光学素子および光ヘッド装置
【課題】偏光依存性の小さい光学素子およびこれを用いた光ヘッド装置を提供する。
【解決手段】液晶レンズ素子２１は、第１の透明基板２２と第２の透明基板２３の間に設けられた液晶層２９と、これらの透明基板と液晶層２９の間にそれぞれ設けられた第１の電極層２４および第２の電極層２６を有する。液晶層２９は、１軸性液晶と２軸性液晶を含む液晶組成物からなっていて、この液晶組成物は、数式０．８≦（｜ｎｘ１−ｎｙ１｜ａ）／（｜ｎｙ２−ｎｚ２｜ｂ）≦１．２を満足する。（式中で、ａは、複屈折性物質中における一方の液晶の含有率（モル％）を、ｂは、複屈折性物質中における他方の液晶の含有率（モル％）をそれぞれ示す。）
【解決手段】液晶レンズ素子２１は、第１の透明基板２２と第２の透明基板２３の間に設けられた液晶層２９と、これらの透明基板と液晶層２９の間にそれぞれ設けられた第１の電極層２４および第２の電極層２６を有する。液晶層２９は、１軸性液晶と２軸性液晶を含む液晶組成物からなっていて、この液晶組成物は、数式０．８≦（｜ｎｘ１−ｎｙ１｜ａ）／（｜ｎｙ２−ｎｚ２｜ｂ）≦１．２を満足する。（式中で、ａは、複屈折性物質中における一方の液晶の含有率（モル％）を、ｂは、複屈折性物質中における他方の液晶の含有率（モル％）をそれぞれ示す。）
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学素子および光ヘッド装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、対向する一対の透明な基板に液晶層が挟持された液晶セルを有する液晶レンズ素子が知られている。液晶レンズ素子は、液晶層に印加する電圧に応じて、液晶層を透過する光の焦点距離を変えることのできる光学素子である。
【０００３】
例えば、誘電異方性が正であって、電圧無印加時に液晶分子が基板に対し平行に配向している液晶層を用いて、液晶レンズ素子を構成する。そして、この液晶レンズ素子に閾値以上の電圧を印加すると、液晶分子は電界に沿って配向するようになる。このとき、印加する電圧の大きさを制御すれば、液晶分子の配向方向は、基板に平行な方向から基板に垂直な方向まで連続的に変化する。したがって、液晶セルの見かけの屈折率は、液晶分子の配向方向に偏光した入射光に対して、異常光に対する値から常光に対する値まで連続的に変化するようになる。このように、印加電圧により液晶分子の配向方向を制御して、液晶セルの見かけの屈折率を変えることによって、レンズの焦点距離を、異常光に対する値から常光に対する値まで、連続的に変化させることが可能となる。
【０００４】
しかし、上記のような液晶レンズ素子では、入射光の偏光方向を液晶分子の配向方向と一致させるために、液晶セルの入射光側に偏光板を設けることが必要となる。このため、入射光の一部が偏光板で吸収されて、透過損失が大きくなるという問題があった。
【０００５】
これに対して、特性が同じである２つの液晶レンズ素子を、電圧が印加されていないときの各々の液晶分子の配向方向が互いに直交するようにして重ね合わせたものが開示されている（例えば、特許文献１参照。）。この液晶レンズ素子によれば、偏光板を不要とすることができる。これは、次の理由によるものである。
【０００６】
例えば、第１の液晶レンズ素子と第２の液晶レンズ素子とで構成される液晶レンズ素子について考える。各々の液晶レンズ素子には、同一の特性を有する液晶が用いられており、また、各液晶分子の配向方向は、互いに直交するようにして重ね合わせられているとする。
【０００７】
液晶レンズ素子に入射する光は、互いに直交する２つの偏光成分、すなわち、第１の液晶レンズ素子における液晶分子の配向方向に平行な偏光成分と、これに直交する偏光成分とに分解される。
【０００８】
第１の液晶レンズ素子に、その液晶分子の配向方向に平行な偏光が入射した場合、この偏光は第１の液晶レンズ素子に対して異常光となる。そして、第１の液晶レンズ素子に電圧を印加すると、液晶分子は電界に沿って配向するようになるので、第１の液晶レンズ素子の見かけの屈折率は、電圧の大きさに応じて、異常光に対する値から常光に対する値まで連続的に変化する。
【０００９】
一方、第１の液晶レンズ素子に対しての異常光は、第２の液晶レンズ素子では常光となる。したがって、第２の液晶レンズ素子の見かけの屈折率は変化しない。
【００１０】
次に、第１の液晶レンズ素子に、第２の液晶レンズ素子の液晶分子の配向方向に平行な偏光が入射した場合について考える。この偏光は、第１の液晶レンズ素子に対して常光となる。したがって、第１の液晶レンズ素子の見かけの屈折率は変化しない。一方、第２の液晶レンズ素子に対しては異常光となるので、上述した第１の液晶レンズ素子に異常光が入射した場合と同様に、第２の液晶レンズ素子の見かけの屈折率は連続的に変化する。
【００１１】
第１の液晶レンズ素子と第２の液晶レンズ素子に同じ電圧を印加すれば、これらは、互いに等しい焦点距離可変の効果を生じる。したがって、これらを組み合わせた液晶レンズ素子は、あらゆる方向の光に対して、焦点距離を変えることのできる素子として機能するようになる。つまり、第１の液晶レンズ素子と第２の液晶レンズ素子を、電圧無印加時における液晶分子の配向方向が互いに直交するよう重ね合わせて配置することにより、偏光板を必要とせずに焦点距離を変えることのできる液晶レンズ素子とすることができる。
【００１２】
ところで、上記の液晶レンズ素子の他に、光多重通信の分野においても、液晶を用いた光学素子が知られている。
【００１３】
光多重通信は、送信された多数の波長の光信号の中から、所望の波長の光信号を選択して受信するものである。このため、光多重通信では、所望の波長の光のみを選び出す波長選択フィルタが用いられる。その１つとして、従来より液晶エタロンが知られている（例えば、特許文献２参照。）。
【００１４】
液晶エタロンは、例えば、反射膜、透明電極および配向膜が設けられた一対の透明基板によって液晶が挟持された構造を有する。透明電極間に電圧を印加すると、電圧の大きさに応じて液晶の屈折率が変化する。すると、これに伴って光路長が変化するので、一対の反射膜によって構成される光共振器の共振波長が変化する。すなわち、液晶エタロンでは、印加電圧の大きさによって共振波長を変えることができるので、電圧に応じた波長の光信号を選択することが可能となる。
【００１５】
【特許文献１】国際公開２００５−０７６２６５号明細書
【特許文献２】特開２００４−１９１７２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかしながら、従来の液晶レンズ素子の場合、上記のように２つの液晶レンズ素子を重ね合わせる構成では、液晶レンズ素子全体の厚みが増して重くなる上に、コストがかかるという問題があった。
【００１７】
また、液晶エタロンの場合、入射光の偏光状態によって共振波長が異なる値をとる。具体的には、液晶エタロンにＳ偏光が入射すると、共振波長は印加電圧により変化するが、Ｐ偏光が入射した場合には、印加電圧を変えても共振波長は変化しない。したがって、従来の液晶エタロンでは、液晶分子の配向方向に平行な偏光に対しては共振波長を変えることができるものの、配向方向に垂直な偏光に対しては共振波長を変えることができない。
このため、偏光依存損失（Polarization Dependence Loss）が大きくなるという問題があった。
【００１８】
本発明はこうした問題点に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明は、偏光依存性の小さい光学素子を提供することを目的とする。より詳しくは、従来より簡単な構成で焦点距離を変えることのできる液晶レンズ素子と、これを用いた光ヘッド装置とを提供することを目的とする。また、従来より偏光依存損失を小さくすることのできる波長選択フィルタを提供することを目的とする。
【００１９】
本発明の他の目的および利点は、以下の記載から明らかとなるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明の第１の態様は、一対の透明基板に挟持された複屈折性物質と、該複屈折性物質に電圧を印加する電極とを備えた光学素子であって、
前記複屈折性物質は、前記電圧の大きさに応じて入射光に対する屈折率が変化するとともに、電圧無印加時および電圧印加時のいずれかにおいて、前記一対の透明基板の面内で屈折率が最大となる方向が同じとなる複数の物質を含み、
前記複数の物質には、前記複屈折性物質に入射した互いに直交する２つの直線偏光の一方に対してのみ屈折率を変化させるものと、前記直線偏光の他方に対してのみ屈折率を変化させるものとがあり、
前記複屈折性物質では、前記一方の直線偏光に対する屈折率の変化量と、前記他方の直線偏光に対する屈折率の変化量とが略等しいことを特徴とするものである。
【００２１】
前記複数の物質には、２種類の液晶が含まれており、
これらの液晶が水平配向をした際に前記屈折率が最大となる方向をｘ軸、前記一対の透明基板の面内で前記ｘ軸に直交する方向をｙ軸、前記ｘ軸と前記ｙ軸に直交する方向をｚ軸とすると、前記液晶の一方にはｎｘ１＞ｎｙ１＝ｎｚ１の関係が成立し、他方にはｎｙ２＞ｎｚ２の関係が成立し、さらに、前記複屈折性物質は下記の数式を満足することが好ましい。
（式中で、ａは、複屈折性物質中における一方の液晶の含有率（モル％）を、ｂは、複屈折性物質中における他方の液晶の含有率（モル％）をそれぞれ示す。）
【００２２】
前記他方の液晶は、ｎｘ２＞ｎｙ２＞ｎｚ２の関係が成立するバナナ型液晶とすることができる。
【００２３】
前記バナナ型液晶において、分子の略中央部に位置した分子単位に結合する側鎖間でのなす角度は、６０度以上で１６０度以内であることが好ましい。
【００２４】
前記他方の液晶は、ｎｘ２＝ｎｙ２＞ｎｚ２の関係が成立するディスコティック液晶とすることができる。
【００２５】
前記光学素子は、液晶レンズ素子とすることができる。
【００２６】
前記光学素子は、波長選択フィルタとすることができる。
【００２７】
本発明の第２の態様は、本発明の第１の態様による液晶レンズ素子を有することを特徴とする光ヘッド装置に関する。
【発明の効果】
【００２８】
本発明の第１の態様によれば、複数の物質には、複屈折性物質に入射した互いに直交する２つの直線偏光の一方に対してのみ屈折率を変化させるものと、他方に対してのみ屈折率を変化させるものとがあり、複屈折性物質では、一方の直線偏光に対する屈折率の変化量と、他方の直線偏光に対する屈折率の変化量とが略等しいので、偏光依存性の小さい光学素子とすることができる。
【００２９】
本発明の第２の態様によれば、従来より簡単な構成で焦点距離を変えることのできる液晶レンズ素子を使用するので、薄型化および軽量化された光ヘッド装置を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
本発明では、説明の都合上、「１軸性液晶」とは、前記の一方の液晶であるｎｘ＞ｎｙ＝ｎｚの関係を有する１軸性液晶を意味することとし、ｎｘ＝ｎｙ＞ｎｚの関係を有する１軸性のディスコティック液晶はこれに含まれないこととする。尚、ｘ、ｙ、ｚ方向の定義は前記した通りである。
【００３１】
本実施の形態では、１軸性液晶と２軸性液晶を混合して得られる液晶組成物を光学素子に適用する。ここで、１軸性液晶と２軸性液晶は、液晶組成物に入射した互いに直交する２つの直線偏光に対し、電圧の印加状態を変えることにより、反対の位相変化を示すものとする。すなわち、電圧の印加状態を変えることにより、１軸性液晶は、一方の直線偏光に対してφ１の位相変化を生じ、他方の直線偏光に対してはφ２の位相変化を生じる（φ１≠φ２で、一方は０であってもよい。）。また、２軸性液晶は、１軸性液晶とは反対の挙動を示し、１軸性液晶がφ１の位相変化を生じる直線偏光に対してはφ３の位相変化を生じ、１軸性液晶がφ２の位相変化を生じる直線偏光に対してφ４の位相変化を生じる（φ３≠φ４で、一方は０であってもよい。）。例えば、Ｓ偏光に対して、１軸性液晶ではφ１の位相が進むが、２軸性液晶ではφ３位相が進む。一方、Ｐ偏光に対して、１軸性液晶ではφ２の位相が進むが、２軸性液晶ではφ４の位相が進む。このような１軸性液晶と２軸性液晶を、互いの位相変化量が等しくなる（φ１＋φ３≒φ２＋φ４となるように）ような組成比で混合することにより、液晶組成物に入射するあらゆる偏光に対して依存性を有しない、偏光無依存の光学素子を実現することができる。本実施の形態においては、２軸性液晶としてバナナ型液晶を用いることができる。但し、本発明における液晶組成物は、必ずしも１軸性液晶と２軸性液晶の混合物である必要はない。例えば、２軸性液晶に替えて１軸性のディスコティック液晶を混合して得られる液晶組成物を光学素子に適用することもできる。また、本発明における光学素子としては、液晶レンズ素子または液晶エタロンなどの波長選択フィルタなどが挙げられるが、偏光無依存性が必要とされる用途に用いられるものであれば、これらに限られるものではない。
【００３２】
液晶組成物にした場合に、組成物としてそろった挙動をするので、１軸性液晶における最大屈折率をもつ光軸と、２軸性液晶における最大屈折率をもつ光軸とは、互いに一致する。一般に、最大屈折率をもつ光軸は、分子の長軸に一致するので、１軸性液晶の分子の長軸と、２軸性液晶の分子の長軸とが、互いに一致していると言い換えることもできる。
以下では、最大屈折率をもつ光軸を液晶分子の長軸として説明する。
【００３３】
本発明において、１軸性液晶と２軸性液晶を混合して得られる液晶組成物は、数式（Ｉ）を満足することが好ましい。さらに、光学素子の偏光依存性を小さくする点から、数式（ＩＩ）が成立することが好ましく、数式（ＩＩＩ）が成立することがより好ましい。但し、同一面内で直交する２つの軸をｘ軸およびｙ軸とし、これらの軸に直交する軸をｚ軸としたとき、１軸性液晶および２軸性液晶の分子の長軸は、ｘ軸に一致しているものとする。また、１軸性液晶について、ｘ軸、ｙ軸およびｚ軸の各方向における屈折率をｎｘ１，ｎｙ１，ｎｚ１とし、２軸性液晶については、それぞれ、ｎｘ２，ｎｙ２，ｎｚ２とする。さらに、液晶組成物中における１軸性液晶の含有率（モル％）をａとし、液晶組成物中における２軸性液晶の含有率（モル％）をｂとする。
【００３４】
尚、正の誘電異方性の液晶組成物の場合には、電圧無印加時に基板面に平行に液晶分子が配向するので、その長軸方向をｘ軸とし、同じ基板面内でｘ軸に直交する方向をｙ軸とし、ｘ軸、ｙ軸に直交することになる基板面に垂直な方向をｚ軸とする。以下の説明では、ｚ軸に平行な方向に電場が印加されるとし、正の誘電異方性の液晶組成物を例に説明する。なお、負の誘電異方性の液晶組成物などで電圧無印加時に基板面に垂直な方向に液晶分子が配向する場合には、電圧印加時に基板面に平行に液晶分子が配向するので、その長軸方向をｘ軸とし、同じ基板面内でｘ軸に直交する方向をｙ軸とし、ｘ軸、ｙ軸に直交することになる基板面に垂直な方向をｚ軸とする。
【００３５】
【００３６】
【００３７】
【００３８】
本実施の形態において、１軸性液晶の長軸の方向は、配向処理の方向に一致する。同様に、２軸性液晶の長軸の方向も、配向処理の方向に一致する。したがって、１軸性液晶と２軸性液晶を混合して得られた液晶組成物において、それぞれの液晶の長軸の方向は、配向処理の方向に一致する。それ故、１軸性液晶の屈折率ｎｘ１，ｎｙ１，ｎｚ１は、組成物中でも変わらず、２軸性液晶の屈折率ｎｘ２，ｎｙ２，ｎｚ２も、組成物中で変わらない。
【００３９】
上述したように、最大屈折率をもつ光軸は、長軸、すなわち、ｘ軸の方向である。したがって、１軸性液晶では、ｘ軸方向の屈折率（ｎｘ１）が最大値となり、数式（ＩＶ）の関係が成立する。
ｎｘ１＞ｎｙ１＝ｎｚ１ （ＩＶ）
【００４０】
２軸性液晶において、ｎｘ２，ｎｙ２，ｎｚ２は、互いに異なる値をもつ。ここで、最大屈折率をもつ光軸は、長軸、すなわち、ｘ軸の方向であるので、ｎｘ２が最大値となる。本実施の形態においては、一般に数多く存在するネマティック相を発現する液晶を用いる点から、
ｎｘ２＞ｎｙ２＞ｎｚ２ （Ｖ）
の関係が成立することが好ましい。
【００４１】
以上のことを、図１（ａ）および（ｂ）を用いて、より詳しく説明する。
【００４２】
図１（ａ）は、電圧印加の有無によって、１軸性液晶の分子の配向方向が変化する様子を模式的に示したものである。この図の例では、電圧無印加時における液晶分子１は、基板２に対して平行に配向している。このとき、液晶分子１の長軸は、ｘ軸に一致している。電圧を印加すると、液晶分子１は、基板２に対して垂直に配向するようになる。
【００４３】
図１（ｂ）は、電圧印加の有無によって、２軸性液晶の分子の配向方向が変化する様子を模式的に示したものである。電圧無印加時には、基板４と平行に液晶分子３が配向し、電圧を印加すると、基板４に対して垂直に液晶分子３が配向するようになるのは、１軸性液晶の場合と同様である。また、２軸性液晶の分子の長軸は、１軸性液晶の分子の長軸に一致する。したがって、この図の例では、ｘ軸に一致している。
【００４４】
図１（ａ）に示す１軸性液晶では、電圧印加の有無により、ｘ軸方向に偏光した光の位相が変化する一方で、ｙ軸方向に振動する光の位相は変化しない。すなわち、ｘ軸方向に偏光した光が入射すると、電圧無印加時にｎｘ１（ｎｅ）であった屈折率は、電圧印加時には、ｎｙ１＝ｎｚ１（ｎ０）となる。一方、ｙ軸方向に偏光した光が入射すると、電圧無印加時にｎｙ１（ｎ０）であった屈折率は、電圧印加時にもｎｙ１＝ｎｚ１（ｎ０）であり、電圧印加の有無によって変化しない。
【００４５】
これに対して、図１（ｂ）に示す２軸性液晶では、電圧印加の有無により、ｘ軸方向に偏光した光の位相は変化しないが、ｙ軸方向に偏光した光の位相が変化する。すなわち、ｘ軸方向に偏光した光が入射すると、電圧無印加時にｎｘ２であった屈折率は、電圧印加時にもｎｘ２であり、電圧印加の有無によって変化しない。一方、ｙ軸方向に偏光した光が入射すると、電圧無印加時にｎｙ２であった屈折率は、電圧印加時にはｎｚ２に変化する。
【００４６】
このように、１軸性液晶と２軸性液晶は、ｘ軸方向に偏光した光と、ｙ軸方向に偏光した光に対して、光学的に反対の挙動を示す。すなわち、１軸性液晶では、ｘ軸方向に偏光した光に対してのみ位相変化を生じる。これに対して、２軸性液晶では、ｙ軸方向に偏光した光に対してのみ位相変化を生じる。
【００４７】
次に、上記の１軸性液晶と２軸性液晶を同量（ａ：ｂ＝１：１）混同して得た液晶組成物について考える。
【００４８】
ｘ軸方向に偏光した光が入射すると、電圧無印加時に（ｎｘ１＋ｎｘ２）／２であった屈折率は、電圧印加時には（ｎｙ１＋ｎｘ２）／２となる。したがって、
ｎｘ１＝１．５５，ｎｙ１＝１．４７，ｎｚ１＝１．４７
ｎｘ２＝１．７１，ｎｙ２＝１．６１，ｎｚ２＝１．５３
とすると、電圧印加の有無による屈折率の変化量は、
（ｎｘ１＋ｎｘ２−ｎｙ１−ｎｘ２）／２＝（ｎｘ１−ｎｙ１）／２＝０．０４
である。
【００４９】
一方、ｙ軸方向に偏光した光が入射すると、電圧無印加時に（ｎｙ１＋ｎｙ２）／２であった屈折率は、電圧印加時には（ｎｙ１＋ｎｚ２）／２となる。したがって、電圧印加の有無による屈折率の変化量は、
（ｎｙ１＋ｎｙ２−ｎｙ１−ｎｚ２）／２＝（ｎｙ２−ｎｚ２）／２＝０．０４
である。
【００５０】
このように、液晶組成物中において、電圧印加の有無によるｘ軸方向とｙ軸方向の屈折率の変化量は同じ値となる。つまり、１軸性液晶と２軸性液晶は、ｘ軸方向に偏光した光とｙ軸方向に偏光した光に対して光学的に反対の挙動を示すが、屈折率の変化量は等しい値となる。このことは、屈折率の変化（位相の変化）が、偏光方向によらず同じとなることを示している。したがって、この液晶組成物を用いれば、偏光無依存の光学素子を得ることが可能となる。
【００５１】
上記の例では、電圧印加の有無による屈折率の変化量が、ｘ軸方向とｙ軸方向で同じ値となった。したがって、この場合には、偏光無依存の光学素子を実現することができる。
しかし、屈折率の変化量が完全に一致していなくても、略一致していれば、偏光依存性の小さい（実質的には偏光無依存の）光学素子を得ることが可能である。具体的には、（｜ｎｘ１−ｎｙ１｜ａ）／（｜ｎｙ２−ｎｚ２｜ｂ）の値を数式（Ｉ）〜（ＩＩＩ）に示した範囲とすることにより、偏光無依存または偏光依存性の小さい光学素子を得ることができる。
【００５２】
本発明における液晶組成物からなる液晶層に電圧を印加すると、液晶分子は電界に沿って配向するようになる。このとき、印加する電圧の大きさを制御すれば、液晶分子の配向方向を連続的に変化させることができる。
【００５３】
まず、液晶層に対して、１軸性液晶の分子の配向方向に平行な偏光が入射した場合について考える。このとき、屈折率は、電圧によって、異常光に対する値（ｎｅ）から常光に対する値（ｎｏ）まで連続的に変化する。一方、１軸性液晶の分子の配向方向に垂直な偏光が入射した場合、屈折率は、電圧によらずｎｏで一定となる。尚、ここで、１軸性液晶における屈折率ｎｘ１およびｎｙ１は、それぞれｎｅおよびｎｏに対応するものとする。
【００５４】
次に、液晶層に対して、２軸性液晶の分子の配向方向に平行な偏光が入射した場合について考える。このとき、屈折率は、電圧によらずｎｅで一定である。一方、２軸性液晶の分子の配向方向に垂直な偏光が入射した場合、屈折率は、電圧によって、異常光に対する値（ｎｅｓ）から常光に対する値（ｎｏ）まで連続的に変化する。尚、ここで、２軸性液晶における屈折率ｎｘ２、ｎｙ２およびｎｚ２は、それぞれｎｅ、ｎｅｓおよびｎｏに対応するものとする。
【００５５】
このように、数式（Ｉ）の関係が成立する液晶組成物では、所定の偏光が入射した場合における１軸性液晶の屈折率変化と２軸性液晶の屈折率変化とは、互いに反対の挙動を示し、一方の直線偏光の位相の変化量は他方の直線偏光の位相の変化量に略等しくなる。したがって、この液晶組成物を用いれば、入射光の偏光方向に対して依存性の小さい光学素子を得ることができる。このことを、図２（ａ）〜（ｃ）を用いてさらに詳しく説明する。
【００５６】
図２（ａ）は、本発明において、電圧印加の有無による１軸性液晶の分子の配向変化を模式的に示した図である。符号５は、電圧が印加されていない状態の液晶分子を示しており、符号６は、電圧が印加された状態の液晶分子を示している。この場合、液晶の屈折率は、電圧を印加することによりｎｘからｎｙまで変化する。
【００５７】
図２（ｂ）は、本発明において、電圧印加の有無による２軸性液晶の分子の配向変化を模式的に示した図である。符号７は、電圧が印加されていない状態の液晶分子を示しており、符号８は、電圧が印加された状態の液晶分子を示している。また、点線は、分子の回転軸を表している。この場合、液晶の屈折率は、電圧を印加することによりｎｙからｎｚまで変化する。
【００５８】
電圧印加の有無により、１軸性液晶の分子と２軸性液晶の分子とが、それぞれ図２（ａ）および（ｂ）に示すような動きをすると、入射光に対する屈折率変化の様子は、１軸性液晶と２軸性液晶とで反対となる。したがって、液晶層を透過する光の屈折率変化を入射光の偏光方向に無関係とすることができる。
【００５９】
これに対して、２軸性液晶の屈折率が、電圧印加の有無によりｎｘとｎｚの間で変化する場合について考える。
【００６０】
図２（ｃ）は、本発明の比較例であって、電圧印加の有無による２軸性液晶の分子の配向変化を模式的に示す図である。符号９は、電圧が印加されていない状態の液晶分子を示しており、符号１０は、電圧が印加された状態の液晶分子を示している。この場合、液晶の屈折率は、電圧を印加することによりｎｘからｎｚまで変化する。
【００６１】
電圧印加の有無により、１軸性液晶の分子と２軸性液晶の分子とが、それぞれ図２（ａ）および（ｃ）に示すような動きをすると、入射光に対する屈折率変化の様子は、１軸性液晶と２軸性液晶とで同じとなる。この場合、一方の直線偏光の位相の変化量と他方の直線偏光の位相の変化量とを略等しくすることはできないので、これらの液晶を混合した液晶層を用いても、入射光の偏光方向に対する依存性の小さい光学素子は得られない。
【００６２】
以上述べたように、１軸性液晶と２軸性液晶を混合した液晶組成物を用い、且つ、液晶組成物の屈折率が数式（Ｉ）の関係を満たすようにすることにより、これを用いた光学素子の偏光依存性を小さくすることができる。
【００６３】
次に、本発明に好適な１軸性液晶と２軸性液晶について述べる。
【００６４】
１軸性液晶としては、棒状液晶を用いることができる。棒状液晶は、最も一般的な液晶性化合物であり、分子形状が棒状とみなせる化合物の総称である。具体的には、分子の長軸をα、分子の短軸をβとしたとき、（α／β）の値が十分に大きいものを言う。例えば、（α／β）≧２であれば、棒状液晶として好ましく用いられる。
【００６５】
具体的な棒状液晶としては、アゾメチン類、アゾキシ類、シアノビフェニル類、シアノフェニルエステル類、安息香酸エステル類、シクロヘキサンカルボン酸フェニルエステル類、シアノフェニルシクロヘキサン類、シアノ置換フェニルピリミジン類、アルコキシ置換フェニルピリミジン類、フェニルジオキサン類、トラン類およびアルケニルシクロヘキシルベンゾニトリル類などが挙げられる。
【００６６】
２軸性液晶としては、バナナ型液晶を用いることができる。これらの液晶において、分子の略中央部に位置する分子単位に結合している側鎖は、同じであってもよく、異なっていてもよい。さらに、２軸性液晶は、液晶状態での光学軸が２つ存在する液晶性化合物、すなわち、液晶相の３軸方向の屈折率が全て異なっていて、且つ、一定の配向を付与できる化合物であれば、上記に限定されるものではない。
【００６７】
バナナ型液晶は、ベント型の分子構造を有する液晶化合物である。具体的には、分子の略中央部に分子を屈曲させる分子構造を備えている。例えば、化学式（１）に示す化合物が挙げられる。但し、化学式（１）において、Ａｒ１は、単環、多環および複素環を含む芳香環を、Ａｒ２およびＡｒ３は、単環、多環および複素環を含む芳香環を、それぞれ示している。また、Ｘは、−ＣＯＯまたは−ＣＯＮＨなどの連結部であり、Ｒ１およびＲ２は、それぞれ炭素数１〜１６のアルキル基または炭素数１〜１６のアルコキシ基、シアノ基若しくはハロゲン原子である。Ｒ３およびＲ４は、それぞれ脂環若しくは単環、多環および複素環を含む芳香環または脂環および芳香環の組み合わせとすることができる。
【００６８】
化学式（１）
【００６９】
化学式（１）で表される化合物の具体例としては、例えば、化学式（２）〜（５）に示す化合物が挙げられる。また、特開２００５−３５９５０号公報に開示された化合物を用いることもできる。
【００７０】
化学式（２）
化学式（３）
化学式（４）
化学式（５）
【００７１】
バナナ型液晶において、分子の略中央部に位置する分子単位に結合する側鎖は、化学式（２）〜（５）に示すように同じであってもよいが、異なっていてもよい。
【００７２】
本発明においては、２軸性液晶に代えて、ディスコティック液晶を用いることもできる。ディスコティック液晶を用いた場合にも、２軸性液晶を用いた場合と同様の効果が得られる。ここで、ディスコティック液晶が水平配向をした際に、屈折率が最大となる方向をｘ軸、ｘ軸と同じ基板面内でｘ軸に直交する方向をｙ軸、ｘ軸およびｙ軸に直交する方向をｚ軸とすると、ｎｘ＝ｎｙ＞ｎｚの関係が成立する。
【００７３】
図３（ａ）〜（ｃ）は、電圧印加の有無によって、ディスコティック液晶の分子の配向方向が変化する様子を模式的に示したものである。この例では、電圧無印加時における液晶分子１１は、図３（ａ）に示すように、基板１２に対して平行に配向している。このとき、液晶分子１１の長軸は、ｘ軸に一致している。電圧を印加すると、液晶分子１１は、図３（ｂ）または（ｃ）に示すように、基板１２に対して垂直に配向するようになる。ここで、液晶分子が図３（ｂ）のように変化する場合には、液晶層に対し、液晶分子の配向方向に平行な偏光（ｘ方向）が入射すると、屈折率は、電圧によらずｎｏで一定となる。一方、液晶分子の配向方向に垂直な偏光（ｙ方向）が入射すると、屈折率は、電圧によってｎｏからｎｅまで連続的に変化する。ここで、ｎｏは上記のｎｘおよびｎｙに、ｎｅはｎｚに対応する。但し、ｎｏ＞ｎｅである。上述の通り、１軸性液晶では、分子の配向方向に平行な偏光（ｘ方向）が入射すると、屈折率は、電圧によってｎｅからｎｏまで連続的に変化する。一方、分子の配向方向に垂直な偏光（ｙ方向）が入射したした場合には、常光の屈折率は電圧によらずｎｏで一定となる。したがって、数式（Ｉ）
の関係が成立する液晶組成物では、所定の偏光が入射した場合における１軸性液晶の屈折率変化とディスコティック液晶の屈折率変化とは、互いに反対の挙動を示し、一方の直線偏光の位相の変化量は他方の直線偏光の位相の変化量に略等しくなる。したがって、この液晶組成物を用いれば、入射光の偏光方向に対して依存性の小さい光学素子を得ることができる。
【００７４】
しかしながら、電圧印加時に液晶分子が図３（ｃ）のように変化する場合には、本発明の効果を得ることはできない。この場合、液晶層に対し、液晶分子の配向方向に平行な偏光（ｘ方向）が入射すると、屈折率は、電圧によってｎｏからｎｅまで連続的に変化する。一方、液晶分子の配向方向に垂直な偏光（ｙ方向）が入射すると、屈折率は、電圧によらずｎｏで一定となる。すなわち、入射光に対する屈折率変化の様子は、１軸性液晶とディスコティック液晶とで同じとなる。この場合、一方の直線偏光の位相の変化量と他方の直線偏光の位相の変化量とを略等しくすることはできない。したがって、これらの液晶を混合した液晶層を用いても、入射光の偏光方向に対する依存性の小さい光学素子は得られない。
【００７５】
ディスコティック液晶としては、例えば、化学式（６）に示す化合物を用いることができる。化学式（６）において、Ａｒ１は、単環、多環および複素環を含む芳香環を、Ａｒ２、Ａｒ３およびＡｒ４は、単環、多環および複素環を含む芳香環を、それぞれ示している。また、ＸおよびＹは、−ＣＯＯまたは−ＣＯＮＨなどの連結部である。但し、本発明においては、連結部を持たなくてもよい。Ｒ１、Ｒ２およびＲ３は、それぞれ炭素数１〜１６のアルキル基または炭素数１〜１６のアルコキシ基である。Ｒ５、Ｒ６およびＲ７は、それぞれ脂環若しくは単環、多環および複素環を含む芳香環または脂環および芳香環の組み合わせとすることができる。
【００７６】
化学式（６）
【００７７】
また、ディスコティック液晶として、化学式（７）（ただし、Ｒは化学式（８）または〜（９））に示す化合物を用いることもできる。さらに、特開２００５−２２５９８６号公報または特開２００５−３３８７４４号公報に開示された化合物を用いることもできる。
【００７８】
化学式（７）
化学式（８）
化学式（９）
【００７９】
本発明の２軸性液晶では、分子の略中央部に位置した分子単位に結合する側鎖について、側鎖間でのなす角度が１８０度未満となる必要があり、６０度以上で１６０度以内となることがより好ましい。このことを、図４（ａ）〜（ｄ）に示す模式図を用いて詳しく説明する。
【００８０】
図４（ａ）〜（ｄ）において、符号１０１，２０１は、分子の略中央部に位置する分子単位を表している。例えば、符号１０１は、化学式（１）のアリール基（Ａｒ１）に対応する。また、符号１０２，１０３，２０２，２０３は、上記分子単位に結合する側鎖を表している。例えば、符号１０２，１０３は、それぞれ化学式（１）の−Ａｒ２−Ｘ−Ｒ３−Ｒ１と−Ａｒ３−Ｘ−Ｒ４−Ｒ２に対応する。尚、図４（ｂ）は図４（ａ）を、図４（ｄ）は図４（ｃ）を、それぞれ紙面に平行な方向から見た図である。これらの図に示すように、隣接する側鎖のなす角度θは、１８０度未満である必要がある。例えば、化学式（２）に示す液晶化合物の場合、θ＝１３４度である。
【００８１】
また、ディスコティク液晶において、分子の略中央部に位置した分子単位に結合する側鎖が３つ以上ある場合には、この内の少なくとも２つの側鎖のなす角度が１８０度未満とされ、６０度以上で１６０度以内となることがより好ましい。θがこの範囲であれば、液晶分子がエネルギー的に安定な構造をとることができる。このことを、図５（ａ）および（ｂ）に示す模式図を用いて詳しく説明する。
【００８２】
図５（ａ）および（ｂ）において、符号３０１，４０１は、分子の略中央部に位置する分子単位を表している。例えば、符号３０１は、化学式（６）のアリール基（Ａｒ１）に対応する。また、符号３０２〜３０４，４０２〜４０５は、上記分子単位に結合する側鎖を表している。例えば、符号３０２〜３０４は、それぞれ化学式（６）の−Ｘ−Ａｒ２−Ｙ−Ｒ５−Ｒ１、−Ｘ−Ａｒ３−Ｙ−Ｒ６−Ｒ２、−Ｘ−Ａｒ４−Ｙ−Ｒ７−Ｒ３に対応する。これらの図において、θ２は、１８０度未満であるので、図５（ａ）および（ｂ）に示す構造は、どちらも本発明に使用できる構造である。
【００８３】
本発明においては、１軸性液晶と２軸性液晶を各々１種類ずつ混合してもよいし、少なくとも一方を複数種類として混合してもよい。但し、混合して得られた液晶組成物は、特定の温度で液晶性を示すことが必要とされる。したがって、１軸性液晶と２軸性液晶とを混合することによって、液晶性が消失したり、相分離を起こしたりするものは、本発明で使用される液晶組成物として適さない。例えば、化学式（２）の液晶化合物の場合、液晶組成物に対して５０モル％程度まで相溶性に支障を来たさずに混合することができる。
【００８４】
液晶性を示す温度域や平均屈折率を調整するために、数式（Ｉ）を満足する１軸性液晶および２軸性液晶に、他の液晶化合物や非液晶化合物を添加することができる。但し、添加量は、液晶組成物に対して２０質量％以下であることが好ましく、５質量％以下であることがより好ましい。
【００８５】
液晶組成物は、紫外線吸収剤や酸化防止剤などを含有していてもよい。紫外線吸収剤としては、例えば、ベンゾフェノン類、ベンゾエート類またはトリアゾール類などが挙げられる。また、酸化防止剤としては、例えば、フェノール類または有機硫黄化合物などが挙げられる。紫外線吸収剤または酸化防止剤の添加量は、液晶組成物に対して１質量％以下であることが好ましく、０．５質量％以下であることがより好ましい。
【００８６】
以上述べたように、１軸性液晶と２軸性液晶を混合した液晶組成物を用い、且つ、液晶組成物の屈折率が式（Ｉ）の関係を満たすようにすることにより、これを用いた光学素子を偏光依存性の小さいものにすることができる。尚、本発明では前記したように、２軸性液晶の代わりにディスコティク液晶を用いることもできる。また、本発明の液晶組成物は、ネマティック液晶またはスメクティック液晶のいずれの状態で用いてもよいが、ネマティック液晶状態で用いることが好ましい。
【００８７】
上述した本発明における液晶組成物を用いて、光学素子を作製することができる。
【００８８】
本発明による光学素子は、一対の透明基板に挟持された複屈折性物質と、この複屈折性物質に電圧を印加する電極とを備えており、複屈折性物質は、電圧の大きさに応じて入射光に対する屈折率が変化するとともに、基板面に平行に配列した際に屈折率が最大となる方向が同じとなる複数の物質を含む。
【００８９】
すなわち、第１の複屈折性物質は、電圧の印加状態の変化により、一方の直線偏光に対してφ１の位相変化を生じ、他方の直線偏光に対してはφ２の位相変化を生じる（φ１≠φ２で、一方は０であってもよい。）。また、第２の複屈折性物質は、電圧の印加状態の変化により、第１の複屈折性物質とは反対の挙動を示し、第１の複屈折性物質がφ１の位相変化を生じる直線偏光に対してはφ３の位相変化を生じ、第１の複屈折性物質がφ２の位相変化を生じる直線偏光に対してφ４の位相変化を生じる（φ３≠φ４で、一方は０であってもよい。）。例えば、Ｓ偏光に対して、第１の複屈折性物質ではφ１の位相が進むが、第２の複屈折性物質ではφ３位相が進む。一方、Ｐ偏光に対して、第１の複屈折性物質ではφ２の位相が進むが、第２の複屈折性物質ではφ４の位相が進む。このような第１の複屈折性物質と第２の複屈折性物質とを、互いの位相変化量が等しくなる（φ１＋φ３≒φ２＋φ４となるように）ような組成比で混合することにより、複屈折性物質に入射するあらゆる偏光に対して依存性を有しない、偏光無依存の光学素子を実現することができる。
【００９０】
より具体的には、複数の複屈折性物質として、複屈折性物質に入射した互いに直交する２つの直線偏光の一方に対してのみ屈折率を変化させるものと、他方に対してのみ屈折率を変化させるものとを用いる。そして、複屈折性物質では、一方の直線偏光に対する屈折率の変化量と、他方の直線偏光に対する屈折率の変化量とが略等しいものとする。このような光学素子であれば、複屈折性物質の見かけの屈折率が、入射光の偏光方向に依存して変化するのを抑制することができる。
【００９１】
複屈折性物質は、上記の液晶組成物から構成されるものとすることができるが、他の複屈折材料でも同等の挙動を示すものは使用できる。
【００９２】
実施の形態１．
本実施の形態では、上述した液晶組成物を液晶レンズ素子に適用した場合について述べる。
【００９３】
図６は、本実施の形態における液晶レンズ素子の断面模式図である。
【００９４】
図６に示すように、液晶レンズ素子２１は、第１の透明基板２２と、これに対向する第２の透明基板２３とを有する。
【００９５】
第１の透明基板２２の上には、第１の電極層２４と、第１の配向膜２５とがこの順に形成されている。一方、第２の透明基板２３の上にも、第２の電極層２６と、第２の配向膜２７とがこの順に形成されている。第１の透明基板２２と第２の透明基板２３とは、シール材２８を介して貼り合わされており、これらの間に液晶層２９が充填されて、液晶セル３０が構成されている。
【００９６】
第１の電極層２４および第２の電極層２６は、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）などの透明電極材料からなり、同心円状にパターニングされていたり、あるいは、同心円状のフレネルレンズボディの表面上面若しくは下面に形成されていたりする。但し、これらの内の一方は、全面ベタの電極とすることもできる。また、フレネルレンズボディの下面に形成された場合は、両方がベタ電極であってもよい。
【００９７】
第１の電極層２４および第２の電極層２６を介して液晶層２９に適切な電圧を印加すると、液晶層２９を構成している液晶の配向が印加電圧に応じて変化する。これにより、液晶層２９の実質的な屈折率が変わるので、液晶層２９を透過する光の焦点距離を変化させることができる。
【００９８】
第１の配向膜２５および第２の配向膜２７は、例えば、ポリイミドなどの有機材料を適当な溶剤に溶解し、これをスピンコート法などで基板の上に塗布した後に熱処理を行うことによって形成される。これらの配向膜に対しては、電圧印加時の液晶分子の動作方向を均一にするために、ラビング法などによる配向処理が施される。
【００９９】
液晶層２９には、１軸性液晶と２軸性液晶を混合した、本発明における液晶組成物を用いる。
【０１００】
例えば、液晶層２９に用いる液晶分子の誘電異方性を正とした場合、液晶レンズ素子２１の液晶分子は、初期配向状態である電圧無印加時には基板に対して概ね水平に配向する。電源３１を介して、第１の電極層２４と第２の電極層２６に電圧を印加すると、１軸性液晶を構成する液晶分子と、２軸性液晶を構成する液晶分子とは、第１の透明基板２２と第２の透明基板２３に対して立ち上がり、それぞれの屈折率は電圧の大きさに応じた量で変化する。
【０１０１】
尚、本実施の形態においては、液晶層２９に用いる液晶分子の誘電異方性を負とすることもできる。この場合、液晶レンズ素子２１の液晶分子は、初期配向状態である電圧無印加時には基板に対して概ね垂直に配向するが、電源３１を介して第１の電極層２４と第２の電極層２６に電圧を印加すると、基板に対して概ね水平に配向するようになる。１軸性液晶では、電圧無印加時には基板に垂直なｚ方向がｎｅであり、電圧印加時には基板に水平なｘ方向がｎｅであるとすると、他の液晶として、２軸性液晶を用いる場合には、電圧無印加時はｚ方向がｎｅｓ、ｘ方向がｎｅ、ｙ方向がｎｏであり、電圧印加時はｚ方向がｎｏ、ｘ方向がｎｅ、ｙ方向がｎｅｓとすればよい。また、他の液晶として、ディスコティック液晶を用いる場合には、電圧無印加時はｚ方向並びにｘ方向がｎｏ、ｙ方向がｎｅであり、電圧印加時はｚ方向がｎｅ、ｘ方向並びにｙ方向がｎｏとすればよい。
【０１０２】
液晶セル３０に入射する光は、互いに直交する２つの偏光成分に分解される。すなわち、水平配向したときの液晶分子の配向方向に平行な偏光成分と、これに垂直な偏光成分とに分解される。液晶分子に対して、前者は異常光となり、後者は常光となる。本実施の形態では、異常光に対する屈折率変化と常光に対する屈折率変化とは、１軸性液晶と２軸性液晶とで反対の挙動を示す。すなわち、これらは、一方の直線偏光の位相の変化量が他方の直線偏光の位相の変化量に略等しくなる関係となっている。これにより、液晶セル３０を透過する光の屈折率変化を入射光の偏光方向に無関係とすることができる。
【０１０３】
このように、本実施の形態によれば、偏光板を用いる必要がなく、また、２つの液晶セルを重ね合わせる必要もない。したがって、従来より簡単な構成で焦点距離を変えることのできる液晶レンズ素子とすることができる。
【０１０４】
以下に、液晶光学素子の具体例を示す。
【０１０５】
厚さ０．５ｍｍの２枚の無アルカリガラス基板を対向させて、エポキシ化合物を主成分とするシール材で貼り合せて液晶セルを構成する。尚、シール材には、基板の間隔を１０μｍ程度に保つため、ガラス製のスペーサが含有されている。それぞれの基板の表面には、厚さ１０ｎｍのＩＴＯ（Indium Tin Oxide）からなる透明電極が設けられており、さらに、この上には、ポリイミドからなる配向膜が設けられている。透明電極を介して液晶に電圧を印加すると、液晶が駆動する。ここで、配向膜には、電圧を印加したときの液晶の配向方向を揃えるために、ラビング法による配向処理が施されている。配向処理は、上下の基板で配向方向が平行となるようにする。
【０１０６】
２軸性液晶としては、上記の化学式（５）の材料を用いる。この２軸性液晶の波長５８９．３ｎｍにおける屈折率は、既知の液晶との混合評価から、ｎｘ２＝１．７１、ｎｙ２＝１．６１、ｎｚ２＝１．５３と見積もられた。ｎｙ２−ｎｚ２＝０．０８であるので、この値と略等しい屈折率異方性を有する１軸性液晶として、メルク株式会社製のＭＬＣ−６２５２（商品名）を用いた。この１軸性液晶の波長５８９．３ｎｍにおける屈折率は、ｎｘ１＝１．５５、ｎｙ１＝１．４７、ｎｚ１＝１．４７であった。１軸性液晶と２軸性液晶の屈折率の関係から、これらの混合比を１：１として液晶組成物を調整し、これを上記の液晶セルに注入して液晶光学素子を作製した。
【０１０７】
得られた液晶光学素子に対し、配向処理の方向に直線偏光を入射すると、液晶組成物と基板との屈折率差によって、これらの界面で直線偏光が反射して干渉スペクトルを生じる。このスペクトルの振幅から、液晶組成物の屈折率を見積もることができる。すると、液晶の配向方向に平行な直線偏光に対し、温度１２０℃で波長５８９．３ｎｍにおける液晶組成物の屈折率は、電圧０Ｖのとき１．５６７であり、電圧１３６Ｖのとき１．５１５であった。したがって、この場合の屈折率の変化量は０．０５２であった。一方、液晶の配向方向に垂直な直線偏光に対しては、同様の条件下で、電圧０Ｖのとき１．７０４であり、電圧１３６Ｖのとき１．６４５であった。したがって、この場合の屈折率の変化量は、０．０５９であった。これらのことから、本発明による液晶光学素子では、印加電圧を変えたときの屈折率変化が、直交する２つの直線偏光に対して略同じであることが分かった。つまり、直交する２つの直線偏光に対して略同じ位相変化を生じることが分かった。
【０１０８】
上記と同様の基板で一方の基板にはフレネルレンズ状の凸部を同心円状に設けた基板を用い、全面ベタの透明電極を設け、他方の基板は平面の基板で同心円状に６〜１０重程度の輪状電極を設けた基板を用いて、上記と同様の液晶組成物を挟持することにより、液晶レンズ素子を構成することができる。
【０１０９】
図７は、図６の液晶レンズ素子２１を用いた光ヘッド装置の構成図の一例である。
【０１１０】
図７に示す光ヘッド装置３２では、光源３３から出射された光は、回折格子３４、液晶レンズ素子２１および位相差素子３５を順に透過した後、対物レンズ３６によって、２層の記録層３７ａ，３７ｂを有する光ディスク３８に集光される。次いで、記録層３７ａ（または、記録層３７ｂ）で反射した光は、再び対物レンズ３６、位相差素子３５および液晶レンズ素子２１を順に透過した後、回折格子３４によって回折されて、光検出器３９，４０に到達する。
【０１１１】
光源３３には、通常の光ヘッド装置に使用される通常のレーザ光源が使用される。具体的には、半導体レーザが好適であるが、他のレーザであってもよい。
【０１１２】
回折格子３４は、ホログラムおよびビームスプリッタのいずれであってもよい。ビームスプリッタを用いた場合には、記録層３７ａ（または、記録層３７ｂ）からの反射光の光路を変えて、光源３３とは異なる方向に配置された光検出器（図示せず）に光を導くことができる。
【０１１３】
位相差素子３５としては、１／４波長板が用いられる。これにより、光の偏光面を回転させて、光源３３からの往路の光と、記録層３７ａ（または、記録層３７ｂ）からの復路の光との偏光方向を変えることができる。
【０１１４】
液晶レンズ素子２１は、上述の通り、電圧印加の有無によって焦点距離を変えることができる。したがって、例えば、液晶レンズ素子２１に電圧が印加されていない場合には、記録層３７ａに焦点が合うようにし、液晶レンズ素子２１に電圧が印加されている場合には、記録層３７ｂに焦点が合うようにすることができる。また、液晶レンズ素子２１に電圧が印加されていない場合には、記録層３７ｂに焦点が合うようにし、液晶レンズ素子２１に電圧が印加されている場合には、記録層３７ａに焦点が合うようにすることもできる。
【０１１５】
尚、上記説明では、液晶レンズを、記録層３７ａ（または、記録層３７ｂ）との間での焦点距離の切換に用いているが、複数の光ディスク、例えば、ＣＤ（Compact Disc）、ＤＶＤ（Digital Versatile Disk）、ＨＤ−ＤＶＤ（High Definition - Digital Versatile Disk）若しくはＢＤ（Blu-Ray Disk）等の焦点距離の切換、３層以上の光ディスクの焦点距離の切換、または、これらの組み合わせの焦点距離の切換等にも使用可能である。
【０１１６】
本実施の形態によれば、従来より簡単な構成で焦点距離を変えることのできる液晶レンズ素子を使用するので、薄型化および軽量化された光ヘッド装置を提供することが可能となる。
【０１１７】
尚、本発明による液晶レンズ素子および光ヘッド装置は、図６および図７の構造に限られるものではない。また、さらに偏光依存性を小さくするために、補正のための位相差板を付加してもよい。この位相差板は、素子に一体化されていてもよく、分離されていてもよい。本発明は、透明基板の間に設けられた液晶層と、透明基板と液晶層の間にそれぞれ設けられた透明電極層とを備えた液晶レンズ素子、および、この液晶レンズ素子を有する光ヘッド装置に適用することができる。
【０１１８】
実施の形態２．
本実施の形態では、上述した本発明における液晶組成物を波長選択フィルタに適用する場合について述べる。波長選択フィルタとしては、液晶エタロンを用いる。
【０１１９】
図８は、本実施の形態における液晶エタロンの断面模式図である。
【０１２０】
図８に示すように、液晶エタロン４１は、第１の透明基板４２と、これに対向する第２の透明基板４３とを有する。
【０１２１】
第１の透明基板４２の上には、第１の反射膜４４と、第１の電極層４５と、第１の配向膜４６とがこの順に形成されている。一方、第２の透明基板４３の上にも、第２の反射膜４７と、第２の電極層４８と、第２の配向膜４９とがこの順に形成されている。第１の透明基板４２と第２の透明基板４３とは、間隔を一定に保つために、スペーサ５０を介して重ね合わせられている。また、第１の透明基板４２と第２の透明基板４３の間には、上述した本発明における液晶組成物が充填されており、液晶層５１を形成している。
【０１２２】
第１の透明基板４２で、第１の反射膜４４などが設けられている面と反対側の面には、入射光や透過光の反射を抑制することを目的として、第１の反射防止膜５２が設けられている。同様に、第２の透明基板４３で、第２の反射膜４７などが設けられている面と反対側の面にも、第２の反射防止膜５３が設けられている。尚、これらは必要に応じて設ければよく、本実施の形態においてはなくてもよい。
【０１２３】
第１の電極層４５および第２の電極層４８は、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）などの透明電極材料からなる。これらの間に電圧を印加すると、電圧の大きさに応じて液晶の屈折率が変化する。これに伴って光路長が変化するので、第１の反射膜４４と第２の反射膜４７によって構成される光共振器の共振波長が変化する。ここで、本実施の形態で使用される液晶組成物は、液晶層５１を透過する光の屈折率変化を入射光の偏光方向に無関係とすることができるので、偏光方向にかかわらず共振波長を変えることが可能となる。
【０１２４】
つまり、液晶エタロン４１にＳ偏光が入射した場合、１軸性液晶の屈折率は、電圧によらずｎｏで一定である。これに対して、液晶エタロン４１にＰ偏光が入射した場合、１軸性液晶の屈折率は、電圧に応じてｎｅからｎｏまで変化する。一方、液晶エタロン４１にＳ偏光が入射した場合、２軸性液晶の屈折率は、電圧に応じてｎｅｓからｎｏまで変化する。これに対して、液晶エタロン４１にＰ偏光が入射した場合、２軸性液晶の屈折率は、電圧によらずｎｅで一定である。尚、１軸性液晶における屈折率ｎｘ１およびｎｙ１は、それぞれｎｅおよびｎｏに対応するものとし、２軸性液晶における屈折率ｎｘ２、ｎｙ２およびｎｚ２は、それぞれｎｅ、ｎｅｓおよびｎｏに対応するものとする。
【０１２５】
このように、本実施の形態においては、液晶層５１に所定の偏光が入射した場合における１軸性液晶の屈折率変化と２軸性液晶の屈折率変化とが、互いに反対の挙動を示す。これにより、一方の直線偏光の位相の変化量は他方の直線偏光の位相の変化量に略等しくなるので、入射光の偏光方向に依存しない液晶エタロンとすることができる。すなわち、入射光の偏光状態によらずに共振波長を変えることが可能となるので、偏光依存損失の小さい液晶エタロンとすることができる。
【０１２６】
尚、本実施の形態における液晶エタロンは、図８に示す構造以外のものであってもよい。さらに偏光依存性を小さくするために、補正のための位相差板を付加してもよい。この位相差板は、素子に一体化されていてもよく、分離されていてもよい。また、本発明の波長選択フィルタは、液晶エタロン以外のものであってもよい。すなわち、本発明は、透明基板の間に設けられた液晶層と、透明基板と液晶層の間にそれぞれ設けられた透明電極層とを備えた波長選択フィルタに適用することができる。
【０１２７】
尚、本発明は上記各実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、種々変形して実施することができる。
【０１２８】
例えば、本発明は、上記各実施の形態以外にも、一対の透明基板に挟持された複屈折性物質と、この複屈折性物質に電圧を印加する電極とを備えた光学素子に適用することができる。さらに、本発明は、偏光無依存性が必要とされる用途または偏光依存性が小さいことが必要とされる用途の光学素子に適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１２９】
【図１】（ａ）および（ｂ）は、電圧印加の有無による液晶分子の配向変化の模式図である。
【図２】（ａ）〜（ｃ）は、電圧印加の有無による液晶分子の配向変化の模式図である。
【図３】（ａ）〜（ｃ）は、電圧印加の有無によるディスコティック液晶分子の配向変化の模式図である。
【図４】（ａ）〜（ｄ）は、本発明における２軸性液晶の分子の形状の説明図である。
【図５】（ａ）および（ｂ）は、本発明におけるディスコティック液晶の分子の形状の説明図である。
【図６】実施の形態１における液晶レンズ素子の断面模式図である。
【図７】実施の形態１における光ヘッド装置の構成図の一例である。
【図８】実施の形態２における液晶エタロンの断面模式図である。
【符号の説明】
【０１３０】
２１ 液晶レンズ素子
２２，４２ 第１の透明基板
２３，４３ 第２の透明基板
２４，４５ 第１の電極層
２５，４６ 第１の配向膜
２６，４８ 第２の電極層
２７，４９ 第２の配向膜
２８ シール材
２９，５１ 液晶層
３０ 液晶セル
３１ 電源
３２ 光ヘッド装置
３３ 光源
３４ 回折格子
３５ 位相差素子
３６ 対物レンズ
３７ａ，３７ｂ 記録層
３８ 光ディスク
３９，４０ 光検出器
４１ 液晶エタロン
４４ 第１の反射膜
４７ 第２の反射膜
５０ スペーサ
５２ 第１の反射防止膜
５３ 第２の反射防止膜
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学素子および光ヘッド装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、対向する一対の透明な基板に液晶層が挟持された液晶セルを有する液晶レンズ素子が知られている。液晶レンズ素子は、液晶層に印加する電圧に応じて、液晶層を透過する光の焦点距離を変えることのできる光学素子である。
【０００３】
例えば、誘電異方性が正であって、電圧無印加時に液晶分子が基板に対し平行に配向している液晶層を用いて、液晶レンズ素子を構成する。そして、この液晶レンズ素子に閾値以上の電圧を印加すると、液晶分子は電界に沿って配向するようになる。このとき、印加する電圧の大きさを制御すれば、液晶分子の配向方向は、基板に平行な方向から基板に垂直な方向まで連続的に変化する。したがって、液晶セルの見かけの屈折率は、液晶分子の配向方向に偏光した入射光に対して、異常光に対する値から常光に対する値まで連続的に変化するようになる。このように、印加電圧により液晶分子の配向方向を制御して、液晶セルの見かけの屈折率を変えることによって、レンズの焦点距離を、異常光に対する値から常光に対する値まで、連続的に変化させることが可能となる。
【０００４】
しかし、上記のような液晶レンズ素子では、入射光の偏光方向を液晶分子の配向方向と一致させるために、液晶セルの入射光側に偏光板を設けることが必要となる。このため、入射光の一部が偏光板で吸収されて、透過損失が大きくなるという問題があった。
【０００５】
これに対して、特性が同じである２つの液晶レンズ素子を、電圧が印加されていないときの各々の液晶分子の配向方向が互いに直交するようにして重ね合わせたものが開示されている（例えば、特許文献１参照。）。この液晶レンズ素子によれば、偏光板を不要とすることができる。これは、次の理由によるものである。
【０００６】
例えば、第１の液晶レンズ素子と第２の液晶レンズ素子とで構成される液晶レンズ素子について考える。各々の液晶レンズ素子には、同一の特性を有する液晶が用いられており、また、各液晶分子の配向方向は、互いに直交するようにして重ね合わせられているとする。
【０００７】
液晶レンズ素子に入射する光は、互いに直交する２つの偏光成分、すなわち、第１の液晶レンズ素子における液晶分子の配向方向に平行な偏光成分と、これに直交する偏光成分とに分解される。
【０００８】
第１の液晶レンズ素子に、その液晶分子の配向方向に平行な偏光が入射した場合、この偏光は第１の液晶レンズ素子に対して異常光となる。そして、第１の液晶レンズ素子に電圧を印加すると、液晶分子は電界に沿って配向するようになるので、第１の液晶レンズ素子の見かけの屈折率は、電圧の大きさに応じて、異常光に対する値から常光に対する値まで連続的に変化する。
【０００９】
一方、第１の液晶レンズ素子に対しての異常光は、第２の液晶レンズ素子では常光となる。したがって、第２の液晶レンズ素子の見かけの屈折率は変化しない。
【００１０】
次に、第１の液晶レンズ素子に、第２の液晶レンズ素子の液晶分子の配向方向に平行な偏光が入射した場合について考える。この偏光は、第１の液晶レンズ素子に対して常光となる。したがって、第１の液晶レンズ素子の見かけの屈折率は変化しない。一方、第２の液晶レンズ素子に対しては異常光となるので、上述した第１の液晶レンズ素子に異常光が入射した場合と同様に、第２の液晶レンズ素子の見かけの屈折率は連続的に変化する。
【００１１】
第１の液晶レンズ素子と第２の液晶レンズ素子に同じ電圧を印加すれば、これらは、互いに等しい焦点距離可変の効果を生じる。したがって、これらを組み合わせた液晶レンズ素子は、あらゆる方向の光に対して、焦点距離を変えることのできる素子として機能するようになる。つまり、第１の液晶レンズ素子と第２の液晶レンズ素子を、電圧無印加時における液晶分子の配向方向が互いに直交するよう重ね合わせて配置することにより、偏光板を必要とせずに焦点距離を変えることのできる液晶レンズ素子とすることができる。
【００１２】
ところで、上記の液晶レンズ素子の他に、光多重通信の分野においても、液晶を用いた光学素子が知られている。
【００１３】
光多重通信は、送信された多数の波長の光信号の中から、所望の波長の光信号を選択して受信するものである。このため、光多重通信では、所望の波長の光のみを選び出す波長選択フィルタが用いられる。その１つとして、従来より液晶エタロンが知られている（例えば、特許文献２参照。）。
【００１４】
液晶エタロンは、例えば、反射膜、透明電極および配向膜が設けられた一対の透明基板によって液晶が挟持された構造を有する。透明電極間に電圧を印加すると、電圧の大きさに応じて液晶の屈折率が変化する。すると、これに伴って光路長が変化するので、一対の反射膜によって構成される光共振器の共振波長が変化する。すなわち、液晶エタロンでは、印加電圧の大きさによって共振波長を変えることができるので、電圧に応じた波長の光信号を選択することが可能となる。
【００１５】
【特許文献１】国際公開２００５−０７６２６５号明細書
【特許文献２】特開２００４−１９１７２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかしながら、従来の液晶レンズ素子の場合、上記のように２つの液晶レンズ素子を重ね合わせる構成では、液晶レンズ素子全体の厚みが増して重くなる上に、コストがかかるという問題があった。
【００１７】
また、液晶エタロンの場合、入射光の偏光状態によって共振波長が異なる値をとる。具体的には、液晶エタロンにＳ偏光が入射すると、共振波長は印加電圧により変化するが、Ｐ偏光が入射した場合には、印加電圧を変えても共振波長は変化しない。したがって、従来の液晶エタロンでは、液晶分子の配向方向に平行な偏光に対しては共振波長を変えることができるものの、配向方向に垂直な偏光に対しては共振波長を変えることができない。
このため、偏光依存損失（Polarization Dependence Loss）が大きくなるという問題があった。
【００１８】
本発明はこうした問題点に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明は、偏光依存性の小さい光学素子を提供することを目的とする。より詳しくは、従来より簡単な構成で焦点距離を変えることのできる液晶レンズ素子と、これを用いた光ヘッド装置とを提供することを目的とする。また、従来より偏光依存損失を小さくすることのできる波長選択フィルタを提供することを目的とする。
【００１９】
本発明の他の目的および利点は、以下の記載から明らかとなるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明の第１の態様は、一対の透明基板に挟持された複屈折性物質と、該複屈折性物質に電圧を印加する電極とを備えた光学素子であって、
前記複屈折性物質は、前記電圧の大きさに応じて入射光に対する屈折率が変化するとともに、電圧無印加時および電圧印加時のいずれかにおいて、前記一対の透明基板の面内で屈折率が最大となる方向が同じとなる複数の物質を含み、
前記複数の物質には、前記複屈折性物質に入射した互いに直交する２つの直線偏光の一方に対してのみ屈折率を変化させるものと、前記直線偏光の他方に対してのみ屈折率を変化させるものとがあり、
前記複屈折性物質では、前記一方の直線偏光に対する屈折率の変化量と、前記他方の直線偏光に対する屈折率の変化量とが略等しいことを特徴とするものである。
【００２１】
前記複数の物質には、２種類の液晶が含まれており、
これらの液晶が水平配向をした際に前記屈折率が最大となる方向をｘ軸、前記一対の透明基板の面内で前記ｘ軸に直交する方向をｙ軸、前記ｘ軸と前記ｙ軸に直交する方向をｚ軸とすると、前記液晶の一方にはｎｘ１＞ｎｙ１＝ｎｚ１の関係が成立し、他方にはｎｙ２＞ｎｚ２の関係が成立し、さらに、前記複屈折性物質は下記の数式を満足することが好ましい。
（式中で、ａは、複屈折性物質中における一方の液晶の含有率（モル％）を、ｂは、複屈折性物質中における他方の液晶の含有率（モル％）をそれぞれ示す。）
【００２２】
前記他方の液晶は、ｎｘ２＞ｎｙ２＞ｎｚ２の関係が成立するバナナ型液晶とすることができる。
【００２３】
前記バナナ型液晶において、分子の略中央部に位置した分子単位に結合する側鎖間でのなす角度は、６０度以上で１６０度以内であることが好ましい。
【００２４】
前記他方の液晶は、ｎｘ２＝ｎｙ２＞ｎｚ２の関係が成立するディスコティック液晶とすることができる。
【００２５】
前記光学素子は、液晶レンズ素子とすることができる。
【００２６】
前記光学素子は、波長選択フィルタとすることができる。
【００２７】
本発明の第２の態様は、本発明の第１の態様による液晶レンズ素子を有することを特徴とする光ヘッド装置に関する。
【発明の効果】
【００２８】
本発明の第１の態様によれば、複数の物質には、複屈折性物質に入射した互いに直交する２つの直線偏光の一方に対してのみ屈折率を変化させるものと、他方に対してのみ屈折率を変化させるものとがあり、複屈折性物質では、一方の直線偏光に対する屈折率の変化量と、他方の直線偏光に対する屈折率の変化量とが略等しいので、偏光依存性の小さい光学素子とすることができる。
【００２９】
本発明の第２の態様によれば、従来より簡単な構成で焦点距離を変えることのできる液晶レンズ素子を使用するので、薄型化および軽量化された光ヘッド装置を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
本発明では、説明の都合上、「１軸性液晶」とは、前記の一方の液晶であるｎｘ＞ｎｙ＝ｎｚの関係を有する１軸性液晶を意味することとし、ｎｘ＝ｎｙ＞ｎｚの関係を有する１軸性のディスコティック液晶はこれに含まれないこととする。尚、ｘ、ｙ、ｚ方向の定義は前記した通りである。
【００３１】
本実施の形態では、１軸性液晶と２軸性液晶を混合して得られる液晶組成物を光学素子に適用する。ここで、１軸性液晶と２軸性液晶は、液晶組成物に入射した互いに直交する２つの直線偏光に対し、電圧の印加状態を変えることにより、反対の位相変化を示すものとする。すなわち、電圧の印加状態を変えることにより、１軸性液晶は、一方の直線偏光に対してφ１の位相変化を生じ、他方の直線偏光に対してはφ２の位相変化を生じる（φ１≠φ２で、一方は０であってもよい。）。また、２軸性液晶は、１軸性液晶とは反対の挙動を示し、１軸性液晶がφ１の位相変化を生じる直線偏光に対してはφ３の位相変化を生じ、１軸性液晶がφ２の位相変化を生じる直線偏光に対してφ４の位相変化を生じる（φ３≠φ４で、一方は０であってもよい。）。例えば、Ｓ偏光に対して、１軸性液晶ではφ１の位相が進むが、２軸性液晶ではφ３位相が進む。一方、Ｐ偏光に対して、１軸性液晶ではφ２の位相が進むが、２軸性液晶ではφ４の位相が進む。このような１軸性液晶と２軸性液晶を、互いの位相変化量が等しくなる（φ１＋φ３≒φ２＋φ４となるように）ような組成比で混合することにより、液晶組成物に入射するあらゆる偏光に対して依存性を有しない、偏光無依存の光学素子を実現することができる。本実施の形態においては、２軸性液晶としてバナナ型液晶を用いることができる。但し、本発明における液晶組成物は、必ずしも１軸性液晶と２軸性液晶の混合物である必要はない。例えば、２軸性液晶に替えて１軸性のディスコティック液晶を混合して得られる液晶組成物を光学素子に適用することもできる。また、本発明における光学素子としては、液晶レンズ素子または液晶エタロンなどの波長選択フィルタなどが挙げられるが、偏光無依存性が必要とされる用途に用いられるものであれば、これらに限られるものではない。
【００３２】
液晶組成物にした場合に、組成物としてそろった挙動をするので、１軸性液晶における最大屈折率をもつ光軸と、２軸性液晶における最大屈折率をもつ光軸とは、互いに一致する。一般に、最大屈折率をもつ光軸は、分子の長軸に一致するので、１軸性液晶の分子の長軸と、２軸性液晶の分子の長軸とが、互いに一致していると言い換えることもできる。
以下では、最大屈折率をもつ光軸を液晶分子の長軸として説明する。
【００３３】
本発明において、１軸性液晶と２軸性液晶を混合して得られる液晶組成物は、数式（Ｉ）を満足することが好ましい。さらに、光学素子の偏光依存性を小さくする点から、数式（ＩＩ）が成立することが好ましく、数式（ＩＩＩ）が成立することがより好ましい。但し、同一面内で直交する２つの軸をｘ軸およびｙ軸とし、これらの軸に直交する軸をｚ軸としたとき、１軸性液晶および２軸性液晶の分子の長軸は、ｘ軸に一致しているものとする。また、１軸性液晶について、ｘ軸、ｙ軸およびｚ軸の各方向における屈折率をｎｘ１，ｎｙ１，ｎｚ１とし、２軸性液晶については、それぞれ、ｎｘ２，ｎｙ２，ｎｚ２とする。さらに、液晶組成物中における１軸性液晶の含有率（モル％）をａとし、液晶組成物中における２軸性液晶の含有率（モル％）をｂとする。
【００３４】
尚、正の誘電異方性の液晶組成物の場合には、電圧無印加時に基板面に平行に液晶分子が配向するので、その長軸方向をｘ軸とし、同じ基板面内でｘ軸に直交する方向をｙ軸とし、ｘ軸、ｙ軸に直交することになる基板面に垂直な方向をｚ軸とする。以下の説明では、ｚ軸に平行な方向に電場が印加されるとし、正の誘電異方性の液晶組成物を例に説明する。なお、負の誘電異方性の液晶組成物などで電圧無印加時に基板面に垂直な方向に液晶分子が配向する場合には、電圧印加時に基板面に平行に液晶分子が配向するので、その長軸方向をｘ軸とし、同じ基板面内でｘ軸に直交する方向をｙ軸とし、ｘ軸、ｙ軸に直交することになる基板面に垂直な方向をｚ軸とする。
【００３５】
【００３６】
【００３７】
【００３８】
本実施の形態において、１軸性液晶の長軸の方向は、配向処理の方向に一致する。同様に、２軸性液晶の長軸の方向も、配向処理の方向に一致する。したがって、１軸性液晶と２軸性液晶を混合して得られた液晶組成物において、それぞれの液晶の長軸の方向は、配向処理の方向に一致する。それ故、１軸性液晶の屈折率ｎｘ１，ｎｙ１，ｎｚ１は、組成物中でも変わらず、２軸性液晶の屈折率ｎｘ２，ｎｙ２，ｎｚ２も、組成物中で変わらない。
【００３９】
上述したように、最大屈折率をもつ光軸は、長軸、すなわち、ｘ軸の方向である。したがって、１軸性液晶では、ｘ軸方向の屈折率（ｎｘ１）が最大値となり、数式（ＩＶ）の関係が成立する。
ｎｘ１＞ｎｙ１＝ｎｚ１ （ＩＶ）
【００４０】
２軸性液晶において、ｎｘ２，ｎｙ２，ｎｚ２は、互いに異なる値をもつ。ここで、最大屈折率をもつ光軸は、長軸、すなわち、ｘ軸の方向であるので、ｎｘ２が最大値となる。本実施の形態においては、一般に数多く存在するネマティック相を発現する液晶を用いる点から、
ｎｘ２＞ｎｙ２＞ｎｚ２ （Ｖ）
の関係が成立することが好ましい。
【００４１】
以上のことを、図１（ａ）および（ｂ）を用いて、より詳しく説明する。
【００４２】
図１（ａ）は、電圧印加の有無によって、１軸性液晶の分子の配向方向が変化する様子を模式的に示したものである。この図の例では、電圧無印加時における液晶分子１は、基板２に対して平行に配向している。このとき、液晶分子１の長軸は、ｘ軸に一致している。電圧を印加すると、液晶分子１は、基板２に対して垂直に配向するようになる。
【００４３】
図１（ｂ）は、電圧印加の有無によって、２軸性液晶の分子の配向方向が変化する様子を模式的に示したものである。電圧無印加時には、基板４と平行に液晶分子３が配向し、電圧を印加すると、基板４に対して垂直に液晶分子３が配向するようになるのは、１軸性液晶の場合と同様である。また、２軸性液晶の分子の長軸は、１軸性液晶の分子の長軸に一致する。したがって、この図の例では、ｘ軸に一致している。
【００４４】
図１（ａ）に示す１軸性液晶では、電圧印加の有無により、ｘ軸方向に偏光した光の位相が変化する一方で、ｙ軸方向に振動する光の位相は変化しない。すなわち、ｘ軸方向に偏光した光が入射すると、電圧無印加時にｎｘ１（ｎｅ）であった屈折率は、電圧印加時には、ｎｙ１＝ｎｚ１（ｎ０）となる。一方、ｙ軸方向に偏光した光が入射すると、電圧無印加時にｎｙ１（ｎ０）であった屈折率は、電圧印加時にもｎｙ１＝ｎｚ１（ｎ０）であり、電圧印加の有無によって変化しない。
【００４５】
これに対して、図１（ｂ）に示す２軸性液晶では、電圧印加の有無により、ｘ軸方向に偏光した光の位相は変化しないが、ｙ軸方向に偏光した光の位相が変化する。すなわち、ｘ軸方向に偏光した光が入射すると、電圧無印加時にｎｘ２であった屈折率は、電圧印加時にもｎｘ２であり、電圧印加の有無によって変化しない。一方、ｙ軸方向に偏光した光が入射すると、電圧無印加時にｎｙ２であった屈折率は、電圧印加時にはｎｚ２に変化する。
【００４６】
このように、１軸性液晶と２軸性液晶は、ｘ軸方向に偏光した光と、ｙ軸方向に偏光した光に対して、光学的に反対の挙動を示す。すなわち、１軸性液晶では、ｘ軸方向に偏光した光に対してのみ位相変化を生じる。これに対して、２軸性液晶では、ｙ軸方向に偏光した光に対してのみ位相変化を生じる。
【００４７】
次に、上記の１軸性液晶と２軸性液晶を同量（ａ：ｂ＝１：１）混同して得た液晶組成物について考える。
【００４８】
ｘ軸方向に偏光した光が入射すると、電圧無印加時に（ｎｘ１＋ｎｘ２）／２であった屈折率は、電圧印加時には（ｎｙ１＋ｎｘ２）／２となる。したがって、
ｎｘ１＝１．５５，ｎｙ１＝１．４７，ｎｚ１＝１．４７
ｎｘ２＝１．７１，ｎｙ２＝１．６１，ｎｚ２＝１．５３
とすると、電圧印加の有無による屈折率の変化量は、
（ｎｘ１＋ｎｘ２−ｎｙ１−ｎｘ２）／２＝（ｎｘ１−ｎｙ１）／２＝０．０４
である。
【００４９】
一方、ｙ軸方向に偏光した光が入射すると、電圧無印加時に（ｎｙ１＋ｎｙ２）／２であった屈折率は、電圧印加時には（ｎｙ１＋ｎｚ２）／２となる。したがって、電圧印加の有無による屈折率の変化量は、
（ｎｙ１＋ｎｙ２−ｎｙ１−ｎｚ２）／２＝（ｎｙ２−ｎｚ２）／２＝０．０４
である。
【００５０】
このように、液晶組成物中において、電圧印加の有無によるｘ軸方向とｙ軸方向の屈折率の変化量は同じ値となる。つまり、１軸性液晶と２軸性液晶は、ｘ軸方向に偏光した光とｙ軸方向に偏光した光に対して光学的に反対の挙動を示すが、屈折率の変化量は等しい値となる。このことは、屈折率の変化（位相の変化）が、偏光方向によらず同じとなることを示している。したがって、この液晶組成物を用いれば、偏光無依存の光学素子を得ることが可能となる。
【００５１】
上記の例では、電圧印加の有無による屈折率の変化量が、ｘ軸方向とｙ軸方向で同じ値となった。したがって、この場合には、偏光無依存の光学素子を実現することができる。
しかし、屈折率の変化量が完全に一致していなくても、略一致していれば、偏光依存性の小さい（実質的には偏光無依存の）光学素子を得ることが可能である。具体的には、（｜ｎｘ１−ｎｙ１｜ａ）／（｜ｎｙ２−ｎｚ２｜ｂ）の値を数式（Ｉ）〜（ＩＩＩ）に示した範囲とすることにより、偏光無依存または偏光依存性の小さい光学素子を得ることができる。
【００５２】
本発明における液晶組成物からなる液晶層に電圧を印加すると、液晶分子は電界に沿って配向するようになる。このとき、印加する電圧の大きさを制御すれば、液晶分子の配向方向を連続的に変化させることができる。
【００５３】
まず、液晶層に対して、１軸性液晶の分子の配向方向に平行な偏光が入射した場合について考える。このとき、屈折率は、電圧によって、異常光に対する値（ｎｅ）から常光に対する値（ｎｏ）まで連続的に変化する。一方、１軸性液晶の分子の配向方向に垂直な偏光が入射した場合、屈折率は、電圧によらずｎｏで一定となる。尚、ここで、１軸性液晶における屈折率ｎｘ１およびｎｙ１は、それぞれｎｅおよびｎｏに対応するものとする。
【００５４】
次に、液晶層に対して、２軸性液晶の分子の配向方向に平行な偏光が入射した場合について考える。このとき、屈折率は、電圧によらずｎｅで一定である。一方、２軸性液晶の分子の配向方向に垂直な偏光が入射した場合、屈折率は、電圧によって、異常光に対する値（ｎｅｓ）から常光に対する値（ｎｏ）まで連続的に変化する。尚、ここで、２軸性液晶における屈折率ｎｘ２、ｎｙ２およびｎｚ２は、それぞれｎｅ、ｎｅｓおよびｎｏに対応するものとする。
【００５５】
このように、数式（Ｉ）の関係が成立する液晶組成物では、所定の偏光が入射した場合における１軸性液晶の屈折率変化と２軸性液晶の屈折率変化とは、互いに反対の挙動を示し、一方の直線偏光の位相の変化量は他方の直線偏光の位相の変化量に略等しくなる。したがって、この液晶組成物を用いれば、入射光の偏光方向に対して依存性の小さい光学素子を得ることができる。このことを、図２（ａ）〜（ｃ）を用いてさらに詳しく説明する。
【００５６】
図２（ａ）は、本発明において、電圧印加の有無による１軸性液晶の分子の配向変化を模式的に示した図である。符号５は、電圧が印加されていない状態の液晶分子を示しており、符号６は、電圧が印加された状態の液晶分子を示している。この場合、液晶の屈折率は、電圧を印加することによりｎｘからｎｙまで変化する。
【００５７】
図２（ｂ）は、本発明において、電圧印加の有無による２軸性液晶の分子の配向変化を模式的に示した図である。符号７は、電圧が印加されていない状態の液晶分子を示しており、符号８は、電圧が印加された状態の液晶分子を示している。また、点線は、分子の回転軸を表している。この場合、液晶の屈折率は、電圧を印加することによりｎｙからｎｚまで変化する。
【００５８】
電圧印加の有無により、１軸性液晶の分子と２軸性液晶の分子とが、それぞれ図２（ａ）および（ｂ）に示すような動きをすると、入射光に対する屈折率変化の様子は、１軸性液晶と２軸性液晶とで反対となる。したがって、液晶層を透過する光の屈折率変化を入射光の偏光方向に無関係とすることができる。
【００５９】
これに対して、２軸性液晶の屈折率が、電圧印加の有無によりｎｘとｎｚの間で変化する場合について考える。
【００６０】
図２（ｃ）は、本発明の比較例であって、電圧印加の有無による２軸性液晶の分子の配向変化を模式的に示す図である。符号９は、電圧が印加されていない状態の液晶分子を示しており、符号１０は、電圧が印加された状態の液晶分子を示している。この場合、液晶の屈折率は、電圧を印加することによりｎｘからｎｚまで変化する。
【００６１】
電圧印加の有無により、１軸性液晶の分子と２軸性液晶の分子とが、それぞれ図２（ａ）および（ｃ）に示すような動きをすると、入射光に対する屈折率変化の様子は、１軸性液晶と２軸性液晶とで同じとなる。この場合、一方の直線偏光の位相の変化量と他方の直線偏光の位相の変化量とを略等しくすることはできないので、これらの液晶を混合した液晶層を用いても、入射光の偏光方向に対する依存性の小さい光学素子は得られない。
【００６２】
以上述べたように、１軸性液晶と２軸性液晶を混合した液晶組成物を用い、且つ、液晶組成物の屈折率が数式（Ｉ）の関係を満たすようにすることにより、これを用いた光学素子の偏光依存性を小さくすることができる。
【００６３】
次に、本発明に好適な１軸性液晶と２軸性液晶について述べる。
【００６４】
１軸性液晶としては、棒状液晶を用いることができる。棒状液晶は、最も一般的な液晶性化合物であり、分子形状が棒状とみなせる化合物の総称である。具体的には、分子の長軸をα、分子の短軸をβとしたとき、（α／β）の値が十分に大きいものを言う。例えば、（α／β）≧２であれば、棒状液晶として好ましく用いられる。
【００６５】
具体的な棒状液晶としては、アゾメチン類、アゾキシ類、シアノビフェニル類、シアノフェニルエステル類、安息香酸エステル類、シクロヘキサンカルボン酸フェニルエステル類、シアノフェニルシクロヘキサン類、シアノ置換フェニルピリミジン類、アルコキシ置換フェニルピリミジン類、フェニルジオキサン類、トラン類およびアルケニルシクロヘキシルベンゾニトリル類などが挙げられる。
【００６６】
２軸性液晶としては、バナナ型液晶を用いることができる。これらの液晶において、分子の略中央部に位置する分子単位に結合している側鎖は、同じであってもよく、異なっていてもよい。さらに、２軸性液晶は、液晶状態での光学軸が２つ存在する液晶性化合物、すなわち、液晶相の３軸方向の屈折率が全て異なっていて、且つ、一定の配向を付与できる化合物であれば、上記に限定されるものではない。
【００６７】
バナナ型液晶は、ベント型の分子構造を有する液晶化合物である。具体的には、分子の略中央部に分子を屈曲させる分子構造を備えている。例えば、化学式（１）に示す化合物が挙げられる。但し、化学式（１）において、Ａｒ１は、単環、多環および複素環を含む芳香環を、Ａｒ２およびＡｒ３は、単環、多環および複素環を含む芳香環を、それぞれ示している。また、Ｘは、−ＣＯＯまたは−ＣＯＮＨなどの連結部であり、Ｒ１およびＲ２は、それぞれ炭素数１〜１６のアルキル基または炭素数１〜１６のアルコキシ基、シアノ基若しくはハロゲン原子である。Ｒ３およびＲ４は、それぞれ脂環若しくは単環、多環および複素環を含む芳香環または脂環および芳香環の組み合わせとすることができる。
【００６８】
化学式（１）
【００６９】
化学式（１）で表される化合物の具体例としては、例えば、化学式（２）〜（５）に示す化合物が挙げられる。また、特開２００５−３５９５０号公報に開示された化合物を用いることもできる。
【００７０】
化学式（２）
化学式（３）
化学式（４）
化学式（５）
【００７１】
バナナ型液晶において、分子の略中央部に位置する分子単位に結合する側鎖は、化学式（２）〜（５）に示すように同じであってもよいが、異なっていてもよい。
【００７２】
本発明においては、２軸性液晶に代えて、ディスコティック液晶を用いることもできる。ディスコティック液晶を用いた場合にも、２軸性液晶を用いた場合と同様の効果が得られる。ここで、ディスコティック液晶が水平配向をした際に、屈折率が最大となる方向をｘ軸、ｘ軸と同じ基板面内でｘ軸に直交する方向をｙ軸、ｘ軸およびｙ軸に直交する方向をｚ軸とすると、ｎｘ＝ｎｙ＞ｎｚの関係が成立する。
【００７３】
図３（ａ）〜（ｃ）は、電圧印加の有無によって、ディスコティック液晶の分子の配向方向が変化する様子を模式的に示したものである。この例では、電圧無印加時における液晶分子１１は、図３（ａ）に示すように、基板１２に対して平行に配向している。このとき、液晶分子１１の長軸は、ｘ軸に一致している。電圧を印加すると、液晶分子１１は、図３（ｂ）または（ｃ）に示すように、基板１２に対して垂直に配向するようになる。ここで、液晶分子が図３（ｂ）のように変化する場合には、液晶層に対し、液晶分子の配向方向に平行な偏光（ｘ方向）が入射すると、屈折率は、電圧によらずｎｏで一定となる。一方、液晶分子の配向方向に垂直な偏光（ｙ方向）が入射すると、屈折率は、電圧によってｎｏからｎｅまで連続的に変化する。ここで、ｎｏは上記のｎｘおよびｎｙに、ｎｅはｎｚに対応する。但し、ｎｏ＞ｎｅである。上述の通り、１軸性液晶では、分子の配向方向に平行な偏光（ｘ方向）が入射すると、屈折率は、電圧によってｎｅからｎｏまで連続的に変化する。一方、分子の配向方向に垂直な偏光（ｙ方向）が入射したした場合には、常光の屈折率は電圧によらずｎｏで一定となる。したがって、数式（Ｉ）
の関係が成立する液晶組成物では、所定の偏光が入射した場合における１軸性液晶の屈折率変化とディスコティック液晶の屈折率変化とは、互いに反対の挙動を示し、一方の直線偏光の位相の変化量は他方の直線偏光の位相の変化量に略等しくなる。したがって、この液晶組成物を用いれば、入射光の偏光方向に対して依存性の小さい光学素子を得ることができる。
【００７４】
しかしながら、電圧印加時に液晶分子が図３（ｃ）のように変化する場合には、本発明の効果を得ることはできない。この場合、液晶層に対し、液晶分子の配向方向に平行な偏光（ｘ方向）が入射すると、屈折率は、電圧によってｎｏからｎｅまで連続的に変化する。一方、液晶分子の配向方向に垂直な偏光（ｙ方向）が入射すると、屈折率は、電圧によらずｎｏで一定となる。すなわち、入射光に対する屈折率変化の様子は、１軸性液晶とディスコティック液晶とで同じとなる。この場合、一方の直線偏光の位相の変化量と他方の直線偏光の位相の変化量とを略等しくすることはできない。したがって、これらの液晶を混合した液晶層を用いても、入射光の偏光方向に対する依存性の小さい光学素子は得られない。
【００７５】
ディスコティック液晶としては、例えば、化学式（６）に示す化合物を用いることができる。化学式（６）において、Ａｒ１は、単環、多環および複素環を含む芳香環を、Ａｒ２、Ａｒ３およびＡｒ４は、単環、多環および複素環を含む芳香環を、それぞれ示している。また、ＸおよびＹは、−ＣＯＯまたは−ＣＯＮＨなどの連結部である。但し、本発明においては、連結部を持たなくてもよい。Ｒ１、Ｒ２およびＲ３は、それぞれ炭素数１〜１６のアルキル基または炭素数１〜１６のアルコキシ基である。Ｒ５、Ｒ６およびＲ７は、それぞれ脂環若しくは単環、多環および複素環を含む芳香環または脂環および芳香環の組み合わせとすることができる。
【００７６】
化学式（６）
【００７７】
また、ディスコティック液晶として、化学式（７）（ただし、Ｒは化学式（８）または〜（９））に示す化合物を用いることもできる。さらに、特開２００５−２２５９８６号公報または特開２００５−３３８７４４号公報に開示された化合物を用いることもできる。
【００７８】
化学式（７）
化学式（８）
化学式（９）
【００７９】
本発明の２軸性液晶では、分子の略中央部に位置した分子単位に結合する側鎖について、側鎖間でのなす角度が１８０度未満となる必要があり、６０度以上で１６０度以内となることがより好ましい。このことを、図４（ａ）〜（ｄ）に示す模式図を用いて詳しく説明する。
【００８０】
図４（ａ）〜（ｄ）において、符号１０１，２０１は、分子の略中央部に位置する分子単位を表している。例えば、符号１０１は、化学式（１）のアリール基（Ａｒ１）に対応する。また、符号１０２，１０３，２０２，２０３は、上記分子単位に結合する側鎖を表している。例えば、符号１０２，１０３は、それぞれ化学式（１）の−Ａｒ２−Ｘ−Ｒ３−Ｒ１と−Ａｒ３−Ｘ−Ｒ４−Ｒ２に対応する。尚、図４（ｂ）は図４（ａ）を、図４（ｄ）は図４（ｃ）を、それぞれ紙面に平行な方向から見た図である。これらの図に示すように、隣接する側鎖のなす角度θは、１８０度未満である必要がある。例えば、化学式（２）に示す液晶化合物の場合、θ＝１３４度である。
【００８１】
また、ディスコティク液晶において、分子の略中央部に位置した分子単位に結合する側鎖が３つ以上ある場合には、この内の少なくとも２つの側鎖のなす角度が１８０度未満とされ、６０度以上で１６０度以内となることがより好ましい。θがこの範囲であれば、液晶分子がエネルギー的に安定な構造をとることができる。このことを、図５（ａ）および（ｂ）に示す模式図を用いて詳しく説明する。
【００８２】
図５（ａ）および（ｂ）において、符号３０１，４０１は、分子の略中央部に位置する分子単位を表している。例えば、符号３０１は、化学式（６）のアリール基（Ａｒ１）に対応する。また、符号３０２〜３０４，４０２〜４０５は、上記分子単位に結合する側鎖を表している。例えば、符号３０２〜３０４は、それぞれ化学式（６）の−Ｘ−Ａｒ２−Ｙ−Ｒ５−Ｒ１、−Ｘ−Ａｒ３−Ｙ−Ｒ６−Ｒ２、−Ｘ−Ａｒ４−Ｙ−Ｒ７−Ｒ３に対応する。これらの図において、θ２は、１８０度未満であるので、図５（ａ）および（ｂ）に示す構造は、どちらも本発明に使用できる構造である。
【００８３】
本発明においては、１軸性液晶と２軸性液晶を各々１種類ずつ混合してもよいし、少なくとも一方を複数種類として混合してもよい。但し、混合して得られた液晶組成物は、特定の温度で液晶性を示すことが必要とされる。したがって、１軸性液晶と２軸性液晶とを混合することによって、液晶性が消失したり、相分離を起こしたりするものは、本発明で使用される液晶組成物として適さない。例えば、化学式（２）の液晶化合物の場合、液晶組成物に対して５０モル％程度まで相溶性に支障を来たさずに混合することができる。
【００８４】
液晶性を示す温度域や平均屈折率を調整するために、数式（Ｉ）を満足する１軸性液晶および２軸性液晶に、他の液晶化合物や非液晶化合物を添加することができる。但し、添加量は、液晶組成物に対して２０質量％以下であることが好ましく、５質量％以下であることがより好ましい。
【００８５】
液晶組成物は、紫外線吸収剤や酸化防止剤などを含有していてもよい。紫外線吸収剤としては、例えば、ベンゾフェノン類、ベンゾエート類またはトリアゾール類などが挙げられる。また、酸化防止剤としては、例えば、フェノール類または有機硫黄化合物などが挙げられる。紫外線吸収剤または酸化防止剤の添加量は、液晶組成物に対して１質量％以下であることが好ましく、０．５質量％以下であることがより好ましい。
【００８６】
以上述べたように、１軸性液晶と２軸性液晶を混合した液晶組成物を用い、且つ、液晶組成物の屈折率が式（Ｉ）の関係を満たすようにすることにより、これを用いた光学素子を偏光依存性の小さいものにすることができる。尚、本発明では前記したように、２軸性液晶の代わりにディスコティク液晶を用いることもできる。また、本発明の液晶組成物は、ネマティック液晶またはスメクティック液晶のいずれの状態で用いてもよいが、ネマティック液晶状態で用いることが好ましい。
【００８７】
上述した本発明における液晶組成物を用いて、光学素子を作製することができる。
【００８８】
本発明による光学素子は、一対の透明基板に挟持された複屈折性物質と、この複屈折性物質に電圧を印加する電極とを備えており、複屈折性物質は、電圧の大きさに応じて入射光に対する屈折率が変化するとともに、基板面に平行に配列した際に屈折率が最大となる方向が同じとなる複数の物質を含む。
【００８９】
すなわち、第１の複屈折性物質は、電圧の印加状態の変化により、一方の直線偏光に対してφ１の位相変化を生じ、他方の直線偏光に対してはφ２の位相変化を生じる（φ１≠φ２で、一方は０であってもよい。）。また、第２の複屈折性物質は、電圧の印加状態の変化により、第１の複屈折性物質とは反対の挙動を示し、第１の複屈折性物質がφ１の位相変化を生じる直線偏光に対してはφ３の位相変化を生じ、第１の複屈折性物質がφ２の位相変化を生じる直線偏光に対してφ４の位相変化を生じる（φ３≠φ４で、一方は０であってもよい。）。例えば、Ｓ偏光に対して、第１の複屈折性物質ではφ１の位相が進むが、第２の複屈折性物質ではφ３位相が進む。一方、Ｐ偏光に対して、第１の複屈折性物質ではφ２の位相が進むが、第２の複屈折性物質ではφ４の位相が進む。このような第１の複屈折性物質と第２の複屈折性物質とを、互いの位相変化量が等しくなる（φ１＋φ３≒φ２＋φ４となるように）ような組成比で混合することにより、複屈折性物質に入射するあらゆる偏光に対して依存性を有しない、偏光無依存の光学素子を実現することができる。
【００９０】
より具体的には、複数の複屈折性物質として、複屈折性物質に入射した互いに直交する２つの直線偏光の一方に対してのみ屈折率を変化させるものと、他方に対してのみ屈折率を変化させるものとを用いる。そして、複屈折性物質では、一方の直線偏光に対する屈折率の変化量と、他方の直線偏光に対する屈折率の変化量とが略等しいものとする。このような光学素子であれば、複屈折性物質の見かけの屈折率が、入射光の偏光方向に依存して変化するのを抑制することができる。
【００９１】
複屈折性物質は、上記の液晶組成物から構成されるものとすることができるが、他の複屈折材料でも同等の挙動を示すものは使用できる。
【００９２】
実施の形態１．
本実施の形態では、上述した液晶組成物を液晶レンズ素子に適用した場合について述べる。
【００９３】
図６は、本実施の形態における液晶レンズ素子の断面模式図である。
【００９４】
図６に示すように、液晶レンズ素子２１は、第１の透明基板２２と、これに対向する第２の透明基板２３とを有する。
【００９５】
第１の透明基板２２の上には、第１の電極層２４と、第１の配向膜２５とがこの順に形成されている。一方、第２の透明基板２３の上にも、第２の電極層２６と、第２の配向膜２７とがこの順に形成されている。第１の透明基板２２と第２の透明基板２３とは、シール材２８を介して貼り合わされており、これらの間に液晶層２９が充填されて、液晶セル３０が構成されている。
【００９６】
第１の電極層２４および第２の電極層２６は、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）などの透明電極材料からなり、同心円状にパターニングされていたり、あるいは、同心円状のフレネルレンズボディの表面上面若しくは下面に形成されていたりする。但し、これらの内の一方は、全面ベタの電極とすることもできる。また、フレネルレンズボディの下面に形成された場合は、両方がベタ電極であってもよい。
【００９７】
第１の電極層２４および第２の電極層２６を介して液晶層２９に適切な電圧を印加すると、液晶層２９を構成している液晶の配向が印加電圧に応じて変化する。これにより、液晶層２９の実質的な屈折率が変わるので、液晶層２９を透過する光の焦点距離を変化させることができる。
【００９８】
第１の配向膜２５および第２の配向膜２７は、例えば、ポリイミドなどの有機材料を適当な溶剤に溶解し、これをスピンコート法などで基板の上に塗布した後に熱処理を行うことによって形成される。これらの配向膜に対しては、電圧印加時の液晶分子の動作方向を均一にするために、ラビング法などによる配向処理が施される。
【００９９】
液晶層２９には、１軸性液晶と２軸性液晶を混合した、本発明における液晶組成物を用いる。
【０１００】
例えば、液晶層２９に用いる液晶分子の誘電異方性を正とした場合、液晶レンズ素子２１の液晶分子は、初期配向状態である電圧無印加時には基板に対して概ね水平に配向する。電源３１を介して、第１の電極層２４と第２の電極層２６に電圧を印加すると、１軸性液晶を構成する液晶分子と、２軸性液晶を構成する液晶分子とは、第１の透明基板２２と第２の透明基板２３に対して立ち上がり、それぞれの屈折率は電圧の大きさに応じた量で変化する。
【０１０１】
尚、本実施の形態においては、液晶層２９に用いる液晶分子の誘電異方性を負とすることもできる。この場合、液晶レンズ素子２１の液晶分子は、初期配向状態である電圧無印加時には基板に対して概ね垂直に配向するが、電源３１を介して第１の電極層２４と第２の電極層２６に電圧を印加すると、基板に対して概ね水平に配向するようになる。１軸性液晶では、電圧無印加時には基板に垂直なｚ方向がｎｅであり、電圧印加時には基板に水平なｘ方向がｎｅであるとすると、他の液晶として、２軸性液晶を用いる場合には、電圧無印加時はｚ方向がｎｅｓ、ｘ方向がｎｅ、ｙ方向がｎｏであり、電圧印加時はｚ方向がｎｏ、ｘ方向がｎｅ、ｙ方向がｎｅｓとすればよい。また、他の液晶として、ディスコティック液晶を用いる場合には、電圧無印加時はｚ方向並びにｘ方向がｎｏ、ｙ方向がｎｅであり、電圧印加時はｚ方向がｎｅ、ｘ方向並びにｙ方向がｎｏとすればよい。
【０１０２】
液晶セル３０に入射する光は、互いに直交する２つの偏光成分に分解される。すなわち、水平配向したときの液晶分子の配向方向に平行な偏光成分と、これに垂直な偏光成分とに分解される。液晶分子に対して、前者は異常光となり、後者は常光となる。本実施の形態では、異常光に対する屈折率変化と常光に対する屈折率変化とは、１軸性液晶と２軸性液晶とで反対の挙動を示す。すなわち、これらは、一方の直線偏光の位相の変化量が他方の直線偏光の位相の変化量に略等しくなる関係となっている。これにより、液晶セル３０を透過する光の屈折率変化を入射光の偏光方向に無関係とすることができる。
【０１０３】
このように、本実施の形態によれば、偏光板を用いる必要がなく、また、２つの液晶セルを重ね合わせる必要もない。したがって、従来より簡単な構成で焦点距離を変えることのできる液晶レンズ素子とすることができる。
【０１０４】
以下に、液晶光学素子の具体例を示す。
【０１０５】
厚さ０．５ｍｍの２枚の無アルカリガラス基板を対向させて、エポキシ化合物を主成分とするシール材で貼り合せて液晶セルを構成する。尚、シール材には、基板の間隔を１０μｍ程度に保つため、ガラス製のスペーサが含有されている。それぞれの基板の表面には、厚さ１０ｎｍのＩＴＯ（Indium Tin Oxide）からなる透明電極が設けられており、さらに、この上には、ポリイミドからなる配向膜が設けられている。透明電極を介して液晶に電圧を印加すると、液晶が駆動する。ここで、配向膜には、電圧を印加したときの液晶の配向方向を揃えるために、ラビング法による配向処理が施されている。配向処理は、上下の基板で配向方向が平行となるようにする。
【０１０６】
２軸性液晶としては、上記の化学式（５）の材料を用いる。この２軸性液晶の波長５８９．３ｎｍにおける屈折率は、既知の液晶との混合評価から、ｎｘ２＝１．７１、ｎｙ２＝１．６１、ｎｚ２＝１．５３と見積もられた。ｎｙ２−ｎｚ２＝０．０８であるので、この値と略等しい屈折率異方性を有する１軸性液晶として、メルク株式会社製のＭＬＣ−６２５２（商品名）を用いた。この１軸性液晶の波長５８９．３ｎｍにおける屈折率は、ｎｘ１＝１．５５、ｎｙ１＝１．４７、ｎｚ１＝１．４７であった。１軸性液晶と２軸性液晶の屈折率の関係から、これらの混合比を１：１として液晶組成物を調整し、これを上記の液晶セルに注入して液晶光学素子を作製した。
【０１０７】
得られた液晶光学素子に対し、配向処理の方向に直線偏光を入射すると、液晶組成物と基板との屈折率差によって、これらの界面で直線偏光が反射して干渉スペクトルを生じる。このスペクトルの振幅から、液晶組成物の屈折率を見積もることができる。すると、液晶の配向方向に平行な直線偏光に対し、温度１２０℃で波長５８９．３ｎｍにおける液晶組成物の屈折率は、電圧０Ｖのとき１．５６７であり、電圧１３６Ｖのとき１．５１５であった。したがって、この場合の屈折率の変化量は０．０５２であった。一方、液晶の配向方向に垂直な直線偏光に対しては、同様の条件下で、電圧０Ｖのとき１．７０４であり、電圧１３６Ｖのとき１．６４５であった。したがって、この場合の屈折率の変化量は、０．０５９であった。これらのことから、本発明による液晶光学素子では、印加電圧を変えたときの屈折率変化が、直交する２つの直線偏光に対して略同じであることが分かった。つまり、直交する２つの直線偏光に対して略同じ位相変化を生じることが分かった。
【０１０８】
上記と同様の基板で一方の基板にはフレネルレンズ状の凸部を同心円状に設けた基板を用い、全面ベタの透明電極を設け、他方の基板は平面の基板で同心円状に６〜１０重程度の輪状電極を設けた基板を用いて、上記と同様の液晶組成物を挟持することにより、液晶レンズ素子を構成することができる。
【０１０９】
図７は、図６の液晶レンズ素子２１を用いた光ヘッド装置の構成図の一例である。
【０１１０】
図７に示す光ヘッド装置３２では、光源３３から出射された光は、回折格子３４、液晶レンズ素子２１および位相差素子３５を順に透過した後、対物レンズ３６によって、２層の記録層３７ａ，３７ｂを有する光ディスク３８に集光される。次いで、記録層３７ａ（または、記録層３７ｂ）で反射した光は、再び対物レンズ３６、位相差素子３５および液晶レンズ素子２１を順に透過した後、回折格子３４によって回折されて、光検出器３９，４０に到達する。
【０１１１】
光源３３には、通常の光ヘッド装置に使用される通常のレーザ光源が使用される。具体的には、半導体レーザが好適であるが、他のレーザであってもよい。
【０１１２】
回折格子３４は、ホログラムおよびビームスプリッタのいずれであってもよい。ビームスプリッタを用いた場合には、記録層３７ａ（または、記録層３７ｂ）からの反射光の光路を変えて、光源３３とは異なる方向に配置された光検出器（図示せず）に光を導くことができる。
【０１１３】
位相差素子３５としては、１／４波長板が用いられる。これにより、光の偏光面を回転させて、光源３３からの往路の光と、記録層３７ａ（または、記録層３７ｂ）からの復路の光との偏光方向を変えることができる。
【０１１４】
液晶レンズ素子２１は、上述の通り、電圧印加の有無によって焦点距離を変えることができる。したがって、例えば、液晶レンズ素子２１に電圧が印加されていない場合には、記録層３７ａに焦点が合うようにし、液晶レンズ素子２１に電圧が印加されている場合には、記録層３７ｂに焦点が合うようにすることができる。また、液晶レンズ素子２１に電圧が印加されていない場合には、記録層３７ｂに焦点が合うようにし、液晶レンズ素子２１に電圧が印加されている場合には、記録層３７ａに焦点が合うようにすることもできる。
【０１１５】
尚、上記説明では、液晶レンズを、記録層３７ａ（または、記録層３７ｂ）との間での焦点距離の切換に用いているが、複数の光ディスク、例えば、ＣＤ（Compact Disc）、ＤＶＤ（Digital Versatile Disk）、ＨＤ−ＤＶＤ（High Definition - Digital Versatile Disk）若しくはＢＤ（Blu-Ray Disk）等の焦点距離の切換、３層以上の光ディスクの焦点距離の切換、または、これらの組み合わせの焦点距離の切換等にも使用可能である。
【０１１６】
本実施の形態によれば、従来より簡単な構成で焦点距離を変えることのできる液晶レンズ素子を使用するので、薄型化および軽量化された光ヘッド装置を提供することが可能となる。
【０１１７】
尚、本発明による液晶レンズ素子および光ヘッド装置は、図６および図７の構造に限られるものではない。また、さらに偏光依存性を小さくするために、補正のための位相差板を付加してもよい。この位相差板は、素子に一体化されていてもよく、分離されていてもよい。本発明は、透明基板の間に設けられた液晶層と、透明基板と液晶層の間にそれぞれ設けられた透明電極層とを備えた液晶レンズ素子、および、この液晶レンズ素子を有する光ヘッド装置に適用することができる。
【０１１８】
実施の形態２．
本実施の形態では、上述した本発明における液晶組成物を波長選択フィルタに適用する場合について述べる。波長選択フィルタとしては、液晶エタロンを用いる。
【０１１９】
図８は、本実施の形態における液晶エタロンの断面模式図である。
【０１２０】
図８に示すように、液晶エタロン４１は、第１の透明基板４２と、これに対向する第２の透明基板４３とを有する。
【０１２１】
第１の透明基板４２の上には、第１の反射膜４４と、第１の電極層４５と、第１の配向膜４６とがこの順に形成されている。一方、第２の透明基板４３の上にも、第２の反射膜４７と、第２の電極層４８と、第２の配向膜４９とがこの順に形成されている。第１の透明基板４２と第２の透明基板４３とは、間隔を一定に保つために、スペーサ５０を介して重ね合わせられている。また、第１の透明基板４２と第２の透明基板４３の間には、上述した本発明における液晶組成物が充填されており、液晶層５１を形成している。
【０１２２】
第１の透明基板４２で、第１の反射膜４４などが設けられている面と反対側の面には、入射光や透過光の反射を抑制することを目的として、第１の反射防止膜５２が設けられている。同様に、第２の透明基板４３で、第２の反射膜４７などが設けられている面と反対側の面にも、第２の反射防止膜５３が設けられている。尚、これらは必要に応じて設ければよく、本実施の形態においてはなくてもよい。
【０１２３】
第１の電極層４５および第２の電極層４８は、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）などの透明電極材料からなる。これらの間に電圧を印加すると、電圧の大きさに応じて液晶の屈折率が変化する。これに伴って光路長が変化するので、第１の反射膜４４と第２の反射膜４７によって構成される光共振器の共振波長が変化する。ここで、本実施の形態で使用される液晶組成物は、液晶層５１を透過する光の屈折率変化を入射光の偏光方向に無関係とすることができるので、偏光方向にかかわらず共振波長を変えることが可能となる。
【０１２４】
つまり、液晶エタロン４１にＳ偏光が入射した場合、１軸性液晶の屈折率は、電圧によらずｎｏで一定である。これに対して、液晶エタロン４１にＰ偏光が入射した場合、１軸性液晶の屈折率は、電圧に応じてｎｅからｎｏまで変化する。一方、液晶エタロン４１にＳ偏光が入射した場合、２軸性液晶の屈折率は、電圧に応じてｎｅｓからｎｏまで変化する。これに対して、液晶エタロン４１にＰ偏光が入射した場合、２軸性液晶の屈折率は、電圧によらずｎｅで一定である。尚、１軸性液晶における屈折率ｎｘ１およびｎｙ１は、それぞれｎｅおよびｎｏに対応するものとし、２軸性液晶における屈折率ｎｘ２、ｎｙ２およびｎｚ２は、それぞれｎｅ、ｎｅｓおよびｎｏに対応するものとする。
【０１２５】
このように、本実施の形態においては、液晶層５１に所定の偏光が入射した場合における１軸性液晶の屈折率変化と２軸性液晶の屈折率変化とが、互いに反対の挙動を示す。これにより、一方の直線偏光の位相の変化量は他方の直線偏光の位相の変化量に略等しくなるので、入射光の偏光方向に依存しない液晶エタロンとすることができる。すなわち、入射光の偏光状態によらずに共振波長を変えることが可能となるので、偏光依存損失の小さい液晶エタロンとすることができる。
【０１２６】
尚、本実施の形態における液晶エタロンは、図８に示す構造以外のものであってもよい。さらに偏光依存性を小さくするために、補正のための位相差板を付加してもよい。この位相差板は、素子に一体化されていてもよく、分離されていてもよい。また、本発明の波長選択フィルタは、液晶エタロン以外のものであってもよい。すなわち、本発明は、透明基板の間に設けられた液晶層と、透明基板と液晶層の間にそれぞれ設けられた透明電極層とを備えた波長選択フィルタに適用することができる。
【０１２７】
尚、本発明は上記各実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、種々変形して実施することができる。
【０１２８】
例えば、本発明は、上記各実施の形態以外にも、一対の透明基板に挟持された複屈折性物質と、この複屈折性物質に電圧を印加する電極とを備えた光学素子に適用することができる。さらに、本発明は、偏光無依存性が必要とされる用途または偏光依存性が小さいことが必要とされる用途の光学素子に適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１２９】
【図１】（ａ）および（ｂ）は、電圧印加の有無による液晶分子の配向変化の模式図である。
【図２】（ａ）〜（ｃ）は、電圧印加の有無による液晶分子の配向変化の模式図である。
【図３】（ａ）〜（ｃ）は、電圧印加の有無によるディスコティック液晶分子の配向変化の模式図である。
【図４】（ａ）〜（ｄ）は、本発明における２軸性液晶の分子の形状の説明図である。
【図５】（ａ）および（ｂ）は、本発明におけるディスコティック液晶の分子の形状の説明図である。
【図６】実施の形態１における液晶レンズ素子の断面模式図である。
【図７】実施の形態１における光ヘッド装置の構成図の一例である。
【図８】実施の形態２における液晶エタロンの断面模式図である。
【符号の説明】
【０１３０】
２１ 液晶レンズ素子
２２，４２ 第１の透明基板
２３，４３ 第２の透明基板
２４，４５ 第１の電極層
２５，４６ 第１の配向膜
２６，４８ 第２の電極層
２７，４９ 第２の配向膜
２８ シール材
２９，５１ 液晶層
３０ 液晶セル
３１ 電源
３２ 光ヘッド装置
３３ 光源
３４ 回折格子
３５ 位相差素子
３６ 対物レンズ
３７ａ，３７ｂ 記録層
３８ 光ディスク
３９，４０ 光検出器
４１ 液晶エタロン
４４ 第１の反射膜
４７ 第２の反射膜
５０ スペーサ
５２ 第１の反射防止膜
５３ 第２の反射防止膜
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の透明基板に挟持された複屈折性物質と、該複屈折性物質に電圧を印加する電極とを備えた光学素子であって、
前記複屈折性物質は、前記電圧の大きさに応じて入射光に対する屈折率が変化するとともに、電圧無印加時および電圧印加時のいずれかにおいて、前記一対の透明基板の面内で屈折率が最大となる方向が同じとなる複数の物質を含み、
前記複数の物質には、前記複屈折性物質に入射した互いに直交する２つの直線偏光の一方に対してのみ屈折率を変化させるものと、前記直線偏光の他方に対してのみ屈折率を変化させるものとがあり、
前記複屈折性物質では、前記一方の直線偏光に対する屈折率の変化量と、前記他方の直線偏光に対する屈折率の変化量とが略等しいことを特徴とする光学素子。
【請求項２】
前記複数の物質には、２種類の液晶が含まれており、
これらの液晶が水平配向をした際に前記屈折率が最大となる方向をｘ軸、前記一対の透明基板の面内で前記ｘ軸に直交する方向をｙ軸、前記ｘ軸と前記ｙ軸に直交する方向をｚ軸とすると、前記液晶の一方にはｎｘ１＞ｎｙ１＝ｎｚ１の関係が成立し、他方にはｎｙ２＞ｎｚ２の関係が成立し、さらに、前記複屈折性物質は下記の数式を満足することを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
（式中で、ａは、複屈折性物質中における一方の液晶の含有率（モル％）を、ｂは、複屈折性物質中における他方の液晶の含有率（モル％）をそれぞれ示す。）
【請求項３】
前記他方の液晶は、ｎｘ２＞ｎｙ２＞ｎｚ２の関係が成立するバナナ型液晶であることを特徴とする請求項１または２に記載の光学素子。
【請求項４】
前記バナナ型液晶において、分子の略中央部に位置した分子単位に結合する側鎖間でのなす角度が６０度以上で１６０度以内であることを特徴とする請求項３に記載の光学素子。
【請求項５】
前記他方の液晶は、ｎｘ２＝ｎｙ２＞ｎｚ２の関係が成立するディスコティック液晶であることを特徴とする請求項１または２に記載の光学素子。
【請求項６】
前記光学素子は、液晶レンズ素子であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項７】
前記光学素子は、波長選択フィルタであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項８】
請求項６に記載の液晶レンズ素子を有することを特徴とする光ヘッド装置。
【請求項１】
一対の透明基板に挟持された複屈折性物質と、該複屈折性物質に電圧を印加する電極とを備えた光学素子であって、
前記複屈折性物質は、前記電圧の大きさに応じて入射光に対する屈折率が変化するとともに、電圧無印加時および電圧印加時のいずれかにおいて、前記一対の透明基板の面内で屈折率が最大となる方向が同じとなる複数の物質を含み、
前記複数の物質には、前記複屈折性物質に入射した互いに直交する２つの直線偏光の一方に対してのみ屈折率を変化させるものと、前記直線偏光の他方に対してのみ屈折率を変化させるものとがあり、
前記複屈折性物質では、前記一方の直線偏光に対する屈折率の変化量と、前記他方の直線偏光に対する屈折率の変化量とが略等しいことを特徴とする光学素子。
【請求項２】
前記複数の物質には、２種類の液晶が含まれており、
これらの液晶が水平配向をした際に前記屈折率が最大となる方向をｘ軸、前記一対の透明基板の面内で前記ｘ軸に直交する方向をｙ軸、前記ｘ軸と前記ｙ軸に直交する方向をｚ軸とすると、前記液晶の一方にはｎｘ１＞ｎｙ１＝ｎｚ１の関係が成立し、他方にはｎｙ２＞ｎｚ２の関係が成立し、さらに、前記複屈折性物質は下記の数式を満足することを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
（式中で、ａは、複屈折性物質中における一方の液晶の含有率（モル％）を、ｂは、複屈折性物質中における他方の液晶の含有率（モル％）をそれぞれ示す。）
【請求項３】
前記他方の液晶は、ｎｘ２＞ｎｙ２＞ｎｚ２の関係が成立するバナナ型液晶であることを特徴とする請求項１または２に記載の光学素子。
【請求項４】
前記バナナ型液晶において、分子の略中央部に位置した分子単位に結合する側鎖間でのなす角度が６０度以上で１６０度以内であることを特徴とする請求項３に記載の光学素子。
【請求項５】
前記他方の液晶は、ｎｘ２＝ｎｙ２＞ｎｚ２の関係が成立するディスコティック液晶であることを特徴とする請求項１または２に記載の光学素子。
【請求項６】
前記光学素子は、液晶レンズ素子であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項７】
前記光学素子は、波長選択フィルタであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項８】
請求項６に記載の液晶レンズ素子を有することを特徴とする光ヘッド装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００８−１９７６４０（Ｐ２００８−１９７６４０Ａ）
【公開日】平成２０年８月２８日（２００８．８．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−７４４４（Ｐ２００８−７４４４）
【出願日】平成２０年１月１６日（２００８．１．１６）
【出願人】（０００００００４４）旭硝子株式会社 (2,665)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年８月２８日（２００８．８．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１月１６日（２００８．１．１６）
【出願人】（０００００００４４）旭硝子株式会社 (2,665)
【Ｆターム（参考）】
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