JP3799756B2 - 光ヘッド装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＣＤ（コンパクトディスク）、ＣＤ−ＲＯＭ、ビデオディスク等の光ディスク及び光磁気ディスク等の光学記録媒体に光学的情報を書き込んだり、光学的情報を読み取るための光ヘッド装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光ディスク及び光磁気ディスク等の光記録媒体に光学的情報を書き込んだり、光学的情報を読み取る光ヘッド装置において、ＣＤ／ＣＤ−ＲＯＭとＤＶＤディスクのように異なる厚さのディスクに対して信号の読み書きを１つの光ヘッド装置で実現するために、次のような構成が採られていた。
【０００３】
例えば、レンズの表面にフレネルレンズタイプのブレーズホログラムを形成し、半導体レーザからレンズに入射した光のうち、例えば約半分をホログラムによってビームが広がる方向に回折し、残り半分はそのまま透過せしめ、その後にレンズ本体によって各々のビームを収束せしめることによって、２つの焦点を持つ光を１つの光ヘッド装置によって作り出すことが行われてきた。
また、レンズは従来と同様のものにし、上記と同じ機能を持つフレネルホログラムレンズプレートを別途分離して配置させることも試みられている。
【０００４】
しかしこれらの方式では、上記のホログラムによって往路で光の光量が半分になり、かつ復路でも再び光量が半分になるので、往復で光量が１／４以下になる問題があった。
【０００５】
このため、特に大きな出力を得るのが困難である赤色の半導体レーザを利用した光ヘッド装置の場合、光源に対する負荷が大きくなり、消費電力の増加、光ヘッド装置の大型化、コストの上昇、信頼性の低下をもたらす問題があった。
【０００６】
また、２個の焦点距離の異なるレンズを用意し、それを機械的に切り替えて使用することも行われているが、機械的に移動させて使用するので、光ヘッド装置の大型化、コストの上昇、信頼性の低下をもたらす問題があった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前述の問題を解消し、光の利用効率を高め、小型化が容易で、安価に生産性良く製造できる２焦点レンズを組み込んだ光ヘッド装置の提供を目的とする。
また、偏光ホログラムや偏光ビームスプリッタを用いたいわゆる偏光系でも使用できる２焦点レンズを組み込んだ光ヘッド装置の提供を目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、光源、ビームスプリッタ、位相差板、液晶レンズ及び光検出器を有する光ヘッド装置において、ビームスプリッタと光記録媒体との間に配置する液晶レンズとして、液晶セルの基板の少なくとも一方が凹部又は凸部を有しており、内部に充填された液晶がツイストしており、液晶の常光屈折率をｎ ｏ 、異常光屈折率をｎ ｅ 、ツイストピッチをＰ、真空中の波長をλとしたとき、（ｎ ｅ −ｎ ｏ ） ２ Ｐ／（８λ）≦０．０５であって、基板の少なくとも一部に設けられた電極によって焦点距離又は光の位相分布を可変としたものを使用し、位相差板により円偏光とされた光が液晶レンズに入射することを特徴とする光ヘッド装置を提供する。
【０００９】
また、光源、ビームスプリッタ、位相差板、液晶レンズ及び光検出器を有する光ヘッド装置において、ビームスプリッタと光記録媒体との間に配置する液晶レンズとして、液晶セルの基板の少なくとも一方が微細な凹部又は凸部を有してフレネルレンズ構造とされており、内部に充填された液晶がツイストしており、液晶の常光屈折率をｎ ｏ 、異常光屈折率をｎ ｅ 、ツイストピッチをＰ、真空中の波長をλとしたとき、（ｎ ｅ −ｎ ｏ ） ２ Ｐ／（８λ）≦０．０５であって、基板の少なくとも一部に設けられた電極によって焦点距離又は光の位相分布を可変としたものを使用し、位相差板により円偏光とされた光が液晶レンズに入射することを特徴とする光ヘッド装置を提供する。
【００１０】
さらに、それらの液晶レンズの中央部分の基板がほぼ平板とされている光ヘッド装置を提供する。
【００１１】
さらには、それらの基板の屈折率を、液晶の常光屈折率又は異常光屈折率又は常光屈折率と異常光屈折率の平均にほぼ等しくした光ヘッド装置、及び、それらのビームスプリッタとして、格子状の凹部を設けた基板を少なくとも一方の基板として用い、基板間に光学異方性材料を充填した偏光回折素子を用いる光ヘッド装置を提供する。
【００１２】
本発明では、液晶レンズを用いているので、外部からの電圧印加によって焦点距離又は光の位相分布を切り替え可能であり、利用効率の高い光ヘッド装置が得られる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の基本的な構成を示す模式図である。図１において、１は半導体レーザ等の光源、２はビームスプリッタ、３は位相差板、４は液晶レンズ、５は集光レンズ、６は第１の光記録媒体、７は第２の光記録媒体、８は光検出器を示す。
【００１４】
光源１から出た光は、ビームスプリッタ２を通過し、位相差板３を通過し、液晶レンズ４を通過して、集光レンズ５で集光されて光記録媒体に到達する。ここで、液晶レンズに電圧を印加するか否か又は印加する電圧を変えることにより、液晶レンズの焦点距離又は光の位相分布を変えて、第１の光記録媒体６又は第２の光記録媒体７に焦点を合わせる。なお、本発明でビームスプリッタは、プリズム状のもの、液晶ホログラム等の偏光ビームスプリッタが使用できる。
【００１５】
この光記録媒体から反射して戻ってきた光は、再度集光レンズ５、液晶レンズ４、位相差板３、ビームスプリッタ２を順次通過し、ビームスプリッタ２で分離された光が光検出器８に到達する。
【００１６】
図２は、基板が凹部又は凸部を有する液晶レンズの例を示す断面図である。図２において、１１、１２は基板、１３はその基板に設けられた凹部、１４、１５は電極、１６は周辺のシール材、１７は基板間に充填された液晶を示す。
【００１７】
この基板１１、１２は、プラスチック、ガラス等の透明基板が使用できる。この基板の少なくとも一方の内面側（液晶側）に凹部又は凸部を形成する。この図では基板１２側に凹部を形成している。この凹部又は凸部は基板自体に形成してもよく、表面に有機又は無機の透明膜を所定の形状に形成してもよい。
【００１８】
この加工は、基板自体に形成する場合には、機械的に削ったり、プレス成形したり、エッチングしたりして形成すればよい。表面に有機又は無機の透明膜を形成する場合には、透明膜を全面に形成後、基板自体の場合と同様に削ったり、エッチングしたりして形成してもよく、直接所定のパターンに堆積させたり、印刷したりして形成してもよい。
【００１９】
図３は、基板をフレネルレンズ構造にした液晶レンズの例を示す断面図である。図３において、２１、２２は基板、２３はその基板に設けられたフレネルレンズ構造の凹凸部、２４、２５は電極、２６は周辺のシール材、２７は基板間に充填された液晶を示す。
このフレネルレンズ構造の凹凸部も前記した基板に凹部又は凸部を形成する方法と同様の方法で形成できる。
【００２０】
これらのレンズの凹凸は、完全に所定の形状としてもよく、加工が容易になるように中心部のみは平坦な形状にして用いてもあまり問題はない。特に、フレネルレンズ構造とする場合には、中心部を平坦にしておくことにより、加工が容易になり好ましい。この中心部とは、レンズの外径に対して２０〜６０％程度の径より内側の領域を意味する。
【００２１】
電極１４、１５、２４、２５は、通常のＩＴＯ等の透明電極が使用できる。通常は全面ベタ電極とすることでよいが、例えばリング状にパターニングして部分的にレンズ作用を変えさせるようにもできる。また、一部に金属線等を設けて低抵抗化することもできる。
【００２２】
また、図示していないが、この電極上にポリイミド、ポリアミド、ＳｉＯ等の配向膜を形成して用いる。代表的な例では、ポリイミド膜を形成し、表面をラビングして配向膜を形成する。この配向膜のラビング方向は、液晶が２枚の基板間でツイストさせるようにして使用できる。
【００２３】
このようにして形成された２枚の基板を電極側が対向するように配置し、周辺でシール材１６、２６で接着して、内部に液晶１７、２７を充填する。この液晶としては、通常のネマチック液晶が使用される。
【００２４】
次いで光ヘッド装置の動作を説明する。
光源１から出た光は、直線偏光、例えばＰ偏光（紙面に平行な方向の偏光）を有するとする。図２の液晶レンズで正の誘電異方性のネマチック液晶を用い、基板１２の屈折率を液晶の常光屈折率ｎｏと異常光屈折率ｎｅとの中間の値（ｎｏ＋ｎｅ）／２に一致するようにしたものを用い、その配向膜の光源側のラビング方向は紙面に平行な方向にする。
【００２５】
この場合、液晶が右ねじれでツイストピッチＰ（３６０°ツイストするピッチ）でツイストしているとすると、右回り円偏光の光に対する液晶の実効的な屈折率は近似的に（ｎｅ＋ｎｏ）／２＋（ｎｅ−ｎｏ）２Ｐ／（８λ）と表される。また、左回り円偏光の光に対する液晶の実効的な屈折率は近似的に（ｎｏ＋ｎｅ）／２−（ｎｏ−ｎｅ）２Ｐ／（８λ）と表される。
【００２６】
液晶レンズ４がオフ状態の場合、光源側の基板では液晶は基板にほぼ平行にかつ紙面に平行な方向に配向している。反対側（光記録媒体側）の基板では、例えば９０°ねじれた状態等の光源側の基板の配向角度と異なる角度で配向しているとする。
【００２７】
往路では光源１から出た光は、ビームスプリッタ２を通過し、次いでλ／４板等の位相差板３により右回り円偏光にされ、液晶レンズ４に入射する。このビームスプリッタ２は、光の偏光方向によってビームスプリッタとして機能したり機能しなかったりする偏光系ビームスプリッタとされる。
【００２８】
このとき、（ｎｅ＋ｎｏ）／２に比して（ｎｅ−ｎｏ）２Ｐ／（８λ）が小さいとすると、右回り円偏光の光に対して液晶の実効的な屈折率は近似的に（ｎｅ＋ｎｏ）／２に等しくなる。このため、往路では光源１から出た光は、基板の屈折率（液晶の常光屈折率と異常光屈折率との中間）とねじれた液晶の屈折率はほぼ一致することになり、屈折率が等しいので光は屈折せずにほぼ直進する。そして、集光レンズ５で集光されて第１の光記録媒体６に焦点を結ぶ。
【００２９】
復路では、第１の光記録媒体６の表面で反射された光は、左回りの円偏光になり、再度集光レンズ５、レンズとして機能していない液晶レンズ４を通過し、位相差板３で直線偏光に戻され、ビームスプリッタ２で光が分離され光検出器８に到達する。
【００３０】
また、本発明では、右回り円偏光に対する液晶部の実効屈折率と、左回り円偏光に対する液晶部の実効屈折率とが、実用上許容される範囲内でほぼ等しいことが重要になる。そのためには、ピッチＰはあまり大きくないことが好ましい。具体的には、ピッチＰは５μｍ以下にされることが好ましく、特に３μｍ以下にすることが好ましい。
【００３１】
また、液晶のピッチＰと液晶層の厚さｄとの比ｄ／Ｐが１．０を超える場合、電圧オフ時に液晶らせん軸の乱れたフォーカルコニック状態による光散乱のため、実質的にターンオフ時間が増大する傾向にある。このため、液晶の粘性を低くする、基板界面付近の液晶配向ベクトルと基板面とのなす角度すなわちプレチルト角を大きくする等が好ましい。
【００３２】
液晶レンズ４に電圧が印加されてオン状態になると、液晶は電界方向に整列し、基板にほぼ垂直に（紙面の上下方向）に配向する。このため、往路では光源１から出た光は、ビームスプリッタ２を通過し、次いで位相差板３により右回り円偏光にされ、液晶レンズ４に入射する。
【００３３】
ここで基板の屈折率（液晶の常光屈折率と異常光屈折率との中間）と液晶の屈折率（常光屈折率となる）は一致しないことになり、凹レンズとして機能することになり光は屈折する。このため、集光レンズ５で集光された際に焦点距離が長くなって、第２の光記録媒体７に焦点を結ぶ。
【００３４】
復路では、第２の光記録媒体７の表面で反射された光は、左回り円偏光になり、再度集光レンズ５、凹レンズとして機能している液晶レンズ４を通過し、位相差板３で直線偏光に戻され、ビームスプリッタ２で光が分離され光検出器８に到達する。
【００３５】
上記例では、基板１２が凹部を有する基板を用いたが、同じ構成で凸部を有する基板を用いれば、凸レンズとして機能することになる。また、基板１２の屈折率を液晶の常光屈折率ｎｏと一致するようにしたものを用いれば、電圧オフ時に基板１２が凹部を有する基板を用いた場合には凸レンズとして機能し、凸部を有する基板を用いた場合には凹レンズとして機能する。
【００３６】
この場合、配向処理は両側の基板とも水平配向処理をする、片側の基板のみを水平配向処理する、片側の基板のみを水平配向処理し他方の基板を垂直配向処理する、両側の基板とも垂直配向処理をする等の配向処理が可能である。
【００３７】
垂直配向処理は、有機シラン、レシチン、界面活性剤等で電極基板表面を処理する方法で行えばよい。また、水平配向処理は、電極、基板又はその上に形成された有機、無機のオーバーコート材を布等で一方向にこする方法や、斜方蒸着法等により行えばよい。
【００３８】
なお、本発明で使用する光源１は、通常の光ヘッド装置に使用される光源が使用できる。具体的には、半導体レーザによる光源が最も一般的であるが、他のレーザや波長変換素子を組み合わせた光源も使用できる。
【００３９】
ビームスプリッタ２は、特定の偏光方向の光のみ回折させるものであり、往路の光源からの光はそのまま通過し、復路の光は回折又は反射する等して、光検出器に光を到達させうるものであればよい。具体的には、回折格子、液晶を用いた回折格子、複合プリズム等が使用できる。特に、特定の偏光方向の光のみ回折させる液晶を用いた回折格子が好適である。
位相差板３は、直線偏光で入射した光を円偏光に変換するλ／４板等の公知の位相差板が使用できる。
【００４０】
集光レンズ５は、第１の光記録媒体又は第２の光記録媒体のいずれかに光を集光させるためのレンズである。液晶レンズ４が電圧オン状態とオフ状態とでいずれもある程度レンズとして機能する場合には、その使用状態のいずれかの状態で第１の光記録媒体又は第２の光記録媒体のいずれかに光を集光させうるようにする。
【００４１】
【実施例】
「例１」
図２に示すように、基板１１、１２として厚さ０．５ｍｍで、大きさが１０×１０ｍｍで、屈折率が１．５７のガラス基板を用い、下面のガラス基板の中心はプレスにより非球面凹レンズ状に凹部１３を形成した。この非球面レンズは、直径２ｍｍ、中心の深さは５μｍとした。上面、下面の基板１１、１２とも電極１４、１５としてＩＴＯ電極を形成後、ポリイミドの膜を塗布し、ラビングして水平配向処理を行った。
【００４２】
この２枚の基板１１、１２を夫々の配向方向が平行になるように対向させ、周辺でシールして、レンズ中心部で間隙が１０μｍ、周辺部で間隙が５μｍの空セルを形成した。なお、基板１１、１２の外面には夫々反射防止膜を形成した。
【００４３】
この空セルに、液晶１７として常光屈折率が１．５２、Δｎが０．１、ツイストピッチＰが１０μｍの正の誘電異方性のネマチック液晶組成物を注入し、注入口を封止して液晶レンズを製造した。
【００４４】
図１に示すように、この液晶レンズ４を配置して、波長６５０ｎｍの右回り及び左回りの円偏光の透過率を測定したところ、右回りの円偏光（光ヘッド装置での往路）では９５％、左回りの円偏光（光ヘッド装置での復路）でも９５％の効率であり、往復で９０％の効率が得られた。
【００４５】
まず、液晶レンズ４の上下の基板１１、１２の電極１４、１５間に電圧を印加しない場合について説明する。光源１から出たＰ偏光（紙面に平行な偏光方向）の光は、偏光系のビームスプリッタ２を通過し、位相差板３で右回りの円偏光になった光は、液晶レンズ４でほとんど屈折されなく通過し、第１の光記録媒体６に焦点が合った。
【００４６】
この第１の光記録媒体６で反射した光は左回りの円偏光になり、再度液晶レンズ４をほぼそのまま通過し、位相差板３で直線偏光に戻され、Ｓ偏光（紙面に垂直な偏光方向）の光になって、偏光系のビームスプリッタ２に入射する。Ｓ偏光の光はビームスプリッタ２で回折されて、光検出器８に到達した。
【００４７】
一方、液晶レンズ４の上下の基板１１、１２の電極１４、１５間に１００Ｈｚ、５Ｖの電圧を印加した場合について説明する。光源１から出たＰ偏光（紙面に平行な偏光方向）の光は、偏光系のビームスプリッタ２を通過し、位相差板３で右回りの円偏光になった光は、液晶レンズ４で屈折され、第２の光記録媒体７に焦点が合った。
【００４８】
この第２の光記録媒体７で反射した光は左回りの円偏光になり、再度液晶レンズ４で屈折され、位相差板３で直線偏光に戻され、Ｓ偏光（紙面に垂直な偏光方向）の光になって、偏光系のビームスプリッタ２に入射する。Ｓ偏光の光はビームスプリッタ２で回折されて、光検出器８に到達した。
【００４９】
「例２」
例１の液晶レンズの代わりに、同じガラス基板を使用し、図３に示すようにフレネルレンズ構造の凹凸部２３をプレスにより形成した。フレネルレンズ構造の凹凸部２３は、直径２ｍｍ、中心の深さは２μｍとした。周辺部での間隙が４μｍとする他は例１と同様にして空セルを形成した。
【００５０】
この空セルに、液晶２７として常光屈折率が１．５２、Δｎが０．１、ツイストピッチＰが４μｍの正の誘電異方性のネマチック液晶組成物を注入し、注入口を封止して液晶レンズを製造した。
【００５１】
この液晶レンズを例１と同様に図１の構成の光ヘッド装置に組み込んだ。波長６５０ｎｍの右回り及び左回りの円偏光の透過率を測定したところ、右回りの円偏光（光ヘッド装置での往路）では９５％、左回りの円偏光（光ヘッド装置での復路）でも９５％の効率であり、往復で９０％の効率が得られた。例１と同様に１００Ｈｚ、５Ｖの電圧のオン、オフにより、焦点を切り替えることができた。
【００５２】
「例３」
図２に示すように、基板１１、１２として厚さ０．５ｍｍで、大きさが１０×１０ｍｍで、屈折率が１．６２のガラス基板を用い、下面のガラス基板の中心はプレスにより非球面凹レンズ状に凹部１３を形成した。この非球面レンズは、直径２ｍｍ、中心の深さは５μｍとした。上面、下面の基板１１、１２とも電極１４、１５としてＩＴＯ電極を形成した。次いで、上面の基板１１にはポリイミドの膜を塗布し、ラビングして水平配向処理を行った。また、下面の基板１２には有機シラン系の垂直配向剤を塗布した。
【００５３】
この２枚の基板１１、１２を夫々の配向方向が平行になるように対向させ、周辺でシールして、レンズ中心部で間隙が１０μｍ、周辺部で間隙が５μｍの空セルを形成した。なお、基板１１、１２の外面には夫々反射防止膜を形成した。
【００５４】
この空セルに、液晶１７として常光屈折率が１．５２、Δｎが０．２、ツイストピッチＰが２μｍの正の誘電異方性のネマチック液晶組成物を注入し、注入口を封止して液晶レンズを製造した。
【００５５】
この液晶レンズを例１と同様に図１の構成の光ヘッド装置に組み込んだ。波長６５０ｎｍの右回り及び左回りの円偏光の透過率を測定したところ、右回りの円偏光（光ヘッド装置での往路）では９５％、左回りの円偏光（光ヘッド装置での復路）でも９５％の効率であり、往復で９０％の効率が得られた。例１と同様に１００Ｈｚ、５Ｖの電圧のオン、オフにより、焦点を切り替えることができた。
【００５６】
「例４」
２枚の基板として厚さ０．５ｍｍで、大きさが１０×１０ｍｍで、屈折率が１．５７のガラス基板を用いた。下面のガラス基板は中心が凸部になるようにエッチングにより非球面凸レンズ状に凸部を形成した。この非球面レンズは、直径１．５ｍｍ、中心の高さは４μｍとした。上面、下面の基板とも電極としてＩＴＯ電極を形成後、ポリイミドの膜を塗布し、ラビングして水平配向処理を行った。
【００５７】
この２枚の基板を夫々の配向方向が平行になるように対向させ、周辺でシールして、レンズ中心部で間隙が４μｍ、周辺部で間隙が８μｍの空セルを形成した。なお、２枚の基板の外面には夫々反射防止膜を形成した。
【００５８】
この空セルに、液晶として常光屈折率が１．４９、Δｎが０．１２、ツイストピッチＰが３μｍの正の誘電異方性のネマチック液晶組成物を注入し、注入口を封止して液晶レンズを製造した。
【００５９】
このようにして製造した液晶レンズは、電圧を印加しない状態では液晶の分子はらせん構造を有し、そのらせん軸は基板面に垂直になる。このため、基板面に垂直に入射した波長６３３ｎｍの光に対して、液晶の実効屈折率は常光屈折率１．４９と異常光屈折率１．６１との中間の値１．５５になる。このことから、液晶の屈折率と基板の屈折率との屈折率差が小さくなり、液晶レンズを透過した光の位相分布は透過前の状態とほとんど変わらなかった。
【００６０】
次に、液晶レンズの上下の基板の電極間に１００Ｈｚ、１０Ｖの電圧を印加すると、液晶分子が縦配向状態となる。このため、基板面に垂直に入射した波長６３３ｎｍの光に対しては、液晶の実効屈折率は常光屈折率１．４９に等しくなる。このことから、液晶の屈折率と基板の屈折率との屈折率差が大きくなり、液晶レンズを透過した光の位相分布はセルの基板面に形成された非球面形状高さに比例するように変化した。
【００６１】
これにより、図１の構成で用いた場合、液晶レンズ４の上下の基板の電極間に電圧を印加しない場合には、第１の光記録媒体６からの信号が読み出せ、電圧を印加した場合には、第２の光記録媒体７からの信号が読み出せた。
【００６２】
「例５」
例４と同じガラス基板を用いた。ただし、下面のガラス基板は中心が凸部になるようにエッチングにより非球面凸レンズ状に凸部を形成した。この非球面レンズは、直径１．５ｍｍ、中心の高さは３μｍとした。この下面のガラス基板には、電極としてＩＴＯ電極を形成後、有機シラン系の溶剤を塗布して垂直配向処理を行った。一方、上面のガラス基板は、電極としてＩＴＯ電極を形成した後、ポリイミドの膜を塗布し、ラビングして水平配向処理を行った。
【００６３】
この２枚の基板を対向させ、周辺でシールして、レンズ中心部で間隙が３μｍ、周辺部で間隙が６μｍの空セルを形成した。なお、２枚の基板の外面には夫々反射防止膜を形成した。
【００６４】
この空セルに、液晶として常光屈折率が１．４９、Δｎが０．１２、ツイストピッチＰが１．６μｍの正の誘電異方性のネマチック液晶組成物を注入し、注入口を封止して液晶レンズを製造した。
【００６５】
このようにして製造した液晶レンズは、電圧を印加しない状態では液晶の分子はらせん構造を有し、そのらせん軸は基板面に垂直になる。このため、基板面に垂直に入射した波長６３３ｎｍの光に対して、液晶の実効屈折率は常光屈折率１．４９と異常光屈折率１．６１との中間の値１．５５になる。このことから、液晶の屈折率と基板の屈折率との屈折率差が小さくなり、液晶レンズを透過した光の位相分布は透過前の状態とほとんど変わらなかった。
【００６６】
次に、液晶レンズの上下の基板の電極間に１００Ｈｚ、１０Ｖの電圧を印加すると、液晶分子が縦配向状態となる。このため、基板面に垂直に入射した波長６３３ｎｍの光に対しては、液晶の実効屈折率は常光屈折率１．４９に等しくなる。このことから、液晶の屈折率と基板の屈折率との屈折率差が大きくなり、液晶レンズを透過した光の位相分布はセルの基板面に形成された非球面形状高さに比例するように変化した。
【００６７】
これにより、図１の構成で用いた場合、液晶レンズ４の上下の基板の電極間に電圧を印加しない場合には、第１の光記録媒体６からの信号が読み出せ、電圧を印加した場合には、第２の光記録媒体７からの信号が読み出せた。
【００６８】
「例６」
図４に示すように、２枚の基板として厚さ０．５ｍｍで、大きさが１０×１０ｍｍで、屈折率が１．４９のガラス基板を用い、下面のガラス基板には、中心部が基板の平坦部と同じ高さの山となるようにプレスにより非球面同心円状に凹部を形成した。この非球面レンズは、直径２．３ｍｍ、凹部の深さは２．３μｍとした。上面、下面の基板とも電極としてＩＴＯ電極を形成後、ポリイミドの膜を塗布し、ラビングして水平配向処理を行った。
【００６９】
この２枚の基板を夫々の配向方向が平行になるように対向させ、周辺でシールして、レンズ中心部で間隙が４μｍ、凹部で間隙が６．３μｍの空セルを形成した。なお、２枚の基板の外面には夫々反射防止膜を形成した。
【００７０】
この空セルに、液晶として常光屈折率が１．４９、Δｎが０．１２、ツイストピッチＰが１．６μｍの正の誘電異方性のネマチック液晶組成物を注入し、注入口を封止して液晶レンズを製造した。
【００７１】
このようにして製造した液晶レンズは、電圧を印加しない状態では液晶の分子はらせん構造を有し、そのらせん軸は基板面に垂直になる。このため、基板面に垂直に入射した波長６３３ｎｍの光に対して、液晶の実効屈折率は常光屈折率１．４９と異常光屈折率１．６１との中間の値１．５５になる。このことから、液晶の屈折率と基板の屈折率との屈折率差が大きくなり、液晶レンズを透過した光の位相分布はセルの基板面に形成された非球面形状高さに比例するように変化した。
【００７２】
次に、液晶レンズの上下の基板の電極間に１００Ｈｚ、１０Ｖの電圧を印加すると、液晶分子が縦配向状態となる。このため、基板面に垂直に入射した波長６３３ｎｍの光に対しては、液晶の実効屈折率は常光屈折率１．４９に等しくなる。このことから、液晶の屈折率と基板の屈折率との屈折率差が小さくなり、液晶レンズを透過した光の位相分布は透過前の状態とほとんど変わらなかった。
【００７３】
これにより、図１の構成で用いた場合、液晶レンズ４の上下の基板の電極間に電圧を印加しない場合には、第２の光記録媒体７からの信号が読み出せ、電圧を印加した場合には、第１の光記録媒体６からの信号が読み出せた。
【００７４】
【発明の効果】
本発明の光ヘッド装置では、液晶がツイストした液晶レンズを用いているので、外部からの電圧印加によって焦点距離又は光の位相分布を切り替え可能であり、利用効率の高い光ヘッド装置を得ることができる。
本発明は、その効果を損しない範囲内で、種々の応用ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光ヘッド装置の例を示す模式図。
【図２】基板が凹部又は凸部を有する液晶レンズの例を示す断面図。
【図３】基板をフレネルレンズ構造にした液晶レンズの例を示す断面図。
【図４】基板の中心部に山を有する液晶レンズの例を示す断面図。
【符号の説明】
１１、１２、２１、２２：基板、
１３：凹部、
１４、１５、２４、２５：電極、
１６、２６：シール材、
１７、２７：液晶
２３：凹凸部。
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＣＤ（コンパクトディスク）、ＣＤ−ＲＯＭ、ビデオディスク等の光ディスク及び光磁気ディスク等の光学記録媒体に光学的情報を書き込んだり、光学的情報を読み取るための光ヘッド装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光ディスク及び光磁気ディスク等の光記録媒体に光学的情報を書き込んだり、光学的情報を読み取る光ヘッド装置において、ＣＤ／ＣＤ−ＲＯＭとＤＶＤディスクのように異なる厚さのディスクに対して信号の読み書きを１つの光ヘッド装置で実現するために、次のような構成が採られていた。
【０００３】
例えば、レンズの表面にフレネルレンズタイプのブレーズホログラムを形成し、半導体レーザからレンズに入射した光のうち、例えば約半分をホログラムによってビームが広がる方向に回折し、残り半分はそのまま透過せしめ、その後にレンズ本体によって各々のビームを収束せしめることによって、２つの焦点を持つ光を１つの光ヘッド装置によって作り出すことが行われてきた。
また、レンズは従来と同様のものにし、上記と同じ機能を持つフレネルホログラムレンズプレートを別途分離して配置させることも試みられている。
【０００４】
しかしこれらの方式では、上記のホログラムによって往路で光の光量が半分になり、かつ復路でも再び光量が半分になるので、往復で光量が１／４以下になる問題があった。
【０００５】
このため、特に大きな出力を得るのが困難である赤色の半導体レーザを利用した光ヘッド装置の場合、光源に対する負荷が大きくなり、消費電力の増加、光ヘッド装置の大型化、コストの上昇、信頼性の低下をもたらす問題があった。
【０００６】
また、２個の焦点距離の異なるレンズを用意し、それを機械的に切り替えて使用することも行われているが、機械的に移動させて使用するので、光ヘッド装置の大型化、コストの上昇、信頼性の低下をもたらす問題があった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前述の問題を解消し、光の利用効率を高め、小型化が容易で、安価に生産性良く製造できる２焦点レンズを組み込んだ光ヘッド装置の提供を目的とする。
また、偏光ホログラムや偏光ビームスプリッタを用いたいわゆる偏光系でも使用できる２焦点レンズを組み込んだ光ヘッド装置の提供を目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、光源、ビームスプリッタ、位相差板、液晶レンズ及び光検出器を有する光ヘッド装置において、ビームスプリッタと光記録媒体との間に配置する液晶レンズとして、液晶セルの基板の少なくとも一方が凹部又は凸部を有しており、内部に充填された液晶がツイストしており、液晶の常光屈折率をｎ ｏ 、異常光屈折率をｎ ｅ 、ツイストピッチをＰ、真空中の波長をλとしたとき、（ｎ ｅ −ｎ ｏ ） ２ Ｐ／（８λ）≦０．０５であって、基板の少なくとも一部に設けられた電極によって焦点距離又は光の位相分布を可変としたものを使用し、位相差板により円偏光とされた光が液晶レンズに入射することを特徴とする光ヘッド装置を提供する。
【０００９】
また、光源、ビームスプリッタ、位相差板、液晶レンズ及び光検出器を有する光ヘッド装置において、ビームスプリッタと光記録媒体との間に配置する液晶レンズとして、液晶セルの基板の少なくとも一方が微細な凹部又は凸部を有してフレネルレンズ構造とされており、内部に充填された液晶がツイストしており、液晶の常光屈折率をｎ ｏ 、異常光屈折率をｎ ｅ 、ツイストピッチをＰ、真空中の波長をλとしたとき、（ｎ ｅ −ｎ ｏ ） ２ Ｐ／（８λ）≦０．０５であって、基板の少なくとも一部に設けられた電極によって焦点距離又は光の位相分布を可変としたものを使用し、位相差板により円偏光とされた光が液晶レンズに入射することを特徴とする光ヘッド装置を提供する。
【００１０】
さらに、それらの液晶レンズの中央部分の基板がほぼ平板とされている光ヘッド装置を提供する。
【００１１】
さらには、それらの基板の屈折率を、液晶の常光屈折率又は異常光屈折率又は常光屈折率と異常光屈折率の平均にほぼ等しくした光ヘッド装置、及び、それらのビームスプリッタとして、格子状の凹部を設けた基板を少なくとも一方の基板として用い、基板間に光学異方性材料を充填した偏光回折素子を用いる光ヘッド装置を提供する。
【００１２】
本発明では、液晶レンズを用いているので、外部からの電圧印加によって焦点距離又は光の位相分布を切り替え可能であり、利用効率の高い光ヘッド装置が得られる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の基本的な構成を示す模式図である。図１において、１は半導体レーザ等の光源、２はビームスプリッタ、３は位相差板、４は液晶レンズ、５は集光レンズ、６は第１の光記録媒体、７は第２の光記録媒体、８は光検出器を示す。
【００１４】
光源１から出た光は、ビームスプリッタ２を通過し、位相差板３を通過し、液晶レンズ４を通過して、集光レンズ５で集光されて光記録媒体に到達する。ここで、液晶レンズに電圧を印加するか否か又は印加する電圧を変えることにより、液晶レンズの焦点距離又は光の位相分布を変えて、第１の光記録媒体６又は第２の光記録媒体７に焦点を合わせる。なお、本発明でビームスプリッタは、プリズム状のもの、液晶ホログラム等の偏光ビームスプリッタが使用できる。
【００１５】
この光記録媒体から反射して戻ってきた光は、再度集光レンズ５、液晶レンズ４、位相差板３、ビームスプリッタ２を順次通過し、ビームスプリッタ２で分離された光が光検出器８に到達する。
【００１６】
図２は、基板が凹部又は凸部を有する液晶レンズの例を示す断面図である。図２において、１１、１２は基板、１３はその基板に設けられた凹部、１４、１５は電極、１６は周辺のシール材、１７は基板間に充填された液晶を示す。
【００１７】
この基板１１、１２は、プラスチック、ガラス等の透明基板が使用できる。この基板の少なくとも一方の内面側（液晶側）に凹部又は凸部を形成する。この図では基板１２側に凹部を形成している。この凹部又は凸部は基板自体に形成してもよく、表面に有機又は無機の透明膜を所定の形状に形成してもよい。
【００１８】
この加工は、基板自体に形成する場合には、機械的に削ったり、プレス成形したり、エッチングしたりして形成すればよい。表面に有機又は無機の透明膜を形成する場合には、透明膜を全面に形成後、基板自体の場合と同様に削ったり、エッチングしたりして形成してもよく、直接所定のパターンに堆積させたり、印刷したりして形成してもよい。
【００１９】
図３は、基板をフレネルレンズ構造にした液晶レンズの例を示す断面図である。図３において、２１、２２は基板、２３はその基板に設けられたフレネルレンズ構造の凹凸部、２４、２５は電極、２６は周辺のシール材、２７は基板間に充填された液晶を示す。
このフレネルレンズ構造の凹凸部も前記した基板に凹部又は凸部を形成する方法と同様の方法で形成できる。
【００２０】
これらのレンズの凹凸は、完全に所定の形状としてもよく、加工が容易になるように中心部のみは平坦な形状にして用いてもあまり問題はない。特に、フレネルレンズ構造とする場合には、中心部を平坦にしておくことにより、加工が容易になり好ましい。この中心部とは、レンズの外径に対して２０〜６０％程度の径より内側の領域を意味する。
【００２１】
電極１４、１５、２４、２５は、通常のＩＴＯ等の透明電極が使用できる。通常は全面ベタ電極とすることでよいが、例えばリング状にパターニングして部分的にレンズ作用を変えさせるようにもできる。また、一部に金属線等を設けて低抵抗化することもできる。
【００２２】
また、図示していないが、この電極上にポリイミド、ポリアミド、ＳｉＯ等の配向膜を形成して用いる。代表的な例では、ポリイミド膜を形成し、表面をラビングして配向膜を形成する。この配向膜のラビング方向は、液晶が２枚の基板間でツイストさせるようにして使用できる。
【００２３】
このようにして形成された２枚の基板を電極側が対向するように配置し、周辺でシール材１６、２６で接着して、内部に液晶１７、２７を充填する。この液晶としては、通常のネマチック液晶が使用される。
【００２４】
次いで光ヘッド装置の動作を説明する。
光源１から出た光は、直線偏光、例えばＰ偏光（紙面に平行な方向の偏光）を有するとする。図２の液晶レンズで正の誘電異方性のネマチック液晶を用い、基板１２の屈折率を液晶の常光屈折率ｎｏと異常光屈折率ｎｅとの中間の値（ｎｏ＋ｎｅ）／２に一致するようにしたものを用い、その配向膜の光源側のラビング方向は紙面に平行な方向にする。
【００２５】
この場合、液晶が右ねじれでツイストピッチＰ（３６０°ツイストするピッチ）でツイストしているとすると、右回り円偏光の光に対する液晶の実効的な屈折率は近似的に（ｎｅ＋ｎｏ）／２＋（ｎｅ−ｎｏ）２Ｐ／（８λ）と表される。また、左回り円偏光の光に対する液晶の実効的な屈折率は近似的に（ｎｏ＋ｎｅ）／２−（ｎｏ−ｎｅ）２Ｐ／（８λ）と表される。
【００２６】
液晶レンズ４がオフ状態の場合、光源側の基板では液晶は基板にほぼ平行にかつ紙面に平行な方向に配向している。反対側（光記録媒体側）の基板では、例えば９０°ねじれた状態等の光源側の基板の配向角度と異なる角度で配向しているとする。
【００２７】
往路では光源１から出た光は、ビームスプリッタ２を通過し、次いでλ／４板等の位相差板３により右回り円偏光にされ、液晶レンズ４に入射する。このビームスプリッタ２は、光の偏光方向によってビームスプリッタとして機能したり機能しなかったりする偏光系ビームスプリッタとされる。
【００２８】
このとき、（ｎｅ＋ｎｏ）／２に比して（ｎｅ−ｎｏ）２Ｐ／（８λ）が小さいとすると、右回り円偏光の光に対して液晶の実効的な屈折率は近似的に（ｎｅ＋ｎｏ）／２に等しくなる。このため、往路では光源１から出た光は、基板の屈折率（液晶の常光屈折率と異常光屈折率との中間）とねじれた液晶の屈折率はほぼ一致することになり、屈折率が等しいので光は屈折せずにほぼ直進する。そして、集光レンズ５で集光されて第１の光記録媒体６に焦点を結ぶ。
【００２９】
復路では、第１の光記録媒体６の表面で反射された光は、左回りの円偏光になり、再度集光レンズ５、レンズとして機能していない液晶レンズ４を通過し、位相差板３で直線偏光に戻され、ビームスプリッタ２で光が分離され光検出器８に到達する。
【００３０】
また、本発明では、右回り円偏光に対する液晶部の実効屈折率と、左回り円偏光に対する液晶部の実効屈折率とが、実用上許容される範囲内でほぼ等しいことが重要になる。そのためには、ピッチＰはあまり大きくないことが好ましい。具体的には、ピッチＰは５μｍ以下にされることが好ましく、特に３μｍ以下にすることが好ましい。
【００３１】
また、液晶のピッチＰと液晶層の厚さｄとの比ｄ／Ｐが１．０を超える場合、電圧オフ時に液晶らせん軸の乱れたフォーカルコニック状態による光散乱のため、実質的にターンオフ時間が増大する傾向にある。このため、液晶の粘性を低くする、基板界面付近の液晶配向ベクトルと基板面とのなす角度すなわちプレチルト角を大きくする等が好ましい。
【００３２】
液晶レンズ４に電圧が印加されてオン状態になると、液晶は電界方向に整列し、基板にほぼ垂直に（紙面の上下方向）に配向する。このため、往路では光源１から出た光は、ビームスプリッタ２を通過し、次いで位相差板３により右回り円偏光にされ、液晶レンズ４に入射する。
【００３３】
ここで基板の屈折率（液晶の常光屈折率と異常光屈折率との中間）と液晶の屈折率（常光屈折率となる）は一致しないことになり、凹レンズとして機能することになり光は屈折する。このため、集光レンズ５で集光された際に焦点距離が長くなって、第２の光記録媒体７に焦点を結ぶ。
【００３４】
復路では、第２の光記録媒体７の表面で反射された光は、左回り円偏光になり、再度集光レンズ５、凹レンズとして機能している液晶レンズ４を通過し、位相差板３で直線偏光に戻され、ビームスプリッタ２で光が分離され光検出器８に到達する。
【００３５】
上記例では、基板１２が凹部を有する基板を用いたが、同じ構成で凸部を有する基板を用いれば、凸レンズとして機能することになる。また、基板１２の屈折率を液晶の常光屈折率ｎｏと一致するようにしたものを用いれば、電圧オフ時に基板１２が凹部を有する基板を用いた場合には凸レンズとして機能し、凸部を有する基板を用いた場合には凹レンズとして機能する。
【００３６】
この場合、配向処理は両側の基板とも水平配向処理をする、片側の基板のみを水平配向処理する、片側の基板のみを水平配向処理し他方の基板を垂直配向処理する、両側の基板とも垂直配向処理をする等の配向処理が可能である。
【００３７】
垂直配向処理は、有機シラン、レシチン、界面活性剤等で電極基板表面を処理する方法で行えばよい。また、水平配向処理は、電極、基板又はその上に形成された有機、無機のオーバーコート材を布等で一方向にこする方法や、斜方蒸着法等により行えばよい。
【００３８】
なお、本発明で使用する光源１は、通常の光ヘッド装置に使用される光源が使用できる。具体的には、半導体レーザによる光源が最も一般的であるが、他のレーザや波長変換素子を組み合わせた光源も使用できる。
【００３９】
ビームスプリッタ２は、特定の偏光方向の光のみ回折させるものであり、往路の光源からの光はそのまま通過し、復路の光は回折又は反射する等して、光検出器に光を到達させうるものであればよい。具体的には、回折格子、液晶を用いた回折格子、複合プリズム等が使用できる。特に、特定の偏光方向の光のみ回折させる液晶を用いた回折格子が好適である。
位相差板３は、直線偏光で入射した光を円偏光に変換するλ／４板等の公知の位相差板が使用できる。
【００４０】
集光レンズ５は、第１の光記録媒体又は第２の光記録媒体のいずれかに光を集光させるためのレンズである。液晶レンズ４が電圧オン状態とオフ状態とでいずれもある程度レンズとして機能する場合には、その使用状態のいずれかの状態で第１の光記録媒体又は第２の光記録媒体のいずれかに光を集光させうるようにする。
【００４１】
【実施例】
「例１」
図２に示すように、基板１１、１２として厚さ０．５ｍｍで、大きさが１０×１０ｍｍで、屈折率が１．５７のガラス基板を用い、下面のガラス基板の中心はプレスにより非球面凹レンズ状に凹部１３を形成した。この非球面レンズは、直径２ｍｍ、中心の深さは５μｍとした。上面、下面の基板１１、１２とも電極１４、１５としてＩＴＯ電極を形成後、ポリイミドの膜を塗布し、ラビングして水平配向処理を行った。
【００４２】
この２枚の基板１１、１２を夫々の配向方向が平行になるように対向させ、周辺でシールして、レンズ中心部で間隙が１０μｍ、周辺部で間隙が５μｍの空セルを形成した。なお、基板１１、１２の外面には夫々反射防止膜を形成した。
【００４３】
この空セルに、液晶１７として常光屈折率が１．５２、Δｎが０．１、ツイストピッチＰが１０μｍの正の誘電異方性のネマチック液晶組成物を注入し、注入口を封止して液晶レンズを製造した。
【００４４】
図１に示すように、この液晶レンズ４を配置して、波長６５０ｎｍの右回り及び左回りの円偏光の透過率を測定したところ、右回りの円偏光（光ヘッド装置での往路）では９５％、左回りの円偏光（光ヘッド装置での復路）でも９５％の効率であり、往復で９０％の効率が得られた。
【００４５】
まず、液晶レンズ４の上下の基板１１、１２の電極１４、１５間に電圧を印加しない場合について説明する。光源１から出たＰ偏光（紙面に平行な偏光方向）の光は、偏光系のビームスプリッタ２を通過し、位相差板３で右回りの円偏光になった光は、液晶レンズ４でほとんど屈折されなく通過し、第１の光記録媒体６に焦点が合った。
【００４６】
この第１の光記録媒体６で反射した光は左回りの円偏光になり、再度液晶レンズ４をほぼそのまま通過し、位相差板３で直線偏光に戻され、Ｓ偏光（紙面に垂直な偏光方向）の光になって、偏光系のビームスプリッタ２に入射する。Ｓ偏光の光はビームスプリッタ２で回折されて、光検出器８に到達した。
【００４７】
一方、液晶レンズ４の上下の基板１１、１２の電極１４、１５間に１００Ｈｚ、５Ｖの電圧を印加した場合について説明する。光源１から出たＰ偏光（紙面に平行な偏光方向）の光は、偏光系のビームスプリッタ２を通過し、位相差板３で右回りの円偏光になった光は、液晶レンズ４で屈折され、第２の光記録媒体７に焦点が合った。
【００４８】
この第２の光記録媒体７で反射した光は左回りの円偏光になり、再度液晶レンズ４で屈折され、位相差板３で直線偏光に戻され、Ｓ偏光（紙面に垂直な偏光方向）の光になって、偏光系のビームスプリッタ２に入射する。Ｓ偏光の光はビームスプリッタ２で回折されて、光検出器８に到達した。
【００４９】
「例２」
例１の液晶レンズの代わりに、同じガラス基板を使用し、図３に示すようにフレネルレンズ構造の凹凸部２３をプレスにより形成した。フレネルレンズ構造の凹凸部２３は、直径２ｍｍ、中心の深さは２μｍとした。周辺部での間隙が４μｍとする他は例１と同様にして空セルを形成した。
【００５０】
この空セルに、液晶２７として常光屈折率が１．５２、Δｎが０．１、ツイストピッチＰが４μｍの正の誘電異方性のネマチック液晶組成物を注入し、注入口を封止して液晶レンズを製造した。
【００５１】
この液晶レンズを例１と同様に図１の構成の光ヘッド装置に組み込んだ。波長６５０ｎｍの右回り及び左回りの円偏光の透過率を測定したところ、右回りの円偏光（光ヘッド装置での往路）では９５％、左回りの円偏光（光ヘッド装置での復路）でも９５％の効率であり、往復で９０％の効率が得られた。例１と同様に１００Ｈｚ、５Ｖの電圧のオン、オフにより、焦点を切り替えることができた。
【００５２】
「例３」
図２に示すように、基板１１、１２として厚さ０．５ｍｍで、大きさが１０×１０ｍｍで、屈折率が１．６２のガラス基板を用い、下面のガラス基板の中心はプレスにより非球面凹レンズ状に凹部１３を形成した。この非球面レンズは、直径２ｍｍ、中心の深さは５μｍとした。上面、下面の基板１１、１２とも電極１４、１５としてＩＴＯ電極を形成した。次いで、上面の基板１１にはポリイミドの膜を塗布し、ラビングして水平配向処理を行った。また、下面の基板１２には有機シラン系の垂直配向剤を塗布した。
【００５３】
この２枚の基板１１、１２を夫々の配向方向が平行になるように対向させ、周辺でシールして、レンズ中心部で間隙が１０μｍ、周辺部で間隙が５μｍの空セルを形成した。なお、基板１１、１２の外面には夫々反射防止膜を形成した。
【００５４】
この空セルに、液晶１７として常光屈折率が１．５２、Δｎが０．２、ツイストピッチＰが２μｍの正の誘電異方性のネマチック液晶組成物を注入し、注入口を封止して液晶レンズを製造した。
【００５５】
この液晶レンズを例１と同様に図１の構成の光ヘッド装置に組み込んだ。波長６５０ｎｍの右回り及び左回りの円偏光の透過率を測定したところ、右回りの円偏光（光ヘッド装置での往路）では９５％、左回りの円偏光（光ヘッド装置での復路）でも９５％の効率であり、往復で９０％の効率が得られた。例１と同様に１００Ｈｚ、５Ｖの電圧のオン、オフにより、焦点を切り替えることができた。
【００５６】
「例４」
２枚の基板として厚さ０．５ｍｍで、大きさが１０×１０ｍｍで、屈折率が１．５７のガラス基板を用いた。下面のガラス基板は中心が凸部になるようにエッチングにより非球面凸レンズ状に凸部を形成した。この非球面レンズは、直径１．５ｍｍ、中心の高さは４μｍとした。上面、下面の基板とも電極としてＩＴＯ電極を形成後、ポリイミドの膜を塗布し、ラビングして水平配向処理を行った。
【００５７】
この２枚の基板を夫々の配向方向が平行になるように対向させ、周辺でシールして、レンズ中心部で間隙が４μｍ、周辺部で間隙が８μｍの空セルを形成した。なお、２枚の基板の外面には夫々反射防止膜を形成した。
【００５８】
この空セルに、液晶として常光屈折率が１．４９、Δｎが０．１２、ツイストピッチＰが３μｍの正の誘電異方性のネマチック液晶組成物を注入し、注入口を封止して液晶レンズを製造した。
【００５９】
このようにして製造した液晶レンズは、電圧を印加しない状態では液晶の分子はらせん構造を有し、そのらせん軸は基板面に垂直になる。このため、基板面に垂直に入射した波長６３３ｎｍの光に対して、液晶の実効屈折率は常光屈折率１．４９と異常光屈折率１．６１との中間の値１．５５になる。このことから、液晶の屈折率と基板の屈折率との屈折率差が小さくなり、液晶レンズを透過した光の位相分布は透過前の状態とほとんど変わらなかった。
【００６０】
次に、液晶レンズの上下の基板の電極間に１００Ｈｚ、１０Ｖの電圧を印加すると、液晶分子が縦配向状態となる。このため、基板面に垂直に入射した波長６３３ｎｍの光に対しては、液晶の実効屈折率は常光屈折率１．４９に等しくなる。このことから、液晶の屈折率と基板の屈折率との屈折率差が大きくなり、液晶レンズを透過した光の位相分布はセルの基板面に形成された非球面形状高さに比例するように変化した。
【００６１】
これにより、図１の構成で用いた場合、液晶レンズ４の上下の基板の電極間に電圧を印加しない場合には、第１の光記録媒体６からの信号が読み出せ、電圧を印加した場合には、第２の光記録媒体７からの信号が読み出せた。
【００６２】
「例５」
例４と同じガラス基板を用いた。ただし、下面のガラス基板は中心が凸部になるようにエッチングにより非球面凸レンズ状に凸部を形成した。この非球面レンズは、直径１．５ｍｍ、中心の高さは３μｍとした。この下面のガラス基板には、電極としてＩＴＯ電極を形成後、有機シラン系の溶剤を塗布して垂直配向処理を行った。一方、上面のガラス基板は、電極としてＩＴＯ電極を形成した後、ポリイミドの膜を塗布し、ラビングして水平配向処理を行った。
【００６３】
この２枚の基板を対向させ、周辺でシールして、レンズ中心部で間隙が３μｍ、周辺部で間隙が６μｍの空セルを形成した。なお、２枚の基板の外面には夫々反射防止膜を形成した。
【００６４】
この空セルに、液晶として常光屈折率が１．４９、Δｎが０．１２、ツイストピッチＰが１．６μｍの正の誘電異方性のネマチック液晶組成物を注入し、注入口を封止して液晶レンズを製造した。
【００６５】
このようにして製造した液晶レンズは、電圧を印加しない状態では液晶の分子はらせん構造を有し、そのらせん軸は基板面に垂直になる。このため、基板面に垂直に入射した波長６３３ｎｍの光に対して、液晶の実効屈折率は常光屈折率１．４９と異常光屈折率１．６１との中間の値１．５５になる。このことから、液晶の屈折率と基板の屈折率との屈折率差が小さくなり、液晶レンズを透過した光の位相分布は透過前の状態とほとんど変わらなかった。
【００６６】
次に、液晶レンズの上下の基板の電極間に１００Ｈｚ、１０Ｖの電圧を印加すると、液晶分子が縦配向状態となる。このため、基板面に垂直に入射した波長６３３ｎｍの光に対しては、液晶の実効屈折率は常光屈折率１．４９に等しくなる。このことから、液晶の屈折率と基板の屈折率との屈折率差が大きくなり、液晶レンズを透過した光の位相分布はセルの基板面に形成された非球面形状高さに比例するように変化した。
【００６７】
これにより、図１の構成で用いた場合、液晶レンズ４の上下の基板の電極間に電圧を印加しない場合には、第１の光記録媒体６からの信号が読み出せ、電圧を印加した場合には、第２の光記録媒体７からの信号が読み出せた。
【００６８】
「例６」
図４に示すように、２枚の基板として厚さ０．５ｍｍで、大きさが１０×１０ｍｍで、屈折率が１．４９のガラス基板を用い、下面のガラス基板には、中心部が基板の平坦部と同じ高さの山となるようにプレスにより非球面同心円状に凹部を形成した。この非球面レンズは、直径２．３ｍｍ、凹部の深さは２．３μｍとした。上面、下面の基板とも電極としてＩＴＯ電極を形成後、ポリイミドの膜を塗布し、ラビングして水平配向処理を行った。
【００６９】
この２枚の基板を夫々の配向方向が平行になるように対向させ、周辺でシールして、レンズ中心部で間隙が４μｍ、凹部で間隙が６．３μｍの空セルを形成した。なお、２枚の基板の外面には夫々反射防止膜を形成した。
【００７０】
この空セルに、液晶として常光屈折率が１．４９、Δｎが０．１２、ツイストピッチＰが１．６μｍの正の誘電異方性のネマチック液晶組成物を注入し、注入口を封止して液晶レンズを製造した。
【００７１】
このようにして製造した液晶レンズは、電圧を印加しない状態では液晶の分子はらせん構造を有し、そのらせん軸は基板面に垂直になる。このため、基板面に垂直に入射した波長６３３ｎｍの光に対して、液晶の実効屈折率は常光屈折率１．４９と異常光屈折率１．６１との中間の値１．５５になる。このことから、液晶の屈折率と基板の屈折率との屈折率差が大きくなり、液晶レンズを透過した光の位相分布はセルの基板面に形成された非球面形状高さに比例するように変化した。
【００７２】
次に、液晶レンズの上下の基板の電極間に１００Ｈｚ、１０Ｖの電圧を印加すると、液晶分子が縦配向状態となる。このため、基板面に垂直に入射した波長６３３ｎｍの光に対しては、液晶の実効屈折率は常光屈折率１．４９に等しくなる。このことから、液晶の屈折率と基板の屈折率との屈折率差が小さくなり、液晶レンズを透過した光の位相分布は透過前の状態とほとんど変わらなかった。
【００７３】
これにより、図１の構成で用いた場合、液晶レンズ４の上下の基板の電極間に電圧を印加しない場合には、第２の光記録媒体７からの信号が読み出せ、電圧を印加した場合には、第１の光記録媒体６からの信号が読み出せた。
【００７４】
【発明の効果】
本発明の光ヘッド装置では、液晶がツイストした液晶レンズを用いているので、外部からの電圧印加によって焦点距離又は光の位相分布を切り替え可能であり、利用効率の高い光ヘッド装置を得ることができる。
本発明は、その効果を損しない範囲内で、種々の応用ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光ヘッド装置の例を示す模式図。
【図２】基板が凹部又は凸部を有する液晶レンズの例を示す断面図。
【図３】基板をフレネルレンズ構造にした液晶レンズの例を示す断面図。
【図４】基板の中心部に山を有する液晶レンズの例を示す断面図。
【符号の説明】
１１、１２、２１、２２：基板、
１３：凹部、
１４、１５、２４、２５：電極、
１６、２６：シール材、
１７、２７：液晶
２３：凹凸部。
Claims (5)
- 光源、ビームスプリッタ、位相差板、液晶レンズ及び光検出器を有する光ヘッド装置において、ビームスプリッタと光記録媒体との間に配置する液晶レンズとして、液晶セルの基板の少なくとも一方が凹部又は凸部を有しており、内部に充填された液晶がツイストしており、液晶の常光屈折率をｎ ｏ 、異常光屈折率をｎ ｅ 、ツイストピッチをＰ、真空中の波長をλとしたとき、（ｎ ｅ −ｎ ｏ ） ２ Ｐ／（８λ）≦０．０５であって、基板の少なくとも一部に設けられた電極によって焦点距離又は光の位相分布を可変としたものを使用し、位相差板により円偏光とされた光が液晶レンズに入射することを特徴とする光ヘッド装置。
- 光源、ビームスプリッタ、位相差板、液晶レンズ及び光検出器を有する光ヘッド装置において、ビームスプリッタと光記録媒体との間に配置する液晶レンズとして、液晶セルの基板の少なくとも一方が微細な凹部又は凸部を有してフレネルレンズ構造とされており、内部に充填された液晶がツイストしており、液晶の常光屈折率をｎ ｏ 、異常光屈折率をｎ ｅ 、ツイストピッチをＰ、真空中の波長をλとしたとき、（ｎ ｅ −ｎ ｏ ） ２ Ｐ／（８λ）≦０．０５であって、基板の少なくとも一部に設けられた電極によって焦点距離又は光の位相分布を可変としたものを使用し、位相差板により円偏光とされた光が液晶レンズに入射することを特徴とする光ヘッド装置。
- 液晶レンズの中央部分の基板がほぼ平板とされている請求項１又は２記載の光ヘッド装置。
- 基板の屈折率を、液晶の常光屈折率又は異常光屈折率又は常光屈折率と異常光屈折率の平均にほぼ等しくした請求項１、２又は３記載の光ヘッド装置。
- 格子状の凹部を設けた基板を少なくとも一方の基板として用い、基板間に光学異方性材料を充填した偏光回折素子を用いる請求項１、２、３又は４記載の光ヘッド装置。
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