JP2010244652A

JP2010244652A - 液晶素子及び光ピックアップ光学系

Info

Publication number: JP2010244652A
Application number: JP2009094655A
Authority: JP
Inventors: Tomonori Kanai; 友範金井; Takeshi Shimano; 健島野; Masaki Kobi; 将樹向尾
Original assignee: Hitachi Maxell Ltd
Current assignee: Maxell Holdings Ltd
Priority date: 2009-04-09
Filing date: 2009-04-09
Publication date: 2010-10-28

Abstract

【課題】光学非有効領域が少なく、隣接電極間の電位差の伴う位相の乱れの無い高性能な液晶素子及び光ピックアップ光学系を提供する。
【解決手段】第１の液晶層１４４を駆動する第１の透明電極層１４６及び第２の透明電極層１４７を備える液晶素子１４であって、透明電極層１４６に同一電圧を付与する事により隣接電極間の電位差を無くし、透明電極層１４７に透明電極層１４６に印加する電圧とは異なる同一電圧を付与する事により隣接電極間の電位差を無くすと共に透明電極層１４６と透明電極層１４７の間に電位差を与え、透明電極層１４６または透明電極層１４７の電極密度を変化させる事により、第１の液晶層１４４の配向状態を制御し、レーザ光に位相差を付与する構成とした。
【選択図】図６

Description

本発明は、液晶素子及び光ピックアップ光学系に関する。

最近、大画面薄型ディスプレイの普及により、高精細度で映像などを記録するニーズが高まっている。これに伴い、ＢＤ（Ｂｌｕ−ｒａｙＤｉｓｃ）などの光ディスクの記録容量の増大も図られている。例えば、記録層の多層化が試みられ、既に、５０ＧＢの２層ＢＤも商品化されている。

多層光記録媒体を光ピックアップ光学系で記録再生する場合、多層光記録媒体の表面から各記録層までの厚み（基板厚み）の違いによって球面収差が発生する。球面収差は開口数（ＮＡ：ＮｕｍｅｒｉｃａｌＡｐｅｒｔｕｒｅ）の４乗に比例する。また、ＢＤのＮＡは０．８５であり、ＤＶＤ（ＤｉｇｉｔａｌＶｅｒｓａｔｉｌｅＤｉｓｃ）のＮＡは０．６５である。そのため、ＤＶＤなどの従来の光ディスクに比べて、ＢＤを記録再生する際に発生する球面収差は増大しやすい。したがって、ＢＤを記録再生する光ピックアップ光学系では、各記録層の基板厚みの違いに基づく球面収差を低減する補正機構が必須である。

球面収差の補正技術としては、対物レンズの結像倍率を変化させるものがある。対物レンズの結像倍率を変化させることにより、基板厚みの違いに基づく球面収差と反対の符号を持つ球面収差を発生させ、球面収差の低減を図っている。特許文献１には、対物レンズの結像倍率を変化させるため、光源と対物レンズとの間に配置されたコリメータレンズの位置を可動させる技術が記載されている。これにより、ＤＶＤとＣＤ（ＣｏｍｐａｃｔＤｉｓｃ）との互換を行っている。

また、特許文献２には、光ピックアップ光学系における各レンズを可動させ、各レンズ間の間隔を変化させる技術が記載されている。これにより、２層光記録媒体における各記録層の基板厚みの違いに基づく球面収差を低減している。

また、他の球面収差の補正技術としては、補正機能を持った液晶素子を用いるものがある。例えば、特許文献３には、２枚の透明基板に挟持された液晶層を有する液晶素子が記載されている。そして、一方の透明基板に、各記録層の基板厚みの違いに基づく球面収差を補正する第１の透明電極層を設け、他方の透明基板に、液晶層の厚みの低減を図るための第２の透明電極層を設けている。具体的には、第２の透明電極層は、第１の透明電極層に電圧を印加することにより、各記録層の基板厚みの違いに基づく球面収差を補正するために必要な位相差から波長の整数倍の位相差を差し引いた位相差を発生させている。

特開平１０−１３４４００号公報特開２００１−０２８１４７号公報特開２００５−３０２２４８号公報

しかしながら、特許文献１及び２では、レンズを駆動する機構が必要となるため、光ピックアップ光学系が大型になってしまうという問題がある。

また、特許文献３では、複数の電極セグメントへ電圧を与えるため配線領域が必要である。この配線領域は、光学非有効領域となり、性能劣化の要因となる。この影響を抑制するために、抵抗体を利用する技術が特許文献３の図６に開示されているものの、配線領域自体は必要であり、性能劣化に繋がるという問題がある。また、抵抗率の異なる２つ以上の透明電極材料を形成することが必要となり、構成が複雑化し、高コスト化するという問題がある。

また、複数の電極セグメントへ異なる電圧を与えると、対抗する電極間の電位差による電気力線の他に、隣接電極間の電位差による電気力線が発生する。この隣接電極間の電位差による電気力線に液晶分子が配向する事により、所望の位相差を得られず、性能劣化の要因となる。この影響は、隣接電極間の電位差が大きければ大きいほど、顕著に現れる。例えば、特許文献３においては、隣接電極間に大きな電位差を発生させる事により液晶層の厚みの低減を図っているが、隣接電極間の電位差が大きくなり、この電位差に起因する電気力線による性能劣化が顕著に現れるという問題がある。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、光学非有効領域の少ない高性能な液晶素子及び光ピックアップ光学系を提供することを目的とする。

本発明にかかる液晶素子は、第１の透明基板と、前記第１の透明基板に配設されてなる第１の透明電極層と、前記第１の透明基板と対向する第２の透明基板と、前記第２の透明基板に配設されてなる第２の透明電極層と、前記第１の透明基板と前記第２の透明基板との間に挟持される屈折率異方性媒質層とを備えて、前記少なくとも一方の透明電極に同一の電圧が与えられ、かつ、前記透明電極の密度を変化させる事により、前記液晶素子を透過する光束に位相差を付与するものである。

透明電極の密度で電界強度を制御する事により液晶分子の配向度を制御するため、異なる電圧を印加する複数の電極セグメントを有さず、光学非有効領域を最小限にとどめ、かつ、隣接電極間の電位差による電気力線が発生しないため、高性能な液晶素子を提供する事が出来る。

また、前記少なくとも一方の透明電極の密度が略周期的に配設されている事が好ましい。

このようにする事により、必要な位相差を波長の整数倍の位相差を差し引いた位相差で同様の効果が得られるため、液晶素子の厚みを低減する事が可能となり、高応答性、低コスト化が可能となる。

また、前記一方の透明電極層において、電極密度が径方向に略周期的となるように透明電極層が配設されており、前記他方の透明電極層において、電極密度が径方向に連続的となるように透明電極層が配設されている事が好ましい。

このようにする事により、液晶素子の厚みを増加させることなく、連続的に大きな位相差を発生させる事が可能となる。

また、レーザ光源からの光束を光記録媒体に集光する光ピックアップ光学系に、上述の液晶素子を用いることが好ましい。

これにより、レンズを駆動する機構が必要なくなるため、光ピックアップ光学系を小型化にし、かつ、光ピックアップ光学系において発生する収差を高精度に補正する事が可能となる。

本発明により、高精度な収差補正可能とする液晶素子を提供する事が出来る。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではない。
また、以下、光記録媒体の各記録層の基板厚みの違いやバラツキによって生じる球面収差補正を例に挙げて説明するが、本発明によれば、コマ収差や非点収差等、他の収差成分を補正する事も可能である。また、光ピックアップ光学系に本発明の液晶素子を用いた場合を例に挙げて説明するが、本発明によれば、液晶素子により光の位相を高精度に変化、制御するどのような光学系にも適用可能であり、例えばカメラ用レンズへ適用する事も可能である。

まず、本発明の実施例にかかる光ピックアップ光学系１について説明する。図１は、実施例にかかる光ピックアップ光学系１の一例を示したものである。光ピックアップ光学系１は、レーザダイオード１１（レーザ光源）、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１２、コリメータレンズ１３、液晶素子１４、液晶コントロール回路１５、１／４波長板１６、対物レンズ１７、フォトディテクタ（ＰＤ）１８等を備えている。

レーザダイオード１１から出射された直線偏光のレーザ光（光束）の光路上に偏光ビームスプリッタ１２が設けられている。また、偏光ビームスプリッタ１２より出射したレーザ光の光路上に、コリメータレンズ１３が設けられている。コリメータレンズ１３は、偏光ビームスプリッタ１２から出射されたレーザ光を発散光から略平行光に変換する。

コリメータレンズ１３から出射されたレーザ光の光路上に液晶素子が設けられている。

液晶素子１４の側面図を図２に示す。図２に示すように、液晶素子１４は、第１の透明基板１４１（第１の透明基板）、第２の透明基板１４２（第２の透明基板）、第３の透明基板１４３（第１の透明基板）、第１の液晶層１４４（屈折率異方性媒質層）、第２の液晶層１４５（屈折率異方性媒質層）、第１の透明電極層１４６（第１の透明電極層）、第２の透明電極層１４７（第２の透明電極層）、第３の透明電極層１４８（第２の透明電極層）、第４の透明電極層１４９（第１の透明電極層）などを有している。

液晶素子１４は、直線偏光のレーザ光の収差を補正する。液晶素子１４の第１の透明電極層１４６、第２の透明電極層１４７、第３の透明電極層１４８及び第４の透明電極層１４９は液晶コントロール回路１５に接続されている。そして、液晶コントロール回路１５によって、第１の透明電極層１４６、第２の透明電極層１４７、第３の透明電極層１４８及び第４の透明電極層１４９が駆動されることにより、液晶素子１４は、透過するレーザ光に位相差を発生させ、収差を補正する。

また、第１の液晶層１４４と及び第２の液晶層１４５は、液晶分子の配向方向が互いに直交するように設けられている。そのため、第１の液晶層１４４がレーザダイオード１１から対物レンズ１７に向かう往路のレーザ光の収差を補正する場合、第２の液晶層１４５が光ディスク１９からフォトディテクタ１８に向かう復路のレーザ光の収差を補正する。

液晶素子１４から出射されたレーザ光の光路上に１／４波長板１６が設けられている。

そして、液晶素子１４から出射されたレーザ光は、１／４波長板１６を透過することにより、円偏光に変換される。

対物レンズ１７は、１／４波長板１６を透過したレーザ光の光路上に設けられている。

対物レンズ１７は、入射されたレーザ光を光ディスク１９（光記録媒体）の情報記録面に集光させる機能を有する。対物レンズ１７は、さらに、光ディスク１９の情報記録面で反射されたレーザ光をフォトディテクタ１８に導く機能も有する。

フォーカスサーボ時、及びトラッキングサーボ時には、対物レンズ１７が図示されないアクチュエータにより動作する。

次に、レーザダイオード１１から出射されたレーザ光が光ディスク１９の情報記録面で反射されフォトディテクタ１８に検出されるまでの挙動について説明する。レーザダイオード１１から出射されたレーザ光は偏光ビームスプリッタ１２を透過してコリメータレンズ１３に入射する。

コリメータレンズ１３は、レーザダイオード１１から出射されたレーザ光を発散光から略平行光に変換する。

コリメータレンズ１３を透過したレーザ光は、液晶素子１４に入射される。ここで、実施例においては、液晶素子１４によって、液晶素子１４を透過するレーザ光に、収差を低減するような位相差を付与する。

次いで、液晶素子１４を透過したレーザ光は、１／４波長板１６を透過した後、対物レンズ１７に入射される。そして、対物レンズ１７は、レーザ光を光ディスク１９の情報記録面に集光させる。

光ディスク１９の情報記録面で反射されたレーザ光は、対物レンズ１７を介してフォトディテクタ１８に入射し、検出される。フォトディテクタ１８は、当該レーザ光を検出し、光電変換して出力信号を出力する。そして、フォトディテクタ１８の出力信号に基づいて、フォーカスエラー信号、トラックエラー信号、再生信号などを生成する。また、当該フォーカスエラー信号、トラックエラー信号、再生信号などを用いて光ディスク１９の記録及び／又は再生を行う。

次に、実施例にかかる液晶素子１４について詳細に説明する。

第１の透明電極層１４６は、第１の透明基板１４１の第１の液晶層１４４側の面に形成されている。第１の透明電極層１４６の概念図を図３に示す。図３は、色の濃さで電極の密度を表現しており、色の濃い部分が色の薄い部分に比べて高密度である事を示している。第１の透明電極層は、第１の透明基板１４１上に、図３に示すように、液晶素子１４の光軸からの距離に応じて電極密度が増大するように配設されている。

第２の透明電極層をスペースの無い全面電極とし（以下、これをベタ電極と呼ぶ）、第１の透明電極と第２の透明電極の間に電圧を印加した場合、第１の液晶層１４４を透過するレーザ光に式（１）に示す位相差φを発生させる事が出来る。

数式（１）において、φは、位相差、ｈは、光軸からの光線の高さ、aは、電圧値によって変化させる事が出来る係数である。数式（１）において、a=6となるように電圧を印加した場合の位相差φを図５に示す。このように焦点位置を変化させる位相差を発生させる事により、光記録媒体の各記録層の基板厚みの違いにより発生する球面収差を補正する事が出来る。

位相差の発生原理について図６を例にとって説明する。図６は、第１の透明電極層１４６、第２の透明電極層１４７、第１の液晶層１４４、第1の配向膜６０１、第２の配向膜６０２からなる。ここで、説明容易化のため第２の透明電極層をベタ電極として記載しているが、本実施例では後述する電極密度分布を持っている。また、配向膜とは、液晶分子の配向を制御するものであり、液晶層に電界が印加されていない状態では、この配向膜により液晶分子の配向方向が決定する。一方、透明電極層に電圧を与えた場合には、液晶層中に電気力線６０３が発生し、この電気力線にも影響を与えられ液晶分子の配向方向が変化する。本発明は、液晶分子の配向方向を制御する配向膜と電界強度２つの要因を制御する事により位相差を発生させるものである。即ち、電極密度の低い領域では、配向膜による配向制御が支配的になり、電極密度の高い領域では、電界強度による配向制御が支配的となる。この電極密度分布は、輪帯幅と輪帯間隔で制御できる。

電極密度を変化させて位相差を制御する一例を図６及び図７を用いて説明する。図６は、第１の透明電極層１４６、第２の透明電極層１４７、第１の液晶層１４４の断面図である。また、図７は、第１の透明電極層１４６の平面図であり、黒い部分が透明電極、白抜きの部分が電極の無いスペースを現わしている。第１の透明電極層１４６の電極幅を固定し、電極間隔を変化させる事により所望の電極密度分布を形成している。第１の透明電極層１４６と第２の透明電極層１４７の間に電圧差を与えると、電気力線６０３が発生する。第１の透明電極層１４６の電極密度分布に影響を受け、この電気力線６０３の本数の粗密が発生する。この電気力線６０３の粗密により液晶分子の配向度の場所依存性が発生し、所望の位相差を発生する事が可能となる。

また、電極密度分布を形成するために電極間隔を変化させる場合について説明してきたが、電極幅を変化させて位相差を制御してもよく、また、電極幅、電極間隔両方を変化させて位相差を制御してもよい。また、電極密度分布の平面形状は図７のように輪帯状でもよいし、ベタ電極中にアイランド状のスペースが分布するようにしていてもよい。前者の場合には、輪帯間を接続する接続電極７０１が必要であり、この領域が光学非有効領域となるが、すべての電極が同一電圧のため最小限にとどめる事が可能である。また、接続電極１４６１は、同一方向に形成するのではなく、なるべく等方的に配置することが好ましい。

第２の透明電極層１４７は、第２の透明基板１４２の第１の液晶層１４４側の面に形成されている。第１の透明電極層１４７の概念図を図４に示す。図４は、図３と同様に色の濃さで電極の密度を表現しており、色の濃い部分が色の薄い部分に比べて高密度である事を示している。第２の透明電極層は、第２の透明基板１４２上に、図４に示すように、液晶素子１４の光軸からの距離に応じて略周期的な電極密度を有するように配設されている。

第１の透明電極層をベタ電極とし、第１の透明電極と第２の透明電極の間に電圧を印加した場合、第１の液晶層１４４を透過するレーザ光に式（２）に示す位相差φを発生させる事が出来る。

数式（２）において、φは、位相差、ｈは、光軸からの光線の高さ、aは、電圧値によって変化させる事が出来る整数、mod（ｘ）は、ｘの整数部を除いた少数部分を求める関数である。数式（２）において、a=6となるように電圧を印加した場合の位相差φを図８に示す。レーザ光から見れば、波長の整数倍の位相差は、位相差が無いのと同等なので、図８の位相差は、図５の位相差と同等である。即ち、図５で最大６λの位相差を発生させているが、図８では同等の効果を最大１λの位相差で代替できている事が分かる。一方、このようにするとaの値は整数しか取れないという欠点がある。本実施例の第２の透明電極は、周期が６なので、aは６の倍数しかとれない。第１の透明電極層は、aの値が0〜６と連続的に発生させる事が出来るので、第２の電極層のaの値を補完する事が可能となり、小さな位相差で実質的に大きな位相差を連続的発生させる事が可能となる。これにより、光記録媒体の各記録層の基板厚みの違いやバラツキによって生じる球面収差を補正する事が可能となる。また、第１、第２の電極層に与える電圧が同電圧なため、隣接電極間に異なる電圧を与える従来の液晶素子に比べ高性能な収差補正が可能となる。特に、第２の電極層では、第１の電極層に比べ急激な位相変化を与える領域があるため、本発明の効果が顕著に現れる。

第３の透明電極層１４８は、第２の透明基板１４２の第２の液晶層１４５側の面に形成されている。第３の透明電極層１４８は、第２の透明電極層１４７と同様の透明電極層を有しており、概念図を図４に示す。第３の透明電極層は、第２の透明電極層と同様に、液晶素子１４の光軸からの距離に応じて略周期的な電極密度を有するように配設されている。機能も第２の透明電極層と同様であるため、説明を省略する。

第４の透明電極層１４９は、第３の透明基板１４３の第２の液晶層１４５側の面に形成されている。第４の透明電極層１４９は、第１の透明電極層１４６と同様の透明電極層を有しており、概念図を図３に示す。第４の透明電極層は、第１の透明電極層と同様に、液晶素子１４の光軸からの距離に応じて電極密度が増大するように配設されている。機能も第１の透明電極層と同様であるため、説明を省略する。

これにより、光記録媒体の各記録層の基板厚みの違いやバラツキによって生じる球面収差を、往路、復路共に補正する事が可能となる。また、異なる電圧を印加する従来の液晶素子に対して、収差補正の高性能化が可能となり、品質の良い液晶素子及びそれを用いた光ピックアップ光学系を提供する事が可能となる。

なお、本発明は、液晶素子１４により高性能な収差補正を可能とするものであり、補正する収差は球面収差に限られるものではない。また、光ピックアップ光学系の収差補正に限られるものではない。たとえば、補正する収差は、コマ収差、非点収差、像面湾曲、歪曲収差などでもよい。また、カメラ用の収差補正素子として用いてもよい。

実施例にかかる光ピックアップ光学系の一例を模式的に示す側面図である。実施例にかかる液晶素子の一例を模式的に示す断面図である。実施例にかかる液晶素子の第１の透明電極層及び第４の透明電極層における透明電極の配置を示す平面図である。実施例にかかる液晶素子の第２の透明電極層及び第３の透明電極層における透明電極の配置を示す平面図である。実施例にかかる液晶素子の第１の透明電極層又は第４の透明電極層を駆動することにより、液晶素子を透過するレーザ光に付与する位相差の一例を示すグラフである。実施例にかかる液晶素子の電極密度を変化させる一例の断面図である。実施例にかかる液晶素子の電極密度を変化させる一例の平面図である。実施例にかかる液晶素子の第２の透明電極層又は第３の透明電極層を駆動することにより、液晶素子を透過するレーザ光に付与する位相差の一例を示すグラフである。

１光ピックアップ光学系
１１レーザダイオード（レーザ光源）
１４液晶素子
１４１第１の透明基板（第１の透明基板）
１４２第２の透明基板（第２の透明基板）
１４３第３の透明基板（第１の透明基板）
１４４第１の液晶層（屈折率異方性媒質層）
１４５第２の液晶層（屈折率異方性媒質層）
１４６第１の透明電極層（第１の透明電極層）
１４７第２の透明電極層（第２の透明電極層）
１４８第３の透明電極層（第２の透明電極層）
１４９第４の透明電極層（第１の透明電極層）
１７対物レンズ
１９光ディスク（光記録媒体）

Claims

第１の透明基板と、前記第１の透明基板に配設されてなる第１の透明電極層と、
前記第１の透明基板と対向する第２の透明基板と、前記第２の透明基板に配設されてなる第２の透明電極層と、
前記第１の透明基板と前記第２の透明基板との間に挟持される屈折率異方性媒質層と、を備える液晶素子において、
前記少なくとも一方の透明電極層に同一の電圧が与えられ、かつ、前記透明電極層の電極密度を変化させる事により、前記液晶素子を透過する光束に位相差を付与する事を特徴とする液晶素子。
前記少なくとも一方の透明電極層の電極密度が略周期的となるように透明電極層が配設されている事を特徴とする請求項１に記載の液晶素子。
前記一方の透明電極層において、電極密度が径方向に略周期的となるように透明電極層が配設されており、
前記他方の透明電極層において、電極密度が径方向に連続的となるように透明電極層が配設されている事を特徴とする請求項２に記載の液晶素子。
レーザ光源からの光束を光記録媒体に集光する光ピックアップ光学系であって、
請求項１乃至3の何れか一項に記載の液晶素子を用いる光ピックアップ光学系。