CN1754112A - 包括由两种不可混溶流体的界面形成的可变透镜的用于光盘记录/再现装置的物镜 - Google Patents

包括由两种不可混溶流体的界面形成的可变透镜的用于光盘记录/再现装置的物镜 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种物镜(16)，用于具有不同覆盖层厚度的光学可读盘，该物镜(16)包括由两种不可混溶的流体(A，B)之间的界面形成的可变透镜(1)，该可变透镜(1)可以处于至少两种离散状态中的一种状态，由此物镜(16)的聚焦点在可变透镜(1)的两种状态之间变化。

Description

包括由两种不可混溶流体的界面形成的可变透镜的 用于光盘记录/再现装置的物镜
技术领域
本发明涉及物镜。本发明还涉及光学装置、光学扫描装置以及包括这种物镜的光盘记录/再现装置。
背景技术
对于覆盖层厚度为0.1mm的光盘，两个元件组成的蓝光盘(BD)(以前称作数字录像机(DVR))的物镜具有NA＝0.85的数值孔径，并在405nm波长处工作，其特征在于物镜的出射面和盘的入射面(覆盖层)之间的自由工作距离相对较小，通常小于0.3mm。典型的BD的覆盖层为0.1mm厚，该厚度是盘的入射层及其光学可读表面之间的距离。当利用这种物镜在覆盖层为0.6mm的数字通用盘(DVD)上聚焦时，很明显，可用的自由工作距离变得太小。因此，使BD物镜与DVD系统兼容存在问题。
从WO 03/069380获知一种可变焦点的透镜，该透镜包括在弯月面上接触的第一流体和不可与第一流体混溶的第二流体。通过流体接触层使第一电极与这些流体分开，而第二电极与第一流体接触，以产生电润湿效应，由此改变弯月面的形状。可以在光学扫描装置(参见WO03/069380的图5)中使用这种可变焦点的透镜，该光学扫描装置包含这种电润湿透镜以便能够从双层DVR盘上记录和/或重放。在WO03/069380的图5中，透镜202、204形成物镜，该物镜安装于在两个垂直面内移动的致动器上。电润湿透镜200不是物镜的一部分。图5的物镜的焦距是固定的，并且不能依靠电润湿透镜200来适应相当大的光学载体厚度差(从入射层到可读层)。在WO 03/069380的图5的实施例中，焦点的变化仅仅需要0.02mm，这对于应付不同的覆盖层厚度是不够的。
因此，本发明的优选实施例的目的是提供一种适用于具有不同覆盖层厚度的光学可读盘的物镜。
本发明的优选实施例的目的还在于提供一种光学装置、一种光学扫描装置以及具有改进的物镜的光盘记录/再现装置。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供一种物镜，该物镜包括由两种不可混溶的流体的界面形成的可变透镜，该可变透镜可以处于至少两种不同状态中的一种状态，由此物镜的聚焦点可以在可变透镜的两种状态之间变化。
在物镜中使用这种可变透镜意味着不需要移动部件就可以实现物镜的焦距变化，并且制造相当容易。
优选的是，聚焦点至少改变0.1mm，通常至少改变0.25mm，优选至少0.45mm。合适的聚焦点变化为0.5mm。这适用于蓝光盘(BD)和DVD。
优选的是，在可变透镜的第一种状态中，将物镜配置为用于具有第一覆盖层厚度的盘，在可变透镜的第二种状态中，将物镜配置为用于具有不同覆盖层厚度的盘。
优选的是，对物镜进行配置，由此可变透镜在配置为用于具有第一覆盖层厚度的第一盘和配置为用于具有第二覆盖层厚度的第二盘之间的状态变化补偿了由第一和第二盘之差所引起的球面像差。具有补偿球面像差的能力是该物镜的另一个优点。
优选的是，该物镜适合于BD和DVD的组合系统。对于BD和DVD的组合系统来说，该物镜提供了特殊的优点，即适应自由工作距离的不同要求。
优选的是，该可变透镜包括第一和第二流体，该第一和第二流体具有基本上相同的比重。按照这种方式，能够提供没有重力变化的界面。
优选的是，第一流体包括基本上不导电的流体，进一步称作油，而第二流体包括基本上导电和/或极性的流体，进一步称作电解液。
优选的是，第二流体包括水/盐混合物，其折射率不同于第一流体的折射率。
优选的是，物镜包括第一透镜和第二透镜，其中，第一透镜在光路中位于第二透镜之前。优选的是，第一透镜是会聚透镜。
优选的是，物镜进一步包括可移动的光阑，以改变物镜在可变透镜的两种状态之间的孔径尺寸。
优选的是，物镜包括双透镜物镜。
优选的是，可变透镜包括电润湿透镜。
优选的是，该电润湿透镜包括透明的第一元件、透明的第二元件、在透明的第一元件和透明的第二元件之间形成的腔、容纳在该腔中具有不同折射率的第一和第二不可混溶的流体，和电极，向该电极施加电势差，以改变两种流体的界面层与腔壁之间的接触角。
优选的是，第一壁包括物镜的第一透镜。优选的是，第二壁与第二透镜隔开。这样，能够产生紧凑的物镜。
根据本发明的第二方面，提供一种包括根据本发明第一方面的物镜的光学装置。
根据本发明的第三方面，提供一种用于扫描光盘的光学扫描装置，该光学扫描装置包括根据本发明第一方面的物镜。
根据本发明的第四方面，提供一种光盘再现/记录装置，该装置包括根据本发明第一方面的物镜。
因此，可以存在不同数值孔径的两种读出模式。优选的是，该装置具有DVD和BD模式，并进一步包括用于在DVD和BD模式之间切换的控制器，从而在DVD模式中，可变透镜处于用于DVD的第一种状态，在BD模式中，可变透镜处于用于BD盘的第二种状态。
附图说明
现在仅仅以实例的方式，参考下面的附图描述本发明，其中：
图1是已知电润湿透镜处于第一种状态的示意性横截面正视图。
图2是图1的透镜处于第二种状态的示意性横截面正视图。
图3是根据本发明配置为用于例如BD的第一盘的物镜的示意图。
图4是根据本发明配置为用于例如DVD的第二盘的物镜的示意图。
图5是根据本发明的DVD/BD播放器/记录器的示意图说明。
图6是在图5的DVD/BD播放器/记录器中使用的光路的示意图说明。
具体实施方式
参考下面附图中的图1和图2，图中示出在WO 03/069380中描述的这种类型的可变透镜1，其中由两种不可混溶的流体的界面形成这种透镜，在这种情况下所述透镜是电润湿透镜。该电润湿透镜1包括形成毛细管的圆柱形第一电极2，由透明的前面元件4和透明的后面元件6密封以形成容纳两种流体的流体箱的腔5。电极2可以是涂敷在管的内壁上的导电涂层。在该实施例中，这两种流体由两种不可混溶的液体组成，即电绝缘的第一液体A，如硅油或链烷，这里进一步称作“油”，以及导电的第二液体B，如盐水溶液。优选将这两种液体设置为具有相等的密度，从而使透镜的功能不取决于取向，即不取决于两种液体之间的重力效应。这可以通过适当选择第一液体组分来实现；例如可以通过增加分子组分改变链烷或硅油，以增大其密度从而与盐溶液相匹配。
根据对所用的油的选择，油的折射率可以在1.25和1.70之间变化。同样，根据所添加的盐的量，盐溶液的折射率可以在1.30和1.48之间变化。在该实施例中，对这两种流体进行选择，使第一流体A的折射率大于第二流体B。第一电极2是内径一般在1mm和20mm之间的圆柱。电极2由金属材料形成，并涂有例如聚对二甲苯基形成的绝缘层8。绝缘层的厚度在50nm和100μm之间，通常的值在1μm和10μm之间。绝缘层涂有流体接触层10，减少了弯月面与流体箱圆柱壁的接触角的滞后。流体接触层优选由无定形的碳氟化合物形成，如由DuPontTM生产的TeflonTMAF1600。
流体接触层10的厚度在5nm和50μm之间。AF1600涂层可通过电极2的连续浸渍涂敷来产生，因为电极的圆柱侧面基本上平行于圆柱电极，由此形成基本上均匀厚度的均质材料层；通过将电极浸渍，同时将电极沿其轴向移入和移出浸渍溶液来进行浸渍涂敷。可以利用化学汽相淀积来涂敷聚对二甲苯基涂层。当第一和第二电极之间没有施加电压时，流体接触层对于第二流体的可湿性在弯月面14与流体接触层10的相交处两侧基本上相等。
还可以利用AF1600流体接触层作为绝缘层，因为其具有绝缘性能。并不一定使用聚对二甲苯基。
环形的第二电极12设置在流体箱的一端，在这种情况下，该电极邻近后面元件。第二电极12的至少一部分设置在流体箱中，以便该电极对第二流体B起作用。
两种流体A和B是不可混溶的，从而容易通过弯月面14而分成两种流体。当第一和第二电极之间没有施加电压时，流体接触层相对于第一流体A的可湿性比相对于第二流体B的可湿性更高。由于电润湿，在第一电极和第二电极之间施加电压的情况下，第二流体B的可湿性发生变化，这容易改变弯月面在三相线(流体接触层10与两种液体A和B之间相接触的线)处的接触角。因此，弯月面的形状可根据所施加的电压而变化。
现在参考图1，当在电极之间施加例如0V和20V之间的低电压V1时，弯月面采用第一凹弯月面形状。在这种构形中，在流体B中测得的弯月面和流体接触层10之间的初始接触角Q1例如约为140″。由于第一流体A的折射率高于第二流体B，因此由弯月面形成的透镜，在这里称为弯月透镜，在这种构形中其具有相对较高的负光焦度。为了减少弯月面形状的凹度，在第一和第二电极之间施加较高电压。现在参考图2，当根据绝缘层的厚度而在电极之间施加例如20V和150V之间的中间电压V2时，弯月面采用第二凹弯月面形状，该弯月面形状与图1中的弯月面相比曲率半径增大。在这种构形中，第一流体A和流体接触层10之间的中间接触角Q2例如约为100″。由于第一流体A的折射率高于第二流体B，因此这种构形中的弯月透镜具有相对较低的负光焦度。
而且还要注意，初始的低电压配置根据流体A和B的选择，根据它们的表面张力而变化。通过选择具有较大表面张力的油，和/或通过向盐溶液中添加如乙二醇的成分而减少其表面张力，可以减小初始的接触角。无论如何，保持较低的光焦度配置，使弯月面是凹面，并且可以不利用过高电压而产生相对较宽范围的透镜光焦度。
尽管在上面的例子中流体A的折射率高于流体B，但是流体A的折射率也可以低于流体B。例如，流体A可以是折射率低于水的(全)氟化油。在这种情况下，优选不使用无定形的含氟聚合物层，因为这种含氟聚合物层可溶于氟化油中。可替换的流体接触层可以是例如石蜡涂层。
下面参考附图中的图3和图4，图中示出根据本发明的两个元件的物镜16。在图3中，该物镜用于具有第一覆盖层厚度的光盘18，如BD，在图2中，该物镜用于具有第二覆盖层厚度的光盘20，如DVD。在携带或能够携带光学可读的数据的方面，这两个盘18、20都是光学记录载体。物镜16包括第一透镜22和与之分开的第二塑料透镜24。第一透镜22包括玻璃-光敏聚合物透镜，并且后面有形成电润湿透镜26的两流体组分层，用FK5玻璃板28密封该电润湿透镜。为了清楚起见，图3和4中示出的电润湿透镜26没有图1和2中的一些细节。电润湿透镜26位于第一透镜22和第二透镜24之间的光路中。第二透镜24由塑料环烯烃共聚物(COC)制成。在第一透镜22上提供可移动的光阑元件30。除了可移动的光阑，还可以使用二向色滤光片，以便为具有不同波长的读出光束的不同读出模式选择不同的光阑尺寸。而且，可以在不同的位置使用两个光阑，如美国专利US6278560中所述。
现在更详细地描述图3和4的物镜。该物镜在扫描BD的过程中数值孔径NA＝0.85，入射光瞳直径为3mm，波长为405nm。对于DVD读出来说，该入射光瞳直径是2.18mm，NA＝0.6，波长是650nm。透镜元件22由沿光轴厚度为1mm的Schott FK5玻璃的截顶球体组成。该球体的半径是2.07mm。沿光轴厚度为0.019mm的非球面的薄丙烯酸层位于该球体的顶部。该丙烯酸层的旋转对称形状由下式给出：
z ( r ) = Σ i = 1 2 B 2 i r 2 i - - - ( 1 )
其中z是该表面沿光轴方向的位置，以毫米为单位，r是离开光轴的距离，以毫米为单位，Br是r的第k次幂的系数。在该实施例中，系数B2至B16的值分别是0.26447094，0.0088460392，0.00014902273，0.0014305415，-0.0015440542，0.00082680417，-0.00023319199和2.5911741e-005。容纳流体的箱的厚度是0.9mm。该箱通过厚度为0.4mm的FK5Schott玻璃制成的玻璃板28来封闭。物镜的第一和第二透镜沿光轴的距离是0.332mm。第二透镜24是平面-非球面透镜，厚度为1.09mm。该层的旋转对称非球面形状也由方程式(1)给出，但是现在系数B2至B16的值分别是0.54345409，0.12859997，0.61212921，-4.2125496，18.163849，-42.836368，53.165871和-27.014846。丙烯酸层、FK5和COC在405nm(因此是BD读出)处的折射率分别是1.599、1.499和1.550，而在650nm(因此是DVD读出)处的折射率分别是1.565，1.486和1.531。
现在再次参考图3和4，图中示出电润湿透镜26的两种不同构形。下面将描述电润湿透镜26的操作。
参考下面附图中的图5，该图示出包括光学系统的DVD/BD播放器/记录器装置100，该光学系统包括如上所述的物镜16。DVD/BD播放器/记录器装置100可以在DVD或BD模式下工作，并根据其工作模式，将物镜16配置为处于如图3中所示的用于BD的第一状态，或者如图4中所示的用于DVD的第二状态。在图4所示的后一种情况中，聚焦点(因此是没有该盘时的近轴焦点)相对于第二透镜的出射面移动大于0.3mm以适应不同的覆盖层厚度。装置100包括用于确定该装置中的盘是BD盘还是DVD的检测器102，和用于根据上述确定而在电润湿透镜26的状态之间切换的控制器104。
如从图3和4的比较可知，在图3的第一状态中，可移动的光阑30允许宽光束进入物镜16，当电润湿透镜26处于图4的第二状态中时，光阑30在控制器104的控制下移动以允许窄光束进入物镜16。
参考下面附图中的图6，该图示出用于扫描光学记录载体152的装置150，该装置包括物镜16(为了图解简单在图6中以单透镜表示)。该光学记录载体包括透明层153，信息层154置于该透明层的一侧。通过保护层155来保护该信息层上与透明层相反的一侧，使其不受环境影响。将透明层面向该装置的一侧称为入射面156。透明层153通过对信息层提供机械支撑而作为记录载体的基底。
可替换的是，该透明层可以仅具有保护信息层的作用，而通过位于信息层另一侧上的一层来提供机械支撑，例如通过保护层155，或者通过另外的信息层和连接到信息层154的透明层来提供机械支撑。
可将信息按照在基本上平行、同心或螺旋轨道上设置的光学可检测的标记的形式存储在记录载体的信息层154上，图中未示出。这些标记可以是任何光学可读的形式，例如以凹坑或者具有反射系数或磁化方向不同于其周围环境的区域的形式，或者这些形式的组合。
扫描装置150包括能够发射辐射光束162的辐射源161。辐射源可以是半导体激光器。分束器163将发散辐射光束162朝准直透镜164反射，该准直透镜将发散光束162转换成准直光束165。准直光束165入射到物镜16上。
物镜16具有光轴169。物镜16将光束167变成会聚光束170，该会聚光束入射到记录载体152的入射面156上。会聚光束170在信息层154上形成光点171。由信息层154反射的辐射形成发散光束172，通过物镜16变为基本上准直的光束173，随后通过准直透镜164变为会聚光束174。分束器163通过向检测系统175透射至少一部分会聚光束174而使前进的光束与反射的光束分开。检测系统捕获辐射，并将其转变为电子输出信号176。信号处理器177将这些输出信号转变为各种其它的信号。
这些信号之一是信息信号178，其值代表从信息层154上读取的信息。通过信息处理单元来处理信息信号以进行误差校正179。来自信号处理器177的其它信号是聚焦误差信号和径向误差信号180。聚焦误差信号代表光点171和信息层154之间的轴向高度差。径向误差信号代表在信息层154的平面内位于光点171和信息层的轨道中心之间的距离，光点171遵循信息层的所述轨道。将聚焦误差信号和径向误差信号馈送到伺服电路181中，该伺服电路将这些信号转变为分别用于控制聚焦致动器和径向致动器的伺服控制信号182。图中没有示出这些致动器。聚焦致动器控制物镜16沿聚焦方向183的位置，由此控制光点171的实际位置，从而使其与信息层154的平面基本上重合。径向致动器控制物镜168沿径向184的位置，由此控制光点171的径向位置，从而使其与信息层154中所遵循的轨道的中心线基本上重合。图中的轨道沿垂直于图面的方向延伸。
通过将电润湿透镜26从第一状态切换为第二状态，可以改变第二透镜24工作所处的共轭距离。这样，可以增大物镜16的聚焦点和第二透镜24的出射面之间的距离。因此可以使用根据本发明优选实施例的物镜来防止在DVD上聚焦时自由工作距离的明显减小pf。
本发明的优选实施例使用油和水的组合作为用于电润湿透镜的两种流体。在两种读出模式中，选择油的折射率为1.6。对于BD读出模式，水的折射率为1.349，对于DVD读出模式，水的折射率为1.331。
在图3的用于BD盘的电润湿透镜26的第一状态中，油和水之间的界面是平坦的。数值孔径为0.85，BD上的覆盖层厚度为0.1mm，折射率为1.622。在这种构形中的自由工作距离为0.108mm。
在图4的用于DVD的电润湿透镜的第二(不同)状态中，数值孔径为0.6，覆盖层厚度为0.6mm，折射率为1.580。油/水界面以2.068mm为半径弯曲。自由工作距离为0.113mm。
在BD情况中的波前像差为8mλ，在DVD情况中为13mλ。由于电润湿透镜26的光焦度变化和第二透镜24的共轭变化都会引入球面像差，因此，可以调整物镜16以补偿这些像差，从而大大减少任何合成的球面像差。
尽管在本发明的最优选实施例中使用电润湿透镜，但是也可以使用由两种不可混溶的流体之间的界面所形成的其他可变透镜。
例如，可以使用在[Philips ID PHNL 030467EPP]中描述的这种类型的透镜，其中箱使第一流体和第二流体通过在沿横切光轴方向延伸的弯月面保持接触，弯月面的周长受侧壁的限制。这些流体是不可混溶的，并具有不同的折射率。提供一泵以通过改变箱中每种流体的相对体积来可控制地改变弯月面沿光轴的位置。这提供了可平移的弯月面。
可替换的是，可以使用在[Philips ID PHNL 030434EPP]中描述的透镜。在这种可替换的方案中，除了两种流体之间的弯月面的周长固定，使用与前面段落中所描述的相似结构，这样泵的运转可控制地改变弯月面的形状。这提供了可变形的弯月面。
应该理解，尽管已经关于BD/DVD实施例描述了本发明的实施例，但是所描述的物镜可适用于不同厚度的任何盘组合，特别是用于不同覆盖层厚度的盘。例如，可以使BD盘的物镜与紧致盘(CD)的读出相兼容。而且，尽管这里讨论了两种不同读出模式的情况(BD/DVD)，但是本发明也可以用于多于两种读出模式的情况，例如可用于使BD/DVD/CD兼容的系统。
在本发明的最宽方面中，本发明不限于两个元件的物镜，也可应用于单个以及多个元件的物镜中。
尽管将这里所描述的光学记录载体称作“盘”，但是这里所描述的光学记录载体可以具有任意的形状。
而且，本发明的各个实施例都可以用于图像捕获装置和光学扫描装置中。
密切注意与本申请有关的与本说明书同时申请或先于本说明书申请的、且对公众的检查公开其说明书的所有论文和文件，所有这些论文和文件的内容在此引入作为参考。
该说明书(包括任何随附的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征，和/或公开的任何方法或过程的所有步骤可以进行任意组合，除了彼此专用的至少一些特征和/或步骤的组合。
除非另外特别规定，否则该说明书中(包括任何随附的权利要求、摘要和附图)公开的每个特征都可以由达到相同、等效或相似目的的可替换的特征代替。这样，除非另外特别规定，否则这里公开的每个特征都仅仅是一类等效特征或相似特征的一个实例而已。
本发明不限于上面实施例的细节。本发明可扩展为该说明书(包括任何随附的权利要求、摘要和附图)公开的任何一个新特征，或特征的任何新组合，或者公开的任何方法或过程的任何一个新步骤，或步骤的任何新组合。

Claims (23)

1.一种光学装置，包括根据权利要求5-23中任一项的物镜。
2.一种用于扫描光盘的光学扫描装置，该光学扫描装置包括根据权利要求5-23中任一项的物镜。
3.一种光盘再现/记录装置，包括根据权利要求5-23中任一项的物镜。
4.根据权利要求3的光盘再现/记录装置，其中该装置具有DVD和BD模式，并进一步包括用于在DVD和BD模式之间切换的控制器，由此在DVD模式中，可变透镜处于用于DVD的第一种状态，在BD模式中，可变透镜处于用于BD的第二种状态。
5.一种物镜，该物镜包括由两种不可混溶的流体之间的界面形成的可变透镜，该可变透镜可以处于至少两种不同状态中的一种状态，由此物镜的聚焦点可在可变透镜的两种状态之间变化。
6.根据权利要求5的物镜，其中聚焦点至少改变0.1mm。
7.根据权利要求5或6的物镜，其中聚焦点至少改变0.25mm。
8.根据权利要求5-7中任一项的物镜，其中聚焦点至少改变0.45mm。
9.根据权利要求5-8中任一项的物镜，其中聚焦点改变0.5mm。
10.根据权利要求5-9中任一项的物镜，其中在可变透镜的第一种状态中，将物镜配置为用于具有第一覆盖层厚度的盘，在可变透镜的第二种状态中，将物镜配置为用于具有不同覆盖层厚度的盘。
11.根据权利要求5-10中任一项的物镜，对物镜进行配置，由此可变透镜在配置为用于具有第一覆盖层厚度的第一盘和配置为用于具有第二覆盖层厚度的第二盘之间的状态变化补偿了由第一和第二盘之差所引起的球面像差。
12.根据权利要求6-12中任一项的物镜，其中该物镜适合于BD和DVD的组合系统。
13.根据权利要求5-12中任一项的物镜，其中该可变透镜包括第一流体和第二流体，该第一和第二流体具有基本上相同的比重。
14.根据权利要求5-12中任一项的物镜，其中该第一流体包括基本上不导电的流体，进一步称作油，而第二流体包括基本上导电和/或极性的流体，进一步称作电解液。
15.根据权利要求5-13中任一项的物镜，其中该第二流体包括水/盐混合物，其折射率不同于第一流体的折射率。
16.根据权利要求5-15中任一项的物镜，其中该物镜包括第一透镜和第二透镜，其中，第一透镜在从光源到盘的光路中位于第二透镜之前。
17.根据权利要求16的物镜，其中第一透镜是会聚透镜。
18.根据权利要求5-17中任一项的物镜，其中该物镜进一步包括可移动的光阑，以改变物镜在可变透镜的两种状态之间的孔径尺寸。
19.根据权利要求5-18中任一项的物镜，其中该物镜包括双透镜物镜。
20.根据权利要求5-19中任一项的物镜，其中可变透镜包括电润湿透镜。
21.根据权利要求20的物镜，其中该电润湿透镜包括透明的第一元件、透明的第二元件、在透明的第一元件和透明的第二元件之间形成的腔、容纳在该腔中具有不同折射率的第一和第二不可混溶的流体，和电极，向该电极施加电势差，以改变两种流体的界面层与腔壁之间的接触角。
22.根据权利要求21的物镜，其中第一壁包括物镜的第一透镜。
23.根据权利要求21或22的物镜，其中第二壁与第二透镜隔开。
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