JP4254239B2 - 光学補償素子 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前提部分で主張されている、波面に影響を与える光学補償素子に関する。

このような補償素子は特許文献１から知られている。

特開平１０−２２１７０３号

本発明の一目的は、この補償素子より優れた補償素子を提案することである。

この目的のために、本発明は、各主電極、または主電極の大部分が、横電極に、１点だけで接続されることを可能にする。これによる利点は、接触電極の５０％までを節約できることである。主補償素子と対照的に、この場合、主電極の両側の電圧を互いに正確に一致させる必要がない。このことによって、接続部は主電極の一方の側のみに設けられるため、設計の自由度が大きくなる。さらに、必要とされる駆動電極の数が低減される。

横電極および駆動電極は同じ材料でできており、横電極の断面は主電極の断面より小さい。したがって、これは、横電極に沿って大きな電圧降下を生ずる利点を有し、その結果、短い距離で大きな電位変化が達成される。この場合、横電極上の電圧降下は、駆動電極より大きく、横電極は大きな抵抗を有する必要がない。他の利点は、主電極上で小さな電圧降下が発生し、したがって、より小さな抵抗を用いる時でさえも、より速い電位変化が達成されること、および、可能な限り一様な電位が、全ての主電極にわたって達成されることが可能になることである。

主電極は、実質的に回転対称に配置され、一定半径について同じ数学的符号を有する一定電圧を有していることが有利である。このことによる利点は、多数のスイッチング材料、たとえば、強誘電性液晶を使用すると、同じスイッチング応答、言い換えると、同じ光学変化が、特定半径に対応するリングにわたって得られることである。スイッチング材料として、ネマティック材料が使用される場合、印加電圧もまた、異なる数学的符号を有してもよい。その理由は、異なる数学的符号が、これらの材料を用いて達成することができる光学的効果に影響を与えないからである。しかし、他のスイッチング材料の場合、異なる数学的符号は、異なる反応を生じるであろう。所望の位相補正分布に依存して、回転対称な幾何学的形状以外の幾何学的形状を使用できることもまた有利である。

本発明は、主電極が、異なる半径を有する、ほぼ閉じた複数のリングの形態であり、リングの開口の対向する側で横電極に接続されていることを可能にする。このことが有する利点は、利用可能なエリアの可能な限り多くの部分が、所望の主電極形状でおおわれ、表面のわずかの部分のみが横電極で占められる、言い換えれば、横電極が、それぞれのリングの開口を通過する場合に電位を供給するようにすることである。円形エリアは、可能な限り大きな充填率で、かつ、互いに密に隣接するが、互いに触れないように配置した主電極でおおわれることが有利である。横電極は、リングの開口エリアでより広い断面を有するのが有利である。このことが有する利点は、それぞれのリングへの接続エリアにおいて、横電極上に、より大きな電圧降下が生ずることである。これによって、動作電圧がより低い、使用可能電位のより広い範囲が生ずる。横電極から取り出される電位は、それぞれの主電極のリングによって保持される。このことによって、外側から内側に、回転対称で上昇または下降する電位分布が生ずる。電位分布の形状は、横電極上の取出し点の選択によって支配される。

本発明の一開発態様（ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ）によれば、補正電極が、主電極の間に配置される。この場合、補正電極は、他の駆動電極によって駆動されることができる。１つまたは複数のこうした補正電極を設けることが有する利点は、連続して上昇または下降する電位分布だけでなく、所望の任意の電位分布を得ることを可能にすることである。

本発明は、補償素子の両面が構造化電極を有することを可能にする。このことが有する利点は、異なる電極の構造化によって、異なる光学的効果が得られる、または、補償されることである。この場合、回転対称な配置だけでなく、これら以外の表面分布が設けられる。このように、円筒レンズ、光学くさび、球面レンズ、および／または非球面レンズが単一の補償素子に組み合わされている、電位分布を提供して、傾き、合焦（ｆｏｃｕｓ）、焦点ずれ（ｄｅｆｏｃｕｓ）、および／または非点収差を補償することが可能になる。

異なる電圧を横電極に印加するのが有利である。本発明は、横電極が可変断面を有することを可能にする。このことが有する利点は、任意の所望の電圧降下、したがって、非線形上昇を有する電位分布が得られることである。したがって、このような方法で横電極を変調することによって、補償素子についての所望の任意の位相形態を得ることができる。

供給電極は、主電極および横電極の間に配置され、横電極との主電極の接触点は、接触点が等間隔でないように配置されるのが有利である。これは、電位分布を最適化するための他の有利な変形形態を示す。

本発明によれば、異なる電圧が駆動電極に印加される。このことが有する利点は、所望の位相分布に依存して、異なる電圧が主電極に印加され、使用される材料の位相／電圧特性に関連して、こうした方法で電位分布を変えることによって、異なる位相分布が得られることである。したがって、駆動電極上の同じ電圧差について異なる電位分布が得られる。

同様に、可変屈折率を有する材料の両側に配置される電極構造に異なる電圧を印加するのが有利である。最も簡単な場合、すなわち、たとえ、これらの電極構造の第１の構造が平坦であっても、横電極の他の電極構造に印加される電位のゼロ点を、第１電極構造に印加される電圧を変えることによって、横電極に沿ってシフトすることが可能になる。このことによって、他の電極構造に印加される電圧を変える必要なく、異なる位相分布を得ることが可能になる。

光学記録媒体に対して読み出しかつ／または書き込むための、本発明による装置は、本発明による補償素子を有する。このことが有する利点は、特に、高記録密度を有する光学記録媒体の場合に、たとえば、傾きまたは異なる層の厚みによって発生する波面の乱れ（ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ）を補償することが可能になることである。こうした波面の乱れは、こうした光学記録媒体に対する読み出しおよび書き込みの精度に特に重大な影響を与える。これらの波面の乱れは、本発明の装置において最適に補償される。

本発明の他の利点はまた、以下の例示的な実施形態の記載に含まれる。本発明が記載する例に限定されず、当業者が熟知しているであろう変更形態を含むことは自明である。

本発明による補償素子は、たとえば液晶を使用しており、液晶は、可変屈折率を有する材料として、局所電界に応じて入射光ビームの位相を変調する。特に、非常に性能の良い電極構造を有する液晶素子が以下の文面に記載されている。この場合、内部電圧降下が生じ、波面を変調する電極がこの内部電圧降下を利用できる。このステップによって、多数の電極が、駆動部の複雑さのレベルが低いままで動作することが可能になる。多数の電極によって、位相分布の高分解能表示、したがって波面の良好な補正が可能になる。特に、素子は、時間と共に変わる波面障害の補償もするように組み立てられる。動作方法は、まず第１に、コマ収差および球面収差を補正する２つの素子を参照して述べられるであろう。

本明細書に記載される液晶素子は、光学系における、コマ収差、球面収差などのような波面障害を補正するのに使用される。この場合、液晶素子の特徴は、可能な限り単純であるが、それでも、多くの工夫がこらされ、必要とされる駆動部を最小に制限する電極構造にある。駆動部には、ただ１つの駆動電圧、好ましくは、１ｋＨｚで、かつ、約２〜１０Ｖの、調整可能な振幅のＡＣ電圧が供給される。電極構造において生ずる内部電圧降下によって、連続した波面変形が可能になる。例示的な実施形態において、電極構造は、均一な表面抵抗を有し、したがって、非常に容易に生産することができる、ＩＴＯとも呼ばれる、酸化インジウムスズのただ１つの透明導電層から成る。しかし、ポリマーなどのような、他の透明導電材料もまた、この目的のために使用されることができる。

以下の文面に記載される素子を使用して、特に、光学記録媒体、たとえばＤＶＤピックアップヘッドに対して読み出しまたは書き込む装置において、コマ収差または球面収差を補償するようにする。特に、より短い波長の光が使用されるであろう、将来の世代のこうした装置の場合、能動補償が必要とされるであろう。ＤＶＤの動向は、保護層の厚みが０．１ｍｍで、ＮＡ＝０．８５の開口数を有する対物レンズを使用することである。多層光学記録媒体の、異なる層間での、たとえば層Ｉから層ＩＩへのスイッチング時に生ずる球面収差が補償されねばならない。基板が比較的厚い場合、ディスク傾斜に対する許容誤差は、能動傾斜補償によってかなり広くすることができる。

図１で断面の形態で示されており、液晶補償素子１の形態である補償素子は、薄い液晶層２の屈折率の局所的な変化を使用して波面を変調する。

局所屈折率分布は、適当な電極構造３によって生じ、電圧を印加することによって変えることができる。メッシュ技法、言い換えれば、電極構造３上で生ずる電圧降下を使用して、駆動されることが必要な電極の数を大幅に減らすことができる。図１は、このような素子を貫通する断面を示す。電極構造３、３’は、透明導電材料、この場合、酸化インジウムスズＩＴＯでできており、フォトリソグラフィによってガラス基板４、４’に塗布される。ポリイミド層５は、液晶２の標準配向のために使用され、スピンコーティングによって回転された後に好ましい方向に研磨される。セルは、真空中で液晶２を充填され最後に密封される。

スペーサ６は、２つの電極面間の接触を防ぎ、セルの厚みを制御する。電極構造３’は、この場合、特別な構造を持たずにグラウンド電極として示されている。

球面収差用の電極構造は図２に記載されている。図２に示す電極設計によって、円錐形態または球面形態と同様な波面を補償することが可能になる。この場合、２つの駆動電極３１のみが必要となる。したがって、２つ以上のπ（Ｐｉ）位相変調は、液晶層のセルの厚み、および使用される材料に依存して達成することができる。

薄い横電極３２は、２つの幅広の駆動電極３１の補助によって供給される。横電極は、狭いため、同じ表面抵抗についてより大きな抵抗を有する。したがって、駆動電極３１上で降下する電圧は、横電極３２にわたってほぼ全体に降下する。それぞれの所望の電位は、横電極３２に沿う異なる点で、主電極３３によって拾い上げられる。したがって、主電極３３は、それぞれの関連する電位である。位相段の数および線形分布、対数分布などのような位相分布は、取出し点の数および位置によって達成されることができる。

この例示的な実施形態において、主電極３３は、円形リングの形態であり、主電極は、左手部分で、横電極３２に接続されるが、中心の右では、横電極３４が右手駆動電極３１へと通過する開口３４をそれぞれ有する。

コマ収差を補正する電極構造は図３に記載されている。示される電極設計によって、コマと同様の波面を補償することが可能になる。この場合、同様に、２つの駆動電極３１のみが必要である。

図２に示す球面補正素子との差は、電圧取出しの性質にある。ここでは、電圧降下の原因となる横電極３２は、変調エリアの外に位置している。供給電極３５は、横電極３２から所望の電位を取り出し、その電位が主電極３６に渡される。

主電極３６の形状は、この場合、所望の位相変調およびこの目的のために必要とされる電位分布によって決まる。主電極３６の数は、所望の位相量子化によって決まる。個々の主電極３６のそれぞれの電位は、可能な限り効果のある補正が可能になるように、液晶曲線の特定の動作範囲（本文脈では図４も参照）にわたって、横電極３２の取出し点３７での適当な電位取出しによって最適化される。

動作電圧範囲の選択および取出し点３７の選択は、連続した変調に必要となる２自由度を提供する。

図４で示された、液晶較正曲線とも呼ばれる液晶駆動技法の特性は、ボルト（Ｖ）でプロットされた局所電位が電極構造によって事前に決められた補償素子について、局所位相シフトを度（°）で示す。この位相シフト／電圧特性は、電位差が電極構造３、３’に印加されると生ずる位相シフトを示している。可能な限り適した位相分布は、横電極３２上の取出し点３７の選択と共に、駆動範囲を適当に選択することによって生成される。

たとえば、球面補正用に、その曲率が可能な限り球面である分布を形成するには、主電極３３の、最も内側のリング上の３．５Ｖと最も外側のリング上の５．２Ｖの間の電位が推奨される。分布は、横電極３２に沿う取出し点３７の適当な選択によって、理想的な球面形状に最適化することができる。異なった曲線の分布が望まれる場合、約２ボルトと２．７ボルトの範囲を使用してもよく、たとえば、２．７ボルトと３．３ボルトの間、および、たとえば、６ボルトを超えて、かなり線形な範囲が生ずる。

以下は、スイッチング応答およびスイッチング時間に関して留意するべきである。すなわち、ネマティック液晶のスイッチング時間は、実質的に、セルの厚みおよび使用される材料によって決まる。この場合、達成可能な、最大位相シフトは、セルの厚みに正比例する。半λ未満のピークと谷の間の値、言い換えれば、使用される光の半波長未満を有する、波面補正用のネマティック材料を用いて、１０ｍｓ未満のスイッチング時間を達成することができる。２λ以上については、数百ミリ秒のスイッチング時間を達成することが可能であるだけである。

こうした素子において位相シフト材料として使用できる、水晶、ポリマー、ポリマー液晶複合物などの他の材料と同様に、種々の液晶混合物が存在する。ネマティック液晶は、スイッチングプロセス用の非常に適した材料であり、ネマティック液晶は、高い複屈折のために、速すぎず、数十ミリ秒から数秒までの範囲にあり、同時に、良好な伝達特性、低い駆動電圧、良好な偏光特性を有し、また価格が安い。一般に、スイッチング時間を減らすには、異なる材料を使用しなければならない。しかし、異なる材料は、他の不利な影響を有する。水晶の場合、これらの不利な影響は、たとえば、屈折率の小さな変化および大きな駆動電圧であり、または、強誘電性液晶の場合、偏光を変える特性を有する低い複屈折である。本発明による考えが、これらの、より速い材料に使用される場合、上述した欠点は、本発明によって達成される利点と比較して２次的な要素になる。

上述したように、本発明が利用する内部電圧降下によって、より複雑な電極およびその複雑な電極と関連する位相分布、たとえば、コマ球面組み合わせ素子または２Ｄコマ補正素子を生産することも可能になる。収差補正用の液晶補償素子は、今まで、個々の表面電極へ直接に供給線をつなぐことによってのみ生産されてきた。この場合、個々の主電極は直接駆動される。こうした素子は、常に大きな突然の位相変化を有し、その大きさは制御電極の数で支配される。１＊１の波面補正の場合、５つの駆動電極を仮定すると、５分の１のステップのみで波面が補正される。本発明による素子は、単一の駆動電圧のみを必要とし、さらに、非常に精密な位相量子化を可能にする。たとえば、これは、５０の主電極の場合５０分の１である。

補償素子１用の電圧取出しの、本発明による概念ならびに任意の所望形状の主電極用の供給電極３５の概念は、特に有利であり、このことは、球面収差およびコマ収差を補償する電極設計および素子でも同じである。対向電極の種々の構造を有する素子もまた、本発明により提供される。この場合、本発明によれば、電極構造３、３’は、対向するガラス基板４、４’上に配置される。したがって、コマ収差および球面収差は、たとえば、１つの素子で補償される。比較的複雑な主電極を有する、本発明による素子によって、任意の所望の収差、チェッカー格子、くさび配列などのような切換え配列、非対称球面補正、任意の所望の半径方向対称補正、または素子に局所的に一体化される特別の機能が可能になる。本発明の範囲は、同様に、２度以上の電位降下を使用する内部電極を有する素子を含む。この場合に、２つ以上の横電極３２および１つの電圧供給を用いる解決策だけでなく、２つ以上の横電極３２および２つ以上の電圧供給器を用いる解決策もまた提供される。本発明による多層電極構造を、たとえば、絶縁層および電圧導管を用いて作成することができる。

他の例示的な実施形態が以下の文書に記載されている。これらは、波面を補正するのに特に性能のよい電極分布を有する変形形態を示す。以下の図面で示されている電極構造に対する全ての拡張を使用して、今や、ほぼ任意の所望の形態を有する回転対称の位相分布が生成される。上述した例は、主に球面分布を述べたが、本明細書でより詳細に述べられる非球面分布もまた含む。グラフは、横電極にわたって降下する電圧分布の略図を示す。液晶層で得られる位相シフトは、図４に示す位相シフト／電圧特性の補助によって達成される。したがって、種々の方法で補正される波面を、選択される電圧範囲に依存して生成することができる。

図５は、図２に関連して述べた電極に対応する、補正電極、駆動電極３１、横電極３２および主電極３３を有する、本発明による電極構造を示している。開口３４は、ある程度広く保たれ、主電極３３の少なくとも１つに接続される補正電極３８、３９が通過するのを可能にする。

この構成は、図６に詳細に示されている。図６は、部分的にだけ、すなわち、せいぜい不完全に示されている横電極３２および主電極３３、ならびに、補正電極３８、３９を示す。横電極３２と同様に、これらの補正電極は、開口３４を通り、いずれも、主電極３３の一方に、接触点３０で接続されている。この主電極３３はまた、電極構造３（本明細書では示さず）の左手エリアで横電極３２に接続されているため、このことによって、横電極３２上の電位分布が変わる。この拡張した球面電極分布によって、位相マッチングの改善または高次の回転対称分布の生成を行なうことが可能になる。補正電極３８、３９を使用して、球面分布が変えられる。

図７は、水平軸上にプロットした半径Ｒに対して、垂直軸に沿ってプロットした電圧降下Ｕを示す。電圧分布についての鏡像軸７が、半径Ｒ＝０によって、言い換えれば、環状主電極２２の中心に示されている。Ｋ１、Ｋ２は、補正電極がそこに作用する点を示す。見て取れるように、最大半径Ｒｍａｘと補正電極がそこに作用する点Ｋ１と点Ｋ２の間の電位分布は、ほぼ線形であるが、点Ｋ１、Ｋ２にキンク（ｋｉｎｋ）が存在する。

図８は、図５に対応する、異なる分布の電圧降下を示しており、補正電極３８、３９上の電圧は、点Ｋ１と点Ｋ２の間の傾斜が、分布の残りの部分の傾斜と逆になるように選択されている。

図９は、変更型横電極３２を有する電極構造を示す。図１と関連して述べられるように、左手エリアの横電極３２は、主電極３３に接続されているが、開口３４は、右手エリアに設けられている。横電極３２には、左手エリアに太くなった領域８が設けられている。したがって、領域の抵抗は、局所的に変わる。言い換えれば、取り出される電圧は、取出し点間の距離が同じであっても、互いに関して変わる。もう一度、このことによって、波面が所望の特性に理想的にマッチングすることが可能になる。

図１０は、概略を示す、拡大した変更型横電極３２を示す。この場合、太くなった領域８は、所定の範囲にわたって一様でかつ延びている、一定の広い断面領域に存在するが、右側にさらに示すように、不規則な幅の領域にも作成される。

図１１は、横電極３２上に可変タップを有する、図２からの電極構造を示す。主電極３３が横電極３２に接続されている取出し点３７は、図２と対照的に、もはや等間隔で配置されず、互いから異なる距離だけ離れている。供給電極３５が、横電極３２と主電極３３の間を接続するために設けられている。

この詳細は図１２に示される。

図１３は、一定断面を有する横電極についての電圧降下を示す。この場合のグラフは、図７および８のグラフに対応する。グラフは、半径にわたって、傾斜角度αを有する線形分布を示す。この場合、αは、最大値αｍａｘ＝４５°を超えることができない。

図１４は、図１３に対応する電圧降下だが、可変断面を有する横電極についての電圧降下を示す。電圧上昇αは、断面の変化に応ずるように変化するが、この場合も、電圧上昇は上限値αｍａｘを超えることができない。

図１５は、図１４に対応する電圧降下だが、供給電極３５を使用する場合の電圧降下を示す。この場合に可能である、取出し点３７間の距離を広げることおよび狭めることによって、図１４のグラフにおけるαｍａｘより大きい傾斜αを達成することが可能になる。この傾斜はまた、なかでも、より密な交互配置を可能にする、小さな断面の供給電極３５による。

補償素子を貫通する断面を示す図である。 球面収差用の電極構造を示す図である。 コマ収差用の電極構造を示す図である。 位相シフト／電圧特性を示す図である。 補正電極を有する電極構造を示す図である。 図５からの詳細図である。 図５に関する第１変形形態による、横電極にわたる電圧降下を示す図である。 図５に関する第２変形形態による、横電極にわたる電圧降下を示す図である。 変更型横電極を有する電極構造を示す図である。 図９からの詳細図である。 可変取出しを有する電極構造を示す図である。 図１１からの詳細図である。 一定断面を有する横電極に対する電圧降下を示す図である。 可変断面を有する横電極に対する電圧降下を示す図である。 供給電極を有する横電極に対する電圧降下を示す図である。

符号の説明

１ 光学補償素子
２ 材料 ３ 構造化電極
３’ 構造化電極、透明電極
４ 第２透明面
４’ 第１透明面
５ ポリイミド層
６ スペーサ
８ 可変断面
３１ 駆動電極
３２ 横電極
３３ 透明主電極
３４ 横電極
３５ 供給電極
３６ 透明主電極
３７ 接点
３８ 補正電極
３９ 補正電極

Claims (8)

1. 第１の駆動電極と第２の駆動電極に接続されて、第１の駆動電極から第２の駆動電極方向に電圧降下を示す横電極と、
   透明電極が取り付けられている第１の透明面と、
   それぞれが横電極に１点のみで接続する多数の透明な主電極が配置されている第２の透明面と、
   屈折率を印加電圧に応じて変え、第１の透明面と第２透明面の間に配置されている材料と、
   第１及び第２の駆動電極とは異なる駆動電極により電圧が印加され、それぞれが１つの主電極と１点で接続する、少なくとも１つの補正電極と、
   を有している光学補償素子。
2. 前記横電極と、前記第１及び第２の駆動電極は同じ材料でできており、前記横電極の断面は、前記第１及び第２の駆動電極の断面より小さい、
   請求項１に記載の光学補償素子。
3. 前記主電極は、実質的に回転対称に配置される、
   請求項１又は２に記載の光学補償素子。
4. 前記主電極は、異なる半径を有する、ほぼ閉じた複数のリングの形態であり、開口の対向する側で横電極に接続されている、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の光学補償素子。
5. 異なる電圧を前記第１の駆動電極に印加することができる、
   請求項１から４のいずれか１項に記載の光学補償素子。
6. 前記横電極の断面は、一定ではない、
   請求項１から５のいずれか１項に記載の光学補償素子。
7. 前記横電極と各主電極の接点は、等間隔でないように配置されている、
   請求項１から６のいずれか１項に記載の光学補償素子。
8. 請求項１から７のいずれか１項に記載の光学補償素子を有する、光学記録媒体の再生及び／又は記録装置。

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