KR20070036742A - 액정 렌즈 소자 및 광헤드 장치 - Google Patents

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KR20070036742A
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요시하루 오오이
다쿠지 노무라
도시마사 가키우치
미츠오 오오사와
유즈루 다나베
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아사히 가라스 가부시키가이샤
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Abstract

전압 비인가시의 오프 상태에서 입사광의 편광 상태에 상관없이 투과 파면 변화가 일어나지 않고, 전압 인가시의 온 상태에서 이상광 편광 입사광에 대하여 오목 렌즈의 기능이 발현되는 액정 렌즈 소자를 제공한다.
한 쌍의 투명 기판 (11, 12) 에 액정층 (16) 이 협지되고, 액정층 (16) 에 인가하는 전압의 크기에 따라서 여기를 투과하는 광의 집광점을 변화시키는 액정 렌즈 소자 (10) 에 있어서, 투명 기판 (11) 에 형성된 단면이 요철 형상으로 이루어지는 프레넬 렌즈 (17) 와, 프레넬 렌즈 (17) 가 형성된 투명 기판 (11) 의 평탄면에 형성된 제 1 투명 전극 (13) 과, 타방의 투명 기판 (12) 의 평탄면에 형성된 제 2 투명 전극 (14) 을 구비한다.
프레넬 렌즈, 광디스크

Description

액정 렌즈 소자 및 광헤드 장치{LIQUID CRYSTAL LENS ELEMENT AND OPTICAL HEAD DEVICE}
본 발명은, 전압 비인가시의 오프 상태에서는 입사광의 편광 상태에 관계없이 투과 파면의 변화가 없고, 전압 인가시의 온 상태에서는 투과 파면에 변화를 발생시키는 액정 렌즈 소자, 및 커버층의 두께가 상이한 복수의 광기록 매체에 대한 정보의 기록 및/또는 재생을 실시할 수 있는 광헤드 장치에 관한 것이다.
광입사측 면에 형성된 정보 기록층과, 이 정보 기록층을 덮는 투명 수지로 이루어지는 커버층을 가지는 광기록 매체 (이후 「광디스크」라고 함) 로서, 정보 기록층의 커버층의 두께 (이하, 「커버 두께」라고 함) 가 1.2㎜ 인 CD 용 광디스크 (이하, CD 광디스크, 약기하여 「CD」라고 함) 나 정보 기록층의 커버 두께가 0.6㎜ 인 DVD 용 광디스크 (이하, DVD 광디스크, 약기하여 「DVD」라고 함) 등이 보급되어 있다. 한편, CD 의 정보의 기록 및/또는 재생 (이하, 「기록ㆍ재생」 이라고 함) 에 사용하는 광헤드 장치로는, 광원으로서 파장 λ3 (이하, 이것을 「CD 의 파장 λ3」이라고 함) 이 790㎚ 대인 반도체 레이저와, NA (개구수) 가 0.45 에서 0.50 까지인 대물 렌즈를 구비한 것이 알려져 있다. 또한, DVD 의 기록ㆍ재 생에 사용하는 광헤드 장치로는, 광원으로서 파장 λ2 (이하, 이것을 「DVD 의 파장 λ2」라고 함) 가 660㎚ 대인 반도체 레이저와, NA 가 0.6 에서 0.65 까지인 대물 렌즈를 구비한 것이 사용된다.
또한 최근, 광디스크의 기록 밀도를 향상시키기 위해, 커버 두께가 0.1㎜ 인 광디스크 (이하, BD 광디스크, 약기하여 「BD」라고 함) 가 개발되어 있다. 이 BD 의 기록ㆍ재생에 사용하는 광헤드 장치는, 광원으로서 파장 λ1 (이하, 이것을 「BD 의 파장 λ1」이라고 함) 이 405㎚ 대인 청색 반도체 레이저와, NA 가 0.85 인 대물 렌즈를 구비한 것이 사용된다. 그런데, BD 에 대하여 파장 λ1 에서 파면 수차가 거의 제로로 최적 설계된 대물 렌즈 (이하, 「BD 용 대물 렌즈」라고 함) 를 사용하여, DVD 및 CD 의 기록ㆍ재생을 실시하는 경우, 광디스크의 커버 두께가 서로 다른 것에 기인한 큰 구면 수차가 발생한다. 그 결과, 정보 기록층으로의 입사광의 집광성이 열화되어, 양호한 기록ㆍ재생이 불가능하다. 이러한 사정으로 인해, 단일 대물 렌즈를 사용하여 커버 두께가 상이한 3 종의 광디스크의 기록ㆍ재생을 할 수 있는 소형의 3 파장 호환 광헤드 장치의 개발이 검토되고 있다. 그런데, 이 3 파장 호환 광헤드 장치를 실현하기 위한 광헤드 장치의 하나로서, BD 용 대물 렌즈와 프레넬 렌즈를 사용하여 DVD 의 기록ㆍ재생을 실시할 수 있는 광헤드 장치가 제안되어 있다 (예를 들어, 일본 공개특허공보 2004-71134호).
이 광헤드 장치는, 프레넬 렌즈로서, DVD 의 NA 에 상당하는 영역에 계단형 단면 형상을 갖는 홀로그램 격자를 형성한 것을 사용하고 있다. 이 프레넬 렌즈는, DVD 의 파장 λ2 에 대하여 오목 렌즈 기능을 발현하는 (프레넬 렌즈) 형상으로 하는 한편, 계단형 단면 형상의 각 단위 단차가, BD 의 파장 λ1 의 광에 대하여 약 1 파장분의 광로차에 상당하도록 형성되어 있고, BD 용 대물 렌즈와 일체로 사용한다. 이것에 의해, BD 및 DVD 의 기록ㆍ재생을 할 수 있는 광헤드 장치를 구성하고 있다. 그러나, CD 에 대해서는 수차 보정 기능이 없기 때문에, 3 종의 광디스크의 기록ㆍ재생을 실시하기란 어렵다.
또한, CD, DVD 및 BD 의 커버 두께의 차이에 기인하여 발생하는 구면 수차를 위상 보정기에 의해 저감하는 광헤드 장치도 제안되어 있다 (예를 들어, 일본 공개특허공보 2003-207714호).
이 광헤드 장치에서는, DVD 의 NA 에 상당하는 영역에 계단형 단면 형상의 위상 보정면을 형성한 DVD 용 위상 보정 소자와, CD 의 NA 에 상당하는 영역에 계단형 단면 형상의 위상 보정면을 형성한 CD 용 위상 보정 소자를 구비하고 있고, BD 용 대물 렌즈와 일체로 사용한다.
DVD 용 위상 보정면의 계단형 단면 형상의 각 단위 단차를 BD 의 파장 λ1 및 CD 의 파장 λ3 에 대하여 파장의 대략 정수배의 광로차를 부여하는 단차로 하여, DVD 의 파장 λ2 에 대해서만 구면 수차 보정 기능을 발현시킨다. 또한, CD 용 위상 보정면의 계단형 단면 형상의 각 단위 단차를, BD 의 파장 λ1 및 DVD 의 파장 λ2 에 대하여 파장의 대략 정수배의 광로차를 부여하는 단차로 하여, CD 의 파장 λ3 에 대해서만 구면 수차 보정 기능을 발현시킨다.
그러나, 각 위상 보정 소자에 있어서 원하는 파장 선택성을 발현하기 위해서는 특수한 굴절률 파장 분산을 갖는 유리 재료가 필요해짐과 함께, 복수의 깊은 단차를 고정밀하게 가공하는 것이 전제가 되어, 안정적으로 파장 선택 수차 보정 기능을 얻기가 어렵다. 또한, 위상 보정 소자는 구면 수차만을 보정하기 때문에, 대물 렌즈와 광디스크의 간격 (이하, 「작동 거리」라고 함) 을 확장시키는 오목 렌즈 기능은 발생하지 않는다. 따라서, BD 용 대물 렌즈를 CD 용 위상 보정 소자와 일체로 사용한 경우, CD 에 대한 작동 거리가 0.3㎜ 이하가 되고, 광디스크 회전시에 광디스크와 대물 렌즈가 접촉하는 일 없이 안정적으로 기록ㆍ재생하는 것이 어렵다.
또, CD 용 위상 보정 소자의 위상 보정면을 일본 공개특허공보 2004-71134호에 개시된 프레넬 렌즈 형상으로 함으로써, 오목 렌즈 기능을 발현할 수 있다. 그런데, 이 경우에는 요철부의 단차 및 윤대수 (輪帶數) 가 증대되어, 각 단차의 벽면에 기인한 BD 의 파장 λ1 및 DVD 의 파장 λ2 에 있어서의 높은 회절차수의 회절광이 발생하여 원하는 오목 렌즈 기능에 상당하는 투과 파면의 효율이 저하되기 때문에, 문제가 된다.
이러한 광디스크 등의 커버 두께가 서로 다른 것에 기인하여 발생하는 구면 수차를 보정하는 수단으로서, 액정 렌즈 소자에 상당하는 광변조 소자를 사용하는 광헤드 장치도 제안되어 있다 (예를 들어, 일본 공개특허공보 평9-230300호). 이하에, 이 광변조 소자의 횡단면도를 도 16 에 나타낸다.
이 광변조 소자 (100) 는 대략 평행한 2 개의 투명 기판 (110, 120) 과, 그 사이에 협지되는 액정 (130) 을 구비하고 있고, 일방의 투명 기판 (110) 의 액정측 면에 동심원상의 블레이즈 형상을 갖는 프레넬 렌즈 형상의 요철부 (140) 를 형성함과 함께, 2 개의 투명 기판 (110, 120) 의 액정측 면에 전극 (150) 및 배향막 (160) 이 형성되어 있다. 또 액정 (130) 은 전계 비인가시에는 배향 방향이 투명 기판에 대하여 대략 평행하고, 전계 인가시에는 배향 방향이 투명 기판에 대하여 대략 수직이다.
여기에서, 액정 (130) 의 상광 (常光) 굴절률 no, 이상광 (異常光) 굴절률 ne 중 어느 일방을 투명 기판의 블레이즈 형상을 가지는 요철부 (140) 의 굴절률 nF 과 거의 동일한 구성으로 함으로써, 전계 비인가시와 전계 인가시에, 이상광 편광의 입사광에 대하여 액정층 (130) 과 요철부 (140) 의 굴절률차 (Δn) 가 Δn(=ne－no) 에서 제로까지 변화한다. 따라서, 이 요철부 (140) 의 깊이를 Δn×(요철부의 깊이)=(진공 중의 광의 파장) 으로 하고, 요철부 (140) 의 굴절률 nF 을 ne 와 대략 동일하게 함으로써, 이상광 편광의 입사광에 대하여 광변조 소자 (100) 는, 전압 비인가시에 오목 렌즈 기능이 없는 오프 상태와 전압 인가시에 오목 렌즈가 발현되는 온 상태가 전환되는 액정 렌즈 소자가 된다.
이 광변조 소자 (100) 를 BD 용 대물 렌즈와 일체화하여 광헤드 장치에 탑재하고, CD 의 기록ㆍ재생시에만 광변조 소자 (100) 를 온 상태로 함으로써, 광디스크의 커버 두께의 서로 다름에 기인하여 발생하는 구면 수차를 보정할 수 있음과 함께, 작동 거리를 0.3㎜ 이상으로 확장시키는 오목 렌즈 기능이 발현된다. 한편, BD 및 DVD 의 기록ㆍ재생시에는, 광변조 소자 (100) 를 오프 상태로 함으로써 높은 투과율이 얻어진다.
그러나, 도 16 에 나타낸 광변조 소자 (100) 에 상광 편광이 입사한 경우, 인가 전압의 유무에 상관없이 액정층 (130) 과 요철부 (140) 의 굴절률차 (Δn) 에 따라서 투과 파면이 변화한다. 특히, BD 및 DVD 의 기록ㆍ재생에 있어서, 광변조 소자 (100) 에 상광 편광과 이상광 편광이 모두 입사하기 때문에, 투과 파면 수차를 열화시켜, 기록ㆍ재생을 할 수 없는 문제가 생긴다.
또한, 종래부터 일반적으로 사용되고 있는 DVD 광디스크는, 정보 기록층이 단층이고 커버 두께가 0.6㎜ (이하, 단층 DVD 광디스크」라고 함) 이다. 그런데 최근, 광디스크 1 장 당의 정보량을 증가시키기 위해서 정보 기록층을 2 층으로 한 (재생 전용 또는 재생 및 기록이 가능한) 광디스크 (이하,「2 층 DVD 광디스크」라고 함) 도 개발되어 있으며, 이 2 층 광디스크에서는, 광입사측의 커버 두께가 0.57㎜ 및 0.63㎜ 인 위치에 정보 기록층이 형성되어 있다.
BD 광디스크에 관해서도, 정보 기록층이 단층이고 커버 두께가 0.1㎜ (이하, 「단층 BD 광디스크」라고 함) 에 추가하여, 광디스크 1 장 당의 정보량을 증가시키기 위해서 2 층 광디스크 (이하, 「2 층 BD 광디스크」라고 함) 가 개발되어, 광 입사측의 커버 두께가 0.100㎜ 및 0.075㎜ 인 위치에 정보 기록층이 형성되어 있다.
이와 같이, 단층 광디스크 (즉, 단층 DVD 광디스크 또는 단층 BD 광디스크) 에 대하여 수차가 제로가 되도록 최적 설계된 대물 렌즈를 갖는 광헤드 장치를 사용하여, 2 층 광디스크 (즉, 2 층 DVD 광디스크 또는 2 층 BD 광디스크) 에 기록ㆍ재생하는 경우, 커버 두께가 상이하면, 커버 두께의 서로 다름에 따라서 구면 수차가 발생하고, 정보 기록층으로의 입사광의 집광성이 열화된다. 특히, 기록형 2 층 광디스크에 있어서, 집광성의 열화는 기록시의 집광 파워 밀도의 저하에 대응되어, 기록 에러를 초래하기 때문에 문제가 된다.
그래서, 2 층 광디스크 등의 커버 두께의 서로 다름에 기인하여 발생하는 구면 수차를 보정하는 수단으로서, 예를 들어, 일본 공개특허공보 평10-269611호에 기재된 파면 수차 보정 수단을 구비한 광헤드 장치도 제안되어 있다. 이 광헤드 장치에서는, 일본 공개특허공보 평10-269611호의 도 2 에 기재된 바와 같이, 다층 디스크의 기록층 간격에 대응하여 발생하는 구면 수차 성분을 보정하는 세그먼트 액정 패널이 사용되고 있다.
그런데, 구면 수차 성분만을 보정하는 경우, 대물 렌즈와 별도 설치한 액정 패널을 사용하였을 때, 대물 렌즈의 트래킹시에 있어서 생기는 양 소자의 편심에 기인한 코마 수차가 발생하여 문제가 된다. 이러한 문제를 회피하기 위해서, 예를 들어 액정 패널을 대물 렌즈와 일체로 사용하는 방법이 있는데, 이러한 구성으로 한 경우, 대물 렌즈를 가동하는 액츄에이터의 부하가 늘어남과 함께, 액정 패 널에 대한 전압 인가 기구가 번잡해진다는 문제가 있었다.
또한, 마찬가지로 2 층 광디스크 등의 커버 두께의 서로 다름에 기인하여 발생하는 구면 수차를 보정할 목적으로, 일본 공개특허공보 2004-103058호에 기재된 수차 보정 장치가 제안되어 있다.
이 수차 보정 장치에는, 일본 공개특허공보 2004-103058호의 도 2 에 기재된 바와 같이, 다층 디스크의 기록층 간격에 대응하는 큰 수차를 보정하는 거친 (粗) 조정용 홀로그램 액정 셀과, 커버층의 상관 오차에 대한 구면 수차를 보정하는 미세 (微) 조정용의 세그먼트 액정 셀로 이루어지는 수차 보정 유닛이 사용되고 있다. 여기서, 홀로그램 액정 셀은, 유리 기판 및 단면 형상이 톱니 형상인 유리 기판 사이에 봉입되어, 회절 격자의 단면 형상이 톱니 형상인 블레이즈 홀로그램 형상을 갖는 액정과, 액정의 양측에 액정에 전압을 인가할 수 있도록 배치된 투명 전극을 구비한 액정 프레넬 렌즈로서 구성되어 있다. 전극은 분할되어 있지 않은 균일한 투명 도전 재료에 의해 형성되어 있다.
그런데, 이 홀로그램 액정 셀의 경우, 톱니 형상으로 표면이 가공된 유리 기판의 표면에 투명 전극이 형성되어 있기 때문에, 단선되기 쉬워 안정된 저저항의 투명 전극을 제작하기가 곤란하였다.
또한, 최근 광디스크의 기록 밀도를 향상시키기 위해서, 파장 405㎚ 대의 청색 반도체 레이저와, NA 가 0.65 인 대물 렌즈를 구비한 광헤드 장치를 사용하는, 커버 두께가 DVD 와 같은 0.6㎜ 인 광디스크 (이하, HDDVD 광디스크, 약기하여 「HD」라고 함) 가 개발되어 있다. 그런데, HDDVD 와 BD 에서는 커버 두께가 상 이하기 때문에, BD 용 대물 렌즈를 사용한 HDDVD 의 기록ㆍ재생이, 또는 HDDVD 용 대물 렌즈를 사용한 BD 의 기록ㆍ재생이 불가능하다는 문제가 생긴다.
발명의 개시
발명이 해결하고자 하는 과제
본 발명은, 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 전압 비인가시의 오프 상태에서는 입사광의 편광 상태에 상관없이 투과 파면 변화가 일어나지 않고, 전압 인가시의 온 상태에서는 이상광 편광 입사광에 대하여 오목 렌즈의 기능이 발현되는 액정 렌즈 소자를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 이 액정 렌즈 소자를 BD 에 대하여 최적 설계된 대물 렌즈와 일체로 광헤드 장치에 탑재함으로써, BD, DVD 및 CD 의 안정된 기록ㆍ재생이 실현되는 광헤드 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
그리고 본 발명은, 액정 렌즈 소자를 사용함으로써, 가동부가 없는 소형의 소자를 실현 가능하게 하는 것과 함께, 단층 및 2 층 광디스크에 있어서 커버 두께가 서로 다른 것에 기인하여 발생하는 구면 수차를 보정하여, 안정된 기록 및/또는 재생을 할 수 있는 광헤드 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은, BD 용 대물 렌즈 또는 HDDVD 용 대물 렌즈를 구비한 광헤드 장치에 있어서, BD 및 HDDVD 의 광디스크를 기록ㆍ재생할 수 있는 BD/HDDVD 호환 광헤드 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
과제를 해결하기 위한 수단
본 발명은, 하기 내용을 제공한다.
1. 대향하는 한 쌍의 투명 기판과, 이 투명 기판에 액정이 협지된 액정층을 구비하고, 이 액정층에 인가하는 전압의 크기에 따라서 상기 액정층을 투과하는 광의 집광점을 변화시키는 액정 렌즈 소자에 있어서, 상기 일방의 투명 기판의, 타방의 투명 기판과 대향하는 평탄면에 형성된 단면이 요철 형상으로 이루어지는 요철부를 갖는 프레넬 렌즈와, 이 프레넬 렌즈가 형성된 상기 일방의 투명 기판의 프레넬 렌즈 하부의 평탄면 또는 상기 프레넬 렌즈의 요철부 표면에 형성된 제 1 투명 전극과, 상기 타방의 투명 기판의, 상기 일방의 투명 기판과 대향하는 평탄면에 형성된 제 2 투명 전극을 구비하고, 상기 액정층의 실질적인 굴절률 n(V) 은, 상기 제 1 투명 전극과 제 2 투명 전극 사이에 인가하는 전압 (V) 의 크기에 따라서, 이상광 편광의 입사광에 대해서는 전압 비인가시 (V=0) 인 오프 상태의 굴절률로부터 전압 인가시인 온 상태의 굴절률까지 변화함과 함께, 상광 편광의 입사광에 대해서는 인가 전압의 크기에 상관없이 상광 굴절률 no 이고, 또한, 다음의 (1) 내지 (3) 중 어느 하나의 요건을 만족하고 있는 것을 특징으로 하는 액정 렌즈 소자.
(1) 상기 액정층은 유전 이방성이 부 (負) 인 네마틱 액정이고, 상기 오프 상태의 액정 분자의 배향 방향이 상기 프레넬 렌즈의 표면에 대하여 수직이거나 또는 수직에 가까운 각도임과 함께, 상기 프레넬 렌즈는, 굴절률 nF 이 상기 액정층의 상광 굴절률 no 과 동일하거나 또는 이것에 가까운 값의 균일 굴절률 재료로 이루어지는 요건.
(2) 상기 액정층은 유전 이방성이 정 (正) 인 네마틱 액정이고, 상기 오프 상태의 액정 분자의 배향 방향이 상기 프레넬 렌즈의 표면에 대하여 평행하거나 또는 이것에 가까운 상태임과 함께, 상기 프레넬 렌즈는, 액정층의 이상광 굴절률 ne (ne≠no) 과 동일하거나 또는 이것에 가까운 값의 이상광 굴절률 nFe 과 상기 액정층의 상광 굴절률 no 과 동일하거나 또는 이것에 가까운 값의 상광 굴절률 nFo (nFe≠nFo) 을 갖는 복굴절 재료로 이루어지는 요건.
(3) 상기 액정층은 유전 이방성이 정인 네마틱 액정이고, 상기 오프 상태의 액정 분자의 배향 방향이 상기 프레넬 렌즈의 표면에 대하여 평행하거나 또는 이것에 가까운 상태임과 함께, 상기 프레넬 렌즈는, 상기 액정층의 이상광 굴절률 ne 과 동일하거나 또는 이것에 가까운 값의 균일 굴절률 재료로 이루어지고, 또한, 상기 한 쌍의 투명 기판의 일방에는, 상기 오프 상태에서의 상기 액정 렌즈 소자로의 상광 편광의 입사광과 투과광 사이에서 발생하는 위상차를 상쇄하기 위한 편광 프레넬 렌즈가 형성되는 요건 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 액정 렌즈 소자.
이러한 액정 렌즈 소자로 함으로써, 액정 렌즈 소자의 입사광의 투과 파면은, 오프 상태에서는 입사광의 편광 상태에 상관없이 변화하지 않지만, 온 상태에서는 이상광 편광의 입사광에 대하여 변화하여, 온 상태와 오프 상태에서 초점 거리를 전환할 수 있다. 또, 여기서, 「수직이거나 또는 수직에 가까운 각도」, 「평행하거나 또는 이것에 가까운 상태」에서의 가까운 각도, 상태란, 수직 각도 또는 평행 상태로부터 각각 5 도 이내를 의미한다. 또한, 「굴절률 n 과 동일하거나 또는 이것에 가까운 값」에서의 가까운 값이란, 굴절률의 3 퍼센트 이내의 편차를 의미한다.
2. 입사하는 3 개의 상이한 파장 λ1, λ2, λ3 (λ1＜λ2＜λ3) 에 관해서, 상기 한 쌍의 투명 기판의 적어도 일방의 기판에는, 1 단의 단차가 파장 λ1 및 파장 λ3 에 대해서는 파장의 정수배 또는 이것에 가까운 값의 광로 길이차이고 파장 λ2 에 대해서는 파장의 비정수배의 광로 길이차인, 복수의 단차로 이루어지는 위상 보정면이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 상기 1 에 기재된 액정 렌즈 소자.
이러한 액정 렌즈 소자로 함으로써, 오프 상태에서 파장 λ의 입사광에 대해서만 그 편광 상태에 상관없이 위상 보정면에 의해 수차 보정 기능이 발현된다. 또, 「파장의 정수배 또는 이것에 가까운 값」에서의 가까운 값이란, 1 파장의 5 퍼센트 이내의 편차를 의미한다.
3. 본 발명은, 광원과, 이 광원으로부터의 출사광을 커버층의 두께가 상이한 광기록 매체에 집광하는 대물 렌즈와, 이 대물 렌즈에 의해 집광되고 상기 광기록 매체의 정보 기록층에서 반사된 광을 검출하는 광검출기를 구비한 광헤드 장치에 있어서, 온 상태시에 발생하는 투과 파면을 변화시킴으로써 상기 광기록 매체에 대하여 발생하는 파면 수차를 보정하는 기능과 함께 대물 렌즈와 상기 광기록 매체와의 간격을 확대시키는 오목 렌즈 기능을 갖는, 상기 1 또는 2 에 기재된 액정 렌즈 소자가, 상기 광원과 상기 대물 렌즈 사이의 광로 중에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 광헤드 장치를 제공한다.
이러한 광헤드 장치를 사용함으로써, 커버 두께가 상이한 복수의 광디스크의 기록ㆍ재생에 있어서, 액정 렌즈 소자의 온 상태에서 커버 두께의 서로 다름에 기인하여 발생하는 파면 수차의 보정 및 작동 거리의 확장이 가능하다. 그 결과, 단일 대물 렌즈와 액정 렌즈 소자를 사용하여 복수의 광디스크의 기록ㆍ재생을 안정적으로 실시할 수 있다.
4. 파장 λ 의 광을 출사하는 광원과, 이 광원으로부터의 출사광을 광기록 매체에 집광하는 대물 렌즈와, 이 대물 렌즈에 의해 집광되고 상기 광기록 매체에 의해 반사된 광을 분파하는 빔 스플리터와, 상기 분파된 광을 검출하는 광검출기를 구비한 광헤드 장치에 있어서, 상기 광기록 매체는 커버층의 두께가 상이한 2 층 이상의 복수의 정보 기록층을 갖고, 상기 광원과 상기 대물 렌즈 사이의 광로 중에 제 1 항에 기재된 액정 렌즈 소자가 설치되고, 상기 액정 렌즈 소자의 오프 상태와 온 상태의 인가 전압 전환에 의해, 상기 커버층의 두께가 상이한 정보 기록층에 대한 기록 및/또는 재생을 실시하는 것을 특징으로 하는 광헤드 장치.
5. 상기 4 에 기재된 광헤드 장치에 있어서, 상기 액정 렌즈 소자는 제 1 액정 렌즈부와 제 2 액정 렌즈부로 이루어지고, 제 1 및 제 2 액정 렌즈부는 모두, 상기 일방의 투명 기판의, 타방의 투명 기판과 대향하는 평탄면에 형성된 단면이 요철 형상이고 상기 액정층의 상광 굴절률 no 과 동일하거나 또는 이것에 가까운 값의 균일 굴절률 재료로 이루어지며 요철부를 갖는 프레넬 렌즈와, 이 프레넬 렌즈가 형성된 상기 일방의 투명 기판의 평탄면에 형성된 제 1 투명 전극과, 상기 타방의 투명 기판의, 상기 일방의 투명 기판과 대향하는 평탄면에 형성된 제 2 투명 전극을 구비하며, 상기 액정층은 유전 이방성이 부인 네마틱 액정이고, 상기 오프 상태의 액정 분자의 배향 방향이 상기 프레넬 렌즈의 표면에 대하여 수직이거나 또는 수직에 가까운 각도임과 함께, 상기 액정층의 실질적인 굴절률 n(V) 은, 상기 제 1 투명 전극과 제 2 투명 전극 사이에 인가하는 전압 (V) 의 크기에 따라서, 이상광 편광의 입사광에 대해서는 전압 비인가시 (V=0) 인 오프 상태의 굴절률로부터 전압 인가시인 온 상태의 굴절률까지 변화함과 함께, 상광 편광의 입사광에 대해서는 인가 전압의 크기에 상관없이 상광 굴절률 no 이고, 온 상태에서의 상기 제 1 액정 렌즈부와 상기 제 2 액정 렌즈부의 액정층의 상광 굴절률 방향이 서로 직교하고 있는 것을 특징으로 하는 광헤드 장치.
이러한 광헤드 장치를 사용함으로써, 입사광의 편광 상태에 상관없이, 커버층의 두께가 상이한 2 층 이상의 복수의 정보 기록층을 갖는 광디스크의 안정된 기록ㆍ재생이 실현된다.
발명의 효과
본 발명에 의하면, 전압 비인가시의 오프 상태에서는, 입사광의 편광 상태에 상관없이 액정 렌즈 소자의 출사광은 파면 변화가 없이 직진 투과하여, 높은 투과율이 얻어진다. 한편, 전압 인가시의 온 상태에서는, 이상광 편광의 입사광에 대하여 액정 렌즈 소자가 렌즈 기능을 발현할 수 있다. 따라서, 전압의 온ㆍ오프에 의해 렌즈 기능의 유무를 전환할 수 있다.
또한, 이러한 액정 렌즈 소자를 구비한 광헤드 장치로 하여, BD 및 DVD 에 대해서는, 액정 렌즈 소자를 오프 상태에서 사용하여, 광디스크의 기록ㆍ재생이 실현된다. 또한, CD 에 대해서는, 액정 렌즈 소자를 온 상태에서 사용하여 오목 렌즈 기능을 발현시켜서, 커버 두께의 서로 다름에 기인한 파면 수차를 보정함과 함께 작동 거리를 0.3㎜ 이상으로 확대하여, 안정된 기록ㆍ재생을 실현할 수 있다.
또한, 이러한 액정 렌즈 소자를 구비한 광헤드 장치로 함으로써, BD 또는 CD 용의 단층 광디스크 및 2 층 광디스크에 있어서 발생하는 커버 두께의 서로 다름에 기인한 파면 수차를 유효하게 보정할 수 있기 때문에, 안정된 기록ㆍ재생을 실현할 수 있다.
또, 이러한 액정 렌즈 소자와, BD 용 또는 HDDVD 용 대물 렌즈를 구비한 광헤드 장치로 함으로써, BD 및 HDDVD 의 호환 광헤드 장치를 실현할 수 있다.
도 1 은 본 발명에 관련된 제 1 실시형태의 액정 렌즈 소자의 구성을 나타내는 종단면도이다.
도 2 는 도 1 에 나타내는 액정 렌즈 소자의 구성을 나타내는 횡단면도이다.
도 3 은 제 1 실시형태에 관련된 액정 렌즈에 의해 생성되는 투과 파면의 광로 길이차를 나타내는 그래프로서, α 는 횡축을 반경 r 로 하고 광로 길이차를 파장 λ 단위로 표기한 그래프, β 는 α 로부터 파장 λ 의 정수배를 뺀, －λ 이상 제로 이하의 광로 길이차로 한 그래프, γ 는 투과 파면 변화가 없는 광로 길이차 제로를 나타내는 그래프이다.
도 4 는 본 발명의 액정 렌즈 소자의 측면도에 있어서의 투명 전극 사이의 확대도이다.
도 5 는 본 발명에 관련된 제 1 실시형태의 다른 액정 렌즈 소자의 구성을 나타내는 종단면도이다.
도 6 은 본 발명에 관련된 제 2 실시형태의 액정 렌즈 소자의 구성을 나타내는 종단면도이다.
도 7 은 본 발명에 관련된 제 2 실시형태의 액정 렌즈 소자의 DVD 용 위상 보정면의 파면 수차 보정 작용을 나타내는 파면 수차의 부분 확대도이다.
도 8 은 제 2 실시형태의 액정 렌즈 소자에 대한 인가 전압을 전환하였을 때의 작용을 나타내는 설명도로, (A) 는 인가 전압 (V0) 일 때의 파장 λ1 의 파면 변화가 없는 투과 파면, (B) 는 인가 전압 (V0) 일 때의 파장 λ2 의 발산 투과 파면, (C) 는 인가 전압 (VP) 일 때의 파장 λ3 의 발산 투과 파면을 나타낸다.
도 9 는 본 발명의 액정 렌즈 소자를 탑재한 제 3 실시형태의 광헤드 장치를 나타내는 구성도이다.
도 10 은 본 발명에 관련된 제 4 실시형태의 액정 렌즈 소자의 구성을 나타내는 종단면도이다.
도 11 은 도 10 에 나타내는 액정 렌즈 소자의 구성을 나타내는 횡단면도이다.
도 12 는 본 발명에 관련된 제 4 실시형태의 액정 렌즈 소자를 탑재한 광헤드 장치를 나타내는 구성도이다.
도 13 은 본 발명에 관련된 제 4 실시형태의 액정 렌즈 소자를 탑재한 광헤드 장치의 일부를 나타내는 구성도이다.
도 14 는 본 발명에 관련된 액정 렌즈 소자를 탑재한 광헤드 장치의 실시예 3 과 종래예의 파면 수차 성능 계산치를 나타내는 그래프이다.
도 15 는 본 발명에 관련된 액정 렌즈 소자를 탑재한 광헤드 장치의 실시예 4 와 종래예의 파면 수차 성능 계산치를 나타내는 그래프이다.
도 16 은 종래의 광변조 소자 (액정 회절 렌즈) 의 구성예를 나타내는 종단면도이다.
(부호의 설명)
1: 반도체 레이저 (광원)
2: 편광 빔 스플리터
3: 합파 프리즘
4: 콜리메이터 렌즈
5: BD 용 대물 렌즈
6: 광검출기
7: 액츄에이터
8A: CD 용 유닛
8B: DVD 용 유닛
9: 합파 프리즘
10, 20, 30: 액정 렌즈 소자
11, 12, 12C, 12D, 21, 31, 310, 320: 투명 기판
13, 13C, 13D: 제 1 투명 전극
14, 14C, 14D: 제 2 투명 전극
15, 15C, 15D: 시일
16, 16C, 16D: 액정층
17, 17C, 17D: 요철부 (프레넬 렌즈)
18: 회절 격자
19: 유전체 다층막
22: 편광 프레넬 렌즈
23: 투명 접착재
32: 위상 보정면
33: 위상판
40: 광헤드 장치
51: 1/4 파장판
D: 광디스크
D1, D2: 정보 기록층
발명을 실시하기 위한 최선의 형태
이하, 본 발명의 실시형태에 관해서, 첨부 도면을 참조하면서 설명한다.
[제 1 실시형태]
본 발명의 제 1 실시형태에 관련된 액정 렌즈 소자 (10) 의 구성예에 관해서, 도 1 에 나타내는 측면도와 도 2 에 나타내는 평면도를 참조하면서 상세히 설명한다.
본 실시형태의 액정 렌즈 소자 (10) 는, 투명 기판 (11, 12) 과, 제 1 투명 전극 (13) 과, 제 2 투명 전극 (14) 과, 시일 (15) 과, 액정층 (16) 과, 요철부 (17) 와, 회절 격자 (18) 를 구비하고 있다.
이 중 요철부 (17) 는 프레넬 렌즈 또는 프레넬 렌즈를 계단 형상으로 근사시킨 형상을 가지는 것으로, 굴절률 nF 의 투명 재료를 사용하여 CD 의 개구수 NA3=0.50 에 상당하는 유효 직경 영역에 형성되어 있고, 입사광의 광축 (Z 축) 에 관해서 회전 대칭성을 갖는다. 한편, 회절 격자 (18) 는, DVD 의 개구수 NA2 를 제외하고 BD 의 개구수 NA1 을 포함하는 영역에 형성되어 있고, BD 의 파장 λ1=405㎚ 에 대하여 1 파장에 상당하는 위상차가 되는 격자 깊이의 직사각형 단면 형상을 갖는다. 이와 같이 구성하면, 회절 격자 (18) 에 파장 λ1 의 광이 입사한 경우, 회절되지 않고 직진 투과한다. 한편, 파장 λ2=660㎚ 및 파장 λ3=790㎚ 의 광이 입사한 경우, 대부분의 광은 회절되고 직진 투과하는 광은 15% 이하가 된다. 즉, 파장 λ1 의 입사광은 투명 기판 (12) 의 개구수 NA1 의 전역을 직진 투과하고, 파장 λ2 및 파장 λ3 의 입사광은 개구수 NA2 의 영역만 직진 투과하는, 파장 선택 성의 개구 제한 기능이 발현된다.
다음으로, 이 액정 렌즈 소자 (10) 의 제작 순서의 일례에 관해서 이하에 설명한다.
먼저 투명 기판 (11) 의 일방의 평탄면 (도 1 에서는 상면) 에 제 1 투명 전극 (13) 을 형성한다. 또, 이 투명 전극 (13) 상의 개구수 NA3 의 영역에, 굴절률 nF 의 투명 재료를 사용하여 요철부 (17) 를 형성한다.
한편, 투명 기판 (12) 의 일방의 표면 (도 1 에서는 상면) 에서, 개구수 NA2=0.65 를 제외하고 개구수 NA1=0.85 를 포함하는 영역에 회절 격자 (18) 를 형성한다. 이 회절 격자 (18) 는, 전술한 바와 같이, BD 의 파장 λ1=405㎚ 에 대하여 1 파장에 상당하는 위상차가 되는 격자 깊이를 갖는 직사각형 단면 형상의 요철 격자로 가공한다. 또, 투명 기판 (12) 의 회절 격자 (18) 가 형성된 표면에는, 파장 λ1, λ2, λ3 에 대하여 반사율이 0.5% 이하가 되는 반사 방지막을 형성한다.
그리고, 투명 기판 (12) 의 타방의 기판면에 제 2 투명 전극 (14) 을 제작한 후, 갭 제어재가 혼입된 도시하지 않은 접착재를 인쇄 패터닝하여 시일 (15) 을 형성하고, 상기 서술한 투명 기판 (11) 과 포개어, 압착해서 공(空) 셀을 제작한다.
다음에, 시일 (15) 의 일부에 형성된 주입구 (도시 생략) 로부터 상광 굴절률 no 및 이상광 굴절률 ne (단, no≠ne) 을 가지는 네마틱 액정을 주입하고, 그 후, 이 주입구를 막아 액정 (16) 을 셀 내에 밀봉하고 액정층을 형성하여, 본 실시 형 태의 액정 렌즈 소자 (10) 로 한다.
또, 본 실시형태에서는 투명 기판 (11) 측에 형성된 전극 (14A) 을 통해서 제 2 투명 전극 (14) 에 전압을 인가하기 때문에, 미리 시일 (15) 에 도전성 금속 입자를 혼입하여 시일 압착함으로써 시일 두께 방향으로 도전성을 발현시켜, 제 2 투명 전극 (14) 과 전극 (14A) 을 도통한다. 제 1 투명 전극 (13) 에 접속된 전극 (13A) 과 제 2 투명 전극 (14) 에 접속된 전극 (14A) 에 외부의 교류 전원을 접속하여, 액정층 (16) 에 교류 전압을 인가한다.
이렇게 해서, 액정 렌즈 소자 (10) 의 제 1 투명 전극 (13) 과 제 2 투명 전극 (14) 에 교류 전압 (V) 을 인가함으로써, 액정층 (16) 에 인가되는 전압 (VLC) 에 따라서 액정 분자의 배향이 변화하여, 액정층 (16) 의 실질적인 굴절률이 변화한다. 여기서, 액정층 (16) 의 「실질적인 굴절률」이란, 입사광의 편광 방향에 대한 액정층 (16) 의 평균 굴절률을 의미하며, (광로 길이)÷(액정층의 두께) 에 상당한다. 그 결과, 입사광의 특정한 직선 편광에 대하여, 전압 (VLC) 의 크기에 따라서 액정층 (16) 의 실질적인 굴절률 n(VLC) 이 변화하여, 액정 렌즈 소자 (10) 의 투과광의 파면이 변화한다.
요철부 (17) 재료의 전기 비저항 (ρF) 이 액정층 (16) 의 전기 비저항 (ρLC) 에 비하여 충분히 작은 값으로 간주되지 않는 경우, 제 1 투명 전극 (13) 과 제 2 투명 전극 (14) 의 인가 전압 (V) 에 대하여 요철부 (17) 의 전압 강하가 생겨, 실효적으로 액정층 (16) 에 인가되는 전압 (VLC) 이 저하된다.
요철부 (17) 및 액정층 (16) 이 전기적으로 절연체로 볼 수 있는 큰 전기 비저항인 경우, 인가 전압 (V) 은 요철부 (17) 의 전기 용량 (CF) 과 액정층 (16) 의 전기 용량 (CLC) 에 따라서 배분되어, 액정층 (16) 에 인가되는 전압 (VLC) 이 정해진다. 즉, 제 1 투명 전극 (13) 과 제 2 투명 전극 (14) 에 협지된 요철부 (17) 와 액정층 (16) 의 두께의 비율에 따라서 전기 용량 CF 와 CLC 가 변화하기 때문에 전압 (VLC) 및 굴절률 n(VLC) 이 분포하여, 투명 전극 (13, 14) 사이의 평균 굴절률, 즉 광로 길이를 요철부 (17) 의 형상에 따라서 조정할 수 있다. 그 결과, 요철부 (17) 의 프레넬 렌즈 형상에 따라서, 입사광의 투과 파면이 파워 성분 (렌즈 기능) 을 나타내는 인가 전압 (VP) 이 존재한다. 이것에 의해, 인가 전압 (V) 의 전환에 의해 투과광의 집광점을 전환할 수 있는 액정 렌즈 소자 (10) 가 얻어진다.
또, 전압 (VLC) 에 대하여 액정층 (16) 의 실질적인 굴절률의 커다란 변화를 얻기 위해서, 액정층 (16) 분자의 배향 방향이 투명 기판과의 계면에서 일정하게 되어 있는 것이 바람직하다. 액정 분자의 배향 방향을 일정 방향으로 정렬하기 위해, 제 2 투명 전극 (14) 및 요철부 (17) 의 표면에 폴리이미드 등의 배향재 (도시 생략) 를 도포하고, 경화 후에 X 축 방향으로 러빙 처리하면 된다.
요철부 (17) 의 재료로서 폴리이미드를 사용하고, 그 표면을 러빙 처리해도 된다. 폴리이미드의 러빙 처리 이외에, SiO 경사증착막나 광배향막 등을 배향재로서 사용하여 액정 분자의 배향을 일정하게 해도 된다.
여기서, 프레넬 렌즈 형상의 투명 재료로 이루어지는 요철부 (17) 는, 자외선 경화 수지나 열경화 수지, 감광성 수지 등의 유기 재료여도 되고, SiO2 나 Al2O3 나 SiOxNy (단, x, y 는 O 와 N 의 원소 비율을 나타냄) 등의 무기 재료여도 된다. 또한, 균일 굴절률 재료 또는 복굴절 재료여도 된다. 요철부 (17) 는, 투명 기판 (11) 의 평탄면에 소정 막두께의 투명 재료층을 형성한 후, 포토리소그래피나 반응성 이온 에칭 등의 기술에 의해 요철 형상으로 가공해도 되고, 금형을 사용하여 투명 재료층에 요철부 형상을 전사해도 된다.
또, 제 1 투명 전극 (13) 과 제 2 투명 전극 (14) 의 전압 비인가시 (V=0) 인 오프 상태에서, 상광 편광 (편광 방향이 Y 축 방향의 편광면) 의 입사광에 대하여 액정 렌즈 소자 (10) 의 투과 파면이 변화하지 않는 (파워 없음) 기능을 얻기 위해서, 요철부 (17) 의 굴절률 nF 을 액정층 (16) 의 실질적인 굴절률 n(VLC=0) 과 대략 동일하게 한다.
전압 비인가시에 액정층 (16) 의 액정 분자의 배향 방향은, 예를 들어, 이하의 3 종류가 있다.
(i) 액정 분자 장축 방향의 비유전율 (ε//) 과 액정 분자 단축 방향의 비유전율 (ε⊥) 과의 차인 유전율 이방성 (Δε: =ε//－ε⊥) 이 부인 액정을 사용하는 경우, 전압 인가에 의해 생성되는 전계와는 수직 방향으로 액정의 배향 방향 (즉, 이상광 굴절률 ne 의 방향) 이 정렬된다. 도 1 에 있어서, 요철부 (17) 및 제 2 투명 전극 (14) 의 표면에 액정 분자의 배향 방향이 그 표면에 대략 수직이 되는 폴리이미드 등의 배향막 (도시 생략) 을 도포 후 경화시켜, X 축 방향으로 러빙 처리한다. 그 결과, 전압 비인가시의 액정 분자는 요철부 (17) 및 제 2 투명 전극 (14) 의 표면에 대하여 대략 수직 방향으로 정렬되는 수직 배향이 된다. 이 때, 이상광 편광 (편광 방향이 X 축 방향의 편광면. X-Z 면 내의 편광면) 의 입사광에 대하여 액정층 (16) 의 실질적인 굴절률 n(0) 은 상광 굴절률 no 이 되고, 전압 (VLC) 의 증가와 함께 이상광 굴절률 ne 에 가까워진다.
(ii) 유전 이방성 (Δε) 이 정인 액정을 사용해서, 도 1 에 있어서, 제 2 투명 전극 (14) 및 요철부 (17) 의 표면에 액정 분자의 배향 방향이 요철부 (17) 및 제 2 투명 전극 (14) 의 표면에 대략 평행하게 정렬되는 수평 배향막을 형성하여, 액정 분자의 배향 방향이 X 축 방향으로 정렬되는 호모지니어스 배향으로 한다. 이 때, 이상광 편광의 입사광에 대하여 액정층 (16) 의 실질적인 굴절률 n(0) 은 액정의 이상광 굴절률 ne 이 되고, 전압 (VLC) 의 증가와 함께 상광 굴절률 no 에 가까워진다.
(iii) 유전 이방성 (Δε) 이 정인 액정을 사용하여, 도 1 에 있어서, 요철부 (17) 의 표면에 수직 배향막을 형성한다. 한편, 평탄한 제 2 투명 전극 (14) 의 표면에 X 축 방향으로 러빙 처리한 수평 배향막을 형성한다. 그 결과, 액정 분자의 배향 방향이 요철부 (17) 의 표면에 대하여 대략 수직 방향으로 정렬되고, 제 2 투명 전극 (14) 의 표면에 대하여 대략 평행 방향으로 정렬된, 하이브리드 배향이 된다. 이 때, 이상광 편광의 입사광에 대하여 액정층 (16) 의 실질적인 굴절률 n(0) 은, 액정의 이상광 굴절률 ne 과 상광 굴절률 no 의 평균치 (ne＋no)/2 가 되고, 전압 (VLC) 의 증가와 함께 상광 굴절률 no 에 가까워진다.
다음으로, 프레넬 렌즈 또는 프레넬 렌즈를 계단 형상으로 근사시킨 요철부 (17) 의 단면 형상에 관해서 이하에 상세히 설명한다.
본 발명의 액정 렌즈 소자 (10) 를 광헤드 장치에 탑재하고, 제 1 투명 전극 (13) 과 제 2 투명 전극 (14) 에 전압 (VP) 을 인가한 온 상태시에, 광디스크의 커버 두께의 서로 다름에 기인하여 발생하는 구면 수차를 보정하는 투과 파면을 생성시킴과 함께, 작동 거리를 확장시키는 부의 파워 성분 (오목 렌즈 기능) 이 부여된 투과 파면을 생성시킨다. 이 때, 액정 렌즈 소자 (10) 에 입사하는 이상광 편광의 평면파의 투과 파면에 있어서, 광축 중심 (좌표 원점 : x=y=0) 의 광선에 대해 반경 r 떨어진 위치를 통과하는 광선의 광로 길이차 (OPD) 가 (1) 식과 같은 멱급수로 기술되도록 한다.
[수학식 1]
OPD(r)=a1r2＋a2r4＋a3r6＋a4r8＋… … (1)
단, r2=x2＋y2
a1, a2, … ; 상수 (후술하는, 요철부 (17) 는 [표 1〕의 계수,
위상 보정면 (32) 에서는 [표 2] 의 계수.)
계수 값
a1 －18.1374
a2 －0.1392
a3 0.5976
a4 －0.3808
a5 0.0887
및
계수 값
a1 3.4553
a2 1.0111
a3 0.1811
a4 －0.0164
a5 0.0074
여기서, (1) 식의 곡선의 구체예를 도 3 에 부호 α 로 나타낸다. 또, 횡축은 반경 r 이고, 종축은 광로 길이차 (OPD) 를 입사광의 파장 λ 의 단위로 표기하고, α 의 그래프는 (1) 식의 중심축 (r=0) 을 포함하는 단면을 나타낸다.
파장 λ 의 입사광에 대하여 λ 의 정수배의 광로 길이차를 갖는 투과 파면은 동등하다고 볼 수 있기 때문에, 도 3 의 α 로 나타내는 그래프 (광로 길이차) 를 파장 λ 의 간격으로 분할하여 광로 길이차 제로의 면에 사영한 (평행 이동시킨) 광로 길이차를 나타내는 그래프 β 는, 그래프 α 와 실질적으로 동등하다. 한편, 그래프 β 에 나타내는 광로 길이차는 모두 λ 이내 (도면 중에서는 －λ 에서 제로의 범위) 이고, 프레넬 렌즈 형상으로 되어 있다. 이것이, 도 1 에 나타내는 액정 렌즈 소자 (10) 에 있어서의 요철부 (17) 의 프레넬 렌즈 형상에 대응한다. 또, 도 3 의 γ 로 나타내는 그래프는 투과 파면 변화가 없는 광로 길이차가 제로인 투과 파면을 나타낸다.
도 1 에 나타내는 액정 렌즈 소자 (10) 에서는, 온 상태에서 액정층 (16) 의 실질적인 굴절률 n(VP) 과 요철부 (17) 의 굴절률 nF 의 대소관계가 n(VP)＞nF 의 경우, 도 1 과 같은 중심부가 볼록인 프레넬 렌즈 형상으로 함으로써, 오목 렌즈 작용이 발현한다. 한편, n(VP)＜nF 의 경우, 도 1 과 XY 면 대칭의 중심부가 볼록인 프레넬 렌즈 형상으로 함으로써, 볼록 렌즈 작용이 발현한다.
그런데, 요철부 (17) 및 액정 (16) 의 전기 비저항 (ρF, ρLC) 이 전기적 절연체로 볼 수 있는 큰 전기 비저항인 경우, 전기 등가 회로에 있어서 요철부 (17) 와 액정층 (16) 의 전기 용량 (CF, CLC) 에 의해 요철부 (17) 와 액정층 (16) 에 대한 전압 배분이 결정된다.
그래서, 투명 전극 사이에 인가하는 교류 전압 (V) 의 교류 주파수를 f, 요철부 (17) 의 비유전율을 εF, 막두께를 dF, 액정층 (16) 의 액정의 비유전율을 εLC, 층두께를 dLC 로 할 때에, f×ε0×ρF×εF 및 f×ε0×ρLC×εLC 가 각각 1 보다 충분히 큰 경우에 관해서 제 1 투명 전극 (13) 과 제 2 투명 전극 (14) 사이의 요철부 (17) 및 액정층 (16) 의 확대 단면도인 도 4 를 사용하여, 액정 렌즈 소자 (10) 의 작용을 이하에 설명한다. 또, ε0 는 진공 중의 유전율이다. 또한, 제 1 투명 전극 (13) 과 제 2 투명 전극 (14) 의 간격을 G 로 하면, 요철부 (17) 의 막두께 (dF) 와 액정층 (16) 의 층두께 (dLC) 의 합 (dF＋dLC) 은 일정치 G 이다.
제 1 투명 전극 (13) 과 제 2 투명 전극 (14) 사이의 교류 인가 전압 (V) 에 대하여, 액정층 (16) 에 배분되는 인가 전압 (VLC) 의 비율 (VLC/V) 은 다음 식으로 기재된다.
[수학식 2]
VLC/V = CF/(CF+CLC)
= 1/{1+(εLC/εF)×(dF/dLC)} ···(2)
여기서, 요철부 (17) 의 막두께 (dF) 는 프레넬 렌즈를 형성하는 톱니 형상 또는 톱니를 계단 형상으로 근사시킨 단면 형상에 대응하여 제로에서 d 까지 분포하기 때문에, dF/dLC 는 제로에서 d/(G－d) 까지 분포한다. 그 결과, 액정층 (16) 의 인가 전압 (VLC) 은, 요철부 (17) 의 형상에 따라서 공간 분포가 생긴다.
액정층 (16) 에 효율적으로 전압을 인가하기 위해서는, (2) 식의 비율 VLC/V 가 증대하도록 비유전율 (εF) 이 큰 요철부 (17) 의 재료로 하는 것이 바람직하다. 액정층 (16) 의 비유전율 (εLC) 은 대략 4 이상이기 때문에, 요철부 (17) 는 4 이상의 비유전율 (εF) 로 하는 것이 바람직하다.
또한, 액정은 유전율 이방성을 갖고, 액정 분자 장축 방향의 비유전율 (ε//) 과 액정 분자 단축 방향의 비유전율 (ε⊥) 이 상이하기 때문에, 전압 인가에 수반하여 액정 분자의 배향이 변화하고, 액정 분자의 배향 변화에 의해 액정층 (16) 의 비유전율 (εLC) 도 변화한다. 따라서, (2) 식에 있어서, 비유전율 (εLC) 의 VLC 에 따른 변화를 반영하여, 요철부 (17) 의 형상에 따른 액정층 (16) 의 인가 전압 (VLC) 의 공간 분포가 정해진다. VLC 는 막두께 (dF) 에 의존하기 때문에, 이후, VLC[dF] 로 표기한다.
또, VLC[0] 는 투명 전극 사이의 인가 전압 (V) 과 동등하다.
따라서, 요철부 (17) 의 막두께 (dF) 의 분포에 따라서, 이상광 편광의 입사광에 대한 액정층 (16) 의 실질적인 굴절률 n(VLC[dF]) 에 공간 분포가 생긴다. 도 4 에 있어서, 요철부 (17) 의 막두께 (dF) 의 위치의 제 1 투명 전극 (13) 과 제 2 투명 전극 (14) 사이의 광로 길이는 {nF×dF＋n(VLC[dF])×dLC} 이고, 요철부 (17) 의 프레넬 렌즈 중심 위치 (dF=d) 의 광로 길이 {nF×d＋n(VLC[d])×(G－d)} 에 대한 광로 길이차 (OPD) 는, (3) 식이 된다.
[수학식 3]
OPD = nF×(dF-d)+n(VLC[dF])×(G-dF)-n(VLC[d])×(G-d) ···(3)
또, 막두께 (dF) 는 d 에서 제로까지 분포하고, 광로 길이차 (OPD) 는, 제로에서 (4) 식의 광로 길이차 (OPD0) 까지 분포한다.
[수학식 4]
OPD0 = {n(V)-n(VLC[d]}×G-{nF-n(VLC[d])}×d ···(4)
예를 들어, 인가 전압 (VP) 에 있어서, CD 의 파장 λ3 의 입사광에 대하여, 도 3 의 그래프 β 에 상당하는 투과 파면의 광로 길이차를 생성하기 위해서는, 광로 길이차 (OPD) 가 대략 λ3 이 되도록 투명 기판 (11) 에 형성된 요철부 (17) 의 막두께 (d) 및 제 1 투명 전극 (13) 과 투명 기판 (12) 에 형성된 제 2 투명 전극 (14) 의 간격 (G) 을 결정함과 함께, 요철부 (17) 를 막두께 제로 내지 d 에 이르는 단면 형상으로 하면 된다. 여기서는, 광로 길이차 (OPD) 가 CD 의 파장 λ3 에 대략 동일하게, 즉, 0.75λ3 내지 1.25λ3 이 되도록 요철부 (17) 를 프레넬 렌즈 형상으로 가공한다.
여기서, 오프 상태와 온 상태인 인가 전압 V0(=0), VP 에 있어서, 액정 렌즈 소자 (10) 로 입사된 이상광 편광의 평면파는, 각각 도 3 의 그래프 γ 및 β 에 나타내는 투과 파면으로 되어 출사된다. 즉, 제 1 투명 전극 (13) 과 제 2 투명 전극 (14) 의 인가 전압에 따라서, 오프 상태에서 파워 없음, 온 상태에서 부의 파워에 대응하는 렌즈 기능이 얻어진다.
한편, 액정 렌즈 소자 (10) 의 입사광의 직선 편광이 상광 편광인 경우, 전술한 수직 배향, 호모지니어스 배향 및 하이브리드 배향의 어느 경우에나 액정층 (16) 의 실질적인 굴절률은 상광 굴절률 no 이 되고, 인가 전압 (V) 의 크기에 상관없이 불변한다. 이 때, (3) 식에 의해 기술되는 광로 길이차 (OPD) 는 {(no－nF)×(d－dF)} 가 되고, (no－nF) 가 제로가 아닌 경우에는, 요철부 (17) 의 막두께 (dF) 의 분포에 따라서 액정 렌즈 소자 (10) 의 투과 파면이 변화한다. 이상광 편광의 입사광에 대하여, 오프 상태 (V=VLC[dF]=VLC[d]=0) 에서 파워 없음으로 하는 조건에서, (3) 식으로부터 요철부 (17) 의 이상광 편광에 대한 굴절률 nF 이 nF=n(0) 가 되고, 액정층 (16) 이 수직 배향에서는 nF=no, 호모지니어스 배향에서는 nF=ne, 하이브리드 배향에서는 nF=(no＋ne)/2 로 한다.
따라서, 요철부 (17) 가 균일 굴절률 재료인 경우, 상광 편광의 입사광에 대하여, 수직 배향에서는 (no－nF) 가 제로가 되지만, 호모지니어스 배향 및 하이브리드 배향에서는 각각 (no－ne) 및 (no－ne)/2 의 값이 되어, 광로 길이차 (OPD) 의 분포에 기인하여 투과 파면 변화가 생긴다.
이러한 상광 편광의 입사광에 대한 고정적인 광로 길이차 (OPD) 의 공간 분포를 발생시키지 않기 때문에, 다음에 기재하는 액정 렌즈 소자 (10) 의 구성으로 하는 것이 바람직하다.
제 1 구성으로서, 요철부 (17) 의 투명 재료로서 고분자 액정 등의 복굴절 재료를 사용하고, 오프 상태에서 액정층 (16) 의 이상광 편광 및 상광 편광에 대하여 액정층 (16) 의 굴절률과 요철부 (17) 의 굴절률이 일치하도록 조정한다. 구체적으로는, 이상광 편광에 대하여 요철부 (17) 의 굴절률 nFe 이 액정층 (16) 의 오프 상태의 실질적인 굴절률 n(0) 과 동일하고, 상광 편광에 대하여 요철부 (17) 의 굴절률 nFo 이 액정층 (16) 의 상광 굴절률 no 과 동일한 복굴절 재료로 하여, 입사광의 편광 상태에 상관없이 광로 길이차 (OPD) 의 공간 분포가 발생하지 않는 구성으로 한다. 예를 들어, 고분자 액정으로 이루어지는 요철부 (17) 의 경우, 고분자 액정의 상광 굴절률 nFo 및 이상광 굴절률 nFe 을 호모지니어스 배향의 액정층 (16) 의 액정의 상광 굴절 no 및 이상광 굴절률 ne 과 일치시키고, 액정층 (16) 의 요철부 (17) 의 계면의 액정 분자 배향과 동일한 방향으로 고분자 액정을 배향시키면 된다.
다음으로, 제 2 구성으로서 (도 1 의 액정 렌즈 소자 (10) 의 변형예), 도 5 에 액정 렌즈 소자 (20) 의 단면도를 나타낸다. 액정 렌즈 소자 (20) 에서는, 상광 편광의 입사광에 대하여 발생하는 액정 렌즈 소자 (10) 의 고정적인 광로 길이차 (OPD) 를 상쇄하기 위해서, 편광위상 보정층으로서 투명 기판 (21) 에 복굴절 재료로 이루어지는 편광 프레넬 렌즈 (22) 를 형성한다.
여기서, 먼저, 이 투명 기판 (21), 및 편광 프레넬 렌즈 (22) 의 제작 방법을 설명하면, 투명 기판 (21) 의 한쪽 면 (도 5 에서는 하측) 에 배향 처리된 배향막을 제작하고, Y 축 방향으로 분자 배향이 정렬된 고분자 액정막을 형성한다. 이 고분자 액정막을 요철부로 이루어지는 프레넬 렌즈 형상으로 가공하고, 그 오목부에 고분자 액정의 상광 굴절률 nFo 과 동일한 균일 굴절률 ns 의 투명 접착재 (23) 를 충전함과 함께 투명 기판 (12) 에 접착 고정한다. 여기서, 고분자 액정의 배향 방향과 오프 상태의 액정층 (16) 의 액정의 배향 방향은 직교하고, 액정층 (16) 에 있어서 이상광 편광이 되는 편광 방향이 X 축 방향의 편광면 (X-Z 면내) 에 대하여, 고분자 액정의 상광 굴절률 nFo 과 투명 접착재 (23) 의 굴절률 ns 은 일치하기 때문에 편광 프레넬 렌즈 (22) 의 투과 파면은 변화하지 않는다. 한편, 액정층 (16) 에 있어서 상광 편광이 되는 편광 방향이 Y 축 방향의 편광면에 대하여, 고분자 액정의 이상광 굴절률 nFe 과 투명 접착재 (23) 의 굴절률 ns 이 상이하여, 편광 프레넬 렌즈 (22) 의 투과 파면은 그 요철부의 프레넬 렌즈 형상에 따른 변화가 생긴다. 이 투과 파면 변화가 액정 렌즈 소자 (10) 의 상광 편광 입사광에 대하여 발생하는 고정적인 광로 길이차 (OPD) 를 상쇄하도록 고분자 액정의 요철부 형상으로 하면, 입사광의 편광 상태에 상관없이 오프 상태의 투과 파면이 불변하기 때문에 바람직하다. 제 1 구성과 비교하여, 고분자 액정의 굴절률 nFe, nFo 은 액정의 이상광 굴절률 ne, 상광 굴절률 no 에 제약되지 않기 때문에, 재료 선택의 자유도가 높다는 장점이 있다. 한편, 편광 프레넬 렌즈 (22) 의 형성에 의해, 액정 렌즈 소자가 두꺼워진다는 단점이 있다.
또한, 도 5 의 액정 렌즈 (20) 에서는, 액정 렌즈 (10) 의 회절 격자 (18) 대신에, 유전체 다층막 (19) 을 투명 기판 (21) 의 한쪽 면의 소정 영역에 형성하여, 개구 제한 기능을 발현한다. 이 유전체 다층막 (19) 은, 파장 λ1 을 투과하고, 파장 λ2 및 파장 λ3 을 반사한다.
또, 도 5 의 부호에서 도 1 과 동일한 것은 도 1 과 동일한 요소를 나타낸다.
이상과 같이, 도 1 및 도 5 의 액정 렌즈 소자 (10, 20) 는 모두 제 1 투명 전극 (13) 이 투명 기판 (11) 의 평면에 성막되고, 또한 그 위에 요철부 (17) 로 이루어지는 프레넬 렌즈가 형성된 구성으로 하고 있다. 그러나, 투명 기판 (11) 의 평면에 요철부 (17) 로 이루어지는 프레넬 렌즈를 형성하고, 요철부 (17) 의 표면에 제 1 투명 전극 (13) 을 성막한 구성으로 해도 된다.
그 경우, 제 1 투명 전극 (13) 과 제 2 투명 전극 (14) 에 인가하는 전압 (V) 이 요철부 (17) 에서 전압 강하되지 않고 직접 액정층 (16) 에 인가되기 때문에, 요철부 (17) 의 막두께 (dF) 에 상관없이 액정층 (16) 의 실질적인 굴절률 n(V) 은 균일해진다. 따라서, 막두께 dF 의 요철부 (17) 위치에서, 제 1 투명 전극 (13) 과 제 2 투명 전극 (14) 사이의 광로 길이는 {nF×dF＋n(V)×dLC} 이고, 요철부 (17) 의 프레넬 렌즈 중심 위치 (dF=d) 의 광로 길이 {nF×d＋n(V)×(G－d)} 에 대한 광로 길이차 (OPD) 는, (5) 식과 같이 된다.
[수학식 5]
OPD = {nF×dF+n(V)×dLC}-{nF×d+n(V)×(G-d)}
= {n(V)-nF}×(d-dF) ···(5)
여기서, 막두께 dF 는 d 에서 제로까지 분포하기 때문에, (5) 식으로 나타내는 광로 길이차 (OPD) 는 제로에서 {n(V)－nF}×d 까지 분포한다. 따라서, 예를 들어 인가 전압 (VP) 에 있어서, CD 의 파장 λ3 의 입사광에 대하여 도 3 의 그래프 β 에 상당하는 투과 파면의 광로 길이차를 생성하기 위해서는, 광로 길이차 {n(VP)－nF}×d 가 대략 λ3 (즉, 0.75λ3 에서 1.25λ3) 이 되도록, 요철부 (17) 의 막두께 (d) 를 결정함과 함께, 요철부 (17) 를 막두께 제로에서 d 에 이르는 단면 형상으로 하면 된다.
요철부 (17) 의 표면에 제 1 투명 전극 (13) 을 성막한 구성인 경우, 액정층 (16) 의 인가 전압 (VLC) 은 요철부 (17) 의 비유전율이나 전기 비저항 등 재질 물성 및 그 형상에 상관없이, 제 1 투명 전극 (13) 과 제 2 투명 전극 (14) 의 인가 전압 (V) 과 일치한다. 이 때문에, 프레넬 렌즈 요철부 (17) 의 형상의 설계가 용이하지만, 요철부 (17) 의 표면에 단선없이 안정적으로 저저항의 제 1 투명 전극 (13) 을 형성하기는 어렵다. 한편, 요철부 (17) 하면에 제 1 투명 전극 (13) 을 성막한 구성인 경우, 액정층 (16) 의 인가 전압 (VLC) 은 요철부 (17) 의 막두께 (dF) 가 두꺼울수록 저하되고, 이것에 따라서 액정층 (16) 의 실질적인 굴절률 n(VLC[dF]) 이 분포한다. 그 결과, 비교적 얇은 막두께 (d) 의 요철부 (17) 에 의해 큰 광로 길이차를 얻을 수 있기 때문에, 요철부 (17) 의 성막 및 가공 프로세스가 간략화된다고 하는 장점이 있다.
이상과 같이 하여 얻어지는 액정 렌즈 소자 (10 또는 20) 에 있어서, 오프 상태 (V=VLC[dF]=0) 에서, 입사광은 그 편광 상태 및 파장에 상관없이 투과 파면 변화가 없이 (즉, 파워 없음) 액정 렌즈 소자를 직진 투과하여, 높은 투과율이 얻어진다. 또한, 온 상태 (V=VP) 에서는, 파장 λ3 의 이상광 편광의 입사광에 대하여 오목 렌즈 상당의 발산 투과 파면 (즉, 부의 파워 성분) 으로 되어 투과한다. 또, 상광 편광의 입사광에 대해서는 인가 전압 및 파장에 상관없이 투과 파면 변화 없이 (즉, 파워 없음) 직진 투과하여, 높은 투과율이 얻어진다.
따라서, 액정 렌즈 소자 (10 또는 20) 에 BD 의 파장 λ1 의 광속이 입사하는 경우, 인가 전압 (V) 을 제로로 하여 (즉, 오프 상태), 개구수 NA1 의 영역에서 거의 광손실없이 직진 투과할 수 있다. 또한, DVD 의 파장 λ2 의 광속이 입사하는 경우, 인가 전압 (V) 을 제로로 하여, 개구수 NA2 의 영역에서 거의 광손실없이 직진 투과할 수 있다. 한편, CD 의 파장 λ3 의 이상광 편광의 광속이 입사하는 경우, 인가 전압 (V) 을 VP 로 하여 (즉, 온 상태), 개구수 NA3 의 영역에서 오목 렌즈 기능의 발산 파면으로 되어 투과한다.
또한, 본 실시형태에서는, (1) 식으로 기술되는 축 대칭의 광로 길이차 (OPD) 를 생성하는 액정 렌즈 소자의 경우에 관해서, 그 소자 구조 및 동작 원리에 대해 설명하였지만, (1) 식 이외의 축 비대칭인 코마 수차나 비점 수차 등의 보정에 상당하는 광로 길이차 (OPD) 를 생성하는 액정 소자도, 동일한 원리로 요철부 (17) 의 가공 및 그 오목부로의 액정 충전에 의해 제작할 수 있다.
또한, 본 실시형태에서는, 모두 베타 전극인 제 1 투명 전극 (13) 과 제 2 투명 전극 (14) 의 2 단자를 이용하여 액정층 (16) 에 교류 전압을 인가하는 구성을 나타내었지만, 이것 외에 예를 들어 제 1 투명 전극 (13) 과 제 2 투명 전극 (14) 중 적어도 일방의 전극이 공간적으로 분할되어 독립하여 상이한 교류 전압을 인가할 수 있는 구성으로 해도 된다. 또, 이 공간적으로 분할된 투명 전극을 원하는 전기 저항을 가지는 저항막으로 하고, 2 개 이상의 급전점을 형성하여 반경 방향으로 인가 전압 분포를 부여하고, 액정에 인가되는 전압이 반경 방향으로 경사 분포하도록 해도 된다. 이러한 분할 전극 또는 저항막 전극의 구조로 함으로써, 더욱 다양한 광로 길이차 (OPD) 의 공간 분포를 생성할 수 있다.
또한, X 축 방향의 직선 편광에 대하여 오목 렌즈 기능이 발현되는 액정 렌즈 소자와 Y 축 방향의 직선 편광에 대하여 오목 렌즈 기능이 발현되는 액정 렌즈 소자를 적층함으로써, CD 의 파장 λ3 의 입사광의 편광 상태에 상관없이, 온 상태에서, 개구수 NA3 의 영역에서 오목 렌즈 기능이 발현된다. 구체적으로는, 액정층 (16) 의 액정 분자의 배향 방향을 서로 직교시킨 액정 렌즈 소자 (10) 를 적층하면 된다. 고분자 액정 등의 복굴절 재료로 이루어지는 요철부 (17) 를 사용하는 경우, 요철부 (17) 의 복굴절 재료의 광축 방향도 서로 직교시킨다. 또한, 유전 이방성 (Δε) 이 정인 액정으로 이루어지는 액정층 (16) 과 균일 굴절률 재료로 이루어지는 요철부 (17) 를 사용하는 경우, 입사 편광에 상관없이 발생하는 고정적인 광로 길이차 (OPD) 를 상쇄하기 위해서, 액정 렌즈 소자의 투명 기판의 표면에 위상 보정용 프레넬 렌즈를 형성하면 된다.
[제 2 실시형태]
본 발명의 제 2 실시형태에 관련된 액정 렌즈 소자 (30) 의 구성예에 관해서, 도 6 에 나타내는 측면도를 참조하면서 상세하게 설명한다. 또, 본 실시형태에 있어서, 제 1 실시형태와 동일한 부분에는 동일 부호를 붙이고 중복 설명을 피한다.
본 실시형태의 액정 렌즈 소자 (30) 에서는, 제 1 실시형태와 달리, BD 용 대물 렌즈를 사용하여 DVD 의 기록ㆍ재생을 실시하는 경우, 커버 두께의 서로 다름에 기인하여 발생하는 구면 수차를 보정하기 위해서, 투명 기판 (31) 표면의 개구수 NA2=0.65 에 상당하는 영역에 DVD 용의 위상 보정면 (32) 이 형성되어 있다. 또한, 본 실시형태에서는, 위상판 (33) 이 투명 기판 (31) 과 투명 기판 (12) 에 협지되어 있는 점이 제 1 실시형태의 액정 렌즈 (10 및 20) 와 다르다. 또, 도 6 의 부호에서 도 1 과 동일한 것은 도 1 과 동일한 요소를 나타낸다.
BD 용 대물 렌즈를 사용하여 DVD 에 대하여 개구수 NA2=0.65 이고 파장 λ2=660㎚ 의 입사광을 정보 기록층에 집광한 경우, 큰 구면 수차가 발생한다. 이 경우, 위상 보정 소자 (예를 들어, 일본 공개특허공보 2004-138895호를 참조) 를 사용함으로써, 이러한 구면 수차를 보정하여 DVD 광디스크의 안정된 기록ㆍ재생을 할 수 있다.
그래서, 본 실시형태의 DVD 용 위상 보정면 (32) 은, 개구수 NA2 의 영역에 형성된 입사광의 광축에 관해서 회전 대칭성을 갖는 계단 형상의 요철부로 이루어지고, 요철부의 각 단에 있어서의 파장 λ1 의 투과광의 위상차를 2π 의 짝수배로 하고 있다.
여기서, 균일 굴절률 n 의 투명 재료로 이루어지는 위상 보정면 (32) 의 요철부의 각 단의 투과광의 위상차를 파장 λ1 에 대하여 2π 의 짝수배로 하면, 요철부 재료의 굴절률 파장 분산을 고려하여, 파장 λ3 에 대한 위상차는 2π 의 거의 정수배가 된다. 따라서, 파장 λ1 및 파장 λ3 에 대해서는 입사광의 편광 상태에 상관없이 위상 보정면 (32) 의 요철부의 투과 파면이 변화하지 않고 직진 투과한다. 한편, 파장 λ2 의 입사광에 대해서는 위상 보정면 (32) 의 요철부의 위상차가 2π 의 비정수배가 되어, 요철부의 형상에 따라서 투과 파면이 변화하는 파장 선택성의 위상 보정면이 된다.
광디스크의 커버 두께의 서로 다름에 기인하여 발생하는 DVD 의 구면 수차를 보정하는 (1) 식으로 기재되는 광로 길이차 (OPD) 의 투과 파면을 생성하도록, 위상 보정면 (32) 의 요철부 단면 형상을 결정한다. 또, DVD 광디스크와의 작동 거리를 변경하기 위해서, 파워 성분이 부여된 투과 파면으로 해도 된다. 이 경우, 위상 보정면 (32) 은 그 단면 형상이 톱니 형상이고, 톱니 형상의 각 볼록부가 계단형 격자에 의해서 근사된 프레넬 렌즈 형상이 된다.
이 위상 보정면 (32) 은, 예를 들어, 도 3 의 α 로 나타내는 그래프 (광로 길이차) 를 파장 λ2 의 간격으로 분할하여 광로 길이차 제로의 면에 사영한 (평행 이동시킨) 광로 길이차를 나타내는 그래프 β 에 상당하는 투과 파면이 되는 계단형 격자의 요철 형상으로 한다. 여기서, (N＋1) 레벨 (즉 N 단) 의 계단형 격자의 높이 (dN) 을 N 등분한 1 단의 높이 (d1)의 광로 길이차 (n－1)×d1 가 파장 λ1=405㎚ 의 짝수배가 되도록 한다. 예를 들어, (n-1)×d1=2×λ1 일 때, 위상 보정면 (32) 에 파장 λ2 의 광이 입사하면, 요철부 1 단의 투과 파면의 위상차는 2π×(n-1)×d1/λ2=2π×(2×λ1/λ2) 가 되고, 투명 기판 (31) 의 굴절률 파장 분산을 고려하면, 2π×1.18 정도가 된다. 즉, 계단형 격자의 1 단에 대해 실효적으로 0.18 파장만큼 투과 파면이 지연된다. 따라서, 톱니 모양의 단면 형상을 N=4 또는 N=5 의 계단형 격자에 근사시킴으로써, DVD 의 투과 파면만을 보정하는 위상 보정면 (32) 이 된다.
여기서, 위상 보정면 (32) 의 파면 수차 보정 작용을 나타내는 파면 수차의 부분 확대도를 도 7 에 나타낸다. 계단형 격자의 1 단의 높이 (d1) 에 대응한 보정 광로 길이차 a={(n-1)×d1－λ2} 를 단위로, 1 파장 λ2 분의 파면 수차를 보정 광로 길이차 a 에 의해 분할함으로써, 근사적으로 파면 수차를 보정한다. 도 7 에서는 6 레벨 (5 단) 의 계단형 격자에 의한 수차 보정예를 나타낸다.
다음으로, 도 6을 참조하면서, 투명 기판 (31) 과 투명 기판 (12) 에 협지된 위상판 (33) 에 대해 설명한다.
투명 기판 (31) 의 표면에 X 축과 45°의 각도를 이루는 방향으로 배향 처리된 폴리이미드 배향막을 형성하고, 액정 모노머를 도포 후에 중합 경화시켜, 배향 처리 방향으로 분자 배향이 정렬된 고분자 액정으로 이루어지는 위상판 (33) 을 형성한다. 또한, 투명 접착재 (도시 생략) 를 사용하여 투명 기판 (12) 에 접착 고정한다. 여기서, 굴절률 파장 분산을 고려하여 고분자 액정 재료의 막두께를 설정하고, 위상판 (33) 의 리타데이션값 (Rd) 을 파장 λ1 에 대하여 9λ1/4 로 하면, 파장 λ2 에 대한 Rd 가 대략 5λ2/4 로, 파장 λ3 에 대한 Rd 가 대략 λ3 로 된다. 즉, 파장 λ1 및 파장 λ2 에서는 1/4 파장판이 되고, 파장 λ3 에서는 파장판으로서 기능하지 않는다.
이렇게 해서 얻어지는 액정 렌즈 소자 (30) 에, X 축 방향 (이상광) 또는 Y 축 방향 (상광) 의 직선 편광이 입사할 때의 투과광을 도 8 에 나타낸다.
오프 상태 (V=V0=0) 에서, 개구수 NA1 의 영역에 입사하는 BD 의 파장 λ1 의 광속은, 도 8(A) 에 나타내는 바와 같이 투과 파면 변화가 없이 원편광으로 되어 직진 투과한다. 또한, 개구수 NA2 의 영역에 입사하는 DVD 의 파장 λ2 의 광속은, 도 8 의 (B) 에 나타내는 바와 같이 위상 보정면 (32) 에 의해 발산광 파면의 원편광이 되어 투과한다. 또한, 온 상태 (V=VP) 에서 X 축 방향의 직선 편광이 입사한 경우, 개구수 NA3 의 영역에 입사하는 CD 의 파장 λ3 의 광속은, 도 8 의 (C) 에 나타내는 바와 같이 X 축 방향의 직선 편광인 채로 요철부 (17) 와 액정층 (16) 으로 이루어지는 프레넬 렌즈에 의해 발산광 파면이 되어 투과한다.
또, 리터데이션값 (Rd) 및 지상축의 각도가 상이한 2 층 또는 3 층의 고분자 액정으로 이루어지는 위상판을 적층함으로써, 파장 λ1 과 파장 λ2 와 파장 λ3 에 대하여 대략 1/4 파장판에 상당하는 위상판 (33) 으로 할 수도 있다. 이 경우, CD 의 파장 λ3 의 입사광의 편광 상태에 상관없이, 온 상태에서 개구수 NA3 의 영역에서 오목 렌즈 기능이 발현하도록, X 축 방향의 직선 편광에 대하여 오목 렌즈 기능이 발현하는 액정 렌즈 소자와, Y 축 방향의 직선 편광에 대하여 오목 렌즈 기능이 발현하는 액정 렌즈 소자를 적층한 구성으로 하는 것이 바람직하다.
[제 3 실시형태]
다음으로, 본 발명의 제 2 실시형태에 관련된 액정 렌즈 소자 (30) (도 6 참조) 를 탑재한 BD, DVD, 및 CD 의 3 종의 광디스크의 기록ㆍ재생에 사용하는 3 파장 호환 광헤드 장치 (40) 에 관해서, 도 9 를 참조하면서 설명한다.
본 실시형태의 광헤드 장치 (40) 는, BD 의 파장 λ1=405㎚ 의 광원인 반도체 레이저 (1) 와, 편광 빔 스플리터 (2) 와, 합파 프리즘 (3) 과, 콜리메이터 렌즈 (4) 와, BD 용 대물 렌즈 (5) 와, 파장 λ1 의 광검출기 (6) 외에, 대물 렌즈 (5) 를 유지하는 액츄에이터 (7) 에 액정 렌즈 소자 (30) 가 일체화된 구성인 것이다.
또, 본 실시형태의 광헤드 장치 (40) 는, 도시하지 않은 DVD 의 파장 λ2=660㎚ 의 광원인 반도체 레이저, 파장 λ2 의 광검출기, 및 빔 스플리터가 일체화된 DVD 유닛 (8A) 과, 도시하지 않은 CD 의 파장 λ3=790㎚ 의 광원인 반도체 레이저, 파장 λ3 의 광검출기, 및 빔 스플리터가 일체화된 CD 유닛 (8B) 과, 합파 프리즘 (9) 을 구비하고 있다.
다음으로, 본 실시형태의 작용에 관해서 설명한다.
(I) 반도체 레이저 (1) 로부터 방사된 파장 λ1=405㎚ 의 광이 편광 빔 스플리터 (2) 에서 반사되어, 합파 프리즘 (3) 을 투과하고, 콜리메이터 렌즈 (4) 에 의해 평행광이 되어 오프 상태의 액정 렌즈 소자 (30) 에 상광 편광 (편광 방향이 Y 축 방향의 편광면) 으로서 입사된다. 또, 액정 렌즈 소자 (30) 내의 위상판 (33) (도 6 참조) 에 의해 원편광으로 변환되어, 도 8(A) 에 나타내는 바와 같이 액정 렌즈 소자 (30) 를 직진 투과하고, 개구수 NA1=0.85 에 상당하는 광속이 BD 용 대물 렌즈 (5) 에 의해 BD 광디스크 (D) 의 정보 기록층으로 집광된다. 한편, 정보 기록층에서 반사된 신호광은 원래의 경로를 거쳐, 액정 렌즈 소자 (30) 내의 위상판 (33) 에 의해 이상광 편광 (편광 방향이 X 축 방향의 편광면) 으로 변환되고, 액정 렌즈 소자 (30) 를 직진 투과하여, 합파 프리즘 (3) 및 편광 빔 스플리터 (2) 를 투과하여 광검출기 (6) 의 수광면에 효율적으로 집광되어, 전기 신호로 변환된다.
(II) 또, DVD 유닛 (8A) 으로부터 방사된 파장 λ2=660㎚ 의 광은, 합파 프리즘 (9) 을 투과하여, 합파 프리즘 (3) 에서 반사된 후, 콜리메이터 렌즈 (4) 에 의해 집광되어 평행광이 되어 오프 상태의 액정 렌즈 소자 (30) 에 상광 편광으로서 입사된다. 또, 액정 렌즈 소자 (30) 내의 위상판 (33) (도 6 참조) 에 의해 원편광으로 변환되고, 액정 렌즈 소자 (30) 의 회절 격자 (18) 에 의해 개구 제한된 개구수 NA2=0.65 에 상당하는 광속은, 액정 렌즈 소자 (30) 내의 위상 보정면 (32) (도 6 참조) 에 의해 광디스크의 커버 두께의 서로 다름에 기인하여 발생하는 수차를 보정하는 도 8(B) 에 나타내는 투과 파면으로 변환되어, BD 용 대물 렌즈 (5) 에 의해 DVD 광디스크 (D) 의 정보 기록층에 집광된다. 한편, 정보 기록층에서 반사된 신호광은 원래의 경로를 거쳐, 액정 렌즈 소자 (30) 내의 위상판 (33) 에 의해 이상광 편광으로 변환되고, 합파 프리즘 (3) 에서 반사되고, 합파 프리즘 (9) 을 투과하여 DVD 유닛 (8A) 내의 광검출기의 수광면에 집광되어, 전기 신호로 변환된다.
(III) 또한, CD 유닛 (8B) 으로부터 방사된 파장 λ3=790㎚ 의 광은, 합파 프리즘 (9) 및 합파 프리즘 (3) 에서 반사된 후, 콜리메이터 렌즈 (4) 에 의해 집광되어 평행광으로 되어 온 상태의 액정 렌즈 소자 (30) 에 이상광 편광으로서 입사된다. 또, 액정 렌즈 소자 (30) 내의 위상판 (33) 에 의해 편광면이 변화하지 않고, 개구수 NA3=0.50 에 상당하는 광속은, 액정 렌즈 소자 (30) 내의 요철부 (17) 와 액정층 (16) (모두, 도 6 참조) 으로 이루어지는 프레넬 렌즈에 의해 광디스크의 커버 두께의 서로 다름에 기인하여 발생하는 수차를 보정하도록 투과 파면이 도 8(C) 에 나타내는 발산광으로 변환되어, 대물 렌즈 (5) 에 의해 CD 광디스크 (D) 의 정보 기록층에 집광된다. 정보 기록층에서 반사된 신호광은 이상광 편광인 채로 원래의 경로를 거쳐, CD 유닛 (8B) 내의 광검출기의 수광면에 집광되어서, 전기 신호로 변환된다. 여기서, 개구수 NA3 을 제외하는 개구수 NA2 의 직진 투과하는 광속은 CD 광디스크 (D) 의 정보 기록층에 집광되지 않기 때문에, 결과적으로 NA3 영역의 프레넬 렌즈가 개구 제한 기능을 형성한다.
도 9 에 나타내는 바와 같이, 액정 렌즈 소자 (30) 투과 후의 파장 λ2 및 파장 λ3 의 광이 발산광이 되도록 요철부 (17) 및 위상 보정면 (32) (모두, 도 6 참조) 을 가공함으로써, 도 9 의 파선 및 점선으로 나타내는 광로와 같이, DVD 및 CD 광디스크 (D) 의 작동 거리를 넓힐 수 있기 때문에, 액츄에이터 (7) 에 의해 포커스 서보를 기동시킬 때의 안정성이 향상된다.
이와 같이, 본 실시형태에 관련된 광헤드 장치 (40) 에 의하면, BD 용 대물 렌즈 (5) 와 액정 렌즈 소자 (30) 를 일체화한 복합 렌즈로서 사용하여, DVD 및 CD 의 광디스크 (D) 의 커버 두께의 서로 다름에 의해 발생하는 구면 수차의 보정뿐만 아니라, 작동 거리를 확대하는 오목 렌즈 기능도 부가할 수 있다. 그 결과, BD, DVD 및 CD 의 3 종의 광디스크의 안정된 기록ㆍ재생을 할 수 있는 소형이며 경량인 광헤드 장치가 실현된다.
또한, 오프 상태의 액정 렌즈 소자 (30) 는, 파장 λ1 및 파장 λ2 의 광에 대하여 높은 투과율을 나타냄과 함께, 1/4 파장판이 일체화되어 있기 때문에, 편광 빔 스플리터를 병용한 광이용 효율이 높은 광학계가 얻어진다. 그 결과, 고배속의 BD 및 DVD 의 기록용 광헤드 장치에 바람직하다.
[제 4 실시형태]
본 발명의 제 4 실시형태에 관련된 액정 렌즈 소자 (50) 의 구성예에 관해서, 도 10 에 나타내는 측면도와 도 11 에 나타내는 평면도를 참조하면서 상세히 설명한다.
본 실시형태의 액정 렌즈 소자 (50) 는, 제 1 실시형태에 관련된 액정 렌즈 소자 (10) 와 동일한 구성을 갖는 제 1 액정 렌즈부 (50C) 와 제 2 액정 렌즈부 (50D) 로 이루어진다. 각각, 투명 기판 (11, 12C, 12D) 과, 제 1 투명 전극 (13C, 13D) 과와, 제 2 투명 전극 (14C, 14D) 과, 시일 (15C, 15D) 과, 액정층 (16C, 16D) 과, 요철부 (17C, 17D) 를 구비하고 있다.
이 중, 요철부 (17C, 17D) 는, 프레넬 렌즈 또는 프레넬 렌즈를 계단 형상으로 근사시킨 형상을 갖는 것으로, 액정층 (16C, 16D) 의 상광 굴절률 no 과 대략 동일한 굴절률 nF 의 투명 재료를 사용하여 유효 직경 φ 영역에 형성되어 있고, 입사광의 광축 (Z 축) 에 관해서 회전 대칭성을 갖는다.
다음으로, 이 액정 렌즈 소자 (50) 의 제작 순서의 일례에 관해서 이하에 설명한다.
먼저, 투명 기판 (12C, 12D) 의 한쪽 면에 제 1 투명 전극 (13C, 13D) 을 형성한다. 또, 이 투명 전극 (13C, 13D) 상의 유효 직경 φ 의 영역에, 굴절률 nF 의 투명 재료를 사용하여 요철부 (17C, 17D) 를 형성한다.
한편, 투명 기판 (11) 의 양면에 제 2 투명 전극 (14C, 14D) 을 제작한 후, 갭 제어재가 혼입된 도시하지 않은 접착재를 인쇄 패터닝하여 시일 (15C, 15D) 을 형성하고, 전술한 투명 기판 (12C, 12D) 과 포개어, 압착해서 공셀을 제작한다.
다음에, 시일 (15C, 15D) 의 일부에 형성된 주입구 (도시 생략) 로부터, 부의 유전 이방성을 가지며, 상광 굴절률 no 및 이상광 굴절률 ne (단, no≠ne) 을 갖는 네마틱 액정을 주입하고, 그 후, 이 주입구를 막아 액정을 셀 내에 밀봉하여 액정층 (16C, 16D) 을 형성해서, 본 실시형태의 액정 렌즈 소자 (50) 로 한다.
또, 본 실시형태에서는, 투명 기판 (11) 측에 형성된 전극 (13A) (도 11 참조) 을 통해서 제 1 투명 전극 (13C, 13D) 에 전압을 인가하고, 전극 (14A) (도 11 참조) 을 통해서 제 2 투명 전극 (14C, 14D) 에 전압을 인가한다. 전극 (13A) 과 전극 (14A) 에 외부의 교류 전원 (도시 생략) 을 접속하여, 액정층 (16C, 16D) 에 교류 전압을 인가한다.
또한, 제 1 및 제 2 투명 전극 사이의 인가 전압에 따라서, 액정층 (16C, 16D) 의 액정 분자의 배향이 각각 X 방향 및 Y 방향으로 정렬하도록, 적어도 제 2 투명 전극 (14C, 14D) 의 표면에 X 방향 및 Y 방향으로 배향 처리된 배향막 (도시 생략) 이 형성되어 있다.
요철부 (17C, 17D) 및 액정층 (16C, 16D) 이 전기적으로 절연체로 볼 수 있는 큰 전기 비저항인 경우, 요철부 (17C, 17D) 의 프레넬 렌즈 형상에 따라서 입사광의 투과 파면에 파워 성분 (렌즈 기능) 을 나타내는 인가 전압 (VP) 이 존재한다. 이것에 의해, 인가 전압 (V) 의 전환에 의해 투과광의 집광점을 전환할 수 있는 액정 렌즈 소자 (50) 가 얻어진다. 여기서, 제 1 액정 렌즈부 (50C) 는 X 방향의 직선 편광에 대하여, 제 2 액정 렌즈부 (50D) 는 Y 방향의 직선 편광에 대하여 초점 거리의 전환 기능이 발생하기 때문에, 액정 렌즈 소자 (50) 는 입사 편광 상태에 상관없이 초점 거리의 전환 기능이 발생한다.
또한, 도 10 에 나타내는 액정 렌즈 소자 (50) 에서는, 중심부가 오목 형상의 요철부 (17C, 17D) 로 이루어지는 프레넬 렌즈이고, 인가 전압 (VP) 일 때 액정층의 실질적인 굴절률이 요철부의 굴절률보다 크기 때문에, 정의 파워 성분(볼록 렌즈 기능) 이 부여된 투과 파면을 발생시킨다.
프레넬 렌즈 또는 프레넬 렌즈를 계단 형상으로 근사시킨 요철부 (17C, 17D) 의 단면 형상은, 제 1 실시형태에 관련된 액정 렌즈 소자 (10) 에 있어서 상세히 서술한 바와 같이, 투과광의 광로 길이차 (OPD) 가 (1) 식에 의해 기술되도록 가공한다.
본 실시형태의 액정 렌즈 소자 (50) 의 경우에는, 단층 및 2 층 광디스크의 기록ㆍ재생용 광헤드 장치에 있어서, 커버 두께의 서로 다름에 기인하여 발생하는 구면 수차를 보정함과 함께, 대물 렌즈와 별도 설치로 배치함으로써, 대물 렌즈가 트래킹시에 액정 렌즈 소자 (50) 와 편심이 생긴 경우라도 수차 열화가 생기지 않도록 요철부 (17C, 17D) 의 형상이 결정된다.
인가 전압 (VP) 에 있어서, 제 1 액정 렌즈부 (50C) 와 제 2 액정 렌즈부 (50D) 에 의해 발생하는 정의 파워 성분이 부여된 투과 파면은, 요철부 (17C, 17D) 의 프레넬 렌즈 형상에 의해서 결정된다. 따라서, 요철부 (17C, 17D) 를 동일 형상으로 함으로써, X 방향 및 Y 방향의 직선 편광 입사광에 대하여 동일한 투과 파면이 된다.
도 10 에 있어서, 요철부 (17C 와 17D) 는 투명 기판 (11) 을 사이에 두고 형성되어 있기 때문에, 그 간격에 상당하는 상점(像点) 위치의 차이가 생긴다. 이러한 입사 편광에 의한 상점 위치의 차이를 해소하도록, 요철부 (17C 와 17D) 의 윤대 형상을 상이하게 하여 제작해도 된다. 또, X 방향과 Y 방향의 직선 편광 입사광에 대하여 완전히 상이한 파워 성분이 발생하도록 요철부 (17C 와 17D) 의 형상을 독립적으로 설정해도 된다.
다음으로, 본 발명의 제 4 실시형태에 관련된 액정 렌즈 소자 (50) 를 탑재한 단층 및 2 층의 BD 광디스크 또는 DVD 광디스크의 기록ㆍ재생에 사용되는 광헤드 장치 (60) 에 관해서, 그 구성도를 나타내는 도 12 를 참조하면서 설명한다.
본 실시형태의 광헤드 장치 (60) 에 있어서, 도 9 에 나타내는 제 3 실시형태에 따른 3 파장 호환 광헤드 장치 (40) 와 동일한 기능의 광학부품은, 동일 부호를 사용하고 설명을 생략한다.
예를 들어, 커버 두께 0.100㎜ 의 단층 BD 광디스크에 대하여 수차가 최소가 되도록 설계된 대물 렌즈 (550) 를 사용하는 광헤드 장치 (60) 에 있어서, 2 층 BD 광디스크의 커버 두께 0.075㎜ 의 정보 기록층 (D1) 에 대한 기록ㆍ재생시에, 인가 전압 (VP) (온 상태) 의 액정 렌즈 소자 (50) 에 의해 볼록 렌즈 상당의 정의 파워 성분을 발생시킴으로써, 수차 발생을 저감한다. 여기서, 커버 두께 0.100㎜ 의 단층 및 2 층 BD 광디스크의 정보 기록층 (D2) 에 대해서는, 액정 렌즈 소자 (50) 에 전압을 인가하지 않음 (오프 상태) 으로써 투과 파면 변화는 생기지 않기 때문에, 안정된 기록ㆍ재생이 실현된다.
또, 예를 들어, 2 층 BD 광디스크의 커버 두께 0.100㎜ 와 0.075㎜ 의 중간 커버 두께 0.0875㎜ 에 대하여 수차가 최소가 되도록 설계된 대물 렌즈 (5) 를 사용하는 경우, 대물 렌즈 (5) 에 입사되는 광속을 미소하게 발산광으로 하는 유한계 배치에 의해 커버 두께 0.100㎜ 에서 수차가 최소가 된다. 이 경우에도, 액정 렌즈 소자 (50) 의 인가 전압의 전환에 의해, 단층 및 2 층 BD 광디스크의 정보 기록층 (D1, D2) 에 대하여 안정된 기록ㆍ재생이 실현된다.
또한, 예를 들어, 커버 두께 0.59㎜ 의 광디스크에 대하여 수차가 최소가 되도록 설계된 대물 렌즈를 사용하는 광헤드 장치에 있어서, 커버 두께 0.62㎜ 의 광디스크에 대하여, 인가 전압 (VP) 의 액정 렌즈 소자 (50) 에 의해 오목 렌즈 상당의 부의 파워 성분을 발생시킴으로써 수차 발생을 저감한다. 따라서, 커버 두께 0.61㎜ 내지 0.63㎜ 의 2 층 DVD 광디스크의 정보 기록면 (D2) 에 대한 기록ㆍ재생시에는, 액정 렌즈 소자 (50) 에 전압 (VP) 을 인가함으로써 안정된 기록ㆍ재생이 실현된다. 한편, 커버 두께 0.60㎜ 의 단층 DVD 광디스크 및 커버 두께 0.57㎜ 내지 0.59㎜ 의 2 층 DVD 광디스크의 정보 기록면 (D1) 에 대한 기록ㆍ재생시에는, 액정 렌즈 소자 (50) 에 전압을 인가하지 않고, 대물 렌즈의 수차 성능에 의해 기록ㆍ재생을 실시한다. 그 결과, 액정 렌즈 소자 (50) 에 대한 인가 전압의 온ㆍ오프 전환에 의해, 단층 및 2 층 광디스크의 안정된 기록ㆍ재생이 실현된다.
또, 커버 두께 0.60㎜ 의 단층 DVD 광디스크에 대하여 수차가 최소가 되도록 설계된 대물 렌즈를 사용하는 광헤드 장치에 있어서, 대물 렌즈로 입사되는 광속을 미소하게 발산광으로 하는 유한계 배치에 의해, 예를 들어, 커버 두께 0.61㎜ 에서 수차가 최소가 된다. 인가 전압 (VP) 의 액정 렌즈 소자 (50) 에 의해 볼록 렌즈 상당의 정의 파워 성분을 발생시킴으로써, 커버 두께 0.59㎜ 의 광디스크에 대하여 수차 발생을 저감한다. 즉, 액정 렌즈 소자 (50) 에 대한 인가 전압의 전환에 의해, 커버 두께 0.59㎜ 및 0.61㎜ 에서 수차를 최소로 할 수 있다.
또한, 액정 렌즈 소자 (50) 와 대물 렌즈 (5) 사이의 광로 중에 1/4 파장판 (51) 을 배치하여, 편광 빔 스플리터 (2) 에 입사되는 왕로 (往路) 와 복로 (復路) 의 편광을 직교화시킴으로써, 고효율 빔 스플리터로 하고 있다. 여기서, 액정 렌즈 소자 (50) 에는 왕로와 복로에서 직교하는 직선 편광이 입사되지만, 어떠한 편광에 대해서도 수차 보정 기능이 발현되어, 안정된 기록ㆍ재생 성능을 유지할 수 있다.
[제 5 실시형태]
본 발명의 액정 렌즈 소자를 탑재한 BD 및 HDDVD 의 광디스크를 기록ㆍ재생할 수 있는 BD/HDDVD 호환 광헤드 장치의 실시형태에 관해서, 도 13 에 나타내는 BD 용 대물 렌즈 (5) 와 액정 렌즈 (50) 가 액츄에이터 (7) 에 고정된 구성도를 사용하여, 이하에 설명한다.
본 실시형태의 액정 렌즈 소자 (50) 는, 도 10 에 나타내는 제 4 실시형태에 관련된 액정 렌즈 소자 (50) 와 동일한 구성을 갖지만, 이하의 점이 제 4 실시형태와 다르다.
액정 렌즈 소자 (50) 는, NA 0.85 의 BD 용 대물 렌즈 (5) 의 유효 직경에 대응한 광투과 영역을 갖지만, 요철부 (17C, 17D) (도 10 참조) 는 NA 0.65 에 상당하는 유효 직경에만 형성되어 있다. 또한, NA 0.65 영역의 파장 λ1 의 입사광을 BD 용 대물 렌즈 (5) 를 사용하여 커버 두께 0.60㎜ 의 HDDVD 광디스크의 정보 기록층에 집광할 때 발생하는 구면 수차를 보상함과 함께 대물 렌즈와 광디스크의 간격을 확대시키도록, 요철부 (17C, 17D) 는, 인가 전압 (VP) 일 때, 액정 렌즈 소자 (50) 에 의해 부의 파워 성분 (오목 렌즈 기능) 이 부여된 투과 파면을 발생시키는 프레넬 렌즈 형상으로 되어 있다.
여기서, BD 광디스크 (D (BD)) 를 기록ㆍ재생할 때, 도 13(A) 에 나타내는 바와 같이, 액정 렌즈 소자 (50) 에 전압을 인가하지 않음 (오프 상태) 으로써 투과 파면 변화는 생기지 않기 때문에, 투과광 (실선으로 나타냄) 은 BD 용 대물 렌즈 (5) 에 의해 커버 두께 0.100㎜ 의 정보 기록층에 효율적으로 집광되어, BD 광디스크의 안정된 기록ㆍ재생이 실현된다.
한편, HDDVDD 광디스크 (D (HD)) 를 기록ㆍ재생할 때, 도 13(B) 에 나타내는 바와 같이, 액정 렌즈 소자 (50) 에 전압 (VP) 을 인가함 (온 상태) 으로써, 액정 렌즈 (50) 의 NA 0.65 영역의 투과광 (실선으로 나타냄) 은 발산광이 되고 BD 용 대물 렌즈 (5) 에 의해 커버 두께 0.60㎜ 의 정보 기록층에 효율적으로 집광되어, HDDVD 광디스크의 안정된 기록ㆍ재생이 실현된다. 또, NA 0.85 중에서 NA 0.65 영역 외의 광속은 액정 렌즈 소자 (50) 를 직진 투과 (파선으로 나타냄) 하여, BD 용 대물 렌즈 (5) 에 의해 HDDVD 광디스크의 정보 기록층에 집광되지 않기 때문에, NA 0.65 영역의 기록ㆍ재생용 광속에 영향을 미치지 않는다. 그 결과, BD 용 대물 렌즈와 액정 렌즈 소자를 사용함으로써, 규격이 상이한 BD 광디스크와 HDDVDD 광디스크의 기록ㆍ재생이 가능한 BD/HDDVD 호환 광헤드 장치가 실현된다.
본 실시형태에서는, X 방향의 직선 편광에 대하여 기능하는 제 1 액정 렌즈부 (50C) (도 10 참조) 와, Y 방향의 직선 편광에 대하여 기능하는 제 2 액정 렌즈부 (50D) (모두, 도 10 참조) 로 이루어지는 액정 렌즈 소자 (50) 를 사용하고 있기 때문에, 입사광의 편광 상태에 상관없이 초점 거리의 전환 기능이 발생한다. 따라서, 1/4 파장판은 콜리메이터 렌즈와 액정 렌즈부 (50) 사이 또는 BD 용 대물 렌즈와 액정 렌즈부 (50) 사이의 임의의 광로 중에 배치해도 된다. 또, 액정 렌즈부 (50) 대신에, 도 1 에 나타내는 액정 렌즈부 (10), 또는, 도 6 에 나타내는 액정 렌즈부 (30) 와 동일한 구성으로 해도 된다. 이 경우에도, 요철부 (17) 는 NA 0.65 에 상당하는 유효 직경에만 형성되어, NA 0.65 영역의 파장 λ1 의 X 방향의 직선 편광 입사광을 BD 용 대물 렌즈 (5) 를 사용하여 커버 두께 0.60㎜ 의 HDDVD 광디스크의 정보 기록층에 집광할 때 발생하는 구면 수차를 보상함과 함께, 대물 렌즈와 광디스크의 간격을 확대시키도록, 인가 전압 (VP) 일 때, 액정 렌즈 소자에 의해 부의 파워 성분 (오목 렌즈 기능) 이 부여된 투과 파면을 발생시키는 요철부 (17) 로 이루어지는 프레넬 렌즈 형상으로 되어 있다.
또, 본 실시형태에서는 BD 용 대물 렌즈 (5) 와 액정 렌즈 (50) 가 액츄에이터 (7) 에 고정된 구성예를 설명하였지만, 액정 렌즈 (50) 를 액츄에이터 (7) 에 탑재하지 않고 콜리메이터 렌즈와 BD 용 대물 렌즈 (5) 사이의 광로 중의 고정부에 배치해도 된다. 이 경우, 액츄에이터 (7) 의 중량 부하가 경감된다고 하는 이점이 있다.
또한, 본 실시형태에서는 커버 두께 0.100㎜ 의 BD 광디스크에 대하여 설계된 BD 용 대물 렌즈를 사용하는 BD/HDDVD 호환 광헤드 장치의 예를 나타내었지만, 별도의 대물 렌즈를 사용해도 된다. 예를 들어, 대물 렌즈의 NA 0.65 영역은 파장 λ1 의 평행 입사광에 대하여 커버 두께 0.60㎜ 의 HDDVD 광디스크의 정보 기록층에 집광하도록 설계되고, 대물 렌즈의 NA 0.65 영역 외이면서 또한 NA 0.85 영역 내의 윤대 영역은 파장 λ1 의 평행 입사광에 대하여 커버 두께 0.100㎜ 의 BD 광디스크의 정보 기록층에 집광하도록 설계된 대물 렌즈를 사용한다. 이러한 대물 렌즈에 파장 λ1 의 평행광이 입사되면, NA 0.65 영역과 상기 윤대 영역에서는 집광점이 상이하여, NA 0.65 영역의 광속은 효율적으로 HDDVD 광디스크의 정보 기록층에 집광되기 때문에, HDDVD 광디스크의 안정된 기록ㆍ재생이 실현된다. 한편, NA 0.65 영역 외, 또한 NA 0.85 영역 내의 윤대 영역의 광속은 BD 광디스크의 정보 기록층에 집광되지만, NA 0.65 영역의 광속은 집광되지 않는다. 그래서, NA 0.65 영역의 광속이 상기 윤대 영역의 광속과 마찬가지로 BD 광디스크의 정보 기록층에 집광되도록, 액정 렌즈 소자를 사용하여, 커버 두께 0.100㎜ 의 BD 광디스크의 정보 기록층에 집광할 때에 발생하는 구면 수차를 보상하도록, 인가 전압 (VP) 일 때, 액정 렌즈 소자에 의해 정의 파워 성분 (볼록 렌즈 기능) 이 부여된 투과 파면을 발생시키는 요철부 (17 (17C, 17D)) 로 이루어지는 프레넬 렌즈 형상으로 하면 된다.
「예 1」
다음으로, 제 2 실시형태에 나타낸 본 발명의 액정 렌즈 소자 (30) 의 구체적인 실시예에 관해서 도 6 을 참조하면서 이하에 설명한다.
먼저, 이 액정 렌즈 소자 (30) 의 제작 방법에 관해서 설명한다.
(i) 투명 기판 (11) 인 유리 기판 상에 투명 도전막 (ITO 막) 을 형성하여, 제 1 투명 전극 (13) 으로 한다. 그 위에, Si 스퍼터 타겟과 Ar 가스에 산소 및 질소를 혼입한 방전 가스를 사용하는 스퍼터링법에 의해, 균일한 굴절률 nF (=1.49) 로 막두께 d(=3.0㎛) 의 SiOxNy 막을 형성한다.
그리고 포토마스크를 이용한 포토리소그래피법으로 레지스트를 패터닝한 후, 반응성 이온 에칭법에 의해 SiOxNy 막을 도 3 의 그래프 β 의 형상에 상당하도록 가공한다. 그 결과, 개구수 NA3=0.50 에 대응하는 유효 직경 2.65㎜ 의 영역에, 도 6 에 단면을 나타낸 것과 같은 프레넬 렌즈를 16 단의 계단 형상으로 근사시킨 요철부 (17) 를 가공한다. 그 후, 요철부 (17) 의 표면에 수직 배향막 (도시 생략) 을 막두께 약 50㎚ 형성한다.
(ii) 또한, 투명 기판 (12) 인 유리 기판 상에 투명 도전막 (ITO 막) 을 형성하여, 제 2 투명 전극 (14) 으로 한다. 그리고 그 위에, 수직 배향막 (도시 생략) 을 막두께 약 50㎚ 형성하고, X 축 방향으로 러빙 배향 처리해서 액정용 배향막으로 한다. 그리고, 투명 기판 (12) 의 제 2 투명 전극 (14) 측에, 직경 8㎛ 의 갭 제어재가 혼입된 접착재를 인쇄 패터닝하여 시일 (15) 로 하고, 투명 기판 (11) 과 포개어, 공셀을 제작한다. 그 후, 액정을 공셀의 주입구 (도시 생 략) 로부터 주입하고, 그 주입구를 막고 액정층 (16) 을 형성하여 액정 렌즈 소자 (10) 로 한다. 이 액정층 (16) 의 액정으로는, 상광 굴절률 no (=1.49) 및 이상광 굴절률 ne (=1.64) 에서 부의 유전 이방성 (Δε=ε//－ε⊥=－10) 을 갖는 네마틱 액정을 사용한다. 또한, 이 액정은, 전압 비인가시에 요철부 (17) 및 제 2 투명 전극 (14) 의 면에 수직으로 배향하고, 전압 인가와 함께 X 축 방향으로 액정 분자가 기울어져, 호모지니어스 배향에 가까워진다.
(iii) 이렇게 해서 얻어지는 액정 렌즈 소자 (10) 의 제 1 투명 전극 (13) 과 제 2 투명 전극 (14) 에 교류 전원을 접속하고, 직사각형 교류 전압 (V) 을 인가한다. 인가 전압 (V) 에 대하여 액정층 (16) 에 분배되는 인가 전압 (VLC) 의 비율 (VLC/V) 은, 도 4 에 나타내는 요철부 (17) 의 막두께 (dF) 및 액정층 (16) 의 층두께 (dLC) 에 따라서 (2) 식에 의해 관계가 형성되어, 요철부 (17) 로 이루어지는 프레넬 렌즈 형상에 대응한 전압 분포 (VLC) 가 생긴다. 그 결과, 편광 방향이 X 축 방향인 편광면을 갖는 직선 편광 입사광에 대하여, 요철부 (17) 의 막두께 (dF) 의 분포에 대하여 투명 전극 사이의 광로 길이차 (OPD) 가 (3) 식으로 기재되도록 분포한다. SiOxNy 막으로 이루어지는 요철부 (17) 의 막두께 (dF) 는 d 에서 제로까지 분포하고, 프레넬 렌즈 형상의 중심부 (dF=d) 에 대한 광로 길이차 (OPD) 는 제로에서 (4) 식의 OPD0 까지 분포한다.
여기서, 전압 비인가시 (V=V0=0) 의 액정층 (16) 은 n(0)=no 의 균일 굴절률층이 되어, 요철부 (17) 의 SiOxNy 막의 굴절률 nF 과 일치하기 때문에, 입사광의 파장 및 편광 상태에 상관없이 OPD 는 대략 제로가 된다. 즉, 투과 파면은 변화하지 않고 직진 투과한다.
한편, 투명 전극 사이의 인가 전압 (V) 을 증가시키면, 이상광 편광에 대한 (4) 식의 OPD0 는 변화하여, CD 용의 파장 λ3=790㎚ 에 대하여 OPD0 가 대략 λ3 이 되는 인가 전압 (VP) 이 존재한다. 따라서, 액정 렌즈 소자 (30) 에 입사되는 파장 λ3 의 이상광 편광은, 인가 전압 VO 와 VP 의 전환에 의해 파워 없음의 투과 파면과 도 3 의 β 에 상당하는 부의 파워의 발산광 투과 파면으로 전환된다.
파장 λ1=405㎚ 에서 초점 거리 2.40㎜ 의 BD 용 대물 렌즈를, 파장 λ3=790㎚ 에서 CD 광디스크에 사용하면, 최대 광로 길이차가 약 1.4λ3 이고, RMS 파면 수차가 약 437mλ3 에 상당하는 큰 구면 수차가 발생한다.
(iv) 그래서, 액정 렌즈 소자 (10) 를 사용하여 이 구면 수차를 보정하기 위해서, 인가 전압 (VP) 의 투과 파면이 전술한 표 1 에 나타내는 계수 a1∼a5 의 값을 사용하여 (1) 식으로 표기되는 도 3 의 그래프 α 에 상당하는 그래프 β 의 광로 길이차 (OPD) 가 되도록, 요철부 (17) 를 가공한다. 단, (1) 식의 광로 길이차 (OPD) 는 [㎛] 단위이고, r 은 [mm] 단위이다.
본 예에서는 프레넬 렌즈의 요철부 (17) 를 16단의 계단 형상에 의해서 근사시키고 있기 때문에, 직사각형 파형의 교류 실효 전압인 인가 전압 VP=3.8V 에서 (4) 식으로 기술되는 전극 사이의 광로 길이차 (OPD0) 가 대략 0.74㎛ 가 되도록, 요철부 (17) 의 두께가 d=3.0㎛ 이고 전극 간격 (G) 을 8㎛ 로 하고 있다.
파장 λ3=790㎚ 에서 인가 전압의 전환 VO, VP 에 있어서 발생하는 투과 파면의 생성 효율의 계산치는, 각각 100%, 98% 가 된다.
(v) 다음으로, 투명 기판 (31) 인 석영 유리 기판의 표면의 개구수 NA2=0.65 에 상당하는 유효 직경 3.2㎜ 의 영역에, 투명 기판 (31) 에서의 요철부의 1 단의 단차 d1 가 1.73㎛ 이고 6 레벨 5 단의 계단형 격자로 이루어지는 위상 보정면 (32) 을 형성한다. 유리 기판은 파장 λ1 에서 굴절률 1.47, 파장 λ2 및 파장 λ3 에서 굴절률 1.45 이고, 1 단의 위상차는 파장 λ1 에서 2.0λ1, 파장 λ2 에서 1.18λ2, 파장 λ3 에서 0.99λ3 이 된다. 따라서, 위상 보정면 (32) 을 투과하는 파장 λ2 의 투과광은 요철 형상에 따라서 파면 변화가 생기지만, 파장 λ1 및 파장 λ3 의 투과광의 파면 변화는 생기지 않는다.
전술한 BD 용 대물 렌즈를 파장 λ2=660㎚ 에서 DVD 광디스크에 사용하면, 최대 광로 길이차가 약 2.7λ2 이고, RMS (Root Mean Square) 파면 수차가 약 794m λ2 에 상당하는 큰 구면 수차가 발생한다.
그래서, 이 구면 수차를 보정하기 위해, 투과 파면이 전술한 표 2 에 나타내는 계수 a1∼a5 의 값을 사용하여 (1) 식으로 표기되는 도 3 의 그래프 α 에 상당하는 그래프 β 의 광로 길이차 (OPD) 가 되도록, 투명 기판 (31) 의 표면에 위상 보정면 (32) 을 가공한다.
(vi) 또한, 투명 기판 (31) 의 개구수 NA2=0.65 를 제외하고 개구수 NA1=0.85 를 포함하는 유효 직경 3.8㎜ 내지 4.2㎜ 에 상당하는 윤대 영역에, 깊이가 0.87㎛ 인 직사각형 단면 형상의 회절 격자 (18) 를 형성한다. 회절 격자의 단차의 위상차는 파장 λ1 에서 1.01λ1, 파장 λ2 에서 0.59λ2, 파장 λ3 에서 0.50λ3 이 된다. 따라서, 파장 λ1 의 광은 회절되는 일없이 직진 투과하지만, 파장 λ2 및 파장 λ3 의 광은 대부분이 회절되어서 직진 투과광은 15% 이하가 되고, 개구 제한 기능이 얻어진다.
(vii) 또, 투명 기판 (31) 의 타방의 면에 고분자 액정막으로 이루어지는 위상판 (33) 을 형성한다. 투명 기판 (31) 의 면 내에서 X 축에 대하여 45°의 각도를 이루는 방향으로 분자 배향한, 막두께 6.8㎛ 의 고분자 액정막으로 한다. 고분자 액정막의 복굴절률 Δn 을, 파장 λ1 에서 0.134, 파장 λ2 에서 0.122, 파장 λ3 에서 0.117 로 하면, 위상판 (33) 의 리터데이션값 (Rd) 은, 파장 λ1 에서 2.25λ1, 파장 λ2 에서 1.26λ2, 파장 λ3 에서 1.00λ3 이 된다. 따라서, 위상판 (33) 은 파장 λ1 및 파장 λ2 에서 1/4 파장판 상당이 되고, 파장 λ3 에서는 파장판으로서 기능하지 않는다.
(viii) 마지막으로, 투명 기판 (31) 의 위상판 (33) 의 형성된 면을 액정 렌즈 소자 (10) 에 접착 고정하여, 액정 렌즈 소자 (30) 로 한다. 그 결과, 제 2 실시형태에서 설명한 작용ㆍ효과가 얻어진다. 또한, 액정 렌즈 소자 (30) 를 제 3 실시형태에 있어서 설명한 도 9 에 나타내는 광헤드 장치 (40) 의 액츄에이터 (7) 에 탑재한다.
본 예에 의하면, 예를 들어 도 9 에 있어서, 광디스크 (D) 로 광이 집광되는 왕로에 있어서, 액정 렌즈 소자 (30) 가 오프 상태일 때, BD 의 파장 λ1 의 상광 편광 (편광 방향이 Y 축 방향의 편광면) 입사광에 대하여, 작동 거리 0.96㎜ 떨어진 커버 두께 0.1㎜ 의 BD 광디스크의 정보 기록층에 양호하게 집광할 수 있다. 또한, DVD 의 파장 λ2 의 상광 편광 입사광에 대하여, 작동 거리 0.68㎜ 떨어진 커버 두께 0.6㎜ 의 DVD 광디스크의 정보 기록층에 양호하게 집광할 수 있다. 그리고, 액정 렌즈 소자 (30) 가 온 상태일 때, CD 의 파장 λ3 의 이상광 편광(편광 방향이 Y 축 방향의 편광면) 입사광에 대하여, 작동 거리 0.60㎜ 떨어진 커버 두께 1.2㎜ 의 CD 광디스크의 정보 기록층에 양호하게 집광할 수 있다.
또한, 광디스크 (D) 에서의 반사광이 광검출기에 집광되는 복로에 있어서, 파장 λ1 및 파장 λ2 의 광은 액정 렌즈 소자 (30) 에 의해 이상광 편광으로 변환되어, 각 광검출기에 양호하게 집광한다. 파장 λ3 의 광은 이상광 편광인 채로 액정 렌즈 소자 (30) 를 출사하여, 광검출기에 양호하게 집광한다. 그 결과, BD 용 대물 렌즈 (5) 와 액정 렌즈 소자 (30) 를 사용하여, BD, DVD, 및 CD 3 종의 광디스크의 기록ㆍ재생이 실현된다.
「예 2」
다음으로, 제 1 실시형태에 나타낸 본 발명의 액정 렌즈 소자 (10) 의 구체적인 실시예에 관해서, 도 1 및 도 4 를 참조하면서 이하에 설명한다.
예 1 의 액정 렌즈 소자 (30) 에 있어서의 액정 렌즈 소자 (10) 와, 예 2 의 차이점은 다음의 2 가지 점이다. 즉, 요철부 (17) 로 이루어지는 프레넬 렌즈로서 SiOxNy 막 대신에 고분자 액정을 사용하고, 요철부 (17) 의 형상을 도 1 의 중심부가 볼록형인 프레넬 렌즈를 중심부가 오목형인 프레넬 렌즈로 한다. 또한, 액정층 (16) 의 액정으로서, 부의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정 대신에 정의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정을 사용한다.
여기서 고분자 액정은, 상광 굴절률 nFo (=1.52) 및 이상광 굴절률 nFe (=1.66) 에서, X 축 방향으로 분자 배향한 막두께 3.2㎛ 의 요철부 (17) 로 한다. 또한, 액정층 (16) 의 액정은, 상광 굴절률 no (=1.50) 및 이상광 굴절률 ne (=1.66) 에서, 유전 이방성 (Δε) 이 11 로서, 전압 비인가시의 액정 분자의 배향 방향을 고분자 액정과 동일한 X 축 방향으로 정렬한다. 고분자 액정으로 이루어지는 요철부 (17) 의 표면에는 배향막을 형성하지 않고, 고분자 액정의 표면을 직접 X 축 방향으로 러빙 처리함으로써, 전압 비인가시의 요철부 (17) 표면의 액정 분자의 배향이 X 축 방향으로 정렬되는 호모지니어스 배향으로 한다. 또한, 전압 인가와 함께 Z 축 방향으로 액정 분자가 기울어져, 수직 배향에 가까워진다.
상광 편광 및 이상광 편광에 대하여, 전압 비인가시 (V=V0=0) 의 액정층 (16) 의 실질적인 굴절률은, 요철부 (17) 의 굴절률과 대략 일치하기 때문에, 입사광의 파장 및 편광 상태에 상관없이, 요철부 (17) 의 막두께 (dF) 위치의 제 1 투명 전극 (13) 과 제 2 투명 전극 (14) 사이의 광로 길이와, 프레넬 렌즈 중심 위치 (dF=0) 의 광로 길이와의 광로 길이차 (OPD) 는 dF 의 값에 상관없이 대략 제로가 된다. 즉, 오프 상태의 액정 렌즈 소자 (10) 의 입사광은 투과 파면이 변화하지 않고 직진 투과한다.
한편, 투명 전극 사이의 인가 전압 (V) 을 증가시키면, 이상광 편광의 입사광에 대한 (4) 식의 OPD0 는 변화하여, CD 의 파장 λ3=790㎚ 에 대하여 OPD0 가 대략 λ3 이 되는 인가 전압 (VP) 이 존재한다. 따라서, 액정 렌즈 소자 (10) 에 입사되는 파장 λ3 의 이상광 편광은 인가 전압 V0 와 VP 의 전환에 의해, 파워 없음의 투과 파면과 도 3 의 β 에 상당하는 부의 파워의 발산광 투과 파면으로 전환된다. 따라서, 예 1 의 액정 렌즈 소자 (10) 의 부분과 동일한 작용ㆍ효과가 얻어진다.
다음으로, 이 액정 렌즈 소자 (10) 를 제 3 실시형태에 있어서 설명한 도 9 에 나타내는 액츄에이터 (7) 에 탑재한 광헤드 장치 (40) 에 관해서 설명한다. 여기서, BD 용 대물 렌즈 (5) 로서, 도 5 의 액정 렌즈 소자 (30) 의 DVD 용 위상 보정면 (32) 이 대물 렌즈의 표면에 형성된 DVD 호환 대응의 BD 용 대물 렌즈를 사용한다. 또한, 도 6 의 액정 렌즈 (30) 의 위상판 (33) 부분이 한 쌍의 투명 기판에 협지된 단일한 위상판 소자를, 합파 프리즘 (3) 과 콜리메이터 렌즈 (4) 사이의 광로 중에 배치한다.
이러한 구성으로 한 경우, 액정 렌즈 소자 (10) 에 입사되는 파장 λ1 및 파장 λ2 의 광은 원편광이 되지만, 오프 상태의 액정 렌즈 소자 (10) 는 입사 편광 상태에 상관없이 투과 파면 변화가 일어나지 않는다. 또한, 파장 λ3 의 광은 이상광 편광인 채로 온 상태의 액정 렌즈 소자 (10) 에 입사되어, 오목 렌즈 기능의 발산광 투과 파면으로 되어서 출사되기 때문에, 예 1 과 동일한 작용ㆍ효과가 얻어진다. 그 결과, DVD 호환 대응의 BD 용 대물 렌즈와 액정 렌즈 소자 (10) 를 사용하여 BD 와 DVD 와 CD 3 종의 광디스크의 기록ㆍ재생이 실현된다.
「예 3」
다음으로, 제 4 실시형태에 나타낸 본 발명의 액정 렌즈 소자 (50) 의 구체적인 실시예에 관해서, 도 10 을 참조하면서 이하에 설명한다.
제 1 액정 렌즈부 (50C) 와 제 2 액정 렌즈부 (50D) 는 예 1에서 상세히 설 명한 본 발명의 액정 렌즈 소자 (30) 와 동일한 구성으로 이루어지고, 단층 및 2 층 BD 광디스크의 수차 보정 소자로서 기능한다.
사용 목적의 상이에 따라서, 이하의 구성이 액정 렌즈 소자 (30) 와 다르다.
요철부 (17C 및 17D) 의 프레넬 렌즈는, 파장 405㎚ 의 굴절률 nF (=1.50) 이고 막두께 d (=1.5㎛) 인 SiOxNy 막으로 이루어지고, 대물 렌즈의 NA 에 트래킹시의 렌즈 시프트폭±0.3㎜ 를 부가한 유효 직경 φ=3.6㎜ 의 영역에 형성한다. 또한, 액정층 (16C, 16D) 의 액정으로는, 상광 굴절률 no (=1.50) 및 이상광 굴절률 ne (=1.66) 이고 부의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정을 사용하여, 액정층의 최대 두께가 6㎛ 가 되도록 갭 제어재를 사용한다. 여기서, 전압 인가시의 액정 분자의 배향 방향이 16C 와 16D 에서 직교하도록, 액정층에 접하는 계면에 배향 처리된 배향막이 형성되어 있다.
여기서, 요철부 (17C 및 17D) 의 형상은, 파장 405㎚ 의 입사광에 대하여 액정 렌즈 소자 (50) 가 온 상태 (인가 전압 (VP) =3.5V) 에서, 그 투과 파면이 표 3 에 나타내는 계수 a1∼a5 의 값을 사용하여 (1) 식으로 표기되는 광로 길이차 (OPD) 가 되도록 가공한다. 표 3 에 나타내는 계수는, 커버 두께 0.1㎜ 의 단층 BD 광디스크에 대하여 최소 수차가 되는 대물 렌즈를 커버 두께 0.075㎜ 인 2 층 BD 광디스크의 정보 기록면에 사용하였을 때, 대물 렌즈와 액정 렌즈 소자 (50) 와의 ±0.3㎜ 편심시도 포함하여, 발생 수차를 액정 렌즈 소자 (50) 에 의해 보정하도록 설계한 결과이다. 사용하는 대물 렌즈의 사양이 상이하면 그 계수치도 상이하다.
계수 값
a1 1.966152
a2 0.193135
a3 －0.335921
a4 0.330062
a5 －0.170476
a6 0.043338
a7 －0.004350
a8 0.000021
그 결과, 입사광의 편광 상태에 상관없이, 오프 상태 (전압 비인가) 에서는 액정 렌즈 소자 (50) 의 입사광의 투과 파면이 변화하지 않지만, 온 상태에서는 파장 405㎚ 에 대하여 볼록 렌즈 상당의 렌즈 기능에 의한 수속(收束) 투과 파면이 된다.
이렇게 해서 얻어지는 액정 렌즈 소자 (50) 를, 도 12 에 나타내는 BD 광디스크의 기록ㆍ재생용 광헤드 장치 (60) 에 탑재한다. 여기서, 대물 렌즈 (5) 는 커버 두께 0.1㎜의 단층 BD 광디스크에 대하여 최소 수차가 되도록 설계되어 있다. 여기서, 단층 및 2 층 BD 광디스크의 커버 두께 0.1㎜ 의 정보 기록면에 대한 기록ㆍ재생에 있어서, 액정 렌즈 소자 (50) 를 오프 상태에서 사용함으로써 액정 렌즈 소자 (50) 의 투과 파면은 불변하기 때문에, 안정된 기록ㆍ재생을 할 수 있다. 한편, 2 층 BD 광디스크의 커버 두께 0.075㎜ 의 정보 기록면에 대한 기록ㆍ재생에 있어서, 액정 렌즈 소자 (50) 를 온 상태에서 사용함으로써 커버 두께의 서로 다름에 기인하여 발생하는 수차가 유효하게 보정되기 때문에, 안정된 기록ㆍ재생을 할 수 있다.
액정 렌즈 소자 (50) 를 오프 및 온 상태에서, 커버 두께 0.1㎜ 및 0.075㎜ 의 정보 기록면에 대한 기록ㆍ재생을 실시하는 경우, 대물 렌즈 (5) 의 트래킹 시프트에 수반하여 발생하는 RMS 파면 수차의 계산 결과를 도 14 에 ● 및 ○ 로 나타낸다. 0.3㎜ 의 대물 렌즈 시프트에 대하여 17mλ1(rms) 이하의 안정된 수차레벨을 유지할 수 있다. 비교를 위해, 종래의 구면 수차만을 보정하는 액정 수차 보정 소자를 대물 렌즈와 별도 설치하여 사용했을 때의 RMS 파면 수차의 계산 결과를 도 14 에 흑색 사각형으로 나타낸다. 0.1㎜ 이상의 대물 렌즈 시프트에 대하여 60mλ1(rms) 이상의 수차가 발생하여, 이대로는 수차 보정 소자로서 기능하지 않는다.
「예 4」
다음으로, 제 4 실시형태에 나타낸 본 발명의 액정 렌즈 소자 (50) 의 다른 실시예로서, 단층 및 2 층 DVD 광디스크의 수차 보정 소자로서 사용하는 예에 대해서 이하에 기재한다.
사용 목적의 상이에 따라서, 이하의 구성이 예 3 의 액정 렌즈 소자 (50) 와 다르다.
요철부 (17C 및 17D) 의 프레넬 렌즈는, 파장 660㎚ 의 굴절률 nF (=1.49) 이고 막두께 d (=2㎛) 인 SiOxNy 막으로 이루어지고, 대물 렌즈의 NA 에 트래킹시의 렌즈 시프트폭±0.3㎜ 를 부가한 유효 직경 φ=4.6㎜ 의 영역에 형성한다. 또한, 액정층 (16C, 16D) 의 액정으로는, 상광 굴절률 no (=1.49) 및 이상광 굴절률 ne (=1.65) 이고 부의 유전 이방성을 갖는 네마틱 액정을 사용하여, 액정층의 최대 두께가 8㎛ 가 되도록 갭 제어재를 사용한다. 여기서, 전압 인가시의 액정 분자의 배향 방향이 16C 와 16D 에서 직교하도록, 액정층에 접하는 계면에 배향 처리된 배향막이 형성되어 있다.
여기서, 요철부 (17C 및 17D) 의 형상은, 파장 660㎚ 의 입사광에 대하여 액정 렌즈 소자 (50) 가 온 상태 (인가 전압 (VP) =3.5V) 에서, 그 투과 파면이 표 4 에 나타내는 계수 a1∼a5 의 값을 사용하여 (1) 식으로 표기되는 광로 길이차 (OPD) 가 되도록 가공한다. 표 3 에 나타내는 계수는, 커버 두께 0.59㎜ 의 광디스크에 대하여 최소 수차가 되는 대물 렌즈를 커버 두께 0.62㎜ 인 광디스크의 정보 기록면에 사용하였을 때, 대물 렌즈와 액정 렌즈 소자 (50) 와의 ±0.3㎜ 편심시도 포함하여, 발생 수차를 액정 렌즈 소자 (50) 에 의해 보정하도록 설계한 결과이다. 사용하는 대물 렌즈의 사양이 상이하면 그 계수치도 상이하다.
계수 값
a1 －0.735147
a2 －0.003162
a3 －0.000222
a4 0.000217
a5 －0.000021
그 결과, 입사광의 편광 상태에 상관없이, 오프 상태 (전압 비인가) 에서는 액정 렌즈 소자 (50) 의 입사광의 투과 파면이 변화하지 않지만, 온 상태에서는 파장 660㎚ 에 대하여 오목 렌즈 상당의 렌즈 기능에 의한 발산 투과 파면이 된다.
이렇게 해서 얻어지는 액정 렌즈 소자 (50) 를, 도 12 에 나타내는 BD 광디스크의 기록ㆍ재생용 광헤드 장치 (60) 에 탑재한다. 여기서, 대물 렌즈 (5) 는 커버 두께 0.59㎜의 광디스크에 대하여 최소 수차가 되도록 설계되어 있다. 여기서, 커버 두께 0.6㎜ 의 단층 DVD 광디스크 및 커버 두께 0.57㎜ 의 2 층 DVD 광디스크의 정보 기록면에 대한 기록ㆍ재생에 있어서, 액정 렌즈 소자 (50) 를 오프 상태에서 사용한다. 한편, 커버 두께 0.63㎜ 의 2 층 DVD 광디스크의 정보 기록면에 대한 기록ㆍ재생에 있어서, 액정 렌즈 소자 (50) 를 온 상태에서 사용한다.
액정 렌즈 소자 (50) 를 오프 및 온 상태에서, 커버 두께 0.57㎜에서 0.63㎜ 의 광디스크에 대하여 발생하는 RMS 파면 수차의 계산 결과를 도 15 에 ● 및 ○ 로 나타낸다. 예 3 과 마찬가지로, 대물 렌즈 (5) 의 트래킹 시프트에 수반되는 RMS 파면 수차의 증가는 미소하다. 따라서, 커버 두께 0.57㎜ 내지 0.605㎜ 의 광디스크에 대해서는 액정 렌즈 소자 (50) 를 오프 상태에서 사용함으로써 28mλ2(rms) 이하의 RMS 파면 수차가 유지되고, 커버 두께 0.605㎜ 내지 0.63㎜ 의 광디스크에 대해서는 액정 렌즈 소자 (50) 를 온 상태에서 사용함으로써 21mλ2(rms) 이하의 RMS 파면 수차가 된다. 그 결과, 단층 및 2 층 DVD 광디스크의 커버 두께의 서로 다름에 기인하여 발생하는 수차가 유효하게 보정되기 때문에, 안정된 기록ㆍ재생을 할 수 있다. 비교를 위해, 커버 두께 0.6㎜ 의 단층 DVD 광디스크용 대물 렌즈를 사용한 경우의 RMS 파면 수차의 계산 결과를 도 15 의 실선으로 나타낸다. 커버 두께 0.57㎜ 내지 0.63㎜ 의 광디스크에 대하여 최대 43mλ2(rms) 의 수차가 발생하여, 특히 2 층 DVD 광디스크의 안정된 기록ㆍ재생이 어렵다.
예 4 에서는, 커버 두께 0.59㎜ 와 0.62㎜ 의 광디스크에 대하여 최소 수차가 되는 대물 렌즈 (5) 와 액정 렌즈 소자 (50) 의 설계예를 나타내지만, 그 밖의 2 종의 커버 두께에 대하여 최소 수차가 되는 조합으로 해도 된다. 또, 본 발명은 상기 서술한 실시형태에 하등 한정되지 않고, 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 여러 형태로 실시할 수 있는 것이다.
본 발명의 액정 렌즈 소자는, 전압 비인가시에 있어서 입사광의 편광 상태에 상관없이 투과 파면 변화를 발생시키지 않음과 함께, 전압 인가시에 이상광 편광 파장의 입사광에 대하여 수차 보정 기능과 오목 렌즈 기능을 부여할 수 있다. 또, 본 발명의 액정 렌즈 소자를 대물 렌즈와 일체로 광헤드 장치에 탑재함으로써, 소형이며 안정적으로 복수의 광디스크의 기록ㆍ재생을 할 수 있는 광헤드 장치에 이용할 수 있다.
또한, 본 발명의 액정 렌즈 소자는, 단층 및 2 층의 정보 기록면을 갖는 광디스크의 기록ㆍ재생용 광헤드 장치에 있어서, 커버 두께의 서로 다름에 기인하여 발생하는 수차를 저감하는 수차 보정 소자로서 이용할 수 있다. 특히, 본 발명 의 액정 렌즈 소자를 대물 렌즈와 별도로 설치하여 광헤드 장치에 탑재해서 사용할 수 있기 때문에, 소형이며 안정적으로 복수의 광디스크의 기록ㆍ재생을 할 수 있는 광헤드 장치에 이용할 수 있다.
또, 2004년 7월 20일에 출원된 일본 특허출원 2004-211246호, 2004년 9월 29일에 출원된 일본 특허출원 2004-284752호의 명세서, 및 2005년 3월 4일에 출원된 일본 특허출원 2005-060597호의 특허 청구의 범위, 도면 및 요약서의 전체 내용을 여기에 인용하여, 본 발명의 명세서의 개시로서 도입한다.

Claims (6)

  1. 대향하는 한 쌍의 투명 기판과, 이 투명 기판에 액정이 협지된 액정층을 구비하고, 이 액정층에 인가하는 전압의 크기에 따라서 상기 액정층을 투과하는 광의 집광점을 변화시키는 액정 렌즈 소자에 있어서,
    상기 일방의 투명 기판의, 타방의 투명 기판과 대향하는 평탄면에 형성된 단면이 요철 형상으로 이루어지는 요철부를 갖는 프레넬 렌즈와,
    이 프레넬 렌즈가 형성된 상기 일방의 투명 기판의 프레넬 렌즈 하부의 평탄면 또는 상기 프레넬 렌즈의 요철부 표면에 형성된 제 1 투명 전극과,
    상기 타방의 투명 기판의, 상기 일방의 투명 기판과 대향하는 평탄면에 형성된 제 2 투명 전극을 구비하고,
    상기 액정층의 실질적인 굴절률 n(V) 은, 상기 제 1 투명 전극과 제 2 투명 전극 사이에 인가하는 전압 (V) 의 크기에 따라서, 이상광 (異常光) 편광의 입사광에 대해서는 전압 비인가시 (V=0) 인 오프 상태의 굴절률로부터 전압 인가시인 온 상태의 굴절률까지 변화함과 함께, 상광 (常光) 편광의 입사광에 대해서는 인가 전압의 크기에 상관없이 상광 굴절률 no 이고, 또한,
    다음의 (1) 내지 (3) 중 어느 하나의 요건을 만족하는 것을 특징으로 하며,
    (1) 상기 액정층은 유전 이방성이 부 (負) 인 네마틱 액정이고, 상기 오프 상태의 액정 분자의 배향 방향이 상기 프레넬 렌즈의 표면에 대하여 수직이거나 또 는 수직에 가까운 각도임과 함께,
    상기 프레넬 렌즈는, 굴절률 nF 이 상기 액정층의 상광 굴절률 no 과 동일하거나 또는 이것에 가까운 값의 균일 굴절률 재료로 이루어지는 요건,
    (2) 상기 액정층은 유전 이방성이 정 (正) 인 네마틱 액정이고, 상기 오프 상태의 액정 분자의 배향 방향이 상기 프레넬 렌즈의 표면에 대하여 평행하거나 또는 이것에 가까운 상태임과 함께,
    상기 프레넬 렌즈는, 액정층의 이상광 굴절률 ne (ne≠no) 과 동일하거나 또는 이것에 가까운 값의 이상광 굴절률 nFe 과 상기 액정층의 상광 굴절률 no 과 동일하거나 또는 이것에 가까운 값의 상광 굴절률 nFo (nFe≠nFo) 을 갖는 복굴절 재료로 이루어지는 요건, 또는
    (3) 상기 액정층은 유전 이방성이 정인 네마틱 액정이고, 상기 오프 상태의 액정 분자의 배향 방향이 상기 프레넬 렌즈의 표면에 대하여 평행하거나 또는 이것에 가까운 상태임과 함께,
    상기 프레넬 렌즈는, 상기 액정층의 이상광 굴절률 ne 과 동일하거나 또는 이것에 가까운 값의 균일 굴절률 재료로 이루어지고, 또한,
    상기 한 쌍의 투명 기판의 일방에는, 상기 오프 상태에서의 상기 액정 렌즈 소자로의 상광 편광의 입사광과 투과광 사이에서 발생하는 위상차를 상쇄하기 위한 편광 프레넬 렌즈가 형성되어 있는 요건인, 액정 렌즈 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    입사하는 3 개의 상이한 파장 λ1, λ2, λ3 (λ1＜λ2＜λ3) 에 관해서, 상기 한 쌍의 투명 기판의 적어도 일방의 기판에는, 1 단의 단차가 파장 λ1 및 파장 λ3 에 대해서는 파장의 정수배 또는 이것에 가까운 값의 광로 길이차이고 파장 λ2 에 대해서는 파장의 비정수배의 광로 길이차인, 복수의 단차로 이루어지는 위상 보정면이 형성되어 있는, 액정 렌즈 소자.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 한 쌍의 투명 기판의, 협지된 액정층과는 반대측의 평탄한 하나의 면의 주변부에 회절 격자가 형성되어 있는, 액정 렌즈 소자.
  4. 광원과, 이 광원으로부터의 출사광을 커버층의 두께가 상이한 광기록 매체에 집광하는 대물 렌즈와, 이 대물 렌즈에 의해 집광되고 상기 광기록 매체의 정보 기록층에서 반사된 광을 검출하는 광검출기를 구비한 광헤드 장치에 있어서,
    온 상태시에 발생하는 투과 파면을 변화시킴으로써 상기 광기록 매체에 대하여 발생하는 파면 수차를 보정하는 기능과 함께 대물 렌즈와 상기 광기록 매체와의 간격을 확대시키는 오목 렌즈 기능을 갖는 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 기재된 액정 렌즈 소자가, 상기 광원과 상기 대물 렌즈 사이의 광로 중에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는, 광헤드 장치.
  5. 파장 λ 의 광을 출사하는 광원과, 이 광원으로부터의 출사광을 광기록 매체에 집광하는 대물 렌즈와, 이 대물 렌즈에 의해 집광되고 상기 광기록 매체에 의해 반사된 광을 분파하는 빔 스플리터와, 상기 분파된 광을 검출하는 광검출기를 구비한 광헤드 장치에 있어서,
    상기 광기록 매체는 커버층의 두께가 상이한 2 층 이상의 복수의 정보 기록층을 갖고,
    상기 광원과 상기 대물 렌즈 사이의 광로 중에 제 1 항에 기재된 액정 렌즈 소자가 설치되고,
    상기 액정 렌즈 소자의 오프 상태와 온 상태의 인가 전압 전환에 의해, 상기 커버층의 두께가 상이한 정보 기록층에 대한 기록 및/또는 재생을 실시하는 것을 특징으로 하는, 광헤드 장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 액정 렌즈 소자는 제 1 액정 렌즈부와 제 2 액정 렌즈부로 이루어지고,
    제 1 및 제 2 액정 렌즈부는 모두, 상기 일방의 투명 기판의, 타방의 투명 기판과 대향하는 평탄면에 형성된 단면이 요철 형상이고 상기 액정층의 상광 굴절률 no 과 동일하거나 또는 이것에 가까운 값의 균일 굴절률 재료로 이루어지며 요철 부를 갖는 프레넬 렌즈와, 이 프레넬 렌즈가 형성된 상기 일방의 투명 기판의 평탄면에 형성된 제 1 투명 전극과, 상기 타방의 투명 기판의, 상기 일방의 투명 기판과 대향하는 평탄면에 형성된 제 2 투명 전극을 구비하며,
    상기 액정층은 유전 이방성이 부인 네마틱 액정이고, 상기 오프 상태의 액정 분자의 배향 방향이 상기 프레넬 렌즈의 표면에 대하여 수직이거나 또는 수직에 가까운 각도임과 함께,
    상기 액정층의 실질적인 굴절률 n(V) 은, 상기 제 1 투명 전극과 제 2 투명 전극 사이에 인가하는 전압 (V) 의 크기에 따라서, 이상광 편광의 입사광에 대해서는 전압 비인가시 (V=0) 인 오프 상태의 굴절률로부터 전압 인가시인 온 상태의 굴절률까지 변화함과 함께, 상광 편광의 입사광에 대해서는 인가 전압의 크기에 상관없이 상광 굴절률 no 이고, 온 상태에서의 상기 제 1 액정 렌즈부와 상기 제 2 액정 렌즈부의 액정층의 상광 굴절률 방향이 서로 직교하고 있는 것을 특징으로 하는, 광헤드 장치.
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