JP3620145B2

JP3620145B2 - 光ヘッド装置

Info

Publication number: JP3620145B2
Application number: JP11507596A
Authority: JP
Inventors: 譲田辺; 陽輔藤野
Original assignee: Asahi Glass Co Ltd
Current assignee: AGC Inc
Priority date: 1996-05-09
Filing date: 1996-05-09
Publication date: 2005-02-16
Anticipated expiration: 2016-05-09
Also published as: JPH09304748A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ディスク及び光磁気ディスク等に光学的情報を書き込んだり、光学的情報を読み取るための２重焦点機能を有する光ヘッド装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ディスク等に光学的情報を書き込んだり、光学的情報を読み取る光ヘッド装置において、ＣＤ／ＣＤＲＯＭとＤＶＤディスクのように、異なる厚みのディスクに対して信号の読み書きを１つの光ヘッドで行うことがしばしば必要になっている。
【０００３】
このような目的の光ヘッド装置を実現するために、従来は例えばレンズの表面にフレネルレンズタイプのブレーズホログラムを形成し、半導体レーザから集光レンズに入射した光のうち、例えば約半分を、ホログラムによってビームが拡がる方向に回折し、残り半分はそのまま透過せしめ、その後に集光レンズ本体によって各々を収束せしめることによって、２つの焦点を持つ光を１つの光ヘッド装置によって創り出すことが行われてきた。
【０００４】
また、あるいは集光レンズは従来同様の形状とし、上記と同様の機能を持つフレネルホログラムレンズプレートを別途分離して設置せしめることも試みられていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしこの方式の大きな欠点は、このホログラムによって、光量が半分になることであり、さらに光記録媒体で反射して戻る際においても再び光量が半分になるため、往復で光量が１／４になる問題があった。
【０００６】
このため、特に大きな出力を得るのが困難である赤色の半導体レーザを利用した光ヘッド装置の場合、光源に対する負荷が大きくなり、コストの上昇、信頼性の低下をもたらすことになった。
【０００７】
本発明は、これらの問題を解消し、光の利用効率を高め、安価に製造できる２重焦点レンズシステムを含む光ヘッド装置の提供を目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、光源から出射した光が液晶レンズを通過し、集光レンズを透過して、光記録媒体に到達するようにされる光ヘッド装置において、前記液晶レンズは２枚の基板の内表面に電極を形成し、少なくとも一方の電極がほぼ軸対称な多重輪状構造を持ち、その径方向の電極幅が、中心から周囲に向かって減少し、両基板間に液晶を挟持して、電界を印加しないときに液晶分子は基板にほぼ平行にねじれ配向して、レンズとして機能せず、電界を印加したときに液晶分子は斜めに立ち上がりながらねじれ配向するようにして、レンズとして機能させる液晶レンズであって、電界の印加、非印加に応じて２つの焦点距離を切り替えて、異なる厚みの光記録媒体の光学的情報の読み取り、書き込みを行うことを特徴とする光ヘッド装置を提供する。
【０００９】
また、前記液晶レンズは、電界を印加したときの液晶分子の配向状態が、中心から周辺に向かって、１周期あたり、非対称な構造を持っている請求項１記載の光ヘッド装置を提供する。
また、前記液晶レンズは、２枚の基板の上下の電極が上下非対称である請求項１記載の光ヘッド装置。
【００１０】
さらに、光源から出射した光が、光学異方性回折格子を通過し、液晶レンズ及び位相差素子を通過し、集光レンズにより集光されて光記録媒体に到達するようにされる請求項１、２又は３に記載の光ヘッド装置を提供する。
【００１１】
さらには、前記位相差素子は、１／４波長板である請求項４に記載の光ヘッド装置を提供する。
【００１２】
本発明は、集光レンズとして用いられる非球面レンズと分離して、液晶によって形成された液晶レンズ（フレネルレンズプレート）を設け、液晶レンズに設けられた電極に電圧を印加することによって、２つの焦点を切り替え可能にし、光利用効率の高い光ヘッドを実現、提供する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明における液晶レンズの代表的な例の断面図である。図１において、１０、２０はガラス、プラスチック等の基板、１１、１２、１３、２１、２２、２３はＩｎ₂ Ｏ₃ −ＳｎＯ₂ （ＩＴＯ）、ＳｎＯ₂ 等の電極、１４、２４はポリイミド、ポリアミド、ＳｉＯ等の配向膜、１５は液晶、１６はシール材、１７は電界が印加されない部分での液晶分子の傾き、１８は電界が印加された部分での液晶分子の傾きを示す。
【００１４】
ここでは、分かりやすくするために、電極は上下の基板とも３個ずつ記載されている。すなわち、図１を上から見れば、電極１１は円状、電極１２、１３は輪状に電極１１の中心を軸として対称に形成されている。実際の液晶レンズでは、もっと多重の輪状の電極が形成されている。
【００１５】
この電極の少なくとも一方は、多重の輪のような形状の電極とされる。すなわち、図１のように両方とも多重の輪のような形状の電極としてもよく、一方の基板では全面ベタ電極とすることもできる。
【００１６】
この液晶レンズの電極は、フレネルレンズとしての機能を持たせるために、その繰り返しの周期は中心から周辺にいくにつれ、その電極の周期を小さくする必要がある。
【００１７】
液晶の配向の制御は、配向膜により行えばよい。具体的には、基板表面にポリイミド、ポリアミド等の有機高分子膜やＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３等の無機物の膜を形成し、これをラビングしたり、ＳｉＯの斜め蒸着をすることによって行うことができる。また基板表面に比較的浅い格子状の溝を設け、その格子状凹部の配向力によって、液晶を配向させることもできる。
【００１８】
液晶は、通常のネマチック液晶が用いられる。ここでいうネマチック液晶は、光学活性物質を含んでいて自然にねじれているものも含む。通常は正の誘電異方性のネマチック液晶とされればよい。液晶のねじれ角は液晶固有のピッチと配向膜の配向処理方向により決まるが、このねじれ角はＳＴＮで用いられているようにあまり大きくなると液晶分子の立ち上がりが急峻となるので好ましくない。このため、ねじれ角は３０〜１８０°程度にされる。一般には通常のネマチック液晶と同様の９０°とすればよい。
【００１９】
本発明における液晶レンズでは、液晶がねじれているので、右回り、左回りの円偏光の入射光に対してもレンズとして機能し、異なる方向の直線偏光を有する入射光に対しても同等のレンズとして機能する。
【００２０】
この液晶レンズで、正の誘電異方性のネマチック液晶を用いれば、液晶は電界が印加されないと、基板面にはほぼ平行にかつねじれて配列している。この際、配向処理に伴うわずかなチルト角は生じるが、液晶の層のどの部分をとっても基板にほぼ平行に配列している。この状態での液晶分子の状態を示すのが、図１の１７である。この場合、電界がないので、液晶レンズはフレネルレンズとして機能せず、入射光は偏光状態によらずセルを透過する。
【００２１】
一方、ある程度の電界を印加すると、液晶分子は立ち上がりはじめ、図１の１８で示すような状態となる。この状態でもまだ液晶のねじれは保持されている。より高い電界を印加すれば、液晶分子はほとんど垂直に配列することになる。
【００２２】
この印加する電界の値を適当に選ぶことにより、液晶はある角度に立ち上がる。この立ち上がり角に依存して、直線偏光に対して偏光角を回転させるだけでなく、入射光と出射光の間に、電界に応じた位相差を生じせしめる。そのため、それぞれの領域を通過した光は位相が異なり、回折することになる。これにより印加する電界を適切に選択することにより、偏光状態は電界の有無にかかわらずほぼ同じとなしうる。
【００２３】
印加する電界の値、液晶の常光屈折率、異常光屈折率、基板間隙を適切に選ぶことにより、高い効率で入射光を回折できる。このとき、電極の繰り返し周期（電極のピッチ）を周辺に向かって小さくすることにより、これにレンズ機能を持たせることができ、フレネルレンズとして機能させうる。
【００２４】
この液晶レンズを用いた光ヘッド装置の代表的な例を図４に示す。図４は、液晶レンズを用いた光ヘッド装置の代表的な例の模式図である。図４において、７１は光源、７２は光学異方性回折格子、７３は液晶レンズ、７４は位相差素子、７５は集光レンズ、７６、７７は光記録媒体、７８は光検出器を示す。
【００２５】
この光ヘッド装置の光源は、通常の光ヘッド装置に使用される通常のレーザ光源が使用できる。具体的には半導体レーザが好適であるが、他のレーザでもよく、非線形光学素子を用いて短波長化したものでも使用できる。将来的に小型の青色や紫外線のレーザ光源ができれば、それも使用できる。
【００２６】
光学異方性回折格子は、液晶を用いた光学異方性回折格子が好ましく使用され、光源からの光はそのまま透過し、光記録媒体からの反射光は回折する。これはホログラムであってもよく、ビームスプリッタでもよい。ビームスプリッタを用いた場合には、光記録媒体からの反射光の光路を変え、光源とは異なる方向に配置した光検出器に導く。このビームスプリッタにさらに回折格子を追加して用いることもできる。
【００２７】
位相差素子は、通常は１／４波長板を用いる。これにより光の偏光面を回転させて、光源からの往路の光と、光記録媒体からの反射光との偏光方向を異ならせる。集光レンズは、光を集光するためのレンズであり、通常の光ヘッド装置に使用されるものが使用できる。
【００２８】
本発明では、前記した液晶レンズと集光レンズとにより焦点距離が決まる。液晶レンズへの電界の有無により焦点距離が変わり、例えば液晶レンズ７３に電界が印加されていない場合に、光記録媒体７６に焦点が合い、液晶レンズ７３に電界が印加された場合に、光記録媒体７７に焦点が合うようにされればよい。逆に、液晶レンズ７３に電界が印加されていない場合に、光記録媒体７７に焦点が合い、液晶レンズ７３に電界が印加された場合に、光記録媒体７６に焦点が合うようにされてもよい。
【００２９】
すなわち、液晶レンズの電極に電界が印加されない（液晶がほとんど立ち上がらない程度の低い電界が印加されている場合も含む）ときは、全ての光がそのまま透過し、集光レンズにより定まる位置に焦点を結ぶ。この焦点の位置に目的とする光記録媒体の１つがくるように配置される。この光記録媒体からの反射光は、そのままの経路を戻りやはり１００％通過する。
【００３０】
液晶レンズの電極に電界が印加されたときは、ホログラムによる液晶レンズ部を通過した光の内最大４０％は、回折し広がり、最大４０％は回折し収束する。すなわち、凹レンズ又は凸レンズと同様の作用を生じ、集光レンズと組合された場合に、遠いところ又は近いところに焦点を結ばせることができ、開口（ＮＡ）を小さくしたり、大きくしたりできる。反射光は同じ経路を通り、再び回折し、元の光路に戻る。このとき往復の理論効率は１６％となる。
【００３１】
また、本発明の光ヘッド装置においては、光学異方性回折格子としては、基板にストライプ状に凹部を形成しそこに液晶、液晶ポリマー等の光学異方性材料（複屈折材料）を充填したもの、液晶ポリマーの周期的なストライプの配向制御によって形成された光学異方性回折格子、液晶セルに設けられたストライプ状の電極によってホログラムを形成する光学異方性回折格子等が好適に用いられる。
【００３２】
図４は、この光学異方性回折格子による偏光ホログラムビームスプリッタと液晶レンズとを組合せた光ヘッド装置の例であり、この光ヘッド装置の動作をさらに詳しく説明する。
【００３３】
液晶レンズの液晶のねじれ角は９０°として説明する。また、光源７１の半導体レーザからでた光の偏光方向を紙面に平行（Ｐ波と呼ぶ）であるとする。
【００３４】
このとき、この光は光学異方性回折格子７２をそのまま透過する。その後、液晶レンズ７３に入射し、偏光方向が９０度回転して、紙面に垂直な偏光方向を持つ光（Ｓ波と呼ぶ）になる。この光は位相差素子７４である１／４波長板で、左回りの円偏光になり、集光レンズ７５である非球面対物レンズを通過して、光記録媒体７６であるディスクに到達する。
【００３５】
この光記録媒体７６で反射した光は、右回りの円偏光になる。その反射光が、再び１／４波長板を通過し、Ｐ波になる。その後、液晶レンズを再度通過し、再度偏光方向が９０°回転され、Ｓ波になる。このＳ波に対しては、光学異方性回折格子７２は回折格子として機能し、光は回折され光検出器７８に到達する。
【００３６】
本発明では液晶レンズは入射光が円偏光であってもレンズとして機能するので、図４の液晶レンズ７３と位相差素子７４との位置を入れ替えても使用できる。
【００３７】
以上の説明では、図１に示すように液晶レンズを左右対称な格子で形成することを前提で考えていたが、この場合は先ほど述べたように、回折効率が４０％が理論限界で、往復で１６％程度しか得られない。
【００３８】
そのため、さらに効率を向上させたいときは、いわゆるブレーズ格子を近似的に実現する必要がある。
【００３９】
その１つの例としては、図２に示すように輪状の電極の１周期をさらに３つの領域にわけ、各々に異なった電界を印加する方法がある。
【００４０】
図２は、本発明の液晶レンズの電極の形状を示す断面図である。図２において、電極３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃは図１の電極１１に対応し、電極３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃは図１の電極１２に対応し、電極３３Ａ、３３Ｂ、３３Ｃは図１の電極１３に対応し、電極４１Ａ、４１Ｂ、４１Ｃは図１の電極２１に対応し、電極４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃは図１の電極２２に対応し、電極４３Ａ、４３Ｂ、４３Ｃは図１の電極２３に対応している。すなわち、図１では１個の電極が夫々より狭い幅の３本の電極に分割されている。
【００４１】
このようにしておき、Ａ、Ｂ、Ｃの電極にかける電圧を変化させる。具体的には、印加される電界をＡ＞Ｂ＞Ｃとする。これにより回折効率が向上する。
【００４２】
もう１つの例としては、図３に示すように、上下に非対称な電極を設ける方法がある。
【００４３】
図３においては、上の基板では電極は図２の電極３１Ａ、３２Ａ、３３Ａに相当する電極５１Ａ、５２Ａ、５３Ａのみが形成されている。その他の５１Ｂ、５１Ｃ、５２Ｂ、５２Ｃ、５３Ｂ、５３Ｃの部分には電極は形成されていない。また、下側の基板には、上側の基板の電極５１Ａ、５２Ａ、５３Ａよりも幅の広い（外側に出っ張った形状）電極６１、６２、６３が形成されている。
【００４４】
このように上下非対称の電極にしておき、電界を印加することもできる。この方法は電圧の種類が１種類であるという利点がある。これにより回折効率が向上する。
【００４５】
【実施例】
［例１］
０．５ｍｍ厚さ、１０×１０ｍｍ巾で、屈折率１．５２のガラス基板の表面に、フレネルホログラム構造のＩＴＯ電極パターンを形成した。このフレネルホログラム構造の領域は直径２．５ｍｍとし、その周期は中心付近で約２８５μｍ、最周辺部で約５０μｍとした。その後、ポリイミド膜を塗布し、通常のラビングを行い配向処理を施した。基板裏面には反射防止膜をつけた。
【００４６】
この基板と配向処理方向のみ９０°回転させた第２の基板とを周辺部でシールし、基板間隙５μｍの空セルを作製した。このとき、ＩＴＯ電極パターンが一致するように上下基板の位置合わせを行った。セル面積が小さい場合、ギャップはスペーサを用いなくても制御できるが、この例では基板間隙はフレネルホログラム以外の領域に配置したスペーサを用いて制御した。
【００４７】
この空セルに、常光屈折率が約１．５、液晶の異常光屈折率と常光屈折率の差（Δｎ）が約０．２５の正の誘電異方性のネマチック液晶を真空注入した。その後、注入口をエポキシ樹脂で封止して液晶レンズを作成した。
【００４８】
この素子の光学特性を、図４で光学異方性回折格子７２と位相差素子７４を除いた構成の系で測定した。波長６５０ｎｍの平行光を入射させ、ＮＡ：０．６、焦点距離：３．３６ｍｍの集光レンズで集光させた。集光レンズ単体、集光レンズと液晶レンズとの合成系のそれぞれの焦点位置に鏡を配置ことにより、往路と復路の透過率、回折効率を測定した。
【００４９】
入射光の偏光方向は、光の入射側の基板の液晶配向方向と一致させた。このとき、上下電極間に電圧を印加しないときは、往路の０次透過光の透過率はほぼ９０％、復路の透過率もほぼ９０％、往復効率はほぼ８１％であった。
【００５０】
上下電極間に周波数１ｋＨｚ、３Ｖの電圧を印加したところ、往路の１次回折効率はほぼ２０％で、集光レンズと液晶レンズとの合成系の焦点位置に集光された。復路の１次回折効率もほぼ２０％で、往復効率ほぼ４％であった。
【００５１】
［例２］
電極のパターンのみを変えた他は例１と同様にして液晶レンズを形成した。電極のパターンは図２に示すように、例１の電極を３分割し、３本の電極を１組とした。このフレネルホログラム構造の周期は中心付近で約２８５μｍ、最周辺部で約５０μｍとした。各電極のパターンは各周期毎に３分割されており、各ＩＴＯ電極は約１０μｍの間隔をあけた。
【００５２】
この液晶レンズの光学特性を例１と同様の系で測定した。入射光の偏光方向は、光の入射側の基板の液晶配向方向と一致させた。このとき、上下電極間に電圧を印加しないときは、往路の０次透過光の透過率はほぼ９０％であった。復路の透過率もほぼ９０％であり、往復効率はほぼ８１％であった。
【００５３】
周波数１ｋＨｚの電圧を上下電極Ａ領域に３Ｖ、Ｂ領域に１．５Ｖ、Ｃ領域に０Ｖ印加したところ、往路の１次回折効率はほぼ４０％、復路の１次回折効率はほぼ４０％、往復効率ほぼ１６％であった。
【００５４】
［例３］
電極のパターンのみを変えた他は例１と同様にして液晶レンズを形成した。電極のパターンは図３に示すように、上側の基板では例２の３分割電極のＡ電極に相当する部分にのみ電極を設け、下側の基板では、それよりも電極の幅を広くして外側に出っ張らせて上下非対称の構成とした。
【００５５】
この液晶レンズの光学特性を例１と同様の系で測定した。入射光の偏光方向は、光の入射側の基板の液晶配向方向と一致させた。このとき、上下電極間に電圧を印加しないときは、往路の０次透過光の透過率はほぼ９０％であった。復路の透過率もほぼ９０％であり、往復効率はほぼ８１％であった。
【００５６】
周波数１ｋＨｚ、３Ｖの電圧を印加したところ、往路の１次回折効率はほぼ３５％、復路の１次回折効率はほぼ３５％、往復効率ほぼ１２％であった。
【００５７】
【発明の効果】
本発明において、電極が多重輪状とされ、液晶がねじれた状態とされているので、円偏光を有する入射光に対してもレンズとして機能し、Ｐ波及びＳ波で同等にレンズとして機能するので、偏光状態の異なる光学用途に適する。特に、光ヘッド装置に用いることに適する。
【００５８】
本発明の光ヘッド装置は、電界の印加状態によってレンズ機能を生じ偏光状態に影響を受けない液晶レンズを用いているので、焦点距離を変えるのが容易でかつ高い光の利用効率を有する。
【００５９】
本発明は、本発明の効果を損しない範囲内で、種々の応用ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における液晶レンズの例の断面図。
【図２】本発明における液晶レンズの他の例の断面図。
【図３】本発明における液晶レンズのさらに他の例の断面図。
【図４】本発明の光ヘッド装置の模式図。
【符号の説明】
基板：１０、２０
電極：１１、１２、１３、２１、２２、２３
配向膜：１４、２４
液晶：１５
シール材：１６
液晶分子：１７、１８

Claims

光源から出射した光が液晶レンズを通過し、集光レンズを透過して、光記録媒体に到達するようにされる光ヘッド装置において、前記液晶レンズは２枚の基板の内表面に電極を形成し、少なくとも一方の電極がほぼ軸対称な多重輪状構造を持ち、その径方向の電極幅が、中心から周囲に向かって減少し、両基板間に液晶を挟持して、電界を印加しないときに液晶分子は基板にほぼ平行にねじれ配向して、レンズとして機能せず、電界を印加したときに液晶分子は斜めに立ち上がりながらねじれ配向するようにして、レンズとして機能させる液晶レンズであって、電界の印加、非印加に応じて２つの焦点距離を切り替えて、異なる厚みの光記録媒体の光学的情報の読み取り、書き込みを行うことを特徴とする光ヘッド装置。
前記液晶レンズは、電界を印加したときの液晶分子の配向状態が、中心から周辺に向かって、１周期あたり、非対称な構造を持っている請求項１記載の光ヘッド装置。
前記液晶レンズは、２枚の基板の上下の電極が上下非対称である請求項１記載の光ヘッド装置。
光源から出射した光が、光学異方性回折格子を通過し、液晶レンズ及び位相差素子を通過し、集光レンズにより集光されて光記録媒体に到達するようにされる請求項１、２又は３に記載の光ヘッド装置。
前記位相差素子は、１／４波長板である請求項４に記載の光ヘッド装置。