JP4343337B2

JP4343337B2 - 光学装置

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Publication number: JP4343337B2
Application number: JP20852999A
Authority: JP
Inventors: 信幸橋本
Original assignee: Citizen Holdings Co Ltd; Citizen Watch Co Ltd
Current assignee: Citizen Holdings Co Ltd; Citizen Watch Co Ltd
Priority date: 1999-07-23
Filing date: 1999-07-23
Publication date: 2009-10-14
Anticipated expiration: 2019-07-23
Also published as: JP2001033734A

Description

【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ＣＤ−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６７０nm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１００４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１００８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１００７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、入射する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反射部材へ集光する第１の集光レンズと、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、かつ回折型レンズ素子及び位相変調素子として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ことを特徴とする。
【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、入射する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反射部材へ集光する第１の集光レンズと、反射部材で反射し該第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として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ことを特徴とする。
【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６０２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６０４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７８０ｎｍ程度のＹ軸方向の直線偏光１０２が空間光変調素子１０３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６０４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１０６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１０８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７０４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８０５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９０３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９０７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９０６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７８０ｎｍ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２０６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２０８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（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３０５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３０５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９０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３０６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３０４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１５％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９０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

入射する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反射部材へ集光する第１の集光レンズと、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として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ことを特徴とする光学装置。
前記空間光変調素子として液晶素子を用いたことを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
前記液晶素子はホモジェニアス型液晶素子から構成され、前記直線偏光の偏光軸方向と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をほぼ一致させたことを特徴とする請求項２記載の光学装置。
前記ホモジェニアス型液晶素子の位相変調量は前記直線偏光の波長の半波長程度または半波長プラス波長の整数倍程度で制御されることを特徴とする請求項３記載の光学装置。
入射する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反射部材へ集光する第１の集光レンズと、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として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ことを特徴とする光学装置。
前記空間光変調素子として液晶素子を用いたことを特徴とする請求項５記載の光学装置。
前記回折型レンズ素子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、前記旋光光学素子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、前記直線偏光の偏光軸方向と該ホモジェニアス型液晶素子及び該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をほぼ一致させたことを特徴とする請求項６記載の光学装置。