JP3831090B2 - 光学装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光学系の実効的な開口数を切り替える技術、特に最近の光ディスク装置の光ピックアップにおいて実効的な開口数を切り替え、ＤＶＤやＣＤ−ＲＯＭ用といった異なる開口数から構成される光ピックアップを一つの光ピックアップで共用可能とする技術に属する。
【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されるが、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の光ピックアップの集光（対物）レンズの開口数はＣＤやＣＤ−ＲＯＭ用では０．４５程度、ＤＶＤ（デジタルバーサタイルディスク）用では０.５５程度であり、光ディスク基盤の厚みはＣＤ用が約１.２ｍｍ、ＤＶＤ用が約０．６ｍｍである。回折限界まで集光する必要のある光ピックアップの集光レンズは光ディスク基盤の厚みまで考慮に入れて設計される。したがってＣＤあるいはＣＤーＲＯＭとＤＶＤとでは光ピックアップが共用不可能である。
【０００４】
そこでこの問題を解決するため、一台の機器の中に２台のピックアップを設置する方法や、光ピックアップの集光レンズにホログラムを刻み二焦点にする方法、あるいは液晶シャッタを用いて有効入射瞳径を切り替える方法等が用いられている。
【０００５】
次に本発明に最も近い従来例を図５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。図を追って説明する。
【０００６】
直線偏光レーザ光源５０１から出射しコリメートレンズ５０２で平面波にされた直線偏光５０３は、その偏光軸５０４が紙面に平行であるＹ軸方向とする。直線偏光５０３は９０度ＴＮ（ツイストネマティック）型液晶素子５０５により偏光軸５０４の方向が９０度回転しＸ軸方向となる。集光光学系５０６により直線偏光５０３が集光される。この時、中央部が丸く切り抜かれた偏光板５０７が集光光学系５０６の手前に設置され、その直線偏光透過軸はＹ軸方向であるとする。この時、偏光板５０７と組み合わされた９０度ＴＮ型液晶素子５０５の光シャッタ機能により、偏光板のくり貫かれた中央部を透過した直線偏光のみが集光に寄与する。ＣＤの再生にはこの状態で使用する。
【０００７】
一方、ＤＶＤの再生においては９０度ＴＮ型液晶素子５０５にＺ方向の電界を加え、後に述べるホメオトロピックの状態にする。この状態では液晶素子に旋光性が無くなるため直線偏光５０３は偏光板を透過する事ができ先の状態と比べ開口数が大きくなる。この状態においても偏光板の持つ光吸収作用により光量が失われる。また偏光板の中央部がくり貫かれているため、偏光板を透過した直線偏光とそうでない直線偏光に偏光板と空気の屈折率差に起因する光の位相差が生じ、回折限界まで集光する事が困難となる。そのため、くり貫かれた中央部に直線偏光透過軸がＸ軸方向である同じ種類の偏光板を設置すれば位相差の問題は解決するが、更に光量が失われる事になる。
【０００８】
集光光学系５０６で集光された集光スポット５０８は光ディスク５０９で反射されほぼ入射と同じ光路をもどり、光分離素子５１０で分離された光束５１１が別の集光光学系５１２で集光され、集光スポット５１３が光検出素子５１４で検出される。
【０００９】
【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のピックアップを設置する事は機器構成が複雑になりコストアップにもつながる。また集光レンズにホログラムを刻み二焦点にすると常にどちらか一方の不要な集光スポットを発生しているため、光利用効率が低下する。これはＤＶＤ−ＲＡＭすなわち書き込み書き換え可能なＤＶＤのような大きな光量を必要とする機器においては問題となる。同様に液晶シャッタを用いる方法においても同じ問題が生じる。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
そこで本発明においては直線偏光と直線偏光を集光する集光光学系と集光光学系による集光スポットを反射する反射部材と反射光を入射光路から分離する光分離素子と光分離素子による分離光を検出する光検出素子からなる光学装置において、９０度旋光光学素子を入射光路中に、直線偏光検波素子を分離光路中に設置した。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明による実施形態を図１に示す。直線偏光レーザ光源１０１から出射し、コリメートレンズ１０２で平面波にされた直線偏光１０３は、その偏光軸１０４が紙面に平行であるＹ軸方向とする。直線偏光１０３は旋光光学素子１０５を透過後、旋光光学素子１０５の旋光機能により偏光軸１０４の方向が回転する。旋光光学素子１０５は入射直線偏光をＸ軸方向に向けて９０度旋光する部位１０６（斜線表示した円形領域）と、０度旋光する部位１０７から構成される。
【００１２】
９０度旋光する部位１０６を透過し９０度旋光した直線偏光１０８は集光光学系１１０の光軸１１１を中心としたほぼ円形領域１１２（斜線表示）に入射する。この円形領域１１２は集光光学系１１０に入射する有効光束１１３の一部分であり、有効光束１１３により構成される開口数より小さくなっている事がわかる。ここでは有効光束１１３による開口をＤＶＤ用に、円形領域１１２による開口をＣＤ用に設定する。また図１では集光光学系１１０に入射する光束を制限する絞り等を用いていないため、有効光束１１３は旋光光学素子１０５を透過する直線偏光１０３の光束と一致している。
【００１３】
０度旋光する部位１０７を透過し０度旋光した直線偏光１０９は円形領域１１２以外に入射する。円形領域１１２と円形領域１１２以外の領域の直線偏光は偏光軸が互いに直交する事がわかる。
【００１４】
光ディスク１１５で反射された集光スポット１１４はほぼ入射光路と同一光路を戻り集光光学系１１０を通過後、光分離素子１１６で分離される。このときの偏光状態は光ディスク１１５に強い複屈折性や回折の偏光依存性がなければ入射偏光状態が保存され、一般に光ディスクにおいては複屈折は２０ｎｍ以下で回折による偏光依存も実際上ほとんど発生しない。
【００１５】
分離された光束１１７は別の集光光学系１１８で再び集光され集光スポット１１９が光検出素子１２０で検出される。分離された光束１１７の中に直線偏光検波素子１２１をその方位（直線偏光が透過する方位）を９０度方向（Ｘ軸方向）にして設置すると０度旋光した直線偏光１０９の光ディスク１１５で反射された成分が遮光される。なぜなら０度旋光した直線偏光１０９の偏光軸は直線偏光検波素子１２１の方位と直交するからである。この状態はＣＤやＣＤ−ＲＯＭの再生に用いる事が可能である。すなわち０度旋光した直線偏光１０９は集光光学系１１０の外周部を通過する光束で開口数の大きい部分である。本来はＤＶＤ用に使用する部分の一部であり、ＣＤ等に使用するとＤＶＤ用のディスク基盤と厚みも異なるため大きな収差を持った反射光束となる。この反射光束が集光スポット１１９の形を崩してしまい、光検出素子１２０で集光スポット１１９の対称性の信号を得る際の信号ノイズとなってしまう。しかしこの集光光学系１１０の外周部を通過した光束の成分を光検出素子１２０の手前で遮光すれば問題はない。この光学装置をＤＶＤ用に使用するためには０度旋光する部位１０６を９０度旋光に切り替えればよい事は明らかである。すなわち分離された光束１１７において有効光束１１３の成分すべてが使用されて集光スポット１１９が形成されるからである。
【００１６】
【実施例】
図２に本発明における実施例をあげる。原理確認のための例であり、一般に使用されている光ディスクのピックアップ光学系とはスケールは異なる。基本的には図１に示した実施形態と同様であるが、旋光光学素子として９０度ツイストネマティック型液晶を用いている。最初に本実施例の理解を容易にするため、９０度ツイストネマティック型液晶を用いた旋光効果について説明する。
【００１７】
図３（ａ）、図３（ｂ）は電気的制御可能な一般的な９０度ツイストネマティック型液晶素子の旋光機能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盤３０１に液晶分子３０２が挟まれている。入射側のガラス基盤は配向軸方向３０３がＹ軸方向で、出射側のガラス基盤は配向軸方向３０３が上半分がＹ軸方向、下半分がＸ軸方向となっている。液晶分子３０２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３（ａ）に示す様に、上半分側では液晶分子３０２は平行に並びこれをホモジェニアスという。また下半分では液晶分子３０２は徐々に滑らかに９０度回転する。これを９０度ツイストネマティックという。
【００１８】
この液晶素子に入射直線偏光３０４が入射すると、液晶分子の誘電異方性のため入射直線偏光３０４の偏光軸は液晶分子３０２の長軸方向に沿って伝搬する。すなわち出射直線偏光３０５の偏光軸は上半分がＹ方向、下半分がＸ方向となり互いに直交する。液晶分子の長軸方向の屈折率をｎ１、短軸方向の屈折率をｎ２とし、液晶層厚をｄとすると液晶層内を進む入射直線偏光３０４の光路長は上下両方ともにｎ１×ｄで表される事もわかる。
【００１９】
厳密にいうなら入射直線偏光３０４が厳密に直線偏光として出射するためには入射直線偏光３０４の偏光軸の方向が入射側の配向軸３０３の方向すなわち液晶分子長軸と一致し、かつ２×（ｎ１−ｎ２）×ｄ÷λが３、１５、３５等のいずれかの平方根である必要が知られている。ここでλは入射光の波長である。しかし使用する光の波長、液晶分子の屈折率及び液晶層の厚みが先の式を厳密にみたさなくてもさほど不都合は生じない。またこの時は入射直線偏光３０４の偏光軸の方向を入射側の配向軸方向３０３から故意に多少ずらすとよい。
【００２０】
ガラス基盤にコートされた透明電極を介して液晶素子にＺ軸方向の電界を加えると、図３（ｂ）に示す様に液晶分子３０２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。このとき出射直線偏光３０５は変化なく入射直線偏光３０４と同じＹ軸方向となる。すなわち旋光性はなくなる。またこのときは液晶層内を進む入射直線偏光３０４の光路長はｎ２×ｄである事もわかる。
【００２１】
図２を用いて実施例を説明する。基本的には図１に示した実施形態と同じであるが、旋光光学素子として９０度ツイストネマティック型の液晶素子２０５が用いられ、液晶素子２０５の基本的な構造及び動作は図３（ａ）（ｂ）と同じであるがホモジェニアス配向は用いていない。直線偏光２０３が入射する側の液晶素子２０５の配向軸の方向は偏光軸２０４の方向とほぼ一致し共にＹ軸方向である。
【００２２】
直線偏光レーザ光源２０１から出射しコリメートレンズ２０２で平面波にされた直線偏光２０３はその偏光軸２０４が紙面に平行なＹ軸方向とし液晶素子２０５に入射する。液晶素子２０５は電気信号によりホメオトロピック領域２０７と９０度ツイストネマティック領域２０６に機能領域が分割される。すなわち図３の説明で明らかなようにホメオトロピック領域２０７は電気信号により透明電極を介して液晶分子に十分な電界が加えられる。またホメオトロピック領域は光軸２１１を中心とした円形外の領域である。
【００２３】
液晶素子２０５のホメオトロピック領域２０７を透過し０度旋光した直線偏光２０９は集光光学系２１０の光軸２１１を中心としたほぼ円形領域２１２以外に入射する。このとき円形領域２１２は集光光学系２１０に入射する有効光束２１３の一部分であり、有効光束２１３により構成される開口数より小さくなっている事がわかる。ここでは有効光束２１３による開口をＤＶＤ用に、円形領域２１２による開口をＣＤ用に設定する。また図２では集光光学系２１０に入射する光束を制限する絞り等を用いていないため、有効光束２１３は液晶素子２０５を透過する直線偏光２０３の光束と一致している。集光光学系２１０を通過した有効光束２１３が集光スポット２１４を形成する。
【００２４】
９０度ツイストネマティック領域２０６を透過し９０度旋光した直線偏光２０８は円形領域２１２に入射する。円形領域２１２と円形領域２１２以外の領域の直線偏光は偏光軸が互いに直交している事がわかる。
【００２５】
図４に実際に使用した液晶素子の形状を示す。外形がおよそ１５ｍｍの正方形で中央部に直径１０ｍｍの液晶封入領域４０１がある。液晶封入領域４０１の中央部の直径３ｍｍの円形領域以外に対し、電極部４０５からの電気信号によりホメオトロピック領域４０２が形成され、円形の領域は電気信号が加えられないため９０度ツイストネマティック領域４０３のままとなる。光が入射する側の液晶分子の配向軸方向４０４はＹ軸方向とする。また光軸Ｚは紙面垂直に進む方向である。電気信号を除去する事で液晶封入領域４０１の全域を９０度ツイストネマティック領域に戻す事が可能である。この構成の液晶素子では中央の円形領域から引き出し電線を出す必要がないため、ホメオトロピックとなる領域４０２の透明電極に円形領域からの引き出し電線のためのデッドスペースを形成する必要がない。なおこの液晶素子は波長６３３ｎｍの光に対し前述に示した１５の平方根をほぼ満足している。
【００２６】
液晶素子２０５において、ホメオトロピック領域２０７は液晶層がなくても偏光軸は旋光しないため基本的な効果は同じである。しかしこの場合は液晶層がある領域と比べ光路長が変わるため入射直線偏光の位相変調が生じるため、集光光学系２１０あるいはその他の光学系を用いて補正しなければならない可能性が生じる。またホメオトロピック領域２０７を最初からホモジェニアス配向もしくはホメオトロピック配向しても同様の効果を得る事が可能であるが、液晶素子の製作の際に９０度ツイストネマティック配向とホメオトロピック配向、もしくはホモジェニアス配向を施す必要があり、このためにはマスクラビングすなわち一方の配向中は他方の配向領域をマスクするなどの比較的複雑な配向手法が必要となる。
【００２７】
集光スポット２１４は光軸２１１上でほぼ同位置に設置された光ディスク２１５によりほぼ入射光と同一光路を戻り、集光光学系２１０を通過後、光分離素子２１６で分離される。分離された光束２１７は別の集光光学系２１８により集光され、集光スポット２１９を形成する。集光スポット２１９は光検出素子２２０により検出される。直線偏光検波素子２２１の方位（直線偏光が透過する方位）をＸ軸方向として分離された光束２１７の光路中に設置する事で円形領域２１２を透過した成分のみ取り出すことができＣＤ再生が可能となる。また液晶素子２０５のホメオトロピック領域２０７の電気信号を除去して９０度ツイストネマティック配向（すなわち液晶素子２０５の全域が９０度ツイストネマティックとなる）とすれば有効光束２１３全体の成分を取り出せるためＤＶＤ等に使用可能となる。
【００２８】
実際の光学系では直線偏光検波素子２２１として偏光板を用い、有効光束２１３の直径は５ｍｍとした。また偏光板の中央部分を円形にくり貫いて円形領域２１２を透過した成分のみを素通しにしてもかまわない。偏光板は光吸収があるためこの方が光利用率が改善される。しかし光検出素子２２０としてよく使用されるフォトダイオードは比較的高感度なためさほど問題ではない。
【００２９】
液晶素子２０５は旋光光学素子として使用され、入射光路中においては偏光板等を用いていないので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。
【００３０】
【発明の効果】
今までの説明から明らかなように本発明における旋光光学素子と直線偏光検波素子を用いた光学装置を光ディスク装置に適用した場合、原理的に書き込み（もしくは読み出し）のための光量をロスすることなく開口数を電気的に簡単に切り替える事ができる。この事は今後有望視されているＤＶＤ−ＲＡＭ、すなわち書き込みあるいは書き換え可能なデジタルバーサタイルディスク装置の光学系において、ＣＤの再生を兼ね備えた光学系として非常に有効である。なぜなら光源としての半導体レーザの光出力アップは困難な問題だからである。
【００３１】
また本発明における液晶素子は現在の複雑な構造を持ったパソコン用等の液晶表示パネルと比べ、サイズも小さく構造も非常に簡単なため特に大きなコストアップにはならない。また偏光板も市販の液晶装置に使われている安価な物をそのまま使う事が可能でる。また本発明は透過型光ディスクにおいても同様の効果を得る事が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による光学装置の構成例である。
【図２】本発明による光学装置の実施例である。
【図３】電気的に制御可能なツイトネマティック型液晶素子の旋光機能を表した図である。
【図４】図２の実施例に用いた液晶素子の構造を表した図である。
【図５】本発明に最も近い従来技術を表した図である。
【符号の説明】
１０１、２０１、５０１、直線偏光レーザ光源
１０２、２０２、５０２、コリーメートレンズ
１０３、２０３、５０３、直線偏光
１０４、２０４、５０４、偏光軸
１０５、旋光光学素子
２０５、液晶素子
５０５、９０度ＴＮ型液晶素子
１０６、９０度旋光する部位
２０６、４０３、９０度ツイストネマティック領域
１０７、０度旋光する部位
２０７、４０２、ホメオトロピック領域
１０８、２０８、９０度旋光した直線偏光
１０９、２０９、０度旋光した直線偏光
１１０、１１８、２１０、２１８、５０６、５１２、集光光学系
５０７、偏光板
１１１、２１１、光軸
１１２、２１２、円形領域
１１３、２１３、有効光束
１１４、１１９、２１４、２１９、５０８、５１３、集光スポット
１１５、２１５、５０９、光ディスク
１１６、２１６、５１０、光分離素子
１１７、２１７、５１１、分離された光束
１２０、２２０、５１４、光検出素子
１２１、２２１、直線偏光検波素子
３０１、透明電極がコートされたガラス基盤
３０２、液晶分子
３０３、４０４、配向軸方向
３０４、入射直線偏光
３０５、出射直線偏光
４０１、液晶封入領域
４０５、電極部

Claims (2)

1. 直線偏光レーザ光源と該直線偏光レーザ光源から出射した直線偏光を入射し９０度旋光する旋光光学素子と該旋光光学素子で旋光された光束を集光する集光光学系と該集光光学系の焦点近傍に設置された光反射部材と、該光反射部材により反射される反射光を入射光から分離する光分離素子と、該光分離素子で分離された分離光束を検出する光検出素子とを備え、前記旋光光学素子は電気信号により旋光性が制御され、該旋光性が制御される部位は前記集光光学系により利用される前記直線偏光の有効光束中の一部分の領域に作用する光学装置において、前記光分離素子と該光検出素子の光路中に直線偏光検波素子を設置し、該直線偏光検波素子の方位は前記直線偏光の方位とほぼ直交させ、かつ前記旋光光学素子として９０度ツイストネマティック型液晶素子を用い、該９０度ツイストネマティック型液晶素子の旋光性が制御される部位は前記集光光学系により利用される前記直線偏光の有効光束中の光軸を中心としたほぼ円形領域以外の領域であり、前記９０度ツイストネマティック型液晶素子の直線偏光入射側の液晶分子の配向軸方向は、前記直線偏光の偏光軸方向とほぼ一致もしくはほぼ直交し、前記９０度ツイストネマティック型液晶素子の旋光性が制御される部位は電気信号によりホメオトロピック配向となることを特徴とする光学装置。
2. 前記９０度ツイストネマティック型液晶素子は、液晶分子の長軸方向の屈折率をｎ１、短軸方向の屈折率をｎ２、液晶層厚をｄ、前記直線偏光の波長をλとし、次式、
   ２×（ｎ１−ｎ２）×ｄ÷λ
   の値が３、１５、３５のいずれかの平方根にほぼ等しいことを特徴とする請求項１に記載の光学装置。

Images