JP4552556B2 - 液晶レンズ素子および光ヘッド装置 - Google Patents
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Description
従って、カバー厚が0.6mmの単層DVD光ディスクに対して収差がゼロとなるように最適設計された対物レンズを備えた光ヘッド装置を用いて、2層DVD光ディスクの記録・再生を行う場合、カバー厚の相違に応じて球面収差が発生し、情報記録層への入射光の集光性が劣化する。特に、記録型の2層DVD光ディスクにおいて、集光性の劣化は、記録時の集光パワー密度の低下もたらし、書き込みエラーを招くため問題となっている。
さらに、カバー厚が100μmと75μmの記録型の2層光ディスク(以下、「2層BD光ディスク」とよぶ)も開発されているが、この2層BD光ディスクにあっては、カバー厚の相違に応じて発生する大きな球面収差が書き込みエラーをもたらすため、問題となる。
(I)例えば、特許文献1には、可動レンズ群を用いて球面収差補正を行うために、図14に示すような、光ディスクDの記録・再生を行う光ヘッド装置100が提案されている。この光ヘッド装置100は、光源110と、各種の光学系120と、受光素子130と、制御回路140と、変調/復調回路150とのほかに、第1、第2の可動レンズ群160、170とを備えている。また、第1の可動レンズ群160には、凹レンズ161と、凸レンズ162と、アクチュエータ163とを備えている。従って、アクチュエータ163に固定された凸レンズ162を光軸方向に移動することにより、可動レンズ群160のパワーが正(凸レンズ)から負(凹レンズ)へと連続的に変わる焦点距離可変レンズ機能を発現する。この可動レンズ群160は、光ディスクDの光路中に配置することにより、光ディスクDのカバー厚の異なる情報記録層に入射光の焦点を合わせることができるため、パワー成分を含む球面収差の補正が可能となる。
ところが、図15に記載の液晶レンズの場合、印加電圧に対する液晶270の屈折率変化は最大0.3程度であるため、入射光の焦点を変化させるパワー成分に相当する大きな光路長差分布Δn×S(r)を発生させるためには、S(r)の凹凸差を大きくしなければならない。その結果、液晶270の層が厚くなり、電圧に対する応答速度が遅くなる。特に、単層および2層のDVD光ディスクやBD光ディスクの記録・再生において、カバー厚のばらつきや単層と2層の記録層の切り替えにより発生する波面収差の補正には1秒以下の応答性が必要となるため、問題であった。
そこで、パワー成分を除いた球面収差のみを補正すると、収差補正量すなわち光路長差分布を低減できるため、液晶層を薄くすることができ、高速応答化に有効である。しかし、球面収差のみを補正するように基板260の表面形状S(r)を加工した場合、光ディスクの情報記録層に入射光を集光する対物レンズの光軸と液晶レンズの光軸とが偏心したとき、コマ収差が発生する。特に、対物レンズが光ディスクの半径方向に±0.3mm程度移動するトラッキング動作時に、液晶レンズとの偏心に伴う大きな収差が発生し、情報記録層への集光性が劣化して記録・再生ができないといった問題が生じる。
しかしながら、この光変調素子の焦点位置は、微調整が困難であった。このため、カバー厚が100μmと75μmの時には有効であるが、光ディスクの製造ばらつきとして存在するカバー厚さには、十分な収差低減補正が可能ではなかった。具体的には、規格中心の厚さに対してそれぞれ100±5μm、75±5μmとカバー厚が±5μm変動するときに発生する球面収差50mλrms、さらには±10μm変動するときに発生する球面収差100mλrmsという大きな収差を低減することができなかった。このようにカバー厚の相違に応じて発生する大きな球面収差が充分補正できず、書き込みエラーや読み込みエラーを招くことがあり、有効な改善策が望まれていた。
また、本発明によれば、この液晶レンズを光ヘッド装置に備えることで、カバー厚の異なる光ディスクにより発生する収差を補正することができる。さらに、素子への入力端子数も3端子と少なく、制御性に優れ、小型化・低コストの光ヘッド装置を実現することができる。
図1は、本発明の実施形態に係る液晶レンズ素子10を示すものであり、この液晶レンズ素子10は、透明基板11、12(以下、第1、第2の基板11、12とよぶ)と、透明電極13、14が備えられ、シール15と、液晶層(液晶)16と、凹凸部17と、駆動電源回路18とを備えている。
液晶層16には、常光屈折率noおよび異常光屈折率ne(但し、no≠ne)を有するネマティック液晶を用いている。凹凸部17は、屈折率nsの透明材料を用いて形成しており、深さdを有する断面凹凸形状となっている。この凹凸部17は、好ましくは、鋸歯状または鋸歯を階段状で近似した形状を有するものであり、有効径φの領域では入射光の光軸(Z軸)に対して回転対称性を有する。
第1の基板11上には、鋸歯状の輪帯からなる凹凸部17を同心状に複数形成してあるとともに、この凹凸部17の表面(外面)には、鋸歯状の輪帯を同心状に複数形成した透明電極13を設けてある。
一方、第2の基板12上には、異なる電圧が印加可能となるように輪帯状に分割された電極セグメント14A(透明電極14)を設けている。この電極セグメント14Aは、第1の基板11の凹凸部17の各半径に対応して分割されている。
また、この透明電極13および透明電極14には、素子外部からの駆動電源供給用の端子電極19A〜19Cを設けている。ここでは、説明を簡単にするため、第2の電極を輪帯状の電極セグメントに分割した例で説明したが、第1の基板の電極を輪帯状に分割しても問題はない。
i)ホモジニアス配向:
液晶の異常光屈折率方向の比誘電率と常光屈折率方向の比誘電率との差である誘電率異方性△εが正の場合、図1において、透明電極13および14の表面に液晶分子の配向方向が、それぞれ、第1、第2の基板11、12面に略平行となるポリイミドなどの配向膜(図示せず)を塗布し、硬化後にX軸方向にラビング処理すると、X軸方向に液晶分子の配向方向(すなわち、異常光屈折率neの方向)が揃うホモジニアス配向となる。なお、ポリイミドのラビング処理以外に、SiO斜蒸着膜や光配向膜などを用いて液晶分子の配向を揃えてもよい。ここで、透明電極13、14に交流電圧Vを印加することにより、X軸方向の偏光面を有する直線偏光の入射光に対して、液晶層16の実質的な屈折率n(V)が、n1=neからn2=noまで変化する。
この構成により、液晶層16は低電圧で実質的な屈折率が大きな変化が得られるため、凹凸状の透明電極13の基板面を形成する凹凸部17の最大深さdを、比較的小さな値とすることができる。その結果、凹凸部17の形成工程が短縮されるとともに、液晶層16を薄くできるため、高速応答化につながる。
この配向を得るためには、初めに、凹凸部17上の透明電極13の表面に液晶分子の配向方向が基板面に略垂直となるポリイミドなどの配向膜(図示せず)を塗布後に硬化させる。ここで、平坦な透明電極14の表面には液晶分子の配向方向が基板面に平行となるポリイミドなどの配向膜(図示せず)を塗布後に硬化し、その後、X軸方向にラビング処理する。その結果、液晶分子の配向方向が凹凸部17の透明電極13では基板面に対して略垂直方向に揃い、透明電極14では基板面に対して略平行方向に揃うハイブリッド配向となる。凹凸部17の面にラビングによる均一な配向処理を施すことは難しいが、この場合、凹凸部17に配向処理が不要となるため、均一な液晶配向が得やすい。ここで、透明電極13、14に交流電圧Vを印加することにより、X軸方向の偏光面を有する直線偏光の入射光に対して、液晶層16の実質的な屈折率n(V)が、n1≒(ne+no)/2からn2=noまで変化する。
この構成により、液晶層16の配向は、平坦な透明電極14の基板面上の配向処理された配向膜により規定されるため、凹凸状の透明電極13の基板面上の配向膜の配向処理なしでも、液晶層16の配向方向は安定する。その結果、基板面の配向不良に起因した透過光の効率劣化が軽減できる。
この配向を得るためには、電界方向と垂直方向に液晶の配向が揃う誘電率異方性△εが負の液晶を用い、初めに、透明電極13および14の表面に、液晶分子の配向方向が基板面に略垂直となるポリイミドなどの配向膜(図示せず)を塗布後、硬化させる。さらに、透明電極14の配向膜にのみX軸方向にラビング処理する。その結果、液晶分子の配向方向が凹凸部17の透明電極13および14の基板面に対して略垂直方向に揃う垂直配向となる。凹凸部17の面に配向処理を施す必要がないため、均一な液晶配向が得やすい。ここで、透明電極13、14に電圧Vを印加すると、X軸方向の偏光面を有する直線偏光の入射光に対して、液晶層の実質的な屈折率n(V)がn1=noからn2=neまで変化する。
この構成により、液晶層16は低電圧で実質的な屈折率が大きな変化が得られるため、凹凸状の透明電極13の基板面を形成する凹凸部17の最大深さdを、比較的小さな値とすることができる。その結果、凹凸部17の形成工程が短縮されるとともに、液晶層16を薄くできるため、高速応答化につながる。さらに、液晶層16の配向は、透明平坦電極14の基板面上の配向処理された配向膜により規定されるため、凹凸状の透明電極13の基板面上の配向膜の配向処理なしでも液晶層16の配向方向は安定する。その結果、基板面の配向不良に起因した透過光の効率劣化が軽減できる。
はじめに、第1の基板11の一方の平坦面に、屈折率nsの透明材料で、断面が鋸歯状または鋸歯を階段状で近似した形状の凹凸部17を形成する。さらに、この凹凸部17の表面に透明電極13を形成する。ここでは、透明電極13を凹凸部17の表面に形成した例で説明するが、凹凸部17と基板11の間に形成してもよい。
さらに、図2(B)のように、輪帯状に分割された電極14が形成され基板12にギャップ制御材が混入された接着材を、印刷パターニングしてシール15を形成し、前述の透明基板11と重ね合わせ、圧着して空セルを作製する。このとき第1の基板11の凹凸部17の凸部と基板12の間隔をgとする。シール15の一部に設けられた注入口(図示せず)から常光屈折率noおよび異常光屈折率ne(但し、no≠ne)を有するネマティック液晶16を注入し、この注入口を封止して液晶16をセル内に密封し、本実施形態の液晶レンズ素子10とする。図では省略したが、透明電極14の表面に透明絶縁体膜を膜厚10〜200nm程度成膜して短絡防止とすることと、液晶の配向膜を作成することが好ましい。
このようにして、凹凸部17の少なくとも凹部に液晶を充填したのち、駆動電源回路18に図示外の交流電源を接続する。この接続方法としては、透明基板11側に駆動電源供給用の端子電極19B、19Cを形成するとともに、あらかじめシール15に導電性金属粒子を混入してシール圧着することにより、シール厚方向に導電性を発現させておき、透明電極14と端子電極19B、19Cとを導通する。また、これらの端子電極19B、19Cに駆動電源回路18を接続することで、液晶層16に電圧を印加できる。
このようにして、液晶レンズ素子10が完成する。
また、この凹凸部17は、第1の基板11の平坦面に所定の膜厚の透明材料層を形成した後、フォトリソグラフィや反応性イオンエッチングにより凹凸状に加工してもよいし、金型を用いて透明材料層に凹凸部形状を転写してもよい。なお、液晶層16は印加電圧に対して実質的な屈折率が大きな変化を得るために、この凹凸部17の凹部に充填される液晶層16の分子の配向方向は、透明電極13および14の面上で揃っていることが好ましい。
本発明の液晶レンズ10を光ヘッド装置に搭載し、液晶レンズ10に入射する平面波の透過波面において、光軸中心(座標原点:x=y=0)の光線に対して半径rの長さだけ離れた位置を通過する光線の光路長差OPDが、次式のようなベキ級数
波長λの入射光に対して、λの整数倍の光路長差をもつ透過波面は同等と見なせる。従って、図3のαで示すグラフ(光路長差)を波長λ間隔で分割して光路長差ゼロの面に射影した光路長差を示すグラフβは、グラフαと実質的に同等である。グラフβに示す光路長差は、全てλ以内(図中では−λからゼロの範囲)であり、断面が鋸歯状となっている。
まず、第2の基板12の透明電極14の分割された電極セグメントすべてを同じ電位とした場合について説明する。この場合、凹凸部17の凸部と第2の基板12との間隔g(以下、この間隔を「セルギャップ」とよぶ)にある液晶には、分割電極セグメント14Aに印加される電位が等しいときは、ほぼ同一の電圧が印加される。このため、このセルギャップ内の液晶の屈折率変化は、透過光の波面を一様にシフトするのみなので、この場合は無視することができる。
透明電極13、14間に電圧Vを印加したとき、異常光偏光の光に対する液晶層16(液晶)の実質的な屈折率をn(V)とすれば、透明材料からなる液晶層16と凹凸部17の屈折率差は△n(V)=n(V)−nsである。例えば、印加電圧V+1において、図3のグラフβに相当する透過波面の光路長差を生成するためには、図1に示す凹凸部17の深さdを、次式
ここで、印加電圧Vを変化させることにより屈折率差△n(V)が変化する。例えば、i)△n(V0)=0となる印加電圧V0では、液晶レンズ素子10の透過波面は変化しない。また、ii)△n(V-1)=−△n(V+1)となる印加電圧V-1では、図3のグラフγに示す光路長差の透過波面が生じる。これは、光路長差ゼロの面に対して図3のグラフβと面対称の光路長差の透過波面に相当する。
このように、透過波面変化なしの状態、図3のグラフβおよびγの波面状態の都合3種類の波面状態を印加電圧により作り出すことができる。また、屈折率nsをn1あるいはn2とほぼ等しくすると、透過波面は透過波面変化なし状態と、βあるいはγの状態のいずれかの2つの波面状態を作り出すことが可能である。
従って、印加電圧V+2において、図5のグラフβ2に相当する透過波面の光路長差を生成するためには、図11に示す凹凸部17の深さdを、次式
ここで、印加電圧Vを変化させることにより屈折率差△n(V)が変化する。例えば、
i)△n(V0)=0となる印加電圧V0において、液晶レンズ素子20の透過波面は変
化しない。また、
ii)△n(V+1)=△n(V+2)/2となる印加電圧V+1において、図5のグラフβ1に示す光路長差の透過波面が生じる。
iii)△n(V-1)=−△n(V+1)となる印加電圧V-1において、図5のグラフγ1に示す光路長差の透過波面が生じる。
iV)△n(V-2)=−△n(V+2)となる印加電圧V-2において、図5のグラフγ2に示す光路長差の透過波面が生じる。
このように、図5に示す鋸歯状または鋸歯を階段状で近似した断面形状の凹凸部、つまり図11における凹凸部17を用いれば、透過波面変化なしの状態、図3のグラフβ1、β2、γ1およびγ2の5種類の波面状態を、印加電圧により作り出すことができる。
図6には、波面変化なし状態(以後、「0状態」とよぶ)となる印加電圧V0と、グラフβの波面形状(光路長差:OPD)となる印加電圧V+1との中間電圧Vaにおける波面形状の一例を示す。同図に示すように、グラフβの波面状態は、鋸歯状の波面の凹凸の振幅(Step)が透過する波長λと一致(あるいは波長λの整数倍と一致)することにより、連続な波面形状を実現できるが、中間電圧Vaを印加した破線aの状態では、Stepが波長λと一致しない。そのため、透過波面は不連続となり透過率(回折効率)が低下し、波面収差も劣化して問題となる。
前述の様に、図6に示したグラフaの状態は、Stepがλと一致しない。そのため、図7に実線で示した光路長差bのように、Stepをλと一致させる必要がある。これは、凹凸輪帯毎の領域において、液晶に印加される電圧を変えることで実現できる。そこで、図8に、液晶に印加する電圧分布の例を示した。同図のように、輪帯領域毎に、つまりe1からe8まで、電圧がステップ状に変化するような電圧分布となるように、電圧値の変化量を低減させて印加する。液晶レンズ10の素子中央からk番目の輪帯ekと隣のk+1番目の輪帯ek+1の電圧の差δV(k,k+1)と、k−1番目とk番目の電圧の差δV(k−1、k)が異なるようにすると、各領域で液晶の実効的な屈折率が変化するので、OPDの領域間のStepは波長λと一致させることができる。このとき、液晶に印加する電圧は一様ではないため、光路長は、凹凸部17内の最大厚dでの液晶と、凸部と第2の透明電極14とのギャップ(g)内での液晶の屈折率変化を考慮する必要がある。本発明者によれば、このOPDの領域間Stepを波長と一致させる電圧分布には、次のような条件があることが判明した。その条件とは、
1. d=g、
2. δV(k−1,k)=2・δV(k,k+1)、
3. 最外周の液晶印加電圧は、(3)式や(4)式の関係を満たす、
以上の3点である。
即ち、両端子51、52間の電位差と各抵抗体51の抵抗値とにより、各電極セグメントe1〜e8に印加する電圧が決まる。従って、前述のδV(k−1,k)=2・δV(k,k+1)を満足するためには、ひとつの電極セグメント輪帯と外周側に隣合う電極セグメントとの間の抵抗値に対して、その電極セグメント輪帯と内周側に隣合う電極セグメントとの間の抵抗値が概ね2倍とする。つまり、素子中心からk番目とk−1番目の抵抗値をそれぞれRk、Rk-1としたとき、2・Rk=Rk-1となるように抵抗値を決定する。これにより、最内周電極セグメントe1と最外周電極セグメントe8との電位差δVをもつように2つの電圧のみを外部の駆動電源回路18により印加することで、各セグメントの電位差分布が、前述のδV(k−1,k)=2・δV(k,k+1)の関係を満たすことができる。
以上のように、δV(k−1、k)=2・δV(k、k+1)や2・Rk=Rk-1の関係を満たすことがもっとも好ましいが、δV(k−1、k)=x・δV(k、k+1)、y・Rk=Rk-1としたとき、xとyは、1.6から2.4の間であれば透過率や波面収差の大きな劣化を招くことがなく実用上好ましい。さらに、1.8から2.2の間であることが、同様の理由でさらに好ましい。
また、前述の凹凸部17の最大厚dとギャップ(g)は等しいことがもっとも好ましいが、d=z・gとしたとき、zは、0.8から1.2の間であれば、透過率や波面収差の大きな劣化を招くことがなく実用上好ましい。さらに、0.9から1.1の間であることが、同様の理由でさらに好ましい。
本実施形態の光ヘッド装置40は、波長λ(=405nm)の光源である半導体レーザ1と、回折格子2と、ビームスプリッタ3と、コリメータレンズ4と、対物レンズ5と、光検出器6との他に、位相板7と、液晶レンズ素子10とを、コリメータレンズ4と対物レンズ5との間の光路上に備えている。なお、位相板7は、液晶レンズ素子10に一体化することにより部品点数が削減できるため、好ましい。また、図13では、液晶レンズ素子10がコリメータレンズ4と対物レンズ5の間の光路中に配置された例を示すが、半導体レーザ1と対物レンズ5の間の光路中に配置されていればよい。
半導体レーザ1から出射するとともに、図13の紙面内に偏光面を有する波長λの直線偏光出射光は、回折格子2によりトラッキング用の3ビームを発生する。この3ビーム光は、ビームスプリッタ3で反射され、コリメータレンズ5により平行光化されて液晶レンズ素子10に入射する。そして、この液晶レンズ素子10を透過した光は位相板7により円偏光となり、対物レンズ5により光ディスクDの情報記録層に集光される。
なお、対物レンズ5は、フォーカスサーボおよびトラッキングサーボ用のアクチュエータ(図示せず)により、X軸方向およびZ軸方向に可動する。光ディスクDの反射面で反射された光は、再び対物レンズ5と位相板7を透過し、紙面と垂直方向の偏光面を有する直線偏光となって液晶レンズ素子10を透過して、コリメータレンズ4により、一部の光がビームスプリッタ3を透過して光検出器6の受光面に集光される。
(i)2層光ディスクL0層(カバー厚100μm)の場合:
光ディスクD中のカバー厚100μmの情報記録層への記録・再生においては、液晶レンズ素子10の透過波面が若干発散する球面波となるように、透明電極間に交流電圧V1を印加する。なお、第2の電極セグメント14Aの各電極セグメントe1〜e8間での電位差δV=0とする。このとき、凹凸部17に比べ液晶層16の屈折率が大きくなるため、図4の(A)に示すように、負のパワー、つまり凹レンズ相当の透過波面となる。すなわち、対物レンズ5により、カバー厚100μmの情報記録層に効率よく集光される。
(ii)2層光ディスクL1層(カバー厚75μm)の場合:
一方、2層光ディスクD中のカバー厚75μmの情報記録層への記録・再生においては、液晶レンズ素子10の透過波面が若干集光する球面波となるように、電極間に交流電圧V-1を印加する。このとき、凹凸部17に比べ液晶層16の屈折率が小さくなるため、図4の(B)に示すように、正のパワーすなわち凸レンズ相当の透過波面となる。すなわち、対物レンズ5により、カバー厚75μmの情報記録層に効率よく集光される。従って、液晶レンズ素子10の印加電圧をV0、V+1、V-1に切り替えることにより、カバー厚の異なる単層DVD光ディスクおよび2層DVD光ディスクに対して安定した記録・再生が実現する。
(iii)2層光ディスクL0層のカバー厚偏差がある(カバー厚>100μm)場合:
前述のカバー厚100μmの情報記録層へ記録・再生する場合の液晶レンズの設定では、たとえば、カバー厚が5μm薄い(95μmカバー厚)ディスクでは、球面収差が発生し、良好な記録・再生特性が得られない場合がある。そこで、液晶レンズ素子10の透過波面が若干集光する球面波(カバー厚100μmの情報記録層への記録・再生時よりも、若干集光焦点距離の長い球面波)となるように、最外周セグメント領域の液晶電極間には電圧V1を印加し、最内周の電極セグメント(例えば、図9においてe1)と最外周の電極セグメント(例えば、図9においてe8)の電位差δV≠0とする。これにより、図7の光路長差bのような波面を実現できる。すなわち、対物レンズ5により、カバー厚偏差がある情報記録層に効率よく集光される。
初めに、この液晶レンズ素子10の作製方法について説明する。
第1の基板(透明基板)11であるガラス基板上にSiOxNy(但し、x,yはOとNの元素比率を示す)をスパッタリング法により成膜する。この場合、例えばSiターゲットを用いるとともに、Arガスに酸素および窒素を混入した放電ガスを用いて、屈折率ns(=1.64)の透明な均一屈折率膜SiOxNyを成膜し、その膜厚をd(=3.5μmm)としている。
さらに、図3のグラフβの形状に相当するように、フォトマスクを用いたフォトリソグラフィにてレジストをパターニングした後、反応性イオンエッチング法によりSiOxNy膜を加工する。その結果、有効径φ(=5.0mm)の領域に、鋸歯形状を8段の階段形状で近似した断面形状で、入射光の光軸(Z軸)に対して回転対称性を有する、図1にその断面を示すような凹凸部17を加工する。
次に、凹凸部17の表面に透明導電膜(ITO膜)を成膜し、これを透明電極13とする。さらに、ポリイミド膜(図示せず)を透明電極13上に膜厚約50nmとなるよう塗布した後に焼成し、ポリイミド膜表面をX軸方向にラビング配向処理して配向膜とする。
さらにその上にポリイミド膜(図示せず)を膜厚約50nm塗布した後に焼成し、ポリイミド膜表面をX軸方向にラビング配向処理して配向膜とする。さらにその上に、直径7μmのギャップ制御材が混入された接着材を印刷パターニングしてシール15を形成し、第1の基板11と重ね合わせて圧着し、透明電極間隔が最大7μm、最小3.5μm(ギャップg=3.5μm)とし、d=gの空セルを作製する。
その後、ネマティック液晶を空セルの注入口(図示せず)から注入し、その注入口を封止して図1に示す液晶レンズ素子10とする。この液晶には、常光屈折率no(=1.50)および異常光屈折率ne(=1.75)の正の誘電異方性を有するネマティック液晶を用いる。また、この液晶は、透明電極13、14の面に、平行かつX軸方向に液晶分子の配向が揃ったホモジニアス配向であり、凹凸部17の凹部に充填されている。
△nmax(=n1−ns)=0.11
から
△nmin(=n2−ns)=−0.14
まで変化し、凹凸部17の凹部に充填された液晶層16の厚さ分布に応じて、透過波面が変化する。
△n(V+1)=n1−ns=0.11
であるので、凹凸部17とこの凹部に充填された液晶とにより前述の透過波面を生成するため、0.75λ≦△n(V+1)・d≦λの条件を満たすように凹凸部17の最大深さdを決定する。本実施例では、断面が略鋸歯状の凹凸部17を8段の階段形状によって近似しているため、d=3.5μmとしている。
輪帯状のセグメント電極の中心と最外周間にδVの電位差を印加する。この電位差は前述の抵抗体により、図8に示すように各セグメントに異なる電位を生じさせる。例えば、素子中央からk番目の輪帯ekと隣のk+1番目の輪帯ek+1との電圧の差δV(k,k+1)と、k−1番目の輪帯ek-1と隣のk番目の輪帯ekとの電圧の差δV(k−1、k)は、δV(k−1,k)=2・δV(k,k+1)の関係を満たす。このように、内周の液晶に印加する電圧をδV変化させることで、透過する光の光路長差は図7の実線bに表したようになり、各セグメント間の光路長のStepは波長λとなる。従って、液晶レンズ素子10を透過する光は、実質的に連続な波面形状となり、焦点距離を微調整することができる。
カバー厚100μmと75μmの規格中心のディスクに対しては、δV=0とし、液晶に印加する電圧をV+1、V-1とすることで、入射光は対物レンズ5により情報記録層に効率よく集光される。また、カバー厚が上記規格中心からずれたディスクでは、δVを変更することで、収差量が最小になるように(再生信号が良好になるように)調整することで、情報記録層に効率よく集光される。
また、本発明の液晶レンズ素子を搭載した光ヘッド装置とすることにより、液晶レンズ素子と対物レンズとが偏心したときにも収差が発生しないため、液晶レンズ素子の配置の制約が軽減され、小型で安定した光ディスクの記録・再生ができる光ヘッド装置に利用できる。
2 回折格子
3 ビームスプリッタ
4 コリメータレンズ
5 対物レンズ
6 光検出器
7 位相板
10、20、30 液晶レンズ素子
11 透明基板(第1の基板)
12、12A、12B 透明基板(第2の基板)
13、13C、13D (第1の)透明電極
14、14C、14D (第2の)透明電極
14A 電極セグメント
15、15A、15B シール
16 液晶層(液晶)
17 凹凸部
18 駆動電源回路
19A、19B、19C 駆動電源供給用の端子電極
51 抵抗体
54 引き出し電極
54B、54C、・・・、54I 端部電極
40 光ヘッド装置
D 光ディスク
Claims (3)
- 少なくとも第1、第2の2枚の基板を対向配置し、前記基板間に挟持された液晶に印加する電圧に応じて前記液晶を透過する光の焦点距離を変化させる液晶レンズ素子であって、
前記第1の基板の一方の面には第1の透明電極と鋸歯形状または鋸歯を階段形状で近似した断面形状を有する透明材料から成る凹凸部とを入射光の光軸を中心とする複数の輪帯状に形成し、
前記第2の基板の一方の面に第2の透明電極を形成し、
前記第1、第2の透明電極の少なくとも一方は、輪帯状に分割した電極セグメントで構成し、
前記電極セグメントの輪帯状の分割位置は、前記第1の基板の前記鋸歯状の凹凸部の輪帯状の分割位置と一致しており、
前記輪帯状に分割した前記各電極セグメントと、この電極セグメントと隣合う分割された電極セグメントとは、抵抗体で電気的に接続し、前記輪帯状に分割した前記各電極セグメントとこの外周側に隣合う電極セグメントとの間の抵抗値に対して、前記電極セグメントとこの内周側に隣合う電極セグメントとの間の抵抗値は2倍である液晶レンズ素子。 - 前記第1の基板上に形成した凹凸の深さは、前記第2の基板と前記凹凸の凸部との間隔に等しい請求項1に記載の液晶レンズ素子。
- 波長λの光を出射する光源と、この光源からの出射光を光記録媒体に集光する対物レンズと、この対物レンズにより集光され前記光記録媒体により反射された光を分波するビームスプリッタと、前記分波された光を検出する光検出器とを備えた光ヘッド装置において、
前記光源と前記対物レンズとの間の光路中に、請求項1または請求項2に記載の液晶レンズ素子を設置していることを特徴とする光ヘッド装置。
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