JP2007280460A - 光ヘッド装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来のものよりも光利用効率を向上させることができ、小型軽量化及び低コスト化を図ることができる光ヘッド装置を提供すること。
【解決手段】光ヘッド装置１００は、光を出射する光源１１と、直線偏光を円偏光に変換する１／４波長板１２と、入射光を透過光と反射光とに分離するコレステリック液晶ビームスプリッタ２０と、光ディスク１５に入射光を集光する対物レンズ１３と、光信号を検出する光検出器１４とを備え、コレステリック液晶ビームスプリッタ２０は、透明基板２１及び２２と、配向膜２３及び２４と、コレステリック液晶２５とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、偏光状態に応じて入射光を透過光と反射光とに分離する偏光ビームスプリッタを備えた光ヘッド装置に関する。

従来、この種の光ヘッド装置としては、図６に示すようなものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

図６に示された従来の光ヘッド装置２００は、光を出射する光源１と、入射光を透過光と反射光とに分離する直方体形状の偏光ビームスプリッタ２と、直線偏光を円偏光に変換する１／４波長板３と、ＤＶＤやＣＤなどの光記録媒体（以下「光ディスク」という。）５に入射光を集光する対物レンズ４と、光信号を検出する光検出器６とを備えている。なお、従来の光ヘッド装置には、光源１からの出射光を平行光に変換するコリメータレンズを備えたものもある。

従来の光ヘッド装置２００は、前述のように構成されているので、光源１から出射された波長λのＹ軸方向の振動面を有する直線偏光（Ｐ偏光）は、偏光ビームスプリッタ２及び１／４波長板３を透過して円偏光となって対物レンズ４により光ディスク５の情報記録面に集光される。その後、情報記録面で反射された光は、対物レンズ４により集光されて１／４波長板３を透過し、Ｘ軸方向の振動面を有する直線偏光（Ｓ偏光）となって偏光ビームスプリッタ２で反射されて光検出器６の受光面に集光される。

偏光ビームスプリッタ２は、２個の直角二等辺三角柱プリズムの一方の斜面に高屈折率・低屈折率の均一屈折率誘電体薄膜の交互多層膜が形成され、斜面どうしが接着固定された直方体形状からなり、誘電体多層膜の構成により、入射光と誘電体多層膜面の垂線とを含む入射面内に偏光面を有する特定波長λの直線偏光の入射光（Ｐ偏光）を透過し、それと直交するＳ偏光を反射する。したがって、光源１から光ディスク５に光が進行する往路において高い透過率が得られ、光ディスク５から光検出器６に光が進行する復路において高い反射率が得られるため、光ヘッド装置２００の偏光ビームスプリッタ２は、光利用効率の高いビームスプリッタとして機能する。

しかしながら、図６に示された偏光ビームスプリッタ２は、高い角度精度で加工された２個の直角二等辺三角柱プリズムの斜面に誘電体多層膜が形成された後、両者が接合された直方体形状の構成であるため、素子の大形化を招くとともに高精度プリズム加工がコストアップを招くという課題があった。その結果、従来の光ヘッド装置２００では、小型化及び低コスト化を図るのが困難であるという課題があった。

この課題の解決を図るものとして、図７に示すような光ヘッド装置が知られている。図７に示された従来の光ヘッド装置３００は、前述の直方体形状の偏光ビームスプリッタ２に代わる平板形状の偏光ビームスプリッタ７を備えたものである。なお、図６に示された構成と同様のものには同一の符号を付して説明を省略する。

偏光ビームスプリッタ７は、ガラス基板の表面に形成された高屈折率・低屈折率の均一屈折率誘電体薄膜の交互多層膜を備え、特定波長λの入射光を特定の比率で透過し、又は反射するようになっている。

特開平６−３０９６９０号公報

しかしながら、図７に示された平板形状の偏光ビームスプリッタ７では、直方体形状の偏光ビームスプリッタよりも小型化が図れるものの、実用的な５０度以下の入射角度で用いる場合、多層膜面での実効的な入射角度が小さくなるためＰ偏光とＳ偏光とに対する多層膜の実効的屈折率差が大きくできないという課題があった。その結果、偏光ビームスプリッタ７は、Ｐ偏光の一部を反射させてＳ偏光の一部を透過させることとなるので、使用波長域で高い偏光分離性能が得られず、要求される高効率な偏光ビームスプリッタとして機能しないといった課題があった。また、入射角度を５０度以上とすることにより、Ｐ偏光とＳ偏光とに対する多層膜の実効的屈折率差を拡大できるため、使用波長域で偏光分離性能が改善できるが、この場合、偏光ビームスプリッタ７が大形化するため光ヘッド装置３００も大形化するといった課題があった。

したがって、小型で生産性の高い平面基板形態でありながら、偏光状態に応じて入射光を透過光と反射光とに分離する機能に優れ、光利用効率が高い偏光ビームスプリッタを備えた光ヘッド装置が求められていた。

本発明は、従来の課題を解決するためになされたものであり、従来のものよりも光利用効率を向上させることができ、小型軽量化及び低コスト化を図ることができる光ヘッド装置を提供することを目的とする。

本発明の光ヘッド装置は、光源と、この光源からの出射光の位相を変化させる波長板と、この波長板を透過した出射光を光記録媒体へ集光する対物レンズと、集光され前記光記録媒体により反射された出射光を検出する光検出器と、反射された出射光を前記光検出器に導くビームスプリッタとを備える光ヘッド装置において、前記ビームスプリッタは、前記波長板と前記対物レンズとの間の光路中に配置されていて、コレステリック液晶を含む構成を有している。

この構成により、本発明の光ヘッド装置は、コレステリック液晶を含むビームスプリッタが、入射光を透過光と反射光とに分離する構成としたので、多層膜を用いる従来のものよりも光利用効率を向上させることができる。また、本発明の光ヘッド装置は、コレステリック液晶を含むビームスプリッタを平面基板形態で構成することができるので、直方体形状の偏光ビームスプリッタを用いる従来のものよりも、小型軽量化及び低コスト化を図ることができる。

また、本発明の光ヘッド装置は、前記ビームスプリッタは、透明基板上に前記コレステリック液晶からなる高分子液晶膜が形成されてなる構成を有している。

この構成により、本発明の光ヘッド装置は、コレステリック液晶からなる高分子液晶を用いることによって液晶層が固体化されるので、セル内に液晶を保持する必要が無く、素子形態が簡略化できるとともに、温度変化に伴う液晶層の屈折率変動や体積膨張が低減されるため、安定した光学特性を得ることができる。

さらに、本発明の光ヘッド装置は、前記出射光の波長をλ、前記コレステリック液晶の捩れピッチをＰ、前記コレステリック液晶の平均屈折率をｎ、前記出射光の中心軸と前記透明基板の法線とのなす角度をθとすると、λ、Ｐ、ｎ及びθの間に式（１）の関係が成立している構成を有している。

０．９５λ≦ｎ×Ｐ×ｃｏｓθ≦１．０５λ （１）

この構成により、本発明の光ヘッド装置は、コレステリック液晶の捩れピッチＰが式（１）を満たすよう調整される結果、コレステリック液晶を含むビームスプリッタに入射される円偏光の選択透過反射性が最も顕著に発現することとなる。

本発明は、従来のものよりも光利用効率を向上させることができ、小型軽量化及び低コスト化を図ることができるという効果を有する光ヘッド装置を提供することができるものである。

以下、本発明の一実施の形態について図面を用いて説明する。

図１に示すように、本実施の形態に係る光ヘッド装置１００は、光を出射する光源１１と、直線偏光を円偏光に変換する１／４波長板１２と、入射光を透過光と反射光とに分離するコレステリック液晶ビームスプリッタ２０と、入射された光を光ディスク１５に集光する対物レンズ１３と、光信号を検出する光検出器１４とを備えている。

光源１１は、例えばＰ偏光の光を出射する半導体レーザで構成される。光源１１から出射された波長λのＹ軸方向の振動面を有する直線偏光は、１／４波長板１２を透過して円偏光となってコレステリック液晶ビームスプリッタ２０に入射する。

円偏光には、互いに独立な右回り円偏光と左回り円偏光とが有り、任意の偏光状態は右回り円偏光成分と左回り偏光成分との和で表される。コレステリック液晶ビームスプリッタ２０は後述するように、特定の波長帯域の特定の円偏光成分（例えば右回り円偏光）を透過し、それと独立な円偏光成分（左回り円偏光）を反射する機能を発現するように作製されている。

図１においては、コレステリック液晶ビームスプリッタ２０は、１／４波長板１２により右回り円偏光となった入射光を効率よく透過するように作製されている。コレステリック液晶ビームスプリッタ２０を透過した右回り円偏光は、対物レンズ１３により光ディスク１５の情報記録層に集光され、情報記録層により反射された光は、左回りの円偏光となって対物レンズ１３を透過してコレステリック液晶ビームスプリッタ２０に入射される。

コレステリック液晶ビームスプリッタ２０に入射する波長λの左回りの円偏光は、高い反射率で反射されて光検出器１４に集光される。その結果、光源１１から光ディスク１５に光が進行する往路及び光ディスク１５から光検出器１４に光が進行する復路において、光損失の少ない高効率な光ヘッド装置１００が実現する。

また、光ヘッド装置１００は、平面ガラス基板の片面に誘電体多層膜ミラーが形成された従来のビームスプリッタに比べて使用波長域で高い偏光分離性能（消光比）が得られるので、光利用効率を向上させることができる。

次に、コレステリック液晶ビームスプリッタ２０について、図２に示す断面図を用いて説明する。

コレステリック液晶ビームスプリッタ２０は、透明基板２１及び２２と、配向膜２３及び２４と、コレステリック液晶２５とを備えている。

透明基板２１及び２２は、例えばガラスやプラスティック等で構成される。この透明基板２１及び２２の表面に例えばポリイミドの有機膜を塗布・硬化し、特定方向にラビング処理することにより配向膜２３及び２４が形成されている。また、配向膜２３と配向膜２４とを対向させるとともに、その間隔が一定となるようギャップ制御材やシール（図示せず）を用いて空セルを作製し、この空セルにコレステリック液晶２５が注入されている。

コレステリック液晶２５は、分子内に不斉炭素を有するネマティック液晶やネマティック液晶に特定方向にねじれ（ツイスト）配向させるカイラル材を添加することにより、ネマティック液晶が液晶層内で螺旋状にねじれた構成が得られる。螺旋軸の方向が液晶層内で均一に透明基板２１及び２２の基板面に垂直に揃うように、透明基板２１及び２２の液晶層界面にて配向膜２３及び２４を形成することが好ましいが、必ずしもラビング処理が必要ではなく、界面状態を安定化させる表面状態が確保されていればよい。

図２において、螺旋軸方向がＺ方向に揃ったコレステリック液晶のＸＹ面内の平均屈折率をｎ、コレステリック液晶２５の螺旋ピッチをＰとすると、入射角θでコレステリック液晶ビームスプリッタ２０に入射する波長λの光に対して、円偏光選択透過反射性が最も顕著に発現する条件は、ｎ×Ｐ×ｃｏｓθ＝λである。円偏光選択反射の波長帯域△λは、コレステリック液晶２５を構成する液晶の複屈折△ｎ（異常光屈折率ｎｅと常光屈折率ｎｏの差）を用いて、△λ＝Ｐ×△ｎで関係付けられる。したがって、△λ／λ＝△ｎ／（ｎ×ｃｏｓθ）となる。コレステリック液晶２５の液晶分子の複屈折△ｎは、平均屈折率ｎに対して１０％前後であり、入射角θの波長λの入射光に対して、式（１）に示された関係（０．９５λ≦ｎ×Ｐ×ｃｏｓθ≦１．０５λ）を満たすように螺旋ピッチＰを調整すればよい。螺旋ピッチＰは、例えばネマティック液晶に添加されるカイラル材の螺旋能や濃度により調整できる。なお、円偏光選択反射の波長帯域△λ以外の波長帯では、入射光の偏光状態との依存性は少なく、入射光はその偏光状態に係わらずコレステリック液晶層を透過する。

なお、コレステリック液晶２５は、重合基を有する液晶モノマーを用い、例えば紫外線照射により重合固化することにより得られるコレステリック高分子液晶で構成してもよい。コレステリック液晶２５をコレステリック高分子液晶で構成することにより液晶層が固体化されるため、セル内に液晶を保持する必要が無く、素子形態が簡略化できるため好ましい。また、温度変化に伴う液晶層の屈折率変動や体積膨張が低減されるため、安定した光学特性が得られる。

以下、本実施の形態に係るコレステリック液晶ビームスプリッタ２０の他の態様を説明する。

まず、第１の他の態様に係るコレステリック液晶ビームスプリッタ３０は、図３に示すように、例えばガラスやプラスティック等で構成される透明基板３１と、例えばポリイミドで構成される配向膜３２と、コレステリック高分子液晶３３とを備えている。

コレステリック高分子液晶３３は、配向膜３２が形成された透明基板３１上にコレステリック液晶モノマーを均一に塗布し、紫外線照射により重合固化して形成されたものである。

なお、コレステリック高分子液晶３３の表面に、透過する円偏光に対して反射防止機能を有する薄膜（図示せず）を保護膜として形成してもよい。

また、コレステリック液晶ビームスプリッタ３０は、図２に示されたコレステリック液晶ビームスプリッタ２０をコレステリック高分子液晶で構成した後に透明基板２２を剥離して作製してもよい。

次に、第２の他の態様に係るコレステリック液晶ビームスプリッタ４０は、図４に示すように、例えばガラスやプラスティック等で構成される透明基板４１と、例えばポリイミドで構成される配向膜４２と、コレステリック高分子液晶４３Ａ及び４３Ｂとを備えている。

コレステリック高分子液晶４３Ａ及び４３Ｂは、螺旋ピッチＰが互いに異なっており、円偏光選択反射の対象波長域を拡大することができる。具体的には、ＤＶＤ用の波長帯λ_Ａ＝６６０ｎｍに対して円偏光選択反射性が発現する螺旋ピッチＰ_Ａのコレステリック高分子液晶４３Ａと、ＣＤ用の波長帯λ_Ｂ＝７８５ｎｍに対して円偏光選択反射性が発現する螺旋ピッチＰ_Ｂのコレステリック高分子液晶４３Ｂとが積層されている。その結果、ＤＶＤ及びＣＤで用いられる異なる波長帯の入射光に対して、高効率の偏光ビームスプリッタとして機能するようになっている。

したがって、図１に示すコレステリック液晶ビームスプリッタ２０に代えてコレステリック液晶ビームスプリッタ４０を光ヘッド装置１００に適用し、光源１１としてＤＶＤとＣＤの２波長の光を切り替えて出射する２波長半導体レーザを搭載した場合、ＤＶＤ及びＣＤの光ディスクの記録・再生において、従来のものよりも光利用効率を向上させることができる。

次に、第３の他の態様に係るコレステリック液晶ビームスプリッタ５０は、図５に示すように、例えばガラスやプラスティック等で構成される透明基板５１と、光干渉型のビームスプリッタ膜５２と、例えばポリイミドで構成される配向膜５３と、コレステリック高分子液晶５４とを備えている。

ビームスプリッタ膜５２は、透明基板５１上に誘電体多層膜が形成されたものである。また、コレステリック高分子液晶５４は、配向膜５３に積層された構成となっている。例えば、コレステリック高分子液晶５４は、ＤＶＤ用の波長帯λ_Ａ＝６６０ｎｍに対して円偏光選択反射性が発現する螺旋ピッチＰ_Ａを有し、ビームスプリッタ膜５２をＤＶＤ波長帯の光は透過しＣＤ波長帯の光は部分反射（透過率９０％かつ反射率１０％）するよう構成されている。この構成により、ＤＶＤ波長帯の入射光に対しては高効率の偏光ビームスプリッタとして機能し、ＣＤ波長帯の入射光に対しては入射偏光に依存しないビームスプリッタとして機能する。

したがって、図１に示すコレステリック液晶ビームスプリッタ２０に代えてコレステリック液晶ビームスプリッタ５０を光ヘッド装置１００に適用し、光源１１としてＤＶＤとＣＤの２波長の光を切り替えて出射する２波長半導体レーザを搭載した場合、ＤＶＤ及びＣＤの光ディスクの記録・再生において、従来のものよりも光利用効率を向上させることができる。

また、光ディスクの情報記録面のカバー層の厚さはＣＤとＤＶＤとで異なり、ＣＤはＤＶＤの２倍厚いので、ＣＤの記録・再生においてはカバー層材料であるポリカーボネートの残留複屈折の影響を受けやすいが、コレステリック液晶ビームスプリッタ５０を用いた光ヘッド装置１００では、光ディスクの複屈折に起因して復路の光の偏光状態が変動してもビームスプリッタ膜５２による反射光量の変化は生じないので、従来のものよりも安定性の高い信号検出ができる。

［実施例］
次に、図２及び図３を用いて、コレステリック高分子液晶からなるコレステリック液晶ビームスプリッタ３０について、以下に実施例を示す。

まず、ガラスからなる透明基板２１及び２２の表面にＸ軸方向にラビング処理した配向膜２３及び２４を形成し、スペーサ径１０μｍのギャップ制御材を透明基板２１及び２２の片面に散布するとともに、透明基板２１及び２２の周辺にシール材を印刷して空セルを作製する。

次に、異常光屈折率ｎ_ｅ＝１．７０、常光屈折率ｎ_ｏ＝１．５０のネマティック液晶モノマーにカイラル材を混合し、室温で左回りの螺旋配向を示すコレステリック液晶モノマーを準備し、空セルに注入することにより厚さ１１．６μｍのコレステリック液晶モノマー層を形成する。

さらに、紫外線をコレステリック液晶モノマー層に照射して重合固化することによりコレステリック高分子液晶を得る。

次に、透明基板２２をコレステリック高分子液晶から剥離して図３に示すコレステリック液晶ビームスプリッタ３０とする。ここで、コレステリック高分子液晶の平均屈折率ｎは１．６０で、螺旋ピッチＰを０．５８μｍとしている。すなわち、コレステリック高分子液晶層内の螺旋は２０巻きとなっている。

前述の製造工程で得られたコレステリック液晶ビームスプリッタ３０に、入射角４５度で光が入射する場合、ＤＶＤ波長λ＝６６０ｎｍを中心とした波長域△λ＝９０ｎｍにおいて、左回りの円偏光はコレステリック高分子液晶層で正規反射され、右回りの円偏光はコレステリック高分子液晶層で反射されることなく直進透過する。

次に、コレステリック液晶ビームスプリッタ３０を光ヘッド装置１００に搭載する。以下、図１に示すコレステリック液晶ビームスプリッタ２０をコレステリック液晶ビームスプリッタ３０に代えたものとして説明する。

ＤＶＤ用のλ＝６６０ｎｍ±２０ｎｍ波長域を発光する光源１１から出射された直線偏光は、１／４波長板１２を透過して右回りの円偏光となってコレステリック液晶ビームスプリッタ３０に入射角４５度で入射し、直進透過する。

さらに、コレステリック液晶ビームスプリッタ３０から出射した光は、対物レンズ１３によりＤＶＤ光ディスクの情報記録面に集光される。ＤＶＤ光ディスクの情報記録面で反射され、左回りの円偏光の発散光となった信号光は、対物レンズ１３により集光されてコレステリック液晶ビームスプリッタ３０に入射角４５度で入射する。左回りの円偏光は、コレステリック液晶ビームスプリッタ３０で正規反射されて光検出器１４の受光面に集光される。その結果、従来の平板型のビームスプリッタを用いた構成（図７参照）に比べて光利用効率の高い光学系となり、ＤＶＤの安定した記録・再生ができる光ヘッド装置が得られる。

また、従来の直方体型の偏光ビームスプリッタを用いた構成（図６参照）に比べて光ヘッド装置の小型軽量化が達成できる。

また、本実施の形態に係る光ヘッド装置１００は、切断研磨プロセスにより作製される直方体型の偏光ビームスプリッタに比べ、コレステリック液晶ビームスプリッタ２０、３０、４０及び５０のいずれかとすることにより生産性を高めることができ、低コスト化を図ることができる。

また、従来の直方体型の偏光ビームスプリッタを用いた光ヘッド装置では、図６に示すように、１／４波長板３は偏光ビームスプリッタ２の後の光路に配置する必要があったので、１／４波長板３を偏光ビームスプリッタ２に合わせて大型化する必要があった。これに対して、本実施の形態に係る光ヘッド装置１００では、図１に示すように、１／４波長板１２は光源１１の近傍に配置することも可能であり、従来のもののように、１／４波長板１２を大型化する必要がないので、装置の小型軽量化及び低コスト化を図ることができる。

以上のように、本実施の形態に係る光ヘッド装置１００によれば、コレステリック液晶ビームスプリッタ２０、３０、４０及び５０のいずれかで入射光を透過光と反射光とに分離する構成としたので、従来のものよりも光利用効率を向上させることができ、小型軽量化及び低コスト化を図ることができる。

以上のように、本発明に係る光ヘッド装置は、従来のものよりも光利用効率を向上させることができ、小型軽量化及び低コスト化を図ることができるという効果を有し、偏光状態に応じて入射光を透過光と反射光とに分離する偏光ビームスプリッタを備えた光ヘッド装置等として有用である。

本発明の光ヘッド装置の構成の一例を示す側面図 本発明の光ヘッド装置に用いられるコレステリック液晶ビームスプリッタの構成の一例を示す断面図 本発明の光ヘッド装置に用いられるコレステリック高分子液晶からなるコレステリック液晶ビームスプリッタの構成の一例を示す断面図 本発明の光ヘッド装置に用いられるコレステリック高分子液晶からなるコレステリック液晶ビームスプリッタの構成の他の例を示す断面図 本発明の光ヘッド装置に用いられるコレステリック高分子液晶からなるコレステリック液晶ビームスプリッタの構成の他の例を示す断面図 従来の直方体形状の偏光ビームスプリッタを用いた光ヘッド装置の構成の一例を示す側面図 従来の平板形状のビームスプリッタを用いた光ヘッド装置の構成の一例を示す側面図

符号の説明

１１ 光源
１２ １／４波長板
１３ 対物レンズ
１４ 光検出器
１５ 光ディスク
２０、３０、４０、５０ コレステリック液晶ビームスプリッタ
２１、２２、３１、４１、５１ 透明基板
２３、２４、３２、４２、５３ 配向膜
２５ コレステリック液晶
３３、４３Ａ、４３Ｂ、５４ コレステリック高分子液晶
５２ ビームスプリッタ膜
１００ 光ヘッド装置

Claims (3)

1. 光源と、この光源からの出射光の位相を変化させる波長板と、この波長板を透過した出射光を光記録媒体へ集光する対物レンズと、集光され前記光記録媒体により反射された出射光を検出する光検出器と、反射された出射光を前記光検出器に導くビームスプリッタとを備える光ヘッド装置において、
   前記ビームスプリッタは、前記波長板と前記対物レンズとの間の光路中に配置されていて、コレステリック液晶を含むことを特徴とする光ヘッド装置。
2. 前記ビームスプリッタは、透明基板上に前記コレステリック液晶からなる高分子液晶膜が形成されてなる請求項１記載の光ヘッド装置。
3. 前記出射光の波長をλ、前記コレステリック液晶の捩れピッチをＰ、前記コレステリック液晶の平均屈折率をｎ、前記出射光の中心軸と前記透明基板の法線とのなす角度をθとすると、λ、Ｐ、ｎ及びθの間に式（１）の関係が成立している請求項１又は２記載の光ヘッド装置。
   ０．９５λ≦ｎ×Ｐ×ｃｏｓθ≦１．０５λ （１）

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