JP2007157235A

JP2007157235A - 位相補正素子および光ヘッド装置

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Publication number: JP2007157235A
Application number: JP2005350539A
Authority: JP
Inventors: Mitsuo Osawa; 光生大澤; Yukihiro Touge; 幸宏垰
Original assignee: Asahi Glass Co Ltd
Current assignee: AGC Inc
Priority date: 2005-12-05
Filing date: 2005-12-05
Publication date: 2007-06-21
Anticipated expiration: 2025-12-05
Also published as: JP4696883B2

Abstract

【課題】単一の液晶層を用いて直交するいずれの直線偏光の位相も補正することが可能な位相補正素子および光ヘッド装置を提供すること。
【解決手段】対向する透明基板１ａ、１ｂと、液晶層２と、補正対象の波面収差に応じた形状を有する透明電極３ａ、３ｂとを備えた位相補正素子１０において、液晶層２の液晶分子が、各基板面位置で基板面に略平行、かつ相互に９０°＋１８０°×ｍ（ｍ＝０、１、２）の角度をなして配向し、透明電極３ａ、３ｂを介して液晶層２に所定の電圧を印加したとき、各基板面から離れるにつれて基板面に対して立ち上がり、各基板面間の中間の領域で基板面に対して略垂直になる構成を有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、位相補正素子および光ディスク等の光記録媒体に対して情報の記録再生を行う光ヘッド装置に関し、特に、波面収差を補正する位相補正素子および光ヘッド装置に関する。

ＤＶＤ等の光記録媒体の片面に複数の情報記録層を有する多層光記録媒体に対して、情報の記録再生を行う場合、各層が離れていることに起因する波面収差を補正し、所望の情報記録層に集光する技術が必要である。ここで、上記の記録再生とは、光記録媒体に情報を記録すること、および、光記録媒体に記録された情報を再生することの、いずれか１つ以上の動作をいうものとする。以下、特に断る場合を除いて同様とする。

上記の技術としては、光源と対物レンズとの間の光路中に、透明基板に挟持された液晶層を備えた位相補正素子を設置し、波面収差を補正するものがある（例えば、特許文献１参照。）。具体的には、波面収差としての球面収差を補正する場合、液晶層に電圧を印加するための透明電極を複数個に分割して分割電極とし、各分割電極を光軸を中心に同心円状に配置し、各分割電極と対向する透明電極間に補正すべき収差に応じた電圧を印加し、球面収差を除去する技術がある。この技術で用いる位相補正素子は、機械的可動部がないため、小型の光ヘッド装置にも好適に用いることができる。

また、上記の分割電極をシート抵抗値の低い低抵抗電極とし、低抵抗電極よりもシート抵抗値が充分高い高抵抗平板電極を抵抗膜としてさらに設け、各低抵抗電極を高抵抗平板電極で電気的に接続する技術がある（例えば、特許文献２および特許文献３参照。）。この技術によって、位相補正素子に接続する電源数を低減できるため、光ヘッド装置全体をより小型にできる。

このような従来の位相補正素子は、１つの偏光方向に対して光の位相を補正するものである。波長選択の用途に用いられるファブリペローエタロンにおいては、偏光依存性を有する共振器の偏光依存性を除去する技術が報告されている（例えば、非特許文献１参照。）。具体的には、２つの基板面近傍で配向方向を相互に直交するようにしたＴＮ液晶を用いて偏光依存性を有する共振器を実現し、所定値以上の電圧を印加して電圧印加方向に液晶を配向させて、偏光依存性を除去するものである。非特許文献１に記載された上記の技術は、波長の選択と偏光依存性の除去を目的としたものである。

特開２００３−０６７９６６号公報特開２００２−２８８８６６号公報特開２００１−０８４６３１号公報ジェイ・エス・パテル、シンドゥー・リー著、「電気的に可変かつ偏光依存性が除去可能な液晶ファブリ・ペローエタロン」、アプライド・フィジックス・レターズ、第５８巻、第２２号、ｐ．２４９１−２４９３（J. S. Patel, Sin-Doo Lee, "Electrically Tunable and Polarization Insensitive Fabry-Perot Etalon with a Liquid-Crystal Film" Applied Physics Letters, Vol.58, No.22, p2491-2493）

しかしながら、このような従来の位相補正素子では、位相補正素子が有する液晶層中で液晶分子が一様配向しているために、液晶の異常光屈折率を感ずる偏光と常光屈折率を感ずる偏光とが入射したとき、常光屈折率を感ずる偏光に対しては、印加電圧の大きさに応じて透過波面を変化させることはできないという問題があった。

具体的には、光ヘッド装置は、偏光光学系を用いてＤＶＤ、高密度光ディスク等の光記録媒体の記録再生を行うことが一般的であるため、偏光方向が相互に直交する往路光（光記録媒体に向かう光）と復路光（光記録媒体から反射された光）のいずれか一方の偏光に対してしか、素子として機能しないという問題があった。いずれの偏光に対しても位相を補正するためには、往路光と復路光の各々に対して１枚ずつ位相補正素子を並べる必要があり、装置の大型化、構成の複雑化、コストアップ等を招いてきた。

本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、単一の液晶層を用いて直交するいずれの直線偏光の位相も補正することが可能な位相補正素子および光ヘッド装置を提供するものである。

以上の点を考慮して、請求項１に係る発明は、少なくとも２枚の対向する透明基板と、前記透明基板間に挟持された液晶層と、各前記透明基板の基板面上に形成され、補正対象の波面収差に応じた形状を有する透明電極とを備えた位相補正素子において、前記液晶層の液晶分子が、各前記透明基板の基板面位置で前記基板面に略平行、かつ相互に９０°＋１８０°×ｍ（ｍ＝０、１、２）の角度をなして配向し、前記透明電極を介して前記液晶層に所定の電圧を印加したとき、各前記基板面間の中間位置に近い位置にある液晶分子ほど前記基板面に対して立ち上がり、各前記基板面間の中間の領域で前記基板面に対して略垂直になる構成を有している。

この構成により、液晶層の液晶分子が、各透明基板の基板面位置で基板面に略平行、かつ相互に直交するように配向し、電圧を印加したときに各基板面間の中間の領域で基板面に対して略垂直になるため、実効的に直交する配向の液晶層を２層有する構成となり、単一の液晶層を用いて直交するいずれの直線偏光の位相も補正することが可能な位相補正素子を実現できる。

また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載の位相補正素子において、前記液晶層がベンド配向する液晶からなる構成を有している。

この構成により、請求項１の効果に加え、液晶層がベンド配向する液晶によって構成されるため、各基板面間の中間位置の液晶分子が基板面に垂直に配向し位相補正に効果的に寄与しない領域の厚さを薄くできると共に、電圧の大きさに応じて上記の領域の厚さを調節でき、その結果、偏光方向が直交する２つの直線偏光の位相補正に要する電圧を低下できると共に、補正範囲を拡大することが可能な位相補正素子を実現できる。

また、請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載の位相補正素子において、入射光にπ／２の奇数倍の位相差を付加する位相板が前記透明基板のいずれかに重ねて配置された構成を有している。

この構成により、請求項１または２の効果に加え、１／４波長板等の位相板と一体化されるため、光軸合わせ等の組み立ての調整が容易であり、かつ省スペース化を図ることが可能な位相補正素子を実現できる。

また、請求項４に係る発明は、光源と、前記光源からの出射光を光記録媒体へ集光する対物レンズと、前記光記録媒体からの戻り光を検出する光検出器とを備える光ヘッド装置において、前記光源と前記対物レンズとの間の光路中に請求項１から３までのいずれか１項に記載の位相補正素子を備えた構成を有している。

この構成により、請求項１から３までのいずれかの効果を有する光ヘッド装置を実現できる。

また、請求項５に係る発明は、請求項４に記載の光ヘッド装置において、前記光源からの出射光が、前記液晶層の前記光源側の面に入射したとき、前記液晶層の基板面位置における液晶分子の常光屈折率または異常光屈折率を感じる方向に偏光方向を有する構成を有している。

この構成により、光源からの出射光が、液晶層の基板面位置における液晶分子の常光屈折率または異常光屈折率を感じる方向に偏光しているため、光の利用効率を向上することが可能な光ヘッド装置を実現できる。

本発明は、液晶層の液晶分子が、各透明基板の基板面位置で基板面に略平行、かつ相互に直交するように配向し、電圧を印加したときに各基板面間の中間の領域で基板面に対して略垂直になるため、実効的に直交する配向の液晶層を２層有する構成となり、単一の液晶層を用いて直交するいずれの直線偏光の位相も補正できるという効果を有する位相補正素子を提供できる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る位相補正素子の構成を概念的に示す断面図である。図１において、位相補正素子１０は、少なくとも２枚の対向する透明基板１ａ、１ｂと、各透明基板１ａ、１ｂの対向する基板面上に形成され液晶層２に電圧を印加するための透明電極３ａ、３ｂと、液晶が透明基板１ａ、１ｂ間から漏れ出ないように外周を封じるシール４と、透明電極３ａ、３ｂに電気的に接続された配線５とを備えている。各透明電極３ａ、３ｂには、液晶層２に電圧を印加する外部信号源１１が接続されている。

透明基板１ａ、１ｂとして、ＰＥＴ、ＰＣなどからなるプラスチック基板を用いてもよいが、ガラス基板を用いることが耐久性等の観点から好ましい。

透明電極３ａ、３ｂとして、ＩＴＯ、ＳｎＯ_２、ＺｎＯ等の酸化物からなる薄膜電極を用いることが、光の透過性および機械的耐久性等の観点から好ましい。また、透明電極３ａ、３ｂのうちの少なくとも一方の透明電極は、複数の分割電極によって構成されるのでもよい。さらに、分割電極間を電気的に接続する抵抗膜としての電極を有するのでもよい。以下、透明電極３ａは、シート抵抗値の低い低抵抗電極３ａ１１〜３ａ１４と、低抵抗電極３ａ１１〜３ａ１４間を電気的に接続する抵抗膜としての高抵抗平面電極３ａ１５とによって構成される複合電極であり、透明電極３ｂは単一の平板からなる電極とする。

シール４には、エポキシ、アクリルなどの樹脂系接着剤を用いることが、取り扱い上好ましい。また、上記の樹脂系接着剤が、熱硬化性、ＵＶ硬化性等を有するのでもよい。シール４は、透明電極３ａ、３ｂが形成されたいずれかの基板面の光学的有効領域の外側に、例えばシール材を印刷して形成される。また、シール材にガラスファイバからなるスペーサを所定の割合で混入することは、基板間隔の調整の容易性の観点から好ましい。

液晶層２の液晶には、ツイステッドネマティック液晶（以下、ＴＮ液晶という。）を用いるのが好ましい。液晶層２の液晶分子は、各透明基板１ａ、１ｂの基板面位置で基板面に略平行で、基板面に垂直な方向から見て相互に９０°＋１８０°×ｍ（ｍは整数）の角度ねじれて配向している。特に、上記の整数ｍが０、すなわち、ねじれの角度が９０°となる構成が、低電圧で駆動できること、散乱光の発生を低減できること等の観点から好ましい。

液晶の配向に、ポリイミドなどの不図示の配向膜を用い、ラビング等により配向処理を施してもよい。また、光配向の技術、ＳｉＯ等を斜め蒸着して配向させる技術、ダイヤモンドライクカーボン膜等にイオンビームを照射して配向させる技術等の、他の技術を用いるのでもよい。また、液晶としては、正の誘電異方性（△ε）を有するものが好ましい。正の誘電異方性を有する液晶は、電界が印加されたとき、液晶分子の長手方向が電界方向を向くように動く。

配線５として、フレキシブル回路基板を用いるのでもよい。配線５間に印加する電圧は矩形交流電圧が好ましく、周波数は１０Ｈｚ〜１０ｋＨｚが好ましい。また、上記の矩形交流電圧には、直流成分が含まれないようにすることがさらに好ましい。印加する電圧範囲は、基板面近傍を除く中間の領域（以下、単に中間領域という。）で液晶分子が基板面に対して所定の角度をなすものであればよい。このようにすることによって、中間領域での異常光屈折率が常光屈折率に向けて変化するため、光は両方の基板面近傍での異常光屈折率を相対的に強く感ずることになる。

その結果、両方の基板面近傍での配向方向に偏光方向を有する偏光は、いずれも位相が補正されることになる。ここで、基板面に平行な面と液晶分子の長手方向がなす仰角が、中間領域で最大で８０°以上となるように電圧を設定するのが好ましい。また、基板面に平行な面内での角度を方位角とするときの液晶分子の方位角の変化が、中間領域で大きくなるように電圧を設定するのが好ましい。以下、液晶分子の長手方向の向きの方位角を、液晶分子の方位角という。

ここで、対向する透明電極３ａ、３ｂの間に不図示の絶縁膜を設け、短絡を防ぐようにすることは好ましい。また、配向膜、絶縁膜および透明電極３ａ、３ｂの膜厚および屈折率を調整し、界面反射を防止することは光の利用効率の向上につながり、さらに好ましい。さらに、絶縁膜として、ＳｉＯ_２、ＺｒＯ_２、ＴｉＯ_２等の無機材料を、スパッタリング法、ゾルゲル法等を用いて成膜するのでもよい。

また、透明基板１ａ、１ｂの液晶層２側と反対側の基板面にさらに反射防止膜を取り付けることは、光の利用効率が一層向上できるため、好ましい。蒸着法、スパッタリング法等を用いて誘電体多層膜を形成し、反射防止膜とするのでも、利用する波長程度の膜厚の透明な薄膜を形成し、反射防止膜とするのでもよい。

図２は、本発明の実施の形態に係る位相補正素子１０を構成する透明電極３ａの電極パターンの１例を模式的に示す図である。以下、説明の都合上、図２に示す透明電極３ａの電極パターンは、球面収差補正に用いる位相補正素子の電極パターンであるものとして説明する。ここで、低抵抗電極３ａ１１〜３ａ１４は円形または輪帯状の形状を有し、高抵抗平面電極３ａ１５は円形の形状を有し、各電極３ａ１１〜３ａ１５は、同心円状に配置される。低抵抗電極３ａ１１〜３ａ１４は高抵抗平面電極３ａ１５よりもシート抵抗値が充分低く同心円状に配置されるため、同心円状かつ連続的に変化する電位分布を実現できる。また、低抵抗電極３ａ１１〜３ａ１４に印加する電圧を調節することによって、半径方向の電位分布を設定することができる。

外部信号源１１からの電圧が配線５１〜５４を介して低抵抗電極３ａ１１〜３ａ１４に直接印加される構成でもよいが、補正すべき位相量または位相分布があらかじめ決まっている場合等の所定の場合には、所定の薄膜抵抗体を用いて外部信号源１１からの電圧を分圧して低抵抗電極３ａ１１〜３ａ１４に印加する構成とすることは、接続する電源数を削減できるため、好ましい。なお、配線５５は、透明電極３ｂに接続される。

高抵抗平面電極３ａ１５は、低抵抗電極３ａ１１〜３ａ１４と比べてシート抵抗値が十分高く、かつ、透明な材料からなるものであればよく、亜鉛、鉛、錫、インジウムなどの元素の１つ以上の酸化物からなるのでもよい。低抵抗電極３ａ１１〜３ａ１４は、高抵抗平面電極３ａ１５と同様に、亜鉛、鉛、錫、インジウムなどの元素の１つ以上の酸化物からなるのでもよいが、透過率が上記の酸化物程度であれば、アルミニウム、金、銀、クロムなどの金属材料からなるのでもよい。

図３は、本発明の実施の形態に係る位相補正素子１０を構成する透明電極３ａの電極パターンの他の１例を概念的に示す図である。ここで、透明電極３ａが図２に示すものと同様に、低抵抗電極３ａ２１〜３ａ２４と高抵抗平面電極３ａ２５とによって構成され、透明電極３ｂが単一の電極によって構成されるものとする。以下、説明の都合上、図３に示す透明電極３ａの電極パターンは、コマ収差補正に用いる位相補正素子の電極パターンであるものとして説明する。

外部信号源１１からの電圧が配線５１〜５４を介して低抵抗電極３ａ２１〜３ａ２４に直接印加される構成でもよいが、補正すべき位相量または位相分布があらかじめ決まっている場合等の所定の場合には、所定の薄膜抵抗体を用いて外部信号源１１からの電圧を分圧して低抵抗電極３ａ２１〜３ａ２４に印加する構成とすることは、接続する電源数を削減できるため、好ましい。なお、配線５５は、透明電極３ｂに接続される。

以下、本発明の第１の実施の形態に係る位相補正素子１０の作用について説明する。図４〜図７は、上記の整数ｍが０の場合、すなわち、液晶分子の配向方向が基板面間で９０°ねじれている構成のときの位相補正素子１０の作用について説明するための説明図である。図４は、液晶層２がＴＮ液晶を用いて形成され、液晶層２に電圧が印加されていないときの液晶分子の配向の様子が示されている。

印加電圧が０Ｖのとき、液晶分子２０は、図４に概念的に示すように９０°の方位角範囲内で、液晶層２の厚さ方向に関して一様な方位角の変化を有する。以下、液晶分子２０の方位角が単位角度変化するのに要する液晶層２の厚さ方向の距離をピッチという。印加電圧が０Ｖのとき、液晶分子２０は、一様なピッチで方位角方向にねじれている。液晶分子２０が透明基板１ａ、１ｂの基板面となす角度を極角（以下、液晶分子の極角という。）とすると、印加電圧が０Ｖのとき、全ての液晶分子の極角は実質的に一定になっている。

図５は、所定の電圧Ｖｏを印加したときの液晶分子の配向の様子を概念的に示す説明図である。印加電圧を徐々に大きくしていくと、図５に示すように、各液晶分子２０は、電界方向に立ち上がる。ここで、電界方向は基板面に垂直な方向である。このとき、電界分布は一様であるが、液晶分子の極角の大きさは、基板面からの距離に応じて異なる。具体的には、２つの基板面から離れるほど、液晶分子の極角は、大きくなる。その結果、中間領域Ｂでは、液晶分子２０が基板面に対して略直交するようになる。

液晶分子の極角が大きくなるに伴って、液晶分子２０の方位角方向へのねじれのピッチは極角が大きい部分の方が小さい部分に比較して短くなる。この結果、図５に示すように、基板面近傍の液晶層２の領域Ａ、Ｃでは液晶分子２０の方位角方向へのねじれピッチが大きくなり、極角は比較的小さい。逆に、中間領域Ｂでは、液晶分子２０の方位角方向へのねじれピッチが短くなり、極角は相対的に大きくなる。結果として、液晶分子２０の方位角方向へのねじれは主に中間領域Ｂに集中し、領域Ｃ内の液晶分子は、領域Ａ内の液晶分子に対して方位角がほぼ９０°をなすようにねじれて配向している。

基板面に平行に配向した液晶分子の方位角が大きく変化する場合、一般に、液晶層２を通過する光は旋光をされやすい。しかし、液晶分子の方位角が大きく変化する中間領域Ｂでは、液晶分子の極角が大きくなっているため、光はほとんど旋光されずそのまま通過し、領域Ａ、Ｃでは、液晶分子が方位角方向にほぼねじれていないため、光は旋光されずそのまま通過する。

さらに、Ｖｏよりも高い所定の印加電圧Ｖｐで、領域Ａ、Ｃの液晶分子の極角は印加電圧の大きさに応じて大きくなる。このとき領域Ａ、Ｃの液晶分子の方位角はほぼ直交し一定となる。その結果、基板面に平行かつ相互に直交する２つの偏光方向の光に対してそれぞれ領域Ａ、Ｃで位相変調を与えることができ、液晶層２は、印加される電圧の大きさと面内分布に応じて、２つの偏光方向の光に対して位相補正することが可能となる。

以下、液晶分子２０の方位角方向へのねじれが主に中間領域Ｂに集中し、領域Ａ、Ｃで液晶分子の方位角が直交する電圧範囲を擬似直交配向電圧範囲という。その結果、印加電圧を制御することによって、単一の液晶層で、相互に直交する偏光に対して作用する位相補正素子を作製することが可能となる。

以上説明したように、本発明の第１の実施の形態に係る位相補正素子は、液晶層の液晶分子が、各透明基板の基板面位置で基板面に略平行、かつ相互に直交するように配向し、電圧を印加したときに各基板面間の中間の領域で基板面に対して略垂直になるため、実効的に直交する配向の液晶層を２層有する構成となり、単一の液晶層を用いて直交するいずれの直線偏光の位相も補正できる。

また、本発明の第１の実施の形態に係る位相補正素子が有する液晶層は単一の層からなるため、作製が容易であるとともに製造コストを抑えることができる。なお、位相補正素子と、１／４波長板等の位相板、その他の光部品とを一体化することは、組み立ての際の光軸合わせ等の調整の容易さ、省スペース化等の観点から好ましい。
（第２の実施の形態）

本発明の第２の実施の形態に係る位相補正素子は、液晶層にベンド配向する液晶を用いたものである。図６および図７は、ベンド配向する液晶を液晶層に用いたときの、液晶分子の配向の様子を概念的に示す説明図である。本発明の第２の実施の形態に係る位相補正素子の構成は、液晶層に用いる液晶を除き、本発明の第１の実施の形態に係る位相補正素子の構成と同様である。

液晶層にベンド配向する液晶を用いることによって、以下に説明するように、上記の擬似直交配向電圧範囲を広げることができる。その結果、補正できる位相の範囲を実質的に広げることができる。図６に、ベンド配向の一例として、印加電圧が０Ｖのときの液晶分子の配向（９０°ねじれたスプレー配向）の様子を示す。

この場合、液晶分子２１は、所定の点から広がると共に、一定のピッチで方位角方向にほぼねじれた配向状態を示す。ここで、２つの基板面近傍の液晶分子２１は、相互に直交する方向に配向している。図７は、図６に示す配向の液晶に所定の電圧を印加して９０°ねじれたベンド配向に転移させたときの各液晶分子の配向の様子を説明するための図である。

液晶層に所定の電圧Ｖ１を印加すると、ベンド配向の液晶は、図７に示す状態、すなわち、中間領域Ｂで液晶分子の極角が急激に大きくなり、基板面とほぼ垂直をなす状態が実現する。この状態は、ベンド配向に転移後、ＴＮ配向する液晶（図４、図５）よりも低い印加電圧で発生する。そのため、擬似直交配向電圧範囲を実質的に広げることが可能となる。

透明電極３ａとして、図２に示す円形または輪帯状の形状を有し同心円状に配置された複合電極３ａ１１〜３ａ１５を用いることによって、位相補正素子は、球面収差を補正する機能を有すると共に、焦点距離を調整する機能をも有する。また、透明電極３ａとして、例えば、図３に示す複合電極３ａ２１〜３ａ２５等を用いることによって、位相補正素子は、コマ収差等の波面収差を補正する機能を有する。なお、位相補正素子１０と、１／４波長板等の位相板等の他の光部品以外の光部品とを一体化することは、組み立ての際の調整の容易さ、省スペース化等の観点から好ましい。

以上説明したように、本発明の第２の実施の形態に係る位相補正素子は、本発明の第１の実施の形態に記載の効果に加え、液晶層がベンド配向する液晶によって構成されるため、液晶分子が基板面に垂直に配向し位相補正に効果的に寄与しない領域の厚さを薄くできると共に、電圧に応じて上記の領域の厚さを調節でき、その結果、偏光方向が直交する２つの直線偏光の位相補正に要する電圧を低下できると共に、位相の補正範囲を拡大することができる。
（第３の実施の形態）

図８は、本発明の第３の実施の形態に係る光ヘッド装置の構成の一例を概念的に示す図である。図８において、光ヘッド装置１００は、半導体レーザ１０１と、偏光ビームスプリッタ１０２と、コリメータレンズ１０３と、本発明に係る位相補正素子１０と、１／４波長板１０４と、半導体レーザ１０１からの出射光を光ディスク２００の情報記録層２０１、２０２に集光させる対物レンズ１０５と、光ディスク２００からの戻り光を検出する光検出器１０６とを備える。

半導体レーザ１０１は、光ディスク２００の種類に応じて出射する光の波長を切り替えられるようになっているのでもよい。具体的には、ＣＤに対しては７８０ｎｍ帯のいずれかの波長の光を出射し、ＤＶＤに対しては６６０ｎｍ帯のいずれかの波長の光を出射し、ＨＤ−ＤＶＤ等に対しては４０５ｎｍ帯のいずれかの波長の光を出射するのでもよい。また、半導体レーザ１０１が、例えば複数の半導体レーザによって構成され、各半導体レーザが異なる位置に配置されているのでもよい。半導体レーザ１０１と位相補正素子１０以外の構成要素については、周知であり、その説明を省略する。ここで７８０ｎｍ帯の波長とは７８０±２０ｎｍ、すなわち７６０〜８００ｎｍの範囲にある波長のことである。他も同様に６６０±２０ｎｍ、４０５±１５ｎｍである。

なお、図８に示す上記の光部品以外に、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、波面変換手段等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のでもよい。また、図８に示す光部品以外の光部品を本発明の位相補正素子１０と一体化することは、組み立ての際の調整の容易さ、省スペース化等の観点から好ましい。

以下、本発明の第３の実施の形態に係る光ヘッド装置１００の動作について、片面に複数の情報記録層２０１、２０２を有する光ディスク２００に対して情報の記録再生を行う際の作用を例にとり、説明する。かかる光ディスク２００は、２層ディスクと称され、ＤＶＤ、高密度光ディスク等がある。

半導体レーザ１０１から出射されＸ方向に偏光したＰ偏光は、偏光ビームスプリッタ１０２を透過し、コリメータレンズ１０３を透過して平行ビーム化され、位相補正素子１０を透過して本発明の第１の実施の形態または本発明の第２の実施の形態で説明したように位相が補正され、１／４波長板１０４を透過することによって円偏光に変換され、対物レンズ１０５により、光ディスク２００の第１の情報記録層２０１または第２の情報記録層２０２に集光される。

次に、光ディスク２００のいずれかの情報記録層２０１、２０２から反射された光は、戻り光となって対物レンズ１０５を透過し、さらに１／４波長板１０４を通過することによってＹ方向に偏光したＳ偏光に変換され、本発明の位相補正素子１０、コリメータレンズ１０３を通過し、偏光ビームスプリッタ１０２で反射されて、光検出器１０６に入射する。

次に、球面収差の補正方法について説明する。ここで、説明の都合上、初期状態で、位相補正素子１００は位相補正量が位相可変範囲の中央近傍になるように電圧が印加され、対物レンズ１０５は、この初期状態で、２つの情報記録層２０１、２０２の平均位置（以下、設定位置という。）で収差が最小となるように配置されているものとする。以下、保護層表面から設定位置までの距離を設定層厚という。

保護層の厚さが設定層厚と異なることによって、保護層の厚さから設定層厚を差し引いた分（以下、相違層厚という。）に比例する球面収差が発生し、情報の記録再生が困難になっていく。位相補正素子が対物レンズ１０５に入射する光に対して光軸を中心とする同心円状の位相補正を行い、上記球面収差を補正することができる。

コマ収差が補正対象の場合、図３に示す分割電極を設けた位相補正素子に、上記と同様に電圧を印加することによってコマ収差を補正することができる。印加電圧の大きさを調節してコマ収差を補正する方法については周知であり、その説明を省略する。また、コマ収差の補正の必要がある２層ディスク等に対しては、上記のパワー成分の補正用の位相補正素子とコマ収差補正用の位相補正素子とを一体化するのでもよい。

以上説明したように、本発明の第３の実施の形態に係る光ヘッド装置は、位相補正素子を構成する液晶層の液晶分子が、各透明基板の基板面位置で基板面に略平行、かつ相互に直交するように配向し、電圧を印加したときに各基板面間の中間の領域で基板面に対して略垂直になるため、実効的に直交する配向の液晶層を２層有する構成となり、単一の液晶層を用いて直交するいずれの直線偏光の位相も補正することができる。

また、位相補正素子を構成する液晶層がベンド配向する液晶によって構成されるため、液晶分子が基板面に垂直に配向し位相補正に効果的に寄与しない領域の厚さを薄くできると共に、電圧に応じて上記の領域の厚さを調節でき、その結果、偏光方向が直交する２つの直線偏光の位相補正に要する電圧を低下できると共に、補正範囲を拡大できる。

また、１／４波長板等の位相板と一体化されるため、光軸合わせ等の組み立ての調整が容易であり、かつ省スペース化を図ることができる。

また、光源からの出射光が、液晶層の常光屈折率または異常光屈折率を感じる方向に偏光しているため、簡易な構成かつ光の利用効率を向上することができる。

上記の本発明の実施の形態に基づく具体的な実施例を以下に説明する。なお、本実施例に係る位相補正素子が有する具体的な限定は、本発明の要旨を限定するものではない。以下、図１および図２を用いて本発明の実施例に係る位相補正素子１０について説明する。

まず、０．５ｍｍの厚さの石英ガラス基板を透明基板１ａとして用い、透明基板１ａの一方の基板面上にスパッタリング法を用いて、シート抵抗値が４０Ω／□のＩＴＯ透明導電膜を形成する。次に、透明基板１ａの透明導電膜を図２に示す低抵抗電極のパターンにパタニングし、低抵抗電極３ａ１１〜３ａ１４を形成する。

次に、透明基板１ａの低抵抗電極３ａ１１〜３ａ１４が形成された基板面に、シート抵抗値が１０^６Ω／□の酸化錫膜を形成し、図２に示す高抵抗平板電極のパターンにパタニングし、高抵抗平面電極３ａ１５を形成する。次に、０．５ｍｍの厚さの石英ガラス基板を透明基板１ｂとして用い、透明基板１ｂの一方の基板面上にスパッタリング法を用いて、シート抵抗値が３００Ω／□のＩＴＯ透明導電膜を形成する。

次に、透明基板１ｂの透明導電膜をパタニングし、分割電極３ａ１１〜３ａ１５に対向する透明電極３ｂとする。透明電極３ａは、図２に示すように、円形または輪帯状の形状を有する低抵抗電極３ａ１１〜３ａ１４と、円形の形状を有すると高抵抗平面電極３ａ１５とによって構成され、各分割電極３ａ１１〜３ａ１５は、光軸を中心とする同心円状に配置される。

また、配線５１〜５５に、フレキシブル回路基板を接続し、外部から電圧を印加できるようにした。

次に、透明基板１ａの分割電極３ａ１１〜３ａ１５が形成された基板面、および、透明基板１ｂの透明電極３ｂが形成された基板面上に、ポリイミドからなる配向膜を塗布して焼成し、各配向膜の表面を一方向にラビングして配向処理を行う。次に、透明基板１ａの分割電極３ａ１１〜３ａ１５が形成された基板面上に、直径１０μｍのギャップ制御材と導電性ビーズとを混合した接着材を印刷法を用いてパタニングしてシール４を形成する。

次に、透明基板１ａのシール４を形成した基板面と、透明基板１ｂの透明電極３ｂが形成された基板面とを対向させて重ね合わせ、圧着して透明電極３ａ、３ｂ間が１０μｍの空セルを作製する。この際、各々の透明基板面上の配向処理方向が互いに直交するようにする。次に、常光屈折率ｎｏが１．５２で異常光屈折率ｎｅが１．７０の、正の誘電異方性を有するネマティック液晶を不図示の空セルの注入口から注入し、液晶層２とする。液晶には、ねじれピッチが２００μｍとなるようにカイラル材を混入する。

次に、空セルの注入口を紫外線硬化樹脂を用いて封止して紫外線を照射し、図１に示す位相補正素子１０を形成する。

以下、図８を用いて本発明の実施例に係る光ヘッド装置１００について説明する。図８において、光ヘッド装置１００は、半導体レーザ等からなる半導体レーザ１０１と、偏光ビームスプリッタ１０２と、コリメータレンズ１０３と、本発明に係る位相補正素子１０と、１／４波長板１０４と、半導体レーザ１０１からの出射光を光ディスク２００の情報記録層２０１、２０２に集光させる対物レンズ１０５と、光ディスク２００からの戻り光を検出する光検出器１０６とを備える。

半導体レーザ１０１は、半導体レーザからなり、波長４０５ｎｍのレーザ光を出射する。半導体レーザ１０１が出射するレーザ光は、直線偏光（以下、Ｐ偏光とする。）であり、偏光方向は、位相補正素子１０を構成する液晶層２の半導体レーザ１０１側の異常光屈折率軸（図１におけるＸ方向）に平行な方向となっている。したがって、光ディスク２００からの戻り光（以下、Ｓ偏光とする。）は、液晶層２の１／４波長板１０４側の異常光屈折率軸（図１におけるＹ方向）に平行な方向となっている。

光ヘッド装置１００を構成する位相補正素子１０には、電圧波形が矩形交流波形で周波数が１０００Ｈｚの電圧を印加する。位相補正素子１０は、４Ｖｒｍｓ以上の電圧が液晶層２に印加されることによって位相補正の機能を発揮する。そして、光軸から外側に向けて各分割電極３ａ１１〜３ａ１４に、それぞれ、５．５Ｖｒｍｓ、７Ｖｒｍｓ、８．５Ｖｒｍｓ、１０Ｖｒｍｓの電圧を印加することによって、球面収差を補正することができる。

上記のように、各分割電極３ａ１１〜３ａ１４に電圧を印加することによって、位相補正素子１０を透過した光は、位相補正素子１０に入射したＰ偏光と同一の方向に振動する直線偏光となり、偏光は保たれる。

本発明に係る位相補正素子および光ヘッド装置は、単一の液晶層を用いて直交するいずれの直線偏光の位相も補正することができるという効果を有し、保護層の厚さが異なる光記録媒体等に対して情報の記録再生を行うための位相補正素子および光ヘッド装置、２つの直交する偏光方向の光に対して位相補正を行うための位相補正素子および光ヘッド装置等の用途にも適用できる。

具体的には、ＣＤ、ＤＶＤ等の保護層の厚さが異なる光記録媒体、４０５ｎｍ帯の波長を用いて記録再生を行う光記録媒体、ＢＤ、ＨＤ−ＤＶＤ等の規格が異なる光記録媒体等に対して情報の記録再生を行うための位相補正素子および光ヘッド装置等の用途にも適用できる。また、カメラ付き携帯電話、デジタルカメラ、デジタルビデオ、内視鏡等に用いられる可変焦点レンズとしても使用できる。特に、小型かつ薄型であって可動部位がない等の特徴があり、モバイル向け、光を利用する小型の素子および装置等に有効に利用できる。

本発明の第１の実施の形態に係る位相補正素子の構成を概念的に示す断面図図１に示す位相補正素子１０を構成する透明電極３ａの電極パターンの１例を模式的に示す図図２に示す透明電極３ａの電極パターンと異なる電極パターンの１例を模式的に示す図液晶層２に電圧が印加されていないときのＴＮ液晶の液晶分子の配向の様子を示す図図４に示す構成において、液晶層２に電圧を印加したときのＴＮ液晶の液晶分子の配向の様子を示す図液晶層２に電圧が印加されていないときの、ベンド配向する液晶の液晶分子の配向の様子を示す図図６に示す構成において、液晶層２に電圧を印加したときの、ベンド配向する液晶の液晶分子の配向の様子を示す図本発明の第３の実施の形態に係る光ヘッド装置の構成の一例を概念的に示す図

符号の説明

１ａ、１ｂ透明基板
２液晶層
３ａ、３ｂ透明電極
３ａ１１〜３ａ１４、３ａ２１〜３ａ２４低抵抗電極
３ａ１５、３ａ２５高抵抗平面電極
４シール
５、５１〜５５配線
１０位相補正素子
１１外部信号源
２０、２１液晶分子
１００光ヘッド装置
１０１半導体レーザ
１０２偏光ビームスプリッタ
１０３コリメータレンズ
１０４１／４波長板
１０５対物レンズ
１０６光検出器
２００光ディスク
２０１、２０２情報記録層
Ｌ光軸

Claims

少なくとも２枚の対向する透明基板と、前記透明基板間に挟持された液晶層と、各前記透明基板の基板面上に形成され、補正対象の波面収差に応じた形状を有する透明電極とを備えた位相補正素子において、
前記液晶層の液晶分子が、各前記透明基板の基板面位置で前記基板面に略平行、かつ相互に９０°＋１８０°×ｍ（ｍ＝０、１、２）の角度をなして配向し、前記透明電極を介して前記液晶層に所定の電圧を印加したとき、各前記基板面間の中間位置に近い位置にある液晶分子ほど前記基板面に対して大きな角度で立ち上がり、各前記基板面間の中間の領域で前記基板面に対して略垂直になることを特徴とする位相補正素子。
前記液晶層が、ベンド配向する液晶からなる請求項１に記載の位相補正素子。
入射光にπ／２の奇数倍の位相差を付加する位相板が、前記透明基板のいずれかに重ねて配置された請求項１または２に記載の位相補正素子。
光源と、前記光源からの出射光を光記録媒体へ集光する対物レンズと、前記光記録媒体からの戻り光を検出する光検出器とを備える光ヘッド装置において、前記光源と前記対物レンズとの間の光路中に請求項１から３までのいずれか１項に記載の位相補正素子を備えたことを特徴とする光ヘッド装置。
前記光源からの出射光が、前記液晶層の前記光源側の面に入射したとき、前記液晶層の基板面位置における液晶分子の常光屈折率または異常光屈折率を感じる方向に偏光方向を有する請求項４に記載の光ヘッド装置。