旋光子および光ヘッド装置
【課題】入射する光の偏光状態を容易に制御できるとともに偏光状態を光の波長依存性および使用温度依存性を低減できる旋光子を提供する。
【解決手段】透明基板１１ａ、１１ｂ上にそれぞれ配向膜１３ａ、１３ｂを配し、９０°ツイストしたネマティック液晶または高分子液晶からなる液晶層１４で構成される。ネマティック液晶からなる旋光子１０ｂは、それぞれ透明電極１２ａ、１２ｂを配し液晶分子の配向方向を切り替えることができる。例えば、液晶層１４の厚さは入射する光の波長λ１の２次モーガンミニマム条件となる厚さと、波長λ２（λ１＜λ２）の１次モーガンミニマム条件となる厚さとの中間値より大きい値に設定する。
【解決手段】透明基板１１ａ、１１ｂ上にそれぞれ配向膜１３ａ、１３ｂを配し、９０°ツイストしたネマティック液晶または高分子液晶からなる液晶層１４で構成される。ネマティック液晶からなる旋光子１０ｂは、それぞれ透明電極１２ａ、１２ｂを配し液晶分子の配向方向を切り替えることができる。例えば、液晶層１４の厚さは入射する光の波長λ１の２次モーガンミニマム条件となる厚さと、波長λ２（λ１＜λ２）の１次モーガンミニマム条件となる厚さとの中間値より大きい値に設定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば光ストレージ、光通信、光イメージングなどの光学系において入射する直線偏光を旋光して出射するとともに、印加する電圧を制御することによって出射する光の偏光状態を制御することができる旋光子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光ヘッド装置は、ＣＤ、ＤＶＤ、光磁気ディスクだけでなく、「Ｂｌｕ−ｒａｙ」（登録商標：以下ＢＤ）、ＨＤ−ＤＶＤなどの高密度光記録媒体（以下、「光ディスク」という）に対応した技術が開発されている。とくに、ＢＤやＨＤ−ＤＶＤとＤＶＤ、ＣＤに対応した光ヘッド装置においては、青色レーザと赤色レーザ、近赤外レーザの３つの波長に対して、異なる性能を有する光学部品や、これら３つの波長で波長依存性が少なく同等の性能を有する光学部品などが適宜組み合わされている。その中で、これら３つの波長の偏光状態を等しく偏光変換するような機能も求められる。例えば、各々の光源から出射された光の直線偏光方向が、偏光ビームスプリッタの直進透過方向となる軸に直交している場合においては、３つの波長の直線偏光が偏光ビームスプリッタの直進透過方向となる軸に平行になるよう偏光方向を９０°旋光させるように、多波長に対して機能する旋光子（多波長旋光子）が必要である。
【０００３】
このように３つの異なる波長で入射する光を直交した偏光状態に変換する多波長旋光子として例えば特許文献１に記載の偏光変換子が提案されている。この偏光変換子を、３つの異なる波長の光が共通する光路中に配置することで、いずれの波長の光も入射光に対して９０°変換させて出射させることができる。また、偏光変換子を光ヘッド装置に用いることで少ない部品点数で効率よく偏光状態の変換を実現している。
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−３０４５７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の偏光変換子は、入射する光の波長のばらつきによって変換効率が変化しやすい特性を有している。例えば、光源となる半導体レーザの発振波長のばらつきがあったり、異なる使用温度よって半導体レーザの発振波長に変化が発生したりすると、変換効率が低下するため、入射する光の波長を精度よく制御しなければならないという問題があった。さらに、光ヘッド装置に偏光変換子を適用した場合、偏光変換機能は固定的であるため、状況に応じて偏光変換機能を切り替えることは困難であるという問題もあった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本願発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、平行に配置された一対の透明基板と、一対の前記透明基板の対向する空間を液晶で充填した液晶層を備え、少なくとも波長λ１と、前記波長λ１よりも大きい波長λ２の直線偏光となる光が入射する旋光子であって、前記液晶は、ネマティック液晶または高分子液晶からなり、前記液晶が前記液晶層の厚さ方向にらせん状に捩れているツイスト配向状態において、常温における前記波長λ２の１次モーガンミニマム条件となる厚さｄλ２１が前記波長λ１のｎ次モーガンミニマム条件となる厚さｄλ１ｎ以上でかつ、前記波長λ１の（ｎ＋１）次モーガンミニマム条件となる厚さｄλ１（ｎ＋１）未満であるとき（ｎは自然数）、前記液晶層の厚さは、下記（Ａ）または（Ｂ）
（Ａ）前記厚さｄλ２１が（ｄλ１ｎ＋ｄλ１（ｎ＋１））／２以上であるとき、ｄλ２１より大きい値、
（Ｂ）前記厚さｄλ２１が（ｄλ１ｎ＋ｄλ１（ｎ＋１））／２未満であるとき、ｄλ１ｎより大きい値、を満たす旋光子を提供する。
【０００７】
また、前記液晶層に電圧を印加する透明電極を備え、前記液晶層に印加する電圧によって、前記ツイスト配向状態と、前記液晶が前記液晶層の厚さ方向に揃う垂直配向状態と、を切り替えることができる上記に記載の旋光子を提供する。また、前記液晶層の厚さは、前記厚さｄλ２１が（ｄλ１ｎ＋ｄλ１（ｎ＋１））／２以上であるとき前記厚さｄλ２１と前記厚さｄλ１（ｎ＋１）との中間値より大きい値であり、前記厚さｄλ２１が（ｄλ１ｎ＋ｄλ１（ｎ＋１））／２未満であるとき前記厚さｄλ１ｎと前記厚さｄλ２１との中間値より大きい値である上記に記載の旋光子を提供する。
【０００８】
この構成により、異なる２以上の波長で入射する直線偏光に対して直交する直線偏光に変換するなど特定の偏光状態を発現させるときに、波長依存性および使用温度依存性による出射偏光状態の変化を低減させることができる。また、電圧制御によるアクティブ型の旋光子とすることで、容易に入射光の偏光状態を変えて出射させたり、偏光状態を変えないで出射させたりすることができる。これを利用して、例えばこの旋光子を、３つの異なる波長の光を利用する光ヘッド装置に用いた場合、安定した光ディスクへの情報の記録および／または再生（以下、「記録・再生」という）ができ、光ヘッド装置の品質が向上する。さらに、電圧制御によって光の偏光状態を制御することで光の進行方向を切り替える光ヘッド装置を実現することができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明は、広帯域に渡って波長の異なる複数の光の偏光状態を効率よく変換することができるとともに、変換状態と無変換状態とを容易に切り替えることができ、さらに温度変化に対しても変換効率の変動が少ない旋光子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
（第１の実施の形態）
図１（ａ）および図１（ｂ）は、それぞれ本実施の形態に係る旋光子１０ａおよび１０ｂの概念的な構成を示す図である。旋光子１０ａは、透明基板１１ａ、１１ｂ上に配向膜１３ａ、１３ｂを積層した基板と、その基板によって液晶を挟持した液晶層１４とで構成される。また、旋光子１０ｂは、透明基板１１ａ、１１ｂ上にそれぞれ透明電極１２ａ、１２ｂを積層し、さらに配向膜１３ａ、１３ｂを積層した基板と、その基板によって液晶を挟持した液晶層１４とで構成される、アクティブ型の旋光子である。そして、透明電極１２ａ、１２ｂ間は図示しない電気配線によって電圧制御装置に接続されている。ここで、透明電極１２ａ、１２ｂを配さない旋光子１０ａは、旋光子１０ｂの電圧非印加時と同じ特性を有するものであり、旋光子１０ｂの電圧非印加時の機能の説明によって旋光子１０ａの機能の説明を代替するものとする。また、旋光子１０ｂにおいて電圧非印加時には、図１（ｂ）のように配向膜１３ａと接する面の液晶分子はＸ方向に配向され、配向膜１３ｂと接する面の液晶分子はＹ方向に配向されており、液晶層１４の厚さ方向（Ｚ方向）に液晶分子の長軸方向が捩れて分布している。
【００１１】
透明基板は入射する光に対して透明であれば、樹脂など種々の材料を用いることができるが、ガラスや石英ガラスなどの光学的等方性材料を用いると、透過光に複屈折性の影響を与えないため好ましい。透明電極としては、ＩＴＯ（酸化錫ドープ酸化インジウム）膜、ＡＺＯ（アルミニウムドープ酸化亜鉛）膜、ＧＺＯ（ガリウムドープ酸化亜鉛）膜などの酸化物透明導電膜が高い透明性と導電率とが得られるため好ましく用いられる。配向膜はポリイミド膜をラビングして形成してもよいし、ＳｉＯなどの無機材料を斜方蒸着して形成してもよい。
【００１２】
液晶層１４は、液晶分子１５ａの配向方向が電圧非印加時に厚さ方向に例えば、９０°らせん状に捩れているツイストネマティック液晶セル（以下ＴＮ液晶セルという）からなる。このＴＮ液晶セルに入射する光は、いずれもＺ方向に進行するものとして説明する。例えば、上記ＴＮ液晶セルのようにＸ方向に振動する直線偏光が入射して、Ｙ方向（入射方向と直交する方向）で出射する偏光変換に関しては、以下のジョーンズ行列を用いて考えることができる。なお、液晶分子の厚さ方向の捩れ角（以下、ツイスト角）は９０°に限らず、異なる角度であってもジョーンズ行列の関係は成立する。
【００１３】
ＴＮ液晶セル内の液晶の常光屈折率をｎｏ、異常光屈折率をｎｅ、屈折率異方性をΔｎ（＝｜ｎｅ−ｎｏ｜）、ツイスト角をΦｔ、ＴＮ液晶セルの厚さをｄ、光が入射する側の基板面上の液晶ダイレクタの角度（以下、プレツイスト角）をΨｉ、入射する光の波長をλとすると、ＴＮ液晶セルのジョーンズ行列ＷＴＮは、式（１）のように表される。
【００１４】
【数１】
【００１５】
なお、Ｒ（Ψ）は回転行列を表し、式（２）のようになる。
【００１６】
【数２】
【００１７】
ここでｓｉｎθ＝０、すなわち式（３）が成立するときのｍを、ｍ次のモーガンの極限（モーガンミニマム条件）という。
【００１８】
【数３】
【００１９】
式（３）のモーガンの極限を満足するときの式（１）のＪＴＮは、式（４）で表され、ＴＮ液晶セルは、ツイスト角Φｔの旋光子として機能する。
【００２０】
【数４】
【００２１】
ここで、ＴＮ液晶セルのプレツイスト角Ψｉ＝０°、ツイスト角Φｔ＝９０°として、０°の直線偏光を入射したとき、入射光の偏光方向と直交する偏光方向（９０°）成分に変換される割合を偏光変換効率Ｉとして定義すると、式（５）のように表される。
【００２２】
【数５】
【００２３】
このように式（３）のモーガンミニマム条件を満たすＴＮ液晶セルの厚さｄは、入射する光の波長λによって異なり、任意の波長の光が入射して全て同じ旋光機能を有する旋光子は存在しない。さらに、液晶の屈折率は使用温度によって変化するため、広い温度範囲で一定の旋光機能を有する旋光子の実現には制限があるが、本実施形態の旋光子は、液晶層１４の厚さを調整することによって、２つ以上の異なる波長に対して同じ旋光特性を発現させることができる。
【００２４】
ここで、異なる２つの入射光の波長を具体的にλ１＝４０５ｎｍ、λ２＝６６０ｎｍ（λ１＜λ２）として説明する。設計手法として、式（３）のモーガンミニマム条件において、波長λ１に対してｍ＝２のモーガンの極限（以降、２次モーガンミニマム条件という）となる液晶層の厚さ（＝ｄλ１２）を考える。なお、厚さの表記（例えばｄλ１２）の‘λ’に続く２つの数字は、左から順に、入射する光の波長λ１、波長λ２、…のように波長に示される数字、ｍ次モーガンミニマム条件のｍに相当する数字、で表すものとする。
【００２５】
次に、波長λ２に対してｍ＝１のモーガンの極限（以降、１次モーガンミニマム条件という）となる液晶層の厚さ（＝ｄλ２１）を考える。また、図２（ａ）に旋光子１０ｂの電圧非印加時の斜視図を示すが、この図のように透明基板１１ａ、１１ｂ間で液晶分子１５ａがツイスト角Φｔ＝９０°で分布している。ここで、透明基板１１ａ側からZ方向に進行するＸ方向の直線偏光が入射する場合において、液晶層の厚さを変化させたときの偏光変換効率の一例を図２（ｂ）に示す。ここでは、偏光変換効率は、入射光の偏光方向と直交する、つまりＸ方向からY方向の直線偏光へ変換されて出射される割合を意味する。
【００２６】
図２（ｂ）のようにモーガンミニマム条件を満たす液晶層の厚さの条件において、偏光変換効率が最も高くなる。例えば、４０５ｎｍの光が入射する場合、それぞれ液晶層の厚さが約３．７μｍで１次モーガンミニマム条件、約８．３μｍが２次モーガンミニマム条件となる。また、入射光の偏光状態が同一で波長が異なる場合、波長が長くなるにつれて、１次モーガンミニマム条件となる液晶層の厚さも大きい値をとる。なお、λ３として７８０ｎｍの波長（λ１＜λ２＜λ３）の光が入射した場合もλ１、λ２に対して１次モーガンミニマム条件となる液晶層の厚さは大きい。したがって、少なくともλ１とλ２の波長の光が入射する場合、両方の波長の光の偏光変換効率を高くするためには、λ２の１次モーガンミニマム条件を満たす液晶層の厚さ以上であればよい。
【００２７】
次に、温度変化による偏光変換効率の変化について説明する。通常、液晶は温度上昇とともに、屈折率異方性Δｎが小さくなる傾向がある。式（３）より、Δｎが小さくなると、モーガンミニマム条件を満足するにはＴＮ液晶セル厚さｄを大きくする必要がある。例として、４０５ｎｍの光を入射させて温度条件のみ変化させた場合の液晶層の厚さに対する偏光変換効率の変化を図３に示す。これにより、温度が高くなることによって１次、２次モーガンミニマム条件を満たす液晶層の厚さが大きくなるため、広い温度範囲の条件において高い偏光変換効率を維持するためには、この特性を考慮する必要がある。
【００２８】
このように、異なる２つ以上の波長の光が入射し、さらに広い使用温度範囲が要求される旋光子を実現するためには、次のように液晶層の厚さを設定するとよい。常温において、λ２における１次モーガンミニマム条件となる厚さｄλ２１が、例えばλ１における１次モーガンミニマム条件ｄλ１１と、λ１における２次モーガンミニマム条件ｄλ１２との間にあり、ｄλ２１が（ｄλ１１＋ｄλ１２）／２以上である場合を考える。このときｄλ１２が、ｄλ２１とｄλ１２中間となる値、（ｄλ２１＋ｄλ１２）／２よりも大きいと、少なくともλ１およびλ２の波長の入射光に対して高い偏光変換効率を得ることができる。なお、ここでいう常温とは、２０〜３０°の間の温度とする。また、液晶層の厚さをさらに厚く設定してもよいが、電圧印加時の応答速度が厚さの２乗に比例して遅くなったり、光の吸収によって透過光量が低減したりするので、上記条件を満足するとともに、できるだけ薄い液晶層の厚さであることがより好ましい。また、厚さの上限は、下限＋４μｍ程度であってこの範囲の厚さに設定すると好ましい。
【００２９】
また、入射する異なる２つの波長の光として波長λ１と波長λ２を上記の例ではそれぞれ４０５ｎｍと６６０ｎｍとして説明したがこれに限らない。波長λ１と波長λ２の組み合わせにより、図４（ａ）または図４（ｂ）のように、波長λ２の１次モーガンミニマム条件となる厚さｄλ２１が、波長λ１の２次モーガンミニマム条件となる厚さｄλ１２より大きい値となることもある。次に、これらを考慮して、高い偏光変換効率が得られる液晶層の厚さの下限を一般化して説明する。なお、図４（ａ）および図４（ｂ）の実線はλ１の特性、点線はλ２特性を示すとともに、いずれも使用温度は常温とする。
【００３０】
図４（ａ）は、厚さｄλ２１が、波長λ１の２次モーガンミニマム条件となる厚さｄλ１２と波長λ１の３次モーガンミニマム条件となる厚さｄλ１３の間にあり、さらに、ｄλ２１≧（ｄλ１２＋ｄλ１３）／２となる特性を示したグラフである。このときの液晶層の厚さの下限は、ｄλ２１より大きい値であれば好ましく、温度変化を考慮して（ｄλ２１＋ｄλ１３）／２より大きい値であればより好ましい。
【００３１】
図４（ｂ）は、厚さｄλ２１が、波長λ１の２次モーガンミニマム条件となる厚さｄλ１２と波長λ１の３次モーガンミニマム条件となる厚さｄλ１３の間にあり、さらに、ｄλ２１＜（ｄλ１２＋ｄλ１３））／２となる特性を示したグラフである。このときの液晶層の厚さの下限は、ｄλ１２より大きい値であれば好ましく、温度変化を考慮して（ｄλ１２＋ｄλ２１）／２より大きい値であればより好ましい。
【００３２】
また、波長λ１と波長λ２の組み合わせにより、これらを一般的に表して、厚さｄλ２１が、波長λ１のｎ次モーガンミニマム条件となる厚さｄλ１ｎと波長λ１の（ｎ＋１）次モーガンミニマム条件となる厚さｄλ１（ｎ＋１）の間にあり（ｎは自然数）、さらに、ｄλ２１≧（ｄλ１ｎ＋ｄλ１（ｎ＋１））／２となる場合を考える。このときの液晶層の厚さの下限は、ｄλ２１より大きい値であれば好ましく、温度変化を考慮して（ｄλ２１＋ｄλ１（ｎ＋１））／２より大きい値であればより好ましい。同様に、厚さｄλ２１が、波長λ１のｎ次モーガンミニマム条件となる厚さｄλ１ｎと波長λ１の（ｎ＋１）次モーガンミニマム条件となる厚さｄλ１（ｎ＋１）の間にあり、さらに、ｄλ２１＜（ｄλ１ｎ＋ｄλ１（ｎ＋１））／２となる場合を考える。このときの液晶層の厚さの下限は、ｄλ１ｎより大きい値であれば好ましく、温度変化を考慮して（ｄλ１ｎ＋ｄλ２１）／２より大きい値であればより好ましい。
【００３３】
これまでは、図２（ａ）に示すように、透明基板１１ａ側の液晶分子の配向方向と同じ方向の直線偏光が入射するものとして説明したが、これに限らない。本実施形態に係る旋光子１０ａおよび１０ｂ（電圧非印加時）に直線偏光が入射する場合、液晶層の厚さを調整することによって入射光の直線偏光がいずれの方向であっても入射光の偏光方向に対して約９０°旋光した直線偏光となって出射する。
【００３４】
例として図５は、波長４０５ｎｍの直線偏光が旋光子１０ｂに入射するとき、入射する直線偏光の方向に対する偏光変換効率を示すものである。つまり、図２（ａ）の旋光子１１ｂの透明基板１１ａ側の液晶分子の配向方向（Ｘ方向）とは異なる方向の直線偏光が入射するときの偏光変換効率を示す。このとき、Ｘ方向の直線偏光を０°として反時計回り方向をプラス（＋）方向、時計回りをマイナス（−）方向と定義する。これを踏まえ、図５の実線は、９０°方向つまりＹ方向の直線偏光で入射してＸ方向（１８０°）の直線偏光となる偏光変換効率、図５の点線は、４５°方向の直線偏光が入射して１３５°方向の直線偏光となって出射するときの偏光変換効率を示すものである。なお、図２（ｂ）は、いずれの波長もＸ方向（０°）の直線偏光で入射したときＹ方向（９０°）となる偏光変換効率を示すものである。また、図示しないが、このほかの偏光方向で入射する光はいずれも図５の実線と点線の特性の間を取る。これより、液晶層の厚さがｍ次のモーガン極限付近（ｍは自然数）では偏光方向に依存せず高い偏光変換効率を得ることができ、透明基板１１ａ側の液晶分子の配向方向と平行または直交する直線偏光の方向で入射させると、液晶層の厚さのばらつきによる偏光変換効率の変化が少なくより好ましい。
【００３５】
また、液晶層に電圧を印加すると、液晶分子は透明基板面に対して略垂直方向（Ｚ方向）に配向される。このとき、Ｚ方向で入射する光は、偏光状態を変えずにそのまま出射する。したがって、液晶層に印加する電圧を制御することによって広帯域に渡って入射する光に対して偏光状態を容易に変化させることができる。
【００３６】
（第２の実施の形態）
次に、第１の実施の形態に比べてより偏光変換効率を高くする効果を実現する形態を以下に説明する。図６は、本実施の形態に係る旋光子２０ａ、２０ｂの概念的な構成を示す断面模式図である。図６（ａ）に示す旋光子２０ａは、旋光子１０に波長板２２を積層したものであり、図６（ｂ）に示す旋光子２０ｂは、旋光子１０に波長板２４ａおよび２４ｂを両面にそれぞれ積層したものである。また、図６（ａ）および図６（ｂ）において第１の実施形態と同じ部分は同一の番号を付して説明の重複を避ける。図６（ａ）は、Ｚ軸に平行に透明基板２１ａ側から光が入射する場合、光の入射側に２枚の波長板２２ａ、２２ｂを積層している。なお、波長板の配置は光の入射側に限らず、光の出射側に積層してもよく、波長板の枚数は２枚に限らず、１枚であっても３枚以上であってもよい。
【００３７】
図７（ａ）および図７（ｂ）は、波長板２２を積層した旋光子２０ａの斜視図であって、いずれもＺ方向に進行するＸ方向の直線偏光が入射する場合において、それぞれ、電圧非印加時、電圧印加時の光の変調の様子を示すものである。また、図７（ｃ）は、波長板２２ａ、２２ｂを示す斜視図であり、矢印の方向は光学軸（進相軸または遅相軸）となる方向を示すものである。このように波長板２２は、２枚の波長板２２ａ、２２ｂが積層されており、いずれの波長板とも光学軸はＸ方向（Ｙ方向）からずれた角度となるように設置されている。
【００３８】
以下に、積層する波長板の具体的な設計手法について説明する。以下の説明では、波長板２２より直線偏光が入射し、基板１１ｂから出射するものとするが、光の相反性の性質から基板１１ｂから入射し波長板２２から出射するとしても同様の原理が成立する。入射する光の波長λと温度Ｔの関数となる波長板２２ａのジョーンズ行列をＡ（λ，Ｔ）、波長板２２ｂのジョーンズ行列をＢ（λ，Ｔ）とする。ここで波長板のジョーンズ行列ＷＰは、波長板の遅相軸方位をΨＷＰ、波長板の屈折率異方性をΔｎＷＰ、波長板の厚さをｄＷＰとすると、式（６）のように表すことができる。
【００３９】
【数６】
【００４０】
また、液晶層のジョーンズ行列もλおよびＴに依存するので、これをＷＴＮ（λ，Ｔ）とすると、この構成からなる旋光子のジョーンズ行列は、ＷＴＮ（λ，Ｔ）×Ｂ（λ，Ｔ）×Ａ（λ，Ｔ）となる。そこで、Ｂ（λ，Ｔ）×Ａ（λ，Ｔ）は、ＷＴＮ（λ，Ｔ）の入射波長依存性と温度依存性による変化を打ち消すようにする。つまり、入射する光の偏光状態、出射する光の偏光状態を僅かに変化させることで、入射波長および温度によって変化する偏光変換効率を小さくするように調整できるものである。
【００４１】
例えば、以下のように設計することで、偏光変換効率の波長依存性、温度依存性を小さくすることができる。異なる２つの入射光の波長を具体的にλ１＝４０５ｎｍ、λ２＝６６０ｎｍとして説明する。まず、液晶層の厚さは第１の実施の形態のものよりわずかに厚くし、波長λ１の２次モーガンミニマム条件となる厚さｄλ１２付近とする。これにより、図２（ｂ）に示すように波長λ１の光に対して、液晶層単体での偏光変換効率を１００％に近い値で設定することができる。一方で、厚さｄλ１２付近であると、波長λ２の光に対して、液晶層の波長依存性により偏光変換効率が低下するが、Ｙ方向の直線偏光となって出射するように波長板２２を積層して補正するものである。例えば、波長板２２が厚さ方向に光学軸が揃った１枚の波長板で構成する場合、波長λ１の光に対してλ板として機能させるようにする。つまり、波長板２２は、入射する光と出射する光とで偏光状態が大きく変わらないように、３６０°・Δｎ・ｄ／λ１で表される位相差が３６０°×ｍ（ｍは自然数）付近になるように、Δｎ（屈折率異方性）、ｄ（厚さ）を設計するとよい。これより、波長板２２を透過しても、λ１の偏光状態がほぼ変化せず、液晶層のみで偏光状態が変換される。
【００４２】
また、図７（ｃ）に示すように波長板２２が２枚の波長板２２ａ、２２ｂが積層されてなる場合、２枚の波長板のリタデーション値（Δｎ・ｄ）、遅相軸（進相軸）と入射光の偏光方向とがなす角度（０°、９０°ではない値）をそれぞれ調整する。つまり２枚の波長板に入射する波長λ２の光に対して、液晶層の波長依存性による偏光変換効率の低下を補正するとともに、波長λ１の光に対して偏光状態を変えないように上記の条件を設定するとよい。
【００４３】
図６（ｂ）に示す旋光子２０ｂについても同様の手法で設計できる。波長板２４ａのジョーンズ行列をＣ（λ、Ｔ）、波長板２４ｂのジョーンズ行列をＤ（λ、Ｔ）、液晶層のジョーン行列をＷＴＮ（λ，Ｔ）とすると、２０ｂ構成のジョーンズ行列は、Ｄ（λ、Ｔ）×ＷＴＮ（λ，Ｔ）×Ｃ（λ、Ｔ）となる。そこで、入射偏光状態をＣ（λ、Ｔ）にて、出射偏光状態をＤ（λ、Ｔ）にてわずかに変化させることにより、ＷＴＮ（λ，Ｔ）の波長依存性と温度依存性を打ち消すように補正する。これにより、偏光変換効率の波長依存性、温度依存性を小さくすることができる。
【００４４】
（第３の実施の形態）
第３の実施形態では、さらに温度依存性を小さくする効果が実現する、高分子液晶からなる層を有する旋光子の構成について説明する。図８は、本実施の形態に係る旋光子３０の構成を示す断面模式図である。旋光子３０は、第１の実施の形態の旋光子１０ｂに、高分子液晶が厚さ方向に９０°ツイストしてなるＴＮ型高分子液晶層３２を積層した構成になっている。なお、図８では省略しているが、製造の過程で用いられることがある図示しない配向膜がＴＮ型高分子液晶層３２を挟持するように施されていてもよい。また、電圧非印加時の液晶層１４を構成する液晶（ネマティック液晶）および、ＴＮ型高分子液晶層３２の高分子液晶はそれぞれ厚さ方向に約９０°捩れて配向されている。また、旋光子３０において光はＺ軸と平行に透明基板１１ｂ側からであっても透明基板３１側からであってもよい。
【００４５】
また、９０°ツイストした液晶を利用して入射する光を旋光させる場合、ネマティック液晶に比べて高分子液晶で構成されていれば、その材料特性から使用温度変化に対する偏光変換効率の変化で表す温度依存性が小さく、安定した特性を示すという特徴がある。これより、入射する光を９０°旋光させる機能を高分子液晶で実現することによって温度依存性が小さい旋光子を実現することができる。図８の旋光子３０の構成では、液晶層１４に対して電圧印加時は、液晶層１４を透過する光は偏光状態を変えず、ＴＮ型高分子液晶層３２で９０°旋光される。
【００４６】
一方、液晶層１４に対して電圧非印加時は、ＴＮ型高分子液晶層３２で９０°旋光された光が液晶層１４で再び９０°旋光されるので、入射する光の偏光状態となって旋光子３０を透過する。ここで、液晶層１４の液晶分子のツイスト方向とＴＮ型高分子液晶層３２の液晶分子のツイスト方向は互いに逆になる方向であっても、同一となる方向であってもよい。なお、液晶層１４およびＴＮ型高分子液晶３２のプレツイスト方向（入射光の偏光方向に対する層の入射側の液晶分子の配向方向）はＸ−Ｙ平面において、互いに略平行または略直交の関係であればよい。
【００４７】
また、上記の構成としてとくに、液晶層１４の液晶分子のツイスト方向とＴＮ型高分子液晶層３２の液晶分子ツイスト方向が互いに逆になるように旋光子３０が構成されているとともに、プレツイスト角が略平行な関係にあるとき、図示しないポワンカレ球上でＴＮ型高分子液晶層３２での偏光状態の変化を辿る経路と液晶層１４での偏光状態を辿る経路が互いに逆向きでほぼ一致し、出射する光の偏光状態は、入射する光の偏光状態の位置に復帰するので、とくに好ましい。
【００４８】
次いで、入射する光の偏光状態の変化について具体的に説明する。図９は、ＴＮ型高分子液晶層３２を積層した旋光子３０の斜視図であって、いずれもＺ方向に進行するＸ方向の直線偏光が入射する場合において、それぞれ、電圧非印加時、電圧印加時の光の変調の様子を示すものである。図９（ａ）に示す電圧非印加時では、ＴＮ型高分子液晶層３２で旋光してＹ方向の直線偏光となるが、液晶層１４で旋光してＸ方向の直線偏光となる。また、図９（ｂ）に示す電圧印加時では、ＴＮ型高分子液晶層３２で旋光してＹ方向の直線偏光となり、液晶層１４では偏光状態が変化せずにＹ方向の直線偏光のまま透過する。このように、第１の実施形態および第２の実施形態に係る旋光子に対して、電圧の印加時と非印加時とで出射する光の偏光状態は逆になる。また、本実施形態の旋光子３０に第２の実施形態のように波長板を積層して、波長依存性および温度依存性をさらに安定化させる構成としてもよい。
【００４９】
（第４の実施の形態）
本実施形態は、旋光子を具備した光ヘッド装置であり、図１０に模式図を示す。光ヘッド装置５０は、ＢＤまたはＨＤ−ＤＶＤ、ＤＶＤおよびＣＤをそれぞれ再生・記録できるものである。なお、ＢＤまたはＨＤ−ＤＶＤの高密度光記録媒体は４０５ｎｍ波長帯（３８５〜４２０ｎｍ）、ＤＶＤは６６０ｎｍ波長帯（６４０〜６７５ｎｍ）、ＣＤは７８０ｎｍ波長帯（７７０〜８００ｎｍ）のレーザ光を用いる。
【００５０】
なお、光ヘッド装置５０は、これら３つの異なる波長のレーザ光を単一の偏光ビームスプリッタ、単一の１／４波長板および単一の対物レンズを用いて実現する構成にしようとすると、部品点数が少なくなることが期待できる。しかし、これら広帯域にわたるレーザ光すべてに対して偏光状態を制御したり高い光利用効率を実現したりしようとすることが困難である。また、３つの波長に対してそれぞれ個別に偏光ビームスプリッタ、１／４波長板および対物レンズを設けると、偏光状態の制御性および高い利用効率を得ることが可能となるが、部品点数が多くなるため小型化が困難である。本実施形態は、後述するように３つのレーザ光を２つの光路に分離して、偏光状態の制御、高い光利用効率および小型化を実現できる例を示すものである。なお、上記３つの異なる波長をすべて同じ光路であって対物レンズを共有すると、開口数の違いなどからこれら全ての波長の光に対して有効な集光特性が得られないため、４０５ｎｍ波長帯の光路と、６６０ｎｍ波長帯と７８０ｎｍ波長帯とを共有する光路と、の２つに分離してそれぞれに対物レンズを配置する光学系が考えられる。
【００５１】
光源４１は、２種類または３種類の波長の直線偏光を出射する構成としてもよい。かかる構成の光源としては、２個または３個の半導体レーザチップが同一基板上にマウントされた、所謂ハイブリッド型の２波長レーザ光源または３波長レーザ光源や、互いに異なる波長の光を出射する２個または３個の発光点を有するモノリシック型の２波長レーザ光源または３波長レーザ光源でもよい。ここで、光源から発射する光はいずれもＺ軸方向に進行し、Ｘ軸方向の直線偏光として説明する。
【００５２】
光源４１から発射された光はコリメータレンズ４２で平行光となり、旋光子４０に入射する。旋光子４０は、第１の実施形態〜第３の実施形態で説明した旋光子１０ｂ、２０ａ、２０ｂ、３０いずれの構成のものであってもよい。ここでは、電圧非印加時で約９０°旋光し、電圧印加時に偏光状態を変えない旋光子１０ｂ、２０ａ、２０ｂと同じ作用をするものとして説明する。
【００５３】
また、光ヘッド装置５０では、光ディスク４７ａをＢＤとし、光ディスク４７ｂをＨＤ−ＤＶＤ／ＤＶＤ／ＣＤとし、これらの２つの光路が光ディスクの規格ごと異なるものとする。まず、ＢＤ（光ディスク４７ａ）を記録・再生するときは、旋光子４０に対して電圧を印加して４０５ｎｍ波長帯の入射光の偏光状態を変えないようにする。また、このときの光路を実線で示し、光源４１から光ディスク（ＢＤ）４７ａに到達するまでの光路を往路５１ａとし、光ディスク４７ａから光検出器４８に到達するまでの光路を復路５１ｂとして示す。
【００５４】
光ディスク４７ｂとなるＨＤ−ＤＶＤ／ＤＶＤ／ＣＤを記録・再生するときは、旋光子４０に対して電圧を印加せず、４０５ｎｍ波長帯、６６０ｎｍ波長帯および７８０ｎｍ波長帯の入射光の偏光状態を９０°旋光させて出射する。また、このときの光路を点線で示し、光源４１から光ディスク４７ｂに到達するまでの光路を往路５２ａとし、光ディスク４７ｂから光検出器４８に到達するまでの光路を復路５２ｂとして示す。
【００５５】
図１０において、Ｘ方向の直線偏光となる４０５ｎｍ波長帯の光でＢＤを記録・再生する場合、偏光状態を変えずに旋光子４０を透過し、偏光ビームスプリッタ４３に入射する。偏光ビームスプリッタはＸ方向に振動する光を光ディスク４７ａの方向に偏向させ、１／４波長板４５ａおよび対物レンズ４６ａを透過し、光ディスク４７ａの情報記録面に集光させる。反射された復路の光５１ｂは、対物レンズ４６ａおよび１／４波長板４５ａを透過し、Ｚ方向の直線偏光となり、偏光ビームスプリッタ４３を直進透過して光検出器４８に到達する。
【００５６】
一方、Ｘ方向の直線偏光で出射する各波長帯の光がＨＤ−ＤＶＤ／ＤＶＤ／ＣＤを記録・再生するときは、旋光子４０に入射する光は、偏光状態を約９０°変えてＹ方向の直線偏光となって出射するので、偏光ビームスプリッタ４３を直進透過する。偏光ビームスプリッタ４３を透過した光はミラー４４によって光ディスク４７ｂの方向に反射し、（広帯域）１／４波長板４５ｂおよび対物レンズ４６ｂを透過し、光ディスク４７ｂの情報記録面に集光させる。反射された光は、対物レンズ４６ｂおよび（広帯域）１／４波長板４５ｂを透過し、ミラーによって偏光ビームスプリッタ４３の方向へ進行する。この復路の光は、偏光ビームスプリッタ４３反射されて光検出器４８へ到達する。
【００５７】
このように、３つの異なる波長のレーザ光を使用する光ヘッド装置において本発明の旋光子を用いることで、規格の異なる各光ディスクに到達するまでの往路の光の偏光状態を制御でき、部品点数の削減および小型化が可能で設計自由度が高い光ヘッド装置を実現できる。なお、本実施の形態の光ヘッド装置の構成は一つの例であって、光学部品の位置はこれに限らない。また、旋光子４０としては、第３の実施の形態に係る旋光子３０を用いて電圧印加／電圧非印加による偏光状態の切り替えを逆とし、さらに波長依存性、温度依存性の少ない安定した特性を得るものであってもよい。
【００５８】
（実施例１）
第１の実施形態に係る図１の旋光子１０ｂの作製方法を説明する。まず、透明基板１１ａ、１１ｂとして石英ガラス基板を用いる。石英ガラス基板上にＩＴＯをスパッタリング法でシート抵抗値が３００Ω／□程度となる膜厚まで堆積して透明電極１２ａ、１２ｂを形成する。成膜した透明電極１２ａ、１２ｂ上にポリイミドを塗布、焼成した後、一方向にそれぞれラビング処理を施して配向膜１３ａ、１３ｂを形成する。一方の基板の表面に周縁部に図示しないエポキシ樹脂等のシール材を環状に塗布する。シール材には、直径約８．１μｍのスペーサと、電圧印加のための導電経路となる導電性微粒子を予め混ぜる。透明基板１１ａ、１１ｂは、互いのラビング方向が直交するように配向膜１３ａ、１３ｂが対向するように重ね合せた後、熱圧着によりシール材を固化して、前記スペーサと同じ空隙を有するセルを形成する。
【００５９】
この空隙に図示しない注入口から４０５ｎｍの波長の光において２５℃における常光屈折率（ｎｏ）が１．５１０、異常光屈折率（ｎｅ）が１．６０５となる液晶を注入して充填し、旋光子１０ｂとする。図２（ｂ）は、上記特性を有する液晶が充填された液晶層の厚さを変化させた場合の電圧非印加時の旋光子１０ｂの光学特性を示しており、このときの液晶層１４の厚さ８．１μｍは、図２（ｂ）の特性より、波長４０５ｎｍの光における２次モーガンの極限の厚さ８．３μｍと、波長６６０ｎｍの光における１次モーガンミニマム条件の厚さ６．４μｍとの中間値７．３５μｍより大きい値になるよう設定されている。
【００６０】
次に、それぞれ４０５ｎｍ、６６０ｎｍ、７８０ｎｍの光に対して温度範囲を−１０℃、２５℃、７０℃と変化させ、液晶層に対して電圧非印加時における偏光変換効率を図１１に示す。なお、偏光変換効率は、図１においてＸ方向の直線偏光であるＰ偏光がＳ偏光（Ｙ方向の直線偏光）に変換される割合である。使用温度が大きく変化しても偏光変換効率Ｉは、いずれの波長、いずれの温度においても９０％以上の高い値となる。また、液晶層間に９Ｖｒｍｓの交流電圧を印加したとき（電圧印加時）は、Ｐ偏光で入射した光はほぼ１００％Ｐ偏光のまま出射され、Ｓ偏光はほぼ０％である。
【００６１】
（比較例１）
比較例１として、実施例１に記載の旋光子１０ｂの構成のうち、液晶層１４の厚さを４０５ｎｍの波長の光および２５℃における１次モーガンミニマム条件の厚さである３．７５μｍとした以外は同じ構成のものとする。この旋光子の特性を図１２に示す。これより、４０５ｎｍにおける偏光変換効率は温度変化に対して１００％に近い値を示すものの、６６０ｎｍでは８０％以下、７８０ｎｍでは６０％以下となり、異なる波長の光および温度変化に対してまでも高い値を得ることはできない。
【００６２】
（実施例２）
本発明の第２の実施形態に係る図６（ａ）の旋光子２０ａの作製方法を説明するが、このうち旋光子１０は、実施例１と同じ材料および同じ製造方法であり、液晶層１４のツイスト角は９０°であるが、液晶層の厚さは８．７μｍとする。波長板２２ａの作製方法は、まず、石英ガラス基板２１ａに、図示しないポリイミドを成膜し、ラビングにより水平配向膜を形成し、配向膜上に直径８．８μｍのスペーサを散布する。その後、図示しない水平配向の石英ガラス基板を石英ガラス基板２１ａ側の配向方向と平行になるように対向させ、８．８μｍの一定の空隙にＵＶ硬化性の液晶性モノマー組成物を注入し、ＵＶ光を照射して液晶を固化させる。図示しないガラス基板を離型除去することによって高分子液晶からなる波長板２２ａを作製する。
【００６３】
同様の方法で、石英ガラス基板２１ｂ上に厚さ２μｍの高分子液晶による波長板２２ｂを作製し、図示しない接着剤によって波長板２２ａと波長板２２ｂとを接着させ、さらに石英ガラス基板１１ａと石英ガラス基板２１ｂとを接着させて旋光子２０ａとする。また、図６（ｂ）の波長板２４ａおよび２４ｂも同様の方法を用いるとともに石英ガラス基板１１ａと石英ガラス基板１１ｂの面に図示しない接着剤で接着させて旋光子２０ｂを作製する。なお、このとき、常温（２５℃）における高分子液晶の４０５ｎｍの光に対する常光屈折率（ｎｏ）は１．５４４、異常光屈折率（ｎｅ）が１．５８９である。
【００６４】
図７（ｃ）において、入射する光の偏光方向と一致するＸ方向を基準として反時計回り方向をプラス（＋）方向、時計回りをマイナス（−）方向と定義する。なお、電圧非印加時の液晶層１４は図７（ａ）に示しように、光の進行方向に向かって０°から＋９０°にツイストして配向されている。そして、波長板２２ａの遅相軸は、＋９３°方向、波長板２２ｂの遅相軸は８９°方向となるような方向で重ねて旋光子２０ａを構成する。
【００６５】
ここで、４０５ｎｍの光が入射するとき、波長板２２ａの常温時（２５℃）のリタデーション値（３６０°・Δｎ・ｄ／λ）は、約３５２°である。また、波長板２２ｂの常温時のリタデーション値は、約８０°である。さらに、液晶層１４は、入射光の偏光方向のＸ方向に対してプレツイスト角が０°であって、４０５ｎｍの光が入射するとき、常温時のリタデーション値は、約７３５°である。この旋光子２０ａにＰ偏光をＺ方向から入射するときの電圧非印加時の偏光変換効率を図１３（ａ）に示す。この結果より、使用温度が大きく変化しても偏光変換効率Ｉは、いずれの波長、いずれの温度においても９５％以上の高い値となり、波長板を積層することでより高い偏光変換効率で安定させることができる。
【００６６】
また、液晶層間に９Ｖｒｍｓの交流電圧を印加するとき（電圧印加時）は、液晶層の液晶分子の長軸方向は電界方向と平行に配向し、液晶層では入射光の偏光状態は変わらないが、積層した波長板によって偏光状態が変化する。また、この旋光子２０ａにＰ偏光をＺ方向から入射するときの電圧印加時の偏光変換効率を図１３（ｂ）に示す。この結果より、使用温度が大きく変化しても偏光変換効率Ｉは、いずれの波長、いずれの温度においても１％以下の値に抑えることができ、ほぼＰ偏光のまま透過する。これらの結果より、電圧非印加／電圧印加による偏光変換効率Ｉの消光比を大きくすることができる。
【００６７】
（実施例３）
本発明の第２の実施形態に係る図６（ｂ）の旋光子２０ｂの具体的な構成について説明する。このうち旋光子１０は、実施例１と同じ材料および同じ製造方法であり、液晶層１４のツイスト角は９０°であるが、液晶層の厚さは８．２μｍとする。また、波長板２４ａ、２４ｂは実施例２と同じ材料および同じ製造方法であるが、２４ａの厚さは８．５μｍ、Ｘ方向を基準として遅相軸は９２°方向に設定する。また、２４ｂの厚さは２．３μｍ、Ｘ方向を基準として遅相軸は２°方向に設定する。
【００６８】
ここで、４０５ｎｍの光が入射するとき、波長板２４ａの常温時（２５℃）のリタデーション値は、約３４０°である。また、液晶層１４は、入射光の偏光方向のＸ方向に対してプレツイスト角が２°で厚さ方向に９０°ツイストし、４０５ｎｍの光が入射するとき、常温時のリタデーション値は、約６９２°である。さらに、波長板２４ｂの常温時のリタデーション値は、約９２°である。この旋光子２０ｂにＰ偏光をＺ方向から入射するときの電圧非印加時の偏光変換効率を図１４（ａ）に示す。この結果より、使用温度が大きく変化しても偏光変換効率Ｉは、いずれの波長、いずれの温度においても９４％以上の高い値となり、波長板を積層することでより高い偏光変換効率で安定させることができる。
【００６９】
また、液晶層間に液晶層間に９Ｖｒｍｓの交流電圧を印加するとき（電圧印加時）は、液晶層の液晶分子の長軸方向は電界方向と平行に配向し、液晶層では入射光の偏光状態は変わらないが、積層した波長板によって偏光状態が変化する。また、この旋光子２０ｂにＰ偏光をＺ方向から入射するときの電圧印加時の偏光変換効率を図１４（ｂ）に示す。この結果より、使用温度が大きく変化しても偏光変換効率Ｉは、いずれの波長、いずれの温度においても１％以下の値に抑えることができ、ほぼＰ偏光のまま透過する。これらの結果より、電圧非印加／電圧印加による偏光変換効率Ｉの消光比を大きくすることができる。
【００７０】
（実施例４）
本発明の第３の実施形態に係る図８の旋光子３０の具体的な構成について説明する。このうち旋光子１０ｂは、ツイスト角を９１°とすることと、ツイスト方向が図９（ａ）に示すように液晶分子が１５ｂのように時計回り（−方向）にツイストさせていること、以外は実施例１と同じである。また、液晶の常光屈折率および異常光屈折率は、実施例１と同じものである。このときの液晶層１４の厚さは８．６μｍとする。
【００７１】
次に、ＴＮ型高分子液晶セルの作製方法を説明する。石英ガラス基板３１に、ポリイミドを成膜してラビングすることにより図示しない水平配向膜を形成し、配向膜上に直径１８．２μｍのスペーサを散布する。その後、図示しないもう一つの水平配向膜を形成したガラス基板を石英ガラス基板３１に対して配向方向が９４°の角度をなすように対向させ、１８．２μｍの一定の空隙にＵＶ硬化性の液晶性モノマー組成物を注入する。このときの液晶分子は厚さ方向にツイストして配向される。次いで、ＵＶ光を照射して液晶を固化させる。ここで、４０５ｎｍの光が入射するとき、液晶層１４の２５℃におけるリタデーション値は、約７２６°であり、同条件におけるＴＮ型高分子液晶層３２は約７２８°である。そして、図示しないガラス基板を離型除去することによってＴＮ型高分子液晶層３２を形成し、図示しない接着剤によって石英ガラス基板１１ａとＴＮ型高分子液晶層３２とを接着して旋光子３０を作製する。
【００７２】
また、ＴＮ型高分子液晶層３２のうち、光が入射する側にある液晶分子３３の配向方向はＸ方向に一致し、プレツイスト角は０°である。そして、ＴＮ型高分子液晶層３２の光の出射側では液晶分子３３は＋９４°の方向（反時計回りのツイスト）に配向される。また、電圧非印加時において液晶層１４の光の入射側の液晶分子１５ｂはＸ方向に対してプレツイスト角が１°で配向され、液晶層１４の光の出射側では液晶分子１５ｂは９０°の方向（時計回りのツイスト）に配向される。また、電圧印加時には、図９（ｂ）に示すように液晶層１４の液晶が電界方向に配向するため、ＴＮ型高分子液晶層を出射した光の偏光状態で出射する。
【００７３】
この旋光子３０にＰ偏光をＺ方向から入射するときの電圧非印加時の偏光変換効率を図１５（ａ）に示す。この結果より、使用温度が大きく変化しても偏光変換効率Ｉは、いずれの波長、いずれの温度においても５％以下の値となる。また、液晶層間に液晶層間に９Ｖｒｍｓの交流電圧を印加するとき（電圧印加時）は、液晶層の液晶分子の長軸方向は電界方向と平行に配向し、ＴＮ型高分子液晶層を出射した光の偏光状態で出射する。また、この旋光子３０にＰ偏光をＺ方向から入射するときの電圧印加時の偏光変換効率を図１５（ｂ）に示す。この結果より、使用温度が大きく変化しても偏光変換効率Ｉは、いずれの波長、いずれの温度においても９７％以上の高い値となる。したがって、旋光子に対して電圧非印加時には、入射する直線偏光の偏光方向を変えず、電圧印加時には、入射する直線偏光の偏光方向をほぼ直交させるように出射させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
以上のように、本発明に係る旋光子は、特定の直線偏光が異なる波長の光で入射するとき、電圧を印加状態、非印加状態に切り替えることによって容易に出射する偏光状態を変える制御ができる。さらに使用温度の変化による特性の変化が少なく、出射する光の偏光状態が安定する高い品質を得ることができ、安定した特性を有する光ヘッド装置などへの適用が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】第１の実施形態に係る旋光子の断面模式図。
【図２】第１の実施形態に係る旋光子の斜視的模式図および液晶層厚さに対する偏光変換効率特性。
【図３】第１の実施形態に係る旋光子の４０５ｎｍ入射時の使用温度変化による偏光変換効率特性。
【図４】液晶層厚さに対する偏光変換効率特性。
【図５】４０５ｎｍの入射光の偏光方向に対する偏光変換効率特性。
【図６】第２の実施形態に係る旋光子の断面模式図。
【図７】第２の実施形態に係る旋光子の斜視的模式図。
【図８】第３の実施形態に係る旋光子の断面模式図。
【図９】第３の実施形態に係る旋光子の斜視的模式図。
【図１０】旋光子を用いた光ヘッド装置の一例を示す模式図。
【図１１】第１の実施形態に係る旋光子の偏光変換効率特性。
【図１２】従来の設計によるアクティブ型の旋光子の偏光変換効率特性。
【図１３】第２の実施形態に係る旋光子の偏光変換効率特性（波長板２枚液晶層に対して光入射側に積層）。
【図１４】第２の実施形態に係る旋光子の偏光変換効率特性（波長板１枚ずつ液晶層の光入射側前後に積層）。
【図１５】第３の実施形態に係る旋光子の偏光変換効率特性。
【符号の説明】
【００７６】
１０ａ、１０ｂ、２０ａ、２０ｂ、３０、４０ 旋光子
１１ａ、１１ｂ、２１ａ、２１ｂ、２５、３１ 透明基板
１２ａ、１２ｂ 透明電極
１３ａ、１３ｂ 配向膜
１４ 液晶層
１５ａ、１５ｂ 液晶分子
２２、２２ａ、２２ｂ、２４、２４ａ、２４ｂ 波長板
３２ ＴＮ型高分子液晶層
３３ 高分子液晶分子
４１ 光源
４２ コリメータレンズ
４３ 偏光ビームスプリッタ
４４ ミラー
４６ａ、４６ｂ 対物レンズ
４５ａ、４５ｂ １／４波長板
４７ａ、４７ｂ 光ディスク
４８ 光検出器
５０ 光ヘッド装置
５１ａ ＢＤを記録・再生する光路（往路）
５１ｂ ＢＤを記録・再生する光路（復路）
５２ａ ＨＤ−ＤＶＤ／ＤＶＤ／ＣＤを記録・再生する光路（往路）
５２ｂ ＨＤ−ＤＶＤ／ＤＶＤ／ＣＤを記録・再生する光路（復路）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば光ストレージ、光通信、光イメージングなどの光学系において入射する直線偏光を旋光して出射するとともに、印加する電圧を制御することによって出射する光の偏光状態を制御することができる旋光子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光ヘッド装置は、ＣＤ、ＤＶＤ、光磁気ディスクだけでなく、「Ｂｌｕ−ｒａｙ」（登録商標：以下ＢＤ）、ＨＤ−ＤＶＤなどの高密度光記録媒体（以下、「光ディスク」という）に対応した技術が開発されている。とくに、ＢＤやＨＤ−ＤＶＤとＤＶＤ、ＣＤに対応した光ヘッド装置においては、青色レーザと赤色レーザ、近赤外レーザの３つの波長に対して、異なる性能を有する光学部品や、これら３つの波長で波長依存性が少なく同等の性能を有する光学部品などが適宜組み合わされている。その中で、これら３つの波長の偏光状態を等しく偏光変換するような機能も求められる。例えば、各々の光源から出射された光の直線偏光方向が、偏光ビームスプリッタの直進透過方向となる軸に直交している場合においては、３つの波長の直線偏光が偏光ビームスプリッタの直進透過方向となる軸に平行になるよう偏光方向を９０°旋光させるように、多波長に対して機能する旋光子（多波長旋光子）が必要である。
【０００３】
このように３つの異なる波長で入射する光を直交した偏光状態に変換する多波長旋光子として例えば特許文献１に記載の偏光変換子が提案されている。この偏光変換子を、３つの異なる波長の光が共通する光路中に配置することで、いずれの波長の光も入射光に対して９０°変換させて出射させることができる。また、偏光変換子を光ヘッド装置に用いることで少ない部品点数で効率よく偏光状態の変換を実現している。
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−３０４５７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の偏光変換子は、入射する光の波長のばらつきによって変換効率が変化しやすい特性を有している。例えば、光源となる半導体レーザの発振波長のばらつきがあったり、異なる使用温度よって半導体レーザの発振波長に変化が発生したりすると、変換効率が低下するため、入射する光の波長を精度よく制御しなければならないという問題があった。さらに、光ヘッド装置に偏光変換子を適用した場合、偏光変換機能は固定的であるため、状況に応じて偏光変換機能を切り替えることは困難であるという問題もあった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本願発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、平行に配置された一対の透明基板と、一対の前記透明基板の対向する空間を液晶で充填した液晶層を備え、少なくとも波長λ１と、前記波長λ１よりも大きい波長λ２の直線偏光となる光が入射する旋光子であって、前記液晶は、ネマティック液晶または高分子液晶からなり、前記液晶が前記液晶層の厚さ方向にらせん状に捩れているツイスト配向状態において、常温における前記波長λ２の１次モーガンミニマム条件となる厚さｄλ２１が前記波長λ１のｎ次モーガンミニマム条件となる厚さｄλ１ｎ以上でかつ、前記波長λ１の（ｎ＋１）次モーガンミニマム条件となる厚さｄλ１（ｎ＋１）未満であるとき（ｎは自然数）、前記液晶層の厚さは、下記（Ａ）または（Ｂ）
（Ａ）前記厚さｄλ２１が（ｄλ１ｎ＋ｄλ１（ｎ＋１））／２以上であるとき、ｄλ２１より大きい値、
（Ｂ）前記厚さｄλ２１が（ｄλ１ｎ＋ｄλ１（ｎ＋１））／２未満であるとき、ｄλ１ｎより大きい値、を満たす旋光子を提供する。
【０００７】
また、前記液晶層に電圧を印加する透明電極を備え、前記液晶層に印加する電圧によって、前記ツイスト配向状態と、前記液晶が前記液晶層の厚さ方向に揃う垂直配向状態と、を切り替えることができる上記に記載の旋光子を提供する。また、前記液晶層の厚さは、前記厚さｄλ２１が（ｄλ１ｎ＋ｄλ１（ｎ＋１））／２以上であるとき前記厚さｄλ２１と前記厚さｄλ１（ｎ＋１）との中間値より大きい値であり、前記厚さｄλ２１が（ｄλ１ｎ＋ｄλ１（ｎ＋１））／２未満であるとき前記厚さｄλ１ｎと前記厚さｄλ２１との中間値より大きい値である上記に記載の旋光子を提供する。
【０００８】
この構成により、異なる２以上の波長で入射する直線偏光に対して直交する直線偏光に変換するなど特定の偏光状態を発現させるときに、波長依存性および使用温度依存性による出射偏光状態の変化を低減させることができる。また、電圧制御によるアクティブ型の旋光子とすることで、容易に入射光の偏光状態を変えて出射させたり、偏光状態を変えないで出射させたりすることができる。これを利用して、例えばこの旋光子を、３つの異なる波長の光を利用する光ヘッド装置に用いた場合、安定した光ディスクへの情報の記録および／または再生（以下、「記録・再生」という）ができ、光ヘッド装置の品質が向上する。さらに、電圧制御によって光の偏光状態を制御することで光の進行方向を切り替える光ヘッド装置を実現することができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明は、広帯域に渡って波長の異なる複数の光の偏光状態を効率よく変換することができるとともに、変換状態と無変換状態とを容易に切り替えることができ、さらに温度変化に対しても変換効率の変動が少ない旋光子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
（第１の実施の形態）
図１（ａ）および図１（ｂ）は、それぞれ本実施の形態に係る旋光子１０ａおよび１０ｂの概念的な構成を示す図である。旋光子１０ａは、透明基板１１ａ、１１ｂ上に配向膜１３ａ、１３ｂを積層した基板と、その基板によって液晶を挟持した液晶層１４とで構成される。また、旋光子１０ｂは、透明基板１１ａ、１１ｂ上にそれぞれ透明電極１２ａ、１２ｂを積層し、さらに配向膜１３ａ、１３ｂを積層した基板と、その基板によって液晶を挟持した液晶層１４とで構成される、アクティブ型の旋光子である。そして、透明電極１２ａ、１２ｂ間は図示しない電気配線によって電圧制御装置に接続されている。ここで、透明電極１２ａ、１２ｂを配さない旋光子１０ａは、旋光子１０ｂの電圧非印加時と同じ特性を有するものであり、旋光子１０ｂの電圧非印加時の機能の説明によって旋光子１０ａの機能の説明を代替するものとする。また、旋光子１０ｂにおいて電圧非印加時には、図１（ｂ）のように配向膜１３ａと接する面の液晶分子はＸ方向に配向され、配向膜１３ｂと接する面の液晶分子はＹ方向に配向されており、液晶層１４の厚さ方向（Ｚ方向）に液晶分子の長軸方向が捩れて分布している。
【００１１】
透明基板は入射する光に対して透明であれば、樹脂など種々の材料を用いることができるが、ガラスや石英ガラスなどの光学的等方性材料を用いると、透過光に複屈折性の影響を与えないため好ましい。透明電極としては、ＩＴＯ（酸化錫ドープ酸化インジウム）膜、ＡＺＯ（アルミニウムドープ酸化亜鉛）膜、ＧＺＯ（ガリウムドープ酸化亜鉛）膜などの酸化物透明導電膜が高い透明性と導電率とが得られるため好ましく用いられる。配向膜はポリイミド膜をラビングして形成してもよいし、ＳｉＯなどの無機材料を斜方蒸着して形成してもよい。
【００１２】
液晶層１４は、液晶分子１５ａの配向方向が電圧非印加時に厚さ方向に例えば、９０°らせん状に捩れているツイストネマティック液晶セル（以下ＴＮ液晶セルという）からなる。このＴＮ液晶セルに入射する光は、いずれもＺ方向に進行するものとして説明する。例えば、上記ＴＮ液晶セルのようにＸ方向に振動する直線偏光が入射して、Ｙ方向（入射方向と直交する方向）で出射する偏光変換に関しては、以下のジョーンズ行列を用いて考えることができる。なお、液晶分子の厚さ方向の捩れ角（以下、ツイスト角）は９０°に限らず、異なる角度であってもジョーンズ行列の関係は成立する。
【００１３】
ＴＮ液晶セル内の液晶の常光屈折率をｎｏ、異常光屈折率をｎｅ、屈折率異方性をΔｎ（＝｜ｎｅ−ｎｏ｜）、ツイスト角をΦｔ、ＴＮ液晶セルの厚さをｄ、光が入射する側の基板面上の液晶ダイレクタの角度（以下、プレツイスト角）をΨｉ、入射する光の波長をλとすると、ＴＮ液晶セルのジョーンズ行列ＷＴＮは、式（１）のように表される。
【００１４】
【数１】
【００１５】
なお、Ｒ（Ψ）は回転行列を表し、式（２）のようになる。
【００１６】
【数２】
【００１７】
ここでｓｉｎθ＝０、すなわち式（３）が成立するときのｍを、ｍ次のモーガンの極限（モーガンミニマム条件）という。
【００１８】
【数３】
【００１９】
式（３）のモーガンの極限を満足するときの式（１）のＪＴＮは、式（４）で表され、ＴＮ液晶セルは、ツイスト角Φｔの旋光子として機能する。
【００２０】
【数４】
【００２１】
ここで、ＴＮ液晶セルのプレツイスト角Ψｉ＝０°、ツイスト角Φｔ＝９０°として、０°の直線偏光を入射したとき、入射光の偏光方向と直交する偏光方向（９０°）成分に変換される割合を偏光変換効率Ｉとして定義すると、式（５）のように表される。
【００２２】
【数５】
【００２３】
このように式（３）のモーガンミニマム条件を満たすＴＮ液晶セルの厚さｄは、入射する光の波長λによって異なり、任意の波長の光が入射して全て同じ旋光機能を有する旋光子は存在しない。さらに、液晶の屈折率は使用温度によって変化するため、広い温度範囲で一定の旋光機能を有する旋光子の実現には制限があるが、本実施形態の旋光子は、液晶層１４の厚さを調整することによって、２つ以上の異なる波長に対して同じ旋光特性を発現させることができる。
【００２４】
ここで、異なる２つの入射光の波長を具体的にλ１＝４０５ｎｍ、λ２＝６６０ｎｍ（λ１＜λ２）として説明する。設計手法として、式（３）のモーガンミニマム条件において、波長λ１に対してｍ＝２のモーガンの極限（以降、２次モーガンミニマム条件という）となる液晶層の厚さ（＝ｄλ１２）を考える。なお、厚さの表記（例えばｄλ１２）の‘λ’に続く２つの数字は、左から順に、入射する光の波長λ１、波長λ２、…のように波長に示される数字、ｍ次モーガンミニマム条件のｍに相当する数字、で表すものとする。
【００２５】
次に、波長λ２に対してｍ＝１のモーガンの極限（以降、１次モーガンミニマム条件という）となる液晶層の厚さ（＝ｄλ２１）を考える。また、図２（ａ）に旋光子１０ｂの電圧非印加時の斜視図を示すが、この図のように透明基板１１ａ、１１ｂ間で液晶分子１５ａがツイスト角Φｔ＝９０°で分布している。ここで、透明基板１１ａ側からZ方向に進行するＸ方向の直線偏光が入射する場合において、液晶層の厚さを変化させたときの偏光変換効率の一例を図２（ｂ）に示す。ここでは、偏光変換効率は、入射光の偏光方向と直交する、つまりＸ方向からY方向の直線偏光へ変換されて出射される割合を意味する。
【００２６】
図２（ｂ）のようにモーガンミニマム条件を満たす液晶層の厚さの条件において、偏光変換効率が最も高くなる。例えば、４０５ｎｍの光が入射する場合、それぞれ液晶層の厚さが約３．７μｍで１次モーガンミニマム条件、約８．３μｍが２次モーガンミニマム条件となる。また、入射光の偏光状態が同一で波長が異なる場合、波長が長くなるにつれて、１次モーガンミニマム条件となる液晶層の厚さも大きい値をとる。なお、λ３として７８０ｎｍの波長（λ１＜λ２＜λ３）の光が入射した場合もλ１、λ２に対して１次モーガンミニマム条件となる液晶層の厚さは大きい。したがって、少なくともλ１とλ２の波長の光が入射する場合、両方の波長の光の偏光変換効率を高くするためには、λ２の１次モーガンミニマム条件を満たす液晶層の厚さ以上であればよい。
【００２７】
次に、温度変化による偏光変換効率の変化について説明する。通常、液晶は温度上昇とともに、屈折率異方性Δｎが小さくなる傾向がある。式（３）より、Δｎが小さくなると、モーガンミニマム条件を満足するにはＴＮ液晶セル厚さｄを大きくする必要がある。例として、４０５ｎｍの光を入射させて温度条件のみ変化させた場合の液晶層の厚さに対する偏光変換効率の変化を図３に示す。これにより、温度が高くなることによって１次、２次モーガンミニマム条件を満たす液晶層の厚さが大きくなるため、広い温度範囲の条件において高い偏光変換効率を維持するためには、この特性を考慮する必要がある。
【００２８】
このように、異なる２つ以上の波長の光が入射し、さらに広い使用温度範囲が要求される旋光子を実現するためには、次のように液晶層の厚さを設定するとよい。常温において、λ２における１次モーガンミニマム条件となる厚さｄλ２１が、例えばλ１における１次モーガンミニマム条件ｄλ１１と、λ１における２次モーガンミニマム条件ｄλ１２との間にあり、ｄλ２１が（ｄλ１１＋ｄλ１２）／２以上である場合を考える。このときｄλ１２が、ｄλ２１とｄλ１２中間となる値、（ｄλ２１＋ｄλ１２）／２よりも大きいと、少なくともλ１およびλ２の波長の入射光に対して高い偏光変換効率を得ることができる。なお、ここでいう常温とは、２０〜３０°の間の温度とする。また、液晶層の厚さをさらに厚く設定してもよいが、電圧印加時の応答速度が厚さの２乗に比例して遅くなったり、光の吸収によって透過光量が低減したりするので、上記条件を満足するとともに、できるだけ薄い液晶層の厚さであることがより好ましい。また、厚さの上限は、下限＋４μｍ程度であってこの範囲の厚さに設定すると好ましい。
【００２９】
また、入射する異なる２つの波長の光として波長λ１と波長λ２を上記の例ではそれぞれ４０５ｎｍと６６０ｎｍとして説明したがこれに限らない。波長λ１と波長λ２の組み合わせにより、図４（ａ）または図４（ｂ）のように、波長λ２の１次モーガンミニマム条件となる厚さｄλ２１が、波長λ１の２次モーガンミニマム条件となる厚さｄλ１２より大きい値となることもある。次に、これらを考慮して、高い偏光変換効率が得られる液晶層の厚さの下限を一般化して説明する。なお、図４（ａ）および図４（ｂ）の実線はλ１の特性、点線はλ２特性を示すとともに、いずれも使用温度は常温とする。
【００３０】
図４（ａ）は、厚さｄλ２１が、波長λ１の２次モーガンミニマム条件となる厚さｄλ１２と波長λ１の３次モーガンミニマム条件となる厚さｄλ１３の間にあり、さらに、ｄλ２１≧（ｄλ１２＋ｄλ１３）／２となる特性を示したグラフである。このときの液晶層の厚さの下限は、ｄλ２１より大きい値であれば好ましく、温度変化を考慮して（ｄλ２１＋ｄλ１３）／２より大きい値であればより好ましい。
【００３１】
図４（ｂ）は、厚さｄλ２１が、波長λ１の２次モーガンミニマム条件となる厚さｄλ１２と波長λ１の３次モーガンミニマム条件となる厚さｄλ１３の間にあり、さらに、ｄλ２１＜（ｄλ１２＋ｄλ１３））／２となる特性を示したグラフである。このときの液晶層の厚さの下限は、ｄλ１２より大きい値であれば好ましく、温度変化を考慮して（ｄλ１２＋ｄλ２１）／２より大きい値であればより好ましい。
【００３２】
また、波長λ１と波長λ２の組み合わせにより、これらを一般的に表して、厚さｄλ２１が、波長λ１のｎ次モーガンミニマム条件となる厚さｄλ１ｎと波長λ１の（ｎ＋１）次モーガンミニマム条件となる厚さｄλ１（ｎ＋１）の間にあり（ｎは自然数）、さらに、ｄλ２１≧（ｄλ１ｎ＋ｄλ１（ｎ＋１））／２となる場合を考える。このときの液晶層の厚さの下限は、ｄλ２１より大きい値であれば好ましく、温度変化を考慮して（ｄλ２１＋ｄλ１（ｎ＋１））／２より大きい値であればより好ましい。同様に、厚さｄλ２１が、波長λ１のｎ次モーガンミニマム条件となる厚さｄλ１ｎと波長λ１の（ｎ＋１）次モーガンミニマム条件となる厚さｄλ１（ｎ＋１）の間にあり、さらに、ｄλ２１＜（ｄλ１ｎ＋ｄλ１（ｎ＋１））／２となる場合を考える。このときの液晶層の厚さの下限は、ｄλ１ｎより大きい値であれば好ましく、温度変化を考慮して（ｄλ１ｎ＋ｄλ２１）／２より大きい値であればより好ましい。
【００３３】
これまでは、図２（ａ）に示すように、透明基板１１ａ側の液晶分子の配向方向と同じ方向の直線偏光が入射するものとして説明したが、これに限らない。本実施形態に係る旋光子１０ａおよび１０ｂ（電圧非印加時）に直線偏光が入射する場合、液晶層の厚さを調整することによって入射光の直線偏光がいずれの方向であっても入射光の偏光方向に対して約９０°旋光した直線偏光となって出射する。
【００３４】
例として図５は、波長４０５ｎｍの直線偏光が旋光子１０ｂに入射するとき、入射する直線偏光の方向に対する偏光変換効率を示すものである。つまり、図２（ａ）の旋光子１１ｂの透明基板１１ａ側の液晶分子の配向方向（Ｘ方向）とは異なる方向の直線偏光が入射するときの偏光変換効率を示す。このとき、Ｘ方向の直線偏光を０°として反時計回り方向をプラス（＋）方向、時計回りをマイナス（−）方向と定義する。これを踏まえ、図５の実線は、９０°方向つまりＹ方向の直線偏光で入射してＸ方向（１８０°）の直線偏光となる偏光変換効率、図５の点線は、４５°方向の直線偏光が入射して１３５°方向の直線偏光となって出射するときの偏光変換効率を示すものである。なお、図２（ｂ）は、いずれの波長もＸ方向（０°）の直線偏光で入射したときＹ方向（９０°）となる偏光変換効率を示すものである。また、図示しないが、このほかの偏光方向で入射する光はいずれも図５の実線と点線の特性の間を取る。これより、液晶層の厚さがｍ次のモーガン極限付近（ｍは自然数）では偏光方向に依存せず高い偏光変換効率を得ることができ、透明基板１１ａ側の液晶分子の配向方向と平行または直交する直線偏光の方向で入射させると、液晶層の厚さのばらつきによる偏光変換効率の変化が少なくより好ましい。
【００３５】
また、液晶層に電圧を印加すると、液晶分子は透明基板面に対して略垂直方向（Ｚ方向）に配向される。このとき、Ｚ方向で入射する光は、偏光状態を変えずにそのまま出射する。したがって、液晶層に印加する電圧を制御することによって広帯域に渡って入射する光に対して偏光状態を容易に変化させることができる。
【００３６】
（第２の実施の形態）
次に、第１の実施の形態に比べてより偏光変換効率を高くする効果を実現する形態を以下に説明する。図６は、本実施の形態に係る旋光子２０ａ、２０ｂの概念的な構成を示す断面模式図である。図６（ａ）に示す旋光子２０ａは、旋光子１０に波長板２２を積層したものであり、図６（ｂ）に示す旋光子２０ｂは、旋光子１０に波長板２４ａおよび２４ｂを両面にそれぞれ積層したものである。また、図６（ａ）および図６（ｂ）において第１の実施形態と同じ部分は同一の番号を付して説明の重複を避ける。図６（ａ）は、Ｚ軸に平行に透明基板２１ａ側から光が入射する場合、光の入射側に２枚の波長板２２ａ、２２ｂを積層している。なお、波長板の配置は光の入射側に限らず、光の出射側に積層してもよく、波長板の枚数は２枚に限らず、１枚であっても３枚以上であってもよい。
【００３７】
図７（ａ）および図７（ｂ）は、波長板２２を積層した旋光子２０ａの斜視図であって、いずれもＺ方向に進行するＸ方向の直線偏光が入射する場合において、それぞれ、電圧非印加時、電圧印加時の光の変調の様子を示すものである。また、図７（ｃ）は、波長板２２ａ、２２ｂを示す斜視図であり、矢印の方向は光学軸（進相軸または遅相軸）となる方向を示すものである。このように波長板２２は、２枚の波長板２２ａ、２２ｂが積層されており、いずれの波長板とも光学軸はＸ方向（Ｙ方向）からずれた角度となるように設置されている。
【００３８】
以下に、積層する波長板の具体的な設計手法について説明する。以下の説明では、波長板２２より直線偏光が入射し、基板１１ｂから出射するものとするが、光の相反性の性質から基板１１ｂから入射し波長板２２から出射するとしても同様の原理が成立する。入射する光の波長λと温度Ｔの関数となる波長板２２ａのジョーンズ行列をＡ（λ，Ｔ）、波長板２２ｂのジョーンズ行列をＢ（λ，Ｔ）とする。ここで波長板のジョーンズ行列ＷＰは、波長板の遅相軸方位をΨＷＰ、波長板の屈折率異方性をΔｎＷＰ、波長板の厚さをｄＷＰとすると、式（６）のように表すことができる。
【００３９】
【数６】
【００４０】
また、液晶層のジョーンズ行列もλおよびＴに依存するので、これをＷＴＮ（λ，Ｔ）とすると、この構成からなる旋光子のジョーンズ行列は、ＷＴＮ（λ，Ｔ）×Ｂ（λ，Ｔ）×Ａ（λ，Ｔ）となる。そこで、Ｂ（λ，Ｔ）×Ａ（λ，Ｔ）は、ＷＴＮ（λ，Ｔ）の入射波長依存性と温度依存性による変化を打ち消すようにする。つまり、入射する光の偏光状態、出射する光の偏光状態を僅かに変化させることで、入射波長および温度によって変化する偏光変換効率を小さくするように調整できるものである。
【００４１】
例えば、以下のように設計することで、偏光変換効率の波長依存性、温度依存性を小さくすることができる。異なる２つの入射光の波長を具体的にλ１＝４０５ｎｍ、λ２＝６６０ｎｍとして説明する。まず、液晶層の厚さは第１の実施の形態のものよりわずかに厚くし、波長λ１の２次モーガンミニマム条件となる厚さｄλ１２付近とする。これにより、図２（ｂ）に示すように波長λ１の光に対して、液晶層単体での偏光変換効率を１００％に近い値で設定することができる。一方で、厚さｄλ１２付近であると、波長λ２の光に対して、液晶層の波長依存性により偏光変換効率が低下するが、Ｙ方向の直線偏光となって出射するように波長板２２を積層して補正するものである。例えば、波長板２２が厚さ方向に光学軸が揃った１枚の波長板で構成する場合、波長λ１の光に対してλ板として機能させるようにする。つまり、波長板２２は、入射する光と出射する光とで偏光状態が大きく変わらないように、３６０°・Δｎ・ｄ／λ１で表される位相差が３６０°×ｍ（ｍは自然数）付近になるように、Δｎ（屈折率異方性）、ｄ（厚さ）を設計するとよい。これより、波長板２２を透過しても、λ１の偏光状態がほぼ変化せず、液晶層のみで偏光状態が変換される。
【００４２】
また、図７（ｃ）に示すように波長板２２が２枚の波長板２２ａ、２２ｂが積層されてなる場合、２枚の波長板のリタデーション値（Δｎ・ｄ）、遅相軸（進相軸）と入射光の偏光方向とがなす角度（０°、９０°ではない値）をそれぞれ調整する。つまり２枚の波長板に入射する波長λ２の光に対して、液晶層の波長依存性による偏光変換効率の低下を補正するとともに、波長λ１の光に対して偏光状態を変えないように上記の条件を設定するとよい。
【００４３】
図６（ｂ）に示す旋光子２０ｂについても同様の手法で設計できる。波長板２４ａのジョーンズ行列をＣ（λ、Ｔ）、波長板２４ｂのジョーンズ行列をＤ（λ、Ｔ）、液晶層のジョーン行列をＷＴＮ（λ，Ｔ）とすると、２０ｂ構成のジョーンズ行列は、Ｄ（λ、Ｔ）×ＷＴＮ（λ，Ｔ）×Ｃ（λ、Ｔ）となる。そこで、入射偏光状態をＣ（λ、Ｔ）にて、出射偏光状態をＤ（λ、Ｔ）にてわずかに変化させることにより、ＷＴＮ（λ，Ｔ）の波長依存性と温度依存性を打ち消すように補正する。これにより、偏光変換効率の波長依存性、温度依存性を小さくすることができる。
【００４４】
（第３の実施の形態）
第３の実施形態では、さらに温度依存性を小さくする効果が実現する、高分子液晶からなる層を有する旋光子の構成について説明する。図８は、本実施の形態に係る旋光子３０の構成を示す断面模式図である。旋光子３０は、第１の実施の形態の旋光子１０ｂに、高分子液晶が厚さ方向に９０°ツイストしてなるＴＮ型高分子液晶層３２を積層した構成になっている。なお、図８では省略しているが、製造の過程で用いられることがある図示しない配向膜がＴＮ型高分子液晶層３２を挟持するように施されていてもよい。また、電圧非印加時の液晶層１４を構成する液晶（ネマティック液晶）および、ＴＮ型高分子液晶層３２の高分子液晶はそれぞれ厚さ方向に約９０°捩れて配向されている。また、旋光子３０において光はＺ軸と平行に透明基板１１ｂ側からであっても透明基板３１側からであってもよい。
【００４５】
また、９０°ツイストした液晶を利用して入射する光を旋光させる場合、ネマティック液晶に比べて高分子液晶で構成されていれば、その材料特性から使用温度変化に対する偏光変換効率の変化で表す温度依存性が小さく、安定した特性を示すという特徴がある。これより、入射する光を９０°旋光させる機能を高分子液晶で実現することによって温度依存性が小さい旋光子を実現することができる。図８の旋光子３０の構成では、液晶層１４に対して電圧印加時は、液晶層１４を透過する光は偏光状態を変えず、ＴＮ型高分子液晶層３２で９０°旋光される。
【００４６】
一方、液晶層１４に対して電圧非印加時は、ＴＮ型高分子液晶層３２で９０°旋光された光が液晶層１４で再び９０°旋光されるので、入射する光の偏光状態となって旋光子３０を透過する。ここで、液晶層１４の液晶分子のツイスト方向とＴＮ型高分子液晶層３２の液晶分子のツイスト方向は互いに逆になる方向であっても、同一となる方向であってもよい。なお、液晶層１４およびＴＮ型高分子液晶３２のプレツイスト方向（入射光の偏光方向に対する層の入射側の液晶分子の配向方向）はＸ−Ｙ平面において、互いに略平行または略直交の関係であればよい。
【００４７】
また、上記の構成としてとくに、液晶層１４の液晶分子のツイスト方向とＴＮ型高分子液晶層３２の液晶分子ツイスト方向が互いに逆になるように旋光子３０が構成されているとともに、プレツイスト角が略平行な関係にあるとき、図示しないポワンカレ球上でＴＮ型高分子液晶層３２での偏光状態の変化を辿る経路と液晶層１４での偏光状態を辿る経路が互いに逆向きでほぼ一致し、出射する光の偏光状態は、入射する光の偏光状態の位置に復帰するので、とくに好ましい。
【００４８】
次いで、入射する光の偏光状態の変化について具体的に説明する。図９は、ＴＮ型高分子液晶層３２を積層した旋光子３０の斜視図であって、いずれもＺ方向に進行するＸ方向の直線偏光が入射する場合において、それぞれ、電圧非印加時、電圧印加時の光の変調の様子を示すものである。図９（ａ）に示す電圧非印加時では、ＴＮ型高分子液晶層３２で旋光してＹ方向の直線偏光となるが、液晶層１４で旋光してＸ方向の直線偏光となる。また、図９（ｂ）に示す電圧印加時では、ＴＮ型高分子液晶層３２で旋光してＹ方向の直線偏光となり、液晶層１４では偏光状態が変化せずにＹ方向の直線偏光のまま透過する。このように、第１の実施形態および第２の実施形態に係る旋光子に対して、電圧の印加時と非印加時とで出射する光の偏光状態は逆になる。また、本実施形態の旋光子３０に第２の実施形態のように波長板を積層して、波長依存性および温度依存性をさらに安定化させる構成としてもよい。
【００４９】
（第４の実施の形態）
本実施形態は、旋光子を具備した光ヘッド装置であり、図１０に模式図を示す。光ヘッド装置５０は、ＢＤまたはＨＤ−ＤＶＤ、ＤＶＤおよびＣＤをそれぞれ再生・記録できるものである。なお、ＢＤまたはＨＤ−ＤＶＤの高密度光記録媒体は４０５ｎｍ波長帯（３８５〜４２０ｎｍ）、ＤＶＤは６６０ｎｍ波長帯（６４０〜６７５ｎｍ）、ＣＤは７８０ｎｍ波長帯（７７０〜８００ｎｍ）のレーザ光を用いる。
【００５０】
なお、光ヘッド装置５０は、これら３つの異なる波長のレーザ光を単一の偏光ビームスプリッタ、単一の１／４波長板および単一の対物レンズを用いて実現する構成にしようとすると、部品点数が少なくなることが期待できる。しかし、これら広帯域にわたるレーザ光すべてに対して偏光状態を制御したり高い光利用効率を実現したりしようとすることが困難である。また、３つの波長に対してそれぞれ個別に偏光ビームスプリッタ、１／４波長板および対物レンズを設けると、偏光状態の制御性および高い利用効率を得ることが可能となるが、部品点数が多くなるため小型化が困難である。本実施形態は、後述するように３つのレーザ光を２つの光路に分離して、偏光状態の制御、高い光利用効率および小型化を実現できる例を示すものである。なお、上記３つの異なる波長をすべて同じ光路であって対物レンズを共有すると、開口数の違いなどからこれら全ての波長の光に対して有効な集光特性が得られないため、４０５ｎｍ波長帯の光路と、６６０ｎｍ波長帯と７８０ｎｍ波長帯とを共有する光路と、の２つに分離してそれぞれに対物レンズを配置する光学系が考えられる。
【００５１】
光源４１は、２種類または３種類の波長の直線偏光を出射する構成としてもよい。かかる構成の光源としては、２個または３個の半導体レーザチップが同一基板上にマウントされた、所謂ハイブリッド型の２波長レーザ光源または３波長レーザ光源や、互いに異なる波長の光を出射する２個または３個の発光点を有するモノリシック型の２波長レーザ光源または３波長レーザ光源でもよい。ここで、光源から発射する光はいずれもＺ軸方向に進行し、Ｘ軸方向の直線偏光として説明する。
【００５２】
光源４１から発射された光はコリメータレンズ４２で平行光となり、旋光子４０に入射する。旋光子４０は、第１の実施形態〜第３の実施形態で説明した旋光子１０ｂ、２０ａ、２０ｂ、３０いずれの構成のものであってもよい。ここでは、電圧非印加時で約９０°旋光し、電圧印加時に偏光状態を変えない旋光子１０ｂ、２０ａ、２０ｂと同じ作用をするものとして説明する。
【００５３】
また、光ヘッド装置５０では、光ディスク４７ａをＢＤとし、光ディスク４７ｂをＨＤ−ＤＶＤ／ＤＶＤ／ＣＤとし、これらの２つの光路が光ディスクの規格ごと異なるものとする。まず、ＢＤ（光ディスク４７ａ）を記録・再生するときは、旋光子４０に対して電圧を印加して４０５ｎｍ波長帯の入射光の偏光状態を変えないようにする。また、このときの光路を実線で示し、光源４１から光ディスク（ＢＤ）４７ａに到達するまでの光路を往路５１ａとし、光ディスク４７ａから光検出器４８に到達するまでの光路を復路５１ｂとして示す。
【００５４】
光ディスク４７ｂとなるＨＤ−ＤＶＤ／ＤＶＤ／ＣＤを記録・再生するときは、旋光子４０に対して電圧を印加せず、４０５ｎｍ波長帯、６６０ｎｍ波長帯および７８０ｎｍ波長帯の入射光の偏光状態を９０°旋光させて出射する。また、このときの光路を点線で示し、光源４１から光ディスク４７ｂに到達するまでの光路を往路５２ａとし、光ディスク４７ｂから光検出器４８に到達するまでの光路を復路５２ｂとして示す。
【００５５】
図１０において、Ｘ方向の直線偏光となる４０５ｎｍ波長帯の光でＢＤを記録・再生する場合、偏光状態を変えずに旋光子４０を透過し、偏光ビームスプリッタ４３に入射する。偏光ビームスプリッタはＸ方向に振動する光を光ディスク４７ａの方向に偏向させ、１／４波長板４５ａおよび対物レンズ４６ａを透過し、光ディスク４７ａの情報記録面に集光させる。反射された復路の光５１ｂは、対物レンズ４６ａおよび１／４波長板４５ａを透過し、Ｚ方向の直線偏光となり、偏光ビームスプリッタ４３を直進透過して光検出器４８に到達する。
【００５６】
一方、Ｘ方向の直線偏光で出射する各波長帯の光がＨＤ−ＤＶＤ／ＤＶＤ／ＣＤを記録・再生するときは、旋光子４０に入射する光は、偏光状態を約９０°変えてＹ方向の直線偏光となって出射するので、偏光ビームスプリッタ４３を直進透過する。偏光ビームスプリッタ４３を透過した光はミラー４４によって光ディスク４７ｂの方向に反射し、（広帯域）１／４波長板４５ｂおよび対物レンズ４６ｂを透過し、光ディスク４７ｂの情報記録面に集光させる。反射された光は、対物レンズ４６ｂおよび（広帯域）１／４波長板４５ｂを透過し、ミラーによって偏光ビームスプリッタ４３の方向へ進行する。この復路の光は、偏光ビームスプリッタ４３反射されて光検出器４８へ到達する。
【００５７】
このように、３つの異なる波長のレーザ光を使用する光ヘッド装置において本発明の旋光子を用いることで、規格の異なる各光ディスクに到達するまでの往路の光の偏光状態を制御でき、部品点数の削減および小型化が可能で設計自由度が高い光ヘッド装置を実現できる。なお、本実施の形態の光ヘッド装置の構成は一つの例であって、光学部品の位置はこれに限らない。また、旋光子４０としては、第３の実施の形態に係る旋光子３０を用いて電圧印加／電圧非印加による偏光状態の切り替えを逆とし、さらに波長依存性、温度依存性の少ない安定した特性を得るものであってもよい。
【００５８】
（実施例１）
第１の実施形態に係る図１の旋光子１０ｂの作製方法を説明する。まず、透明基板１１ａ、１１ｂとして石英ガラス基板を用いる。石英ガラス基板上にＩＴＯをスパッタリング法でシート抵抗値が３００Ω／□程度となる膜厚まで堆積して透明電極１２ａ、１２ｂを形成する。成膜した透明電極１２ａ、１２ｂ上にポリイミドを塗布、焼成した後、一方向にそれぞれラビング処理を施して配向膜１３ａ、１３ｂを形成する。一方の基板の表面に周縁部に図示しないエポキシ樹脂等のシール材を環状に塗布する。シール材には、直径約８．１μｍのスペーサと、電圧印加のための導電経路となる導電性微粒子を予め混ぜる。透明基板１１ａ、１１ｂは、互いのラビング方向が直交するように配向膜１３ａ、１３ｂが対向するように重ね合せた後、熱圧着によりシール材を固化して、前記スペーサと同じ空隙を有するセルを形成する。
【００５９】
この空隙に図示しない注入口から４０５ｎｍの波長の光において２５℃における常光屈折率（ｎｏ）が１．５１０、異常光屈折率（ｎｅ）が１．６０５となる液晶を注入して充填し、旋光子１０ｂとする。図２（ｂ）は、上記特性を有する液晶が充填された液晶層の厚さを変化させた場合の電圧非印加時の旋光子１０ｂの光学特性を示しており、このときの液晶層１４の厚さ８．１μｍは、図２（ｂ）の特性より、波長４０５ｎｍの光における２次モーガンの極限の厚さ８．３μｍと、波長６６０ｎｍの光における１次モーガンミニマム条件の厚さ６．４μｍとの中間値７．３５μｍより大きい値になるよう設定されている。
【００６０】
次に、それぞれ４０５ｎｍ、６６０ｎｍ、７８０ｎｍの光に対して温度範囲を−１０℃、２５℃、７０℃と変化させ、液晶層に対して電圧非印加時における偏光変換効率を図１１に示す。なお、偏光変換効率は、図１においてＸ方向の直線偏光であるＰ偏光がＳ偏光（Ｙ方向の直線偏光）に変換される割合である。使用温度が大きく変化しても偏光変換効率Ｉは、いずれの波長、いずれの温度においても９０％以上の高い値となる。また、液晶層間に９Ｖｒｍｓの交流電圧を印加したとき（電圧印加時）は、Ｐ偏光で入射した光はほぼ１００％Ｐ偏光のまま出射され、Ｓ偏光はほぼ０％である。
【００６１】
（比較例１）
比較例１として、実施例１に記載の旋光子１０ｂの構成のうち、液晶層１４の厚さを４０５ｎｍの波長の光および２５℃における１次モーガンミニマム条件の厚さである３．７５μｍとした以外は同じ構成のものとする。この旋光子の特性を図１２に示す。これより、４０５ｎｍにおける偏光変換効率は温度変化に対して１００％に近い値を示すものの、６６０ｎｍでは８０％以下、７８０ｎｍでは６０％以下となり、異なる波長の光および温度変化に対してまでも高い値を得ることはできない。
【００６２】
（実施例２）
本発明の第２の実施形態に係る図６（ａ）の旋光子２０ａの作製方法を説明するが、このうち旋光子１０は、実施例１と同じ材料および同じ製造方法であり、液晶層１４のツイスト角は９０°であるが、液晶層の厚さは８．７μｍとする。波長板２２ａの作製方法は、まず、石英ガラス基板２１ａに、図示しないポリイミドを成膜し、ラビングにより水平配向膜を形成し、配向膜上に直径８．８μｍのスペーサを散布する。その後、図示しない水平配向の石英ガラス基板を石英ガラス基板２１ａ側の配向方向と平行になるように対向させ、８．８μｍの一定の空隙にＵＶ硬化性の液晶性モノマー組成物を注入し、ＵＶ光を照射して液晶を固化させる。図示しないガラス基板を離型除去することによって高分子液晶からなる波長板２２ａを作製する。
【００６３】
同様の方法で、石英ガラス基板２１ｂ上に厚さ２μｍの高分子液晶による波長板２２ｂを作製し、図示しない接着剤によって波長板２２ａと波長板２２ｂとを接着させ、さらに石英ガラス基板１１ａと石英ガラス基板２１ｂとを接着させて旋光子２０ａとする。また、図６（ｂ）の波長板２４ａおよび２４ｂも同様の方法を用いるとともに石英ガラス基板１１ａと石英ガラス基板１１ｂの面に図示しない接着剤で接着させて旋光子２０ｂを作製する。なお、このとき、常温（２５℃）における高分子液晶の４０５ｎｍの光に対する常光屈折率（ｎｏ）は１．５４４、異常光屈折率（ｎｅ）が１．５８９である。
【００６４】
図７（ｃ）において、入射する光の偏光方向と一致するＸ方向を基準として反時計回り方向をプラス（＋）方向、時計回りをマイナス（−）方向と定義する。なお、電圧非印加時の液晶層１４は図７（ａ）に示しように、光の進行方向に向かって０°から＋９０°にツイストして配向されている。そして、波長板２２ａの遅相軸は、＋９３°方向、波長板２２ｂの遅相軸は８９°方向となるような方向で重ねて旋光子２０ａを構成する。
【００６５】
ここで、４０５ｎｍの光が入射するとき、波長板２２ａの常温時（２５℃）のリタデーション値（３６０°・Δｎ・ｄ／λ）は、約３５２°である。また、波長板２２ｂの常温時のリタデーション値は、約８０°である。さらに、液晶層１４は、入射光の偏光方向のＸ方向に対してプレツイスト角が０°であって、４０５ｎｍの光が入射するとき、常温時のリタデーション値は、約７３５°である。この旋光子２０ａにＰ偏光をＺ方向から入射するときの電圧非印加時の偏光変換効率を図１３（ａ）に示す。この結果より、使用温度が大きく変化しても偏光変換効率Ｉは、いずれの波長、いずれの温度においても９５％以上の高い値となり、波長板を積層することでより高い偏光変換効率で安定させることができる。
【００６６】
また、液晶層間に９Ｖｒｍｓの交流電圧を印加するとき（電圧印加時）は、液晶層の液晶分子の長軸方向は電界方向と平行に配向し、液晶層では入射光の偏光状態は変わらないが、積層した波長板によって偏光状態が変化する。また、この旋光子２０ａにＰ偏光をＺ方向から入射するときの電圧印加時の偏光変換効率を図１３（ｂ）に示す。この結果より、使用温度が大きく変化しても偏光変換効率Ｉは、いずれの波長、いずれの温度においても１％以下の値に抑えることができ、ほぼＰ偏光のまま透過する。これらの結果より、電圧非印加／電圧印加による偏光変換効率Ｉの消光比を大きくすることができる。
【００６７】
（実施例３）
本発明の第２の実施形態に係る図６（ｂ）の旋光子２０ｂの具体的な構成について説明する。このうち旋光子１０は、実施例１と同じ材料および同じ製造方法であり、液晶層１４のツイスト角は９０°であるが、液晶層の厚さは８．２μｍとする。また、波長板２４ａ、２４ｂは実施例２と同じ材料および同じ製造方法であるが、２４ａの厚さは８．５μｍ、Ｘ方向を基準として遅相軸は９２°方向に設定する。また、２４ｂの厚さは２．３μｍ、Ｘ方向を基準として遅相軸は２°方向に設定する。
【００６８】
ここで、４０５ｎｍの光が入射するとき、波長板２４ａの常温時（２５℃）のリタデーション値は、約３４０°である。また、液晶層１４は、入射光の偏光方向のＸ方向に対してプレツイスト角が２°で厚さ方向に９０°ツイストし、４０５ｎｍの光が入射するとき、常温時のリタデーション値は、約６９２°である。さらに、波長板２４ｂの常温時のリタデーション値は、約９２°である。この旋光子２０ｂにＰ偏光をＺ方向から入射するときの電圧非印加時の偏光変換効率を図１４（ａ）に示す。この結果より、使用温度が大きく変化しても偏光変換効率Ｉは、いずれの波長、いずれの温度においても９４％以上の高い値となり、波長板を積層することでより高い偏光変換効率で安定させることができる。
【００６９】
また、液晶層間に液晶層間に９Ｖｒｍｓの交流電圧を印加するとき（電圧印加時）は、液晶層の液晶分子の長軸方向は電界方向と平行に配向し、液晶層では入射光の偏光状態は変わらないが、積層した波長板によって偏光状態が変化する。また、この旋光子２０ｂにＰ偏光をＺ方向から入射するときの電圧印加時の偏光変換効率を図１４（ｂ）に示す。この結果より、使用温度が大きく変化しても偏光変換効率Ｉは、いずれの波長、いずれの温度においても１％以下の値に抑えることができ、ほぼＰ偏光のまま透過する。これらの結果より、電圧非印加／電圧印加による偏光変換効率Ｉの消光比を大きくすることができる。
【００７０】
（実施例４）
本発明の第３の実施形態に係る図８の旋光子３０の具体的な構成について説明する。このうち旋光子１０ｂは、ツイスト角を９１°とすることと、ツイスト方向が図９（ａ）に示すように液晶分子が１５ｂのように時計回り（−方向）にツイストさせていること、以外は実施例１と同じである。また、液晶の常光屈折率および異常光屈折率は、実施例１と同じものである。このときの液晶層１４の厚さは８．６μｍとする。
【００７１】
次に、ＴＮ型高分子液晶セルの作製方法を説明する。石英ガラス基板３１に、ポリイミドを成膜してラビングすることにより図示しない水平配向膜を形成し、配向膜上に直径１８．２μｍのスペーサを散布する。その後、図示しないもう一つの水平配向膜を形成したガラス基板を石英ガラス基板３１に対して配向方向が９４°の角度をなすように対向させ、１８．２μｍの一定の空隙にＵＶ硬化性の液晶性モノマー組成物を注入する。このときの液晶分子は厚さ方向にツイストして配向される。次いで、ＵＶ光を照射して液晶を固化させる。ここで、４０５ｎｍの光が入射するとき、液晶層１４の２５℃におけるリタデーション値は、約７２６°であり、同条件におけるＴＮ型高分子液晶層３２は約７２８°である。そして、図示しないガラス基板を離型除去することによってＴＮ型高分子液晶層３２を形成し、図示しない接着剤によって石英ガラス基板１１ａとＴＮ型高分子液晶層３２とを接着して旋光子３０を作製する。
【００７２】
また、ＴＮ型高分子液晶層３２のうち、光が入射する側にある液晶分子３３の配向方向はＸ方向に一致し、プレツイスト角は０°である。そして、ＴＮ型高分子液晶層３２の光の出射側では液晶分子３３は＋９４°の方向（反時計回りのツイスト）に配向される。また、電圧非印加時において液晶層１４の光の入射側の液晶分子１５ｂはＸ方向に対してプレツイスト角が１°で配向され、液晶層１４の光の出射側では液晶分子１５ｂは９０°の方向（時計回りのツイスト）に配向される。また、電圧印加時には、図９（ｂ）に示すように液晶層１４の液晶が電界方向に配向するため、ＴＮ型高分子液晶層を出射した光の偏光状態で出射する。
【００７３】
この旋光子３０にＰ偏光をＺ方向から入射するときの電圧非印加時の偏光変換効率を図１５（ａ）に示す。この結果より、使用温度が大きく変化しても偏光変換効率Ｉは、いずれの波長、いずれの温度においても５％以下の値となる。また、液晶層間に液晶層間に９Ｖｒｍｓの交流電圧を印加するとき（電圧印加時）は、液晶層の液晶分子の長軸方向は電界方向と平行に配向し、ＴＮ型高分子液晶層を出射した光の偏光状態で出射する。また、この旋光子３０にＰ偏光をＺ方向から入射するときの電圧印加時の偏光変換効率を図１５（ｂ）に示す。この結果より、使用温度が大きく変化しても偏光変換効率Ｉは、いずれの波長、いずれの温度においても９７％以上の高い値となる。したがって、旋光子に対して電圧非印加時には、入射する直線偏光の偏光方向を変えず、電圧印加時には、入射する直線偏光の偏光方向をほぼ直交させるように出射させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００７４】
以上のように、本発明に係る旋光子は、特定の直線偏光が異なる波長の光で入射するとき、電圧を印加状態、非印加状態に切り替えることによって容易に出射する偏光状態を変える制御ができる。さらに使用温度の変化による特性の変化が少なく、出射する光の偏光状態が安定する高い品質を得ることができ、安定した特性を有する光ヘッド装置などへの適用が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】第１の実施形態に係る旋光子の断面模式図。
【図２】第１の実施形態に係る旋光子の斜視的模式図および液晶層厚さに対する偏光変換効率特性。
【図３】第１の実施形態に係る旋光子の４０５ｎｍ入射時の使用温度変化による偏光変換効率特性。
【図４】液晶層厚さに対する偏光変換効率特性。
【図５】４０５ｎｍの入射光の偏光方向に対する偏光変換効率特性。
【図６】第２の実施形態に係る旋光子の断面模式図。
【図７】第２の実施形態に係る旋光子の斜視的模式図。
【図８】第３の実施形態に係る旋光子の断面模式図。
【図９】第３の実施形態に係る旋光子の斜視的模式図。
【図１０】旋光子を用いた光ヘッド装置の一例を示す模式図。
【図１１】第１の実施形態に係る旋光子の偏光変換効率特性。
【図１２】従来の設計によるアクティブ型の旋光子の偏光変換効率特性。
【図１３】第２の実施形態に係る旋光子の偏光変換効率特性（波長板２枚液晶層に対して光入射側に積層）。
【図１４】第２の実施形態に係る旋光子の偏光変換効率特性（波長板１枚ずつ液晶層の光入射側前後に積層）。
【図１５】第３の実施形態に係る旋光子の偏光変換効率特性。
【符号の説明】
【００７６】
１０ａ、１０ｂ、２０ａ、２０ｂ、３０、４０ 旋光子
１１ａ、１１ｂ、２１ａ、２１ｂ、２５、３１ 透明基板
１２ａ、１２ｂ 透明電極
１３ａ、１３ｂ 配向膜
１４ 液晶層
１５ａ、１５ｂ 液晶分子
２２、２２ａ、２２ｂ、２４、２４ａ、２４ｂ 波長板
３２ ＴＮ型高分子液晶層
３３ 高分子液晶分子
４１ 光源
４２ コリメータレンズ
４３ 偏光ビームスプリッタ
４４ ミラー
４６ａ、４６ｂ 対物レンズ
４５ａ、４５ｂ １／４波長板
４７ａ、４７ｂ 光ディスク
４８ 光検出器
５０ 光ヘッド装置
５１ａ ＢＤを記録・再生する光路（往路）
５１ｂ ＢＤを記録・再生する光路（復路）
５２ａ ＨＤ−ＤＶＤ／ＤＶＤ／ＣＤを記録・再生する光路（往路）
５２ｂ ＨＤ−ＤＶＤ／ＤＶＤ／ＣＤを記録・再生する光路（復路）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平行に配置された一対の透明基板と、
一対の前記透明基板の対向する空間を液晶で充填した液晶層を備え、
少なくとも波長λ１と、前記波長λ１よりも大きい波長λ２の直線偏光となる光が入射する旋光子であって、
前記液晶は、ネマティック液晶または高分子液晶からなり、
前記液晶が前記液晶層の厚さ方向にらせん状に捩れているツイスト配向状態において、常温における前記波長λ２の１次モーガンミニマム条件となる厚さｄλ２１が前記波長λ１のｎ次モーガンミニマム条件となる厚さｄλ１ｎ以上でかつ、前記波長λ１の（ｎ＋１）次モーガンミニマム条件となる厚さｄλ１（ｎ＋１）未満であるとき（ｎは自然数）、前記液晶層の厚さは、下記（Ａ）または（Ｂ）
（Ａ）前記厚さｄλ２１が（ｄλ１ｎ＋ｄλ１（ｎ＋１））／２以上であるとき、ｄλ２１より大きい値、
（Ｂ）前記厚さｄλ２１が（ｄλ１ｎ＋ｄλ１（ｎ＋１））／２未満であるとき、ｄλ１ｎより大きい値、
を満たす旋光子。
【請求項２】
前記液晶層に電圧を印加する透明電極を備え、
前記液晶層に印加する電圧によって、前記ツイスト配向状態と、前記液晶が前記液晶層の厚さ方向に揃う垂直配向状態と、を切り替えることができる請求項１に記載の旋光子。
【請求項３】
前記液晶層の厚さは、前記厚さｄλ２１が（ｄλ１ｎ＋ｄλ１（ｎ＋１））／２以上であるとき前記厚さｄλ２１と前記厚さｄλ１（ｎ＋１）との中間値より大きい値であり、前記厚さｄλ２１が（ｄλ１ｎ＋ｄλ１（ｎ＋１））／２未満であるとき前記厚さｄλ１ｎと前記厚さｄλ２１との中間値より大きい値である請求項１または請求項２に記載の旋光子。
【請求項４】
少なくとも１枚の波長板が前記液晶層に積層される請求項１〜３いずれか１項に記載の旋光子。
【請求項５】
２枚の厚さの異なる波長板がそれぞれの遅相軸を交差させるように前記液晶層の一方の面に重なって積層されるかまたは、前記液晶層の両面にそれぞれ１枚ずつ積層される請求項４に記載の旋光子。
【請求項６】
前記液晶層に液晶分子が厚さ方向にらせん状に捩れている高分子液晶からなるＴＮ型高分子液晶層が積層される請求項１〜５いずれか１項に記載の旋光子。
【請求項７】
少なくとも前記波長λ１と前記波長λ２の直線偏光を出射する光源と、
前記光源から出射した光の光路を分離する偏光ビームスプリッタと、
前記偏光ビームスプリッタから出射した光を光記録媒体上に集光させる対物レンズと、
前記光記録媒体で反射した光を検出する光検出器と、を備える光ヘッド装置であって、
前記光源と前記偏光ビームスプリッタとの光路中に請求項１〜６いずれか１項に記載の旋光子が配置される光ヘッド装置。
【請求項８】
前記波長λ１と前記波長λ２と前記波長λ２よりも大きい波長λ３の直線偏光となる光を出射する光源を有し、
前記波長λ１は４０５ｎｍ波長帯、前記波長λ２は６６０ｎｍ波長帯、前記波長λ３は７８０ｎｍ波長帯に含まれる請求項７に記載の光ヘッド装置。
【請求項１】
平行に配置された一対の透明基板と、
一対の前記透明基板の対向する空間を液晶で充填した液晶層を備え、
少なくとも波長λ１と、前記波長λ１よりも大きい波長λ２の直線偏光となる光が入射する旋光子であって、
前記液晶は、ネマティック液晶または高分子液晶からなり、
前記液晶が前記液晶層の厚さ方向にらせん状に捩れているツイスト配向状態において、常温における前記波長λ２の１次モーガンミニマム条件となる厚さｄλ２１が前記波長λ１のｎ次モーガンミニマム条件となる厚さｄλ１ｎ以上でかつ、前記波長λ１の（ｎ＋１）次モーガンミニマム条件となる厚さｄλ１（ｎ＋１）未満であるとき（ｎは自然数）、前記液晶層の厚さは、下記（Ａ）または（Ｂ）
（Ａ）前記厚さｄλ２１が（ｄλ１ｎ＋ｄλ１（ｎ＋１））／２以上であるとき、ｄλ２１より大きい値、
（Ｂ）前記厚さｄλ２１が（ｄλ１ｎ＋ｄλ１（ｎ＋１））／２未満であるとき、ｄλ１ｎより大きい値、
を満たす旋光子。
【請求項２】
前記液晶層に電圧を印加する透明電極を備え、
前記液晶層に印加する電圧によって、前記ツイスト配向状態と、前記液晶が前記液晶層の厚さ方向に揃う垂直配向状態と、を切り替えることができる請求項１に記載の旋光子。
【請求項３】
前記液晶層の厚さは、前記厚さｄλ２１が（ｄλ１ｎ＋ｄλ１（ｎ＋１））／２以上であるとき前記厚さｄλ２１と前記厚さｄλ１（ｎ＋１）との中間値より大きい値であり、前記厚さｄλ２１が（ｄλ１ｎ＋ｄλ１（ｎ＋１））／２未満であるとき前記厚さｄλ１ｎと前記厚さｄλ２１との中間値より大きい値である請求項１または請求項２に記載の旋光子。
【請求項４】
少なくとも１枚の波長板が前記液晶層に積層される請求項１〜３いずれか１項に記載の旋光子。
【請求項５】
２枚の厚さの異なる波長板がそれぞれの遅相軸を交差させるように前記液晶層の一方の面に重なって積層されるかまたは、前記液晶層の両面にそれぞれ１枚ずつ積層される請求項４に記載の旋光子。
【請求項６】
前記液晶層に液晶分子が厚さ方向にらせん状に捩れている高分子液晶からなるＴＮ型高分子液晶層が積層される請求項１〜５いずれか１項に記載の旋光子。
【請求項７】
少なくとも前記波長λ１と前記波長λ２の直線偏光を出射する光源と、
前記光源から出射した光の光路を分離する偏光ビームスプリッタと、
前記偏光ビームスプリッタから出射した光を光記録媒体上に集光させる対物レンズと、
前記光記録媒体で反射した光を検出する光検出器と、を備える光ヘッド装置であって、
前記光源と前記偏光ビームスプリッタとの光路中に請求項１〜６いずれか１項に記載の旋光子が配置される光ヘッド装置。
【請求項８】
前記波長λ１と前記波長λ２と前記波長λ２よりも大きい波長λ３の直線偏光となる光を出射する光源を有し、
前記波長λ１は４０５ｎｍ波長帯、前記波長λ２は６６０ｎｍ波長帯、前記波長λ３は７８０ｎｍ波長帯に含まれる請求項７に記載の光ヘッド装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２００９−２９４３７８（Ｐ２００９−２９４３７８Ａ）
【公開日】平成２１年１２月１７日（２００９．１２．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１４７０３５（Ｐ２００８−１４７０３５）
【出願日】平成２０年６月４日（２００８．６．４）
【出願人】（０００００００４４）旭硝子株式会社 (2,665)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１２月１７日（２００９．１２．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年６月４日（２００８．６．４）
【出願人】（０００００００４４）旭硝子株式会社 (2,665)
【Ｆターム（参考）】
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