JP2010134981A - 液晶光学素子及び光ピックアップ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数波長の光ビームの利用に伴って、回折素子及び非回折素子として、切り替えて利用することができる液晶光学素子、及びその液晶光学素子を用いた光ピックアップ装置を提供すること。
【解決手段】透明基板上に配置される同心円状の帯状パターンが、（２×ｍ×ｆ×λ）^１／２（ｍ：複数の帯状パターンの中心からの個数、ｆ：焦点距離、λ：使用する光ビームの波長）でもって決まる帯状パターンの電極幅と、その帯状パターンの外側に位置する帯状パターン間の空隙幅が、光ビームが位相変調される全ての領域内で、実質的に位相量差がλ／２となる様に設定する。
【選択図】図５

Description

本発明は、液晶光学素子及びその液晶光学素子を有する光ピックアップ装置に関する。

共通の対物レンズを用いて、ＣＤ、ＤＶＤ、ブルーレイ・ディスク等のように保護層の厚さが異なる光記録媒体、または多層の記録面を有する光記録媒体からの情報の再生、記録、消去を行うために、焦点距離を可変することができる所謂液晶レンズへの要望が高まっている。これは、従来のデジタルカメラ等で用いられる光学式倍率可変機構では、レンズを移動させるメカニカル機構が必須であって、そのためのスペースとコストが必要であるのに対し、液晶レンズでは可動部品が必要ないため、小スペースで且つ低コストで倍率可変機構を提供することが可能であるからである。

そこで、液晶型の分割空間光変調素子（以下、液晶パネルとして説明する。）が有する同心円状に配置された複数の帯状パターン電極を有する透明電極を用いて、光ビームの波面形状の球面成分の曲率半径を変更する技術が開示された（例えば、特許文献１参照）。この液晶パネルを透過する透過波面が、同心円状に配置された複数の帯状パターン電極によって、階段状の位相変調を受けることにより、１次回折光を発生する。この様に、液晶パネルを通過する透過波面が１次回折光を発生するためには、λ／２程度の位相量差を有する階段状の位相変調を受ける必要がある。

そして、上記特許文献１に記載の液晶パネルを利用すれば、対物レンズの焦点位置を実質的に変化させることができるので、共通する対物レンズを用いて、複数の光記録媒体や、多層の記録面を有する光記録媒体に対応することが可能となった。

［特許文献１の液晶パネルの構成の説明：図１２−図１３］
ここで、従来の液晶パネルの構成および作用について説明する。図１２（ａ）は、従来の液晶パネルにおける透明電極の構成を説明するための図であり、図１２（ｂ）は、図１２（ａ）の液晶パネルを構成する一方の透明基板の断面Ｂ’−Ｂ’’を表している。

図１２に示す様に、透明基板３６には、複数の帯状パターン電極３５ａ〜３５ｆからなる透明電極３５が形成されており、中央部には空隙領域５５ａがあり、周辺部に向かって帯状パターン電極３５ａ、空隙領域５５ｂ、帯状パターン電極３５ｂ、空隙領域５５ｃ、帯状パターン電極３５ｃ、空隙領域５５ｄ、帯状パターン電極３５ｄ、空隙領域５５ｅ、帯状パターン電極３５ｅ、空隙領域５５ｆ、帯状パターン電極３５ｆが形成されている。そして、これら帯状パターン電極３５ａ〜３５ｆは、引き出し電極３５ｇによって束ねられ、外部から透明電極３５に給電できるようになっている。また、各帯状パターン電極３５ａ〜３５ｆ及び各帯状パターン電極間の空隙領域５５ａ〜５５ｆは、中心部から周辺部に行くほどその電極幅と空隙領域幅がともに狭くなるように設定されている。

次に、帯状パターン電極及び空隙領域の設定方法について説明する。図１３は、透明電極の構成を説明するための図である。

従来の液晶パネルは、透明基板３６上に形成された、帯状パターン電極３５ａ〜３５ｆと、後述する透明対向電極（ベタ電極）を配した透明基板とで液晶層を挟持し、これら対向する電極間に電位差を生じさせることによって、液晶層に入射する光ビームの位相量を変化させることが出来る様になっている。

ここで光ビームの波長をλ、焦点距離をｆ、複数の帯状パターン電極の中心からの個数をｍとすると、ｍ番目の帯状パターン電極のピッチｒ_ｍは、
ｒ_ｍ=（２×ｍ×ｆ×λ)^１／２ ・・・・・（２）
として表される。

また、上記ピッチ内に形成される空隙領域の最外周半径ｒ_ｍｓと、帯状パターン電極までの半径ｒ_ｍｅを、上記（２）式に基づいて求めると下記のように表される。
ｒ_ｍｓ＝（（２ｍ−１）×ｆ×λ）^１／２ ・・・・・（３）
ｒ_ｍe＝（（２ｍ)×ｆ×λ)^１／２ ・・・・・（４）
この式（３）（４）から、空隙領域の幅５５ａがｒ_１ｓ、帯状パターン電極３５ａの幅が（ｒ_１ｅ−ｒ_１ｓ）、空隙領域５５ｂの幅が（ｒ_２ｓ−ｒ_１ｅ）、帯状パターン電極３５ｂの幅が（ｒ_２ｅ―ｒ_２ｓ）、空隙領域５５ｃの幅が（ｒ_３ｓ―ｒ_２ｅ）、帯状パターン電極３５ｃの幅が（ｒ_３ｅ―ｒ_３ｓ）、空隙領域５５ｄの幅が（ｒ_４ｓ―ｒ_３ｅ）、帯状パターン電極３５ｄの幅が（ｒ_４ｅ―ｒ_４ｓ）、空隙領域５５ｅの幅が（ｒ_５ｓ―ｒ_４ｅ）、帯状パターン電極３５ｅの幅が（ｒ_５ｅ―ｒ_５ｓ）、空隙領域５５ｆの幅が（ｒ_６ｓ―ｒ_５ｅ）、帯状パターン電極３５ｆの幅が（ｒ_６ｅ―ｒ_５ｓ）となる。このように、帯状パターン電極の幅は周辺部ほど狭くなり、帯状パターン電極間の空隙幅も同様に周辺部ほど狭くなっていることが判る。

特開２００６−３３８８４０号公報（第２図）

しかしながら、同心円状に配置された複数の帯状パターン電極を有する透明電極を用いても、有効光束の範囲内全てにおいて、λ／２程度の位相量差を有する階段状の位相変調を与えることは困難であった。

［特許文献１の液晶パネルの問題点の説明：図１４-図１６］
その理由について以下に説明する。図１４（ａ）は液晶パネルの透明対向電極３２を、図１４（ｂ）は複数の同心円状に配置された帯状パターン電極からなる回折パターンを有する透明電極３５の一例を示す図である。

図１４（ａ）に示す様に、この液晶パネルの透明対向電極３２は、全面ベタ電極である。図１４（ｂ）に示す、それに対向する透明電極３５は、図１２、図１３で説明した様に、帯状パターン電極３５ａ〜３５ｆと、引き出し電極に３５ｇを有する。これら帯状パターン電極３５ａ〜３５ｆと空隙領域５５ａ〜５５ｆは、有効光束５内に収まるよう形成されている。なお、図中の矢印Ｃは、透明電極３５を有する液晶パネルにおける、液晶層の配向方向を示している。

図１４（ｃ）は、図１４（ｂ）に示す透明電極３５上に形成された回折パターンと透明対向電極３２との間に、一律に所定の電位差を生じさせるようにした場合に、図１４（ｂ）のＯＡ方向に発生する位相量分布を示した図である。また、図１４（ｄ）は、図１４（ｂ）に示す透明電極３５上に形成された回折パターンと透明対向電極との間に、一律に所定の電位差を生じさせるようにした場合に、図１４（ｂ）のＯＢ方向に発生する位相量分布を示した図である。

図１４（ｃ）に示す様に、配向方向Ｃと略直交するＯＡ方向の位相量分布では、中心部の位相量差φＡ０と、周辺部の位相量差φＡ１とが異なる位相量分布８１Ａとなる。また、図１４（ｄ）に示す様に、配向方向Ｃと略平行なＯＢ方向の位相量分布では、中心部の位相量差φＢ０と、周辺部の位相量差φＢ１とが異なる位相量分布８１Ｂとなる。そして
、これら位相量差は、φＡ０＞φＢ０、φＡ１＞φＢ１の関係となっている。

このように、同心円状に配置された複数の帯状パターン電極３５ａ〜３５ｆからなる透明電極３５と透明対向電極３２との間に、一律に所定の電位差を生じさせるように構成しても、透明電極３５全体において、同じ位相量差を有する位相差分布を発生させることができていないことが判る。

次に、この従来構成の帯状パターン電極を有する液晶レンズの作用について説明する。図１５は、透明電極の各領域における液晶分子の挙動を説明するための図である。

実際には、帯状パターン電極は、先に示したように、周辺部ほど徐々にその幅及び空隙幅が狭くなるが、図中では、説明の便宜上同じ幅の帯状パターン電極が同じ間隔で複数並んでいる例を示している。また、図１５に示す液晶パネル３０は、透明基板３１上に全面ベタの透明対向電極３２が配置され、透明基板３６上に同心円状に複数配置された帯状パターン電極を有する透明電極３５が配置され、透明対向電極３２と透明電極３５との間に液晶層３７が挟持されているものとする。

図１５（ａ）は、図１４（ｂ）に示した透明電極３５を有する液晶パネル３０において、ＯＡ方向における同心円状に配置された複数の帯状パターン電極の中心部の断面における液晶分子の挙動を説明するための図である。図１５（ｂ）は、図１５（ａ）に対応した位相量分布９１を示している。位相量分布９１における位相差はφＡ０である。

図１５（ａ）では、配向方向Ｃと略平行する方向に帯状パターン電極が形成されている。ここで、透明電極３５と透明対向電極３２との間に所定の電位差を発生させると、図１５（ａ）に示す液晶分子３７ａ、３７ｂ、３７ｃ、３７ｄ及び３７eの様に、配向方向Ｃに沿って並んだ長針状の液晶分子が徐々に立ち上がるような挙動を示す。この様に、中央部での空隙領域では空隙幅が大きいので、隣接する帯状パターン電極の領域からの電界漏れ４１による、液晶分子の余計な立ち上がりは少ない。そのため、図１５（ｂ）に示す様に、この領域における液晶層は、帯状パターン電極の領域と空隙領域間の液晶分子の立ち上がりの差を、大きくすることができていることが判る。

図１５（ｃ）は、図１４（ａ）に示す透明電極３５を有する液晶パネル３０において、ＯＡ方向における同心円状に配置された複数の帯状パターン電極の周辺部の断面における液晶分子の挙動を説明するための図である。図１５（ｄ）は、図１５（ｃ）に対応した位相量分布９２を示している。位相量分布９２における位相差はφＡ１である。

図１５（ｃ）では、配向方向Ｃと略平行する方向に帯状パターン電極が形成されている。ここで、透明電極３５と透明対向電極３２との間に図１５（ａ）の場合と同様の所定の電位差を発生させると、液晶分子３７ｆ、３７ｇ、３７ｈ、３７i及び３７jの様に、配向方向Ｃに沿って並んだ長針状の液晶分子が徐々に立ち上がるような挙動を示す。そして、回折パターンの周辺部では空隙領域の幅が狭いので、隣接する帯状パターン電極の領域からの電界漏れ４２の影響を受けて、液晶分子の立ち上がりが大きくなってしまう。そのため、図１５（ａ）の場合よりも、帯状パターン電極の領域と空隙領域間の液晶分子の立ち上がりの差が小さくなってしまう。

この様に、回折パターンの周辺部では、中心部（図１５（ａ）参照）と比較して、帯状パターン電極の領域だけでなく、空隙領域の液晶分子も余計に立ち上がってしまうため、帯状パターン電極の領域と空隙領域間で充分に位相差がとれない部分が生じる。そこで、位相量分布９２に示すように、位相量分布９１と比べて位相差が小さい分布が生じることとなる。

図１５（ｅ）は、図１４（ｂ）のＯＢ方向（配向方向Ｃと略直交する方向）に帯状パターン電極が形成されている場合の液晶分子の挙動を示す図である。図１５（ｆ）は、図１５（ｅ）に対応した位相量分布９３を示している。位相量分布９３における位相量差はφＢ０である。

ここで、透明電極３５と透明対向電極３２との間に、図１５（ａ）の場合と同様の所定の電位差を発生させると、図１５（ｅ）に示す液晶分子３７ｋ、３７ｌ、３７ｍ、３７ｎ及び３７oの様に、配向方向Ｃに沿って並んだ長針状の液晶分子が徐々に立ち上がるような挙動を示す。この様に、中央部での空隙領域では空隙幅が大きいので、隣接する帯状パターン電極の領域からの電界漏れ４１による液晶分子への影響は少ない。ところがこの領域では、液晶分子の配向方向と帯状パターン電極の配設方向が略垂直であるため、空隙領域にある液晶分子は、隣接する帯状パターン電極の領域の液晶分子につられ立ち上がってしまう。そのため、図１５（ａ）の場合よりも、帯状パターン電極の領域と空隙領域間の液晶分子の立ち上がりの差が小さくなっている。

この領域では、帯状パターン電極のピッチは図１５（ａ）と同じであるが、長針状の液晶分子の向きが異なることから、図１５（ｅ）に示したように帯状パターン電極の領域と空隙領域間とで液晶分子の立ち上がりの差が小さい為、帯状パターン電極と空隙領域との間で充分に位相差がとれない部分が生じる。したがって、位相量分布９３に示すように、位相量分布９１と比べて位相差が小さい分布が生じることとなる。しかしながら、この領域では、ピッチが狭い図１５（ｃ）に示す領域よりは、帯状パターン電極間の液晶分子の影響が小さいため、位相量分布９２と比較すると位相量差は大きい。

図１５（ｇ）は、図１４（ａ）に示す透明電極３５を有する液晶パネル３０において、ＯＢ方向における同心円状に配置された複数の帯状パターン電極の周辺部の断面における液晶分子の挙動を説明するための図である。図１５（ｈ）は、図１５（ｇ）に対応した位相量分布９４を示している。位相差分布９４における位相差はφＢ１である。

図１５（ｇ）では、配向方向Ｃと略直交する方向に帯状パターン電極が形成されている。ここで、透明電極３５と透明対向電極３２との間に図１５（ａ）の場合と同様の所定の電位差を発生させると、図１５（ｇ）に示す液晶分子３７ｐ、３７ｑ、３７ｒ、３７ｓ及び３７ｔの様に、配向方向Ｃに沿って並んだ長針状の液晶分子が徐々に立ち上がるような挙動を示す。この様に、回折パターンの周辺部では空隙領域の幅が狭いので、隣接する帯状パターン電極からの電界漏れ４２の影響で、液晶分子の立ち上がりが大きくなる。また、液晶分子の配向方向と帯状パターン電極の配設方向が略垂直であるため、空隙領域にある液晶分子は、隣接する帯状パターン電極の領域の液晶分子につられて、所定の位置よりも余計に立ち上がってしまう。そのため、この領域では、帯状パターン電極の領域と空隙領域間の液晶分子の立ち上がりの差が、他の図１５（ａ）（ｃ）（ｅ）の形態に比べて最も小さくなってしまう。

そして、回折パターンの周辺部では、中心部（図１５（ｅ）参照）と比較して、帯状パターン電極のピッチが狭くなるため、図１５（ｇ）に示したように、帯状パターン電極の領域と空隙領域間とで液晶分子の立ち上がりの差が小さい。したがって、図１５（ｈ）に示す様に、帯状パターン電極の領域と空隙領域の間で充分に位相差がとれない部分が生じる。つまり、位相量分布９４に示すように、図１５（ｆ）の位相量分布９３と比べて、位相差が小さい分布が生じることとなる。なお、図１５（ｇ）における領域では、帯状パターン電極と略垂直に液晶分子が並んでいること及び帯状パターン電極のピッチが狭いことから、前述した３つの領域（図１５（ａ）、図１５（ｃ）及び図１５（ｅ））と比較しても、最も位相量差が小さくなる。

以上に示した図１５（ａ）〜図１５（ｈ）に示す様に、透明電極３５と透明対向電極３２間に同じ電位差が生じるようにすると、各領域において、異なった位相量分布が生じてしまうので、有効光束の範囲内全てにおいて、λ／２程度の位相量差を有する階段状の位相変調を与えることができなかった。

次に、図１５で示した作用を受けた光ビームの挙動について説明する。図１６は、図１４（ｂ）に示した透明電極３５を有する液晶パネルを用いた場合の回折状態を説明するための図である。図１６（ａ）は液晶パネル３０によって回折された１次回折光を示し、図１６（ｂ）は液晶パネル３０による０次光を示している。

図１６（ａ）に示すような透明電極を有する液晶パネル３０を、回折素子として機能させた場合には、本来は、全ての透過光を1次回折光１として出射し、対物レンズ１６によって、例えば中密度の光記録媒体６０の所定の位置に集光されるように設定されている。

しかしながら、図１５で説明したように、有効光束５の範囲内全てにおいて、λ／２程度の位相量差を有する階段状の位相変調を与えることができないことから、例えば、透明電極３５の周囲部（図１５（ｃ）又は図１５（ｇ）の領域）を通過する光は、完全には回折されず、図１６（ｂ）に示す様に０次光３を発生してしまう。また、透明電極３５の中心部（図１５（ａ）又は図１５（ｅ）の領域）を通過する光は、λ／２の位相差を与えられた理想的な１次回折光１として出射されるが、図１６（ｂ）に示す様に、透明電極３５の周辺部を通過する光は、１次回折光２と０次光３とに分かれて出射することとなる（図１６（ａ）及び（ｂ）参照）。

このときの０次光３は、本来予定していたものでは無いので、光記録媒体６０の所定の位置に集光されず、その分の光の利用効率が低下してしまうという不具合があった。

そこで、本発明は、上記の問題点を解決することを目的とした液晶光学素子及び光ピックアップ装置を提供することを目的とする。

また、本発明は、対物レンズの焦点位置を実質的に変化させることができる回折素子として確実に機能する液晶光学素子及びそのような液晶光学素子を用いた光ピックアップ装置を提供することを目的とする。

さらに、本発明は、複数波長の光ビームの利用に伴って、回折素子及び非回折素子として、切り替えて利用することができる液晶光学素子及びそのような液晶光学素子を用いた光ピックアップ装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る液晶光学素子は、一対の透明基板の間に挟持された液晶層と、この一対の透明基板の一方の透明基板上に配置され、且つ同心円状に配置された帯状パターン電極を含む第１の回折パターンを有する透明電極と、一対の透明基板の他方の透明基板上に配置された透明対向電極とを有し、上記透明電極と透明対向電極との間に電位差を発生させることによって、液晶層に位相量分布を発生させて、特定波長に対してバイナリー型回折格子として作用して、透過する光ビームに対して回折レンズとして機能する液晶パネルを備え、上記帯状パターン電極が、下記式（５）に基づくピッチでもって配設されており、
（２×ｍ×ｆ×λ）^１／２・・・・（５）
（ｍ：複数の帯状パターン電極の中心からの個数、ｆ：焦点距離、λ：使用する光ビームの波長）
この式（５）でもって決まる帯状パターン電極の電極幅と、帯状パターン電極間の空隙幅が、光ビームが位相変調される全ての領域内で、回折効率が一定となる様に設定されていることを特徴とするものである。

また、上記課題を解決するために、光ビームが位相変調さえるすべての領域内の外周領域に形成された上記電極幅が、式（５）によって決まる幅に対し、帯状パターン電極の内側から外側に行くに従って、より狭くなるように設定されていることを特徴とするものである。

さらに、上記課題を解決するために、上記透明対向電極は、透明電極に形成された第１の回折パターンに対応する、同心円状に配置された帯状パターン電極を含む第２の回折パターンを有することを特徴とするものである。

さらに、上記課題を解決するために、上記透明対向電極は、帯状パターン電極中心を通る分割線によって、複数に分割されていることを特徴とするものである。

さらに、上記課題を解決するために、本発明の光ピックアップ装置は、光ビームを出射する光源と、光ビームを光ディスクに導く対物レンズを有する光ピックアップ装置において、上記光源と対物レンズとの間の光ビームの光路中に、上述した液晶光学素子を配したことを特徴とするものである。

本発明によれば、液晶パネルを対物レンズの焦点位置を実質的に変化させることができる回折素子として適切に動作させることが可能となった。

また、本発明によれば、光の利用効率が良好な液晶光学素子及び光ピックアップ装置を提供することが可能となった。

さらに、本発明によれば、液晶パネルを、高密度光記録媒体を利用する場合には非回折素子として、またＣＤ又はＤＶＤを利用する場合には回折格子として切り替えて利用することが可能となった。

以下図面を参照して、本発明に係る液晶光学素子及び光ピックアップ装置について説明する。但し、本発明の技術的範囲はそれらの実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶ点に留意されたい。

［第１の実施形態］
［光ピックアップ装置の構成の説明：図１］
図１は、本実施形態に係る光ピックアップ装置の概略構成を示す図である。

図１では、ＣＤ又はＤＶＤ等の低又は中密度の光記録媒体６０からの再生を行う場合を示している。その場合、光ピックアップ装置１０において、半導体レーザである光源１１から出射された６６０ｎｍ波長の光ビームは、コリメートレンズ１２によって有効光束５の略平行光に変換され、偏光ビームスプリッタ１４を透過して液晶パネル３０に入射する。

ここで、液晶パネル３０は、後述するように、少なくとも一方の帯状パターン電極の電極幅が、光ビームが位相変調される全ての領域内で、回折効率が一定となる様に設定された回折パターン有する透明電極と、それと対向する透明対向電極との間に、液晶駆動部４
０によって所定の電位差を発生させることによって、略λ／２の位相量差を有する位相量分布が発生し、入射ビームをほぼ全て１次回折光として出射する回折素子として機能するように切替制御される。

液晶パネル３０を出射した回折光ビームは、λ／４板１５に入射する。λ／４板１５で直線偏光から円偏光に変換された回折光ビーム（往路光）は、対物レンズ１６によってＣＤ又はＤＶＤ６０（この場合はＤＶＤ）上に集光される。この時、対物レンズ１６は、回折光を基板厚０．６ｍｍのＤＶＤ６０に適合するように集光する。即ち、液晶パネル３０は、この時、対物レンズの焦点位置を実質的に変化させることができる液晶レンズとして機能している。

ＣＤ又はＤＶＤ６０からの反射光は対物レンズ１６を再度通過し、λ／４板１５を通過して、円偏光から往路光に対して偏光方向が直交した直線偏光に変換される。λ／４板１５から出射した光ビームは、偏光ビームスプリッタ１４で光路が変えられ、集光レンズ５１によって光検出器５０上へ集光される。

光検出器５０は、受光した光に基づくＦＥ（フォーカスエラー）信号、ＴＥ（トラックエラー）信号、及びＲＦ信号を出力する。不図示の制御機構では、光検出器５０から出力されたＦＥ信号及びＴＥ信号を用いて駆動機構１７を制御し、対物レンズ１６のフォーカシング及びトラッキングを行い、ＣＤ又はＤＶＤ６０上の所定の位置を対物レンズ１６による集光スポットが常に追従するように制御する。また、不図示の制御機構では、光検出器５０から出力されたＲＦ信号に基づいて、ＣＤ又はＤＶＤ６０に記録された情報の再生を行う。

なお、ＣＤ又はＤＶＤ６０への情報の書き込みを行う場合には、光源１１からの光ビームの出射を記録情報に応じて変調し、光検出器５０から出力されたＦＥ信号及びＴＥ信号を用いて対物レンズ１６のトラッキング及びフォーカシングを行いながら、書き込み可能なＣＤ又はＤＶＤ６０の色素等を光ビームの熱作用によりを分解、変形又は変質させることによって、情報の書き込みを行う。

図１に示す光ピックアップ装置１０において、ブルーレイ・ディスク等の高密度光記録媒体（不図示）から情報の再生を行う場合には、半導体レーザである光源１１から出射された４０５ｎｍ波長の光ビームを、コリメートレンズ１２よって略平行光に変換し、偏光ビームスプリッタ１４を透過させて、液晶パネル３０に入射させる。

ここで、液晶パネル３０は、後述するように、液晶駆動部４０によって非回折素子として機能するように切替制御されている。したがって、液晶パネル３０に入射した光ビームはそのまま液晶パネル３０を通過して、λ／４板１５に入射する。λ／４板１５で直線偏光から円偏光に変換された光ビーム（往路光）は、対物レンズ１６によって不図示の高密度光記録媒体上に集光される。

高密度光記録媒体から反射した光ビームは対物レンズ１６を再度通過し、λ／４板１５を通過して、円偏光から往路光に対して偏光方向が直交した直線偏光に変換される。λ／４板１５から出射した光ビームは、偏光ビームスプリッタ１４で光路が変えられ、集光レンズ５１によって光検出器５０上へ集光される。

光検出器５０は、受光した光に基づいてＦＥ信号、ＴＥ信号、及びＲＦ信号を出力する。不図示の制御機構では、光検出器５０から出力されたＦＥ信号及びＴＥ信号を用いて駆動機構１７を制御し、対物レンズ１６のフォーカシング及びトラッキングを行い、高密度光記録媒体上の所定の位置を対物レンズ１６による集光スポットが常に追従するように制
御する。また、不図示の制御機構では、光検出器５０から出力されたＲＦ信号に基づいて、高密度光記録媒体に記録された情報の再生を行う。

なお、高密度光記録媒体への情報の書き込みを行う場合には、光源１１からの光ビームの出射を記録情報に応じて変調し、光検出器５０から出力されたＦＥ信号及びＴＥ信号を用いて対物レンズ１６のトラッキング及びフォーカシングを行いながら、書き込み可能な高密度光記録媒体の色素等を光ビームの熱作用によりを分解、変形又は変質させることによって、情報の書き込みを行う。

［液晶光学素子の構成の説明：図２−図４］
次に、本実施形態の液晶光学素子の構成について説明する。図２は、液晶光学素子の構成および液晶パネルの駆動系の構成を説明するための図である。図３は、この液晶パネルの概略断面図である。

図２に示す様に、液晶パネル３０は、電源部７０及びＣＰＵ、ＲＯＭ及びＲＡＭ等から構成される制御部７１と接続され、ＩＣ等によって構成された液晶駆動部４０によって駆動される。液晶駆動部４０は、制御部７１からの制御信号に基づいて、液晶パネル３０の光記録媒体に応じた切替制御（高密度光記録媒体用と、ＣＤ又はＤＶＤ用）、ＯＮ／ＯＦＦ制御等を行う。なお、本願では、液晶パネル３０と液晶駆動部４０を合わせたものを液晶光学素子４５と称する。

図３に示す様に、液晶パネル３０は、透明基板３１、透明基板３６、シール部材３９、透明基板３１及び３６の間隔を保持するために複数配置されたスペーサ３８、透明基板３１及び３６とシール部材３９間に封入された液晶層３７等を有している。また、透明基板３１上には透明対向電極（ベタ電極）３２及び配向膜３３が形成され、透明基板３６上には透明電極１００及び配向膜３４が形成されている。なお、説明のために、縮尺が実際と異なる場合がある点に留意されたい。液晶層３７には、ホモジニアス配向又はホメオトロピック配向処理がされたネマティック液晶等が用いられる。

透明基板３１及び３６は可撓性であって、厚さ１００μｍのポリカーボネイト樹脂によって形成されている。しかしながら、透明基板３１及び３６は、透明ガラス基板、変性アクリル樹脂、ポリメタクリル樹脂、ポリエーテルサルフォン樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、ノルボルテン樹脂等であっても良く、また厚さも５０μｍ〜５００μｍとすることができる。

透明対向電極３２及び透明電極１００は、透明基板３１及び３６上に、それぞれスパッタリング法によって厚さ約０．０３μｍのＩＴＯからなる透明導電膜を成膜し、その後エッチングによって不要な部分を除去して形成されている。

次に、透明電極のパターンの具体的構成例について説明する。図４は、透明対向電極３２と透明電極１００の一例と、有効光束５内の位相量分布を示す図である。図４（ａ）は透明対向電極３２のパターンを示す図であり、図４（ｂ）は透明電極１００に形成された回折パターンの一例を示す図である。図４（ｃ）は図４（ａ）に示した電極パターンのＯＡ方向における位相量差分布を表し、図４（ｄ）は図４（ａ）に示した電極パターンのＯＢ方向における位相量差分布を表している。

図４（ａ）に示す様に、本実施形態における液晶パネルの透明対向電極３２は、全面一様なベタパターンとなっている。なお、図４（ｂ）に示す矢印Ｃは、液晶層３７（図３参照）の配向方向を示している。

また、図４（ｂ）に示す様に、透明電極１００における回折パターンは、複数の同心円状に配置された帯状パターン電極１００ａ〜１００ｆを有し、引き出し電極１００ｇによって束ねて接続されている。また、各帯状パターン電極１００ａ〜１００ｆ間に空隙領域１０１ａ〜１０１ｆを有する。なお、後述するように、帯状パターン電極１００ａ〜１００ｆの幅および空隙幅は、下記式から見積もられる値に対し、周辺部ほどその調整量が大きくなるように設定されている。この電極幅および空隙幅の具体的な設定方法については、後段で説明する。

そして、図４（ａ）（ｂ）に示すパターンを有する液晶パネルによれば、図４（ｃ）、図４（ｄ）に示すように、液晶パネルの液晶層に一様な電界を印加すると、回折パターンの中央部での位相量差（φＡ１０、φＢ１０）と、周辺部での位相量差（φＡ１１、φＢ１１）は異なった値を示しているが、本実施形態の透明電極１００は、帯状パターン電極の電極幅および空隙幅が、透明電極１００と透明対向電極３２とで挟持される液晶層に電圧をかけることで、液晶パネルに入射する光ビームに対して作用する回折効率が、液晶層に与える位相変調領域の全ての領域で一定となる様に調整されているので、同図に破線で示した、従来の液晶パネルにおける位相量分布（８１Ａ、８１Ｂ）よりも、帯状パターン電極の領域と空隙領域間の位相量差が大きい位相分布（８２Ａ，８２Ｂ）とする事ができている。このときの位相量差は、φＡ１１＞φＢ１１の関係となっている。

なお、図４（ｂ）に示す回折パターンは一例であって、帯状パターン電極の本数や、電極幅及び間隔は、通過する光ビームの波面形状の球面成分の曲率半径が所望の値となる様に利用するシステムに合わせて、最適なものを選択することが可能である。また、帯状パターン電極と空隙領域が入れ替わった構成とする事もできる。

次に、本実施形態における、具体的な電極パターンの設定手法について詳細に説明する。

まず、使用する光ビームの波長に対して、λ／２の位相量差を発生させて、回折素子として機能させるために、下記（６）式に基づき帯状パターン電極のピッチを決定する。なお、下記式（６）は、従来構成で使用している式と同じである。
ｒ_ｍ=（２×ｍ×ｆ×λ)^１／２ ・・・・・（６）
（光ビームの波長をλ、焦点距離をｆ、複数の帯状パターン電極の中心からの個数をｍ、ｍ番目の帯状パターン電極のピッチをｒ_ｍ）

次に、ここで得られた帯状パターン電極のピッチから、各帯状パターン電極１００ａ〜１００ｆの電極幅と、各電極間の間隔である空隙幅を決定する。

ところが、ここで決定された電極幅、空隙幅でパターンを設定すると、従来の構成の課題の欄（図１５）に示したように、特に回折パターンの外周部で所望の位相量分布が得られず、結果として一部の光ビームが適切に回折されない。そこで、本実施形態では、位相量分布を与える領域を円環状に複数に分割し、分割された各領域毎に、上記式（６）に基づき決定された帯状パターン電極の幅と空隙幅を調整する手法を採用した。

図５は、図４（ｂ）に示した透明電極１００に形成された回折パターン設定の手法を示す図である。図中のｒ_ｍｅとｒ_ｍｓは図１３に示したのと同様に、式（３）式（４）によって決められた帯状パターン電極及び空隙領域の半径を表しているので、ここでの詳細な説明は割愛する。

図５に示す、空隙幅が比較的広い中央部では、図１５（ｂ）及び（ｆ）に示したように、位相量差が目的の略λ／２を得られているので、従来のやり方と同様に、帯状パターン
電極１００ａ〜１００ｂの幅と空隙領域１０１ａ〜１０１ｃの幅を設定する。一方、空隙幅が比較的狭い周辺部（空隙領域１０１ｄ〜１０１ｆ）では、図１５（ｄ）及び（ｈ）に示したように、空隙領域１０１ｄ〜１０１ｆで液晶分子を所定の位置よりも余計に立ち上がってしまうために、所望の位相量差がとれ難くなる。ここで、空隙領域の液晶分子を余計に立ち上がらせてしまうのは、隣接する帯状パターン電極からの電界漏れが原因であるので、隣接する帯状パターン電極１００ｃ〜１００ｆを削って、空隙領域１０１ｄ〜１０１ｆを広げればよい。つまり、回折パターンの周辺部の隣接する帯状パターン電極を削って空隙領域を広げることで、空隙領域にある液晶分子の所定の位置からの余計な立ち上がりを抑える事ができ、結果として、空隙領域と帯状パターン電極との位相量差を大きく取ることができる。この様にして、各帯状パターン電極幅が、光ビームが位相変調される全ての領域内で、回折効率が一定となる様に調整され、結果としてその調整量は、周辺部にゆくほど多くなる。

次に、回折パターンの周辺部における液晶分子の挙動について説明する。特にここでは、所定幅よりも空隙領域を広げたことによって、十分な位相量差を得ることが出来る点について詳しく説明する。図６（ａ）は、図４（ｂ）に示した透明電極１００を有する液晶パネルにおいて、ＯＡ方向における同心円状に配置された複数の帯状パターン電極の周辺部の断面における液晶分子の挙動を説明するための図である。図６（ｂ）は、図６（ａ）に示す回折パターンの位相量分布を示す図である。

実際には、帯状パターン電極は、回折パターンの周辺部に行くほど、徐々にその幅及び間隔が狭くなるように設定されているが、図中では、説明の便宜上同じ幅の帯状パターン電極が同じ間隔で複数並んでいる例を示している。ここで、透明電極１００と透明対向電極３２との間に所定の電位差を発生させると、図６（ａ）に示す液晶分子１３７ｆ、１３７ｇ、１３７ｈ、１３７ｉ及び１３７ｊの様に、配向方向Ｃに沿って並んだ長針状の液晶分子が徐々に立ち上がるような挙動を示す。そして、空隙領域で発生する電界漏れ１４１は、その空隙領域に存在する液晶分子を余計に立ち上がらせる事になり、結果として帯状パターン電極と空隙領域間の位相量差を小さくしてしまう。そこで、パターン設計により決定された空隙幅が狭い場合には、帯状パターン電極を削って空隙幅を広く設定することで、隣接する帯状パターン電極間で発生する電界漏れ１４１による、液晶分子の余計な立ち上がりを防ぐことができ、回折パターンの外周部分であっても、所望の位相差量を得ることが出来る様になる。

そして、図６（ｂ）に示す様に、このときの位相量分布９５における位相量差は、φＡ１１となる。この領域ではパターンピッチが狭く電界漏れ１４１の影響を受けやすいが、帯状パターン電極間の空隙幅は予め広げられているため、図に示すように、隣接する帯状パターン電極からの電界漏れ１４１の影響は少ない。従って、この空隙領域では液晶分子の余計な立ち上がりが抑えられるので、位相量差φＡ１１を従来の値よりもλ／２に近づけることができる。この様に、本図に破線で示した、従来の構成における位相量分布９２（図１５（ｄ）で示した位相量分布）と比較すると、本実施形態における位相量分布９５が明らかに改善していることが判る。

図６（ｃ）は、図４（ｂ）に示す透明電極１００を有する液晶パネルにおいて、ＯＢ方向における同心円状に配置された複数の帯状パターン電極の周辺部の断面における液晶分子の挙動を説明するための図である。図６（ｄ）は、（ｃ）図に示す回折パターンの位相量分布を示す図である。

ここで、透明電極１００と透明対向電極３２との間に所定の電位差を発生させると、図６（ｃ）に示す液晶分子１３７ｐ、１３７ｑ、１３７ｒ、１３７ｓ及び１３７ｔの様に、配向方向Ｃに沿って並んだ長針状の液晶分子が徐々に立ち上がるような挙動を示す。この
領域では液晶分子の配向方向Ｃと帯状パターン電極の配設方向が直交しているため、図４（ａ）に示した電界漏れ１４１の影響だけでなく、隣接する液晶分子同士の影響も受けやすい。そのため空隙領域の液晶分子は、図６（ａ）に示した場合よりも液晶が立ち上がり易くなる。

そして、図６（ｄ）に示す様に、このときの位相量分布９６における位相量差は、φＢ１１となる。この領域ではパターンピッチが狭く電界漏れ１４１の影響を受けやすいが、帯状パターン電極間の空隙幅が予め広げられているため、図に示すように隣接する帯状パターン電極からの電界漏れ１４１の影響は少なくなる。また、帯状パターン電極の配設方向と液晶分子の並びが略垂直な位置関係にあるため、隣接する液晶分子同士の影響を受けやすく、図６（ａ）よりも液晶分子が立ち上がり易くなり、φＡ１１＞φＢ１１の関係となる。ここで、この位相量分布９６と本図に破線で示した、従来の構成における位相量分布９４（図１５（ｈ）で示した位相量分布）とを比較して判るように、従来の構成よりも、明らかに位相量差をλ／２に近づけることができる。

このように、帯状パターン電極間の空隙幅を広げるように調整することによって、図６（ｂ）、図６（ｄ）に示す様に、帯状パターン電極の周辺部の位相量分布が改善する事が可能となった。また、図４（ｂ）に示すような回折パターンを有する透明電極１００を配した液晶パネル３０を用い、回折パターンの外周部分の空隙幅を、位相変調する全ての領域内で回折効率が一定となる様に、電極幅を削って調整することによって、有効光束の範囲内において、均一な位相量分布を有する階段状の位相変調を与えることが可能となった。

ここで、従来と本実施形態における、０次光効率の変化を測定したときのデータを示す。図７は、回折格子における空隙幅を変えたときの回折効率の変化量を示しており、横軸に液晶パネルの液晶層に掛ける電圧を、縦軸に０次光の回折効率を表した。なお、本図（ａ）は、本実施例における回折パターン中心部の０次光効率の変化を示した図であり、本図（ｂ）は、本実施例と従来の回折パターンにおける外周部の０次光効率の変化の違いを示した図である。また、図中の測定は液晶層の厚みを１０μｍとした液晶パネルに対して、波長６７０ｎｍのレーザ光を用いて、０次光効率を測定したデータを示した。

図７（ａ）に示す様に、図４（ｂ）ＯＡ方向の中心部では、０次光効率が０〜１．５Ｖｒｍｓでほぼ１００％となり、２．３Ｖｒｍｓのａ点でほぼ０％となっていることから、このエリアでは０次光が完全に消失していることが判る。この様な挙動は、従来の液晶光学素子であっても同じである。

それに対し、図７（ｂ）に示す、図１４（ｂ）ＯＡ方向の外周部分における従来の液晶光学素子におけるプロファイルＰ２（図１５の(ｃ)に相当するデータであって、回折ピッチ２０μｍに対して空隙幅を１０μｍとしたときのデータ）によれば、０次光効率が、１００％から５５％（ｂ点）までしか低下しないことが判る。

ここで、回折ピッチ２０μｍに対して空隙幅を１４μｍに広げて調整した、本実施形態の液晶光学素子の構成とすれば、図６（ａ）に示した液晶の挙動を示して、図４（ｂ）ＯＡ方向の外周部分におけるプロファイルＰ３に示す様に、２．３Ｖｒｍｓ付近で０次光効率を約３５％（ｃ点）まで低下する。

この様に、本実施形態における回折パターンにおけるプロファイルＰ３によれば、明らかに０次光効率が、従来構成におけるプロファイルＰ２に比べて高電圧側で大きく減少しており、レンズのパワーを決める回折ピッチを変える事なく、位相変調をするすべての領域内の回折効率が一定となるように、帯状パターン電極の空隙幅を調節できていることが
判る。

なお上記説明では、ＯＡ方向外周部における０次光効率の変動について説明したが、ＯＢ方向の外周部における作用も程度の差こそあれ同じであるので、ここでの説明は割愛する。

この様にして、対物レンズの焦点位置を実質的に変化させて共通する対物レンズを利用する上で、従来の構成で発生していた、回折パターンを通過する一部の光ビームが適切に回折されずに有効利用できなくなることを防止でき、光ビームを有効利用することができようになった。

［第２の実施形態］
［透明電極の他の構成例についての説明：図８］
次に、液晶光学素子の他の電極パターンの例について説明する。図８は、透明電極と透明対向電極の他の構成例を説明するための図である。

図８（ａ）は、透明基板３１（図３参照）に形成された透明対向電極１５０のパターンを示した図である。図８（ｂ）は、第１の実施形態（図４（ｂ）、図５）で示した構成例と同じ回折パターンを有する透明電極１００である。図８において、矢印Ｃは液晶層３７の配向方向を示している。図８（ｃ）は、図８（ｂ）のＯＡ方向における位相量分布を示し、図８（ｄ）は、ＯＢ方向の位相量分布を示している。

第１の実施形態（図４（ａ）に示した電極構成）では、透明対向電極３２をベタ電極としたので、全ての領域での位相量差を完全に等しくすることができなかった。

そこで本実施形態では、図８（ａ）に示す様に、透明対向電極１５０を、円環形状の帯状パターン電極中心を通る分割線で、第１の領域１５１、第２の領域１５２、第３の領域１５３及び第４の領域１５４の４つの領域に分割し、各領域を電気的に絶縁して区切ることで、それぞれ透明電極１００との間に独立に電位差を掛けることが出来る様にした。

第１の領域１５１は、回折パターンの中心部側であって、液晶層の配向方向Ｃと帯状パターン電極１００ａ〜１００ｆとが略平行する方向の領域である。第２の領域１５２は、回折パターンの中心部側であって、液晶層の配向方向Ｃと帯状パターン電極１００ａ〜１００ｆとが略直交な領域である。第３の領域１５３は、回折パターンの周辺部側であって、液晶層の配向方向Ｃと帯状パターン電極１００ａ〜１００ｆとが略平行する方向の領域である。第４の領域１５４は、回折パターンの周辺部側であって、液晶層の配向方向Ｃと帯状パターン電極１００ａ〜１００ｆとが略直交な領域である。

ここで、第１の領域１５１は、回折パターンの中心部側で対向する透明電極１００における帯状パターン電極１００ａ〜１００ｆのピッチが比較的広く、且つ帯状パターン電極が液晶層の配向方向Ｃと略平行する方向にあることから、図１５（ａ）の領域に対応している。第２の領域１５２は、回折パターンの中心部側で対向する透明電極１００における帯状パターン電極１００ａ〜１００ｆのピッチが比較的広く、且つ帯状パターン電極が液晶層の配向方向Ｃと略直交にあることから、図１５（ｅ）の領域に対応している。第３の領域１５３は、回折パターンの周辺部側で対向する透明電極１００における帯状パターン電極１００ａ〜１００ｆのピッチが比較的狭く、且つ帯状パターン電極が液晶層の配向方向Ｃと略平行する方向にあることから、図１５（ｃ）の領域に対応している。第４の領域１５４は、回折パターンの周辺部側で対向する透明電極１００における帯状パターン電極１００ａ〜１００ｆのピッチが比較的狭く、且つ帯状パターン電極が液晶層の配向方向Ｃと略直交にあることから、図１５（ｇ）の領域に対応している。

ここで、各第１〜第４の領域１５１〜１５４と透明対向電極１５０との間に、一律の電位差が生じるようにしてしまうと、図１４（ｃ）及び（ｄ）に示したように、回折パターン全体で所望の位相量差を得ることができない。

そこで、図２に示した液晶駆動部４０が、透明電極１００と第１の領域１５１との間にＶ１、透明電極１００と第２の領域１５２との間にＶ２、透明電極１００と第３の領域１５３との間にＶ３、透明電極１００と第４の領域１５４との間にＶ４が発生するように、各帯状パターン電極１００ａ〜１００ｆからなる透明電極１００と透明対向電極１５０に所定の電圧を発生させる。

そして、ここで発生する電位差と位相量差は比例する関係にあるので、発生する電位差を調整することによって、液晶の配向方向に依存しない位相量分布を得ることが可能となった。例えば各領域において、Ｖ４＞Ｖ３＞Ｖ２＞Ｖ１というように電位差を調整すればよい。

上記構成として、図８（ｃ）に示す様に、ＯＡ方向の中央部（第１の領域１５１）よりも周辺部（第３の領域１５３）に電位差を大きく発生させれば、中心部の位相差量φＡ２０に近づけた位相量差量φＡ２１とすることが出来る。従って、透明対向電極を全面ベタとしたとき（第１の実施形態としたとき）の破線で示した位相量分布８２Ａに比べて、有効光束内５において位相量差を大きくした位相量分布８３Ａを得る事ができる。

同様に、ＯＢ方向の中央部（第２の領域１５２）よりも周辺部（第４の領域１５４）の方の電位差を大きく発生させれば、中心部の位相差量φＢ２０に近づけた位相量差φＢ２１とすることが出来る。従って、透明対向電極を全面ベタとしたときの、破線で示した位相量分布８２Ｂに比べて、有効光束内５において位相量差を大きくした位相量分布８３Ｂを得る事ができる。また、第３、第４の領域１５３、１５４に印加する電圧を制御すれば、φＡ２１＝φＢ２１の関係とすることも出来る。

このように各領域の電位差を調整することによって、図８（ｃ）及び（ｄ）に示す様に、ＯＡ方向及びＯＢ方向において、中心部であっても周辺部であってもほぼ等しい位相量差を発生させることが可能となった。また、第２の実施形態で示した透明電極１００（図４（ｂ）参照）を有する液晶パネル３０を用い、液晶駆動部４０によって図８（ａ）に示す領域毎に発生する電位差を調整することによって、有効光束の範囲内全てにおいて、均一な位相量差を与えることが可能となった。

具体的には、第１の領域１５１の印加電圧を、図７（ａ）プロファイルＰ１におけるａ点となるＶ３＝２．３Ｖｒｍｓに設定し、第３の領域１５３の印加電圧を、図７（ｂ）プロファイルＰ３におけるｅ点となるＶ１＝３Ｖｒｍｓに設定する。ここでは図示しないＯＢ方向の内周部と外周部のプロファイルを参照して、同様にして得られるＶ２、Ｖ４を設定することで、位相変調させる全ての領域でもって、回折効率を一定とすることができる。

したがって、対物レンズの焦点位置を実質的に変化させて共通する対物レンズを利用する上で、図１６（ｂ）に示す様に、回折パターンを通過する一部の光ビームが適切に回折されずに有効利用できなくなることを防止でき、光ビームを有効利用することができようになった。

［第３の実施形態］
［透明電極と透明対向電極の更に他の構成例の説明：図９］
次に、液晶光学素子の他の電極パターンの例について説明する。図９は、更に他の透明電極と透明対向電極を説明するための図である。

図９（ａ）は、他の回折パターンにおける、透明対向電極１６０のパターン例を、図９（ｂ）は、透明電極１００のパターン例を示している。また、図９（ｃ）は、図９（ｂ）のＯＡ方向における位相量分布を表し、図９（ｄ）は、図９（ｂ）のＯＢ方向における位相量分布を表している。

図９（ａ）に示す様に、本実施形態における透明対向電極１６０は、複数本の帯状パターン電極１６０ａ〜１６０ｆ、引き出し電極１６０ｇ、および空隙領域１６１ａ〜１６１ｆを有して構成されている。また、図９（ｂ）に示す様に、これに対向する透明電極１００も同様である。つまり、本実施形態における透明電極１００と透明対向電極１６０は、ともに同じパターンでもって対向して配置されている。

この様に構成された液晶パネルは、図９（ｃ）に示すＯＡ方向の周辺部では、位相量分布８４Ａを取って、位相量差がφＡ３１となり、中央部の位相量分布φＡ３０と同じ位相量差λ／２となる。一方、図９（ｄ）に示すＯＢ方向では、位相量分布８４Ｂを取って、液晶の配向方向Ｃと帯状パターン電極の方向が略垂直となっているため、周辺部の位相量差が、中心部の位相量差φＢ３０のλ／２とはならずに、φＢ３１となってしまう。

ここで本実施形態では、透明電極１００と透明対向電極１６０を同形状としているので、位相量分布８４Ａ、８４Ｂに示す様に、完全には位相量差をλ／２には出来ないが、その位相量差は従来の構成のときに比べて、更には第１の実施形態における、破線で示した位相量分布８２Ａ、８２Ｂと比較しても、より位相量差を理想のλ／２に近づけることができていることが判る。

上記説明では、透明電極１００、透明対向電極１６０ともに、外周領域のみの空隙幅を補正した帯状パターン電極を配した例を示したが、透明電極１００、透明対向電極１６０のいずれか一方に、第１の実施形態の構成を適用しても良い。

［本実施形態の透明電極と透明対向電極の作用の説明：図１０］
ここで、回折パターンの周辺部における液晶の挙動について説明する。
図１０（ａ）は、図９（ｂ）に示す透明電極１００を有する液晶パネルにおいて、ＯＡ方向における同心円状に配置された複数の帯状パターン電極の周辺部の断面における液晶分子の挙動を説明するための図である。図１０（ｂ）は、図１０（ａ）に対応した位相量分布９７を示している。位相量分布９７における位相量差はφＡ３１である。実際にはこの帯状パターン電極は、周辺部に行くほど、徐々にその帯状パターン電極の幅及び空隙幅が狭くなる様に設定されているが、図中では、説明の便宜上同じ幅の帯状パターン電極が同じ間隔で複数並んでいる例を示している。

本実施形態における透明電極１００と透明対向電極１６０との間に、所定の電位差を発生させると、図１０（ａ）に示す液晶分子２３７ｆ、２３７ｇ、２３７ｈ、２３７ｉ及び２３７ｊの様に、配向方向Ｃに沿って並んだ長針状の液晶分子が徐々に立ち上がるような挙動を示す。この時、空隙幅は第１の実施形態と同等に広げられているため、空隙領域での液晶分子の余計な立ち上がりを抑える事が出来る。さらに、透明電極１００と対向透明電極１６０の帯状パターン電極は液晶層を挟んで同じ位置に形成されているため、空隙領域では帯状パターン電極からの電界漏れ２４０の影響を少なくする事ができる。そのため、第１の実施形態に示した例よりも、空隙領域の液晶分子の余計な立ち上がりを抑えることができる。なお、空隙幅は液晶層の厚みや液晶分子の弾性定数によっても電界漏れ２４０の影響は変わるため、各パラメーターを考慮して、空隙幅を設定する方が好ましい。

この様にして、図１０（ａ）に示す様に、透明対向電極１６０と透明電極１００は同じ電極パターン構成としているため、空隙領域の液晶分子の立ち上がりを抑える事が出来、位相量分布を略矩形形状とすることができる。そして、帯状パターン電極と空隙領域の位相量差が強調され、本図に示す第１の実施形態における、破線で示した位相量分布９５に比べ、周辺部の位相差φＡ３１を略λ／２に近づける事が出来る。

図１０（ｃ）は、図１０（ｂ）に示す透明電極１００を有する液晶パネルにおいて、ＯＢ方向における同心円状に配置された複数の帯状パターン電極の周辺部の断面における液晶分子の挙動を説明するための図である。図１０（ｄ）は、図１０（ｃ）に対応した位相量分布９８を示しており、位相量分布９８における位相量差はφＢ３１である。

本実施形態における透明電極１００と透明対向電極１６０との間に、所定の電位差を発生させると、図１０（ｃ）に示す液晶分子２３７ｐ、２３７ｑ、２３７ｒ、２３７ｓ及び２３７ｔの様に、配向方向Ｃに沿って並んだ長針状の液晶分子が徐々に立ち上がるような挙動を示す。図１０（ａ）同様に、空隙幅は予め広げられており、透明電極１００と対向透明電極１６０は液晶層を挟んで同一箇所に形成されているため、空隙領域への電界漏れ２４１の影響は少ない。また、液晶分子の配向方向Ｃと帯状パターン電極の配設方向が略直交しているため、図１０（ａ）に示した例よりも、空隙領域の液晶分子の立ち上がりは大きくなってしまうが、従来の構成はもとより、第１の実施形態に比べて、空隙領域の液晶分子の余計な立ち上がりが小さくなる。

そして、図１０（ｄ）に示す様に、透明対向電極１６０と透明電極１００は同じ電極パターン構成としているため、空隙領域の液晶分子の余計な立ち上がりを抑える事が出来、帯状パターン電極と空隙領域間の位相量差が強調されて、本図に示す第１の実施形態における、破線で示した位相量分布９６に比べ、周辺部の位相差量φＢ３１を略λ／２に近づけることができる。ここで、帯状パターン電極と液晶分子の配向方向の違いから、λ／２よりも小さい位相差φＢ３１（λ／２＝φＡ３１＞φＢ３１の関係）となる。

このように液晶層に電圧を印加した場合、帯状パターン電極間の空隙幅は、計算により得られる位置から予め広げられているため、隣接する帯状パターン電極間の電界漏れの影響が減り、位相量分布を理想のλ／２に近づける事が出来る。また本形態により位相量分布を略矩形形状に近づけることが出来るので、第１の実施形態（図４（ａ））の例よりも、より回折効率の高い液晶光学素子とする事ができる。

したがって、対物レンズの焦点位置を実質的に変化させて共通する対物レンズを利用する上で、従来の構成の様に、回折パターンを通過する一部の光ビームが適切に回折されずに有効利用できなくなることを防止でき、光を有効利用することができようになった。

［第４の実施形態］
［透明電極と透明対向電極の更に他の構成例の説明：図１１］
図１１は、透明電極１００と透明対向電極の更に他の構成例を説明するための図である。図１１（ａ）は、透明対向電極１７０のパターン構成例を示し、図１１（ｂ）は、回折パターンを有する透明電極１００を示している。

図１１（ａ）に示した透明対向電極１７０の回折パターンは、複数の同心円状に配置された帯状パターン電極がそれぞれ、帯状パターン電極中心を通る分割線でもって４分割された、分割電極１７０ａ〜１７０ｘの分割パターンを有する構成となっている。この帯状パターン電極を分割した分割電極１７０ａ〜１７０ｘは、第２の実施形態（図８（ａ））における透明対向電極１５０の第１〜第４の領域１５１〜１５４に対応して、帯状パター
ン電極を分割したものである。

詳細には、帯状パターン電極の中心部領域は、帯状パターン電極が４分割された分割電極１７０ａ〜１７０ｄと、帯状パターン電極が４分割された分割電極１７０ｅ〜１７０ｈと、帯状パターン電極が４分割された分割電極１７０ｉ〜１７０ｌと、帯状パターン電極が４分割された分割電極１７０ｍ〜１７０ｐと、帯状パターン電極が４分割された分割電極１７０ｑ〜１７０ｔと、帯状パターン電極が４分割された分割電極１７０ｕ〜１７０ｘとから構成されている。なお、本図に示した分割パターンの構成は一例であって、必要に応じて、さらに細分化した形態としても良い。

また、図１１（ｂ）に示す透明電極１００は、第１〜第３の実施形態と同じく、帯状パターン電極１００ａ〜１００ｆからなる。なお、図１１（ａ）、図１１（ｂ）に示す回折パターンは一例であって、帯状パターン電極の本数や、電極の幅及び間隔は、通過する光ビームの波面形状の球面成分の曲率半径が所望の値となる様に利用するシステムに合わせて最適なものを選択することが可能である。また、図１１（ｂ）における矢印Ｃは、液晶層の配向方向を示している。

また、第２の実施形態に示した分割領域（図８（ａ）参照）と対応させると、第１の領域には１７０ａ、１７０ｅ、１７０ｉ、１７０ｃ、１７０ｇ、１７０ｋが、第２の領域には１７０ｂ、１７０ｆ、１７０ｊ、１７０ｄ、１７０ｈ、１７０ｌが、第３の領域には１７０ｍ、１７０ｑ、１７０ｕ、１７０ｏ、１７０ｓ、１７０ｗが、第４の領域には１７０ｎ、１７０ｒ、１７０ｖ、１７０ｐ、１７０ｔ、１７０ｘが、それぞれ配置されている。

そして、第３の実施形態で示した例（図９（ｃ）（ｄ））によれば、電圧を印加するとパターンの周辺部の位相量差はφＡ３１＞φＢ３１となってしまい、回折パターン内全体で、均一な位相量分布を作ることが出来ないことを示したが、本実施形態では、液晶駆動部が透明電極１００と第１の領域との間にＶ１、透明電極１００と第２の領域との間にＶ２、透明電極１００と第３の領域との間にＶ３、透明電極１００と第４の領域との間にＶ４が発生するように、各帯状パターン電極１００ａ〜１００ｆからなる透明電極１００と透明対向電極１７０に所定の電圧を印加することが出来る。

ここで発生する電位差と位相量差は比例する関係にあるので、各領域で発生させる電位差を調整することによって、全ての領域においてほぼλ／２の位相量差を得ることができる。例えば、各領域において、Ｖ４＞Ｖ３＞Ｖ２＞Ｖ１というように電位差を調整すればよい。

このように電位差を調整することによって、図１１（ｃ）及び（ｄ）に示す位相量分布８５Ａ、８５Ｂ様に、ＯＡ方向及びＯＢ方向において、回折パターンの中心部の位相量分布φＡ４０、φＡ４１であっても周辺部の位相量分布φＢ４０、φＢ４１であっても、略λ／２の位相量差をそれぞれ発生させることが可能となった。そして、図１１に示すような回折パターンを有する透明電極１００、透明対向電極１７０を有する液晶パネル３０を用い、液晶駆動部によって領域毎に発生する電位差を調整することによって、有効光束の範囲内全てにおいて、略λ／２程度の位相量差を有する位相変調を与えることが可能となった。

したがって、対物レンズの焦点位置を実質的に変化させて共通する対物レンズを利用する上で、図１６（ｂ）に示した様に、回折パターンを通過する一部の光ビームが適切に回折されずに有効利用できなくなることを防止でき、光を有効利用することができようになった。

本発明に係る光ピックアップ装置の概略構成を示す図である。 液晶光学素子の構成を説明するための図である。（実施例１） 液晶パネルの概略断面図である。（実施例１） 透明電極と対向透明電極の一例を示す図である。（実施例１） 透明電極の回折パターンの構成を説明する図である。（実施例１） 透明電極の回折パターンと位相量分布との関係を示す図である。（実施例１） 従来の液晶パネルと本発明の液晶パネルの回折効率を測定したデータである。（実施例１） 透明電極と透明対向電極の他の構成例を示す図である。（実施例２） 透明電極と透明対向電極の更に他の構成例を示す図である。（実施例３） 透明電極の回折パターンと位相量分布との関係を示す図である。（実施例３） 透明電極と透明対向電極を説明するための図である。（実施例４） 従来の液晶パネルにおける、透明電極の平面図と断面図を示す図である。 従来の液晶パネルにおける、透明電極の構成を説明するための図である。 従来の液晶パネルにおける、透明電極の回折パターンと位相量分布との関係を示す図である。 従来の液晶パネルにおける、透明電極の各領域における液晶分子の挙動を説明するための図である。 図１４に示す透明電極を配した液晶パネルを用いた場合の、回折作用を説明するための図である。

符号の説明

１０ 光ピックアップ装置
１１ 光源
１２ コリメートレンズ
１４ 偏向ビームスプリッタ
１５ λ／４板
１６ 対物レンズ
１７ 駆動機構
３０ 液晶パネル
３１、３６ 透明基板
３２、１５０、１６０、１７０ 透明対向電極
３３、３４ 配向膜
３７ 液晶層
３８ スペーサ
４０ 液晶駆動部
４５ 液晶光学素子
５０ 光検出部
５１ 集光レンズ
６０ 光記録媒体（ＤＶＤ、ＣＤ）
７０ 電源部
７１ 制御部
８１Ａ、８１Ｂ、８２Ａ、８２Ｂ、８３Ａ、８３Ｂ、８４Ａ、８４Ｂ、８５Ａ、８５Ｂ、９５、９６、９７、９８ 位相量分布
１００ 透明電極
１００ａ〜１００ｆ、１６０ａ〜１６０ｆ 帯状パターン電極
１０１ａ〜１０１ｆ 空隙領域
１３７ｆ〜１３７ｊ、１３７ｐ〜１３７ｔ、２３７ｆ〜２３７ｊ、２３７ｐ〜２３７ｔ
液晶分子
１４１、２４１ 電界漏れ
１５１ 第１の領域
１５２ 第２の領域
１５３ 第３の領域
１５４ 第４の領域
１７０ａ〜１７０ｘ 分割電極
φＡ１０、φＡ１１、φＡ２０、φＡ２１、φＡ３０、φＡ３１、φＡ４０、φＡ４１、φＢ１０、φＢ１１、φＢ２０、φＢ２１、φＢ３０、φＢ３１、φＢ４０、φＢ４１
位相量差

Claims (5)

1. 一対の透明基板の間に挟持された液晶層と、
   前記一対の透明基板の一方の透明基板上に配置され、且つ同心円状に配置された帯状パターン電極を含む第１の回折パターンを有する透明電極と、
   前記一対の透明基板の他方の透明基板上に配置された透明対向電極と、を有し、
   前記透明電極と前記透明対向電極との間に電位差を発生させることによって、前記液晶層に位相量分布を発生させて、特定波長に対してバイナリー型回折格子として作用して、透過する光ビームに対して回折レンズとして機能する液晶パネルを備え、
   前記帯状パターン電極は、下記式（１）に基づくピッチでもって配設され、
   （２×ｍ×ｆ×λ）^１／２ ・・・・（１）
   （ｍ：複数の帯状パターン電極の中心からの個数、ｆ：焦点距離、λ：使用する光ビームの波長）
   前記式（１）でもって決まる帯状パターン電極の電極幅と、帯状パターン電極間の空隙幅が、前記光ビームが位相変調される全ての領域内で、回折効率が一定となる様に設定されている
   ことを特徴とする液晶光学素子。
2. 前記光ビームが位相変調される全ての領域内の外周領域に形成された前記電極幅が、上記式（１）によって決まる幅に対し、前記帯状パターン電極の内側から外側に行くに従って、より狭くなるように設定されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の液晶光学素子。
3. 前記透明対向電極は、前記透明電極に形成された前記第１の回折パターンに対応する、同心円状に配置された帯状パターン電極を含む第２の回折パターンを有する
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の液晶光学素子。
4. 前記透明対向電極は、帯状パターン電極中心を通る分割線によって、複数に分割されている
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の液晶光学素子。
5. 光ビームを出射する光源と、
   前記光ビームを光ディスクに導く対物レンズと、を有する光ピックアップ装置において、
   前記光源と前記対物レンズとの間の前記光ビームの光路中に、請求項１から４のいずれか一項に記載の液晶光学素子を配した
   ことを特徴とする光ピックアップ装置。

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