JP4752763B2 - 液晶レンズ素子および光ヘッド装置 - Google Patents
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Description
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)においては、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招くため、問題となる。
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。第1の可動レンズ群160は、凹レンズ161と、凸レンズ162と、アクチュエータ163とを備えており、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。
ところが、この可動レンズ群160を用いた場合、一対のレンズ161、162とアクチュエータ163が必要となり、光ヘッド装置100の大型化を招くとともに、レンズを可動させるための機構設計が複雑になるといった問題があった。
この液晶レンズ200は、平坦な一面に透明電極210および配向フィルム220が形成された基板230と、軸対称で半径rのベキ級数である次式
S(r)=α1r2+α2r4+α3r6+・・・ ・・・(1)
但し、r2=x2+y2
α1、α2、α3、・・・:定数
で記述される表面形状S(r)を有する曲面に、透明電極240と配向フィルム250が形成された基板260とにより、狭持されるネマティック液晶270とを備えた構成となっている。
ここで、基板260の屈折率は電圧非印加時の液晶270の屈折率に等しい。従って、電圧非印加時には入射光の透過波面は変化しない。一方、透明電極210、240間に電圧を印加すると、基板260と液晶270とに屈折率差△nが発生し、△n×S(r)(但し、S(r)は(1)式参照)に相当する透過光の光路長差分布が生じる。従って、光ディスクDのカバー厚の相違に起因して発生する球面収差を補正するように基板260の表面形状S(r)を加工し、印加電圧に応じて屈折率差△nを調整することにより収差補正が可能となる。
この光変調素子300は、略平行な2つの透明基板310、320と、その間に狭持される液晶330とを備えており、一方の透明基板310の液晶側の面が同心円状のブレーズ形状を有する凹凸部340とされ、2つの透明基板310、320の液晶側の面に電極350および配向膜360が形成されている。また、液晶330は、電界非印加時には配向方向が透明基板に対して略平行であり、電界印加時には配向方向が透明基板に対して略垂直である。
OPD(r)=a 1 r 2 +a 2 r 4 +a 3 r 6 +a 4 r 8 +・・・
但し、r 2 =x 2 +y 2
a 1 、a 2 、・・・;定数
で表すとき、前記フレネルレンズの凹凸状は、OPD(r)を、λまたは、2λまたは、3λの間隔で分割して光路長差がゼロの面に射影した光路長差を与える形状と実質的に同等であることを特徴とする液晶レンズ素子を提供する。
前記フレネルレンズの厚さdが、
(m−0.25)×λ ≦ |n1−ns|×d ≦ (m+0.25)×λ …(2)
(ただし、m=1、2または3)
の関係式を満たすように前記フレネルレンズが形成され、かつ、
前記特定の印加電圧Vkを印加したときに前記液晶層の屈折率n(Vk)が次式
n(Vk)=n1+[(m−k)×(ns−n1)]/m
(ただし、kは−m≦k≦mを満たす整数)
の関係を満たすときに、
前記Mは2m+1で表わされ、そのM個の印加電圧Vkに対応して焦点距離がM個存在することを特徴とする液晶レンズ素子を提供する。
また、前記フレネルレンズが階段状に近似されている上記の液晶レンズ素子を提供する。
フレネルレンズまたはフレネルレンズを階段形状で近似した断面形状を有する凹凸部の凹部に液晶を充填しているため、大きな光路長差に相当するパワー成分を発生しながらも液晶層の厚さを薄くできる。その結果、高速の焦点距離切替が実現する。換言すれば、可動部がなく小型化が可能でありながら、印加電圧に応じて安定したパワー成分を含む球面収差補正ができるレンズ機能を有する液晶レンズ素子を提供できる。
また、前記フレネルレンズは複屈折材料から構成され、複屈折材料の異常光屈折率が前記nsに対応し、複屈折材料の常光屈折率が前記液晶層の常光屈折率に等しい上記の液晶レンズ素子を提供する。
また、前記フレネルレンズが、SiOxNy(ここで0≦x≦2、0≦y≦1および0<x+yである)から構成されている上記請求項1、2または3に記載の液晶レンズ素子を提供する。
また、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、その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、上記の液晶レンズ素子が設置されていることを特徴とする光ヘッド装置を提供する。
また、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、その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の前記光源と前記対物レンズとの間の光路中に、上記の液晶レンズ素子が設置されていて、液晶レンズ素子の透明電極間にM個(但し、Mは3以上の整数)の特定の印加電圧Vkが印加されて用いられる光ヘッド装置の使用方法を提供する。
さらに、前記光記録媒体は情報記録層を覆うカバー層を有し、このカバー層の厚さが異なる光記録媒体への記録および/または再生を行う上記の光ヘッド装置に搭載した液晶レンズ素子の透明電極間にM個(但し、Mは3以上の整数)の特定の印加電圧Vkが印加されて用いられる光ヘッド装置の使用方法を提供する。
11、12、12A、12B 透明基板
13、13A、13B 第1透明電極
14、14A、14B 第2透明電極
15、15A、15B シール
16 液晶
16A、16B、16C、16D 液晶層
17、17A、17B、17C、17D 凹凸部
18 交流電源
131、141 電極
40 光ヘッド装置
D 光ディスク
[第1の実施形態]
本発明の第1の実施形態に係る液晶レンズ素子10の構成例について、図1に示す側面図と図2に示す平面図を参照しながら、詳細に説明する。
本実施形態の液晶レンズ素子10は、透明基板11、12と、透明電極13、14と、シール15と、液晶(液晶層)16と、凹凸部17と、交流電源18とを備えている。
はじめに、透明基板11の一方の平坦面(図1では上面)に、屈折率nsの透明材料により、フレネルレンズまたはフレネルレンズ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の表面に第1透明電極13を形成する。
また、印加電圧に対して液晶層16Aの実質的な屈折率の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16A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。
i)液晶16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、第1、第2の透明電極13および14の表面に液晶分子の配向方向が透明基板11、12の一面(これを、基板面とよぶ)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。これにより、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、酸化ケイ素の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、第1、第2の透明電極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16Aの実質的な屈折率n(V)がn1(=ne)からn2(=no)まで変化する。
本発明の液晶レンズ素子10を光ヘッド装置に搭載し、光ディスクのカバー厚の相違に起因して発生する球面収差を補正する透過波面を生成するとともに、対物レンズとの偏心に対して収差発生がないよう正また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、液晶レンズ素子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で記述されるようにする。
OPD(r)=a1r2+a2r4+a3r6+a4r8+ ・・・(3)
但し、r2=x2+y2
a1、a2、・・・;定数(後述の[表1]、[表2]参照)
液晶レンズ素子10において、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の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。一方、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、フレネルレンズ形状となっている。これが、図1に示す液晶レンズ素子10において、凹凸部17の形状になる。
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、次式の関係を満す値に穿設すればよい。
d=λ/|△n(V+1)| ・・・(4)
但し、λ;入射光の波長
△n(V+1)=n(V+1)−ns=n1−ns
即ち、これは、n1−ns>0の場合で、(2)式において、m=1の場合の深さに相当する。
ii)△n(V−1)=−△n(V+1)となる印加電圧V−1において、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。
また、図1に示すように、凹凸部17の中心部を凸とすることにより、液晶層16Aの平均層厚を低減できる。その結果、高速応答化につながるとともに、使用する液晶材料量も減少するため好ましい。
△n(V0)=0、
△n(V−1)=−△n(V+1)
となる電圧値V+1<V0<V−1が必ず存在する。
ここで、印加電圧V+1およびV−1において、グラフβおよびグラフγに相当する透過波面を効率よく生成するためには、凹凸部17をフレネル形状またはフレネルレンズをN段の階段形状で近似した形状とし、凹凸部17の最大深さdが、次式
d=[(N−1)/N]×λ/|Δn(V+1)|
を満たすことが好ましい。
ここで、生成される透過波面の効率を70%以上とするためには、Nを4以上とすることが好ましい。すなわち、次式
0.75×λ≦|n1−ns|×d≦λ
を満たすdとすることが好ましい。これは、(2)式においてm=1の場合に相当する。
同様の理由で、m=2および3においても(2)式を満たすdとすることが好ましい。
なお、△n(V+1)<0の場合は、V+1およびV−1において図4(C)と(A)に対応する正のパワーおよび負のパワーに相当する透過波面となって出射する。
本発明の第2の実施形態に係る液晶レンズ素子20の構成例について、図5に示す側面図を参照しながら詳細に説明する。なお、本実施形態において、第1の実施形態と同一部分には、同一符号を付して重複説明を避ける。
本実施形態の液晶レンズ素子20では、凹凸部17Bの最大深さdが、前記述した(2)式のm=2の場合の深さに相当している点が、第1の実施形態の液晶レンズ素子10と異なる。それに伴い、液晶層16Bの厚さ分布も異なる。
d=2λ/|△n(V+2)| ・・・(5)
但し、λ;入射光の波長
△n(V+2)=n(V+2)−ns=n1−ns
これは、n1−ns>0の場合で、(2)式において、m=2の場合の深さに相当する。
ii)△n(V+1)=△n(V+2)/2となる印加電圧V+1において、図6のグラフβ1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グラフβ2に示す光路長差を半分にした透過波面に相当するとともに、グラフαの光路長差を半分にした透過波面にも相当する。また、グラフβ1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)である。
iii)△n(V−1)=−△n(V+1)となる印加電圧V−1において、グラフγ1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グラフβ1と面対称の光路長差の透過波面に相当する。
iv)△n(V−2)=−△n(V+2)となる印加電圧V−2において、グラフγ2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グラフβ2と面対称の光路長差の透過波面に相当するとともに、グラフγ1に示す光路長差を2倍にした透過波面に相当する。
△n(V0)=0、
△n(V−1)=−△n(V+1)
△n(V−2)=−△n(V+2)
となる電圧値V+2<V+1<V0<V−1<V−2が必ず存在する。
ここで、印加電圧V+2、V+1、V−1およびV−2において、グラフβ2、β1、γ1およびγ2に相当する透過波面を効率よく生成するためには、凹凸部17Bをフレネルレンズ形状とし、凹凸部17Bの最大深さdが、(5)式を満たすことが好ましい。
d=[(N−1)/N]×2λ/|△n(V+2)|
を満たすことが好ましい。ここで、生成される透過波面の効率を70%以上とするためには、Nを8以上とすることが好ましい。すなわち、
1.75×λ ≦ |n1−ns|×d ≦ 2×λ
を満たす最大深さをdとすることが好ましい。これは、(2)式においてm=2の場合に相当する。
なお、Δn(V+2)<0の場合は、V+2、V+1において、図7(E)と(D)に対応する正のパワーに相当する透過波面となって、V−2およびV−1において図7(A)と(B)に対応する負のパワーに相当する透過波面となって液晶レンズ素子を出射する。
次に、本発明の第3の実施形態に係る液晶レンズ素子30について、図8を参照しながら説明する。なお、本実施形態において、第1の実施形態と同一部分には、同一符号を付して重複説明を避ける。
本実施形態の液晶レンズ素子30は、第1の液晶レンズ素子10Aと、第2のレンズ素子10Bと、これらに交流電圧を印加する交流電源18とを備えている。第1、第2の液晶レンズ素子10A、10Bは、第1の実施形態に係る液晶レンズ素子10を2個凹凸部17が互い対向するような状態で上下に重ねて積層させた構成(但し、透明基板11は共通)としている。
初めに、各透明基板12A、12Bの平坦面に、それぞれ、屈折率nsの透明材料を用いて、フレネルレンズまたはフレネルレンズを階段状に近似した形状の凹凸部17C、17Dを形成する。これらの凹凸部17C、17Dは、何れも入射光の光軸(Z軸)に関して回転対称性を有する同一の凹凸形状に加工されている。さらに、凹凸部17C、17Dの表面に第1透明電極13A、13Bをそれぞれ形成する。一方、透明基板11の両面には、第2透明電極14A、14Bを形成する。
特に、凹凸部17C、17Dが均一屈折率nsの材料を用いて形成されている場合、(no−ns)の屈折率差に対応した一定の波面変化が生じる。第1、第2の液晶レンズ素子10A、10Bは、それら液晶層16C、16Dの液晶分子の配向方向のXY面内成分が直交しているため、入射偏光状態に関わらず、この一定透過波面変化が生じる。
印加電圧V0において生じるこの一定の透過波面変化を相殺するためには、透明基板12Aまたは12Bの表面に補正面を形成することが好ましい。あるいは、凹凸部17Cおよび17Dとして、液晶層16C、16Dの常光屈折率と等しい常光屈折率を有する高分子液晶などの複屈折率材料を用いて形成することにより、それぞれの常光屈折率の方向を液晶層16C、16Dの常光屈折率の方向と一致させる。その結果、印加電圧V0において、液晶レンズ素子20の透過波面が変化しないようにできる。
次に、本発明の第1の実施形態に係る液晶レンズ素子10(図1参照)を搭載したDVD用光ディスクの記録・再生に用いる光ヘッド装置40について、図9を参照しながら説明する。
また、この図9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構成例を示すが、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、図9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。そして、この3ビームは、ビームスプリッタ3で反射され、コリメータレンズ54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、波長λに対して1/4波長板に相当する位相板7により円偏光となり、対物レンズ5によりDVD用光ディスクDの情報記録層に集光される。
(i)単層DVD光ディスク(カバー厚0.60mm)の場合:
対物レンズ5は、カバー厚0.60mmの単層光ディスクDに対して収差が最小となるように設計されているため、単層光ディスクDの記録・再生時には液晶レンズ素子10の電極間に交流電圧V0を印加する。このとき、液晶レンズ素子10(図1を参照)中の液晶層16Aと凹凸部17との屈折率が一致するため、図4の(B)に示すように、液晶レンズ10の入射波面に対して透過波面は不変である。すなわち、対物レンズ5によりカバー厚0.60mmの情報記録層に効率よく集光される。
2層光ディスク中のカバー厚0.57mm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16Aの屈折率が小さくなるため、図4の(C)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0.57mmの情報記録層に効率よく集光される。
一方、2層光ディスク中のカバー厚0.63mm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、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の屈折率が大きくなるため、図4の(A)に示すように、負のパワーすなわち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0.63mmの情報記録層に効率よく集光される。
また、液晶レンズ素子10の替わりに、図8に示す第3実施形態の液晶レンズ素子30を用いれば、往路の偏光のみならず復路の直交する偏光に対しても補正作用があるため、光検出器への集光性も改善される。
また、単層および2層の光ディスクに限らず、今後、情報記録層がさらに多層化されても、本発明の5値あるいは7値の液晶レンズ素子を用いることにより、2端子電極に印加する電圧の切り替えで、カバー厚に起因して発生する収差を補正できる。
次に、第1の実施形態に示した本発明の液晶レンズ素子10の具体的な実施例について、図1を参照しながら以下に説明する。
透明基板11であるガラス基板上にSiOxNyをスパッタリング法により成膜する。
ここで、Siスパッタターゲットを用い、Arガスに酸素および窒素を混入した放電ガスを用いることにより、屈折率ns(=1.64)の透明な均一屈折率で膜厚d(=5.5μm)のSiOxNy膜としている。
次に、凹凸部17の表面に透明導電膜(ITO膜)を成膜し、これを第1透明電極13とする。さらに、ポリイミド膜(図示せず)を第1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、直径8μm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、透明基板11と重ね合わせて圧着し、第1透明電極13と第2透明電極14との間隔が最大8μm、最小2.5μmの空セルを作製する。
その後、液晶16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液晶層16Aを形成し、図1に示す液晶レンズ素子10とする。
△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16とにより前述の透過波面を生成するため、(2)式のm=1を満たすように凹凸部17の最大深さdを決定する。
本例ではフレネルレンズの凹凸部17を8段の階段形状によって近似し、d=5.5μmとしている。
このとき、印加電圧の切り替えV+1、V0、V−1において発生する図4(A)、図4(B)、図4(C)に示す透過波面の生成効率の計算値は、それぞれ、95%、100%、95%となる。
次に、前述の「例1」の液晶レンズ素子10を、図9に示す第4の実施形態の光ヘッド装置40に搭載する場合の具体的な実施例について説明する。なお、この光ヘッド装置40の構成は第4の実施形態で説明したので省略する。
従って、カバー厚が0.56mmから0.585mmの範囲では、印加電圧V−1とすることにより、カバー厚が0.585mmから0.615mmの範囲では印加電圧V0とすることにより、さらに、カバー厚が0.615mmから0.64mmの範囲では印加電圧V+1とすることにより、それぞれ、残留するRMS波面収差が約20mλ[rms]以下に低減する。
従って、液晶レンズ素子10に印加する電圧をV0、V+1、V−1に切り替えることにより、単層および2層のDVD光ディスクDの安定した記録・再生を行える光ヘッド装置が実現する。
次に、第3の実施形態に示した本発明の液晶レンズ素子30の具体的な実施例について、図8を参照しながら以下に説明する。
本例の液晶レンズ素子30は、波長405nm帯のレーザ光を用いた単層および2層のBD光ディスクの記録・再生用光ヘッド装置に搭載し、光ディスクのカバー厚の相違に応じて発生する収差を補正する目的で用いられる。それに伴い第1、第2の液晶レンズ素子10A、10Bの、素子構成が実施例1の液晶レンズ素子10と異なる。
具体的には、第1、第2の液晶レンズ素子10A、10Bは、第2の実施形態で説明した液晶レンズ素子20と同様、(2)式のm=2に相当する凹凸部17C、17Dの最大深さdとしている。
△n(V+2)=n1−ns=0.13
であるので、凹凸部17C、17Dとこの凹部に充填された液晶層16C、16Dとにより上述の透過波面を生成するために、(2)式のm=2を満たすように凹凸部17C、17Dの最大深さdを決定する。なお、本例ではフレネルレンズ形状の凹凸部17C、17Dを16段の階段状で近似し、d=5.9μmとしている。
(i)すると、入射光の偏光状態に係わらず、電圧非印加時(V+2=0)は透過波面が図7(A)に示す発散波面となり、図6のグラフβ2に相当する光路長差で、焦点距離(f)がf=−616mm相当の凹レンズ作用を示す。
(ii)次に、印加電圧を増加させると、V+1=1.4V程度で△n(V+1)=△n(V+2)/2となり、透過波面が図7(B)に示す発散波面となる。この透過波面は図6のグラフβ1に相当する光路長差で、焦点距離(f)がf=−1232mm相当の凹レンズ作用を示す。
(iii)さらに、V0=1.7V程度で△n(V0)=0となり、透過波面は、図7(C)に示すように、入射波面と同じ波面のまま(パワーなし)変化しない。
(v)さらに、印加電圧を増加させると、V−2=4.5V程度で△n(V−2)=−△n(V+2)となり、透過波面が図7(E)に示す収束波面となり、図6のグラフγ2に相当する光路長差で、焦点距離(f)がf=+616mm相当の凸レンズ作用を示す。
次に、図9に示す第4の実施形態の光ヘッド装置40において、液晶レンズ素子10の代わりに「例3」の液晶レンズ素子30を搭載する例について説明する。
本例では、BD用の波長λ(=405nm)の半導体レーザ1を光源として用い、光ディスクDは単層および2層のBD光ディスクとしている。また、対物レンズ5は、カバー厚87.5μmの光ディスクに対して収差が最小となるように設計されている。
従って、同図によれば、カバー厚が70μmから77μmの範囲では印加電圧V+2とすることにより、カバー厚が77μmから84μmの範囲では印加電圧V+1とすることにより、カバー厚が84μmから91μmの範囲では印加電圧V0とすることにより、カバー厚が91μmから98μmの範囲では印加電圧V―1とすることにより、さらに、カバー厚が98μmから105μmの範囲では印加電圧V―2とすることにより、それぞれ、残留するRMS波面収差が約35mλ[rms]以下に低減する。
また、トラッキングのため、光ディスクDの半径方向に対物レンズ5が±0.3mm程度移動した時、液晶レンズ素子30との偏心が生じるが、それに伴う収差発生はないため、集光スポットの劣化も生じない。
なお、2004年4月30日に出願された日本特許出願2004−136075号の明細書、特許請求の範囲、図面及び要約書の全内容をここに引用し、本発明の明細書の開示として、取り入れるものである。
Claims (9)
- 対向する一対の透明基板と、この透明基板間に挟持された液晶層とを備え、この液晶層に印加する電圧の大きさに応じて前記液晶層を透過する光の集光位置を変化させる液晶レンズ素子において、
一方の透明基板の、他方の透明基板と対向する平坦面に形成されたフレネルレンズと、
このフレネルレンズの凹凸状の表面に形成された第1の透明電極と、
前記他方の透明基板の、前記一方の透明基板と対向する平坦面に形成された第2の透明電極とを備え、
前記液晶層を挟む第1の透明電極と第2の透明電極との間に印加する電圧Vの大きさに応じて、特定波長λを有する直線偏光の入射光に対する前記液晶層の実質的な屈折率n(V)が、電圧非印加時の屈折率n1から電圧印加時の電圧変化に伴う変動のない十分に飽和した屈折率n2(n1≠n2)まで変化し、かつ、前記フレネルレンズの屈折率nsが前記屈折率n1とn2の間の値であって、前記液晶層との屈折率差|n1−ns|および|n2−ns|のうち小さい方の値をδnとするときに、前記フレネルレンズの厚さdがd≧0.75×λ/δnの関係を満たすように形成され、
第1の透明電極と第2の透明電極との間に印加する電圧Vのうち、M個(但し、Mは3以上の整数)の特定の印加電圧にそれぞれ対応して焦点距離が存在し、
前記M個の焦点距離に集光する透過波面のうち、パワーが付与された透過波面と入射光との光路長差について、光軸中心(座標原点:x=y=0)に対して半径r離れた位置を通過する光線の光路長差OPD(r)を、
OPD(r)=a 1 r 2 +a 2 r 4 +a 3 r 6 +a 4 r 8 +・・・
但し、r 2 =x 2 +y 2
a 1 、a 2 、・・・;定数
で表すとき、前記フレネルレンズの凹凸状は、OPD(r)を、λまたは、2λまたは、3λの間隔で分割して光路長差がゼロの面に射影した光路長差を与える形状と実質的に同等であることを特徴とする液晶レンズ素子。 - 前記フレネルレンズの屈折率ns、およびn1とn2との間で、|n1−ns|≦|n2−ns|の関係式を満たすとともに、
前記フレネルレンズの厚さdが、
(m−0.25)×λ ≦ |n1−ns|×d ≦ (m+0.25)×λ …(2)
(ただし、m=1、2または3)
の関係式を満たすように前記フレネルレンズが形成され、かつ、
前記特定の印加電圧Vkを印加したときに前記液晶層の屈折率n(Vk)が次式
n(Vk)=n1+[(m−k)×(ns−n1)]/m
(ただし、kは−m≦k≦mを満たす整数)
の関係を満たすときに、
前記Mは2m+1で表され、そのM個の印加電圧Vkに対応して焦点距離がM個存在する請求項1に記載の液晶レンズ素子。 - 前記フレネルレンズが階段状に近似されている請求項1または2に記載の液晶レンズ素子。
- 前記フレネルレンズは複屈折材料から構成され、複屈折材料の異常光屈折率が前記nsに対応し、複屈折材料の常光屈折率が前記液晶層の常光屈折率に等しい請求項1、2または3に記載の液晶レンズ素子。
- 前記フレネルレンズが、SiOxNy(ここで0≦x≦2、0≦y≦1および0<x+yである)から構成されている請求項1、2または3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、その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から5のいずれかに記載の液晶レンズ素子が設置されていることを特徴とする光ヘッド装置。 - 前記光記録媒体は情報記録層を覆うカバー層を有し、このカバー層の厚さが異なる光記録媒体への記録および/または再生を行う請求項6に記載の光ヘッド装置。
- 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、その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の前記光源と前記対物レンズとの間の光路中に、請求項1から5のいずれかに記載の液晶レンズ素子が設置されていて、液晶レンズ素子の透明電極間にM個(但し、Mは3以上の整数)の特定の印加電圧Vkが印加されて用いられる光ヘッド装置の使用方法。
- 前記光記録媒体は情報記録層を覆うカバー層を有し、このカバー層の厚さが異なる光記録媒体への記録および/または再生を行う請求項6に記載の光ヘッド装置に搭載した液晶レンズ素子の透明電極間にM個(但し、Mは3以上の整数)の特定の印加電圧Vkが印加されて用いられる光ヘッド装置の使用方法。
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