JP4631679B2

JP4631679B2 - 光ヘッド装置

Info

Publication number: JP4631679B2
Application number: JP2005347911A
Authority: JP
Inventors: 光生大澤
Original assignee: Asahi Glass Co Ltd
Current assignee: AGC Inc
Priority date: 2005-12-01
Filing date: 2005-12-01
Publication date: 2011-02-16
Anticipated expiration: 2025-12-01
Also published as: JP2007157205A

Description

本発明は、例えば光ディスクの記録再生に用いられる光ヘッド装置に関する。

従来の液晶レンズ素子としては、図４及び図５に示されたものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

図４及び図５において、従来の液晶レンズ素子１は、互いに対向配置された透明基板２及び３と、透明基板２及び３上にそれぞれ形成された透明電極４及び５と、透明電極４上に形成された凹凸部６と、透明電極４と透明電極５とに挟持された液晶７と、液晶７を封止するシール８とを備え、透明電極４及び５は、それぞれ、外部信号源９に接続される電極取出部４ａ及び５ａを備えている。凹凸部６は、同心円状に形成されており、同心円のピッチは、内周部から外周部に向かうに従って細かくなっている。

従来の液晶レンズ素子１は、前述のように構成されているので、非球面レンズと組み合わせることにより、液晶７に電圧を印加したときは、液晶７の常光屈折率と透明基板２及び３の屈折率とが等しいため、入射された全ての光をそのまま透過させて光ディスクの遠いところに焦点を結び、液晶７に電圧を印加しないときは、液晶７の異常光屈折率と透明基板２及び３の屈折率とが異なるためフレネルレンズ効果により、入射光が回折し収束して光ディスクの近いところに焦点を結ぶことができるようになっている。

特開平９−２３０３００号公報

しかしながら、従来の液晶レンズ素子１では、凹凸部６に一方向に液晶７を配向させる配向処理として例えばラビング処理を行う際、ラビング布の毛先が同心円状の凹凸部６により乱れたり、毛先が凹凸部６の溝の最深部に届かなかったりするので、凹凸部６に一様に配向処理を施すのが困難となり、入射光の利用効率が低下するという問題があった。特に、液晶７は微細な溝形状に沿って配向しようとする性質があるため、従来の液晶レンズ素子１では、凹凸部６の溝ピッチが細かくなるに従って液晶７の配向が同心円状になりやすく、液晶７の均一な配向を得ることが困難であった。

本発明は、従来問題を解決するためになされたものであり、入射光の利用効率を向上させることができる光ヘッド装置を提供することを目的とする。

本発明の光ヘッド装置は、光源と、前記光源から出射する光を記録媒体の記録面に集光する対物レンズと、前記記録媒体からの反射光を検出する光検出手段と、を備えた光ヘッド装置において、前記光源と前記光検出手段との間の光路中に液晶レンズ素子を備え、前記液晶レンズ素子は、互いに対向配置された第１及び第２の透明基板と、前記第１及び前記第２の透明基板上にそれぞれ形成された第１及び第２の透明電極と、前記第１及び前記第２の透明電極上にそれぞれ形成された第１及び第２の凹凸と、前記第１の凹凸と前記第２の凹凸とに挟持された液晶とを備え、前記第１及び前記第２の凹凸は、それぞれ、所定のピッチで形成された山部及び谷部からなる鋸歯状の断面を有し、前記第１の凹凸における前記山部及び谷部の延在方向がｙ軸方向であり、前記第２の凹凸における前記山部及び谷部の延在方向が前記ｙ軸方向と直交するｘ軸方向であり、前記第１及び前記第２の凹凸の形状は、それぞれ、（式１）及び（式２）に基づいて決定されたものであり、
φ（ｘ）＝ａ _１ｘ ^２＋ａ _２ｘ ^４＋ａ _３ｘ ^６＋ａ _４ｘ ^８＋・・・（式１）
φ（ｙ）＝ａ _１ｙ ^２＋ａ _２ｙ ^４＋ａ _３ｙ ^６＋ａ _４ｙ ^８＋・・・（式２）
ここで、φ（ｘ）及びφ（ｙ）は、前記第１及び前記第２の透明基板の対向方向に入射する入射光の光軸中心の光線に対してそれぞれ距離ｘ及び距離ｙ離れた位置を通過する光線の位相差を示し、ａ _１、ａ _２、ａ _３、ａ _４は定数を示し、前記液晶の分子の配向方向は、前記第１の凹凸と前記第２の凹凸との間で９０度ねじれている構成を有している。

この構成により、本発明の光ヘッド装置に用いる液晶レンズ素子は、第１及び第２の凹凸が有する山部及び谷部の延在方向に沿って一方向に液晶の分子を配向させる配向処理を施すことができるので、液晶分子の均一な配向を容易に得ることができ、入射光の利用効率を向上させることができる。
また、この構成により、本発明の光ヘッド装置は、液晶レンズ素子に備えられた第１及び第２の凹凸が有する山部及び谷部の延在方向に沿って一方向に液晶の分子を配向させる配向処理を施すことができるので、液晶の均一な配向を容易に得ることができ、入射光の利用効率を向上させることができる。

また、本発明の光ヘッド装置は、光源と、前記光源から出射する光を記録媒体の記録面に集光する対物レンズと、前記記録媒体からの反射光を検出する光検出手段と、を備えた光ヘッド装置において、前記光源と前記光検出手段との間の光路中に液晶レンズ素子を備え、前記液晶レンズ素子は、互いに対向配置された第１及び第２の透明基板と、前記第１及び前記第２の透明基板上にそれぞれ形成された第１及び第２の凹凸と、前記第１及び前記第２の凹凸上にそれぞれ形成された第１及び第２の透明電極と、前記第１の透明電極と前記第２の透明電極とに挟持された液晶とを備え、前記第１及び前記第２の凹凸は、それぞれ、所定のピッチで形成された山部及び谷部からなる鋸歯状の断面を有し、前記第１の凹凸における前記山部及び谷部の延在方向がｙ軸方向であり、前記第２の凹凸における前記山部及び谷部の延在方向が前記ｙ軸方向と直交するｘ軸方向であり、前記第１及び前記第２の凹凸の形状は、それぞれ、（式３）及び（式４）に基づいて決定されたものであり、
φ（ｘ）＝ａ _１ｘ ^２＋ａ _２ｘ ^４＋ａ _３ｘ ^６＋ａ _４ｘ ^８＋・・・（式３）
φ（ｙ）＝ａ _１ｙ ^２＋ａ _２ｙ ^４＋ａ _３ｙ ^６＋ａ _４ｙ ^８＋・・・（式４）
ここで、φ（ｘ）及びφ（ｙ）は、前記第１及び前記第２の透明基板の対向方向に入射する入射光の光軸中心の光線に対してそれぞれ距離ｘ及び距離ｙ離れた位置を通過する光線の位相差を示し、ａ _１、ａ _２、ａ _３、ａ _４は定数を示し、前記液晶の分子の配向方向は、前記第１の凹凸と前記第２の凹凸との間で９０度ねじれている構成を有している。

この構成により、本発明の光ヘッド装置に用いる液晶レンズ素子は、第１及び第２の凹凸が有する山部及び谷部の延在方向に沿って一方向に液晶の分子を配向させる配向処理を施すことができるので、液晶分子の均一な配向を容易に得ることができ、入射光の利用効率を向上させることができる。

さらに、本発明の光ヘッド装置は、前記第１及び前記第２の凹凸は、それぞれ、前記液晶の常光屈折率及び異常光屈折率のいずれか一方と一致する屈折率を有する構成を有している。

この構成により、本発明の光ヘッド装置に用いる液晶レンズ素子は、入射される直線偏光の振動成分の方向及び液晶に印加される電圧に応じて、第１及び第２の凹凸による屈折の影響を入射される直線偏光に与えることができる。

さらに、本発明の光ヘッド装置は、液晶レンズ素子は、直線偏光を円偏光に変換するとともに円偏光を直線偏光に変換する位相板を備え、前記位相板は、前記第１及び前記第２の透明基板上の少なくとも一方に設けられる構成を有している。

この構成により、本発明の光ヘッド装置に用いる液晶レンズ素子は、第１及び第２の透明基板上の少なくとも一方に位相板が設けられるので、調整の容易化及び省スペース化を図ることができる。

また、本発明の光ヘッド装置は、前記光源から出射される光は、前記第１及び前記第２の透明基板のうち前記光源側に位置する透明基板側における前記液晶の常光屈折率及び異常光屈折率のいずれか一方が与えられる方向と等しい方向に偏光している構成を有している。

この構成により、本発明の光ヘッド装置は、液晶に印加される電圧に基づき、異なるカバー厚を有する２つの記録層に対して記録再生を行うことができる。

本発明は、入射光の利用効率を向上させることができるという効果を有する光ヘッド装置を提供することができるものである。

以下、本発明の一実施の形態について図面を用いて説明する。

まず、本実施の形態に係る光ヘッド装置の構成について図１を用いて説明する。図１は、本実施の形態に係る光ヘッド装置１０の構成例を示す模式図である。

図１に示すように、本実施の形態に係る光ヘッド装置１０は、直線偏光のレーザ光を出射する半導体レーザ１１と、特定方向に偏光した直線偏光を透過する偏光ビームスプリッタ１２と、直線偏光を平行化するコリメータレンズ１３と、正又は負のパワー成分が付与された透過波面を生成する液晶レンズ素子２０と、直線偏光を円偏光に変換する１／４波長板１４と、光ディスク３０に集光する対物レンズ１５と、光ディスク３０からの反射光を検出する光検出器１６とを備えている。

ここで、光ディスク３０は、第１記録層３１及び第２記録層３２からなる２層の記録層を有し、第１記録層３１は第２記録層３２よりも対物レンズ１５側に設けられている。２層の記録層を有する光ディスク３０としては、例えばＤＶＤや高密度光ディスク等がある。

半導体レーザ１１は、光ディスク３０の種類に応じて、所定波長を有するレーザの直線偏光を生成し、偏光ビームスプリッタ１２に出射するようになっている。生成される直線偏光は、例えば７８０ｎｍ帯、６６０ｎｍ帯又は４０５ｎｍ帯の波長のレーザ光である。なお、半導体レーザ１１は、本発明の光源を構成している。また、半導体レーザ１１を複数備え、互いに異なる波長のレーザ光を偏光ビームスプリッタ１２に出射する構成としてもよい。

偏光ビームスプリッタ１２は、透光性を有する材料、例えばガラスやプラスチック等で構成され、光ディスク３０からの反射光を反射する反射面を備えている。

コリメータレンズ１３は、透光性を有する材料、例えばガラスやプラスチック等で構成され、入射された直線偏光を平行化するようになっている。

１／４波長板１４は、例えば複屈折性を有する樹脂フィルムや水晶、高分子液晶等で構成され、液晶レンズ素子２０から入射された直線偏光を円偏光に変換するようになっている。なお、１／４波長板１４は、本発明の位相板を構成している。ここで、位相板としては１／４波長に限定されるものではなく、入射光の波長に対する位相差がπ／２の奇数倍であるものを用いることができる。また、１／４波長板１４と液晶レンズ素子２０とを一体化することは調整の容易さ及び省スペース化に対してメリットが得られる。

対物レンズ１５は、所定のＮＡ（開口数）を有し、１／４波長板１４から入射された円偏光を光ディスク３０の第１記録層３１又は第２記録層３２に集光し、第１記録層３１又は第２記録層３２からの反射光を捕捉するようになっている。

光検出器１６は、例えばレンズやフォトダイオード等を含み、偏光ビームスプリッタ１２の反射面によって反射された光ディスク３０からの反射光を電気信号に変換するようになっている。なお、光検出器１６は、本発明の光検出手段を構成している。

液晶レンズ素子２０は、図２に示すように、互いに対向配置された透明基板２１及び２２と、透明基板２１及び２２上にそれぞれ形成された透明電極２３及び２４と、透明電極２３及び２４上にそれぞれ形成された第１の凹凸２５及び第２の凹凸２６と、第１の凹凸２５と第２の凹凸２６とに挟持された液晶２７とを備えている。

透明基板２１及び２２は、それぞれ、透光性を有する材料、例えばガラスやプラスチック等で構成されている。なお、透明基板２１及び２２は、それぞれ、本発明の第１及び第２の透明基板を構成している。また、図示を省略したが、透明基板２１と透明基板２２との間にはシール材が設けられている。シール材は、例えばエポキシやアクリル等の樹脂系接着剤で構成される。このシール材に例えばガラスファイバやガラスビーズ等のギャップ形成材を含ませ、透明基板２１と透明基板２２とのギャップ間隔を設定する構成としてもよい。また、透明基板２１及び２２の外側の面に反射防止膜を設けてもよい。

透明電極２３及び２４は、それぞれ、例えばＩＴＯやＳｎＯ_２、ＺｎＯ等の金属酸化物で構成されている。透明電極２３及び２４は、外部信号源４０に接続され、液晶２７に所定の電圧を印加することができるようになっている。なお、透明電極２３及び２４は、それぞれ、本発明の第１及び第２の透明電極を構成している。

第１の凹凸２５及び第２の凹凸２６は、それぞれ、透光性を有する材料で一様な屈折率を有する有機材料又は無機材料で構成されている。有機材料としては、例えば紫外線硬化樹脂や熱硬化樹脂、感熱性樹脂等があり、無機材料としては、例えばＳｉＯ_２やＡｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯｘＮｙ（ｘ及びｙはＯ及びＮの元素比を表す。）等が挙げられる。

また、第１の凹凸２５及び第２の凹凸２６は、それぞれ、所定のピッチで形成された山部及び谷部からなる鋸歯状の断面を有しており、光軸方向から見ると山部及び谷部はストライプ状に見えるように形成されている。そして、第１の凹凸２５及び第２の凹凸２６における山部及び谷部の延在方向（以下「ストライプ方向」という。）が互いに直交するよう第１の凹凸２５と第２の凹凸２６とが対向配置された構成となっている。なお、第１の凹凸２５及び第２の凹凸２６は、それぞれ、本発明の第１及び第２の凹凸を構成している。

液晶２７は、例えばネマチック液晶の液晶分子を含み、透明基板２１及び２２と、シール材（図示省略）とによって挟持されている。第１の凹凸２５及び第２の凹凸２６の表面にそれぞれ例えばポリイミドの配向膜（図示省略）を設け、この配向膜に例えばラビング処理による配向処理を施すことによって、液晶２７の液晶分子の配向を安定化させることができる。

なお、液晶２７の配向処理は、ラビング処理のみに限定されるものではなく、例えば、配向膜に紫外線を照射することによって液晶分子を非接触で配向させる光配向法や、ＳｉＯ_２の斜め蒸着法、ダイヤモンドライクカーボンへのイオンビーム照射による液晶配向の制御法等を用いてもよい。

また、液晶２７は、ストライプ方向が互いに直交する第１の凹凸２５及び第２の凹凸２６に挟持されて前述のように配向されるので、液晶２７の液晶分子の配向方向は、第１の凹凸２５と第２の凹凸２６との間で９０度ねじれることとなる。このねじれ方向は、図２に示された光軸方向から見て、時計回りでも反時計回りでもよい。また、ねじれ方向を一定に揃えるため、液晶２７にカイラル材を添加することが好ましい。

また、液晶２７は、誘電異方性が正のものでも負のものでもよい。誘電異方性が正のものを液晶２７として用いる場合は、液晶２７に電圧を印加しない状態において透明電極２３及び２４の対向面に対する液晶分子の長軸方向の角度（以下「プレチルト角度」という。）を０度に近づけることが好ましく、特に６度以下が好ましい。一方、誘電異方性が負のものを液晶２７として用いる場合は、プレチルト角度を９０度に近づけることが好ましく、特に８４度以上が好ましい。

ここで、第１の凹凸２５及び第２の凹凸２６の凹凸形状について詳細に説明する。

液晶レンズ素子２０を用いて正又は負のパワー成分が付与された透過波面を生成するためには、液晶レンズ素子２０に入射する透過波面において、光軸中心（座標原点：ｘ＝ｙ＝０）の光線に対して半径ｒだけ離れた位置を通過する光線の位相差φが、式（１）に示すようなベキ級数で記述されるようにする。なお、式（１）において、ｒ^２＝ｘ^２＋ｙ^２であり、ａ_１、ａ_２、ａ_３等は定数を表している。

φ（ｒ）＝ａ_１ｒ^２＋ａ_２ｒ^４＋ａ_３ｒ^６＋ａ_４ｒ^８＋・・・（１）

ここで、横軸を半径ｒとし、位相差φを入射光の波長λの単位で表記した曲線の具体例を図３に符号Ｐ１及びＰ２で示す。

位相が揃ったコヒーレントな波長λの入射光が入射された場合、λの整数倍の位相差を持つ透過波面は同等と見なせる。したがって、図３においてＰ１及びＰ２で示されたグラフを、波長λ間隔で分割して位相差ゼロの面に移動した位相差を示すグラフＦ１及びＦ２は、グラフＰ１及びＰ２とは実質的に同等である。グラフＦ１及びＦ２によって示される位相差分布は、全てλ以内であり、鋸歯状の形状となっている。

液晶レンズ素子２０により、グラフＦ１及びＦ２に相当する位相差を得るには、第１の凹凸２５及び第２の凹凸２６の形状が、グラフＦ１及びＦ２と相似な形状となるよう加工すればよい。

この鋸歯状の形状は、階段状に近似した形状にすることが可能であり、光の利用効率から、階段のステップ数は４ステップ（３段）以上が好ましく、特に８ステップ（７段）以上が好ましい。

本発明では、第１の凹凸２５の鋸歯状の形状を下記の式（２）で、第２の凹凸２６の鋸歯状の形状を下記の式（３）で決定し、第１の凹凸２５と第２の凹凸２６とを互いに直交させることにより、対向する２つのストライプ状の凹凸により、実質的に式（１）の位相差を与えることとしている。

φ（ｘ）＝ａ_１ｘ^２＋ａ_２ｘ^４＋ａ_３ｘ^６＋ａ_４ｘ^８＋・・・（２）

φ（ｙ）＝ａ_１ｙ^２＋ａ_２ｙ^４＋ａ_３ｙ^６＋ａ_４ｙ^８＋・・・（３）

なお、本実施の形態のおいては、第１の凹凸２５及び第２の凹凸２６が、それぞれ、透明電極２３及び２４上に形成される例を挙げているが、これに限定されるものではなく、透明基板２１と透明電極２３との間に第１の凹凸２５を設け、第２の凹凸２６と透明電極２４との間に第２の凹凸２６を設けるよう、透明基板２１及び透明電極２３の表面を加工する構成としてもよい。

次に、カバー厚（光ディスクの表面から記録層までの層厚）の異なる第１記録層３１及び第２記録層３２に情報を記録再生する場合について説明する。ただし、以下の記載において、対物レンズ１５は、第１記録層３１でのカバー厚において収差が最小となるよう設計されているものとする。また、本明細書で用いる「記録再生」という文言は、記録媒体に対する記録、再生、記録及び再生を総称するものである。

例えば、第２記録層３２に集光する際、第２記録層３２のカバー厚から第１記録層３１のカバー厚及び記録層の厚さを差し引いたカバー厚差に比例した球面収差が発生し、情報の読み書きが困難となる。この球面収差は、対物レンズ１５に入射する光を、正又は負のパワー成分を平面波に付加した収束光又は発散光とすることにより、補正することができる。例えば、カバー厚差が正（第１記録層３１よりもカバー厚が大きい）である第２記録層３２では、負のパワー成分（凹レンズ効果）を付加することで発散光に変換する。その後、対物レンズ１５で発散光を集光すれば、球面収差が補正され第２記録層３２に対して正常に情報を読み書きすることができる。具体的には、液晶レンズ素子２０を以下のように駆動する。

（１）第１記録層３１に対する記録再生の場合：第１記録層３１に対する記録再生においては、液晶レンズ素子２０により透過波面が変化せずに進むように印加電圧を設定して駆動する。又は、液晶レンズ素子２０に電圧を印加しない状態で透過波面が変化せずに進むようにする。

（２）第２記録層３２（カバー厚差が正）に対する記録再生の場合：第２記録層３２に対する記録再生においては、液晶レンズ素子２０により透過波面が若干発散する球面波となるように印加電圧を設定して駆動する。又は、液晶レンズ素子２０に電圧を印加しない状態で透過波面が若干発散する球面波となるようにする。その結果、液晶レンズ素子２０は、第２記録層３２に集光する光の球面収差を補正することができる。

以上のように、液晶レンズ素子２０は、液晶２７に印加する電圧を変化させることによって、異なるカバー層を有する複数の記録層に対して記録再生を行うことができるようになっている。

なお、本実施の形態に係る光ヘッド装置１０の構成は、図１に示されたものに限定されるものではなく、例えば、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、波面変換手段等の光部品や機構部品を適宜組み合わせて適用することができる。また、それらを液晶レンズ素子２０と一体化することは調整の容易さから好ましい。

次に、本実施の形態に係る光ヘッド装置１０の動作について図１を用いて説明する。

光源である半導体レーザ１１から出射されたＸ軸方向に振動成分を有する直線偏光は、偏光ビームスプリッタ１２を透過した後、コリメータレンズ１３、液晶レンズ素子２０、１／４波長板１４を透過した後に円偏光に変換され、対物レンズ１５によって、光ディスク３０が有する第１記録層３１又は第２記録層３２に集光される。その後、光ディスク３０から反射された光は、再度、対物レンズ１５、１／４波長板１４を透過した後、振動方向を９０度回転した直線偏光に変換され、液晶レンズ素子２０、コリメータレンズ１３を透過し、Ｙ軸方向に振動成分を有する直線偏光となっていることにより、偏光ビームスプリッタ１２の反射面で反射し、光検出器１６に入射する。

次に、液晶レンズ素子２０の動作について図２を用いて説明する。

なお、以下の動作説明において、液晶２７は、誘電異方性が正のもので構成され、第１の凹凸２５及び第２の凹凸２６は、液晶２７の常光屈折率ｎ_ｏと同じ屈折率を有する光学的等方性の材料（屈折率：ｎ_ｓ）で構成されているものとする。

最初に、透明電極２３と透明電極２４との間に電圧が印加されていない場合の動作について説明する。

まず、入射する光が、異常光屈折率ｎ_ｅが与えられる方向と平行な方向に振動成分を有する直線偏光、すなわち図２におけるＹ軸方向の偏光（以下「Ｐ偏光」という。）の光である場合は、入射側である第１の凹凸２５において、第１の凹凸２５の屈折率ｎ_ｓと液晶２７の異常光屈折率ｎ_ｅとの屈折率差の影響を受ける。

その後、Ｐ偏光の光は、液晶２７内を通過するが、液晶２７の液晶分子の配向が９０度ねじれているため、旋光されＸ軸方向の振動成分に変換されて第２の凹凸２６に入射する。ここで、旋光された光は、第２の凹凸２６の屈折率ｎ_ｓと液晶２７の異常光屈折率ｎ_ｅとの屈折率差の影響を受けることとなる。

一方、入射する光が、常光屈折率ｎ_ｏが与えられる方向と平行な方向に振動成分を有する直線偏光、すなわち図２におけるＸ軸方向の偏光（以下「Ｓ偏光」という。）の光である場合は、入射側である第１の凹凸２５において、第１の凹凸２５の屈折率ｎ_ｓと液晶２７の常光屈折率ｎ_ｏとが一致しているため屈折率差が無いので第１の凹凸２５の凹凸の影響は受けない。

その後、Ｓ偏光の光は、液晶２７内を通過するが、液晶２７の液晶分子の配向が９０度ねじれているため、旋光されＹ軸方向の振動成分に変換されて第２の凹凸２６に入射する。ここで、旋光された光は、第２の凹凸２６の屈折率ｎ_ｓと液晶２７の常光屈折率ｎ_ｏとが一致しているため屈折率差が無いので第１の凹凸２５の凹凸の影響を受けない。

次に、透明電極２３と透明電極２４との間に電圧が印加された場合の動作について説明する。

まず、入射する光が、異常光屈折率ｎ_ｅが与えられる方向と平行な方向に振動成分を有するＰ偏光の光である場合は、入射側である第１の凹凸２５において、第１の凹凸２５の屈折率ｎ_ｓと液晶２７の常光屈折率ｎ_ｏとが一致しているため屈折率差が無いので第１の凹凸２５の凹凸の影響は受けない。

その後、Ｐ偏光の光は、液晶２７内を通過するが、液晶２７の液晶分子が電界により立ち上がっているため、旋光されず第２の凹凸２６に入射する。ここで、第２の凹凸２６に入射したＰ偏光の光は、第２の凹凸２６の屈折率ｎ_ｓと液晶２７の常光屈折率ｎ_ｏとが一致しているため屈折率差が無いので第２の凹凸２６の凹凸の影響を受けない。

一方、入射する光が、常光屈折率ｎ_ｏが与えられる方向と平行な方向に振動成分を有するＳ偏光の光である場合は、入射側である第１の凹凸２５において、第１の凹凸２５の屈折率ｎ_ｓと液晶２７の常光屈折率ｎ_ｏとが一致しているため屈折率差が無いので第１の凹凸２５の凹凸の影響は受けない。

その後、Ｓ偏光の光は、液晶２７内を通過するが、液晶２７の液晶分子が電界により立ち上がっているため、旋光されず第２の凹凸２６に入射する。ここで、第２の凹凸２６に入射したＳ偏光の光は、第２の凹凸２６の屈折率ｎ_ｓと液晶２７の常光屈折率ｎ_ｏとが一致しているため屈折率差が無いので第２の凹凸２６の凹凸の影響は受けない。

したがって、本実施の形態に係る液晶レンズ素子２０は、Ｐ偏光に対しては、電圧オフの状態において、第１の凹凸２５及び第２の凹凸２６の凹凸形状と、屈折率差に応じた屈折率分布との影響を受け、電圧オンの状態において、第１の凹凸２５及び第２の凹凸２６の凹凸形状と、屈折率差に応じた屈折率分布との影響を受けない状況を作ることができる。

また、本実施の形態に係る液晶レンズ素子２０は、Ｓ偏光に対しては、電圧オフ、オンにかかわらず第１の凹凸２５及び第２の凹凸２６の凹凸形状と、屈折率差に応じた屈折率分布との影響を受けない状況を作ることができる。

なお、Ｐ偏光及びＳ偏光の両方に作用するようにするには、各偏光に作用する１対の液晶素子を２枚重ねることにより達成できる。

まず、透明基板２１及び２２として厚さが０．５ｍｍの石英基板を用意し、スパッタリング法を用いて、シート抵抗が３００Ω／□のＩＴＯを材料とした透明電極２３及び２４を透明基板２１及び２２上に成膜し、外部から電圧印加できるようにパタニングする。

次いで、波長４０５ｎｍにおいて屈折率ｎ_ｓ＝１．５１である厚さ２．２μｍのＳｉＯＮ膜をスパッタリング法によって透明基板２１及び２２上にそれぞれ成膜し、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を用いて加工し、断面が鋸歯状の第１の凹凸２５及び第２の凹凸２６を形成する。

さらに、透明基板２１の透明電極２３が設けられた面とは反対側の面と、透明基板２２の透明電極２４が設けられた面と反対側の面とに、波長４０５ｎｍの光に対する反射防止膜を蒸着法により成膜する。

次いで、厚さ５０ｎｍのポリイミド膜を第１の凹凸２５及び第２の凹凸２６上にそれぞれ成膜し、ラビングにより配向処理を行い液晶２７の液晶分子をストライプ方向に配向させる。

続いて、直径４０μｍのガラス柱を混合した接着剤を印刷パタニングし、シールを形成する。そして、第１の凹凸２５と第２の凹凸２６とを対向させ、第１の凹凸２５及び第２の凹凸２６のストライプ方向が互いに直交するよう重ね合わせた後に基板同士を圧着し、透明電極２３と透明電極２４との間が４０μｍの液晶セルを作製する。

次いで、異常光屈折率ｎ_ｅ＝１．７１、常光屈折率ｎ_ｏ＝１．５１を有する液晶２７にカイラル材を微量添加した後、液晶セルに注入し、紫外線硬化樹脂により注入口を封止して液晶レンズ素子２０を得る。

そして、液晶レンズ素子２０の透明電極２３及び２４に外部信号源４０を電気的に接続し、液晶層に１ｋＨｚの矩形交流波電圧を印加できる状態とする。

次いで、入射面側の第１の凹凸２５のストライプ長手方向に振動する直線偏光の光を入射させる。

印加する電圧が０Ｖの場合、入射光は、液晶レンズ素子２０により収束光に変換される。この結果、図１に示された光ヘッド装置１０の構成において、対物レンズ１５は、光ディスク３０の第１記録層３１に焦点を結ぶことができる。

印加する電圧が１０Ｖの場合、入射光は、液晶レンズ素子２０により波面を変換されることなく直進する。この結果、図１に示された光ヘッド装置１０の構成において、対物レンズ１５は、光ディスク３０の第２記録層３２に焦点を結ぶことができる。

以上のように、本実施の形態に係る光ヘッド装置１０によれば、液晶レンズ素子２０が有する第１の凹凸２５及び第２の凹凸２６のストライプ方向に沿って一方向に液晶２７の液晶分子を配向させる配向処理を施すことができるので、液晶２７の均一な配向を容易に得ることができ、入射光の利用効率を向上させることができる。

以上のように、本発明に係る光ヘッド装置は、入射光の利用効率を向上させることができるという効果を有し、光ディスクの記録再生に用いる光ヘッド装置等として有用である。

本発明の一実施の形態に係る光ヘッド装置の構成例を示す模式図本発明の一実施の形態に係る液晶レンズ素子の構成例を示す模式図本発明の一実施の形態に係る液晶レンズ素子において、光軸中心から半径ｒだけ離れた位置を通過する光線の位相差φを入射光の波長λの単位で表記した図従来の液晶レンズ素子の断面図従来の液晶レンズ素子の平面図

符号の説明

１０光ヘッド装置
１１半導体レーザ（光源）
１２偏光ビームスプリッタ
１３コリメータレンズ
１４１／４波長板（位相板）
１５対物レンズ
１６光検出器（光検出手段）
２０液晶レンズ素子
２１透明基板（第１の透明基板）
２２透明基板（第２の透明基板）
２３透明電極（第１の透明電極）
２４透明電極（第２の透明電極）
２５第１の凹凸
２６第２の凹凸
２７液晶
３０光ディスク
３１第１記録層
３２第２記録層
４０外部信号源

Claims

光源と、前記光源から出射する光を記録媒体の記録面に集光する対物レンズと、前記記録媒体からの反射光を検出する光検出手段と、を備えた光ヘッド装置において、
前記光源と前記光検出手段との間の光路中に液晶レンズ素子を備え、
前記液晶レンズ素子は、互いに対向配置された第１及び第２の透明基板と、前記第１及び前記第２の透明基板上にそれぞれ形成された第１及び第２の透明電極と、前記第１及び前記第２の透明電極上にそれぞれ形成された第１及び第２の凹凸と、前記第１の凹凸と前記第２の凹凸とに挟持された液晶とを備え、
前記第１及び前記第２の凹凸は、それぞれ、所定のピッチで形成された山部及び谷部からなる鋸歯状の断面を有し、前記第１の凹凸における前記山部及び谷部の延在方向がｙ軸方向であり、前記第２の凹凸における前記山部及び谷部の延在方向が前記ｙ軸方向と直交するｘ軸方向であり、
前記第１及び前記第２の凹凸の形状は、それぞれ、（式１）及び（式２）に基づいて決定されたものであり、
φ（ｘ）＝ａ _１ｘ ^２＋ａ _２ｘ ^４＋ａ _３ｘ ^６＋ａ _４ｘ ^８＋・・・（式１）
φ（ｙ）＝ａ _１ｙ ^２＋ａ _２ｙ ^４＋ａ _３ｙ ^６＋ａ _４ｙ ^８＋・・・（式２）
ここで、φ（ｘ）及びφ（ｙ）は、前記第１及び前記第２の透明基板の対向方向に入射する入射光の光軸中心の光線に対してそれぞれ距離ｘ及び距離ｙ離れた位置を通過する光線の位相差を示し、ａ _１、ａ _２、ａ _３、ａ _４は定数を示し、
前記液晶の分子の配向方向は、前記第１の凹凸と前記第２の凹凸との間で９０度ねじれていることを特徴とする光ヘッド装置。
光源と、前記光源から出射する光を記録媒体の記録面に集光する対物レンズと、前記記録媒体からの反射光を検出する光検出手段と、を備えた光ヘッド装置において、
前記光源と前記光検出手段との間の光路中に液晶レンズ素子を備え、
前記液晶レンズ素子は、互いに対向配置された第１及び第２の透明基板と、前記第１及び前記第２の透明基板上にそれぞれ形成された第１及び第２の凹凸と、前記第１及び前記第２の凹凸上にそれぞれ形成された第１及び第２の透明電極と、前記第１の透明電極と前記第２の透明電極とに挟持された液晶とを備え、
前記第１及び前記第２の凹凸は、それぞれ、所定のピッチで形成された山部及び谷部からなる鋸歯状の断面を有し、前記第１の凹凸における前記山部及び谷部の延在方向がｙ軸方向であり、前記第２の凹凸における前記山部及び谷部の延在方向が前記ｙ軸方向と直交するｘ軸方向であり、
前記第１及び前記第２の凹凸の形状は、それぞれ、（式３）及び（式４）に基づいて決定されたものであり、
φ（ｘ）＝ａ _１ｘ ^２＋ａ _２ｘ ^４＋ａ _３ｘ ^６＋ａ _４ｘ ^８＋・・・（式３）
φ（ｙ）＝ａ _１ｙ ^２＋ａ _２ｙ ^４＋ａ _３ｙ ^６＋ａ _４ｙ ^８＋・・・（式４）
ここで、φ（ｘ）及びφ（ｙ）は、前記第１及び前記第２の透明基板の対向方向に入射する入射光の光軸中心の光線に対してそれぞれ距離ｘ及び距離ｙ離れた位置を通過する光線の位相差を示し、ａ _１、ａ _２、ａ _３、ａ _４は定数を示し、
前記液晶の分子の配向方向は、前記第１の凹凸と前記第２の凹凸との間で９０度ねじれていることを特徴とする光ヘッド装置。
前記第１及び前記第２の凹凸は、それぞれ、前記液晶の常光屈折率及び異常光屈折率のいずれか一方と一致する屈折率を有する請求項１又は２に記載の光ヘッド装置。
前記液晶レンズ素子は、直線偏光を円偏光に変換するとともに円偏光を直線偏光に変換する位相板を備え、
前記位相板は、前記第１及び前記第２の透明基板上の少なくとも一方に設けられる請求項１から３までのいずれか１項に記載の光ヘッド装置。
前記光源から出射される光は、前記第１及び前記第２の透明基板のうち前記光源側に位置する透明基板側における前記液晶の常光屈折率及び異常光屈折率のいずれか一方が与えられる方向と等しい方向に偏光している請求項１から４までのいずれか１項に記載の光ヘッド装置。