JP2009015995A - Liquid crystal diffractive lens element and optical head device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、焦点位置を切り替えることが可能な液晶回折レンズ素子および光ディスク等の光記録媒体に情報の記録および/または光記録媒体からの情報の再生(以下、記録再生という)を行うためにこの液晶回折レンズ素子を用いる光ヘッド装置に関する。 The present invention is used to record information on an optical recording medium such as a liquid crystal diffractive lens element and an optical disk capable of switching a focal position and / or reproduce information from the optical recording medium (hereinafter referred to as recording / reproduction). The present invention relates to an optical head device using a liquid crystal diffractive lens element.
従来、光ディスク等の光記録媒体を対象にして記録再生を行う光ヘッド装置では、CDとDVD等のように異なるカバー厚の光ディスクを対象に情報の記録再生が行われる。また、光ディスクには、情報記録層が単層の単層光ディスクと、複数層ある複層光ディスクとがある。例えば2層の記録層を有する2層光ディスクに対して情報の記録再生を行うとき、情報を記録する情報記録面の光ディスク表面からの深さ(以下、単に情報記録面の深さという)が異なる。このように情報記録面の深さが異なる光ディスクを対象にして記録再生を行うようにするために、焦点距離を切り替えるための光変調素子が用いられる(例えば、特許文献1参照)。 2. Description of the Related Art Conventionally, in an optical head device that performs recording and reproduction on an optical recording medium such as an optical disk, information is recorded and reproduced on optical disks having different cover thicknesses such as CD and DVD. In addition, the optical disc includes a single-layer optical disc having a single information recording layer and a multi-layer optical disc having a plurality of layers. For example, when recording / reproducing information with respect to a two-layer optical disc having two recording layers, the depth of the information recording surface for recording information from the optical disc surface (hereinafter simply referred to as the depth of the information recording surface) is different. . In order to perform recording and reproduction on optical discs having different information recording surface depths as described above, a light modulation element for switching the focal length is used (for example, see Patent Document 1).
ここで、特許文献1に開示された光変調素子は、図7に示すように一対の透明基板501aおよび501bにおいて、これらの透明基板の対向する面にそれぞれフレネルレンズ形状となる複屈折材料503aおよび503bを有し、これらの透明基板で挟持された液晶材料504に電圧を印加できるように透明電極502aおよび502bが設けられている。液晶に電圧を印加することによって液晶の屈折率を切り替えて上記の複屈折材料がフレネルレンズとして機能するか否かを切り替えるようになっている。
Here, the light modulation element disclosed in Patent Document 1 includes a pair of
光ヘッド装置に使用される液晶素子では、通常、入射光として特定の方向に偏光した光が用いられ、屈折率の切り替えは、入射光の偏光方向に対して液晶の配向方向を一致させることによって行われる。そして、液晶の屈折率は、液晶に印加する電圧の切り替えの前後で上記のフレネルレンズの形状を有する光学部材の屈折率と一致または異なるように切り替えられる。 In a liquid crystal element used in an optical head device, light polarized in a specific direction is usually used as incident light, and the refractive index is switched by matching the alignment direction of the liquid crystal with the polarization direction of the incident light. Done. The refractive index of the liquid crystal is switched so as to be the same as or different from the refractive index of the optical member having the shape of the Fresnel lens before and after switching of the voltage applied to the liquid crystal.
しかしながら、特許文献1に記載されている液晶レンズ回折素子は、液晶と接する両面のフレネルレンズ形状の複屈折材料に対して配向処理を施しているので、液晶の配向性に難点があった。また、特許文献1の構成では、液晶材料504と複屈折材料503aおよび503bの常光屈折率と異常光屈折率をいずれも一致させる必要がある。ところが、複屈折材料として加工が容易な高分子液晶を用いると、液晶材料に対して上記常光屈折率、異常光屈折率と一致する材料の組み合わせが限られてしまい、屈折率に差異が発生することで光利用効率が低下する原因を引き起こしていた。さらに、この液晶素子では、ツイストネマティック(以下、TNという)液晶を両面にフレネルレンズ構造の形状のセルに入れるため、フレネルレンズ形状の深さの分布により、入射する光に対する液晶素子内での出射光分布が大きいという問題があった。
However, the liquid crystal lens diffractive element described in Patent Document 1 has a problem in the orientation of the liquid crystal because the two-sided Fresnel lens-shaped birefringent material in contact with the liquid crystal is subjected to the alignment treatment. In the configuration of Patent Document 1, it is necessary to match the ordinary light refractive index and the extraordinary light refractive index of the
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、液晶の配向が容易であり材料選択の自由度が高くかつ、入射する光の出射光分布が安定した液晶レンズ回折素子およびそれを用いた光ヘッド装置を提供するものである。 The present invention has been made to solve such problems. A liquid crystal lens diffractive element in which the orientation of liquid crystal is easy, the degree of freedom of material selection is high, and the outgoing light distribution of incident light is stable is provided. The optical head device used is provided.
上記目的を達成するため、平行に配置された3枚以上の透明基板と、前記透明基板のうち一対の前記透明基板の対向する面のいずれか一方の面に設けられた断面形状がフレネルレンズ形状となる第1の複屈折材料と、前記第1の複屈折材料の表面と対向する前記透明基板面との空間を充填する第1の液晶材料と、前記第1の液晶材料に電圧を印加する電極と、前記第1の複屈折材料を有する一対の前記透明基板の対向する面とは異なる、一対の前記透明基板の対向するいずれか一方の面に設けられた断面形状がフレネルレンズ形状となる第2の複屈折材料と、前記第2の複屈折材料の表面と対向する前記透明基板面との空間を埋める充填材料と、を備え、前記第1の複屈折材料の異常光屈折率方向と前記第2の複屈折材料の異常光屈折率方向とが平行または直交し、前記第1の複屈折材料の常光屈折率をno_B1、異常光屈折率をne_B1、前記第1の液晶材料の常光屈折率をno_LC、異常光屈折率をne_LCとするとき、
ne_LC−ne_B1=ne_B1−no_LC>0
no_B1=no_LC
となる等式をほぼ満足する材料で構成されている液晶回折レンズ素子を提供する。
In order to achieve the above object, the cross-sectional shape provided on any one of the three or more transparent substrates arranged in parallel and the opposing surfaces of the pair of transparent substrates among the transparent substrates is a Fresnel lens shape. A voltage is applied to the first liquid crystal material, the first liquid crystal material filling the space between the first birefringent material and the transparent substrate surface facing the surface of the first birefringent material. A cross-sectional shape provided on one of the opposed surfaces of the pair of transparent substrates, which is different from the opposed surfaces of the electrodes and the pair of transparent substrates having the first birefringent material, is a Fresnel lens shape. A filling material filling a space between the second birefringent material and the surface of the transparent substrate facing the surface of the second birefringent material, and an extraordinary refractive index direction of the first birefringent material; Abnormal refractive index direction of the second birefringent material Is parallel or orthogonal, the first n O_B1 the ordinary refractive index of the birefringent material, the extraordinary refractive index of n E_B1, said first liquid crystal material ordinary refractive index of n o_LC, n e_LC the extraordinary refractive index And when
n e_LC -n e_B1 = n e_B1 -n o_LC> 0
no_B1 = no_LC
A liquid crystal diffractive lens element composed of a material that substantially satisfies the following equation is provided.
この構成により、液晶に電圧を加えて液晶の配向方向を切り替えることによって、複屈折材料で形成されるフレネルレンズの機能を発現させたり、解消させたりすることができる。この機能により、入射する光の偏光状態に関わらず電圧の印加・非印加によって焦点距離を切り替えることが可能で、信頼性の高い液晶回折レンズ素子を実現できる。ここで、等式をほぼ満足とは、それぞれの屈折率の等式の誤差±5%以内の値とし、以下同様のものとする。また、複屈折材料と液晶材料の屈折率は常光屈折率を一致させるような材料の組み合わせをすればよく、材料選択の自由度が広がって好適である。 With this configuration, the function of the Fresnel lens formed of the birefringent material can be expressed or eliminated by switching the alignment direction of the liquid crystal by applying a voltage to the liquid crystal. With this function, the focal length can be switched by applying or not applying a voltage regardless of the polarization state of incident light, and a highly reliable liquid crystal diffractive lens element can be realized. Here, the expression “substantially satisfying the equation” means a value within ± 5% of the error of each refractive index equation, and so on. Further, the refractive index of the birefringent material and the liquid crystal material may be a combination of materials that match the ordinary light refractive index, which is preferable because the degree of freedom of material selection is widened.
また、前記充填材料が等方性材料であり、前記等方性材料の屈折率をns、前記第2の複屈折材料の常光屈折率をno_B2、異常光屈折率をne_B2とするとき、
no_B2=ns
または、
ne_B2=ns
のいずれかの等式をほぼ満足する材料で構成されている上記に記載の液晶回折レンズ素子を提供する。
Further, the filler material is isotropic material, the refractive index n s of the isotropic material, the second the ordinary refractive index of the birefringent material n O_B2, the extraordinary refractive index when the n E_B2 ,
n o_B2 = n s
Or
n e_B2 = n s
The liquid crystal diffractive lens element described above is made of a material that substantially satisfies any of the equations.
この構成により、第2の複屈折材料と等方性材料の組み合わせによって第1の液晶材料への電圧の印加・非印加によって入射する光の偏光状態に関わらず発散光と直進透過光、または集光光と直進透過光として焦点距離を切り替えることができるので設計の自由度が大きくなり好適である。 With this configuration, the combination of the second birefringent material and the isotropic material allows diverging light and straight transmitted light or light to be collected regardless of the polarization state of light incident upon application / non-application of voltage to the first liquid crystal material. Since the focal length can be switched between light and straight transmitted light, the degree of freedom in design is increased, which is preferable.
また、前記第1の複屈折材料と前記第2の複屈折材料とが同じ材料であり、前記第1の複屈折材料からなるフレネルレンズ形状と前記第2の複屈折材料からなるフレネルレンズ形状とが同じである上記に記載の液晶回折レンズ素子を提供する。 Further, the first birefringent material and the second birefringent material are the same material, and a Fresnel lens shape made of the first birefringent material and a Fresnel lens shape made of the second birefringent material, The liquid crystal diffractive lens element is provided as described above, wherein
この構成により、複屈折材料で形成される2つのフレネルレンズが同一の機能を有するので、入射する光の制御が容易になる。また、同じ材料および形状のため、生産性が向上し、好適である。 With this configuration, since two Fresnel lenses formed of a birefringent material have the same function, it is easy to control incident light. Further, the same material and shape are preferable because productivity is improved.
また、前記等方性材料の屈折率と前記第1の液晶材料の常光屈折率が、
ns=no_LC
となる等式をほぼ満足する材料で構成されている上記に記載の液晶回折レンズ素子を提供する。
The refractive index of the isotropic material and the ordinary light refractive index of the first liquid crystal material are:
n s = no_LC
The liquid crystal diffractive lens element described above is made of a material that substantially satisfies the following equation.
この構成により、第2の複屈折材料によるフレネルレンズ機能は、電圧を印加せずに入射する光の偏光方向によってレンズ機能を発現したり、直進透過させたりすることができる。また、第1の複屈折材料と第1の液晶材料の配向状態、および入射する光の偏光状態と組み合わせることによって制御のよいレンズ機能を実現できる。 With this configuration, the Fresnel lens function of the second birefringent material can exhibit the lens function or can be transmitted straight through depending on the polarization direction of incident light without applying a voltage. Further, a lens function with good control can be realized by combining the alignment state of the first birefringent material and the first liquid crystal material and the polarization state of incident light.
また、前記第1の複屈折材料の表面の前記第1の液晶材料と前記第1の複屈折材料と対向する透明基板表面の前記第1の液晶材料との配向方向とが直交する上記に記載の液晶回折レンズ素子を提供する。 The first liquid crystal material on the surface of the first birefringent material and the alignment direction of the first liquid crystal material on the surface of the transparent substrate facing the first birefringent material are orthogonal to each other. A liquid crystal diffractive lens element is provided.
この構成により、電圧非印加時に第1の液晶材料の配向方向が厚さ方向に対して90°ツイストした状態となる。これにより、電圧非印加時に入射する直線偏光の偏光状態を90°変えて出射させることができる。一方、電圧印加時には入射する直線偏光の偏光状態を維持したまま出射させることができるので、偏光状態によりフレネルレンズ機能の発現の制御を容易に実現することができる。 With this configuration, the alignment direction of the first liquid crystal material is twisted by 90 ° with respect to the thickness direction when no voltage is applied. As a result, the polarization state of linearly polarized light that is incident when no voltage is applied can be changed by 90 ° and emitted. On the other hand, since it is possible to emit light while maintaining the polarization state of incident linearly polarized light when a voltage is applied, control of the expression of the Fresnel lens function can be easily realized by the polarization state.
また、前記第1の複屈折材料と前記第2の複屈折材料との間にあり、かつ、前記第1の複屈折材料を有する一対の前記透明基板の対向する面と異なるとともに、前記第2の複屈折材料を有する一対の前記透明基板の対向する面とは異なる、一対の前記透明基板の対向する面の空間を埋める第2の液晶材料を備え、前記第2の液晶材料に電圧を印加する電極を備える上記に記載の液晶回折レンズ素子を提供する。 The second birefringent material is between the first birefringent material and the second birefringent material, and is different from the opposing surfaces of the pair of transparent substrates having the first birefringent material. A second liquid crystal material that fills the space between the opposing surfaces of the pair of transparent substrates, which is different from the opposing surfaces of the pair of transparent substrates having the birefringent material, and applies a voltage to the second liquid crystal material A liquid crystal diffractive lens element as described above is provided.
この構成により、第2の液晶材料に対して電圧を印加するまたは非印加により第1の複屈折材料によるフレネルレンズを出射した光の偏光状態を変えて第2の複屈折材料によるフレネルレンズに入射させることができるので、偏光状態を任意に制御することができる。 With this configuration, the polarization state of the light emitted from the Fresnel lens made of the first birefringent material is changed by applying a voltage to the second liquid crystal material or not applied to the Fresnel lens made of the second birefringent material. Therefore, the polarization state can be arbitrarily controlled.
また、前記第2の液晶材料が一様に配向され、前記第2の液晶材料が充填されている空間の光学的厚さが、入射する波長λの光に対して(2n+1)・(λ/2)に略等しくなっている上記に記載の液晶回折レンズ素子(nは整数を示す)を提供する。 In addition, the optical thickness of the space in which the second liquid crystal material is uniformly aligned and filled with the second liquid crystal material is (2n + 1) · (λ / The liquid crystal diffractive lens element described above (n is an integer) is provided which is substantially equal to 2).
この構成により、第2の液晶材料に入射する光に対してλ/2板として機能させることができるので、第1の複屈折材料によるフレネルレンズを出射した直線偏光の光を異なる直線偏光の光として出射させることができ、第2の複屈折材料によるフレネルレンズによるレンズ機能の発現を容易に制御できる。 With this configuration, the light incident on the second liquid crystal material can be made to function as a λ / 2 plate, so that the linearly polarized light emitted from the Fresnel lens made of the first birefringent material can be converted into different linearly polarized light. The lens function of the Fresnel lens made of the second birefringent material can be easily controlled.
また、前記第1の複屈折材料の表面の第1の液晶材料と前記第1の複屈折材料と対向する透明基板表面の第1の液晶材料との配向方向が平行となり、前記第1の複屈折材料の表面の第1の液晶材料の配向方向と前記第2の液晶材料の配向方向とがなす角度が略45°である上記に記載の液晶回折レンズ素子を提供する。 In addition, the first liquid crystal material on the surface of the first birefringent material and the first liquid crystal material on the surface of the transparent substrate facing the first birefringent material are parallel to each other, and the first birefringent material is parallel. The liquid crystal diffractive lens element according to the above, wherein the angle formed by the alignment direction of the first liquid crystal material and the alignment direction of the second liquid crystal material on the surface of the refractive material is approximately 45 °.
この構成により、第2の液晶材料に入射する光が遅相軸または進相軸に対して平行な直線偏光の光であれば、入射する光に対して直交した直線偏光の光を出射させることができるので、偏光状態を容易に制御できる液晶回折レンズ素子を実現することができる。 With this configuration, if the light incident on the second liquid crystal material is linearly polarized light parallel to the slow axis or the fast axis, linearly polarized light orthogonal to the incident light is emitted. Therefore, a liquid crystal diffractive lens element that can easily control the polarization state can be realized.
さらに、特定の波長の直線偏光を出射する光源と、直線偏光を出射する光を光記録媒体に集光する対物レンズと、光記録媒体からの反射光を検出する光検出器とを備えた、光記録媒体の情報の記録・再生を行う光ヘッド装置であって、前記対物レンズと前記光検出器との間の光路中に、上記に記載の液晶回折レンズ素子が設置されている光ヘッド装置を提供する。 Furthermore, a light source that emits linearly polarized light of a specific wavelength, an objective lens that condenses the light that emits linearly polarized light on the optical recording medium, and a photodetector that detects reflected light from the optical recording medium, An optical head device for recording / reproducing information on an optical recording medium, wherein the liquid crystal diffractive lens element described above is installed in an optical path between the objective lens and the photodetector. I will provide a.
この構成により、上記いずれかの液晶回折レンズ素子を設置することによって、入射する光の焦点距離を電圧の印加・非印加により容易に切り替えて制御する光ヘッド装置を実現できるので、情報記録面が多層となる光ディスクなどの記録再生が制御よく実施できる。 With this configuration, by installing any one of the liquid crystal diffractive lens elements, it is possible to realize an optical head device that easily controls the focal length of incident light by applying or not applying a voltage. Recording and reproduction of a multilayered optical disk or the like can be performed with good control.
本発明は、液晶に電圧を印加して液晶の配向方向を切り替えることによって、第1の複屈折材料が形成するフレネルレンズおよび第2の複屈折材料が形成するフレネルレンズを機能させることができる。この機能を利用して電圧の印加時と非印加時とで入射する光の焦点距離を切り替えることが可能な液晶回折レンズ素子および光ヘッド装置を実現できる。 The present invention can function the Fresnel lens formed by the first birefringent material and the Fresnel lens formed by the second birefringent material by applying a voltage to the liquid crystal and switching the alignment direction of the liquid crystal. By utilizing this function, it is possible to realize a liquid crystal diffractive lens element and an optical head device that can switch the focal length of incident light when a voltage is applied and when a voltage is not applied.
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(第1の実施の形態)
図1に本発明の第1の実施の形態となる液晶回折レンズ素子の断面図を示す。また説明を簡単にするために透明基板101aと透明基板101bとの間に挟持された部分を液晶回折レンズ11とし、透明基板101bと透明基板101cとの間に挟持された部分を複屈折回折レンズ12とする。
(First embodiment)
FIG. 1 shows a sectional view of a liquid crystal diffractive lens element according to a first embodiment of the present invention. In order to simplify the description, a portion sandwiched between the
液晶回折レンズ11は、透明基板101aと101bに挟持された第1の液晶材料104と、第1の液晶材料104に電圧を印加するための透明電極102a、102b、透明基板101a側に設けられたフレネルレンズ形状をした第1の複屈折材料103aからなり、シール材105によりシールされる。透明電極は、液晶に対してZ軸方向に電圧を印加できるようにされていればよく、第1の複屈折材料103aのフレネルレンズ形状表面などに設けられていてもよいが、生産性および信頼性の点から透明基板101a表面に設けると好ましい。
The liquid
屈折率異方性を有する第1の液晶材料104および第1の複屈折材料103aはそれぞれ配向方向を有し、とくに液晶材料104は図示しない配向膜によって配向されている。液晶材料は、液晶分子の長軸方向が遅相軸となるものと、液晶分子の長軸方向が進相軸となるものがあるが、以降は、液晶分子の長軸方向が遅相軸となる液晶材料を使用するものとして説明する。つまり、液晶分子の配向方向と遅相軸が一致する特性を有するものである。また、長軸方向が進相軸となる液晶材料を使用しても、液晶分子の配向方向が進相軸となるだけで配向状態を調整して同様の特性を得ることができる。
The first
複屈折回折レンズ12は、透明電極102bと異なる透明基板101bの面側に設けられたフレネルレンズ形状の第2の複屈折材料103bを充填材料106で充填平坦化し、透明基板101bと101cとで挟持され、シール材105でシールされている。なお、充填材料106は以下の等方性材料として説明するが、複屈折材料を用いてもよい。この場合は、充填材料となる複屈折材料の常光屈折率または異常光屈折率のいずれか一方が第2の複屈折材料103bの常光屈折率または異常光屈折率のいずれか一方と一致させて適切に設計することで実現できる。
The
液晶分子の配向方向を15a、15bおよび15cに示す。第1の複屈折材料103aの配向方向およびにフレネルレンズ形状表面の第1の液晶材料104の配向方向はX軸方向であるが、透明電極102bと接する第1の液晶材料の配向方向はY軸方向である。つまり15bのように第1の液晶材料104の厚さ方向(Z軸)で90°のツイスト角を有する。第2の複屈折材料103bの配向方向はY軸方向である。
The orientation directions of the liquid crystal molecules are shown in 15a, 15b and 15c. The alignment direction of the first
透明電極102aおよび102bには外部信号源により電圧が印加される。図1の液晶回折レンズ11をX−Y平面で展開した断面図を図2に示す。透明電極102aおよび102bと外部信号源17とを接続する配線として、フレキシブル回路基板を用いるのでもよく、この場合、液晶回折レンズ11側では、フレキシブル回路基板を透明電極102aおよび102bの端子取り出し部110a、110bに接続する。
A voltage is applied to the
ここで、透明基板101a、101bとして、例えば、アクリル系樹脂、エポキシ系樹脂、塩化ビニル系樹脂、ポリカーボネート等を用いるのでもよいが、耐久性等の点からガラス基板が好適である。
Here, for example, an acrylic resin, an epoxy resin, a vinyl chloride resin, a polycarbonate, or the like may be used as the
透明電極102a、102bとしては、Au、Al等からなる金属膜を用いることができるが、ITO、SnO3等からなる膜を用いる方が金属膜に比べ、光の透過性がよく、機械的耐久性が優れているため、好適である。透明電極102a、102bには外部信号源17が接続され、所定の信号が第1の液晶材料104に印加されるようになっている。印加される電圧信号としては、矩形交流信号が好ましく、矩形交流信号の周波数は10Hz〜10kHzが好ましい。また、矩形交流信号中の直流成分を充分小さくすることが極めて好ましい。
As the
第1の複屈折材料103aと第2の複屈折材料103bは、後述するフレネルレンズの光の発散および集光機能が同程度であれば異なる材料で構成されていてもよいが、フレネルレンズ形状およびこれらの複屈折材料が同じであってもよく、生産性の点からも好ましい。またフレネルレンズの位置は図1に示す面上に形成されていなくてもよく、透明電極102b上や透明基板101cの上に形成されていてもよい。この場合、フレネルレンズを形成する面によって入射する光の集光特性と発散特性とが異なって出射される。例えば電圧非印加時に液晶回折レンズ素子10に入射する光を直進透過させるとき、液晶回折レンズ11で発散(集光)させ、複屈折回折レンズ12で集光(発散)させるような構成を取ることができる。また、第1の複屈折材料103aと第2の複屈折材料103bとが異なる材料であっても、フレネルレンズ形状の深さを材料に合わせて設計することで、発散・集光特性を同じものにすることができる。
The first
以下では、簡単のため第1の複屈折材料103aと第2の複屈折材料103bは同じ材料として説明する。フレネルレンズ形状は、図2のX軸とY軸の交点となる光軸を中心に同心円状に形成される。ここで、上記の複屈折材料としては、ニオブ酸リチウム、水晶等の無機材料、および高分子液晶等を用いることができる。上記の複屈折材料として高分子液晶を用いると加工が容易なこと、屈折率の調整が可能であること、高分子液晶のバリエーションが多いことによる設計自由度の高さの観点から、好適である。
Hereinafter, for the sake of simplicity, the first
また、フレネルレンズを形成する上記の各輪は、回折効率を高めるためブレーズ化されていることから、以下ではブレーズ輪という。なお、上記のブレーズ輪の中心軸を含む面を断面とする断面形状を階段状の形状で近似したもの(以下、擬似ブレーズ輪という)を、上記のブレーズ輪の代わりに用いるのでもよい。以下、ブレーズ輪というときは、擬似ブレーズ輪を含むものとする。 Further, each of the above-mentioned wheels forming the Fresnel lens is blazed in order to increase the diffraction efficiency. In addition, what approximated the cross-sectional shape which makes the cross section the surface containing the center axis | shaft of said braid | blade by step shape (henceforth a pseudo blazed wheel) may be used instead of said blazed wheel. Hereinafter, the term “blazed wheel” includes a pseudo-blazed wheel.
ブレーズ輪は、基板面から突き出た凸状のブレーズ輪でも、基板面より窪んだ凹状のブレーズ輪でもよい。以下、フレネルレンズの形状について、図6を用いて説明する。図6に符号P1、P2を用いて示す曲線は、所定のレンズを通過した後の入射光が受ける位相変化量の差分の分布(以下、移相分布という。)のうちの、光軸を含む面内のものである。以下、符号P1、P2を用いて示す曲線を光軸移相曲線という。 The blaze wheel may be a convex blaze wheel protruding from the substrate surface or a concave blaze wheel recessed from the substrate surface. Hereinafter, the shape of the Fresnel lens will be described with reference to FIG. The curves indicated by reference signs P1 and P2 in FIG. 6 include the optical axis of the difference distribution (hereinafter referred to as phase shift distribution) of the phase change amount received by the incident light after passing through the predetermined lens. In-plane. Hereinafter, a curve indicated by using symbols P1 and P2 is referred to as an optical axis phase shift curve.
ここで、位相変化量の差分の分布(移相分布)は、レンズを通過した後の位相変化量の分布から、光軸における位相変化量を差し引いたものである。上記の移相分布は、光軸に対してほぼ回転対称になっていると共に、入射光の焦点を切り替えるような分布をなしている。ここで、符号P1、P2を用いて示す光軸移相曲線は、それぞれ、凸レンズおよび凹レンズの光軸移相曲線に対応するものである。 Here, the difference distribution (phase shift distribution) of the phase change amount is obtained by subtracting the phase change amount on the optical axis from the distribution of the phase change amount after passing through the lens. The phase shift distribution is substantially rotationally symmetric with respect to the optical axis and has a distribution that switches the focus of incident light. Here, the optical axis phase shift curves indicated by reference signs P1 and P2 correspond to the optical axis phase shift curves of the convex lens and the concave lens, respectively.
ここで、上記の移相分布は、以下のベキ級数によって表される。
φ(r)=a1r2+a2r4+a3r6+a4r8+・・・
ここで、rは光軸からの半径方向の距離であり、ai(i=1、2、3、4、・・・)は定数であり、φ(r)は距離rにおける移相分布である。
Here, the phase shift distribution is represented by the following power series.
φ (r) = a 1 r 2 + a 2 r 4 + a 3 r 6 + a 4 r 8 +...
Here, r is a radial distance from the optical axis, a i (i = 1, 2, 3, 4,...) Is a constant, and φ (r) is a phase shift distribution at the distance r. is there.
各フレネルレンズを通過した後の光の光軸を含む面内における移相分布は、符号F1(P1に対応)、F2(P2に対応)を用いて示す光軸移相曲線となる。波長の整数倍の位相差によって光は実質的に変化しないため、各フレネルレンズは、等価的に、符号P1、P2を用いて示すいずれかの光軸移相曲線を有する移相分布の分だけ、入射光の位相を変化させる。以下、符号F1、F2を用いて示す光軸移相曲線を有する移相分布を、単に、「符号F1、F2を用いて示す移相分布」という。フレネルレンズに関しては、周知であるため、さらなる具体的な説明は省略する。 The phase shift distribution in the plane including the optical axis of the light after passing through each Fresnel lens is an optical axis phase shift curve indicated by reference signs F1 (corresponding to P1) and F2 (corresponding to P2). Since the light does not substantially change due to the phase difference of an integral multiple of the wavelength, each Fresnel lens is equivalent to the phase shift distribution having one of the optical axis phase shift curves indicated by reference signs P1 and P2. , Change the phase of the incident light. Hereinafter, the phase shift distribution having the optical axis phase shift curve indicated by reference signs F1 and F2 is simply referred to as “phase shift distribution indicated by reference signs F1 and F2.” Since the Fresnel lens is well known, further specific description is omitted.
各フレネルレンズを構成する各ブレーズ輪は、符号F1、F2を用いて示す移相分布が得られる半径方向の幅と光軸方向の厚さを有する。各ブレーズ輪の光軸方向の厚さは、用いる複屈折材料に応じて決定される。図6に示す例では、各ブレーズ輪の光軸方向の最大の厚さは、光路差が最大1波長分となるように設定されている。なお、第1の複屈折材料と第2の複屈折材料が同じで、各フレネルレンズ形状が同じである場合、同一の倍率で焦点距離を切り替えることができるため、好適である。 Each blaze wheel constituting each Fresnel lens has a radial width and a thickness in the optical axis direction in which a phase shift distribution indicated by reference numerals F1 and F2 is obtained. The thickness of each blaze ring in the optical axis direction is determined according to the birefringent material used. In the example shown in FIG. 6, the maximum thickness of each blaze wheel in the optical axis direction is set so that the optical path difference is a maximum of one wavelength. Note that it is preferable that the first birefringent material and the second birefringent material are the same and the Fresnel lens shapes are the same because the focal length can be switched at the same magnification.
各ブレーズ輪の形成は、フォトリソグラフィ技術とエッチング技術を用いて行うのでも、金型を用いて行うのでも、その他の方法で行うのでもよい。 The formation of each blaze ring may be performed by using a photolithography technique and an etching technique, by using a mold, or by another method.
第1の液晶材料104の配向は、ポリイミド、ポリビニルアルコール(PVA)等の配向膜をラビングした面、特定方向に偏光したUV光等を光反応性官能基を有する化学物質に照射して光配向させた面、SiO等を斜め蒸着して得られる面、ダイヤモンドライクカーボン等へイオンビーム照射して得られる面等を液晶104に接触させることによって設定することができる。
The alignment of the first
なお、第1の複屈折材料103aを高分子液晶を用いてフレネルレンズを形成し、この高分子液晶の表面分子の配列を利用して第1の液晶材料104を配向させるのは、配向膜等を用いた配向処理が不要となり好適である。また、第1の液晶材料104の配向方向と第1の液晶材料104と接する第1の複屈折材料103aの遅相軸と一致させるのが好適である。
Note that the first
なお、対向する透明電極102a、102b間に絶縁膜を設け、短絡を防ぐことは好ましい。係る絶縁膜の形成には、SiO2、ZrO2、TiO2等の無機材料を用いて、スパッタリング等によって真空成膜する方法、ゾルゲル法によって化学的に成膜する方法等を用いることができる。
It is preferable to provide an insulating film between the opposing
シール材105は、第1の液晶材料104が透明基板101a、101b間から漏れ出さないようにするためのものであり、確保すべき光学的有効領域の外周に設けられる。シール材105用の材料としては、エポキシ、アクリル等の樹脂系接着剤が取り扱い上好ましいが、加熱またはUV光の照射によって硬化させるのでもよい。また、所望のセル間隔を得るためにガラスファイバ等のスペーサを数%混入させるのでもよい。
The sealing
なお、透明基板101aおよび101cの各基板面のうちの第1の液晶材料104側または等方性材料106と反対側に面した基板面上に反射防止膜を設けることは、光の利用効率を改善することになるため、好適である。係る反射防止膜として誘電体多層膜、波長オーダーの薄膜等を用いることができるが、その他の膜でもよい。これらの膜は、蒸着法やスパッタリング法等を用いて形成することができるが、その他の方法で形成するのでもよい。
It should be noted that providing an antireflection film on the substrate surface facing the first
また、以下、第1の複屈折材料103aと第2の複屈折材料103bを同じ材料とし形成されるフレネルレンズ形状も同じとする。また、同じ材料の第1の複屈折材料103aと第2の複屈折材料103bを単に「複屈折材料」とする。これらの材料の屈折率特性として、入射する光の波長帯域(例えば405±20nm)における複屈折材料の常光屈折率をno_B、異常光屈折率をne_B、前記第1の液晶材料の常光屈折率をno_LC、異常光屈折率をne_LC、等方性材料の屈折率をnsとするとき、
ne_LC−ne_B=ne_B−no_LC>0 ・・・(1)
no_B=no_LC=ns ・・・(2)
の等式をほぼ満足することで、後述するレンズ機能を効果的に作用させることができる。
Further, hereinafter, the Fresnel lens shape formed by using the first
n e_LC -n e_B = n e_B -n o_LC> 0 ··· (1)
no_B = no_LC = n s (2)
By substantially satisfying the above equation, the lens function described later can be effectively operated.
以下、液晶回折レンズ素子10に直線偏光の光がX軸方向またはY軸方向で100の進行方向で入射したときの作用について図1を用いて説明する。
Hereinafter, the operation when linearly polarized light enters the liquid crystal
(電圧非印加、X軸方向の直線偏光の光入射)
このとき、第1の液晶材料104は15bに示すようにフレネルレンズ面でX軸に配向され、一方で対向する透明電極102b上ではY軸に配向され液晶材料層内で90°ツイストしている。他、複屈折材料の配向方向は、15aおよび15cの方向である。X軸の直線偏光の光がZ軸方向に進行し100のように液晶回折レンズ11に入射すると第1の液晶材料104と複屈折材料103aともX軸方向に配向されていることからいずれも異常光屈折率の方向であり、ne_LC>ne_Bの関係よりフレネルレンズの作用よりZ軸と平行な光軸で直進入射した光は集光する光として進行する。
(No voltage applied, linearly polarized light incident in the X-axis direction)
At this time, as shown in 15b, the first
第1の液晶材料104が液晶層内で90°ツイストしていることから、入射した光の偏光状態は90°旋光し、集光する光はY方向の直線偏光の光となる。液晶回折レンズ11を出射した光は、複屈折レンズ12に入射し、複屈折材料103bはY軸に配向されていることから異常光屈折率の方向であり、ne_B>nsの関係よりフレネルレンズの作用より集光して入射した光は、発散する光として進行する。
Since the first
ここで、(1)および(2)式より、液晶回折レンズ11の集光作用と複屈折レンズ12の発散作用は互いに打ち消す作用を生じるため、結果として電圧非印加時にX方向の直線偏光の光が液晶回折レンズ素子10に入射すると、直進透過する。
Here, from the equations (1) and (2), the condensing action of the liquid
(電圧印加、X軸方向の直線偏光の光入射)
第1の液晶材料104に電圧を印加すると、15bの配向方向でツイストした第1の液晶材料104は電界方向であるZ軸に略平行して配向される。X軸の直線偏光の光がZ軸方向に進行し100のように液晶回折レンズ11に入射すると複屈折材料103aがX軸方向の異常光屈折率、第1の液晶材料104がZ軸方向に配向されていることから常光屈折率であり、ne_B>no_LCの関係よりフレネルレンズの作用より直進入射した光は発散するX軸の直線偏光の光として進行する。
(Voltage applied, linearly polarized light incident in the X-axis direction)
When a voltage is applied to the first
液晶回折レンズ11を出射した光は、複屈折回折レンズ12にX軸の直線偏光の光で入射するので、複屈折材料103bは常光屈折率の方向であり、no_B=nsの関係からフレネルレンズの作用はせずに発散する光のまま透過する。
Light emitted from the liquid
(電圧非印加、Y軸方向の直線偏光の光入射)
このとき、複屈折材料103aおよび複屈折材料103aからなるフレネルレンズ形状に接する第1の液晶材料104は15bに示すようにX軸に配向されているので、Y軸方向の光が入射しても互いに常光屈折率となる。no_B=no_LCの関係から液晶回折レンズ11はフレネルレンズの作用をせず直進通過し、また、第1の液晶材料104は15bのように配向方向が厚さ方向に90°ツイストしているので偏光状態はX軸方向の直線偏光の光として出射する。
(No voltage applied, linearly polarized light incident in the Y-axis direction)
At this time, since the first
X軸の偏光状態で複屈折レンズ12に入射した光はフレネルレンズ形状の複屈折材料103bで常光屈折率となり、また、等方性材料106もno_B=nsの関係からフレネルレンズ機能をせずに直進透過する。
The light incident on the
(電圧印加、Y軸方向の直線偏光の光入射)
第1の液晶材料104に電圧を印加すると、15bの配向方向でツイストした第1の液晶材料104は電界方向であるZ軸に略平行して配向される。Y軸の直線偏光の光がZ軸方向に進行し100のように液晶回折レンズ11に入射すると複屈折材料103aがY軸方向で常光屈折率、第1の液晶材料104がZ軸方向に配向されていることから常光屈折率であり、no_B=no_LCの関係から液晶回折レンズ11はフレネルレンズの作用をせず直進通過する。また、液晶回折レンズ11を出射する光の偏光状態はY軸方向のままである。
(Voltage applied, linearly polarized light incident in the Y-axis direction)
When a voltage is applied to the first
液晶回折レンズ11を出射した光は、複屈折レンズ12にY軸の直線偏光の光で入射するので、複屈折材料103bは異常光屈折率であり、ne_B>nsの関係からフレネルレンズの作用により入射した光は発散して出射する。
Light emitted from the liquid
以上、第1の実施形態では、液晶回折レンズ素子10は、第1の液晶材料104に対して電圧非印加時は光軸がZ軸の光であれば偏光状態に関わらず液晶回折レンズ素子10を直進する。一方、電圧印加時はフレネルレンズ形状の複屈折材料103a、103bでフレネルレンズ作用が生じるので発散光となって出射する。
As described above, in the first embodiment, the liquid crystal
(第2の実施の形態)
図3(a)に本発明の第2の実施の形態となる液晶回折レンズ素子20の断面図を示す。また説明を簡単にするために透明基板201aと透明基板201bとの間に挟持された部分を液晶回折レンズ21、透明基板201bと透明基板201cとの間に挟持された部分を液晶位相変調素子22、そして透明基板201cと透明基板201dとの間に挟持された部分を複屈折回折レンズ23とする。
(Second Embodiment)
FIG. 3A shows a cross-sectional view of a liquid crystal
液晶回折レンズ21は、透明基板201aと201bに挟持された第1の液晶材料204aと、第1の液晶材料204aに電圧を印加するための透明電極202a、202b、透明基板201a側に設けられたフレネルレンズ形状をした複屈折材料203aからなり、シール材205によりシールされる。透明電極は、第1の液晶材料204aに対してZ軸方向に電圧を印加できるようにされていればよく、複屈折材料203aからなるフレネルレンズ形状表面などに設けられていてもよいが、生産性および信頼性の点から透明基板201a表面に設けると好ましい。
The liquid
屈折率異方性を有する第1の液晶材料204aおよび複屈折材料203aはそれぞれ配向方向を有し、とくに第1の液晶材料204aは図示しない配向膜によって配向されている。複屈折材料203a、第1の液晶材料204aの層においてフレネルレンズ面および対向する透明電極202b面での第1の液晶材料204aの配向方向はいずれもX軸の方向である。 The first liquid crystal material 204a and the birefringent material 203a having refractive index anisotropy each have an alignment direction. In particular, the first liquid crystal material 204a is aligned by an alignment film (not shown). In the layers of the birefringent material 203a and the first liquid crystal material 204a, the alignment direction of the first liquid crystal material 204a on the Fresnel lens surface and the opposing transparent electrode 202b surface is the X-axis direction.
液晶位相変調素子22は、透明基板201bと201cに挟持された第2の液晶材料204bと、第2の液晶材料204bに電圧を印加するための透明電極202cおよび202dから構成され、シール材205でシールされている。第2の液晶材料の配向方向は図3(b)にも示しているが液晶層内でX−Y平面で一定の方向に配向され、後述する理由からX軸方向に対して45°の角度をなしている。また、透明電極は、第1の液晶材料204aに対してZ軸方向に電圧を印加できるようにされていればよい。第2の液晶材料204bは第1の液晶材料204aと同じものでも異なっているものでもよく、入射する光の波長をλとして電圧非印加時にλ/2板として機能するような材料および液晶層の厚さを設定すればよい。
The liquid crystal
複屈折回折レンズ23は、透明電極202dと異なる透明基板201cの面側に設けられたフレネルレンズ形状の第2の複屈折材料203bを等方性材料206で充填平坦化し、透明基板201cと201dとで挟持して、シール材205でシールされている。
The birefringent
第2の実施形態における各材料やフレネルレンズ形状に関する設定は第1の実施形態の条件と同じである。外部信号源27は、液晶回折レンズ21と液晶位相変調素子22に共通に電圧を供給してもよいし、別々の信号源で供給してもよい。
Settings relating to each material and Fresnel lens shape in the second embodiment are the same as the conditions of the first embodiment. The
以下、液晶回折レンズ素子20に直線偏光の光がX軸方向またはY軸方向で200の進行方向で入射したときの作用について図3(a)を用いて説明する。
Hereinafter, an operation when linearly polarized light enters the liquid crystal
(電圧非印加、X軸方向の直線偏光の光入射)
このとき、第1の液晶材料204aは25bに示すようにフレネルレンズ面でX軸に配向され、同様に対向する透明電極202b上でもX軸に配向されている。第2の液晶材料204bは25cに示すようにX軸方向に対して45°に配向されている。また、複屈折材料203aおよび203bはそれぞれX軸とY軸に配向されている。X軸の直線偏光の光がZ軸方向に進行し200のように液晶回折レンズ21に入射すると第1の液晶材料204aと複屈折材料203aともX軸方向に配向されていることからいずれも異常光屈折率の方向であり、ne_LC>ne_Bの関係よりフレネルレンズの作用よりZ軸と平行な光軸で直進入射した光は集光する光として偏光状態を同じくして進行する。
(No voltage applied, linearly polarized light incident in the X-axis direction)
At this time, the first liquid crystal material 204a is oriented along the X axis on the Fresnel lens surface as indicated by 25b, and is similarly oriented along the X axis on the opposing transparent electrode 202b. The second liquid crystal material 204b is oriented at 45 ° with respect to the X-axis direction as indicated by 25c. The
液晶回折レンズ21を出射した光は、液晶位相変調素子22に入射し、第2の液晶材料204bの遅相軸方向が入射する光のX軸方向に対して45°の角度であり、λ/2板として作用する。このことから、液晶位相変調素子22を通過する光はY軸方向の直線偏光の光に変調されて出射される。
The light emitted from the liquid
複屈折回折レンズ23にY軸方向の直線偏光の光が入射すると、複屈折材料203bはY軸に配向されていることから異常光屈折率の方向であり、ne_B>nsの関係よりフレネルレンズの作用より集光して入射した光は、発散する光として進行する。
When the light in the Y-axis direction of the linearly polarized light is incident on the
ここで、(1)および(2)式より、液晶回折レンズ21の集光作用と複屈折レンズ23の発散作用は互いに打ち消す作用を生じるため、結果として電圧非印加時にX方向の直線偏光の光が液晶回折レンズ素子20に入射すると、直進透過する。
Here, from the equations (1) and (2), the condensing action of the liquid
(電圧印加、X軸方向の直線偏光の光入射)
第1の液晶材料204aおよび第2の液晶材料204bに電圧を印加すると、25bおよび25cの配向方向の各液晶材料は電界方向であるZ軸に略平行して配向される。X軸の直線偏光の光がZ軸方向に進行し200のように液晶回折レンズ21に入射すると複屈折材料203aがX軸方向の異常光屈折率、液晶材料204aがZ軸方向に配向されていることから常光屈折率であり、ne_B>no_LCの関係よりフレネルレンズの作用より直進入射した光は発散するX軸の直線偏光の光として進行する。
(Voltage applied, linearly polarized light incident in the X-axis direction)
When a voltage is applied to the first liquid crystal material 204a and the second liquid crystal material 204b, the liquid crystal materials in the
液晶回折レンズ21を出射した光は、Z軸に配向された第2の液晶材料204bの液晶位相回折素子22をそのまま通過し、複屈折回折レンズ23にX軸の直線偏光の光で入射する。このとき、複屈折材料203bは常光屈折率の方向であり、no_B=nsの関係からフレネルレンズの作用はせずに発散する光のまま透過する。
The light emitted from the liquid
(電圧非印加、Y軸方向の直線偏光の光入射)
このとき、複屈折材料203aおよび第1の液晶材料204aは25bに示すようにX軸に配向されているので、Y軸方向の光が入射しても互いに常光屈折率となる。no_B=no_LCの関係から液晶回折レンズ21はフレネルレンズの作用をせず直進通過する。
(No voltage applied, linearly polarized light incident in the Y-axis direction)
At this time, since the birefringent material 203a and the first liquid crystal material 204a are oriented along the X axis as shown by 25b, they have ordinary refractive indices even when light in the Y axis direction is incident. From the relationship of n o_B = no_LC, the liquid
液晶回折レンズ21を出射した光は、液晶位相変調素子22に入射し、第2の液晶材料204bの遅相軸方向が入射する光のY軸方向に対して45°の角度であり、λ/2板として作用する。このことから、液晶位相変調素子22を通過する光はX軸方向の直線偏光の光に変調されて出射される。
The light emitted from the liquid
複屈折回折レンズ23にX軸方向の直線偏光の光が入射すると、複屈折材料203bはY軸に配向されていることから常光屈折率の方向であり、等方性材料206もno_B=nsの関係より入射した光は、そのまま進行透過する。したがって、液晶回折レンズ素子20に入射する光は偏光状態は変わるものの、そのままフレネルレンズの作用がなく透過する。
When linearly polarized light in the X-axis direction is incident on the birefringent
(電圧印加、Y軸方向の直線偏光の光入射)
第1の液晶材料204aおよび第2の液晶材料204bに電圧を印加すると、25bおよび25cの配向方向の各液晶材料は電界方向であるZ軸に略平行して配向される。Y軸の直線偏光の光がZ軸方向に進行し200のように液晶回折レンズ21に入射すると複屈折材料203aがY軸方向で常光屈折率、第1の液晶材料204aがZ軸方向に配向されていることから常光屈折率であり、no_B=no_LCの関係から液晶回折レンズ21はフレネルレンズの作用をせず直進通過する。また、液晶回折レンズ21を出射する光の偏光状態はY軸方向のままである。
(Voltage applied, linearly polarized light incident in the Y-axis direction)
When a voltage is applied to the first liquid crystal material 204a and the second liquid crystal material 204b, the liquid crystal materials in the
液晶回折レンズ21を出射した光は、Z軸に配向された第2の液晶材料204bの液晶位相回折素子22をそのまま通過し、複屈折回折レンズ23にY軸の直線偏光の光で入射する。このとき、複屈折材料203bは異常光屈折率の方向であり、ne_B>nsの関係からフレネルレンズの作用により入射した光は発散して出射する。
The light emitted from the liquid
以上、第2の実施形態では、液晶回折レンズ素子20は、第1の液晶材料204aおよび第2の液晶材料204bに対して電圧非印加時は光軸がZ軸の光であれば偏光状態に関わらず液晶回折レンズ素子10を直進する。一方、電圧印加時はフレネルレンズ形状の複屈折材料103a、103bでフレネルレンズ作用が生じるので発散光となって出射する。
As described above, in the second embodiment, the liquid crystal
(第3の実施の形態)
図4に本発明の第3の実施の形態となる液晶回折レンズ素子30の断面図を示す。また説明を簡単にするために透明基板301aと透明基板301bとの間に挟持された部分を液晶回折レンズ31、透明基板301bと透明基板301cとの間に挟持された部分を複屈折回折レンズ32とする。
(Third embodiment)
FIG. 4 shows a cross-sectional view of a liquid crystal
液晶回折レンズ31は、透明基板301aと301bに挟持された第1の液晶材料304と、第1の液晶材料304に電圧を印加するための透明電極302a、302b、透明基板301a側に設けられたフレネルレンズ形状をした第1の複屈折材料303aからなり、シール材305によりシールされる。透明電極は、液晶に対してZ軸方向に電圧を印加できるようにされていればよく、複屈折材料303aのフレネルレンズ形状表面などに設けられていてもよいが、生産性および信頼性の点から透明基板301a表面に設けると好ましい。
The liquid
屈折率異方性を有する第1の液晶材料304および複屈折材料303aはそれぞれ配向方向を有し、とくに液晶材料304は図示しない配向膜によって配向されている。複屈折材料303a、第1の液晶材料304の層においてフレネルレンズ面と接する第1の液晶材料304の配向方向はX軸方向、対向する透明電極302bと接する第1の液晶材料304の配向方向はY軸の方向である。つまり35bのように第1の液晶材料304の厚さ方向(Z軸)で90°のツイスト角を有する。
The first
複屈折回折レンズ32は、透明電極302bと異なる透明基板301bの面と対向する透明基板301cの面に設けられたフレネルレンズ形状の複屈折材料303bを等方性材料306で充填平坦化し、透明基板301bと301cとで挟持して、シール材305でシールされている。第3の実施形態における各材料やフレネルレンズ形状に関する設定は第1の実施形態の条件と同じである。
The birefringent
以下、液晶回折レンズ素子30に直線偏光の光がX軸方向またはY軸方向で200の進行方向で入射したときの作用について図4を用いて説明する。
Hereinafter, an operation when linearly polarized light enters the liquid crystal
(電圧非印加、X軸方向の直線偏光の光入射)
このとき、第1の液晶材料304は35bに示すようにフレネルレンズ面でX軸に配向され、一方で対向する透明電極302b上ではY軸に配向され液晶材料層内で90°ツイストしている。他、複屈折材料の配向方向は、35aおよび35cの方向である。X軸の直線偏光の光がZ軸方向に進行し300のように液晶回折レンズ31に入射すると第1の液晶材料304と複屈折材料303aともX軸方向に配向されていることからいずれも異常光屈折率の方向であり、ne_LC>ne_Bの関係よりフレネルレンズの作用よりZ軸と平行な光軸で直進入射した光は集光する光として進行する。
(No voltage applied, linearly polarized light incident in the X-axis direction)
At this time, as shown in 35b, the first
第1の液晶材料304が液晶層内で90°ツイストしていることから、入射した光の偏光状態は90°旋光し、集光する光はY方向の直線偏光の光となる。液晶回折レンズ31を出射した光は、複屈折レンズ32に入射する。第1の実施の形態と異なり、光の進行方向300は等方性材料306を通過した後、フレネルレンズ形状の第2の複屈折材料303bを通過する。複屈折材料303bはY軸に配向されていることから異常光屈折率の方向であり、ne_B>nsの関係よりフレネルレンズの作用より集光して入射した光は、発散する光として進行する。
Since the first
ここで、(1)および(2)式より、液晶回折レンズ31の集光作用と複屈折レンズ32の発散作用は互いに打ち消す作用を生じるため、結果として電圧非印加時にX方向の直線偏光の光が液晶回折レンズ素子30に入射すると、直進透過する。
Here, from the equations (1) and (2), the condensing action of the liquid
(電圧印加、X軸方向の直線偏光の光入射)
第1の液晶材料に電圧を印加すると、35bの配向方向でツイストした第1の液晶材料304は電界方向であるZ軸に略平行して配向される。X軸の直線偏光の光がZ軸方向に進行し300のように液晶回折レンズ31に入射すると複屈折材料303aがX軸方向の異常光屈折率、液晶材料304がZ軸方向に配向されていることから常光屈折率であり、ne_B>no_LCの関係よりフレネルレンズの作用より直進入射した光は発散するX軸の直線偏光の光として進行する。
(Voltage applied, linearly polarized light incident in the X-axis direction)
When a voltage is applied to the first liquid crystal material, the first
液晶回折レンズ31を出射した光は、複屈折回折レンズ32にX軸の直線偏光の光で入射するので、複屈折材料303bは常光屈折率の方向であり、no_B=nsの関係からフレネルレンズの作用はせずに発散する光のまま透過する。
Light emitted from the liquid
(電圧非印加、Y軸方向の直線偏光の光入射)
このとき、複屈折材料303aおよび複屈折材料303aからなるフレネルレンズ形状に接する第1の液晶材料304は35bに示すようにX軸に配向されているので、Y軸方向の光が入射しても互いに常光屈折率となる。no_B=no_LCの関係から液晶回折レンズ31はフレネルレンズの作用をせず直進通過し、また、第1の液晶材料304は35bのように配向方向が厚さ方向に90°ツイストしているので偏光状態はX軸方向の直線偏光の光として出射する。
(No voltage applied, linearly polarized light incident in the Y-axis direction)
At this time, since the first
X軸の偏光状態で複屈折レンズ32に入射した光はフレネルレンズ形状の複屈折材料303bで常光屈折率となり、また、等方性材料306もno_B=nsの関係からフレネルレンズ機能をせずに直進透過する。
The light incident on the
(電圧印加、Y軸方向の直線偏光の光入射)
第1の液晶材料304に電圧を印加すると、35bの配向方向でツイストした第1の液晶材料304は電界方向であるZ軸に略平行して配向される。Y軸の直線偏光の光がZ軸方向に進行し300のように液晶回折レンズ31に入射すると第1の複屈折材料303aがY軸方向で常光屈折率、第1の液晶材料304がZ軸方向に配向されていることから常光屈折率であり、no_B=no_LCの関係から液晶回折レンズ31はフレネルレンズの作用をせず直進通過する。また、液晶回折レンズ31を出射する光の偏光状態はY軸方向のままである。
(Voltage applied, linearly polarized light incident in the Y-axis direction)
When a voltage is applied to the first
液晶回折レンズ31を出射した光は、第1の実施の形態と異なり、光の進行方向300は等方性材料306を通過した後、フレネルレンズ形状の第2の複屈折材料303bを通過する。複屈折材料303bはY軸に配向されていることから異常光屈折率の方向であり、ne_B>nsの関係よりフレネルレンズの作用より集光して入射した光は、発散する光として進行する。
Unlike the first embodiment, the light emitted from the liquid
以上、第3の実施形態では、液晶回折レンズ素子30は、第1の液晶材料304に対して電圧非印加時は光軸がZ軸の光であれば偏光状態に関わらず液晶回折レンズ素子10を直進する。一方、電圧印加時はフレネルレンズ形状の複屈折材料303a、303bでフレネルレンズ作用が生じるので発散光となって出射する。
As described above, in the third embodiment, the liquid crystal
また、第3の実施の形態にかかる図4の模式的断面図において等方性材料306の屈折率がns=ne_B2であり、複屈折材料303bの配向方向35cがY軸方向となる以外同じ条件である場合について説明する。このとき、電圧非印加時にはX軸方向およびY軸方向の直線偏光の光はいずれも集光する一方、電圧印加時にはX軸方向およびY軸方向の直線偏光の光は、いずれも直進透過する。したがって、透過光と発散光との切り替えだけでなく、透過光と集光光との切り替えもこれらの材料やフレネルレンズを形成する位置によって自由に設計することができる。
Further, in the schematic cross-sectional view of FIG. 4 according to the third embodiment, the refractive index of the
本発明の液晶回折レンズ素子および光ヘッド装置のさらなる特徴については、以下に示す実施例により具体的に説明する。 Further features of the liquid crystal diffractive lens element and the optical head device of the present invention will be specifically described with reference to the following examples.
(実施例1)
本発明の実施例1に係る図1の液晶回折レンズ素子10の作製方法を説明する。まず、透明基板101a、101bは石英基板を用いる。透明電極102a、102b用の材料としては、ITOを用いる。透明電極は、ITOをスパッタリング法でシート抵抗値が300Ω/□程度となる膜厚まで堆積し、フォトリソグラフィ技術およびウェットエッチング技術を用いてITO膜をパターニングすることによって形成する。複屈折材料103a、103bには常光屈折率1.55、異常光屈折率1.72の高分子液晶を用いた。フレネルレンズの形成は、透明電極102aの上に1.7μmの膜厚が高分子液晶層を形成し、図1においてX方向に配向する。同様に、透明基板103b上にも1.7μmの膜厚が高分子液晶層を形成し、図1においてY方向に配向する。高分子液晶は配向処理させた面上に光重合性の液晶に光を当てて重合高分子化し、離型処理をして作製する。
Example 1
A method for producing the liquid crystal
フレネルレンズ構造の形成については、フォトリソグラフィー技術およびリアクティブイオンエッチング技術を用いて高分子液晶をパターンニングし、各ブレーズ輪帯を形成する。ここで光源の波長を405nmとして、各ブレーズ輪帯の光軸方向の厚さを、図6のF2に示す位相分布が得られるようにする。次に、複屈折材料103aの表面と透明電極102bの表面に配向膜としてポリイミド膜を形成し(図示せず)、ラビング法にてそれぞれX軸方向とY軸方向に配向処理を施す。
As for the formation of the Fresnel lens structure, the polymer liquid crystal is patterned using a photolithography technique and a reactive ion etching technique to form each blaze zone. Here, the wavelength of the light source is set to 405 nm, and the thickness in the optical axis direction of each blaze ring zone is set so as to obtain the phase distribution indicated by F2 in FIG. Next, a polyimide film is formed as an alignment film on the surface of the
シール材105の材料としては、エポキシ樹脂系接着剤に直径11μmのグラスファイバーをスペーサーとして混入し、光学的有効エリアの外周に印刷した後、熱圧着して基板間ギャップ11μmの空隙からなる液晶セルを作製した。この液晶セルに、第1の液晶材料104aとして常光屈折率1.55、異常光屈折率1.89、誘電異方性Δεが9のネマチック液晶を真空注入により注入した。ネマチック液晶には、液晶に対して0.1wt%の量のカイラル材を添加した。
As a material for the sealing
上記の液晶セルに第1の液晶材料104aを注入した後、アクリル樹脂系接着剤を用いて注入口を封止して液晶回折レンズ素子10を作製する。透明電極102a、102bの形成時に端子取り出し部110a、110bを設け、上記端子部にフレキシブル回路基板を接続し周波数1kHzの矩形交流波の信号を発生する外部信号源17を取り付ける。
After the first liquid crystal material 104a is injected into the above liquid crystal cell, the liquid crystal
次に複屈折レンズ12の作製方法は、フレネルレンズ形状の複屈折材料103bは上記と同様の方法で作製し、上記と同様の空隙に充填材料として屈折率が1.55の等方性材料を充填する。充填材料としては、UV硬化性アクリル系樹脂を用いるが、エポキシ系樹脂、ポリイミド樹脂などの有機材料や、SiO2、SiON、TiO2、Ta2O5、などの無機材料膜、そしてこれらから形成される多層膜などで構成してもよい。
Next, the
このように作製した液晶回折レンズ素子10に対して図1のZ軸方向の光軸の光を入射して往路の光利用効率を調査した。なお、電圧非印加時は外部信号源17の電圧は0Vrms、電圧印加時の電圧は20Vrmsの値とする。電圧非印加時にX軸方向の直線偏光の光が入射したときに約95%、Y軸方向の直線偏光の光が入射したときに約85%となる。また、電圧印加時にX軸方向の直線偏光の光が入射したときに約95%、Y軸方向の直線偏光の光が入射したときに約85%となる。
Light of the optical axis in the Z-axis direction in FIG. 1 was incident on the liquid crystal
(実施例2)
本発明の実施例2に係る図3の液晶回折レンズ素子20の作製方法を説明する。液晶回折レンズ21および複屈折レンズ23は実施例1と同様の材料および製法を用いるが、液晶回折レンズ21の透明電極202b上のラビング方向はX軸の配向とする。次に液晶位相変調素子22の作製方法も同様に透明基板である石英基板201b、201cの対向面にITOの透明電極を作製し、図示しないポリイミド膜を形成してX軸(またはY軸)から45°の角度をなす方向にラビングさせて配向処理をする。
(Example 2)
A method of manufacturing the liquid crystal
液晶位相変調素子22のシール材205としては、エポキシ樹脂系接着剤に直径2.2μmのグラスファイバーをスペーサーとして混入し、光学的有効エリアの外周に印刷した後、熱圧着して基板間ギャップ2.2μmの液晶セルを作製する。この液晶セルに、第2の液晶材料204bとして常光屈折率1.51、異常光屈折率1.60、誘電異方性Δεが3.8のネマチック液晶を真空注入により注入する。
As the sealing
実施例1と同様に透明電極202a、202b、202cおよび202dの形成時に端子取り出し部を設け、上記端子部にフレキシブル回路基板を接続し周波数1kHzの矩形交流波の信号を発生する外部信号源27を取り付ける。
As in the first embodiment, an
このように作製した液晶回折レンズ素子20に対して図2のZ軸方向の光軸の光を入射して光利用効率を調査する。なお、電圧非印加時は外部信号源17の電圧は0Vrms、電圧印加時の電圧は20Vrmsの値とする。電圧非印加時にX軸方向の直線偏光の光が入射したときに約95%、Y軸方向の直線偏光の光が入射したときに約90%となる。また、電圧印加時にX軸方向の直線偏光の光が入射したときに約90%、Y軸方向の直線偏光の光が入射したときに約90%となる。
The light utilization efficiency is investigated by making the light of the optical axis in the Z-axis direction of FIG. 2 incident on the liquid crystal
これらの液晶回折レンズ素子を図5に示す光ヘッド装置に組む例について説明する。光ヘッド装置40は405nmの波長の光束を出射する半導体レーザー41と、偏光方向に応じて光を通過または反射させる偏光ビームスプリッタ42、入射する光束を略平行光に変換するコリメーターレンズ43と、液晶回折レンズ素子44と、1/4波長板45と、1/4波長板を透過した光を光ディスク47上に集光させる対物レンズ46、偏光ビームスプリッタで反射された光ディスクからの戻り光を非点収差させるシリンドリカルレンズ48と、戻り光を検出する光検出器49とを備える。液晶回折レンズ素子44は、上記液晶回折レンズ素子10、20または30に相当する。
An example in which these liquid crystal diffractive lens elements are assembled in the optical head device shown in FIG. 5 will be described. The
光ディスク47は情報記録面が2層構造をなしており、47aと47bの面を有する。ここで、対物レンズは、液晶回折レンズ素子44を入射光がレンズ作用をせずに通過するときに、入射光が第1の情報記録面に集光するように設定する。液晶回折レンズ素子44に電圧を印加しない場合(印加電圧が0Vrms)、光ヘッド装置は、液晶回折レンズ素子44を除いたときと実質的に同様に動作し、入射光が第1の情報記録面に集光する。
The
これに対して、液晶回折レンズ素子44に20Vrmsの電圧を印加した場合、液晶回折レンズ素子44に入射した光は、液晶回折レンズ素子44によって焦点距離が切り替えられて発散光となる。液晶回折レンズ素子44、1/4波長板45および対物レンズ46を通過し、光ディスクの第2の情報記録面に集光するように設定した。光ディスクからの戻り光は、対物レンズを透過し、1/4波長板45によって入射光と偏光方向が90度異なる直線偏光の光に変えられ、液晶回折レンズ素子44によって焦点距離が切り替えられて透過する。液晶回折レンズ素子を透過した光は、コリメーターレンズ33を透過し、偏光ビームスプリッタ42で反射されて光検出器49に入射する。これより、液晶回折レンズ素子への電圧の切り替えによって2層の情報記録層への良好な情報の記録再生が効率よく実施できる。
On the other hand, when a voltage of 20 Vrms is applied to the liquid crystal
上記光ヘッド装置の例は、液晶回折レンズ素子44に電圧印加時に発散光、電圧非印加時に直進透過光となる構成であるが、このほかに、電圧印加時に直進透過光、電圧非印加時に集光光となる液晶回折レンズ素子44の構成などもあり、それぞれの電圧切り替え特性により、第1の情報記録面または第2の情報記録面に対して焦点を結ぶように設計すればよい。
The above optical head device has a configuration in which divergent light is applied to the liquid crystal
10、20、30、44、50:液晶回折レンズ素子
11、21、31:液晶回折レンズ
12、23、32:複屈折レンズ
15a、25a、35a:第1の複屈折材料の配向方向
15b、25b、35b:第1の液晶材料の配向方向
25c:第2の液晶材料の配向方向
15c、25d、35c:第2の複屈折材料の配向方向
17、27、37、57:外部信号源
22:液晶位相変調素子
40:光ヘッド装置
41:半導体レーザー
42:偏光ビームスプリッタ
43:コリメータレンズ
45:1/4波長板
46:対物レンズ
47:光ディスク
47a:第1記録層
47b:第2記録層
48:シリンドリカルレンズ
49:光検出器
55a、55c:複屈折材料の配向方向
55b:液晶材料の配向方向
100、200、300、500:入射光(往路)の進行方向
101a、101b、101c、201a、201b、201c、201d、301a、301b、301c、501a、501b:透明基板
102a、102b、202a、302a、302b、202b、202c、202d、502a、502b:透明電極
103a、203a、303a:第1の複屈折材料
103b、203b、303b:第2の複屈折材料
104、204a、304:第1の液晶材料
105、205、305、505:シール材
106、206、306:充填材料(等方性材料)
110a、110b:端子取り出し部
204b:第2の液晶材料
503a、503b:複屈折材料
504:液晶材料
10, 20, 30, 44, 50: liquid crystal diffractive lens elements 11, 21, 31: liquid crystal diffractive lenses 12, 23, 32: birefringent lenses 15a, 25a, 35a: orientation directions 15b, 25b of the first birefringent material 35b: first liquid crystal material alignment direction 25c: second liquid crystal material alignment direction 15c, 25d, 35c: second birefringent material alignment directions 17, 27, 37, 57: external signal source 22: liquid crystal Phase modulation element 40: optical head device 41: semiconductor laser 42: polarization beam splitter 43: collimator lens 45: 1/4 wavelength plate 46: objective lens 47: optical disc 47a: first recording layer 47b: second recording layer 48: cylindrical Lens 49: photodetector 55a, 55c: orientation direction of birefringent material 55b: orientation direction of liquid crystal material 100, 200, 300, 500: incident light (outward path) Traveling direction 101a, 101b, 101c, 201a, 201b, 201c, 201d, 301a, 301b, 301c, 501a, 501b: transparent substrate 102a, 102b, 202a, 302a, 302b, 202b, 202c, 202d, 502a, 502b: transparent electrode 103a, 203a, 303a: first birefringent materials 103b, 203b, 303b: second birefringent materials 104, 204a, 304: first liquid crystal materials 105, 205, 305, 505: sealants 106, 206, 306 : Filling material (isotropic material)
110a, 110b: terminal extraction portion 204b: second
Claims (9)
前記透明基板のうち一対の前記透明基板の対向する面のいずれか一方の面に設けられた断面形状がフレネルレンズ形状となる第1の複屈折材料と、
前記第1の複屈折材料の表面と対向する前記透明基板面との空間を充填する第1の液晶材料と、
前記第1の液晶材料に電圧を印加する電極と、
前記第1の複屈折材料を有する一対の前記透明基板の対向する面とは異なる、一対の前記透明基板の対向するいずれか一方の面に設けられた断面形状がフレネルレンズ形状となる第2の複屈折材料と、
前記第2の複屈折材料の表面と対向する前記透明基板面との空間を埋める充填材料と、を備え、
前記第1の複屈折材料の異常光屈折率方向と前記第2の複屈折材料の異常光屈折率方向とが平行または直交し、
前記第1の複屈折材料の常光屈折率をno_B1、異常光屈折率をne_B1、前記第1の液晶材料の常光屈折率をno_LC、異常光屈折率をne_LCとするとき、
ne_LC−ne_B1=ne_B1−no_LC>0
no_B1=no_LC
となる等式をほぼ満足する材料で構成されている液晶回折レンズ素子。 Three or more transparent substrates arranged in parallel;
A first birefringent material in which a cross-sectional shape provided on any one of the opposing surfaces of the pair of transparent substrates among the transparent substrates is a Fresnel lens shape;
A first liquid crystal material that fills a space between the surface of the first birefringent material and the transparent substrate surface facing the first birefringent material;
An electrode for applying a voltage to the first liquid crystal material;
A cross-sectional shape provided on one of the opposing surfaces of the pair of transparent substrates, which is different from the opposing surfaces of the pair of transparent substrates having the first birefringent material, is a Fresnel lens shape. A birefringent material;
A filling material that fills a space between the surface of the second birefringent material and the transparent substrate surface facing the second birefringent material,
The extraordinary refractive index direction of the first birefringent material and the extraordinary refractive index direction of the second birefringent material are parallel or orthogonal,
When the ordinary refractive index of the first birefringent material is no_B1 , the extraordinary refractive index is ne_B1 , the ordinary refractive index of the first liquid crystal material is no_LC , and the extraordinary refractive index is ne_LC .
n e_LC -n e_B1 = n e_B1 -n o_LC> 0
no_B1 = no_LC
A liquid crystal diffractive lens element composed of a material that substantially satisfies the equation
no_B2=ns
または、
ne_B2=ns
のいずれかの等式をほぼ満足する材料で構成されている請求項1に記載の液晶回折レンズ素子。 Said filler material is isotropic material, the refractive index n s of the isotropic material, the second the ordinary refractive index of the birefringent material n O_B2, the extraordinary refractive index when the n E_B2,
n o_B2 = n s
Or
n e_B2 = n s
The liquid crystal diffractive lens element according to claim 1, wherein the liquid crystal diffractive lens element is made of a material that substantially satisfies any of the equations.
ns=no_LC
となる等式をほぼ満足する材料で構成されている請求項2または請求項3に記載の液晶回折レンズ素子。 The refractive index of the isotropic material and the ordinary light refractive index of the first liquid crystal material are:
n s = no_LC
4. The liquid crystal diffractive lens element according to claim 2, wherein the liquid crystal diffractive lens element is made of a material that substantially satisfies the following equation.
前記第2の複屈折材料を有する一対の前記透明基板の対向する面とは異なる、一対の前記透明基板の対向する面の空間を埋める第2の液晶材料を備え、
前記第2の液晶材料に電圧を印加する電極を備える請求項1〜4いずれか1項に記載の液晶回折レンズ素子。 The first birefringent material and the second birefringent material, and different from the opposing surfaces of the pair of transparent substrates having the first birefringent material;
A second liquid crystal material that fills the space between the opposing surfaces of the pair of transparent substrates, which is different from the opposing surfaces of the pair of transparent substrates having the second birefringent material,
The liquid crystal diffractive lens element according to claim 1, further comprising an electrode that applies a voltage to the second liquid crystal material.
前記第1の複屈折材料の表面の第1の液晶材料の配向方向と前記第2の液晶材料の配向方向とがなす角度が略45°である請求項7に記載の液晶回折レンズ素子。 The alignment directions of the first liquid crystal material on the surface of the first birefringent material and the first liquid crystal material on the surface of the transparent substrate facing the first birefringent material are parallel,
The liquid crystal diffractive lens element according to claim 7, wherein an angle formed by an alignment direction of the first liquid crystal material and an alignment direction of the second liquid crystal material on the surface of the first birefringent material is approximately 45 °.
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