JP2006208520A - 液晶光学素子および光ピックアップ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の収差補正用の液晶光学素子は、使用環境温度の変化によって液晶層のセルギャップが変動してしまい、その結果補正値が狂ってしまうという問題があった。
【解決手段】上下基板の間のシール部材により規定される空間領域に液晶材料を封入して成る液晶光学素子において、弾性を有する外皮と該外皮中に包含された内包物とを有する中空粒子が、液晶材料とともに空間領域に配設され、剛性を有するスぺーサーが、上下基板の間に配設された構成を採用した。また中空粒子の外径をスペーサーの外径よりも大きくした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光ピックアップ装置のレーザー光の光軸上に配置して、コマ収差、球面収差または非点収差等を補償する収差補正用の液晶光学素子およびそれを搭載した光ピックアップ装置に関する。

ＣＤあるいはＤＶＤ等のディスクに情報を書き込んだり、読み取ったりするための光ピックアップ装置における収差補正を行うために、収差補正用液晶光学素子が用いられている。このような収差補正用液晶光学素子は、ディスクに照射されるレーザー光の光軸が傾くことにより、ＤＶＤ等のディスク内に生じるコマ収差や、ディスクの厚み方向の球面収差や、光ピックアップ装置を構成する光学部材に起因する非点収差を含む波面収差を光学的に補正する。

従来の赤色レーザーを用いるＤＶＤでは、従来の収差補正用液晶光学素子で問題なく補正が出来ていたが、青色レーザーが使用されてディスクの記録密度が高密度化された結果、従来の収差補正用液晶光学素子では収差補正が困難となってきた。

その主な原因は、収差補正用液晶光学素子が使用環境温度の変化によって液晶層のセルギャップが変動してしまうことに起因して収差補正用液晶光学素子で補正される設定補正量からずれてしまうことである。

この現象について更に詳細に説明をする。
図６は収差補正用液晶光学素子３１の断面図で、その問題となる状況を模式的に表している。

図６において、符号１２は上基板、符号１４は下基板、符号１６は上下基板を接着するシール部材、符号１８は液晶材料で上下基板とシール部材１６によって密閉された空間に充填されており、該空間が液晶層である。そして、図６（ａ）は使用環境温度が常温環境下、図６（ｂ）は低温環境下、図６（ｃ）は高温環境下の収差補正用ｆ３１の状態を示している。

常温環境下の収差補正用液晶光学素子３１は図６（ａ）に示したように、収差補正用液晶光学素子３１の液晶材料１８の層厚であるセルギャップは図示していないスぺーサーによって設計値に保たれＬＮとなる。

それに対して、低温環境下の収差補正用液晶光学素子３１は、液晶層を構成する液晶材料１８が収縮するため、上下基板がともに内側に引っ張られ、図６（ｂ）に示すような中凹形状（ベコ形状）となる。したがって液晶層のセルギャップは図示のＬＬとなり、常温での値ＬＮよりも小さくなってしまう。

また、高温環境下の収差補正用液晶光学素子３１は、液晶層を構成する液晶材料１８が膨張するため、上下基板がともに外側に押され、図６（ｃ）に示すような中凸形状（タイコ形状）となる。したがって液晶層のセルギャップは図示のＬＨとなり、常温での値ＬＮよりも大きくなってしまう。

一般に収差補正用液晶光学素子３１の液晶層のセルギャップ変動は、レーザー光の波長をλとした時、λ／６以内ならば問題ないとされてきたが、青色レーザーが使われ始め、
該青色レーザー光の波長λ（４０５ｎｍ）がＣＤおよびＤＶＤで用いられる波長（７９５ｎｍ、６５０ｎｍ）に対して小さいため、収差補正用液晶光学素子３１の全使用温度範囲でのより精密なセルギャップの管理が必要となってきている。なお以下の図において、同様の部材には同様の番号を付している。

このような液晶層のセルギャップ変動を防止するための技術として、中空のスぺーサーを用い、該中空スぺーサーの変形を利用して、低温放置に於ける液晶材料の体積収縮による液晶光学素子の内部に発生する圧力の減少をスぺーサーの変形により吸収して、常に液晶層が一定の圧力となる様にして液晶層中での気泡の発生を防ぐという提案がされている（例えば特許文献１参照）。

しかし、中空スぺーサーが液晶光学素子のセルギャップを正確に出せるほど硬ければ、液晶光学素子の内部に発生する圧力の増減をスペーサーにより吸収することは不可能となる。それに対して液晶光学素子の内部に発生する圧力の増減によって変形できるほど柔らかいスぺーサーを用いれば、液晶光学素子のセルギャップを一定に保つことは不可能となる。

したがって、上述した構成を収差補正用液晶光学素子に用いると、外的な温度変化に応じてセルギャップが変動してしまうこととなり、ディスク等により発生する波面収差を正確に補正できなくなってしまう。そのため、この様な液晶光学素子を収差補正用液晶光学素子として、光ピックアップ装置に搭載することは現実的に不可能となる。

また、光ピックアップ装置用の収差補正用液晶光学素子において、収差補正用液晶光学素子内に液晶層と気泡の双方を挟持し、かつ気泡と液晶層間に気泡固定手段を設けて気泡が光学的有効領域に進入しないよう構成し、温度変化による収差補正用液晶光学素子内部の圧力の増減を該気泡層の体積の増減により吸収しようという提案がされている（例えば特許文献２参照）。

しかし、この提案による構成では、収差補正用液晶光学素子のセルギャップを一定に保つことが出来るものの、気泡層を構成する気体が液晶層に溶け込んでしまい圧力の吸収体として機能しなくなってしまうという問題がある。また、気体が液晶層に溶け込むにしたがって、気体から液体に変化することによる体積収縮が起きるため、収差補正用液晶光学素子内の圧力低下が起こることに起因して上下基板を内側に引っ張るため、収差補正用液晶光学素子を図６（ｂ）に示した中凹形状にしてしまうという問題がある。

さらには、液晶層中に溶け込んだ気体は環境温度が高温から低温に変化した時再び気化することとなるが、このような状況で気化した気体が光学的有効領域に集まってしまうことを阻止することは出来ないという問題もある。

このように従来の収差補正用液晶光学素子は、上述した多くの問題を包含しており、特に青色レーザーを用いた光ピックアップ装置にこの収差補正用液晶光学素子を搭載することは好ましくない。

特開平５−１４２５４８号公報（第２頁、第１−２図） 特開２００３−４５０６５号公報（第２頁、第１−５図）

そこで、本発明の解決しようとする課題は、収差補正用液晶光学素子の温度変化による液晶層のセルギャップ変動を抑え、使用温度範囲全般にわたって、特に青色レーザーを用
いた光ピックアップ装置においても収差補正が可能な、収差補正用液晶光学素子およびそれを搭載した光ピックアップ装置を提供することである。

本発明の液晶光学素子は、上下基板の間のシール部材により規定される空間領域に液晶材料を封入して成る液晶光学素子において、弾性を有する外皮と該外皮中に包含された内包物とを有する中空粒子が、液晶材料とともに空間領域に配設され、剛性を有するスぺーサーが、上下基板の間に配設されていることを特徴とするものである。

また本発明の液晶光学素子は、前述した内包物が気体であることを特徴とするものである。

さらに本発明の液晶光学素子は、前述したスぺーサーがシール部材に混入されて配設されていることを特徴とするものである。

またさらに本発明の液晶光学素子は、前述したスぺーサーがシール部材に混入されるとともに液晶材料が配設された領域に配置されていることを特徴とするものである。

またさらに本発明の液晶光学素子は、前述した中空粒子の外径が、スペーサーの外径より大きいものを用いたことを特徴とするものである。

本発明の光ピックアップ装置は、レーザー光源と、当該レーザー光源から出射される往路のレーザー光をディスクに集光するための対物レンズと、ディスクからの反射光である復路のレーザー光を受光するための受光器と、レーザー光源と対物レンズとの間の光路中に配設された上述した液晶光学素子を収差補正様液晶光学素子として搭載したことを特徴とするものである。

本発明によれば、環境温度が大きく変化しても液晶光学素子の液晶層のセルギャップ変動を非常に小さく出来るため、特に青色レーザーを用いた光ピックアップ装置においても正確に波面収差補正を行うことが出来るようになる。

また、この液晶光学素子を収差補正用液晶光学素子として搭載した光ピックアップ装置は、上述した様に様々な環境下において正確に波面収差を補正することが出来るようになる。

本発明の液晶光学素子は、上下基板の間のシール部材により規定される空間領域に液晶材料を封入し、弾性を有する外皮と該外皮中に包含された内包物とを有する中空粒子が、この液晶材料とともに空間領域に配設され、剛性を有するスぺーサーが、上下基板の間に配設された構成を採用した。また、前述した中空粒子の外径は、スペーサーの外径よりも大きくして配置するのが好ましい。

なお、下記の記載は、特に液晶光学素子を収差補正用液晶光学素子に適用した例を示すが、これに限定されるものではなく、外的温度変化に応じてセルギャップを極力抑えたい液晶光学素子全般に適用できることに留意されたい。

図１は本発明による収差補正用液晶光学素子３０の断面図で、図１（ａ）は室温環境下での断面図、図１（ｂ）は低温環境下での断面図、図１（ｃ）は高温環境下での断面図を
示している。

図１（ａ）〜（ｃ）において、符号１２は上基板、符号１４は下基板、符号１６はシール部材で、この上下基板とシール部材１６とによって密閉された空間が形成され、該空間内に液晶材料１８、剛性を有するスぺーサー２６とともに中空粒子２０が封入されている。

剛性を有するスぺーサー２６は、従来から用いられている既知のスぺーサーであり、素子の製造段階で上下基板を押圧したときに、液晶層のセルギャップが精度の良い幅に設定される剛性を有しており、中空粒子２０は、使用環境温度が変化したときの液晶材料１８の体積膨張、収縮に応じて体積が収縮、膨張するよう弾性を有する外皮中に、好ましくは気体の内包物を包含している。

ここで図２、３を用いて中空粒子２０の説明を行う。
図２は本発明で用いる中空粒子２０の断面図であり、図２（ａ）は通常の圧力環境下での中空粒子２０の状態を示す断面図、図２（ｂ）は低い圧力環境下での中空粒子２０の状態を示す断面図、図２（ｃ）は高い圧力環境下での中空粒子２０の状態を示す断面図である。

図２（ａ）〜（ｃ）において、中空粒子２０は、弾性を有する外皮２２中に包含された内包物２４を有している。該内包物２４は、掛かる圧力により変形する液体を用いることも出来るが、好ましくは気体であり、圧力に対して体積が変化し易いものを用いることが肝要である。従って固体は内包物として好ましくない。

図２（ａ）は、通常の圧力環境下、すなわちほぼ１気圧での中空粒子２０の断面形状を示しており、この中空粒子２０を構成する外皮２２および内包物２４は、球形に近い形状をしている。

そして、低い圧力環境下で中空粒子２０が液晶層内に置かれた場合は、内包物２４が膨張して体積が大きくなるが、上下基板に対して軟らかい中空粒子２０の上面と下面が基板によって押えられるため、内包物２４が横方向に膨張し、弾性を有する外皮は内包物の膨張に応じて膨張して、図２（ｂ）のような形状となる。

また、高い圧力環境下で中空粒子２０が液晶層内に置かれた場合は、内包物２４とともに、弾性を有する外皮２２は、外圧によって内包物２４の収縮に応じて収縮するが、この外皮は気体程には収縮出来ないため、図２（ｃ）のように外皮２２に皺がよったような形状となる。

ここで外皮２２としては、例えばスチレン・アクリル系のポリマー、またはナイロン系のポリマーを使うことが出来る。外皮２２の厚さはできるだけ薄くして、外圧に対して容易に変形し易くすることが望ましい。また、内包物２４は気体であれば問題なかったが、製造の面からは空気もしくは窒素が好ましかった。

次に、中空粒子２０とスペーサー２６との径の関係について説明をする。
図３は中空粒子２０の構成を説明するための図面である。

本発明の収差補正用液晶光学素子３０では、図３（ａ）に示すスペーサー２６の直径Ｌ１に対して、図３（ｂ）に示す中空粒子２０の約１気圧での直径Ｌ２を大きく設定したものを用いた。

このように、中空粒子２０の直径Ｌ２をスぺーサー２６の直径Ｌ１よりも大きく設定したため、上下基板によって中空粒子２０が所望の箇所に固定して配置される。そのため、光学的有効領域で中空粒子２０が遊動し集まってしまうことを防ぐことができるようになる。従って上記構成とすれば、外部の環境が変化したとしても、光学的有効領域に浮遊して中空粒子２０が集まることがなく、光学的補正に支障をきたすことはない。

なお、中空粒子２０の直径Ｌ２は、スぺーサー２６の直径Ｌ１より５％から４０％程度、好ましくは１０％から２０％程度大きいことが望ましかった。また、この中空粒子２０の直径Ｌ２を極端に大きくし過ぎると、常温環境下において上下基板により中空粒子２０が大きく潰れてしまい好ましくない。そのため、スペーサー２６により設定されるセルギャップとの関係を留意して中空粒子２０の直径Ｌ２を設定する必要がある。

次に、図２，図３で説明した中空粒子２０とスペーサー２６を適用した収差補正用液晶光学素子３０の作用について図１を用いて説明をする。

図１に示す様に、液晶材料１８、スぺーサー２６と共に上下基板間に中空粒子２０を封入した構成とすれば、室温環境下では上下基板とシール部材１６とによって密閉された空間内の圧力がほぼ１気圧であるため、中空粒子２０は図２（ａ）で示した形状となり、図１（ａ）に示すように収差補正用液晶光学素子３０のスペーサー２６により決められたセルギャップはＬＮとなる。

そして、低温環境下では液晶材料１８が収縮するため、上下基板とシール部材１６とによって密閉された空間内の圧力が低下し、中空粒子２０は図２（ｂ）で示した形状となり、図１（ｂ）に示すように収差補正用液晶光学素子３０のスペーサー２６により決められたセルギャップはＬＬ（ＬＮ＝ＬＬ）に保たれる。

また、高温環境下では液晶材料１８が膨張するため、上下基板とシール部材１６とによって密閉された空間内の圧力が上昇し、中空粒子２０は図２（ｃ）で示した形状となり、図１（ｃ）に示すように収差補正用液晶光学素子３０のスペーサー２６により決められたセルギャップはＬＨ（ＬＮ＝ＬＬ＝ＬＨ）に保たれる。

このように、中空粒子２０が外部環境の温度に応じて体積を変えるため、上下基板とシール部材１６とによって密閉された空間の体積は、使用環境温度の変化に対しほぼ一定となり、上下基板を引っ張る力、押す力を大幅に減少させることができる。そのため、液晶層のセルギャップは常温に於ける値ＬＮ，低温に於ける値ＬＬ，高温に於ける値ＬＨの変化が大幅に減少し、使用温度範囲でのセルギャップ変化を０．０７μｍ以下に抑えることが出来た。

また、上述した様にセルギャップ変化を、青色レーザー波長の１／６以下に抑えることが可能となったため、青色レーザーを用いる光ピックアップ装置に好適な収差補正用液晶光学素子を実現出来た。

さらに、本発明においては内包物２４を外皮２２で覆っているため、内包物２４が液晶材料１８中に溶け出してしまうことも防ぐことができる。

なお、保存温度範囲の最低温度と最高温度での液晶材料１８の体積の差よりも、中空粒子２０全体の内包物２４体積の方が大きいことが望ましく、この条件を満足すると液晶層のセルギャップの変動は非常に小さくなる。

ただし、上下基板には通常ガラス基板を用いるが、ガラス基板厚が厚くなるにしたがっ
て基板が非常に堅くなるため、必ずしも上記条件を満足しなくとも十分な効果を生じることが出来る。

次に、本発明の収差補正用液晶光学素子における他の構成例について説明をする。
図４は中空粒子２０とともに配置するスぺーサー２６の配置形態を示した図面である。

図４（ａ）では、中空粒子２０が液晶層に混入されて配置されており、スぺーサー２６−１がシール部材１６とに混入されて配置されており、上下基板とシール部材１６とによって密閉された液晶層が封入される領域には配置されていない構成例を示している。

このように構成することにより、光学的有効領域にはスぺーサーが存在しなくなるため、図１に示したスぺーサー２６による収差補正の障害が減少するという効果を得ることができる様になる。この構成は、収差補正用液晶光学素子３０を小型とした場合に特に有効な構成となる。

また、図４（ｂ）では、スぺーサー２６−１がシール部材１６に混入されて配置されるとともに、液晶材料１８が配設される領域にも同じ材料と形状のスぺーサー２６−２が配置されている構成例を示している。

このように構成することにより、収差補正領域にスペーサーが混入されるものの、液晶層のセルギャップをより正確に制御することが出来るという効果を得ることができる様になる。

上記図４（ｂ）に示した構成例の説明では、シール部材１６に混入して配置されるスペーサー２６−１と、液晶材料１８が配設される領域に配置されるスペーサー２６−２とが、共に剛性を有するスペーサーとした例を示したが、この様な機能を持たせるために同一のスペーサー材料、および形状のものを用いても良いし、スペーサー２６−１には円柱形の比較的硬いスペーサーを、スペーサー２６−２にはプラスチックビーズのような比較的柔らかいスペーサーを用いても良い。

上述したスペーサー２６−２にプラスチックビーズを用いる場合は、例えば液晶層の設定セルギャップ６．５μｍに対しスペーサー径６．６μｍ〜６．８μｍのものを用いるのが好ましく、上記スペーサー２６−２を用いれば、スペーサーを多少潰してセルギャップを出すのができる。

この様に、スペーサー２６−１とスペーサー２６−２の径は、収差補正用液晶光学素子３０の製造条件によりどちらを大きくするかが決定されるので仕様用途に応じて決定されるものであることに留意されたい。

次に、本発明の収差補正用液晶光学素子３０を光ピックアップ装置に用いた例について説明をする。
図５は本発明による収差補正用液晶光学素子３０を用いた光ピックアップ装置の全体構成を示すブロック図で、レーザー光源５０と、コリメータレンズ５２と、偏光ビームスプリッタ５４と、収差補正用液晶光学素子３０と、該収差補正用液晶光学素子３０に収差補正用の電圧信号を与える駆動回路４０と、１／４位相差板６６と、対物レンズ５６と、集光レンズ６０と受光器６２とから図示のように構成されている。

本図面に示す様に、レーザー光源５０から出射した往路のレーザー光６４は、コリメー
タレンズ５２によってＰ偏光の平行光とされ、偏光ビームスプリッタ５４と収差補正用液晶光学素子３０を通過する。レーザー光６４は収差補正用液晶光学素子３０により入射する平行光のコマ収差、球面収差、または非点収差を含む波面収差を補正された後、１／４位相差板６６により円偏光に変換され、対物レンズ５６によりディスク５８にビームを照射する。

さらに、ディスク５８からの反射された復路のレーザー光は、対物レンズ５６を透過し、１／４位相差板６６にてＳ偏光に変換された後、収差補正用液晶光学素子３０を通過し、偏光ビームスプリッタ５４にて光路を変えて集光レンズ６０を通過して受光器６２にディスク５８から反射されたレーザー光を集める。そのデータを基に、ディスク５８に記録された情報等を読み取ったり、ディスク面に書き込みをする。

本発明の光ピックアップ装置は、波面収差を精度良く補正できる収差補正用光学素子３０を用いているため、精度の良い情報の書き込み、読み出しを行うことができ、特に青色レーザーを用いた情報記録媒体の高密度化にも対応し得る。

以上説明したように、本発明によれば使用環境温度に対して液晶層のセルギャップが安定な収差補正用液晶光学素子３０が実現出来るため、青色レーザーを用いた情報記録媒体の高密度化にも対応可能となり効果は大きい。

本発明の収差補正用液晶光学素子の構成および作用を示す断面図である。（実施例１） 本発明で用いる中空粒子の作用を説明する図面である。（実施例１） 本発明で用いる中空粒子の直径とスペーサーの直径との関係を示す図面である。（実施例１） 本発明の収差補正用液晶光学素子の他の構成例を示した断面図である。（実施例２） 本発明の光ピックアップ装置の構成を示す模式図である。（実施例３） 従来の収差補正用液晶光学素子の構成例および採用を示す断面図である。

符号の説明

１２ 上基板
１４ 下基板
１６ シール部材
１８ 液晶材料
２０ 中空粒子
２２ 外皮
２４ 内包物
２６，２６−１，２６−２ スぺーサー
３０ 収差補正用液晶光学素子
５０ レーザー光源
５２ コリメータレンズ
５４ 偏光ビームスプリッタ
５６ 対物レンズ
５８ ディスク
６０ 集光レンズ
６２ 受光器
６４ レーザー光
６６ １／４位相差板

Claims (6)

1. 上下基板の間のシール部材により規定される空間領域に液晶材料を封入して成る液晶光学素子において、
   弾性を有する外皮と該外皮中に包含された内包物とを有する中空粒子が、前記液晶材料とともに前記空間領域に配設され、
   剛性を有するスぺーサーが、前記上下基板の間に配設されていることを特徴とする液晶光学素子。
2. 前記内包物は、気体であることを特徴とする請求項１に記載の液晶光学素子。
3. 前記スぺーサーは、前記シール部材に混入されて配設されていることを特徴とする請求項１または２に記載の液晶光学素子。
4. 前記スぺーサーは、前記シール部材に混入されて配設されるとともに、前記空間領域にも配設されていることを特徴とする請求項１または２に記載の液晶光学素子。
5. 前記中空粒子の外径が、前記スペーサーの外径より大きいものを用いたことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の液晶光学素子。
6. レーザー光源と、
   前記レーザー光源から出射される往路のレーザー光をディスクに集光するための対物レンズと、
   前記ディスクからの反射光である復路のレーザー光を受光するための受光器と、
   前記レーザー光源と前記対物レンズとの間の光路中に配設された請求項１から５のいずれか一項に記載の液晶光学素子と、
   を備えたことを特徴とする光ピックアップ装置。

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