JP2007114248A - 液晶デバイスおよび光ピックアップ - Google Patents

Abstract

【課題】往復の光路での収差補正機能と波長板の機能とを両方併せ持ちながら、デバイスの軽量化、コンパクト化およびコスト低減を図る。
【解決手段】液晶デバイスは、２層の液晶層２１・３１と、各液晶層の両側に順に配置される配向膜および電極と、各電極に電圧を印加する電圧印加手段とを有している。液晶層２１の両側に配置した配向膜の配向方向と、液晶層３１の両側に配置した配向膜の配向方向とは、互いに直交しており、かつ、入射光の偏光方向に対してそれぞれ略±４５°傾いている。また、液晶層２１の両側に配置した電極の一方と、液晶層３１の両側に配置した電極の一方とは、同じ形状で分割されている。電圧印加手段は、液晶層２１・３１のそれぞれにおいて分割領域間で透過光に位相差が生じ、同じ分割領域において液晶層２１・３１で透過光に位相差が生じるように、液晶層２１・３１の各電極に電圧を印加する。
【選択図】図１

Description

本発明は、液晶層に電圧を印加して液晶層の屈折率を変化させ、液晶層を透過する光の位相を変化させることにより、光学系にて発生する収差を補正する液晶デバイスと、その液晶デバイスを備えた光ピックアップとに関するものである。

図１３は、従来の光ピックアップの概略の構成を示す説明図である。この構成の光ピックアップでは、光源１０１（例えばレーザーダイオード）から出射された直線偏光（例えばＰ偏光）は、コリメーターレンズ１０２で略平行光となり、偏光ビームスプリッター１０３を透過して収差補正デバイス１０４に入射する。なお、収差補正デバイス１０４の詳細については後述する。

収差補正デバイス１０４から出射される光は、１／４波長板１０５に入射して円偏光に変換され、対物レンズ１０６によって光ディスクＤに集光される。なお、対物レンズ１０６は、アクチュエーター１０７によって上下左右に駆動され、これによって、フォーカシングやトラッキングが行われる。

光ディスクＤで反射された光は、再び対物レンズ１０６を透過した後、１／４波長板１０５にて直線偏光（例えばＳ偏光）に変換され、収差補正デバイス１０４を透過して、偏光ビームスプリッター１０３にて反射される。そして、反射光は、集光レンズ１０８によって光検出器１０９に集光され、そこで電気信号に変換される。

上記した収差補正デバイス１０４は、光学系にて発生する収差を補正するものであって、例えば液晶層を２層有し、かつ、各液晶層の両側に配向膜および電極を順に配置した液晶デバイスで構成されている。なお、説明の便宜上、偏光ビームスプリッター１０３側に配置される液晶層を第１の液晶層１０４ａと称し、光ディスクＤ側に配置される液晶層を第２の液晶層１０４ｂと称することとする。

図１４（ａ）は、第１の液晶層１０４ａの両側に配置される配向膜２０１ａ・２０１ｂの配向方向を示し、図１４（ｂ）は、第２の液晶層１０４ｂの両側に配置される配向膜２０２ａ・２０２ｂの配向方向を示している。これらの図に示すように、配向膜２０１ａ・２０１ｂの配向方向は、光源１０１からの入射光の偏光方向と同じ方向に設定されている一方、配向膜２０２ａ・２０２ｂの配向方向は、光源１０１からの入射光の偏光方向に対して垂直方向に設定されている。また、第１の液晶層１０４ａの一方の側の電極および第２の液晶層１０４ｂの一方の側の電極は、複数の電極に分割されている。

したがって、収差補正デバイス１０４において、光源１０１からの入射光は、第１の液晶層１０４ａによってその波面が変化する。つまり、第１の液晶層１０４ａの両側の配向膜２０１ａ・２０１ｂの配向方向が上記入射光の偏光方向と同じであるので、第１の液晶層１０４ａの両側の電極への電圧印加によって第１の液晶層１０４ａの屈折率が各分割領域ごとに変化することにより、透過光の位相が分割領域ごとに変化する。これにより、光源１０１から光ディスクＤまでの光路にて発生する収差を補正することができる。

一方、光ディスクＤにて反射され、１／４波長板１０５を介して収差補正デバイス１０４に入射する光は、第２の液晶層１０４ｂによってその波面が変化する。つまり、第２の液晶層１０４ａの両側の配向膜２０２ａ・２０２ｂの配向方向が光ディスクＤからの反射光の偏光方向と同じであるので、第２の液晶層１０４ｂの両側の電極への電圧印加によって第２の液晶層１０４ｂの屈折率が各分割領域ごとに変化することにより、透過光の位相が分割領域ごとに変化する。これにより、光ディスクＤから光検出器１０９までの光路にて発生する収差を補正することができる。

なお、図１４では、収差補正デバイス１０４の配向膜２０１ａ・２０１ｂの配向方向と配向膜２０２ａ・２０２ｂの配向方向とを、それぞれ、光源１０１から入射する光の偏光方向と光ディスクＤからの反射光（１／４波長板１０５を介して入射する光）の偏光方向とにしている。しかし、配向膜の配向方向が２層の液晶層同士で直交していれば、それぞれの方向の成分に対して２つの液晶層で同等の効果を与えることができるので、配向膜の配向方向を必ずしも入射光や反射光の偏光方向に合わせる必要はない。また、収差補正デバイス１０４は、１／４波長板１０５と対物レンズ１０６との間に配置されてもよい。

以上で説明したような、液晶層を２層有する収差補正デバイス１０４を用いた光ピックアップとしては、例えば特許文献１および２に開示されている。

また、例えば特許文献３に開示された光ピックアップでは、液晶パネルを１枚用いて収差補正を行っている。より具体的には、液晶パネルの一方の透明電極を複数に分割し、分割された各電極に印加する電圧を変えることで、各分割領域ごとに屈折率を変え、波面収差（主として球面収差やコマ収差）を補正している。

また、特許文献４に開示された光ピックアップでは、波長板を構成する２つの液晶素子に、温度に応じた電圧を印加することにより、温度変化にかかわらず、上記の波長板を常に例えば１／４波長板として機能させている。ただし、上記波長板には、上述した特許文献１ないし３のような収差補正機能はない。

なお、従来の１／４波長板、すなわち、図１３の１／４波長板１０５について補足的に説明しておくと、以下の通りである。図１５は、１／４波長板１０５の遅相軸および進相軸と入射光の偏光方向との関係を模式的に示す説明図である。

１／４波長板１０５は、液晶のような屈折率異方性のある材料で構成されている、１／４波長板１０５の遅相軸方向の屈折率は、これと直交方向の進相軸方向の屈折率よりも高いため、遅相軸方向の偏光成分は、進相軸方向の偏光成分に対して位相が遅れる。したがって、光ピックアップにおいて、光源１０１からの入射光の偏光方向に対して遅相軸および進相軸をそれぞれ±４５°傾斜して配置すると、遅相軸方向および進相軸方向で同相であるために直線偏光だった入射光は、遅相軸方向の偏光成分が進相軸方向の偏光成分に対して１／４波長遅れるため、直線偏光から円偏光に変換される。一方、光ディスクＤからの反射光は、再度この１／４波長板１０５を透過する際に、遅相軸方向の偏光成分がさらに１／４波長遅れるため、円偏光から入射時と直交方向の直線偏光に変換される。
特開２００２−２５１７７４号公報 特開２００２−３１９１７２号公報 特許第３４４３２２６号公報 特開２００２−２６９７９７号公報

ところで、液晶層を用いて収差補正デバイスを構成する場合、往復の光路で収差を補正するには、液晶層は、図１３で示したように２層必要である。一方、液晶層を用いて波長板を構成する場合、特許文献４では２層の液晶層を用いているが、これは温度変化対策などのためで、機能的には１層の液晶層で波長板を構成することが可能である。

したがって、往復の収差補正機能と波長板の機能とを両方兼ね備えた液晶デバイスを構成しようとした場合、単に従来の構成を組み合わせただけでは、液晶層は少なくとも３層必要であり、デバイスの軽量化および小型化を図ることできず、また、デバイスのコストを低減することもできない。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、往復の収差補正機能と波長板の機能とを両方併せ持ちながら、デバイスの軽量化、コンパクト化およびコスト低減を図ることができる液晶デバイスと、その液晶デバイスを備えた光ピックアップとを提供することにある。

本発明の液晶デバイスは、２層の液晶層と、各液晶層の両側に順に配置される配向膜および電極と、上記電極に電圧を印加して各液晶層の屈折率を変化させることで、各液晶層を透過する光の位相を変化させる電圧印加手段とを備え、各液晶層を第１の液晶層および第２の液晶層とすると、第１の液晶層の両側に配置した配向膜の配向方向と、第２の液晶層の両側に配置した配向膜の配向方向とは、互いに直交しており、かつ、（光源からの）入射光の偏光方向に対してそれぞれ略±４５°傾いており、第１の液晶層の両側に配置した電極の一方と、第２の液晶層の両側に配置した電極の一方とは、同じ形状で分割されており、上記電圧印加手段は、第１の液晶層および第２の液晶層のそれぞれにおいて、分割領域間で透過光に位相差が生じ、かつ、同じ分割領域において第１の液晶層と第２の液晶層とで透過光に位相差が生じるように、第１の液晶層および第２の液晶層の各電極に電圧を印加することを特徴としている。

上記の構成によれば、第１の液晶層の両側に配置した配向膜の配向方向と、第２の液晶層の両側に配置した配向膜の配向方向とは、互いに直交しており、かつ、入射光の偏光方向に対してそれぞれ略±４５°傾いている。これにより、電圧印加手段が第１の液晶層および第２の液晶層の各電極に電圧を印加したときには、各液晶層の屈折率変化により、２層の液晶層のそれぞれが入射光の偏光方向の±４５°の方向の成分に対して位相を変化させる。したがって、第１の液晶層側から入射する光と、第２の液晶層側から入射する光との両方について収差を補正することが可能となる。つまり、往復の光路において発生する収差を補正することが可能となる。

しかも、第１の液晶層の両側に配置した電極の一方と、第２の液晶層の両側に配置した電極の一方とは、同じ形状で分割されており、電圧印加手段は、第１の液晶層および第２の液晶層のそれぞれにおいて、分割領域（分割された個々の電極に対応する領域）間で透過光に位相差が生じるように、第１の液晶層および第２の液晶層の各電極に電圧を印加するので、光学系にて発生する収差（例えば球面収差）を補正することができる。

また、電圧印加手段は、同じ分割領域において第１の液晶層と第２の液晶層とで透過光に位相差が生じるように、第１の液晶層および第２の液晶層の各電極に電圧を印加するので、例えば上記位相差が入射光の１／４波長であれば、入射光の偏光状態を直線偏光から円偏光、または円偏光から直線偏光に変えることができる。

このように、本発明によれば、２層の液晶層を用いて、入射光の波面（収差）と偏光状態とを両方とも変化させることができる。つまり、往復の光路での収差補正機能と波長板の機能とを両方併せ持つデバイスを液晶層２層で実現することができる。その結果、デバイスの軽量化、コンパクト化およびコスト低減を図ることができる。

特に、上記電圧印加手段が、同じ分割領域において第１の液晶層と第２の液晶層とで、透過光に１／４波長の位相差が生じるように、第１の液晶層および第２の液晶層の各電極に電圧を印加すれば、本発明の液晶デバイスに１／４波長板としての機能を持たせることができ、収差補正機能と１／４波長板の機能とを両方併せ持つデバイスを実現することができる。

また、本発明は、使用メディアを検出する使用メディア検出手段と、使用メディアに照射される光の波長ごとに設定され、収差を補正可能な、一方の液晶層における透過光の位相パターンを収差補正パターンとして記憶する収差補正パターン記憶手段と、使用メディアに照射される光の波長ごとに設定され、第１の液晶層および第２の液晶層の各電極に印加される電圧と、第１の液晶層および第２の液晶層の屈折率との関係を示すテーブルを記憶するテーブル記憶手段と、第１の液晶層および第２の液晶層の各電極に印加する電圧を設定する電圧設定手段とをさらに備え、上記電圧設定手段は、上記使用メディア検出手段で検出された使用メディアに照射される光の波長に応じた収差補正パターンを上記収差補正パターン記憶手段から読み出し、一方の液晶層における透過光の位相パターンを決定する一方、上記位相パターンに対して１／４波長分進んだ位相パターンを他方の液晶層における透過光の位相パターンに決定し、各位相パターンと各液晶層の層厚とに基づいて各液晶層の屈折率を各分割領域ごとに算出し、上記テーブル記憶手段に記憶されたテーブルから上記屈折率に応じた電圧を各分割領域ごとに求め、上記電圧印加手段は、上記電圧設定手段にて求められた各分割領域ごとの電圧を、第１の液晶層および第２の液晶層の各電極に印加する構成であってもよい。

上記の構成によれば、電圧設定手段により、使用波長、すなわち、使用メディア検出手段で検出された使用メディアに照射される光の波長に応じた収差補正パターンが収差補正パターン記憶手段から読み出され、これをもとに、各液晶層における透過光の位相パターンが決定される。このとき、第１の液晶層と第２の液晶層との間での透過光の位相差は、使用波長の１／４波長に設定されている。

そして、電圧設定手段により、各位相パターンと各液晶層の層厚とに基づいて各液晶層の屈折率が各分割領域ごとに算出され、テーブル記憶手段に記憶されたテーブルから上記屈折率に応じた電圧が各分割領域ごとに求められる。電圧印加手段は、電圧設定手段にて求められた各分割領域ごとの電圧を、第１の液晶層および第２の液晶層の各電極に印加する。

このように、収差補正および１／４波長板を実現するのに必要な電圧として、使用波長（使用メディア）に応じた電圧が第１の液晶層および第２の液晶層の各電極に印加されるので、使用波長（使用メディア）ごとに良好な特性の液晶デバイスを実現することができる。

また、本発明は、環境温度を検出する温度検出手段と、環境温度ごとに設定され、収差を補正可能な、一方の液晶層における透過光の位相パターンを収差補正パターンとして記憶する収差補正パターン記憶手段と、環境温度ごとに設定され、第１の液晶層および第２の液晶層の各電極に印加される電圧と、第１の液晶層および第２の液晶層の屈折率との関係を示すテーブルを記憶するテーブル記憶手段と、第１の液晶層および第２の液晶層の各電極に印加する電圧を設定する電圧設定手段とをさらに備え、上記電圧設定手段は、上記温度検出手段で検出された環境温度に応じた収差補正パターンを上記収差補正パターン記憶手段から読み出し、一方の液晶層における透過光の位相パターンを決定する一方、上記位相パターンに対して１／４波長分進んだ位相パターンを他方の液晶層における透過光の位相パターンに決定し、各位相パターンと各液晶層の層厚とに基づいて各液晶層の屈折率を各分割領域ごとに算出し、上記テーブル記憶手段に記憶されたテーブルから上記屈折率に応じた電圧を各分割領域ごとに求め、上記電圧印加手段は、上記電圧設定手段にて求められた各分割領域ごとの電圧を、第１の液晶層および第２の液晶層の各電極に印加する構成であってもよい。

上記の構成によれば、電圧設定手段により、現在の環境温度、すなわち、温度検出手段で検出された環境温度に応じた収差補正パターンが収差補正パターン記憶手段から読み出され、これをもとに、各液晶層における透過光の位相パターンが決定される。このとき、第１の液晶層と第２の液晶層との間での透過光の位相差は、使用波長の１／４波長に設定されている。

そして、電圧設定手段により、各位相パターンと各液晶層の層厚とに基づいて各液晶層の屈折率が各分割領域ごとに算出され、テーブル記憶手段に記憶されたテーブルから上記屈折率に応じた電圧が各分割領域ごとに求められる。電圧印加手段は、電圧設定手段にて求められた各分割領域ごとの電圧を、第１の液晶層および第２の液晶層の各電極に印加する。

このように、収差補正および１／４波長板を実現するのに必要な電圧として、環境温度に応じた電圧が第１の液晶層および第２の液晶層の各電極に印加されるので、環境温度ごとに良好な特性の液晶デバイスを実現することができる。

また、本発明は、使用メディアを検出する使用メディア検出手段と、環境温度を検出する温度検出手段と、使用メディアに照射される光の波長ごとおよび環境温度ごとに設定され、収差を補正可能な、一方の液晶層における透過光の位相パターンを収差補正パターンとして記憶する収差補正パターン記憶手段と、使用メディアに照射される光の波長ごとおよび環境温度ごとに設定され、第１の液晶層および第２の液晶層の各電極に印加される電圧と、第１の液晶層および第２の液晶層の屈折率との関係を示すテーブルを記憶するテーブル記憶手段と、第１の液晶層および第２の液晶層の各電極に印加する電圧を設定する電圧設定手段とをさらに備え、上記電圧設定手段は、上記使用メディア検出手段で検出された使用メディアに照射される光の波長と上記温度検出手段にて検出された環境温度とに応じた収差補正パターンを上記収差補正パターン記憶手段から読み出し、一方の液晶層における透過光の位相パターンを決定する一方、上記位相パターンに対して１／４波長分進んだ位相パターンを他方の液晶層における透過光の位相パターンに決定し、各位相パターンと各液晶層の層厚とに基づいて各液晶層の屈折率を各分割領域ごとに算出し、上記テーブル記憶手段に記憶されたテーブルから上記屈折率に応じた電圧を各分割領域ごとに求め、上記電圧印加手段は、上記電圧設定手段にて求められた各分割領域ごとの電圧を、第１の液晶層および第２の液晶層の各電極に印加する構成であってもよい。

上記の構成によれば、電圧設定手段により、使用波長（使用メディア検出手段で検出された使用メディアに照射される光の波長）と、現在の環境温度（温度検出手段で検出された環境温度）とに応じた収差補正パターンが収差補正パターン記憶手段から読み出され、これをもとに、各液晶層における透過光の位相パターンが決定される。このとき、第１の液晶層と第２の液晶層との間での透過光の位相差は、使用波長の１／４波長に設定されている。

そして、電圧設定手段により、各位相パターンと各液晶層の層厚とに基づいて各液晶層の屈折率が各分割領域ごとに算出され、テーブル記憶手段に記憶されたテーブルから上記屈折率に応じた電圧が各分割領域ごとに求められる。電圧印加手段は、電圧設定手段にて求められた各分割領域ごとの電圧を、第１の液晶層および第２の液晶層の各電極に印加する。

このように、収差補正および１／４波長板を実現するのに必要な電圧として、使用波長および環境温度の両方に応じた電圧が第１の液晶層および第２の液晶層の各電極に印加されるので、使用波長および環境温度ごとに良好な特性の液晶デバイスを実現することができる。

本発明の光ピックアップは、上述した本発明の液晶デバイスを備えていることを特徴としている。本発明の液晶デバイスは、収差補正機能と波長板の機能とを両方併せ持っているので、従来のような１／４波長板が不要となる分、光ピックアップの構成を簡素化することができる。

本発明によれば、往復の光路での収差補正機能と波長板の機能とを両方併せ持つデバイスを液晶層２層で実現することができ、デバイスの軽量化、コンパクト化およびコスト低減を図ることができるとともに、光ピックアップの構成を簡素化することができる。

本発明の実施の一形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。
（１．光ピックアップの構成）
図２は、本実施形態に係る光ピックアップの概略の構成を示す説明図である。この光ピックアップは、光源１と、コリメーターレンズ２と、偏光ビームスプリッター３と、液晶デバイス４と、対物レンズ５と、アクチュエーター６と、集光レンズ７と、光検出器８とを有している。

光源１は、例えばレーザーダイオードで構成されており、光ディスクＤに向けて光を出射する。本実施形態では、光源１は、複数波長のレーザー光を出射することが可能となっている。これにより、光ディスクＤとして、ＣＤ、ＤＶＤ、次世代ＤＶＤ（Blu-ray Disc、ＨＤ（High Definition ）ＤＶＤ）の少なくともいずれかを用いることが可能となっている。

なお、図２では、１個の光源１で複数波長の光を出射するようにしているが、単一もしくは複数の波長の光を出射する光源を組み合わせて用いるようにしてもよい。複数個の光源を用いる場合は、例えば、各光源と偏光ビームスプリッター３との間の光路中にダイクロイックプリズムを配置して、各光源から出射されるレーザー光を偏光ビームスプリッター３に入射する手前で合成すればよい。

コリメーターレンズ２は、光源１からの光を集光して平行光にする。偏光ビームスプリッター３は、Ｐ偏光を透過させる一方、Ｓ偏光を反射させ、これらの光路を分離する。液晶デバイス４は、収差補正機能と１／４波長板としての機能を併せ持つデバイスであるが、その詳細については後述する。なお、液晶デバイス４は、後述する電圧印加手段４０を含む概念であるが、以下の説明では、特に断らない限り、電圧印加手段４０を除く部位を差すものとする。

対物レンズ５は、液晶デバイス４から出射される光を光ディスクＤの記録面に集光させる。アクチュエーター６は、フォーカシング（入射光の光ディスクＤの記録面への集光）やトラッキングを行うために、対物レンズ５を上下左右に駆動する。なお、対物レンズ５の光軸に対して液晶デバイス４がずれないようにするため、アクチュエーター６は、対物レンズ５と一体的に液晶デバイス４を保持している。

集光レンズ７は、偏光ビームスプリッター３にて反射される光ディスクＤからの戻り光を光検出器８に導く。光検出器８は、光ディスクＤからの戻り光を受光し、光ディスクＤの記録再生時に、サーボ信号（フォーカスエラー信号、トラッキングエラー信号）、情報信号、収差信号等を検出する。

上記の構成において、光源１から出射される直線偏光（例えばＰ偏光）は、コリメーターレンズ２で略平行光となった後、偏光ビームスプリッター３を透過し、液晶デバイス４に入射する。液晶デバイス４は、１／４波長板としての機能を有しているので、液晶デバイス４に入射した直線偏光は円偏光に変換されて出射され、対物レンズ５によって光ディスクＤに集光される。光ディスクＤで反射された光は、再び対物レンズ５を介して液晶デバイス４に入射し、そこで円偏光から直線偏光（例えばＳ偏光）に変換されて出射され、偏光ビームスプリッター３にて反射される。そして、反射光は、集光レンズ７によって光検出器８に集光され、そこで電気信号に変換される。

（２．液晶デバイスの構成）
次に、液晶デバイス４の詳細について説明する。
図３は、液晶デバイス４の概略の構成を示す断面図である。同図に示すように、液晶デバイス４は、２枚の液晶パネルを重ね合わせたような構造となっている。

より具体的には、液晶デバイス４は、２枚の透明な基板１１・１２で液晶層２１（第１の液晶層）を挟持し、２枚の透明な基板１２・１３で液晶層３１（第２の液晶層）を挟持して構成されている。つまり、本実施形態では、基板１２は、２つの液晶層２１・３１を挟持するための基板として共通して用いられている。この結果、液晶層２１・３１を挟持する基板の枚数は合計３枚となっている。

なお、液晶層２１・３１を挟持する基板として、基板１２を共通の基板として用いずに、液晶層２１・３１をそれぞれ別々の基板で挟持し、一方の基板同士を貼り合せてもよい。つまり、液晶層２１・３１を挟持する基板の枚数は、合計４枚となっていてもよい。

基板１１の液晶層２１側には、透明な電極２２ａおよび配向膜２３ａがこの順で形成されている。また、基板１２の液晶層２１側には、透明な電極２２ｂおよび配向膜２３ｂがこの順で形成されている。そして、液晶層２１は、シール材２４によって基板１１・１２間でシールされている。

一方、基板１２の液晶層３１側には、透明な電極３２ａおよび配向膜３３ａがこの順で形成されている。また、基板１３の液晶層３１側には、透明な電極３２ｂおよび配向膜３３ｂがこの順で形成されている。そして、液晶層３１は、シール材３４によって基板１２・１３間でシールされている。

このように、液晶デバイス４は、２層の液晶層２１・３１と、液晶層２１の両側に順に配置される配向膜２３ａ・２３ｂおよび電極２２ａ・２２ｂと、液晶層３１の両側に順に配置される配向膜３３ａ・３３ｂおよび電極３２ａ・３２ｂとを少なくとも有して構成されている。

ここで、図４は、電極２２ａ・３２ｂの概略の構成を示す平面図である。同図に示すように、電極２２ａ・３２ｂは、同一形状であり、しかも、対物レンズ５の光軸が通る点を中心とする同心円状の複数の輪帯状電極にそれぞれ分割されている。一方、図示はしないが、他方の電極２２ｂ・３２ａは、基板１２の両面全域を覆うように形成されている。これらの電極２２ａ・２２ｂ・３２ａ・３２ｂには、電圧印加手段４０（図２参照）によって電圧が印加される。これにより、各液晶層２１・３１の屈折率が変化し、各液晶層２１・３１を透過する光の位相を変化させることができる。

なお、液晶層２１の両側に配置した電極２２ａ・２２ｂは、どちらが分割されてもよく、液晶層３１の両側に配置した電極３２ａ・３２ｂは、どちらが分割されてもよい。つまり、電極２２ａ・２２ｂの一方と、電極３２ａ・３２ｂの一方とが、同じ形状で分割されればよい。また、本実施形態では、電極２２ａ・３２ｂを３つの領域に分割しているが、分割する数はこれに限定されるわけではない。

また、図５（ａ）は、配向膜２３ａ・２３ｂの配向方向を示す説明図であり、図５（ｂ）は、配向膜３３ａ・３３ｂの配向方向を示す説明図である。これらの図に示すように、液晶層２１の両側に配置した配向膜２３ａ・２３ｂの配向方向と、液晶層３１の両側に配置した配向膜３３ａ・３３ｂの配向方向とは、互いに直交しており、かつ、光源１からの入射光の偏光方向に対してそれぞれ略±４５°傾いている。

（３．液晶デバイスにおける収差補正について）
次に、上記構成の液晶デバイス４において、収差を補正できる原理について説明する。図６は、液晶デバイス４における液晶層２１付近の構造を拡大して示す断面図である。なお、図６では、輪帯状に分割された電極２２ａを、内側（光軸側）から順に２２ａ₁、２２ａ₂、２２ａ₃と称している。

また、図７は、各電極２２ａ₁、２２ａ₂、２２ａ₃に印加される電圧（電圧パターン）の一例を示し、図８は、図７の電圧が各分割領域に印加されたときの、液晶層２１の各分割領域ごとの屈折率（屈折率パターン）を示し、図９は、そのときの液晶層２１の透過光の各分割領域ごとの位相（位相パターン）を示している。

なお、各分割領域とは、液晶層２１における各電極２２ａ₁、２２ａ₂、２２ａ₃に対応する領域のことであり、具体的には、液晶層２１における電極２２ａ₁と電極２２ｂとで挟まれた領域、電極２２ａ₂と電極２２ｂとで挟まれた領域、電極２２ａ₃と電極２２ｂとで挟まれた領域を指すものとする。図７ないし図９では、液晶層２１における各電極２２ａ₁、２２ａ₂、２２ａ₃に対応する分割領域を、それぞれＡ、Ｂ、Ｃで示している。

図７に示すように、電圧印加手段４０が各電極２２ａ₁、２２ａ₂、２２ａ₃に異なる電圧を印加すると、電極２２ａ₂には最も高電圧がかかっているため、分割領域Ｂにおける液晶分子は電界方向に最も立ち上がっている（図６参照）。一方、電極２２ａ₁には、低電圧しかかかっていないため、分割領域Ａにおける液晶分子はあまり立ち上がらず、基板１１となす角は小さい（図６参照）。

したがって、液晶層２１に垂直に入射する光源１からの光のうち、配向膜２３ａの配向方向と同じ偏光成分に対しては、図８に示すように、液晶分子があまり立ち上がっていない中央部（分割領域Ａ）で屈折率が高く、液晶分子が立ち上がっている分割領域Ｂで屈折率が低くなる。なお、光源１からの光のうち、配向膜２３ａの配向方向に垂直方向の偏光成分の光は、液晶層２１をそのまま透過する。

一方、液晶層３１の両側の電極３２ａ・３２ｂにも、図７と同様のパターンの電圧（絶対値は異なるが、この点は後述する）を印加すると、液晶層３１の液晶分子も液晶層２１の液晶分子と同様にその配向状態が変化するため、光源１からの光のうち、配向膜２３ａの配向方向に垂直方向の偏光成分の光（配向膜３３ａの配向方向と同じ偏光方向の光）に対して、図８と同様の屈折率の変化を与える。

したがって、光源１からの光が液晶デバイス４に入射すると、その光（平面波）は、液晶デバイス４の分割領域Ｂを透過する光の位相が進み、分割領域Ａを透過する光の位相が遅れた波面に変化する（図９参照）。これにより、光ピックアップにて、例えば対物レンズ５や光ディスクＤのカバー層に起因して発生する球面収差を補正することができ、光ディスクＤの記録面に収差のほとんどない状態で光を集光させることができる。

また、光ディスクＤからの反射光についても、光ディスクＤのカバー層や対物レンズ５の収差の影響を同様に受けるが、再度、液晶デバイス４に入射したときに、配向膜３３ａの配向方向と同じ偏光方向の成分に対しては液晶層３１で、上記配向方向と垂直な偏光方向の成分に対しては液晶層２１で、上記と同様に収差補正され、平面波となって偏光ビームスプリッター３で反射された後、集光レンズ７を介して光検出器８に導かれる。したがって、光ディスクＤからの反射光についても、光検出器８にて特性の良好な信号を検出することができる。

以上のように、本実施形態では、電圧印加手段４０が、液晶層２１・３１のそれぞれにおいて各分割領域Ａ・Ｂ・Ｃ間で透過光に位相差が生じるように、液晶層２１・３１の各電極２２ａ・２２ｂ・３２ａ・３２ｂに電圧を印加するので、光学系にて発生する収差（例えば球面収差）を補正することができる。しかも、液晶層２１の両側に配置した配向膜２３ａ・２３ｂの配向方向と、液晶層３１の両側に配置した配向膜３３ａ・３３ｂの配向方向とは、互いに直交しており、かつ、光源１からの入射光の偏光方向に対してそれぞれ略±４５°傾いているので、往復の光路で発生する収差を補正することができる。

（４．液晶デバイスにおける偏光状態の制御について）
次に、液晶デバイス４における偏光状態の制御について説明する。
図１（ａ）は、本実施形態における液晶層２１・３１の分割領域ごとの屈折率（屈折率パターン）を示し、図１（ｂ）は、そのときの液晶層２１・３１の透過光の各分割領域ごとの位相（位相パターン）を示している。

本実施形態では、単独の１／４波長板が光路中にないので、液晶層２１・３１に同じパターンの電圧を印加したのでは、液晶デバイス４を介して光ディスクＤに照射される光は円偏光にならず、また、光ディスクＤからの反射光も入射光と同じ方向の直線偏光のために偏光ビームスプリッター３で分離することができない。そこで、本実施形態では、液晶層２１・３１に印加する電圧のパターン（絶対値）を互いに異ならせることで、液晶デバイス４に収差補正機能のみならず、１／４波長板としての機能も持たせている。

より具体的には、液晶層２１・３１の層厚を同じｔ（μｍ）とした場合、液晶層２１・３１への印加電圧と屈折率との関係から、液晶層２１の屈折率が液晶層３１の屈折率に対して、開口（光軸に垂直な方向（半径方向））の全域にわたって一定量（Δｎ）だけシフトするような印加電圧パターンが選ばれている（図１（ａ）参照）。そして、液晶層３１への印加電圧を液晶層２１への印加電圧よりも若干高めに設定し、その値はΔｎとｔとの積が使用波長の１／４波長に相当するようになっている（図１（ｂ）参照）。

液晶層２１・３１の間で透過光に１／４波長の位相差がつくように、電圧印加手段４０が各電極２２ａ・２２ｂ・３２ａ・３２ｂに電圧を印加することにより、光源１からの入射光のうち、液晶層２１の両側の配向膜２３ａ・２３ｂの配向方向と同じ偏光成分の光は、その直交方向の偏光成分に比べて１／４波長遅れることになる。この結果、入射光は直線偏光から円偏光に変換される。

一方、光ディスクＤからの反射光は、再度液晶デバイス４を透過する際に、液晶層３１の両側の配向膜３３ａ・３３ｂの配向方向と同じ偏光成分の光が、その直交方向の偏光成分に比べて１／４波長だけさらに遅れる。この結果、上記反射光は、円偏光から入射時とは直交する方向の直線偏光に変換される。したがって、液晶デバイス４に１／４波長板としての機能を持たせることが可能となる。

以上のように、本実施形態では、電圧印加手段４０が、それぞれの分割領域Ａ・Ｂ・Ｃにおいて、液晶層２１・３１の間で透過光に位相差が生じるように、液晶層２１・３１の各電極２２ａ・２２ｂ・３２ａ・３２ｂに電圧を印加するので、上記位相差を入射光の１／４波長とすることで、入射光の偏光状態を直線偏光から円偏光、または円偏光から直線偏光に変えることができる。したがって、上記の収差補正機能のみならず、１／４波長板としての機能を液晶デバイス４に持たせることができる。つまり、往復の光路での収差補正機能と１／４波長板の機能とを両方併せ持つデバイスを、たった２層の液晶層２１・３１を用いて実現することができる。その結果、デバイスの軽量化、コンパクト化およびコスト低減を図ることができる。

（５．液晶デバイスの他の構成例について）
ところで、上述した液晶デバイス４は、以下の構成であってもよい。図１０（ａ）（ｂ）は、液晶デバイス４の他の構成例を示すとともに、一方の液晶層２１付近の構造を拡大して示す断面図である。なお、他方の液晶層３１付近の構造についても、これと同様とする。

この液晶デバイス４では、透明な基板１２と所定厚さの絶縁体１４とで液晶層２１が挟持されている。基板１２における液晶層２１側には、基板１２の表面全面を覆う電極２２ｂが形成されており、さらにその液晶層２１側に配向膜２３ｂが形成されている。また、絶縁体１４における液晶層２１とは反対側には、円形の開口を設けた電極２２ｃが形成されている一方、絶縁体１４における液晶層２１側には、配向膜２３ａが形成されている。液晶層２１は、基板１２と絶縁体１４との間でシール材２４によってシールされている。

電極２２ｂ・２２ｃ間への電圧印加前は、液晶分子が図１０（ａ）のような配向状態になっているとすると、電極２２ｂ・２２ｃ間への電圧印加後は、液晶分子は図１０（ｂ）のような配向状態になる。すなわち、液晶デバイス４の電極２２ｂ・２２ｃ間に電圧を印加すると、周辺部（光軸より離れた部位）には強い電界がかかり、中央部（光軸に近い部位）には弱い電界がかかる。なお、図１０（ｂ）中の破線は、電気力線を示す。これにより、周辺部から中央部にかけて滑らかな屈折率変化が得られる。

したがって、図４で示した輪帯状の電極２２ａに代えて、開口を有する電極２２ｃを用いることにより、滑らかな収差補正を行うことができる。また、屈折率変化の度合いの制御は、電極２２ｂ・２２ｃに印加する電圧を変化させること以外にも、例えば絶縁体１４の厚さを変化させることでも行うことができる。

（６．波長および温度に応じた印加電圧の制御について）
ところで、使用メディアの種類（ＣＤ、ＤＶＤ、次世代ＤＶＤ）によっては、光ディスクＤの記録面上に形成されるカバー層の厚さや対物レンズ５のＮＡ（開口数）が異なるため、球面収差の補正パターンは、使用メディアによって変化する。すなわち、収差補正で要求される、図９に示した波面（位相パターン）の形状は、使用メディアごとに異なる。また、液晶層２１・３１における印加電圧と屈折率との関係は厳密には直線的ではなく、環境温度や使用波長（７８５ｎｍ、６６０ｎｍ、４０５ｎｍ）によっても変化する。

そこで、使用メディアや環境温度ごとに収差補正パターンを異ならせることにより、使用メディアや環境温度に応じた最適な収差補正を行うことができる。以下、このような収差補正を行うための構成について説明する。

図１１は、光ピックアップの他の構成例を示す説明図である。なお、説明の便宜上、図２と全く同様の構成については、その図示を省略している。この光ピックアップにおいては、液晶デバイス４は、さらに、使用メディア検出手段４１と、温度検出手段４２と、収差補正パターン記憶手段４３と、テーブル記憶手段４４と、電圧設定手段４５とを有している。

使用メディア検出手段４１は、使用メディアを検出するものであり、温度検出手段４２は、環境温度を検出する。収差補正パターン記憶手段４３は、使用メディアに照射される光の波長ごとおよび環境温度ごとに設定され、収差を補正可能な、一方の液晶層（例えば液晶層２１）における透過光の位相パターンを収差補正パターンとして記憶している。より具体的には、収差補正パターン記憶手段４３は、例えば図９に示したような、収差補正可能な位相パターンを、使用メディアごと（使用メディアに照射される光の波長ごと）および環境温度ごとに記憶している。

テーブル記憶手段４４は、使用メディアに照射される光の波長ごとおよび環境温度ごとに設定され、液晶層２１・３１の各電極２２ａ・２２ｂ・３２ａ・３２ｂに印加される電圧と、液晶層２１・３１の屈折率との関係を示すテーブルを記憶している。例えば、図１２は、使用メディアがＣＤ（使用波長が例えば７８５ｎｍ）である場合の、環境温度Ｔ₁（℃）およびＴ₂（℃）における液晶層２１の屈折率（ｎ）と印加電圧（Ｖ）との関係を示すグラフである。なお、Ｔ₁≠Ｔ₂である。このグラフでは、例えば温度Ｔ₁では、液晶層２１・３１への印加電圧がＶ_o（またはＶ_i）のときの液晶層２１・３１の屈折率は、それぞれｎ₀（またはｎ_i）であることを示している。このように、テーブル記憶手段４４は、図１２のような屈折率−電圧特性をテーブルの形で使用波長ごとおよび環境温度ごとに記憶している。

電圧設定手段４５は、使用メディア検出手段４１および温度検出手段４２での検知結果に基づいて、液晶層２１・３１の各電極２２ａ・２２ｂ・３２ａ・３２ｂに印加する電圧を設定するものであり、例えばマイクロコンピューターで構成されている。

次に、上記構成の光ピックアップにおける動作について説明する。
まず、使用メディア検出手段４１にて、現在使用されているメディアがＣＤ、ＤＶＤ、次世代ＤＶＤのいずれであるかが検出され、温度検出手段４２により、現在の環境温度が検出される。すると、電圧設定手段４５は、使用メディア検出手段４１で検出された使用メディアに照射される光の波長と温度検出手段４２にて検出された環境温度とに応じた収差補正パターンを収差補正パターン記憶手段４３から読み出し、液晶デバイス４の一方の液晶層２１における透過光の位相パターンを決定する。次に、電圧設定手段４５は、上記位相パターンに対して１／４波長分進んだ位相パターンを他方の液晶層３１における透過光の位相パターンに決定する。

続いて、電圧設定手段４５は、各位相パターンと各液晶層２１・３１の層厚とに基づいて、各液晶層２１・３１の屈折率を各分割領域ごとに算出し、テーブル記憶手段４４に記憶されたテーブルから上記屈折率に応じた電圧を各分割領域ごとに求める。

つまり、読み出した位相パターンから、各液晶層２１・３１の各分割領域間で発生すべき位相差が求まると、各分割領域間の屈折率差は、その位相差を各液晶層２１・３１の層厚ｔで除して求まる。したがって、例えば、最も屈折率の高い必要のある部分（液晶層２１の中央部（分割領域Ａ））を基準にして、その屈折率ｎ₀を決めると、残りの分割領域（例えば分割領域ＢまたはＣ）の屈折率ｎ_iが決まる。電圧設定手段４５は、そのときの温度、使用波長から適切な屈折率−電圧特性をテーブル記憶手段４４から読み出し、各分割領域の屈折率から各分割領域に印加すべき電圧を決定する。

このようにして、液晶層２１・３１の各分割領域に印加すべき電圧が電圧設定手段４５によって設定されると、電圧印加手段４０は、電圧設定手段４５にて求められた各分割領域ごとの電圧を、液晶層２１・３１の各電極２２ａ・２２ｂ・３２ａ・３２ｂに印加する。したがって、液晶デバイス４において、収差補正および１／４波長板の機能を実現するのに必要な電圧として、使用波長および環境温度の両方に応じた電圧が液晶層２１・３１の各電極２２ａ・２２ｂ・３２ａ・３２ｂに印加されるので、使用波長および環境温度ごとに良好な特性の液晶デバイス４を実現することができる。

なお、以上では、使用波長および環境温度の両方に応じた電圧を液晶層２１・３１の各電極２２ａ・２２ｂ・３２ａ・３２ｂに印加する例について説明したが、使用波長または環境温度のどちらかに応じた電圧を液晶層２１・３１の各電極２２ａ・２２ｂ・３２ａ・３２ｂに印加するようにしてもよい。この場合は、使用波長または環境温度ごとに良好な特性の液晶デバイス４を実現することができる。

（ａ）は、本発明の実施の一形態に係る光ピックアップに用いられる液晶デバイスの各液晶層の分割領域ごとの屈折率パターンを示す説明図であり、（ｂ）は、そのときの各液晶層の透過光の各分割領域ごとの位相パターンを示す説明図である。 上記光ピックアップの概略の構成を示す説明図である。 上記液晶デバイスの概略の構成を示す断面図である。 上記液晶デバイスが有する電極の概略の構成を示す平面図である。 （ａ）は、上記液晶デバイスが有する一方の液晶層の両側に配置される配向膜の配向方向を示す説明図であり、（ｂ）は、他方の液晶層の両側に配置される配向膜の配向方向を示す説明図である。 上記液晶デバイスにおける一方の液晶層付近の構造を拡大して示す断面図である。 一方の液晶層の各電極に印加される電圧のパターンの一例を示す説明図である。 一方の液晶層の各分割領域ごとの屈折率パターンを示す説明図である。 一方の液晶層の透過光の各分割領域ごとの位相パターンを示す説明図である。 （ａ）および（ｂ）は、上記液晶デバイスの他の構成例を示すものであって、（ａ）は、一方の液晶層の電極に電圧を印加する前の液晶分子の状態を示す断面図であり、（ｂ）は、一方の液晶層の電極に電圧を印加した後の液晶分子の状態を示す断面図である。 上記光ピックアップの他の構成例を示す説明図である。 使用メディアがＣＤである場合の、所定の環境温度における液晶層の屈折率と印加電圧との関係を示すグラフである。 従来の光ピックアップの概略の構成を示す説明図である。 （ａ）は、上記光ピックアップに用いられる収差補正デバイスの一方の液晶層の両側に配置される配向膜の配向方向を示し、（ｂ）は、他方の液晶層の両側に配置される配向膜の配向方向を示す説明図である。 上記光ピックアップに用いられる１／４波長板の遅相軸および進相軸と入射光の偏光方向との関係を模式的に示す説明図である。

符号の説明

４ 液晶デバイス
２１ 液晶層（第１の液晶層）
２２ａ 電極
２２ｂ 電極
２３ａ 配向膜
２３ｂ 配向膜
３１ 液晶層（第２の液晶層）
３２ａ 電極
３２ｂ 電極
３３ａ 配向膜
３３ｂ 配向膜
４０ 電圧印加手段
４１ 使用メディア検出手段
４２ 温度検出手段
４３ 収差補正パターン記憶手段
４４ テーブル記憶手段
４５ 電圧設定手段
Ａ 分割領域
Ｂ 分割領域
Ｃ 分割領域

Claims (6)

1. ２層の液晶層と、
   各液晶層の両側に順に配置される配向膜および電極と、
   上記電極に電圧を印加して各液晶層の屈折率を変化させることで、各液晶層を透過する光の位相を変化させる電圧印加手段とを備え、
   各液晶層を第１の液晶層および第２の液晶層とすると、
   第１の液晶層の両側に配置した配向膜の配向方向と、第２の液晶層の両側に配置した配向膜の配向方向とは、互いに直交しており、かつ、入射光の偏光方向に対してそれぞれ略±４５°傾いており、
   第１の液晶層の両側に配置した電極の一方と、第２の液晶層の両側に配置した電極の一方とは、同じ形状で分割されており、
   上記電圧印加手段は、第１の液晶層および第２の液晶層のそれぞれにおいて、分割領域間で透過光に位相差が生じ、かつ、同じ分割領域において第１の液晶層と第２の液晶層とで透過光に位相差が生じるように、第１の液晶層および第２の液晶層の各電極に電圧を印加することを特徴とする液晶デバイス。
2. 上記電圧印加手段は、同じ分割領域において第１の液晶層と第２の液晶層とで、透過光に１／４波長の位相差が生じるように、第１の液晶層および第２の液晶層の各電極に電圧を印加することを特徴とする請求項１に記載の液晶デバイス。
3. 使用メディアを検出する使用メディア検出手段と、
   使用メディアに照射される光の波長ごとに設定され、収差を補正可能な、一方の液晶層における透過光の位相パターンを収差補正パターンとして記憶する収差補正パターン記憶手段と、
   使用メディアに照射される光の波長ごとに設定され、第１の液晶層および第２の液晶層の各電極に印加される電圧と、第１の液晶層および第２の液晶層の屈折率との関係を示すテーブルを記憶するテーブル記憶手段と、
   第１の液晶層および第２の液晶層の各電極に印加する電圧を設定する電圧設定手段とをさらに備え、
   上記電圧設定手段は、上記使用メディア検出手段で検出された使用メディアに照射される光の波長に応じた収差補正パターンを上記収差補正パターン記憶手段から読み出し、一方の液晶層における透過光の位相パターンを決定する一方、上記位相パターンに対して１／４波長分進んだ位相パターンを他方の液晶層における透過光の位相パターンに決定し、各位相パターンと各液晶層の層厚とに基づいて各液晶層の屈折率を各分割領域ごとに算出し、上記テーブル記憶手段に記憶されたテーブルから上記屈折率に応じた電圧を各分割領域ごとに求め、
   上記電圧印加手段は、上記電圧設定手段にて求められた各分割領域ごとの電圧を、第１の液晶層および第２の液晶層の各電極に印加することを特徴とする請求項１または２に記載の液晶デバイス。
4. 環境温度を検出する温度検出手段と、
   環境温度ごとに設定され、収差を補正可能な、一方の液晶層における透過光の位相パターンを収差補正パターンとして記憶する収差補正パターン記憶手段と、
   環境温度ごとに設定され、第１の液晶層および第２の液晶層の各電極に印加される電圧と、第１の液晶層および第２の液晶層の屈折率との関係を示すテーブルを記憶するテーブル記憶手段と、
   第１の液晶層および第２の液晶層の各電極に印加する電圧を設定する電圧設定手段とをさらに備え、
   上記電圧設定手段は、上記温度検出手段で検出された環境温度に応じた収差補正パターンを上記収差補正パターン記憶手段から読み出し、一方の液晶層における透過光の位相パターンを決定する一方、上記位相パターンに対して１／４波長分進んだ位相パターンを他方の液晶層における透過光の位相パターンに決定し、各位相パターンと各液晶層の層厚とに基づいて各液晶層の屈折率を各分割領域ごとに算出し、上記テーブル記憶手段に記憶されたテーブルから上記屈折率に応じた電圧を各分割領域ごとに求め、
   上記電圧印加手段は、上記電圧設定手段にて求められた各分割領域ごとの電圧を、第１の液晶層および第２の液晶層の各電極に印加することを特徴とする請求項１または２に記載の液晶デバイス。
5. 使用メディアを検出する使用メディア検出手段と、
   環境温度を検出する温度検出手段と、
   使用メディアに照射される光の波長ごとおよび環境温度ごとに設定され、収差を補正可能な、一方の液晶層における透過光の位相パターンを収差補正パターンとして記憶する収差補正パターン記憶手段と、
   使用メディアに照射される光の波長ごとおよび環境温度ごとに設定され、第１の液晶層および第２の液晶層の各電極に印加される電圧と、第１の液晶層および第２の液晶層の屈折率との関係を示すテーブルを記憶するテーブル記憶手段と、
   第１の液晶層および第２の液晶層の各電極に印加する電圧を設定する電圧設定手段とをさらに備え、
   上記電圧設定手段は、上記使用メディア検出手段で検出された使用メディアに照射される光の波長と上記温度検出手段にて検出された環境温度とに応じた収差補正パターンを上記収差補正パターン記憶手段から読み出し、一方の液晶層における透過光の位相パターンを決定する一方、上記位相パターンに対して１／４波長分進んだ位相パターンを他方の液晶層における透過光の位相パターンに決定し、各位相パターンと各液晶層の層厚とに基づいて各液晶層の屈折率を各分割領域ごとに算出し、上記テーブル記憶手段に記憶されたテーブルから上記屈折率に応じた電圧を各分割領域ごとに求め、
   上記電圧印加手段は、上記電圧設定手段にて求められた各分割領域ごとの電圧を、第１の液晶層および第２の液晶層の各電極に印加することを特徴とする請求項１または２に記載の液晶デバイス。
6. 請求項１から５のいずれかに記載の液晶デバイスを備えていることを特徴とする光ピックアップ。

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