JPWO2006009176A1 - 液晶レンズ素子および光ヘッド装置 - Google Patents

Abstract

電圧非印加時のオフ状態で入射光の偏光状態に係わらず透過波面変化が生じず、電圧印加時のオン状態で異常光偏光入射光に対して凹レンズの機能が発現する液晶レンズ素子を提供する。一対の透明基板１１、１２に液晶層１６が挟持され、液晶層１６に印加する電圧の大きさに応じてここを透過する光の集光点を変化させる液晶レンズ素子１０において、透明基板１１に形成された断面が凹凸形状からなるフレネルレンズ１７と、フレネルレンズ１７が形成された透明基板１１の平坦面に形成された第１の透明電極１３と、他方の透明基板１２の平坦面に形成された第２の透明電極１４とを備える。

Description

本発明は、電圧非印加時のオフ状態では入射光の偏光状態にかかわらず透過波面の変化がなく、電圧印加時のオン状態では透過波面に変化を発生させる液晶レンズ素子、およびカバー層の厚さが異なる複数の光記録媒体への情報の記録および／または再生を行うことができる光ヘッド装置に関する。

光入射側の面に形成された情報記録層と、この情報記録層を覆う透明樹脂からなるカバー層を有する光記録媒体（以後、「光ディスク」という）として、情報記録層のカバー層の厚さ（以下、「カバー厚」という）が１．２ｍｍのＣＤ用光ディスク（以下、ＣＤ光ディスク、略して「ＣＤ」という）や情報記録層のカバー厚が０．６ｍｍのＤＶＤ用光ディスク（以下、ＤＶＤ光ディスク、略して「ＤＶＤ」とよぶ)という）などが普及している。一方、ＣＤの情報の記録および／または再生（以下、「記録・再生」という）に用いる光ヘッド装置としては、光源として波長λ₃(以下、これを「ＣＤの波長λ₃」とよぶ)が７９０ｎｍ帯の半導体レーザと、ＮＡ（開口数）が０．４５から０．５０までの対物レンズを備えたものが知られている。また、ＤＶＤの記録・再生に用いる光ヘッド装置としては、光源として波長λ₂(以下、これを「ＤＶＤの波長λ₂」とよぶ)が６６０ｎｍ帯の半導体レーザと、ＮＡが０．６から０．６５までの対物レンズを備えたものが用いられる。

また、近年、光ディスクの記録密度を向上させるため、カバー厚が０．１ｍｍの光ディスク（以下、ＢＤ光ディスク、略して「ＢＤ」とよぶ）が開発されている。このＢＤの記録・再生に用いる光ヘッド装置は、光源として波長λ₁(以下、これを「ＢＤの波長λ₁」とよぶ)が４０５ｎｍ帯の青色半導体レーザと、ＮＡが０．８５の対物レンズを備えたものが用いられる。ところが、ＢＤに対して波長λ₁で波面収差がほぼゼロに最適設計された対物レンズ（以下、「ＢＤ用対物レンズ」という）を用い、ＤＶＤおよびＣＤの記録・再生を行う場合、光ディスクのカバー厚の相違に起因した大きな球面収差が発生する。その結果、情報記録層への入射光の集光性が劣化し、良好な記録・再生ができない。このような事情から、単一の対物レンズを用いてカバー厚の異なる３種の光ディスクの記録・再生ができる小型の３波長互換光ヘッド装置の開発が検討されている。ところで、この３波長互換光ヘッド装置の実現に向けた光ヘッド装置の一つとして、ＢＤ用対物レンズとフレネルレンズを用いてＤＶＤの記録・再生を行うことができる光ヘッド装置が、提案されている（例えば、特開２００４−７１１３４号公報）。
この光ヘッド装置は、フレネルレンズとして、ＤＶＤのＮＡに相当する領域に階段状断面形状のホログラム格子を形成したものを用いている。このフレネルレンズは、ＤＶＤの波長λ₂に対して凹レンズ機能が発現する（フレネルレンズ）形状とする一方、階段状断面形状の各単位段差が、ＢＤの波長λ₁の光に対して約１波長分の光路差に相当するように形成しており、ＢＤ用対物レンズと一体で用いる。これにより、ＢＤおよびＤＶＤの記録・再生ができる光ヘッド装置を構成している。しかし、ＣＤに対しては収差補正機能がないため、３種の光ディスクの記録・再生を行うことは難しい。

また、ＣＤ、ＤＶＤおよびＢＤのカバー厚の相違に起因して発生する球面収差を位相補正器により低減する光ヘッド装置も提案されている（例えば、特開２００３−２０７７１４号公報）。
この光ヘッド装置では、ＤＶＤのＮＡに相当する領域に階段状断面形状の位相補正面を形成したＤＶＤ用位相補正素子と、ＣＤのＮＡに相当する領域に階段状断面形状の位相補正面を形成したＣＤ用位相補正素子とを備えており、ＢＤ用対物レンズと一体で用いる。
ＤＶＤ用位相補正面の階段状断面形状の各単位段差を、ＢＤの波長λ₁およびＣＤの波長λ₃に対して波長の略整数倍の光路差を与える段差とし、ＤＶＤの波長λ₂に対してのみ球面収差補正機能を発現させる。また、ＣＤ用位相補正面の階段状断面形状の各単位段差を、ＢＤの波長λ₁およびＤＶＤの波長λ₂に対して波長の略整数倍の光路差を与える段差とし、ＣＤの波長λ₃に対してのみ球面収差補正機能を発現させる。
しかし、各位相補正素子において所望の波長選択性を発現するためには、特殊な屈折率波長分散を有するガラス材料が必用となるとともに、複数の深い段差を精度良く加工することが前提となり、安定して波長選択収差補正機能を得ることは難しい。また、位相補正素子は、球面収差のみを補正するため、対物レンズと光ディスクとの間隔（以下、「作動距離」という）を拡張する凹レンズ機能は生じない。従って、ＢＤ用対物レンズをＣＤ用位相補正素子と一体で用いた場合、ＣＤに対する作動距離が０．３ｍｍ以下となり、光ディスク回転時に光ディスクと対物レンズが接触することなく安定して記録・再生することが難しい。
なお、ＣＤ用位相補正素子の位相補正面を特開２００４−７１１３４号公報に示すフレネルレンズ形状とすることにより、凹レンズ機能が発現できる。ところが、この場合には、凹凸部の段差および輪帯数が増大して、各段差の壁面に起因したＢＤの波長λ₁およびＤＶＤの波長λ₂における高い回折次数の回折光が発生し、所望の凹レンズ機能に相当する透過波面の効率が低下するので、問題である。

このような光ディスク等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手段として、液晶レンズ素子に相当する光変調素子を用いる光ヘッド装置も提案されている（例えば、特開平９−２３０３００号公報）。以下に、この光変調素子の横断面図を図１６に示す。
この光変調素子１００は、略平行な２つの透明基板１１０、１２０と、その間に狭持する液晶層１３０とを備えており、一方の透明基板１１０の液晶側の面に同心円状のブレーズ形状を有するフレネルレンズ形状の凹凸部１４０を形成するとともに、２つの透明基板１１０、１２０の液晶側の面に電極１５０および配向膜１６０を形成している。また、液晶層１３０は、電界非印加時に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。
ここで、液晶層１３０の常光屈折率ｎ_o、異常光屈折率ｎ_eのいずれか一方が透明基板のブレーズ形状を有する凹凸部１４０の屈折率ｎ_Fにほぼ等しい構成とすることにより、電界非印加時と電界印加時に、異常光偏光の入射光に対して、液晶層１３０と凹凸部１４０との屈折率差△ｎが、△ｎ（＝ｎ_e−ｎ_o）からゼロまで変化する。従って、この凹凸部１４０の深さを△ｎ×（凹凸部の深さ）＝（真空中の光の波長）とし、凹凸部１４０の屈折率ｎ_Fをｎ_eと略等しくすることにより、異常光偏光の入射光に対して光変調素子１００は、電圧非印加時に凹レンズ機能のないオフ状態と電圧印加時に凹レンズが発現するオン状態が切り替わる液晶レンズ素子となる。
この光変調素子１００をＢＤ用対物レンズと一体化して光ヘッド装置に搭載して、ＣＤの記録・再生時にのみ光変調素子１００をオン状態とすることにより、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が補正できるとともに、作動距離を０．３ｍｍ以上に拡張する凹レンズ機能が発現する。一方、ＢＤおよびＤＶＤの記録・再生時は、光変調素子１００をオフ状態とすることで、高い透過率が得られる。
しかしながら、図１６に示された光変調素子１００に常光偏光が入射した場合、印加電圧の有無に係わらず液晶層１３０と凹凸部１４０との屈折率差△ｎに応じて透過波面が変化する。特に、ＢＤおよびＤＶＤの記録・再生において、光変調素子１００に常光偏光と異常光偏光の何れも入射するため、透過波面収差を劣化させ、記録・再生ができない問題が生じる。

また、従来、一般に用いられているＤＶＤ光ディスクは、情報記録層が単層でカバー厚が０．６ｍｍ（以下、「単層ＤＶＤ光ディスク」という）である。ところが、近年、光ディスク１枚当たりの情報量を増大させるために、情報記録層を２層とした（再生専用または再生および記録可能な）光ディスク（以下、「２層ＤＶＤ光ディスク」という）も開発されており、この２層光ディスクでは、光入射側のカバー厚が０．５７ｍｍおよび０．６３ｍｍの位置に情報記録層が形成されている。
ＢＤ光ディスクについても、情報記録層が単層でカバー厚が０．１ｍｍ（以下、「単層ＢＤ光ディスク」という）に加えて、光ディスク１枚当たりの情報量を増大させるために２層光ディスク（以下、「２層ＢＤ光ディスク」という）が開発され、光入射側のカバー厚が０．１００ｍｍおよび０．０７５ｍｍの位置に情報記録層が形成されている。

このように、単層光ディスク（すなわち、単層ＤＶＤ光ディスクあるいは単層ＢＤ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有する光ヘッド装置を用いて、２層光ディスク（すなわち、２層ＤＶＤ光ディスクあるいは２層ＢＤ光ディスク）へ記録・再生する場合、カバー厚が異なると、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に対応し、書き込みエラーを招くため問題となる。

そこで、２層光ディスク等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手段として、例えば、特開平１０−２６９６１１号公報に記載された波面収差補正手段を備えた光ヘッド装置も提案されている。この光ヘッド装置では、特開平１０−２６９６１１号公報の図２に記載されるように、多層ディスクの記録層間隔に対応して発生する球面収差成分を補正するセグメント液晶パネルが用いられている。
ところが、球面収差成分のみを補正する場合、対物レンズと別置きで液晶パネルを用いた時、対物レンズのトラッキング時において生じる両素子の偏心に起因したコマ収差が発生し問題となる。このような問題を回避するために、例えば液晶パネルを対物レンズと一体で用いることが考えられるが、このような構成とした場合、対物レンズを可動するアクチュエータの負荷が増すとともに、液晶パネルへの電圧印加機構が煩雑となるといった問題があった。

また、同じように２層光ディスク等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目的で、特開２００４−１０３０５８号公報に記載の収差補正装置が提案されている。
この収差補正装置には、特開２００４−１０３０５８号公報の図２に記載するように、多層ディスクの記録層間隔に対応する大きな収差を補正する粗調用のホログラム液晶セルと、カバー層の相関誤差に対する球面収差を補正する微調用のセグメント液晶セルとからなる収差補正ユニットが用いられている。ここで、ホログラム液晶セルは、ガラス基板及び断面形状が鋸歯状のガラス基板の間に封入され、回折格子の断面形状が鋸歯状のブレーズホログラム形状を有する液晶と、液晶の両側に液晶に電圧を印加できるように配された透明電極と、を備えた液晶フレネルレンズとして構成されている。電極は分割されていない一様な透明導電材料により形成されている。

ところが、このホログラム液晶セルの場合、鋸歯状に表面が加工されたガラス基板の表面に透明電極が形成されているため、断線しやすく安定した低抵抗の透明電極の作製が困難であった。

また、近年、光ディスクの記録密度を向上させるため、波長４０５ｎｍ帯の青色半導体レーザと、ＮＡが０．６５の対物レンズを備えた光ヘッド装置を用いる、カバー厚がＤＶＤと同じ０．６ｍｍの光ディスク（以下、ＨＤＤＶＤ光ディスク、略して「ＨＤ」とよぶ）が開発されている。ところが、ＨＤＤＶＤとＢＤではカバー厚が異なるため、ＢＤ用対物レンズを用いたＨＤＤＶＤの記録・再生が、あるいは、ＨＤＤＶＤ用対物レンズを用いたＢＤの記録・再生ができないといった問題が生じる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、電圧非印加時のオフ状態では入射光の偏光状態に係わらず透過波面変化が生じず、電圧印加時のオン状態では異常光偏光入射光に対して凹レンズの機能が発現する液晶レンズ素子を提供することを目的とする。また、この液晶レンズ素子をＢＤに対して最適設計された対物レンズと一体で光ヘッド装置に搭載することにより、ＢＤ、ＤＶＤおよびＣＤの安定した記録・再生が実現する光ヘッド装置を提供することを目的とする。

さらに、本発明は、液晶レンズ素子を用いることにより、可動部のない小型な素子が実現可能であるとともに、単層および２層光ディスクにおけるカバー厚の相違に起因して発生する球面収差を補正し、安定した記録および／または再生ができる光ヘッド装置を提供することを目的とする。
さらに、本発明は、ＢＤ用対物レンズまたはＨＤＤＶＤ用対物レンズを備えた光ヘッド装置において、ＢＤおよびＨＤＤＶＤの光ディスクを記録・再生ができるＢＤ／ＨＤＤＶＤ互換光ヘッド装置を提供することを目的とする。

本発明は、下記の内容を提供する。
１．対向する一対の透明基板と、この透明基板に液晶が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点を変化させる液晶レンズ素子において、前記一方の透明基板の、他方の透明基板と対向する平坦面に形成された断面が凹凸形状からなる凹凸部を有するフレネルレンズと、このフレネルレンズの形成された前記一方の透明基板のフレネルレンズ下部の平坦面または前記フレネルレンズの凹凸部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前記第２の透明電極とを備え、前記液晶層の実質的な屈折率ｎ（Ｖ）は、前記第１の透明電極と第２の透明電極の間に印加する電圧Ｖの大きさに応じて、異常光偏光の入射光に対しては電圧非印加時（Ｖ＝０）のオフ状態の屈折率から電圧印加時のオン状態の屈折率まで変化するとともに、常光偏光の入射光に対しては印加電圧に係わらず常光屈折率ｎ_oであり、かつ、次の（１）から（３）のいずれかの要件を満たしていることを特徴とする液晶レンズ素子。
（１）前記液晶層は、誘電異方性が負のネマティック液晶であり、前記オフ状態の液晶分子の配向方向が前記フレネルレンズの表面に対して垂直または垂直に近い角度であるとともに、前記フレネルレンズは、屈折率ｎ_Fが前記液晶層の常光屈折率ｎ_oと同一またはこれに近い値の均一屈折率材料からなる。
（２）前記液晶層は、誘電異方性が正のネマティック液晶であり、前記オフ状態の液晶分子の配向方向が前記フレネルレンズの表面に対して平行またはこれに近い状態であるとともに、前記フレネルレンズは、液晶層の異常光屈折率ｎ_e（ｎ_e≠ｎ_o）と同一またはこれに近い値の異常光屈折率ｎ_Feと前記液晶層の常光屈折率ｎ_oと同一またはこれに近い値の常光屈折率ｎ_Fo（ｎ_Fe≠ｎ_Fo）を有する複屈折材料からなる。
（３）前記液晶層は、誘電異方性が正のネマティック液晶であり、前記オフ状態の液晶分子の配向方向が前記フレネルレンズの表面に対して平行またはこれに近い状態であるとともに、前記フレネルレンズは、前記液晶層の異常光屈折率ｎ_eと同一またはこれに近い値の均一屈折率材料からなり、かつ、前記一対の透明基板の一方には、前記オフ状態での前記液晶レンズ素子への常光偏光の入射光と透過光との間に生じる位相差を相殺するための偏光フレネルレンズが形成されている、のいずれかであることを特徴とする液晶レンズ素子。
このような液晶レンズ素子とすることにより、液晶レンズ素子の入射光の透過波面は、オフ状態では入射光の偏光状態に係わらず変化しないが、オン状態では異常光偏光の入射光に対して変化し、オン状態とオフ状態で焦点距離を切り替えることができる。なお、ここで、「垂直または垂直に近い角度」、「平行またはこれに近い状態」の近い角度、状態とは、垂直角度または平行状態から、それぞれ、５度以内を意味する。また、「屈折率ｎと同一またはこれに近い値」の近い値とは、屈折率の３パーセント以内のばらつきを意味する。

２．入射する３つの異なる波長λ₁、λ₂、λ₃（λ₁＜λ₂＜λ₃）について、前記一対の透明基板の少なくとも一方の基板には、１段の段差が波長λ₁および波長λ₃に対しては波長の整数倍またはこれに近い値の光路長差で波長λ₂に対しては波長の非整数倍の光路長差である、複数の段差からなる位相補正面が形成されていることを特徴とする上記１に記載の液晶レンズ素子。
このような液晶レンズ素子とすることにより、オフ状態で波長λ₂の入射光に対してのみその偏光状態に関わらず位相補正面により収差補正機能が発現する。なお、「波長の整数倍またはこれに近い値」の近い値とは、１波長の５パーセント以内のばらつきを意味する。

３．本発明は、光源と、この光源からの出射光をカバー層の厚さが異なる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の情報記録層で反射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、オン状態のときに発生する透過波面を変化させることにより前記光記録媒体に対して発生する波面収差を補正する機能とともに対物レンズと前記光記録媒体との間隔を拡大する凹レンズ機能を有する、上記１または２に記載の液晶レンズ素子が、前記光源と前記対物レンズとの間の光路中に配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。
このような光ヘッド装置を用いることにより、カバー厚の異なる複数の光ディスクの記録・再生において、液晶レンズ素子のオン状態でカバー厚の相違に起因して発生する波面収差の補正と作動距離の拡張ができる。その結果、単一の対物レンズと液晶レンズ素子を用いて複数の光ディスクの記録・再生を安定して行うことができる。

４．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、前記光記録媒体はカバー層の厚さが異なる２層以上の複数の情報記録層を有し、前記光源と前記対物レンズとの間の光路中に、上記１に記載の液晶レンズ素子が設置され、前記液晶レンズ素子のオフ状態とオン状態の印加電圧切り替えにより、前記カバー層の厚さが異なる情報記録層への記録および／または再生を行なうことを特徴とする光ヘッド装置。

５．上記４に記載の光ヘッド装置において、前記液晶レンズ素子は、第１の液晶レンズ部と第２の液晶レンズ部からなり、第１および第２の液晶レンズ部は、何れも、前記一方の透明基板の、他方の透明基板と対向する平坦面に形成された断面が凹凸形状で前記液晶層の常光屈折率ｎ_oと同一またはこれに近い値の均一屈折率材料からなり凹凸部を有するフレネルレンズと、このフレネルレンズの形成された前記一方の透明基板の平坦面に形成された第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前記第２の透明電極とを備え、前記液晶層は、誘電異方性が負のネマティック液晶であり、前記オフ状態の液晶分子の配向方向が前記フレネルレンズの表面に対して垂直または垂直に近い角度であるとともに、液晶層の実質的な屈折率ｎ（Ｖ）は、前記第１の透明電極と第２の透明電極の間に印加する電圧Ｖの大きさに応じて、異常光偏光の入射光に対しては電圧非印加時（Ｖ＝０）のオフ状態の屈折率から電圧印加時のオン状態の屈折率まで変化するとともに、常光偏光の入射光に対しては印加電圧に係わらず常光屈折率ｎ_oであり、オン状態における前記第１の液晶レンズ部と前記第２の液晶レンズ部の液晶層の常光屈折率の方向が互いに直交していることを特徴とする光ヘッド装置。
このような光ヘッド装置を用いることにより、入射光の偏光状態に係わらず、カバー厚の異なるカバー層の厚さが異なる２層以上の複数の情報記録層を有する光ディスクの安定した記録・再生が実現できる。

本発明によれば、電圧非印加時のオフ状態では、入射光の偏光状態にかかわらず液晶レンズ素子の出射光は波面変化がなく直進透過し、高い透過率が得られる。一方、電圧印加時のオン状態では、異常光偏光の入射光に対して液晶レンズ素子はレンズ機能を発現できる。従って、電圧のオン・オフにより、レンズ機能の有無を切り替えることができる。
また、このような液晶レンズ素子を備えた光ヘッド装置とすることにより、ＢＤおよびＤＶＤに対しては、液晶レンズ素子をオフ状態で用い、光ディスクの記録・再生が実現できる。また、ＣＤに対しては、液晶レンズ素子をオン状態で用いて凹レンズ機能を発現させ、カバー厚の相違に起因した波面収差を補正するとともに作動距離を０．３ｍｍ以上に拡大し、安定した記録・再生を実現できる。
また、このような液晶レンズ素子を備えた光ヘッド装置とすることにより、ＢＤまたはＣＤ用の単層光ディスクおよび２層光ディスクにおいて発生するカバー厚の相違に起因した波面収差を有効に補正できるため、安定した記録・再生を実現できる。
また、このような液晶レンズ素子と、ＢＤ用またはＨＤＤＶＤ用対物レンズを備えた光ヘッド装置とすることにより、ＢＤおよびＨＤＤＶＤの互換光ヘッド装置を実現できる。

本発明に係る第１の実施形態の液晶レンズ素子の構成を示す縦断面図。 図１に示す液晶レンズ素子の構成を示す横断面図。 第１の実施形態に係る液晶レンズにより生成される透過波面の光路長差を示すグラフであって、αは横軸を半径ｒとし光路長差を波長λ単位で表記したグラフ、βはαから波長λの整数倍を差し引いた、−λ以上ゼロ以下の光路長差としたグラフ、γは透過波面変化のない光路長差ゼロを示すグラフ。 本発明の液晶レンズ素子の側面図における透明電極間の拡大図。 本発明に係る第１の実施形態の他の液晶レンズ素子の構成を示す縦断面図。 本発明に係る第２の実施形態の液晶レンズ素子の構成を示す縦断面図。 本発明に係る第２の実施形態の液晶レンズ素子のＤＶＤ用位相補正面の波面収差補正作用を示す波面収差の部分拡大図。 第２の実施形態の液晶レンズ素子への印加電圧を切り替えたときの作用を示す説明図であって、（Ａ）は印加電圧Ｖ₀のときの波長λ₁の波面変化のない透過波面、（Ｂ）は印加電圧Ｖ₀のときの波長λ₂の発散透過波面、（Ｃ）は印加電圧Ｖ_Pのときの波長λ₃の発散透過波面を示す。 本発明の液晶レンズ素子を搭載した第３の実施形態の光ヘッド装置を示す構成図。 本発明に係る第４の実施形態の液晶レンズ素子の構成を示す縦断面図。 図１０に示す液晶レンズ素子の構成を示す横断面図。 本発明に係る第４の実施形態の液晶レンズ素子を搭載した光ヘッド装置を示す構成図。 本発明に係る第４の実施形態の液晶レンズ素子を搭載した光ヘッド装置の一部を示す構成図。 本発明に係る液晶レンズ素子を搭載した光ヘッド装置の実施例３と従来例の波面収差性能計算値を示すグラフ。 本発明に係る液晶レンズ素子を搭載した光ヘッド装置の実施例４と従来例の波面収差性能計算値を示すグラフ。 従来の光変調素子（液晶回折レンズ）の構成例を示す縦断面図。

符号の説明

１ 半導体レーザ（光源）
２ 偏光ビームスプリッタ
３ 合波プリズム
４ コリメータレンズ
５ ＢＤ用対物レンズ
６ 光検出器
７ アクチュエータ
８Ａ ＣＤ用ユニット
８Ｂ ＤＶＤ用ユニット
９ 合波プリズム
１０、２０、３０ 液晶レンズ素子
１１、１２、１２Ｃ、１２Ｄ、２１、３１、３１０、３２０ 透明基板
１３、１３Ｃ、１３Ｄ 第１の透明電極
１４、１４Ｃ、１４Ｄ 第２の透明電極
１５、１５Ｃ、１５Ｄ シール
１６、１６Ｃ、１６Ｄ 液晶層
１７、１７Ｃ、１７Ｄ 凹凸部（フレネルレンズ）
１８ 回折格子
１９ 誘電体多層膜
２２ 偏光フレネルレンズ
２３ 透明接着材
３２ 位相補正面
３３ 位相板
４０ 光ヘッド装置
５１ １／４波長板
Ｄ 光ディスク
Ｄ１、Ｄ２ 情報記録層

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。
［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、第１の透明電極１３と、第２の透明電極１４と、シール１５と、液晶層１６と、凹凸部１７と、回折格子１８とを備えている。
このうち、凹凸部１７は、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を有するものであり、屈折率ｎ_Fの透明材料を用いてＣＤの開口数ＮＡ₃＝０．５０に相当する有効径領域に形成されており、入射光の光軸（Ｚ軸）に関して回転対称性を有する。一方、回折格子１８は、ＤＶＤの開口数ＮＡ₂を除きＢＤの開口数ＮＡ₁を含む領域に形成されており、ＢＤの波長λ₁＝４０５ｎｍに対して１波長に相当する位相差となる格子深さの矩形断面形状を有する。このように構成すると、回折格子１８に波長λ₁の光が入射した場合、回折されることなく直進透過する。他方、波長λ₂＝６６０ｎｍおよび波長λ₃＝７９０ｎｍの光が入射した場合、大半の光は回折されて直進透過する光は１５％以下となる。すなわち、波長λ₁の入射光は透明基板１２の開口数ＮＡ₁の全域を直進透過し、波長λ₂および波長λ₃の入射光は開口数ＮＡ₂の領域のみ直進透過する、波長選択性の開口制限機能が発現する。

次に、この液晶レンズ素子１０の作製手順の一例について、以下に説明する。
はじめに、透明基板１１の一方の平坦面（図１では上面）に第１の透明電極１３を形成する。さらに、この透明電極１３上の開口数ＮＡ₃の領域に、屈折率ｎ_Fの透明材料を用い凹凸部１７を形成する。
一方、透明基板１２の一方の表面（図１では上面）で、開口数ＮＡ₂＝０．６５を除き開口数ＮＡ₁＝０．８５を含む領域に、回折格子１８を形成する。この回折格子１８は、前述したように、ＢＤの波長λ₁＝４０５ｎｍに対して１波長に相当する位相差となる格子深さの矩形断面形状の凹凸格子に加工する。なお、透明基板１２の回折格子１８が形成された表面には、波長λ₁、λ₂、λ₃に対して反射率が０．５％以下となる反射防止膜を形成する。
さらに、透明基板１２の他方の基板面に第２の透明電極１４を作製した後、ギャップ制御材が混入された図示外の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。
次に、シール１５の一部に設けた注入口（図示せず）から常光屈折率ｎ_oおよび異常光屈折率ｎ_e（但し、ｎ_o≠ｎ_e）を有するネマティック液晶を注入し、その後、この注入口を封止し液晶をセル内に密封して液晶層１６を形成し、本実施形態の液晶レンズ素子１０とする。
なお、本実施形態では、透明基板１１側に形成された電極１４Ａを通して第２の透明電極１４に電圧を印加するため、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、第２の透明電極１４と電極１４Ａを導通する。第１の透明電極１３に接続された電極１３Ａと、第２の透明電極１４に接続された電極１４Ａとに外部の交流電源を接続して、液晶層１６に交流電圧を印加する。
このようにして、液晶レンズ素子１０の第１の透明電極１３と第２透明電極１４に交流電圧Ｖを印加することにより、液晶層１６に印加される電圧Ｖ_LCに応じて、液晶分子の配向が変化し、液晶層１６の実質的な屈折率が変化する。ここで、液晶層１６の「実質的な屈折率」とは、入射光の偏光方向に対する液晶層１６の平均屈折率を意味し、（光路長）÷（液晶層の厚さ）に相当する。その結果、入射光の特定の直線偏光に対し、電圧Ｖ_LCの大きさに応じて液晶層１６の実質的な屈折率ｎ（Ｖ_LC）が変化し、液晶レンズ素子１０の透過光の波面が変化する。

凹凸部１７の材料の電気比抵抗ρ_Fが液晶層１６の電気比抵抗ρ_LCに比べて充分小さな値と見なされない場合、第１の透明電極１３と第２の透明電極１４の印加電圧Ｖに対して、凹凸部１７の電圧降下が生じ、実効的に液晶層１６に印加される電圧Ｖ_LCが低下する。
凹凸部１７および液晶層１６が電気的に絶縁体と見なせる大きな電気比抵抗の場合、印加電圧Ｖは凹凸部１７の電気容量Ｃ_Fと液晶層１６の電気容量Ｃ_LCに応じて配分され、液晶層１６に印加される電圧Ｖ_LCが定まる。すなわち、第１の透明電極１３と第２の透明電極１４に狭持された凹凸部１７と液晶層１６の厚さの比率に応じて電気容量Ｃ_FとＣ_LCが変化するため、電圧Ｖ_LCおよび屈折率ｎ（Ｖ_LC）が分布し、透明電極１３、１４間の平均屈折率、すなわち光路長を凹凸部１７の形状に応じて調整することができる。その結果、凹凸部１７のフレネルレンズ形状に応じて、入射光の透過波面がパワー成分（レンズ機能）を示す印加電圧Ｖ_Pが存在する。これにより、印加電圧Ｖの切り替えで透過光の集光点の切り替えができる液晶レンズ素子１０が得られる。
なお、電圧Ｖ_LCに対して液晶層１６の実質的な屈折率の大きな変化を得るために、液晶層１６の分子の配向方向が透明基板との界面で揃っていることが好ましい。液晶分子の配向方向を一定方向に揃えるために、第２の透明電極１４および凹凸部１７の表面にポリイミドなどの配向材（図示せず）を塗布し、硬化後にＸ軸方向にラビング処理すればよい。
凹凸部１７の材料としてポリイミドを用い、その表面をラビング処理してもよい。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配向材として用い液晶分子の配向を揃えてもよい。

ここで、フレネルレンズ形状の透明材料からなる凹凸部１７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いし、ＳｉＯ₂やＡｌ₂Ｏ₃やＳｉＯ_xＮ_y（但し、ｘ，ｙはＯとＮの元素比率を示す。）などの無機材料でもよい。また、均一屈折率材料あるいは複屈折材料でもよい。凹凸部１７は、透明基板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などの技術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、第１の透明電極１３と第２の透明電極１４の電圧非印加時（Ｖ＝０）のオフ状態で、常光偏光（偏光方向がＹ軸方向の偏光面）の入射光に対して液晶レンズ素子１０の透過波面が変化しない（パワーなし）機能を得るために、凹凸部１７の屈折率ｎ_Fを液晶層１６の実質的な屈折率ｎ（Ｖ_LC＝０）とほぼ等しくする。

電圧非印加時の液晶層１６の液晶分子の配向方向は、例えば、以下の３種類がある。
（ｉ）液晶分子長軸方向の比誘電率ε_//と液晶分子短軸方向の比誘電率ε⊥との差である誘電異方性△ε（＝ε_//−ε⊥）が負の液晶を用いる場合、電圧印加により生じる電界とは垂直方向に液晶の配向方向（すなわち、異常光屈折率ｎ_eの方向）が揃う。図１において、凹凸部１７および第２の透明電極１４の表面に液晶分子の配向方向がその表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、Ｘ軸方向にラビング処理する。その結果、電圧非印加時の液晶分子は凹凸部１７および第２の透明電極１４の表面に対して略垂直方向に揃う垂直配向となる。この時、異常光偏光（偏光方向がＸ軸方向の偏光面。Ｘ−Ｚ面内の偏光面）の入射光に対して液晶層１６の実質的な屈折率ｎ（０）は常光屈折率ｎ_oとなり、電圧Ｖ_LCの増加とともに異常光屈折率ｎ_eに近づく。
（ii）誘電異方性△εが正の液晶を用い、図１において、第２の透明電極１４および凹凸部１７の表面に液晶分子の配向方向が凹凸部１７および第２の透明電極１４の表面に略平行に揃う水平配向膜を形成し、液晶分子の配向方向がＸ軸方向に揃うホモジニアス配向とする。この時、異常光偏光の入射光に対して液晶層１６の実質的な屈折率ｎ（０）は液晶の異常光屈折率ｎ_eとなり、電圧Ｖ_LCの増加とともに常光屈折率ｎ_oに近づく。
（iii）誘電異方性△εが正の液晶を用い、図１において、凹凸部１７の表面に垂直配向膜を形成する。一方、平坦な第２の透明電極１４の表面にＸ軸方向にラビング処理した水平配向膜を形成する。その結果、液晶分子の配向方向が、凹凸部１７の表面に対して略垂直方向に揃い、第２の透明電極１４の表面に対して略平行方向に揃う、ハイブリッド配向となる。この時、異常光偏光の入射光に対して液晶層１６の実質的な屈折率ｎ（０）は液晶の異常光屈折率ｎ_eと常光屈折率ｎ_oの平均値（ｎ_e＋ｎ_o）／２となり、電圧Ｖ_LCの増加とともに常光屈折率ｎ_oに近づく。

次に、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凹凸部１７の断面形状について、以下に詳細に説明する。
本発明の液晶レンズ素子１０を光ヘッド装置に搭載し、第１の透明電極１３と第２の透明電極１４へ電圧Ｖ_Pを印加したオン状態のときに、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させるとともに、作動距離を拡張する負のパワー成分（凹レンズ機能）が付与された透過波面を生成させる。このとき、液晶レンズ素子１０に入射する異常光偏光の平面波の透過波面において、光軸中心（座標原点：ｘ＝ｙ＝０）の光線に対する半径ｒ離れた位置を通過する光線の光路長差ＯＰＤが、（1）式のようなベキ級数で記述されるようにする。

および

ここで、（１）式の曲線の具体例を図３に符号αで示す。なお、横軸は半径ｒで、縦軸は光路長差ＯＰＤを入射光の波長λの単位で表記し、αのグラフは（１）式の中心軸（ｒ＝０）を含む断面を示す。
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ため、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（平行移動した）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における凹凸部１７のフレネルレンズ形状に対応する。なお、図３のγで示すグラフは透過波面変化のない光路長差がゼロの透過波面を示す。
図１に示す液晶レンズ素子１０では、オン状態で液晶層１６の実質的な屈折率ｎ（Ｖ_P）と凹凸部１７の屈折率ｎ_Fの大小関係がｎ（Ｖ_P）＞ｎ_Fの場合、図１のような中心部が凸のフレネルレンズ形状とすることにより、凹レンズ作用が発現する。一方、ｎ（Ｖ_P）＜ｎ_Fの場合、図１とＸＹ面対称の中心部が凸のフレネルレンズ形状とすることにより、凸レンズ作用が発現する。

ところで、凹凸部１７および液晶１６の電気比抵抗ρ_F、ρ_LCが電気的絶縁体と見なせる大きな電気比抵抗の場合、電気等価回路において凹凸部１７と液晶層１６の電気容量Ｃ_F、Ｃ_LCにより凹凸部１７と液晶層１６への電圧配分が決定される。
そこで、透明電極間に印加する交流電圧Ｖの交流周波数をｆ、凹凸部１７の比誘電率をε_F、膜厚をｄ_F、液晶層１６の液晶の比誘電率をε_LC、層厚をｄ_LCとするときに、ｆ×ε₀×ρ_F×ε_Fおよびｆ×ε₀×ρ_LC×ε_LCがそれぞれ１より充分大きな場合について、第１の透明電極１３と第２の透明電極１４の間の凹凸部１７および液晶層１６の拡大断面図である図４を用いて、液晶レンズ素子１０の作用を、以下に説明する。なお、ε₀は真空中の誘電率である。また、第１の透明電極１３と第２の透明電極１４の間隔をＧとすると、凹凸部１７の膜厚ｄ_Fと液晶１６の層厚ｄ_LCの和（ｄ_F＋ｄ_LC）は一定値Ｇである。
第１の透明電極１３と第２の透明電極１４間の交流印加電圧Ｖに対して、液晶層１６に配分される印加電圧Ｖ_LCの比率Ｖ_LC／Ｖは、次式で記載される。

ここで、凹凸部１７の膜厚ｄ_Fはフレネルレンズを形成する鋸歯状または鋸歯を階段形状で近似した断面形状に対応してゼロからｄまで分布するため、ｄ_F／ｄ_LCはゼロからｄ／（Ｇ−ｄ）まで分布する。その結果、液晶層１６の印加電圧Ｖ_LCは、凹凸部１７の形状に応じて空間分布が生じる。
液晶層１６に効率よく電圧を印加するためには、（２）式の比率Ｖ_LC／Ｖが増大するように比誘電率ε_Fの大きな凹凸部１７の材料とすることが好ましい。液晶層１６の比誘電率ε_LCは約４以上であるため、凹凸部１７は４以上の比誘電率ε_Fとすることが好ましい。
また、液晶は誘電率異方性を有し、液晶分子長軸方向の比誘電率ε_//と液晶分子短軸方向の比誘電率ε⊥が異なるため、電圧印加に伴い液晶分子の配向が変化し、液晶分子の配向変化により液晶層１６の比誘電率ε_LCも変化する。従って、（２）式において、比誘電率ε_LCのＶ_LCに応じた変化を反映し、凹凸部１７の形状に応じた液晶層１６の印加電圧Ｖ_LCの空間分布が定まる。Ｖ_LCは膜厚ｄ_Fに依存するため、以後、Ｖ_LC［ｄ_F］と表記する。
なお、Ｖ_LC［０］は透明電極間の印加電圧Ｖに等しい。

従って、凹凸部１７の膜厚ｄ_Fの分布に応じて、異常光偏光の入射光に対する液晶層１６の実質的な屈折率ｎ（Ｖ_LC［ｄ_F］）に空間分布が生じる。図４において、凹凸部１７の膜厚ｄ_Fの位置の第１の透明電極１３と第２の透明電極１４の間の光路長は｛ｎ_F×ｄ_F＋ｎ（Ｖ_LC［ｄ_F］）×ｄ_LC｝であり、凹凸部１７のフレネルレンズ中心位置（ｄ_F＝ｄ）の光路長｛ｎ_F×ｄ＋ｎ（Ｖ_LC［ｄ］）×（Ｇ−ｄ）｝に対する光路長差ＯＰＤは、（３）式となる。

なお、膜厚ｄ_Fはｄからゼロまで分布し、光路長差ＯＰＤは、ゼロから（4）式の光路長差ＯＰＤ₀まで分布する。

例えば、印加電圧Ｖ_Pにおいて、ＣＤの波長λ₃の入射光に対して、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、光路長差ＯＰＤ_oが略λ₃となるように、透明基板１１に形成された凹凸部１７の膜厚ｄおよび第１の透明電極１３と透明基板１２に形成された第２の透明電極１４の間隔Ｇを決定するとともに、凹凸部１７を膜厚ゼロからｄに至る断面形状とすればよい。ここでは、光路長差ＯＰＤ₀がＣＤの波長λ₃に略等しく、すなわち、０．７５λ₃から１．２５λ₃、となるよう凹凸部１７をフレネルレンズ形状に加工する。
ここで、オフ状態とオン状態である印加電圧Ｖ₀（＝０）、Ｖ_Pにおいて、液晶レンズ１０に入射する異常光偏光の平面波は、それぞれ図３のグラフγおよびβに示す透過波面となって出射する。すなわち、第１の透明電極１３と第２の透明電極１４の印加電圧に応じて、オフ状態でパワーなし、オン状態で負のパワーに対応するレンズ機能が得られる。
一方、液晶レンズ素子１０の入射光の直線偏光が常光偏光の場合、前述の垂直配向、ホモジニアス配向およびハイブリッド配向の何れの場合も、液晶層１６の実質的な屈折率は常光屈折率ｎ_oとなり、印加電圧Ｖの大きさに係わらず不変である。このとき、（３）式で記述される光路長差ＯＰＤは｛（ｎ_o−ｎ_F）×（ｄ―ｄ_F）｝となり、（ｎ_o−ｎ_F）がゼロでない場合は、凹凸部１７の膜厚ｄ_Fの分布に応じて液晶レンズ素子１０の透過波面は変化する。異常光偏光の入射光に対して、オフ状態（Ｖ＝Ｖ_LC［ｄ_F］＝Ｖ_LC［ｄ］＝０）でパワーなしとする条件から、（３）式より凹凸部１７の異常光偏光に対する屈折率ｎ_Fがｎ_F＝ｎ（０）となり、液晶層１６が垂直配向ではｎ_F＝ｎ_o、ホモジニアス配向ではｎ_F＝ｎ_e、ハイブリッド配向ではｎ_F＝（ｎ_o＋ｎ_e）／２とする。
従って、凹凸部１７が均一屈折率材料の場合、常光偏光の入射光に対して、垂直配向では（ｎ_o−ｎ_F）がゼロとなるが、ホモジニアス配向およびハイブリッド配向では、それぞれ（ｎ_o−ｎ_e）および（ｎ_o−ｎ_e）／２の値となり、光路長差ＯＰＤの分布に起因して透過波面変化が生じる。

このような常光偏光の入射光に対する固定的な光路長差ＯＰＤの空間分布を発生させないために、次に記載する液晶レンズ素子１０の構成とすることが好ましい。
第１の構成として、凹凸部１７の透明材料として高分子液晶などの複屈折材料を用い、オフ状態で液晶層１６の異常光偏光および常光偏光に対して液晶層１６の屈折率と凹凸部１７の屈折率が一致するように調整する。具体的には、異常光偏光に対して凹凸１７部の屈折率ｎ_Feが液晶層１６のオフ状態の実質的な屈折率ｎ（０）に等しく、常光偏光に対して凹凸部１７の屈折率ｎ_Foが液晶層１６の常光屈折率ｎ_oに等しい複屈折材料とし、入射光の偏光状態に係わらず光路長差ＯＰＤの空間分布が発生しない構成とする。例えば、高分子液晶から成る凹凸部１７の場合、高分子液晶の常光屈折率ｎ_Foおよび異常光屈折率ｎ_Feをホモジニアス配向の液晶層１６の液晶の常光屈折率ｎ_oおよび異常光屈折率ｎ_eと一致させ、液晶層１６の凹凸部１７の界面の液晶分子配向と同じ方向に高分子液晶を配向させればよい。

次に、第２の構成として（図1の液晶レンズ素子１０の変形例）、図５に液晶レンズ素子２０の断面図を示す。液晶レンズ素子２０では、常光偏光の入射光に対して発生する液晶レンズ素子１０の固定的な光路長差ＯＰＤを相殺するため、偏光位相補正層として透明基板２１に複屈折材料から成る偏光フレネルレンズ２２を形成する。
ここで、はじめに、この透明基板２１、および偏光フレネルレンズ２２の作製方法を説明すると、透明基板２１の片面（図５では下側）に配向処理された配向膜を作製し、Ｙ軸方向に分子配向の揃った高分子液晶膜を形成する。この高分子液晶膜を凹凸部からなるフレネルレンズ形状に加工し、その凹部に高分子液晶の常光屈折率ｎ_Foと等しい均一屈折率ｎ_sの透明接着材２３を充填するとともに透明基板１２に接着固定する。ここで、高分子液晶の配向方向とオフ状態の液晶層１６の液晶の配向方向は直交し、液晶層１６にとって異常光偏光となる偏光方向がＸ軸方向の偏光面（Ｘ−Ｚ面内）に対して、高分子液晶の常光屈折率ｎ_Foと透明接着材２３の屈折率ｎ_sは一致するため、偏光フレネルレンズ２２の透過波面は変化しない。一方、液晶層１６にとって常光偏光となる偏光方向がＹ軸方向の偏光面に対して、高分子液晶の異常光屈折率ｎ_Feと透明接着材２３の屈折率ｎ_sは異なり、偏光フレネルレンズ２２の透過波面はその凹凸部のフレネルレンズ形状に応じた変化が生じる。この透過波面変化が液晶レンズ素子１０の常光偏光入射光に対して発生する固定的な光路長差ＯＰＤを相殺するように高分子液晶の凹凸部形状とすれば、入射光の偏光状態に係わらずオフ状態の透過波面が不変であるため好ましい。第１の構成と比べ、高分子液晶の屈折率ｎ_Fe、ｎ_Feは、液晶の異常光屈折率ｎ_e、常光屈折率ｎ_eに制約されないため、材料選択の自由度が高いといった長所がある。一方、偏光フレネルレンズ２２の形成により、液晶レンズ素子が厚くなるといった短所がある。
また、図５の液晶レンズ２０では、液晶レンズ１０の回折格子１８の代わりに、誘電体多層膜フィルタ１９を透明基板２１の片面の所定領域に形成し、開口制限機能を発現する。この誘電体多層膜フィルタ１９は、波長λ₁を透過し、波長λ₂および波長λ₃を反射する。
なお、図５の符号で図１と同じものは図１と同じ要素を示す。

以上のように、図１および図５の液晶レンズ素子１０、２０は、何れも第１の透明電極１３が透明基板１１の平面に成膜され、さらにその上に凹凸部１７からなるフレネルレンズが形成された構成としている。しかし、透明基板１１の平面に凹凸部１７からなるフレネルレンズを形成し、凹凸部１７の表面に第１の透明電極１３を成膜した構成としてもよい。
その場合、第１の透明電極１３と第２の透明電極１４に印加する電圧Ｖが、凹凸部１７で電圧降下することなく直接液晶層１６に印加されるため、凹凸部１７の膜厚ｄ_Fに係わらず液晶層１６の実質的な屈折率ｎ（Ｖ）は均一となる。従って、膜厚ｄ_Fの凹凸部１７の位置で、第１の透明電極１３と第２の透明電極１４の間の光路長は｛ｎ_F×ｄ_F＋ｎ（Ｖ）×ｄ_LC｝であり、凹凸部１７のフレネルレンズ中心位置（ｄ_F＝ｄ）での光路長｛ｎ_F×ｄ＋ｎ（Ｖ）×（Ｇ−ｄ）｝に対する光路長差ＯＰＤは、（５）式のようになる。

ここで、膜厚ｄ_Fはｄからゼロまで分布するので、（５）式で示す光路長差ＯＰＤはゼロから｛ｎ（Ｖ）−ｎ_F｝×ｄまで分布する。従って、例えば印加電圧Ｖ_Pにおいて、ＣＤの波長λ₃の入射光に対して図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、光路長差｛ｎ（Ｖ_P）−ｎ_F｝×ｄが略λ₃（すなわち、０．７５λ₃から１．２５λ₃）となるように、凹凸部１７の膜厚ｄを決定するとともに、凹凸部１７を膜厚ゼロからｄに至る断面形状とすればよい。
凹凸部１７の表面に第１の透明電極１３を成膜した構成の場合、液晶層１６の印加電圧Ｖ_LCは凹凸部１７の比誘電率や電気比抵抗など材質物性およびその形状に係わらず、第１の透明電極１３と第２の透明電極１４の印加電圧Ｖと一致する。このため、フレネルレンズの凹凸部１７の形状の設計が容易だが、凹凸部１７の表面に断線なく安定して低抵抗の第１の透明電極１３を形成することは難しい。一方、凹凸部１７の下面に第１の透明電極１３を成膜した構成の場合、液晶層１６の印加電圧Ｖ_LCは凹凸部１７の膜厚ｄ_Fが厚い程低下し、それに応じて液晶層１６の実質的な屈折率ｎ（Ｖ_LC［ｄ_F］）が分布する。その結果、比較的薄い膜厚ｄの凹凸部１７により大きな光路長差を得ることができるため、凹凸部１７の成膜および加工プロセスが簡略化されるといった長所がある。

以上のようにして得られる液晶レンズ素子１０または２０において、オフ状態（Ｖ＝Ｖ_LC［ｄ_F］＝０）で、入射光はその偏光状態および波長に係わらず透過波面変化がなく（すなわち、パワーなし）液晶レンズ素子を直進透過し、高い透過率が得られる。また、オン状態（Ｖ＝Ｖ_P）では、波長λ₃の異常光偏光の入射光に対し凹レンズ相当の発散透過波面（すなわち、負のパワー成分）となって透過する。なお、常光偏光の入射光に対しては印加電圧および波長に係わらず透過波面変化がなく（すなわち、パワーなし）直進透過し、高い透過率が得られる。
従って、液晶レンズ素子１０または２０にＢＤの波長λ₁の光束が入射する場合、印加電圧Ｖをゼロにして（即ち、オフ状態）、開口数ＮＡ₁の領域でほとんど光損失なく直進透過できる。また、ＤＶＤの波長λ₂の光束が入射する場合、印加電圧Ｖをゼロにして、開口数ＮＡ₂の領域でほとんど光損失なく直進透過できる。一方、ＣＤの波長λ₃の異常光偏光の光束が入射する場合、印加電圧ＶをＶ_Pにして（即ち、オン状態）、開口数ＮＡ₃の領域で凹レンズ機能の発散波面となって透過する。

また、本実施形態では、（１）式で記述される軸対称の光路長差ＯＰＤを生成する液晶レンズ素子の場合について、その素子構造および動作原理について説明したが、（１）式以外の軸非対称なコマ収差や非点収差などの補正に相当する光路長差ＯＰＤを生成する液晶素子も、同様の原理で、凹凸部１７の加工およびその凹部への液晶充填により作製できる。
また、本実施形態では、何れもベタ電極である第１の透明電極１３と第２透明電極１４の２端子を用いて液晶層１６に交流電圧を印加する構成を示したが、これ以外に、例えば第１の透明電極１３と第２の透明電極１４の少なくとも一方の電極が、空間的に分割されて独立に異なる交流電圧を印加できる構成としてもよい。また、この空間的に分割された透明電極を所望の電気抵抗を有する抵抗膜とし、２つ以上の給電点を設けて半径方向に印加電圧分布を付与し、液晶に印加される電圧が半径方向に傾斜分布するようにしてもよい。このような分割電極または抵抗膜電極の構造とすることにより、さらに多様な光路長差ＯＰＤの空間分布を生成できる。
また、Ｘ軸方向の直線偏光に対して凹レンズ機能が発現する液晶レンズ素子とＹ軸方向の直線偏光に対して凹レンズ機能が発現する液晶レンズ素子を積層することにより、ＣＤの波長λ₃の入射光の偏光状態に係わらず、オン状態で、開口数ＮＡ₃の領域で凹レンズ機能が発現する。具体的には、液晶層１６の液晶分子の配向方向を互いに直交させた液晶レンズ素子１０を積層すればよい。高分子液晶などの複屈折材料からなる凹凸部１７を用いる場合、凹凸部１７の複屈折材料の光軸方向も互いに直交させる。また、誘電異方性△εが正の液晶からなる液晶層１６と均一屈折率材料からなる凹凸部１７を用いる場合、入射偏光に係わらず発生する固定的な光路長差ＯＰＤを相殺するため、液晶レンズ素子の透明基板の表面に位相補正用のフレネルレンズを形成すればよい。

［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態に係る液晶レンズ素子３０の構成例について、図６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３０では、第１の実施形態と異なり、ＢＤ用対物レンズを用いてＤＶＤの記録・再生を行う場合、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ために、透明基板３１の表面の開口数ＮＡ₂＝０．６５に相当する領域に、ＤＶＤ用の位相補正面３２が形成されている。さらに、本実施形態では、位相板３３が透明基板３１と透明基板１２に狭持されている点が、第１の実施形態の液晶レンズ１０および２０と異なる。なお、図６の符号で図１と同じものは図１と同じ要素を示す。

ＢＤ用対物レンズを用いＤＶＤに対して開口数ＮＡ₂＝０．６５で波長λ₂＝６６０ｎｍの入射光を情報記録層に集光した場合、大きな球面収差が発生する。この場合、位相補正素子(例えば、特開２００４−１３８８９５号公報を参照）を用いることにより、このような球面収差を補正してＤＶＤ光ディスクの安定した記録・再生ができる。
そこで、本実施形態のＤＶＤ用の位相補正面３２は、開口数ＮＡ₂の領域に形成された入射光の光軸に関して回転対称性を有する階段状の凹凸部からなり、凹凸部の各段における波長λ₁の透過光の位相差が２πの偶数倍としている。
ここで、均一屈折率ｎの透明材料からなる位相補正面３２の凹凸部の各段の透過光の位相差を波長λ₁に対して２πの偶数倍とすると、凹凸部材料の屈折率波長分散を考慮し、波長λ₃に対する位相差は２πのほぼ整数倍となる。従って、波長λ₁および波長λ₃に対しては入射光の偏光状態にかかわらず位相補正面３２の凹凸部の透過波面は変化することなく直進透過する。一方、波長λ₂の入射光に対しては位相補正面３２の凹凸部の位相差が２πの非整数倍となり、凹凸部の形状に応じて透過波面が変化する波長選択性の位相補正面となる。
光ディスクのカバー厚の相違に起因して発生するＤＶＤの球面収差を補正する（１）式で記載される光路長差ＯＰＤの透過波面を生成するように、位相補正面３２の凹凸部断面形状を決定する。なお、ＤＶＤ光ディスクとの作動距離を変えるため、パワー成分が付与された透過波面としてもよい。この場合、位相補正面３２はその断面形状が鋸歯状で、鋸歯状の各凸部が階段形状格子によって近似されたフレネルレンズ形状となる。

この位相補正面３２は、例えば、図３のαで示すグラフ（光路長差）を波長λ₂の間隔で分割して光路長差ゼロの面に射影した（平行移動した）光路長差を示すグラフβに相当する透過波面となる階段状格子の凹凸形状とする。ここで、（Ｎ＋１）レベル（すなわちＮ段）の階段形状格子の高さｄ_NをＮ等分した１段の高さｄ₁の光路長差（ｎ−１）×ｄ₁が波長λ₁＝４０５ｎｍの偶数倍となるようにする。例えば、（ｎ−１）×ｄ₁＝２×λ₁のとき、位相補正面３２に波長λ₂の光が入射すると、凹凸部１段の透過波面の位相差は、２π×（ｎ−１）×ｄ₁／λ₂＝２π×（２×λ₁／λ₂）となり、透明基板３１の屈折率波長分散を考慮すると、２π×１．１８程度となる。すなわち、階段形状格子の１段につき実効的に０．１８波長だけ透過波面が遅れる。従って、鋸歯状の断面形状をＮ＝４またはＮ＝５の階段形状格子に近似することにより、ＤＶＤの透過波面のみを補正する位相補正面３２となる。
ここで、位相補正面３２の波面収差補正作用を示す波面収差の部分拡大図を図７に示す。階段形状格子の１段の高さｄ₁に対応した補正光路長差ａ＝｛（ｎ−１）×ｄ₁−λ₂｝を単位に、１波長λ₂分の波面収差を補正光路長差ａで分割することにより、近似的に波面収差を補正する。図７では６レベル（５段）の階段形状格子による収差補正例を示す。

次に、図６を参照しながら、透明基板３１と透明基板１２に狭持された位相板３３について、説明する。
透明基板３１の表面にＸ軸と４５°の角度をなす方向に配向処理されたポリイミド配向膜を形成し、液晶モノマーを塗布後に重合硬化させ、配向処理方向に分子配向の揃った高分子液晶からなる位相板３３を形成する。さらに、透明接着材（図示せず）を用いて透明基板１２に接着固定する。ここで、屈折率波長分散を考慮して高分子液晶材料の膜厚を設定し、位相板３３のリタデーション値Ｒｄを波長λ₁に対して９λ₁／４とすると、波長λ₂に対するＲｄが略５λ₂／４に、波長λ₃に対するＲｄが略λ₃になる。すなわち、波長λ₁および波長λ₂では１／４波長板となり、波長λ₃では波長板として機能しない。

このようにして得られる液晶レンズ素子３０に、Ｘ軸方向（異常光）またはＹ軸方向（常光）の直線偏光が入射するときの透過光を図８に示す。
オフ状態（Ｖ＝Ｖ₀＝０）で、開口数ＮＡ₁の領域に入射するＢＤの波長λ₁の光束は、図８の（Ａ）に示すように透過波面変化がなく円偏光となって直進透過する。また、開口数ＮＡ₂の領域に入射するＤＶＤの波長λ₂の光束は、図８の（Ｂ）に示すように位相補正面３２により発散光波面の円偏光となって透過する。また、オン状態（Ｖ＝Ｖ_P）でＸ軸方向の直線偏光が入射した場合、開口数ＮＡ₃の領域に入射するＣＤの波長λ₃の光束は、図８の（Ｃ）に示すようにＸ軸方向の直線偏光のまま凹凸部１７と液晶層１６からなるフレネルレンズにより発散光波面となって透過する。
なお、リタデーション値Ｒｄおよび遅相軸の角度が異なる２層または３層の高分子液晶からなる位相板を積層することにより、波長λ₁と波長λ₂と波長λ₃に対してほぼ１／４波長板に相当する位相板３３とすることもできる。この場合、ＣＤの波長λ₃の入射光の偏光状態に係わらず、オン状態で開口数ＮＡ₃の領域で凹レンズ機能が発現するように、Ｘ軸方向の直線偏光に対して凹レンズ機能が発現する液晶レンズ素子と、Ｙ軸方向の直線偏光に対して凹レンズ機能が発現する液晶レンズ素子とを積層した構成とすることが好ましい。

［第３の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態に係る液晶レンズ素子３０（図６参照）を搭載したＢＤ、ＤＶＤ、およびＣＤの３種の光ディスクの記録・再生に用いる３波長互換光ヘッド装置４０について、図９を参照しながら説明する。
本実施形態の光ヘッド装置４０は、ＢＤの波長λ₁＝４０５ｎｍの光源である半導体レーザ１と、偏光ビームスプリッタ２と、合波プリズム３と、コリメータレンズ４と、ＢＤ用対物レンズ５と、波長λ₁の光検出器６の他に、対物レンズ５を保持するアクチュエータ７に液晶レンズ素子３０が一体化された構成のものである。
さらに、本実施形態の光ヘッド装置４０は、図示外のＤＶＤの波長λ₂＝６６０ｎｍの光源である半導体レーザ、波長λ₂の光検出器、およびビームスプリッタが一体化されたＤＶＤユニット８Ａと、図示外のＣＤの波長λ₃＝７９０ｎｍの光源である半導体レーザ、波長λ₃の光検出器、およびビームスプリッタが一体化されたＣＤユニット８Ｂと、ビームスプリッタ９とを備えている。

次に、本実施形態の作用について説明する。
（I）半導体レーザ１から放射された波長λ₁＝４０５ｎｍの光が偏光ビームスプリッタ２で反射され、合波プリズム３を透過し、コリメータレンズ４により平行光となりオフ状態の液晶レンズ素子３０に常光偏光（偏光方向がＹ軸方向の偏光面）として入射する。さらに、液晶レンズ素子３０内の位相板３３（図６参照）により円偏光に変換され、図８（Ａ）に示すように液晶レンズ素子３０を直進透過し、開口数ＮＡ₁＝０．８５に相当する光束がＢＤ用対物レンズ５によりＢＤ光ディスクＤの情報記録層へ集光される。一方、情報記録層で反射した信号光は元の経路を経て、液晶レンズ素子３０内の位相板３３により異常光偏光（偏光方向がＸ軸方向の偏光面）に変換され、液晶レンズ素子３０を直進透過し、合波プリズム３および偏光ビームスプリッタ２を透過して光検出器６の受光面へ効率よく集光され、電気信号に変換される。
（II）また、ＤＶＤユニット８Ａから放射された波長λ₂＝６６０ｎｍの光は、合波プリズム９を透過し、合波プリズム３で反射された後、コリメータレンズ４により集光され平行光となりオフ状態の液晶レンズ素子３０に常光偏光として入射する。さらに、液晶レンズ素子３０内の位相板３３（図６参照）により円偏光に変換され、液晶レンズ素子３０の回折格子１８で開口制限された開口数ＮＡ₂＝０．６５に相当する光束は、液晶レンズ素子３０内の位相補正面３２（図６参照）により、光ディスクのカバー厚の相違に起因して発生する収差を補正する図８（Ｂ）に示す透過波面に変換されて、ＢＤ用対物レンズ５によりＤＶＤ光ディスクＤの情報記録層へ集光される。一方、情報記録層で反射した信号光は元の経路を経て、液晶レンズ素子３０内の位相板３３により異常光偏光に変換され、合波プリズム３を反射し、合波プリズム９を透過してＤＶＤユニット８Ａ内の光検出器の受光面へ集光され、電気信号に変換される。
（III）また、ＣＤユニット８Ｂから放射された波長λ₃＝７９０ｎｍの光は、合波プリズム９および合波プリズム３で反射された後、コリメータレンズ４により集光され平行光となりオン状態の液晶レンズ素子３０に異常光偏光として入射する。さらに、液晶レンズ素子３０内の位相板３３により偏光面が変化することなく、開口数ＮＡ₃＝０．５０に相当する光束は、液晶レンズ素子３０内の凹凸部１７と液晶層１６（共に、図６参照）からなるフレネルレンズにより、光ディスクのカバー厚の相違に起因して発生する収差を補正するように透過波面が図８（Ｃ）に示す発散光に変換されて、対物レンズ５によりＣＤ光ディスクＤの情報記録層へ集光される。情報記録層で反射した信号光は異常光偏光のまま元の経路を経て、ＣＤユニット８Ｂ内の光検出器の受光面へ集光され、電気信号に変換される。ここで、開口数ＮＡ₃を除く開口数ＮＡ₂の直進透過する光束はＣＤ光ディスクＤの情報記録層に集光されないため、結果的にＮＡ₃領域のフレネルレンズが開口制限機能をなす。

図９に示すように、液晶レンズ素子３０透過後の波長λ₂および波長λ₃の光が発散光となるよう凹凸部１７および位相補正面３２（共に、図６参照）を加工することにより、図９の破線および点線で示す光路のように、ＤＶＤおよびＣＤ光ディスクＤの作動距離を拡げることができるため、アクチュエータ７によりフォーカスサーボを起動させるときの安定性が向上する。
このように、本実施形態に係る光ヘッド装置４０によれば、ＢＤ用対物レンズ５と液晶レンズ素子３０を一体化した複合レンズとして用い、ＤＶＤおよびＣＤの光ディスクＤのカバー厚の相違により発生する球面収差の補正のみならず、作動距離を拡大する凹レンズ機能も付加できる。その結果、ＢＤ、ＤＶＤおよびＣＤの３種の光ディスクの安定した記録・再生ができる小型・軽量な光ヘッド装置が実現する。
また、オフ状態の液晶レンズ素子３０は、波長λ₁および波長λ₂の光に対して高い透過率を示すとともに、１／４波長板が一体化されているため、偏光ビームスプリッタを併用した光利用効率の高い光学系が得られる。その結果、高倍速のＢＤおよびＤＶＤの記録用光ヘッド装置に好適である。

［第４の実施形態］
本発明の第４の実施形態に係る液晶レンズ素子５０の構成例について、図１０に示す側面図と図１１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５０は、第１の実施形態に係る液晶レンズ素子１０と同様の構成を有する第１の液晶レンズ部５０Ｃと第２の液晶レンズ部５０Ｄとからなる。それぞれ、透明基板１１、１２Ｃ、１２Ｄと、第１の透明電極１３Ｃ、１３Ｄと、第２の透明電極１４Ｃ、１４Ｄと、シール１５Ｃ、１５Ｄと、液晶層１６Ｃ、１６Ｄと、凹凸部１７Ｃ、１７Ｄとを備えている。
このうち、凹凸部１７Ｃ、１７Ｄは、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を有するものであり、液晶層１６Ｃ、１６Ｄの常光屈折率ｎ_ｏと略等しい屈折率ｎ_Fの透明材料を用いて有効径φ領域に形成されており、入射光の光軸（Ｚ軸）に関して回転対称性を有する。

次に、この液晶レンズ素子５０の作製手順の一例について、以下に説明する。
はじめに、透明基板１２Ｃ、１２Ｄの片面に第１の透明電極１３Ｃ、１３Ｄを形成する。さらに、この透明電極１３Ｃ、１３Ｄ上の有効径φの領域に、屈折率ｎ_Fの透明材料を用い、凹凸部１７Ｃ、１７Ｄを形成する。
一方、透明基板１１の両面に第２の透明電極１４Ｃ、１４Ｄを作製した後、ギャップ制御材が混入された図示外の接着材を印刷パターニングしてシール１５Ｃ、１５Ｄを形成し、前述の透明基板１２Ｃ、１２Ｄと重ね合わせ、圧着して空セルを作製する。
次に、シール１５Ｃ、１５Ｄの一部に設けられた注入口（図示せず）から、負の誘電異方性を有し、常光屈折率ｎ_oおよび異常光屈折率ｎ_e（但し、ｎ_o≠ｎ_e）を有するネマティック液晶を注入し、その後、この注入口を封止して液晶をセル内に密封して液晶層１６Ｃ、１６Ｄを形成し、本実施形態の液晶レンズ素子５０とする。
なお、本実施形態では、透明基板１１側に形成された電極１３Ａ（図１１参照）を通して第１の透明電極１３Ｃ、１３Ｄに電圧を印加し、電極１４Ａ（図１１参照）を通して第２の透明電極１４Ｃ、１４Ｄに電圧を印加する。電極１３Ａと電極１４Ａとに外部の交流電源（図示せず）を接続して、液晶層１６Ｃ、１６Ｄに交流電圧を印加する。
また、第１および第２の透明電極間の印加電圧に応じて、液晶層１６Ｃ、１６Ｄの液晶分子の配向がそれぞれＸ方向およびＹ方向に揃うよう、少なくとも第２の透明電極１４Ｃ、１４Ｄの表面にＸ方向およびＹ方向に配向処理された配向膜（図示せず）が形成されている。

凹凸部１７Ｃ、１７Ｄおよび液晶層１６Ｃ、１６Ｄが電気的に絶縁体と見なせる大きな電気比抵抗の場合、凹凸部１７Ｃ、１７Ｄのフレネルレンズ形状に応じて、入射光の透過波面がパワー成分（レンズ機能）を示す印加電圧Ｖ_Pが存在する。これにより、印加電圧Ｖの切り替えで透過光の集光点の切り替えができる液晶レンズ素子５０が得られる。ここで、第１の液晶レンズ部５０ＣはＸ方向の直線偏光に対して、第２の液晶レンズ部５０ＤはＹ方向の直線偏光に対して、焦点距離の切り替え機能が発生するため、液晶レンズ素子５０は入射偏光状態に関わらず焦点距離の切り替え機能が発生する。
また、図１０に示す液晶レンズ素子５０では、中心部が凹状の凹凸部１７Ｃ、１７Ｄからなるフレネルレンズであり、印加電圧Ｖ_Pのとき液晶層の実質的な屈折率は凹凸部の屈折率より大きいため、正のパワー成分（凸レンズ機能）が付与された透過波面を発生させる。
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凹凸部１７Ｃ、１７Ｄの断面形状は、第１の実施形態に係る液晶レンズ素子１０において詳述したように、透過光の光路長差ＯＰＤが、（１）式で記述されるように加工する。

本実施形態の液晶レンズ素子５０の場合は、単層および２層光ディスクの記録・再生用の光ヘッド装置において、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とともに、対物レンズと別置きで配置し、対物レンズがトラッキング時に液晶レンズ素子５０と偏心が生じた場合でも収差劣化が生じないように、凹凸部１７Ｃ、１７Ｄの形状が決定される。
印加電圧Ｖ_Pにおいて、第１の液晶レンズ部５０Ｃと第２の液晶レンズ部５０Ｄにより発生する正のパワー成分が付与された透過波面は、凹凸部１７Ｃ、１７Ｄのフレネルレンズ形状によって決定される。したがって、凹凸部１７Ｃ、１７Ｄを同一形状とすることにより、Ｘ方向およびＹ方向の直線偏光入射光に対して同じ透過波面となる。
図１０において、凹凸部１７Ｃと１７Ｄは透明基板１１を隔てて形成されているため、その間隔に相当する像点位置の差異が生じる。このような入射偏光による像点位置の差異を解消するように、凹凸部１７Ｃと１７Ｄの輪帯形状を異なるように作製してもよい。また、Ｘ方向とＹ方向の直線偏光入射光に対して全く異なるパワー成分が発生するように凹凸部１７Ｃと１７Ｄの形状を独立に設定してもよい。

次に、本発明の第４の実施形態に係る液晶レンズ素子５０を搭載した単層および２層のＢＤ光ディスクあるいはＤＶＤ光ディスクの記録・再生に用いる光ヘッド装置６０について、その構成図を示す図１２を参照しながら説明する。
本実施形態の光ヘッド装置６０において、図９に示す第３の実施形態に係る３波長互換光ヘッド装置４０と同じ機能の光学部品は、同一符号を用い、説明を省略する。
例えば、カバー厚０．１００ｍｍの単層ＢＤ光ディスクに対して収差が最小となるように設計された対物レンズ５５０を用いる光ヘッド装置６０において、２層ＢＤ光ディスクのカバー厚０．０７５ｍｍの情報記録層Ｄ１への記録・再生時に、印加電圧Ｖ_P（オン状態）の液晶レンズ素子５０により凸レンズ相当の正のパワー成分を発生させることにより、収差発生を低減する。ここで、カバー厚０．１００ｍｍの単層および２層ＢＤ光ディスクの情報記録層Ｄ２に対しては、液晶レンズ素子５０に電圧印加しない（オフ状態）ことにより透過波面変化は生じないため、安定した記録・再生が実現する。

なお、例えば、２層ＢＤ光ディスクのカバー厚０．１００ｍｍと０．０７５ｍｍの中間のカバー厚０．０８７５ｍｍに対して収差が最小となるように設計された対物レンズ５を用いる場合、対物レンズ５に入射する光束をわずかに発散光とする有限系配置により、カバー厚０．１００ｍｍで収差が最小となる。この場合も、液晶レンズ素子５０の印加電圧の切り替えにより、単層および２層ＢＤ光ディスクの情報記録層Ｄ１、Ｄ２に対して安定した記録・再生が実現する。

また、例えば、カバー厚０．５９ｍｍ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た対物レンズを用いる光ヘッド装置において、カバー厚０．６２ｍｍの光ディスクに対して、印加電圧Ｖ_Pの液晶レンズ素子５０により凹レンズ相当の負のパワー成分を発生させることにより、収差発生を低減する。従って、カバー厚０．６１ｍｍから０．６３ｍｍの２層ＤＶＤ光ディスクの情報記録面Ｄ２の記録・再生時には、液晶レンズ素子５０に電圧Ｖ_Pを印加することにより、安定した記録再生が実現する。一方、カバー厚０．６０ｍｍの単層ＤＶＤ光ディスクおよびカバー厚０．５７ｍｍから０．５９ｍｍの２層ＤＶＤ光ディスクの情報記録面Ｄ１の記録・再生時には、液晶レンズ素子５０に電圧印加せず、対物レンズの収差性能により記録・再生を行う。その結果、液晶レンズ素子５０への印加電圧のオン・オフの切り替えにより、単層および２層光ディスクの安定した記録・再生が実現できる。
なお、カバー厚０．６０ｍｍの単層ＤＶＤ光ディスクに対して収差が最小となるように設計された対物レンズを用いる光ヘッド装置において、対物レンズに入射する光束をわずかに発散光とする有限系配置により、例えば、カバー厚０．６１ｍｍで収差が最小となる。印加電圧Ｖ_Pの液晶レンズ素子５０により凸レンズ相当の正のパワー成分を発生させることにより、カバー厚０．５９ｍｍの光ディスクに対して収差発生を低減する。すなわち、液晶レンズ素子５０の印加電圧の切り替えにより、カバー厚０．５９ｍｍおよび０．６１ｍｍで収差を最小とすることができる。
また、液晶レンズ素子５０と対物レンズ５の間の光路中に１／４波長板５１を配置し、偏光ビームスプリッタ２に入射する往路と復路の偏光を直交化させることにより、高効率ビームスプリッタとしている。ここで、液晶レンズ素子５０には往路と復路で直交する直線偏光が入射するが、何れの偏光に対しても収差補正機能が発現し、安定した記録・再生性能が維持できる。

［第５の実施形態］
本発明の液晶レンズ素子を搭載したＢＤおよびＨＤＤＶＤの光ディスクを記録・再生できるＢＤ／ＨＤＤＶＤ互換光ヘッド装置の実施形態について、図１３に示すＢＤ用対物レンズ５と液晶レンズ５０がアクチュエータ７に固定された構成図を用いて、以下に説明する。
本実施形態の液晶レンズ素子５０は、図１０に示す第４の実施形態に係る液晶レンズ素子５０と同様の構成を有するが、以下の点が第４の実施形態と異なる。
液晶レンズ素子５０は、ＮＡ０．８５のＢＤ用対物レンズ５の有効径に対応した光透過領域を有するが、凹凸部１７Ｃ、１７Ｄ（図１０参照）はＮＡ０．６５に相当する有効経にのみ形成されている。また、ＮＡ０．６５領域の波長λ₁の入射光をＢＤ用対物レンズ５を用いてカバー厚０．６０ｍｍのＨＤＤＶＤ光ディスクの情報記録層に集光するとき発生する球面収差を補償するとともに対物レンズと光ディスクの間隔を拡大するように、凹凸部１７Ｃ、１７Ｄは、印加電圧Ｖ_Pの時、液晶レンズ素子５０により負のパワー成分（凹レンズ機能）が付与された透過波面を発生させるようなフレネルレンズ形状としている。

ここで、ＢＤ光ディスクＤ（ＢＤ）を記録・再生する時、図１３（Ａ）に示すように、液晶レンズ素子５０に電圧印加しない（オフ状態）ことにより透過波面変化は生じないため、透過光（実線で示す）はＢＤ用対物レンズ５によりカバー厚０．１００ｍｍの情報記録層に効率よく集光され、ＢＤ光ディスクの安定した記録・再生が実現する。
一方、ＨＤＤＶＤＤ光ディスクＤ（ＨＤ）を記録・再生する時、図１３（Ｂ）に示すように、液晶レンズ素子５０に電圧Ｖ_Pを印加する（オン状態）ことにより、液晶レンズ５０のＮＡ０．６５領域の透過光（実線で示す）は発散光となってＢＤ用対物レンズ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、ＨＤＤＶＤ光ディスクの安定した記録・再生が実現する。なお、ＮＡ０．８５中でＮＡ０．６５領域外の光束は液晶レンズ素子５０を直進透過（破線で示す）し、ＢＤ用対物レンズ５によりＨＤＤＶＤ光ディスクの情報記録層に集光されないため、ＮＡ０．６５領域の記録・再生用の光束に影響を与えることはない。その結果、ＢＤ用対物レンズと液晶レンズ素子を用いることにより、規格の異なるＢＤ光ディスクとＨＤＤＶＤＤ光ディスクの記録・再生ができるＢＤ／ＨＤＤＶＤ互換光ヘッド装置が実現する。

本実施形態では、Ｘ方向の直線偏光に対して機能する第１の液晶レンズ部５０Ｃ（図１０参照）と、Ｙ方向の直線偏光に対して機能する第２の液晶レンズ部５０Ｄ（同じく、図１０参照）から成る液晶レンズ素子５０を用いているため、入射光の偏光状態に関わらず焦点距離の切り替え機能が発生する。従って、１／４波長板はコリメータレンズと液晶レンズ部５０との間あるいはＢＤ用対物レンズと液晶レンズ部５０との間の何れの光路中に配置してもよい。また、液晶レンズ部５０の代わりに、図１に示す液晶レンズ部１０、あるいは、図６に示す液晶レンズ部３０と同様の構成としてもよい。この場合も、凹凸部１７はＮＡ０．６５に相当する有効経にのみ形成され、ＮＡ０．６５領域の波長λ₁のＸ方向の直線偏光入射光をＢＤ用対物レンズ５を用いてカバー厚０．６０ｍｍのＨＤＤＶＤ光ディスクの情報記録層に集光する時発生する球面収差を補償するとともに、対物レンズと光ディスクの間隔を拡大するように、印加電圧Ｖ_Pの時、液晶レンズ素子により負のパワー成分（凹レンズ機能）が付与された透過波面を発生させる凹凸部１７からなるフレネルレンズ形状としている。

なお、本実施形態ではＢＤ用対物レンズ５と液晶レンズ５０がアクチュエータ７に固定された構成例を説明したが、液晶レンズ５０をアクチュエータ７に搭載せずコリメータレンズとＢＤ用対物レンズ５との間の光路中の固定部に配置してもよい。この場合、アクチュエータ７の重量負荷が軽減されるといった利点がある。
また、本実施形態ではカバー厚０．１００ｍｍのＢＤ光ディスクに対して設計されたＢＤ用対物レンズを用いるＢＤ／ＨＤＤＶＤ互換光ヘッド装置の例を示したが、別の対物レンズを用いてもよい。例えば、対物レンズのＮＡ０．６５領域は波長λ₁の平行入射光に対してカバー厚０．６０ｍｍのＨＤＤＶＤ光ディスクの情報記録層に集光するように設計され、対物レンズのＮＡ０．６５領域外かつＮＡ０．８５領域内の輪帯領域は波長λ₁の平行入射光に対してカバー厚０．１００ｍｍのＢＤ光ディスクの情報記録層に集光するように設計された対物レンズを用いる。このような対物レンズに波長λ₁の平行光が入射すると、ＮＡ０．６５領域と前記輪帯領域では集光点が異なり、ＮＡ０．６５領域の光束は効率よくＨＤＤＶＤ光ディスクの情報記録層に集光されるため、ＨＤＤＶＤ光ディスクの安定した記録・再生が実現する。一方、ＮＡ０．６５領域外、かつ、ＮＡ０．８５領域内の輪帯領域の光束はＢＤ光ディスクの情報記録層に集光されるが、ＮＡ０．６５領域の光束は集光されない。そこで、ＮＡ０．６５領域の光束が前記輪帯領域の光束と同様ＢＤ光ディスクの情報記録層に集光されるように、液晶レンズ素子を用い、カバー厚０．１００ｍｍのＢＤ光ディスクの情報記録層に集光するときに発生する球面収差を補償するように、印加電圧Ｖ_Pの時、液晶レンズ素子により正のパワー成分（凸レンズ機能）が付与された透過波面を発生させる凹凸部１７（１７Ｃ、１７Ｄ）からなるフレネルレンズ形状とすればよい。

「例１」
次に、第２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６を参照しながら以下に説明する。
初めに、この液晶レンズ素子３０の作製方法について説明する。

（i）透明基板１１であるガラス基板上に透明導電膜（ＩＴＯ膜）を成膜し、第１の透明電極１３とする。その上に、ＳｉスパッタターゲットとＡｒガスに酸素および窒素を混入した放電ガスを用いるスパッタリング法により、均一な屈折率ｎ_F（＝１．４９）で膜厚ｄ（＝３．０μｍ）のＳｉＯ_xＮ_y膜を成膜する。
さらに、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ＳｉＯ_xＮ_y膜を図３のグラフβの形状に相当するように加工する。その結果、開口数ＮＡ₃＝０．５０に対応する有効径２．６５ｍｍの領域に、図６に断面を示すようなフレネルレンズを１６段の階段状で近似した凹凸部１７を加工する。その後、凹凸部１７の表面に垂直配向膜（図示せず）を膜厚約５０ｎｍ形成する。

（ii）また、透明基板１２であるガラス基板上に透明導電膜（ＩＴＯ膜）を成膜し、第２透明電極１４とする。さらにその上に、垂直配向膜（図示せず）を膜厚約５０ｎｍ形成し、Ｘ軸方向にラビング配向処理して液晶用の配向膜とする。そして、透明基板１２の第２透明電極１４側に、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とし、透明基板１１と重ね合わせて圧着し、空セルを作製する。その後、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液晶層１６を形成して液晶レンズ素子１０とする。この液晶層１６の液晶としては、常光屈折率ｎ_o（＝１．４９）および異常光屈折率ｎ_e（＝１．６４）で負の誘電異方性（△ε＝ε_//―ε⊥＝−１０）を有するネマティック液晶を用いる。また、この液晶は、電圧非印加時に凹凸部１７および第２の透明電極１４の面に垂直に配向し、電圧印加とともにＸ軸方向に液晶分子が傾き、ホモジニアス配向に近づく。

（iii）このようにして得られる液晶レンズ素子１０の第１の透明電極１３と第２の透明電極１４に交流電源を接続し、矩形交流電圧Ｖを印加する。印加電圧Ｖに対して液晶層１６に配分される印加電圧Ｖ_LCの比率Ｖ_LC／Ｖは、図４に示す凹凸部１７の膜厚ｄ_Fおよび液晶層１６の層厚ｄ_LCに応じて（２）式で関係付けられ、凹凸部１７からなるフレネルレンズ形状に対応した電圧分布Ｖ_LCが生じる。その結果、偏光方向がＸ軸方向である偏光面を有する直線偏光入射光に対して、凹凸部１７の膜厚ｄ_Fの分布に対して透明電極間の光路長差ＯＰＤが（３）式で記載されるように分布する。ＳｉＯ_xＮ_y膜からなる凹凸部１７の膜厚ｄ_Fはｄからゼロまで分布し、フレネルレンズ形状の中心部（ｄ_F＝ｄ）に対する光路長差ＯＰＤはゼロから（４）式のＯＰＤ₀まで分布する。

ここで、電圧非印加時（Ｖ＝Ｖ₀＝０）の液晶層１６は、ｎ（０）＝ｎ_oの均一屈折率層となり、凹凸部１７のＳｉＯ_xＮ_y膜の屈折率ｎ_Fと一致するため、入射光の波長および偏光状態に依存することなくＯＰＤ₀はほぼゼロとなる。すなわち、透過波面は変化することなく直進透過する。
一方、透明電極間の印加電圧Ｖを増加させると、異常光編光に対する（４）式のＯＰＤ₀は変化し、ＣＤ用の波長λ₃＝７９０ｎｍに対してＯＰＤ₀が略λ₃となる印加電圧Ｖ_Pが存在する。従って、液晶レンズ素子３０に入射する波長λ₃の異常光編光は、印加電圧Ｖ₀とＶ_Pの切り替えによりパワーなしの透過波面と図３のβに相当する負のパワーの発散光透過波面に切り替わる。
波長λ₁＝４０５ｎｍで焦点距離２．４０ｍｍのＢＤ用対物レンズを、波長λ₃＝７９０ｎｍでＣＤ光ディスクに用いると、最大光路長差が約１．４λ₃で、ＲＭＳ波面収差が約４３７ｍλ₃に相当する大きな球面収差が発生する。

（iv）そこで、液晶レンズ素子１０を用いてこの球面収差を補正するため、印加電圧Ｖ_Pの透過波面が、前述の表１に示す係数ａ₁〜ａ₅の値を用いて（１）式で表記される図３のグラフαに相当するグラフβの光路長差ＯＰＤとなるように、凹凸部１７を加工する。ただし、（１）式の光路長差ＯＰＤは［μｍ］単位で、ｒは［ｍｍ］単位である。
本例ではフレネルレンズの凹凸部１７を１６段の階段形状によって近似しているため、矩形波形の交流実効電圧である印加電圧Ｖ_P＝３．８Ｖで（４）式で記述される電極間の光路長差ＯＰＤ₀が略０．７４μｍとなるように、凹凸部１７の厚さがｄ＝３．０μｍで電極間隔Ｇを８μｍとしている。
波長λ₃＝７９０ｎｍで印加電圧の切り替えＶ₀、Ｖ_Pにおいて発生する透過波面の生成効率の計算値は、それぞれ１００％、９８％となる。

（v）次に、透明基板３１である石英ガラス基板の表面の開口数ＮＡ₂＝０．６５に相当する有効径３．２ｍｍの領域に、透明基板３１での凹凸部の１段の段差ｄ₁が１．７３μｍで６レベル５段の階段状格子からなる位相補正面３２を形成する。ガラス基板は波長λ₁で屈折率１．４７、波長λ₂および波長λ₂₃で屈折率１．４５であり、１段の位相差は波長λ₁で２．０λ₁、波長λ₂で１．１８λ₂、波長λ₃で０．９９λ₃となる。従って、位相補正面３２を透過する波長λ₂の透過光は凹凸形状に応じて波面変化が生じるが、波長λ₁および波長λ₃の透過光の波面変化は生じない。
前述のＢＤ用対物レンズを波長λ₂＝６６０ｎｍでＤＶＤ光ディスクに用いると、最大光路長差が約２．７λ₂で、ＲＭＳ（Root Mean Square）波面収差が約７９４ｍλ₂に相当する大きな球面収差が発生する。
そこで、この球面収差を補正するため、透過波面が前述した表２に示す係数ａ₁〜ａ₅の値を用いて（１）式で表記される図３のグラフαに相当するグラフβの光路長差ＯＰＤとなるように、透明基板３１の表面に位相補正面３２を加工する。

（vi）また、透明基板３１の開口数ＮＡ₂＝０．６５を除き開口数ＮＡ₁＝０．８５を含む有効径３．８ｍｍから４．２ｍｍに相当する輪帯領域に、深さが０．８７μｍの矩形断面形状の回折格子１８を形成する。回折格子の段差の位相差は波長λ₁で１．０１λ₁、波長λ₂で０．５９λ₂、波長λ₃で０．５０λ₃となる。従って、波長λ₁の光は回折されることなく直進透過するが、波長λ₂および波長λ₃の光は大半が回折されて直進透過光は１５％以下となり、開口制限機能が得られる。

（vii）さらに、透明基板３１の他方の面に高分子液晶膜からなる位相板３３を形成する。透明基板３１の面内でＸ軸に対して４５°の角度をなす方向に分子配向した、膜厚６．８μｍの高分子液晶膜とする。高分子液晶膜の複屈折率△ｎを、波長λ₁で０．１３４、波長λ₂で０．１２２、波長λ₃で０．１１７とすると、位相板３３のリタデーション値Ｒｄは、波長λ₁で２．２５λ₁、波長λ₂で１．２６λ₂、波長λ₃で１．００λ₃となる。従って、位相板３３は波長λ₁および波長λ₂で１／４波長板相当となり、波長λ₃では波長板として機能しない。

（viii）最後に、透明基板３１の位相板３３の形成された面を液晶レンズ素子１０に接着固定し、液晶レンズ素子３０とする。その結果、第２の実施形態で説明した作用・効果が得られる。また、液晶レンズ素子３０を第３の実施形態において説明した図９に示す光ヘッド装置４０のアクチュエータ７に搭載する。

本例によれば、例えば図９において、光ディスクＤへと光が集光される往路において、液晶レンズ素子３０がオフ状態のとき、ＢＤの波長λ₁の常光偏光（偏光方向がＹ軸方向の偏光面）の入射光に対して、作動距離０．９６ｍｍ隔てたカバー厚０．１ｍｍのＢＤ光ディスクの情報記録層に良好に集光できる。また、ＤＶＤの波長λ₂の常光偏光の入射光に対して、作動距離０．６８ｍｍ隔てたカバー厚０．６ｍｍのＤＶＤ光ディスクの情報記録層に良好に集光できる。さらに、液晶レンズ素子３０がオン状態のとき、ＣＤの波長λ₃の異常光偏光（偏光方向がＹ軸方向の偏光面）の入射光に対して、作動距離０．６０ｍｍ隔てたカバー厚１．２ｍｍのＣＤ光ディスクの情報記録層に良好に集光できる。
また、光ディスクＤでの反射光が光検出器へ集光される復路において、波長λ₁および波長λ₂の光は液晶レンズ素子３０により異常光偏光に変換され、各光検出器に良好に集光する。波長λ₃の光は異常光偏光のまま液晶レンズ素子３０を出射し、光検出器に良好に集光する。その結果、ＢＤ用対物レンズ５と液晶レンズ素子３０を用いて、ＢＤ、ＤＶＤ、およびＣＤの３種の光ディスクの記録・再生が実現する。

「例２」
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および図４を参照しながら、以下に説明する。
例１の液晶レンズ素子３０における液晶レンズ素子１０と、例２の相違は、以下の２点である。すなわち、凹凸部１７からなるフレネルレンズとしてＳｉＯ_xＮ_y膜の代わりに高分子液晶を用い、凹凸部１７の形状を図１の中心部が凸型のフレネルレンズが中心部が凹型のフレネルレンズとする。また、液晶層１６の液晶として、負の誘電異方性を有するネマティック液晶の代わりに正の誘電異方性を有するネマティック液晶を用いる。

ここで、高分子液晶は、常光屈折率ｎ_Fo（＝１．５２）および異常光屈折率ｎ_Fe（＝１．６６）で、Ｘ軸方向に分子配向した膜厚３．２μｍの凹凸部１７とする。また、液晶層１６の液晶は、常光屈折率ｎ_o（＝１．５０）および異常光屈折率ｎ_e（＝１．６６）で、誘電異方性△εが１１であって、電圧非印加時の液晶分子の配向方向を高分子液晶と同じＸ軸方向に揃える。高分子液晶からなる凹凸部１７の表面には配向膜を形成せず、高分子液晶の表面を直接Ｘ軸方向にラビング処理することにより、電圧非印加時の凹凸部１７表面の液晶分子の配向がＸ軸方向に揃うホモジニアス配向とする。また、電圧印加とともにＺ軸方向に液晶分子が傾き、垂直配向に近づく。

常光偏光および異常光偏光に対して、電圧非印加時（Ｖ＝Ｖ_o＝０）の液晶層１６の実質的な屈折率は、凹凸部１７の屈折率と略一致するため、入射光の波長および偏光状態に依存することなく、凹凸部１７の膜厚ｄ_Fの位置の第１の透明電極１３と第２の透明電極１４の間の光路長と、フレネルレンズ中心位置（ｄ_F＝０）の光路長との光路長差ＯＰＤはｄ_Fの値に係わらずほぼゼロとなる。すなわち、オフ状態の液晶レンズ素子１０の入射光は透過波面が変化することなく直進透過する。
一方、透明電極間の印加電圧Ｖを増加させると、異常光編光の入射光に対する（４）式のＯＰＤ₀は変化し、ＣＤの波長λ₃＝７９０ｎｍに対してＯＰＤ_oが略λ₃となる印加電圧Ｖ_Pが存在する。従って、液晶レンズ素子１０に入射する波長λ₃の異常光編光は印加電圧Ｖ₀とＶ_Pの切り替えにより、パワーなしの透過波面と図３のβに相当する負のパワーの発散光透過波面に切り替わる。従って、例１の液晶レンズ素子１０の部分と同じ作用・効果が得られる。

次に、この液晶レンズ素子１０を第３の実施形態において説明した図９に示すアクチュエータ７に搭載した光ヘッド装置４０について説明する。ここで、ＢＤ用対物レンズ５として、図５の液晶レンズ素子３０のＤＶＤ用位相補正面３２が対物レンズの表面に形成されたＤＶＤ互換対応のＢＤ用対物レンズを用いる。また、図６の液晶レンズ３０の位相板３３の部分が一対の透明基板に狭持された単一の位相板素子を、合波プリズム３とコリメータレンズ４の間の光路中に配置する。
このような構成とした場合、液晶レンズ素子１０に入射する波長λ₁および波長λ₂の光は円偏光となるが、オフ状態の液晶レンズ素子１０は入射偏光状態に係わらず透過波面変化が生じない。また、波長λ₃の光は異常光偏光のままオン状態の液晶レンズ素子１０に入射し、凹レンズ機能の発散光透過波面となって出射するため、例１と同様の作用・効果が得られる。その結果、ＤＶＤ互換対応のＢＤ用対物レンズと液晶レンズ素子１０を用いて、ＢＤとＤＶＤとＣＤの３種の光ディスクの記録・再生が実現する。

「例３」
次に、第４の実施形態に示した本発明の液晶レンズ素子５０の具体的な実施例について、図１０を参照しながら以下に説明する。
第１の液晶レンズ部５０Ｃと第２の液晶レンズ部５０Ｄは例１で詳述した本発明の液晶レンズ素子３０と同様の構成から成り、単層および２層ＢＤ光ディスクの収差補正素子として機能する。

使用目的の相違に伴い、以下の構成が液晶レンズ素子３０と異なる。
凹凸部１７Ｃおよび１７Ｄのフレネルレンズは、波長４０５ｎｍの屈折率ｎ_F（＝１．５０）で膜厚ｄ（＝１．５μｍ）のＳｉＯ_xＮ_y膜からなり、対物レンズのＮＡにトラッキング時のレンズシフト幅±０．３ｍｍを付加した有効経φ＝３．６ｍｍの領域に形成する。また、液晶層１６Ｃ、１６Ｄの液晶としては、常光屈折率ｎ_o（＝１．５０）および異常光屈折率ｎ_e（＝１．６６）で負の誘電異方性を有するネマティック液晶を用い、液晶層の最大厚が６μｍとなるようギャップ制御材を用いる。ここで、電圧印加時の液晶分子の配向方向が１６Ｃと１６Ｄとで直交するように、液晶層に接する界面に配向処理された配向膜が形成されている。

ここで、凹凸部１７Ｃおよび１７Ｄの形状は、波長４０５ｎｍの入射光に対して、液晶レンズ素子５０がオン状態（印加電圧Ｖ_ｐ＝３．５Ｖ）で、その透過波面が表３に示す係数ａ₁〜ａ₅の値を用いて（１）式で表記される光路長差ＯＰＤとなるように加工する。表３に示す係数は、カバー厚０．１ｍｍの単層ＢＤ光ディスクに対して最小収差となる対物レンズを、カバー厚０．０７５ｍｍの２層ＢＤ光ディスクの情報記録面に用いたとき、対物レンズと液晶レンズ素子５０との±０．３ｍｍの偏心時も含めて、発生収差を液晶レンズ素子５０により補正するように設計した結果である。使用する対物レンズの仕様が異なればその係数値も異なる。

その結果、入射光の偏光状態に係わらず、オフ状態（電圧非印加）では液晶レンズ素子５０の入射光の透過波面は変化しないが、オン状態では波長４０５ｎｍに対して凸レンズ相当のレンズ機能による収束透過波面となる。
このようにして得られる液晶レンズ素子５０を、図１２に示すＢＤ光ディスクの記録・再生用光ヘッド装置６０に搭載する。ここで、対物レンズ５はカバー厚０．１ｍｍの単層ＢＤ光ディスクに対して最小収差となるように設計されている。ここで、単層および２層ＢＤ光ディスクのカバー厚０．１ｍｍの情報記録面に対する記録・再生において、液晶レンズ素子５０をオフ状態で用いることにより、液晶レンズ素子５０の透過波面は不変なため、安定した記録・再生ができる。一方、２層ＢＤ光ディスクのカバー厚０．０７５ｍｍの情報記録面に対する記録・再生において、液晶レンズ素子５０をオン状態で用いることにより、カバー厚の相違に起因して発生する収差が有効に補正されるため、安定した記録・再生ができる。

液晶レンズ素子５０をオフおよびオン状態で、カバー厚０．１ｍｍおよび０．０７５ｍｍの情報記録面の記録・再生を行う場合、対物レンズ５のトラッキングシフトに伴い発生するＲＭＳ波面収差の計算結果を図１４に●および○で示す。０．３ｍｍの対物レンズシフトに対して１７ｍλ_１（ｒｍｓ）以下の安定した収差レベルが維持できる。比較のため、従来の球面収差のみを補正する液晶収差補正素子を対物レンズと別置きで使用した時のＲＭＳ波面収差の計算結果を図１４に黒四角で示す。０．１ｍｍ以上の対物レンズシフトに対して６０ｍλ_１（ｒｍｓ）以上の収差が発生し、このままでは収差補正素子として機能しない。

「例４」
次に、第４の実施形態に示した本発明の液晶レンズ素子５０の他の実施例として、単層および２層ＤＶＤ光ディスクの収差補正素子として用いる例について以下に記載する。
使用目的の相違に伴い、以下の構成が例３の液晶レンズ素子５０と異なる。
凹凸部１７Ｃおよび１７Ｄのフレネルレンズは、波長６６０ｎｍの屈折率ｎ_F（＝１．４９）で膜厚ｄ（＝２μｍ）のＳｉＯ_xＮ_y膜からなり、対物レンズのＮＡにトラッキング時のレンズシフト幅±０．３ｍｍを付加した有効経φ＝４．６ｍｍの領域に形成する。また、液晶層１６Ｃ、１６Ｄの液晶としては、常光屈折率ｎ_o（＝１．４９）および異常光屈折率ｎ_e（＝１．６５）で負の誘電異方性を有するネマティック液晶を用い、液晶層の最大厚が８μｍとなるようギャップ制御材を用いる。ここで、電圧印加時の液晶分子の配向方向が１６Ｃと１６Ｄとで直交するように、液晶層に接する界面に配向処理された配向膜が形成されている。

ここで、凹凸部１７Ｃおよび１７Ｄの形状は、波長６６０ｎｍの入射光に対して、液晶レンズ素子５０がオン状態（印加電圧Ｖ_ｐ＝３．５Ｖ）で、その透過波面が表４に示す係数ａ₁〜ａ₅の値を用いて（１）式で表記される光路長差ＯＰＤとなるように加工する。表３に示す係数は、カバー厚０．５９ｍｍの光ディスクに対して最小収差となる対物レンズを、カバー厚０．６２ｍｍの光ディスクの情報記録面に用いたとき、対物レンズと液晶レンズ素子５０との±０．３ｍｍの偏心時も含めて、発生収差を液晶レンズ素子５０により補正するように設計した結果である。使用する対物レンズの仕様が異なればその係数値も異なる。

その結果、入射光の偏光状態に係わらず、オフ状態（電圧非印加）では液晶レンズ素子５０の入射光の透過波面は変化しないが、オン状態では波長６６０ｎｍに対して凹レンズ相当のレンズ機能による発散透過波面となる。
このようにして得られる液晶レンズ素子５０を、図１２に示すＤＶＤ光ディスクの記録・再生用光ヘッド装置６０に搭載する。ここで、対物レンズ５はカバー厚０．５９ｍｍの光ディスクに対して最小収差となるように設計されている。ここで、カバー厚０．６ｍｍの単層ＤＶＤ光ディスクおよびカバー厚０．５７ｍｍの２層ＤＶＤ光ディスクの情報記録面に対する記録・再生において、液晶レンズ素子５０をオフ状態で用いる。一方、カバー厚０．６３ｍｍの２層ＤＶＤ光ディスクの情報記録面に対する記録・再生において、液晶レンズ素子５０をオン状態で用いる。

液晶レンズ素子５０をオフおよびオン状態で、カバー厚０．５７ｍｍから０．６３ｍｍの光ディスクに対して発生するＲＭＳ波面収差の計算結果を、図１５に●および○で示す。例３と同様、対物レンズ５のトラッキングシフトに伴うＲＭＳ波面収差の増加は僅かである。従って、カバー厚０．５７ｍｍから０．６０５ｍｍの光ディスクに対しては、液晶レンズ素子５０をオフ状態で用いることにより、２８ｍλ_２（ｒｍｓ）以下のＲＭＳ波面収差が維持され、カバー厚０．６０５ｍｍから０．６３ｍｍの光ディスクに対しては、液晶レンズ素子５０をオン状態で用いることにより、２１ｍλ_２（ｒｍｓ）以下のＲＭＳ波面収差となる。その結果、単層および２層ＤＶＤ光ディスクのカバー厚の相違に起因して発生する収差が有効に補正されるため、安定した記録・再生ができる。比較のために、カバー厚０．６ｍｍの単層ＤＶＤ光ディスク用の対物レンズを用いた場合のＲＭＳ波面収差の計算結果を図１５の実線で示す。カバー厚０．５７ｍｍから０．６３ｍｍの光ディスクに対して最大４３ｍλ_２（ｒｍｓ）の収差が発生し、特に、２層ＤＶＤ光ディスクの安定した記録・再生が難しい。
例４では、カバー厚０．５９ｍｍと０．６２ｍｍの光ディスクに対して最小収差となる対物レンズ５と液晶レンズ素子５０の設計例を示すが、他の２種のカバー厚に対して最小収差となる組み合わせとしてもよい。なお、本発明は、上述した実施形態に何ら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施し得るものである。

本発明の液晶レンズ素子は、電圧非印加時において入射光の偏光状態に依存することなく透過波面変化を発生させないとともに、電圧印加時に異常光偏光の波長の入射光に対して収差補正機能と凹レンズ機能を付与できる。さらに、本発明の液晶レンズ素子を対物レンズと一体で光ヘッド装置に搭載することにより、小型で安定した複数の光ディスクの記録および／または再生ができる光ヘッド装置に利用できる。

また、本発明の液晶レンズ素子は、単層および２層の情報記録面を有する光ディスクの記録・再生用光ヘッド装置において、カバー厚の相違に起因して発生する収差を低減する収差補正素子として利用できる。特に、本発明の液晶レンズ素子を対物レンズと別置きで光ヘッド装置に搭載して使用できるため、小型で安定した複数の光ディスクの記録・再生ができる光ヘッド装置に利用できる。

なお、２００４年７月２０日に出願された日本特許出願２００４−２１１２４６号、２００４年９月２９日に出願された日本特許出願２００４−２８４７５２号の明細書、及び２００５年３月４日に出願された日本特許出願２００５−０６０５９７号特許請求の範囲、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 (6)

1. 対向する一対の透明基板と、この透明基板に液晶が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点を変化させる液晶レンズ素子において、
   前記一方の透明基板の、他方の透明基板と対向する平坦面に形成された断面が凹凸形状からなる凹凸部を有するフレネルレンズと、
   このフレネルレンズの形成された前記一方の透明基板のフレネルレンズ下部の平坦面または前記フレネルレンズの凹凸部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、
   前記液晶層の実質的な屈折率ｎ（Ｖ）は、前記第１の透明電極と第２の透明電極の間に印加する電圧Ｖの大きさに応じて、異常光偏光の入射光に対しては電圧非印加時（Ｖ＝０）のオフ状態の屈折率から電圧印加時のオン状態の屈折率まで変化するとともに、常光偏光の入射光に対しては印加電圧の大きさに係わらず常光屈折率ｎ_oであり、かつ、
   次の（１）から（３）のいずれかの要件を満たしていることを特徴とする液晶レンズ素子。
   （１）前記液晶層は、誘電異方性が負のネマティック液晶であり、前記オフ状態の液晶分子の配向方向が前記フレネルレンズの表面に対して垂直または垂直に近い角度であるとともに、
   前記フレネルレンズは、屈折率ｎ_Fが前記液晶層の常光屈折率ｎ_oと同一またはこれに近い値の均一屈折率材料からなる。
   （２）前記液晶層は、誘電異方性が正のネマティック液晶であり、前記オフ状態の液晶分子の配向方向が前記フレネルレンズの表面に対して平行またはこれに近い状態であるとともに、
   前記フレネルレンズは、液晶層の異常光屈折率ｎ_e（ｎ_e≠ｎ_o）と同一またはこれに近い値の異常光屈折率ｎ_Feと前記液晶層の常光屈折率ｎ_oと同一またはこれに近い値の常光屈折率ｎ_Fo（ｎ_Fe≠ｎ_Fo）を有する複屈折材料からなる。
   （３）前記液晶層は、誘電異方性が正のネマティック液晶であり、前記オフ状態の液晶分子の配向方向が前記フレネルレンズの表面に対して平行またはこれに近い状態であるとともに、
   前記フレネルレンズは、前記液晶層の異常光屈折率ｎ_eと同一またはこれに近い値の均一屈折率材料からなり、かつ、
   前記一対の透明基板の一方には、前記オフ状態での前記液晶レンズ素子への常光偏光の入射光と透過光との間に生じる位相差を相殺するための偏光フレネルレンズが形成されている。
2. 入射する３つの異なる波長λ₁、λ₂、λ₃（λ₁＜λ₂＜λ₃）について、前記一対の透明基板の少なくとも一方の基板には、１段の段差が波長λ₁および波長λ₃に対しては波長の整数倍またはこれに近い値の光路長差で波長λ₂に対しては波長の非整数倍の光路長差である、複数の段差からなる位相補正面が形成されている請求項１に記載の液晶レンズ素子。
3. 前記一対の透明基板の、挟持された液晶層とは反対側の平坦な一つの面の周辺部に回折格子が形成されている請求項１または２に記載の液晶レンズ素子。
4. 光源と、この光源からの出射光をカバー層の厚さが異なる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の情報記録層で反射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、
   オン状態のときに発生する透過波面を変化させることにより前記光記録媒体に対して発生する波面収差を補正する機能とともに対物レンズと前記光記録媒体との間隔を拡大する凹レンズ機能を有する、請求項１、２または３に記載の液晶レンズ素子が、前記光源と前記対物レンズとの間の光路中に配置されていることを特徴とする光ヘッド装置。
5. 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、
   前記光記録媒体はカバー層の厚さが異なる２層以上の複数の情報記録層を有し、
   前記光源と前記対物レンズとの間の光路中に、請求項１に記載の液晶レンズ素子が設置され、
   前記液晶レンズ素子のオフ状態とオン状態の印加電圧切り替えにより、前記カバー層の厚さが異なる情報記録層への記録および／または再生を行なうことを特徴とする光ヘッド装置。
6. 請求項４の光ヘッド装置において、
   前記液晶レンズ素子は、第１の液晶レンズ部と第２の液晶レンズ部からなり、
   第１および第２の液晶レンズ部は、何れも、前記一方の透明基板の、他方の透明基板と対向する平坦面に形成された断面が凹凸形状で前記液晶層の常光屈折率ｎ_oと同一またはこれに近い値の均一屈折率材料からなり凹凸部を有するフレネルレンズと、このフレネルレンズの形成された前記一方の透明基板の平坦面に形成された第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、
   前記液晶層は、誘電異方性が負のネマティック液晶であり、前記オフ状態の液晶分子の配向方向が前記フレネルレンズの表面に対して垂直または垂直に近い角度であるとともに、
   液晶層の実質的な屈折率ｎ（Ｖ）は、前記第１の透明電極と第２の透明電極の間に印加する電圧Ｖの大きさに応じて、異常光偏光の入射光に対しては電圧非印加時（Ｖ＝０）のオフ状態の屈折率から電圧印加時のオン状態の屈折率まで変化するとともに、常光偏光の入射光に対しては印加電圧の大きさに係わらず常光屈折率ｎ_oであり、オン状態における前記第１の液晶レンズ部と前記第２の液晶レンズ部の液晶層の常光屈折率の方向が互いに直交していることを特徴とする光ヘッド装置。

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