǎn)生不同的可潤(rùn)濕性。
14.如前面任何一個(gè)權(quán)利要求所述的可切換光學(xué)元件，其中第二電極(26)是透明的，且大致橫穿光軸而設(shè)置。
15.如前面任何一個(gè)權(quán)利要求所述的可切換光學(xué)元件，還包括在流體腔室(2)內(nèi)沿可切換光學(xué)元件的光軸相對(duì)于第一和第二流體(20，22)設(shè)置的第三流體(23)，以及第三電極(26’)，其中第三流體(23)設(shè)置成響應(yīng)于施加給第一和第三電極(24，26’)的電壓，沿大致橫穿光軸的方向運(yùn)動(dòng)，從而改變流體腔室(2)沿光軸的透射率。
16.如權(quán)利要求15所述的可切換光學(xué)元件，還包括在第三電極(26’)與流體腔室內(nèi)的流體之間形成絕緣阻擋層的第二接觸層(28’)。
17.如權(quán)利要求15或16所述的可切換光學(xué)元件，其中第三流體(23)具有與第二流體(22)不同的透射光譜。
18.如權(quán)利要求15、16或17所述的可切換光學(xué)元件，其中當(dāng)沒有電壓施加給可切換光學(xué)元件時(shí)，由第一流體(20)提供的與第一流體接觸的流體腔室(2)的內(nèi)表面具有比由第二流體(22)所提供的更高的可潤(rùn)濕性。
19.如前面任一權(quán)利要求所述的可切換光學(xué)元件，其中所有所述流體都具有大致相等的密度。
20.如前面任一權(quán)利要求所述的可切換光學(xué)元件，其中可切換光學(xué)元件是快門、光闌、漫反射器或?yàn)V色器其中至少一種。
21.一種包括可切換光學(xué)元件的光學(xué)裝置，其中所述可切換光學(xué)元件包括沿可切換光學(xué)元件的光軸彼此相對(duì)設(shè)置的第一和第二流體(20，22)的流體腔室(2)、與第一流體(20)耦合的第一電極(24)、以及第二電極(26)，其中第二流體(22)設(shè)置成響應(yīng)于施加給第一和第二電極(24，26)的電壓，大致橫穿光軸而移動(dòng)，從而改變流體腔室(2)沿光軸方向的透射率。
22.如權(quán)利要求21所述的光學(xué)裝置，還包括至少另一個(gè)根據(jù)權(quán)利要求1至20其中任何一個(gè)所述的可切換光學(xué)元件，其中所述可切換光學(xué)元件設(shè)計(jì)成串聯(lián)或并聯(lián)，以便為光學(xué)裝置提供可切換傳輸性質(zhì)。
23.如權(quán)利要求21或22所述的光學(xué)裝置，還包括透鏡。
24.如權(quán)利要求23所述的光學(xué)裝置，其中所述透鏡與可切換光學(xué)元件整體形成。
25.如權(quán)利要求23或24所述的光學(xué)裝置，其中所述透鏡為可調(diào)節(jié)電潤(rùn)濕透鏡。
26.如權(quán)利要求21至25其中任何一個(gè)所述的光學(xué)裝置，其中所述光學(xué)裝置包括用于掃描光學(xué)記錄載體(62)的信息層(64)的裝置(61)，包括用于產(chǎn)生第一輻射束(612)的第一輻射源(611)，和用于將第一輻射束(612)會(huì)聚到信息層(64)上的物鏡系統(tǒng)(618)，所述可切換光學(xué)元件用于控制第一輻射束(612)。
27.如權(quán)利要求26所述的光學(xué)掃描裝置，還包括用于產(chǎn)生波長(zhǎng)與第一輻射束不同的第二輻射束的第二輻射源，其中所述物鏡系統(tǒng)(618)有選擇地設(shè)置為將第一或第二輻射束會(huì)聚到信息層上，并且可切換光學(xué)元件還設(shè)置用于控制第二輻射束。
28.如權(quán)利要求26或27所述的光學(xué)掃描裝置，其中所述可切換光學(xué)元件結(jié)合在物鏡系統(tǒng)(618)中。
29.一種制造可切換光學(xué)元件的方法，所述方法包括以下步驟提供包括沿可切換光學(xué)元件的光軸彼此相對(duì)設(shè)置的第一和第二流體(20，22)的流體腔室(2)；并提供與第一流體(20)耦合的第一電極(24)、和第二電極(26)，其中第二流體(22)響應(yīng)于施加給第一和第二電極的電壓，大致橫穿光軸而移動(dòng)，從而改變流體腔室(2)沿光軸的透射率。
30.一種光學(xué)掃描裝置(61)的制造方法，該光學(xué)掃描裝置用于掃描光學(xué)記錄載體(62)的信息層(64)，所述方法包括以下步驟提供用于產(chǎn)生第一輻射束(612)的第一輻射源(611)；提供用于將第一輻射束(612)會(huì)聚到信息層(64)上的物鏡系統(tǒng)(618)；以及提供用于控制第一輻射束(612)的可切換光學(xué)元件(600)，該方法的特征在于所提供的可切換光學(xué)元件(600)包括包含沿可切換光學(xué)元件(600)的光軸彼此相對(duì)設(shè)置的第一和第二流體(20，22)的流體腔室(2)、與第一流體(20)耦合的第一電極(24)、以及第二電極(26)，其中第二流體(22)設(shè)置成響應(yīng)于施加給第一和第二電極(24，26)的電壓而大致橫穿光軸而移動(dòng)，從而改變流體腔室(2)沿光軸方向的透射率。
全文摘要
本發(fā)明描述了一種可切換光學(xué)元件，以及該元件的一種制造方法?？汕袚Q光學(xué)元件(1)包括包含沿可切換光學(xué)元件(1)的光軸(A)彼此相對(duì)設(shè)置的第一和第二流體(20，22)的流體腔室(2)。第二流體(22)通過電潤(rùn)濕作用可沿離開光軸(A)的方向運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生沿光軸(A)方向透射率可變的可切換光學(xué)元件。該可切換光學(xué)元件(1)適用于光學(xué)衰減器，例如快門、濾光器或光闌，并且在諸如照相機(jī)、激光諧振腔、投影儀和用于掃描光學(xué)記錄載體的裝置的應(yīng)用中，可方便地用于替代機(jī)械替換物。
文檔編號(hào)G11B7/135GK1682143SQ03822172
公開日2005年10月12日 申請(qǐng)日期2003年9月12日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月19日
發(fā)明者B·J·菲恩斯特拉, R·A·哈耶斯, R·M·斯諾伊倫, S·庫伊佩, B·H·W·亨德里克斯, A·P·M·范阿倫多克 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司