WO1999013464A1 - Dispositif optique - Google Patents

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WO1999013464A1
WO1999013464A1 PCT/JP1998/004089 JP9804089W WO9913464A1 WO 1999013464 A1 WO1999013464 A1 WO 1999013464A1 JP 9804089 W JP9804089 W JP 9804089W WO 9913464 A1 WO9913464 A1 WO 9913464A1
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optical
light
region
linearly polarized
polarized light
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PCT/JP1998/004089
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Inventor
Nobuyuki Hashimoto
Original Assignee
Citizen Watch Co., Ltd.
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    • G11B—INFORMATION STORAGE BASED ON RELATIVE MOVEMENT BETWEEN RECORD CARRIER AND TRANSDUCER
    • G11B7/00—Recording or reproducing by optical means, e.g. recording using a thermal beam of optical radiation by modifying optical properties or the physical structure, reproducing using an optical beam at lower power by sensing optical properties; Record carriers therefor
    • G11B7/12—Heads, e.g. forming of the optical beam spot or modulation of the optical beam
    • G11B7/135—Means for guiding the beam from the source to the record carrier or from the record carrier to the detector
    • G11B7/1365—Separate or integrated refractive elements, e.g. wave plates
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    • G11B7/12—Heads, e.g. forming of the optical beam spot or modulation of the optical beam
    • G11B7/135—Means for guiding the beam from the source to the record carrier or from the record carrier to the detector
    • G11B7/1381—Non-lens elements for altering the properties of the beam, e.g. knife edges, slits, filters or stops
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11B—INFORMATION STORAGE BASED ON RELATIVE MOVEMENT BETWEEN RECORD CARRIER AND TRANSDUCER
    • G11B7/00—Recording or reproducing by optical means, e.g. recording using a thermal beam of optical radiation by modifying optical properties or the physical structure, reproducing using an optical beam at lower power by sensing optical properties; Record carriers therefor
    • G11B2007/0003—Recording, reproducing or erasing systems characterised by the structure or type of the carrier
    • G11B2007/0006—Recording, reproducing or erasing systems characterised by the structure or type of the carrier adapted for scanning different types of carrier, e.g. CD & DVD

Definitions

  • the present invention is applicable to a super-resolution optical device applicable to an optical disk device, and an optical disk such as a DVD (digital versatile disk) or a CD (compact disk) having an appropriate numerical aperture for imaging.
  • the present invention relates to an optical device having a high light utilization factor and capable of easily changing the numerical aperture electrically.
  • the focal point of light should be an infinitely small spot.
  • the image point has a finite spread due to the diffraction effect due to the wave nature of light.
  • the spread of the image formation point is physically defined by the following equation.
  • ⁇ is the wavelength of light
  • k is a constant determined by the optical system and usually takes a value of about 1 to 2.
  • the numerical aperture N A is proportional to the ratio D / f between the effective entrance pupil diameter D of the optical system (generally, the effective light beam diameter) and the focal length f.
  • the spread of the imaging point expressed by the above equation becomes the theoretical resolution limit of the optical system, and this is called the diffraction limit.
  • a general optical disk device uses a semiconductor laser that emits a light beam having a wavelength of about 70 O nm as a light source and a condensing optical system having a numerical aperture NA of about 0.5. .
  • the shielding plate blocking the effective luminous flux of the condensing optical system with the shielding plate reduces the light use efficiency.
  • the central area of the light including the optical axis is shielded by the shielding plate.
  • the central area of the light has a strong light intensity distribution, and therefore the light use efficiency is reduced. Has become even more remarkable.
  • Such low light use efficiency necessitates the use of a high-output light source, but such a high-output light source is expensive, which makes the optical device costly. .
  • a high-cost semiconductor laser light source is used even if it has a low output, so that a high-power device cannot be used in cost.
  • the configuration becomes complicated because the number of components of the optical system also increases.
  • a slit shift occurs, not only the sidelobe but also the light-collecting spot will be shielded, so that the slit must be finely aligned.
  • dust and the like adhere to gaps in the slit. .
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and realizes detection of reflected signal light by a super-resolution focusing spot without reducing the light use efficiency and eliminating the problem of sidelobes.
  • the primary purpose is to
  • the theoretical resolution of the optical system is greatly affected by the numerical aperture.
  • the numerical aperture of the focusing (object) lens of an optical pickup used in an optical disk device is about 0.45 for CDs and CD-ROMs, and about 0.55 for DVDs (digital versatile discs).
  • the thickness of the optical disc substrate is about 1.2 mm for CD and about 0.6 mm for 00.
  • the focusing lens of the optical pickup that needs to focus light to the diffraction limit is designed taking into account the thickness of the optical disk substrate. Therefore, it is impossible to share optical pickups for CD-ROMs because the appropriate numerical apertures differ for CD-ROM and DVD.
  • a method of installing two pickups in one device a method of engraving a hologram on the focusing lens of an optical pickup to make it a two-focus, or a liquid crystal shutter
  • a method of switching the effective entrance pupil diameter by using a method is used.
  • the present invention also solves such a problem, and enables a common optical device (optical pickup) to be used for an optical disk such as a DVD or a CD having an appropriate numerical aperture for image formation.
  • the second object is to make it possible to switch the numerical aperture easily and electrically without significantly lowering the utilization factor. Disclosure of the invention
  • the present invention achieves the first and second objects by means that are substantially common.
  • the present invention provides a condensing optical system for condensing linearly polarized incident light, and a light reflecting member disposed near a focal plane of the condensing optical system.
  • An optical device including a light separating element that separates the reflected light reflected from the incident light from the incident light, and a light detecting element that detects the separated light beam separated by the light separating element.
  • a linear polarization detecting element is provided in the optical path of the separated light beam.
  • the optical rotation optical element whose optical rotation is controlled by an electric signal is installed in the middle of the linearly polarized incident optical path, and the effective light beam of the linearly polarized light is divided into regions where the polarization axes are orthogonal to each other.
  • a super-resolution optical system is realized without interrupting the light beam.
  • a linear polarization detector on the optical path after the super-resolution focusing spot is reflected by the light reflecting member, it can be reflected without using a slit-focusing lens. Cycloids can be removed from the signal light.
  • the linear polarization detector has a detection axis whose orientation is minus 85 degrees or more and minus 5 degrees or 5 degrees or more and 85 degrees or less with respect to the direction of the polarization axis of linearly polarized light incident on the optical rotation optical element. It is desirable to set the range, that is, the range excluding minus 90 degrees, 0 degrees, and around 90 degrees.
  • the optical rotatory optical element a region having a function of rotating the polarization axis of linearly polarized light by 90 degrees by applying a voltage to the liquid crystal in a part of the light transmitting region and a region not having the optical rotation function It is preferable to use a liquid crystal element that generates the following, and arrange the liquid crystal element such that the alignment direction of the liquid crystal molecules on the side where the linearly polarized light is incident coincides with or orthogonal to the direction of the polarization axis of the linearly polarized light.
  • liquid crystal element a 90-degree twisted nematic liquid crystal element having a transparent electrode for applying a voltage to the liquid crystal in a part of the light transmitting area is used, and a voltage is applied through the transparent electrode.
  • the liquid crystal molecules at the site where the liquid crystal molecules have become homeotropically aligned can lose the 90-degree optical rotation function.
  • a part of the area where the polarization axis of the linearly polarized light is rotated by approximately 90 degrees by the optical rotation optical element is converted into a substantially circular ⁇ centered on the optical axis in the effective light beam used by the condensing optical system of the linearly polarized light. It may be a region or a region other than the circular region.
  • a part of the area where the polarization axis of the linearly polarized light is rotated by approximately 90 degrees by the optical rotation optical element is formed into a substantially rectangular shape centered on the optical axis in the effective light beam used by the condensing optical system of the linearly polarized light.
  • the area may be an area or an area other than the rectangular area.
  • the area occupied by the substantially circular region in the effective light beam is preferably 1% or more and 20% or less of the area of the effective light beam on a plane perpendicular to the optical axis.
  • the area occupied in the effective light flux in the case of a substantially rectangular area is set to 10% or more and 40% or less (particularly preferably about 20%) of the area of the effective light flux on a plane orthogonal to the optical axis. It's good.
  • a part of the area where the polarization axis of the linearly polarized light is rotated by about 90 degrees by the optical rotation optical element is centered on the optical axis in the effective light beam used by the linearly polarized light condensing optical system.
  • the super-resolution focusing spot is reflected by the light reflecting member and separated from the incident light by the light separating element.
  • the second object can be achieved by installing a linearly polarized light detecting element in which the direction of the detection axis substantially coincides with or orthogonal to the direction of the polarization axis of the incident linearly polarized light in the optical path of the light beam.
  • this optical device can be used as a common optical pickup for optical disks such as DVDs and CDs having different numerical apertures suitable for imaging, and the optical rotation of the optical rotation optical element can be increased by electric signals.
  • the actual numerical aperture can be switched without lowering the light utilization factor.
  • side lobes can be removed from the reflected signal light by the linear polarization detection element.
  • the area occupied by the substantially circular region in the effective light flux is 50% or more and 80% or less (particularly preferably about 70%) of the area of the effective light flux on a plane orthogonal to the optical axis. Good to do.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of an optical system showing a first embodiment of the optical device according to the present invention.
  • FIG. 2 is a configuration diagram of an optical system showing a second embodiment of the optical device according to the present invention.
  • FIG. 3 is a configuration diagram of an optical system showing a third embodiment of the optical device according to the present invention.
  • FIG. 4A and FIG. 4B are diagrams schematically showing the optical rotation function in a general, swiss-nematic liquid crystal element that can be electrically controlled.
  • FIG. 5 is a diagram showing a configuration of a twisted nematic liquid crystal element prototyped by the inventor for use as the optical rotation element in the present invention.
  • Fig. 6A is a cross-sectional view of the focusing spot P obtained by the optical system shown in Fig. 3 in the X-axis direction. It is a figure showing the profile in 99/13464 side.
  • FIG. 6B is a diagram showing a profile in a cross section in the X-axis direction of the light condensing spot P obtained by the optical system from which the liquid crystal element 303 has been removed.
  • FIG. 7A is a diagram showing a profile of a light collecting spot Q detected by the photodetector 704 of the optical system shown in FIG.
  • Figure 7B shows a photodetector of the optical system with the linear polarization detector 703 removed.
  • FIG. 7 is a diagram showing a profile of a light collecting spot Q detected by 704.
  • FIG. 8 is a diagram showing the direction of the detection axis of the linearly polarized light detection element 703 in FIG.
  • FIG. 9 is a block diagram of an optical system showing a fourth embodiment of the optical device according to the present invention.
  • FIG. 10 is a configuration diagram of an optical system showing a fifth embodiment of the optical device according to the present invention.
  • FIG. 11 is a diagram showing a configuration of a swiss nematic liquid crystal element prototyped by the inventor for use as an optical rotation element in the fourth and fifth embodiments of the present invention.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of an optical system showing a first embodiment of an optical device according to the present invention, and is premised on application to an optical disk device.
  • the optical device of this embodiment includes a linearly polarized laser light source 101, a collimating lens 102, a rotation optical element 103, a condensing optical system 104, a light separating element 701, a condensing optical system 7
  • the optical system of the optical disk device is composed of the linearly polarized light detecting element 703 and the light detecting element 704.
  • Linearly polarized light 10 emitted from the linearly polarized laser light source 101 becomes a plane wave by the collimating lens 102.
  • linearly polarized light 10 has its polarization axis 10 y in the Y-axis direction. 99/13464
  • the optical rotation optical element 103 rotates the incident linearly polarized light 10 in the X-axis direction orthogonal to the Y-axis by 0 degrees (no rotation) and a part 103 a that rotates 90 degrees. 3b.
  • the part 103 a that rotates (does not rotate) the 0-degree optical rotation of the optical rotation optical element 103 is formed in a rectangular shape centered on the optical axis as shown by hatching. Therefore, the linearly polarized light 10a transmitted through the 0 ° optically rotated portion 103a enters the substantially rectangular region 104a centered on the optical axis O of the condensing optical system 104. I do.
  • This rectangular area 104 a is a part of the effective light beam 11 incident on the condensing optical system 104.
  • the effective light beam 11 is equal to the light beam of the linearly polarized light 10 transmitted through the optical rotation optical element 103. I do.
  • the linearly polarized light 10 b transmitted through the 90-degree optically rotating portion 103 b of the optical rotation optical element 103 enters the region 104 b of the condensing optical system 104 other than the rectangular region. .
  • the polarization axes of the linearly polarized light incident on the rectangular region 104a and the linearly polarized light incident on the region 104b other than the rectangular region are orthogonal to each other. Since the orthogonal light beams do not interfere with each other, they behave as if they are shielded from each other. Therefore, super-resolution occurs.
  • the optical rotation function of the optical rotation element 103 of the optical rotation element 103 is controlled by an electrical signal, and the optical rotation function is changed to the area of optical rotation of 90 degrees, the rectangular area of the condensing optical system 104 can be obtained.
  • the orthogonal relationship between 4a and the polarization axis of the linearly polarized light in the region 104b other than the rectangular region disappears. As a result, the super-resolution effect is lost and normal resolution is achieved.
  • the part 103 b that rotates 90 degrees in the optical rotation optical element 103 is changed to a part that rotates 90 degrees.
  • the condensing spot P formed by the condensing optical system 104 is the X-axis.
  • the optical disk 105 when recording information on the optical disk 105, the optical disk 105 is arranged at the position of the light collecting spot P on the focal plane of the light collecting optical system 1 • 4, and the optical disk 105 is also recorded.
  • the track pitch which is the interval between the spiral recording grooves 105a, can be made smaller and the recording density can be improved.
  • the portion 103 a that rotates by 0 degrees in the optical rotation optical element 103 is formed in a rectangular shape, but it may be formed in a circular shape around the optical axis. Good. In this case, super-resolution occurs in both the X-axis and Y-axis components.
  • the region where the 0-degree rotation is performed does not have to be a strict rectangular or circular shape, and the same super-resolution can be obtained even if there is some notch or distortion. Further, even if the center of the region is slightly shifted from the optical axis of the optical system, a sufficient super-resolution can be obtained similarly.
  • the light beam reflected from the condensing spot P of the optical disc 105 returns almost the same optical path as the incident light path, passes through the condensing optical system 104, and is separated by the light separating element 701. You.
  • the separated light flux 12 is condensed again by the condensing optical system 702, and the condensed spot Q is detected by the light detecting element 704.
  • a straight-line photodetector 703 is provided in the optical path of the separated light flux 12.
  • the linear polarization detector 703 Since the linear polarization detector 703 has its orientation set between the X-axis direction and the ⁇ -axis direction, the orthogonal relationship between the X-axis direction and the ⁇ -axis direction is eliminated, thereby condensing the spotlight. It has a function to remove side lobes from Q. Therefore, it is possible to remove the cyclone from the focusing spot Q without using a slit or the like.
  • FIG. 2 is a configuration diagram of an optical system showing a second embodiment of the optical device according to the present invention. This is a modified example of the above-described first embodiment, and the same reference numerals in FIG. 2 denote parts corresponding to those in FIG. 99/13464
  • the light separating element is not used, and instead, the optical disc 105 is arranged at an angle to serve the function of the light separating element.
  • the light condensing spot P on the optical disc 105 can be reflected in an arbitrary angle direction different from the incident direction.
  • the condensing spot Q is detected by the light detecting element 704. It becomes possible.
  • FIG. 3 is a configuration diagram of the optical system of the optical device, and the same reference numerals are given to portions corresponding to FIG.
  • the twisted nematic liquid crystal element 303 is used as an optical rotation element.
  • Figs. 4A and 4B schematically show the optical rotation function of a general twisted nematic liquid crystal device that can be electrically controlled.
  • the twisted nematic liquid crystal element has a configuration in which liquid crystal molecules 3 are sealed between glass substrates 1 and 2 on which transparent electrodes are coated.
  • the glass substrate 1 on the incident side has the orientation axis direction 1a as the Y-axis direction.
  • the orientation axis direction is, for example, the Y-axis direction 2a in the upper half region and the Y axis direction in the lower half region. It is set as 2b in the X-axis direction orthogonal to the axis.
  • the liquid crystal molecules 3 have the property of aligning the major axis direction with the orientation axis direction and the property of behaving as a continuum. Due to this property, as shown in FIG. 4A, liquid crystal molecules 3 are arranged in parallel in the upper half region. This is called “homogeneous”. On the other hand, in the lower half region, the liquid crystal molecules 3 gradually and smoothly rotate 90 degrees. This is referred to as "90 degree swiss tone mate".
  • the polarization axis 4 of the incident linearly polarized light consequently has the length of the liquid crystal molecule 3 due to the dielectric anisotropy of the liquid crystal molecules. Propagation along the axial direction. That is, the polarization axes of the output linearly polarized light are orthogonal to each other, with the upper half region being in the Y-axis direction 4a and the lower half region being in the X-axis direction 4b.
  • the optical path length of the incident linearly polarized light traveling in the liquid crystal layer is generally both upper and lower. Is represented by nl X d.
  • the polarization axis 4 of the incident linearly polarized light coincides with the direction of the orientation axis 1a on the incident side (that is, the long axis of the liquid crystal molecule), and the following equation is 3, 15 or 35, etc.
  • the incident linearly polarized light is emitted as linearly polarized light.
  • ⁇ is the wavelength of the incident light.
  • an electric field in the Z-axis direction (light traveling direction) is applied to the liquid crystal device via transparent electrodes (not shown) coated on the glass substrates 1 and 2, as shown in Fig. 4B.
  • transparent electrodes not shown
  • the major axes of the liquid crystal molecules 3 stand still along the Z-axis direction, which is the direction of the electric field. This state It is called “home mouth pick”.
  • the direction of the polarization axis 4c of the output linearly polarized light is the same as the Y axis direction as the polarization axis 4 of the incident linearly polarized light. That is, the optical rotation is lost.
  • the optical path length of the incident linearly polarized light traveling in the liquid crystal layer is n2 ⁇ d.
  • This optical system is for confirming the principle of the present invention, and is different in scale from the optical system of a pickup of a generally used optical disk device.
  • the optical system of this embodiment also has basically the same configuration as the optical system of the first embodiment shown in FIG. 1, except that a 90 ° twisted nematic liquid crystal element 303 is used as an optical rotation element. Used.
  • the general optical rotation function of the twisted nematic liquid crystal element is as described above with reference to FIGS. 4A and 4B, but in this embodiment, no homogenous alignment is used.
  • the linearly polarized light 30 emitted from the linearly polarized laser light source 101 and converted into a plane wave by the collimating lens 102 is converted into a liquid crystal element whose polarization axis 30 y is in the Y-axis direction parallel to the paper surface. It is incident on 303.
  • the liquid crystal element 303 is of a twisted nematic type, but its optical rotation is partially controlled by an electric signal, so that the homeotropic aperture pick region 303 a and the 90 ° twisted nematic region 303 b. That is, a sufficient electric field is applied to the liquid crystal molecules by the electric signal through the transparent electrode in the home opening area 303 a.
  • the home aperture pick region 303a is formed in a rectangular shape centered on the optical axis.
  • the length in the Y-axis direction of the home aperture pick region 303 a is linearly polarized light 3 99/13464
  • the dimensions are set to cover the luminous flux area of zero.
  • the width in the X-axis direction is set to a size that covers a part of the light beam region of the linearly polarized light 30.
  • the area of the rectangular area occupied by the effective luminous flux is in the range of 10% to 40% of the area of the effective luminous flux on the plane orthogonal to the optical axis.
  • the linearly polarized light 30 incident on the home aperture pick region 303 a of the liquid crystal element 303 is transmitted without rotation. Subsequently, the linearly polarized light 30a transmitted through the region enters a substantially rectangular region 104a centered on the optical axis O of the condensing optical system 104.
  • the rectangular area 104 a is a part of the effective light flux 31 incident on the condensing optical system 104.
  • the effective light beam 31 is a linearly polarized light beam 30 transmitted through the liquid crystal element 303. Matches. Therefore, there is no decrease in light quantity. Then, the effective light beam 31 that has passed through the condensing optical system 104 is condensed, and forms a beam spot P.
  • the 90-degree swiss tonematic region 30 3b has transmitted 90 degrees of linearly polarized light 30a, and is incident on the region 104 of the focusing optics 104 other than the rectangular region. I do.
  • the linearly polarized light in the rectangular region 104a and the region 104b other than the rectangular region has polarization axes orthogonal to each other, so the beam spot P created by the condensing optical system 104 is Super-resolution occurs for the X-axis component.
  • the area occupied by the rectangular area 104a in the effective light flux 31 is preferably in the range of 10% to 40% of the area of the effective light flux 31 on a plane perpendicular to the optical axis. It is a target.
  • FIG. 5 is a diagram showing a configuration of a twist nematic liquid crystal element prototyped by the inventor for use in this embodiment.
  • the liquid crystal element 310 shown in the figure is, for example, a square having an outer shape of about 15 mm, and has a light transmitting region 311 in which liquid crystal having a diameter of 10 mm is sealed in the center.
  • Light transmission area 3 In the center of 1 1, a transparent electrode to which a voltage is applied by an electric signal from the electrode section 3 1 4, 3 1 4 is formed, and a 1 mm wide, almost rectangular home opening pick area 3 1 2 a is formed.
  • the other region forms a 90 ° twisted nematic region 312b.
  • the orientation axis direction 3 13 of the liquid crystal molecules on the light incident side coincides with the direction of the long side of the rectangular homeotropic region 312 a, which is defined as the Y-axis direction.
  • the optical axis extends in the Z-axis direction perpendicular to the paper.
  • This liquid crystal element almost satisfies the square root of 15 with respect to the expression (2) described above for light having a wavelength of 633 nm.
  • this twisted nematic liquid crystal element 31 1 ⁇ is used as the liquid crystal element 303 as the optical rotation optical element in FIG. 3, the home port pick area 3 12 a becomes the home port pick area 303 a, 90 degree twist nematic area 3 1 2b force; 90 degree twist nematic area 3 03 b.
  • the linearly polarized light beam is a circular shape with a diameter of about 5nim.
  • a lens with a focal length of 50 Otnm is installed about 5cm away from the liquid crystal element 303. I have.
  • FIG. 6A shows a profile of a cross section in the X-axis direction of the light collecting spot P by the optical system shown in FIG.
  • FIG. 6B shows a profile in the X-axis direction of the light collecting spot P obtained by removing the liquid crystal element 303 from the optical system shown in FIG.
  • the profile BSP of the focusing spot shown in Fig. 6A is about 15% smaller than the profile BSP of the focusing spot shown in Fig. 6B. It can be seen that super-resolution has occurred.
  • profile BSP in Fig. 6A side lobes SP are generated on both sides of the peak profile PP generated in the center. 99/13464
  • a rectangular part having a width of l mm in the X direction and a length of 10 mm in the Y direction is formed at the center of the condensing optical system 104.
  • the profile of the cross section in the X-axis direction of the light collecting spot P obtained with the configuration with the shielding plate (conventional device configuration) was almost the same as the profile shown in Fig. 6A.
  • the effect of super-resolution was enhanced by applying an appropriate bias voltage to the 90 ° twist nematic region 303 b. This is because, as is the case with ordinary twisted nematic liquid crystals, when a bias voltage near the liquid crystal starts to operate is applied, the birefringence decreases and the optical rotation phenomenon occurs efficiently. Examination of the light use efficiency revealed that in this embodiment, the liquid crystal element 303 reduced the light intensity by about 15% (see FIGS. 6A and 6B). However, if a non-reflective coating is applied to the glass substrate of the liquid crystal element, the attenuation of light intensity can be reduced to 10% or less.
  • the homeotropic region 303 a of the liquid crystal element 303 is changed to a 0 ° twisted nematic liquid crystal region, and a 90 ° twisted nematic region 303 b Even if is changed to a home port pick region, super-resolution can be obtained because the polarization axes of the linearly polarized light passing through both regions are orthogonal to each other.
  • a reflection type optical disc 105 which is a light reflecting member is arranged almost perpendicular to the optical axis O. Have been. Therefore, the light beam condensed on the light condensing spot P is reflected in the direction of the optical axis O on the surface of the reverse optical disk 105.
  • the light beam reflected in this way passes through the condensing optical system 104 again, and is separated by the light separating element 71.
  • the light separating element 701 is provided at an intermediate position between the liquid crystal element 303 and the condensing optical system 104 on the optical axis ⁇ .
  • the light beam 32 separated by the light separating element 71 is condensed by another condensing optical system 702 to form a condensing spot Q.
  • the condensing spot Q is detected by the photodetector 704.
  • a linear polarization detecting element 703 is provided in the optical path of the separated light flux 32.
  • the linearly polarized light detecting element 703 has a function of removing side lobes from the converging spot Q.
  • a prism beam splitter is used as the light separating element 701
  • a lens with a focal length of 50 O mm is used as the condensing optical system 702
  • a polarizing plate is used as the linear polarization detecting element 73.
  • the linearly polarized light detecting element 703 sets the direction of the detection axis thereof to a negative value based on the azimuth of the polarization axis of the linearly polarized light 30 incident on the liquid crystal element 303 as the optical rotation optical element. It is desirable to set it in the range of 5 degrees or more and minus 5 degrees or less, or 5 degrees or more and 85 degrees or less.
  • FIG. 7A is a profile BSP of the condensed spot Q detected by the photodetector 704 in the optical system of the third embodiment shown in FIG. 3, and the half width d Z of this profile BSP is shown. 2 is widened, but sidelobes have been removed. In detecting information recorded on the optical disk 105, the spread of the half width of the profile of the focusing spot has almost no effect.
  • FIG. 7B is a profile BSP of the light collection spot Q detected by the light detecting element 704 in the configuration in which the linear polarization detecting element 703 in FIG. 3 is removed.
  • a sidelobe SP was generated in the profile BST of the light collection spot.
  • the side lobe SP becomes a signal noise source when reproducing information recorded on the optical disk 105.
  • FIG. 8 shows the orientation 703 a of the linear polarization detecting element 703 used in this embodiment, that is, the orientation of the transmission axis of the linearly polarized light.
  • the light beam transmitted through the linearly polarized light detecting element 703 includes linearly polarized light 30b rotated by 90 degrees and linearly polarized light 30a that does not rotate.
  • the linear polarization detection element 703 sets the direction of the detection axis to minus 85 degrees with reference to the direction of the polarization axis of the linearly polarized light 30 incident on the liquid crystal element 303 as the optical rotation element. It is desirable to set it in the range of less than or equal to minus 5 degrees or less than 5 degrees or less than 85 degrees.
  • the super-resolution optical device using the optical rotatory optical element according to the present invention has higher light use efficiency than the conventional super-resolution optical device using a light shielding plate. And reduce the problems of the cyclone associated with super-resolution. It can be easily removed without adding slits.
  • the liquid crystal element used in the present invention has a very simple structure that is smaller in size and does not require mask rubbing, etc., compared to the liquid crystal display panel for a personal computer or the like having the current complicated structure. It does not add cost.
  • the inexpensive polarizing plate used in commercially available liquid crystal devices as it is, and as shown in the conventional technology, only the light spot of the light spot is located at the light spot. Positioning is much easier than inserting a light-blocking slit. Further, the present invention can obtain the same effect even in the case of a transmission type optical disk.
  • FIG. 9 is a diagram showing the configuration of the optical system. This optical device is such that the substantial aperture of the condensing optical system can be switched between for CVD and for CD 'by an electric signal.
  • a linearly polarized laser light source 101 a collimating lens 102, a liquid crystal element 803 as an optical rotation element, a condensing optical system 104, a light separating element 701, a condensed light
  • the optical system of the optical disk device is constituted by the scientific system 702, the linear polarization detector 703, and the photodetector 704.
  • the linearly polarized light 80 emitted from the linearly polarized laser light source 101 becomes a plane wave by the collimating lens 102.
  • the polarization axis 80 y of the linearly polarized light 80 is oriented in the Y-axis direction.
  • the direction of the polarization axis 80y is partially rotated by the optical rotation function. That is, the liquid crystal element 803 has a region 803 a that rotates (does not rotate) 0 degrees in the direction of the incident linearly polarized light • 80 in the X-axis direction orthogonal to the Y-axis, and a region 803 that rotates 90 degrees. 3 b.
  • the liquid crystal element 803 is a twisted nematic liquid crystal element, and switches between a 90 degree swiste nematic state and a home port pick state by an electric signal as described with reference to FIGS. 4A and 4B. It is possible.
  • the optical rotation can be independently switched between a circular region around the optical axis and a region outside the circular shape.
  • the liquid crystal element 910 shown in FIG. 11 has a light transmitting region 911 enclosing the liquid crystal, a home port picking region 911 a and a 90 degree swiss nematic region 911 b by an electric signal. Is divided into functions. That is, a sufficient electric field is applied to the liquid crystal molecules by applying a voltage through the transparent electrode in accordance with an electric signal to the home opening area 912a.
  • the home port pick area 912a is a circular area centered on the optical axis.
  • the transparent electrode is also patterned in the same circle as the circular home opening pick area 912a.
  • the home port pick area 912a of the liquid crystal element 803 becomes the home port pick of the liquid crystal element 803.
  • the region 803 becomes the 90-degree swiss nematic region 912 b, and the 90-degree swiss nematic region 803 b of the liquid crystal element 803 becomes.
  • the linearly polarized light 800 a transmitted through the home pick-up area 803 a of the liquid crystal element 803 is centered on the optical axis 0 of the condensing optical system 104. It is incident on the almost circular area 104a.
  • This circular area 104 a is a part of the effective light beam 81 entering the condensing optical system 104 and has a smaller numerical aperture than the effective light beam 81.
  • the opening by the effective light beam 81 is set for DVD, and the opening by the circular area 80a is set for CD. Also, in FIG.
  • the effective light beam 81 is a linearly polarized light transmitted through the liquid crystal element 803 which is an optical rotation optical element. It is coincident with the luminous flux of 80.
  • the linearly polarized light 80 b transmitted through the 90 ° tones nematic region 803 b of the liquid crystal element 803 enters the region 104 b of the condensing optical system 104 other than the circular region.
  • the polarization axes of the linearly polarized light incident on the circular region 104a and the linearly polarized light incident on the region 104b other than the circular region are orthogonal to each other.
  • the light beam that has entered the optical disc 105 returns along the substantially same optical path as the incident optical path, passes through the condensing optical system 104 again, and is separated by the light separating element 701. At this time, the polarization state of the separated luminous flux 82 retains the original polarization state unless the optical disc 105 has strong birefringence or polarization dependence of diffraction. In ordinary optical disks, the birefringence is as small as 2 O nm or less, and there is almost no polarization dependence due to diffraction.
  • the separated light flux 82 is condensed again by the condensing optical system 72 to form a condensing spot Q.
  • the light detecting element 704 is disposed on the light collecting spot Q.
  • a linearly polarized light detecting element 703 On the optical path of the separated light beam 82, a linearly polarized light detecting element 703 is provided.
  • the azimuth of this linearly polarized light detecting element 703 (the direction of the detection axis for transmitting the linearly polarized light) is adjusted, the polarization axis of the linearly polarized light 80 b rotated by 90 degrees becomes the azimuth of the linearly polarized light detecting element 703. Will almost coincide with or be orthogonal to As a result, the component of the linearly polarized light 80b rotated by 90 degrees is shielded.
  • the linearly polarized light 80 b having a 90-degree rotation is a light flux that passes through the outer peripheral portion of the condensing optical system 104 having a large numerical aperture, and is originally a part of the light flux used for DVD. Therefore, if it is used for a CD or the like with a different thickness from the DVD disk substrate, the reflected light will have a large aberration. This reflected light beam breaks the shape of the condensing spot Q, and is detected by the photodetector 704. Output accuracy decreases. In this way, by blocking the component of the linearly polarized light 80b rotated by 90 degrees that adversely affects the reproduction of a CD or the like, the reproduction accuracy of a CD or a CD-ROM can be improved.
  • the home aperture area 803a of the liquid crystal element 803 is also switched to a 90 ° swiste nematic area so that linearly polarized light is rotated by 90 ° over the entire area of the liquid crystal element 803. What should I do? As a result, all the components of the effective light beam 81 pass through the linearly polarized light detection element 703 to form the converging spot Q.
  • This twisted nematic type liquid crystal element 9 10 has a square shape with an outer shape of about 15 mm, and a light transmitting area 911 enclosing a liquid crystal with a diameter of 10 mm at the center, and the entire area is 90 ° twisted nematic. Oriented.
  • the light transmitting region 911 is electrically divided into a central circular region 912a having a diameter of 3 mm and a region 912b outside the circular region. That is, the transparent electrodes are independently coated on the regions 912a and 912b. Then, the circular region 912a becomes a homeotropic region by an electric signal from the electrode portion 914, and the region 912b outside the circular region to which no electric signal is applied becomes a 90 ° twisted nematic region.
  • the orientation axis direction 913 of the liquid crystal molecules on the side where the light of the liquid crystal element 910 is incident is the Y-axis direction.
  • the optical axis Z is a direction that travels perpendicular to the paper.
  • the liquid crystal element 910 almost satisfies the above-mentioned square root of 15 with respect to light having a wavelength of 633 nm.
  • the area of the substantially circular region 80a occupying in the effective light beam 81 of linearly polarized light in FIG. 9 is the area on a plane orthogonal to the optical axis of the effective light beam 81. It is desirable that the content be 50% or more and 80% or less, and about 70% is optimal.
  • FIG. 10 shows a fourth embodiment of the optical device according to the present invention.
  • This embodiment has almost the same configuration as the fourth embodiment described with reference to FIG. 9, and shows a case where a CD is arranged as the light reflecting member 105.
  • FIG. 10 the same parts as those in FIG. 9 are denoted by the same reference numerals.
  • a twist nematic liquid crystal element 903 is used as the optical rotatory optical element.
  • the direction of the alignment axis of the liquid crystal element 903 on the side where the linearly polarized light 90 is incident substantially matches the direction of the polarization axis 90y of the linearly polarized light 90. Both are in the Y-axis direction.
  • the liquid crystal element 903 can switch between 90 degree twist nematic and home port pick by an electric signal, and can independently switch the optical rotation between a circular area around the optical axis and a non-circular area.
  • the liquid crystal element 903 in FIG. 10 has a homeotropic region 903 a by applying a sufficient electric field to a circular region indicated by diagonal lines, and a region outside the circle 90 degrees tonematic region 903 b. And split the function.
  • the linearly polarized light 90 that has entered the home aperture pick region 903 a of the liquid crystal element 903 is transmitted without rotation. Subsequently, the linearly polarized light 90 a transmitted through the same region 90 3 a becomes The light is incident on a substantially circular area 104a centered on the optical axis O of the condensing optical system 104.
  • the circular area 104 a is a part of the effective light flux 91 incident on the condensing optical system 104, and has a smaller numerical aperture than the effective light flux 91.
  • the numerical aperture of the effective light flux 91 is set for DVD, and the numerical aperture of the circular area 104a is set for CD.
  • the effective light beam 91 matches the light beam of linearly polarized light transmitted through the liquid crystal element 93. Therefore, there is no decrease in light quantity. Then, the effective light beam having passed through the condensing optical system 104 is condensed to form a condensing spot P.
  • the linearly polarized light 90b transmitted through the 90 ° twisted nematic region 903b of the liquid crystal element 903 is rotated 90 °, and is outside the circular region in the condensing optical system 104. It is incident on region 104b.
  • the configuration of the twisted nematic liquid crystal element used in this embodiment may be the same as the liquid crystal element 910 described with reference to FIG.
  • An optical disk 105 is arranged on the same plane as the light collecting spot P, orthogonal to the optical axis O.
  • the light beam condensed on the condensing spot P is reflected by the optical disk 105, returns almost the same optical path as the incident optical path, passes through the condensing optical system 104 again, and then is separated by the light separating element 70.1. Separated by.
  • the separated light flux 92 is condensed by the condensing optical system 72 and forms a condensed spot Q.
  • the light collecting spot Q is detected by the light detecting element 704.
  • a linear polarization detection element 703 is provided at an intermediate portion between the light separation element 701 and the light detection element 704.
  • the linear polarization detector 703 has its azimuth (the azimuth for transmitting linearly polarized light) set to the Y-axis direction, and is adjusted so as to extract only the component transmitted through the circular region 104a.
  • a component passing through the outer peripheral portion of the condensing optical system 104 having a large numerical aperture can be shielded from light, and CD can be reproduced.
  • the DVD or the like can be used because the entire component of the effective luminous flux 91 can be extracted.
  • a polarizing plate was used as the linear polarization detecting element 703, and the diameter of the effective light flux 91 was 5 mm.
  • the center portion of the polarizing plate may be hollowed out in a circular shape, and only the component transmitted through the circular region 104a may be passed through. Since the polarizing plate absorbs light, this improves light utilization. However, photodiodes that are frequently used as the photodetector 704 have relatively high sensitivity, so that light utilization efficiency does not matter much here.
  • an element in which the entire area is a 90-degree twisted nematic liquid crystal is used as the liquid crystal element 903, and even if the area outside the circle for CD is picked up by the electric field due to the electric field, the circular area and its outer peripheral area Since the linearly polarized light is orthogonal at, the same effect can be obtained.
  • the liquid crystal element 903 is used as an optical rotatory optical element, and does not use a polarizing plate or the like in the incident optical path, so that in principle, no light amount loss occurs. In the actual measurement, the light loss was about 15%, but it can be reduced to 10% or less if a non-reflective coating is applied to the liquid crystal glass substrate. '
  • the area of the substantially circular region 90a occupying in the effective light beam 91 of the linearly polarized light in FIG. 10 is the area of the effective light beam 91 on a plane orthogonal to the optical axis. It is desirable to be 50% or more and 80% or less, and about 70% is optimal.
  • the optical device using the optical rotation optical element and the linearly polarized light detecting element according to the present invention when the optical device using the optical rotation optical element and the linearly polarized light detecting element according to the present invention is applied to an optical disk device, the writing (or reading) of data is performed in principle.
  • the numerical aperture can be easily and electrically switched without losing the amount of light required.
  • DVD-RAM a writable or rewritable digital versatile disc.
  • This is very effective as an optical system that combines the reproduction of CDs in the optical system of a disk drive. This is because increasing the light output of a semiconductor laser as a light source is a difficult problem.
  • the present invention can be applied to various optical devices using super-resolution technology, such as an optical disk device and a mask exposure device for manufacturing a semiconductor.
  • an optical pickup in an optical disk device one optical pickup can be used for both DVD and CD, and the effective switching of the aperture can be easily performed without lowering the light use efficiency. Can be performed.

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Description

明 細 書 光 学 装 置
技 術 分 野
この発明は、 光ディスク装置などに適用可能な超解像の光学装置、 および D V D (ディジタルバーサタイルディスク） や C D (コンパク トディスク） など、 結像の ための適正な開口数が異なる光ディスクに対して、 光利用率が高く しかも電気的に 簡単に開口数を切り替えることができるようにした光学装置に関する。
背 景 技 術
従来技術の理解を容易にするため、 光学系の理論解像限界および開口数について 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よれば、 理論上、 光の結像点は無 限小のスポッ トとなるはずである。 しかし、 実際には光の波動性による回折の影響 から、 結像点は有限の広がりをもっている。
ここで、 光の結像もしくは集光に寄与する光学系の開口数を N Aとすると、 結像 点の広がりは、 物理的に次式によって定義される。
k X λ ÷ N A · ' · · ( 1 )
なお、 λは光の波長、 kは光学系に定まる定数で普通は 1〜 2前後の値をとる。 また開口数 N Aは、 光学系の有効入射瞳直径 D (—般的には有効光束の直径） と焦 点距離 f との比 D / f に比例する。
上式で表された結像点の広がりが、 その光学系の理論解像限界となり、 これを回 折限界という。
上式から明らかなように、 光学系の理論解像度を向上させるためには、 より短い 波長えの光を用いる力 、 光学系の開口数 N Aを大きくすればよい。 しかしながら、 一般に短波長の光源は構造が複雑で製品コス トも高い。 特に、 光ディスク装置やマスク露光装置などに用いられるレーザ光源の場合、 そ の傾向が大きい。 また、 光学系の開口数 N Aを大きくする程、 幾何光学的に収差が 生じやすくなる。 このため、 一般の光ディスク装置では、 波長が 7 0 O nm程度の光 線を発射する半導体レーザを光源と して用いるとともに、 開口数 N Aが 0 . 5程度 の集光光学系が用いられている。
このような光源および集光光学系を用いて超解像を実現する従来技術として、 集 光光学系の有効光束の一部分を遮蔽板でさえぎるようにした構造の超解像光学系が 知られている (Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 28 (1989) Supplement 28-3, pp. l97-200)。 この遮蔽板を利用した超解像光学系によれば、 集光スポッ ト が光学系の理論限界より 1 0から 2 0 %程度細くなる。
しかしながら、 集光光学系の有効光束を遮蔽板でさえぎることは、 光の利用効率 を低下させることになる。 しかも、 上記超解像光学系では、 光軸を含む光の中央領 域を遮蔽板で遮蔽しているが、 一般に光の中央領域は光強度分布が強く、 したがつ て光の利用効率低下が一層著しいものとなっている。
このように光の利用効率が低いと必然的に高出力の光源を用いなければならなく なるが、 そのような高出力の光源は高価格であるため、 光学装置がコス ト高となつ てしまう。 特に、 光ディスク装置においては、 低出力で'あっても高価格な半導体レ —ザ光源を用いているため、 コス ト的に高出力なものを用いることができないのが 実情である。
また、 集光光学系の有効光束を遮蔽板でさえぎると、 集光スポッ トの両脇に超解 像現象特有のサイ ドローブが発生するため、 上記の文献に記載された技術では、 集 光スポッ トの反射信号光を集光レンズで一端集光した位置に、 ス リ ッ トを設置する ことによってサイ ドロ一ブを遮蔽し、 その後に再び集光レンズを設置して、 サイ ド ローブがほぼ除去された集光スポッ トを作成している。
しかしながら、 集光レンズで集光するにはその分だけ光学系の光路を必要とし、 O 99/13464
3
光学系の部品点数も増えるため構成が複雑になる。 また、 ス リ ッ トずれが生じると、 サイ ドロ一ブのみでなく集光スポッ トも遮蔽してしまうため、 スリ ッ トの位置合わ せも微妙に行わなければならない。 さらには、 ゴミなどがス リ ッ トの隙間に付着す る問題も生じる。 .
また、 スリ ッ トを定位置に設置したと しても、 やはりスリ ッ トにより光を遮光す る以上は、 そこで新たに光の回折が生じて多少のサイ ドローブが発生する。
また遮光板で光を遮光する事は当然のことながら光利用効率の著しい低下につなが る。
この発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、 光の利用効率を低下させる ことなく、 サイ ドローブの問題も解消して、 超解像の集光スポッ トによる反射信号 光の検出を実現することを第 1の目的とする。
また、 先に示した （1) 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。 一般に光ディスク装置に用いられる光ピックアップの集光 （対 物） レンズの開口数は、 CDや CD— ROM用では 0. 45程度、 DVD (デジタ ルバ一サタイルディスク） 用では 0. 55程度である。 また、 光ディスク基板の厚 みは CD用が約 1. 2mm、 0 0用が約0. 6 mmである。 回折限界まで集光す る必荽のある光ピックァップの集光レンズは、 光ディスク基板の厚みまで考慮に入 れて設計される。 したがって、 CDあるレ、は CD— ROM用と DVD用とでは適正 な開口数が異なるため、 光ピックアップの共用が不可能である。
そこで、 従来はこの問題を解決するために、 一台の機器の中に 2台のピックアツ 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んで二焦点に する方法、 あるいは液晶シャッタを用いて有効入射瞳直径を切り替える方法等が用 いられている。
しかしながら一台の機器に 2台のピックァップを設置することは、 機器構成が複 雑になりコス トアップにもつながる。 また集光レンズにホログラムを刻んで二焦点 にすると、 常にどちらか一方の不要な集光スポッ トを発生しているため、 光利用効 率が低下する。 これは D V D— R AM、 すなわち書き込み書き換え可能な D V Dの ような、 大きな光量を必要とする機器においては問題となる。 同様に液晶シャツタ を用いる方法においても、 液晶シャッタを構成する偏光板によって透過光の一部が 吸収されるため、 光の利用効率が低下し、 同じ問題が生じる。
この発明は、 このような問題も解決して、 D V Dや C Dなど、 結像のための適正 な開口数が異なる光ディスクに対して、 共通の光学装置 （光ピックアップ） を使用 できるようにし、 しかも光の利用率をあまり低下させることなく、 電気的に簡単に 開口数を切り替えることができるようにすることを第 2の目的とする。 発 明 の 開 示
この発明は、 上記の第 1および第 2の目的をほぼ共通した手段によって達成する ものである。
すなわち、 この発明は上記第 1の目的を達成するため、 直線偏光の入射光を集光 する集光光学系と、 その集光光学系の焦点面の近傍に配設される光反射部材によつ て反射される反射光を入射光から分離する光分離素子と、 その光分離素子によって 分離きれた分離光束を検出する光検出素子とを備えた光学装置において、 上記直線 偏光の入射光路中に、 該直線偏光の集光光学系により利用される有効光束中の一部 の領域の偏光軸をほぼ 9 0度旋光可能であり、 電気信号によってその旋光性が制御 される旋光光学素子を設けるとともに、 上記分離光束の光路中に直線偏光検波素子 を設置したものである。
このように、 直線偏光の入射光路の途中に電気信号によってその旋光性が制御さ れる旋光光学素子を設置し、 直線偏光の有効光束を偏光軸が互いに直交する領域に 分割することによって、 原理的に光束を遮ることなく超解像光学系を実現する。 さ らに、 超解像された集光スポッ トが光反射部材によって反射された後の光路に、 直 線偏光検波素子を設置することによって、 スリ ツ トゃ集光レンズを用いないで反射 信号光からサイ ドロ一ブを除去することができる。
上記、 直線偏光検波素子は、 その検波軸の方位が旋光光学素子に入射する直線偏 光の偏光軸の方位を基準として、 マイナス 8 5度以上マイナス 5度以下あるいは 5 度以上 8 5度以下の範囲、 すなわち、 マイナス 9 0度， 0度, および 9 0度付近を 除く範囲に設定するのが望ましい。
上記旋光光学素子として、 光透過領域の一部の領域の液晶に電圧が印加されるこ とにより、 直線偏光の偏光軸を 9 0度旋光させる機能をもつ領域と該旋光機能をも たない領域とが生じる液晶素子を使用し、 その液晶素子を、 直線偏光が入射する側 の液晶分子の配向方向が、 該直線偏光の偏光軸の方向と一致もしくは直交するよう に配置するとよい。
その液晶素子として、 光透過領域の一部の領域の液晶に電圧を印加するための透 明電極を有する 9 0度ッイス トネマティック型の液晶素子を用い、 その透明電極を 介して電圧が印加された部位の液晶分子はホメォトロピック配向となって 9 0度旋 光機能を消失するようにすることができる。
上記旋光光学素子によって直線偏光の偏光軸がほぼ 9 0度旋光される一部の領域 を、 直線偏光の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 形の^域もしくは該円形の領域以外の領域とするとよい。
あるいは、 上記旋光光学素子によって直線偏光の偏光軸がほぼ 9 0度旋光される 一部の領域を、 直線偏光の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 したほぼ長方形の領域もしくは該長方形の領域以外の領域としてもよい。
これらの場合に、 そのほぼ円形の領域の有効光束内に占める面積は、 有効光束の 光軸に直交する面上での面積の 1 %以上 2 0 %以下とするのがよい。
また、 ほぼ長方形の領域の場合の有効光束内に占める面積は、 有効光束の光軸に 直交する面上での面積の 1 0 %以上 4 0 %以下 （特に好ましくは 2 0 %程度） とす るのがよレ、。 この発明はまた、 上記旋光光学素子によって直線偏光の偏光軸がほぼ 9 0度旋光 される一部の領域を、 直線偏光の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の領域もしくは該円形の領域以外の領域とした光学装置におい て、 超解像された集光スポッ トが光反射部材によって反射きれ、 光分離素子によつ て入射光から分離された分離光束の光路中に、 検波軸の方位が入射直線偏光の偏光 軸の方位とほぼ一致もしくは直交する直線偏光検波素子を設置することにより、 上 記第 2の目的を達成することができる。
すなわち、 D V Dや C Dなどの結像のための適正な開口数が異なる光ディスクに 対して、 この光学装置を共通光ピックアップと して使用することができ、 電気信号 によって上記旋光光学素子の旋光性を制御することにより、 上記ほぼ円形の領域も しくは該円形の領域以外の直線偏光を 9 0度旋光させることにより、 光の利用率を 低下させることなく実質的な開口数を切り替えることができ、 しかも、 上記直線偏 光検波素子によって反射信号光からサイ ドローブを除去することができる。
この場合に、 そのほぼ円形の領域の有効光束内に占める面積は、 有効光束の光軸 に直交する面上での面積の 5 0 %以上 8 0 %以下 （特に好ましくは 7 0 %程度） と するのがよい。 図面 の簡単な説明
第 1図はこの発明による光学装置の第 1の実施形態を示す光学系の構成図である。 第 2図はこの発明による光学装置の第 2の実施形態を示す光学系の構成図である。 第 3図はこの発明による光学装置の第 3の実施形態を示す光学系の構成図である。 第 4 A図および第 4 B図は、 電気的制御が可能な一般的なッイス トネマティック 型の液晶素子における旋光機能を模式的に示した図である。
第 5図はこの発明における旋光光学素子と して使用するために発明者が試作した ッイス トネマティ ック型の液晶素子の構成を示す図である。
第 6 A図は第 3図に示した光学系によって得られた集光スポッ ト Pの X軸方向断 99/13464 面におけるプロファイルを示す図である。
第 6 B図は同じくその液晶素子 3 0 3を取り除いた光学系によって得られた集光 スポッ ト Pの X軸方向断面におけるプロファイルを示す図である。
第 7 A図は第 3図に示した光学系の光検出素子 7 0 4により検出した集光スポッ ト Qのプロファイルを示す図である。
第 7 B図は同じくその直線偏光検波素子 7 0 3を取り除いた光学系の光検出素子
7 0 4により検出した集光スポッ ト Qのプロファイルを示す図である。
第 8図は第 3図における直線偏光検波素子 7 0 3の検波軸の方位を示す図である。 第 9図はこの発明による光学装置の第 4の実施形態を示す光学系の構成図である。 第 1 0図はこの発明による光学装置の第 5の実施形態を示す光学系の構成図であ る。
第 1 1図はこの発明の第 4， 第 5の実施形態における旋光光学素子として使用す るために発明者が試作したッイス トネマティ ック型の液晶素子の構成を示す図であ る。 発明を実施するための最良の形態
以下、 この発明を実施するための最良の形態を、 図 を参照して詳細に説明する。 〔第 1の実施形態〕
第 1図は、 この発明による光学装置の第 1の実施形態を示す光学系の構成図であ り、 光ディスク装置への適用を前提と したものである。
この実施形態の光学装置は、 直線偏光レーザ光源 1 0 1、 コリメ一トレンズ 1 0 2、 旋光光学素子 1 0 3、 集光光学系 1 0 4、 光分離素子 7 0 1、 集光光学系 7 0 2、 直線偏光検波素子 7 0 3、 および光検出素子 7 0 4により、 光ディスク装置の 光学系を構成している。
直線偏光レーザ光源 1 0 1から出射した直線偏光 1 0は、 コ リメートレンズ 1 0 2によって平面波となる。 ここで、 直線偏光 1 0はその偏光軸 1 0 yが Y軸方向に 99/13464
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向いているものとする。
この直線偏光 1 0が、 旋光光学素子 1 0 3を透過すると、 同光学素子 1 0 3の旋 光機能により、 偏光軸 1 0 yの方向が回転する。 すなわち、 旋光光学素子 1 0 3は、 入射直線偏光 1 0を Y軸と直交する X軸方向に向けて 0度旋光する （旋光しない） 部位 1 0 3 a と、 9 0度旋光する部位 1 0 3 b とから構成される。
第 1図では、 旋光光学素子 1 0 3の 0度旋光する （旋光しない） 部位 1 0 3 aは、 ハッチングを施して示すように光軸を中心とする長方形に形成している。 したがつ て、 この 0度旋光する部位 1 0 3 aを透過した直線偏光 1 0 aは、 集光光学系 1 0 4の光軸 Oを中心とするほぼ長方形の領域 1 0 4 aに入射する。 この長方形領域 1 0 4 aは、 集光光学系 1 0 4に入射する有効光束 1 1の一部分となっている。 また、 第 1図では集光光学系 1 0 4に入射する光束を制限する絞り等を用いていないため、 有効光束 1 1は旋光光学素子 1 0 3を透過する直線偏光 1 0の光束と一致している。
—方、 旋光光学素子 1 0 3の 9 0度旋光する部位 1 0 3 bを透過した直線偏光 1 0 bは、 集光光学系 1 0 4の長方形領域以外の領域 1 0 4 bに入射する。
ここで、 長方形領域 1 0 4 aに入射した直線偏光と、 長方形領域以外の領域 1 0 4 bに入射した直線偏光とは、 偏光軸が互いに直交している。 このように直交した 直線儒光は干渉しあわないため、 相互に遮光されているかのごとく振る舞う。 した がって、 超解像が生じる。
また、 旋光光学素子 1 0 3の 0度旋光する部位 1 0 3 aの旋光機能を電気信号で 制御し、 9 0度旋光する部位に変えれば、 集光光学系 1 0 4の長方形領域 1 0 4 a と長方形領域以外の領域 1 0 4 bにおける直線偏光の偏光軸の直交関係は消滅する。 それによつて、 超解像効果がなくなり、 通常解像となる。 このことは、 旋光光学素 子 1 0 3の 9 0度旋光する部位 1 0 3 bを 0度旋光する部位に変えても同様である。 第 1図では、 長方形領域 1 0 4 aのうち X軸方向が有効光束 1 1の一部をカバ一 しているため、 集光光学系 1 0 4でつく られる集光スポッ ト Pは X軸方向成分に対 99/13464
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して超解像が生じる。
したがって、 光ディスク 1 0 5への情報記録に際しては、 集光光学系 1 ◦ 4の焦 点面上の集光スポッ ト Pの位置に光ディスク 1 0 5を配置するとともに、 該光ディ スク 1 0 5のスパイラル記録溝 1 0 5 aの接線を X軸方向と直交する向きとするこ とにより、 スパイラル記録溝 1 0 5 aの間隔である トラックピッチをより小さくで き、 記録密度の向上が可能となる。
なお、 第 1図に示した光ディスク装置では、 旋光光学素子 1 0 3における 0度旋 光する部位 1 0 3 aを長方形に形成したが、 これを光軸を中心とする円形に形成し てもよい。 この場合、 X軸， Y軸の両方向成分ともに超解像が生じることになる。 また、 この 0度旋光させる領域は、 厳密な長方形や円形でなくてもよく、 多少の切 り欠きや歪みがあっても同様の超解像を得ることができる。 さらに、 その領域の中 心が光学系の光軸から多少ずれていても同様に十分な超解像を得ることができる。 次に、 光ディスク 1 0 5の集光スポッ ト Pから反射した光束は、 ほぼ入射光路と 同一の光路を戻り、 集光光学系 1 0 4を通過した後、 光分離素子 7 0 1で分離され る。 分離された光束 1 2は集光光学系 7 0 2で再び集光され、 集光スポッ ト Qが光 検出素子 7 0 4で検出される構成となっている。 分離された光束 1 2の光路中には、 直線 ί 光検波素子 7 0 3が設置してある。
この直線偏光検波素子 7 0 3は、 その方位が X軸方向と Υ軸方向の間に設置され ているため、 X軸方向と Υ軸方向との直交関係を消滅させ、 これにより集光スポッ ト Qからサイ ドローブを除去する機能を有している。 したがって、 スリ ッ ト等を用 いることなく集光スポッ ト Qからサイ ドロ一ブを除去することができる。
〔第 2の実施形態〕
第 2図はこの発明による光学装置の第 2の実施形態を示す光学系の構成図である。 これは、 上述した第 1の実施形態の変形例であり、 第 2図において第 1図と対応す る部分には同一符号を付している。 99/13464
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この実施形態ではは、 光分離素子は用いておらず、 代わりに光ディスク 1 0 5を 傾けて配置して、 光分離素子の機能を兼ねさせている。
すなわち、 光ディスク 1 0 5を傾けて配置することにより、 光ディスク 1 0 5上 での集光スポッ ト Pを入射方向と異なった任意の角度方向へ反射させることができ る。 そして、 集光スポッ ト Pの反射方向に別の集光光学系 7 0 2および光検出素子 7 0 4を設置しておく ことで、 光検出素子 7 0 4により集光スポッ ト Qを検出する ことが可能となる。
そして、 光ディスク 1 0 5で反射された光束 1 3の光路中に、 前述の第 1の実施 形態の場合と同様に直線偏光検波素子 7 0 3を配置しておくことで、 スリ ッ ト等を 用いることなく集光スポッ ト Qからサイ ドロ一ブを除去することができる。
その他の構成および作用は、 第 1の実施形態と同じであるので、 その説明を省略 する。
〔第 3の実施形態〕
次に、 この発明の第 3の実施形態について説明する。 第 3図はその光学装置の光 学系の構成図であり、 第 1図と対応する部分には同一符号を付している。
この実施例では、 ツイス トネマティ ック型の液晶素子 3 0 3を旋光光学素子とし て利角している。
まず、 この第 3図に示す光学系の理解を容易にするため、 ツイス トネマティ ック 型液晶の旋光機能について説明する。
第 4 A図， 第 4 B図は、 電気的制御可能な一般的なツイス トネマティック型液晶 素子の旋光機能を模式的に表したものである。
第 1 6 A図に示すように、 ツイス トネマティック型液晶素子は、 透明電極がコ ー トされたガラス基板 1 , 2の間に液晶分子 3を封入した構成となっている。 入射側 のガラス基板 1は、 配向軸方向 1 aを Y軸方向としてある。 また、 出射側のガラス 基板 2は、 配向軸方向を、 例えば上半分の領域で Y軸方向 2 a、 下半分の領域で Y 軸と直交する X軸方向 2 b としてある。
液晶分子 3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 舞う性質とを有する。 この性質により、 第 4 A図に示すごとく、 上半分の領域では 液晶分子 3が平行に並ぶ。 これを 「ホモジェニァス」 という。 一方、 下半分の領域 では液晶分子 3が徐々に滑らかに 9 0度回転する。 これを 「9 0度ッイス トネマテ イツク」 とレヽう。
このような特性を有するッイス トネマティック型液晶素子に、 入射直線偏光が入 射すると、 液晶分子の誘電異方性のために、 入射直線偏光の偏光軸 4は結果的に液 晶分子 3の長軸方向に沿って伝搬する。 すなわち、 出射直線偏光の偏光軸は、 上半 分の領域が Y軸方向 4 a、 下半分の領域が X軸方向 4 b となり互いに直交する。 ここで、 液晶分子の長軸方向の屈折率を nl、 短軸方向の屈折率を n2とし、 液晶層 厚みを dとすると、 液晶層内を進む入射直線偏光の光路長は、 一般に上下両方とも に nl X dで表される。 厳密には、 入射直線偏光の偏光軸 4が入射側の配向軸 1 aの 方向 （すなわち、 液晶分子の長軸） と一致し、 かつ次式が 3 , 1 5 , 3 5等のいず れかの平方根となる条件を満たしたとき、 入射直線偏光が直線偏光として出射する。
2 X (nl -n2) X d ÷ λ · · · ( 2 )
なお、 上式において、 λは入射光の波長である。
しかし、 実際上は使用する光の波長、 液晶分子の屈折率及び液晶層の厚みが、 上 式を厳密に満たさなく とも、 さほど不都合は生じない。 また、 入射直線偏光の偏光 軸 4の方向を、 入射側の配向軸方向 1 aから多少ずらせることで、 調整することも 可能である。
次に、 ガラス基板 1， 2にコートされた透明電極 （図示は省略している） を介し て、 液晶素子に Z軸方向 （光の進行方向） の電界を加えると、 第 4 B図に示すごと く液晶分子 3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 「ホメオト口ピック」 という。
このホメオト口ピックの状態では、 出射直線偏光の偏光軸 4 cの方向は入射直線 偏光の偏光軸 4と同じ Y軸方向となる。 すなわち、 旋光性はなくなる。 また、 この とき液晶層内を進む入射直線偏光の光路長は、 n2 x dとなる。
そこで、 第 3図に示す光学系について説明する。 この光学系はこの発明の原理確 認のためのものであり、 一般に使用されている光ディスク装置のピックアップの光 学系とはスケールが異なる。
この実施形態の光学系も、 基本的には第 1図に示した第 1の実施形態の光学系と 同じ構成であるが、 旋光素子として 9 0度ッイス トネマティック型の液晶素子 3 0 3を用いている。
ツイス トネマティック型液晶素子の一般的な旋光機能については、 第 4 A図， 第 4 B図に基づき既述したとおりであるが、 この実施形態ではホモジヱニァス配向は 利用していない。
第 3図に示す光学系において、 直線偏光 3 0が入射する側の液晶素子 3 0 3の配 向軸の方向は、 偏光軸 3 0 yの方向とほぼ一致させてあり、 ともに Y軸方向となつ ている。
直磉偏光レ一ザ光源 1 0 1から出射し、 コリメートレ'ンズ 1 0 2で平面波にされ' た直線偏光 3 0は、 その偏光軸 3 0 yが紙面に平行な Y軸方向として液晶素子 3 0 3に入射する。 液晶素子 3 0 3は、 ツイス トネマティック型であるが、 電気信号に よりその旋光性が部分的に制御されて、 ホメオト口ピック領域 3 0 3 a と 9 0度ッ イス トネマティック領域 3 0 3 b とを構成している。 すなわちホメオト口ピック領 域 3 0 3 aは透明電極を介して電気信号により液晶分子に十分な電界が加えられて いる。
この実施例では、 ホメオト口ピック領域 3 0 3 aを光軸を中心とする長方形に形 成してある。 このホメオト口ピック領域 3 0 3 aの Y軸方向の長さは、 直線偏光 3 99/13464
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0の光束領域をカバーする寸法に設定してある。 また、 X軸方向の幅は、 直線偏光 3 0の光束領域の一部をカバ一する寸法に設定してある。
この長方形の領域の有効光束に占める面積は、 有効光束の光軸に直交する面上で の面積の 1 0 %以上 4 0 %以下の範囲にするのが効果的である。
液晶素子 3 0 3のホメオト口ピック領域 3 0 3 aに入射した直線偏光 3 0は、 旋 光することなく透過する。 続いて、 同領域を透過した直線偏光 3 0 aは、 集光光学 系 1 0 4の光軸 Oを中心としたほぼ長方形領域 1 0 4 aに入射する。
このとき長方形領域 1 0 4 aは、 集光光学系 1 0 4に入射する有効光束 3 1の一 部分となっている。 また、 第 3図では集光光学系 1 0 4に入射する光束を制限する 絞り等を用いていないために、 有効光束 3 1は、 液晶素子 3 0 3を透過する直線偏 光 3 0の光束と一致している。 したがって、 光量の減少はない。 そして、 集光光学 系 1 0 4を通過した有効光束 3 1が集光し、 ビームスポッ ト Pを形成する。
—方、 9 0度ッイス トネマティック領域 3 0 3 bを透過した直線偏光 3 0 aは、 9 0度旋光しており、 集光光学系 1 0 4における長方形領域以外の領域 1 0 4 に 入射する。
長方形領域 1 0 4 a と長方形領域以外の領域 1 0 4 bの直線偏光は、 偏光軸が互 いに直交しているため、 集光光学系 1 0 4でつく られる'ビ一ムスポッ ト Pは X軸方 向成分に対して超解像が生じる。
なお、 この長方形領域 1 0 4 aの有効光束 3 1に占める面積は、 有効光束 3 1の 光軸に直交する面上での面積の 1 0 %以上 4 0 %以下の範囲にするのが効果的であ る。
第 5図は、 この実施形態に使用するために発明者が試作したッイ ス トネマティッ ク型の液晶素子の構成を示す図である。
同図に示す液晶素子 3 1 0は、 例えば外形が 1 5 m m程度の正方形で、 中央部に 直径 1 0 m mの液晶を封入した光透過領域 3 1 1が設けてある。 その光透過領域 3 1 1の中央には電極部 3 1 4, 3 1 4からの電気信号により電圧が印加される透明 電極が形成された、 幅 1 mmのほぼ長方形をしたホメォト口ピック領域 3 1 2 aが '形成してあり、 その他の領域は 9 0度ッイス トネマティック領域 3 1 2 bを形成し ている。
光が入射する側の液晶分子の配向軸方向 3 1 3は、 長方形であるホメオトロピッ ク領域 3 1 2 aの長辺の方向と一致し、 これを Y軸方向とする。 また、 光軸は紙面 に垂直な Z軸方向に延びている。
なお、 この液晶素子は、 波長 6 3 3nmの光に対して既述した式 （2) に関し、 1 5の平方根をほぼ満足している。
このツイス トネマティック型の液晶素子 3 1 ◦を、 第 3図における旋光光学素子 としての液晶素子 30 3として使用すれば、 そのホメオト口ピック領域 3 1 2 aが ホメオト口ピック領域 30 3 a となり、 9 0度ッイス トネマティック領域 3 1 2 b 力；、 9 0度ッイストネマティック領域 3 0 3 b となる。
実際の光学系では、 直線偏光の光束は、 直径が約 5nimの円形で、 集光光学系 1 0 4としては、 焦点距離 5 0 Otnmのレンズが、 液晶素子 3 0 3から約 5cm離れて設置 してある。
第 6 A図は、 第 3図に示した光学系による集光スポッ 'ト Pの X軸方向断面のプ . ファイルを示している。 また、 第 6 B図は、 第 3図に示した光学系における液晶素 子 3 0 3を取り除いた構成で得た集光スポッ ト Pの X軸方向断面のプロファイルを 示している。
第 6 A図に示す集光スボッ トのプロファイル B S Pは、 第 6 B図に示す集光スポ ッ 卜のプロファイル B S Pと比べ、 中央に発生したピークプロファイル P Pの半値 幅 01 2が、 約 1 5 %程度細くなつており、 超解像が生じていることがわかる。 な お、 第 6 A図のプロファイル B S Pでは、 中央に発生したピークプロファイル P P の両脇に、 サイ ドローブ S Pが発生している。 99/13464
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また、 第 3図の光学系における液晶素子 3 0 3を取り除く とと もに、 集光光学系 1 0 4の中央部に X方向の幅 l mm、 Y方向の長さ 1 0 mmの長方形の遮蔽板を設置し た構成 （従来装置の構成） で得た、 集光スポッ ト Pの X軸方向断面のプロファイル は、 第 6 A図に示したプロファイルとほぼ同じになった。
また、 第 3図における液晶素子 3 0 3のホメオト口ピック領域 3 0 3 aへの電気 信号を除去し、 液晶領域全域を 9 0度旋光領域に戻すと、 集光スポッ ト Pのプロフ アイルは第 6 B図に示したものとほぼ完全に一致した。
これは、 直線偏光の有効光束 3 1における偏光軸の部分的な直交性が解消される からで、 電気信号により超解像と通常解像を切り換えたことになる。
さらには、 超解像を行う場合であっても、 9 0度ッイス トネマティック領域 3 0 3 bにも適度なバイアス電圧を加えておく と、 超解像の効果が高くなつた。 これは、 通常のッイス トネマティック液晶にみられる様に、 液晶が動作し始める近傍のバイ ァス電圧を加えると、 複屈折性が少なくなり旋光現象が効率よく起こるからである。 光利用効率を調べると、 この実施形態においては、 液晶素子 3 0 3により約 1 5 %の光強度の減衰が見られた （第 6 A図， 第 6 B図参照） 。 もっとも、 液晶素子の ガラス基板に無反射コ一トを施せば、 光強度の減衰を 1 0 %以下にすることが可能 である。
これに対し、 遮蔽板を用いた従来装置の構成では、 約 4 0 %もの光強度の減衰が 見られた。
また、 第 3図に示した光学系の構成において、 液晶素子 3 0 3のホメオトロピッ ク領域 3 0 3 aを 0度ッイス トネマティ ック液晶領域に変え、 9 0度ッイス トネマ ティック領域 3 0 3 bをホメオト口ピック領域に変えても、 両領域を通過した直線 偏光の偏光軸が互いに直交するため、 超解像を得ることができる。
さて、 集光スポッ ト Pの同一平面 （集光光学系 1 0 4の焦点面） 上には、 光反射 部材である反射型の光ディスク 1 0 5力；、 光軸 Oとほぼ直交して配置されている。 したがって、 集光スポッ ト Pに集光した光束は、 反 型光デイスク 1 0 5め表面で 光軸 O方向に反射する。
'. このように反射した光束は、 再び集光光学系 1 0 4を透過して、 光分離素子 7 0 1で分離される。 この光分離素子 7 0 1は、 光軸〇上で液晶素子 3 0 3と集光光学 系 1 0 4との中間位置に設置されている。
光分離素子 7 0 1で分離された光束 3 2は、 別の集光光学系 7 0 2により集光さ れ、 集光スポッ ト Qを形成する。 集光スポッ ト Qは光検出素子 7 0 4により検出さ れる。 分離された分離光束 3 2の光路中には、 直線偏光検波素子 7 0 3を設置して いる。
この直線偏光検波素子 7 0 3は、 集光スポッ ト Qからサイ ドローブを除去する機 能を有している。
実際の光学系では、 光分離素子 7 0 1 としてプリズムビ一ムスプリ ッタを、 集光 光学系 7 0 2として焦点距離 5 0 O mmのレンズを、 直線偏光検波素子 7 0 3として 偏光板をそれぞれ用いた。
この前記直線偏光検波素子 7 0 3は、 その検波軸の方位を、 前記旋光光学素子で ある液晶素子 3 0 3に入射する直線偏光 3 0の偏光軸の方位を基準と して、 マイナ ス 8 5度以上マイナス 5度以下あるいは 5度以上 8 5度以下の範囲に設定するの^ 望ましい。
第 7 A図は、 第 3図に示した第 3の実施形態の光学系において、 光検出素子 7 0 4により検出した集光スポッ ト Qのプロファイル B S Pである， このプロファイル B S Pの半値幅 d Z 2は広がっているものの、 サイ ドローブは除去されている。 な お、 光ディスク 1 0 5に記録された情報の検出においては、 集光スポッ トのプロフ アイルの半値幅の広がりは、 ほとんど影響がない。
第 7 B図は、 第 3図における直線偏光検波素子 7 0 3を取り除いた構成で、 光検 出素子 7 0 4により検出した集光スポッ ト Qのプロファイル B S Pである。 同図に 示すように、 この集光スポッ 卜のプロファイル B S Tには、 サイ ドローブ S Pが発 生していた。 このサイ ドローブ S Pは、 光ディスク 1 0 5に記録された情報の再生 'においては、 信号ノイズ源となる。
第 8図は、 この実施形態に用いた直線偏光検波素子 7 0 3の方位 7 0 3 a、 すな わち直線偏光透過軸の方位を示している。
直線偏光検波素子 7 0 3を透過する光束は、 9 0度旋光した直線偏光 3 0 bと旋 光しない直線偏光 3 0 a とを含んでいる。
第 8図において、 α軸を 9 0度旋光した直線偏光 3 0 bの偏光軸方向、 3軸を旋 光しない直線偏光 3 0 a とすると、 α軸に対して約 4 0度の方位に直線偏光検波素 子 7 0 3の方位を調整したとき、 集光スポッ ト Qからサイ ドロ一ブ S Ρはほぼ完全 に消すことができた。 続いて、 直線偏光検波素子 7 0 3の方位 φをずらしていく と、 サイ ドロ一ブ s Ρが徐々に現れることが確認された。
第 8図に示すように、 3軸と α軸との間に直線偏光検波素子 7 0 3の方位 7 0 3 aを設定することで、 互いに直交した偏光軸をもつ直線偏光について、 それぞれ直 線偏光検波素子 7 0 3の方位成分 a、 bを取り出すことができる。 これにより、 直 線偏光検波素子 7 0 3を通過後は、 各直線偏光の直交する関係が消滅し、 その結果、 サイ ド一口一ブ S Pが消滅していく と考えられる。 なお、 第 8図から明らかなよう に、 直線偏光検波素子 7 0 3の方位を、 ψから 9 0度傾けても現象は等価である。 そこで、 直線偏光検波素子 7 0 3は、 その検波軸の方位を、 前記旋光光学素子で ある液晶素子 3 0 3に入射する直線偏光 3 0の偏光軸の方位を基準として、 マイナ ス 8 5度以上マイナス 5度以下あるいは 5度以上 8 5度以下の範囲に設定するのが 望ましい。
これまでの説明から明らかなように、 この発明における旋光光学素子を用いた超 解像の光学装置は、 従来の遮光板を用いた超解像の光学装置の場合と比べて、 高い 光利用効率を得ることができ、 かつ超解像にともなうサイ ドロ一ブの問題を集光レ ンズゃスリ ッ トを付加することなく、 簡単に取り除くことができる。
このことは、 今後有望視されている D V D— R AM、 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 （D V D ) の光学系に非常に適して いる。 なぜなら、 今後 D V Dは更に高密度の記録が望まれ、 かつ光源としての半導 体レーザの光出力アップは困難な問題だからである。
また、 この発明に使用する液晶素子は、 現在の複雑な構造を持ったパソコン用等 の液晶表示パネルと比べ、 サイズも小さくまたマスクラビング等の必要もない非常 に簡単な構造のため、 特に大きなコス トアップにはならない。
さらに、 偏光板も市販の液晶装置に使われている安価な物をそのまま使うことが 可能で、 従来の技術に見られるように集光スポッ ト位置に集光スポッ トのサイ ドロ ーブのみを遮光するようなスリ ッ トを挿入する方法と比べて、 位置合わせが非常に 簡単である。 また、 この発明は透過型の光ディスクの場合でも同様の効果を得るこ とが可能である。
〔第 4の実施形態〕
次に、 この発明による光学装置の第 4の実施形態について、 第 9図を参照して説 明する。 第 9図はその光学系の構成を示す図である。 この光学装置は、 集光光学系 の実質的な開口を、 電気信号によって C V D用と C D用'に切り換えられるようにし, たものである。
この第 9図において、 直線偏光レーザ光源 1 0 1、 コリメートレンズ 1 0 2、 旋 光光学素子である液晶素子 8 0 3、 集光光学系 1 0 4、 光分離素子 7 0 1、 集光光 学系 7 0 2、 直線偏光検波素子 7 0 3、 および光検出素子 7 0 4により光ディスク 装置の光学系を構成している。
直線偏光レーザ光源 1 0 1から出射した直線偏光 8 0は、 コリメ一ト レンズ 1 0 2によって平面波となる。 ここで、 直線偏光 8 0はその偏光軸 8 0 yが Y軸方向に 向いているものとする。 この直線偏光 8 0が、 液晶素子 8 0 3を透過する ·と、 その旋光機能により、 偏光 軸 8 0 yの方向が部分的に回転する。 すなわち、 液晶素子 8 0 3は、 入射直線偏光 • 8 0を Y軸と直交する X軸方向に向けて 0度旋光する （旋光しない） 領域 8 0 3 a と、 9 0度旋光する領域 8 0 3 b とをつくることができる。
液晶素子 8 0 3はッイス トネマティック型の液晶素子であり、 第 4 A図および第 4 B図を用いて説明したように、 電気信号により 9 0度ッイス トネマティック状態 とホメオト口ピック状態を切り換えることが可能である。
例えば、 第 1 1図に示す液晶素子 9 1 0のように、 光軸を中心とした円形領域と 円形外の領域とでその旋光性を独立に切り換え可能である。
この第 1 1図に示す液晶素子 9 1 0は、 液晶を封入した光透過領域 9 1 1を、 電 気信号によりホメオト口ピック領域 9 1 2 a と 9 0度ッイス トネマティック領域 9 1 2 bに機能分割される。 すなわち、 ホメオト口ピック領域 9 1 2 aは、 電気信号 により透明電極を介して電圧を印加することにより、 液晶分子に十分な電界が加え られる。 このホメオト口ピック領域 9 1 2 aは光軸を中心とした円形の領域である。 透明電極もその円形のホメォト口ピック領域 9 1 2 a と同じ円形にパターン形成さ れている。
この液晶素子 9 1 0を第 9図に示した旋光光学素子と.しての液晶素子 8 0 3 とし て使用すると、 そのホメオト口ピック領域 9 1 2 aが液晶素子 8 0 3のホメオト口 ピック領域 8 0 3となり、 9 0度ッイス トネマティック領域 9 1 2 bが液晶素子 8 0 3の 9 0度ッイス トネマティ ック領域 8 0 3 b となる。
この第 9図に示した光学系において、 液晶素子 8 0 3のホメオト口ピック領域 8 0 3 aを透過した直線偏光 8 0 aは、 集光光学系 1 0 4の光軸 0を中心とするほぼ 円形の領域 1 0 4 aに入射する。 この円形領域 1 0 4 aは、 集光光学系 1 0 4に入 射する有効光束 8 1の一部分であり、 有効光束 8 1より構成される開口数より小さ くなつている。 この実施形態では、 有効光束 8 1による開口を D V D用に設定し、 円形領域 8 0 aによる開口を C D用に設定している。 また、 第 9図では集光光学系 1 0 4に入射 'する光束を制限する絞り等を用いていないため、 有効光束 8 1は旋光光学素子であ る液晶素子 8 0 3を透過する直線偏光 8 0の光束と一致している。
—方、 液晶素子 8 0 3の 9 0度ッイス トネマティック領域 8 0 3 bを透過した直 線偏光 8 0 bは、 集光光学系 1 0 4の円形領域以外の領域 1 0 4 bに入射する。 ここで、 円形領域 1 0 4 aに入射した直線偏光と、 円形領域以外の領域 1 0 4 b に入射した直線偏光とは、 偏光軸が互いに直交している。
光ディスク 1 0 5に入射した光束は、 入射光路とほぼ同一の光路を戻り、 再び集 光光学系 1 0 4を透過し、 光分離素子 7 0 1で分離される。 このとき、 分離された 分離光束 8 2の偏光状態は、 光ディスク 1 0 5に強い複屈折性や回折の偏光依存性 がなければ、 もとの偏光状態を保持している。 一般の光ディスクにおいては、 複屈 折が 2 O nm以下と小さく、 回折による偏光依存もほとんど発生しない。
分離光束 8 2は、 集光光学系 7 0 2で再び集光されて、 集光スポッ ト Qを形成す る。 この集光スポッ ト Q上に光検出素子 7 0 4が配置されている。
また、 分離光束 8 2の光路上には、 直線偏光検波素子 7 0 3が配設されている。 この直線偏光検波素子 7 0 3の方位 （直線偏光を透過させる検波軸の方位） を ， 整すると、 9 0度旋光した直線偏光 8 0 bの偏光軸が、 直線偏光検波素子 7 0 3の 方位とほぼ一致するもしくは直交することになる。 その結果、 9 0度旋光した直線 偏光 8 0 bの成分が遮光される。
この光の状態は、 C Dや C D— R O Mの再生に好適である。 すなわち 9 0度旋光 した直線偏光 8 0 bは、 集光光学系 1 0 4の開口数が大きい外周部を通過する光束 であり、 本来、 D V Dに使用する光束の一部である。 したがって、 D V D用のディ スク基板と厚みが異なる C D等に使用すると、 大きな収差をもった反射光束となる。 この反射光束が集光スポッ ト Qの形を崩してしまい、 光検出素子 7 0 4による検 出精度が低下する。 このように CD等の再生に悪影響を与える 90度旋光した直線 偏光 80 bの成分を遮光することによって、 CDや CD— ROMの再生精度を向上 'させることができる。
—方、 DVDの再生に使用する際は、 液晶素子 803におけるホメオト口ピック 領域 803 aについても、 90度ッイス トネマティック領域に切り換え、 液晶素子 803の全領域で、 直線偏光を 90度旋光させるようにすればよい。 これにより、 有効光束 8 1の成分すべてが直線偏光検波素子 703を透過して、 集光スポッ ト Q を形成するようになる。
再び第 1 1図によって、 実際に使用した液晶素子の形状例を説明する。
このツイス トネマティック型の液晶素子 9 10は、 外形がおよそ 1 5mmの正方 形をなし、 中央部に直径 10 mmの液晶を封入した光透過領域 9 1 1があり、 全域 が 90度ッイス トネマティック配向されている。 光透過領域 91 1は中央部の直径 3 mmの円形領域 9 12 aとその円形外の領域 91 2 bとに電気的に分割されてい る。 すなわち、 各領域 9 1 2 a, 9 1 2 bに透明電極が独立してコートされている。 そして、 電極部 9 14からの電気信号により円形領域 9 1 2 aはホメオトロピッ ク領域となり、 電気信号が印加されない円形外の領域 9 1 2 bは、 90度ツイス ト ネマテツイク領域となる。
この液晶素子 9 10の光が入射する側の液晶分子の配向軸方向 9 1 3は Y軸方向 とする。 また光軸 Zは紙面に垂直に進む方向である。 なお、 円形領域 9 1 2 aの透 明電極への電気信号 （電圧） の印加を止めることによって、 光透過領域 91 1全域 を 90度ッイス トネマティック領域に戻すことが可能である。
この構成の液晶素子では中央の円形領域 9 1 2 aから引き出し線 9 1 5を出す必 要があるが、 必要に応じて各領域 9 1 2 a , 9 1 2 bの旋光性を独立に制御できる 利点がある。 たとえば、 円形外の領域.9 1 2 bの透明電極に電気 ί言号を印加して、 円形外の領域 9 1 2 bをホメオト口ピック領域にして、 旋光機能をもたない領域に することもできる。
なおこの液晶素子 9 1 0は、 波長 6 3 3 n mの光に対し前述した 1 5の平方根を ぼ満足している。
この実施形態の場合には、 第 9図における直線偏光の有効光束 8 1内に占めるほ ぼ円形の領域 8 0 aの面積は、—有効光束 8 1の光軸に直交する面上での面積の 5 0 %以上 8 0 %以下にするのが望ましく、 7 0 %程度が最適である。
〔第 5の実施形態〕
次に、 この発明による光学装置の第 4の実施形態を、 第 1 0図によって説明する。 この実施形態は、 第 9図によって説明した第 4の実施形態と殆ど同じ構成であり、 光反射部材 1 0 5として C Dを配置した場合を示している。 この第 1 0図において、 第 9図と同一部分には同一符号が付してある。
この実施形態においても、 旋光光学素子としてツイス トネマティ ック型の液晶素 子 9 0 3を使用している。
第 1 0図に示す光学系において、 直線偏光 9 0が入射する側の液晶素子 9 0 3の 配向軸の方向は、 直線偏光 9 0の偏光軸 9 0 yの方向とほぼ一致させてあり、 とも に Y軸方向となっている。
直線偏光レーザ光源 1 0 1から出射し、 コリメ一トレンズ 1 0 2で平面波にされ た直線偏光 9 0は、 液晶素子 9 0 3に入射する。 液晶素子 9 0 3は電気信号により 9 0度ッイス トネマティックとホメオト口ピックを切り換えることが可能であり、 光軸を中心とした円形領域と円形外領域で旋光性を独立に切り換え可能である。 第 1 0図における液晶素子 9 0 3は、 斜線を施して示す円形領域に十分に電界を かけホメォトロピック領域 9 0 3 aにし、 円形外領域を 9 0度ッイス トネマティッ ク領域 9 0 3 bにして機能分割する。
液晶素子 9 0 3のホメオト口ピック領域 9 0 3 aに入射した直線偏光 9 0は、 旋 光することなく透過する。 続いて、 同領域 9 0 3 aを透過した直線偏光 9 0 aは、 集光光学系 1 0 4の光軸 Oを中心としたほぼ円形領域 1 0 4 aに入射する。
このとき円形領域 1 0 4 aは、 集光光学系 1 0 4に入射する有効光束 9 1の一部 であり、 有効光束 9 1により構成される開口数より小さくなつている。
この実施形態では、 有効光束 9 1による開口数を D V D用に、 円形領域 1 0 4 a による開口数を C D用に設定してある。
また、 集光光学系 1 0 4に入射する光束を制限する絞り等を用いていないために、 有効光束 9 1は、 液晶素子 9 0 3を透過する直線偏光の光束と一致している。 した がって、 光量の減少はない。 そして、 集光光学系 1 0 4を通過した有効光束が集光 し、 集光スポッ ト Pを形成する。
一方、 液晶素子 9 0 3の 9 0度ッイス トネマティック領域 9 0 3 bを透過した直 線偏光 9 0 bは、 9 0度旋光しており、 集光光学系 1 0 4における円形領域以外の 領域 1 0 4 bに入射する。
この実施形態で用いるッイス トネマティック型の液晶素子の構成は、 第 1 1図に よって説明した液畢素子 9 1 0と同様なものでよい。
集光スポッ ト Pの同一平面上に、 光軸 Oと直交して光ディスク 1 0 5が配置され る。 集光スポッ ト Pに集束した光束は、 光ディスク 1 0 5で反射し、 入射光路とほ ぼ同一の光路を戻り、 再び集光光学系 1 0 4を透過した後、 光分離素子 7 0. 1で分. 離される。
その分離光束 9 2は、 集光光学系 7 0 2により集光され、 集光スポッ ト Qを形成 する。 この集光スポッ ト Qは光検出素子 7 0 4により検出される。
ここで、 光分離素子 7 0 1 と光検出素子 7 0 4との中間部には、 直線偏光検波素 子 7 0 3が配設してある。 この直線偏光検波素子 7 0 3は、 その方位 （直線偏光を 透過させる方位） を Y軸方向とし、 円形領域 1 0 4 aを透過した成分のみ取り出す ように調整してある。 これにより集光光学系 1 0 4の開口数が大きい外周部を通過 する成分を遮光することができ、 C Dの再生が可能となる。 また 9 0度ッイス トネマティック領域 9 0 3 bにも'電界を加えてホメォトロピッ クにして旋光性を失わせれば、 有効光束 9 1全体の成分を取り出せるため D V D等 使用可能となる。
発明者らの試作した光学系では、 直線偏光検波素子 7 0 3として偏光板を用い、 有効光束 9 1の直径は 5 mmとした。
また、 その偏光板の中央部分を円形にく りぬいて、 円形領域 1 0 4 aを透過した 成分のみを素通しにしてもかまわない。 偏光板は光吸収があるためこの方が光利用 率が改善される。 もっとも、 光検出素子 7 0 4としてよく使用されるフォトダイォ ードは、 比較的高感度なため、 ここでは光利用効率はさほど問題とならない。 また、 液晶素子 9 0 3 として全領域が 9 0度ッイス トネマティック型液晶となつ ている素子を用い、 電界により C D用の円形外領域をホメオト口ピックにしても、 円形領域とその外周領域とで直線偏光が直交するため、 同様の効果を得ることが可 ISである。
液晶素子 9 0 3は旋光光学素子として使用され、 入射光路中においては偏光板等 を用いていないので、 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 1 5 %程度であつたが、 液晶ガラス基盤に無反射コートを施せば 1 0 %以下 にすることは可能である。 '
この実施形態の場合も、 第 1 0図における直線偏光の有効光束 9 1内に占めるほ ぼ円形の領域 9 0 aの面積は、 有効光束 9 1の光軸に直交する面上での面積の 5 0 %以上 8 0 %以下にするのが望ましく、 7 0 %程度が最適である。
これらの第 4 , 第の実施形態の説明から明らかなように、 この発明における旋光 光学素子と直線偏光検波素子を用いた光学装置を光ディスク装置に適用した場合、 原理的に書き込み （もしくは読み出し） のための光量をロスすることなく、 開口数 を電気的に簡単に切り換える事ができる。 このことは、 今後有望視されている D V D— R AM、 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 スク装置の光学系において、 C Dの再生を兼ね備えだ光学系として非常に有効であ 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だからであ ¾。 産業上の利用可能性
以上のように、 この発明は、 光ディスク装置や半導体製造用のマスク露光装置な ど、 超解像技術を利用した各種光学装置に適用することができる。 また、 光デイス ク装置における光ピックアツプに適用すれば、 1個の光ピックアップを D V D用と C D用とに兼用でき、 その実行的な開口の切り換えを、 光の利用効率を低下させる とこなく、 容易に行なうことができる。

Claims

請 求 の 範 囲 ί . 直線偏光の入射光を集光する集光光学系と、 該集光光学系の焦点面の近傍に配 設される光反射部材によって反射される反射光を前記入射光から分離する光分離素 子と、 該光分離素子によって分離された分離光束を検出する光検出素子とを備えた 光学装置において、
前記直線偏光の入射光路中に、 該直線偏光の前記集光光学系により利用される有 効光束中の一部の領域の偏光軸をほぼ 9 0度旋光可能であり、 電気信号によってそ の旋光性が制御される旋光光学素子を設けるとともに、
前記分離光束の光路中に直線偏光検波素子を設置したことを特徴とする光学装置。
2 . 前記直線偏光検波素子は、 その検波軸の方位が前記旋光光学素子に入射する直 線偏光の偏光軸の方位を基準として、 マイナス 8 5度以上マイナス 5度以下あるい は 5度以上 8 5度以下の範囲に設定されている請求の範囲第 1項記載の光学装置。
3 . 前記旋光光学素子が、 光透過領域の一部の領域の液晶に電圧が印加されること により、 直線偏光の偏光軸を 9 0度旋光させる機能をもつ領域と該旋光機能をもた ない領域とが生じる液晶素子であり、 該液晶素子の前記直線偏光が入射する側の液 晶分子の配向方向が、 該直線偏光の偏光軸の方向と一致もしくは直交するように配 置されている請求の範囲第 1項記載の光学装置。
4 . 前記旋光光学素子が、 9 0度ッイス トネマティック型の液晶素子であり、 光透 過領域の一部の領域の液晶に電圧を印加するための透明電極を有し、 該透明電極を 介して電圧が印加された部位の液晶分子はホメォトロピック配向となって 9 0度旋 光機能を消失する請求の範囲第 3項記載の光学装置。
5 . 前記直線偏光検波素子は、 その検波軸の方位が前記旋光光学素子に入射する直 線偏光の偏光軸の方位を基準として、 マイナス 8 5 '度以上マイナス 5度以卞あるい は 5度以上 8 5度以下の範囲に設定されている請求の範囲第 4項記載の光学装置。
6 . 前記旋光光学素子によって前記直線偏光の偏光軸がほぼ 9 0度旋光される一部 の領域が、 該直線偏光の前記集光光学系により利用される有効光束中の光軸を中心 としたほぼ円形の領域もしくは該円形の領域以外の領域である請求の範囲第 1項記 載の光学装置。
7 . 前記ほぼ円形の領域の前記有効光束内に占める面積は、 該有効光束の光軸に直 交する面上での面積の 1 %以上 2 0 %以下である請求の範囲第 6項記載の光学装置。
8 . 前記旋光光学素子によって前記直線偏光の偏光軸がほぼ 9 0度旋光される一部 の領域が、 該直線偏光の前記集光光学系により利用される有効光束中の光軸を中心 としたほぼ円形の領域もしくは該円形の領域以外の領域である請求の範囲第 2項記 載の光学装置。
9 . 前記旋光光学素子によって前記直線偏光の偏光軸がほぼ 9 0度旋光される一部 の領域が、 該直線偏光の前記集光光学系により利用される有効光束中の光軸を中心 としたほぼ円形の領域もしくは該円形の領域以外の領域である請求の範囲第 3項 IS 載の光学装置。
1 0 . 前記旋光光学素子によって前記直線偏光の偏光軸がほぼ 9 0度旋光される一 部の領域が、 該直線偏光の前記集光光学系により利用される有効光束中の光軸を中 心としたほぼ円形の領域もしくは該円形の領域以外の領域である請求の範囲第 4項 記載の光学装置。
1 1 . 前記旋光光学素子によって前記直線偏光の偏光軸がほぼ 9 0度旋光される一 部の領域が、 該直線偏光の前記集光光学系により利用される有効光束中の光軸を中 99/13464
2 8
心としたほぼ円形の領域もしくは該円形の領域以^の領域である請求の範囲第 5項 記載の光学装置。
1 2 . 前記旋光光学素子によって前記直線偏光の偏光軸がほぼ 9 0度旋光される一 部の領域が、 該直線偏光の前記集光光学系により利用される有効光束中の光軸を中 心としたほぼ長方形の領域もしくは該長方形の領域以外の領域である請求の範囲第 1項記載の光学装置。
1 3 . 前記ほぼ長方形の領域の前記有効光束内に占める面積は、 該有効光束の光軸 に直交する面上での面積の 1 0 %以上 4 0 %以下である請求の範囲第 1 2項記載の 光学装置。
1 4 . 前記旋光光学素子によって前記直線偏光の偏光軸がほぼ 9 0度旋光される一 部の領域が、 該直線偏光の前記集光光学系により利用される有効光束中の光軸を中 心としたほぼ長方形の領域もしくは該長方形の領域以外の領域である請求の範囲第 2項記載の光学装置。
1 5 . 前記旋光光学素子によって前記直線偏光の偏光軸がほぼ 9 0度旋光される一 部の領域が、 該直線偏光の前記集光光学系により利用される有効光束中の光軸を ^ 心としたほぼ長方形の領域もしくは該長方形の領域以外の領域である請求の範囲第 3項記載の光学装置。
1 6 . 前記旋光光学素子によって前記直線偏光の偏光軸がほぼ 9 0度旋光される一 部の領域が、 該直線偏光の前記集光光学系により利用される有効光束中の光軸を中 心としたほぼ長方形の領域もしくは該長方形の領域以外の領域である請求の範囲第
4項記載の光学装置。
1 7 . 前記旋光光学素子によって前記直線偏光の偏光軸がほぼ 9 0度旋光される一 99/13464
2 9
部の領域が、 該直線偏光の前記集光光学系により禾 I]用される有効光束中の光軸を中 心としたほぼ長方形の領域もしくは該長方形の領域以外の領域である請求の範囲第 5項記載の光学装置。
1 8 . 直線偏光の入射光を集光する集光光学系と、 該集光光学系の焦点面の近傍に 配設される光反射部材によって反射される反射光を前記入射光から分離する光分離 素子と、 該光分離素子によって分離された分離光束を検出する光検出素子とを備え た光学装置において、
前記直線偏光の入射光路中に、 該直線偏光の前記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の領域もしくは該円形の領域以外の領域の偏 光軸をほぼ 9 0度旋光可能であり、 電気信号によってその旋光性が制御される旋光 光学素子を設けるとともに、
前記分離光束の光路中に、 検波軸の方位が前記直線偏光の偏光軸の方位とほぼ一 致もしくは直交する直線偏光検波素子を設置したことを特徴とする光学装置。
1 9 . 前記旋光光学素子が、 光透過領域の中央部のほぼ円形の領域もしくは該円形 の領域以外の領域の液晶に電圧が印加されることにより、 該円形の領域とそれ以外 の領域のうち、 一方を直線偏光の偏光軸を 9 0度旋光させる機能をもつ領域とし，... 他方を該旋光機能をもたない領域する液晶素子であり、 該液晶素子の前記直線偏光 が入射する側の液晶分子の配向方向が、 該直線偏光の偏光軸の方向と一致もしくは 直交するように配置されている請求の範囲第 1項記載の光学装置。
2 0 . 前記旋光光学素子が、 9 0度ッイス トネマティ ック型の液晶素子であり、 光 透過領域の中央部のほぼ円形の領域もしくは該円形の領域以外の領域の液晶に電圧 を印加するための透明電極を有し、 該透明電極を介して電圧が印加された部位の液 晶分子はホメォトロピック配向となって 9 0度旋光機能を消失する請求の範囲第 1 9項記載の光学装置。 99/13464
3 0
2 1 . 前記ほぼ円形の領域の前記有効光束内に占め-る面積は、 該有効光束の光軸に 直交する面上での面積の 5 0 %以上 8 0 %以下である請求の範囲第 1 8項記載の光 •学装置。
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