專利名稱：可控雙層雙折射光學部件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種雙折射光學部件，制造該部件的方法，和包括這些部件的設備。該部件特別適合，但不限于，在光學掃描設備中用作變焦透鏡。
光學掃描設備中使用的光學攝像管單元已為人所知。光學攝像管單元安裝在可移動支架上，以穿過光盤磁道掃描。光學攝像管單元的尺寸和復雜度在實際中優(yōu)選盡可能的小，以減小制造成本和為掃描設備中安置的其他部件留出空間。
現(xiàn)代光學攝像管單元一般至少與兩個不同格式的光盤兼容，例如高密度磁盤(CD)和數(shù)字通用磁盤(DVD)格式。最近提出了藍光光盤(BD)格式，提供大約25GB的數(shù)據(jù)存儲容量(和650MB容量的CD，和4.7GB容量的DVD相比)。
通過使用小掃描波長和大數(shù)值孔徑(NA)，提供小的焦點(焦點大小大約為λ/NA)，從而允許讀出磁盤上信息層中的小尺寸標記，使較大容量存儲成為可能。例如，典型的CD格式使用785nm波長，物鏡的數(shù)值孔徑為0.45，DVD使用650nm的波長，數(shù)值孔徑為0.65，BD系統(tǒng)使用405nm的波長，數(shù)值孔徑是0.85。
典型的，材料的折射率作為波長的函數(shù)變化。因而，對于不同的入射波長，透鏡將提供不同的焦點和不同的性能。而且，光盤可以具有不同厚度的透明層，因此對于不同類型光盤，需要不同的焦點。
一些例子中，通過增加每個光盤信息層的數(shù)目，存儲容量進一步增加。例如，雙層BD光盤具有被25um厚的間隔層分離的兩個信息層。這樣，當聚焦在第二信息層上時，光學攝像管單元發(fā)出的光必須穿過該間隔層。這引入大約255mλrms(0.255入均方根)的球面像差，球面像差指接近光的會聚錐體軸的光線與錐體外的光線相比，具有不同焦點的現(xiàn)象。這導致了焦點的模糊，在光盤讀出時會伴隨保真度的損失。
為獲得雙層讀出和后向兼容(即，用于不同光盤格式的相同的光學系統(tǒng))，提出了偏振敏感透鏡(PS-透鏡)以補償球面像差。這種透鏡可以由雙折射材料，例如液晶形成。雙折射指對于光束的兩個偏振成分存在不同折射率。雙折射材料具有非尋常光折射率(ne)和尋常光折射率(no)，折射率差表示為Δn＝ne-no。通過確保具有不同偏振的相同或不同波長入射到透鏡上，PS透鏡可以用來為單個或不同波長提供不同焦點。
光學存儲中一個新的趨勢是多層或3D記錄。這種技術的一個例子基于多熒光層堆疊，這樣增加了單個光盤的數(shù)據(jù)存儲容量。多層堆疊也需要光通道，以使激光光束在光盤中多個特定深度上精確地聚焦。盡管光盤掃描系統(tǒng)中存在的致動器，使物鏡在距離光盤的一定距離范圍內(nèi)移動(和使焦點移動一定距離范圍)，但這種移動范圍是有限的，它不能提供所有提出的多層記錄系統(tǒng)所需的聚焦深度范圍。
本發(fā)明實施例的一個目的是提供一種改進的光學部件，其解決現(xiàn)有技術(或在這里引用，或沒有)的一個或多個問題。
本發(fā)明特定實施例的一個目的是提供一種包括兩種雙折射材料的光學部件(部件的光學功能是可調(diào)整的)，以及一種制造這種部件的方法。特定實施例提供一種光學透鏡，其具有能夠在預定深度范圍可控變化的焦點。
第一方面，本發(fā)明提供了光學部件(181)，包括通過成型界面(206)和第二雙折射層(170)相連的第一雙折射層(203)；穿過第一和第二層的光軸(19)；至少第二雙折射層(170)，具有相對于光軸的在第一取向和第二取向之間可移動的分子，第二雙折射層的折射率取決于分子的取向。
通過提供具有兩種這樣材料的光學部件，由界面定義的光學功能可以通過改變分子的取向而改變。例如，如果成型界面是彎曲的，由界面提供的透鏡能力可以通過改變分子的取向而改變。
另一方面，本發(fā)明提供一種光學掃描設備(1)，掃描光學記錄載體(2)的信息層(4)，設備(1)包括輻射源(11)，用于產(chǎn)生輻射束(12，15，20)；和物鏡系統(tǒng)(18)，用于會聚輻射束到信息層上，其中設備(1)包括光學部件(181)，該光學部件包括通過成型界面(206)和第二雙折射層(170)相連的第一雙折射層(203)；穿過第一和第二層的光軸(19)；至少第二雙折射層(170)，具有相對于光軸的第一取向和第二取向之間可移動的分子，第二雙折射層的折射率取決于分子的取向。
另一方面，本發(fā)明提供一種制造光學部件(181)的方法，該光學部件包括第一雙折射層(203)和第二雙折射層(170)，該方法包括提供具有成型表面(206)的第一雙折射層；提供與第一雙折射層成型表面(206)相鄰的第二雙折射層(170)；其中第二雙折射層的分子在相對于光軸(19)的第一取向和第二取向之間可移動，光軸(19)穿過第一雙折射層(203)和第二雙折射層(170)。
另一方面，本發(fā)明提供一種制造光學掃描設備(1)的方法，該光學掃描設備掃描光學記錄載體(2)的信息層(4)，該方法包括提供輻射源(11)，用于產(chǎn)生輻射束(12，15，20)；提供物鏡系統(tǒng)(18)，用于會聚輻射束到信息層；并且提供光學部件(181)，該光學部件包括通過成型界面(206)和第二雙折射層(170)相連的第一雙折射層(203)；穿過第一和第二層的光軸(19)；至少第二雙折射層(170)，具有相對于光軸的第一取向和第二取向之間可移動的分子，第二雙折射層的折射率取決于分子的取向。
為了更好的理解本發(fā)明，和為了示出相同的實施例怎樣被有效的實施，現(xiàn)在通過附圖和實例給出參考，附圖中

圖1示出了根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的光學部件的剖面圖；圖2A-2F闡述了形成根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的液晶透鏡的第一部分的方法步驟；圖3A-3D闡述了形成根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的液晶透鏡的最后部分的方法步驟；圖4示出了掃描光學記錄載體的設備，該記錄載體包括根據(jù)本發(fā)明的實施例的液晶透鏡；圖5示出了圖4中示出的掃描設備的光學系統(tǒng)怎樣使用光的不同偏振來掃描雙層光學記錄載體中的不同層；
圖6A和6B示出了圖1中闡述的液晶透鏡的剖面圖，液晶的第二層具有不同的取向。
光學部件(或光學部件的部分，光學元件)可以包括曲面以聚焦光(例如，凸透鏡)或散射光(例如，凹透鏡)。依賴于光學部件上入射的偏振輻射束的角度，具有曲面的雙折射光學部件將提供不同的聚焦或散射效果。
同樣，其他部件的光學功能通過其他成型(即，非平面的)表面提供例如臺階功能或光柵。
本發(fā)明已經(jīng)實現(xiàn)，通過提供與曲面(或其他成型)相鄰的附加雙折射材料，附加材料的雙折射取向可以以受控的方式改變，因此有可能可控地改變光學部件的光學功能(例如，由曲面形成的透鏡的功率)。而且，因為雙折射材料根據(jù)光的不同偏振提供不同的折射率，通過提供入射到光學部件上光的不同偏振，可以實現(xiàn)不同的功能。這樣，通過改變偏振輻射的入射角度，和通過改變至少一個雙折射層的取向，這種光學部件可以提供不同的光學功能性。
因而，對于不同的成型表面，例如臺階結構和光柵，部件的光學功能可以通過改變附加雙折射材料的取向而可控地改變。而且，由于兩個材料都是雙折射材料，通過提供不同入射偏振的光，可以實現(xiàn)不同的光學功能。
在無機雙折射材料(例如，像方解石的晶體)中，原子結構是不對稱的。這導致在不同取向上材料的物理常數(shù)的各向異性。其中一個參數(shù)就是折射率?？紤]偏振光束沿著不同光軸傳輸。存在一個光軸，其中垂直和平行于該光軸可以觀察到不同的折射率。一般而言，三個軸中的兩個軸的折射率高于第三個軸的折射率，但并不總如此。
有機晶體中，例如液晶，盡管人們不能說出在原子結構上存在的差別，但會發(fā)生相似的現(xiàn)象。一般而言，三個軸中兩個軸的折射率低于第三軸的折射率，但并不總如此。
液晶中分子排列的方向稱為指向矢(director)。偏振平面沿平行于指向矢傳播的光具有非尋常折射率ne。
圖1闡述了根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例的光學部件181。光學部件181包括形如透鏡的第一層雙折射材料203。在該特定實施例中，雙折射材料203的形狀如同平凸透鏡，透鏡的凸出部分由曲面206定義。透鏡作為固體例如聚合液晶形成。
透鏡的平坦面與透明電極150相連。電極由玻璃襯底形成，玻璃襯底覆蓋有透明導體ITO(氧化銦錫)層。
第二雙折射材料層170將第一雙折射材料203與第二透明電極160分離。第二電極也由玻璃和ITO形成。第二雙折射材料170布置成使得材料的雙折射屬性的取向可以可控地變化。
該特定實施例中，兩種雙折射材料都由液晶形成。第一雙折射材料的脊狀主體由聚合液晶形成。第二雙折射材料是向列相的液晶。第二雙折射材料的分子被安置成在兩個不同取向之間可移動。
向列型液晶的第一取向由放置在環(huán)繞向列型液晶的至少一個表面上的一個或多個對準層決定。這里的對準層由聚酰亞胺(PI)形成。該特定實施例中，使用兩個對準層。每個對準層在環(huán)繞液晶的外殼的相對表面上。每個表面基本垂直于光軸19(至少在光軸19直接相鄰的部分)延伸。特別是，第一對準層162位于電極160的內(nèi)表面上。另一個對準層位于相對于電極的表面上，即，位于曲面206之上。
這些對準層可以相互選擇任何優(yōu)選的取向，例如，它們可以是平行的，或相互之間存在任何預定角度。液晶中的指向矢傾向于與對準層的取向對準。這定義了指向矢(即，液晶中的分子)的第一取向(進而定義了材料170的雙折射屬性的取向)。而且，這些對準層的取向可以根據(jù)第一層203中的雙折射材料的取向以任何預定的角度被定向。
該特定實施例中，第一材料與基本垂直于光軸的指向矢對準。第一材料上的對準層也被定向，以與光軸垂直。而且，它被定向成同時垂直于第一層203中的雙折射材料的取向。相反，電極上的對準層162被安置成平行于第一材料的定向(也垂直于光軸19)。
因此，兩個對準層的取向相交90°，形成第二層170的向列相液晶處于扭轉向列狀態(tài)。換而言之，液晶的指向矢沿著光軸旋轉一定距離。與對準層162相鄰的第二層中液晶的指向矢將平行于第一層203中的指向矢。然而，作為沿著光軸19距離的函數(shù)，第二層170中指向矢的取向逐漸改變，指向矢逐漸旋轉，直到在彎曲界面206指向矢垂直于第二層203的指向矢。
這第二層中的90°的指向矢旋轉意味著與電極160相鄰的層部分的雙折射不同于與彎曲界面206相鄰的部分。特別是，雙折射屬性將旋轉和指向矢經(jīng)歷相同的90°。而且，經(jīng)過光學部件的偏振輻射也將旋轉90°。
該特定實施例中，光學部件還包括致動裝置(172，174)，以改變第二層170的整個取向。該特定實施例中，層170的第一取向由對準層定義。然而，第二取向通過致動裝置在第二層170上施加電場而提供。第二層170中的指向矢將與電場(假設它足夠大)對準。該特定實施例中，電場平行于光軸19。電場通過在兩個電極150，160上施加電壓Vs提供。當開關174閉合時，電壓Vs通過電壓源172提供到電極150，160。
間隔164用于定義第二層170的寬度和環(huán)繞第二層的液晶。這些間隔可以由任何所需材料形成，可以由例如玻璃或薄片的透明材料形成。
圖6A和6B闡述了該實施例的光學部件，具有各自第一取向和第二取向的第二層170。改變第二層取向的效果的詳細描述將參照這些圖在下面提供。
圖2A-2F闡述了形成根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的光學部件的第一部分的各個步驟。該特殊例子中，光學部件包括液晶雙折射透鏡。
第一步，如圖2A所示，提供模具100，模具具有成型表面102，它后來用于定義形成最終光學部件形狀的一部分。該特定例子中，液晶最終是光聚合的，隨后模具由對輻射透明的材料形成，該輻射用于光聚合液晶例如玻璃。
對準層110安置在曲面102上，以誘導后面放置在對準層上的液晶層中的預定取向(由箭頭方向110指示)。
在該特定例子中，對準層是聚酰亞胺(PI)層。聚酰亞胺可以使用旋轉覆蓋從溶液獲得。然后可以排列聚酰亞胺以誘導特定取向(該取向決定了液晶分子的最后取向)。例如，已知的工藝是用非絨毛布在一個方向重復摩擦聚酰亞胺層以誘導該取向(110)。
襯底150，在該特殊實施例中將形成光學部件的一部分，包括玻璃襯底上的ITO層。鍵合層120應用到襯底150的第一表面152。鍵合層被安置以形成與液晶的鍵合。該特定例子中，鍵合層也是包含聚酰亞胺的對準層(或取向層)。鍵合層包含反應基，形成與液晶分子的化學鍵，該例子中具有和液晶分子相同類型的反應基，使得當光聚合液晶分子時，也產(chǎn)生襯底上與鍵合層鍵合的化學鍵。這導致襯底和液晶層之間良好的粘附。使用與淀積相同類型的工藝，鍵合層可以淀積在襯底上，并且與模具100上的對準層對準。鍵合層，在該例子中，也用作對準層，根據(jù)最終液晶部件所需屬性在預定取向中定向(箭頭120)。
排列鍵合層，以平行于模具上對準層的方向110。優(yōu)選的，鍵合層的取向平行于對準層的取向，但是與對準層的取向相反。
然后，如圖2B所示，包含一個或多個液晶的化合物200被放置在襯底150的第一表面152和模具100的成型表面102之間。
該特定例子中，如圖2B所示，化合物200包括兩種不同液晶的混合物。這兩種不同液晶被選擇，當至少一個液晶被光聚合時提供所需的折射率屬性。
液晶200的液滴被放置在襯底的第一表面152上?；衔?00已經(jīng)被除去氣體，以避免最終光學部件中包含氣泡。它還避免光聚合過程中固化液體而釋放的氣體形成氣泡，因為光聚合過程的收縮導致聚合液體內(nèi)部大的壓力減小。
然后玻璃模具被加熱使得液晶處于各向異性相(典型的在80℃-120℃)，以有利于后續(xù)液晶制成所需的形狀。
然后襯底和模具被放置在一起，以定義最終形成的光學部件的液晶部分201的形狀(圖2C)。為了確保液晶在模具和襯底間形成均質層，需要一個壓力推動襯底到模具(反之亦然)。
然后襯底/模具/液晶被冷卻，例如30分鐘降到室溫，以確保液晶從各向異性相進入向列相。
當進入向列相時，在液晶混合物中可能出現(xiàn)多個區(qū)域。因此，混合物可以加熱到毀壞多個區(qū)域取向的清除點以上的溫度(例如混合物可以3分鐘被加熱到105°)。然后，混合物被冷卻以獲得均一的取向202(圖2D)。
然后，均勻液晶混合物可以使用從紫外輻射源300發(fā)出的光302進行光聚合(圖2E)，例如通過使用強度為10mW/cm2的UV光照射60秒。同時，化學鍵在液晶和鍵合層之間形成。
接著，光學部件(150，203)的第一元件(或部分)從模具100上釋放(圖2F)。這將，例如，通過在有角度的物體400上輕微彎曲100而獲得。備選的，通過在平坦支持體中按壓平坦襯底部分以輕微彎曲平坦襯底而完成。因為在模具中使用通用的聚酰亞胺(沒有反應基)，液晶/襯底元件將輕易從模具分離。
然后通過重復圖2B-2F中闡述的步驟，模具被重復利用以制造部件的后續(xù)元件。典型的，對準層將保留在模具100上，因此它不需要再次施加。
如有需要，可以執(zhí)行進一步的工藝步驟，以從襯底150去除液晶202。然后，在大多數(shù)例子中，假定襯底150將形成最終光學部件的一部分。
圖3A-3D闡述了提供第二雙折射層的連續(xù)步驟，以完成光學部件。再次，在該特定實施例中，液晶用于提供第二層。
圖3A示出了放置在第一雙折射層203的曲面上的第一對準層(聚酰亞胺)。該特定實施例中，對準層被定向使其垂直于第一雙折射層203內(nèi)的指向矢的定向。
第二襯底160基本平行于部件的第一部分(150，203)，但是空間分離的。襯底160用來形成電極，并且隨后再次由玻璃和ITO形成。對準層162放置在與第一層203的曲面206相鄰的襯底160的表面上。對準層162也由聚酰亞胺(PI)形成。然而，該例子中，聚酰亞胺層162平行于第一層203中的指向矢。
如圖3C所示，間隔164空間隔開兩個襯底150和160。空間長度定義了襯底150和160之間的距離，進而定義了雙折射材料第二層的厚度。間隔最終沿著襯底150和160以及第一層203安置，以圍繞第二雙折射層170。因此，間隔完全環(huán)繞襯底150，160的外圍被膠合，僅留下填充孔和空氣孔。
然后通過填充孔使用毛細管單元填充來填充封閉的空間。隨后，填充孔和空氣釋放孔閉合(例如，使用插塞或膠水)，以形成最終的光學部件181。如圖3D所示，第二層170將被定向，以與直接相鄰的對準層對準。結果是，因為使用的對準層相互垂直，第二層170處于扭轉向列相態(tài)。
使用上面的制造方法，形成了由透明導電層之間的兩種雙折射材料制備的光學部件。通過在導電層上施加電壓，第二雙折射材料能有效地切換入射光束的偏振。另一個雙折射層可以是鈍化層。兩層之間的成型表面可以是提供光學功能的任何所需形狀，但在優(yōu)選實施例中它是曲面。表面的曲率是最小化像差的光學品質。
該特定優(yōu)選實施例中，為提供多焦點透鏡，選擇兩種材料以使有源層170的尋常光和非尋常光折射率分別等于鈍化層的尋常光和非尋常光折射率。
施加到導電層的電壓(Vs)足夠大以徹底取消扭轉向列狀態(tài)的平面內(nèi)扭轉，并且使指向矢對準于電場。
結果產(chǎn)生類似圖1中所闡述的光學元件。
一種對準層中適用的聚酰亞胺是由日本Synthetic Rubber公司提供的OPTMER AL-1051，同時由Arch Chemical提供的Durimide7505可以用作適當?shù)幕钚跃埘啺?，異丁烯酸基作為鍵合層。
用于第一(鈍化)層的材料優(yōu)選包括活性液晶材料。優(yōu)選的，具有液晶的中康酯組是由一個或多個可聚合組覆蓋的端或面。材料能夠在一定(優(yōu)選相對較寬)溫度范圍呈現(xiàn)向列相?？删酆辖M可以是異丁烯酸、丙烯酸酯、環(huán)氧乙烷、環(huán)氧乙烯(oxitane)、乙烯醚或任何其他活性基團。
如上所述，在優(yōu)選實施例中，兩種液晶的混合物在第一層203中使用以獲得所需的ne和no。使用的兩種液晶是1-4-二(4-(3-丙烯酰丙氧)苯甲酸基)-2-甲苯(RM257)和RM82，它們都來自德國的Merck，Darmstadt。用于確保第一層203中液晶的光聚合的光引發(fā)劑是Irgacure651，從瑞士Ciba Geigy，Basel獲得。
第二層(170)優(yōu)選是向列型液晶。第二層可以由E7(含有小部分氰基三苯基化合物的氰基三苯基混合物)形成。
圖4示出了掃描光學記錄載體2的設備1，包括根據(jù)本發(fā)明實施例的物鏡18。記錄載體包括透明層3，其一面上安置有信息層4。信息層遠離透明層的面受到保護層5保護以免受環(huán)境影響。透明層面對設備的一面稱為入射面6。通過提供信息層的機械支撐，透明層3用作記錄載體的襯底。
備選的，透明層可以具有保護信息層的單獨功能，而機械支撐由信息層另一面上的層提供，例如通過保護層5或通過另一信息層和與信息層4相連的透明層。信息可以以排列在基本平行的，中心對稱的或螺旋磁道中的光學可探測標記的形式存儲在記錄載體的信息層4中，這在圖中沒有示出。標記可以是任何光學可讀形式，例如，坑的形式，或具有不同于周圍環(huán)境的反射系數(shù)或磁化方向的區(qū)域的形式，或它們的組合的形式。
掃描設備1包括輻射源11，能夠發(fā)射輻射束12。輻射源可以是半導體激光器。分束器13反射發(fā)散的輻射束12到準直透鏡14，其將發(fā)散束12轉換成準直光束15。準直光束15入射到物鏡系統(tǒng)18。
物鏡系統(tǒng)可包括一個或多個透鏡和/或光柵。物鏡系統(tǒng)18具有光軸19。物鏡系統(tǒng)18將光束17變換成會聚光束20，入射到記錄載體2的入射面6。物鏡系統(tǒng)具有球面像差校正，以調(diào)整穿過透明層3厚度的輻射束的傳輸。會聚光束20形成信息層4上的光點21。信息層4反射的光線形成發(fā)散束22，通過物鏡系統(tǒng)18轉換成基本準直光束23，然后通過準直透鏡14轉換成會聚光束24。分束器13通過傳輸至少一部分匯聚光束24到探測系統(tǒng)25，分離了前向的和反射光束。探測系統(tǒng)捕獲輻射并將其轉換成電輸出信號26。信號處理器27將這些輸出信號轉換成各種其他信號。
信號中的一個是信息信號28，其值代表從信息層4讀取的信息。信息信號被校正信息處理單元29處理。信號處理器27的其他信號是聚焦誤差信號和徑向誤差信號30。聚焦誤差信號代表光點21和信息層4間高度上的軸向差。徑向誤差信號代表信息層4平面上光點21和信息層中被光點跟蹤的磁道中心之間的距離。
聚焦誤差信號和徑向誤差信號輸入到伺服電路31，伺服電路31將這些信號轉換成伺服控制信號32，以分別控制聚焦致動器和徑向致動器。圖中沒有示出致動器。聚焦致動器控制在聚焦取向33上物鏡系統(tǒng)18的位置，進而控制光點21的實際位置使其基本與信息層4的平面相符。徑向致動器控制輻射方向34上物鏡系統(tǒng)18的位置，進而控制光點21的徑向位置使其與信息層4中跟隨的軌道中心線基本相符。圖中的磁道運行方向垂直于圖平面。
該特定實施例中圖4的設備被調(diào)整以掃描第二類型的記錄載體，該記錄載體具有比記錄載體2厚的透明層。該設備可以使用輻射束12或具有不同波長的輻射束來掃描第二類型的記錄載體。該輻射束的NA可以被調(diào)整到記錄載體的類型。物鏡系統(tǒng)的球面像差補償必須被相應調(diào)整。
圖5闡述了在掃描設備1中使用的根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實施例的光學部件181。圖6A和6B示出了液晶的第二層的兩個極端取向(盡管實際上通過在0和Vs之間改變電壓，液晶以可控的方式在兩個極端間連續(xù)變化)。
圖5中所示，光學部件181可以放置在掃描設備的物鏡系統(tǒng)18中。通過適當控制平行光束15的偏振，以及通過控制設備中第二層170的取向，物鏡系統(tǒng)18可以用來掃描多層磁盤2’中不同的層4a，4b，4c，4d...。
物鏡系統(tǒng)18包括光學部件181和聚焦透鏡182。聚焦透鏡182用來將從光學部件181發(fā)出的光束(其可以是平行、發(fā)散或會聚的)聚焦成校正信息層上的光點。根據(jù)將被掃描的所需信息層4a，4b，4c，4d...，光學部件181用來將平行偏振光束15轉換成校正的發(fā)散、會聚或平行狀態(tài)?？蛇x的，物鏡系統(tǒng)18還可以包括起偏器，用于光學元件181發(fā)出光束的偏振選擇(一些例子中，根據(jù)光學部件的狀態(tài)，光學元件發(fā)出的光束可以分裂成兩個取向)。
圖6A示出了透鏡181，其具有處于扭轉向列狀態(tài)的第二層170(即沒有電壓施加到電極150，160)。圖6B中，施加電壓Vs以產(chǎn)生電極150和160之間的電場。電場足夠高以完全消除雙折射層170在平面上的扭轉。
應當理解的是，透鏡181的光學屬性將根據(jù)層170的取向變化。而且，光學屬性當然將根據(jù)層之間的折射率變化。該特定實施例中，雙折射層170的折射率被選擇以分別匹配鈍化層203的折射率(no，ne)。
根據(jù)入射光的偏振(例如，入射光的偏振態(tài)是否平行于鈍化層203中指向矢的方向，或是否垂直于鈍化層203中指向矢的方向)，根據(jù)入射光的方向，即光是否首先入射到鈍化層203上(箭頭A指示)，或光是否首先入射到有源層170上(箭頭B指示)，由透鏡181提供的光學功能將改變。使用符號“關態(tài)”對應于沒有施加電壓(如圖6A所示)，和“開態(tài)”對應于施加的電壓足夠大以完全消除平面扭曲(如圖6B所示)，然后可以看到存在下面的條件(1)光通過鈍化層進入透鏡(方向A)(i)關態(tài)和光的入射偏振態(tài)平行于入口處鈍化層的指向矢在界面產(chǎn)生ne到no的偏移；曲面進而用作正透鏡。而且在有源層中，偏振旋轉90°。
(ii)關態(tài)和光的入射偏振態(tài)垂直于入口處鈍化層的指向矢在界面產(chǎn)生no到ne的偏移，曲面進而用作負透鏡。而且在有源層中，偏振旋轉90°。
(iii)開態(tài)和光的入射偏振態(tài)平行于入口處鈍化層的指向矢在界面產(chǎn)生ne到no的偏移，曲面用作正透鏡。沒有經(jīng)一步的偏振改變。
(iv)開態(tài)和光的入射偏振態(tài)垂直于入口處鈍化層的指向矢界面處沒有偏移(no到no)發(fā)生；曲面因此用作中性透鏡。沒有進一步的偏振改變。
(v)開態(tài)和關態(tài)之間，折射率可以選擇在ne和no之間，產(chǎn)生從正到中性的多焦點透鏡而沒有使用額外的選擇起偏器。偏振僅在第二層(有源層)中改變。對于熒光記錄來講這種偏振的改變并不重要。
(2)光通過有源層進入透鏡(方向B)(i)關態(tài)和光的入射偏振態(tài)平行于入口處鈍化層的指向矢偏振旋轉90°，光將以垂直于鈍化層的指向矢的偏振態(tài)進入鈍化層。這意味著在兩層之間界面處存在從ne到no偏移。結合有源層和鈍化層之間界面上的曲率，導致了負透鏡。
(ii)關態(tài)和光的入射偏振態(tài)垂直于入口處鈍化層的指向矢偏振旋轉90°，光將以平行于鈍化層的指向矢的偏振態(tài)進入鈍化層。這意味著在兩層之間界面處存在從no到ne偏移。結合有源層和鈍化層之間的界面上的曲率，導致了正透鏡。
(iii)開態(tài)和光的入射偏振態(tài)平行于入口處鈍化層的指向矢沒有偏振的旋轉。界面處產(chǎn)生no到ne的偏移；曲面因此用作正透鏡。
(iv)開態(tài)和光的入射偏振態(tài)垂直于入口處鈍化層的指向矢沒有偏振的旋轉。界面處沒有偏移產(chǎn)生(no到ne)；曲面因此用作中性透鏡。
(v)在開態(tài)和關態(tài)之間，將發(fā)生部分偏振偏移，折射率可以選擇在ne和no之間。因為部分偏振偏移，激光束將進入鈍化層，其偏振態(tài)不完全垂直或不完全平行(當激光束進入鈍化層時光線在兩個方向散射)。因為這個原因，應當在元件之后使用偏振選擇，以允許多焦點性能而不同時具有兩個偏振態(tài)。該偏振選擇可以使用分離的起偏器完成。
上述實施例僅以實例的方式描述，不同的備選方案對技術人員來說是顯而易見的。
雖然已經(jīng)描述了適于形成光學部件的材料的特定例子，以及特定的制造步驟，它們也是僅以實例的方式提供。
制造步驟中使用的模具可以用任何材料形成，包括剛性材料例如玻璃。
而且，可以定制模具的成型表面的大小，以允許制造過程中任意改變液晶材料形狀或大小。例如，一般在聚合時，因為液晶中的雙鍵以單鍵重組，液晶單體略微收縮。通過適當制作由襯底定型的光學部件和使得模具稍微大一些，可以生產(chǎn)適當尺寸和形狀的光學部件。
雖然該特定實例中襯底可以看成包括單片玻璃，兩面都是平的，它們是基本平行的面，但應當理解的是襯底實際上能夠制成任何所需形狀。
一個額外的粘附層可以施加到模具和/或襯底上(先于在襯底上淀積鍵合層和在模具上淀積取向層)，以保證所施加的層與模具和襯底結合緊密。例如，有機硅烷可以用來提供該粘附層。包括異丁烯酸基的有機硅烷可以用于襯底，包含胺端基的有機硅烷可以用于模具。
應當理解的是上述光學部件也是僅以實例的方式描述。光學部件(或實際上，根據(jù)本發(fā)明形成的光學部件，即光學部件的一部分)可以形成具有不同的屬性，如上所述，或者使用不同的雙折射材料形成。
例如，在上面的實施例中，假設部件180的第二層170的折射率等于第一層203的相應的折射率。然而，應當理解的是實際上，尋常光和非尋常光折射率的任何值可以用于每一層。例如，光學部件可以形成，其中一層的尋常光折射率等于另一層的非尋常光折射率。
同樣的，雖然在上述實施例中描述了兩個材料間具有彎曲界面的光學部件，但應當理解的是界面實際上可以是提供光學功能的任何形狀。例如，界面可以是臺階結構或光柵結構。這些實例中，部件的光學功能可以通過入射偏振態(tài)和/或第二層的取向而改變。
優(yōu)選實施例中，假設光學元件的外表面(即，光進入和離開元件的表面)是兩個平坦、相互平行的表面。然而，這些表面實際上可以是任何所需形狀，包括凸面和凹面。
同樣的，第二層一般描述成在兩個特定取向間可切換，但應當理解的是第二層實際上可以在任何數(shù)量的取向間切換。而且，第一層可以是任何預定的取向，實際上，如有需要第一層可以是有源層，即，它也具有可變?nèi)∠颉?br> 優(yōu)選的，(多個)有源層在兩個預定取向間連續(xù)可控變化。例如，在所述的特定實施例中，通過在兩個電極間施加合適電壓，第二層的取向在圖6A和6B所示的兩個狀態(tài)間連續(xù)可變。
而且，盡管在優(yōu)選實施例中，第二層的取向狀態(tài)中的一個通過基本垂直于光軸的對準層定義，但應當理解的是這些對準層實際上可以是任何預定取向。例如，對準層可以平行于光軸，例如，通過在間隔164的內(nèi)表面上放置對準層。如有需要，不用對準層來定義第二層的取向。相反，電極可以用來定義兩個取向(例如通過在間隔164中放置另一套電極)。
在所有上述實施例中，提供了一種光學部件，其包括至少兩個由成型界面隔開的相鄰的雙折射材料。至少一個雙折射材料的取向可以改變，以導致成型界面的功能的改變(例如，透鏡強度，或類型)。因此，通過改變?nèi)肷涔獾膬蓚€偏振和通過改變雙折射層的取向，可以改變界面的功能。這樣光學部件可以用于新穎和感興趣的范圍。
權利要求
1.一種光學部件，包括通過成型界面和第二雙折射層相連的第一雙折射層；經(jīng)過第一和第二層的光軸；至少第二雙折射層，相對于光軸在第一取向和第二取向之間具有可移動的分子，第二雙折射層的折射率取決于分子的取向。
2.根據(jù)權利要求1所述的光學部件，其中所述界面是彎曲界面。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的光學部件，其中第一雙折射層具有基本垂直于光軸的尋常軸和基本垂直于光軸的非尋常軸。
4.根據(jù)上述任一權利要求所述的光學部件，其中第一層和第二層中至少一個包括液晶。
5.根據(jù)上述任一權利要求所述的光學部件，其中第二層包括向列相液晶。
6.根據(jù)上述任一權利要求所述的光學部件，其中第一取向，相對于光軸的分子的角度作為沿著光軸的距離的函數(shù)改變。
7.根據(jù)上述任一權利要求所述的光學部件，其中第二層包括液晶，第一取向對應于處于扭轉向列相的液晶。
8.根據(jù)上述任一權利要求所述的光學部件，其中第二取向對應于第二層，該第二層具有平行于光軸的非尋常軸。
9.根據(jù)上述任一權利要求所述的光學部件，進一步包括致動裝置，用來改變分子的取向。
10.根據(jù)權利要求9所述的光學部件，其中所述致動裝置包括至少兩個電極，以在第二層上施加電場。
11.一種掃描光學記錄載體信息層的光學掃描設備，該設備包括輻射源，用于產(chǎn)生輻射束；和物鏡系統(tǒng)，用來會聚輻射束到信息層，其中該設備包括光學部件，該光學部件包括通過成型界面和第二雙折射層相連的第一雙折射層；經(jīng)過第一和第二層的光軸；至少第二雙折射層，在相對于光軸的第一取向和第二取向之間具有可移動的分子，第二雙折射層的折射率取決于分子的取向。
12.根據(jù)權利要求11所述的設備，其中光學部件在物鏡系統(tǒng)中形成可控透鏡。
13.一種制造包括第一雙折射層和第二雙折射層的光學部件的方法，該方法包括提供具有成型表面的第一雙折射層；提供與第一雙折射層的成型表面相鄰的第二雙折射層；其中第二雙折射層的分子在相對于光軸的第一取向和第二取向間可移動，該光軸經(jīng)過第一雙折射層和第二雙折射層。
14.根據(jù)權利要求13所述的方法，其中第二雙折射層由毛細管單元填充提供。
15.一種制造掃描光學記錄載體的信息層的光學掃描設備的方法，該方法包括提供輻射源，以產(chǎn)生輻射束；提供物鏡系統(tǒng)，以會聚輻射束到信息層；和提供光學部件，該光學部件包括通過成型界面和第二雙折射層相連的第一雙折射層；經(jīng)過第一和第二層的光軸；至少第二雙折射層，在相對于光軸的第一取向和第二取向之間具有可移動的分子，第二雙折射層的折射率取決于分子的取向。
全文摘要
一種光學部件(181)，包括通過彎曲界面(206)與第二雙折射層(170)相連的第一雙折射層(203)。光軸(19)經(jīng)過第一和第二層。第二雙折射層(170)具有相對于光軸的第一取向和第二取向之間可移動的分子。第二雙折射層(170)的折射率取決于分子的取向。
文檔編號G11B7/135GK1732472SQ200380107914
公開日2006年2月8日 申請日期2003年12月18日 優(yōu)先權日2002年12月30日
發(fā)明者E·J·K·維斯特根, H·R·斯塔佩特 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司