KR20060126668A - 액정 렌즈 소자 및 광헤드 장치 - Google Patents

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KR20060126668A
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light
crystal lens
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요시하루 오오이
히로마사 사토
류이치로 시미즈
다쿠지 노무라
유즈루 다나베
미츠오 오오사와
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아사히 가라스 가부시키가이샤
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Abstract

가동부가 없고 소형이며, 더구나 안정된 입사광의 초점 변화에 상당하는 파워 성분을 포함하는 구면수차 보정을 실시할 수 있는 렌즈 기능을 갖는 액정 렌즈 소자를 제공한다. 한 쌍의 투명 기판 (11, 12) 에 협지하는 액정 (16) 에 인가하는 전압의 크기에 따라, 액정 (16) 을 투과하는 광의 초점 거리를 변화시키는 액정 렌즈 소자로서, 각 투명 기판 (11, 12) 에 설치한 액정 (16) 에 전압을 인가하는 투명 전극 (13, 14) 과, 광축에 관해 회전 대칭성을 갖는 톱니 형상의 단면 형상을 가지고, 투명 전극 (13) 의 일면에 투명 재료로 형성한 요철부 (17) 를 구비하며, 적어도 요철부 (17) 의 오목부에 액정 (16) 을 충전하여, 인가하는 전압의 크기에 따라 액정 (16) 의 실질적인 굴절률을 변화시킨다.
액정 렌즈 소자, 투명 기판, 투명 전극, 요철부

Description

액정 렌즈 소자 및 광헤드 장치{LIQUID CRYSTAL LENS ELEMENT AND OPTICAL HEAD DEVICE}
본 발명은, 액정 렌즈 소자 및 광헤드 장치에 관해, 특히 인가 전압의 크기에 따라 복수의 다른 초점 거리로 전환할 수 있는 액정 렌즈 및 이 액정 렌즈를 탑재한 광기록 매체에 대한 정보의 기록 및/또는 재생에 사용하는 광헤드 장치에 관한 것이다.
광입사측의 면에 형성된 정보 기록층과, 이 정보 기록층을 덮는 투명 수지로 이루어지는 커버층을 갖는 광기록 매체 (이하, 「광디스크」 라고 한다) 로서, CD 용 광디스크나 DVD 용 광디스크 등이 보급되고 있다. 또한, 이 DVD 용 광디스크에의 정보의 기록 및/또는 재생에 사용하는 광헤드 장치에는, 광원으로서 파장이 660㎚ 대인 반도체 레이저와, NA (개구수) 가 0.6 에서 0.65 까지인 대물 렌즈 등이 사용되고 있다.
종래, 일반적으로 사용되고 있는 DVD 용 광디스크 (이하, 「단층 광디스크」 라고 한다) 는, 정보 기록층이 단층이며 커버 두께가 0.6㎜ 이다. 그런데, 최근, 광디스크 1 장당의 정보량을 증대시키기 위해서, 정보 기록층을 2 층으로 한 (재생 전용 또는 재생 및 기록 가능한) 광디스크 (이하, 「2 층 광디스크」 라고 한다) 도 개발되고 있고, 이 2 층 광디스크에서는, 광입사측의 커버 두께가 0.57㎜ 및 0.63㎜ 인 위치에 정보 기록층이 형성되어 있다.
이와 같이, 단층 광디스크에 대하여 수차가 제로가 되도록 최적 설계된 대물 렌즈를 갖는 광헤드 장치를 사용하여 2 층 광디스크로의 기록 및/또는 재생하는 경우, 커버 두께가 다르면, 커버 두께가 상이함에 따라 구면수차 (球面收差) 가 발생하고, 정보 기록층으로의 입사광의 집광성이 열화된다. 특히, 기록형의 2 층 광디스크에 있어서, 집광성의 열화는 기록시의 집광 파워 밀도의 저하에 대응하여, 기입 에러를 초래하기 때문에 문제가 된다.
최근, 더욱, 광디스크의 기록 밀도를 향상시키기 위해서, 커버 두께가 0.1㎜ 인 광디스크 (이하, 「BD 용 광디스크」 라고 한다) 도 제안되고 있다. 또한, 이 광디스크로의 정보 기록용의 광헤드 장치는, 광원으로서 파장이 405㎚ 대인 레이저광을 출사하는 반도체 레이저와, NA 가 0.85 인 대물 렌즈를 구비한 것이 사용된다. 그런데, 이 경우도, 기록형인 2 층 광디스크에 관해서는, 커버 두께가 상이함에 따라 발생하는 구면수차가 기입 에러를 초래하기 때문에 문제가 된다.
종래, 상술한 바와 같은 2 층 광디스크 등의 커버 두께가 상이함에 기인하여 발생하는 구면수차를 보정하는 수단으로서, 가동 렌즈군이나 액정 렌즈를 사용하는 방법이 알려져 있다.
(I) 예를 들면, 가동 렌즈군을 사용하여 구면수차 보정을 실시하기 위해서, 도 16 에 나타내는 바와 같은, 광디스크 (D) 의 기록·재생을 실시하는 광헤드 장치 (100) 가 제안되고 있다 (예를 들어, 특허문헌 1 참조).
이 광헤드 장치 (100) 는, 광원 (110) 과, 각종 광학계 (120) 와, 수광 소자 (130) 와, 제어 회로 (140) 와, 변조/복조 회복 회로 (150) 외에, 제 1, 제 2 가동 렌즈군 (160, 170) 을 구비하고 있다. 또한, 제 1 가동 렌즈군 (160) 은, 오목렌즈 (161) 와, 볼록 렌즈 (162) 와, 액츄에이터 (163) 를 구비하고 있고, 액츄에이터 (163) 에 고정된 볼록 렌즈 (162) 를 광축 방향으로 이동함으로써, 가동 렌즈군 (160) 의 파워가 정 (볼록 렌즈) 으로부터 부 (오목 렌즈) 로 연속적으로 변하는 초점 거리 가변 렌즈 기능을 발현한다.
이 가동 렌즈군 (160) 은, 광디스크 (D) 의 광로 중에 배치함으로써, 광디스크 (D) 의 커버 두께가 다른 정보 기록층 (도시 생략) 에 입사광의 초점을 맞출 수 있는 파워 성분을 포함하는 구면수차의 보정이 가능해진다.
그런데, 이 가동 렌즈군 (160) 을 사용한 경우, 한 쌍의 렌즈 (161, 162) 와 액츄에이터 (163) 가 필요해지는 만큼, 광헤드 장치 (100) 의 대형화를 초래함과 함께, 가동시키기 위한 기구 설계가 복잡해지는 문제가 있었다.
(Ⅱ) 또한, 광디스크의 커버 두께가 상이함에 기인하여 발생하는 구면수차를 보정하기 위해서, 도 17 에 나타내는 바와 같은 액정 렌즈 (200) 를 사용한 광헤드 장치도 제안되고 있다 (예를 들어, 특허문헌 2 참조).
이 액정 렌즈 (200) 는, 평탄한 일면에 투명 전극 (210) 및 배향 필름 (220) 이 형성된 기판 (230) 과, 축대칭이며 반경 r 의 멱승의 합인 다음식
[수학식 1]
S(r) = α1r2 + α2r4 + α3r6 …(1)
단, r2 = x2 + y2
α1, α2, α3; 상수
로 기술되는 표면 형상 S(r) 을 갖는 곡면에 투명 전극 (240) 과 배향 필름 (250) 이 형성된, 기판 (260) 에 의해 협지되는 네마틱 액정 (270) 을 구비한 구성으로 되어 있다.
이 액정 렌즈 (200) 는, 투명 전극 (210, 240) 사이에 전압이 인가되면, 액정 (270) 의 분자 배향이 변화하고, 굴절률이 변한다. 그 결과, 기판 (260) 과 액정 (270) 의 굴절률차에 따라, 투과광의 파면이 변화한다.
여기서, 기판 (260) 의 굴절률은 전압 비인가시의 액정 (270) 과 같다. 따라서, 이 전압 비인가시의 경우에는, 입사광의 투과 파면은 변화하지 않는다.
한편, 투명 전극 (210, 240) 사이에 전압을 인가하면, 기판 (260) 과 액정 (270) 에 굴절률차 Δn 가 발생하고, Δn × S(r) (단, S(r) 은 (1) 식 참조) 에 상당하는 투과광의 광로 길이차 분포가 생긴다.
따라서, 광디스크 (D) 의 커버 두께가 상이함에 기인하여 발생하는 구면수차를 보정하도록 기판 (260) 의 표면 형상 S(r) 을 가공하고, 인가 전압에 따라 굴절률차 Δn 를 조정함으로써 수차 보정이 가능해진다.
그런데, 도 17 에 기재된 액정 렌즈의 경우, 인가 전압에 대한 액정 (270) 의 굴절률 변화는 최대 0.3 정도이기 때문에, 입사광의 초점을 변화시키는 파워 성분에 상당하는 큰 광로 길이차 분포 Δn × S(r) 를 발생시키기 위해서는, S(r) 의 요철차를 크게 하지 않으면 안된다. 그 결과, 액정 (270) 의 층이 두꺼워져, 구동 전압의 증가 및 응답이 시간이 늦어지는 문제가 생긴다.
그래서, 액정층을 얇게 하기 위해서는, 파워 성분을 제외한 수차 보정량이 가장 적은 구면수차만을 보정하는 것이 유효하다. 그러나, 구면수차만을 보정하도록 기판 (260) 의 표면 형상 S(r) 을 가공한 경우, 광디스크의 정보 기록층에 입사광을 집광하는 대물 렌즈의 광축과 액정 렌즈의 광축이 편심하였을 때, 코마수차가 발생되어, 정보 기록층으로의 집광성이 열화되어 기록이나 재생을 할 수 없는 문제가 생긴다.
(Ⅲ) 그런데, 액정층을 두껍게 하지 않고 입사광의 초점 변화에 상당하는 파워 성분도 가변으로 하는 실질적인 렌즈 기능을 발현하기 위해서, 도 18 에 나타내는 바와 같은 액정 회절 렌즈 (300) 도 제안되고 있다 (예를 들어, 특허문헌 3 참조).
이 액정 회절 렌즈 (300) 는, 소정의 톱니 형상 부조가 형성된 기판 (310) 의 편면에 투명 전극 (320) 이 형성되고, 이 투명 전극 (320) 과 대향 전극 (330) 에 의해 액정층 (340) 을 협지하고 있다. 이 전극 (320, 330) 사이에 전압을 인가하면, 이상광 편광에 대하여 액정층 (340) 의 실질적인 굴절률은 이상광 굴절률 ne 에서 상광 굴절률 no 로 변화한다. 여기서 「실질적인 굴절률」 이란, 액 정층의 두께 방향의 평균 굴절률을 의미한다.
톱니 형상 부조 구조를 갖는 기판 (310) 의 굴절률을 n1, 입사광의 파장을 λ 로 하였을 때, 톱니 형상 부조의 홈의 깊이 (d) 가, 다음 식의 관계를 만족하도록
d = λ/(ne - n1)
형성함으로써, 전압 비인가시에 파장 λ 에서 최대 회절 효율이 얻어져, 회절 렌즈가 된다. 또한, 입사광의 파장 λ 가 변화하더라도, 파장 λ 에서 최대 회절이 되도록 인가 전압을 조정할 수 있다.
이러한 구성의 액정 회절 렌즈 (300) 로는, 톱니 형상 부조의 홈을 채우도록 액정층 (340) 을 충전하면 되기 때문에, 상술한 도 17 에 나타내는 액정 렌즈 (200) 를 사용하여 파워 성분을 포함하는 구면수차를 보정하는 타입의 액정 (270) 에 비해, 액정층 (340) 은 얇게 할 수 있다.
그러나, 이 액정 회절 렌즈 (300) 로는, 톱니 형상 부조면에 투명 전극 (320) 이 형성되어 있기 때문에, 에지부에서 그 투명 전극 (320) 이 단선되기 쉽다. 또한, 액정층 (340) 을 얇게 하면, 투명 전극 (320) 과 대향 전극 (330) 이 단락되기 쉽다.
특허문헌 1: 일본 공개특허공보 2003-115127호
특허문헌 2: 일본 공개특허공보 평5-205282호
특허문헌 3: 일본 공개특허공보 평9-189892호
발명의 개시
발명이 해결하고자 하는 과제
본 발명은, 상술한 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 가동부가 없는 소형인 소자가 실현 가능함과 함께, 액정층이 얇은 액정 소자이면서 인가 전압의 크기에 따라 안정된 입사광의 초점 변화에 상당하는 파워 성분을 포함하는 구면수차 보정을 실시할 수 있는, 렌즈 기능을 갖는 액정 렌즈 소자를 제공한다. 또한, 본 발명은, 이 액정 렌즈 소자를 사용함으로써, 단층 및 2 층 광디스크에 있어서의 커버 두께가 상이함에 기인하여 발생하는 구면수차를 보정하여, 안정된 기록 및/또는 재생을 할 수 있는 광헤드 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
과제를 해결하기 위한 수단
본 발명은, 하기의 요지로 이루어지는 것이다.
1. 초점 거리가 가변인 액정 렌즈 소자로서,
각각 투명 전극을 구비한 한 쌍의 투명 기판과,
그 한 쌍의 기판에 구비된 각각의 투명 전극의 사이에 전압을 인가하는 전압 인가 수단과,
투명 재료로 형성되어 있고, 액정 렌즈 소자의 광축에 관해서 회전 대칭성을 갖는 톱니 형상의 단면 형상 또는 톱니를 계단 형상에 근사하게 한 단면 형상을 가짐과 함께, 상술한 각각의 투명 전극 중 적어도 일방의 투명 전극 상에 형성된 요철부와,
적어도 상술한 요철부의 오목부에 충전된 액정을 구비하고,
상술한 투명 전극 사이에 상술한 전압 인가 수단에 의해서 인가하는 전압의 크기에 따라 상술한 액정의 실질적인 굴절률을 변화시키는 것을 특징으로 하는 액정 렌즈 소자.
이 구성에 의해, 투명 전극이 투명 기판의 평탄면에 형성되고, 또한, 그 위에 파면 수차를 보정하는 요철부가 형성되어 있다. 그 결과, 액정을 충전한 액정층에 인가되는 전계의 균일성이 높고, 액정 렌즈 소자의 면 내에서 안정된 동작을 얻을 수 있다. 나아가, 투명 전극 간격이 일정하게 확보되어 있기 때문에, 전극간의 단락이 생기기 어려운 구조가 된다. 또한, 톱니 형상의 단면 또는 톱니를 계단 형상에 근사하게 한 단면 형상을 갖는 투명 재료의 오목부에 액정을 충전하고 있기 때문에, 액정층의 두께를 얇게 할 수 있다. 그 결과, 저전압 구동 및 고속 응답을 실현할 수 있다. 또한, 상술한 요철부는 그 투명 기판면에 대한 각 볼록부 및 각 오목부의 높이가 일정하게 되어 있는, 즉, 톱니 형상의 단면 형상 또는 톱니를 계단 형상에 근사하게 한 단면 형상에 있어서 볼록부에 대한 오목부의 깊이가 일정하게 되어 있는 이른바 프레넬 렌즈 (Fresnel lens) 형상으로 하는 것이 바람직하다.
2. 상술한 액정은, 상광 굴절률 no 및 이상광 굴절률 ne (단, no ≠ ne) 를 가짐과 함께, 상술한 인가하는 전압의 크기에 따라 액정층의 실질적인 굴절률이 no 에서 ne 까지의 범위의 값으로 변화하는 액정 재료를 사용하고, 또한, 전압 비인가시의 액정 분자의 배향 방향이 액정층 내에서 특정 방향으로 일정하게 되는 특성을 가지고 있음과 함께, 상술한 요철부의 투명 재료는, 적어도 이상광 편광 입사광에 대하여 굴절률 ns 의 투명 재료이고, 굴절률 ns 가, no 와 ne 사이에 있는 (굴절률 ns 의 값이 no 와 ne 와 동등한 경우를 포함) 상술한 1 에 기재된 액정 렌즈 소자.
또한, 상술한 요철부의 투명 재료는, 이상광 편광 입사광에 대하여 굴절률 ns 이면, 균일 굴절률 투명 재료 이외에 복굴절 재료여도 된다.
이 구성에 의해, 인가 전압의 크기에 따라 액정과 요철부의 투명 재료의 굴절률이 다른 상태와 일치하는 상태가 발현한다. 이에 의해, 파워 성분을 포함하는 구면수차를 보정하도록 입사광의 투과 파면이 변화하는 렌즈 기능과 입사광의 투과 파면이 변화하지 않는 기능을 전환할 수 있는 액정 렌즈 소자를 얻을 수 있다. 특히, 상술한 요철부의 굴절률 ns 를 ne 와 일치시킨 경우, 이상광 편광 입사광에 대하여, 전압 비인가시에 요철부와 액정층에서 굴절률차가 발생하지 않기 때문에 입사광의 투과 파면이 변화하지 않는 기능이 발현한다. 한편, 상술한 요철부의 굴절률 ns 를 no 와 일치시킨 경우, 상광 편광 입사광에 대하여, 전압 비인가시에 요철부와 액정층에서 굴절률차가 발생하지 않기 때문에 입사광의 투과 파면이 변화하지 않는 기능이 발현한다. 투과 파면 변화의 파장 의존성은 거의 없기 때문에, 액정 렌즈 소자에 BD 용이나 DVD 용이나 CD 용 등의 복수의 파장대의 광이 입사하더라도 투과 파면이 변화하지 않는 기능이 발현한다.
3. 상술한 요철부의 투명 재료는, 굴절률 ns 가
[수학식 2]
｜ne - ns｜ ≤ ｜ne - no｜ / 2
의 관계를 만족함과 함께, 상술한 요철부는, 오목부의 깊이 d 가 상술한 액정을 투과하는 광의 파장 λ 에 대하여, 다음 식
[수학식 3]
(m - 0.25)·λ/｜ne - ns｜ ≤ d ≤ (m + 0.25)·λ/｜ne - ns｜ …(2)
단, m = 1, 2 또는 3
의 범위인 상술한 2 에 기재된 액정 렌즈 소자.
또한, 상술한 요철부의 투명 재료는, 이상광 편광 입사광에 대하여 굴절률 ns 이면 균일 굴절률 투명 재료 이외에 복굴절 재료여도 된다. 즉, 상술한 요철부의 투명 재료는, 굴절률 ns 가
[수학식 4]
｜ne - ns｜ ≤ ｜ne - no｜/2
의 관계를 만족함과 함께, 상술한 요철부는, 오목부의 깊이 d 가 상술한광의 파장 λ 에 대하여, 상술한 (2) 식의 범위인 상술한의 액정 렌즈 소자를 제공한다.
이 구성에 의해, 액정의 분자 배향 방향에 편광면을 갖는 직선 편광 입사광에 대하여, 인가 전압 V 의 크기에 따라 변화하는 액정층의 실질적인 굴절률 n(V) 과 요철부의 투명 재료의 굴절률 ns 의 차를 Δn(V)= n(V) - ns 로 하면, 볼록부의 투명 재료와 오목부의 액정의 최대 광로 길이차 Δn(V)·d 가 인가 전압의 크기에 따라, 대략 +mλ 에서 -mλ 사이에서 변화한다. 또한, Δn(V0) = O, 즉, 액정층의 굴절률이 요철부의 투명 재료의 굴절률 ns 와 동등해지는 인가 전압 V0 에서, 입사광의 투과 파면이 변화하지 않는 기능이 발현한다.
또한, 그 전후의 인가 전압에서 발생하는 투과 파면의 파워 성분이 정 (볼록 렌즈) 및 부 (오목 렌즈) 로 변환하는 기능도 발현한다. 이에 의해, 초점 거리, 즉, 파워 성분을 포함하는 구면수차를 인가 전압에 의해서 전환할 수 있는 액정 렌즈 소자가 얻을 수 있다.
m = 1 인 경우, 인가 전압 V+1, V-1 (V+1 < V0 < V-1) 에 있어서 Δn(V)·d = +λ 및 -λ 가 되고,
m = 2 인 경우, m = 1 인 경우에 추가로, 인가 전압 V+2, V-2 (V+2 < V+1 < V0 < V-1<V-2) 에 있어서 Δn(V)·d = +2λ 및 -2λ 가 되며,
m = 3 인 경우, m = 2 인 경우에 추가로, 인가 전압 V+3, V-3 (V+3 < V+2 < V+1 < V0 < V-1 < V-2 < V-3) 에 있어서 Δn(V)·d = +3λ 및 -3λ 가 된다.
즉, m 의 값에 따라 (2m + 1) 개의 인가 전압값에 의해서 투과 파면, 즉, 파워 성분을 포함하는 구면수차를 전환할 수 있는 액정 렌즈 소자가 된다. 또한, 중간의 전압값에 있어서도 파워 생성 효과는 발현한다.
상술한 요철부의 오목부의 깊이 d 가 (2) 식을 만족할 때, 이러한 기능이 유효하게 발현하기 위해서, 요철부 재료의 전기 비저항 ρF 가 액정층의 전기 비저항 ρLC 에 비해 충분히 낮은 것이 바람직하다. 구체적으로는 ρF/ρLC 가 10-5 이하인 것이 바람직하다. 그 결과, 투명 전극간에 인가된 전압 내, 요철부에서의 전압 강하가 경감되어, 실효적으로 액정층에 전압이 인가된다.
한편, 요철부 재료의 전기 비저항 ρF 가 액정층의 전기 비저항ρLC 에 비해 충분히 낮지 않은 경우, 투명 전극간의 인가 전압 V 에 대하여, 요철부에서의 전압 강하가 발생해, 실효적으로 액정층에 인가되는 전압 VLC 가 저하한다.
요철부 재료 및 액정층이 전기적으로 절연체라고 볼 수 있는 큰 전기 비저항의 경우, 인가 전압 V 는 요철부의 전기 용량 CF 와 액정층의 전기 용량 CLC 에 따라 배분되어, 액정층에 인가되는 전압 VLC 가 정해진다. 즉, 투명 전극간의 톱니 형상의 단면 또는 톱니를 계단 형상에 근사하게 한 단면 형상의 요철부와 액정층의 두께의 비율에 따라 변화하는 전기 용량 CF 와 CLC 를 조정함으로써, 전극간의 평균 굴절률, 즉, 광로 길이를 요철부의 형상에 따라 조정할 수 있다. 그 결과, 입사광의 투과 파면이 변화하지 않는 인가 전압 V0, 또는, 투과 파면의 파워 성분이 정 (볼록 렌즈) 이 되는 인가 전압 V+1, 혹은, 투과 파면의 파워 성분이 부 (오목 렌즈) 가 되는 인가 전압 V-1 이 존재한다. 이에 의해, 초점 거리, 즉, 파워 성분을 포함하는 구면수차를 인가 전압에 의해서 전환할 수 있는 액정 렌즈 소자를 얻을 수 있다.
4. 파장 λ 의 상술한 광에 대한 위상차가 π/2 의 홀수 배인 위상판을 일체화하고 있는 상술한 1 내지 3 중 어느 한 항에 기재된 액정 렌즈 소자.
5. 상술한 1 에 기재된 액정 렌즈 소자에, 위상판이 포개어 적층되어 있는 액정 렌즈 소자.
이 구성에 의해, 소형화가 가능한 단일 액정 렌즈 소자를 사용하여, 투과광의 파면과 함께 편광 상태도 변화시킬 수 있다.
6. 상술한 1 에 기재된 액정 렌즈 소자를, 2 개 포개어 적층되어 있는 액정 렌즈 소자를 제공한다.
이 구성에 의해, 이 액정 렌즈 소자의 효과는, 2 개의 액정 렌즈의 효과를 더하여 합친 것이 된다. 또한, 각각의 액정 렌즈 소자를 구성하는 액정 분자의 배향 방향이 직교하는 경우는, 편광 상태에 관계없이 렌즈 효과를 가지며, 또한 액정 분자의 배향 방향이 평행하고 요철부의 단면 형상 (고리체 형상) 이 다른 경우는 파워가 다른 액정 렌즈로서 작용한다.
7. 상술한 1 에 기재된 액정 렌즈 소자에, 편광성 회절 격자와 위상판이 이 순서로 포개어 적층되어 있는 액정 렌즈 소자.
이 구성에 의해, 소형화가 가능한 단일 액정 렌즈 소자를 사용하여 투과광의 파면과 함께 편광 상태도 변화시킬 수 있고, 나아가 편광에 의존한 회절광을 발생시킬 수 있다.
8. 파장 λ 의 광을 출사하는 광원과, 이 광원으로부터의 출사광을 광기록 매체에 집광하는 대물 렌즈와, 이 대물 렌즈에 의해 집광되어 상술한 광기록 매체에 의해 반사된 광을 분파하는 빔 스플리터와, 상술한 분파된 광을 검출하는 광검출기를 구비한 광헤드 장치에 있어서,
상술한 광원과 상술한 대물 렌즈의 사이의 광로 중에, 1 내지 4 중 어느 한 항에 기재된 액정 렌즈 소자를 설치하고 있는 것을 특징으로 하는 광헤드 장치를 제공한다.
또한, 상술한의 액정 렌즈 소자의 어느 하나를 구비한 광헤드 장치로 함으로써, 단층 및 2 층 광디스크에 있어서의 커버 두께가 상이함에 기인하여 발생하는 파워 성분을 포함하는 구면수차를 보정할 수 있고, 액정 렌즈 소자와 대물 렌즈가 편심한 위치 관계에 있어서도 안정된 수차 보정 효과를 얻을 수 있기 때문에, 정보 기록면으로의 집광성이 향상하여, 안정된 기록 및/또는 재생이 가능한 광헤드 장치가 실현된다.
9. 파장 λ1 및 파장 λ2 (단, λ1 ≠ λ2 ) 의 광을 출사하는 광원과, 이 광원으로부터의 출사광을 광기록 매체에 집광하는 대물 렌즈와, 이 대물 렌즈에 의해 집광되어 상술한 광기록 매체에 의해 반사된 출사광을 검출하는 광검출기를 구비한 광헤드 장치에 있어서, 상술한 광원과 상술한 대물 렌즈의 사이의 광로 중에 1 내지 4 중 어느 한 항에 기재된 액정 렌즈 소자를 설치함과 함께,
상술한 액정 렌즈 소자에 입사하는 상술한 파장 λ1 과 파장 λ2 의 광으로서, 편광면이 서로 직교하는 직선 편광을 사용하는 것을 특징으로 하는 광헤드 장치.
10. 상술한 광기록 매체는 정보 기록층을 덮는 커버층을 가지고, 이 커버층의 두께가 다른 광기록 매체에 대한 기록 및/또는 재생을 실시하는 상술한 8 또는 9 에 기재된 광헤드 장치.
상술한의 액정 렌즈 소자의 어느 하나를 구비한 광헤드 장치로 함으로써, 파장 λ1 의 입사광에 대해서는 인가 전압의 크기에 따라 광디스크에 있어서의 커버 두께가 상이함에 기인하여 발생하는 구면수차를 보정하는 것과 같은 기능을 구비할 수 있다. 한편, 파장 λ2 의 입사광에 대해서는, 인가 전압의 크기에 관계없이, 입사광의 투과 파면을 변화시키지 않은 것과 같은 기능을 구비할 수 있다. 그 결과, 파장 λ1 과 파장 λ2 의 광이 액정 렌즈 소자에 입사하는 경우라도, 파장 λ2 의 광을 사용하는 광디스크의 기록 및/또는 재생에 있어서 악영향을 주지 않는다.
발명의 효과
본 발명에 의하면, 액정층에 인가되는 전계의 균일성이 높고, 액정 렌즈 소자면 내에서 안정된 동작이 얻어짐과 함께, 투명 전극 간격이 일정하게 확보되어 있기 때문에, 전극간의 단락이 발생하기 어려운 구조가 된다. 더구나, 톱니 형상 또는 톱니를 계단 형상에 근사하게 한 단면 형상을 갖는 투명 재료의 오목부에 액정을 충전하고 있기 때문에, 액정층의 두께를 얇게 할 수 있도록 되어, 저전압 구동 및 고속 응답으로 이어진다. 다시 말하면, 가동부가 없고 소형화가 가능하면서, 인가 전압에 따라 안정된 파워 성분을 포함하는 구면수차 보정이 가능한 렌즈 기능을 갖는 액정 렌즈 소자를 제공할 수 있다.
또한, 이 액정 렌즈 소자를 부가함으로써, 단층 및 2 층 광디스크에 있어서의 커버 두께가 상이함에 기인하여 발생하는 구면수차를 보정하여, 액정 렌즈 소자와 대물 렌즈가 편심한 경우에도 안정된 기록 및/또는 재생이 가능한 광헤드 장치를 제공할 수 있다.
도 1 은, 본 발명에 관련된 제 1 실시형태의 액정 렌즈 소자의 구성을 나타내는 측단면도.
도 2 는, 도 1 에 나타내는 액정 렌즈 소자의 구성을 나타내는 평면도.
도 3 은, 액정 렌즈에 의해 생성되는 투과 파면의 광로 길이차를 나타내는 그래프로서, α 는 가로축을 반경 r 로 하고, 광로 길이차를 파장 λ 단위로 표기한 그래프. β 는 α 에서 파장 λ 의 정수배를 빼어, 제로 이상 λ 이하의 광로 길이차로 한 그래프. γ 는 광로 길이차 제로의 면에 대하여 β 와 면대칭인 광로 길이차를 나타내는 그래프.
도 4 는, 본 발명의 액정 렌즈 소자로의 인가 전압을 전환하였을 때의 작용을 나타내는 측면도로서, (A) 는 인가 전압 V+1 일 때의 수속 투과 파면을 나타낸다. (B) 는 인가 전압 V0 일 때의 파면 변화가 없는 투과 파면을 나타낸다. (C) 는 인가 전압 V-1 일 때의 발산 투과 파면을 나타낸다.
도 5 는, 본 발명의 액정 렌즈 소자의 측면도에 있어서의 투명 전극간의 확대 단면도.
도 6 은, 위상판이 일체화된 본 발명의 제 2 실시형태의 액정 렌즈 소자의 구성을 나타내는 측단면도.
도 7 은, 액정 분자의 배향 방향이 서로 직교하도록 액정 렌즈 소자가 적층된 본 발명의 제 3 실시형태의 액정 렌즈 소자의 구성을 나타내는 측단면도.
도 8 은, 전환하는 투과 파면이 다른 액정 렌즈 소자가 적층된 본 발명의 제 4 실시형태의 액정 렌즈 소자의 구성을 나타내는 측단면도.
도 9 는, 위상판과 편광성 회절 격자와 회절 격자가 일체화된 본 발명의 제 5 실시형태의 액정 렌즈 소자의 구성을 나타내는 측단면도.
도 10 은, 광원과 광검출기가 단일 패키지로 수록되고, 액정 렌즈 소자가 일체화된 본 발명에 관련된 광유닛의 구성예를 나타내는 측면도.
도 11 은, 본 발명의 제 2 실시형태에 관련된 액정 렌즈 소자를 탑재한 제 6 실시형태의 광헤드 장치를 나타내는 구성도.
도 12 는, 본 발명의 제 2 실시형태에 관련된 액정 렌즈 소자를 탑재한 제 6 실시형태의 광헤드 장치의 변형예를 나타내는 구성도.
도 13 은, 본 발명의 제 5 실시형태의 액정 렌즈 소자가 일체화된 광유닛을 탑재하는 제 7 실시형태의 광헤드 장치를 나타내는 구성도.
도 14 는, 본 발명의 액정 렌즈 소자의 전압에 의한 초점 전환의 측정예를 나타내는 그래프.
도 15 는, 본 발명의 액정 렌즈 소자가 탑재된 광헤드 장치를 사용하여, 커버 두께가 다른 DVD 광디스크에 대하여 발생하는 파면 수차의 계산값을 나타내는 그래프.
도 16 은, 가동 렌즈군이 구면수차 보정 소자로서 탑재된 종래의 광헤드 장치를 나타내는 구성도.
도 17 은, 종래의 액정 렌즈의 구성예를 나타내는 측단면도.
도 18 은, 종래의 액정 회절 렌즈의 구성예를 나타내는 측면도.
부호의 설명
1A, 1B, 61 반도체 레이저 (광원)
1C 2 파장 광원
2A, 2B, 2C, 53 회절 격자
2C 파장 선택성의 회절 격자
3 다이크로익 프리즘 (dichroic prism)
4 빔 스플리터
4B 홀로그램 빔 스플리터
5 콜리메이터 렌즈 (collimator lens)
6 대물 렌즈
7 실린드리컬 렌즈 (cylindrical lens)
8, 8A, 8B, 62 광검출기
10, 10A, 10B, 10C, 20, 30, 40, 50 액정 렌즈 소자
11, 12, 12A, 12B, 21 투명 기판
13, 13A, 13B, 14, 14A, 14B 투명 전극
15, 15A, 15B 시일
16, 16A, 16B, 16C 액정
17, 17A, 17B, 17C 요철부
18, 18A, 18B 교류 전원
22 위상판
51 복굴절 회절 격자
52 접착재층
60 광유닛
63 금속 블록
64 패키지
70, 80, 90 광헤드 장치
D 광디스크
발명을 실시하기 위한 최선의 형태
이하, 본 발명의 실시형태에 관해서, 첨부 도면을 참조하면서 설명한다.
[제 1 실시형태]
본 발명의 제 1 실시형태에 따른 액정 렌즈 소자 (10) 의 구성예에 관해서, 도 1 에 나타내는 단면도와 도 2 에 나타내는 평면도를 참조하면서 상세히 설명한 다.
본 실시형태에 관련된 액정 렌즈 소자 (10) 는, 투명 기판 (11, 12) 과, 투명 전극 (13, 14) 과, 시일 (15) 과, 액정 (액정층; 16) 과, 요철부 (17) 와, 교류 전원 (18) 을 구비하고 있다.
이 중, 요철부 (17) 는, 투명 재료, 예를 들어 본 실시형태에서는, 굴절률 ns 의 균일 굴절률 투명 재료를 사용하여 형성하고, 단면이 톱니 형상 또는 톱니를 계단 형상에 근사하게 한 형상을 갖는 것이며, 유효 직경 φ 의 영역에서는 입사광의 광축 (Z 축) 에 대하여 회전 대칭성을 갖는다. 여기서, 요철부 (17) 는 그 볼록부에 대한 오목부의 깊이가 일정하게 되어 있는 프레넬 렌즈 형상으로 하는 것이 바람직하다.
다음으로, 이 액정 렌즈 소자 (10) 의 제작 순서의 일례에 관해서, 이하에 설명한다.
처음에, 투명 기판 (11) 의 일방의 평탄면에 투명 전극 (13) 을 형성한다. 또한, 이 투명 전극 (13) 의 일방의 평탄면 (도 1 에서는 상면) 에, 굴절률 ns 의 균일 굴절률 투명 재료로, 단면이 톱니 형상 또는 톱니를 계단 형상에 근사하게 한 형상의 요철부 (17) 를 형성한다.
또한, 투명 전극 (14) 이 형성되어 투명 기판 (12) 에 갭 제어재가 혼입된 도시 생략된 접착재를 인쇄 패터닝하여 시일 (15) 을 형성하고, 상술한 투명 기판 (11) 과 서로 포개어, 압착하여 빈 셀을 제작한다. 시일 (15) 의 일부에 형성 된 주입구 (도시 생략) 로부터 상광 굴절률 no 및 이상광 굴절률 ne (단, no≠ ne) 를 갖는 액정 (16) 을 주입하고, 이 주입구를 밀봉하고 액정 (16) 을 셀 내에 밀봉하여, 본 실시형태의 액정 렌즈 소자 (10) 로 한다.
이렇게 하여, 요철부 (17) 의 적어도 오목부에 액정 (16) 이 충전되고, 투명 전극 (13, 14) 에 교류 전원 (18) 을 사용하여 직사각형파의 교류 전압을 인가함으로써, 액정 (16) 의 분자 배향이 변화하여, 액정 (액정층; 16) 의 실질적인 굴절률이 ne 에서 no 까지 변화한다. 그 결과, 인가 전압의 크기에 따라 액정 (16) 과 요철부 (17) 의 굴절률차 Δn(V) 가 변화하여, 입사광에 대한 투과광의 파면이 변화한다.
여기서, 균일 굴절률 투명 재료로 이루어지는 요철부 (17) 는, 자외선 경화 수지나 열 효과 수지, 감광성 수지 등의 유기 재료여도 되고, SiO2 나 Al2O3 이나 SiOxNy (단, x, y 는 O 와 N 의 원소 비율을 나타낸다) 등의 무기 재료여도 된다. 즉, 균일 굴절률 투명 재료의 굴절률 ns 가, no 또는 ne 를 포함하는 no 와 ne 의 중간의 굴절률값을 갖는 투명 재료이면 된다.
요철부 (17) 는, 투명 전극 (13) 의 면에 소정의 막두께의 균일 굴절률 투명 재료층을 형성한 후, 포토리소그래피나 반응성 이온 에칭에 의해 요철 형상으로 가공해도 되며, 금형을 사용하여 균일 굴절률 투명 재료층에 요철부 형상을 전사해도 된다.
또한, 인가 전압에 대하여 큰 굴절률차 Δn(V) 의 변화를 얻기 위해서, 오목부에 충전되는 액정 (16) 은, 액정 렌즈 소자 (10) 에 입사하는 광의 편광면의 방향에 액정 분자의 배향 방향이 일정하게 되어 있는 것이 바람직하다. 예를 들어, 도 2 에 있어서, X 축 방향에 액정 분자의 배향 방향 (즉, 이상광 굴절률 ne 의 방향) 을 일정하게 하여, X 축 방향의 편광면을 갖는 직선 편광을 입사시킨다.
액정 분자의 배향 방향을 X 축 방향으로 일정하게 하기 위해서는, 투명 전극 (14) 및 요철부 (17) 의 표면에 폴리이미드 등의 배향재 (도시 생략) 를 도포하여, 경화 후에 X 축 방향으로 러빙 처리하면 된다. 요철부 (17) 의 재료로서 폴리이미드를 사용하여, 그 표면을 러빙 처리해도 된다. 폴리이미드의 러빙 처리 이외에, Si0 경사 증착막이나 광배향막 등을 사용하여 액정 분자의 배향을 일정하게 해도 된다.
또한, 투명 기판 (11) 측에 형성된 전극 (141) 을 통해서 투명 전극 (14) 에 전압을 인가하기 위해서, 미리 시일 (15) 에 도전성 금속 입자를 혼입하여 시일 압착함으로써, 시일 두께 방향에 도전성을 발현시켜, 투명 전극 (14) 과 전극 (141) 을 도통한다. 투명 전극 (13) 에 접속된 전극 (131) 과 투명 전극 (14) 에 접속된 전극 (141) 에 교류 전원 (18) 을 접속함으로써, 액정 (12) 에 전압을 인가할 수 있다.
다음으로, 톱니 형상 또는 톱니를 계단 형상에 근사하게 한 요철부 (17) 의 단면 형상에 관해서 이하에 설명한다. 본 발명의 액정 렌즈 (10) 를 사용하여, 광디스크의 커버 두께가 상이함에 기인하여 발생하는 구면수차를 보정하는 투과 파면을 생성함과 함께, 정 또는 부의 파워 성분이 부여된 투과 파면을 생성하기 위해서는, 액정 렌즈 (10) 에 입사하는 평면파의 투과 파면에 있어서, 광축 중심 (좌표 원점: x = y = 0) 의 광선에 대하여 반경 r 떨어진 위치를 통과하는 광선의 광로 길이차 OPD 가, 다음식과 같은 멱급수
[수학식 5]
OPD (r) = a1r2 + a2r4 + a3r6 + a4r8 + …(3)
단, r2 = x2 + y2
a1, a2, …; 상수 (후술하는 [표 1] 참조)
로 기술되도록 한다.
여기서, 가로축을 반경 r 로 하고, 광로 길이차 OPD 를 입사광의 파장 λ 의 단위로 표기한 곡선의 구체예를 도 3 에 부호 α 로 나타낸다.
위상이 일정하게 된 코히런트 (coherent) 인 파장 λ 의 입사광의 경우, λ 의 정수배의 광로 길이차를 갖는 투과 파면은 동등하다고 볼 수 있다. 따라서, 도 3 의 α 로 나타내는 그래프 (광로 길이차) 를 파장 λ 간격으로 분할하여 광로 길이차 제로의 면에 사영 (射影) 한 광로 길이차를 나타내는 그래프 β 는, 그래프 α 와는 실질적으로 동등하다. 그래프 β 에 나타내는 광로 길이차는, 모두 λ 이내이고, 단면이 톱니 형상으로 되어 있다.
여기서, 요철부 (17) 의 투명 재료의 전기 체적 저항률 ρF 가 액정 (16) 의 전기 체적 저항률 ρLC 에 비해 충분히 낮은, 구체적으로는 ρF/ρLC 가 10-5 이하인 경우, 투명 전극 (13 과 14) 사이에 인가된 전압은 실효적으로 액정 (16) 에 인가된다.
이러한 투명 전극간의 인가 전압과 액정 (16) 의 인가 전압이 대략 동등해지는 조건 (이것을, 「Case 1」 이라고 한다) 인 경우, 요철부 (17) 의 단면 형상과 액정 렌즈 소자 (10) 의 작용에 관해서 이하에 설명한다.
투명 전극 (13, 14) 에 전압 V 를 인가하였을 때, 이상광 편광의 광에 대한 액정 (액정층; 16) 의 실질적인 굴절률을 n(V) 라고 하면, 균일 굴절률 투명 재료로 이루어지는 요철부 (17) 와 액정 (16) 의 굴절률차는 Δn(V) = n(V) - ns 이다.
예를 들어, 인가 전압 V+1 에서, 도 3 의 그래프 β 에 상당하는 투과 파면의 광로 길이차를 생성하기 위해서는, 도 1 에 나타내는 요철부 (11) 의 깊이 d 를, 다음식
[수학식 6]
d = λ/Δn(V+1) …(4)
단, λ; 입사광의 파장
Δn(V+1); 인가 전압 V+1 에서의 (요철부 (17) 와 액정 (16) 의) 굴절률차
의 관계를 만족시키는 값으로 천설 (穿設) 하면 된다. 단, Δn(V+1) > 0 을 만족하는 인가 전압 V+1 로 한다.
여기서, 인가 전압 V 를 변화시킴으로써, 굴절률차 Δn 이 변화한다. 예를 들어,
i) Δn(V0) = 0 이 되는 인가 전압 V0 에서, 액정 렌즈 소자 (10) 의 투과 파면은 변화하지 않는다. 또한,
ⅱ) Δn(V-1) = -Δn(V+1) 이 되는 인가 전압 V- 1 에서, 도 3 의 그래프 γ 에 나타내는 광로 길이차의 투과 파면이 생긴다. 이것은, 광로 길이차 제로의 면에 대하여 도 3 의 그래프 β 와 면대칭의 광로 길이차의 투과 파면에 상당한다.
그런데, 요철부 (17) 를 형성하는 균일 굴절률 투명 재료의 굴절률 ns 는, 굴절률값이 no 또는 ne 를 포함하는 no 와 ne 사이에 있는 (굴절률 ns 의 값이 no 와 ne 와 동등한 경우를 포함한다) 값이기 때문에, 전압값 V0 및 V+1 또는 V-1 이 존재한다. 그래서, 균일 굴절률 투명 재료로 이루어지는 요철부 (17) 는, 액정 (16) 의 굴절률이 n(V+1) 및 n(V-1) 일 때, 도 3 의 그래프 β 및 그래프 γ 에 상당하는 광로 길이차 공간 분포가 되도록, 톱니 형상 또는 톱니를 계단 형상에 근사하게 한 단면 형상으로 가공한다.
본 실시형태의 액정 렌즈 소자 (10) 에 있어서, 요철부 (17) 를 형성하는 균 일 굴절률 투명 재료의 굴절률 ns 를, 다음식
[수학식 7]
｜ne - ns｜ ≤ ｜ne - no｜ /2
의 관계를 만족하도록 하면,
Δn(V0) = 0,
Δn(V+1) = -Δn(V-1) > 0
이 되는 전압값 V+1 < V0 < V-1 이 반드시 존재한다.
따라서, 교류 전원 (18) 에 관해서, 인가 전압 V+1, V0, V-1 을 전환함으로써, 3 종류의 투과 파면을 선택적으로 전환하는 것이 가능해진다. 또한,
[수학식 8]
｜ns - [(no + ne) /2]｜ ≤ (ne - no) /4
의 범위이면, 균일 굴절률 투명 재료의 굴절률 ns 가 (no + ne) /2 와 대략 동일하다고 할 수 있다.
또한, 액정 (16) 의 전압 비인가시의 굴절률은 ne 이고, 인가 전압값 V+1 및 V-1 일 때, 도 3 의 그래프 β 및 그래프 γ 에 상당하는 광로 길이차를 생성하기 위해서는, 요철부 (17) 의 깊이 d 를, 다음과 같은 범위
[수학식 9]
0.75·[λ/｜ne - ns｜] ≤ d ≤ 1.25·[λ/｜ne - ns｜]
로 하는 것이 바람직하다. 이것은, (2) 식에 있어서 m = 1 인 경우에 상당한다.
여기서, 인가 전압 V+1, V0, V-1 (단, V+1, V0, V-1 ) 에 있어서 액정 렌즈 (10) 에 입사한 평면파는, 각각 도 4(a), (b), (c) 에 나타내는 투과 파면이 되어 출사한다. 즉, 투명 전극 (13, 14) 의 인가 전압에 따라, 정의 파워, 파워 없음, 부의 파워에 대응하는 렌즈 기능을 얻을 수 있다.
또한, 전압값 V+1 과 V0 의 중간 또는 전압값 V0 과 V- 1 의 중간의 인가 전압에 있어서는, 그 전압값 V 에 따른 비율로 2 종의 투과 파면 (도 4(a) 와 (b) 에 나타내는 파면, 또는 도 4(b) 와 (c) 에 나타내는 파면) 이 주로 생긴다.
이상, Case 1 의 조건에 있어서의 본 실시형태에서는, 도 3 의 α 로 나타내는 광로 길이차 OPD 를 파장 λ 간격으로 구분한 광로 길이차 OPD 인 β 를 생성하는 액정 렌즈 소자 ((2) 식에 있어서, m = 1 에 상당한다) 의 형태에 관해서 설명하였지만, (2) 식에 있어서 m = 2 또는 3 에 상당하는 액정 렌즈 소자의 형태여도 된다. 이 경우, 도 3 의 α 를 파장 m·λ (여기서는, m = 2 또는 3) 간격으로 구분한 광로 길이차 OPD 에 대응한 투과 파면이 된다.
요철부 (17) 의 투명 재료의 전기 체적 저항률 ρF 가 액정 (16) 의 전기 체적 저항률항 ρLC 에 비해 충분히 낮지 않은 경우, 요철부 (17) 의 투명 재료의 비 유 전율εF 와 그 막두께 dF 에 의존하는 전기 용량 CF 와, 액정 (16) 의 비유전율 εLC 와 그 층 두께 dLC 에 의존하는 전기 용량 CLC 에 따라, 투명 전극 (13 과 14) 사이에 인가된 전압은 요철부 (17) 와 액정 (액정층; 16) 으로 분배된다.
즉, 요철부 (17) 와 액정 (액정층; 16) 의 각각을 전기 저항 RF, RLC 와 전기 용량 CF, CLC 를 사용한 전기 등가 회로에서, 투명 전극간의 교류 주파수 f 의 교류 인가 전압 V 에 대하여 액정 (액정층; 16) 의 인가 전압 VLC 가 산출 가능하다.
한편, 요철부 (17) 및 액정 (16) 의 전기 체적 저항률 ρF, ρLC 가 충분히 크고, 전기 등가 회로에서 요철부 (17) 와 액정 (액정층; 16) 의 전기 용량 CF, CLC 에 의해 요철부 (17) 와 액정 (액정층; 16) 으로의 전압 배분이 결정되는 경우, 즉, f × RF × CF 및 f × RLC × CLC 가 1 보다 충분히 작은 조건 (이것을, 「Case 2」 라고 한다) 인 경우, 요철부 (17) 의 단면 형상과 액정 렌즈 소자 (10) 의 작용에 관해서 이하에 설명한다.
액정 렌즈 소자 (10) 의 단면도를 나타내는 도 1 에 있어서, 투명 전극 (13 과 14) 사이의 요철부 (17) 및 액정 (16) 의 확대도를 도 5 에 나타낸다. 이 도 5 에 있어서, 투명 전극 (13 과 14) 의 간격을 일정값 G 로 한다. 또한, 요철부 (17) 의 막두께 dF 는 제로 에서 d 까지 분포하고, 액정 (16) 의 층두께 dLC 는 G 에서 G - d 까지 분포되어 있다. 여기서, dF + dLC (= G) 는 일정값이다.
Case 2 에 있어서, 투명 전극 (13, 14) 간의 교류인가 전압 V 에 대하여, 액정 (액정층; 16) 에 배분되는 인가 전압 VLC 의 비율 VLC/V 는, 다음식으로 기재된다.
[수학식 10]
VLC/V = CF/(CF + CLC)
= 1/{1 + (εLC/εF) × (dF/dLC)} …(5)
단, εLC; 액정 (16) 의 비유전율
εF; 요철부 (17) 의 비유전율
여기서, 요철부 (17) 의 막두께 dF 는 프레넬 렌즈를 형성하는 톱니 형상 또는 톱니를 계단 형상에 근사하게 한 단면 형상에 대응하여 제로에서 d 까지 분포하기 때문에, dF/dLC 는 제로에서 d/(G - d) 까지 분포한다. 그 결과, 액정 (액정층; 16) 의 인가 전압 VLC 는 요철부 (17) 의 형상에 따라 공간 분포가 생긴다.
액정 (액정층; 16) 에 효율적으로 전압을 인가하기 위해서는, (5) 식의 비율 VLC/V 가 증대되도록 비유전율εF 가 큰 요철부 (17) 의 재료로 하는 것이 바람직하다. 액정 (액정층; 16) 의 비유전율 εLC 는 약 4 이상이기 때문에, 4 이상의 비유전율 εF 로 하는 것이 바람직하다.
또한, 일반적으로, 액정은, 유전율 이방성을 가지고 액정 분자 길이축 방향 의 비유전율 ε// 과 액정 분자 단축 방향의 비유전율 ε⊥ 이 다르기 때문에, 전압 인가에 수반하여 액정 분자의 배향이 변화하여, 액정 분자의 배향 변화에 의해 액정 (액정층; 16) 의 비유전율 εLC 도 변화한다. 따라서, (5) 식에 있어서, 비유전율 εLC 의 VLC 에 따른 변화를 반영하여, 요철부 (17) 의 형상에 따른 액정 (액정층; 16) 의 인가 전압 VLC 의 공간 분포가 결정된다. VLC 가 dF 에 따라 변화하기 때문에, 이 이후 VLC[dF] 로 표기한다. 또한, VLC[0] 는 전극간 인가 전압 V 와 같다.
Case 2 의 경우는 Case 1 과 달리, 액정 (액정층; 16) 에 인가되는 전압 VLC 가 요철부 (17) 의 형상에 따라 다르기 때문에, 이상광 편광의 입사광에 대한 액정 (액정층; 16) 이 실질적인 굴절률 n(VLC[dF]) 에 공간 분포가 생긴다. 도 5 에 있어서, 요철부 (17) 의 막두께 dF 의 위치의 투명 전극 (13 과 14) 간의 광로 길이는 ns × dF + n(VLC[dF]) × dLC 이고, 요철부 (17) 가 없는 프레넬 렌즈 중심 위치 (dF = 0) 의 광로 길이 n(V) × G 에 대한 광로 길이차 OPD 는 다음 식이 된다.
[수학식 11]
OPD = {ns × dF + n(VLC[dF]) × (G - dF)} - n(V) × G …(6)
막두께 dF 는 제로에서 d 까지 분포하고, 광로 길이차 OPD 는 제로에서 다음 식의 OPDd 까지 분포한다.
[수학식 12]
OPDd = [ns × d + n(VLC[d]) × (G - d)} -n(V) × G
= {n(VLC[d]) -n(V)} × G - {n(VLC[d]) -ns} × d
예를 들어, 인가 전압 V+1 에서, 도 3 의 그래프 β 에 상당하는 투과 파면의 광로 길이차를 생성하기 위해서는, 광로 길이차 OPDd 가 대략 λ (즉, 0.75λ ~ 1.25λ) 가 되도록, 요철부 (17) 의 막두께 d 및 투명 전극 (13 과 14) 의 간격 G 를 결정함과 함께, 요철부 (17) 의 막두께가 제로에서 d 에 이르는 단면 형상으로 하면 된다.
여기서, 인가 전압 V 를 변화시킴으로써, (6) 식의 광로 길이차 OPD 가 변화한다. 예를 들어,
i) 요철부 (17) 의 막두께 dF 가 제로에서 d 까지 분포할 때, (6) 식의 광로 길이차 OPD 가 입사광의 파장 λ 에 대하여 충분히 작은 값이 되는 인가 전압 V0 이 존재한다. 이때, 액정 렌즈 소자 (10) 의 투과 파면은 변화하지 않는다. 여기서, 충분히 작은 광로 길이차 OPD 는, 구체적으로는 λ/5 이하, 더욱 바람직하게는 λ/10 이하이다. 또한,
ⅱ) 광로 길이차 OPDd 가 약 -λ (즉, -0.75λ 에서 -1.25λ) 가 되는 인가 전압 V- 1 에서, 도 3 의 그래프 γ 에 나타내는 광로 길이차의 투과 파면을 생성할 수 있다. 이것은, 광로 길이차 제로인 면에 대하여 도 3 의 그래프 β 와 면대칭인 광로 길이차의 투과 파면에 상당한다.
따라서, 교류 전원 (18) 에 관해서, 인가 전압 V+1, V0, V-1 을 전환함으로써, 3 종류의 투과 파면을 선택적으로 전환하는 것이 가능해진다.
여기서, 인가 전압 V+1, V0, V- 1 에서 액정 렌즈 (10) 로 입사한 평면파는, 각각 도 4(a),(b),(c) 에 나타내는 투과 파면이 되어 출사한다. 즉, 투명 전극 (13, 14) 의 인가 전압에 따라, 정의 파워, 파워 없음, 부의 파워에 대응하는 렌즈 기능을 얻을 수 있다. Case 1 의 조건의 경우와 같이 도 3 의 α 로 나타내는 광로 길이차 OPD 를 파장 λ 간격으로 구분한 광로 길이차 OPD 인 그래프 β 를 생성하는 액정 렌즈 소자 이외에, 광로 길이차 OPDd 가 약 mλ (m = 2 또는 3) 에 상당하는 액정 렌즈 소자의 형태여도 된다. 이 경우, 도 3 의 그래프 α 를 파장 m·λ (여기서는, m = 2 또는 3) 간격으로 구분한 광로 길이차 OPD 에 대응한 투과 파면이 된다.
또한, Case 1 의 경우와 달리 3 종류의 투과 파면을 생성하는 경우, 요철부 (17) 의 균일 굴절률 투명 재료의 굴절률 ns 가 액정 (16) 의 상광 굴절률 no 또는 이상광 굴절률 ne 와 대략 같아도 된다.
예를 들어, ns = no 에서, 유전율 이방성 (△ε = ε// - ε⊥) 이 정의 액정 을 호모지니어스 (homogeneous) 배향시킨 경우, 전압 비인가시 (V+1 = 0) 의 광로 길이차 OPDd = -(ne - no) × d 가 -λ 가 되도록 요철부 (17) 를 형성하면, Case 1 및 Case 2 의 어느 것도 액정 렌즈 (10) 에 이상광 편광이 입사한 평면파는 도 4(a) 에 나타내는 정의 파워에 상당하는 투과 파면이 되어 출사한다. 투명 전극 (13, 14) 간의 인가 전압을 증가시키면, Case 1 에서는, 10V 이상의 높은 인가 전압에서 액정 (액정층; 16) 의 굴절률이 ns 에 가까워져, 도 4(b) 에 나타내는 파워 없음에 상당하는 투과 파면을 얻을 수 있지만, 도 4(c) 에 나타내는 부의 파워에 상당하는 투과 파면은 발생하지 않는다. 그러나, Case 2 에서는, 5V 이하의 인가 전압으로, 도 4(b) 에 나타내는 파워 없음에 상당하는 투과 파면 및 도 4(c) 에 나타내는 부의 파워에 상당하는 투과 파면을 생성할 수 있다.
즉, Case 2 는 Case 1 과 비교하여, 액정 (16) 과 요철부 (17) 의 굴절률 및 비유전율, 요철부 (17) 의 막두께 d 및 투명 전극 (13, 14) 의 간격 G 등의 선택에 의해, 액정 렌즈 소자 (10) 의 전기 광학 특성의 설계 자유도가 높아지기 때문에, 저전압 구동 또는 각종 다양한 투과 파면을 생성할 수 있다. 또한, Case 1 에 비해서 Case 2 쪽이, 요철부 (17) 의 막두께 d 를 얇게 할 수 있기 때문에, 막형성 및 요철 가공의 제작 프로세스를 단축할 수 있다.
또한, 요철부 (17) 의 굴절률 ns 를 액정 (액정층; 16) 의 상광 굴절률 no 와 대략 같게 하는 것이 바람직하다. 이 경우, 전극간 인가 전압 V 의 값에 관계없이 상광 편광에 대하여 요철부 (17) 와 액정 (액정층; 16) 의 굴절률차가 생기 지 않기 때문에, 액정 렌즈 소자 (10) 에 입사하는 상광 편광의 투과 파면은 변화하지 않고, 높은 투과율을 얻을 수 있다는 이점이 있다. 즉, 액정 렌즈 소자 (10) 에 복수의 광속이 입사하고, 특정한 광속은 파면 변화를 발생시키지 않고 투과시키고자 하는 경우, 액정 렌즈 소자 (10) 에 상광 편광으로서 입사되면 된다. 예를 들어, DVD 용과 CD 용의 다른 파장광이 입사하여, DVD 용의 파장에만 액정 렌즈 소자 (10) 의 파워 전환 작용을 발현시키기 위해서는, DVD 용은 이상 편광으로 하고, CD 용은 상광 편광으로하여 액정 렌즈 소자 (10) 에 입사시키면 된다.
또한, 본 실시형태에서는, (3) 식에서 기술되는 축 대칭의 광로 길이차 OPD 를 생성하는 액정 렌즈 소자 (10) 의 경우에 관해서, 그 소자 구조 및 동작 원리에 관해서 설명하였지만, (3) 식 이외의 축 비대칭인 코마수차나 비점수차 등의 보정에 상당하는 광로 길이차 OPD 를 생성하는 액정 렌즈 소자도, 같은 원리로 균일 굴절률 투명 재료의 요철 형상 가공 및 오목부의 액정 충전에 의해 제작할 수 있다.
또한, 본 실시형태에서는, 액정 렌즈 소자 (10) 에 의해 생성하는 광로 길이차 OPD 의 절대값이 입사광의 파장 λ 이하가 되도록 요철부 (17) 의 깊이 d 를 설정하여, 단면 형상을 톱니 형상으로 하고 있지만, 고속 응답성이 불필요한 경우는, 광로 길이차 OPD 의 절대값이 입사광의 파장 λ 이상이 되도록 요철부 (17) 를 가공해도 된다.
이 경우, [배경 기술] 란의 특허문헌 2 에 기재된 액정 렌즈에 비하여 전극 간격은 일정하기 때문에, 액정에 가해지는 전계의 균일성이 뛰어나고, 구동 전압 및 응답 속도의 면 내 균일성은 높다. 마찬가지로, [배경 기술] 란의 특허문헌 3 에 기재된 액정 회절 렌즈와 달리, 인가 전압의 크기에 따라 광로 길이차는 연속적으로 변화한다.
또한, 보정해야 할 광로 길이차 OPD 의 절대값이 입사광의 파장 λ 이하인 경우는, 액정 렌즈 소자 (10) 의 균일 굴절률 투명 재료로 이루어지는 요철부 (17) 의 단면 형상을 톱니 형상으로 할 필요는 없고, 인가 전압의 크기에 따라 광로 길이차는 연속적으로 변화한다.
또한, 본 실시형태에서는, 전압 비인가시에 기판 (11, 12) 면에 평행하게 배향하여, 인가 전압의 크기에 따라 기판 (11, 12) 면에 수직 방향으로 액정 분자가 배열하는 정의 유전율 이방성을 갖는 액정 (16) 을 사용하는 예를 도시하였지만, 별도의 액정 배향 또는 액정 재료여도 된다. 예를 들어, 전압 비인가시에 기판면에 수직으로 배향하고, 인가 전압 V 에 따라 기판면에 평행 방향으로 액정 분자가 배열하는 부의 유전율 이방성을 갖는 액정을 사용해도 된다.
또한, 본 실시형태에서는, 요철부 (17) 를 형성하는 재료를 굴절률 ns 의 균일 굴절률 투명 재료로 하고 있지만, 분자 배향 방향이 기판면 내에서 1 방향으로 일정하게 된 고분자 액정 등의 복굴절 재료를 사용해도 된다. 이 경우, 복굴절 재료의 이상광 굴절률을 ns 로 하고, 상광 굴절률을 액정의 상광 굴절률 no 와 동등하게 함과 함께, 복굴절 재료의 분자 배향 방향 (이상광 굴절률의 방향) 을 액정 분자의 배향 방향과 일치시키는 것이 바람직하다. 이러한 구성으로 함으로써, 상광 편광 입사광에 대하여 인가 전압의 크기에 관계없이 액정과 복굴절 재료의 상 광 굴절률이 일치하기 때문에, 투과광 파면은 변화하지 않는다.
또한, 본 실시형태에서는, 액정 (16) 에는, 각각 투명 기판 (11, 12) 의 각 일면에 걸쳐 형성한 베타 전극인 투명 전극 (13) 과 투명 전극 (14) 을 통해서 교류 전압을 인가하는 구성인 것을 나타내었다. 본 발명에서는, 이외에, 예를 들어, 투명 전극 (13) 과 투명 전극 (14) 의 적어도 일방의 전극이, 공간적으로 분할되어 독립적으로 다른 교류 전압을 인가할 수 있는 구성으로 해도 된다. 이에 의해, 더욱 다양한 광로 길이차 OPD 의 공간 분포를 생성할 수 있다.
또한, 이 공간적으로 분할된 투명 전극을 원하는 전기 저항을 갖는 저항막으로 하고, 반경 방향으로 인가 전압 분포를 부여하여, 액정에 인가되는 전압이 반경 방향으로 경사 분포하도록 해도 된다.
[제 2 실시형태]
다음으로, 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 액정 렌즈 소자 (20) 에 관해서, 도 6 을 참조하면서 설명한다. 또한, 본 실시형태에 있어서, 제 1 실시형태와 동일 부분에는, 동일 부호를 붙여 중복 설명을 피한다.
본 실시형태의 액정 렌즈 소자 (20) 는, 상술한 제 1 실시형태에 따른 액정 렌즈 소자 (10) 에 있어서, 추가로, 위상판 (22) 과, 투명 기판 (21) 을 부가한 구성으로 되어 있다. 즉, 이 액정 렌즈 소자 (20) 에는, 투명 기판 (12) 의 투명 전극 (14) 설치면과는 반대면에서, 투명 기판 (21) 과의 사이에 복굴절 재료로 이루어지는 위상판 (22) 이 협지 일체화되어 있다.
위상판 (22) 으로는, 폴리카보네이트 등의 유기막을 연신하고 연신 방향에 지상축을 갖는 복굴절막을 사용하여, 접착재에 의해 투명 기판 (12, 21) 사이에 접착한다. 또는, 배향 처리한 투명 기판 (21) 에 액정 모노머를 소정의 막두께가 되도록 도포한 후, 중합 경화하여 고분자 액정막으로 한 것을 사용해도 된다. 또는, 수정 등의 복굴절 결정을 투명 기판 (21) 의 대신에 위상판 (22) 으로 사용하여, 투명 기판 (12) 에 접착 고정해도 된다.
어떤 경우도, 위상판 (22) 의 광축 방향은, 입사광의 편광면의 방향인 X 축에 대하여 XY 면 내에서 45°의 각도를 이루는 방향으로 한다. 예를 들어, 파장 λ 의 입사광에 대하여, 위상판 (22) 의 리터데이션 (retardation) 값을 파장 λ 의 1/4 의 홀수 배, 즉, 위상차가 π/2 인 홀수 배로 함으로써, 액정 렌즈 소자 (20) 를 투과한 광은 원편광이 되어 출사한다.
따라서, 본 실시형태의 액정 렌즈 소자 (20) 를 광헤드 장치에 탑재하여 사용함으로써, 단일 소자로 투과광의 파면과 편광 상태를 변화시킬 수 있다.
[제 3 실시형태]
다음으로, 본 발명의 제 3 실시형태에 따른 액정 렌즈 소자 (30) 에 관해서, 도 7 을 참조하면서 설명한다. 또한, 본 실시형태에 있어서, 제 1 실시형태와 동일 부분에는, 동일 부호를 붙여 중복 설명을 피한다.
본 실시형태의 액정 렌즈 소자 (30) 는, 제 1 실시형태에 따른 액정 렌즈 소자 (10) 를 2 개 요철부 (17) 가 서로 대향하는 것과 같은 상태로 상하에 포개어 적층시킨 구성 (단, 투명 기판 (11) 은 공통) 이고, 대략 구성으로서, 제 1 액정 렌즈 소자 (10A) 와, 제 2 렌즈 소자 (10B) 와, 이들에 교류 전압을 인가하는 교류 전원 (18) 을 구비하고 있다.
즉, 이 액정 렌즈 소자 (30) 는, 제 1 액정 렌즈 소자 (10A) 에, 2 장의 투명 기판 (11, 12A) 과, 이것들의 투명 기판에 형성한 투명 전극 (13A, 14A) 과, 투명 전극 (14A) 에 형성한 요철부 (17A) 와, 투명 전극 (13A) 과 요철부 (17A) 를 형성한 투명 전극 (14A) 사이의 공극에 밀봉된 액정 (16A) 을 구비하고 있다. 한편, 제 2 액정 렌즈 소자 (10B) 도, 투명 기판 (11) 을 공용하고 있지만, 제 1 액정 렌즈 소자 (10A) 와 같은 구성으로 되어 있다.
다음으로, 본 실시형태의 제조 방법에 관해서 설명한다.
처음에, 각 투명 기판 (12A, 12B) 로부터 일면에 투명 전극 (14A, 14B) 을 각각 형성한다. 그리고, 이들 투명 전극 (14A, 14B) 의 평탄면에, 각각, 굴절률 ns 의 균일 굴절률 투명 재료를 사용하여, 단면이 톱니 형상 또는 톱니를 계단 형상에 근사하게 한 형상의 요철부 (17A, 17B) 를 형성한다. 이것들의 요철부 (17A, 17B) 는, 각각 일면이 입사광의 광축 (Z 축) 에 대하여 회전 대칭성을 갖는 동일한 요철 형상으로 가공되어 있다. 한편, 투명 기판 (11) 의 양면에는 투명 전극 (13A, 13B) 을 형성한다.
다음으로, 각 투명 기판 (12A, 12B) 에는, 갭 제어재가 혼입된 접착재를 인쇄 패터닝한 시일 (15A, 15B) 을 각각 형성한다. 그리고, 요철부 (17A) 와 요철부 (17B) 의 회전 대칭축이 일치하도록, 각 투명 기판 (12A, 12B) 과 투명 기판 (11) 을 중합시켜 압착하여 빈 셀을 제작한다. 그 후, 시일의 일부에 형성된 주입구 (도시 생략) 로부터 액정을 주입함과 함께, 그 주입구를 밀봉하고 액정 (16A, 16B) 을 셀 내에 밀봉하여, 액정 렌즈 소자 (30) 로 한다. 또한, 투명 전극 (13A, 13B) 을 도통시켜 공통 전극으로 함과 함께, 투명 전극 (14A, 14B) 을 도통시켜 공통 전극으로 한다.
이렇게 하여 형성한 액정 렌즈 소자 (10) 에 있어서, 교류 전원 (18) 에 의해 공통 전극의 사이에 직사각형파의 교류 전압을 인가한다. 그러면, 이 인가 전압에 따라 액정 (16A, 16B) 의 분자 배향이 변화하고, 액정층의 실질적인 굴절률이 ne 에서 no 까지 변화한다. 그 결과, 액정 (16A, 16B) 과 요철부 (17A, 17B) 의 굴절률차 Δn 가 변화하고, 입사광에 대한 투과광의 파면이 변화한다.
도 7 에 나타내는 제 1, 제 2 액정 렌즈 소자 (10A, 10B) 의 구성 및 작용은, 도 1 에 나타낸 액정 렌즈 (10) 와 마찬가지지만, 액정 (16A, 16B) 은 액정 분자의 배향 방향이 서로 직교하고 있는 점이 다르다. 즉, 제 1, 제 2 액정 렌즈 소자 (10A, 10B) 로부터, 액정층 계면의 배향 처리 방향이 직교하고 있다. 그 결과, 본 실시형태에 의하면, 입사광의 편광 상태에 관계없이 인가 전압에 따라, 예를 들어 도 4 의 (a), (b), (c) 에 나타내는 바와 같은 정의 파워, 파워 없음, 부의 파워를 갖는 렌즈 기능을 얻을 수 있다.
또한, Δn(V0) = O 이 되는 인가 전압 V0 에서, 액정층에 대하여 이상광 편광에 상당하는 입사광의 경우, 제 1, 제 2 액정 렌즈 소자 (10A, 10B) 의 투과 파면은 변화하지 않지만, 액정층에 대하여 상광 편광에 상당하는 입사광인 경우, 인 가 전압의 크기에 관계없이, 제 1, 제 2 액정 렌즈 소자 (10A, 10B) 의 투과 파면은, 굴절률차 no - ns 에 대응한 일정한 변화가 생긴다.
제 1, 제 2 액정 렌즈 소자 (10A, 10B) 는, 그 액정 (16A 와 16B) 의 배향 방향이 직교하고 있기 때문에, 입사 편광 상태에 관계없이, 이 일정 투과 파면 변화가 생긴다. 이러한 인가 전압 V0 에서의 일정한 투과 파면 변화를 상쇄하도록, 투명 기판 (12A 또는 12B) 의 표면에 보정면을 형성하는 것이 바람직하다.
혹은, 요철부 (17A 및 17B) 를 각각 액정 (16A 및 16B) 의 배향 방향과 동일한 배향 방향에서 상광 복굴절률이 동등한 고분자 액정 등의 복굴절률 재료를 사용하여 형성함으로써, 인가 전압 V0 에서, 액정 렌즈 소자 (30) 의 투과 파면이 변화하지 않도록 할 수 있다.
[제 4 실시형태]
다음으로, 본 발명의 제 4 실시형태에 따른 액정 렌즈 소자 (40) 에 관해서, 도 8 을 참조하면서 설명한다. 또한, 본 실시형태에 있어서, 제 1, 제 2 실시형태와 동일 부분에는, 동일 부호를 붙여 중복 설명을 피한다.
본 실시형태의 액정 렌즈 소자 (40) 는, 도 7 에 나타내는 액정 렌즈 소자 (30) 와 비교해, 제 1, 제 2 액정 렌즈 소자 (10A, 10C) 의 구조가 이하의 점에서 다르다.
제 2 액정 렌즈 소자 (10C) 의 액정의 배향 방향은, 제 3 실시형태의 제 2 액정 렌즈 소자 (10B) 와는 달리, 제 1 액정 렌즈 소자 (10A) 의 액정 (16A) 과 같 은 배향 방향이다. 또한, 제 2 액정 렌즈 소자 (10C) 의 요철부 (17C) 의 고리체 (輪體) 형상은, 요철부 (17A) 와 다르고, (3) 식에서 기술되는 도 3 의 그래프 α 에 나타내는 광로 길이차 OPD 가 서로 다르다. 또한, 액정 (16A, 16C) 에는, 각각 독립적으로 교류 전원 (18A, 18C) 에 의해, 직사각형파의 교류 전압이 인가된다.
이에 의해, 액정 (16A, 16C) 의 배향 방향에 대응한 편광면을 갖는 이상광 편광이 입사하였을 때, 제 1, 제 2 액정 렌즈 소자 (10A, 10C) 는 각각 독립적으로 발생하는 파워가 다른 액정 렌즈로서 작용한다.
예를 들어, 인가 전압 V+1 과 V0 과 V- 1 에서의 제 1 액정 렌즈 소자 (10A) 의 파워를 PA+1, PA0 (= 0), PA- 1 로 함과 함께, 제 2 액정 렌즈 소자 (10C) 의 파워를 PC+1, PC0 (= 0), PC- 1 로 하고, 각각의 대소 관계를 PA+1 < PC+1 < 0 < PC-1 < PA- 1 로 한다.
이때, 교류 전원 (18A, 18C) 에 의해 인가 전압을 조정함으로써, 액정 렌즈 소자 (40) 는, 7종 ((PA+1 + PC+1) < PA+1 < PC+1 < 0 < PC-1 < PA-1 < (PA-1+ PC-1)) 의 다른 파워를 생성할 수 있다.
그 결과, 본 실시형태의 액정 렌즈 소자 (40) 를 광헤드 장치에 탑재하여 사용함으로써, 커버 두께가 상이함에 의해 생성하는 7 종의 파워 성분을 포함하는 구면수차량을 보정할 수 있다.
[제 5 실시형태]
다음으로, 본 발명의 제 5 실시형태에 따른 액정 렌즈 소자 (50) 에 관해서, 도 9 를 참조하면서 설명한다. 또한, 본 실시형태에 있어서, 제 1, 제 2 실시형태와 동일 부분에는, 동일 부호를 붙여 중복 설명을 피한다.
본 실시형태의 액정 렌즈 소자 (50) 는, 제 1 또는 제 2 실시형태에 나타내는 액정 렌즈 (10) 에 있어서, 투명 기판 (12) 의 편면 (투명 전극을 형성하고 있지 않은 쪽의 면) 과 투명 기판 (21) 의 일면에 장착한 위상판 (22) 사이에서, 복굴절 회절 격자 (51) 와 접착재층 (52) 을 협지하고 있다.
복굴절 회절 격자 (51) 는, 투명 기판 (12) 의 편면 (투명 전극을 형성하고 있지 않은 쪽의 면) 에 고분자 액정으로 이루어지는 복굴절 재료층을 형성하고, 이것을 요철 격자의 단면 형상으로 가공하여 복굴절 회절 격자 (51) 로 한다. 또한, 균일 굴절률 투명 재료로 이루어지는 접착재를 사용하여, 복굴절 회절 격자 (51) 의 적어도 오목부를 충전하고, 접착재층 (52) 으로 함과 함께, 위상판 (22) 이 형성된 투명 기판 (21) 과 접착한다.
고분자 액정으로 이루어지는 복굴절 회절 격자 (51) 는, 액정 (16) 과 고분자 액정의 분자 배향이 직교하도록 배향 처리한다. 즉, Y 축 방향으로 배향 처리한 배향막 (도시 생략) 을 투명 기판 (12) 에 형성하고, 액정 모노머를 도포하여 중합 경화함으로써, Y 축 방향에 배향 (이상광 굴절률의 방향) 이 일정하게 된 고분자 액정이 된다. 나아가, 포토리소그래피와 반응성 이온 에칭에 의해, 단면이 요철 형상인 복굴절 회절 격자 (51) 가 된다.
복굴절 회절 격자 (51) 의 오목부에, 고분자 액정의 상광 굴절률과 실질적으 로 동등한 굴절률의 접착재를 충전하여 접착재층 (52) 을 형성함으로써, 입사광 중 상광 편광은 투과하고 이상광 편광은 회절하는 편광성 회절 격자가 된다.
복굴절 회절 격자 (51) 의 단면 형상은, 도 9 에 나타내는 직사각 형상으로 해도 되며, 특정한 회절 차수에서 높은 회절 효율을 얻기 위해서 톱니 형상으로 해도 된다. 복굴절 회절 격자 (51) 는, 이것을 형성하고 있는 고분자 액정의 이상광 굴절률과 접착재층 (52) 의 굴절률의 굴절률차 (Δn) 와, 이 고분자 액정의 요철 깊이 (d) 와의 곱인 (Δn × d) 를 적절히 설정함으로써, 파장 λ 의 이상광 편광의 입사광에 대하여 원하는 회절 차수의 회절 효율을 얻을 수 있다. 또한, 격자 피치 및 격자 길이 방향의 각도가 격자면 내에서 소정의 분포를 이루는 홀로그램 패턴으로 함으로써, 입사광의 회절 방향을 공간적으로 제어할 수 있다.
위상판 (22) 은, 제 2 실시형태 (도 6 참조) 로부터 설명한 위상판 (22) 과 같은 것이고, 위상판 (22) 의 광축 방향을 입사광의 편광면의 방향인 X 축에 대하여 XY 면 내에서 45°의 각도를 이루는 방향으로 하여, 그 리터데이션값을 입사광의 파장 λ 의 1/4 로 한다.
또한, 본 실시형태의 액정 렌즈 소자 (50) 로부터는, 도 9 에 나타내는 바와 같이, 투명 기판 (11) 의 표면에 회절 격자 (53) 를 형성하고 있어, 입사광에 대하여 0 차 회절광 (직진 투과광) 과 ± 1 차 회절광을 발생한다. 회절 격자 (53) 는, 예를 들어 광헤드 장치에 있어서 광디스크의 트래킹용 3 빔으로서 사용된다.
다음으로, 본 실시형태의 작용에 관해서 설명한다.
본 실시형태의 액정 렌즈 소자 (50) 에, 투명 기판 (11) 측으로부터 X 축 방 향의 편광면을 갖는 직선 편광이 입사하면, 교류 전원 (18) 에 의해 액정 렌즈 소자 (10) 에 인가되는 전압의 크기에 따라 투과 파면이 변화하여, 복굴절 회절 격자 (51) 와 접착재층 (52) 으로 이루어지는 편광성 회절 격자에 상광 편광으로서 입사한다. 그리고, 이 편광성 회절 격자에 의해 회절되지 않고 투과한 광은, 위상판 (22) 에 의해 원편광이 되어 액정 렌즈 소자 (50) 를 투과한다.
한편, 도시 생략된 광디스크 등의 반사면에서 반사된 광이 액정 렌즈 소자 (50) 의 투명 기판 (21) 측으로부터 재 입사하면, 위상판 (22) 에 의해 Y 축 방향의 편광면을 갖는 직선 편광이 되어 편광성 회절 격자에 이상광 편광으로서 입사하고, 거기서 회절되어 액정 렌즈 소자 (50) 로부터 출사한다.
이와 같이, 액정 렌즈 소자 (10) 에 편광성 회절 격자 (51), 위상판 (22), 회절 격자 (53) 를 일체화함으로써, 각각의 소자를 개별적으로 장치에 장착하는 경우에 비하여 위치 정밀도가 향상되기 때문에, 안정된 성능을 얻을 수 있다.
여기서, 이러한 액정 렌즈 소자 (50) 가 반도체 레이저 및 광검출기와 함께 동일한 패키지 내에 일체로 유닛화된 것 (이하, 「광 유닛 (60)」 이라고 한다) 에 관해서, 도 10 을 참조하면서 설명한다.
이 광유닛 (60) 은, X 축 방향의 편광면을 갖는 파장 λ 의 직선 편광을 출사하는 반도체 레이저 (61) 와 광검출기 (62) 가 금속 블록 (63) 에 고정되어 있고, 패키지 (64) 에 수납되어 있다. 광검출기 (62) 에는, 광신호를 전기 신호로 변환한 뒤, 그 신호에 대한 신호 증폭용 및 신호 처리용의 회로가 집적화되어 있다. 이 패키지 (64) 의 광출사 및 광입사측에는 개구부가 형성되고 있고, 그 개구부에 액정 렌즈 소자 (50) 가 접착 고정되어, 일체로 유닛화된 구성으로 되어 있다.
이러한 광유닛 (60) 을 광헤드 장치에 탑재하여 사용하면, 트래킹용의 3 빔을 발생하는 회절 격자의 기능과, 인가 전압에 따른 수차 보정하는 기능과, 왕로에서는 직진 투과하고 복로에서는 효율적으로 광검출기로 광을 분파하는 편광 홀로그램 빔 스플리터의 기능을 더불어 가진 액정 렌즈 소자가 되어, 광헤드 장치의 소형화로 이어진다.
[제 6 실시형태]
다음으로, 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 액정 렌즈 소자 (20) 를 탑재한 DVD 및 CD 용 광디스크의 기록 및 재생에 사용하는 광헤드 장치 (70) 에 관해서, 도 11 을 참조하면서 설명한다. 또한, 본 실시형태에 있어서, 제 2 실시형태와 동일 부분에는, 동일 부호를 붙여 중복 설명을 피한다.
본 실시형태의 광헤드 장치 (70) 는, 광원인 제 1, 제 2 반도체 레이저 (1A, 1B) 와, 제 1, 제 2 회절 격자 (2A, 2B) 와, 다이크로익 프리즘 (3) 과, 빔 스플리터 (4) 와, 콜리메이터 렌즈 (5) 와, 대물 렌즈 (6) 와, 실린드리컬 렌즈 (7) 와, 광검출기 (8) 이외에, 액정 렌즈 소자 (20) 가 빔 스플리터 (4) 와 콜리메이터 렌즈 (5) 사이의 광로 상에 구비되어 있다.
다음으로, 본 실시형태의 작용에 관해서 설명한다.
(i) DVD 용 광디스크의 경우:
DVD 용의 반도체 레이저 1A 에서 출사함과 함께, 도 11 의 지면 내에 편광면 을 갖는 파장 λ1 (= 660㎚) 의 출사광은, 회절 격자 (2A) 에 의해 트래킹용의 3 빔을 발생한다. 그리고, 다이크로익 프리즘 (3) 을 투과하고, 빔 스플리터 (4) 에 의해 반사되어 액정 렌즈 소자 (20) 에 입사한다. 이 액정 렌즈 소자 (20) 를 투과한 광은, 원편광이 되고, 콜리메이터 렌즈 (5) 에 의해 평행광화되어, 대물 렌즈 (6) 에 의해 DVD 용 광디스크 (D) 의 정보 기록층에 집광된다.
또한, 대물 렌즈 (6) 는, 포커스 서보 및 트래킹 서보용의 액츄에이터 (도시 생략) 에 의해 가동한다. 광디스크 (D) 의 반사면에서 반사된 광은, 다시 대물 렌즈 (6) 와 콜리메이터 렌즈 (5), 추가로 액정 렌즈 소자 (20) 를 투과하고, 지면에 직교하는 편광면을 갖는 직선 편광이 되어 일부의 광이 빔 스플리터 (4) 를 투과한다. 그리고, 비점수차법에 의한 포커스 서보용에 형성된 실린드리컬 렌즈 (7) 를 투과하여, 광검출기 (8) 에 집광된다. 또한, 빔 스플리터 (4) 에 의해 반사된 광은, 원래의 광로를 거쳐서 반도체 레이저 (1A) 의 발광점에 집광되지만, 레이저 발신광과 편광면이 직교하는 직선 편광 때문에 레이저 발신에 영향을 주지 않고, 레이저 발신 강도는 안정된다.
(ⅱ) CD 용 광디스크의 경우:
한편, CD 용의 반도체 레이저 (1B) 로부터 출사하는 지면 수직인 편광면을 갖는 파장 λ2 (= 790㎚) 의 출사광은, 회절 격자 (2B) 에 의해 트래킹용의 3 빔을 발생하고, 다이크로익 프리즘 (3) 을 반사하여 DVD 용의 파장 λ1 의 광과 광축을 일치시켜 진행하여, 빔 스플리터 (4) 로부터 반사된다. 그리고, 이 반사광은, DVD 용의 파장 λ1 의 광과 같이, 콜리메이터 렌즈 (5) 및 대물 렌즈 (6) 에 의해, CD 용 광디스크 (D) 의 정보 기록층에 집광된다. 또한, 광디스크의 반사면에서 반사 후의 광로는, DVD 용의 파장 λ1 의 광로와 동일하다.
본 실시형태의 광헤드 장치 (70) 로부터는, 반도체 레이저 (1A, 1B) 에 발신 출력이 큰 것을 사용하는 경우, 레이저 발광점으로의 되돌아가는 광의 편광면을 레이저 발신광의 편광면과 직교화시키기 위해서, 액정 렌즈 소자 (20) 중의 위상판 (22) (도 6 참조) 을 파장 λ1 및 파장 λ2 에 대하여 1/4 파장판이 되도록 하는 것이 바람직하다.
구체적으로는, 파장 λ1 과 파장 λ2 의 중간 파장에 대하여, 각각, 리터데이션값이 1/4 파장 및 1/2 파장이 되는 고분자 액정층을 그 광축 각도가 원하는 각도가 되도록 적층하면 된다.
다음으로, 본 발명의 액정 렌즈 소자 (20 (도 6 참조)) 를 탑재한 광헤드 장치 (70) 를 사용하여, 커버 두께가 다른 단층 및 2 층의 DVD 기록 및 재생용의 광디스크 (D) 에 대한 기록·재생 동작에 관해서, 이하에 설명한다.
(i) 단층 광디스크 (커버 두께 0.60㎜) 의 경우:
대물 렌즈 (6) 는, 커버 두께 0.60㎜ 의 단층 광디스크 (D) 에 대하여 수차가 최소가 되도록 설계되어 있기 때문에, 단층 광디스크 (D) 의 기록 및/또는 재생시에는 액정 렌즈 소자 (20) 의 전극 사이에 교류 전압 V0 을 인가한다. 이때, 액정 (16) 과 요철부 (17) 와의 굴절률이 일치하기 때문에, 도 4 의 (b) 에 나타내는 바와 같이 투과 파면은 불변이다.
(ⅱ) 2 층 광디스크 (커버 두께 0.57㎜) 인 경우:
2 층 광디스크 중의 커버 두께 0.57㎜ 의 정보 기록층으로의 기록 및/또는 재생에 있어서는, 액정 렌즈 소자 (20) 의 투과 파면이 약간 집광하는 구면(球面波) 가 되도록, 전극 사이에 교류 전압 V+1 을 인가한다.
이때, 액정 (16) 쪽이 요철부 (17) 에 비해 굴절률이 크기 때문에, 도 4 의 (a) 에 나타내는 바와 같이, 정의 파워, 즉, 볼록 렌즈 상당의 투과 파면이 된다. 즉, 대물 렌즈 (6) 에 의해, 커버 두께 0.57㎜ 의 정보 기록층에 효율적으로 집광된다.
(ⅲ) 단층 광디스크 (커버 두께 0.63㎜) 의 경우:
한편, 커버 두께 0.63㎜ 에서의 도시 생략된 정보 기록층으로의 기록 및/또는 재생시는, 액정 렌즈 소자 (20) 의 투과 파면이 약간 발산하는 구면파가 되도록, 전극간에 교류 전압 V-1 을 인가한다. 이때, 액정 (16) 쪽이 요철부 (17) 에 비해 굴절률이 작아지기 때문에, 도 4의 (c) 에 나타내는 바와 같이, 부의 파워, 즉, 오목 렌즈 상당의 투과 파면이 된다. 즉, 대물 렌즈 (6) 에 의해, 커버 두께 0.63㎜ 의 정보 기록층에 효율적으로 집광된다.
따라서, 액정 렌즈 소자 (20) 의 인가 전압을 V0, V+1, V- 1 로 전환함으로써, 커버 두께가 다른 DVD 용의 단층 광디스크 및 2 층 광디스크에 대하여 안정된 기록 ·재생이 실현된다.
이와 같이, 본 실시형태에 관련된 광헤드 장치 (70) 에 의하면, 액정 렌즈 소자 (20) 는, 광디스크 (D) 의 커버 두께가 상이함에 의해 발생하는 구면수차의 보정뿐만 아니라, 초점 위치 변화에 상당하는 파워 성분의 전환 기능도 부가할 수 있다. 이 때문에, 예를 들어, 대물 렌즈 (6) 와 별개로 설치하여 사용하고, 대물 렌즈 (6) 가 트래킹시에 광디스크 (D) 의 반경 방향으로 이동하여 액정 렌즈 소자 (20) 와의 편심이 발생한 경우에도, 수차 열화는 거의 없다. 그 결과, 구면수차만을 보정하는 액정 소자에 비해 안정된 기록 및/또는 재생이 실현된다.
또한, 액정 렌즈 소자 (20) 에 있어서, (2) 식의 m = 2 또는 3 에 상당하는 요철부 (17) 의 형상으로 함으로써, 각각 5 종 또는 7 종의 투과 파면의 전환이 가능하기 때문에, 커버 두께가 다른 광디스크에 대하여, 보다 미세한 수차 보정을 할수 있다.
또한, 액정 렌즈 소자 (20) 대신에, 도 7 에 나타내는 제 3 실시형태의 액정 렌즈 소자 (30) 를 사용하면, 왕로의 편광뿐만 아니라 복로의 직교하는 편광에 대해서도 보정 작용이 있기 때문에, 광검출기로의 집광성도 개선된다.
또한, 액정 렌즈 소자 (20) 대신에, 도 8 에 나타내는 제 4 실시형태의 액정 렌즈 소자 (40) 를 사용하면, 3 종의 커버 두께가 다른 광디스크의 수차 보정뿐만 아니라, 그 이외의 커버 두께의 수차 보정도 할 수 있게 된다. 이 때문에, 커버 두께에 편차가 있는 광디스크 또는 광헤드 장치 전체의 광학계에 구면수차가 잔류하고 있는 경우라도, 보다 미세한 수차 보정을 할 수 있다.
또한, 액정 렌즈 (20) 에 있어서, 왕로의 편광면과 직교하는 직선 편광이 액정 렌즈 소자 (20) 의 액정에 대하여 상광 편광으로서 입사하기 때문에, 굴절률차 no - ns 에 대응하여 나타나는 일정한 투과 파면 변화가 생긴다. 이것을 상쇄하기 위해서는, 고분자 액정 등의 복굴절 재료로 이루어지고, 액정 (16) 의 요철 형상에 상당하는 보정면의 오목부에 균일 굴절률 충전재를 충전한 보정 소자를 형성하면 된다. 이때, 액정의 상광 편광에 대하여 광로 길이차가 생기고, 이상광 편광에 대하여 광로 길이차가 생기지 않도록, 복굴절 재료와 충전재의 굴절률을 조정해 둔다.
이때, CD 용의 파장 λ2 의 편광은 액정 렌즈 소자 (20) 의 액정에 대하여 상광 편광이 되어 입사하기 때문에, 액정 렌즈 소자 (20) 의 인가 전압에 관계없이 투과 파면은 변화하지 않는다.
즉, 수차 열화를 가져오지 않고 CD 용의 광디스크의 안정된 기록·재생이 가능하다.
여기서, 예를 들어 도 12 에 모식적으로 나타내는 광헤드 장치 (80) 와 같이, 단일 패키지 내에 DVD 용의 반도체 레이저와 CD 용의 반도체 레이저의 발광점이 100㎛ 정도 간격으로 배치된 2 파장 광원 1C 를 사용하는 경우는, 간이한 구성이 된다.
이 광헤드 장치 (80) 는, 도 11 에 있어서의 회절 격자 (2A, 2B) 의 대신에, 파장 선택성의 회절 격자 (2C) 를 트래킹용의 3 빔 발생 소자로서 사용하고 있다.
이 파장 선택성의 회절 격자 (2C) 는, DVD 용의 파장 λ1 의 광을 회절하지 않고 투과하며, CD 용의 파장 λ2 의 광을 회절하는 회절 격자, 또는 CD 용의 파장 λ2 의 광을 회절하지 않고 투과하여 DVD 용의 파장 λ1 의 광을 회절하는 회절 격자, 또는 그것들을 적층한 소자이고, 불필요한 미광의 발생이 억제되어 높은 광이용 효율을 얻을 수 있다.
또한, 이 광헤드 장치 (80) 는, 2 파장 광원 1C 와 빔 스플리터 (4) 사이의 광로 중에 액정 렌즈 소자 (20) 를 배치함으로써, 장치의 소형화가 꾀해지고 있다. 또한, 액정 렌즈 소자 (20) 에 파장 선택성의 회절 격자 (2C) 를 일체화함으로써, 더욱 장치의 소형화로 이어진다.
또한, 본 실시형태에서는, 광원으로서 파장이 660㎚ 대인 반도체 레이저를 사용하는 DVD 용의 단층 및 2 층 광디스크 (D) 에 대하여 동작하는 액정 렌즈 소자 (20) 를 탑재한 광헤드 장치 (80) 에 관해서 설명하였지만, 광원으로서 파장이 405㎚ 대인 반도체 레이저를 사용하는 BD 용의 단층 및 2 층 광디스크에 대하여 동작하는 액정 렌즈 소자를 탑재한 광헤드 장치 등에 관해서도 같은 작용·효과를 얻을 수 있다.
[제 7 실시형태]
다음으로, 본 발명의 제 7 실시형태에 광헤드 장치 (90) 에 관해서, 도 13 을 참조하면서 설명한다. 또한, 본 실시형태에 있어서, 제 6 실시형태와 동일 부분에는, 동일 부호를 붙여 중복 설명을 피한다.
본 실시형태의 광헤드 장치 (90) 는, DVD 용의 유닛 (90A) 과, CD 용의 유닛 (90B) 과, 다이크로익 프리즘 (3) 과, 콜리메이터 렌즈 (5) 와, 대물 렌즈 (6) 를 구비하고 있다.
DVD 용의 유닛 (90A) 은, 제 5 실시형태에 있어서 설명한 도 10 에 나타내는 광유닛 (60), 요컨대, DVD 용의 반도체 레이저 1A (61) 와, 광검출기 8A (62)와, 액정 렌즈 소자 (50) 가 도시 생략된 패키지에 접착 고정되어, 일체로 유닛화되어 있다. 한편, CD 용의 유닛은, CD 용의 반도체 레이저 (1B) 와, 광검출기 (8B) 와, 홀로그램 빔 스플리터 (4B) 가 패키지에 일체화되어 있다.
다음으로, 본 실시형태의 작용에 관해서 설명한다.
(i) DVD 용의 광디스크의 기록 및/또는 재생에 관해서:
이 DVD 용의 광디스크의 기록 및/또는 재생에 관해서는, DVD 용의 유닛 (90A), 요컨대 나타내는 광유닛 (60) 을 사용한다.
광유닛 (60) 중의 DVD 용의 반도체 레이저 (1A) 로부터 출사하는 도 13 의 지면 내에 편광면을 갖는 파장 λ1 (= 660㎚) 의 출사광은, 액정 렌즈 소자 (50) 를 투과하여 원편광의 3 빔이 되어, 다이크로익 프리즘 (3) 을 투과한다. 그 후, 이 투과광은, 콜리메이터 렌즈 (5) 에 의해 평행광화되어, 대물 렌즈 (6) 에 의해 DVD 용 광디스크 (D) 의 정보 기록층에 집광된다.
또한, 이 광디스크 (D) 의 반사면에서 반사된 광은, 역행하여 다시 대물 렌즈 (6) 와 콜리메이터 렌즈 (5) 와 다이크로익 프리즘 (3) 을 투과하고, 추가로 액 정 렌즈 소자 (50) 중의 1/4 파장판인 위상판 (22) (도 9 참조) 을 투과한다. 그리고, 이 투과광은, 도 13 의 지면에 직교하는 편광면을 갖는 직선 편광이 되어 액정 렌즈 소자 (50) 중의 홀로그램 빔 스플리터인 복굴절 회절 격자 (51) 와 접착재층 (52) 으로 이루어지는 편광성 회절 격자 (도 9 참조) 에 의해 회절되어, 광검출기 (8A) 의 수광면에 효율적으로 집광한다.
(ⅱ) CD 용의 광디스크의 기록·재생에 관해서:
한편, CD 용의 광디스크의 기록·재생은, CD 용의 반도체 레이저 (1B) 와 광검출기 (8B) 와 홀로그램 빔 스플리터 (4B) 가 패키지에 일체화된 CD 용의 유닛 (90B) 을 사용한다.
반도체 레이저 (1B) 로부터 출사하는 파장 λ2 (= 790㎚) 의 광은, 트래킹용의 3 빔을 발생하는 회절 격자가 일체화된 홀로그램 빔 스플리터 (4B) 를 투과한다.
그리고, 이 투과광은, 다이크로익 프리즘 (3) 에서 반사하여 DVD 용의 파장 λ1 의 광과 광축이 일치하도록 진행하여, 콜리메이터 렌즈 (5) 및 대물 렌즈 (6) 에 의해 CD 용 광디스크 (D) 의 정보 기록층에 집광된다.
또한, 광디스크 (D) 의 반사면에서 반사된 광은, 역행하여 다시 대물 렌즈 (6) 와 콜리메이터 렌즈 (5) 를 투과하고, 다이크로익 프리즘 (3) 으로 반사하여, 추가로 홀로그램 빔 스플리터 (4B) 에 의해 일부의 광이 회절되어, 광검출기 (8B) 의 수광면에 집광한다.
이와 같이, 본 실시형태에서는, 커버 두께가 다른 DVD 용의 단층 및 2 층 광디스크 (D) 에 대하여 안정된 기록 및/또는 재생을 실시하기 위한 동작은, 제 6 실시형태와 동일하다. 따라서, 본 실시형태의 광헤드 장치 (90) 에 의하면, 광헤드 장치 (90) 의 조립 조정이 간략화됨과 함께, 장치 전체의 소형·경량화로 이어진다.
「예 1」
다음으로, 제 2 실시형태에 나타낸 본 발명의 액정 렌즈 소자 (20) 의 구체적인 실시예에 관해서, 도 6 을 참조하면서 이하에 설명한다.
처음에, 이 액정 렌즈 소자 (20) 의 제작 방법에 관해서 설명한다.
투명 기판 (11) 인 유리 기판 상에 투명 도전막 (ITO 막) 을 막형성하여, 이것을 투명 전극 (13) 으로 한다. 추가로 그 투명 전극 (13) 상에, 굴절률 ns (= 1.66) 의 균일 굴절률 재료인 감광성 폴리이미드를 막두께 d (=5.5μ㎜) 가 되도록 도포한다.
다음으로, 도 3 의 그래프 β 의 형상에 상당하도록, 자외선 투과율이 반경 방향으로 분포한 계조 마스크를 사용하고, 감광성 폴리이미드에 자외선을 조사하여, 계조 마스크 패턴을 노광한 후, 현상한다. 그 결과, 유효 직경 φ (= 4.9㎜) 의 영역에, 단면 형상이 톱니 형상으로 입사광의 광축 (Z 축) 에 대하여 회전 대칭성을 갖는 도 6 에 나타내는 바와 같은 요철부 (17) 를 가공·형성한다. 추가로, 폴리이미드로 이루어지는 요철부 (17) 의 표면을, X 축 방향으로 러빙 배 향 처리한다. 이렇게 하여 얻어지는 폴리이미드로 이루어지는 요철부 (17) 의 투명 재료로서, 그 전기 체적 저항률 ρF 가 액정 (16) 의 체적 저항률 ρLC 에 비해 106 이상 저저항이 되는 재료를 사용한다.
또한, 투명 전극 (14) 으로서 투명 도전막 (ITO 막) 이 막형성된 투명 기판 (12) 인 유리 기판 상에 폴리이미드막을 막 두께 약 50㎚ 도포한 뒤에, 소성하여, 폴리이미드막 표면을 X 축 방향으로 러빙 배향 처리한다. 추가로, 지름 7㎛ 의 갭 제어재가 혼입된 접착재를 인쇄 패터닝하여 시일 (15) 을 형성하고, 투명 기판 (11) 과 포개어 압착하여, 투명 전극 간격이 7㎛ 의 빈 셀을 제작한다.
그 후, 액정 (16) 을 빈 셀의 주입구 (도시 생략) 로부터 주입하고, 그 주입구를 밀봉하여 도 6 에 나타내는 액정 렌즈 소자 (10) 로 한다.
이 액정 (16) 에는, 상광 굴절률 no (= 1.50) 및 이상광 굴절률 ne (= 1.78) 의 정의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정을 사용한다. 또한, 투명 전극 (13, 14) 의 평면에, 평행하고 또한 X 축 방향에 액정 분자의 배향이 일정하게 된 액정 (16) 을 요철부 (17) 의 오목부에 충전한다. 또한, 톱니 형상의 요철부 (17) 의 경사면은 최대 3°정도의 경사이기 때문에, 액정 분자의 배향은 투명 전극면에 평행하는 것으로 간주된다.
다음으로, 투명 기판 (21) 인 유리 기판 상에, 폴리이미드막을 약 50㎚ 의 두께로 도포한 뒤 소성하고, 폴리이미드막 표면을 X 축과 45°의 각도를 이루는 방향으로 러빙 배향 처리한다.
그 위에, 액정 모노머를 막 두께 6.6㎛ 이 되도록 도포한 뒤, 중합 경화하여, X 축과 45°의 각도를 이루는 방향으로 지상축이 일정하게 된 상광 굴절률과 이상광 굴절률의 차가 0.20 인 고분자 액정막으로 이루어지는 위상판 (22) 을 제작한다. 그리고, 접착재를 사용하여 위상판 (22) 과 투명 기판 (12) 을 접착 고정하도록 하고, 액정 렌즈 소자 (10) 에 투명 기판 (21) 등을 고착하여, 액정 렌즈 소자 (20) 로 한다.
이 위상판 (22) 의 리터데이션값 (Rd) 은,
Rd = 0.20 × 6.6
= 1.32㎛
로서, DVD 용의 파장 λ (= 660㎚) 의 5/4 배에 상당하며, 1/4 파장판의 기능을 갖는다.
이렇게 하여 얻어진 액정 렌즈 소자 (20) 의 투명 전극 (13, 14) 에 교류 전원 (18) 을 접속함으로써, 요철부 (17) 의 전압 강하는 미미하고 제 1 실시형태에 나타낸 Case 1 의 조건에 상당하여, 실효적으로 액정 (16) 에 전압이 인가된다. 인가 전압을 0V 에서 증가시키면, 액정 (액정층; 16) 의 X 축 방향의 실질적인 굴절률이 ne (= 1.78) 로부터 no (= 1.50) 까지 변화한다. 그 결과, X 축의 편광면을 갖는 직선 편광 입사광에 대하여, 액정 (16) 과 요철부 (17) 의 굴절률차 (Δn) 가,
Δnmax (= ne - ns) = 0.12
(단, ns = 1.66)
에서
Δnmin (= no - ns) = -0.16
까지 변화하며, 요철부 (17) 의 오목부에 충전된 액정 (16) 의 두께 분포에 따라, 투과 파면이 변화한다.
여기서, 예를 들어, 사용 파장 λ (= 660㎚) 에서, 커버 두께 0.60㎜ 인 DVD 용의 단층 광디스크에 대하여, 수차가 제로가 되도록 설계된 개구 수 (NA) 0.65 및 초점 거리 3.05㎜ 의 대물 렌즈를, 커버 두께 0.57㎜ 와 0.63㎜ 의 DVD 용의 2 층 광디스크에 사용하면, 최대 광로 길이차가 약 0.15λ 로, 자승 평균 파면 수차가 약 43mλ [rms] 에 상당하는 구면수차가 생긴다.
그래서, 액정 렌즈 소자 (20) 를 사용하여 이 구면수차를 보정하기 때문에, 전압 비인가시의 투과 파면이 하기의 [표 1] 에 나타내는 계수값 a1 ~ a5 를 사용하여 (3) 식으로 표기되는 광로 길이차 OPD 에 상당하도록, 요철부 (17) 를 가공한다. 단, (3) 식의 광로 길이차 OPD 는 [㎛] 단위이고, r 은 [㎜] 단위이다.
계수 값
a1 -0.744431
a2 0.004292
a3 -0.004880
a4 0.001341
a5 -0.000112
이에 의해, [표 1] 의 계수값 a1 ~ a5 를 사용하여, (3) 식으로 표기되는 도 3 의 그래프 α 에 상당하는 광로 길이차에서 파장 λ 의 정수 배를 빼어 얻어지는 (제로 이상 λ 이하의 광로 길이차에 상당한다), 도 3 의 그래프 β 에 나타내는 광로 길이차의 투과 파면을 생성한다.
여기서, 전압 비인가시의 액정 (16) 과 요철부 (17) 의 굴절률차 (Δn) 는, 상술한 바와 같이,
Δn (= ne - ns) = 0.12
이기 때문에, 요철부 (17) 와 이 오목부에 충전된 액정 (16) 에 의해 상술한 투과 파면을 생성하기 위해서는, 상술한 (4) 식을 만족하도록 하면 된다. 즉, (2) 식에 있어서, m = 1 인 경우, 최대광로 길이차가 파장 λ = 660㎚ (= 0.66㎛) 에 상당하도록,
Δn × d = 0.66㎛
이 식으로부터 요철부 (17) 의 깊이 d(㎛) 를 결정한다.
이에 의해, 요철부 (17) 는, 깊이 (d) 가 d = 5.5㎛ 로서, 도 1 에 나타내는 단면 형상으로 가공되어 있다. 또한, 톱니 형상의 요철부 (17) 를 계단 형상에 의해서 근사하게 해도 된다. 도 3 의 그래프 α 에 상당하는 매끄러운 투과 파면을 생성하기 위해서는, 요철부 (17) 의 깊이 (d) 를
(0.75 × λ/Δn) ≤ d ≤ (1.25 ×λ/Δn)
로 하는 것이 바람직하다. 또한, 요철부 (17) 의 유효 직경은 4.9㎜ 이기 때문에, 최대 반경은 2.45㎜ 이다.
액정 렌즈 소자 (20) 에 입사하는 DVD 용의 파장 λ (= 660㎚) 의 투과 파면은, 전압 비인가시 (V+1 = 0) 는 도 4(a) 에 나타내는 집광광이 되고, 초점 거리 (f) 가 f = 675㎜ 상당의 볼록 렌즈 작용을 나타낸다. 다음으로, 인가 전압을 증가시키면, V0 = 2.5V 정도에서 Δn(V0) = 0 이 되고, 투과 파면은, 도 4(b) 에 나타내는 바와 같이, 입사 파면과 동일한 파면 상태로 (파워 없음) 투과한다. 또한, 인가 전압을 증가시키면, V-1 = 6V 정도에서 Δn(V-1) = -Δn(V+1) 이 되고, 투과 파면은, 도 4(c) 에 나타내는 발산광이 되며, 초점 거리 (f) 가 f = -675㎜ 에 상당하는 오목 렌즈 작용을 나타낸다.
「예 2」
다음으로, 상술한 「예 1」 의 액정 렌즈 소자 (20) 를, 도 11 에 나타내는 제 6 실시형태의 광헤드 장치 (70) 에 탑재하는 경우의 구체적인 실시예에 관해서 설명한다. 또한, 이 광헤드 장치 (70) 의 구성은 제 6 실시형태에서 설명하였기 때문에 생략한다.
커버 두께 0.60㎜ 인 DVD 용의 단층 광디스크 (D) 를 기록·재생하는 경우, 액정 렌즈 소자 (20) 의 인가 전압을 V0 = 2.5V 정도로 하면, 입사광은 대물 렌즈 (6) 에 의해 정보 기록층에 집광된다.
DVD 용의 2 층 광디스크 (D) 에 대해서는, 액정 렌즈 소자 (20) 의 인가 전압을 V+1 (= 0V) 정도로 하면, 입사광은 커버 두께 0.57㎜ 의 정보 기록층에 집광되고, 인가 전압을 V-1 (= 6V) 정도로 하면, 입사광은 커버 두께 0.63㎜ 의 정보 기록층에 집광된다. 어느 것도, 잔류하는 자승 평균 파면 수차의 계산값은 3mλ [rms] 이하가 된다.
또한, 커버 두께가 0.555㎜ 에서 0.585㎜ 의 범위에서는, 인가 전압 V+1 로 함으로써, 또한, 커버 두께가 0.585㎜ 에서 0.615㎜ 의 범위에서는 인가 전압 V0 으로 함으로써, 나아가, 커버 두께가 0.615㎜ 에서 0.645㎜ 의 범위에서는 인가 전압 V- 1 로 함으로써, 각각, 잔류하는 자승 평균 파면 수차의 계산값이 약 20mλ [rms] 이하로 저감한다.
또한, 트래킹 때문에, 광디스크 (D) 의 반경 방향으로 대물 렌즈 (6) 가 ±0.3㎜ 정도 이동하였을 때, 액정 렌즈 소자 (20) 와의 편심이 발생하지만, 그에 수반하는 수차 발생은 없기 때문에, 집광 스폿의 열화도 생기지 않는다.
따라서, 액정 렌즈 소자 (20) 에 인가하는 전압을 V0, V+1, V- 1 로 전환함으로써, DVD 용의 단층 및 2 층의 광디스크 (D) 로 안정된 기록 및 재생을 할 수 있는 광헤드 장치가 실현된다.
「예 3」
다음으로, 예 1 의 실시예에서 나타낸 본 발명의 액정 렌즈 소자 (20) 에 있어서, 요철부 (17) 의 투명 재료로서, 그 전기 체적 저항률 ρF 가 액정 (16) 의 체적 저항률 ρLC 와 동등 이상으로 높은 재료를 사용하는 경우의 실시예에 관해서, 도 6 을 참조하면서 이하에 설명한다. 또한, 요철부 (17) 및 액정 (16) 이외의 소자 구성은, 실시예 1 과 같기 때문에, 동일 부분의 설명은 생략한다.
처음으로, 이 액정 렌즈 소자 (20) 에 있어서의 요철부 (17) 의 제작 방법에 관해서 설명한다. 투명 기판 (11) 인 유리 기판 상에 막형성된 투명 전극 (13) 의 위에, 액정 (16) 의 상광 굴절률 no 와 대략 동등한 굴절률 ns (= 1.507) 의 균일 굴절률 재료인 SiOxNy (단, x, y 는 O 와 N 의 원소 비율을 나타낸다) 를 스퍼터링법에 의해 막형성한다. 여기서, Si 스팩터링 타겟과 Ar 가스에 산소 및 질소를 혼입한 방전 가스를 사용함으로써, 굴절률 ns 의 투명한 균일 굴절률에서 막두께 d (= 2.94㎛) 의 SiOxNy 막으로 하고 있다. SiOxNy 막은 비유전율 εF 가 4.0 이며, 전기 체적 저항률 ρF 이 1010Ω·cm 이상이다.
또한, 도 3 의 그래프 γ 의 형상에 상당하도록, 포토마스크를 사용한 포토리소그래피로써 레지스트를 패터닝한 뒤, 반응성 이온 에칭법에 의해 SiOxNy 막을 가공한다. 그 결과, 유효 직경 φ (= 4.9㎜) 의 영역에, 프레넬 렌즈의 톱니 단면 형상을 8 단의 계단 형상에 근사하게 하고, 도 1 에 나타내는 요철부 (17) 의 볼록부와 오목부를 반대로 한 볼록형 프레넬 렌즈 형상으로 가공한다.
즉, 도 6 에서는 요철부 (17) 로 이루어지는 프레넬 렌즈 형상의 중심부가 오목하게 되어 있지만, 본 실시예에서는 중심부가 볼록인 프레넬 렌즈 형상으로 하고 있다. 중심부가 오목에 비해 볼록으로 함으로써 액정층의 평균 두께를 얇게 할 수 있기 때문에, 초점 전환할 때의 전압 응답성을 고속화할 수 있다.
다음으로, 요철부 (17) 의 표면에 투명 도전막 (ITO 막) 을 막형성하여, 이것을 제 1 투명 전극 (13) 으로 한다. 또한, 폴리이미드막 (도시 생략) 을 제 1 투명 전극 (13) 상에 막두께 약 50㎚ 가 되도록 도포한 뒤에 소성하고, 폴리이미드 막표면을 X 축 방향으로 러빙 배향 처리하여 배향막으로 한다.
또한, 투명 전극 (14) 으로서 투명 도전막 (ITO 막) 이 막형성된 투명 기판 (12) 인 유리 기판 상에 폴리이미드막을 막 두께 약 50㎚ 도포한 뒤에, 소성하여, 폴리이미드막 표면을 X 축 방향으로 러빙 배향 처리한다. 추가로 그 위에, 지름 15㎛ 의 갭 제어재가 혼입된 접착재를 인쇄 패터닝하여 시일 (15) 을 형성하고, 투명 기판 (11) 과 포개어 압착하여, 투명 전극 간격 G 가 15㎛ 인 빈 셀을 제작한다.
그 후, 액정 (16) 을 빈 셀의 주입구 (도시 생략) 로부터 주입하고, 그 주입구를 밀봉하여 도 6 에 나타내는 액정 렌즈 소자 (10) 로 한다.
이 액정 (16) 에는, 상광 굴절률 no (= 1.507) 및 이상광 굴절률 ne (= 1.745) 의 정의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정을 사용한다. 또한, 투명 전극 (13, 14) 의 평면에, 평행하고 또한 X 축 방향에 액정 분자의 배향이 일정하게 된 호모지니어스 배향의 액정 (16) 을 요철부 (17) 의 오목부에 충전한다. 액정 (16) 의 비유전율 εLC 은 액정 분자 길이축 방향의 비유전율 ε// 이 15.2, 액정 분자 단축 방향의 비유전율 ε⊥ 이 4.3 에서, 정의 유전율 이방성을 갖는다. 또한, 액정 (16) 의 전기 체적 저항률 ρLC 는, 1010Ω·cm 이상이다. 또한, 위상판 (22) 은 예 1 과 동일하게 하여 제작한다.
이렇게 하여 얻어진 액정 렌즈 소자 (20) 의 투명 전극 (13, 14) 에 교류 전원 (18) 을 접속하여, 주파수 f = 1kHz 의 직사각형 교류 전압 V 를 인가한다. 제 1 실시형태에 나타낸 Case 2 의 조건에 상당하기 때문에, 투명 전극 (13, 14) 의 인가 전압 V 에 대하여 액정 (액정층; 16)) 에 배분되는 인가 전압 VLC 의 비율 VLC/V 는, 도 5 에 나타내는 요철부 (17) 의 막두께 dF 및 액정 (층) 의 층두께 dLC 에 따라 (5) 식에서 관계되어, 요철부 (17) 로 이루어지는 프레넬 렌즈 형상에 대응한 전압 분포 VLC 가 생긴다. 그 결과, X 축의 편광면을 갖는 직선 편광 입사광에 대하여, 요철부 (17) 의 막두께 dF 의 분포에 기인하여 투명 전극간의 광로 길이차 OPD 가 다음식으로 기재되도록 분포한다. 프레넬 렌즈 형상의 중심부가 볼록이기 때문에, 오목인 경우를 나타내는 (6) 식과 다른 표기가 된다.
[수학식 13]
OPD = n(VLC[dF]) × (G - dF) - n(VLC[d]) × (G - d)-ns × (d - dF)
SiOxNy 막으로 이루어지는 요철부 (17) 의 막두께 dF 는 d 에서 제로까지 분포하고, 프레넬 렌즈 형상의 중심부에 대한 광로 길이차 OPD 는, 제로에서 다음식의 OPDd 까지 분포한다.
[수학식 14]
OPDd = {n(VLC[d]) - ns} × d - {n(VLC[d]) - n(V)} × G
투명 전극 사이로의 전압 비인가시는, V = VLC[d] = 0 에서, n(0) = ne 이기 때문에, 광로 길이차 OPDd 는 다음 식의 값이 된다.
OPDd = (ne - ns) × d
= 0.238 × 2.94
= 0.70㎛
가 된다.
투명 전극간의 인가 전압 V 를 증가시키면, OPDd 는 감소하고, DVD 용의 파장 λ = 660㎚ 에 대하여, OPDd 가 +λ, 제로, -λ 가 되는 인가 전압 V-1, V0, V+1 (V-1 < V0 < V+1) 이 존재한다. 따라서, 액정 렌즈 소자 (20) 에 입사하는 파장 λ = 660㎚ 의 평면파는, 인가 전압 V-1, V+1, V0 을 전환하면, 각각, 도 3 의 γ, OPD 제로, β 에 상당하는 투과 파면이 된다. 즉, 인가 전압 V- 1 에서 도 4(c) 에 나타내는 부의 파워에 상당하는 투과 파면을 생성하고, 인가 전압 V0 에서 도 4(b) 에 나타내는 파워 없음에 상당하는 투과 파면을 생성하며, 인가 전압 V+1 에서 도 4(a) 에 나타내는 정의 파워에 상당하는 투과 파면을 생성한다.
액정 렌즈 소자 (20) 의 광출사측에 집광 렌즈를 배치하고, 인가 전압 V-1, V0, V+1 에 따라 집광점 위치가 바뀌어, 3 값의 초점 거리 가변 액정 렌즈 소자의 동작을 확인하였다. 개구 조리개와 광검출기를 각 집광점 위치에 배치하여, 액정 렌즈 소자 (20) 의 투명 전극간의 인가 전압 V 를 변화시켰을 때, 파장 λ = 660㎚ 의 이상광 편광의 입사광에 대한 액정 렌즈 소자 (20) 의 출사광의 집광 효율의 측정예를 도 14 에 나타낸다.
인가 전압 V-1 이 0 에서 1.2V 영역에서 부의 파워 (오목 렌즈) 가 되고, 인가 전압 V0 가 1.6V 영역에서 파워 없음 (렌즈 작용 없음) 이 되며, 인가 전압 V+1 이 2.5 에서 3V 영역에서 정의 파워 (볼록 렌즈) 가 되었다. 또한, 집광 효율이 100% 로 만족하지 않는 원인은, 요철부 가공 형상의 최적값으로부터의 어긋남 및 굴절률이 상이한 복수의 계면에 있어서의 반사 손실이며, 개선할 수 있다.
또한, 균일 굴절률 재료의 SiOxNy 막으로 이루어지는 요철부 (17) 의 굴절률 ns 와 액정 (16) 의 상광 굴절률 no 는 대략 동등하기 때문에, 액정 렌즈 소자 (20) 에 상광 편광이 입사한 경우, 투과 파면은 변화하지 않는다. 상광 편광의 입사광에 대해서는, 액정 렌즈 소자 (20) 의 투명 전극간의 인가 전압 및 입사광의 파장에 의존하지 않고, 투과 파면 변화가 없는 (파워 없음) 98% 의 높은 투과율이 얻어졌다.
「예 2」 와 동일하게 액정 렌즈 소자 (20) 를, 도 11 에 나타내는 제 6 실시형태의 광헤드 장치 (70) 에 탑재하여, 단층 및 2 층의 DVD 광디스크의 기록·재생을 실시한다.
이 광헤드 장치 (70) 를 사용하여, 커버 두께 0.60㎜ 의 단층 DVD 광디스크 (D) 에 정보를 기록·재생하는 경우, 액정 렌즈 소자 (10) 의 인가 전압을 V0 = 1.6V 정도로 하면, 입사광은 대물 렌즈 (5) 에 의해 정보 기록층에 효율적으로 집광된다.
한편, 2 층 DVD 광디스크 (D) 에 대해서는, 액정 렌즈 소자 (20) 의 인가 전압을 V-1 (= 1V) 정도로 하면, 입사광은 커버 두께 0.63㎜ 의 정보 기록층에 집광되고, 인가 전압을 V+1 (= 3V) 정도로 하면, 입사광은 커버 두께 0.57㎜ 의 정보 기록층에 집광된다. 모두, 잔류하는 RMS 파면 수차의 계산값은 3mλ [rms] 이하가 된다.
다음으로, 커버 두께가 0.56㎜ 에서 0.64㎜ 인 광디스크에 대하여, 액정 렌즈 소자 (10) 의 인가 전압 V0, V-1, V+1 에 따라 발생하는 투과 파면을 사용한 경우, 잔류하는 RMS 파면 수차의 계산 결과를 도 15 에 나타낸다.
따라서, 커버 두께가 0.56㎜ 에서 0.585㎜ 인 범위에서는, 인가 전압 V+1 로 함으로써, 커버 두께가 0.585㎜ 에서 0.615㎜ 인 범위에서는, 인가 전압 V0 으로 함으로써, 또한, 커버 두께가 0.615㎜ 에서 0.64㎜ 인 범위에서는 인가 전압 V- 1 로 함으로써, 각각, 잔류하는 RMS 파면 수차가 약 20mλ [rms] 이하로 저감한다.
또한, 트래킹을 위해, 광디스크 (D) 의 반경 방향으로 대물 렌즈 (5) 가 ±0.3㎜ 정도 이동하였을 때, 액정 렌즈 소자 (20) 와의 편심이 생기지만, 그에 수반하는 수차 발생은 없기 때문에, 집광 스폿의 열화도 생기지 않는다.
따라서, 액정 렌즈 소자 (20) 에 인가하는 전압을 V0, V-1, V+1 로 전환함으로써, 단층 및 2 층의 DVD 광디스크 (D) 의 안정된 기록·재생을 실시할 수 있는 광헤드 장치가 실현된다.
또한, 이 액정 렌즈 소자 (20) 에 다른 파장, 예를 들어 CD 용의 790㎚ 파장대의 광이 입사하는 경우, 액정 렌즈 소자 (20) 중의 액정 (16) 에 대하여 상광 편광이 되는 직선 편광으로 함으로써, 전압 비인가시에 투과 파면 변화하지 않고 높은 투과율을 얻을 수 있기 때문에 바람직하다.
본 발명의 액정 렌즈 소자는, 인가 전압에 따라 초점 거리가 복수 전환되는 초점 거리 전환 렌즈로서 이용할 수 있고, 특히, 커버 두께가 다른 단층 및 2 층의 정보 기록층을 갖는 광디스크의 기록 및/또는 재생에 있어서, 발생하는 파워 성분을 포함하는 구면수차를 보정하는 액정 렌즈 소자로서 이용할 수 있기 때문에, 액정 렌즈 소자와 대물 렌즈가 편심하였을 때에 수차가 발생하지 않아, 배치의 제약이 경감되어, 광원이나 광검출기나 빔 스플리터 등으로 일체화한 소형인 유닛으로 서 광헤드 장치 등에 이용할 수 있다.
또한, 본 출원의 우선권 주장의 기초가 되는 일본 특허출원 2004-026685호 (2004년 2월 3일에 일본 특허청에 출원) 및 일본 특허출원 2004-230606호 (2004년 8월 6일에 일본 특허청에 출원) 의 명세서 전체의 내용을 여기에 인용하여, 본 발명의 명세서의 개시로서 받아들이는 것이다.

Claims (10)

  1. 초점 거리가 가변인 액정 렌즈 소자로서,
    각각 투명 전극을 구비한 한 쌍의 투명 기판;
    상기 한 쌍의 기판에 구비된 각각의 투명 전극의 사이에 전압을 인가하는 전압 인가 수단;
    투명 재료로 형성되어 있고, 액정 렌즈 소자의 광축에 관해서 회전 대칭성을 갖는 톱니 형상의 단면 형상 또는 톱니를 계단 형상에 근사하게 한 단면 형상을 가짐과 함께, 상기 각각의 투명 전극 중 적어도 일방의 투명 전극 상에 형성된 요철부; 및
    적어도 상기 요철부의 오목부에 충전된 액정을 구비하고,
    상기 투명 전극 사이에 상기 전압 인가 수단에 의해서 인가하는 전압의 크기에 따라 상기 액정의 실질적인 굴절률을 변화시키는, 액정 렌즈 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 액정은, 상광 (常光) 굴절률 no 및 이상광 (異常光) 굴절률 ne (단, no ≠ ne) 를 가짐과 함께, 상기 인가하는 전압의 크기에 따라 액정층의 실질적인 굴절률이 no 에서 ne 까지의 범위의 값으로 변화하는 액정 재료를 사용하고, 또한, 전압 비인가시의 액정 분자의 배향 방향이 액정층 내에서 특정 방향으로 일정하게 되는 특성을 가지고 있음과 함께,
    상기의 투명 재료는, 적어도 이상광 편광 입사광에 대하여 굴절률 ns 의 투명 재료이고, 굴절률 ns 의 값이, no 와 ne 사이에 있는 (굴절률 ns 의 값이 no 와 ne 와 동등한 경우를 포함하는) 액정 렌즈 소자.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 투명 재료는, 굴절률 ns 가
    ｜ne - ns｜ ≤ ｜ne - no｜ / 2
    의 관계를 만족함과 함께,
    상기 요철부는, 오목부의 깊이 d 가 상기 액정을 투과하는 광의 파장 λ 에 대하여, 다음 식
    (m - 0.25)·λ/｜ne - ns｜ ≤ d ≤ (m + 0.25)·λ/｜ne - ns｜
    단, m = 1, 2 또는 3
    의 범위인 액정 렌즈 소자.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    파장 λ 의 상기 광에 대한 위상차가 π/2 의 홀수 배인 위상판을 일체화한 액정 렌즈 소자.
  5. 제 1 항에 기재된 액정 렌즈 소자에, 위상판이 포개어 적층되어 있는 액정 렌즈 소자.
  6. 제 1 항에 기재된 액정 렌즈 소자를, 2 개 포개어 적층되어 있는 액정 렌즈 소자.
  7. 제 1 항에 기재된 액정 렌즈 소자에, 편광성 회절 격자와 위상판이 이 순서로 포개어 적층되어 있는 액정 렌즈 소자.
  8. 파장 λ 의 광을 출사하는 광원; 상기 광원으로부터의 출사광을 광기록 매체에 집광하는 대물 렌즈; 상기 대물 렌즈에 의해 집광되어 상기 광기록 매체에 의해 반사된 광을 분파하는 빔 스플리터; 및 상기 분파된 광을 검출하는 광검출기를 구비한 광헤드 장치에 있어서,
    상기 광원과 상기 대물 렌즈의 사이의 광로 중에, 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 기재된 액정 렌즈 소자를 설치한, 광헤드 장치.
  9. 파장 λ1 및 파장 λ2 (단, λ1 ≠ λ2 ) 의 광을 출사하는 광원; 상기 광원으로부터의 출사광을 광기록 매체에 집광하는 대물 렌즈; 및 상기 대물 렌즈에 의 해 집광되어 상기 광기록 매체에 의해 반사된 출사광을 검출하는 광검출기를 구비한 광헤드 장치에 있어서,
    상기 광원과 상기 대물 렌즈의 사이의 광로 중에, 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 기재된 액정 렌즈 소자를 설치함과 함께,
    상기 액정 렌즈 소자에 입사하는 상기 파장 λ1 과 파장 λ2 의 광으로서, 편광면이 서로 직교하는 직선 편광을 사용하는, 광헤드 장치.
  10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 광기록 매체는 정보 기록층을 덮는 커버층을 가지고, 상기 커버층의 두께가 다른 광기록 매체에 대한 기록 및/또는 재생을 하는 광헤드 장치.
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