(57)【要約】【課題】簡便な構造で均一な位相差を変調できる光学素子を提供する。【解決手段】光学素子１００は、一対の基板１０３と、一対の基板１０３の間に設けられ、一対の基板１０３の間の距離を任意に変える変形材料１０５と、一対の基板１０３と変形材料１０５とに囲まれ、液晶１１２が充填される光学領域１０４と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の基板と、
前記一対の基板の間に設けられ、前記一対の基板の間の距離を変える変形材料と、
前記一対の基板と前記変形材料とに囲まれ、液晶が充填される光学領域と、
を備えることを特徴とする光学素子。
【請求項２】
一対の基板と、
前記一対の基板の間に設けられ、前記一対の基板の間の距離を変える変形材料と、
前記変形材料と同一平面に設置され、該変形材料と連結している弾性材料と、
前記一対の基板と前記変形材料と前記弾性材料との間に囲まれ、液晶が充填される光学領域と、
を備えることを特徴とする光学素子。
【請求項３】
前記変形材料は、熱、電気、光の少なくとも一つによって形状と体積を変化させることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学素子。
【請求項４】
前記弾性材料は、ゴムあるいはシリコンゴム等の伸縮性のある材料で構成されていることを特徴とする請求項２又は３に記載の光学素子。
【請求項５】
液晶が充填される液晶供給部と、
前記液晶供給部と前記光学領域とを連通する連通部と、
を備え、
前記液晶供給部は、前記一対の基板内部の体積変化に応じ、液晶を前記光学領域へ供与、受入れをすることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の光学素子。
【請求項６】
前記連通部は、前記変形材料に設けられたことを特徴とする請求項５に記載の光学素子。
【請求項７】
前記連通部には、突起部が設けられていることを特徴とする請求項６に記載の光学素子。
【請求項８】
前記一対の基板を回転させる回転ステージを有し、
前記回転ステージは透明な領域を備え、
前記一対の基板を固定しており、前記一対の基板を同一平面内で回転させることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の光学素子。
【請求項９】
前記一対の基板は、前記光学領域のダイレクターが同一方向に配向するように表面処理を施されたことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の光学素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学素子に係り、特に位相差を変調するための構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、液晶の光学異方性を利用した様々な光学素子が提供され、表示体、光ピックアップ装置、記録再生装置が提供されている。例えば光ピックアップ装置において、記録対象領域以外からの反射光による読み取りの不具合を改善するために、任意の領域に、任意の位相差を付与する位相差板が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−３４４３３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１では、液晶の電界制御により、位相差を変調することができる光学素子が開示されている。電界制御方式による位相差変調の場合、光学素子内部の液晶の配向が、電極に近い領域と遠い領域で異なっているため、一様でない。このため、光学素子の印加特性（電圧と位相差の関係）を光学素子ごとに予め求めておかねばならず、大幅な工数増加となるという課題がある。
【０００５】
したがって、本発明の目的は、上述した従来技術の課題を解決し、簡便な構造で均一な位相差を変調できる光学素子の提供をすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。即ち本発明は、熱、光、電気といった刺激により体積が変化する材料を内蔵することにより、簡便な方法で位相差を変調できる光学素子を形成したことをその要旨とする。
【０００７】
［適用例１］本適用例に係る光学素子は、一対の基板と、前記一対の基板の間に設けられ、前記一対の基板の間の距離を変える変形材料と、前記一対の基板と前記変形材料とに囲まれ、液晶が充填される光学領域と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
本適用例によれば、変形材料が刺激により体積変化を起こし、一対の基板間の容積が変化する。このとき、材料の変形特性（刺激と体積変化の関係）は、材料固有のものであり、この関係を一度求めれば、位相差をΔｎｄにより求めることができ、光学素子を作るごとに位相差と電圧との関係を求める必要がなくなり、簡便な構造で均一な位相差を変調できる。また大幅な工数削減が実現する。
【０００９】
［適用例２］本適用例に係る光学素子は、一対の基板と、前記一対の基板の間に設けられ、前記一対の基板の間の距離を変える変形材料と、前記変形材料と同一平面に設置され、該変形材料と連結している弾性材料と、前記一対の基板と前記変形材料と前記弾性材料との間に囲まれ、液晶が充填される光学領域と、を備えることを特徴とする。
【００１０】
本適用例によれば、変形材料が刺激により体積変化を起こし、一対の基板間の容積が変化する。このとき、材料の変形特性（刺激と体積変化の関係）は、材料固有のものであり、この関係を一度求めれば、位相差をΔｎｄにより求めることができ、光学素子を作るごとに位相差と電圧との関係を求める必要がなくなり、簡便な構造で均一な位相差を変調できる。また大幅な工数削減が実現する。さらに、変形材料と弾性材料が一対の基板間に挟まれており、変形材料の変形に合わせて弾性材料も変形することができる。変形材料の製造コストが大きい場合、一部を弾性材料に置き換えることにより、少量の変形材料で光学素子の構成が可能となる。また、体積の大きい変形材料の場合、十分な変形特性が得られないと小さい傷や割れ目が生じ、変形の際に断裂してしまう可能性がある。変形材料の一部を柔軟性の高い弾性材料に置き換えることにより、前述の課題を回避することができる。
【００１１】
［適用例３］上記適用例に記載の光学素子において、前記変形材料は、熱、電気、光の少なくとも一つによって形状と体積を変化させることを特徴とする。
【００１２】
本適用例によれば、変形材料は、熱、電気、光の外部刺激により、体積変化をする材料であり、例えば、液晶ポリマー、イオン交換樹脂などがある。これらの変形材料を用いることにより、基板を分解して組みなおすといった機械的な操作を経ることなく、基板間の空間の体積を変えることができる。
【００１３】
［適用例４］上記適用例に記載の光学素子において、前記弾性材料は、ゴムあるいはシリコンゴム等の伸縮性のある材料で構成されていることを特徴とする。
【００１４】
本適用例によれば、変形材料と安価で入手が容易な弾性材料を組み合わせることにより、光学素子の製造コストを大幅に低減することができる。また、変形材料で十分な柔軟性が得られない場合、一部を柔軟性の高い弾性材料に置き換えることにより、変形の際の断裂を回避することができる。
【００１５】
［適用例５］上記適用例に記載の光学素子において、液晶が充填される液晶供給部と、前記液晶供給部と前記光学領域とを連通する連通部と、を備え、前記液晶供給部は、前記一対の基板内部の体積変化に応じ、液晶を前記光学領域へ供与、受入れをすることを特徴とする。
【００１６】
本適用例によれば、液晶供給部を設けることにより、一対の基板間の体積変化に応じて、液晶を供給、受入れをすることができる。これにより、アクチュエーターの動きに応じて起こる一対の基板間の体積変化に対応して液晶の量を調整することができる。
【００１７】
［適用例６］上記適用例に記載の光学素子において、前記連通部は、前記変形材料に設けられたことを特徴とする。
【００１８】
本適用例によれば、変形材料の一部に連通部を設けることにより、液晶供給部と一対の基板間の液晶の移動が自由に行える。
【００１９】
［適用例７］上記適用例に記載の光学素子において、前記連通部には、突起部が設けられていることを特徴とする。
【００２０】
本適用例によれば、連通部内部に突起部を設けることにより、連通部の面積を確保することができるため、変形材料が変形し、連通部をふさいで液晶の移動が止まることを回避することができる。
【００２１】
［適用例８］上記適用例に記載の光学素子において、前記一対の基板を回転させる回転ステージを有し、前記回転ステージは透明な領域を備え、前記一対の基板を固定しており、前記一対の基板を同一平面内で回転させることを特徴とする。
【００２２】
本適用例によれば、回転ステージにより、基板全体を同一平面内で自由に回転することができるため、入射する偏光の偏光軸の方向を任意に変えることができる。
【００２３】
［適用例９］上記適用例に記載の光学素子において、前記一対の基板は、前記光学領域のダイレクターが同一方向に配向するように表面処理を施されたことを特徴とする。
【００２４】
本適用例によれば、液晶のダイレクターが、同一方向に配向することによって、液晶が同一方向に配向し、Δｎｄで与えられる位相差が、膜厚のみで決めることができる位相差板を形成することができる。ここでΔｎは液晶の屈折率異方性、ｄは前記一対の基板間に挟まれた液晶の膜厚である。
【００２５】
なお、以上述べた各構成は、本発明の趣旨を逸脱しない限り、互いに組み合わせることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】第１実施形態に係る光学素子を示す分解斜視図。
【図２】第１実施形態に係る位相差変調素子を示す平面図及び断面図。
【図３】第１実施形態に係る位相差変調素子を示す平面図及び断面図。
【図４】第１実施形態に係る位相差変調素子の動作を示す断面図。
【図５】第２実施形態に係る位相差変調素子を示す平面図及び断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明を具体化した実施形態について図面に従って説明する。なお、使用する図面は、説明する部分が認識可能な状態となるように、適宜拡大又は縮小して表示している。
【００２８】
（第１実施形態）
Ａ．本実施形態の構成
図１は、本実施形態に係る光学素子を示す分解斜視図である。本実施形態に係る光学素子１００は、図１に示すように、位相差変調素子１０１と液晶供給部１０２とを備えている。このうち位相差変調素子１０１は、一対の基板１０３と、一対の基板１０３に挟まれた光学領域１０４と、刺激により変形可能な変形材料の一例である人工筋肉部１０５と、連通部１０６と、連結部１０７と、回転ステージ１０８と、を備えている。屈折率に異方性を持った物質中を光が進むとき、振動面の方向によって光の進行速度に差異を生じる。試料から出た光は通過速度の分だけ位相差を生じる。この位相差によって偏光状態が変わり、位相差を変調することは、偏光の状態を変調することに相当する。本発明における位相差変調素子は、光の偏光状態を任意に変調できる機能を有する光学素子である。
【００２９】
基板１０３は、光を透過し、所望の方向に配向した液晶１１２を薄膜状の形状に保持することができる。基板１０３は、ガラス、石英、プラスチック等透明な材料を用いれば良い。ただし耐久性を考慮するとガラス若しくは石英基板が望ましい。光学領域１０４の液晶１１２は室温で液晶状態であることが望ましく、高い応答性のためには、粘性の低いネマチック液晶が適している。
【００３０】
人工筋肉とは、外部からの刺激を力学的な力に変換する材料若しくはデバイスであり、異方性形状を持ったゴムへ圧縮空気を注入することにより変形するマッキベン型タイプ、形状記憶ポリマー、形状記憶合金、イオン交換樹脂、導電性ポリマーを用いた材料タイプが挙げられる。特に本実施形態における人工筋肉部１０５は、電気的なエネルギーを機械的なエネルギーに変換することができる材料であり、一般的には対向する一対の電極間に挟まれた弾性変形材料が、電極間に生じる静電引力により、変形し、筋肉のように振舞うというものである。代表的なものとしてシリコーン樹脂系のエラストマーやアクリル樹脂系のエラストマーが挙げられる。変位量と生じる力は、電極の形状と面積によっても変化するが、印加電圧の２乗に比例することが知られている。例えばこうした材料で０Ｖ／ｍ〜４４０ＭＶ／ｍの範囲の電圧で、約０Ｐａ〜１０ＭＰａの変形圧力が生じることが知られている。こうした条件下で約５０〜２１５％の線ひずみが生じる。この材料を用いることにより、液晶１１２を注入したセルの膜厚を任意に変更することができ、位相差変調素子１０１として機能させることができる。人工筋肉部１０５は、イオン交換樹脂にナトリウム塩、若しくはリチウム塩を溶解させたものを用いることができる。イオン交換樹脂であるナフィオン１１７をナトリウム塩でイオン交換したものに金電極をつけた人工筋肉は、約１０％の変位量を示し、無機材料のジルコン酸チタン酸塩（ＰＺＴ）の変位量が１．６％以下であるのに比べるとより大きな変形が期待できる。電気以外で変形する材料として形状記憶合金がある。チタンとニッケルとの合金が一般的であるが、これは、温度変化により形状を変化させるものである。変位量は５％程度と前述のイオン交換樹脂に比べると小さく、応答性も低いことから実用には適さない。
【００３１】
上記一対の基板１０３と人工筋肉部１０５とで囲まれた領域に液晶１１２を充填させる構造により、基板１０３間の膜厚を任意に変更することができ、回転ステージ１０８により偏光軸の方向を任意に変更することができるため、任意の楕円率と偏光軸を持った偏光を発生させることができる。すなわち、任意の波長に対応することができ、円偏光と直線偏光との両方に対応した位相差板を形成することができる。
【００３２】
光学領域１０４の液晶１１２を一対の基板１０３で挟持し、密封することで、流動性のある液晶１１２を板状に固定することができる。
【００３３】
光学領域１０４を挟む基板１０３を予め、ラビング処理等で配向処理を施しておくと、液晶１１２を所望の方向に配向させることができ、位相差板を形成することができる。ここでいうラビング処理とは、液晶１１２の長軸の平均的な方向であるダイレクターをポリイミドなどの膜をコットンでこする処理を施すことによりダイレクターをそろえることである。
【００３４】
図２は、本実施形態に係る位相差変調素子１０１を示す平面図及び断面図である。図２（Ａ）は、位相差変調素子１０１を示す平面図である。図２（Ｂ）は、図２（Ａ）に示す位相差変調素子１０１のII−II´線に沿う断面図である。一対の基板１０３を隔てている人工筋肉部１０５は、同一の材料で光学領域を囲むように構成されている。ただし光学領域１０４の一部に連通部１０６が設けられている。
【００３５】
図３は、本実施形態に係る位相差変調素子１０１を示す平面図及び断面図。図３（Ａ）は、位相差変調素子１０１を示す平面図である。図３（Ｂ）は、図３（Ａ）に示す位相差変調素子１０１のIII−III´線に沿う断面図である。言い換えると、連通部１０６付近を示す断面図である。人工筋肉部１０５の一部は、連通部１０６が設けられており、位相差変調素子１０１における液晶１１２が充填されている光学領域１０４の空間の体積変化に応じて液晶１１２の出入りが自由に行える。人工筋肉部１０５の変形に伴い、連通部１０６の形状も変化する。例えば、人工筋肉部１０５の膨張の際は、連通部１０６の面積が小さくなり、液晶１１２の移動が十分に行われないことが起きる。そのような場合には、図３（Ｂ）に示したように連通部１０６の内部に小さい突起部１０９を設けておき、人工筋肉部１０５の変形を抑制し、一定の開口面積を確保することができる。これによれば、連通部１０６内部に突起部１０９を設けることにより、連通部１０６の断面積を確保することができるため、人工筋肉部１０５が変形し、連通部１０６をふさいで液晶１１２の移動が止まることを回避することができる。図３（Ａ）では、突起部１０９は円柱で示してあるが、人工筋肉部１０５が最も膨張しても連通部１０６が塞がらなければ、この形状に限らない。これ以外にも、連通部１０６の内部に収縮性のない剛直なリングを設置しておくことにより、人工筋肉部が最大に膨張しても液晶１１２が連通部１０６を通過する最小面積は確保することができる。
【００３６】
液晶供給部１０２は伸縮性の容器の中に、液晶１１２が充填されており、連結部１０７を通じて位相差変調素子１０１と連結かつ密封されている。この構成により、液晶が液晶供給部１０２と連結部１０７の間を自由に移動することができ、異物の混入や気泡の混入がなく、液晶１１２が位相差変調素子１０１の外部に漏れることがない。
【００３７】
回転ステージ１０８は、少なくとも位相差変調素子１０１の動作領域と重なる部分が透明である板から構成されている。
【００３８】
透明な板を用いることで光を液晶１１２に透過させることができ、液晶１１２の光学異方性を用いた偏光の制御を行うことができる。
【００３９】
回転ステージ１０８を動かすことにより、一対の基板１０３間の液晶１１２の配向方向を任意に変えることができるため、任意の偏光軸を設定することができる。
【００４０】
Ｂ．本実施形態の動作
次に本実施形態の動作について説明する。
図４は、本実施形態に係る位相差変調素子１０１の動作を示す断面図である。
図４に示すように、人工筋肉部１０５の伸縮により、位相差変調素子１０１内部の光学領域１０４の液晶１１２の膜厚が変化する。これによりΔｎｄで規定される位相差を変えることができる。また、回転ステージ１０８の動作により、位相差変調素子１０１内部の液晶１１２の配向方向と、入射する光線の偏光方向を所望の角度をなすようにすることができる。例えば、図４（Ａ）に示すように、Δｎｄを１／４λにすれば円偏光板、図４（Ｂ）に示すように、１／２λにすれば直線偏光板として用いることができる。
【００４１】
人工筋肉部１０５の体積が増加することにより、人工筋肉部１０５、一対の基板１０３で挟まれた領域の容積が増加する。それに伴い、この領域の圧力が低下し、液晶供給部１０２より連結部１０７を介して位相差変調素子１０１に液晶１１２が注入される。
【００４２】
人工筋肉部１０５の体積の減少により、人工筋肉部１０５、一対の基板１０３で挟まれた領域の容積が減少する。それに伴い、この領域の圧力が増加し、液晶供給部１０２に連結部１０７を介して位相差変調素子１０１より液晶１１２が注入される。
【００４３】
（第２実施形態）
図５は、本実施形態に係る位相差変調素子を示す平面図及び断面図である。図５（Ａ）は、位相差変調素子１１４を示す平面図である。図５（Ｂ）は、図５（Ａ）に示す位相差変調素子１１４のＶ−Ｖ´線に沿う断面図である。以下、光学素子の構造を、図５を参照しながら説明する。
【００４４】
本実施形態の位相差変調素子１１４は、人工筋肉部１０５を一部弾性材料に置き換えた弾性体部１１０のような構造体を形成する点が、第１実施形態と異なっている。以下、第１実施形態と同じ構成部材には同一符号を付し、ここではそれらの説明を省略又は簡略化する。
【００４５】
本実施形態に係る位相差変調素子１１４は、図５に示すように、人工筋肉部１０５を一部弾性材料に置き換えた弾性体部１１０のような構造体を形成することができる。ここで、弾性材料とはシリコンゴムやアクリルゴムであり、通常は５〜１０倍の変形特性を有する材料である。これを用いることにより、人工筋肉部１０５では断裂の可能性があるが、それ以上の変形特性を持つ弾性材料を用いることにより、より大きな変形を伴う場合でも適用が可能である。
【００４６】
これにより、人工筋肉部１０５の大量生産が困難である場合、あるいは製造コストが掛かる場合に安価な弾性材料で一部を代用することでコストを抑えることができる。また、人工筋肉部１０５のみでは、十分な変形特性が得られず、大きな歪みが生じると小さい傷等から断裂してしまう可能性があるため、人工筋肉部１０５を小さいサイズで形成し、柔軟性の高い弾性材料と連結させることで、断裂を回避しつつ十分な変形特性を得ることができる。
【００４７】
（第３実施形態）
図２に示す位相差変調素子１０１において、変形材料として人工筋肉部１０５に変え、シリコンゴムやアクリルゴム等の弾性材料を置き換え、図１に示す液晶供給部１０２から供給する液晶の圧力をポンプ等で制御することにより、一対の基板１０３の間の距離と液晶の厚みを変化させることができる。この構成により、さらに十分な変形特性を得ることができる。
【００４８】
（第４実施形態）
上記の第３実施形態の構成に加え、一対の基板１０３の上に透明電極（図示せず）を形成し、外部（図示せず）から透明電極に電圧を印加することにより、液晶１１２に印加する電圧を制御することができる。この構成により、さらに詳細な位相差の制御をすることが可能な位相差変調素子を実現することができる。
【００４９】
なお、本発明は上記した実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様にて実施することが可能である。
【符号の説明】
【００５０】
１００…光学素子  １０１，１１４…位相差変調素子  １０２…液晶供給部  １０３…基板  １０４…光学領域  １０５…人工筋肉部（変形材料）  １０６…連通部  １０７…連結部  １０８…回転ステージ  １０９…突起部  １１０…弾性体部（弾性材料）  １１２…液晶。
【図１】
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【図２】
2013182098.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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