JP2002208158A - 液晶素子とそれを用いた光ピックアップ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 液晶素子の薄膜構造を最適化し、特定の波長
に対して高い光透過率と液晶駆動時における光透過率変
動を最小化する。 【解決手段】 液晶素子を構成するＩＴＯ、絶縁膜、配
向膜の膜厚と屈折率の関係を最適化した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】収差補正用の液晶素子とそれ
を備えた光ピックアップに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来技術の理解を容易にするため、公知
である光学薄膜の光透過特性及び液晶素子の光学的な構
造、及び液晶素子を用いた光の位相変調について簡単に
解説する。まず最初にガラス基板などの透明な基板上に
透明な薄膜を一層あるいは多層に塗布した光学薄膜素子
を考える。このとき透明な材料で構成されるので光透過
率は波長に関係なく一定でおよそ１００％となる。しか
し実際にはガラス基板を含むすべての薄膜の屈折率が同
一である場合を除き、光の干渉効果で光透過率は透明基
板と各薄膜の屈折率及び各薄膜の厚みと光の波長λによ
り決定される。すなわち波長により透過率が異なる。そ
のため特定の条件においては、特定の波長のみを透過す
る光学薄膜素子が実現可能で干渉フィルターとして良く
知られる。また透過率に関して薄膜の膜厚と波長にはス
ケーリングが存在する。すなわち波長がｎ分の１になっ
たとき薄膜の膜厚もｎ分の１にすれば透過率は同じであ
る。

【０００３】次に一般的な液晶素子の光学構造について
説明する。主構成要素としてガラス基板、ＩＴＯ（透明
導電膜）、絶縁膜、配向膜、液晶層、配向膜、ＩＴＯ、
ガラス基板の順に構成される。ガラス基板は屈折率が
１．５程度のガラスが使用される。また量産性や材料の
制約等によりＩＴＯは屈折率が１．７から２程度、膜厚
は１００から３０００ｎｍ程度、絶縁膜は屈折率が１．
７程度、膜厚が５０から３００ｎｍ程度、配向膜は屈折
率が１．６３程度、膜厚が５０から２００ｎｍ程度が使
用され薄膜構造を持っている。続いて平行配向型あるい
は垂直配向型液晶素子を用いた光の位相変調原理につい
て解説する。図６（ａ）、（ｂ）は平行配向型液晶素子
の動作を模式的に表したものである。図６（ａ）のよう
に透明導電膜が塗布されたガラス基板６０１の間に液晶
分子６０２が挟まれその膜厚はｄである。両方のガラス
基板６０１とも配向軸方向はＹ軸方向のため、液晶分子
６０２はその長軸方向をＹ軸方向に揃え平行に並んでい
る。この液晶素子にＹ軸方向の直線偏光６０３が入射す
ると液晶分子６０２の長軸方向を見ながら進むためその
光路長はｎ１×ｄとなる。ここでｎ１は液晶分子６０２
の長軸方向の屈折率で、直線偏光６０３に対する実効屈
折率となる。

【０００４】次に図６（ｂ）に示すようにＺ軸方向に十
分高い電界を与えると液晶分子６０２はその長軸を電界
方向にそろえて並ぶ。この液晶素子にＹ軸方向の直線偏
光６０３が入射すると液晶分子６０２の短軸方向を見な
がら進むためその光路長はｎ２×ｄとなる。ここでｎ２
は液晶分子６０２の短軸方向の屈折率である。従って電
界を与える前後で光路長が（ｎ１−ｎ２）×ｄだけ変化
し、入射直線偏光６０３の位相が２π（ｎ１−ｎ２）×
ｄ÷λ（λは入射光の波長）だけ変化して出射する。液
晶分子に与える電界を調節する事で中間状態も実現可能
である。従って、分割した透明電極や高抵抗電極により
生じる勾配電界等を用いて液晶分子を部分的に駆動すれ
ば、入射直線偏光６０３に対して位相分布を与える事が
可能である。また垂直配向された液晶素子においてもそ
の基本動作は同じであるが、電界を与えない時が図６
（ｂ）の状態で電界を与えたときが図６（ａ）の状態と
なる。

【０００５】近年、ＤＶＤなどの高密度の光ディスクに
おいて、光学系の収差補正素子として液晶素子が注目さ
れている。これはレーザー光源と対物レンズを備えた光
ピックアップの光路中に液晶素子を挿入し、光ディスク
基板が傾むく事により発生するコマ収差や、多層ディス
ク基板を読むさいに発生する球面収差による光の位相乱
れ、すなわち光の波面の乱れを補正しようとするもので
ある。このとき発生する収差量に応じて、分割された透
明電極により液晶素子に屈折率分布を与えてレーザー光
の波面を補正する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかるに光ピックアッ
プのようにレーザーパワーの限られたレーザ光学系用の
光学素子では光透過率は重要な要素である。特に最近注
目される波長４５０ｎｍ程度の青色レーザーを用いた光
ピックアップの場合、青色レーザーの発光効率は従来の
波長６５０ｎｍ程度の赤色レーザーに比べ低下する。ま
たレーザー光は特定の鋭い波長の光を発生するため、そ
の波長における光透過率が重要となる。他方で液晶素子
は薄膜構造を持ち更に駆動する事で液晶層の実効屈折率
が変化する。そのためレーザー光や単色光で使用する場
合、使用する波長に対して液晶素子の薄膜構造を最適化
して透過率が最大となるように、また液晶を駆動しても
光透過率の変動が最小となるようにするのが望ましい。
しかるに、従来の液晶素子は位相変調素子としてではな
く、偏光板と共に用いる事で白色光に対する光シャッタ
効果を利用した表示用途を主体に開発されてきた。その
ため、液晶素子の薄膜構造はレーザー光学系に対して最
適化設計されてこなかった。また一般のレーザー光学系
用に位相変調型である平行配向型液晶がしばしば使用さ
れてきたが、一般にレーザー光は非常に大きなパワーを
持つため光透過率を問題とする必要はなく液晶素子の薄
膜構造を最適化する必要はなかった。

【０００７】

【課題を解決するための手段】図７に液晶素子において
ＩＴＯの厚みと屈折率を変化させた場合の、波長６５０
ｎｍの単色光における光反射特性のシュミレーション結
果を示す。液晶素子としてはガラス基板、ＩＴＯ、絶縁
膜、配向膜、液晶層、配向膜、ＩＴＯ、ガラス基板の順
で構成される。ガラス基板の屈折率は１．４９、絶縁膜
の屈折率は１．７５、厚みは７０ｎｍ、配向膜の屈折率
は１．６３、厚みは７０ｎｍ、液晶層の実効屈折率は
１．６、厚みは５０００ｎｍである。図７でＹ軸はＩＴ
Ｏの膜厚、Ｘ軸はＩＴＯの屈折率、Ｚ軸は光反射率を表
す。図７からＩＴＯの厚みが１１０ｎｍ付近に第１の反
射率の極小値があり、ＩＴＯの屈折率が変化しても安定
である。またＩＴＯの屈折率が１．６に近いほど反射率
が低下し、かつＩＴＯ膜厚の変化に対する変動も小さく
なる。したがって本条件下においてはＩＴＯの膜厚が１
１０ｎｍ、その屈折率が１．６で光透過率は最大かつ安
定となるが現実にはＩＴＯ屈折率として選べる値は１．
７である。また図４よりＩＴＯの厚みが２００ｎｍ付近
に第２の反射率の極小値がある事もわかる。

【０００８】実際の液晶素子の使用においては、液晶素
子を動作させることでその実効屈折率が変化する。図８
は絶縁膜の膜厚と液晶層の実効屈折率を変化させた場合
の光反射特性のシュミレーション結果である。ＩＴＯ膜
厚は１１０ｎｍ、屈折率は１．７であり他の条件は図７
の場合と同じである。Ｙ軸が絶縁膜の膜厚、Ｘ軸が液晶
層の実効屈折率、Ｚ軸は光反射率を表す。図８より絶縁
膜の膜厚が７０ｎｍ付近に光反射率の鞍部点が存在し、
液晶層の実効屈折率が変化しても高い光透過率が安定的
に実現される。

【０００９】図９は液晶素子においてＩＴＯの膜厚と絶
縁膜の膜厚を変化させた場合の光反射特性のシュミレー
ション結果である。ＩＴＯの屈折率は１．７であり、他
の条件は図７の場合と同じである。Ｙ軸がＩＴＯの膜
厚、Ｘ軸が絶縁膜の膜厚、Ｚ軸は光反射率である。図９
より光反射率の鞍部点が存在し一次式Ｙ＝ａＸ＋ｂで表
され、ａは−０．４、ｂは６０＋１９０ｎあるいはａは
−０．６、ｂは１７０＋１９０ｎ（ｎは整数）である事
がわかる。すなわちおよそこの一次式の関係を満たすＩ
ＴＯ膜厚と絶縁膜厚の組を選べば光透過率は最大とな
り、かつ膜厚の変動に対しても安定である。この条件式
は入射光の波長が６５０ｎｍのときであるため波長が変
われば使用できない。従来技術の薄膜の光透過特性の説
明で述べたように、薄膜厚と波長にはスケーリングがあ
る事を考慮すれば先の一次式はＹ＝ａＸ＋ｂ×λ÷６５
０（λはｎｍ単位で記述された入射光の波長）となり使
用波長に対し一般化される。もちろん、そのさい配向膜
の膜厚もλ÷６５０倍する。

【００１０】先のシュミレーションにおいては公知の手
法（例えば辻内順平著、光学概論２、朝倉書店、４９頁
から５３頁）である薄膜マトリクス法から計算した。こ
れは簡単にいうなら薄膜の屈折率ｎ、厚みｄ、使用波長
λから記述される２×２のマトリクスで薄膜の光学伝達
特性を記述し、薄膜が積層された場合は各薄膜マトリク
スの乗算で全体の薄膜マトリクスを計算する。その結果
から光反射率あるいは光透過率を計算する手法である。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１に本発明の実施形態の一例を
示す。本発明の液晶素子は以下の構成である。すなわ
ち、ＩＴＯ１０２と配向膜１０４とが順次積層された一
対の透明基板であるガラス基板１０１が対面してなり、
当該配向膜１０４との間に液晶層１０５を備え、少なく
とも一方の透明基板上の配向膜１０４とＩＴＯ１０２の
間には絶縁膜１０３が形成された構成であり、用途とし
ては単色光あるいはレーザー光の位相を変調するための
液晶素子を基本的構成としている。特に本発明では、液
晶層厚が３０００ｎｍ以上８０００ｎｍ以下で、液晶分
子の入射光に対する実効屈折率が１．４以上１．８以下
の範囲で変化し、入射光に対する屈折率は、前記透明基
板が１．５±０．２、ＩＴＯが１．７±０．１、絶縁膜
が１．７５±０．１、配向膜が１．６３±０．１で、か
つ、配向膜厚が７０±３０ｎｍであることを特徴とする
液晶素子を提供するところに最大の特徴を持っている。
更に詳しくは、本実施の形態では以下の通りの条件にお
いて最適化を図っている。すなわち、ガラス基板１０１
は屈折率１．４９、厚さ０．７ｍｍ、ＩＴＯ１０２は屈
折率１．７、厚さＹｎｍ、絶縁膜１０３は屈折率１．７
５、厚さＸｎｍ、配向膜１０４は屈折率１．６３、厚さ
７０ｎｍ、液晶層１０５は実効屈折率が１．５から１．
７まで可変、厚さは５０００ｎｍである。ここでＩＴＯ
１０２の膜厚Ｙと絶縁膜１０３の膜厚Ｘは次の関係式を
満たす。Ｙ＝ａＸ＋ｂ×λ÷６５０。ここでａは−０．
４、ｂは６０＋１９０ｎあるいはａは−０．６、ｂは１
７０＋１９０ｎ（ｎは整数）でλはｎｍ単位で記述され
た入射光の波長である。さらに、上記記載の液晶素子を
用いた応用例としては、レーザ光源と、対物レンズと、
収差補正用の液晶素子とを備えた光ピックアップに用い
られ、前記液晶素子の個々の構成の固有の最適条件によ
り、透過率が最適化された液晶素子を提供可能とし、さ
らに、この液晶素子を用いた光ピックアップとしての機
能を満足することが可能となりうる。

【００１２】(実施例)図２に本発明の実施例を示す。ガ
ラス基板２０１は屈折率１．４９、厚さ０．７ｍｍ、Ｉ
ＴＯ２０２は屈折率１．７、厚さ１２０ｎｍ、絶縁膜２
０３は屈折率１．７５、厚さ７０ｎｍ、配向膜２０４は
屈折率１．６３、厚さ７０ｎｍ、液晶層２０５は屈折率
が１．５から１．７まで可変、厚さは５０００ｎｍで入
射光の波長は６５０ｎｍに対して透過率が最適化されて
いる。

【００１３】図３は図２の液晶素子において波長６５０
ｎｍの光に対する光反射特性で、横軸が液晶の実効屈折
率、縦軸が光反射率である。図３より液晶の実効屈折率
が変化しても反射率の変動は最大で１％程度に押さえら
れているのがわかる。従って本液晶素子のガラス基板に
無反射コートを施せば理論上９９％以上の透過率を得る
事ができる。

【００１４】図４は本発明の他の実施例を示す。ガラス
基板４０１は屈折率１．４９、厚さ０．７ｍｍ、ＩＴＯ
４０２は屈折率１．７、厚さ７４ｎｍ、絶縁膜４０３は
屈折率１．７５、厚さ４３ｎｍ、配向膜４０４は屈折率
１．６３、厚さ４３ｎｍ、液晶層４０５は屈折率が１．
５から１．７まで可変、厚さは５０００ｎｍで入射光の
波長は４００ｎｍに対して透過率が最適化されている。
すなわち図２の構造の液晶素子に前述したスケーリング
を施したものであり各膜の屈折率は変わらず、膜厚が６
５０分の４００倍となっている。ただしガラス基板は薄
膜でないためスケーリングは無意味である。また液晶層
厚は本来スケーリングが必要であるが、駆動時に屈折率
変動がある事と、使用する光学条件から膜厚が決まるた
めスケーリングの対象とはしていない。

【００１５】図５は本発明の他の実施例で、公知である
液晶収差補正機構を備えた光ディスクのピックアップ光
学系に適用したものである。波長６５０ｎｍのレーザー
光源５０１から出射したレーザー光５０２がコリメート
レンズ５０３で平行光にされ、液晶素子５０４を透過し
て対物レンズ５０５により光ディスク５０６上に集光さ
れる。液晶素子５０４のＩＴＯは分割電極により構成さ
れ任意のパターンを表示可能である。光ディスクの基板
が傾いたり、厚みが変化したりして光波面収差が発生し
た場合は、収差補正信号５０７により液晶素子５０４を
駆動して逐次収差補正を行う。液晶素子５０４の光学構
造は図２の素子と同じため、収差補正信号５０７により
駆動しても光透過率の変動は１％以下で、液晶素子５０
４のガラス基板に無反射コートを施した場合の理論光透
過率は９９％以上である。

【００１６】図１０は本発明によらない液晶光学素子の
光反射特性を表す図である。ＩＴＯの屈折率として１．
９を用いた。他の条件は本発明による液晶光学素子と同
じである。本発明に関わる図８と比べ、反射率が最大１
０％にも達し、また液晶駆動における反射率変動の少な
い鞍部点もはっきりとは見受けられない。

【００１７】次に、図１１は本発明によらない液晶光学
素子の光反射特性を表す図である。ＩＴＯの膜厚を１７
０ｎｍとした。他の条件は本発明による液晶光学素子と
同じである。本発明に関わる図３比べ、反射率が２％以
上と大きく変動しているのがわかる。従って、以上の説
明から、液晶素子を構成する個々の部品の最適化が重要
であることがわかる。

【００１８】

【発明の効果】今までの説明から明らかなように、本発
明による液晶素子を用いれば任意の単色光に対して、光
透過率を最適化可能である。すなわち、高い光透過率と
液晶を駆動したときでも光透過率の変動を低く押さえる
事ができる。また液晶素子の製作において膜厚が多少変
動しても透過率変化が少ない。本液晶素子は光ディスク
のピックアップやレーザープリンタ等の光学系の収差補
正素子や光波面制御素子として使用すれば、光学系の光
利用効率が高くなり機器の低電力化にも貢献する。

【００１９】また、本発明では液晶素子は特定の波長に
対して最適化したが、複数の波長に対して最適化する事
も可能である。その場合は、単色での最適化よりは性能
は低下する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明における実施形態を示した例である。

【図２】本発明における実施例である。

【図３】本発明による液晶素子の光反射特性を表す図で
ある。

【図４】本発明における他の実施例である。

【図５】本発明における他の実施例である。

【図６】平行配向型液晶素子の位相変調原理図である。

【図７】液晶素子の光反射特性を表す図である。

【図８】液晶素子の光反射特性を表す図である。

【図９】液晶素子の光反射特性を表す図である。

【図１０】液晶素子の光反射特性を表す図である。

【図１１】液晶素子の光反射特性を表す図である。

【符号の説明】

１０１ ガラス基板 １０２ ＩＴＯ １０３ 絶縁膜 １０４ 配向膜 １０５ 液晶層 ５０１ レーザー光源 ５０２ レーザー光 ５０３ コリメートレンズ ５０４ 液晶素子 ５０５ 対物レンズ ５０６ 光ディスク ５０７ 収差補正信号 ６０２ 液晶分子 ６０３ 直線偏光

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ＩＴＯと配向膜とが順次積層された一対
   の透明基板が対面してなり、当該配向膜との間に液晶層
   を備え、少なくとも一方の透明基板上の配向膜とＩＴＯ
   の間には絶縁膜が形成された単色光あるいはレーザー光
   の位相を変調するための液晶素子であって、前記液晶層
   厚が３０００ｎｍ以上８０００ｎｍ以下で、液晶分子の
   入射光に対する実効屈折率が１．４以上１．８以下の範
   囲で変化し、入射光に対する屈折率は、前記透明基板が
   １．５±０．２、ＩＴＯが１．７±０．１、絶縁膜が
   １．７５±０．１、配向膜が１．６３±０．１で、か
   つ、配向膜厚が７０±３０ｎｍであることを特徴とする
   液晶素子。
2. 【請求項２】 前記ＩＴＯの膜厚Ｙｎｍと、前記絶縁膜
   の膜厚Ｘｎｍとの関係は、およそＹ＝ａＸ＋ｂ×λ÷６
   ５０（λはｎｍ単位で記述された入射光の波長）を満た
   し、ａは−０．４、ｂは６０＋１９０ｎあるいはａは−
   ０．６、ｂは１７０＋１９０ｎ（ｎは整数）である事を
   特徴とした請求項１に記載の液晶素子。
3. 【請求項３】 前記ＩＴＯの膜厚が（１２０±３０）×
   λ÷６５０ｎｍ、絶縁膜厚が（７０±３０）×λ÷６５
   ０ｎｍである事を特徴とした請求項１に記載の液晶素
   子。
4. 【請求項４】 収差補正用の液晶素子を備えた光ピック
   アップにおいて、前記液晶素子が請求項１乃至請求項３
   のいずれか１項に記載の液晶素子であることを特徴する
   液晶素子を用いた光ピックアップ。