JP4668365B2 - 光学装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光学系の実効的な開口数を切り替える技術、特に最近の光ディスク装置の光ピックアップにおいて実効的な開口数を切り替え、ＤＶＤやＣＤ−ＲＯＭ用といった異なる開口数から構成される光ピックアップを一つの光ピックアップで共用可能とする技術に属する。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術の理解を容易にするため、光学系の開口数について簡単に説明する。
幾何光学的にほぼ無収差で設計された光学系においては点像は無限小のスポットで結像されるが、実際は光の波動性による回折の影響でスポットは有限の広がりを持つ。この時、結像もしくは集光に寄与する光学系の開口数をＮＡとすると、スポットの広がりの物理的定義はｋ×λ÷ＮＡで表される。ここでλは光の波長、ｋは光学系に定まる定数で普通は１から２前後の値をとる。ＮＡは光学系の有効入射瞳直径Ｄ（一般的には有効光束の直径）と焦点距離ｆの比Ｄ／ｆに比例する。この式で表されるスポットの広がりが理論解像限界となり回折限界といわれる。
【０００３】
先の式から明らかなように、光学系の理論解像度は開口数に大きく左右される。一般に光ディスクの場合の光ピックアップの集光光学系の開口数はＣＤやＣＤ−ＲＯＭ用では０．４５程度、ＤＶＤ（デジタルバーサタイルディスク）用では０．６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と異なる事もあり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。
【０００４】
そこでこの問題を解決するため、一台の機器の中に２台の光ピックアップを設置する方法や、光ピックアップの集光レンズにホログラムを刻み二焦点にして同時に二種の開口を得る方法、あるいは液晶シャッタを用いて有効入射瞳径を切り替えて開口を切り替える方法等が用いられている。
【０００５】
次に、本発明に近い従来例を図７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。以下図７に従って説明する。
【０００６】
直線偏光レーザ光源７０１から出射しコリメートレンズ７０２で平面波にされた直線偏光７０３は、その偏光軸７０４が紙面に平行であるＹ軸方向とする。直線偏光７０３は９０度ＴＮ（ツイストネマティック）型液晶素子７０５により偏光軸７０４の方向が９０度回転しＸ軸方向となる。集光光学系７０６により直線偏光７０３が集光される。この時、中央部が丸く切り抜かれた偏光板７０７が集光光学系７０６の手前に設置され、その直線偏光透過軸はＹ軸方向であるとする。この時、偏光板７０７と組み合わされた９０度ＴＮ型液晶素子７０５の光シャッタ機能により、偏光板のくり貫かれた中央部を透過した直線偏光のみが集光に寄与する。ＣＤの再生にはこの状態で使用する。
【０００７】
一方、ＤＶＤの再生においては９０度ＴＮ型液晶素子７０５にＺ方向の電界を加え、後に述べるホメオトロピックの状態にする。この状態では液晶素子に旋光性が無くなるため直線偏光７０３は偏光板を透過する事ができ先の状態と比べ開口数が大きくなる。この状態においても偏光板の持つ光吸収作用により光量が失われる。また偏光板の中央部がくり貫かれているため、偏光板を透過した直線偏光とそうでない直線偏光に偏光板と空気の屈折率差に起因する光の位相差が生じ、回折限界まで集光する事が困難となる。そのため、くり貫かれた中央部に直線偏光透過軸がＸ軸方向である同じ種類の偏光板を設置すれば位相差の問題は解決するが、更に光量が失われる事になる。
【０００８】
集光光学系７０６で集光された集光スポット７０８は光ディスク７０９で反射されほぼ入射と同じ光路をもどり、光分離素子７１０で分離された光束７１１が別の集光光学系７１２で集光され、集光スポット７１３が光検出素子７１４で検出される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら一台の機器に２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。また集光レンズにホログラムを刻み二焦点にすると常にどちらか一方の使われない不要な集光スポットを発生しているため、光利用効率が低下する。これはＤＶＤ−Ｒすなわち書き込み書き換え可能なＤＶＤのような大きな光量を必要とする機器においては書き込み速度の低下の問題となる。同様に液晶シャッタを用いる方法においても同じ問題が生じる。
【００１０】
そこで本発明は、レーザー光を出射するレーザー光源とレーザー光を集光する集光光学系からなる光学装置において、光路中に電気的に回折機能を制御可能な回折光学素子を設置し且つ回折機能を集光光学系で集光されるレーザー光束の一部分の領域に作用させる事で、光利用効率が高く電気的に実効的な開口数を切り替え可能な光学装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明における光学装置は、少なくともレーザー光を出射するレーザー光源と該レーザー光を回折する回折光学素子と該回折光学素子を透過した光束を集光する集光光学系とを有する光学装置において、前記回折光学素子は入射レーザー光を透過する部位とθ度回折する部位とから構成され、前記透過する部位は集光光学系により利用される有効光束中の光軸を中心としたほぼ円形領域に作用し、前記θ度回折する部位は前記有効光束中の前記円形領域以外の輪帯領域に作用する平行配向型液晶素子から構成される液晶回折光学素子であり、該液晶回折光学素子の回折機能は電気信号で制御され、前記レーザー光として直線偏光レーザー光を用い、該直線偏光レーザー光の偏光軸方向を前記液晶回折光学素子の液晶分子配向軸の方向とほぼ一致させ、かつ前記円形領域に引き出し電極線のない透明電極パターンを前記円形領域全体に形成し、前記円形領域の外周部に中心を前記円形領域と同じくする同心円状の複数の輪帯を所定のピッチで配置した前記輪帯領域の各輪帯に引き出し電極線を有する透明電極パターンを形成し、前記円形領域に電圧を常に印加しない状態に設定することによって入射直線偏光の部分的な位相変調が生じることを防止するように構成し、前記液晶回折光学素子を構成する平行配向型液晶素子の位相変調量を前記直線偏光レーザー光の波長の整数倍とし、前記液晶回折光学素子のθ度回折する部位が、マルチレベルバイナリー格子であることを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
次に本発明による第１の実施形態を図１に示す。簡単のため図１はＹＺ平面である２次元に投影して描いた。実際は光軸１０９を回転軸とした回転対照となる。また本発明と直接には関係しない検出光学系の部分は省いた。レーザー光源１０１から出射し、コリメートレンズ１０２で平行平面波にされたレーザー光１０３は回折光学素子１０４を透過後、回折光学素子１０４の回折機能により回折する。回折光学素子１０４は入射光を０度回折する部位１０５と、θ度回折する部位１０６とから構成される。
【００１５】
θ度回折する部位１０６を透過しθ度回折したレーザー光１０７は集光光学系１０８の光軸１０９を中心としたほぼ円形領域１１０（斜線表示）以外に入射する。この円形領域１１０は集光光学系１０８に本来入射すべき有効光束１１１の一部分であり、有効光束１１１による開口より小さくなっている事がわかる。ここでは有効光束１１１による開口をＤＶＤ用に、円形領域１１０による開口をＣＤ用に設定する。
【００１６】
図１に示すようにθ度回折した領域の光束は、光学結像の原理より光軸１０９からＹ軸方向に±ｆ×ｔａｎ（θ）だけずれた点±Ｐ１に結像する。ここでｆは集光光学系１０８の焦点距離である。すなわちＣＤ用の開口に設定した円形領域１１０を透過した光の結像点Ｐに寄与しない。また回折角θの値が十分大きければθ度回折した領域の光束は集光光学系１０８にはまったく入射しなくなる事もわかる。これらの状態での実効的な開口はＣＤ用となる。
【００１７】
次に回折光学素子１０４のθ度回折する部位１０６の回折機能を電気信号により停止させ０度回折する部位にする。この状態では有効光束１１１は回折光学素子１０４をそのまま素通りし、集光光学系１０８により結像点Ｐに結像される。
よってこの状態では実効的な開口はＤＶＤ用となる。
【００１８】
前項の説明で明らかなように、電気信号で回折光学素子１０４の回折機能を制御することで集光光学系１０８の実効的な開口数を切り替え可能となる。
【００１９】
（第２の実施の形態）
次に、図２に本発明における第２の実施形態について説明する。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光学素子として平行配向型液晶からなる液晶回折光学素子を用いている。最初に本実施形態の理解を容易にするため、平行配向型液晶の動作、回折現象等について簡単に説明する。
【００２０】
図３（ａ）（ｂ）は電気的に制御可能な一般的な平行配向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盤３０１に液晶分子３０２が挟まれている。入射側及び出射側ガラス基盤は配向軸３０３の方向がＹ軸方向となっている。液晶分子３０２はその長軸方向を配向軸方向にそろえる性質と、連続体として振る舞う性質とから図３（ａ）に示す様に、液晶分子３０２は平行に並びこれを平行配向もしくはホモジェニアス配向という。
【００２１】
この平行配向型液晶素子に直線偏光３０４が入射すると、その偏光軸が配向軸３０３と同方向のときは、液晶分子３０２の誘電異方性のため直線偏光３０４は直線偏光を保ったまま液晶分子３０２の長軸方向に沿って伝搬する。このさい液晶分子３０２の長軸方向の屈折率をｎ１、液晶層厚をｄとすると液晶層内を進む直線偏光３０４の光路長はｎ１×ｄとなる。
【００２２】
次にガラス基盤３０１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３（ｂ）に示す様に液晶分子３０２の長軸が電界の方向であるＺ軸方向に並んで静止する。この状態をホメオトロピックという。このときは液晶層内を進む直線偏光３０４はやはり直線偏光を保持したまま伝搬する。このとき液晶分子３０２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３０４の光路長はｎ２×ｄ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３０４に対する屈折率をｎ１からｎ２に、よって光路長を（ｎ１-ｎ２)×ｄ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。
【００２３】
図４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４０１にレーザー光４０２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４０２は位相型回折格子４０１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４０３と、それぞれθ方向及び−θ方向に回折する１次光４０４及び−１次光４０５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４０２の波長である。
【００２４】
このときレーザー光４０２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）×ｄがλ／２＋ｎλ（ｎ：０，１，２・・・・）であるときこれをロンキー格子といい０次光４０３は消滅する事が知られている。また光路長差（ｎ１−ｎ２）×ｄがｍλ（ｍ：１，２，３・・・・）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４０４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。
【００２５】
図５(ａ)(ｂ)は電気的に制御可能な液晶回折光学素子５０１の断面構造を描いたものである。液晶分子５０２はその長軸方向がＹ軸方向に一致して平行配向され、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５０３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５０１にＹ軸方向の直線偏光レーザー光５０４が入射する。
【００２６】
このとき図５(ａ)に示すように液晶回折光学素子５０１に電圧が加えられていないときは直線偏光５０４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５０４は素通りして出射光５０８になる。厳密には透明電極５０３によりわずかな回折を生じてしまうが、透明電極５０３の屈折率と液晶分子５０２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５０３による回折は生じない。
【００２７】
次に図５(ｂ)に示すように、透明電極５０３に電源から十分な電圧を加えるとその部分の液晶分子５０２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５０４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４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５０５、１次光５０６、及び−１次光５０７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５０５は発生しない。また同様に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５０６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５０３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。
【００２８】
ここから図２を用いて本発明による第２の実施形態を説明する。簡単のため図２はＹＺ平面である２次元に投影して描いた。実際は光軸２０９を回転軸とした回転対照となる。基本的には図１に示した実施形態と同じであるが、電気的に制御可能な回折光学素子として液晶回折光学素子２０５が用いられ、その基本的な構造及び動作は図３及び図５と同じである。直線偏光であるレーザー光２０３の偏光軸の方向と液晶回折光学素子２０５の液晶配向軸の方向はほぼ一致し共にＹ軸方向である。
【００２９】
直線偏光レーザー光源２０１から出射し、コリメートレンズ２０２で平行平面波にされたレーザー光２０３は液晶回折光学素子２０４を透過し回折を生じる。液晶回折光学素子２０４は入射光を０度回折する部位２０５と、電源から電圧を加える事で回折素子として機能し入射光をθ度回折する部位２０６とで構成される。
【００３０】
θ度回折する部位２０６を透過しθ度回折したレーザー光２０７は集光光学系２０８の光軸２０９を中心としたほぼ円形領域２１０（斜線表示）以外に入射する。この円形領域２１０は集光光学系２０８に本来入射すべき有効光束２１１の一部分であり、有効光束２１１によりつくられる開口より小さくなっている事がわかる。ここでは有効光束２１１による開口をＤＶＤ用に、円形領域２１０による開口をＣＤ用に設定する。
【００３１】
図２に示すようにθ度回折した領域の光束は、光学結像の原理より光軸２０９からＹ軸方向に±ｆ×ｔａｎ（θ）だけずれた点±Ｐ１に結像する。ここでｆは集光光学系２０８の焦点距離である。すなわちＣＤ用の開口に設定した円形領域２１０を透過した光の結像点Ｐに寄与しない。更にレンズ外周部に角度θで斜めに入射する光であるから収差が大きく焦点を結ばない可能性も考えられる。また回折角θの値が十分大きければθ度回折した領域の光束は集光光学系２０８にはまったく入射しなくなる事もわかる。これらの状態での実効的な開口はＣＤ用となる。
【００３２】
次に電圧印加を停止し液晶回折光学素子２０４のθ度回折する部位２０６の回折機能を停止させ０度回折する部位にする。この状態では有効光束２１１は液晶回折光学素子２０４をそのまま素通りし、集光光学系２０８により結像点Ｐに結像される。よってこの状態では実効的な開口はＤＶＤ用となる。
【００３３】
図６に液晶回折光学素子２０４の電極形状を示す。中央に直径ｒの円形領域６０１があり、その外周部に中心を円形領域６０１と同じくする同心円状の複数の輪帯がピッチＰで配置された輪帯領域６０２がある。輪帯領域６０２には引き出し電極線６０３が配置され電極部６０４に接続される。電極部６０４から輪帯領域６０２に適当な電圧を印加すれば輪帯領域６０２は回折光学素子として機能する。円形領域６０１は０度回折させる領域すなわち素通しの領域である。
【００３４】
図２において０度回折する部位２０５は電極や液晶層がなくても、また単にくり貫かれた素通しの領域でも入射光は回折しないため基本的な効果は同じである。しかしこの場合は液晶層がある領域と比べ光路長が変わってしまうためＤＶＤ用に使用する際は入射直線偏光の部分的な位相変調が生じる。よって集光光学系２１０あるいはその他の光学系を用いて補正しなければならない可能性が生じる。
【００３５】
ここで具体的な回折角θや回折した光の焦点位置の光軸２０９からのＹ軸方向のずれ（図２でＰから±Ｐ１の距離）の効果について試算する。一般的な液晶素子の製造においては電極のピッチは２０ミクロン程度で、また光ピックアップ用の集光レンズの焦点距離は４ｍｍ程度、光源である半導体レーザーの波長は０．６５ミクロン程度であるから回折角θは、前述した式（Ｓｉｎ（θ）＝λ／Ｐ）より決められθの値は１．８６度、従って前述した式（±ｆ×ｔａｎ（θ））よりずれ量は約１３０ミクロンとなる。光ディスク装置の場合、集光スポット直径は１ミクロン以下であるため十分なずれ量である。
【００３６】
図２で液晶回折光学素子２０４のθ度回折する部位２０６は２１項で述べたロンキー格子の条件を満たせば０次光は発生せず、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次光しか発生しない。ロンキー格子として用いた場合はそれぞれ±θ方向に回折する±１次光が発生する。この場合は、図２や前述のずれ量の式（±ｆ×ｔａｎ（θ））からも明らかなようにＰ１点には１次光と光軸２０９に対して対称な部分から−θ方向に回折した−１次光がほぼ重なる。同様に−Ｐ１点においては１次光と光軸２０９に対して対称な部分から−θ方向に回折した−１次光がほぼ重なる。１次光と−１次光は相対位相差は半波長のため両者が重なり干渉し合うと消滅してしまう事が考えられ都合がよい。
【００３７】
また液晶回折光学素子２０４は偏光板等を必要としない位相型回折格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。
【００３８】
【発明の効果】
今までの説明から明らかなように本発明における液晶回折光学素子を用いた光学装置は簡単な構成で且つあまり光量をロスすることなく開口数を電気的に簡単に切り替える事ができる。この事はＤＶＤ−Ｒ、すなわち書き込みあるいは書き換え可能なデジタルバーサタイルディスクの光学系において、ＣＤの再生を兼ね備えた光ピックアップに有効である。なぜなら光源としての半導体レーザの光出力アップは困難な問題であるからである。更に回折により光を除去するため、散乱等を用いる方法と比べて除去した光がランダムに拡散することがないので散乱ノイズすなわち迷光ノイズとなりにくい。また、レーザー光の波長が変わっても電気信号により液晶素子の位相変調量を制御することで容易に対応可能である。
【００３９】
また本発明における液晶素子は現在の複雑なマトリクス画素構造を持ったパソコン用等の液晶表示パネルと比べ、サイズも小さく構造も非常に簡単なため製造も容易である。また本実施例においては電気制御可能な回折光学素子として液晶素子を使用したがビスマスシリコンオキサイド（ＢＳＯ）やニオブ酸リチウムなどの固体結晶、あるいはＰＬＺＴなどの電気光学セラミクスを用いてもよい。しかしこれらの物質は有効動作電圧が数百から数千ボルトもあるため有効動作電圧が数ボルトである液晶と比べて駆動が困難である。
【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２の実施形態において、電気的に制御可能な平行配向型液晶素子の作用を表した図である。
【図４】一般的なバイナリー型の位相型回折格子による光の回折現象を表した図である。
【図５】本発明の第２の実施形態において、電気的に制御可能な液晶回折光学素子の基本的な断面構造を表した図である。
【図６】本発明の第２の実施形態における液晶回折光学素子の透明電極形状を表した図である。
【図７】従来技術における光学装置の構成例を表した図である。
【符号の説明】
１０１、レーザー光源
２０１、７０１、直線偏光レーザー光源
１０２、２０２、７０２、コリーメートレンズ
１０３、２０３、４０２、レーザー光
７０３、直線偏光
１０４、回折光学素子
２０４、５０１、液晶回折光学素子
７０４、偏光軸
７０５、９０度ＴＮ型液晶素子
１０５、２０５、０度回折する部位
１０６、２０６、θ度回折する部位
１０７、２０７、θ度回折したレーザー光
１０８、２０８、７０６、７１２、集光光学系
７０７、偏光板
１０９、２０９、光軸
１１０、２１０、６０１、円形領域
１１１、２１１、有効光束
７０８、７１３、集光スポット
７０９、光ディスク
７１０、光分離素子
７１１、分離された光束
７１４、光検出素子
３０１、ガラス基盤
３０２、５０２、液晶分子
３０３、配向軸
３０４、直線偏光
４０１、位相型回折格子
４０３、５０５、０次光
４０４、５０６、１次光
４０５、５０７、-１次光
５０３、透明電極
５０４、直線偏光レーザー光
５０８、出射光
６０２、輪帯領域
６０３、引き出し電極線
６０４、電極部

Claims (1)

1. 少なくともレーザー光を出射するレーザー光源と該レーザー光を回折する回折光学素子と該回折光学素子を透過した光束を集光する集光光学系とを有する光学装置において、前記回折光学素子は入射レーザー光を透過する部位とθ度回折する部位とから構成され、前記透過する部位は集光光学系により利用される有効光束中の光軸を中心としたほぼ円形領域に作用し、前記θ度回折する部位は前記有効光束中の前記円形領域以外の輪帯領域に作用する平行配向型液晶素子から構成される液晶回折光学素子であり、該液晶回折光学素子の回折機能は電気信号で制御され、前記レーザー光として直線偏光レーザー光を用い、該直線偏光レーザー光の偏光軸方向を前記液晶回折光学素子の液晶分子配向軸の方向とほぼ一致させ、かつ前記円形領域に引き出し電極線のない透明電極パターンを前記円形領域全体に形成し、前記円形領域の外周部に中心を前記円形領域と同じくする同心円状の複数の輪帯を所定のピッチで配置した前記輪帯領域の各輪帯に引き出し電極線を有する透明電極パターンを形成し、前記円形領域に電圧を常に印加しない状態に設定することによって入射直線偏光の部分的な位相変調が生じることを防止するように構成し、前記液晶回折光学素子を構成する平行配向型液晶素子の位相変調量を前記直線偏光レーザー光の波長の整数倍とし、前記液晶回折光学素子のθ度回折する部位が、マルチレベルバイナリー格子であることを特徴とする光学装置。

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