(57)【要約】  波長選択旋光子であって、コレステリック相液晶からなる液晶層を備え、前記液晶層は、波長λ１の第１の直線偏光が入射するとき、該第１の直線偏光を異なる直線偏光である第２の直線偏光に変換して出射し、前記波長λ１よりも長波長である波長λ２の直線偏光が入射するとき、偏光状態を実質的に変えずに出射する。
2009107748.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長選択旋光子であって、
コレステリック相液晶からなる液晶層を備え、
前記液晶層は、
波長λ１の第１の直線偏光が入射するとき、該第１の直線偏光を異なる直線偏光である第２の直線偏光に変換して出射し、
前記波長λ１よりも長波長である波長λ２の直線偏光が入射するとき、偏光状態を実質的に変えずに出射する波長選択旋光子。
【請求項２】
前記第１の直線偏光と前記第２の直線偏光とが略直交または、略４５°の角度をなす請求項１に記載の波長選択旋光子。
【請求項３】
前記コレステリック相液晶が、入射する右回りの円偏光または左回りの円偏光いずれか一方で反射帯域を有し、
前記波長λ１は、前記反射帯域より短波長側にあるとともに、前記波長λ２は、前記反射帯域より長波長側にある請求項１または請求項２に記載の波長選択旋光子。
【請求項４】
前記反射帯域より長波長側にあるとともに前記波長λ２よりも短波長である波長λ４で前記第１の直線偏光が入射して、前記第２の直線偏光に変換されて出射する請求項３に記載の波長選択旋光子。
【請求項５】
前記コレステリック相液晶が、入射する右回りの円偏光または左回りの円偏光いずれか一方で反射帯域を有し、
前記波長λ１および前記波長λ２は、前記反射帯域よりいずれも長波長側にある請求項２に記載の波長選択旋光子。
【請求項６】
前記コレステリック相液晶の選択反射波長が３００〜６１０ｎｍの範囲のいずれか一点にあることを特徴とする請求項１〜５いずれか１項に記載の波長選択旋光子。
【請求項７】
前記波長λ２よりも長波長である波長λ３の直線偏光が入射するとき、偏光状態を実質的に変えずに出射する請求項１〜６いずれか１項に記載の波長選択旋光子。
【請求項８】
請求項３〜請求項７に記載の波長選択旋光子のうち少なくとも１つが、２以上重なって構成される波長選択旋光子。
【請求項９】
少なくとも前記波長λ１と前記波長λ２で前記第１の直線偏光を出射する少なくとも一つの光源と、
前記光源から出射した光を偏向分離するビームスプリッタと、
前記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、
前記光源と前記ビームスプリッタとの間の光路中に配置された請求項１〜８いずれか１項に記載の波長選択旋光子とを備える光ヘッド装置。
【請求項１０】
前記波長λ１と前記波長λ２と前記波長λ３の前記第１の直線偏光を出射する少なくとも一つの光源を有し、
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７８５ｎｍ波長帯に含まれる請求項９に記載の光ヘッド装置。
【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の光を異なる直線偏光の光に変えて出射させる波長選択性を有する旋光子（以下、「波長選択旋光子」という）に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、光ストレージを扱う光学系として、ＣＤ、ＤＶＤ、光磁気ディスクなどの光記録媒体および、ＢＤ、ＨＤＤＶＤなどの高密度光記録媒体（以下、「光ディスク」という）に情報の記録および再生を行う光ヘッド装置を考える。光ヘッド装置において、半導体レーザからの出射光はレンズにより光記録媒体上に集光され、集光された出射光は光記録媒体で反射され戻り光となる。この戻り光となった出射光はビームスプリッタによって受光素子に導かれ、光記録媒体上の情報が電気信号に変換される。【０００３】
また、光ヘッド装置において、１／２波長板や、１／４波長板、偏光ビームスプリッタなどの素子を用いて、半導体レーザからの光の偏波面などの偏光状態を制御し、光の利用効率の向上、記録および再生の性能の向上を図ることができる。このとき、例えば、特定の波長の光が入射してその光と直交する偏光状態で出射させる機能を有する光学素子として、１／２波長板や旋光子が用いられる。【０００４】
１／２波長板は、特定の波長λで入射する光に対して、例えばリタデーション値が（２ｍ＋１）λ／２となるように構成する複屈折材料の選択およびその厚さ調整することで実現できる（ｍは整数）。これにより、入射する光の偏光状態に対して直交した偏光状態の光が出射される。【０００５】
また、入射する直線偏光を所望の直線偏光に旋光させる旋光子としては、液晶を光の進行方向に対してねじれて配向させるツイストタイプの液晶素子（以下、液晶旋光子という）がある。また、液晶ではない旋光子としては、水晶を用いた水晶旋光子が報告されている（非特許文献１）。【０００６】
【非特許文献１】鶴田匡夫著、「応用物理光学ＩＩ」培風館、１９９０年７月２０日、ｐ．１６７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、１／２波長板、液晶旋光子および水晶旋光子は、同じ方向の直線偏光で異なる波長の光が入射する場合、複数の波長の光に対して特定の偏光状態となるように制御して出射させることは困難となる。とくに、特定の波長の直線偏光の光に対して直交した光で出射させ、それとは異なる波長の直線偏光の光に対して偏光状態を変えずに出射させようとしたとき、これらを実現する波長の組合せが制限されるため自由度の高い設計が困難であった。【０００８】
また、１／２波長板および液晶旋光子は、直線偏光を入射して、出射する光を所望の偏光状態とするために、これらの光学素子に入射する光の偏光方向を特定しなければならない。例えば、複屈折材料により構成される１／２波長板の場合、直交する直線偏光の光を得るときには、入射する直線偏光方向を１／２波長板の光学軸と４５°の角度をなすように設定しなければならない。また、液晶旋光子の場合、液晶層の入射光側の界面の液晶分子の配向方向と入射する直線偏光方向とを一致するように設定しなければならない、という制限もあった。【０００９】
また、非特許文献１に記載の水晶旋光子は、上記のように入射する直線偏光方向の依存性はなく出射する光の偏光状態を直交させることができる。しかし、水晶旋光子は、前述のように特定の波長の光に対して直交する光を出射させることはできるものの、異なる波長に対しては入射する光に対する出射する光のなす角度（以下、旋光角）が異なってしまう。図９に水晶旋光子を用いて４０５ｎｍで入射する直線偏光の光を直交して出射させるように設計（旋光角＝９０°）し、異なる波長の直線偏光の光が入射したときの旋光角の波長依存性を示す。【００１０】
図９より、４０５ｎｍでは旋光角が９０°であるが、４０５ｎｍより長波長の光が入射すると旋光角が徐々に小さくなり、８００ｎｍでは約２０°となる。したがって、４０５ｎｍより長波長の光が入射すると、出射する光は直交せず、ゼロではない旋光角をもって出射される。また、水晶旋光子は、厚さがｍｍオーダーであるため光学素子スペースとして不利なだけでなく、コストが高くなるという問題もあった。したがって、これら列記した光学素子は、複数の異なる波長の光に対して、所望の偏光状態で出射させるような機能を実現するには制限が多く容易に実現が困難であった。このように、入射する光の波長が異なることによって出射する光の偏光状態の制御は、１／２波長板、液晶旋光子でも制限が多い。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するため、異なる波長の直線偏光の光が入射し、出射する直線偏光の光の旋光角を波長毎に自由に設定でき、さらに素子の厚さを薄くできる波長選択旋光子を実現することを目的とするものである。
本発明は、コレステリック相液晶からなる液晶層を備え、少なくとも波長λ１と波長λ２（λ１＜λ２）の光が入射する波長選択旋光子であって、前記液晶層に少なくとも前記波長λ１で第１の直線偏光の光が入射するとき前記第１の直線偏光と異なる直線偏光である第２の直線偏光の光に変換されて出射するとともに、前記波長λ２の直線偏光の光が入射するとき偏光状態を実質的に変えずに出射する波長選択旋光子を提供する。【００１２】
また、前記第１の直線偏光と前記第２の直線偏光とが略直交または、略４５°の角度をなす上記に記載の波長選択旋光子を提供する。【００１３】
この構成により、特定の波長の光が入射して所望の旋光角で旋光させて出射するとともに、異なる波長の光が入射して旋光させずそのままの偏光状態で出射する波長選択旋光子を実現できる。【００１４】
また、前記コレステリック相液晶が、入射する右回りの円偏光または左回りの円偏光いずれか一方で反射帯域を有し、前記波長λ１は、前記反射帯域より短波長側にあるとともに、前記波長λ２は、前記反射帯域より長波長側にある請求項１または請求項２に記載の波長選択旋光子を提供する。また、前記波長λ１と前記波長λ２と異なるとともに前記反射帯域より長波長側にある波長λ４（λ１＜λ４＜λ２）で前記第１の直線偏光が入射して、前記第２の直線偏光の光に変換されて出射する上記に記載の波長選択旋光子を提供する。【００１５】
また、前記コレステリック相液晶が、入射する右回りの円偏光または左回りの円偏光いずれか一方で反射帯域を有し、前記波長λ１および前記波長λ２は、前記反射帯域よりいずれも長波長側にある上記に記載の波長選択旋光子を提供する。【００１６】
この構成により、コレステリック相液晶の右回りで入射する円偏光の屈折率波長依存性と左回りで入射する円偏光の屈折率波長依存性との違いを利用し、特定の波長で入射する光に対して一定の旋光角で出射させる機能を有する波長選択旋光子を実現することができる。【００１７】
また、前記コレステリック相液晶の選択反射波長が３００〜６１０ｎｍの範囲のいずれか一点にあることを特徴とする上記に記載の波長選択旋光子を提供する。【００１８】
この構成により、波長λ１および波長λ２を広い範囲で設定することができるので、これらの波長の組合せの自由度が高い波長選択旋光子を実現することができる。【００１９】
また、前記波長λ１と前記波長λ２と異なる波長λ３（λ３＞λ２）で直線偏光の光が入射して偏光状態を実質的に変えずに出射する上記に記載の波長選択旋光子を提供する。【００２０】
この構成により、３つの異なる波長のうち波長λ１の直線偏光の光のみ偏光状態を変えて出射させる波長選択旋光子を実現することができる。【００２１】
また、上記に記載の波長選択旋光子のうち少なくとも１つが、２以上重なって構成される波長選択旋光子を提供する。【００２２】
この構成により、異なる２以上の波長の光、とくに異なる３以上の波長の光が入射してそれぞれの波長の光に対して所望の旋光角となるように出射できる設計自由度の高い波長選択旋光子を実現できる。【００２３】
また、少なくとも前記波長λ１と前記波長λ２で前記第１の直線偏光を出射する少なくとも一つの光源と、前記光源から出射した光を偏向分離するビームスプリッタと、前記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、前記光源と前記ビームスプリッタとの間の光路中に上記に記載の波長選択旋光子が配置される光ヘッド装置を提供する。【００２４】
この構成により、波長λ１の光と波長λ２の光を容易に偏向分離できる光学系を実現することができ、光ヘッド装置の光学系の設計自由度が大きくなる効果が得られる。【００２５】
また、前記波長λ１と前記波長λ２と前記波長λ３の前記第１の直線偏光を出射する少なくとも一つの光源を有し、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７８５ｎｍ波長帯に含まれる上記に記載の光ヘッド装置を提供する。【００２６】
この構成により、波長λ１の光（ＢＤ用の光）と波長λ２の光（ＤＶＤ用の光）、および波長λ１の光と波長λ３の光（ＣＤ用の光）を容易に偏向分離できる光学系を実現することができ、光ヘッド装置の光学系の設計自由度が大きくなる効果が得られる。例えば、一方の波長の光は偏光状態を変えずに透過させ、それとは異なるもう一方の波長の光に対して入射する光と直交する偏光状態で出射させる光学素子を用いると、偏光ビームスプリッタなどの素子を用いて入射する光の波長に応じて光を偏向分離させることができ、光学系の自由度が高くなる。偏向分離する光学素子としては、プリズムなどの偏光ビームスプリッタに限らず、入射光の偏光状態によって光を透過したり回折したりする回折素子であってもよい。
【発明の効果】
【００２７】
本発明は、特定の波長の直線偏光の光に対して一定の旋光角で旋光させて出射させるだけでなく、異なる波長の直線偏光の光に対しても旋光角を制御して出射させるかまたは、偏光状態を変えずに出射させる、制御性のよい波長選択旋光子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本願発明の波長選択旋光子の断面模式図
【図２】第１の実施形態におけるコレステリック相液晶層の屈折率の波長依存性
【図３】波長選択旋光子による旋光角が略直交であるときの光学系
【図４】波長選択旋光子による旋光角が略４５°であるときの光学系
【図５】第２の実施形態におけるコレステリック相液晶層の屈折率の波長依存性
【図６】第３の実施形態におけるコレステリック相液晶層の屈折率の波長依存性
【図７】光ヘッド装置の模式図
【図８】旋光角の入射波長依存性
【図９】従来の水晶旋光子を用いたときの旋光角の入射波長依存性
【符号の説明】
【００２９】
１０  波長選択旋光子
１１ａ、１１ｂ  透明基板
１２ａ、１２ｂ  配向膜
１３  コレステリック相液晶層
１６、２３  偏光ビームスプリッタ
１７、２５ａ、２５ｂ  １／４波長板
１８  液晶素子
１８ａ  液晶分子
１９  電圧制御装置
２０  光ヘッド装置
２１  光源
２２  コリメートレンズ
２４  ミラー
２６ａ、２６ｂ  対物レンズ
２７ａ  高密度光記録媒体
２７ｂ  ＤＶＤ／ＣＤ
２８  光検出器
３１ａ  ４０５ｎｍ波長帯の光路（往路）
３１ｂ  ４０５ｎｍ波長帯の光路（復路）
３２ａ  ６６０／７８５ｎｍ波長帯の光路（往路）
３２ｂ  ６６０／７８５ｎｍ波長帯の光路（復路）
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
（第１の実施の形態）
図１は、本実施の形態にかかる波長選択旋光子１０の概念的な構成を示す図である。図１において、波長選択旋光子１０は複屈折材料として、重合部位を有する液晶とカイラル剤からなるコレステリック相液晶を重合・高分子化したコレステリック相高分子液晶膜１３を用いる。図１に示されるように、透明基板１１ａ、１１ｂ上に形成されたポリイミド膜を塗布・焼成し、ラビング処理を施して配向膜１２ａ、１２ｂとする。配向膜１２ａ、１２ｂを対向させるように重ね合わせ、重合部位を有するコレステリック相液晶モノマーを配向膜１２ａ、１２ｂ間に注入し、紫外線照射により重合固定化してコレステリック相高分子液晶膜１３とする。この時、球状や円柱状のスペーサ（図示せず）を配向膜１２ａ、１２ｂ間に配置することによりコレステリック相高分子液晶膜１３を所望の厚みに保持する。コレステリック相液晶は重合固定化しなくても液晶分子の螺旋軸が厚さ方向に平行で一定のピッチで螺旋していれば同じ効果が得られるが、重合固定化すると信頼性や温度特性が向上し好ましい。【００３１】
透明基板は、ガラスやプラスチックなどで構成されるが、耐光性、耐熱性の面からガラスを用いるのが好ましい。また、配向膜は、ポリイミド膜をラビングして形成するほかにＳｉＯ２などを斜方蒸着により形成してもよい。また、入射光の損失を低減するため、透明基板面に反射防止膜を形成すると好ましい。【００３２】
コレステリック相液晶は、入射光の波長λが螺旋ピッチＰとコレステリック相液晶の屈折率ｎとの積と同程度の場合、螺旋軸方向と平行に入射する光のうち、液晶分子のねじれ方向と同じ回転方向となる円偏光がほぼ反射され、逆向きの回転方向となる円偏光はほぼ透過する円偏光依存性を有する。この反射特性を示す波長帯域の中心波長λ０（以下、選択反射波長という）は、螺旋ピッチをＰ、液晶の常光屈折率をｎｏ、異常光屈折率をｎｅとすると（１）式の関係で示される。また、反射帯域幅Δλは、（２）式の関係で示される。また、以下（λ０±Δλ／２）を反射波長帯域と定義する。【００３３】
【数１】
2009107748.tif 000003
【００３４】
このことから、反射波長帯域の光が、液晶分子の螺旋軸方向と平行する方向に進行し液晶分子のねじれ方向と同じ回転方向となる円偏光である場合、コレステリック相高分子液晶膜１３は反射膜として作用する。反射波長帯域の反射率は、コレステリック相高分子液晶膜１３内部の螺旋ピッチ数に依存する。螺旋ピッチ数は液晶分子の回転数で表す。１０回転を超える螺旋ピッチ数では膜厚に依存せず反射波長帯域でほぼ一様に高い反射率を示す。【００３５】
図２にコレステリック相高分子液晶膜１３の屈折率の波長依存性の概念図を示す。コレステリック相高分子液晶層１３の液晶分子のねじれ方向は光の進行方向に向かって右回りであっても左回りであってもよく、以下、例として液晶分子のねじれ方向が、光の進行方向に向かって右回りであるとして説明する。この場合、右回りの円偏光の光が入射すると、反射波長帯域の近傍において屈折率の変化が大きくなる。一方、左回りの円偏光の光に対して反射波長帯域を有さないので、大きな屈折率の変動は生じない。このとき、波長λの右回りの円偏光に対する屈折率をｎＲ（λ）、左回りの円偏光に対する屈折率をｎＬ（λ）とし、円偏光屈折率異方性Δｎ（λ）＝｜ｎＲ（λ）−ｎＬ（λ）｜とする。【００３６】
このとき、反射波長帯域の近傍では０ではないΔｎを有する。また、反射波長帯域から大きく離れた波長の光が入射すると、Δｎが反射波長帯域近傍に比べて小さく、Δｎがほぼ０となる波長の光が入射すると、円偏光による屈折率異方性が発現しなくなる。この反射波長帯域は、上記のように螺旋ピッチＰを調整することによって制御することができる。つまり、不斉炭素を有するネマチック液晶やネマチック液晶にカイラル剤を添加してコレステリック相液晶を構成するが、このカイラル剤の添加量を調整して反射波長帯域を決定することができる。【００３７】
このように、図２に示す反射波長帯域では、液晶分子のねじれ方向と一致する円偏光の光が反射されて透過率が大きく低下するので、コレステリック相液晶を透過する光は、主としてこのねじれ方向と逆回りの円偏光の光となる。したがって、この反射波長帯域内の波長の直線偏光の光を入射させると、直線偏光の光ではなく円偏光の光が出射され、さらに透過率は約半分くらいまで低下する。したがって、入射する光の波長が反射波長帯域内であると、旋光子としての機能を得ることができないので、カイラル剤の調整により反射波長帯域は、入射する光の波長が入らないように設定するとよい。【００３８】
このように、図２においてこの反射波長帯域の設定し、反射波長帯域を避けるよう波長の異なる光を入射させ、各波長におけるΔｎの値を調整することができる。本実施形態では、２つの波長λ１およびλ２（λ１＜λ２）においてこれらの波長を、それぞれ反射波長帯域に対して短波長側および長波長側に設定する。とくに、Δｎ＞０となる波長をλ１に設定し、Δｎ≒０となる波長をλ２に設定する。このようにして、λ１におけるΔｎであるΔｎ（λ１）の特性を有するコレステリック相液晶の層の厚さｄを与え、（３）式のように示される。なお、ｍは整数を示す。【００３９】
【数２】
2009107748.tif 000004
【００４０】
なお、（３）式のようにΔｎ（λ）・ｄを以下、波長λの光に対するリタデーションと定義する。このように（３）式を満足するようにリタデーションを設定することで、波長λ１の直線偏光の光が入射すると、入射する直線偏光の光に対して直交する直線偏光の光が出射される。一方、波長λ２の光はリタデーションが発現しないので、入射する光の偏光状態が変わらずに出射させることができる。また、（３）式は入射光と出射光との偏光状態を略直交させるためのリタデーションの条件を示したが、厚さｄの値を調整することで任意の旋光角で旋光させた光を出射させることができる。ここでは、入射する光の偏光状態は波長が異なる場合でも同じ方向に振動する直線偏光が入射するものとし、このときの偏光状態を第１の偏光状態とする。また、出射する光のうち第１の偏光状態と異なる偏光状態を第２の偏光状態として説明する。【００４１】
また、上記では、第１の偏光状態と第２の偏光状態とが略直交するような設計条件としたが、この他に第１の偏光状態と第２の偏光状態とが略４５°の角度となるように設計してもよい。このように、特定の波長に対して旋光性を発現させるとともに旋光角を任意に設計できる波長選択旋光子を実現できる。なお、略直交とは、入射光の偏光方向に対する出射光の偏光方向の角度が９０±１０°の範囲とし、偏光状態が実質的に変わらないで出射する（略平行）とは、入射光の偏光方向に対する出射光の偏光方向の角度が±１０°の範囲とする。さらに、略４５°は４５±１０°の範囲とする。【００４２】
また、波長λ１における円偏光屈折率異方性Δｎ（λ１）は、入射する波長λ１の光がゆらいだときに特性が大きく変動しないように反射波長帯域の近傍よりも離れ、旋光角が波長変化に対して略一定となる波長として設定すると、光学特性が安定するので好ましい。光学系にもよるが、波長λ１±３％のゆらぎでΔｎ（λ１）/λ１が±１０％以内の変動であると旋光角の波長変動が１０％以内となり好ましい。【００４３】
このように波長λ１と波長λ２の光が入射したときに偏光状態を異ならせることができる波長選択旋光子の使用例を説明する。まず、波長選択旋光子が、波長λ１の光が入射したとき入射する偏光方向に対して略直交する偏光方向で出射するとともに、波長λ２の光が入射したとき実質的に偏光状態が変わらない機能を有する場合を考える。図３に波長選択旋光子１０の光の出射側に偏光ビームスプリッタ１６を配置した光学系を示す。図３（ａ）では波長λ１の光が波長選択旋光子１０を略直交した旋光角で出射するとＹ軸方向に振動した直線偏光となり、偏光ビームスプリッタでは光はＺ方向に偏向される。一方、図３（ｂ）では波長λ２の光は波長選択旋光子１０から実質的に偏光状態を変えずＺ軸方向に振動した直線偏光で出射し、偏光ビームスプリッタ１６でもＸ方向へ直進透過する。このように入射する光の波長によって偏向方向を分離することができ、光学系の設計自由度が高まる。なお、偏光ビームスプリッタはこれに限らず、偏光性を有する回折素子であってもよい。【００４４】
また、波長選択旋光子に波長λ１で入射した光が略直交ではない旋光角で出射する光学系の例を説明する。図４（ａ）および図４（ｂ）は、波長選択旋光子１０の光の出射側にＺ軸とＹ軸に光学軸を有する１／４波長板１７を配置した光学系を示す模式図である。図４（ａ）では、波長λ１の光が波長選択旋光子１０を略４５°の旋光角で出射する。そして、１／４波長板１７に入射する直線偏光の振動方向は１／４波長板１７の光学軸に対して略４５°の角度をなすので出射する光は円偏光となる。一方、図４（ｂ）では、波長λ２の光が波長選択旋光子１０を実質的に偏光状態が変わらない状態で出射する。そして、１／４波長板１７に入射する直線偏光の振動方向は、１／４波長板１７の光学軸のいずれか一方に平行となるので、偏光状態は変わらずに出射する。このように波長によって円偏光と直線偏光を発現させることができ、光学系の設計自由度が高まる。なお、波長板は１／４波長板に限らず所望の偏光状態となるように波長板を設計することができる。
また、波長選択旋光子を用いた光学系はこれに限らない。【００４５】
また、図４（ｃ）および図４（ｄ）は、波長選択旋光子１０の光の出射側に、電圧制御装置１９によって印加する電圧を制御することによってＺ方向の偏光方向の光に対して光路長を変調することができる液晶素子１８を配置した光学系を示す模式図である。図４（ｃ）は、波長λ１の光が波長選択旋光子により略４５°旋光した時の様子を示し、図４（ｄ）は、波長λ2の光が波長選択旋光子により実質的に偏光状態が変わらない時の様子を示したものである。液晶素子１８の光の入射面および出射面には図示しないＩＴＯなどからなる透明電極が配置され、さらに電圧を印加しないときの液晶の配向を制御する図示しない配向膜が形成されており、電圧を印加しないときにはＺ方向に液晶分子１８ａの長軸方向が一様に配向している。液晶素子１８は、例えば、電圧制御装置１９によって液晶素子１８のＸ方向に印加する電圧の大きさに応じて、図４（ｃ）のように液晶分子１８ａの長軸方向がＺ方向とＸ方向の面内で傾斜することによりＺ方向の偏光方向の光に対して光路長を変調することができる。【００４６】
このとき、Ｙ方向の偏光方向の光の光路長は電圧の印加により変調されない。ここで、図４（ｃ）に示すように波長選択旋光子１０を出射した波長λ１の光は、偏光方向と液晶素子１８の光学軸が略４５°となるので、波長板として機能する。ここで、液晶素子１８のＺ方向の偏光方向の光の光路長とＹ方向の偏光方向の光の光路長の差を液晶素子１８に印加する電圧の大きさにより制御することで液晶素子１８を出射する光の偏光状態を円偏光、楕円偏光など所望の偏光状態とすることができる。【００４７】
一方、図４（ｄ）に示すように、波長λ２の光は波長選択旋光子１０を実質的に偏光状態が変わらない状態で出射する。波長選択旋光子１０を出射した波長λ２の光は、液晶素子１８の光学軸のいずれか一方と平行となるので印加電圧の大きさにかかわらず偏光状態は変わらず出射する。このように波長によって液晶素子１８に印加する電圧の大きさに応じて偏光状態を制御することができる。また、波長選択旋光子１０の旋光角が４５°として説明したが、９０°やその他の角度をなすものであってもよく、液晶素子１８に入射する光の偏光状態を変える場合、液晶素子１８に入射する光の偏光方向と、液晶分子１８ａの長軸方向および短軸方向と、が異なるようにすればよい。また、上記に限らず、波長λ１の光の偏光状態を変えずに、波長λ２の光の偏光状態を変えるものとすることもできる。【００４８】
また、液晶素子１８に入射する光の偏光方向と、液晶分子１８ａの長軸方向を一致させることにより液晶素子から出射する光の位相を、印加する電圧の大きさに応じて変調することができる。例えば、波長選択旋光子１０を出射した波長λ１の光はＺ方向の偏光方向で、波長λ２の光はＹ方向の偏光方向となるよう設定することにより、波長λ１の光は印加する電圧に応じて光の位相を変調させることができ、波長λ２の光は印加する電圧の大きさにかかわらず位相が変化しない。また、液晶素子１８のＺ方向とＹ方向の面内に所望の位相の分布を形成することにより波長λ１の波面形状を制御することができる。位相の分布を形成する方法として図示しないＩＴＯなどを分割することにより電圧分布を形成することにより発現することができる。このように波長によって液晶素子１８に印加する電圧の大きさに応じて位相または波面形状を制御することができる。また、上記に限らず、波長λ１の光の位相または波面形状を変えずに、波長λ２の光の位相または波面の形状変えるものとすることもできる。【００４９】
（第２の実施形態）
本実施形態は、第１の実施形態の波長選択旋光子１０と同じ構成において、コレステリック相液晶のピッチＰの値を調整し、反射波長帯域を波長λ１に対して短波長側に設定したものである。図５に屈折率の波長依存性の概念図を示すが、波長λ１が反射波長帯域に対して長波長側にあるとともにΔｎ（λ１）がゼロではない値を有する。そして、同様に波長λ１に対してΔｎ（λ１）の屈折率異方性とコレステリック相液晶層の膜厚によるリタデーションを調整して旋光角を決定することができる。入射する直線偏光の光に対して略直交する偏光状態の光を出射させるときは、上記（３）式を満足するように設計するとよい。【００５０】
また、これまでは入射する光を波長λ１と波長λ２の２つの異なる波長として説明したが、３つ以上の異なる波長においてそれぞれの波長における所望の旋光角を実現できるように反射波長帯域およびコレステリック相液晶層の膜厚を設定することができる。【００５１】
（第３の実施形態）
本実施形態は、第１の実施形態の波長選択旋光子１０と同じ構成において、コレステリック相液晶のピッチＰの値を調整し、反射波長帯域を波長λ１と波長λ２との間に設定したものである。また、図６に示すように波長λ１と波長λ２との間の波長として波長λ４（λ１＜λ４＜λ２）に対する円偏光屈折率異方性Δｎ（λ４）をゼロではない値を有するようにできれば２つの異なる波長λ１および波長λ４において所望の旋光角となる特性を有する波長選択旋光子を実現することができる。【００５２】
さらに、例えば、波長選択旋光子が、同一方向の直線偏光で入射する波長λ１の光および、波長λ４の光および波長λ２の光に対してそれぞれ、−４５°、＋４５°および０°の旋光角となるように設定し、波長選択旋光子の光の出射側に少なくとも波長λ１〜波長λ２の波長帯域の光に対して１／４波長板の機能を有する、広帯域１／４波長板を配置または積層することもできる。このように組み合わせると、波長λ１の光、波長λ４の光および波長λ２の光に対して、それぞれ円偏光、円偏光および直線偏光または直線偏光、直線偏光および円偏光、として偏光状態を制御することができる。なお、波長選択旋光子の光の出射側には広帯域１／４波長板に限らず、種々の機能を有する光学素子を配置することで高い自由度で偏光状態の設計が可能となる。【００５３】
（第４の実施形態）
第１〜３の実施形態は、波長選択旋光子１０として１つのコレステリック相（高分子）液晶層を用いて各波長の光に対して所望の旋光角を得るものとして説明したが、例えば、旋光特性が異なる２つ以上のコレステリック相（高分子）液晶層を光路中に配置するものであってもよく、この場合、より自由度の高い設計が実現できる。図示しないが、本実施形態の波長選択旋光子は、例えば、１枚の透明基板の両側に２つ以上のコレステリック相（高分子）液晶層が形成される構成を有するものであってもよい。【００５４】
このように２層以上のコレステリック液晶層を含む波長選択旋光子として、例えば、第２の実施形態に係る図５の特性を有する層を第１のコレステリック相液晶層とし、第３の実施形態に係る図６の特性を有する層を第２のコレステリック相液晶層とする。このとき、波長λ１における円偏光屈折率異方性Δｎ（λ１）が、第１のコレステリック相液晶層、第２のコレステリック相液晶層いずれも等しい場合、これらを透過する波長λ１の光は、第１のコレステリック相液晶層で旋光した方向と、第２のコレステリック相液晶層で旋光した方向とが互いに逆になり、旋光角が相殺されるので、波長選択旋光子に入射する直線偏光のまま出射する。【００５５】
一方、波長λ４の光（λ１＜λ４＜λ２）における円偏光屈折率異方性Δｎ（λ４）は、第１のコレステリック相液晶層では略０であって旋光せず、第２のコレステリック相液晶層のみで旋光角を調整することができる。さらに、波長λ２の光における円偏光屈折率異方性Δｎ（λ２）は、第１のコレステリック相液晶層および第２のコレステリック相液晶層においていずれも略０であるので、波長選択旋光子に入射する直線偏光のまま出射する。このように、例えば、特性の異なる２つのコレステリック相液晶層を備える波長選択旋光子を用いることで、波長λ４のみの光に対して特定の旋光角を与えるように設計することができる。また、波長選択旋光子は、コレステリック相液晶層を３層以上有するものであってもよい。２層以上のコレステリック相液晶層の組合せとして、液晶分子のねじれ方向が光の進行方向に対して右回りのみ、左回りのみに限らず、右回りと左回りのものとを含んで構成されていてもよい。また、同じ円偏光屈折率の波長依存性を有するコレステリック相液晶層を有するものあってもよい。【００５６】
（光ヘッド装置の実施形態）
本実施形態は、波長選択旋光子を具備した光ヘッド装置であり、図７に模式図を示す。光ヘッド装置２０は、Ｂｌｕ−ｒａｙ（登録商標）またはＨＤＤＶＤ、ＤＶＤおよびＣＤをそれぞれ再生・記録できるものである。なお、Ｂｌｕ−ｒａｙまたはＨＤＤＶＤ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７８５ｎｍ波長帯（７７０〜８００ｎｍ）のレーザ光を用いる。【００５７】
なお、光ヘッド装置２０は、これら３つの異なる波長のレーザ光に対して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、これら全ての波長に対する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７８５ｎｍ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。【００５８】
光源２１は、２種類または３種類の波長の直線偏光の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Ｘ軸方向に進行し、Ｚ軸方向に振動する直線偏光の光として説明する。【００５９】
光源２１から発射された光はコリメータレンズ２２で平行光となり、波長選択旋光子１０に入射する。波長選択旋光子１０は、４０５ｎｍ波長帯の光は約９０°旋光し、６６０ｎｍ波長帯および７８５ｎｍ波長帯の光に対しては旋光しない、つまり旋光角が約０°となる特性を有するものを配置する。つまり、第１の実施形態および第２の実施形態の波長選択旋光子の特性である図２および図５においてλ１が４０５ｎｍ、λ２が６６０ｎｍ、図示しないλ３（＞λ２）が７８５ｎｍとして設定したものである。ここで、光ヘッド装置２０において、４０５ｎｍ波長帯の光路を実線で示し、光源２１から高密度光記録媒体２７ａに到達するまでの光路を往路３１ａとし、高密度光記録媒体２７ａから光検出器２８に到達するまでの光路を復路３１ｂとして示す。また、６６０ｎｍ波長帯および７８５ｎｍ波長帯の光路を点線で示し、光源２１からＤＶＤ／ＣＤ２７ｂに到達するまでの光路を往路３２ａとし、ＤＶＤ／ＣＤ２７ｂから光検出器２８に到達するまでの光路を復路３２ｂとして示す。【００６０】
Ｚ方向に振動する４０５ｎｍ波長帯の光は波長選択旋光子１０で９０°旋光してＹ方向に振動する直線偏光の光となり、偏光ビームスプリッタ２３に入射する。偏光ビームスプリッタはＹ方向に振動する光を高密度記録媒体２７ａの方向に偏向させ、１／４波長板２５ａおよび対物レンズ２６ａを透過し、高密度記録媒体２７ａの情報記録面に集光させる。反射された復路の光３１ｂは、対物レンズ２６ａおよび１／４波長板２５ａを透過し、Ｘ軸方向に振動する直線偏光の光となり、偏光ビームスプリッタ２３を直進透過して光検出器２８に到達する。【００６１】
一方、Ｚ方向に振動する６６０ｎｍおよび７８５ｎｍの光は波長選択旋光子１０では偏光状態を変えずにＸ方向に進行し、偏光ビームスプリッタ２３を直進透過する。偏光ビームスプリッタ２３を透過した光はミラー２４によってＤＶＤ／ＣＤ２７ｂの方向に反射し、（広帯域）１／４波長板２５ｂおよび対物レンズ２６ｂを透過し、ＤＶＤ／ＣＤの情報記録面に集光させる。反射された光は、対物レンズ２６ｂおよび（広帯域）１／４波長板を透過し、ミラーによって偏光ビームスプリッタ２３に向かってＹ方向に振動して進行する。この復路の光３２ｂは、偏光ビームスプリッタ２３で光検出器の方向へ反射されて到達する。【００６２】
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波長選択旋光子１０を用いることで、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、本実施形態では、４０５ｎｍ波長帯を９０°の旋光角としたが、これに限らず、旋光角は光ヘッド装置の光学部品の配置やレーザ光の偏光方向によって自由に調整することができる。【００６３】
（実施例１）
実施例では、図１を参照にして波長選択旋光子の具体的な作製方法を説明する。図示しない低反射コートを施した透明基板１１ａ、１１ｂ上にポリイミド膜を塗布・焼成し、ポリイミド膜表面にラビングを施して配向膜１２ａ、１２ｂとした。配向膜を施した透明基板を、直径約１５μｍの図示しないスペーサを散布して配向膜を対向させるように重ねた。４０５ｎｍの波長の光に対する常光屈折率（ｎｏ）が１．５６、異常光屈折率（ｎｅ）が１．７４のネマチック液晶にねじり力（Ｈｅｌｉｃａｌ  Ｔｗｉｓｔ  Ｐｏｗｅｒ：ＨＴＰ）が３６．５のカイラル剤を９．４ｗｔ％添加したコレステリック相液晶を配向膜の間に注入し、波長３６５ｎｍの紫外線を照射して重合・高分子化し、コレステリック相液晶層１３を形成した。このとき、コレステリック相液晶層の厚さ方向のピッチＰは約３００ｎｍであり、選択反射波長λ０が約４７０ｎｍに相当する波長選択旋光子が実現できた。【００６４】
作製した波長選択旋光子に対して、透明基板面に垂直な方向より３５０〜８００ｎｍの範囲の直線偏光の光を入射させたときに出射する直線偏光の光の旋光角を調べた。図８に入射波長に対する旋光角を示す。選択反射波長λ０が４７０ｎｍであるので、４７０ｎｍ近辺では入射光は反射される。また、４０５ｎｍの光に対して、旋光角は８７°、６６０ｎｍは−７°、７８５ｎｍは−２°となった。したがって、この波長選択旋光子を光ヘッド装置２０に配置した場合、良好な特性を得ることができた。【００６５】
（実施例２）
カイラル剤の添加量およびコレステリック相液晶層の厚さを変えた以外は実施例１と同じ構成である波長選択旋光子を作製する。４０５ｎｍの波長の光に対する常光屈折率（ｎｏ）が１．５６、異常光屈折率（ｎｅ）が１．７４のネマチック液晶にＨＴＰが３６．５のカイラル剤を１３．５ｗｔ％添加したコレステリック相液晶を配向膜の間に注入し、波長３６５ｎｍの紫外線を照射して重合・高分子化し、膜厚１４μｍのコレステリック相液晶層１３を形成する。このとき、コレステリック相液晶層の厚さ方向のピッチＰは約２００ｎｍであり、選択反射波長λ０が約３４０ｎｍに相当する波長選択旋光子が実現できた。【００６６】
上記波長選択旋光子に対して旋光角の計算を実施したところ、４０５ｎｍの光に対して、旋光角は−４５°、６６０ｎｍは−１．５°、７８５ｎｍは−０．５°となり、４０５ｎｍの波長に対してのみ旋光子として機能する波長選択旋光子を実現することができた。【００６７】
（実施例３）
カイラル剤の添加量およびコレステリック相液晶層の厚さを変えた以外は実施例１、実施例２と同じ構成である波長選択旋光子を作製する。４０５ｎｍの波長の光に対する常光屈折率（ｎｏ）が１．５６、異常光屈折率（ｎｅ）が１．７４のネマチック液晶にねじり力ＨＴＰが３６．５のカイラル剤を７．４ｗｔ％添加したコレステリック相液晶を配向膜の間に注入し、波長３６５ｎｍの紫外線を照射して重合・高分子化し、膜厚１８μｍのコレステリック相液晶層１３を形成する。このとき、コレステリック相液晶層の厚さ方向のピッチＰは約３７０ｎｍであり、選択反射波長λ０が約５９０ｎｍに相当する波長選択旋光子が実現できた。【００６８】
上記波長選択旋光子に対して旋光角の計算を実施したところ、４０５ｎｍの光に対して、旋光角は９１°、６６０ｎｍは−４４°、７８５ｎｍは−８°となり、４０５ｎｍおよび６６０ｎｍの２波長に対してだけ旋光子として機能する波長選択旋光子を実現することができた。【００６９】
（実施例４）
カイラル剤の添加量およびコレステリック相液晶層の厚さを変えた以外は実施例１〜３と同じ構成である波長選択旋光子を作製する。４０５ｎｍの波長の光に対する常光屈折率（ｎｏ）が１．５６、異常光屈折率（ｎｅ）が１．７４のネマチック液晶にねじり力ＨＴＰが３６．５のカイラル剤を７．８ｗｔ％添加したコレステリック相液晶を配向膜の間に注入し、波長３６５ｎｍの紫外線を照射して重合・高分子化し、膜厚２８μｍのコレステリック相液晶層１３を形成する。このとき、コレステリック相液晶層の厚さ方向のピッチＰは約３５０ｎｍであり、選択反射波長λ０が約５６０ｎｍに相当する波長選択旋光子が実現できた。【００７０】
上記波長選択旋光子に対して旋光角の計算を実施したところ、４０５ｎｍの光に対して、旋光角は−４７°、６６０ｎｍは−４１°、７８５ｎｍは−９°となり、４０５ｎｍおよび６６０ｎｍの２波長に対してだけ旋光子として機能する波長選択旋光子を実現することができた。【００７１】
（比較例）
カイラル剤の添加量およびコレステリック相液晶層の厚さを変えた以外は実施例１、実施例２と同じ構成である波長選択旋光子を作製する。４０５ｎｍの波長の光に対する常光屈折率（ｎｏ）が１．５６、異常光屈折率（ｎｅ）が１．７４のネマチック液晶にねじり力ＨＴＰが３６．５のカイラル剤を６．７ｗｔ％添加したコレステリック相液晶を配向膜の間に注入し、波長３６５ｎｍの紫外線を照射して重合・高分子化し、膜厚１６μｍのコレステリック相液晶層１３を形成する。このとき、コレステリック相液晶層の選択反射波長λ０が約６６０ｎｍに相当する波長選択旋光子が実現できた。【００７２】
上記波長選択旋光子に対して旋光角の計算を実施したところ、直線偏光が入射するとき、４０５ｎｍの光に対して、旋光角は８９°、７８５ｎｍは−１４°となる。しかし、反射波長帯域となる６６０ｎｍの直線偏光に対して円偏光の光となり、また、透過率も約半分となるの、旋光子として有用に機能しない。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
以上のように、特定の波長の直線偏光の光に対して一定の旋光角で旋光させて出射させるだけでなく、異なる波長の直線偏光の光に対しても旋光角を制御して出射させるかまたは、偏光状態を変えずに出射させる、制御性のよい波長選択旋光子を実現でき、光ヘッド装置などの光学系に利用することができ有用である。【００７４】
本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。
本出願は、２００８年２月２７日出願の日本特許出願２００８−０４６２６８に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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