JP2001033734A - 光学装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 超解像された集光スポットからサイドローブ
を除去し、かつ光利用効率の高い光学装置を提供する。 【解決手段】 直線偏光と空間光変調素子と偏光ビーム
スプリッタと、１／４波長板と、集光レンズと、反射部
材と、光検出器を備え、該空間光変調素子は少なくとも
回折型レンズ素子として機能する部位と位相変調素子と
して機能する部位とから構成され、かつ該回折型レンズ
素子及び該位相変調素子の機能は電気信号で制御され、
かつ該位相変調素子として機能する部位は該第１の集光
レンズで集光される光束の光軸を中心としたほぼ円形領
域に作用する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光学系の開口数を実
効的に切り替える可変開口技術及び回折限界で決定され
る光学系の理論解像度を実効的に切り替え、等価的に光
源の波長を切り替える効果を持つ超解像光学技術に関
し、更には超解像特有のサイドローブの成分を除去する
光学装置に属する。特には最近の光ディスク装置におい
て光ピックアップの実効的な開口数と実効的な光源波長
を切り替え、ＤＶＤ（デジタルバーサタイルディスク）
とＣＤ−ＲＯＭ、ＣＤ−Ｒ（書き込み型ＣＤ）及びＣＤ
−ＲＷ（書き換え型ＣＤ）用といった異なる開口数の集
光光学系と異なる発振波長のレーザー光源を必要とする
光ピックアップを、一種の集光レンズと一種の波長のレ
ーザー光源から構成可能な光ピックアップを提供する光
学装置に属する。

【０００２】

【従来の技術】従来技術の理解を容易にするため、光学
系の開口数について簡単に説明する。幾何光学的にほぼ
無収差で設計された光学系においては点像は無限小のス
ポットで結像するが、実際は光の波動性による回折の影
響でスポットは有限の広がりを持つ。この時、結像もし
くは集光に寄与する光学系の開口数をＮＡとすると、ス
ポットの広がりの物理的定義はｋ×λ÷ＮＡで表され
る。ここでλは光の波長、ｋは光学系に定まる定数で普
通は１から２前後の値をとる。ＮＡは光学系の有効入射
瞳直径Ｄ（一般的には有効光束の直径）と焦点距離ｆの
比Ｄ／ｆに比例する。この式で表されるスポットの広が
りが理論解像限界となり回折限界といわれる。

【０００３】先の式から明らかなように、光学系の理論
解像度は開口数に大きく左右される。一般に光ディスク
の場合、光ピックアップの集光光学系（対物レンズ）の
開口数はＣＤやＣＤ−ＲＯＭ用では0.45程度、より解像
度が要求されるＤＶＤ用では0.6程度である。また光デ
ィスク基盤の厚さはＣＤ用が1.2ｍｍ、ＤＶＤ用が0.6mm
と異なりかつ各厚みに対して収差が最適化されて集光光
学系が設計されているため、ＣＤとＤＶＤとでは同一の
開口数を持つ集光光学系は共用不可能である。この事は
より高い開口数を持つＤＶＤ用の集光レンズもそのまま
ではＣＤ用に使用できない事を意味する。

【０００４】また更にＣＤ−Ｒ（書き込み型ＣＤ）やＣ
Ｄ−ＲＷ（書き換え型ＣＤ）の場合はディスクの感光特
性の関係から波長が７８０nm程度のレーザーを使用しな
ければならない制約があり、ＤＶＤ用の６５０nmから６
７０nm程度のレーザーを用いる事は不可能である。また
ＤＶＤはＣＤより高い解像度を要求されるため現状では
ＣＤ用の７８０nmのレーザー光源を用いる事ができな
い。従って最近主流になりつつあるＤＶＤ、ＣＤ、ＣＤ
−Ｒに対応する光ディスク装置においては、異なる二種
の対物レンズと異なる二種の波長のレーザー光源を用意
する必要がある。

【０００５】そこでこの問題を解決するため、一台の機
器の中に２種類の光ピックアップを設置する方法や、見
かけ上は一台のピックアップだが、中に二つのレーザー
光源と二つの対物レンズを設置する方法、または二つの
レーザー光源と波長フィルタを設置し波長フィルタによ
って一方の光源に対する対物レンズの実効的な開口を変
える方法が用いられていた。従来例の一つを図１０に示
す。これは光ディスクへの適用を前提としたものであ
る。簡単のため検出光学系の部分は省いた。

【０００６】波長６７０nmの第１のレーザ光源１００１
から出射しハーフミラー１００２を透過後コリメートレ
ンズ１００３で平面波にされた第１のレーザー光１００
４は波長フィルタ１００５を透過し集光レンズ１００６
により光ディスク１００７に集光される。波長フィルタ
１００５は中央部が丸くくり貫かれ、かつ波長６７０nm
付近の光だけを選択的に透過する。この状態でＤＶＤ用
あるいはＤＶＤ−ＲＯＭ（ＲＡＭ）用の光学系として機
能する

【０００７】次に波長７８０nmの第２のレーザー光源１
００８から出射し、ハーフミラー１００２で反射後コリ
メートレンズ１００３で平面波にされた第２のレーザー
光１００９は波長フィルタ１００５のくり貫かれ部分の
みを透過して集光レンズ１００６により光ディスク１０
０７に集光される。この時、図７から明らかなように第
２のレーザー光１００９は第１のレーザー光１００４よ
り細い光束径となって集光レンズ１００６に入射する。
すなわち集光レンズ１００６の実効的な開口数が小さく
なる。この状態でＣＤやＣＤ−ＲＯＭあるいはＣＤ−Ｒ
（ＲＷ）用として機能する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら一台の機
器に２つのピックアップを設置する事は機器構成が複雑
になり且つスペースの点でも不利になる。また一台のピ
ックアップに二つのレーザー光源と二つの対物レンズを
設置する事や、二つのレーザー光源と波長フィルタを設
置するのは光学系の構成や光軸等の位置合わせも複雑に
なり、かつ一般にハーフミラー等を用いて二つの光源か
らの光軸を合成するため光利用率の大幅な低減になる。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明における光学装置
では直線偏光と直線偏光を変調する空間光変調素子と空
間光変調素子で変調された直線偏光を透過する偏光ビー
ムスプリッタと、偏光ビームスプリッタを透過した直線
偏光を位相変調する１／４波長板と、１／４波長板を透
過した光束を集光する第１の集光レンズと、第１の集光
レンズで集光された光束を反射する反射部材と、反射部
材で反射し第１の集光レンズを逆行し偏光ビームスプリ
ッタで分離された分離光束を集光する第２の集光レンズ
と、第２の集光レンズで集光された光束を検出する光検
出器を備え、位相変調素子は少なくとも回折型レンズ素
子として機能する部位と位相変調素子として機能する部
位とから構成され、かつ回折光学素子及び位相変調素子
の機能は電気信号で制御され、かつ位相変調素子として
機能する部位は第１の集光レンズで集光される光束の光
軸を中心としたほぼ円形領域に作用する事を特徴とす
る。

【００１０】また空間光変調素子として液晶素子を用い
た事を特徴とし、更には液晶素子はホモジェニアス型液
晶素子から構成され、直線偏光の偏光軸方向は平行配向
型液晶素子の液晶分子配向軸の方向とほぼ一致した事を
特徴とする。

【００１１】また更には平行配向型液晶素子の位相変調
量は使用する直線偏光の波長の半波長程度あるいは半波
長プラス波長の整数倍程度で制御される事を特徴とす
る。

【００１２】また直線偏光と直線偏光を変調する空間光
変調素子と空間光変調素子で変調された直線偏光を透過
する偏光ビームスプリッタと、偏光ビームスプリッタを
透過した直線偏光を位相変調する１／４波長板と、１／
４波長板を透過した光束を集光する第１の集光レンズ
と、第１の集光レンズで集光された光束を反射する反射
部材と、反射部材で反射し第１の集光レンズを逆行し偏
光ビームスプリッタで分離された分離光束を集光する第
２の集光レンズと、第２の集光レンズで集光された光束
を検出する光検出器を備え、空間光変調素子は少なくと
も回折型レンズ素子として機能する部位と旋光光学素子
として機能する部位とから構成され、かつ回折型レンズ
素子及び旋光光学素子の機能は電気信号で制御され、か
つ旋光光学素子として機能する部位は第１の集光レンズ
で集光される光束の光軸を中心としたほぼ円形領域に作
用する事を特徴とする。

【００１３】また空間光変調素子として液晶素子を用
い、更には回折型レンズ素子はホモジェニアス型液晶素
子から構成され、旋光光学素子は９０度ツイストネマテ
ィック型液晶素子から構成され、直線偏光の偏光軸方向
はホモジェニアス型液晶素子及び９０度ツイストネマテ
ィック型液晶素子の入射光側の液晶分子配向軸の方向と
ほぼ一致した事を特徴とする。

【００１４】

【発明の実施の形態】（第１の実施形態）本発明の実施
形態の理解を容易にするために、超解像の理論的解釈に
ついて文献１を参考にして解説する。図５に示す用に光
軸５０１を中心として半径ｒの遮蔽マスク５０２で集光
レンズ５０３の開口を遮蔽した場合を考える。このとき
ｒは有効光束５０４の半径ｄよりは小さいとする。また
図５は簡単のため断面図で描いたが実際は光軸５０１を
回転軸とした回転対称形である。

【００１５】このとき、集光レンズ５０３の焦点である
Ｐ点での光スポット６０１は図６のように考えることが
できる。すなわち有効光束５０４による光スポット６０
２から遮蔽マスク５０２による仮想の光スポット６０３
を差し引いたものとなる。このときＰ点での光スポット
６０１は、有効光束５０４による光スポット６０２より
細くなりまたサイドローブ６０４（すなわち図６で負の
部分）が発生しているのがわかる。またサイドローブ６
０４は負の値となっているが、これは光学的に考えれば
正の部分であるメインローブ６０５と比べ光波の位相が
１８０度シフト、すなわち位相が反転したことを意味す
る。またこれと同じ現象は遮蔽マスク５０２の代わり
に、使用する光の波長に対し半波長あるいは半波長プラ
ス波長の整数倍位相を変調する素子を挿入しても生じる
事が知られる。

【００１６】また超解像により光スポット径が細くなる
割合は、遮蔽マスク５０２の半径ｒと有効光束５０４の
半径ｄの比であるｒ／ｄに比例する。有効光束５０４の
空間的な光強度分布により変化するので一概には言えな
いが、普通はｒ／ｄの値が０．２位の時に生じる超解像
スポットは通常解像に比べて１５％から２０％程度細く
なる。すなわち波長が変わるわけではないが光スポット
径のみを考えるなら光源の波長を１５％から２０％短く
したのと同じ効果が得られる。

【００１７】次に本発明による第１の実施形態について
図１を用いて説明する。ＤＶＤ（ＲＡＭ）、ＣＤ、ＣＤ
−Ｒ（Ｗ）すべてに対応可能な光ピックアップ用の光学
装置を前提としたものである。簡単のため断面図で描い
たが、基本的には光軸１０１を回転軸とした回転対称形
である。また光源及び光源からの光を平行光にするコリ
メートレンズは省いた。光源が半導体レーザーのような
発散光源で、集光レンズが有限系の場合は必ずしもコリ
メートレンズは必要ない事は公知である。波長７８０ｎ
ｍ程度のＹ軸方向の直線偏光１０２が空間光変調素子１
０３に入射する。空間光変調素子１０３は回折型レンズ
素子１０４として機能する部位と位相変調素子１０５と
して機能する部位（斜線表示）から構成され、それぞれ
の機能が電気信号により制御される。また回折型レンズ
素子１０４として機能する部位は焦点距離ｆ１のレンズ
として機能し、位相変調素子１０５として機能する部位
は他の部位と比べ入射直線偏光の位相を半波長あるいは
半波長プラス波長の整数倍変調する機能を持つ。また位
相変調素子１０５として機能する部位は光軸１０１を中
心としたほぼ円形領域に作用する。

【００１８】最初にＤＶＤのディスクを読み書きする場
合を考える。すなわち超解像効果を用いて光源の波長を
７８０ｎｍから等価的に６５０ｎｍ程度に変える。まず
回折型レンズ素子１０４の機能は停止する。そして位相
変調素子１０５の機能を有効とし、入射直線偏光の位相
を部分的に半波長だけシフトする。その結果、先の公知
例で説明したように超解像現象が生じる条件を満たす。
空間光変調素子１０３で変調された直線偏光は偏光ビー
ムスプリッタ１０６に入射する。このとき偏光ビームス
プリッタ１０６はＹ軸方向の直線偏光を透過し、それと
直交するＸ軸方向の直線偏光を反射分離する方位に設置
される。偏光ビームスプリッタ１０６を透過したＹ軸方
向の直線偏光は１／４波長板１０７で右回り円偏光に変
換される。このとき右回り円偏光になるか左回り円偏光
になるかは直線偏光１０２の方位と１／４波長板１０７
の方位との相対方位で決まる事が知られる。すなわち、
この例の場合はＸ軸方向の直線偏光ならば左回り円偏光
に変換される事になる。

【００１９】右回り円偏光した光束は第１の集光レンズ
１０８により光ディスク１０９に集光される。このとき
先に説明したように超解像光スポットが生じる。集光さ
れた光束は光ディスク１０９で反射されるが、このとき
反射部材が位相供役素子のような特殊な素子の場合を除
き反射するさいは位相が半波長シフトする事が知られ
る。すなわち右回り円偏光が反射すると左回り円偏光と
なる。ここで図６に再び注目すると、サイドローブ６０
４はサイドローブ以外の部分であるメインローブ６０５
に比べ位相が反転している。すなわち光ディスク１０７
に集光した超解像光スポットのメインローブは右回り円
偏光であるから反射により左回り円偏光に変換される
が、サイドローブは反射前は左回り円偏光であるため反
射により右回り円偏光となる。

【００２０】光ディスク１０９により反射された光束は
再び第１の集光レンズ１０８を通り１／４波長板１０７
を逆行する。このときメインローブの成分は左回り円偏
光であるから１／４波長板１０７を通過するとＸ軸方向
の直線偏光に変換される。したがって偏光ビームスプリ
ッタ１０６で反射分離される。この分離光束１１０は第
２の集光レンズ１１１により光検出器１１２に集光され
る。他方、サイドローブの成分は右回り円偏光であるた
め１／４波長板１０７を通過するとＹ軸方向の直線偏光
に変換される。したがって偏光ビームスプリッタ１０６
をそのまま透過し光検出器１１２には集光されない。し
たがって、仮にサイドローブが光ディスク上の目的外の
ピットを読み取ったとしても、サイドローブの成分を持
つ光は光検出器１１２には入射しないため問題にはなら
ない。また入射光の一部を不必要に分離してしまう普通
のビームスプリッタではなく、偏光ビームスプリッタ１
０６を用いる事で不必要に光を分離していないため光利
用効率も良い。

【００２１】次に位相変調素子１０５の機能は停止し、
回折型レンズ素子１０４の機能を有効とする。この状態
では超解像は生じなくなる。またこのとき、この光学装
置の焦点距離は回折型レンズ素子１０４と第１の集光レ
ンズ１０８の合成焦点距離となり、第１の集光レンズ１
０８のみの場合と比較して開口数を変えたことになる。
あるいは回折型レンズ素子１０４を補正用のレンズと考
えれば球面収差の発生量を変えた事にもなる。この状態
をＣＤの読み取りに用いる。厳密に言えば、回折型レン
ズ素子１０４の中心部分は位相変調素子１０５であるた
めレンズとしての作用はほとんどない。しかしＤＶＤデ
ィスクとＣＤディスクのための開口数切り替えに必要な
回折型レンズ素子の焦点距離は数十ｍｍから数百ｍｍで
あるため、もともと中心付近はレンズとしての作用はあ
まり必要ない。また先に述べたように１５％から２０％
程度の超解像を行う場合は、位相変調素子１０５が中心
付近にしめる断面割合は２０％程度のためあまり影響が
ない。

【００２２】今までの説明で明らかなように、回折型レ
ンズ素子１０４の機能と位相変調素子１０５の機能を制
御することで光学装置の実効的な開口数を切り替え、光
源の実効的な波長を切り替え可能となる。

【００２３】（第２の実施形態）次に本発明における第
２の実施形態をあげる。基本的には図１に示した第１の
実施形態と同様であるが、電気信号で容易に制御可能な
回折型レンズ素子及び位相変調素子として平行配向型液
晶素子から構成される液晶素子を用いている。最初に本
実施形態の理解を容易にするため、ホモジェニアス型液
晶素子及び９０度ツイストネマティック型液晶素子の動
作、回折現象等について簡単に説明する。

【００２４】図７（ａ）（ｂ）は電気的に制御可能な一
般的なホモジェニアス型液晶素子と９０度ツイストネマ
ティック型液晶素子の構造と作用を模式的に表したもの
である。透明電極がコートされたガラス基板７０１に液
晶分子７０２が挟まれている。入射側のガラス基板は配
向軸７０３の方向がＹ軸方向で出射側ガラス基板は配向
軸７０３の方向が上半分がＹ軸方向、下半分はＸ軸方向
となっている。液晶分子７０２はその長軸方向を配向軸
方向にそろえる性質と、連続体として振る舞う性質とか
ら図７（ａ）に示す様に、上側半分の液晶分子７０２は
平行に並びこれをホモジェニアス配向もしくは平行配向
といい、下側半分の液晶分子７０２は９０度捻れこれを
９０度ツイストネマティック配向という。

【００２５】この液晶素子に直線偏光７０４が入射する
と、その偏光軸が配向軸７０３と同方向のときは、液晶
分子７０２の誘電異方性のため直線偏光７０４は直線偏
光を保ったまま液晶分子７０２の長軸方向に沿って伝搬
する。したがって９０度ツイストネマティック配向領域
では出射直線偏光はＸ軸方向に９０度回転し、ホモジェ
ニアス配向領域では出射直線偏光は回転せずＹ軸方向の
ままである。このさい液晶分子７０２の長軸方向の屈折
率をn1、液晶層厚をＬとすると液晶層内を進む直線偏光
３０４の光路長は供にn1×Ｌとなる。

【００２６】次にガラス基板７０１にコートされた透明
電極を介して液晶分子にＺ軸方向の電界を加えると、図
７（ｂ）に示す様に液晶分子７０２の長軸が電界の方向
であるＺ軸方向に並んで静止する。この状態をホメオト
ロピックという。このときは液晶層内を進む直線偏光７
０４は直線偏光を保持したまま伝搬する。また９０度ツ
イストネマティック領域の旋光性は失われる。このとき
液晶分子７０２の短軸方向の屈折率をn2とすると液晶層
内を進む直線偏光７０４の光路長はn2×Ｌとなる事がわ
かる。すなわち電圧を加える前後で直線偏光７０４に対
する屈折率をn1からn2に、よって光路長を(n1-n2)×Ｌ
だけ変えたことになる。また加える電圧を制御すること
でこれらの中間状態をつくる事も可能である。また理想
的に近いホモジェニアス配向、及び９０度ツイストネマ
ティック配向状態にするには液晶層に液晶が電界で動き
始める直前の微小な電圧を加えておくと良いことも知ら
れている。

【００２７】図８は一般的なバイナリー型のおよそ透明
な位相型回折格子による光の回折現象を表したもので、
簡単なため平面に投影した断面図で描いてある。ピッチ
Ｐで繰り返しn1とn2の異なる屈折率を持った厚さｄの位
相型回折格子８０１にレーザー光８０２が入射すると、
回折効果により出射レーザー光が回折を起こす。ここで
は簡単のためレーザー光８０２は位相型回折格子８０１
に対して垂直に入射するとする。このとき普通はそのま
ま素通りする光である０次光８０３と、それぞれθ方向
及び−θ方向に回折する１次光８０４及び−１次光８０
５が発生する（より回折角の大きい高次の回折光も発生
するが、割合が小さいため無視した）。このとき回折角
θはｓin(θ)＝λ/Pで決定される。ここでλはレーザー
光８０２の波長である。

【００２８】このときレーザー光８０２に対するn1とn2
の領域の面積がほぼ等しく、光路長差(n1-n2)×Ｌがλ/
2であるときこれをロンキー格子といい０次光８０３は
消滅する事が知られている。また光路長差(n1-n2)×Ｌ
がλでかつピッチＰで繰り返して屈折率をn1からn2まで
連続的に滑らかに変化させたとき、これをブレーズド格
子といい１次光８０４のみが発生する事が知られてい
る。また実際はn1からn2まで１６ステップ以上で段階的
に変化させればほぼ理想的なブレーズド格子になる事も
知られ、これをマルチレベルバイナリー格子という。ま
た一般に位相型回折格子は不透明な部分のある振幅型回
折格子より光利用効率が高く有利である。一般的に知ら
れるように、この回折格子のピッチを連続的に変えてい
けば、凸レンズや凹レンズなどの様々なレンズ効果すな
わち開口数切り替え効果や球面収差補正効果を持たせる
ことが可能で、その代表的なものはフレネルレンズであ
る。

【００２９】図９(a)(b)は電気的に制御可能な液晶回折
光学素子９０１の断面構造を描いたものである。液晶分
子９０２はその長軸方向がＹ軸方向に一致してホモジェ
ニアス配向され、長軸方向の屈折率をn1、短軸方向の屈
折率をn2とする。また片側のガラス基盤にはストライプ
状の透明電極９０３がピッチＰで形成されている。また
もう片方のガラス基盤には透明電極がほぼ全面にコート
されている。このときこの液晶回折光学素子９０１にＹ
軸方向の直線偏光９０４が入射する。

【００３０】このとき図９(a)に示すように液晶回折光
学素子９０１に電圧が加えられていないときは直線偏光
９０４に対して屈折率が一様にn1となる。従って回折は
起こらず直線偏光９０４は素通りして出射光９０８にな
る。厳密には透明電極９０３によりわずかな回折を生じ
てしまうが、透明電極９０３の屈折率と液晶分子９０２
の長軸方向の屈折率とが同じになるようにすれば透明電
極９０３による回折は生じない。

【００３１】次に図９(b)に示すように、透明電極９０
３に電源から十分な電圧を加えるとその透明電極部分の
液晶分子９０２はＺ軸方向の電界によりホメオトロピッ
ク状態となる。その結果、直線偏光９０４に対しピッチ
Ｐで屈折率がn1とn2を繰り返す構造となる。従って図８
とまったく同等なバイナリー型の位相型回折格子として
機能し、０次光９０５、１次光９０６、及び−１次光９
０７が発生する。この際、前述したロンキー格子の条件
を満たせば０次光９０５は発生しない。また前述したマ
ルチレベルバイナリー格子の条件を満たせば１次光９０
６しか発生しない。しかしマルチレベル化のためには透
明電極９０３をより細かなピッチで刻み、かつ段階的に
電圧を変化させて加える必要がある。ここでストライプ
状の電極形状を公知であるフレネルの輪帯形状にすれ
ば、回折型レンズ素子の代表例であるフレネルレンズ素
子として機能しかつその機能を電気信号で制御可能な事
がわかる。

【００３２】ここから本発明の第２の実施形態について
図２を用いて説明する。ＤＶＤ（ＲＡＭ）、ＣＤ、ＣＤ
−Ｒ（Ｗ）すべてに対応可能な光ピックアップ用の光学
装置を前提としたものである。簡単のため断面図で描い
たが、基本的には光軸２０１を回転軸とした回転対称形
である。また光源及び光源からの光を平行光にするコリ
メートレンズは省いた。光源が半導体レーザーのような
発散光源で、集光レンズが有限系の場合は必ずしもコリ
メートレンズは必要ない事は公知である。波長７８０ｎ
ｍ程度のＹ軸方向の直線偏光２０２がホモジェニアス配
向された液晶素子２０３に入射する。このとき液晶素子
２０３の電界による光路長変調能力すなわち図７で説明
した（ｎ１−ｎ２）×Ｌが入射光の波長の半波長程度あ
るいは半波長プラス波長の整数倍程度とする。また液晶
素子２０３は回折型レンズ素子２０４として機能する部
位と位相変調素子２０５として機能する部位（斜線表
示）から構成され、それぞれの機能が電気信号により制
御される。また回折型レンズ素子２０４として機能する
部位は焦点距離ｆ１のレンズとして機能し、位相変調素
子２０５として機能する部位は他の部位と比べ入射直線
偏光の位相を半波長あるいは半波長プラス波長の整数倍
変調する機能を持つ。また位相変調素子２０５として機
能する部位は光軸２０１を中心としたほぼ円形領域に作
用する。

【００３３】最初にＤＶＤのディスクを読み書きする場
合を考える。すなわち超解像効果を用いて光源の波長を
７８０ｎｍから等価的に６５０ｎｍ程度に変える。まず
回折型レンズ素子２０４の部位には電気信号を与えず機
能を停止する。そして位相変調素子２０５の部位に電気
信号を与え機能を有効とする。その結果、回折型レンズ
素子２０４の部位はホモジェニアス配向を保ち、位相変
調素子２０５の部位はホメオトロピック状態になるた
め、入射直線偏光の位相を回折型レンズ素子２０４の部
位と比べ半波長あるいは半波長＋波長の整数倍だけシフ
トする事で、先に説明した公知例による超解像の条件を
満たす。液晶素子２０３で変調された直線偏光は偏光ビ
ームスプリッタ２０６に入射する。このとき偏光ビーム
スプリッタ２０６はＹ軸方向の直線偏光を透過し、それ
と直交するＸ軸方向の直線偏光を反射分離する方位に設
置される。偏光ビームスプリッタ２０６を透過したＹ軸
方向の直線偏光は１／４波長板２０７で右回り円偏光に
変換される。

【００３４】右回り円偏光した光束は第１の集光レンズ
２０８により光ディスク２０９に集光される。このとき
先に説明したように超解像光スポットが生じる。集光さ
れた光束は光ディスク２０９で反射されるが、図１の場
合とまったく同様に、メインローブは右回り円偏光であ
るから反射により左回り円偏光に、サイドローブは反射
前は左回り円偏光であるため反射により右回り円偏光と
なる。

【００３５】光ディスク２０９により反射された光束は
再び第１の集光レンズ２０８を通り１／４波長板２０７
を逆行する。このときメインローブの成分は左回り円偏
光であるから１／４波長板２０７を通過するとＸ軸方向
の直線偏光に変換される。したがって偏光ビームスプリ
ッタ２０６で反射分離される。この分離光束２１０は第
２の集光レンズ２１１により光検出器２１２に集光され
る。他方、サイドローブの成分は右回り円偏光であるた
め１／４波長板２０７を通過するとＹ軸方向の直線偏光
に変換される。したがって偏光ビームスプリッタ２０６
をそのまま透過し光検出器２１２には集光されない。し
たがって、仮にサイドローブが光ディスク上の目的外の
ピットを読み取ったとしても、サイドローブの成分を持
つ光は光検出器２１２には入射しないため問題にはなら
ない。また入射光の一部を不必要に分離してしまう普通
のビームスプリッタではなく、偏光ビームスプリッタ２
０６を用いる事で不必要に光を分離していないため光利
用効率も良い。

【００３６】次に位相変調素子２０５の部位には電気信
号を与えず機能は停止し、回折型レンズ素子２０４の部
位に電気信号を与え機能を有効とする。この状態では超
解像は生じなくなる。またこのとき、この光学装置の焦
点距離は回折型レンズ素子２０４と第１の集光レンズ２
０８の合成焦点距離となり、第１の集光レンズ２０８の
みの場合と比較して開口数を変えたことになる。この状
態をＣＤの読み取りに用いる。厳密に言えば、回折型レ
ンズ素子２０４の中心部分は位相変調素子２０５である
ためレンズとしての作用はほとんどない。しかしＤＶＤ
ディスクとＣＤディスクのための開口数切り替えに必要
な回折型レンズ素子の焦点距離は数十ｍｍから数百ｍｍ
であるため、もともと中心付近はレンズとしての作用は
あまり必要ない。また先に述べたように１５％から２０
％程度の超解像を行う場合は、位相変調素子２０５が中
心付近にしめる断面割合は２０％程度のためあまり影響
がない。また先に述べたように液晶素子２０３の光路変
調能力は入射光の半波長程度あるいは半波長プラス波長
の整数倍程度としているため、先に説明したロンキー格
子の条件を満たし、０次光が発生しにくくまた回折効率
も高くなる利点がある。

【００３７】今までの説明で明らかなように、回折型レ
ンズ素子２０４の機能と位相変調素子２０５の機能を制
御することで光学装置の実効的な開口数を切り替え、光
源の実効的な波長を切り替え可能となる。

【００３８】（第３の実施形態）次に本発明による第３
の実施形態について図３を用いて説明する。基本的には
第２の実施形態と同じであるが、第２の実施形態で位相
変調素子２０５として機能する部位が、第３の実施形態
においては入射直線偏光を９０度回転して出射する旋光
光学素子として機能する点が異なる。図３はＤＶＤ（Ｒ
ＡＭ）、ＣＤ、ＣＤ−Ｒ（Ｗ）すべてに対応可能な光ピ
ックアップ用の光学装置を前提としたもので簡単のため
断面図で描いたが、基本的には光軸３０１を回転軸とし
た回転対称形である。また光源及び光源からの光を平行
光にするコリメートレンズは省いた。光源が半導体レー
ザーのような発散光源で、集光レンズが有限系の場合は
必ずしもコリメートレンズは必要ない事は公知である。
波長７８０ｎｍ程度のＹ軸方向の直線偏光３０２が液晶
素子３０３に入射する。液晶素子３０３は回折型レンズ
素子３０４として機能する部位と旋光光学素子３０５と
して機能する部位（斜線表示）から構成され、それぞれ
の機能が電気信号により制御される。回折型レンズ素子
３０４として機能する部位はホモジェニアス型液晶素子
から構成され、旋光光学素子３０５として機能する部位
は９０度ツイストネマティック型液晶素子から構成され
る。また回折型レンズ素子３０４として機能する部位は
焦点距離ｆ１のレンズとして機能し、旋光光学素子３０
５として機能する部位は入射する直線偏光の方位を９０
度回転して出射する機能を持つ。また旋光光学素子３０
５として機能する部位は光軸３０１を中心としたほぼ円
形領域に作用する。

【００３９】最初にＤＶＤのディスクを読み書きする場
合を考える。すなわち超解像効果を用いて光源の波長を
７８０ｎｍから等価的に６５０ｎｍ程度に変える。まず
回折型レンズ素子３０４及び旋光光学素子３０５の部位
にも電気信号を与えない。その結果、回折型レンズ素子
３０４の部位はホモジェニアス配向を保ち回折光学素子
としての機能は停止し、旋光光学素子３０５の部位は９
０度ツイストネマティック配向を保つ。従って旋光光学
素子３０５は入射直線偏光を９０度旋光する。液晶素子
３０３を通過した直線偏光は偏光ビームスプリッタ３０
６に入射する。このとき偏光ビームスプリッタ３０６は
Ｙ軸方向の直線偏光を透過し、それと直交するＸ軸方向
の直線偏光を反射分離する方位に設置される。従って旋
光光学素子３０５の部位を通過した直線偏光は偏光方向
が９０度回転してＸ軸方向となるため偏光ビームスプリ
ッタ３０６を通過できない。従って旋光光学素子３０５
の部位は遮蔽マスクされた事と同じであり、先の公知例
と同じように超解像の条件を満たす。

【００４０】回折型レンズ素子３０４の部位を通過した
Ｙ軸方向の直線偏光は１／４波長板３０７で右回り円偏
光に変換される。右回り円偏光した光束は第１の集光レ
ンズ３０８により光ディスク３０９に集光される。この
とき先に説明したように超解像光スポットが生じる。集
光された光束は光ディスク３０９で反射されるが、図１
の場合とまったく同様に、メインローブは右回り円偏光
であるから反射により左回り円偏光に、サイドローブは
反射前は左回り円偏光であるため反射により右回り円偏
光となる。

【００４１】光ディスク３０７により反射された光束は
再び第１の集光レンズ３０８を通り１／４波長板３０７
を逆行する。このときメインローブの成分は左回り円偏
光であるから１／４波長板３０７を通過するとＸ軸方向
の直線偏光に変換される。したがって偏光ビームスプリ
ッタ３０６で反射分離される。この分離光束３１０は第
２の集光レンズ３１１により光検出器３１２に集光され
る。他方、サイドローブの成分は右回り円偏光であるた
め１／４波長板３０７を通過するとＹ軸方向の直線偏光
に変換される。したがって偏光ビームスプリッタ３０６
をそのまま透過し光検出器３１２には集光されない。し
たがって、仮にサイドローブが光ディスク上の目的外の
ピットを読み取ったとしても、サイドローブの成分を持
つ光は光検出器３１２には入射しないため問題にはなら
ない。また入射光の一部を不必要にに分離してしまう普
通のビームスプリッタではなく、偏光ビームスプリッタ
３０６を用いる事で不必要に光を分離していないため光
利用効率も良い。

【００４２】次に回折型レンズ素子３０４及び旋光光学
素子３０５の部位供に電気信号を与える。その結果、部
分的にホメオトロピック配向となる回折型レンズ素子３
０４の回折機能を有効とし、全体がホメオトロピック配
向となる旋光光学素子３０５の機能は停止する。この状
態では超解像は生じなくなる。またこのとき、この光学
装置の焦点距離は回折型レンズ素子３０４と第１の集光
レンズ３０８の合成焦点距離となり、第１の集光レンズ
３０８のみの場合と比較して開口数を変えたことにな
る。この状態をＣＤの読み取りに用いる。厳密に言え
ば、回折型レンズ素子３０４の中心部分は旋光光学素子
３０５であるためレンズとしての作用はほとんどない。
しかしＤＶＤディスクとＣＤディスクのための開口数切
り替えに必要な回折型レンズ素子の焦点距離は数十ｍｍ
から数百ｍｍであるため、もともと中心付近はレンズと
しての作用はあまり必要ない。また先に述べたように１
５％から２０％程度の超解像を行う場合は、旋光光学素
子３０５が中心付近にしめる断面割合は２０％程度のた
めあまり影響がない。

【００４３】また本発明における第１から第３の実施形
態において、超解像や回折現象を発生させるためには、
コヒーレント光である事が重要である。その代表的なも
のは半導体レーザー光やガスレーザー光である。また白
色光に干渉フィルターを通し、更には空間周波数フィル
ターを通しても比較的よいコヒーレント光が得られる事
が知られている。

【００４４】図４に参考として本発明に用いた液晶素子
２０３及び液晶素子３０３の透明電極形状を示す。中心
の円形部分４０１が位相変調素子あるいは９０度旋光光
学素子として機能する部位で、周辺部に中心を円形部分
４０１と同じくする同心円状の複数の輪帯が配置された
輪帯部分４０２がある。図４ではフレネルゾーンプレー
トの輪帯形状を表している。模式的に表したため輪帯は
４本しか描かれていないが実際は数十から数百本の輪帯
があり回折型レンズ素子として機能する部位である。液
晶素子２０３においては液晶分子の配向が全面ホモジェ
ニアス配向となり、液晶素子３０３においては円形部分
４０１が９０度ツイストネマティック配向でフレネル輪
帯部分４０２はホモジェニアス配向となり、光入射側の
配向はすべてＹ軸方向にそろう。そして互いに独立した
引き出し電極線４０３、引き出し電極線４０４によりそ
れぞれ円形部分４０１及びフレネル輪帯部分４０２が電
気信号で制御される。

【００４５】液晶素子２０３の場合においては、引き出
し電極線４０３を介して円形部分に電気信号を加え、引
き出し電極線４０４を介して輪帯部分４０２に電気信号
を加えない事で位相変調素子として機能する。またこの
逆の状態で回折型レンズ素子として機能する。液晶素子
３０３の場合においては引き出し電極線４０３、４０４
を介して円形部分４０１及び輪帯部分４０２に同時に電
気信号を加えることで回折型レンズ素子として機能す
る。すなわち円形部分４０１に電気信号を加える事で９
０度ツイストネマティック配向がホメオトロピックとな
り旋光性は消失する。逆に引き出し電極線４０３、引き
出し電極線４０４を介して円形部分４０１及び輪帯部分
４０２供に電気信号を加えない事で円形部分４０１が旋
光光学素子として機能し、輪帯部分４０２は回折型レン
ズ素子として機能しない。従って液晶素子３０３の場合
は引き出し電極線４０３、引き出し電極線４０４は共通
にしてもよい。この方が構造が簡単で都合が良い。

【００４６】また引き出し電極４０３、４０４によりフ
レネル輪帯部分４０２のパターンが一部欠けてしまう。
しかし回折現象においては回折格子に部分的に極端に大
きな傷や欠けが無い限り、効率に多少影響するだけで問
題にはならない事が知られる。これは回折格子の一種で
ある立体表示用のホログラムにおいて、傷や欠けがあっ
ても再生像に傷や欠けが発生しない事と同じである。ま
た液晶素子２０３、３０３は偏光板等を必要としない位
相型回折素子として用いているため、原理的には光量ロ
スは生じない。実際の測定においては光量ロスは１５％
程度であったが、液晶ガラス基盤に無反射コートを施せ
ば１０％以下にする事は可能である。

【００４７】

【発明の効果】今までの説明から明らかなように、本発
明による光学装置においては簡単な構成で反射光から超
解像特有のサイドローブの成分を除去する事が可能で、
これはスリットなどのサイドローブを遮蔽するマスクを
設置する場合に比べ位置合わせも容易である。また電気
信号で超解像と通常解像を簡単に切り替え可能で、かつ
電気信号で簡単に光学系の開口数も切り替え可能であ
る。更には偏光ビームスプリッタを用いる事で不必要に
入射光を分離してしまわないため光利用効率も良い。

【００４８】また空間光変調素子として液晶を用いてい
るため数ボルト程度の実効電圧で駆動可能で、ＣＭＯＳ
型の低電力ＩＣからの出力で簡単に駆動できる利点があ
る。これは駆動電圧が数百ボルトから数千ボルト必要な
ＰＬＺＴなどの電気光学セラミクスやニオブ酸リチウム
などの固体結晶を用いた場合に比べて有利である。更に
は光源の波長が揺らいだり、温度変化により液晶の位相
変調特性が変化したりしても液晶に加える電圧を制御す
ることで位相変調量等を変えて補正する事も簡単であ
る。また液晶素子そのものの構造も、現在の表示素子用
の液晶と比べ構造が極めて簡単で大きさも１ｃｍ程度で
あり製造も容易である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態における光学装置の構
成例である。

【図２】本発明の第２の実施形態における光学装置の構
成例である。

【図３】本発明の第３の実施形態における光学装置の構
成例である。

【図４】本発明おける液晶素子の透明電極形状を表す図
である。

【図５】公知である超解像光学装置の動作を説明する図
である。

【図６】公知である超解像光学装置の集光スポットの形
状を説明する図である。

【図７】一般的な液晶素子の構造と作用を表す図であ
る。

【図８】一般的な位相型回折格子の作用を表す図であ
る。

【図９】液晶回折光学素子の構造と動作を表す図であ
る。

【図１０】従来技術による光学装置の構成例である。

【符号の説明】

１０１、２０１、３０１、５０１、光軸 １０２、２０２、３０２、７０４、９０４、直線偏光 １０３、空間光変調素子 １０４、２０４、３０４、回折型レンズ素子 １０５、２０５、位相変調素子 １０６、２０６、３０６、偏光ビームスプリッタ １０７、２０７、３０７、１／４波長板 １０８、２０８、３０８、第１の集光レンズ １０９、２０９、３０９、１００７、光ディスク １１０、２１０、３１０、分離光束 １１１、２１１、３１１、第２の集光レンズ １１２、２１２、３１２、光検出器 ２０３、３０３、液晶素子 ３０５、旋光光学素子 ４０１、円形部分 ４０２、輪帯部分 ４０３、４０４、引き出し電極線 ５０２、遮蔽マスク ５０３、集光レンズ ５０４、有効光束 ６０１、光スポット ６０２、有効光束５０４による光スポット ６０３、遮蔽マスク５０２による仮想の光スポット ６０４、サイドローブ ６０５、メインローブ ７０１、ガラス基板 ７０２、９０２、液晶分子 ７０３、配向軸 ８０１、位相型回折格子 ８０２、レーザー光 ８０３、９０５、０次光 ８０４、９０６、１次光 ８０５、９０７、−１次光 ９０１、液晶回折光学素子 ９０３、透明電極 ９０８、出射光 １００１、第１のレーザー光源 １００２、ハーフミラー １００３、コリメートレンズ １００４、第１のレーザー光 １００５、波長フィルタ １００６、集光レンズ １００８、第２のレーザー光源 １００９、第２のレーザー光

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 直線偏光と該直線偏光を変調する空間光
   変調素子と該空間光変調素子で変調された直線偏光を透
   過する偏光ビームスプリッタと、該偏光ビームスプリッ
   タを透過した直線偏光を位相変調する１／４波長板と、
   該１／４波長板を透過した光束を集光する第１の集光レ
   ンズと、該第１の集光レンズで集光された光束を反射す
   る反射部材と、該反射部材で反射し該第１の集光レンズ
   を逆行し該偏光ビームスプリッタで分離された分離光束
   を集光する第２の集光レンズと、該第２の集光レンズで
   集光された光束を検出する光検出器を備え、該空間光変
   調素子は少なくとも回折型レンズ素子として機能する部
   位と位相変調素子として機能する部位とから構成され、
   かつ該回折型レンズ素子及び該位相変調素子の機能は電
   気信号で制御され、かつ該位相変調素子として機能する
   部位は該第１の集光レンズで集光される光束の光軸を中
   心としたほぼ円形領域に作用する事を特徴とする光学装
   置。
2. 【請求項２】 空間光変調素子として液晶素子を用いた
   事を特徴とする請求項１記載の光学装置。
3. 【請求項３】 空間光変調素子として液晶素子を用い、
   かつ該液晶素子はホモジェニアス型液晶素子から構成さ
   れ、該直線偏光の偏光軸方向は該ホモジェニアス型液晶
   素子の液晶分子配向軸の方向とほぼ一致した事を特徴と
   する請求項１記載の光学装置。
4. 【請求項４】 空間光変調素子として液晶素子を用い、
   かつ該液晶素子は平行配向型液晶素子から構成され、該
   直線偏光の偏光軸方向は該平行配向型液晶素子の液晶分
   子配向軸の方向とほぼ一致し、該ホモジェニアス型液晶
   素子の位相変調量は該直線偏光の波長の半波長程度ある
   いは半波長プラス波長の整数倍程度で制御される事を特
   徴とする請求項１記載の光学装置。
5. 【請求項５】 直線偏光と該直線偏光を変調する空間光
   変調素子と該空間光変調素子で変調された直線偏光を透
   過する偏光ビームスプリッタと、該偏光ビームスプリッ
   タを透過した直線偏光を位相変調する１／４波長板と、
   該１／４波長板を透過した光束を集光する第１の集光レ
   ンズと、該第１の集光レンズで集光された光束を反射す
   る反射部材と、該反射部材で反射し該第１の集光レンズ
   を逆行し該偏光ビームスプリッタで分離された分離光束
   を集光する第２の集光レンズと、該第２の集光レンズで
   集光された光束を検出する光検出器を備え、該空間光変
   調素子は少なくとも回折型レンズ素子として機能する部
   位と旋光光学素子として機能する部位とから構成され、
   かつ該回折型レンズ素子及び該旋光光学素子の機能は電
   気信号で制御され、かつ該旋光光学素子として機能する
   部位は該第１の集光レンズで集光される光束の光軸を中
   心としたほぼ円形領域に作用する事を特徴とする光学装
   置。
6. 【請求項６】 空間光変調素子として液晶素子を用いた
   事を特徴とする請求項５記載の光学装置。
7. 【請求項７】 空間光変調素子として液晶素子を用い、
   かつ該回折型レンズ素子はホモジェニアス型液晶素子か
   ら構成され、該旋光光学素子は９０度ツイストネマティ
   ック型液晶素子から構成され、該直線偏光の偏光軸方向
   は該平行配向型液晶素子及び該９０度ツイストネマティ
   ック型液晶素子の入射光側の液晶分子配向軸の方向とほ
   ぼ一致した事を特徴とする請求項５記載の光学装置。