JP4379062B2

JP4379062B2 - 光学装置

Info

Publication number: JP4379062B2
Application number: JP2003340016A
Authority: JP
Inventors: 光生大澤
Original assignee: Asahi Glass Co Ltd
Current assignee: AGC Inc
Priority date: 2003-09-30
Filing date: 2003-09-30
Publication date: 2009-12-09
Anticipated expiration: 2023-09-30
Also published as: JP2005107127A

Description

本発明は、液晶封止素子およびこの液晶封止素子を備え光記録媒体に各種情報の記録及び／又は再生を行うことができる光学装置に関する。

従来の液晶封止素子を作製するには、例えば図９および図１０において、注入口１０５を除き、透明基板１０１と透明基板１０２の周縁部をシール材１０３にて熱圧着してセル構造を形成している。次に、真空注入法などにより、セル内部に液晶１０４が注入されて液晶層とされた後に、注入口１０５が図示外の封止材を用いて封止され、液晶セルが形成される。

このような液晶封止素子は、通過する光に対しさまざまな光学的変調を付与することができる。例えば、ネマチック液晶を封止したホモジニアス配列の液晶封止素子を用いれば、そのリタデーション値により通過する光の偏光状態を変化させる偏光変調器になる。また、透明基板上に複数に分割された透明電極を設置し、各々分割された透明電極に異なる電圧を印加することにより、リタデーション値の面内分布を設定し、通過する光の位相を２次元的に変調する位相変調器なども作製できる。

また、これらの液晶封止素子は、例えばＣＤ、ＤＶＤ等への情報の記録及び／又は再生を行う光ヘッド装置(例えば特許文献１参照)や、レーザビームプリンタなどの光学装置に適用することができる。例えば、この液晶封止素子を光ヘッド装置に搭載させれば、光の波面収差を補正して光ディスク上の集光特性を向上させることができ、また、この液晶封止素子をレーザビームプリンタ等の光走査装置に搭載させれば、光の偏向を行い感光体ドラム上に集光される光のスポット位置を走査できる。
特開２０００−８２２３３号公報

しかしながら、液晶封止素子（光学装置）自体の温度が、外部環境温度の変化などにより変化すると、従来の液晶封止素子が膨張するときの状態を示す図１１や、縮小するときの状態を示す図１２のように、透明基板１０１、１０２間に挟持された液晶１０４とシール材１０３の熱膨張係数が異なることにより、液晶封止素子は、膨張（膨らむ）動作または縮小（窪む）動作を行う。なお、図１１及び図１２の符号で、図９及び図１０と同じものは、同じ要素を示す。

このような現象が発生すると、液晶封止素子は、液晶層の厚さが場所により異なるため、液晶封止素子の面内でリタデーション値が変動する。従って、この液晶封止素子を備えた光学装置では、例えば光ヘッド装置やレーザビームプリンタなどに適用すると、液晶封止素子を透過する光波面が変形して、透過波面変化のうち特に倍率成分が変動することにより、光記録媒体上、すなわちそれぞれ光ディスク上や感光体ドラム上などでの集光特性に劣化が発生する不都合を生じている。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、環境温度の変化によってその機能が変動することがなく、広温度範囲にわたり常時安定した機能や特性を発揮できる液晶封止素子および光学装置を提供することを目的とする。

本発明は、光源と、前記光源からの出射光を光記録媒体上に集光する集光レンズと、を備える光学装置において、前記光源と前記集光レンズとの間の光路中に、透過する光に対し光学的な変調を付与する液晶封止素子が配置され、前記液晶封止素子は、周縁部をシール材により封止され互いに対向配置された複数の透明基板と、前記複数の透明基板間に挟持される液晶層とを備え、前記複数の透明基板は、前記液晶層側の面が平坦であり、前記複数の透明基板の何れかには、前記光が透過する有効領域の外側部分に前記液晶層側と対向する面に段差を有して、厚さの薄い部分を有する光学装置を提供する。

上記構成によれば、環境温度の変化によって液晶の体積が大きく変動すると、この液晶を収容する透明基板の薄い部分が大きく変形して液晶の体積変動を吸収するので、透明基板の厚い部分では大きな変動が発生するのを回避できる。その結果、透明基板の厚い部分に挟まれた液晶層の厚さの変動も回避でき、環境温度の変化によって液晶部分の機能や特性が変化せず、常時安定した機能や特性を発揮できるので、この液晶封止素子を備えた光学装置としての信頼度も向上する。

また、前記複数の透明基板の何れかには、前記光の光軸を中心に３６０度すべての方向において前記段差を有して、厚さが薄い部分を有する上記の光学装置を提供する。また、前記複数の透明基板の何れも、前記光の光軸を中心に３６０度すべての方向において前記段差を有して、厚さが薄い部分を有する光学装置を提供する。

上記構成によれば、外部環境温度の変化により液晶の体積が変動し、光学的有効領域内の液晶層の厚さも大きくなったり小さくなったりするが、この光学的有効領域内の液晶層の厚さ分布は何れの場合にも均一であり、光学的有効領域内のリタデーション値の局所的な変動を小さく抑えることができるので、この液晶封止素子を備えた光学装置としての信頼度も向上する。

本発明によれば、広温度範囲にわたり液晶封止素子の面内のリタデーション値の変動が小さな液晶封止素子を作製でき、またこの液晶封止素子を光学装置に搭載することにより、光記録媒体上での光の集光特性が優れた光学装置を提供できる。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る液晶封止素子１０の一例を示すものであり、この液晶封止素子１０では、対向する２枚の透明基板１１Ａ、１１Ｂ間に、液晶１３が挟持されており、この透明基板１１Ａ、１１Ｂの外周縁部がシール材１２と図示外の封止材により封止された構造を有している。

透明基板１１Ａ、１１Ｂは、プラスチック、ガラスなどで形成されているが、この透明基板１１Ａ、１１Ｂの一部（図１、図２で左半分）の厚さを他の部分（図１、図２で右半分）よりも薄くしてある。即ち、本発明の透明基板１１Ａ、１１Ｂは、光が通過する部分（これを、「光学的有効領域」とよぶ）が厚くなる（図１，２では、この厚さが厚い部分を「α」で示す）ようにし、この光学的有効領域を除いた光が通過しない部分（図１，２では、この厚さが薄い部分を「β」で示す）の透明基板の厚さを薄くしている。

この透明基板１１Ａ、１１Ｂの厚さを薄くする方法としては、例えば研削や研磨などの機械的な方法や酸によるエッティングなどの化学的な方法など用いることができる。このような方法以外に、薄い透明基板上に別の透明基板を積層・接着し、透明基板全体として厚さを増すことにより、同様な形状を得ることもできる。この場合、ヤング率の小さな接着剤を選択すると、透明基板が変形する際に接着剤がその緩衝的な作用をするため好ましい。また、接着剤の屈折率は、透明基板の屈折率に近いものを使用することが、透明基板と接着剤層の界面反射（フレネル反射）を抑えることができ、好ましい。

次に、本実施形態の液晶封止素子１０を作製するには、透明基板１１Ａ、１１Ｂを所望の隙間をあけて対向させた後、透明基板１１Ａ、１１Ｂの周縁部をアクリル樹脂、エポキシ樹脂などのシール材１２でシールしてセルを形成後、液晶１３を注入口（図示せず）から注入し、注入口を接着剤などの封止材で封止すれば、液晶封止素子１０が作製できる。

このように、少なくとも一方の透明基板１１Ａ又は１１Ｂの厚さを一部薄くすれば、外部環境温度の変化などにより、液晶封止素子１０の温度が変化し、シール材１２と比べ熱膨張係数の大きな液晶１３の体積が大きく変動した場合には、透明基板１１Ａ、１１Ｂの薄く形成した部分（β）が大きく膨らんだり（図２参照）窪んだりする変形を起こす。これにより、温度変化に起因した液晶１３の体積変動は、薄く形成した部分（β）での変形によって吸収できるので、透明基板１１Ａ、１１Ｂの厚く形成した部分（α）では、膨らんだり窪んだりといった変形の発生が抑えられる。

従って、本実施形態の液晶封止素子１０によれば、例えば図２に示ように、環境温度が高くなり液晶１３が膨張したときでも（低くなる場合も同様）、環境温度が変化した際に変化する光学的有効領域での液晶層の厚さの変動量が低減され、光学的有効領域内のリタデーション値の変動も小さくなるので、安定した光学特性を発揮できる。

［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態について、図３から図６までを参照しながら説明する。
本実施形態の液晶封止素子２０は、それぞれ、図３及び図４に断面図及び平面図を示すように、光学的有効領域を取り囲む外縁側領域での透明基板２１Ａ、２１Ｂの厚さを薄くした構成となっている。

このような構成の液晶封止素子２０によれば、液晶封止素子２０は、外部環境温度の変化により膨張、縮小動作を行うが、光学的有効領域内の液晶層２３の厚さは、図５に示すような状態で厚くなったり、図６に示すような状態で薄くなったりする。従って、光学的有効領域内の液晶層２３の厚さ分布は、何れの場合にも均一であり、光学的有効領域内のリタデーション値の変動は小さく好ましい。

更に、光軸（光学的有効領域内の中心部）から透明基板２１Ａ、２１Ｂの厚い部分（α）と薄い部分（β）との境界の部分までの距離（境界が楕円状の場合は、その長軸と短軸の長さに相当する部分までの距離）が等しいとき、特に光学的有効領域内の液晶層での厚さ分布の均一性が向上し、特に好ましい。

なお、使用する液晶２３には、例えばネマチック液晶を挙げることができ、ポリイミド等の配向膜を利用して配向処理を行うことも可能である。また、透明基板２１Ａ、２１Ｂの表面上に透明電極を形成し、外部から液晶層に電圧を印加して液晶分子を配向させてもよい。また、透明電極２１Ａ、２１Ｂ上に透明基板間の導通防止のＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２などやそれらの混合物の無機物コートを施してもよい。

［第３の実施形態］
次に、本発明に係る液晶封止素子を組み込んだ光学装置として、光ヘッド装置の一例を図７に示す。
この光ヘッド装置３０は、光源である半導体レーザ３１と、コリメートレンズ３２と、本発明の液晶封止素子３３と、偏光ビームスプリッタ３４と、λ／４板３５と、アクチュエータ３７に搭載された集光レンズ３６と、集光レンズ３８と、光検出器３９とを備えている。

この光ヘッド装置３０では、半導体レーザ３１より出射された光がコリメートレンズ３２により平行光とされ、液晶封止素子３３を透過する。この液晶封止素子３３では、付設する電圧制御装置３３Ａを用いて外部から電圧を印加できる。液晶封止素子３３を透過した光は、偏光ビームスプリッタ３４、λ／４板３５を透過後、アクチュエータ３７に搭載された集光レンズ３６により光記録媒体Ｄに集光される。

一方、光記録媒体Ｄで反射された光は、上記の光路を逆に進み、偏光ビームスプリッタ３４により反射後、集光レンズ３８により集光されて光検出器３９に到達する。このとき、液晶封止素子３３に電圧を印加（実際には、液晶素子を構成する透明基板の表面に形成された透明電極に電圧を印加）することにより、液晶封止素子３３を透過した光の波面を変化させ、光記録媒体Ｄへの集光特性を向上させることができる。さらに、ここでの液晶封止素子３３には、本発明のものを使用する（例えば、前述の液晶封止素子１０または２０を用いる）ことにより、外部環境温度の変化などによる液晶封止素子３３の面内のリタデーション値変動が抑えられ、光記録媒体Ｄ上での集光特性の劣化を防ぐことができる。

［第４の実施形態］
次に、本発明に係る液晶封止素子を組み込んだ光学装置として、光走査装置４０の一例を図８に示す。
この光走査装置４０は、プリンタに適用されており、光源４１と、電圧制御装置４３を付設した本発明の液晶封止素子４２と、ポリゴンミラー４４と、ｆθレンズなどの集光レンズ４５と、静電潜像を形成する感光体ドラム４６とを備えている。
なお、光源４１と液晶封止素子４２との間の光路上には、光源４１より出射される光をコリメートさせるため、コリメートレンズ（図示せず）などの平行光形成手段も配設している。

本実施形態で使用されている液晶封止素子４２は、交流電圧を印加する電圧制御装置４３が接続されており、この電圧制御装置４３により電圧が印加されて通過する光の方向を偏向する偏向素子（光偏向器）として機能する。なお、この液晶封止素子４２は、光の偏向方向が図中Ｙ方向となるように配置されている。

次に、本発明に係る液晶封止素子を組み込んだ光学装置の動作について、図８を参照しながら説明する。
光源４１から出射された光はレンズ（図示せず）などによりコリメートされ本発明の液晶封止素子４２に入射する。そして、この液晶封止素子４２を透過する光は、図８においてＹ方向に偏向する。液晶封止素子４２（光偏向器）を通過した光は、回転するポリゴンミラー４４により反射され、集光レンズ４５により感光体ドラム４６上に集光される。この際、ポリゴンミラー４４の回転により、感光体ドラム４６上ではＺ方向が集光された光が掃引される。

従って、本実施形態によれば、この光走査装置４０の組みたて調整時、及び経時的に光軸がずれたとき等には、電圧制御装置４３により液晶封止素子４２（光偏向器）に電圧を印加し、ここを通過する光をＹ方向に偏向させてその光軸のずれを補償できる。しかも、本発明に係る液晶封止素子４２を使用することにより、外部環境温度の変化などによる液晶封止素子４２の面内でのリタデーション値変動が抑えられ、感光体ドラム４６上の集光特性の劣化も防ぐことができる。

まず、図３を参照しながら、本発明の液晶封止素子２０についてその作成方法から説明する。
厚さ１．０ｍｍのガラスの透明基板２１Ａ、２１Ｂに、スパッタ法によりＩＴＯからなる透明電極膜（図示せず）を厚さ３０ｎｍ成膜し、フォトリソグラフィ法及びウエットエッチング法により透明電極（図示せず）を形成した。次に、この透明電極（図示せず）上には厚さ約５０ｎｍのポリイミド膜（図示せず）をフレキソ印刷法により塗布し、焼成した。その後、ポリイミド膜（図示せず）に対して布によるラビングを施し配向処理を施した。

このようにして形成した透明基板２１Ａ、２１Ｂのいずれか一方の透明基板（例えば透明基板２１Ｂ）に、スクリーン印刷法によりエポキシ系のシール材２２を印刷した。エポキシ系のシール材２２には、所定のセルギャップを維持するために直径５μｍのファイバスペーサを３％（質量比換算。以下同じ。）と、透明基板２１Ａ、２１Ｂ上に形成された透明電極間の導電性を得るために表面に導電性コーティングを施した直径５．５μｍのアクリル球を２％混合した。

透明基板２１Ａと透明基板２１Ｂとは位置合わせ後に重ね、１７０℃にて、６×１０^４Ｎ／ｍ^２の圧力で圧着してセルを作製した。この作製したセルに真空注入法により常光屈折率および異常光屈折率の差（△ｎ＝）０．１の液晶２３を注入して液晶層とし、注入口（図示せず）をＵＶ接着剤にて封止して外形１０ｍｍ×１２ｍｍ角の液晶封止素子２０を作製した。

その後、透明基板２１Ａの外周各辺より２．５ｍｍの部分を研削加工により厚さを減少させ、０．２ｍｍの厚さとなるように加工した。その結果、透明基板２１Ａのもともとの厚さ１．０ｍｍである部分（α）は、中心部５ｍｍ角の部分となり、この部分（光学的有効領域）に光が通過するようにした。対向する透明基板２１Ｂについても、外周各辺より研削加工により厚さを減少させ０．２ｍｍとし、光が通過する中心部５ｍｍ角の部分（α）のみ厚さが１．０ｍｍとなるようにした。これら５ｍｍ角の部分を符号２４Ａ、２４Ｂで示す。

このようにして作製した液晶封止素子２０は、電極端子取り出し部（図４に示す、液晶封止素子２０の外部に突出した透明基板２１Ｃの部分）を介して、外部から液晶層に電圧を印加できるように構成されている。

次に、このように作製された液晶封止素子２０の透過波面変動の温度依存性を確認するため、透過波面変動について測定した結果、大きな変動がなく良好な光学特性を示すことが判明した。

次に、作製された液晶封止素子２０を液晶封止素子３３として搭載した、図７に示す光ヘッド装置３０について説明する。
この液晶封止素子３３を備えた光ヘッド装置３０では、半導体レーザ３１からの出射光は、コリメートレンズ３２、液晶封止素子３３、偏光ビームスプリッタ３４、λ／４板３５の順に透過し、アクチュエータ３７に保持された集光レンズ３６を透過して光記録媒体Ｄ上に集光される。

一方、この集光された光は、光記録媒体Ｄにより反射され、集光レンズ３６、λ／４板３５の順に透過し、偏光方向が９０度変化された後、偏光ビームスプリッタ３４により反射され集光レンズ３８により光検出器３９に導かれる。

液晶封止素子３３には電圧制御装置３３Ａから電圧が印加されることにより、液晶封止素子３３を透過した光の波面を変化させ、光記録媒体Ｄへの集光特性を向上させることができる。このとき、光ヘッド装置３０の外部環境温度を１０℃から６０℃まで変化しても、集光特性に大きな変化はなく良好な集光特性を示す。

なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施し得るものである。

本発明の液晶封止素子は、レンズ光学系の光路中に存在する液晶封止素子に広く適用でき、光ヘッド装置、光走査装置のほか、カメラなどにも使用できる。また使用波長の制限もなく１５５０ｎｍ帯の波長を使用する通信デバイス、例えば光アッテネータ、エタロンなどにも使用できる。

本発明の第１の実施形態に係る液晶封止素子の一例を示す断面図図１に示す本発明の液晶封止素子が環境温度の変化により膨張した例を示す断面図本発明の第２の実施形態に係る液晶封止素子の一例を示す断面図図３に示す本発明の液晶封止素子の平面図図３に示す本発明の液晶封止素子が環境温度の変化により膨張した状態を示す断面図図３に示す液晶封止素子が環境温度の変化により縮小した状態を示す断面図本発明の光学装置に係る液晶封止素子を搭載した光ヘッド装置の一例を示す構成図本発明の光学装置に係る液晶封止素子を備えた光走査装置の一例を示す概略斜視図従来の液晶封止素子の一例を示す断面図図９の液晶封止素子の平面図図９の液晶封止素子が環境温度の変化により膨張した状態を示す断面図図９の液晶封止素子が環境温度の変化により縮小した状態を示す断面図

符号の説明

１１Ａ、１１Ｂ、２１Ａ、２１Ｂ：透明基板
１２、２２：シール材
１３、２３：液晶
３１：半導体レーザ
３２：コリメートレンズ
３３、４２：液晶封止素子
３３Ａ、４３：電圧制御装置
３４：偏向ビームスプリッタ
３６、３８、４５：集光レンズ
３７：アクチュエータ
３５：λ／４板
３９：光検出器
４１：光源
４４：ポリゴンミラー
４５：ｆθレンズ（集光レンズ）
４６：感光体ドラム
Ｄ：光記録媒体
α：厚さが厚い部分
β：厚さが薄い部分

Claims

光源と、
前記光源からの出射光を光記録媒体上に集光する集光レンズと、を備える光学装置において、
前記光源と前記集光レンズとの間の光路中に、透過する光に対し光学的な変調を付与する液晶封止素子が配置され、
前記液晶封止素子は、周縁部をシール材により封止され互いに対向配置された複数の透明基板と、前記複数の透明基板間に挟持される液晶層とを備え、
前記複数の透明基板は、前記液晶層側の面が平坦であり、
前記複数の透明基板の何れかには、前記光が透過する有効領域の外側部分に前記液晶層側と対向する面に段差を有して、厚さの薄い部分を有する光学装置。
前記複数の透明基板の何れかには、前記光の光軸を中心に３６０度すべての方向において前記段差を有して、厚さが薄い部分を有する請求項１に記載の光学装置。
前記複数の透明基板の何れも、前記光の光軸を中心に３６０度すべての方向において前記段差を有して、厚さが薄い部分を有する請求項２に記載の光学装置。