(57)【要約】  電極１と２との間に印加される駆動場により曲げられていない状態と曲げられた状態との間で切換可能な可曲ナノ要素３を含む、可変光学素子１０を用いた光ヘッド。曲げられた状態のナノ要素は、放射を吸収するので、素子を通過する放射ビームの放射強度分布を調整する。
2008506212.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
放射ビームを発する放射源と、
発せられた前記放射ビームを媒体上に集光させるためのレンズと、
前記レンズに入射する前記放射ビームの強度分布を変化させるための、可変光学素子とを含み、
前記放射ビームが、前記可変光学素子の位置において、ある断面を有し、
前記可変光学素子が、駆動場を発生させるための電極の電極構成と、前記駆動場により、曲げられていない状態と曲げられた状態との間で切換可能な可曲ナノ要素とを含むことを特徴とする光ヘッド。
【請求項２】
ビームスプリッタをさらに含み、
前記可変光学素子が、前記放射源と前記ビームスプリッタとの間に配されていることを特徴とする請求項１記載の光ヘッド。
【請求項３】
前記可曲ナノ要素が、前記断面に亘って、不均一な密度を有することを特徴とする請求項１または２記載の光ヘッド。
【請求項４】
前記可曲ナノ要素が、前記断面に亘って、複数のセグメント状に配されていることを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載の光ヘッド。
【請求項５】
前記電極構成が、前記断面に亘って、複数のセグメント状に配されていることを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載の光ヘッド。
【請求項６】
前記可変光学素子が、可曲ナノ要素を有する複数の基板のスタックを含み、
該複数の基板が、前記放射ビームの伝播方向に沿って配されていることを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載の光ヘッド。
【請求項７】
前記放射ビームのリム部分における放射強度よりも、該放射ビームの中心部分における放射強度の方が、より強い影響を受けるように、前記可変光学素子が構成されていることを特徴とする請求項４から６いずれか１項記載の光ヘッド。
【請求項８】
請求項１から７いずれか１項記載の光ヘッド内で用いられる可変光学素子であって、
駆動場を発生させるための電極構成と、
前記駆動場により、曲げられていない状態と曲げられた状態との間で切換可能な可曲ナノ要素とを含むことを特徴とする可変光学素子。  
【請求項９】
請求項１から７いずれか１項記載の光ヘッドを用いた光学システムであって、
書込モードと読出モードとの間の切換えに応答して、前記可変光学素子の前記駆動場を制御する手段を備えていることを特徴とする光学システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、曲げられる放射ビーム内の強度分布を変更する可変光学素子を含む、光ヘッドに関するものである。本発明はまた、そのような光ヘッドのための可変光学素子、およびかかる光ヘッドを用いた光学システムにも関するものである。
【背景技術】
【０００２】
たとえばＣＤ、ＤＶＤおよびブルーレイディスク（ＢＤ）のフォーマット用の、光記憶データのアプリケーションでは、記憶媒体からのデータの再生と、記憶媒体へのデータの記録とは、ディスク上の光スポットに異なる要件を課す。再生中は、情報層上に集光される光スポットの寸法が、読出解像度、すなわち読出しが可能なマーク（ピット）のサイズを決定する。記録中は、光スポット内に集光された放射量に起因する、ディスク内の記録層の温度の上昇が主たる役割を担い、スポットの大きさの重要性は比較的低い。再生と記録との間のこれら異なる要件は、媒体内の情報層すなわち記録層上に放射ビームを集光させるのに用いられる対物レンズの、瞳の平面内における強度およびその分布に対する要件に転換される。リム強度は、瞳の平面内における放射分布の最大強度に対する、瞳の縁（すなわちリム）における相対強度である。再生に関しては、小さなスポットすなわち高い読出解像度を実現するため、高いリム強度が必要である。この要件は、トラック間距離およびトラック内のピットの寸法に応じて、接線方向（すなわち、トラックに対して平行な、ディスク内の走査スポットの方向）に対してと、半径方向（すなわち、トラックと直交する、ディスク内の走査スポットの方向）に対してとで、異なっていてもよい。記録に関しては、放射の総量が重要である。
【０００３】
光記憶の用途に用いられる放射源は、一般的には、半導体レーザーダイオードである。これらレーザーダイオードの１つのよく知られた特徴は、楕円形状の遠隔場強度分布である。この分布は、レーザーダイオードチップに対する２つの適切な方向（たとえば水平方向および垂直方向）における、最大値の半値全幅（ＦＷＨＭ；ｆｕｌｌ  ｗｉｄｔｈ  ａｔ  ｈａｌｆ  ｍａｘｉｍｕｍ）の開き角度により特徴付けられる。ＣＤおよびＤＶＤ用に一般的に使用される高パワーレーザーは、水平方向において約９度、垂直方向において約１７から１８度の、ＦＷＨＭ値を有している。いわゆるブルーレイディスク（ＢＤ）システム用に現在利用可能なレーザーは、さらに強い楕円性を有している。これは、典型的な遠隔場分布が、水平方向において約１０度、垂直方向において約２５度の、ＦＷＨＭ値を有しているためである。
【０００４】
ディスクの良好な読出品質のためには、接線方向と半径方向との両方において、最小限のリム強度が必要とされる。これらの要求は、ＢＤのような最新の高データ密度光ディスクシステムにおいて最も高く、両方向において約６５％の最小リム強度が必要とされる。このとき、レーザーにより発せられるレーザー放射の比較的少ない部分のみが、有効に利用されている。リム強度に対するこの６５％という下限のもとでは、水平方向へのビームの発散が、発せられるレーザー放射の使用可能な部分に対する、制限パラメータとなる。レーザーの水平な遠隔場方向に関し、６５％のリム強度を持つ円形の瞳を有する場合、ＢＤに一般的に使用されるレーザーの垂直な遠隔場方向に関するリム強度は、約９５％である。このことは、レーザーにより発せられた放射の有効使用率（カップリング効率）が、低い（約１４％程度しかない）ことを意味する。これは、高い出力パワーレートを有するレーザーを必要とする記録システムにおいては、好ましくない。
【０００５】
光データ記憶の用途の光学システム（たとえば光記録システム）では、レーザーにより発せられる発散放射ビームを平行光化するために、一般的に、コリメータレンズが使用される。このコリメータレンズの開口数は、光学システム内へと有効にカップリングされる放射の量、すなわちカップリング効率を決定する。
【０００６】
記録の目的のためには、高いカップリング効率が必要とされるが、上記の例から明らかなとおり、このことは、再生の目的のためには低いリム強度を結果としてもたらす。ビームシェーパーは、強度分布の楕円性を、より円形に近い強度分布に変換することができる。一般的に使用されるビームシェーパーとしては、アナモルフィックプリズム対や、レンズタイプのビームシェーパーが挙げられる。このより円形に近い強度のもとでは、リム強度については依然として同一の下限条件（たとえばＢＤに対して６５％）を有しながら、カップリング効率を向上させることができる。この場合、カップリング効率は、２８％に倍増させられ得る。このことは、必要とされる合計のレーザー放射出力パワーが、ビームシェーパーを有さない光学システムにおける同パワーよりも、小さくてもよいことを意味する。このことは、たとえばレーザーの入手可能性、パワー消費量ならびに損失量、およびレーザーの寿命等の観点から、好ましいことである。
【０００７】
半導体レーザーダイオードの別の１つの特性は、出力パワーが増加すると、レーザーノイズ（高振動数の出力パワーのゆらぎ）が減少するという特性である。読出速度が高くなると、光データ記憶のアプリケーションの読出性能に及ぶ影響は増大する。読出信号の最小限のＳＮＲ（信号対雑音比）を保障するためには、レーザーは、最小限の放射出力パワーで動作しなくてはならない。
【０００８】
一方、記録可能型ディスクの再生中における最大放射パワーは、記録されたデータが消去されてはいけないということにより、制限されている。このことと、光記録システムに必要とされる高いカップリング効率とを併せて考えると、再生中における合計のレーザー出力パワーが、安定したレーザー出力動作のためには低すぎるものとなる結果となりかねない。その場合、ＳＮＲは低くなり、このことが光ディスクシステムの読出性能を制限してしまう（たとえば、読出速度を制限する）。
【０００９】
光データ記憶アプリケーションは、通常、複数のディスクフォーマット（たとえばＢＤおよびＤＶＤの記録および再生）をサポートしているので、上記の要件は、サポートされているそれぞれのディスクフォーマットに対して必要となる。しかしながら、上記の要件は、各システムごとに異なる。これは、システムごとに、ディスク上のデータ密度、トラック距離、ピットサイズ、（放射ビームを媒体内に集光させるための）対物レンズの開口数、媒体感度、そのディスクフォーマットが要求する波長等の、特性が異なるためである。ＣＤに対しては、波長は約７８５ｎｍであり、ＤＶＤに対しては約６５０ｎｍ、ＢＤに対しては約４０５ｎｍである。
【００１０】
米国特許出願公開２００３／０１６９６６７号は、再生中における合計のレーザーパワーが増加させられている一方、記録中において、必要とされる合計のレーザーパワーは増加させられていない、記録再生装置を開示している。光カップリング効率可変装置を再生記録装置の光ヘッド内に実装することにより、カップリング効率が、再生中における低レベルから、記録中における高レベルへと切り換えられる。光カップリング可変装置の例としては、様々な例が挙げられており、電気的手段により切換可能なものもあれば、機械的手段により切換可能なものもある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
米国特許出願公開２００３／０１６９６６７号に開示されている上記の光カップリング効率可変装置は、減衰や回折等によって放射源からディスクへの伝播効率を下げることにより、読出システムのＳＮＲ改善のための１つの解決策を提供するが、リム強度およびカップリング効率に関する再生および記録パラメータについての、種々の異なる要件に対する解決策は、何ら提供しない。
【００１２】
本発明の１つの目的は、記録中において高いカップリング効率を有し、再生中において低いレーザーノイズ状態を有するような光ヘッドを備えた、改善された記録再生装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明によれば、上記の目的は、放射ビームを発する放射源と、発せられた放射ビームを媒体上に集光させるためのレンズと、そのレンズに入射する放射ビームの強度分布を変化させるための可変光学素子とを含み、上記の放射ビームが、可変光学素子の位置において、ある断面を有し、可変光学素子が、駆動場（ｄｒｉｖｅｒ−ｆｉｅｌｄ）を発生させるための電極の電極構成と、その駆動場により、曲げられていない状態と曲げられた状態との間で切換可能な可曲ナノ要素（曲げられるナノ要素）とを含む、光ヘッドを提供することにより実現される。
【００１４】
本明細書において、駆動場は、可曲ナノ要素の特性に応じて、電場、磁場、またはそれらの組合せとされ得る。
【００１５】
ナノ要素とは、ナノチューブならびにナノワイヤ（ホイスカーとも呼ばれる）および微小プリズムを指す一般的用語であり、リン化インジウム（ＩｎＰ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、窒化ボロン（ＢＮ）、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）および炭素（Ｃ）といった、様々な材料のナノ要素が、いくつかの文献に記載されている。ナノ要素は、中空（ナノチューブ）または中実（ナノワイヤ）の円柱型またはプリズム状の形状を有し、最も小さい寸法（たとえば直径）がナノメートルの範囲にある、非常に小さな物体である。これらの物体は対称軸を有し、その対称軸の方向が、その電気的および光学的な特性を決定する。可曲ナノ要素は、通常、対称軸の方向に沿って、他の方向よりも長い寸法を有する。
【００１６】
上記のような装置内で、可曲ナノ要素が曲げられていない状態においては、すべての可曲ナノ要素が互いに実質的に平行な対称軸を有する。可変光学素子の光学的挙動に影響を与えない範囲内において、この１つの方向に対してわずかなずれを有するナノ要素が存在してもよい。
【００１７】
とりわけ、カーボンナノチューブに関しては、多くの研究がなされている。カーボンナノチューブは、基本的にグラファイト（ｓｐ２−）構成の炭素による、単層または多層の円柱構造である。金属様ナノチューブと半導体ナノチューブとの双方の存在が、実験的に確認されている。さらに、最近、ＡＩＰＯ４−５単結晶のチャネルに整列させられた、たとえば０．４ｎｍの厚さを有する単壁構造のカーボンナノチューブが、光学的異方性を示すことが発見された。カーボンナノチューブは、１．５μｍから２００ｎｍの範囲内の波長を有し、チューブの軸に対して垂直な偏光方向を有する放射に対しては、ほとんど透明である。一方、約６００ｎｍから２００ｎｍの範囲内の波長を有し、チューブの軸に対して平行な偏光方向を有する放射に対しては、カーボンナノチューブは強い吸収性を示す（Ｌｉ，Ｚ．Ｍ．ほか、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．８７（２００１年）、１２７７４０１−１／４）。
【００１８】
ナノワイヤおよびナノチューブは、基板上にそれらを成長させることにより提供することができる。この基板は、たとえばＳｃｈｏｎｅｎｂｅｒｇｅｒほか、Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．Ｂ、１０１（１９９７年）、５４９７−５５０５に記載されているように、ナノ構造のパターンを、容易かつ良好に制御された態様で規定することを可能とする。ナノワイヤは、たとえばＭｏｒａｌｅｓおよびＬｉｅｂｅｒ、Ｓｃｉｅｎｃｅ、２７９（１９９８年）、２０８−２１１に記載された気体−液体−固体法や、電子化学的成長といった、既知の方法により成長させることができる。
【００１９】
可曲ナノ要素を用いた可変光学素子は、光記憶の用途に適した光ヘッド内で使用することができる。たとえば光ヘッド内の放射源（すなわち半導体レーザー）が、データ記録またはデータ消去のための高パワーレベルモードにあるときは、ナノ要素は、放射ビームの強度分布に及ぼす影響を最小限にするように、実質的に曲げられていない状態であることが好ましい。
【００２０】
レーザーが、たとえば読出しのための低パワーモードにあるときには、ナノ要素が曲げられた状態となるように、可変光学素子に駆動場が印加され得る。このことは、入射する放射を吸収する結果をもたらす。したがって、レーザーを、より低いノイズを伴うより高いパワーレベルで動作させることができ、結果としてより良好なＳＮＲおよび読出品質がもたらされる。レーザー内へのフィードバック放射は、低減させられる。
【００２１】
本発明の１つの実施形態では、上記の可変光学素子が、光ヘッド内において、放射源とビームスプリッタとの間に配される。放射源と対物レンズとの間に配されたビームスプリッタは、光ヘッド内において、光記憶用途の媒体より反射された放射ビームから、同媒体に向かう放射ビームを分離するために用いられる。この反射された放射ビームは、たとえばデータ信号および／またはサーボ信号を発生させるための、放射検出手段に向かわされる。対物レンズに向かう放射ビームの放射強度分布を変化させるために、可変光学素子は、放射源とビームスプリッタとの間に配されることが好ましい。可変光学素子がビームスプリッタと対物レンズとの間に配されると、放射ビームが光学素子を２回通過するので、媒体から反射された放射ビームにも影響を与え、放射検出器から得られる信号を減少させる結果となってしまう。
【００２２】
別の実施形態では、光ヘッドは、断面に亘って不均一な密度を有する可曲ナノ要素を伴う、可変光学素子を含むものとされる。この態様では、断面に亘って吸収レベルを変化させることが可能である。断面の中心部分における可曲ナノ要素の密度が外側部分よりも高いために、中心部分が外側部分よりも強い減衰を受ける場合には、中心部分の放射強度が、外側部分の放射強度に対して相対的に減らされる。結果として、放射ビームのリム強度、すなわち対物レンズの瞳内におけるリム強度は、増大させられる。このことは、媒体上に集光されられる放射スポットの二次極大部（サイドローブ）を抑制するので、読出解像度の点において利点を有する。
【００２３】
このような実施形態の別の利点は、リム強度を減少させることなく、放射源から発せられる放射のためのカップリング光学系の開口数を、影響を受けていない放射ビームの場合と比較して増大させることができる点である。このことは、レーザーの書込モードにおいてさえも有利となり得る。それは、レーザーが書込モードにある際、より低い開口数と可曲ナノ要素のゼロ吸収率とを伴う状態に比べて、対物レンズに向かう放射ビームの合計放射パワーを増大させることができるためである。全体としてディスク上における放射パワーの増加をもたらす、より大きなカップリング効率のため、この放射強度変調に起因する放射パワーの損失は、放射パワーの増加よりも小さくされ得る。この形態は、狭いアラインメント許容誤差を有さない、レンズ型またはプリズム型のビームシェーパーに対する代替形態である。
【００２４】
また、可曲ナノ要素を、断面に亘って、実質的に均一な密度で分布させてもよい。その場合、吸収レベルを断面に亘って実施的に均一にすることができ、その結果、放射ビームの減衰が得られる。書込モードのため（放射源としての）レーザーが高パワーレベルにある際、可曲ナノ要素は、実質的に曲げられていない状態に設定され、結果として低い吸収レベルがもたらされる。一方、読出モードのためレーザーが低パワーレベルにある際、可曲ナノ要素は、曲げられた状態に設定され、結果として吸収がもたらされる。この吸収レベルは、読出モードにおけるレーザーパワーが、低いレーザーノイズの動作レベルとなるように設定され得る。
【００２５】
さらなる可能な実施形態では、可変光学素子が、セグメント化された電極構成を有するものとされるか、ナノ要素の分布がセグメント化される。各セグメントは、他の駆動場と強度が異なるものであってもよい駆動場と、関連付けられる。こうすることにより、駆動場が印加された際に結果として得られる曲がり角度が、セグメントごとに異なる角度とされ得る。したがって、断面内の各セグメントは、素子に入射する放射ビームの放射強度分布の変化に対し、それぞれ異なる影響を与え得る。セグメント化は、放射ビームの放射強度を適正化するため、たとえばピクセル状、円環状、またはその他の任意の有用なパターンとされ得る。
【００２６】
可変光学素子を備える光ヘッドを用いた光記憶装置の利点は、読出モードと書込モードとのそれぞれについて明らかである。読出モードでは、光記憶媒体の高品質の読出性能を実現することができる。放射ビームのビーム整形機能を示す上記の実施形態で説明したような可変光学素子を用いれば、書込性能を改善することも可能である。
【００２７】
また、たとえば、複数のディスクフォーマットに対して互換性を有する光ヘッドで用いられるような、複数の異なる波長を有する複数のレーザーを使用した光ヘッド内に、単一の素子を適用することも可能である。可変光学素子のコントローラと接続されたレーザーコントローラを設ければ、動作するレーザーごとに設定を制御することが可能である。したがって、これらの設定は、動作するレーザーごとに異なる設定とされ得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の上記およびその他の側面を、図面を参照しながらさらに説明する。図面は、単に説明のためのもので、正しい縮尺で描かれてはいない。異なる図において、同一の要素は、同一の参照番号で示されている。
【００２９】
図１には、可曲ナノ要素を有する可変光学素子の動作原理を示すため、可変光学素子１０の概略図が示されている。この可変光学素子は、この例ではガラス基板である基板４を含んでおり、この基板４の下側には偏光板５が、反対側には電極１、２および可曲ナノ要素３が設けられている。透過型の可変光学素子においては、電極は、たとえばインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）から作られ得る。この例では、ＳｉＯ２の絶縁層６が、電極を覆っている。この層は、二重の機能を有する。第１に、この層は基板４を平滑化し、可曲ナノ要素を施すことを簡単にする。第２に、この層は、可曲ナノ要素３と、電極１、２との間の、絶縁バリアとして作用する。こうすることにより、可曲ナノ要素は、電場のみの影響を受けるようになり、電極１、２との直接の電気的接触による影響は受けなくなる。
【００３０】
この例における可曲ナノ要素３は、Ｓｉ（ＯＲ）３基により官能化されたカーボンナノチューブである（Ｒはメチル基）。適切な末端基によるカーボンナノチューブの官能化自体は、Ｌａｎｇｍｕｉｒ、第１６巻（２０００年）、第３５６９−３５７３頁から知られている。この文献では、所望の長さの単壁カーボンナノチューブが、超音波震動を用いて、アルコール内に浮遊させられる。このカーボンナノチューブは、酸化によって、カルボキシル末端基を付与されている。この末端基は、その後、Ｓｉ（ＯＲ）３との化学反応を経て置換される。
【００３１】
パターン化された積層を実現するために、基板は、所望のパターンに従って形成されたフォトレジストにより覆われる。その際、フォトレジスト材料および基板は、基板をより親水性とし、フォトレジストをより疎水性とするための、プラズマ処理工程を経ている。適切な処理の一例は、一連の酸素プラズマ処理、フッ素プラズマ処理、および酸素プラズマ処理のシーケンスである。個々のカーボンナノチューブ同士の間の疎水性の相互作用によって、カーボンナノチューブの束が、表面に沿って整列する。フォトレジストの使用に代えて、他の材料のマスクを用いて、必要なパターンが得られてもよい。パターンは、たとえば十分な強度を有するレーザー束を用いて、所望のパターンに従ってカーボンナノチューブを焼失させることによっても得られる。
【００３２】
印加されている電場がゼロであるとき、すなわち電極１と２との間に電圧が加えられていないときには、ナノ要素３は、基板４に垂直に整列させられている。基板表面に垂直な方向で可変光学素子１０上に入射する放射ビームＢは、その放射の伝播方向に対してナノ要素が平行に整列させられているので、実質上妨害されずに可変光学素子を通過する。電場のスイッチが入れられると、ナノ要素は曲がり、図２に示すように曲げられたナノ要素となる。この曲げられたナノ要素は、電極１と２との間の少なくとも有意な部分をカバーし、その曲げられたナノ要素の接平面に平行な偏光方向を有するビームＢの成分を吸収する。入射ビームＢの吸収は、その入射ビームが、曲げられたナノ要素に接する偏光方向を有する直線偏光ビームである場合に最大となる。放射ビームが半導体レーザーダイオードから発せられる場合のように、放射ビームがすでに十分に直線偏光とされている場合には、偏光版５は省略されてもよい。その場合、可変光学素子は、ナノ要素の曲がり方向が、放射ビームの偏光方向と合致するような方向に配向されることが好ましい。
【００３３】
ナノ要素は、０．１から５Ｖ／μｍの範囲内の強度を有する電場によって曲げられ得る。電場を発生させるための電圧は、ＤＣ電圧であってもよい。しかしながら、数Ｈｚから数ｋＨｚの間、好ましくは約５０Ｈｚの周波数（たとえば幹線周波数）を有する交流電流を用いてもよい。
【００３４】
一般的に、たとえば図１を参照して上記で説明したような可変光学素子は、透過型であっても反射型であってもよい。上記で述べたような透過型の可変光学素子は、たとえば反射性の基板を用いることにより、または基板と電極構成との間に反射層を配することにより、反射型に変更することができる。上記の反射層は、波長依存特性を有する固定のアポディゼーションフィルタまたは光ビームスプリッタにおいて使用されるような、光学特性を有していてもよい。たとえば、１つの波長範囲においては層が透過性であり、別の１つの波長範囲においては層が反射性であってもよい。
【００３５】
図３には、記憶媒体１３と共に、光ヘッド１００が概略的に示されている。この図は、本発明の第１の実施形態に従う光学システムを図示している。光記憶装置内において用いることのできる光ヘッド１００は、放射ビームを発生させる放射源１１と、可変光学素子１０と、ビームスプリッタ１５と、放射ビームを媒体上に集光させるレンズとして用いられる対物レンズ１２と、放射検出器１４とを含んでいる。この例では、媒体は光記憶媒体である。放射源１１から発せられた放射ビームは、可変光学素子１０に入射して、その可変光学素子１０を通過した放射ビームは、ビームスプリッタ１５に入射する。ビームスプリッタを透過させられた放射ビームは、対物レンズ１２へと入射し、この対物レンズ１２は、光記憶媒体（光ディスク）１３のデータ層上に放射ビームを集光させる。この光ディスクは、ＣＤ−ＲＯＭやＢＤ−ＲＯＭといった読出専用ディスクであってもよいし、ＤＶＤ＋ＲやＤＶＤ＋ＲＷといったデータの記録が可能なディスクであってもよい。光ディスク１３のデータ層から反射された放射は、対物レンズ１２に入射し、ビームスプリッタ１５によって放射源１１の放射ビームから分離されて、放射検出器１４へと向かわされる。この放射検出器は、データ信号の生成、および／またはフォーカシング信号やトラッキング信号といったサーボ信号の生成に用いられ得る。
【００３６】
可変光学素子１０は、放射源１１から発せられた放射ビームがその可変光学素子を通過した後の、その放射ビームの強度分布を適切に変化させる。読出モードでは、可変光学素子に入射する放射ビームを減衰させることができるように、可変光学素子は、ナノ要素が曲げられた状態にある「オン状態」に設定され得る。可変光学素子の減衰量は、放射源が十分に低いレーザーノイズレベルで動作する一方、放射検出器上において信号生成に利用可能な放射強度レベルが維持されるような水準に、設定される。書込モードでは、可変光学素子を通過する放射ビームが実質的に影響を受けないように、可変光学素子は、ナノ要素が実質的に曲げられていない状態にある「オフ状態」に設定され得る。
【００３７】
可変光学素子１０が、ビームスプリッタ１５と対物レンズ１２との間の光路内に配されている場合には、放射源から発せられ、光ディスク１３により反射された放射は、可変光学素子１０を２回通過して放射検出器１４に到達する。可変光学素子がオン状態にある読出モードでは、放射強度分布が２回変更される。このことは、放射検出器上における放射強度のレベルがあまりに低すぎて、十分な品質のサーボ信号および／またはデータ信号が得られないという結果を招き得る。したがって、可変光学素子１０を、放射源１１とビームスプリッタ１５との間の光路に配することが好ましい。これは、その場合、放射源から発せられ光ディスク１３により反射された放射が、可変光学素子１０を１回のみ通過した状態で放射検出器１４に到達し、したがって、可変光学素子の位置が対物レンズとビームスプリッタとの間の位置である場合と比較して、より高い放射強度が得られるためである。
【００３８】
本発明の１つの実施形態では、可変光学素子は、実質的に均一に分布させられた可曲ナノ要素を有する。読出モード中において可変光学素子がオン状態にある際、曲げられた状態のナノ要素に起因する吸収は、放射ビームと可変光学素子との交面に亘って実質的に均一である。この場合、透過された放射ビームの放射強度分布は、減衰させられる。可曲ナノ要素の曲がり角度を決定する電場（駆動場）は、電極に印加される電圧と、電極の構成とに依存する。したがって、印加される電圧が、放射ビームの減衰量を決定する。可変光学素子が光ヘッドに適用されると、書込モード中においては、可変光学素子は、可曲ナノ要素が実質的に曲げられていない状態にあるオフ状態とされ得る。書込モード中において、媒体上への高い放射パワーレベルを得るため、媒体に向かう光学系に放射をカップリングするための高い開口数を使用することにより、カップリング効率を高いレベルに設定することができる。ここで、カップリング効率は、光学系にカップリングされる放射パワーの量を、放射源が出力する合計の放射パワー出力で割った比である。読出モードでは、高いカップリング効率は、放射源が安定した出力パワー範囲内で動作しないような、低い放射パワー発生レベルをもたらすかもしれず、これは出力パワーノイズを招く。放射源の放射出力を、ノイズが許容可能なレベルとなるような値に増大させることは、過剰に多くの放射パワーが媒体上に集光する結果を招きかねない。放射源から発せられるビーム内のノイズを低減させながら、媒体上への放射パワーレベルを十分に低いレベルに保つためには、放射源から媒体への放射経路の透過率が減らされなくてはならない。読出モード中に発せられる放射ビームの出力パワーレベルが、媒体上への放射パワーレベルとして過剰に高い放射パワーレベルを有することなく、かつ放射源から発せられるビーム内のノイズレベルを十分低くする結果がもたらされるように、可変光学素子の透過率を設定することができる。
【００３９】
一例として、Ｌｉ氏らの研究結果（Ｌｉ，Ｚ．Ｍ．ほか、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．８７（２００１年）、１２７７４０１−１／４）に基づくデータを利用して、実質的に均一な分布の可曲ナノ要素を用いた減衰素子を設計する。４０５ｎｍの波長（約３．１ｅＶの光子エネルギーに対応）では、可曲ナノ要素の軸に垂直な偏光を有する放射ビームに対する吸収率は、約４０％（吸収ＯＤ〜０．３５）であり、一方、可曲ナノ要素の軸に平行な偏光方向に対する吸収率は、約０％（吸収ＯＤ〜５．５）である。これらの数値は、可曲ナノ要素の寸法に加えて、可曲ナノ要素の具体的な密度に基づいている。
【００４０】
システムの透過率Ｔは、吸収係数αと、可曲ナノ要素の寸法の尺度としてのＬとに依存するものとして、
【数１】
2008506212.tif 000003
に従うと表すことができる。したがって、透過率Ｔの対数である光学密度（ｏｐｔｉｃａｌ  ｄｅｎｓｉｔｙ）ＯＤは、αＬに線形依存する。Ｌｉ氏らの文献のデータからは、可曲ナノ要素の軸に平行な放射偏光方向に対するＯＤと、可曲ナノ要素の軸に垂直な放射偏光方向に対するＯＤとの比は、約１５であることが分かる。この比を利用して、可曲ナノ要素の他の密度および寸法を有する、他の構成を検討することができる。
【００４１】
上記の比を用いると、可曲ナノ要素の軸に平行な偏光方向を有する放射ビームに対し、約０．１％の透過率（ＯＤ＝３）を有する構成は、可曲ナノ要素の軸に垂直な偏光に対しては、約６３％の透過率（ＯＤ〜０．２）をもたらす。可曲ナノ要素の軸に平行な偏光方向を有する放射ビームに対し、約１０％の透過率（ＯＤ＝１）を有する構成は、可曲ナノ要素の軸に垂直な偏光に対しては、約８６％の透過率（ＯＤ〜０．０６７）をもたらす。
【００４２】
可曲ナノ要素については、中間的な曲がり角度も可能であるので、あるアプリケーションにおいて、曲げられていない状態と完全に曲げられた状態との間で、必ずしも全範囲の比が利用されるとは限らない。それぞれのアプリケーションに対して、曲がり角度が必要な吸収率レベルをもたらすようなレベルに、１つまたは複数の駆動場を調整することが可能である。
【００４３】
放射ビームの断面全体に亘って十分に均一な吸収率を実現するために、その断面内のすべてのナノ要素について実質的に同一の曲がり角度を生み出すべく、多数の電極が必要とされることもあり得る。
【００４４】
本発明の別の実施形態では、可変光学素子は、不均一な分布の可曲ナノ要素を有する。かかる可曲ナノ要素の不均一な分布は、回転対称でなくてもよい。可変光学素子は、その用途に適した任意の分布を有していてよく、たとえば、１つの方向に沿って密度分布が変化し、その１つの方向に対して垂直な方向に沿っては密度分布が均一であるような分布を有していてもよい。
【００４５】
図４は、可曲ナノ要素３が不均一に分布させられた可変光学素子１０の、概略的な断面図の一例を示している。可変光学素子の中心部分における可曲ナノ要素の密度は、外側領域における密度よりも高い。この例における可変光学素子は、光軸１６に対して回転対称である。この可変光学素子が、たとえば光ヘッドの放射ビーム中に配され、かつ可曲ナノ要素を通過する放射ビームの方向に対して可曲ナノ要素が実質的に曲げられていない状態となるよう、駆動場が何ら印加されていない状態（オフ状態）のもとでは、吸収は起こらず、通過する放射ビームの放射強度分布には何ら影響が生じない。この状態は、放射源から媒体への高い効率が必要とされる、光ヘッドの書込モード中の可変光学素子の状態とされ得る。電極１と２との間に駆動場が印加されると（オン状態）、可曲ナノ要素を曲げることができる。曲がり方向が放射ビームの偏光方向である場合（すなわち放射ビームの偏光方向と平行である場合）には、可変光学素子の中心部分の吸収率は、外側部分の吸収率よりも高くなる。第１の利点は、先の実施形態でも説明したように、読出モードにおいて必要な放射源の放射発生パワーが増大させられ、放射源により発生させられるノイズが低減される点である。第２の利点は、リム強度が増大させられ、それにより媒体上の集光スポットのサイズが小さくされ、読出解像度が高くなるように、放射ビームの強度分布が変更される点である（Ｔａｗａ  Ｌ．ほか、ＳＰＩＥ第３８６４巻（１９９９年）、第３７−３９頁も参照）。
【００４６】
ＣＤ、ＤＶＤ、ＢＤ等の光学システムにおいては、ディスクからのデータの読出品質に関連して、リム強度が重要である。光記録のような用途においては、放射源は、エッジ放射半導体レーザーとされる。これらのレーザーの遠隔場のアスペクト比は、通常、発せられたビームの、レーザーの活性層に平行な方向へのビーム発散度が、レーザーの活性層に垂直な方向へのビーム発散度よりも小さくなるようなアスペクト比となる。カップリングレンズを用いて、発せられた放射ビームを光学システム内にカップリングする場合、このレンズの開口数は、結果として得られる放射ビームのリム強度の、下限値条件によって制約される。これは、レーザーの活性層に平行な方向へのビーム発散角度により決定される。その結果、垂直方向に対応する方向におけるリム強度は高くなる。このことは、発せられた放射の相当量が利用されず（カップリングレンズの開口数の外に到達してしまう）、特に垂直方向に対応する方向において利用されないことを意味する。カップリングレンズは、光ヘッドの対物レンズ内に一体化されていてもよい。その場合、対物レンズは、有限共役型とされる。
【００４７】
従来型のビーム整形光学系では、通常、アナモルフィックプリズムを用いて、発せられた放射ビームの実質的に楕円状の放射強度分布が、より円形に近い放射強度分布を有する放射ビームに再整形される。最小リム強度に関する同様の要件のもと、より多くの放射が光学システムにカップリングされ得る。かかるアナモルフィックプリズムは、入射面において完全に平行なビームを必要とするので、放射源とビームシェーパーとの間にコリメータレンズを設けることが必須である。このことは、ディスクにより反射された放射を検出器上に集光させるためには、光ヘッドの読出しおよびサーボ用の光路中に、追加の光学素子が必要であることを意味する。さらに、放射源とコリメータレンズとの間において、位置安定性の要件が存在する。なぜなら、コリメータレンズに対するレーザーの焦点外れが、アナモルフィックプリズムから出射するビームに非点収差をもたらし、したがって放射ビームの光学的品質を低下させるためである。
【００４８】
また、たとえば図４に示され説明された可変光学素子を用いることによって、ビームの中心部分の強度を低減させる一方、ビームの外側部分（リム）の強度には実質的に影響を与えないようにすることにより、リム強度を増大させることも可能である。この場合、カップリングレンズに比較的大きな開口数を適用することによりカップリング強度を増大させ、それによりリム強度を減少させ、放射ビームの中心部分における強度も同様に減少させて、最終的に修正された（相対）リム強度を得ることが可能である。ＢＤのように高いリム強度を必要とする光学システムにおいては、可変光学素子の吸収に起因する放射の損失は、カップリングレンズのより大きな開口数に起因するカップリング効率の増加よりも、少なくされ得る。かかる光学システムの設計においては、約５０％以上のカップリング効率の増加を得ることができる。上記の説明では、可変光学素子を通過する放射ビームの中心部分において必要な吸収率を得るため、書込モードにおいて、可変光学素子がオン状態とされるであろう。
【００４９】
ビームシェーパー機能を伴う可変光学素子を適用すれば、アナモルフィックプリズム型またはレンズ型のビームシェーパーにおいて必要とされるような、狭い許容誤差は必要とされない。
【００５０】
可変光学素子が均一な分布の可曲ナノ要素を有する場合と不均一な分布の可曲ナノ要素を有する場合とのいずれの状況においても、１つまたは複数の駆動場を印加するための電極構成は、セグメント化され得る。図５Ａから５Ｃは、可変光学素子のいくつかの可能なセグメント化の例を示している。可曲ナノ要素は、たとえば可変光学素子と放射ビームとの円形の交面といったような、円形領域内に配され得る。図５Ａには、電極構成の円環状セグメント５１、５２、５３、５４と、可曲ナノ要素の均一な分布との組合せが、模式的に示されている。光記憶の用途に適用される半導体レーザーはすべて同一ではないので、このような構成は、たとえば、レーザーごとセグメントごとの吸収率の調整を可能とする。平行方向と垂直方向との双方における放射出射角度（ＦＷＨＭ）は、レーザーの生産ロット間においてばらつきを有する。別の１つの利点は、このようにセグメント化された素子が、複数のレーザー（たとえば、ＤＶＤ用の赤色レーザーおよびＢＤ用の青紫色レーザー）を適用する光ヘッド内にある場合、可変光学素子のセグメントの吸収率を、各レーザーごとに異なる吸収率に調整することができる点である。この場合、セグメント間の駆動場を、各レーザータイプの要件に適合するように、適正化することができる。セグメントの数は、図面に示したものに限定されない。図５Ｂには、１つの方向のみにセグメント化がなされた例が示されている。セグメント５５ａおよび５５ｂ、５６ａおよび５６ｂ、５７ａおよび５７ｂ、５８ａおよび５８ｂはいずれも、個別に扱われてもよいし、対として扱われてもよい。このアプリケーションでは、この方向は、レーザーの平行な遠隔場の方向とされることが最も多い。これは、レーザーの平行な遠隔場の方向のリム強度が、増大させられるようにするためである。上記の説明は電極構成に関するものであるが、可曲ナノ要素の分布のセグメントに関するものであるとも捉えることができる。
【００５１】
このセグメント化は、セグメントごとに特定の駆動場を印加するため、各セグメントが個別に扱われるようなセグメント化であってもよい。駆動場は、セグメントごとに、また書込モードか読出モードかによっても、異なるものとされ得る。セグメントは、いかなる形状を有していてもよく、たとえば矩形のピクセル形状、円環形状、その他の形状を有し得る。また、たとえば図５Ｃに模式的に示すように、可曲ナノ要素の分布をセグメント化することも可能である。図５Ｃの例では、中心セグメント５１ａが最も高密度の可曲ナノ要素を有しており、外側のセグメント５４ａは最も低密度の可曲ナノ要素を有している。
【００５２】
適切な電極構成により印加される不均一な駆動場と均一な強度分布との組合せを用いることによっても、可変光学素子上に可曲ナノ要素を不均一に分布させるのと、類似の効果が得られる。印加される不均一な駆動場のため、可曲ナノ要素の曲がり角度は断面全体に亘って均一ではなく、したがって吸収率も、放射ビームの断面全体に亘って均一ではない。
【００５３】
可変光学素子は、本明細書で述べた複数の特徴の組合せを有するものとして、設計および製造されてもよい。さらに、可変光学素子を、可曲ナノ要素を有する複数の基板のスタックを含むものとすることも可能である。図６に、かかるスタック構成の素子の一例が示されている。個々の基板４、４'および４''は、可曲ナノ要素３、３'および３''と、それら可曲ナノ要素に駆動場を印加するための電極１、２、１'、２'および１''、２''とを含んでいる。基板の数は、図６に示された数に限定されるものではない。可曲ナノ要素を有する基板同士は、セパレータ３０により分離されている。図６には、そのようなセパレータが６個示されている。セパレータは、ガラス、プラスチック、または他の任意の適切な材料とされ得る。可曲ナノ要素３''を有する一番上の基板４''は、カバー３１により覆われてもよい。このカバーは、ガラス、プラスチック、または他の任意の適切な材料で作ることができる。図６に示したスタックは、当該スタックの光軸１６の方向に沿った、可変光学素子の三次元的なセグメント化と捉えることができる。個々の基板（４、４'、４''）は、均一な分布の可曲ナノ要素を含んでいてもよいし、不均一な分布の可曲ナノ要素を含んでいてもよい。また、可曲ナノ要素を有する各基板は、可曲ナノ要素の分布のセグメントを有していてもよいし、セグメント化された（多数）電極構成を含んでいてもよい。スタック内の基板上の電極は、同時に（すなわち単一のスタックであるかのように）使用されてもよいし、個別に使用されてもよい。
【００５４】
上記のようなスタックの１つの利点は、可曲ナノ要素を基板上に均一な密度で分布させることができる点である。これは、たとえば可変光学素子の中心における可曲ナノ要素の密度が外側の領域における密度よりも高いような、可曲ナノ要素の不均一な分布よりも、製造が容易である。また、複数の基板のスタックを用いれば、各基板を可曲ナノ要素の均一な密度分布を有するものとしながら、図５Ｃに例示したような可変光学素子の機能を、図６に示したような素子で作り出すことも可能である。
【００５５】
図７には、光ヘッド１００内で用いられる可変光学素子１０の模式図が示されている。光ヘッド１００は、可変光学素子と、放射源から発せられる放射量とを制御する手段を含んでいる。放射源１１は、可変光学素子１０を通る放射ビームを発する。透過させられた放射ビームは、ビームスプリッタ１５を通過し、レンズ１２に結合される。このレンズ１２は、放射ビームを媒体１３上に集光させる。媒体により反射された放射は、レンズを通過し、ビームスプリッタ１５により、放射検出器１４へと向かわされる。円柱レンズ１８を用いてビーム内に発生させられた非点収差を利用することにより、非点収差補正集光法が可能となる。また、光ヘッド内において、反射型の可変光学素子を用いることも可能である。
【００５６】
前方検知検出器１９が、発せられた放射ビームの一部の途中に配されており、放射源の放射出力を測定および制御している。この例では、発せられた放射の一部が、ビームスプリッタ２３を介して、前方検知検出器１９に向けられている。前方検知検出器の出力信号は、放射源コントローラ２０の入力信号となる。放射源コントローラ２０は、放射源１１から発せられる放射量を、たとえば読出レベルと書込レベルとに調整する。
【００５７】
可変光学素子を通過した放射の量もまた、モニタリング検出器２１を用いてモニタリングされる。これは、たとえば、可変光学素子の設定が、読出モードおよび書込モードにおいて媒体に向かう放射パワーに及ぼす影響をモニタリングするためである。モニタリング検出器２１の出力信号は、可変光学素子コントローラ２２への入力信号とされ得る。この可変光学素子コントローラ２２は、可変光学素子の１つまたは複数の駆動場を制御する。この１つまたは複数の駆動場は、可変光学素子の可曲ナノ要素を曲げるために必要とされる。
【００５８】
システムが読出モードに設定されると、放射源コントローラ２０は、放射源の放射出力をある予め決められた値に設定する。オプションとして、この設定は、前方検知検出器１９からの信号を利用して行われてもよい。可変光学素子コントローラ２２は、可変光学素子１０を、読出モードに設定する。この設定は、可変光学素子を通過する放射ビームについて必要な吸収を得るのに必要な１つまたは複数の駆動場に関する、予め決められた設定であってもよい。モニタリング検出器２１は、可変光学素子を通過した放射ビームのパワーをモニタリングすることができる。モニタリング検出器２１の出力を用いることで、可変光学素子コントローラの設定を、微調整することが可能となる。放射ビームは、レンズ１２を通過して、データを読み出すべく、媒体１３上に集光される。媒体により反射された放射は、レンズ１２を通って伝播させられ、信号検出器１４へと向かわされる。放射ビームの集光状態は、たとえば非点収差補正集光法といったような、一般に使用される集光方法で制御され得る。
【００５９】
システムが書込モードに設定されると、コントローラ２２は、可変光学素子１０を書込モードに設定する。この設定は、可曲ナノ要素に起因する吸収が実質的にゼロとなるような設定、またはビーム整形が適用されるような吸収が生じる設定とされてもよい。放射源１１の出力パワーは、放射源コントローラ２０により、書込パワーレベルに設定される。放射源コントローラ２０は、システムの設定中および／または読出モード中および／または書込モード中において、前方検知検出器１９の出力信号を利用してもよい。また、可変光学素子コントローラ２２は、システムの設定中および／または読出モード中および／または書込モード中において、モニタリング検出器２１の出力信号を利用してもよい。
【００６０】
モニタリング検出器２１は、単一セグメントまたは複数セグメントの可変光学素子からの透過の測定に適した、単一検出器またはセグメント化された検出器とされ得る。複数セグメントのモニタリング検出器を用いた場合、コントローラ２１を通じて、可変光学素子１０の各セグメントを微調整することが可能となる。
【００６１】
放射源１１の出力パワーの設定、および可変光学素子１０の設定を行うため、放射源コントローラ２０と可変光学素子コントローラ２２との間、および放射源コントローラ２０とモニタリング検出器２１との間には、電気的なインタラクションがあってもよい。図７中の破線は、可能性のあるそのようなインタラクションを表している。これらの電気的なインタラクションは、放射源の出力パワーの設定タイミングと、可変光学素子の設定タイミングとを、より良好に制御できるようになるという利点を有する。また、可変光学素子のコントローラと接続された放射源コントローラを用いれば、光ヘッド内の複数の放射源に対して、設定の制御および／または調整を行うことも可能である。
【００６２】
この放射源コントローラ２０および／または可変光学素子コントローラ２２は、光ヘッド上に配されてもよいし、光ヘッドを包含する光学システム内の別の場所に配されてもよい。
【００６３】
可変光学素子は、収束／発散を有する放射ビーム中に配されてもよいし、平行光ビーム中に配されてもよい。
【００６４】
上記で説明したような可変光学素子は、放射ビームの強度が変調されるべきであるような、他の光学的用途においても利用可能である。かかる用途の例としては、レーザープリンタや、顕微鏡検査等が挙げられる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】曲げられていない状態の可曲ナノ要素を有する、可変光学素子の概略断面図
【図２】曲げられた状態の可曲ナノ要素を有する、可変光学素子の概略断面図
【図３】媒体を走査するための装置であって、本発明に従う可変光学素子が用いられている装置を示した図
【図４】可曲ナノ要素が不均一に分布させられた可変光学素子を示した図
【図５Ａ】可曲ナノ要素または電極のセグメント化された分布を有する、可変光学素子の一例を示した図
【図５Ｂ】可曲ナノ要素または電極のセグメント化された分布を有する、可変光学素子の一例を示した図
【図５Ｃ】可曲ナノ要素または電極のセグメント化された分布を有する、可変光学素子の一例を示した図
【図６】可曲ナノ要素を含む複数の基板のスタック構成に基づく、可変光学素子の代替構造の一例を示した図
【図７】可変光学素子が、その可変光学素子を制御する手段と組み合わせて用いられている、媒体を走査するための装置を示した図
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
2008506212.tif 000013
2008506212.tif 000014