(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザー光源からの直線偏光を集光するレンズ系を有し、入射した直線偏光の一部を変調させてメインローブとサイドローブとを含む超解像を発生させる光学装置において、
入射される前記直線偏光の有効光束内において、位相分布を与えずに、前記直線偏光を光軸近傍の領域とそれ以外の領域とで直交する直線偏光に変換し、メインローブと該メインローブと異なった偏光ベクトルを有するサイドローブとを発生させる光束に変換するための旋光光学素子と、
前記旋光光学素子と前記レンズ系との間に配置され、前記サイドローブを除去する方位を有する偏光選択手段と、
を有することを特徴とする光学装置。
【請求項２】
前記旋光光学素子は、第１の機能部分と第２の機能部分とを有し、前記第１の機能部分と前記第２の機能部分とは異なる旋光特性を有する、請求項１に記載の光学装置。
【請求項３】
前記第１の機能部分と前記第２の機能部分との旋光特性が互にほぼ９０度異なる、請求項２に記載の光学装置。
【請求項４】
前記第１の機能部分は、光軸近傍を含み、前記第２の機能部分は前記第１の機能部分を除く部分とした、請求項２に記載の光学装置。
【請求項５】
前記第１の機能部分はホモジュニアス配向を有する領域とし、前記第２の機能部分は９０度ツイストネマティック配向を有する領域とした、請求項２に記載の光学装置。
【請求項６】
前記第１の機能部分と前記第２の機能部分の光路長は同じになるように設定されている、請求項２に記載の光学装置。
【請求項７】
直線偏光を発生させるレーザー光源と、
入射される前記直線偏光の有効光束内において、位相分布を与えずに、前記直線偏光を光軸近傍の領域とそれ以外の領域とで直交する直線偏光に変換し、前記直線偏光をメインローブと前記メインローブと異なった方位を有するサイドローブとを発生させる光束に変換するための旋光光学素子と、
前記光束を光ディスク上に集光するための第１の集光レンズと、
前記光ディスクの情報を検出するための光検出素子と、
前記光ディスクからの反射光束を前記光検出素子に集光させるための第２の集光レンズと、
前記旋光光学素子と前記レンズ系との間に配置され、前記光束から前記サイドローブを除去するための方位を有する偏光選択手段と、
を有することを特徴とする光学装置。
【請求項８】
直線偏光を発生させるレーザー光源と、
電気信号により回折機能を発生又は停止させることができる回折型レンズ素子と、
入射される前記直線偏光の有効光束内において、位相分布を与えずに、前記直線偏光を光軸近傍の領域とそれ以外の領域とで直交する直線偏光に変換し、前記直線偏光をメインローブと前記メインローブと異なった方位を有するサイドローブとを発生させる光束に変換するための旋光光学素子と、
前記光束を光ディスク上に集光するための集光レンズと、
前記旋光光学素子と前記レンズ系との間に配置され、前記光束から前記サイドローブのみを除去するための方位を有する偏光選択手段と、
を有することを特徴とする光学装置。
【請求項９】
前記回折型レンズ素子が回折機能を有効とした場合の光学装置の焦点距離は前記回折型レンズ素子及び前記集光レンズの合成焦点距離となり、前記回折型レンズ素子が回折機能を停止した場合の光学装置の焦点距離は前記集光レンズのみの焦点距離となる、請求項８に記載の光学装置。
【請求項１０】
前記回折型レンズ素子は、液晶フレネルレンズである、請求項８に記載の光学装置。
【請求項１１】
前記回折型レンズ素子及び前記旋光光学素子は、一部材として構成されている、請求項８に記載の光学装置。
【請求項１２】
前記旋光光学素子は、入射される前記直線偏光の有効光束内において前記直線偏光に対しては位相分布をほぼ有しない、請求項１、７又は８の何れか一項に記載の光学装置。
【請求項１３】
前記旋光光学素子は、入射される前記直線偏光の光軸近傍又は光軸近傍以外の何れか一方に対して機能する、請求項７又は８に記載の光学装置。
【請求項１４】
前記旋光光学素子は、前記直線偏光の偏光軸とほぼ一致又は直交した液晶分子の配向軸を有する９０度ツイストネマティック型の液晶素子及びホモジュニアス型の液晶素子から構成される、請求項１又は１３に記載の光学装置。
【請求項１５】
前記９０度ツイストネマティック型の液晶素子が前記直線偏光の光軸近傍部分に配置されている、請求項１４に記載の光学装置。
【請求項１６】
前記ホモジュニアス型の液晶素子が、前記直線偏光の光軸近傍部分に配置されている、請求項１４に記載の光学装置。
【請求項１７】
前記光軸近傍部分は、ほぼ円形又はほぼ長方形である、請求項１５又は１６に記載の光学装置。
【請求項１８】
前記偏光選択手段は、前記旋光光学素子に入射される前記直線偏光の方位を基準として前記旋光光学素子が前記直線偏光を９０度旋光する方向に向かって、０度以上９０度以下の範囲の方位を持つように配置されている、請求項１、７又は８の何れか一項に記載の光学装置。
【請求項１９】
さらに、前記光束を集光するための集光レンズを有する、請求項１、７又は８の何れか一項に記載の光学装置。
【請求項２０】
前記メインローブは直線偏光であり且つ前記サイドローブは前記メインローブとは方位の異なる直線偏光である、請求項１、７又は８の何れか一項に記載の光学装置。
【請求項２１】
前記偏光選択手段は、直線偏光フィルタである、請求項１、７又は８の何れか一項に記載の光学装置。
【請求項２２】
前記旋光光学素子は、電気的に旋光機能を発生又は停止することが可能である、請求項７又は８に記載の光学装置。
【請求項２３】
前記旋光光学素子の旋光機能を発生させた場合と前記旋光光学素子の旋光機能を停止された場合とでそれぞれ異なった種類の光ディスクへ前記光束を集光させる、請求項２２に記載の光学装置。
【請求項２４】
前記回折型レンズ素子の回折機能を発生させた場合と前記回折型レンズ素子の回折機能を停止させた場合とでそれぞれ異なった種類の光ディスクへ前記光束を集光させる、請求項８に記載の光学装置。
【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装置の理論解像限界付近の解像度を更に向上させる超解像光学技術に関する。さらに本発明は、超解像特有のサイドローブを除去する技術に関する。そして特に本発明は、光ディスクの光ピックアップの解像度を向上させる技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光学装置の理論解像限界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装置において、その点像は無限小の光スポットで結像される。しかしながら、光スポットは、実際には、光の波動性による回折の影響で、有限の広がりを持つ。このとき、結像もしくは集光に寄与する光学装置の開口数をＮＡとすると、光スポットの広がりの物理的定義は、式ｋ×λ÷ＮＡで表される。ここで、λは光の波長、ｋは光学装置により定まる定数で、通常は１〜２の値をとる。また、開口数ＮＡは、一般には光学装置の有効入射瞳直径Ｄ（普通は有効光束直径）と光学装置の焦点距離ｆの比であるＤ／ｆに比例する。
【０００３】
したがって、光学装置の理論解像度を向上させるためには、即ち光スポットをより小さくするためには、より短波長の光を用いるか、開口数ＮＡを大きくすればよい。
【０００４】
一般に良く使用されるレーザー光源の波長は、７８０ｎｍ又は６５０ｎｍである。また最近では、４１０ｎｍの波長のレーザー光源も開発されている。しかしながら、３８０ｎｍ以下の波長を有するレーザー光源は、実現しにくいか又はコストも高くなる。
【０００５】
また光学装置の開口数ＮＡを大きくする程、幾何光学的に無収差に光学装置を設計する事は困難になる。さらに、光学装置の焦点深度は、開口数ＮＡの２乗に比例して小さくなり、また光学装置のコマ収差は、開口数ＮＡの３乗に比例して大きくなってしまう。したがって、現状では開口数ＮＡ＝０．７程度以上を有する光学装置の設計は、実現しにくいか又はコストが高くなる。
【０００６】
また、光学装置を形成する光学材料も、波長は３８０ｎｍ以下の波長の光に対しては不透明となる。したがって、そのような光学材料を用いた光学装置では、光を有効に活用することができないという不利益もある。
【０００７】
このような制約を考慮した上で、現状で最も小さい光スポットにより、光ディスクを読取った場合の記録密度は、直径約３．５インチの光ディスクで１２ＧＢ（ギガバイト）程度である。したがって、この記録密度を超えるピットを光ディスク上に形成しても、前述した光スポットによっては的確に読取ることができない。
【０００８】
そこで、上述した光学装置の理論解像限界を更に向上させるため、「Ｏ  ｐｌｕｓ  Ｅ」（第１５４号、６６頁から７２頁、１９９２年）に見られるような超解像光学装置を実現する技術が知られている。この技術は、集光光学装置の有効光束の一部分を遮蔽板でさえぎる事で、光スポットを光学装置の理論限界より１０から２０％程度細くすることを可能としている。この技術は、等価的に光学装置の開口数ＮＡを大きくしたこと、又は光源波長を短くしたことに匹敵する。
【０００９】
しかしながら、超解像光学装置により光スポットを形成すると、その両脇に超解像特有のサイドローブ、即ち比較的大きな山が発生し、あたかも３つの山のような光スポットが発生してしまうという問題があった。
【００１０】
この点を図６及び図７を参考にして解説する。まず、図６に示すように光軸６０１を中心として半径ｒの遮蔽マスク６０２で集光レンズ６０３の開口を遮蔽する。このとき半径ｒは有効光束６０４の半径よりは小さい。また図６には光学装置の断面図を描いたが、実際の光学装置は光軸６０１を回転軸とした回転対称形である。
【００１１】
このとき、集光レンズ６０３の焦点であるＰ点における光スポット７０１は、図７のように考えることができる。すなわち、それは、有効光束６０４による光スポット７０２から遮蔽マスク６０２による仮想の光スポット７０３を差し引いたものとなる。このときＰ点での光スポット７０１は、有効光束６０４による光スポット７０２より細くなり、またサイドローブ７０４（すなわち図７で負の部分）が発生しているのがわかる。
【００１２】
図７において、サイドローブ７０４は負の値であるが、これは光学的に考えれば正の部分と比べ光波の位相が１８０度シフト、すなわち位相が反転したことを意味する。しかしながら、光の強度として考えれば、このサイドローブ７０４の部分にも、光の強度はある。したがって、Ｐ点には、３つの山を有する光スポットが発生する。なお、図７は、縦軸を複素振幅表示とし、横軸を位置として表したものである。
【００１３】
このような３つの山を有する光スポットを、特に光ディスクのピックアップに応用するには問題があった。このため、「光学」（第１８巻、第１２号、６９１頁から６９２頁、１９８９年）では、光路中に微細なスリットを用いてサイドローブのみを除去しようとする技術が提案されている。しかしながら、スリットがずれると、サイドローブ以外の光スポットも遮蔽してしまう。そこで、スリットの位置合わせは微妙に行わなければならなかった。さらにゴミなどがスリットの隙間に付着する問題も生じた。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多少のサイドローブが発生するという更なる問題もあった。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明は、上記の問題点を解決し、超解像集光スポットからサイドローブ又はサイドローブの成分のみを除去することができる光学装置を提供するものである。
【００１５】
また、本発明は、超解像と通常解像とを簡単な方法で容易に切り替えることができる光学装置を提供するものである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明においては、以下の構成とした。
【００１７】
光学装置は、直線偏光発生手段からの直線偏光を集光するレンズ系を有し、入射した直線偏光の一部を変調させてメインローブとサイドローブとを含む超解像を発生させるものであって、入射した直線偏光をメインローブと該メインローブと異なった偏光ベクトルを有するサイドローブとを発生させる光束に変換するための旋光光学素子と、サイドローブを除去する方位を有する偏光選択手段を有することを特徴とする。
【００１８】
また、光学装置は、直線偏光を発生させる手段、直線偏光をメインローブとメインローブと異なった方位を有するサイドローブとを発生させる光束に変換するための旋光光学素子、及び光束からサイドローブのみを除去するための偏光選択手段とを有することとした。
【００１９】
ここで、旋光光学素子は、直線偏光の偏光軸とほぼ一致又は直交した液晶分子の配向軸を有する９０度ツイストネマティック型の液晶素子及びホモジュニアス型の液晶素子から構成されることとした。
【００２０】
またここで、偏光選択手段は、旋光光学素子に入射される直線偏光の方位を基準として旋光光学素子が直線偏光を９０度旋光する方向に向かって、０度以上９０度以下の範囲の方位を持つように配置されていることとした。
【００２１】
また、光学装置は、直線偏光を発生させる直線偏光を発生させる手段と、直線偏光をメインローブとメインローブと異なった方位を有するサイドローブとを発生させる光束に変換するための旋光光学素子と、光束を光ディスク上に集光するための第１の集光レンズと、光ディスクの情報を検出するための光検出素子と、光ディスクからの反射光束を光検出素子に集光させるための第２の集光レンズと、光束からサイドローブのみを除去するための方位を有する偏光選択手段とを有することとした。
【００２２】
ここで、旋光光学素子は、電気的に旋光機能を発生又は停止することが可能であり、旋光光学素子の旋光機能を発生させた場合と旋光光学素子の旋光機能を停止された場合とでそれぞれ異なった種類の光ディスクへ光束を集光させることとした。
【００２３】
その場合、異なった種類の光ディスクは、ＤＶＤとＣＤ、又はＤＶＤとＣＤ―Ｒ（Ｗ）等とした。
【００２４】
また、光学装置は、直線偏光を発生させる直線偏光を発生させる手段と、電気信号により回折機能を発生又は停止させることができる回折型レンズ素子と、直線偏光をメインローブとメインローブと異なった方位を有するサイドローブとを発生させる光束に変換するための旋光光学素子と、光束を光ディスク上に集光するための集光レンズと、光束から前記サイドローブのみを除去するための方位を有する偏光選択手段とを有することとした。
【００２５】
ここで、回折型レンズ素子が回折機能を有効とした場合の光学装置の焦点距離は回折型レンズ素子及び集光レンズの合成焦点距離となり、回折型レンズ素子が回折機能を停止した場合の光学装置の焦点距離は前記集光レンズのみの焦点距離となることとした。
【００２６】
さらに、回折型レンズ素子の回折機能を発生させた場合と回折型レンズ素子の回折機能を停止された場合とでそれぞれ異なった種類の光ディスクへ光束を集光させることとした。
【００２７】
その場合、異なった種類の光ディスクは、ＤＶＤとＣＤ、又はＤＶＤとＣＤ―Ｒ（Ｗ）等とした。
【００２８】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
本発明による第１の実施形態を図１を用いて説明する。図１には光学装置の断面図を描いたが、実際の光学装置は光軸１０１を回転軸とした回転対称形である。直線偏光１０２は、図示しない半導体レーザー等のレーザー光源から出射された光をコリメータレンズ等でほぼ平行光束としたものである。Ｙ軸方向に一致する偏光方向を有する直線偏光１０２は、旋光光学素子１０３を通過する。このとき、旋光光学素子１０３の中央部分１０４（図で斜線部分）は、この部分の直線偏光１０２の偏光方向を９０度回転させ、ほぼＸ軸方向に一致させる。また旋光光学素子１０３は、直線偏光１０２に対して位相分布を持たない。すなわち、旋光光学素子１０３の中央部分１０４を通過する光束とそれ以外の部分を通過する光束の光路長は同じである。
【００２９】
旋光光学素子１０３を通過した有効光束１０５は集光レンズ１０６によりＰ点に集光される。このとき国際公開ＷＯ９８／１５９５２号公報に示されるようにＰ点では超解像現象が生じる。すなわち中央部分１０４を通過した光は他の残りの部分を通過した光と比べ偏光軸が９０度回転している。したがって直交した直線偏光は互いに干渉しないことが知られるため、中央部分１０４は他の残りの部分に対してあたかも遮蔽マスクをされたかのごとく振る舞う。偏光選択手段１０７は、旋光光学素子１０３によってＰ点にできる超解像光スポットのサイドローブを除去する。
【００３０】
ここで偏光選択手段１０７が無い場合、図１のＰ点に形成される超解像光スポット８０１の形状を図８を参照して考察する。図８は、縦軸を複素振幅表示とし、横軸を位置として表したものである。前述の図７の説明からわかるように有効光束１０５の全体による光スポット８０２から中央部分１０４による光スポット８０３を差し引いたものが超解像光スポット８０１である。
【００３１】
しかしながら、直交した直線偏光は干渉はしないが、強度としては足し合わされる。したがって、図７の場合と異なり、Ｐ点に形成される実際の光スポットの強度は、超解像光スポット８０１の強度（すなわち絶対値の二乗）と中央部分１０４による光スポット８０３の強度を足したものとなる。
【００３２】
図９は、Ｐ点に形成される光スポットの強度を示したものである。図９では、縦軸を光の強度とし、横軸を位置として表している。９０１は、有効光束１０５の全体による光スポットの強度を示したものである。また、９０２は、実際にＰ点に形成される光スポットの強度を示したものである。その光スポットの強度は、超解像光スポット８０１の強度（すなわち絶対値の二乗）と中央部分１０４による光スポット８０３の強度（すなわち絶対値の二乗）を足したものである。
【００３３】
次に図８と図９を比較しながら、光スポットの各部の偏光状態と相対位相について考える。まず中央部分１０４による光スポット８０３は、Ｘ軸方向に直線偏光している。また超解像光スポット８０１は、Ｙ軸方向に直線偏光している。しかしながら、超解像光スポット８０１のサイドローブ８０４は、サイドローブ以外の部分と比べ位相が反転し、マイナスＹ軸方向に直線偏光していると考えることができる。
【００３４】
ここで、図９における強度で考えた場合の光スポット９０２のサイドローブ９０５について考える。この部分は、中央部分１０４による光スポット８０３と超解像光スポット８０１のサイドローブ８０４を足し合わせた偏光ベクトルとなっている。即ち、その偏光ベクトルは、図１０（ａ）に示されるように、中央部分１０４による偏光ベクトル１００１と、超解像光スポット８０１のサイドローブ８０４の偏光ベクトル１００２を足し合わせた合力ベクトル１００３ａを有する直線偏光となる。前述したように、旋光光学素子１０３は入射光に対しては位相分布を持たない。したがって、直線偏光どうしが同位相あるいは１８０度（もしくはそれらの整数倍）位相がずれて重ね合わさってもその合力はまた直線偏光である。
【００３５】
次に、図９における強度で考えた場合の光スポット９０２のメインローブ９０４について考える。この部分は、中央部分１０４による光スポット８０３と超解像光スポット８０１のサイドローブ８０４以外を足し合わせた偏光ベクトルとなっている。即ち、その偏光ベクトルは、図１０（ｂ）に示されるように、中央部分１０４による偏光ベクトル１００１と、超解像光スポット８０１のサイドローブ以外の偏光ベクトル１００４を足し合わせた合力ベクトル１００３ｂを有する直線偏光である。
【００３６】
さらに注目すべきは、図１０（ａ）に示される光スポット９０２のサイドローブ９０５における直線偏光の合力ベクトル１００３ａは、図１０（ｂ）に示される光スポット９０２のメインローブ９０４における直線偏光の合力ベクトル１００３ｂとは、その方向が常に異なっていることである。
【００３７】
したがって、図１０（ａ）及び（ｂ）から理解されるように、図１において、合力ベクトル１００３ａの方位と直交した検波軸の方位を持つ直線偏光検波素子１０７を偏光選択手段として、旋光光学素子１０３の直後に設置すれば、サイドローブにおける直線偏光の合力ベクトル１００３ａを消滅させることができる。結果として、図１のＰ点にできる超解像光スポット９０２のサイドローブ９０５を除去することが可能となる。また、このとき合力ベクトル１００３ｂは消滅しないこともわかる。
【００３８】
光スポット９０２から、偏光選択手段によりサイドローブ９０５を除去した波形を図９に９０３として示す。中心位置において９０３の強度が９０２の強度より低いのは、偏光選択手段の透明度が１００％でないこと等の理由による。
【００３９】
図１０（ａ）及び（ｂ）から、超解像光スポットのサイドローブを消滅させるための直線偏光検波素子１０７の方位θは、Ｙ軸方向を０度としてＸ軸方向に向かって測り、０度以上９０度以下の範囲に存在することがわかる。さらに詳しくは中央部分１０４による偏光ベクトル１００１の大きさが小さいほど、よって中央部分１０４の面積が小さいほどθは９０度に近づく。
【００４０】
直線偏光検波素子１０７は、旋光光学素子１０３の直後に必ずしも置かなくて良い。しかしフーリエ結像論から考えれば、レンズの集光点に集まる光スポットの成分はレンズの直後では有効光束全体に一様に広がっているが、集光点に近づくほど一様性がなくなる。すなわち、図１０（ａ）及び図１０（ｂ）における合力ベクトル１００３ａ及び１００３ｂの方向は、集光レンズ１０６の直後ではＸＹ平面上のどの部分をとっても一様である。別の言い方をすれば超解像光スポットのサイドローブの成分は、集光レンズ１０６の直後では有効光束１０５中に一様に広がっている。しかし集光点Ｐに近づくほど徐々にスポットが結像されるので、その一様性が失われてしまう。すなわち直線偏光検波素子１０７を集光点Ｐに近づけすぎると、ＸＹ平面上で部分的にしかサイドローブの成分を除去できなくなり都合が悪い。
【００４１】
（第２の実施形態）
次に、本発明による第２の実施形態を図２を用いて説明する。図２には光学装置の断面図を描いたが、実際の光学装置は光軸２０１を回転軸とした回転対称形である。直線偏光２０２は、図示しない半導体レーザー等のレーザー光源から出射された光をコリメータレンズ等でほぼ平行光束としたものである。Ｙ軸方向に一致する偏光方向を有する直線偏光２０２は、旋光光学素子２０３を通過する。このとき、旋光光学素子２０３の中央部分２０４（図で斜線部分）は、この部分の直線偏光２０２の偏光方向を９０度回転させ、ほぼＸ軸方向に一致させる。また旋光光学素子２０３は、直線偏光２０２に対して位相分布を持たない。すなわち、旋光光学素子２０３の中央部分２０４を通過する光束とそれ以外の部分を通過する光束の光路長は同じである。
【００４２】
旋光光学素子２０３を通過した有効光束２０６は集光レンズ２０７によりＰ点に集光される。このとき国際公開ＷＯ９８／１５９５２号公報に示されるようにＰ点では超解像現象が生じる。すなわち中央部分２０４を通過した光は他の残りの部分を通過した光と比べ偏光軸が９０度回転している。したがって直交した直線偏光は互いに干渉しないことが知られるため、中央部分２０４は他の残りの部分に対してあたかも遮蔽マスクをされたかのごとく振る舞う。偏光選択手段２０８は、旋光光学素子２０３によってのＰ点にできる超解像光スポットのサイドローブを除去する。
【００４３】
図１に示される本発明の第１の実施形態との差異は、位相変調を伴わない旋光光学素子として液晶素子を用いたことである。
【００４４】
まず、本発明の理解を容易にするために液晶素子による光の旋光機能及び位相変調機能について図１１（ａ）及び（ｂ）を用いて説明する。
【００４５】
図１１（ａ）及び（ｂ）は、電気的に制御可能な一般的なホモジュニアス型液晶素子及び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ている。透明電極がコートされたガラス基板１１０１に液晶分子１１０２が挟まれている。入射側のガラス基板上では、全ての液晶の配向軸１１０３の方向がＹ軸方向と一致している。しかしながら、出射側のガラス基板上では、液晶の配向軸１１０３の方向が上半分がＹ軸方向と一致し、下半分がＸ軸方向と一致している。
【００４６】
液晶分子１１０２は、その長軸方向を配向軸方向にそろえる性質及び連続体として振る舞う性質を持つ。その結果、図１１（ａ）に示されるように、液晶素子の上半分側の液晶分子１１０２はＹ軸方向に平行に並びこれをホモジェニアス型液晶という。また、液晶素子の下半分側の液晶分子１１０２は徐々に滑らかに９０度回転し、これを９０度ツイストネマティック型液晶という。
【００４７】
この液晶素子にＹ軸方向に直線偏光した入射直線偏光１１０４が入射すると、液晶分子の誘電異方性のため入射直線偏光１１０４の偏光軸は結果的に液晶分子１１０２の長軸方向に沿って伝搬する。すなわち出射直線偏光１１０５の偏光軸は上半分がＹ軸方向、下半分がＸ軸方向となり互いに直交する。すなわち、９０度ツイストネマチィック型液晶素子を伝搬した直線偏光は９０度旋光作用を受けることとなる。
【００４８】
また、液晶分子の長軸方向の屈折率をｎ１、短軸方向の屈折率をｎ２、及び液晶層厚をｄとすると、液晶層内を進む入射直線偏光１１０４の光路長は上下両者ともにｎ１×ｄで表されることとなる。したがって、両者間に光路長の差による位相差は生じない。すなわちこの液晶素子は入射直線偏光１１０４に対し位相分布を持たない。
【００４９】
厳密にいうならば、入射直線偏光１１０４を直線偏光として出射するためには、入射直線偏光１１０４の偏光軸の方向が入射側の配向軸１１０３の方向すなわち液晶分子長軸と一致し、かつ２×（ｎ１−ｎ２）×ｄ÷λが３、１５、３５等のいずれかの平方根となる必要があることが知られている。ここで、ｎ１は液晶分子の長軸の屈折率、ｎ２は液晶分子の短軸の屈折率、λ（ｎｍ）は入射光の波長、及びｄ（ｎｍ）は液晶層厚又はセルギャップである。なお、ここで、２×（ｎ１−ｎ２）×ｄ÷λが３と等しくなる場合をファーストミニマム、１５と等しくなる場合をセカンドミニマム、３５と等しくなる場合をサードミニマムと言う。この数値は、（１＋ｘ）＝（２×ｎ）２  （ｎは整数）の式から導かれ、ｎ＝１（ファーストミニマムに対応）のときｘ＝３、ｎ＝２（セカンドミニマムに対応）のときｘ＝１５、ｎ＝３（サードミニマムに対応）のときｘ＝３５となる。一般に、ｎが高くなるほど、温度の変動や波長変動に対してより安定な直線偏光した光の出射が保証される。しかしながら、逆に、時間の応答性や視野角が悪くなるという欠点がある。本実施形態では、時間の応答性や視野角をあまり問題としないため、ｎが高いほど好ましい。しかしながら、あまりにｎが高すぎると、液晶配向状態が不安定となるという欠点が生じてしまう。したがって、ｎは３乃至１０の範囲で用いられるのが好ましく、さらにｎが３乃至６の範囲で用いられることがさらに好ましい。しかしながら、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、先の式を厳密にみたさなくてもさほど不都合は生じない。
【００５０】
また、先の式を厳密に満たすように、理想的な液晶を設計した場合でも、熱的なゆらぎがある場合には、その素子が理想的に動作しない場合がある。そこで、図１３に示されるような液晶のＴ―Ｖカーブにおける閾値電圧（Ｖｔｈ）を印加して動作させると良い。なお、図１３に示されるＴ―Ｖカーブは、本実施形態で使用される９０度ツイストネマティック型液晶を平行配置の偏光板で挟み（電圧を印加しないと光が出てこない状態で）、液晶に印加する電圧Ｖと透過率Ｔとの関係をグラフにしたものである。ここでは、素子にＶｔｈの電圧（通常は、実効電圧で１〜１．５Ｖ）を印加した場合には、光抜けが最も生ぜず、旋光性が最も理想的に働き、また熱的なゆらぎの影響も少ない。
【００５１】
電源１１０６によって、ガラス基板にコートされた透明電極を介して液晶素子にＺ軸方向の電界を加えると、図１１（ｂ）に示すようにすべての液晶分子１１０２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。このとき出射直線偏光１００５は液晶素子の上下側共に入射直線偏光１００４と同じＹ軸方向となる。すなわち下側にあった旋光機能はなくなる。またこのときは液晶層内を進む入射直線偏光１００４の光路長はｎ２×ｄである。また印加する電圧の大きさを制御することでツイストネマティックあるいはホモジュニアスとホメオトロピックの中間状態をつくることもできる。また旋光光学素子として使用するときは、液晶分子に常に閾値電圧（Ｖｔｈ）又はその近傍の電圧を加えると旋光機能がより理想的に働くことも知られている。
【００５２】
次に前記液晶素子を用いた図２における旋光光学素子２０３の構造を図１２を用いて説明する。図１２（ａ）で中央の円形で表された斜線部分が９０度ツイストネマティック型液晶素子１２０１で、残りの部分がホモジェニアス型液晶素子１２０２である。
【００５３】
図１２（ｂ）は別の構造で中央の長方形で表された斜線部分が９０度ツイストネマティック型液晶素子１２０１で、残りの部分がホモジェニアス型液晶素子１２０２である。図１２（ｂ）の構造のように、９０度ツイストネマティック型液晶素子１２０１のＹ軸方向が有効光束すべてにまたがり、且つ９０度ツイストネマティック型液晶素子１２０１のＸ軸方向が有効光束の一部分にまたがる場合、Ｘ軸方向のみに超解像が生じる。
【００５４】
また電極１２０３を通して、液晶に適当な電圧を加えると、全ての液晶がホメオトロピック状態になり旋光性が失われる。
【００５５】
なお、図１２（ａ）及び（ｂ）において、９０度ツイストネマティック型液晶素子として示した部分とホモジェニアス型液晶素子として示した部分を入れ替えた場合、偏光選択手段としての直線偏光検波素子１０７の方位θを適当に考慮することによって、同様の効果が得られる。
【００５６】
なお、偏光選択手段としての直線偏光検波素子２０８としては、直線偏光フィルタ、偏光板、偏光性回折素子、偏光ビームスプリッタ、又はブリュースター角度に配置されたミラー等を用いることが可能である。これは、本発明の全ての実施形態において同様である。
【００５７】
次に図２に示された本実施形態の動作ついて説明する。図２では、光学装置の断面図で描いたが、実際の光学装置は光軸２０１を回転軸とした回転対称形である。Ｙ軸方向の直線偏光２０２は旋光光学素子２０３を通過する。このとき、旋光光学素子２０３の中央部（斜線部）は、（Ｙ軸方向からＸ軸方向に向かって回転している）９０度ツイストネマティック型液晶素子２０４から構成され、直線偏光２０２の偏光方向を９０度回転させＸ軸方向とする。また旋光光学素子２０３を図１２（ａ）に示したものとすると、中央部以外はホモジェニアス型液晶素子２０５から構成され旋光機能はない。またこのとき直線偏光２０２の有効光束２０６に対して旋光光学素子２０３は位相分布を持たないことが前述の説明から明らかである。さらに各液晶素子の直線偏光２０２の入射側の液晶分子の配向軸方向は、ほぼＹ軸方向である。
【００５８】
旋光光学素子２０３を通過した有効光束２０６は、集光レンズ２０７によりＰ点に集光される。このときＰ点では超解像現象が生じる。すなわち９０度ツイストネマティック型液晶素子２０４を通過した直線偏光はホモジェニアス型液晶素子２０５を通過した直線偏光と比べ偏光軸が９０度回転している。
【００５９】
このとき、直線偏光検波素子２０８を、Ｙ軸方向を０度としてＸ軸方向に向かって測り、約６０度の方位で、旋光光学素子２０３の直後に設置したところ、前述したように超解像光スポットからサイドローブを消去することができた。なお、本発明における他の実施形態においても、偏光選択手段としての直線偏光検波素子の方位は上記と同様であり、それによって同様にサイドローブを除去することができた。
【００６０】
（第３の実施形態）
次に本発明による第３の実施形態について図３を用いて説明する。本実施形態は、本発明を光ディスクのピックアップに応用したものである。図３では光学装置の断面図で描いたが、実際の光学装置は光軸３０１を回転軸とした回転対称形である。Ｙ軸方向の直線偏光３０２は旋光機能を電気信号で制御可能な旋光光学素子３０３を通過する。このとき、旋光光学素子３０３の中央部分３０４（図で斜線部分）は直線偏光３０２の偏光方向を９０度回転させＸ軸方向とし、中央部分３０４以外の部分は旋光機能を持たない。また旋光光学素子３０３は直線偏光３０２に対して位相分布を持たない。すなわち、旋光光学素子３０３の中央部分３０４とそれ以外の部分とでは直線偏光３０２に対し光路長は同じである。旋光光学素子３０３を通過した有効光束３０５は光分離素子３０８を通過し、第１の集光レンズ３０６により光ディスク３０７上のＰ点に集光される。このとき国際公開ＷＯ９８／１５９５２号公報に示されるようにＰ点では超解像現象が生じる。すなわち中央部分３０４を通過した光は他の残りの部分を通過した光と比べ偏光軸が９０度回転している。したがって直交した直線偏光は互いに干渉しないことが知られるため、中央部分３０４は他の残りの部分に対してあたかも遮蔽マスクをされたかのごとく振る舞う。
【００６１】
光ディスク３０７上に集光された超解像光スポットは、光ディスク３０７のピットの信号を読み取って反射する。その反射光は、再度第１の集光レンズ３０６を通過し光分離素子３０８により分離され、第２の集光レンズ３０９により光信号検出素子３１０上に集光される。しかし光信号検出素子３１０上に集光される光スポットはやはりサイドローブを持った光スポットである。光ディスク３０７上で、超解像光スポットのメインローブは目的のピットを読み取る。しかしながら、両脇のサイドローブは、隣接するピットを読み取ってしまう場合がある。その場合の反射光は、ノイズ成分となってしまう。
【００６２】
ここで偏光選択手段として直線偏光検波素子３１１を第２の集光レンズ３０９の近傍に設置し、且つその方位を前述したようにサイドローブが持つ直線偏光の方位と直交して設置すれば光信号検出素子３１０にはサイドローブは集光しない。すなわち検出光からノイズ成分を除去できる。
【００６３】
なお、本実施形態においては、直線偏光検波素子３１１を光分離素子３０８と第２の集光レンズ３０９との間に配置したが、直線偏光検波素子３１１の位置はこれに限らない。したがって、直線偏光検波素子３１１を第１の集光レンズ３０６の近傍に設置し、そもそも光ディスク３０７に集光される超解像光スポットからサイドローブを除去するように配置してもよい。その場合、一般に直線偏光検波素子は完全には透明でないため光ディスク３０７に集光する光利用率が低下してしまう。したがって普通は光信号検出素子３１０の手前でサイドローブの成分を除去すれば十分である。
【００６４】
さらに、直線偏光検波素子３１１は、必ずしも第２の集光レンズ３０９の近傍に置く必要はない。しかしフーリエ結像論から考えれば、レンズの集光点に集まる光スポットの成分はレンズの直後では有効光束全体に一様に広がっているが、集光点に近づくほど一様性がなくなる。すなわち図１０（ａ）及び（ｂ）で合力ベクトル１００３ａ及び１００３ｂの方向は第２の集光レンズ３０９の近傍ではＸＹ平面上のどの部分をとっても一様である。しかし光信号検出素子３１０に近づくほど徐々にスポットが結像されるのでその一様性が失われてしまう。すなわち直線偏光検波素子３１１を光信号検出素子３１０に近づけすぎると、ＸＹ平面上で部分的にしかサイドローブの成分を除去できなくなり都合が悪い。
【００６５】
ここで電気信号により旋光光学素子３０３の旋光機能を停止すれば超解像は消滅し通常解像となる。これは電気信号により超解像と通常解像を切り替えた事になる。例えば通常解像時をＣＤの光ディスクのピットの読み取りに、超解像時をＣＤよりピットの細かいＤＶＤの光ディスクの読み取りに使用することができる。
【００６６】
（第４の実施形態）
次に本発明による第４の実施形態について図４を用いて説明する。本実施形態は、本発明を光ディスクのピックアップに応用したものである。図４では光学装置の断面図で描いたが、実際の光学装置は光軸４０１を回転軸とした回転対称形である。Ｙ軸方向の直線偏光４０２は旋光機能を電源４１３が供給する電気信号で制御可能な旋光光学素子４０３を通過する。このとき、旋光光学素子４０３の中央部分４０４（図で斜線部分）は直線偏光４０２の偏光方向を９０度回転させＸ軸方向とし、中央部分４０４以外の部分は旋光機能を持たない。また旋光光学素子４０３は直線偏光４０２に対して位相分布を持たない。すなわち、旋光光学素子４０３の中央部分４０４とそれ以外の部分とでは直線偏光４０２に対し光路長は同じである。旋光光学素子４０３を通過した有効光束４０６は光分離素子４０７を通過し、第１の集光レンズ４０８により光ディスク４０９上のＰ点に集光される。このとき国際公開ＷＯ９８／１５９５２号公報に示されるようにＰ点では超解像現象が生じる。すなわち中央部分４０４を通過した光は他の残りの部分を通過した光と比べ偏光軸が９０度回転している。したがって直交した直線偏光は互いに干渉しないことが知られるため、中央部分４０４は他の残りの部分に対してあたかも遮蔽マスクをされたかのごとく振る舞う。
【００６７】
光ディスク４０９上に集光された超解像光スポットは、光ディスク４０９のピットの信号を読み取って反射する。その反射光は、再度第１の集光レンズ４０８を通過し光分離素子４０７により分離され、第２の集光レンズ４１０により光信号検出素子４１１上に集光される。しかし光信号検出素子４１１上に集光される光スポットはやはりサイドローブを持った光スポットである。光ディスク４０９上で、超解像光スポットのメインローブは目的のピットを読み取る。しかしながら、両脇のサイドローブは、隣接するピットを読み取ってしまう場合がある。その場合の反射光は、ノイズ成分となってしまう。
【００６８】
ここで偏光選択手段として直線偏光検波素子４１２を第２の集光レンズ４１０の近傍に設置し、且つその方位を前述したようにサイドローブが持つ直線偏光の方位と直交して設置すれば光信号検出素子４１１にはサイドローブは集光しない。すなわち検出光からノイズ成分を除去できる。
【００６９】
本実施形態は、基本的には第３の実施形態と同じだが、電気信号で制御可能な旋光光学素子４０３として、第２の実施形態に使用したものと同様の液晶素子を用いたものである。
【００７０】
図面を用いて簡単に説明する。Ｙ軸方向の直線偏光４０２が図１２（ａ）に示される旋光光学素子４０３に入射する。このとき、旋光光学素子４０３の中央部（斜線部）は９０度ツイストネマティック型液晶素子４０４から構成され、直線偏光４０２の偏光方向を９０度回転させＸ軸方向とする。また旋光光学素子４０３の中央部以外はホモジェニアス型液晶素子４０５から構成され旋光機能はない。またこのとき直線偏光４０２の有効光束４０６に対して旋光光学素子４０３は位相分布を持たないことが前述の説明から明らかである。さらに各液晶素子の直線偏光４０２の入射側の液晶分子の配向軸方向は、ほぼＹ軸方向である。
【００７１】
旋光光学素子４０３を透過した有効光束４０６は光分離素子４０７を透過し、第１の集光レンズ４０８で光ディスク４０９に集光される。光ディスク４０９で超解像されたスポットがピットの信号を読み取り反射する。そして再び第１の集光レンズ４０８を透過し、プリズムやハーフミラー等で構成された光分離素子４０７で分離され、第２の集光レンズ４１０で光信号検出素子４１１上に集光される。この際、第２の集光レンズ４１０近傍に設置された偏光選択手段としての直線偏光検波素子４１２により、前述したように、光検出素子４１１上でのサイドローブが除去される。
【００７２】
また、光ディスク基板等が大きな複屈折を持つ場合、光ディスクを反射あるいは透過した超解像光スポットのサイドローブが作る合力ベクトルが楕円偏光になる可能性がある。その場合、超解像光スポットのサイドローブが直線偏光検波素子４１２で完全には除去できなくなる。しかしながら、旋光光学素子４０３に故意に複屈折性を持たせ、光ディスク基板等の複屈折とキャンセルするようにすれば、超解像光スポットのサイドローブを除去することができる。
【００７３】
光ディスク基板等の複屈折をキャンセルする方法としては、旋光光学素子を通過した光束に、故意に適当な楕円偏光を与える方法が考えられる。直線偏光が、光ディスクの基板の複屈折によって、楕円偏光になるのだから、この楕円偏光を相殺するような楕円偏光を予め与えておけば良い。具体的には、以下の５つの方法が考えられる。
【００７４】
第１は、入射直線偏光の偏光軸を液晶の配向軸方向（液晶分子の長軸方向）からわずかにずらして入射させる方法である。この場合におけるずらす角度としては、−５度乃至＋５度の範囲が好ましい。このように、入射角をずらせることにより、入射直線偏光は、液晶分子の長軸だけでなく、液晶分子の短軸の成分にも影響されながら、伝播されるため、複屈折が生じる。その結果、旋光光学素子を出射する光束は、楕円偏光となる。
【００７５】
第２は、偏光軸はずらさないが、液晶素子全体に閾値電圧（Ｖｔｈ、図１３参照）よりやや高めの電圧（閾値電圧の１．０から１．３倍程度の電圧が望ましい）を印加する方法である。閾値電圧（Ｖｔｈ）よりやや高めの電圧を印加すると、液晶が電界方向に立ち上がるため、入射直線偏光に対する液晶の実質的な屈折率が変わることとなる。その結果、液晶素子が、理想的な動作状態からずれることとなり、旋光光学素子から出射される光束は楕円偏光となる。
【００７６】
第３は、液晶を予め理想的な動作状態からずれた状態で動作するように設計しておく方法である。
【００７７】
第４は、光信号検出素子４１１と光ディスク４０９との間の光路に、複屈折を発生させる原因となる光ディスクの基盤と同じような複屈折を発生させる素子を挿入させる方法である。
【００７８】
第５は、上記４つの方法を適当に組み合わせる方法である。
【００７９】
また、液晶素子の製造時のばらつきや温度変化による液晶素子の特性の変化、温度変化による半導体レーザー光源の光源波長の変化を補正するために、この電圧Ｖｔｈより高めのバイアス電圧を加えてもよい。
【００８０】
本実施形態の旋光光学素子４０３は、第２の実施形態において説明したように、電気的にその旋光機能を停止させることが可能である。したがって、旋光機能を停止させ、通常解像にして、ＣＤの読取りを行い、旋光機能を発生させ、超解像にして、ＣＤよりよりピットが小さいＤＶＤの読取りを行うようにすることも可能である。
【００８１】
ＣＤとＤＶＤの両方を良好に読取るために、本実施形態を以下のように変更使用することが好ましい。
【００８２】
旋光光学素子４０３の旋光機能を停止させて、７８０ｎｍの半導体レーザーを直線偏光レーザー光源として用い、公知のＣＤピックアップ用レンズを第１の集光レンズとして用いて、ＣＤ又はＣＤ−Ｒ（書き込み可能なＣＤ）の読取り又は書き込みを行う。さらに、旋光光学素子４０３の旋光機能を発生させて超解像によりさらに細い光スポット発生させ、上記のＣＤピックアップ用レンズに替えて公知のＤＶＤピックアップ用レンズを用いてＤＶＤの読取りを行う。
【００８３】
従来、ＣＤ又はＣＤ−Ｒ用に７８０ｎｍのレーザー光源が、ＤＶＤ用に６５０ｎｍのレーザー光源が必要であったが、上述のように構成することにより、７８０ｎｍのレーザー１つのみで、ＣＤ、ＣＤ−Ｒ及びＤＶＤの読取り等を行えることが可能となった。特にＣＤ−Ｒは、６５０ｎｍの光に感度を有していないことから、７８０ｎｍの波長のレーザー光源のみによって、ＤＶＤの読取りまで行えるようになることは非常に効果的である。
【００８４】
なお、ここで、公知のＣＤピックアップ用レンズとＤＶＤピックアップレンズの交換は機械的等の公知の変更手段によって達成することが可能である。また、解像力の高いＤＶＤ用のレンズで、通常そのままＣＤの読取り等が行えないのは、ＤＶＤとＣＤのディスク基盤の厚さが０．６ｍｍ（ＤＶＤ）と１．２ｍｍ（ＣＤ）と異なることから、ディスク基盤の厚さによって発生する球面収差量が異なるからである。しかしながら、公知の１つのレンズでＤＶＤ及びＣＤの両方に対応したピックアップレンズを用いれば、ＤＶＤを読取る場合とＣＤを読み取る場合で、レンズの切り替えを行う必要がない。
【００８５】
さらに、旋光光学素子４０３の中心部分４０４の割合が約２０％である場合、光ディスク上の光スポットは約１５％小さくなる。即ちこれは、レーザー波長が１５％短くなったのと実質的に同じ効果がある。したがって本実施形態の場合、旋光光学素子４０３の中心部分４０４の割合を２０％とすることにより、７８０ｎｍのレーザー波長は、１５％短くなって約６６３ｎｍ相当となり、充分にＤＶＤの読取りに絶え得る光スポットを形成することができる。なお、旋光光学素子４０３の中心部分４０４の割合と光スポットが細くなる割合との関係は、光学装置の種類によって多少変化する。
【００８６】
（第５の実施形態）
次に図５を用いて本発明による第５の実施形態における光学装置について説明する。第５の実施形態における光学装置は、ＤＶＤ、ＣＤ、ＣＤ−Ｒ及びＣＤ−ＲＷ等のすべてに対応可能な光ピックアップ用の光学装置を前提としたものである。簡単のため図５はＹＺ平面である２次元に投影して描いた。実際の光学装置は光軸５０９を回転軸とした回転対称となる。また本発明と直接には関係しない検出光学装置の部分は省いた。
【００８７】
第５の実施形態における光学装置は、波長７８０ｎｍ程度の直線偏光レーザー光源５０１から出射し、コリメートレンズ５０２で平行平面波にされた直線偏光レーザー光５０３は液晶空間光変調素子５０４に入射する。液晶空間光変調素子５０４はその液晶分子配向軸は直線偏光レーザー光源５０１の偏光軸方向とほぼ一致し共にＹ軸方向である。また液晶空間光変調素子５０４は少なくともホモジュニアス型液晶素子から構成される回折型レンズ素子５０５として機能する部位（左斜線表示）と９０度ツイストネマティック液晶から構成され旋光光学素子５０６として機能する部位（右斜線表示）から構成される。さらに、それぞれの機能は、電源５１１から供給される電気信号により制御される。また回折型レンズ素子５０５として機能する部位は焦点距離ｆ１のレンズとして機能し、旋光光学素子５０６として機能する部位は他の部位と比べ入射直線偏光の偏光軸を９０度回転する機能を持つ。また旋光光学素子５０６として機能する部位は集光レンズ５０７の光軸を中心としたほぼ円形領域５０８に作用する。
【００８８】
ここで、図１４を用いて、回折型レンズ素子について説明する。
【００８９】
図１４は一般的なバイナリー型のおよそ透明な位相型回折格子による光の回折現象を表したもので、簡単なため平面に投影した断面図で描いてある。ピッチＰで繰り返しｎ１とｎ２の異なる屈折率を持った厚さｄの位相型回折格子１４０１にレーザー光１４０２が入射すると、回折効果により出射レーザー光が回折を起こす。ここでは簡単のためレーザー光１４０２は位相型回折格子１４０１に対して垂直に入射するとする。このとき普通は、そのまま素通りする光である０次光１４０３と、それぞれθ方向及び−θ方向に回折する１次光１４０４及び−１次光１４０５が発生する（より回折角の大きい高次の回折光も発生するが、割合が小さいため無視した）。このとき回折角θはｓｉｎ（θ）＝λ／Ｐで決定される。ここでλはレーザー光１４０２の波長である。
【００９０】
このときレーザー光１４０２に対するｎ１とｎ２の領域の面積がほぼ等しく、光路長差（ｎ１−ｎ２）×ｄがλ／２であるときこれをロンキー格子といい０次光１４０３は消滅する事が知られている。また光路長差（ｎ１−ｎ２）×ｄがλでかつピッチＰで繰り返して屈折率をｎ１からｎ２まで連続的に滑らかに変化させたとき、これをブレーズド格子といい１次光１４０４のみが発生する事が知られている。また実際はｎ１からｎ２まで１６ステップ以上で段階的に変化させればほぼ理想的なブレーズド格子になる事も知られ、これをマルチレベルバイナリー格子という。また一般に位相型回折格子は不透明な部分のある振幅型回折格子より光利用効率が高く有利である。一般的に知られるように、この回折格子のピッチを連続的に変えていけば、様々なレンズ効果を持たせることが可能で、その代表的なものはフレネルレンズである。
【００９１】
そこで、液晶フレネルレンズを用いた回折型レンズ素子の動作原理について図１５に基づいて説明する。簡単のため断面図で描いたが、実際は光軸１５０３を回転軸とした回転対称形である。液晶フレネルレンズ１５０１には焦点距離ｆ１のレンズとして機能するフレネルレンズのパターンを持った透明電極が形成され、透明電極に適当な電圧を与えることで液晶フレネルレンズ１５０１がレンズとして機能する。このときこの光学装置の焦点距離は液晶フレネルレンズ１５０１と集光レンズ１５０２の合成焦点距離となり、レーザー光１５０４はＰ２点に集光する。また電圧を与えないときは液晶フレネルレンズ１５０１はレンズとして機能しないため、この光学装置の焦点距離は集光レンズ１５０２の焦点距離となり、レーザー光１５０４はＰ１点に集光する。従って液晶フレネルレンズ１５０１に電圧を与える前後で、この光学装置の焦点距離すなわち開口数を変えたことになる。
【００９２】
つぎに、本発明の第５の実施形態で採用される液晶空間光変調素子５０４について図１６（ａ）及び（ｂ）を用いて説明する。図１６（ａ）及び（ｂ）は電気的に制御可能な液晶空間光変調素子５０４の断面構造を描いたものである。光軸近傍は、９０度ツイストネマティック型液晶素子１６０３により構成され、光軸近傍以外は、のホモジェニアス型液晶素子１６０２により構成されている。それぞれの素子の機能については、本発明の第２の実施形態において説明したものと同一である。
【００９３】
また片側のガラス基板には輪帯状の透明電極１６１０が異なるピッチで形成されている。またもう片方のガラス基板には透明電極がほぼ全面にコートされている。このときこの液晶空間光変調素子５０４にＹ軸方向の直線偏光レーザー光１６０４が入射する。
【００９４】
このとき図１６（ａ）に示すように液晶空間光変調素子５０４に電圧が加えられていないときは直線偏光レーザー光１６０４に対して屈折率が一様にｎ１となる。従って回折は起こらず直線偏光１６０４は素通りして出射光１６１１になる。ただし、光軸近傍では、９０度配向軸が旋回され、これにより前述したように超解像が生じることとなる。ただし、厳密には透明電極１６１０によりわずかな回折を生じてしまうが、透明電極１６１０の屈折率と液晶素子の長軸方向の屈折率とが同じになるようにすれば透明電極１６１０による回折は生じない。
【００９５】
次に図１６（ｂ）に示すように、透明電極１６１０間に電源１６０９から十分な電圧を加えると電圧を加えた部分の液晶素子はＺ軸方向の電界によりホメオトロピック状態となる。その結果、直線偏光１６０４に対し異なるピッチで屈折率がｎ１とｎ２を繰り返す構造となる。従って図１４と同様のバイナリー型の位相型回折格子として機能し、０次光１６０５、１次光１６０６、及び−１次光１６０７が発生する。この際、前述したロンキー格子の条件を満たせば０次光１６０５は発生しない。また前述したマルチレベルバイナリー格子の条件を満たせば１次光１６０６しか発生しない。しかしマルチレベル化のためには透明電極１６１０をより細かなピッチで刻み、かつ段階的に電圧を変化させて加える必要がある。
【００９６】
次に前記液晶空間光変調素子５０４の電極形状について図１７を用いて説明する。前記液晶空間光変調素子の電極は、中央に円形領域１７０１と、その外周部に中心を円形領域１７０１と同じくする同心円状の複数の輪帯が配置された輪帯領域１７０２とを有し、それぞれが端子電極１７０３に接続されている。但し、模式的に表したため輪帯の数は４本しか描かれていないが、実際は数十から数百本の輪帯がある。端子電極１７０３を介して電気信号が加えられると、輪帯領域１７０２は回折型レンズとして機能し、同時に円形領域１７０１は旋光性が消失する。
【００９７】
ここで図５に戻り、本発明の第５の実施形態における動作について説明する。最初に回折型レンズ素子５０５の機能は停止し、旋光光学素子５０６の機能を有効とする。このとき旋光光学素子５０６を通過した直線偏光と回折型レンズ素子５０５を通過した直線偏光は互いに直交するため超解像が生じる。またこの際この光学装置の開口数は集光レンズ５０７により決定されることがわかる。また実験では１５％程度の超解像を行うなら直線偏光レーザー光５０３の光束に対する旋光光学素子５０６の断面割合は２０％程度となる。この状態をＤＶＤの読み書きに用いる。
【００９８】
この場合、偏光選択手段としての直線偏光検波素子５１０により、本発明の第２の実施形態で説明したように超解像光スポットのサイドローブが除去される。なお、図５においては、光検出部分を省略したため、直線偏光検波素子５１０を集光レンズ５０７と液晶空間光変調素子５０４との間に配置したが、本発明の第４の実施形態の場合と同ように、他の位置に配置することも可能である。
【００９９】
次に旋光光学素子５０６の機能は停止し、回折型レンズ素子５０５の機能を有効とする。この状態では超解像は生じなくなる。またこのとき、この光学装置の焦点距離は回折型光学素子５０６と集光レンズ５０７の合成焦点距離となり、集光レンズ５０７のみの場合と比較して開口数を変えたことになる。このことは別の解釈をすれば、集光レンズ５０７でＣＤを読み取るときに発生する球面収差を回折型レンズ素子で補正すると考えることができる。この状態をＣＤの読み取りに用いる。
【０１００】
厳密に言えば、回折型レンズ素子５０５の中心部分は旋光光学素子５０６であるためレンズとしての作用はほとんどない。しかし、ＤＶＤとＣＤの開口数切り替えに必要な回折型レンズ素子の焦点距離は数十ｍｍから数百ｍｍであるため、もともと中心付近はレンズとしての作用はあまり必要ない。これは先の別解釈によればＣＤの読み取り時に生じる球面収差はレンズ口径の３乗に比例し、中心付近はあまり影響しない。更に先に述べたように１５％程度の超解像を行う場合は、旋光光学素子５０６が中心付近にしめる断面割合は２０％程度のためあまり影響がない。
【０１０１】
前述の説明で明らかなように、回折型レンズ素子５０５の機能と旋光光学素子５０６の機能を制御することで光学装置の実効的な開口数を切り替え、レーザーの実効的な波長を切り替え可能となる。また回折型レンズ素子５０５を動作させた状態をＤＶＤの読み書き用の開口数に設定することも可能だが、この場合は回折型レンズ素子の効率を高くしないとＤＶＤへの書き込みが必要な場合は光パワーが不足する。
【０１０２】
なお、本発明の第５の実施形態においては、回折型レンズ素子５０５の機能と旋光光学素子５０６の機能を同時に発生させているが、別々に発生させるように電気的に制御することも可能である。
【０１０３】
例えば、７８０ｎｍの波長の半導体レーザー光源を用い、公知のＤＶＤ用のピックアップレンズを用い、旋光光学素子５０６の機能のみを発生させて超解像光スポットによりＤＶＤの読取りを行う。また同じ光源及び同じピックアップ用レンズを用いて、回折型レンズ素子５０５の機能のみを発生させてＤＶＤ用のピックアップレンズの球面収差を補正し、ＣＤ又はＣＤ−Ｒの読取り又は書き込みを行うことが可能である。
【０１０４】
特に本発明の第３〜第５の実施形態においては、本発明を光ディスクのピックアップ用に応用した場合について記載したが、本発明は、他の、例えば測定機器、記録用の機器、パワーレーザー応用の機器等のさまざまな機器に応用できることは言うまでも無い。
【０１０５】
また、上記の第１〜第５の実施形態においては、偏光選択手段によって、サイドローブを除去する方法又は装置について述べた。しかしながら、同様の方法及び装置により、サイドローブの成分を除去することも可能である。サイドローブの成分とは、光スポットのサイドローブが光ディスクのピットや傷等に反射して（散乱や回折等により）、サイドローブの山が崩れ、その一部がメインローブ中に含まれたものを言う。前述したように、サイドローブの成分もサイドローブと同ようにメインローブの方位とは異なった方位を有していることから、同様の偏光選択手段によって除去することが可能である。
【０１０６】
今までの説明から明らかなように、本発明による偏光選択手段として旋光光学素子を用いた光学装置においては、簡単な構成で超解像特有のサイドローブ又はその成分を消去することができる。すなわちサイドローブ又はその成分を中心のスポットに取り込んでしまうのではなく、完全に除去することが可能でサイドローブのない超解像が実現できる。
【０１０７】
また本発明におけ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。また偏光選択手段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事が可能である。さらに、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も非常に簡単である。
【０１０８】
また、本発明を光ディスクのピックアップ光学装置に応用する場合においては、直線偏光検波素子を旋光光学素子の直後に設置する必要は必ずしもない。この場合は光信号検出器の手前に直線偏光検波素子を設置すればよい。その結果、光ディスク上に光スポットが集光される途中に直線偏光検波素子を設置する必要がないため光利用効率が高くなる利点がある。
【０１０９】
また、本発明においては電気信号で簡単に超解像と通常解像を切り替えられるので、従来の７８０ｎｍと６５０ｎｍの２本のレーザーを必要としたＤＶＤ−ＣＤ兼用の光ピックアップに比べて、７８０ｎｍのレーザー１本でＤＶＤ−ＣＤ兼用の読取り等の処理が可能となる。
【０１１０】
また、本発明による超解像を行うことにより、単純に開口率を上げるのに比べて、同じ光スポットを得た場合にも、その焦点深度が１０〜２０％アップすることから、光ピックアップのオートフォーカスのサーボマージンが上がる利点がある。さらに、単純に開口率を上げるのに比べて、コマ収差の発生も押さえることが可能となるという利点がある。
【０１１１】
また、レーザー光源がいくら短波長になろうとも、レンズの開口率ＮＡがいくら大きくなろうとも、本発明による超解像を用いれば、そのような光学装置においてサイドローブを気にすることなく、更に光スポット径を２０％程度細くすることができ、しかも必要に応じて超解像と通常解像を電気的に可動部なく簡単に切り替えられるという利点がある。
【０１１２】
また、本発明によるサイドローブの除去方法及び装置は、散乱や回折等の理由でサイドローブの山が崩れ、その一部がメインローブに入ったとしても、そのようなサイドローブの成分をも除去できるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１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２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３の実施形態における光学装置の構成例である。
【図４】  本発明の第４の実施形態における光学装置の構成例である。
【図５】  本発明の第５の実施形態における光学装置の構成例である。
【図６】  超解像光装置の原理を説明する図である。
【図７】  超解像光装置により作られる光スポットを説明する図である。
【図８】  本発明の光学装置により作られる光スポットを説明する図である。
【図９】  本発明の光学装置により作られる光スポットの強度を説明する図である。
【図１０】  本発明の超解像された光スポットの偏光状態を表す図である。
【図１１】  本発明に採用される液晶の作用を表した図である。
【図１２】  液晶素子を用いた旋光光学素子の構成を表した図である。
【図１３】  一般的な液晶の特性を示したグラフである。
【図１４】  バイナリー型の位相型回折格子による光の回折現象を説明した図である。
【図１５】  液晶フレネルレンズを用いた可変焦点光学装置の原理を説明する図である。
【図１６】  本発明に採用される液晶空間光変調素子の基本的な断面構成を示した図である。
【図１７】  本発明に採用される液晶空間光変調素子の透明電極形状を表した図である。
【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５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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