WO2005106571A1 - 液晶レンズ素子および光ヘッド装置 - Google Patents

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liquid crystal
refractive index
lens element
layer
voltage
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Yoshiharu Ooi
Yuzuru Tanabe
Hiromasa Sato
Takuji Nomura
Ryuichiro Shimizu
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Asahi Glass Company, Limited
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    • G11B7/1372—Lenses
    • G11B2007/13722—Fresnel lenses

Definitions

  • Liquid crystal lens element and optical head device Liquid crystal lens element and optical head device
  • the present invention relates to a liquid crystal lens element and an optical head device, and more particularly, to a liquid crystal lens capable of switching to a plurality of different focal lengths in accordance with switching of a plurality of applied voltages, and an optical recording device equipped with the liquid crystal lens.
  • the present invention relates to an optical head device used for recording and Z or reproducing information on a medium.
  • an optical recording medium (hereinafter, referred to as an "optical disk") having an information recording layer formed on a light incident side surface and a cover layer made of a transparent resin covering the information recording layer
  • an optical disk for CD or DVD is used.
  • Optical disks for personal computers are becoming widespread.
  • an optical head device used for recording and Z or reproducing (hereinafter referred to as “recording and reproducing”) information on the optical disk for DVD includes a semiconductor laser having a wavelength of 660 nm as a light source, and an NA (numerical aperture).
  • an objective lens of 0.6 to 0.65 is used.
  • an optical disk for DVD an optical disk having a single information recording layer and a cover thickness (thickness of the cover layer) of 0.6 mm (hereinafter, referred to as a “single-layer DVD optical disk”) and an information recording layer of two Optical discs with a layer (read-only or capable of reproducing and recording) (hereinafter referred to as “double-layer DVD optical disc”) have been developed.
  • the distance between the information recording layers is 55 ⁇ 15 / z m, and the information recording layer is formed at a position where the cover thickness on the light incident side is 0.63 mm from 0.56 mm.
  • optical head device used for recording and reproduction for a single-layer BD optical disc uses a semiconductor laser having a wavelength of 405 nm as a light source and an objective lens having a NA of 0.85.
  • cover thickness fluctuates ⁇ 5 m in the plane of the single-layer BD optical disc
  • a large spherical aberration of about 50 m ⁇ is generated as RMS (Root Mean Square) wavefront aberration, and the incident light on the information recording layer is collected. This is a problem because the performance is deteriorated.
  • double-layer BD optical disc a recordable two-layer optical disc having a cover thickness of 100 m or 75 m (hereinafter, referred to as a “double-layer BD optical disc”), a large spherical aberration caused by a difference in the cover thickness causes a writing error. This is a problem.
  • an optical head device 100 that performs recording and reproduction of an optical disk D as shown in FIG. See ref. 1).
  • the optical head device 100 includes a first and second movable lens groups 160 and 170 in addition to a light source 110, various optical systems 120, a light receiving element 130, a control circuit 140, and a modulation Z demodulation circuit 150. And.
  • the first movable lens group 160 includes a concave lens 161, a convex lens 162, and an actuator 163. By moving the convex lens 162 fixed to the actuator 163 in the optical axis direction, the first movable lens group 160 It exhibits a variable focal length lens function in which the power changes continuously from positive (convex lens) to negative (concave lens).
  • this movable lens group 160 when used, a pair of lenses 161 and 162 and an actuator 163 are required, which leads to an increase in the size of the optical head device 100 and a complicated mechanism design for moving the lenses. There was a problem.
  • This liquid crystal lens 200 is composed of a substrate 230 having a flat surface on which a transparent electrode 210 and an orientation film 220 are formed, and an axially symmetric, power series of radius r.
  • a nematic liquid crystal 270 sandwiched between a transparent electrode 240 and a substrate 260 on which an alignment film 250 is formed is provided on a curved surface having a surface shape S (r) described in (1).
  • the liquid crystal lens 200 when a voltage is applied between the transparent electrodes 210 240, the molecular orientation of the liquid crystal 270 changes, and the refractive index changes. As a result, the transmitted wavefront of the incident light of the liquid crystal lens 200 changes according to the refractive index difference between the substrate 260 and the liquid crystal 270.
  • the refractive index of the substrate 260 is equal to the refractive index of the liquid crystal 270 when no voltage is applied. Therefore, when no voltage is applied, the transmitted wavefront of the incident light does not change.
  • a voltage is applied between the transparent electrodes 210 and 240, a refractive index difference An occurs between the substrate 260 and the liquid crystal 270, and An XS (r) (where S (r) corresponds to equation (1)).
  • An optical path length difference distribution of the transmitted light occurs. Therefore, the surface shape S (r) of the substrate 260 should be processed so as to correct the spherical aberration generated due to the difference in the cover thickness of the optical disk D, and the refractive index difference An should be adjusted according to the applied voltage. This makes it possible to correct for the difference.
  • the change in the refractive index of the liquid crystal 270 with respect to the applied voltage is a maximum of about 0.3
  • the focus position (focal position) of the incident light is changed.
  • the unevenness of the surface shape S (r) must be increased.
  • the layer of the liquid crystal 270 becomes thicker, and the response speed of the change in the optical path length to the applied voltage becomes slow.
  • the liquid crystal lens 200 corrects only the spherical aberration excluding the power component. Since the aberration correction amount, that is, the optical path length difference distribution can be reduced, the liquid crystal layer can be made thinner, which is effective for high-speed response.
  • the surface shape S (r) of the substrate 260 is processed so as to correct only spherical aberration, the optical axis of the objective lens for condensing incident light on the information recording layer of the optical disc and the optical axis of the liquid crystal lens are eccentric. Then, coma occurs.
  • the tracking operation the objective lens moves about ⁇ 0. 3 mm in the radial direction of the optical de Isku, large aberration due to the eccentricity of the liquid crystal lens is generated, recorded and condensing of the information recording layer is deteriorated If reproduction is not possible, the following problem occurs.
  • an optical modulation element has been proposed as a liquid crystal lens for realizing a substantial lens function of changing a power component corresponding to a change in the focal position of incident light without increasing the thickness of the liquid crystal layer.
  • an optical head device using an optical modulation element has been proposed in order to correct spherical aberration caused by a difference in cover thickness between the DVD optical disk and the CD optical disk.
  • FIG. 14 shows the light modulation element 300.
  • the light modulation element 300 includes two substantially parallel transparent substrates 310 and 320 and a liquid crystal 330 sandwiched between the transparent substrates 310 and 320.
  • One of the transparent substrates 310 has a concentric blaze shape on the liquid crystal side.
  • An electrode 350 and an orientation film 360 are formed on the liquid crystal side surfaces of the two transparent substrates 310 and 320.
  • the liquid crystal 330 has an orientation direction substantially parallel to the transparent substrate when no electric field is applied, and an orientation direction substantially perpendicular to the transparent substrate when an electric field is applied.
  • one of the ordinary light refractive index n and the extraordinary light refractive index n of the liquid crystal 330 is ⁇ e of the transparent substrate.
  • ⁇ refractive index
  • ⁇ (depth of the concave and convex portion) (wavelength of light in a vacuum).
  • the refractive index of the liquid crystal 330 becomes ⁇ , which does not function as a Fresnel lens, and all light is transmitted.
  • two focal positions can be switched by switching the presence or absence of a voltage applied to the electrode 350 of the light modulation element 300.
  • an optical modulator 300 By mounting such an optical modulator 300 on an optical head device, it can be used for DVD and CD.
  • the light collecting property on the information recording layer of the optical discs having different cover thicknesses is improved.
  • recording and playback of DVD and CD optical discs can be performed using a DVD objective lens.
  • the cover thickness required for single-layer and double-layer DVD optical discs is 0.56mn! Spherical aberration generated at ⁇ 0.63mm could not be reduced to an RMS wavefront aberration level of 30m or less.
  • the spherical aberration generated when the cover thickness fluctuated ⁇ 5 m could not be reduced to the RMS wavefront aberration level of 50 m ⁇ or less.
  • the large spherical aberration generated according to the difference in the cover thickness cannot be sufficiently corrected, and if a write error occurs, the above problem cannot be solved.
  • Patent Document 1 JP 2003-115127 A
  • Patent Document 2 JP-A-5-205282
  • Patent Document 3 JP-A-9-230300
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and it is possible to realize a small-sized element having no movable part, and to switch a multi-valued focal length of three or more values according to an applied voltage. It is an object to provide a liquid crystal lens element having a lens function. In addition, by using this liquid crystal lens element, spherical aberration caused by the difference in cover thickness between the single-layer and double-layer optical discs is corrected, and the aberration deterioration due to the eccentricity with the objective lens does not occur.
  • the present invention includes a pair of transparent substrates facing each other, and a liquid crystal layer sandwiched between the transparent substrates, and a light transmitting through the liquid crystal layer according to a magnitude of a voltage applied to the liquid crystal layer.
  • a fresnel lens formed on a flat surface of one of the transparent substrates facing the other transparent substrate;
  • a first transparent electrode formed on the uneven surface of the Fresnel lens, and a second transparent electrode formed on a flat surface of the other transparent substrate facing the one transparent substrate,
  • the liquid crystal layer is substantially exposed to linearly polarized incident light having a specific wavelength ⁇ .
  • the refractive index n (V) changes from the refractive index n when no voltage is applied to a sufficiently saturated refractive index n (n ⁇ n) that does not fluctuate with a voltage change when a voltage is applied, and the Fresnel lens
  • Refractive index n is a value between the refractive indexes n and n, and the refractive index difference from the liquid crystal layer
  • liquid crystal lens element characterized in that a focal length exists corresponding to a specific applied voltage (an integer of 3 or more).
  • a transmitted wavefront corresponding to a concave lens and a convex lens and a transmitted wavefront having no wavefront change can be generated.
  • one with an infinite focal length is considered as one focal length.
  • the thickness d of the Fresnel lens is
  • the Fresnel lens is formed so as to satisfy the relational expression of
  • n (V) n + [(m-k) X (n n)] / m
  • M is represented by 2m + l, and the focal length corresponding to the M applied voltages V is M
  • a liquid crystal lens element characterized by being present is provided.
  • Patent Document 3 In the conventional Fresnel lens using a blazed substrate and a liquid crystal (Patent Document 3), only the switching of the binary focal length was limited, so the application range was limited, but it can be applied to a wider range of applications.
  • the present invention provides the above-mentioned liquid crystal lens element, wherein the Fresnel lens is approximated in a stepwise manner.
  • the thickness of the liquid crystal layer can be reduced while generating a power component corresponding to a large optical path length difference. .
  • high-speed focal length switching is realized.
  • the Fresnel lens is composed of a birefringent material, and the extraordinary refractive index of the birefringent material corresponds to the n, and the ordinary refractive index of the birefringent material is equal to the ordinary refractive index of the liquid crystal layer.
  • a light source that emits light having a wavelength
  • an objective lens that focuses the light emitted from the light source on an optical recording medium, and splits the light that is collected by the objective lens and reflected by the optical recording medium.
  • An optical head device including a beam splitter and a photodetector that detects the split light
  • An optical head device wherein the liquid crystal lens element is provided in an optical path between the light source and the objective lens.
  • an optical head device having such a liquid crystal lens element, an optical recording medium can be obtained.
  • spherical aberration including a power component generated due to a difference in cover thickness or a variation in cover thickness in the optical disc can be effectively corrected.
  • the objective lens is decentered with the liquid crystal lens element during tracking, the aberration is less deteriorated. Therefore, it is not necessary to mount the liquid crystal lens element on the actuator integrally with the objective lens.
  • restrictions on the arrangement of the liquid crystal lens element in the optical head device are reduced, and the light condensing property on the information recording surface is improved, and an optical head device capable of performing stable recording and reproduction is realized.
  • the optical recording medium has a cover layer that covers the information recording layer, and provides the above-described optical head device that records information and performs Z or reproduction on optical recording media having different thicknesses of the cover layer. .
  • a light source that emits light having a wavelength
  • an objective lens that focuses the light emitted from the light source on an optical recording medium, and splits the light that is collected by the objective lens and reflected by the optical recording medium.
  • the liquid crystal lens element is disposed in an optical path between the light source and the objective lens of an optical head device including a beam splitter and a photodetector that detects the split light.
  • M where M is an integer of 3 or more
  • specific applied voltages V are applied between transparent electrodes of a liquid crystal lens element.
  • the optical recording medium has a cover layer covering the information recording layer, and a liquid crystal lens element mounted on the optical head device for performing recording and Z or reproduction on an optical recording medium having a different thickness of the cover layer.
  • M an integer of 3 or more specific applied voltages V are applied between transparent electrodes.
  • a multi-level focal length variable liquid crystal lens capable of switching a transmission wavefront of three or more values according to an applied voltage can be realized. Since the liquid crystal is filled in the concave portion of the Fresnel lens or the concavo-convex portion having a cross-sectional shape approximating the Fresnel lens in a stepped shape, the thickness of the liquid crystal layer is increased while generating a power component corresponding to a large optical path length difference. Can be made thinner. Therefore, it has a lens function that leads to a high-speed response and enables spherical aberration correction including a stable power component according to the applied voltage, while miniaturization is possible without moving parts. Liquid crystal lens element can be provided.
  • an optical head device having such a liquid crystal lens element, a power component generated due to a difference in cover thickness between a single-layer optical disk and a dual-layer optical disk and a variation in cover thickness within an optical disk can be reduced. Spherical aberrations can be effectively corrected. In addition, even when the objective lens is decentered from the liquid crystal lens element during tracking, aberration degradation is small, and an optical head device capable of stable recording and reproduction is realized.
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a configuration of a liquid crystal lens element according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing a configuration of the liquid crystal lens element shown in FIG.
  • FIG. 3 is a graph showing an optical path length difference of a transmitted wavefront generated by the liquid crystal lens according to the first embodiment, where ⁇ is a graph in which the horizontal axis is radius r and the optical path length difference is expressed in wavelength units. . ⁇ is a graph obtained by subtracting an integer multiple of the ⁇ -force wavelength from the optical path length difference between ⁇ and zero. ⁇ is a graph showing an optical path length difference plane-symmetric with ⁇ with respect to a plane having no optical path length difference.
  • FIG. 4 is a side view showing an operation when an applied voltage to the liquid crystal lens element of the first embodiment is switched, and ( ⁇ ) shows a diverging transmitted wavefront when an applied voltage V is applied. ( ⁇ ) is applied voltage
  • the figure shows a transmitted wavefront with no wavefront change at pressure V.
  • (C) shows the convergent transmittance at the applied voltage V.
  • FIG. 5 is a longitudinal sectional view showing a configuration of a liquid crystal lens element according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a graph showing the optical path length difference of a transmitted wavefront generated by the liquid crystal lens according to the second embodiment, where ex is a graph in which the horizontal axis represents radius r and the optical path length difference is expressed in wavelength ⁇ units.
  • ⁇ 2 is a graph obtained by subtracting an integer multiple of the wavelength 2 ⁇ from a to obtain an optical path length difference between ⁇ 2 and zero.
  • ⁇ 81 is a graph showing an optical path length difference in which the optical path length difference of ⁇ 82 is halved.
  • y 1 is a graph showing an optical path length difference that is plane-symmetric with ⁇ 1 with respect to a plane having no optical path length difference.
  • ⁇ 2 is a graph showing an optical path length difference plane-symmetric with ⁇ 2 with respect to a plane having no optical path length difference.
  • FIG. 7 is an explanatory diagram showing an operation when the applied voltage to the liquid crystal lens element of the second embodiment is switched, and ( ⁇ ) shows a divergent transmitted wavefront when the applied voltage is V. ( ⁇ ) is applied voltage
  • the divergent transmitted wavefront at pressure V is shown.
  • (C) shows transparency without wavefront change at applied voltage V.
  • FIG. 8 is a longitudinal sectional view showing a configuration of a liquid crystal lens element according to a third embodiment of the present invention in which two liquid crystal lens elements are stacked so that the orientation directions of liquid crystal molecules are orthogonal to each other.
  • FIG. 9 is a configuration diagram showing an optical head device according to a fourth embodiment on which the liquid crystal lens element of the present invention is mounted.
  • FIG. 10 is a graph showing calculated values of wavefront aberration generated for DVD optical disks having different cover thicknesses, using an optical head device equipped with the liquid crystal lens element of the present invention.
  • FIG. 11 is a graph showing calculated values of wavefront aberration generated for BD optical discs having different cover thicknesses using an optical head device equipped with the liquid crystal lens element of the present invention.
  • FIG. 12 is a configuration diagram showing a conventional optical head device equipped with a movable lens group.
  • FIG. 13 is a longitudinal sectional view showing a configuration example of a conventional liquid crystal lens.
  • FIG. 14 is a longitudinal sectional view showing a configuration example of a conventional light modulation element (liquid crystal diffraction lens).
  • the liquid crystal lens element 10 includes transparent substrates 11 and 12, transparent electrodes 13 and 14, a seal 15, a liquid crystal (liquid crystal layer) 16, an uneven portion 17, and an AC power supply 18. I have.
  • the uneven portion 17 has a Fresnel lens or a shape approximating the Fresnel lens in a stepwise manner, is formed using a transparent material having a refractive index n, and has a region s having an effective diameter ⁇ .
  • a transparent material s having a refractive index of n is placed on one flat surface (the upper surface in FIG. 1) of the transparent substrate 11.
  • the concavo-convex portion 17 having a shape approximating the Fresnel lens or the Fresnel lens in a step shape is formed. Further, the first transparent electrode 13 is formed on the surface of the uneven portion 17.
  • an adhesive mixed with a gap control material is printed and patterned on the transparent substrate 12 to form a seal 15, and this transparent substrate 12 is formed.
  • 12 and the above-mentioned transparent substrate 11 are overlapped with each other so as to maintain a predetermined gap, and pressed to form an empty cell.
  • a nematic liquid crystal having an ordinary light refractive index n and an extraordinary light refractive index n (where n ⁇ ⁇ n) is injected from an injection port (not shown) provided in a part of the seal 15.
  • the liquid crystal 16 is injected, the injection port is sealed, the liquid crystal 16 is sealed in the cell to form a liquid crystal layer, and the liquid crystal lens element 10 of the present embodiment is obtained.
  • the shortest distance between the first transparent electrode 13 and the second transparent electrode 14 is 2 m or more in order to prevent a short circuit between the first transparent electrode 13 and the second transparent electrode 14 due to entry of foreign matter or the like into the liquid crystal layer. It is preferable to select a gap control material so that Further, it is preferable to form a transparent insulator film (not shown) with a thickness of about 10 to 200 nm on the surface of the second transparent electrode 14 to prevent short circuit.
  • the AC voltage of the rectangular wave is applied to the first and second transparent electrodes 13 and 14 of the liquid crystal lens element 10 in which the liquid crystal 16 is filled in at least the concave portions of the concave and convex portions 17 using the AC power supply 18.
  • the molecular orientation of the liquid crystal 16 changes, and the effective refractive index of the liquid crystal layer is changed to n (n
  • liquid crystal layer 16A the liquid crystal layer composed of liquid crystal 16 (this is called liquid crystal layer 16A)
  • the substantial refractive index means the average refractive index of the liquid crystal layer 16A sandwiched between the first transparent electrode 13 and the second transparent electrode 14 with respect to the polarization direction of the incident light, and (optical path length) ⁇ (liquid crystal layer Interval) Equivalent to.
  • the refractive index difference An (V) between the liquid crystal layer 16A and the concavo-convex portion 17 changes according to the magnitude of the applied voltage with respect to the specific linearly polarized incident light, and the wavefront of the light transmitted through the liquid crystal lens element 10 changes. Change.
  • the uneven portion 17 made of a transparent material may be made of an organic material such as an ultraviolet curing resin, a thermosetting resin, a photosensitive resin, or SiO, Al O, SiO N (where X, y Is the element ratio of O and N
  • the rate 0 ⁇ x ⁇ 2, 0 ⁇ y ⁇ l, and 0 + x + y. ) May be used. Further, a uniform refractive index material or a birefringent material may be used. In short, the polarization direction of the incident light where the refractive index of the liquid crystal layer 16A changes according to the applied voltage is between n and n, and
  • may be used.
  • the uneven portion 17 may be formed into an uneven shape by photolithography and reactive ion etching after a transparent material layer having a predetermined thickness is formed on the flat surface of the transparent substrate 11.
  • the shape of the uneven portion may be transferred to the transparent material layer by using.
  • the orientation direction of the molecules of the liquid crystal layer 16A filled in the concave portions of the concave and convex portions 17 is preferably uniform on the surfaces of the transparent electrodes 13 and 14 !.
  • the orientation of the nematic liquid crystal molecules in the liquid crystal layer 16A includes, for example, the following three types.
  • the orientation of the liquid crystal molecules may be aligned using an obliquely deposited silicon oxide film or a photo-alignment film.
  • V AC voltage
  • the refractive index of the liquid crystal layer 16A is substantially reduced with respect to the incident light of linearly polarized light having a plane of polarization in the X-axis direction.
  • the maximum depth d of the uneven portion 17 forming the transparent uneven electrode substrate surface can be set to a relatively small value.
  • the process of forming the concave and convex portions 17 is shortened, and the liquid crystal layer 16A can be made thin, which leads to a high-speed response.
  • an alignment film such as a polyimide in which the alignment direction of liquid crystal molecules is substantially perpendicular to the substrate surface is applied and cured.
  • an alignment film (not shown) of polyimide or the like in which the alignment direction of liquid crystal molecules is parallel to the substrate surface is applied and cured on the flat surface of the second transparent electrode 14, and then rubbed in the X-axis direction.
  • the alignment of the liquid crystal layer 16 A is defined by the alignment film on the substrate surface of the second transparent electrode 14, the alignment processing of the alignment film on the substrate surface of the first transparent electrode 13 is performed.
  • the alignment direction of the liquid crystal layer 16A is stable. As a result, it is possible to reduce the deterioration of the efficiency of transmitted light due to the poor orientation of the uneven substrate surface.
  • a liquid crystal having a negative dielectric anisotropy ⁇ where the orientation of the liquid crystal is aligned in a direction perpendicular to the electric field is used, and the liquid crystal is applied to the surfaces of the first and second transparent electrodes 13 and 14.
  • An orientation film (not shown) of polyimide or the like in which the orientation direction of the molecules is substantially perpendicular to the substrate surface is applied and cured. Further, only the alignment film of the second transparent electrode 14 is rubbed in the X-axis direction. As a result, the liquid crystal molecules are aligned vertically so that the alignment directions of the liquid crystal molecules are substantially perpendicular to the substrate surfaces of the transparent electrodes 13 and 14.
  • the maximum depth d of the concave-convex portions 17 forming the Fresnel lens can be made a relatively small value.
  • the process of forming the concave and convex portions 17 is shortened, and the liquid crystal layer 16A can be made thin, which leads to a high-speed response.
  • the alignment of the liquid crystal layer 16A is defined by the alignment film on the surface of the second transparent electrode 14, the alignment direction of the liquid crystal layer 16A can be maintained without the alignment treatment of the alignment film on the surface of the first transparent electrode 13. Stabilize. As a result, it is possible to reduce the deterioration of the efficiency of transmitted light due to poor alignment of the substrate surface.
  • the liquid crystal lens element 10 of the present invention is mounted on an optical head device to generate a transmitted wavefront that corrects spherical aberration caused by a difference in the cover thickness of an optical disc, and to generate an aberration with respect to eccentricity with an objective lens.
  • a transmitted wavefront to which a positive or negative power component is applied so as not to generate the light
  • the optical path length difference OPD of a ray passing through a position separated by a radius r is described by the following power series.
  • the horizontal axis represents the radius r
  • the vertical axis represents the optical path difference OPD in units of the wavelength ⁇ of the incident light
  • the graph ⁇ showing the optical path length difference which is obtained by dividing the graph (optical path length difference) indicated by ⁇ in FIG. 3 at intervals of the wavelength ⁇ and projecting it on the plane with zero optical path length difference, is substantially equivalent to Daraf ⁇ . is there.
  • the optical path length difference shown in graph Is in the range of - ⁇ force zero which is a Fresnel lens shape. This is the shape of the uneven portion 17 in the liquid crystal lens element 10 shown in FIG.
  • the concavo-convex portions 17 correspond to the liquid crystal layer 16 A having a substantial refractive index of n (V) and n (V).
  • the Fresnel lens or the Fresnel lens is processed into a step-like approximate cross-sectional shape so as to have an optical path length difference spatial distribution corresponding to the graphs ⁇ and ⁇ in FIG.
  • the average thickness of the liquid crystal layer 16A can be reduced by making the central portion of the uneven portion 17 convex. As a result, high-speed response is achieved and the amount of liquid crystal material used is reduced, which is preferable.
  • the refractive index ⁇ of the transparent material forming the uneven portion 17 is a value between ⁇ and ⁇ , and
  • the voltage value V ⁇ V ⁇ V always exists.
  • the uneven portion 17 is formed into a Fresnel shape or a shape in which the Fresnel lens is approximated by a ⁇ -step shape, and the maximum depth d of the uneven portion 17 is given by the following equation.
  • the plane waves of the linearly polarized light having the wavelength incident on the lens 10 are transmitted as the transmitted wavefronts shown in FIGS. 4 (A), (B) and (C), respectively. That is, a lens function corresponding to negative power, no power, and positive power is obtained according to the magnitude of the applied voltage to the first and second transparent electrodes 13 and 14.
  • the light is emitted as a transmitted wavefront corresponding to positive power and negative power.
  • the liquid crystal lens element 10 that generates the axially symmetric optical path length difference OPD described by the equation (3), the element structure and the operation principle have been described.
  • a liquid crystal element that generates an optical path length difference OPD corresponding to correction of axially asymmetric coma aberration and astigmatism other than the above formula can also be manufactured by processing uneven portions and filling the concave portions with liquid crystal according to the same principle.
  • the refractive index n (V) of the liquid crystal layer 16 changes to n according to the applied voltage V.
  • the concave and convex portions 17 are made of a transparent material having a refractive index of n with respect to the linearly polarized light of the incident light to be changed into 12. This s
  • the transparent material of the concavo-convex portion 17 used here may be a uniform refractive index material, or a birefringent material such as a polymer liquid crystal in which the molecular orientation directions are aligned in one direction within the substrate surface.
  • a birefringent material When a birefringent material is used, the extraordinary refractive index is set to n, the ordinary refractive index is made equal to the ordinary refractive index nso of the liquid crystal, and the direction of the extraordinary refractive index of the birefringent material is set to the orientation of the liquid crystal molecules in the liquid crystal layer 16. It is preferable to match the direction. With such a configuration, the ordinary light refractive index of the liquid crystal and the birefringent material is the same regardless of the magnitude of the applied voltage with respect to the incident light of ordinary light, and the transmitted light wavefront does not change.
  • the configuration has been described in which an AC voltage is applied to the liquid crystal layer 16 using two terminals of the first transparent electrode 13 and the second transparent electrode 14, both of which are solid electrodes.
  • a configuration may be employed in which at least one of the first transparent electrode 13 and the second transparent electrode 14 is spatially divided so that different AC voltages can be applied independently.
  • the spatially divided transparent electrode is used as a resistive film having a desired electric resistance, two or more feeding points are provided to apply an applied voltage distribution in a radial direction, and a voltage applied to the liquid crystal is adjusted in a radial direction.
  • a gradient distribution may be applied.
  • liquid crystal lens element 10 may be integrally formed with a phase plate, a diffraction grating, a polarization hologram beam splitter, a fixed fixed aberration correction surface, and the like.
  • a phase plate a diffraction grating
  • a polarization hologram beam splitter a fixed fixed aberration correction surface
  • FIG. 5 shows a configuration example of a liquid crystal lens element 20 according to the second embodiment of the present invention. This will be described in detail with reference to a side view. Note that, in this embodiment, the same parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and redundant description will be avoided.
  • ⁇ in FIG. 6 is a graph representing the optical path length difference OPD expressed by the equation (3), similarly to ⁇ in FIG.
  • the graph ⁇ 2 in FIG. 6 shows the optical path length difference obtained by dividing oc in FIG. 6 at intervals of twice the wavelength ⁇ (ie, 2 ⁇ ) and projecting the divided oc on a plane having an optical path length difference of zero.
  • the graph ⁇ 2 is substantially equivalent to the graph oc, and the optical path length differences shown in graph / 32 are all within 2 ⁇ (in the range from 2 ⁇ to zero in the figure), and the cross section is the Fresnel lens shape. Become.
  • the refractive index difference An (V) changes.
  • a transmitted wavefront having an optical path length difference is generated. This corresponds to a transmitted wavefront in which the optical path length difference shown in graph ⁇ 2 is halved with respect to a plane having an optical path length difference of zero, and also a transmitted wavefront in which the optical path length difference in graph OC is halved.
  • the optical path length differences shown in the graph j81 are all within the range (the range from ⁇ to zero in the figure).
  • a long difference transmitted wavefront occurs. This corresponds to a transmitted wavefront having an optical path length difference symmetric to the plane of the graph ⁇ 2 with respect to a plane having no optical path length difference, and also corresponds to a transmitted wavefront obtained by doubling the optical path length difference shown in the graph ⁇ 1.
  • the uneven portion 17B is illustrated when the substantial refractive index of the liquid crystal layer 16B is n (V) and n (V).
  • the Fresnel lens or the Fresnel lens is processed to have a step-like approximate cross-sectional shape so as to have an optical path length difference spatial distribution corresponding to the graph ⁇ 2 and the graph ⁇ 2 in FIG.
  • the refractive index ⁇ of the uniform refractive index transparent material forming the uneven portion 17B is a value between ⁇ and ⁇ , and
  • the uneven portion 17B has a Fresnel lens shape, and the maximum depth d of the uneven portion 17B satisfies the expression (5).
  • the Fresnel lens shape of the concavo-convex portion 17 is approximated in N steps by a step-like shape in which the height of (N ⁇ 1) steps is equal, the maximum depth d of the concavo-convex portion 17 Is
  • ⁇ is 8 or more. That is,
  • FIGS. 7 (A), (B), (C), (D) The light is emitted as the transmitted wavefront shown in (E). That is, a lens function corresponding to two types of negative power, no power, and two types of positive power is obtained according to the voltage applied to the transparent electrodes 13 and 14.
  • the liquid crystal lens element emits a transmitted wavefront corresponding to negative power.
  • the optical path length difference OPD obtained by dividing the optical path length difference OPD indicated by the graph ⁇ in FIG. 6 corresponding to m 2 in the equation (2) at intervals of twice the wavelength ⁇ .
  • the transmitted wavefront corresponds to the optical path length difference OPD obtained by dividing a in FIG. 3 at three times the wavelength ⁇ .
  • liquid crystal lens element 30 according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. Note that, in the present embodiment, the same portions as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and redundant description will be avoided.
  • the liquid crystal lens element 30 of the present embodiment includes a first liquid crystal lens element 10A, a second lens element 10B, and an AC power supply 18 for applying an AC voltage to these elements.
  • the first and second liquid crystal lens elements 10A and 10B are configured such that two liquid crystal lens elements 10 according to the first embodiment are vertically stacked with two concave and convex portions 17 facing each other (however, And the transparent substrate 11 is common).
  • the first (second) liquid crystal lens element ⁇ ( ⁇ ) is composed of the transparent substrate 11 on which the second transparent electrode 14A (14B) is formed, the uneven portion 17C (17D) and the surface thereof.
  • the liquid crystal 16 is provided in a gap between the first transparent electrode 13A (13B) and the transparent substrate 12A (12B) on which the first transparent electrode 13A (13B) is formed.
  • a transparent material having a refractive index of n is used on the flat surface of each of the transparent substrates 12A and 12B.
  • the concave and convex portions 17C and 17D having a shape approximating the Fresnel lens or the Fresnel lens stepwise are formed.
  • Each of these concave and convex portions 17C and 17D is processed into the same concave and convex shape having rotational symmetry with respect to the optical axis (Z axis) of the incident light.
  • the first transparent electrodes 13A and 13B are formed on the surfaces of the concave and convex portions 17C and 17D, respectively.
  • the second transparent electrodes 14A and 14B are formed on both surfaces of the transparent substrate 11.
  • seals 15A and 15B are formed on each of the transparent substrates 12A and 12B by printing an adhesive mixed with a gap control material. Then, the transparent substrates 12A and 12B and the transparent substrate 11 are overlapped with each other so that the rotational symmetry axes of the concave and convex portions 17C and 17D coincide with each other, and pressed to produce an empty cell. After that, the liquid crystal 16 is injected by the injection port (not shown) provided in a part of the seal, and the injection port is sealed to seal the liquid crystal 16 in the cell to form the liquid crystal layers 16C and 16D. And the liquid crystal lens element 30. In addition, the first transparent electrodes 13A and 13B are made conductive to form a common electrode, and the second transparent electrodes 14A and 14B are made conductive to form a common electrode.
  • an AC power supply 18 applies a rectangular wave AC voltage between the common electrodes. Then, the molecular orientation of the liquid crystal layers 16C and 16D changes according to the magnitude of the applied voltage V, and the substantial refractive index of the liquid crystal layers 16C and 16D changes to n forces. As a result, the refractive index difference ⁇ () between the liquid crystal layers 16C and 16D and the uneven portions 17A and 17B
  • V changes, and the wavefront of the transmitted light with respect to the incident light changes.
  • the configuration and operation of the first and second liquid crystal lens elements 10A and 10B shown in FIG. 8 are the same as those of the liquid crystal lens 10 shown in FIG. 1 when no force voltage is applied or when a voltage is applied.
  • the difference lies in that the in-plane components of the orientation direction of the liquid crystal molecules are orthogonal to each other in the liquid crystal layer 16C and the liquid crystal layer 16D.
  • the liquid crystal lens element of this embodiment is used, for example, as shown in (A), (B), and (C) of FIG. A lens function with power, no power, and positive power is obtained.
  • the transmitted wavefronts of the first and second liquid crystal lens elements 10A and 10B do not change even for the linearly polarized light components in which the refractive indexes of the liquid crystal layers 16C and 16D change accordingly.
  • the polarization direction of which is orthogonal to that of the liquid crystal layer 1 regardless of the magnitude of the applied voltage is the ordinary refractive index n. It becomes.
  • the transmitted wavefront of the first and second liquid crystal lens elements 10A and 10B undergoes a certain change corresponding to the difference between the ordinary light refractive index n of the liquid crystal 16 and the ordinary light refractive index of the material of the uneven portions 17C and 17D. .
  • the birefringence material such as a polymer liquid crystal having an ordinary light refractive index equal to the ordinary light refractive index of the liquid crystal layers 16C and 16D is formed as the concave and convex portions 17C and 17D, so that the respective directions of the ordinary light refractive indices are formed.
  • the transmitted wavefront of the liquid crystal lens element 20 can be prevented from changing at the applied voltage V.
  • an optical head device 40 used for recording and reproduction of an optical disk for DVD equipped with the liquid crystal lens element 10 (see FIG. 1) according to the first embodiment of the present invention will be described. I do.
  • a phase plate 7 and a liquid crystal lens element 10 are provided on the optical path between the collimator lens 4 and the objective lens 5 in addition to the optical detector 6 and the photodetector 6.
  • the phase plate 7 is preferably integrated with the liquid crystal lens element 10 because the number of components can be reduced.
  • FIG. 9 shows a configuration example in which the liquid crystal lens element 10 is arranged in the optical path between the collimator lens 4 and the objective lens 5, but is arranged in the optical path between the semiconductor laser 1 and the objective lens 5. Just do it.
  • the linearly-polarized light emitted from the semiconductor laser 1 and having a polarization plane in the plane of the paper of FIG. 9 and having a wavelength ⁇ generates three beams for tracking by the diffraction grating 2. And this 3 bee
  • the beam is reflected by the beam splitter 3, collimated by the collimator lens 54, and enters the liquid crystal lens element 10. Then, the light transmitted through the liquid crystal lens element 10 becomes circularly polarized by the phase plate 7 corresponding to the 1Z4 wavelength plate with respect to the wavelength, and is condensed by the objective lens 5 onto the information recording layer of the optical disc D for DVD.
  • the objective lens 5 is movable in the X-axis direction and the Z-axis direction by an actuator (not shown) for focus servo and tracking servo.
  • the light reflected by the reflection surface of the optical disk D again passes through the objective lens 5 and the phase plate 7, becomes linearly polarized light having a polarization plane perpendicular to the paper surface, passes through the liquid crystal lens element 10, and is transmitted by the collimator lens 4. Some of the light passes through the beam splitter 3 and is collected on the light receiving surface of the photodetector 6.
  • the objective lens 5 Since the objective lens 5 is designed so that aberration is minimized with respect to the single-layer optical disc D having a cover thickness of 0.60 mm, an AC voltage is applied between the electrodes of the liquid crystal lens element 10 during recording and reproduction of the single-layer optical disc D. Apply V. At this time, the liquid crystal lens element 10 (see Fig. 1)
  • the objective lens 5 efficiently focuses the light on the information recording layer having a cover thickness of 0.60 mm.
  • an AC voltage V is applied between the electrodes so that the transmitted wavefront of the liquid crystal lens element 10 becomes a slightly converging spherical wave.
  • the transmitted wave front has a positive power, that is, a transmitted lens equivalent to a convex lens, as shown in FIG. That is, the objective lens 5 efficiently focuses the light on the information recording layer having a cover thickness of 0.57 mm.
  • the transmitted wavefront has a negative power, ie, a concave lens equivalent, as shown in FIG. That is, the objective lens 5 efficiently collects light on the information recording layer having a cover thickness of 0.63 mm.
  • the liquid crystal lens element 10 not only corrects the spherical aberration generated due to the difference in the cover thickness of the optical disk D, but also corresponds to the change in the focal position.
  • the function of switching the power component can be added. Therefore, even when the liquid crystal lens element 10 is used separately from the objective lens 5 and the objective lens 5 moves in the radial direction of the optical disk D during tracking and decenters with the liquid crystal lens element 10, aberrations are deteriorated. Almost no. As a result, stable recording and reproduction can be realized as compared with a conventional liquid crystal element that corrects only spherical aberration.
  • an optical head device 40 equipped with a liquid crystal lens element 10 that operates on a single-layer or double-layer DVD optical disc using a semiconductor laser having a wavelength ⁇ of 660 nm as a light source will be described.
  • the same action and effect can be obtained with an optical head device equipped with a liquid crystal lens element that operates on single-layer and two-layer BD optical discs using a semiconductor laser with a wavelength of 405 nm as the light source. .
  • liquid crystal lens element 20 of the second embodiment shown in FIG. 5 is used instead of the liquid crystal lens element 10, five types of transmitted wavefronts can be switched, so that an optical disc having a different cover thickness or More precise aberration correction can be performed for aberrations caused by variations in the cover thickness in the optical disk.
  • liquid crystal lens element 30 of the third embodiment shown in FIG. 8 is used instead of the liquid crystal lens element 10, a correction action can be provided not only for the polarized light on the outward path but also the polarized light orthogonal to the return path.
  • the light collecting property to the photodetector is also improved.
  • SiON is formed on a glass substrate as the transparent substrate 11 by a sputtering method.
  • the SiON film is processed by a reactive ion etching method.
  • the concave and convex portion 17 as shown in the cross section in FIG. 1 in which the Fresnel lens is approximated in eight steps is processed.
  • a transparent conductive film (ITO film) is formed on the surface of the concavo-convex portion 17, and this is used as the first transparent electrode 13. Further, a polyimide film (not shown) is applied on the first transparent electrode 13 so as to have a thickness of about 50 nm, and then baked, and the surface of the polyimide film is subjected to a rubbing alignment treatment in the X-axis direction to form an alignment film.
  • a transparent conductive film (ITO film) was formed as a second transparent electrode 14 on a glass substrate as the transparent substrate 12, and a polyimide film (not shown) was applied thereon to a thickness of about 50 nm.
  • the surface of the polyimide film is subjected to rubbing alignment treatment in the X-axis direction to form an alignment film for liquid crystal.
  • an adhesive mixed with a gap controlling material having a diameter of 8 m is printed thereon to form a seal 15, a seal 15 is formed thereon, and the transparent substrate 11 is overlaid and pressed, whereby the first transparent electrode 13 and the second transparent electrode 13 are pressed. Create an empty cell with a maximum distance of 8 ⁇ m and a minimum of 2.5 ⁇ m from the electrode 14.
  • liquid crystal 16 is injected from an injection port (not shown) of the empty cell, and the injection port is sealed to form a liquid crystal layer 16A, thereby obtaining the liquid crystal lens element 10 shown in FIG.
  • the transmitted wavefront changes according to the distribution.
  • ⁇ 660 nm
  • the maximum optical path length difference is about 0.15
  • the RMS wavefront aberration is equivalent to about 43 ⁇ ⁇ [rms].
  • Spherical aberration occurs.
  • the concavo-convex portion 17 is processed so as to obtain the optical path difference OPD of the graph j8 corresponding to a.
  • the optical path length difference OPD in equation (3) is in [ ⁇ m] units, and r is in [mm] units.
  • the coefficient al corresponds to a power component
  • a2 to a5 correspond to spherical aberration components. Therefore, the optical path length difference of the graph ⁇ generated by the liquid crystal lens element 10 includes a power component and a spherical aberration component.
  • n (V) is, as described above,
  • the calculated values of the transmission wavefront generation efficiency shown in Fig. 4 (C) are 95%, 100%, and 95%, respectively.
  • the incident light is efficiently focused on the information recording layer by the objective lens 5.
  • the transmitted wavefront generated according to the applied voltages V, V 1, V 2 of the liquid crystal lens element 10 is used for an optical disc having a cover thickness of 0.56 mm to 0.64 mm, the remaining R
  • Figure 10 shows the calculation results of MS wavefront aberration.
  • the applied voltage is V_
  • the cover thickness is in the range from 0.585 mm to 0.615 mm
  • the applied voltage is V.
  • the residual RMS wavefront aberration is reduced to about 20m ⁇ [rms] or less.
  • an optical head device capable of performing stable recording and reproduction of single-layer and double-layer DVD optical discs D is realized.
  • the liquid crystal lens element 30 includes first and second liquid crystal lens elements 10A and 10B. These liquid crystal lens elements 10A and 10B are manufactured in the same manner as the liquid crystal lens element 10 shown in Example 1. Is done.
  • the liquid crystal lens element 30 of the present example is mounted on an optical head device for recording and reproducing single-layer and double-layer BD optical discs using laser light in a wavelength band of 405 nm, and is generated according to a difference in the cover thickness of the optical disc. It is used for the purpose of correcting aberration. Accordingly, the element configurations of the first and second liquid crystal lens elements 10A and 10B are different from the liquid crystal lens element 10 of the first embodiment.
  • the maximum depth of 17D is d.
  • a SiON film which is a transparent film having a uniform refractive index is used.
  • the area of effective diameter ⁇ ( 4.0 mm) In the region, 17C and 17D corresponding to the concave and convex portions 17B whose cross section is shown in FIG. 5, which approximates the Fresnel lens shape by 16 steps, are processed.
  • the liquid crystal layer 16C aligns the liquid crystal molecules in the X-axis direction
  • the liquid crystal layer 16D aligns the liquid crystal molecules in the Y-axis direction.
  • the distance between the first transparent electrode and the second transparent electrode of the first and second liquid crystal lens elements 10A and 10B is 8 ⁇ m at the maximum and 2.1 ⁇ m at the minimum.
  • the first transparent electrodes 13A and 13B and the second transparent electrodes 14A and 14B of the liquid crystal lens element 30 thus obtained are respectively connected, and an AC power supply 18 is provided between the first and second transparent electrodes.
  • NAO.85 and a focal length of 1.882 mm are designed so that aberration is zero.
  • the maximum optical path length difference is approximately 0.43
  • the RMS wavefront aberration is equivalent to approximately 125 m [rms] Yes Spherical aberration occurs.
  • the first liquid crystal lens element 10A causes linearly polarized light that oscillates in the Y-axis direction and travels in the z-axis direction.
  • the second liquid crystal lens element 10B corrects this spherical aberration, so that no voltage is applied.
  • the transmitted wavefront at the time of addition is expressed by equation (3) using the values of coefficients a to a shown in Table 2.
  • the irregularities 17C and 17D are added so that the optical path difference OPD of the graph ⁇ 2 corresponding to the graph ⁇ is obtained.
  • the optical path length difference OPD in equation (3) is in [ ⁇ m] units, and r is in [mm] units.
  • V which is the refractive index difference between the liquid crystal layer 16C and the uneven portion 17D for the linearly polarized light, and the refractive index difference between the liquid crystal layer 16D and the uneven portion 17D for the linearly polarized light that vibrates in the Y-axis direction and travels in the z-axis direction.
  • an uneven portion having the same cross-sectional shape as the uneven portion 17D is processed on the surface of the transparent substrate 12B (not shown).
  • the calculated values of the transmission wavefront generation efficiencies shown in (Bb), 7 (C), 7 (D), and 7 (E) are 95%, 98%, 100%, 98%, and 95%, respectively.
  • the objective lens 5 is designed so that aberration is minimized with respect to an optical disk having a cover thickness of 87.5 m.
  • the light is focused on a surface with a cover thickness of 101.5 m.
  • the calculated value of the remaining RMS wavefront aberration is 20 m ⁇ [rms] or less, and recording and reproduction of single-layer and double-layer BD optical disc D with a cover thickness of 100 ⁇ m are performed. it can.
  • the calculated value of the remaining RMS wavefront aberration is less than 20 m [rms], and recording / reproducing of a two-layer BD optical disc D with a cover thickness of 75 m can be performed.
  • the transmitted wavefront generated according to the applied voltages V 1, V 2, V 1, V 2 and V 3 of the liquid crystal lens element 30 is used. If you have
  • Figure 11 shows the calculation results of the remaining RMS wavefront aberration.
  • the applied voltage is V when the cover thickness is in the range of 77 ⁇ m to 84 ⁇ m.
  • the applied voltage is V.
  • RMS wavefront aberration is reduced to about 35m [rms] or less.
  • the voltage applied to the liquid crystal lens element 30 is switched between V, V, V, V, and V.
  • an optical head device capable of performing stable recording and reproduction of the single-layer and double-layer optical discs D for BD is realized.
  • eccentricity with the liquid crystal lens element 30 occurs. Does not occur.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiments, but can be embodied in various forms without departing from the gist thereof.
  • the liquid crystal lens element of the present invention can be used as a focal length switching lens in which the focal length switches among three, five, or seven values in accordance with the magnitude of the applied voltage.
  • it can be used as a liquid crystal lens element for correcting spherical aberration including a generated power component in recording and Z or reproduction of an optical disc having a single layer and two information recording layers having different cover thicknesses.
  • the liquid crystal lens element is provided. Since aberration does not occur even when the lens element and the objective lens are decentered, restrictions on arrangement are reduced, and the present invention can be applied to an optical head device capable of recording and Z or reproducing a small and stable optical disk.
  • the entire contents of the specification, claims, drawings and abstract of the present patent application No. 2004-136075 filed on Apr. 30, 2004 are cited here, and the specification of the present invention is disclosed. It is something to take in.

Abstract

　可動部のない小型の素子が実現可能であるとともに、印加電圧に応じて３値以上の多値焦点距離の切り替えができるレンズ機能を有する液晶レンズ素子を提供する。 　一対の透明基板１１、１２に挟持された液晶１６に印加する電圧に応じて液晶１６を透過する光の焦点距離を変化させる液晶レンズ素子１０であって、フレネルレンズ形状の凹凸部１７と、液晶層１６Ａとを有し、液晶層１６Ａの屈折率ｎが電圧非印加時の屈折率ｎ１から電圧印加時の屈折率ｎ２まで変化し、凹凸部１７の屈折率ｎｓが屈折率ｎ１とｎ２の間の値であるとともに所定の関係を満たし、凹凸部１７の最大深さｄが所定の関係を満たすときに、一定条件下での液晶層６Ａへの印加電圧値の切り替えにより焦点距離が切り替わるように構成した。

Description

液晶レンズ素子および光ヘッド装置
技術分野
[0001] 本発明は、液晶レンズ素子および光ヘッド装置に係り、特に複数の印加電圧の切り 替えに応じて複数の異なる焦点距離に切り替えることができる液晶レンズおよびこの 液晶レンズを搭載した、光記録媒体への情報の記録および Zまたは再生に使用する 光ヘッド装置に関する。
背景技術
[0002] 光入射側の面に形成された情報記録層と、この情報記録層を覆う透明樹脂からな るカバー層を有する光記録媒体 (以後、「光ディスク」という）として、 CD用光ディスク や DVD用光ディスクなどが普及している。また、この DVD用光ディスクへの情報の 記録および Zまたは再生（以下、「記録，再生」という）に用いる光ヘッド装置には、光 源として波長が 660nm帯の半導体レーザと、 NA (開口数）が 0. 6力ら 0. 65までの 対物レンズなどが用いられて 、る。
[0003] 従来、 DVD用光ディスクとして、情報記録層が単層でカバー厚 (カバー層の厚さ） が 0. 6mmの光ディスク（以下、「単層 DVD光ディスク」という）と、情報記録層が 2層 の（再生専用または再生および記録可能な)光ディスク（以下、「2層 DVD光ディスク 」という）が開発されている。この 2層 DVD光ディスクでは情報記録層の間隔が 55± 1 5 /z mであり、光入射側のカバー厚が 0. 56mm力ら 0. 63mmの位置に情報記録層 が形成されている。
[0004] ところで、カバー厚が 0. 6mmの単層 DVD光ディスクに対して収差が最小となるよ うに最適設計された対物レンズを有する光ヘッド装置を用いて、 2層 DVD光ディスク の記録'再生する場合、カバー厚の相違に応じて球面収差が発生し、情報記録層へ の入射光の集光性が劣化する。特に、記録型の 2層 DVD光ディスクにおいて、集光 性の劣化は記録時の集光パワー密度の低下をもたらし、書き込みエラーを招くため 問題となる。
[0005] また、近年、光ディスクの記録密度を向上させるため、カバー厚が 100 mの光デ イスク（以下、「単層 BD光ディスク」とよぶ）が開発されている。この単層 BD光ディスク 用の記録 '再生に用いる光ヘッド装置は、光源として波長が 405nm帯の半導体レー ザと、 NAが 0. 85の対物レンズなどが用いられる。この場合、単層 BD光ディスクの面 内でカバー厚が ± 5 m変動すると、 RMS (Root Mean Square)波面収差として約 50m λの大きな球面収差が発生し、情報記録層への入射光の集光性が劣化するた め問題となる。
さらに、カバー厚が 100 mと 75 mの記録型の 2層光ディスク（以下、「2層 BD光 ディスク」とよぶ）においては、カバー厚の相違に応じて発生する大きな球面収差が 書き込みエラーを招くため、問題となる。
[0006] 従来、このような光ディスク等のカバー厚の相違に起因して発生する球面収差を補 正する手段として、可動レンズ群や液晶レンズを用いる方法が知られている。
[0007] (I)例えば、可動レンズ群を用いて球面収差補正を行うために、図 12に示すような、 光ディスク Dの記録'再生を行う光ヘッド装置 100が提案されている（例えば、特許文 献 1参照)。
この光ヘッド装置 100は、光源 110と、各種の光学系 120と、受光素子 130と、制御 回路 140と、変調 Z復調回路 150とのほかに、第 1、第 2の可動レンズ群 160、 170と を備えている。第 1の可動レンズ群 160は、凹レンズ 161と、凸レンズ 162と、ァクチュ エータ 163とを備えており、ァクチユエータ 163に固定された凸レンズ 162を光軸方 向に移動することにより、可動レンズ群 160のパワーが正（凸レンズ）から負（凹レンズ )へと連続的に変わる焦点距離可変レンズ機能を発現する。
[0008] この可動レンズ群 160は、光ディスク Dの光路中に配置することにより、光ディスク D のカバー厚の異なる情報記録層に入射光の焦点を合わせることができるため、パヮ 一成分を含む球面収差の補正が可能となる。
ところが、この可動レンズ群 160を用いた場合、一対のレンズ 161、 162とァクチュ エータ 163が必要となり、光ヘッド装置 100の大型化を招くとともに、レンズを可動さ せるための機構設計が複雑になるといった問題があった。
[0009] (II)また、 DVD用光ディスクと CD用光ディスクのカバー厚の相違に起因して発生 する球面収差を補正するために、図 13に示すような液晶レンズ 200を用いた光へッ ド装置も提案されている (例えば、特許文献 2参照)。
この液晶レンズ 200は、平坦な一面に透明電極 210および配向フィルム 220が形 成された基板 230と、軸対称で半径 rのべキ級数である次式
S i,r) = a r + a r + a r + · · · · · · (1)
1 2 3
但し、 r2 = x2+y2
a a
1 2 3
で記述される表面形状 S (r)を有する曲面に、透明電極 240と配向フィルム 250が形 成された基板 260とにより、狭持されるネマティック液晶 270とを備えた構成となって いる。
[0010] ところで、この液晶レンズ 200は、透明電極 210 240間に電圧が印加されると、液 晶 270の分子配向が変化し、屈折率が変わる。その結果、基板 260と液晶 270の屈 折率差に応じて、液晶レンズ 200の入射光の透過波面が変化する。
ここで、基板 260の屈折率は電圧非印加時の液晶 270の屈折率に等しい。従って 、電圧非印加時には入射光の透過波面は変化しない。一方、透明電極 210 240間 に電圧を印加すると、基板 260と液晶 270とに屈折率差 Anが発生し、 An X S (r) ( 但し、 S (r)は（1)式参照）に相当する透過光の光路長差分布が生じる。従って、光デ イスク Dのカバー厚の相違に起因して発生する球面収差を補正するように基板 260 の表面形状 S (r)を加工し、印加電圧に応じて屈折率差 Anを調整することにより収 差補正が可能となる。
[0011] ところ力 図 13に記載の液晶レンズ 200の場合、印加電圧に対する液晶 270の屈 折率変化は最大 0. 3程度であるため、入射光の集光位置 (焦点位置)を変化させる ノ 成分に相当する大きな光路長差分布 Δη Χ S (r)を発生させるためには、表面 形状 S (r)の凹凸差を大きくしなければならない。その結果、液晶 270の層が厚くなり 、印加電圧に対する光路長変化の応答速度が遅くなる。特に、単層および 2層の DV D光ディスクや BD光ディスクの記録 ·再生にお!/、て、カバー厚のばらつきや単層と 2 層の記録層の切り替えにおいて発生する波面収差の補正には 1秒以下の応答性が 必要となるため、問題であった。
[0012] また、この液晶レンズ 200は、パワー成分を除いた球面収差のみを補正することに より、収差補正量すなわち光路長差分布を低減できるため、液晶層を薄くでき、高速 応答化に有効である。しかし、球面収差のみを補正するように基板 260の表面形状 S (r)を加工した場合、光ディスクの情報記録層に入射光を集光する対物レンズの光軸 と液晶レンズの光軸とが偏心した時、コマ収差が発生する。特に、対物レンズが光デ イスクの半径方向に ±0. 3mm程度移動するトラッキング動作時に、液晶レンズとの 偏心に伴う大きな収差が発生し、情報記録層への集光性が劣化して記録 ·再生がで きな 、と 、つた問題が生じる。
[0013] (III)ところで、液晶層を厚くすることなく入射光の焦点位置変化に相当するパワー 成分も変化する実質的なレンズ機能を発現するための液晶レンズとして、光変調素 子が提案されている（例えば、特許文献 3参照)。また、この DVD用光ディスクと CD 用光ディスクのカバー厚の相違に起因して発生する球面収差を補正するために、光 変調素子を用いた光ヘッド装置も提案されている。図 14に光変調素子 300を示す。 この光変調素子 300は、略平行な 2つの透明基板 310、 320と、その間に狭持され る液晶 330とを備えており、一方の透明基板 310の液晶側の面が同心円状のブレー ズ形状を有する凹凸部 340とされ、 2つの透明基板 310、 320の液晶側の面に電極 3 50および配向膜 360が形成されている。また、液晶 330は、電界非印加時には配向 方向が透明基板に対して略平行であり、電界印加時には配向方向が透明基板に対 して略垂直である。
[0014] ここで、液晶 330の常光屈折率 n、異常光屈折率 nのいずれか一方が透明基板の ο e
ブレーズ形状を有する凹凸部 340の屈折率にほぼ等しい構成とすることにより、電界 非印加時と電界印加時で、液晶 330と凹凸部 340との屈折率差力 Δη(=η 一 η ) e o 力もゼロまで変化する。例えば、凹凸部 340の屈折率が nであって、この凹凸部 340 の深さを、 ΔηΧ (凹凸部の深さ） = (真空中の光の波長）とすることにより、光変調素 子 300は、電圧非印加時にはほぼ 100%の回折効率が得られるフレネルレンズとし て機能する。一方、電圧印加時には液晶 330の屈折率が ηとなり、フレネルレンズと して機能せず、光はすべて透過する。その結果、光変調素子 300の電極 350に印加 する電圧の有無を切り替えることにより、 2つの焦点位置を切り替えることができる。こ のような光変調素子 300を光ヘッド装置に搭載して用いることにより、 DVD用と CD用 でカバー厚の異なる光ディスクの情報記録層への集光性が改善される。その結果、 DVD用の対物レンズを用 V、て、 DVD用と CD用の光ディスクの記録 ·再生ができる。
[0015] 従って、光変調素子 300を用いることにより、印加電圧有無の切り替えにより 2値の 焦点切り替えはできる力 その中間域の焦点への切り替えは困難であった。その結 果、単層および 2層 DVD光ディスクで必要とされるカバー厚 0. 56mn！〜 0. 63mm で発生する球面収差を 30m 以下の RMS波面収差レベルに低減できな力つた。ま た、単層および 2層 BD光ディスクにおいても、カバー厚が ± 5 m変動するとき発生 する球面収差を 50m λ以下の RMS波面収差レベルに低減できな力つた。その結果 、カバー厚の相違に応じて発生する大きな球面収差が充分補正できず、書き込みェ ラーを招くと 、つた問題が解消できな 、。
特許文献 1 :特開 2003— 115127号公報
特許文献 2：特開平 5 - 205282号公報
特許文献 3：特開平 9 - 230300号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0016] 本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、可動部のない小型の素子が実現可 能であるとともに、印加電圧に応じて 3値以上の多値焦点距離の切り替えができるレ ンズ機能を有する液晶レンズ素子を提供することを目的とする。また、この液晶レンズ 素子を用いることにより、単層および 2層の光ディスクにおけるカバー厚の相違に起 因して発生する球面収差を補正し、対物レンズとの偏心に伴う収差劣化が生じない、 安定した記録および Ζまたは再生ができる光ヘッド装置を提供することを目的とする 課題を解決するための手段
[0017] 本発明は、対向する一対の透明基板と、この透明基板間に挟持された液晶層とを 備え、この液晶層に印加する電圧の大きさに応じて前記液晶層を透過する光の集光 位置を変化させる液晶レンズ素子にぉ 、て、
一方の透明基板の、他方の透明基板と対向する平坦面に形成されたフレネルレン ズと、 このフレネルレンズの凹凸状の表面に形成された第 1の透明電極と、 前記他方の透明基板の、前記一方の透明基板と対向する平坦面に形成された第 2 の透明電極とを備え、
前記液晶層を挟む第 1の透明電極と第 2の透明電極との間に印加する電圧 Vの大 きさに応じて、特定波長 λを有する直線偏光の入射光に対する前記液晶層の実質 的な屈折率 n(V)が、電圧非印加時の屈折率 nから電圧印加時の電圧変化に伴う 変動のない十分に飽和した屈折率 n (n≠n )まで変化し、かつ、前記フレネルレン
2 1 2
ズの屈折率 nが前記屈折率 nと nの間の値であって、前記液晶層との屈折率差 | n s 1 2
— n Iおよび I n— n Iのうち小さい方の値を δ nとするときに、前記フレネルレン
I s 2 s
ズの厚さ dが d≥0.75X λΖδηの関係を満たすように形成され、
第 1の透明電極と第 2の透明電極との間に印加する電圧 Vのうち、 Μ個（但し、 Μは
3以上の整数)の特定の印加電圧にそれぞれ対応して焦点距離が存在することを特 徴とする液晶レンズ素子を提供する。
[0018] これにより、印加電圧 Vに応じて液晶層の実質的な屈折率 n(V)が変化し、 d≥0.7
5X λΖδηの関係式を満たすようにフレネルレンズを形成することにより、凹レンズ および凸レンズに相当する透過波面と波面変化のない透過波面が生成できる。ここ で、焦点距離が無限大のものも 1つの焦点距離と考える。
[0019] また、前記液晶レンズ素子において、前記フレネルレンズの屈折率 ηおよび ηと η s 1 2 との間で、 I η—η I ≤ I η—η Iの関係式を満たすとともに、
I s 2 s
前記フレネルレンズの厚さ dが、
(m-O.25) X λ ≤ I n -n I Xd≤ (m+O.25) X λ ---(2)
1 s
(ただし、 m=l、 2または 3)
の関係式を満たすように前記フレネルレンズが形成され、かつ、
前記特定の印加電圧 Vを印加したときに前記液晶層の屈折率 n(V )が次式
k k
n(V )=n + [(m-k) X (n n )]/m
k 1 s i
(ただし、 kは一 m≤k≤mを満たす整数）
の関係を満たすときに、
前記 Mは 2m+lで表わされ、その M個の印加電圧 Vに対応して焦点距離が M個 存在することを特徴とする液晶レンズ素子を提供する。
[0020] これにより、フレネルレンズの厚さ dが（2)式を満たすことにより、 3値以上の透過波 面切り替えができる多値焦点距離可変液晶レンズが実現する。即ち、印加電圧 Vの
k 切り替えに応じて、 m= lの場合は 3値、 m= 2の場合は 5値、 m= 3の場合は 7値の 焦点距離の切り替えができる。その結果、従来のブレーズ形状基板と液晶を用いた フレネルレンズ (特許文献 3)では、 2値の焦点距離の切り替えのみであったため適用 範囲に制限があつたが、より広範な応用に適用できる。
また、前記フレネルレンズが階段状に近似されて ヽる上記の液晶レンズ素子を提供 する。
フレネルレンズまたはフレネルレンズを階段形状で近似した断面形状を有する凹凸 部の凹部に液晶を充填しているため、大きな光路長差に相当するパワー成分を発生 しながらも液晶層の厚さを薄くできる。その結果、高速の焦点距離切替が実現する。 換言すれば、可動部がなく小型化が可能でありながら、印加電圧に応じて安定した パワー成分を含む球面収差補正ができるレンズ機能を有する液晶レンズ素子を提供 できる。
また、前記フレネルレンズは複屈折材料カゝら構成され、複屈折材料の異常光屈折 率が前記 nに対応し、複屈折材料の常光屈折率が前記液晶層の常光屈折率に等し
V、上記の液晶レンズ素子を提供する。
また、前記フレネルレンズが、 SiO N (ここで 0≤x≤2、 0≤y≤lおよび 0く x+yで ある）から構成されている上記請求項 1、 2または 3に記載の液晶レンズ素子を提供す る。
また、波長えの光を出射する光源と、この光源からの出射光を光記録媒体に集光 する対物レンズと、この対物レンズにより集光され前記光記録媒体により反射された 光を分波するビームスプリッタと、その分波された光を検出する光検出器とを備えた 光ヘッド装置において、
前記光源と前記対物レンズとの間の光路中に、上記の液晶レンズ素子が設置され て!、ることを特徴とする光ヘッド装置を提供する。
[0021] このような液晶レンズ素子を備えた光ヘッド装置とすることにより、光記録媒体であ る単層および 2層光ディスクにおいて、カバー厚の相違あるいは光ディスク内のカバ 一厚ばらつきに起因して発生するパワー成分を含む球面収差を有効に補正できる。 また、対物レンズがトラッキング時に液晶レンズ素子と偏心が生じた場合でも収差劣 化が少な 、ため、液晶レンズ素子を対物レンズと一体でァクチユエータに搭載する必 要がない。その結果、液晶レンズ素子の光ヘッド装置における配置上の制約が軽減 されるとともに、情報記録面への集光性が向上し、安定した記録 '再生ができる光へ ッド装置が実現する。
[0022] 前記光記録媒体は、情報記録層を覆うカバー層を有し、このカバー層の厚さが異 なる光記録媒体に情報の記録および Zまたは再生を行う上記の光ヘッド装置を提供 する。
また、波長えの光を出射する光源と、この光源からの出射光を光記録媒体に集光 する対物レンズと、この対物レンズにより集光され前記光記録媒体により反射された 光を分波するビームスプリッタと、その分波された光を検出する光検出器とを備えた 光ヘッド装置の前記光源と前記対物レンズとの間の光路中に、上記の液晶レンズ素 子が設置されていて、液晶レンズ素子の透明電極間に M個（但し、 Mは 3以上の整 数)の特定の印加電圧 Vが印加されて用いられる光ヘッド装置の使用方法を提供す
k
る。
さらに、前記光記録媒体は情報記録層を覆うカバー層を有し、このカバー層の厚さ が異なる光記録媒体への記録および Zまたは再生を行う上記の光ヘッド装置に搭載 した液晶レンズ素子の透明電極間に M個（但し、 Mは 3以上の整数)の特定の印加 電圧 Vが印加されて用いられる光ヘッド装置の使用方法を提供する。
k
発明の効果
[0023] 本発明によれば、印加電圧に応じて 3値以上の透過波面切り替えができる多値焦 点距離可変液晶レンズが実現できる。し力も、フレネルレンズまたはフレネルレンズを 階段形状で近似した断面形状を有する凹凸部の凹部に液晶を充填しているため、 大きな光路長差に相当するパワー成分を発生しながらも液晶層の厚さを薄くできる。 従って、高速応答につながるとともに、可動部がなく小型化が可能でありながら、印 加電圧に応じて安定したパワー成分を含む球面収差補正ができるレンズ機能を有す る液晶レンズ素子を提供できる。
[0024] また、このような液晶レンズ素子を備えた光ヘッド装置とすることにより、単層および 2層光ディスクにおけるカバー厚の相違および光ディスク内のカバー厚ばらつきに起 因して発生するパワー成分を含む球面収差を有効に補正できる。また、トラッキング 時に対物レンズが液晶レンズ素子と偏心が生じた場合でも収差劣化が少ないため、 安定した記録，再生ができる光ヘッド装置が実現する。
図面の簡単な説明
[0025] [図 1]本発明に係る第 1の実施形態の液晶レンズ素子の構成を示す縦断面図。
[図 2]図 1に示す液晶レンズ素子の構成を示す横断面図。
[図 3]第 1の実施形態に係る液晶レンズにより生成される透過波面の光路長差を示す グラフであって、 αは、横軸を半径 rとし光路長差を波長え単位で表記したグラフ。 β は α力 波長えの整数倍を差し引いた、— λ以上ゼロ以下の光路長差としたグラフ 。 Ίは光路長差ゼロの面に対して βと面対称な光路長差を示すグラフ。
[図 4]第 1の実施形態の液晶レンズ素子への印加電圧を切り替えたときの作用を示す 側面図であって、（Α)は印加電圧 V のときの発散透過波面を示す。 (Β)は印加電
+ 1
圧 Vのときの波面変化のない透過波面を示す。（C)は印加電圧 V のときの収束透
0 - 1 過波面を示す。
[図 5]本発明に係る第 2の実施形態の液晶レンズ素子の構成を示す縦断面図。
[図 6]第 2の実施形態の液晶レンズにより生成される透過波面の光路長差を示すダラ フであって、 exは横軸を半径 rとし光路長差を波長 λ単位で表記したグラフ。 β 2は aから波長 2 λの整数倍を差し引き、 - 2 以上ゼロ以下の光路長差としたグラフ。 ι8 1は ι8 2の光路長差を半分にした光路長差を示すグラフ。 y 1は光路長差ゼロの面 に対して β 1と面対称な光路長差を示すグラフ。 γ 2は光路長差ゼロの面に対して β 2と面対称な光路長差を示すグラフ。
[図 7]第 2の実施形態の液晶レンズ素子への印加電圧を切り替えたときの作用を示す 説明図であって、（Α)は印加電圧 V のときの発散透過波面を示す。（Β)は印加電
+ 2
圧 V のときの発散透過波面を示す。（C)は印加電圧 Vのときの波面変化のない透
+ 1 0
過波面を示す。（D)は印加電圧 V のときの収束透過波面を示す。（Ε)は印加電圧 V のときの収束透過波面を示す。
-2
[図 8]液晶分子の配向方向が互いに直交するように 2つの液晶レンズ素子が積層され た本発明の第 3の実施形態の液晶レンズ素子の構成を示す縦断面図。
[図 9]本発明の液晶レンズ素子を搭載した第 4の実施形態の光ヘッド装置を示す構 成図。
[図 10]本発明の液晶レンズ素子が搭載された光ヘッド装置を用い、カバー厚の異な る DVD光ディスクに対して発生する波面収差の計算値を示すグラフ。
[図 11]本発明の液晶レンズ素子が搭載された光ヘッド装置を用い、カバー厚の異な る BD光ディスクに対して発生する波面収差の計算値を示すグラフ。
[図 12]可動レンズ群が搭載された従来の光ヘッド装置を示す構成図。
[図 13]従来の液晶レンズの構成例を示す縦断面図。
[図 14]従来の光変調素子 (液晶回折レンズ)の構成例を示す縦断面図。
符号の説明
[0026] 10、 20、 30 液晶レンズ素子
11、 12、 12A、 12B 透明基板
13、 13A、 13B 第 1透明電極
14、 14A、 14B 第 2透明電極
15、 15A、 15B シール
16 液晶
16A、 16B、 16C、 16D 液晶層
17、 17Aゝ 17Bゝ 17C、 17D 凹凸咅
18 交流電源
131、 141 電極
40 光ヘッド装置
D 光ディスク
発明を実施するための最良の形態
[0027] 以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。
[第 1の実施形態] 本発明の第 1の実施形態に係る液晶レンズ素子 10の構成例について、図 1に示す 側面図と図 2に示す平面図を参照しながら、詳細に説明する。
本実施形態の液晶レンズ素子 10は、透明基板 11、 12と、透明電極 13、 14と、シ ール 15と、液晶（液晶層） 16と、凹凸部 17と、交流電源 18とを備えている。
[0028] このうち、凹凸部 17は、フレネルレンズまたはフレネルレンズを階段状で近似した形 状を有するものであり、屈折率 nの透明材料を用いて形成しており、有効径 φの領域 s
では入射光の光軸 (Z軸）に関して回転対称性を有する。
[0029] 次に、この液晶レンズ素子 10の作製手順の一例について、以下に説明する。
はじめに、透明基板 11の一方の平坦面（図 1では上面）に、屈折率 nの透明材料 s
により、フレネルレンズまたはフレネルレンズを階段状で近似した形状の凹凸部 17を 形成する。さらに、この凹凸部 17の表面に第 1透明電極 13を形成する。
[0030] 一方、透明基板 12に第 2透明電極 14を形成した後、この透明基板 12に、ギャップ 制御材が混入された接着材を印刷パターユングしてシール 15を形成し、この透明基 板 12と前述の透明基板 11とが所定の間隙を保持するようにして重ね合わせ、圧着し て空セルを作製する。次に、シール 15の一部に設けられた注入口（図示せず)から 常光屈折率 nおよび異常光屈折率 n (但し、 n≠n )を有するネマティック型の液晶 o e o e
16を注入し、この注入口を封止して液晶 16をセル内に密封して液晶層を形成し、本 実施形態の液晶レンズ素子 10とする。また、液晶層内への異物等の混入による第 1 透明電極 13と第 2透明電極 14との短絡を防止するため、第 1透明電極 13と第 2透明 電極 14との最短間隔が 2 m以上となるよう、ギャップ制御材を選定することが好まし い。さらに、第 2透明電極 14の表面に透明絶縁体膜（図示せず)を膜厚 10〜200nm 程度成膜し、短絡防止とすることが好ましい。
[0031] このようにして、凹凸部 17の少なくとも凹部に液晶 16が充填された液晶レンズ素子 10の第 1、第 2透明電極 13、 14に、交流電源 18を用いて矩形波の交流電圧を印加 することにより、液晶 16の分子配向が変化し、液晶層の実質的な屈折率が n力も n (
1 2 n ≠n )まで変化する。ここで、液晶 16からなる液晶層（これを液晶層 16Aとよぶ）の
1 2
実質的な屈折率とは、入射光の偏光方向に対する第 1透明電極 13と第 2透明電極 1 4により狭持された液晶層 16Aの平均屈折率を意味し、（光路長） ÷ (液晶層間隔）に 相当する。その結果、入射光の特定の直線偏光に対し、印加電圧の大きさに応じて 液晶層 16Aと凹凸部 17の屈折率差 An (V)が変化し、液晶レンズ素子 10の透過光 の波面が変化する。
[0032] ここで、透明材料からなる凹凸部 17は、紫外線硬化榭脂ゃ熱硬化榭脂、感光性榭 脂などの有機材料でもよいし、 SiOや Al Oや SiO N (但し、 X, yは Oと Nの元素比
2 2 3
率を示し、 0≤x≤2, 0≤y≤lおよび 0く x+yである。）などの無機材料でもよい。ま た、均一屈折率材料、または複屈折材料でもよい。要は、印加電圧に応じて液晶層 1 6Aの屈折率変化が生じる入射光の偏光方向に対して、 nと nの間にあるとともに、
1 2
I n -n I≤ I n -n |の関係を満たす屈折率 nの透明材料であればよい。
I s 2 s s
[0033] なお、凹凸部 17は、透明基板 11の平坦面に所定の膜厚の透明材料層を形成した 後、フォトリソグラフィゃ反応性イオンエッチングにより凹凸状に加工してもよいし、金 型を用いて透明材料層に凹凸部形状を転写してもよ 、。
また、印加電圧に対して液晶層 16Aの実質的な屈折率の大きな変化を得るために
、この凹凸部 17の凹部に充填される液晶層 16Aの分子の配向方向は透明電極 13 および 14の面上で揃って!/、ることが好まし!/、。
[0034] ここで、液晶層 16Aのネマティック液晶分子の配向方向については、例えば、以下 の 3種類がある。
i)液晶 16の異常光屈折率方向の比誘電率と常光屈折率方向の比誘電率との差で ある誘電率異方性△ εが正の場合、図 1において、第 1、第 2の透明電極 13および 1 4の表面に液晶分子の配向方向が透明基板 11、 12の一面 (これを、基板面とよぶ） に略平行となるポリイミドなどの配向膜 (図示せず)を塗布し、硬化後に X軸方向にラ ビング処理する。これにより、 X軸方向に液晶分子の配向方向（すなわち、異常光屈 折率 ηの方向）が揃うホモジ-ァス配向となる。なお、ポリイミドのラビング処理以外に e
、酸ィ匕ケィ素の斜蒸着膜や光配向膜などを用いて液晶分子の配向を揃えてもよい。 ここで、第 1、第 2の透明電極 13、 14に交流電圧 Vを印加することにより、 X軸方向の 偏光面を有する直線偏光の入射光に対して、液晶層 16Aの実質的な屈折率 n (V) が n ( =n )から n ( =n )まで変化する。
1 e 2 o
[0035] この構成により、低電圧で液晶層 16Aの実質的な屈折率の大きな変化が得られる ため、透明凹凸電極基板面を形成する凹凸部 17の最大深さ dを、比較的小さな値と することができる。その結果、凹凸部 17の形成工程が短縮されるとともに、液晶層 16 Aを薄くできるため高速応答化につながる。
[0036] ii)第 1透明電極 13の表面に、液晶分子の配向方向が基板面に略垂直となるポリィ ミドなどの配向膜 (図示せず)を塗布後硬化させる。一方、平坦な第 2透明電極 14の 表面には、液晶分子の配向方向が基板面に平行となるポリイミドなどの配向膜（図示 せず)を塗布'硬化後、 X軸方向にラビング処理する。その結果、液晶分子の配向方 向が、凹凸部 17の透明電極 13では基板面に対して略垂直方向に揃い、第 2透明電 極 14では基板面に対して略平行方向に揃うハイブリッド配向となる。この場合、凹凸 部 17に配向処理が不要なため均一な液晶配向が得やすい。ここで、第 1、第 2の透 明電極 13、 14に交流電圧 Vを印加することにより、 X軸方向に偏光面を有する直線 偏光の入射光に対して、液晶層の実質的な屈折率 n (V)が n (= [n +n ]Z2)から n (=n )まで変化する。
2 o
[0037] この構成により、液晶層 16Aの配向は第 2透明電極 14の基板面上の配向処理され た配向膜により規定されるため、第 1透明電極 13の基板面上の配向膜の配向処理な しでも液晶層 16Aの配向方向は安定する。その結果、凹凸基板面の配向不良に起 因した透過光の効率劣化などが軽減できる。
[0038] iii)印加電圧に対して、電界と垂直方向に液晶の配向が揃う誘電率異方性 Δ εが 負の液晶を用い、第 1、第 2の透明電極 13、 14の表面に液晶分子の配向方向が基 板面に略垂直となるポリイミドなどの配向膜 (図示せず)を塗布後硬化させる。さらに、 第 2透明電極 14の配向膜にのみ X軸方向にラビング処理する。その結果、液晶分子 の配向方向が透明電極 13および 14の基板面に対して略垂直方向に揃う垂直配向 となる。凹凸部 17の面に配向処理を施す必要がないため、均一な液晶配向が得や すい。ここで、透明電極 13、 14に電圧 Vを印加することにより、 X軸方向に偏光面を 有する直線偏光の入射光に対して、液晶層 16Aの実質的な屈折率 n (V)が η (=η )から η (=η )まで変化する。
2 e
[0039] この構成により、低電圧で液晶層 16Aの実質的な屈折率の大きな変化が得られる ため、フレネルレンズを形成する凹凸部 17の最大深さ dを比較的小さな値とできる。 その結果、凹凸部 17の形成工程が短縮されるとともに、液晶層 16Aを薄くできるため 高速応答化につながる。さらに、液晶層 16Aの配向は第 2透明電極 14面上の配向 処理された配向膜により規定されるため、第 1透明電極 13面上の配向膜の配向処理 なしでも液晶層 16Aの配向方向は安定する。その結果、基板面の配向不良に起因 した透過光の効率劣化などが軽減できる。
[0040] なお、透明基板 11側に形成された電極 141を通して第 2透明電極 14に電圧を印 加するために、あら力じめシール 15に導電性金属粒子を混入してシール圧着するこ とにより、シール厚方向に導電性を発現させ、第 2透明電極 14と電極 141を導通する o第 1透明電極 13に接続された電極 131と、第 2透明電極 14に接続された電極 141 とに交流電源 18を接続することにより、液晶層 16Aに電圧を印加できる。
[0041] 次に、フレネルレンズまたはフレネルレンズを階段状で近似した凹凸部 17の断面 形状について、以下に説明する。
本発明の液晶レンズ素子 10を光ヘッド装置に搭載し、光ディスクのカバー厚の相 違に起因して発生する球面収差を補正する透過波面を生成するとともに、対物レン ズとの偏心に対して収差発生がないよう正または負のパワー成分が付与された透過 波面を生成するために、液晶レンズ素子 10に入射する平面波の透過波面において 、光軸中心 (座標原点: x=y=0)の光線に対して半径 r離れた位置を通過する光線 の光路長差 OPDが、次式のようなべキ級数で記述されるようにする。
OPD (r) =a r2 + a r4+a r6 + a r8+ · · · (3)
1 2 3 4
但し、 r2 = x2+y2
a、a、…；定数 (後述の [表 1]、 [表 2]参照)
1 2
[0042] ここで、 （3)式の曲線の具体例を図 3に符号 αで示す。なお、横軸は半径 rで、縦軸 は光路長差 OPDを入射光の波長 λの単位で表記し、 aのグラフは（3)式の中心軸（ r=0)を含む断面を示す。
液晶レンズ素子 10において、波長 λの入射光に対して、 λの整数倍の光路長差 をもつ透過波面は同等と見なせる。従って、図 3の αで示すグラフ (光路長差)を波長 λの間隔で分割して光路長差ゼロの面に射影した光路長差を示すグラフ βは、ダラ フ αと実質的に同等である。一方、グラフ )8に示す光路長差は、全てえ以内（図中で は— λ力 ゼロの範囲）であり、フレネルレンズ形状となっている。これが、図 1に示す 液晶レンズ素子 10において、凹凸部 17の形状になる。
[0043] 次に、第 1、第 2の透明電極 13、 14に電圧 Vを印加したとき、異常光偏光の光に対 する液晶層 16Aの実質的な屈折率を n(V)とすれば、透明材料からなる液晶 16と凹 凸部 17の屈折率差は An (V) =n(V)—nである。なお、 nは、前述したように、透明 s s
材料からなる凹凸部 17の屈折率である。
例えば、印加電圧 V において、図 3のグラフ βに相当する透過波面の光路長差
+ 1
を生成するためには、図 1に示す凹凸部 17の深さ dを、次式の関係を満す値に穿設 すればよい。
Figure imgf000017_0001
但し、 λ；入射光の波長
Figure imgf000017_0002
即ち、これは、 n— n >0の場合で、（2)式において、 m= lの場合の深さに相当す
1 s
る。
[0044] ここで、印加電圧 Vを変化させることにより屈折率差 An (V)が変化する。例えば、 i) Δη(ν ) =0となる印加電圧 Vにおいて、液晶レンズ素子 10の透過波面は変化しな
0 0
い。また、
ϋ) Δη(ν_ ) = - Δη(ν )となる印加電圧 V において、図 3のグラフ γに示す光 路長差の透過波面が生じる。これは、光路長差ゼロの面に対して図 3のグラフ βと面 対称の光路長差の透過波面に相当する。
[0045] ここで、凹凸部 17は、液晶層 16Aの実質的な屈折率が n (V )および n(V )のと
+ 1 - 1 き、図 3のグラフ βおよびグラフ γに相当する光路長差空間分布となるように、フレネ ルレンズあるいはフレネルレンズを階段状で近似した断面形状に加工されて ヽる。 また、図 1に示すように、凹凸部 17の中心部を凸とすることにより、液晶層 16Aの平 均層厚を低減できる。その結果、高速応答化につながるとともに、使用する液晶材料 量も減少するため好まし ヽ。
[0046] 本実施形態の液晶レンズ素子 10において、凹凸部 17を形成する透明材料の屈折 率 ηを ηと ηとの間の値であるとともに、 | η— η | ≤ | η— η |の関係式を満たす s 1 2 I s 2 s ように選択すると、
△n(V )=0、
Figure imgf000018_0001
となる電圧値 V <V <V が必ず存在する。
+1 0 -1
[0047] なお、液晶層の実質的な屈折率 n(V)は温度により変化し、高温ほど低下する。従 つて、液晶レンズ素子の使用温度範囲が 10° C力 80° Cまで変化すると、高温 域すなわち 80° Cで (4)式を満たす凹凸部 17の深さ dとすることが好ましい。すなわ ち、室温において d=0.75X λ/ I Δη(ν ) |とすれば、使用温度範囲において
+1
電圧値 V <V <V が必ず存在する。
+1 0 -1
[0048] 従って、交流電源 18を用いて、印加電圧 V 、 V、 V を切り替えることにより、 3種
+1 0 -1
類の透過波面を選択的に切り替えることが可能となる。
ここで、印加電圧 V および V にお 、て、グラフ βおよびグラフ γに相当する透
+1 -1
過波面を効率よく生成するためには、凹凸部 17をフレネル形状またはフレネルレン ズを Ν段の階段形状で近似した形状とし、凹凸部 17の最大深さ dが、次式
Figure imgf000018_0002
を満たすことが好ましい。
ここで、生成される透過波面の効率を 70%以上とするためには、 Νを 4以上とするこ とが好ましい。すなわち、次式
0.75 X λ≤ I n -n | Xd≤ λ
1 s
を満たす dとすることが好ましい。これは、（2)式において m=lの場合に相当する。 同様の理由で、 m = 2および 3にお!/、ても（2)式を満たす dとすることが好まし!/、。
[0049] ここで、 An(V ) =n— n >0の場合、印加電圧 V 、V、V において液晶レン
+1 I s +1 0 -1
ズ 10に入射した波長えの直線偏光の平面波は、それぞれ図 4(A)、（B)、 （C)に示 す透過波面となって出射する。すなわち、第 1、第 2の透明電極 13、 14の印加電圧 の大きさに応じて、負のパワー、パワーなし、正のパワーに対応するレンズ機能が得 られる。
なお、 An(V )<0の場合は、¥ および V において図 4(C)と (A)に対応する
+1 +1 -1
正のパワーおよび負のパワーに相当する透過波面となって出射する。 [0050] また、本実施形態では、（3)式で記述される軸対称の光路長差 OPDを生成する液 晶レンズ素子 10の場合について、その素子構造および動作原理について説明した 力 （3)式以外の軸非対称なコマ収差や非点収差などの補正に相当する光路長差 OPDを生成する液晶素子も、同様の原理で、凹凸部の加工およびその凹部への液 晶充填により作製できる。
[0051] 本実施形態では、液晶層 16の屈折率 n (V)が印加電圧 Vに応じて n力も nまで変
1 2 化する入射光の直線偏光に対して、凹凸部 17を屈折率 nの透明材料としている。こ s
こで用いる凹凸部 17の透明材料は、均一屈折率材料でもよいし、分子配向方向が 基板面内で一方向に揃った高分子液晶などの複屈折材料を用いてもよい。複屈折 材料を用いる場合、その異常光屈折率を nとし、常光屈折率を液晶の常光屈折率 n s o と等しくするとともに、複屈折材料の異常光屈折率の方向を液晶層 16の液晶分子の 配向方向と一致させることが好ましい。このような構成とすることにより、常光偏光入射 光に対して印加電圧の大きさに関わらず液晶と複屈折材料の常光屈折率が一致す るため、透過光波面は変化しない。
[0052] また、本実施形態では、何れもベタ電極である第 1透明電極 13と第 2透明電極 14 の 2端子を用いて液晶層 16に交流電圧を印加する構成を示した。これ以外に、例え ば第 1透明電極 13と第 2透明電極 14の少なくとも一方の電極力 空間的に分割され て独立に異なる交流電圧を印加でき得る構成としてもよい。また、この空間的に分割 された透明電極を所望の電気抵抗を有する抵抗膜とし、 2つ以上の給電点を設けて 半径方向に印加電圧分布を付与し、液晶に印加される電圧が半径方向に傾斜分布 するよう〖こしてもよい。このような分割電極または抵抗膜電極の構造とすることにより、 さらに多様な光路長差 OPDの空間分布を生成できる。その結果、図 4の (A)、 （B)、 (C)に示す以外の透過波面を生成できる。
[0053] また、液晶レンズ素子 10に、位相板、回折格子、偏光ホログラムビームスプリッタ、 一定の固定収差の補正面などを一体化形成してもよい。その結果、光ヘッド装置等 に搭載して用いる場合、部品点数を削減できるとともに装置の小型化につながる。
[0054] [第 2の実施形態]
本発明の第 2の実施形態に係る液晶レンズ素子 20の構成例について、図 5に示す 側面図を参照しながら詳細に説明する。なお、本実施形態において、第 1の実施形 態と同一部分には、同一符号を付して重複説明を避ける。
本実施形態の液晶レンズ素子 20では、凹凸部 17Bの最大深さ dが、前記述した（2 )式の m= 2の場合の深さに相当している点力 第 1の実施形態の液晶レンズ素子 10 と異なる。それに伴い、液晶層 16Bの厚さ分布も異なる。
[0055] 以下に、本実施形態に係る液晶レンズ素子 20の凹凸部 17Bについて説明する。な お、図 6の αは、図 3の αと同様、（3)式で表記される光路長差 OPDを表すグラフで ある。また、図 6の ocを波長 λの 2倍間隔 (即ち、 2 λ )で分割して光路長差ゼロの面 に射影した光路長差を図 6のグラフ β 2に示す。このグラフ β 2はグラフ ocとは実質的 に同等であり、グラフ /3 2に示す光路長差は、全て 2 λ以内（図中では 2 λからゼロ の範囲）であり、断面がフレネルレンズ形状となって 、る。
[0056] 印加電圧 V において、図 6のグラフ |8 2に相当する透過波面の光路長差を生成
+ 2
するためには、図 5に示す凹凸部 17Bの深さ dを、次式の関係を満す値に穿設すれ ばよい。
Figure imgf000020_0001
但し、 λ；入射光の波長
Figure imgf000020_0002
これは、 n — n >0の場合で、（2)式において、 m= 2の場合の深さに相当する。
1 s
[0057] ここで、印加電圧 Vを変化させることにより屈折率差 An (V)が変化する。例えば、 ί) Δη (ν ) = 0となる印加電圧 Vにおいて、液晶レンズ素子 20の透過波面は変化し
0 0
ない。また、
ϋ) Δη (ν ) = Δη (V ) Ζ2となる印加電圧 V にお!/、て、図 6のグラフ 13 1に示
+ 1 +2 + 1
す光路長差の透過波面が生じる。これは、光路長差ゼロの面に対してグラフ β 2に示 す光路長差を半分にした透過波面に相当するとともに、グラフ OCの光路長差を半分 にした透過波面にも相当する。また、グラフ j8 1に示す光路長差は全てえ以内（図中 では λからゼロの範囲）である。
ίϋ) Δη (ν ) = - Δη (ν )となる印加電圧 V において、グラフ γ 1に示す光路 長差の透過波面が生じる。これは、光路長差ゼロの面に対してグラフ j8 1と面対称の 光路長差の透過波面に相当する。
ίν)Δη(ν ) = -Δη
-2 (ν )となる印加電圧 V において、グラフ γ 2に示す光路
+2 -2
長差の透過波面が生じる。これは、光路長差ゼロの面に対してグラフ β 2と面対称の 光路長差の透過波面に相当するとともに、グラフ γ 1に示す光路長差を 2倍にした透 過波面に相当する。
[0058] 凹凸部 17Bは液晶層 16Bの実質的なの屈折率が n(V )および n(V )のとき、図
+ 2 -2
6のグラフ β 2およびグラフ γ 2に相当する光路長差空間分布となるように、フレネル レンズまたはフレネルレンズを階段状で近似した断面形状に加工されている。
[0059] 本実施形態の液晶レンズ素子 20において、凹凸部 17Bを形成する均一屈折率透 明材料の屈折率 ηを、 ηと ηとの間の値であるとともに、 | η— η | ≤ | η — η |の s 1 2 I s 2 s 関係式を満たすように選択すると、
△n(V )=0、
Figure imgf000021_0001
となる電圧値 V + 2 <ν +1 <ν 0 <ν -1 <ν が必ず存在する。
-2
[0060] 従って、交流電源 18を用いて、印加電圧 V 、V 、V、V 、V を切り替えるこ
+ 2 +1 0 -1 -2
とにより、 5種類の透過波面を選択的に切り替えることが可能となる。
ここで、印加電圧 V 、 V 、 V および V において、グラフ β2、 β1、 γ 1および
+ 2 +1 -1 -2
γ 2に相当する透過波面を効率よく生成するためには、凹凸部 17Bをフレネルレンズ 形状とし、凹凸部 17Bの最大深さ dが、（5)式を満たすことが好ましい。
[0061] また、本実施形態のほかに、例えば凹凸部 17のフレネルレンズ形状を Nレベルで（ N—1)段の高さが等しい階段状で近似した場合、凹凸部 17の最大深さ dが、次式
Figure imgf000021_0002
を満たすことが好ましい。ここで、生成される透過波面の効率を 70%以上とするため には、 Νを 8以上とすることが好ましい。すなわち、
1. 75 X λ ≤ I n -n d≤ 2Χ λ
1 s I X
を満たす最大深さを dとすることが好ましい。これは、（2)式において m= 2の場合に 相当する。 [0062] ここで、 An (V ) =n — n > 0の場合、印加電圧 V 、V 、V、V 、V におい
+ 2 I s +2 + 1 0 - 1 -2 て液晶レンズ素子 20に入射した波長 λの直線偏光を有する平面波は、それぞれ図 7 (A) , (B)、 （C)、 （D)、 （E)に示す透過波面となって出射する。すなわち、透明電 極 13、 14の印加電圧に応じて、 2種の負のパワー、パワーなし、 2種の正のパワーに 対応するレンズ機能が得られる。
なお、 Δ η (ν ) < 0の場合は、 V 、V において、図 7 (E)と（D)に対応する正の
+2 +2 + 1
パワーに相当する透過波面となって、 V および V において図 7 (A)と（B)に対応
-2 - 1
する負のパワーに相当する透過波面となって液晶レンズ素子を出射する。
[0063] 以上、本実施形態では、（2)式において m= 2に相当する図 6のグラフ αで示す光 路長差 OPDを波長 λの 2倍の間隔で区切った光路長差 OPDである β 2を生成する 液晶レンズ素子 20の形態について説明したが、（2)式において m= 3に相当する液 晶レンズ素子の形態でもよい。この場合、図 3の aを波長 λの 3倍間隔で区切った光 路長差 OPDに対応した透過波面となる。
[0064] [第 3の実施形態]
次に、本発明の第 3の実施形態に係る液晶レンズ素子 30について、図 8を参照し ながら説明する。なお、本実施形態において、第 1の実施形態と同一部分には、同一 符号を付して重複説明を避ける。
本実施形態の液晶レンズ素子 30は、第 1の液晶レンズ素子 10Aと、第 2のレンズ素 子 10Bと、これらに交流電圧を印加する交流電源 18とを備えている。第 1、第 2の液 晶レンズ素子 10A、 10Bは、第 1の実施形態に係る液晶レンズ素子 10を 2個凹凸部 17が互い対向するような状態で上下に重ねて積層させた構成 (但し、透明基板 11は 共通）としている。
[0065] ここで、第 1の（第 2の）液晶レンズ素子 ΙΟΑ (ΙΟΒ)は、第 2透明電極 14A(14B)が 形成された透明基板 11と、凹凸部 17C (17D)とその表面に第 1透明電極 13A (13B )が形成された透明基板 12A(12B)との間の空隙に密封された液晶 16とを備えてい る。
[0066] 次に、本実施形態の製造方法について説明する。
初めに、各透明基板 12A、 12Bの平坦面に、それぞれ、屈折率 nの透明材料を用 s 、て、フレネルレンズまたはフレネルレンズを階段状に近似した形状の凹凸部 17C、 17Dを形成する。これらの凹凸部 17C、 17Dは、何れも入射光の光軸 (Z軸）に関し て回転対称性を有する同一の凹凸形状に加工されている。さらに、凹凸部 17C、 17 Dの表面に第 1透明電極 13A、 13Bをそれぞれ形成する。一方、透明基板 11の両 面には、第 2透明電極 14A、 14Bを形成する。
[0067] 次に、各透明基板 12A、 12Bに、ギャップ制御材が混入された接着材を印刷パタ 一ユングしたシール 15A、 15Bを、それぞれ形成する。そして、凹凸部 17Cと凹凸部 17Dの回転対称軸が一致するように、各透明基板 12A、 12Bと透明基板 11とを重ね 合わせ、圧着して空セルを作製する。その後、シールの一部に設けられた注入口（図 示せず）力 液晶 16を注入するとともに、その注入口を封止して液晶 16をセル内に 密封して液晶層 16C、 16Dを形成し、液晶レンズ素子 30とする。また、第 1透明電極 13A、 13Bを導通させて共通電極とするとともに、第 2透明電極 14A、 14Bを導通さ せて共通電極とする。
[0068] このようにして作製した液晶レンズ素子 30において、交流電源 18により共通電極の 間に矩形波の交流電圧を印加する。すると、この印加電圧 Vの大きさに応じて液晶 層 16C、 16Dの分子配向が変化し、液晶層 16C、 16Dの実質的な屈折率が n力 n まで変化する。その結果、液晶層 16C、 16Dと凹凸部 17A、 17Bの屈折率差 Δη(
2
V)が変化し、入射光に対する透過光の波面が変化する。
[0069] 図 8に示す第 1、第 2の液晶レンズ素子 10A、 10Bの構成および作用は、図 1に示 した液晶レンズ 10と同様である力 電圧非印加時または電圧印加時にお!、て液晶分 子の配向方向の ΧΥ面内成分が液晶層 16Cと液晶層 16Dとで互 ヽに直交して 、る 点が異なる。その結果、本実施形態の液晶レンズ素子を用いれば、入射光の偏光状 態に係わらず印加電圧に応じて、例えば図 4の (A)、 （B)、 （C)に示すような負のパ ヮー、パワーなし、正のパワーを有するレンズ機能が得られる。
[0070] なお、 Δ η (ν ) =0となる印加電圧 Vにおいて、入射光のうち印加電圧の大きさに
0 0
応じて液晶層 16C、 16Dの屈折率が変化する直線偏光成分に対しても、第 1、第 2 の液晶レンズ素子 10A、 10Bの透過波面は変化しない。一方、入射光のうち偏光方 向がそれと直交する直線偏光成分に対して、印加電圧の大きさに係わらず液晶層 1 6C、 16Dの屈折率は常光屈折率 n。となる。従って、第 1、第 2の液晶レンズ素子 10A 、 10Bの透過波面は、液晶 16の常光屈折率 nと凹凸部 17C、 17Dの材料の常光屈 折率との差に対応した一定の変化が生じる。
特に、凹凸部 17C、 17Dが均一屈折率 nの材料を用いて形成されている場合、 (n s
n )の屈折率差に対応した一定の波面変化が生じる。第 1、第 2の液晶レンズ素子 o s
10A、 10Bは、それら液晶層 16C、 16Dの液晶分子の配向方向の XY面内成分が 直交しているため、入射偏光状態に関わらず、この一定透過波面変化が生じる。 印加電圧 Vにおいて生じるこの一定の透過波面変化を相殺するためには、透明基
0
板 12Aまたは 12Bの表面に補正面を形成することが好ましい。あるいは、凹凸部 17 Cおよび 17Dとして、液晶層 16C、 16Dの常光屈折率と等しい常光屈折率を有する 高分子液晶などの複屈折率材料を用いて形成することにより、それぞれの常光屈折 率の方向を液晶層 16C、 16Dの常光屈折率の方向と一致させる。その結果、印加電 圧 Vにおいて、液晶レンズ素子 20の透過波面が変化しないようにできる。
0
[0071] [第 4の実施形態]
次に、本発明の第 1の実施形態に係る液晶レンズ素子 10 (図 1参照）を搭載した D VD用光ディスクの記録'再生に用いる光ヘッド装置 40について、図 9を参照しなが ら説明する。
[0072] 本実施形態の光ヘッド装置 40は、 DVD用の波長 λ ( = 660nm)の光源である半 導体レーザ 1と、回折格子 2と、ビームスプリッタ 3と、コリメータレンズ 4と、対物レンズ 5と、光検出器 6との他に、位相板 7と、液晶レンズ素子 10とをコリメータレンズ 4と対 物レンズ 5の間の光路上に備えている。なお、位相板 7は、液晶レンズ素子 10と一体 化すれば、部品点数が削減できるため好まし 、。
また、この図 9では、液晶レンズ素子 10力 コリメータレンズ 4と対物レンズ 5の間の 光路中に配置された構成例を示すが、半導体レーザ 1と対物レンズ 5の間の光路中 に配置されていればよい。
[0073] 次に、本実施形態の作用について説明する。
半導体レーザ 1から出射する、図 9の紙面内に偏光面を有する波長 λの直線偏光 出射光は、回折格子 2によりトラッキング用の 3ビームを発生する。そして、この 3ビー ムは、ビームスプリッタ 3で反射され、コリメータレンズ 54により平行光化されて液晶レ ンズ素子 10に入射する。そして、この液晶レンズ素子 10を透過した光は、波長えに 対して 1Z4波長板に相当する位相板 7により円偏光となり、対物レンズ 5により DVD 用光ディスク Dの情報記録層に集光される。
[0074] なお、対物レンズ 5は、フォーカスサーボおよびトラッキングサーボ用のァクチユエ ータ（図示せず）により、 X軸方向および Z軸方向に可動する。光ディスク Dの反射面 で反射された光は、再び対物レンズ 5と位相板 7を透過し、紙面と垂直方向の偏光面 を有する直線偏光となって液晶レンズ素子 10を透過し、コリメータレンズ 4により、一 部の光がビームスプリッタ 3を透過して光検出器 6の受光面に集光される。
[0075] 次に、本発明の液晶レンズ素子 10を搭載した光ヘッド装置 40を用いて、カバー厚 の異なる単層および 2層の DVD光ディスク Dに対する記録 ·再生動作について、以 下に説明する。
( 単層 DVD光ディスク（カバー厚 0. 60mm)の場合：
対物レンズ 5は、カバー厚 0. 60mmの単層光ディスク Dに対して収差が最小となる ように設計されているため、単層光ディスク Dの記録 ·再生時には液晶レンズ素子 10 の電極間に交流電圧 Vを印加する。このとき、液晶レンズ素子 10 (図 1を参照）中の
0
液晶層 16Aと凹凸部 17との屈折率が一致するため、図 4の（B)に示すように、液晶 レンズ 10の入射波面に対して透過波面は不変である。すなわち、対物レンズ 5により カバー厚 0. 60mmの情報記録層に効率よく集光される。
[0076] (ii) 2層 DVD光ディスク（カバー厚 0. 57mm)の場合：
2層光ディスク中のカバー厚 0. 57mmの情報記録層への記録'再生においては、 液晶レンズ素子 10の透過波面が若干集光する球面波となるように、電極間に交流電 圧 V を印加する。
このとき、凹凸部 17に比べ液晶層 16Aの屈折率が小さくなるため、図 4の（C)に示 すように、正のパワーすなわち凸レンズ相当の透過波面となる。すなわち、対物レン ズ 5により、カバー厚 0. 57mmの情報記録層に効率よく集光される。
[0077] (iii) 2層 DVD光ディスク（カバー厚 0. 63mm)の場合：
一方、 2層光ディスク中のカバー厚 0. 63mmの情報記録層への記録'再生におい ては、液晶レンズ素子 10の透過波面が若干発散する球面波となるように、電極間に 交流電圧 V を印加する。
+ 1
このとき、凹凸部 17に比べ液晶層 16の屈折率が大きくなるため、図 4の (A)に示す ように、負のパワーすなわち凹レンズ相当の透過波面となる。すなわち、対物レンズ 5 により、カバー厚 0. 63mmの情報記録層に効率よく集光される。
[0078] 従って、液晶レンズ素子 10の印加電圧を V、 V 、 V に切り替えることにより、力
0 + 1 - 1
バー厚の異なる単層 DVD光ディスクおよび 2層 DVD光ディスクに対して安定した記 録 '再生が実現する。
[0079] このように、本実施形態に係る光ヘッド装置 40によれば、液晶レンズ素子 10は、光 ディスク Dのカバー厚の相違により発生する球面収差の補正のみならず、焦点位置 変化に相当するパワー成分の切替え機能も付加できる。このため、液晶レンズ素子 1 0を対物レンズ 5と別置きで使用し、対物レンズ 5がトラッキング時に光ディスク Dの半 径方向に移動して液晶レンズ素子 10との偏心が生じた場合でも、収差劣化はほとん ど無い。その結果、球面収差のみを補正する従来の液晶素子に比べて、安定した記 録 '再生が実現する。
[0080] なお、本実施形態では、光源として波長 λが 660nm帯の半導体レーザを用いる単 層および 2層の DVD光ディスクに対して動作する液晶レンズ素子 10を搭載した光へ ッド装置 40について説明した力 光源として波長が 405nm帯の半導体レーザを用 いる単層および 2層の BD光ディスクに対して動作する液晶レンズ素子を搭載した光 ヘッド装置などにっ 、ても同様の作用 ·効果が得られる。
[0081] また、液晶レンズ素子 10の替わりに、図 5に示す第 2実施形態の液晶レンズ素子 2 0を用いれば、 5種の透過波面の切り替えができるため、カバー厚の異なる光ディスク において、または光ディスク内のカバー厚のばらつきにより発生する収差に対して、よ りきめ細かな収差補正ができる。
また、液晶レンズ素子 10の替わりに、図 8に示す第 3実施形態の液晶レンズ素子 3 0を用いれば、往路の偏光のみならず復路の直交する偏光に対しても補正作用があ るため、光検出器への集光性も改善される。
また、単層および 2層の光ディスクに限らず、今後、情報記録層がさらに多層化され ても、本発明の 5値あるいは 7値の液晶レンズ素子を用いることにより、 2端子電極に 印加する電圧の切り替えで、カバー厚に起因して発生する収差を補正できる。
実施例
[0082] [例 1]
次に、第 1の実施形態に示した本発明の液晶レンズ素子 10の具体的な実施例に ついて、図 1を参照しながら以下に説明する。
[0083] 初めに、この液晶レンズ素子 10の作製方法について説明する。
透明基板 11であるガラス基板上に SiO Nをスパッタリング法により成膜する。 ここで、 Siスパッタターゲットを用い、 Arガスに酸素および窒素を混入した放電ガスを 用いることにより、屈折率 n ( = 1. 64)の透明な均一屈折率で膜厚 d( = 5. 5 /z m)の
SiO N膜としている。
[0084] さらに、図 3のグラフ βの形状に相当するように、フォトマスクを用いたフォトリソダラ フィ法にてレジストをパターユングした後、反応性イオンエッチング法により SiO N膜 を加工する。その結果、有効径 Φ ( = 5. Omm)の領域に、フレネルレンズを 8段の階 段状で近似した図 1に断面を示すような凹凸部 17を加工する。
次に、凹凸部 17の表面に透明導電膜 (ITO膜)を成膜し、これを第 1透明電極 13と する。さらに、ポリイミド膜 (図示せず)を第 1透明電極 13上に膜厚約 50nmとなるよう 塗布した後に焼成し、ポリイミド膜表面を X軸方向にラビング配向処理して配向膜と する。
[0085] また、透明基板 12であるガラス基板上に第 2透明電極 14として透明導電膜 (ITO 膜)を成膜し、さらにその上にポリイミド膜 (図示せず)を膜厚約 50nm塗布した後に焼 成し、ポリイミド膜表面を X軸方向にラビング配向処理して液晶用の配向膜とする。 さらにその上に、直径 8 mのギャップ制御材が混入された接着材を印刷パター- ングしてシール 15を形成し、透明基板 11と重ね合わせて圧着し、第 1透明電極 13と 第 2透明電極 14との間隔が最大 8 μ m、最小 2. 5 μ mの空セルを作製する。
その後、液晶 16を空セルの注入口（図示せず）から注入し、その注入口を封止して 液晶層 16Aを形成し、図 1に示す液晶レンズ素子 10とする。
[0086] 液晶 16として、常光屈折率 n ( = 1. 50)および異常光屈折率 n ( = 1. 75)の正の 誘電異方性を有するネマティック液晶を用いる。また、この液晶 16は、電圧非印加時 に第 1、第 2の透明電極 13、 14の面に平行かつ X軸方向に液晶分子の配向が揃つ たホモジ-ァス配向であり、凹凸部 17の凹部に充填されて!、る。
[0087] このようにして得られた液晶レンズ素子 10の第 1、第 2の透明電極 13、 14に交流電 源 18を接続することにより、液晶層 16Aに電圧が印加される。この印加電圧を OVか ら増カロさせると、液晶層 16Aの X軸方向の実質的な屈折率力 n =n ( = 1. 75)か
1 e
ら n =n ( = 1. 50)まで変化する。その結果、 X軸方向に振動し z軸方向に進行する
2 o
直線偏光入射光に対して、液晶層 16Aと凹凸部 17との屈折率差が n — n = 0. 11
1 s 力も n -n = - 0. 14まで変化し、凹凸部 17の凹部に充填された液晶層 16の厚さ
2 s
分布に応じて、透過波面が変化する。
[0088] ここで、例えば、使用波長 λ ( = 660nm)で、カバー厚 0. 60mmの単層 DVD光デ イスクに対して、収差がゼロとなるように設計された NAO. 65および焦点距離 3. 05m mの対物レンズを、カバー厚 0. 57mmと 0. 63mmの 2層 DVD光ディスクに用いると 、最大光路長差が約 0. 15えで、 RMS波面収差が約 43πι λ [rms]に相当する球面 収差が発生する。
[0089] そこで、液晶レンズ素子 10を用いてこの球面収差を補正するため、電圧非印加時 の透過波面が、 [表 1]に示す係数 a〜aの値を用いて（3)式で表記される図 3のダラ
1 5
フ aに相当するグラフ j8の光路長差 OPDとなるように、凹凸部 17を加工する。ただし 、 (3)式の光路長差 OPDは [ μ m]単位で、 rは [mm]単位である。
[0090] [表 1]
Figure imgf000028_0001
表 1において、係数 alはパワー成分に相当し、 a2〜a5は球面収差成分に相当す る。従って、液晶レンズ素子 10により生成されるグラフ βの光路長差はパワー成分と 球面収差成分を含む。 [0092] ここで、電圧非印加時の電圧 V =0において、液晶 16と凹凸部 17の屈折率差△
+1
n(V )は、前述したように、
+1
Figure imgf000029_0001
であるので、凹凸部 17とこの凹部に充填された液晶 16とにより前述の透過波面を生 成するため、（2)式の m=lを満たすように凹凸部 17の最大深さ dを決定する。
本例ではフレネルレンズの凹凸部 17を 8段の階段形状によって近似し、 d=5. 5μ mとしている。
[0093] 液晶レンズ素子 10に入射する DVD用の波長 λ ( = 660nm)の透過波面は、電圧 非印加時 (V =0)には図 4(A)に示す発散波面となり、焦点距離 (f)力 ¾=— 675
+1
mm相当の凹レンズ作用を示す。次に、印加電圧を増加させると、 V =1. 8V程度で
0
Δη(ν ) =0となり、透過波面は、図 4(B)に示すように、入射波面と同じ波面のまま（
0
パワーなし)透過する。さらに、印加電圧を増加させると、 V =4.4V程度で An(V ) = -Δη(ν )となり、透過波面は、図 4(C)に示す収束波面となり、焦点距離 (f)
-1 +1
力 = +675mm相当の凸レンズ作用を示す。
このとき、印加電圧の切り替え V 、 V、 V にお 、て発生する図 4 (A)、図 4 (B)、
+1 0 -1
図 4(C)に示す透過波面の生成効率の計算値は、それぞれ、 95%、 100%、 95%と なる。
[0094] [例 2]
次に、前述の「例 1」の液晶レンズ素子 10を、図 9に示す第 4の実施形態の光ヘッド 装置 40に搭載する場合の具体的な実施例について説明する。なお、この光ヘッド装 置 40の構成は第 4の実施形態で説明したので省略する。
[0095] この光ヘッド装置 40を用いて、カバー厚 0. 60mmの単層 DVD光ディスク Dに情報 を記録'再生する場合、液晶レンズ素子 10の印加電圧を V =1. 8V程度とすると、
0
入射光は対物レンズ 5により情報記録層に効率よく集光される。
[0096] 一方、 2層 DVD光ディスク Dに対しては、液晶レンズ素子 10の印加電圧を V (=
+1
0V)程度とすると、入射光はカバー厚 0. 63mmの情報記録層に集光され、印加電 圧を V (=4.4V)程度とすると、入射光はカバー厚 0. 57mmの情報記録層に集 光される。何れも、残留する RMS波面収差の計算値は 3m [rms]以下となる。 [0097] 次に、カバー厚が 0. 56mm力ら 0. 64mmの光ディスクに対して、液晶レンズ素子 10の印加電圧 V、V 、V に応じて発生する透過波面を用いた場合、残留する R
0 + 1 - 1
MS波面収差の計算結果を図 10に示す。
従って、カバー厚が 0. 56mm力ら 0. 585mmの範囲では、印加電圧 V_とすること により、カバー厚が 0. 585mm力ら 0. 615mmの範囲では印加電圧 Vとすることに
0
より、さらに、カバー厚が 0. 615mm力ら 0. 64mmの範囲では印加電圧 V とするこ
+ 1 とにより、それぞれ、残留する RMS波面収差が約 20m λ [rms]以下に低減する。
[0098] また、トラッキングのため、光ディスク Dの半径方向に対物レンズ 5が ±0. 3mm程 度移動した時、液晶レンズ素子 10との偏心が生じるが、それに伴う収差発生はない ため、集光スポットの劣化も生じない。
従って、液晶レンズ素子 10に印加する電圧を V、 V 、 V に切り替えることにより
0 + 1 - 1
、単層および 2層の DVD光ディスク Dの安定した記録'再生を行える光ヘッド装置が 実現する。
[0099] [例 3]
次に、第 3の実施形態に示した本発明の液晶レンズ素子 30の具体的な実施例に ついて、図 8を参照しながら以下に説明する。
[0100] 液晶レンズ素子 30は、第 1、第 2の液晶レンズ素子 10A、 10Bを備えており、これら の液晶レンズ素子 10A、 10Bは、例 1で示した液晶レンズ素子 10と同様にして作製 される。
本例の液晶レンズ素子 30は、波長 405nm帯のレーザ光を用いた単層および 2層 の BD光ディスクの記録'再生用光ヘッド装置に搭載し、光ディスクのカバー厚の相 違に応じて発生する収差を補正する目的で用いられる。それに伴い第 1、第 2の液晶 レンズ素子 10A、 10Bの、素子構成が実施例 1の液晶レンズ素子 10と異なる。
具体的には、第 1、第 2の液晶レンズ素子 10A、 10Bは、第 2の実施形態で説明し た液晶レンズ素子 20と同様、（2)式の m= 2に相当する凹凸部 17C、 17Dの最大深 さ dとしている。
[0101] 即ち、凹凸部 17C、 17Dとして、屈折率 n ( = 1. 70)および膜厚 d( = 5. 9 mm)
S
の均一屈折率透明膜である SiO N膜を用いる。また、有効径 φ (=4. 0mm)の領 域に、フレネルレンズ形状を 16段の階段で近似した、図 5に断面を示す凹凸部 17B に相当する 17C、 17Dを加工する。また、液晶 16は、常光屈折率 n ( = 1. 53)およ び異常光屈折率 n ( = 1. 83)の正の誘電異方性を有するネマティック液晶を用いる e
。なお、電圧非印加時に、液晶層 16Cは X軸方向に液晶分子の配向が揃うように、 液晶層 16Dは Y軸方向に液晶分子の配向が揃うように、液晶 16と接する配向膜（図 示せず）の配向処理が施されている。また、第 1、第 2の液晶レンズ素子 10A、 10Bの 第 1透明電極と第 2透明電極の間隔を何れも最大 8 μ m、最小 2. 1 μ mとしている。
[0102] このようにして得られた液晶レンズ素子 30の第 1透明電極 13Aと 13B、第 2透明電 極 14Aと 14Bをそれぞれ接続し、その第 1、第 2の透明電極間に交流電源 18により 電圧を印加する。印加電圧を OVから増加させると、液晶層 16Cの X軸方向の実質的 な屈折率と液晶層 16Dの Y軸方向の実質的な屈折率力 n =n ( = 1. 83)力も n
1 e 2
=n ( = 1. 53)まで変化する。一方、液晶層 16Cの Y軸方向および液晶層 16Dの X 軸方向の実質的な屈折率は、印加電圧に関わらず η ( = 1. 53)のままで変化しない
[0103] その結果、第 1の液晶レンズ素子 10Aに入射する X軸方向の偏光面を有する直線 偏光入射光に対して、および、第 2の液晶レンズ素子 10Bに入射する Υ軸方向の偏 光面を有する直線偏光入射光に対して、液晶層 16Cと凹凸部 17Cの屈折率差およ び液晶層 16Dと凹凸部 17Dの屈折率差は何れも、 η— η =0. 13から η— η =— 0
I s 2 s
. 17まで変化し、凹凸部 17C、 17Dの凹部に充填された液晶層 16C、 16Dの厚さ分 布に応じて、透過波面が変化する。
[0104] ここで、例えば、使用波長え（=405nm)で、カバー厚 87. 5 mの光ディスクに対 して、収差がゼロとなるように設計された NAO. 85および焦点距離 1. 882mmの対 物レンズを、カバー厚 100 μ mと 75 μ mの単層および 2層の BD光ディスクに用いる と、最大光路長差が約 0. 43えで、 RMS波面収差が約 125m [rms]に相当する 球面収差が発生する。
[0105] そこで、 X軸方向に振動し z軸方向に進行する直線偏光入射光に対しては第 1の液 晶レンズ素子 10Aにより、 Y軸方向に振動し z軸方向に進行する直線偏光入射光に 対しては第 2の液晶レンズ素子 10Bにより、この球面収差を補正するため、電圧非印 加時の透過波面が、表 2に示す係数 a〜aの値を用いて（3)式で表記される図 6の
1 5
グラフ αに相当するグラフ β 2の光路長差 OPDとなるように、凹凸部 17C、 17Dを加 ェする。ただし、 (3)式の光路長差 OPDは [ μ m]単位で、 rは [mm]単位である。
[0106] [表 2]
Figure imgf000032_0001
[0107] ここで、電圧非印加時の電圧 V = 0において、 X軸方向に振動し z軸方向に進行
+ 2
する直線偏光に対する液晶層 16Cと凹凸部 17Cの屈折率差および Y軸方向に振動 し z軸方向に進行する直線偏光に対する液晶層 16Dと凹凸部 17Dの屈折率差であ る An (V )は、前述したように、
+ 2
Δη (ν ) =η -η 0· 13
+ 2 I s
であるので、凹凸部 17C、 17Dとこの凹部に充填された液晶層 16C、 16Dとにより上 述の透過波面を生成するために、（2)式の m= 2を満たすように凹凸部 17C、 17Dの 最大深さ dを決定する。なお、本例ではフレネルレンズ形状の凹凸部 17C、 17Dを 1 6段の階段状で近似し、 d= 5. 9 mとしている。
[0108] なお、液晶層 16C、 16Dの常光屈折率に対応する入射直線偏光に対して、印加電 圧の大きさに関わらず、液晶層 16Cと凹凸部 17C、および、液晶層 16Dと凹凸部 17 Dとの間に n — n = - 0. 17の屈折率差が生じ、それに伴い固定波面が発生する。
ο s
このような固定波面を相殺するために、透明基板 12Bの表面に凹凸部 17Dと同様の 断面形状を有する凹凸部を加工する（図示せず)。具体的には、屈折率 n = 1. 46の g 石英透明基板 12Bの表面を、最大深さが 2. 23 mとなるように凹凸加工する。
[0109] このようにして得られる液晶レンズ素子 30に、 BD用の波長え（=405nm)のレーザ 光を入射させる。
(0すると、入射光の偏光状態に係わらず、電圧非印加時 (V = 0)
+ 2 は透過波面が 図 7 (A)に示す発散波面となり、図 6のグラフ 13 2に相当する光路長差で、焦点距離（ f )力 ¾ =— 616mm相当の凹レンズ作用を示す。
(ii)次に、印加電圧を増カロさせると、 V =1.4V程度で An(V )=Δη(ν )/2
+1 +1 +2 となり、透過波面が図 7(B)に示す発散波面となる。この透過波面は図 6のグラフ β 1 に相当する光路長差で、焦点距離 (f)が f =— 1232mm相当の凹レンズ作用を示す
(iii)さらに、 V =1. 7V程度で An(V )=0となり、透過波面は、図 7(C)に示すよう
0 0
に、入射波面と同じ波面のまま (パワーなし)変化しな!、。
[0110] (iv)さらに、印加電圧を増加させると、 V =2. 3V程度で An(V ) = -Δη(ν ) となり、透過波面が図 7(D)に示す収束波面となり、図 6のグラフ γ 1に相当する光路 長差で、焦点距離 (f)が f = + 1232mm相当の凸レンズ作用を示す。
(V)さらに、印加電圧を増加させると、 V =4. 5V程度で An(V ) = -Δη(ν )
-2 -2 +2 となり、透過波面が図 7(E)に示す収束波面となり、図 6のグラフ γ 2に相当する光路 長差で、焦点距離 (f)が f = +616mm相当の凸レンズ作用を示す。
[0111] なお、印加電圧の切り替え V 、V 、V、V 、V において発生する図 7(A)、 7
+ 2 +1 0 -1 -2
(Bb)、 7 (C)、 7 (D)、 7 (E)に示す透過波面の生成効率の計算値は、それぞれ、 95 %、 98%、 100%、 98%、 95%となる。
[0112] [例 4]
次に、図 9に示す第 4の実施形態の光ヘッド装置 40において、液晶レンズ素子 10 の代わりに「例 3」の液晶レンズ素子 30を搭載する例にっ 、て説明する。
本例では、 BD用の波長え（=405nm)の半導体レーザ 1を光源として用い、光ディ スク Dは単層および 2層の BD光ディスクとしている。また、対物レンズ 5は、カバー厚 87. 5 mの光ディスクに対して収差が最小となるように設計されている。
[0113] カバー厚 100 mの単層および 2層 BD光ディスク Dに情報を記録 '再生する場合、 液晶レンズ素子 30の印加電圧を V ( = 0V)程度とすると、入射光は対物レンズ 5に
+ 2
よりカバー厚 101. 5 mの面に集光される。このとき、カバー厚 100 mの情報記録 層では、残留する RMS波面収差の計算値は 20m λ [rms]以下となり、カバー厚 10 0 μ mの単層および 2層 BD光ディスク Dの記録'再生ができる。
[0114] 一方、カバー厚 75 μ mの 2層 BD光ディスク Dに情報を記録 '再生する場合、液晶 レンズ素子 30の印加電圧を V =4. 5V程度とすると、入射光はカバー厚 73. 5 μ
—2
mの面に集光される。このとき、カバー厚 75 mの情報記録層では、残留する RMS 波面収差の計算値は 20m [rms]以下となり、カバー厚 75 mの 2層 BD光デイス ク Dの記録'再生ができる。
[0115] 次に、カバー厚が 70 μ m力ら 105 μ mの BD光ディスクに対して、液晶レンズ素子 3 0の印加電圧 V 、V 、V、V 、V に応じて発生する透過波面を用いた場合、
+ 2 +1 0 —1 —2
残留する RMS波面収差の計算結果を図 11に示す。
従って、同図によれば、カバー厚が 70 μ m力ら 77 μ mの範囲では印加電圧 V と
+ 2 することにより、カバー厚が 77 μ m力ら 84 μ mの範囲では印加電圧 V とすることに
+ 1
より、カバー厚が 84 μ m力ら 91 μ mの範囲では印加電圧 Vとすることにより、カバー
0
厚が 91 μ mから 98 μ mの範囲では印加電圧 V とすること〖こより、さら〖こ、カバー厚 力 S98 μ m力ら 105 μ mの範囲では印加電圧 V とすることにより、それぞれ、残留す
—2
る RMS波面収差が約 35m [rms]以下に低減する。
[0116] 従って、液晶レンズ素子 30に印加する電圧を V 、V 、V、V 、V に切り替え
+ 2 +1 0 —1 -2 ることにより、 BD用の単層および 2層の光ディスク Dの安定した記録'再生を行える光 ヘッド装置が実現する。
また、トラッキングのため、光ディスク Dの半径方向に対物レンズ 5が ± 0. 3mm程 度移動した時、液晶レンズ素子 30との偏心が生じるが、それに伴う収差発生はない ため、集光スポットの劣化も生じない。
[0117] なお、本発明は、上述した実施形態に何ら限定されるものではなぐその要旨を逸 脱しな 、範囲にぉ 、て種々の形態で実施し得るものである。
産業上の利用可能性
[0118] 本発明の液晶レンズ素子は、印加電圧の大きさに応じて焦点距離が 3値、 5値また は 7値と複数切り換わる焦点距離切り替えレンズとして利用できる。特に、カバー厚の 異なる単層および 2層の情報記録層を有する光ディスクの記録および Zまたは再生 にお 、て、発生するパワー成分を含む球面収差を補正する液晶レンズ素子として利 用できる。
[0119] さらに、本発明の液晶レンズ素子を搭載した光ヘッド装置とすることにより、液晶レ ンズ素子と対物レンズとが偏心した時にも収差が発生しないため、配置の制約が軽 減され、小型で安定した光ディスクの記録および Zまたは再生ができる光ヘッド装置 に利用できる。 なお、 2004年 4月 30曰に出願された曰本特許出願 2004— 136075号の明細書 、特許請求の範囲、図面及び要約書の全内容をここに引用し、本発明の明細書の開 示として、取り入れるものである。

Claims

請求の範囲
[1] 対向する一対の透明基板と、この透明基板間に挟持された液晶層とを備え、この液 晶層に印加する電圧の大きさに応じて前記液晶層を透過する光の集光位置を変化 させる液晶レンズ素子において、
一方の透明基板の、他方の透明基板と対向する平坦面に形成されたフレネルレン ズと、
このフレネルレンズの凹凸状の表面に形成された第 1の透明電極と、
前記他方の透明基板の、前記一方の透明基板と対向する平坦面に形成された第 2 の透明電極とを備え、
前記液晶層を挟む第 1の透明電極と第 2の透明電極との間に印加する電圧 Vの大 きさに応じて、特定波長 λを有する直線偏光の入射光に対する前記液晶層の実質 的な屈折率 n(V)が、電圧非印加時の屈折率 nから電圧印加時の電圧変化に伴う 変動のない十分に飽和した屈折率 n (n≠n )まで変化し、かつ、前記フレネルレン
2 1 2
ズの屈折率 nが前記屈折率 nと nの間の値であって、前記液晶層との屈折率差 | n s 1 2
— n Iおよび I n— n Iのうち小さい方の値を δ nとするときに、前記フレネルレン
I s 2 s
ズの厚さ dが d≥0. 75 X λ Ζ δ ηの関係を満たすように形成され、
第 1の透明電極と第 2の透明電極との間に印加する電圧 Vのうち、 Μ個（但し、 Μは 3以上の整数)の特定の印加電圧にそれぞれ対応して焦点距離が存在することを特 徴とする液晶レンズ素子。
[2] 前記フレネルレンズの屈折率 η、および ηと ηとの間で、 | η —η | ≤ | η —η | s 1 2 I s 2 s の関係式を満たすとともに、
前記フレネルレンズの厚さ dが、
(m-O. 25) X λ ≤ I n -n I X d≤ (m+O. 25) X λ - -- (2)
1 s
(ただし、 m= l、 2または 3)
の関係式を満たすように前記フレネルレンズが形成され、かつ、
前記特定の印加電圧 Vを印加したときに前記液晶層の屈折率 n (V )が次式
k k
n (V ) =n + [ (m-k) X (n n ) ]/m
k 1 s i
(ただし、 kは一 m≤k≤mを満たす整数） の関係を満たすときに、
前記 Mは 2m+ lで表され、その M個の印加電圧 Vに対応して焦点距離が M個存
k
在する請求項 1に記載の液晶レンズ素子。
[3] 前記フレネルレンズが階段状に近似されて 、る請求項 1または 2に記載の液晶レン ズ素子。
[4] 前記フレネルレンズは複屈折材料から構成され、複屈折材料の異常光屈折率が前 記 nに対応し、複屈折材料の常光屈折率が前記液晶層の常光屈折率に等しい請求 項 1、 2または 3に記載の液晶レンズ素子。
[5] 前記フレネルレンズが、 SiO N (ここで 0≤x≤2、 0≤y≤lおよび 0く x+yである） 力 構成されている請求項 1、 2または 3に記載の液晶レンズ素子。
[6] 波長 λの光を出射する光源と、この光源からの出射光を光記録媒体に集光する対 物レンズと、この対物レンズにより集光され前記光記録媒体により反射された光を分 波するビームスプリッタと、その分波された光を検出する光検出器とを備えた光ヘッド 装置において、
前記光源と前記対物レンズとの間の光路中に、請求項 1から 5のいづれかに記載の 液晶レンズ素子が設置されていることを特徴とする光ヘッド装置。
[7] 前記光記録媒体は情報記録層を覆うカバー層を有し、このカバー層の厚さが異な る光記録媒体への記録および Ζまたは再生を行う請求項 6に記載の光ヘッド装置。
[8] 波長 λの光を出射する光源と、この光源からの出射光を光記録媒体に集光する対 物レンズと、この対物レンズにより集光され前記光記録媒体により反射された光を分 波するビームスプリッタと、その分波された光を検出する光検出器とを備えた光ヘッド 装置の前記光源と前記対物レンズとの間の光路中に、請求項 1から 5のいづれかに 液晶レンズ素子が設置されていて、液晶レンズ素子の透明電極間に Μ個（但し、 Μ は 3以上の整数)の特定の印加電圧 Vが印加されて用いられる光ヘッド装置の使用
k
方法。
[9] 前記光記録媒体は情報記録層を覆うカバー層を有し、このカバー層の厚さが異な る光記録媒体への記録および Zまたは再生を行う請求項 6に記載の光ヘッド装置に 搭載した液晶レンズ素子の透明電極間に M個（但し、 Mは 3以上の整数)の特定の 印加電圧 Vが印加されて用いられる光ヘッド装置の使用方法。
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