(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
単波長光束を偏光状態に依らず透過させる光軸を中心とする半径ｒ１の円の内側の透過領域と、
前記単波長光束を偏光状態に応じて透過あるいは回折させる前記半径ｒ１の円の外側かつ光軸を中心とする半径ｒ２（＞ｒ１）の円の内側の輪帯状の回折領域とを含み、
前記回折領域が、第１の方向に延伸する凹部が第１のピッチで形成された第１の回折領域と、第２の方向に延伸する凹部が第２のピッチで形成された第２の回折領域との積層体であって、前記第１の延伸方向および前記第１のピッチの少なくとも一方が前記第２の延伸方向および前記第２のピッチと相違することを特徴とする偏光回折型開口制限素子。
【請求項２】
単波長光束を偏光状態に依らず透過させる光軸を中心とする半径ｒ１の円の内側の透過領域と、
前記単波長光束を偏光状態に応じて透過あるいは回折させる前記半径ｒ１の円の外側かつ光軸を中心とする半径ｒ２（＞ｒ１）の円の内側の輪帯状の回折領域とを含み、
前記透過領域と前記回折領域に積層される前記単波長光束に対する１／４波長板を備えることを特徴とする偏光回折型開口制限素子。
【請求項３】
前記透過領域と前記回折領域に積層される前記単波長光束に対する１／４波長板を備えることを特徴とする請求項１に記載の偏光回折型開口制限素子。
【請求項４】
前記回折領域が、前記回折領域に入射する前記単波長光束のうち、第１の偏光方向を有する直線偏光光束を透過させ、前記第１の偏光方向と直交する第２の偏光方向を有する直線偏光光束を回折させるものである請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の偏光回折型開口制限素子。
【請求項５】
前記回折領域が、透光性基板と、前記透光性基板上に設置され常光屈折率がｎｏ、異常光屈折率がｎｅ（≠ｎｏ）であり、深さｄかつピッチｐの前記凹部が形成された複屈折層と、前記凹部に充填される屈折率がｎｏあるいはｎｅである等方性透明材料とを含み、
前記複屈折層のリタデーション値｛｜ｎｅ−ｎｏ｜×ｄ｝が前記単波長光束の波長の（ｍ＋１／２）倍（ｍは０以上の整数）である請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の偏光回折型開口制限素子。
【請求項６】
単波長光束を出射するレーザ光源と、前記レーザ光源から出射した光束をホログラム記録媒体へ集光する対物レンズと、前記ホログラム記録媒体からの戻り光束を検出する光検出器と、前記レーザ光源と前記ホログラム記録媒体との間に開口制限素子とを備えるホログラム記録再生装置において、
前記ホログラム記録媒体は、前記光束のうち光軸を中心とする前記半径ｒ１の円の内側の領域に入射する光束を信号光とし、前記光束のうち光軸を中心とする前記半径ｒ１の円の外側かつ光軸を中心とする半径ｒ２（＞ｒ１）の円の内側の輪帯領域に入射する光束を参照光とするコリニア方式ホログラム記録媒体であり、前記開口制限素子として請求項１から５のいずれか１項に記載の偏光回折型開口制限素子が用いられることを特徴とするホログラム記録再生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、偏光回折型開口制限素子および偏光回折型開口制限素子を搭載したコリニア方式のホログラム記録再生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在普及しているＣＤやＤＶＤなどの記録媒体に対する２次元情報記録技術と比較して、記録容量およびデータ転送速度を飛躍的に向上する能力を有しているホログラム記録技術は、参照光と信号光のレーザ光の光干渉を利用して２次元情報をフォトポリマーなどの記録媒体に体積情報として３次元記録する技術であり、活発に開発が進められている。
【０００３】
特に、信号光と参照光を同軸状に照射するコリニア方式のホログラム記録再生装置は、従来のＣＤやＤＶＤなどで使用される光ヘッド装置と共通の光学配置が可能であり、装置の小型化が可能となるため注目されている（例えば、特許文献１、非特許文献１参照。）。
【０００４】
図１０に従来のコリニア方式のホログラム記録再生装置３００の断面図の一例を示す。レーザ光源２１から出射する位相の揃ったＹＺ面に平行な振動面を有する直線偏光の光束は、レンズ２２を透過し、偏光ビームスプリッタ１３により反射され、空間光変調素子１４に入射する。空間光変調素子１４はデジタルマイクロミラー素子や液晶素子などの２次元情報を生成する機能を有し、ホログラム記録用の２次元情報を含む信号光と参照光を生成する。
【０００５】
図１０では、空間光変調素子１４が反射型である例を示す。空間光変調素子１４により生成された信号光と参照光は、ＸＺ面に平行な振動面を有する直線偏光の光束となって、偏光ビームスプリッタ１３を透過する。空間光変調素子１４が、入射光に対する反射光の偏光変化のないデジタルマイクロミラー素子などの素子からなる場合は、信号光と参照光が偏光ビームスプリッタ１３を透過するＸＺ面に平行な振動面を有する直線偏光の光束となるように、偏光ビームスプリッタ１３と空間光変調素子１４の間の光路中に１／４波長板を配置すればよい。また、空間光変調素子１４が、入射光に対する反射光の偏光変化を生じる液晶素子などの素子からなる場合は、信号光と参照光が、偏光ビームスプリッタ１３を透過するＸＺ面に平行な振動面を有する直線偏光の光束となるように２次元情報を生成すればよい。
【０００６】
偏光ビームスプリッタ１３を透過した信号光と参照光は、レンズ２３ａ、２３ｂと開口絞り２３ｃからなるリレーレンズ２３を透過し、全反射ミラー２４で反射されて、偏光吸収型開口制限素子１０に入射する。ここで、リレーレンズ２３により、空間光変調素子１４で生成された２次元情報が偏光吸収型開口制限素子１０の面に結像される。
【０００７】
偏光吸収型開口制限素子１０および１／４波長板２０を透過した光束は、焦点距離ｆの対物レンズ１２によりフォトポリマーとミラーからなるホログラム記録用光ディスク１１に集光される。ここで、２次元情報が結像された偏光吸収型開口制限素子１０の面と対物レンズ１２の間隔および対物レンズ１２とホログラム記録用光ディスク１１のミラー面の間隔をいずれもｆとすることにより、空間光変調素子１４により生成された２次元情報のフーリエ変換像がホログラム記録用光ディスク１１に生成され、信号光と参照光の干渉によりホログラムとして記録される。
【０００８】
また、ホログラム記録用光ディスク１１に記録された情報を再生する場合、参照光を記録時と同様に空間光変調素子１４により生成し、対物レンズ１２によりホログラム記録用光ディスク１１に集光すると、ホログラム記録された干渉縞により再生光が生成される。再生光は、対物レンズ１２および１／４波長板２０、偏光吸収型開口制限素子１０を透過し、全反射ミラー２４で反射されて、リレーレンズ２３を透過し、偏光ビームスプリッタ１３で反射され、イメージセンサ１５に入射する。
【０００９】
ここで、再生光は対物レンズ１２により偏光吸収型開口制限素子１０に再生像として結像され、さらに、リレーレンズ２３によりイメージセンサ１５の受光面に結像される。なお、ＸＺ面に平行な振動面を有する直線偏光の参照光は、１／４波長板２０を往復することでＹＺ面に平行な振動面を有する直線偏光の再生光に変換されるため、偏光ビームスプリッタ１３で反射される。
【００１０】
次に、図１１に従来のコリニア方式のホログラム記録再生装置３００の部分断面図を示し、ホログラム記録について以下に記す。以下の説明では、説明を簡潔にするために、図１０に示したレンズ２２、リレーレンズ２３および全反射ミラー２４を省略している。また、透過型の空間光変調素子１４を配置した構成としている。
【００１１】
図示しないレーザ光源から出射する位相の揃った直線偏光の光束は、空間光変調素子１４に入射し、光軸を中心とする半径ｒ１の円の内側の領域にホログラム記録用の２次元情報を生成し、信号光として空間光変調素子１４を透過する。一方、半径ｒ１の円の外側と光軸を中心とする半径ｒ２（ｒ１＜ｒ２）の円の内側に挟まれた輪帯領域に入射した光束は、参照光として空間光変調素子１４を透過する。
【００１２】
ＸＺ面に平行な振動面を有する直線偏光の信号光および参照光は、偏光ビームスプリッタ１３および偏光吸収型開口制限素子１０を透過し、１／４波長板２０により円偏光となり、対物レンズ１２によりフォトポリマーとミラーからなるホログラム記録用光ディスク１１に集光される。そして、信号光と参照光の光干渉によりフォトポリマー層に形成される干渉縞が、ホログラムとしてホログラム記録用光ディスク１１に記録される。
【００１３】
次に、図１２に従来のコリニア方式のホログラム記録再生装置３００の部分断面図を示し、記録されたホログラムの再生について以下に記す。
【００１４】
空間光変調素子１４は、ホログラム記録時と同じレーザ光源から出射する光束のうち、輪帯領域に入射した光束はホログラムとして記録された情報を読み込むための参照光として空間光変調素子１４を透過させ、半径ｒ１の円の内側の領域に入射した光束は遮断する。
【００１５】
空間光変調素子１４を透過したＸＺ面に平行な振動面を有する直線偏光の参照光は、偏光ビームスプリッタ１３および偏光吸収型開口制限素子１０を透過し、１／４波長板２０により円偏光となり、対物レンズ１２によりホログラム記録用光ディスク１１に集光される。そして、フォトポリマー層に形成されたホログラムにより生成される再生光は、ホログラム記録用光ディスク１１の図示しないミラーにより反射されて、対物レンズ１２により平行光となって出射する。
【００１６】
再生光は、１／４波長板２０を透過することによりＹＺ面に平行な振動面を有する直線偏光の光束となり、偏光吸収型開口制限素子１０の半径ｒ１の円の内側の透過領域を透過した後、偏光ビームスプリッタ１３で反射されてＣＣＤやＣＭＯＳなどのイメージセンサ１５に再生像として結像される。
【００１７】
従来のコリニア方式のホログラム記録再生装置３００においては、ＳＮ比の高い再生光信号を得るために、再生光が生成されてイメージセンサ１５に伝搬する光路では輪帯領域に入射する参照光を遮断することが有効となる（例えば、特許文献１参照。）。
【００１８】
特許文献１では、図１３に平面図を示すように、輪帯領域に偏光選択吸収層９がパターニング形成された偏光吸収型開口制限素子１０を用いている。
【００１９】
ＸＺ面に平行な振動面を有する直線偏光の参照光は、偏光選択吸収層９を透過し、ホログラム記録用光ディスク１１で反射され、１／４波長板２０を往復透過してＹＺ面に平行な振動面を有する直線偏光の光束となるが、この光束は偏光選択吸収層９により吸収されて透過しない。また、半径ｒ１の円の内側の領域には偏光選択吸収層が無いため、入射光の偏光状態に係わらず高い透過率を維持する。
【００２０】
その結果、イメージセンサ１５に結像される再生像に重畳する光散乱ノイズが減少し、ＳＮ比の高いホログラム再生が可能となる。
【特許文献１】特開２００５−３１２１２号広報（［００２９］−［００３５］、図１、図６）
【非特許文献１】ヒデヨシ・ホリマイ、他２名著、「コリニアホログラフィ」、アプライド・オプティクス、第４４巻、第１３号、ｐ．２５７５−２５７９（Hideyoshi Horimai, Xiaodi Tan, Jun Li, “Collinear holography”, Applied Optics, Vol.44, No.13, p.2575-2579）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
しかしながら、従来の偏光吸収型開口制限素子１０では、９０％以上の高い透過偏光の透過率を得ることは一般に難しく、また、透過偏光の透過率を高めると吸収偏光の漏れが生じるため、高い消光比を得ることが難しいという問題があった。さらに、高出力の青色半導体レーザを使用した場合には、光吸収に伴う発熱や非可逆的破壊により特性劣化をもたらすといった問題があった。
【００２２】
具体的には、ホログラム記録用光ディスク１１の記録密度を向上するためには、信号光および参照光を生成するレーザ光源の波長を、例えば青色半導体レーザの発振波長域である４０５ｎｍ程度に短波長化することが有効であるが、偏光吸収型開口制限素子１０ではこのような波長域で高い消光比と高い偏光透過率を得ることはできない。また、記録密度の向上および記録再生の高速化のためには、高出力の青色半導体レーザを使用することが有効であるが、偏光選択吸収層の耐光性の確保が難しいとともに、発熱により特性劣化をもたらすといった問題がある。
【００２３】
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、高出力の青色半導体レーザを使用する場合でも、高い偏光透過率と高い消光比を両立するとともに、光吸収に伴う特性劣化のない安定した偏光選択性の機能を実現する偏光回折型開口制限素子、および、偏光回折型開口制限素子を搭載したコリニア方式のホログラム記録再生装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
以上の点を考慮して、請求項１に係る発明は、単波長光束を偏光状態に依らず透過させる光軸を中心とする半径ｒ１の円の内側の透過領域と、前記単波長光束を偏光状態に応じて透過あるいは回折させる前記半径ｒ１の円の外側かつ光軸を中心とする半径ｒ２（＞ｒ１）の円の内側の輪帯状の回折領域とを備える構成を有している。前記回折領域が、第１の方向に延伸する凹部が第１のピッチで形成された第１の回折領域と、第２の方向に延伸する凹部が第２のピッチで形成された第２の回折領域との積層体であって、前記第１の延伸方向および前記第１のピッチの少なくとも一方が前記第２の延伸方向および前記第２のピッチと相違する構成を有している。
【００２５】
この構成により、高出力の青色半導体レーザを使用する場合でも、高い偏光透過率と高い消光比を両立するとともに、光吸収に伴う特性劣化のない安定した偏光選択性の機能を実現し、さらに、入射光の波長λに対して２λ以上１０λ以下の狭ピッチの偏光性回折格子においても高い回折効率、すなわち、高い消光比が実現できる。さらに、１つの偏光性回折格子で回折された回折光が別の偏光性回折格子で回折されることによって発生する多重回折光が、直進透過光と同じ方向に進行しないため、消光比の劣化を招くことなく高い消光比が可能な偏光回折型開口制限素子を実現できる。
【００２６】
また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載の偏光回折型開口制限素子において、単波長光束を偏光状態に依らず透過させる光軸を中心とする半径ｒ１の円の内側の透過領域と、前記単波長光束を偏光状態に応じて透過あるいは回折させる前記半径ｒ１の円の外側かつ光軸を中心とする半径ｒ２（＞ｒ１）の円の内側の輪帯状の回折領域とを備える構成を有している。さらに、前記透過領域と前記回折領域に積層される前記単波長光束に対する１／４波長板を備える構成を有している。
【００２７】
この構成により、高出力の青色半導体レーザを使用する場合でも、高い偏光透過率と高い消光比を両立するとともに、光吸収に伴う特性劣化のない安定した偏光選択性の機能を実現し、レーザ光源から入射する第１の偏光方向を有する直線偏光の光束に対しては半径ｒ２以上の開口制限素子として機能し、さらに偏光回折型開口制限素子を透過して他の光学素子界面で反射して１／４波長板側から入射する戻り光束は、第２の偏光方向を有する直線偏光の光束となるため、半径ｒ１の開口制限素子として機能する偏光回折型開口制限素子を実現できる。
【００２８】
また、請求項３に係る発明は、請求項１に記載の偏光回折型開口制限素子において、前記透過領域と前記回折領域に積層される前記単波長光束に対する１／４波長板を備える構成を有している。
【００２９】
この構成により、請求項１の効果に加え、レーザ光源から入射する第１の偏光方向を有する直線偏光の光束に対しては半径ｒ２以上の開口制限素子として機能し、さらに偏光回折型開口制限素子を透過して他の光学素子界面で反射して１／４波長板側から入射する戻り光束は、第２の偏光方向を有する直線偏光の光束となるため、半径ｒ１の開口制限素子として機能する。
【００３０】
また、請求項４に係る発明は、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の偏光回折型開口制限素子において、前記回折領域が、前記回折領域に入射する前記単波長光束のうち、第１の偏光方向を有する直線偏光光束を透過させ、前記第１の偏光方向と直交する第２の偏光方向を有する直線偏光光束を回折させるものである構成を有している。
【００３１】
この構成により、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の効果に加え、第１の偏光方向を有する直線偏光の光束は半径ｒ１の円の内側の領域および輪帯領域を効率よく直進透過させ、第２の偏光方向を有する直線偏光の光束は半径ｒ１の円の内側の領域を効率よく直進透過させるが、輪帯領域では回折させて直進透過させないことが可能な偏光回折型開口制限素子を実現できる。
【００３２】
また、請求項５に係る発明は、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の偏光回折型開口制限素子において、前記回折領域が、透光性基板と、前記透光性基板上に設置され常光屈折率がｎｏ、異常光屈折率がｎｅ（≠ｎｏ）であり、深さｄかつピッチｐの前記凹部が形成された複屈折層と、前記凹部に充填される屈折率がｎｏあるいはｎｅである等方性透明材料とを含み、前記複屈折層のリタデーション値｛｜ｎｅ−ｎｏ｜×ｄ｝が前記単波長光束の波長の（ｍ＋１／２）倍（ｍは０以上の整数）である構成を有している。
【００３３】
この構成により、請求項１から請求項４のいずれか１項の効果に加え、単波長光束について、第１の偏光方向を有する直線偏光の光束では回折損失が生じることなく高い直進透過率が実現できるとともに、第２の偏光方向を有する直線偏光の光束では最大の回折効率、すなわち、直進透過率を最小にできるため、高い消光比で偏光回折型開口制限素子が実現できる。
【００３４】
また、請求項６に係る発明は、単波長光束を出射するレーザ光源と、前記レーザ光源から出射した光束をホログラム記録媒体へ集光する対物レンズと、前記ホログラム記録媒体からの戻り光束を検出する光検出器と、前記レーザ光源と前記ホログラム記録媒体との間に開口制限素子とを備えるホログラム記録再生装置において、前記ホログラム記録媒体は、前記光束のうち光軸を中心とする前記半径ｒ１の円の内側の領域に入射する光束を信号光とし、前記光束のうち光軸を中心とする前記半径ｒ１の円の外側かつ光軸を中心とする半径ｒ２（＞ｒ１）の円の内側の輪帯領域に入射する光束を参照光とするコリニア方式ホログラム記録媒体であり、前記開口制限素子として請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の偏光回折型開口制限素子が用いられる構成を有している。
【００３５】
この構成により、高出力の青色半導体レーザを使用する場合でも、高い偏光透過率と高い消光比を両立できる偏光回折型開口制限素子を有するため、ホログラム記録用光ディスクの再生において参照光に起因する光散乱ノイズを減少させ、ＳＮ比の高いホログラム再生が可能なホログラム記録再生装置を実現できる。特に、部品点数の削減と安定した記録再生の機能が実現できる。
【発明の効果】
【００３６】
本発明は、高出力の青色半導体レーザを使用する場合でも、高い偏光透過率と高い消光比を両立するとともに、光吸収に伴う特性劣化のない安定した偏光選択性の機能を実現する偏光回折型開口制限素子を提供できる。また、コリニア方式のホログラム記録再生装置において、ホログラム記録用光ディスクの再生を行う場合、偏光回折型開口制限素子を用いることにより再生像に重畳する参照光に起因する光散乱ノイズが減少し、ＳＮ比の高いホログラム再生ができるコリニア方式のホログラム記録再生装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。なお、本明細書において輪帯領域とは、光軸を中心とする半径ｒ１の円の外側と半径ｒ２（ｒ１＜ｒ２）の円の内側に挟まれた領域を意味するものとする。
【００３８】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る偏光回折型開口制限素子の構成を概念的に示す断面図であり、図２はその平面図である。図１において、偏光回折型開口制限素子１００は、３枚の対向する透光性基板１ａ、１ｂ、１ｃと、透光性基板１ａおよび１ｂのそれぞれの片面に形成された常光屈折率ｎ０および異常光屈折率ｎｅ（ｎ０≠ｎｅ）を有する複屈折層２ａ、２ｂと、複屈折層２ａおよび２ｂのそれぞれの輪帯領域に形成された、断面形状が深さｄ１かつピッチｐ１の凹部を有する偏光性回折格子３ａおよび断面形状が深さｄ２かつピッチｐ２の凹部を有する偏光性回折格子３ｂと、透光性基板１ｃの片面に形成された複屈折性材料からなる１／４波長板４とを備えている。
【００３９】
さらに、偏光性回折格子３ａ、３ｂのそれぞれの凹部に屈折率ｎｓ（常光屈折率ｎｏまたは異常光屈折率ｎｅに等しい）の等方性透明材料５を充填するが、凹部のみを充填してもよいし、偏光性回折格子３ａ、３ｂのそれぞれ全体を埋めるように充填してもよい。なお、等方性透明材料とは、屈折率が等方的な透明材料のことをいう。
【００４０】
複屈折層２ａ、２ｂは、その進相軸（常光屈折率を示す方向）が図１のＸ軸方向に揃うように形成される。そして、１／４波長板４は、進相軸がＸＹ面内でＸ軸に対して４５°の角度をなすように形成される。
【００４１】
偏光性回折格子３ａ、３ｂの凹部の延伸方向は、互いに平行であってもよいし、直交していてもよいし、所定の角度をなしていてもよい。偏光性回折格子により発生する回折光は凹部の延伸方向に直交するため、偏光性回折格子３ａと３ｂの凹部の延伸方向を所定の角度とすることにより回折光を所望の方向に発生させることができる。
【００４２】
ここで、例えば屈折率ｎｓが常光屈折率ｎｏとほぼ等しい等方性透明材料５を用い、リタデーション値｜ｎｅ−ｎｓ｜×ｄ１および｜ｎｅ−ｎｓ｜×ｄ２が入射光の波長λの（ｍ＋１／２）倍（ｍは０以上の整数）となる深さｄ１およびｄ２とすることが好ましい。その理由は、ＹＺ面に平行な振動面である第２の偏光方向を有する入射光束に対する直進透過光の光量比が最小となり、高い消光比が得られるからである。ここで、（ｍ＋１／２）は実際には（ｍ＋０．４５）から（ｍ＋０．５５）の範囲内の値であれば本発明における効果は変わらない。
【００４３】
このような偏光回折型開口制限素子１００に、図３に示すように透光性基板１ａ側からＸＺ面に平行な振動面である波長λの常光偏光（Ｐ偏光）の光束が入射した場合、複屈折層２ａおよび２ｂは屈折率ｎｓの媒質と同等であるため、入射光は回折されず直進透過し、１／４波長板４により円偏光となって出射する。従って、半径ｒ２の円の内側の領域に入射する常光偏光（Ｐ偏光）の光束は、回折されること無く効率よく直進透過する。
【００４４】
一方、偏光回折型開口制限素子１００からの出射光が他の光学素子の反射面で反射され、透光性基板１ｃ側から波長λの円偏光の光束が入射した場合の作用を図４に示す。
【００４５】
波長λの円偏光の光束は１／４波長板４によりＹＺ面に平行な振動面である異常光偏光（Ｓ偏光）の第２の偏光方向を有する光束となって出射する。偏光回折型開口制限素子１００の輪帯領域に形成された偏光性回折格子３ａおよび３ｂは、凹部により、屈折率ｎｅと屈折率ｎｓの位相変調型回折格子として異常光偏光（Ｓ偏光）の光束に作用し回折光を発生する。その結果、偏光回折型開口制限素子１００の半径ｒ１の円の内側の領域に入射する戻り光束のみが回折されること無く効率よく直進透過する。
【００４６】
偏光回折型開口制限素子１００の偏光性回折格子３ａおよび３ｂにおいて、回折効率の波長依存性を抑制できるようにし、かつ加工段差を浅くできるようにするため、リタデーション値｜ｎｅ−ｎｓ｜×ｄ１および｜ｎｅ−ｎｓ｜×ｄ２は出射光の波長の１／２倍（ｍ＝０に相当）とすることが好ましい。ここでも上述のように、１／２倍の±１０％以内の倍率変化を含んでいてもよい。すなわち、０．５５〜０．４５の範囲の倍率であればよい。
【００４７】
ここで、偏光性回折格子３ｂで回折されずに直進透過した第２の偏光方向である異常光偏光（Ｓ偏光）の光束の多くは偏光性回折格子３ａで回折されるため、輪帯領域を直進透過する異常光偏光（Ｓ偏光）の光束は極めてわずかとなる。
【００４８】
したがって、第１の偏光方向である常光偏光の光束の透過率が９０％以上で、常光偏光の偏光方向と直交する偏光方向を有する第２の偏光方向である異常光偏光の光束の透過率が５％以下である偏光性回折格子３ａと偏光性回折格子３ｂとを積層することにより、異常光偏光の入射光束を直進透過させる割合が０．５％以下となる偏光回折型開口制限素子が得られる。
【００４９】
ここで、図５に示すように、ピッチｐ１の偏光性回折格子３ａを凹部の延伸方向の角度がＸ軸に対してθ１の直線格子とし、ピッチｐ２の偏光性回折格子３ｂを凹部の延伸方向の角度がＸ軸に対してθ２の直線格子とする。
【００５０】
一般に偏光性回折格子３ｂで回折され、さらに偏光性回折格子３ａでも回折された多重回折光が直進透過光に重畳すると、結果的に直進透過光成分が増加して消光比が劣化する。しかし、ピッチｐ１とピッチｐ２が異なるように、または凹部の延伸方向の角度θ１と角度θ２とが異なるようにすれば、このような消光比の変化を防げる。すなわち、構成要素である各偏光性回折格子のピッチまたは凹部の延伸方向が一致しないように設定すると、偏光性回折格子３ａと偏光性回折格子３ｂによる多重回折光が直進透過光に重畳せず、消光比の劣化を招かず好ましい。たとえそれぞれの偏光性回折格子の深さｄ１とｄ２とが同じであっても、ｐ１とｐ２、またはθ１とθ２とが異なっていれば、消光比は劣化しない。
【００５１】
凹部の延伸方向の角度θ１でピッチｐ１の偏光性回折格子３ａと凹部の延伸方向の角度θ２でピッチｐ２の偏光性回折格子３ｂにおいて、θ１＝０°、θ２＝９０゜とし、ｐ１＝ｐ２とした場合、図４に示す戻り光束であるＳ偏光の集光面に発生する直進透過光と回折光の集光位置の一例を図６に模式的に示す。
【００５２】
半径ｒ１の円の内側の領域に入射する光束、および、偏光性回折格子３ｂおよび偏光性回折格子３ａにより回折されない（０次回折光がさらに０次回折光となった）光束は光軸上の二重丸（◎）で示される位置に集光される。これを、０次×０次と表現する。
【００５３】
また、偏光性回折格子３ｂおよび偏光性回折格子３ａにより、同じ次数の光として回折された（±１次回折光がさらに回折されて、それぞれ±１次回折光となった）光束は図中の丸（○）で示される位置に集光される。
【００５４】
また、偏光性回折格子３ｂにより±１次光として回折されるが、偏光性回折格子３ａにより回折されずに０次回折光として透過した光束は図中の四角（□）で示される位置に集光される。また、偏光性回折格子３ｂにより回折されずに０次回折光として透過するが、偏光性回折格子３ａにより±１次光として回折された光束は三角（△）で示される位置に集光される。
【００５５】
第２の偏光方向である異常光偏光の回折方向は偏光性回折格子３ａと偏光性回折格子３ｂの凹部の延伸方向の２つの角度θ１、θ２により定まり、回折光の集光位置の光軸からの距離は入射光の波長、２つのピッチｐ１、ｐ２およびレンズなどの結像素子の光学系配置により定まる。半径ｒ１の円の内側の領域を直進透過して出射する光束に、輪帯領域で発生した回折光が重畳すると開口制限機能が低下するため、直進透過光と回折光を充分分離することが好ましい。
【００５６】
従って、偏光性回折格子３ａと３ｂのピッチｐ１、ｐ２を小さくして回折角を大きくすることが有効であるが、用いられる複屈折性材料の複屈折が小さい場合、狭ピッチ化に伴い高い回折効率を得ることが難しくなる。回折効率の低下を招かないためには、例えば、入射光の波長λに対して、２λ以上１０λ以下のピッチｐ１、ｐ２とするのが好ましい。また、偏光性回折格子３ａと３ｂの多重回折光の重畳を回避するために、それぞれの凹部の延伸方向の角度θ１、θ２の差｜θ１―θ２｜を４５°以上１３５°以下とすることが好ましいが、｜θ１―θ２｜＝９０°とすると最も好ましい。
【００５７】
その結果、Ｚ軸方向に伝搬する常光偏光（Ｐ偏光）の光束に対しては、半径ｒ２の開口制限素子として作用し、出射する円偏光の光束が他の光学素子界面で反射して戻り光束となって入射する光束に対しては半径ｒ１の開口制限素子として作用する偏光回折型開口制限素子１００となる。
【００５８】
本実施の形態では、偏光性回折格子３ａと３ｂを積層することにより、１００以上の高い消光比が実現できる偏光回折型開口制限素子１００の構成例について説明したが、単層の偏光性回折格子からなる偏光回折型開口制限素子としてもよい。この場合は、５０から１００程度の消光比が得られる。
【００５９】
また、本実施形態では偏光性回折格子３ａと３ｂに１／４波長板４が一体化された偏光回折型開口制限素子１００について説明したが、１／４波長板４を分離配値した構成としてもよい。
【００６０】
以上説明したように、本発明の第１の実施の形態に係る偏光回折型開口制限素子は、第１の偏光方向を有する直線偏光の光束は半径ｒ１の円の内側の領域および輪帯領域を効率よく直進透過させ、第２の偏光方向を有する直線偏光の光束は半径ｒ１の円の内側の領域を効率よく直進透過させるが輪帯領域では回折させて直進透過させないため、高出力の青色半導体レーザを使用する場合でも、光吸収による発熱や特性劣化がなく、高い偏光透過率と高い消光比を両立できる。
【００６１】
また、本発明の第１の実施の形態に係る偏光回折型開口制限素子は、波長λの入射光について、第１の偏光方向を有する直線偏光の光束では回折損失を生じることなく高い直進透過率を実現できるとともに、第２の偏光方向を有する直線偏光の光束では最大の回折効率、すなわち、直進透過率を最小にできるため、高い消光比を実現できる。
【００６２】
また、本発明の第１の実施の形態に係る偏光回折型開口制限素子は、凹部の延伸方向またはピッチが異なる２つの偏光性回折格子が積層されてなるため、入射光の波長λに対して２λ以上１０λ以下の狭ピッチの偏光性回折格子においても高い回折効率、すなわち、高い消光比が実現できる。さらに、１つの偏光性回折格子で回折された回折光が別の偏光性回折格子で回折されることによって発生する多重回折光が、直進透過光と同じ方向に進行しないため、消光比の劣化を招くことなく高い消光比が実現できる。
【００６３】
また、本発明の第１の実施の形態に係る偏光回折型開口制限素子は、１／４波長板が少なくとも半径ｒ２の円の内側の領域に一体化されるため、レーザ光源から入射する第１の直線偏光に対しては半径ｒ２の開口制限素子として機能し、さらに偏光回折型開口制限素子を透過して他の光学素子界面で反射して１／４波長板側から入射する戻り光束に対しては半径ｒ１の開口制限素子として機能することができる。
【００６４】
（第２の実施の形態）
本発明の実施の形態に係る偏光回折型開口制限素子１００を搭載した本発明のコリニア方式のホログラム記録再生装置２００の断面図を図７に、その部分拡大図を図８および図９に示す。従来の偏光吸収型開口制限素子１０および１／４波長板２０の代わりに偏光回折型開口制限素子１００を配置する。
【００６５】
図７の本発明のコリニア方式のホログラム記録再生装置２００において、レーザ光源２１から出射する位相の揃ったＹＺ面に平行な振動面を有する直線偏光の光束は、レンズ２２を透過し、偏光ビームスプリッタ１３により反射され、反射型の空間光変調素子１４に入射する。空間光変調素子１４は、ホログラム記録用の２次元情報を含む信号光と参照光を生成する。
【００６６】
空間光変調素子１４により生成された信号光と参照光は、ＸＺ面に平行な振動面を有する直線偏光の光束となって、偏光ビームスプリッタ１３を透過する。
【００６７】
偏光ビームスプリッタ１３を透過した信号光と参照光は、レンズ２３ａ、２３ｂと開口絞り２３ｃからなるリレーレンズ２３を透過し、全反射ミラー２４で反射されて、偏光回折型開口制限素子１００に入射する。ここで、リレーレンズ２３により、空間光変調素子１４で生成された２次元情報が偏光回折型開口制限素子１００の面に結像される。
【００６８】
偏光回折型開口制限素子１００に一体化された１／４波長板を透過した光束は、焦点距離ｆの対物レンズ１２によりフォトポリマーとミラーからなるホログラム記録用光ディスク１１に集光される。ここで、２次元情報が結像された偏光回折型開口制限素子１００の面と対物レンズ１２の間隔および対物レンズ１２とホログラム記録用光ディスク１１のミラー面の間隔をいずれもｆとすることにより、空間光変調素子１４により生成された２次元情報のフーリエ変換像がホログラム記録用光ディスク１１に生成され、信号光と参照光の干渉によりホログラムとして記録される。
【００６９】
また、ホログラム記録用光ディスク１１に記録された情報を再生する場合、参照光を記録時と同様に空間光変調素子１４により生成し、対物レンズ１２によりホログラム記録用光ディスク１１に集光する。ホログラム記録された干渉縞により生成された再生光は、対物レンズ１２および１／４波長板が一体化された偏光回折型開口制限素子１００を透過し、全反射ミラー２４で反射されて、リレーレンズ２３を透過し、偏光ビームスプリッタ１３で反射され、イメージセンサ１５に入射する。
【００７０】
ここで、再生光は対物レンズ１２により偏光回折型開口制限素子１００に再生像として結像され、さらに、リレーレンズ２３によりイメージセンサ１５の受光面に結像される。
【００７１】
次に、図８に本発明のコリニア方式のホログラム記録再生装置２００の部分拡大図を示し、ホログラム記録について以下に記す。以下の説明では、説明を簡潔にするために、図７に示したレンズ２２、リレーレンズ２３および全反射ミラー２４を省略している。また、透過型の空間光変調素子１４を配置した構成としている。
【００７２】
図示しないレーザ光源から出射する位相の揃ったＹＺ面に平行な振動面を有する直線偏光の光束は、空間光変調素子１４に入射し、半径ｒ１の円の内側の領域にホログラム記録用の２次元情報を生成し、ＸＺ面に平行な振動面を有する直線偏光の信号光として空間光変調素子１４を透過する。一方、輪帯領域に入射した光束は参照光として空間光変調素子１４を透過する。
【００７３】
信号光および参照光は、偏光ビームスプリッタ１３および１／４波長板が一体化された偏光回折型開口制限素子１００を透過して円偏光となり、対物レンズ１２によりフォトポリマーとミラーからなるホログラム記録用光ディスク１１に集光される。そして、信号光と参照光の光干渉によりフォトポリマー層に形成される干渉縞は、ホログラムとしてホログラム記録用光ディスク１１に記録される。
【００７４】
次に、図９に本発明のコリニア方式のホログラム記録再生装置２００の部分拡大図を示し、記録されたホログラムの再生について以下に記す。
【００７５】
空間光変調素子１４は、ホログラム記録時と同じレーザ光源から出射する光束のうち、輪帯領域に入射した光束はホログラムとして記録された情報を読み込むための参照光として空間光変調素子１４を透過させ、半径ｒ１の円の内側の領域に入射した光束は遮断する。
【００７６】
空間光変調素子１４を透過した参照光は、偏光ビームスプリッタ１３および１／４波長板が一体化された偏光回折型開口制限素子１００を透過して円偏光の光束となり、対物レンズ１２によりホログラム記録用光ディスク１１に集光される。そして、フォトポリマー層に形成されたホログラムにより生成される再生光は、ホログラム記録用光ディスク１１の図示しないミラーにより反射されて、対物レンズ１２により平行光となって出射する。
【００７７】
再生光は、偏光回折型開口制限素子１００に一体化された１／４波長板を透過することによりＹＺ面に平行な振動面を有する直線偏光の光束となり、偏光回折型開口制限素子１００を透過した後、偏光ビームスプリッタ１３で反射されてイメージセンサ１５に再生像として結像される。
【００７８】
本発明の実施の形態に係る偏光回折型開口制限素子１００を用いることにより、ホログラム記録において、第１の偏光方向であるＸＺ面に平行な振動面を有する直線偏光の光束である信号光と参照光に対する光吸収損失がほとんど無いため、従来の偏光吸収型開口制限素子１０に比べて高い透過率が得られる。特に、高出力の青色半導体レーザを使用する場合でも、９５％以上の高い偏光透過率が実現できるため、効率よくホログラム記録用光ディスク１１へホログラム記録できる。その結果、短波長レーザを用いた高密度記録に対応できる。
【００７９】
記録されたホログラムを再生する場合、偏光回折型開口制限素子１００の輪帯領域を効率よく透過したＸＺ面に平行な振動面を有する直線偏光は再生用の参照光としてホログラム記録用光ディスク１１に集光され、ホログラム記録用光ディスク１１の図示しないミラーにより反射される。反射された参照光の戻り光束は、偏光回折型開口制限素子１００の偏光性回折格子３ａおよび３ｂで効率よく回折されて直進透過しないが、半径ｒ１の円の内側の領域を透過する再生光は効率よく直進透過する。その結果、再生光はイメージセンサ１５に再生像として結像されるが、参照光の回折光はリレーレンズ２３の開口絞り２３ｃにより遮断され、イメージセンサ１５に入射しないため、参照光に起因する光散乱ノイズが減少し、ＳＮ比の高いホログラム再生ができる。
【００８０】
特に、高出力の青色半導体レーザを使用する場合でも、偏光回折型開口制限素子１００における光吸収損失がほとんど無いため、特性劣化に繋がる発熱や素子の破壊を招くことなく安定したホログラム再生ができる。
【００８１】
以上説明したように、本発明の第２の実施の形態に係るホログラム記録再生装置は、高い偏光透過率と高い消光比を両立できる偏光回折型開口制限素子を有するため、高出力の青色半導体レーザを使用する場合でも、ホログラム記録用光ディスクの再生において参照光に起因する光散乱ノイズを減少させたＳＮ比の高いホログラム再生が可能となる。特に、部品点数の削減と安定した記録再生の機能が実現できる。
【実施例】
【００８２】
上記の本発明の実施の形態に基づく具体的な実施例を以下に説明する。なお、本実施例に係る偏光回折型開口制限素子が有する具体的な限定は、本発明の要旨を限定するものではない。以下、図１を用いて本発明の実施例に係る偏光回折型開口制限素子１００について説明する。
【００８３】
まず、ガラス基板からなる透光性基板１ａおよび透光性基板１ｂのそれぞれの片面に、複屈折層として進相軸（常光屈折率の方向）がＸ軸方向に揃った常光屈折率ｎｏ＝１．５５および異常光屈折率ｎｅ＝１．７０の高分子液晶層からなる複屈折層２ａ、２ｂを形成する。次に、フォトリソグラフィーとエッチング技術により、直径（２ｒ１）３．０ｍｍ以上で直径（２ｒ２）６．５ｍｍ以下の輪帯領域に、直線状の偏光性回折格子３ａ、３ｂを形成する。偏光性回折格子３ａと３ｂのピッチｐ１、ｐ２をいずれも１．４７μｍとし、それぞれの凹部の延伸方向はＸ軸方向（θ１＝０°）およびＹ軸方向（θ２＝９０°）とし、高分子液晶層に形成された偏光性回折格子３ａと３ｂそれぞれの凹部の深さｄ１およびｄ２をいずれも１．３５μｍとする。
【００８４】
さらに、ガラス基板からなる透光性基板１ｃの片面に１／４波長板４を形成する。１／４波長板４は、進相軸（常光屈折率の方向）がＸＹ面内でＸ軸に対して４５°の角度を成す方向に揃った常光屈折率ｎｏ＝１．５５および異常光屈折率ｎｅ＝１．６０の高分子液晶層からなり、波長λ＝４０５ｎｍに対して１／４波長板となるように、層厚を２．０２５μｍとする。
【００８５】
さらに、屈折率ｎｓ＝１．５５の均質透明樹脂からなる等方性透明材料５を高分子液晶層の凹部に充填し、図１に示すように、ガラス基板からなる透光性基板１ａ〜ｃを積層して、偏光性回折格子３ａと偏光性回折格子３ｂと１／４波長板４が積層された偏光回折型開口制限素子１００を作製する。
【００８６】
ここで高分子液晶層は、配向膜（配向処理済み）が形成された基板間に液晶モノマーの溶液を注入し、紫外線を照射して液晶モノマーを重合固化することにより作製する。また、透光性基板１ａおよび透光性基板１ｃの空気との界面には反射防止膜が形成されている。
【００８７】
このようにして得られた偏光回折型開口制限素子１００に、波長λ＝４０５ｎｍ帯域の青色半導体レーザ光で、ＸＺ面に平行な振動面を有する直線偏光である常光偏光（Ｐ偏光）の光束が透光性基板１ａ側から入射すると、直径２ｒ１内の領域の光束はほとんど回折されず入射光の９７％が直進透過し、円偏光となって偏光回折型開口制限素子１００を出射する。
【００８８】
さらに、偏光回折型開口制限素子１００を出射する円偏光の光束が他の光学素子の界面で反射して戻り光束となり、偏光回折型開口制限素子１００の透光性基板１ｃ側から入射すると、直径２ｒ１の領域の光束はほとんど回折されず入射光の９７％がＹＺ面に平行な振動面を有する直線偏光である異常光偏光（Ｓ偏光）の光束となって直進透過し、輪帯領域の光束はほとんど回折され、直進透過する成分は０．１％以下となる。この時、発生する回折光の回折角は、図６の三角および四角で示される回折次数については約１６°、丸で示される回折次数については約２３°となる。
【００８９】
その結果、波長λ＝４０５ｎｍ帯域の青色半導体レーザ光に対して、消光比の高い偏光回折型開口制限素子１００として機能する。
【００９０】
次に、このようにして得られる偏光回折型開口制限素子１００を、図７にその断面図を示す本発明のコリニア方式のホログラム記録再生装置２００に搭載する。その結果、高出力の青色半導体レーザを使用した高密度記録が実現するとともに、偏光吸収型開口制限素子の特性劣化に繋がる発熱や破壊を招くことなく安定したホログラム再生ができる。
【産業上の利用可能性】
【００９１】
本発明に係る偏光回折型開口制限素子１００は、偏光性回折格子３ａおよび３ｂが形成される領域を選ぶことにより、互いに直交する振動方向を有する２つの直線偏光の光束の内、一方の直線偏光の光束を直進透過する領域と他方の直線偏光の光束を直進透過する領域とが異なる機能が発現できるという効果を有し、光ヘッド装置や光通信等の用途にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る偏光回折型開口制限素子の構成を示す断面図。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る偏光回折型開口制限素子の構成を示す平面図。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る偏光回折型開口制限素子の作用を説明するための説明図。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係る偏光回折型開口制限素子の作用を説明するための説明図。
【図５】本発明の第１の実施の形態に係る偏光回折型開口制限素子の偏光性回折格子３ａと３ｂの構成を示す図。
【図６】本発明の第１の実施の形態に係る偏光回折型開口制限素子の偏光性回折格子３ａと３ｂによる回折光の集光位置を示す図。
【図７】本発明の第２の実施の形態に係るコリニア方式のホログラム記録再生装置の構成を示す断面図。
【図８】ホログラム記録時におけるコリニア方式のホログラム記録再生装置の部分断面図。
【図９】ホログラム再生時におけるコリニア方式のホログラム記録再生装置の部分断面図。
【図１０】従来のコリニア方式のホログラム記録再生装置の構成を示す断面図。
【図１１】ホログラム記録時における従来のコリニア方式のホログラム記録再生装置の部分断面図。
【図１２】ホログラム再生時における従来のコリニア方式のホログラム記録再生装置の部分断面図。
【図１３】従来の偏光吸収型開口制限素子の構成を示す平面図。
【符号の説明】
【００９３】
１ａ、１ｂ、１ｃ  透光性基板
２ａ、２ｂ  複屈折層
３ａ、３ｂ  偏光性回折格子
４、２０  １／４波長板
５  等方性透明材料
９  偏光選択吸収層
１０  偏光吸収型開口制限素子
１１  ホログラム記録用光ディスク
１２  対物レンズ
１３  偏光ビームスプリッタ
１４  空間光変調素子
１５  イメージセンサ
２１  レーザ光源
２２、２３ａ、２３ｂ  レンズ
２３  リレーレンズ
２３ｃ  開口絞り
２４  全反射ミラー
１００  偏光回折型開口制限素子
２００  本発明のコリニア方式のホログラム記録再生装置
３００  従来のコリニア方式のホログラム記録再生装置
【図１】
0004692177.tif 000002
【図２】
0004692177.tif 000003
【図３】
0004692177.tif 000004
【図４】
0004692177.tif 000005
【図５】
0004692177.tif 000006
【図６】
0004692177.tif 000007
【図７】
0004692177.tif 000008
【図８】
0004692177.tif 000009
【図９】
0004692177.tif 000010
【図１０】
0004692177.tif 000011
【図１１】
0004692177.tif 000012
【図１２】
0004692177.tif 000013
【図１３】
0004692177.tif 000014