DE19781041B4

DE19781041B4 - Optische Vorrichtung

Info

Publication number: DE19781041B4
Application number: DE19781041T
Authority: DE
Inventors: Nobuyuki Tokorozawa Hashimoto
Original assignee: Citizen Holdings Co Ltd
Current assignee: Citizen Holdings Co Ltd
Priority date: 1996-10-08
Filing date: 1997-10-08
Publication date: 2010-02-18
Anticipated expiration: 2017-10-09
Also published as: US6191829B1; WO1998015952A1; DE19781041T1; JP3572083B2

Abstract

Eine optische Vorrichtung mit einer Fokussierungsoptik (104) zum Fokussieren von linear polarisiertem Licht; wobei
ein optisches Drehelement (303; 310) in einem Strahlengang des linear polarisierten Lichts angeordnet ist, wobei
das optische Drehelement (303; 310) einen optischen Drehbereich aufweist, der fähig ist, die Polarisationsachse des darauf fallenden linear polarisierten Lichtes um 90° optisch zu drehen, und einen optisch nicht drehenden Bereich, der fähig ist, das darauf fallende linear polarisierte Licht hindurchzulassen, ohne die Polarisationsachse des linear polarisierten Lichts optisch zu drehen, so dass das optische Drehelement die Orientierung der Polarisationsachsen des linear polarisierten Lichtes lokal unterschiedlich macht,
der optische Drehbereich kreisförmig oder rechteckig ausgebildet ist, wobei die optische Achse des auf das optische Drehelement fallenden linear polarisierten Lichtes im Zentrum des ersten Drehbereichs vorgesehen ist,
das optische Drehelement durch die Form des optischen Drehbereichs und des optisch nicht drehenden Bereichs ein Strahlfleck-Profil des von dem optischen Drehelement...

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine höchstauflösende optische Vorrichtung, die anwendbar ist für optische Speicherplattensysteme, photolithographische Maskierungssysteme und ähnliches. Insbesondere betrifft die Erfindung eine optische Vorrichtung, die eine hohe Lichtausbeute aufweist und dennoch fähig ist auf elektrische Weise ihre numerische Apertur mit Leichtigkeit mit Bezug auf optische Speicherplatten, deren eigene numerische Aperturen für die Abbildung unterschiedlich voneinander sind, so wie digitale vielseitige Disks (DVDs), Compaktdisks (CDs) und ähnliches zu ändern.
TECHNOLOGISCHER HINTERGRUND
Die numerische Apertur eines optischen Systems wird im nachfolgenden kurz beschrieben zum Erleichtern des Verstehens der herkömmlichen damit verbundenen Technologien.
In einem optischen System, welches so ausgelegt ist, daß es eine kleine Aberration gemäß der geometrischen Optik aufweist, muß in der Theorie ein Brennfleck eine unendlich kleine Abmessung haben. Er hat jedoch, in der Tat, eine räumliche Ausdehnung mit einer begrenzten Abmessung aufgrund des Effekts der optischen Beugung, der von der Welleneigenschaft des Lichts herrührt.
Nun, vorausgesetzt, daß eine numerische Apertur eines optischen Systems, welche zur optischen Abbildung oder dem Sammeln von Licht beiträgt, als NA bezeichnet wird, ist die räumliche Ausdehnung eines Brennflecks definiert durch die folgende Formel: k·λ/NA (1),wobei λ = die Lichtwellenlänge, und k = eine Konstante für jeweilige optische Systeme (ein Wert, der normalerweise im Bereich von 1 bis ungefähr 2 liegt). Weiter ist die numerische Apertur NA proportional zu einem Verhältnis aus dem Durchmesser D einer effektiven Eintrittspupille bzw. Blende eines optischen Systems (im allgemeinen der Durchmesser eines effektiven Lichtstrahls) zu einer Brennweite f, das heißt: D/f.
Die räumliche Ausdehnung des Brennflecks, wie sie durch die oben gegebene Formel ausgedrückt wird, stellt eine theoretische Auflösungsgrenze des optischen Systems dar und wird auch eine Beugungsgrenze genannt.
Wie es von der obigen Formel ersichtlich ist, kann die theoretische Auflösung durch Verwendung eines Lichtstrahls mit einer kürzeren Wellenlänge λ erhöht werden, oder durch Vergrößern der numerischen Apertur NA eines optischen Systems. Jedoch ist eine Quelle für kurzwelliges Licht im allgemeinen komplex im Aufbau und erfordert höhere Herstellungskosten.
Insbesondere im Fall einer Laserlichtquelle, die für optische Speicherplattensystem, photolithographische Maskierungssysteme und ähnliches verwendet wird, ist diese Tendenz mehr ausgeprägt. Ferner, je größer die numerische Apertur eines optischen Systems ist, desto mehr wird das optische System anfällig für eine Aberration aufgrund der geometrischen Optik. Dementsprechend wird zum Aufzeichnen von Information auf einem üblichen optischen Speicherplattensystem ein Halbleiterlaser zum Emittieren eines Lichtstrahls mit einer Wellenlänge in der Größenordnung von 700 nm als eine Lichtquelle verwendet, während eine Sammel- bzw. Bündelungsoptik mit einer numerischen Apertur NA in der Größenordnung von 0.5 verwendet wird.
Als herkömmliche Technologie, die fähig ist, höchste Auflösung durch Verwendung der oben beschriebenen Lichtquelle und Sammeloptik zu erzielen, ist ein höchstauflösendes optisches System, welches so aufgebaut ist, daß ein Abschnitt eines effektiven Lichtstrahles, der auf die Sammeloptik fällt, mit einem Abschattungsband abgeschirmt wird, gut bekannt (Referenz: Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 28 (1989) Supplement 28-3, S. 197–200). Es scheint, daß mit diesem höchstauflösenden optischen System, welches das Abschattungsband verwendet, eine Abmessung des Brennflecks um 10 bis 20% reduziert werden kann mit bezug auf die theoretische Auflösungsgrenze des optischen Systems.
Aber das Abschirmen eines Abschnittes des effektiven Lichtstrahles, der auf die Sammel- bzw. Kondensoroptik fällt, durch ein Abschattungsband resultiert in einer geringeren optischen Ausbeute bzw. Lichtausbeute. Außerdem wird mit dem oben beschriebenen höchstauflösenden optischen System, bei dem ein zentraler Bereich eines Lichtstrahls, der die optische Achse beinhaltet, mit dem Abschattungsband abgeschirmt bzw. ausgeblendet wird, die Verschlechterung in der optischen Ausbeute zusätzlich ausgeprägt, da der zentrale Bereich des Lichtstrahls im allgemeinen zu einer Zone mit hoher Intensität entsprechend der Verteilung der Lichtintensität gehört.
Solch eine niedrige optische Ausbeute erfordert unvermeidlich die Verwendung einer Lichtquelle, die höhere Leistung ausgeben kann, was in höheren Kosten für die optische Vorrichtung resultiert, da eine Lichtquelle mit einem solchen Hochleistungsausgang teuer ist. Insbesondere wird für die Anwendung auf optische Speicherplattensysteme eine Halbleiterlichtquelle verwendet, die sogar bei geringer Leistungsabgabe teuer ist, und folglich ist es praktisch unmöglich, eine Lichtquelle mit hoher Leistungsabgabe vom Kostenpunkt her anzuwenden.
Aus DE 195 08 754 A1 ist eine optische Vorrichtung bekannt, die über eine Fokussieroptik zum Fokussieren von linear polarisiertem Licht und über eine Polarisierungseinrichtung verfügt, die in den optischen Weg des linear polarisierten Lichts eingebracht ist. Dabei dreht die Polarisierungseinrichtung eine Vielzahl von stochastisch ausgewählten Teillichtbündeln in zwei zueinander orthogonale Polarisierungszustände.
Aus JP 06-28704 A ist eine optische Vorrichtung bekannt, bei der in den Strahlengang eines linear polarisierten Lichts eine Polarisierungsvorrichtung eingebracht ist, die zwei Teillichtbündel in zwei zueinander senkrechte Polarisierungsrichtungen polarisiert, sodass die Größe eines Lichtstrahlflecks variiert werden kann.
Die Erfindung wurde im Licht der oben beschriebenen Umstände entwickelt, und eine Hauptaufgabe derselben ist, eine höchste Auflösung ohne Einbuße an Lichtausbeute zu realisieren.
OFFENBARUNG DER ERFFINDUNG
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Durch Anordnen des optischen Drehelements in dem optischen Weg des linear polarisierten Lichtes und des lokal Unterschiedlichmachens der Richtung der Polarisationsachse des linear polarisierten Lichtes, welches darauf fällt, können die Orientierungen von Komponenten des linear polarisierten Lichtes, welches auf unterschiedliche Bereiche desselben fällt, variiert werden, so dass sie sich voneinander unterscheiden. In dem linear polarisierten Licht, welches aus den Komponenten mit voneinander in der Orientierung unterschiedlichen Polarisationsachsen besteht, wird die Interferenz zwischen den Komponenten unterdrückt. Insbesondere in dem Fall, in dem die Polarisationsachsen zueinander senkrecht stehen, wird eine Interferenz zwischen den jeweiligen Komponenten des linear polarisierten Lichtes verschwinden. Wenn die Interferenz unterdrückt wird, wie beschrieben, wird sich das linear polarisierte Licht so verhalten, als ob eine Komponente desselben durch die andere Komponente abgeschattet würde. Als Ergebnis kann ein höchst aufgelöstes Bild erhalten werden.
Es ist beabsichtigt, dass das optische Drehelement optisch die Polarisationsachsen des linear polarisierten Lichtes, welches darauf fällt, dreht, aber das linear polarisierte Licht, welches darauf fällt, wird nicht durch das optische Drehelement abgeschattet. Daher tritt kein großer Leistungsverlust des linear polarisierten Lichtes in dem optischen Drehelement auf, mit dem Ergebnis, dass das linear polarisierte Licht effektiv verwendet werden kann.
Die optische Vorrichtung entsprechend der Erfindung, die solch eine hohe Lichtausbeute hat, ist sehr geeignet für die Anwendung auf optische Systeme mit guten Aussichten des Wachstums in der nahen Zukunft, zum Beispiel digitale vielseitige Disks (DVDs), und beschreibbare und wiederbeschreib bare digitale vielseitige Disks (DVDs-R). Das bedeutet, obwohl ein Aufzeichnen mit hoher Dichte sowohl für DVDs als auch für DVDs-R in Zukunft erwünscht ist, ist die Verwendung eines Halbleiterlasers mit relativ niedriger Leistungsabgabe als Lichtquelle vom Kostengesichtspunkt her erforderlich. Die optische Vorrichtung entsprechend der Erfindung kann alle solchen Erfordernisse erfüllen.
Die optische Vorrichtung entsprechend der Erfindung ist ebenso wirksam für die photolithographischen Maskierungssysteme, die in der Herstellung LSIs verwendet werden, die erwartungsgemäß einen höheren Grad an Integration in der Zukunft erfordern wird. Das bedeutet, dass mit der optischen Vorrichtung entsprechend der Erfindung höchst aufgelöste Bilder erzeugt werden können ohne in größerem Maße Lichtmengen abzuschwächen, in dem Ausmaße, in dem die Belichtungszeit verkürzt wird, und folglich wird ein Risiko einer Falschausrichtung der Belichtungsposition aufgrund Vibrationen und ähnlichem verringert, was die Vergrößerung der Produktionsausbeute ermöglicht.
Auch kann mit einem Aufbau, in dem das optische Drehelement einen 90°-optisch drehenden Bereich aufweist, der fähig ist, die Polarisationsachse des linear polarisierten Lichts, welches darauf fällt, optisch im wesentlichen um 90° zu drehen und eines optisch nicht drehenden Bereiches, der fähig ist, das linear polarisierte Licht, das darauf fällt, durchzulassen ohne die Polarisationsachse des linear polarisierten Lichts optisch zu drehen, derselbe Effekt des Betriebs erreicht werden.
Solch ein Aufbau, wie oben beschrieben wurde, kann mit geringen Kosten durch Verwendung eines Flüssigkristallelements für das optische Drehelement erreicht werden. Ferner, kann durch Verursachen, dass eine Ausrichtungsrichtung der Flüssigkristallmoleküle des Flüssigkristallelements auf der Eingangsseite des linear polarisierten Lichts im wesentlichen zusammenfällt mit oder sich in rechten Winkeln kreuzt mit der Richtung der Polarisationsachse des linear polarisierten Lichts, welches auf das Flüssigkristallelement fällt, das linear polarisierte Licht hindurchgelassen werden, wobei es seine lineare Polarisation behält.
Mit der optischen Vorrichtung entsprechend der Erfindung kann derselbe Effekt des Betriebs erreicht werden durch Anwenden eines 90° gedreht-nematischen Flüssigkristallelements für das optische Drehelement und durch Verursachen, dass die Ausrichtungsrichtung der Flüssigkristallmoleküle des Flüssigkristallelements auf der Eingangsseite des linear polarisierten Lichts im wesentlichen zusammenfällt mit oder sich in einem rechten Winkel kreuzt mit der Richtung der Polarisationsachse des linear polarisierten Lichts, welches auf das Flüssigkristallelement fällt, während ein Abschnitt des Flüssigkristallelements in einen homogenen Bereich gewendet wird, in dem die Flüssigkristallmoleküle in der Richtung der Polarisationsachse des linear polarisierten Lichts, welches auf das Flüssigkristallelement fällt, ausgerichtet sind, was diesen Bereich zu einem optisch nicht drehenden Bereich, wie oben beschrieben, macht.
In diesem Beispiel kann durch die Übernahme eines Aufbaus, in dem wenigstens der 90° optisch drehende Bereich so geschaltet wird, dass die Flüssigkristallmoleküle in ihrer Ausrichtung durch Anlegen einer Spannung daran homeotrop sind, der Übergang zwischen höchst aufgelösten Bildern und normal aufgelösten Bilden mit Leichtigkeit bewirkt werden.
Ferner kann wenigstens der gesamte Bereich, in dem das linear polarisierte Licht auf das 90° gedreht-nematische Flüssigkristallelement fällt, durchgelassen wird, so eingestellt werden, dass er ein 90°-drehender Bereich ist, während ein Abschnitt des 90°-optisch drehenden Bereichs in den optisch nicht drehenden Bereich verwandelt werden kann durch Verursachen, dass die Flüssigkristallmoleküle desselben eine homeotrope Ausrichtung haben durch Anlegen einer Spannung.
In diesem Zusammenhang kann das optische Drehelement entweder das mit dem 90°-optisch drehenden Bereich oder dem optisch nicht drehenden Bereich zum Beispiel in einer wesentlichen kreisförmigen oder länglichen Form gebildet sein, wobei die optische Achse des linear polarisierten Lichts, welches auf das Flüssigkristallelement fällt, mittig angeordnet ist, in Abhängigkeit von dem Typ der Anwendung.
Nun, wenn ein höchstauflösendes Bild erzeugt wird durch Einsetzen des optischen Drehelements in den optischen Weg des linear polarisierten Lichts treten Nebenlappen bzw. Nebenmaxima (Seitenwellenbanden) auf, einzigartig für ein Höchstauflösungsphänomen, an beiden Seiten eines Brennfleckes, wie es bei der herkömmlichen Technik der Fall ist, die ein Abschattungsband, wie im vorhergehenden beschrieben wurde, verwendet. Die Nebenlappen präsentieren sich in Form von Signalrauschen, insbesondere bei Lesesignalen, die in den optischen Speicherplatten aufgezeichnet sind, wobei sie einen Grund für die Verschlechterung in der Qualität der reproduzierten Signale bilden.
Entsprechend der herkömmlichen Technik (Referenz: technische Literatur, die im vorhergehenden beschrieben wurde), werden die Nebenlappen abgeschattet durch Anordnen eines Spaltes in einer Position, wo das Licht, welches von dem Brennfleck re flektiert wird, einmal durch eine Fokussierungslinse fokussiert worden ist und nachfolgend wird ein neuer Brennfleck, bei dem die Nebenlappen im wesentlichen entfernt sind, durch Anordnen einer anderen Fokussierungslinse zum weiteren Fokussieren gebildet.
Jedoch werden in dem Ausmaße, in dem das Licht durch eine andere Fokussierungslinse fokussiert wird, zusätzliche optische Wege eines optischen Systems erforderlich, was in einer Zunahme der Anzahl der Komponenten des optischen Systems resultiert und in einer zunehmend komplexeren Konstruktion desselben. Ferner wird in dem Fall, in dem eine Verschiebung des Spaltes auftritt, nicht nur die Nebenlappen, sondern auch der Brennfleck abgeschattet. Dementsprechend ist ein heikles Positionieren des Spaltes erforderlich. Zusätzlich kann ein Problem bezüglich Staub oder ähnlichem auftreten, welches in der Lücke des Spaltes anhaftet. Ferner, selbst wenn der Spalt in einer gegebenen Position angeordnet ist, ist das Auftreten von einigen Nebenlappen, weil erneute Beugung des Lichts stattfindet, unvermeidlich, da das Licht durch den Spalt abgeschattet wird.
Dementsprechend weist die Erfindung eine Konstruktion auf, bei der in dem Fall einer Anwendung zum Beispiel auf eine optische Vorrichtung zum Lesen von Signalen, die in optischen Speicherplatten aufgezeichnet sind, genauer gesagt auf eine optische Vorrichtung, in der ein optisch reflektierendes Medium, d. h. eine optische Speicherplatte, im wesentlichen im Brennpunkt einer Kondensoroptik angeordnet ist, und wo ein Lichtstrahl, der von dem optisch reflektierenden Medium reflektiert wird, an einem anderen Punkt als dem Brennpunkt der Kondensoroptik gesammelt wird, so dass der gebündelte bzw. kondensierte Lichtstrahl durch ein optisch Erfassungselement erfasst wird, ein Erfassungselement zum Erfassen linear pola risierten Lichts zum Durchlassen nur einer Komponente des linear polarisierten Lichts, welches in einer gegebenen Richtung orientiert ist, in dem optischen Weg des Lichtstrahls, der von dem optisch reflektierenden Medium reflektiert wird, angeordnet ist.
In diesem Beispiel kann durch Einstellen der Richtung, in der eine Komponente des linear polarisierten Lichts durch das Erfassungselement für das linear polarisierte Licht hindurch gelassen wird, so dass sie mit der Richtung, in der die Nebenlappen von dem linear polarisierten Lichts, welches durch das optische Erfassungselement erfasst wird, entfernt sind, zusammenfällt, das linear polarisierte Licht entnommen werden nach Abschatten nur der Nebenlappen.
Wie es aus der Formel (1), die im vorhergehenden beschrieben wurde, ersichtlich ist, hängt die theoretische Auflösung eines optischen Systems in großem Maße von der numerischen Apertur desselben ab. Die numerische Apertur eines optischen Abtasters in einem gewöhnlichen optischen Speicherplattensystem ist von der Größenordnung 0.45 für CDs (Compaktdisks) und CDs-ROM, und von der Größenordnung 0.55 für DVDs (digitale vielseitige Disks). Daher ist die gewöhnliche Verwendung solch eines optischen Abtasters für CDs und DVDs nicht durchführbar.
Dementsprechend wurden verschiedene Annäherungen zum Lösen dieses Problems versucht, wie die Einführung von Konstruktionen, bei denen zwei der optischen Abtasteinheiten in einer Einheit der optischen Vorrichtung installiert sind, wo eine Kondensorlinse des optischen Abtasters zwei Brennpunkte zum Erzeugen von Hologrammen darin aufweist, wobei der Durchmesser der effektiven Eingangsblende bzw. Pupille durch die Ver wendung einer Flüssigkristallblende oder ähnlichem geschaltet wird.
Die Installation von zwei Einheiten des optischen Abnehmers in einer Einheit einer optischen Vorrichtung macht jedoch den Aufbau der optischen Vorrichtung komplex und führt zu höheren Kosten desselben, während bei der Fokussierlinse, die zwei Brennpunkte aufweist durch Erzeugen von Hologrammen darin ein unnötiger Brennfleck immer an einem der beiden Brennpunkte auftritt, was die Lichtausbeute verschlechtert. Diese verursacht ein Problem für ein optisches System, welches eine große Menge Licht erfordert, wie DVDs-R, d. h. beschreibbare und löschbare DVDs. Dasselbe Problem tritt auf in dem Fall der Konstruktion, die die Flüssigkristallblende verwendet.
Mit der optischen Vorrichtung entsprechend der Erfindung, die so aufgebaut ist, dass wenigstens der 90°-optisch drehende Bereich so geschaltet wird, dass die Flüssigkristallmoleküle durch Anlegen einer Spannung in ihrer Ausrichtung homeotrop sind, kann derselbe Effekt des Betriebs erreicht werden durch Anordnen eines Erfassungselementes für linear polarisiertes Licht zum Durchlassen im wesentlichen einer Komponente des linear polarisierten Lichts, welche entweder durch den 90°-optisch drehenden Bereich oder den optisch nicht drehenden Bereich des optischen Drehelements hindurch gelassen wird, in dem optischen Weg des Lichtstrahls, der von dem optisch reflektierenden Medium reflektiert wird.
Ferner kann mit der optischen Vorrichtung entsprechend der Erfindung, die so aufgebaut ist, dass wenigstens der gesamte Bereich, in dem das linear polarisierte Licht, welches auf das 90°-gedreht-nematische Flüssigkristallelement fällt, hindurch gelassen wird, so eingestellt ist, dass er ein 90°-optisch drehender Bereich ist, während ein Abschnitt des 90°- optisch drehenden Bereichs in den optisch nicht drehenden Bereich verwandelt wird durch Bringen der Flüssigkristallmoleküle desselben in eine homeotrope Ausrichtung durch Anlegen einer Spannung, derselbe Effekt des Betriebs erhalten werden durch Anordnen eines Elements zum Erfassen von linear polarisierten Lichtes zum Durchlassen von im wesentlichen nur einer Komponente des linear polarisierten Lichtes, welches entweder durch den 90°-optisch drehenden Bereich oder den optisch nicht drehenden Bereich hindurch gelassen wird, in dem optischen Weg des Lichtstrahls, der von dem optisch reflektierenden Medium reflektiert wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
1 ist eine schematische Veranschaulichung, welche ein Beispiel 1-A einer optischen Vorrichtung zeigt, angewendet auf ein optisches Speicherplattensystem;
2 ist eine schematische Veranschaulichung, die ein Beispiel 1-B einer optischen Vorrichtung zeigt, angewendet auf ein lithographisches Maskierungssystem;
3 ist eine schematische Veranschaulichung, die ein Beispiel 1-C einer optischen Vorrichtung zeigt, die gedreht-nematische Flüssigkristalle als optisches Drehelement verwendet;
4A und 4B sind Ansichten, die schematisch die optischen Dreheigenschaften eines gewöhnlichen gedrehten-nematischen Flüssigkristallelements, welches elektrisch gesteuert werden kann, zeigen;
5 ist eine Ansicht, die den Aufbau eines gedreht-nematischen Flüssigkristallelementes zeigt, welches von dem Erfinder hergestellt wurde auf einer experimentellen Grundlage bei der Ausführung des Beispiels 1-C;
6A ist eine Kurve, die ein Strahlfleckprofil in Richtung der x-Achse, gebildet an einem Punkt P in des Beispiels 1-C zeigt;
6B ist eine Kurve, die das Profil des Strahlfleckes in der Richtung der x-Achse, gebildet an einem Punkt P in einem optischen System entsprechend dem Beispiel 1-C zeigt, wobei ein Flüssigkristallelement entfernt worden ist;
6C ist eine Kurve, die das Profil eines Strahlfleckes in der Richtung x-Achse, gebildet an einem Punkt in einem optischen System entsprechend dem Beispiel 1-C zeigt, wobei das Flüssigkristallelement entfernt worden ist und dafür ein Abschattungsband in dem zentralen Bereich einer Kondensoroptik angeordnet ist;
7 ist eine schematische Veranschaulichung, die ein Beispiel 2-A einer optischen Vorrichtung zeigt, angewendet auf ein optisches Speicherplattensystem;
8 ist eine schematische Veranschaulichung, die ein Beispiel 2-B einer optischen Vorrichtung zeigt, angewendet auf ein lithographisches Maskierungssystem;
9 ist eine schematische Veranschaulichung, die ein Beispiel 2-C einer optischen Vorrichtung zeigt, die gedreht-nematische Flüssigkristalle als optisches Drehelement verwendet;
10 ist eine Ansicht, die den Aufbau eines gedreht-nematischen Flüssigkristallelementes zeigt, welches durch den Erfinder auf einer experimentellen Grundlage beim Ausführen des Beispiels 2-C hergestellt wurde;
11A ist eine Kurve, die ein Profil eines Strahlfleckes in Richtung der x-Achse gebildet an einem Punkt P in des Beispiels 2-C zeigt;
11B ist eine Kurve, die ein Profil eines Strahlfleckes in Richtung der x-Achse gebildet an einem Punkt P in dem optischen System entsprechend dem Beispiel 2-C zeigt, wenn eine an einen homeotropen Bereich in einem Flüssigkristallelement angelegte Spannung entfernt ist;
11C ist eine Kurve, die ein Profil eines Strahlfleckes in Richtung der x-Achse, gebildet an einem Punkt P in einem optischen System entsprechend dem Beispiel 2-C zeigt, wobei das Flüssigkristallelement entfernt ist und da für ein Abschattungsband in dem zentralen Bereich einer Kondensoroptik angeordnet ist;
12 ist eine schematische Veranschaulichung, die ein Beispiel 3-A einer optischen Vorrichtung angewendet auf ein optisches Speicherplattensystem zeigt;
13 ist eine schematische Veranschaulichung, die eine Variation des Beispiels 3-A einer optischen Vorrichtung zeigt;
14 ist eine schematische Veranschaulichung, die ein Beispiel 3-B einer optischen Vorrichtung zeigt, das eine Ausführungsform entsprechend der Erfindung ist, wobei gedreht-nematische Flüssigkristalle als optisches Drehelement verwendet;
15 ist eine Ansicht, die den Aufbau eines gedreht-nematischen Flüssigkristallelementes zeigt, welches durch den Erfinder auf einer experimentellen Grundlage beim Ausführen der Ausführungsform 3-B hergestellt wurde;
16A ist eine Kurve, die ein Profil eines Strahlfleckes in der Richtung der x-Achse, gebildet an einem Punkt P in der Ausführungsform 3-B zeigt;
16B ist eine Kurve, die ein Profil eines Strahlfleckes in der Richtung der x-Achse, gebildet an einem Punkt P in dem optischen System entsprechend der Ausführungsform 3-B zeigt, wenn eine an einen homeotropen Bereich in einem Flüssigkristallelement angelegte Spannung entfernt ist;
16C ist eine Kurve, die ein Profil eines Strahlfleckes in der Richtung der x-Achse, gebildet an einem Punkt P in einem optischen System entsprechend der Ausführungsform 3-B zeigt, wobei das Flüssigkristallelement entfernt ist und dafür eine Abschattungsplatte in dem zentralen Bereich einer Kondensoroptik angeordnet ist;
17A ist eine Kurve, die ein Profil eines Strahlfleckes an einem Brennfleck Q zeigt, wie er durch ein optisches Erfassungselement, das in dem optischen System entsprechend der Ausführungsform 3-B installiert ist, erfasst ist;
17B ist eine Kurve, die ein Profil eines Strahlfleckes auf dem Brennfleck Q zeigt, wie er durch ein optisches Erfassungselement, das in dem optischen System entsprechend der Ausführungsform 3-B installiert ist, erfasst wird, wobei ein Erfassungselement für linear polarisiertes Licht entfernt ist;
18 ist ein Diagramm, welches die Orientierung des Erfassungselements für linear polari siertes Licht, welches beim Ausführen der Ausführungsform 3-B der Erfindung verwendet wird, zeigt;
19 ist eine schematische Veranschaulichung, die ein Beispiel 4-A einer optischen Vorrichtung, angewendet auf ein optisches Speicherplattensystem, zeigt;
20 ist eine schematische Veranschaulichung, die ein Beispiel 4-B einer optischen Vorrichtung zeigt, wobei gedreht-nematische Flüssigkristalle als optisches Drehelement verwendet werden; und
21 ist eine Ansicht, die den Aufbau eines gedreht-nematischen Flüssigkristallelementes, welches beim Ausführen des Beispiels 4-B verwendet wird, zeigt.
BESTE WEISE ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG
Nun werden unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren Beispiele einer optischen Vorrichtung im Detail beschrieben. Von diesen Beispielen ist Beispiel 3-B eine Ausführungsform entsprechend der Erfindung, die übrigen Beispiele dienen zum besseren Verständnis der Erfindung.
1 ist eine schematische Darstellung, die ein Beispiel 1-A einer optischen Vorrichtung, angewendet auf ein optisches Speicherplattensystem, zeigt.
In diesem Beispiel weist ein optisches System für die optische Vorrichtung eine linear polarisierte Laserlichtquelle 101, eine Kollimationslinse 102, ein optisches Drehelement 103 und eine Fokussierungsoptik 104 auf.
Linear polarisiertes Licht 10, welches von der linear polarisierten Laserlichtquelle 101 emittiert wird, wird in ebene Wellen durch die Kollimationslinse 102 umgewandelt. In diesem Beispiel wird angenommen, dass eine Polarisationsachse 10y des linear polarisierten Lichtes 10 in Richtung der y-Achse orientiert ist.
Wenn das linear polarisierte Licht 10 durch das optische Drehelement 103 hindurch gelassen wird, wird die Richtung der Polarisationsachse 10y aufgrund der optischen Drehfähigkeit des optischen Drehelements 103 gedreht. Genauer gesagt, das optische Drehelement 103 ist zusammengesetzt aus einem Bereich 103a, in dem das darauf fallende linear polarisierte Licht 10 um θ° in der Richtung der X-Achse unter Kreuzen der y-Achse in rechten Winkeln gedreht wird, und Bereichen 103b, in denen das darauf fallende linear polarisierte Licht 10 um (θ – 90)° in der beschriebenen Richtung gedreht wird.
Wie durch Schraffieren in 1 angedeutet ist, ist der Bereich 103a zum optischen Drehen des darauf fallenden linear polarisierten Lichts um θ° in einer rechteckigen bzw. langgestreckten Form gebildet, mit der optischen Achse in der Mitte. Folglich fällt linear polarisiertes Licht 10a, welches durch den Bereich 103a zum Drehen der Polarisation des Lichts um θ° hindurch gelassen wird, auf einen Bereich 104a von im wesentlichen rechteckiger Form, der um die optische Achse O der Fokussierungsoptik 104 zentriert ist. Ein Lichtstrahl, der auf den länglich geformten Bereich 104a fällt, bildet einen Abschnitt eines effektiven Lichtstrahles 11, der auf die Fokussierungsoptik 104 fällt. In 1 ist eine Öffnung oder ähnliches zum Begrenzen des Lichtstrahles, der auf die Fokussierungsoptik 104 fällt, nicht verwendet, und folglich fällt der effektive Lichtstrahl 11 mit dem Strahl des linear polarisierten Lichts 10, welches durch das optische Drehelement 103 hindurch gelassen wird, zusammen.
Mittlerweile fällt das linear polarisierte Licht 10b, welches durch die Bereiche 103b zum Drehen der Polarisation des Lichtes um (θ – 90)° hindurch gelassen wird, auf Bereiche 104b der Fokussierungsoptik 104, mit Ausnahme auf den rechteckigen Bereich 104a.
In diesem Beispiel schneidet die Polarisationsachse des linear polarisierten Lichts 10a, welches auf den rechteckigen Bereich 104a auffällt, die des linear polarisierten Lichts 10b, welches auf die Bereiche 104b mit Ausnahme des rechteckigen Bereichs 104a fällt, unter rechten Winkeln. Da ein Abschnitt des rechteckigen Bereiches 104a in der Richtung der x-Achse einen Abschnitt des effektiven Lichtstrahles 11 bedeckt, wird ein höchst aufgelöstes Bild für eine x-Achsenkomponente des effektiven Lichtstrahles 11 an einem Strahlfleck P, der durch die Fokussierungsoptik 104 gebildet ist, abgebildet.
Dementsprechend kann beim Aufzeichnen von Information auf einer optischen Speicherplatte 105 ein Abstand zwischen spiralförmigen Aufzeichnungsrillen bzw. -spuren 105a der optischen Speicherplatte 105, nämlich ein Spurabstand, reduziert werden durch sowohl Anordnen der optischen Speicherplatte 105 an der Position des Strahlfleckes P, als auch durch Orientieren der Tangentenlinie einer jeden spiralförmigen Aufzeichnungsrille 105a derart, dass sie die x-Achse unter rechten Winkeln kreuzt, wobei eine Verbesserung in der Aufzeichnungsdichte ermöglicht werden kann.
Für das in 1 gezeigte optische Speicherplattensystem ist das optische Drehelement 103 vor der Fokussierungsoptik 104 angeordnet. Es kann jedoch derselbe optische Effekt erhalten werden, sogar wenn das optische Drehelement 103 hinter der Fokussierungsoptik 104 angeordnet wird.
In dem Fall jedoch, in dem das optische Drehelement 103 hinter der Fokussierungsoptik 104 angeordnet wird, ist es wünschenswert, das optische Drehelement 103 so nahe wie möglich an der Fokussierungsoptik 104 anzuordnen. Genauer gesagt, das optische Drehelement 103 kann an oder nahe bei der Stelle der Eintrittspupille bzw. Blende der Fokussierungsoptik 104 angeordnet werden. Die Position der Eintrittsblende eines optischen Systems kann im allgemeinen auf der Grundlage der geometrischen Optik bestimmt werden. Zum Beispiel in dem Fall eines optischen Systems für optische Speicherplattensysteme, wird normalerweise eine einzelne Linse für die Kondensoroptik verwendet, und folglich wird die Position der Eintrittsblende im wesentlichen angrenzend an die Oberfläche der Einfallsseite der Linse sein.
Ferner, wenn das optische Drehelement 103 in einer Form wie ebene parallele Platten ausgebildet ist, die keine optische Phasenverteilung verursachen, wird die Aberration des optischen Systems nicht ungünstig beeinflusst, da das optische Drehelement 103 in einem parallelen Lichtstrahl angeordnet ist. In dem Fall, dass eine Möglichkeit besteht, dass das optische Drehelement 103 die Aberration des optischen Systems ungünstig beeinflusst, aufgrund des Aufbaues des optischen Systems, in dem das optische Drehelement eingefügt ist, kann die Fokussierungsoptik 104 so ausgelegt sein, dass die Existenz des optischen Drehelements 103 berücksichtigt wird, oder das optische Drehelement 103 kann mit einer optischen Phasenverteilung zum Kompensieren für die Aberration versehen sein.
Für das in 1 gezeigte optische Speicherplattensystem ist der Bereich 103a des optischen Drehelements 103 zum Drehen der Polarisation des Lichts um θ° in einer rechteckigen Form ausgebildet. Aber derselbe kann auch in einer kreisförmigen Form gebildet sein mit der optischen Achse im Zentrum. In diesem Fall werden hoch aufgelöste Abbildungen mit Bezug auf Komponenten des effektiven Lichtstrahls in den Richtungen sowohl der x-Achse, als auch der y-Achse gebildet. Darüber hinaus muss der Bereich 103a zum Drehen der Polarisation des Lichts um den Winkel θ° nicht in einer exakten rechteckigen oder kreisförmigen Form gebildet sein. Ähnliche höchst aufgelöste Abbildungen können auch gebildet werden, wenn der Bereich 103a Aussparungen oder Krümmungen aufweist. Darüber hinaus, selbst wenn der Mittelpunkt des Bereiches 103a sich ein wenig entfernt von der optischen Achse des optischen Systems befindet, können ausreichend höchst aufgelöste Abbildungen in ähnlicher Weise erhalten werden.
2 ist eine schematische Veranschaulichung, die ein Beispiel 1-B einer optischen Vorrichtung angewendet auf ein photolithographisches Maskierungssystem zeigt. Wie es gut bekannt ist, wird das photolithographische Maskierungssystem verwendet zum Drucken von Schaltungsmustern oder ähnlichem auf LSI(large scale integrated circuit)-Substraten oder Glassubstraten für eine Flüssigkristallschicht.
In 2 sind die Teile, die denjenigen entsprechen, die vorher in Bezug auf 1 beschrieben wurden, durch dieselben Bezugszeichen gekennzeichnet. In dem in 2 gezeigten optischen System ist eine Abbildungsoptik 204 für die Kondensoroptik angenommen und ein Muster, das auf einer Photomaske 201 gebildet ist, wird auf ein Belichtungssubstrat 205 durch die Abbildungsoptik 204 projiziert. Ferner ist in dem in 2 gezeigten optischen System ein Bereich 203a eines optischen Drehelements 203 zum Drehen der Polarisation des Lichts um θ° in einer kreisförmigen Form gebildet mit der optischen Achse des optischen Systems im Zentrum. Folglich fällt linear polarisiertes Licht 20a, welches um den Winkel θ optisch gedreht ist, auf einen kreisförmigen Bereich 204a, in dessen Zentrum sich die optische Achse der Abbildungsoptik 204 befindet. Im Ergebnis können Komponenten des linear polarisierten Lichts, die jeweils in der Richtung der x-Achse und der y-Achse orientiert sind, die einander in rechten Winkeln kreuzen, höchst aufgelöste Bilder auf dem Belichtungssubstrat 205 erzeugen.
Genauer gesagt, linear polarisiertes Licht 20, welches von der linear polarisierten Laserlichtquelle 101 emittiert wird und in ebene Wellen durch eine Sammellinse 102 gedreht wird, wird durch die Photomaske 201 durchgelassen und fällt auf das optische Drehelement 203. In diesem Fall wird angenommen, dass die Polarisationsachse 20y des linear polarisierten Lichts 20 in der Richtung der y-Achse orientiert ist.
Die Richtung der Polarisationsachse 20y des linear polarisierten Lichts wird aufgrund der optischen Drehfähigkeit bzw. Drehkraft des optischen Drehelements 203 gedreht. Das optische Drehelement 203 ist zusammengesetzt aus einem Bereich 203a, wobei das auf diesen fallende linear polarisierte Licht 20 um θ° in Richtung der x-Achse unter Kreuzung der y-Achse in rechten Winkeln gedreht wird und einem Bereich 203b, bei dem das auf diesen fallende linear polarisierte Licht 20 um (θ – 90)° in der beschriebenen Richtung gedreht wird. Der Bereich 203a zum Rotieren der Polarisation des Lichts um θ° ist in einer kreisförmigen Form ausgebildet, wobei die optische Achse sich im Zentrum befindet, wie oben beschrieben.
Linear polarisiertes Licht 20a, welches durch den Bereich 203a des optischen Drehelements 203 zum Drehen der Polarisation von Licht um den Winkel θ° hindurch gelassen ist und um θ° in Richtung der x-Achse gedreht ist, fällt auf einen kreisförmigen Bereich 204a, in dessen Zentrum sich die optische Achse O der Abbildungsoptik 204 befindet.
Der kreisförmige Bereich 204a entspricht dem Abschnitt eines effektiven Lichtstrahles 21, der auf die Abbildungsoptik 204 fällt. In 2 ist keine Öffnung oder ähnliches zum Begrenzen des Lichtstrahles, der auf die Abbildungsoptik 204 fällt, verwendet, und folglich fällt der effektive Lichtstrahl 21 mit dem Strahl des linear polarisierten Lichts 20, welches durch das optische Drehelement 203 hindurch gelassen wird, zusammen.
Inzwischen fällt linear polarisiertes Licht 20b, welches durch den Bereich 203b zum Drehen der Polarisation von Licht um (θ° – 90)° hindurch gelassen wird, auf einen Bereich 204b der Abbildungsoptik 204 mit Ausnahme des kreisförmigen Bereichs 204a.
In diesem Beispiel schneidet die Polarisationsachse des linear polarisierten Lichts, welches auf den kreisförmigen Bereich 204a fällt, die des linear polarisierten Lichts, welches auf den Bereich 204b mit Ausnahme des kreisförmigen Bereiches 204a fällt, unter rechten Winkeln. Im Ergebnis können beide Komponenten des effektiven Lichtstrahles 21, die jeweils in Richtung der x-Achse und der y-Achse orientiert sind, höchst aufgelöste Bilder auf dem Belichtungssubstrat 205 erzeugen.
Für das in 2 gezeigte photolithographische Maskierungssystem kann auch das optische Drehelement 203 alternativ hinter der Abbildungsoptik 204 angeordnet sein. Wenn das optische Drehelement 203 in einer Form wie parallele ebene Platten gebildet ist, welche keine optische Phasenverteilung erzeugen, wird die Aberration des optischen Systems nicht ungünstig beeinflusst, da das optische Drehelement 203 in einem kollimierten Lichtstrahl angeordnet ist.
3 ist eine schematische Ansicht, die ein Beispiel 1-C einer optischen Vorrichtung zeigt, wobei gedreht-nematische Flüssigkristalle für ein optisches Drehelement verwendet werden.
Durch die Verwendung des in der Figur gezeigten optischen Systems ist es möglich eine höchstauflösende optische Vorrichtung zu konstruieren, die fähig ist einen Mikro-Strahlfleck abzubilden, der die theoretische Auflösungsgrenze des optischen Systems überschreitet.
Zuerst wird die optische Drehfunktion des gedrehten nematischen Flüssigkristalls im nachfolgenden kurz beschrieben zum Erleichtern des Verständnisses des in der Figur gezeigten optischen Systems.
Die 4A und 4B sind schematische Darstellungen, die die optische Drehfunktion eines üblichen gedrehten nematischen Flüssigkristallelements, welches elektrisch gesteuert werden kann, zeigen.
Wie in 4A gezeigt ist, ist das gedreht-nematische Flüssigkristallelement derart aufgebaut, dass Flüssigkristallmoleküle 3 zwischen Glassubstrate 1 und 2, wobei jedes mit einer transparenten Elektrode beschichtet ist, gefüllt sind.
Das Glassubstrat 1 hat auf der Seite des einfallenden Lichtes eine Ausrichtungsachse 1a, die in der Richtung der y-Achse orientiert ist, während das Glassubstrat 2 auf der Seite des ausgehenden Lichts zum Beispiel eine Ausrichtungsachse 2a aufweist, die in der Richtung der y-Achse in der oberen Hälfte des Bereiches desselben orientiert ist, aufweist, und eine Ausrichtungsachse 2b, die in der Richtung x-Achse orientiert ist, welche die y-Achse unter rechten Winkeln kreuzt, in der unteren Hälfte des Bereichs desselben.
Die Flüssigkristallmoleküle 3 haben die Eigenschaft, dass sie ihre langen Achsen in der Richtung der Ausrichtungsachsen orientieren und sich wie ein Kontinuum verhalten. Wie in 4A gezeigt ist, sind die Flüssigkristallmoleküle 3 zueinander parallel ausgerichtet in der oberen Hälfte des Bereichs des Glassubstrates 2 auf der Seite des ausfallenden Lichts dank solcher Eigenschaften. Dieser Zustand wird ”homogener Zustand” genannt. Inzwischen werden die Flüssigkristallmoleküle 3 in der unter Hälfte des Bereichs schrittweise und gleichmäßig um 90° gedreht. Dieser Zustand wird ”90°-gedreht-nematischer Zustand” genannt.
Wenn linear polarisiertes einfallendes Licht auf ein gedreht-nematisches Flüssigkristallelement mit den oben beschriebenen Eigenschaften fällt, wird sich die Drehung der Polarisationsachse 4 des darauf fallenden linear polarisierten Lichtes so fortpflanzen, dass die Polarisationsachse desselben schließlich zu der Richtung der langen Achsen der Flüssigkristallmoleküle 3 dank der dielektrischen Anisotropie der Flüssigkristallmoleküle ausgerichtet ist. Das heißt, die Polarisationsachse des linear polarisierten ausgehenden Lichtes ist in der Richtung 4a entlang der y-Achse in dem oberen halben Bereich orientiert und in der Richtung 4b entlang der x-Achse in dem unteren halben Bereich, wobei sie einander unter rechten Winkeln kreuzen.
Nun, unter der Voraussetzung, dass der Brechungsindex der Flüssigkristallmoleküle in der Richtung der langen Achsen derselben als n1 bezeichnet wird und derselbe in der Richtung der kurzen Achsen derselben als n2 und die Dicke der Flüssigkristallschicht d ist, kann eine optische Weglänge des linear polarisierten einfallenden Lichts, was in der Flüssigkristallschicht fortschreitet allgemein für sowohl die obere, als auch die untere Bereichshälfte durch eine Formel n1·d ausgedrückt werden. Um genau zu sein, wenn die Polarisationsachse 4 des darauf fallenden linear polarisierten Lichts mit der Richtung der Ausrichtungsachse 1a der Flüssigkristallmoleküle auf der Seite des einfallenden Lichts zusammenfällt (d. h. mit den langen Achsen der Flüssigkristallmoleküle) und eine Bedingung, bei der das Ergebnis der folgenden Formel die Quadratwurzel von 3, 15, 35 und so weiter ist, erfüllt ist, kommt das linear polarisierte einfallende Licht als linear polarisiertes ausfallendes Licht wie folgt heraus: 2·(n1 – n2)·d/λ (2),wobei λ = eine Wellenlänge des einfallenden Lichtes.
In der Praxis tritt jedoch kein besonderes Problem auf, selbst wenn die Wellenlänge des verwendeten Lichts, der Brechungsindex der Flüssigkristallmoleküle und die Dicke der Flüssigkristallschicht nicht exakt die durch die oben beschriebene Formel ausgedrückte Bedingung erfüllen. Es ist also möglich eine notwendige Angleichung durchzuführen durch geringfügiges Abweichenlassen der Richtung der Polarisations achse 4 des linear polarisierten hereinkommenden Lichts von der Richtung der Ausrichtungsachse 1a auf der Seite des einfallenden Lichts.
Als nächstes, wenn ein elektrisches Feld in der Richtung z-Achse (Richtung der Lichtfortpflanzung) an das Flüssigkristallelement über die Glassubstrate 1 und 2, die mit den durchsichtigen Elektroden beschichtet sind, angelegt wird, richten sich die langen Achsen der Flüssigkristallmoleküle 3 in der Richtung der z-Achse aus, welches die Richtung des elektrischen Feldes ist, und kommen zur Ruhe, wie in 4B gezeigt ist. Dieser Zustand wird ”homeotroper Zustand” genannt.
Wenn sich die Flüssigkristallmoleküle 3 in dem ”homeotropen” Zustand befinden, ist die Polarisationsachse 4c des linear polarisierten ausgehenden Lichtes in derselben Richtung orientiert, wie die Polarisationsachse 4 des linear polarisierten eingehenden Lichts, nämlich der y-Achse. Das heißt, die optische Drehfähigkeit geht verloren. Dann wird die optische Weglänge des linear polarisierten einfallenden Lichts, welches durch die Flüssigkristallschicht fortschreitet, n2·d.
In dem in 3 gezeigten Beispiel wird ein gedreht-nematisches Flüssigkristallelement 303 mit den oben beschriebenen Eigenschaften für das optische Drehelement eingesetzt. In 3 sind Teile, die jenen unter Bezugnahme auf 1 beschriebenen entsprechen, mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
In dem in 3 gezeigten optischen System ist die Richtung der Ausrichtungsachse der Flüssigkristallelemente 303 auf der Seite, auf die linear polarisiertes Licht 30 fällt, so eingestellt, dass sie im wesentlichen mit der Richtung der Polari sationsachse 30y des linear polarisierten Lichts 30, welches auf das Flüssigkristallelement fällt, zusammenfällt, wobei beide in der Richtung der y-Achse orientiert sind.
Das linear polarisierte Licht 30, das von einer linear polarisierten Laserlichtquelle 101 emittiert wird und in ebene Wellen durch eine Kollimationslinse 103 verwandelt wird, fällt auf das Flüssigkristallelement 303. Das Flüssigkristallelement 303 ist zusammengesetzt aus einem homogenen Bereich 303a und 90°-gedreht-nematischen Bereichen 303b.
In diesem Beispiel ist der homogene Bereich 303a in einer rechteckigen Form gebildet, in deren Mittelpunkt sich die optische Achse O befindet. Die Länge des homogenen Bereiches 303a entlang der y-Achsenrichtung ist so eingestellt, dass sie einen Strahlbereich des linear polarisierten Lichts 30 bedeckt, während die Breite desselben entlang der x-Achsenrichtung so eingestellt ist, dass sie einen Teil des Strahlbereiches des linear polarisierten Lichts 30 bedeckt.
Das linear polarisierte Licht 30, das auf den homogenen Bereich 303a des Flüssigkristallelements 303 gefallen ist, wird durch dieses hindurch gelassen, ohne dass es optische gedreht wird. Dann fällt ein linear polarisiertes Licht 30a, das durch den homogenen Bereich 303a hindurch gelassen ist auf einen im wesentlichen rechteckigen Bereich 104a, in dessen Zentrum sich die optische Achse O der Fokussierungsoptik 104 befindet.
In diesem Beispiel entspricht der rechteckige Bereich 104a einem Abschnitt eines effektiven Lichtstrahles 31, der auf die Fokussierungsoptik 104 fällt. Ferner fällt in 3, da ein Anschlag oder ähnliches zum Begrenzen des Lichtstrahles, der auf die Fokussierungsoptik 104 auftrifft, nicht verwendet wird, der effektive Lichtstrahl 31 mit dem Strahl des linear polarisierten Lichts, das durch das Flüssigkristallelement 303 hindurch gelassen wird, zusammen. Folglich gibt es dort keinen Verlust in der Lichtmenge und der effektive Lichtstrahl 31, der durch die Fokussierungsoptik 104 hindurchgeht, wird an einem Punkt P fokussiert, wobei er einen Strahlfleck bildet.
Inzwischen wird linear polarisiertes Licht 30b, das durch den 90° gedreht-nematischen Bereich 303b hindurch gelassen wird, optisch um 90° gedreht und fällt auf Bereiche 104b der Fokussierungsoptik 104 mit Ausnahme des rechteckigen Bereiches 104a.
Die Polarisationsachsen des linear polarisierten Lichts, das auf den rechteckigen Bereich 104a fällt und desselben, das auf die Bereiche 104b fällt mit Ausnahme des rechteckigen Bereiches 104a, kreuzen einander unter rechten Winkeln. Folglich wird eine höchst aufgelöste Abbildung für eine Lichtkomponente, die in der x-Achsenrichtung orientiert ist an dem Strahlfleck, der durch die Fokussierungsoptik 104 erzeugt wird, gebildet.
5 ist eine Ansicht, die den Aufbau eines gedreht-nematischen Flüssigkristallelementes zeigt, das durch den Erfinder auf einer experimentellen Grundlage beim Ausführen des Beispiels 1-C hergestellt wurde.
Das in der Figur gezeigte Flüssigkristallelement 310 weist eine äußere Form von ungefähr 15 mm² bzw. 15 mm im Quadrat auf und weist einen Bereich 311 zum Einschließen von Flüssigkristallen mit einem Durchmesser von 10 mm in seinem Mittelpunkt auf. Ein homogener Bereich 312a mit einer Breite von 1 mm und im wesentlichen von rechteckiger Form ist im Mittenbe reich des Bereiches 311 zum Einschließen der Flüssigkristalle gebildet und 90° gedreht-nematische Bereiche 312b sind in dem Rest des Bereiches 311 gebildet.
Die Richtung einer Ausrichtungsachse 313 der Flüssigkristallmoleküle auf der Seite des einfallenden Lichts fällt mit der der langen Seiten des homogenen Bereichs 312a, der eine rechteckige Form aufweist, zusammen und diese Richtung ist als y-Achse bezeichnet. Die optische Achse erstreckt sich in Richtung der z-Achse senkrecht zu der Zeichenebene. Es sind Elektroden 314, 314 in dem oberen Teil des Flüssigkristallelementes vorgesehen, und der gesamte Bereich 311 zum Einfüllen der Flüssigkristalle kann homeotrop geschaltet werden durch Anlegen einer ausreichenden externen Spannung an die Elektroden. Ferner erfüllt unter Bezugnahme auf die im vorgehenden beschriebene Formel (2) das Flüssigkristallelement im wesentlichen die Bedingung, dass das Ergebnis der Formel nahe der Quadratwurzel von 15 für Licht bei einer Wellenlänge von 633 nm ist.
In dem aktuell verwendeten optischen System hat der Strahl des linear polarisierten Lichts 30 eine Kreisform von ungefähr 5 mm Durchmesser und es wurde als Fokussierungsoptik 104 eine Linse mit einer Brennweite von 500 mm ungefähr 5 cm von dem Flüssigkristallelement 303 entfernt angeordnet.
6A zeigt das Profil in der x-Achsenrichtung des Strahlfleckes, der an dem Punkt P beim Ausführen des Beispiels 1-C gebildet wird. 6B zeigt das Strahlfleckprofil in der x-Achsenrichtung an dem Punkt P, wenn das optische System entsprechend dem Beispiel 1-C einen Aufbau ohne das Flüssigkristallelement 303 aufweist.
Eine Halbwertsbreite d/2 des Maximums bzw. Maximumprofils PP, welches in der Mitte des Strahlfleckes, welches in dem Strahlfleckprofil BSP in 6A gezeigt ist, auftritt, wird um ungefähr 15% kleiner gesehen, als die, die in dem Strahlfleckprofil BSP in 6B gezeigt ist, was die Erzeugung eines höchst aufgelösten Bildes anzeigt. Das Strahlfleckprofil BSP in 6A zeigt, dass Nebenlappen bzw. Nebenmaxima SP auf gegenüberliegenden Seiten des Maximums PP, welches in der Mitte gebildet ist, auftreten.
6C zeigt ein Strahlfleckprofil BSP in der x-Achsenrichtung an dem Punkt P, wenn das optische System entsprechend dem Beispiel 1-C ohne das Flüssigkristallelement 303 aufgebaut ist, aber dafür mit einer rechteckigen Abschirmungsplatte von 1 mm Breite in der x-Achsenrichtung und 10 mm in der Länge in der y-Achsenrichtung ausgestattet ist, die in dem Mittenbereich der Fokussierungsoptik 104 angeordnet ist (d. h. den Aufbau der herkömmlichen Vorrichtung).
Es wurde durch Überprüfen der Lichtausbeute herausgefunden, dass in dem Beispiel 1-C ungefähr 15% Verlust an Lichtstärke aufgrund des Vorhandenseins des Flüssigkristallelementes 303 beobachtet wurde (es wird Bezug genommen auf die 6A und 6B). Es ist jedoch möglich, den Lichtstärkeverlust auf nicht mehr als 10% zu reduzieren durch Aufbringen einer nicht reflektierenden Beschichtung auf die Glassubstrate des Flüssigkristallelements.
Andererseits wurde mit dem Aufbau der herkömmlichen Vorrichtung, welcher die Abschirmplatte, wie oben beschrieben wurde, verwendet, ein Lichtstärkeverlust von ungefähr 40% beobachtet (es wird Bezug genommen auf die 6A und 6C).
Ferner, mit dem Aufbau entsprechend dem Beispiel 1-C, wo der gesamte Bereich des Flüssigkristallelementes 303 in der z-Achsenrichtung durch Anlegen einer Spannung daran homeotrop geschaltet wurde, fiel das Lichtfleckprofil an dem Punkt im wesentlichen mit dem in 6B gezeigten zusammen. Dies kommt von dem Fehlen der optischen Drehung der Polarisationsachse (es wird Bezug genommen auf 4B). Das heißt, mit dem Aufbau nach dem Beispiel 1-C kann sowohl ein höchst aufgelöstes Bild, als auch ein normal aufgelöstes Bild wie gewünscht und mit Leichtigkeit erhalten werden durch Steuern der an das Flüssigkristallelement 303 angelegten Spannung.
Ferner war selbst im Fall des Realisierens einer höchst aufgelösten Abbildung der Höchstauflösungseffekt verstärkt durch Anlegen einer geeigneten Vorspannung an das Flüssigkristallelement 303 im voraus. Es scheint, dass dies einem effizienteren Auftreten eines Phänomens der optischen Drehung aufgrund von reduzierter Doppelbrechung durch Anlegen einer Vorspannung nahe zu einer Spannung, bei der die Flüssigkristalle aktiviert werden, zuzuschreiben ist.
Unter Bezugnahme auf den Aufbau des Beispiels 1-C funktioniert der homogene Bereich 303a des Flüssigkristallelementes 303 als ein Bereich zum Verhindern, dass die Polarisationsachse des linear polarisierten Lichts optisch gedreht wird. Solche eine Funktion kann erzielt werden durch Nichtbilden einer Flüssigkristallschicht in dem Bereich. In diesem Fall besteht jedoch das Risiko einer Phasenmodulation, die an dem linear polarisierten Licht, welches darauf fällt, auftritt aufgrund eines Unterschieds in der optischen Weglänge, der auftritt zwischen dem Bereich mit der Flüssigkristallschicht und demselben ohne der Flüssigkristallschicht. Dementsprechend besteht ein Bedürfnis in diesem Fall zum Kompensieren der Phasenmodulation durch Verwendung der Fokussieroptik 104 oder einer anderen Optik.
Auch kann mit dem Aufbau des Beispiels 1-C, bei dem der homogene Bereich 303a des Flüssigkristallelements 303 in einen θ° gedreht-nematischen Bereich und der 90° gedreht-nematische Bereich 303b in einen (θ° – 90)° gedreht-nematischen Bereich geschaltet wird, eine höchst aufgelöste Abbildung ebenso erhalten werden, da die Polarisationsachsen des linear polarisierten Lichts, die durch die jeweiligen Bereiche hindurchgehen, einander unter rechten Winkeln kreuzen.
7 ist eine schematische Darstellung, die ein Beispiel 2-A einer optischen Vorrichtung, angewendet auf ein optisches Speicherplattensystem zeigt. In dieser Figur sind Teile, die denjenigen, die vorher mit Bezug auf 1 beschrieben wurden, mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
In diesem Beispiel weist ein optisches System für die optische Vorrichtung eine linear polarisierte Laserlichtquelle 101, eine Sammellinse 102, ein optisches Drehelement 403 und eine Fokussierungsoptik 104 auf.
Linear polarisiertes Licht 40, welches von der linear polarisierten Laserlichtquelle 101 emittiert wird, wird in ebene Wellen verwandelt durch die Sammellinse 102. In diesem Fall wird angenommen, dass das linear polarisierte Licht 40 eine Polarisationsachse 40y aufweist, die in Richtung der y-Achse orientiert ist.
Das optische Drehelement 403 weist in einem Zustand, in dem keine Spannung daran angelegt ist, eine optische Drehfähigkeit zum Rotieren der Polarisationsachse 40y des darauf fal lenden linear polarisierten Lichts 40 um 90° in Richtung der y-Achse auf, welche die y-Achse unter rechten Winkeln kreuzt. Ein Abschnitt des Bereiches für das optische Drehelement 403 bildet einen optisch nicht drehenden Bereich 403a, in die eine optische Drehfähigkeit verschwindet, wenn eine Spannung angelegt wird. Daher ist das optische Drehelement 403 funktionell aufgeteilt in den optisch nicht drehenden Bereich 403a und 90° optische Drehbereiche 403b durch Anlegen einer Spannung daran.
Wenn das linear polarisierte Licht 40, das durch die Sammellinse 102 hindurch gelassen wird, auf das optische Drehelement 403 in einen Zustand fällt, in dem eine Spannung an den optisch nicht drehenden Bereich 403a angelegt ist, wird die Polarisationsachse 40y des linear polarisierten Lichts 40 um 90° in Richtung der x-Achse nur in den 90° optischen Drehbereichen 403b gedreht.
Wie durch Schraffieren in 7 dargestellt ist, ist der optisch nicht drehende Bereich 403a in einer rechteckigen Form mit der optischen Achse im Zentrum gebildet. Dementsprechend fällt linear polarisiertes Licht 40a, das durch den optisch nicht drehenden Bereich 403a hindurch gelassen wird, auf einen im wesentlichen rechteckigen Bereich 104a der Fokussierungsoptik 104, wobei die optische Achse O sich im Zentrum befindet. Der rechteckige Bereich 104a entspricht einem Abschnitt bzw. Teil eines effektiven Lichtstrahles 41, der auf die Fokussierungsoptik 104 fällt. Ferner, da gemäß 7 ein Anschlag bzw. eine Blendscheibe oder ähnliches zum Begrenzen eines Lichtstrahls, der auf die Fokussierungsoptik 104 fällt, nicht eingesetzt wird, fällt der effektive Lichtstrahl 41 mit dem Strahl des linear polarisierten Lichts, das durch das optische Drehelement 403 hindurch gelassen wird, zusammen.
Inzwischen fällt linear polarisiertes Licht 40b, dessen Polarisationsachse um 90° gedreht wurde, nachdem es durch die 90° optischen Drehbereiche 403b hindurch gelassen wurde, auf Bereiche 104b der Fokussierungsoptik 104 mit Ausnahme des rechteckigen Bereiches 104a.
Die Polarisationsachse des linear polarisierten Lichts, das auf den rechteckigen Bereich 104a fällt, kreuzt die des linear polarisierten Lichts, das auf die Bereiche 104b mit Ausnahme des rechteckigen Bereichs 104a fällt, unter rechten Winkeln. Ferner, da ein Abschnitt des effektiven Lichtstrahles 41 in der Richtung der x-Achse in dem rechteckigen Bereich 104a blockiert ist, wird eine höchst aufgelöste Abbildung für eine Komponente des linear polarisierten Lichts erhalten, die in der Richtung x-Achse orientiert ist, an einem Strahlfleck P, der durch die Fokussierungsoptik erzeugt wird, erhalten.
Wenn daher Information auf einer optischen Speicherplatte 105 aufgezeichnet wird, kann ein Spurabstand, d. h. ein Abstand zwischen den spiralförmigen Aufzeichnungsrillen 105a der optischen Speicherplatte 105 durch Anordnen der optischen Speicherplatte 105 an der Stelle Strahlfleckes P und durch Einstellen der Tangentenlinie jeder spiralförmigen Aufzeichnungsrille 105a in der Richtung, die die x-Achse unter rechten Winkeln kreuzt, reduziert werden und die Aufzeichnungsdichte erhöht werden.
Ferner, durch Steuern einer Spannung, die an den optisch nicht drehenden Bereich 403a angelegt ist, kann ein Schalten zwischen einer höchst aufgelösten Abbildung und einer normal aufgelösten Abbildung mit Leichtigkeit bewirkt werden.
Bei dem in 7 gezeigten optischen Speicherplattensystem ist das optische Drehelement 403 vor der Fokussierungsoptik 104 angeordnet. Derselbe Effekt kann jedoch erreicht werden durch Anordnen des optischen Drehelementes 403 auf der Rückseite der Fokussierungsoptik 104.
In dem Fall jedoch, in dem das optische Drehelement 403 hinter der Fokussierungsoptik 104 angeordnet ist, ist es wünschenswert, das optische Drehelement 403 so nahe wie möglich an der Fokussierungsoptik 104 anzuordnen. Genauer gesagt, das optische Drehelement 403 kann an der oder nahe zu der Position der Eintrittspupille der Fokussierungsoptik 104 angeordnet werden. Die Position der Eintrittspupille eines optischen Systems ist im allgemeinen bestimmt auf der Basis der geometrischen Optik. Zum Beispiel in dem Fall eines optischen Systems für optische Speicherplattensysteme, in dem eine einzelne Linse normalerweise als Fokussierungsoptik verwendet wird, ist die Position der Eintrittspupille im wesentlichen angrenzend an die Oberfläche der Einfallsseite der Linse.
Ferner, wenn das optische Drehelement 403 in einer Form wie parallele ebene Platten ausgebildet ist, die keine optische Phasenverteilung verursachen, wird die Aberration des optischen Systems nicht ungünstig beeinflusst, da das optische Drehelement 403 in einem kollimierten Lichtstrahl angeordnet ist. Für den Fall, dass es eine Möglichkeit gibt, dass das optische Drehelement 403 die Aberration des optischen Systems aufgrund des Aufbaus des optischen Systems, in dem das optische Drehelement eingefügt ist, beeinflusst, kann die Fokussierungsoptik so ausgelegt sein, dass das Vorhandensein des optischen Drehelementes 403 berücksichtigt wird, oder das op tische Drehelement 403 kann mit einer optischen Phasenverteilung zum Kompensieren der Aberration versehen sein.
Für das in 7 gezeigte optische Speicherplattensystem ist der optisch nicht drehende Bereich 403a des optischen Drehelementes 403 in einer rechteckigen Form ausgebildet, aber derselbe kann auch in einer kreisförmigen Form, wobei die optische Achse durch das Zentrum geht, ausgebildet sein. In diesem Fall werden höchst aufgelöste Abbildungen für Komponenten des effektiven Lichtstrahles in den Richtungen sowohl der x-Achse, als auch der y-Achse erhalten. Ferner muss der optisch nicht drehende Bereich 403a nicht in einer exakten rechteckigen oder kreisförmigen Form ausgebildet sein. Wenn der optisch nicht drehende Bereich 403a einige Aussparungen oder Verzerrungen aufweist, können ähnliche höchst aufgelöste Bilder erzeugt werden. Ferner, selbst wenn der Mittelpunkt des Bereiches 403a sich etwas neben der optischen Achse des optischen Systems befindet, können ausreichend höchst aufgelöste Bilder in ähnlicher Weise gebildet werden.
Es ist auch möglich, den optisch nicht drehenden Bereich 403a, der in 7 gezeigt ist, in einen 90° optischen Drehbereich umzuwandeln und die in der Figur gezeigten 90° optischen Drehbereiche 403b in optisch nicht drehende Bereiche. In solch einem Fall kreuzen sich die Polarisationsachsen des linear polarisierten Lichts, das durch die jeweiligen Bereiche hindurch gelassen wird, unter rechten Winkeln, wenn eine Spannung an die Bereiche angelegt wird, die in die optisch nicht drehenden Bereiche geändert worden sind, was eine höchst aufgelöste Abbildung ermöglicht.
8 ist eine schematische Veranschaulichung, die ein Beispiel 2-B einer optischen Vorrichtung, angewendet auf ein photolithographisches Maskierungssystem zeigt.
Wie es gut bekannt ist, wird das photolithographische Maskierungssystem zum Drucken von Schaltungsmustern oder ähnlichem auf LSI(large scale integrated circuit)-Substrate oder Glassubstrate eines Flüssigkristallelementes verwendet.
In 8 sind Teile entsprechend denjenigen Teilen, die vorher mit Bezug auf 2 beschrieben worden sind, mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. In dem in 8 dargestellten optischen System ist eine Abbildungsoptik 204 als Fokussierungsoptik vorgesehen, und ein auf einer Photomaske 201 gebildetes Muster wird auf ein Belichtungssubstrat 205 durch die Abbildungsoptik 204 projiziert. Ferner ist in dem in 8 gezeigten optischen System ein optisch nicht drehender Bereich 503a eines optischen Drehelementes in einer kreisförmigen Form um die optische Achse ausgebildet. Folglich fällt linear polarisiertes Licht 50a, das durch den optisch nicht drehenden Bereich 503a hindurch gelassen wird, auf einen kreisförmigen Bereich 204a der Abbildungsoptik 204 mit der optischen Achse O im Zentrum. Als Ergebnis können höchst aufgelöste Abbildungen auf dem Belichtungssubstrat 205 für Komponenten des linear polarisierten Lichts, die jeweils in Richtungen der x-Achse und der y-Achse orientiert sind, die einander unter rechten Winkeln kreuzen, erhalten werden.
Das heißt, linear polarisiertes Licht 50, das von der linear polarisierten Laserlichtquelle 101 emittiert wird und in ebene Wellen durch eine Sammellinse 102 verwandelt wird, wird durch eine Photomaske 201 hindurch gelassen und fällt auf das optische Drehelement 503. In diesem Fall wird angenommen, dass die Polarisationsachse 50y des linear polarisierten Lichts 50 in der Richtung der y-Achse orientiert ist.
Das optische Drehelement 503 hat in einem Zustand, in dem keine Spannung an dieses angelegt ist, eine optische Drehkraft zum Drehen der Polarisationsachse 50y des linear polarisierten Lichts 50, das auf dieses fällt, um 90° in Richtung der x-Achse, die die y-Achse unter rechten Winkeln kreuzt. Ein Abschnitt des Bereiches für das optische Drehelement 503 bildet einen optisch nicht drehenden Bereich 503a, in dem die optische Drehkraft verschwindet, wenn eine Spannung daran angelegt wird. Folglich ist das optische Drehelement 503 funktionell aufgeteilt in den optisch nicht drehenden Bereich 503a und einen 90° optischen Drehbereich 503b durch Anlegen einer Spannung an den optisch nicht drehenden Bereich 503a.
Wenn das linear polarisierte Licht 50, das durch die Sammellinse 102 hindurch gelassen wird, auf das optische Drehelement 503 in einem Zustand fällt, in dem eine Spannung an den optisch nicht drehenden Bereich 503a angelegt ist, wird die Polarisationsachse 50y, des linear polarisierten Lichts 50 um 90° in Richtung der x-Achse nur in dem 90° optischen Drehbereich 503b gedreht.
Linear polarisiertes Licht 50a (ohne dass die Polarisationsachse desselben gedreht ist), das durch den optisch nicht drehenden Bereich 503a des optischen Drehelements 503 hindurch gelassen wird, fällt auf einen kreisförmigen Bereich 204a, durch dessen Zentrum die optische Achse O der Abbildungsoptik 204 hindurchgeht. Der kreisförmige Bereich 204a entspricht dem Abschnitt eines effektiven Lichtstrahles 51, der auf die Abbildungsoptik 204 fällt. Ferner, da gemäß 8 eine Blendscheibe oder ähnliches zum Begrenzen eines Lichtstrahles, der auf die Abbildungsoptik 204 fällt, nicht eingesetzt wird, fällt der effektive Lichtstrahl 51 mit dem Strahl des linear polarisierten Lichts 50, der durch das optische Drehelement 503 hindurch gelassen wird, zusammen.
Inzwischen fällt linear polarisiertes Licht 50b (dessen Polarisationsachse um 90° in der x-Achsenrichtung gedreht ist), das durch die 90° optischen Drehbereiche 503b hindurch gelassen wird, auf einen Bereich 204b der Abbildungsoptik 204 mit Ausnahme des kreisförmigen Bereiches 204a.
Die Polarisationsachse des linear polarisierten Lichts, das auf den kreisförmigen Bereich 204a fällt, kreuzt die des linear polarisierten Lichts, das auf den Bereich 204b mit Ausnahme des kreisförmigen Bereichs 204a fällt, unter rechten Winkeln. Im Ergebnis wird ein höchst aufgelöstes Bild auf dem Belichtungssubstrat 205 für Komponenten des effektiven Lichtstrahls, die jeweils in der Richtung der x-Achse und der y-Achse, die einander unter rechten Winkeln kreuzen, orientiert sind, erhalten.
In diesem Beispiel 2-B kann auch zwischen einem höchst aufgelösten Bild und einem normal aufgelösten Bild mit Leichtigkeit umgeschaltet werden durch Steuern einer Spannung, die an den optisch nicht drehenden Bereich 503a angelegt wird.
Für das photolithographische Maskierungssystem, das in 8 gezeigt ist, kann auch das optische Drehelement 503 hinter der Abbildungsoptik 204 angeordnet werden. Wenn das optische Drehelement als planparallele Platten ausgebildet ist, die keine optische Phasenverteilung verursachen, wird die Aberration des optischen Systems nicht ungünstig beeinflusst, da das optische Drehelement 503 in einem kollimierten Lichtstrahl angeordnet ist.
9 ist eine schematische Veranschaulichung, die ein Beispiel 2-C einer optischen Vorrichtung zeigt, bei der gedreht-nematische Flüssigkristalle als optisches Drehelement verwen det werden. In 9 sind Teile, die jenen vorher im Zusammenhang mit 7 beschriebenen Teilen entsprechen, durch dieselben Bezugszeichen bezeichnet.
Mit einem in 9 gezeigten optischen System ist es möglich, eine höchstauflösende optische Vorrichtung zu bauen, die fähig ist, einen Mikrostrahlfleck zu bilden, der die theoretische Auflösungsgrenze des optischen Systems übersteigt.
Die optische Drehfunktion eines üblichen gedreht-nematischen Flüssigkristallelements, ist so, wie es im vorhergehenden unter Bezugnahme auf die 4A und 4B beschrieben wurde.
In dem Beispiel 2-C wird ein 90°-gedreht-nematisches Flüssigkristallelement 603 als optisches Drehelement eingesetzt. Das Flüssigkristallelement 603 weist keinen Bereich auf, in dem die Flüssigkristallmoleküle einer homogenen Ausrichtung unterzogen werden und alle Bereiche desselben sind als 90°-gedreht-nematische Ausrichtung eingestellt, wenn keine Spannung daran angelegt wird.
Das Flüssigkristallelement 603 ist so konstruiert, dass eine Spannung an einen Bereich desselben angelegt werden kann, so dass nur ein Bereich in den homeotropen Zustand durch Anlegen einer Spannung daran geschaltet werden kann. Das heißt, wenn eine Spannung an einen Bereich des Flüssigkristallelements 603 entsprechend dem Beispiel 2-C angelegt wird, wird der Bereich, an den die Spannung angelegt ist, in einen homeotropen Bereich 603a umgewandelt und andere Bereiche als diese werden in 90° gedreht-nematische Bereiche 603b verwandelt.
Um mit der höchstauflösenden optischen Vorrichtung entsprechend diesem Beispiel höchstauflösende Abbildungen zu erhalten, wird eine ausreichende Spannung über transparente Elekt roden an die Flüssigkristallmoleküle in einem Bereich derselben angelegt, der der homeotrope Bereich 603a werden soll.
In dem in 9 gezeigten optischen System ist die Richtung einer Ausrichtungsachse des Flüssigkristallelementes 603 auf der Einfallsseite des linear polarisierten Lichts 60 so eingestellt, dass sie im wesentlichen mit der Richtung der Polarisationsachse 60y des linear polarisierten Lichts zusammenfällt, wobei beide in der y-Achsenrichtung orientiert sind.
Das linear polarisierte Licht 60, das von einer linear polarisierten Laserlichtquelle 101 emittiert wird und in ebene Wellen durch eine Sammellinse 102 verwandelt wird, fällt auf das Flüssigkristallelement 603.
In diese Beispiel ist der homeotrope Bereich 603a in einer rechteckigen Form mit der optischen Achse im Zentrum ausgebildet. Eine Länge des homeotropen Bereiches 603a entlang der y-Achsenrichtung ist so eingestellt, dass sie einen Strahlbereich des linear polarisierten Lichts 60 bedeckt, während eine Breite desselben entlang der x-Achsenrichtung so eingestellt ist, dass sie einen Teil des Strahlbereiches des linear polarisierten Lichts 60 bedeckt.
Das linear polarisierte Licht 60, das auf den homeotropen Bereich 603a aufgetroffen ist, wird durch diesen hindurch gelassen, ohne dass es optisch gedreht wird. Dann fällt linear polarisiertes Licht 60a, das durch den Bereich 603a hindurch gelassen ist, auf einen im wesentlichen rechteckigen Bereich 104a, in dessen Zentrum sich die optische Achse O der Fokussierungsoptik 104 befindet.
In diesem Beispiel entspricht der rechteckige Bereich 104a dem Abschnitt eines effektiven Lichtstrahles 61, der auf die Fokussierungsoptik 104 fällt. Da ferner gemäß 9 eine Blende oder ähnliches zum Begrenzen eines Lichtstrahles, der auf die Fokussierungsoptik 104 fällt, nicht eingesetzt wird, fällt der effektive Lichtstrahl 61 mit dem Strahl des linear polarisierten Lichts 60, das durch das Flüssigkristallelement 603 hindurch gelassen wird, zusammen. Folglich gibt es nicht viel Verlust an Lichtmenge und der effektive Lichtstrahl 61, der durch die Fokussierungsoptik 104 hindurchgeht, wird an einem Punkt P gesammelt, wobei er einen Strahlfleck bildet.
Inzwischen wird linear polarisiertes Licht 60b, das durch die 90° gedreht-nematischen Bereiche 603b hindurch gelassen wird, optisch um 90° gedreht und fällt auf Bereiche 104b der Kondensoroptik 104 mit Ausnahme des rechteckigen Bereiches 104a.
Die Polarisationsachsen des linear polarisierten Lichts, das auf den rechteckigen Bereich 104a fällt und desselben, welches auf die Bereiche 104b fällt mit Ausnahme des rechteckigen Bereiches 104a, kreuzen einander unter rechten Winkeln. Daher wird ein höchst aufgelöstes Bild für eine Komponente des linear polarisierten Lichts, die in der x-Achsenrichtung orientiert ist, an dem Strahlfleck, der durch die Fokussierungsoptik 104 erzeugt wird, erhalten.
10 ist eine Ansicht, die den Aufbau eines gedreht-nematischen Flüssigkristallelementes zeigt, welches durch den Erfinder auf einer experimentellen Grundlage beim Ausführen des Beispiels 2-C hergestellt wurde.
Das Flüssigkristallelement 610, das in der Figur dargestellt ist, hat eine äußere Form von ungefähr 15 mm² und weist in seiner Mitte einen kreisförmigen Bereich 611 von 10 mm Durchmesser zum Einfüllen der Flüssigkristalle auf. Ein homeotroper Bereich 612a mit 1 mm Breite und im wesentlichen recht eckiger Form ist im Mittenbereich des kreisförmigen Bereiches 611 zum Einfüllen der Flüssigkristalle gebildet, wenn eine Spannung an diesen angelegt ist, und 90° gedreht-nematische Bereiche 612b sind in dem Rest des kreisförmigen Bereiches 611 gebildet.
Die Richtung 613 einer Ausrichtungsachse der Flüssigkristallmoleküle auf der Einfallsseite des linear polarisierten Lichts fällt zusammen mit der Richtung der langen Seiten des homeotropen Bereiches 612a, der rechteckige Form aufweist, von der angenommen wird, dass sie sich in Richtung der y-Achse erstreckt. Die optische Achse erstreckt sich in Richtung der z-Achse, senkrecht zu der Zeichenebene.
Elektroden 614, 614 sind in dem oberen Teil des Flüssigkristallelementes vorgesehen und durch Anlegen einer ausreichenden externen Spannung an diese kann der homeotrope Bereich 612a gebildet werden. Ferner erfüllt mit Bezug auf die im vorhergehenden beschriebene Formel (2) das Flüssigkristallelement im wesentlichen die Bedingung, dass das Ergebnis der Formel ungefähr die Quadratwurzel von 15 für Licht mit einer Wellenlänge von 633 nm ergeben sollte.
In dem verwendeten optischen System hatte der Strahl des linear polarisierten Lichts die Form eines Kreises mit ungefähr 5 mm Durchmesser und als Fokussierungsoptik 104 wurde eine Linse mit der Brennweite von 500 mm etwa 5 cm von dem Flüssigkristallelement 603 entfernt angeordnet.
11A zeigt das Profil in der y-Achsenrichtung eines Strahlfleckes, der an dem Punkt P beim Ausführen des Beispiels 2-C gebildet wird. 11B zeigt das Profil des Strahlfleckes in der x-Achsenrichtung an dem Punkt P in einem Zustand, in dem eine Spannung an den homeotropen Bereich 603a des Flüssigkristallelementes 603 entsprechend des Beispiels 2-C nicht angelegt ist.
Eine Halbwertsbreite d/2 des Maximumprofils PP, das in der Mitte des Strahlfleckes auftritt, wie in dem Strahlfleckprofil BSP in 11A gezeigt ist, wird um etwa 15% schmaler gesehen, als die, die in dem Strahlfleckprofil BSP in 11B gezeigt ist, was eine höchst aufgelöste Abbildung anzeigt. Das Strahlfleckprofil BSP in 11A zeigt, dass Nebenlappen bzw. Nebenmaxima SP auf gegenüberliegenden Seiten des Maximumpofils PP, welches in der Mitte gebildet ist, auftreten.
11C zeigt ein Strahlfleckprofil BSP in der x-Achsenrichtung an dem Punkt P, wenn das optische System entsprechend des Beispiels 2-C ohne das Flüssigkristallelement 603 aufgebaut ist und dafür mit einer rechteckigen Abschirmungsplatte von 1 mm Breite in der x-Achsenrichtung und 10 mm in der Länge in der y-Achsenrichtung versehen ist, die in dem Mittenbereich der Fokussierungsoptik 104 angeordnet ist.
Es wurde durch Überprüfen der Lichtausbeute herausgefunden, dass in dem Beispiel 2-C ungefähr 15% Verlust an Lichtleistung aufgrund des Vorhandenseins des Flüssigkristallelementes 603 beobachtet wurde (es wird Bezug genommen auf die 11A und 11B). Es ist jedoch möglich, den Verlust an Lichtleistung auf nicht mehr als 10% zu reduzieren durch Aufbringen einer nicht reflektierenden Beschichtung auf die Glassubstrate des Flüssigkristallelements.
Andererseits, mit dem Aufbau einer herkömmlichen optischen Vorrichtung, die wie oben beschrieben, das Abschirmungsband verwendet, wurde ein Lichtleistungsverlust von ungefähr 40% beobachtet (es wird Bezug genommen auf die 11A und 11C).
Ferner wurde herausgefunden, dass der Höchstauflösungseffekt auch verstärkt wurde durch Anlegen einer geeigneten Vorspannung an die 90° gedreht-nematischen Bereiche 603b.
Es scheint, dass dies einem wirksameren Auftreten eines Phänomens der optischen Drehung aufgrund von reduzierter Doppelbrechung durch Anlegen einer Vorspannung nahe einer Spannung, bei der die Flüssigkristalle aktiviert werden, zuzuschreiben ist.
Mit Bezug auf den Aufbau des Beispiels 2-C wirkt der homeotrope Bereich 603a des Flüssigkristallelementes 603 als ein Bereich zum Verhindern, dass die Polarisationsachse des linear polarisierten Lichts optisch gedreht wird. Solch eine Funktion kann erreicht werden durch Nichtbilden einer Flüssigkristallschicht in dem Bereich. In solch einem Fall besteht jedoch ein Risiko einer Phasenmodulation, die in dem linear polarisierten Licht aufgrund eines Unterschieds in der optischen Weglänge auftritt, der zwischen dem Bereich mit der Flüssigkristallschicht und demselben ohne der Flüssigkristallschicht besteht. Dementsprechend besteht ein Bedürfnis in diesem Fall zum Kompensieren der Phasenmodulation durch Verwendung der Fokussierungsoptik 104 oder einer anderen Optik.
Ferner kann die Richtung der Flüssigkristallmolekülausrichtung in dem homeotropen Bereich 603a so eingestellt sein, dass sie von Anfang an homeotrop oder homogen ist. Dies erfordert jedoch, dass eine 90° gedreht-nematische Ausrichtung und eine homeotrope Ausrichtung oder eine homogene Ausrichtung den Flüssigkristallmolekülen während des Herstellungsprozesses des Flüssigkristallelementes auferlegt wird und folglich werden komplexe Ausrichtungstechniken, zum Beispiel Maskenreiben, wobei während Reiben zum Erzielen einer Ausrichtung an einen Bereich angewandt wird, ein anderer Ausrichtungsbereich maskiert werden muss, erforderlich.
12 ist eine schematische Veranschaulichung, die ein Beispiel 3-A einer optischen Vorrichtung, angewendet auf ein optisches Speicherplattensystem zeigt. In 12 sind Teile, die denjenigen entsprechen, die im vorhergehenden mit Bezugnahme auf 1 beschrieben worden sind, mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
In diesem Beispiel weist ein optisches System für das optische Speicherplattensystem eine linear polarisierte Laserlichtquelle 101, eine Sammellinse 102, ein optisches Drehelement 103, eine Fokussierungsoptik 104, ein optisches Aufspaltungselement 701, eine Fokussierungsoptik 702 und ein Erfassungselement 703 zum Erfassen von linear polarisiertem Licht auf.
Linear polarisiertes Licht 10, das von der linear polarisierten Laserlichtquelle 101 emittiert wird, wird in ebene Wellen durch die Sammellinse 102 umgewandelt. In diesem Beispiel wird angenommen, dass die Polarisationsachse 10y des linear polarisierten Lichts 10 in der Richtung der y-Achse orientiert ist.
Wenn das linear polarisierte Licht 10 durch das optische Drehelement 103 hindurch gelassen wird, wird die Richtung der Polarisationsachse 10y aufgrund der optischen Drehkraft des optischen Drehelements 103 gedreht. Genauer gesagt, das optische Drehelement 103 ist zusammengesetzt aus einem Bereich 103a, bei dem das darauf fallende linear polarisierte Licht 10 um θ° in der Richtung der x-Achse gedreht wird, wobei es die y-Achse unter rechten Winkeln kreuzt und Bereichen 103b, bei denen das darauf fallende linear polarisierte Licht 10 um θ° – 90° in der beschriebenen Richtung gedreht wird.
Wie durch Schraffieren in 12 angezeigt ist, ist der Bereich 103a, bei dem das darauf fallende linear polarisierte Licht 10 um θ° gedreht wird, in einer rechteckigen Form um die optische Achse in seiner Mitte ausgebildet. Folglich fällt linear polarisiertes Licht 10a, welches durch den Bereich 103a zum Drehen der Polarisation von Licht um θ° hindurch gelassen wird, auf einen im wesentlichen rechteckigen Bereich 104a mit der optischen Achse O im Zentrum der Fokussierungsoptik. Der rechteckige Bereich 104a entspricht einem Abschnitt eines effektiven Lichtstrahles 11, der auf die Fokussierungsoptik 104 fällt. Ferner, da gemäß 12 eine Blendscheibe oder ähnliches zum Begrenzen eines Lichtstrahls, der auf die Fokussierungsoptik 104 fällt, nicht verwendet wird, fällt der effektive Lichtstrahl 11 mit dem Strahl des linear polarisierten Lichts 10, das durch das optische Drehelement 103 hindurch gelassen wird, zusammen.
Inzwischen fällt linear polarisiertes Licht 10b, das durch die Bereiche 103 zum Drehen der Polarisation von Licht um (θ – 90)° hindurch gelassen wurde, auf Bereiche 104b der Fokussierungsoptik 104 mit Ausnahme des rechteckigen Bereiches 104a.
In dieser Verbindung schneidet die Polarisationsachse des linear polarisierten Lichts 10a, das auf den rechteckigen Bereich 104a fällt, die des linear polarisierten Lichts 10b, das auf die Bereiche 104b mit Ausnahme des rechteckigen Bereichs 104a fällt, unter rechten Winkeln. Da diese Komponenten des linear polarisierten Lichts, die einander unter rech ten Winkeln kreuzen, nicht miteinander interferieren, verhalten sich dieselben so, als wären sie gegeneinander abgeschirmt. Da ein Abschnitt des effektiven Lichtstrahls 11 in der Richtung x-Achse in dem rechteckigen Bereich 104a blockiert wird, wird eine höchst aufgelöste Abbildung für eine x-Achsenkomponente des effektiven Lichtstrahles 11 an einem Strahlfleck P, der durch die Fokussierungsoptik 104 gebildet wird, gebildet.
Dementsprechend kann beim Aufzeichnen von Information auf eine optische Speicherplatte 105 ein Abstand zwischen spiralförmigen Aufzeichnungsrillen 105a der optischen Speicherplatte 105, nämlich ein Spurabstand durch sowohl Anordnen der optischen Speicherplatte 105 an der Position des Strahlfleckes P, als auch durch Orientieren der Tangentenlinien jeder spiralförmigen Aufzeichnungsrille 105a derart, dass sie die x-Achse unter rechten Winkeln schneiden, reduziert werden, wobei eine Erhöhung der Aufzeichnungsdichte ermöglicht wird.
Für das in 12 gezeigte optische System ist der Bereich 103a des optischen Drehelements 103 zum Drehen der Polarisation von Licht um θ° in einer rechteckigen Form gebildet, derselbe kann jedoch in einer kreisförmigen Form mit der optischen Achse im Zentrum gebildet werden. In diesem Fall wird eine höchst aufgelöste Abbildung für Komponenten des effektiven Lichtstrahles in den Richtungen sowohl der x-Achse als auch der y-Achse erhalten werden. Ferner ist es nicht erforderlich, dass der Bereich 103a zum Drehen der Polarisation von Licht um θ° in einer exakten rechteckigen oder kreisförmigen Form ausgebildet ist. Ähnliche höchst aufgelöste Bilder können erhalten werden, wenn der Bereich 103a einige Aussparungen oder Verzerrungen aufweist. Ferner, selbst wenn der Mittelpunkt des Bereiches 103a sich etwas neben der optischen Achse des optischen Systems befindet, kann auch ein ausreichend höchst aufgelöstes Bild erhalten werden.
Als nächstes kehrt ein Lichtstrahl, der von dem Brennfleck P auf der optischen Speicherplatte 105 reflektiert wird, im wesentlichen entlang demselben optischen Weg als dem hereinkommenden optischen Weg zurück und wird durch das optische Aufspaltungselement 701 aufgespalten, nachdem er durch die Fokussierungsoptik 104 hindurch gelassen wurde. Die optische Vorrichtung entsprechend diesem Beispiel ist so konstruiert, dass ein abgeteilter Lichtstrahl 12 durch die Fokussierungsoptik 702 gesammelt wird, und ein Brennfleck Q wird durch ein optisches Erfassungselement 704 erfasst. Das Erfassungselement 703 zum Erfassen von linear polarisierten Licht ist in dem optischen Weg für den abgeteilten Lichtstrahl angeordnet.
Da das Erfassungselement 703 für das linear polarisierte Licht so angeordnet ist, dass seine Orientierung zwischen der x-Achsenrichtung und der y-Achsenrichtung eingestellt ist, beinhaltet dieses eine Funktion des Eliminierens der orthogonalen Beziehung zwischen der x-Achsenrichtung und der y-Achsen-richtung, wobei Nebenlappen von dem Brennfleck Q entfernt werden. Dementsprechend können Nebenlappen von dem Brennfleck Q ohne Verwendung eines Spaltverfahrens oder ähnlichem entfernt werden.
13 ist eine schematische Veranschaulichung, die eine Variation des Beispiels 3-A, das oben beschrieben wurde, zeigt. In 13 sind Teile, die jenen entsprechen, die mit Bezug auf 12 beschrieben wurden, durch dieselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
In der in 13 gezeigten Variation des Beispiels wird ein optisches Aufteilungselement nicht eingesetzt. Anstatt dessen ist ein optisches System so konstruiert, dass eine optische Speicherplatte 105 unter einem Winkel geneigt angeordnet ist.
Genauer gesagt, durch Anordnen der optischen Speicherplatte 105 in einer gekippten Weise, kann der Brennfleck P, der auf der optischen Speicherplatte 105 gebildet wird, in einer optionalen Richtung bei verschiedenen Neigungswinkeln gegen die Einfallsrichtung reflektiert werden. Ferner, durch Anordnen einer anderen Fokussierungsoptik 702 und eines optischen Erfassungselementes 704 auf der Reflexionsseite des Brennfleckes P kann ein Brennfleck Q mit dem optischen Erfassungselement 704 erfasst werden.
Ferner, durch Anordnen eines Erfassungselementes 703 zum Erfassen von linear polarisiertem Licht in dem optischen Weg eines Lichtstrahles 13, der von der optischen Speicherplatte 105 reflektiert wird, können wie in dem Fall des Beispiels 3-A Nebenlappen von dem Brennfleck Q ohne Verwendung der Spaltmethode oder ähnlichem entfernt werden.
14 ist eine schematische Darstellung, die ein Beispiel 3-B einer optischen Vorrichtung zeigt, das eine Ausführungsform entsprechend der Erfindung ist, wobei gedreht-nematische Flüssigkristalle für ein optisches Drehelement verwendet werden. In 14 sind Teile, die jenen entsprechen, die im vorhergehenden mit Bezug auf 3 beschrieben wurden, mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
Mit einem in 14 gezeigten optischen System ist es möglich, eine höchstauflösende optische Vorrichtung zu konstruieren, die fähig ist, einen Mikrostrahlfleck zu bilden, der die theoretische Auflösungsgrenze des optischen Systems übersteigt.
Die optische Drehfunktion eines üblichen gedreht-nematischen Flüssigkristallelements ist so, wie sie im vorhergehenden unter Bezugnahme auf die 4A und 4B beschrieben wurde.
In dieser Ausführungsform der Erfindung wird ein gedreht-nematisches Flüssigkristallelement 303 für das optische Drehelement verwendet.
In dem in 14 gezeigten optischen System ist die Richtung einer Ausrichtungsachse des Flüssigkristallelementes 303 auf der Einfallsseite des linear polarisierten Lichts 30 so eingestellt, dass sie im wesentlichen zusammenfällt mit der Polarisationsachse 30y des linear polarisierten Lichts, wobei beide in der y-Achsenrichtung orientiert sind.
Das linear polarisierte Licht 30, das von der linear polarisierten Laserlichtquelle 101 emittiert wird und in ebene Wellen durch eine Sammellinse 102 umgewandelt wird, fällt auf das Flüssigkristallelement 303. Das Flüssigkristallelement 303 ist zusammengesetzt aus einem homogenen Bereich 303a und einem 90° gedreht-nematischen Bereich 303b.
In dieser Ausführungsform ist der homogene Bereich 303a in einer rechteckigen Form mit der optischen Achse im Zentrum ausgebildet. Die Länge des homogenen Bereiches 303a entlang der y-Achsenrichtung ist so eingestellt, dass sie einen Strahlbereich des linear polarisierten Lichtes 30 bedeckt, während seine Breite entlang der x-Achsenrichtung so eingestellt ist, dass er einen Teil des Strahlbereiches des linear polarisierten Lichts 30 bedeckt.
Das linear polarisierte Licht 30, welches auf den homogenen Bereich 303a des Flüssigkristallelementes 303 gefallen ist, wird durch dieses hindurch gelassen, ohne dass es optisch ge dreht wird. Dann fällt linear polarisiertes Licht 30a, welches durch den homogenen Bereich 303 hindurch gelassen wird, auf einen im wesentlichen rechteckigen Bereich 104a der Fokussierungsoptik 104 mit der optischen Achse O im Zentrum.
In diesem Beispiel entspricht der rechteckige Bereich 104a dem Abschnitt eines effektiven Lichtstrahles 31, der auf die Fokussierungsoptik 104 fällt. Ferner fällt mit dem in 14 gezeigten optischen System, da ein Blende oder ähnliches zum Begrenzen des Lichtstrahles, der auf die Fokussierungsoptik 104 fällt, nicht verwendet wird, ein effektiver Lichtstrahl 31 mit dem Strahl des linear polarisierten Lichts 30, das durch das Flüssigkristallelement hindurch gelassen wird, zusammen. Folglich gibt es hier keinen großen Lichtmengenverlust, und der effektive Lichtstrahl 31, der durch die Fokussierungsoptik hindurchgeht, wird an einem Punkt P gesammelt, wobei er einen Strahlfleck bildet.
Inzwischen wird linear polarisiertes Licht 30b, das durch die 90° gedreht-nematischen Bereiche 303b hindurch gelassen wird, optisch um 90° gedreht und fällt auf Bereiche 104b der Fokussierungsoptik mit Ausnahme des rechteckigen Bereiches 104a.
Die Polarisationsachsen des linear polarisierten Lichts, das auf den rechteckigen Bereich 104a fällt und desjenigen, welches auf den Bereich 104b mit Ausnahme des rechteckigen Bereiches 104a fällt, kreuzen aneinander unter rechten Winkeln. Folglich wird eine höchst aufgelöste Abbildung für eine Komponente des effektiven Lichtstrahles, die in der x-Richtung orientiert ist, an dem Strahlfleck P, der von der Fokussierungsoptik 104 erzeugt wird, gebildet.
15 ist eine Ansicht, die den Aufbau eines gedreht-nematischen Flüssigkristallelementes zeigt, das durch den Er finder auf einer experimentellen Grundlage beim Ausführen der Ausführungsform 3-B hergestellt wurde.
Das in der Figur gezeigte Flüssigkristallelement 310 hat eine äußere Form von ungefähr 15 mm² und weist in der Mitte einen Bereich 311 von 10 mm Durchmesser zum Einfüllen von Flüssigkristallen auf. Ein homogener Bereich 312a von 1 mm Breite und mit im wesentlichen rechteckiger Form ist in dem Mittenbereich des Bereiches 311 zum Einschließen der Flüssigkristalle gebildet, und 90° gedreht-nematische Bereiche 312b sind in dem Rest des Bereiches 311 gebildet.
Die Richtung 313 einer Ausrichtungsachse der Flüssigkristallmoleküle auf der Einfallslichtseite fällt mit der der langen Seiten des homogenen Bereiches 312a mit rechteckiger Form, die als y-Achse angenommen wird, zusammen. Die optische Achse erstreckt sich in Richtung der z-Achse, senkrecht zu der Zeichenebene. Elektroden 314, 314 sind in dem oberen Teil des Flüssigkristallelementes vorgesehen und der gesamte Bereich zum Einfüllen der Flüssigkristalle kann durch Anlegen einer ausreichenden externen Spannung an die Elektroden homeotrop geschaltet werden. Ferner erfüllt unter Bezugnahme auf die im vorhergehenden beschriebene Formel (2) das Flüssigkristallelement im wesentlichen die Bedingung, dass das Ergebnis der Formel die Quadratwurzel von 15 bei Licht mit einer Wellenlänge von 633 nm sein sollte.
In dem aktuell verwendeten optischen System hatte der Strahl des linear polarisierten Lichts 30 die Form eines Kreises von ungefähr 5 mm Durchmesser und als Fokussierungsoptik 104 wurde eine Linse mit der Brennweite von 500 mm ungefähr 5 cm entfernt von dem Flüssigkristallelement 303 angeordnet.
16A zeigt das Profil in der y-Achsenrichtung von dem Strahlfleck, der an dem Punkt P beim Ausführen der Ausführungsform 3-B gebildet wird. 16B zeigt das Strahlfleckprofil in der x-Achsenrichtung an dem Punkt P, wenn das optische System entsprechend der Ausführungsform 3-B ohne das Flüssigkristallelement 303 konstruiert ist.
Eine Halbwertsbreite d/2 des Maximumprofils PP, das in der Mitte des Strahlfleckes auftritt, der in dem Strahlfleckprofil BSP in 16A gezeigt ist, wird um ungefähr 15% schmaler gesehen, als die in dem in 16B gezeigten Strahlfleckprofil BSP, was eine höchst aufgelöste Abbildung anzeigt. Das Strahlfleckprofil BSP in 16A zeigt, dass Nebenlappen SP an gegenüberliegenden Seiten des Maximumpofils PP, welches in der Mitte gebildet ist, auftreten.
16C zeigt das Strahlfleckprofil BSP in der x-Achsenrichtung an dem Punkt P, wenn das optische System entsprechend der Ausführungsform 3-B ohne das Flüssigkristallelement 303 aufgebaut ist, aber mit einem rechteckigen Abschirmungsband von 1 mm Breite in der x-Achsenrichtung und 10 mm Länge in der y-Achsen-richtung, das im Mittenbereich der Fokussierungsoptik 104 angeordnet ist, versehen ist (das heißt, den Aufbau einer herkömmlichen optischen Vorrichtung).
Es wurde durch Überprüfen der Lichtausbeute herausgefunden, dass in der Ausführungsform 3-B ungefähr 15% Verlust an Lichtleistung aufgrund des Vorhandenseins des Flüssigkristallelementes 303 beobachtet wurde (es wird Bezug genommen auf die 16A und 16B). Es ist jedoch möglich, den Verlust an Lichtleistung auf nicht mehr als 10% zu reduzieren durch Auftragen einer nicht reflektierenden Beschichtung auf das Glassubstrat des Flüssigkristallelements.
Andererseits wurde mit dem Aufbau der herkömmlichen optischen Vorrichtung, welche das Abschirmungsband, wie oben beschrieben wurde, verwendet, beobachtet, dass der Verlust an Lichtleistung ungefähr 40% beträgt (es wird Bezug genommen auf die 16A und 16C).
Ferner fällt mit dem Aufbau der Ausführungsform 3-B, wenn der gesamte Bereich des Flüssigkristallelementes 303 homeotrop in der z-Achsenrichtung durch Anlegen einer Spannung daran geschaltet wurde, das Strahlfleckprofil an dem Punkt P im wesentlichen zusammen mit dem in 16B gezeigten. Das beruht auf einem Fehlen an optischer Drehung der Polarisationsachse (es wird Bezug genommen 4B). Das heißt, mit dem Aufbau der Ausführungsform 3-B kann sowohl eine hoch aufgelöste Abbildung, als auch eine normal aufgelöste Abbildung nach Belieben und mit Leichtigkeit realisiert werden durch Steuern der Spannung, die an das Flüssigkristallelement 303 angelegt wird.
Ferner, selbst in dem Fall des Realisierens eines höchst aufgelösten Bildes wurde der Höchstauflösungseffekt verstärkt durch Anlegen einer geeigneten Vorspannung an das Flüssigkristallelement 303 im voraus. Es scheint, dass dieses einem effizienteren Auftreten eines Phänomens der optischen Drehung aufgrund reduzierter Doppelbrechung durch Anlegen einer Vorspannung, nahe zu einer Spannung, bei der die Flüssigkristalle aktiviert werden, zuzuschreiben ist.
Es wird Bezug genommen auf den Aufbau der Ausführungsform 3-B, bei dem der homogene Bereich 303a des Flüssigkristallelementes 303 als Bereich wirkt zum Verhindern, dass die Polarisationsachse des linear polarisierten Lichts optisch gedreht wird. Eine derartige Funktion kann erzielt werden durch Verzichten auf eine in den Bereich gebildete Flüssigkristall schicht. In solch einem Fall besteht jedoch das Risiko einer Phasenmodulation, die bei dem darauf fallenden linear polarisierten Licht auftritt aufgrund eines Unterschieds in einer optischen Weglänge, der auftritt zwischen dem Bereich mit der Flüssigkristallschicht und dem ohne die Flüssigkristallschicht. Dementsprechend besteht in diesem Fall ein Bedürfnis zum Kompensieren der Phasenmodulation durch Verwenden einer Kondensoroptik 104 oder einer anderen Optik.
Auch mit der Konstruktion der Ausführungsform 3-B kann selbst wenn der homogene Bereich 303a des Flüssigkristallelementes 303 in einen θ° gedreht-nematischen Bereich und der 90° gedreht-nematische Bereich 303b in einen (θ – 90)° gedreht-nematischen Bereich geschaltet wird, eine höchst aufgelöste Abbildung noch erhalten werden, da die Polarisationsachsen des linear polarisierten Lichtes, das durch die jeweiligen Bereiche hindurchgeht, einander unter rechten Winkeln kreuzen.
Nun wird die optische Speicherplatte 105 vom Reflexionstyp bzw. reflektierenden Typ in derselben Ebene angeordnet, in der der Strahlfleck P gebildet ist, so dass sie die optische Achse O im wesentlichen unter rechten Winkeln kreuzt. Dementsprechend wird ein Lichtstrahl, der auf dem Strahlfleck P gesammelt wird, von der Oberfläche der optischen Speicherplatte 105 vom Reflexionstyp in Richtung der optischen Achse O reflektiert. Der so reflektierte Lichtstrahl wird durch die Fokussierungsoptik 104 erneut durchgelassen und aufgeteilt durch ein optisches Aufspaltungselement 701. Das optische Aufspaltungselement 701 ist auf der optischen Achse O und auf halber Strecke zwischen dem Flüssigkristallelement 303 und der Fokussierungsoptik 104 angeordnet.
Der Lichtstrahl 32, der durch das optische Aufspaltungselement 701 geteilt ist, wird durch eine andere Fokussierungsoptik 702 gesammelt und bildet einen Brennfleck Q. Ein optisches Erfassungselement 704 ist so installiert, dass es den Brennfleck Q erfasst. Ferner ist ein Erfassungselement 703 zum Erfassen von linear polarisiertem Licht in dem optischen Weg des abgeteilten Lichtstrahles 32 angeordnet.
Das Erfassungselement 703 zum Erfassen von linear polarisiertem Licht hat die Funktion des Entfernens von Nebenlappen bzw. Nebenmaxima von dem Brennfleck Q.
In der Ausführungsform 3-B wurde jeweils ein Prisma-Strahlaufteiler für das optische Aufspaltungselement 701, eine Linse mit einer Brennweite von 500 mm für die Fokussierungsoptik 702 und eine Polarisationsplatte für das Erfassungselement 703 zum Erfassen von linear polarisiertem Licht verwendet.
17A zeigt das Strahlfleckprofil BSP des Brennfleckes Q, das erfasst wird durch das optische Erfassungselement 704 beim Ausführen der Ausführungsform 3-B. Es wurde jedoch herausgefunden, dass die Halbwertsbreite d/2 des Strahlfleckprofiles BSP größer wird, wenn die Nebenmaxima entfernt werden. In diesem Zusammenhang wird eine Zunahme der Halbwertsbreite des Strahlfleckprofiles wenig Effekt auf die Erfassung von Information, die auf der optischen Speicherplatte aufgezeichnet ist, haben.
17B zeigt das Strahlfleckprofil BSP des Brennfleckes Q, wie es durch das optische Erfassungselement 704 erfasst wird, wenn das optische System entsprechend der Ausführungsform 3-B ohne das Erfassungselement 703 zum Erfassen von linear polarisiertem Licht konstruiert ist. Wie in der Figur gezeigt ist, wurde herausgefunden, dass Nebenlappen SP an dem Strahlfleckprofil BSP aufgetreten sind. Die Nebenlappen werden zu einer Quelle von Signalrauschen, wenn Information, die auf der optischen Speicherplatte 105 aufgezeichnet ist, wiedergegeben wird.
18 zeigt die Orientierung 703a des Erfassungselements 703 für das linear polarisierte Licht, das beim Ausführen der Ausführungsform 3-B eingesetzt wird, d. h. die Orientierung der Transmissionsachse des linear polarisierten Lichts.
Der Strahl des linear polarisierten Lichts, welches durch das Erfassungselement 703 für linear polarisiertes Licht hindurch gelassen wird, weist das linear polarisierte Licht 30b, das optisch um 90° gedreht ist, und das linear polarisierte Licht 30a, das optisch nicht gedreht ist, auf.
Angenommen, dass in 18 die α-Achse die Richtung der Polarisationsachse des linear polarisierten Lichts 30b ist, das optisch um 90° gedreht ist, und die β-Achse, die des linear polarisierten Lichts 30a ist, das optisch nicht gedreht ist, könnten die Nebenlappen SP fast komplett von dem Brennfleck Q entfernt werden, wenn die Orientierung 703a des Erfassungselementes 703 für linear polarisiertes Licht so angeordnet ist, dass sie einen Winkel von ungefähr 40° bezüglich der α-Achse bildet. Es wurde nachfolgend bestätigt, dass die Nebenlappen bzw. Nebenmaxima SP schrittweise hervorkamen, wenn die Orientierung ϕ des Erfassungselements 703 für linear polarisiertes Licht verschoben wurde.
Durch Einstellen der Orientierung 703a des Erfassungselementes 703 für linear polarisiertes Licht zwischen der α-Achse und der β-Achse können Orientierungskomponenten, jeweils a und b, des Erfassungselementes 703 für linear polarisiertes Licht aus dem linear polarisierten Licht herausgenommen werden, welches Komponenten aufweist, deren Polarisationsachsen einander unter rechten Winkeln kreuzen. Es wird befunden, dass als Ergebnis des obigen, die orthogonale Beziehung zwischen den jeweiligen Komponenten des linear polarisierten Lichtes verschwindet, wodurch die Nebenlappen SP entfernt werden. In diesem Zusammenhang wird, wie es von 18 ersichtlich ist, ein äquivalentes Phänomen resultieren, wenn die Orientierung ϕ des Erfassungselements 703 für linear polarisiertes Licht um 90° gekippt wird.
19 ist eine schematische Veranschaulichung, die ein Beispiel 4-A einer optischen Vorrichtung, angewendet auf ein optisches Speicherplattensystem zeigt. In 19 sind Teile, die jenen entsprechen, die im vorhergehenden mit Bezugnahme auf 12 beschrieben wurden, mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
In diesem Beispiel weist ein optisches System für das optische Speicherplattensystem eine linear polarisierte Laserlichtquelle 101, eine Sammellinse 102, ein optisches Drehelement 803, eine Fokussierungsoptik 104, ein optisches Aufspaltungselement 701, eine Fokussierungsoptik 702 und ein Erfassungselement 703 zum Erfassen von linear polarisiertem Licht auf.
Linear polarisiertes Licht 80, das von der linear polarisierten Laserlichtquelle 101 emittiert wird, wird in ebene Wellen durch die Sammellinse 102 umgewandelt. In diesem Beispiel wird angenommen, dass die Polarisationsachse 80y des linear polarisierten Lichts 80 in Richtung der y-Achse orientiert ist.
Wenn das linear polarisierte Licht 80 durch das optische Drehelement 803 hindurch gelassen wird, wird die Richtung der Polarisationsachse 80y aufgrund der optischen Drehkraft des optischen Drehelements 803 gedreht. Genauer gesagt, das optische Drehelement 803 ist zusammengesetzt aus einem Bereich 803a, bei dem darauf fallendes linear polarisiertes Licht 80 um θ° in der Richtung der x-Achse, die die y-Achse unter rechten Winkeln kreuzt, gedreht wird und einen Bereich 803b, bei denen das darauf fallende linear polarisierte Licht 80 um (θ° – 90°) in der beschriebenen Richtung gedreht wird.
Wie durch Schraffieren in 19 angezeigt ist, ist der Bereich 803a, bei dem das darauf fallende linear polarisierte Licht 80 um θ° gedreht wird, in einer kreisförmigen Form ausgebildet mit der optischen Achse im Zentrum. Folglich fällt linear polarisiertes Licht 80a, das durch den Bereich 803a zum Drehen der Polarisation von Licht um θ° hindurch gelassen wird, auf einen im wesentlichen kreisförmigen Bereich 104a der Fokussierungsoptik 104, in dessen Mitte sich die optische Achse O befindet. Der kreisförmige Bereich 104a entspricht einem Abschnitt eines effektiven Lichtstrahles 81, der auf die Fokussierungsoptik 104 fällt und weist eine kleinere numerische Apertur auf, als sie durch den effektiven Lichtstrahl 81 gebildet werden würde.
In diesem Beispiel wird die numerische Apertur, die durch den effektiven Lichtstrahl 81 gebildet wird, für die Anwendung auf DVDs eingesetzt und die numerische Apertur, die durch das linear polarisierte Licht 80a gebildet wird, wird für die Anwendung auf CDs eingesetzt. Ferner fällt gemäß 19, da eine Blendscheibe oder ähnliches zum Begrenzen eines Lichtstrahls, der auf die Fokussierungsoptik 104 fällt, nicht verwendet wird, der effektive Lichtstrahl 81 mit dem Strahl des linear polarisierten Lichts 80, das durch das optische Drehelement 803 hindurch gelassen wird, zusammen.
Inzwischen fällt linear polarisiertes Licht 80b, das durch den Bereich 803b zum Drehen der Polarisation von Licht um (θ – 90)° hindurch gelassen wird, auf einen Bereich 104b der Fokussierungsoptik 104 mit Ausnahme des kreisförmigen Bereiches 104a.
Diesbezüglich schneidet die Polarisationsachse des linear polarisierten Lichts, das auf den kreisförmigen Bereich 104a fällt, die des linear polarisierten Lichts, das auf dem Bereich 104b mit Ausnahme des kreisförmigen Bereiches 104a fällt, unter rechten Winkeln.
Der Lichtstrahl, der auf die optische Speicherplatte 105 fällt, kehrt entlang im wesentlichen demselben optischen Weg, als dem eingehenden optischen Weg zurück, wird erneut durch die Fokussierungsoptik 104 hindurch gelassen und wird durch das optische Aufspaltungselement 701 aufgespalten. In diesem Beispiel behält der aufgeteilte Lichtstrahl 82 den anfänglichen Zustand der Polarisation, außer wenn die optische Speicherplatte 105 eine intensive Doppelbrechung und Beugung in Abhängigkeit von der Polarisation aufweist. Im Fall von gewöhnlichen optischen Speicherplatten beträgt die Doppelbrechung 20 nm oder weniger und Beugung in Abhängigkeit von Polarisation tritt kaum auf.
Der geteilte Lichtstrahl 82 wird durch die Fokussierungsoptik 702 gesammelt, wobei er einen Brennfleck Q bildet. Ein optisches Erfassungselement 704 ist an dem Brennfleck Q angeordnet.
Ferner ist das Erfassungselement 703 zum Erfassen von linear polarisiertem Licht in den optischen Weg des abgespaltenen Lichtstrahls 82 gesetzt.
Wenn die bevorzugte Orientierung (die Richtung, in die das linear polarisierte Licht hindurch gelassen werden kann) des Erfassungselementes 703 für linear polarisiertes Licht so einjustiert ist, dass sie in der Richtung von θ° liegt, verursacht dies, dass die Polarisationsachse des linear polarisierten Lichts 80b, die optisch um (θ – 90)° gedreht ist, in rechten Winkeln zu der bevorzugten Orientierung des Erfassungselementes 703 für linear polarisiertes Licht verläuft. Folglich wird das linear polarisierte Licht 80b, eine Komponente des linear polarisierten Lichtes, das optisch durch (θ – 90)° gedreht ist, abgeschattet.
Das linear polarisierte Licht in dem beschriebenen Zustand ist geeignet für die Wiedergabe von Information, die auf CDs und CD-ROMs aufgezeichnet ist. Das heißt, das linear polarisierte Licht 80b, das optisch um (θ – 90)° gedreht ist, ist ein Lichtstrahl, der durch den Umfangsbereich der Fokussierungsoptik 104, die eine große numerische Apertur aufweist, hindurchgeht und ist natürlicherweise ein Abschnitt eines Lichtstrahles für die Anwendung auf DVDs. Dementsprechend, in dem Fall, in dem dieser auf CDs und ähnliches angewendet wird, die eine unterschiedliche Dicke eines Speicherplattensubstrats gegenüber DVDs haben, wird er zu einem reflektierten Lichtstrahl mit einer großen Aberration bzw. einem großen Abbildungsfehler. Solch ein reflektierter Lichtstrahl, wie beschrieben, wird den Brennfleck Q verunstalten, wobei die Erfassungsgenauigkeit des optischen Erfassungselmentes 704 verschlechtert wird. Durch Abschatten der Komponente des linear polarisierten Lichts 80b, die um (θ – 90)° gedreht ist, und die einen nachteiligen Effekt hat auf die Wiedergabe von Information, die auf den CDs und ähnlichem aufgezeichnet ist, ist es möglich, die Wiedergabegenauigkeit von CDs und CD-ROMs zu erhöhen.
Andererseits, in dem Fall, in dem das linear polarisierte Licht für die Wiedergabe von auf DVDs aufgezeichneter Information verwendet wird, kann der Bereich 803b des optischen Drehelementes 803 zum optischen Drehen des linear polarisierten Lichts um (θ – 90)° ebenso umgeschaltet in einen Bereich zum optischen Drehen desselben um θ° werden, so dass das linear polarisierte Licht, welches auf den gesamten Bereich des optischen Drehelementes 803 fällt, optisch um θ° gedreht wird. Dann werden alle Komponenten des effektiven Lichtstrahls 81 durch das Erfassungselement 703 zum Erfassen von linear polarisiertem Lichts zum Bilden des Brennfleckes Q hindurch gelassen.
20 ist eine schematische Darstellung, die ein Beispiel 4-B einer optischen Vorrichtung zeigt, bei der gedreht-nematische Flüssigkristalle für ein optisches Drehelement verwendet werden. In 20 sind Teile, die denjenigen entsprechen, die im vorhergehenden mit Bezug auf 19 beschrieben wurden, durch dieselben Bezugszeichen beschrieben.
Die optische Drehfunktion eines üblichen gedreht-nematischen Flüssigkristallelements ist so, wie sie im vorhergehenden unter Bezugnahme auf die 4A und 4B beschrieben wurde. In dem Beispiel, wie es in 20 gezeigt ist, wird ein gedreht-nematisches Flüssigkristallelement 903 mit den zuvor beschriebenen Eigenschaften als optisches Drehelement verwendet.
In dem in 20 gezeigten optischen System ist die Richtung einer Ausrichtungsachse des Flüssigkristallelementes 903 auf der Eingangsseite des linear polarisierten Lichts 90 so eingestellt, dass sie im wesentlichen zusammenfällt mit der Polarisationsachse 90y des linear polarisierten Lichts 90, wobei beide in der y-Achsenrichtung orientiert sind.
Das linear polarisierte Licht 90, das von der linear polarisierten Laserlichtquelle 101 emittiert wird und in ebene Wellen durch eine Sammellinse 102 umgewandelt wird, fällt auf das Flüssigkristallelement 903. Das Flüssigkristallelement 903 ist zusammengesetzt aus einem homogenen Bereich 903a und einem 90° gedreht-nematischen Bereich 903b.
In diesem Beispiel ist der homogene Bereich 903a in einer kreisförmigen Form, wobei sich die optische Achse im Zentrum befindet, ausgebildet.
Das linear polarisierte Licht 90, das auf den homogenen Bereich 903a des Flüssigkristallelementes 903 aufgetroffen ist, wird durch dieses hindurch gelassen, ohne dass es optisch gedreht wird. Dann fällt linear polarisiertes Licht 90a, das durch den homogenen Bereich 903 hindurch gelassen ist, auf einen im wesentlichen kreisförmigen Bereich 104a, in dessen Zentrum sich die optische Achse einer Kondensoroptik 104 befindet.
In diesem Beispiel entspricht der kreisförmige Bereich 104a dem Abschnitt eines effektiven Lichtstrahles 91, der auf die Fokussierungsoptik 104 fällt und weist eine kleinere numerische Apertur auf, als die, die durch den effektiven Lichtstrahl 91 gebildet wird.
In diesem Beispiel wird die numerische Apertur, die durch den effektiven Lichtstrahl 91 gebildet wird, eingesetzt für die Anwendung auf DVDs und die numerische Apertur, die durch den kreisförmigen Bereich 104a gebildet wird, wird eingesetzt für die Anwendung auf CDs.
Ferner, da gemäß 20 eine Blende oder ähnliches zum Begrenzen eines Lichtstrahles, der auf die Fokussierungsoptik 104 fällt, nicht verwendet wird, fällt der effektive Lichtstrahl 91 mit dem Strahl des linear polarisierten Lichts, das durch das Flüssigkristallelement 903 hindurch gelassen wird, zusammen. Folglich gibt es keinen großen Verlust bezüglich der Lichtmenge und der effektive Lichtstrahl 91, der durch die Fokussierungsoptik 104 hindurchgeht, wird an einem Punkt P unter Bildung eines Strahlfleckes gesammelt.
Inzwischen wird linear polarisiertes Licht 90b, das durch den 90° gedreht-nematischen Bereich 903b hindurch gelassen wird, optisch um 90° gedreht und fällt auf einen Bereich 104b der Fokussierungsoptik 104 mit Ausnahme des kreisförmigen Bereiches 104a.
21 ist eine Ansicht, die den Aufbau eines gedreht-nematischen Flüssigkristallelementes, das bei der Ausführung nach diesem Beispiel verwendet wird, darstellt.
Ein in der Figur gezeigtes Flüssigkristallelement 910 hat eine äußere Form von ungefähr 15 mm² und weist in der Mitte desselben einen Bereich 911 von 10 mm Durchmesser zum Einfüllen von Flüssigkristallen auf. Ein homogener Bereich 912a, der im wesentlichen eine Kreisform und 3 mm Durchmesser aufweist, ist in dem Mittenbereich des Bereiches 911 zum Einfüllen der Flüssigkristalle gebildet, und ein 90° gedreht- nematischer Bereich 912b ist in dem Rest des Bereiches 911 gebildet.
Die Richtung 913 einer Ausrichtungsachse der Flüssigkristallmoleküle auf der Einfallslichtseite ist so eingestellt, dass sie in der Richtung der y-Achse ist. Die optische Achse erstreckt sich in Richtung der z-Achse, senkrecht zu der Zeichenebene. Elektroden 914, 914 sind in dem oberen Teil des Flüssigkristallelementes vorgesehen und der gesamte Bereich 911 zum Einfüllen der Flüssigkristalle kann homeotrop durch Anlegen einer ausreichenden externen Spannung an die Elektroden geschaltet werden. Ferner erfüllt unter Bezugnahme auf die im vorhergehenden beschriebene Formel (2) das Flüssigkristallelement im wesentlichen die Bedingung, dass das Ergebnis der Formel die Quadratwurzel von 15 in Bezug auf Licht mit einer Wellenlänge von 633 nm sein sollte.
Mit Bezug auf den Aufbau den Aufbau des Beispiels 4-B funktioniert der homogene Bereich 903a des Flüssigkristallelements 903 als ein Bereich zum Verhindern, dass die Polarisationsachse des linear polarisierten Lichts optisch gedreht wird.
Solch eine Funktion kann erzielt werden durch Verzichten auf eine in dem Bereich gebildete Flüssigkristallschicht. In solch einem Fall tritt jedoch das Risiko einer Phasenmodulation auf, die an dem linear polarisierten Licht, das darauf fällt, auftritt aufgrund eines Unterschieds in einer optischen Weglänge, der auftritt zwischen dem Bereich mit der Flüssigkristallschicht und dem ohne die Flüssigkristallschicht. Dementsprechend besteht das Bedürfnis in diesem Fall zum Kompensieren der Phasenmodulation durch Verwendung einer Fokussierungsoptik 104 oder einer anderen Optik.
Auch kann mit dem Aufbau des Beispiels 4-B selbst in dem Fall, in dem der homogene Bereich 903a des Flüssigkristallelements 903 in einen θ° gedreht-nematischen Bereich umgewandelt wird, und der 90° gedreht-nematische Bereich 903b in einen (θ – 90)° gedreht-nematischen Bereich umgewandelt wird, noch derselbe Effekt erhalten werden, da die Polarisationsachsen des linear polarisierten Lichts, das durch die jeweiligen Bereiche hindurchgeht, einander unter rechten Winkeln kreuzen.
Nun wird die optische Speicherplatte 105 in derselben Ebene angeordnet, in der der Strahlfleck P gebildet ist, so dass sie die optische Achse O unter rechten Winkeln kreuzt. Der Lichtstrahl, der an dem Strahlfleck P gesammelt wird, wird von der Oberfläche der optischen Speicherplatte 105 reflektiert, kehrt entlang im wesentlichen demselben Weg, als dem eingehenden optischen Weg zurück und wird durch ein optisches Aufspaltungselement 701, nachdem er erneut durch die Fokussierungsoptik 104 hindurch gelassen ist, aufgeteilt.
Der so abgeteilte Lichtstrahl 92 wird durch eine andere Fokussierungsoptik 702 gesammelt, wobei er einen Brennfleck Q bildet. Der Brennfleck Q wird durch ein optisches Erfassungselement 704 erfasst.
Ferner ist das Erfassungselement 703 für linear polarisiertes Licht auf halber Strecke zwischen dem optischen Aufspaltungselement 701 und dem optischen Erfassungselement 704 angeordnet. Die bevorzugte Orientierung (die Richtung, in der das linear polarisierte Licht hindurch gelassen werden kann) des Erfassungselements 703 für linear polarisiertes Licht wird so einjustiert, dass sie in der Richtung der y-Achse ist, so dass nur die Komponente des effektiven Lichtstrahles 91 he rausgenommen wird, die durch den kreisförmigen Bereich 104a hindurch gelassen wird. Folglich kann die Komponente des effektiven Lichtstrahles 91, die durch den Umfangsabschnitt der Fokussierungsoptik 104 hindurch gelassen wird, der eine größere numerische Apertur aufweist, abgeschattet werden, was die Wiedergabe von auf CDs aufgezeichneter Information ermöglicht.
Ferner, wenn das Flüssigkristallelement 903 homeotrop geschaltet wird durch Anlegen eines elektrischen Feldes daran in der Richtung der z-Achse und dadurch seine optische Drehkraft verliert, können alle Komponenten des effektiven Lichtstrahles 91 herausgenommen werden, was es ermöglicht, dass die optische Vorrichtung für DVDs und ähnliches verwendet werden kann.
In einem optischen System, das durch den Erfinder auf einer experimentellen Grundlage hergestellt wurde, wurde eine Polarisationsplatte als das Erfassungselement 703 für linear polarisiertes Licht verwendet, und der effektive Lichtstrahl 91 wurde so eingestellt, dass er 5 mm Durchmesser hatte.
Ein rundes Durchgangsloch kann in dem Mittenabschnitt der Polarisationsplatte vorgesehen sein zum Erlauben, dass nur die Komponente des effektiven Lichtstrahles 91, die durch den kreisförmigen Bereich 104a hindurch gelassen wird, gerade durch dieses hindurchgeht. Die Lichtausbeute wird auf diese Weise verbessert, da Licht durch die Polarisationsplatte absorbiert wird, obwohl die Lichtausbeute kein großes Problem bereiten wird, da eine Photodiode, die häufig als optisches Erfassungselement 704 verwendet wird, hoch sensitiv verglichen mit anderen Einrichtungen ist.
Ferner, selbst wenn ein Element, dessen gesamter Bereich aus 90° gedreht-nematischen Flüssigkristallen zusammengesetzt ist, als das Flüssigkristallelement 903 verwendet wird, und der Umfangsbereich des Flüssigkristallelements 903 mit Ausnahme des kreisförmigen Bereichs desselben zur Verwendung im Fall von CDs in einen homeotropen Bereich durch Anlegen eines elektrischen Feldes umgewandelt wird, kann derselbe Effekt erhalten werden, da die Polarisationsachsen des linear polarisierten Lichts, das jeweils durch den kreisförmigen Bereich und den Umfangsbereich hindurch gelassen wird, einander unter rechten Winkeln kreuzen.
Da das Flüssigkristallelement 903 als optisches Drehelement verwendet wird und die Polarisationsplatte oder ähnliches nicht in dem optischen Weg für einfallendes Licht verwendet wird, wird theoretisch kein Verlust in der Lichtmenge auftreten. Die Ergebnisse aktueller Messungen zeigten einen Lichtmengenverlust von der Größenordnung von 15%. Es ist jedoch möglich, denselben auf 10% oder weniger zu reduzieren durch Auftragen einer nicht reflektierenden Beschichtung auf das Glassubstrat des Flüssigkristallelements.
GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT
Wie im Vorhergehenden beschrieben wurde, stellt die Erfindung eine höchstauflösende optische Vorrichtung bereit, die anwendbar ist auf optische Speicherplattensysteme, photolithographische Maskierungssysteme, die für die Herstellung von Halbleitern verwendet werden und ähnliches. Ferner ist mit der optischen Vorrichtung entsprechend der Erfindung ein Wechsel in der Anwendung für optische Speicherplattensysteme, d. h. von DVDs zu CDs und umgekehrt möglich durch Ändern der numerischen Apertur der Optik.

Claims

Eine optische Vorrichtung mit einer Fokussierungsoptik (104) zum Fokussieren von linear polarisiertem Licht; wobei ein optisches Drehelement (303; 310) in einem Strahlengang des linear polarisierten Lichts angeordnet ist, wobei das optische Drehelement (303; 310) einen optischen Drehbereich aufweist, der fähig ist, die Polarisationsachse des darauf fallenden linear polarisierten Lichtes um 90° optisch zu drehen, und einen optisch nicht drehenden Bereich, der fähig ist, das darauf fallende linear polarisierte Licht hindurchzulassen, ohne die Polarisationsachse des linear polarisierten Lichts optisch zu drehen, so dass das optische Drehelement die Orientierung der Polarisationsachsen des linear polarisierten Lichtes lokal unterschiedlich macht, der optische Drehbereich kreisförmig oder rechteckig ausgebildet ist, wobei die optische Achse des auf das optische Drehelement fallenden linear polarisierten Lichtes im Zentrum des ersten Drehbereichs vorgesehen ist, das optische Drehelement durch die Form des optischen Drehbereichs und des optisch nicht drehenden Bereichs ein Strahlfleck-Profil des von dem optischen Drehelement ausgehenden Lichts bewirkt, das in einem Brennpunkt (P) der Fokussierungsoptik (104) Nebenmaxima (SP) auf gegenüberliegenden Seiten eines in einem Zentrum ausgebildeten Scheitelprofils (PP) aufweist, ein optisch reflektierendes Medium (105) in dem Brennpunkt (P) der Fokussierungsoptik (104) angeordnet ist, während ein von dem optisch reflektierenden Medium (105) reflektierter Lichtstrahl an einem anderen Punkt (Q) als dem Brennpunkt (P) der Fokussierungsoptik (104) fokussiert wird, so dass der fokussierte Lichtstrahl an dem Punkt (Q) durch ein optisches Erfassungselement (704) erfasst wird ein Erfassungselement (703) zum Erfassen von linear polarisiertem Licht in dem optischen Weg des von dem optisch reflektierenden Medium (105) reflektierten Lichtstrahls angeordnet ist, wobei die Orientierung (703a) der Transmissionsachse des linear polarisierten Lichts des Erfassungselements (703) so zwischen einer α-Achse und einer β-Achse angeordnet ist, dass sie in einer Richtung festgelegt ist, in der die Nebenmaxima (SP) an dem Punkt (Q) entfernt sind, wobei die α-Achse die Richtung der Polarisationsachse des linear polarisierten Lichts (30b) ist, das optisch um 90° gedreht ist, und die β-Achse die des linear polarisierten Lichts (30a) ist, das optisch nicht gedreht ist.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Drehelement ein Flüssigkristallelement (303; 310) ist, und dass die Ausrichtungsrichtung der Flüssigkristallmoleküle des Flüssigkristallelements auf der Einfallsseite des linear polarisierten Lichts so eingestellt ist, dass sie im wesentlichen zusammenfällt oder sich im wesentlichen unter rechten Winkeln kreuzt mit der Richtung der Polarisationsachse des auf das Flüssigkristallelement fallenden linear polarisierten Lichts.
Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Drehelement (303; 310) ein 90° gedreht-nematisches Flüssigkristallelement ist, und dass die Ausrichtungsrichtung der Flüssigkristallmoleküle des Flüssigkristallelements auf der Einfallsseite des linear polarisierten Lichts zusammenfällt mit der oder unter einem rechten Winkel verläuft zu der Richtung der Polarisationsachse des auf das Flüssigkristallelement fallenden linear polarisierten Lichts, und wobei das Flüssigkristallelement (303) einen Abschnitt eines homogenen Bereiches (303a) aufweist, in dem Flüssigkristallmoleküle in der Richtung der Polarisationsachse des auf das Flüssigkristallelement auffallenden Lichts ausgerichtet sind, wodurch der homogene Bereich der optisch nicht drehende Bereich wird.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein 90° optischer Drehbereich (303b) des optischen Drehelements (303) so gestaltet wird, dass die Flüssigkristallmoleküle durch Anlegen einer Spannung daran homeotrop ausgerichtet sind.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass entweder der 90° optische Drehbereich (303b) oder der optisch nicht drehende Bereich (303a) des optischen Drehelements in einer kreisförmigen Form ausgebildet ist, wobei sich die optische Achse des darauf fallenden linear polarisierten Lichtes im Zentrum befindet.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass entweder der 90° optische Drehbereich (303b) oder der optisch nicht drehbare Bereich (303a) des optischen Drehelements in einer langgestreckten Form ausgebildet ist, wobei sich die optische Achse des darauf fallenden linear polarisierten Lichtes im Zentrum befindet.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens der gesamte Bereich (311), in dem das auf das 90° gedreht-nematische Flüssigkristallelement (303; 310) auffallende linear polarisierte Licht hindurch ge lassen wird, so eingestellt ist, dass er der 90° optische Drehbereich (303b; 312b) ist, während ein Abschnitt (312a) des 90° optischen Drehbereichs so geschaltet ist, dass er der optisch nicht drehbare Bereich ist durch Verursachen, dass die Flüssigkristallmoleküle desselben homeotrop ausgerichtet werden durch Anlegen einer Spannung.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der optisch nicht drehende Bereich (312a) in einer kreisförmigen Form ausgebildet ist, wobei sich die optische Achse des darauf fallenden linear polarisierten Lichtes im Zentrum befindet.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der optisch nicht drehende Bereich (312a) in einer langgestreckten Form ausgebildet ist, wobei sich die optische Achse des darauf fallenden linear polarisierten Lichtes im Zentrum befindet.
Die optische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Erfassungselement (703) für linear polarisiertes Licht eine Polarisierungsplatte ist.