CN1938609A - 紧凑型可切换光学单元 - Google Patents

Abstract

一种可切换光学单元，其能够控制通过该单元光学有效部分(8)的辐射束(b)，该单元包括包含导电液体(18)的流体腔(10)，该腔包括一对第一电极(20、22)，其固定于该腔内壁(12、14)的光学有效部分的位置处，还包括第二电极装置(24)，其固定于该腔内壁的光学有效部分之外的位置处，以及第三电极(28)，其与导电液体连接。通过分别向该第一电极和第二电极装置施加电压(V)，能够将导电液体移入和移出光学有效部分，从而在至少两种分立状态之间切换该单元(1)。

Description

紧凑型可切换光学单元

技术领域

本发明涉及一种可切换光学单元，其能够控制通过该单元光学有效部分的辐射束，该单元包括腔和包含在该腔内且具有的折射率不同于其周围的导电液体，该腔设有电极配置，其中从电压控制系统向电极施加电压造成所述液体的运动。

本发明还涉及照相机系统和用于扫描光学记录载体的包括这种可切换光学单元的光学头。

背景技术

国际专利申请WO03/069380描述了包括这种光学单元的其焦距能够改变的透镜元件和透镜系统。可变焦距透镜系统包括具有柱面壁的圆柱流体腔，该流体腔包括第一流体和第二流体，这两种流体是不可混溶的。第一和第二流体具有不同的折射率，使得该流体之间具有弯月面形式的界面形成了折射表面，即改变通过该表面的辐射束聚散度(会聚度或发散度)的表面。第一电极设置在该柱面壁的内侧，并且该电极的内侧涂敷了流体接触层。第二电极设置在该圆柱体的端面，并且该电极与第二流体相接触。因为该流体接触层具有被第二流体的可湿性，并且该可湿性根据第一与第二电极之间施加的电压改变，所以改变该电压能够改变界面弯月面的形状。这样获得了一种透镜元件，其焦距能够大范围变化，例如该弯月面形状能够在凹面和凸面之间变化，前提是电极之间的电压足够大，例如100伏的数量级。凹面弯月面表示该透镜元件具有负屈光力(optical power)，凸面弯月面表示该透镜元件具有正屈光力。

为了实现该透镜元件或者透镜系统与取向无关地起作用，即对于两种液体之间的重力效应无依赖性，该液体应当具有相同的密度。这样的液体的折射率之差是有限的。因为该差和该弯月面的曲率确定了该弯月面的折射能力，所以应当在电极之间施加较大电压来实现该透镜元件具有足够的屈光力或者足够的屈光力范围。该大的电压造成圆柱电极与流体接触层之间的绝缘层中产生过大的电场强度，以及流体接触层的充电，并且因此造成该层的退化。

此外，因为两种液体填满了该液体腔，所以需要膨胀腔来容纳由于流体的热膨胀造成的体积变化。该膨胀腔需要透镜系统或将使用该透镜元件的装置中存在额外的空间。

在多数光学设备用途中，不必在一定范围内改变焦距，但是其必须能够在两个值之间切换焦距，例如在远摄配置或-模式与微距模式之间切换。对于这种用途而言，可以使用包括填满两种具有不同折射率的液体的液体腔的设备，并且其中通过电润湿将液体切换入和切换出该设备的光学有效部分，即辐射束通过的部分。这需要液体循环系统将一种液体从液体腔的一端输送到该腔的另一端，使得另一种液体能够在该腔中移动。这种循环系统是一种较复杂的系统，并且需要额外的空间，包括这种循环系统的光学系统不适用于小型消费装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种开篇段落中所述的可切换光学单元，其具有简单和紧凑的结构，能够利用较小电压进行驱动，其开创了新用途的先河。该单元的特征在于，该电极配置包括一对第一中央电极，其固定于该腔内壁的光学有效部分的位置处，还包括第二电极装置，其固定于该腔内壁的光学有效部分之外的位置处，以及第三电极，其与液体接触并且连续连接到电压源的第一输出端，该电压源的第二输出端以第一模式连接到至少一个第一电极，并且以第二模式连接到第二电极装置。

如果将电压源的第二输出端连接到该第一电极对，则导电液体受到该第一电极对的吸引，使得该液体位于该设备的光学有效部分中。如果将液体腔设置在透镜系统的折射表面之间，则该单元具有由导电液体的折射率和透镜表面的曲率确定的第一屈光力。当将电压源的第二输出端连接到第二电极装置时，该导电液体受到第二电极装置的吸引，使得该液体位于光学有效部分之外。因此，该设备具有由已经取代了该极性液体的媒质的折射率确定的第二屈光力。如后所述，该媒质可以具有不同的性质。

该单元的结构和导电液体的量应当使得该液体始终覆盖第一电极和第二电极装置的端部，它们彼此成直线。这样确保了该导电液体始终经受由激活的电极生成的电润湿力，该激活的电极即向其施加了电压的电极。

根据US-A4477158本身已知了一种透镜系统，其通过将第一液体和第二液体交替地移入光学有效区域，屈光力能够在两个值之间切换。然而，在该系统中，通过使透镜系统倾斜来移动液体，该透镜系统可以构成眼镜片或者隐形眼镜的一部分，并且尤其在眼镜的耳承中，需要复杂的液体通道结构来实现这种移动。

该第二电极装置可以包括与第一电极对设置在相同平面中的两个平面环形电极。

然而，可切换光学单元的优选实施例的特征在于，该第二电极装置由具有U形横截面的一个环形电极构成。

该电极包括两个平面环形部分和连接该环形部分的柱面部分，其允许在导电液体上施加更大的力。

优选的是，该单元的特征在于该腔暴露于导电液体的内部涂敷了绝缘疏水层。

这种手段防止了液体粘到内壁上应将其去除的位置处。

该可切换光学单元进一步的特征在于该腔包括折射率不同于导电液体的媒质。

该媒质可以具有不同性质。该单元的第一实施例的特征在于，该媒质是液体。

该单元的第二实施例的特征在于，该媒质是气体。

该单元的第三实施例的特征在于，该腔的缺少液体部分是真空的。

实际上，这些部分会包含导电液体的蒸汽。如果该单元构成了透镜系统的一部分，则可以分别提高该系统在第一模式下和第二模式下的屈光力之差。这是由于导电液体与气体的折射率之差可能比第一导电液体与另一种液体的折射率之差大得多造成的。

位于该器件光学有效部分中的液体腔的壁可以具有不同形状或配置，这取决于该可切换光学单元的具体用途。在该单元的第一类实施例中，其包括至少一个透镜元件，其特征在于位于光学有效部分中的至少一个腔壁是由折射透镜表面构成的。

第一类的第二实施例的特征在于位于光学有效部分中的两个相对的腔壁中的每一个是由折射透镜表面构成的。

第一类实施例的光学单元固定到常规的透镜元件上，或者嵌入常规的透镜系统中，并且用于在两个值之间切换该透镜元件或者透镜系统的屈光力。

第一类的第三优选实施例的特征在于至少一个折射透镜表面是非球面表面。

非球面表面应当理解为表示其基本形状是球面或另一规则形状，但真实形状具有小偏差的表面，其可以校正由基本表面形状引起的球差。在光学系统中使用非球面表面可以使该透镜系统中透镜元件的数量最小化，这是因为不再需要用于校正其它透镜元件像差的附加透镜元件。在本光学单元中，一个或两个腔壁和/或一个或更多其它的透镜表面可以具有非球面形状。

可切换光学单元的第二类实施例的特征在于位于光学有效部分中的至少一个腔壁设有相位结构。

相位结构应理解为表示包括位于不同高度的表面部分的表面结构，该结构将相移引入通过不同表面部分的光束部分中。这种相位结构能够用于几种功能。

第二类的第一实施例的特征在于该相位结构为非周期性结构，其使该单元成为波前修正单元。

这样的单元例如可以用在用于扫描不同格式光学记录载体的光学头中，从而适应扫描具有不同波长的光束的物镜系统。

第二类的第二实施例的特征在于该相位结构是周期性结构。

同样，这种单元可以用于光学头中实现几种目的。

该可切换光学单元的特征进一步在于，电压控制系统设置为单独向第一电极提供电压。

通过首先激励一个第一电极，随后激励另一个第一电极，能够改善第一流体和第二媒质来回经过中央部分的流动。如果该腔两个主壁中的每一个都设有光学功能，例如光栅或者透镜功能，则能够相互独立地切换这些功能。这提高了包括该切换单元的光学系统的设计自由度。

该可切换单元的特征进一步在于，第一液体的折射率等于该腔壁光学相关材料的折射率。

如果该腔包含在透镜系统中，则该光学相关材料是透镜材料，或者是其中配置了相位结构的材料。电极和绝缘层非常薄，使得它们对辐射没有影响。如果在该单元中将第一液体定位在光学有效部分中，则该液体的折射率与所述材料的折射率没有差别，因此也没有光学不连续性，并且光学功能，例如光栅功能不再有效。当第二媒质定位到腔壁时，其变为有效的。这样，能够断开、接通光栅功能或者其它光学功能。

该可切换光学单元可以用于小型照相机中，以使这种照相机具有远摄和微距模式。该照相机可以嵌入手持装置(例如移动电话)中。

该可切换光学单元的另一个主要用途是扫描信息层的光学头，该光学头包括用于提供扫描束的辐射源单元，用于将扫描束聚焦为信息层中的扫描点的物镜系统，以及用于将来自信息层的扫描束辐射转变为电信号的辐射敏感探测单元。由于可切换光栅能够按照相同方式处理不同波长的辐射束，所以本发明可以在这种光学头中实现。这些光束可以是相同激光器发出的写光束和读光束，该激光器能够在写电平与读电平之间切换。这些光束也可以是具有基本上不同波长的两个或三个光束，这些光束用于扫描两种或三种不同类型记录载体中的信息层的光学头中。

在两光束和三光束光学头中，该可切换光学单元也可以用作波前修正器，从而使物镜系统适于将每个光束准确聚焦为相关类型记录载体的信息层中的扫描点。

附图说明

以下，参照所述实施例，通过非限定性举例的方式描述本发明的这些及其它方面，使其显而易见。

在附图中：

图1a和1b表示了根据本发明的可切换透镜系统单元分别处于第一模式和第二模式时的横截面图；

图2a和2b表示了根据本发明的可切换二元光栅单元分别处于第一模式和第二模式时的横截面图；

图3a和3b表示了根据本发明的可切换非周期性相位结构单元的一小部分分别处于第一模式和第二模式时的横截面图；

图4表示了包括可切换透镜系统的小型化照相机的原理；

图5表示了包括这种小型化照相机的移动电话；

图6表示了其中能够使用一个或多个根据本发明的可切换光学单元的光学头。

具体实施方式

图1a和1b表示了其中将根据本发明的器件集成在透镜系统1中的实施例的横截面图。该透镜系统包括两个固体透镜元件2和4，它们在其边界部分6处固定在一起。该透镜元件可以由玻璃或者透明塑料制成。在透镜元件之间存在液体腔10，透镜元件的内壁将该腔密封，即透镜元件2的折射表面12、透镜元件4的折射表面14和透镜元件的共同内壁16将其密封。该腔部分填充了导电的或极性液体18，例如盐水，下文中还称作第一液体。该腔中的其余空间填充了第二媒质19，其可以是另一种不导电的液体，例如油。该第二媒质也可以是气体。该腔的其余空间也可以是真空的，实际上这表示其包括第一液体的蒸汽。第二媒质具有不同于该极性液体折射率的折射率。

在折射表面12和14的中心部分上，设置了圆形第一电极20和22。这些电极限定了透镜系统的光学有效部分8；即使入射辐射束通过的部分，该光束的波前因为透镜系统而改变。这些电极，即第一电极对是由导电透明材料制成的，例如ITO(氧化铟锡)。第二电极装置24设置在该腔的侧部分9处，即光学有效部分8之外的部分。这些电极装置的端部与第一电极的端部由间隙26分开。该电极装置24不必是透明的，并且能够由金属材料制成。第三电极28与极性液体直接接触。该电极永久连接到电压源30的第一输出端32。该源的第二输出端34可以通过开关40和导线42连接到第一电极对，或者通过开关36和导线38连接到第二电极装置。

该电极的内侧，即面对液体腔一侧覆盖有透明电绝缘层，其由例如聚对二甲苯基构成。该层的内侧和第一电极端部与第二电极装置端部之间的开口26涂敷了疏水层，其是透明的并且由例如DuPont^TM生产的Teflon^TM AF 1600构成。该层防止液体在某些地方粘到腔壁上。如图1a和1b所示，取代两层，还可以使用既绝缘又疏水的单一层44。

第一电极对20、22，第二电极装置24和第三电极28构成了电润湿电极配置，其与电压控制系统30、36、38、40、42共同构成了流体系统开关。该流体系统对包括极性流体18和第二媒质的所述流体系统起作用，以便在可切换单元的第一和第二分立状态之间进行切换。

在该单元的第一分立状态下，如图1a所示，该开关40将电压源的第二输出端与第一电极对20、22相连，使得在第一电极20、22和公共的第三电极28中的每一个电极上施加具有适当值的电压V。所施加的电压V提供电润湿力，使得可切换单元采用第一状态，其中极性液体18移动以填充第一电极20与22之间的空间，即光学有效部分。由于所施加的电压V，腔10的疏水层44变为本质上至少比较亲水的，从而有助于极性液体18优选填充第一电极之间的腔空间，即光学有效部分。朝第一电极之间的空间移动的极性液体18使第二媒质19朝第二电极装置24之间的腔空间即侧腔空间9移动。如果可切换单元处于第一分立状态，则该开关36使第二电极装置与地电极41相连，使得在第二电润湿电极装置24上没有施加电压，并且在该电极装置位置的层44保持高度疏水。

为了从第一分立状态切换到第二分立状态，将开关36移动到电压源的第二输出端34，并且将开关40移动到地电极41，使得在第二电极装置24和公共的第三电极28上施加具有适当值(例如V)的电压，而在第一电极20、22上没有施加电压。

目前该可切换光学单元处于第二分立状态，其中由于施加到第二电极装置24上的电压提供的电润湿力，使得第一液体18填充了第二电极装置24之间的腔空间。由于所施加的电压，处于该电极装置24位置的疏水层42目前至少为比较亲水的，并且趋于吸引第一液体18。该液体移动以填充由第二电极装置24密封的腔空间，并且使第二媒质19朝第一电极20与22之间的腔空间移动，即朝该单元的光学有效部分移动。因为在这些电极上没有施加电压，所以在这些电极位置的层42保持高度疏水。

极性液体移入和移出该透镜系统1的光学有效部分的运动表示两个折射表面12和14之间的空间中的折射率在两个值之间切换。因为该折射率以及折射表面的曲率确定了由该折射表面12和14以及该腔形成的透镜子系统的屈光力，所以通过将电压从第一电极对切换到第二电极装置，能够使该透镜子系统的屈光力以及因此使整个透镜系统的屈光力在两个值之间切换，反之亦然。

两个屈光力值之差取决于第一液体18与另一种媒质19的折射率之差，而不像已知的电润湿透镜中的情况那样受重力的影响。因此极性液体与媒质19的密度不必匹配。这样提供了以下优点，能够自由选择两种媒质折射率差，使其适合预期的用途。第二媒质也可以是液体；例如基于油的电绝缘液体，例如硅油。该第二媒质还可以是气体，其一般具有比液体低得多的折射率。原则上，该腔中未被极性液体占据的空间也可是真空的。原则上，该空间充满极性液体的蒸汽，该蒸汽的折射率接近1。例如，如果该极性液体为其中溶解了钨盐的水，则其折射率会大于1.5。因此该极性液体与其蒸汽的折射率差可以大于0.5，其比已知的电润湿透镜中利用液体所获得的折射率差大得多。

设有这样实施例的可切换光学单元的透镜系统的焦距可以在两个差别很大的值之间切换，这样允许利用该单元使透镜系统在具有小焦距的远摄模式与具有大焦距的广角或微距模式之间切换。

为了清楚，在图1a中使第一电极20、22与极性液体18之间的一些空间保持开放，但实际上液体18填满了这些电极之间的整个空间。因为在施加了电压的电极任意区域处都存在电润湿力，所以第一液体会覆盖在该电极上的绝缘层的整个表面。在这种情况下，所获得的液体覆盖优于利用泵浦移动液体的系统中可能获得的液体覆盖。这是本发明的可切换光学单元的最大优点。

如图1a和1b所示，选择第一液体18的量和第一电极端部与第二电极装置24端部之间的间隙26的宽度，使得在第一液体18位于光学有效部分8中的情况下，其仍旧覆盖第二电极装置24的边界。在该液体位于该部分8之外的情况下，其仍旧覆盖第一电极对的边界。这样，实现了在该单元的第一与第二分立状态之间的每次转变过程中，该极性液体18总能受到最近激励的电极的电润湿力，从而使其开始移动。

通过不同时激励第一电极20和22而是一个接一个地激励，如图1a和1b中的情况，能够改进极性液体和第二媒质朝第一和第二电极和远离该第一和第二电极的移动，以及液体和媒质的相对位移。例如，如果极性液体必须移动到该单元的光学有效部分，首先向电极20施加电压使得该电极上的空间首先充满极性液体并且第二媒质从该空间移动到该腔的侧部分。然后，向电极22施加电压，使得该电极下的空间也充满极性液体，并且第二媒质从该空间移动到该腔的侧部分。本领域技术人员能够容易地设计出第一电极20和22的这种时序切换所需的电子开关结构。如果环境需要这样，也能够一个接一个地激励部分第二电极装置。

第二电极装置可以由两个平面环形电极构成。优选的是该腔内壁侧也覆盖有电极材料，其将这些电极连接，从而获得了一个具有U形横截面的环形电极。这样，能够放大第二电极装置的表面，由此提高其功能性。

图1a和1b表示了具有两个固体透镜元件的透镜系统，该透镜元件用于会聚辐射束b，其表示为平行光束，但是也可以是已经会聚并应当使其更会聚的光束。该可切换光学器件也可以用于仅具有一个透镜元件的透镜系统中，或者具有不只两个透镜元件的系统中。该可切换光学器件也可以与具有一个或多个透镜元件的发散透镜系统组合起来。

包括该可切换光学器件的透镜系统的一个或多个折射表面可以是非球面的。非球面表面可以校正由具有球面表面的透镜表面引起的球差，使得不再需要附加透镜进行这种校正。在图1a和1b的透镜系统中，内透镜表面12和14中的一个或两个和/或外透镜表面44和46中的一个或两个可以是非球面的。透镜系统的具体设计确定了该系统的哪些折射表面以及几个折射表面应为非球面的。

本发明的原理不仅能够用于在两个值之间切换透镜元件的折射能力，还可以用于切换其它光学元件的功能，例如具有周期性相位结构的衍射光栅或者具有非周期性相位结构的元件。具有相位结构的元件包括位于两个或多个高度的表面部分，并且这种元件引入入射辐射束中相应数量的不同相移。

图2a和2b表示了二元光栅的横截面图，即其表面部分设置在两个高度的光栅，根据本发明能够切换该光栅。该光栅单元50包括具有两个主表面54和56的透明衬底52。利用公知的技术使表面56设有凹槽形式的光栅带58。凹槽58与中间光栅条纹60在表面上交替。凹槽表面形成了液体腔110的中心部分108(即光学有效部分)的一个壁，该液体腔还包括侧腔部分109。具有上表面78和下表面80的透明层76形成了该腔的另一中央壁。该腔110包括极性液体118和第二媒质119，其可以是第二流体、气体或者极性液体的蒸汽。

除了光栅结构和主腔壁的曲率之外，图2a和2b所示的实施例与图1a和1b所示的实施例具有相同的结构。图2a和2b的实施例中类似于图1a和1b的元件具有相同的附图标记，由每个标记加上100来表示。在图2a和2b的光栅单元中，按照相同的方式并且利用与图1a和1b的透镜系统中相同的装置使第一液体118和第二媒质119从中央部分108移动到液体腔110的侧部分109，反之亦然。在图2a中，极性液体18位于光学有效部分108之外，使得该单元处于与图1b所示的单元相同的状态。在图2b中，极性液体位于有效部分中，使得该单元处于与图1a所示的单元相同的状态。

在图2a所示的可切换光栅单元的第一分立状态下，电压源130经由开关136和导线138连接到第二电极装置124。在该状态下，由于电极装置124的电润湿力，使极性液体118位于该腔的侧部分109中，该侧部分具有已变成亲水的绝缘内层144。在该状态下，第一电极120和122经由开关140和导线142连接到地电极141。第二媒质119目前位于第一电极之间。

在图2b所示的可切换光栅单元的第二分立状态下，电压源经由开关140和导线142连接到第一电极120和122。在该状态下，由于第一电极的电润湿力，极性液体位于这些电极之间。在该状态下，第二电极装置经由开关136和导线138连接到地电极。第二媒质目前位于腔的侧部分109中。

因为在该可切换光栅单元的第一和第二状态下，光栅槽填满了具有不同折射率的媒质，所以该凹槽的光学深度，即几何深度与折射率的乘积在两种状态下是不同的。这样，例如允许利用光栅对具有不同波长的两种辐射束实现相同的光栅功能，由此对于第一波长而言，该光栅单元处于第一状态，对于第二波长而言，该光栅处于第二状态。这种光栅能够用于例如光学头中，在该光学头中使用两种激光束来扫描不同类型的记录载体，并且这两种光束应当分为三个光束。

作为图1a和1b所示的液体腔几何结构的可选方式，图2a和2b的液体腔具有侧腔部分，沿着光束b的传播方向放大了该部分。这种方法可以降低在横向于该传播方向的方向上该可切换单元的尺寸，同时仍然具有可用于容纳不应位于该可切换单元的光学有效部分中的极性液体118或第二媒质的足够空间。图2a和2b的腔几何结构也能够用于图1a和1b的透镜系统中，并且在透镜表面为凹面表面的情况下是特别优选的，该透镜表面构成了该腔的壁，该凹面表面取代了图1a和1b所示的凸面表面。

可能难以利用液体填满相位光栅结构或者使其清空，这是因为其包括垂直壁，即沿着垂直于液体流动方向及其尺寸的方向延伸的壁，即凹槽的深度和宽度小。本发明的可切换单元解决了这个问题，因为用于使液体移动的电润湿力目前遍布了光栅结构的整个表面，因此也遍布了该垂直壁。这是该单元相对于利用泵浦移动液体的液体切换系统的最大优点。

该可切换光学单元还可以包括非周期性相位结构。《应用光学》/Vol.40，No.35/2001中的论文：“非周期性相位结构在光学系统中的应用(Application of non periodic phase structures in opticalsystems)”描述了用于校正光学系统中的各种依赖于参数的波前像差的非周期性台阶相位结构，该光学系统例如用于扫描光学记录载体的光学头。一般而言，这种相位结构是台阶结构，其与二元光栅的不同之处在于其具有不只两个台阶(高度)，其为非周期性的并且具有比较宽的区域。两个随后的台阶之间的光路差可以是任意值，并且可以在整个结构上任意改变。这种相位结构允许很大的设计自由度。此外，构成这种非周期性图案的环形区域可以比较宽，这提高了可制造性。

先前提交的未公开PCT专利申请IB2003/004030公开了非周期性相位结构与利用电润湿力的可切换流体系统的组合，这样可以在两种不同的分立状态之间有效地切换该相位结构，以便在通过它的光束中提供不同的波前修正。该可切换流体系统利用了流体导管，其设置在液体腔之外，并且经由腔壁中的两个相对开口与该腔相连，从而将第一和第二液体移入和移出该液体腔。根据本发明，能够有利地利用上文中参照图1a、1b和图2a、2b描述的不具有流体导管、仅具有流体腔和适当的电极结构的流体系统取代这种流体系统。

图3a和3b表示了根据本发明的可切换设备200的小中央部分的横截面图，其具有非周期性相位结构。因为该相位结构是以非常大的比例示出的，所以仅能够表示出其区域204中的一个。该相位结构配置在透明衬底206中，并且包括多个这样的区域，它们共同构成了能够设置在图2a和2b中的二元光栅位置处的配置。图3a和3b仅表示了流体腔210的中央部分208、分别设置在第一衬底206和第二衬底207上的第一电极220和222的部分以及流体切换系统的第一液体218和第二媒质219。该切换系统的其它元件与图2a和2b中的相同。

如图3a和3b所示，该相位结构的每个区域包括六个台阶270、272、274、276、278和280。这些装置具有相同的宽度w，但具有不同的高度h。图3a表示了处于第一分立状态的可切换单元，其中没有向第一电极220和222施加电压。第二媒质219位于第一电极之间，而第一液体位于液体腔的侧部分(未示出)中。图3b表示了处于第二分立状态的单元，其中向第一电极提供了电压，并且其中极性液体位于这些电极之间，因此该极性液体位于该单元的光学有效部分中，而第二媒质位于液体腔的侧部分中。按照如对于图2a和2b中的二元光栅所述的相同方式，通过使极性液体218和第二媒质219切入和切出该单元200的光学有效部分，能够在两个值之间切换台阶270-280的光学深度。

具有图3a和3b的非周期性相位结构的可切换单元可以用于与未公开PCT专利申请IB2003/004030中描述的可切换光学单元相同的目的。根据该单元特定的预期目的来确定该相位结构的参数，例如台阶的宽度和不同深度以及极性液体与第二媒质的折射率比。对于这些目的和参数而言，对于所涉及的相位结构的目的和相关参数，参照未公开的PCT专利申请IB2003/004030，将该申请引入作为参考。

非周期性相位结构比二元光栅结构更难以填满液体或者清空，因此将本文中所述的可切换光学单元用于切换非周期性相位结构提供了比将其用于切换衍射光栅更多的优点。

如图3a和3b所示，第一电极220不必设置在相位结构的顶部，而也可以设置在相位结构与衬底204之间。尽管图3a和3b表示了设置在相位结构202顶部上的绝缘层244，但是该层也可以设置在相位结构之下，从而位于该结构与第一电极220之间。这种修改在图2a和2b的实施例中也是可能的。

可以选择第一液体和衬底的材料，使得它们具有相同的折射率，在衬底中配置了相位结构、光栅结构或者非周期性结构。在该单元的分立状态下，其中第一液体位于该单元的光学有效部分中并且填满了相位结构，该结构不再在入射光束中引起相移。在该单元的第二分立状态下，其中第二媒质填满了该相位结构，该结构在入射光束中引起相移。这样，通过将极性液体移入和移出包括该相位结构的单元的中央部分，就能够断开和接通该相位结构的功能。能够在例如用于扫描光学记录载体的光学头中使用该可切换光学单元的该实施例，其中读取光束应当分成三个光束，而不应当使写入光束分开，该写入光束可以具有与读取光束相同的波长。

图2a和2b以及图3a和3b中所示的相位结构可以配置在其自身的衬底上，并且形成了独立元件。然而，这种相位结构也可以设置在光学系统中已经存在的元件的表面上，即与该元件集成，该元件例如透镜元件。这样，能够限制将要传播通过该系统的辐射束所经过的表面数量。

本发明的可切换光学单元的性质允许在该单元中包括两个不同的相位结构、光栅结构或者非周期性结构，由此由其自身的第一电极来切换这些结构中的每一个。对于图2a和2b而言，这表示光栅结构也配置在衬底76中，对于图3a和3b而言，这表示相位结构也配置在衬底207中。通过切换提供给与该相位结构相关的第一电极的电压，能够将这种可切换单元的每个相位结构切换到两种分立的状态，而与另一个相位结构的状态无关。由此，最佳地利用了通过适当的电子切换系统相互独立地激励两个第一电极的可能性，从而使该可切换光学单元的能力变大。能够将这种单元切换到四种分立的状态。

其中实现了本发明的透镜系统例如图1a和1b的透镜系统可以非常小，并且适用于微型照相机中。图4表示了这种照相机的原理。该照相机300包括具有光轴304的透镜系统302和图像接收单元312，其上形成了由透镜系统形成的位于系统302左侧的景物的图像。该单元312可以是光电传感器，例如CCD或者CMOS传感器，但也可以是照相胶片。该照相机可以是静态图像照相机或者视频照相机。该透镜系统可以包括两个双凸透镜元件306和308以及包括第一液体和第二媒质(未示出)的液体腔310，和液体切换系统。该单元可以与图1a和1b所示的单元类似。根据所需的能力，可以利用一个或多个固体透镜元件使该透镜系统延伸。

图5表示了手持装置的实例，其中使用了实现本发明的照相机。该装置为图5中以前视图表示的移动电话320。该移动电话具有麦克风322，其将使用者的声音作为数据输入，还具有扬声器324，其输出通信对方的声音以及具有天线326，其发送和接收通信波。该移动电话还包括输入拨号盘328，利用该输入拨号盘使用者输入数据，例如所要拨打的电话号码，还包括显示器330，例如液晶显示板。该板可以用于显示使用者通信对方的照片或者显示数据和图形。为了处理输入数据和所接收到的数据，在该移动电话中包括数据处理单元(未示出)。

该移动电话320设有微型照相机332，其包括如前文中参照图1b和图4所述的透镜系统。在图5中仅表示了该照相机第一透镜元件的前表面。如果该照相机沿着垂直于该电话前表面的线，即沿着垂直于图5附图平面的方向的尺寸足够大，则可以沿着该方向设置该照相机的其它元件、其它的一个或多个透镜元件以及图像传感器，该其它元件即液体切换系统的液体腔。该照相机的光学系统可以设有折叠反射镜，使得能够平行于该电话的前表面设置该照相机的大部分光路，因此该电话可以比较薄。

通常，在用于移动电话的微型照相机中的透镜系统具有固定的焦距，并且为远摄类型，这表示这些系统在传感器上形成了与该照相机具有很大距离的物体或景物的清晰图像。通过包括设有根据本发明的液体切换系统的透镜系统，该照相机能够在远摄模式和微距模式之间切换，使得与照相机具有短距离的物体或景物也能够清晰地在传感器上成像。

其它实现本发明的手持装置是其中嵌入了微型照相机的个人数字助理PDA、便携计算机和电子玩具。

本发明还可以用于非嵌入式照相机中，例如用于桌上电脑的照相机、用于内部通信设备的照相机以及便携尺寸和其它尺寸的照相机，例如数字照相机。该照相机可以为静止图像(照片)照相机或者视频照相机。对于本发明而言，该照相机使用胶片还是电子传感器是无关紧要的。

图6示意表示了为了读取和/或写入数据而扫描光学记录载体350的信息层的光学头360，该记录载体在本实例中为光盘。

该光学记录载体包括透明层352，在其一侧上设置了至少一个信息层354。该记录载体可以包括设置在该记录载体内不同深度处的多个信息层，这将在后面参照图8和9进行描述。该信息层背对透明层的一侧受到保护层356的保护而免受环境影响。该透明层面对光学头的一侧为盘入射表面358。该透明层352通过为一个或多个信息层提供机械支撑而起到该光学记录载体的衬底的作用。可选择的是，该透明层可以具有保护信息层354的单独功能，而由位于信息层另一侧的层提供机械支撑，例如利用保护层4或者与最上面的信息层相连的其他信息层和透明层。

信息可以以设置在基本上平行、同心或者螺旋的轨道中的光学可探测标记(图6中未示出)的形式存储在该光学记录载体的信息层354或者多个信息层中。该标记可以是任意的光学可读取形式，即信息坑的形式，或者反射系数或磁化方向与其周围不同的区域的形式，或者这些形式的组合。

该光学头360包括辐射源单元362，优选为半导体激光器单元，其以最简单的形式发射对应于给定类型记录载体的给定波长的一种辐射束364。该辐射束是发散的并且朝透镜系统发射。该透镜系统包括沿着光轴372设置的准直透镜366和物镜370。该物镜表示为单透镜元件，但是可以包括两个或多个透镜元件，这主要取决于将要在信息层354中形成的光点的尺寸。该准直透镜将发散光束364变为基本上准直的光束374。物镜370将入射辐射束382变为具有选定数值孔径(NA)的会聚光束376，该光束到达信息层354中的焦点380。

通过围绕平行于图6的图面的轴(未示出)旋转记录载体，能够扫描轨道。通过沿着该光学记录载体的径向方向使记录载体和光点380线性移动，能够扫描该信息层的所有轨道。

为了读取信息平面，利用了受到记录载体反射的光束辐射。该辐射由附图标记390表示，其沿着相同路径向回传播，并且其一部分反射到朝向辐射敏感探测单元384的分束器388。第二准直透镜386使该辐射会聚。探测单元将带有信息的入射辐射变为电信号，由该电信号能够获得数据信号和包括聚焦误差信号和跟踪误差信号的控制信号。该误差信号用于调整光点380的轴向和径向位置。

为了保持轨道上的点得到扫描，通常使用轨道伺服系统，其包括所谓的三光点光栅392，即将激光器单元362发出的光束364分成用于扫描的主光束和两个附光束的光栅。该附光束在信息层中聚焦为附属光点，其在径向上位于由主光束形成的主光点的不同侧。通过比较由附光点获得的信号，能够确定在主光点的中心与所要扫描的轨道的中心线之间是否存在偏差，并且能够进行测量以校正该偏差。

因为写入数据比读取数据需要大体上更多的辐射能量，所以对于用于写入和读取的光学头而言，需要仅在读取过程中具有位于辐射路径中的三光点光栅。因此需要能够断开和接通的三光点光栅。为了满足这个需要，如图2a和2b所示的可切换光栅单元能够取代常规的三光点光栅。

写入和读取光学头的另一个方面在于，如果将激光器能量从读取级别切换到写入级别，激光光束的波长改变(反之亦然)。因为光学头中存在的衍射元件，例如三光点光栅对于光束的波长偏移敏感，所以这种切换的结果是写入光束的路径不同于读取光束的路径。这个问题能够通过利用具有两种分立的“接通”状态的可切换光栅单元392取代该常规衍射光栅而得到解决。该光栅单元包括参照图2a和2b所述的可切换液体系统，其包括折射率不同于光栅材料的第一液体。通过适当地选择第一液体和第二媒质的折射率，如果将该可切换光栅切换到两种分立状态中用于一种波长的一种状态和用于另一种波长的另一种状态，则能够实现利用该可切换光栅以相同方式衍射不同波长的光束。

目前，能够将数据存储到具有不同格式的光学记录载体的信息层中，该光学记录载体例如紧致盘(CD)，其尤其可用作CD-A(音频CD)、CD-ROM(只读存储CD)、CD-R(可记录CD)和CD-RW(可改写CD)，以及与CD相同类型的数字通用盘(DVD)。为了防止消费者不得不购买不同的设备以从CD类型或者DVD类型的记录载体读取数据或向上述记录载体写入数据，希望单独的光学头就能够扫描不同格式的光学记录载体。包括这种光学头的装置(播放器)称作组合播放器。

然而，因为不同的记录载体格式和相关的光学头具有不同的特性，所以这个目标不容易实现。例如，CD设计为利用波长约为785nm、数值孔径为0.45的激光束进行扫描，而另一方面DVD设计为利用波长在650nm区域内且数值孔径为0.6(用于读取)和0.65(用于写入)的激光束进行扫描。

组合播放器的光学头的辐射源单元应当发射波长为785nm的激光束，该光束可以称作LD(低密度)光束，以及波长为650nm的激光束，该光束可以称作HD(高密度)光束，这些光束应当遵循通过该光学头的相同光路。如果为此目的而利用诸如三光点衍射光栅使这两个光束衍射，则能够使用参照图2a和2b所述的衍射光栅，其能够切换到两种分立状态。

为了生成具有不同波长的激光束，例如785nm和650nm的激光束，可以使用两个独立的二极管激光器。目前，可以获得在一个外壳中包括两个激光辐射生成狭缝的双激光器，其适用于组合光学头中。即使使用这种双激光器，激光发射狭缝也会彼此相对偏移，并且因此两个激光器会沿着不同路径传播通过该组合光学头。这个问题能够通过接近辐射源单元362设置衍射元件而得到解决，该衍射元件起到偏转元件的作用，其使一束激光束偏转，从而使其光轴与另一激光束的光轴重合。这种偏转元件应当仅对其中一个激光束起作用，并且如果使用另一激光束，则应当断开该元件。根据该探测系统384的设计方案，为两个光束提供了不同的探测器元件，或者不提供，这种衍射光束偏转器也可以用在探测系统一侧。参照图2a和2b并包括折射率与光栅材料相同的极性液体的所述的可切换光栅，非常适用于实现此目的的组合光学头中。

组合光学头的另一个重要方面在于相同的物镜系统应当使波长基本不同的激光束聚焦为具有不同尺寸的扫描点。此外，具有不同格式的光学记录载体的透明衬底352的厚度不同，该衬底典型地用作该盘的保护层，并且因此信息层距离记录载体入射面的深度随记录载体格式不同而变化。例如，DVD的信息层深度约为0.6mm，而CD的信息层深度约为1.2mm。穿过该保护层的辐射束导致的球差通常在光学头的物镜中得到补偿。

由于不同格式的记录载体的不同特性，如果试图利用对于另一种不同格式的记录载体已经进行优化的光学头从一种记录载体读取数据，则会造成问题。例如，如果利用已经对于另一种格式的记录载体进行优化的物镜读取一种格式的记录载体，则会造成大量的球差以及不可忽略的球色差。

随着蓝光(Blu-Ray)^TM记录载体的出现，所述问题变得愈加明显，最近在蓝色二极管激光器出现之后已经正式宣布了该记录载体，该蓝色二极管激光器与用于从常规DVD读取数据或向其中写入数据的红色二极管激光器相比，发射短得多的波长，例如405nm。由于其更短的波长，蓝色激光束能够在记录载体的信息层中形成较小的扫描点，并且因此蓝光^TM记录载体的信息标记和轨道的间隔能够比常规DVD更紧密。这意味着蓝光^TM记录载体比常规DVD具有更大的存储能力。能够扫描CD、DVD和蓝光^TM记录载体的光学头应当包括785nm激光器、650nm激光器和405nm激光器。

为了利用单一物镜系统扫描不同格式的记录载体，已经提出了利用除折射表面之外还包括相位结构的透镜系统。国际专利申请WO02/082437描述了这种物镜，该相位结构包括具有不同高度的多个相位元件，如果观察其轮廓这些元件设置为一系列台阶。不同高度的相位元件是相关并且进行了安排的，从而在用于读取特定格式的信息层的特定波长的辐射束中产生了希望的波前修正。所包含的相位结构具有复杂的性质，该相位元件具有大范围的不同高度。这种相位结构难以设计并制造成对每种波长都获得高光学效率的程度。此外，它们制造成本高，这使得具有这种相位结构的物镜系统对于消费产品来讲太昂贵了。

根据本发明，能够将参照图3a和3b所述的可切换相位结构形式的波前修正器368与常规类型的物镜系统370组合起来，从而获得适用于扫描两种或三种不同种类的记录载体的单一物镜系统。因为其为可切换的，所以这种相位结构设有更大的设计自由度，从而使得该相位结构比具有相同功能的常规相位结构更简单。如果该可切换相位结构单元包括不只一个相位结构并且如参照图3a和3b所述的能够相互独立地切换不同的相位结构，则进一步增大了设计自由度。

根据其目的，波前修正器的相位结构可以是周期性的或者非周期性的结构。对于相位结构自身的不同实施例和可切换相位结构的能力而言，参照先前提交的未公开PCT专利申请IB2003/004030，关于这些方面该申请将其引入作为参考。先前专利申请的可切换光栅单元与本发明的可切换光栅单元的不同之处在于使用了流体切换系统，其中流体腔构成了该单元的光学有效部分，以及使用了将流体移入和移出该腔的外部导管。在本发明的流体切换系统中，该单元的光学有效部分仅构成了一部分流体腔，并且流体通常保留在该腔中，这使得该可切换相位结构单元相当简单并且扩大了其实际应用。

取代独立的波前修正器(368)，还可以在折射透镜系统中包含该可切换相位结构，这表示将一个或多个相位结构与该透镜系统的一个或多个折射表面集成。

除了上文中所述的应用之外，本发明一般可以用于折射或衍射或者两者结合的所有光学系统中，其中需要光学性能(例如屈光力)的切换来增大该系统的能力。一般而言，本发明还可以用于光学系统中，如果这些光学系统的元件能够切换到两个或多个分立状态，则能够设计并制造这些光学系统。

Claims (23)

1.一种可切换光学单元(1、50、200)，其能够控制通过该单元光学有效部分(8、108)的辐射束(b)，该单元包括腔(10、110)和包含在该腔内且折射率不同于其周围折射率的导电液体(18、118、218)，该腔设有电极配置(20、22、24、28；120、122、124、128；220、222)，其中从电压控制系统(30、32、34、36、38、40、41、42；130、132、134、136、138、140、141、142)向电极施加电压(V)造成所述液体的运动，其特征在于该电极配置包括一对第一中央电极(20、22；120、122；220、222)，其固定于该腔内壁(12、14)的光学有效部分(8、108)的位置处，还包括第二电极装置(24、124)，其固定于该腔内壁的光学有效部分之外的位置处，以及第三电极(28、128)，其与导电液体接触并且连续连接到电压源(30、130)的第一输出端(32、132)，该电压源的第二输出端(34、134)以第一模式连接到所述第一电极中的至少一个，并且以第二模式连接到第二电极装置。

2.根据权利要求1所述的可切换光学单元，其特征在于该第二电极装置(24、124)由具有U形横截面的一个环形电极构成。

3.根据权利要求1或2所述的可切换光学单元，其特征在于该腔面对液体的内壁(12、14)涂敷有绝缘疏水层(44、144)。

4.根据权利要求1、2或3所述的可切换光学单元，其特征在于该腔包括折射率不同于导电液体(18、118、219)的折射率的媒质(19、119、219)。

5.根据权利要求4所述的可切换光学单元，其特征在于该媒质(19、119、219)是液体。

6.根据权利要求4所述的可切换光学单元，其特征在于该媒质(19、119、229)是气体。

7.根据权利要求1、2或3所述的可切换光学单元，其中该腔(10、110、210)的缺少液体部分是真空的。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的可切换光学单元，包括至少一个透镜元件(2、4)，其特征在于位于光学有效部分(8)中的至少一个腔壁(12、14)是由折射透镜表面构成的。

9.根据权利要求8所述的可切换光学单元，其特征在于位于光学有效部分(8)中的两个相对腔壁(12、14)中的每一个是由折射透镜表面构成的。

10.根据权利要求8或9所述的可切换光学单元，其特征在于折射透镜表面(12、14、46、48)中的至少一个是非球面表面。

11.根据权利要求1-10中任一项所述的可切换光学单元，其特征在于位于光学有效部分(108)中的至少一个腔壁(56、78)具有相位结构(58、60；202)。

12.根据权利要求11所述的可切换光学单元，其特征在于该相位结构为非周期性结构(202)，其使该单元成为波前修正单元。

13.根据权利要求11所述的可切换光学单元，其特征在于该相位结构为周期性结构(58、60)。

14.根据权利要求1-13中任一项所述的可切换光学单元，其特征在于该电压控制系统(30、32、34、36、38、40、41、42；32、134、136、138、140、141、142)设置为单独向第一电极(20、22；120、122；220、222)提供电压。

15.根据权利要求1-14中任一项所述的可切换光学单元，其特征在于导电液体(18、118、218)的折射率等于腔壁(12、14；112、114)的光学相关材料的折射率。

16.一种光学照相机(300)，其包括可控透镜系统，其特征在于该透镜系统(1、302)包括如权利要求1-10中任一项所述的可切换光学单元。

17.一种手持装置，其包括如权利要求16所述的光学照相机(300)。

18.一种光学头(360)，其用于扫描信息层(354)并且包括用于提供扫描束(364、374)的辐射源单元(362)，用于将扫描束(374)聚焦为信息层中的扫描点(380)的物镜系统(370)，以及用于将来自信息层的扫描束辐射(390)转变为电信号的辐射敏感探测单元(384)，该辐射源为可切换的，从而分别发射读取光束和写入光束，其特征在于该光学头包括用于读取光束和写入光束的衍射元件(392)，其为如权利要求13所述的可切换光栅单元(50)的形式。

19.一种光学头(360)，其用于扫描信息层(354)并且包括用于提供扫描束(364、374)的辐射源单元(362)，用于将扫描束(374)聚焦为信息层(354)中的扫描点(380)的物镜系统(370)，以及用于将来自信息层的扫描束辐射(390)转变为电信号的辐射敏感探测单元(384)，该辐射源为可切换的，从而分别发射读取光束和写入光束，其特征在于该光学头包括仅用于读取光束的衍射元件(392)，其为如权利要求15所述的可切换光栅单元(50)的形式。

20.一种光学头(360)，其用于扫描信息层(354)并且包括用于提供扫描束(364、374)的辐射源单元(362)，用于将扫描束(374)聚焦为信息层中的扫描点(380)的物镜系统(370)，以及用于将来自信息层的扫描束辐射(390)转变为电信号的辐射敏感探测单元(384)，该辐射源发射具有不同波长的至少两个扫描束，以用于扫描不同格式的至少两个信息平面，其特征在于该光学头包括如权利要求15所述的可切换相位结构(50)形式的光束偏转元件，从而使该具有不同波长的至少两个光束的光轴对准。

21.一种光学头(360)，其用于扫描信息层(354)并且包括用于提供扫描束(364、374)的辐射源单元(362)，用于将扫描束(374)聚焦为信息层中的扫描点(380)的物镜系统(370)，以及用于将来自信息层的扫描束辐射(390)转变为电信号的辐射敏感探测单元(384)，该辐射源发射具有不同波长的至少两个扫描束，以用于扫描不同格式的至少两个信息平面，其特征在于该光学头包括如权利要求13所述的可切换相位结构(50)形式的三光点光栅(392)。

22.一种光学头(360)，其用于扫描信息层(354)并且包括用于提供扫描束(364、374)的辐射源单元(362)，用于使扫描束(374)会聚为信息层中的扫描点(380)的物镜系统(370)，以及用于将来自信息层的扫描束辐射(390)转变为电信号的辐射敏感探测单元(384)，该辐射源发射具有不同波长的至少两个扫描束，以用于扫描不同格式的至少两个信息平面，其特征在于该物镜系统除了折射透镜系统(370)之外还包括如权利要求13、14、15或16所述的可切换相位结构单元(50、200)形式的波前修正单元(368)。

23.根据权利要求22所述的光学头(360)，其特征在于该波前修正单元(50、200)包含在折射透镜系统(370)中。

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