CN100412619C - 液晶透镜元件和激光头装置 - Google Patents

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Abstract

提供一种能实现无活动部的小型元件并且具有能根据施加电压切换大于等于3个值的多值焦距的透镜功能的液晶透镜元件。这种液晶透镜元件(10)根据施加在移动透明衬底(11、12)夹住的液晶(16)的电压，使穿透液晶(16)的光的焦距变化，并且具有菲涅耳透镜状的凹凸部(17)和液晶层(16A)，液晶层(16A)的折射率n从不施加电压时的折射率n1变化到施加电压时的折射率n2，凹凸部(17)的折射率ns的值在折射率n1与n2之间而且满足规定关系，凹凸部(17)的最大深度d满足规定关系时，利用切换一定条件下对液晶层(6A)施加的电压值，切换焦距。

Description

液晶透镜元件和激光头装置
技术领域
本发明涉及液晶透镜元件和激光头装置，尤其涉及能根据切换多个施加电压切换到多个不同焦距的液晶透镜元件和装载该液晶透镜元件的用于对光记录介质记录和/或再现信息的激光头装置。
背景技术
作为具有形成在光入射方的信息记录层和覆盖该信息记录层的由透明树脂组成的保护层的光记录介质(下文称为“光盘”)，已普及CD用光盘和DVD用光盘。用于对该DVD用光盘记录和/或再现信息(下文称为“记录再现”)的激光头装置中，将波长660纳米波段的半导体激光器和NA(数值孔径)为0.6至0.65的物镜等用作光源。
以往，作为DVD用光盘，已开发信息记录层为单层并且覆盖厚度(保护层厚度)0.6毫米的光盘(下文成为“单层DVD光盘”)和信息记录层为2层(再现专用或可再现和记录)的光盘(下文称为“2层DVD光盘”)。这种2层DVD光盘中，信息记录层的间隔为55±15微米，并且在光入射方的覆盖厚度为0.56至0.63的位置形成信息记录层。
可是，对覆盖厚度0.6毫米的单层DVD光盘使用具有优化设计成像差最小的物镜的激光头装置，在2层DVD光盘的记录再现时，随覆盖厚度的不同产生球面像差，使信息记录层的入射光的聚光性能变差。尤其在记录型的2层DVD光盘中，聚光性能变差带来记录时的聚光功率密度降低，导致写入出错，因而成问题。
近年来，为了使光盘记录密度提高，已开发覆盖厚度100微米的光盘(下文称为“单层BD光盘”)。这种单层BD光盘用于记录再现的激光头装置，将波长405纳米波段的半导体激光器和NA为0.85的物镜用作光源。在这种情况下，单层BD光盘的面内覆盖厚度变动±5微米时，作为RMS(均方根)波面像差，产生约50mλ的大球面像差，信息记录层的入射光的聚光性变差，因而成问题。
覆盖厚度100微米和75微米的记录型2层光盘(下文称为“2层BD光盘”)中，随覆盖厚度不同而产生的球面像差导致写入出错，因而成问题。
以往，作为校正这种光盘等的因覆盖厚度不同而发生的球面像差的方法，已知道使用活动透镜群和液晶透镜的方法。
(I)例如，为了用活动透镜群进行球面像差校正，提出图12所示那样的进行光盘D的记录再现的激光头装置100(例如参考专利文献1：日本国专利特开2003-115127号公报)。
这种激光头装置100除具有各种光学系统120、感光元件130、控制电路140、调制解调电路150外，还具有第1、第2活动透镜群160、170。第1活动透镜群160具有凹透镜161、凸透镜162、促动器163，并通过将固定在促动器163上的凸透镜162往光轴方向移动，呈现活动透镜群160的放大率从正(凸透镜)连续变到负(凹透镜)的可变焦距功能。
这种活动透镜群160配置在光盘D的光路中，能使光盘D的覆盖厚度不同的信息记录层上入射的光对焦，所以可作包含放大率分量的球面像差校正。
然而，使用这种活动透镜群160时，需要一对透镜161、162和促动器163，导致激光头装置100大型化，而且存在使透镜活动用的机构设计复杂的问题。
(II)为了校正因DVD用光盘和CD用光盘的覆盖厚度不同而发生的球面像差，提出图13所示那样的使用液晶透镜200的激光头装置(例如参考专利文献2：日本国专利特开平5-205282号公报)。
这种液晶透镜200的组成部分，包含由平坦的一面上形成透明电极210和取向膜220的衬底230与在具有轴对称且用下式(1)的半径r的幂级数描述的表面形状S(r)的曲面形成透明电极240和取向膜250的衬底260夹住的向列型液晶270。
S(r)＝α1r2+α2r4+α3r6+……(1)
其中，r2＝x2+y2
α1、α2、α3、…为常数
然而，这种液晶透镜200在透明电极210、240之间施加电压时，液晶270的分子取向变化，使折射率变化。其结果，液晶透镜200的入射光的透射波面随衬底260与透镜270之间的折射率变化。
这里，衬底260的折射率等于不施加电压时的液晶270的折射率。据此，不施加电压时，入射光的透射波面没有变化。另一方面，透明电极210、240之间施加电压时，衬底260与液晶270产生折射率差Δn，从而产生相当于Δn×S(r)(其中，S(r)参考式(1))的透射光的光路长度差分布。因此，加工衬底260的表面形状S(r)，以校正因光盘D的覆盖厚度不同而发生的球面像差，并根据施加电压调整折射率差Δn，从而可校正像差。
然而，图13记载的液晶透镜200时，液晶270对施加电压的折射率变化为最大0.3左右，因而为了产生相当于使入射光的汇聚位置(焦点位置)变化的放大率分量的大光路长度差分布Δn×S(r)，必须加大表面形状S(r)的凹凸差。其结果，液晶270的层厚变大，光路变化对施加电压的响应速度变慢。尤其在单层和2层的DVD光盘和BD光盘的记录再现中，校正覆盖厚度偏差、单层和2层的记录层切换中产生的波面像差需要不长于1秒的响应性，因而成问题。
此外，这种液晶透镜200能通过仅校正去除放大率分量的球面像差，减小校正量，即减小光路长度差分布，因而能使液晶层薄，有效地高速响应。然而，将衬底260的表面形状S(r)加工成仅校正球面像差时，将入射光汇聚到光盘的信息记录层的物镜的光轴与液晶透镜的光轴偏心时，产生彗差。尤其在物镜往光盘的半径方向移动±0.3毫米左右的跟踪动作时，发生与液晶透镜偏心带来的大像差，信息记录层的聚光性变差，产生不能记录再现的问题。
(III)作为呈现不加厚液晶层而改变相当于入射光焦点位置变化的放大率分量的实质透镜功能用的液晶透镜，提出光调制元件(例如参考专利文献3：日本国专利特开平9-230300号公报)。又，为了校正此DVD用光盘和CD用光盘的因覆盖厚度不同而发生的球面像差，也提出使用光调制元件的激光头装置。图14示出光调制元件300。
这种光调制元件300具有实质上平行的2块透明衬底310、320、以及夹在它们之间的液晶330，将一透明衬底310的液晶方的面做成具有同心圆形炫耀状的凹凸部340，并且在2块透明衬底310、320的液晶方的面上形成电极350和取向膜360。液晶在不施加电场时，取向方向实质上平行于透明衬底，施加电场时，取向方向实质上垂直于透明衬底。
这里，通过取为液晶330的正常光折射率n。和异常光折射率ne的一方实质上等于透明衬底的具有炫耀状的凹凸部340的折射率的组成，使不施加电场时和施加电场时，液晶330与凹凸部340的折射率差从Δn(＝ne-no)变化到零。例如，凹凸部340的折射率为no，并将此凹凸部340的深度取为Δn×凹凸部深度＝真空中的光波长，从而光调制元件300作为在不施加电压时得到实质上100％衍射效率的菲涅耳透镜起作用。另一方面，施加电压时，液晶300的折射率为no，不作为菲涅耳透镜起作用，光全部透射。其结果，可通过切换有无对光调制元件300的电极350施加的电压，切换2个焦点位置。通过在激光头装置装载并使用这种光调制元件300，能改善DVD用和CD用且覆盖厚度不同的光盘的信息记录层的聚光性。其结果，能用DVD用的物镜进行DVD用和CD用光盘的记录再现。
因此，可通过使用光调制元件300，利用切换有无施加电压切换2值的焦点，但难以切换其中间区域的焦点。其结果，单层和2层DVD光盘所需的覆盖厚度0.56毫米～0.63毫米上发生的球面像差不能减小到小于等于30mλ的RMS波面像差的程度。又，单层和2层BD光盘中，也不能将覆盖厚度变动±5微米时发生的球面像差减小到小于等于50mλ的程度。其结果，不能充分校正随覆盖厚度不同发生的大球面像差，不能消除导致写入出错的问题。
发明内容
本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供一种能实现无活动部的小型元件并且具有能根据施加电压切换大于等于3个值的多值焦距的透镜功能的液晶透镜元件。本发明的目的又在于提供一种通过使用该液晶透镜元件校正因单层和2层光盘的覆盖厚度不同而发生的球面像差并且不产生与物镜偏心带来的像差劣化的、能进行稳定的记录和/或再现的激光头装置。
本发明提供的一种液晶透镜元件，具有对置的一对透明衬底、以及夹在该透明衬底之间的液晶层，并使穿透所述液晶层的光的汇聚位置随着施加在该液晶层上的电压的大小进行变化，其中，具有
形成在一透明衬底的与另一透明衬底对置的平坦面上的菲涅耳透镜；
形成在该菲涅耳透镜的凹凸状表面的第1透明电极；以及
形成在所述另一透明衬底的与所述一透明衬底对置的平坦面上的第2透明电极，
根据施加在夹住所述液晶层的第1透明电极与第2透明电极之间的电压V的大小，对具有规定波长λ的线偏振入射光的所述液晶层的实质折射率n(V)从不施加电压时的折射率n1变化到不随施加电压时的电压变化的变动的充分饱和的折射率n2(n1≠n2)，而且所述菲涅耳透镜的折射率ns的值在n1与n2之间与所述液晶层的折射率差|n1-ns|和|n2-ns|中小的-方的值为δn时，该液晶透镜被形成为：所述菲涅耳透镜的厚度d满足d≥0.75×λ/δn的关系；
分别对应于施加在第1透明电极与第2透明电极之间的电压V中M个(这里，M为大于等于3的整数)规定的施加电压，存在焦距。
由此，液晶层的实质折射率n(V)随施加电压变化，并且将菲涅耳透镜形成得满足关系式d≥0.75×λ/δn，从而能生成相当于凹透镜和凸透镜的透射波面和波面不变化的透射波面。这里，焦距无限大的情况也可认为1个焦距。
又，提供的液晶透镜元件中，所述菲涅耳透镜的折射率ns与n1和n2之间满足关系式|n1-ns|≤|n2-ns|，同时还形成所述菲涅耳透镜，使所述菲涅耳透镜的厚度d满足关系式(2)，
(m-0.25)×λ≤|n1-ns|×d≤(m+0.25)×λ…(2)
(其中，m＝1、2或3)
而且施加所述规定的施加电压Vk时，并且所述液晶层的折射率n(Vk)满足n(Vk)＝n1+[(m-k)×(ns-n1)]/m(其中k为满足-m≤k≤m的整数)的关系时，用2m+1表示所述M，对应于该M个施加电压Vk，存在M个焦距。
由此，通过使菲涅耳透镜的厚度满足式(2)，实现能切换大于等于3值的透射波面的多值焦距可变液晶透镜。即，根据切换施加电压Vk，能在m＝1、m＝2和m＝3时，分别切换3值、5值和7值的焦距。结果，已有的使用炫耀状衬底和液晶的菲涅耳透镜(专利文献3)，由于仅切换2值焦距，适用范围有限，但本发明能用于较广泛的范围。
又，提供的所述液晶透镜元件使所述菲涅耳透镜近似于阶梯状。
菲涅耳透镜或具有按阶梯状逼近菲涅耳透镜的截面形状的凹凸部的凹部中填充液晶，因而尽管产生相当于大光路长度差的放大率分量，也能使液晶层的厚度小。结果，实现高速焦点切换。换言之，能提供又可无活动部而小型化又具有根据施加电压完成稳定的包含放大率分量的球面像差校正的透镜功能的液晶透镜元件。
又，提供的所述液晶透镜元件由双折射材料构成所述菲涅耳透镜，并且双折射率材料的异常光折射率对应于所述ns，双折射率材料的正常光折射率等于所述液晶层的正常光折射率。
又，提供的所述液晶透镜元件由SiOxNy(这里，0≤x ≤2，0≤y≤1并且0＜x+y)构成所述菲涅耳透镜。
再有，提供一种激光头装置，具有出射波长λ的光的光源、将该光源出射的光汇聚到光记录介质的物镜、对被该物镜汇聚后被所述光记录介质反射的光进行分束的分束镜、以及检测出该分束的光的光检测器，其中
在所述光源与所述物镜之间的光路中，设置上述液晶透镜元件。
通过做成具有这种液晶透镜元件的激光头装置，在作为光记录介质的单层和2层光盘中，能有效校正因覆盖厚度不同或光盘内的覆盖厚度偏差而发生的包含放大率分量的球面像差。又，由于物镜在跟踪时产生与液晶透镜元件偏心时像差劣化小，不必将液晶透镜元件与物镜合为一体地装载于促动器。结果，减小液晶透镜元件配置到激光头装置方面的制约，同时还实现改善信息记录面的聚光性且能进行稳定的记录再现的激光头装置。
所述光记录介质具有覆盖信息记录层的保护层，提供的所述激光头装置对该保护层厚度不同的光记录介质进行记录和/或再现。
又，提供一种激光头装置使用方法，在具有出射波长λ的光的光源、将该光源出射的光汇聚到光记录介质的物镜、对被该物镜汇聚后被所述光记录介质反射的光进行分束的分束镜、以及检测出该分束的光的光检测器的激光头装置的所述光源与所述物镜之间的光路中，设置上述液晶透镜元件，对液晶透镜元件的透明电极之间施加M个(这里，M为大于等于3的整数)规定的施加电压Vk，以进行使用。
还提供一种激光头装置使用方法，所述光记录介质具有覆盖信息记录层的保护层，在对该保护层厚度不同的光记录介质进行记录和/或再现的上述激光头装置中装载的液晶透镜元件的透明电极之间施加M个(这里，M为大于等于3的整数)规定的施加电压Vk，以进行使用。
根据本发明，能实现可根据施加电压切换大于等于3值的透射波面的多值焦距可变液晶透镜元件。而且，由于菲涅耳透镜或具有按阶梯状逼近菲涅耳透镜的截面形状的凹凸部的凹部中填充液晶，尽管产生相当于大光路长度差的放大率分量，也能使液晶层的厚度小。因此，能提供带来高速响应而且又可无活动部而小型化又具有根据施加电压完成稳定的包含放大率分量的球面像差校正的透镜功能的液晶透镜元件。
又，通过做成具有这种液晶透镜元件的激光头装置，能有效校正单层和2层光盘中因覆盖厚度不同或光盘内的覆盖厚度偏差而发生的包含放大率分量的球面像差。又，由于物镜在跟踪时产生与液晶透镜元件偏心时像差劣化小，实现能进行稳定的记录再现的激光头装置。
附图说明
图1是示出本发明实施方式1的液晶透镜元件的组成的纵剖视图。
图2是示出图1所示的液晶透镜元件的组成的横剖视图。
图3是示出实施方式1的液晶透镜产生的透射波面的光路长度差的曲线图，α是横轴为半径r并以波长λ为单位表示光路长度差的曲线，β是从α减去波长λ的整数倍后得到的≥-λ且≤0的光路长度差的曲线，γ是表示相对于光路长度差为0的面与β面对称的光路长度差的曲线。
图4是示出切换对实施方式1的液晶透镜元件施加的电压时的作用的侧视图，(A)表示施加电压V+1时的发散透射波面，(B)表示施加电压V0时的无波面变化的透射波面，(C)表示施加电压V-1时的收敛透射波面。
图5是示出本发明实施方式2的液晶透镜元件的组成的纵剖视图。
图6是示出实施方式2的液晶透镜产生的透射波面的光路长度差的曲线图，α是横轴为半径r并以波长λ为单位表示光路长度差的曲线，β2是从α减去波长2λ的整数倍后得到的≥-2λ且≤0的光路长度差的曲线，β1是表示将β2的光路长度差减小一半的光路长度差的曲线，γ1是表示相对于光路长度差为0的面与β1面对称的光路长度差的曲线，γ2是表示相对于光路长度差为0的面与β2面对称的光路长度差的曲线。
图7是示出切换对实施方式2的液晶透镜元件施加的电压时的作用的说明图，(A)表示施加电压V+2时的发散透射波面，(B)表示施加电压V+1时的发散透射波面，(C)表示施加电压V0时的无波面变化的透射波面，(D)表示施加电压V-1时的收敛透射波面，(E)表示施加电压V-2时的收敛透射波面。
图8是示出将2个液晶透镜元件叠积成液晶分子的取向方向相互正交的本发明实施方式3的液晶透镜元件的组成的纵剖视图。
图9是示出装载本发明的液晶透镜元件的实施方式4的激光头装置的组成图。
图10是示出使用装载本发明液晶透镜元件的激光头装置对覆盖厚度不同的DVD光盘产生的波面像差的计算值的曲线图。
图11是示出使用装载本发明液晶透镜元件的激光头装置对覆盖厚度不同的BD光盘产生的波面像差的计算值的曲线图。
图12是示出装载活动透镜群的已有激光头装置的组成图。
图13是示出已有液晶透镜的组成例的纵剖视图。
图14是示出已有光调制元件(液晶衍射透镜)的组成例的纵剖视图。
标号说明
10、20、30是液晶透镜元件，11、12、12A、12B是透明衬底，13、13A、13B是第1透明电极，14、14A、14B是第2透明电极，15、15A、15B是密封件，16是液晶，16A、16B、16C、16D是液晶层，17、17A、17B、17C、17D是凹凸部，18是交流电源，131、141是电极。40是激光头装置，D是光盘。
具体实施方式
下面，参照附图说明本发明的实施方式。
实施方式1
参照图1所示的侧视图和图2所示的俯视图，详细说明本发明实施方式1的液晶透镜元件10的组成例。
本实施方式的液晶透镜元件10具有透明衬底11和12、透明电极13和4、密封件15、液晶(液晶层)16、凹凸部17、以及交流电源18。
其中，凹凸部17为菲涅耳透镜或具有按阶梯状逼近菲涅耳透镜的形状的部分，用折射率ns的透明材料形成，有效直径φ的区域对入射光的光轴(Z轴)具有旋转对称性。
接着，在下面说明一例该液晶透镜元件10的制作步骤。
首先，在透明衬底11的一平坦面(图1的上表面)利用折射率ns的透明材料形成菲涅耳透镜或按阶梯状逼近菲涅耳透镜的形状的凹凸部17。而且，在该凹凸部17的表面形成第1透明电极13。
另一方面，透明衬底12上形成第2透明电极14后，在该透明衬底12印刷混入间隙控制材料的粘接材料，制作图案，并形成密封件15后，将该透明衬底12与上述透明衬底11叠合成保持规定间隙，进行压接，从而制作空单元。接着，从设在密封件15的一部分的注入口(未图示)注入具有正常光折射率no和异常光折射率ne(这里，no≠ne)的向列型液晶16后，密封该注入口，将液晶16密封在单元内，形成液晶层，从而成为本实施方式的液晶透镜元件10。为了防止液晶层内混入异物等而造成第1透明电极13与第2透明电极14短路，最好选定间隙控制材料，使第1透明电极13与第2透明电极14的最短间隔大于等于2微米。而且，最好在第2透明电极14的表面形成厚10纳米～200纳米左右的透明绝缘膜(未图示)。
这样制作后，在凹凸部17的至少凹部已填充液晶16的液晶透镜元件10的第1、第2透明电极13、14上，用交流电源18施加矩形波的交流电压，使液晶16的分子取向变化，从而液晶层的实质折射率从n1变化到n2(n1≠n2)。这里，由液晶16组成的液晶层(称之为液晶层16A)的实质折射率的含义为：由第1透明电极13和第2透明电极14夹住的液晶层16A对入射光偏振方向的平均折射率，相当于光路长度÷液晶层间隔。其结果，相对于入射光的规定线偏振，液晶层16A与凹凸部17的折射率差Δn(V)随施加电压的大小进行变化，从而液晶透镜元件10的透射光的波面变化。
这里，由透明材料组成的凹凸部17可用紫外线硬化树脂、热硬化树脂、感光树脂等有机材料，也可用SiO2、Al2O3、SiOxNy(其中，x、y表示0和N的元素比率，并且0≤x≤2，0≤y≤1，0＜x+y)等无机材料。可用均匀折射率材料或双折射率材料。总之，只要折射率ns根据施加电压相对于液晶层16A的折射率变化产生的透射光的偏振方向处在n1与n2之间而且满足|n1-ns|≤|n2-ns|的关系的透明材料就可以。
此外，凹凸部17可在透明衬底11的平坦面上形成规定厚度的透明材料层后，利用光刻制版、反应性离子蚀刻加工成凹凸状，也可用金属模在透明材料层复制凹凸形状。
为了相对于施加电压取得液晶层16A的实质折射率变化大，该凹凸部17的凹部中填充的液晶层16A的分子取向方向最好在透明电极13和14的面上一致。
这里，关于液晶层16A的向列型液晶分子的取向方向，例如有以下3种。
i)液晶16的异常光折射率方向的介电常数与正常光折射率方向的介电常数之差的介电常数各向异性Δε为正时，图1中，在第1和第2透明电极13和14的表面涂覆形成液晶分子的取向方向实质上平行于透明衬底11、12的一面(称之为衬底面)的聚酰亚胺等的取向膜(未图示)，并在硬化后往X轴方向作摩擦处理。由此，形成在X轴方向液晶分子的取向方向(即异常光折射率ne的方向)一致的均匀取向。除聚酰亚胺的摩擦处理外，也可用氧化硅的斜蒸镀膜、光取向膜等，使液晶分子的取向一致。这里，通过对第1、第2透明电极13、14施加交流电压V，使液晶层16A的实质折射率(V)对具有X轴方向的偏振面的线偏振光的入射光，从n1(＝ne)变化到n2(＝no)。
根据此组成，能以低电压得到液晶层16A的实质折射率变化大，因而能使形成透明凹凸电极衬底面的凹凸部17的最大深度d为较小的值。结果，缩短形成凹凸部17的工序，而且能使液晶层16A薄，所以带来响应速度高。
ii)在第1透明电极13的表面涂覆形成液晶分子的取向方向实质上垂直于衬底面的聚酰亚胺等的取向膜(未图示)后使其硬化。另一方面，在平坦的第2透明电极14的表面涂覆形成液晶分子的取向方向平行于衬底面的聚酰亚胺等的取向膜(未图示)并使其硬化后，往X轴方向进行摩擦处理。结果，形成混合取向，即液晶分子的取向方向在凹凸部17的透明电极13上在实质上垂直于衬底面的方向一致，第2透明电极14则在实质上平行于衬底面的方向一致。此情况下，由于凹凸部17不进行取向处理，容易得到均匀的液晶取向。这里，通过对第1、第2透明电极13、14施加交流电压V，使液晶层的实质折射率n  (V)对具有X轴方向的偏振面的线偏振光的入射光，从n1(＝(ne+no)/2)变化到n2(＝no)。
根据此组成，液晶层16A的取向由第2透明电极14的衬底面上的受取向处理后的取向膜规定，因而即使第1透明电极13的衬底面上的取向膜无取向处理，液晶层16A的取向方向也稳定。结果，能减小凹凸衬底面的取向不好引起的透射光效率变差等。
iii)使用对施加电压液晶的取向在与电场垂直的方向一致的介电常数各向异性Δε为负的液晶，并且在第1、第2透明电极13、14的表面涂覆形成液晶分子的取向方向实质上垂直于衬底面的聚酰亚胺等的取向膜(未图示)后，使其硬化。进而，仅对第2透明电极14的取向膜往X轴方向进行摩擦处理。结果，形成液晶分子的取向方向在透明电极13和14的实质上垂直于衬底面的方向一致的垂直取向。由于凹凸部17的面上不必施行取向处理，容易得到均匀的液晶取向。这里，通过对第1、第2透明电极13、14施加交流电压V，使液晶层16A的实质折射率(V)对具有X轴方向的偏振面的线偏振光的入射光，从n1(＝no)变化到n2(＝ne)。
根据此组成，能以低电压得到液晶层16A的实质折射率变化大，因而能使形成透明凹凸电极衬底面的凹凸部17的最大深度d为较小的值。结果，缩短形成凹凸部17的工序，而且能使液晶层16A薄，所以带来响应速度高。而且，由于液晶层16A的取向由第2透明电极14的衬底面上的受取向处理后的取向膜规定，即使第1透明电极13的衬底面上的取向膜无取向处理，液晶层16A的取向方向也稳定。结果，能减小凹凸衬底面的取向不好引起的透射光效率变差等。
再者，为了通过形成在透明衬底11方的电极141对第2透明电极14施加电压，通过预先在密封件15中混入导电金属粒子，并进行密封压接，使密封件的厚度方向呈现导电性，将透明电极14与电极141导通。通过在第1透明电极13连接的电极131和第2透明电极14连接的电极141上连接交流电源18，可对液晶层16A施加电压。
接着，在下面说明菲涅耳透镜或以阶梯状逼近菲涅耳透镜的凹凸部17的截面形状。
将本发明的液晶透镜元件10装载到激光头装置后，为了产生校正因光盘的覆盖厚度不同而发生的球面像差的透射波面，而且产生对与物镜等的偏心赋予正或负放大率分量以免发生像差的透射波面，在入射到液晶透镜元件10的平面波的透射波面，以下式(3)的幂级数描述通过对光轴中心(坐标原点：x＝y＝0)的光线偏离半径r的位置的光线的光路长度差OPD。
OPD(r)＝a1r2+a2r4+a3r6+a4r8+……(3)
其中，r2＝x2+y2
a1、a2、…为常数(参考后面阐述的表1、表2)
这里，图3中用标号α表示式(3)的曲线的具体例。横轴为半径r，纵轴以入射光的波长λ为单位描述光路长度差OPD，曲线α示出式(3)的包含中心轴(r＝0)的截面。
在液晶透镜元件10中，把对波长λ的入射光具有λ的整数倍的光路长度差的透射波面当作等同。因此，表示以波长λ的间隔划分图3的α所示的曲线(光路长度差)后投影到光路长度差零的面所得的光路长度差的曲线β实质上等同于曲线α。另一方面，曲线β所示的光路长度差全在λ以内(图中-λ至零的范围)，成为菲涅耳透镜的形状。这在图1所示的液晶透镜元件10中为凹凸部17的形状。
接着，对第1、第2透明电极13、14施加电压V时，如果将液晶层16A对异常光的偏振光的实质折射率取为n(V)，则由透明材料组成的液晶16与凹凸部17的折射率差为Δn(V)＝n(V)-ns。如上文所述，ns是由透明材料组成的凹凸部17的折射率。
例如，施加电压V+1上，为了产生相当于图3的曲线β的透射波面的光路长度差，可将图1所示的凹凸部17的深度d设置成满足下式(4)的关系。
d＝λ/|Δn(V+1)|…(4)
其中，λ为入射光的波长
Δn(V+1)＝n(V+1)-ns＝n1-ns
即，n1-ns＞0时，这相当于式(2)中m＝1时的深度。
这里，折射率Δn(V)因施加电压V变化而变化。例如，(i)Δn(V0)＝0的施加电压V0中，液晶透镜元件10的透射波面不变化。又，(ii)Δn(V-1)＝-Δn(V+1)的施加电压V-1中，产生图3的曲线γ所示的光路长度差的透射波面。这相当于对光路长度差零的面与图3的曲线β面对称的光路长度差的透射波面。
这里，将凹凸部17加工成菲涅耳透镜或按阶梯状逼近菲涅耳透镜的截面形状，使液晶层16A的实质折射率为n(V+1)和n(V-1)时，形成相当于图3的曲线β和曲线γ的光路长度差空间分布。
如图1所示，通过使凹凸部17的中心部凸出，可减小液晶层16A的平均厚度。结果，带来响应高速，而且使用的液晶材料量减少，所以较好。
在本实施方式的液晶透镜元件10中，选择成使形成凹凸部17的透明材料的折射率ns的值在n1与n2之间而且满足|n1-ns|≤|n2-ns|的关系时，必然存在形成Δn(V0)＝0且Δn(V-1)＝-Δn(V+1)的电压值V+1＜V0＜V-1。
再者，液晶层的实质折射率n(V)因温度而变化，温度越高，其值越小。因此，液晶透镜元件的使用温度范围从-10℃变化到80℃时，在高温区(即80℃)最好为满足式(4)的凹凸部17的深度d。即，如果在室温下，d＝0.75×λ/|Δn(V+1)|，则使用温度范围中必然存在电压值V+1＜V0＜V-1。
因此，可通过用交流电源18切换施加电压V+1、V0、V-1，有选择地切换3种透射波面。
这里，为了在施加电压V+1和V-1中高效率地产生相当于曲线β和曲线γ的透射波面，最好将凹凸部17取为菲涅耳形状或以N级阶梯形状逼近菲涅耳透镜的形状，并且凹凸部17的最大深度d满足下式。
d＝[(N-1)/N]×λ/|Δn(V+1)|
这里，为了使产生的透射波面的效率大于等于70％，最好将N取为大于等于4。即，最好使d满足0.75×λ≤|n1-ns|×d≤λ。这相当于式(2)中m＝1的情况。同样的原因，最好m＝2和3中也使d满足式(2)。
这里，Δn(V+1)＝n1-ns＞0时，施加电压V+1、V0、V-1中入射到液晶透镜10的波长λ的线偏振光平面波分别形成图4(A)、(B)、(C)所示的透射波面并出射。即，根据第1、第2透明电极13、14的施加电压的大小，取得与负放大率、零放大率、正放大率对应的透镜功能。
此外，Δn(V+1)＜0时，V+1和V-1中形成相当于与图4(C)和(A)对应的正放大率和负放大率的透射波面并出射。
本实施方式中，对产生式(3)描述的轴对称的光路长度差OPD的液晶透镜元件10说明该元件的结构和工作原理，但产生相对于式(3)以外的非轴对称的彗差、像散等的校正的光路长度差OPD的液晶透镜元件也能以同样的原理利用加工凹凸部和对其凹部填充液晶进行制作。
本实施方式中，对液晶层16的折射率n(V)随施加电压V从n1变化到ns的入射光的线偏振光，将凹凸部17的透明材料取为折射率ns。这里使用的凹凸部17的透明材料可以是折射率均匀的材料，也可以用分子取向方向在衬底面内往一方向对齐的高分子液晶等双折射率材料。使用双折射率时，最好将其异常光折射率取为ns，并使其正常光折射率等于液晶的正常光折射率no，而且使双折射率材料的异常光折射率的方向与液晶层16的液晶分子的取向方向一致。通过做成这种组成，对正常光的偏振入射光而言，不管施加电压的大小，液晶和双折射材料的正常光折射率总一致，因而透射光波面没有变化。
本实施方式中，示出使用均为整块电极的第1透明电极13和第2透明电极14的2端子对液晶层16施加交流电压的组成。此外，组成也可取为：空间上划分例如第1透明电极13和第2透明电极14的至少一方，从而能独立施加不同的交流电压。还可做成使该空间上划分的透明电极为具有希望的电阻的电阻膜，并设置大于等于2个的供电点，在半径方向授给施加电压分布，使液晶上施加的电压往半径方向倾斜分布。通过做成这种划分电极或电阻膜电极的结构，能产生更多样的光路长度差OPD的空间分布，结果，能产生图4的(A)、(B)、(C)所示以外的透射波面。
也可在液晶透镜元件10合为一体地形成相位片、衍射光栅、偏振全息分束镜、一定的固定像差的校正面等。结果，装载到激光头装置中使用时，能减少部件数量，同时还带来装置小型化。
实施方式2
参照图5所示的侧视图，详细说明本发明实施方式2的液晶透镜元件20的组成例。本实施方式中，对与实施方式1相同的部分标注相同的标号，以免重复说明。
本实施方式的液晶透镜元件20中，凹凸部17B的最大深度d相当于上述式(2)的m＝2时的深度。这点与实施方式1不同。随之，液晶层16B的厚度分布也不同。
下面，说明本实施方式的液晶透镜元件20的凹凸部17B。图6的α与图3的α相同，是表示式(3)描述的光路长度差OPD的曲线。图6的曲线β2示出按波长λ的2倍的间隔(即2λ)划分图6的α后将其投影到光路长度差零的面的光路长度差。该曲线β2实质上等同于曲线α，曲线β2所示的光路长度差全在2λ以内(图中的-2λ至零的范围)，并且截面为菲涅耳透镜形状。
为了施加电压V+2中产生相当于图6的曲线β2的光路长度差，可将图5所示的凹凸部17B的深度d设置成满足下式(5)的关系。
d＝λ/|Δn(V+2)|…(5)
其中，λ为入射光的波长
Δn(V+2)＝n(V+2)-ns＝n1-ns
即，n1-ns＞0时，这相当于式(2)中m＝2时的深度。
这里，折射率Δn(V)因施加电压V变化而变化。例如，
(i)Δn(V0)＝0的施加电压V0中，液晶透镜元件10的透射波面不变化。
(ii)Δn(V+1)＝Δn(V+2)/2的施加电压V+1中，产生图6的曲线β1所示的光路长度差的透射波面。这相当于对光路长度差零的面将曲线β2所示的光路长度差减小一半的透射波面，同时也相当于将曲线α的光路长度差减小一半的透射波面。曲线β2所示的光路长度差全在λ以内(图中从-λ至零的范围)。
(iii)Δn(V-1)＝-Δn(V+1)的施加电压V-1中，产生曲线γ1所示的光路长度差的透射波面。这相当于对光路长度差零的面与曲线β1面对称的光路长度差的透射波面。
(iv)Δn(V-2)＝-Δn(V+2)的施加电压V-2中，产生曲线γ2所示的光路长度差的透射波面。这相当于对光路长度差零的面与β2面对称的光路长度差的透射波面，同时也相当于2倍曲线γ1所示的光路长度差的透射波面。
将凹凸部17B加工成菲涅耳透镜或按阶梯状逼近菲涅耳透镜的截面形状，使液晶层16B的实质折射率为n(V+2)和n(V-2)时，形成相当于图6的曲线β2和γ2的光路长度差空间分布。
在本实施方式的液晶透镜元件20中，选择成使形成凹凸部17B的均匀折射率透明材料的折射率ns的值在n1与n2之间而且满足|n1-ns|≤|n2-ns|的关系时，必然存在形成
Δn(V0)＝0、
Δn(V-1)＝-Δn(V+1)
Δn(V-2)＝-Δn(V+2)
的电压值V+2＜V+1＜V0＜V-1＜V-2。
因此，可通过用交流电源18切换施加电压V+2、V+1、V0、V-1、V- 2有选择地切换5种透射波面。
这里，为了在施加电压V+2、V+1、V-1和V-2中高效率地产生相对于曲线β2、β1、γ1和γ2的透射波面，最好将凹凸部17取为菲涅耳形状，并且凹凸部17的最大深度d满足下式(5)。
除本实施方式外，还例如在以N级且N-1级的高度相同的阶梯状逼近凹凸部17的菲涅耳透镜形状时，最好凹凸部17的最大深度满足下式。
d＝[(N-1)/N]×2λ/|Δn(V+2)|
这里，为了使产生的透射波面的效率大于等于70％，最好将N取为大于等于8。即，最好使最大深度d满足
1.75×λ≤|n1-ns|×d≤2×λ。
这相当于式(2)中m＝2的情况。
这里，Δn(V+2)＝n1-ns＞0时，施加电压V+2、V+1、V0、V- 1、V-2中入射到液晶透镜20的波长λ的线偏振光平面波分别形成图7(A)、(B)、(C)、(D)所示的透射波面并出射。即，根据透明电极13、14的施加电压的大小，取得与2种负放大率、零放大率、2种正放大率对应的透镜功能。
Δn(V+2)＜0时，V+2、V+1中形成相当于与图7(E)和(D)对应的正放大率的透射波面，V-2、V-1中形成相当于与图7(A)和(B)对应的负放大率的透射波面并从液晶透镜元件出射。
综上所述，本实施方式中，说明了产生以波长λ的2倍的间隔划分相当于式(2)中m＝2的图6的曲线α所示的作为光路长度差OPD的β2的液晶透镜元件20的形态，也可以是相当于式(2)中m＝3的液晶透镜元件的形态。这时，形成以3倍波长λ的间隔划分图3的α的光路长度差OPD所对应的透射波面。
实施方式3
接着，参照图8说明本发明实施方式3的液晶透镜元件30。本实施方式中，对与实施方式1相同的部分标注相同的标号，以免重复说明。
本实施方式的液晶透镜元件30，具有第1液晶透镜元件10A、第2液晶透镜元件10B、以及对它们施加交流电压的交流电源18。第1、第2液晶透镜元件10A、10B的组成为：将2个实施方式1的液晶透镜元件10以凹凸部17相互对置的状态上下叠积(其中，透明衬底11共用)。
这里，第1(第2)液晶透镜元件10A(10B)具有密封在形成第2透明电极14A(14B)的透明衬底11与在凹凸部17C(17D)和其表面形成第1透明电极13A(13B)的透明电极12A(12B)之间的空隙的液晶16。
接着，说明本实施方式的制造方法。
首先，在各透明电极12A、12B的平坦面分别用折射率ns的透明材料形成菲涅耳透镜或按阶梯状逼近菲涅耳透镜的形状的凹凸部17C、17D。将这些凹凸部17C、17D加工成都对入射光的光轴(Z轴)具有旋转对称性的同一凹凸形状。进而，在凹凸部17C、17D的表面分别形成第1透明电极13A、13B。另一方面，在透明衬底11的两侧形成第2透明电极14A、14B。
接着，透明衬底12A、12B上分别形成印刷混入间隙控制材料的粘接材料并制作图案的密封件15A、15B。然后，将各透明衬底12A、12B与透明衬底11叠合成凹凸部17C与凹凸部17D的旋转对称轴一致，进行压接，从而制作空单元。接着，从设在密封件的一部分的注入口(未图示)注入液晶16后，密封该注入口，将液晶16密封在单元内，形成液晶层16C、16D，从而成为本实施方式的液晶透镜元件30。又，使第1透明电极13A、13B导通，成为公共电极，同时也使第2透明电极14A、14B导通，形成公共电极。
在这样制作的液晶透镜元件30中，用交流电源18施加矩形波的交流电压。于是，使液晶层16C、16D的分子取向随该施加电压V的大小进行变化，从而液晶层16C、16D的实质折射率从n1变化到n2。结果，液晶层16C、16D与凹凸部17A、17B的折射率差Δn(V)变化，相对于入射光的透射光的波面变化。
图8所示的第1、第2液晶透镜元件10A、10B的组成和作用与图1所示的液晶透镜元件10相同，但其不同点是不加电压时或加电压时，液晶分子的取向方向的XY面内分量在液晶层16C和液晶层16D相互正交。其结果，使用本实施方式的液晶透镜元件，则能得到不管入射光的偏振状态，总根据施加电压具有例如图4的(A)、(B)、(C)所示的负放大率、零放大率、正放大率的透镜功能。
此外，Δn(V0)＝0的施加电压V0中，即使对入射光中液晶层16C、16D的折射率随施加电压的大小进行变化的线偏振光分量，第1、第2液晶透镜元件10A、10B的透射波面也不变化。另一方面，对入射光中偏振方向与其正交的线偏振光分量，不管施加电压的大小，液晶层16C、16D的折射率总为正常光折射率no。因此，第1、第2液晶透镜元件10A、10B的透射波面产生液晶16的正常光折射率no与凹凸部17c、17D的材料的正常光折射率之差所对应的一定的变化。
尤其，在用均匀折射率ns的材料形成凹凸部17C、17D时，产生与no-ns对应的一定的波面变化。第1、第2液晶透镜元件10A、10B由于这些液晶层16C、16D的液晶分子的取向方向的XY面内分量正交，不管入射偏振光状态，产生该一定透射波面变化。
为了抵消施加电压V0中产生的该一定透射波面变化，最好在透明衬底12A或12B的表面形成校正面。或者，作为凹凸部17C和17D，使用具有与液晶层16C、16D的正常光折射率相等的正常光折射率的高分子液晶等双折射率材料形成，从而使各正常光折射率的方向与液晶层16C、16D的正常光折射率的方向一致。结果，能使施加电压中，液晶透镜元件20的透射波面不变化。
实施方式4
接着，参照图9说明装载本发明实施方式1的液晶透镜元件10(参考图1)的DVD用光盘的记录再现中使用的激光头装置40。
本实施方式的激光头装置40，除具有作为DVD用的波长λ(＝660纳米)的光源的半导体激光器1、衍射光栅2、反射镜、准直透镜4、物镜5、光检测器6外，还在准直透镜4与物镜5之间的光路上设置相位片7、液晶透镜元件10。相位片7与液晶透镜元件10合为一体，则能减少部件数量，所以较好。
图9示出将液晶透镜元件10配置在准直透镜4与物镜5之间的光路中的组成例，但也可配置在半导体激光器1与物镜5之间的光路中。
下面，说明本实施方式的作用。
半导体激光器1产生的在图9的纸面内具有偏振面的线偏振出射光，由衍射光栅2产生跟踪用的3光束。于是，该3光束在反射镜3受到反射后，由准直透镜5变换成平行光，入射到液晶透镜元件10。然后，穿透该液晶透镜元件10的光由对波长λ相当于1/4波长片的相位片7形成圆偏振光，并由物镜5汇聚到DVD用光盘D的信息记录层。
物镜5靠聚焦伺服和跟踪伺服用的促动器(未图示)往X轴方向和Z轴方向活动。受光盘D的反射面反射的光再次穿透物镜5和相位片7，变成具有与纸面垂直的方向的偏振面的线偏振光穿透液晶透镜元件10，由准直透镜4使部分光穿透分束镜3，汇聚到光检测器6的感光面。
接着，在下面说明用装载本发明的液晶透镜元件10的激光头装置40对覆盖厚度不同的单层和2层DVD光盘D进行记录再现的动作。
(i)单层DVD光盘(覆盖厚度0.60毫米)的情况
将物镜5设计成对覆盖厚度0.60的单层光盘像差最小，因而单层光盘D的记录再现时，在液晶透镜元件10的电极之间施加交流电压V0。这时，液晶透镜元件10(参考图1)中的液晶层16A与凹凸部17的折射率一致，因而如图4的(B)所示，液晶透镜10的透射波面对入射波面不变。即，由物镜5高效率地将光汇聚到覆盖厚度0.60毫米的信息记录层。
(ii)2层DVD光盘(覆盖厚度0.57毫米)的情况
对2层光盘D内覆盖厚度0.57毫米的信息记录层的记录再现中，在液晶透镜元件10的电极之间施加交流电压V-1，使其透射波面形成若干进行聚光的球面波。
这时，液晶层16A比凹凸部17折射率小，因而如图4的(C)所示，形成相当于正放大率(即凸透镜)的透射波面。即，由物镜5高效率地将光汇聚到覆盖厚度0.57毫米的信息记录层。
(iii)2层DVD光盘(覆盖厚度0.63毫米)的情况
另一方面，对2层光盘D内覆盖厚度0.63毫米的信息记录层的记录再现中，在液晶透镜元件10的电极之间施加交流电压V+1，使其透射波面形成若干进行发散的球面波。
这时，液晶层16比凹凸部17折射率大，因而如图4的(A)所示，形成相当于负放大率(即凹透镜)的透射波面。即，由物镜5高效率地将光汇聚到覆盖厚度0.63毫米的信息记录层。
因此，通过将液晶透镜元件10的施加电压切换成V0、V+、V-，能实现对覆盖厚度不同的单层DVD光盘和2层DVD光盘稳定的记录再现。
这样，根据本发明的激光头装置40，液晶透镜元件10仅校正因光盘D的覆盖厚度不同而发生的球面像差，就能添加相当于改变焦点位置的切换放大率分量的功能。因此，将液晶透镜元件10与物镜5分开设置并加以使用，即使物镜5在进行跟踪时往光盘D的半径方向移动，产生与液晶透镜元件10偏心时，也几乎无像差劣化。结果，与仅校正球面像差的已有液晶元件相比，实现稳定的记录再现。
本实施方式中，说明了对将660纳米波段的半导体激光器用作光源的单层和2层DVD光盘进行工作的装载液晶透镜元件10的激光头装置40，但即使对将405纳米波段的半导体激光器用作光源的单层和2层DVD光盘进行工作的装载液晶透镜元件的激光头装置，也能得到同样的作用和效果。
使用图5所示的实施方式2的液晶透镜元件20，代替液晶透镜元件10，则能切换5种透射波面，因而对覆盖厚度不同的光盘中产生的像差或光盘内覆盖厚度偏差产生的像差，能进行更细致的像差校正。
使用图8所示的实施方式3的液晶透镜元件30，代替液晶透镜元件10，则不仅对去向路径的偏振光而且对返向路径的正交偏振光，都具有校正作用，因而光检测器的聚光性也得到改善。
又，不限于单层和2层光盘，即使今后信息记录层进一步多层化，通过使用本发明的5值或7值的液晶透镜元件，切换2端子电极上施加的电压，也能校正因覆盖厚度而发生的像差。
实施例
〔例1〕
接着，下面参照图1说明实施方式1的本发明液晶透镜元件10的具体实施例。
首先，说明该液晶透镜元件10的制作方法。
在作为透明衬底11的玻璃衬底上，利用溅镀法形成SiOxNy膜。这里，通过使用Si溅射靶，并且使用Ar气中混入氧和氮的放电气体，制作折射率ns(＝1.64)的透明均匀折射率且厚度d(＝5.5微米)的SiOxNy膜。
进而，以使用光刻掩模的光刻制版法将光刻胶的图案制作成相当于图3的曲线β的形状后，利用反应性离子蚀刻法加工SiOxNy膜。结果，在有效直径φ(＝5.0毫米)的区域加工以8级阶梯状逼近菲涅耳透镜的图1所示的截面的凹凸部17。
接着，在凹凸部17的表面形成透明导电膜(ITO膜)，将其作为第1透明电极13。进而，将聚酰亚胺膜涂覆在第1透明电极13上，形成厚度约50纳米后，进行烧结，而且对聚酰亚胺膜的表面往X轴方向进行摩擦取向处理，从而制作取向膜。
又，在作为透明衬底12的玻璃衬底上，形成透明导电膜(ITO膜)，当作第2透明电极14，进而在该膜上涂覆厚度约50纳米的聚酰亚胺膜(未图示)，进行烧结，而且对聚酰亚胺膜的表面往X轴方向进行摩擦取向处理，从而制作液晶用的取向膜。
进而在该膜上，印刷直径8微米的混入间隙控制材料的粘接材料的图案，形成密封件15，与透明衬底11叠合，进行压接，从而制作第1透明电极13与第2透明电极14的间隔最大为8微米、最小为2.5微米的空单元。
然后，从空单元的注入口(未图示)注入液晶16后，密封该注入口，形成液晶层16A，从而制成图1所示的液晶透镜元件10。
作为液晶16，使用具有正常光折射率no(＝1.50)和异常光折射率ne(＝1.75)的正电介质各向异性的向列型液晶。此液晶16为不施加电压时在平行于第1、第2透明电极13、14的面而且X轴方向上液晶分子的取向一致的均匀取向，并且被填充到凹凸部17的凹部。
通过在这样制得的液晶透镜元件10的第1、第2透明电极13、14上连接交流电源18，对液晶层16A施加电压。使这样施加的电压从0伏(V)开始增加时，液晶层16A的X轴方向的实质折射率从n1＝ne(＝1.75)变化到n2＝no(＝1.50)。结果，对在X轴方向振动并往Z轴方向行进的线偏振入射光，液晶层16A与凹凸部17的折射率差从n1-ns＝0.11变化到n2-ns＝-0.14，从而透射波面随填充在凹凸部17的凹部的液晶层16的厚度分布变化。
这里，将例如对使用波长λ(＝660纳米)且覆盖厚度0.60毫米的单层DVD光盘设计成像差为零的NA0.65和焦距3.05毫米的物镜用于覆盖厚度0.58毫米和0.63毫米的2层DVD光盘时，在最大光路长度差为约0.15λ上产生RMS波面像差相当于43mλ(rms)的球面像差。
因此，为了用液晶透镜元件10校正该球面像差，对凹凸部17进行加工，使不施加电压时的透射波面形成用表1所示的系数a1～a5的值以式(3)描述的相当于图3的曲线α的曲线β的光路长度差OPD。其中，式(3)的光路长度差OPD的单位为微米，r的单位为毫米。
[表1]
  系数   值
  a<sub>1</sub>   -0.744431
  a<sub>2</sub>   0.004292
  a<sub>3</sub>   -0.004880
  a<sub>4</sub>   0.001341
  a<sub>5</sub>   -0.000112
表1中，系数a1相当于放大率分量，a2～a5相当于球面像差分量。因此，液晶透镜元件10产生的曲线β的光路长度差包含放大率分量和球面像差分量。
这里，如上文所述，不施加电压时的电压V+1＝0下，液晶16与凹凸部17的折射率差
Δn(V+1)＝n1-ns＝0.11，
因而决定凹凸部17的最大深度d，使其满足式(2)的m＝1的条件，以便凹凸部17和其凹部填充扫液晶16产生所述透射波面。
本例中，利用8级阶梯状逼近菲涅耳透镜的凹凸部17，做成d＝5.5微米。
入射到液晶透镜元件10的DVD用的波长λ(＝660纳米)的透射波面在不施加电压时(V+1＝0)为图4(A)所示的发散波面，呈现焦距f相当于f＝-675毫米的凹透镜的作用。接着，使施加电压增加时，形成V0＝1.8伏左右且Δn(V0)＝0，并且透射波面如图4的(B)所示，原样不变(零放大率)地透射与入射波面相同的波面。进而，使施加电压增加时，形成V-1＝4.4伏左右且Δn(V-1)＝-Δn(V+1)，并且透射波面成为图4的(C)所示的收敛波面，呈现焦距f相当于f＝+675毫米的凸透镜的作用。
这时，切换施加电压V+1、V0、V-1中产生的图4的(A)、(B)、(C)所示的透射波面的产生效率的计算值分别为95％、100％、95％。
〔例2)
接着，说明将上述例1的液晶透镜元件10装载到图9所示的实施方式4的激光头装置40时的具体实施例。该激光头装置40的组成在实施方式4中已说明，因而省略。
用该激光头装置40对覆盖厚度0.60毫米的单层DVD光盘D记录再现信息时，将液晶透镜元件10的施加电压取为V0＝1.8伏，则物镜5将入射光高效率地汇聚到信息记录层。
另一方面，对2层DVD光盘D，将液晶透镜元件10的施加电压取为V+1(＝0伏)时，入射光被汇聚到覆盖厚度为0.63毫米的信息记录层；将施加电压取为V-1(＝4.4伏)时，入射光被汇聚到覆盖厚度为0.57毫米的信息记录层。两种情况的残留RMS波面像差的计算值都小于等于3mλ(rms)。
接着，在图10示出对覆盖厚度为0.56毫米至0.64毫米的光盘使用根据液晶透镜元件10的施加电压V+1、V0、V-1产生的透射波面时，残留RMS波面像差的计算结果。
因此，在0.56毫米至0.585毫米的范围，在0.585毫米至0.615毫米的范围，进而在0.615毫米至0.64毫米的范围，通过分别将施加电压取为V-1、V0、V+1，使各自的残留RMS波面像差减小到小于等于约20mλ。
又，物镜5为了跟踪而往光盘D的半径方向移动±0.3毫米左右时，产生与液晶透镜元件10偏心，但不随之产生像差，所以不产生聚光点劣化。
因此，实现能通过将液晶透镜元件10上施加的电压切换成V+1、V0、V- 1进行单层和2层DVD光盘D的稳定记录再现的激光头装置。
(例3〕
接着，下面参照图8说明实施方式3所示本发明液晶透镜元件30的具体实施例。
液晶透镜元件30具有液晶透镜元件10A、10B，以与图1所示的液晶透镜元件10相同的方式制作这些液晶透镜元件10A、10B。
使用本例的液晶透镜元件30的目的为：装载到采用波长405纳米波段的激光的单层和2层BD光盘的记录再现用激光头装置，校正随光盘的覆盖厚度不同而发生的像差。伴随此目的，第1、第2液晶透镜元件10A、10B的元件组成与实施例1的液晶透镜元件10不同。
具体而言，第1、第2液晶透镜元件10A、10B与实施方式说明的液晶透镜元件20相同，做成相当于式(2)的凹凸部17C、17D的最大深度d。
即，作为凹凸部17C、17D，采用折射率ns(＝1.70)且厚度d(＝5.9微米)的作为均匀折射率透明膜的SiOxNy膜。在有效直径φ(＝4.0毫米)的区域加工以16级阶梯状逼近菲涅耳透镜的相当于呈现图5所示截面的凹凸部17B的17C、17D。液晶采用具有正常光折射率no(＝1.53)和异常光折射率ne(＝1.83)的电介质各向异性的向列型液晶。施行与液晶16衔接的取向膜(未图示)的取向处理，使不施加电压时，液晶层16C在X轴方向液晶分子的取向一致，并且液晶层16D在Y轴方向液晶分子的取向一致。将第1、第2液晶透镜元件10A、10B的第1透明电极与第2透明电极之间的间隔都取为最大8微米、最小2.1微米。
分别连接这样制得的液晶透镜元件30的第1透明电极13A和13B、第2透明电极14A和14B，在该第1、第2透明电极之间利用交流电源18施加交流电压。使施加电压从0伏(V)开始增加时，液晶层16C的X轴方向的实质折射率从n1＝ne(＝1.83)变化到n2＝no(＝1.53)。另一方面，液晶层16C的Y轴方向和液晶层16D的X轴方向的实质折射率不管施加电压，总保持no(＝1.53)不变。
其结果，对入射到第1液晶透镜元件10A的具有X轴方向的偏振面的线偏振入射光，并且对入射到第2液晶透镜元件10B的具有Y轴方向的偏振面的线偏振入射光，液晶层16C与凹凸部17C的折射率差和液晶层16D与凹凸部17D的折射率差都从n1-ns＝0.13变化到n2-ns＝0.17，透射波面随凹凸部17C、17D的凹部中填充的液晶层16C、16D的厚度分布变化。
这里，将例如对使用波长λ(＝405纳米)且覆盖厚度87.5微米的光盘设计成像差为零的NA0.85和焦距1.882毫米的物镜用于覆盖厚度100微米和75微米的单层和2层BD光盘时，在最大光路长度差为约0.43λ上产生RMS波面像差相当于125mλ(rms)的球面像差。
因此，为了对在X轴方向振动、往Z轴方向行进的线偏振入射光，并对在Y轴方向振动、往Z轴方向行进的线偏振入射光，分别用液晶透镜元件10A和液晶透镜元件10B校正该球面像差，对凹凸部17C、17D进行加工，使不施加电压时的透射波面形成用表2所示的系数a1～a5的值以式(3)描述的相当于图6的曲线α的曲线β2的光路长度差OPD。其中，式(3)的光路长度差OPD的单位为微米，r的单位为毫米。
[表2]
  系数   值
  a<sub>1</sub>   -0.827770
  a<sub>2</sub>   -0.008058
  a<sub>3</sub>   0.008250
  a<sub>4</sub>   -0.003671
  a<sub>5</sub>   0.001242
这里，如上文所述，不施加电压时的电压V+2＝0下，对在X轴方向振动、往Z轴方向行进的线偏振入射光的液晶16C与凹凸部17C和对在Y轴方向振动、往Z轴方向行进的线偏振入射光的液晶16D与凹凸部17D的折射率差Δn(V+2)＝n1-ns＝0.13，因而决定凹凸部17C、17D的最大深度d，使其满足式(2)的m＝1的条件，以便凹凸部17C、17D和其凹部填充扫液晶16C、16D产生所述透射波面。本例中，利用16级阶梯状逼近菲涅耳透镜的凹凸部17C、17D，做成d＝5.9微米。
再者，对与液晶层16C、16D的正常光折射率对应的入射线偏振光，液晶层16C与凹凸部17C之间和液晶层16D与凹凸部17D之间，不管施加电压的大小，总产生no-ns＝-0.17的折射率差，并随之产生固定波面。为了抵消这种固定波面，在透明衬底12B的表面加工具有与凹凸部17D相同的截面形状的凹凸部(未图示)。具体而言，将折射率ng＝1.46的石英透明衬底12B的表面进行凹凸加工，使最大深度为2.23微米。
对这样制得的液晶透镜元件30入射BD用的波长λ(＝405纳米)的激光。
(i)于是，不管入射光的偏振状态，不施加电压时(V+2＝0)透射波面总为图7(A)所示的发散波面，呈现相当于图6的曲线β的光路长度差且焦距f相当于f＝-616毫米的凹透镜的作用。
(ii)接着，使施加电压增加时，变成V+1＝1.4伏左右且Δn(V+1)＝Δn(V+2)/2，透射波面成为图7(B)所示的发散波面。此发散波面呈现相当于图6的曲线β1的光路长度差且焦距f相当于f＝-1232毫米的凹透镜的作用。
(iii)形成V0＝1.7左右且Δn(V0)＝0，透射波面如图7(C)所示，保持与入射波面相同的波面不变(零放大率)。
(iv)又使施加电压增加时，变成V-1＝2.3伏左右且Δn(V-1)＝Δn(V+1)，透射波面成为图7(D)所示的收敛波面，呈现相当于图6的曲线γ1的光路长度差且焦距f相当于f＝+1232毫米的凸透镜的作用。
(v)又使施加电压增加时，变成V-2＝4.5伏左右且Δn(V-2)＝Δn(V+2)，透射波面成为图7(E)所示的收敛波面，呈现相当于图6的曲线γ2的光路长度差且焦距f相当于f＝+616毫米的凸透镜的作用。
再者，切换施加电压V+2、V+1、V0、V-1、V-2中产生的图7的(A)、(B)、(C)、(D)、(E)所示的透射波面的产生效率的计算值分别为95％、98％、100％、98％、95％。
〔例4〕
接着，说明图9所示的实施方式4的激光头装置40中装载例3的液晶透镜元件30以代替液晶透镜元件10的例子。
本例中，将BD用的波长λ(＝405纳米)的半导体激光器1用作光源，并且光盘D为单层和2层BD光盘。将物镜5设计成对覆盖厚度87.5微米的光盘像差最小。
对覆盖厚度100微米的单层和2层BD光盘D记录再现信息时，将液晶透镜元件30的施加电压取为V+2(＝0伏)时，物镜5将入射光汇聚到覆盖厚度101.5微米的面上。这时，覆盖厚度100微米的信息记录层中，残留RMS波面像差的计算值小于等于20mλ(rms)，能进行覆盖厚度100微米的单层和2层BD光盘D的记录再现。
另一方面，对覆盖厚度75微米的2层BD光盘D记录再现信息时，将液晶透镜元件30的施加电压取为V-2＝4.5伏时，入射光并汇聚到覆盖厚度73.5微米的面上。这时，覆盖厚度73.5微米的信息记录层中，残留RMS波面像差的计算值小于等于20mλ(rms)，能进行覆盖厚度75微米的2层BD光盘D的记录再现。
接着，在图11示出对覆盖厚度70微米至105微米的BD光盘使用根据液晶透镜元件30的施加电压V+2、V+1、V0、V-1、V-2产生的透射波面时残留RMS波面像差的计算结果。
因此，根据该图，在覆盖厚度70微米至77微米的范围、覆盖厚度77微米至84微米的范围、覆盖厚度84微米至91微米的范围、覆盖厚度91微米至98微米的范围、以及覆盖厚度98微米至105微米的范围，分别利用施加电压V+2、V+1、V0、V-1、V-2使各自的残留RMS波面像差减小到小于等于约35mλ。
所以，实现能通过将液晶透镜元件30上施加的电压切换成V+2、V+1、V0、V-1、V-2进行BD用的单层和2层光盘D的稳定记录再现的激光头装置。
又，物镜5为了跟踪而往光盘D的半径方向移动±0.3毫米左右时，产生与液晶透镜元件30偏心，但不随之产生像差，所以不产生聚光点劣化。
本发明不受上述实施方式任何限定，在不脱离其要旨的范围能以各种方式实施。
工业上的实用性
本发明的液晶透镜元件，能用作根据施加电压的大小如3值、5值或7值那样切换多个焦距的焦距切换透镜。尤其能用作校正具有覆盖厚度不同的单层和2层信息记录层的光盘的记录和/或再现中产生的包含放大率分量的球面像差的液晶透镜元件。
而且，通过做成装载本发明液晶透镜元件的激光头装置，在液晶透镜元件与物镜偏心时不产生像差，因而减小配置的制约，能用于可作小型且稳定的光盘的记录和/或再现的激光头装置。
再者，这里引用2004年4月30日申请的日本国专利申请2004-136075号的说明书、权利要求书、附图和说明书摘要的全部内容，编入作为本发明说明书的揭示。

Claims (9)

1. 一种液晶透镜元件，具有对置的一对透明衬底、以及夹在该透明衬底之间的液晶层，并使透过所述液晶层的光的汇聚位置随着施加在该液晶层上的电压的大小进行变化，其特征在于，具有
形成在一透明衬底的与另一透明衬底对置的平坦面上的菲涅耳透镜；
形成在该菲涅耳透镜的凹凸状表面的第1透明电极；以及
形成在所述另一透明衬底的与所述一透明衬底对置的平坦面上的第2透明电极，
根据施加在夹住所述液晶层的第1透明电极与第2透明电极之间的电压V的大小，对具有规定波长λ的线偏振入射光的所述液晶层的折射率n(V)从不施加电压时的折射率n1变化到不随施加电压时的电压变化的变动的充分饱和的折射率n2，而且所述菲涅耳透镜的折射率ns的值在n1与n2之间并且与所述液晶层的折射率差|n1-ns|和|n2-ns|中小的一方的值为δn时，该液晶透镜被形成为：所述菲涅耳透镜的厚度d满足d≥0.75×λ/δn的关系，其中，n1≠n2；
分别对应于施加在第1透明电极与第2透明电极之间的电压V中M个规定的施加电压，存在焦距，其中，M为大于等于3的整数。
2. 如权利要求1中所述的液晶透镜元件，其特征在于，
所述菲涅耳透镜的折射率ns与n1和n2之间满足关系式|n1-ns|≤|n2-ns|，同时还形成所述菲涅耳透镜，使所述菲涅耳透镜的厚度d满足关系式(2)，
(m-0.25)×λ≤|n1-ns|×d≤(m+0.25)×λ…(2)
其中，m＝1、2或3，
而且施加所述规定的施加电压Vk时，所述液晶层的折射率n(Vk)满足n(Vk)＝n1+[(m-k)×(ns-n1)]/m的关系时，用2m+1表示所述M，对应于该M个施加电压Vk，存在M个焦距，其中，k为满足-m≤k≤m的整数。
3. 如权利要求1或2中所述的液晶透镜元件，其特征在于，
使所述菲涅耳透镜近似于阶梯状。
4. 如权利要求1或2中所述的液晶透镜元件，其特征在于，
由双折射材料构成所述菲涅耳透镜，并且双折射率材料的异常光折射率对应于所述ns，双折射率材料的正常光折射率等于所述液晶层的正常光折射率。
5. 如权利要求1或2中所述的液晶透镜元件，其特征在于，
由SiOx Ny构成所述菲涅耳透镜，这里，0≤x≤2，0≤y≤1并且0＜x+y。
6. 一种激光头装置，具有出射波长λ的光的光源、将该光源出射的光汇聚到光记录介质的物镜、对被该物镜汇聚后被所述光记录介质反射的光进行分束的分束镜、以及检测出该分束的光的光检测器，其特征在于，
在所述光源与所述物镜之间的光路中，设置权利要求1至5中任一项所述的液晶透镜元件。
7. 如权利要求6中所述的激光头装置，其特征在于，
所述光记录介质具有覆盖信息记录层的保护层，对该保护层厚度不同的光记录介质进行记录和/或再现。
8. 一种激光头装置使用方法，其特征在于，
在具有出射波长λ的光的光源、将该光源出射的光汇聚到光记录介质的物镜、对被该物镜汇聚后被所述光记录介质反射的光进行分束的分束镜、以及检测出该分束的光的光检测器的激光头装置的所述光源与所述物镜之间的光路中，设置权利要求1至5中任一项所述的液晶透镜元件，对液晶透镜元件的透明电极之间施加M个规定的施加电压Vk，以进行使用，这里，M为大于等于3的整数。
9. 如权利要求8中所述的激光头装置使用方法，其特征在于，
所述光记录介质具有覆盖信息记录层的保护层，对该保护层厚度不同的光记录介质进行记录和/或再现。
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