(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくともレーザー光を出射するレーザー光源と該レーザー光の位相を変調する液晶位相変調素子と該液晶位相変調素子で変調された光束を集光する集光光学系とから構成される光学装置において、該液晶位相変調素子の機能は電気信号で制御され、かつ該液晶位相変調素子は該集光光学系で集光される光束に対して該光束の光軸を中心としたほぼ円形領域と該円形領域以外の輪帯領域とに独立して電気的に制御される二ヶ所の部位から構成され、前記円形領域または前記輪帯領域に電気信号を与えて前記円形領域と前記輪帯領域とを透過するレーザー光に相対位相差を発生させ、前記円形領域と前記輪帯領域とにそれぞれ透明電極パターンを形成することによって、前記円形領域と前記輪帯領域に電気信号を与えていない状態において前記円形領域と前記輪帯領域とを透過するレーザー光に相対位相差が発生することを防止するように構成し、かつ該液晶位相変調素子の位相変調量は該レーザー光のほぼ半波長程度もしくは半波長プラス波長の整数倍程度である事を特徴とする光学装置。
【請求項２】
レーザー光として直線偏光レーザー光を用い、かつ該液晶位相変調素子は平行配向型液晶素子から構成され、該直線偏光レーザー光の偏光軸方向は該平行配向型液晶素子の液晶分子配向軸の方向とほぼ一致するように構成されている事を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の光学装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は収差の良く補正された光学系の理論限界付近の解像度を更に向上させる技術、特に光ディスクやマスク露光装置などに応用される超解像光学技術を応用した光学装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術の理解を容易にするため、光学系の理論解像限界ついて簡単に説明する。幾何光学的にほぼ無収差で設計された光学系においては点像は無限小のスポットで結像されるが、実際は光の波動性による回折の影響でスポットは有限の広がりを持つ。この時、結像もしくは集光に寄与する光学系の開口数をＮＡとすると、スポットの広がりの物理的定義はｋ×λ÷ＮＡで表される。ここでλは光の波長、ｋは光学系に定まる定数で普通は１から２前後の値をとる。ＮＡは光学系の有効入射瞳直径Ｄ（一般的には有効光束の直径）と焦点距離ｆの比Ｄ／ｆに比例する。この式で表されるスポットの広がりが理論解像限界となり回折限界といわれる。
【０００３】
次に従来技術である位相シフト法を用いた光学系の超解像効果について図５を用いて簡単に説明する。図５に示すように収差のよく補正された集光光学系５０１に波長λのレーザー光５０２が入射し、集光光学系５０１の光軸５０３上のＰ点に点像５０４を結ぶ。このとき前述したように点像５０４は波動光学的な広がりを持ち、その広がりはｋλｆ／ｄ表される。これが波動光学的に決定される理論限界である。ここでｋは光学系に固有の定数、ｆは集光光学系５０１から点像５０４までの距離、ｄはレーザー光５０２の光束径である。ただしｄは集光レンズ５０２の有効径以下でなくてはならない。また簡単のためレーザー光５０２は平行光とした。
【０００４】
ここで位相板５０５を集光光学系５０１の手前に設置する。位相板５０５の機能は位相板５０５の中央の円形領域（図５で斜線部分）５０６を通過した光と円形領域５０６以外を通過した光の波面の相対位相差をλ／２とするものである。また位相板５０５は光軸５０３に対して軸対称に設置するのが普通である。このとき超解像現象が生じ点像５０４の広がりは前述した回折限界より小さくなることが知られている。またこの小さくなる割合は円形領域５０６の大きさに比例する事が知られる。しかし余りに大きくすると点像５０４に大きなサイドバンドが発生し三つ山のスポットになり不都合が多い。また当然のことながら円形領域５０６が大きくなりすぎてレーザー光５０２がすべて円形領域５０６を通過しては超解像現象は生じない。普通はレーザー光５０２の光束径ｄに対する円形領域５０６の断面割合（図５でｒ／ｄ）が２０％程度であるとき点像５０４は理論限界より１５％程度小さくなる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら固定の位相板を設置する事は常に超解像を行う事になる。この事は必要に応じて通常解像が必要な場合、すなわち光ディスクなどの規格にのとった装置において、規格である通常解像とその規格を越えた超解像を備えた光学装置を実現する場合は２種類の光学系を用意するかあるいは機械的に位相板を抜き差しする必要が生じ光学系の機器構成が複雑になってしまう。更に、正確に半波長の位相差を削り出すのは容易ではなく、また波長変動にも対応できない。
【０００６】
そこで本発明においてはレーザー光を出射するレーザー光源とレーザー光を集光する集光光学系とから構成される光学装置において、光路の途中に位相変調素子を設置し、位相変調素子の機能は電気信号で制御可能とし、電気的に簡単に通常解像と超解像を切り替え可能でかつ光源の波長変動にも対応できる光学装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明における光学装置は、少なくともレーザー光を出射するレーザー光源とレーザー光の位相を変調する位相変調素子と位相変調素子で変調された光束を集光する集光光学系とから構成される光学装置で、位相変調素子の機能は電気信号で制御され、かつ位相変調素子は集光光学系で集光される光束に対し光軸を中心としたほぼ円形領域とそれ以外の領域あるいは長方形領域とそれ以外の領域とに独立して機能する二ヶ所の部位から構成され、かつ位相変調素子の位相変調量はレーザー光のほぼ半波長程度もしくは半波長プラス波長の整数倍程度である事を特徴とする。
【０００８】
またレーザー光として直線偏光レーザー光を、位相変調素子として液晶位相変調素子を用い、かつ液晶位相変調素子は平行配向型液晶素子から構成され、直線偏光レーザー光の偏光軸方向は平行配向型液晶素子の液晶分子配向軸の方向とほぼ一致するように構成されている事を特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
（第一の実施の形態）
次に本発明による第一の実施形態を図１に示す。レーザー光源１０１から出射し、コリメートレンズ１０２で平行平面波にされたレーザー光１０３は位相変調素子１０４を通過後、集光光学系１０５により集光され点像１０６を結ぶ。位相変調素子１０４は光軸１０７を中心とした円形領域１０８（図斜線部分）と円形領域１０８を除いた部分である輪帯領域１０９が独立して電気的に制御される。電源から電気信号が加えられないときは円形領域１０８と輪帯領域１０９を透過するレーザー光１０３の相対位相差は０であり超解像は生じない。
【００１０】
次に電源から電気信号を与え円形領域１０８と輪帯領域１０９を透過するレーザー光１０３の相対位相差をλ／２とする。ここでλはレーザー光１０３の波長である。このときは前述したように超解像が生じる。従って電気信号により通常解像と超解像を切り替えた事になる。
【００１１】
（第二の実施の形態）
次に、図２に本発明における第二の実施形態を説明する。基本的には図１に示した第一の実施形態と同様であるが、電気信号で容易に制御可能な位相変調素子として平行配向型液晶からなる液晶位相変調素子２０４を用いている。最初に本実施例の理解を容易にするため、平行配向型液晶の動作、位相変調現象について簡単に説明する。
【００１２】
図３（ａ）（ｂ）は電気的に制御可能な一般的な平行配向型液晶素子の構造と作用を模式的に表したものである。透明電極がコートされたガラス基盤３０１に液晶分子３０２が挟まれている。入射側及び出射側ガラス基盤は配向軸３０３の方向がＹ軸方向となっている。液晶分子３０２はその長軸方向を配向軸方向にそろえる性質と、連続体として振る舞う性質とから図３（ａ）に示す様に、液晶分子３０２は平行に並びこれを平行配向もしくはホモジェニアス配向という。
【００１３】
この平行配向型液晶素子に直線偏光３０４が入射すると、その偏光軸が配向軸３０３と同方向のときは、液晶分子３０２の誘電異方性のため直線偏光３０４は直線偏光を保ったまま液晶分子３０２の長軸方向に沿って伝搬する。このさい液晶分子３０２の長軸方向の屈折率をｎ１、液晶層厚をＬとすると液晶層内を進む直線偏光３０４の光路長はｎ１×Ｌとなる。
【００１４】
次にガラス基盤３０１にコートされた透明電極を介して液晶分子にＺ軸方向の電界を加えると、図３（ｂ）に示す様に液晶分子３０２の長軸が電界の方向であるＺ軸方向に並んで静止する。この状態をホメオトロピックという。このときは液晶層内を進む直線偏光３０４はやはり直線偏光を保持したまま伝搬する。このとき液晶分子３０２の短軸方向の屈折率をｎ２とすると液晶層内を進む直線偏光３０４の光路長はｎ２×Ｌとなる事がわかる。即ち電圧を加える前後で直線偏光３０４に対する屈折率をｎ１からｎ２に、よって光路長を（ｎ１−ｎ２）×Ｌだけ変えたことになる。この光路長がλであれば電圧を加える前後で光に対し位相をλだけ変調した事になる。また加える電圧を制御することでこれらの中間状態をつくる事も可能である。また理想的に近いホモジェニアス状態にするには液晶層に液晶が電界で動き始める直前の微小な電圧を加えておくと良いことも知られている。
【００１５】
ここから図２に示す第二の実施形態について説明する。電気的に制御可能な位相変調素子として平行配向型液晶から構成される液晶位相変調素子２０４が用いられ、その基本的な構造及び動作は図３と同じである。直線偏光であるレーザー光２０３の偏光軸の方向と液晶位相変調素子２０５の液晶配向軸の方向はほぼ一致している。
【００１６】
直線偏光レーザー光源２０１から出射し、コリメートレンズ２０２で平行平面波にされたレーザー光２０３は液晶位相変調素子２０４を通過後、集光光学系２０５により集光され点像２０６を結ぶ。液晶位相変調素子２０４は光軸２０７を中心とした円形領域２０８（図斜線部分）と円形領域２０８を除いた部分である輪帯領域１０９が独立して電気的に制御される。電源から電気信号が加えられないときは円形領域２０８と輪帯領域２０９を透過するレーザー光２０３の相対位相差は０であり超解像は生じない。
【００１７】
次に電源から電気信号を輪帯領域２０９に与え液晶分子をほぼホメオトロピックの状態にし、円形領域２０８と輪帯領域２０９を透過するレーザー光２０３の相対位相差をλ／２とする。ここでλはレーザー光２０３の波長である。このときは前述したように超解像が生じる。従って電気信号により通常解像と超解像を切り替えた事になる。
【００１８】
図４に使用した液晶位相変調素子２０４の透明電極パターンを示す。輪帯領域４０１と円形領域４０２とからなり、輪帯領域４０１から引き出し電極線４０３が電極４０４に向けて引き出される。対向側の透明電極パターンは普通の単純マトリクス型液晶素子と同様に全面ベタ（分割されない一様）パターンでよい。超解像を行うさいは電極４０４を介して輪帯部分４０１に電圧を加え輪帯部分の液晶分子を動作させる。
【００１９】
図２において円形領域２０８は透明電極がなくても、または単にくり貫かれていても構わない。しかしこのときは輪帯領域２０９に電気信号を与えていないときにも輪帯領域２０９と円形領域２０８を透過するレーザー光２０３に相対位相差が発生してしまい、集光光学系２０５あるいは別の光学系で補正する必要が生じる。また円形領域２０８のみに電気信号を加える事で超解像を起こす事も可能だが、この場合は輪帯領域２０９を避けながら電極を引き出す必要が生じる。
【００２０】
また、本実施形態においては電気制御可能な位相変調素子として液晶素子を使用した例で説明したが、この他にビスマスシリコンオキサイド（ＢＳＯ）やニオブ酸リチウムなどの固体結晶、あるいはＰＬＺＴなどの電気光学セラミクスを用いてもよい。しかしこれらの物質は有効動作電圧が数百から数千ボルトもあり、有効動作電圧が数ボルトである液晶素子の方が駆動の点で好ましい。
【００２１】
【発明の効果】
今までの説明から明らかなように本発明における液晶位相変調素子を用いた光学装置は簡単な構成で通常解像と超解像を切り替える事ができる。すなわち通常解像モードで規格化された光ディスク装置の記録密度に対応し、超解像モードで独自の高密度化光ディスク装置に切り替わる光ディスク装置が提供できる。また液晶に加える電圧を制御することで光路長すなわち位相変調量を制御可能であるため、光源の波長が変わってもある程度は対応可能となる。またガラスエッチングなどで作られる通常の位相板では正確に半波長の相対位相差を作るように研磨するのは困難な作業である。しかし本方法では加える電圧を微調することで簡単に位相変調量を制御でき容易に正確な半波長の相対位相差を得られる。この事は温度変化等による位相変化にも容易に対応できる事も示している。
【００２２】
また、本発明における液晶位相変調素子は現在の複雑なマトリクス画素構造を持ったパソコン用等の液晶表示パネルと比べ、サイズも小さく構造も非常に簡単なため製造も容易である。更に、本発明においては電気制御可能な位相変調素子として有効動作電圧が数ボルトである液晶素子を使用しているため双補型ＭＯＳ半導体装置（ＣＭＯＳ−ＩＣ）で直接駆動が可能となり、低消費電力で、小型の光学装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施形態における光学装置の構成例である。
【図２】本発明の第二の実施形態における光学装置の構成例である。
【図３】本発明の第二の実施形態において、電気的に制御可能な平行配向型液晶素子の作用を表した図である。
【図４】本発明の第二の実施形態における液晶位相変調素子の透明電極形状を表した図である。
【図５】従来の一般的な位相シフト法による超解像を説明する図である。
【符号の説明】
１０１、レーザー光源
１０２、２０２、コリーメートレンズ
１０３、２０３、５０２、レーザー光
１０４、位相変調素子
１０５、２０５、５０１、集光光学系
１０６、２０６、５０４、点像
１０７、２０７、５０３、光軸
１０８、２０８、４０２、５０６、円形領域
１０９、２０９、４０１、５０７、輪帯領域
２０１、直線偏光レーザー光源
２０４、液晶位相変調素子
３０１、ガラス基盤
３０２、液晶分子
３０３、配向軸
３０４、直線偏光
４０３、引き出し電極線
４０４、電極
５０５、位相板
【図１】
0003999875.tif 000002
【図２】
0003999875.tif 000003
【図３】
0003999875.tif 000004
【図４】
0003999875.tif 000005
【図５】
0003999875.tif 000006