WO2004079436A1 - 光減衰器および光ヘッド装置 - Google Patents

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Koichi Murata
Mitsuo Osawa
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Asahi Glass Company, Limited
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Definitions

  • the present invention relates to an optical attenuator and an optical head device, and more particularly, to an optical attenuator device used for recording and reproducing information on an optical recording medium, and an optical attenuator mounted on the optical head device.
  • optical recording media capable of recording, Z, or reproducing information by irradiating light have been widely used.
  • an optical recording medium for example, a read-only CD-ROM in which a fine uneven pattern is formed on a substrate according to information to be recorded, and the like are known.
  • optical recording medium examples include a magneto-optical disk in which information is reproduced using the magnetic force effect, such as an MO disk, and a phase-change disk having a signal recording layer formed of a phase-change material.
  • write-once optical discs such as CD-R, which form a recording mark on a signal recording layer formed of an organic dye material and detect the difference in reflectivity at the recording mark to reproduce information.
  • various recording / reproducing apparatuses provided with an optical head device for recording and Z- or reproducing various kinds of information on the above-mentioned various optical disks have been developed.
  • an optical head device for recording and Z or reproducing information on an optical recording medium such as a CD-R
  • the amount of light focused on the optical recording medium by an objective lens or the like is large at the time of recording information, and It is necessary to make it smaller during playback.
  • the amount of light emitted from the semiconductor laser was changed by changing the injection current to the semiconductor laser that emits light.
  • the injection current is reduced to reduce the amount of emitted light, there have been problems such as an increase in noise and an unstable amount of emitted light.
  • an optical attenuator used in such an optical head device for example, a configuration in which a polarization beam splitter (PBS) is combined with a liquid crystal element is known. In the liquid crystal element, a predetermined voltage is applied. Thus, the polarization state of the incident laser light is changed, and the transmission ratio of the laser light that passes through the polarization beam splitter and enters the optical recording medium is controlled according to the polarization state. Disclosure of the invention
  • the ordinary refractive index and the extraordinary refractive index of the liquid crystal change, so that the amount of attenuation by the optical attenuator using the liquid crystal element changes.
  • a transparent electrode is formed on each of opposing surfaces of two transparent substrates, a liquid crystal layer is sandwiched between the transparent electrodes, and a direction of liquid crystal molecules in the liquid crystal layer is adjusted to the liquid crystal.
  • An optical attenuator comprising: a liquid crystal element spirally twisted around an axis in a thickness direction of the layer; and at least one polarizing transmissive element having a transmittance different depending on a polarization state of incident light.
  • An optical attenuator is provided.
  • the present invention provides the above-mentioned optical attenuator, comprising two of the polarizing transmission elements, wherein one of the polarizing transmission elements is arranged on each of the light incident side and the light emission side of the liquid crystal.
  • the present invention provides the above-described optical attenuator, wherein at least one of the two polarizing transmission elements is a polarization diffraction element having a different diffraction efficiency depending on a polarization direction of incident light.
  • the present invention provides the optical attenuator, wherein at least one of the two polarizing transmission elements is integrated with the liquid crystal element.
  • the liquid crystal element may provide the above-described optical attenuator including a nematic liquid crystal
  • the transparent substrate may provide the above-described optical attenuator made of glass.
  • a light source a light collecting means for collecting light emitted from the light source on an optical recording medium; a photodetector detecting reflected light of the collected emitted light from the optical recording medium;
  • An optical attenuator that changes the amount of light transmitted by an applied voltage in an optical path between a light source and an optical recording medium or in an optical path between an optical recording medium and a photodetector;
  • An optical head device comprising: a voltage control unit for applying the optical attenuator; wherein the optical attenuator is the optical attenuator described above.
  • the optical head device is an optical head device that reproduces and records information on an optical recording medium, the information recording device comprising: the ratio P 2 with respect to the light amount P 2 which is focused to have, from 0.2 to 0.8 range value at which the aforementioned light of providing a head device.
  • FIG. 1 is a side view showing an example of the optical attenuator of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing the orientation direction of the liquid crystal unit and the transmission axis of the polarizing transmission element.
  • FIG. 3 is a graph showing the results of a simulation experiment when the twist angle (0 t ) is 60 degrees.
  • FIG. 4 is a graph showing the results of a simulation experiment when the twist angle (0 t ) is 42 degrees.
  • FIG. 5 is a graph showing the results of a simulation experiment when the twist angle (0 t ) is 10 degrees.
  • FIG. 6 is a graph showing the result of a simulation experiment when the amount of light reduction is set to 20 ⁇ 3%.
  • FIG. 7 is a graph showing the results of a simulation experiment when the amount of light reduction is 80 ⁇ 3%.
  • FIG. 8 is a graph showing the results of a simulation experiment when the birefringence ( ⁇ ) of the liquid crystal is 0.108.
  • FIG. 9 is a graph showing the results of a simulation experiment when the birefringence ( ⁇ ) of the liquid crystal is 0.136.
  • FIG. 10 is a schematic configuration diagram showing an example of the optical head device of the present invention.
  • Figure 11 shows the relationship between the voltage applied to the liquid crystal layer and the light intensity transmitted through the optical attenuator.
  • FIG. 7 is a graph showing the amount of angle shift of the incident polarization direction with respect to the liquid crystal unit as a parameter.
  • FIG. 12 is a side view showing another example of the optical attenuator of the present invention.
  • FIG. 13 is a graph showing an example of the measurement of the relationship between the deviation of the polarization direction incident on the optical attenuator and the light intensity ratio when a polarizing transmissive element is arranged on the incident side.
  • FIG. 1 shows an example of the optical attenuator of the present invention.
  • Transparent electrodes 103 and 104 such as ITO are applied on transparent substrates 101 and 102 such as glass and plastic. Further, after forming an orientation film 105 and 106 such as polyimide and performing an orientation treatment such as rubbing, the two transparent substrates are arranged so as to face each other with a uniform gap therebetween.
  • the cell structure is formed by bonding the periphery with an adhesive (not shown). Liquid crystal is sealed in the cell to form a liquid crystal layer 107.
  • the liquid crystal for example, a nematic liquid crystal can be used, and a chiral material may be added.
  • the transparent electrodes 103 and 104 are connected to a voltage control unit 109 capable of applying a voltage from the outside, and a liquid crystal unit 130 is formed.
  • the liquid crystal molecules 108 may be subjected to an alignment treatment so as to form an angle with respect to the polyimide surface at the boundary surface between the polyimide and the liquid crystal layer, and this angle is defined as a pretilt angle (0 pt ).
  • the direction of the liquid crystal molecules is helically twisted around an axis in the thickness direction of the liquid crystal layer.
  • the polarizing transmissive element 110 is an element whose transmittance varies depending on the polarization state of incident light. In FIG.
  • the light to be attenuated enters the liquid crystal unit 130 from the transparent substrate 101 side, exits from the transparent substrate 102, and then enters the polarizing transmission element 110. It is preferable that the polarizing transmissive element 110 is arranged at least at the subsequent stage of the liquid crystal unit 130 with respect to the traveling direction of light.
  • Figure 2 shows the relationship between the orientation direction 202 and 203 of each liquid crystal molecule at each interface between the liquid crystal layer and the alignment film on each transparent substrate, and the transmission axis 201 of the polarizing transmission element. Show.
  • the light incident on the optical attenuator is linearly polarized light and polarized in the X-axis direction.
  • the angle between the orientation direction of liquid crystal molecules 202 and the X-axis at the interface between the liquid crystal layer 130 and the liquid crystal layer on the transparent substrate side (105 in Fig. 1) on the light incident side is determined.
  • twist angle in FIG. 2 S p
  • the pre-twist angle and the twist angle are not limited, but the twist angle is preferably 5 to 90 degrees for ease of production.
  • the ordinary refractive index of the liquid crystal is n.
  • the extraordinary refractive index and n e the thickness of the liquid crystal layer as d.
  • be the wavelength of the dimming light.
  • the linearly polarized light entering the liquid crystal portion passes through the liquid crystal portion without changing the polarization state.
  • the polarization state of the light passing through the liquid crystal unit can be changed, and thereafter, the amount of light passing through the polarizing transmission element can be controlled.
  • the liquid crystal layer is divided into N equal parts in the thickness d direction, and is considered to be a group of N uniaxial birefringent plates whose optical axis directions are twisted little by little.
  • the phase difference ⁇ ⁇ when the liquid crystal molecules are not twisted in the thickness direction of the liquid crystal layer, that is, around the virtual axis in the thickness direction is expressed by the following equation.
  • the phase difference of each birefringent plate is ⁇ ⁇ .
  • the transmittance of the polarizing transmission element is an ideal uniaxial polarizer of 100% in the X-axis direction and 0% in the Y-axis direction
  • the transmittance P of this optical attenuator. ut is
  • n. , N e, d, ⁇ t , 0 P, 0 pt becomes a function of ⁇ . P.
  • Figures 3, 4, and 5 show the simulation results.
  • the birefringence ( ⁇ ) of the liquid crystal was 0.1005 and the wavelength ( ⁇ ) was 405 nm.
  • is defined as the amount of birefringence.
  • the twist angles ( ⁇ t) are 60 degrees, 42 degrees, and 10 degrees in the results of Figs.
  • the horizontal axis of each Daraf is the thickness of the liquid crystal layer (d), that is, the cell gap, and the vertical axis is the pretwist angle ( ⁇ p ).
  • the relationship with the twist angle is represented by a curve .
  • twist angle ( St ) is determined by the transmittance (P Ut )
  • (B is —60, C is 60 to 90, preferably 65 to 75).
  • Parameter of the liquid crystal portion so as to satisfy these conditions (n., N e, d , ⁇ have ⁇ ⁇ , S pt) select, if manufacturing a liquid crystal unit, allowed for manufacturing variation parameters As a result, the variation in the amount of light extinction caused by a change in the refractive index of the liquid crystal in response to a change in environmental temperature can be suppressed.
  • the polarization direction of the incident light changes in the optical attenuator of FIG.
  • the incident light is linearly polarized light and polarized in the X-axis direction in Fig. 2, and the polarization direction is rotated around the Z-axis
  • the light intensity transmitted through the optical attenuator with respect to the voltage applied to the liquid crystal layer An example is shown in FIG.
  • Three graphs in FIG. 11 show the case where the relative deviation between the polarization direction of the incident linearly polarized light and the X-axis direction is 3, 0, and 13 degrees, respectively.
  • the light intensity near the voltage of 0 V changes due to the relative shift of the polarization direction.
  • this optical attenuator when using this optical attenuator, for example, when the transmitted light intensity is increased (5 V) or weakened (0 V) by applying a voltage of 5 V or 0 V to the liquid crystal layer, The ratio of the light intensity at each voltage changes due to the relative shift between the polarization direction of the incident linearly polarized light and the X-axis direction. Conversely, it is necessary to precisely control the polarization direction of the incident linearly polarized light without changing the light intensity ratio.
  • FIG. 12 shows another example of the optical attenuator of the present invention.
  • the same reference numerals used in FIG. 1 indicate the same elements.
  • the second polarizing transmissive element 120 By arranging the second polarizing transmissive element 120 on the light incident side (transparent substrate 101 side) of the liquid crystal part, the second polarization transmitting element 120 can be used when the polarization direction of the light incident on the optical attenuator changes. Since the polarization of the light incident on the liquid crystal portion is stabilized by the polarizing transmission element 120, the light intensity ratio is not changed, and thus it is very preferable.
  • the polarizing transmissive element an absorbing polarizer that is stretched after adding a dye to a polymer, or a device that changes the optical path depending on the polarization direction and changes the effective transmittance, such as a wire grating or polarized beam splitter, is also used. it can.
  • a polarization diffraction element having a different diffraction efficiency depending on the polarization direction of incident light can be made thinner, and is easily integrated with a liquid crystal unit, so that it is easy to reduce the size.
  • the polarization diffraction element can be manufactured using a birefringent medium such as liquid crystal, polymer liquid crystal, or lithium niobate ( LiNbOs ).
  • a birefringent medium such as liquid crystal, polymer liquid crystal, or lithium niobate ( LiNbOs ).
  • FIG. 10 shows an example in which the optical attenuator thus manufactured is mounted on an optical head device.
  • the optical attenuator of the present invention is provided between the collimating lens 2 and the quarter-wave plate 8 as the liquid crystal element 3 and the polarizing transmission elements 4 and 12.
  • the light emitted from the semiconductor laser 1 is collimated by the collimating lens 2, passes through the polarizing transmissive element 12, and then passes through the liquid crystal element 3.
  • a voltage can be externally applied to the liquid crystal element 3 using the voltage control device 11.
  • the light transmitted through the liquid crystal element 3 transmits through the polarizing transmission element 4.
  • the polarizing transmissive element 4 changes the amount of light emitted toward the optical recording medium in accordance with the polarization direction of the incident light when the light incident on the element is emitted.
  • the polarizing beam splitter, prism, or wire A diffraction grating and a deflection diffraction element including a grating can be used.
  • a polarizing beam splitter is used as the polarizing transmission element 4 and a polarization diffraction element is used as the polarizing transmission element 12.
  • the polarizing transmission elements 4 and 12 can be attached to and integrated with the liquid crystal element 3. The light transmitted through the polarizing transmission element 4 is transmitted through the quarter-wave plate 8 and then collected on the optical recording medium 7 by the condenser lens 5 mounted on the actuator 6.
  • the light reflected by the optical recording medium 7 travels in the above optical path in reverse.
  • a polarizing beam splitter is used as the polarizing transmission element 4, so that light traveling in the optical path in the opposite direction is reflected by the polarizing transmission element 4 and then collected by the collection lens 9. Reach photodetector 10.
  • the liquid crystal element 3 by applying a plurality of different voltages to the liquid crystal element 3 (actually, to a transparent electrode formed on the surface of a transparent substrate constituting the liquid crystal element), the polarization direction of the light transmitted through the liquid crystal element 3 is changed. And the amount of light that passes through the polarizing transmissive element 4 and is condensed on the optical recording medium can be changed.
  • the ratio P iZP s of the light quantity P i focused on the optical recording medium for reproducing information on the optical recording medium to the light quantity P 2 focused for recording the information on the optical recording medium is 0.
  • the value is preferably in the range of 0.2 to 0.8, and more preferably in the range of 0.3 to 0.6.
  • the light amount ratio when recording information on an optical recording medium, the light amount can be set to 100% and sufficient information can be recorded.
  • the light amount is 20 to 80% with respect to the recording light amount.
  • a value in the range of 50% to 50% (that is, 0.3 to 0.6) is preferable because information can be reproduced with a large SZN without writing information on the optical recording medium. Examples are shown below.
  • a transparent conductive film made of ITO was formed to a thickness of 30 nm on transparent glass substrates 101 and 102 with a thickness of 1.0 mm in Fig. 1 by the sputtering method.
  • the transparent electrodes 103 and 104 were formed by patterning by etching.
  • Polyimide alignment films 105 and 106 having a thickness of about 50 nm were applied on the transparent electrodes 103 and 104 of the transparent substrates 101 and 102 by flexographic printing, and then fired.
  • the epoxy-based sealing material (not shown) includes a fiber spacer of 3.6 im in diameter to maintain the thickness of the liquid crystal layer, 3% (in terms of mass ratio, the same applies hereinafter), and a transparent substrate. 2% each of 4 m diameter plastic spheres with conductive coating on the surface to obtain conductivity between and 2%. After the transparent substrates 101 and 102 were superposed and aligned, they were pressed at a temperature of 170 ° C. and a pressure of 6 ⁇ 10 4 NZm 2 to form cells.
  • a nematic liquid crystal was injected into the cell by a vacuum injection method to form a liquid crystal layer 107, and the injection port was sealed with a UV adhesive (not shown) to form a liquid crystal element having an outer shape of 8 mm ⁇ 10 mm square.
  • a voltage can be externally applied to the liquid crystal layer via the transparent electrodes 103 and 104.
  • the fabricated liquid crystal element was incorporated into an optical head device as shown in FIG.
  • the liquid crystal element 3 is installed between the polarizing beam splitter, which is the polarizing transmission element 4, and the polarizing diffraction element, which is the polarizing transmission element 12, disposed in the optical head device. Controlled by output voltage from 11.
  • the light emitted from the semiconductor laser 1 is transmitted through a collimating lens 2, a polarizing transmission element 12, a liquid crystal element 3, and a polarizing transmission element.
  • the light is transmitted through the polarization beam splitter 4, which is the element 4, and the quarter-wave plate 8, passes through the condenser lens 5 held by the actuator 6, and is condensed on the optical recording medium 7.
  • the condensed light is reflected by the optical recording medium 7, passes through the condensing lens 5, the quarter-wave plate 8, changes the polarization direction by 90 °, and is reflected by the polarizing beam splitter to be condensed.
  • the light was guided to the photodetector 10 by 9.
  • an optical attenuator having a small variation in attenuation with respect to a change in environmental temperature an optical attenuator having a small variation in attenuation with respect to a change in a polarization state such as a polarization direction of incident light, and information recording and reproduction
  • An optical head device equipped with the optical attenuator having excellent characteristics can be provided.
  • the present optical attenuator can be used in the near-infrared wavelength region such as the 1550 nm band, for example, as a variable optical attenuator in an optical communication system.

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Description

明 細 書
光減衰器および光へッド装置 技術分野
本発明は光減衰器および光へッド装置に関し、 特に光記録媒体による情報の記 録および再生のために使用する光へッド装置、 および光へッド装置に搭載する光 減衰器に関する。 背景技術
近時、 光を照射させることにより情報の記録および Zまたは再生を行うことが できる光記録媒体が広く利用されている。 このような光記録媒体としては、 例え ば記録する情報に応じて微細な凹凸パターンが基板上に形成された再生専用の C D— R OMなどが知られている。
また、 この光記録媒体としては、 例えば MOディスクのように磁気力一効果を 利用して情報の再生が行われる光磁気ディスクや、 相変化材料により形成された 信号記録層を備える相変化型ディスク、 さらに C D— Rのように有機色素材料に より形成された信号記録層に記録マークを形成しこの記録マークでの反射率の違 いを検出させることで情報の再生を行う追記型の光ディスクなどが知られている 一方、 前述した各種の光ディスクに各種の情報を記録および Zまたは再生する ため、 光ヘッド装置を備えた記録再生装置も各種開発されている。 C D— Rなど の光記録媒体による情報の記録および Zまたは再生を行う光へッド装置において は、 対物レンズなどにより光記録媒体上に集光される光量は、 情報の記録時には 大きく、 情報の再生時には小さくする必要がある。
従来、 この必要性を満たすため、 光を出射する半導体レーザへの注入電流を変 化させて半導体レーザからの出射光量を変化させていた。 しかし、 使用する半導 体レ一ザによっては、 出射光量を減少させるため注入電流を小さくしたとき、 ノ ィズが増加したり、 出射光量が不安定になるなどの問題があった。
この光へッド装置に光減衰器を併用させることにより、 ノイズの少ない高品質 なレーザ光を小さなパワーで光ディスクに照射し、 ノイズを可及的に抑えた高品 質な情報の記録および/または再生などを行う構成のものが提案されている (例 えば、 特開 2 0 0 2— 2 6 0 2 6 9号公報) 。
また、 このような光ヘッド装置に使用する光減衰器として、 例えば偏光ビーム スプリツ夕 (P B S ) と液晶素子とを組み合わせた構成のものが知られており、 その液晶素子では、 所定の電圧を印加することにより、 入射するレーザ光の偏光 状態を変化させ、 その偏光状態に応じて偏光ビームスプリッ夕を通過し、 光記録 媒体へ入射するレーザ光の透過割合を制御する構成となっている。 発明の開示
環境温度が変化した場合、 液晶の常光屈折率と異常光屈折率とが変化すること から、 液晶素子を用いた光減衰器による減衰量が変化する問題があつた。
また、 光減衰器を搭載した光ヘッド装置において、 液晶素子に入射する光の、 偏光方向などの偏光状態が変化した場合、 光記録媒体に到達する透過光量が大き く変化するため、 液晶素子への入射光の偏光方向を精度よく制御する必要があり 、 偏光方向調整のためのコストアップと歩留り低下を招いていた。
本発明は、 2枚の透明基板の対向するそれぞれの面に透明電極が形成されると ともに、 前記透明電極間には液晶層が挟持され、 かつ前記液晶層内の液晶分子の 方向が前記液晶層の厚さ方向の軸の回りに螺旋状に捩じれている液晶素子と、 入 射する光の偏光状態によって透過率が異なる、 少なくとも一つの偏光性透過素子 とを備える光減衰器において、 前記液晶素子を構成する液晶の常光屈折率 (n。 ) および異常光屈折率 (n e ) 、 前記透明基板に近接した液晶分子の透明基板面 に対する角度 (0 P t ) 、 液晶層の厚さ (d) 、 および入射する光の波長 (λ ) の間で、 (1 ) 式により定義する第 1条件式において、 Αの値が 0 . 5から 1 . 5までの範囲を満たすように構成されている光減衰器を提供する。
λ ( 1 ) ただし、 11 = n Ύί 。 ©9S
pi n2。 Siii 1。 また、 2枚の前記透明基板に近接した液晶分子それぞれの 2つの配向方向がな す角度 ( ) 、 前記光減衰器に入射する光量 (P i n ) 、 および前記光減衰器 から出射する光量 (P。 u t ) の間で、 ( 2 ) 式により定義する第 2条件式を満 たす (ただし、 減光定数 Bが— 6 0、 角度変数 Cの値が 6 0から 9 0の範囲) よ うに構成されている上記の光減衰器を提供する。 p p
Ρ m
, · · ( 2 )
また、 前記偏光性透過素子を二つ有し、 前記偏光性透過素子が前記液晶の光の 入射側と光の出射側にそれぞれ一つずつ配置されている上記の光減衰器を提供す る。
また、 二つの前記偏光性透過素子のうち少なくとも一つが、 入射する光の偏光 方向によって回折効率の異なる偏光回折素子とされている上記の光減衰器を提供 する。
また、 二つの前記偏光性透過素子のうち少なくとも一つが、 前記液晶素子と一 体化されている上記の光減衰器を提供する。
また、 前記液晶素子はネマテック液晶を備えている上記の光減衰器を提供する また、 前記透明基板はガラスからなる上記の光減衰器を提供する。
また、 光源と、 この光源からの出射光を光記録媒体上に集光するための集光手 段と、 集光された出射光の光記録媒体からの反射光を検出する光検出器と、 光源 と光記録媒体との間の光路中または光記録媒体と光検出器との間の光路中に、 印 加電圧によって透過する光の光量を変化させる光減衰器と、 この光減衰器に電圧 を印加する電圧制御手段とを備える光へッド装置において、 前記光減衰器が上記 の光減衰器であることを特徴とする光へッド装置を提供する。
さらに、 前記光へッド装置が光記録媒体の情報の再生および記録を行なう光へ ッド装置であって、 光記録媒体上に情報の再生のために集光される光量 の、 情報の記録のために集光される光量 P 2に対する比 P 2が、 0 . 2〜0 . 8 の範囲の値である上記の光へッド装置を提供する。 図面の簡単な説明
図 1は、 本発明の光減衰器の一例を示す側面図である。
図 2は、 液晶部の配向方向、 偏光性透過素子の透過軸を示す図である。
図 3は、 ツイスト角 (0 t ) が 6 0度の場合の、 シミュレーション実験の結果 を示すグラフである。
図 4は、 ツイスト角 (0 t ) が 4 2度の場合の、 シミュレーション実験の結果 を示すグラフである。
図 5は、 ツイスト角 (0 t ) が 1 0度の場合の、 シミュレーション実験の結果 を示すグラフである。
図 6は、 減光量を 2 0 ± 3 %とした場合の、 シミュレーション実験の結果を示 すグラフである。
図 7は、 減光量を 8 0 ± 3 %とした場合の、 シミュレーション実験の結果を示 すグラフである。
図 8は、 液晶の複屈折量 (Δ η ) が 0 . 1 0 8の場合の、 シミュレーション実 験の結果を示すグラフである。
図 9は、 液晶の複屈折量 (Δ η ) が 0 . 1 3 6の場合の、 シミュレーション実 験の結果を示すグラフである。
図 1 0は、 本発明の光ヘッド装置の一例を示す概略構成図である。
図 1 1は、 液晶層に印加する電圧に対する光減衰器を透過する光強度の関係を
、 液晶部に対する入射偏光方向の角度ずれ量をパラメ一夕として示したグラフで ある。
図 1 2は、 本発明の光減衰器の他の例を示す側面図である。 図 1 3は、 入射側に偏光性透過素子を配置した場合の、 本光減衰器への入射偏 光方向ずれと光強度比と関係の測定の一例を示すグラフである。 発明を実施するための最良の形態
図 1に本発明の光減衰器の一例を示す。 ガラス、 プラスチックなどの透明基板 1 0 1、 1 0 2上に I T Oなどの透明電極 1 0 3、 1 0 4を施す。 更にポリイミ ド等の配向膜 1 0 5、 1 0 6を成膜し、 ラビング等の配向処理を施した後、 2枚 の透明基板を均一な間隔のギャップを設けて対向するように配置し、 周辺を接着 剤 (図示せず) などで接着してセル構造とする。 セル内には液晶を封入して液晶 層 1 0 7とする。 液晶としては例えばネマティック液晶などが使用でき、 カイラ ル材を添加してもよい。
透明電極 1 0 3、 1 0 4には外部から電圧を印加できるような電圧制御部 1 0 9を接続し、 液晶部 1 3 0が形成されている。 液晶の分子 1 0 8はポリイミドと 液晶層との境界面にてポリイミド面に対して角度をなすように配向処理を行って もよく、 この角度をプレチルト角 (0 p t) とする。 液晶分子の方向は液晶層の 厚さ方向の軸の回りに螺旋状に捩じれている。 偏光性透過素子 1 1 0は、 入射す る光の偏光状態によって透過率が異なる素子である。 図 1においては、 減衰され る光は透明基板 1 0 1側から液晶部 1 3 0に入射し、 透明基板 1 0 2より出射し た後、 偏光性透過素子 1 1 0に入射する。 偏光性透過素子 1 1 0は、 少なくとも 光の進行方向に対して液晶部 1 3 0の後段に配置することが好ましい。
図 2に、 液晶層と各透明基板上の配向膜との各境界面における液晶分子の各々 の配向方向 2 0 2、 2 0 3と、 偏光性透過素子の透過軸 2 0 1との関係を示す。 本光減衰器に入射する光は直線偏光で X軸方向に偏光している。 液晶部 1 3 0の 光入射側の透明基板側の配向膜 (図 1中 1 0 5 ) と液晶層との境界面における液 晶分子の配向方向 2 0 2と X軸とのなす角度をプレツイスト角 (図 2中 S p) と し、 各々の配向方向 2 0 2、 2 0 3のなす角度をツイスト角 (図 2中 0 t) とす る。 プレツイスト角、 ツイスト角に制限は無いが、 作製の容易さからツイスト角 は 5〜9 0度が好ましい。 また、 液晶の常光屈折率を n。、 異常光屈折率を n e とし、 液晶層の厚さを dとする。 減光する光の波長を λとする。 液晶層に閾値電圧以下の電圧を印加した場合、 液晶部を通過した光の偏光は直 線偏光から変換され一般的には楕円偏光となる。 次に、 電圧を印加し液晶分子を 駆動して例えば電界方向に液晶の分子方向を揃えたとする。 この場合液晶部に入 射した直線偏光は、 偏光状態を変えることなくそのまま液晶部を通過する。 液晶 部に印加する電圧を制御することにより液晶部を通過した光の偏光状態を変化さ せることができ、 その後偏光性透過素子を通過した光の光量を制御できる。 ここで、 液晶層を厚さ d方向に N等分し、 光学軸方向が少しずつ捩れた N枚の 一軸性複屈折板の集まりと考える。 液晶層の厚さ方向に、 すなわち厚さ方向の仮 想軸の周りに液晶分子が捩れていないとしたときの位相差 Γを次式で表す。
2π - Δη · ά
Γ =
λ
.で、 η = 7τ - n ι' · cos2ρί) + η2 · sin2ρί)― η
捩れは厚さ方向に均一であると仮定すると、 Ν等分した複屈折板のそれぞれの 位相差は ΓΖΝである。 液晶部に入射する光の偏光状態、 液晶部を通過した光の 偏光状態をストークスパラメ一夕表示とし、 それぞれ S i n、 S。u tとすると、
1
S:.. =
0
、oノ
Figure imgf000008_0001
J と表記され、 これらはミュラー行列を用いて、
S = R(0p) · (Θ(/Ν)Ν-1) · [ (17 - / — υ · Wr(T/N) · R(-0p) · Sin
-で
1 0 0 0
0 οο8(2φ) 一 sin(2<^) 0
0 sin(2^) cos (2 0
0 0 0 1
1 0 0 0
0 1 0 0
W(x) =
0 0 cos(x) - sin(x)
0 0 sin( ) cos( )
と表記される。
偏光性透過素子の透過率が、 X軸方向が 100%、 Y軸方向が 0%の一軸性の 理想的な偏光子であるとすると、 本光減衰器の透過率 P。u tは、
St +1
P =
out 2
となり、 n。、 ne、 d、 Θ t, 0P、 0pt、 λの関数になる。 P。utを計算する ことで、 本減衰器の所望の減衰率を得ることができる。
図 3、 図 4、 図 5にシミュレーシヨン結果を示す。 各結果において、 液晶の複 屈折量 (Δη) =0. 1005、 波長 (λ) =405 nmとした。 ここで、 Δη のことを複屈折量と定義する。 ツイスト角 (Θ t) は、 図 3、 4、 5の結果にお いてそれぞれ 60度、 42度、 10度である。 各ダラフの横軸は液晶層の厚さ ( d) すなわちセルギャップ、 縦軸はプレツイスト角 (θ p) であり、 減光量が 5 0 ± 3 %の減光量となる液晶層の厚さとプレツイスト角との関係を曲線で表した 。 減光量が 5 0 ± 3 %の減光量となる、 液晶層の厚さに対するプレツイスト角の 分布 (解分布) はツイスト角 (Θ t) の大きさにより変化し、 特にツイスト角 ( Θ t) =42度の場合 (図 4の場合) 解の分布が広くなつていることがわかる。 特に液晶層の厚さが 3. 5 ,' m付近において解の分布の広がりが大きい。 解の 分布が広いことは、 パラメ一夕の製造ばらつきに対する許容幅が増すことと、 特 に環境温度によって液晶の屈折率が変化した際の減光量の変動を抑えることがで き大変好ましい。
同様に減光量 20 ± 3 %、 8 0土 3 %について計算した結果、 同じく解分布が 広くとれるツイスト角 (Θ t) が存在しており、 各減光量に対して、 60度、 2 4度である。 シミュレーション結果を、 それぞれ図 6、 図 7に示す。 減光量 50 %± 3%の場合 (図 4の場合) と同様に特に液晶層の厚さが 3. 5 m付近にお いて解分布の広い領域が存在する。
次に液晶の複屈折量 (An) が 0. 1 0 8と0. 1 3 6の場合について、 減光 量 50± 3%で解分布が広くなるツイスト角 (0 t) を計算すると An = 0. 1 0 0 5の場合と同様にツイスト角 (0 t) が 42度となった。 結果を図 8、 図 9 に示す。 特に解分布が広くなっている液晶層の厚さは△ nが大きくなると小さく なる傾向であり、 シミュレーションを繰り返した結果、 Διι、 d、 λとの間に、
, An-d
A =
λ
(Αは、 0. 5から 1. 5であり、 好ましくは 0. 7 5〜0. 9 5である。 ) の 関係があり、 またその場合のツイスト角 (S t) は、 透過率 (P。ut) との間に
P · B
Θ ― + C
' Ρ
(Bは— 6 0、 Cは 6 0から 9 0、 好ましくは 6 5から 7 5までの値をとる) の 関係があることがわかつた。
これらの条件を満たすように液晶部のパラメータ (n。、 ne、 d、 Θい θρ 、 Sp t) を選び、 液晶部を作製すれば、 パラメータの製造ばらつきに対する許 容幅が増し、 特に環境温度の変化に対して液晶の屈折率が変化した際の減光量の 変動を抑えることができる。
次に、 図 1の光減衰器において入射する光の偏光方向が変化した場合を考える 。 例えば、 入射する光が直線偏光で図 2において X軸方向に偏光しているときに Z軸を中心に偏光方向が回転した場合に、 液晶層に印加する電圧に対する光減衰 器を透過する光強度の一例を図 1 1に示す。 図 1 1中 3つのグラフは、 入射する 直線偏光の偏光方向と X軸方向との相対的ずれが各々 3度、 0度、 一 3度の 3通 りの場合を示している。 この様に偏光方向の相対的ずれにより、 電圧 0 V付近の 光強度が変化する。
すなわち、 本光減衰器を使用する場合、 例えば液晶層に各々 5 V、 0 Vの電圧 を印加することにより透過する光強度を高めたり (5 V) 、 弱めたり (0 V) す る場合、 入射する直線偏光の偏光方向と X軸方向との相対的ずれにより各々の電 圧での光強度の比が変化する。 反対に光強度の比を変化させないように入射する 直線偏光の偏光方向を精密に制御する必要が生じる。
本発明の光減衰器の他の例を図 1 2に示す。 なお、 図 1において用いられてい る符号と同じものは同じ要素を示す。 液晶部の光の入射側 (透明基板 1 0 1側) に第 2の偏光性透過素子 1 2 0を配置することにより、 本光減衰器に入射する光 の偏光方向が変化した場合、 第 2の偏光性透過素子 1 2 0により液晶部に入射す る光の偏光は安定するため、 前述光強度比は変化せず大変好ましい。 入射側に偏 光性透過素子を配置した場合の、 本光減衰器への入射偏光方向ずれと光強度比の 測定の一例を、 偏光性透過素子を配置しない場合の結果とともに図 1 3に示す。 また、 偏光性透過素子は、 ポリマーに色素を添加後延伸する等した吸収型偏光 子や、 ワイヤグレーティング、 偏光ピームスプリッ夕のように偏光方向により光 路を変化させ実質透過率を変化させるものも使用できる。 特に、 入射する光の偏 光方向によって回折効率の異なる偏光回折素子は薄型化が可能であり、 また液晶 部との一体化による小型化も容易であり好ましい。 偏光回折素子としては、 液晶 や高分子液晶またはニオブ酸リチウム (L i N b O s) 等の複屈折媒体を用いて 作製できる。 また、 液晶部と偏光性透過素子とを一体化することは小型軽量化、 部品点数の 削減等ができ大変好ましい。
また、 このようにして作製した光減衰器を光へッド装置に搭載した一例を図 1 0に示す。 本発明の光減衰器は、 液晶素子 3、 偏光性透過素子 4、 1 2として、 コリメ一卜レンズ 2と 1 /4波長板 8の間に設置されている。 半導体レーザ 1よ り出射された光はコリメ一トレンズ 2により平行光とされ偏光性透過素子 1 2を 透過後、 液晶素子 3を透過する。 電圧制御装置 1 1を用いて液晶素子 3には外部 から電圧を印加できる。 液晶素子 3を透過した光は、 偏光性透過素子 4を透過す る。 偏光性透過素子 4は、 この素子に入射した光が出射する際に、 光記録媒体に 向けて出射する光量を入射光の偏光方向によって変化させるものであり、 偏光ビ 一ムスプリッ夕、 プリズムまたはワイヤグレーティングを含め回折格子、 偏向回 折素子などを用いることができる。 図 1 0の例では、 偏光性透過素子 4として偏 光ビームスプリツ夕を、 偏光性透過素子 1 2として偏光回折素子を用いた。 また 、 偏光性透過素子 4、 1 2は液晶素子 3に貼り付け一体化できる。 偏光性透過素 子 4を透過した光は、 1 /4波長板 8を透過後、 ァクチユエ一夕 6に搭載された 集光レンズ 5により光記録媒体 7上に集光される。
光記録媒体 7で反射された光は上記の光路を逆に進む。 図 1 0の例では、 偏光 性透過素子 4として偏光ビームスプリッ夕を用いているので、 光路を逆に進む光 は偏光性透過素子 4により反射された後、 集光レンズ 9により集光されて光検出 器 1 0に到達する。 このとき、 液晶素子 3に (実際には、 液晶素子を構成する透 明基板の表面に形成された透明電極に) 複数の異なる電圧を印加することにより 、 液晶素子 3を透過した光の偏光方向を変化させ、 偏光性透過素子 4を通過して 光記録媒体に集光する光量を変えることができる。
光記録媒体の情報の再生のために光記録媒体上に集光される光量 P iの、 光記 録媒体の情報の記録のために集光される光量 P 2に対する比 P iZP sは、 0 . 2 〜0 . 8の範囲の値とするのがよいが、 さらに 0 . 3〜0 . 6の範囲の値とする ことが好ましい。 この光量比であると、 光記録媒体への情報の記録時には光量を 1 0 0 %にして充分に情報の記録ができ、 一方再生時には光量を記録時の光量に 対して 2 0〜8 0 % (すなわち 0 . 2〜0 . 8 ) の範囲の値とし、 さらに 3 0 % 〜50% (すなわち 0. 3〜0. 6) の範囲の値とすると、 光記録媒体に情報を 書き込むことなく S ZNを大きく取りながら情報の再生ができるので好ましい。 以下に、 実施例を示す。
波長 405 nmで使用する減光率 36. 5 %の光減衰器を作成した。 以下作製 の詳細を図 1、 図 2を用いて説明する。 まず液晶部については、 図 1において厚 さ 1. 0 mmのガラスの透明基板 101および 102に、 スパッ夕法により I T Oからなる透明導電膜を厚さ 30 nm成膜し、 フ才トリソグラフィおよびゥエツ トエッチングによりパターニングして透明電極 103、 104を形成した。 透明 基板 101と 102の透明電極 103、 104上には厚さ約 50 nmのポリイミ ドの配向膜 105、 106をフレキソ印刷法により塗布し、 その後焼成した。 ポ リイミド膜の配向膜 105、 106に対して布によるラビングの配向処理を施し た。 このとき液晶分子 108は、 液晶層 107の厚さ方向の軸の回りに捩じられ るようにした。 透明基板 101にスクリーン印刷法によりエポキシ系のシール材
(図示せず) を印刷した。 エポキシ系のシール材 (図示せず) には、 液晶層の厚 さを維持するための直径 3. 6 imのファイバスぺーサを 3% (質量比換算。 以 下同じ。 ) 、 および透明基板 101と 102との間の導電性を得るために表面に 導電性コ一ティングを施した直径 4 mのプラスチック球を 2 %、 それぞれを混 合した。 透明基板 101と 102とを重ねて位置合わせした後、 170度の温度 にて、 6X 104NZm2の圧力で圧着しセルを形成した。 作成したセルに真空 注入法によりネマテック液晶を注入し液晶層 107とし、 注入口を UV接着剤 ( 図示せず) にて封止して外形 8 mmx 10mm角の液晶素子を作成した。 この液 晶素子は、 透明電極 103、 104を介して外部から液晶層に電圧を印加できる 。 液晶素子 (光減衰器の液晶部) のパラメ一夕は、 0P =— 10度、 0 t=5 O 度、 Δη = 0. 1005、 d= 3. 6とした。
作成された液晶素子を、 図 10に示すように光ヘッド装置に組み込んだ。 液晶 素子 3は、 光へッド装置に配された偏光性透過素子 4である偏光ビームスプリッ 夕と偏光性透過素子 12である偏光回折素子との間に設置され、 この液晶素子は 電圧制御装置 11からの出力電圧によって制御された。 半導体レーザ 1からの出 射光は、 コリメ一トレンズ 2、 偏光性透過素子 12、 液晶素子 3、 偏光性透過素 子 4である偏光ビ一ムスプリッ夕、 1/4波長板 8の順に透過し、 ァクチユエ一 夕 6に保持された集光レンズ 5を透過して光記録媒体 7上に集光される。 集光さ れた光は光記録媒体 7により反射され, 集光レンズ 5、 1/4波長板 8の順に透 過し偏光方向が 90度変化された後、 偏光ビームスプリツ夕により反射され集光 レンズ 9により光検出器 10に導かれた。
このとさ、 液晶素子 3に電圧を印加し光記録媒体 7の位置に光検出器を配置し 集光された光の光量を測定したところ、 液晶素子に印加する電圧が 0. 4 Vrms
( 1 k H zの矩形交流) のときは 37 % (電圧 10Vrms (1 kHzの矩形交流 ) を印加した際の光量を 100%とした) であり、 液晶に印加する電圧により光 記録媒体 7に集光される光の光量を変化させることができた。 この光へッド装置 を用いて、 光記録媒体に情報を記録するときは、 液晶素子 3に電圧を 10 Vrms
(1 kHz矩形交流) を印加し、 光記録媒体 7に集光された光の光量を大きくし 、 光記録媒体 7から情報を再生するときは、 半導体レーザ 1の出力は変化させず に、 液晶素子 3に電圧を 0. 4Vrms (1 kHzの矩形交流) とし光記録媒体 7 に集光された光の光量を 37%に減光する。 こうして低ノイズで情報の再生が行 われた。 また、 環境温度を 10°Cから 60°Cの間で変化させたが、 減光量の変動 は小さく抑えられていることを確認した。 産業上の利用可能性
本発明においては、 環境温度の変化に対する減衰量の変動が小さい光減衰器、 また入射する光の偏光方向などの偏光状態の変化に対する減衰量の変動が小さい 光減衰器、 および情報の記録および再生特性の優れた上記光減衰器を搭載した光 へッド装置を提供できる。
また、 本光減衰器は波長 1550 nm帯等の近赤外波長領域においても、 例え ば光通信システムにおける可変光減衰器などにも利用できる。

Claims

請 求 の 範 囲
1. 2枚の透明基板の対向するそれぞれの面に透明電極が形成されるとともに 、 前記透明電極間には液晶層が挟持され、 かつ前記液晶層内の液晶分子の方向が 前記液晶層の厚さ方向の軸の回りに螺旋状に捩じれている液晶素子と、 入射する 光の偏光状態によつて透過率が異なる、 少なくとも一つの偏光性透過素子とを備 える光減衰器において、
前記液晶素子を構成する液晶の常光屈折率 (n。) および異常光屈折率 (ne ) 、 前記透明基板に近接した液晶分子の透明基板面に対する角度 (Θρ t ) 、 液 晶層の厚さ (d) 、 および入射する光の波長 (λ) の間で、 (1) 式により定義 する第 1条件式において、 Αの値が 0. 5から 1. 5までの範囲を満たすように 構成されていることを特徴とする光減衰器。
A =
λ
… (1)
ただし、
η = "。 · Z ": ' cos2(^> + Κ · sm2(^, ) - n
2. 2枚の前記透明基板に近接した液晶分子それぞれの 2つの配向方向がなす 角度 ( ) 、 前記光減衰器に入射する光量 (Pi n ) 、 および前記光減衰器か ら出射する光量 (P。 u t ) の間で、 (2) 式により定義する第 2条件式を満た す (ただし、 減光定数 Bがー 60、 角度変数 Cの値が 60から 90の範囲) よう に構成されている請求の範囲 1に記載の光減衰器。
Figure imgf000015_0001
(2)
3 . 前記偏光性透過素子を二つ有し、 前記偏光性透過素子が前記液晶の光の入 射側と光の出射側にそれぞれ一つずつ配置されている請求の範囲 1または 2に記 載の光減衰器。
4. 二つの前記偏光性透過素子のうち少なくとも一つが、 入射する光の偏光方 向によって回折効率の異なる偏光回折素子とされている請求の範囲 3に記載の光
5. 二つの前記偏光性透過素子のうち少なくとも一つが、 前記液晶素子と一体 化されている請求の範囲 3または 4に記載の光減衰器。
6 . 前記液晶素子はネマテック液晶を備えている請求の範囲 1力、ら 5のいずれ かに記載の光減衰器。
7 . 前記透明基板はガラスからなる請求の範囲 1から 6のいずれかに記載の光 減衰器。
8 . 光源と、 この光源からの出射光を光記録媒体上に集光するための集光手段 と、 集光された出射光の光記録媒体からの反射光を検出する光検出器と、 光源と 光記録媒体との間の光路中または光記録媒体と光検出器との間の光路中に、 印加 電庄によって透過する光の光量を変化させる光減衰器と、 この光減衰器に電圧を 印加する電圧制御手段とを備える情報の再生および/または記録のための光へッ ド装置において、
前記光減衰器が請求の範囲 1から 7のいずれかに記載の光減衰器であることを 特徴とする光ヘッド装置。
9 . 前記光へッド装置が光記録媒体の情報の再生および記録を行なう光へッド 装置であって、 光記録媒体上に情報の再生のために集光される光量 P iの、 情報 の記録のために集光される光量 P 2に対する比 P iZP 2が、 0 . 2〜0 . 8の範 囲の値である請求の範囲 8に記載の光へッド装置。
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