WO2006013901A1 - 液晶レンズ素子および光ヘッド装置 - Google Patents

液晶レンズ素子および光ヘッド装置 Download PDF

Info

Publication number
WO2006013901A1
WO2006013901A1 PCT/JP2005/014227 JP2005014227W WO2006013901A1 WO 2006013901 A1 WO2006013901 A1 WO 2006013901A1 JP 2005014227 W JP2005014227 W JP 2005014227W WO 2006013901 A1 WO2006013901 A1 WO 2006013901A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
liquid crystal
electrode
lens element
light
lens
Prior art date
Application number
PCT/JP2005/014227
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Kouichi Murata
Takuji Nomura
Mitsuo Oosawa
Yoshiharu Ooi
Yuzuru Tanabe
Original Assignee
Asahi Glass Company, Limited
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from JP2004227613A external-priority patent/JP4552556B2/ja
Priority claimed from JP2004268142A external-priority patent/JP4501611B2/ja
Application filed by Asahi Glass Company, Limited filed Critical Asahi Glass Company, Limited
Priority to EP05768458A priority Critical patent/EP1785991A4/en
Priority to CN2005800256642A priority patent/CN1993748B/zh
Publication of WO2006013901A1 publication Critical patent/WO2006013901A1/ja
Priority to KR1020077001474A priority patent/KR20070035043A/ko
Priority to US11/670,780 priority patent/US7773489B2/en

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11B—INFORMATION STORAGE BASED ON RELATIVE MOVEMENT BETWEEN RECORD CARRIER AND TRANSDUCER
    • G11B7/00—Recording or reproducing by optical means, e.g. recording using a thermal beam of optical radiation by modifying optical properties or the physical structure, reproducing using an optical beam at lower power by sensing optical properties; Record carriers therefor
    • G11B7/12—Heads, e.g. forming of the optical beam spot or modulation of the optical beam
    • G11B7/135—Means for guiding the beam from the source to the record carrier or from the record carrier to the detector
    • G11B7/1365—Separate or integrated refractive elements, e.g. wave plates
    • G11B7/1369—Active plates, e.g. liquid crystal panels or electrostrictive elements
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/18—Diffraction gratings
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/29—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the position or the direction of light beams, i.e. deflection
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11B—INFORMATION STORAGE BASED ON RELATIVE MOVEMENT BETWEEN RECORD CARRIER AND TRANSDUCER
    • G11B7/00—Recording or reproducing by optical means, e.g. recording using a thermal beam of optical radiation by modifying optical properties or the physical structure, reproducing using an optical beam at lower power by sensing optical properties; Record carriers therefor
    • G11B7/12—Heads, e.g. forming of the optical beam spot or modulation of the optical beam
    • G11B7/135—Means for guiding the beam from the source to the record carrier or from the record carrier to the detector
    • G11B7/1353—Diffractive elements, e.g. holograms or gratings
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11B—INFORMATION STORAGE BASED ON RELATIVE MOVEMENT BETWEEN RECORD CARRIER AND TRANSDUCER
    • G11B7/00—Recording or reproducing by optical means, e.g. recording using a thermal beam of optical radiation by modifying optical properties or the physical structure, reproducing using an optical beam at lower power by sensing optical properties; Record carriers therefor
    • G11B7/12—Heads, e.g. forming of the optical beam spot or modulation of the optical beam
    • G11B7/135—Means for guiding the beam from the source to the record carrier or from the record carrier to the detector
    • G11B7/1372—Lenses
    • G11B7/1374—Objective lenses
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11B—INFORMATION STORAGE BASED ON RELATIVE MOVEMENT BETWEEN RECORD CARRIER AND TRANSDUCER
    • G11B7/00—Recording or reproducing by optical means, e.g. recording using a thermal beam of optical radiation by modifying optical properties or the physical structure, reproducing using an optical beam at lower power by sensing optical properties; Record carriers therefor
    • G11B7/12—Heads, e.g. forming of the optical beam spot or modulation of the optical beam
    • G11B7/135—Means for guiding the beam from the source to the record carrier or from the record carrier to the detector
    • G11B7/1372—Lenses
    • G11B7/1378—Separate aberration correction lenses; Cylindrical lenses to generate astigmatism; Beam expanders
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11B—INFORMATION STORAGE BASED ON RELATIVE MOVEMENT BETWEEN RECORD CARRIER AND TRANSDUCER
    • G11B7/00—Recording or reproducing by optical means, e.g. recording using a thermal beam of optical radiation by modifying optical properties or the physical structure, reproducing using an optical beam at lower power by sensing optical properties; Record carriers therefor
    • G11B7/12—Heads, e.g. forming of the optical beam spot or modulation of the optical beam
    • G11B7/135—Means for guiding the beam from the source to the record carrier or from the record carrier to the detector
    • G11B7/1392—Means for controlling the beam wavefront, e.g. for correction of aberration
    • G11B7/13925—Means for controlling the beam wavefront, e.g. for correction of aberration active, e.g. controlled by electrical or mechanical means
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
    • G02F1/133—Constructional arrangements; Operation of liquid crystal cells; Circuit arrangements
    • G02F1/1333—Constructional arrangements; Manufacturing methods
    • G02F1/1335—Structural association of cells with optical devices, e.g. polarisers or reflectors
    • G02F1/133526—Lenses, e.g. microlenses or Fresnel lenses
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/29—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the position or the direction of light beams, i.e. deflection
    • G02F1/294—Variable focal length devices
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11B—INFORMATION STORAGE BASED ON RELATIVE MOVEMENT BETWEEN RECORD CARRIER AND TRANSDUCER
    • G11B7/00—Recording or reproducing by optical means, e.g. recording using a thermal beam of optical radiation by modifying optical properties or the physical structure, reproducing using an optical beam at lower power by sensing optical properties; Record carriers therefor
    • G11B2007/0003—Recording, reproducing or erasing systems characterised by the structure or type of the carrier
    • G11B2007/0006—Recording, reproducing or erasing systems characterised by the structure or type of the carrier adapted for scanning different types of carrier, e.g. CD & DVD
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11B—INFORMATION STORAGE BASED ON RELATIVE MOVEMENT BETWEEN RECORD CARRIER AND TRANSDUCER
    • G11B7/00—Recording or reproducing by optical means, e.g. recording using a thermal beam of optical radiation by modifying optical properties or the physical structure, reproducing using an optical beam at lower power by sensing optical properties; Record carriers therefor
    • G11B2007/0003—Recording, reproducing or erasing systems characterised by the structure or type of the carrier
    • G11B2007/0009—Recording, reproducing or erasing systems characterised by the structure or type of the carrier for carriers having data stored in three dimensions, e.g. volume storage
    • G11B2007/0013—Recording, reproducing or erasing systems characterised by the structure or type of the carrier for carriers having data stored in three dimensions, e.g. volume storage for carriers having multiple discrete layers
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11B—INFORMATION STORAGE BASED ON RELATIVE MOVEMENT BETWEEN RECORD CARRIER AND TRANSDUCER
    • G11B7/00—Recording or reproducing by optical means, e.g. recording using a thermal beam of optical radiation by modifying optical properties or the physical structure, reproducing using an optical beam at lower power by sensing optical properties; Record carriers therefor
    • G11B7/12—Heads, e.g. forming of the optical beam spot or modulation of the optical beam
    • G11B7/135—Means for guiding the beam from the source to the record carrier or from the record carrier to the detector
    • G11B7/1372—Lenses
    • G11B2007/13722—Fresnel lenses
    • G—PHYSICS
    • G11—INFORMATION STORAGE
    • G11B—INFORMATION STORAGE BASED ON RELATIVE MOVEMENT BETWEEN RECORD CARRIER AND TRANSDUCER
    • G11B7/00—Recording or reproducing by optical means, e.g. recording using a thermal beam of optical radiation by modifying optical properties or the physical structure, reproducing using an optical beam at lower power by sensing optical properties; Record carriers therefor
    • G11B7/12—Heads, e.g. forming of the optical beam spot or modulation of the optical beam
    • G11B7/135—Means for guiding the beam from the source to the record carrier or from the record carrier to the detector
    • G11B7/1372—Lenses
    • G11B2007/13727—Compound lenses, i.e. two or more lenses co-operating to perform a function, e.g. compound objective lens including a solid immersion lens, positive and negative lenses either bonded together or with adjustable spacing

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 in particular, a liquid crystal lens element that can be switched to a different focal length according to switching of applied voltage and magnitude, and mounted on the optical recording medium. This is related to the optical head device used for recording and Z or reproduction of information.
  • an optical recording medium (hereinafter referred to as "optical disk") having an information recording layer formed on the incident side surface and a cover layer made of a transparent resin covering the information recording layer.
  • optical discs such as CD optical discs and DV D optical discs are known.
  • an optical head device used for recording and Z or reproducing information (hereinafter referred to as “recording / reproduction”) on this DVD optical disc has been developed. Is equipped with a 660nm band semiconductor laser and an objective lens with NA (numerical aperture) of 0.6 to 0.65.
  • an information recording layer is a single layer and a cover thickness (cover layer thickness) is 0.6 mm (hereinafter referred to as “single-layer DVD optical disc”), and an information recording layer
  • single-layer DVD optical disc optical discs with two layers (only for playback or playback and recording)
  • two-layer DVD optical disc optical discs with two layers (only for playback or playback and recording)
  • the information recording layer is 55 ⁇ 15 m
  • the information recording layer is formed at a force of 0.63 mm when the cover thickness on the light incident side is 0.56 mm.
  • an optical disc having a cover thickness of 100 m (hereinafter referred to as “single-layer BD optical disc”) has been developed in order to improve the recording density of the optical disc.
  • a blue light semiconductor laser having a wavelength of 405 nm band and an objective lens having an NA of 0.85 are used as a light source.
  • the RMS (Root Mean Square) wavefront aberration is approximately 50 m. A large spherical aberration occurs, which is a problem because the light collecting property of incident light on the information recording layer deteriorates.
  • double-layer BD optical disc a recordable double-layer optical disc with a cover thickness of 100 m and 75 m.
  • double-layer BD optical disc The large spherical aberration that occurs in response causes a writing error, which is a problem
  • an optical head device 100 for recording / reproducing an optical disc D as shown in FIG. 29 to correct spherical aberration using a movable lens group 100 has been proposed.
  • This optical head device 100 includes a light source 110, various optical systems 120, a light receiving element 130, a control circuit 140, a modulation Z demodulation circuit 150, a first movable lens group 160, a second movable lens group 160, And 170.
  • the first movable lens group 160 includes a concave lens 161, a convex lens 162, and an actuator 163.
  • the movable lens group 160 continuously changes from positive (convex lens) force to negative (concave lens).
  • the focusing point of incident light can be adjusted to the information recording layer having a different cover thickness of the optical disc D, so that correction of spherical aberration including the power component can be performed. Is possible.
  • This liquid crystal lens 200 includes a substrate 230 on which a transparent electrode 210 and an alignment film 220 are formed on a flat surface, and a surface shape S described by Eq. (1) that is axisymmetric and is the sum of powers of a radius r.
  • the substrate 260 includes a transparent electrode 240 and an alignment film 250 formed on a curved surface having (r), and a nematic liquid crystal 270 sandwiched therebetween.
  • this liquid crystal lens 200 when a voltage is applied between the transparent electrodes 210 and 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.
  • Japanese Patent Laid-Open No. 9-230300 expresses a substantial lens function in which a power component corresponding to a change in the collection point of incident light is also changed without increasing the thickness of the liquid crystal layer.
  • Light modulation elements have been proposed as liquid crystal lenses.
  • an optical head device using the light modulation element has been proposed in order to correct the spherical aberration caused by the difference in the cover thickness between the DVD optical disk and the CD optical disk.
  • FIG. 31 shows a side view of the light modulation element 300.
  • the light modulation element 300 includes two transparent substrates 310 and 320 that are substantially parallel to each other, and a liquid crystal 330 that is sandwiched between the transparent substrates 310 and 320, and the surface on the liquid crystal side of one of the transparent substrates 310 is a concentric blaze. While having a shape 340, an electrode 350 and an alignment film 360 are formed on the liquid crystal side surfaces of the two transparent substrates.
  • the orientation direction of the liquid crystal 330 is substantially parallel to the transparent substrate when no electric field is applied, and the orientation direction is substantially perpendicular to the transparent substrate when an electric field is applied.
  • Japanese Patent Laid-Open No. 9-189892 discloses a substantial lens function in which the power component corresponding to the change in the condensing point of incident light is variable without increasing the thickness of the liquid crystal layer.
  • a liquid crystal diffraction lens 400 as shown in FIG. 32 has also been proposed.
  • a transparent electrode 420 is formed on one side of a substrate 410 on which a predetermined serrated relief is formed, and the liquid crystal layer 440 is formed by the transparent electrode 420 and the counter electrode 430. Hold it.
  • the substantial refractive index of the liquid crystal layer 440 changes from the extraordinary refractive index n to the ordinary optical refractive index n with respect to extraordinary light polarization.
  • the substantial refractive index means the average refractive index in the thickness direction of the liquid crystal layer.
  • the depth d of the groove of the serrated relief satisfies the relationship of the following equation:
  • the maximum diffraction efficiency is obtained at the wavelength when no voltage is applied, and a diffractive lens is obtained. Further, even if the wavelength ⁇ of the incident light changes, the applied voltage can be adjusted so that the maximum diffraction occurs at the wavelength ⁇ .
  • the liquid crystal layer 440 may be filled with liquid crystal so as to fill the groove of the serrated relief! Therefore, the liquid crystal lens 200 shown in FIG.
  • the liquid crystal layer 440 can be made thinner than the type of liquid crystal layer that corrects spherical aberration.
  • the refractive index of the substrate 260 is equal to the liquid crystal 270 when no voltage is applied. Therefore, when this voltage is not applied, the transmitted wavefront of incident light does not change.
  • a voltage is applied between the transparent electrodes 210 and 240, a refractive index difference ⁇ is generated between the substrate 260 and the liquid crystal 270, and A n XS (r) (where S (r) is expressed by Equation (1)). ) Corresponding to the optical path length difference distribution of the transmitted light.
  • the surface shape S (r) of the substrate 260 is covered so as to correct the spherical aberration caused by the difference in the cover thickness of the optical disc D, and the refractive index difference ⁇ is adjusted according to the applied voltage.
  • the change in the refractive index of the liquid crystal 270 with respect to the applied voltage is about 0.3 at maximum, which corresponds to the power component that changes the condensing point of incident light.
  • the unevenness difference of S (r) must be increased. As a result, the layer of the liquid crystal 270 becomes thicker and the response speed to the voltage becomes slower.
  • the aberration correction amount that is, the optical path length difference distribution can be reduced, so that the liquid crystal layer can be made thin and effective for high-speed response.
  • the optical axis of the objective lens that collects incident light on the information recording layer of the optical disc is different from the optical axis of the liquid crystal lens. When decentered, coma occurs.
  • either one of the ordinary light refractive index n and the extraordinary light refractive index n of the liquid crystal is the refractive index of the blazed shape 340 of the transparent substrate.
  • ⁇ ⁇ depth of the concavo-convex portion of refractive index n
  • ⁇ depth of the concavo-convex portion
  • a diffraction efficiency of approximately 100% is obtained and functions as a Fresnel lens.
  • the refractive index of the liquid crystal 330 is ⁇ and does not function as a Fresnel lens, and all light is transmitted.
  • the two focal points can be switched by switching the voltage applied to the electrode 350 of the light modulation element 300.
  • the light condensing property to the information recording layer of the optical disc having different cover thicknesses for DVD and CD can be improved.
  • DVD and CD optical discs can be recorded and played back using DVD objective lenses. Therefore, it is preferable to use the light modulation element 300 because the binary focus can be switched by switching the applied voltage.
  • the standard centers of the cover thickness of a double-layer BD optical disc are 100 ⁇ m and 75 ⁇ m. Can be corrected.
  • the force that is effective when the cover thickness is 100 ⁇ m and 75 ⁇ m.
  • the cover thickness that exists as a manufacturing variation of optical discs cannot be sufficiently corrected for aberration reduction.
  • the spherical aberration 50m ⁇ rms that occurs when the cover thickness varies ⁇ 100 m and 75 ⁇ 5 m, and ⁇ 5 ⁇ m, and ⁇ 10 ⁇ m.
  • Spherical aberration that sometimes occurs 100m rms a large aberration that could not be reduced.
  • the large spherical aberration generated according to the difference in the cover thickness cannot be corrected sufficiently, which may cause a writing error or a reading error, and an effective improvement measure has been desired.
  • the refractive index difference between the saw-tooth relief structure and the liquid crystal varies with the applied voltage, This occurs because the wavefront can be continuously connected to obtain a power component only when the product of the difference in refractive index and the groove depth d of the serrated relief is an integral multiple of the wavelength ⁇ .
  • the power can only be changed discretely according to the voltage.
  • the cover thickness of the optical disc generally varies due to manufacturing errors.
  • the spherical aberration force generated by variations in the cover thickness is proportional to the fourth power of the objective lens ⁇ , which is caused by a manufacturing error in the cover thickness. It is necessary to appropriately correct spherical aberration. Therefore, only a discrete power component can be obtained, and with the liquid crystal diffractive lens 400, it is difficult to appropriately correct manufacturing variations in cover thickness.
  • the transmitted wavefront is changed by the applied voltage for polarized light that senses the ordinary refractive index of the liquid crystal. It is not possible.
  • Optical head devices used for recording and playback of DVDs and high-density optical discs generally use a polarizing optical system, so forward light with orthogonal polarization (light directed to the optical disk) and return light ( Optical disk force Reflected light) Any one of the light forces Spherical aberrations cannot be corrected, which causes another problem.
  • the present invention provides a liquid crystal lens element having a lens function capable of switching a multi-value focal length of two or more values according to an applied voltage, as well as realizing a small element having no moving part.
  • the purpose is to provide.
  • the present invention can perform spherical aberration correction including a power component corresponding to a change in a condensing point of incident light, which is stable according to the magnitude of an applied voltage, although the liquid crystal layer is a thin liquid crystal element.
  • An object of the present invention is to provide a liquid crystal lens element having a lens function.
  • the present invention corrects the spherical aberration caused by the difference in the cover thickness between the single-layer and double-layer optical discs by using the above-described liquid crystal lens element, and enables stable recording and Z or reproduction. It is an object of the present invention to provide an optical head device capable of performing
  • the present invention discloses the following contents.
  • the first transparent substrate has a transparent electrode and an optical axis.
  • a concavo-convex portion having a transparent material force having a sawtooth cross-sectional shape having rotational symmetry or a cross-sectional shape approximating the sawtooth by a staircase shape, and the second transparent substrate includes a transparent electrode. element.
  • An objective lens for condensing the emitted light of the light source power on the optical recording medium a photodetector for detecting the light condensed and reflected on the optical recording medium
  • An optical head device comprising: the liquid crystal lens element according to 1 above, which is disposed in an optical path between the light source and the objective lens.
  • At least the first and second substrates are placed facing each other, and the condensing point of the light transmitted through the liquid crystal layer is changed according to the magnitude of the voltage applied to the liquid crystal layer sandwiched between the substrates.
  • a liquid crystal lens element wherein one surface of the first substrate is provided with a first transparent electrode and an uneven portion having a sawtooth shape or a transparent material force having a cross-sectional shape approximating a saw tooth in a staircase shape.
  • a second transparent electrode is formed on one surface of the second substrate, and at least one of the first and second transparent electrodes is annular
  • the liquid crystal lens element is divided into electrode segments, and a ring-shaped division position of the electrode segment coincides with a ring-shaped division position of the serrated uneven portion of the first substrate.
  • the resistance value between each electrode segment and the electrode segment adjacent to the outer peripheral side is 2 between the electrode segment and the electrode segment adjacent to the inner peripheral side. 5.
  • liquid crystal lens element according to any one of 3 to 5, wherein a depth of the unevenness formed on the first substrate is equal to an interval between the second substrate and the convex portion of the unevenness.
  • An objective lens that condenses the light emitted from the light source onto an optical recording medium, a beam splitter that demultiplexes the light collected by the objective lens and reflected by the optical recording medium, and the demultiplexed light.
  • An optical head device comprising: a photodetector to detect; and the liquid crystal lens element according to any one of 3 to 5 disposed in an optical path between the light source and the objective lens.
  • a liquid crystal lens element that changes a condensing point of light transmitted through the liquid crystal layer in accordance with the magnitude of a voltage applied to the liquid crystal layer, the first Fresnel lens unit, A first liquid crystal layer sandwiched between a pair of transparent substrates; and the transparent substrate for applying a voltage to the first liquid crystal layer.
  • the first liquid crystal layer includes a Fresnel lens portion and an electrode lens portion. At least one of the opposing electrode pairs, and a pair of opposing electrodes installed on the surface of each of the electrodes, a sawtooth cross-sectional shape having rotational symmetry with respect to the optical axis of the light, or a cross-sectional shape approximating a sawtooth to a stepped shape.
  • a first concavo-convex portion formed of a transparent material on the upper surface of the first liquid crystal layer, and the second Fresnel lens portion includes a second liquid crystal layer sandwiched between a pair of transparent substrates and a voltage applied to the second liquid crystal layer.
  • a second concavo-convex portion formed of a transparent material, and the electrode lens portion includes a third liquid crystal layer sandwiched between a pair of transparent substrates, and a surface of the transparent substrate for applying a voltage to the third liquid crystal layer.
  • the first, second, and third liquid crystal layers each of which is disposed opposite to each other, and at least one of which is a composite electrode composed of a low-resistance electrode and a high-resistance planar electrode.
  • a nematic liquid crystal aligned in parallel when no voltage is applied or when a voltage is applied and the normal refractive index direction of the first liquid crystal layer and the anomalous refractive index direction of the second liquid crystal layer and the third liquid crystal layer are -Matching liquid crystal lens element.
  • Both of the opposing electrodes installed in the electrode lens portion are the composite electrodes, and the one composite electrode includes a high resistance planar electrode and a plurality of low resistance electrodes arranged in a stripe shape.
  • the other composite electrode is a plurality of low resistance electrodes arranged in a stripe shape in a direction orthogonal to an arrangement direction of the high resistance planar electrode and the low resistance electrode. Lens element.
  • the first Fresnel lens portion, the second Fresnel lens portion, and the electrode lens portion are laminated and integrally formed, and the first, second, and third liquid crystal layers face each other.
  • the electrode lens portion of the liquid crystal lens element includes a first electrode lens portion and a second electrode lens portion, and the first electrode lens portion is sandwiched between a pair of transparent substrates. 3
  • the liquid crystal layer and the third liquid crystal layer are placed on the surface of the transparent substrate to apply a voltage, and at least one of them is a composite electrode having a low resistance electrode and a high resistance planar electrode force.
  • At least one of the first and second liquid crystal layers is a composite electrode composed of a low-resistance electrode and a high-resistance planar electrode, and the first, second, third, and fourth liquid crystal layers are turned on when no voltage is applied.
  • ordinary refractive index direction, the second, third and ordinary refractive index direction of the extraordinary refractive index direction and the fourth liquid crystal layer of the liquid crystal layer, the liquid crystal lens element according to claim 7 matches.
  • One of the opposing electrodes installed in the electrode lens unit is the composite electrode.
  • the opposing electrodes installed in the electrode lens unit are both composite electrodes, and one of the composite electrodes has a plurality of low resistances arranged in stripes with a high-resistance planar electrode. And the other composite electrode includes a plurality of low resistance electrodes arranged in stripes in a direction perpendicular to the direction in which the high resistance planar electrode and the low resistance electrode are arranged.
  • a refractive index of the transparent material forming the first and second concavo-convex portions is any one of the above 11 to 13, which is equal to an ordinary refractive index of the first liquid crystal layer and the second liquid crystal layer.
  • the first Fresnel lens part and the second Fresnel lens part are laminated and integrated, and the first electrode lens part and the second electrode lens part are laminated and integrated.
  • the liquid crystal lens element as set forth in any one of 13 above, wherein the above-mentioned 11 forces are also included.
  • a light source an objective lens for condensing the light emitted from the light source on the optical recording medium, and a photodetector for detecting the light collected and reflected on the optical recording medium
  • An optical head device comprising: the liquid crystal lens element according to any one of 7 to 13 above disposed in an optical path between the light source and the objective lens.
  • the polarization direction of the light from the light source incident on the liquid crystal lens element is the extraordinary refractive index direction of the third liquid crystal layer of the liquid crystal lens element. 15.
  • the light source an objective lens for condensing light emitted from the light source on the optical recording medium, and an optical path between the light source and the objective lens, according to any one of 7 to 13 above Liquid crystal lens
  • An optical head device with an element An optical head device with an element.
  • Light source objective lens for condensing emitted light from light source on information recording layer of optical recording medium, photodetector for receiving reflected light of information recording layer, and optical recording medium from light source
  • an optical head device including at least a beam splitter that separates a light beam in a forward path toward the light beam and a light beam in a return path from which reflected light from the information recording layer travels to a photodetector
  • a forward liquid crystal in which the first Fresnel lens portion and the second electrode lens portion are laminated and integrated.
  • the liquid crystal lens element according to any one of the above-mentioned 7 to 13, wherein the lens element, the second Fresnel lens part, and the first electrode lens part are laminated and joined together as a liquid crystal lens element force for return path,
  • An optical head device is provided in which the forward liquid crystal lens element is disposed in an optical path between a light source and a beam splitter, and the backward liquid crystal lens element is disposed in an optical path between the beam splitter and a photodetector.
  • the present invention by providing this liquid crystal lens in the optical head device, it is possible to correct aberrations caused by optical discs having different cover thicknesses.
  • the number of input terminals to the element is as small as 3 terminals, and the controllability is small, and a compact and low-cost optical head device can be realized.
  • the liquid crystal is filled in a concave portion of a transparent material having a sawtooth shape or a cross-sectional shape approximating the sawtooth in a staircase shape. Therefore, although the relatively large power component can be generated, the thickness of the liquid crystal layer can be reduced, leading to low voltage driving and high speed response. Furthermore, since the extraordinary refractive index directions of the first and second liquid crystal layers are orthogonal, stable spherical aberration correction can be realized regardless of the direction of incident polarized light. Further, according to the present invention, the power component can be continuously changed by the electrode lens portion provided in the liquid crystal lens element.
  • the optical head device provided with such a liquid crystal lens element, not only the spherical aberration caused by the difference in the cover thickness in the two-layer optical disc is corrected, but also caused by the variation in the cover thickness. It is possible to effectively correct the spherical aberration. Also, even when the objective lens is decentered from the liquid crystal lens element during tracking, there is little aberration deterioration, so that an optical head device capable of stable recording and Z or reproduction can be provided.
  • FIG. 1 is a side view showing a configuration of a liquid crystal lens element according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 (A) is a plan view showing a saw-toothed ring forming the uneven portion of the first substrate of the liquid crystal lens element shown in FIG. 1, and (B) is a ring forming the transparent electrode of the second substrate.
  • Strip electrode segment FIG. 1 is a plan view showing a saw-toothed ring forming the uneven portion of the first substrate of the liquid crystal lens element shown in FIG. 1, and (B) is a ring forming the transparent electrode of the second substrate.
  • FIG. 3 is a graph showing an example of the optical path length difference of the transmitted wavefront generated by the liquid crystal lens of the present invention, where ex is a graph in which the horizontal axis is radius r and the optical path length difference is expressed in units of wavelength ⁇ , and j8 is A graph in which an integer multiple of wavelength ⁇ is subtracted from ⁇ force to obtain an optical path length difference that is at least zero and less than y.
  • y is a graph that shows an optical path length difference that is plane-symmetric with ⁇ with respect to a plane with no optical path length difference.
  • FIG. 4 is a side view showing the action when the applied voltage to the liquid crystal lens element is switched, where ( ⁇ ) is the convergent transmission wavefront at the applied voltage V, and ( ⁇ ) is the wavefront at the applied voltage V. Change
  • FIG. 5 is a graph showing an example of the optical path length difference of the transmitted wavefront generated by the liquid crystal lens of the present invention, where ex is a graph in which the horizontal axis is radius r and the optical path length difference is expressed in units of wavelength ⁇ , ⁇ 2 Is a graph that subtracts an integral multiple of the wavelength 2 ⁇ from oc to obtain an optical path length difference between -2 ⁇ and zero, ⁇ 1 is a graph showing the optical path length difference that halves the optical path length difference of ⁇ 2, and ⁇ 1 is the optical path A graph showing an optical path length difference that is plane-symmetric with ⁇ 1 for a zero length difference plane, and ⁇ 2 is a graph that shows an optical path length difference that is plane symmetrical with ⁇ 2 for a plane with a zero optical path length difference.
  • [7] A graph showing an example of the optical path length difference when the voltage applied to the liquid crystal lens element of the present invention is changed for each annular zone.
  • FIG. 9 is a schematic plan view showing a connection between a ring-shaped segment of the second electrode of the liquid crystal lens element of the present invention and a resistor.
  • FIG. 10 is a schematic plan view showing a connection state between a ring-shaped segment of a second electrode of the liquid crystal lens element of the present invention and a resistor.
  • FIG. 12 is a side view showing another configuration example of the liquid crystal lens element of the present invention in which the liquid crystal lens elements are laminated so that the alignment directions of the liquid crystal molecules are orthogonal to each other.
  • FIG. 13 A configuration diagram showing an optical head device of the present invention equipped with the liquid crystal lens element of the present invention.
  • 14 A sectional view showing a liquid crystal lens element according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 15 is a top view of the Fresnel lens portion of the liquid crystal lens element according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 15 is a top view of the electrode lens portion of the liquid crystal lens element according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 17 is a graph showing the phase difference of the transmitted wavefront generated by the liquid crystal lens element of the present invention
  • Pl and P2 are graphs in which the horizontal axis is radius r and the phase difference is expressed in units of wavelength ⁇
  • Fl, F2 Is a graph showing the phase difference between zero and ⁇ by adding or subtracting an integral multiple of wavelength ⁇ from Pl and P2.
  • FIG. 18 is an enlarged view of a Fresnel lens portion in a cross-sectional view of the liquid crystal lens element of the present invention.
  • FIG. 19 is a cross-sectional view showing the operation when the voltage applied to the Fresnel lens portion of the liquid crystal lens element of the present invention is switched, where ( ⁇ ) is the convergent transmission wavefront at the applied voltage V, and ( ⁇ ) is
  • FIG. 20 is a schematic diagram showing a phase difference distribution generated by the electrode lens portion of the liquid crystal lens element of the present invention, where ⁇ is a target phase difference and ⁇ is a phase difference generated by the electrode lens portion.
  • FIGS. 21A and 21B are top views of a composite electrode constituting an electrode lens portion of a liquid crystal lens element according to a third embodiment of the present invention, respectively.
  • ⁇ 23 A sectional view showing a fifth embodiment of the liquid crystal lens element of the present invention.
  • FIG. 26 is an explanatory diagram showing the Fresnel lens efficiency of the liquid crystal lens element in the optical head device of the present invention.
  • FIG. 28 is an explanatory diagram showing the Fresnel diffraction efficiency of the liquid crystal lens element in Example 4, which is the seventh embodiment of the liquid crystal lens element of the present invention.
  • FIG. 29 is a configuration diagram showing a conventional optical head device in which a movable lens group is mounted as a spherical aberration correction element.
  • FIG. 30 is a side view showing a configuration example of a conventional liquid crystal lens.
  • FIG. 31 is a side view showing a configuration example of a conventional light modulation element (liquid crystal diffraction lens).
  • FIG. 32 is a cross-sectional view showing a configuration example of a conventional liquid crystal diffractive lens.
  • FIG. 1 shows a liquid crystal lens element 510 according to the first embodiment of the present invention.
  • This liquid crystal lens element 510 has transparent substrates 511 and 512 (hereinafter referred to as first and second substrates 511 and 512).
  • liquid crystal layer 516 nematic liquid crystal having an ordinary light refractive index n and an extraordinary light refractive index n (where n ⁇ n) is used.
  • the concavo-convex portion 517 is formed using a transparent material having a refractive index n.
  • the uneven portion 517 preferably has a sawtooth shape or a shape approximating a sawtooth stepwise, and has a rotational symmetry with respect to the optical axis (Z axis) of the incident light in the region of the effective diameter ⁇ . .
  • FIGS. 2A and 2B are plan views of the first substrate 511 and the second substrate 512.
  • a plurality of concavity and convexity portions 517 that also have a sawtooth-shaped zonal force are formed concentrically.
  • a plurality of transparent electrodes 513 are provided.
  • an electrode segment 514A (transparent electrode 514) divided in a ring shape so that different voltages can be applied is provided on the second substrate 512.
  • This electrode segment 514A is divided corresponding to each radius of the concavo-convex portion 517 of the first substrate 11.
  • the transparent electrode 513 and the transparent electrode 514 are provided with terminal electrodes 519 to 519 for supplying driving power from the outside of the element.
  • the example in which the second electrode is divided into ring-shaped electrode segments has been described, but there is no problem even if the electrodes on the first substrate are divided into ring-shaped electrodes.
  • the alignment direction of nematic liquid crystal molecules in the liquid crystal layer 516 will be described in detail. There are, for example, the following three types of orientation directions of the nematic liquid crystal molecules. i) Homogeneous orientation:
  • the liquid crystal on the surfaces of the transparent electrodes 513 and 514 in FIG. Applying an alignment film (not shown) such as polyimide whose molecular orientation directions are approximately parallel to the first and second substrates 511 and 512, respectively, and then rubbing in the X-axis direction after curing. Homogeneity where the alignment direction of the liquid crystal molecules is aligned in the axial direction (ie, the direction of the extraordinary refractive index ⁇ )
  • the alignment of liquid crystal molecules may be aligned using a SiO oblique vapor deposition film, a photo-alignment film, or the like.
  • V refractive index
  • This configuration allows the liquid crystal layer 516 to have a substantial change in the refractive index at a low voltage, so that the maximum depth d of the uneven portion 517 that forms the substrate surface of the uneven transparent electrode 513 is a relatively small value. It can be. As a result, the formation process of the concavo-convex portion 517 is shortened and the liquid crystal layer 516 can be made thin, which leads to high-speed response.
  • the alignment direction of the liquid crystal molecules is substantially perpendicular to the substrate surface.
  • an alignment film such as polyimide, in which the alignment direction of liquid crystal molecules is parallel to the substrate surface, is applied to the surface of the flat transparent electrode 514, and then cured, and then rubbed in the X-axis direction.
  • the alignment direction of the liquid crystal molecules is a hybrid alignment in which the transparent electrode 513 of the uneven portion 517 is aligned in a direction substantially perpendicular to the substrate surface, and the transparent electrode 514 is aligned in a direction substantially parallel to the substrate surface.
  • the substantial refractive index n (V) of the liquid crystal layer 516 is obtained with respect to linearly polarized incident light having a polarization plane in the X-axis direction.
  • the alignment of the alignment film on the substrate surface of the concavo-convex transparent electrode 513 is aligned because the alignment of the liquid crystal layer 516 is defined by the alignment film on the substrate surface of the flat transparent electrode 514. Even without this, the alignment direction of the liquid crystal layer 516 is stable. As a result, it is possible to reduce the degradation of the efficiency of transmitted light due to the poor alignment of the substrate surface.
  • a liquid crystal having a negative dielectric anisotropy ⁇ in which the alignment of the liquid crystal is aligned in the direction perpendicular to the electric field direction is used.
  • the alignment direction of the liquid crystal molecules is formed on the surfaces of the transparent electrodes 513 and 514.
  • An alignment film such as polyimide that is substantially perpendicular to the substrate surface is applied and then cured. Further, only the alignment film of the transparent electrode 514 is rubbed in the X-axis direction. As a result, the liquid crystal molecules are aligned so that the alignment direction of the liquid crystal molecules is substantially perpendicular to the substrate surfaces of the transparent electrodes 513 and 14 of the uneven portion 517.
  • This configuration allows the liquid crystal layer 516 to have a substantial change in the refractive index at a low voltage, so that the maximum depth d of the uneven portion 517 that forms the substrate surface of the uneven transparent electrode 513 is a relatively small value. It can be. As a result, the formation process of the concavo-convex portion 517 is shortened and the liquid crystal layer 516 can be made thin, which leads to high-speed response. Furthermore, since the orientation of the liquid crystal layer 516 is defined by the orientation film subjected to the orientation treatment on the substrate surface of the transparent flat electrode 514, the liquid crystal layer 516 is liquid crystal even without the orientation treatment of the orientation film on the substrate surface of the uneven transparent electrode 513. The orientation of layer 516 is stable. As a result, it is possible to reduce the deterioration of the efficiency of transmitted light due to the poor alignment of the substrate surface.
  • An uneven portion 517 having a shape approximating a tooth shape or a sawtooth shape in a step shape is formed.
  • a transparent electrode 513 is formed on the surface of the concave / convex portion 517.
  • the force described in the example in which the transparent electrode 513 is formed on the surface of the uneven portion 517 may be formed between the uneven portion 517 and the substrate 511.
  • an electrode 514 divided into a ring shape is formed, and a gear is formed on the substrate 512.
  • the adhesive material mixed with the lip control material is printed to form a seal 515, which is overlaid on the above-described transparent substrate 511 and pressed to produce an empty cell.
  • the distance between the convex portion of the concave and convex portion 517 of the first substrate 511 and the substrate 512 is g.
  • a nematic liquid crystal 516 having an ordinary light refractive index n and an extraordinary light refractive index n (where n ⁇ n) is injected from an inlet (not shown) provided in a part of the seal 515.
  • the liquid crystal 516 is sealed in the cell to form the liquid crystal lens element 510 of the present embodiment.
  • an AC power supply (not shown) is connected to the drive power supply circuit 518.
  • terminal electrodes 519B and 519C for driving power supply are formed on the transparent substrate 511 side, and conductive metal particles are mixed in the seal 515 in advance to seal and pressure-bond, thereby conducting conductivity in the seal thickness direction.
  • the transparent electrode 514 is electrically connected to the terminal electrodes 519B and 19C.
  • a voltage can be applied to the liquid crystal layer 516 by connecting the drive power supply circuit 518 to these terminal electrodes 519B and 519C.
  • liquid crystal lens element 510 is completed.
  • the uneven portion 517 having a transparent material strength may be formed of an organic material such as an ultraviolet ray curable resin, a heat curable resin, or a photosensitive resin.
  • the uneven portion 517 may be formed of a uniform refractive index material or a birefringent material.
  • the concavo-convex portion 517 may be formed of a transparent material having a refractive index n between n and n with respect to the polarization direction of incident light in which the refractive index change of the liquid crystal layer 516 occurs according to the applied voltage.
  • the uneven portion 517 may be processed into a concavo-convex shape by reactive ion etching using photolithography after a transparent material layer having a predetermined thickness is formed on the flat surface of the first substrate 511.
  • the shape of the concavo-convex portion may be transferred to the transparent material layer using Since the liquid crystal layer 516 has a substantial change in refractive index with respect to the applied voltage, the orientation direction of the molecules of the liquid crystal layer 516 filled in the concave portions of the concave and convex portions 517 depends on the transparent electrodes 513 and 514. surface It ’s good to have it all together!
  • the refractive index difference An (V) between the liquid crystal and the concavo-convex portion 517 changes according to the magnitude of the applied voltage, and the wavefront of the transmitted light of the liquid crystal lens element 510 changes.
  • the optical path length difference OPD of the light rays passing through the position separated by the length should satisfy the power series as shown in Equation (2).
  • OPD (r) a 1 r + a 2 r 4 + a 3 r 6 + a 4 r 8 +
  • the specific shape of the curve of equation (2) is indicated by symbol a in FIG.
  • the horizontal axis is the radius!
  • the vertical axis indicates the optical path length difference OPD in units of the wavelength ⁇ of the incident light.
  • a transmitted wavefront with an optical path length difference that is an integral multiple of ⁇ can be regarded as equivalent to the incident light of wavelength ⁇ . Accordingly, the graph ⁇ showing the optical path length difference obtained by dividing the graph (optical path length difference) indicated by a in FIG. 3 at the wavelength ⁇ interval and projecting onto the surface of the optical path length difference zero is substantially equivalent to the graph oc. G
  • the optical path length differences shown in the rough ⁇ are all within the range (in the figure, the range from ⁇ to zero), and the cross section is serrated.
  • the depth d of the uneven portion 517 having a sawtooth cross section is as follows.
  • the liquid crystal layer 516 made of a transparent material
  • the refractive index difference An (V) changes.
  • the graph ⁇ in FIG. 5 is a graph representing the optical path length difference OPD represented by the equation (2), similarly to the graph ⁇ in FIG.
  • the optical path length difference obtained by dividing the graph oc in FIG. 5 by an interval twice the wavelength ⁇ (that is, 2 ⁇ ) and projecting it on the surface having the optical path length difference zero is shown in the graph ⁇ 2 in FIG.
  • This graph ⁇ 2 is substantially equivalent to the graph ⁇ , and the optical path length differences shown in the graph j82 are all within 2 ⁇ (in the range from 2 to zero in the figure), and the cross section is serrated. Yes.
  • the depth d of the concavo-convex portion 517 shown in FIG. 11 may be drilled to a value satisfying the relationship of equation (4).
  • the refractive index difference An (V) changes.
  • i) At the applied voltage V where ⁇ ( ⁇ ) 0, the transmitted wavefront of the liquid crystal lens element 520 changes.
  • a transmitted wavefront with a difference in optical path length is generated.
  • a transmitted wavefront with a difference in optical path length is generated.
  • Five types of wavefront states, ⁇ 2, ⁇ 1 and ⁇ 2 can be created by the applied voltage.
  • 82, ⁇ 2) shown in FIGS. 3 and 5 can change the transmitted wavefront into a discrete state.
  • this intermediate state continues Cannot be changed.
  • the configuration example of FIG. 3 that satisfies the expression (3) will be described.
  • Figure 6 shows the wavefront shape at an intermediate voltage Va between the applied voltage VO, which is the state without wavefront change (hereinafter referred to as “0 state”), and the applied voltage V, which is the wavefront shape (optical path length difference: OPD) of graph ⁇ .
  • the wavefront state of the graph ⁇ is a continuous wavefront shape by matching the amplitude (Step) of the sawtooth wavefront unevenness with the transmitted wavelength ⁇ (or with an integral multiple of the wavelength ⁇ ).
  • the Step does not match the wavelength.
  • the transmitted wavefront becomes discontinuous, the transmittance (diffraction efficiency) is lowered, and the wavefront aberration is also deteriorated.
  • Fig. 8 shows an example of the voltage distribution applied to the liquid crystal. As shown in Fig. 8, for each annular zone, from voltage el to e8, the voltage value change amount is reduced so that the voltage distribution changes stepwise.
  • the central force of the element of the liquid crystal lens 10 is also next to the k-th zone e
  • V (k-1, k) If V (k-1, k) is different, the effective refractive index of the liquid crystal changes in each region, so the step between the OPD regions can be matched with the wavelength.
  • the optical path length is within the gap (g) between the liquid crystal at the maximum thickness d in the uneven portion 517 and the convex portion and the second transparent electrode 514. It is necessary to consider the change in the refractive index of the liquid crystal. According to the present inventor, it has been found that the voltage distribution for matching the step between the OPD regions with the wavelength has the following conditions. The conditions are
  • the segmented second electrode segment 5 14A has a segment next to each segment (e force e) as shown in FIG. Each is electrically connected via a resistor 551 (the resistance value of each resistor is R to R).
  • the resistance value between one electrode segment zone and the electrode segment adjacent to the outer peripheral side the electrode segment adjacent to the electrode segment zone and the inner periphery side
  • the resistance value between is approximately doubled.
  • the resistor 551 can be formed by patterning the same material as the transparent electrode so as to form a thin line, or can be formed on a substrate with a higher resistance thin film. Specifics of resistor 551 As a typical creation method, as shown in Fig. 10, each of the elongate segments e, e, ..., e
  • an electrode lead line 554 as shown in FIG. 9 can be formed. Accordingly, it is not necessary to create a plurality of electrode lead lines 554 in a region through which incident light passes, and this is preferable because the influence of the lead lines on the transmitted wavefront is small.
  • the liquid crystal lens element 510 may be integrally formed with a phase plate, a diffraction grating, a polarization hologram beam splitter, a fixed surface for correcting fixed aberration, and the like. As a result, when this liquid crystal lens element 510 is used in an optical head device or the like, the number of parts can be reduced and the device can be downsized.
  • an optical head device 540 (used for recording / reproducing of an optical disk for DVD) equipped with the liquid crystal lens element 510 (see FIG. 1) according to the present invention will be described with reference to FIG. To do.
  • a phase plate 507 and a liquid crystal lens element 510 are provided on the optical path between the collimator lens 504 and the objective lens 505.
  • the phase plate 507 is preferable because the number of parts can be reduced by being integrated with the liquid crystal lens element 510.
  • FIG. 13 a force is shown in which the liquid crystal lens element 510 is disposed in the optical path between the collimator lens 504 and the objective lens 505. Yo! /.
  • the linearly polarized light having a wavelength ⁇ having a plane of polarization in the plane of FIG. 13 is emitted from the semiconductor laser 1 and generates three tracking beams by the diffraction grating 502.
  • the three-beam light is reflected by the beam splitter 503, converted into parallel light by the collimator lens 505, and enters the liquid crystal lens element 510.
  • the light transmitted through the liquid crystal lens element 510 becomes circularly polarized light by the phase plate 507 and is condensed on the information recording layer of the optical disc D by the objective lens 505.
  • the objective lens 505 is movable in the X-axis direction and the X-axis direction by an actuator (not shown) for focus servo and tracking servo. Reflection of optical disk D
  • the light reflected by the surface passes through the objective lens 505 and the phase plate 507 again, becomes linearly polarized light having a polarization plane perpendicular to the paper surface, passes through the liquid crystal lens element 510, and is collimated by the collimator lens 504. Part of the light passes through the beam splitter 503 and is collected on the light receiving surface of the photodetector 506.
  • the optical head device 540 equipped with the liquid crystal lens element 510 of the present invention, recording / reproducing operation with respect to the optical disc D having two layers (0th layer: L0, 1st layer: L1) with different cover thicknesses is performed. And will be described below.
  • the objective lens 505 will be described with an example in which the aberration is designed to be minimal with respect to the optical disk D having a cover thickness of 87.5 ⁇ m.
  • a voltage V is applied between the liquid crystal electrodes in the outermost peripheral segment region, and the potential difference between the innermost electrode segment (for example, e in FIG. 9) and the outermost electrode segment (for example, e in FIG. 9) ⁇ V ⁇ Set to 0.
  • a wavefront like the optical path length difference b in FIG. 7 can be realized. That is, the objective lens 505 is efficiently focused on the information recording layer having a cover thickness deviation.
  • the liquid crystal lens element 510 not only corrects the spherical aberration caused by the difference in the cover thickness of the optical disc D but also corresponds to the change in the focal position.
  • a power component switching function and a fine adjustment function can be added. Therefore, for example, even if the liquid crystal lens element 510 is used separately from the objective lens 505, and the objective lens 505 moves in the radial direction of the optical disc D during tracking and decenters from the liquid crystal lens element 510, aberration deterioration occurs. There is almost no. As a result, stable recording and Z or reproduction can be realized as compared with a conventional liquid crystal element that corrects only spherical aberration.
  • the force described for the optical head device 540 equipped with the liquid crystal lens element 510 that operates on a two-layer optical disk that uses a semiconductor laser having a wavelength ⁇ of 400 nm as the light source is the wavelength as the light source.
  • similar actions and effects can be obtained for optical head devices equipped with liquid crystal lens elements that operate on single-layer and double-layer DVD optical discs using a 650 nm band semiconductor laser.
  • the LCD of the present invention can also be used for recording and playback of optical discs with different cover thicknesses of 1.2 mm, 0.6 mm, and 0.1 mm for use with CD, DVD, and BD with a single optical head.
  • the lens element is effective.
  • liquid crystal lens element of the present invention that divides the second transparent electrode is used in place of the liquid crystal lens element 510 instead of the liquid crystal lens element that shows the optical path length difference shown in FIG. Is possible. Furthermore, since the five types of wavefronts can be finely adjusted, finer aberration correction can be performed for aberrations that occur in optical discs with different cover thicknesses or due to variations in cover thickness within the optical disc. In addition, if the liquid crystal lens element 530 shown in FIG. 12 is used instead of the liquid crystal lens element 510, it corrects not only the forward polarized light but also the orthogonal polarized light in the backward path. The sex is also improved.
  • the information recording layer is further multilayered in the future, it is applied to the two-terminal transparent electrode by using the quinary or quinary liquid crystal lens element of the present invention.
  • the aberration caused by the cover thickness can be corrected by switching the voltage.
  • FIG. 14 is a cross-sectional view showing a second embodiment of the liquid crystal lens element of the present invention.
  • the liquid crystal lens element 10 generally includes a first Fresnel lens portion 10A, a second Fresnel lens portion 10B, and an electrode lens portion 10C, and includes four transparent substrates 1 1 -14 and three liquid crystal layers 24-26 are laminated and integrated.
  • the liquid crystal lens element includes at least one Fresnel lens part and at least one electrode lens part, and corresponds to the entire configuration of the liquid crystal lens element of the first embodiment. Is. Therefore, the configuration of the following embodiment is achieved by adding an electrode lens unit to the configuration of the first embodiment.
  • FIG. 15 shows the Fresnel lens portion 10A of the liquid crystal lens element according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a top view showing (or 10B).
  • FIG. 16 is a top view of the electrode lens unit 10C according to the second embodiment of the liquid crystal lens element of the present invention.
  • the first Fresnel lens portion 10A includes the transparent substrates 11 and 12, the first liquid crystal layer 24 sandwiched between the transparent substrates 11 and 12, and the seal 21, the first uneven portion 27, and the first liquid crystal layer 24. Opposite transparent electrodes 15 and 16 for applying a voltage to are provided.
  • the second Fresnel lens portion 10B includes the transparent substrates 12, 13, the second liquid crystal layer 25 sandwiched between the transparent substrates 12, 13, and the seal 22, the second uneven portion 28, and the second Opposing transparent electrodes 17 and 18 for applying a voltage to the liquid crystal layer 25 are provided.
  • the electrode lens unit 10C includes transparent substrates 13 and 14, a third liquid crystal layer 26 sandwiched between the transparent substrates 13 and 14 and the seal 23, and a transparent electrode for applying a voltage to the third liquid crystal layer 26. 19 and a composite electrode 20 are provided.
  • the transparent electrodes 15, 17 and 16, 18 are connected to an external signal source 30 by electrode extraction portions 15 A, 17 A and 16 A, 18 A and conductive connection means 29.
  • Transparent electrode 19 It is connected to the external signal source 30 through the part 19A and a connection line (not shown).
  • the composite electrode 20 includes low resistance electrodes 31 to 34 arranged concentrically around the optical axis, and a uniform high resistance flat electrode 35. Among these, the low resistance electrodes 31 to 34 are connected to the external signal source 30 via the electrode extraction portions 31A to 34A and a connection line (not shown).
  • the concavo-convex portions 27 and 28 have a sawtooth shape or a shape approximating a sawtooth stepwise, and are formed using a uniform refractive index transparent material.
  • the optical axis of the incident light It has rotational symmetry with respect to (Z axis). Details of the uneven portions 27 and 28 will be described later.
  • transparent electrodes 15 to 19 are formed on one surface of the transparent substrate 11 and both surfaces of the transparent substrates 12 and 13. Sarako, on top of transparent electrodes 16, 18, with refractive index n
  • the concave and convex portions 27 and 28 having a sawtooth shape or a shape approximating a sawtooth shape in a staircase shape are formed.
  • the concavo-convex portions 27 and 28 may be formed into a concavo-convex shape by reactive ion etching using photolithography after a uniform refractive index transparent material layer having a predetermined film thickness is formed on the surfaces of the transparent electrodes 16 and 18.
  • the shape of the concavo-convex portion may be transferred to the uniform refractive index transparent material layer using a mold. As shown in FIG. 16, low resistance electrodes 31 to 34 are formed on one surface of the transparent substrate 14, and then a high resistance flat electrode 35 is formed to form the composite electrode 20.
  • the surfaces of the transparent electrode 15 and the concavo-convex portion 27 are subjected to a parallel alignment treatment so that the extraordinary refractive index direction of the first liquid crystal layer 24 faces the Y direction, so that the transparent electrodes 17 and 19, the concavo-convex portion 28, and
  • the surface of the composite electrode 20 is subjected to a parallel alignment treatment so that the extraordinary refractive index direction of the second and third liquid crystal layers 25 and 26 faces the X direction.
  • the alignment process consists of a method of spin-coating an alignment film composed mainly of polyimide or the like on the substrate surface and then rubbing with a cloth, a method of depositing a SiO oblique deposition film on the substrate surface, or a photo-alignment film on the substrate surface. You can use a method of irradiating polarized ultraviolet rays after spin coating.
  • an adhesive (not shown) mixed with a gap control material is printed to form seals 21 to 23, and the transparent substrates 11 to 14 are overlapped and pressure-bonded to produce an empty cell.
  • An ordinary refractive index n and an injection port (not shown) provided in a part of the seals 21 to 23 Liquid crystal having an extraordinary refractive index n (where n ⁇ n) is injected, and the injection port is sealed to obtain a liquid eoe
  • the crystal is sealed in the cell to obtain the liquid crystal lens element 10 of the present embodiment.
  • the liquid crystal lens element 10 of the present invention is composed of first Fresnel lens portions 10A and 10B in which liquid crystal alignment directions are orthogonal, and an electrode lens portion 10C having a liquid crystal alignment direction parallel to the second Fresnel lens portion 10B. Yes.
  • the Fresnel lens portions 10A and 10B can discretely change the substantial refractive index of the liquid crystal layers 24 and 25 by changing the voltage applied between the transparent electrodes 15 and 16 or the transparent electrodes 17 and 18. It functions as a Fresnel lens with variable focus.
  • the electrode lens unit 10C functions as a continuously variable focus lens by changing the substantial refractive index distribution of the liquid crystal layer 26 in accordance with the voltage distribution generated in the composite electrode 20.
  • Equation (5) The phase difference of the light beam passing through a position r away from the light beam 0) is expressed by a power series such as Equation (5). Note that equation (5) is substantially the same as equation (2), but is defined again as a phase difference.
  • the shape of the concavo-convex portions 27, 28 provided in the Fresnel lens portion 10A or 10B is similar to the graph Fl, F2.
  • the concave and convex portions 27 and 28 may be an organic material such as an ultraviolet-curing resin, a heat effect resin, or a photosensitive resin as long as it is a transparent material having a uniform refractive index. (However, X and y indicate the element ratio of O and N)
  • FIG. 18 is an enlarged view of the Fresnel lens portion in the cross-sectional view of the liquid crystal lens element of the present invention.
  • the gap between the transparent electrodes 15 (or 17) and 16 (or 18) formed on the surface of the transparent substrate 11, 12 (or 12, 13) is G, and the film thickness of the uneven part 27 (or 28) d is from zero to d
  • the thickness d of the liquid crystal layer 24 (or 25) is distributed up to G-d. here,
  • the effective voltage V applied to the liquid crystal layer 24 varies depending on the relative dielectric constant ⁇ of the material constituting the uneven portion 27.
  • V / ⁇ 1 / ⁇ 1 + ( ⁇ ) X (d Zd) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ (6)
  • the film thickness 27 of the concavo-convex portion 27 is a sawtooth shape or a sawtooth step forming a Fresnel lens.
  • D / ⁇ is zero because it is distributed up to zero force d corresponding to the cross-sectional shape approximated by the shape.
  • the liquid crystal has dielectric anisotropy, and the relative dielectric constant ⁇ in the major axis direction of the liquid crystal molecule and the relative dielectric constant ⁇ in the minor axis direction of the liquid crystal molecule are different, so the orientation direction of the liquid crystal molecules changes with voltage application.
  • the relative dielectric constant ⁇ of the liquid crystal layer 24 also changes due to the change in the orientation direction of the liquid crystal molecules. Obedience
  • V [0] is equal to the applied voltage V between the electrodes.
  • the path length is n Xd + n (V [d]) Xd, and the center position of the Fresnel lens without concavo-convex 27 s F LC F LC
  • film thickness d is distributed up to zero force d
  • phase difference ⁇ is distributed from zero to ⁇ in equation (8).
  • phase difference ⁇ is deficient (ie, 0.75 to 1.25 ⁇ )
  • the thickness d of the concavo-convex portion and the gap G between the transparent electrodes may be determined, and the cross-sectional shape may be such that the thickness of the concavo-convex portion 27 reaches zero force d.
  • the transmitted wavefront of the child 10 does not change.
  • the sufficiently small phase difference is specifically ⁇ 5 or less, more preferably ⁇ or less. Also,
  • the transmitted light wavefront does not change because the ⁇ d force so is obtained regardless of the magnitude of the applied voltage for ordinary light polarization.
  • liquid crystal lens element 10 that generates the axially symmetric phase difference described by the expression (5) have been described.
  • a liquid crystal lens element that generates a phase difference corresponding to correction of coma, astigmatism, and the like can also be produced by processing the concavo-convex shape of a uniform refractive index transparent material and filling the concave portion with liquid crystal on the same principle.
  • the phase difference to be corrected when the absolute value of the phase difference to be corrected is less than or equal to the wavelength ⁇ of the incident light, it is necessary to make the cross-sectional shape of the concavo-convex portions 27 and 28 that also have the uniform refractive index and transparent material force of the liquid crystal lens element 10 to be serrated Any shape that matches the target wavefront is acceptable. In this case, the phase difference changes continuously according to the magnitude of the applied voltage.
  • the material for forming the concavo-convex portion is a uniform refractive index transparent material s having a refractive index n.
  • a birefringent material such as a polymer liquid crystal in which the orientation direction of molecules is aligned in one direction within the substrate surface
  • the extraordinary refractive index of the birefringent material is n
  • the ordinary light s refractive index is made equal to the ordinary refractive index n of the liquid crystal
  • the molecular orientation direction of the birefringent material is It is preferable to match with the orientation direction.
  • the liquid crystal layers 24 and 25 are configured to apply an AC voltage via the transparent electrodes 15 and 16 and the transparent electrodes 17 and 18, respectively.
  • at least one of the transparent electrodes 15 and 17 and the transparent electrodes 16 and 18 may be divided electrodes that can be spatially divided and independently applied with different AC voltages. Thereby, more various phase difference distributions can be generated.
  • the purpose of the electrode lens portion 10C is to give a continuously changing power component to the light of the polarization component coinciding with the extraordinary refractive index direction of the liquid crystal layer 26. Therefore, the composite electrode 20 provided on one side of the electrode lens portion 10C generates a voltage distribution corresponding to the target power component in the high resistance flat electrode 35 and the high resistance flat electrode 35 as shown in FIG. Low resistance electrodes 31 to 34 for the
  • FIG. 20 is a schematic diagram showing a phase difference distribution generated by the electrode lens unit 10C.
  • a voltage distribution that continuously changes in accordance with the voltage difference between the low resistance electrodes 31 to 34 is formed on the high resistance planar electrode 35. Since the orientation of the liquid crystal molecules changes according to the voltage distribution, an effective refractive index distribution is formed in the liquid crystal layer 26, and a phase difference distribution is generated.
  • Fig. 20 [Positions of A, B, C, D, ⁇ ,, and, the positions of the low-resistance electrodes 31, 32, 33, 34
  • “substantially match” means that the standard deviation RSM of the difference between the target power oc and the phase difference ⁇ is the wavelength of the incident light.
  • the high-resistance planar electrode 35 has a sheet resistance value sufficiently higher than that of the low-resistance electrodes 31 to 34, and is preferably a transparent material, and contains an oxide such as zinc, lead, tin, or indium. It may be a thing.
  • the low resistance electrodes 31 to 34 may also be transparent compositions containing oxides such as zinc, lead, tin, and indium. If there is no optical problem, aluminum, gold, silver, chromium, etc. It may be a metal film.
  • the low resistance electrodes 31 to 34 are connected to the electrode extraction portions 31 to 34 (not shown) and connected to the external signal source 30 !, but the liquid crystal lens element 10
  • the voltage applied by the external signal source 30 may be divided and distributed to the low resistance electrodes 31 to 34 by connecting the low resistance electrodes 31 to 34 with an appropriate thin film resistor. This configuration is preferable because the number of signals from the external signal source 30 can be reduced.
  • the operation principle of the electrode lens unit 10C that generates the power component by the composite electrode 20 shown in FIG. 16 has been described.
  • the structure of the composite electrode 20 can be changed.
  • axisymmetric spherical aberration can be generated by the same principle.
  • the generated power can be switched discretely without depending on the polarization, and the polarization that matches the liquid crystal alignment direction of the electrode lens portion is continuous. Can be obtained.
  • a liquid crystal having a positive dielectric anisotropy that is aligned parallel to the substrate surface when no voltage is applied and in which liquid crystal molecules are aligned in a direction perpendicular to the substrate surface according to the magnitude of the applied voltage may be used.
  • a liquid crystal having a negative dielectric anisotropy that is aligned perpendicular to the substrate surface when no voltage is applied and the liquid crystal molecules are aligned in a direction parallel to the substrate surface according to the applied voltage V may be used.
  • the first and second Fresnel lens portions and the electrode lens portion constituting the liquid crystal lens element of the present invention do not need to be integrated as long as they are installed at appropriate positions with respect to the optical axis.
  • the installation space for the liquid crystal lens element increases, and As shown in Fig. 14, it is highly desirable to stack and unify all of them as the problem of complicated placement adjustment occurs.
  • four or more substrates may be used. However, it is preferable to stack the four liquid crystal layers because the thickness of the liquid crystal lens element can be reduced.
  • an optical component such as a phase plate, a diffraction grating, a birefringent hologram element, or a wavelength-dependent diffraction grating may be appropriately laminated on the surface of the liquid crystal lens element of the present invention to be integrated. This is preferable because the number of optical components constituting the optical head device is reduced and the assembly of the optical head device is simplified.
  • the above optical components may be molded or pasted on a transparent substrate.
  • FIG. 21 is a top view of a composite electrode provided in the third embodiment of the liquid crystal lens element of the present invention.
  • the liquid crystal lens element of the present embodiment is the same as the liquid crystal lens element 10 according to the second embodiment shown in FIG. 14 except that the transparent electrode 19 and the composite electrode 20 provided in the electrode lens portion 10C are combined with the composite electrode shown in FIG. The configuration is replaced with 40 and 50. Accordingly, in the present embodiment, the components other than the electrode lens unit 10C are the same as those in the second embodiment, and thus description thereof will be omitted below, and only the electrode lens unit 10C will be described.
  • the composite electrodes 40 and 50 provided in the electrode lens portion 10C of the present embodiment are a pair of composite electrodes for applying a voltage to the liquid crystal layer 26, and the low resistance electrodes 4 arranged in a stripe shape. By applying an appropriate voltage to 1 to 44 and 51 to 54, a potential distribution is generated in the high resistance flat electrodes 45 and 55.
  • phase distribution generated by the electrode lens unit of the present embodiment will be described with reference to FIG.
  • a potential distribution that continuously changes in accordance with the voltage difference between the low resistance electrodes 41 to 44 is formed on the high resistance planar electrode 45.
  • Positional force of low-resistance electrodes 41 to 44 arranged in a stripe shape When corresponding to A, B, C, and D shown in Fig. 20, a phase difference j8 that substantially matches the target power a is generated in the X direction. Voltage distribution can be obtained.
  • composite electrodes The voltage distribution generated at 40 does not change in the Y direction.
  • the position force of the low resistance electrodes 51 to 54 arranged in a stripe shape in the ⁇ direction is abbreviated in the Y direction.
  • a voltage distribution that generates a matched phase difference j8 can be obtained.
  • the effective voltage applied to the liquid crystal layer 26 installed between the two composite electrodes 40 and 50 that generate a voltage distribution that changes in the X direction and the Y direction is the same as that in the second embodiment.
  • the distribution is the same as that of the transparent electrode 19 and the composite electrode 20 (see FIG. 14). Therefore, an effective refractive index profile is formed in the liquid crystal layer 26, and a phase difference ⁇ substantially matching the target power oc can be obtained.
  • the materials and manufacturing methods of the low resistance electrodes 41 to 44 and 51 to 54 and the high resistance flat electrodes 45 and 55 may be the same as those of the composite electrode 20 in the second embodiment.
  • the low resistance electrodes 41 to 44 or the low resistance electrodes 51 to 54 can be connected to each other with a thin film resistor in order to reduce the number of signal lines when connecting to the external signal source 30. This is preferable because it can be driven by the number of signal lines.
  • FIG. 22 is a schematic diagram showing an example of an optical head device 60 equipped with the liquid crystal lens element of the present invention.
  • a plate 65, an objective lens 66, a cylindrical lens 67, and a photodetector 68 are provided.
  • the double-layer optical disk D a DVD or a high-density optical disk having the first recording layer D1 and the second recording layer D2 is used.
  • the wavelength of the semiconductor laser 61 may be any one of the 780 nm band, the 660 nm band, and the 400 nm band depending on the type of the optical disc D, and a plurality of semiconductor lasers having different wavelengths are mounted in different locations. It may be.
  • the liquid crystal lens element 64 may take a form such as the second embodiment or the third embodiment described above. Therefore, description of the structure and manufacturing method of the liquid crystal lens element 64 and the operation principle will be omitted. Furthermore, in the optical head device of the present invention, in addition to the optical components shown in FIG.
  • optical components or mechanical components such as a diffraction grating, a hologram element, a polarization-dependent selection element, a wavelength-selective element, and a wavefront conversion means are provided. Appropriate combinations can be applied.
  • the linearly polarized light having the polarization direction in the X direction emitted from the semiconductor laser 61 as the light source passes through the polarization beam splitter 62, and then passes through the collimator lens 63, the liquid crystal lens element 64, and the quarter-wave plate 65.
  • the light is converted into circularly polarized light and condensed by the objective lens 66 onto the first recording layer D1 or the second recording layer D2 provided in the optical disc D.
  • the light reflected from the optical disk D passes through the objective lens 66 and the quarter-wave plate 65 again, and is then converted into linearly polarized light having a polarization direction in the Y direction.
  • the liquid crystal lens element 64 and the collimator lens 63 Reflected by the polarization beam splitter 62, given astigmatism by a cylindrical lens 67, and incident on a photodetector 68.
  • the optical head device 60 equipped with the liquid crystal lens element 10 according to the second embodiment of the present invention as the liquid crystal lens element 64 information is recorded on the recording layers Dl and D2 having different cover thicknesses.
  • the operation of Z and playback will be described below.
  • the objective lens 66 is designed so that the aberration is minimized at the cover thickness intermediate between the first recording layer D1 and the second recording layer D2.
  • spherical aberration proportional to the cover thickness difference obtained by subtracting the design thickness from the cover layer recording thickness is generated, making it difficult to read and write information.
  • This spherical aberration can be corrected by making light incident on the objective lens 66 into divergent light or convergent light obtained by adding a power component to a plane wave.
  • a positive power is added to produce convergent light
  • the second recording layer D2 where the cover thickness difference is positive, negative power is added.
  • the spherical aberration is corrected and information can be read and written normally.
  • the orientation direction of the light becomes positive power, that is, a transmitted wavefront equivalent to a convex lens. Therefore, the spherical aberration of the light condensed on the first recording layer D1 can be corrected.
  • the spherical aberration of two recording layers having different cover thicknesses can be corrected by changing the voltage applied to the liquid crystal layer.
  • the liquid crystal lens element of the present invention does not depend on the polarized light incident on the liquid crystal lens element as long as the first and second Fresnel lens portions perform the same operation with respect to two linearly polarized lights orthogonal to each other. Spherical aberration can be corrected.
  • the polarization of light incident on the liquid crystal lens element is linearly polarized light that matches the alignment direction of the liquid crystal molecules in any liquid crystal layer provided in the Fresnel lens portion.
  • the forward light that is the light incident on the optical disc D and the polarization of the return light that is the light reflected by the optical disc D force are orthogonal to each other. Therefore, if the polarization direction of the forward light and the alignment direction of the liquid crystal molecules of the second Fresnel lens part coincide with each other, and the polarization direction of the return light and the alignment direction of the liquid crystal molecules of the first Fresnel lens part coincide, Spherical aberration can be corrected by forward light and backward light. Also, if the refractive index of the concavo-convex portions 27 and 28 is the same as the ordinary light refractive index of the liquid crystal, the wavefront does not change with respect to the polarization component in the ordinary light refractive index direction.
  • the spherical aberration caused by the switching between the first recording layer and the second recording layer is corrected mainly by a discrete pattern generated by the Fresnel lens portion, Concerning the cover thickness variation in the recording layer, it is convenient if it is used so as to be corrected mainly by the continuous power generated by the electrode lens portion.
  • FIG. 23 is a cross-sectional view showing a fifth embodiment of the liquid crystal lens element of the present invention.
  • the same components as those in FIG. 23 are identical to those in FIG. 23.
  • the liquid crystal lens element 70 according to the fifth embodiment is used as an electrode lens unit as the electrode lens of the second embodiment.
  • the difference is that the electrode lens unit 10D (second electrode lens unit) is further added to the unit 10C (first electrode lens unit).
  • the liquid crystal lens element 70 includes a Fresnel lens portion 70A in which the first Fresnel lens portion 10A and the second Fresnel lens portion 10B are integrated, a first electrode lens portion 10C, and a first electrode lens portion 10C.
  • the electrode lens unit 70B in which the two-electrode lens unit 10D is integrated is also a force.
  • the Fresnel lens portion 70A and the electrode lens portion 70B are separated from each other, and are independently connected to the external signal power sources 30A and 30B, respectively, in the liquid crystal lens element 10 according to the second embodiment. Different.
  • the second electrode lens unit 10D is similar to the first electrode lens unit 10C in the transparent substrate 1
  • a fourth liquid crystal layer 26B sandwiched between 3C and 14 and a seal 23B, a transparent electrode 19B for applying a voltage to the fourth liquid crystal layer 26B, and a composite electrode 20B are provided.
  • the electrode lens unit 10D is continuously variable in focus by changing the substantial refractive index distribution of the liquid crystal layer 26B with respect to the linearly polarized incident light in the Y direction according to the voltage distribution generated in the composite electrode 20B. Functions as a lens.
  • the transparent electrodes 15, 17 and 16, 18 are connected to an external signal source 30A via electrode extraction portions 15A, 17A and 16A, 18A.
  • the transparent electrodes 19 and 19B are connected to an external signal source 30B via an electrode extraction portion 19A.
  • the composite electrode 20B has the same structure as the composite electrode 20, and as shown in FIG. 16, the low resistance electrodes 31 to 34 arranged concentrically around the optical axis and the uniform high resistance And a planar electrode 35. Among these, the low resistance electrodes 31 to 34 are connected to the external signal source 30B via the electrode extraction portions 31A to 34A.
  • the fourth liquid crystal layer 26B of the second electrode lens unit 10D and the third liquid crystal layer 26 of the first electrode lens unit 10C have different alignment directions of the liquid crystal. That is, in the fourth liquid crystal layer 26B, the alignment treatment is performed on the surfaces of the transparent electrode 19B and the composite electrode 20B so that the extraordinary refractive index is in the Y direction.
  • the electrode lens unit 70B is a lens that is continuously variable in focus according to the applied voltage from the external signal source 30B regardless of the polarization state of the incident light.
  • the configuration of the liquid crystal lens element 70 according to the present embodiment it is possible to obtain a discretely variable lens function and a continuously variable lens function regardless of the polarization state of incident light.
  • the electrode lens portion 70B functions as a lens that can continuously focus on not only the incident polarization in the X direction on the forward path but also the incident polarization in the Y direction on the return path, so that spherical aberration on the return path is also effective. Can be corrected. As a result, the accuracy of the focus servo is improved, and more stable recording / playback of a two-layer optical disc can be performed.
  • FIG. 24 is a cross-sectional view showing a sixth embodiment of the liquid crystal lens element of the present invention.
  • the liquid crystal lens element 80 is formed by integrating the first Fresnel lens portion 10A and the second electrode lens portion 10D.
  • the liquid crystal lens unit for return path 80A that expresses the lens function with respect to the incident polarized light in the Y direction, the incident light in the X direction integrated with the second Fresnel lens unit 10B and the first electrode lens unit 10C. It consists of a forward liquid crystal lens portion 80B that exhibits lens functions.
  • the backward liquid crystal lens unit 80A and the forward liquid crystal lens unit 80B are separated and are independently connected to the external signal power supplies 30C and 30D.
  • Other general configurations are the same as those of the liquid crystal lens element 70 according to the fifth embodiment.
  • the X-direction forward-direction liquid crystal lens unit 80B functions with respect to incident polarized light in the X direction, and is a lens that is discretely and continuously variable in focus according to the voltage applied by the external signal source 30D. It becomes.
  • the liquid crystal lens unit 80A for the return path functions with respect to incident polarized light in the Y direction, resulting in a lens that is discretely and continuously variable in focus according to the voltage applied by the external signal source 30C.
  • FIG. 25 shows an optical head device 90 having a configuration in which the forward liquid crystal lens unit 80B is disposed in the optical path of the optical head device, and the backward liquid crystal lens unit 80A is disposed in the optical path of the backward path. Show. In FIG. 25, the same components as those in FIG.
  • the collimator lenses 63 A and 63 B are used for the forward path and the backward path, respectively, and the polarization beam splitter is included in the optical path between the collimator lenses 63 A and 63 B and the quarter-wave plate 65.
  • Point power 62 is different from optical head device 60.
  • the liquid crystal lens unit 80A having a lens function with respect to the forward-direction linearly polarized light (polarization direction in the paper surface) and the return-path linearly polarized light (polarization direction perpendicular to the paper surface).
  • the liquid crystal lens unit 80B having a lens action and the force are disposed between the collimator lenses 63A and 63B and the polarization beam splitter 62, respectively.
  • the liquid crystal layer having no lens action is not passed on the forward path and the return path, and thus the high transparency.
  • the excess rate is easy to obtain.
  • the configuration of the Fresnel lens portion is different from those of the other embodiments.
  • the first liquid crystal layer 24 and the second liquid crystal layer 25 have a negative polarity.
  • a nematic liquid crystal having dielectric anisotropy is used.
  • the alignment direction of the liquid crystal molecules is an angle perpendicular to or perpendicular to the substrate surface, and the first uneven portion 27 and the second uneven portion 28 are refracted. Rate n
  • the uniform refractive index material force is the same as or close to the ordinary refractive index n of the liquid crystal layer.
  • a liquid crystal vertical alignment film may be formed on the substrate surface in contact with the liquid crystal layer.
  • the alignment film surface is preferably subjected to an alignment treatment so that the alignment direction of the liquid crystal molecules is inclined in a specific direction. Specifically, the first liquid crystal layer 24 is aligned in the Y direction, and the second liquid crystal layer 25 is aligned so that the liquid crystal molecules are inclined in the X direction.
  • the alignment direction of the liquid crystal molecules changes according to the shape of the concavo-convex portion and the applied voltage, and the liquid crystal layer is not incident on the incident light of linearly polarized light (that is, extraordinary light polarization) in the aligned direction.
  • the substantial refractive index changes.
  • the transmitted wavefront changes according to the applied voltage and the shape of the concavo-convex portion.
  • the concave and convex portions 27 and 28 in the first and second Fresnel lens portions If the liquid crystal layers 24 and 25 have the same thickness and the same on-state applied voltage between the transparent electrodes 15 and 16 and the transparent electrodes 17 and 18 from the external signal source, the polarization state of the incident light Regardless of this, a single convergent wavefront is obtained.
  • the liquid crystal lens element having the Fresnel lens portion of the present embodiment as a constituent element may have any of the configurations shown in FIGS. 14, 23, or 24 in combination with the electrode lens portion! /.
  • the objective lens 66 is designed so that the aberration is minimized with respect to the second recording layer D2 having a cover thickness of 100 / zm.
  • the wavelength of the semiconductor laser 61 is in the 405 nm band.
  • Other configurations are the same as those of the optical head device of the fourth embodiment Recording on the second recording layer D2 with a cover thickness of 100 m.
  • spherical aberration that occurs due to variations in the cover thickness of the first recording layer D1 and the second recording layer D2 due to manufacturing variations in high-density optical discs is the same as in the fourth or fifth embodiment. Correction is made by the continuous power generated according to the voltage applied to the part.
  • the liquid crystal lens element of the present invention is coupled with the liquid crystal lens element in order to correct the spherical aberration caused by the difference in the force bar thickness by changing the focal length according to the applied voltage. Even when the objective lens is separated from the object lens and is decentered with the liquid crystal lens element during tracking, there is an advantage that there is almost no aberration deterioration. As a result, stable recording / reproduction of single-layer and double-layer high-density optical discs can be realized.
  • the voltage applied between the transparent electrodes 15 and 16 and between the transparent electrodes 17 and 18 of the Fresnel lens portion is switched to V, V, and V, thereby changing the voltage.
  • the "lens action” can be changed by switching the applied voltage off and on.
  • "None”, "convex lens” binary focus switching lens function is obtained.
  • the change in the optical path length between the electrodes, which is necessary for the binary focus switching of the present embodiment is about half, so the gap G between the transparent electrodes can be made thinner. That is, since the layer thickness of the liquid crystal layer and the thickness d of the concavo-convex portion can be reduced, the response speed at the time of switching the focus is increased.
  • the thinner the film thickness d of the concavo-convex part the shorter the production process of the concavo-convex part and the more stable the alignment of the liquid crystal molecules on the surface of the concavo-convex part. Scattered light is reduced, and high efficiency can be obtained.
  • liquid crystal lens element 510 shown in the first embodiment will be described below with reference to FIG.
  • SiO N (where X and y indicate the element ratio of O and N) is formed by sputtering.
  • SiO N where X and y indicate the element ratio of O and N
  • n 1.
  • a transparent conductive film (ITO film) is formed on the surface of the uneven portion 517, and this is used as the transparent electrode 513. Further, a polyimide film (not shown) is applied on the transparent electrode 513 so as to have a film thickness of about 50 nm and then baked, and the polyimide film surface is rubbed in the X-axis direction to form an alignment film.
  • a transparent conductive film (ITO film) is formed as a transparent electrode 514 on a glass substrate (transparent substrate) 512, and as shown in Fig. 2 (B), the ring-shaped segments e, e, e, ⁇ ⁇ ⁇ E
  • the resistance value between the electrode segments adjacent on the inner circumference side is approximately doubled from the resistance value between the electrode segments adjacent to the circumference side.
  • an antibody is created in a region through which incident light passes by connecting electrodes 554B, 554C,... Segmented in a ring shape with a transparent resistor 551.
  • a polyimide film (not shown) is applied thereon to a thickness of about 50 nm and then baked, and the polyimide film surface is rubbed in the X-axis direction to form an alignment film.
  • an adhesive mixed with a 7 ⁇ m diameter gap control material is printed and formed to form a seal 515, which is superimposed on the first substrate 511 and crimped.
  • nematic liquid crystal is injected from an empty cell inlet (not shown), and the inlet is sealed to obtain a liquid crystal lens element 510 shown in FIG.
  • this liquid crystal has a homogenous alignment in which the alignment of liquid crystal molecules is aligned in parallel to the surfaces of the transparent electrodes 513 and 514 and in the X-axis direction, and is filled in the concave portions of the concave and convex portions 517.
  • a voltage is applied to the liquid crystal layer 516 by connecting the drive power supply circuit 518 to the transparent electrodes 513 and 514 of the liquid crystal lens element 510 thus obtained.
  • the transmitted wavefront changes in accordance with the thickness distribution of the liquid crystal layer 516 filled in the concave portion of the concave and convex portion 517.
  • a working wavelength 405 nm
  • spherical aberration occurs.
  • the voltage V is 0 when no voltage is applied, the refractive index difference An (V) between the liquid crystal and the uneven portion 517 is as described above.
  • the maximum depth d of the uneven portion 517 is determined so that + 1 ⁇ is satisfied.
  • the transmitted wavefront is the convergent wavefront shown in Fig. 4 (C), and the focal length f is positive convex
  • the calculated values of the transmission wavefront efficiency (transmission efficiency) shown in (A), (B), and (C) are 95%, 100%, and 95%, respectively.
  • the optical path length difference of the transmitted light becomes as shown by the solid line b in FIG. 7, and the step of the optical path length between the segments is the wavelength. It will be. Therefore, the light transmitted through the liquid crystal lens element 510 has a substantially continuous wavefront shape, and the focal length can be finely adjusted.
  • the information recording layer can be adjusted by adjusting ⁇ so that the amount of aberration is minimized (the playback signal is good). Is efficiently collected.
  • the SiON film is processed by photolithography and etching techniques to correspond to the shape of graph F1 in Fig. 17, and the cross-sectional shape is sawtooth and rotational symmetry with respect to the optical axis (Z-axis) of incident light.
  • the uneven portions 27 and 28 as shown in FIG. 14 are formed.
  • the low resistance electrodes 31 to 34 are formed by patterning as shown in FIG. .
  • a high resistance flat electrode 35 is formed by patterning to form a composite electrode 20.
  • a liquid crystal alignment film made of polyimide is applied to all the transparent substrate surfaces on which the electrodes are formed and baked, and then the surfaces of the transparent electrodes 15 and 16 are transparently aligned with the transparent electrodes 17 to 19 and the composite electrode 20 in the axial direction. The surface of the material is rubbed in the X-axis direction.
  • an adhesive mixed with a gap control material having a diameter of 15 m is printed to form seals 21 to 23.
  • the transparent substrates 11 to 14 are stacked and pressure bonded to produce an empty cell with a transparent electrode spacing force S15 m.
  • An anisotropic nematic liquid crystal is injected from an injection port (not shown) of the empty cell to form liquid crystal layers 24, 25, and 26. Thereafter, the injection port is sealed with an ultraviolet curable resin, and then a conductive connection unit 29 is connected to obtain the liquid crystal lens element 10 shown in FIG.
  • the liquid crystal lens element 10 thus obtained is electrically connected to the external signal source 30 so that a voltage can be applied to the liquid crystal layers 24, 25 and 26.
  • the phase difference ⁇ generated by the liquid crystal lens element 10 changes as shown in Equation (7) according to the film thickness d of the uneven portions 27 and 28. .
  • FIG. 26 shows the Fresnel lens efficiency of the liquid crystal lens element 10 in the second example. It is explanatory drawing shown.
  • the horizontal axis in FIG. 26 is the voltage applied between the transparent electrodes 15 and 16 and between the transparent electrodes 17 and 18 using the external signal source 30, and here, the electrode lens portion 10C, that is, the transparent electrode 19, The voltage between the composite electrodes 20 is OV.
  • the phase difference becomes ⁇ , and the incident plane wave is converted to a wavefront that is slightly condensed as a + 1st-order Fresnel diffraction wave as shown in FIG. 19 (A).
  • + The first-order Fresnel diffraction efficiency is maximum at an applied voltage of 1.35V, as shown in graph ⁇ in Fig. 26.
  • the rate becomes maximum at an applied voltage of 2.85V as shown in graph C of FIG.
  • the 0th-order Fresnel diffraction reaches its maximum at an applied voltage of 1.74V as shown in graph B of Fig. 26.
  • the liquid crystal lens element of the present invention acts as a “convex lens”, “no lens action”, and “concave lens”.
  • the uneven portions 27 and 28 are the same, and the liquid crystal layers 24 and 25 have the same liquid crystal material and the alignment directions are orthogonal to each other. Therefore, as described above, 1.35V, 1.74V, and 2.85V are changed. And act as "convex lens”, “no lens action”, “concave lens”. Therefore, when the liquid crystal lens element of the present invention is used, the lens action can be switched according to the magnitude of the applied voltage for linearly polarized light in the X direction and the Y direction.
  • a voltage is applied between the electrode lenses 10C, that is, between the transparent electrode 19 and the composite electrode 20, without applying a voltage between the transparent electrodes 15 and 16, and between the transparent electrodes 17 and 18.
  • the voltages applied to the low resistance electrodes 31 to 34 are V, V, V, V, and O (V)
  • V linearly polarized light polarized in the X direction
  • liquid crystal lens element of the present invention it is possible to obtain a focus switching Fresnel lens that works equally with linear polarization in orthogonal polarization directions. Further, by controlling the voltage applied to the composite electrode, the wavefront of linearly polarized light that matches the liquid crystal layer 26 can be continuously changed.
  • the liquid crystal lens element 10 shown in Example 2 is incorporated as the liquid crystal lens element 64 in the optical head device 60 shown in FIG.
  • the cover thickness of the first recording layer D1 provided in the dual-layer optical disc D is 75 ⁇ m, and the cover thickness of the second recording layer D2 is 100 ⁇ m.
  • the light source 61 is a semiconductor laser having a wavelength of 405 nm, is collimated by the collimator lens 63, and enters the liquid crystal lens element 10.
  • the objective lens 66 has an NA of 0.85 and a pupil diameter of 3 mm, and is designed to minimize wavefront aberration with a cover thickness of 87.5 m.
  • V 1.74V is applied, which is a case where the liquid crystal lens element does not exhibit a lens action.
  • the wavefront aberration of the light collected on each recording layer is 0.1 rms or more due to the influence of the spherical aberration proportional to the difference in the cover thickness, so that the light collection performance is significantly deteriorated.
  • the spherical aberration is corrected to 0.01 rms.
  • the condensing performance is improved as follows.
  • the cover thickness of the double-layer optical disc D is 70 ⁇ m to 80 ⁇ m and 95 ⁇ m to 105 ⁇ m.
  • the wavefront aberration is corrected by optimizing the voltage applied to the liquid crystal lens element 10 of this embodiment as appropriate.
  • FIG. 27 is a diagram showing the dependence of the wavefront aberration on the cover thickness in the optical head device 60 at that time. As shown in FIG. 27, in the liquid crystal lens element 10, the aberration is corrected by the Fresnel lens portions 10A and 10B designed so that the wavefront aberration is minimized when the cover thickness is 75 / ⁇ ⁇ and 100 / zm, respectively.
  • Graph A shows a method that does not use the lens action of the electrode lens unit 10C
  • Graph B shows a case where the power generated by the electrode lens 10C is optimally adjusted.
  • the remaining wavefront aberration can be reduced to ⁇ Z30 rms or less when the cover thickness is in the range of 70 to 80 ⁇ m or 95 to 105 ⁇ m. Even if manufacturing variations occur in the cover thickness of the recording layer, the wavefront aberration can be corrected and the light condensing performance can be maintained.
  • Example 4 The main difference between this “Example 4” and the liquid crystal lens element 10 (see FIG. 14) of “Example 2” is the configuration of the first Fresnel lens portion 10A and the second Fresnel lens portion 10B, and the electrode lens. The point is that the first electrode lens unit 10C and the second electrode lens unit 10D are combined.
  • this SiON film has a sawtooth cross-sectional shape and rotational symmetry with respect to the optical axis (Z-axis) of incident light by photolithography and etching techniques, as shown in the graph F1 in FIG. Uneven portions 27 and 28 as shown in FIG. 23 are formed. Further, after applying and baking a liquid crystal vertical alignment film (not shown) that also has a polyimide layer on the surfaces of the transparent electrodes 15 and 17 and the surfaces of the uneven portions 27 and 28, the surfaces of the transparent electrodes 15 and the uneven portions 27 are applied. In the Y-axis direction, the surface of the transparent electrode 17 and the uneven portion 28 is rubbed in the X-axis direction.
  • a gear with a diameter of 7 m is formed on the surface of the transparent substrate on which the transparent electrodes 16 and 18 are formed.
  • the adhesive material mixed with the lip control material is printed to form the seals 21 and 22, and the transparent substrates 11, 12, and 13A are overlapped and pressure bonded to create an empty cell with a transparent electrode spacing of 7 m.
  • An anisotropic nematic liquid crystal is injected from an injection port (not shown) of the empty cell to form liquid crystal layers 24 and 25. After that, the injection port is sealed with UV-curing resin to form the Fresnel lens portion 70A shown in FIG. 23, and the external signal source 30A and the transparent electrode are electrically connected so that a voltage can be applied to the liquid crystal layers 24 and 25.
  • an injection port not shown
  • UV-curing resin to form the Fresnel lens portion 70A shown in FIG. 23
  • the external signal source 30A and the transparent electrode are electrically connected so that a voltage can be applied to the liquid crystal layers 24 and 25.
  • first electrode lens unit 10C and the second electrode lens unit 10D will be described below with reference to FIG. 23 and FIG.
  • the first electrode lens unit 10C and the second electrode lens unit 10D are mainly composed of a transparent substrate 13B having a transparent electrode 19 made of an ITO film on one side and a transparent electrode 19B made of an ITO film on one surface. And a transparent substrate 14 having a composite electrode 20 formed on the other surface, and a transparent substrate 13C having a composite electrode 20B formed on one side.
  • the composite electrodes 20, 20B are formed with an ITO film having a sheet resistance value of 0 ⁇ / mouth on the transparent substrates 14, 13C. after film, Notayungu to form a low-resistance electrodes 31 to 35 (see FIG. 16), furthermore, after the sheet resistance was formed Sani ⁇ film of 10 6 ⁇ port, putter Jung to the high-resistance A planar electrode 35 (see Fig. 16) is formed.
  • liquid crystal layers 26 and 27 are injected from the inlet (not shown) of the empty cell to form liquid crystal layers 26 and 27.
  • the injection port is sealed with UV-curing grease to form the electrode lens unit 70B shown in FIG. 23, and the external signal source 30B and each electrode are electrically connected, and the same voltage is applied to the liquid crystal layers 26 and 27. It can be so.
  • FIG. 28 is an explanatory diagram showing the Fresnel lens efficiency of the liquid crystal lens element 70 in “Example 4”.
  • the horizontal axis in FIG. 28 is the voltage applied between the transparent electrodes 15 and 16 and the transparent electrodes 17 and 18 of the Fresnel lens portion 70A using the external signal source 30A.
  • the voltage is applied to the electrode lens portion 70B.
  • no voltage is applied.
  • the phase difference between the thinnest and thickest parts of the concavo-convex part becomes a difference, and as shown in Fig. 19 (A), the incident plane wave has the highest efficiency of the + 1st order Fresnel diffraction wave. And converted into a convergent wavefront equivalent to a convex lens.
  • the liquid crystal molecules in the liquid crystal layer 25 are aligned in the X direction. Regardless of this, light is transmitted.
  • the phase difference generated between the liquid crystal layer 24 and the uneven portion 27 depends on the film thickness d of the uneven portion 27.
  • the phase difference between the thinnest and thickest parts of the concavo-convex part becomes a difference, and as shown in Fig. And converted into a convergent wavefront equivalent to a convex lens.
  • the rms of the applied voltage unit Vrms in Fig. 26 and Fig. 28 means the AC effective voltage.
  • the liquid crystal lens element of the present invention acts as "lens action" and "convex lens". Therefore, the book If the liquid crystal lens element of the invention is used, the lens action can be switched according to on / off of the applied voltage with respect to linearly polarized light polarized in the X direction and Y direction, that is, regardless of the polarization state of the incident light.
  • the liquid crystal lens element 70 of the present invention it is possible to obtain a binary focus switching lens that operates regardless of the polarization state of incident light.
  • the wavefront including the power acting regardless of the polarization state of the incident light can be continuously changed.
  • the liquid crystal lens element 70 of the present invention was disposed in place of the liquid crystal lens element 64 of the optical head device 60 of FIG. 22, and was used for recording and reproduction of a single-layer high-density optical disk and a double-layer high-density optical disk.
  • FIG. 27A shows the calculation result of the remaining RMS wavefront aberration when the cover thicknesses of the first recording layer D1 and the second recording layer D2 fluctuate by ⁇ 5 m.
  • the RMS wavefront aberration is less than 0.01 rms, and when the cover thickness varies by ⁇ 5 m, an RMS wavefront aberration of about 0.05 rms occurs.
  • a voltage is applied from the external signal source 30B to the electrode lens portion 70B of the liquid crystal lens element 70 to correct aberrations.
  • Fig. 27 (B) shows the calculation results of the remaining RMS wavefront aberration in the case of this. Even when the cover thickness fluctuates by ⁇ 5 / zm, the occurrence of RMS wavefront aberration of 0.03 rms or less can be reduced.
  • the objective lens 66 is decentered by about ⁇ 0.3 mm from the liquid crystal lens element 70 during tracking, the RMS wavefront aberration shown in FIG. 27 is hardly deteriorated. Therefore, by using the optical head device 60 on which the liquid crystal lens element 70 of the present invention is mounted, stable recording and reproduction of single-layer and two-layer high-density optical discs can be realized.
  • a liquid crystal lens element in which the focal length can be finely adjusted according to the applied voltage.
  • this liquid crystal lens element it can be used as a liquid crystal lens element that corrects spherical aberration including a power component generated in recording and Z or reproduction of an optical disc having two information recording layers having different cover thicknesses. Since no aberration occurs when the lens element and the objective lens are decentered, the liquid crystal lens element can be arranged away from the objective lens.
  • liquid crystal lens element of the present invention restrictions on the arrangement of the liquid crystal lens element are reduced, so that an optical head device capable of recording and reproducing a small and stable optical disk is provided.
  • This application is based on a Japanese patent application filed on August 4, 2004 (Japanese Patent Application No. 2004-227613) and a Japanese patent application filed on September 15, 2004 (Japanese Patent Application No. 2004-268142). The contents are incorporated herein by reference.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Liquid Crystal (AREA)
  • Optical Head (AREA)

Abstract

　印加電圧の大きさに応じて焦点距離の微調整が可能な液晶レンズ素子及び該液晶レンズ素子を用いた光ヘッド装置を提供する。 　透明基板５１１の一方の面に透明電極５１３と鋸歯形状で近似した断面形状を有する透明材料から成る凹凸部５１７とを複数の輪帯状に形成し、透明基板５１２の一方の面に透明電極５１４を形成し、透明電極５１３、５１４は輪帯状に分割した電極セグメントを構成し、この電極セグメントの輪帯状の分割位置を透明基板５１１の鋸歯状の凹凸部５１７の輪帯状の分割位置と一致させる。

Description

明 細 書
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、液晶レンズ素子に係り、特に印加電圧の切り替え、大きさに応じて異な る焦点距離に切り替えることができる液晶レンズ素子、およびこの液晶レンズ素子を 搭載し、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] 情報を光学的に読取る記録媒体として、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とを有する光記録媒体 (以後、「光 ディスク」という）が各種開発されており、この光ディスクには、 CD用光ディスクや DV D用光ディスクなどが知られている。一方、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 、う）に用いる光ヘッド装置が開発されて 、 る力 この光ヘッド装置には、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から 0. 65までの対物レンズなどが設けられている。
[0003] 従来、 DVD用光ディスクでは、情報記録層が単層であってカバー厚 (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（再生専用、または再生および記録可能）の光ディスク（以下、「2層 DVD光ディ スク」という）などが開発されている。この 2層 DVD光ディスクでは、情報記録層の間 隔が 55± 15 mであり、光入射側のカバー厚が 0. 56mmのところ力ら 0. 63mmの ところに情報記録層が形成されている。
従って、カバー厚が 0. 6mmの単層 DVD光ディスクに対して収差がゼロとなるよう に最適設計された対物レンズを備えた光ヘッド装置を用いて、 2層 DVD光ディスクの 記録 ·再生を行う場合、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もたらし、書き込みエラーを招くため 問題となっている。 [0004] さらに、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 ディスク（以下、「単層 BD光ディスク」という）が開発されている。一方、この単層 BD光 ディスクの記録 '再生に用いる光ヘッド装置には、光源として波長が 405nm帯の青 色光の半導体レーザと、 NAが 0. 85の対物レンズなどが用いられる。この光ヘッド装 置により単層 BD光ディスクへ記録'再生を行う場合、単層 BD光ディスクの面内で力 バー厚が ± 5 m変動すると、 RMS (Root Mean Square)波面収差として約 50 mえ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」という）も開発されている力 この 2層 BD光ディスクにあっては、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もたらすため、問題となる
[0005] そこで、従来、光ディスクのカバー厚の相違などに起因して発生する球面収差を補 正するための手段として、下記公報に記載のような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。
(I)例えば、特開 2003— 115127号公報には、可動レンズ群を用いて球面収差補 正を行うために、図 29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 10 0が提案されている。この光ヘッド装置 100は、光源 110と、各種の光学系 120と、受 光素子 130と、制御回路 140と、変調 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。また、第 1の可動レンズ群 160には、凹レンズ 16 1と、凸レンズ 162と、ァクチユエータ 163とを備えている。従って、ァクチユエータ 16 3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 ノ ヮ一が正（凸レンズ)力 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。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集光点を合わせることが できるため、パワー成分を含む球面収差の補正が可能となる。
[0006] (Π)また、特開平 5— 205282号公報〖こは、 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 30に示すような 液晶レンズ 200を用いた光ヘッド装置も提案されている。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のべキ乗の和である（1)式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、この間に狭持されるネマテイツ ク液晶 270とを備えた構成となっている。
式 1
[0007] s ( r ) r 2 + a 2 r 4 + a 3 r e · · · ( 1 ) 但し、 aい a 2、 a 3 ；定数
r 2 - x 2 + y 2
[0008] 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、屈折率が変化する。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。
[0009] (III)また、特開平 9— 230300号公報には、液晶層を厚くすることなく入射光の集 光点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、液 晶レンズとして光変調素子が提案されている。これには、 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、その 光変調素子を用いた光ヘッド装置も提案されている。図 31にその光変調素子 300の 側面図を示す。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 340を有する一方、 2つの透明基板の液晶側の面に電極 350 および配向膜 360が形成されている。この光変調素子 300では、電界非印加時に液 晶 330の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。
[0010] (IV)さらに、特開平 9— 189892号公報には、液晶層を厚くすることなく入射光の 集光点変化に相当するパワー成分も可変とする実質的なレンズ機能を発現するため に、図 32に示すような液晶回折レンズ 400も提案されている。
この液晶回折レンズ 400は、所定の鋸歯状レリーフが形成された基板 410の片面 に透明電極 420が形成され、この透明電極 420と対向電極 430により液晶層 440を 狭持している。この電極 420、 430間に電圧を印加すると、異常光偏光に対して液晶 層 440の実質的な屈折率は異常光屈折率 nから常光屈折率 nへと変化する。ここで e o
、実質的な屈折率とは液晶層の厚さ方向の平均屈折率を意味する。
鋸歯状レリーフ構造を有する基板 410の屈折率を n、入射光の波長をえとしたとき に、鋸歯状レリーフの溝の深さ dが、次式の関係を満たすように
ά= λ / (η η )
e 1
形成することにより、電圧非印加時に波長えで最大回折効率が得られ、回折レンズと なる。また、入射光の波長 λが変化しても、波長 λで最大回折となるように印加電圧 を調整できる。
このような構成の液晶回折レンズ 400では、鋸歯状レリーフの溝を埋めるように液晶 層 440に液晶を充填すればよ!、ため、前述の図 30に示す液晶レンズ 200を用 ヽて パワー成分を含む球面収差を補正するタイプの液晶層に比べて、液晶層 440は薄く できる。
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0011] ところが、（I)の特開 2003— 115127号公報に記載のものにあっては、この可動レ ンズ群 160を用いた場合、一対のレンズ 161、 162とァクチユエータ 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。
[0012] また、（Π)の特開平 5— 205282号公報に記載のものにあっては、基板 260の屈折 率は電圧非印加時の液晶 270に等しい。従って、この電圧非印加時の場合には、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 Δ ηが発生し、 A n 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、光ディスク Dのカバー厚の 相違に起因して発生する球面収差を補正するように基板 260の表面形状 S (r)をカロ ェし、印加電圧に応じて屈折率差 Δ ηを調整することにより収差補正が可能となる。 ところが、図 30に記載の液晶レンズの場合、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、入射光の集光点を変化させるパワー成分に相当 する大きな光路長差分布 A n X S (r)を発生させるためには、 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、電圧に対する応答速度が 遅くなる。特に、単層および 2層の DVD光ディスクや BD光ディスクの記録'再生にお いて、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より発生する波面収差 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。
そこで、パワー成分を除いた球面収差のみを補正すると、収差補正量すなわち光 路長差分布を低減できるため、液晶層を薄くすることができ、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 光軸とが偏心したとき、コマ収差が発生する。特に、対物レンズが光ディスクの半径 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 '再生ができないといつ た問題が生じる。
また、（ΠΙ)の特開平 9— 230300号公報に記載のものにあっては、液晶の常光屈 折率 n、異常光屈折率 nのいずれか一方を透明基板のブレーズ形状 340の屈折率 ο e
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とブレー ズ形状 340との屈折率差が、 Δ η (=η— n )からゼロまで変化する。また、屈折率 n のブレーズ形状の凹凸部の深さを、電圧非印加時に Δ η Χ (凹凸部の深さ） = (真空 中の光の波長）の関係を満たすように形成することにより、電圧非印加時にはほぼ 10 0%の回折効率が得られ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の屈折率は 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に印加する電圧を切り替えることにより、 2つの 焦点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。これにより、 DVD用の対物レンズを用いて、 DVD用と CD用の 光ディスクの記録 '再生ができる。従って、この光変調素子 300を用いることにより、印 加電圧の切り替えにより 2値の焦点切り替えはできるので、好ましい。例えば、 2層 BD 光ディスクのカバー厚の規格中心は 100 μ mと 75 μ mで、この厚さのカバーについ ては補正が可能である。
し力しながら、この光変調素子の焦点位置は、微調整が困難であった。このため、 カバー厚が 100 μ mと 75 μ mの時には有効である力 光ディスクの製造ばらつきとし て存在するカバー厚さには、十分な収差低減補正が可能ではな力つた。具体的には 、規格中心の厚さに対してそれぞれ 100± 5 m、 75± 5 mとカバー厚が ± 5 m 変動するときに発生する球面収差 50m λ rms、さらには ± 10 μ m変動するときに発 生する球面収差 100m rmsという大きな収差を低減することができな力つた。このよ うに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 エラーや読み込みエラーを招くことがあり、有効な改善策が望まれていた。
[0014] また、（IV)の特開平 9— 189892号公報に記載のものにあっては、この液晶回折レ ンズ 400では、鋸歯状レリーフ構造と液晶の屈折率差が印加電圧と共に変化し、屈 折率差と鋸歯状レリーフの溝の深さ dとの積が、前記波長 λの整数倍になった状態 においてのみ、波面が連続的につながりパワー成分を得ることができるため、発生す るパワーは電圧に応じて離散的にしか変化させることができない。
一方で、光ディスクのカバー厚は製造誤差によりばらつくことが一般的である。特に 、 ΝΑが 0. 85の対物レンズを備える光ヘッド装置においては、カバー厚のばらつき により発生する球面収差力 対物レンズ ΝΑの 4乗に比例することから、カバー厚の製 造誤差を原因とする球面収差に関しても適正に補正する必要がある。従って、離散 的なパワー成分しか得られな 、液晶回折レンズ 400では、カバー厚の製造ばらつき を適正に補正することは困難である。
[0015] 更に、図 30から図 32に示すような液晶レンズでは、液晶が一様配向しているため に、液晶の常光屈折率を感じる偏光に対しては、透過波面を印加電圧で変化させる ことはできない。 DVDや高密度光ディスクの記録再生に用いる光ヘッド装置は、偏 光光学系を用いることが一般的であるため、直交する偏光を有する往路光 (光デイス クに向力う光）と復路光 (光ディスク力 反射された光）の何れか一方の光し力 球面 収差を補正することができな 、と 、つた問題が発生する。
[0016] 本発明は、可動部のない小型な素子が実現可能であるとともに、印加電圧に応じ て 2値以上の多値焦点距離が切り替え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。
[0017] また、本発明は、液晶層が薄い液晶素子でありながら印加電圧の大きさに応じて安 定した入射光の集光点変化に相当するパワー成分を含む球面収差補正を行うことが 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。
[0018] さらに本発明は、上述の液晶レンズ素子を用いることにより、単層および 2層光ディ スクにおけるカバー厚の相違に起因して発生する球面収差を補正し、安定した記録 および Z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
[0019] 本発明は、以下の内容を開示する。
1.少なくとも 1つの液晶層と、当該液晶層を挟持するよう対向配置された第 1の透 明基板及び第 2の透明基板を備え、前記第 1の透明基板は、透明電極と、光軸に関 して回転対称性を有する鋸歯状の断面形状または鋸歯を階段形状によって近似し た断面形状を有する透明材料力 なる凹凸部とを含み、前記第 2の透明基板は透明 電極を含む、液晶レンズ素子。
[0020] 2.光源と、
当該光源力 の出射光を光記録媒体上に集光させるための対物レンズと、 前記光記録媒体上に集光されて反射する光を検出する光検出器と、
前記光源と前記対物レンズとの間の光路中に配置された上記 1に記載の液晶レン ズ素子と、を備える光ヘッド装置。
3.少なくとも第 1、第 2の 2枚の基板を対向配置し、前記基板間に挟持された液晶 層に印加する電圧の大きさに応じて前記液晶層を透過する光の集光点を変化させる 液晶レンズ素子であって、前記第 1の基板の一方の面には第 1の透明電極と鋸歯形 状または鋸歯を階段形状で近似した断面形状を有する透明材料力 成る凹凸部とを 入射光の光軸を中心とする複数の輪帯状に形成し、前記第 2の基板の一方の面に 第 2の透明電極を形成し、前記第 1、第 2の透明電極の少なくとも一方は、輪帯状の 電極セグメントに分割されており、前記電極セグメントの輪帯状の分割位置は、前記 第 1の基板の前記鋸歯状の凹凸部の輪帯状の分割位置と一致している液晶レンズ 素子。 [0021] 4.前記各電極セグメントと、この電極セグメントと隣り合う電極セグメントとは、抵抗 体で電気的に接続している上記 3に記載の液晶レンズ素子。
[0022] 5.前記各電極セグメントとこの外周側に隣合う電極セグメントとの間の抵抗値に対 して、前記電極セグメントとこの内周側に隣合う電極セグメントとの間の抵抗値は 2倍 である上記 3又は 4に記載の液晶レンズ素子。
[0023] 前記第 1の基板上に形成した凹凸の深さは、前記第 2の基板と前記凹凸の凸部と の間隔に等しい上記 3から 5のいずれか 1つに記載の液晶レンズ素子。
[0024] 6.光源と、
当該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、当該対物レンズに より集光され前記光記録媒体により反射された光を分波するビームスプリッタと、前記 分波された光を検出する光検出器と、前記光源と前記対物レンズとの間の光路中に 配置された上記 3から 5いずれか 1つに記載の液晶レンズ素子と、を備える光ヘッド装 置。
[0025] 7.液晶層に印加する電圧の大きさに応じて、前記液晶層を透過する光の集光点を 変化させる液晶レンズ素子であって、第 1のフレネルレンズ部と、第 2のフレネルレン ズ部と、電極レンズ部とを備え、前記第 1のフレネルレンズ部は、一対の透明基板に より挟持した第 1液晶層と、この第 1液晶層に電圧を印加するために前記透明基板の 表面にそれぞれ設置した対向する電極対と、前記光の光軸に関して回転対称性を 有する鋸歯状の断面形状または鋸歯を階段形状に近似した断面形状を有し、前記 対向する電極対の少なくとも一方の上面に透明材料で形成した第 1凹凸部とを備え 、前記第 2のフレネルレンズ部は、一対の透明基板により挟持した第 2液晶層と、この 第 2液晶層に電圧を印加するために前記透明基板の表面にそれぞれ設置した対向 する電極対と、前記光の光軸に関して回転対称性を有する鋸歯状の断面形状また は鋸歯を階段形状に近似した断面形状を有し、前記対向する電極対の少なくとも一 方の上面に透明材料で形成した第 2凹凸部とを備え、前記電極レンズ部は、一対の 透明基板により挟持した第 3液晶層と、この第 3液晶層に電圧を印加するために前記 透明基板の表面に対向して設置し、そのうちの少なくとも一方が低抵抗電極と高抵 抗平面電極とからなる複合電極である電極対とを備え、前記第 1、第 2、第 3液晶層 は電圧非印加時または電圧印加時に平行配向したネマティック液晶であって、前記 第 1液晶層の常光屈折率方向と、前記第 2液晶層及び前記第 3液晶層の異常光屈 折率方向とがー致する液晶レンズ素子。
[0026] 8.前記電極レンズ部に設置された対向する電極の両方が前記複合電極であって 、前記一方の複合電極は、高抵抗平面電極とストライプ状に配された複数の低抵抗 電極とからなるとともに、前記もう一方の複合電極は、前記高抵抗平面電極と前記低 抵抗電極の配置方向と直交する方向に、ストライプ状に配された複数の低抵抗電極 力 なる上記 7に記載の液晶レンズ素子。
[0027] 9.前記第 1、第 2凹凸部を形成する前記透明材料の屈折率は、前記第 1液晶層お よび第 2液晶層の常光屈折率に等しい上記 7又は 8に記載の液晶レンズ素子。
[0028] 前記第 1のフレネルレンズ部、第 2のフレネルレンズ部及び電極レンズ部は、積層し て一体ィ匕してあるとともに、前記第 1、第 2、第 3液晶層は、互いに対向する 4枚の透 明基板が形成する 3つの基板の間隙にそれぞれ設置されている上記 7から 9のいず れか 1つに記載の液晶レンズ素子。
[0029] 10.前記光の波長に対する位相差が π Ζ2の奇数倍である位相板を一体ィ匕して ヽ る上記 7から 9のいずれ力 1つに記載の液晶レンズ素子。
[0030] 11.前記液晶レンズ素子の電極レンズ部は、第 1の電極レンズ部と第 2の電極レン ズ部からなり、前記第 1の電極レンズ部は、一対の透明基板により挟持した前記第 3 液晶層と、この第 3液晶層に電圧を印加するために透明基板の表面に設置して、そ のうちの少なくとも一方力 低抵抗電極と高抵抗平面電極力も成る複合電極である対 向する電極対とを備え、前記第 2の電極レンズ部は、一対の透明基板により挟持した 第 4液晶層と、この第 4液晶層に電圧を印加するために透明基板の表面に設置して、 そのうちの少なくとも一方が、低抵抗電極と高抵抗平面電極カゝら成る複合電極である 対向する電極対とを備え、前記第 1、第 2、第 3、第 4の液晶層は電圧非印加時また は電圧印加時に平行配向したネマティック液晶であって、第 1液晶層の常光屈折率 方向と、第 2、第 3液晶層の異常光屈折率方向および第 4液晶層の常光屈折率方向 とが、一致する上記 7に記載の液晶レンズ素子。
[0031] 12.前記電極レンズ部に設置された対向する電極は、一方が前記複合電極であつ て、この複合電極は、高抵抗平面電極と、前記光の光軸を中心とする複数の同心円 形状力もなる低抵抗電極とからなる上記 11に記載の液晶レンズ素子。
[0032] 13.前記電極レンズ部に設置された対向する電極は、両方が前記複合電極であつ て、一方の前記複合電極は、高抵抗平面電極とストライプ状に配された複数の低抵 抗電極とからなるとともに、もう一方の前記複合電極は、高抵抗平面電極と前記低抵 抗電極の配置方向と直交する方向に、ストライプ状に配された複数の低抵抗電極と 力 なる上記 11に記載の液晶レンズ素子。
[0033] 前記第 1、第 2凹凸部を形成する前記透明材料の屈折率は、前記第 1液晶層およ び第 2液晶層の常光屈折率に等しい上記 11から 13のいずれか 1つに記載の液晶レ ンズ素子。
[0034] 前記第 1のフレネルレンズ部と第 2のフレネルレンズ部を積層し一体ィ匕して 、るとと もに、前記第 1の電極レンズ部と第 2の電極レンズ部を積層し一体ィ匕している上記 11 力も 13のいずれか 1つに記載の液晶レンズ素子。
[0035] 14.光源と、当該光源からの出射光を光記録媒体上に集光させるための対物レン ズと、前記光記録媒体上に集光されて反射する光を検出する光検出器と、前記光源 と前記対物レンズとの間の光路中に配置する上記 7から 13のいずれ力 1つに記載の 液晶レンズ素子と、を備えている光ヘッド装置。
[0036] 前記光源から前記光記録媒体へ向かう光の光路上において、前記液晶レンズ素子 に入射する前記光源からの光の偏光方向が、前記液晶レンズ素子の第 3液晶層の 異常光屈折率方向と一致する上記 14に記載の光ヘッド装置。
[0037] 光源と、光源からの出射光を光記録媒体上に集光させるための対物レンズと、光源 と対物レンズとの間の光路中に、上記 7から 13のいずれか 1つに記載の液晶レンズ 素子を配置する光ヘッド装置。
[0038] 15.光源と、当該光源からの出射光を光記録媒体の情報記録層に集光させる対物 レンズと、前記情報記録層の反射光を受光する光検出器と、光源から光記録媒体に 向かう往路の光束と前記情報記録層の反射光が光検出器に向かう復路の光束とを 分離するビームスプリッタを少なくとも含む光ヘッド装置において、
前記第 1のフレネルレンズ部と第 2の電極レンズ部を積層し一体ィ匕した往路用液晶 レンズ素子と、前記第 2のフレネルレンズ部と第 1の電極レンズ部を積層し一体ィ匕した 復路用液晶レンズ素子力 なる上記 7から 13のいずれ力 1つに記載の液晶レンズ素 子の、前記往路用液晶レンズ素子を光源とビームスプリッタの間の光路中に配置し、 前記復路用液晶レンズ素子をビームスプリッタと光検出器の間の光路中に配置する 光ヘッド装置を提供する。
発明の効果
[0039] 本発明によれば、印加電圧の大きさに応じて透過波面を連続に変化させ、焦点距 離連続可変液晶レンズを実現することが可能となる。
また、本発明によれば、この液晶レンズを光ヘッド装置に備えることで、カバー厚の 異なる光ディスクにより発生する収差を補正することができる。さらに、素子への入力 端子数も 3端子と少なぐ制御性に優れ、小型化'低コストの光ヘッド装置を実現する ことができる。
[0040] さらに、本発明の液晶レンズ素子が備える第 1、第 2のフレネルレンズ部では、鋸歯 状または鋸歯を階段形状で近似した断面形状を有する透明材料の凹部に液晶を充 填しているため、比較的大きなパワー成分を発生できるにも関わらず、液晶層の厚さ を薄くできるようになり、低電圧駆動および高速応答につながる。さらに、第 1、第 2の 液晶層の異常光屈折率方向が直交して 、るために、入射偏光の方向によらず安定 した球面収差補正を実現できる。また、本発明によれば、液晶レンズ素子が備える電 極レンズ部により、パワー成分を連続的に変化することができる。
従って、このような液晶レンズ素子を備えた光ヘッド装置では、 2層光ディスクにお けるカバー厚の相違に起因して発生する球面収差を補正するのみならず、カバー厚 のばらつきに起因して発生する球面収差をも有効に補正できる。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 定した記録および Zまたは再生ができる光ヘッド装置が提供できる。
図面の簡単な説明
[0041] [図 1]本発明に係る実施形態の液晶レンズ素子の構成を示す側面図。
[図 2] (A)は図 1に示す液晶レンズ素子の第 1の基板の凹凸部を構成する鋸歯状輪 帯を示す平面図、（B)は第 2の基板の透明電極を構成する輪帯状の電極セグメント を示す平面図。
[図 3]本発明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一例のグラフ 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、 j8は α力 ら波長 λの整数倍を差し引き、一え以上ゼロ以下の光路長差としたグラフ、 y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]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 のときの収束透過波面、（Β)は印加電圧 Vのときの波面変化の
+ 1 0 ない透過波面、（c)は印加電圧 V のときの発散透過波面を示す。
[図 5]本発明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一例のグラフ であって、 exは横軸を半径 rとし光路長差を波長 γ単位で表記したグラフ、 β 2は oc から波長 2 λの整数倍を差し引き、—2 λ以上ゼロ以下の光路長差としたグラフ、 β 1 は β 2の光路長差を半分にした光路長差を示すグラフ、 γ 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。
圆 6]本発明の液晶レンズ素子への印加電圧を中間の値とした場合の光路長差の一 例を示すグラフ。
圆 7]本発明の液晶レンズ素子への印加電圧を輪帯毎に変えた場合の光路長差の 一例を示すグラフ。
圆 8]本発明の液晶レンズ素子への印加電圧を輪帯毎に変えた印加電圧の一例を 示すグラフ。
[図 9]本発明の液晶レンズ素子の第 2の電極の輪帯状のセグメントと抵抗体との接続 を示す模式的平面図。
[図 10]本発明の液晶レンズ素子の第 2の電極の輪帯状のセグメントと抵抗体との結線 状態を示す模式的平面図。
圆 11]本発明の液晶レンズ素子の構成を示す側面図。
[図 12]液晶分子の配向方向が互いに直交するように液晶レンズ素子が積層された本 発明の液晶レンズ素子の他の構成例を示す側面図。
圆 13]本発明の液晶レンズ素子を搭載した本発明の光ヘッド装置を示す構成図。 圆 14]本発明の第 2の実施形態に係る液晶レンズ素子を示す断面図。
[図 15]本発明の第 2の実施形態に係る液晶レンズ素子のフレネルレンズ部の上面図 圆 16]本発明の第 2の実施形態に係る液晶レンズ素子の電極レンズ部の上面図。
[図 17]本発明の液晶レンズ素子により生成される透過波面の位相差を示すグラフで あって、 Pl、 P2は横軸を半径 rとし位相差を波長 λ単位で表記したグラフ、 Fl、 F2 は Pl、 P2から波長 λの整数倍を加減し、ゼロ以上 λ以下の位相差としたグラフ。
[図 18]本発明の液晶レンズ素子の断面図におけるフレネルレンズ部の拡大図。
[図 19]本発明の液晶レンズ素子のフレネルレンズ部への印加電圧を切り替えたとき の作用を示す断面図であって、（Α)は印加電圧 V のときの収束透過波面、（Β)は
+ 1
印加電圧 Vのときの波面変化がない透過波面、（C)は印加電圧 V のときの発散透
0 - 1 過波面を示す。
[図 20]本発明の液晶レンズ素子の電極レンズ部が発生する位相差分布を示す模式 図であって、 αは目的とする位相差、 βは電極レンズ部が発生する位相差を示す。
[図 21] (A)、 (Β)はそれぞれ本発明の第 3の実施形態に係る液晶レンズ素子の電極 レンズ部を構成する複合電極の上面図。
圆 22]本発明の光ヘッド装置の一例を示す構成図。
圆 23]本発明の液晶レンズ素子の第 5の実施形態を示す断面図。
圆 24]本発明の液晶レンズ素子の第 6の実施形態を示す断面図。
圆 25]本発明の光ヘッド装置の他の一例を示す模式図。
[図 26]本発明の光ヘッド装置における液晶レンズ素子のフレネルレンズ効率を示す 説明図。
圆 27]本発明の光ヘッド装置における波面収差のカバー厚依存性を示す説明図。
[図 28]本発明の液晶レンズ素子の第 7の実施形態である、第 4の実施例における液 晶レンズ素子のフレネル回折効率を示す説明図。
[図 29]可動レンズ群が球面収差補正素子として搭載された従来の光ヘッド装置を示 す構成図。
[図 30]従来の液晶レンズの構成例を示す側面図。 [図 31]従来の光変調素子 (液晶回折レンズ)の構成例を示す側面図。
[図 32]従来の液晶回折レンズの構成例を示す断面図。
符号の説明
10、 70、 80 液晶レンズ素子
10A 第 1のフレネルレンズ部
10B 第 2のフレネルレンズ部
10C (第 1の）電極レンズ部
10D (第 2の）電極レンズ部
11、 12、 13、 13A、 13B、 13C、 14 透明基板
15、 16、 17、 18、 19、 19B 透明電極
15A〜18A 電極取出部
19A 電極取出部
20、 20B 複合電極
21、 22、 23、 23B シール
24、 25、 26、 26B 液晶層
27、 28 凹凸部
29 導通接続手段
30、 30A、 30B、 30C、 30D 外部信号源
31〜34 低抵抗電極
31A〜34A 電極取出部
35 高抵抗平面電極
0、 50 複合電極
5、 55 高抵抗平面電極
1〜44、 51〜54 低抵抗電極
1 半導体レーザ
2 偏光ビームスプリッタ
3 コリメータレンズ
4 液晶レンズ素子 4分の 1波長板
対物レンズ
シリンドリカノレレンズ
光検出器
A フレネルレンズ部
B 電極レンズ部
A 復路用液晶レンズ部
B 往路用液晶レンズ部
1 半導体レーザ (光源）
2 回折格子
3 ビームスプリッタ
4 コリメータレンズ
5 対物レンズ
6 光検出器
7 位相板
0、 520、 530 液晶レンズ素子
1 透明基板 (第 1の基板）
2、 512A、 512B 透明基板 (第 2の基板）3、 153C、 513D (第 1の）透明電極
4、 514C、 514D (第 2の）透明電極
4A 電極セグメント
5、 515A、 515B シール
6 液晶層（液晶）
7 凹凸部
8 駆動電源回路
9A、 519B、 519C 駆動電源供給用の端子電極1 抵抗体
4 引き出し電極 554B、 554C、 · · ·、 5541 端部電極
540 光ヘッド装置
D 光ディスク
D1 第 1記録層
D2 第 2記録層
発明を実施するための最良の形態
[0043] (第 1の実施形態）
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。 図 1は、本発明の第 1の実施形態に係る液晶レンズ素子 510を示すものであり、こ の液晶レンズ素子 510は、透明基板 511、 512 (以下、第 1、第 2の基板 511、 512と いう）と、透明電極 513、 514が備えられ、シール 515と、液晶層（液晶） 516と、凹凸 部 517と、駆動電源回路 518とを備えている。
液晶層 516には、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 ο e o e マティック液晶を用いている。凹凸部 517は、屈折率 nの透明材料を用いて形成して s
おり、深さ dを有する断面凹凸形状となっている。この凹凸部 517は、好ましくは、鋸 歯状または鋸歯を階段状で近似した形状を有するものであり、有効径 φの領域では 入射光の光軸 (Z軸）に対して回転対称性を有する。
[0044] 次に、図 2 (A)、 (B)には、第 1基板 511、第 2基板 512の平面図を示した。
第 1の基板 511上には、鋸歯状の輪帯力もなる凹凸部 517を同心状に複数形成し てあるとともに、この凹凸部 517の表面 (外面）には、鋸歯状の輪帯を同心状に複数 形成した透明電極 513を設けてある。
一方、第 2の基板 512上には、異なる電圧が印加可能となるように輪帯状に分割さ れた電極セグメント 514A (透明電極 514)を設けている。この電極セグメント 514Aは 、第 1の基板 11の凹凸部 517の各半径に対応して分割されている。
また、この透明電極 513および透明電極 514には、素子外部からの駆動電源供給 用の端子電極519八〜519じを設けてぃる。ここでは、説明を簡単にするため、第 2 の電極を輪帯状の電極セグメントに分割した例で説明したが、第 1の基板の電極を輪 帯状に分割しても問題はない。 [0045] 次に、液晶層 516のネマティック液晶分子の配向方向について詳細に説明する。こ 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)ホモジ-ァス配向：
液晶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、透明電極 513および 514の表面に 液晶分子の配向方向が、それぞれ、第 1、第 2の基板 511、 512面に略平行となるポ 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と、 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 e
-ァス配向となる。なお、ポリイミドのラビング処理以外に、 SiO斜蒸着膜や光配向膜 などを用いて液晶分子の配向を揃えてもよい。ここで、透明電極 513、 514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 516の実質的な屈折率 n (V)力 n =n力も n =nまで変化する。
1 e 2 o
この構成により、液晶層 516は低電圧で実質的な屈折率が大きな変化が得られる ため、凹凸状の透明電極 513の基板面を形成する凹凸部 517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 517の形成工程が短縮されるととも に、液晶層 516を薄くできるため、高速応答化につながる。
[0046] ii)ハイブリッド配向：
この配向を得るためには、初めに、凹凸部 517上の透明電極 513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 に硬化させる。ここで、平坦な透明電極 514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)を塗布後に硬化し、その後、 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 517の透明電 極 513では基板面に対して略垂直方向に揃い、透明電極 514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。凹凸部 517の面にラビングによる均一な配 向処理を施すことは難しいが、この場合、凹凸部 517に配向処理が不要となるため、 均一な液晶配向が得やすい。ここで、透明電極 513、 514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 516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。
1 e o 2 o この構成により、液晶層 516の配向は、平坦な透明電極 514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、凹凸状の透明電極 513の基板面上の配向膜 の配向処理なしでも、液晶層 516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が軽減できる。
[0047] iii)垂直配向：
この配向を得るためには、電界方向と垂直方向に液晶の配向が揃う誘電異方性△ εが負の液晶を用い、初めに、透明電極 513および 514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、透明電極 514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凹凸部 517の透明電極 513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 517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 513、 514に電圧 Vを印加すると、 X軸方向の偏光面を有する直線偏光の入射光に対して、液晶層の実質的な屈折率 n(VW =n力 n =nまで変化する。
1 o 2 e
この構成により、液晶層 516は低電圧で実質的な屈折率が大きな変化が得られる ため、凹凸状の透明電極 513の基板面を形成する凹凸部 517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 517の形成工程が短縮されるととも に、液晶層 516を薄くできるため、高速応答化につながる。さらに、液晶層 516の配 向は、透明平坦電極 514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 、凹凸状の透明電極 513の基板面上の配向膜の配向処理なしでも液晶層 516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が 軽減できる。
[0048] 次に、この液晶レンズ素子 510の作製手順の一例について、以下に説明する。
はじめに、第 1の基板 511の一方の平坦面に、屈折率 nの透明材料で、断面が鋸 s
歯状または鋸歯を階段状で近似した形状の凹凸部 517を形成する。さらに、この凹 凸部 517の表面に透明電極 513を形成する。ここでは、透明電極 513を凹凸部 517 の表面に形成した例で説明する力 凹凸部 517と基板 511の間に形成してもよい。 さらに、図 2 (B)のように、輪帯状に分割された電極 514が形成され基板 512にギヤ 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 515を形成し、前述 の透明基板 511と重ね合わせ、圧着して空セルを作製する。このとき第 1の基板 511 の凹凸部 517の凸部と基板 512の間隔を gとする。シール 515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 o e o e るネマティック液晶 516を注入し、この注入口を封止して液晶 516をセル内に密封し 、本実施形態の液晶レンズ素子 510とする。図では省略したが、透明電極 514の表 面に透明絶縁体膜を膜厚 10〜200nm程度成膜して短絡防止とすることと、液晶の 配向膜を作成することが好まし 、。
このようにして、凹凸部 517の少なくとも凹部に液晶を充填したのち、駆動電源回路 518に図示外の交流電源を接続する。この接続方法としては、透明基板 511側に駆 動電源供給用の端子電極 519B、 519Cを形成するとともに、あらかじめシール 515 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 発現させておき、透明電極 514と端子電極 519B、 19Cとを導通する。また、これらの 端子電極 519B、 519Cに駆動電源回路 518を接続することで、液晶層 516に電圧 を印加できる。
このようにして、液晶レンズ素子 510が完成する。
なお、この液晶レンズ素子 510の作製では、透明材料力もなる凹凸部 517を、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形成してもよいし、 SiO
2 や Al Oや SiO N (但し、 X, yは Oと Nの元素比率を示す)などの無機材料で形成し
2 3 y
てもよい。また、この凹凸部 517は、均一屈折率材料でも、複屈折材料で形成しても よい。要は、この凹凸部 517は、印加電圧に応じて液晶層 516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の間の屈折率 nの透明材料で形成してあれば
1 2 s
よい。
また、この凹凸部 517は、第 1の基板 511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い。なお、液晶層 516 は印加電圧に対して実質的な屈折率が大きな変化を得るために、この凹凸部 517の 凹部に充填される液晶層 516の分子の配向方向は、透明電極 513および 514の面 上で揃って 、ることが好まし!/、。
[0050] このようにして形成された本実施形態の液晶レンズ素子 510に対して、交流電源を 用いて、透明電極 513、 514に矩形波の交流電圧を印加すると、液晶の分子配向が 変化し、液晶層 516の実質的な屈折率が n力 n (n ≠n )まで変化する。その結果
1 2 1 2
、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と凹凸部 517の 屈折率差 An (V)が変化し、液晶レンズ素子 510の透過光の波面が変化する。ここ で、液晶層 516の「実質的な屈折率」とは、入射光の偏光方向に対する透明電極 51 3、 514により狭持された液晶層 516の平均屈折率を意味し、平均屈折率 = (液晶層 光路長） ÷ (液晶層厚さ）に相当する。
[0051] 次に、鋸歯状または鋸歯を階段状で近似した凹凸部 517の断面形状について、以 下に詳細に説明する。
本発明の液晶レンズ素子 510を光ヘッド装置に搭載し、液晶レンズ素子 510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の長さだけ離れた位置を通過する光線の光路長差 OPDが、（2)式のような べキ級数を満たすようにする。
式 2
[0052] O P D ( r ) = a 1 r + a 2 r 4 + a 3 r 6 + a 4 r 8 + · · ·
… ( 2 ) 但し、 Γ 2 = χ 2 + y 2
aい a 2、 ■ · · ；疋—致
[0053] このように構成すれば、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できるとともに、対物レンズとの偏心に対して収差の発生 がな 、ように正または負のパワー成分が付与された透過波面を生成できる。
[0054] ここで、 （2)式の曲線の具体的な形状について、図 3に符号 aで示す。なお、横軸 は半径！:、縦軸は光路長差 OPDを入射光の波長 λの単位で表記している。
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 aで示すグラフ (光路長差)を波長 λ間隔で分割して光路長差 ゼロの面に射影した光路長差を示すグラフ βは、グラフ ocと実質的に同等である。グ ラフ β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）であり、断面 が鋸歯状となっている。
[0055] 次に、断面が鋸歯状の凹凸部 517の深さ dについては、以下のようになる。
まず、第 2の基板 512の透明電極 514の分割された電極セグメントすべてを同じ電 位とした場合について説明する。この場合、凹凸部 517の凸部と第 2の基板 512との 間隔 g (以下、この間隔を「セルギャップ」という）にある液晶には、分割電極セグメント 514Aに印加される電位が等しいときは、ほぼ同一の電圧が印加される。このため、こ のセルギャップ内の液晶の屈折率変化は、透過光の波面を一様にシフトするのみな ので、この場合は無視することができる。
透明電極 513、 514間に電圧 Vを印加したとき、異常光偏光の光に対する液晶層 5 16 (液晶）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層 516と凹凸 部 517の屈折率差は An(V) =n(V)— nである。例えば、印加電圧 V において、 s + 1 図 3のグラフ |8に相当する透過波面の光路長差を生成するためには、図 1に示す凹 凸部 517の深さ dを、（3)式の関係を満す値に穿設すればよい。
式 3
[0056]
ά = λ / I Δ η (V+ χ ) I · · · ( 3 )
但し、 え ；入射光の波長
Δ η (V+ 1 ) = n (V+ 1 ) — n s = 11 ! — n s
n l n s；屈折率
[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、 i) Δη (ν ) =0となる印加電圧 Vでは、液晶レンズ素子 10の透過波面は変化しない。
0 0
また、 ii) An (V ) = - Δη(ν )となる印加電圧 V では、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。
このように、透過波面変化なしの状態、図 3のグラフ βおよび γの波面状態の都合 3種類の波面状態を印加電圧により作り出すことができる。また、屈折率 ηを ηあるい s 丄 は ηとほぼ等しくすると、透過波面は透過波面変化なし状態と、 j8あるいは γの状態
2
の!、ずれかの 2つの波面状態を作り出すことが可能である。 [0058] なお、図 5のグラフ αは、図 3のグラフ αと同様、（2)式で表記される光路長差 OPD を表すグラフである。図 5のグラフ 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 5のグラフ β 2示す。このグラフ β 2は、グラフ αと実質的に同等であり、グラフ j82に示す光路長差は、全て 2 λ以内（図中では 2えからゼロの範囲）であり、断面が鋸歯状となっている。
従って、印加電圧 V において、図 5のグラフ β 2に相当する透過波面の光路長差
+ 2
を生成するためには、図 11に示す凹凸部 517の深さ dを、（4)式の関係を満す値に 穿設すればよい。
式 4
[0059] ά = 2λ/ | Δη (V+ 2 ) I ' ' ■ (4)
但し、 λ '，入射光の波長
△ n (V+ 2 ) = n (V+ 2 ) — n s =n i — n s
[0060] 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 520の透過波面は変化し
0 0
ない。また、
ϋ)Δη(ν )=Δη(ν )Ζ2となる印加電圧 V において、図 5のグラフ j81に示す
+1 +2 +1
光路長差の透過波面が生じる。
ίϋ)Δη(ν ) = -Δη(ν )となる印加電圧 V において、図 5のグラフ γ 1に示す 光路長差の透過波面が生じる。
iV)An(V ) = -Δη(ν )となる印加電圧 V において、図 5のグラフ γ 2に示す
-2 +2 -2
光路長差の透過波面が生じる。
このように、図 5に示す鋸歯状または鋸歯を階段状で近似した断面形状の凹凸部、 つまり図 11における凹凸部 517を用いれば、透過波面変化なしの状態、図 5のダラ フ β 1、 β2、 γ 1および γ 2の 5種類の波面状態を、印加電圧により作り出すことがで きる。
[0061] ところで、図 3、図 5に示す各波面状態（ 、 γ、 |81、 γ 1、 |82、 γ 2)は、ともに透 過波面を離散的な状態に変化させることができる。しかしながらこの中間状態を連続 的に変化させることはできない。なお、ここでの説明を簡単にするため、（3)式を満足 する図 3の構成例について説明する。
図 6には、波面変化なし状態 (以後、「0状態」という）となる印加電圧 VOと、グラフ β の波面形状 (光路長差: OPD)となる印加電圧 V との中間電圧 Vaにおける波面形
+ 1
状の一例を示す。同図に示すように、グラフ βの波面状態は、鋸歯状の波面の凹凸 の振幅（Step)が透過する波長 λと一致 (あるいは波長 λの整数倍と一致)すること により、連続な波面形状を実現できるが、中間電圧 Vaを印加した破線 aの状態では、 Stepが波長えと一致しない。そのため、透過波面は不連続となり透過率（回折効率） が低下し、波面収差も劣化して問題となる。
以上は、本発明の第 2の透明電極である、第 2の基板 512側の透明電極 514の分 割された電極セグメント 514Aの全てを同じ電位とした場合について説明したが、中 間電圧での波面の不連続を解決するために、この第 2の透明電極を輪帯状に分割さ せ、電極セグメント 514Aにそれぞれ異なる電圧を印加することがより好ましい。
前述の様に、図 6に示したグラフ aの状態は、 Step力 Sえと一致しない。そのため、図 7に実線で示した光路長差 bのように、 Stepをえと一致させる必要がある。これは、凹 凸輪帯毎の領域において、液晶に印加される電圧を変えることで実現できる。そこで 、図 8に、液晶に印加する電圧分布の例を示した。図 8のように、輪帯領域毎に、つま り elから e8まで、電圧がステップ状に変化するような電圧分布となるように、電圧値の 変化量を低減させて印加する。液晶レンズ 10の素子中央力も k番目の輪帯 eと隣の
k k+ 1番目の輪帯 e の電圧の差 δ V (k， k+ 1)と、 k- 1番目と k番目の電圧の差 δ
k+ l
V (k— 1、 k)が異なるようにすると、各領域で液晶の実効的な屈折率が変化するので 、 OPDの領域間の Stepは波長えと一致させることができる。このとき、液晶に印加す る電圧は一様ではないため、光路長は、凹凸部 517内の最大厚 dでの液晶と、凸部 と第 2の透明電極 514とのギャップ (g)内での液晶の屈折率変化を考慮する必要が ある。本発明者によれば、この OPDの領域間 Stepを波長と一致させる電圧分布には 、次のような条件があることが判明した。その条件とは、
1. d = g、
2. δ V(k—1, k) = 2' δ V(k, k+ l)、 3. 最外周の液晶印加電圧は、（3)式や (4)式の関係を満たす、
以上の 3点である。
[0063] 例えば、この第 2の条件を容易に満たすために、分割された第 2の電極セグメント 5 14Aは、図 9に示すように、各セグメント（e力 e )の隣にあるセグメントを、それぞれ 抵抗体 551 (各抵抗体の抵抗値は Rから R )を介して電気的に接続する。これにより
1 6
、各セグメントに異なる電圧を供給することなぐ最内周の透明電極 eへの電圧と最 外周の透明電極 (e：電極セグメント数が 8個の場合）に印加する電圧のみを、端子 5
8
52、 553から供給することで、第 2の条件を達成できる。
即ち、両端子 552、 553間の電位差と各抵抗体 551の抵抗値とにより、各電極セグ メント e〜eに印加する電圧が決まる。従って、前述の SV(k— 1, k)=2- δ V(k, k
1 8
+ 1)を満足するためには、ひとつの電極セグメント輪帯と外周側に隣合う電極セグメ ントとの間の抵抗値に対して、その電極セグメント輪帯と内周側に隣合う電極セグメン トとの間の抵抗値が概ね 2倍とする。つまり、素子中心カゝら k番目と k—1番目の抵抗 値をそれぞれ R、 R としたとき、 2-R =R となるように抵抗値を決定する。これに k k-1 k k-1
より、最内周電極セグメント eと最外周電極セグメント eとの電位差 SVをもつように 2
1 8
つの電圧のみを外部の駆動電源回路 518により印加することで、各セグメントの電位 差分布が、前述の δ V(k—1, k)=2- δ V(k, k+1)の関係を満たすことができる。 以上のように、 SV(k—l、k)=2' SV(k、k+l) 2'R =R の関係を満たすこ k k-1
とがもっとも好ましいが、 SV(k— l、k)=x' SV(k、k+l)、y'R =R としたとき、 k k-1 xと yは、 1.6から 2.4の間であれば透過率や波面収差の大きな劣化を招くことがなく 実用上好ましい。さらに、 1.8から 2.2の間であることが、同様の理由でさらに好まし い。
また、前述の凹凸部 517の最大厚 dとギャップ (g)は等しいこと力もっとも好ましいが 、 d=z'gとしたとき、 zは、 0.8から 1.2の間であれば、透過率や波面収差の大きな 劣化を招くことがなく実用上好ましい。さらに、 0.9から 1.1の間であることが、同様の 理由でさらに好ましい。
[0064] この抵抗体 551は、透明電極と同じ材料を細線ィ匕するようにパターユングして作成 したり、より高抵抗薄膜により基板上に作成することも可能である。抵抗体 551の具体 的な作成方法としては、図 10に示すように、輪帯状のセグメント e、 e、 · · ·、 eごとに
2 3 8 分かれた端部電極 554B、 554C、 · · ·、 5541を透明な抵抗体 551で結線することで
、図 9のような電極引き出し線 554を形成できる。これにより、電極引き出し線 554は、 入射光が通る領域内に複数作成しなくても済み、透過波面にこの引き出し線の与え る影響が小さいので好ましい。また、液晶レンズ素子 510には、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、この液晶レンズ素子 510を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。
[0065] 次に、本発明に係る前述の液晶レンズ素子 510 (図 1参照）を搭載した (DVD用光 ディスクの記録'再生に用いる）光ヘッド装置 540について、図 13を参照しながら説 明する。
本実施形態の光ヘッド装置 540は、波長え（=405nm)の光源である半導体レー ザ 501と、回折格子 502と、ビームスプリッタ 503と、コリメータレンズ 504と、対物レン ズ 505と、光検出器 506との他に、位相板 507と、液晶レンズ素子 510とを、コリメ一 タレンズ 504と対物レンズ 505との間の光路上に備えている。なお、位相板 507は、 液晶レンズ素子 510に一体ィ匕することにより部品点数が削減できるため、好ましい。 また、図 13では、液晶レンズ素子 510がコリメータレンズ 504と対物レンズ 505の間 の光路中に配置された例を示す力 半導体レーザ 501と対物レンズ 505の間の光路 中に配置されて 、ればよ！/、。
[0066] 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から出射するとともに、図 13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 502によりトラッキング用の 3ビームを発生する。この 3 ビーム光は、ビームスプリッタ 503で反射され、コリメータレンズ 505により平行光化さ れて液晶レンズ素子 510に入射する。そして、この液晶レンズ素子 510を透過した光 は位相板 507により円偏光となり、対物レンズ 505により光ディスク Dの情報記録層に 集光される。
なお、対物レンズ 505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ュ エータ（図示せず）により、 X軸方向および Ζ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 505と位相板 507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 510を透過して、コリメータレン ズ 504により、一部の光がビームスプリッタ 503を透過して光検出器 506の受光面に 集光される。
次に、本発明の液晶レンズ素子 510を搭載した光ヘッド装置 540を用いて、カバー 厚の異なる 2層（第 0層： L0,第 1層： L1)の光ディスク Dに対する記録 ·再生動作につ いて、以下に説明する。なお、ここで、対物レンズ 505は、カバー厚 87. 5 μ mの光デ イスク Dに対して収差が最小となるように設計された例で説明する。
(i) 2層光ディスク L0層（カバー厚 100 μ m)の場合：
光ディスク D中のカバー厚 100 mの情報記録層への記録 '再生においては、液 晶レンズ素子 510の透過波面が若干発散する球面波となるように、透明電極間に交 流電圧 Vを印加する。なお、第 2の電極セグメント 14Aの各電極セグメント e〜e間
1 1 8 での電位差 δ V=0とする。このとき、凹凸部 517に比べ液晶層 516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、つまり凹レンズ相当の透過波面と なる。すなわち、対物レンズ 505により、カバー厚 100 /z mの情報記録層に効率よく 集光される。
(ii) 2層光ディスク L1層（カバー厚 75 μ m)の場合：
一方、 2層光ディスク D中のカバー厚 75 mの情報記録層への記録'再生におい ては、液晶レンズ素子 510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 517に比べ液晶層 516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 505により、カバー厚 75 mの情報記録層に効率よく 集光される。従って、液晶レンズ素子 510の印加電圧を V、 V 、 V に切り替えるこ
0 + 1 - 1
とにより、カ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。
(iii) 2層光ディスク L0層のカバー厚偏差がある（カバー厚〉 100 m)場合： 前述のカバー厚 100 μ mの情報記録層へ記録'再生する場合の液晶レンズの設定 では、たとえば、カバー厚が 5 μ m薄い（95 μ mカバー厚）ディスクでは、球面収差が 発生し、良好な記録 ·再生特性が得られない場合がある。そこで、液晶レンズ素子 51 0の透過波面が若干集光する球面波 (カバー厚 100 mの情報記録層への記録'再 生時よりも、若干集光焦点距離の長い球面波）となるように、最外周セグメント領域の 液晶電極間には電圧 Vを印加し、最内周の電極セグメント（例えば、図 9において e )と最外周の電極セグメント（例えば、図 9において e )の電位差 δ V≠0とする。これ
8
により、図 7の光路長差 bのような波面を実現できる。すなわち、対物レンズ 505により 、カバー厚偏差がある情報記録層に効率よく集光される。
[0068] このように、本実施形態に係る光ヘッド装置 540によれば、液晶レンズ素子 510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と微調整機能も付加できる。このため、 例えば、液晶レンズ素子 510を対物レンズ 505と別置きで使用し、対物レンズ 505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 510との偏心が 生じた場合でも、収差劣化はほとんどない。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、安定した記録および Zまたは再生が実現する。
[0069] なお、本実施形態では、光源として波長 λが 400nm帯の半導体レーザを用いる 2 層の光ディスクに対して動作する液晶レンズ素子 510を搭載した光ヘッド装置 540に ついて説明した力 光源として波長が 650nm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を搭載した光ヘッド装置など についても同様の作用、効果が得られる。また、 CD、 DVD, BDでの使用のために カバー厚が 1. 2mm、 0. 6mm, 0. 1mmと異なる規格の光ディスクを一つの光ヘッド で記録 ·再生する際にも、本発明の液晶レンズ素子は有効である。また、液晶レンズ 素子 510の替わりに、図 5に示す光路長差を示す液晶レンズ素子に、第 2の透明電 極を分割する本発明の液晶レンズ素子を用いれば、 5種の透過波面の切り替えが可 能である。さらに、その 5種類の波面を微調整できるため、カバー厚の異なる光デイス クにおいて、あるい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 510の替わりに、図 12に 示す液晶レンズ素子 530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るようになっても 、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端子透明電極に 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。
[0070] (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の構成例について以下に説明す る。
図 14は本発明の液晶レンズ素子の第 2の実施形態を示す断面図である。本実施 形態に係る液晶レンズ素子 10は、大略構成として、第 1のフレネルレンズ部 10Aと、 第 2のフレネルレンズ部 10Bと、電極レンズ部 10Cとを備えており、 4枚の透明基板 1 1〜14及び 3つの液晶層 24〜26により積層一体化されている。
以下の実施形態では、液晶レンズ素子は、少なくとも一つのフレネルレンズ部と、少 なくとも一つの電極レンズ部を含み、フレネルレンズ部力 第 1の実施形態の液晶レ ンズ素子の全体構成に相当するものである。従って、以下の実施形態の構成は、第 1の実施形態の構成に電極レンズ部を追加することによって達成される。
[0071] 図 15は、本発明の第 2の実施形態に係る液晶レンズ素子のフレネルレンズ部 10A
(または 10B)を示す上面図である。図 16は、本発明の液晶レンズ素子の第 2の実施 形態に係る電極レンズ部 10Cの上面図である。
第 1のフレネルレンズ部 10Aは、透明基板 11, 12と、透明基板 11, 12及びシール 21により挟持された第 1の液晶層 24と、第 1の凹凸部 27と、第 1の液晶層 24に電圧 を印加するための対向する透明電極 15、 16を備えている。同様に、第 2のフレネル レンズ部 10Bは、透明基板 12, 13と、透明基板 12, 13及びシール 22により挟持さ れた第 2の液晶層 25と、第 2の凹凸部 28と、第 2の液晶層 25に電圧を印加するため の対向する透明電極 17、 18を備えている。
一方、電極レンズ部 10Cは、透明基板 13, 14と、透明基板 13, 14及びシール 23 により挟持された第 3の液晶層 26と、第 3の液晶層 26に電圧を印加するための透明 電極 19と、複合電極 20を備えている。
透明電極 15、 17及び 16、 18は、電極取出部 15A、 17A及び 16A、 18A及び導 通接続手段 29により、外部信号源 30に接続されている。透明電極 19は、電極取出 部 19Aおよび図示外の接続線を介して外部信号源 30に接続されている。複合電極 20は、図 16に示すように、光軸を中心とする同心円状に配置された低抵抗電極 31 〜34と、一様な高抵抗平面電極 35を備えている。このうち、低抵抗電極 31〜34は、 電極取出部 31A〜34Aおよび図示外の接続線を介して外部信号源 30に接続され ている。
凹凸部 27、 28は、断面が鋸歯状または鋸歯を階段状で近似した形状を有するもの であり、均一屈折率透明材料を用いて形成しており、有効径 φの領域では入射光の 光軸 (Z軸）に関して回転対称性を有する。凹凸部 27、 28の詳細に関しては後述す る。
次に、この液晶レンズ素子 10の作製手順の一例について、以下に説明する。
はじめに、透明基板 11の一面及び透明基板 12、 13の両面に、透明電極 15〜19 を形成する。さら〖こ、透明電極 16、 18の上面に、屈折率 nの
s 均一屈折率透明材料で
、断面が鋸歯状または鋸歯を階段状で近似した形状の凹凸部 27、 28を形成する。 凹凸部 27、 28は、透明電極 16、 18の面に所定の膜厚の均一屈折率透明材料層を 形成した後、フォトリソグラフィー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、金型を用いて均一屈折率透明材料層に凹凸部形状を転写してもよい。透明 基板 14の一方の表面には、図 16に示すように、低抵抗電極 31〜 34を形成した後、 高抵抗平面電極 35を形成して複合電極 20とする。
次に、透明電極 15及び凹凸部 27の表面には、第 1の液晶層 24の異常光屈折率 方向が Y方向を向くよう平行配向処理を施し、透明電極 17、 19、凹凸部 28、及び複 合電極 20表面には、第 2、第 3の液晶層 25、 26の異常光屈折率方向が X方向を向く よう平行配向処理を施す。配向処理は、ポリイミドなどを主成分とする配向膜を基板 表面にスピンコートした後、布などでラビングする方法や、 SiO斜蒸着膜を基板表面 に成膜する方法、光配向膜を基板表面にスピンコートした後、偏光紫外線を照射す る方法などを利用すれば良 、。
次に、ギャップ制御材が混入された図示外の接着材を印刷パターユングしてシー ル 21〜23を形成し、前記透明基板 11〜14を重ね合わせ、圧着して空セルを作製 する。シール 21〜23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 )を有する液晶を注入し、この注入口を封止して液 e o e
晶をセル内に密封し、本実施形態の液晶レンズ素子 10とする。
[0073] 次に、本発明の液晶レンズ素子の第 2の実施形態における動作原理を以下に説明 する。
本発明の液晶レンズ素子 10は、液晶の配向方向が直交した第 1のフレネルレンズ 部 10A、 10Bと、第 2のフレネルレンズ部 10Bに平行な液晶配向方向を有する電極 レンズ部 10Cにより構成されている。フレネルレンズ部 10A、 10Bは、透明電極 15、 16又は透明電極 17、 18間に印加する電圧を変化することで、液晶層 24、 25の実質 的な屈折率を変化させることにより、離散的に焦点可変なフレネルレンズとして機能 する。
一方、電極レンズ部 10Cは、複合電極 20に生ずる電圧分布に応じて、液晶層 26 の実質的な屈折率分布を変化させることにより、連続的に焦点可変なレンズとして機 能する。
[0074] 以下、フレネルレンズ部 10A、 10B、電極レンズ部 IOCに関して順に詳述する。
(1)フレネルレンズ部 10A、 10Bの説明
本発明の液晶レンズ 10を用いて、正または負のパワー成分が付与された透過波面 を生成するためには、液晶レンズ 10に入射する透過波面において、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位相差 φ力 ( 5)式のようなべキ級数で記述されるようにする。なお、（5)式は実質的に（2)式と同 等であるが、位相差として再度定義した。
(r) =a r +a r +a r +a r + … (5)
1 2 3 4
但し、 r2 = x2+y2
aゝ aゝ…；定数
1 2
ここで、横軸を半径 rとし、位相差 φを入射光の波長 λの単位で表記した曲線の具 体例を図 17に符号 P1及び Ρ2で示す。
位相が揃ったコヒーレントな波長 λの入射光の場合、 λの整数倍の位相差をもつ 透過波面は同等と見なせる。従って、図 17の Pl、 Ρ2で示すグラフを波長え間隔で 分割して位相差ゼロの面に移動した位相差を示すグラフ Fl、 F2は、グラフ Pl、 P2と は実質的に同等である。グラフ Fl、 F2に示す位相差分布は、全てえ以内であり、断 面が鋸歯状となっている。
液晶レンズ素子 10により、グラフ Fl、 F2に相当する位相差を得るには、フレネルレ ンズ部 10Aまたは 10Bに備えた凹凸部 27、 28の形状が、グラフ Fl、 F2と相似な形 状となるように加工すればよい。ここで、凹凸部 27、 28は、均一屈折率透明材料であ ればよぐ紫外線硬化榭脂ゃ熱効果榭脂、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の元素比率を示す）などの無機材料でも
2 2 3
よい。これらの材料は、透明電極 15〜18を構成する材料に比べ体積抵抗率が極め て大きぐ液晶材料と比べても十分小さくはないため、誘電体と見なすことができる。 図 18は本発明の液晶レンズ素子の断面図におけるフレネルレンズ部の拡大図で ある。
透明基板 11、 12 (または、 12、 13)の表面に形成された透明電極 15 (または、 17) と 16 (または、 18)の間隔を Gとし、凹凸部 27 (または、 28)の膜厚 dはゼロから dまで
F
分布し、液晶層 24 (または、 25)の層厚 d は G力も G— dまで分布している。ここで、
LC
間隔 G ( = d + d )は一定値である。
F LC
凹凸部 27は、透明電極 15、 16の間に設置されているので、凹凸部 27を構成する 材料の比誘電率 ε に応じて、液晶層 24に印加される実効的な電圧 V が変化する
F LC
。具体的には、電極 15、 16間に印加した交流電圧 Vとすると、 V ZVは、（6)式で
LC
記載される。
V /ν= 1/{ 1 + ( ε ) X (d Zd ) } · · · (6)
LC LC F F LC
ここで、凹凸部 27の膜厚 dはフレネルレンズを形成する鋸歯状または鋸歯を階段
F
形状で近似した断面形状に対応してゼロ力 dまで分布するため、 d /ά はゼロか
F LC
ら dZ (G-d)まで分布する。その結果、液晶層 24に印加される実効的な電圧 V は
LC
凹凸部 27の形状に応じて空間分布が生じる。
また、液晶は誘電率異方性を有し、液晶分子長軸方向の比誘電率 ε と液晶分 子短軸方向の比誘電率 ε が異なるため、電圧印加に伴い液晶分子の配向方向が 変化し、液晶分子の配向方向の変化により液晶層 24の比誘電率 ε も変化する。従
LC
つて、（6)式において、比誘電率 ε の V に応じた変化を反映し、凹凸部 27の形 状に応じた液晶層 24に印加される実効的な電圧 V の空間分布が定まる。ここで、 V
LC
は膜厚 dに応じて変化するため、今後、印加電圧は V [d ]と表記する。なお、膜
LC F LC F
厚 dがゼロである位置にぉ 、て V [0]は、電極間印加電圧 Vに等 、。
F LC
[0076] ところで、液晶層 24に印加される電圧 V が凹凸部 27の形状に応じて異なるため、
LC
異常光偏光に対する液晶層 24の実質的な屈折率 n(V [d ])に空間分布が生じる
LC F
。例えば、図 18において、凹凸部 27の膜厚 dの位置における電極 15と 16の間の光
F
路長は n Xd +n(V [d ]) Xd であり、凹凸部 27のないフレネルレンズ中心位置 s F LC F LC
(d =0)における光路長 n(V)XGに対する位相差 φ は（7)式となる。
F dF
φ ={n Xd +n(V [d ]) X (G— d ) } n(V) XG (7)
dF s F LC F F
ここで、膜厚 dはゼロ力 dまで分布し、位相差 φ はゼロから（8)式の φ まで分布
F dF d する。
={n Xd+n(V [d]) X (G— d) }— n(V) XG ={n(V [d])— n(V) d s LC LC
}XG-{n(V [d])-n }Xd (8)
LC s
例えば、印加電圧 V において、図 17のグラフ Flに相当する透過波面の位相差を
+1
生成するためには、位相差 Φ が略え（すなわち、 0.75え〜 1.25λ)となるように、 d
凹凸部の膜厚 dおよび透明電極の間隔 Gを決定すると共に、凹凸部 27の膜厚がゼロ 力 dに至る断面形状とすればよい。
F
[0077] ここで、印加電圧 Vを変化させることにより、（7)式の位相差が変化する。例えば、
(i)凹凸部 27の膜厚 dがゼロから dまで分布するとき、（7)式の位相差が入射光の
F
波長えに対して充分小さな値となる印加電圧 Vが存在する。このとき、液晶レンズ素
0
子 10の透過波面は変化しない。ここで、充分小さな位相差は、具体的には λΖ5以 下、さらに好ましくは λΖΐο以下である。また、
(ii)位相差 Φ が略一 λ (すなわち、 0.75λ力も一 1.25 λ)となる印加電圧 V d -1 において、図 17のグラフ F2に示す位相差の透過波面を生成できる。これは、位相差 ゼロの面に対して図 17のグラフ F1と面対称の位相差の透過波面に相当する。
従って、印加電圧 V 、V、V を切り替えることにより、 3種類の透過波面を選択
+1 0 -1
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
a において液晶レンズ 10に平面波が入射した場合、 それぞれ図 19 (A)、（B)、 （C)に示す透過波面となって出射する。すなわち、透明電 極 15、 16、又は透明電極 17、 18の印加電圧に応じて、正のパワー、パワーなし、負 のパワーに対応するレンズ機能が得られる。液晶と凹凸部 27の屈折率および比誘電 率、凹凸部 27の膜厚 d、および透明電極間隔 Gなどの選択により、得られる位相差の 電気光学特性の設計自由度が高いため、低電圧駆動あるいは多種多様の透過波面 を生成することができる。
以上はフレネルレンズ部に入射する光が異常光偏光の場合であるが、常光偏光の 場合では、入射偏光の感ずる液晶の実効的な屈折率は印加する電圧によらず、常 に液晶の常光屈折率に一致する。従って、液晶レンズ素子 10において、凹凸部 27 の最低部（d =0)に対する、膜厚 dである位置における位相差 φ は、常光偏光で
F F d
は（9)式で表され、凹凸部 27の屈折率 nと液晶の常光屈折率 nの差に比例する。
s o
φ = (n -n ) X d (9)
d s o
ここで、凹凸部 27の屈折率 nと液晶の常光屈折率 nを等しくすることが望ましい。こ s o
のような構成とすることにより、常光偏光に対して印加電圧の大きさに関わらず Φ d力 so となるため、透過光波面は変化しない。
また、図 17の Pl、 P2で示す位相差を波長え間隔で区切った位相差である Fl、 F2 を生成する液晶レンズ素子以外に、位相差 φ (m= 2
dが略 m または 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 17の Pl、 P2を波長 m' λ (ここでは、 m= 2または 3)間隔で区切った位相差に対応した透過波面となる。
また、本実施形態では、（5)式で記述される軸対称の位相差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が、 (5) 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位相差を生成する 液晶レンズ素子についても、同様の原理で、均一屈折率透明材料の凹凸形状加工 および凹部の液晶充填により作製できる。
また、補正すべき位相差の絶対値が入射光の波長 λ以下の場合は、液晶レンズ素 子 10の均一屈折率透明材料力もなる凹凸部 27、 28の断面形状を鋸歯状とする必 要はなぐ目的とする波面に一致した形状であれば良い。この場合、印加電圧の大き さに応じて位相差は連続的に変化する。 また、本実施形態では、凹凸部を形成する材料を屈折率 nの均一屈折率透明材 s
料としているが、分子の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。この場合、複屈折材料の異常光屈折率を nとし、常光 s 屈折率を液晶の常光屈折率 nと等しくするとともに、複屈折材料の分子配向方向 (異 常光屈折率の方向）を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。
また、本実施形態では、液晶層 24、 25には、それぞれ透明電極 15、 16及び透明 電極 17、 18を介して交流電圧を印加する構成のものを示した。本発明では、これ以 外に、例えば透明電極 15、 17と透明電極 16、 18の少なくとも一方の電極を、空間的 に分割して独立に異なる交流電圧を印加でき得る分割電極としてもよ ヽ。これにより 、さらに多様な位相差分布を生成できる。
(2)電極レンズ部 10Cの説明
次に、本発明の液晶レンズ素子 10に備えた電極レンズ部 10Cについて、以下に説 明する。
この電極レンズ部 10Cは、液晶層 26の異常光屈折率方向に一致する偏光成分の 光に対し、連続的に変化するパワー成分を付与することを目的としている。そこで、電 極レンズ部 10Cの一方に設ける複合電極 20は、図 16に示すように、高抵抗平面電 極 35と、目的とするパワー成分に対応した電圧分布を高抵抗平面電極 35に発生さ せるための低抵抗電極 31〜34とを備える。
図 20は電極レンズ部 10Cが発生する位相差分布を示す模式図である。低抵抗電 極 31〜34に各々異なる電圧を印加すると、高抵抗平面電極 35には、低抵抗電極 3 1〜34間の電圧差に応じて連続的に変化する電圧分布が形成される。液晶分子は、 電圧分布に応じて配向が変化するため、液晶層 26には実効的な屈折率分布が形成 され、位相差分布が発生する。
図 20【こ示す A、 B、 C、 Dの各, ίま、各 、低抵抗電極 31、 32、 33、 34の位置【こ 対応し、目的とするパワー (Xに略一致した位相差 βを発生する。ここで、「略一致」す るとは、目的とするパワー ocと位相差 βの差の標準偏差 RSMが、入射する光の波長 λの 20分の 1以下であればよぐこれを満足するように低抵抗電極 31〜34の形状や 印加する電圧を設定することが、十分な結像性能を得るために望まし!/ヽ。
高抵抗平面電極 35は、低抵抗電極 31〜34に比べてシート抵抗値が十分高ぐか つ、透明な材料であれば良ぐ亜鉛、鉛、錫、インジウムなどの酸ィ匕物を含む組成物 であっても良い。低抵抗電極 31〜34も、亜鉛、鉛、錫、インジウムなどの酸ィ匕物を含 む透明な組成物であっても良ぐ光学的に問題がなければ、アルミニウム、金、銀、ク ロムなどの金属膜であっても良い。
また、図 16の構成例においては、低抵抗電極 31〜34は、電極取出部 31Α〜34Α に接続されて (図示せず)外部信号源 30に接続されて!、るが、液晶レンズ素子 10の 内部において、低抵抗電極 31〜34同士を適当な薄膜抵抗体で接続することにより、 外部信号源 30により印加される電圧を分圧させて低抵抗電極 31〜34に配分しても 良い。このように構成すれば、外部信号源 30の信号数を減らすことができるため、好 ましい。
また、本実施形態では、図 16に示す複合電極 20により、パワー成分を生成する電 極レンズ部 10Cの場合について、その動作原理を説明したが、パワー成分以外に、 複合電極 20の構造を変えれば、軸対称な球面収差も同様な原理で生成することが できる。更に、パワーと球面収差の両成分力もなる位相差分布を得ることもできる。 以上のように、本発明の液晶レンズ素子を用いれば、偏光に依存せず、発生する パワーを離散的に切り替えることができ、また、電極レンズ部の液晶配向方向に一致 する偏光に関しては、連続的に変化するパワーを得ることができる。
また、本実施形態では、電圧非印加時に基板面に平行に配向し、印加電圧の大き さに応じて基板面に垂直方向に液晶分子が配列する正の誘電率異方性を有する液 晶を用いる例を示した力 別の液晶配向あるいは液晶材料でもよい。例えば、電圧非 印加時に基板面に垂直に配向し、印加電圧 Vに応じて基板面に平行方向に液晶分 子が配列する負の誘電異方性を有する液晶を用いてもょ 、。
また、本発明の液晶レンズ素子を構成する、第 1、第 2のフレネルレンズ部、電極レ ンズ部は、光軸に対して適切な位置に設置されていれば、一体である必要はない。 しかし、このように構成すれば、液晶レンズ素子の設置スペースが大きくなつたり、位 置調整が複雑になる問題が発生するので、図 14に示すように、全てを積層し一体化 することは大変望ましい。この場合、 3つの液晶層を挟持するには、 4枚以上の基板 を用いれば良いが、 4枚の透明基板により積層することは、液晶レンズ素子の厚さを 薄くできるため好ましい。
また、本発明の液晶レンズ素子の表面に、位相板や、回折格子、複屈折性ホロダラ ム素子、波長依存性回折格子などの光部品を適宜積層して一体ィ匕しても良ぐこれ により光ヘッド装置を構成する光部品数が減り、光ヘッド装置の組立が簡易になるた め好ましい。また、上記光部品は、透明基板に成形されていたり、張合わされていて ちょい。
[0081] (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について、図 21を参照しな がら説明する。
図 21は、本発明の液晶レンズ素子の第 3の実施形態に備えられた、複合電極の上 面図である。本実施形態の液晶レンズ素子は、図 14に示した第 2の実施形態に係る 液晶レンズ素子 10において、電極レンズ部 10Cに備えられた透明電極 19及び複合 電極 20を、図 21に示す複合電極 40、 50に置き換えた構成になっている。従って、 本実施形態において、電極レンズ部 10C以外は第 2の実施形態と同じであるため、 以下では説明を省略し、電極レンズ部 10Cのみを説明する。
[0082] 本実施形態の電極レンズ部 10Cに備えられた複合電極 40、 50は、液晶層 26に電 圧を印加するための一対の複合電極であり、ストライプ状に配置された低抵抗電極 4 1〜44及び 51〜54に適当な電圧を印加することにより、高抵抗平面電極 45、 55に 電位分布を発生する。
ここで、図 20を用いて、本実施形態の電極レンズ部が発生する位相分布に関し説 明する。低抵抗電極 41〜44に各々異なる電圧を印加すると、高抵抗平面電極 45に は、低抵抗電極 41〜44間の電圧差に応じて連続的に変化する電位分布が形成さ れる。ストライプ状に配された低抵抗電極 41〜44の位置力 図 20に示す A、 B、 C、 Dにそれぞれ対応する場合、 X方向に関しては目的とするパワー aに略一致した位 相差 j8を生成する電圧分布を得ることができる。一方、 Y方向に関しては、複合電極 40に発生する電圧分布は Y方向で変化しない。また、 Υ方向にストライブ状に配置さ れた低抵抗電極 51〜54の位置力 図 20の A、 B、 C、 Dに対応する場合、 Y方向に 関しては目的とするパワー aに略一致した位相差 j8を生成する電圧分布を得ること ができる。
[0083] 従って、 X方向、 Y方向に変化する電圧分布を発生する 2つの複合電極 40、 50間 に設置された液晶層 26に印加される実効的な電圧は、第 2の実施形態における、透 明電極 19及び複合電極 20 (図 14参照）によるものと同様な分布になる。従って、液 晶層 26には実効的な屈折率分布が形成され、目的のパワー ocに略一致した位相差 βを得ることができる。
なお、低抵抗電極 41〜44、 51〜54及び高抵抗平面電極 45、 55の材質及び作製 方法は、第 2の実施形態における複合電極 20と同じでよい。また、低抵抗電極 41〜 44または低抵抗電極 51〜54は、外部信号源 30と接続する際、信号線数を減らす ために各低抵抗電極間を薄膜抵抗体により接続しても良ぐ少ない信号線数で駆動 できるため好ましい。
[0084] (第 4の実施形態）
次に、本発明の液晶レンズ素子を搭載した光ヘッド装置について以下に説明する 図 22は、本発明の液晶レンズ素子を搭載した光ヘッド装置 60の一例を示す模式 図であり、 2層光ディスク Dに情報を記録および Ζまたは再生するための光ヘッド装 置であり、半導体レーザ 61と、偏光ビームスプリッタ 62と、コリメータレンズ 63と、本発 明に係る液晶レンズ素子 64と、 4分の 1波長板 65と、対物レンズ 66と、シリンドリカル レンズ 67と、光検出器 68とを備えている。なお、 2層光ディスク Dには、第 1記録層 D 1及び第 2記録層 D2を有する、 DVDや高密度光ディスクなどが用いられている。 半導体レーザ 61の波長は、光ディスク Dの種類に応じて 780nm帯、 660nm帯、 4 05nm帯の何れか一つであっても良いし、別の場所に異なる波長の複数の半導体レ 一ザを搭載してあっても良い。液晶レンズ素子 64は、上記に説明した、第 2の実施形 態または第 3の実施形態などの形態をとりえる。従って、液晶レンズ素子 64の構造及 び作製方法や、動作原理の説明は省略する。 さらに、本発明の光ヘッド装置では、図 22に図示した光部品以外に、回折格子、ホ ログラム素子、偏光依存性選択素子、波長選択性素子、波面変換手段などの異なる 光部品または機構部品を適宜組み合わせて適用することができる。
[0085] 次に、本発明の作用について説明する。
光源である半導体レーザ 61から出射された X方向に偏光方向を有する直線偏光は 、偏光ビームスプリッタ 62を透過した後、コリメータレンズ 63、液晶レンズ素子 64、 4 分の 1波長板 65を透過した後に円偏光に変換され、対物レンズ 66により、光ディスク Dに備えられた第 1記録層 D1又は第 2記録層 D2に集光する。その後、光ディスク D から反射された光は、再度、対物レンズ 66、 4分の 1波長板 65を通過した後、 Y方向 に偏光方向を有する直線偏光に変換され、液晶レンズ素子 64、コリメータレンズ 63 を通過し、偏光ビームスプリッタ 62で反射し、シリンドリカルレンズ 67によって非点収 差を与えられ、光検出器 68に入射する。
[0086] 次に、液晶レンズ素子 64として本発明の第 2の実施形態に係る液晶レンズ素子 10 を搭載した光ヘッド装置 60を用いて、カバー厚の異なる記録層 Dl, D2に情報を記 録および Zまたは再生する動作を、以下に説明する。ただし、以下においては、対物 レンズ 66は、第 1記録層 D1と第 2記録層 D2の中間のカバー厚さにおいて、収差が 最小となるように設計されているものとする。
例えば、設計と異なるカバー厚の記録層に集光する際、カバー厚の記録層厚さか ら設計厚さを差し引いたカバー厚差に比例した球面収差が発生し、情報の読み書き が困難になる。この球面収差は、対物レンズ 66に入射する光を、平面波にパワー成 分を付加した発散光または収束光とすることにより、補正することができる。つまり、力 バー厚差が負である第 1記録層 D1では、正のパワーを付加することで収束光とする 一方、カバー厚差が正である第 2記録層 D2では、負のパワーを付加することで発散 光に変換する。その後、対物レンズ 66で集光すれば、球面収差が補正され正常に 情報を読み書きすることができる。
(i)第 1記録層 D1 (カバー厚差が負）への記録および Zまたは再生の場合： 第 1記録層 D1への記録および Zまたは再生においては、前述のように、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、透明電極 15、 16間及び透 明電極 17、 18間に交流電圧 V を印加する。すると、液晶層 24及び 25の液晶分子
+ 1
の配向方向が変化し、図 19 (A)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。従って、第 1記録層 D1へ集光する光の球面収差を補正すること ができる。
(ii)第 2記録層 D2 (カバー厚差が正)への記録および Zまたは再生の場合： 第 2記録層 D2への記録および Zまたは再生においては、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、透明電極 15、 16間及び透明電極 17、 18 間に交流電圧 V を印加する。すると、液晶層 24及び 25の配向方向が変化し、図 1 9 (C)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。従って、第 2記録層 D2へ集光する光の球面収差を補正することができる。
以上のようにして、液晶層に印加する電圧を変化することで、異なるカバー厚をもつ 2つの記録層の球面収差を補正することができる。
[0087] 本発明の液晶レンズ素子は、第 1、第 2のフレネルレンズ部が直交する 2つの直線 偏光に関し、同一な動作をするものであれば、液晶レンズ素子に入射する偏光によら ず、球面収差を補正することができる。しかし、液晶レンズ素子の製造誤差、例えば 液晶層 24、 25の厚さが異なる状況においては複屈折が生じるため、入射する偏光 によっては、適切なパワーを得ることができない。そのため、液晶レンズ素子に入射 する光の偏光は、フレネルレンズ部に備えた何れかの液晶層の液晶分子の配向方 向に一致した直線偏光であることが望ま 、。
前述のように、図 22に例示した光ヘッド装置 60は、光ディスク Dに入射する光であ る往路光と、光ディスク D力も反射した光である復路光の偏光が直交している。従って 、往路光の偏光方向と第 2のフレネルレンズ部の液晶分子の配向方向と一致し、復 路光の偏光方向と第 1のフレネルレンズ部の液晶分子の配向方向が一致していれば 、往路光と復路光で球面収差を補正することができる。また、凹凸部 27、 28の屈折 率が、液晶の常光屈折率と一致していれば、常光屈折率方向の偏光成分に関して、 波面は変化しな 、ため好ま 、。
[0088] 次に、光ディスク Dの製造ばらつきなどにより、第 1、第 2記録層 Dl, D2のカバー厚 にばらつきが生じた場合に関して説明する。 フレネルレンズ部 10A、 10Bを用いることにより、第 1、第 2記録層 Dl, D2の基準力 バー厚差に関しては、精度良く補正することができる。し力しながら、フレネルレンズ 部 10A、 10Bは、ある所定の離散的パワー成分し力発生することができいため、記録 層のカバー厚が基準値と異なるような個々のカバー厚ばらつきに対応することは困 難である。一方、電極レンズ部は、フレネルレンズ部に比べ同等若しくは大きなパヮ 一を得ることは困難である。
そこで、本発明の液晶レンズ素子 10では、第 1記録層と第 2記録層の切り替えによ り生じる球面収差に関しては、主に前記フレネルレンズ部が発生する離散的なパヮ 一により補正し、各記録層でのカバー厚ばらつきに関しては、主に電極レンズ部が発 生する連続的なパワーにより補正するように用いれば、便宜である。
[0089] (第 5の実施形態）
本発明の第 5の実施形態に係る液晶レンズ素子 70の構成例について以下に説明 する。図 23は、本発明の液晶レンズ素子の第 5の実施形態を示す断面図である。な お、図 23において、図 14と同じ構成要素は同一符号を用いて重複説明を避けてい る。
第 5の実施形態に係る液晶レンズ素子 70は、図 14に示す本発明の第 2の実施形 態に係る液晶レンズ素子 10と比較して、電極レンズ部として、第 2の実施形態の電極 レンズ部 10C (第 1の電極レンズ部）に、さらに電極レンズ部 10D (第 2の電極レンズ 部）が付加された構成としている点が異なる。
[0090] また、本実施形態に係る液晶レンズ素子 70は、第 1フレネルレンズ部 10Aと第 2フ レネルレンズ部 10Bとが一体化されたフレネルレンズ部 70Aと、第 1電極レンズ部 10 Cと第 2電極レンズ部 10Dとが一体ィ匕された電極レンズ部 70Bと力もなる。そして、こ のフレネルレンズ部 70Aと電極レンズ部 70Bとは、分離されており、それぞれ独立に 外部信号電源 30A、 30Bに接続されている点が、第 2の実施形態に係る液晶レンズ 素子 10と異なる。
他の大略構成は、第 2の実施形態に係る液晶レンズ素子 10と同じであり、透明基 板 13A、 13B、 13Cは透明基板 13と同じである。
[0091] ここで、第 2の電極レンズ部 10Dは、第 1の電極レンズ部 10Cと同様に、透明基板 1 3C、 14及びシール 23Bにより挟持された第 4の液晶層 26Bと、この第 4の液晶層 26 Bに電圧を印加するための透明電極 19Bと、複合電極 20Bとを備えている。この電極 レンズ部 10Dは、複合電極 20Bに生ずる電圧分布に応じて、 Y方向の直線偏光入 射光に対して液晶層 26Bの実質的な屈折率分布を変化させることにより、連続的に 焦点可変なレンズとして機能する。
[0092] 透明電極 15、 17及び 16、 18は、電極取出部 15A、 17A及び 16A、 18Aを介して 外部信号源 30Aに接続されている。一方、透明電極 19、 19Bは、電極取出部 19A を介して外部信号源 30Bに接続されている。複合電極 20Bは、複合電極 20と同様 の構造を有しており、図 16に示すように、光軸を中心とする同心円状に配置された低 抵抗電極 31〜34と、一様な高抵抗平面電極 35とを備えている。このうち、低抵抗電 極 31〜34は、電極取出部 31A〜34Aを介して外部信号源 30Bに接続されている。
[0093] なお、第 2の電極レンズ部 10Dの第 4の液晶層 26Bと第 1の電極レンズ部 10Cの第 3の液晶層 26とでは、液晶の配向方向が異なる。すなわち、第 4の液晶層 26Bは、異 常光屈折率が Y方向を向くよう、透明電極 19B及び複合電極 20B表面に配向処理 が施されている。
[0094] 従って、電極レンズ部 70Bは、入射光の偏光状態に係わらず、外部信号源 30B〖こ よる印加電圧に応じて連続的に焦点可変なレンズとなる。その結果、本実施形態に 係る液晶レンズ素子 70の構成とすることにより、入射光の偏光状態に係わらず、離散 的に焦点可変なレンズ機能と、連続的に焦点可変なレンズ機能が得られる。
図 22に示す光ヘッド装置 60において、液晶レンズ素子 70を、液晶レンズ素子 64 の代わりに用いると、第 4の実施形態で説明した作用効果が得られる。特に、電極レ ンズ部 70Bは、往路の X方向の入射偏光のみならず復路の Y方向の入射偏光に対 しても連続的に焦点可変なレンズとして機能するため、復路の球面収差も有効に補 正することができる。その結果、フォーカスサーボの精度が向上し、より安定した 2層 光ディスクの記録 ·再生ができる。
[0095] (第 6の実施形態）
本発明の第 6の実施形態に係る液晶レンズ素子 80の構成例について、以下に説 明する。図 24は本発明の液晶レンズ素子の第 6の実施形態を示す断面図である。図 24にお 、て、図 23と同じ構成要素は同一符号を用いて 、る。
本実施形態に係る液晶レンズ素子 80は、図 23に示す本発明の第 5の実施形態に 係る液晶レンズ素子 70と異なり、第 1フレネルレンズ部 10Aと第 2電極レンズ部 10D とが一体化された Y方向の入射偏光に対してレンズ機能が発現する復路用液晶レン ズ部 80Aと、第 2フレネルレンズ部 10Bと第 1電極レンズ部 10Cとが一体化された X 方向の入射偏光に対してレンズ機能が発現する往路用液晶レンズ部 80Bとからなる 。復路用液晶レンズ部 80Aと往路用液晶レンズ部 80Bは、分離されており、それぞ れ独立に外部信号電源 30C、 30Dに接続されている。他の大略構成は、第 5の実施 形態に係る液晶レンズ素子 70と同じである。
[0096] 従って、 X方向の入射偏光に対しては、 X方向の往路用液晶レンズ部 80Bが機能 し、外部信号源 30Dによる印加電圧に応じて、離散的および連続的に焦点可変なレ ンズとなる。また、 Y方向の入射偏光に対しては、復路用液晶レンズ部 80Aが機能し 、外部信号源 30Cによる印加電圧に応じて、離散的および連続的に焦点可変なレン ズとなる。
[0097] ここで、図 22に示す光ヘッド装置 60において、液晶レンズ素子 80を、液晶レンズ 素子 64の代わりに用いると、第 5の実施形態で説明した作用効果が得られる。
また、光ヘッド装置の光路中で、往路の光路中に往路用液晶レンズ部 80Bを配置 するとともに、復路の光路中に復路用液晶レンズ部 80Aを配置する構成の光ヘッド 装置 90を図 25に示す。この図 25において、図 22と同じ構成要素は同一符号を用い て重複説明を避ける。
図 25の光ヘッド装置 90において、往路用と復路用でそれぞれコリメータレンズ 63 A、 63Bを用いるとともに、コリメータレンズ 63A、 63Bと 4分の 1波長板 65との間の光 路中に偏光ビームスプリッタ 62が配置されている点力 光ヘッド装置 60と異なる。さ らに、光ヘッド装置 90では、往路の直線偏光 (紙面内の偏光方向）に対してレンズ作 用を有する液晶レンズ部 80Aと、復路の直線偏光 (紙面に垂直な偏光方向）に対し てレンズ作用を有する液晶レンズ部 80Bと力 それぞれコリメータレンズ 63A、 63Bと 偏光ビームスプリッタ 62との間に配置されている。その結果、光ヘッド装置 60の場合 と比較し、往路と復路でレンズ作用のない液晶層を通過することがないため、高い透 過率が得やすい、といった特徴がある。
[0098] (第 7の実施形態）
次に、本発明の第 7の実施形態に係る液晶レンズ素子の構成例について、以下に 説明する。
本実施形態の液晶レンズ素子では、フレネルレンズ部の構成が他の実施形態と異 なる。
すなわち、図 14、図 23及び図 24に示す、液晶レンズ素子の第 1のフレネルレンズ 部 10A及び第 2のフレネルレンズ部 10Bにおいて、第 1液晶層 24及び第 2液晶層 25 には、負の誘電異方性を有するネマティック液晶を用いている。そして、液晶層に電 圧が印加されないオフ状態のときには、液晶分子の配向方向が基板表面に対して垂 直または垂直に近い角度であるとともに、第 1凹凸部 27と第 2凹凸部 28の屈折率 n
F
が液晶層の常光屈折率 nと同一またはこれに近い値の均一屈折率材料力もなる。こ のように、液晶分子の配向方向が基板表面に対して垂直または垂直に近い角度とす るためには、液晶の垂直配向膜を液晶層と接する基板表面に形成すればよい。 一方、液晶層に電圧印加されたオン状態では、液晶分子の配向方向が特定方向 に傾斜するように、配向膜表面が配向処理されていることが好ましい。具体的には、 第 1液晶層 24は Y方向に、第 2液晶層 25は X方向に液晶分子が傾斜するよう配向処 理を施す。
[0099] このような構成とすることにより、オフ状態では入射光の偏光状態に係わらず液晶 層と凹凸部の屈折率がほぼ一致するため、凹凸部の形状に係わらず透過波面の変 化が生じない。また、液晶層と凹凸部の屈折率の波長分散の相違に起因する屈折率 差は僅かであるため、入射光の波長が変化しても透過波面変化はほとんどない。一 方、オン状態では、凹凸部の形状及び印加電圧に応じて液晶分子の配向方向が変 化し、配向処理された方向の直線偏光 (すなわち、異常光偏光)の入射光に対して 液晶層の実質的な屈折率が変化する。その結果、印加電圧及び凹凸部の形状に応 じた透過波面変化が生じる。
例えば、フレネルレンズの凹凸部の中心が凹の場合、オフ状態では、図 19 (B)に 示すように、透過波面変化なしで、オン状態では、図 19 (A)に示すように凸レンズ相 当の収束透過波面とすることができる。すなわち、印加電圧のオンとオフの切り替え により、パワーなしとパワー有りの 2値焦点切り替えレンズとなる。
なお、第 1液晶層 24と第 2液晶層 25は、オン状態で液晶分子の傾斜方向の XY面 内射影成分が直交するため、第 1及び第 2のフレネルレンズ部における凹凸部 27、 2 8の形状及び液晶層 24、 25の層厚が同じで、外部信号源より透明電極 15と 16間及 び透明電極 17と 18間に同一のオン状態の印加電圧とすれば、入射光の偏光状態 に係わらず単一の収束波面となる。なお、本実施形態のフレネルレンズ部を構成要 素とする液晶レンズ素子は、電極レンズ部との組み合わせにおいて、図 14、図 23或 いは図 24に示す何れの構成としてもよ!/、。
次に、本実施形態の液晶レンズ素子を、図 22の液晶レンズ素子 64の代わりに搭載 した光ヘッド装置を用いて、第 2記録層 D2を備えた単層高密度光ディスク及び第 1 記録層 D1と第 2記録層 D2を備えた 2層高密度光ディスクの情報の記録'再生動作 について、以下に説明する。なお、ここで、対物レンズ 66は、カバー厚 100 /z mの第 2記録層 D2に対して収差が最小となるように設計されている。また、半導体レーザ 61 の波長は 405nm帯である。他の構成は第 4の実施形態の光ヘッド装置と同じである カバー厚 100 mの第 2記録層 D2の記録.再生時には、液晶レンズ素子のフレネ ルレンズ部には電圧印加せずオフ状態とすることで、対物レンズ 66の収差性能が維 持され、安定した集光性能が実現する。一方、カバー厚 75 mの第 1記録層 D1の 記録'再生時には、液晶レンズ素子のフレネルレンズ部の透明電極 15と 16間及び透 明電極 17と 18間に電圧印加しオン状態とすることで正のパワーを付加した収束光と し、球面収差が補正され、その結果安定した集光性能が実現する。
また、高密度光ディスクの製造ばらつきなどにより、第 1記録層 D1及び第 2記録層 D2のカバー厚ばらつきに起因して発生する球面収差は、第 4或いは第 5の実施形態 と同様に、電極レンズ部に印加する電圧に応じて発生する連続的なパワーにより補 正する。
本発明の液晶レンズ素子は、印加電圧に応じて焦点距離を変化させることにより力 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、液晶レンズ素子を対 物レンズと分離して配置し、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、収差劣化がほとんどないといった長所がある。その結果、単層及び 2 層の高密度光ディスクの安定した記録 *再生が実現できる。
第 4の実施形態の液晶レンズ素子では、フレネルレンズ部の透明電極 15、 16間及 び、透明電極 17、 18間に印加する電圧を V 、V 、V に切り替えることにより、そ
+ 1 +0 - 1
れぞれ "凸レンズ"、 "レンズ作用なし"、 "凹レンズ"の 3値焦点切り替えレンズ機能が 得られる力 本実施形態の液晶レンズ素子では、印加電圧のオフとオンの切り替えで 、それぞれ"レンズ作用なし"、 "凸レンズ"の 2値焦点切り替えレンズ機能が得られる。 第 4の実施形態の 3値焦点切り替えに比べ、本実施形態の 2値焦点切り替えの方が 必要な電極間の光路長変化が半分程度となるため、透明電極間の間隔 Gを薄くでき る。すなわち、液晶層の層厚及び凹凸部の膜厚 dを薄くできるため、焦点切り替え時 の応答速度が速くなる。また、凹凸部の膜厚 dが薄いほど、凹凸部の作製工程が短 縮できるとともに、凹凸部表面の液晶分子の配向が安定するため、液晶分子配向の 不均一に起因して発生する不要な散乱光が軽減し、高 、効率が得やす 、と 、つた 長所がある。
また、液晶レンズ素子に入射する光ヘッド装置の配置構成において、本実施形態 の液晶レンズの場合、高密度光ディスクで用いる波長と異なる DVDや CDの波長の 光も、電圧非印加時のオフ状態で入射光の波長に係わらず透過波面変化がないた め、 DVDや CDの光ヘッド装置としての性能劣化を及ぼすことがなく好ま U、。
実施例
[0101] 以下、上述した実施形態の具体的な実施例について、図面を参照しながら説明す る。
[0102] 「例 1」
以下、第 1の実施形態に示した液晶レンズ素子 510の具体的な実施例について、 図 1を参照しながら説明する。
初めに、この液晶レンズ素子 510の作製方法について説明する。
第 1の基板 (透明基板） 11であるガラス基板上に SiO N (但し、 X, yは Oと Nの元素 比率を示す)をスパッタリング法により成膜する。この場合、例えば Siターゲットを用い るとともに、 Arガスに酸素および窒素を混入した放電ガスを用いて、屈折率 n ( = 1.
64)の透明な均一屈折率膜 SiO Nを成膜し、その膜厚を d( = 3. 5 111)としている さらに、図 3のグラフ 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 フィにてレジストをパター-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、鋸歯形状を 8段の階段形状 で近似した断面形状で、入射光の光軸 (Z軸）に対して回転対称性を有する、図 1〖こ その断面を示すような凹凸部 517を加工する。
次に、凹凸部 517の表面に透明導電膜 (ITO膜)を成膜し、これを透明電極 513と する。さらに、ポリイミド膜（図示せず)を透明電極 513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 また、第 2の基板 (透明基板) 512であるガラス基板上に透明電極 514として透明導 電膜 (ITO膜)を成膜し、図 2 (B)に示すように輪帯状のセグメント e、 e、 e、 · · ·、 e
1 2 3 7 に分割し、各セグメント e、 e、 e、 · · ·、 eは、図 9のように、隣合うセグメントを抵抗体
1 2 3 7
551 (R〜R )で接続する。この抵抗体 R〜Rは、ひとつの電極セグメント輪帯と外
1 6 1 6
周側に隣合う電極セグメント間の抵抗値に対して、内周側に隣合う電極セグメント間 の抵抗値を概ね 2倍とする。つまり、素子中心カゝら k番目と k— 1番目の抵抗値をそれ ぞれ R、 R としたとき、 2-R =R の関係となるように抵抗値を設定する。この抵 k k- 1 k k- 1
抗体は、図 10に示すように、輪帯状にセグメントに分かれた電極 554B、 554C、 · · · を透明な抵抗体 551で結線することで、入射光が通る領域内に作成する。
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配向膜とする。さらにその上に、直径 7 μ mの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 515を形 成し、第 1の基板 511と重ね合わせて圧着し、透明電極間隔が最大 7 m、最小 3. 5 m (ギャップ g = 3. 5 m)とし、 d=gの空セルを作製する。
その後、ネマティック液晶を空セルの注入口（図示せず）から注入し、その注入口を 封止して図 1に示す液晶レンズ素子 510とする。この液晶には、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 e
を用いる。また、この液晶は、透明電極 513、 514の面に、平行かつ X軸方向に液晶 分子の配向が揃ったホモジ-ァス配向であり、凹凸部 517の凹部に充填されている。
[0104] このようにして得られた液晶レンズ素子 510の透明電極 513、 514に駆動電源回路 518を接続することにより、液晶層 516に電圧が印加される。輪帯状に分割されたセ グメント電極間の電位差 δ Vを 0とし、液晶への印加電圧を OVから増加させると、液 晶層 516の X軸方向の実質的な屈折率力 η =η ( = 1. 75)から η =η ( = 1. 50)
1 e 2 o まで変化する。その結果、 X軸の偏光面を有する直線偏光入射光に対して、液晶層 516と凹凸部 517の屈折率差が、
△n (=n -n ) =0. 11
max 1 s
から
△n (=n -n ) = -0. 14
min 2 s
まで変化し、凹凸部 517の凹部に充填された液晶層 516の厚さ分布に応じて、透過 波面が変化する。
[0105] 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 NA0. 85の対物レンズを、カバー厚 100 mと 75 mの 2層光ディスクに用いると、球面収差が発生する。ところが、電圧非印加 時の電圧 V =0において、液晶と凹凸部 517の屈折率差 An (V )は、前述したよ
+ 1 + 1
うに、
Figure imgf000049_0001
であるので、凹凸部 517とこの凹部に充填された液晶とにより前述の透過波面を生成 するため、 0. 75 λ≤Δη(ν ) 'd≤ の条件
+ 1 λ を満たすように凹凸部 517の最大深さ dを決定する。本実施例では、断面が略鋸歯状の凹凸部 517を 8段の階段形状によ つて近似しているため、 d= 3. 5 mとしている。
[0106] このようにして得られた液晶レンズ素子 510に入射する波長え（=405nm)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)
+ 1
が負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 An (
0
V ) =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 (パワー なし)透過する。さらに印加電圧を増加させると、 V 4V程度で An iV^) :―
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が正の凸レ
+ 1
ンズ作用を示す。このとき、印加電圧の切り替え V 、 V、 V において発生する図 4
+ 1 0 - 1
(A)、（B)、（C)に示す透過波面の効率 (透過効率)の計算値は、それぞれ、 95%、 100%、 95%である。
[0107] ここで、光ディスク Dのカバー厚が規格中心の 100 m、 75 mからずれた場合に ついて説明する。
輪帯状のセグメント電極の中心と最外周間に δ Vの電位差を印加する。この電位差 は前述の抵抗体により、図 8に示すように各セグメントに異なる電位を生じさせる。例 えば、素子中央力 k番目の輪帯 eと隣の k+ 1番目の輪帯 e との電圧の差 δ V (k k k+ 1
, + 1)と、1^ 1番目の輪帯6 と隣の k番目の輪帯 eとの電圧の差 S V(k—l、k) k- 1 k
は、 δ V (k—1, k) = 2- δ V(k, k+ 1)の関係を満たす。このように、内周の液晶に 印加する電圧を δ V変化させることで、透過する光の光路長差は図 7の実線 bに表し たようになり、各セグメント間の光路長の Stepは波長えとなる。従って、液晶レンズ素 子 510を透過する光は、実質的に連続な波面形状となり、焦点距離を微調整するこ とがでさる。
[0108] 次に、この液晶レンズ素子 510を、図 13に示す第 4の実施形態の光ヘッド装置 54 0に搭載する場合について説明する。なお、この光ヘッド装置 540の構成は、前述の 実施形態で説明してあるので省略する。
カバー厚 100 μ mと 75 μ mの規格中心のディスクに対しては、 δ V=0とし、液晶に 印加する電圧を V 、V とすることで、入射光は対物レンズ 5により情報記録層に効
+ 1 - 1
率よく集光される。また、カバー厚が上記規格中心からずれたディスクでは、 δ νを変 更することで、収差量が最小になるように (再生信号が良好になるように)調整するこ とで、情報記録層に効率よく集光される。
[0109] 「例 2」
次に、第 2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 14を参照しながら以下に説明する。
初めに、この液晶レンズ素子 10の作製方法について説明する。 ガラスを素材とする透明基板 11〜13の片面若しくは両面に透明導電膜 (ITO膜） を成膜し、パターユングを行ってこれを透明電極 15〜 19とする。さらにその透明電極 16、 18上に、屈折率 η ( = 1. 52)、比誘電率 ε (=4)の均一屈折率材料である Si
S S
ON膜を膜厚 d( = 2. 9 /z m)となるように蒸着する。次に、図 17のグラフ F1の形状に 相当するように、フォトリソグラフィー技術及びエッチング技術により、 SiON膜を加工 し、断面形状が鋸歯状で入射光の光軸 (Z軸）に関して回転対称性を有する、図 14 に示すような凹凸部 27、 28を形成する。
一方、ガラスを素材とする透明基板 14の表面にシート抵抗値が 40 Ω Z口の ITO膜 を成膜した後、図 16に示すように、パターユングして低抵抗電極 31〜34を形成する 。さらに、シート抵抗値が 106 Ω /口の酸ィ匕錫膜を成膜した後、パターユングして高 抵抗平面電極 35を形成し、複合電極 20とする。その後、電極が形成された全ての透 明基板表面に、ポリイミドからなる液晶配向膜を塗布、焼成した後、透明電極 15、 16 の表面を Υ軸方向に、透明電極 17〜 19及び複合電極 20の表面を X軸方向にラビン グ配向処理する。さらに透明電極 15、 17、 19が形成された透明基板 11、 12、 13の 表面に、直径 15 mの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 21〜23を形成し、透明基板 11〜14を重ね合わせて圧着し、透明電極間隔 力 S15 mの空セルを作製する。
その後、常光屈折率 n ( = 1. 52)および異常光屈折率 n ( = 1. 70)の正の誘電異 ο e
方性を有するネマティック液晶を空セルの注入口（図示せず)から注入し、液晶層 24 、 25、 26とする。その後、注入口を紫外線硬化榭脂により封止した後、導通接続手 段 29を接続して図 14に示す液晶レンズ素子 10とする。
[0110] このようにして得られた液晶レンズ素子 10を外部信号源 30と電気的に接続し、液 晶層 24、 25、 26に電圧を印加できるようにする。そして、印加電圧を 0Vから増加さ せると、液晶層 24〜26のラビング方向の実質的な屈折率が n ( = 1. 70)から n (= e o
1. 52)まで変化する。しかし、液晶に印加される実効的な電圧 V は、（6)式により、
LC
凹凸部 27、 28の形状に応じて、すなわち場所により異なり、液晶レンズ素子 10が発 生する位相差 Φ は、凹凸部 27、 28の膜厚 dに応じて（7)式のように変化する。
d F
[0111] 次に、図 26は、第 2の実施例における液晶レンズ素子 10のフレネルレンズ効率を 示す説明図である。図 26の横軸は、外部信号源 30を用いて、透明電極 15、 16間及 び透明電極 17、 18間に印加した電圧であり、ここでは、電極レンズ部 10C、つまり透 明電極 19、複合電極 20間の電圧を OVとする。
図 14において、 X方向に偏光方向を有する直線偏光を入射すると、液晶層 24は Y 方向に液晶分子が配向しているので、凹凸部 27との実質的な屈折率差は生じない ため、印加電圧によらず光は透過する。一方、液晶層 25及び凹凸部 28で発生する 位相差は、凹凸部 28の膜厚 dに応じて（7)式のように電圧により変化する。
F
印加電圧 1. 35Vでは、 n (V [d ]) >nであり、凹凸部 28の最薄部と最厚部の位
LC F S
相差が λとなって、図 19 (A)に示すように、入射平面波は + 1次のフレネル回折波と して、若干集光するような波面に変換される。 + 1次のフレネル回折効率は、図 26の グラフ Αのように、印加電圧 1. 35Vで最大となる。
同様に、印加電圧 2. 85Vでは、 n (V [d ]) <nであり、 1次のフレネル回折効
LC F S
率は、図 26のグラフ Cのように印加電圧 2. 85Vで最大となる。
一方、印加電圧 1. 74Vでは、 n (V [d ]) =nとなり、波面はほとんど変化せず、
LC F S
0次のフレネル回折として図 26のグラフ Bのように、印加電圧 1. 74Vで最大になる。 以上のように、印加電圧を 1. 35V、 1. 74V、 2. 85Vと変化させると、本発明の液 晶レンズ素子は"凸レンズ"、 "レンズ作用なし"、 "凹レンズ"として作用する。
次に、 Y方向の直線偏光を入射すれば、液晶層 25の実質的な屈折率は n =nと ο S なるのでレンズ作用はない。上記した凹凸部 27、 28は同一であり、液晶層 24、 25は 液晶材料が等しく配向方向が直交しているので、前記と同様に、 1. 35V、 1. 74V、 2. 85Vと変化させると、 "凸レンズ"、 "レンズ作用なし"、 "凹レンズ"として作用する。 従って、本発明の液晶レンズ素子を用いれば、 X方向、 Y方向の直線偏光に対して 、印加電圧の大きさに応じてレンズ作用を切り換えることができる。
次に、透明電極 15、 16間及び透明電極 17、 18間には電圧を印加せずに、電極レ ンズ部 10C、つまり透明電極 19、複合電極 20間に電圧を印加する。
例えば、液晶層 26の液晶分子の配向方向と等しい、 X方向に偏光した直線偏光を 入射した場合、低抵抗電極 31〜34に印加する電圧を V、 V、 V、 Vとし、 O (V)く
A B C D
V <V <V <Vとなる適切な電圧を印加する。すると、図 20のグラフ |8に示すよう に、最大 1. 5えの位相差を得ることができる。逆に、 0 (V) <V <V <V <Vとな
D C B A
る適切な電圧を印加すれば、図 20のグラフ βを負符号にした位相差を得ることがで きる。従って、低抵抗電極 31〜34の電圧制御により、最大 ± 1. 5えの位相差を有す るパワーを含んだ波面を連続的に変化することができる。
以上のように、本発明の液晶レンズ素子を用いれば、直交する偏光方向の直線偏 光で等しく作用する焦点切り替えフレネンルレンズを得る事ができる。また、複合電極 に印加する電圧を制御することにより、液晶層 26に一致した直線偏光の波面を連続 的に変化することができる。
[0113] 「例 3」
次に、図 22に示す光ヘッド装置 60に、例 2で示した液晶レンズ素子 10を液晶レン ズ素子 64として組み込む。なお、 2層光ディスク Dに備えられた第 1記録層 D1のカバ 一厚は 75 μ m、第 2記録層 D2のカバー厚は 100 μ mである。
この光ヘッド装置 60において、光源 61は、波長 405nmの半導体レーザであり、コ リメータレンズ 63により平行光にされ、液晶レンズ素子 10に入射する。対物レンズ 66 の NAは 0. 85、瞳直径は 3mmであり、 87. 5 mのカバー厚で波面収差が最小とな るよう設計されている。
[0114] ここで、液晶レンズ素子がレンズ作用を示さない場合である、 V = 1. 74Vを印加す
0
ると、各記録層に集光する光の波面収差は、カバー厚の差に比例した球面収差の影 響により 0. 1 rms以上あるため、光の集光性能は著しく劣化する。
次に、透明電極 15、 16間及び透明電極 17、 18間に電圧 V = 1. 35Vを印加し
+ 1
て第 1記録層 D1に集光する場合と、透明電極間に V = 2. 85Vを印加して、第 2記 録層 D2に集光する場合では、球面収差は補正されて 0. 01 rms以下になり、集光 性能が改善される。
[0115] 次に、 2層光ディスク Dのカバー厚の製造誤差による球面収差の補正性能を検証 するため、 2層光ディスク Dのカバー厚を 70 μ m〜80 μ m及び 95 μ m〜105 μ mと なるように形成し、本実施例の液晶レンズ素子 10に印加する電圧を適宜最適化して 、波面収差を補正する。図 27は、そのときの光ヘッド装置 60における、波面収差の カバー厚に対する依存性を示す図である。 図 27に示すように、液晶レンズ素子 10では、カバー厚が 75 /ζ πι、 100 /z mの各々 で波面収差が最小となるように設計されたフレネルレンズ部 10A、 10Bにより収差補 正されており、グラフ Aは電極レンズ部 10Cのレンズ作用を使わない方式、グラフ Bは 電極レンズ 10Cの発生するパワーを最適に調整した場合である。
この図 27に示すように、本発明の液晶レンズ素子 10を用いれば、カバー厚が 70〜 80 μ m又は 95〜105 μ mの範囲で残存する波面収差の大きさを λ Z30rms以下 にできるため、記録層のカバー厚に製造ばらつきなどが発生していた場合でも、波面 収差を補正して、集光性能を維持することができる。
[0116] 「例 4」
次に、第 7の実施形態に示した本発明の液晶レンズ素子 70の具体的な実施例に ついて、図 23を参照しながら以下に説明する。なお、液晶レンズ素子 10と同一構成 要素の内容は同じであるため、説明を省略する。
この「例 4」における、「例 2」の液晶レンズ素子 10 (図 14参照）との主な相違点は、 第 1のフレネルレンズ部 10A及び第 2のフレネルレンズ部 10Bの構成と、電極レンズ 部が第 1の電極レンズ部 10Cと第 2の電極レンズ部 10Dカゝらなる点である。
[0117] 初めに、第 1のフレネルレンズ部 10A及び第 2のフレネルレンズ部 10Bの作製方法 について、以下に説明する。
第 1のフレネルレンズ部 10Aについては、片面に ITO膜から成る透明電極 15、 18 が形成された透明基板 11、 13Aと、両面に ITOカゝら成る透明電極膜 16、 17が形成 された透明基板 12とを用い、透明電極 16、 18上に、屈折率 n ( = 1. 52)、比誘電
S
率 ε (=4)の均一屈折率材料である SiON膜を膜厚 d (= 1. 5 μ mm)となるように
S
成膜する。次に、この SiON膜について、図 17のグラフ F1の形状に相当するように、 フォトリソグラフィー技術及びエッチング技術により、断面形状が鋸歯状で入射光の 光軸 (Z軸）に対して回転対称性を有する、図 23に示すような凹凸部 27、 28を形成 する。さらに、透明電極 15、 17の表面と、凹凸部 27、 28の表面にポリイミドカもなる 液晶の垂直配向膜 (図示せず)を塗布、焼成した後、透明電極 15及び凹凸部 27の 表面を Y軸方向に、透明電極 17及び凹凸部 28の表面を X軸方向にラビング配向処 理する。さらに透明電極 16、 18が形成された透明基板の表面に、直径 7 mのギヤ 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 21、 22を形成し、透 明基板 11、 12、 13Aを重ね合わせて圧着し、透明電極間隔が 7 mの空セルを作 製する。
その後、常光屈折率 n ( = 1. 52)及び異常光屈折率 n ( = 1. 70)の負の誘電異 ο e
方性を有するネマティック液晶を空セルの注入口（図示せず)から注入し、液晶層 24 、 25とする。その後、注入口を紫外線硬化榭脂により封止し、図 23に示すフレネルレ ンズ部 70Aとし、外部信号源 30Aと透明電極とを電気的に接続し、液晶層 24、 25に 電圧を印加できるようにする。
次に、第 1電極レンズ部 10C及び第 2電極レンズ部 10Dについて、図 23及び図 16 を参照しながら以下に説明する。
第 1電極レンズ部 10C及び第 2電極レンズ部 10Dは、主な構成として、片面に ITO 膜から成る透明電極 19が形成された透明基板 13Bと、一方の表面に ITO膜から成 る透明電極 19Bが形成されるとともに他方の表面に複合電極 20が形成された透明 基板 14と、片面に複合電極 20Bが形成された透明基板 13Cとを備える。
第 1電極レンズ部 10C及び第 2電極レンズ部 10Dの作製については、特に、複合 電極 20、 20Bには、各透明基板 14、 13C上に、シート抵抗値力 0 Ω /口の ITO膜 を成膜した後、ノターユングして低抵抗電極 31〜35 (図 16参照）を形成し、さらに、 シート抵抗値が 106ΩΖ口の酸ィ匕錫膜を成膜した後、パターユングして高抵抗平面 電極 35 (図 16参照）を形成する。さらに、透明電極 19、 19B及び前述の複合電極 2 0、 20Βの表面には、ポリイミドからなる液晶の水平配向膜を塗布、焼成した後、透明 電極 19及び複合電極部 20の表面を X軸方向に、透明電極 19B及び複合電極部 20 Βの表面を Υ軸方向に、それぞれラビング配向処理する。その後、常光屈折率 η (= 1. 52)及び異常光屈折率 η ( = 1. 70)の正の誘電異方性を有するネマティック液晶 e
を空セルの注入口（図示せず)から注入し、液晶層 26、 27とする。その後、注入口を 紫外線硬化榭脂により封止し、図 23に示す電極レンズ部 70Bとし、外部信号源 30B と各電極とを電気的に接続し、液晶層 26、 27に同一の電圧を印加できるようにする。 このようにして作製した液晶レンズ素子 70において、外部信号源 30A、 30Bより生 成される交流印加電圧を 0Vから増加させると、液晶層 24と 25は負の誘電異方性を 有する垂直配向液晶で、液晶層 26と 27は正の誘電異方性を有する水平配向液晶 であるため、液晶層 24、 25のラビング方向の実質的な屈折率は n ( = 1. 52)から n ο e
( = 1. 70)まで変化し、液晶層 26、 27のラビング方向の実質的な屈折率は n ( = 1.
e
70)から n ( = 1. 52)まで変化する。
[0119] 図 28は、この「例 4」における液晶レンズ素子 70のフレネルレンズ効率を示す説明 図である。図 28の横軸は、外部信号源 30Aを用いて、フレネルレンズ部 70Aの透明 電極 15と 16間、及び透明電極 17と 18間に印加した電圧であり、ここでは、電極レン ズ部 70Bには電圧印加しないとする。
(I)電圧非印加時のオフ状態では、液晶層と凹凸部との屈折率が入射光の偏光状 態に係わらず一致するため、透過波面は不変である。すなわち、 "レンズ作用なじ'と なる。
(II)一方、電圧印加時のオン状態では、 X方向の直線偏光を入射すると、液晶層 2 4は Y方向に配向しているので、凹凸部 27との実質的な屈折率差は生じないため、 印加電圧の大きさによらず光は透過する。一方、液晶層 25は X方向に配向している ので、液晶層 25と凹凸部 28との間で発生する位相差は、凹凸部 28の膜厚 dに応じ
F
て印加電圧により変化する。印加電圧 3. 5Vで、凹凸部の最薄部と最厚部の位相差 がえとなって、図 19 (A)に示すように、入射平面波は + 1次のフレネル回折波の効 率が最大となり、凸レンズ相当の収束波面に変換される。
また、 Y方向に偏光した直線偏光を入射すると、液晶層 25の液晶分子は X方向に 配向しているので、凹凸部 28との実質的な屈折率差は生じないため、印加電圧の大 きさによらず光は透過する。一方、液晶層 24の液晶分子は Y方向に配向しているの で、液晶層 24及と凹凸部 27との間で発生する位相差は、凹凸部 27の膜厚 dに応じ
F
て印加電圧により変化する。印加電圧 3. 5Vで、凹凸部の最薄部と最厚部の位相差 がえとなって、図 19 (A)に示すように、入射平面波は + 1次のフレネル回折波の効 率が最大となり、凸レンズ相当の収束波面に変換される。なお、図 26および図 28の 印加電圧単位 Vrmsの rmsは交流実効電圧を意味する。
[0120] 以上のように、印加電圧を OV (オフ状態）と 3. 5V (オン状態）に切り替えると、本発 明の液晶レンズ素子は"レンズ作用なじ'と、 "凸レンズ"として作用する。従って、本 発明の液晶レンズ素子を用いれば、 X方向、 Y方向に偏光した直線偏光に対して、 すなわち入射光の偏光状態に係わらず、印加電圧のオンとオフに応じてレンズ作用 を切り替えることができる。
次に、フレネルレンズ部 70Aの透明電極 15と 16間、及び透明電極 17と 18間には 電圧を印加せずに、電極レンズ部 70Bの透明電極 19と複合電極 20間、及び透明電 極 19Bと複合電極 20Bとの間に電圧を印加する。液晶層 26と液晶層 26Bとの液晶 分子の配向方向が直交しているため、 X方向及び Y方向に偏光した直線偏光に対し て、低抵抗電極 31〜34の電圧制御により、パワーを含んだ波面を連続的に変化す ることがでさる。
以上のように、本発明の液晶レンズ素子 70を用いれば、入射光の偏光状態に係わ らず作用する 2値焦点切り替えレンズを得ることができる。また、電極レンズ部に印加 する電圧を制御することにより、入射光の偏光状態に係わらず作用する、パワーを含 んだ波面を連続的に変化することができる。
次に、本発明の液晶レンズ素子 70を、図 22の光ヘッド装置 60の液晶レンズ素子 6 4の代わりに配置し、単層高密度光ディスク及び 2層高密度光ディスクの記録'再生 に用いた。
(I)初めに、カバー厚 100 mの第 2記録層 D2の記録'再生時は、液晶レンズ素子 70のフレネルレンズ部 70Aをオフ状態とし、カバー厚 75 μ mの第 1記録層 D1の記 録 '再生時は、外部信号源 30Aより液晶レンズ素子 70のフレネルレンズ部 70Aに 3. 5Vの電圧を印加してオン状態に切り替える。
ここで、第 1記録層 D1及び第 2記録層 D2のカバー厚が ± 5 m変動した場合に、 残留する RMS波面収差の計算結果を図 27の Aに示す。カバー厚 100 m及び 75 μ mにおいて、 RMS波面収差は 0. 01 rms以下となり、カバー厚が ± 5 m変動 した場合、 0. 05 rms程度の RMS波面収差が発生する。
(II)さらに、第 1記録層 D1及び第 2記録層 D2のカバー厚の変動に応じて、液晶レ ンズ素子 70の電極レンズ部 70Bに外部信号源 30Bより電圧を印加し、収差補正を 行った場合の残留する RMS波面収差の計算結果を図 27 (B)に示す。カバー厚が ± 5 /z m変動した場合でも、 0. 03 rms以下の RMS波面収差発生に低減できる。 (III)また、トラッキング時に、対物レンズ 66が液晶レンズ素子 70と ±0. 3mm程度 の偏心が生じた場合でも、図 27に示す RMS波面収差はほとんど劣化しない。従つ て、本発明の液晶レンズ素子 70を搭載した光ヘッド装置 60を用いることにより、単層 及び 2層の高密度光ディスクの安定した記録'再生が実現する。
[0122] 以上、本発明の各種実施形態を説明したが、本発明は前記実施形態において示さ れた事項に限定されず、特許請求の範囲及び明細書の記載、並びに周知の技術に 基づいて、当業者がその変更'応用することも本発明の予定するところであり、保護を 求める範囲に含まれる。
産業上の利用可能性
[0123] 本発明によれば、印加電圧に応じて焦点距離の微調整が可能な液晶レンズ素子 が提供される。この液晶レンズ素子によれば、特にカバー厚の異なる 2層の情報記録 層を有する光ディスクの記録および Zまたは再生において、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ので、液晶レンズ素子と 対物レンズとが偏心した時に収差が発生しな 、ため、液晶レンズ素子を対物レンズと 離して配置することができる。
また、本発明の液晶レンズ素子を用いることにより、液晶レンズ素子の配置の制約 が軽減されるため、小型で安定した光ディスクの記録 '再生ができる光ヘッド装置が 提供される。 本出願は、 2004年 8月 4日出願の日本特許出願 (特願 2004— 227613)及び 20 04年 9月 15日出願の日本特許出願 (特願 2004— 268142)に基づくものであり、そ の内容はここに参照として取り込まれる。

Claims

請求の範囲
[1] 少なくとも 1つの液晶層と、当該液晶層を挟持するよう対向配置された第 1の透明基 板及び第 2の透明基板を備え、
前記第 1の透明基板は、透明電極と、光軸に関して回転対称性を有する鋸歯状の 断面形状または鋸歯を階段形状によって近似した断面形状を有する透明材料から なる凹凸部とを含み、前記第 2の透明基板は透明電極を含む、液晶レンズ素子。
[2] 光源と、当該光源力 の出射光を光記録媒体上に集光させるための対物レンズと、 前記光記録媒体上に集光されて反射する光を検出する光検出器と、前記光源と前 記対物レンズとの間の光路中に配置された請求項 1記載の液晶レンズ素子と、を備 える光ヘッド装置。
[3] 少なくとも第 1、第 2の 2枚の基板を対向配置し、前記基板間に挟持された液晶層に 印加する電圧の大きさに応じて前記液晶層を透過する光の集光点を変化させる液晶 レンズ素子であって、前記第 1の基板の一方の面には第 1の透明電極と鋸歯形状ま たは鋸歯を階段形状で近似した断面形状を有する透明材料力 成る凹凸部とを入 射光の光軸を中心とする複数の輪帯状に形成し、
前記第 2の基板の一方の面に第 2の透明電極を形成し、
前記第 1、第 2の透明電極の少なくとも一方は、輪帯状の電極セグメントに分割され ており、
前記電極セグメントの輪帯状の分割位置は、前記第 1の基板の前記鋸歯状の凹凸 部の輪帯状の分割位置と一致している液晶レンズ素子。
[4] 前記各電極セグメントと、この電極セグメントと隣り合う電極セグメントとは、抵抗体で 電気的に接続している請求項 3に記載の液晶レンズ素子。
[5] 前記各電極セグメントとこの外周側に隣合う電極セグメントとの間の抵抗値に対して
、前記電極セグメントとこの内周側に隣合う電極セグメントとの間の抵抗値は 2倍であ る請求項 3又は 4に記載の液晶レンズ素子。
[6] 光源と、当該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、当該対物 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ツ タと、前記分波された光を検出する光検出器と、前記光源と前記対物レンズとの間の 光路中に配置された請求項 3から 5いずれ力 1つに記載の液晶レンズ素子と、を備え る光ヘッド装置。
[7] 液晶層に印加する電圧の大きさに応じて、前記液晶層を透過する光の集光点を変 化させる液晶レンズ素子であって、
第 1のフレネルレンズ部と、第 2のフレネルレンズ部と、電極レンズ部とを備え、前記 第 1のフレネルレンズ部は、一対の透明基板により挟持した第 1液晶層と、当該第 1 液晶層に電圧を印加するために前記透明基板の表面にそれぞれ設置した対向する 電極対と、前記光の光軸に関して回転対称性を有する鋸歯状の断面形状または鋸 歯を階段形状に近似した断面形状を有し、前記対向する電極対の少なくとも一方の 上面に透明材料で形成した第 1凹凸部とを備え、
前記第 2のフレネルレンズ部は、一対の透明基板により挟持した第 2液晶層と、当 該第 2液晶層に電圧を印加するために前記透明基板の表面にそれぞれ設置した対 向する電極対と、前記光の光軸に関して回転対称性を有する鋸歯状の断面形状ま たは鋸歯を階段形状に近似した断面形状を有し、前記対向する電極対の少なくとも 一方の上面に透明材料で形成した第 2凹凸部とを備え、
前記電極レンズ部は、一対の透明基板により挟持した第 3液晶層と、当該第 3液晶 層に電圧を印加するために前記透明基板の表面に対向して設置し、そのうちの少な くとも一方が低抵抗電極と高抵抗平面電極とからなる複合電極である電極対とを備え 前記第 1、第 2、第 3液晶層は電圧非印加時または電圧印加時に平行配向したネ マティック液晶であって、前記第 1液晶層の常光屈折率方向と、前記第 2液晶層及び 前記第 3液晶層の異常光屈折率方向とがー致する液晶レンズ素子。
[8] 前記電極レンズ部に設置された対向する電極の両方が前記複合電極であって、前 記一方の複合電極は、高抵抗平面電極とストライプ状に配された複数の低抵抗電極 とカゝらなるとともに、前記もう一方の複合電極は、前記高抵抗平面電極と前記低抵抗 電極の配置方向と直交する方向に、ストライプ状に配された複数の低抵抗電極から なる請求項 7に記載の液晶レンズ素子。
[9] 前記第 1、第 2凹凸部を形成する前記透明材料の屈折率は、前記第 1液晶層およ び第 2液晶層の常光屈折率に等しい請求項 7又は 8記載の液晶レンズ素子。
[10] 前記光の波長に対する位相差が π Ζ2の奇数倍である位相板を一体ィ匕して 、る請 求項 7から 9のいずれ力 1項記載の液晶レンズ素子。
[11] 前記液晶レンズ素子の電極レンズ部は、第 1の電極レンズ部と第 2の電極レンズ部 からなり、
前記第 1の電極レンズ部は、一対の透明基板により挟持した前記第 3液晶層と、こ の第 3液晶層に電圧を印加するために透明基板の表面に設置して、そのうちの少な くとも一方が、低抵抗電極と高抵抗平面電極から成る複合電極である対向する電極 対とを備え、
前記第 2の電極レンズ部は、一対の透明基板により挟持した第 4液晶層と、この第 4 液晶層に電圧を印加するために透明基板の表面に設置して、そのうちの少なくとも 一方が、低抵抗電極と高抵抗平面電極から成る複合電極である対向する電極対とを 備え、
前記第 1、第 2、第 3、第 4の液晶層は電圧非印加時または電圧印加時に平行配向 したネマティック液晶であって、第 1液晶層の常光屈折率方向と、第 2、第 3液晶層の 異常光屈折率方向および第 4液晶層の常光屈折率方向とが、一致する請求項 7に 記載の液晶レンズ素子。
[12] 前記電極レンズ部に設置された対向する電極は、一方が前記複合電極であって、 この複合電極は、高抵抗平面電極と、前記光の光軸を中心とする複数の同心円形状 力もなる低抵抗電極とからなる請求項 11に記載の液晶レンズ素子。
[13] 前記電極レンズ部に設置された対向する電極は、両方が前記複合電極であって、 一方の前記複合電極は、高抵抗平面電極とストライプ状に配された複数の低抵抗電 極とからなるとともに、もう一方の前記複合電極は、高抵抗平面電極と前記低抵抗電 極の配置方向と直交する方向に、ストライプ状に配された複数の低抵抗電極とからな る請求項 11に記載の液晶レンズ素子。
[14] 光源と、当該光源力 の出射光を光記録媒体上に集光させるための対物レンズと、 前記光記録媒体上に集光されて反射する光を検出する光検出器と、前記光源と前 記対物レンズとの間の光路中に配置する請求項 7から 13のいずれ力 1項に記載の液 晶レンズ素子と、を備える光ヘッド装置。
光源と、当該光源力 の出射光を光記録媒体の情報記録層に集光させる対物レン ズと、前記情報記録層の反射光を受光する光検出器と、前記光源から光記録媒体に 向かう往路の光束と前記情報記録層の反射光が光検出器に向かう復路の光束とを 分離するビームスプリッタを少なくとも含む光ヘッド装置において、前記第 1のフレネ ルレンズ部と第 2の電極レンズ部を積層し一体ィヒした往路用液晶レンズ素子と、前記 第 2のフレネルレンズ部と第 1の電極レンズ部を積層し一体ィ匕した復路用液晶レンズ 素子力 なる請求項 7から 13のいずれか 1項記載の液晶レンズ素子の、前記往路用 液晶レンズ素子を光源とビームスプリッタの間の光路中に配置し、前記復路用液晶レ ンズ素子をビームスプリッタと光検出器の間の光路中に配置する光ヘッド装置。
PCT/JP2005/014227 2004-08-04 2005-08-03 液晶レンズ素子および光ヘッド装置 WO2006013901A1 (ja)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP05768458A EP1785991A4 (en) 2004-08-04 2005-08-03 LIQUID CRYSTAL LENS ELEMENT AND OPTICAL HEAD
CN2005800256642A CN1993748B (zh) 2004-08-04 2005-08-03 液晶透镜元件及光学拾取头装置
KR1020077001474A KR20070035043A (ko) 2004-08-04 2007-01-19 액정 렌즈 소자 및 광헤드 장치
US11/670,780 US7773489B2 (en) 2004-08-04 2007-02-02 Liquid crystal lens element and optical head device

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004227613A JP4552556B2 (ja) 2004-08-04 2004-08-04 液晶レンズ素子および光ヘッド装置
JP2004-227613 2004-08-04
JP2004-268142 2004-09-15
JP2004268142A JP4501611B2 (ja) 2004-09-15 2004-09-15 液晶レンズ素子および光ヘッド装置

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
US11/670,780 Continuation US7773489B2 (en) 2004-08-04 2007-02-02 Liquid crystal lens element and optical head device

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2006013901A1 true WO2006013901A1 (ja) 2006-02-09

Family

ID=35787182

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2005/014227 WO2006013901A1 (ja) 2004-08-04 2005-08-03 液晶レンズ素子および光ヘッド装置

Country Status (5)

Country Link
US (1) US7773489B2 (ja)
EP (1) EP1785991A4 (ja)
KR (1) KR20070035043A (ja)
TW (1) TW200609554A (ja)
WO (1) WO2006013901A1 (ja)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1895526A1 (en) * 2006-08-24 2008-03-05 Funai Electric Co., Ltd. Optical pickup device
EP2135130A1 (en) * 2007-03-12 2009-12-23 Pixeloptics Inc. Electrical insulating layers, uv protection, and voltage spiking for electro-active diffractive optics
WO2010023835A1 (ja) * 2008-08-27 2010-03-04 日立マクセル株式会社 液晶素子及び光ピックアップ光学系
CN114296266A (zh) * 2022-01-25 2022-04-08 电子科技大学 可电控调焦的折射型液晶光剑器件及工作方法
CN115453823A (zh) * 2021-06-09 2022-12-09 电子科技大学 无掩模光刻方法和无掩模光刻设备
WO2023106388A1 (ja) * 2021-12-11 2023-06-15 株式会社エルシオ 光学素子及び眼鏡

Families Citing this family (62)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4341332B2 (ja) * 2002-07-31 2009-10-07 旭硝子株式会社 光ヘッド装置
KR101047830B1 (ko) * 2004-04-30 2011-07-08 아사히 가라스 가부시키가이샤 액정 렌즈 소자 및 광헤드 장치
JP5051374B2 (ja) 2005-11-08 2012-10-17 日本電気株式会社 光学式情報記録／再生装置と、光学式情報記録／再生方法
JPWO2008044403A1 (ja) * 2006-10-06 2010-02-04 日本電気株式会社 光ヘッド装置および光学式情報記録再生装置、誤差信号生成方法
JPWO2008062698A1 (ja) * 2006-11-24 2010-03-04 日本電気株式会社 光ヘッド装置及び光学式情報記録再生装置
US20080245872A1 (en) * 2007-04-05 2008-10-09 Good Timothy A Barcode scanner/reader having constantly varying focal distance
JP2008309901A (ja) * 2007-06-12 2008-12-25 Olympus Corp 光学系及びそれを備えた画像取得装置
KR101222990B1 (ko) * 2007-10-22 2013-01-18 엘지디스플레이 주식회사 액정 전계 렌즈 및 이를 이용한 입체 표시 장치
KR101274705B1 (ko) * 2007-12-14 2013-06-12 엘지디스플레이 주식회사 액정 전계 렌즈 및 이를 적용한 입체 표시 장치
CN101911191B (zh) * 2007-12-27 2012-10-24 旭硝子株式会社 液晶元件及光头装置及可变光调制元件
DE112009000290B4 (de) * 2008-03-03 2017-11-02 Tunable Optix Corporation Elektrisch einstellbare Flüssigkristalllinse mit zentraler Elektrode
DE112009000292T5 (de) * 2008-04-01 2010-12-30 Tunable Optix Corporation Abtastkopfanordnung für eine optische Platte, die eine elektrisch einstellbare Flüssigkristalllinse verwendet
CN101566749B (zh) * 2008-04-25 2011-12-21 鸿富锦精密工业（深圳）有限公司 液晶透镜及镜头模组
TW201011350A (en) * 2008-09-04 2010-03-16 E Pin Optical Industry Co Ltd Liquid crystal zoom lens
JP4776669B2 (ja) * 2008-09-25 2011-09-21 株式会社東芝 表示装置および移動体
EP2387732A4 (en) 2009-01-15 2016-04-20 E Vision Smart Optics Inc ELECTROACTIVE FOCUSING AND ZOOM SYSTEMS
WO2010102295A1 (en) * 2009-03-06 2010-09-10 The Curators Of The University Of Missouri Adaptive lens for vision correction
EP2287840A1 (en) * 2009-08-21 2011-02-23 Thomson Licensing Objective lens and optical data storage apparatus comprising the objective lens
TWI401471B (zh) * 2009-09-24 2013-07-11 Silicon Touch Tech Inc 液晶光學透鏡及其製作方法、應用液晶光學透鏡的鏡頭裝置
FR2957684B1 (fr) * 2010-03-19 2012-08-03 Evosens Dispositif de variation optique, ensemble optique et procede de fabrication d'un tel dispositif
TWI416169B (zh) * 2010-04-09 2013-11-21 Au Optronics Corp 可調變式菲涅耳透鏡
JP2012098394A (ja) * 2010-10-29 2012-05-24 Sony Corp 液晶レンズアレイ素子、およびその駆動方法ならびに立体画像表示装置
JP5286349B2 (ja) 2010-12-27 2013-09-11 株式会社東芝 屈折率分布型液晶光学素子および画像表示装置
WO2012125881A2 (en) * 2011-03-15 2012-09-20 Reald Inc. Liquid crystal devices having reduced electrode-gap visibility
JP5592907B2 (ja) * 2012-02-16 2014-09-17 株式会社東芝 液晶光学素子及び画像表示装置
CN104303090B (zh) * 2012-05-17 2017-08-15 西铁城时计株式会社 像差校正器件及激光显微镜
EP2887132B1 (en) 2012-08-16 2019-10-02 Citizen Watch Co., Ltd. Aberration-correcting optical unit and laser microscope
TWI452268B (zh) * 2012-10-16 2014-09-11 Oto Photonics Inc 用於收光之光學頭及使用其之光學系統
KR101525673B1 (ko) * 2013-09-03 2015-06-03 삼성전기주식회사 렌즈 및 렌즈 모듈
WO2015069884A1 (en) * 2013-11-08 2015-05-14 Johnson Controls Technology Comapny System and method for controlling color change across varying cross-sections of a material
TWI490557B (zh) * 2013-11-15 2015-07-01 Ligxtal Technology Inc 液晶透鏡
US9816687B2 (en) 2015-09-24 2017-11-14 Intel Corporation MEMS LED zoom
US9746689B2 (en) 2015-09-24 2017-08-29 Intel Corporation Magnetic fluid optical image stabilization
US9983709B2 (en) 2015-11-02 2018-05-29 Oculus Vr, Llc Eye tracking using structured light
US10437129B2 (en) 2015-11-10 2019-10-08 Verily Life Sciences Llc Dynamic diffractive liquid crystal lens
US10445860B2 (en) 2015-12-08 2019-10-15 Facebook Technologies, Llc Autofocus virtual reality headset
US10241569B2 (en) 2015-12-08 2019-03-26 Facebook Technologies, Llc Focus adjustment method for a virtual reality headset
US10025060B2 (en) * 2015-12-08 2018-07-17 Oculus Vr, Llc Focus adjusting virtual reality headset
US9858672B2 (en) 2016-01-15 2018-01-02 Oculus Vr, Llc Depth mapping using structured light and time of flight
DE102016102971B4 (de) * 2016-02-19 2021-02-11 Carl Zeiss Industrielle Messtechnik Gmbh Linseneinrichtung für variablen Arbeitsabstand, Beleuchtungsbaugruppe, Koordinatenmessgerät und Verfahren
US11106276B2 (en) 2016-03-11 2021-08-31 Facebook Technologies, Llc Focus adjusting headset
US10379356B2 (en) 2016-04-07 2019-08-13 Facebook Technologies, Llc Accommodation based optical correction
US20170293151A1 (en) * 2016-04-08 2017-10-12 Wuhan China Star Optoelectronics Technology Co.Ltd 3d display device
TWI653491B (zh) 2016-05-06 2019-03-11 友達光電股份有限公司 液晶透鏡
US10429647B2 (en) 2016-06-10 2019-10-01 Facebook Technologies, Llc Focus adjusting virtual reality headset
US10025384B1 (en) 2017-01-06 2018-07-17 Oculus Vr, Llc Eye tracking architecture for common structured light and time-of-flight framework
US10154254B2 (en) 2017-01-17 2018-12-11 Facebook Technologies, Llc Time-of-flight depth sensing for eye tracking
US10310598B2 (en) 2017-01-17 2019-06-04 Facebook Technologies, Llc Varifocal head-mounted display including modular air spaced optical assembly
US10679366B1 (en) 2017-01-30 2020-06-09 Facebook Technologies, Llc High speed computational tracking sensor
CN107479248A (zh) * 2017-09-28 2017-12-15 京东方科技集团股份有限公司 一种衍射装置
CN108037598A (zh) * 2017-11-23 2018-05-15 京东方科技集团股份有限公司 液晶盒及拍摄系统
CN108388025B (zh) * 2018-03-09 2021-03-05 京东方科技集团股份有限公司 镜片及其制作方法、眼镜和光学系统
US11022835B2 (en) * 2018-12-15 2021-06-01 Facebook Technologies, Llc Optical system using segmented phase profile liquid crystal lenses
US11899336B2 (en) * 2019-04-19 2024-02-13 Osaka University Liquid crystal element
CN116880091A (zh) * 2019-05-17 2023-10-13 群创光电股份有限公司 电子装置的制造方法
US11442332B1 (en) * 2020-10-26 2022-09-13 Amazon Technologies, Inc. Tunable liquid crystal lens with electrically tunable axis of astigmatism
KR102610633B1 (ko) * 2021-03-15 2023-12-06 호서대학교 산학협력단 프레넬 렌즈의 배선 구조
CN113514974B (zh) * 2021-04-19 2022-07-08 南昌虚拟现实研究院股份有限公司 液晶透镜变焦处理方法及系统
JPWO2023277047A1 (ja) * 2021-07-02 2023-01-05
US12111558B2 (en) * 2022-03-28 2024-10-08 Chengdu Yeta Technology Co., Ltd. Liquid crystal optical device, array, electronic product, and driving method thereof
US12066738B2 (en) * 2022-09-01 2024-08-20 Meta Platforms Technologies, Llc Gradient-index liquid crystal lens having lens segments with optical power gradient
CN118502167A (zh) * 2024-07-17 2024-08-16 南昌虚拟现实研究院股份有限公司 一种变焦液晶透镜

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH1139704A (ja) * 1997-07-16 1999-02-12 Matsushita Electric Ind Co Ltd 光情報読み取り及び記録装置
JP2001209966A (ja) * 2000-01-26 2001-08-03 Pioneer Electronic Corp 光ピックアップ
JP2002237077A (ja) * 2001-02-07 2002-08-23 Pioneer Electronic Corp 収差補正素子及び収差補正ユニット
JP2002319172A (ja) * 2001-04-23 2002-10-31 Asahi Glass Co Ltd 光ヘッド装置
JP2003067969A (ja) * 2001-08-27 2003-03-07 Olympus Optical Co Ltd 光ピックアップ
JP2003123304A (ja) * 2001-10-12 2003-04-25 Asahi Glass Co Ltd 光ヘッド装置
JP2004103058A (ja) * 2002-09-05 2004-04-02 Pioneer Electronic Corp 球面収差補正装置
JP2004101885A (ja) * 2002-09-10 2004-04-02 Pioneer Electronic Corp 液晶レンズ並びにその駆動方法及び装置

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0777031B2 (ja) * 1991-10-16 1995-08-16 インターナショナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレイション 収差補償装置
JPH09189892A (ja) * 1996-01-09 1997-07-22 Olympus Optical Co Ltd 回折光学系およびこれに用いる液晶回折レンズ
JP3656131B2 (ja) 1996-02-23 2005-06-08 旭硝子株式会社 光ヘッド装置
US6169594B1 (en) * 1998-08-24 2001-01-02 Physical Optics Corporation Beam deflector and scanner
US6480454B1 (en) * 1998-12-15 2002-11-12 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Optical element, optical head using the optical element, and optical recording and reproducing apparatus using the optical element
JP2002352470A (ja) * 2000-07-24 2002-12-06 Matsushita Electric Ind Co Ltd 光記録媒体
JP2003115127A (ja) 2001-10-01 2003-04-18 Sony Corp 光学ピックアップ装置
JP4341332B2 (ja) * 2002-07-31 2009-10-07 旭硝子株式会社 光ヘッド装置
JP2004171644A (ja) * 2002-11-19 2004-06-17 Pioneer Electronic Corp 光ピックアップ
EP1713067A4 (en) * 2004-02-03 2008-12-24 Asahi Glass Co Ltd LIQUID CRYSTAL OBJECTIVE ELEMENT AND OPTICAL HEAD DEVICE
KR101047830B1 (ko) * 2004-04-30 2011-07-08 아사히 가라스 가부시키가이샤 액정 렌즈 소자 및 광헤드 장치
KR20070065317A (ko) * 2004-10-19 2007-06-22 아사히 가라스 가부시키가이샤 액정 회절 렌즈 소자 및 광헤드 장치

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH1139704A (ja) * 1997-07-16 1999-02-12 Matsushita Electric Ind Co Ltd 光情報読み取り及び記録装置
JP2001209966A (ja) * 2000-01-26 2001-08-03 Pioneer Electronic Corp 光ピックアップ
JP2002237077A (ja) * 2001-02-07 2002-08-23 Pioneer Electronic Corp 収差補正素子及び収差補正ユニット
JP2002319172A (ja) * 2001-04-23 2002-10-31 Asahi Glass Co Ltd 光ヘッド装置
JP2003067969A (ja) * 2001-08-27 2003-03-07 Olympus Optical Co Ltd 光ピックアップ
JP2003123304A (ja) * 2001-10-12 2003-04-25 Asahi Glass Co Ltd 光ヘッド装置
JP2004103058A (ja) * 2002-09-05 2004-04-02 Pioneer Electronic Corp 球面収差補正装置
JP2004101885A (ja) * 2002-09-10 2004-04-02 Pioneer Electronic Corp 液晶レンズ並びにその駆動方法及び装置

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1895526A1 (en) * 2006-08-24 2008-03-05 Funai Electric Co., Ltd. Optical pickup device
EP2135130A1 (en) * 2007-03-12 2009-12-23 Pixeloptics Inc. Electrical insulating layers, uv protection, and voltage spiking for electro-active diffractive optics
EP2135130A4 (en) * 2007-03-12 2012-07-11 Pixeloptics Inc ELECTRICAL INSULATING LAYERS, UV PROTECTION AND VOLTAGE SPIKING FOR ELECTROACTIVE PASSING OPTICS
WO2010023835A1 (ja) * 2008-08-27 2010-03-04 日立マクセル株式会社 液晶素子及び光ピックアップ光学系
CN115453823A (zh) * 2021-06-09 2022-12-09 电子科技大学 无掩模光刻方法和无掩模光刻设备
WO2023106388A1 (ja) * 2021-12-11 2023-06-15 株式会社エルシオ 光学素子及び眼鏡
CN114296266A (zh) * 2022-01-25 2022-04-08 电子科技大学 可电控调焦的折射型液晶光剑器件及工作方法
CN114296266B (zh) * 2022-01-25 2023-05-05 电子科技大学 可电控调焦的折射型液晶光剑器件及工作方法

Also Published As

Publication number Publication date
US20070183293A1 (en) 2007-08-09
EP1785991A4 (en) 2009-01-07
TW200609554A (en) 2006-03-16
EP1785991A1 (en) 2007-05-16
KR20070035043A (ko) 2007-03-29
US7773489B2 (en) 2010-08-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2006013901A1 (ja) 液晶レンズ素子および光ヘッド装置
JP4720507B2 (ja) 液晶レンズ素子および光ヘッド装置
JP4479726B2 (ja) 液晶レンズ素子および光ヘッド装置
JP4752763B2 (ja) 液晶レンズ素子および光ヘッド装置
JP4835437B2 (ja) 液晶レンズ素子および光ヘッド装置
JP4692489B2 (ja) 液晶回折レンズ素子および光ヘッド装置
JP4501611B2 (ja) 液晶レンズ素子および光ヘッド装置
JP4508048B2 (ja) 液晶レンズおよび光ヘッド装置
JP4552556B2 (ja) 液晶レンズ素子および光ヘッド装置
JP4915028B2 (ja) 光ヘッド装置
JP4300784B2 (ja) 光ヘッド装置
JP4380477B2 (ja) 液晶レンズ素子および光ヘッド装置
JP4082072B2 (ja) 光ヘッド装置
JP4696883B2 (ja) 位相補正素子および光ヘッド装置
JP2011181177A (ja) 光ヘッド装置
JP2010086621A (ja) 光ヘッド装置

Legal Events

Date Code Title Description
AK Designated states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AE AG AL AM AT AU AZ BA BB BG BR BW BY BZ CA CH CN CO CR CU CZ DE DK DM DZ EC EE EG ES FI GB GD GE GH GM HR HU ID IL IN IS KE KG KM KP KR KZ LC LK LR LS LT LU LV MA MD MG MK MN MW MX MZ NA NG NI NO NZ OM PG PH PL PT RO RU SC SD SE SG SK SL SM SY TJ TM TN TR TT TZ UA UG US UZ VC VN YU ZA ZM ZW

AL Designated countries for regional patents

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): BW GH GM KE LS MW MZ NA SD SL SZ TZ UG ZM ZW AM AZ BY KG KZ MD RU TJ TM AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HU IE IS IT LT LU LV MC NL PL PT RO SE SI SK TR BF BJ CF CG CI CM GA GN GQ GW ML MR NE SN TD TG

DPEN Request for preliminary examination filed prior to expiration of 19th month from priority date (pct application filed from 20040101)
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 1020077001474

Country of ref document: KR

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 200580025664.2

Country of ref document: CN

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 11670780

Country of ref document: US

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2005768458

Country of ref document: EP

WWP Wipo information: published in national office

Ref document number: 1020077001474

Country of ref document: KR

WWP Wipo information: published in national office

Ref document number: 2005768458

Country of ref document: EP

WWP Wipo information: published in national office

Ref document number: 11670780

Country of ref document: US