JP4419739B2

JP4419739B2 - 光ヘッド装置

Info

Publication number: JP4419739B2
Application number: JP2004215961A
Authority: JP
Inventors: 利昌垣内
Original assignee: Asahi Glass Co Ltd
Current assignee: AGC Inc
Priority date: 2004-07-23
Filing date: 2004-07-23
Publication date: 2010-02-24
Anticipated expiration: 2024-07-23
Also published as: JP2006040343A

Description

本願発明は位相差板および位相差板を用いた光ヘッド装置に関する。

光ヘッド装置の代表的な構成例を図３に示す。図３において、半導体レーザ３０１から出射された直線偏光のレーザ光は、回折格子３０２によりメインビームとサブビームに分割され、偏光ビームスプリッター３０３を透過し、１／４位相差板３０４により円偏光に変換され、対物レンズ３０５により光記録媒体３０６面上に集光、照射される。情報記録面で逆回りの円偏光になって反射された戻り光は、対物レンズ３０５を経由して１／４位相差板３０４を再度透過して入射光と直交する方向の直線偏光に変換され、偏光ビームスプリッター３０３で反射されてフォトディテクター３０７に導かれ、光学記録情報が読み取られる。このように１／４位相差板を用いることにより、往路と復路とで直線偏光の偏光方向を切り替えて、光源からの光を有効に利用することができる。

光ヘッド装置の光学系では波面収差が小さいことが要求されるので、光源として有限系と呼ばれる発散光もしくは収束光を使用しようとすると、位相差板は、入射角度に対する位相差の変化が小さいことが必要である。光ヘッド装置に用いられる位相差板用材料としては、水晶、有機分子を一定方向に配列させた有機フィルムや液晶などの複屈折材料が候補に挙げられるが、まず、水晶は入射角度依存性が大きく、また、一軸延伸ポリカーボネートに例示される、有機分子を一定方向に配列させた有機フィルムは、吸水して波面収差が変動したり、表面のうねりによる波面収差をもったりする、といった問題点をそれぞれ有している。

従来の、液晶を用いた位相差板は、構成の断面を図４に示すように、配向膜５０３、５０４を有する透明基板５０１、５０２の間に液晶層５０７が挟持されてなり、液晶層５０７はラビング方向に水平配向している。このような液晶層を用いた位相差板では、対湿信頼性は問題ないが、他方、位相差の入射角度依存性が十分小さいということはできず、位相差板を透過したビーム光面内の位相状態が同心円状の分布と異なっているため再生特性および記録特性の劣化を引き起こしていて、改善が望まれていた。

特開２０００−２２１３２３号公報

本願発明は、位相差の入射角度依存性が小さい位相差板を用いた光ヘッド装置を提供することを目的とする。

本願発明は、前述の課題を解決するためになされたものであり、光源と、前記光源からの光を光記録媒体に集光させる対物レンズと、前記光源と前記対物レンズとの間の発散光または収束光の光路中に設けられた位相差板と、を備えた光ヘッド装置であって、前記位相差板は、２枚の透明基板と、２枚の前記透明基板の間に挟持された液晶層を有し、前記液晶層は、前記透明基板と平行な面内では実質的に液晶分子が一方向に配列しており、２枚の前記透明基板の面と垂直かつ液晶分子の配列方向と平行に切った断面面内では、前記透明基板近傍の液晶分子は、前記透明基板面から実質的に同じ角度で傾いて配列していて、かつそれぞれの前記透明基板間では液晶分子の長軸方向は非平行であって、前記液晶層の厚さ方向の中央部の液晶分子は前記透明基板面と実質的に平行に配列している構造を有することを特徴とする光ヘッド装置を提供する。

このとき、液晶層の前記配列は、２枚の前記透明基板の液晶層が接する面に配向処理を施して形成されていることが好ましく、前記配向処理は、透明基板の液晶層と接する面に水平配向膜を形成してその表面を一方向にラビングする配向処理であって、対向する基板のそれぞれに施されたラビング処理の向きのなす角度が０°であることが好ましい。かかる水平配向膜としては、ポリイミド膜が好ましく用いられる。

また、前記液晶層は、高分子液晶からなることが好ましい。
さらにまた、本願発明は、前記位相差板は、２枚の前記透明基板面の垂直軸に対して入射する光の入射角度と、与える位相差との関係が、前記垂直軸に対して対称となる入射角度依存性となる上記の光ヘッド装置を提供する。また、前記位相差板は、２枚の前記透明基板面の垂直軸に対する入射角度が−１５°〜＋１５°の入射光において、位相差のばらつきが０°〜２°である上記の光ヘッド装置を提供する。さらに、前記位相差板は、１／４位相差板である上記の光ヘッド装置を提供する。

本願発明により、位相差の入射角度依存性が小さい位相差板が実現される。かかる位相差板を光ヘッド装置に用いると、波面収差を低減できるので、光記録媒体の再生特性および記録特性の向上が可能になる。

本願発明者は、液晶層を用いた位相差板について種々の検討をおこなった結果、配向処理方向と位相差の入射角度依存性との関係を見出し、本願発明に到った。
以下、図１の模式的断面図を用いて、本願発明の位相差板について説明する。

本願発明の光ヘッド装置に用いる位相差板は、所定の間隔で対向させた２枚の透明基板と、その間に挟持された液晶層とからなり、前記液晶層は、基板と平行な面内では液晶分子は実質的に一方向に配列しており、基板と垂直かつ液晶分子の配列方向と平行に切った断面面内では図１（ａ）に示すように、基板近傍の液晶分子は基板面から実質的に同じプレチルト角で傾いて配列していて、かつそれぞれの基板間では液晶分子の長軸方向は非平行であって、液晶層の厚さ方向の中央部の液晶分子は基板面と実質的に平行に配列していることを特徴とする。

かかる液晶分子の配列は、前記透明基板に配向処理を施すことにより好ましく形成され、かかる配向処理を施された２枚の透明基板は、配向処理面を対向させて所望の基板間隔で配設される。かかる配向処理は、透明基板の液晶層が接する面を直接ラビングする方法、あるいは液晶層が接する面にまず水平配向膜を形成し、その表面をラビングする方法により施され、それぞれの透明基板に施されたラビング処理の向きのなす角度は０°とされることが好ましい。すなわち、２枚の基板を対向させて配設したときに、それぞれの基板に施されたラビング処理の向きのなす角度が、図１（ｂ）の矢印１０５、１０６で示したように０°となるように処理を施すことが好ましい。

液晶層は、低分子液晶あるいは高分子液晶のいずれを用いて形成してもよい。かかる液晶層は、前記基板の間隙に液晶組成物を注入して形成することが好ましい。液晶組成物として高分子液晶を用いると、固体状態のため配向方向が物理的に固定されて安定しており、また、液晶が漏れないように素子毎にシールを形成する必要がなく、さらに、シールをした場合でも液体状態の低分子液晶より熱膨張率が小さいため、周縁部のシールと液晶との熱膨張率差により高温下で位相差板が太鼓状に膨張して収差を生じるという問題が生じにくいので好ましい。また、配向処理により配向可能な複屈折媒質があれば、液晶に代えてそれを用いてもよい。

高分子液晶からなる液晶層（以下、高分子液晶層という）は、前記配向処理された透明基板が所望の間隔で対向、配設されたセル中に重合性液晶組成物を充填し、重合させて形成することが好ましい。重合は光重合でおこなうのが好ましく、重合性液晶組成物が液晶状態を保つ温度でおこなわれる。このようにして形成された高分子液晶層では、前記配向処理の効果により、所望の配向状態が得られる。すなわち、前記高分子液晶層１０７は、各基板近傍では基板面に対してプレチルト角１０８、１０９だけ傾いて配向するとともに、液晶層中心部では基板面に平行に配向している、液晶層中心面に対して対称な構造を有している。

本願発明の位相差板では、入射光は各々の基板近傍で逆向きのプレチルト角で配向された液晶層を透過するため、図２に示した、入射させた平行光の入射角度を横軸に取ったときの、各入射角度に対する位相差の変化のグラフからわかるように、基板面の垂直軸に対して対称な位相差の入射角度依存性を示す。このことから、入射光として発散光もしくは収束光を用いても、位相差板を透過した光の位相差はビーム光面内で同心円状の良好な分布が得られ、ビームの拡がり角が３０°の発散光源を用いても、位相差のばらつきは−２°〜０°で良好であった。

一方、それぞれの基板に施した配向処理方向のなす角度が１８０°となるように、図４（ｂ）に矢印５０５、５０６で示す配向処理を施すと、配向膜５０３、５０４の効果により、得られる液晶層は、基板面と平行な面内ではラビング方向に配列して、ラビング方向と平行に切った断面面内では、基板面に対してプレチルト角５０８、５０９だけ傾いて配列し、図４（ａ）に示す断面図のように液晶層全体が基板面からプレチルト角だけ傾いた配向構造をもつ。

このような液晶層の配向構造のため、かかる位相差板では基板に対する入射角度と液晶層の配向面に対する入射角度とが異なり、平行光が入射したときの入射角度に対する位相差の変化は、図５に示したように基板面の垂直軸に対して非対称となる。同構成の位相差板を、発散光もしくは収束光が入射する光ヘッド装置に用いると、位相差板を透過した光の位相差はビーム光面内で同心円状の分布とならないので、所望の再生特性および記録特性を得ることができなかった。また、ビームの拡がり角が３０°の発散光源を用いると、−５°〜＋１°と位相差のばらつきが大きかった。

前記配向膜としては、ポリイミド膜が好ましく用いられる。また、対向する基板では同じプレチルト角となることが好ましいので、前記配向処理は同様の処理条件でおこなうことが好ましい。
前記基板としては、ガラスまたは樹脂からなる透明基板が好ましく用いられる。前記の配向処理を施された２枚の透明基板は、所望の液晶層の厚さとなるように基板間隔を調整し、配向処理面を対向させて配設される。所望の基板間隔をえるためには、基板の周縁部にスペーサを混入したシール剤を塗布し、２枚の基板を接着することが好ましい。

液晶層の厚さは、例えば本願発明の位相差板を波長４０５ｎｍの光に対する１／４位相差板として用いる場合には、光の波長４０５ｎｍと、この波長における液晶層の常光屈折率と異常光屈折率との差Δｎと、から、与える位相差が１／４波長となるように決められる。また、本願発明の位相差板はＤＶＤ用６６０ｎｍ帯やＣＤ用７８０ｎｍ帯の光に対して用いてもよい。

次に本願発明の位相差板を用いた光ヘッド装置の一例について、概略の構成図を図３に示す。この例では光源として、波長（λ＝４０５ｎｍ）を発振する半導体レーザ３０１を用いた。光源からの出射光は、回折格子３０２、偏光ビームスプリッター３０３、本願発明の位相差板による１／４位相差板３０４、および対物レンズ３０５を透過し、光記録媒体３０６の情報記録面に集光される。光記録媒体３０６から反射された光は、対物レンズ３０５および本願発明の１／４位相差板３０４を透過し、偏光ビームスプリッター３０３で反射されてフォトディテクター３０７に導かれる。前記レーザ光として拡散光あるいは発散光を用いても、本願発明の位相差板を透過した光の位相差はビーム光面内で同心円状の分布となるので、良好な再生特性および記録特性が得られた。

本願発明の位相差板は、上述のように１／４位相差板として用いてもよいが、１／２位相差板、５／４位相差板、その他の位相差を与える位相差板として設計、作製して用いることも可能である。

以下に本願発明を、例を挙げてさらに具体的に説明するが、本願発明は以下の説明に限定されるものではない。例１、例２は実施例、例３、例４は比較例である。

［例１］
図１に本例の位相差板の模式的断面図を示す。屈折率１．４７のガラス基板１０１、１０２にポリイミド膜１０３、１０４を塗布して形成し、表面を不織布により一方向にラビングして水平配向処理を施した。ラビング処理の向きは図１中に矢印１０５、１０６で示したように、長方形のガラス基板の一辺となす角が４５°であって、基板を対向させたときにそれぞれの基板に施したラビング処理の向きが同じになるようにおこなった。次いで、ガラス基板１０１、１０２を、間隔が２．５μｍで一定となるように周囲にスペーサを混入したシールを施して接着して空セルを形成し、さらに、シールに設けた注入孔（図示せず）から光重合性液晶化合物を空セル中に注入し、注入孔を封止後、紫外光を照射して液晶化合物を光重合させて高分子液晶層１０７を作製した。

作製した高分子液晶層１０７は、波長４０５ｎｍにおける屈折率が、常光屈折率ｎ_ｏが１．５２、異常光屈折率ｎ_ｅが１．５６で、厚みは２．５μｍであって、波長４０５ｎｍの光に対して１／４波長の位相差を与えるものであった。
得られた位相差板の位相差の入射角度依存性を測定すると、図２に示すように基板面の垂直軸に対して対称形の特性であった。

［例２］
例１の位相差板を用いて、図３に模式図を示す光ヘッド装置を作製した。波長４０５ｎｍを発振する半導体レーザ光源３０１からの出射光は、回折格子３０２、偏光ビームスプリッター３０３をこの順に透過してから本願発明の位相差板３０４に拡散光で入射し円偏光となり、対物レンズ３０５により光記録媒体３０６の情報記録面に集光、照射される。情報記録面で反射され逆回りの円偏光になった戻り光は、対物レンズ３０５を透過して、本願発明の位相差板３０４に収束光で入射する。位相差板により光源とは直交する直線偏光となった戻り光は、偏光ビームスプリッター３０３で反射されてフォトディテクター３０７に導かれる。ここで本願発明の位相差板は、液晶の基板面内での配向方向が、入射する直線偏光の偏光方向となす角度が４５°となるように配設した。
本願発明の位相差板を用いることにより、光源からの光を有効に利用することができた。また、位相差板透過後においても、光の位相状態はビーム面内で同心円状に均一な分布が保たれ、良好な再生特性および記録特性が得られた。

［例３］
配向処理の向きを図４の（ｂ）において矢印５０５、５０６で示したように、それぞれの基板間でなす角度を１８０°とした以外は例１と同様にして、本例の位相差板を作製した。作製した高分子液晶層５０７は、例１と同じく、波長４０５ｎｍにおける屈折率が、常光屈折率ｎ_ｏが１．５２、異常光屈折率ｎ_ｅが１．５６で、厚みは２．５μｍであって、波長４０５ｎｍの光に対して１／４波長の位相差を与えるものであった。
得られた位相差板に平行光を入射角を変えて入射させて、位相差の入射角度依存性を測定すると、図５に示すように基板面の垂直軸に対して非対称形の特性であった。

［例４］
例３の位相差板を用いて、例２と同様に光ヘッド装置を作製して特性を評価すると、位相差板透過後の光に対してビーム面内で同心円状に均一な位相差分布が得られず、良好な再生特性および記録特性が得られなかった。

本願発明の光ヘッド装置に用いる位相差板は、位相差の入射角度依存性が対称形で小さいので、とくに有限系の光ヘッド装置に用いると、良好な再生特性および記録特性が達成される。

本願発明に用いる光ヘッド装置における位相差板の一例の構成を示す概略説明図。本願発明に用いる光ヘッド装置における位相差板の一例の位相差の入射角度依存性を示すグラフ。本願発明の光ヘッド装置の構成図。比較例における位相差板の構成を示す概略説明図。比較例における位相差板の位相差の入射角度依存性を示すグラフ。

符号の説明

１０１、１０２：ガラス基板
１０３，１０４：配向膜
１０５，１０６：ラビング方向
１０７：液晶
１０８，１０９：プレチルト角
３０１：半導体レーザ
３０２：回折格子
３０３：偏光ビームスプリッター
３０４：１／４位相差板
３０５：対物レンズ
３０６：光記録媒体
３０７：フォトディテクター
５０１、５０２：ガラス基板
５０３，５０４：配向膜
５０５，５０６：ラビング方向
５０７：液晶
５０８，５０９：プレチルト角

Claims

光源と、
前記光源からの光を光記録媒体に集光させる対物レンズと、
前記光源と前記対物レンズとの間の発散光または収束光の光路中に設けられた位相差板と、を備えた光ヘッド装置であって、
前記位相差板は、２枚の透明基板と、２枚の前記透明基板の間に挟持された液晶層を有し、前記液晶層は、前記透明基板と平行な面内では実質的に液晶分子が一方向に配列しており、２枚の前記透明基板の面と垂直かつ液晶分子の配列方向と平行に切った断面面内では、前記透明基板近傍の液晶分子は、前記透明基板面から実質的に同じ角度で傾いて配列していて、かつそれぞれの前記透明基板間では液晶分子の長軸方向は非平行であって、前記液晶層の厚さ方向の中央部の液晶分子は前記透明基板面と実質的に平行に配列している構造を有することを特徴とする光ヘッド装置。
前記液晶層における液晶分子が配列した構造が、２枚の前記透明基板の液晶が接する面に配向処理をおこなうことにより形成されていて、前記配向処理は、水平配向膜を形成してその表面を一方向にラビング処理する配向処理であって、それぞれの透明基板に施されたラビング処理の向きのなす角度が０°である請求項１に記載の光ヘッド装置。
前記液晶層が高分子液晶からなる請求項１または２に記載の光ヘッド装置。
前記水平配向膜がポリイミド膜である請求項１、２または３に記載の光ヘッド装置。
前記位相差板は、２枚の前記透明基板面の垂直軸に対して入射する光の入射角度と、与える位相差との関係が、前記垂直軸に対して対称となる入射角度依存性となる請求項１〜４いずれか１項に記載の光ヘッド装置。
前記位相差板は、２枚の前記透明基板面の垂直軸に対する入射角度が−１５°〜＋１５°の入射光において、位相差のばらつきが０°〜２°である請求項５に記載の光ヘッド装置。
前記位相差板は、１／４位相差板である請求項１〜６いずれか１項に記載の光ヘッド装置。