CN100510788C - 可转换的光学元件 - Google Patents
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Abstract
一种可转换的光学元件，其具有用于辐射束的光路(OP)，并具有第一状态和第二状态，该元件包括：彼此不混溶且通过流体弯月面(16)彼此分开的第一流体(12)和不同的第二流体(14)；沿光路彼此隔开的透明的第一壁部分和透明的第二壁部分；以及流体转换系统，该流体转换系统被设置为向第一和/或第二流体施加作用力以便使该元件在第一和第二状态之间转换。该第一壁部分包括非平面波前修正器(28)，其中流体转换系统被设置为施加作用力，从而当该元件处于第一状态时第一壁部分由第一流体(12)覆盖；并且当该元件处于第二状态时，该第一壁部分由第二流体(14)覆盖。该可转换的光学元件的特征在于，该流体转换系统被设置为在第一状态和第二状态之间转换，从而当元件处于第一状态时第二壁部分由第二流体覆盖，并且当元件处于第二状态时第二壁部分由第一流体覆盖。当元件既处于第一状态又处于第二状态时，至少部分流体弯月面(16)位于光路上。
Description
技术领域
本发明涉及一种可转换的光学元件，特别但不专门适合应用于扫描光学记录载体的信息层的光学扫描设备中；并且本发明涉及包括这种元件的光学扫描设备。
背景技术
可转换的光学元件具有用于将不同的波长修正引入到辐射束中的不同状态是已知的。光学元件在不同状态之间转换改变了当辐射束穿过光学元件时引入到该辐射束中的波前修正。
国际专利申请WO 04/027490描述了一种具有两个不同状态的可转换的光学元件。该元件具有箱，其在一个状态下充满一种流体并在另一个状态下充满不同的流体。一种波前修正器修正穿过该箱的辐射束的波前。该辐射束的波前修正取决于光学元件转换成的这两个状态，以及辐射束的波长。
在WO 04/027490中公开的可转换的光学元件包括在用于扫描不同格式光学记录载体的信息层的光学扫描设备中，所述不同格式例如紧致盘(CD)，常规的数字通用盘(DVD)和蓝光(Blu—Ray)TM盘(BD)。用于扫描记录载体的辐射束的波长对于不同格式是不同的。每种格式都具有位于信息层和记录载体外部之间的覆盖层，其具有不同的厚度。通过在可转换的光学元件的不同状态之间转换，可以适应这些不同的厚度从而能够正确地扫描不同格式的记录载体。
能够通过可转换的光学元件引入到辐射束中的波前修正的种类相对地受到元件结构的限制。此外，该可转换的光学元件不提供功能性，其允许光学扫描设备扫描具有多个信息层的光学记录载体。由于该元件具有导管因此该元件相对较大，位于光学操作区域的外面，其充满一种流体同时另一种流体充满所述箱。
国际专利申请WO 03/069380公开了一种具有弯月面的可变焦点透镜，该弯月面将两种流体分开。流体弯月面具有一曲率，使穿过弯月面的辐射束聚焦。向透镜的电极施加电压改变了弯月面的曲率，以便改变辐射束的焦点。该申请公开了一种光学扫描设备，其包括可变焦点透镜并且其能够通过改变透镜的焦点来扫描记录载体的不同信息层。
国际专利申请WO 04/051323公开了用于形成可变流体弯月面结构的装置。该装置包括流体弯月面，其将两种流体分开。通过将不同的电压起伏图施加于围绕该弯月面的电极排列，能够获得不同的弯月面外形。在一个实施例中，辐射束穿过透明电极并由流体弯月面反射通过该装置的另一个透明壁，所述流体弯月面具有平面结构。在不同的实施例中，施加于电极的电压起伏图导致弯月面采用非对称的曲率，将穿过该弯月面的辐射束聚焦。电压的变化导致弯月面曲率发生变化。
发明内容
本发明的目的是提供一种可转换的光学元件，其以相对有效的方式将不同的波前修正引入到辐射束中。
根据本发明的一个方面，提供一种可转换的光学元件，该光学元件具有用于辐射束的光路并且具有第一状态和第二状态，所述元件包括：
a)第一流体和不同的第二流体，这两种流体不混溶，并且由流体弯月面将其彼此分开；
b)透明的第一壁部分和透明的第二壁部分，其沿着光路彼此隔开；以及
c)流体转换系统，其被设置为向所述第一和/或第二流体施加作用力以便使所述元件在所述第一和所述第二状态之间转换，
其中第一壁部分包括非平面的波前修正器，并且其中该流体转换系统被设置为施加所述作用力以便：
当该元件处于第一状态时，所述第一壁部分由第一流体覆盖；以及
当该元件处于第二状态时，所述第一壁部分由第二流体覆盖，
其特征在于，该流体转换系统被设置为在所述第一状态和所述第二状态之间转换以便当该元件处于第一状态时所述第二壁部分由第二流体覆盖，并且当该元件处于第二状态时所述第二壁部分由第一流体覆盖，其中当该元件既处于第一状态又处于第二状态时至少部分所述流体弯月面位于光路上。
当辐射束沿着光路行进时，该可转换的光学元件当处于第一状态时将所希望的波前修正引入到辐射束中。通过将该元件转换到第二状态，可以将所希望的不同的波前修正引入到辐射束中。每次引入的波前修正的形式取决于以下因数，其包括：辐射束的波长、第一流体和第二流体的材料、非平面波前修正器的结构和材料，以及第一和第二壁部分是否由第一或者第二流体覆盖。这些因数中的每一个都为设计可转换的光学元件从而将特殊的波前修正引入到不同辐射束的设计者提供了自由度。
由于当该元件处于第一状态和第二状态时流体弯月面位于光路上，因此第一流体和第二流体均位于光路上。在第一和第二状态之间转换导致两种流体改变在该元件中的位置，从而使它们覆盖第一和第二壁的不同部分。因此有可能在引入的波前修正的不同形式之间转换。根据弯月面的外形和/或根据第一和第二流体的材料，该流体弯月面可以至少部分地有助于引入的波前修正的形成。按照这种方式可以提供另一设计自由度。
由于这些不同的设计自由度，本发明的可转换的光学元件具有相当高水平的用户化从而可以将种类相当多的、不同的且所希望的波前修正引入到至少一个辐射束中，并且简单地通过转换该元件的状态或通过改变辐射束的特性来改变波前修正，所述特性如波长。有利的是可以将该元件设计并构造为符合需要将波前修正引入到辐射束中的光学应用所需的种类相当多的标准。
根据本发明的另一个优选实施例，当该元件处于第一和第二状态中的至少一种状态时，所述流体弯月面能够被设置为将沿着光路行进的辐射束聚焦。
由于流体弯月面能够将沿着光路行进的辐射束聚焦，可以引入波前修正器从而使辐射束聚焦为所希望的位置上的光点。这允许可转换的光学元件用在希望将辐射束聚焦到所希望的位置上的光学应用中。
优选的是，依照本发明的一实施例，当所述元件处于第一和第二状态中的至少一个状态时，所述流体弯月面具有确定所述焦点的量的曲率，并且所述元件包括能够改变该流体弯月面的曲率的可变焦点系统。
流体弯月面的曲率变化允许以相对有效和可控的方式来改变辐射束的焦点。因此，这允许可转换的光学元件用于希望改变辐射束聚焦位置的光学应用中。
在本发明的优选实施例中，所述流体转换系统包括第一和第二转换电极，其中
所述流体转换系统被设置为向所述第一转换电极施加电压以便将所述元件转换到所述第一状态，并且其中
所述流体转换系统被设置为向所述第二转换电极施加电压以便将所述元件转换到所述第二状态。
向不同电极施加电压以便转换该元件的状态允许以相对快速且有效的方式进行转换。这使得引入到辐射束的一个波前修正与引入到该辐射束的不同波前修正之间的任何延迟最小。
在本发明的另一个优选实施例中，所述光学元件包括另一个电极，其中
当在第一状态和第二状态之间转换时，所述流体转换系统被设置为向所述另一个电极施加电压，并且其中
当改变该流体弯月面的曲率时，所述可变焦点系统被设置为向所述另一个电极施加电压。
当在第一和第二状态之间转换时向该另一个电极施加电压以相对快速的方式改变了第一和第二流体在该元件中的位置，从而使该元件的转换相对有效。
优选的是，在本发明的实施例中，所述非平面波前修正器包括下列至少一个：非球面透镜；具有周期性轮廓(profile)的相结构；以及具有非周期性轮廓的相结构。
非平面波前修正器的特定结构的选择允许将所希望的波前修正引入到沿光路行进的辐射束中。在波前修正器包括一个以上不同类型的波前修正器的情况下，可以将不同形式的波前修正引入到具有不同预定波长的辐射束中。
在本发明的优选实施例中，所述第一流体具有第一折射率，所述第二流体具有不同的第二折射率，其中所述非平面波前修正器由折射率与所述第二折射率大致相同的材料形成。
由于非平面波前修正器的材料具有与第二流体相同的折射率，并且当该元件处于第一流体覆盖第二壁部分的第二状态时，波前修正器将零波前修正引入到沿光路传递的辐射束中。按照这种方式，通过在可转换的光学元件的状态之间转换能够接通和断开波前修正器的功能，并因此实现将波前修正引入到辐射束中和不将波前修正引入到辐射束中。
根据本发明的另一方面，提供一种用于扫描具有信息层的记录载体的光学扫描设备，其中所述光学扫描设备包括：
a)依照本发明的可转换的光学元件；
b)辐射束源系统，其被设置为提供具有预定波长的辐射束；
c)物镜系统，其被设置为将所述所提供的辐射束聚焦为在所述信息层上的扫描光点；以及
d)检测系统，其被设置为检测扫描信息层之后的辐射束并且将检测到的辐射束的辐射转变为电信号。
在该光学扫描设备中包括的该可转换的光学元件适应于以相对精确的方式将波前修正引入到用于扫描记录载体的辐射束中。此外，由于可转换的光学元件的合适的适配，该光学扫描设备能够以相对精确的方式扫描不同格式和/或者包括多个信息层的光学记录载体。
本发明的其他特征和优点将根据下面仅仅作为例子而给出的本发明优选实施例的描述而变得显而易见，本发明的优选实施例参考附图进行说明。
附图说明
图1示意性地示出依照本发明实施例的可转换的光学元件处于第一状态的横截面；
图2示意性地示出依照本发明实施例的可转换的光学元件的横截面；
图3示意性地示出依照本发明实施例的可转换的光学元件处于中间状态的横截面；
图4示意性地示出依照本发明实施例的可转换的光学元件处于第二状态的横截面；
图5示意性地示出依照本发明不同实施例的可转换的光学元件处于第一状态的横截面；
图6示意性地示出依照本发明不同实施例的可转换的光学元件的横截面；
图7示意性地示出依照本发明不同实施例的可转换的光学元件处于中间状态的横截面；
图8示意性地示出依照本发明实施例的光学扫描设备。
具体实施方式
图1示意性地示出依照本发明第一实施例的可转换的光学元件2的横截面。图2示意性地示出沿着图1中标明的线A—A的元件2的横截面。元件2包括具有纵轴的圆柱电极4，其与元件2的光路OP重合。圆柱电极4的第一端由第一壁6所覆盖，圆柱电极4的第二端由第二壁8所覆盖。第一壁6、第二壁8和圆柱电极4限定了圆柱箱10，该圆柱箱将彼此不混溶的第一流体12和不同的第二流体14封入其中。流体弯月面16将第一流体12与第二流体14中分开，并且流体弯月面16至少部分位于光路OP上。在该实施例中，弯月面16以光路OP为中心。箱10具有垂直于光路OP的半径r。
在该实施例中，第一流体12是具有第一折射率的导电性液体，例如在水中具有0.1M浓度的氯化钾(KCL)溶液，其折射率为1.34，第二流体14是具有第二折射率的电绝缘液体，例如聚苯基甲基硅氧烷和聚二甲基硅氧烷的共聚物，其折射率为1.50。可以设想，可选择的是，第二流体可以是导电性的，但是具有比第一流体12低的导电性。
第一壁6包括第一板18，第二壁8包括第二板20。第一和第二板18、20中的每一个均为圆形的、平面的，以光路OP为中心，并且由透明材料形成，在该例子中，所述透明材料是玻璃。第一转换电极22既与第一板18面向箱10的表面接触，又与第一板18的外围表面接触。第一转换电极22是圆形的，具有U形横截面，以光路OP为中心并由透明和导电性材料形成，在该例子中，所述材料是氧化铟锡(ITO)。第二转换电极24既与第二板20面向箱10的表明接触又与第二板20的外围表面接触。第二转换电极24是圆形的，具有U形横截面，以光路OP为中心并由透明和导电性材料形成，在该例子中，所述材料是氧化铟锡(ITO)。疏水层26是电绝缘和透明的，其涂敷第二转换电极24面向箱10的表面。疏水层26也涂敷圆柱电极4的内表面并将第一、第二转换电极22、24与圆柱电极4的端面分开并使第一、第二转换电极22、24与该端面绝缘。在该例子中，疏水层26由美国杜邦公司(DupontTM)生产的聚四氟乙烯(TeflonTM)AF1600形成。
第一壁6的一部分和第二壁8的一部分是透明的并且沿着光路OP彼此分开。第一壁部分和第二壁部分的每一个都具有沿垂直于光路OP的方向的半径，其与箱10的半径r相同。第一壁部分和第二壁部分的每一个都具有沿平行于光路OP的方向的厚度，其分别与第一壁6和第二壁8沿同一方向的厚度相同。
第一壁部分包括非平面的波前修正器28，其包括至少一个非球面透镜；具有周期性轮廓的相结构；以及具有非周期性轮廓的相结构。在该实施例中，非平面波前修正器28是非球面透镜30，其包括非周期性的相结构(NPS)32。该NPS 32是包括多个环形突起的环形相结构，其具有非周期性的轮廓。NPS 32形成于非球面透镜30的表面中。非球面透镜30的表面和NPS32的表面构成涂敷有疏水层26的第一壁部分的波前修正器表面34。波前修正器28安装在第一转换电极的一部分上，并且以光路OP为中心以致于圆形的非球面透镜30以及NPS 32以光路OP为中心。波前修正器28依照规定尺寸来构成，能够通过波前修正器28将所希望的波前修正引入到沿着光路OP传播的辐射束。如图1中所示，波前修正器28的尺寸没有依照比例绘出并且不欲表示波前修正器28的规定尺寸。在该实施例中，波前修正器28由一种材料形成，其折射率与第二折射率大致相同，例如已二醇二丙烯酸酯(HDDA)，其对预定波长为408nm的辐射束的折射率为1.51。
元件2包括接地电极36，该接地电极通过圆柱电极4中的开口而插入，并且与第一流体12接触。接地电极36与接地端子40电连接。疏水层26涂敷圆柱电极4中的开口的内表面，以便将接地电极36与圆柱电极4绝缘。
流体弯月面16能够被设置为将沿着光路OP行进的辐射束聚焦。流体弯月面16具有一曲率，其确定焦点的量。该曲率关于光路OP是旋转对称的，并且在图1中显示为当从第二壁8观看时具有凸曲率。元件2可变焦点系统(未示出)，该系统能够通过向第一和第二流体12、14施加电润湿作用力来改变该曲率。该可变焦点系统包括与圆柱电极4和接地端子40均电连接的第一电压源V1。由第一电压源V1向圆柱电极4施加电压确定了在流体弯月面16和覆盖圆柱电极4内表面的一部分疏水层26之间的接触角α的范围。接触角α的范围确定弯月面16的曲率。第一电压源V1施加的电压的变化改变接触角α的范围，从而改变弯月面16的曲率，以致于可以获得凸、凹或者平面曲率。
元件2包括流体转换系统(未示出)，其被设置为向第一和/或第二流体12、14施加电润湿作用力，以便使元件2在第一状态和第二状态之间转换。第一状态和第二状态将在后面进一步详细描述。流体转换系统包括第一转换电极22、第二转换电极24、第二电压源V2和第三电压电源V3。该流体转换系统包括电连接系统38，其将第二电压源V2电连接到第二转换电极24和接地端子40，并且将第三电压电源V3电连接到第一转换电极22和接地端子40。图1示出处于第一状态的元件2，在该状态中，第一流体12覆盖包括波前修正器28的第一壁部分，并且第二流体14覆盖第二壁部分。流体转换系统通过将第三电压源V3的适当电压施加于第一转换电极22而向第一和第二流体12、14施加电润湿作用力。在该第一状态中，第二电压源V2不向第二转换电极24施加电压。
图3示出处于中间状态的元件2，该状态出现在元件2在第一状态和第二状态之间转换的过程中。在该状态中，第二电压源V2不向第二转换电极24施加电压，第三电压源V3不向第一转换电极22施加电压，第一电压源V1不向圆柱电极4施加电压。第一流体12具有一种外形，其使第一流体12与疏水层26的接触最小。当元件2处于中间状态时，至少一个其他流体弯月面42保持使第一和第二流体12、14分开，该至少一个其他流体弯月面不同于前述流体弯月面16。在本发明的其他实施例中，当元件2处于中间状态时，也可以由第二电压源V2向第二转换电极24施加电压，以便加速该元件从第一状态到第二状态的转换。类似的是，当从第二状态转换到第一状态时，第三电压源V3可以在该元件处于中间状态时向第一转换电极22施加电压。
图4示出处于第二状态的元件2，在该状态中，第二流体14覆盖包括波前修正器28的第一壁部分，并且第一流体12覆盖第二壁部分。流体转换系统通过将第二电压源V2的适当电压施加于第二转换电极24来向第一和第二流体12、14施加电润湿作用力。在该第二状态中，第三电压电源V3不向第一转换电极22施加电压。在图4中，流体弯月面16显示为当从第一壁6观看时具有凸的曲率。该第一电压源V1向圆柱电极4施加适当的电压，以便实现该凸曲率。
图5、6和7显示出依照不同实施例的本发明的可转换的光学元件44。依照该实施例所描述的特征与依照前面实施例所描述的特征类似。这些特征利用相同的附图标记加上100来表示，类似的描述也应适用于该实施例。
图5示出处于第一状态的可转换的光学元件44，图6示出沿图5中的线B-B获得的元件44的横截面。在该实施例中没有如针对前面的实施例而描述的圆柱电极。箱110由第一和第二壁106、108、半圆柱电极46和另一个半圆柱电极48来限定。该半圆柱电极46、48彼此相对地对准形成圆柱体。第一壁106和第二壁108分别覆盖该圆柱体的第一端和第二端。疏水层126覆盖该圆柱体的内表面，绝缘层50沿着半圆柱电极46、48的纵向边缘定位，以便使两个半圆柱电极46、48彼此分开并使这两个半圆柱电极彼此绝缘。绝缘层50例如由美国杜邦公司(DupontTM)生产的聚对二甲苯基、聚乙烯，或者聚四氟乙烯(TeflonTM)AF 1600形成。
半圆柱电极46电连接到第一电压源V1。第四电压源V4电连接到另一个半圆柱电极48和接地端子40。接地电极136按照与前面针对圆柱电极的描述的相类似的方式通过另一个半圆柱电极48插入，并与该半圆柱电极48绝缘。
在该实施例中，元件44处于第一或第二状态中，通过将第一电压源V1的适当电压施加于半圆柱电极46，可变焦点系统确定流体弯月面116的曲率。可变焦点系统也控制第四电压源V4向另一个半圆柱电极48施加电压，该电压与第一电压源V1施加的适当电压相同。按照这种方式确定流体弯月面116的曲率，该曲率关于光路OP旋转对称。为了改变流体弯月面116的曲率，由第一电压电源V1向半圆柱电极46施加的电压，以及由第四电压源V4向另一个半圆柱电极48施加的电压的变化是一致的，从而使这两个电压保持彼此相同。
图7示出处于中间状态的可转换的光学元件44，该中间状态发生在该元件44在第一状态和第二状态之间的转换过程中。在该中间状态中，第一电压源V1，第二电压源V2以及第三电压源V3均没有分别向半圆柱电极46、第一转换电极122和第二转换电极124施加电压。该流体转换系统控制第四电压源V4向另一个半圆柱电极48施加电压。该电压向第一和第二流体112、114施加电润湿作用力，从而使第一流体112覆盖位于箱110和另一个半圆柱电极48之间的一部分疏水层126，并使第一流体112与接地电极136接触。第二流体114覆盖位于箱110和半电极46之间的一部分疏水层126。第一壁部分和第二壁部分均部分地由第一流体112和第二流体114覆盖。
图8示意性地光学扫描设备51，其包括依照本发明实施例的可转换的光学元件52。该光学扫描设备能够分别利用具有第一预定波长λ1的第一辐射束、具有不同的第二预定波长λ2的第二辐射束以及具有不同的第三预定波长λ3的第三辐射束55来扫描第一格式、不同的第二格式以及不同的第三格式的光学记录载体。图8中示出了第三格式的光学记录载体53，其具有通过第三辐射束55来扫描的第一信息层54和第二信息层56。第三格式的光学记录载体53包括覆盖层57，该覆盖层例如由聚碳酸酯形成，在其一侧设置第一信息层54。通过另一个覆盖层58来保护第二信息层56上与覆盖层57相反的一侧，使其不受环境影响。第一信息层54和第二信息层56由分离层60来分开。覆盖层57和/或分离层60通过为第一和第二信息层54、56提供机械支承而作为第三光学记录载体53的基底。可选择的是，覆盖层57可以具有保护第一信息层54的功能，而分离层60、第二信息层56和另一个覆盖层58中的至少一个来提供机械支承。第一信息层54在记录载体中具有第一信息层深度d1，其对应于覆盖层57的厚度。第二信息层56在记录载体中具有第二信息层深度d2，其对应于覆盖层57和分离层60的组合厚度。第一和第二格式的光学记录载体具有位于不同的第一信息层深度的至少一个信息层，其深度分别与第一和第二格式的光学记录载体的覆盖层厚度相对应。第三格式的光学记录载体53的第一信息层深度d1小于第二光学记录载体的第一信息层深度，其小于第一光学记录载体的第一信息层深度。
第一信息层54和第二信息层56是第三光学记录载体53的表面。类似的是，第一和第二格式的光学记录载体的第一信息层均是表面。这些表面中的每一个都包含至少一个轨道，也就是，聚焦辐射的光点所遵循的路径，可光学读取的标记设置在该路径上以代表信息。这些标记例如可以是反射系数或磁化强度方向不同于周围环境的多个凹坑或多个区域的形式。在第三格式的光学记录载体53具有圆盘形状的情况下，相对于给定的轨道定义下面的术语：“径向”是在该轨道和盘中心之间的参考轴的方向，即X轴的方向，“切向”是与该轨道正切且垂直于X轴的另一个轴的方向，即Y轴的方向。在该实施例中，第一格式的光学记录载体是紧致盘(CD)，并且第一信息层深度大约为1.2mm，第二格式的光学记录载体是常规的数字通用盘(DVD)并且第一信息层深度大约为0.6mm，第三格式的光学记录载体3是蓝光(Blu-RayTM)盘(BD)并且第一信息层深度d1大约为0.075mm。第三格式的光学记录载体53的第二信息层深度d2大约为0.1mm。
如图8所示，光学扫描装置51具有光路OP并且包括辐射源系统62、准直透镜64、分束器66、包括可转换的光学元件52和物镜67的物镜系统，以及检测系统68。另外，光学扫描装置51包括伺服电路70、聚焦致动器71、径向致动器72，以及用于误差校正的信息处理单元73。
辐射源系统62被设置为连续或者同时产生第一辐射束、第二辐射束和/或者不同的第三辐射束55。例如，辐射源系统62可以包括用于连续提供辐射束的可调半导体激光器或者用于同时或连续提供这些辐射束的三个半导体激光器。在该实施例中，第三波长λ3小于第二波长λ2。第二波长λ2小于第一波长λ1。在该实施例中，第一、第二和第三波长λ1、λ2、λ3的范围分别是λ1在大约770到810nm的范围内，λ2在大约640到680nm的范围内，λ3在大约400到420nm的范围内，并且优选地分别大约是785nm、650nm和405nm。第一、第二和第三辐射束分别具有大约0.5、0.65和0.85的数值孔径(NA)。
准直透镜64设置在光路OP上，用于将第三辐射束55变换成基本上准直的第三光束74。类似地，其将第一和第二辐射束变换成基本上准直的第一光束和基本上准直的第二光束(未在图8中示出)。
分束器66设置为朝物镜系统透射准直的第一、第二和第三辐射束。优选的是，分束器66由平面平行板形成，其相对于光路OP成角β倾斜，并且优选的是β＝45°。
将物镜系统设置成使准直的第一、第二和第三辐射束分别聚焦为在第一、第二和第三光学记录载体上的所希望的焦点。第一、第二和第三辐射束的所希望的焦点分别是第一、第二和第三扫描光点75。每个扫描光点与适当光学记录载体的第一信息层上的位置相对应，或者在第三格式53的情况下，可选择的是，每个扫描光点与第二信息层56上的位置相对应。每个扫描光点优选是基本上受衍射限制的，并具有小于70mλ的波前像差。
依照该实施例的可转换的光学元件52可以具有参考图1到图4所描述的实施例的形式或者在图5到图7中描述的实施例的形式。在该实施例中，波前修正器28；128包括非球面透镜30；130和NPS 32；132。波前修正器28；128具有将不同的预定波前修正引入到第一辐射束和第二辐射束中的规定尺寸。波前修正器28；128由已二醇二丙烯酸酯(HDDA)形成，覆盖波前修正器表面34；134的一部分疏水层26；126具有小于第一、第二和第三波长λ1、λ2、λ3的厚度，以致于疏水层26；126不能修改第一、第二和第三辐射束的波前。第一流体12；112是盐水，第二流体14；114是油。所述油对于具有408nm的预定波长的辐射束的折射率与波前修正器28；128的材料的折射率相同，或者至少大致相同。箱10；110的半径r大约为5mm。
物镜67具有大约0.85的NA，并且使该物镜在将预定波长大约为405nm的辐射束聚焦到位于光学记录载体中大约0.1mm深度的信息层上最优化。
在扫描以及可转换的光学元件52处于第二状态的过程中，第三光学记录载体53在一轴(未在图8中显示)上旋转，然后通过覆盖层57扫描第一信息层54。聚焦的第三辐射束74在第一信息层54上反射，由此形成反射的第三辐射束，其在物镜系统所提供的向前会聚的聚焦的第三光束的光路OP上返回。该物镜系统将反射的第三辐射束变换为反射的准直第三辐射束76。分束器66通过朝检测系统68透射至少一部分反射的第三辐射束76而使向前的第三辐射束74与反射的第三辐射束分开。
检测系统68包括会聚透镜78和象限检测器80，该会聚透镜和该象限检测器设置为捕获反射的第三辐射束76的所述部分并将其转变为一个或多个电信号。这些信号之一是信息信号Idata，其值代表在信息层54上扫描的信息。通过信息处理单元73来处理信息信号Idata以进行误差校正。来自检测系统68的其他信号是聚焦误差信号Ifocus和径向跟踪误差信号Iradial。该信号Ifocus代表沿着光路OP在第三扫描光点75和第一信息层54的位置之间的轴向高度差。优选的是，通过“像散法”形成信号Ifocus，特别是从G.Bouwhuis、J.Braat、A.Huijser等人所写的题为“Principles of Optical Disc System(光盘系统的原理)”一书第75-80页(Adam Hilger 1985)(ISBN 0-85274-785-3)中获知该方法。对用于根据聚焦法来产生像散的设备没有说明。径向跟踪误差信号Iradial代表在第一信息层54的XY平面内位于第一扫描光点75和第一信息层54的轨道中心之间的距离，第一扫描光点75遵循信息层54的所述轨道。优选的是，该信号由“径向推挽法”来形成，特别是从G.Bouwhuis撰写的书中第70-73页获知该方法。
伺服电路70设置为响应于信号Ifocus和Iradial提供伺服控制信号Icontrol，其用于分别控制聚焦致动器71和径向致动器72。聚焦致动器71控制物镜系统的透镜沿着光路OP的位置，由此控制扫描光点75的位置，从而使其与第一信息层54的平面基本上重合。径向致动器72控制物镜系统的物镜67沿X轴的位置，由此控制扫描光点75的径向位置，从而使其与第一信息层54中遵循的轨道中心线基本上重合。
当扫描第三格式的光学记录载体53的第一信息层54时，可转换的光学元件52处于第二状态，可变焦点系统控制流体弯月面216，所以当从第二壁208观看时该曲率是凸的，且该曲率大约为0.02mm-1。该可变焦点系统能够将流体弯月面16；116的曲率变成0.00mm-1的平面曲率，以便将第三辐射束74的扫描光点75从第一信息层54移动到第二信息层56上。
当分别利用第一和第二辐射束扫描第一格式的记录载体和第二格式的记录载体时，将可转换的光学元件52转换成第一状态，并且可变焦点系统控制流体弯月面16；116从而使曲率是平面的。
当扫描任一格式的光学记录载体的第一信息层时，覆盖层将一些球面像差引入到扫描该光学记录载体的辐射束中。当扫描第三格式的记录载体53的第二信息层56时，覆盖层57和分离层60将一些球面像差引入到第三辐射束74中。
当扫描一种格式的光学记录载体的第一信息层时，物镜系统将一些球面像差引入辐射束中，其具有相反的符号并且其数量与覆盖层引入的球面像差的数量大致相同。当扫描第三格式的光学记录载体53的第二信息层56时，物镜系统将一些球面像差引入第三辐射束74中，其具有相反的符号并且数量与覆盖层57和分离层60引入的球面像差的数量大致相同。将可转换的光学元件52转换至适当的状态并且改变流体弯月面16；116的曲率确定了物镜系统引入的球面像差数量，并且确保将辐射束精确地聚焦为扫描光点。当扫描第一、第二和第三格式的光学记录载体时，扫描光点的均方根(RMS)波前像差分别为大约13mλ、9mλ和15mλ。
上面的实施例理解为本发明的说明性举例。可以设想本发明的另外的实施例。例如，在对于可转换的光学元件来说希望将不同波前修正引入与前述相同或不同预定波长的辐射束中的另外的实施例中，第一和第二流体的折射率、波前修正器的材料的折射率、非平面波前修正器的结构、可转换的光学元件的材料、第一和第二流体的体积以及可转换的光学元件的尺寸可以与上述不同，所述可转换的光学元件的尺寸例如箱的半径或者第一和/或第二壁部分的厚度或外形。
在所述本发明的实施例中，第二流体具有与波前修正器的材料的折射率相同的折射率。在另外的实施例中，可选择的是，波前修正器的材料具有与第一和第二流体的折射率不同的折射率。可以进一步设想，流体中的至少一种可以是气体，而不是液体。
在另外的实施例中，除包括波前修正器的第一壁部分之外，第二壁部分还可以包括非平面的波前修正器，其包括，例如至少一个非球面透镜，非周期性相结构和周期性相结构。
在另外的实施例中，用于转换该元件的状态和/或改变流体弯月面的曲率的电极可以根据不同外形来设置，或者可以具有不同的形状。例如，可选择的是，第一转换电极可以设置在波前修正器的表面上。在另外的实施例中，可转换的光学元件可以具有不含接地电极的电极排列。在这种实施例中，电压施加于该元件的至少两个电极，以便根据需要定位第一和第二流体。例如，对于前面参考图5到7进行描述但没有接地电极的元件，该元件可以从第一状态转换到第二状态，在该第一状态中向第一转换电极和每个半圆柱电极施加电压，在该第二状态中向第二转换电极和两个半圆柱电极施加电压，所述状态的转换是通过向第一转换电极和另一个半圆柱电极施加电压，然后通过向第二转换电极和另一个半圆柱电极施加电压来实现的。按照这种方式，第一流体和第二流体在箱内移动。外加电压的量比前面实施例所描述的外加电压的量更高，第一流体采用比该外加电压的量更小的电压，例如，大约为该外加电压的量的一半。
进一步设想，流体转换系统和/或可变焦点系统可以向这些流体施加不同类型的力，所述力不是电润湿作用力，以便转换该元件的状态并分别改变流体弯月面的曲率。在不需要辐射束的可变焦点的不同实施例中，可转换的光学元件不包括所描述的可变焦点系统。在这种实施例中，该元件可以设置为向辐射束提供固定焦点。
在前述实施例中，已经描述了流体弯月面的凸、凹和平面曲率是可获得的，所有这些曲率均是关于光路OP旋转对称的。在另外的实施例中，可以实现关于光路OP不旋转对称的流体弯月面的曲率。
在本发明的另外实施例中，该元件可以具有流动地连接于箱的导管，或者该元件可包括两个同心圆柱体，其便于在转换该元件的状态的过程中第一流体和第二流体在该元件中的运动。
可转换的光学元件描述为包括在用于扫描三种格式的光学记录载体的光学扫描设备中，一种格式具有两个信息层。在另外的实施例中，可以修改可转换的光学元件，从而当包括在光学扫描设备中并通过转换可转换的光学元件的状态时，光学扫描设备能够扫描不同格式的光学记录载体，其可以包括CD、DVD或者Blu-RayTM并且其可以具有一个或多个信息层。通过改变流体弯月面的曲率，可以设想扫描具有多个信息层的记录载体的不同信息层。
应该理解，有关任何一个实施例而描述的任何特征可以单独使用，或者与所描述的其他特征结合使用，并且也可以和任何其他实施例的一个或多个特征或者和任何其他实施例的任何组合相结合来使用。此外，在不背离由所附的权利要求所限定的本发明范围的情况下也可以采用上面没有描述的等效方案和修改。
Claims (14)
1.一种可转换的光学元件，其具有用于辐射束的光路(0P)，并且具有第一状态和第二状态，所述元件包括：
a)第一流体(12；112)和不同的第二流体(14；114)，这两种流体不混溶，并且由流体弯月面(16；116)将其彼此分开；
b)透明的第一壁部分和透明的第二壁部分，其沿着光路的方向彼此隔开；以及
c)流体转换系统，其被设置为向所述第一和/或第二流体施加作用力以便使所述元件在所述第一和所述第二状态之间转换，
其中第一壁部分包括非平面波前修正器(28；128)，并且其中该流体转换系统被设置为施加所述作用力以便：
当该元件处于第一状态时，所述第一壁部分由第一流体(12；112)覆盖；以及
当该元件处于第二状态时，所述第一壁部分由第二流体(14；114)覆盖，
其特征在于，该流体转换系统被设置为在所述第一状态和所述第二状态之间转换，以便当该元件处于第一状态时所述第二壁部分由由第二流体覆盖，并且当该元件处于第二状态时所述第二壁部分由第一流体覆盖，其中当该元件既处于第一状态又处于第二状态时至少部分所述流体弯月面(16；116)位于光路上。
2.根据权利要求1所述的可转换的光学元件，其中所述第一流体是导电的液体，所述第二流体是电绝缘的液体或者是导电性比所述第一流体低的液体。
3.根据权利要求1或2所述的可转换的光学元件，其中当该元件处于第一和第二状态中的至少一种状态时，所述流体弯月面能够被设置为将沿着光路行进的辐射束聚焦。
4.根据权利要求3所述的可转换的光学元件，其中当所述元件处于第一和第二状态中的至少一个状态时，所述流体弯月面具有确定聚焦的量的曲率，并且所述元件包括能够改变该流体弯月面的曲率的可变焦点系统。
5.根据权利要求4所述的可转换的光学元件，其中所述可变焦点系统被设置为利用电润湿作用力来改变所述曲率。
6.根据权利要求4所述的可转换的光学元件，其中所述流体转换系统包括第一和第二转换电极(22，24；122，124)，其中
所述流体转换系统被设置为向所述第一转换电极施加电压以便将所述元件转换到所述第一状态，并且其中
所述流体转换系统被设置为向所述第二转换电极施加电压以便将所述元件转换到所述第二状态。
7.根据权利要求6所述的可转换的光学元件，其中所述光学元件包括另一个电极(48)，其中
当在第一状态和第二状态之间转换时，所述流体转换系统被设置为向所述另一个电极施加电压，并且其中
当改变该流体弯月面的曲率时，所述可变焦点系统被设置为向所述另一个电极施加电压。
8.根据权利要求1所述的可转换的光学元件，其中所述流体转换系统包括第一和第二转换电极(22，24；122，124)，其中
所述流体转换系统被设置为向所述第一转换电极施加电压以便将所述元件转换到所述第一状态，并且其中
所述流体转换系统被设置为向所述第二转换电极施加电压以便将所述元件转换到所述第二状态。
9.根据权利要求1所述的可转换的光学元件，其中由所述流体转换系统向第一和/或第二流体施加的所述作用力是电润湿作用力。
10.根据权利要求1所述的可转换的光学元件，其中所述非平面波前修正器包括下列至少一个：非球面透镜(30)；具有周期性轮廓的相结构；以及具有非周期性轮廓的相结构(32)。
11.根据权利要求1所述的可转换的光学元件，其中所述第一流体具有第一折射率，所述第二流体具有不同的第二折射率，其中所述非平面波前修正器由折射率与所述第二折射率大致相等的材料形成。
12.一种用于扫描具有信息层(54，56)的记录载体(53)的光学扫描设备，其中所述光学扫描设备包括：
a)根据权利要求1到11中任一项所述的可转换的光学元件(52)；
b)辐射束源系统(62)，其被设置为提供具有预定波长的辐射束(55)；
c)物镜系统，其被设置为将所述所提供的辐射束聚焦为所述信息层上的扫描光点(75)；以及
d)检测系统(68)，其被设置为检测扫描信息层之后的辐射束并且将检测到的辐射束的辐射转变为电信号。
13.根据权利要求12所述的光学扫描设备，其中记录载体具有位于该记录载体中不同深度(d1，d2)处的多个信息层(54，56)，其中可变焦点系统被设置为改变流体弯月面的曲率，以便将所述多个信息层中的一个上的扫描光点移动到所述多个信息层中不同的一个上。
14.根据权利要求12或13所述的光学扫描设备，其中所述辐射束源系统被设置为提供第一预定波长的第一辐射束、不同的第二预定波长的第二辐射束以及不同的第三预定波长的第三辐射束，其中：
当所述可转换的光学元件处于所述第一状态时，光学扫描设备被设置为用所述第一辐射束来扫描第一格式的记录载体，并用所述第二辐射束来扫描不同的第二格式的记录载体；以及
当所述可转换的光学元件处于所述第二状态时，光学扫描设备被设置为用所述第三辐射束来扫描不同的第三格式的记录载体。
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