专利名称：对偏振敏感的分束器及制造该分束器和含该分束器的磁光扫描器的方法
技术领域：
本发明涉及一种对偏振敏感的分束器，它包括至少一个双折射材料制成的透明楔形元件，还涉及扫描包含这种分束器的磁光记录载体的器件。
本发明还涉及制造包括至少一个用双折射材料制成的透明楔形元件的对偏振敏感的分束器的方法，还涉及制造扫描磁光记录载体的器件的方法。
这种对偏振敏感的分束器在美国专利US4，951，274中有描述，它在那里用于一磁光记录系统的取样元件。该分束器采用了两个石英制成的透明楔形，这两个透明楔形元件固定在一起，相互间夹角在45°-135°范围内。这样的分束器(Wollaston棱镜)在磁光记录系统的取样元件中成比例地占有较大空间。另外，石英部件必须精密加工成形。
本发明的一个主要目的是提供一种小而轻的对偏振敏感的分束器。为其目的，本发明要提供一种能按所需方式简单而精确地定位于光路中的分束器。希望提供这样的分束器，其中正交偏振光成分在传输中被分离，然后相互岔开。为其目的，本发明还要提供一种制造这样的对偏振敏感的分束器的简单方法。
这些和其它目标通过开始一段中所描述的对偏振敏感的分束器来实现，根据本发明的这种分束器，其特点在于楔形元件包括一块单轴取向聚合材料，它是从硬化液晶单体组合物加工成形的。
按根据本发明的对偏振敏感的分束器的一个非常合适的实施方案，这种分束器包括其聚合物材料取向各不相同的两个或三个楔形元件。
根据本发明的分束器的一个特别实施方案包括设在聚合物材料中，分别处于分束器入光面和出光面上的减反射光栅。
根据本发明的一个用以扫描磁光记录载体的器件包括一个分束器，其中有从单轴取向聚合物材料加工成形的楔形组件。由于这种分束器尺寸小，器件的光路可做得很紧凑。
要得到总厚度较小的分束器，可并列若干小楔形组件成锯齿结构。另外在这种情况下，也可采用取向互不相同的楔形元件对。
根据本发明，提供一种制造对偏振敏感的分束器的方法这一目标是这样实现的在两衬底板上设置取向层，然后布置衬底板使其取向层相对，之间形成一楔形空间，之后在此楔形空间填充液晶单体组合物，后者硬化后形成一楔形组件。
之后，如果需要，可将衬底板除去。如果要保留一个或两个衬底板，例如，它们要用作分束器外侧的保护物时，则最好采用厚度在0.1到1毫米范围内的衬底板。
美国专利US5，042，925确定描述了带由硬化液晶单体组合物组成的偏振层的对偏振敏感的分束器，但其偏振层不是楔形的。这种已知的分束器较大，其部分起传输作用，部分起反射作用。要使它正常工作，光路中的精确定位和取向是很重要的。
参照以下将描述的实施方案，可更清楚地了解本发明的这些及其它特点。
在附图中
图1显示构成涉及本发明的楔形元件的合适的单体组合物。
图2显示X基的例子。
图3显示M基的例子。
图4显示一种合适的液晶单体组合物的结构式。
图5显示用在一对偏振敏感的分束器中的楔形元件。
图6和7显示两个含有两个楔形元件的对偏振敏感的分束器的实施方案。
图8显示包含三个楔形元件的对偏振敏感的分束器的一个实施方案。以及图9显示用以扫描磁光记录载体的器件。
图10显示用以扫描磁光记录载体的器件;
图11a和11b显示图10器件的分束器和检测系统的两个取向;
图12a和12b显示将PPBS立方体和楔形元件集成一体的两个实施例;
图12c显示将PPBS板和楔形元件集成一体的一个实施例;
图13a显示了一个用于扫描磁光记录载体的器件;
图13b，13c和13d显示了将镜和楔形元件集成一体的实施例。
图1显示若干适于制造用于根据本发明的对偏振敏感的分束器的楔形元件的单体。合适的单体有(尤其是)丙烯酸酯化合物(R基为一氢原子)，甲基丙烯酸酯化合物(R基为一甲基)，氯代丙烯酸酯和氟代丙烯酸酯化合物(R-基为一氯原子或氟原子)，环氧化合物和乙烯基醚化合物。图2中显示X基的例子。其中P值可在1到约12范围内。图3显示-M-基的例子。为了光致聚合作用使单体组合物硬化，可采用光引发剂，其性质可按已知方式调节得适合单体组合物的性质。芳族羰基化合物是适于硬化二(甲基)丙烯酸酯化合物的光敏引发剂，而二芳基碘化合物如六氟砷化二苯碘可用来硬化环氧化合物和乙烯基醚。
实施方案1一种单体组合物的制备按如下方式，将一种液晶二丙烯酸酯化合物-其结构示于图4(例如用欧洲专利申请EP261，712所描述的方法制成)与重量比2%的光敏引发剂-2，2-二甲氧基-2-苯基乙酰苯(Ciba-Geigy公司销售)。
在两块矩形玻璃板上涂覆尼龙取向层，用一块抗起毛布沿平行于每块玻璃一边的方向摩擦之。然后将玻璃板相对放置，并使其摩擦方向平行，同时在玻璃板之间留一楔形空间。在两玻璃板之间，靠近其一边的地方放一隔离片，使两玻璃板之间夹角，即楔角为4°。玻璃板之间的空间填充前述单体组合物，之后用光化学辐射方法，在此例中是用紫外(UV)光照射，形成一固体楔形元件，最后除去玻璃板。
图5显示得到的楔形元件1，其中分子取向2选得与元件光轴垂直，与楔的窄边平行。一束入射非偏振光3被分成一异常光束4和一正常光束5，它们的偏振方向互不相同。这两出射光束之间夹角正比于楔角和双折射率(birefringence)值。因为所用的聚合物材料有较大的双折射率，所以要使两出射光束间达到一给定的夹角，只须较小的楔角。对如晶体石英分束器，由于其双折射率比聚合物材料小得多，所以要使两束光间达到同样夹角，晶体石英分束器楔角是聚合物所做的分束器的约15倍。因为楔角决定分束器厚度，所以很明显，根据本发明的分束器可做得比石英分束器薄得多。
除尼龙取向层外，可采用其它已知的取向层如聚酰亚胺或聚乙烯，或从一定角度溅射的氧化硅层。如果需要，可选择加磁场，如15千高斯场强，来得到取向。
R.A.M.Hikmet和D.J.Bror的文章-Polymer32(9)，pp1627-1632(1991)描述了可用来制造根据本发明的对偏振敏感的分束器的合适材料及其它方法。该文章描述了适用于动态力学测量的自承重平板元件。
实施方案2制成两个如实施方案1所描述的楔形元件。但其中一个元件的摩擦方向，即分子取向与楔形窄边成45°角。
图6显示包括两个楔形元件11和12的对偏振敏感的分束器，其中取向13和14的方向与分束器光轴垂直，并互成45°角。
原理上，这样一个双分束器，可称作改进型Wollaston棱镜，将一非偏振入射光束15分成四个子光束，其中两束，bo，o和be，e相重，另两束be，o和bo，e各从bo，o与be，e的方向张开一相反的角度。这些子光束的第一和第二角标表示对于第一和第二楔形元件来说，该子光束分别是正常光束(o)或异常光束(e)。为简单起见，由子光束bo，o和be，e形成的方向不变的非偏振光用16表示，改变了传播方向，且偏振方向互相垂直的子光束be，o和bo，e分别用17，18表示。这样一种分束器很适用于磁光记录载体的扫描元件中。
方向不变的光束16的功率与改变方向的光束17和18的功率之和的比值取决于取向13和14间的夹角。当夹角为0°时，该比值为无穷大，即只存在不变方向的光束16。光夹角为45°时，比值为1。夹角为90°时，比值为零，即不存在不变方向的光束16，分束器的作用象未改进的Wollaston棱镜一样。如果入射光束15是偏振的，三束光间功率之比也取决于入射光束的偏振状态。制造一个，例如，夹角不为45°或90°的石英分束器会产生很大的切割损耗，用聚合物材料制造一个同样的分束器与制造图6所示分束器基本上相同，其中，摩擦方向之一应是不同的。
实施方案3制造两个实施方案1中描述的楔形元件，但一个元件上的摩擦方向，即分子取向选得与楔形窄边成90°角。楔形元件用中性光学胶固定在一起。
图7显示一个包括两个楔形元件21和22的对偏振敏感的分束器，其中取向23和24的方向与光轴垂直且相互垂直。如果需要，此分束器(Wollaston棱镜)上可设减反射光栅层25和26，方法是采用带所需光栅的玻璃板将光栅复制到分束器的入射面和出射面，即光束进入分束器的面和离开分束器的面上。光栅的作用是给定液晶单体组合物和硬化得到的双折射聚合物的分子的取向。对800nm的波长，一个合适的光栅上应该有高为0.2μm，周期为0.48μm的隆起线。如果需要给分束器一个很平的表面，可在其上设置一薄玻璃层。
实施方案4制造三个实施方案1所描述的楔形元件，其中第一元件28的楔角与第三元件11的楔角相等，第二元件27的楔角二倍于第一元件的楔角，然后三个元件如图8所示结合到一分束器中。第一和第三元件的摩擦方向29和13相同，而第二元件的摩擦方向30与摩擦方向13成90°角。由于其对称结构，这种棱镜被称作双Wollaston棱镜，它只对透射光束4和5的波前产生很小的干扰。摩擦方向13和30之间90°的夹角使一束非偏振入射光15分裂成两束偏振光4和5。若使夹角在0°到90°范围内，而不是90°，则入射光分裂成两束偏振光和一束非偏振光，如图6中Wollaston棱镜对光束的分裂一样。对许多应用来说，石英制成的双Wollaston棱镜太大了，不适用。而聚合物材料的双Wollaston棱镜可做得很小。
根据本发明的对偏振敏感的分束器既小双轻。很容易将它设置在一光学器件中。尤其是容易将它定位于光路中，这是因为其取向(与光束或光轴的夹角)要求不是很严格，其光学性质取决于制造楔形元件时玻璃板之间夹角的选择。
图9显示根据本发明的磁光记录载体扫描器件的一个实施方案。该记录载体包括一个形式为半导体激光，用以提供扫描光束32的光源31。一个用以聚焦光源产生的光束的透镜系统设在扫描光束的光路中。该系统包括，一个准直透镜33和一个物镜系统34，它用来聚焦扫描光束以在记录载体的信息平面36上形成一扫描光班35。在光路中设置有一个部分偏振分束器37(PPBS)。此PPBS的构造与功能在，例如，欧洲专利说明书0078673号中有所介绍。此器件最好还包括一个光栅38，用来将光束32分成三个子光束给跟踪伺服系统，如果需要，给能弯折光路的镜39。
扫描光束在记录载体中被反射并经由物镜系统和可能存的镜39通到PPBS。通过PPBS的光束随后被对偏振敏感的分束器40分成一束方向不变的光束，和两束改变了方向，且偏振方向互相垂直的光束，如图6所示。根据本发明，此分束器包括两个由双折射材料，即单轴取向聚合物制成的楔形元件，它是通过硬化一液晶单体组合物而形成的，分束器中两个楔形元件的取向不同。分束器形成的光束随后通过透镜41，还有可能通过柱面透镜42，然后这些光束进入探测系统43。
由于所需楔角较小，分束器40可以比较薄。对直径为5mm的光束，厚度不超过0.5mm的分束器就足以分开出射光束了。这样一个薄分束器可简单地固定在分束器37上，从而减少光路中组件的数量。通过复制技术可把光栅38也设在分束器37上，以进一步减少组件数量。
分束器40产生的不变向光束可用来形成一伺服信号，用此伺服信号可将扫描光点保持在记录载体中正确位置上。而两束改变方向，相互垂直偏振的光束可用来产生代表存在信息平面36中的信息的信息信号。来自记录载体的光功率在两极化光束一方和不变方向光束一方之间的分配可根据信息信号和侍服信号的带宽来调节。一般来说，带宽大，光束功率也应大，偏振光束功率与变向光束功率的比值靠分束器40的楔形部件取向的夹角α，在图6中为取向13和14间夹角，在图7中为取向23和24间夹角，来调节。夹角最好大于45°，使变向偏振光束中有足够的光，以产生宽带信息信号。本发明可给出取0°到90°间任意值的取向夹角。夹角的选择取决于分束器的使用情况。
图10显示了本发明的用于扫描磁光记录载体的器件的另一个实施例。该实施例采用了含有一个根据本发明的双折射材料制成的楔形元件的对偏振敏感的分束器45。而图9的实施例采用包括两个楔形元件的分束器。图10所示的器件具有两个检测系统，一个检测系统46置于通过分束器45的光束通路中并且用于产生信息信号，另一个检测系统47置于从记录载体返回的光束中并通过耦合光栅48偏转，且用于产生伺服信号。图11a显示一个光分束器45和检测系统46的透视图。光分束器将入射光49分成两束出射光50和51，其每一束入射到分隔检测系统的两半个之间的分隔线52的一侧上。由于光束由三束光栅38产生，四个光斑53靠在检测系统的侧边。出射光束50和51的所要求的取向和极化可以如此获得通过将光分束器的楔形的取向方向54定为45°，且该分束器带有形成楔形的两个平面的交线55。分束器和检测系统的另一个取向示于图11b。
在图10中的器件中的PPBS37′和分束器楔形元件45可以集中在一个单元中以使器件更紧凑。图12a显示了一个单元，其中楔形元件45与形成PPBS37′的立方体的一个面光学地相连接。楔形元件也可以设置在立方体的斜边面上以和PPBS的涂层56相接触，如图12b所示。在PPBS以一个平的平行板37″的形式存在时，如图12c所示，PPBS涂层56可以设置在板的一侧上，而楔形元件45则设置在板的另一侧。
图13a显示了用于扫描一个磁光记录载体的器件的另一个实施例，该器件带有用于折叠器件光通路的镜57。该镜可以有益地与分束器楔形元件45相结合。楔形元件45以其侧面之一装于平的平行板58，楔形元件的另一侧具有一个反射涂层57。图13b显示了镜和楔形元件的结合，其楔形元件的带有反射涂层的那一侧安装于一板上，图13c和13d示出了镜与楔形元件相结合，它们采用了全内反射以偏转光束。楔形元件45可以安排在棱镜59的斜边面上，如图13c所示或安排在棱镜中入射光束照射到的那一面，如图13d所示。
除了用在磁光记录载体的扫描器件中外，本发明的分束器也可选用在其它要将光束分成不同偏振光以确定光束偏振状态的器件中。有时希望引出光束功率的很小一部分来确定偏振状态，而不变向光束中功率用作其它目的。这一点可通过根据本发明的分束器来满意地实现。如果图6所示分束器的取向夹角小于45°，则不变向光束16功率大于偏振光束17，18功率之和。通过确定偏振光束功率，也可结合不变向光束的功率，可以确定光束的偏振状态。本发明的分束器的优点是只须在光路中设一个光学组件便可得到任意光束功率比。此器件可以是光通讯系统中的接收器，如杂志FunkschauVol18，1991pp.79-85所登综述文章所描述的，其中光束中信息用外差技术探测。
权利要求
1.一种对偏振敏感的分束器，它包括至少一个用双折射材料制成的透明楔形元件。其特点在于楔形元件包括一块单轴取向聚合物材料，这块聚合物材料是通过硬化液晶单体组合物形成的。
2.一种根据权利要求1所述的对偏振敏感的分束器，其特点在于它有两个聚合物材料取向不同的楔形元件。
3.一种根据权利要求1所述的对偏振敏感的分束器，其特点在于它有三个挨个排列的楔形元件，其中外面两个元件的聚合物材料取向相同，所述取向与中间元件的取向不同。
4.一种根据权利要求1，2或3的对偏振敏感的分束器，其特点在于入射面和反射面中至少有一个其上设有一减反射光栅。
5.一种根据权利要求2，3或4的对偏振敏感的分束器，其特点在于楔形元件中聚合物材料的取向间夹角大于45°。
6.一种扫描磁光记录载体的器件，它包括一个提供扫描光束的光源，一套将扫描光束引到记录载体的信息平面上的光学系统。一套设在来自记录载体的扫描光束的通路中的光敏检测系统，和一种根据权利要求1，2，3，4或5所述的，设在所述探测系统之前的对偏振敏感的分束器。
7.一种制造对偏振敏感的分束器的方法，其中分束器包括至少一个双折射材料制成的透明楔形元件，其特点在于两个衬底板上各设一取向层，然后布置衬底板使其取向层相对而置，形成一楔形空隙，然后向空隙中填充一种液晶单体组合物，再将此组分硬化，形成一楔形元件，之后，如果需要，将衬底板除去。
8.一种根据权利要求7的方法，其特点在于第二个具有不同取向方向的单轴取向聚合物材料透明楔形元件用类似方法成形，之后这两个楔形元件用中性光学胶结合在一起。
全文摘要
一种包括至少一个双折射材料制成的透明楔形元件的对偏振敏感的分束器按以下方式制成，在两个衬底板上各设一取向层，布置衬底板使其取向层相对，形成一楔形空隙。用一液晶单体组合物填充此空隙。然后使单体组合物硬化，形成一单轴取向聚合物材料的楔形元件。在除去衬底板的可能情况下，两个或三个楔形元件可结合到一Wollaston棱镜上，用在磁光记录系统的取样元件中。
文档编号G02B5/30GK1080729SQ93107430
公开日1994年1月12日 申请日期1993年6月19日 优先权日1992年6月23日
发明者R·A·M·希克米特, W·G·奥菲, J·J·M·布拉特 申请人:菲利浦电子有限公司