JP4343337B2

JP4343337B2 - Optical device

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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[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention provides a variable aperture technique for effectively switching the numerical aperture of an optical system and a super-resolution optical technique that effectively switches the theoretical resolution of an optical system determined by the diffraction limit and equivalently switches the wavelength of a light source. Further, the present invention belongs to an optical device that removes side lobe components peculiar to super-resolution. In particular, the effective numerical aperture and the effective light source wavelength of an optical pickup are switched in a recent optical disc apparatus, and DVD (digital versatile disc), CD-ROM, CD-R (write CD) and CD-RW (rewritable type). An optical apparatus capable of forming an optical pickup that requires a condensing optical system having a different numerical aperture and a laser light source having a different oscillation wavelength, such as a CD), from a kind of condensing lens and a laser light source of a kind of wavelength. Belonging to.
[0002]
[Prior art]
In order to facilitate understanding of the prior art, the numerical aperture of the optical system will be briefly described. In an optical system designed with almost no aberration in terms of geometric optics, a point image is formed with an infinitely small spot, but in reality, the spot has a finite extent due to the influence of diffraction due to the wave nature of light. At this time, if the numerical aperture of the optical system that contributes to image formation or condensing is NA, the physical definition of the spread of the spot is expressed by k × λ ÷ NA. Here, λ is the wavelength of light, and k is a constant determined by the optical system, and usually takes a value of about 1 to 2. NA is proportional to the ratio D / f of the effective entrance pupil diameter D (generally the diameter of the effective light beam) of the optical system and the focal length f. The spread of the spot expressed by this equation becomes the theoretical resolution limit and is called the diffraction limit.
[0003]
As is clear from the above equation, the theoretical resolution of the optical system greatly depends on the numerical aperture. In general, in the case of an optical disc, the numerical aperture of the condensing optical system (objective lens) of the optical pickup is about 0.45 for CDs and CD-ROMs, and about 0.6 for DVDs that require higher resolution. The thickness of the optical disk substrate is 1.2mm for CD and 0.6mm for DVD, and the focusing optical system is designed with optimized aberration for each thickness. A condensing optical system having a numerical aperture cannot be shared. This means that a DVD condenser lens having a higher numerical aperture cannot be used for a CD as it is.
[0004]
Further, in the case of CD-R (writeable CD) and CD-RW (rewritable CD), there is a restriction that a laser having a wavelength of about 780 nm must be used due to the photosensitive characteristics of the disc. It is impossible to use a laser of about 670 nm. In addition, since DVD requires higher resolution than CD, at present, it is impossible to use a 780 nm laser light source for CD. Therefore, in the optical disc apparatus corresponding to DVD, CD, and CD-R, which are becoming mainstream recently, it is necessary to prepare two different types of objective lenses and two different types of laser light sources.
[0005]
Therefore, in order to solve this problem, a method of installing two types of optical pickups in one device, or a method of installing two laser light sources and two objective lenses in a single pickup. Alternatively, a method in which two laser light sources and a wavelength filter are installed and an effective aperture of the objective lens with respect to one of the light sources is changed by the wavelength filter has been used. One conventional example is shown in FIG. This is premised on application to an optical disk. For the sake of simplicity, the detection optical system is omitted.
[0006]
The first laser light 1004 emitted from the first laser light source 1001 having a wavelength of 670 nm, transmitted through the half mirror 1002 and converted into a plane wave by the collimator lens 1003 is transmitted through the wavelength filter 1005 and condensed on the optical disc 1007 by the condenser lens 1006. The The wavelength filter 1005 is rounded at the center and selectively transmits only light having a wavelength of about 670 nm. In this state, it functions as an optical system for DVD or DVD-ROM (RAM).
[0007]
Next, the second laser light 1009 emitted from the second laser light source 1008 having a wavelength of 780 nm and reflected by the half mirror 1002 and converted into a plane wave by the collimator lens 1003 is cut through the wavelength filter 1005 and collected only through the portion. The light is focused on the optical disk 1007 by the optical lens 1006. At this time, as apparent from FIG. 7, the second laser light 1009 enters the condenser lens 1006 with a light beam diameter smaller than that of the first laser light 1004. That is, the effective numerical aperture of the condenser lens 1006 is reduced. In this state, it functions as a CD, CD-ROM or CD-R (RW).
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, installing two pickups in one device complicates the device configuration and is disadvantageous in terms of space. In addition, installing two laser light sources and two objective lenses in a single pickup, or installing two laser light sources and a wavelength filter complicates the alignment of the optical system and the optical axis, and Generally, since the optical axes from two light sources are combined using a half mirror or the like, the light utilization rate is greatly reduced.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In the optical device according to the present invention, The incident linearly polarized light A spatial light modulator to modulate , A polarizing beam splitter that transmits linearly polarized light modulated by a spatial light modulator, a quarter-wave plate that phase-modulates linearly polarized light that has passed through the polarizing beam splitter, and a light beam that has passed through the quarter-wave plate. To reflective member First condensing lens for condensing And with a reflective member A second condensing lens that condenses the separated light beam reflected and separated by the polarization beam splitter, and a photodetector that detects the light beam condensed by the second condensing lens The spatial light modulation element is composed of at least a part functioning as a diffractive lens element and a part functioning as a phase modulation element, and the functions as the diffractive lens element and the phase modulation element are controlled by electric signals, and The portion functioning as the phase modulation element acts on a substantially circular region centered on the optical axis of the light beam condensed by the first condenser lens. thing It is characterized by.
[0010]
In addition, a liquid crystal element is used as a spatial light modulation element, and the liquid crystal element is composed of a homogeneous liquid crystal element, and the polarization axis direction of linearly polarized light is substantially coincident with the liquid crystal molecule alignment axis direction of the parallel alignment type liquid crystal element. It is characterized by that.
[0011]
Furthermore, the phase modulation amount of the parallel alignment type liquid crystal element is controlled by about half a wavelength of the linearly polarized light to be used or about an integral multiple of a half wavelength plus a wavelength.
[0012]
Also , The incident linearly polarized light A spatial light modulator to modulate , A polarizing beam splitter that transmits linearly polarized light modulated by a spatial light modulator, a quarter-wave plate that phase-modulates linearly polarized light that has passed through the polarizing beam splitter, and a light beam that has passed through the quarter-wave plate. To reflective member First condensing lens for condensing And with a reflective member A second condensing lens that reflects and reverses the first condensing lens and condenses the separated light beam separated by the polarizing beam splitter; and light detection that detects the light beam condensed by the second condensing lens. The spatial light modulator is composed of at least a part that functions as a diffractive lens element and a part that functions as an optical rotatory optical element, and the functions as the diffractive lens element and optical rotatory optical element are controlled by electrical signals, The part functioning as an optical rotatory optical element acts on a substantially circular region around the optical axis of the light beam condensed by the first condenser lens. thing It is characterized by.
[0013]
In addition, a liquid crystal element is used as the spatial light modulation element, the diffractive lens element is composed of a homogeneous liquid crystal element, the optical rotation optical element is composed of a 90 degree twisted nematic liquid crystal element, and the polarization axis direction of linearly polarized light is a homogeneous type. The liquid crystal element and the 90-degree twisted nematic liquid crystal element are characterized by being substantially coincident with the direction of the liquid crystal molecule alignment axis on the incident light side.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(First embodiment)
In order to facilitate understanding of the embodiment of the present invention, the theoretical interpretation of super-resolution will be described with reference to Document 1. Consider the case where the aperture of the condensing lens 503 is shielded by a shielding mask 502 having a radius r about the optical axis 501 as shown in FIG. At this time, it is assumed that r is smaller than the radius d of the effective light beam 504. FIG. 5 is a cross-sectional view for simplicity, but is actually a rotationally symmetric shape with the optical axis 501 as the rotation axis.
[0015]
At this time, the light spot 601 at the point P which is the focal point of the condenser lens 503 can be considered as shown in FIG. That is, the virtual light spot 603 due to the shielding mask 502 is subtracted from the light spot 602 due to the effective light beam 504. At this time, it can be seen that the light spot 601 at the point P is narrower than the light spot 602 by the effective light beam 504 and that side lobes 604 (that is, negative portions in FIG. 6) are generated. Further, the side lobe 604 has a negative value, which means that the phase of the light wave is shifted by 180 degrees as compared with the main lobe 605 which is a positive part from an optical viewpoint, that is, the phase is inverted. It is also known that the same phenomenon occurs when an element that modulates a half wavelength or an integral multiple of a half wavelength plus wavelength with respect to the wavelength of light to be used is inserted instead of the shielding mask 502.
[0016]
In addition, the rate at which the light spot diameter is reduced by super-resolution is proportional to r / d, which is the ratio of the radius r of the shielding mask 502 to the radius d of the effective light beam 504. Since it varies depending on the spatial light intensity distribution of the effective light beam 504, it cannot be generally stated, but normally, the super-resolution spot generated when the value of r / d is about 0.2 is from 15% compared to the normal resolution. About 20% thinner. That is, although the wavelength does not change, if only the light spot diameter is considered, the same effect can be obtained as when the wavelength of the light source is reduced by 15% to 20%.
[0017]
Next, a first embodiment according to the present invention will be described with reference to FIG. This is based on the premise of an optical device for an optical pickup that can handle all of DVD (RAM), CD, and CD-R (W). Although it is drawn in a sectional view for simplicity, it is basically a rotationally symmetric shape with the optical axis 101 as a rotation axis. Also, the light source and the collimating lens that collimates the light from the light source are omitted. It is known that a collimating lens is not necessarily required when the light source is a divergent light source such as a semiconductor laser and the condenser lens is a finite system. Linearly polarized light 102 in the Y-axis direction having a wavelength of about 780 nm is incident on the spatial light modulator 103. The spatial light modulation element 103 includes a part that functions as the diffractive lens element 104 and a part that functions as the phase modulation element 105 (indicated by hatching), and each function is controlled by an electrical signal. The part that functions as the diffractive lens element 104 functions as a lens having a focal length f1, and the part that functions as the phase modulation element 105 has a phase of incident linearly polarized light that is a half wavelength or an integral multiple of a half wavelength plus wavelength compared to other parts. Has the function to modulate. Further, the part functioning as the phase modulation element 105 acts on a substantially circular region with the optical axis 101 as the center.
[0018]
First, consider the case of reading / writing a DVD disc. That is, the wavelength of the light source is changed from 780 nm to equivalently about 650 nm using the super-resolution effect. First, the function of the diffractive lens element 104 is stopped. Then, the function of the phase modulation element 105 is made effective, and the phase of the incident linearly polarized light is partially shifted by a half wavelength. As a result, the condition for causing the super-resolution phenomenon is satisfied as described in the previous known example. The linearly polarized light modulated by the spatial light modulator 103 enters the polarization beam splitter 106. At this time, the polarizing beam splitter 106 is installed in an orientation that transmits linearly polarized light in the Y-axis direction and reflects and separates linearly polarized light in the X-axis direction orthogonal thereto. The linearly polarized light in the Y-axis direction that has passed through the polarizing beam splitter 106 is converted into clockwise circularly polarized light by the quarter wavelength plate 107. At this time, it is known that right-handed circularly polarized light or left-handed circularly polarized light is determined by a relative direction between the direction of the linearly polarized light 102 and the direction of the quarter-wave plate 107. That is, in this example, if it is linearly polarized light in the X-axis direction, it is converted into counterclockwise circularly polarized light.
[0019]
The clockwise circularly polarized light beam is condensed on the optical disk 109 by the first condenser lens 108. At this time, a super-resolution light spot is generated as described above. The condensed light beam is reflected by the optical disk 109. At this time, it is known that the phase is shifted by a half wavelength when the reflecting member is reflected except for a special element such as a phase serving element. That is, when the clockwise circularly polarized light is reflected, it becomes counterclockwise circularly polarized light. Here, referring again to FIG. 6, the phase of the side lobe 604 is inverted compared to the main lobe 605 which is a portion other than the side lobe. In other words, the main lobe of the super-resolution light spot collected on the optical disc 107 is clockwise circularly polarized light, so it is converted to counterclockwise circularly polarized light by reflection, but the sidelobe is counterclockwise circularly polarized before reflection, so it is clockwise by reflection. Circularly polarized light.
[0020]
The light beam reflected by the optical disk 109 passes through the first condenser lens 108 again and travels back through the quarter-wave plate 107. At this time, since the main lobe component is counterclockwise circularly polarized light, it passes through the quarter-wave plate 107 and is converted to linearly polarized light in the X-axis direction. Therefore, the light is reflected and separated by the polarization beam splitter 106. The separated light beam 110 is condensed on the photodetector 112 by the second condenser lens 111. On the other hand, since the side lobe component is clockwise circularly polarized light, it passes through the quarter-wave plate 107 and is converted to linearly polarized light in the Y-axis direction. Therefore, it passes through the polarization beam splitter 106 as it is and is not condensed on the photodetector 112. Therefore, even if the side lobe reads an unintended pit on the optical disk, there is no problem because the light having the side lobe component does not enter the photodetector 112. Moreover, since the light is not unnecessarily separated by using the polarization beam splitter 106 instead of an ordinary beam splitter that unnecessarily separates a part of incident light, light utilization efficiency is good.
[0021]
Next, the function of the phase modulation element 105 is stopped, and the function of the diffractive lens element 104 is made effective. In this state, super-resolution does not occur. At this time, the focal length of the optical device is the combined focal length of the diffractive lens element 104 and the first condenser lens 108, and the numerical aperture is changed compared to the case of the first condenser lens 108 alone. become. Alternatively, if the diffractive lens element 104 is considered as a correction lens, the amount of generation of spherical aberration is changed. This state is used for reading a CD. Strictly speaking, since the central portion of the diffractive lens element 104 is the phase modulation element 105, there is almost no action as a lens. However, since the focal length of the diffractive lens element necessary for switching the numerical aperture for DVD discs and CD discs is several tens to several hundreds of millimeters, the function as a lens is not so necessary in the vicinity of the center. Further, as described above, when super-resolution of about 15% to 20% is performed, the ratio of the cross section that the phase modulation element 105 is brought to the vicinity of the center is about 20%, so there is not much influence.
[0022]
As apparent from the above description, by controlling the function of the diffractive lens element 104 and the function of the phase modulation element 105, the effective numerical aperture of the optical device can be switched and the effective wavelength of the light source can be switched. Become.
[0023]
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described. 1 is basically the same as the first embodiment shown in FIG. 1, except that a diffractive lens element that can be easily controlled by an electric signal and a liquid crystal element composed of a parallel alignment liquid crystal element as a phase modulation element ing. First, in order to facilitate understanding of the present embodiment, the operation, diffraction phenomenon, and the like of the homogeneous liquid crystal element and the 90 degree twisted nematic liquid crystal element will be briefly described.
[0024]
FIGS. 7A and 7B schematically show the structure and operation of an electrically controllable common homogeneous liquid crystal element and 90-degree twist nematic liquid crystal element. Liquid crystal molecules 702 are sandwiched between glass substrates 701 coated with transparent electrodes. The direction of the orientation axis 703 of the incident side glass substrate is the Y axis direction, and the direction of the orientation axis 703 of the exit side glass substrate is the Y axis direction, and the lower half is the X axis direction. As shown in FIG. 7A, the liquid crystal molecules 702 are aligned in parallel as shown in FIG. 7A due to the property of aligning the major axis direction with the alignment axis direction and the property of acting as a continuum. This is called orientation, and the lower half of the liquid crystal molecules 702 are twisted 90 degrees, which is called 90-degree twisted nematic orientation.
[0025]
When linearly polarized light 704 is incident on this liquid crystal element, when the polarization axis thereof is in the same direction as the alignment axis 703, the linearly polarized light 704 remains linearly polarized while maintaining the linearly polarized light due to the dielectric anisotropy of the liquid crystal molecules 702. Propagate along the axial direction. Therefore, in the 90-degree twist nematic alignment region, the output linearly polarized light rotates 90 degrees in the X-axis direction, and in the homogeneous alignment region, the output linearly-polarized light does not rotate and remains in the Y-axis direction. At this time, when the refractive index in the major axis direction of the liquid crystal molecules 702 is n1 and the thickness of the liquid crystal layer is L, the optical path length of the linearly polarized light 304 traveling in the liquid crystal layer is n1 × L.
[0026]
Next, when an electric field in the Z-axis direction is applied to the liquid crystal molecules through the transparent electrode coated on the glass substrate 701, the major axis of the liquid crystal molecules 702 is the direction of the electric field as shown in FIG. 7B. Stand still side by side. This state is called homeotropic. At this time, the linearly polarized light 704 traveling in the liquid crystal layer propagates while maintaining the linearly polarized light. Also, the optical rotation of the 90-degree twisted nematic region is lost. At this time, when the refractive index in the minor axis direction of the liquid crystal molecules 702 is n2, it is understood that the optical path length of the linearly polarized light 704 traveling in the liquid crystal layer is n2 × L. That is, the refractive index for the linearly polarized light 704 is changed from n1 to n2 before and after the voltage is applied, and thus the optical path length is changed by (n1-n2) × L. It is also possible to create these intermediate states by controlling the applied voltage. It is also known that a minute voltage just before the liquid crystal starts to move by an electric field is applied to the liquid crystal layer in order to achieve ideally homogeneous alignment and 90-degree twisted nematic alignment.
[0027]
FIG. 8 shows a light diffraction phenomenon by a general binary type approximately transparent phase type diffraction grating, and is drawn in a sectional view projected on a plane for simplicity. When the laser beam 802 is incident on a phase-type diffraction grating 801 having a refractive index of n1 and n2 repeatedly at a pitch P, the outgoing laser beam is diffracted by the diffraction effect. Here, for simplicity, it is assumed that the laser beam 802 is perpendicularly incident on the phase type diffraction grating 801. At this time, 0th-order light 803 that is normally passed through as it is, and first-order light 804 and −1st-order light 805 that are diffracted in the θ direction and −θ direction, respectively, are generated (high-order diffracted light having a larger diffraction angle Is also generated, but ignored because the percentage is small). At this time, the diffraction angle θ is determined by sin (θ) = λ / P. Here, λ is the wavelength of the laser beam 802.
[0028]
At this time, when the areas of the n1 and n2 regions with respect to the laser beam 802 are substantially equal, and the optical path length difference (n1-n2) × L is λ / 2, this is called a Ronchi grating and it is known that the zero-order beam 803 disappears. It has been. Also, when the optical path length difference (n1-n2) × L is λ and is repeated at a pitch P and the refractive index is continuously and smoothly changed from n1 to n2, this is called a blazed grating and only the primary light 804 is generated. It is known to do. In fact, it is also known that if it is changed stepwise from n1 to n2 in 16 steps or more, it becomes a nearly ideal blazed lattice, which is called a multilevel binary lattice. In general, a phase type diffraction grating is advantageous in that it has higher light utilization efficiency than an amplitude type diffraction grating having an opaque portion. As is generally known, if the pitch of the diffraction grating is continuously changed, various lens effects such as a convex lens and a concave lens, that is, a numerical aperture switching effect and a spherical aberration correction effect can be provided. A typical one is a Fresnel lens.
[0029]
FIGS. 9A and 9B depict the cross-sectional structure of an electrically controllable liquid crystal diffractive optical element 901. FIG. The liquid crystal molecules 902 are homogeneously aligned with the major axis direction coinciding with the Y axis direction, and the refractive index in the major axis direction is n1 and the refractive index in the minor axis direction is n2. Also, striped transparent electrodes 903 are formed at a pitch P on one glass substrate. The other glass substrate is coated almost entirely with a transparent electrode. At this time, linearly polarized light 904 in the Y-axis direction enters the liquid crystal diffractive optical element 901.
[0030]
At this time, as shown in FIG. 9A, when no voltage is applied to the liquid crystal diffractive optical element 901, the refractive index is uniformly n1 with respect to the linearly polarized light 904. Accordingly, no diffraction occurs and the linearly polarized light 904 passes through to become the outgoing light 908. Strictly speaking, slight diffraction is caused by the transparent electrode 903, but diffraction by the transparent electrode 903 does not occur if the refractive index of the transparent electrode 903 and the refractive index in the major axis direction of the liquid crystal molecules 902 are the same. .
[0031]
Next, as shown in FIG. 9B, when a sufficient voltage is applied to the transparent electrode 903 from the power source, the liquid crystal molecules 902 in the transparent electrode portion are brought into a homeotropic state by an electric field in the Z-axis direction. As a result, the linearly polarized light 904 has a structure in which the refractive index repeats n1 and n2 at the pitch P. Therefore, it functions as a binary phase type diffraction grating that is exactly the same as in FIG. 8, and 0th-order light 905, 1st-order light 906, and −1st-order light 907 are generated. At this time, the zero-order light 905 is not generated if the above-mentioned Ronchi grating condition is satisfied. Further, only the primary light 906 is generated if the above-described multilevel binary grating condition is satisfied. However, in order to achieve multi-level, it is necessary to engrave the transparent electrodes 903 with a finer pitch and change the voltage stepwise. Here, it can be seen that if the striped electrode shape is a known Fresnel ring shape, it functions as a Fresnel lens element, which is a typical example of a diffractive lens element, and its function can be controlled by an electrical signal.
[0032]
A second embodiment of the present invention will now be described with reference to FIG. This is based on the premise of an optical device for an optical pickup that can handle all of DVD (RAM), CD, and CD-R (W). Although it is drawn in a sectional view for simplicity, it is basically a rotationally symmetric shape with the optical axis 201 as a rotation axis. Also, the light source and the collimating lens that collimates the light from the light source are omitted. It is known that a collimating lens is not necessarily required when the light source is a divergent light source such as a semiconductor laser and the condenser lens is a finite system. A linearly polarized light 202 having a wavelength of about 780 nm in the Y-axis direction enters the liquid crystal element 203 that is homogeneously aligned. At this time, the optical path length modulation capability by the electric field of the liquid crystal element 203, that is, (n1−n2) × L described with reference to FIG. 7 is about a half wavelength of the incident light wavelength or an integral multiple of the half wavelength plus wavelength. The liquid crystal element 203 includes a portion that functions as the diffractive lens element 204 and a portion that functions as the phase modulation element 205 (indicated by hatching), and each function is controlled by an electrical signal. The part functioning as the diffractive lens element 204 functions as a lens having a focal length f1, and the part functioning as the phase modulation element 205 has a phase of incident linearly polarized light that is a half wavelength or an integral multiple of a half wavelength plus wavelength compared to other parts. Has the function to modulate. Further, the portion functioning as the phase modulation element 205 acts on a substantially circular region with the optical axis 201 as the center.
[0033]
First, consider the case of reading / writing a DVD disc. That is, the wavelength of the light source is changed from 780 nm to equivalently about 650 nm using the super-resolution effect. First, the function is stopped without applying an electric signal to the diffractive lens element 204. Then, an electric signal is given to the portion of the phase modulation element 205 to make the function effective. As a result, the part of the diffractive lens element 204 maintains a homogeneous orientation and the part of the phase modulation element 205 is in a homeotropic state, so that the phase of the incident linearly polarized light is half or half wavelength compared to the part of the diffractive lens element 204. Shifting by an integral multiple of the + wavelength satisfies the super-resolution condition according to the known example described above. The linearly polarized light modulated by the liquid crystal element 203 enters the polarization beam splitter 206. At this time, the polarization beam splitter 206 is installed in an orientation that transmits linearly polarized light in the Y-axis direction and reflects and separates linearly polarized light in the X-axis direction orthogonal thereto. The linearly polarized light in the Y-axis direction that has passed through the polarizing beam splitter 206 is converted into clockwise circularly polarized light by the quarter wavelength plate 207.
[0034]
The clockwise circularly polarized light beam is condensed on the optical disk 209 by the first condenser lens 208. At this time, a super-resolution light spot is generated as described above. The collected light beam is reflected by the optical disk 209. Just as in the case of FIG. 1, the main lobe is clockwise circularly polarized light, so that it is counterclockwise circularly polarized by reflection, and the side lobe is counterclockwise circular before reflection. Since it is polarized light, it becomes clockwise circularly polarized light by reflection.
[0035]
The light beam reflected by the optical disk 209 passes through the first condenser lens 208 again and reverses through the quarter wavelength plate 207. At this time, since the main lobe component is counterclockwise circularly polarized light, it passes through the quarter-wave plate 207 and is converted to linearly polarized light in the X-axis direction. Therefore, the light is reflected and separated by the polarization beam splitter 206. The separated light beam 210 is condensed on the photodetector 212 by the second condenser lens 211. On the other hand, since the side lobe component is clockwise circularly polarized light, it passes through the quarter wavelength plate 207 and is converted to linearly polarized light in the Y-axis direction. Therefore, it passes through the polarization beam splitter 206 as it is and is not condensed on the photodetector 212. Therefore, even if the side lobe reads an unintended pit on the optical disk, there is no problem because the light having the side lobe component does not enter the photodetector 212. Moreover, since the light is not unnecessarily separated by using the polarization beam splitter 206 instead of an ordinary beam splitter that unnecessarily separates a part of incident light, the light utilization efficiency is good.
[0036]
Next, the function is stopped without giving an electric signal to the part of the phase modulation element 205, and the function is made effective by giving the electric signal to the part of the diffractive lens element 204. In this state, super-resolution does not occur. At this time, the focal length of the optical device is the combined focal length of the diffractive lens element 204 and the first condenser lens 208, and the numerical aperture is changed compared to the case of the first condenser lens 208 alone. become. This state is used for reading a CD. Strictly speaking, since the central portion of the diffractive lens element 204 is the phase modulation element 205, there is almost no action as a lens. However, since the focal length of the diffractive lens element necessary for switching the numerical aperture for DVD discs and CD discs is several tens to several hundreds of millimeters, the function as a lens is not so necessary in the vicinity of the center. As described above, when super-resolution of about 15% to 20% is performed, the ratio of the cross section that the phase modulation element 205 can bring near the center is about 20%, so that there is not much influence. Further, as described above, the optical path modulation capability of the liquid crystal element 203 is about half a wavelength of incident light or about an integral multiple of a half wavelength plus a wavelength. This has the advantage that the diffraction efficiency is high.
[0037]
As apparent from the above description, by controlling the function of the diffractive lens element 204 and the function of the phase modulation element 205, the effective numerical aperture of the optical device can be switched, and the effective wavelength of the light source can be switched. Become.
[0038]
(Third embodiment)
Next, a third embodiment according to the present invention will be described with reference to FIG. Basically the same as in the second embodiment, but the part that functions as the phase modulation element 205 in the second embodiment rotates the incident linearly polarized light by rotating it by 90 degrees in the third embodiment. The difference is that it functions as an optical element. FIG. 3 is based on the assumption of an optical device for an optical pickup that can handle all of DVD (RAM), CD, and CD-R (W), and is drawn in a sectional view for the sake of simplicity. Is a rotationally symmetric shape with the rotation axis as the rotation axis. Also, the light source and the collimating lens that collimates the light from the light source are omitted. It is known that a collimating lens is not necessarily required when the light source is a divergent light source such as a semiconductor laser and the condenser lens is a finite system. Linearly polarized light 302 in the Y-axis direction having a wavelength of about 780 nm is incident on the liquid crystal element 303. The liquid crystal element 303 includes a part functioning as the diffractive lens element 304 and a part functioning as the optical rotation optical element 305 (indicated by oblique lines), and each function is controlled by an electric signal. The part functioning as the diffractive lens element 304 is composed of a homogeneous liquid crystal element, and the part functioning as the optical rotation optical element 305 is composed of a 90 degree twisted nematic liquid crystal element. Further, the part functioning as the diffractive lens element 304 functions as a lens having a focal length f1, and the part functioning as the optical rotation optical element 305 has a function of rotating the incident linearly polarized light by 90 degrees and emitting it. Further, the portion functioning as the optical rotation optical element 305 acts on a substantially circular region with the optical axis 301 as the center.
[0039]
First, consider the case of reading / writing a DVD disc. That is, the wavelength of the light source is changed from 780 nm to equivalently about 650 nm using the super-resolution effect. First, no electrical signal is given to the diffractive lens element 304 and the optical rotation optical element 305. As a result, the part of the diffractive lens element 304 maintains a homogeneous orientation and the function as the diffractive optical element stops, and the part of the optical rotation optical element 305 maintains a 90-degree twisted nematic orientation. Accordingly, the optical rotation optical element 305 rotates the incident linearly polarized light by 90 degrees. The linearly polarized light that has passed through the liquid crystal element 303 enters the polarization beam splitter 306. At this time, the polarization beam splitter 306 is installed in an orientation that transmits linearly polarized light in the Y-axis direction and reflects and separates linearly polarized light in the X-axis direction orthogonal thereto. Accordingly, the linearly polarized light that has passed through the optical rotation optical element 305 cannot be passed through the polarization beam splitter 306 because the polarization direction is rotated 90 degrees to the X-axis direction. Accordingly, the part of the optical rotatory optical element 305 is the same as that of the shielding mask, and satisfies the super-resolution condition as in the prior art.
[0040]
The linearly polarized light in the Y-axis direction that has passed through the portion of the diffractive lens element 304 is converted into clockwise circularly polarized light by the quarter wavelength plate 307. The clockwise circularly polarized light beam is condensed on the optical disk 309 by the first condenser lens 308. At this time, a super-resolution light spot is generated as described above. The collected light beam is reflected by the optical disk 309. Just as in the case of FIG. 1, the main lobe is clockwise circularly polarized light, so that it is counterclockwise circularly polarized by reflection, and the side lobe is counterclockwise circular before reflection. Since it is polarized light, it becomes clockwise circularly polarized light by reflection.
[0041]
The light beam reflected by the optical disk 307 passes through the first condenser lens 308 again and reverses through the quarter-wave plate 307. At this time, since the main lobe component is counterclockwise circularly polarized light, it passes through the quarter-wave plate 307 and is converted to linearly polarized light in the X-axis direction. Therefore, the light is reflected and separated by the polarization beam splitter 306. The separated light beam 310 is condensed on the photodetector 312 by the second condenser lens 311. On the other hand, since the side lobe component is clockwise circularly polarized light, it passes through the quarter wavelength plate 307 and is converted to linearly polarized light in the Y-axis direction. Therefore, it passes through the polarization beam splitter 306 as it is and is not condensed on the photodetector 312. Therefore, even if the side lobe reads an unintended pit on the optical disk, there is no problem because the light having the side lobe component does not enter the photodetector 312. Moreover, since the light is not unnecessarily separated by using the polarization beam splitter 306 instead of an ordinary beam splitter that unnecessarily separates a part of incident light, the light utilization efficiency is good.
[0042]
Next, an electrical signal is given to the parts of the diffractive lens element 304 and the optical rotation optical element 305. As a result, the diffractive function of the diffractive lens element 304 that is partially homeotropic alignment is made effective, and the function of the optical rotation optical element 305 that is entirely homeotropic alignment is stopped. In this state, super-resolution does not occur. At this time, the focal length of this optical device is the combined focal length of the diffractive lens element 304 and the first condenser lens 308, and the numerical aperture is changed compared to the case of the first condenser lens 308 alone. become. This state is used for reading a CD. Strictly speaking, since the central portion of the diffractive lens element 304 is the optical rotation optical element 305, there is almost no action as a lens. However, since the focal length of the diffractive lens element necessary for switching the numerical aperture for DVD discs and CD discs is several tens to several hundreds of millimeters, the function as a lens is not so necessary in the vicinity of the center. As described above, when super-resolution of about 15% to 20% is performed, the ratio of the cross section that the optical rotatory optical element 305 brings near the center is about 20%, so there is not much influence.
[0043]
In the first to third embodiments of the present invention, coherent light is important for generating super-resolution and diffraction phenomena. Typical examples are semiconductor laser light and gas laser light. It is also known that relatively good coherent light can be obtained by passing white light through an interference filter and further through a spatial frequency filter.
[0044]
FIG. 4 shows the transparent electrode shapes of the liquid crystal element 203 and the liquid crystal element 303 used in the present invention for reference. A central circular portion 401 functions as a phase modulation element or a 90-degree optical rotatory optical element, and there is an annular portion 402 in which a plurality of concentric annular zones having the same center as the circular portion 401 are arranged at the periphery. FIG. 4 shows the ring zone shape of the Fresnel zone plate. Since it is schematically shown, only four ring zones are drawn, but in reality, there are tens to hundreds of ring zones that function as diffractive lens elements. In the liquid crystal element 203, the orientation of the liquid crystal molecules is the entire homogeneous orientation, and in the liquid crystal element 303, the circular portion 401 is a 90 degree twisted nematic orientation and the Fresnel zone portion 402 is a homogeneous orientation, and the orientation on the light incident side is all in the Y-axis direction. It ’s good. The circular portion 401 and the Fresnel zone portion 402 are controlled by electrical signals by the extraction electrode line 403 and the extraction electrode line 404 which are independent from each other.
[0045]
In the case of the liquid crystal element 203, it functions as a phase modulation element by applying an electrical signal to the circular portion via the extraction electrode line 403 and not applying an electrical signal to the annular portion 402 via the extraction electrode line 404. In the reverse state, it functions as a diffractive lens element. In the case of the liquid crystal element 303, it functions as a diffractive lens element by simultaneously applying an electrical signal to the circular portion 401 and the annular portion 402 via the extraction electrode lines 403 and 404. That is, when an electrical signal is applied to the circular portion 401, the 90-degree twisted nematic orientation becomes homeotropic and the optical rotatory power disappears. On the contrary, the circular portion 401 functions as an optical rotatory optical element by not applying an electrical signal to the circular portion 401 and the annular portion 402 through the extraction electrode line 403 and the extraction electrode line 404, and the annular portion 402 is a diffractive lens. Does not function as an element. Therefore, in the case of the liquid crystal element 303, the extraction electrode line 403 and the extraction electrode line 404 may be shared. This is simple and convenient.
[0046]
In addition, the pattern of the Fresnel zone portion 402 is partially lost due to the extraction electrodes 403 and 404. However, it is known that in the diffraction phenomenon, as long as there is no extremely large scratch or chip in the diffraction grating, it only affects the efficiency to some extent and does not cause a problem. This is the same as that a reproduced image is not damaged or chipped even if there is a scratch or chip in a hologram for stereoscopic display which is a kind of diffraction grating. Further, since the liquid crystal elements 203 and 303 are used as phase type diffraction elements that do not require a polarizing plate or the like, there is no light loss in principle. In actual measurement, the light loss was about 15%, but it can be reduced to 10% or less by applying a non-reflective coating to the liquid crystal glass substrate.
[0047]
【The invention's effect】
As is apparent from the above description, the optical device according to the present invention can remove the side lobe components peculiar to super-resolution from the reflected light with a simple configuration, which shields side lobes such as slits. Positioning is also easier than in the case where a mask to be installed is installed. In addition, super-resolution and normal resolution can be easily switched by an electric signal, and the numerical aperture of the optical system can be easily switched by an electric signal. Furthermore, since the incident light is not unnecessarily separated by using the polarization beam splitter, the light use efficiency is good.
[0048]
Further, since liquid crystal is used as the spatial light modulator, it can be driven with an effective voltage of about several volts, and can be easily driven with an output from a CMOS type low power IC. This is advantageous compared to the case where electro-optical ceramics such as PLZT and a solid crystal such as lithium niobate that require a driving voltage of several hundred to several thousand volts are used. Furthermore, even if the wavelength of the light source fluctuates or the phase modulation characteristics of the liquid crystal change due to temperature changes, it is easy to correct the phase modulation amount by changing the voltage applied to the liquid crystal. In addition, the structure of the liquid crystal element itself is very simple compared to the liquid crystal for the current display element, and the size is about 1 cm, which is easy to manufacture.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration example of an optical device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a configuration example of an optical device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a configuration example of an optical device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing a transparent electrode shape of a liquid crystal element in the present invention.
FIG. 5 is a diagram for explaining the operation of a known super-resolution optical apparatus.
FIG. 6 is a diagram for explaining the shape of a focused spot of a known super-resolution optical apparatus.
FIG. 7 is a diagram illustrating the structure and operation of a general liquid crystal element.
FIG. 8 is a diagram illustrating an operation of a general phase type diffraction grating.
FIG. 9 is a diagram illustrating the structure and operation of a liquid crystal diffractive optical element.
FIG. 10 is a configuration example of an optical device according to a conventional technique.
[Explanation of symbols]
101, 201, 301, 501, optical axis
102, 202, 302, 704, 904, linearly polarized light
103, spatial light modulator
104, 204, 304, diffractive lens element
105, 205, phase modulation element
106, 206, 306, polarization beam splitter
107, 207, 307, quarter wave plate
108, 208, 308, first condenser lens
109, 209, 309, 1007, optical disc
110, 210, 310, separated luminous flux
111, 211, 311 and second condenser lens
112, 212, 312, photodetector
203, 303, liquid crystal element
305, optical rotation optical element
401, circular part
402, ring zone part
403, 404, extraction electrode wire
502, shielding mask
503, condenser lens
504, effective luminous flux
601, light spot
602, light spot by effective light beam 504
603, a virtual light spot by the shielding mask 502
604, side lobe
605, main lobe
701, glass substrate
702, 902, liquid crystal molecules
703, orientation axis
801, phase diffraction grating
802, laser light
803, 905, 0th order light
804, 906, primary light
805, 907, -1st order light
901, liquid crystal diffractive optical element
903, transparent electrode
908, outgoing light
1001, first laser light source
1002, half mirror
1003, collimating lens
1004, first laser beam
1005, wavelength filter
1006, condenser lens
1008, second laser light source
1009, second laser beam

Claims

A spatial light modulator for modulating the linearly polarized light incident, the spatial light a polarization beam splitter which transmits a linearly polarized light modulated by the modulation element, the quarter-wave plate for phase modulating the linearly polarized light transmitted through the polarizing beam splitter When a first condenser lens for converging the light beam transmitted through the quarter-wave plate to the reflecting member, is reflected by the reflecting member and reversing the first converging lens is separated by the polarization beam splitter A second condensing lens for condensing the separated light beam and a photodetector for detecting the light beam condensed by the second condensing lens, and the spatial light modulation element functions as at least a diffractive lens element And a portion functioning as a phase modulation element, and the function as the diffractive lens element and the phase modulation element is controlled by an electrical signal, and the portion functioning as the phase modulation element is the first Light condensing lens In the optical device, characterized in that acting on the generally circular region around the optical axis of the light beam is focused.

The optical device according to claim 1, characterized by using a liquid crystal element as the spatial light modulator.

3. The optical apparatus according to claim 2, wherein the liquid crystal element is composed of a homogeneous liquid crystal element, and a direction of a polarization axis of the linearly polarized light and a direction of a liquid crystal molecule alignment axis of the homogeneous liquid crystal element are substantially matched. .

Phase modulation amount is an optical device according to claim 3, characterized in that it is controlled by an integral multiple of about half a wavelength about or half-wave plus the wavelength of the wavelength of the linearly polarized light of the Homojeniasu type liquid crystal device.

A spatial light modulator for modulating the linearly polarized light incident, the spatial light a polarization beam splitter which transmits a linearly polarized light modulated by the modulation element, the quarter-wave plate for phase modulating the linearly polarized light transmitted through the polarizing beam splitter When a first condenser lens for converging the light beam transmitted through the quarter-wave plate to the reflecting member, is reflected by the reflecting member and reversing the first converging lens is separated by the polarization beam splitter A second condensing lens for condensing the separated light beam and a photodetector for detecting the light beam condensed by the second condensing lens, and the spatial light modulation element functions as at least a diffractive lens element The diffractive lens element and the function as the optical rotatory optical element are controlled by an electrical signal, and the part that functions as the optical rotatory optical element is the first optical element. Light condensing lens In the optical device, characterized in that acting on the generally circular region around the optical axis of the light beam is focused.

The optical device according to claim 5, characterized in that a liquid crystal element as the spatial light modulator.

The part functioning as the diffractive lens element is composed of a homogeneous liquid crystal element, the part functioning as the optical rotatory optical element is composed of a 90 degree twisted nematic liquid crystal element, and the polarization axis direction of the linearly polarized light and the homogeneous liquid crystal 7. The optical apparatus according to claim 6, wherein the direction of the liquid crystal molecule alignment axis on the incident light side of the element and the 90-degree twisted nematic type liquid crystal element is substantially matched.