JP3572083B2 - 光ディスク装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、超解像の光ディスク装置に関し、更にはDVD（ディジタルビデオディスク）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ディスク 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）
【０００３】
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。
【０００４】
特に、光ディスク装置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）Supplement28−3,pp.197−200）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
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％程度細くなるようである。
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。
【０００６】
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光価格であるため、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。
本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超解像を実現することを主たる目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明は上記の目的を達成するために、直線偏光を集光する集光光学系を備え、その集光光学系のほぼ焦点上に光ディスクを配置するとともに、該光ディスクで反射してきた光束を光分離素子により前記集光光学系の焦点とは別の位置に集光させ、かつこの集光した光束を光検出素子で検出するようにした光ディスク装置を次のように構成したものである。
【０００８】
直線偏光の光路中に、入射した直線偏光の偏光軸を任 意の角度θだけ旋光可能なθ旋光領域と、入射した直線 偏光の偏光軸をほぼθ−90度旋光可能な（θ−90度）旋 光領域とを有する旋光光学素子を設け、上記θ旋光領域 と（θ−90度）旋光領域をそれぞれ透過した直線偏光の 偏光軸が互いに直交するようにする。
その旋光光学素子は、電気的な制御をもって上記θ旋 光領域と（θ−90度）旋光領域とに区分けされる特性を 有する液晶素子である。
【０００９】
そして、上記光ディスクで反射してきた光束の光路中における上記光分離素子と光検出素子との間に、所定の方位に対する直線偏光成分のみを透過させる直線偏光検波素子を配置し、その直線偏光検波素子の直線偏光成分を透過させる方位が、上記旋光光学素子のθ旋光領域および（θ−90度）旋光領域をそれぞれ透過してきた直線偏光の互いに直交する一方の偏光軸と他方の偏光軸との間の方位で、上記光検出素子で検出される直線偏光からサイドローブを除去する方位に設定されている。
【００１０】
この発明による光ディスク装置は、このように直線偏光の光路中に旋光光学素子を配置し、入射直線偏光の偏光軸方位を部分的に異ならせるようにすることで、入射直線偏光の方位を部分的に互いに異なる方位に変換できる。互いに異なる方位の偏光軸をもつ直線偏光は、相互間での干渉が抑制される。特に、偏光軸が直交関係にある場合は、それら直線偏光の相互間で干渉がなくなる。このように干渉を抑制することで、あたかも一方の直線偏光に対し他方の直線偏光が遮光されているかのごとく振る舞う。その結果、超解像を得ることができる。
【００１１】
また、旋光光学素子は、入射してきた直線偏光の偏光軸を旋光させるためのものであり、同光学素子によって入射直線偏光が遮光されることはない。したがって、同光学素子において直線偏光の大幅な減衰はなく、直線偏光を有効に利用することが可能となる。
このように高い光利用効率を得る本発明の光ディスク 装置は、例えば、近い将来有望視されているデジタルビデオディスク（DVD）や、書き込みおよび書き換えが可能なデジタルビデオディスク（DVD−Ｒ）の光学系に適している。すなわち、DVDやDVD−Ｒも、将来的には高密度の記録が望まれる反面、コスト面から光源として比較的低出力の半導体レーザを用いなければならない。これらの要望を本発明の光ディスク装置は、いずれも解決することができる。
【００１２】
この発明において、旋光光学素子は、入射した直線偏光の偏光軸を任意の角度θだけ旋光可能なθ旋光領域と、入射した直線偏光の偏光軸をほぼθ−90度旋光可能な（θ−90度）旋光領域とを有する構成としたので、旋光光学素子の各領域を透過した直線偏光の偏光軸は、相互に直交することになるため、相互間での干渉現象を確実に抑制して高精度な超解像を得ることが可能となる。
【００１３】
また、旋光光学素子は、入射した直線偏光の偏光軸をほぼ90度旋光可能な90度旋光領域と、入射した直線偏光の偏光軸を旋光せずに該直線偏光を透過可能な非旋光領域とを有する構成としても同様の作用効果を得ることができる。
その旋光光学素子が、電気的な制御をもってθ旋光領域と（θ−90度）旋光領域、あるいは90度旋光領域と非旋光領域とに区分けされる液晶素子であるので、超解像と通常の解像とを簡易に切り替えることが可能となる。
【００１４】
これにより、異なった二種の記録密度モードの光ディスク、（例えばDVD用光ディスクとCD用光ディスク）に対応することも可能となる。
その液晶素子の直線偏光入射側の液晶分子の配向方向を、入射直線偏光の偏光軸方向とほぼ一致あるいは直交させることにより、入射直線偏光を遮光することなく透過することができる。
旋光光学素子のθ旋光領域は、用途に応じて、例えば入射直線偏光の光軸を中心としたほぼ円形または長方形の領域とすればよい。この場合、θ旋光領域以外の領域を（θ−90度）旋光領域とする。
【００１５】
また、この旋光光学素子として90度ツイストネマティック型の液晶素子を用い、該液晶素子の直線偏光入射側の液晶分子の配向方向を、入射直線偏光の偏光軸方向とほぼ一致あるいは直交させるとともに、液晶素子の一部を、液晶分子が入射直線偏光の偏光軸方向に配向するホモジェニアス領域とすることにより、該領域を上記非旋光領域することによっても、同様の作用効果を得ることができる。
ここで、少なくとも90度旋光領域を、電圧印加によってホメオトロピック配向となる構成とすれば、超解像と通常の解像とを簡易に切り替えることが可能となる。また、90度ツイストネマティック型液晶素子の少なくとも入射直線偏光が透過する領域全体を90度旋光領域とするとともに、その90度旋光領域の一部を電圧印加によりホメオトロピック配向となるようにして非旋光領域としてもよい。
【００１６】
ここで、旋光光学素子の90度旋光領域または非旋光領域のいずれか一方は、用途に応じて、例えば入射直線偏光の光軸を中心としたほぼ円形または長方形領域とすればよい。
さて、直線偏光の光路中に旋光光学素子を挿入することにより超解像を実現した場合、既述の遮蔽板を利用した従来技術と同様、集光ビームスポットの両脇に超解像現象特有のサイドローブ（側波帯）が生じる。このサイドドローブは、特に光ディスクに記録された信号の読み取りに際して、信号ノイズとして表われ、信号の再生品質を低下させる要因となる。
【００１７】
従来技術（前記文献参照）においては、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で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多少のサイドローブが発生する。
【００１８】
そこでこの発明では、光ディスクの信号読み取りを行 なう光ディスク装置、具体的には、集光光学系のほぼ焦点上に光ディスクが配置され、該光ディスクで反射してきた光束を集光光学系の焦点とは別の位置に集光させ、かつこの集光した光束を光検出素子で検出するようにした光ディスク装置において、光ディスクで反射してきた光束の光路中に、所定の方位に対する直線偏光成分のみを透過する直線偏光検波素子を設置した構成としてある。
ここで、直線偏光検波素子の直線偏光成分を透過する方位は、上記光検出素子で検出される直線偏光からサイドローブを除去する方位に調整することにより、サイドローブのみを遮光して取り出すことが可能となる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
この発明をより詳細に説明するために、添付図面にしたがって、この発明の基礎となる参考例およびこの発明の実施例を説明する。
参考例１−Ａ
図１は、この発明の基礎となる光学装置を光ディスク装置に適用した参考例１−Ａを示す図である。
この例では、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、および集光光学系104により光ディスク装置の光学系を構成している。
【００２０】
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θ度旋光させる領域103aと、（θ−90）度旋光させる領域103bとで構成している。
【００２１】
図１では、ハッチングで表示するように、θ度旋光させる領域103aは、光軸を中心とする長方形に形成してある。したがって、このθ度旋光させる領域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に入射する光束は、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、図１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。
【００２２】
一方、（θ−90）度旋光させる領域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10aと、長方形領域以外の領域104bに入射した直線偏光10bとは、偏光軸が互いに直交している。そして、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。
【００２３】
したがって、光ディスク105への情報記録に際しては、ビームスポット114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、図１に示した光ディスク装置では、旋光光学素子103を集光光学系104の前方に配置したが、同光学素子103を集光光学系104の後方に配置しても、同様の効果を得ることができる。
【００２４】
ただし、集光光学系104の後方に配置する場合には、なるべく集光光学系104の近傍に旋光光学素子103を配置することが望ましい。具体的には、集光光学系104の入射瞳位置あるいはその近傍に配置すればよい。一般に、光学系の入射瞳位置は幾何光学的に決定することができる。例えば、光ディスク装置の光学系の場合、集光光学系に通常単一のレンズを用いるため、入射瞳位置は該レンズの入射側表面とほぼ接する位置となる。
【００２５】
また、旋光光学素子103は、平行光束中に配置してあるため、同光学素子103を平行平面板のように光学的に位相分布のない形状とすれば、光学系の収差に影響を与えることはない。仮に、旋光光学素子103を挿入する光学系の構造に起因して、旋光光学素子103がその光学系の収差に影響を与える可能性があるときは、旋光光学素子103の存在を考慮して集光光学系104を設計するか、旋光光学素子103に収差補正のための位相分布をもたせればよい。
【００２６】
図１に示した光ディスク装置では、旋光光学素子103におけるθ度旋光させる領域103aを長方形に形成したが、同領域を光軸を中心とする円形領域としてもよい。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、θ度旋光させる領域103a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。
【００２７】
参考例１−Ｂ
図２は、この発明の基礎となる光学装置をマスク露光装置に適用した参考例１−Ｂを示す図である。
周知のごとく、マスク露光装置は大規模集積回路基盤や液晶ガラス基盤への回路パターン等の焼き付けに利用されている。
【００２８】
図２において、図１と同一部分には同一符号を付してある。図２に示す光学系では、集光光学系として結像光学系204が用いられ、結像光学系204によりフォトマスク201に描かれたパターンが露光基盤205に投影される。また、図２の光学系では、旋光光学素子203のθ度旋光させる領域203aは、光軸を中心とする円形領域に形成してある。したがって、θ度旋光した直線偏光20aは、結像光学系204の光軸を中心とする円形領域204aに入射する。その結果、露光基盤205上では互いに直交するＸ軸,Y軸の両方向成分ともに超解像を得ることができる。
【００２９】
すなわち、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20は、フォトマスク201を透過後、旋光光学素子203に入射する。この直線偏光20は、偏光軸20yがＹ軸方向を向いているものとする。
この直線偏光20は、旋光光学素子203の旋光機能により偏光軸20yの方向が回転する。ここで、旋光光学素子203は、入射直線偏光をＹ軸と直交するＸ軸方向に向けてθ度旋光させる領域203aと、（θ−90）度旋光させる領域203bとで構成してある。θ度旋光させる領域203aは、既述したように光軸を中心とする円形領域となっている。
【００３０】
旋光光学素子203のθ度旋光させる領域203aを透過して、Ｘ軸方向にθ度旋光した直線偏光20aは、結像光学系204の光軸Ｏを中心とした円形領域204aに入射する。
この円形領域204aは、結像光学系204に入射する有効光束21の一部分となっている。また、図２では結像光学系204に入射する光束を制限する絞等を用いていないため、有効光束21は旋光光学素子203を透過する直線偏光20の光束と一致している。
【００３１】
一方、（θ−90）度旋光させる領域204bを透過した直線偏光20bは、結像光学系204の円形領域以外の領域204bに入射する。
ここで、円形領域204aに入射した直線偏光と、円形領域以外の領域204bに入射した直線偏光とは、偏光軸が互いに直交している。その結果、露光基盤205上ではＸ軸,Y軸の両方向成分ともに超解像が生じる。
なお、図２に示したマスク露光装置においても、旋光光学素子203を結像光学系204の後方に配置することができる。旋光光学素子203は、平行光束中に配置してあるため、同光学素子203を平行平面板のように光学的に位相分布のない形状とすれば、光学系の収差に影響を与えることはない。
【００３２】
参考例１−Ｃ
図３は、旋光光学素子としてツイストネマティック型液晶を用いた参考例１−Ｃを示す図である。
同図に示す光学系により、光学系の理論限界を越えた微小ビームスポットを得る超解像光学装置を構成することができる。
まず、同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。
【００３３】
図４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。
図４の（Ａ）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盤1,2の間に液晶分子３を封入した構成となっている。入射側のガラス基盤１は、配向軸方向1aをＹ軸方向としている。また、出射側のガラス基盤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としている。
【００３４】
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、図４の（Ａ）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。
【００３５】
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。
【００３６】
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、ガラス基盤1,2にコートされた透明電極を介して、液晶素子にＺ軸方向（光の進行方向）の電界を加えると、図４の（Ｂ）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。
【００３７】
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。
図３に示す参考例では、上述した特性を有する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。なお、図３において、図１と同一部分には同一符号を付している。
【００３８】
同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、入射直線偏光30の偏光軸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30は、液晶素子303に入射する。液晶素子303は、ホモジェニアス領域303aと90度ツイストネマティック領域303bとで構成している。
【００３９】
この例では、ホモジェニアス領域303aを光軸Ｏを中心とする長方形に形成している。このホモジェニアス領域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。
液晶素子303のホモジェニアス領域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303a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。
【００４０】
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、図３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、Ｐ点に集光しビームスポットを形成する。
【００４１】
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はＸ軸方向成分に対して超解像が生じる。
【００４２】
図５は、この参考例１−Ｃの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の液晶封入領域311が設けてある。液晶封入領域311の中央に幅1mmのほぼ長方形をしたホモジェニアス領域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。
【００４３】
光が入射する側の液晶分子の配向軸方向313は、長方形であるホモジェニアス領域312aの長辺の方向と一致し、これをＹ軸方向とする。また、光軸は紙面垂直のＺ軸方向に延びている。上部には電極314,314があり、十分な外部電圧を加える事で液晶封入領域全域を、ホメオトロピックにすることが可能となっている。なお、この液晶素子は、波長633nmの光に対し既述した式（２）に関し、15の平方根をほぼ満足している。
実際の光学系では、直線偏光30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。
【００４４】
図６の（Ａ）は、この参考例１−Ｃで得られたＰ点におけるＸ軸方向のビームスポットプロファイルを示している。また、図６の（Ｂ）は、この参考例１−Ｃの光学系における液晶素子303を取り除いた構成で得た、Ｐ点におけるＸ軸方向のビームスポットプロファイルを示している。
図６の（Ａ）のビームスポットプロフイルBSPは、図 ６の（Ｂ）のビームスポットプロファイル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、図６の（Ａ）のビームスポットプロファイル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。
【００４５】
図６の（Ｃ）は、この参考例１−Ｃ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、Ｐ点におけるＸ軸方向のビームスポットプロファイルBSPを示している。
光利用効率を調べると、この参考例１−Ｃ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（図６の（Ａ），（Ｂ）参照）。もっとも、液晶ガラス基盤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。
【００４６】
これに対し、遮蔽板を用いた上記従来装置の構成では、約40％もの光強度の減衰が見られた（図６の （Ａ），（Ｃ）参照）。
また、参考例１−Ｃの構成において、液晶素子303に電圧を印加することにより、液晶素子303の全領域をＺ軸方向にホメオトロピックとしたとき、Ｐ点におけるビームスポットプロファイルは、図６の（Ｂ）とほぼ一致した。これは偏光軸の旋光が生じなくなるからである（図４の（Ｂ）参照。）すなわち、参考例１−Ｃの構成によれば、液晶素子303に対する電圧制御をもって、簡易に超解像と通常の解像とを任意に実現することができる。
【００４７】
また、超解像を実現する場合であっても、液晶素子303に適度なバイアス電圧を加えておくことにより、超解像の効果が向上した。これは、液晶が動作し始める近傍のバイアス電圧を加えることで複屈折性が少なくなり、旋光現象が効率よく生じることに起因しているものと思われる。
参考例１−Ｃの構成において、液晶素子303のホモジェニアス領域303aは直線偏光の偏光軸を旋光させないようにするための領域として機能している。
【００４８】
このような機能は、同領域に液晶層を形成しないことでも実現できる。ただし、その場合は、液晶層がある領域と液晶層がない領域とで光路長が変わってしまうため、入射直線偏光の位相変調が生じるおそれがある。したがって、集光光学系104あるいはその他の光学系を用いて該位相変調を補正する必要が生じるであろう。
また参考例１−Ｃの構成において、液晶素子303のホモジェニアス領域303aをθ度ツイストネマティック液晶領域とするとともに、90度ツイストネマティック領域303bを（θ−90）度ツイストネマティック領域とした構成にしても、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。
【００４９】
参考例２−Ａ
図７は、この発明の基礎となる光学装置を光ディスク装置に適用した参考例２−Ａを示す図である。なお、同図において図１と同一部分には同一符号を付している。
この例では、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403、および集光光学系104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40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40はその偏光軸40yがＹ軸方向に向いているものとする。
【００５０】
旋光光学素子403は、電圧が印加されていない状態では、入射してきた直線偏光40の偏光軸40yをＹ軸と直交するＸ軸方向に向けて90度回転させる旋光機能を有している。また、旋光光学素子403の一部領域は、電圧印加により旋光機能が消失する非旋光領域403aを形成している。このため、旋光光学素子403は、非旋光領域403aへの電圧印加により、非旋光領域403aと90度旋光させる領域403bとに機能分割される。
【００５１】
非旋光領域403aに電圧が印加されている状態の旋光光学素子403に、コリメートレンズ102を透過してきた直線偏光40が入射すると、90度旋光させる領域403bのみで、直線偏光40の偏光軸40yがＸ軸方向に向けて90度回転する。
【００５２】
図７では、ハッチングで表示するように、非旋光領域403aは、光軸を中心とする長方形に形成してある。したがって、この非旋光領域403aを透過した直線偏光40a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41の一部分となっている。また、図７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41は旋光光学素子403を透過する直線偏光40の光束と一致している。
一方、90度旋光させる領域403bを透過して偏光軸が90度回転した直線偏光40bは、集光光学系104の長方形領域以外の領域104aに入射する。
【００５３】
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。そして、長方形領域104aのうちＸ軸方向が有効光束41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。
したがって、光ディスク105への情報記録に際しては、ビームスポット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。
【００５４】
また、非旋光領域403aに対する電圧制御によって、簡単に超解像と通常の解像とを切り替えることができる。
なお、図７に示した光ディスク装置では、旋光光学素子403を集光光学系104の前方に配置したが、同光学素子403を集光光学系104の後方に配置しても、同様の効果を得ることができる。
ただし、集光光学系104の後方に配置する場合には、なるべく集光光学系104の近傍に旋光光学素子403を配置することが望ましい。具体的には、集光光学系104の入射瞳位置あるいはその近傍に配置すればよい。一般に、光学系の入射瞳位置は幾何光学的に決定することができる。例えば、光ディスク装置の光学系の場合、集光光学系に通常単一のレンズを用いるため、入射瞳位置は該レンズの入射側表面とほぼ接する位置となる。
【００５５】
また、旋光光学素子403は、平行光束中に配置してあるため、同光学素子403を平行平面板のように光学的に位相分布のない形状とすれば、光学系の収差に影響を与えることはない。仮に、旋光光学素子403を挿入する光学系の構造に起因して、旋光光学素子403がその光学系の収差に影響を与える可能性があるときは、旋光光学素子403の存在を考慮して集光光学系104を設計するか、旋光光学素子403に収差補正のための位相分布をもたせればよい。
【００５６】
図７に示した光ディスク装置では、旋光光学素子403における非旋光領域403aを長方形に形成したが、同領域を光軸を中心とする円形領域としてもよい。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、非旋光領域403a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。
また、図７における非旋光領域403aを90度旋光させる領域とし、同図における90度旋光させる領域403bを非旋光領域とすることもできる。この場合は、非旋光領域とした領域のみに電圧を印加すれば、各領域を透過した直線偏光の偏光軸が互いに直交することになるため、超解像を得ることができる。
【００５７】
参考例２−Ｂ
図８は、この発明の基礎となる光学装置をマスク露光装置に適用した参考例２−Ｂを示す図である。
周知のごとく、マスク露光装置は大規模集積回路基盤や液晶ガラス基盤への回路パターン等の焼き付けに利用されている。
図８において、図２と同一部分には同一符号を付している。図８に示す光学系では、集光光学系として結像光学系204が用いられ、結像光学系204によりフォトマスク201に描かれたパターンが露光基盤205に投影される。
【００５８】
また、図８の光学系では、旋光光学素子503の非旋光領域503aは、光軸を中心とする円形領域に形成してある。したがって、この非旋光領域503aを透過した直線偏光50aは、結像光学系204の光軸Ｏを中心とする円形領域204aに入射する。その結果、露光基盤205上では互いに直交するＸ軸,Y軸の両方向成分ともに超解像を得ることができる。
すなわち、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50は、フォトマスク201を透過後、旋光光学素子503に入射する。この直線偏光50は、偏光軸50yがＹ軸方向を向いているものとする。
【００５９】
旋光光学素子503は、電圧が印加されていない状態では、入射してきた直線偏光50の偏光軸50yをＹ軸と直交するＸ軸方向に向けて90度回転させる旋光機能を有している。また、旋光光学素子503の一部領域は、電圧印加により旋光機能が消失する非旋光領域503aを形成している。このため、旋光光学素子503は、非旋光領域503aへの電圧印加により、非旋光領域503aと90度旋光させる領域503bとに機能分割される。
【００６０】
非旋光領域503aに電圧が印加されている状態の旋光光学素子503に、コリメートレンズ102を透過してきた直線偏光50が入射すると、90度旋光させる領域503bのみで、直線偏光50の偏光軸50yがＸ軸方向に向けて90度回転する。
旋光光学素子503の非旋光領域503aを透過した直線偏光50a（偏光軸は回転せず）は、結像光学系204の光軸Ｏを中心とした円形領域204aに入射する。この円形領域204aは、結像光学系204に入射する有効光束51の一部分となっている。また、図８では結像光学系204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51は旋光光学素子503を透過する直線偏光50の光束と一致している。
【００６１】
一方、90度旋光させる領域503bを透過した直線偏光50b（Ｘ軸方向に偏光軸が90度回転）は、結像光学系204の円形領域以外の領域204bに入射する。
ここで、円形領域204aに入射した直線偏光と、円形領域以外の領域204bに入射した直線偏光とは、偏光軸が互いに直交している。その結果、露光基盤205上では互いに直交するＸ軸,Y軸の両方向成分ともに超解像が生じる。
【００６２】
この参考例−Ｂにおいても、非旋光領域503aに対する電圧制御によって、簡単に超解像と通常の解像とを切り替えることができる。
なお、図８に示したマスク露光装置においても、旋光光学素子503を結像光学系204の後方に配置することができる。旋光光学素子503は、平行光束中に配置してあるため、同光学素子503を平行平面板のように光学的に位相分布のない形状とすれば、光学系の収差に影響を与えることはない。
【００６３】
参考例２−Ｃ
図９は、旋光光学素子としてツイストネマティック型液晶を用いた参考例２−Ｃを示す図である。なお、図９において、図７と同一部分には同一符号を付している。
図９に示す光学系により、光学系の理論限界を越えた微小ビームスポットを得る超解像光学装置を構成することができる。
【００６４】
ツイストネマティック型液晶の一般的な旋光機能については、図４の（Ａ），（Ｂ）図に基づき既述したとおりである。
この参考例２−Ｃでは、90度ツイストネマティック型の液晶素子603を旋光光学素子として利用している。この液晶素子603は、ホモジェニアス配向をする領域を形成しておらず、電圧を印加しない状態では全ての領域が、90度ツイストネマティック配向となっている。
【００６５】
そして、一部の領域に電圧を印加する構造とし、該領域のみを電圧印加によりホメオトロピックの状態となるように構成してある。すなわち、この参考例２−Ｃの液晶素子603は、一部領域への電圧印加によって、該電圧印加領域がホメオトロピック領域603aとなり、それ以外の領域が90度ツイストネマティック領域603bとなる。
この例の超解像光学装置によって超解像を得る際には、ホメオトロピック領域603aとなるべき領域に、透明電極を介して液晶分子に十分な電圧が印加される。
【００６６】
図９に示す光学系において、直線偏光60が入射する側の液晶素子603の配向軸の方向は、偏光軸60y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60は、液晶素子603に入射する。
この例では、ホメオトロピック領域603a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603aのＹ軸方向の長さは、直線偏光60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60の光束領域の一部をカバーする寸法に設定してある。
【００６７】
液晶素子603のホメオトロピック領域603aに入射した直線偏光60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60a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61の一部分となっている。また、図９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61は、液晶素子603を透過する直線偏光60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、Ｐ点に集光しビームスポットを形成する。
【００６８】
一方、90度ツイストネマティック領域603bを透過した直線偏光60b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。
【００６９】
図10は、この参考例２−Ｃの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610は、例えば外形が15mm程度の正方形で、中央部に直径10mmの液晶封入領域611が設けてある。液晶封入領域611の中央部には、電圧印加時に幅1mmのほぼ長方形をしたホメオトロピック領域612aが形成され、その他の領域は90度ツイストネマティック領域612bが形成される。
【００７０】
光が入射する側の液晶分子の配向軸方向613は、長方形であるホメオトロピック領域612aの長辺の方向と一致し、これをＹ軸方向とする。また、光軸は紙面垂直のＺ軸方向に延びている。
上部には電極614,614があり、十分な外部電圧を加える事でホメオトロピック領域612aを形成することができる。なお、この液晶素子は、波長633nmの光に対し既述した式（２）に関し、15の平方根をほぼ満足している。
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603から約5cm離れて設置してある。
【００７１】
図11の（Ａ）は、この参考例２−Ｃで得られたＰ点におけるＸ軸方向のビームスポットプロファイルを示している。また、図11の（Ｂ）は、この参考例２−Ｃの液晶素子603におけるホメオトロピック領域603aへの電圧を除去した状態で得た、Ｐ点におけるＸ軸方向のビームスポットプロファイルを示している。
【００７２】
図11の（Ａ）のビームスポットプロファイルBSPは、図11の（Ｂ）のビームスポットプロファイル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、図11の（Ａ）のビームスポットプロファイル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。
図11の（Ｃ）は、この参考例２−Ｃの液晶素子603を取り除き、代わりに集光光学系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で得た、Ｐ点におけるＸ軸方向のビームスポットプロファイルBSPを示している。
【００７３】
光利用効率を調べると、この参考例２−Ｃにおいては液晶素子603により約15％の光強度の減衰が見られた（図11の（Ａ），（Ｂ）参照）。もっとも、液晶ガラス基盤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、遮蔽板を用いた構成では、約40％もの光強度の減衰が見られた（図11の（Ａ），（Ｃ）参照）。
また、90度ツイストネマティック領域603bにも適度なバイアス電圧を加えておくことにより、超解像の効果が向上した。これは、液晶が動作し始める近傍のバイアス電圧を加えることで複屈折性が少なくなり、旋光現象が効率よく生じることに起因しているものと思われる。
【００７４】
参考例２−Ｃの構成において、液晶素子603のホメオトロピック領域603aは偏光直線偏光の偏光軸を旋光させないようにするための領域として機能している。このような機能は、同領域に液晶層を形成しないことでも実現できる。ただし、その場合は、液晶層がある領域と液晶層がない領域とで光路長が変わってしまうため、入射直線偏光の位相変調が生じるおそれがある。したがって、集光光学系104あるいはその他の光学系を用いて該位相変調を補正する必要が生じるであろう。
【００７５】
また、ホメオトロピック領域603aは、最初からホメオトロピック配向もしくはホモジェニアス配向させておいてもよい。ただし、この場合は液晶素子の製作の際に90度ツイストネマティック配向と、ホメオトロピック配向もしくはホモジェニアス配向とを施す必要があり、このためにはマスクラビング、すなわち一方の配向中は他方の配向領域をマスクするなどの複雑な配向手法が要求される。
【００７６】
参考例３−Ａ
図12は、この発明の基礎となる光学装置を光ディスク装置に適用した参考例３−Ａを示す図である。なお、図12において図１と同一部分には同一符号を付してある。
この参考例では、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、および直線偏光検波素子703により、光ディスク装置の光学系を構成している。
【００７７】
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θ度旋光させる領域103aと、（θ−90）度旋光させる領域103bとで構成してある。
【００７８】
図12では、ハッチングで表示するように、θ度旋光させる領域103aは、光軸を中心とする長方形に形成してある。したがって、このθ度旋光させる領域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、図12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。
【００７９】
一方、（θ−90）度旋光させる領域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。これら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。そして、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。
【００８０】
したがって、光ディスク105への情報記録に際しては、ビームスポット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。
【００８１】
なお、図12に示した光ディスク装置では、旋光光学素子103におけるθ度旋光させる領域103aを長方形に形成したが、同領域を光軸を中心とする円形領域としてもよい。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、θ度旋光させる領域103a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。
【００８２】
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、後述するこの発明 の実施例と同様に、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。
【００８３】
図13には、上述した参考例３−Ａの変形例を示している。なお、図13において図12と同一部分には同一符号を付してある。
図13に示す変形例では、光分離素子は用いておらず、代わりに光ディスク105を傾けて配置した構造となっている。
【００８４】
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と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で反射した光束13の光路中に、参考例３−Ａ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。
【００８５】
実施例
図14は、旋光光学素子としてツイストネマティック型液晶を用いたこの発明による光ディスク装置の一実施例を示す図である。なお、図14において、図３及び図12と同一部分には同一符号を付している。
図14に示す光学系により、光学系の理論限界を越えた微小ビームスポットを得る超解像光学装置を構成することができる。
ツイストネマティック型液晶の一般的な旋光機能については、図４の（Ａ），（Ｂ）に基づき既述したとおりである。
【００８６】
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。
図14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30は、液晶素子303に入射する。液晶素子303は、ホモジェニアス領域303aと90度ツイストネマティック領域303bとで構成してある。
【００８７】
この実施例では、ホモジェニアス領域303aを光軸を中心とする長方形に形成してある。このホモジェニアス領域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。
液晶素子303のホモジェニアス領域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。
【００８８】
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、図14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。
【００８９】
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30a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。
【００９０】
図15は、この実施例の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の液晶封入領域311が設けてある。液晶封入領域311の中央に幅1mmのほぼ長方形をしたホモジェニアス領域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。
【００９１】
光が入射する側の液晶分子の配向軸方向313は、長方形であるホモジェニアス領域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。上部には電極314,314があり、十分な外部電圧を加える事で液晶封入領域全域を、ホメオトロピックにすることが可能となっている。なお、この液晶素子は、波長633nmの光に対し既述した式（２）に関し、15の平方根をほぼ満足している。
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。
【００９２】
図16の（Ａ）は、この実施例で得られたＰ点におけるＸ軸方向のビームスポットプロファイルを示している。また、図16の（Ｂ）は、この実施例の光学系における液晶素子305を取り除いた構成で得た、Ｐ点におけるＸ軸方向のビームスポットプロファイルを示している。
図16の（Ａ）のビームスポットプロファイルBSPは、図16の（Ｂ）のビームスポットプロファイル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、図16の（Ａ）のビームスポットプロファイル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。
【００９３】
図16の（Ｃ）は、この実施例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、Ｐ点におけるＸ軸方向のビームスポットプロファイルBSPを示している。
光利用効率を調べると、本実施例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（図16の （Ａ），（Ｂ）参照）。もっとも、液晶ガラス基盤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、遮蔽板を用いた上記従来装置の構成では、約40％もの光強度の減衰が見られた（図16の （Ｂ），（Ｃ）参照）。
【００９４】
また、この実施例の構成において、液晶素子303に電圧を印加することにより、液晶素子303の全領域をＺ軸方向にホメオトロピックとしたとき、Ｐ点におけるビームスポットプロファイルは、図16の（Ｂ）とほぼ一致した。これは偏光軸の旋光が生じなくなるからである（図 ４の（Ｂ）参照）。すなわち、この実施例の構成によれば、液晶素子303に対する電圧制御をもって、簡易に超解像と通常の解像とを任意に実現することができる。
なお、超解像を実現する場合であっても、液晶素子303に適度なバイアス電圧を加えておくことにより、超解像の効果が向上した。これは、液晶が動作し始める近傍のバイアス電圧を加えることで複屈折性が少なくなり、旋光現象が効率よく生じることに起因しているものと思われる。
【００９５】
この実施例の構成において、液晶素子303のホモジェニアス領域303aは偏光直線偏光の偏光軸を旋光させないようにするための領域として機能している。このような機能は同領域に液晶層を形成しないことでも実現できる。ただし、その場合は、液晶層がある領域と液晶層がない領域とで光路長が変わってしまうため、入射直線偏光の位相変調が生じるおそれがある。したがって、集光光学系104あるいはその他の光学系を用いて該位相変調を補正する必要が生じるであろう。
【００９６】
また、この実施例の構成において、液晶素子303のホモジェニアス領域303aをθ度ツイストネマティック液晶領域とするとともに、90度ツイストネマティック領域303bを（θ−90）度ツイストネマティック領域とした構成にしても、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。
【００９７】
さて、ビームスポットＰの同一平面上には、反射型の光ディスク105が光軸Ｏとほぼ直交して配置してある。したがって、ビームスポット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してある。
【００９８】
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により検出される構成となっている。分離された光束32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、後述するように集光スポットＱからサイドローブを除去する機能を有している。
この実施例では、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。
【００９９】
図17の（Ａ）は、この実施例の構成で光検出素子704により検出した集光スポットＱのビームスポットプロファイルBSPである。ビームスポットプロファイル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、ビームスポットプロファイルの半値幅の広がりは、ほとんど影響がない。
図17の（Ｂ）は、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のビームスポットプロファイルBSPである。同図に示すように、ビームスポットプロファイル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。
【０１００】
図18は、この実施例で用いた直線偏光検波素子の方位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。
図18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。
【０１０１】
図18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、図18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。
【０１０２】
参考例４−Ａ
図19は、この発明に関連する光学装置を光ディスク装置に適用した参考例４−Ａを示す図である。なお、図19図において、図12と同一部分には同一符号を付してある。
この参考例では、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803、集光光学系104、光分離素子701、集光光学系702、および直線偏光検波素子703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。
【０１０３】
この直線偏光80が、旋光光学素子803を透過すると、同光学素子803の旋光機能により、偏光軸80yの方向が回転する。すなわち、旋光光学素子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θ度旋光させる領域803aと、（θ−90）度旋光させる領域803bとで構成してある。
図19では、ハッチングで表示するように、θ度旋光させる領域803aは、光軸を中心とする円形に形成してある。したがって、このθ度旋光させる領域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。
【０１０４】
この参考例では、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、図19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803を透過する直線偏光80の光束と一致している。
一方、（θ−90）度旋光させる領域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。
【０１０５】
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、回折の偏光依存もほとんど発生しない。
【０１０６】
分離された光束82は、集光光学系702で再び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上に光検出素子704が配置してある。
また、分離された光束82に軌道上には、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の方位（直線偏光を透過させる方位）をθ方向に調整すると、（θ−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の方位と直交することになる。その結果、（θ−90）度旋光した直線偏光80bの成分が遮光される。
【０１０７】
この光の状態は、CDやCD−ROMの再生に好適である。すなわち（θ−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用のディスク基盤と厚みが異なる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（θ−90）度旋光した直線偏光80bの成分を遮光することで、CDやCD−ROMの再生精度を向上させることができる。
【０１０８】
一方、DVDの再生に使用する際は、旋光光学素子803における（θ−90）度旋光させる領域803bについてもθ度旋光させる領域に切り替え、旋光光学素子803の全領域で、直線偏光をθ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。
【０１０９】
参考例４−Ｂ
図20は、旋光光学素子としてツイストネマティック型液晶を用いた参考例４−Ｂを示す図である。なお、図20図において、図19と同一部分には同一符号を付してい る。
ツイストネマティック型液晶の一般的な旋光機能については、図４の（Ａ），（Ｂ）に基づき既述したとおりである。図20に示す参考例では、そのような既述の特性を有するツイストネマティック型の液晶素子903を旋光光学素子として利用している。
【０１１０】
図20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、ホモジェニアス領域903aと90度ツイストネマティック領域903bとで構成してある。
【０１１１】
この参考例では、ホモジェニアス領域903aを光軸Ｏを中心とする円形に形成してある。
液晶素子903のホモジェニアス領域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。
【０１１２】
この参考例では、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、図20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、ビームスポットＰを形成する。
【０１１３】
一方、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。
図21は、この参考例で用いる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910は、例えば外形が15mm程度の正方形で、中央部に直径10mmの液晶封入領域911が設けてある。液晶封入領域911の中央に直径3mmのほぼ円形をしたホモジェニアス領域912a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912bを形成している。
【０１１４】
光が入射する側の液晶分子の配向軸方向913はＹ軸方向としてある。また、光軸は紙面に垂直なＺ軸方向に延びている。上部には電極914,914があり、十分な外部電圧を加える事で液晶封入領域全域を、ホメオトロピックにすることが可能となっている。なお、この液晶素子は、波長633nmの光に対し既述した式（２）に関し、15の平方根をほぼ満足している。
【０１１５】
参考例４−Ｂの構成において、液晶素子903のホモジェニアス領域903aは偏光直線偏光の偏光軸を旋光させないようにするための領域として機能している。このような機能は、同領域に液晶層を形成しないことでも実現できる。ただし、その場合は、液晶層がある領域と液晶層がない領域とで光路長が変わってしまうため、入射直線偏光の位相変調が生じるおそれがある。したがって、集光光学系104あるいはその他の光学系を用いて該位相変調を補正する必要が生じるであろう。
【０１１６】
また参考例４−Ｂの構成において、液晶素子903のホモジェニアス領域903aをθ度ツイストネマティック液晶領域とするとともに、90度ツイストネマティック領域903bを（θ−90）度ツイストネマティック領域とした構成にしても、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、同様の効果を得ることができる。
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。
【０１１７】
分離された光束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。
【０１１８】
また、液晶素子903にＺ軸方向の電界を加える事で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。
なお、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。
【０１１９】
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用の円形領域を除いたその外周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。
【０１２０】
【発明の効果】
以上のように、この発明による光ディスク装置は、直線偏光の光路中に旋光光学素子を配置し、入射直線偏光の偏光軸方位を部分的に異ならせるようにすることで、入射直線偏光の方位を部分的に互いに異なる方位に変換でき、その偏光軸が直交関係にある場合は、それら直線偏光の相互間で干渉がなくなる。このように干渉を抑制することで、あたかも一方の直線偏光に対し他方の直線偏光が遮光されているかのごとく振る舞う。その結果、超解像を得ることができる。
【０１２１】
その旋光光学素子が、電気的な制御をもってθ旋光領域と（θ−90度）旋光領域、あるいは90度旋光領域と非旋光領域とに区分けされる液晶素子であるので、超解像と通常の解像とを簡易に切り替えることが可能となる。
また、集光光学系のほぼ焦点上に光ディスクが配置され、その光ディスクで反射してきた光束を集光光学系の焦点とは別の位置に集光させ、かつこの集光した光束を光検出素子で検出するようにした光ディスク装置において、光ディスクで反射してきた光束の光路中に、所定の方位に対する直線偏光成分のみを透過する直線偏光検波素子を設置した構成とし、その直線偏光検波素子の直線偏光成分を透過する方位を、上記光検出素子で検出される直線偏光からサイドローブを除去する方位に調整しているので、ノイズ信号であるサイドローブのみを除去することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の基礎となる光学装置を光ディスク装置に適用した参考例１−Ａを示す図である。
【図２】この発明の基礎となる光学装置をマスク露光装置に適用した参考例１−Ｂを示す図である。
【図３】旋光光学素子としてツイストネマティック型液晶を用いた参考例１−Ｃを示す図である。
【図４】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示した図である。
【図５】参考例１−Ｃの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。
【図６】参考例１−Ｃおよびそれと比較するための光学系によ って得られたＰ点におけるＸ軸方向のビームスポットプロファイルを示す図である。
【図７】この発明の基礎となる光学装置を光ディスク装置に適用した参考例２−Ａを示す図である。
【図８】この発明の基礎となる光学装置をマスク露光装置に適用した参考例２−Ｂを示す図である。
【図９】旋光光学素子としてツイストネマティック型液晶を用いた参考例２−Ｃを示す図である。
【図１０】参考例２−Ｃの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。
【図１１】参考例２−Ｃおよびそれと比較するための光学系によ って得られたＰ点におけるＸ軸方向のビームスポットプロファイルを示す図である。
【図１２】この発明の基礎となる光学装置を光ディスク装置に適用した参考例３−Ａを示す図である。
【図１３】参考例３−Ａの変形例を示す図である。
【図１４】この発明による光ディスク装置の一実施例を示す図である。
【図１５】図14に示した実施例の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。
【図１６】図14に示した実施例およびおよびそれと比較するため の光学系によって得られたＰ点におけるＸ軸方向のビームスポットプロファイルを示す図である。
【図１７】図14に示した実施例およびおよびその直線偏光検波素 子を取り除いた構成で、光検出素子により検出した集光スポットＱのビームスポットプロファイルを示す図であ る。
【図１８】図14に示した実施例における直線偏光検波素子の方位を示す図である。
【図１９】この発明に関連する光学装置を光ディスク装置に適用した参考例４−Ａを示す図である。
【図２０】旋光光学素子としてツイストネマティック型液晶を用いた参考例４−Ｂを示す図である。
【図２１】参考例４−Ｂで用いる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。
【符号の説明】
30:直線偏光 31:有効光束 32:光束 101:直線 偏光レーザ光源 102:コリメートレンズ 104:集光 光学系 105:反射型光ディスク 303:液晶素子（旋 光光学素子） 701:光分離素子 702:集光光学系 703:直線偏光検波素子 704:光検出素子 P:ビー ムスポット

Claims (3)

1. 直線偏光を集光する集光光学系を備え、その集光光学系のほぼ焦点上に光ディスクを配置するとともに、該光ディスクで反射してきた光束を光分離素子により前記集光光学系の焦点とは別の位置に集光させ、かつこの集光した光束を光検出素子で検出するようにした光ディスク装置において、
   直線偏光の光路中に、入射した直線偏光の偏光軸を任意の角度θだけ旋光可能なθ旋光領域と、入射した直線偏光の偏光軸をほぼθ−90度旋光可能な（θ−90度）旋光領域とを有する旋光光学素子を設け、前記θ旋光領域と（θ−90度）旋光領域をそれぞれ透過した直線偏光の偏光軸が互いに直交するようにし、
   前記旋光光学素子は、電気的な制御をもって前記θ旋光領域と（θ−90度）旋光領域とに区分けされる特性を有する液晶素子であり、
   前記光ディスクで反射してきた光束の光路中における前記光分離素子と前記光検出素子との間に、所定の方位に対する直線偏光成分のみを透過させる直線偏光検波素子を配置し、
   該直線偏光検波素子の直線偏光成分を透過させる方位が、前記旋光光学素子の前記θ旋光領域および（θ−90度）旋光領域をそれぞれ透過してきた直線偏光の互いに直交する一方の偏光軸と他方の偏光軸との間の方位で、前記光検出素子で検出される直線偏光からサイドローブを除去する方位に設定されていることを特徴とする光デ ィスク装置。
2. 直線偏光を集光する集光光学系を備え、その集光光学系のほぼ焦点上に光ディスクを配置するとともに、該光ディスクで反射してきた光束を光分離素子により前記集光光学系の焦点とは別の位置に集光させ、かつこの集光した光束を光検出素子で検出するようにした光ディスク装置において、
   直線偏光の光路中に、入射した直線偏光の偏光軸をほぼ90度旋光可能な90度旋光領域と、入射した直線偏光の偏光軸を旋光せずに該直線偏光を透過可能な非旋光領域とを有する旋光光学素子を設け、前記90度旋光領域と非旋光領域をそれぞれ透過した直線偏光の偏光軸が互いに直交するようにし、
   前記旋光光学素子は、電気的な制御をもって前記90度旋光領域と非旋光領域とに区分けされる特性を有する液晶素子であり、
   前記光ディスクで反射してきた光束の光路中における前記光分離素子と前記光検出素子との間に、所定の方位に対する直線偏光成分のみを透過させる直線偏光検波素子を配置し、
   該記直線偏光検波素子の直線偏光成分を透過させる方位は、前記旋光光学素子の前記90度旋光領域および非旋光領域をそれぞれ透過してきた直線偏光の互いに直交する一方の偏光軸と他方の偏光軸との間の方位で、前記光検出素子で検出される直線偏光からサイドローブを除去する方位に設定されていることを特徴とする光ディスク装 置。
3. 請求項２記載の光ディスク装置において、
   前記液晶素子が90度ツイストネマティック型の液晶素子であり、該液晶素子の直線偏光入射側の液晶分子の配向方向を、入射直線偏光の偏光軸方向とほぼ一致あるいはほぼ直交させるとともに、
   前記液晶素子の一部を、液晶分子が入射直線偏光の偏光軸方向に配向するホモジェニアス領域とすることにより該領域を前記非旋光領域とし、少なくとも前記90度旋光領域は、電圧印加によって液晶分子がホメオトロピック配向となるように構成したことを特徴とする光ディスク 装置。

Images