(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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９０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、該直線偏光検波素子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８５度以上マイナス５度以下あるいは５度以上８５度以下の範囲に設定されていることを特徴とする光学装置。
【請求項２】
前記直線偏光検波素子の検波軸の方位は、前記反射光に含まれるサイドロープを実質的に除去する方位に設定されていることを特徴とする請求項１記載の光学装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の光学装置において、前記分離光束を前記光検出素子に対して集光する第２の集光光学系を備えていることを特徴とする光学装置。
【請求項４】
前記直線偏光検波素子は偏光板であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光学装置。
【請求項５】
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９０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ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の光学装置。
【請求項６】
前記旋光光学素子が、９０度ツ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オトロピック配向となって９０度旋光機能を消失することを特徴とする請求項５記載の光学装置。
【請求項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９０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ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の光学装置。
【請求項８】
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２０％以下であることを特徴とする請求項７記載の光学装置。
【請求項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９０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ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の光学装置。
【請求項１０】
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１０％以上４０％以下であることを特徴とする請求項９記載の光学装置。
【発明の詳細な説明】
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ＤＶＤ（ディジタルバーサタイルディスク）やＣＤ（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ＮＡ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×λ÷ＮＡ・・・（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λの光を用いるか、光学系の開口数ＮＡ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ＮＡ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７００nm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ＮＡ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.197-200）。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１０から２０％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、したがっ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ってしまう。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ー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旦集光した位置に、スリットを設置することによってサイドローブを遮蔽し、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、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、サイドロー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目的とする。
発明の開示
この発明は、上記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っ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、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９０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、その直線偏光検波素子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８５度以上マイナス５度以下あるいは５度以上８５度以下の範囲、すなわち、マイナス９０度，０度，および９０度付近を除く範囲に設定したものである。
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、スリットや集光レンズを用いないで反射信号光からサイドローブを除去することができる。
さらに、上記直線偏光検波素子の検波軸の方位を、上記反射光に含まれるサイドロープを実質的に除去する方位に設定するとなおよい。
また、これらの光学装置において、上記分離光束を上記光検出素子に対して集光する第２の集光光学系を備えるのが望ましい。
上記直線偏光検波素子は偏光板であるとよい。
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９０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９０度ツ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オトロピック配向となって９０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９０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するとよい。
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２０％以下とするのがよい。
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９０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。
その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１０％以上４０％以下（特に好ましくは２０％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４Ａ図および第４Ｂ図は、電気的制御が可能な一般的なツ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ツ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６Ａ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軸方向断面におけるプロファイルを示す図である。
第６Ｂ図は同じくその液晶素子３０３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７Ａ図は第３図に示した光学系の光検出素子７０４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７Ｂ図は同じくその直線偏光検波素子７０３を取り除いた光学系の光検出素子７０４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７０３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１０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１１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ツ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、図面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１０１、コリメートレンズ１０２、旋光光学素子１０３、集光光学系１０４、光分離素子７０１、集光光学系７０２、直線偏光検波素子７０３、および光検出素子７０４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１０１から出射した直線偏光１０は、コリメートレンズ１０２によって平面波となる。ここで、直線偏光１０はその偏光軸１０ｙがＹ軸方向に向いているものとする。
この直線偏光１０が、旋光光学素子１０３を透過すると、同光学素子１０３の旋光機能により、偏光軸１０ｙの方向が回転する。すなわち、旋光光学素子１０３は、入射直線偏光１０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１０３ａと、９０度旋光する部位１０３ｂとから構成される。
第１図では、旋光光学素子１０３の０度旋光する（旋光しない）部位１０３ａ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。したがって、この０度旋光する部位１０３ａを透過した直線偏光１０ａは、集光光学系１０４の光軸Ｏを中心とするほぼ長方形の領域１０４ａに入射する。この長方形領域１０４ａは、集光光学系１０４に入射する有効光束１１の一部分となっている。また、第１図では集光光学系１０４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１１は旋光光学素子１０３を透過する直線偏光１０の光束と一致している。
一方、旋光光学素子１０３の９０度旋光する部位１０３ｂを透過した直線偏光１０ｂは、集光光学系１０４の長方形領域以外の領域１０４ｂに入射する。
ここで、長方形領域１０４ａに入射した直線偏光と、長方形領域以外の領域１０４ｂ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偏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１０３の０度旋光する部位１０３ａの旋光機能を電気信号で制御し、９０度旋光する部位に変えれば、集光光学系１０４の長方形領域１０４ａと長方形領域以外の領域１０４ｂにおける直線偏光の偏光軸の直交関係は消滅する。それによって、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１０３の９０度旋光する部位１０３ｂ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１０４ａのうちＸ軸方向が有効光束１１の一部をカバーしているため、集光光学系１０４でつくられる集光スポットＰはＸ軸方向成分に対して超解像が生じる。
したがって、光ディスク１０５への情報記録に際しては、集光光学系１０４の焦点面上の集光スポットＰの位置に光ディスク１０５を配置するとともに、該光ディスク１０５のスパイラル記録溝１０５ａ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１０５ａ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１０３における０度旋光する部位１０３ａ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１０５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１０４を通過した後、光分離素子７０１で分離される。分離された光束１２は集光光学系７０２で再び集光され、集光スポットＱが光検出素子７０４で検出される構成となっている。分離された光束１２の光路中には、直線偏光検波素子７０３が設置してある。
この直線偏光検波素子７０３は、その方位がＸ軸方向とＹ軸方向の間に設置されているため、Ｘ軸方向とＹ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からサイドロー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。
この実施形態では、光分離素子は用いておらず、代わりに光ディスク１０５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１０５を傾けて配置することにより、光ディスク１０５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７０２および光検出素子７０４を設置しておくことで、光検出素子７０４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１０５で反射された光束１３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７０３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からサイドロー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３０３を旋光光学素子として利用している。
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４Ａ図，第４Ｂ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４Ａ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１ａ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２ａ、下半分の領域でＹ軸と直交するＸ軸方向２ｂ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４Ａ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「ホモジェニアス」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９０度回転する。これを「９０度ツイストネマティック」という。
このような特性を有するツ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４ａ、下半分の領域がＸ軸方向４ｂ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n1、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n1×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１ａの方向（すなわち、液晶分子の長軸）と一致し、かつ次式が３，１５，３５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×（n1−n2）×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１ａ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４Ｂ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「ホメオトロピック」という。
このホメオトロピックの状態では、出射直線偏光の偏光軸４ｃ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×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４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９０度ツイストネマティック型の液晶素子３０３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４Ａ図，第４Ｂ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ェニア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３０が入射する側の液晶素子３０３の配向軸の方向は、偏光軸３０ｙ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。
直線偏光レーザ光線１０１から出射し、コリメートレンズ１０２で平面波にされた直線偏光３０は、その偏光軸３０ｙが紙面に平行なＹ軸方向として液晶素子３０３に入射する。液晶素子３０３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、ホメオトロピック領域３０３ａと９０度ツイストネマティック領域３０３ｂとを構成している。すなわちホメオトロピック領域３０３ａ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、ホメオトロピック領域３０３ａを光軸を中心とする長方形に形成してある。このホメオトロピック領域３０３ａのＹ軸方向の長さは、直線偏光３０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３０の光束領域の一部をカバー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１０％以上４０％以下の範囲にするのが効果的である。
液晶素子３０３のホメオトロピック領域３０３ａに入射した直線偏光３０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３０ａは、集光光学系１０４の光軸Ｏを中心としたほぼ長方形領域１０４ａに入射する。
このとき長方形領域１０４ａは、集光光学系１０４に入射する有効光束３１の一部分となっている。また、第３図では集光光学系１０４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３１は、液晶素子３０３を透過する直線偏光３０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１０４を通過した有効光束３１が集光し、ビームスポットＰを形成する。
一方、９０度ツイストネマティック領域３０３ｂを透過した直線偏光３０ｂは、９０度旋光しており、集光光学系１０４における長方形領域以外の領域１０４ｂに入射する。
長方形領域１０４ａと長方形領域以外の領域１０４ｂ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１０４でつくられるビームスポット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１０４ａの有効光束３１に占める面積は、有効光束３１の光軸に直交する面上での面積の１０％以上４０％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ツ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３１０は、例えば外形が１５ｍｍ程度の正方形で、中央部に直径１０ｍｍの液晶を封入した光透過領域３１１が設けてある。その光透過領域３１１の中央には電極部３１４，３１４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１ｍｍのほぼ長方形をしたホメオトロピック領域３１２ａが形成してあり、その他の領域は９０度ツイストネマティック領域３１２ｂ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３１３は、長方形であるホメオトロピック領域３１２ａ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６３３nmの光に対して既述した式（２）に関し、１５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３１０を、第３図における旋光光学素子としての液晶素子３０３として使用すれば、そのホメオトロピック領域３１２ａがホメオトロピック領域３０３ａとなり、９０度ツイストネマティック領域３１２ｂが、９０度ツイストネマティック領域３０３ｂとなる。
実際の光学系では、直線偏光の光束は、直径が約５mmの円形で、集光光学系１０４としては、焦点距離５００mmのレンズが、液晶素子３０３から約５cm離れて設置してある。
第６Ａ図は、第３図に示した光学系による集光スポットＰのＸ軸方向断面のプロファイルを示している。また、第６Ｂ図は、第３図に示した光学系における液晶素子３０３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６Ａ図に示す集光スポットのプロファイルＢＳＰは、第６Ｂ図に示す集光スポットのプロファイルＢＳｐと比べ、中央に発生したピークプロファイルＰＰの半値幅ｄ／２が、約１５％程度細くなっており、超解像が生じていることがわかる。なお、第６Ａ図のプロファイルＢＳＰでは、中央に発生したピークプロファイルＰＰの両脇に、サイドローブＳＰが発生している。
また、第３図の光学系における液晶素子３０３を取り除くとともに、集光光学系１０４の中央部にＸ方向の幅１mm、Ｙ方向の長さ１０mm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６Ａ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３０３のホメオトロピック領域３０３ａへの電気信号を除去し、液晶領域全域を９０度旋光領域に戻すと、集光スポットＰのプロファイルは第６Ｂ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３１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、９０度ツイストネマティック領域３０３ｂ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った。これは、通常のツ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アス電圧を加えると、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３０３により約１５％の光強度の減衰が見られた（第６Ａ図，第６Ｂ図参照）。もっとも、液晶素子のガラス基板に無反射コートを施せば、光強度の減衰を１０％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４０％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３０３のホメオトロピック領域３０３ａをθ度ツイストネマティック液晶領域に変え、９０度ツイストネマティック領域３０３ｂをホメオトロ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１０４の焦点面）上には、光反射部材である反射型の光ディスク１０５が、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、反射型光ディスク１０５の表面で光軸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１０４を透過して、光分離素子７０１で分離される。この光分離素子７０１は、光軸Ｏ上で液晶素子３０３と集光光学系１０４との中間位置に設置されている。
光分離素子７０１で分離された光束３２は、別の集光光学系７０２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７０４により検出される。分離された分離光束３２の光路中には、直線偏光検波素子７０３を設置している。
この直線偏光検波素子７０３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７０１としてプリズムビームスプリッタを、集光光学系７０２として焦点距離５００mmのレンズを、直線偏光検波素子７０３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７０３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３０３に入射する直線偏光３０の偏光軸の方位を基準として、マイナス８５度以上マイナス５度以下あるいは５度以上８５度以下の範囲に設定するのが望ましい。
第７Ａ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７０４により検出した集光スポットＱのプロファイルＢＳＰである。このプロファイルＢＳＰの半値幅ｄ／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１０５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ァイルの半値幅の広がりは、ほとんど影響がない。
第７Ｂ図は、第３図における直線偏光検波素子７０３を取り除いた構成で、光検出素子７０４により検出した集光スポットＱのプロファイルＢＳＰである。同図に示すように、この集光スポットのプロファイルＢＳＰには、サイドローブＳＰが発生していた。このサイドローブＳＰは、光ディスク１０５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７０３の方位７０３ａ、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７０３を透過する光束は、９０度旋光した直線偏光３０ｂと旋光しない直線偏光３０ａとを含んでいる。
第８図において、α軸を９０度旋光した直線偏光３０ｂの偏光軸方向、β軸を旋光しない直線偏光３０ａとすると、α軸に対して約４０度の方位に直線偏光検波素子７０３の方位を調整したとき、集光スポットＱからサイドローブＳＰ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７０３の方位φをずらしていくと、サイドローブＳＰが徐々に現れることが確認された。
第８図に示すように、β軸とα軸との間に直線偏光検波素子７０３の方位７０３ａ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７０３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７０３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、サイドーローブＳＰ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７０３の方位を、φから９０度傾けても現象は等価である。
そこで、直線偏光検波素子７０３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３０３に入射する直線偏光３０の偏光軸の方位を基準として、マイナス８５度以上マイナス５度以下あるいは５度以上８５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ーブの問題を集光レンズや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ＤＶＤ−ＲＡＭ、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（ＤＶＤ）の光学系に非常に適している。なぜなら、今後ＤＶＤ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ＤＶＤ用とＣＤ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、直線偏光レーザ光線１０１、コリメートレンズ１０２、旋光光学素子である液晶素子８０３、集光光学系１０４、光分離素子７０１、集光光学系７０２、直線偏光検波素子７０３、および光検出素子７０４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１０１から出射した直線偏光８０は、コリメートレンズ１０２によって平面波となる。ここで、直線偏光８０はその偏光軸８０ｙがＹ軸方向に向いているものとする。
この直線偏光８０が、液晶素子８０３を透過すると、その旋光機能により、偏光軸８０ｙの方向が部分的に回転する。すなわち、液晶素子８０３は、入射直線偏光８０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８０３ａと、９０度旋光する領域８０３ｂとをつくることができる。
液晶素子８０３はツイストネマティック型の液晶素子であり、第４Ａ図および第４Ｂ図を用いて説明したように、電気信号により９０度ツイストネマティック状態とホメオトロピック状態を切り換えることが可能である。
例えば、第１１図に示す液晶素子９１０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１１図に示す液晶素子９１０は、液晶を封入した光透過領域９１１を、電気信号によりホメオトロピック領域９１２ａと９０度ツイストネマティック領域９１２ｂに機能分割される。すなわち、ホメオトロピック領域９１２ａ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。このホメオトロピック領域９１２ａ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オトロピック領域９１２ａと同じ円形にパターン形成されている。
この液晶素子９１０を第９図に示した旋光光学素子としての液晶素子８０３として使用すると、そのホメオトロピック領域９１２ａが液晶素子８０３のホメオトロピック領域８０３ａとなり、９０度ツイストネマティック領域９１２ｂが液晶素子８０３の９０度ツイストネマティック領域８０３ｂとなる。
この第９図に示した光学系において、液晶素子８０３のホメオトロピック領域８０３ａを透過した直線偏光８０ａは、集光光学系１０４の光軸Ｏを中心とするほぼ円形の領域１０４ａに入射する。この円形領域１０４ａは、集光光学系１０４に入射する有効光束８１の一部分であり、有効光束８１より構成される開口数より小さくなっている。
この実施形態では、有効光束８１による開口をＤＶＤ用に設定し、円形領域８０ａによる開口をＣＤ用に設定している。また、第９図では集光光学系１０４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８１は旋光光学素子である液晶素子８０３を透過する直線偏光８０の光束と一致している。
一方、液晶素子８０３の９０度ツイストネマティック領域８０３ｂを透過した直線偏光８０ｂは、集光光学系１０４の円形領域以外の領域１０４ｂに入射する。
ここで、円形領域１０４ａに入射した直線偏光と、円形領域以外の領域１０４ｂ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１０５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１０４を透過し、光分離素子７０１で分離される。このとき、分離された分離光束８２の偏光状態は、光ディスク１０５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２０nm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８２は、集光光学系７０２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７０４が配置されている。
また、分離光束８２の光路上には、直線偏光検波素子７０３が配設されている。
この直線偏光検波素子７０３の方位（直線偏光を透過させる検波軸の方位）を調整すると、９０度旋光した直線偏光８０ｂの偏光軸が、直線偏光検波素子７０３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、９０度旋光した直線偏光８０ｂの成分が遮光される。
この光の状態は、ＣＤやＣＤ−ＲＯＭの再生に好適である。すなわち９０度旋光した直線偏光８０ｂは、集光光学系１０４の開口数が大きい外周部を通過する光束であり、本来、ＤＶＤに使用する光束の一部である。したがって、ＤＶＤ用のディスク基板と厚みが異なるＣＤ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７０４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８０ｂ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。
一方、ＤＶＤの再生に使用する際は、液晶素子８０３におけるホメオトロピック領域８０３ａについても、９０度ツ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８１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１１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９１０は、外形がおよそ１５ｍｍの正方形をなし、中央部に直径１０ｍｍの液晶を封入した光透過領域９１１があり、全域が９０度ツイストネマティック配向されている。光透過領域９１１は中央部の直径３ｍｍの円形領域９１２ａとその円形外の領域９１２ｂとに電気的に分割されている。すなわち、各領域９１２ａ，９１２ｂに透明電極が独立してコートされている。
そして、電極部９１４からの電気信号により円形領域９１２ａ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９１２ｂは、９０度ツイストネマテッィク領域となる。
この液晶素子９１０の光が入射する側の液晶分子の配向軸方向９１３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９１２ａ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９１１全域を９０度ツ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９１２ａから引き出し線９１５を出す必要があるが、必要に応じて各領域９１２ａ，９１２ｂ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９１２ｂの透明電極に電気信号を印加して、円形外の領域９１２ｂをホメオトロピック領域にして、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９１０は、波長６３３ｎｍの光に対し前述した１５の平方根をほぼ満足している。
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８１内に占めるほぼ円形の領域８０ａの面積は、有効光束８１の光軸に直交する面上での面積の５０％以上８０％以下にするのが望ましく、７０％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５の実施形態を、第１０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１０５としてＣＤを配置した場合を示している。この第１０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９０３を使用している。
第１０図に示す光学系において、直線偏光９０が入射する側の液晶素子９０３の配向軸の方向は、直線偏光９０の偏光軸９０ｙ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１０１から出射し、コリメートレンズ１０２で平面波にされた直線偏光９０は、液晶素子９０３に入射する。液晶素子９０３は電気信号により９０度ツイストネマティックとホメオトロ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１０図における液晶素子９０３は、斜線を施して示す円形領域に十分に電界をかけホメオトロピック領域９０３ａにし、円形外領域を９０度ツイストネマティック領域９０３ｂにして機能分割する。
液晶素子９０３のホメオトロピック領域９０３ａに入射した直線偏光９０は、旋光することなく透過する。続いて、同領域９０３ａを透過した直線偏光９０ａは、集光光学系１０４の光軸Ｏを中心としたほぼ円形領域１０４ａに入射する。
このとき円形領域１０４ａは、集光光学系１０４に入射する有効光束９１の一部分であり、有効光束９１により構成される開口数より小さくなっている。
この実施形態では、有効光束９１による開口数をＤＶＤ用に、円形領域１０４ａによる開口数をＣＤ用に設定してある。
また、集光光学系１０４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９１は、液晶素子９０３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１０４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９０３の９０度ツイストネマティック領域９０３ｂを透過した直線偏光９０ｂは、９０度旋光しており、集光光学系１０４における円形領域以外の領域１０４ｂに入射する。
この実施形態で用いるツイストネマティック形の液晶素子の構成は、第１１図によって説明した液晶素子９１０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１０５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１０５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１０４を透過した後、光分離素子７０１で分離される。
その分離光束９２は、集光光学系７０２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７０４により検出される。
ここで、光分離素子７０１と光検出素子７０４との中間部には、直線偏光検波素子７０３が配設してある。この直線偏光検波素子７０３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１０４ａ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１０４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、ＣＤの再生が可能となる。
また９０度ツイストネマティック領域９０３ｂにも電界を加えてホメオトロピックにして旋光性を失わせれば、有効光束９１全体の成分を取り出せるためＤＶＤ等に使用可能となる。
発明者らの試作した光学系では、直線偏光検波素子７０３として偏光板を用い、有効光束９１の直径は５mm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１０４ａ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７０４としてよく使用されるフォトダイオードは、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９０３として全領域が９０度ツイストネマティック型液晶となっている素子を用い、電界によりＣＤ用の円形外領域をホメオトロピックにしても、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能である。
液晶素子９０３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１５％程度であったが、液晶ガラス基盤に無反射コートを施せば１０％以下にすることは可能である。
この実施形態の場合も、第１０図における直線偏光の有効光束９１内に占めるほぼ円形の領域９０ａの面積は、有効光束９１の光軸に直交する面上での面積の５０％以上８０％以下にするのが望ましく、７０％程度が最適である。
これらの第４，第５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ＤＶＤ−ＲＡＭ、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、ＣＤの再生を兼ね備えた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る。
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、光ディスク装置における光ピックアップに適用すれば、１個の光ピックアップをＤＶＤ用とＣＤ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。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
0003830537.tif 000009
【図７Ａ】
0003830537.tif 000010
【図７Ｂ】
0003830537.tif 000011
【図８】
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【図９】
0003830537.tif 000013
【図１０】
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【図１１】
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