CN100437225C - 液晶透镜元件以及光头装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了液晶透镜元件，该液晶透镜元件在未施加电压时的断开状态下无论入射光的偏振光状态如何，均不产生透过波面变化，在施加电压时的接通状态下对非常光偏振光入射光表现凹透镜的功能。液晶透镜元件10的液晶层16被一对透明基板11、12夹住，根据向液晶层16施加的电压的大小，使透过它的光的聚焦点相应变化，在该液晶透镜元件10中具有在透明基板11上形成的截面由凹凸形状形成的菲涅耳透镜17、在形成菲涅耳透镜17的透明基板11的平坦面上形成的第1透明电极13、在另一方的透明基板12的平坦面上形成的第2透明电极14。

Description

液晶透镜元件以及光头装置

技术领域

本发明涉及在未施加电压时的断开状态下无论入射光的偏振光状态如何均不产生透过波面的变化、而在施加电压时的接通状态下使透过波面发生变化的液晶透镜元件，以及可以向覆盖层厚度不同的多个光记录媒体进行信息的记录及/或重放的光头装置。

背景技术

作为具有在光入射侧的面上形成的信息记录层以及覆盖该信息记录层的由透明树脂形成的覆盖层的光记录媒体(以下，称为“光盘”)，正在普及的有信息记录层的覆盖层厚度(以下，称为“覆盖层厚度”)为1.2mm的CD用光盘(以下，称为CD光盘，简称为“CD”)或信息记录层的覆盖层厚度为0.6mm的DVD用光盘(以下，称为DVD光盘，简称为“DVD”)等。另一方面，作为在CD的信息的记录及/或重放(以下，称为“记录·重放”)中使用的光头装置，已知有具有波长λ₃(以下，将其称为“CD的波长λ₃”)为790nm频带的半导体激光器作为光源以及NA(数值孔径)为0.45至0.50的物镜的光头装置。另外作为DVD的记录·重放中使用的光头装置，使用具有波长λ₂(以下，将其称为“DVD的波长λ₂”)为660nm频带的半导体激光器作为光源以及NA为0.6至0.65的物镜的光头装置。

另外，近年来，为了提高光盘的记录密度，开发了覆盖层厚度为0.1mm的光盘(以下，称为BD光盘，简称为“BD”)。该BD的记录·重放中使用的光头装置是具有波长λ₁(以下，将其称为“BD的波长λ₁”)为405nm频带的蓝色半导体激光器作为光源以及NA为0.85的物镜的光头装置。但是使用对BD经最优设计使得波长λ₁的波像差几乎为零的物镜(以下，称为“BD用物镜”)，进行DVD以及CD的记录·重放时，出现因光盘的覆盖层厚度不同而造成的较大球差。结果，向信息记录层的入射光的聚焦性恶化，不能进行良好的记录·重放。由于上述情况，研究开发了对使用单一的物镜可以进行覆盖层厚度不同的3种光盘的记录·重放的小型的3波长互换光头装置。作为面向实现该3波长互换光头装置的光头装置之一，提出了使用BD用物镜和菲涅耳透镜可以进行DVD的记录·重放的光头装置(例如，参考日本专利特开2004-71134号公报)。

该光头装置使用在与DVD的NA相当的区域形成阶梯状截面形状的全息光栅作为菲涅耳透镜。将该菲涅耳透镜形成为对DVD的波长λ₂表现出凹透镜功能(菲涅耳透镜)的形状、以及阶梯状截面形状的各单位台阶高度对于BD的波长λ₁的光约相当于1个波长程度的光程差，并与BD用物镜形成一体使用。通过这样，构成了可以进行BD以及DVD的记录·重放的光头装置。但是，由于对于CD没有像差校正功能，因此难以进行3种光盘的记录·重放。

另外，也提出了通过相位补偿器减少因CD、DVD以及BD的覆盖层厚度不同而引起的球差的光头装置(例如，日本专利特开2003-207714号公报)。

在该光头装置中，具有在与DVD的NA相当的区域形成有阶梯状截面形状的相位补偿面的DVD用相位补偿元件、在相当于CD的NA的区域形成阶梯状截面形状的相位补偿面的CD用相位补偿元件，并与BD用物镜形成一体使用。

将DVD用相位补偿面的阶梯状截面形状的各单位台阶高度对于BD的波长λ₁以及CD的波长λ₃形成为给予波长的约整数倍的光程差的台阶高度，使之仅对DVD的波长λ₂表现出球差补偿功能。另外，将CD用相位补偿面的阶梯状截面形状的各单位台阶高度对于BD的波长λ₁以及DVD的波长λ₂形成为给予波长的约整数倍的光程差的台阶高度，使之仅对CD的波长λ₃表现出球差补偿功能。

但是，为了在各相位补偿元件中表现希望的波长选择性，必须使用具有特殊折射率波长分散的玻璃材料，同时要以高精度地加工多个高台阶高度为前提，因此难以稳定得到波长选择像差补偿功能。另外，为了仅补偿球差，相位补偿元件不产生扩大物镜与光盘的间隔(以下，称为“工作距离”)的凹透镜功能。因此，将BD用物镜与CD用相位补偿元件形成一体使用时，对于CD的工作距离在0.3mm以下，难以在光盘旋转时光盘与物镜不接触并进行稳定的记录·重放。

另外，通过将CD用相位补偿元件的相位补偿面形成为如日本专利特开2004-71134号公报所示的菲涅耳透镜形状，可以表现出凹透镜功能。但是，这种情况下，凹凸部的台阶高度以及环数增大，出现由各台阶高度的壁面引起的BD的波长λ₁以及DVD的波长λ₂的高衍射级数的衍射光，相当于希望的凹透镜功能的透过波面的效率降低，因此出现问题。

作为这种由于光盘等的覆盖层厚度不同而所引起的球差的补偿方法，还提出了使用相当于液晶透镜元件的光调制元件的光头装置(例如，日本专利特开平9-230300号公报)。以下，将该光调制元件的横截面图示于图16。

该光调制元件100具有大致平行的2个透明基板110、120以及在它们之间夹住的液晶层130，在一方的透明基板110的液晶侧的面上形成具有同心圆的闪耀形状的菲涅耳透镜形状的凹凸部140，同时在2个透明基板110、120的液晶侧的面上形成电极150以及取向膜160。另外，液晶层130在未施加电场时取向方向相对于透明基板大致平行，在施加电场时取向方向相对于透明基板大致垂直。

在此，通过形成使液晶层130的寻常光折射率n_o、非常光折射率n_e的任一方与透明基板的具有闪耀形状的凹凸部140的折射率n_F几乎相等的结构，从而未施加电场时与施加电场时，对于非常光偏振光的入射光，液晶层130与凹凸部140的折射率差Δn在Δn(＝n_e-n_o)至零之间变化。因此，通过使该凹凸部140的深度作为Δn×(凹凸部的深度)＝(真空中的光的波长)、凹凸部140的折射率n_F与n_e大致相等，则对于非常光偏振光的入射光，光调制元件100成为切换未施加电压时的非凹透镜功能的断开状态与施加电压时表现凹透镜的接通状态的液晶透镜元件。

将该光调制元件100与BD用物镜一体化，并安装在光头装置中，仅在CD的记录·重放时使光调制元件100成为接通状态，通过这样可以补偿由于光盘的覆盖层厚度不同引起的球差，同时可以表现将工作距离扩大至0.3mm以上的凹透镜功能。另一方面，在BD以及DVD的记录·重放时，通过使光调制元件100成为断开状态，可以得到高透射率。

但是，当寻常光偏振光入射至图16所示的光调制元件100时，与是否有施加电压无关，透过波面根据液晶层130与凹凸部140的折射率差Δn相应进行变化。特别是在BD以及DVD的记录·重放中，由于寻常光偏振光与非常光偏振光均入射至光调制元件100中，因此产生的问题是，使透过波像差劣化，不能记录·重放。

另外，以往，一般使用的DVD光盘的信息记录层是单层(以下称为“单层DVD光盘”)，覆盖层为0.6mm。但是，近年来，为了增大每一片光盘的信息量，还开发了将信息记录层形成为两层的(重放专用或者能够重放及记录)的光盘(以下称为“双层DVD光盘”)，在该双层光盘中，在光入射侧的覆盖层厚度为0.57mm以及0.63mm的位置形成信息记录层。

对于BD光盘也同样，除了信息记录层为单层、覆盖层厚度为0.1mm(以下，称为“单层BD光盘”)之外，为了增大每一片光盘的信息量，还开发了双层光盘(以下，称为“双层BD光盘”)，在光入射侧的覆盖层厚度为0.100mm以及0.075mm的位置形成信息记录层。

这样，在采用具有对单层光盘(即单层DVD光盘或单层BD光盘)进行最佳设计、使得像差为零的物镜的光头装置对双层光盘(即双层DVD光盘或双层BD光盘)进行记录·重放的情况下，如果覆盖层厚度不同，则因覆盖层厚度的不同而相应产生球差，对信息记录层的入射光的聚焦性恶化。特别是在记录型的双层光盘中产生的问题是，聚焦性的恶化将相应使记录时的聚焦功率密度降低，导致写入错误。

因此，作为补偿由于双层光盘等的覆盖层厚度不同而引起的球差的方法，还提出例如日本专利特开平10-269611号公报中记载的具有波像差补偿装置的光头装置。在该光头装置中，使用如日本专利特开平10-269611号公报的图2所示的根据多层盘的记录层间隔补偿相应产生的球差分量的弓形(segment)液晶板。

但是，仅补偿球差分量的情况下，使用物镜与另外设置的液晶板时，出现由物镜在跟踪时产生的两元件的偏心而引起的彗形像差的问题。为了避免该问题，虽考虑采用例如将液晶板与物镜形成一体使用，但是采用这样的结构时存在的问题是，使物镜可动的驱动器的负荷增大，同时向液晶板施加电压机构也变得复杂。

另外，同样以补偿由双层光盘等的覆盖层厚度不同所引起的球差为目的，提出了在日本专利特开2004-103058号公报中记载的像差补偿装置。

在该像差补偿装置中，如日本专利特开2004-103058号公报的图2所示，使用像差补偿组件(unit)，该像差补偿组件是由补偿与多层盘的记录层间隔较大相对应的较大像差的粗调用全息液晶单元(cell)、以及补偿与覆盖层的相关误差相对应的球差的微调用弓形液晶单元形成组件。在此，将全息液晶单元形成为设置有液晶和在液晶的两侧能够向液晶施加电压而配置的透明电极的液晶菲涅耳透镜，该液晶被封入玻璃基板以及截面形状为锯齿状的玻璃基板之间，且衍射光栅的截面形状具有锯齿状的闪耀全息形状。电极由不被分割的均匀的透明导电材料形成。

但是，该全息液晶单元的情况下，由于在表面被加工成锯齿状的玻璃基板的表面形成透明电极，因此容易断线，难以制成稳定的低电阻的透明电极。

另外，近年来，为了提高光盘的记录密度，开发了覆盖层厚度与DVD同样为0.6mm的光盘(以下，称为HDDVD光盘，简称为“HD”)，该光盘使用具有波长405nm频带的蓝色半导体激光器以及NA为0.65的物镜的光头装置。但是，由于HDDVD与BD的覆盖层厚度不同，因此产生的问题是，不能进行使用BD用物镜的HDDVD的记录·重放，或者不能进行使用HDDVD用物镜的BD的记录·重放。

发明的揭示

本发明是鉴于上述情况而完成的发明，其目的是提供在未施加电压时的断开状态下不管入射光的偏振光状态如何均不出现透过波面变化、而在施加电压时的接通状态下对非常光偏振光入射光表现凹透镜功能的液晶透镜元件。另外其目的还在于，通过将该液晶透镜元件与对BD进行最优设计的物镜形成一体安装在光头装置中，提供实现BD、DVD以及CD的稳定记录·重放的光头装置。

另外，本发明的目的还在于，通过使用液晶透镜元件，可以实现没有可动部的小型元件，同时还提供能够补偿因单层以及双层光盘中的覆盖层厚度不同而引起的球差、可以进行稳定的记录及/或重放的光头装置。

另外，本发明的目的还在于，对于具有BD用物镜或者HDDVD用物镜的光头装置，提供可以对BD以及HDDVD的光盘进行记录·重放的BD/HDDVD互换光头装置。

本发明提供了下述的内容。

1.液晶透镜元件，它是具备对向的一对透明基板以及液晶被所述透明基板夹住的液晶层、并根据对所述液晶层施加的电压的大小使透过所述液晶层的光的聚焦点变化的液晶透镜元件，其特征在于，

具备，

菲涅耳透镜，形成在上述一方的透明基板的与另一方的透明基板对向的平坦面上，具有截面为凹凸形状的凹凸部，

第1透明电极，所述第1透明电极形成于构成有所述菲涅耳透镜的所述一方的透明基板的菲涅耳透镜下部的平坦面或者所述菲涅耳透镜的凹凸部的表面，

第2透明电极，所述第2透明电极形成于所述另一方的透明基板的与所述一方的透明基板对向的平坦面；

所述液晶层的实质性的折射率n(V)根据所述第1透明电极与第2透明电极之间施加的电压V的大小，对于非常光偏振光的入射光从未施加电压时(V＝0)的断开状态的折射率变化至施加电压时的接通状态的折射率，同时，对于寻常光偏振光的入射光无论施压电压如何均为寻常光折射率n_o，并且，

满足下述(1)～(3)中的任一项条件，

(1)所述液晶层是电介质各向异性为负的向列型液晶，所述断开状态的液晶分子的取向方向相对于所述菲涅耳透镜的表面呈垂直或接近垂直的角度，同时，所述菲涅耳透镜由折射率n_F为与所述液晶层的寻常光折射率n_o相同或与其接近的值的均一折射率材料形成，

(2)所述液晶层是电介质各向异性为正的向列型液晶，所述断开状态的液晶分子的取向方向相对于所述菲涅耳透镜的表面呈平行或接近平行的状态，同时，所述菲涅耳透镜由双折射材料构成，该材料的非常光折射率n_Fe的值与液晶层的非常光折射率n_e(n_e≠n_o)相同或接近，并且其寻常光折射率n_Fo(n_Fe≠n_Fo)的值与所述液晶层的寻常光折射率n_o相同或接近，

(3)所述液晶层是电介质各向异性为正的向列型液晶，所述断开状态的液晶分子的取向方向相对于所述菲涅耳透镜的表面呈平行或接近平行的状态，同时，所述菲涅耳透镜由折射率的值与所述液晶层的非常光折射率n_e相同或接近的均一折射率材料形成，并且，在所述一对透明基板的一方，形成用于抵消在上述断开状态下的对所述液晶透镜元件的寻常光偏振光的入射光和透过光之间所产生的相位差的偏振光菲涅耳透镜。

通过形成这样的液晶透镜元件，液晶透镜元件的入射光的透过波面在断开状态下无论入射光的偏振光状态如何均不变化，但在接通状态下对于非常光偏振光的入射光产生变化，可以在接通状态与断开状态下切换焦点距离。另外，在此所谓“垂直或接近垂直的角度”、“平行或接近平行的状态”中的接近角度、状态是指距垂直角度或平行状态分别在5度以内的意思。另外，所谓“与折射率n相同或与其接近”中的接近的值是指在折射率的3％以内差异的意思。

2.如上述1所述的液晶透镜元件，其特征在于，对于入射的3种不同波长λ₁、λ₂、λ₃(λ₁＜λ₂＜λ₃)，在所述一对透明基板的至少一方的基板上形成由多个台阶构成的相位补偿面，所述台阶的一个台阶高度相对于波长λ₁以及λ₃为波长的整数倍或与其接近的值的光程差，而相对于波长λ₂为波长的非整数倍的光程差。

通过使用这样的液晶透镜元件，利用相位补偿面表现出，在断开状态仅对波长λ₂的入射光与其偏振光状态无关的像差补偿功能。另外，所谓“波长的整数倍或与其接近的值”中的接近的值是指在1个波长的5％以内差异的意思。

3.本发明提供了光头装置，它是具有光源、将来自所述光源的出射光会聚至覆盖层的厚度不同的光记录媒体上的物镜、以及检测由所述物镜聚光后被所述光记录媒体的信息记录层反射的光的光检测器的光头装置，其特征在于，在所述光源和所述物镜之间的光路中配置上述1或2所述的液晶透镜元件，所述液晶透镜元件具有通过使接通状态下产生的透过波阵面变化来补偿对于所述光记录媒体出现的波像差的功能、以及扩大物镜与上述光记录媒体之间间隔的凹透镜功能。

通过使用这样的光头装置，在覆盖层厚度不同的多个光盘的记录·重放中，可以在液晶透镜元件的接通状态下补偿因覆盖层厚度的不同而出现的波像差，以及可以扩大工作距离。结果，可以使用单一的物镜和液晶透镜元件稳定进行多个光盘的记录·重放。

4.光头装置，它是具有射出波长λ的光的光源、将来自所述光源的出射光会聚至光记录媒体上的物镜、将由所述物镜聚光后被所述光记录媒体反射的光分波的分光器、以及检测上述被分波的光的光检测器的光头装置，其特征在于，所述光记录媒体具有覆盖层的厚度不同的2层以上的多个信息记录层，在所述光源与所述物镜之间的光路中设置上述1所述的液晶透镜元件，通过变换所述液晶透镜元件的断开状态和接通状态的施加电压，进行对上述覆盖层的厚度不同的信息记录层的记录及/或重放。

5.如上述4所述的光头装置，其特征在于，所述液晶透镜元件由第1液晶透镜部和第2液晶透镜部构成，第1以及第2液晶透镜部均具备菲涅耳透镜、在形成有所述菲涅耳透镜的所述一方的透明基板的平坦面上形成的第1透明电极、以及在所述另一方的透明基板的与所述一方的透明基板对向的平坦面上形成的第2透明电极，所述菲涅耳透镜形成在所述一方的透明基板的与另一方的透明基板对向的平坦面上，截面为凹凸形状，由折射率的值与所述液晶层的寻常光折射率n_o相同或接近的均一折射率材料形成，具有的凹凸部，所述液晶层是介质各向异性为负的向列型液晶，所述断开状态的液晶分子的取向方向相对于所述菲涅耳透镜的表面呈垂直或接近垂直的状态，同时，液晶层的实质性的折射率n(V)根据所述第1透明电极与第2透明电极之间施加的电压V的大小，对于非常光偏振光的入射光从未施加电压时(V＝0)的断开状态的折射率变化至施加电压时的接通状态的折射率，同时，对于寻常光偏振光的入射光无论施压电压的大小如何均为寻常光折射率n_o，接通状态下的所述第1液晶透镜部与所述第2液晶透镜部的液晶层的寻常光折射率的方向相互垂直。

通过使用这样的光头装置，无论入射光的偏振光状态如何，可以实现具有覆盖层厚度不同的覆盖层的厚度不同的2层以上的多个信息记录层的光盘进行稳定的记录·重放

通过本发明，在未施加电压时的断开状态下，无论入射光的偏振光状态如何，液晶透镜元件的出射光的波面不变化，直线透过，可以得到高的透射率。另一方面，在施加电压时的接通状态下，对非常光偏振光的入射光液晶透镜元件可以表现透镜功能。因此，通过电压的接通·断开，可以切换透镜功能的有无。

另外，通过具有这样液晶透镜元件的光头装置，对于BD以及DVD，在断开状态使用液晶透镜元件，可以实现光盘的记录·重放。另外，对于CD，在接通状态使用液晶透镜元件，可以使之表现凹透镜功能，能够补偿因覆盖层厚度的不同而引起的波像差，同时还将工作距离扩大到0.3mm以上，可以实现稳定的记录·重放。

另外，由于通过具有这种液晶透镜元件的光头装置，可以有效地补偿在BD或CD用的单层光盘以及双层光盘中出现的因覆盖层厚度不同而引起的波像差，因此可以稳定地进行记录·重放。

另外，通过形成具有这种液晶透镜元件以及BD用或HDDVD用物镜的光头装置，可以实现BD以及HDDVD的互换光头装置。

附图的简单说明

【图1】显示本发明涉及的第1实施方式的液晶透镜元件的构成的纵截面图。

【图2】显示图1所示的液晶透镜元件的构成的横截面图。

【图3】显示由第1实施方式涉及的液晶透镜所生成的透过波面的光程差的示图，α为以横轴作为半径r、将光程差以波长λ为单位表示的曲线，β为α减去波长λ的整数倍后作为-λ以上零以下的光程差的曲线，γ为透过波面没有变化的显示光程差零的曲线。

【图4】本发明的液晶透镜元件的侧面图中的透明电极间的放大图。

【图5】显示本发明涉及的第1实施方式的另一液晶透镜元件的构成的纵截面图。

【图6】显示本发明涉及的第2实施方式的液晶透镜元件的构成的纵截面图。

【图7】显示本发明涉及的第2实施方式的液晶透镜元件的DVD用相位补偿面的波像差补偿作用的波像差的局部放大图。

【图8】是显示切换向第2实施方式的液晶透镜元件的施加电压时的作用的说明图，(A)显示施加电压V₀时的波长λ₁的没有波面变化的透过波面，(B)显示施加电压V₀时的波长λ₂的发散透过波面，(C)显示施加电压V_P时的波长λ₃的发散透过波面。

【图9】显示安装了本发明的液晶透镜元件的第3实施方式的光头装置的构成图。

【图10】显示本发明涉及的第4实施方式的液晶透镜元件的构成的纵截面图。

【图11】显示图10所示的液晶透镜元件的构成的横截面图。

【图12】显示安装了本发明涉及的第4实施方式的液晶透镜元件的光头装置的构成图。

【图13】显示安装了本发明涉及的第4实施方式的液晶透镜元件的光头装置的一部分的构成图。

【图14】显示安装了本发明涉及的液晶透镜元件的光头装置的实施例3与以往例的波像差性能计算值的图。

【图15】显示安装了本发明涉及的液晶透镜元件的光头装置的实施例4与以往例的波像差性能计算值的图。

【图16】显示以往的光调制元件(液晶衍射透镜)的构成例的纵截面图。

【符号的说明】

1  半导体激光器(光源)

2  偏振光分光器

3  合波棱镜

4  准直透镜

5  BD用物镜

6  光检测器

7  驱动器

8A CD用组件

8B DVD用组件

9  合波棱镜

10、20、30  液晶透镜元件

11、12、12C、12D、21、31、310、320  透明基板

13、13C、13D  第1透明电极

14、14C、14D  第2透明电极

15、15C、15D  密封构件

16、16C、16D  液晶层

17、17C、17D  凹凸部(菲涅耳透镜)

18  衍射光栅

19  电介质多层膜

22  偏振光菲涅耳透镜

23  透明粘合材料

32  相位补偿面

33  相位板

40  光头装置

51  1/4波长板

D   光盘

D1、D2  信息记录层

实施发明的最佳方式

以下，参考附图说明本发明的实施方式。

[第1实施方式]

参考图1所示的侧面图以及图2所示的平面图来说明本发明的第1实施方式所涉及的液晶透镜元件10的构成例。

本实施方式的液晶透镜元件10具有透明基板11及12、第1透明电极13、第2透明电极14、密封构件15、液晶层16、凹凸部17以及衍射光栅18。

其中，凹凸部17是菲涅耳透镜或具有近似阶梯状形状的菲涅耳透镜，利用折射率n_F的透明材料形成在与CD的数值孔径NA₃＝0.50相当的有效直径区域，并对入射光的光轴(Z轴)具有旋转对称性。另一方面，衍射光栅18形成在除去DVD的数值孔径NA₂之外的包含BD的数值孔径NA₁的区域上，具有对BD的波长λ₁＝405nm产生与1个波长相当的相位差的光栅深度的矩形截面形状。如果形成这样的结构，当波长λ₁的光入射至衍射光栅18时，不发生衍射而是直线透过。另一方面，当波长λ₂＝660nm以及波长λ₃＝790nm的光入射时，大部分的光被衍射，直线透过的光在15％以下。即，波长λ₁的入射光直线透过透明基板12的数值孔径NA₁的全部区域，波长λ₂以及波长λ₃的入射光仅直线透过数值孔径NA₂的区域，表现出波长选择性的孔径控制功能。

下面，对于该液晶透镜元件10的制造工序的一例进行以下说明。

首先，在透明基板11的一方的平坦面(图1中的上表面)上形成第1透明电极13。再于该透明电极13上的数值孔径NA₃的区域，使用折射率n_F的透明材料形成凹凸部17。

另一方面，在透明基板12的一方的表面(图1中的上表面)上，在除去数值孔径NA₂＝0.65的包含数值孔径NA₁＝0.85的区域形成衍射光栅18。如前所述，将该衍射光栅18加工成，对BD的波长λ₁＝405nm产生与1个波长相当的相位差的光栅深度的矩形截面形状的凹凸光栅。另外，形成透明基板12的衍射光栅18的表面上，形成对波长λ₁、λ₂、λ₃的反射率在0.5％以下的防反射膜。

进一步，在透明基板12的另一方的基板面制成第2透明电极14后，将混入间隙控制材料的图示外的粘合材料印制图形，形成密封构件15，与前述的透明基板11重合，压接制作空单元。

接着，从设置在密封构件15的一部分的注入口(未图示)注入具有寻常光折射率n_o和非常光折射率n_e(其中，n_o≠n_e)的向列型液晶，然后，密封该注入口，将液晶密封在单元内，形成液晶层16，形成本实施方式的液晶透镜元件10。

另外，在本实施方式中，为了通过形成在透明基板11侧的电极14A向第2透明电极14施加电压，预先将导电性金属粒子混入密封构件15后压接密封构件，在密封构件厚度方向表现出导电性，使第2透明电极14和电极14A导通。将与第1透明电极13连接的电极13A、和与第2透明电极14连接的电极14A与外部的交流电源连接，向液晶层16施加交流电压。

通过这样，向液晶透镜元件10的第1透明电极13和第2透明电极14施加交流电压V，从而根据施加到液晶层16的电压V_LC，液晶分子的取向相应发生变化，液晶层16的实质性的折射率发生变化。这里，液晶层16的所谓“实质性的折射率”意味着，对入射光的偏振光方向的液晶层16的平均折射率，相当于(光程长)÷(液晶层的厚度)。其结果，对入射光的特定的直线偏振光，根据电压V_LC的大小，液晶层16的实质性的折射率n(V_LC)相应发生变化，液晶透镜元件10的透过光的波面发生变化。

凹凸部17的材料的电阻率ρ_F与液晶层16的电阻率ρ_LC相比不能看作充分小的值时，对于第1透明电极13和第2透明电极14的施加电压V，将出现凹凸部17的电压降低，实际施加到液晶层16的的电压V_LC下降。

当凹凸部17和液晶层16为可看作电绝缘体的大的电阻率时，施加电压V根据凹凸部17的电容量C_F和液晶层16的电容量C_LC进行分配，来决定施加到液晶层16的电压V_LC。即，由于根据第1透明电极13和第2透明电极14夹住的凹凸部17和液晶层16的厚度的比率，电容量C_F和C_LC发生变化，因此电压V_LC和折射率n(V_LC)进行分布，可以根据凹凸部1 7的形状调整透明电极13、14间的平均折射率、即光程长。其结果，根据凹凸部17的菲涅耳透镜形状，存在入射光的透过波面表示放大率分量(透镜功能)的施加电压V_P。通过这样，可以得到通过切换施加电压V来切换透过光的聚焦点的液晶透镜元件10。

另外，为了对电压V_LC得到液晶层16的实质性的折射率的大变化，最好液晶层16的分子取向方向与透明基板的界面一致。为了将液晶分子的取向方向沿一定方向一致，只要在第2透明电极14和凹凸部17的表面涂布聚酰亚胺等取向材料(未图示)，固化后沿X轴方向摩擦处理即可。

作为凹凸部17的材料也可使用聚酰亚胺，对其表面作摩擦处理。除了聚酰亚胺的摩擦处理以外，也可以将SiO斜蒸镀膜或光取向膜等用作为取向材料，并将液晶分子的取向一致。

这里，菲涅耳透镜形状的由透明材料形成的凹凸部17，可以是紫外线固化树脂或热固化树脂、感光性树脂等有机材料，也可以是SiO₂、Al₂O₃或SiO_xN_y(其中，x、y表示O和N的元素比率。)等无机材料。另外，也可以是均一折射率材料或双折射材料。可以在透明基板11的平坦面形成规定膜厚的透明材料层后，利用光刻或反应性离子刻蚀等技术加工成凹凸状来形成凹凸部17，也可以用金属模具对透明材料层转印凹凸部形状来形成凹凸部17。

另外，第1透明电极13和第2透明电极14在未施加电压时(V＝0)的断开状态下，为了得到对寻常光偏振光(偏振光方向为Y轴方向的偏振光面)的入射光而液晶透镜元件10的透过波面没有变化(没有放大率)的功能，使凹凸部17的折射率n_F与液晶层16的实质性的折射率n(V_LC＝0)几乎相等。

未施加电压时的液晶层16的液晶分子的取向方向有例如以下的3种。

(i)当使用液晶分子长轴方向的相对介电常数ε_//与液晶分子短轴方向的相对介电常数ε⊥之差的电介质各向异性Δε(＝ε_//-ε⊥)为负的液晶时，液晶的取向方向与垂直于施加电压而生成的电场的方向(即，非常光折射率n_e的方向)一致。图1中，在凹凸部17和第2透明电极14的表面涂布液晶分子的取向方向与其表面大致垂直的聚酰亚胺等取向膜(未图示)，再使之固化，并沿X轴方向进行摩擦处理。结果，未施加电压时的液晶分子成为与相对于凹凸部17和第2透明电极14的表面呈大致垂直方向一致的垂直取向。此时，对非常光偏振光(偏振光方向为X轴方向的偏振光面。X-Z面内的偏振光面)的入射光，液晶层16的实质性的折射率n(0)成为寻常光折射率n_o，随着电压V_LC的增加，逐渐接近非常光折射率n_e。

(ii)使用电介质各向异性Δε为正的液晶，在图1中，在第2透明电极14和凹凸部17的表面形成液晶分子的取向方向沿大致平行于凹凸部17和第2透明电极14的表面的方向一致的水平取向膜，液晶分子的取向方向为沿X轴方向一致的平行取向。此时，对非常光偏振光的入射光，液晶层16的实质性的折射率n(0)成为液晶的非常光折射率n_e，随着电压V_LC的增加，逐渐接近寻常光折射率n_o。

(iii)使用电介质各向异性Δε为正的液晶，在图1中，在凹凸部17的表面形成垂直取向膜。另一方面，在平坦的第2透明电极14的表面形成沿X轴方向经摩擦处理的水平取向膜。结果，液晶分子的取向方向成为对凹凸部17的表面沿大致垂直方向一致、而对第2透明电极14的表面沿大致平行方向一致的混成取向。此时，对于非常光偏振光的入射光，液晶层16的实质性的折射率n(0)成为液晶的非常光折射率n_e与寻常光折射率n_o的平均值、即(n_e+n_o)/2，随着电压V_LC的增加，逐渐接近寻常光折射率n_o。

下面，对菲涅耳透镜或者以阶梯状近似菲涅耳透镜的凹凸部17的截面形状进行以下的详细说明。

将本发明的液晶透镜元件10安装在光头装置中，当向第1透明电极13和第2透明电极14施加电压V_P为接通状态时，生成补偿由光盘的覆盖层厚度不同而引起的球差的透过波面，同时还生成了扩大工作距离的赋予负放大率分量(凹透镜功能)的透过波面。此时，对于入射至液晶透镜元件10的非常光偏振光的平面波的透过波面，通过相对于光轴中心(坐标原点：x＝y＝0)的光线偏离半径r的位置的光线的光程差OPD用如(1)式所示的幂级数来表示。

OPD(r)＝a₁r²+a₂r⁴+a₃r⁶+a₄r⁸+…

                               …(1)

其中r²＝x²+y²

a₁、a₂、…；常数(后述，凹凸部17为[表1]的系

数，相位补偿面32为[表2]的系数)

表1

系数	值
		a<sub>1</sub>	-18.1374
a<sub>2</sub>	-0.1392
		a<sub>3</sub>	0.5976
a<sub>4</sub>	-0.3808
		a<sub>5</sub>	0.0887

以及

表2

系数	值
		a<sub>1</sub>	3.4553
a<sub>2</sub>	1.0111
		a<sub>3</sub>	0.1811
a<sub>4</sub>	-0.0164
		a<sub>5</sub>	0.0074

在此，用图3中的符号α表示(1)式的曲线的具体例。另外，横轴用半径r表示，纵轴以入射光的波长λ的单位表示光程差OPD，α的曲线表示含有(1)式的中心轴(r＝0)的截面。

对于波长λ的入射光具有λ的整数倍的光程差的透过波面被认为是同等的，因此将图3的α所示曲线(光程差)以波长λ的间隔隔开、表示向光程差零的面投影(平行移动)的光程差的曲线β与曲线α实质上相同。另一方面，曲线β所示的光程差均在λ以内(图中从-λ到零的范围)，成为菲涅耳透镜形状。这与图1所示液晶透镜元件10中的凹凸部17的菲涅耳透镜形状对应。另外，图3的γ所示的曲线表示透过波面没有变化的光程差为零的透过波面。

图1所示的液晶透镜元件10中，当接通状态下液晶层16的实质性的折射率n(V_P)与凹凸部17的折射率n_F的大小关系为n(V_P)＞n_F时，通过使图1所示的中心部成为凸的菲涅耳透镜形状，从而表现凹透镜作用。另一方面，当n(V_P)＜n_F时，通过使图1和XY面对称的中心部成为凸的菲涅耳透镜形状，表现凸透镜作用。

但是，当凹凸部17和液晶16的电阻率ρ_F、ρ_LC可看做电绝缘体的较大电阻率时，在等效电路中，由凹凸部17和液晶层16的电容量C_F、C_LC决定向凹凸部17和液晶层16的电压分配。

因此，当将向透明电极间施加的交流电压V的交流频率设为f、凹凸部1 7的相对介电常数设为ε_F、膜厚设为d_F、液晶层16的液晶的相对介电常数设为ε_LC、层厚设为d_LC时，当f×ε₀×ρ_F×ε_F和f×ε₀×ρ_LC×ε_LC分别充分大于1时，使用第1透明电极13与第2透明电极14之间的凹凸部17和液晶层16的放大截面图、即图4，对液晶透镜元件10的作用进行以下说明。另外，ε₀为真空中的介电常数。另外，如果将第1透明电极13与第2透明电极14的间隔设为G，则凹凸部17的膜厚d_F与液晶16的层厚d_LC之和(d_F+d_LC)为定值G。

相对于第1透明电极13与第2透明电极14之间的交流施加电压V，向液晶层16分配的施加电压V_LC的比率V_LC/V如下式所示。

V_LC/V＝C_F/(C_F+C_LC)

     ＝1/(1+(ε_LC/E_F)×(d_F/d_LC))

                                …(2)

在此，由于凹凸部17的膜厚d_F与形成菲涅耳透镜的锯齿状或者以阶梯形状近似锯齿的截面形状相对应，在从零到d的范围分布，因此d_F/d_LC在从零到d/(G-d)的范围分布。其结果，液晶层16的施加电压V_LC根据凹凸部17的形状进行相应空间分布。

为了向液晶层16高效施加电压，最好采用相对介电常数ε_F大的凹凸部17的材料，使(2)式的比率V_LC/V增大。由于液晶层16的相对介电常数ε_LC约在4以上，因此凹凸部17最好为4以上的相对介电常数ε_F。

另外，由于液晶具有介电常数各向异性，液晶分子长轴方向的相对介电常数ε_//与液晶分子短轴方向的相对介电常数ε⊥不同，因此伴随施加电压，液晶分子的取向出现变化，通过液晶分子的取向变化，液晶层16的相对介电常数ε_LC也产生变化。因此，(2)式中，根据相对介电常数ε_LC，V_LC进行相应的变化，确定与凹凸部17的形状相应的液晶层16的施加电压V_LC的空间分布。由于V_LC取决于膜厚d_F，因此以下表示为V_LC[d_F]。

另外，V_LC[0]与透明电极间的施加电压V相等。

因此，根据凹凸部17的膜厚d_F的分布，对于非常光偏振光的入射光的液晶层16的实质性的折射率n(V_LC[d_F])出现空间分布。图4中，凹凸部17的膜厚d_F的位置的第1透明电极13与第2透明电极14之间的光程长为{n_F×d_F+n(V_LC[d_F])×d_LC}，相对于凹凸部17的菲涅耳透镜中心位置(d_F＝d)的光程长{n_F×d+n(V_LC[d])×(G-d)}的光程差OPD如(3)式所示。

OPD＝n_F×(d_F-d)+n(V_LC[d_F])×(G-d_F)

               -n(V_LC[d])×(G-d)

                                   …(3)

另外，膜厚d_F在从d到零的范围分布，光程差OPD从零到(4)式的光程差OPD₀的范围分布。

OPD₀＝{n(V)-n(V_LC[d])}

         ×G-{n_F-n(V_LC[d])}×d

                              …(4)

例如，对于施加电压V_P，为了对CD的波长λ₃的入射光生成与图3的曲线β相当的透过波面的光程差，只要确定在透明基板11形成的凹凸部17的膜厚d以及第1透明电极13与在透明基板12上形成的第2透明电极14的间隔G，使光程差OPD₀大致为λ₃，同时使凹凸部17呈膜厚为零至d的截面形状即可。在此，将凹凸部17加工成菲涅耳透镜形状，使光程差OPD₀与CD的波长λ₃大致相等，即成为0.75λ₃至1.25λ₃。

在此，对于断开状态和接通状态的施加电压V₀(＝O)、V_P，入射至液晶透镜10的非常光偏振光的平面波成为分别如图3的曲线γ和β所示的透过波面进行出射。即，得到了根据第1透明电极13与第2透明电极14的施加电压而在断开状态没有放大率、在接通状态为与负放大率相对应的透镜功能。

另一方面，当液晶透镜元件10的入射光的直线偏振光为寻常光偏振光时，在前述的垂直取向、平行取向和混合(hybrid)取向的任一种情况下，液晶层16的实质性的折射率成为寻常光折射率n_o，无论施加电压V的大小如何均不发生变化。此时，(3)式所示的光程差OPD成为{(n_o-n_F)×(d-d_F)}，当(n_o-n_F)不为零时，根据凹凸部17的膜厚d_F的分布，液晶透镜元件10的透过波面产生相应变化。对非常光偏振光的入射光，由于断开状态(V＝V_LC[d_F]＝V_LC[d]＝0)，呈无放大率的条件，因此通过(3)式对凹凸部17的非常光偏振光的折射率n_F为n_F＝n(0)，液晶层16为垂直取向时n_F＝n_o，为平行取向时n_F＝n_e，为混合取向时n_F＝(n_o+n_e)/2。

因此，当凹凸部17为均一折射率材料时，对于寻常光偏振光的入射光，垂直取向时(n_o-n_F)为零，平行取向和混合取向分别为(n_o-n_e)和(n_o-n_e)/2，出现由光程差OPD的分布引起的透过波面变化。

为了使得对这样的寻常光偏振光的入射光不出现固定的光程差OPD的空间分布，最好采用如下所述的液晶透镜元件10的构成。

作为第1构成，是凹凸部17的透明材料使用高分子液晶等双折射材料，进行调整，使在断开状态下对液晶层16的非常光偏振光和寻常光偏振光的液晶层16的折射率与凹凸部17的折射率一致。具体地讲是这样的构成，即采用双折射材料，该双折射材料对于非常光偏振光，凹凸17部的折射率n_Fe与液晶层16的断开状态的实质性的折射率n(0)相等，而对于寻常光偏振光，凹凸部17的折射率n_Fo与液晶层16的寻常光折射率n_o相等，无论入射光的偏振光状态如何，均不出现光程差OPD的空间分布。例如，当由高分子液晶形成凹凸部17时，只要使高分子液晶的寻常光折射率n_Fo和非常光折射率n_Fe与平行取向的液晶层16的液晶的寻常光折射率n_o和非常光折射率n_e一致，使高分子液晶沿与液晶层16和凹凸部17的界面的液晶分子取向相同的方向取向即可。

接着，作为第2构成(图1的液晶透镜元件10的变形例)，是显示了图5中的液晶透镜元件20的截面图。液晶透镜元件20中，为了抵消对寻常光偏振光的入射光出现的液晶透镜元件10的固定的光程差OPD，作为偏振光相位补偿层在透明基板21上形成了由双折射材料构成的偏振光菲涅耳透镜22。

在此，首先说明了该透明基板21和偏振光菲涅耳透镜22的制造方法，是在透明基板21的单面(图5中为下侧)制成经取向处理的取向膜，形分量子取向沿Y轴方向一致的高分子液晶膜。将该高分子液晶膜加工成由凹凸部形成的菲涅耳透镜形状，向该凹部填充与高分子液晶的寻常光折射率n_Fo相等的均匀折射率n_s的透明粘合材料23，并将其粘合固定在透明基板12上。在此，高分子液晶的取向方向与断开状态的液晶层16的液晶的取向方向相垂直，对于作为液晶层16来说成为非常光偏振光的偏振光方向为X轴方向的偏振光面(X-Z面内)，高分子液晶的寻常光折射率n_Fo与透明粘合材料23的折射率n_s一致，因此偏振光菲涅耳透镜22的透过波面没有变化。另一方面，对于作为液晶层16来说成为寻常光偏振光的偏振光方向为Y轴方向的偏振光面，高分子液晶的非常光折射率n_Fe与透明粘合材料23的折射率n_s不同，偏振光菲涅耳透镜22的透过波面根据其凹凸部的菲涅耳透镜形状，出现相应变化。如果形成高分子液晶的凹凸部形状，使该透过波面变化与液晶透镜元件10对于寻常光偏振光入射光出现的固定的光程差OPD相抵消，则由于无论入射光的偏振光状态如何，断开状态的透过波面均不发生变化，因此较为理想。与第1构成相比较，高分子液晶的折射率n_Fe、n_Fe不受液晶的非常光折射率n_e、寻常光折射率n_e限制，因此具有材料选择的自由度高的优点。另一方面，由于偏振光菲涅耳透镜22的形成，存在液晶透镜元件变厚的缺点。

另外，在图5的液晶透镜20中，在透明基板21的单面的规定区域形成电介质多层膜滤光片19，代替液晶透镜10的衍射光栅18，起到开口控制功能。该电介质多层膜滤光片19透过波长λ₁，反射波长λ₂和波长λ₃。

另外，图5的符号中与图1相同的表示与图1相同的构件。

如上所示，图1和图5的液晶透镜元件10、20的构成是，均在透明基板11的平面形成第1透明电极13薄膜，再在其上形成了由凹凸部17构成的菲涅耳透镜。但是，也可以是这样构成，即在透明基板11的平面形成由凹凸部17构成的菲涅耳透镜，再在凹凸部17的表面形成第1透明电极13薄膜。

这种情况下，向第1透明电极13与第2透明电极14施加的电压V，由于在凹凸部17没有电压降，直接向液晶层16施加电压，因此无论凹凸部17的膜厚d_F如何，液晶层16的实质性的折射率n(V)都为均匀。因此，在膜厚d_F的凹凸部17的位置，第1透明电极13与第2透明电极14之间的光程长为{n_F×d_F+n(V)×d_LC}，相对于凹凸部17的菲涅耳透镜中心位置(d_F＝d)的光程长{n_F×d+n(V)×(G-d)}的光程差OPD如(5)式所示。

OPD＝(n_F×d_F+n(V)×d_LC}

-{n_F×d+n(V)×(G-d)}

＝{n(V)-n_F}×(d-d_F)

                     …(5)

在此，由于膜厚d_F从d至零分布，所以(5)式所示的光程差OPD在零至{n(V)-n_F}×d的范围分布。因此，例如对于施加电压V_P，为了对于CD的波长λ₃的入射光生成与图3的曲线β相当的透过波面的光程差，只要确定凹凸部17的膜厚d，使光程差{n(V_P)-n_F}×d大致为λ₃(即，0.75λ₃至1.25λ₃)，同时使凹凸部17形成膜厚为零至d的截面形状即可。

当为在凹凸部17的表面形成第1透明电极13薄膜的构成时，液晶层16的施加电压V_LC无论凹凸部17的相对介电常数或电阻率等材质物性和其形状如何，均与第1透明电极13和第2透明电极14的施加电压V一致。因此，虽然容易进行菲涅耳透镜的凹凸部17的形状设计，但是难以在凹凸部17的表面无断线、稳定地形成低电阻的第1透明电极13。另一方面，当为在凹凸部17的下面形成第1透明电极13薄膜的构成时，凹凸部17的膜厚d_F越厚，液晶层16的施加电压V_LC越低，与此相应液晶层16的实质性的折射率n(V_LC[d_F])进行分布。结果，由于利用较薄的膜厚d的凹凸部17可以得到大的光程差，因此具有简化凹凸部17的成膜以及加工工艺的优点。

对于进行如上操作所得的液晶透镜元件10或者20，在断开状态(V＝V_LC[d_F]＝0)下，入射光无论其偏振光状态和波长如何，透过波面均没有变化(即，没有放大率)，直线透过液晶透镜元件，得到高透射率。另外，在接通状态(V＝V_P)下，对于波长λ₃的非常光偏振光的入射光，透过成为相当于凹透镜的发散透过波面(即，负放大率分量)。另外，对于寻常光偏振光的入射光，无论施加电压和波长如何，透过波面均无变化(即，没有放大率)，进行直线透过，可以得到高透射率。

因此，当BD的波长λ₁的光束入射至液晶透镜元件10或者20时，将施加电压V设为零(即，断开状态)，在数值孔径NA₁的区域几乎没有光损失，可以进行直线透过。另外，当入射DVD的波长λ₂的光束时，将施加电压V设为零，在数值孔径NA₂的区域几乎没有光损失，可以进行直线透过。另一方面，当入射CD的波长λ₃的非常光偏振光的光束时，将施加电压V设为V_P(即，接通状态)，在数值孔径NA₃的区域成为凹透镜功能的发散波面透过。

另外，在本实施方式中，对于生成如(1)式所示的轴对称的光程差OPD的液晶透镜元件，说明了其元件构造和工作原理，但是也可以按照相同的原理，通过凹凸部1 7的加工和向该凹部填充液晶，制造生成相当于(1)式以外的非轴对称的彗形像差或像散等补偿的光程差OPD的液晶元件。

另外，本实施方式中显示了均利用β电极即第1透明电极13和第2透明电极14的2端子向液晶层16施加交流电压的结构，除此以外，也可以构成例如在空间上分割第1透明电极13和第2透明电极14的至少一方的电极、独立地施加不同的交流电压的结构。另外，也可以将在该空间上分割的透明电极作为具有期望的电阻的电阻膜，设置两个以上的供电点，沿半径方向赋予施加电压分布，施加到液晶的电压沿半径方向倾斜分布。通过构成如上的分割电极或电阻膜电极的结构，能够进一步生成多种光程差OPD的空间分布。

另外，通过层叠对X轴方向的直线偏振光表现凹透镜功能的液晶透镜元件、和对Y轴方向的直线偏振光表现凹透镜功能的的液晶透镜元件，则无论CD的波长λ₃的入射光的偏振光状态如何，在接通状态下，在数值孔径NA₃的区域表现凹透镜功能。具体地讲，只要层叠与液晶层16的液晶分子的取向方向互相垂直的液晶透镜元件10即可。在利用由高分子液晶等双折射材料形成的凹凸部17时，使凹凸部17的双折射材料的光轴方向也互相垂直。另外，在使用由电介质各向异性Δε为正的液晶形成的液晶层16和由均一折射率材料形成的凹凸部17时，由于抵消任何入射偏振光均产生的固定的光程差OPD，因此只要在液晶透镜元件的透明基板表面形成相位补偿用的菲涅耳透镜即可。

[第2实施方式]

以下，参考图6所示的侧面图详细说明与本发明的第2实施方式相关的液晶透镜元件30的结构例。另外，在本实施方式中，对与第1实施方式相同的部分，标记相同符号并不作重复说明。

不同于第1实施方式，在本实施方式的液晶透镜元件30中，利用BD用物镜进行DVD的记录·重放时，为了补偿因覆盖层厚度的不同产生的球差，在透明基板31的表面的相当于数值孔径NA₂＝0.65的区域，形成DVD用的相位补偿面32。进而，在本实施方式中，相位板33夹在透明基板31和透明基板12之间，这一点与第1实施方式的液晶透镜10和20不同。另外，图6的符号中，与图1相同的符号表示与图1相同的构件。

在利用BD用物镜对DVD以数值孔径NA₂＝0.65将波长λ₂＝660nm的入射光聚焦在信息记录层上时，产生大的球差。此时，通过利用相位补偿元件(例如，参考日本专利特开2004-138895号公报)，可以补偿这样的球差，进行稳定的DVD光盘的记录·重放。

在此，本实施方式的DVD用的相位补偿面32由在数值孔径NA₂的区域形成的对入射光的光轴具有旋转对称性的阶梯状的凹凸部形成，凹凸部的各段的波长λ₁的透过光的相位差为2π的偶数倍。

在此，若使由均匀折射率n的透明材料形成的相位补偿面32的凹凸部的各段的透过光的相位差对波长λ₁为2π的偶数倍，考虑到凹凸部材料的折射率波长分散，则对波长λ₃的相位差是2π的大致整数倍。因此，对波长λ₁和波长λ₃，不论入射光的偏振光状态如何，相位补偿面32的凹凸部的透过波面不发生变化，而直线透过。另一方面，对波长λ₂的入射光，相位补偿面32的凹凸部的相位差成为2π的非整数倍，成为透过波面相应于凹凸部的形状发生变化的波长选择性的相位补偿面。

决定相位补偿面32的凹凸部截面形状，使得生成补偿因光盘的覆盖层厚度的不同产生的DVD的球差的用(1)式所示的光程差OPD的透过波面。另外，为了改变与DVD光盘之间的工作距离，也可以形成赋予放大率分量的透过波面。此时，相位补偿面32的截面形状为锯齿状，成为锯齿状的各凸部由阶梯形状光栅近似的菲涅耳透镜形状。

该相位补偿面32成为阶梯状光栅的凹凸形状，成为例如与以波长λ₂的间隔分隔图3的α所示曲线(光程差)、显示向光程差零的面投影(平行移动)的光程差的曲线β相当的透过波面。在此，将(N+1)级(即N阶)的阶梯形状光栅的高度d_N分成N等分的1阶的高度d₁的光程差(n-1)×d₁制成波长λ₁＝405nm的偶数倍。例如，当(n-1)×d₁＝2×λ₁时，当波长λ₂的光入射至相位补偿面32时，凹凸部1阶的透过波面的相位差成为2π×(n-1)×d₁/λ₂＝2π×(2×λ₁/λ₂)，如果考虑到透明基板31的折射率波长分散，则成为2π×1.18左右。即，阶梯形状光栅的每1阶实效上仅延迟0.18波长的透过波面。因此，通过将锯齿状的截面形状形成近似N＝4或N＝5的阶梯形状光栅，从而形成仅补偿DVD的透过波面的相位补偿面32。

在此，在图7中显示了表示相位补偿面32的波像差补偿作用的波像差的部分放大图。通过将与阶梯形状光栅的1阶高度d₁相对应的补偿光程差a＝{(n-1)×d₁-λ₂}为单位，将1个波长λ₂大小的波像差以补偿光程差a进行分割，来近似地补偿波像差。图7中显示了通过6级(5阶)的阶梯形状光栅的像差补偿例。

下面，参考图6，对由透明基板31和透明基板12夹住的相位板33进行说明。

在透明基板31的表面形成沿与X轴形成45°的角度的方向经取向处理的聚酰亚胺取向膜，再涂布液晶单体之后使之聚合固化，形成分子取向朝向取向处理方向的由高分子液晶形成的相位板33。再使用透明粘合材料(未图示)将其粘合固定在透明基板12上。在此，考虑到折射率波长分散，来设定高分子液晶材料的膜厚，如果设相位板33的延迟值Rd相对于波长λ₁为9λ₁/4，则Rd对于波长λ₂大致为5λ₂/4，Rd对于波长λ₃大致为λ₃。即，对波长λ₁和波长λ₂成为1/4波长板，对于波长λ₃不能起到波长板的功能。

在图8中显示了，向如此所得的液晶透镜元件30入射X轴方向(非常光)或者Y轴方向(寻常光)的直线偏振光时的透过光。

在断开状态(V＝V₀＝0)下，在数值孔径NA₁的区域入射的BD的波长λ₁的光束如图8的(A)所示，透过波面不出现变化、成为圆偏振光，进行直线透过。另外，在数值孔径NA₂的区域入射的DVD的波长λ₂的光束如图8的(B)所示，通过相位补偿面32成为发散光波面的圆偏振光进行透过。另外，在接通状态(V＝V_P)下X轴方向的直线偏振光入射时，在数值孔径NA₃的区域入射的CD的波长λ₃的光束如图8的(C)所示，X轴方向的直线偏振光原样通过由凹凸部17和液晶层16形成的菲涅耳透镜成为发散光波面进行透过。

另外，通过将由延迟值Rd和滞后轴的角度不同的2层或3层的高分子液晶形成的相位板层叠，还可以得到对于波长λ₁、波长λ₂以及波长λ₃的相当于约1/4波长板的相位板33。此时，无论CD的波长λ₃的入射光的偏振光状态如何，为了均在接通状态下于数值孔径NA₃的区域表现凹透镜功能，最好形成将对X轴方向的直线偏振光表现凹透镜功能的液晶透镜元件和对Y轴方向的直线偏振光表现凹透镜功能的液晶透镜元件进行层叠的结构3

[第3实施方式]

以下，参考图9，对安装了本发明的第2实施方式所涉及的液晶透镜元件30(参照图6)的在BD、DVD、和CD的3种光盘的记录·重放中使用的3波长互换光头装置40进行说明。

本实施方式的光头装置40是由作为BD的波长λ₁＝405nm的光源的半导体激光器1、偏振光分光器2、合波棱镜3、准直透镜4、BD用物镜5、波长λ₁的光检测器6、以及液晶透镜元件30与保持物镜5的驱动器7形成一体而构成的装置。

另外，本实施方式的光头装置40还具有将图示以外的作为DVD的波长λ₂＝660nm的光源的半导体激光器、波长λ₂的光检测器和分光器一体化而得的DVD组件8A；将图示以外的作为CD的波长λ₃＝790nm的光源的半导体激光器、波长λ₃的光检测器和分光器一体化而得的CD组件8B；以及分光器9。

以下，说明本实施方式的作用。

(I)由半导体激光器1发射的波长λ₁＝405nm的光被偏振光分光器2反射，透过合波棱镜3，通过准直透镜4成为平行光，作为寻常光偏振光(偏振光方向为Y轴方向的偏振光面)入射至断开状态的液晶透镜元件30。另外，通过液晶透镜元件30内的相位板33(参照图6)变换成圆偏振光，如图8(A)所示，直线透过液晶透镜元件30，相当于数值孔径NA₁＝0.85的光束被BD用物镜5会聚至BD光盘D的信息记录层。另一方面，被信息记录层反射的信号光经过原路，通过液晶透镜元件30内的相位板33变换成非常光偏振光(偏振光方向为X轴方向的偏振光面)，直线透过液晶透镜元件30，透过合波棱镜3和偏振光分光器2，被高效会聚至光检测器6的受光面，变换成电信号。

(II)另外，从DVD组件8A发射的波长λ₂＝660nm的光透过合波棱镜9，被合波棱镜3反射之后，被准直透镜4聚光成为平行光，作为寻常光偏振光入射至断开状态的液晶透镜元件30。另外，通过液晶透镜元件30内的相位板33(参照图6)变换成圆偏振光，被液晶透镜元件30的衍射光栅1 8开口控制的相当于数值孔径NA₂＝0.65的光束通过液晶透镜元件30内的相位补偿面32(参照图6)，变换成补偿由光盘的覆盖层厚度的不同引起的像差的图8(B)所示的透过波面，被BD用物镜5会聚至DVD光盘D的信息记录层。另一方面，被信息记录层反射的信号光经过原路，通过液晶透镜元件30内的相位板33变换成非常光偏振光，被合波棱镜3反射，透过合波棱镜9之后被会聚至DVD组件8A内的光检测器的受光面，变换成电信号。

(III)另外，从CD组件8B发射的波长λ₃＝790nm的光被合波棱镜9和合波棱镜3反射之后，被准直透镜4聚光成为平行光，作为非常光偏振光入射至接通状态的液晶透镜元件30。另外，通过液晶透镜元件30内的相位板33，偏振光面没有发生变化、相当于数值孔径NA₃＝0.50的光束通过由液晶透镜元件30内的凹凸部17和液晶层16(均参考图6)形成的菲涅耳透镜，透过波面变换成图8(C)所示的发散光，使由光盘的覆盖层厚度的不同引起的像差得到补偿，通过物镜5会聚至CD光盘D的信息记录层。被信息记录层反射的信号光维持非常光偏振光原样，经过原路，被会聚至CD组件8B内的光检测器的受光面，变换成电信号。在此，由于直线透过除去数值孔径NA₃的数值孔径NA₂的光束被会聚至CD光盘D的信息记录层，因此结果NA₃区域的菲涅耳透镜显示开口控制功能。

如图9所示，通过加工凹凸部17和相位补偿面32(均参考图6)，使透过液晶透镜元件30后的波长λ₂和波长λ₃的光成为发散光，则如图9的虚线和点线所示的光路，可以扩大DVD和CD光盘D的工作距离，因此使得利用驱动器7起动聚焦伺服系统时的稳定性提高。

这样，通过本实施方式涉及的光头装置40，作为将BD用物镜5和液晶透镜元件30一体化的复合透镜使用，不仅补偿了由DVD和CD的光盘D的覆盖层厚度的不同而引起的球差，而且还具有扩大工作距离的凹透镜功能。结果，可以实现能够对BD、DVD和CD3种光盘稳定记录·重放的小型·轻量的光头装置。

另外，断开状态的液晶透镜元件30对波长λ₁和波长λ₂的光显示了高透射率，同时还将1/4波长板形成一体化，因此得到了并用偏振光分光器的光利用效率高的光学系。结果，适合用于高倍速的BD和DVD的记录用光头装置。

[第4实施方式]

参考图10所示的侧面图以及图11所示的平面图，详细说明本发明的第4实施方式所涉及的液晶透镜元件50的构成例。

本实施方式的液晶透镜元件50由与第1实施方式涉及的液晶透镜元件10具有相同构成的第1液晶透镜部50C和第2液晶透镜部50D形成。分别具有透明基板11、12C、12D；第1透明电极13C、13D；第2透明电极14C、14D；密封构件15C、15D；液晶层16C、16D；凹凸部17C、17D。

其中，凹凸部17C、17D具有菲涅耳透镜或者以阶梯状近似菲涅耳透镜的形状，使用与液晶层16C、16D的寻常光折射率n_o大致相等的折射率n_F的透明材料，在有效直径φ区域中形成，具有对入射光的光轴(Z轴)的旋转对称性。

下面，对该液晶透镜元件50的制造工序的一例进行以下说明。

首先，在透明基板12C、12D的单面形成第1透明电极13C、13D。再于该透明电极13C、13D上的有效直径φ的区域内，使用折射率n_F的透明材料，形成凹凸部17C、17D。

另一方面，在透明基板11的两面制成第2透明电极14C、14D之后，将混入了间隙控制材料的图示以外的粘合材料印制图形，形成密封构件15C、15D，与前述的透明基板12C、12D重合、压接制成空单元。

接着，从设置在密封构件15C、15D的一部分的注入口(未图示)注入具有负的电介质各向异性、具有寻常光折射率n_o和非常光折射率n_e(其中，n_o≠n_e)的向列型液晶，之后，封住该注入口，将液晶密封在单元内，形成液晶层16C、16D，成为本实施方式的液晶透镜元件50。

另外，本实施方式中，通过在透明基板11侧形成的电极13A(参照图11)向第1透明电极13C、13D施加电压，通过电极14A(参照图11)向第2透明电极14C、14D施加电压。将电极13A和电极14A连接外部的交流电源(未图示)，向液晶层16C、16D施加交流电压。

另外，为了根据第1和第2透明电极间施加的电压，液晶层16C、16D的液晶分子的取向分别沿X方向和Y方向一致，至少在第2透明电极14C、14D的表面形成在X方向和Y方向经取向处理的取向膜(未图示)。

当凹凸部17C、17D和液晶层16C、16D具有被视为电绝缘体的较大电阻率时，存在根据凹凸部17C、17D的菲涅耳透镜形状、入射光的透过波面显示放大率分量(透镜功能)的施加电压V_P。这样，可以得到通过切换施加电压V可以切换透过光的聚焦点的液晶透镜元件50。在此，由于第1液晶透镜部50C对于X方向的直线偏振光、第2液晶透镜部50D对于Y方向的直线偏振光均起到切换焦点距离的功能，因此液晶透镜元件50起到无论入射偏振光状态如何均可切换焦点距离的功能。

另外，图10所示的液晶透镜元件50中，是中心部为由凹状的凹凸部17C、17D形成的菲涅耳透镜，由于施加电压V_P时液晶层的实质性的折射率大于凹凸部的折射率，因此出现赋予正放大率分量的(凸透镜功能)的透过波面。

菲涅耳透镜或以阶梯状接近菲涅耳透镜的凹凸部17C、17D的截面形状如第1实施方式涉及的液晶透镜元件10中的详述那样，按照(1)式所述加工透过光的光程差OPD。

当为本实施方式的液晶透镜元件50时，确定凹凸部17C、17D的形状，使得在单层和双层光盘的记录·重放用的光头装置中，补偿由覆盖层厚度不同引起的球差，同时与物镜另外配置，在物镜跟踪时即使与液晶透镜元件50出现偏心的情况，也不会出现像差恶化。

对于施加电压V_P，根据凹凸部17C、17D的菲涅耳透镜形状来确定被赋予了由第1液晶透镜部50C和第2液晶透镜部50D发生的正放大率分量的透过波面。因此，通过将凹凸部17C、17D形成相同形状，对X方向和Y方向的直线偏振光入射光成为相同的透过波面。

在图10中，由于凹凸部17C和17D是隔着透明基板11形成的，因此生成了相当于其间隔的像点位置的差异。为了消除这样由入射偏振光产生的像点位置的差异，也可以将凹凸部17C的17D的环带形状制成不同。另外，也可以独立设定凹凸部17C和17D的形状，使得对于X方向的Y方向的直线偏振光入射光出现完全不同的放大率分量。

下面，参考显示其构成的图12，对安装了本发明的第4实施方式所涉及的液晶透镜元件50的在单层和双层BD光盘或者DVD光盘的记录·重放中使用的光头装置60进行说明。

本实施方式的光头装置60中，对与图9所示的第3实施方式所涉及的3波长互换光头装置40相同功能的光学零部件使用相同的符号，省略说明。

例如，对于使用了设计成对覆盖层厚度0.100mm的单层BD光盘使像差为最小的物镜550的光头装置60，在对双层BD光盘的覆盖层厚度0.075mm的信息记录层D1进行记录·重放时，通过利用施加电压V_P(接通状态)的液晶透镜元件50出现相当于凸透镜的正放大率分量，这样减小像差的发生。在此，对于覆盖层厚度0.100mm的单层和双层BD光盘的信息记录层D2，由于通过不向液晶透镜元件50施加电压(断开状态)，而透过波面不出现变化，因此可以实现稳定的记录·重放。

另外，例如使用设计成对双层BD光盘的覆盖层厚度0.100mm和0.075mm的中间的覆盖层厚度0.0875mm使像差为最小的物镜5时，通过将入射至物镜5的光束稍微成为发散光的有限系统配置，覆盖层厚度0.100mm的像差成为最小。即使这种情况，通过切换液晶透镜元件50的施加电压，也可以实现对单层和双层BD光盘的信息记录层D1、D2的稳定的记录·重放。

另外，对于例如使用了设计成对覆盖层厚度0.59mm的光盘使像差为最小的物镜的光头装置，对覆盖层厚度0.62mm的光盘，通过利用施加电压V_P的液晶透镜元件50产生的相当于凹透镜的负放大率分量，减小了像差的发生。因此，在覆盖层厚度0.61mm至0.63mm的双层DVD光盘的信息记录面D2的记录·重放时，通过向液晶透镜元件50施加电压V_P，可以实现稳定的记录重放。另一方面，在覆盖层厚度0.60mm的单层DVD光盘和覆盖层厚度0.57mm至0.59mm的双层DVD光盘的信息记录面D1的记录·重放时，不向液晶透镜元件50施加电压，通过物镜的像差性能进行记录·重放。结果，通过切换向液晶透镜元件50施加电压的接通·断开，可以实现单层和双层光盘的稳定的记录·重放。

另外，对于使用了设计成对覆盖层厚度0.60mm的单层DVD光盘使像差为最小的物镜的光头装置，通过将入射至物镜的光束稍微成为发散光的有限系统配置，例如覆盖层厚度0.61mm的像差成为最小。通过利用施加电压V_P的液晶透镜元件50产生相当于凸透镜的正放大率分量，由此对覆盖层厚度0.59mm的光盘减少了像差发生。即，通过切换液晶透镜元件50的施加电压，可以使覆盖层厚度0.59mm和0.61mm的像差最小。

另外，通过在液晶透镜元件50和物镜5之间的光路中配置1/4波长板51，使入射至偏振光分光器2的去路与回路的偏振光相互垂直，可以成为高效分光器。在此，去路与回路相垂直的直线偏振光虽入射至液晶透镜元件50，但对任一种偏振光均表现像差补偿功能，可以维持稳定的记录·重放性能。

[第5实施方式]

对于安装了本发明的液晶透镜元件的可以对BD和HDDVD的光盘进行记录·重放的BD/HDDVD互换光头装置的实施方式，使用图13所示的BD用物镜5和液晶透镜50被固定在驱动器7的构成图，进行以下说明。

本实施方式的液晶透镜元件50虽具有与图10所示的第4实施方式涉及的液晶透镜元件50相同的构成，但在以下方面与第4实施方式不同。

液晶透镜元件50虽具有与NA0.85的BD用物镜5的有效直径相对应的光透过区域，但仅在相当于NA0.65的有效直径内形成凹凸部17C、17D(参照图10)。另外，凹凸部17C、17D形成为在施加电压V_P时利用液晶透镜元件50产生赋予负放大率分量(凹透镜功能)的透过波面的菲涅耳透镜形状，使得在用BD用物镜5将NA0.65区域的波长λ₁的入射光会聚至覆盖层厚度为0.60mm的HDDVD光盘的信息记录层时发生的球差得到补偿，同时扩大物镜与光盘的间隔。

在此，对BD光盘D(BD)进行记录·重放时，如图13(A)所示，通过不向液晶透镜元件50施加电压(断开状态)，从而透过波面不发生变化，由此透过光(用实线表示)通过BD用物镜5被有效地会聚至覆盖层厚度0.100mm的信息记录层，实现BD光盘的稳定的记录·重放。

另一方面，对HDDVDD光盘D(HD)进行记录·重放时，如图13(B)所示，通过向液晶透镜元件50施加电压V_P(接通状态)，从而液晶透镜50的NA0.65区域的透过光(用实线表示)成为发散光，通过BD用物镜5被有效地会聚至覆盖层厚度0.60mm的信息记录层，实现对HDDVD光盘的稳定的记录·重放。另外，NA0.85中、NA0.65区域外的光束直线透过液晶透镜元件50(用虚线表示)，由于没有通过BD用物镜5会聚至HDDVD光盘的信息记录层，因此不影响NA0.65区域的记录·重放用的光束。结果，通过使用BD用物镜和液晶透镜元件，实现能够对规格不同的BD光盘和HDDVDD光盘进行记录·重放的BD/HDDVD互换光头装置。

本实施方式中，由于使用了由对X方向的直线偏振光起作用的第1液晶透镜部50C(参照图10)以及对Y方向的直线偏振光起作用的第2液晶透镜部50D(同样，参照图10)形成的液晶透镜元件50，所以表现出无论入射光的偏振光状态如何均切换焦点距离的功能。因此，1/4波长板可以配置在准直透镜与液晶透镜部50之间或者BD用物镜与液晶透镜部50之间的任意的光路中。另外，代替液晶透镜部50，也可以构成与图1所示的液晶透镜部10或者图6所示的液晶透镜部30相同的结构。这种情况下，凹凸部17仅形成在与NA0.65相当的有效直径内，并形成为在施加电压V_P时利用液晶透镜元件产生赋予负放大率分量(凹透镜功能)的透过波面的由凹凸部17形成的菲涅耳透镜形状，使得补偿使用BD用物镜5将NA0.65区域的波长λ₁的X方向的直线偏振光入射光会聚至覆盖层厚度0.60mm的HDDVD光盘的信息记录层时产生的球差，同时扩大物镜与光盘的间隔。

另外，本实施方式中说明了BD用物镜5和液晶透镜50被固定在驱动器7上的构成例，但是也可以不将液晶透镜50安装在驱动器7上，而是配置在准直透镜与BD用物镜5之间的光路中的固定部中。这种情况下，具有减轻驱动器7的重量负荷的优点。

另外，本实施方式中显示了使用对覆盖层厚度0.100mm的BD光盘进行设计的BD用物镜的BD/HDDVD互换光头装置的示例，但是也可以使用其它的物镜。例如使用如下设计的物镜，使设计的物镜的NA0.65区域对波长λ₁的平行入射光会聚至覆盖层厚度0.60mm的HDDVD光盘的信息记录层，而设计的物镜的NA0.65区域外且NA0.85区域内的环带区域对波长λ₁的平行入射光会聚至覆盖层厚度0.100mm的BD光盘的信息记录层。如果波长λ₁的平行光入射至该物镜中，则在NA0.65区域与上述环带区域的聚焦点不同，由于NA0.65区域的光束被有效地会聚至HDDVD光盘的信息记录层，因此实现HDDVD光盘的稳定的记录·重放。另一方面，NA0.65区域外且NA0.85区域内的环带区域的光束虽被会聚至BD光盘的信息记录层，但是NA0.65区域的光束没有被聚光。因此，只要使用液晶透镜元件，并形成为在施加电压V_P时利用液晶透镜元件产生赋予正放大率分量(凸透镜功能)的透过波面的由凹凸部17(17C、17D)形成的菲涅耳透镜形状，使得补偿在覆盖层厚度0.100mm的BD光盘的信息记录层会聚时产生的球差，以便NA0.65区域的光束与上述环带区域的光束同样被会聚至BD光盘的信息记录层即可。

实施例

[例1]

下面，参考图6，对第2实施方式显示的本发明的液晶透镜元件30的具体实施例进行如下的说明。

首先，说明该液晶透镜元件30的制造方法。

(i)在作为透明基板11的玻璃基板上形成透明导电膜(ITO膜)，成为第1透明电极13。在其上，通过使用Si溅射靶和向Ar气体中混入氧气和氮气的放电气体的溅射法，以均匀折射率n_F(＝1.49)形成膜厚d(＝3.0μm)的SiO_xN_y膜。

接着，在利用光掩模的光刻中将抗蚀剂形成图形后，通过反应性离子刻蚀法将SiO_xN_y膜加工成与图3的曲线β的形状相当。结果，在与数值孔径NA₃＝0.50对应的有效直径2.65mm的区域内，将在图6所示截面的以16阶的阶梯状近似菲涅耳透镜的凹凸部17进行加工。之后，在凹凸部17的表面形成膜厚约50nm的垂直取向膜(未图示)。

(ii)另外，在作为透明基板12的玻璃基板上形成透明导电膜(ITO膜)，成为第2透明电极14。再于其上，形成膜厚约50nm的垂直取向膜(未图示)，沿X轴方向进行摩擦(rubbing)取向处理，成为液晶用的取向膜。之后，在透明基板12的第2透明电极14侧，将混入有直径8μm的间隙控制材料的粘合材料印制图形，成为密封构件15，将其与透明基板11重合，压接制成空单元。之后，从空单元的注入口(未图示)注入液晶，封住该注入口，形成液晶层16，成为液晶透镜元件10。作为该液晶层16的液晶使用寻常光折射率n_o(＝1.49)和非常光折射率n_e(＝1.64)的具有负的电介质各向异性(Δε＝ε_//-ε⊥＝-10)的向列型液晶。另外，该液晶在未施加电压时与凹凸部17和第2透明电极14的面垂直取向，随着电压的施加，液晶分子向X轴方向倾斜，接近平行取向。

(iii)将如此所得的液晶透镜元件10的第1透明电极13和第2透明电极14连接交流电源，施加矩形交流电压V_o相对于施加电压V的分配至液晶层16的施加电压V_LC的比率V_LC/V相应于图4所示的凹凸部17的膜厚d_F和液晶层16的层厚d_LC，具有(2)式的关系，对应于由凹凸部17形成的菲涅耳透镜形状，生成电压分布V_LC。结果，对偏振光方向为X轴方向的具有偏振光面的线偏振光入射光，对于凹凸部17的膜厚d_F的分布，透明电极间的光程差OPD按照(3)式所示进行分布。由SiO_xN_y膜形成的凹凸部17的膜厚d_F在d至零的范围进行分布，对于菲涅耳透镜形状的中心部(d_F＝d)的光程差OPD在零至(4)式的OPD₀范围进行分布。

在此，未施加电压时(V＝V₀＝O)的液晶层16成为n(0)＝n_o的均匀折射率层，由于与凹凸部17的SiO_xN_y膜的折射率n_F一致，因此OPD₀不取决于入射光的波长和偏振光状态，其值约为零。即，透过波面没有变化，进行直线透过。

另一方面，如果增加透明电极间的施加电压V，则对于非常光偏振光的(4)式的OPD₀出现变化，对CD用的波长λ₃＝790nm存在OPD₀约为λ₃的施加电压V_P。因此，通过切换施加电压V₀和V_P，将入射至液晶透镜元件30的波长λ₃的非常光偏振光切换成没有放大率的透过波面和与图3的β相当的负放大率的发散光透过波面。

如果将波长λ₁＝405nm、焦点距离2.40mm的BD用物镜用于波长λ₃＝790nm的CD光盘，则出现相当于最大光程差约为1.4λ₃、RMS波像差约为437mλ₃的大球差。

(iv)因此，为了使用液晶透镜元件10补偿该球差，要加工凹凸部17，使施加电压V_P的透过波面成为与使用前述表1所示的系数a₁～a₅的值的(1)式所示的图3的曲线α相当的曲线β的光程差OPD。其中，(1)式的光程差OPD以“μ m”为单位、r以“mm”为单位。

由于在本例中，利用16阶的阶梯形状近似菲涅耳透镜的凹凸部1 7，因此将凹凸部17的厚度定为d＝3.0μm，电极间隔G定为8μm，以便在作为矩形波形的交流有效电压的施加电压V_P＝3.8V下(4)式所示的电极间的光程差OPD₀约为0.74μm。

波长λ₃＝790nm下施加电压的切换V₀、V_P中，出现的透过波面的生成效率的计算值分别为100％、98％。

(v)接着，在作为透明基板31的石英玻璃基板的表面与数值孔径NA₂＝0.65相当的有效直径3.2mm的区域内，形成由透明基板31的凹凸部的1阶台阶高度d₁为1.73μm的6级5阶的阶梯状光栅构成的相位补偿面32。玻璃基板在波长λ₁下折射率为1.47、在波长λ₂和波长λ₂₃下折射率为1.45，1阶的相位差对波长λ₁为2.0λ₁、对波长λ₂为1.18λ₂、对波长λ₃为0.99λ₃。因此，透过相位补偿面32的波长λ₂的透过光根据凹凸形状产生波面变化，而波长λ₁和波长λ₃的透过光的波面没有变化。

如果将前述的BD用物镜用于波长λ₂＝660nm的DVD光盘，则出现相当于最大光程差约为2.7λ₂、RMS(均方根，Root Mean Square)波像差约为794mλ₂的大球差。

因此，为了补偿该球差，在透明基板31的表面加工相位补偿面32，以便使透过波面成为与使用前述表2所示系数a₁～a₅的值的(1)式所示的图3的曲线α相当的曲线β的光程差OPD。

(vi)另外，在透明基板31的除去数值孔径NA₂＝0.65的包含数值孔径NA₁＝0.85的相当于有效直径3.8mm至4.2mm的环带区域中，形成深度为0.87μm的矩形截面形状的衍射光栅18。衍射光栅的台阶高度的相位差对波长λ₁为1.01λ₁、对波长λ₂为0.59λ₂、对波长λ₃为0.50λ₃。因此，波长λ₁的光没有被衍射而是直线透过，但是波长λ₂和波长λ₃的光大部分被衍射，直线透过的光在15％以下，得到开口控制功能。

(vii)另外，在透明基板31的另一个面上形成由高分子液晶膜形成的相位板33。在透明基板31的面内沿相对于X轴成为45°角度的方向进行分子取向，成为膜厚6.8μm的高分子液晶膜。若设高分子液晶膜的双折射率Δn为对波长λ₁为0.134、对波长λ₂为0.122、对波长λ₃为0.117，则相位板33的延迟值Rd为对波长λ₁为2.25λ₁、对波长λ₂为1.26λ₂、对波长λ₃为1.00λ₃。因此，相位板33对波长λ₁和波长λ₂相当于1/4波长板，但对波长λ₃没有起到波长板的功能。

(viii)最后，将透明基板31的形成相位板33的面粘合固定在液晶透镜元件10上，成为液晶透镜元件30。结果，获得在第2实施方式说明的作用·效果。另外，将液晶透镜元件30安装在第3实施方式中说明的图9所示的光头装置40的驱动器7上。

通过本例，例如在图9中，在光向光盘D会聚的去路中，当液晶透镜元件30是断开状态时，对BD的波长λ₁的寻常光偏振光(偏振光方向为Y轴方向的偏振光面)的入射光，可以在隔着工作距离0.96mm的覆盖层厚度为0.1mm的BD光盘的信息记录层上很好地会聚。另外，对DVD的波长λ₂的寻常光偏振光的入射光，可以在隔着工作距离0.68mm的覆盖层厚度为0.6mm的DVD光盘的信息记录层上很好地会聚。另外，液晶透镜元件30为接通状态时，对CD的波长λ₃的非常光偏振光(偏振光方向为Y轴方向的偏振光面)的入射光，可以在隔着工作距离0.60mm的覆盖层厚度为1.2mm的CD光盘的信息记录层上很好地会聚。

另外，在光盘D处的反射光会聚至光检测器的回路中，波长λ₁和波长λ₂的光通过液晶透镜元件30变换成非常光偏振光，很好地会聚至各光检测器。波长λ₃的光以非常光偏振光的原样从液晶透镜元件30出射，很好地会聚至光检测器。结果，使用BD用物镜5和液晶透镜元件30，实现BD、DVD和CD的3种光盘的记录·重放。

[例2]

下面，参考图1和图4对第1实施方式所示的本发明的液晶透镜元件10的具体实施例进行如下说明。

例1的液晶透镜元件30中的液晶透镜元件10与例2在以下的2点不同。即，作为由凹凸部17形成的菲涅耳透镜使用高分子液晶代替SiO_xN_y膜，将凹凸部17的形状由图1的中心部为凸型的菲涅耳透镜变为中心部为凹型的菲涅耳透镜。另外，作为液晶层16的液晶，使用具有正的电介质各向异性的向列型液晶代替具有负的电介质各向异性的向列型液晶。

在此，高分子液晶形成为寻常光折射率n_Fo(＝1.52)和非常光折射率n_Fe(＝1.66)、沿X轴方向分子取向的膜厚3.2μm的凹凸部17。另外，液晶层16的液晶为寻常光折射率n_o(＝1.50)和非常光折射率n_e(＝1.66)、其介质各向异性Δε为11、未施加电压时的液晶分子的取向方向与高分子液晶同样朝向X轴方向。在由高分子液晶形成的凹凸部17的表面不形成取向膜，通过对高分子液晶的表面直接在X轴方向进行摩擦处理，未施加电压时的凹凸部17表面的液晶分子的取向朝向X轴方向，成为平行取向。另外，随着电压的施加，液晶分子向Z轴方向倾斜，接近垂直取向。

由于对寻常光偏振光和非常光偏振光，未施加电压时(V＝V_o＝0)的液晶层16的实质性的折射率与凹凸部17的折射率大约一致，因此不取决于入射光的波长和偏振光状态，凹凸部17的膜厚d_F的位置的第1透明电极13和第2透明电极14之间的光程长与菲涅耳透镜中心位置(d_F＝0)的光程长的光程差OPD无论d_F的值如何均几乎为零。即，断开状态的液晶透镜元件10的入射光没有出现透过波面的变化，而是进行直线透过。

另一方面，如果增加透明电极间的施加电压V，则对于非常光偏振光的入射光的(4)式的OPD₀出现变化，存在对CD的波长λ₃＝790nm的OPD_o大致为λ₃的施加电压V_P。因此，通过施加电压V₀与V_P的变换，入射至液晶透镜元件10的波长λ₃的非常光偏振光变换成无放大率的透过波面和与图3的β相当的负放大率的发散光透过波面。因此，可以得到与例1的液晶透镜元件10的部分相同的作用·效果。

下面，对将该液晶透镜元件10安装在第3实施方式中说明的图9所示的驱动器7上的光头装置40进行说明。在此，作为BD用物镜5，使用在物镜的表面形成图5的液晶透镜元件30的DVD用相位补偿面32的与DVD互换对应的BD用物镜。另外，将图6的液晶透镜30的相位板33的一部分夹在一对透明基板而得的单一的相位板元件配置在合波棱镜3与准直透镜4之间的光路中。

在采用这样的结构时，入射至液晶透镜元件10的波长λ₁和波长λ₂的光成为圆偏振光，但断开状态的液晶透镜元件10无论入射偏振光状态如何，透过波面均不发生变化。另外，波长λ₃的光以非常光偏振光原样入射至接通状态的液晶透镜元件10，成为凹透镜功能的发散光透过波面，进行出射，因此可以得到与例1同样的作用·效果。结果，使用与DVD互换对应的BD用物镜和液晶透镜元件10，实现BD、DVD和CD的3种光盘的记录·重放。

[例3]

下面，参考图10，对第4实施方式所示的本发明的液晶透镜元件50的具体实施例进行以下说明。

第1液晶透镜部50C与第2液晶透镜部50D由与例1中详述的本发明的液晶透镜元件30相同的结构构成，起到单层和双层BD光盘的像差补偿元件的作用。

随着使用目的的不同，以下构成与液晶透镜元件30不同。

凹凸部17C和17D的菲涅耳透镜由波长405nm的折射率n_F(＝1.50)、膜厚d(＝1.5μm)的SiO_xN_y膜形成，在物镜的NA中附加跟踪时的透镜移位(shift)宽度±0.3mm的有效直径φ＝3.6mm的区域内形成。另外，作为液晶层16C、16D的液晶，使用寻常光折射率n_o(＝1.50)和非常光折射率n_e(＝1.66)、具有负的电介质各向异性的向列型液晶，并使用间隙控制材料使液晶层的最大厚度为6μm。在此，在与液晶层相接的界面形成经取向处理的取向膜，以使施加电压时的液晶分子的取向方向为16C与16D相垂直。

在此，将凹凸部17C和17D的形状加工成为，对波长405nm的入射光，在液晶透镜元件50接通状态(施加电压V_P＝3.5V)下，其透过波面成为使用表3所示系数a₁～a₅的值的(1)式所示的光程差OPD。表3所示的系数是将对覆盖层厚度0.1mm的单层BD光盘形成最小像差的物镜用于覆盖层厚度0.075mm的双层BD光盘的信息记录面时，进行设计使通过液晶透镜元件50还补偿包括物镜与液晶透镜元件50之间的±0.3mm的偏心时出现的像差而得到的结果。如果使用的物镜的规格不同，则其系数值也不同。

表3

系数	值
		a<sub>1</sub>	1.966152
a<sub>2</sub>	0.193135
		a<sub>3</sub>	-0.335921
a<sub>4</sub>	0.330062
		a<sub>5</sub>	-0.170476
a<sub>6</sub>	0.043338
		a<sub>7</sub>	-0.004350
a<sub>8</sub>	0.000021

结果，无论入射光的偏振光状态如何，在断开状态(未施加电压)下液晶透镜元件50的入射光的透过波面没有变化，但是在接通状态下对波长405nm成为由与凸透镜相当的透镜功能引起的会聚透过波面。

将如此所得的液晶透镜元件50安装在图12所示的BD光盘的记录·重放用光头装置60中。在此，设计物镜5，使得对覆盖层厚度0.1mm的单层BD光盘形成最小像差。在此，在对单层和双层BD光盘的覆盖层厚度0.1mm的信息记录面进行记录·重放中，通过在断开状态下使用液晶透镜元件50，液晶透镜元件50的透过波面不出现变化，因此可以进行稳定的记录·重放。另一方面，在对双层BD光盘的覆盖层厚度0.075mm的信息记录面进行记录·重放中，通过在接通状态下使用液晶透镜元件50，可以有效补偿由覆盖层厚度的不同引起的像差，因此可以稳定地进行记录·重放。

在图14中用●和○表示在断开和接通状态下使用液晶透镜元件50进行覆盖层厚度0.1mm和0.075mm的信息记录面的记录·重放时、随物镜5的跟踪移位而出现的RMS波像差的计算结果。对0.3mm的物镜移位可以稳定地维持17mλ₁(rms)以下的像差级。为了便于比较，在图14中用黑正方形表示使用与物镜另外设置的以往的仅补偿球差的液晶像差补偿元件时的RMS波像差的计算结果。对于0.1mm以上的物镜移位，出现60mλ₁(rms)以上的像差，照这样不能起到作为像差补偿元件的作用。

[例4]

下面，作为第4实施方式所示的本发明的液晶透镜元件50的其它实施例，对作为单层和双层DVD光盘的像差补偿元件使用的示例进行以下说明。

随着使用目的的不同，以下构成与例3的液晶透镜元件50不同。

凹凸部17C和17D的菲涅耳透镜由波长660nm的折射率n_F(＝1.49)、膜厚d(＝2μm)的SiO_xN_y膜形成，在物镜的NA中附加跟踪时的透镜移位宽度±0.3mm的有效直径φ＝4.6mm的区域内形成。另外，作为液晶层16C、16D的液晶，使用寻常光折射率n_o(＝1.49)和非常光折射率n_e(＝1.65)、具有负的电介质各向异性的向列型液晶，并使用间隙控制材料使液晶层的最大厚度为8μm。在此，在与液晶层相接的界面形成经取向处理的取向膜，以使施加电压时的液晶分子的取向方向为16C与16D相垂直。

在此，将凹凸部17C和17D的形状加工成为，对波长660nm的入射光，在液晶透镜元件50接通状态(施加电压V_P＝3.5V)下，其透过波面成为使用表4所示系数a₁～a₅的值的(1)式所示的光程差OPD。表3所示的系数是将对覆盖层厚度0.59mm的光盘形成最小像差的物镜用于覆盖层厚度0.62mm的光盘的信息记录面时，进行设计使通过液晶透镜元件50补偿还包括物镜与液晶透镜元件50之间的±0.3mm的偏心时出现的像差而得到的结果。如果使用的物镜的规格不同，则其系数值也不同。

表4

系数	值
		a<sub>1</sub>	-0.735147
a<sub>2</sub>	-0.003162
		a<sub>3</sub>	-0.000222
a<sub>4</sub>	0.000217
		a<sub>5</sub>	-0.000021

结果，无论入射光的偏振光状态如何，在断开状态(未施加电压)下液晶透镜元件50的入射光的透过波面没有变化，但是在接通状态下对波长660nm成为由与凹透镜相当的透镜功能引起的发散透过波面。

将如此所得的液晶透镜元件50安装在图12所示的DVD光盘的记录·重放用光头装置60中。在此，设计物镜5，使得对覆盖层厚度0.59mm的光盘形成最小像差。在此，在对覆盖层厚度0.6mm的单层DVD光盘和覆盖层厚度0.57mm的双层DVD光盘的信息记录面进行记录·重放中，在断开状态下使用液晶透镜元件50。另一方面，在对覆盖层厚度0.63mm的双层DVD光盘的信息记录面进行记录·重放中，在接通状态下使用液晶透镜元件50。

在图15中用●和○表示使用在断开和接通状态下的液晶透镜元件50、对覆盖层厚度0.57mm至0.63mm的光盘出现的RMS波像差的计算结果。与例3同样，伴随物镜5的跟踪移位的RMS波像差的增加很少。因此，对覆盖层厚度0.57mm至0.605mm的光盘，通过在断开状态下使用液晶透镜元件50，可以维持28m λ₂(rms)以下的RMS波像差，对覆盖层厚度0.605mm至0.63mm的光盘，通过使用在接通状态下的液晶透镜元件50，成为21mλ₂(rms)以下的RMS波像差。结果，由于有效补偿了由单层和双层DVD光盘的覆盖层厚度的不同而引起的像差，因此可以稳定地进行记录·重放。为了便于比较，将使用覆盖层厚度0.6mm的单层DVD光盘用物镜时的RMS波像差的计算结果用图15的实线表示。对覆盖层厚度0.57mm至0.63mm的光盘出现最大43mλ₂(rms)的像差，特别是难以进行稳定的双层DVD光盘的记录·重放。

例4中，显示了对覆盖层厚度0.59mm和0.62mm的光盘形成最小像差的物镜5和液晶透镜元件50的设计例，但是也可以是将对另外2种覆盖层厚度形成最小像差的组合。另外，本发明不限于上述任何实施方式，在不脱离其要点的范围内可以实施各种方案。

产业上利用的可能性

本发明的液晶透镜元件在未施加电压时不取决于入射光的偏振光状态，不使透过波面发生变化，同时在施加电压时对非常光偏振光的波长的入射光，可以赋予像差补偿功能和凹透镜功能。另外，通过将本发明的液晶透镜元件与物镜一体化安装在光头装置中，可以用于小型的、能够稳定地对多个光盘进行记录及/或重放的光头装置中。

另外，本发明的液晶透镜元件可以在具有单层和双层的信息记录面的光盘的记录·重放用光头装置中，用作为减少由覆盖层厚度的不同引起的像差的像差补偿元件。特别是由于可以将本发明的液晶透镜元件与物镜另外配置安装在光头装置中使用，因此可以用于小型的、能够稳定地对多个光盘进行记录·重放的光头装置中。

另外，在此引用于2004年7月20日提出申请的日本专利申请2004-211246号、于2004年9月29日提出申请的日本专利申请2004-284752号的说明书、以及2005年3月4日提出申请的日本专利申请2005-060597号的权利要求书、附图以及摘要的全部内容，作为本发明的说明书的公开内容。

Claims (6)

1.液晶透镜元件，它是具备对向的一对透明基板以及液晶被所述透明基板夹住而形成的的液晶层、并根据对所述液晶层施加的电压的大小使透过所述液晶层的光的聚焦点变化的液晶透镜元件，其特征在于，

具备，

菲涅耳透镜，形成在上述一方的透明基板的与另一方的透明基板对向的平坦面上，具有截面为凹凸形状的凹凸部，

第1透明电极，所述第1透明电极形成于构成有所述菲涅耳透镜的所述一方的透明基板的菲涅耳透镜下部的平坦面或者所述菲涅耳透镜的凹凸部的表面，

第2透明电极，所述第2透明电极形成于所述另一方的透明基板的与所述一方的透明基板对向的平坦面；

所述液晶层的实质性的折射率n(V)根据所述第1透明电极与第2透明电极之间施加的电压V的大小，相对于非常光偏振光的入射光从未施加电压时V＝0的断开状态的折射率变化至施加电压时的接通状态的折射率，同时，相对于寻常光偏振光的入射光无论施压电压的大小如何均为寻常光折射率n_o，其中实质性的折射率是指对入射光的偏振光方向的液晶层的平均折射率；并且，

满足下述(1)～(3)中的任一项条件，

(1)所述液晶层是电介质各向异性为负的向列型液晶，所述断开状态的液晶分子的取向方向相对于所述菲涅耳透镜的表面呈垂直或接近垂直的角度，同时，

所述菲涅耳透镜由折射率n_F的值与所述液晶层的寻常光折射率n_o相同或接近的均一折射率材料形成，

(2)所述液晶层是电介质各向异性为正的向列型液晶，所述断开状态的液晶分子的取向方向相对于所述菲涅耳透镜的表面呈平行或接近平行的状态，同时，

所述菲涅耳透镜由双折射材料构成，所述材料的非常光折射率n_Fe的值与液晶层的非常光折射率n_e相同或接近，并且其寻常光折射率n_Fo的值与所述液晶层的寻常光折射率n_o相同或接近，其中n_e≠n_o、n_Fe≠n_Fo，

(3)所述液晶层是电介质各向异性为正的向列型液晶，所述断开状态的液晶分子的取向方向相对于所述菲涅耳透镜的表面呈平行或接近平行的状态，同时，

所述菲涅耳透镜由折射率的值与所述液晶层的非常光折射率n_e相同或接近的均一折射率材料形成，并且，

在所述一对透明基板的一方，形成用于抵消在上述断开状态下的对所述液晶透镜元件的寻常光偏振光的入射光和透过光之间所产生的相位差的偏振光菲涅耳透镜。

2.如权利要求1所述的液晶透镜元件，其特征在于，对于入射的3种不同波长λ₁、λ₂、λ₃，其中λ₁＜λ₂＜λ₃，在所述一对透明基板的至少一方的基板上形成由多个台阶构成的相位补偿面，所述台阶的一个台阶高度相对于波长λ₁以及λ₃为波长的整数倍或与其接近的值的光程差、相对于波长λ₂为波长的非整数倍的光程差。

3.如权利要求1或2所述的液晶透镜元件，其特征在于，在所述一对透明基板的与被夹住的液晶层相反侧的平坦的一个面的周边部形成衍射光栅。

4.光头装置，它是具有光源、将来自所述光源的出射光会聚至覆盖层的厚度不同的光记录媒体上的物镜、检测由所述物镜聚光后被所述光记录媒体的信息记录层反射的光的光检测器的光头装置，其特征在于，

在所述光源和所述物镜之间的光路中配置权利要求1～3中任一项所述的液晶透镜元件，所述液晶透镜元件具有通过使接通状态下产生的透过波阵面变化，补偿相对于所述光记录媒体出现的波像差的功能，以及扩大物镜与上述光记录媒体之间间隔的凹透镜功能。

5.光头装置，它是具有射出波长λ的光的光源、将来自所述光源的出射光会聚至光记录媒体上的物镜、将由所述物镜聚光后被所述光记录媒体反射的光分波的分光器、检测上述被分波的光的光检测器的光头装置，其特征在于，

所述光记录媒体具有覆盖层的厚度不同的2层以上的多个信息记录层，在所述光源与所述物镜之间的光路中设置权利要求1所述的液晶透镜元件，通过变换所述液晶透镜元件的断开状态和接通状态的施加电压，进行对上述覆盖层的厚度不同的信息记录层的记录及/或重放。

6.如权利要求4所述的光头装置，其特征在于，

所述液晶透镜元件由第1液晶透镜部和第2液晶透镜部构成，

第1以及第2液晶透镜部均具备菲涅耳透镜、在形成有所述菲涅耳透镜的所述一方的透明基板的平坦面上形成的第1透明电极、以及在所述另一方的透明基板的与所述一方的透明基板对向的平坦面上形成的第2透明电极，所述菲涅耳透镜形成在所述一方的透明基板的与另一方的透明基板对向的平坦面上，截面为凹凸形状，由折射率的值与所述液晶层的寻常光折射率n。相同或接近的均一折射率材料形成，具有凹凸部，

所述液晶层是电介质各向异性为负的向列型液晶，所述断开状态的液晶分子的取向方向相对于所述菲涅耳透镜的表面呈垂直或接近垂直的状态，同时，

液晶层的实质性的折射率n(V)根据所述第1透明电极与第2透明电极之间施加的电压V的大小，相对于非常光偏振光的入射光从未施加电压时V＝0的断开状态的折射率变化至施加电压时的接通状态的折射率，同时，相对于寻常光偏振光的入射光无论施压电压的大小如何均为寻常光折射率n。，接通状态下的所述第1液晶透镜部与所述第2液晶透镜部的液晶层的寻常光折射率的方向相互垂直，其中实质性的折射率是指对入射光的偏振光方向的液晶层的平均折射率。

Images