JPH03179320A - 偏光素子及び光学ヘッド装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、光の偏光状態を変換する偏光素子並びにそれ
を用いた光学ヘッド装置に関するものである。

従来の技術 従来、光の偏光状態を変換する偏光素子として、光学ヘ
ッド装置等の光学系では１／４波長板や１／２？ｌｌ長
板等の直線位相子が用いられてきたが、これらは光の偏
光状態を全面にわたって均一に変換するものであった。

一方、主にツイスト・ネマチック液晶（以下、ＴＮ液晶
とよぶ）を用いた表示装置等では　液晶の配列状態を変
化させ、画素単位で偏光状態の変換を行うが、　画素の
微細化（現在１００〜２００μｍ角程度）にも限界があ
った しかるに近風　光導波路やグレーティング等を組み合わ
せた光集積素子において、小面積内で、空間的に異なっ
た分布をもつ偏光状態を直線偏光などの均質な偏光状態
に　また均質な偏光状態を空間釣具なったに分布をもつ
偏光状態に変換することが要求されつつある。

特に　同心円形状のグレーティングカプラを用いて導波
光を導波路外部に放射する光集積素子の場合、同心円の
接線方向または動径方向に振動面をもつ偏光状態と均質
な偏光状態との変換を行なう必要があったパ　この様な
偏光変換を実現する素子は過去にはなかっ？。

そこで、本出願人は上記機能を有する偏光素子およびそ
れを用いた光学ヘッド装置を、本願出願に先行する国際
出願ＰＣＴ−ＪＰ８９−００７９６において提示した　
以下、これを先行例と記九まず、第７図から第９図まで
を用いて、先行例における偏光素子およびそれを用いた
光学ヘッド装置を説明する。

第７図は先行例における光学ヘッド装置の構成図であも 図に於いて、Ｓｉ基板１上に低屈折率の透明層２が形成
され　その上に高屈折率の透明層３Ａ、　３Ｂが形成さ
れている。透明層３Ａは円形状であり、３Ｂは３Ａを取
り巻く輪帯状であり、両者間は断絶している。透明層３
Ａ、　３Ｂの表面には中心軸りに対し同心円状のグレー
ティングカプラ４Ａ、４Ｂが形成されている。

透明層３Ａの表面には低屈折率の透明層５Ａを挟んで高
屈折率の透明層３Ｃが形成され　透明層３Ｃは透明層３
Ｂとそのグレーティングカプラ４Ｂの内周側に面した領
域で接する。透明層３Ｃの表面には中心軸りに関し同心
円状のグレーティングカプラ４Ｃが形成されている。透
明層３Ｂの表面にはグレーティングカプラ４Ｂの領域を
覆う形で低屈折率の透明層５Ｂが形成されており、透明
層５Ｂの屈折率は透明層５Ａに等し賎 Ｓｉ基板Ｉには透明層３Ａ、３Ｂ間の断絶部に相当する
位置に光検出器６Ａ、　６Ｂが形成されており、検出器
６Ａ、　６Ｂを覆う形で透明層５Ａ内に反射膜７が形成
されている。Ｓｉ基板１の中心軸り近傍部分はエツチン
グ等によって中空にされている。

半導体レーザー８を出射した直線偏光の光は集光レンズ
９により集光され　偏光素子１０Ａによって同心円接線
方向（または動径方向）の電界ベクトルをもつ光１１に
変換されも　この光１１が同心円形状のグレーティング
４Ｃによって導波層３Ｃ内に入カレ　層内を外周方向に
向かって伝搬するＴＥモード（またはＴＭモード）の導
波光１２Ｃとなる。

導波光１２Ｃは導波層３Ｃの最外周領域で導波層３Ｃか
ら導波層３Ｂに移り導波光１２Ｂとなも導波光１２Ｂは
グレーティングカプラ４Ｂにより放射光１３となる力丈
　この放射光１３は導波光１２ＢがＴＥモードであれば
電界ベクトルが同心円接線方向を向く偏光状態（以下、
同心円偏光と称する）の光となり、ＴＭモードであれば
電界ベクトルが動径方向を向く偏光状態（以下、放射偏
光と称する）の光となり、光ディスク１５の反射面１６
上の点Ｆに集光する。

反射面１６を反射する光は　グレーティングカプラ４Ａ
、　４Ｂにより導波層３Ａ、　３Ｂ内に入力し　それぞ
れ層内を外周方魚　内周方向に向かって伝搬するＴＥモ
ード（またはＴＭモード）の導波光１８Ａ、　１８Ｂと
なる。導波光１８Ａ、１８Ｂは導波層３Ａ、　３Ｂの最
外端餓　最内端部で放射され　それぞれ光検出器６Ａ、
６Ｂに受光される。

先行例の構成で１よ　高い集光性を実現するために可逆
的に直線偏光と同心円偏光（または放射偏光）の変換を
行う偏光素子１０Ｂを集光点Ｆとグレーティングカプラ
４Ｂの間に設けている。また同心円形状のグレーティン
グカプラ４Ｃによる人力結合効率を高めるために半導体
レーザー８とグレーティングカブラ４Ｃの間にも可逆的
に直線偏光と同心円偏光の変換を行なう偏光素子１０Ａ
を設けている。

第８図（ａ）〜（ｄ）を用いて先行例における偏光素子
１０Ａ、　ＩＯＢの構成および同心円偏光の光と直線偏
光の光との変換原理を説明する。

第８図（ａ）、　（ｂ）に先行例におけて示された偏光
素子１０Ａ、ＩＯＢの詳細構成を示す。偏光素子２１０
は１／４波長板２２１とホモジェニアス液晶層２２４か
らなり、透明基板２２２、２２３の表面２２５、２２６
には同心円接線方向に対して４５度の方向２１４Ａ、　
　２１４Ｂ、　　２１４Ｃ，２１４Ｄに液晶配向処理が
施されている。

同心円接線方向の光２１３　（偏光方向２１３Ａ、２１
３Ｂ、　　２１３Ｃ，２１３Ｄ）はホモジェニアス液晶
層２２４の光軸方向（液晶配向方向）２１４　　（２１
４Ａ、　　２１４Ｂ、　　２１４Ｃ，２１４Ｄ）に対し
て４５度をなす偏光方向の光であり、最適な厚みで形成
されたホモジェニアス液晶層２２４を透過することで円
偏光の光２１２（偏光方向２１２Ａ、　　２１２Ｂ、　
　２１２Ｃ，２１２Ｄ）　となり、１／４波長板２２１
を透過することで直線偏光の光２１’ｌとなる。

第８図（ｃ）、　（ｄ）は偏光素子１０Ａ、　ＩＯＢの
他の構成例として、先行例において示されたものである
。同図で、偏光素子２１は１／４波長板及びＴＮ型とホ
モジェニアス型の２層の液晶層によって構成され　ホモ
ジエニアス液晶層２２は透明基板２１Ａと２１Ｂの間屹
　ＴＮ液晶層２３は透明基板２１Ｂと２ＩＣの間に設け
られている。

ホモジエニアス液晶層２２は透明基板２１Ａ。

２１Ｂの表面で同心円状（または放射状）に配向されて
おり、その光学軸も２２Ａのごとく同心円接線方向（ま
たは放射方向）となる。

Ｔ、Ｎ液晶層２３は配向面の片側が同心円の接線方向の
配向　片側が同心円の接線方向と４５度をなす方向に配
向処理されており、液晶層２３透過前後で偏光方向が例
えば時計方向に４５度回転する。

従って同心円偏光の光２０（偏光方向２０Ａ。

２０Ｂ、　　２０Ｃ，２０Ｄ）ｉよ　同心円接線方向と
４５度をなす電界ベクトルをもつ偏光の光２４　（偏光
方向２４　Ａ、　　２４　Ｂ、　　２４　Ｃ，２４Ｄ　
）となり、ホモジェニアス液晶層２２ｋより１／４波長
の位相差が加えられ　円偏光の光２５　（偏光方向２５
Ａ、　　２５Ｂ、　　２５Ｃ，２５Ｄ）、となもこの円
偏光の光２５は　光学軸が２６Ａ方向の１／４波長板２
６を透過することで直線偏光の光２６Ｂとなる。逆に直
線偏光の光は偏光素子１０Ｂを透過することで光の可逆
性により同心円偏光（または放射偏光）の光に変換され
る。

な耘　これらの偏光素子で液晶層を透過する光に位相遅
れ（すなわち収差）が発生するが、　先行例ではこの収
差を透明基板２２２、２２３または２１Ａ、　２１Ｂ、
　２ＩＣ等の厚みを調整することで補正し　完全な（す
なわち無収差の）偏光変換を行なうものとしている。

次に　第７図に示すようにグレーティング４Ｂと集光点
との間に偏光素子１０Ｂを配置することで生ずる効果に
ついて説明すも 第９図（ａ）、（ｂ）は同心円形状のグレーティングカ
プラにより光を集光した場合の集光点での光強度分布断
面図の例を示しており、同図（ａ）は同心円偏光（また
は放射偏光）の光　同図（ｂ）は直線偏光の光である。

同図（ａ）、（ｂ）の比較から明らかなように同心円偏
光（または放射偏光）　ＧＥＬ　　直線偏光に比べて良
好な集光性が得られな鶏　これは電界ベクトルが同心円
中心について対角位置で互いに逆ベクトルをなし　集光
点で打消し合うためである。

従って偏光素子１０Ｂをグレーティングカブラ４Ｂと集
光点との間に配置することで同心円偏光（または放射偏
光）が直線偏光に変換されるので、高い集光性が得られ
も・ −Ｘ　　ｊｌ！７図における反射光１７のグレーティン
グカプラ４Ａ、　４Ｂによる導波路３Ａ、　３Ｂ内への
入力結合効率は反射光の偏光状態に関係し高い入力結合
効率を得るためには　反射光と放射光の偏光状態が同じ
であることが望ましく〜従って、偏光素子１０Ｂが可逆
的に直線偏光と同心円偏光（または放射偏光）の変換を
行うことから、反射光の導波光への結合効率を高める効
果もある。

発明が解決しようとする課題 しかし　先行例における偏光素子にはいくつかの問題点
がありｔも すなわ板　第８図に示した偏光素子２１０または２１で
１よ　円偏光の光がホモジエニアス液晶層２２４または
２２を透過することで、光の位相は同心円中心に対する
偏角φの位置でφだけずれる。

従ってこの位相遅れ（収差）を透明基板の厚さ調整等で
補正しなければならずミ　部品点数や組立工数が多かっ
ｔも ま？＝１／４波長板と１層または２層の液晶層からなる
ため構成が複雑であり、素子の小型化が困難であった あるい（よ　同心円接線方向と４５度をなす液晶配向は
ラビング等の簡便な配向処理法では実現が困難であっｔ
も 本発明は第１に　かかる問題点を解決できる偏光素子を
提供することを目的とする。すなわち、簡易な構成で安
価に製造できる偏光素子であって、液晶配向面が簡易な
ラビング工程により容易に実現できる１層のＴＮ液晶層
を有する偏光素子を提供することを目的とする。

また　上記の偏光素子を有し　簡易な構成で安価に製造
できる光学ヘッド装置を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段 液晶配向面の一方が一直線方向、　もう一方が同心円の
接線方向の配向であるＴＮ液晶層で偏光素子を構成Ｌ　
　ＴＮ液晶層の屈折率異方性Δｎ、液晶層厚ｄ、光の波
長λの値を、 （４に２−１／４）−’　”≦△ｎｄ／λ≦２ｋ　　　
・・−（１）（ｋ；　自然数） の範囲に設定する。また　同心円配向中心を通り直線配
向方向に平行な直線状の境界をＴＮ液晶層に設けること
で液晶層を２つに分割してもよい。

あるい（よ　同心円中心を通り直線配向方向と略平行な
直線によって分け液晶層の領域をそれぞれ透過する光の
位相をπだけずらす位相補償手段と上記偏光素子を組合
わせた構成とする。

さらに　上記位相補償手段として、同心円中心を通り直
線配向方向と略平行な直線によって分け液晶層の領域の
一方に透明板を設置す、その透明板の屈折率をｎ、厚み
をｔ、光の波長をλとして、 （ｎ−１）ｔ＝（２ｋ−１）λ／２　　　　　　　　　
　・　・　・（２）（ｋ；　自然数） の関係を満たすように設定すも まね　レーザー光源からのレーザー光を導波層内に入力
して導波光とし　導波光を導波層内の一点○より層内に
沿って放射方向に導波させ、点○を中心にして導波層内
に設けられた同心円状の周期構造により導波光を放射さ
せ、導波路外の点に集光する光学ヘッド装置において、
上記偏光素子または上記偏光素子と上記位相補償手段と
を集光点と周期構造との間に設ける構成とする。

あるいは導波層に隣接して導波層より低屈折率の透明層
を設けた上記光学ヘッド装置において、上記透明板を設
ける代わりに　同心円中心を通り偏光素子の直線配向方
向に略平行な直線により分割される２つの領域で、導波
層とそれに隣接する透明層との点０を中心とする動径方
向の接触長を異ならせることで位相補償手段を構成Ｌ　
２つの領域からの放射光にπの位相差を発生させてもよ
賎 また　レーザー光源からのレーザー光を導波層内に入力
して導波光とする結合手段と、導波光を導波層内の一点
○より層内に沿って放射方向に導波させる導波路と、点
０を中心にして導波路内に設けられた同心円状の周期構
造とを有し　周期構造により導波光を放射させ導波路外
の点に集光する光学ヘッド装置において、集光点と周期
構造との間およびレーザー光源と結合手段の間にそれぞ
れ上記偏光素子を設（す、　２つの偏光素子の直線配向
方向を互いに平行させるととも番ヘ　　レーザ光の電気
振動面と平行または直交させる構成とする。

作用 上記の構成によれば　同心円偏光と直線偏光との変換を
行なう偏光素子の構成が簡素化されるとともに　素子の
作成が容易になる。

また偏光素子の液晶配向状態力丈　より安定化され　は
ぼ完全な同心円偏光と直線偏光との変換が行える。

また　同心円形状のグレーティングカプラを用いた光学
ヘッド装置において、上記偏光素子または偏光素子と位
相補償手段とを集光点とグレーティングカプラの間およ
びレーザー光源と入力グレーティングカプラの間に配置
するに配置することで、高い集光性および導波層への高
い人力結合効率を実現できる。

実施例 本発明による偏光素子およびそれを用いた光学ヘッド装
置の実施例について、第１図から第６図に基づき説明す
も な耘　先行例と同一機能のものは同一番号を付し　その
具体的な説明を省く。

第１図は本発明の光学ヘッド装置の実施例の要部断面図
である。

第１固型　導波層１００は同心円形状のグレーティング
カプラ４Ｃの中心を中心とする円形状の透明層からなる
。輪帯状のグレーティングカプラ４Ｂはグレーティング
カプラ４Ｃのまわりに形成されている。

番号１１０Ａとｌｌ０Ｂは偏光素子を示Ｌ７２Ａ、　７
２Ｂは領域Ａ、　　Ｂをそれぞれ通過する光に相対的な
位相差を発生させる透明板を示す。な耘　この偏光素子
と透明板については後述する。

同図の光学ヘッド装置はさらに半導体レーザー８、集光
レンズ９を有すも　また１５は反射面１６を有する光デ
ィスクを示す。

第２ｆｆｌ（ａ）、（ｂ）は偏光素子１１０Ｂと透明板
７２Ｂによる光の偏光状態および位相の変化を示すもの
である。

第２図（ａ）は偏光素子１１０Ｂによる偏光変換原理図
であも　偏光素子１１０Ｂは１層のＴＮ液晶層で構成さ
れ　このＴＮ液晶層は　片側（集光点Ｆ側）が実線４０
で示す一方向の液晶配向　他方側（グレーティングカブ
ラ４ｂ側）が破線４１で示す円の接線方向の液晶配向を
施すことで形成されている。

このような簡易な液晶配向処理を施すことで、液晶ツイ
スト角θが同心円周上の各位置で連続的に異なる分布を
持ったＴＮ構造の液晶層を得る。

すなわ板　図の同心円周上で（イ）から（ロ）を経て（
ハ）に至る各位置で、ツイスト角θがθ＝−９０°から
θ＝Ｏ°を経てθ＝９０＠へと線形的に変化した構造を
なしくただし紙面上反時計回りのツイストを右ねじれと
し　そのツイスト角を負とすも　）、（ニ）から（ホ）
を経て（へ）に至る各位置についてｋ　同様のＴＮ構造
となん 一般にＴＮ構造の液晶層に直線偏光の光が入射すると、
ＴＮ構造のねじれに沿って光の電界ベクトルが回転する
。

従って、グレーティングカプラ４Ｂより放射される同心
円偏光の光（破線矢印で示される電界ベクトル４２）ｌ
；Ｌ　　素子の各位置での液晶ツイスト角とほぼ同じ角
度だけ旋光し　液晶層の直線配向方向に電界ベクトルを
もつ光（実線矢印の電界ベクトル４３）となる。

な耘　液晶層のねじれの向きが同心円中心を通り直線配
向方向に平行な直線で分け液晶層の領域Ａ、　　Ｂで互
いに逆であるか板　電界ベクトル８１の向き板　領域Ａ
、　　Ｂで互いに逆向きとなる（すなわち位相がπだけ
ずれている）。

第２図（ｂ）は本実施例における透明板７２Ｂの位相補
償原理を示し　同心円中心を通り液晶層の直線配向方向
と略平行な直線で２つに分けられた領域九　Ｂの片側Ｂ
に透明板７２Ｂを構成していも透明板７２Ｂの屈折率を
ｎｌ、厚みをｔ、レーザー光の波長をλとすると、透明
板７２Ｂを透過する側の光と透過しない側の光の位相差
酸　２π（ｎ＋−１）ｌ／λであるか転 ｔ−（２ｋ−１）λ／２（ｒ＋＋−１）　　　　　　・
・・（３）（ｋ：自然数） の関係を満すように作成すれば　領域Ａ、　　Ｂを透過
する光の位相をπだけずらすことができる。

従って、液晶層を通過した光（互いに向きの異なる電界
ベクトルａ５、　ａ６の光）は透明板７２Ｂを透過する
ことで、領域Ａ、　　Ｂの位相が揃ｌ、＼互いに向きの
等しい電界ベクトルａ７．ａ８の九すなわち完全な直線
偏光の光となる。

従って、偏光素子１１０Ｂと透明板７２Ｂとを組み合わ
せることで同心円偏光を直線偏光に変換することができ
る。

な抵　第１図における透明板？２Ａおよび偏光素子１１
０−Ａは上記の透明板７２Ｂおよび偏光素子１１０Ｂと
同じ構成である。

すなわち偏光素子１１０．１１　　半導体レーザ８側が
一直線方向、　導波層１００側が同心円の接線方向の配
向処理を施された１層のＴＮ液晶層からなり、半導体レ
ーザー８から出射する直線偏光の光を完全な同心円偏光
に変換する。

ただし　透明板７２Ａは同心円中心を通り偏光素子１１
０Ａの直線配向方向と略平行な直線で２つに分けられた
領域の片側に構成されており、偏光素子１ｌＯＡの直線
配向方向はレーザー光の振動面に平行または直交すると
ともに直線配向面がレーザー光源側にある。

ここで第１図に示す光学ヘッド装置における偏光状態の
変化および位相の変化に付いて順番に説明する。

半導体レーザー８を出射した直線偏光のレーザー光ａ１
は集光レンズ９により集光され平行光ａ１１、　ａ１２
となる。集光レンズ９を出た光ａｌｌおよびａ１２のう
板　領域Ａの光ａｌｌは透明板７２Ａを透過して偏光素
子１１０Ａに到達し　領域Ｂの光ａ１２は直接偏光素子
１１０Ａに到達する。

従って透明板の屈折板　厚へ　および光の波長が（３）
式の関係を満たしていれば　偏光素子１１０Ａに到達す
る光は領域Ａと領域Ｂで位相がπだけずれた光（ａ１３
およびａ１４）となる。

これらの光ａ１３およびａ１４１ｔ　　それぞれの領域
Ａ。

Ｂで直線偏光であり、偏光素子１１０Ａを透過すること
で同心円の接線方向に振動面をもつ同心円偏光の光とな
る。

ここで、第２図（ａ）の説明で述べたように　偏光素子
１１０Ａを透過する光の位相は領域Ａと領域Ｂとでπだ
け位相差が生ずる。従ってａ１３とａ１４とで生じてい
たπの位相差が打ち消され　完全な同心円偏光ａ２が得
られる。

この光ａ２はグレーティングカプラ４Ｃにより導波層１
００に人力し　導波光１２Ｃとなる。

導波層１００内を内周から外周に向かって伝搬する導波
光はグレーティグカプラ４Ｂにより放射され放射光ａ３
となる。

放射光ａ３は同心円偏光の光であり、偏光素子１１０Ｂ
を透過することで領域Ａ、　　Ｂでそれぞれ直線偏光の
光ａａ、　　ａ５となる力丈　これらの位相はπだけず
れている。

ここで、領域Ｂの光ａ５のみが透明板７２Ｂを透過する
ことでπの位相差が補償され　領域Ａ、　　Ｂで位相の
揃った完全な直線偏光の光ａ７、ａ８となり、光ディス
ク１５の反射面１６上の点Ｆに集光される。

反射面１６を反射した光は透明板７２Ｂおよび偏光素子
１１０Ｂを透過することで同心円偏光の光となり、同心
円形状のグレーティングカプラ４Ｂにより導波層＋００
に人力し　第７図と同様に配置された光検出器によって
光量検出される。

な抵　反射面１６を反射した直線偏光の光が光の可逆性
により同心円偏光に変換されることでグレーティングカ
プラ４Ｂによる導波層への人力効率は高（１ また　円の接線方向の液晶配向処理は基板の配向面にラ
ビング布を接触させこれを回転する等の方法で容易に実
現できる。

第３図（ａ）は本発明による光学ヘッド装置の他の実施
例を示す構成国である。

本実施例が第１図と異なる点（よ　透明板７２Ａが省略
され　透明層５Ａの代わりに透明層５Ａ＋が設けられて
いることである。ここで、透明層５Ａ１は導波層３Ｃに
隣接して設けられており、導波層３Ｃと透明層５Ａ＋と
の同心円中心に対する放射方向の接触長を、第３図（ｂ
）に示すように同心円中心を通り直線配向方向と略平行
な直線により分割される２つの領域Ａ、　　Ｂで異なら
せた構成としている。

すなわち導波層３Ｃと接する低屈折率の透明層５Ａの最
外周部の形状爪　同心円中心を通り直線配向方向と略平
行な直線により分け液晶層の領域Ａ、　　Ｂで導波光１
２Ｂと導波光１２Ｃの位相差がπとなるように　λ／２
１Ｎｅ−Ｎｃｌ　（ただしＮｅ　＋　Ｎ　’はそれぞれ
導波光１２Ｂ、１２Ｃの等偏屈折率）の段差が付けられ
ている。

第３図（ａ）で、半導体レーザー８を出射した直線偏光
は集光レンズ９により平行光ａ２０となる。

この直線偏光の光ａ　２０　ＬＬ　　上記した偏光素子
１１０Ａを透過することで同心円偏光の光ａ２＋となる
力ｔ　この同心円偏光の光ａ２１は偏光素子１１０Ａに
入射する直線偏光の光ａ２０の位相が完全に揃っている
ことから、第３図（Ｃ）に示すような同心円の対角位置
で電界ベクトルの向きが互いに等しい同心円偏光の光ａ
２１となる。

なおこの場合し　同心円偏光の光ａ２１の電界ベクトル
は同心円接線方向であるから、同心円形状のグレーティ
ングカプラによる導波層への人力効率は高１．％　　　
同心円偏光の光ａ２１はグレーティングカプラ４Ｃによ
り導波層３Ｃ内に入力され導波光１２ｃとなる。ここで
、領域Ａと領域Ｂでの導波層３Ｃと透明層５Ａ＋との同
心円中心に対する放射方向の接触長の差により、　２つ
の領域を伝搬する導波光にπの位相差が生ずる。

従ってグレーティングカプラ４Ｂからの放射光１３（よ
　同心円の対角位置で電界ベクトルの向きが互いに逆の
同心円偏光　すなわち完全な同心円偏光の光となる。

この同心円偏光の光１３は本発明による偏光素子１１０
Ｂおよび透明板７２Ｂを透過することで位相の揃った直
線偏光の光となん　本実施例によれ１′！、第１図の構
成より透明板７２Ａまたは７２Ｂのいずれか一方を取り
除くことができる。

第４図は本発明による偏光素子を用いた光学ヘッド装置
の他の実施例の構成と偏光変換原理を示す図である。第
４図は第１図の構成から透明板７２Ａ、７２Ｂを除いた
ものであり、他の構成は全て同一である。ただし　偏光
素子１１０Ａと偏光素子１１０Ｂの直線配向方向はほぼ
平行である。

透明板７２Ａを除くことで、偏光素子１１０Ａを透過す
る光は同心円中心を通り直線配向方向と略平行な直線に
より分け液晶層の領域Ａ、　　Ｂで位相差がπだけずれ
た光となるバ　この位相差はグレーティングカプラ４Ｂ
からの放射光が偏光素子１１０Ｂを透過することで補償
され　完全な直線偏光の光となって集光される。

次に　上記各実施例におい、て、偏光素子で高い偏光変
換性能を得る条件を考察する。

一般に　ＴＮ液晶層に入射側液晶分子軸と平行または直
交する電界ベクトルの直線偏光が入射し出射側分子軸と
平行または直交する電界ベクトルの直線偏光が出射する
ときＱ　ツイスト角θと光の波長λとの関係ｉｌｌ　　
Ｇｏｏｃｈ−’Ｉ’ａｒｒｙの式（Ｃ，Ｈ，Ｇｏ。

ｃｈ　ａｎｄ　Ｈ，Ａ、Ｔａｒｒｙ、　　’Ｔｈｅ　ｏ
ｐｔｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｙ　ｏｆ　ｔｗｉｓｔｅ
ｄ　ｎｅｍａｔｉｃ　１ｉｑｕｉｄ　ｃｒｙｓｔａｌ　
５ｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　ｗｉｔｈ　ｔｗｉｓｔ　ａｎｇ
ｌｅｓ＜９０”　’、Ａｐｐｌ、Ｐｈｙｓ、、Ｖｏｌ、
８，１９７５．参照）より、 θ［１＋（ｙｒ　ｄΔｎ／（θ　λ　））’］””＝２
ｋπ　　　・　・　・　（４）（ｋ；整数） で表わされる。（４）式で△ｎは液晶の屈折率異方法ｄ
は液晶層の厚みを表わす。

（４）式を変形すると、（５）式のように表わせる。

λ＝Δｎ、ｄ（４に２−θ２／π２）−１″・・・（５
）（５）式よりλはθに対し　θ＝０を極小値とした下
に凸の曲線を描く。一方、本発明の偏光素子は液晶層の
ツイスト角θ爪　−π／２≦θ≦π／２の範囲で連続的
に分布しているので、θ＝０のときλは極小値（＝λ１
）、　θ雪±π／２のときλは極大値（＝λ２）をとる
。従って、使用する光源の波長をλとすると、　λ１≦
λ≦λ２の関係を満たすように液晶層のａｎｄ値を設定
すればよ（１ θ＝０のとき（４）式（よ ａｎｄ（２ｋ）−’＝λ（＝λ１）・・・（６〉（ｋ；
自然数） θ＝±π／２のとき（４）式Ｃよ ａｎｄ（４ｋ”−１／４）−”’＝λ（−λ２）・・・
（７）（ｋ；自然数） すなわ板　次式の条件を満たすことで−π／２≦θ≦π
／２の全領域において良好な偏光変換が実現できも （４に２−１／４）’　”≦Ａｎｄ／　）ｌ≦２ｋ　　
　−・・（８）（ｋ；　自然数） 第６図は本発明の偏光素子の他の実施例を示す図である
。

各実施例の偏光素子で（よ　その液晶ツイスト角分布を
示す第５図かられかるように　図のＸａ、　Ｘｂを結ふ
線３４では互いに逆ねじれ（ツイスト角θ−９０度とθ
−９０度）のＴＮ構造が隣接した領域　いわゆるディス
クリネーションラインが発生する。

一般に　このような領域では液晶の配向状態は乱れてお
り、透過光の偏光状態に乱れか生ずる。

さらに　ディスクリネーションラインは温度上昇により
変移するた△　安定性に欠ける。

また　ネマチック液晶に僅かでも旋回性物質が含まれて
いれば　ディスクリネーションラインが完全に直線配向
方向と一致せずミ　ツイスト角の分布に非対称性が生じ
る。

第６図では　ディスクリネーションによる偏光変換性能
の劣化を防止するために液晶層に分割手段を設けている
。図の液晶セル５０はシール材５１により液晶がセル内
に封入されている。一般にシール材は　２枚の基板を貼
合わせる前に熱硬化型の樹脂や紫外線硬化型の樹脂をス
クリーン印刷等により基板上にパターン形成する。

このシールパターンとして、液晶層の直線配向方向に平
行かつ同心円の中心を通る幅の狭い直線パターン５２を
形成する。その後基板を貼合わせ、注入口５３より液晶
注入を行った後、注入口５３に光硬化型樹脂等を塗布し
これを硬化させれば　２つの領域に同時に液晶注入が行
え　かつ液晶層を２つに分断できる。このように液晶層
に分割線を設けることでディスクリネーションがなくな
り、ツイスト角分布が安定になるたム　偏光変換性能の
高い偏光素子が得られる。

発明の詳細 な説明したように本発明によれば　１層のＴＮ液晶層で
同心円偏光と直線偏光を相互に変換できるたべ　素子構
成が簡素化されるとともに液晶配向が片側同心円接線方
向（回転方向）、片側直線方向であるため簡易に作成で
きる。

また偏光素子の液晶層を２つ以上の領域に分割する分割
手段を設けることによりディスクリネーション領域をな
くし　液晶ツイスト角が所定の位置でより安定した状態
を実現できる。さらに液晶層のレターデーションを最適
化することでほぼ完全な同心円偏光と直線偏光との変換
が行える。

また　同心円形状のグレーティングカプラを用いた光学
ヘッド装置において、集光点とグレーティングカブラの
間に本発明による偏光素子または偏光素子と位相補償手
段とを配置することでグレーティングカプラからの放射
光が直線偏光に変換され　高い集光性が実現できる。

また　本発明における偏光素子または偏光素子と位相補
償手段とをレーザー光源と人力グレーティングカブラの
間に配置することで導波層への入力結合効率を高くする
ことができる。

以上のことから、高い偏光変換性能の偏光素子か得られ
　またこの素子を用いて高い集光性と高い光利用効率を
持つ光学ヘッド装置が実現されその効果は非常に太きＬ
℃

【図面の簡単な説明】

第１図（よ　本発明の光学ヘッド装置の実施例の要部側
断面は　第２図は同実施例における偏光変素子とそれを
用いた光学ヘッド装置の実施例の要部側断面阻　第５図
（よ　本発明の偏光素子の実施例におけるツイスト角分
布は　第６図は本発明の偏光素子の他の実施例の平面は
　第７図は本願出願人が、　本願に先行した出願で提案
した先行例としての光学ヘッド装置の構成は　第８図は
　同先行例において本出願人が提案した偏光素子の説明
は　第９図開先行例におけ衣　同心円偏光並びに直線偏
光の集光位置での光強度分布図である。

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. （１）液晶配向面の一方が直線方向、もう一方が同心円
   の接線方向の配向であるツイスト・ネマチック液晶層を
   有することを特徴とする偏光素子。
2. （２）ツイスト・ネマチック液晶層の直線配向方向に平
   行かつ同心円中心を通る直線状の境界により液晶層を２
   つの領域に分割する分割手段を具備した請求項１記載の
   偏光素子。
3. （３）ツイスト・ネマチック液晶層の屈折率異方性Δｎ
   、液晶層厚ｄ、光の波長λの値が、 （４ｋ＾２−１／４）＾１＾／＾２≦Δｎｄ／λ≦２ｋ
   （ｋ；自然数） の関係を満たす請求項１記載の偏光素子。
4. （４）同心円中心を通りツイスト・ネマチック液晶層の
   直線配向方向と略平行な直線により分けられた２つの空
   間領域を伝搬する光の位相差がπだけ発生する位相補償
   手段と組合せたことを特徴とする請求項１から請求項３
   のいずれかに記載の偏光素子。
5. （５）同心円の中心を通りツイスト・ネマチック液晶層
   の直線配向方向に略平行な直線により分けられる２つの
   空間領域の一方に配置された透明板と組合せたことを特
   徴とする請求項１記載の偏光素子であり、光の波長をλ
   、前記透明板の屈折率をｎ、厚みをｔとして、 （ｎ−１）ｔ＝（２ｋ−１）λ／２ （ｋ；自然数） の関係を満たす請求項４記載の偏光素子。
6. （６）２枚の透明基板間に液晶層が設けられており、前
   記２枚の透明基板間に基板周辺の密封手段および前記分
   割手段として直線状のシール材が設けられたことを特徴
   とする請求項２記載の偏光素子。
7. （７）レーザー光源と、前記レーザー光源からのレーザ
   ー光を導波層内に入力して導波光とする結合手段と、前
   記導波光を導波層内の一点Ｏより層内に沿って放射方向
   に導波させる導波路と、前記導波路内に前記点Ｏを中心
   として設けられた同心円状の周期構造と、前記導波層に
   隣接して設けられた前記導波層より低屈折率の透明層と
   、前記レーザー光源と前記結合手段との間に設けられた
   第１の偏光素子と、前記周期構造と集光点との間に設け
   られた第２の偏光素子とを有する光学ヘッド装置であっ
   て、前記第１および第２の偏光素子が、一方が直線方向
   、もう一方が前記同心円の接線方向の配向であるツイス
   ト・ネマチック液晶層を有しており、前記透明層が前記
   同心円の中心を通り前記ツイスト・ネマチック液晶層の
   直線配向方向に略平行な直線により分けられる２つの領
   域で、前記導波層とそれに隣接する前記透明層との点Ｏ
   を中心とする動径方向の接触長を異ならせたことを特徴
   とする光学ヘッド装置。
8. （８）第１の偏光素子の直線配向面がレーザー光源側に
   あるとともに第２の偏光素子の直線配向面が集光点側に
   ある請求項７記載の光学ヘッド装置。
9. （９）第１の偏光素子とレーザー光源または結合手段と
   の間および第２の偏光素子と集光点または周期構造との
   間で、前記２つの空間領域を伝搬する光の位相差がπだ
   け発生する位相補償手段と組合せたことを特徴とする請
   求項７記載の光学ヘッド装置。
10. （１０）位相補償手段が、同心円の中心を通りツイスト
    ・ネマチック液晶層の直線配向方向に略平行な直線によ
    り分けられる２つの空間領域の一方に配置された透明板
    であり、前記透明板は、その屈折率をｎ、その厚みをｔ
    、光の波長をλとして、（ｎ−１）ｔ＝（２ｋ−１）λ
    ／２ （ｋ；自然数） の関係を満たすことを特徴とする請求項９記載の光学ヘ
    ッド装置。
11. （１１）レーザー光源と、前記レーザー光源からのレー
    ザー光を導波層内に入力して導波光とする結合手段と、
    前記導波光を導波層内の一点Ｏより層内に沿って放射方
    向に導波させる導波路と、前記導波路内に前記点Ｏを中
    心として設けられた同心円状の周期構造と、前記導波層
    に隣接して設けられた前記導波層より低屈折率の透明層
    と、前記レーザー光源と前記結合手段との間に設けられ
    た第１の偏光素子と、前記周期構造と集光点との間に設
    けられた第２の偏光素子とを有する光学ヘッド装置であ
    って、前記第１および第２の偏光素子が、一方が直線方
    向、もう一方が前記同心円の接線方向の配向であるツイ
    スト・ネマチック液晶層を有しており、２つの偏光素子
    の直線配向方向を互いに平行させるとともに、上記レー
    ザ光の電気振動面と平行または直交させたことを特徴と
    する光学ヘッド装置。
12. （１２）第１の偏光素子の直線配向面がレーザー光源側
    にあるとともに、第２の偏光素子の直線配向面が集光点
    側にある請求項１１記載の光学ヘッド装置。
13. （１３）第１の偏光素子とレーザー光源または結合手段
    との間および第２の偏光素子と集光点または周期構造と
    の間で、前記２つの空間領域を伝搬する光の位相差がπ
    だけ発生する位相補償手段と組合せたことを特徴とする
    請求項１１記載の光学ヘッド装置。
14. （１４）位相補償手段が、同心円の中心を通りツイスト
    ・ネマチック液晶層の直線配向方向に略平行な直線によ
    り分けられる２つの空間領域の一方に配置された透明板
    であり、前記透明板は、その屈折率をｎ、その厚みをｔ
    、光の波長をλとして、（ｎ−１）ｔ＝（２ｋ−１）λ
    ／２（ｋ；自然数） の関係を満たすことを特徴とする請求項１３記載の光学
    ヘッド装置。