(57)【要約】  【課題】  記録層を２つ備えた２層光ディスクにおいて、入射する偏光方向によらず層間厚みにより発生する球面収差を補正すると共に、記録層のカバー厚ばらつきにより発生する球面収差をも補正する、液晶レンズ素子及び光ヘッド装置を得る。  【解決手段】  液晶配向方向が直交した２つのフレネルレンズ部１０Ａ、１０Ｂと、電極レンズ部１０Ｃを備えた液晶レンズ素子１０であり、フレネルレンズ部１０Ａ、１０Ｂに印加する電圧により、記録層間厚による球面収差を補正して、電極レンズ部１０Ｃに備えた複合電極に印加する電圧により、カバー厚ばらつきによる球面収差を補正する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液晶に印加する電圧の大きさに応じて、前記液晶を透過する光の焦点距離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一致することを特徴とする液晶レンズ素子。
【請求項２】
前記電極レンズ部に設置された対向する前記電極対のいずれか一方が前記複合電極であって、
前記複合電極は、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からなる低抵抗電極とからなる請求項１に記載の液晶レンズ素子。
【請求項３】
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からなる請求項１に記載の液晶レンズ素子。
【請求項４】
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１から３記載の液晶レンズ素子。
【請求項５】
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、積層して一体化してあるとともに、
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請求項１から４のいずれか1項に記載の液晶レンズ素子。
【請求項６】
前記光の波長に対する位相差がπ／２の奇数倍である位相板を一体化している請求項５に記載の液晶レンズ素子。
【請求項７】
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、一致することを特徴とする請求項１に記載の液晶レンズ素子。
【請求項８】
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からなる低抵抗電極とからなる請求項７に記載の液晶レンズ素子。
【請求項９】
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７に記載の液晶レンズ素子。
【請求項１０】
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から９のいずれか１項に記載の液晶レンズ素子。
【請求項１１】
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化しているとともに、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化していることを特徴とする請求項７から１０記載の液晶レンズ素子。
【請求項１２】
光源と、
この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請求項１から６のいずれか１項に記載の液晶レンズ素子と
を備えていることを特徴とする光ヘッド装置。
【請求項１３】
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請求項１２に記載の光ヘッド装置。
【請求項１４】
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、請求項７から１１のいずれか１項に記載の液晶レンズ素子を配置することを特徴とする光ヘッド装置。
【請求項１５】
光源と、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と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化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化した復路用液晶レンズ素子からなる請求項７から１０記載の液晶レンズ素子の、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、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ことを特徴とする光ヘッド装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液晶レンズ素子および光ヘッド装置に係り、特に印加電圧の大きさに応じて異なる焦点距離に切り換えることができる液晶レンズ、およびこの液晶レンズを搭載した光記録媒体への情報の記録および／または再生に使用する光ヘッド装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光入射側の面に形成された情報記録層と、この情報記録層を覆う透明樹脂からなるカバー層とを有する光記録媒体（以後、「光ディスク」という）として、ＣＤとともにＤＶＤなどが普及している。一方、ＤＶＤへの情報の記録および／または再生に用いる光ヘッド装置には、光源として波長が６６０ｎｍ帯の半導体レーザと、ＮＡ（開口数）が０．６から０．６５までの対物レンズなどを備えたものが知られている。
ところで、従来、一般に用いられているＤＶＤは、情報記録層が単層でカバー厚が０．６ｍｍである（以下、「単層光ディスク」という）。ところが、近年、光ディスク１枚当たりの情報量を増大させるために、情報記録層を２層とした（再生専用、または再生および記録可能な）光ディスク（以下、「２層光ディスク」という）も開発されている。
【０００３】
このような単層光ディスクに対して収差がゼロとなるように最適設計された対物レンズを有する光ヘッド装置を用いて、２層光ディスクへの記録および／または再生する場合、カバー厚が異なると、カバー厚の相違に応じて球面収差が発生し、情報記録層への入射光の集光性が劣化する。特に、記録型の２層光ディスクにおいて、集光性の劣化は記録時の集光パワー密度の低下につながり、書き込みエラーを招くため問題となる。
近年、さらに光ディスクの記録密度を向上させるため、カバー厚が０．１ｍｍの光ディスク（以下、「高密度光ディスク」とよぶ）も提案されている。一方、この光ディスクへの情報記録用の光ヘッド装置には、光源として波長が４０５ｎｍ帯の青色レーザ光を出射する半導体レーザと、ＮＡが０．８５の対物レンズとを備えるタイプのものも開発されている。ところが、このタイプの光ヘッド装置の場合も、記録型の２層光ディスクについては、カバー厚の相違に応じて発生する球面収差が書き込みエラーを招くため、問題となる。
【０００４】
そこで、従来、上記のような２層光ディスク等のカバー厚の相違に起因して発生する球面収差を補正する手段として、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、可動レンズ群を用いて球面収差補正を行うために、図１６に示すような、光ディスクＤの記録・再生を行う光ヘッド装置１００が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
この光ヘッド装置１００は、光源１１０と、各種の光学系１２０と、受光素子１３０と、制御回路１４０と、変調／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は、凹レンズ１６１と、凸レンズ１６２と、アクチュエータ１６３とを備えており、アクチュエータ１６３に固定された凸レンズ１６２を光軸方向に移動することにより、可動レンズ群１６０のパワーが正（凸レンズ）から負（凹レンズ）へと連続的に変わる焦点距離可変レンズ機能を発現する。
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（図略）に入射光の焦点を合わせることができるパワー成分を含む球面収差の補正が可能となる。
ところが、この可動レンズ群１６０を用いた場合、一対のレンズ１６１、１６２とアクチュエータ１６３とが必要となる分、光ヘッド装置１００の大型化を招くとともに、可動させるための機構設計が複雑になる問題があった。
【０００５】
（II）また、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１７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（例えば、特許文献２参照）。
この液晶レンズ２００は、平坦な一面に透明電極２１０および配向フィルム２２０が形成された基板２３０と、軸対称で半径ｒのベキ乗の和である次式
Ｓ（ｒ）＝α１ｒ２＋α２ｒ４＋α３ｒ６＋・・・＋αｍｒ２ｍ＋・・・
・・・（１）          但し、ｒ２＝ｘ２＋ｙ２
α１、α２、α３、・・・、αｍ；定数
で記述される表面形状Ｓ（ｒ）を有する曲面に透明電極２４０と配向フィルム２５０が形成された、基板２６０とにより狭持されるネマティック液晶２７０とを備えた構成となっている。
この液晶レンズ２００は、透明電極２１０、２４０間に電圧が印加されると、液晶２７０の分子配向が変化し、屈折率が変わる。その結果、基板２６０と液晶２７０の屈折率差に応じて、透過光の波面が変化する。
ここで、基板２６０の屈折率は電圧非印加時の液晶２７０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△ｎが発生し、△ｎ×Ｓ（ｒ）（但し、Ｓ（ｒ）は（１）式参照）に相当する透過光の位相差が生じる。
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）を加工し、印加電圧に応じて屈折率差△ｎ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１７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、入射光の焦点を変化させるパワー成分に相当する大きな位相差分布△ｎ×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、駆動電圧の増加および応答が遅くなる問題が生じる。
そこで、液晶層を薄くするためには、パワー成分を除いた収差補正量が最も少ない球面収差のみを補正することが有効である。しかし、球面収差のみを補正するように基板２６０の表面形状Ｓ（ｒ）を加工した場合、光ディスクの情報記録層に入射光を集光する対物レンズの光軸と液晶レンズの光軸とが偏心した時、コマ収差が発生してしまい、情報記録層への集光性が劣化して記録や再生ができない問題が生じる。
【０００６】
（III）液晶層を厚くすることなく入射光の焦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１８に示すような液晶回折レンズ３００も提案されている（例えば、特許文献３参照）。
この液晶回折レンズ３００は、所定の鋸歯状レリーフが形成された基板３１０の片面に透明電極３２０が形成され、この透明電極３２０と対向電極３３０により液晶層３４０を狭持している。この電極３２０、３３０間に電圧を印加すると、異常光偏光に対して液晶層３４０の実質的な屈折率は異常光屈折率ｎｅから常光屈折率ｎｏへと変化する。ここで、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３１０の屈折率をｎ１、入射光の波長をλ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
ｄ＝λ／（ｎｅ−ｎ１）
形成することにより、電圧非印加時に波長λ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３００では、鋸歯状レリーフの溝を埋めるように液晶層３４０に液晶を充填すればよいため、前述の図１７に示す液晶レンズ２００を用い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３４０は薄くできる。
しかしながら、この液晶回折レンズ３００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、ＮＡ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が、対物レンズＮＡ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い液晶回折レンズ３００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。
【０００７】
更に、図１７に示す液晶レンズや図１８に示すような液晶回折レンズでは、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（光ディスクに向かう光）と復路光（光ディスクから反射された光）の何れか一方の光しか、球面収差を補正することができないといった問題が発生する。
【特許文献１】特開２００３−１１５１２７号公報
【特許文献２】特開平５−２０５２８２号公報
【特許文献３】特開平９−１８９８９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、可動部のない小型の素子が実現可能であるとともに、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焦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。また、本発明は、この液晶レンズ素子を用いることにより、単層および２層光ディスクにおけるカバー厚の相違に起因して発生する球面収差を補正し、安定した記録および／または再生ができる光ヘッド装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、液晶に印加する電圧の大きさに応じて、前記液晶を透過する光の焦点距離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一致することを特徴とする液晶レンズ素子を提供する。
【００１０】
また、前記電極レンズ部に設置された対向する前記電極対のいずれか一方が前記複合電極であって前記複合電極は、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からなる低抵抗電極とからなる上記の液晶レンズ素子を提供する。
【００１１】
また、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からなることを特徴とする液晶レンズ素子を提供する。
【００１２】
また、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ことを特徴とする上記の液晶レンズ素子を提供する。
【００１３】
また、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、積層して一体化してあるとともに、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ことを特徴とする上記の液晶レンズ素子を提供する。
【００１４】
また、前記光の波長に対する位相差がπ／２の奇数倍である位相板を一体化していることを特徴とする上記の液晶レンズ素子を提供する。
【００１５】
また、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、一致することを特徴とする上記の液晶レンズ素子を提供する。
【００１６】
また、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からなる低抵抗電極とからなることを特徴とする上記の液晶レンズ素子を提供する。
【００１７】
また、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ことを特徴とする上記の液晶レンズ素子を提供する。
【００１８】
また、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ことを特徴とする上記の液晶レンズ素子を提供する。
【００１９】
また、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化しているとともに、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化していることを特徴とする請求項７から１０記載の液晶レンズ素子を提供する。
【００２０】
また、本発明は、光源と、この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請求項１から６のいずれか１項に記載の液晶レンズ素子とを備えていることを特徴とする光ヘッド装置を提供する。
【００２１】
また、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ことを特徴とする上記の光ヘッド装置を提供する。
【００２２】
また、本発明は、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、請求項７から１１のいずれか１項に記載の液晶レンズ素子を配置することを特徴とする光ヘッド装置を提供する。
【００２３】
また、本発明は、光源と、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と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化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化した復路用液晶レンズ素子からなる請求項７から１０記載の液晶レンズ素子の、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、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ことを特徴とする光ヘッド装置を提供する。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、印加電圧に応じて透過波面が変化するため、焦点距離可変液晶レンズが実現できる。しかも、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いるために、入射偏光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／または再生ができる光ヘッド装置が提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
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詳細に説明する。
［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態に係る液晶レンズ素子の構成例について以下に説明する。
図１は本発明の液晶レンズ素子の第１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１１〜１４及び３つの液晶層２４〜２６により積層一体化されている。
【００２６】
図２は、本発明の第１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３は、本発明の液晶レンズ素子の第１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３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。
【００２７】
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。さらに、透明電極１６、１８の上面に、屈折率ｎｓの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や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３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い。
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ニングしてシール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ｎｏおよび異常光屈折率ｎｅ（但し、ｎｏ≠ｎｅ）を有する液晶を注入し、この注入口を封止して液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。
【００２８】
次に、本発明の液晶レンズ素子の第１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。
【００２９】
以下、フレネルレンズ部１０Ａ、１０Ｂ、電極レンズ部１０Ｃに関して順に詳述する。
・  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が、次式のようなベキ級数
φ（ｒ）＝ａ１ｒ２＋ａ２ｒ４＋ａ３ｒ６＋ａ４ｒ８＋        ・・・（３）            但し、ｒ２＝ｘ２＋ｙ２
ａ１、ａ２、・・・；定数
で記述されるようにする。
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４に符号Ｐ１及びＰ２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４のＰ１、Ｐ２で示すグラフを波長λ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Ｆ１、Ｆ２は、グラフＰ１、Ｐ２とは実質的に同等である。グラフＦ１、Ｆ２に示す位相差分布は、全てλ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Ｆ１、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Ｆ１、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く、紫外線硬化樹脂や熱効果樹脂、感光性樹脂などの有機材料でもよいし、ＳｉＯ２やＡｌ２Ｏ３やＳｉＯｘＮｙ（但し、ｘ，ｙはＯとＮの元素比率を示す）などの無機材料でもよい。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く、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。
【００３０】
図５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ｄＦはゼロからｄまで分布し、液晶層２４（または、２５）の層厚ｄＬＣはＧからＧ−ｄまで分布している。ここで、間隔Ｇ（＝ｄＦ＋ｄＬＣ）は一定値である。
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εＦに応じて、液晶層２４に印加される実効的な電圧ＶＬＣが変化する。具体的には、電極１５、１６間に印加した交流電圧Ｖとすると、ＶＬＣ／Ｖは、次式で記載される。
ＶＬＣ／Ｖ＝１／｛１＋（εＬＣ／εＦ）×（ｄＦ／ｄＬＣ）｝
・・・（４）
ここで、凹凸部２７の膜厚ｄＦはフレネルレンズを形成する鋸歯状または鋸歯を階段形状で近似した断面形状に対応してゼロからｄまで分布するため、ｄＦ／ｄＬＣはゼロからｄ／（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ＶＬＣは凹凸部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が変化し、液晶分子の配向の変化により液晶層２４の比誘電率εＬＣも変化する。従って、（４）式において、比誘電率εＬＣのＶＬＣ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ＶＬＣの空間分布が定まる。ここで、ＶＬＣは膜厚ｄＦに応じて変化するため、今後、印加電圧はＶＬＣ［ｄＦ］と表記する。なお、膜厚ｄＦがゼロである位置においてＶＬＣ［０］は、電極間印加電圧Ｖに等しい。
【００３１】
ところで、液晶層２４に印加される電圧ＶＬＣが凹凸部２７の形状に応じて異なるため、異常光偏光に対する液晶層２４の実質的な屈折率ｎ（ＶＬＣ［ｄＦ］）に空間分布が生じる。例えば、図５において、凹凸部２７の膜厚ｄＦの位置における電極１５と１６の間の光路長はｎｓ×ｄＦ＋ｎ（ＶＬＣ［ｄＦ］）×ｄＬＣであり、凹凸部２７のないフレネルレンズ中心位置（ｄＦ＝０）における光路長ｎ（Ｖ）×Ｇに対する位相差φｄＦは次式となる。
φｄＦ＝｛ｎｓ×ｄＦ＋ｎ（ＶＬＣ［ｄＦ］）×（Ｇ−ｄＦ）｝
−ｎ（Ｖ）×Ｇ                                  ・・・（５）
ここで、膜厚ｄＦはゼロからｄまで分布し、位相差φｄＦはゼロから次式のφｄまで分布する。
φｄ＝｛ｎｓ×ｄ＋ｎ（ＶＬＣ［ｄ］）×（Ｇ−ｄ）｝−ｎ（Ｖ）×Ｇ
＝｛ｎ（ＶＬＣ［ｄ］）−ｎ（Ｖ）｝×Ｇ
−｛ｎ（ＶＬＣ［ｄ］）−ｎｓ｝×ｄ
例えば、印加電圧Ｖ＋１において、図４のグラフＦ１に相当する透過波面の位相差を生成するためには、位相差φｄが略λ（すなわち、０．７５λ〜１．２５λ）となるように、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の膜厚がゼロからｄＦに至る断面形状とすればよい。
【００３２】
ここで、印加電圧Ｖを変化させることにより、（５）式の位相差が変化する。例えば、
ｉ）凹凸部２７の膜厚ｄＦがゼロからｄまで分布するとき、（５）式の位相差が入射光の波長λに対して充分小さな値となる印加電圧Ｖ０が存在する。このとき、液晶レンズ素子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λ／５以下、さらに好ましくはλ／１０以下である。また、
ｉｉ）位相差φｄが略−λ（すなわち、−０．７５λから−１．２５λ）となる印加電圧Ｖ−１において、図４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４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＋１、Ｖ０、Ｖ−１を切り替えることにより、３種類の透過波面を選択的に切り替えることが可能となる。
ここで、印加電圧Ｖ＋１、Ｖ０、Ｖ−１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６（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。
【００３３】
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（ｄＦ＝０）に対する、膜厚ｄＦである位置における位相差φｄは、常光偏光では、
φｄ＝（ｎｓ−ｎｏ）×ｄ                                  ・・・（６）
であり、凹凸部２７の屈折率ｎｓと液晶の常光屈折率ｎｏの差に比例する。ここで、凹凸部２７の屈折率ｎｓと液晶の常光屈折率ｎｏを等しくすることが望ましい。こ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φｄが０となるため、透過光波面は変化しない。
また、図４のＰ１、Ｐ２で示す位相差を波長λ間隔で区切った位相差であるＦ１、Ｆ２を生成する液晶レンズ素子以外に、位相差φｄが略ｍλ（ｍ＝２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４のＰ１、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、（３）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、（３）式以外の軸非対称なコマ収差や非点収差などの補正に相当する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からなる凹凸部２７、２８の断面形状を鋸歯状とする必要はなく、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ｎｓの均一屈折率透明材料としているが、分子配向方向が基板面内で一方向に揃った高分子液晶などの複屈折材料を用いてもよい。この場合、複屈折材料の異常光屈折率をｎｓとし、常光屈折率を液晶の常光屈折率ｎｏ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い。これにより、さらに多様な位相差分布を生成できる。
【００３４】
（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３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７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３１〜３４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７に示すＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの各点は、各々、低抵抗電極３１、３２、３３、３４の位置に対応し、目的とするパワーα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αと位相差βの差の標準偏差が、入射する光の波長λの２０分の１以下であればよく、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い。
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く、かつ、透明な材料であれば良く、亜鉛、鉛、錫、インジウムなどの酸化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化物を含む透明な組成物であっても良く、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３の構成例においては、低抵抗電極３１〜３４は、電極取出部３１Ａ〜３４Ａに接続されて（図示せず）外部信号源３０に接続されているが、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３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からなる位相差分布を得ることもできる。
【００３５】
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が、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率異方性を有する液晶を用いてもよい。
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ったり、位置調整が複雑になる問題が発生するので、図１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、位相差板や、回折格子、複屈折性ホログラム素子、波長依存性回折格子などの光部品を適宜積層して一体化しても良く、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、透明基板に成型されていたり、張合わされていてもよい。
【００３６】
［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態に係る液晶レンズ素子について、図８を参照しながら説明する。
図８は、本発明の液晶レンズ素子の第２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１に示した第１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８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１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。
【００３７】
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４１〜４４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７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の位置が、図７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αに略一致した位相差β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、Ｙ方向にストライブ状に配置された低抵抗電極５１〜５４の位置が、図７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αに略一致した位相差βを生成する電圧分布を得ることができる。
【００３８】
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１の実施形態における、透明電極１９及び複合電極２０(図１参照)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α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１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く、少ない信号線数で駆動できるため好ましい。
【００３９】
［第３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９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／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Ｄ１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、４０５ｎｍ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ー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１の実施形態または第２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９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。
【００４０】
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方向の直線偏光は、偏光ビームスプリッタ９２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方向の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。
【００４１】
次に、液晶レンズ素子６４として本発明の第１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Ｄ１，Ｄ２に情報を記録および／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、カ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９５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／または再生の場合：
第１記録層Ｄ１への記録および／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＋１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６（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／または再生の場合：
第２記録層Ｄ２への記録および／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−1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６（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。
【００４２】
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配向方向に一致した直線偏光であることが望ましい。
前述のように、図９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から反射した光である復路光の偏光が直交している。従って、往路光の偏光と第２のフレネルレンズ部の液晶配向方向と一致し、復路光の偏光と第１のフレネルレンズ部の液晶配向方向が一致していれば、往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、波面は変化しないため好ましい。
【００４３】
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Ｄ１，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Ｄ１，Ｄ２の基準カバー厚差に関しては、精度良く補正することができる。しかしながら、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か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ワー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ワーにより補正し、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。
【００４４】
［第４の実施形態］
本発明の第４の実施形態に係る液晶レンズ素子７０の構成例について以下に説明する。図１０は、本発明の液晶レンズ素子の第４の実施形態を示す断面図である。なお、図１０において、図１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４の実施形態に係る液晶レンズ素子７０は、図１に示す本発明の第１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１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。
【００４５】
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１０Ｃと第２電極レンズ部１０Ｄとが一体化された電極レンズ部７０Ｂとからなる。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１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１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。
【００４６】
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１３Ｃ、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２６Ｂ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。
【００４７】
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３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。
【００４８】
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。
【００４９】
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に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９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３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。
【００５０】
［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８０の構成例について、以下に説明する。図１１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。図１１において、図１０と同じ構成要素は同一符号を用いている。
本実施形態に係る液晶レンズ素子８０は、図１０に示す本発明の第４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４の実施形態に係る液晶レンズ素子７０と同じである。
【００５１】
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。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。
【００５２】
ここで、図９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４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１２に示す。この図１２において、図９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１２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６３Ａ、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が、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）に対してレンズ作用を有する液晶レンズ部８０Ｂと、復路の直線偏光（紙面に垂直な偏光）に対してレンズ作用を有する液晶レンズ部８０Ａとが、それぞれコリメータレンズ６３Ｂ、６３Ａ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。
【００５３】
［第６の実施形態］
次に、本発明の第６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１、図１０及び図１１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、負の誘電率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ｎFが液晶層の常光屈折率ｎoと同一またはこれに近い値の均一屈折率材料からなる。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。
【００５４】
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６（Ｂ）に示すように、透過波面変化なしで、オン状態では、図６（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・オフ切り替えにより、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、２８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１、図１０或いは図１１に示す何れの構成としてもよい。
【００５５】
次に、本実施形態の液晶レンズ素子を、図９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１００μｍ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３の実施形態の光ヘッド装置と同じである。
カバー厚１００μｍ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７５μｍｍ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３或いは第４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、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３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＋１、Ｖ＋０、Ｖ−１に切り替えることにより、それぞれ“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が、本実施形態の液晶レンズ素子では、印加電圧のオフ・オン切り替えで、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３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用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、高い効率が得やすいといった長所がある。
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しい。      
【実施例】
【００５６】
「例１」
次に、第１の実施形態に示した本発明の液晶レンズ素子１０の具体的な実施例について、図１を参照しながら以下に説明する。
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、パターニ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ｎＳ（＝１．５２）、比誘電率εＳ（＝４）の均一屈折率材料であるＳｉＯＮ膜を膜厚ｄ（＝２．９μｍｍ）となるように蒸着する。次に、図４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１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４０Ω／□のＩＴＯ膜を成膜した後、図３に示すように、パターニ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１０６Ω／□の酸化錫膜を成膜した後、パターニ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Ｙ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１５μｍのギャップ制御材が混入された接着材を印刷パターニングしてシール２１〜２３を形成し、透明基板１１〜１４を重ね合わせて圧着し、透明電極間隔が１５μｍの空セルを作製する。
その後、常光屈折率ｎｏ（＝１．５２）および異常光屈折率ｎｅ（＝１．７０）の正の誘電異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樹脂により封止した後、導通接続手段２９を接続して図１に示す液晶レンズ素子１０とする。
【００５７】
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ｎｅ（＝１．７０）からｎｏ（＝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ＶＬＣは、（４）式により、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φｄは、凹凸部２７、２８の膜厚ｄＦに応じて（５）式のように変化する。
【００５８】
次に、図１３は、第１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１３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０Ｖとする。
図１において、Ｘ方向の直線偏光を入射すると、液晶層２４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ｄＦに応じて（５）式のように電圧により変化する。
印加電圧１．３５Ｖでは、ｎ（ＶＬＣ［ｄＦ］）＞ｎＳであり、凹凸部２８の最薄部と最厚部の位相差がλとなって、図６（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１３のグラフＡ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（ＶＬＣ［ｄＦ］）＜ｎＳであり、−１次のフレネル回折効率は、図１３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（ＶＬＣ［ｄＦ］）≒ｎＳとなり、波面はほとんど変化せず、０次のフレネル回折として図１３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ｎｏ＝ｎＳと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。
【００５９】
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の配向方向Ｘ方向に等しい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ＶＡ、ＶＢ、ＶＣ、ＶＤとし、０（Ｖ）＜ＶＡ＜ＶＢ＜ＶＣ＜ＶＤとなる適切な電圧を印加する。すると、図７のグラフβに示すように、最大１．５λの位相差を得ることができる。逆に、０（Ｖ）＜ＶＤ＜ＶＣ＜ＶＢ＜ＶＡとなる適切な電圧を印加すれば、図７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±１．５λ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。
【００６０】
「例２」
次に、図９に示す光ヘッド装置６０に、例１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のカバー厚は７５μｍ、第２記録層Ｄ２のカバー厚は１００μｍ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、８７．５μｍ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。
【００６１】
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、Ｖ０＝１．７４Ｖを印加すると、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０．１λｒｍｓ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＝１．３５Ｖを印加して第１記録層Ｄ１に集光する場合と、透明電極間にＶ−１＝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０．０１λｒｍｓ以下になり、集光性能が改善される。
【００６２】
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７０μｍ〜８０μｍ及び９５μｍ〜１０５μｍ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１４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１４に示すように、液晶レンズ素子１０では、カバー厚が７５μｍ、１００μｍ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１４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７０〜８０μｍ又は９５〜１０５μｍの範囲で残存する波面収差の大きさをλ／３０ｒｍｓ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。
【００６３】
「例３」
次に、第６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１０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３」において「例１」の液晶レンズ素子１０（図１参照）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からなる点である。
【００６４】
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から成る透明電極膜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ｎＳ（＝１．５２）、比誘電率εＳ（＝４）の均一屈折率材料であるＳｉＯＮ膜を膜厚ｄ（＝１．５μｍｍ）となるように成膜する。次に、このＳｉＯＮ膜について、図４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１０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から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７μｍのギャップ制御材が混入された接着材を印刷パターニングしてシール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７μｍの空セルを作製する。
その後、常光屈折率ｎｏ（＝１．５２）及び異常光屈折率ｎｅ（＝１．７０）の負の誘電異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樹脂により封止し、図１０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。
【００６５】
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１０及び図３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、シート抵抗値が４０Ω／□のＩＴＯ膜を成膜した後、パターニングして低抵抗電極３１〜３５（図３参照）を形成し、さらに、シート抵抗値が１０６Ω／□の酸化錫膜を成膜した後、パターニングして高抵抗平面電極３５（図３参照）を形成する。さらに、透明電極１９、１９Ｂ及び前述の複合電極２０、２０Ｂ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２０Ｂの表面をＹ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ｎｏ（＝１．５２）及び異常光屈折率ｎｅ（＝１．７０）の正の誘電異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２６、２７とする。その後、注入口を紫外線硬化樹脂により封止し、図１０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は負の誘電率異方性を有する垂直配向液晶で、液晶層２６と２７は正の誘電率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ｎｏ（＝１．５２）からｎｅ（＝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ｎｅ（＝１．７０）からｎｏ（＝１．５２）まで変化する。
【００６６】
図１５は、この「例３」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１５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、“レンズ作用なし”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２４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及び凹凸部２８で発生する位相差は、凹凸部２８の膜厚ｄＦに応じ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λとなって、図６（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方向の直線偏光を入射すると、液晶層２５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、印加電圧によらず光は透過する。一方、液晶層２４はＹ方向に配向しているので、液晶層２４及び凹凸部２７で発生する位相差は、凹凸部２７の膜厚ｄＦに応じ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λとなって、図６（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１３および図１５の印加電圧単位Ｖｒｍｓのｒｍｓは交流実効電圧を意味する。
【００６７】
以上のように、印加電圧を０Ｖ（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“レンズ作用なし”、“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方向の直線偏光に対して、すなわち入射光の偏光状態に係わらず、印加電圧のオン・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間に電圧を印加する。液晶層２６と液晶層２６Ｂの配向方向が直交しているため、Ｘ方向及びＹ方向の直線偏光に対して、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きる。
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。
【００６８】
次に、本発明の液晶レンズ素子７０を、図９の光ヘッド装置９０の液晶レンズ素子６４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・再生に用いてみた。
（I）初めに、カバー厚１００μｍ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７５μｍ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±５μｍ変動した場合に、残留するＲＭＳ波面収差の計算結果を図１４のＡに示す。カバー厚１００μｍ及び７５μｍにおいて、ＲＭＳ波面収差は０．０１λｒｍｓ以下となり、カバー厚が±５μｍ変動した場合、０．０５λｒｍｓ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１４（Ｂ）に示す。カバー厚が±５μｍ変動した場合でも、０．０３λｒｍｓ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１４に示すＲＭＳ波面収差はほとんど劣化しない。従って、本発明の液晶レンズ素子７０を搭載した光ヘッド装置９０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。
【００６９】
なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施し得るものである。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明の液晶レンズ素子は、印加電圧を切り換えることにより焦点距離が離散的に大きく切り換わる焦点距離切り換えレンズとして利用できると共に、印加電圧の大きさに応じて焦点距離が連続的に変化する焦点可変レンズをしても利用できる。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／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いため、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。さらに、光源や光検出器やビームスプリッタなどと一体化した小型なユニットとして光ヘッド装置などに利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る液晶レンズ素子を示す断面図。
【図２】本発明の第１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。
【図３】本発明の第１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４】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、Ｐ１、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、Ｆ１、Ｆ２はＰ１、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５】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６】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、（Ａ）は印加電圧Ｖ＋１のときの収束透過波面、（Ｂ）は印加電圧Ｖ０のときの波面変化がない透過波面、（Ｃ）は印加電圧Ｖ−１のときの発散透過波面を示す。
【図７】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８】（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ本発明の第２の実施形態に係る液晶レンズ素子の電極レンズ部を構成する複合電極の上面図。
【図９】本発明の光ヘッド装置の一例を示す構成図。
【図１０】本発明の液晶レンズ素子の第４の実施形態を示す断面図。
【図１１】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。
【図１２】本発明の光ヘッド装置の他の一例を示す模式図。
【図１３】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。
【図１４】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１５】本発明の液晶レンズ素子の第６の実施形態である、第３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１６】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１７】従来の液晶レンズの構成例を示す断面図。
【図１８】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】
【００７２】
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
４０、５０  複合電極
４５、５５  高抵抗平面電極
４１〜４４、５１〜５４  低抵抗電極
６１  半導体レーザ
６２  偏光ビームスプリッタ
６３  コリメータレンズ
６４  液晶レンズ素子
６５  ４分の１波長板
６６  対物レンズ
６７  シリンドリカルレンズ
６８  光検出器
７０Ａ  フレネルレンズ部
７０Ｂ  電極レンズ部
８０Ａ  復路用液晶レンズ部
８０Ｂ  往路用液晶レンズ部
Ｄ  光ディスク
Ｄ１  第１記録層
Ｄ２  第２記録層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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