JP4729515B2 - 光ピックアップ装置 - Google Patents

Description

本発明は光ディスクへの情報の記録、および再生に用いられる光ピックアップ装置に関し、特にレーザー光源から出射された光の強度を調整する機構として用いられる液晶光学素子を搭載した光ピックアップ装置に関する。

光ピックアップ装置は、再生時にはレーザー光源から出射された特定の波長の光を光ディスクに集光し、この光ディスクから反射する光強度を受光素子で検出することで、記録時にはレーザー光源から出射された光の強度を制御し、色素記録相の分解（R）または相変化材料記録層の相変化（RW、RAM）などを行うことで、光ディスクへの情報の記録、再生を行うことができる。

また、レーザー光源から出射された光の強度は、再生時には光ディスクの記録層の劣化を防ぐために小さく、記録時には安定的に色素記録相の分解（R）または相変化材料記録層の相変化（RW、RAM）などを行うために大きくする必要がある。

そして、このレーザー光源から出射された光の強度を調整する手段としては、レーザー光源への注入電流を調整する手段や、レーザー光源への注入電流は変化させずに光の強度を調整する機構をレーザー光源の出射側に設ける手段があるが、ノイズが小さく安定した光強度を得るためには後者の方が望ましい。

そこで、レーザー光源への注入電流は変化させずに光強度を調整する機構の一つとして、液晶光学素子を搭載した光ピックアップ装置が提案された（例えば、特許文献１、２参照のこと）。この従来の光ピックアップ装置は、レーザー光源から出射された光の偏光状態（直線偏光）を液晶光学素子により変化させた後に偏光ビームスプリッタを通すことで、光強度を変化させることができる様に構成されている。

ここで、従来の光ピックアップ装置に搭載された液晶光学素子についての説明をする。
図８（ａ）は、従来の光ピックアップ装置に搭載された液晶光学素子の構成を示す断面図である。また、図８（ｂ）は、従来の光ピックアップ装置に搭載された液晶光学素子の正面図であり、液晶分子の入射偏光方向に対する配向状態を示している。

従来の光ピックアップ装置に搭載された液晶光学素子は、図８（ａ）に示す様に、透明電極３２と配向膜３３がそれぞれ形成された２枚の透明基板３１の間にシール材３４を介して液晶層３５が保持された構造をとる。その際、図８（ｂ）に示す様に、液晶分子３９の方位角およびチルト角を制御するために、配向膜３３にはラビング処理などの工程が施される。以下の説明では、入射偏光方向３６に対する液晶分子３９の配向方向３７の角度をラビング角（θ）３８と定義する。

このように、入射偏光方向３６に対して液晶分子３９の配向方向３７を異なる角度に設定した液晶光学素子を光ピックアップ装置に搭載することで、レーザー光源から出射された光の偏光状態（直線偏光）は、液晶光学素子を透過した後、それぞれ異なる偏光状態（主に異なる楕円偏光）となる。ここでは、液晶光学素子のラビング角（θ）３８は、０°＜θ＜４５°に設定される。

次に、液晶光学素子の透明電極間に電圧を印加した時に、偏向ビームスプリッタから出射する透過率の理想値について説明をする。
図９（ａ）は、液晶光学素子のラビング角（θ）が０°＜θ＜４５°の範囲で設定された、従来の光ピックアップ装置で実現できる透過率の電圧依存性の理想値（透過率理想曲線）を示す図面である。なお、本図に示す縦軸は規定化後の透過率を示し、横軸は駆動電圧［Ｖｒｍｓ」を示している。また、本図に示す１２７、１２６、１２５、１２４は、それぞれラビング角（θ）３８を０°、１５°、３０°、４５°に設定した時の透過率理想曲線を示している。

図９（ａ）から、ラビング角（θ）が０°から４５°に近づくにつれて、透過率理想曲線における極小値の透過率は小さくなり、液晶光学素子を用いて実現できる透過率の変化量は大きくなることが判る。

そして、レーザー光源から出射される光の偏光方向に対して、ラビング角（θ）３８を考慮して液晶光学素子を光路中に配設した従来の光ピックアップ装置は、例えば、光ディスクへ導かれる光の光量を９０％とした状態と、液晶光学素子の設置角度によって変化する極小値の状態とを切り替えて、光ディスクへの情報の記録又は再生を行うことができる様になる。

特開２００４−３９００４号公報（第３−４項、第１−２図） 特開２００３−１５７５６６号公報（第９項、第５図）

しかしながら、特許文献１、２に記載の液晶光学素子を備えた光ピックアップ装置は、下記に示す問題点を有していた。その問題点について図面を用いて説明をする。
図９（ｂ）は、液晶光学素子のラビング角（θ）が０°＜θ＜４５°の範囲で設定された、従来の光ピックアップ装置で実現できる透過率の電圧依存性の実測値（透過率実測曲線）を示している。なお、本図に示す１３７、１３６、１３５、１３４はそれぞれラビング角（θ）３８を０°、１５°、３０°、４５°に設定した時の透過率実測曲線を示している。

先に示した透過率理想曲線を示した図９（ａ）と、透過率実測曲線を示した図９（ｂ）とを比較すると、ラビング角（θ）３８が０°＜θ＜４５°の範囲で設定された液晶光学素子の光学特性は、偏光状態の変化による光強度の変化の他に、内部干渉による光強度の変化が加わるため、透過率の電圧依存性の理想値（透過率理想曲線）とは大きく異なって歪んでいることが判る。この現象は、レーザー光源から出射される光の偏光方向に対して、ラビング角（θ）３８を、０°または１５°に設定すると、より顕著に現れている。

この透過率の電圧依存性を示す曲線は、極小値を軸として対称ではなくなり、シミュレーションによる設計が困難となる。また、液晶光学素子の液晶層の厚さや、光ピックアップ装置のレーザー波長の分布や、装置の使用温度等が変わると、素子内の内部干渉による影響が異なってしまい、透過率の電圧依存性がバラついてしまうという問題も生ずる。したがって、光ピックアップ装置に、０°や１５°にラビング角（θ）が設定されたこの液晶光学素子を搭載したとしても、安定した透過率の電圧依存性を持たないという問題を有することは明らかである。

そこで、本発明は上記課題を解決し、安定した透過率の電圧依存性を有する液晶光学素子を搭載した光ピックアップ装置を提供することを目的とする。

本発明の光ピックアップ装置は、光ビームを出射するレーザー光源と、光ビームを光デ
ィスクに集光する対物レンズと、レーザー光源から出射された光ビームと光ディスクから反射された光ビームとを分離する偏光ビームスプリッタと、レーザー光源と偏光ビームスプリッタとの間に配置された、レーザー光源から出射される光ビームの偏光状態を変える液晶光学素子とを備え、液晶光学素子に入射する光ビームの偏光状態を変更して、偏光ビームスプリッタから出射される光ビームの光量調整を行う光ピックアップ装置において、液晶光学素子が、レーザー光源から出射される光ビームの偏光方向に対する、液晶分子の配向方向との成す角θが、４５°＜θ＜９０°となる様に設定されていることを特徴とするものである。

本発明の光ピックアップ装置によれば、安定した透過率の電圧依存性を有する液晶光学素子を搭載した光ピックアップ装置を提供することができる。

まず、本発明の光ピックアップ装置の構成と作用について説明する。
図１は、本発明の光ピックアップの構成を示す図面である。

本発明の光ピックアップ装置１は、レーザー光源２と、コリメートレンズ３と、液晶光学素子４と、電圧制御装置５と、偏向ビームスプリッタ６と、λ／４板７と、対物レンズ８と、アクチュエータ９と、受光素子１１とを有して構成される。

レーザー光源２から出射された直線偏光で発散光のレーザー光は、コリメートレンズ３によって直線偏光で平行光に変換され、液晶光学素子４によって偏光状態が変換され、偏光ビームスプリッタ６によってその一部の偏光の光が直線偏光として透過する。そして、この偏向ビームスプリッタ６を透過する直線偏光は、液晶光学素子４への電圧印加を電圧制御装置５で行うことによって偏光状態が制御されて、目的の光強度を達成することができる様になる。その後、偏向ビームスプリッタ６を通過した直線偏光は、λ／４板７によって円偏光に変換され、アクチュエータ９に搭載された対物レンズ８によって光ディスク１０に集光される。

光ディスク１０から反射された光は、アクチュエータ９に搭載された対物レンズ８によって円偏光の平行光に変換され、λ／４板７によって円偏光は直線偏光に変換されて偏光ビームスプリッタ６によって光路が曲げられ、対物レンズ８によって集光された後、受光素子１１によって光強度が検出される。

次に、液晶光学素子４の構成と作用について説明する。
図２（ａ）は、本発明の光ピックアップ装置１に搭載される液晶光学素子４の構成を示す断面図である。図２（ｂ）は、本発明の光ピックアップ装置１に搭載される液晶光学素子４の正面図であり、液晶分子の入射偏光方向に対する配向状態を示す図面である。

基本的な液晶光学素子４の構成は従来の構成と同じであり、透明電極３２と配向膜３３が形成された２枚の透明基板３１の間に、シール材３４を介して液晶層３５が保持された構造をとる。ここで従来の構成と大きく異なる点は、本発明の光ピックアップ装置に搭載された液晶光学素子４は、入射偏光方向３６に対する液晶分子３９の配向方向３７の角度に相当するラビング角（θ）３８が、４５°＜θ＜９０°の範囲で設定されていることである。

次に、本発明の光ピックアップ装置に搭載された液晶光学素子４の透明電極間３２に電圧を印加した時の透過率の理想値について説明をする。
図３（ａ）は、液晶光学素子４のラビング角（θ）３８（図２（ｂ）参照）が４５°＜
θ＜９０°の範囲で設定された、本発明の光ピックアップ装置で実現できる透過率の電圧依存性の理想値（透過率理想曲線）を示す図面である。なお、本図に示す縦軸は規定化後の透過率を示し、横軸は駆動電圧［Ｖｒｍｓ」を示している。また、本図に示す１２１、１２２、１２３、１２４は、それぞれラビング角（θ）３８を９０°、７５°、６０°、４５°に設定した時の透過率理想曲線を示している。

図３（ａ）から判るように、ラビング角（θ）３８が９０°から４５°に近づくにつれて極小値における透過率は小さくなり、本発明の光ピックアップ装置に搭載された液晶光学素子４を用いて実現できる透過率の変化量は大きくなることが判る。

また、本発明に係る透過率理想曲線を示した図３（ａ）と、従来の透過率理想曲線を示した図９（ａ）とを比較してわかる様に、レーザー光源から出射された直線偏光の光の偏光状態が、液晶光学素子４によって変換される時、ラビング角（θ）３８が０°＜θ＜４５°とした従来の液晶光学素子と、４５°＜θ＜９０°とした本発明に係る液晶光学素子４を透過した光の楕円率は、ラビング角（θ）３８が４５°の時を境として同じになる。それにより、偏光ビームスプリッタを透過した後の光強度は、ラビング角（θ）３８が４５°の時を境として同じになる。例えば、図３（ａ）におけるラビング角（θ）３８が６０°の透過率理想曲線１２３と、図９（ａ）における３０°の透過率理想曲線１２５は全く同じ透過率理想曲線となる。

ところが、ラビング角（θ）３８が０°＜θ＜４５°と４５°＜θ＜９０°とした液晶光学素子を搭載した光ピックアップ装置１では、偏光状態の変化による透過率の電圧依存性は同じであるが、従来の技術で問題となる内部干渉による光強度の変化に関しては大きく異なっている。その特性面における相違点について以下に説明する。

図３（ｂ）は、液晶光学素子４のラビング角（θ）３８が４５°＜θ＜９０°の範囲で設定された、本発明の光ピックアップ装置で実現できる透過率の電圧依存性の実測値（透過率実測曲線）を示す図面である。なお、本図に示す１３１、１３２、１３３、１３４は、それぞれラビング角（θ）３８を９０°、７５°、６０°、４５°に設定した時の透過率実測曲線を示している。

図３（ｂ）から判るように、液晶光学素子４のラビング角（θ）３８が４５°＜θ＜９０°の範囲で設定された、本発明の光ピックアップ装置で実現できる透過率の電圧依存性の実測値は、内部干渉による光強度の影響が少なく、透過率の電圧依存性の理想値（図３（ａ）参照）とほぼ同じ曲線となる。

ここで、ラビング角（θ）３８が０°＜θ＜４５°の時に内部干渉の影響が大きく、４５°＜θ＜９０°の時に内部干渉の影響が小さいことの原理について説明をする。
図４は、内部干渉が発生する原理を説明するための図面である。また、図５は、液晶分子３９に入射した入射光電場１５１が液晶分子の長軸と短軸方向にどのような電場成分として分けられるかを示すための図面である。なお、本図（ａ）は液晶分子３９が平行に配向している状態を、本図（ｂ）は液晶分子３９が垂直に配向している状態を示している。

図４に示すように、レーザー光源から出射された入射光１４１は、液晶層３５を透過する透過光１４４と、透明基板や透明電極などに反射された反射光１４２と、一度透過してから反射する反射光１４３とに分かれる。この反射光１４２と反射光１４３の光の位相差の変化が、主に液晶光学素子の内部干渉を発生させる原因となり、透過光１４４の強度の周期的な変化をもたらすこととなる。

そして、図５に示すように、液晶分子３９に直線偏光の光がある角度（ラビング角（θ
）３８）で入射した場合、入射光電場１５１は、常光電場１５２と異常光電場１５３に分けられる。液晶光学素子４に電圧を印加した時、液晶配向状態が例えばホメオトロピックの場合には、垂直配向状態（図５（ｂ））から平行配向状態（図５（ａ））に液晶の配向状態が変化し、常光方向の屈折率はｎｏのままであるが、異常光方向の屈折率は電圧印加時にｎｏからｎｅに変化する。

図４に示す内部干渉の発生する原因となる反射光１４２と反射光１４３との光の位相差の変化は、液晶層３５の厚さが一定であれば屈折率の変化のみにより生じるため、内部干渉に寄与するのは異常光のみであると言える。ところが、図５に示す異常光電場１５３の大きさはｃｏｓθに比例するため、θが０°に近いほど内部干渉の効果は大きく、θが９０°に近いほど内部干渉の効果は小さくなると考えられる。

このように、液晶光学素子４に用いられる液晶層３５の液晶配向状態は、例えばホモジニアス、ホメオトロピック、ハイブリッドなど、液晶分子３９の方位角が入射偏光方向に対して揃っている液晶配向状態の時に、本発明の効果を得ることができる。

次に、内部干渉の影響の大きさがラビング角（θ）にどのように依存するかを説明する。
図６は、液晶光学素子４の内部干渉による透過率の電圧依存性を示す図面（実測値）であり、透過率の変動幅の大きさが内部干渉の影響の大きさを示しており、縦軸は規定化後の透過率を示し、横軸は駆動電圧［Ｖｒｍｓ」を示している。また、本図に示す１６１、１６２、１６３、１６４、１６５、１６６、１６７は、ラビング角（θ）３８が９０°、７５°、６０°、４５°、３０°、１５°、０°とした時の透過率の電圧依存性における実測透過率変動を示している。図７は、内部干渉の影響による透過率変動幅を規格化したものを、ラビング角に対してプロットした図面であり、内部干渉の影響の大きさを数値として示したものであり、縦軸は規定化後の内部干渉変動幅を示し、横軸はラビング角（θ）［°］を示している。

図６から、内部干渉の影響による透過率の変動幅は、ラビング角（θ）が０°から９０°になるにつれて小さくなり、内部干渉の影響が小さくなっている現象が読み取れる。

また、図７から、本図のプロットは（ｃｏｓ２θ＋１）／２の曲線に従い、ラビング角（θ）が、０°から９０°になるにつれて内部干渉の変動幅は減少していくことが判る。この現象は、光強度が異常光電場の２乗に比例することに由来する。

なお、図７より、ラビング角（θ）が０°＜θ＜４５°の場合には、内部干渉の影響による変動幅が大きい領域になってしまうが、ラビング角（θ）が４５°＜θ＜９０°の場合には、内部干渉の影響による変動幅が小さい領域であり、ラビング角（θ）が４５°と大きく異なるラビング角を持つ液晶光学素子４ほど、内部干渉の影響による変動幅を大きく抑えることができる。

この様に、本発明の光ピックアップ装置１は、レーザー光源２から出射された光の偏光方向（入射偏光方向）と、液晶分子の配向方向の相対的な角度（ラビング角（θ））が４５°＜θ＜９０°となるように設置された、または液晶光学素子４の液晶分子の配向方向３７が入射偏光方向３６に対して４５°＜θ＜９０°となるように設置された液晶光学素子を有して構成される。

そして、この光ピックアップ装置１は、従来の技術で設定されているラビング角（θ）（０°＜θ＜４５°）を持つ液晶光学素子と同じ、偏光状態の変化による透過率の電圧依存性を持つが、本発明に係る液晶光学素子４の液晶層の厚さや、光ピックアップ装置のレ
ーザー波長の分布や、装置の使用温度等が変わることに起因して起こる、透過率の電圧依存性を歪ませる内部干渉の問題を極力抑えることができ、透過率の電圧依存性を示す曲線がほぼ対称になる。よって、本発明の光ピックアップ装置は、シミュレーションによる設計が容易で、安定した透過率の電圧依存性を有する液晶光学素子４を搭載した装置となる。

発明の光ピックアップ装置の構成を示す図面である。 本発明の光ピックアップ装置に搭載される液晶光学素子の構成を示す断面図と、液晶分子の入射偏光方向に対する配向状態を示す図面である。 本発明の光ピックアップ装置で実現できる透過率の電圧依存性の理想値を示す図面である。 本発明の光ピックアップ装置で実現できる透過率の電圧依存性の実測値を示す図面である。 本発明に係る液晶光学素子の内部干渉が発生する原理を説明するための図面である。 本発明に係る液晶光学素子の液晶分子に入射した入射光電場が液晶分子の長軸と短軸方向にどのような電場成分として分けられるかを示すための図面である。 本発明に係る液晶光学素子の内部干渉による透過率の電圧依存性を示す図面（実測値）である。 本発明に係る液晶光学素子の内部干渉の影響による透過率変動幅を規格化したものを、ラビング角に対してプロットした図面である。 従来の光ピックアップ装置に搭載される液晶光学素子の構成を示す断面図と、液晶分子の入射偏光方向に対する配向状態を示す図面である。 従来の光ピックアップ装置で実現できる透過率の電圧依存性の理想値（透過率理想曲線）を示す図面である。 従来の光ピックアップ装置で実現できる透過率の電圧依存性の実測値（透過率実測曲線）を示す図面である。

符号の説明

１ 光ピックアップ装置
２ レーザー光源
３ 液晶光学素子
４ コリメートレンズ
５ 電圧制御装置
６ 偏光ビームスプリッタ
７ λ／４板
８ 対物レンズ
９ アクチュエータ
１０ 光ディスク
１１ 受光素子
３１ 透明基板
３２ 透明電極
３３ 配向膜
３４ シール材
３５ 液晶層
３６ 入射偏光方向
３７ 配向方向
３８ ラビング角（θ）
３９ 液晶分子
１２１〜１２４ 透過率理想曲線
１３１〜１３４ 透過率実測曲線
１４１ 入射光
１４２、１４３ 反射光
１４４ 透過光
１５１ 入射光電場
１５２ 常光電場
１５３ 異常光電場
１６１〜１６７ 実測透過率変動

Claims (1)

1. 光ビームを出射するレーザー光源と、前記光ビームを光ディスクに集光する対物レンズと、前記レーザー光源から出射された光ビームと前記光ディスクから反射された光ビームとを分離する偏光ビームスプリッタと、前記レーザー光源と前記偏光ビームスプリッタとの間に配置された、前記レーザー光源から出射される光ビームの偏光状態を変える液晶光学素子と、を備え、当該液晶光学素子に入射する光ビームの偏光状態を変更して、前記偏光ビームスプリッタから出射される光ビームの光量調整を行う光ピックアップ装置において、
   前記液晶光学素子は、前記レーザー光源から出射される光ビームの偏光方向に対する、液晶分子の配向方向との成す角θが、４５°＜θ＜９０°となる様に設定されている
   ことを特徴とする光ピックアップ装置。

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