JP4455396B2

JP4455396B2 - 位相制御素子及び光ヘッド装置

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Publication number: JP4455396B2
Application number: JP2005126149A
Authority: JP
Inventors: 賢也中井
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-04-25
Filing date: 2005-04-25
Publication date: 2010-04-21
Anticipated expiration: 2025-04-25
Also published as: JP2006302462A

Description

本発明は、電圧の印加により屈折率を変化させて光学特性（レンズ焦点、収差等）を制御する位相制御素子、及びこの位相制御素子を備えた光ヘッド装置に関する。

光ヘッド装置では、ＣＤ（ＣｏｍｐａｃｔＤｉｓｋ）、ＤＶＤ（ＤｉｇｉｔａｌＶｅｒｓａｔｉｌｅＤｉｓｋ）、ＭＤ（ＭｉｎｉＤｉｓｋ）又は更に高密度記録が可能な情報記録媒体に対する情報の記録、再生又はその両方（以下、総称して記録再生と呼ぶ）が行われる。光ヘッド装置の記録再生性能を向上するために、機械的な駆動を用いず、電圧の印加によって屈折率を変化させて光学特性を制御する位相制御素子が用いられている。

このような位相制御素子として、液晶の電気光学効果を利用して焦点距離を制御するよう構成された液晶レンズが知られている。この液晶レンズは、２つの透明電極に挟まれた液晶層に電圧を印加することにより屈折率を変化させ、入射光を収束光又は発散光に変換するものである。

近年、このような液晶レンズにおいて、液晶層に空間的な屈折率分布を与えることが提案されている。例えば、同心円状の複数の輪帯電極を用い、各輪帯電極間に異なる電圧を印加することで、液晶層にそれぞれの電圧に応じた連続的又は離散的な屈折率分布を与えることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、液晶層を覆うように設けた平凸レンズの凸表面に電極を形成し、平凸レンズの形状に応じた分布を有する電圧を液晶層に印加することで、液晶層に屈折率分布を与えることも提案されている（例えば、特許文献２参照）。さらに、穴を形成した電極を用い、その電極形状に応じた分布を有する電圧を液晶層に印加することで、液晶層に屈折率分布を与えることも提案されている（例えば、非特許文献１参照）。

また、平板電極間に凹レンズと液晶層とを配置し、凹レンズの形状に応じた分布を有する電圧を液晶層に印加することで、液晶層に屈折率分布を与えることも提案されている（例えば、非特許文献２）。

特開２００４−１０１８８５号公報特開２００４−１８４９６６号公報ＭａｏＹｅｅｔａｌ．，"ＴｒａｎｓｉｅｎｔＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆａＬｉｑｕｉｄ−ＣｒｙｓｔａｌＭｉｃｒｏｌｅｎｓ"，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．、Ｖｏｌ．４０，Ｐａｒｔ．１，Ｎｏ．１０，Ｏｃｔ．２００１、ｐｐ．６０１２−６０１６ＢｉｎＷａｎｇｅｔａｌ．, "Ｌｅｎｓｏｆｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙｃｏｎｔｒｏｌｌａｂｌｅｆｏｃａｌｌｅｎｇｔｈｍａｄｅｂｙａｇｌａｓｓｌｅｎｓａｎｄｌｉｑｕｉｄ−ｃｒｙｓｔａｌｌａｙｅｒｓ"，ＡｐｐｌｉｅｄＯｐｔｉｃｓ、Ｖｏｌ．４３，Ｎｏ．１７，Ｊｕｎｅ２００４、ｐｐ．３４２０−３４２５

しかしながら、複数の輪帯電極を用い、あるいは穴の形成された電極を用いた場合には（特許文献１，３）、電極形状が複雑になる上、それぞれの輪帯電極等を正確に位置合わせしなければならないため、組み立てが難しいという問題がある。また、平凸レンズや凹レンズを用いた場合には（特許文献２，４）、その立体形状のためレンズの厚さが厚くなり、その結果、液晶レンズのサイズが大きくなり、あるいは構成が複雑化するという問題がある。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、その目的は、簡単な構成で、光学特性（焦点、収差等）を電気的に制御できる位相制御素子を提供すること、及びこの位相制御素子を備えた光ヘッド装置を提供することにある。

本発明に係る位相制御素子は、電気的及び光学的な異方性を有する少なくとも一つの異方性層と、透明性を有する少なくとも一つの誘電体層と、誘電体層と異方性層とが間に位置するように設けられた少なくとも一対の透明電極と、少なくとも一対の透明電極の間に電圧を印加する電圧印加手段とを備えて構成される。誘電体層は、電圧印加手段により印加される電圧によって異方性層に層面内での屈折率分布を生じさせるような層面内での誘電率分布を有している。

また、本発明に係る光ヘッド装置は、光ビームを射出する光源と、光ビームを光ディスクの情報記録面に集光する集光手段と、光源から集光手段に至る光路中に設けられ、光ビームの位相を電圧により制御する位相付加手段と、光ディスクにおいて反射された光ビームを受光して出力信号を取り出す検出手段と、検出手段からの出力信号に基づき、位相付加手段への電圧を制御する電圧制御手段とを備えて構成される。位相付加手段として、上記の位相制御素子が用いられる。

本発明によれば、簡単な構成で、光学特性（焦点、収差等）を制御できる位相制御素子を提供することができる。また、この位相制御素子を用いることで、高密度記録に対応した光ヘッド装置を提供することができる。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る位相制御素子の構成を示す断面図である。この位相制御素子は、ガラス基板１と透明誘電体層（誘電体層）２との間に液晶層（異方性層）３を挟んだ構成を有している。これらガラス基板１、透明誘電体層２及び液晶層３は、ガラス基板１の板面に直交する方向から見て略円形形状をなしている。また、液晶層３とガラス基板１との間には配向膜４ａが形成されており、液晶層３と透明誘電体層２との間には配向膜４ｂが形成されている。

ガラス基板１の液晶層３と反対の側には、例えばＩＴＯ（インジウム・スズ酸化物）からなる透明電極５ａが形成されている。同様に、透明誘電体層２の液晶層３と反対の側には、例えばＩＴＯからなる透明電極５ｂが形成されている。透明電極５ａと透明電極５ｂは、電源（電圧印加手段）６に接続されており、これら透明電極５ａ，５ｂの間に任意の電圧を印加できるようになっている。

位相制御素子への入射光は、透明電極５ａ，５ｂの表面に直交する方向に入射する。入射光は、平行光、収束光又は発散光のいずれであってもよい。また、入射光は、透明電極５ａ側から入射してもよいし、透明電極５ｂ側から入射してもよい。透明電極５ａ，５ｂの面中心を通る（従って透明誘電体層２や液晶層３の層面の中心を通る）入射光の進行方向の軸を、位相制御素子の光軸（ｚ軸）と定義する。

次に、透明誘電体層２の構成および作用について説明する。以下の説明では、液晶層３の屈折率については、そのまま屈折率として説明するが、透明誘電体層２の屈折率については、誘電率（屈折率の２乗根に相当）を用いて説明する。

透明誘電体層２は、図２に示すような誘電率（屈折率）分布を有するものである。この透明誘電体層２は、例えば、ＧＲＩＮ（Ｇｒａｄｉｅｎｔ−Ｉｎｄｅｘ）レンズにより構成される。また、この透明誘電体層２は、重合硬化性液晶により構成してもよい。

図２は、透明誘電体層２の誘電率分布を示した特性図である。図２において、横軸は透明誘電体層２のｚ軸を中心とした半径方向位置ｒを示し、縦軸は透明誘電体層２の誘電率を示している。図２に示すように、透明誘電体層２は、半径ｒに対してｚ軸を中心として対称の誘電率変化を有する誘電体（誘電率分布型誘電体）である。ここでは、透明誘電体層２の中心（ｒ＝０）において誘電率が最大であり、ｒが大きくなるにつれて誘電率が小さくなるような二次曲線状の誘電率分布が付与されている。

なお、透明誘電体層２に誘電体分布を付与する方法としては、以下の方法がある。透明誘電体層２が、上述したＧＲＩＮレンズにより構成される場合には、イオン交換法やゾルゲル法を用いることができる。イオン交換法は、ガラスに含まれているイオンを他のイオンに交換する方法であり、イオン濃度を連続的に変化させることにより、透明誘電体層２の誘電率（イオンの種類と濃度により決定される）を例えば半径方向に連続的に変化させ、これにより所望の誘電率分布を得ることができる。ゾルゲル法は、有機金属化合物の加水分解によって得られるゲルを乾燥、焼結してガラスを製造する方法であり、鉛やバリウム等を添加することで誘電率を連続的に変化させ、所望の誘電率分布を得ることができる。また、透明誘電体層２が、上述した重合硬化性液晶により構成される場合には、紫外線の照射や加熱温度に分布を持たせることで、所望の誘電率分布を得ることができる。

電源６によって透明電極５ａ，５ｂの間に電圧を印加すると、透明電極５ａ，５ｂ間の電位差は一定であるが、透明誘電体層２の誘電率が半径ｒに対して例えば図２のように変化するため、この誘電率の変化に伴って電束密度も変化する。

一方、液晶層３と配向膜４ｂの境界面、及び配向膜４ｂと透明誘電体層２との境界面では、電束密度は連続となるが、その結果として、液晶層３の電束密度分布が、透明誘電体層２内部での電束密度分布に引き寄せられ、同様の分布となる。すなわち、透明誘電体層２の誘電率分布が、液晶層３の内部の電束密度分布に転写されるように影響を与えることになる。このような液晶層３の内部の電束密度分布の変化に伴って、液晶層３の内部の電界分布も、透明誘電体層２の誘電率分布と同様の分布となる。

このように液晶層３の内部に電界分布が生じることにより、液晶層３に屈折率分布が生じ、これにより入射光の位相を空間的に変化させることが可能となる。すなわち、液晶層３への入射光の波面に変化を与えることが可能となる。例えば、液晶層３内部の屈折率分布を二次曲線状にすることにより、入射光の位相に二次曲線状の変化を付与し、これによりレンズ作用（焦点を変化させる作用）を発生させることができる。この場合、透明誘電体層２の誘電率分布は、入射光にレンズ作用を与える最適な分布に設定する。

このように、実施の形態１に係る位相制御素子は、電源６の印加電圧に対応して焦点を変化させることが可能な焦点可変レンズとなる。

本実施の形態１に係る位相制御素子は、従来技術のように電極を複雑な分割構造にする必要がないため、構成が簡単であり、製造コストを低減することができる。また、入射光の入射面に複数の構成要素（例えば複数の輪帯電極）を配置する必要がないため、位相制御素子の製造時における位置合わせ作業が不要となる上、衝撃や経時変形などによる構成要素間の位置ずれも生じないため信頼性が向上する。

また、従来技術のように立体形状（例えば平凸形状）の透明部材を用いる必要がないため、研磨等の加工工程を省略することができる。特に、本実施の形態に係る位相制御素子では、例えば、半径方向に誘電率分布を付与した円筒状の透明誘電体（透明誘電体層２が光軸方向に連続したもの）から透明誘電体層２を適当な厚さに切り出すことにより、同じ誘電率分布をもった複数の透明誘電体層２を作成できるため、量産も容易であり、製造コストを低減することができる。

さらに、液晶層３に電界分布を与えるためにパターニングされた電極を用いる必要がないため、製造コストをさらに低減することができる。

また、液晶層３の内部に発生する電界分布が連続的であるため、従来技術のように電極を複数のエレメントに分割して各エレメントに異なる電位を設定した場合に各エレメントの境界に生じうるディスクリネーションライン等の発生を防止できる。

なお、透明誘電体層２の誘電率分布は、図２に示した誘電率分布に限らず、ｚ軸を中心として対称な二次曲線状に変化する分布であればよい。例えば、図３に示すように、透明誘電体層２の中心（ｒ＝０）において誘電率が最小であり、ｒが大きくなるにつれて誘電率が大きくなるような誘電率分布であってもよい。この場合には、印加電圧に対して図２の場合と逆のレンズ作用を発生させることができる。

また、ガラス基板１の材料は、特にガラスに限るものではなく、光の透過性を有する絶縁部材であればよい。

変形例．
図４（ａ）〜（ｄ）は、実施の形態１の変形例に係る位相制御素子をそれぞれ示すものである。図４（ａ）〜（ｄ）に示すいずれの変形例も、一対の透明電極の間に少なくとも１つの液晶層と、誘電率分布を付与された少なくとも１つの透明誘電体を設けたものであり、透明誘電体の誘電率分布の影響によって液晶層の内部に電界分布を生じさせてレンズ作用を発生させるようになっている。

図４（ａ）に示す位相制御素子は、液晶層３の両側に、例えば図２に示したような誘電率分布を有する一対の透明誘電体層２ａ，２ｂを設けたものであり、ガラス基板１（図１）は備えていない。液晶層３と透明誘電体層２ａ，２ｂとの間には、それぞれ配向膜４ａ，４ｂが形成されている。透明誘電体層２ａの液晶層３と反対の側には透明電極５ａが形成され、透明誘電体層２ｂの液晶層３と反対の側には透明電極５ｂが形成されている。この位相制御素子は、液晶層３の両側に設けた透明誘電体層２ａ，２ｂにより、液晶層３内部の電界分布に変化を与えて屈折率分布を生じさせている。透明誘電体層２ａ，２ｂの誘電率分布は必ずしも同じである必要はないが、同じ誘電率分布であれば、上述した実施の形態１（図１〜３）により得られる効果に加えて、さらにｚ軸方向に対称性を持たせることができるという効果が得られる。

図４（ｂ）〜（ｄ）に示す３種類の位相制御素子は、いずれも複数（ここでは２つ）の液晶層３ａ，３ｂを有するものである。図４（ｂ）に示す位相制御素子は、例えば図２に示したような誘電率分布を有する透明誘電体層２の両側に、液晶層３ａ，３ｂを設けたものである。液晶層３ａの透明誘電体層２と反対の側にはガラス基板１ａが設けられており、液晶層３ｂの透明誘電体層２と反対の側にはガラス基板１ｂが設けられている。液晶層３ａとガラス基板１ａとの間には配向膜４ａが形成されており、液晶層３ａと透明誘電体層２との間には配向膜４ｂが形成されている。液晶層３ｂと透明誘電体層２との間には配向膜４ｃが形成されており、液晶層３ｂとガラス基板１ｂとの間には配向膜４ｄが形成されている。ガラス基板１ａ，１ｂには、それぞれ透明電極５ａ，５ｂが形成されている。

図４（ｃ）に示す位相制御素子は、図１に示した位相制御素子を２つ重ね合わせたものである。この位相制御素子は、ガラス基板１ａと透明誘電体層２ａとで液晶層３ａを挟み込んだ構成を有している。液晶層３ａとガラス基板１との間には配向膜４ａが形成され、液晶層３ａと透明誘電体層２ａとの間には配向膜４ｂが形成されている。また、ガラス基板１ａの液晶層３ａと反対の側には透明電極５ａが形成され、透明誘電体層２ａの液晶層３ａと反対の側には透明電極５ｂが形成されている。この位相制御素子は、さらに、透明電極５ｂの透明誘電体層２ａと反対の側に、透明電極５ｂ側から順に、液晶層３ｂと、透明誘電体層２ｂと、透明電極５ｃとを有している。液晶層３ｂと透明電極５ｂとの間には配向膜４ｃが形成され、液晶層３ｂと透明誘電体層２ｂとの間には配向膜４ｄが形成されている。透明電極５ａ，５ｂは電源６ａに接続され、透明電極５ａ，５ｂの間に任意の電圧を印加できるようになっている。同様に、透明電極５ｂ，５ｃは電源６ｂに接続され、透明電極５ｂ，５ｃの間に任意の電圧を印加できるようになっている。

図４（ｄ）に示す位相制御素子は、図４（ａ）に示した位相制御素子を２つ重ね合わせたものである。この位相制御素子は、一対の透明誘電体層２ａ，２ｂにより液晶層３ａを挟みこんだ積層体と、一対の透明誘電体層２ｃ，２ｄにより液晶層３ｂを挟み込んだ積層体とを、透明誘電体２ｂ，２ｃの間に透明電極５ｂを設けて重ね合わせたものである。液晶層３ａと透明誘電体層２ａ，２ｂとの間には配向膜４ａ，４ｂがそれぞれ形成されており、液晶層３ｂと透明誘電体層２ｃ，２ｄとの間には配向膜４ｃ，４ｄがそれぞれ形成されている。透明誘電体層２ａの液晶層３ａと反対の側には透明電極５ａが形成され、透明誘電体層２ｄの液晶層３ｂと反対の側には透明電極５ｃが形成されている。透明電極５ａ，５ｃは互いに同電位であり、これらと透明電極５ｂとは電源６に接続されている。電源６により、透明電極５ａ，５ｂ間及び透明電極５ｃ，５ｂ間に任意の電圧が印加される。

液晶層の電界に対する応答時間は、厚みの２乗にほぼ比例して長くなるが、図１に示した液晶層３の厚みを図４（ｂ）〜図４（ｄ）に示すように複数の液晶層３ａ，３ｂに分配することにより、各液晶層３ａ，３ｂの応答時間を短縮することができ、応答性に優れた焦点可変光学素子（焦点可変レンズ）を実現することができる。

なお、透明電極に対する電圧印加は、図４（ｄ）に示すように一つの電源６で行ってもよいし、図４（ｃ）に示すように別々の電源６ａ，６ｂで行ってもよい。電源６又は電源６ａ，６ｂに印加される電圧の大きさや駆動タイミングなどは、任意に設定することができる。

また、ガラス基板１又はガラス基板１ａ，１ｂは、主として、液晶層３の配向膜４ａ側の面を保護し、位相制御素子を支持するためものであるため、必要に応じてガラス基板をなくし、配向膜４ａ上に透明電極５ａを形成した簡単な構造を採用してもよい。

また、液晶層３として、配向膜４ａ〜４ｄを必要としない液晶を用いる場合には、配向膜４ａ〜４ｄを無くすことができる。

実施の形態２．
本発明の実施の形態２に係る位相制御素子は、上述した実施の形態１で説明した構造を有する位相制御素子において、透明誘電体（図１に示した透明誘電体層２、又は図４に示した透明誘電体層２ａ〜２ｃの少なくとも一つ）が、液晶層３に二次曲線状の屈折率分布以外の屈折率分布を生じさせる誘電率分布を有するようにしたものである。

ここでは、透明誘電体層２の誘電率分布を、例えば図５（ａ）又は図５（ｂ）に示すように球面収差の位相曲線に対応した誘電率分布にしている。これにより、液晶層３の内部に、球面収差の位相曲線に対応した屈折率分布を生じさせ、入射光に球面収差の位相を付加することができる。その結果、電源６による印加電圧に応じて、入射光に球面収差を付加し、又は逆に入射光に含まれていた球面収差を除去することが可能となる。

図５（ａ）又は図５（ｂ）の誘電率分布は、液晶層３における屈折率分布が所望の球面収差の位相を付加する分布となるよう、最適に設定することが望ましい。

図５（ａ）又は図５（ｂ）に示したような球面収差の位相曲線に合わせた誘電率分布だけでなく、例えばコマ収差や非点収差の位相曲線に合わせた誘電率分布を採用することにより、液晶層３における屈折率分布を、入射光にコマ収差や非点収差の位相を付加するような屈折率分布にすることができる。すなわち、液晶層３の内部の屈折率分布を、目的に応じて各種収差の位相曲線を合成した任意の屈折率分布に設定することができ、目的に応じた収差を補償することが可能となる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、従来技術のように透明電極に複雑なパターン等を施すことなく、簡単な構成で、製造コストを低減しつつ、光学系の収差を補正することが可能となる。

実施の形態３．
本発明の実施の形態３に係る位相制御素子は、上述した各実施の形態で説明した構造を有する位相制御素子において、透明誘電体層が階段状の誘電率分布を有するようにしたものである。階段状の誘電率分布を有する透明誘電体層は、実施の形態１，２で説明した透明誘電体層と同様、液晶層３の屈折率を制御する作用を有するものである。

図６（ａ）及び図６（ｂ）は、本発明の実施の形態３に係る位相制御素子の構成例を示す断面図である。図６（ａ）に示す位相制御素子は、実施の形態１で説明した位相制御素子（図１）の透明誘電体層２の代わりに、透明誘電体層２１を設けたものである。透明誘電体層２１は、階段状の誘電率分布を有するものであり、ここでは、ｚ軸上（半径方向中心）に位置する円形の透明誘電体３２ａと、この透明誘電体３２ａの外側にそれぞれ同心状に配置された６つの輪帯状の透明誘電体３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ，３２ｅ，３２ｆ，３２ｇとを有している。

図６（ｂ）に示す位相制御素子は、実施の形態１の変形例で説明した位相制御素子（図４（ｂ））の透明誘電体層２の代わりに、上述した透明誘電体３２ａ〜３２ｇからなる透明誘電体層２１を設けたものである。なお、図６（ｂ）に示した位相制御素子には、図４（ｂ）に示したガラス基板１ａ，１ｂを設けていないが、ガラス基板１ａ，１ｂを設けた構成も可能である。

図７（ａ）は、階段状の誘電率分布を有する透明誘電体層２１の誘電率分布の一例を模式的に示したものである。透明誘電体３２ａ〜３２ｇ（図６）は、個々に見ると、それぞれ一定の誘電率を有しているが、透明誘電体３２ａ〜３２ｇの全体的な誘電率分布は、実施の形態１で説明した二次曲線状の誘電率分布（図２）を各透明誘電体３２ａ〜３２ｇごとに量子化した階段状の誘電率分布となっている。すなわち、中心部に位置する円形状透明誘電体３２ａの誘電率が最も大きく、中心部から遠ざかるにつれて（すなわち透明誘電体３２ｂ〜３２ｇと進むにつれて）誘電率が階段状に小さくなっている。

階段状の誘電率分布を有する透明誘電体層２１の分割数（透明誘電体の数）をさらに増加させることにより、本発明の実施の形態１で説明した連続的な誘電率分布（例えば図２）に近づけることができる。

電源６により電圧印加を行なうと、液晶層３の内部の電界分布が、透明誘電体層２１の誘電率分布（図７（ａ））に伴った分布となる。その結果、実施の形態１で説明したように、液晶層３の内部の屈折率分布が二次曲線状となり、入射光にレンズ作用を与えることが可能となる。

透明誘電体層２１の誘電率分布（図７（ａ））は階段状であるが、従来技術のように分割された電極で液晶層に不連続な電位を直接印加する場合とは異なり、液晶層３と透明誘電体３２ａ〜３２ｇとの各境界での電界分布は緩やかになる。従って、液晶層３の内部の屈折率分布は、階段状ではあるが、なめらかになる。その結果、入射光に付加される位相分布も比較的なめらかになり、光学特性の劣化（特に高次収差の発生）を抑制することができる。

また、図７（ｂ）に示すように、透明誘電体層２１の誘電率分布を、球面収差の位相曲線を量子化した階段状の誘電率分布とすることにより、実施の形態２で説明したように、液晶層３の内部に、球面収差の位相曲線に応じた屈折率分布を生じさせ、入射光に球面収差の位相を付加することができる。その結果、入射光に球面収差を付加し、又は逆に入射光に含まれていた球面収差を除去することが可能となる。

なお、透明誘電体層２１の誘電率分布は、レンズ作用を実現する分布や球面収差に応じた分布に限定されるものではない。例えば、目的に応じた収差補正（例えば、コマ収差や非点収差の補正）ができるように量子化された階段状の誘電率分布とすれば、これらの収差を補償することが可能になる。

また、図６（ａ）及び（ｂ）では、透明誘電体層２１の各透明誘電体３２ａ〜３２ｇの幅が一定であるように図示されているが、幅が一定である必要はなく、それぞれ必要に応じて設定することができる。

また、階段状の誘電率分布を有する透明誘電体層２１の透明誘電体３２ａ〜３２ｇのいずれかが空気や液体であってもよい。

実施の形態４．
本発明の実施の形態４は、上述した実施の形態１〜３に係る位相制御素子を光路中に配置した光ヘッド装置１００に関するものである。

図８は、本発明の実施の形態４に係る光ヘッド装置１００の基本構成を示す図である。図８に示すように、実施の形態４に係る光ヘッド装置１００は、光ビーム５１ａを射出する半導体レーザ５０と、この光ビーム５１ａが入射する集光レンズ５２と、集光レンズ５２を透過した光ビーム５１ｂを反射するビームスプリッタ５３とを備えている。

光ヘッド装置１００は、さらに、ビームスプリッタ５３により反射された光ビーム５１ｃが入射する位相付与手段５４と波長板５５とを備えている。位相付与手段５３は、光ビーム５１ｃに位相を付与するものである。波長板５５は、位相付与手段５３により位相が付与された光ビームの偏光を変えるものであり、波長板５５を透過した光ビーム５１ｄは円偏光となる。

光ヘッド装置１００は、さらに、波長板５５を透過した光ビーム５１ｄが入射し、第１のレンズ５６及び第２のレンズ５７を含む対物レンズ群５８と、これら第１のレンズ５６及び第２のレンズ５７を一体的に保持するレンズホルダ６０とを備える。対物レンズ群５８は、データ記録可能な光ディスク５９の情報記録面に光ビーム５１ｄを集光する。

光ヘッド装置１００は、さらに、光ディスク５９により反射及び回折され、対物レンズ群５８、波長板５５、位相付加手段５４、ビームスプリッタ５３を透過した光ビーム（戻り光）５１ｅが入射するセンサレンズ６１と、このセンサレンズ６１を透過した光ビームを受光する光検知器６２とを備えている。光検知器６２は、複数に分割された分割受光面を有するものである。光検知器６２には、光ディスク５９からの戻り光である光ビーム５１ｅから、光ディスク５９に記録された情報データと、対物レンズ群５８により集光される光ビーム５１ｄと光ディスク５９の情報記録面との焦点ずれ量と、光ディスク５９上に同心円状又はスパイラル状に形成されたトラックに対する光ビーム５１ｄのトラックずれ量と、情報記録面において光ビーム５１ｄに発生する収差（例えば、球面収差、非点収差及びコマ収差）の量とをそれぞれ検出できるよう、各検出方式に応じた分割受光面が形成されている。センサレンズ６１は、光検知器６２の検出方式に応じて光ビーム５１ｅに集光作用あるいは分光作用を施す多機能光学素子である。

光検知器６２は、その出力信号を図示しない制御回路に送信する。制御回路は、光検知器６２からの出力信号をもとにフォーカスエラー信号及びトラッキングエラー信号を生成し、さらに、レンズホルダ６０に保持された対物レンズ群５８を駆動する図示しないアクチュエータに対して駆動制御信号を送る。

光ヘッド装置１００は、さらに、光検知器６２からの出力信号を元に収差量を検出し、収差量に応じた収差エラー信号を生成する収差検出部６４と、収差エラー信号を元に位相付加手段５４を制御する電圧ドライバ（電圧制御手段）６３とを備えている。

以上のように構成された光ヘッド装置１００では、位相付加手段５４が、上述した実施の形態１、２又は３に係る位相制御素子により構成されている。

電圧ドライブ６３は、実施の形態１〜３で説明した位相制御素子の電源６（図１等）を包含して構成することができ、電圧ドライバ６３によって直接に位相制御素子の透明電極に電圧印加を行なうようにすることができる。

光ディスク５９の情報記録面において光ビーム５１ｄに収差が発生すると、収差検出部６４が収差量に応じた収差エラー信号を生成し、制御信号として電圧ドライバ６３に送信する。電圧ドライバ６３は、収差検出部６４からの制御信号に基づき、位相付加手段５４である実施の形態１〜３に係る位相制御素子を制御することで、光ビーム５１ｄの収差を補正する。これにより、記録再生特性を向上することができる。

以上説明したように、実施の形態４に係る光ヘッド装置１００によれば、レンズ等の光学部品を移動させるといった機械的な動作を行うことなく、光学系の収差の補正を行うことができる。

なお、位相付加手段５４を、焦点可変レンズとして機能する位相制御素子により構成することもできる。この場合、位相付加手段５４のレンズ作用の変化により光ビーム５１ｄが収束光又は発散光に変換され、これに伴って光ビーム５１ｄの対物レンズ群５８への入射条件が半径方向位置ｒによって変化し、その結果、対物レンズ群５８で集光される光ビーム５１ｄの球面収差を変化させることができる。

また、実施の形態４に係る光ヘッド装置１００の変形例として、集光レンズ５２（図８）を除去し、位相付加手段５４における透明誘電体の有する収束機能又は発散機能を利用して、半導体レーザ５０から放射される光ビーム５１ａを平行光束に直接に変換するようにしてもよい。このようにすれば、集光レンズ５２を除去できるので、光ヘッド装置１００の製造コストを低減することができる。

なお、上述した光ヘッド装置は、収差検出部６４により検出される情報記録面において光ビーム５１ｄに発生する収差の量を光学系の収差の補正の指標に用いて位相制御素子を制御するよう構成されていたが、このような構成に限るものではなく、例えば、光検知器６２により検出される光ディスク５９に記録された情報データの再生信号の品質を指標に用いて、前記再生信号の品質がほぼ最良となるように位相制御素子を制御する構成であってもよい。

上記した実施の形態１〜３に係る位相制御素子において、電圧によって屈折率制御可能な電圧能動型材料（異方性層）として液晶を用いたが、これに限ったものではなく、例えばポッケルス効果により電圧によって屈折率が変化するような他の電圧能動型材料として構成してもよい。

また、本発明の実施の形態１〜３に係る位相制御素子は、本発明の実施の形態４で説明した光ヘッド装置のみならず、他の装置（例えば光学式映像装置や画像装置）に適用してもよい。

本発明の実施の形態１に係る位相制御素子の構成を示す図である。本発明の実施の形態１に係る位相制御素子における透明誘電体の誘電率分布の一例を示す特性図である。本発明の実施の形態１に係る位相制御素子における透明誘電体の誘電率分布の他の例を示す特性図である。本発明の実施の形態１に係る位相制御素子の別の構成例を示す概略図である。本発明の実施の形態２に係る位相制御素子における透明誘電体の誘電率分布の一例を示す特性図である。本発明の実施の形態３に係る位相制御素子の構成を示す図である。本発明の実施の形態３に係る位相制御素子における透明誘電体の誘電率分布の一例を示す特性図である。本発明の実施の形態４に係る光ヘッド装置の基本構成を示す図である。

符号の説明

１ａ，１ｂガラス基板、２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ，３２ｅ，３２ｆ，３２ｇ透明誘電体、３ａ，３ｂ液晶層、４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ配向膜、５ａ，５ｂ，５ｃ透明電極、６ａ，６ｂ電源、２１透明誘電体層、５０半導体レーザ、５１ａ，５１ｂ，５１ｃ，５１ｄ，５１ｅ光ビーム、５２集光レンズ、５３ビームスプリッタ、５４位相付加手段、５５波長板、５６第１のレンズ、５７第２のレンズ、５８対物レンズ群、５９光ディスク、６０レンズホルダ、６１センサレンズ、６２光検知器、６３電圧ドライバ、６４収差検出部。

Claims

電気的及び光学的な異方性を有する少なくとも一つの異方性層と、
透明性を有する少なくとも一つの誘電体層と、
前記誘電体層と前記異方性層とが間に位置するように設けられた少なくとも一対の透明電極と、
前記少なくとも一対の透明電極の間に電圧を印加する電圧印加手段と
を備え、
前記誘電体層が、前記電圧印加手段により印加される電圧によって前記異方性層に層面内での屈折率分布を生じさせるような層面内での誘電率分布を有していることを特徴とする位相制御素子。
前記異方性層に生じる屈折率分布が、前記異方性層の層面の中心に対して対称な略二次曲線状の屈折率分布であることを特徴とする請求項１に記載の位相制御素子。
前記異方性層に生じる屈折率分布が、球面収差の位相関数に対応する屈折率分布であることを特徴とする請求項１に記載の位相制御素子。
前記異方性層に生じる屈折率分布が、非点収差又はコマ収差の位相関数に対応する屈折率分布であることを特徴とする請求項１に記載の位相制御素子。
前記誘電体層は、その層面内において複数の領域を有し、
各領域の誘電率が階段状に変化することで、前記誘電体層の前記誘電率分布を形成していることを特徴とする請求項１から４までのいずれか１項に記載の位相制御素子。
前記異方性層は液晶層であり、
前記液晶層に接するように配向膜が形成されていることを特徴とする請求項１から５までのいずれか１項に記載の位相制御素子。
光ビームを射出する光源と、
前記光ビームを光ディスクの情報記録面に集光する集光手段と、
前記光源から前記集光手段に至る光路中に設けられ、前記光ビームの位相を電圧により制御する位相付加手段と、
前記光ディスクで反射された光ビームを受光して出力信号を検出する検出手段と、
前記検出手段により検出された前記出力信号に基づき、前記位相付加手段への前記電圧を制御する電圧制御手段と
を備え、
前記位相付加手段として、請求項１から６までのいずれか１項に記載の位相制御素子を用いることを特徴とする光ヘッド装置。