JP2007025143A - 液晶光学素子および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ光源から出射される位相の揃った発散光あるいは収束光の光路中に、液晶光学素子を配置して用いる場合、透過光の光路長差が生じ、リタデーション値の面内分布も不均一であった。そのため、透過波面収差や偏光状態の不均一が発生し、液晶光学装置の光学性能を低下させ、小型化を阻害していた。
【解決手段】対向する一対の透明基板付近のプレチルトが略平行なダイレクタを有し、電極間に印加される電圧の大きさに応じて透過光のリタデーション値を変化させる液晶層を２層積層し、電圧印加時に第一の液晶層と第二の液晶層の液晶分子の配向方向が前記透明基板面に対して逆向きに傾斜配向し、傾斜角の絶対値がほぼ等しくなるように液晶層を配設した液晶光学素子、および、これを備える光学部材あるいは光学装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ光用の液晶光学素子に関し、より詳しくは、一対の透明基板と透明基板上に形成される一対の透明電極と透明基板間に挟持された液晶層と液晶分子の配向制御手段とを備え、前記電極間に印加される電圧の大きさに応じて透過光のリタデーション値を変化させる液晶層を用いた液晶光学素子に関する。

従来の液晶光学素子１００の断面を模式的に図１３に示す。
透明基板１１１、１１２の対向する面に透明電極１１３、１１４が形成され、透明電極１１３、１１４の表面には液晶層１１７の液晶分子の長軸の配向ベクトル１２０（以下ダイレクタともいう）が一定方向に揃うように処理された配向膜１１５、１１６が形成される。透明電極１１３、１１４には外部の交流電源（図示せず）が接続され、液晶層１１７に透明電極１１３、１１４を介して電圧が印加される。

図１３の例では、配向膜１１５および１１６がアンチパラレル方式でＸ軸方向にラビングされ、液晶分子はホモジニアス配向となっている。よって、液晶分子配向時には、図面に示された平面上（以下紙面内とも言う）においてダイレクタが揃うとともに、対向する両透明基板付近のプレチルトが略平行となる。誘電異方性が正の液晶を用いる場合、透明電極間に印加される電圧に応じて配向膜で規定されたプレチルト方向を基準に、液晶層１１７内の液晶分子のダイレクタ１２０が図示したように傾斜配向する。

特開２００２−２８８８６６号公報

図１３に例を示した従来の単層の液晶光学素子１００に、光軸に対して対称な入射角を有する発散光が入射した場合について、光線Ａおよび光線Ｂを例に説明する。

図に示すように、レーザ光源から出射される発散光が、紙面内でＸ軸の振動方向を有する直線偏光である場合、液晶層１１７の液晶分子のダイレクタ１２０が傾斜配向しているため、光軸に対称な入射角を有する光線Ａおよび光線Ｂとダイレクタの成す角度ｙ１およびｙ２は異なる。このような発散光が液晶層１１７内を通過する際に、透過光の光路長に差異が生じ、透過波面に差異が生じる。その結果、印加される電圧にかかわらず従来の構成の液晶光学素子１００では、波面収差、特に非点収差が発生する。また、印加電圧に応じてダイレクタ１２０が変化するため、発生する波面収差も変化するという問題があった。

このため、前述の液晶光学素子１００を光学装置に用いた場合、液晶光学素子１００の透過光をレンズなどの集光手段を用いて集光しても、波面収差が大きくレーザ光の集光スポットを回折限界まで絞ることができないという問題があった。

このため例えば、少なくともレーザ光源と対物レンズと光検出器とからなり、光記録媒体への情報の記録および／または再生（以下、「記録・再生」と呼ぶ）を行う光ヘッド装置において、液晶光学素子１００を発散光あるいは収束光の光路中に配置して用いた場合、レーザ光源から出射されるレーザ光が位相の揃ったレーザ光であっても、対物レンズにより光記録媒体に回折限界まで集光できない。よって、光記録媒体の安定した記録・再生ができないという問題が発生していた。

また、レーザ光源から出射される位相の揃った非並行光を集光レンズを用いて光伝送用の光ファイバのコア部に集光する光伝送装置においては、前述の液晶光学素子１００を発散光あるいは収束光の光路中に配置すると、コア部への集光性が劣化し光利用効率が低下するといった問題があった。

また、従来の液晶光学素子１００を平行光中の光路に配置して用いた場合、上記の問題は発生しないが、液晶光学素子１００を大形化する必要が生じ、光ヘッド装置あるいは光伝送装置の大形化を招くと行った問題があった。

一方、図１３の構成で、レーザ光源から出射される発散光がＸＹ面内でＸ軸およびＹ軸に対して４５°の角度を成す振動方向の直線偏光である場合、前述の角度ｙ１とｙ２の違いにより、光線Ａと光線Ｂに対する液晶層内のリタデーション値（Ｘ軸とＹ軸の振動方向を有する直線偏光の光路長差）に差が生じる。その結果、光線Ａと光線Ｂでは透過光の偏光状態が異なり、位相差が生じてしまうという問題もあった。

この位相差も透過波面収差の原因となり、前述と同様に液晶光学素子１００を光学装置に用いた場合、レーザ光の集光スポットを回折限界まで絞ることができなくなる。また、例えば、液晶光学素子１００の光透過側に偏光子や偏光ビームスプリッタなどを配置し、印加電圧の大きさに応じて透過光の光強度変調を行う場合、液晶光学素子面内で透過光量分布が発生するといった問題があった。

またここでは、従来の液晶光学素子１００の問題点について、電圧非印加時に液晶分子のダイレクタ１２０が透明基板面に略平行なホモジニアス配向の場合を例として説明したが、電圧非印加時に液晶分子のダイレクタ１００が透明基板面に略垂直なホメオトロピック配向となる場合も同様の問題が生じる。この場合、負の誘電異方性の液晶が用いられ、電圧の印加に伴い、液晶層１１７内の液晶分子のダイレクタ１２０が水平方向に傾斜配向する。

そこで本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、レーザ光源から出射される位相の揃った発散光あるいは収束光の光路中に液晶光学素子を配置して用いる場合に、透過光のリタデーション値の面内分布が良好で、透過波面収差が小さく、偏光状態が均一な液晶光学素子を実現するとともに、これを用いた小型で高性能な光学部品および光学装置を提供することを目的とする。

本発明の第1の態様は、レーザ光用の液晶光学素子であって、前記透明基板上に形成される一対の透明電極と前記透明基板間に挟持された液晶層と液晶分子の配向制御手段とを備え、前記透明電極間に印加される電圧の大きさに応じて透過光のリタデーション値を変化させる前記液晶層を用いた液晶光学素子において、
前記液晶層が二層積層され、各液晶層の同一層内の液晶分子は、同一平面状にダイレクタを有し、かつ、対向する両透明基板付近のプレチルトが略平行なダイレクタを有し、電圧印加時に第一の液晶層と第二の液晶層の隣接する配向制御手段表面の液晶分子の配向方向が前記透明基板面に対して逆向きに傾斜配向し、傾斜角の絶対値がほぼ等しくなるように前記液晶層を配設したことを特徴とする液晶光学素子を提供する。

本発明の第２の態様は、前記配向制御手段は配向膜であり、前記配向膜がアンチパラレル方式でラビングされ、液晶分子はパラレル配向である態様１に記載の液晶光学素子を提供する。

本発明の第３の態様は、前記配向手段により配列される液晶分子はホモジニアス配向である態様１または２に記載の液晶光学素子を提供する。

本発明の第４の態様は、第一の液晶層の透明基板面における液晶分子のプレチルト角が１〜１０°または、１７０〜１７９°第二の液晶層の透明基板面における液晶分子のプレチルト角が１７０〜１７９°または１〜１０°である態様１、２または３に記載の液晶光学素子を提供する。

本発明の第５の態様は、前記配向膜により配列される液晶分子はホメオトロッピック配向である態様１または２に記載の液晶光学素子を提供する。

本発明の第６の態様は、第一の液晶層の透明基板面における液晶分子のプレチルト角が８０〜８９°または、９１〜１００°第二の液晶層の透明基板面における液晶分子のプレチルト角が９１〜１００°または８０〜８９°である態様１、２または５に記載の液晶光学素子を提供する。

本発明の第７の態様は、焦点距離を電気的に可変する液晶光学部品であって、態様１〜６に記載の液晶光学素子を備える液晶レンズを提供する。

本発明の第８の態様は、光回路内で光の偏光状態を能動的に可変する液晶光学部品であって、光路中に態様１〜６に記載の液晶光学素子を備える液晶波長板を提供する。

本発明の第９の態様は、光回路内で光の強度を能動的に可変する液晶光学部品であって、光路中に態様１〜６に記載の液晶光学素子と偏光手段を備える光減衰器を提供する。

本発明の第１０の態様は、前記偏光手段が回折格子である態様９に記載の光減衰器を提供する。

本発明の第１１の態様は、光記録媒体に情報の記録・再生を行う光ヘッド装置であって、光源と対物レンズの光路中に態様１〜６に記載の液晶光学素子が設置されている光ヘッド装置を提供する。

本発明の第１２の態様は、入射光の強度を変化させて伝達する光伝送装置であって、光路中に態様９または１０に記載の光減衰器が設置され、前記液晶光学素子に印加される電圧の大きさに応じて透過光の強度が変化する光伝送装置を提供する。

本発明によれば、２層の液晶層を備える液晶光学素子の同一電圧が印加された液晶層において、光軸に対して入射角度が対称の光線に対する液晶層のリタデーション値が等しくなる。また、光軸に対して入射角が対称の光線のリダデーション値は、液晶層に印加される電圧の大きさに応じて液晶分子のダイレクタが変化しても一定に維持される。よって、位相の揃ったレーザ光が液晶光学素子に発散光または収束光として入射する場合に、同一電圧が印加された液晶層においては、発散光または収束光の光路長はほぼ等しく、光軸に非対称な透過波面収差を抑制するとともに、透過光の均一な偏光状態を実現できる。

また、本発明に係る液晶光学素子は、ホモジニアス配向、ホメオトロピック配向のいずれにも適応が可能である。このため光学装置の設計の自由度を高めることができる。液晶分子の誘電率異方性が正でホモジニアス配向の場合、印加電圧の増加に伴い液晶層のリタデーション値が減少する。また、液晶分子の誘電率異方性が負でホメオトロピック配向の場合、印加電圧の増加に伴い液晶層のリタデーション値が増加する。誘電率異方性が正の液晶は材料種類が豊富で、大きな複屈折性および大きな誘電率異方性を有する液晶材料が多いため、高速応答性や低電圧駆動に有利な液晶光学素子が実現できる。

すなわち、大きな複屈折性の液晶材料を用いる場合、同じリタデーション値の変化を液晶層層厚の薄い構成で得ることができ、一般に応答速度は液晶層厚の二乗に反比例するため、高速応答となる。また、大きな誘電率異方性の液晶材料を用いる場合、低電圧で液晶分子が電圧応答するため、低電圧で大きなリタデーション値の変化が得られる。

一方、誘電率異方性が負でホメオトロピック配向の液晶の場合、電圧非印加時リタデーション値が略ゼロとなる。よって、入射光の波長および偏光状態に依存することなく、出射光は入射光と同じ偏光状態を維持する。すなわち、液晶光学素子が無い状態と同じ作用が安定して実現する。例えば、光入射側と光出射側に偏光子と検光子をクロスニコル（透過偏光の方向が直交する）配置とした場合、電圧非印加時に入射光をその波長に関わらず遮断する機能が実現できる。

また、本発明に係る液晶光学素子は２層の液晶層を備え、第一の液晶層と第二の液晶層が積層されている。この２層構造により、従来の単層の液晶層を有する液晶光学素子と比較して、以下の優れた電気光学特性が実現する。すなわち、第一の液晶層と第二の液晶層を従来の単層の液晶層と同じ層厚にした場合は、第一の液晶層と第二の液晶層に同一交流電源を用いて同じ電圧を印加することにより、従来の単層の液晶層を有する液晶光学素子と比較して２倍の光路長変化およびリタデーション値の変化が得られる。

一方、第一の液晶層と第二の液晶層の層厚を従来の単層の液晶層層厚の半分とし、第一の液晶層と第二の液晶層の層厚の和を従来の単層の液晶層の層厚と同一とした場合、第一の液晶層と第二の液晶層に同一交流電源を用いて同じ電圧を印加する条件で、従来の単層の液晶光学素子に比べて、応答速度を約４倍程度まで高速化することが可能になる。このときの光路長変化およびリタデーション値の変化は、従来の単層の液晶層を有する液晶光学素子と同等である。

本発明に係る液晶光学素子を光学部品に用いた場合、透過したレーザ光は、レンズなどの集光手段を用いて回折限界まで集光スポットを絞ることができる。このため、不要な収差成分の発生を抑制し、液晶光学素子が所望の光変調機能を発現することができる。具体的には、焦点距離を電気的に可変する液晶レンズに適応できる。液晶レンズは、入射光が発散光や収束光の場合でも、光の偏光方向および強度に影響を与えず焦点距離（透過波面）を変更する機能が求められるが、本発明に係る液晶光学素子を用いると透過波面収差が小さい等の特性により、高性能な液晶レンズを提供できる。

また、透過光の偏光状態を電気的に制御する液晶波長板にも適応できる。液晶波長板は、入射光が発散光や収束光の場合でも、出射光の強度に影響を与えず偏光状態を変更させる機能が求められるが、本発明に係る液晶光学素子を用いると透過光の偏光状態の空間分布の均一性が高い等の特性により、高性能な液晶波長板を提供できる。

また、入射光量を電気的に減衰させる可変光減衰器にも適応できる。可変光減衰器は、入射光が発散光や収束光の場合でも、透過光の偏光方向を一定に保ったまま焦点距離に影響を与えず、光の強度を変更する機能が求められるが、本発明に係る液晶光学素子と偏光子を組み合わせることにより、透過光の偏光状態の空間分布の均一性が高い等の特性により、高性能な可変光減衰器を提供できる。

このように本発明に係る液晶光学素子を用いた光学部品は、入射光が発散光や収束光の場合でも、透過光の波面収差が小さい、透過光の偏光状態の空間分布の均一性が高い等の電気光学特性により高い光学性能が期待できる。よって、本発明に係る光学部品を用いて高性能な光学装置を提供できる。

具体的には、本発明に係る光学部品と他の光学部品によって構成される光ヘッド装置や光伝送装置等に適応できる。発散光または収束光の光路中に配置して使用が可能である等の特性から、光変調機能、応答性などに優れた光学装置を提供することが可能である。

以上のように本発明に係る液晶光学素子を用いることで、小型で高性能な液晶光学部品および液晶光学装置を実現できる。なお、本発明は前述の例に限定されるものではなく、発明の効果を損なわない範囲で適応が可能である。

以下、本発明について、添付図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する図において、実質的に同等な部分には同一の参照符号を付している。

［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る液晶光学素子の構成の一例を示す縦断面模式図である。図に示すように、液晶光学素子１０は、透明基板１１Ａ、１２、１１Ｂが間隙を持って配置され、その間隙に第一の液晶層１７と第二の液晶層１８が挟持される。透明基板の対向した面には透明電極１３Ａ、１３Ｂと１４Ａ、１４Ｂが形成され、透明電極には配向膜１５Ａ、１５Ｂと１６Ａ、１６Ｂが積層して形成され、シール１９を用いてセル化される。ここで、透明基板１１Ａ、１１Ｂ、１２は可視光透過率の高い板状体であれば使用可能であるが、ガラスまたはポリカーボネートなどの透明樹脂が好ましい。

また、図１では液晶光学素子の透明基板１２を２つの液晶層で共用する構成を例に示したが、透明基板１２は液晶層それぞれに個別に設けてもよく、また、別々に作成された単層の液晶素子を積層して２層の液晶光学素子を構成してもよい。透明電極は、公知のものが利用可能であるが、ＩＴＯを用いることが好ましい。液晶分子の配向制御手段である配向膜は、公知のものが利用可能であるが、ポリイミド等の有機材料やＳｉＯ等の無機微結晶膜が好ましく、セル内に封入される液晶は、ネマティック液晶が使用できる。

配向膜１５Ａ、１５Ｂおよび１６Ａ、１６Ｂは、アンチパラレル方式でラビンクを行うことにより、第一の液晶層１７および第二の液晶層１８の液晶分子は、同一平面状にダイレクタを有し、かつ、対向する両透明基板付近のプレチルトが略平行なダイレクタを有する。

図３に本発明に係る液晶光学素子１０の構成の一例における液晶層内の液晶分子のダイレクタと入射光の関係を示す縦断面模式図を示す。図３は、正の誘電率異方性を有する液晶を用い、液晶分子をホモジニアス配向とした構成において、液晶層に電圧を印加した場合の液晶分子のダイレクタの分布例である。

配向膜１５Ａ、１５Ｂおよび１６Ａ、１６Ｂは、紙面内に液晶分子のダイレクタが揃うとともに、プレチルト角ｘ１を成すように形成される。配向膜１５Ａ、１５Ｂのプレチルト角はＸ軸に対して時計回りに、配向膜１６Ａ、１６Ｂのプレチルト角はＸ軸に対して反時計回りになるように形成される。これにより図３に示すように、第一の液晶層１７のダイレクタは、印加電圧の大きさに応じて時計回りに傾斜角度ｘ１から約９０°まで、変化し、第二の液晶層１８のダイレクタは、印加電圧の大きさに応じて反時計回りに傾斜角度ｘから９０°まで変化する。その結果、第一の液晶層１７と第二の液晶層１８の液晶分子のダイレクタが透明基板面に対して逆向きに傾斜配向し、傾斜角の絶対値がほぼ等しくなる。ここで、プレチルト角ｘ１は１〜１０°あるいは１７０°〜１７９°とすることが好ましい。

このようにして得られた液晶光学素子１０に、Ｘ軸の振動方向の直線偏光で位相の揃ったレーザ光が出射されるレーザ光源１を用いて、発散光を入射させる。光軸に対称な入射角の透過光線である光線Ａと光線Ｂに対する液晶層内の光路長ＬＡおよびＬＢは、第一の液晶層１７ではＬＡ＞ＬＢだが、第二の液晶層１８ではＬＡ＜ＬＢであり、液晶光学素子１０を透過後の光路長はＬＡ＝ＬＢとなる。つまり、単層の液晶層からなる従来の液晶光学素子１００では、発散光に対する光路長ＬＡとＬＢの相違に起因して透過波面が非軸対称に変化し、非点収差が発生したが、本発明に係る液晶光学素子１０の構成とすることにより、非軸対称な透過波面変化は生じることなく、非点収差は発生しない。また、この効果は、印加電圧の大きさに応じて液晶層内の液晶分子のダイレクタが変化しても維持される。

図４は、負の誘電率異方性を有する液晶を用い、液晶分子をホメオトロピック配向とした構成において、液晶層に電圧を印加した場合の液晶分子のダイレクタの分布例である。液晶光学素子２０のプレチルト角ｘ２は、８０〜８９°あるいは９１°〜１００°が好ましく、透明基板面における液晶配向が垂直（９０°）に近い角度となる。このとき、第一の液晶層１７の液晶分子のダイレクタは、印加電圧の大きさに応じて時計回りに傾斜角度ｘ２から０°または１８０°まで変化し、第二の液晶層１８のダイレクタは、印加電圧の大きさに応じて反時計回りに傾斜角度ｘ２から０°または１８０°まで変化する。その結果、第一の液晶層１７と第二の液晶層１８の液晶分子の配向方向が、透明基板面に対して逆向きに傾斜配向し、傾斜角の絶対値がほぼ等しくなる。

このようにして得られた液晶光学素子２０に、Ｘ軸の振動方向の直線偏光で位相の揃ったレーザ光が出射されるレーザ光源１を用いて発散光を入射させる。この場合、液晶光学素子１０と同様に、光軸に対称な入射角の透過光線である光線Ａと光線Ｂに対する液晶層内の光路長はＬＡ＝ＬＢとなる。したがって、本発明に係る液晶光学素子２０の構成も液晶光学素子１０の場合と同様に、非軸対称な透過波面変化は生じることなく非点収差は発生しない。また、印加電圧の変化に対しても同様の効果が維持される。

つまり、本発明に係る液晶光学素子は、光軸に対称な入射角を持つ透過光線の入射角に関わらず、液晶光学素子中の光路長を一定に制御する手段を備える液晶光学素子であるといえる。

一方、液晶光学素子１０または液晶光学素子２０に、レーザ光源１から出射されるＸＹ面内でＸ軸およびＹ軸に対して任意の角度を成す振動方向を有する直線偏光の発散光が入射した場合、第一の液晶層１７と第二の液晶層１８それぞれの液晶層単独では、光線Ａと光線Ｂのリタデーション値は異なる。しかし、第一の液晶層１７と第二の液晶層１８の液晶層の２つの液晶層を通過後のリタデーション値は等しく、かつ、ダイレクタが逆向きに傾斜配向しているため、光線Ａと光線Ｂの透過光の偏光状態は等しくなる。その結果、本発明に係る液晶光学素子の構成とすることにより、印加電圧の大きさが同じ場合、非軸対称な透過偏光状態は均一に保たれる。この効果は、印加電圧の大きさに応じて液晶層内の液晶分子のダイレクタが変化しても維持される。

また、電圧非印加状態（Ｖ_０）に対する印加電圧状態（Ｖ_ｍ）の液晶層の屈折率変化量を△ｎとすると、単層の液晶層ではリタデーション値の変化は、△ｎ×ｄとなる。そこで、単層の液晶層からなる従来の液晶光学素子と同じ液晶層層厚ｄを有する第一の液晶層１７および第二の液晶層１８を積層した場合、リタデーション値の変化は２×△ｎ×ｄとなり、２倍のリタデーション値の変化量が得られ、容易に大きなリダデーション値を得ることができる。

また、第一の液晶層１７および第二の液晶層１８の各液晶層層厚をｄ／２とした場合、電圧非印加状態（Ｖ_０）に対する印加電圧状態（Ｖ_ｍ）で、積層された２つの液晶層合計のリタデーション値変化は、単層の液晶層の場合と同じ△ｎ×ｄとなる。また、液晶光学素子の応答速度は、一般に液晶層層厚の二乗に反比例する。このため、それぞれの液晶層層厚を、従来の単層の液晶層層厚の１／２とした構成においては、液晶層厚さｄの液晶光学素子に比べて、約４倍の高速応答が実現できる。

また、液晶光学素子１０は、液晶層を狭持する２つの透明基板面の液晶分子の配向が透明基板と平行にホモジニアス配向であり、液晶光学素子２０では、液晶層を狭持する２つの透明基板面の液晶分子配向が、透明基板と垂直に近いホメオトロピック配向である。

次に、この液晶光学素子１０の作製手順について、図１を例に以下に説明する。
はじめに、透明基板１１Ａおよび１１Ｂの一方の平坦面に透明電極１３Ａおよび１４Ａを形成し、透明基板１２の両面に透明電極１３Ｂおよび１４Ｂを形成する。さらに、透明電極１３Ａ、１３Ｂおよび１４Ａ、１４Ｂ上に配向膜１５Ａ、１５Ｂおよび１６Ａ、１６Ｂ積層して形成する。配向膜１５Ａ、１５Ｂおよび１６Ａ、１６Ｂは、例えば、ポリイミドなどの有機材料を数ｎｍから数１０ｎｍ程度の膜厚で塗布し、後に熱硬化させ、その表面を一方向にラビング処理することにより作製することができる。配向膜は、アンチパラレル方式で配向処理される。アンチパラレル方式の配向処理は、対向する配向膜を布等を用いて同一直線方向で１８０°異なる一方向にこすり、筋を付けることにより処理できる。

機材料以外の配向制御手段として、例えば、ＳｉＯ膜などの無機膜を透明基板面に対して斜方蒸着してもよい。一方向に微細結晶方位の揃った構造が得られ、液晶分子の配向を制御する配向膜となる。

さらに、透明基板１１Ａおよび１１Ｂの透明基板面に、接着材を印刷パターニングしてシール１９を形成し、前述の透明基板１２と重ね合わせ、圧着して空セルを作製する。このとき接着剤にギャップ制御材を混入することが好ましい。

次に、シール１９の一部に設けられた注入口（図示せず）から常光屈折率ｎ_oおよび異常光屈折率ｎ_e（但し、ｎ_o≠ｎ_e）を有するネマティック液晶を注入する。その後、この注入口を封止して液晶をセル内に密封し、第一の液晶層１７および第二の液晶層１８を形成し、本発明に係る液晶光学素子１０とする。透明基板１１Ａおよび１１Ｂの空気と接する表面には、入射光の波長に対して反射率が０．５％以下となる反射防止膜を形成することが好ましい。

なお、配向膜界面近傍において、ポリイミドのラビング方向あるいはＳｉＯ膜の微細構造の方向に液晶分子のダイレクタが揃う。また、配向膜材料およびラビング処理や微細結晶方位の調整により配向膜界面近傍の液晶分子には、一定のプレチルト角が生成される。透明基板面近傍の液晶分子のダイレクタおよびプレチルト角は、配向膜により規定される。液晶層内の液晶分子は、第一の液晶層１７および第二の液晶層１８に印加される電圧の大きさに応じてダイレクタ分布が変化する。

図２は、図１に示す液晶光学素子の構成を示す横断面模式図である。図に示すように、透明基板１２の透明基板表面に形成された電極１３Ｃ（透明電極１３Ｂと同じ透明基板面）、電極１４Ｃ（透明電極１４Ｂと同じ透明基板面）を通して透明電極１３Ａおよび１４Ａに電圧が印加される。これはあらかじめシール１９に導電性金属粒子等を混入してシール圧着することによりシール厚方向に導電性を発現させ、透明電極１３Ａと電極１３Ｃ、透明電極１４Ａと電極１４Ｃを導通させることができるためである。

なお、透明電極１３Ａ、１３Ｂ、１４Ａ、１４Ｂおよび電極１３Ｃ、１４Ｃは上記導通が成り立つようにあらかじめパターニングすることができる。電極１３Ｂと電極１３Ｃ、電極１４Ｂと電極１４Ｃに外部の交流電源（図示せず）を接続して、第一の液晶層１７および第二の液晶層１８に交流電圧が印加される。

液晶光学素子２０の本実施形態における詳細な条件は以下のようにすることができる。ガラスなどの透明基板１１Ａ、１１Ｂ、１２の表面に、ＩＴＯからなる透明電極膜１３Ａ、１３Ｂ、１４Ａ、１４Ｂが形成され、Ｘ軸およびＹ軸と４５°の角度を成す方向にラビング処理されたポリイミドからなる配向膜１５Ａ、１５Ｂ、１６Ａ、１６Ｂを備える。ここで、図４に示す各透明基板面の配向膜表面における液晶分子のプレチルト角ｘ２が略８８°となるようにポリイミド材料およびラビング処理条件を選択する。

液晶光学素子２０は、前述の液晶光学素子１０の作製方法と同様の手順で、第一の液晶層１７および第二の液晶層１８のセルギャップが２．７μｍの空セルを作製する。さらに、波長１．５５μｍで常光屈折率ｎ_o＝１．４８および異常光屈折率ｎ_e＝１．６８で、負の誘電率異方性を有するネマティック液晶を注入・封止して第一の液晶層１７および第二の液晶層１８を形成する。電極などの他の構成は前述と同様に取り付ける。

光通信に用いられる波長λ＝１．５０μｍ〜１．６０ｎｍのレーザ光は、レーザ光源１からＸ軸の振動方向の直線偏光が発散光となって出射され、例えば集光レンズにより光軸に対して約±６°以内の収束光となり液晶光学素子２０に入射する。

液晶光学素子２０には、外部の交流電源（図示せず）を用いて交流電圧が印加されるが、電圧非印加（Ｖ_０）のとき、第一の液晶層１７および第二の液晶層１８の合計のリタデーション値Ｒｄはほぼゼロとなり、入射光はＸ軸の振動方向の直線偏光状態を維持したまま液晶光学素子２０を透過する。この結果、入射光に対して約９６％の光が直進透過する。

一方、液晶光学素子２０に交流実効値で電圧Ｖ_ｍ＝５Ｖｒｍｓが印加されると、第一の液晶層１７および第二の液晶層１８の合計のリタデーション値が約λ／２となり、入射光はＹ軸の振動方向の直線偏光状態に変化して液晶光学素子２０を透過し、直進透過する光は０．０１％以下となる。

また、光伝送状態である印加電圧Ｖ_０と光遮断状態である印加電圧Ｖ_ｍとの状態遷移の応答速度は２５℃で２０ｍ秒以下、液晶光学素子２０の温度を４０℃程度に調整すれば１０ｍ秒以下となる。

ここで、本実施の形態と異なる構成の例として、セルギャップが５．４μｍの単層の液晶層からなる従来の液晶光学素子の場合と比較すると、印加電圧Ｖ_ｍ＝５Ｖｒｍｓにおける液晶光学素子の液晶層のリタデーション値が入射角に依存して異なり、素子面内でリタデーション値がλ／２からずれて分布する。また、印加電圧Ｖ_０とＶｍとの状態遷移の応答速度は２５℃で約８０ｍ秒程度と遅い。

次に、本発明に係る液晶光学素子を用いた光学部品および光学装置の実施形態について、その具体的な例を示しながら説明する。

［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態に係る液晶レンズの構成例について、図５、図６および図７を参照しながら、詳細に説明する。
図５は、液晶レンズの構成の一例を示す縦断面である。液晶レンズ３０は、図１に示した液晶光学素子１０における透明電極１３Ｂおよび１４Ｂの代わりに複合電極２１および２２を備える。その結果、複合電極２１および２２に印加される電圧分布に応じて、透過光の波面に連続的に変化するパワー成分を付与する機能が発現する。他の構成要素は液晶光学素子１０と同じ構成である。複合電極２１、２２の構成および作用について以下に詳述する。

図５、図６に示すように複合電極２１および２２はいずれも、高抵抗電極３５と、目的とするパワー成分に対応した電圧分布を高抵抗電極３５に発生するための低抵抗電極３１、３２、３３、３４からなる。

低抵抗電極３１、３２、３３、３４に各々異なる電圧が印加されると、それぞれに接続された高抵抗電極３５には、低抵抗電極間の電圧差に応じて連続的に変化する電圧分布が形成される。第一の液晶層１７は透明電極１３Ａと複合電極２１に印加される電圧分布に応じて、第二の液晶層１８は透明電極１４Ａと複合電極２２に印加される電圧分布に応じて、液晶層内の液晶分子の配向が変化するため、液晶層のＸＹ面内で実効的な屈折率分布が形成され、空間的な光路長差分布が発生する。

図７はＸ−Ｘ‘断面における液晶レンズ３０が発生する光路長差分布を示すグラフである。αは目的とする光路長差を示し、βは液晶レンズが発生する光路長差を示す。

図７のＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄは、各々低抵抗電極の３１、３２、３３、３４の位置に対応し、目的とする光路長差αに略一致した発生する光路長差βが示されている。ここで、略一致するとは、目的とする光路長差αと発生する光路長差βの差の標準偏差が、入射する光の波長λの２０分の１以下であることである。これを満足するよう、低抵抗電極３１、３２、３３、３４の形状や印加する電圧の大きさを設定することが、十分な液晶レンズの性能を得るために好ましい。

高抵抗電極３５は、低抵抗電極３１、３２、３３、３４に比べシート抵抗値が十分高く、透明な材料であればいずれでもよい。例えば、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｓｎ、Ｉｎなどの酸化物を含む組成物が好ましい。低抵抗電極３１、３２、３３、３４は、Ｚｎ、Ｐｂ、Ｓｎ、Ｉｎなどの酸化物を含む透明な組成物で形成することができるが、所望の条件を満たせば、Ａｌ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｒなどの金属膜であってもよい。

また、図６に示す構成例では、低抵抗電極３１、３２、３３、３４はそれぞれ電極取出部４１、４２、４３、４４に接続され、外部の交流電源（図示せず）に接続される。液晶レンズ３０の内部で低抵抗電極３１、３２、３３、３４同士は適当な薄膜抵抗体で接続されてもよい。この場合、印加電圧は、外部の交流電源により電極取出部４１、４４を通して分圧して低抵抗電極３１、３２、３３、３４に配分される。外部の交流電源の信号数を減らすことができるため好ましい。

また、本実施形態では、図５および図６に示される液晶レンズについて、同心輪帯形状の低抵抗電極３１、３２、３３、３４を有する複合電極２１、２２により、透過波面にパワー成分を生成する構成を例に、その動作原理を説明した。しかし、複合電極２１、２２の構造はこれに限定されるものではなく、複合電極２１、２２の構造を変更すれば、パワー成分以外に軸対称な球面収差も同様な原理で生成することができる。さらに、パワーと球面収差の両成分からなる光路長差分布を得ることもできる。

以上のように、本発明に係る液晶レンズ３０を用いれば、第一の液晶層１７および第二の液晶層１８の液晶分子のパラレル配向面に一致する振動方向の直線偏光（すなわち、Ｘ軸の振動方向）に対して、連続的に焦点距離が変化するパワー成分を得ることができる。特に、本実施形態の液晶レンズ３０に位相の揃ったレーザ光の発散光や収束光が入射する場合、光軸に対して同じ傾斜角をもつ軸対称の光線は光路長が等しい。このため、軸非対称な透過波面変化に起因する収差成分が発生することなく、印加電圧の大きさに応じた連続的に変化する所望のパワー成分あるいはパワーと球面収差の両成分からなる光路長差分布を得ることができる。

なお、透明基板１２の透明基板厚と屈折率をＤおよびＮとすると、液晶レンズ３０へ入射角γで斜入射する入射光線に対して、第一の液晶層１７と第二の液晶層１８におけるＸＹ面内の光線位置は、Ｗ＝Ｄ×ｓｉｎγ／Ｎに相当する長さＷだけずれることになる。本実施形態のように、素子面（ＸＹ面）内における液晶層への印加電圧分布に起因して液晶分子のダイレクタが素子面内で空間的に分布する場合、このずれ量Ｗをできるだけ小さな値とすることが好ましい。具体的には、透明基板１２の基板厚Ｄを１ｍｍ以下、さらには０．５ｍｍ以下とすることが好ましい。

また、本実施形態では正の誘電率異方性を有する液晶を用いてホモジニアス配向とする例を示したが、別の液晶材料あるいは液晶配向でもよい。例えば、負の誘電率異方性を有する液晶を用いて、ホメオトロピック配向としてもよい。

また、図５に示す本実施形態ではＸ軸の振動方向の直線偏光に対してのみ電圧可変焦点距離のレンズ作用を示す液晶レンズとなっている。Ｙ軸の振動方向の直線偏光に対しても電圧可変焦点距離のレンズ作用を示す液晶レンズとするためには、図５に示す液晶レンズ３０をＸＹ面内で９０°回転し、元の液晶レンズ素子３０に積層すればよい。

また、本発明に係る液晶レンズ３０と他の光学部品を組み合わせて光学装置に用いる場合、液晶レンズ３０に、波長板や、回折格子、複屈折性ホログラム素子、波長依存性回折格子などの光部品を適宜積層して一体化してもよい。また、上記光部品は、透明基板１１Ａあるいは１１Ｂの表面に直接形成してもよいし、接着して一体化してもよい。これにより、本発明に係る液晶レンズを用いた光学装置を構成する光部品数が減り、組み立てが簡易になる。

例えば、本発明に係る液晶レンズ３０を用いた光学装置の構成例を、光ヘッド装置を例にとり以下に説明する。図８は、液晶レンズ３０を用いた光ヘッド装置の構成の一例を示す模式図である。図に示すように、光ヘッド装置４０は、第１記録層Ｄ１および第２記録層Ｄ２を有するＤＶＤや高密度光ディスクなどの光ディスクＤを光記録媒体として用い、光記録媒体への情報の記録・再生を行う。レーザ光源１から紙面内に振動方向を有する直線偏光が出射されると、出射されたレーザ光は、順に偏光ビームスプリッタ２、液晶レンズ３０、１／４波長板３、集光レンズ４を透過した後、円偏光に変換されて、アクチュエータ７に搭載された対物レンズ５により、光ディスクＤ上の第１記録層Ｄ１または第２記録層Ｄ２に集光される。光ディスクＤから反射されたレーザ光は、対物レンズ５、集光レンズ４、１／４波長板３を通過した後、Ｙ方向に振動方向を有する直線偏光に変換され、液晶レンズ３０を通過し、偏光ビームスプリッタ２で反射される。反射されたレーザ光は、シリンドリカルレンズ８によって非点収差を与えられ、光検出器６に入射する。

レーザ光源１から出射されるレーザ光は発散光であり、波長は、光ディスクＤの種類に応じた７８０ｎｍ帯、６６０ｎｍ帯、４０５ｎｍ帯のいずれか一つであってもよく、いずれかを含む複数の異なる波長のレーザ光でもよい。この場合、複数のレーザ光源から出射されてもよい。

次に、本発明に係る液晶レンズ３０を搭載した光ヘッド装置４０を用いて、記録層までの保護層の厚み（以下カバー厚ともいう）の異なる第１記録層Ｄ１および第２記録層Ｄ２に情報を記録・再生する動作を以下に説明する。

対物レンズ５は、第１記録層Ｄ１と第２記録層Ｄ２の中間のカバー厚において、収差が最小となるように設計されているとする。設計と異なるカバー厚の記録層に集光する場合、カバー厚の記録層厚みから設計厚みを差し引いた、カバー厚差に比例した球面収差が発生し、情報の記録・再生が困難になる。この球面収差は、対物レンズ５に入射する平面波のレーザ光にパワー成分を付加し、発散光または収束光にすることで補正できる。

以下に、［１］カバー厚差が負である第１記録層Ｄ１で、正のパワー成分を付加することで収束光に変換する場合と、［２］カバー厚差が正である第２記録層Ｄ２では、負のパワー成分を付加することで発散光に変換する場合の、球面収差の補正方法についてそれぞれ説明する。

［１］第１記録層Ｄ１（カバー厚差が負）の場合：
第１記録層Ｄ１への記録・再生においては、液晶レンズ３０の透過波面が収束する球面波となるよう焦点距離を変更するため、透明電極１３Ａと複合電極２１間および、透明電極１４Ａと複合電極２２間に所定の交流電圧が印加する。具体的には、低抵抗電極３１、２１、３３、３４の内で半径の小さな低抵抗電極ほど小さな交流電圧を印加する。すると、第一の液晶層１７および第二の液晶層１８の液晶分子のダイレクタが変化に伴い焦点距離が変化し、正のパワー成分すなわち凸レンズ相当の透過波面となる。したがって、第１記録層Ｄ１へ集光するレーザ光の球面収差を補正することができる。

［２］第２記録層Ｄ２（カバー厚差が正）の場合：
第２記録層Ｄ２への記録・再生においては、液晶レンズ３０の透過波面が発散する球面波となるよう焦点距離を変更するため、透明電極１３Ａと複合電極２１間および、透明電極１４Ａと複合電極２２間に所定の交流電圧が印加する。具体的には、低抵抗電極３１、２１、３３、３４の内で半径の小さな低抵抗電極ほど大きな交流電圧を印加する。すると、第一の液晶層１７および第二の液晶層１８の液晶分子のダイレクタが変化に伴い焦点距離が変化し、負のパワー成分すなわち凹レンズ相当の透過波面となる。したがって、第２記録層Ｄ２へ集光するレーザ光の球面収差を補正することができる。

以上のように、液晶層に印加する電圧を変化させることで、異なるカバー厚を持つ２つの記録層へ集光するレーザ光の球面収差を補正することができる。液晶レンズ３０の生成するパワー成分は印加電圧に応じて連続的に変化するため、第１および第２記録層Ｄ１およびＤ２のカバー厚が光ディスク毎に異なる場合や、同一光ディスク内でカバー厚が分布する場合でも最適な収差補正性能が発現する印加電圧に調整できる。

また、本発明に係る液晶レンズ３０は、発散光および収束光中に配置できるため、平行光中に配置する場合に比べ小型化が容易であり、光ヘッド装置４０の小型化することが可能である。

また、液晶レンズ３０の各液晶層層厚を、従来の単層の液晶層からなる液晶レンズの液晶層層厚ｄと同じとした場合、２層合計の液晶層層厚は２ｄとなり、従来の液晶レンズ１００に比べて、印加電圧に応じて連続的に変化するパワー量の可変範囲を約２倍に拡大できる。また、各液晶層層厚を従来の単層の液晶層からなる液晶レンズの半分の２／ｄとした場合、パワー量を切り替える応答速度を、従来の単層の液晶層を備える液晶光学素子の約４倍に高速化できる。

また、本実施形態では、印加電圧に応じて透過波面のパワー成分が変化する液晶レンズ３０の例について説明したが、パワー成分以外の透過波面変化、例えば球面収差成分や非点収差成分やコマ収差、あるいはそれらが複合化された収差成分に相当する透過波面変化を変化させる液晶レンズを構成することも可能である。

また、本発明に係る液晶レンズ３０を用いた光ヘッド装置は、前述の構成に限定されるものではなく、図８に図示した光部品以外に、回折格子、ホログラム素子、偏光依存性選択素子、波長選択性素子、波面変換手段などの異なる光部品または機構部品を適宜組み合わせて適用することができる。

［第３の実施形態］
本発明の第３の実施形態に係る液晶波長板の構成例について、図１、および図２を参照しながら説明する。液晶波長板の構成は、液晶光学素子１０と同じであるため、詳細な説明は省略する。

液晶光学素子１０を液晶波長板として用いる例として、入射光の振動方向が第一の液晶層１７および第二の液晶層１８の液晶分子のダイレクタが揃った面（図１ではＸＺ面）に対して、一定の角度Ｚ１を成す直線偏光として入射する場合を考える。

図２に示すように、入射光は、Ｘ軸に対して反時計回りにＺの角度を成す振動方向の直線偏光として入射する。この入射光が、ＺＸ断面で図３に示すように発散光として入射する場合、透過光の偏光状態は、第一の液晶層１７の層厚および第二の液晶層１８の各液晶層厚ｄに応じて生成されるリタデーション値に依存して変化する。

液晶層のＸ軸の振動方向の直線偏光に対する液晶層の屈折率をｎ_e（異常光屈折率）、Ｙ軸の振動方向の直線偏光に対する液晶層の屈折率をｎ_o（常光屈折率）とすると、その屈折率差である複屈折率△ｎは最大で｜ｎ_e−ｎ_o｜となり、△ｎは、液晶層に印加される電圧の大きさに応じて変化する。ここで、第一の液晶層１７および第二の液晶層１８の液晶層層厚ｄと液晶層に用いる液晶材料を同一とした場合、第一の液晶層１７の層厚および第二の液晶層１８の合計のリタデーション値Ｒｄは２×△ｎ×ｄとなり、印加電圧に応じてリタデーション値が可変できる波長板として機能する。

本実施形態の液晶波長板は、リタデーション値の入射角に対する依存性が少ないため、
発散光中に配置しても透過光の偏光状態の空間分布の均一性が高い。よって、液晶波長板を発散光中に配置することが可能になり、光学部品の小型化および光ヘッド装置の小型化が実現できる。

また、本実施形態の液晶波長板は、印加電圧に応じて偏光状態を制御することが可能である。電圧非印加時のリタデーション値Ｒｄを、入射光の波長に対してλ／２となるように液晶層厚ｄを調整した場合に、前述の角度Ｚ１を４５°に設定した入射光は、液晶光学素子１０を透過後Ｙ軸の振動方向の直線偏光となって出射される。次に、液晶光学素子１０のリタデーション値Ｒｄがλ／４となるまでに電圧が印加されると、液晶光学素子１０の透過光は円偏光となる。さらに、第一の液晶層１７の層厚および第二の液晶層１８の液晶分子のダイレクタがほぼＺ軸方向に揃うように電圧が印加されると、リタデーション値Ｒｄがほぼゼロとなる。このとき、液晶光学素子１０の透過光は入射光と同じＸ軸の振動方向の直線偏光のままである。

また、本発明に係る液晶波長板は、他の光学部品を組み合わせて光学装置に用いることができ、この際に光学装置の小型化、部品点数の削減、組み立ての容易化等、前述の液晶レンズとほぼ同様の効果を呈する。

例えば、本発明に係る液晶波長板を用いた光学装置の構成例を、光ヘッド装置を例にとり以下に説明する。図９は、液晶波長板を用いた光ヘッド装置の構成の一例を示す模式図である。

図に示すように、液晶光学素子１０を液晶波長板として用い、レーザ光源１と偏光ビームスプリッタ２の間に配置する。レーザ光源１から出射される発散光は、Ｘ軸の振動方向の直線偏光とし、第一の液晶層１７および第二の液晶層１８のダイレクタが揃った面（図９ではＸＺ面）をＸ軸に対してＺ１＝２２．５°の角度を成すようにする。

レーザ光源１から出射される波長λの発散光が、電圧非印加時（印加電圧Ｖ_０）の液晶光学素子１０に入射する場合、リタデーション値Ｒｄ＝λ／２の波長板として機能し、透過光はＸ軸に対して４５°の振動方向の直線偏光となって透過する。その結果、偏光ビームスプリッタ２により、入射光の半分の強度に相当するＸ軸の振動方向の偏光成分のみが直進透過し、１／４波長板３、集光レンズ４および対物レンズ５により光ディスクＤの情報記録面に集光される。しかし、入射光の半分の強度のＹ軸の振動方向の偏光成分は偏光ビームスプリッタ２により反射されて光ディスクＤには集光されない。

一方、液晶光学素子１０のリタデーション値Ｒｄがほぼゼロとなるように電圧Ｖ_ｍを印加した場合、透過光は入射光と同じＸ軸の振動方向の直線偏光のままで、偏光ビームスプリッタ２により反射されることなく全て直進透過する。したがって、液晶光学素子１０の印加電圧をＶ_ｍからＶ_０に切り替えることにより、光ディスクＤに集光される光量を半分に調整できる。この調整機能は、光ディスクＤの記録と再生、あるいは２層光ディスクと単層光ディスクの記録における光量切替などに有効である。

また、本発明に係る液晶波長板を用いた光学装置のその他の構成例として、図１０に偏光回転切替装置の例を示す。

ここでは、入射光の偏光方向の角度Ｚ１＝４５°の角度に設定することにより、印加電圧Ｖ_０では入射光と振動方向が直交する直線偏光に変化し、印加電圧Ｖ_ｍで入射光と同じ振動方向の直線偏光のままとなり、印加電圧Ｖ_０とＶ_ｍで９０°偏光回転切替機能が得られる。偏光ビームスプリッタ２と組み合わせて透過と反射の光路を切り替える装置となる。この偏光回転切替装置は、小型で優れた光学特性を示し、開口数や光ディスクのカバー厚等の規格の異なる高密度光ディスクの記録・再生において、同一青色半導体レーザ光源を用光ヘッド装置において、光路切り替え装置として利用できるため、光源と光部材の組み合わせ設計の自由度を高めることができる。

［第４の実施形態］
本発明の第４の実施形態に係る可変光減衰器７０の構成例について、図１１を参照しながら説明する。可変光減衰器７０は、第１の実施形態で説明した液晶光学素子２０と偏光子８０が一体化された構成である。液晶光学素子２０は第１の実施形態と同様の構成および機能であるため詳細な説明は省略する。

電圧非印加時の液晶光学素子２０の第一の液晶層１７および第二の液晶層１８の液晶分子のダイレクタは、Ｘ軸およびＹ軸に対して４５°の角度（すなわち、図２においてＺ１＝４５°）を成しＸＹ面に垂直な平面内に揃っており、透明基板面における液晶分子のダイレクタが垂直（９０°）に近い角度とする。このとき、電圧非印加時（Ｖ_０）の第一の液晶層１７および第二の液晶層１８の合計のリタデーション値Ｒｄはほぼゼロとなる。また、特定の電圧Ｖ_ｍ印加時のリタデーション値Ｒｄが入射光の波長λに対してλ／２となるように、各液晶層層厚ｄを調整する。

このとき、印加電圧をＶ_０からＶ_ｍまで変化させることにより、リタデーション値がゼロからλ／２まで増加する。したがって、Ｘ軸の振動方向の直線偏光の発散光が、液晶光学素子２０に入射すると、Ｘ軸の振動方向の偏光成分の透過光の強度は１００％からゼロ％まで変化する。

Ｘ軸の振動方向の偏光成分を遮断し、Ｙ軸の振動方向の偏光成分を直進透過する偏光子８０を液晶光学素子２０の光透過側に配置し、偏光子８０を直進透過する光を受光する光学系とすることにより、印加電圧の大きさに応じて受光光量が調整できる可変光減衰器７０となる。

偏光子８０としては、Ｘ軸の振動方向の偏光成分を吸収してＹ軸の振動方向の偏光成分を透過する光吸収型偏光子や、Ｘ軸の振動方向の偏光成分を回折してＹ軸の振動方向の偏光成分を直進透過する光回折型偏光子などがある。光吸収に伴う発熱に起因した液晶光学素子２０の特性変化を回避し安定した可変光減衰器７０の機能を得るためには、光回折型偏光子を用いることが好ましい。

図１１の偏光子８０は、透明基板５１および５２の片面に複屈折材料からなる回折格子５３および５４を有し、その回折格子の少なくとも凹部に等方性均一屈折率を有する透明接着材５５を充填されるとともに透明基板１１Ｂおよび５１に接着固定される。ここで、複屈折材料の進相軸（常光屈折率の方向）をＹ軸、遅相軸（異常光屈折率の方向）をＸ軸とし、複屈折材料の常光屈折率を透明接着材５５の屈折率に一致させる。また、複屈折材料の異常光屈折率と透明接着材５５の屈折率との屈折率差△Ｎと、回折格子５３および５４の厚さｔの積△Ｎ×ｔが、入射光の波長λに対してλ／２となるように回折格子５３および５４を加工する。このとき回折格子の断面は矩形形状で、凸部と凹部の幅は等しく、一方向に直線状となっていることが好適である。

前述の構成の光回折型の偏光子８０に、Ｘ軸の振動方向の直線偏光が入射すると、直進透過光はほぼゼロとなる。これは、回折格子５３および５４と透明接着材５５の屈折率差に起因し、光学的に発現する回折格子により回折されるためである。一方、Ｙ軸の振動方向の直線偏光が入射すると、回折光は発生せず入射光は直進透過する。これは、回折格子５３および５４と透明接着材５５の間に屈折率差は生じないため、回折格子として機能しないためである。

図１１に示した可変光減衰器７０の構成例では、偏光子８０は回折格子５３および５４の２層の回折格子を備える。よって、Ｘ軸の振動方向の直線偏光の入射光が、一方の回折格子で完全に回折されずその一部が直進透過したとしても、他方の回折格子で回折され、高い消光比が得られる。また、積層される回折格子５３と回折格子５４は、直線状の格子の方向をずらす、あるいは、格子ピッチが異なるように加工することが好ましい。このようにすることで、回折格子５３で回折された光が、回折格子５４で再度回折されて直進透過光に重畳することを防止し、消光比を向上できるためである。

次に、可変光減衰器７０の製造方法について説明する。可変光減衰器７０は第１の実施形態に係る液晶光学素子２０に偏光子８０を一体化して構成される。偏光子８０は、透明基板５１、５２の片面に、複屈折性材料層として常光屈折率ｎ_o＝１．５５および異常光屈折率ｎ_e＝１．７０の高分子液晶層を備え、フォトリソグラフィーとエッチング等により直線状の回折格子５３、５４を形成する。回折格子５３の格子長手方向をＸ軸、回折格子５４の格子長手方向をＹ軸、格子ピッチはいずれも２０μｍ、回折格子の高分子液晶層層厚はいずれも５．２μｍとする。

また、高分子液晶層からなる回折格子５３、５４の少なくとも凹部に、屈折率ｎｓ＝１．５５の等方性均一屈折率を有する透明接着材５５を充填する。前述の液晶光学素子２０の透明基板１１Ｂと光回折型の偏光子８０を固着する。ここで高分子液晶層は、配向膜が形成された透明基板上に液晶モノマーの溶液を塗布し、紫外線を照射して液晶モノマーを重合固化することにより作製する。また、透明基板１１Ａおよび５２と空気の界面には反射防止膜が形成されてもよい。

本発明に係る可変光減衰器は、他の光学部品を組み合わせて光学装置に用いることができ、この際に光学装置の小型化、部品点数の削減、組み立ての容易化等の効果を呈する。

例えば、本発明に係る可変光減衰器を用いた光学装置の構成例を、光伝送装置を例にとり以下に説明する。図１２は、可変光減衰器を用いた光伝送装置の構成の一例を示す模式図である。レーザ光源１から出射されるＸ軸の振動方向の直線偏光を有し位相の揃った発散光を集光レンズ４を用いて光ファイバ９の光伝送コア部に集光する。可変光減衰器７０は集光レンズ４と光ファイバ９の間の光路中に配置される。可変光減衰器７０の電圧非印加（Ｖ_０）の場合、レーザ光源１の出射光は、可変光減衰器７０中の光回折型の偏光子８０で回折され（図１２の点線で表示）、光ファイバ９の光伝送コア部に集光されないため、光ファイバ９中を伝搬する光は生じない。

一方、可変光減衰器７０に電圧Ｖ_ｍを印加した場合、レーザ光源１から出射される発散光は可変光減衰器７０を直進透過（図１２の実線で表示）するため、光ファイバ９の光伝送コア部に集光されて光ファイバ９中を伝搬する。また、可変光減衰器７０の印加電圧をＶ_０からＶ_ｍまで変化させることにより、光ファイバ９中を伝搬する光量（透過光の強度）を約ゼロから１００％（可変光減衰器７０無しの状態）まで可変することができる。

本実施形態の可変光減衰器７０は、発散光および収束光中に配置されても消光比の劣化が少ないため、透過光の強度可変ダイナミックレンジの広い光伝送装置７０を提供できる。また、可変光減衰器の液晶層を２層化することにより、単層の液晶層からなる従来の可変光減衰器７０に比べ、各液晶層の層厚が約半分にすることができ、約４倍の高速応答化が実現できる。

図１２に示すように、可変光減衰器を設けた光伝送装置を作成する。可変光減衰器７０は、集光レンズ４と光ファイバ９の間の光路中で、集光レンズ４近傍に偏光子８０が光透過側になるように配置する。波長λ＝１．５０μｍ〜１．６０ｎｍのレーザ光源１からＸ軸の振動方向の直線偏光の発散光が出射され、集光レンズ４により光ファイバ９の光伝送用コア部に集光された。光ファイバ９の光取り込み開口数ＮＡは約０．１で、光軸に対して約±６°以内の収束光が集光される。したがって、可変光減衰器７０には光軸に対して対称な最大入射角約±６°の収束光が入射することになる。

可変光減衰器７０の液晶光学素子２０に印加される電圧が電圧非印加（Ｖ_０）から交流実効値で電圧Ｖ_ｍ＝５Ｖｒｍｓが変化すると、リタデーション値Ｒｄはほぼゼロから約λ／２まで変化し、入射光の透過率が変化する。入射光は、０Ｖで約９６％が可変光減衰器７０を直進透過し、光ファイバ９のコア部に集光する。しかし、Ｖ_ｍ（ｒｍｓ）では、大半の光が偏光子８０で回折され、可変光減衰器７０を直進透過する光は０．０１％以下となり、光ファイバ９のコア部に集光されない。

したがって、可変光減衰器７０の印加電圧をＶ_０からＶ_ｍまで変化させることにより、光ファイバ９を伝送する光相対強度が約−０．２ｄＢから約−４０ｄＢまで変化する光伝送装置７０が実現できる。ここでの光相対強度は可変光減衰器７０を用いない場合の光強度０ｄＢを基準とした減衰比率である。

第１の実施形態で用いた従来の単層構成の液晶光学素子と比較すると、セルギャップが５．４μｍの単層の液晶層からなる従来の液晶光学素子を用いた可変光減衰器の場合、
素子面内でリタデーション値がλ／２からずれて分布する。よって、光ファイバ９を伝送する光相対強度を−２５ｄＢ以下までしか減光することができないため、伝送光量の可変範囲が減少する。また、状態遷移の応答速度は液晶光学素子に依存し、２５℃で約８０ｍ秒程度となる。

したがって、本発明の第４の実施形態で説明した可変光減衰器７０およびそれを用いた光伝送装置９０を用いることにより、高消光比かつ広い光量可変範囲で高速応答動作の光伝送装置を実現することができる。また、例えば、レーザ光源１として外部信号に応じて１．５０μｍ〜１．６０ｎｍ波長帯中の特定波長のみを発振させる波長可変レーザを用いる場合、波長切替時に光ファイバ９への伝送光を−４０ｄＢ以下の光相対強度に遮断する、あるいは、発振波長毎の伝送光量のバラツキを低減するように減光する可変光減衰機能を実現することができる。

本発明に係る液晶光学素子は、印加電圧の大きさに応じて液晶層内の光路長やリタデーション値を変化させることにより、入射光に対する透過光の透過波面変化や偏光状態の変化を発現する空間光変調素子として用いることができる。特に、本発明に係る液晶光学素子は、発散光や収束光の光路中に配置して用いた場合にも、平行光中で使用する場合と比較して、電気光学特性の劣化がほとんどない。

よって、透過波面変化を生成する液晶光学素子として、印加電圧の大きさに応じて焦点距離（すなわちパワー成分）を可変とできる液晶レンズや、光学装置内で生成される球面収差、コマ収差、非点印加電圧に応じて液晶層のリタデーション値が可変となる液晶波長板や、特に、液晶レンズは光ヘッド装置に搭載して光ディスクのカバー厚の相違に起因して発生する球面収差を補正する光学部品として利用できる。また、カメラなど撮像用の組レンズの一部に使用して、焦点距離可変レンズとして利用できる。また、液晶収差補正光学部品は光ヘッド装置に搭載し、装置毎に残留する収差や光ディスクの傾斜により発生する収差などを補正する光学部品として利用できる。収差やそれらの複合した収差などを補正する液晶収差補正光学部品として利用できる。

透過光の偏光状態を変化させる液晶光学素子としては、印加電圧に応じて液晶層のリタデーション値が可変となる液晶波長板として利用できる。

透過光の強度状態を変化させる液晶光学素子としては、光出射側に偏光子を配置して、印加電圧に応じた可変光減衰器などに利用できる。また、可変光減衰器は光通信用の波長可変レーザ光源が用いられる光伝送装置に搭載し、波長可変レーザ光源の発振波長切替時の光シャッタや発振波長毎の発振光強度を平坦化する可変光量等価器などに利用できる。

本発明に係る液晶光学素子は、本発明の効果を損なわない範囲で、上述の機能性光学部品および光ヘッド装置、可変光減衰器、光伝送装置等以外の種々の用途にも適用できる。

本発明に係る液晶光学素子の構成の一例を示す縦断面模式図である。 図１に示す液晶光学素子の構成を示す横断面模式図である。 本発明に係る液晶光学素子の構成の一例における液晶層内の液晶分子のダイレクタと入射光の関係を示す縦断面模式図である。 本発明に係る液晶光学素子の構成の他の例における液晶層内の液晶分子のダイレクタと入射光の関係を示す縦断面模式図である。 本発明に係る液晶レンズの構成の一例を示す縦断面模式図である。 図５に示す液晶レンズの構成を示す横断面図である。 図５に示すＸ−Ｘ‘断面における光路長差分布を示すグラフである。 液晶レンズを用いた光ヘッド装置の構成の一例を示す模式図である。 液晶波長板を用いた光ヘッド装置の構成の一例を示す模式図である。 液晶波長板を用いた偏光回転切替装置の構成の一例を示す模式図である。 可変光減衰器の構成の一例を示す縦断面模式図である。 可変光減衰器を用いた光伝送装置の構成の一例を示す模式図である。 従来の液晶光学素子の構成の一例および液晶層内の液晶分子のダイレクタと入射光の関係を示す縦断面模式図である。

符号の説明

１：レーザ光源
２：偏光ビームスプリッタ
３：１／４波長板
４：集光レンズ
５：対物レンズ
６：光検出器
７：アクチュエータ
８：シリンドリカルレンズ
９：光ファイバ
１０、２０、１００：液晶光学素子
１１Ａ、１１Ｂ、１２、５１、５２：透明基板
１３Ａ、１３Ｂ、１４Ａ、１４Ｂ：透明電極
１３Ｃ、１４Ｃ：電極
１５Ａ、１５Ｂ、１６Ａ、１６Ｂ：配向膜
１７：第一の液晶層
１８：第二の液晶層
１９：シール
２１、２２：複合電極
３０：液晶レンズ
３１、３２、３３、３４：低抵抗電極
３５：高抵抗平面電極
４０、５０：光ヘッド装置
４１、４２、４３、４４：電極取出部
５３、５４：回折格子（複屈折材料層）
５５：接着材
７０：可変光減衰器
８０：偏光子
９０：光伝送装置
１２０：ダイレクタ
Ｄ 光ディスク
Ｄ１、Ｄ２：記録層

Claims (12)

1. レーザ光用の液晶光学素子であって、
   前記透明基板上に形成される一対の透明電極と
   前記透明基板間に挟持された液晶層と
   液晶分子の配向制御手段とを備え、
   前記透明電極間に印加される電圧の大きさに応じて透過光のリタデーション値を変化させる前記液晶層を用いた液晶光学素子において、
   前記液晶層が二層積層され、
   各液晶層の同一層内の液晶分子は、同一平面状にダイレクタを有し、かつ、対向する両透明基板付近のプレチルトが略平行なダイレクタを有し、
   電圧印加時に第一の液晶層と第二の液晶層の隣接する配向制御手段表面の液晶分子の配向方向が前記透明基板面に対して逆向きに傾斜配向し、傾斜角の絶対値がほぼ等しくなるように前記液晶層を配設したことを
   特徴とする液晶光学素子。
2. 前記配向制御手段は配向膜であり、前記配向膜がアンチパラレル方式でラビングされ、液晶分子はパラレル配向である請求項１に記載の液晶光学素子。
3. 前記配向手段により配列される液晶分子はホモジニアス配向である請求項１または２に記載の液晶光学素子。
4. 第一の液晶層の透明基板面における液晶分子のプレチルト角が１〜１０°または、１７０〜１７９°第二の液晶層の透明基板面における液晶分子のプレチルト角が１７０〜１７９°または１〜１０°である請求項１、２または３に記載の液晶光学素子。
5. 前記配向膜により配列される液晶分子はホメオトロッピック配向である請求項１または２に記載の液晶光学素子。
6. 第一の液晶層の透明基板面における液晶分子のプレチルト角が８０〜８９°または、９１〜１００°第二の液晶層の透明基板面における液晶分子のプレチルト角が９１〜１００°または８０〜８９°である請求項１、２または５に記載の液晶光学素子。
7. 焦点距離を電気的に可変する液晶光学部品であって、
   請求項１〜６に記載の液晶光学素子を備える液晶レンズ。
8. 光回路内で光の偏光状態を能動的に可変する液晶光学部品であって、
   光路中に請求項１〜６に記載の液晶光学素子を備える液晶波長板。
9. 光回路内で光の強度を能動的に可変する液晶光学部品であって、
   光路中に請求項１〜６に記載の液晶光学素子と偏光手段を備える光減衰器。
10. 前記偏光手段が回折格子である請求項９に記載の光減衰器。
11. 光記録媒体に情報の記録・再生を行う光ヘッド装置であって、
    光源と対物レンズの光路中に請求項１〜６に記載の液晶光学素子が設置されている光ヘッド装置。
12. 入射光の強度を変化させて伝達する光伝送装置であって、
    光路中に請求項９または１０に記載の光減衰器が設置され、前記液晶光学素子に印加される電圧の大きさに応じて透過光の強度が変化する光伝送装置。
    

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