CN1938613A - 校正与折射率相关的像差的光学元件 - Google Patents

Abstract

用于校正与折射率相关的像差的光学元件(1)，包括一流体腔室(5)，其配备有电极结构(2，12)并包括导电的第一流体(B)和不导电的第二流体(A)，以及流体之间的界面(14)，流体具有不同的色散系数。通过施加到电极结构(2，12)上的电压(V)产生电润湿力，其使界面(14，14’)的形状发生变形并确定校正能力。

Description

校正与折射率相关的像差的光学元件

本发明涉及一种对光学系统中与折射率相关的像差进行校正的光学元件。

本发明还涉及一种包括这种元件的光学系统。

与折射率相关的像差被理解为包括被称为色像差的由于光学元件使用的材料的折射率与波长相关造成的像差，和由于环境参数的变化例如温度的变化引起的折射率的变化所导致的像差。

此光学系统具有不同的类型并且包括在许多应用中使用的透镜系统例如在照相机或显微镜中，或者在用于扫描光学记录载体的光学头中。

如果在这样的光学系统中，使用不止一个波长的光辐射，将会出现色像差，其在此光学系统的性能上有非常显著的负面影响，也就是降低系统的性能。例如，没有很好地校正色像差的成像系统在例如电子传感器上生成一图像，不同颜色的子图像不能全部地焦点对准。这就导致了模糊的整体图像。

光学记录领域出现了一个特有的问题，也就是利用光学头对光学记录载体的信息层分别读出和写入数据。如果在一蓝光二极管激光器的光头中，该激光器发出波长在405nm量级的激光束，在信息层中能形成一扫描点，其显著地小于由传统的红光二极管激光器形成的扫描点。使用带有蓝光二极管激光器的光头能读取的信息细节显著小于使用带有红光二极管激光器的传统的光头读取的信息细节。在光学记录中蓝光二极管激光器的使用因此基本上允许增加光学记录载体上的信息密度。对于蓝色激光记录而言，要使用具有相对较大的数值孔径(NA)，例如0.45，的物镜系统。这样的物镜系统对由于温度变化引起的折射率变化很敏感并且应该包括用于补偿这些变化的设备。

传统地，色像差通过双透镜单元，即双重透镜，进行消除，该双重透镜由具有呈现第一波长相关性的折射率的材料构成的第一透镜元件和具有呈现第二波长相关性的折射率的材料构成的第二透镜元件组成，该第二波长相关性正好与第一波长相关性相对。另一个已知的校正色像差的可能性是将一成像折射透镜元件与一衍射元件相组合，该衍射元件表现出与折射透镜元件的波长相关性相对的波长相关性。

校正色像差的已知方法相对昂贵，因此增加了使用它们的系统的成本。而且，它们可能产生其他的光学像差。已知方法中的颜色校正元件是专用的元件，也就是说它们仅仅适用于为它们特别设计的系统。

因此就需要一种便宜且紧凑的像差校正元件，其还是可调节的，或者可调的，这样的元件可以在不同的光学系统中使用并且不需要对系统进行特别的设计。

本发明的一个目的是提供一种通用紧凑的和低成本小型的色校正元件。此元件的特征在于它包括一流体腔室，其配备有电极结构并包括导电的第一流体和不导电的第二流体，还有流体之间的界面，流体具有不同的色散系数以及此元件的校正能力通过由施加在电极结构上的电压产生的电润湿力来控制，并使界面的形状变形。

此元件利用了电润湿原理，其用于在国际专利申请WO03/069380中描述的变焦透镜。如果一电势施加到表面下的一电极，这个表面就变为电润湿且液体之一被该表面吸引，借此两种液体的界面的形状或曲率发生改变。由于液体具有不同的色散系数，元件的色行为也就改变了。通过控制元件的电极间的电压，其色行为可以被控制并适合于使用它的光学系统。光学材料的色散系数是光学材料的折射率的波长相关性的量度。材料的色散系数v给出为：v＝(N_d-1)/(N_f-N_c)，其中N_d，N_f和N_c为材料针对特定谱线的折射率；d＝587.6nm，f＝486.1nm和c＝656.3nm。

根据WO03/069380的变焦透镜中，使用电润湿力来改变透镜的屈光力并且为了获得透镜屈光力的最大值流体折射率之间的区别要尽可能的大。对于足够的功率改变，在电极之间应施加相当大的电压。现有的校正元件原则上没有屈光力并且流体的折射率优选地接近。因为对于色校正只需要流体界面形状起很小的变化，驱动电压也显著地小于变焦透镜中的电压。

我们注意到US5,446,591A揭示了使用液体透镜元件与固体，玻璃透镜元件的组合来校正固体元件的色像差。然而液体元件仅包括一种液体因此不使用两种液体界面的变化来改变色属性。与本发明的元件相比较，US-A的透镜使用了另一种原理和另一种结构。

此元件的特征优选地在于第一和第二流体有基本相同的折射率。

即使流体之间的界面被弯曲以提供一种要求的色像差校正，此元件的屈光力保持为零。此元件能插入到一现有的光学系统中而不必重新设计此系统。

此光学元件的实用的实施例的特征在于其包括与第一流体连接的第一电极和安排在流体腔壁内侧上的第二电极。

本实施例进一步的特征在于面对流体的流体腔壁内侧覆盖一绝缘层。

为了防止流体粘附在腔壁上其不应该处于的位置，此光学元件的特征在于绝缘层上覆盖一疏水层。

可替换地，此元件的特征在于该绝缘层是疏水的。

优选地，此元件的特征在于第一流体为盐水而第二流体是油。

在电润湿透镜中使用的这些液体非常适合校正元件。

本发明还涉及包括透镜系统和图像接收单元的图像俘获器件。此设备的特征在于透镜系统包括如这里上面所述的光学元件。

在包括这样的图像俘获器件的照相机中，本发明也能使用，因此这样的相机也构成本发明的一部分。

本发明还涉及包括这样的相机的手持装置。

这样的手持装置可以是移动电话。

本发明还涉及用于扫描信息层的光学头，并包括提供扫描束的辐射源单元，在信息层上聚焦扫描束的光学透镜系统和将来自信息层上的扫描束辐射转换为电信号的辐射敏感探测单元。此光学头的特征在于该透镜系统包括如这里上面所述的光学元件。

参考在下文中描述的实施例，本发明的这些和其他方面将作为非限制性的示例被阐述，而且是非常明显的。附图中：

图1示出了根据本发明校正元件的一实施例的截面图；

图2a和2b示出了校正元件如何校正色像差；

图3示出了包括校正元件的图像俘获器件；

图4示出了包括其中实施了本发明的照相机的移动电话；

图5示出了其中使用了校正元件的光学头的一实施例；

图6示出了包括校正元件的光学头的部分辐射路径。

图1中示出的元件1包括形成毛细管的圆柱形第一电极2。此管利用透明的前元件4和透明的后元件6进行密封，形成装有两流体A和B的流体腔室5。电极2是施加在管3内壁上的导电涂层。

流体由两种不混合的液体组成，液体的形式为电绝缘的第一流体液体A，例如为油，和导电的第二流体B，例如为含有盐溶液的水。优选地，两种液体具有相等的密度以使元件1与取向无关地工作，也就是说与液体之间的重力效应无关。

电极2涂覆例如聚对二甲苯基的电绝缘层8，此层再涂覆一疏水层10，其防止液体粘附在腔壁上。

环形的第二电极1设置在邻近后元件6的位置，其至少一部分在流体腔室5内，以使该电极作用于第二流体B。

这两种液体A和B是不相混合的以致于它们形成两个流体柱，其在界面14处分开。这两种液体具有不同的色散系数。优选地两种液体的折射率尽可能的相等。

在元件的中性状态中，例如如果没有电压从电压源16施加到电极2和12之间，界面14是直的，也就是如图1中虚线14所示的没有弯曲。在这种状态下，元件1可与一厚的平面平行板相比，其通过沿着光轴OO’垂直入射的辐射b而不改变束的波阵面。如果将电压施加到电极2和12之间，由电极2产生电润湿力。由于电润湿效应，由第二液体B引起的层10的可湿性以与在上面提到的WO03/069380中描述的相似方式进行改变。因此，在三相线位置的界面的接触角θ产生变化，其三相线也就是层10与两种液体A和B相接触的线。因而，界面的形状改变了，也就是界面如图1中实线14’所示变成轻微的弯曲。在激活状态，也就是电压施加在电极2和12之间，元件包括弯曲的表面并且不再是光学上的中性状态。由于在界面两侧的液体具有不同的色散系数并且界面是弯曲的，此元件对波长的变化变得敏感。换句话说，此元件成为色元件，其可以用于光学系统中以补偿这样的系统中其他元件的色行为。

图2a和2b非常示意性地示出了此元件对光学系统的影响。此光学系统是一简单的光学系统，其包括由单透镜元件22表示的透镜系统，其有一光轴OO’和焦平面24。根据本发明的校正元件1设置在透镜系统22的前面。此透镜系统表现出色差，其意味着具有不同波长的束b的分量将被聚焦在不同的轴向位置。这些束分量26和28分别用以实线和虚线示出的边界射线26和28表示。

如果校正元件没有激活，也就是说界面14为直的，束部分26聚焦在点30，因此在焦平面内，同时束部分28聚焦在焦平面24以外的点32。在垂直于光轴和图2a所在平面的焦平面内，具有为透镜系统22所设计的波长的束部分26形成一个象斑点34那样的点，而束部分28形成一圆形斑点。这些斑点在图2a的右手部分示出。如果如图2b所示，校正元件被激活，也就是界面弯曲到一要求的程度，此元件就引入色像差，如射线28在界面处的偏转所示。通过在元件1的电极之间施加合适的电压，该元件引入的色像差补偿了透镜系统22的色像差。各束部分都聚焦在平面24内并在此平面内形成相同的斑点34和36’，如图2b右手部分所示出的。

尽管在图2a和2b(为了清楚的原因)中，束部分26和28的边界射线相互之间有平移并在不同的高度通过透镜系统，而实际上这些束部分的边界射线相互重合并在相同的高度通过此透镜系统22。

在图2a和2b的透镜系统的实际实施例中，此系统包括一由BK7型玻璃构成的单个平凸型透镜并且凸面的曲率半径为6mm。如果该界面的曲率半径等于-9.67mm，元件1能补偿此透镜元件的色像差。绝缘的第一液体可以是十甲基环戊硅氧烷型的油，其折射率N＝1.398且色散系数V＝55.5。导电的第二液体可以是盐水，其折射率N＝1.38且色散系数V＝38.0。

由于元件1的色校正能力由施加在元件电极之间的电压决定，此能力可以很容易地调整来适合这个元件将用于的光学系统。以这种方式能获得可以在很多不同光学系统中使用的灵活的元件。因为由于流体A和B的选择例如液体界面的折射能力，因此校正元件的屈光力可以忽略，此元件可以插入到光学系统中使用，而不用重新设计这个系统。

此校正元件可以是非常紧凑的，因此适用于微型的图像俘获器件。这种器件的原理在图3中示出。图像俘获器件40包括物镜系统42，其为具有例如一个或两个非球面表面的单个双凸面透镜元件，或者为具有两个透镜元件44，46并具有光轴OO’的系统。器件40进一步包括图像接收单元48，其接收由物镜系统42形成的在物镜系统左手侧的景物或物体的图像。单元48可以是一光电传感器，例如CCD传感器或CMOS传感器，也可以是照相底片。在物镜系统的前面或后面，设置有如图1所描述的校正元件，其用来补偿物镜系统的色像差以便图像俘获器件对于彩色图片是消色差的并且是适合的。

此图像俘获器件可用一种常规的方式使用象例如自动聚焦系统的控制模块那样的相机模块来完成，如果是数码相机则还需要图像处理模块。

此相机可以是包含在手持设备中的微型相机。图4示出了包括使用了本发明的相机的手持设备的示例。此设备在图4的正视图中示出的是一移动电话50。此移动电话包括将用户的声音作为数据输入的传声器52，输出通讯伙伴的声音的扬声器56和发送和接收通讯波的天线56。此移动电话进一步包括输入拨号盘58，用户利用它输入信息，例如要拨的电话号码，和显示器60，例如液晶显示面板。显示面板用于显示用户通讯伙伴的照片或显示数据和图形。移动电话还包括数据处理(未示出)，用于处理输入的数据和接收到的数据。

移动电话配置有微型相机62，该相机包括如这里上面所述的色差校正元件。该相机仅仅示出了第一光学元件的前表面，其可能是校正元件或物镜。相机的元件例如物镜、校正元件和图像传感器沿着垂直于移动电话前表面的直线进行排列，也就是垂直于图4的绘图平面的方向，如果移动电话在这个方向的尺寸足够大的话。可替代地，相机可以配置一个或多个可折叠式反射镜以便使相机光学通路的重要部分能与移动电话的前表面平行地排列，这样的相机相对较薄。

使用本发明的其他手持设备有例如其中内置了微型相机的个人数字助理(PDA)，便携式计算机或电子玩具。

本发明也在非内置相机内使用，如网络照相机，内部通话系统的照相机以及袖珍型和其他尺寸的照相机，例如数码相机。对于本发明而言，相机使用底片或电子传感器是没有关系的。

此校正元件也能有利地使用在用于扫描的光学头80中，也就是对光学记录载体70进行读和/或写，其记录载体和光学头在图5中以截面图的形式被示出。记录载体是例如盘形状的记录载体并包括一透明层72，在其一侧上设置有信息层74。在信息层面远离透明层72的一侧通过保护层76以保护信息层不受环境的影响。在透明层面向光学头80的一侧被称为进入面78。透明层72作为记录载体70的基底并对信息层74提供机械支承。

可替换地，透明层72具有唯一的功能是保护信息层74，而机械支承由信息层74另一侧的层来提供，例如由保护层76或由另一信息层和安排在此信息层上的透明层来提供。

信息以光学可探测标记的形式存储在记录载体的信息层74上，可探测标记以在图6中未示出的基本平行的，同圆心或螺旋形的信息轨道进行排列。这些标记为任一光学可读形式，例如凹坑的形式，或者具有反射系数的区域或者具有不同于其周围磁化的方向的区域，或者这些形式的组合。

光学头80包括辐射源82，优选地是一半导体激光器，或二极管激光器，其发射出辐射束84。束分离器86，例如一半透明镜，反射一发散束84到准直透镜，其将该束转化为准直束89。准直束入射到具有光轴98的物镜系统90。物镜系统包括一物镜82和一平凸透镜94。此物镜和平凸透镜被包括在一物镜支架96中。物镜将准直束89转换为会聚束100，其入射到透镜94。此透镜再转换束100为会聚束102，该束焦点定位在信息层74上。

透镜94有一面向物镜92的凸表面和面向记录载体的平表面。面向记录载体的表面被一狭缝106与记录载体空间隔开。物镜92被示为单透镜元件，但也可以包括多透镜元件和/或衍射元件。准直透镜88也可以包括多个透镜元件。

通过在光学头中使用准直透镜，物体也就是辐射源82的发射表面，和图像也就是扫描点104，在无限远处是共扼的并且物镜系统接收准直光束。该系统也可省去准直透镜以让发散束进入物镜系统。在系统中包括准直透镜使物镜系统的设计更加容易。

在读写数据期间，利用由马达120驱动的轴122使记录载体旋转以使信息层中的信息轨道被扫描。通过在垂直于绘图面的方向上移动扫描点104和记录载体的相对位置，所有同心的轨道或整个螺旋轨道都被扫描。这个移动通过将光学头或者至少包括物镜系统的部分安排在拖运器上就可以实现，该拖运器在所述方向移动。

在读取记录的数据期间，光束102被信息层反射的辐射通过连续的信息标记被信息调制。此辐射传回到束分离器86，其让部分辐射通过形成束110传到辐射敏感探测单元112。此单元将入射辐射转换为电信号。这些信号之一是信息信号114，其表示从记录载体读取的信息。另一个信号是焦点出错信号116，其表示扫描点104相对于信息层74的轴向位移。这个信号能够利用几种已知的装置产生，此信号可作为聚焦伺服电路118的输入信号，该电路驱动一物镜系统的致动器(未示出)以使扫描点的轴向位置与信息层平面相符。由单元112提供的另一个信号是轨道出错信号(未示出)，其表示扫描点中心和瞬间读取的轨道的中心线之间的偏移。此信号也能够利用几种已知的装置产生，被用作跟踪伺服电路(未示出)的输入信号，该电路驱动跟踪致动器以使跟踪点的中心与被读取轨道的中心线相符。

对于在信息层中写入数据，辐射源提供的束84根据要写入的数据进行强度调制。在写入期间可以使用与读取期间相同的伺服系统。

图5的实施例中的物镜系统90被特别地用于扫描具有很高信息密度的记录载体。对于扫描这样的记录载体，从物镜系统最后一个元件发出的束应具有很大的数值孔径，例如NA＝0.85。包括物镜92和平凸透镜94的物镜系统90提供这样大的数值孔径。此平凸透镜可以设置在一滑动器上，其可以横跨记录载体滑动，或者在它的其平表面和记录载体之间的气垫上滑动。这样的物镜系统的透镜元件通常包括一个或多个非球面表面用以校正像差例如球面像差。

从节约成本来看，物镜系统的透镜元件优选地使用透明塑料制成或由提供有塑料的非球面层的玻璃体组成。然而这样的透镜系统对温度变化很敏感。特别是由于温度变化引起的折射率的改变会引起这些透镜系统性能的变化。这个问题在具有达到0.85的数值孔径的透镜系统中变得非常明显。

根据本发明，这个问题通过在这种透镜系统的光路中安排一象如这里前面所讨论过的校正元件1就可以解决。图6示出了图5光学头的一部分，其中校正元件1被插入在准直透镜和物镜系统之间，该元件在原理上不具有屈光力并且仅仅校正折射率的变化。

如果温度变化引起物镜系统元件形状的变化，例如影响透镜系统的性能的表面曲率的变化或透镜元件厚度的变化，通过在其中包括不同折射率的流体A和B可将一些校正的屈光力内置在元件1内。

本发明也可用于遭受温度的变化数值孔径小于0.85的光扫描头中。具有这样的光学头的物镜系统仅由图5和6示出的物镜92组成，其可能仅仅包括一个例如双-非球面透镜元件，或者包括多个透镜元件。

本发明已经在照相机和光学头方面进行了描述，这些是典型的消费设备。然而，本发明还可用于专业设备，例如光学显微镜和望远镜以及其他以一种简单的方法来提高设备性能的光学设备。

Claims (12)

1、校正光学系统中与折射率相关的像差的光学元件(1)，其特征在于它包括一流体腔室(5)，其配备有电极结构(2，12)并包括导电的第一流体(B)和不导电的第二流体(A)，以及流体之间的界面(14)，所述流体具有不同的色散系数并且该元件的校正能力可通过由施加在电极结构(2，12)上的电压(V)产生的电润湿力来控制，并且使界面(14，14’)的形状变形。

2、如权利要求1所述的光学元件，其特征在于第一和第二流体(B，A)具有基本相同的折射率。

3、如权利要求1或2所述的光学元件，其特征在于它包括与第一流体(B)连接的第一电极(12)和安排在流体腔壁(3)内侧上的第二电极(2)。

4、如权利要求3所述的光学元件，其特征在于面对流体的流体腔室壁的内侧由绝缘层(8)覆盖。

5、如权利要求4所述的光学元件，其特征在于绝缘层(8)由疏水层(10)覆盖。

6、如权利要求4所述的光学元件，其特征在于绝缘层(8)是疏水性的。

7、如权利要求1-6中任一项所述的光学元件，其特征在于第一流体(B)为盐水而第二流体(A)是油。

8、包括透镜系统(42)和图像接收单元(48)的图像俘获器件(40)，其特征在于透镜系统包括如权利要求1-7中任一项所述的光学元件(1)。

9、包括如权利要求8所述图像俘获器件(40)的照相机。

10、包括如权利要求9所述照相机的手持设备(50)。

11、如权利要求10所述的手持设备，其中该设备是移动电话(50)。

12、一种光学头(80)，用于扫描信息层(74)并包括一提供扫描束(84，90，100，102)的辐射源单元(82)，一用于将扫描束聚焦在信息层中的光学透镜系统(88，90)和一用于将来自信息层的扫描束辐射转换为电信号(114，116)的辐射敏感探测单元(112)，其特征在于该透镜系统包括如权利要求1-6中任一项所述的光学元件(1)。

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