JPH07320295A - 超解像光ヘッド装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 シンプルな光学系により、等価的に回折限界
の約７０％の集光ビーム系での２次元走査を可能とする
超解像光ヘッド装置を実現する。 【構成】 直線偏光のコヒーレント光源１００から出射
する光ビームは、偏光性位相板１０４に入射し、互いに
直交する偏光成分を有する主ビームと中心位置及び主要
部サイズが一致する双峰状の副ビームを生成する。主ビ
ーム及び副ビームは光ディスク１１０の情報記憶面１１
０ａに集光され、反射後に偏光分離されて別々に第１〜
第３の光検出器１１３ａ〜１１３ｃにより検出される。
第１〜第３の光検出器１１３ａ〜１１３ｃからの出力信
号は差動演算器１１７によって演算され、出力される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、集光ビームを情報記憶
面に集光して光学的に情報読出しを行なう超解像光ヘッ
ド装置に関し、特に光ディスク用光ヘッド装置、バーコ
ードスキャナー又は画像スキャナー等に適用可能な超解
像光ヘッド装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】前記の超解像光ヘッド装置は、コヒーレ
ントビームを情報記憶面の微小スポットに集光ビームと
して集光する集光手段と、情報記憶面から反射されてく
る反射ビームの光強度を検出する光電変換手段とを備え
ており、回折限界又は回折限界以下の微小スポットの集
光ビームが得られるような工夫が種々成されている。

【０００３】図１６は超解像光学系として良く知られた
輪帯状の開口部を用いる従来の結像光学系を再回折光学
系として示した概略構成図である。このような輪帯状開
口方式の超解像光学系は、光ヘッド装置への適用例とし
て以下の文献に報告されている。

【０００４】１）“High Density Optical Recording b
y Super resolution, ”Y.Yamada,Y.Hirose and K.Kubo
ta,Proc.Int.Symp.on Optical Memory,1989.Jap.J.of A
ppl.Phys.,Vol.28(1989)supplement 28-3,pp.197-200. ２）“Optical Head with Annular Phase-Shifting Apo
tizer,”Hideo Ando,Tsuneshi Yokota and Koki Tanou
e,Jap.J.Appl.Phys.,Vol.32(1993)pp.5269-5276,pt.1,N
O.11B. 図１６に示すように、コヒーレント光源５０から発せら
れたコヒーレントビームは、コリメートレンズ（第１の
フーリエ変換レンズ）５１により平行光にされた後、輪
帯状開口部５２の開口（１次元的にはスリット開口）５
２ａ，５２ｂを通過して対物レンズ（第２のフーリエ変
換レンズ）５３によって結像され、前記輪帯状開口部
（透過率）５２のパワースペクトルとして図示されてい
るＩ（Ｘ）のような超解像スポットが得られる。

【０００５】前記文献１）は、このような超解像スポッ
トを一次元的に構成し、メインローブだけをスリット状
ナイフエッジで取り出して利用する光ヘッドについて説
明している。また、前記文献２）は、２次元的に超解像
スポットを実現するため、輪帯状開口部として複数個の
位相分布及び所定の振幅分布を用い、図１６において生
じているメインローブ外側のサイドローブの抑圧を図る
方式について説明している。後者の方式においてはサイ
ドローブの抑圧のため、輪帯状開口部の設計条件が最適
化されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、輪帯状
開口部によりサイドローブを抑圧する方式では集光ビー
ムの強度が低下することは免れない。例えば、集光ビー
ムのピーク値が５０％〜１５％程度に低下する場合に、
メインローブの半値幅を回折限界の８５％まで狭める
と、サイドローブの強度比がメインローブのピーク値の
７％程度になる。

【０００７】上述したように、対物レンズの開口面に相
当する平面にスリット状又は輪帯状の開口部を設ける
と、サイドローブが或る程度抑圧された回折限界を超え
る超解像を得ることができる反面、結像面に至る光量が
著しく低減するので、メインローブの光量が減少すると
いう問題、及びサイドローブ遮蔽用の開口部を設けるこ
とに伴い、光学経路の調整に精度が要求されると共に光
学系を構成する部品の経時変化等により装置の信頼性が
低下すると言う問題がある上に、ビームの半値幅も高々
１０〜２０％程度に小さくなる。

【０００８】前記に鑑み、本発明は、シンプルな光学系
により、光量の著しい減少を招くことなく、回折限界の
ビーム幅を約７０％〜５０％程度にまで小さくすること
ができる極めて高性能の超解像光ヘッド装置を提供する
ことを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
め、請求項１の発明は、互いにインコヒーレントで且つ
主要部のサイズは互いに等しいが、ビーム中心に強度の
ピークを有する主ビームとビーム中心の少なくとも両側
に強度のピークを有する副ビームとを情報記憶面に重畳
して集光し、情報記憶面から反射されてきた光ビームを
分離して光強度を差動的に検出することによって超解像
光学系を実現するものである。

【００１０】具体的に請求項１の発明が講じた解決手段
は、超解像光ヘッド装置を、主ビームとなる第１のコヒ
ーレント光を発する第１のコヒーレント光源と、前記第
１のコヒーレント光の偏光面と直交する偏光面を有する
か又は前記第１のコヒーレント光の波長と異なる波長を
有する第２のコヒーレント光を発する第２のコヒーレン
ト光源と、前記第２のコヒーレント光の入射を受け光軸
に垂直な面内でビーム中心の少なくとも両側にピーク値
を持ちビーム主要部のサイズが前記主ビームの主要部の
サイズと実質的に等しい光強度分布を有する副ビームを
出射する位相板と、前記第１のコヒーレント光源から出
射された主ビームと前記位相板から出射された副ビーム
とを重畳せしめて情報記憶面に集光する集光手段と、前
記主ビームと前記副ビームとが重畳してなる光ビームが
前記情報記憶面に設けられた光学的情報記憶担体にフォ
ーカシング及びトラッキングするように前記集光手段を
駆動させる駆動手段と、前記情報記憶面から反射してき
た光ビームの入射を受け該光ビームを主ビームと副ビー
ムとに偏光分離又は波長分離して出射する光分離手段
と、該光分離手段から出射された主ビーム及び副ビーム
の光強度を別々に検出して光強度信号を出力する光検出
手段と、該光検出手段から出力された光強度信号に基づ
き超解像走査信号を演算して出力する演算手段とを備え
ている構成とするものである。

【００１１】請求項２の発明は、請求項１の位相板に代
えてホログラム素子を用いることによって超解像光学系
を実現するものである。

【００１２】具体的に請求項２の発明が講じた解決手段
は、超解像光ヘッド装置を、主ビームとなるコヒーレン
ト光を発する第１のコヒーレント光源と、前記第１のコ
ヒーレント光の偏光面と直交する偏光面を有するか又は
前記第１のコヒーレント光の波長と異なる波長を有する
第２のコヒーレント光を発する第２のコヒーレント光源
と、前記第２のコヒーレント光の入射を受け光軸に垂直
な面内でビーム中心の少なくとも両側にピーク値を持ち
ビーム主要部のサイズが前記主ビームの主要部のサイズ
と実質的に等しい光強度分布を有する副ビームを出射す
るホログラム素子と、前記第１のコヒーレント光源から
出射された主ビームと前記ホログラム素子から出射され
た副ビームとを重畳せしめて情報記憶面に集光する集光
手段と、前記主ビームと前記副ビームとが重畳してなる
光ビームが前記情報記憶面に設けられた光学的情報記憶
担体にフォーカシング及びトラッキングするように前記
集光手段を駆動させる駆動手段と、前記情報記憶面から
反射してきた光ビームの入射を受け該光ビームを主ビー
ムと副ビームとに偏光分離又は波長分離して出射する光
分離手段と、該光分離手段から出射された主ビーム及び
副ビームの光強度を別々に検出して光強度信号を出力す
る光検出手段と、該光検出手段から出力された光強度信
号に基づき超解像走査信号を演算して出力する演算手段
とを備えている構成とするものである。

【００１３】請求項３の発明は、位相板を介して光軸対
称の強度分布を有する副ビームをシンプルな構成で得る
ため、請求項１の構成に、前記位相板は、位相板中心回
りにＮ個（Ｎは２以上の整数）に分割されており前記第
２のコヒーレント光源から発せられた第２のコヒーレン
ト光に対して相対的位相差０，２π／Ｎ，（２π／Ｎ）
×２，（２π／Ｎ）×３，…，及び（２π／Ｎ）・（２
Ｎ−１）を順に与えるＮ個の領域を有し、該Ｎ個の領域
を通過する第２のコヒーレント光を前記副ビームとして
出射するという構成を付加するものである。

【００１４】請求項４の発明は、副ビームをシンプルな
構成で得るため、請求項１又は２の構成に、前記位相板
は前記第２のコヒーレント光源に近接又は密接して該第
２のコヒーレント光源と一体に設けられているという構
成を付加するものである。

【００１５】請求項５の発明は、互いに直交する偏光面
を有する主ビーム及び副ビームをシンプルな構成で得る
ため、請求項１又は２の構成に、前記第１及び第２のコ
ヒーレント光源は、それぞれの偏光面が互いに直交する
ように配置された一対の直線偏向レーザであるという構
成を付加するものである。

【００１６】請求項６の発明は、光分離手段をシンプル
に構成するため、請求項１又は２の構成に、前記光分離
手段は、屈折率一軸異方性を有する基板と該基板の上に
形成された偏光性ホログラム素子又は偏光性回折格子と
からなり前記光ビームを主ビームと副ビームとに偏光分
離する偏光分離手段であるという構成を付加するもので
ある。

【００１７】請求項７の発明は、光分離手段をシンプル
に構成するため、請求項１又は２の構成に、光分離手段
は、多層膜誘電体フィルターからなり前記光ビームを主
ビームと副ビームとに波長分離する波長分離手段である
という構成を付加するものである。

【００１８】請求項８の発明は、単一のコヒーレント光
源から発したコヒーレント光を偏光性位相板により、互
いに直交する偏光面を有しビーム中心にピーク値を有す
る主ビームと該主ビームの中心の少なくとも両側にピー
ク値を持つ副ビームとに分離し、主ビームと副ビームと
を情報記憶面に集光し、情報記憶面から反射されてきた
光ビームを偏光分離して光強度を差動的に検出すること
によって超解像光学系を実現するものである。

【００１９】具体的に請求項８の発明が講じた解決手段
は、超解像光ヘッド装置を、コヒーレント光を発するコ
ヒーレント光源と、該コヒーレント光源から発せられた
コヒーレント光の入射を受け該コヒーレント光を主ビー
ムと該主ビームの偏光面と直交する偏光面を有し前記主
ビームの中心の少なくとも両側にピークを持ちビーム主
要部のサイズが前記主ビームの主要部のサイズと実質的
に等しい光強度分布を有する副ビームとに分離して出射
する偏光性位相板と、該偏光性位相板から出射された主
ビームと副ビームとを重畳せしめて情報記憶面に集光す
る集光手段と、前記主ビームと前記副ビームとが重畳し
てなる光ビームが前記情報記憶面に設けられた光学的情
報記憶担体にフォーカシング及びトラッキングするよう
に前記集光手段を駆動させる駆動手段と、前記情報記憶
面から反射してきた光ビームの入射を受け該光ビームを
主ビームと副ビームとに偏光分離して出射する偏光分離
手段と、該偏光分離手段から出射された主ビーム及び副
ビームの光強度を別々に検出して光強度信号を出力する
光検出手段と、該光検出手段から出力された光強度信号
に基づき超解像走査信号を演算して出力する演算手段と
を備えている構成とするものである。

【００２０】請求項９の発明は、偏光分離手段をシンプ
ルに構成するため、請求項８の構成に、前記偏光分離手
段は屈折率一軸異方性を有する基板と該基板の上に形成
された偏光性ホログラム素子又は偏光性回折格子からな
るという構成を付加するものである。

【００２１】請求項１０の発明は、偏光性位相板をシン
プルな構成で得るため、請求項８の構成に、前記偏光性
位相板は、前記コヒーレント光源から発せられたコヒー
レント光を一の方向の偏光面を有する光成分と前記一の
方向と直交する他の方向の偏光面を有する光成分とに偏
光分離し、前記一の方向の偏光面を有する光成分を前記
主ビームとして出射し、前記他の方向の偏光面を有する
光成分に対して相対位相差を与えない第１の領域とπの
相対位相差を与える第２の領域とを有し、該第１及び第
２の領域を通過する光成分を前記副ビームとして出射す
るという構成を付加するものである。

【００２２】請求項１１の発明は、請求項１０の構成
に、前記第１及び第２の領域は前記偏光性位相板におけ
る中心回りに分割された４領域に交互に２領域づつ形成
されているという構成を付加するものである。

【００２３】請求項１２の発明は、偏光性位相板を介し
て光軸対称の強度分布を有する副ビームをシンプルな構
成で得るため、請求項８の構成に、前記偏光性位相板
は、前記コヒーレント光源から発せられたコヒーレント
光を一の方向の偏光面を有する光成分と前記一の方向と
直交する他の方向の偏光面を有する光成分とに偏光分離
し、前記一の方向の偏光面を有する光成分は相対的位相
差を与えることなく出射し、位相板回りにＮ個（Ｎは２
以上の整数）に分割されており前記他の方向の偏光面を
有する光成分に対して相対位相差０，２π／Ｎ，（２π
／Ｎ）×２，（２π／Ｎ）×３，…，及び（２π／Ｎ）
・（Ｎ−１）を順に与えるＮ個の領域を有し、該Ｎ個の
領域を通過する光成分を前記副ビームとして出射すると
いう構成を付加するものである。

【００２４】請求項１３の発明は、単一のコヒーレント
光源から交互に発生する一対のパルス列を用い、一方の
パルス列はビーム中心にピークを有する主ビームとし、
他方のパルス列には位相変調を加えることによって前記
主ビームの中心の少なくとも両側にピーク値を持つ副ビ
ームとし、主ビーム及び副ビームを情報記憶面に集光
し、情報記憶面から反射されてきた主ビーム及び副ビー
ムのパルス列を時間分離してその光強度を別々に検出
し、選択的に遅延時間を与えられた主ビーム及び副ビー
ムに対応する光強度を差動的に検出することによって超
解像光学系を実現するものである。

【００２５】具体的に請求項１３の発明が講じた手段
は、超解像光ヘッド装置を、第１のパルス列と該第１の
パルス列の各パルスに対して時系列的に交互に発生する
第２のパルス列とを有するコヒーレント光を発するコヒ
ーレント光源と、前記コヒーレント光の入射を受け該コ
ヒーレント光の波面に前記第１及び第２のパルス列に同
期して選択的に位相変移を与えることにより前記コヒー
レント光を前記第１のパルス列よりなる主ビームと前記
第２のパルス列よりなり前記主ビームの光軸に垂直な面
内でビーム中心の少なくとも両側にピーク値を持ちビー
ム主要部のサイズが前記主ビームの主要部のサイズと実
質的に等しい光強度分布を有する副ビームとを出射する
位相変調手段と、該位相変調手段から出射された主ビー
ム及び副ビームを情報記憶面に集光する集光手段と、前
記主ビーム及び副ビームが前記情報記憶面に設けられた
光学的情報記憶担体にフォーカシング及びトラッキング
するように前記集光手段を駆動させる駆動手段と、前記
情報記憶面から反射してきた主ビーム及び副ビームの光
強度を別々に検出して光強度信号を出力する光検出手段
と、該光検出手段から出力された光強度信号に対して前
記第１のパルス列と前記第２のパルス列と間のパルス列
間隔相当の遅延時間を選択的に与える遅延手段と、前記
光検出手段から出力された光強度信号と前記遅延手段に
より前記遅延時間を与えられた光強度信号とに基づき超
解像走査信号を演算して出力する演算手段とを備えてい
る構成とするものである。

【００２６】請求項１４の発明は、単一のコヒーレント
光源から発したコヒーレント光を、偏光性位相板によ
り、互いに直交する偏光面を有しビーム中心にピーク値
を有する主ビームと該主ビームの中心の少なくとも両側
にピーク値を持つ副ビームとに分離し、往路光学系にお
いて主ビームと副ビームとを情報記憶面に集光し、復路
において情報記憶面から反射されてきた主ビームをホロ
グラム素子によって回折させると共に、主ビームと副ビ
ームとを偏光分離して光強度を差動的に検出することに
よって、超解像光学系を実現するものである。

【００２７】具体的に請求項１４の発明が講じた解決手
段は、超解像光ヘッド装置を、コヒーレント光を発する
コヒーレント光源と、前記コヒーレント光源から発せら
れたコヒーレント光を、主ビームと、該主ビームの偏光
面と直交する偏光面を有し前記主ビームの中心の少なく
とも両側にピークを持ちビーム主要部のサイズが前記主
ビームの主要部のサイズと実質的に等しい光強度分布を
有する副ビームとに分離して出射する偏光性位相板と、
該偏光性位相板から出射された主ビームと副ビームとを
重畳せしめて情報記憶面に集光する集光手段と、前記主
ビームと前記副ビームとが重畳してなる光ビームが前記
情報記憶面に設けられた光学的情報記憶担体にフォーカ
シング及びトラッキングするように前記集光手段を駆動
させる駆動手段と、前記集光手段と一体に設けられ、前
記情報記憶面から反射してきた復路の光ビームを回折さ
せて前記コヒーレント光源の発光面とほぼ同一の平面上
に導くホログラム素子と、該ホログラム素子により回折
された復路の光ビームの入射を受け、該復路の光ビーム
を主ビームと副ビームとに偏光分離して出射する偏光分
離手段と、前記コヒーレント光源の発光面とほぼ同一の
平面上に設けられ、前記偏光分離手段から出射された主
ビーム及び副ビームの光強度を別々に検出して光強度信
号を出力する光検出手段と、該光検出手段から出力され
た光強度信号に基づき超解像走査信号を演算して出力す
る演算手段とを備えている構成とするものである。

【００２８】

【作用】請求項１の構成により、主ビームは通常のAiry
disc 状パターン又は光軸中心に光強度のピーク値を有
するビームとなり、副ビームの主要部は集光面で主ビー
ムの半値幅と等しいビームサイズを有し且つビーム中心
の少なくとも両側に副ビームのピークが形成され、情報
記憶面において主ビーム及び副ビームは互いにインコヒ
ーレントに重畳して集光され、主ビームと副ビームとが
情報記憶面で重畳してなる光ビームは情報記憶面から反
射された後、偏光分離又は波長分離されて主ビーム及び
副ビームとして独立に光強度が検出され、該光強度が差
動的に演算されることにより、等価的に主ビームの強度
分布と副ビームの強度分布との差分として走査された出
力信号が得られるので、超解像光信号をシンプル且つ確
実に得ることができる。

【００２９】請求項２の構成により、主ビームは通常の
Airy disc 状パターン又は光軸中心に光強度のピーク値
を有するビームとなり、ホログラム素子から再生される
形で生成される副ビームの主要部は情報記憶面において
主ビームの半値幅と等しいビームサイズを有し且つ副ビ
ームのビーム中心の少なくとも両側に光強度のピークが
形成され、情報記憶面において主ビームと副ビームとは
インコヒーレントに重畳して集光され、主ビームと副ビ
ームとが情報記憶面において重畳してなる光ビームは情
報記憶面から反射された後、偏光分離又は波長分離され
て主ビーム及び副ビームとして独立に光強度が検出さ
れ、該光強度が差動的に演算されることにより、等価的
に主ビームの強度分布と副ビームの強度分布との差分と
して演算された出力信号が得られるので、超解像光信号
をシンプル且つ確実に得ることができる。

【００３０】請求項３の構成により、主ビームと、ビー
ム中心を軸として円環状にピークを有し主ビームと同軸
の副ビームとが重畳された光ビームを情報記憶面に集光
し、情報記憶面から反射してきた光ビームを主ビームと
副ビームとに偏光分離して独立に光強度を検出するの
で、回折限界よりも細い円形ビームを用いた場合と等価
な超解像光信号を安定して実現することができる。

【００３１】請求項４の構成により、副ビームを出射す
る位相板は第２のコヒーレント光源に一体に設けられて
いるのでシンプルでコンパクトな超解像光信号を安定し
て実現することができる。

【００３２】請求項５の構成により、偏光面が互いに直
交する一対の直線偏光レーザは、互いにインコヒーレン
トであり、容易に偏光分離できるので、請求項１又は２
の超解像光ヘッド装置をシンプルに実現できる。

【００３３】請求項６の構成により、偏光性ホログラム
素子又は偏光性回折素子は、主ビーム及び副ビームのう
ちの一方の偏光ビームの大半のエネルギー成分は±１次
回折光となり、他方の偏光ビームは０次回折光として透
過させるため、主ビーム及び副ビームを空間的に確実に
分離して光強度を検出できるので、超解像光信号を確実
に実現できる。

【００３４】請求項７の構成により、多層膜誘電体フィ
ルターが狭帯域バンドパスフィルターとして作用するた
め、波長が互いに異なる主ビーム及び副ビームを確実に
波長分離して光強度を検出できるので、超解像光信号を
確実に実現できる。

【００３５】請求項８の構成により、単一のコヒーレン
ト光源から出射されたコヒーレント光から偏光面が互い
に直交する主ビーム及び副ビームを得られ、しかも主ビ
ーム及び副ビームの主要部のサイズが等しく、主ビーム
は光軸中心が光強度のピークを有するビームとなり、副
ビームはビーム中心の少なくとも両側に光強度のピーク
が形成され、情報記憶面において主ビームと副ビームと
は互いにインコヒーレントに重畳して集光され、主ビー
ム及び副ビームは情報記憶面において重畳してなる光ビ
ームとして情報記憶面から反射された後、偏光分離され
て主ビーム及び副ビームとして独立に光強度が検出さ
れ、該光強度が差動的に演算されることにより、等価的
に主ビームの強度分布と副ビームの強度分布との差分と
して走査された出力信号が得られるので、超解像光信号
をシンプル且つ確実に得ることができる。

【００３６】請求項９の構成により、請求項６と同様
に、超解像光信号を確実に実現することができる。

【００３７】請求項１０の構成により、偏光性位相板
は、一の方向の偏光面を有する主ビームをそのまま出射
し、一の方向と直交する他の方向の偏光面を有するビー
ムに対しては、０及びπの位相差を与えて、ビーム中心
の少なくとも両側にピークを有し且つビーム主要部のサ
イズが主ビームの主要部のサイズと等しい副ビームとし
て出射するため、主ビーム及び副ビームを情報記憶面に
おいて重畳して集光し、情報記憶面から反射した主ビー
ム及び副ビームを偏光分離して独立に光強度を検出する
ので、それぞれの光強度の出力信号を差動演算すること
により、少なくとも１次元方向には超解像となる光信号
を極めて安定して得ることができる。

【００３８】請求項１１の構成により、主ビームとビー
ム中心の４方向にわたってピークを有する副ビームとが
重畳された光ビームを情報記憶面に集光し、情報記憶面
から反射された光ビームを主ビームと副ビームとに偏光
分離して独立に光強度を検出するので、回折限界よりも
細い矩形ビームを用いた場合と等価な超解像光ヘッド装
置を安定して実現することができる。

【００３９】請求項１２の構成により、請求項３の構成
と同様にして、回折限界よりも細い円形ビームを用いた
場合と等価な超解像光ヘッドを安定して実現することが
できる。

【００４０】請求項１３の構成により、主ビーム及び副
ビームを単一のコヒーレント光源から出射され時間的に
分離された一対のパルス列として得られ、しかも主ビー
ム及び副ビームの主要部のサイズが等しく、主ビームは
光軸中心が光強度のピーク値を有するビームとなり、副
ビームはビーム中心の少なくとも両側に光強度のピーク
が形成され、主ビームと副ビームとは、情報記憶面にお
いて時間的に分離され且つ等価的にインコヒーレントに
重畳して集光され、情報記憶面においてフォーカシング
及びトラッキング制御された光ビームとして情報記憶面
から反射された後、時間的に分離されて主ビーム及び副
ビームとして独立に光強度が検出され、該光強度に対応
する光強度信号は選択的に遅延されて差動的に演算され
ることにより、等価的に主ビームの強度分布と副ビーム
の強度分布との差分として演算された出力信号が得られ
るので、超解像光信号をシンプル且つ確実に得ることが
できる。

【００４１】請求項１４の構成により、単一のコヒーレ
ント光源から出射されたコヒーレント光から偏光面が互
いに直交する主ビーム及び副ビームが得られ、主ビーム
及び副ビームの各主要部のサイズがほぼ等しく、主ビー
ムは光軸中心が光強度のピークを有するビームとなり、
副ビームはビーム中心の少なくとも両側に光強度のピー
クを有するビームとなり、往路においては主ビームと副
ビームとは互いにインコヒーレントに重畳して情報記憶
面に集光される。主ビーム及び副ビームが情報記憶面に
おいて重畳してなる光ビームは、情報記憶面から反射さ
れた後、復路においてホログラム素子によって光軸外に
回折された後、偏光分離手段によって偏光分離され、主
ビーム及び副ビームとして別々に光強度が検出される。
主ビーム及び副ビームの各光強度が差動的に演算される
ことにより、等価的に主ビームの強度分布と副ビームの
強度分布との差分として走査された出力信号が得られる
ので、超解像信号をシンプル且つ確実に得ることができ
る。

【００４２】

【実施例】

（第１実施例）図１は、本発明の第１実施例に係る超解
像光ヘッド装置の概略構成を示している。

【００４３】同図に示すように、半導体レーザからなる
コヒーレント光源１００から出射された光ビームは、コ
リメートレンズ１０１、開口部１０２及び集光レンズ１
０３を通過して偏光性位相板１０４を照射する。光ビー
ムは偏光性位相板１０４により偏光面が互いに直交する
主ビームと副ビームとに分離された後、コリメートレン
ズ１０５、開口部１０６を介してミラー１０７により反
射され、その後、ビームスプリッタ１０８により方向を
変えられて、対物レンズ１０９によりピット状に情報が
記憶された光ディスク１１０の情報記憶面１１０ａに集
光される。該情報記憶面１１０ａにより反射された主ビ
ーム及び副ビームは、再び対物レンズ１０９により平行
光とされた後、ビームスプリッタ１０８を直進する。そ
の後、主ビーム１３０は後述する偏光性ホログラム素子
１１１により回折された後、集光レンズ１１２により集
光されて第１の光検出器１１３ａ及び第３の光検出器１
１３ｃに至り、副ビーム１３１は同じく集光レンズ１１
２により集光されて第２の光検出器１１３ｂに至る。
尚、第１〜第３の光検出器１１３ａ〜１１３ｂによって
集積型光検出器１１３が構成されており、該集積型光検
出器１１３の詳細な構造については後述する。

【００４４】第１及び第３の光検出器１１３ａ，１１３
ｃから出力された電気信号は合成された後、第１の増幅
器１１５により増幅され、第２の光検出器１１３ｂから
出力された電気信号は第２の増幅器１１６により増幅さ
れる。第１の増幅器１１５及び第２の増幅器１１６から
出力された出力信号は差動演算器１１７により演算され
る。

【００４５】尚、図１において、１１８は電磁式駆動手
段（ボイスコイル式アクチュエータ）、１１９はフォー
カシング誤差信号及びトラッキング誤差信号を演算する
演算手段、１２０は演算手段１１９からの出力信号によ
り電磁式駆動手段１１８を駆動する駆動部である。

【００４６】第１実施例の特徴は、主ビームと主要部の
サイズが一致し、中央部を除く周辺部の光強度が主ビー
ムと実質的に等しい副ビームを簡単且つ安定して形成で
きるビーム整形光学系部１２１の構成にある。

【００４７】第１実施例の特有の効果は次の通りであ
る。すなわち、主ビーム及び副ビームが単一のコヒーレ
ント光源１００から出射した光ビームによって形成され
るため、主ビーム及び副ビームを別々の半導体レーザ、
光学系を介して整形する場合に比べて、メインローブ周
辺部における光強度が主ビームと副ビームとの間で等し
く且つ光軸ズレもない安定した走査光学系が得られるこ
とである。

【００４８】コヒーレント光源１００を構成する半導体
レーザは、通常の市販品として得られる直線偏光の横モ
ードの単一ビームを出射する光源であって、第１実施例
においては、紙面にほぼ４５°の方向に偏光面を設定し
ている。このようにすることにより、紙面に平行な方向
及び垂直な方向にそれぞれｓｉｎ４５°を乗じた成分が
存在する。一方、偏光性位相板１０４の結晶軸（図１１
（ｅ）を参照）を、そのＺ−Ｙ面が紙面と一致するよう
に設定することにより、主ビーム（常光）１３０及び副
ビーム（異常光）１３１が形成される。第１実施例にお
いては、偏光性位相板１０４として図９及び図１０に基
づき後述する位相領域を有するものを用いることがで
き、第１実施例は、一般的に極めて安定な２次元的な超
解像光ヘッド装置を提供する。

【００４９】尚、第１実施例において、開口部１０２の
開口サイズをやや狭めて、偏光性位相板１０４上のビー
ムサイズを対物レンズ１０９の回折限界のビームサイズ
の１．５倍よりも大きくしても、第１実施例の効果は特
に変わるものではない。その理由は、本発明の原理から
明らかなように、主ビーム及び副ビームのメインローブ
が中心部以外では互いに等しいプロファイルを持ち、差
動検出によって相殺されるからである。

【００５０】図２（ａ），（ｂ）は、第１実施例におい
て、主ビーム１３０及び副ビーム１３１の光強度分布が
情報記憶面においてどのようになっているかを模式的に
説明するものである。図２（ａ）においては、本発明の
超解像原理を分り易く１次元モデルで説明するため、偏
光性位相板１０４の上にＸ_s 軸をとり、主ビーム１３０
もＸ_s 軸に入射して、副ビーム１３１と同一のビームウ
エスト（beam waist）径Ｗ₁ を有するとしている。図１
のコリメートレンズ１０５は図２（ａ）の第１の凸レン
ズ１５０に対応し、図１の対物レンズ１０９は図２
（ａ）の第２の凸レンズ１５１に対応し、図１の開口部
１０６は図２（ａ）の開口部１５２に対応する。ただ
し、波長λの光ビームの径Ｗ₁ は、開口部１５２の直径
Ｄに対して回折限界のビーム径Ｗ_R （Ｗ_R はλ／（Ｎ・
Ａ）＝λ／ｓｉｎα₁ とほぼ等しい）よりも約１．５倍
だけ大きく設定している。

【００５１】また、第１及び第２の凸レンズ１５０，１
５１は共にフーリエ変換レンズであり、ｆ₁ ・ｓｉｎα
₁ ＝ｆ₂ ・ｓｉｎα₂ ＝Ｄ／２…（１）なる関係式を満
している。このとき結像面Ｘ₀ 軸上においては、主ビー
ム１３０の強度分布１６０の主要部のサイズと副ビーム
１３１の強度分布１６１の主要部のサイズとは互いに等
しく、Ｗ₂ （Ｗ₂ は（ｆ₂ ／ｆ₁ ）・Ｗ₁ とほぼ等し
い）となる。

【００５２】偏光性位相板１０４は、特定の偏光成分に
対して光軸上に位相差πを生じる段差ｄ₁ の位相境界を
有し、波長λの光に対する屈折率がｎの基板であり、
（ｎ−１）・ｄ＝λ／２の関係を有しているとした。従
って、Ｘ₀ 軸上において、互いに逆位相の振幅分布を有
する２つの波面１６２，１６３が重畳した結果として上
述の副ビーム１３１の強度分布１６１が得られる。副ビ
ーム１３１の強度分布１６１と主ビーム１３０の強度分
布１６０との差分Ｉ_d （ｘ₀ ）としては、図２（ｂ）に
示すように、副ビーム１３１が光軸近傍で落込んだ部分
だけが残り、半値全幅（full width half maximum ）ｇ
₀ は、回折限界の半値全幅ｇ_R に対して約７０％のサイ
ズとなる。

【００５３】前記の超解像原理は、実際には図１に示し
た主ビーム１３０及び副ビーム１３１の光強度を検出す
る第１〜第３の光検出器１１３ａ，１１３ｂ，１１３ｃ
よりなる集積型検出器１１３及び信号演算処理部１１４
によって実現されることは既に述べた通りである。

【００５４】図３は、図２と同様な光学系であるが、解
析的に取り扱えることができる分り易い変形例を模式的
に示している。図２に示す光学系と異なる点は、副ビー
ム１３１が距離δ＝（λ・ｆ₁ ）／Ｄだけ離れた２つの
点１７０，１７１によって与えられており、Ｘ₀ 軸にお
ける２つの点１７０，１７１に対応する回折像は、矩形
状の開口部１５２を介して回折限界の振幅分布１７３，
１７４を形成し、互いに位相がπだけ異なる。また振幅
分布１７３，１７４の中心はδ₁ ＝δ×（ｆ₂／ｆ₁ ）
だけ離れており、それぞれの振幅のピーク位置において
相手の振幅が０になるようにδ及びδ₁ を設定している
ので、図３に図示したような強度分布１７５が得られ
る。これを解析的に示すと、Ｘ₀ 軸上において副ビーム
１３１として得られる双峰状ビームの複素振幅分布ｕ₁
（Ｘ₀ ）は、

【数１】 となり、強度分布Ｉ（Ｘ₀ ）は、Ｉ（Ｘ₀ ）＝｜ｕ
₁ （Ｘ₀ ）｜² …（３）となる。

【００５５】（２）式において、ｓｉｎｃＸ＝（ｓｉｎ
Ｘ）／Ｘ…（４）であり、δ₁ ＝δ×（ｆ₂ ／ｆ₁ ）＝
（ｆ₂ ・λ）／Ｄ＝（１／２）・（λ／ｓｉｎα₂ ）…
（５）は、開口数ｓｉｎα₂ を有する光ヘッドの分解能
に相当し、Rayleighのcriterion(通常、接近した２点を
分解しうる最小間隔）に相当する。２次元への拡張につ
いては後述するが、その場合にはｓｉｎｃ関数の代りに
第１種ベッセル関数Ｊ₁ （ｒ）を用いることにより点像
の振幅及び強度分布が表わされる。光軸上に円形開口を
通して結像される点像（Airy pattern）の振幅分布は、
光軸中心からの距離ｒを用いて、ｕ（ｒ）＝（２π（Ｄ
／２）² ・Ｊ₁ （Ｒ））／Ｒ…（６）で示される。ただ
し、Ｒ＝（π・Ｄ・ｒ）／（λ・ｆ₂ ）で与えられる。

【００５６】Airy disc と称されるメインローブの寸法
は、Ａ＝２×１．２２×（λ・ｆ₂ ）／Ｄ…（７）とな
り、矩形開口の場合のメインローブの寸法Ｂ＝２×（λ
・ｆ₂ ）／Ｄ…（８）に比べて１．２２倍だけ大きくな
るに過ぎない。

【００５７】このように副ビーム１３１が情報記憶面に
おいて集光されて形成する双峰状ビームの中心部の窪み
は、コンピュータシミュレーションによると第２の凸レ
ンズ１５１（図１における対物レンズ１０９）の回折限
界のビーム径の約７０％となる。主ビーム１３０の主要
部の寸法を副ビーム１３１の主要部の寸法と一致させ、
主ビーム１３０及び副ビーム１３１を別々に検出し、差
動演算器１１７により演算することにより、該差動演算
器１１７からの出力信号は、等価的には回折限界の約７
０％のビームサイズによって走査される信号に相当す
る。尚、主ビーム１３０及び副ビーム１３１のサイズ調
整は図１における開口部１０２により可能である。

【００５８】偏光性位相板１０４（又は通常の位相板）
の位相領域構成は、図９（ａ）に示すように、基準の厚
さを有する第１の領域１０と該第１の領域１０よりもｄ
₁ だけ厚さが異なる第２の領域１１とから成る。このよ
うにすると、集光面において図９（ａ）のＸ_s 方向に双
峰状の光強度分布が得られることは既に説明した。従っ
て、Ｘ_s 方向に１次元の超解像効果が実現される訳であ
る。図５に基づき後述する独立した光学系によって主ビ
ームと副ビームとを形成する場合には、無偏光性位相板
でも効果は変わらない。

【００５９】図９（ｂ）は偏光性位相板１０４（又は通
常の位相板）の他の構成例を示している。この例におい
ては、偏光性位相板１０４を４つの領域１２，１３，１
４，１５により構成し、図９（ｃ）に模式的に示すよう
に、副ビーム１３１の中央部に光強度の弱い２次元的窪
み１６を実現している。

【００６０】図１０（ａ）は、偏光性位相板１０４（又
は通常の位相板）の位相領域のより好ましい他の構成例
を示しており、光軸の廻りに、０，π／２，π，（３／
２）πの順に４つの領域２０，２１，２２，２３を形成
し、１つおきに隣り合う領域間の位相差をπとしてい
る。このようにすると、図１０（ｂ）に模式的に示す像
面の中央部２４は図９（ｂ）の場合に比べてより窪みが
深い強度分布となる。

【００６１】図１０（ｃ）も、偏光性位相板１０４（又
は通常の位相板）の位相領域の他の構成例を示してお
り、前記の考え方を一層拡張し、円周方向に８等分した
８つの領域３０，３１，３２，３３，３４，３５，３
６，３７に、０から順に２π／８づつのステップで位相
差を設け、互いに向かい合う（つまり１８０°の角をな
す対極の）２つの領域間での位相差をπとしている。こ
のように円周をＮ分割して、それぞれ２π／Ｎづつ位相
差を生じるように偏光性位相板１０４の位相領域を構成
することによって限りなく理想に近い光軸対称型の副ビ
ーム１３１を形成することが可能になる。実用的には、
Ｎ＝８とし、図１０（ｄ）に示す情報記憶面（Ｘ₀ ，Ｙ
₀ ）における副ビーム１３１の中心部３８はほぼ光軸対
称の分布を実現している。

【００６２】図１１（ａ）〜（ｄ）は偏光性位相板１０
４の製作プロセスの一例を示している。

【００６３】まず、図１１（ａ）に示すように、厚さ５
００μｍのニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂ０₃ ）の結晶か
らなり屈折率が一軸異方性の基板１８０（Ｘ板）の表面
に、スパッタ法によりＴａ膜１８１を２３０オングスト
ロームの膜厚に形成する。

【００６４】次に、図１１（ｂ）に示すように、フォト
リソグラフィ及びドライエッチングによりＴａ膜１８１
に対してパターンニングして、半平面状のプロトン交換
マスク１８２を形成する。

【００６５】次に、図１１（ｃ）に示すように、プロト
ン交換マスク１８２をマスクとして温度２６０℃のピロ
リン酸（Ｈ₄ Ｐ₂ Ｏ₇ ）による熱処理を行ない、深さ
２．３８μｍのプロトン交換領域１８３を形成する。

【００６６】次に、沸酸（ＨＦ）によるエッチングによ
って、図１１（ｄ）に示すように、プロトン交換領域１
８３に位相補償溝（深さｄ₂ ）を形成すると、図１１
（ｅ）に示すような偏光性位相板１０４が得られる。Ｔ
ａ膜１８１は沸酸により速やかに除去され、その後、プ
ロトン交換領域１８３が選択的にエッチングされる。

【００６７】このようにすると、偏光性位相板１０４
は、Ｙ方向の偏光面を有する偏光成分（常光と称する）
に対して位相段差を有する位相板となり、Ｚ方向の偏光
面を有する偏光成分（異常光と称する）に対して一様な
透明基板となる。尚、前記位相補償溝の形成方法につい
ては後に詳述する。

【００６８】常光に対して位相差πを与え、異常光に対
して一様な透明基板となる条件は、一般にプロトン交換
領域１８３の厚さｄ₃ 及び位相補償溝の深さｄ₂ が （２π／λ）×｛Δｎ_o ×ｄ₃ ＋（１−ｎ_o ）×ｄ₂ ｝＝−π…（９） （２π／λ）×｛Δｎ_e ×ｄ₃ ＋（１−ｎ_e ）×ｄ₂ ｝＝０…（１０） を満足することにより実現される。ここに、λは入射光
の波長、ｎ_o ，ｎ_e はそれぞれ基板（非プロトン交換
域）１８０に対する常光、異常光の屈折率、Δｎ_oは常
光に対するプロトン交換による屈折率の減少分、Δｎ_e
は異常光に対するプロトン交換による屈折率の増加分で
ある。

【００６９】［表１］はニオブ酸リチウムよりなる基板
１８０の屈折率と、プロトン変換による屈折率変化のデ
ータ例を示している。

【００７０】

【表１】

【００７１】図１１においては、（０，π）が単に１次
元的な２領域として形成された偏光性位相板１０４を示
したが、同様の工程を用いて図９、図１０に示す領域を
有する偏光性位相板１０４を製作し、２次元的な超解像
走査光学系を実現することも可能である。この場合に
は、πと異なる他の位相差φを常光に与える領域におい
ては（９）式の右辺は−φとおく。

【００７２】図７（ａ）は、図１１で説明したニオブ酸
リチウム基板を用いた偏光性位相板１０４と同様のプロ
セスによって作成される偏光性ホログラム素子１１１の
概略構成を示し、図７（ｂ）は図７（ａ）におけるｂ−
ｂ線の断面構造を示している。図７（ａ）は、フォーカ
ス検出用の軸外しフレネルゾーンプレート（off-axisFr
esnel zone plate ）のパターンとしてのプロトン交換
領域１１１ａ及び非プロトン交換領域１１１ｂ、並びに
トラッキング誤差信号検出用のプッシュプル信号を検出
するための回折格子パターン１１１ｃ，１１１ｄを示し
ている。

【００７３】偏光性ホログラム素子１１１は、プロトン
交換領域１１１ａ及び非プロトン交換領域１１１ｂから
なり、位相補償溝の深さｄ₂ 及びプロトン交換層の厚さ
ｄ₃は、前記の（９），（１０）式を満たしている。

【００７４】図８は、上述した集積型光検出器１１３の
構成を示している。図７に示す偏光性ホログラム素子１
１１のフレネルゾーンプレート領域により回折された＋
１次及び−１次の回折光（常光）のビーム３２ａ及び３
２ｂは、一対の３分割型光検出器１１３ａ₁ ，１１３ａ
₂ ，１１３ａ₃ （図１における第１の光検出器１１３ａ
に対応する）及び１１３ｃ₁ ，１１３ｃ₂ ，１１３ｃ₃
（図１における第３の光検出器１１３ｃに対応する）に
それぞれ入射し、スポットサイズディテクション（ＳＳ
Ｄ法）のフォーカス誤差信号を与える。また、偏光性ホ
ログラム素子１１１を透過した０次回折光（異常光）３
３は第２の光検出器１１３ｂに入射する。トラッキング
誤差信号は光検出器１１３ｃ₄ 及び１１３ｃ₅ にそれぞ
れ入射するビーム３２ｃ及び３２ｄの光強度の差動検出
によって実現される。

【００７５】前記のようなホログラム素子（holographi
c optical element ）を用いてサーボ信号検出を行なう
技術については、特開昭５０−７８３４１号、特開昭６
２−２５１０２５号、特開昭６２−２５１０２６号、特
開昭６３−２２９６４０及びＵＳＰ４，９２９，８２３
に開示されている。また、偏光性ホログラム素子を用い
た光ヘッドについてはＵＳＰ５，０６２，０９８に開示
されている。

【００７６】本第１実施例によって光ディスク１１１の
情報記憶面１１０ａ（図１を参照）に記憶されている情
報の超解像読み取りが可能であることは、既に図１〜図
３に基づいて行なった説明により明らかである。要約す
れば、主ビームが検出される各信号（Ｓ_a1〜Ｓ_a3及びＳ
_c1〜Ｓ_c5）の総和と、副ビームが検出される信号Ｓ_bを
差動的に演算処理することによってＲＦ信号として対物
レンズ１０９の回折限界の約７０％のビームサイズで走
査したのと等価な超解像の読み取りが実現できる。

【００７７】以下、第１実施例の第１変形例について説
明する。

【００７８】第１実施例においては、主ビーム（常光）
を用いてフォーカス誤差信号及びトラッキング誤差信号
を得たが、逆に副ビーム（異常光）がホログラム素子に
より回折されてサーボ信号を与えるようにすることも可
能である。この場合には、図７に示したホログラムパタ
ーンの向きを変えることなくホログラム素子の基板の結
晶軸の方向のみを９０°回転させた状態でホログラム素
子を形成するだけでよい。このようにすると、副ビーム
は光軸近傍の光強度が０に近く、レンズ外周近傍の光強
度が大きいので、プッシュプル信号に対応する変調度の
大きいトラッキング誤差信号が得られる。

【００７９】以下、第１実施例の第２変形例について説
明する。

【００８０】第１実施例の第２変形例としては、トラッ
キング信号を得る第３の構成が可能である。すなわち、
図７に示した回折格子パターン１１１ｃ，１１１ｄを設
けずに、すべてのホログラム素子面をフレネルゾーンプ
レート１１１ａ，１１１ｂにより構成する。この場合に
は、図８に示した副ビーム検出用の第２の光検出器１１
３ｂを図８のＹ方向に中央部で２分割された２つの光検
出器（図８においては図示されていない）により構成
し、該２つの光検出器からの差動出力を用いてトラッキ
ング信号を得ることも可能である。

【００８１】このようにすると、主ビームによるフォー
カシング誤差信号の影響を受けることなく、トラッキン
グ誤差信号が得られ、安定したトラッキングサーボが可
能になる。トラッキング誤差信号の安定検出はトラック
間距離がより狭くなるに従い困難となるが、第２変形例
においては、副ビームによるトラッキング制御に双峰状
又は４峰状等のビームパターンの特質を利用することに
よって、狭トラック化された光ディスクの安定した読み
出しが可能となる。

【００８２】（第２実施例）図４は、本発明の第２実施
例に係る超解像光ヘッド装置の概略構成を示している。

【００８３】同図に示すように、半導体レーザからなる
コヒーレント光源２００から出射された光ビームは、コ
リメートレンズ２０１、ホログラム素子２０２に至り、
該ホログラム素子２０２により偏光面が互いに直交する
主ビームと副ビームとに分離された後、ビームスプリッ
タ２０４により方向を変えられ、その後、対物レンズ２
０５によりピット状の情報が記憶された光ディスク２１
３の情報記憶面２１３ａに集光される。該情報記憶面２
１３ａにより反射された主ビーム及び副ビームは、再び
対物レンズ２０５により平行光とされた後、ビームスプ
リッタ２０４を通過する。その後、主ビームは偏光性ホ
ログラム素子２０６により回折された後、集光レンズ２
０７により集光されて第１の光検出器２０８ａ及び第３
の光検出器２０８ｃに至り、副ビームは同じく集光レン
ズ２０７により集光されて第２の光検出器２０８ｂに至
る。

【００８４】第１及び第３の光検出器２０８ａ，２０８
ｃから出力された電気信号は合成された後、第１の増幅
器２０９により増幅され、第２の光検出器２０８ｂから
出力された電気信号は第２の増幅器２１０により増幅さ
れる。第１の増幅器２０９及び第２の増幅器２１０から
出力された出力信号は差動演算器２１１により演算され
る。

【００８５】尚、図４において、２１２は電磁式駆動手
段（ボイスコイル式アクチュエータ）、２１４は演算処
理部２１５及び電磁式駆動手段２１２を駆動する駆動部
を有する制御部、２１６は主ビームと副ビームとを簡単
且つ安定して形成するビーム整形光学系部である。

【００８６】ホログラム素子２０２は、図９及び図１０
に基づき説明した偏光性位相板１０４（又は通常の位相
板）のいずれか１つを所定サイズのコヒーレント光によ
り照明し、透過光をコリメートした後、前記コヒーレン
ト光と、該コヒーレント光と可干渉である他の参照光と
を重畳して得られるホログラム素子である。ホログラム
素子２０２の製作過程においては、前記の無偏光性位相
板１０４を用いても効果は変わらない。

【００８７】以下、前記のホログラム素子２０２につい
て図３を参照しながら説明する。

【００８８】偏光性位相板１０４及び２つの点１７０，
１７１（実際には微小開口を有するスリット）を波長λ
の平行コヒーレント光により照射し、フーリエ変換レン
ズ（凸レンズ）１５０の焦点面（ξ軸）に参照光１７６
を導入して感光材料に干渉縞を記録する。このような任
意の物体からの回折波面を独立の参照光と重畳して作る
ホログラム技術については衆知であり、これ以上の詳し
い説明は不要であろう。ここでは、波長λ、参照光の入
射角θ及びレンズ焦点距離ｆ₁ を用いてホログラムを記
録したが、他の波長λ₀ 及びレンズ焦点距離ｆ₀ を用い
てもよい。このときの参照光の入射角θ₀ は、ｓｉｎθ
₀ ／ｓｉｎθ＝λ₀ ／λとなるように設定し、図４に示
すコリメートレンズ２０１の焦点距離をｆ₁ ＝ｆ₀ ・λ
₀ ／λとすればよい。この他にも、等価的に同一の効果
が得られるようなホログラム記録・再生光学系のパラメ
ータ設定が可能である。

【００８９】このように、偏光性位相板１０４と等価な
ホログラム素子２０２によりビームスプリッタを兼ねた
構成にすることにより、図４に示す主ビーム及び副ビー
ムは同軸上に形成されるが、別法として偏光性位相板１
０４のホログラムをコンピュータ合成にもとづく手法に
より設計・製作することも勿論可能である。この場合の
特別の利点は、図１０に基づき説明したＮ分割の偏光性
位相板１０４をコンピュータ上ではＮ→∞として理想化
したモデルから計算可能なことである。計算結果に基づ
き、リソグラフィに用い得るマスクパターンとして生成
したり、電子ビーム描画又はレーザビーム描画等の手段
によって複製が可能なレリーフ型ホログラムを得ること
ができる。

【００９０】第２実施例における偏光性ホログラム素子
２０６は、第１実施例の偏光性ホログラム１１１と同様
に構成されている。

【００９１】同種の偏光性ホログラム素子については、
例えばＵＳＰ５，０６２，０９８等において応用例が開
示されていると共に、他の基板材料例えば液晶デバイス
が有する偏光異方性も利用可能である。

【００９２】ところが、前記第１及び第２実施例に係る
偏光性ホログラム素子１１１，２０６を製作するのに用
いた方法は、以下に説明するように製作精度及びコスト
の点で一段と優れている。すなわち、ニオブ酸リチウム
をプロトン交換した素子は前記の［表１］に示すように
プロトン交換した領域で異常光の大きな屈折率変化（Δ
ｎ_e ）が生じるため、異常光に対しては回折効果が大き
い位相型回折格子として作用する。

【００９３】しかしながら、プロトン交換した領域にお
いては常光に対しても若干の屈折率差（Δｎ_o ）が生じ
る。このようにニオブ酸リチウムをプロトン交換したま
まの回折格子は異常光の屈折率と常光の屈折率変化とが
同時に生じ、前記の偏光分離機能を完全には実現できな
いので、何らかの位相補償を加える必要がある。従来の
方法（A.Ohba et al.,Jap.J.Appl.Phys.,28(1989)359）
においては、プロトン交換領域に誘電体膜を形成して常
光の位相差を補償していた。このため回折格子の製作
に、誘電体の堆積工程及びパターンニング工程を要する
ほか、位置合わせ精度の問題も残されていた。

【００９４】図７（ｅ）において模式的に示す偏光性ホ
ログラム素子（偏光分離素子）１１１は、基板（Ｘ板）
の表面にプロトン交換領域１１１ａが格子状に形成さ
れ、偏光異方性のホログラム素子に形成されているが、
位相補償の方法としては、従来とは逆にプロトン交換領
域１１１ａのみをエッチング（以後、これを位相補償溝
と称する）し、エッチング後のプロトン交換領域１１１
ａを通過する異常光に対してプロトン非交換領域１１１
ｂとの位相差を相殺している。すなわち、位相補償溝は
屈折率１（＝空気の屈折率）であり基板に比べて小さく
なる（常光：１−ｎ_o ，異常光：１−ｎ_e ）。従って異
常光のプロトン交換による増加分（Δｎ_e）を相殺し、
位相差を無くすときには、常光に対してはプロトン交換
による屈折率減少分（Δｎ_o ）に位相補償溝による減少
分が加えられ位相差が逆に増大する。常光を最大効率で
回折し、異常光を回折しない条件は、上述の（９），
（１０）式で与えられている。

【００９５】以下、偏光性ホログラム素子１１１の製作
方法について再び説明する。

【００９６】偏光性ホログラム素子１１１は、図１１に
示した偏光性位相板１０４と同様、フォトリソグラフィ
及びプロトン交換というプロセスを用いて容易に製作可
能である。すなわち、一軸異方性材料であるニオブ酸リ
チウム（ＬｉＮｂＯ₃ ）の結晶よりなる基板上にＴａ膜
を形成した後、フォトリソグラフィ及びドライエッチン
グによりＴａ膜に対してパターンニングして、格子状の
プロトン交換マスクを形成する。次に、プロトン交換マ
スクをマスクとして温度２６０℃のピロリン酸により熱
処理を行ない、図１１（ｃ）において示したように、深
さ２．３８μｍのプロトン交換領域を形成する。ここで
沸酸エッチングは、プロトン交換領域に対してはエッチ
ングする一方、基板に対してはエッチングしない選択性
を有しており、この選択性を利用することによって、位
置合わせをすることなくプロトン交換領域１１１ａ（図
７を参照）よりなる位相補償溝を形成することが可能と
なる。位相補償溝の深さが増加するに伴い、常光におい
ては位相差が増大し、常光の１次回折光の効率η_o1は増
加し、透過率η_o0（０次回折光の効率）は減少する。一
方、異常光においては位相補償溝によりプロトン交換領
域１１１ａの屈折率増加が相殺され、１次回折光の回折
効率η_e1が減少し、透過率が増加している。異常光の透
過率η_e0はエッチング深さ０．１３μｍのときに最小と
なる。このとき、消光比は、透過光（異常光）が２４ｄ
Ｂ、回折光（常光）が１７ｄＢであり、良好な特性が得
られている。

【００９７】このようにして偏光ホログラム素子２０６
によって主ビーム及び副ビームは、良好な消光比をもっ
て図４に示す第１の光検出器２０８ａ及び第３の光検出
器２０８ｃと、第２の光検出器２０８ｂとによりそれぞ
れ検出される。第１実施例と同様、第１の光検出器２０
８ａと第３の光検出器２０８ｃとは電気的に接続され、
電気信号が加算される。第１〜第３の光検出器２０８ａ
〜２０８ｃからの出力信号は、演算処理部及びアクチュ
エータ駆動部を備えた制御部２１４に伝えられ、電磁式
駆動手段２１２が制御される。

【００９８】（第３実施例）図５は、本発明の第３実施
例に係る超解像光ヘッド装置の概略構成を示している。

【００９９】第３実施例は、第１及び第２実施例と異な
り、光源として波長が互いにわずかに異なるコヒーレン
ト光を出射する第１のコヒーレント光源３０１及び第２
のコヒーレント光源３０２を用いている。これに伴い、
主ビームと副ビームとの分離手段としては波長分離光学
系である多層膜干渉フィルタ３０９を用いている。

【０１００】図５に示すように、第１のコヒーレント光
源３００から出射された波長λ₁ の第１のコヒーレント
光よりなる主ビームは、開口部（図示されていない）を
有する第１のコリメートレンズ３０２及び第１のビーム
スプリッタ３０３を介して対物レンズ３０５に入射し、
光ディスク３０６の情報記憶面３０６ａに集光される。
一方、位相板が一体に集積化された第２のコヒーレント
光源３０１からは、第１のコヒーレント光の波長λ₁ と
はΔλだけ異なる波長λ₂ ＝λ₁ ＋Δλの第２のコヒー
レント光よりなる副ビームが出射される。副ビームは、
第２のコリメートレンズ３０４により平行光とされた
後、第２のビームスプリッタ３０７により反射され、そ
の後、第１のビームスプリッタ３０３を透過して対物レ
ンズ３０５により光ディスク３０６の情報記憶面３０６
ａに集光される。主ビームと副ビームとは、光ディスク
３０６の情報記憶面３０６ａにおいて重畳された後、情
報記憶面３０６ａにより反射され、その後、フォーカシ
ング誤差信号及びトラッキング誤差信号を検出するため
のホログラム素子３０８によりで回折された後、波長分
離のための多層膜干渉フィルター３０９に入射する。そ
の後、多層膜干渉フィルター３０９のバンドパス特性に
従って、主ビームは多層膜干渉フィルター３０９により
反射されて集光レンズ３１０を介して第１の光検出器３
１１に入射し、副ビームは多層膜干渉フィルター３０９
及び集光レンズ３１２を透過して第２の光検出器３１３
に入射する。第１の光検出器３１１から出力された電気
信号は第１の増幅器３１４により増幅され、第２の光検
出器３１３から出力された電気信号は第２の増幅器３１
５により増幅される。第１の増幅器３１４からの出力信
号及び第２の増幅器３１５からの出力信号は差動演算器
３１６により演算されて、該差動演算器３１６から超解
像走査信号として出力される。また、電磁式駆動手段３
１６への制御信号を出力する機構については図示してい
ないが第１及び第２の実施例と同様である。

【０１０１】第２のコヒーレント光源３０１としては、
図１２に示すように、半導体レーザ３２０のビーム出射
端面である活性層出力端３２０ａに近接して位相板３２
１（４つの位相領域３２１ａ〜３２１ｄを有する）を一
体集積化したもの、又は、図１３に示すように、半導体
レーザ３２０に位相板３２２を密着して一体化したもの
を用いることができる。

【０１０２】第３実施例の変形例として、波長分離では
なく偏光分離の原理によって光学系を構成してもよい。
すなわち、第１のコヒーレント光源３００と第２のコヒ
ーレント光源３０１として、互いに直交する偏光面を有
するものを用い、多層膜干渉フィルター３０９の代りに
偏光ビームスプリッタを用い、ホログラム素子３０８と
して第１実施例又は第２実施例と同様の偏光性ホログラ
ム素子１１１，２０６を用いることができる。

【０１０３】（第４実施例）図６は、本発明の第４実施
例に係る超解像光ヘッド装置の概略構成を示している。

【０１０４】第４実施例は、主ビーム及び副ビームの信
号検出方法として時間分離方式を用いている。

【０１０５】図６に示すように、コヒーレント光源４０
０から出射されパルス変調される直線偏光のパルス状ビ
ーム光は、集光レンズ４０１によりビーム整形された
後、位相変調器４０２に入射し、その後、コリメートレ
ンズ４０３、開口部４０４、偏光性ビームスプリッタ４
０５及び４分の１波長板４０６を通過した後、対物レン
ズ４０７により光ディスク４０８の情報記憶面４０８ａ
に集光される。情報記憶面１０８ａにより反射されたパ
ルス状ビームは、再び、４分の１波長板４０６、偏光性
ビームスプリッタ４０５、ホログラム素子４０９及び集
光レンズ４１０を通って光検出器４１１に入射する。第
１の制御部４１２は、コヒーレント光源４００及び位相
変調器４０２を同期して駆動すると共に、主ビームと副
ビームとが交互に光ディスク４０８の情報記憶面４０８
ａに到達して反射されるように制御する。

【０１０６】光検出器４１１に入射するパルス状ビーム
の主ビームは第１の増幅器４１３を介して差動演算器４
１４に入力され、パルス状ビームの副ビームは第２の増
幅器４１５及び遅延素子４１６を介して差動演算器４１
４に入力される。そして、差動演算器４１５からは超解
像信号が出力端子４１７を介して出力される。遅延素子
４１６は主ビームと副ビームとのパルス間隔ｔを調整す
るものである。

【０１０７】ホログラム素子４０９により回折されるフ
ォーカシング誤差信号及びトラッキング誤差信号は、第
１実施例と同様に、光検出器４１１により受光された
後、サーボ信号として第２の制御部４１８に送られる。
第２の制御部４１８は前記サーボ信号に基づき、電磁式
駆動手段４１９を駆動する。

【０１０８】位相変調器４０２は、図１４に示すよう
に、ニオブ酸リチウム結晶又はＰＬＺＴよりなる強誘電
体結晶４２０がＺ軸方向の上下方向から上部電極４２１
Ａ及び下部電極４２１Ｂにより挟み込まれ、上部電極４
２１Ａ及び下部電極４２１Ｂが第１の制御部４１２に組
み込まれた電圧印加電源に接続されたものである。但
し、電圧は、図１４に示すように、位相変調器４０２に
入射する直線偏光のビーム４３０の２分の１部分に対し
てΔｎ_e ×ｌの光路差を有するようなビーム４３１が生
じるように印加する。

【０１０９】 Δｎ_e ＝（１／２）×Ｎ³ ×Ｅγ₃₃…（１１） Δｎ_e ×ｌ＝λ² ／２…（１２） 電気光学定数γ₃₃はほぼ３０×１０^-12 ｍ／ｖであり、
λ₂ はほぼ０．４×１０^-6ｍであり、Ｌ＝１０^-2ｍ、Ｎ
をほぼ２（屈折率）とすると、必要な電界Ｅはほぼ２×
１０⁵ ｖ／ｍ＝２００ｖ／ｍｍとなる。

【０１１０】図１５（ａ）は、タンタル酸リチウムより
なる強誘電体結晶４２２（図１４に示す強誘電体結晶４
２０の上半分に相当する）に、上部電極４２１Ａ及び下
部電極４２１Ｂを介して約２０ｋｖの高電界を印加して
形成した分極反転構造を有する位相変調器４０２の概略
構成を示している。電圧の印加により、位相変調器４０
２に入射する直線偏光のビーム４３２に対して±Δｎ×
ｌの位相差がビーム４３３に生じており、図１４に示す
位相変調器４０２に比べて１／２の電圧印加により図１
４に示す位相変調器４０２と同等の光路差を生じさせる
ことができる。このとき、図９（ｂ）や図１０（ａ）の
ような２次元的位相領域形成を実現するには、図１４又
は図１５（ａ）に示すような位相変調器４０２を直交
（Ｘ−Ｚ面内で９０°回転）して重ね合わせるか、又は
図１５（ｂ）に示すような透明電極４２３Ａ〜４２３Ｄ
を光ビームの入射面及び出射面に形成して電圧を印加す
ればよい。尚、図１５（ａ），（ｂ）において、４２４
は位相変調器４０２に電圧を印加する電源部である。

【０１１１】（第５実施例）図１６は、本発明の第５実
施例に係る超解像光ヘッド装置の概略構成を示してい
る。

【０１１２】第５実施例は、往復光路型のシンプルな光
学系を構成するため、集光手段として、一体化された対
物レンズとホログラム素子とを用い、コンパクトな超解
像光ヘッドを実現している。

【０１１３】図１６（ａ）に示すように、コヒーレント
光源５００から発せられたコヒーレント光は、往路にお
いて、コヒーレント光源５００に近接して設けられた屈
折率一軸異方性を有する基板５０１に形成された４分割
の偏光性位相板５０２（０，π／２，π，３π／２）を
通過することにより、偏光面が互いに直交する主ビーム
（→）及び副ビーム（◎）を生成する。主ビーム及び副
ビームは、対物レンズ５０３と一体に設けられたホログ
ラム素子５０４を通過し、該ホログラム素子５０４の０
次透過光は、対物レンズ５０３によって光ディスク５０
５の情報記憶面５０５ａに重畳して集光される。情報記
憶面５０５ａからの反射ビームは、復路において、対物
レンズ５０３及びホログラム素子５０４を通過する。ホ
ログラム素子５０４により回折された１次回折光は、対
物レンズ５０３の光軸外に進行して、基板５０１におけ
る偏光性位相板５０２と隣接する領域に形成された図１
７（ｂ）に示す偏光性回折格子５０６に入射する。偏光
性回折格子５０６に入射した光は、該偏光性回折格子５
０６によって主ビームと副ビームとに偏光分離された
後、図１７（ａ）に示す光検出器５０８により検出され
る。尚、図１７（ｃ）は、主ビーム及び副ビームの各光
強度分布を示している。

【０１１４】以下、ホログラム素子５０４の作用及び光
検出器５０８による超解像走査信号の検出方法について
詳しく説明する。

【０１１５】まず、ホログラム素子５０４は、復路の光
ビームを対物レンズ５０３の光軸外に回折させて往路の
光ビームと分離するビームスプリッタ機能、分離した光
ビームからフォーカシング信号及びトラッキングサーボ
信号を得るための光ビーム形成機能、並びにＲＦ信号を
検出する機能を複合的に有している。信号は各種の方式
に形成できるが、第５実施例においては、図１７（ａ）
に示すように、フォーカシング誤差信号をスポットサイ
ズディテクション（ＳＳＤ）方式により、トラッキング
誤差信号をプッシュプル（ＰＰ）方式で得るようにして
いる。ＳＳＤ方式は、特願昭６２−２５１０２５号等に
開示されているが、第５実施例のホログラム素子５０４
は、対物レンズ５０３と一体化するのに適するように、
ブレーズ化ホログラムとして下記の文献に詳述されてい
るような領域分離型のフレネルゾーンプレート２枚を重
畳したものにより構成している。

【０１１６】Makoto Kato et al.;"Recent advances in
optical pickup head withholographic optical eleme
nts", Proc. SPiE,vol.1507,p.p.36-44.,EuropianCongr
ess on Optics, Holographic Optics III:Principles a
nd Applications,12-15 March 1991,The Hague,The Net
herlands. 尚、第５実施例においては、ホログラム素子５０４がコ
ヒーレント光源５００側に位置し、対物レンズ５０３が
光ディスク５０５側に位置するが、これらの配置は逆で
あってもよい。

【０１１７】図１７（ａ）に示されるように、コヒーレ
ント光源５００と一体に集積化された光検出器５０８の
基板５０９上に、ＳＳＤ方式のフォーカシング誤差信号
検出用の素子端子５１０ａ，５１０ｂが設けられてい
る。フォーカシング誤差信号は、素子端子５１０ａ，５
１０ｂにより主ビームによって形成された一対の光ビー
ム５１１ａ，５１１ｂとして分離して検出される。ま
た、トラッキング誤差信号は、光検出器５０８の基板５
０９上に形成された素子端子５１０ｃ，５１０ｄによ
り、一対の光ビーム５１１ｃ，５１１ｄとして検出され
る。

【０１１８】副ビームは、偏光性回折格子５０６により
±１次回折光として分離され、主ビームの両側におい
て、素子端子５１２ａ，５１２ｂ，５１２ｃ，５１２
ｄ，５１２ｅ，５１２ｆによりそれぞれ検出される。超
解像走査信号は、ＲＦ信号として、素子端子５１０ａ，
５１０ｂ，５１０ｃ，５１０ｄの合計出力信号から素子
端子５１２ａ，５１２ｂ，５１２ｃ，５１２ｄ，５１２
ｅ，５１２ｆの合計出力信号を減算して得られる。但
し、適当な増幅回路をそれぞれ経て演算の最適化を図る
ことは設計上の問題に属するのでこれ以上の説明は省略
する。

【０１１９】第５実施例においては、偏光性位相板５０
２は４分割されていたが、他の数の領域に分割されてい
てもよいのは当然である。また、偏光性位相板５０２の
製造プロセスについては、偏光性回折格子と共に既に詳
しく説明したので、ここでは省略する。

【０１２０】第５実施例に係る超解像光ヘッド装置にお
いては、次のような効果が得られる。すなわち、往復光
路型の光学系を構成したため、コンパクトでシンプルな
超解像走査光学系の光ヘッド装置が実現できる。偏光性
位相板５２０と偏光性回折格子５０６とを同一の基板５
０１上に近接して形成したので、非常に安定性が良い。
コヒーレント光源５００と光検出器５０８とを同一の基
板５０９上に一体に集積したので、組立及び調整が容易
であると共に、経年変化、温度変化及び機械的変形に対
して極めて安定性が良い。尚、コヒーレント光源５００
と光検出器５０８とを同一の基板５０９上に設ける技術
は、例えばシリコン基板上に一体形成したエッチドミラ
ーによって基板５０９面に垂直に光ビームを出射する構
造、及び光検出器５０８を前記のシリコン基板上に集積
化する構造として衆知である。

【０１２１】また、第５実施例において、トラッキング
誤差信号を素子端子５１０ｃの出力信号と素子端子５１
０ｄの出力信号との差動信号として検出する際、素子端
子５１２ａからの出力信号と素子端子５１２ｂからの出
力信号との和を素子端子５１０ｃからの出力信号から適
当な割合で減算すると共に、素子端子５１２ｃからの出
力信号と素子端子５１２ｄからの出力信号との和を素子
端子５１０ｄからの出力信号から適当な割合で減算する
ことにより、通常の手段では困難であった高密度記録時
のトラッキング誤差信号を明瞭に検出することが可能と
なる。

【０１２２】前述のようにして得られたサーボ信号を、
一体化された対物レンズ５０３及びホログラム素子５０
４を駆動するアクチュエータ５１５へフィードバックす
ることは衆知の技術であるので説明は省略する。

【０１２３】以上のように、本発明の各実施例を詳述し
たので、従来の光学系を用いた光ヘッド装置における回
折限界のビームの約７０％のビームサイズを等価的に実
現した本発明の超解像光ヘッド装置の構成及び作用は明
らかに了解されよう。

【０１２４】本発明の重要な効果は、対物レンズの開口
数を高くせずに（例えば、コンパクトディスクのプレー
ヤに組込まれている光ヘッドではＮＡ＝０．４５、波長
λ＝０．７８μｍ）、また光源波長も変えることなく、
約２倍の高密度化ディスクが読み取れることである。コ
ンパクトディスクプレーヤにおける光ヘッドの焦点深度
は約１．５μｍ程度とされ、フォーカシング制御は容易
であるが、高い開口数（例えばＮＡ＝０．６）の対物レ
ンズと、短波長光源（例えばλ＝０．４３μｍ）を使う
ときには、焦点深度は、波長に比例し、開口数の２乗に
逆比例して短くなる。

【０１２５】 １．５μｍ×（４３０／７８０）×（０．４５／０．６０）₂ ＝１．５μｍ× ０．３１（略０．４７μｍに等しい）…（１３） 従って、本発明の超解像光学系を光ヘッド装置に用いる
と、短波長光源を用いて高密度光ディスクをシンプル且
つ安価なプレーヤにより読み取れることになり、従来の
サーボ信号検出技術及び制御技術を用いても容易に安定
した光ディスク装置が実現できるという多大な効果を発
揮するものである。

【０１２６】換言すれば、本発明によると、主ビームの
光強度と副ビームの光強度との差動的演算処理が行なわ
れる結果、対物レンズの回折限界解像度を基準にした焦
点深度は２倍以上も深くなるという極めて顕著な効果を
有するものである。

【０１２７】

【発明の効果】請求項１の発明に係る超解像光ヘッド装
置によると、被走査面においては、互いにインコヒーレ
ントな主ビーム及び副ビームが重畳されて走査され、主
ビームはAiry disc 状パターン又はビーム中心に強度の
ピークを有するビームプロファイルを形成し、副ビーム
は主要部のサイズが主ビームと等しくビーム中心の少な
くとも両側にピーク値を有する双峰状の強度分布を持っ
ており、主ビーム及び副ビームは、情報記憶面から反射
した後にそれぞれの偏光面又は波長が異なることを利用
して分離され、独立して光検出器に導かれ光強度が差動
的に演算処理されるので、光学系の解像性能としては使
用する対物レンズの回折限界を越えてさらに約７０％の
ビーム幅を等価的に実現することができる。

【０１２８】また、情報記憶面においては、同軸ビーム
として重畳された主ビームと副ビームとは、これら両ビ
ームが互いに直交する偏光面又は互いに異なる波長を有
しているという性質を利用して容易に空間的に分離して
光検出することが可能であるため、シンプルで確実な超
解像光信号を得ることが可能である。

【０１２９】なお、双峰状の強度分布を有する副ビーム
の生成は、透過光の波長に対して相対位相差が０からπ
に変移する段差を有した位相板によって簡単に実現する
ことができ、前記位相板を主ビームとほぼ同一の強度分
布を有するコヒーレント光で照射することによって双峰
状ビームの周辺部は主ビーム周辺部と実質的に同一の強
度分布を実現できる。このようなビーム波形整形は、主
ビーム又は副ビームが通過する開口部の開口径を最適化
することにより行なうことができる。

【０１３０】請求項２の発明に係る超解像光ヘッド装置
によると、副ビームの生成が位相板のホログラム素子に
よって実現されるので、たとえ位相板の製作過程に複雑
な処理を要することがあっても、位相板自体は１つだけ
あればよく、工業的にはホログラム素子を量産して使用
できること、また位相板を実際に製作せず、単にコンピ
ュータ上で設計するコンピュータ生成によるホログラム
（computer generatedhologram ）の手法を用いること
も可能であるので、設計及び製作の自由度が極めて高め
られる。

【０１３１】請求項３の発明に係る超解像光ヘッド装置
によると、請求項１又は２の位相板を軸対称の偏光性位
相板として実現したため、請求項１又は２の超解像光学
系を軸対称の超解像ビーム光学系と等価な性能で、しか
もシンプル且つ安定に実現できるという多大の効果を得
ることができる。

【０１３２】請求項４の発明に係る超解像光ヘッド装置
によると、位相板が第２のコヒーレント光源に一体に設
けられているため、安定した副ビームをシンプルな構成
で得られる。

【０１３３】請求項５の発明に係る超解像光ヘッド装置
によると、請求項１又は２の発明における主ビーム及び
副ビームの互いに直交した偏光面の生成が、一対の直線
偏光レーザの発光面を単に所定の位置関係に設定するだ
けで実現できるため、シンプルな構成の光学系で目的を
達しうる。

【０１３４】請求項６の発明に係る超解像走査光学装置
によると、偏光分離を平板上の偏光性ホログラム素子又
は回折格子によって実現できるため、偏光性ビームスプ
リッタを使用する場合に比べてコンパクトで且つ低コス
トの超解像走査光学系を実現することができる。

【０１３５】請求項７の発明に係る超解像光ヘッド装置
によると、波長分離を多層膜誘電体フィルタによって実
現できるため、該フィルタの狭帯域バンドパス透過率特
性及びその逆特性を有する反射率特性によって波長差の
小さい２波長を効率良く分離、検出できる。

【０１３６】請求項８の発明に係る超解像光ヘッド装置
によると、単一のコヒーレント光源から出射したビーム
を偏光性位相板に導き、その共役面に被走査面を設ける
ので、主ビーム及び副ビームは互いの光軸が全くずれる
ことなく走査され、極めて安定で且つ良質の超解像走査
光学系を極めてシンプルな構成により実現できる。

【０１３７】請求項９の発明に係る超解像光ヘッド装置
によると、請求項６の発明と同様に、コンパクトで且つ
低コストの超解像走査光学系を実現することができる。

【０１３８】請求項１０の発明に係る超解像光ヘッド装
置によると、主ビーム及び副ビームは、単一のコヒーレ
ント光源より出射したコヒーレント光を偏光性位相板に
導くことにより、偏光分離と同時に生成されるので、主
ビーム及び副ビームの周辺部の強度分布は同一形状で揃
っており、ビーム走査を行なっても光軸が互いにずれる
ことがなく、極めて安定で高性能の超解像光ヘッド装置
を実現できる。

【０１３９】請求項１１の発明に係る超解像光ヘッド装
置によると、請求項１０の発明に係る超解像走査光学系
が、矩形状の超解像ビームの光学系と等価な性能で、し
かもシンプルに実現できるという効果を有する。

【０１４０】請求項１２の発明に係る超解像光ヘッド装
置によると、請求項３の発明と同様にして、請求項１又
は２の超解像走査光学系を軸対称の超解像ビーム走査光
学系と等価な性能で、しかもシンプル且つ安定に実現で
きるという多大の効果を得ることができる。

【０１４１】請求項１３の発明に係る超解像光ヘッド装
置によると、単一のコヒーレント光源、集積化された単
一の光検出器並びに遅延素子を用いて時間分離された主
ビームと副ビームの信号処理を行なうので、シンプルな
光学系で超解像光ヘッド装置を実現できる。

【０１４２】請求項１４の発明に係る超解像光ヘッド装
置によると、単一のコヒーレント光源及び光検出器を同
一の平面上に設けたので、組立て及び調整が容易である
と共に経年変化、温度変化及び機械的変形に対して極め
て安定性が良く、また、集光手段とホログラム素子とを
一体化したので、コンパクトでシンプルな光学系により
超解像光ヘッド装置を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例に係る超解像光ヘッド装置
の概略構成図である。

【図２】本発明の各実施例に共通する副ビームの生成及
び超解像光学系の構成原理を１次元的モデルで示した概
略図である。

【図３】本発明の各実施例に共通する超解像光学系の原
理を簡単な１次元的モデルで示した概略図である。

【図４】本発明の第２実施例に係る超解像光ヘッド装置
の概略構成図である。

【図５】本発明の第３実施例に係る超解像光ヘッド装置
の概略構成図である。

【図６】本発明の第４実施例に係る超解像光ヘッド装置
の概略構成図である。

【図７】本発明の第１及び第２実施例における偏光性ホ
ログラム素子の概略構成図である。

【図８】本発明の第１及び第２実施例に共通する集積化
された光検出器の構成例を説明する図である。

【図９】本発明の各実施例に共通する副ビーム生成のた
めの位相板の構成例を説明する図である。

【図１０】本発明の各実施例に共通する副ビーム生成の
ための位相板の他の構成例を説明する図である。

【図１１】本発明の第４実施例における偏光性回折格子
の構成例を説明する概略図である。

【図１２】本発明の第３実施例における副ビーム生成用
光源と位相板の構成例を説明する図である。

【図１３】本発明の第３実施例における副ビーム生成用
光源と位相板の他の構成例を説明する図である。

【図１４】本発明の第４実施例における位相変調器の構
成例を説明する図である。

【図１５】本発明の第４実施例における位相変調器の他
の構成例を説明する図である。

【図１６】本発明の第５実施例に係る超解像光ヘッド装
置の概略構成図である。

【図１７】（ａ）は第５実施例におけるコヒーレント光
源と光検出器とが同一の基板上に形成された状態を示す
平面図であり、（ｂ）は第５実施例における偏光性位相
板と偏光性回折格子とが同一の基板に形成された状態を
示す平面図であり、（ｃ）は第５実施例における主ビー
ム及び副ビームの光強度分布を示す図である。

【図１８】従来の輪帯状開口を用いた超解像光学系を説
明する概略構成図である。

【符号の説明】

１００ コヒーレント光源 １０４ 偏光性位相板（位相板） １０９ 対物レンズ（集光手段） １１０ 光ディスク １１０ａ 情報記憶面 １１１ 偏光性ホログラム素子（光分離手段）（偏光分
離手段） １１３ａ 第１の光検出器（光検出手段） １１３ｂ 第２の光検出器（光検出手段） １１３ｃ 第３の光検出器（光検出手段） １１７ 差動演算器（演算手段） １１８ 電磁式駆動手段（駆動手段） ２００ コヒーレント光源 ２０２ ホログラム素子 ２０５ 対物レンズ（集光手段） ２０６ 偏光性ホログラム素子（光分離手段）（偏光分
離手段） ２０８ａ 第１の光検出器（光検出手段） ２０８ｂ 第２の光検出器（光検出手段） ２０８ｃ 第３の光検出器（光検出手段） ２１１ 差動演算器（演算手段） ２１２ 電磁式駆動手段（駆動手段） ２１３ 光ディスク ２１３ａ 情報記憶面 ３００ 第１のコヒーレント光源 ３０１ 第２のコヒーレント光源 ３０５ 対物レンズ（集光手段） ３０６ 光ディスク ３０６ａ 情報記憶面 ３０８ ホログラム素子 ３０９ 多層膜干渉フィルタ（光分離手段）（波長分離
手段） ３１１ 第１の光検出器（光検出手段） ３１３ 第２の光検出器（光検出手段） ３１６ 電磁式駆動手段（駆動手段） ４００ コヒーレント光源 ４０２ 位相変調器（位相変調手段） ４０７ 対物レンズ（集光手段） ４０８ 光ディスク ４０８ａ 情報記憶面 ４１１ 光検出器（光検出手段） ４１４ 差動演算器（演算手段） ４１６ 遅延素子（遅延手段） ４１９ 電磁式駆動手段（駆動手段） ５００ コヒーレント光源 ５０２ 偏光性位相板 ５０３ 対物レンズ（集光手段） ５０４ ホログラム素子 ５０５ 光ディスク ５０５ａ 情報記憶面 ５０６ 偏光性回折格子（偏光分離手段） ５０８ 光検出器 ５１５ アクチュエーター（駆動手段）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山本 博昭 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 山本 和久 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 主ビームとなる第１のコヒーレント光を
   発する第１のコヒーレント光源と、 前記第１のコヒーレント光の偏光面と直交する偏光面を
   有するか又は前記第１のコヒーレント光の波長と異なる
   波長を有する第２のコヒーレント光を発する第２のコヒ
   ーレント光源と、 前記第２のコヒーレント光の入射を受け、光軸に垂直な
   面内でビーム中心の少なくとも両側にピーク値を持ちビ
   ーム主要部のサイズが前記主ビームの主要部のサイズと
   実質的に等しい光強度分布を有する副ビームを出射する
   位相板と、 前記第１のコヒーレント光源から出射された主ビームと
   前記位相板から出射された副ビームとを重畳せしめて情
   報記憶面に集光する集光手段と、 前記主ビームと前記副ビームとが重畳してなる光ビーム
   が前記情報記憶面に設けられた光学的情報記憶担体にフ
   ォーカシング及びトラッキングするように前記集光手段
   を駆動させる駆動手段と、 前記情報記憶面から反射してきた光ビームの入射を受
   け、該光ビームを主ビームと副ビームとに偏光分離又は
   波長分離して出射する光分離手段と、 該光分離手段から出射された主ビーム及び副ビームの光
   強度を別々に検出して光強度信号を出力する光検出手段
   と、 該光検出手段から出力された光強度信号に基づき超解像
   走査信号を演算して出力する演算手段とを備えているこ
   とを特徴とする超解像光ヘッド装置。
2. 【請求項２】 主ビームとなるコヒーレント光を発する
   第１のコヒーレント光源と、 前記第１のコヒーレント光の偏光面と直交する偏光面を
   有するか又は前記第１のコヒーレント光の波長と異なる
   波長を有する第２のコヒーレント光を発する第２のコヒ
   ーレント光源と、 前記第２のコヒーレント光の入射を受け、光軸に垂直な
   面内でビーム中心の少なくとも両側にピーク値を持ちビ
   ーム主要部のサイズが前記主ビームの主要部のサイズと
   実質的に等しい光強度分布を有する副ビームを出射する
   ホログラム素子と、 前記第１のコヒーレント光源から出射された主ビームと
   前記ホログラム素子から出射された副ビームとを重畳せ
   しめて情報記憶面に集光する集光手段と、 前記主ビームと前記副ビームとが重畳してなる光ビーム
   が前記情報記憶面に設けられた光学的情報記憶担体にフ
   ォーカシング及びトラッキングするように前記集光手段
   を駆動させる駆動手段と、 前記情報記憶面から反射してきた光ビームの入射を受
   け、該光ビームを主ビームと副ビームとに偏光分離又は
   波長分離して出射する光分離手段と、 該光分離手段から出射された主ビーム及び副ビームの光
   強度を別々に検出して光強度信号を出力する光検出手段
   と、 該光検出手段から出力された光強度信号に基づき超解像
   走査信号を演算して出力する演算手段とを備えているこ
   とを特徴とする超解像光ヘッド装置。
3. 【請求項３】 前記位相板は、位相板中心回りにＮ個
   （Ｎは２以上の整数）に分割されており前記第２のコヒ
   ーレント光源から発せられた第２のコヒーレント光に対
   して相対的位相差０，２π／Ｎ，（２π／Ｎ）×２，
   （２π／Ｎ）×３，…，及び（２π／Ｎ）・（２Ｎ−
   １）を順に与えるＮ個の領域を有し、該Ｎ個の領域を通
   過する第２のコヒーレント光を前記副ビームとして出射
   することを特徴とする請求項１に記載の超解像光ヘッド
   装置。
4. 【請求項４】 前記位相板は、前記第２のコヒーレント
   光源に近接又は密接して該第２のコヒーレント光源と一
   体に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に
   記載の超解像光ヘッド装置。
5. 【請求項５】 前記第１及び第２のコヒーレント光源
   は、それぞれの偏光面が互いに直交するように配置され
   た一対の直線偏光レーザであることを特徴とする請求項
   １又は２に記載の超解像光ヘッド装置。
6. 【請求項６】 前記光分離手段は、屈折率一軸異方性を
   有する基板と該基板の上に形成された偏光性ホログラム
   素子又は偏光性回折格子からなり、前記光ビームを前記
   主ビームと前記副ビームとに偏光分離する偏光分離手段
   であることを特徴とする請求項１又は２に記載の超解像
   光ヘッド装置。
7. 【請求項７】 前記光分離手段は、多層膜誘電体フィル
   ターからなり、前記光ビームを前記主ビームと前記副ビ
   ームとに波長分離する波長分離手段であることを特徴と
   する請求項１又は２に記載の超解像光ヘッド装置。
8. 【請求項８】 コヒーレント光を発するコヒーレント光
   源と、 該コヒーレント光源から発せられたコヒーレント光の入
   射を受け、該コヒーレント光を、主ビームと、該主ビー
   ムの偏光面と直交する偏光面を有し前記主ビームの中心
   の少なくとも両側にピークを持ちビーム主要部のサイズ
   が前記主ビームの主要部のサイズと実質的に等しい光強
   度分布を有する副ビームとに分離して出射する偏光性位
   相板と、 該偏光性位相板から出射された主ビームと副ビームとを
   重畳せしめて情報記憶面に集光する集光手段と、 前記主ビームと前記副ビームとが重畳してなる光ビーム
   が前記情報記憶面に設けられた光学的情報記憶担体にフ
   ォーカシング及びトラッキングするように前記集光手段
   を駆動させる駆動手段と、 前記情報記憶面から反射してきた光ビームの入射を受
   け、該光ビームを主ビームと副ビームとに偏光分離して
   出射する偏光分離手段と、 該偏光分離手段から出射された主ビーム及び副ビームの
   光強度を別々に検出して光強度信号を出力する光検出手
   段と、 該光検出手段から出力された光強度信号に基づき超解像
   走査信号を演算して出力する演算手段とを備えているこ
   とを特徴とする超解像光ヘッド装置。
9. 【請求項９】 前記偏光分離手段は、屈折率一軸異方性
   を有する基板と該基板の上に形成された偏光性ホログラ
   ム素子又は偏光性回折格子からなることを特徴とする請
   求項８に記載の超解像光ヘッド装置。
10. 【請求項１０】 前記偏光性位相板は、前記コヒーレン
    ト光源から発せられたコヒーレント光を一の方向の偏光
    面を有する光成分と前記一の方向と直交する他の方向の
    偏光面を有する光成分とに偏光分離し、前記一の方向の
    偏光面を有する光成分を前記主ビームとして出射し、前
    記他の方向の偏光面を有する光成分に対して相対位相差
    を与えない第１の領域とπの相対位相差を与える第２の
    領域とを有し、該第１及び第２の領域を通過する光成分
    を前記副ビームとして出射することを特徴とする請求項
    ８に記載の超解像光ヘッド装置。
11. 【請求項１１】 前記第１及び第２の領域は、前記偏光
    性位相板における中心回りに分割された４領域に交互に
    ２領域づつ形成されていることを特徴とする請求項１０
    に記載の超解像光ヘッド装置。
12. 【請求項１２】 前記偏光性位相板は、前記コヒーレン
    ト光源から発せられたコヒーレント光を一の方向の偏光
    面を有する光成分と前記一の方向と直交する他の方向の
    偏光面を有する光成分とに偏光分離し、前記一の方向の
    偏光面を有する光成分は相対的位相差を与えることなく
    出射し、位相板回りにＮ個（Ｎは２以上の整数）に分割
    されており前記他の方向の偏光面を有する光成分に対し
    て相対位相差０，２π／Ｎ，（２π／Ｎ）×２，（２π
    ／Ｎ）×３，…，及び（２π／Ｎ）・（Ｎ−１）を順に
    与えるＮ個の領域を有し、該Ｎ個の領域を通過する光成
    分を前記副ビームとして出射することを特徴とする請求
    項８に記載の超解像光ヘッド装置。
13. 【請求項１３】 第１のパルス列と、該第１のパルス列
    の各パルスに対して時系列的に交互に発生する第２のパ
    ルス列とを有するコヒーレント光を発するコヒーレント
    光源と、 前記コヒーレント光の入射を受け、該コヒーレント光の
    波面に前記第１及び第２のパルス列に同期して選択的に
    位相変移を与えることにより、前記コヒーレント光を、
    前記第１のパルス列よりなる主ビームと、前記第２のパ
    ルス列よりなり前記主ビームの光軸に垂直な面内でビー
    ム中心の少なくとも両側にピーク値を持ちビーム主要部
    のサイズが前記主ビームの主要部のサイズと実質的に等
    しい光強度分布を有する副ビームとを出射する位相変調
    手段と、 該位相変調手段から出射された主ビーム及び副ビームを
    情報記憶面に集光する集光手段と、 前記主ビーム及び副ビームが前記情報記憶面に設けられ
    た光学的情報記憶担体にフォーカシング及びトラッキン
    グするように前記集光手段を駆動させる駆動手段と、 前記情報記憶面から反射してきた主ビーム及び副ビーム
    の光強度を時間分離して別々に逐次検出して光強度信号
    を出力する光検出手段と、 該光検出手段から出力された光強度信号に対して前記第
    １のパルス列と前記第２のパルス列と間のパルス列間隔
    相当の遅延時間を選択的に与える遅延手段と、 前記光検出手段から出力された光強度信号と前記遅延手
    段により前記遅延時間を与えられた光強度信号とに基づ
    き超解像走査信号を演算して出力する演算手段とを備え
    ていることを特徴とする超解像光ヘッド装置。
14. 【請求項１４】 コヒーレント光を発するコヒーレント
    光源と、 前記コヒーレント光源から発せられたコヒーレント光
    を、主ビームと、該主ビームの偏光面と直交する偏光面
    を有し前記主ビームの中心の少なくとも両側にピークを
    持ちビーム主要部のサイズが前記主ビームの主要部のサ
    イズと実質的に等しい光強度分布を有する副ビームとに
    分離して出射する偏光性位相板と、 該偏光性位相板から出射された主ビームと副ビームとを
    重畳せしめて情報記憶面に集光する集光手段と、 前記主ビームと前記副ビームとが重畳してなる光ビーム
    が前記情報記憶面に設けられた光学的情報記憶担体にフ
    ォーカシング及びトラッキングするように前記集光手段
    を駆動させる駆動手段と、 前記集光手段と一体に設けられ、前記情報記憶面から反
    射してきた復路の光ビームを回折させて前記コヒーレン
    ト光源の発光面とほぼ同一の平面上に導くホログラム素
    子と、 該ホログラム素子により回折された復路の光ビームの入
    射を受け、該復路の光ビームを主ビームと副ビームとに
    偏光分離して出射する偏光分離手段と、 前記コヒーレント光源の発光面とほぼ同一の平面上に設
    けられ、前記偏光分離手段から出射された主ビーム及び
    副ビームの光強度を別々に検出して光強度信号を出力す
    る光検出手段と、 該光検出手段から出力された光強度信号に基づき超解像
    走査信号を演算して出力する演算手段とを備えているこ
    とを特徴とする超解像光ヘッド装置。