(57)【要約】  【課題】  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３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。  【解決手段】  透明基板１１の一方面に透明電極１３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１７とを複数の輪帯状に形成し、透明基板１２の一方面に透明電極１４を形成し、透明電極１３、１４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１１の鋸歯状の凹凸部１７の輪帯状の分割位置と一致させる。【選択図】  図１
2006048818.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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に印加する電圧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、
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から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、輪帯状に分割した電極セグメントで構成し、
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ことを特徴とする液晶レンズ素子。
【請求項２】
前記輪帯状に分割した前記各電極セグメントと、この電極セグメントと隣合う分割された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１の液晶レンズ素子。
【請求項３】
前記輪帯状に分割した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１または２の液晶レンズ素子。
【請求項４】
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請求項１から３いずれかに記載の液晶レンズ素子。
【請求項５】
波長λの光を出射する光源と、この光源からの出射光を光記録媒体に集光する対物レンズと、この対物レンズにより集光され前記光記録媒体により反射された光を分波するビームスプリッタと、前記分波された光を検出する光検出器とを備えた光ヘッド装置において、
前記光源と前記対物レンズとの間の光路中に、請求項１から４いずれかに記載の液晶レンズ素子を設置してい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、液晶レンズ素子に係り、特に複数の印加電圧の切り替えに応じて複数の異なる焦点距離に切り替えることができる液晶レンズ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／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ＤＶＤ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／または再生（以下、「記録・再生」という）に用いる光ヘッド装置が開発されているが、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な）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±１５μｍであり、光入射側のカバー厚が０．５６ｍｍのところから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１００μｍの光ディスク（以下、「単層ＢＤ光ディスク」とよぶ）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カバー厚が±５μｍ変動すると、ＲＭＳ（Root Mean Square）波面収差として約５０ｍλ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１００μｍと７５μｍの記録型の２層光ディスク（以下、「２層ＢＤ光ディスク」とよぶ）も開発されているが、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、特許文献１から３の各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、特許文献１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１４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。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には、凹レンズ１６１と、凸レンズ１６２と、アクチュエータ１６３とを備えている。従って、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に入射光の焦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】
（II）また、特許文献２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、図１５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のベキ乗の和である次式
【０００７】
【数１】
2006048818.tif 000003
【０００８】
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）さらに、特許文献３には、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１６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。
【特許文献１】特開２００３−１１５１２７号公報
【特許文献１】特開平５−２０５２８２号公報
【特許文献３】特開平９−２３０３００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところが、特許文献１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とアクチュエータ１６３が必要となり、光ヘッド装置１００の大型化を招くとともに、レンズを可動させるための機構設計が複雑になるといった問題があった。
【００１１】
また、特許文献２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Δｎが発生し、Δｎ×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）を加工し、印加電圧に応じて屈折率差Δｎ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１５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光路長差分布Δｎ×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った問題が生じる。
【００１２】
また、特許文献３に記載のものにあっては、液晶の常光屈折率ｎo、異常光屈折率ｎeのいずれか一方を透明基板のブレーズ形状３４０の屈折率にほぼ等しい構成とすることにより、電界非印加時と電界印加時で液晶３３０とブレーズ形状３４０との屈折率差が、Δｎ（＝ｎe―ｎo）からゼロまで変化する。また、屈折率ｎoのブレーズ形状の凹凸部の深さを、電圧非印加時にΔｎ×（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１００％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ｎo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１００μｍと７５μｍで、この厚さのカバーについては補正が可能である。
しかしながら、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１００μｍと７５μｍの時には有効であるが、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かった。具体的には、規格中心の厚さに対してそれぞれ１００±５μｍ、７５±５μｍとカバー厚が±５μｍ変動するときに発生する球面収差５０ｍλｒｍｓ、さらには±１０μｍ変動するときに発生する球面収差１００ｍλｒｍｓという大きな収差を低減することができなかった。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。
【００１３】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、従来技術の有する前述の欠点を解消し、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。また、この液晶レンズ素子を用いることにより、単層および２層の光ディスクにおけるカバー厚の相違に起因して発生する球面収差を補正し、対物レンズとの偏心に伴う収差劣化が生じない、安定した記録・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】
【００１４】
本発明は、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に印加する電圧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、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から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、輪帯状に分割した電極セグメントで構成し、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ことを特徴とする液晶レンズ素子を提供する。
【００１５】
また、前記輪帯状に分割した前記各電極セグメントと、この電極セグメントと隣合う分割された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の液晶レンズ素子を提供する。
【００１６】
また、前記輪帯状に分割した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倍である上記の液晶レンズ素子を提供する。
【００１７】
また、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の液晶レンズ素子を提供する。
【００１８】
また、本発明は、波長λの光を出射する光源と、この光源からの出射光を光記録媒体に集光する対物レンズと、この対物レンズにより集光され前記光記録媒体により反射された光を分波するビームスプリッタと、前記分波された光を検出する光検出器とを備えた光ヘッド装置において、前記光源と前記対物レンズとの間の光路中に、請求項１から４いずれかに記載の液晶レンズ素子を設置してい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】
【００１９】
本発明によれば、印加電圧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端子と少なく、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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
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、本発明の実施形態に係る液晶レンズ素子１０を示すものであり、この液晶レンズ素子１０は、透明基板１１、１２（以下、第１、第２の基板１１、１２とよぶ）と、透明電極１３、１４が備えられ、シール１５と、液晶層（液晶）１６と、凹凸部１７と、駆動電源回路１８とを備えている。
液晶層１６には、常光屈折率ｎoおよび異常光屈折率ｎe（但し、ｎo≠ｎe）を有するネマティック液晶を用いている。凹凸部１７は、屈折率ｎsの透明材料を用いて形成しており、深さｄを有する断面凹凸形状となっている。この凹凸部１７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。
【００２１】
次に、図２（Ａ）、（Ｂ）には、第１基板１１、第２基板１２の平面図を示した。
第１の基板１１上には、鋸歯状の輪帯からなる凹凸部１７を同心状に複数形成してあるとともに、この凹凸部１７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１３を設けてある。
一方、第２の基板１２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１４Ａ（透明電極１４）を設けている。この電極セグメント１４Ａは、第１の基板１１の凹凸部１７の各半径に対応して分割されている。
また、この透明電極１３および透明電極１４には、素子外部からの駆動電源供給用の端子電極１９Ａ〜１９Ｃを設けている。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。
【００２２】
次に、液晶層１６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）ホモジニアス配向：
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１３および１４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１１、１２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ｎeの方向）が揃うホモジニアス配向となる。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１３、１４に交流電圧Ｖを印加することにより、Ｘ軸方向の偏光面を有する直線偏光の入射光に対して、液晶層１６の実質的な屈折率ｎ（Ｖ）が、ｎ1＝ｎeからｎ2＝ｎoまで変化する。
この構成により、液晶層１６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１３の基板面を形成する凹凸部１７の最大深さｄを、比較的小さな値とすることができる。その結果、凹凸部１７の形成工程が短縮されるとともに、液晶層１６を薄くできるため、高速応答化につながる。
【００２３】
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１７上の透明電極１３の表面に液晶分子の配向方向が基板面に略垂直となるポリ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１４の表面には液晶分子の配向方向が基板面に平行となるポリイミドなどの配向膜（図示せず）を塗布後に硬化し、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１７の透明電極１３では基板面に対して略垂直方向に揃い、透明電極１４では基板面に対して略平行方向に揃うハイブリッド配向となる。凹凸部１７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１７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１３、１４に交流電圧Ｖを印加することにより、Ｘ軸方向の偏光面を有する直線偏光の入射光に対して、液晶層１６の実質的な屈折率ｎ（Ｖ）が、ｎ1≒（ｎe＋ｎo）／２からｎ2＝ｎoまで変化する。
この構成により、液晶層１６の配向は、平坦な透明電極１４の基板面上の配向処理された配向膜により規定されるため、凹凸状の透明電極１３の基板面上の配向膜の配向処理なしでも、液晶層１６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。
【００２４】
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率異方性△εが負の液晶を用い、初めに、透明電極１３および１４の表面に、液晶分子の配向方向が基板面に略垂直となるポリイミドなどの配向膜（図示せず）を塗布後、硬化させる。さらに、透明電極１４の配向膜にのみＸ軸方向にラビング処理する。その結果、液晶分子の配向方向が凹凸部１７の透明電極１３および１４の基板面に対して略垂直方向に揃う垂直配向となる。凹凸部１７の面に配向処理を施す必要がないため、均一な液晶配向が得やすい。ここで、透明電極１３、１４に電圧Ｖを印加すると、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（Ｖ）がｎ1＝ｎoからｎ2＝ｎeまで変化する。
この構成により、液晶層１６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１３の基板面を形成する凹凸部１７の最大深さｄを、比較的小さな値とすることができる。その結果、凹凸部１７の形成工程が短縮されるとともに、液晶層１６を薄くできるため、高速応答化につながる。さらに、液晶層１６の配向は、透明平坦電極１４の基板面上の配向処理された配向膜により規定されるため、凹凸状の透明電極１３の基板面上の配向膜の配向処理なしでも液晶層１６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。
【００２５】
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、第１の基板１１の一方の平坦面に、屈折率ｎsの透明材料で、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１７を形成する。さらに、この凹凸部１７の表面に透明電極１３を形成する。ここでは、透明電極１３を凹凸部１７の表面に形成した例で説明するが、凹凸部１７と基板１１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１４が形成され基板１２にギャップ制御材が混入された接着材を、印刷パターニングしてシール１５を形成し、前述の透明基板１１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１１の凹凸部１７の凸部と基板１２の間隔をｇとする。シール１５の一部に設けられた注入口（図示せず）から常光屈折率ｎoおよび異常光屈折率ｎe（但し、ｎo≠ｎe）を有するネマティック液晶１６を注入し、この注入口を封止して液晶１６をセル内に密封し、本実施形態の液晶レンズ素子１０とする。図では省略したが、透明電極１４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い。
このようにして、凹凸部１７の少なくとも凹部に液晶を充填したのち、駆動電源回路１８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１１側に駆動電源供給用の端子電極１９Ｂ、１９Ｃを形成するとともに、あらかじめシール１５に導電性金属粒子を混入してシール圧着することにより、シール厚方向に導電性を発現させておき、透明電極１４と端子電極１９Ｂ、１９Ｃとを導通する。また、これらの端子電極１９Ｂ、１９Ｃに駆動電源回路１８を接続することで、液晶層１６に電圧を印加できる。
このようにして、液晶レンズ素子１０が完成する。
【００２６】
なお、この液晶レンズ素子１０の作製では、透明材料からなる凹凸部１７を、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形成してもよいし、ＳｉＯ2やＡｌ2Ｏ3やＳｉＯxＮy（但し、ｘ，ｙはＯとＮの元素比率を示す）などの無機材料で形成してもよい。また、この凹凸部１７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１７は、印加電圧に応じて液晶層１６の屈折率変化が生じる入射光の偏光方向に対して、ｎ1とｎ2の間の屈折率ｎsの透明材料で形成してあればよい。
また、この凹凸部１７は、第１の基板１１の平坦面に所定の膜厚の透明材料層を形成した後、フォトリソグラフィ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、金型を用いて透明材料層に凹凸部形状を転写してもよい。なお、液晶層１６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１７の凹部に充填される液晶層１６の分子の配向方向は、透明電極１３および１４の面上で揃っていることが好ましい。
【００２７】
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１０に対して、交流電源を用いて、透明電極１３、１４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１６の実質的な屈折率がｎ1からｎ2（ｎ1≠ｎ2）まで変化する。その結果、入射光の特定の直線偏光に対し、印加電圧の大きさに応じて液晶と凹凸部１７の屈折率差△ｎ（Ｖ）が変化し、液晶レンズ素子１０の透過光の波面が変化する。ここで、液晶層１６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１３、１４により狭持された液晶層１６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。
【００２８】
次に、鋸歯状または鋸歯を階段状で近似した凹凸部１７の断面形状について、以下に詳細に説明する。
本発明の液晶レンズ１０を光ヘッド装置に搭載し、液晶レンズ１０に入射する平面波の透過波面において、光軸中心（座標原点：ｘ＝ｙ＝０）の光線に対して半径ｒの長さだけ離れた位置を通過する光線の光路長差ＯＰＤが、次式のようなベキ級数
【００２９】
【数２】
2006048818.tif 000004
【００３０】
を満たすようにする。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い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。
【００３１】
ここで、（２）式の曲線の具体的な形状について、図３に符号αで示す。なお、横軸は半径ｒ、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α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αと実質的に同等である。グラフβに示す光路長差は、全てλ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。
【００３２】
次に、断面が鋸歯状の凹凸部１７の深さｄについては、以下のようになる。
まず、第２の基板１２の透明電極１４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１７の凸部と第２の基板１２との間隔ｇ（以下、この間隔を「セルギャップ」とよぶ）にある液晶には、分割電極セグメント１４Ａ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１３、１４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１６と凹凸部１７の屈折率差は△ｎ（Ｖ）＝ｎ（Ｖ）−ｎsである。例えば、印加電圧Ｖ+1において、図３のグラフβに相当する透過波面の光路長差を生成するためには、図１に示す凹凸部１７の深さｄを、次式
【００３３】
【数３】
2006048818.tif 000005
【００３４】
の関係を満す値に穿設すればよい。
ここで、印加電圧Ｖを変化させることにより屈折率差△ｎ（Ｖ）が変化する。例えば、ｉ）△ｎ（Ｖ0）＝０となる印加電圧Ｖ0では、液晶レンズ素子１０の透過波面は変化しない。また、ii）△ｎ（Ｖ-1）＝−△ｎ（Ｖ+1）となる印加電圧Ｖ-1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ｎsをｎ1あるいはｎ2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、βあるいはγの状態のいずれかの２つの波面状態を作り出すことが可能である。
【００３５】
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αを波長λの２倍間隔（即ち、２λ）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β２示す。このグラフβ２は、グラフαと実質的に同等であり、グラフβ２に示す光路長差は、全て２λ以内（図中では−２λ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+2において、図５のグラフβ２に相当する透過波面の光路長差を生成するためには、図１１に示す凹凸部１７の深さｄを、次式
【００３６】
【数４】
2006048818.tif 000006
【００３７】
の関係を満す値に穿設すればよい。
ここで、印加電圧Ｖを変化させることにより屈折率差△ｎ（Ｖ）が変化する。例えば、
ｉ）△ｎ（Ｖ0）＝０となる印加電圧Ｖ0において、液晶レンズ素子２０の透過波面は変
化しない。また、
ii）△ｎ（Ｖ+1）＝△ｎ（Ｖ+2）／２となる印加電圧Ｖ+1において、図５のグラフβ１に示す光路長差の透過波面が生じる。
iii）△ｎ（Ｖ-1）＝−△ｎ（Ｖ+1）となる印加電圧Ｖ-1において、図５のグラフγ１に示す光路長差の透過波面が生じる。
iV）△ｎ（Ｖ-2）＝−△ｎ（Ｖ+2）となる印加電圧Ｖ-2において、図５のグラフγ２に示す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１７を用いれば、透過波面変化なしの状態、図３のグラフβ１、β２、γ１およびγ２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。
【００３８】
ところで、図３、図５に示す各波面状態（β、γ、β１、γ１、β２、γ２）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」とよぶ）となる印加電圧Ｖ０と、グラフβの波面形状（光路長差：ＯＰＤ）となる印加電圧Ｖ+1との中間電圧Ｖａにおける波面形状の一例を示す。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λ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。
【００３９】
以上は、本発明の第２の透明電極である、第２の基板１２側の透明電極１４の分割された電極セグメント１４Ａ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１４Ａ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がλ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λ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。同図のように、輪帯領域毎に、つまりｅ１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の素子中央からｋ番目の輪帯ｅkと隣のｋ＋１番目の輪帯ｅk+1の電圧の差δＶ（ｋ，ｋ＋１）と、ｋ−１番目とｋ番目の電圧の差δＶ（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λ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１７内の最大厚ｄでの液晶と、凸部と第２の透明電極１４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．  δＶ（ｋ−１，ｋ）＝２・δＶ（ｋ，ｋ＋１）、
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。
【００４０】
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１４Ａは、図９に示すように、各セグメント（ｅ1からｅ7）の隣にあるセグメントを、それぞれ抵抗体５１（各抵抗体の抵抗値はＲ1からＲ6）を介して電気的に接続する。これにより、各セグメントに異なる電圧を供給することなく、最内周の透明電極ｅ1への電圧と最外周の透明電極（ｅ8：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５１、５２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５１、５２間の電位差と各抵抗体５１の抵抗値とにより、各電極セグメントｅ1〜ｅ8に印加する電圧が決まる。従って、前述のδＶ（ｋ−１，ｋ）＝２・δＶ（ｋ，ｋ＋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、素子中心からｋ番目とｋ−１番目の抵抗値をそれぞれＲk、Ｒk-1としたとき、２・Ｒk＝Ｒk-1となるように抵抗値を決定する。これにより、最内周電極セグメントｅ1と最外周電極セグメントｅ8との電位差δＶをもつように２つの電圧のみを外部の駆動電源回路１８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δＶ（ｋ−１，ｋ）＝２・δＶ（ｋ，ｋ＋１）の関係を満たすことができる。
以上のように、δＶ（ｋ−１、ｋ）＝２・δＶ（ｋ、ｋ＋１）や２・Ｒk＝Ｒk-1の関係を満たすことがもっとも好ましいが、δＶ（ｋ−１、ｋ）＝ｘ・δＶ（ｋ、ｋ＋１）、ｙ・Ｒk＝Ｒk-1としたとき、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１７の最大厚ｄとギャップ（ｇ）は等しいことが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。
【００４１】
この抵抗体５１は、透明電極と同じ材料を細線化するようにパターニ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５１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ｅ2、ｅ3、・・・、ｅ8ごとに分かれた端部電極５４Ｂ、５４Ｃ、・・・、５４Ｉを透明な抵抗体５１で結線することで、図９のような電極引き出し線５４を形成できる。これにより、電極引き出し線５４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１０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１０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。
【００４２】
次に、本発明に係る前述の液晶レンズ素子１０（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４０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４０は、波長λ（＝４０５ｎｍ）の光源である半導体レーザ１と、回折格子２と、ビームスプリッタ３と、コリメータレンズ４と、対物レンズ５と、光検出器６との他に、位相板７と、液晶レンズ素子１０とを、コリメータレンズ４と対物レンズ５との間の光路上に備えている。なお、位相板７は、液晶レンズ素子１０に一体化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１０がコリメータレンズ４と対物レンズ５の間の光路中に配置された例を示すが、半導体レーザ１と対物レンズ５の間の光路中に配置されていればよい。
【００４３】
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２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３で反射され、コリメータレンズ５により平行光化されて液晶レンズ素子１０に入射する。そして、この液晶レンズ素子１０を透過した光は位相板７により円偏光となり、対物レンズ５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５は、フォーカスサーボおよびトラッキングサーボ用のアクチュエータ（図示せず）により、Ｘ軸方向およびＺ軸方向に可動する。光ディスクＤの反射面で反射された光は、再び対物レンズ５と位相板７を透過し、紙面と垂直方向の偏光面を有する直線偏光となって液晶レンズ素子１０を透過して、コリメータレンズ４により、一部の光がビームスプリッタ３を透過して光検出器６の受光面に集光される。
【００４４】
次に、本発明の液晶レンズ素子１０を搭載した光ヘッド装置４０を用いて、カバー厚の異なる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５は、カバー厚８７．５μｍの光ディスクＤに対して収差が最小となるように設計された例で説明する。
（i）２層光ディスクＬ０層（カバー厚１００μｍ）の場合：
光ディスクＤ中のカバー厚１００μｍの情報記録層への記録・再生においては、液晶レンズ素子１０の透過波面が若干発散する球面波となるように、透明電極間に交流電圧Ｖ1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ｅ１〜ｅ８間での電位差δＶ＝０とする。このとき、凹凸部１７に比べ液晶層１６の屈折率が大きくなるため、図４の（Ａ）に示すように、負のパワー、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５により、カバー厚１００μｍ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７５μｍ）の場合：
一方、２層光ディスクＤ中のカバー厚７５μｍの情報記録層への記録・再生においては、液晶レンズ素子１０の透過波面が若干集光する球面波となるように、電極間に交流電圧Ｖ-1を印加する。このとき、凹凸部１７に比べ液晶層１６の屈折率が小さくなるため、図４の（Ｂ）に示すように、正のパワーすなわち凸レンズ相当の透過波面となる。すなわち、対物レンズ５により、カバー厚７５μｍ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１０の印加電圧をＶ0、Ｖ+1、Ｖ-1に切り替えることにより、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＞１００μｍ）場合：
前述のカバー厚１００μｍ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５μｍ薄い（９５μｍ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１０の透過波面が若干集光する球面波（カバー厚１００μｍ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Ｖ1を印加し、最内周の電極セグメント（例えば、図９においてｅ1）と最外周の電極セグメント（例えば、図９においてｅ8）の電位差δＶ≠０とする。これにより、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５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。
【００４５】
このように、本実施形態に係る光ヘッド装置４０によれば、液晶レンズ素子１０は、光ディスクＤのカバー厚の相違により発生する球面収差の補正のみならず、焦点位置変化に相当するパワー成分の切替え機能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１０を対物レンズ５と別置きで使用し、対物レンズ５がトラッキング時に光ディスクＤの半径方向に移動して液晶レンズ素子１０との偏心が生じた場合でも、収差劣化はほとんどない。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／または再生が実現する。
【００４６】
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１０を搭載した光ヘッド装置４０について説明したが、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１０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ィスクにおいて、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１０の替わりに、図１２に示す液晶レンズ素子３０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。
【実施例】
【００４７】
次に、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。
第１の基板（透明基板）１１であるガラス基板上にＳｉＯxＮy（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ｎs（＝１．６４）の透明な均一屈折率膜ＳｉＯxＮyを成膜し、その膜厚をｄ（＝３．５μｍｍ）としている。
さらに、図３のグラフβの形状に相当するように、フォトマスクを用いたフォトリソグラフィにてレジストをパターニングした後、反応性イオンエッチング法によりＳｉＯxＮy膜を加工する。その結果、有効径φ（＝５．０ｍｍ）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にその断面を示すような凹凸部１７を加工する。
次に、凹凸部１７の表面に透明導電膜（ＩＴＯ膜）を成膜し、これを透明電極１３とする。さらに、ポリイミド膜（図示せず）を透明電極１３上に膜厚約５０ｎｍとなるよう塗布した後に焼成し、ポリイミド膜表面をＸ軸方向にラビング配向処理して配向膜とする。
【００４８】
また、第２の基板（透明基板）１２であるガラス基板上に透明電極１４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ｅ1・・・に分割し、各セグメントｅ1・・・は、図９のように、隣合うセグメントを抵抗体５１（Ｒ1〜Ｒ6）で接続する。この抵抗体Ｒ1〜Ｒ6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が概ね２倍とする。つまり、素子中心からｋ番目とｋ−１番目の抵抗値をそれぞれＲk、Ｒk-1としたとき、２・Ｒk＝Ｒk-1の関係となるように抵抗値を設定する。この抵抗体は、図１０に示すように、輪帯状にセグメントに分かれた電極５４Ｂ、５４Ｃ、・・・を透明な抵抗体５１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１５を形成し、第１の基板１１と重ね合わせて圧着し、透明電極間隔が最大７μｍ、最小３．５μｍ（ギャップｇ＝３．５μｍ）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１０とする。この液晶には、常光屈折率ｎo（＝１．５０）および異常光屈折率ｎe（＝１．７５）の正の誘電異方性を有するネマティック液晶を用いる。また、この液晶は、透明電極１３、１４の面に、平行かつＸ軸方向に液晶分子の配向が揃ったホモジニアス配向であり、凹凸部１７の凹部に充填されている。
【００４９】
このようにして得られた液晶レンズ素子１０の透明電極１３、１４に駆動電源回路１８を接続することにより、液晶層１６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δＶを０とし、液晶への印加電圧を０Ｖから増加させると、液晶層１６のＸ軸方向の実質的な屈折率が、ｎ1＝ｎe（＝１．７５）からｎ2＝ｎo（＝１．５０）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１６と凹凸部１７の屈折率差が、
△ｎmax（＝ｎ1−ｎs）＝０．１１
から
△ｎmin（＝ｎ2−ｎs）＝−０．１４
まで変化し、凹凸部１７の凹部に充填された液晶層１６の厚さ分布に応じて、透過波面が変化する。
【００５０】
ここで、例えば、使用波長λ（＝４０５ｎｍ）で、カバー厚８７．５μｍ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１００μｍと７５μｍ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+1＝０において、液晶と凹凸部１７の屈折率差△ｎ（Ｖ+1）は、前述したように、
△ｎ（Ｖ+1）＝ｎ1−ｎs＝０．１１
であるので、凹凸部１７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、０．７５λ≦△ｎ（Ｖ+1）・ｄ≦λの条件を満たすように凹凸部１７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１７を８段の階段形状によって近似しているため、ｄ＝３．５μｍとしている。
【００５１】
このようにして得られた液晶レンズ素子１０に入射する波長λ（＝４０５ｎｍ）の透過波面は、電圧非印加時（Ｖ+1＝０）には図４（Ａ）に示す発散波面となり、焦点距離（ｆ）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、Ｖ0＝１．８Ｖ程度で△ｎ（Ｖ0）＝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-1＝４．４Ｖ程度で△ｎ（Ｖ-1）＝−△ｎ（Ｖ+1）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）が正の凸レンズ作用を示す。このとき、印加電圧の切り替えＶ+1、Ｖ0、Ｖ-1において発生する図４（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。
【００５２】
ここで、光ディスクＤのカバー厚が規格中心の１００μｍ、７５μｍ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δＶ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、素子中央からｋ番目の輪帯ｅkと隣のｋ＋１番目の輪帯ｅk+1との電圧の差δＶ（ｋ，ｋ＋１）と、ｋ−１番目の輪帯ｅk-1と隣のｋ番目の輪帯ｅkとの電圧の差δＶ（ｋ−１、ｋ）は、δＶ（ｋ−１，ｋ）＝２・δＶ（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δＶ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λとなる。従って、液晶レンズ素子１０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きる。
【００５３】
次に、この液晶レンズ素子１０を、図１３に示す第４の実施形態の光ヘッド装置４０に搭載する場合について説明する。なお、この光ヘッド装置４０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１００μｍと７５μｍの規格中心のディスクに対しては、δＶ＝０とし、液晶に印加する電圧をＶ+1、Ｖ-1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、δＶ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。
【００５４】
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】
【００５５】
本発明は、第１の基板に第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な凹凸部とを複数の輪帯状に形成し、第２の基板に第２の透明電極を形成し、かつ、第１、第２の透明電極の少なくとも一方は輪帯状に分割した電極セグメントで構成し、電極セグメントの輪帯状の分割位置を、第１の基板の鋸歯状の凹凸部の輪帯状の分割位置と一致させている。これにより、印加電圧に応じて焦点距離が３値、５値あるいは７値と複数切り換わる焦点距離切り替え可能で、かつ、焦点距離の微調整可能のレンズとして利用できるようになり、特に、カバー厚の異なる単層および２層の情報記録層を有する光ディスクの記録・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。
また、本発明の液晶レンズ素子を搭載した光ヘッド装置とすることにより、液晶レンズ素子と対物レンズとが偏心したときにも収差が発生しないため、液晶レンズ素子の配置の制約が軽減され、小型で安定した光ディスクの記録・再生ができる光ヘッド装置に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【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、αは横軸を半径ｒとし光路長差を波長λ単位で表記したグラフ、βはαから波長λの整数倍を差し引き、―λ以上ゼロ以下の光路長差としたグラフ、γ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、（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のときの波面変化のない透過波面、（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、α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、β２はαから波長２λの整数倍を差し引き、―２λ以上ゼロ以下の光路長差としたグラフ、β１はβ２の光路長差を半分にした光路長差を示すグラフ、γ１は光路長差ゼロの面に対してβ１と面対称な光路長差を示すグラフ、γ２は光路長差ゼロの面に対してβ２と面対称な光路長差を示すグラフ。
【図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。
【図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。
【図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。
【図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。
【図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。
【図１４】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１５】従来の液晶レンズの構成例を示す側面図。
【図１６】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。
【符号の説明】
【００５７】
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
１０、２０、３０  液晶レンズ素子
１１  透明基板（第１の基板）
１２、１２Ａ、１２Ｂ  透明基板（第２の基板）
１３、１３Ｃ、１３Ｄ  （第１の）透明電極
１４、１４Ｃ、１４Ｄ  （第２の）透明電極
１４Ａ  電極セグメント
１５、１５Ａ、１５Ｂ  シール
１６  液晶層（液晶）
１７  凹凸部
１８  駆動電源回路
１９Ａ、１９Ｂ、１９Ｃ  駆動電源供給用の端子電極
５１  抵抗体
５４  引き出し電極
５４Ｂ、５４Ｃ、・・・、５４Ｉ  端部電極
４０  光ヘッド装置
Ｄ  光ディスク
【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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