JP2007333945A - 液晶素子、光源装置および光ヘッド装置 - Google Patents

Abstract

【課題】出射光の偏光方向が変動する半導体レーザ光源を用いた場合でも、一定の偏光方向の直線偏光を出射する小型軽量で可動部のない液晶素子、その液晶素子を搭載した光源装置および光ヘッド装置を提供すること。
【解決手段】光源から出射する波長λの任意の偏光方向の直線偏光の入射光に対するリタデーション値が実質的にλ／４となる位相差を発生し、その光学軸が板面内の特定方向（Ｘ軸方向）を指向する位相板１２０と、透明電極３、４が形成された１対の対向する透光性基板５、６と、透光性基板５、６間に挟持され、透明電極３、４への交流電源９からの印加電圧に応じてリタデーション値が変化する液晶層１とを含み、位相板１２０に対して入射光を放射する光源の反対側に液晶層１の光学軸を特定方向（Ｘ軸方向）に対して略４５度に設置した液晶セル１１０とを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、液晶素子、光源装置および光ヘッド装置に係り、特に、半導体レーザ光源の直線偏光を特定の偏光方向の直線偏光に変換する液晶素子、液晶素子を搭載し特定の偏光方向の直線偏光を出射する光源装置、および光ヘッド装置に関する。

一般に、半導体レーザ光源から出射する直線偏光の偏光方向は、半導体レーザ光源毎に異なるだけでなく、活性層の温度変化に伴って変動する。そのため、半導体レーザ光源の出射側に偏光依存性のある光学部品が配置されると、光学部品からの出射光の光学特性が変動し所望の光学性能を発揮することができない。

例えば、光学部品が、特定の偏光方向の直線偏光を透過し、それと直交する直線偏光を反射する偏光ビームスプリッタである場合は、透過光と反射光の比率が所望の値から変動してしまう。また、光学部品が１／４波長板である場合は、１／４波長板透過後の直線偏光が楕円偏光になってしまうという課題があった。

一方、半導体レーザ光源からの出射光を特定の偏光方向の直線偏光に変換する従来技術として、例えば、光出射側に偏光子や１／２波長板を配置する方法がある。

しかしながら、偏光子を配置した場合は出射光量低下を招き、１／２波長板を配置した場合は、半導体レーザ光源の出射光の偏光方向が変動したとき、１／２波長板の光学軸を回転する機構が必要となり、装置が大形化するとともに可動部の信頼性確保が必要となるという課題があった。

そこで、液晶素子を用いて半導体レーザ光源の出射光の偏光方向を液晶素子の印加電圧に応じて可変とする方法がある（例えば、特許文献１、特許文献２参照。）。

特許文献１に記載された偏光制御装置は、１／２波長板相当の液晶からなる位相板の光学軸を印加電圧に応じて回転できるため、液晶素子へ入射する直線偏光が変動した場合でも出射光の偏光方向を一定に制御できる。

特許文献２に記載された液晶素子は、液晶セルのリタデーション値を印加電圧に応じて変更することが可能であり、特定の偏光方向の直線偏光を任意の偏光方向の直線偏光に変換することができる。
特開２００１−２６４８２１号公報（［００１０］−［００１３］、図２） 特開２００３−１０７４７５号公報（［０００７］−［０００８］、図１）

しかしながら、特許文献１に記載された従来の偏光制御装置は、低電圧駆動とするために電極間隔を０．１ｍｍ程度以下にする必要があり、入射光が透過する有効径が極めて狭い。その結果、有効径内に集光する光学素子が必要となり装置の大型化を招くとともに、応用分野が限定されるという課題があった。

また、特許文献２に記載された従来の液晶素子には、液晶素子に入射する直線偏光の偏光方向が変動した場合、出射光が楕円偏光になるという課題があった。

本発明は、上述の実情に鑑み、出射光の偏光方向が変動する半導体レーザ光源を用いた場合でも、一定の偏光方向の直線偏光を出射することが可能な小型軽量で可動部のない液晶素子、その液晶素子を搭載した光源装置および光ヘッド装置を提供することを目的とする。

以上の点を考慮して、請求項１に係る発明は、入射光に対して１／４波長の位相差を与え、その光学軸が板面内の特定方向を指向する位相板と、透明電極が形成された１対の対向する透光性基板と、該透光性基板間に挟持され該透明電極への印加電圧に応じてリタデーション値が変化する液晶層とを含み、前記位相板に対して前記入射光を放射する光源の反対側に、該液晶層の光学軸を前記特定方向に対して略４５度に設置した液晶セルとを含む構成を有している。

この構成により、任意の偏光方向の直線偏光を特定方向の偏光方向の直線偏光に変換して出射することが可能な可動部のない液晶素子を実現できる。

また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載の液晶素子において、前記入射光が、平均波長がλ_ｃとなる波長の異なる複数の直線偏光を含み、前記位相板が、前記入射光の前記平均波長λ_ｃに対して、リタデーション値Ｒ_１が実質的にλ_ｃ／４である第１の高分子液晶層、および、リタデーション値Ｒ_２が実質的にλ_ｃ／２である第２の高分子液晶層を含む構成を有している。

この構成により、請求項１の効果に加え、半導体レーザ光源の出射光が複数の波長あるいは広い波長帯域の場合でも、安定した光学特性を維持できる液晶素子を実現できる。

また、請求項３に係る発明は、請求項２に記載の液晶素子において、前記第１の高分子液晶層のリタデーション値Ｒ_１と前記第２の高分子液晶層のリタデーション値Ｒ_２の比Ｒ_１／Ｒ_２の値が０．４５から０．５５の範囲であり、前記第１の高分子液晶層の遅相軸または進相軸と前記第２の高分子液晶層の遅相軸または進相軸が成す角度が略６０度である構成を有していてもよい。

また、請求項４に係る発明は、請求項３に記載の液晶素子において、前記光源側から、前記第１の高分子液晶層および前記第２の高分子液晶層、前記液晶セルがこの順に配置されており、前記特定方向に対して、前記第１の高分子液晶層の進相軸方向が成す角度が略６０度および前記第２の高分子液晶層の進相軸方向が成す角度が略１２０度であるか、または、前記第１の高分子液晶層の遅相軸方向が成す角度が略６０度および前記第２の高分子液晶層の遅相軸方向が成す角度が略１２０度であり、前記特定方向と前記液晶層の遅相軸または進相軸が成す角度が略４５度である構成を有していてもよい。

この構成により、請求項３の効果に加え、出射光が特定方向の偏光方向の直線偏光となる液晶素子を実現できる。また、リタデーション値が小さい低次数の１／４波長板、１／２波長板等の位相板が安定して得られ、リタデーション値の角度依存性および波長依存性を低減できる。

また、請求項５に係る発明は、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の液晶素子において、前記液晶層が、前記印加電圧が零であるときに液晶分子の配向方向が前記透光性基板間で一定方向に揃うネマティック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から請求項４のいずれか一項の効果に加え、液晶分子の遅相軸が平行に揃った液晶層を有する液晶素子を実現できる。

また、請求項６に係る発明は、請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の液晶素子と、直線偏光を出射する半導体レーザ光源と、前記液晶素子を出射した出射光の偏光状態の変動に応じて、前記印加電圧を制御するフィードバック手段とを含む構成を有している。

この構成により、半導体レーザ光源から出射した直線偏光の偏光方向が変動した場合でも、特定方向の直線偏光を出射する光源装置を実現できる。

また、請求項７に係る発明は、請求項６に記載の光源装置において、前記フィードバック手段は、前記液晶素子から出射する出射光のうち前記特定方向と直交する偏光面を有する直線偏光を反射する偏光ビームスプリッタと、前記偏光ビームスプリッタによって反射された直線偏光の光量を検出する光量モニタ用光検出器とを含み、前記光量が略零となる前記印加電圧をフィードバック制御する構成を有している。

この構成により、半導体レーザ光源から出射した直線偏光の偏光方向が変動した場合でも、偏光ビームスプリッタを光損失なく透過する直線偏光を出射することが可能な光源装置を実現できる。

また、請求項８に係る発明は、請求項７に記載の光源装置と、前記光源装置から出射した直線偏光を円偏光に変換する１／４波長板と、前記１／４波長板から出射した円偏光を光記録媒体の情報記録面に集光する対物レンズと、前記情報記録面で反射した戻り光を検出する光検出器とを含む構成を有している。

この構成により、半導体レーザ光源の出射光を効率よく光ディスクの情報記録面に集光することが可能な光ヘッド装置を実現できる。

本発明は、出射光の偏光方向が変動する半導体レーザ光源を用いた場合でも、一定の偏光方向の直線偏光を出射することが可能な小型軽量で可動部のない液晶素子、その液晶素子を搭載した光源装置および光ヘッド装置を提供できる。

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の実施形態）
本発明に係る液晶素子の第１の実施形態の断面図を図１に示す。即ち、液晶素子１００は、光源から出射する波長λの任意の偏光方向の直線偏光の入射光に対するリタデーション値が実質的にλ／４となる位相差を発生し、その光学軸が板面内の特定方向（Ｘ軸方向）を指向する位相板１２０と、透明電極３、４が形成された１対の対向する透光性基板５、６と、透光性基板５、６間に挟持され、透明電極３、４への交流電源９からの印加電圧に応じてリタデーション値が変化する液晶層１とを含み、位相板１２０に対して入射光を放射する光源の反対側に液晶層１の光学軸を特定方向（Ｘ軸方向）に対して略４５°に設置した液晶セル１１０とを含む。

なお、本明細書において「リタデーション値がλ／４である」とは、リタデーション値がλ／４×（２ｍ＋１）（ただし、ｍは零を含む自然数）であることをも意味するものとする。

また、本明細書において「リタデーション値がλ／２である」とは、リタデーション値がλ／２×（２ｎ＋１）（ただし、ｎは零を含む自然数）であることをも意味するものとする。

また、本明細書において「リタデーション値が実質的にλ／４である」とは、λ／４×（２ｍ＋１）（ただし、ｍは零を含む自然数）であるリタデーション値が±λ／４の１０％の誤差を含んでいてもよいことを意味するものとする。

さらに、本明細書において「リタデーション値が実質的にλ／２である」とは、λ／２×（２ｎ＋１）（ただし、ｎは零を含む自然数）であるリタデーション値が±λ／２の１０％の誤差を含んでいてもよいことを意味するものとする。

また、位相板１２０は、１対の対向する透光性基板６、７間に挟持された高分子液晶層２を備える。

また、液晶セル１１０の液晶層１はネマティック液晶からなり、印加電圧が零のときに液晶層１の液晶分子の配向方向が透光性基板５、６間で一定方向に揃っている。液晶層１の外周は、液晶が漏れ出ないようにシール材８で封じられている。

そして、Ｘ軸方向と位相板１２０の遅相軸または進相軸の方向が略一致しており、位相板１２０の遅相軸または進相軸と液晶セル１１０の遅相軸または進相軸とは略４５°の角度を成す。

なお、液晶素子１００は、光源側から位相板１２０、液晶セル１１０がこの順に一体化されて形成されている。

図２は、液晶素子１００の入射光と出射光の偏光状態、液晶セル１１０中の液晶層１の遅相軸および進相軸、位相板１２０中の高分子液晶層２の遅相軸および進相軸の配置関係を示す模式図である。

液晶素子１００の入射光は、偏光方向がＸＹ面内でＸ軸に対して偏光角度θ傾斜した直線偏光で、位相板１２０側から入射し液晶セル１１０側から出射する。

高分子液晶層２としては、液晶モノマーを特定方向に配向させた後に重合固化により高分子化した高分子液晶などを用いる。高分子液晶を用いるとリタデーション値がλ／４となる０次の波長板を容易に作製することができ、リタデーション値の入射角依存性および波長依存性が少なくなるため好ましい。

なお、位相板１２０として、水晶やルチルのような複屈折結晶やフィルムの延伸により１軸方向に複屈折を生じるポリカーボネートフィルム等の複屈折材料を用いることも可能である。

ここで、液晶層１の複屈折の大きさを△ｎ（異常光屈折率ｎ_ｅと常光屈折率ｎ_ｏの差）および層厚をｄとし、△ｎ・ｄをリタデーション値Ｒとして定義する。

誘電率異方性△εが正の液晶を用いる場合、透明電極３、４の表面に水平配向膜（図示せず）を形成し、印加電圧が０の状態でＸＹ面内でＸ軸と４５°の角度を成す方向に液晶分子の配向方向が揃い、印加電圧の増加とともに液晶層１内の液晶分子の配向方向が透光性基板５、６の基板面に対して平行な方向から垂直な方向へと変化する。このとき、液晶層１のリタデーション値Ｒは印加電圧に応じてλから０へと変化する。

液晶層１のリタデーション値Ｒを０とする際に要する電圧を低下させるために、液晶層１の進相軸と９０°の角度を成す進相軸を有する補正用位相板（図示せず）を液晶セル１１０に一体化することが有効である。例えば、印加電圧５Ｖのときの液晶層１のリタデーション値Ｒ_０と同じリタデーション値Ｒ_０を有する補正用位相板を積層すると、液晶層１と補正用位相板の合成のリタデーション値は０となる。ここで、印加電圧が０Ｖのときの液晶層１のリタデーション値がλ＋Ｒ_０となるように層厚ｄを調整する。その結果、印加電圧が０Ｖから５Ｖで、λから０までのリタデーション値変化が得られる。

一方、誘電率異方性△εが負の液晶を用いる場合、透明電極３、４の表面にＸ軸と４５°の角度を成す方向にプレチルト角を有する垂直水平配向膜（図示せず）を形成し、印加電圧が０Ｖの状態で透光性基板５、６の基板面に対して略垂直方向に液晶分子の配向方向が揃い、印加電圧の増加とともに液晶層１内の液晶分子の配向方向が基板面に対して水平方向に変化する。このとき、液晶層１のリタデーション値Ｒは印加電圧に応じて０からλへと変化する。

次に、液晶素子１００の機能について、図２と図３に示す偏光状態を示すポアンカレ球を用いて説明する。

半導体レーザ光源などから出射する偏光方向がＸ軸に対して偏光角度θ傾斜した直線偏光は、ストークスパラメータＳ_１、Ｓ_２、Ｓ_３で表記されるポアンカレ球表面においてＳ_１−Ｓ_２面内のＡ点に相当する。そして、液晶素子１００を透過後の直線偏光は、偏光方向がＸ軸方向（偏光角度θ＝０°）に相当するＣ点となるものとする。

位相板１２０はＸ軸方向に遅相軸を有し、リタデーション値が入射光の波長λに対して略λ／４であるため、Ａ点の直線偏光は位相板１２０を透過することにより、ポアンカレ球上でＳ_１軸を中心に９０°回転してＳ_１−Ｓ_３面内のＢ点に移動して長軸方向がＸ軸またはＹ軸の楕円偏光となる（図３中のω_１）。

さらに、液晶セル１１０はＸ軸に対して４５°方向の遅相軸を有し、リタデーション値Ｒが印加電圧によって変化する位相板として機能するため、Ｂ点の楕円偏光は液晶セル１１０を透過することにより、ポアンカレ球上でＳ_２軸を中心に角度φ回転してＳ_１−Ｓ_３面内の偏光状態に変化する（図３中のω_２）。ここで、液晶セル１１０の印加電圧を調整することにより、液晶層１のリタデーション値Ｒに相当する回転角度φを変化させ、Ｂ点の楕円偏光をＣ点の直線偏光とすることができる。回転角度φはリタデーション値Ｒに比例し、Ｒ＝λ／２がφ＝１８０°に相当する。

即ち、液晶素子１００に入射する直線偏光の偏光角度θが０°から１８０°の範囲の任意の直線偏光に対して、液晶セル１１０の印加電圧を調整することにより、一定の偏光角度の直線偏光の出射光に変換することができる。

以上説明したように、本発明の第１の実施形態の液晶素子は、液晶セルの印加電圧を調整することにより、液晶素子１００に入射する任意の偏光角度θの直線偏光を一定の偏光角度の直線偏光に変換することができる。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態の液晶素子２００は、入射光が、平均波長がλ_ｃ＝（λ_１＋λ_２）／２となる波長の異なる２つの直線偏光（λ_１＜λ_２）を含むとき、図４の断面図に示すように、位相板１３０が、入射光の平均波長λ_ｃに対して、リタデーション値Ｒ_１が実質的にλ_ｃ／４である第１の高分子液晶層（高分子液晶層２Ａ）、および、リタデーション値Ｒ_２が実質的にλ_ｃ／２である第２の高分子液晶層（高分子液晶層２Ｂ）を含む構成を有している。

そして、高分子液晶層２Ａのリタデーション値Ｒ_１と高分子液晶層２Ｂのリタデーション値Ｒ_２の比Ｒ_１／Ｒ_２の値が０．４５から０．５５の範囲であり、高分子液晶層２Ａの遅相軸または進相軸と高分子液晶層２Ｂの遅相軸または進相軸が成す角度が略６０°である。

なお、「リタデーション値Ｒ_１とリタデーション値Ｒ_２の比Ｒ_１／Ｒ_２の値が０．４５から０．５５の範囲である」とは、リタデーション値Ｒ_１が実質的にλ_ｃ／４、リタデーション値Ｒ_２が実質的にλ_ｃ／２であるときの比Ｒ_１／Ｒ_２の値が０．４５から０．５５の範囲であることを意味する。

さらに、光源側から、高分子液晶層２Ａおよび高分子液晶層２Ｂ、液晶セル１１０がこの順に配置されている。このとき、高分子液晶層２Ａの進相軸方向が成す角度および高分子液晶層２Ｂの進相軸方向が成す角度がＸ軸方向に対してそれぞれ略６０°および略１２０°であって、高分子液晶層２Ａの進相軸方向と高分子液晶層２Ｂの進相軸方向とが成す角度が略６０°であるか、または、高分子液晶層２Ａの遅相軸方向および高分子液晶層２Ｂの遅相軸方向が成す角度がＸ軸方向に対してそれぞれ略６０°および略１２０°であって、高分子液晶層２Ａの遅相軸方向と高分子液晶層２Ｂの遅相軸方向とが成す角度が略６０°である。また、Ｘ軸方向と液晶層１の遅相軸または進相軸が成す角度は略４５°である。

図５は、液晶素子２００の入射光と出射光の偏光状態、液晶セル１１０中の液晶層１の遅相軸および進相軸、位相板１３０中の高分子液晶層２Ａおよび高分子液晶層２Ｂの遅相軸および進相軸の配置関係を示す模式図である。

ここでは、液晶セル１１０内の液晶層１の遅相軸に対する高分子液晶層２Ａ、２Ｂの遅相軸の角度を略１５°および略７５°とした例を示しており、図４および図５に示す順番に高分子液晶層２Ａ、２Ｂおよび液晶セル１１０を積層することが好ましい。

液晶セル１１０内の液晶層１の遅相軸はＸ軸に対して略４５°の角度を成すため、図５に示す角度θ_１およびθ_２は、略６０°および略１２０°に相当する。ここで、略６０°および略１２０°とは、６０°±５°および１２０°±５°の範囲の値を示す。

位相板１３０を上記の構成とすることにより、異なる波長λ_１とλ_２の光が入射する場合でも、各波長に対して液晶セル１１０の印加電圧を調整することにより出射光の直線偏光の偏光角度θを常に一定の値、即ちＸ軸方向に制御できる。

例えば、波長λ_１をＤＶＤ用の波長帯域６６０ｎｍ、波長λ_２をＣＤ用の波長帯域７８０ｎｍとすると、液晶素子２００は、波長λ_１およびλ_２のみならず、λ_１からλ_２までの広い波長帯域内の特定波長の入射光に対して、液晶素子２００の入射光の直線偏光の偏光角度θがばらつく場合でも出射光の直線偏光の偏光角度θを常に一定の値、即ちＸ軸方向に制御できる。

以上説明したように、本発明の第２の実施形態の液晶素子は、リタデーション値の異なる複数の高分子液晶層を積層した位相板を設けることにより、複数の波長あるいは広い波長帯域の直線偏光に対しても有効に作用することができる。

（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態の光源装置３００は、図６の模式図に示すように、液晶素子１００と、直線偏光を出射する半導体レーザ光源２１と、半導体レーザ光源２１から出射する直線偏光の発散光を平行光に変換するコリメートレンズ２２とを含む。

一般に、半導体レーザ光源から出射する直線偏光の偏光角度は、素子ごとの個体ばらつきや温度変化により一定値とならない。このため、例えば、図６の液晶素子１００の出射面側に偏光方向がＸ軸方向の直線偏光を透過し、それと直交する直線偏光を反射する偏光ビームスプリッタ（図示せず）を配置し、偏光ビームスプリッタによって反射された直線偏光の光量を光量モニタ用光検出器（図示せず）を用いて検出するとともに、反射光の光量が常に略零となるように液晶セル１１０の印加電圧をフィードバック制御するフィードバック手段を設けるとよい。

他のフィードバック手段として、図６の液晶素子１００の出射面側に偏光方向がＸ軸方向の直線偏光を透過し、それと直交する直線偏光を吸収する偏光膜（図示せず）と光検出器を有効径外の光路中に配置し、液晶素子１００の出射光の一部を光検出器を用いて検知するとともに、偏光膜の透過光が常に略零となるように液晶セル１１０の印加電圧をフィードバック制御する手段を設けてもよい。

また、図６には液晶素子１００の入射光をコリメートレンズ２２により平行光とした例を示したが、液晶素子１００を半導体レーザ光源２１とコリメートレンズ２２の間に配置し、入射光を発散光としてもよい。この場合、液晶素子１００の液晶層１の液晶分子の配向方向が透光性基板５、６の基板面に対して傾斜する電圧印加状態において、液晶層１のリタデーション値Ｒの入射角度依存性が生じる。この対策としては、液晶分子の配向方向の基板面に対する傾斜角度が電圧印加状態において逆向きとなる２種の液晶セルを直列に一体化形成したものを液晶セル１１０として用いればよい。

なお、液晶素子１００の代わりに液晶素子２００を用いてもよいことは言うまでもない。

以上説明したように、本発明の第３の実施形態の光源装置は、半導体レーザ光源から出射する直線偏光の偏光角度の変動に応じて、液晶セルの印加電圧を制御するフィードバック手段を設けることにより、出射光を常に一定の偏光角度の直線偏光とすることができる。

また、本発明の第３の実施形態の光源装置は、半導体レーザ光源の出射光の放射角度分布および偏光角度に係わらず、出射光の偏光角度を安定して一定に制御できるため、光学機器の光学特性を安定化することができる。

（第４の実施形態）
次に、本発明の液晶素子１００を搭載した光ヘッド装置４００の実施形態の構成例を図７に示す。

光ヘッド装置４００は、ＤＶＤ用の波長帯域６６０ｎｍの光を出射する半導体レーザ光源２１と、半導体レーザ光源２１の出射側に配置される液晶素子１００と、Ｘ軸方向の偏光方向の直線偏光を透過し、Ｙ軸方向の偏光方向の直線偏光を反射する偏光ビームスプリッタ２３と、偏光ビームスプリッタ２３により反射されたＹ軸方向の偏光方向の直線偏光を検出する光量モニタ用光検出器２８と、直線偏光を円偏光に変換する１／４波長板２４と、円偏光を平行光とするコリメートレンズ２２と、アクチュエータ２７に搭載され、コリメートレンズ２２から出射した平行光をＤＶＤ用の光ディスクＤの情報記録面に集光する対物レンズ２５と、情報記録面で反射した戻り光を検出する光検出器２６とを含む。

即ち、半導体レーザ光源２１を出射した波長帯域６６０ｎｍの光は、液晶素子１００に入射し、Ｘ軸方向の偏光方向の直線偏光は偏光ビームスプリッタ２３を透過し、Ｙ軸方向の偏光方向の直線偏光は偏光ビームスプリッタ２３で反射する。偏光ビームスプリッタ２３の反射光は、光量モニタ用光検出器２８で検出されるが、この反射光が常に最小値となるように液晶素子１００の印加電圧がフィードバック制御される。

偏光ビームスプリッタ２３の透過光は１／４波長板２４により円偏光に変換され、コリメートレンズ２２により平行光となって、アクチュエータ２７に搭載された対物レンズ２５によりＤＶＤ用の光ディスクＤの情報記録面へ集光される。情報記録面で反射した光は、対物レンズ２５およびコリメートレンズ２２および１／４波長板２４を透過してＹ軸方向の偏光方向の直線偏光となって、偏光ビームスプリッタ２３を反射し、光検出器２６の受光面に集光される。

ここで、半導体レーザ光源２１の出射光の偏光方向がＸ軸方向に揃っていない場合でも、液晶素子１００により偏光ビームスプリッタ２３を光損失なく透過するＸ軸方向の偏光方向の直線偏光に変換できるため、半導体レーザ光源２１の出射光を効率よく光ディスクＤの情報記録面へ集光することができる。

以上説明したように、本発明の第４の実施形態の光ヘッド装置は、半導体レーザ光源から出射する直線偏光の偏光角度の変動に応じて、液晶素子の印加電圧を制御するフィードバック手段を設けることにより、半導体レーザ光源の出射光を効率よく光ディスクＤの情報記録面へ集光することができる。

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。

本発明の液晶素子１００の実施例について、図１および図２を用いて説明する。常光屈折率ｎ_ｏ＝１．５０および異常光屈折率ｎ_ｅ＝１．６６で、誘電率異方性△εが負のネマティック液晶を用い、液晶層１の厚さｄを５μｍとする。透光性基板５、６には、液晶素子１００を構成する液晶セル１１０の遅相軸方向が、電圧印加時に図２に示すＸ軸に対して４５°となるように配向処理を施して垂直配向膜を形成する。液晶セル１１０の液晶層１に電圧を印加するとリタデーション値Ｒが略０ｎｍから８００ｎｍまで変化する。ＤＶＤ用の波長６６０ｎｍに対する位相差変化は、０°から４３６°に相当する。

さらに、位相板１２０として、常光屈折率ｎ_ｏ＝１．５５および異常光屈折率ｎ_ｅ＝１．６０の高分子液晶を、層厚が３．３μｍで、遅相軸がＹ軸となるように作製し、ＤＶＤ用の波長６６０ｎｍに対して１／４波長板となるようにする。

このようにして得られる液晶素子１００に、直線偏光の偏光方向がＸ軸に対して偏光角度θを成す半導体レーザ光源の出射光が入射するとき、偏光角度θが０°から１８０°まで変化する場合でも、フィードバック手段が液晶セル１１０の印加電圧を調整してリタデーション値Ｒを０ｎｍから６６０ｎｍまで変化させることにより、液晶素子１００の出射光は常にＸ軸方向の直線偏光とすることができる。

この液晶素子を図６に示す光源装置として用いることにより、半導体レーザ光源２１の出射光の偏光角度に係わらず、常に一定の偏光状態の直線偏光を出射光とする光源装置を提供できる。

次に、位相板１２０の代わりに、高分子液晶層２Ａ、２Ｂからなる位相板１３０を用いた液晶素子２００の実施例について図４を用いて以下に説明する。

高分子液晶層２Ａ、２Ｂとして、常光屈折率ｎ_ｏ＝１．５５および異常光屈折率ｎ_ｅ＝１．６５で、各高分子液晶層の厚さをそれぞれ１．８μｍおよび３．６μｍとし、ＤＶＤ用の波長６６０ｎｍとＣＤ用の波長７８０ｎｍの平均波長７２０ｎｍに対するリタデーション値がそれぞれλ／４およびλ／２となるようにする。ここで、高分子液晶層２Ａと２Ｂの遅相軸がＸ軸に対して成す角度θ_１とθ_２を６０°および１２０°、即ち互いに６０°の角度を成すように接合する。

さらに、液晶層１の厚さｄを５μｍとし、液晶セル１１０の液晶層１に電圧を印加するとリタデーション値Ｒが略０ｎｍから８００ｎｍまで変化する。波長λ_１＝６６０ｎｍに対する位相差変化は０°から４３６°、波長λ_２＝７８０ｎｍに対する位相差変化は０°から３６９°に相当する。

このようにして得られる液晶素子２００に、波長６６０ｎｍおよび波長７８０ｎｍあるいはその平均波長で直線偏光の偏光方向がＸ軸に対して偏光角度θを成す半導体レーザ光源の出射光が入射するとき、偏光角度θが０°から１８０°まで変化する場合でも、フィードバック手段が液晶セル１１０の印加電圧を調整して入射光の波長に対する位相差を０°から３６０°まで変化させて調整することにより、液晶素子２００の出射光を常にＸ軸方向の直線偏光とすることができる。

また、液晶素子２００を図７に示す光ヘッド装置に搭載する。ここでは、半導体レーザ光源２１として、ＤＶＤ用の波長６６０ｎｍとＣＤ用の波長７８０ｎｍの光を切り替えて出射する２波長レーザ光源を用いる。２波長レーザ光源の出射光の偏光角度がレーザ光源毎に異なる場合や、温度変化に応じて偏光角度が変動する場合でも、フィードバック手段が液晶素子２００の印加電圧を調整することにより常に一定の偏光角度の直線偏光が得られるため、光ディスクＤの光量が安定化して信頼性の高い記録再生が実現できる。

なお、本実施例では６６０ｎｍと７８０ｎｍの２つの波長について説明したが、本発明は、高密度光ディスクで用いられる４０５ｎｍ波長帯域の半導体レーザ光源の場合についても有効である。

本発明に係る液晶素子、光源装置および光ヘッド装置は、出射光の偏光方向が変動する半導体レーザ光源を用いた場合でも、一定の偏光方向の直線偏光を出射することができるという効果を有し、光通信等の用途にも適用できる。

本発明に係る液晶素子の第１の実施形態の断面図 第１の実施形態の液晶素子の入射光と出射光の偏光状態、液晶層および高分子液晶層の光学軸の配置関係を示す模式図 第１の実施形態の液晶素子の偏光状態を説明するポアンカレ球を示す図 本発明に係る液晶素子の第２の実施形態の断面図 第２の実施形態の液晶素子の入射光と出射光の偏光状態、液晶層および高分子液晶層の光学軸の配置関係を示す模式図 本発明に係る液晶素子の第３の実施形態の断面図 本発明に係る液晶素子を搭載した光ヘッド装置の構成例を示す図

符号の説明

１ 液晶層
２、２Ａ、２Ｂ 高分子液晶層
３、４ 透明電極
５、６、７ 透光性基板
２１ 半導体レーザ光源
２２ コリメートレンズ
２３ 偏光ビームスプリッタ
２４ １／４波長板
２５ 対物レンズ
２６ 光検出器
２７ アクチュエータ
２８ 光量モニタ用光検出器
１００、２００ 液晶素子
１１０ 液晶セル
１２０、１３０ 位相板
３００ 光源装置
４００ 光ヘッド装置

Claims (8)

1. 入射光に対して１／４波長の位相差を与え、その光学軸が板面内の特定方向を指向する位相板と、
   透明電極が形成された１対の対向する透光性基板と、該透光性基板間に挟持され該透明電極への印加電圧に応じてリタデーション値が変化する液晶層とを含み、前記位相板に対して前記入射光を放射する光源の反対側に、該液晶層の光学軸を前記特定方向に対して略４５度に設置した液晶セルとを含む液晶素子。
2. 前記入射光が、平均波長がλ_ｃとなる波長の異なる複数の直線偏光を含み、
   前記位相板が、前記入射光の前記平均波長λ_ｃに対して、リタデーション値Ｒ_１が実質的にλ_ｃ／４である第１の高分子液晶層、および、リタデーション値Ｒ_２が実質的にλ_ｃ／２である第２の高分子液晶層を含む請求項１に記載の液晶素子。
3. 前記第１の高分子液晶層のリタデーション値Ｒ_１と前記第２の高分子液晶層のリタデーション値Ｒ_２の比Ｒ_１／Ｒ_２の値が０．４５から０．５５の範囲であり、前記第１の高分子液晶層の遅相軸または進相軸と前記第２の高分子液晶層の遅相軸または進相軸が成す角度が略６０度である請求項２に記載の液晶素子。
4. 前記光源側から、前記第１の高分子液晶層および前記第２の高分子液晶層、前記液晶セルがこの順に配置されており、前記特定方向に対して、前記第１の高分子液晶層の進相軸方向が成す角度が略６０度および前記第２の高分子液晶層の進相軸方向が成す角度が略１２０度であるか、または、前記第１の高分子液晶層の遅相軸方向が成す角度が略６０度および前記第２の高分子液晶層の遅相軸方向が成す角度が略１２０度であり、
   前記特定方向と前記液晶層の遅相軸または進相軸が成す角度が略４５度である請求項３に記載の液晶素子。
5. 前記液晶層が、前記印加電圧が零であるときに液晶分子の配向方向が前記透光性基板間で一定方向に揃うネマティック液晶からなる請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の液晶素子。
6. 請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の液晶素子と、
   直線偏光を出射する半導体レーザ光源と、
   前記液晶素子を出射した出射光の偏光状態の変動に応じて、前記印加電圧を制御するフィードバック手段とを含む光源装置。
7. 前記フィードバック手段は、前記液晶素子から出射する出射光のうち前記特定方向と直交する偏光面を有する直線偏光を反射する偏光ビームスプリッタと、
   前記偏光ビームスプリッタによって反射された直線偏光の光量を検出する光量モニタ用光検出器とを含み、
   前記光量が略零となる前記印加電圧をフィードバック制御する請求項６に記載の光源装置。
8. 請求項７に記載の光源装置と、
   前記光源装置から出射した直線偏光を円偏光に変換する１／４波長板と、
   前記１／４波長板から出射した円偏光を光記録媒体の情報記録面に集光する対物レンズと、
   前記情報記録面で反射した戻り光を検出する光検出器とを含む光ヘッド装置。

Images