JP4508048B2 - 液晶レンズおよび光ヘッド装置 - Google Patents

Description

本発明は、液晶レンズおよび光ヘッド装置に関する。

特許文献１には、フレネルレンズ面と液晶層とを組み合わせて、電界印加により液晶の配向を変化させ、それによりフレネルレンズ面による回折効果の有無を切替えて焦点距離を変化させる、偏光選択性をもつ液晶レンズ、およびこの液晶レンズを用いた光ヘッド装置の発明が記載されている。ここで用いられている液晶層は、電圧非印加時には、透明基板面に対して平行な一方向に液晶が配向している。

また、特許文献２には、フレネルレンズ面とコレステリック液晶からなる液晶層とを組み合わせて、電圧印加により液晶層の配向状態を連続的に変化させることによりフレネルレンズ面による屈折力を変化させ、偏光方向と無関係に焦点距離を連続可変とした液晶レンズの発明が記載されている。

特許文献３には、ツイスト液晶を用いて、電圧印加により液晶層の配向状態を変化させて、偏光方向と無関係に、焦点距離を変化させる液晶レンズ、およびこの液晶レンズを用いた光ヘッド装置の発明が記載されている。

特開平９−２３０３００号公報 特開平５−３４６５６号公報 特開平１０−１８８３３２号公報

光記録媒体の情報記録面に光を照射して情報を読み出したり書き込んだりする、光ヘッド装置において、２層の情報記録面をもつ光ディスクなど、種々の光記録媒体に対応するために、屈折力可変な、２焦点あるいはそれ以上の多焦点切替え可能なレンズが求められている。また、このような光ヘッド装置においては、光源から光記録媒体に至る往路と、光記録媒体から光検出器に至る復路とで偏光方向が異なる直線偏光を利用する偏光光学系が用いられるため、直線偏光の偏光方向によらず使用可能であることが求められる。

特許文献１に記載された液晶レンズでは、電圧非印加時に液晶が、透明基板面に対して平行な一方向に配向した液晶層を用いるので、この配向方向と平行な偏光方向の直線偏光に対しては、屈折力可変であるが、配向方向と直交する偏光方向の直線偏光に対しては、屈折力を変化させることができない。そのため、偏光方向によらず屈折力可変とするためには、２枚の液晶レンズを、それぞれ液晶レンズの液晶の配向方向を直交させて積層する必要がある。このような積層液晶レンズは液晶レンズの構造が複雑化して大きさや重量が嵩むため、光ヘッド装置に用いる場合には、調整を要したり、小型化が難しくなったりする問題がある。

特許文献２のコレステリック液晶を用いた液晶レンズは、入射光の偏光方向に無関係に焦点距離を可変であるが、屈折型レンズであるため、所望の屈折力を発生させるためにはフレネルレンズ面の凹凸差を大きくする必要がある。このような凹凸差が大きな凹凸形状は作製が難しいため、作製に高コストを要し、さらに、厚い液晶層の駆動に高電圧を要し、応答速度が遅くなる問題点がある。また、入射光の波長に対して、用いられるコレステリック液晶のらせん構造のピッチが大きくなり、そのため、直線偏光の入射光に対して、旋光により出射光の偏光方向がずれたり、楕円率が大きくなったりする問題がある。

特許文献３に記載された、ツイストした液晶を用いた液晶レンズでは、偏光方向と無関係に焦点距離を変化させることができるが、ツイストした液晶による旋光により、入射した直線偏光は、偏光方向が回ったり楕円偏光に変化されたりして出射される。そのため、偏光光学系を用いる光ヘッド装置に用いようとすると、所望の光の利用効率が得られない問題がある。

すなわち、本発明は、従来技術の液晶レンズが有する上述の問題を解決することを目的として、直線偏光の入射光に対して偏光方向によらず屈折力可変であって、さらのそのとき、偏光方向を変化させない液晶レンズを、複雑な構成を用いることなく実現し提供することを目的とする。

すなわち本発明は、対向配置された２枚の透明基板と、前記２枚の透明基板に挟持された液晶層と、を備える液晶レンズであって、前記２枚の透明基板の少なくとも一方の対向面上には、屈折率がｎ_Ｓの透明な等方性材料からなり鋸歯状の断面形状をもつ輪帯状の凸部が同心円状に形成されたフレネルレンズ面が設けられていて、前記液晶層は、誘電異方性が正の、コレステリック液晶、またはカイラル剤が添加されたネマチック液晶からなる液晶を、前記凸部の間および２枚の透明基板間を埋めるように充填して形成され、外部から電圧を印加可能とされていて、液晶層の面内方向での平均屈折率が電圧非印加時のｎ_１から電圧印加時のｎ_２まで変化されるとき、｜ｎ_１−ｎ_Ｓ｜および｜ｎ_２−ｎ_Ｓ｜のいずれかが実質的にゼロに等しく、他方がΔｎであって、フレネルレンズ面の凸部の高さをｄ［ｎｍ］、前記液晶レンズを用いる光の波長をλ［ｎｍ］とすると、
Δｎ・ｄ＝ｍ・λ （ただし、１は自然数）
であることを特徴とする液晶レンズを提供する。

この場合、前記鋸歯状の断面形状が、所望の鋸歯状形状を階段形状に近似した断面形状とすることが好ましい。この構成によると、凸部の作製が容易となる。
また、前記のコレステリック液晶、またはカイラル剤が添加されたネマチック液晶の液晶分子のねじれピッチＰ［ｎｍ］は、
１００≦Ｐ≦０．５・λ
とすることが好ましい。この構成とすると、前述の効果に加えて、直線偏光の入射光に対して、偏光状態が実質的に、旋光により偏光方向が変化したり、楕円偏光に変化したり、することなく、屈折力可変の液晶レンズが提供される。

また、前記２枚の透明基板間の距離Ｇ［ｎｍ］が、
ｄ＋１００≦Ｇ≦２０・Ｐ
とすることが好ましい。この構成とすると、前述の効果に加えて、前記透明電極間で導通が生じ難いとともに、駆動に高電圧を要さず、また高透過率の液晶レンズが提供される。
更に、前記フレネルレンズ面の凸部の屈折率ｎ _ｓ は、電圧非印加時における前記液晶層の屈折率ｎ _１ ＝（ｎ _ｏ ＋ｎ _ｅ ）／２と実質的に等しいとともに、電圧非印加時と電圧印加時で、屈折力を持たない状態と１次回折により屈折力をもつ状態とを切り替え可能であることを特徴とする液晶レンズである。
また、前記フレネルレンズ面の凸部は、ＳｉＯｘＮｙにより形成されていることを特徴とする。
また、前記透明基板における前記液晶層と接する面には、水平配向膜が形成されていることを特徴とする。
また、前記Δｎは、０．０５〜０．３の範囲内であることを特徴とする。

また、本発明は、光源と、偏向手段と、液晶レンズと、位相板と、光検出器とを備えた光ヘッド装置であって、前記光源は、直線偏光の光束を出射する光源で、前記偏向手段は、入射した直線偏光を、偏光方向に応じて所定の方向へ出射させる偏向手段で、前記液晶レンズは請求項１〜４のいずれか１項に記載の液晶レンズであって、光源から出射された光束は、前記偏向手段により前記液晶レンズを経て前記位相板に入射され、前記位相板により円偏光に変換されて光記録媒体へ照射され、光記録媒体の情報記録面で反射され逆回りの円偏光となった戻り光は、前記位相板により光源からの光束と直交する偏光方向の直線偏光に変換され、前記液晶レンズを経て前記偏向手段により光検出器へ出射され、光検出器により情報記録面に記録された情報が読み取られる光ヘッド装置であって、電圧印加により前記液晶レンズの屈折力を切り替えることにより、複数の情報記録面をもつ光記録媒体の、異なる情報記録面に記録された情報を読み取り可能とされた光ヘッド装置を提供する。

本発明の液晶レンズによれば、偏光方向が直交する直線偏光の入射光に対して、偏光方向によらず屈折力を変化させることができる。また、このような機能を、複雑な構成を用いることなく平板型素子で実現できるので、小型薄型化が容易である。これにより、本発明の液晶レンズは、偏光光学系を用いた光ヘッド装置において好ましく用いることができる。すなわち、２層の情報記録面をもつ光記録媒体や、情報記録面上の保護層厚さが異なる種々の光記録媒体に対して、再生・記録をおこなう光ヘッド装置に用いると、機械的な駆動機構を用いることなく焦点位置の切り替えることが可能となる。

以下、本発明を、図面を用いて説明するが、本願発明の液晶レンズは、本明細中に記載した以外にも多種の実施形態があり、以下の説明に限定されない。
図１に概略断面図を示す本願発明の液晶レンズ１００は、フレネルレンズ面３が設けられた透明基板１と、もう一枚の透明基板２とを、周囲に形成されたシール８を介して所望の基板間隔Ｇ［μｍ］で対向配置して空セルを形成し、次いでフレネルレンズ面３の凸部および基板間を埋めるように液晶を充填して液晶層９を形成して作製される。このとき、フレネルレンズ面３が形成された面は、対向面側とされる。また、それぞれの透明基板１、２には、透明電極４、５が備えられていて、外部電源１０を用いて液晶層９に電圧を印加可能とされている。

本発明の液晶レンズは用いることが出来る波長は特に制約されないが、波長λ［ｎｍ］は、３９０〜１７００ｎｍの波長範囲、さらには３９０〜８００ｎｍの波長範囲から選ばれることが好ましい。
透明基板には、本発明の液晶レンズを用いる波長の光に対して透明な材料からなる平板基板であれば用いることが可能で、ガラス基板が好ましく用いられるが、ポリエチレンテレフタレートやポリカーボネート、アクリルなどの透明樹脂基板を用いてもよい。ガラス基板としては、光学ガラスや石英ガラスからなるガラス基板が好ましく用いられる。透明基板の厚さは０．０５〜１．０ｍｍが例示されるが、これに限定されない。

透明電極としては、ＩＴＯ、アンチモンやフッ素などがドープされた酸化錫、アルミニウムやガリウムなどがドープされた酸化亜鉛、からなる透明導電膜が好ましく例示されるが、これらに限定されない。必要に応じて、それぞれの透明電極に対して、外部信号源から電圧を印加するための端子部や配線パターンが形成される。フレネルレンズ面３が設けられた透明基板１については、透明電極４は、後述する図３のようにフレネルレンズ面３の上に形成してもよく、あるいは、図１のようにフレネルレンズ面３と透明基板１との間に形成してもよい。フレネルレンズ面の上に形成する構成とする場合には、フレネルレンズ面の上に形成された透明電極、あるいは、対向基板の透明電極のいずれかまたは両方について、短絡を防ぐための絶縁膜を、透明電極上にさらに形成することが好ましい。

シールは、液晶を封入できれば材質は問わず、エポキシやアクリルなどの樹脂系接着剤が取り扱いが容易で好ましい。熱やＵＶ光の照射により硬化可能なものが好ましく、また、シール剤中にガラスファイバやガラスビーズ等のスペーサを混入すると、所望の基板間隔を容易に得られて好ましい。ここで基板間隔Ｇは、フレネルレンズ面３が設けられた透明基板１の凸部の一番低い場所から、他方の透明基板２の最表面までの距離とする。すなわち、凸部上に透明電極や絶縁膜が設けられている場合には、基板間隔Ｇは、凸部の一番低い場所に形成された、透明電極、絶縁膜、および後述の配向膜の表面から、他の透明基板最表面までの距離をいうものとする。

対向する透明基板の少なくとも一方の対向する面上に、透明な等方性材料からなるフレネルレンズ面３が設けられる。フレネルレンズ面は、図１のように一方の透明基板にのみ設けてもよく、あるいは両方の透明基板に設けてもよい。

フレネルレンズ面は、同心円状に形成された、鋸歯状の断面形状をもつ輪帯状の凸部からなり、同心円状の中心が、液晶レンズの光軸とされる。フレネルレンズ面の光学設計は、既知の位相関数法を用いておこなうことができる。すなわち、液晶レンズの光軸中心である輪帯状の中心からの距離ｒの関数である位相関数ＯＰＤ（ｒ）：
ＯＰＤ（ｒ）＝ａ_２ｒ^２＋ａ_４ｒ^４＋ａ_６ｒ^６＋・・・ （１）
（ａ_２、ａ_４、ａ_６、・・・・は各項の係数）
を用いて、各項の係数ａ_２、ａ_４、ａ_６、・・・をパラメーターとして、設計をおこなうことができる。ただし（１）式の光路長差ＯＰＤ（ｒ）［μｍ］単位で、ｒは［ｍｍ］単位である。また、（１）式の位相関数以外の関数系を用いて設計してもよい。さらに非球面レンズや、回転対称ではないアナモルフィックなレンズを表現できる関数系を用いてもよい。

（１）式で表記される位相関数ＯＰＤ（ｒ）曲線の具体例を図４に示す。プロットＰ１およびＰ２は、各位置ｒにおける、光軸中心（ｒ＝０）に対する位相差のプロットで、入射光波長λ［ｎｍ］を単位として表わされている。位相が揃ったコヒーレントな波長λの入射光の場合、入射光波長λの整数倍の位相差をもつ透過波面は同等とみなせるので、Ｐ１、Ｐ２のプロットを波長λ間隔で分割して位相差ゼロの面に移動した鋸歯状のプロットＦ１、Ｆ２は、それぞれプロットＰ１、Ｐ２と実質的に同等の位相差である。したがって、波長λを中心とする波長帯の入射光に対して、プロットＦ１、Ｆ２に相当する鋸歯状の断面をもつ輪帯状の凸部すなわちフレネルレンズ面により、プロットＰ１、Ｐ２と比べて低い凸部高さｄ［ｎｍ］で同等の屈折力が得られる。

凸部の高さｄは、発生する光路長差、すなわち、凸部の高さｄと、フレネルレンズ面を形成する透明材料と凸部の間を埋める媒質との屈折率差Δｎと、の積が、入射光波長λと、以下の関係となるように決められる。

Δｎ・ｄ＝ｍ・λ （ｍは自然数） （２）
この構成とすると、電圧印加時に、フレネルレンズ面でのｍ次回折により屈折力をもたせることができる。このようなフレネルレンズ面を用いた液晶レンズは、凸部高さが低くてよいため加工が容易になって好ましい。また、液晶層が薄くなるため低電圧で駆動可能となる。

ｍは３以下の自然数とすると、凸部高さが低くなって加工および駆動の点から好ましい。ｍ＝１とすると凸部高さが最も低くなって加工が容易となり、より好ましい。また、ｍを値が小さい自然数とすると、より広い波長範囲の光に対して高い回折効率が得られるようになるという点からも好ましい。ｍを３以下の自然数とすると、入射光波長λが±５％の幅で変動しても９０％以上の回折効率が得られる。
さらに、凸部の高さｄが１０μｍ以下となるように、入射光波長λ、ｍおよび液晶層のΔｎの組合せを選ぶと、フレネルレンズ面の加工が容易となって好ましい。

このフレネルレンズ面は、透明基板１を切削、プレス、あるいはフォトリソグラフィグラフィとエッチング等の手法により加工して形成することができる。あるいは、透明基板１上に透明材料からなる透明層を形成して同様の手法で加工したり、所望の形状の凸部を直接モールドしたりして形成してもよい。透明層を形成するための透明材料としては、用いる波長の光に対して吸収をもたない等方性材料であればよい。具体的には、紫外線硬化樹脂や熱硬化樹脂、感光性樹脂などの有機材料でもよく、ＳｉＯ_２やＡｌ_２Ｏ_３、Ｓｉ_３Ｎ_４やＳｉＯ_ｘＮ_ｙ（ｘとｙはＳｉに対するＯとＮの原子数比を表す）などの無機材料でもよい。無機材料の中ではＳｉＯ_ｘＮ_ｙ膜が、成膜条件によりｘ、ｙを変化させて所望の屈折率に調整可能で、透明性、耐久性にも優れるので好ましい。

また、凸部の断面形状を、前述の鋸歯状に代えて、所望の鋸歯形状を階段状で近似した形状とすると、フォトリソグラフィおよびエッチングにより容易に作製することができて好ましい。その場合、階段のステップ数は４ステップ以上とすることが好ましく、８ステップ以上とすると高い光の利用効率が得られて特に好ましい。

充填する液晶は、正の誘電率異方性を持ち、配向構造にねじれを持つものであればよく、コレステリック液晶、カイラル剤を添加したネマチック液晶、キラルスメクチック相を示す液晶を用いることができるが、特にカイラル剤を添加したネマチック液晶が、カイラル剤の添加量によりねじれピッチを制御することができるため好ましく用いられる。ねじれの方向は時計回りでも反時計回りでもよい。

充填する液晶の液晶分子は、電圧非印加時には基板面に対して平行でかつ法線方向を軸としてねじれた状態となっていて、直線偏光の入射光に対して液晶層が示す屈折率ｎ_１は、偏光方向によらず（ｎ_ｏ＋ｎ_ｅ）／２である。電圧印加時には液晶分子は、基板面に対して垂直に揃った状態となっているので、直線偏光の入射光に対して示す屈折率ｎ_２はｎ_ｏである。

液晶層が電圧非印加時および印加時に示す屈折率ｎ_１およびｎ_２のいずれかは、前述のフレネルレンズ面を構成する透明な等方性材料の屈折率ｎ_Ｓと実質的に等しくされる。液晶層が示す屈折率ｎ_１およびｎ_２のうち、フレネルレンズ面の屈折率ｎ_Ｓと実質的に等しくされなかった方とｎ_Ｓとの屈折率差Δｎは０．０５〜０．３とすることが好ましい。Δｎを０．０５以上とすると、低い凸部の高さで、充分な回折効率が得られるので好ましい。０．３以下とすると、耐光性の良好な液晶を用いることができて良好な素子の信頼性が得られて好ましい。

液晶のねじれピッチＰは、入射光の波長λの０．５倍以下、あるいは０．８倍以上３倍以下とすると、直線偏光の入射光に対して、旋光角を実質的に変化させず、また楕円率を大きくすることなく、回折させることができるので良好な屈折力が得られて好ましい。すなわち、液晶のねじれ構造による選択反射、および直線偏光の入射光に対する出射光の旋光角を小さく抑えるためには、ねじれピッチを波長λの０．５倍以下、あるいは０．８倍以上とすることが好ましい。直線偏光の入射光に対して出射光の旋光角と楕円率を小さく抑えるためには、ねじれピッチを入射光の波長の３倍以下とすることが好ましい。また、液晶レンズを低駆動電圧で駆動するためには、ねじれピッチが１００ｎｍ以上の液晶を用いることが好ましい。

また、両基板間に挟持された液晶のねじれの巻き数が多いと、液晶層の配向状態を変化させるのに高電圧を要したり、電圧を印加状態から非印加状態に切替えたときに液晶の配向状態が乱れて、それによる散乱が生じて高透過率を得られなかったりするおそれがある。すなわち、基板間隔Ｇ［ｎｍ］をねじれピッチＰの２０倍以下とすると、３０Ｖ以下の駆動電圧で駆動できるようになって好ましい。１０倍以下とすると高透過率が安定して得られるのでより好ましい。しかしながら本発明における基板間隔Ｇ［ｎｍ］は、本発明の効果を損なわない範囲でねじれピッチＰの１０倍超あるいは２０倍超としてもよい。
また、基板間隔Ｇは、液晶層を形成時に液晶の注入を容易にするために、フレネルレンズ面の凸部の高さｄに対して（ｄ＋１００）［ｎｍ］以上とすることが好ましい。

次に本発明の液晶レンズの作用について、図３を用いて説明する。図３は、電圧非印加時（ａ）および電圧印加時（ｂ）における、本発明の液晶レンズの断面の一部の構造と作用を示した概略図である。図３の液晶レンズでは、フレネルレンズ面が形成された基板の透明電極は、フレネルレンズ面上に形成されている。また、フレネルレンズ面は、屈折率が（ｎ_ｏ＋ｎ_ｅ）／２と実質的に等しい透明材料で形成されている。

図３の液晶レンズは、電圧非印加時には、液晶層とフレネルレンズ面とは屈折率差を持たないので、直線偏光の入射光は、フレネルレンズ面で回折されることなく直進透過される。このとき、液晶層の液晶分子は基板面に対して平行でかつ法線方向を軸としてねじれた状態（ねじれ配向）となっているが、（３）式に示すＶ_Ｃｈ−Ｎ以上の電圧を印加すると、液晶のねじれが解けて、液晶分子が基板面に対して平行に揃った平行配向状態へと転移する。

ここで、（３）式において、Ｐ：ねじれピッチ、ｄ：セルギャップ、Ｋ_２２：ねじれの弾性定数、ε_ｏ：真空の誘電率、Δε：液晶分子の長軸方向と単軸方向の比誘電率の差である。

そのため、電圧印加時には、液晶層の液晶分子は、図３（ｂ）に示したように基板面に対して垂直に揃った配向状態となり、入射光の偏光方向によらず常光屈折率ｎ_ｏを示す。そのため、入射した直線偏光の入射光は、フレネルレンズ面と液晶層との屈折率差を感じてｍ次回折され、液晶レンズは屈折力を持ち、液晶レンズにより集光あるいは発散されて出射される。すなわち、電圧非印加時の屈折力を持たない状態（ｍ＝０の平板の状態）と、屈折力をもつ状態（ｍ次回折させ、屈折力をもつ状態）とを切替え可能な液晶レンズが得られる。

液晶層に用いる液晶は、（３）式で求められる電圧値Ｖ_Ｃｈ−Ｎが、３０Ｖ以下となるような、ねじれの弾性定数Ｋ_２２や、比誘電率の差Δεをもつ液晶材料とすると、低電圧駆動が可能になり、簡単な駆動回路で駆動できるようになって好ましい。２０Ｖ以下となるような液晶材料とすることがより好ましい。

前記それぞれの透明基板の液晶層と接する面に水平配向処理を施すと、液晶の配向の安定性が向上して好ましい。この配向処理としては、ポリイミドなどの配向膜を形成し、表面を一方向にラビングする配向処理法が好適に用いられるが、その他、光配向や、酸化ケイ素等の斜め蒸着や、イオンビーム照射したダイヤモンドライクカーボン膜なども用いることができる。

前記配向処理は、対向する透明基板間で、それぞれの水平配向処理方向が互いに直交するように施すことがより好ましい。電圧印加により垂直配向された状態であっても、基板面近傍の液晶分子は、水平配向処理の配向規制力により配向処理方向に近い方向を向いているため、この方向に振動する直線偏光に対しては、異常光屈折率に近い屈折率を示し、これと直交する偏光方向の直線偏光に対しては常光屈折率に近い屈折率を示す。前記方向に水平配向処理を施すことにより、面内のいずれの方向に偏光した直線偏光に対しても、常光屈折率と略等しい、同じ屈折率を示すようにできるためである。

ここまでは、フレネルレンズ面を、（ｎ_ｏ＋ｎ_ｅ）／２に等しい屈折率をもつ透明材料で形成し、電圧非印加時に平板として作用し、電圧印加時に正または負の屈折力を持たせた構成について説明したが、フレネルレンズ面を、屈折率がｎ_ｏに等しい透明材料で形成する以外は同様の構成により、電圧非印加時に正または負の屈折力を持ち、電圧印加時に平板として作用させる液晶レンズとすることも好ましい。いずれの構成であっても、入射光の偏光方向に依らずに使用可能な液晶レンズとして好ましく用いることができるが、フレネルレンズ面を、屈折率が（ｎ_ｏ＋ｎ_ｅ）／２に等しい透明材料で形成した前者の構成とすると、電圧印加時および非印加時のいずれの状態でも旋光をより少なくできるため、好ましい。

本発明の液晶レンズは、入射光の偏光方向によらず、外部電圧により屈折力を切替えることができるので、情報記録面の保護層厚さが異なる複数の光記録異媒体や２層の情報記録面をもつ光記録媒体に対して読み書きをおこなう、偏光光学系を用いた光ヘッド装置に好適に用いることができる。２層光ディスクとしては、ＤＶＤや高密度光ディスクなどが例示される。図５は、本発明の液晶レンズを搭載した光ヘッド装置の概略構成の一例を示すブロック図であり、この光ヘッド装置は、光源１０１と、偏光ビームスプリッタ１０２と、コリメータレンズ１０３と、本発明に係る液晶レンズ１００と、４分の１位相板１０４と、対物レンズ１０５と、集光レンズ１０７と、光検出器１０８と、を備えていて、２層の情報記録面が設けられた光ディスク１０６に対して、情報記録面を切替えて情報を記録および／または再生をおこなう。なお、本発明の液晶レンズを用いた光ヘッド装置は、この例に限定されない。また、上述の光学素子以外に、光路の切替えや合波、分波、あるいはフォーカスエラー信号などの信号光発生などのために、さらに、回折格子、ホログラム素子、偏光依存性選択素子、波長選択性素子、波面変換手段などの光学素子または機構部品を適宜組み合わせて適用することができる。

光源１０１としては、波長７８０ｎｍ帯、６６０ｎｍ帯および４０５ｎｍ帯のいずれかの波長を出射する半導体レーザが用いられる。あるいは、複数の波長を出射する多波長光源であってもよく、あるいは、光源波長の異なる複数の半導体レーザからの光束を合波して用いてもよい。

光源１０１から出射された、偏光方向が紙面と平行なＸ方向の直線偏光の光束は、偏光ビームスプリッタ１０２を透過した後、コリメータレンズ１０３により平行光束とされ、液晶レンズ１００を経て４分の１位相板１０４に入射して円偏光に変換され、対物レンズ１０５により、光記録媒体１０６に備えられた情報記録面である、第１記録層１０６ａまたは第２記録層１０６ｂに集光、照射される。情報記録面により反射されて逆回りの円偏光となった戻り光は、再度、対物レンズ１０５を通過して４分の１位相板１０４に入射して入射光の偏光方向と直交する偏光方向の直線偏光に変換され、液晶レンズ１００を経て、平行光束としてコリメータレンズ１０３に入射し、偏光ビームスプリッタ１２により反射されて、集光レンズ１０７により集光されて光検出器１０８に入射する。このとき、液晶レンズ１００に対して、外部からの電圧印加により屈折力を切替えて、光源１０１から光記録媒体１０６に至る往路において、第１記録層６００ａまたは第２記録層６００ｂのいずれに集光、照射されるかを制御される。

また、光記録媒体１０６から光検出器１０８に至る復路において、液晶レンズ１００に入射する戻り光は、往路とは直交する偏光方向を持つ直線偏光であるが、液晶レンズ１００は偏光方向によらず同じ屈折力を発生させるため、往路と同様に屈折させる。それにより、第１記録層１０６ａ、第２記録層１０６ｂのいずれにより反射された戻り光も、液晶レンズ１００以降は同じ光路を同様に進行する。

図５の光学系では対物レンズ１０５は、光源１０１からの光束の球面収差が、液晶レンズ１００が屈折力を持たない状態のときに、対物レンズ１０５に近い第１記録層１０６ａ上において最小となるように構成されている。このとき、第２記録層１０６ｂに対しては、対物レンズ１０５からの距離およびカバー厚、すなわち光記録媒体１０６の表面から該記録層までの距離が、第１記録層１０６ａと異なるため球面収差が発生して、第２記録層１０６ｂからの情報は読み出されない。

外部からの印加電圧を切替えて液晶レンズ１００が屈折力を持つ状態とし、光源１０１からの光束を平面波に負のパワー成分を付加した発散光として対物レンズ１０５に入射させると、光源１０１からの光束を前述の球面収差を補正して第２記録層１０６ｂ上に集光し、第２記録層１０６ｂに対して情報の読み書きをおこなうことができる。このとき、前述の場合とは逆に、第１記録層１０６ａに対しては、情報の読み書きはおこなわれない。

このようにして、液晶レンズ１００の液晶層への印加電圧の切り替えにより、球面収差を補正して、機械的な駆動をおこなうことなく、コンパクトな構成で、異なるカバー厚の記録層に対して読み書きをおこなうことができる。

以上の説明では、液晶レンズとして、屈折力を持たない状態と負の屈折力をもつ状態とを切替える液晶レンズを用いた場合について説明したが、屈折力がゼロの状態と正の状態とを切替える液晶レンズを用いて、これを、屈折力を持たない状態で第２記録層１０６ｂ上に集光させる光学系をもつ光ヘッド装置と組み合わせて、記録層を切替えて読み書きをおこなうことも可能である。

また、本発明の液晶レンズはプレーナー素子であるため、４分の１位相板１０４をはじめ、フォーカスエラー信号を発生させる回折格子など、他の光学素子と積層一体化することが容易である。このように他の光学素子と積層一体化すると、光ヘッド装置の組立て調整が容易になるとともに一層の小型化が実現されて、好ましい。

本発明の液晶レンズの実施例を、図１の断面図および図２の平面図を用いて以下説明するが、本発明は以下の説明に何ら限定されない。
０．５ｍｍの厚さの石英ガラス基板１、２を用意し、その一方の面にスパッタリング法によりシート抵抗が３００Ω／□のＩＴＯ膜からなる透明電極４、５を形成し、外部から電圧印加できるようにパターニングして図２に示した端子取り出し部１１、１２を設ける。

一方の石英ガラス基板の透明電極上に、スパッタリング法により、波長４０５ｎｍにおける屈折率ｎ_ｓが１．６２のＳｉＯ_ｘＮ_ｙ膜（ｘとｙはＳｉに対するＯとＮの原子数比を表す）を形成し、フォトリソグラフィとエッチングにより図４のＦ１に示す断面形状をもつフレネルレンズ面３を作製する。ＳｉＯ_ｘＮ_ｙ膜の厚さは４．８μｍである。また、２枚の石英基板の透明電極形成面と反対側の面には、真空蒸着法により波長４０５ｎｍの光に対する反射防止膜（図示せず）を形成する。

２枚の石英ガラス基板１、２の透明電極４、５を形成した側の最表面に、厚さ５０ｎｍのポリイミド膜からなる配向膜（図示せず）を形成し、一方向にラビングして配向処理を施す。配向処理の方向は、それぞれの基板を対向配置したときに、互いに直交する方向とする。

石英ガラス基板２の周辺部に、直径５μｍのガラスファイバからなるスペーサを混合したシール剤を印刷してシール８を形成し、次いで、フレネルレンズ面３、透明電極４、５および不図示の配向膜が形成された面を対向させ、かつ配向処理方向が互いに直交するように、２枚の基板を重ね合わせて圧着して、フレネルレンズ面３の凸部の高さｄが４．５μｍで、対向する基板の最表面との間隔が５．０μｍの空セルを作製する。

波長４０５ｎｍにおける常光屈折率が１．５３、異常光屈折率が１．７１で、液晶分子長軸比誘電率と短軸比誘電率の差Δεが１０、ねじれ弾性定数Ｋ_２２が７×１０⁻¹²Ｎのネマチック液晶に、カイラル剤を、ねじれピッチＰが７００ｎｍとなるように添加量を調整して添加した液晶を、空セルの注入口（図示せず）から注入し、紫外線硬化樹脂により注入口を封止して、本例の液晶レンズ１００が得られる。この液晶のねじれピッチＰは、波長４０５ｎｍの約１．７倍である。また、両基板間の距離Ｇは、液晶のねじれピッチＰの約７．１倍であって、フレネルレンズ面の凸部の高さｄとの差は５００ｎｍである。

液晶層９に注入した液晶は、電圧非印加時には、液晶分子が基板面と平行でかつ液晶分子が向く方向が軸方向にねじれた配向となっていて、液晶層面内のいずれの方向の直線偏光に対しても屈折率１．６２を示す。すなわち、電圧非印加時には液晶層９とフレネルレンズ面３とは屈折率差をもたないため光路長差を発生させない。電圧印加時には、液晶層９とフレネルレンズ面３との屈折率差Δｎは０．０９で、Δｎ・ｄ＝０．０９×４５００＝４０５［ｎｍ］なる光路長差を発生させる。

得られた液晶レンズ１００の端子取り出し部１１、１２に対して外部信号源１０を接続し、液晶層に１ｋＨｚの矩形交流波電圧を印加すると、２０Ｖの印加電圧により、液晶層９の液晶の配向状態が変化して、基板面に対して垂直に揃った状態となった。

本例の液晶レンズに対して、波長４０５ｎｍの直線偏光を、偏光方向を変えて入射させ、液晶レンズ１００の動作を調べる。印加する電圧が０Ｖでは、偏光方向によらず、入射光は波面を実質的に変換されずに直進出射する。また、２０Ｖの電圧を印加すると、偏光方向によらず、本例の液晶レンズは凹レンズとして機能し、入射光は発散光に変換されて出射される。

本発明の液晶レンズによれば、直交する２つの直線偏光のいずれにも作用し、外部からの電圧印加により屈折力を可変できる液晶レンズが、液晶層１層で実現されるので、液晶レンズ素子が小型薄型化される。また、機械的可動部が不要である。これにより、液晶レンズを用いる光学系の小型薄型化が可能になり、低コスト化が実現される。このような、液晶レンズを用いる光学系としては、ＣＤ、ＤＶＤや、青色レーザを光源に利用する光記録媒体（光ディスク）への情報の記録および／または再生をおこなう光ヘッド装置が挙げられる。また、カメラ付き携帯電話や、デジタルカメラ、デジタルビデオ、内視鏡等の、モバイル製品や小型機器に用いられる可変焦点レンズとして、好ましく使用することができて、小型化、薄型化、可動部不要、等の特徴が得られる。

本発明の液晶レンズの構成を示す概略断面図である。 本発明の液晶レンズの構成を示す概略平面図である。 本発明の液晶レンズにおいて、電圧非印加時および印加時の液晶の配向状態および作用を示す概略断面図である。 本発明のフレネルレンズ面の位相差を示すグラフである。 本発明の液晶レンズを用いた光ヘッド装置の概略構成を示すブロック図である。

符号の説明

１、２：透明基板
３：フレネルレンズ面
４、５：透明電極
８：シール
９：液晶層
１０：外部電源
１１、１２：端子取り出し部
１００：液晶レンズ
１０１：光源
１０２：偏光ビームスプリッタ
１０３：コリメータレンズ
１０４：４分の１位相板
１０５：対物レンズ
１０６：光記録媒体
１０７：集光レンズ
１０８：光検出器

Claims (5)

1. 対向配置された２枚の透明基板と、前記２枚の透明基板に挟持された液晶層と、を備える液晶レンズであって、
   前記２枚の透明基板の少なくとも一方の対向面上には、屈折率がｎ_Ｓの透明な等方性材料からなり鋸歯状の断面形状をもつ輪帯状の凸部が同心円状に形成されたフレネルレンズ面が設けられていて、
   前記液晶層は、誘電異方性が正の、コレステリック液晶、またはカイラル剤が添加されたネマチック液晶からなる液晶を、前記凸部の間および２枚の透明基板間を埋めるように充填して形成され、外部から電圧を印加可能とされていて、液晶層の面内方向での平均屈折率が電圧非印加時のｎ_１から電圧印加時のｎ_２まで変化されるとき、｜ｎ_１−ｎ_Ｓ｜および｜ｎ_２−ｎ_Ｓ｜のいずれかが実質的にゼロに等しく、他方がΔｎであって、フレネルレンズ面の凸部の高さをｄ［ｎｍ］、前記液晶レンズを用いる光の波長をλ［ｎｍ］とすると、
   Δｎ・ｄ＝ｍ・λ （ただし、ｍは１）であって、
   前記鋸歯状の断面形状が、所望の鋸歯状形状を階段形状に近似した断面形状であり、
   前記のコレステリック液晶、またはカイラル剤が添加されたネマチック液晶の液晶分子のねじれピッチＰ［ｎｍ］が、
   １００≦Ｐ≦０．５・λであり、
   前記２枚の透明基板間の距離Ｇ［ｎｍ］が、
   ｄ＋１００≦Ｇ≦２０・Ｐであり、
   前記フレネルレンズ面の凸部の屈折率ｎ _ｓ は、電圧非印加時における前記液晶層の屈折率ｎ _１ ＝（ｎ _ｏ ＋ｎ _ｅ ）／２と実質的に等しいとともに、
   電圧非印加時と電圧印加時で、屈折力を持たない状態と１次回折により屈折力をもつ状態とを切り替え可能である
   ことを特徴とする液晶レンズ。
2. 前記フレネルレンズ面の凸部は、ＳｉＯｘＮｙにより形成されていることを特徴とする請求項１に記載の液晶レンズ。
3. 前記透明基板における前記液晶層と接する面には、水平配向膜が形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の液晶レンズ。
4. 前記Δｎは、０．０５〜０．３の範囲内であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の液晶レンズ。
5. 光源と、偏向手段と、液晶レンズと、位相板と、光検出器とを備えた光ヘッド装置であって、
   前記光源は、直線偏光の光束を出射する光源で、
   前記偏向手段は、入射した直線偏光を、偏光方向に応じて所定の方向へ出射させる偏向手段で、
   前記液晶レンズは請求項１〜４のいずれか１項に記載の液晶レンズであって、
   光源から出射された光束は、前記偏向手段により前記液晶レンズを経て前記位相板に入射され、前記位相板により円偏光に変換されて光記録媒体へ照射され、
   光記録媒体の情報記録面で反射され逆回りの円偏光となった戻り光は、前記位相板により光源からの光束と直交する偏光方向の直線偏光に変換され、前記液晶レンズを経て前記偏向手段により光検出器へ出射され、光検出器により情報記録面に記録された情報が読み取られる光ヘッド装置であって、
   電圧印加により前記液晶レンズの屈折力を切り替えることにより、複数の情報記録面をもつ光記録媒体の、異なる情報記録面に記録された情報を読み取り可能とされた光ヘッド装置。

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