NL1016064C2 - Optische straaldeler voor de polarisatiescheiding van monochromatisch licht. - Google Patents

Description

I » ’

OPTISCHE STRAALDELER VOOR DE POLARISATIESCHEIDING VAN MONOCHROMATISCH LICHT

De uitvinding heeft betrekking op een optische straaldeler voor de polarisatie-5 scheiding van monochromatisch licht. Dergelijke optische straaldelers worden bijvoorbeeld in optische pick-ups gebruikt, waar het om het lezen en schrijven van informa-tielagen in opslagelementen gaat Meer in het bijzonder heeft de onderhavige uitvinding betrekking op een optische straaldeler volgens de aanhef van conclusie 1.

Een dergelijke optische straaldeler is bekend uit Amerikaans octrooischrift 10 US 4.971.414. Dit document beschrijft een optisch element voor een opslag-/leesapparaat, waarbij licht van een laser naar een optisch opslagmedium wordt doorgestuurd, en waarbij het gereflecteerde licht in een golfgeleiderlaag wordt gekoppeld voor detectie.

Uit de stand van de techniek zijn talrijke oplossingen van geïntegreerde pick-up-15 systemen bekend, die uit refractieve respectievelijk diffractieve optica zijn opgebouwd en de meest uiteenlopende functies kunnen realiseren. De kern van deze systemen bestaat daarbij vaak uit samengestelde optische afzonderlijke componenten, bijvoorbeeld prisma's, vlakke platen, met aangebrachte reflectielagen.

De optische elementen zijn, om geringe afmetingen te verkrijgen en de stoorge-20 voeligheid te verlagen, vaak als geïntegreerd optisch glasblok opgebouwd en worden bijvoorbeeld door de firma Matsushita verkocht.

Een verder voorbeeld, waarbij de kern, een pooldeler, de scheiding van mono-chromatische straling in loodrechte en parallelle componenten uitvoert, is uit US 5.682.373 bekend. Met deze configuratie is lezen en schrijven van optische opslagele-25 menten op verschillende hoogten mogelijk (CD, DVD).

De polarisatie-optische elementen moeten echter relatief gecompliceerd worden vervaardigd en moeten op complexe wijze worden gejusteerd. Bovendien moeten de afzonderlijke elementen bij de vervaardiging een veelheid technologische processen doorlopen, waardoor hoge kosten ontstaan.

30 Een verder pick-up-concept met diffractieve optica is uit Spie vol. 1663 Optical

Data Storage (1992), pagina's 46 - 57 bekend. Hierbij is een holografisch tot stand gebracht volumerooster in een dik registratiemedium naast een reliëfrooster aangebracht. De roosters op de lichtdoorlatende lichamen worden in verschillende fabricagetechno- 1016064~ i I ' 2 logieën vervaardigd en moeten ten opzichte van elkaar gejusteerd en gemonteerd worden. Dat is voor het bereiken van een hoge nauwkeurigheid zeer complex.

Uitgaande van de stand van de techniek ligt aan de uitvinding de doelstelling ten grondslag een optische straaldeler voor de polarisatiescheiding van monochromatisch 5 licht te realiseren, die relatief klein is, die weinige verschillende elementen omvat, volgens een technologie vervaardigd kan worden en daarmee goedkoop geproduceerd kan worden,

De doelstelling wordt overeenkomstig de uitvinding bij een soortgelijke optische straaldeler voor de polarisatiescheiding van monochromatisch licht bereikt door een 10 optische straaldeler volgens conclusie 1. Het rooster is op het lichtdoorlatende lichaam aangebracht en wordt door de lichtstraal doorlopen. Bij een voorkeursuitvoeringsvorm van de uitvinding is het rooster en/of het de polarisatie veranderende element direct of via tenminste één lichtdoorlatend tussenlichaam op het of in directe nabijheid van het lichtdoorlatende lichaam aangebracht. Het is voordelig, dat het rooster en het de polari-15 satie veranderende element uit telkens een oppervlaktereliëfiooster bestaan. Verdere voorkeursuitvoeringsvormen kunnen aan de onderconclusies worden ontleend.

Op grond van de veelvoudige mogelijke variaties van een aldus opgebouwde optische stralendeler voor de polarisatiescheiding van monochromatisch licht, kan een opbouw van een optische pick-up, die meerdere informatielagen parallel kan lezen res-20 pectievelijk kan lezen en schrijven, goedkoop worden opgebouwd.

De uitvinding wordt hieronder aan de hand van principeweergaven nog nader uiteengezet.

Figuur 1 toont een principeweergave van de optische straaldeler overeenkomstig de uitvinding, 25 Figuur 2 toont een principeweergave van de optische straaldeler overeenkomstig de uitvinding in een pick-up-systeem,

Figuur 3 toont een principe-weergave van de optische straaldeler overeenkomstig de uitvinding in een pick-up-systeem voor het parallel lezen of gelijktijdig schrijven en lezen, 30 Figuur 4 toont een principeweergave van de optische straaldeler overeenkomstig de uitvinding in een pick-up-systeem voor het parallel lezen of gelijktijdig schrijven en lezen met over elkaar liggende focussen.

Figuur 1 toont een principeweergave van de optische straaldeler overeenkomstig 1016064" I · 3 de uitvinding. Op het lichtdoorlatende lichaam 1 is een rooster 2 aangebracht. Een op het rooster 2 invallende monochromatische lichtstraal is zodanig gepolariseerd, dat de totale straling zo veel mogelijk zonder buiging het rooster 2 doorloopt. Daarbij is de monochromatische lichtstraal bij voorkeur zodanig gepolariseerd, dat de vector van de 5 elektrische veldsterkte van de straling loodrecht ten opzichte van de roostergroeven oscilleert. De monochromatische lichtstraal doorloopt het lichtdoorlatende lichaam 1 en valt op een element 3, dat de polarisatie van het monochromatische licht verandert, en doorloopt het element 3 rechtlijnig. Het rooster 2 is op voordelige wijze een faserooster met een hoge transmissiegraad voor de benutte straling.

10 Het polarisatieveranderende element 3 realiseert een faseverschuiving in het ge bied van /φ/ = 70° - 110° 15 Het element 3 bestaat uit een faserooster, dat een roosterconstante heeft, die in transmissie en reflectie voor de gebruikte golflengte geen eerste of hogere orde toelaat. Het lichtdoorlatende lichaam 1 kan bijvoorbeeld uit een planparallelle glasplaat met een dikte van enkele mm zijn opgébouwd.

Om een faseverschuiving te bereiken moeten de roosterstructuren van het rooster 20 2 en het element 3 ten opzichte van elkaar in een gedefinieerd hoekgebied zijn aange bracht, dat op voordelige wijze circa 45° bedraagt. Het rooster 2 en het element 3 zijn volgens de in de elektrotechniek gebruikelijke structureringstechnologieën van de ho-lografie/lithografie vervaardigd of stellen kopieën van masterelementen, die met de bovengenoemde technologieën zijn vervaardigd, voor. Het element 3 kan bovendien uit 25 dubbelbrekend kristal, uit een folie enzovoorts worden gerealiseerd.

hi figuur 2 is een prindpeweergave van de optische straaldeler overeenkomstig de uitvinding in een eenvoudig pick-up-systeem weergegeven. Het licht van een monochromatische lichtbron 9, bijvoorbeeld een laserdiode, valt op een rooster 21, dat op een lichtdoorlatend lichaam 1 is aangebracht. De component van het monochromati-30 sche licht met het oscillatievlak van de elektrische veldsterkte loodrecht ten opzichte van de roostergroeven wordt door de structuur van het rooster 21 niet afgebogen en doorloopt het lichtdoorlatende lichaam 1 zonder richtingsverandering (x), bijvoorbeeld uitgevoerd als planparallelle plaat, en valt op het de polarisatie van het monochromaü- 1016064“ 4 . · sche licht veranderende element 3. Aan de uitgang van het element 3 is zo op voordelige wijze circulair gepolariseerd licht aanwezig en dit doorloopt een optisch lenzensysteem 5 en valt op een object 7. Het licht wordt op het focusseervlak 6 van het object 7 gereflecteerd. Het focusseervlak 6 kan uit verschillende materialen bestaan, die ge-5 schikt zijn om het invallende licht te reflecteren, zoals bijvoorbeeld bij een optische schijf. Daarmee wordt de draairichting van het circulair gepolariseerde licht in tegengestelde richting gedraaid en doorloopt wederom het optische lenzensysteem 5 en het element 3. Na doorlopen van het element 3 ontstaat lineair gepolariseerd licht, dat onder 90° ten opzichte van het licht van de laserdiode is gedraaid. Daardoor wordt aan het 10 rooster 21 het licht zeer efficiënt gebogen en wordt aan de achterzijde van het licht-doorlatende lichaam 1 totaal gereflecteerd en bereikt het rooster 22, wordt door het rooster 22 in de eerste buigingsorde (transmissie) gebogen en valt op een detector 10, die de evaluatie uitvoert. Op voordelige wijze zijn de roosterconstanten 21 en 22 gelijk, zodat het loodrecht binnentredende licht van de laserdiode en de het rooster 22 verla-15 tende lichtstraal zo parallel mogelijk aan elkaar verlopen, waarbij een exacte parallelliteit slechts bij verwaarloosbare wigfouten van het lichtdoorlatende lichaam 1 met betrekking tot de parallelle, de roosters 21, 22 en het element 3 dragende vlakken, optreedt. De roostergroeven van de roosters 21 en 22 in figuur 2 staan loodrecht ten opzichte van het tekenvlak.

20 In figuur 3 is een optische straaldeler in een pick-up-systeem voor het parallel lezen of gelijktijdig schrijven en lezen met lateraal verschoven focussen en in een of twee boven elkaar liggende focusseervlakken weergegeven. Het licht van een lichtbron 9 valt op een rooster 21 en wordt door het rooster 21 afhankelijk van de oriëntering van de vector van de elektrische veldsterkte van de straling ten opzichte van de positie van 25 de roostergroeven in een deelstraal y en een deelstraal z onderverdeeld. De deelstraal y wordt daarbij, zoals in figuur 2 beschreven, via het element 31 van het optische lenzensysteem 52, het focusseervlak 6 naar de detector 10 geleid. De andere deelstraal z wordt aan de tegenover het rooster 21 liggende zijde van het lichtdoorlatende lichaam 1 gereflecteerd, bereikt een rooster 22 en doorloopt op de zoals in figuur 2 beschreven 30 heen- en terugweg via het element 32, 51 een focusseervlak 12 en valt op een detector 11. Na opsplitsing aan het rooster 21 is de deelstraal z overwegend zodanig gepolariseerd, dat de vector van de elektrische veldsterkte parallel aan de groeven van het rooster 21 oscilleert.

1018064- 5 * *

Op voordelige wijze hebben de roosters 21, 22, 23 dezelfde roosterconstante en hun roostergroeven hebben dezelfde richting. Voor de weergave in figuur 3 staan de roostergroeven loodrecht ten opzichte van het tekenvlak. Met het optische lenzensysteem 51 wordt het overeenkomstige focusseervlak ingesteld. De roosters 21,22,23 zijn 5 identiek uitgevoerd, net als de elementen 31 en 32. De elementen 31 en 32 realiseren wederom een faseverschuiving in het gebied /q>/ = 70° - 110° 10 Daarmee wordt bijvoorbeeld een λ/4 functie gerealiseerd. Derhalve zijn bundels licht van circulaire polarisatie met verschillende draairichting aanwezig, die telkens door de weergegeven reflectiewegen via de focusseervlakken 6 en 12 verschillende detectoren 10 en 11 bereiken. De rotatie van het gepolariseerde licht in de straalgangen in de richting van het focusseervlak 6 en 12 en terug door de elementen 31 en 32 func-15 tioneert, zoals in figuur 2 is beschreven. Derhalve is aan de detector 10 gepolariseerd licht met het oscillatievlak van de elektrische veldsterktevector parallel aan de roostergroeven van het roost»: 23 aanwezig en is aan de detector 11 gepolariseerd licht met het oscillatievlak van de elektrische veldsterktevector loodrecht ten opzichte van de roostergroeven van het rooster 22 aanwezig. Aandelen van andere polarisatierichtingen 20 aan de detectoren zijn verwaarloosbaar. Met deze configuratie kunnen over elkaar liggende geheugenlagen, weergegeven door de vlakken 6 en 12, parallel worden uitgelezen of gelijktijdig worden beschreven en gelezen. De configuratie kan echter ook voordelig voor een disk met een focusseervlak worden toegepast. Daarbij wordt een verhoging van de datasnelheid mogelijk.

25 Figuur 4 toont een principeweergave van de optische straaldeler overeenkomstig de uitvinding in een pick-up-systeem voor het parallel lezen of gelijktijdig schrijven en lezen in twee boven elkaar liggende geheugenlagen, waarbij de focussen van het optische lezensysteem 5 axiaal ten opzichte van de optische as zijn aangébracht. Het mono-chromatische licht van de lichtbron 9 loopt door een collimatorsysteem 13, dat bijvoor-30 beeld uit een hybride collimator, een beamshaper en een draaibare λ/2-plaat bestaat, en valt op het rooster 21. Het rooster 21 splitst afhankelijk van de ingangspolarisatie, zoals in figuur 3 uiteengezet, de lichtbundel in de deelstralen y en z op. De deelstraal y doorloopt het polarisatie-bemvloedende element 31 met de zoals in figuur 1 beschreven 1018084* 6 1 » werkingen. Een rooster 24, dat op een lichtdoorlatend tussenlichaam 4 is aangebracht, buigt de component van de lichtstraal efficiënt, waarvan de elektrische veldsterktevec-tor parallel aan de roostergroeven van het rooster 24 oscilleert, wordt aan de tegenoverliggende zijde van het rooster 24 totaal gereflecteerd en via een verder rooster 25 5 afgebogen. Deze afgebogen lichtstraal bereikt een vloeistofkristallens 8. Op de vloei-stofkristallens 8 bereikt bovendien de deelstraal z, die eveneens via de weg van de totale reflectie van de buiging van het rooster 22 en het de polarisatie veranderende element 32 en rooster 25 op de vloeistofkristallens 8 valt, overwegend met de component van de veldsterkte, die loodrecht ten opzichte van de groeven van het rooster 25 oscil-10 leert. De groeven van de roosters 21, 22, 23, 24 en 25 staan in figuur 4 loodrecht ten opzichte van het tekenvlak. Op de vloeistofkristallens 8 vallen derhalve twee lichtbundels met nagenoeg lineair gepolariseerd licht met loodrecht ten opzichte van elkaar staande oscillatievlakken, waarbij de uitvoering van de vloeistofkristallens een afbeel-dingswerking op slechts één oscillatievlak heeft, het andere oscillatievlak wordt oribe-15 'invloed doorgelaten. Op het optische lenzensysteem 5 vallen derhalve twee golven van verschillende divergentie en hun afbeelding wordt op de focusseervlakken 6 en 12 van het geheugenelement 71 gerealiseerd. De focusseervlakken 6 en 12 zijn hierbij zodanig uitgevoerd, dat ze geschikt zijn om informatie door middel van lichtgevoelige lagen op te slaan of door middel van reflecterende lagen te lezen. De vloeistofkristallens 8 is 20 daarbij op gebruikelijke wijze met een vloeistofkristal gevuld, waarvan de oriëntering met de toegevoerde spanning verandert en derhalve tot een verandering van de brekingsindex van het systeem leidt. De elektroden zijn daarbij transparant uitgevoerd en op de vloeistofomgeving vormende vorm aangébracht. Dit oppervlak kan continue krommingen, zoals microstructuuroppervlakken, omvatten.

1016064“ 7 . '

Lijst van de gebruikte verwiizinesciifers lichtdoorlatend lichaam 1 rooster 2,21,22,23,24,25 5 element 3,31,32 lichtdoorlatend tussenlichaam 4 lichtstraal x deelstraal y, z oppervlaktereliëfrooster a 10 optisch lenzensysteem 5,51,52,53 focusseervlak 6,12 object 7 opslagelement 71 vloeistofkristallens 8 15 lichtbron 9 detector 10,11 collimatorsysteem 13 1016064-

Claims (11)

1. Optische straaldeler voor de polarisatiescheiding van monochromatisch licht, waarbij de monochromatische lichtstraal tenminste één op een lichtdoorlatend lichaam 5 (1) aangebracht rooster (2,21) doorloopt, waarbij de lichtstraal afhankelijk van de pola risatie van de lichtstraal het rooster (2,21) zonder richtingsverandering (x) doorloopt of in deelstralen (y, z) wordt onderverdeeld, en waarbij in de het lichtdoorlatende lichaam (1) verlatende lichtstraal (x) en/of deelstraal (y, z) een de polarisatie van het monochromatische licht veranderend element (3, 31, 32) achter het rooster (2, 21) is 10 aangebracht, met het kenmerk, dat het de polarisatie veranderende element (3, 31,32) op de tegenover het rooster (2,21) liggende zijde van het lichtdoorlatende lichaam (1) is aangebracht..

2. Optische straaldeler volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het rooster (2, 21) en/of het de polarisatie veranderende element (3,31,32) direct of via tenminste één 15 lichtdoorlatend tussenlichaam (4) in directe nabijheid van het lichtdoorlatende lichaam (1) zijn aangebracht.

3. Optische straaldeler volgens een van de conclusies 1 of 2, met het kenmerk, dat het rooster (2,21) en het de polarisatie veranderende element (3,31, 32) telkens uit een oppervlaktereliëfrooster (a) bestaan.

4. Optische straaldeler volgens een van de conclusies 1 tot en met 3, met het kenmerk, dat het de polarisatie veranderende element (3, 31, 32) een faseverschuiving <p in het gebied /φ/ = 70° -110° realiseert.

5. Optische straaldeler volgens een van de conclusies 1 tot en met 4, met het kenmerk, dat het de polarisatie veranderende element (3, 31, 32) als folie of plaatje is 25 uitgevoerd.

6. Optische straaldeler volgens een van de conclusies 1 tot en met 5, met het kenmerk, dat het de polarisatie veranderende element (3, 31, 32) uit een λ/4-structuur bestaat.

7. Gebruik van een optische straaldeler volgens een van de conclusies 1 - 6, in 30 een inrichting voor het schrijven en lezen van een optische plaat, een compact disk (CD) of digital versatile disk (DVD).

8. Optische straaldeler volgens een van de conclusies 1-6, met het kenmerk, dat achter de uit het element (31, 32) uittredende lichtstraal (x) of deelstralen (y, z) een 1016064- -» . * optisch lenzensysteem (5, 53) voor het focusseren van de lichtstraal op een focusseer-vlak (6 en/of 12) op of in een opslagelement (7,71) is geschakeld.

9. Optische straaldeler volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat het optische lenzensysteem (53) uit een vloeistofkristallens (8) en een optisch lenzensysteem (5) be- 5 staat.

10. Optische straaldeler volgens conclusie 9, met het kenmerk, dat de vloeistoflens (8) uit transparant uitgevoerde elektroden bestaat en de elektroden op de vloeistofomgeving vormende vorm zijn aangebracht.

11. Gebruik van een optische straaldeler volgens een van de conclusies 8 tot en 10 met 10 in een inrichting voor het schrijven en lezen van een optische plaat, een compact disk (CD) of digital versatile disk (DVD). * * * * * φ * * * * * * * * * * 1016084"