(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
焦点距離が可変の液晶レンズ素子であって、
それぞれ透明電極を備えた一対の透明基板と、
該一対の透明基板に備えられたそれぞれの透明電極の間に電圧を印加する電圧印加手段と、
透明材料で形成されており、液晶レンズ素子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するとともに、前記それぞれの透明電極のうち少なくとも一方の透明電極上に形成された凹凸部と、
少なくとも前記凹凸部の凹部に充填された液晶と、を備え、
前記透明電極間に前記電圧印加手段によって印加する電圧の大きさに応じて前記液晶の実質的な屈折率を変化させ、
前記液晶は、常光屈折率ｎｏおよび異常光屈折率ｎｅ（但し、ｎｏ≠ｎｅ）を有するとともに、前記印加する電圧の大きさに応じて液晶層の実質的な屈折率がｎｏからｎｅまでの範囲の値に変化する液晶材料を用い、かつ、電圧非印加時の液晶分子の配向方向が前記液晶層内で特定方向に揃う特性を有しているとともに、
前記凹凸部の透明材料は、少なくとも異常光偏光入射光に対して屈折率ｎｓの透明材料であり、屈折率ｎｓの値が、ｎｏとｎｅとの間にあり（屈折率ｎｓの値が、ｎｏまたはｎｅと等しい場合を含む）、
前記透明材料は、屈折率ｎｓの値が、
｜ｎｅ−ｎｓ｜≦｜ｎｅ−ｎｏ｜／２
の関係を満たすとともに、
前記凹凸部は、凹部の深さｄが前記液晶を透過する光の波長λに対して、ｍ＝１、２または３として、
（ｍ−０．２５）・λ／｜ｎｅ−ｎｓ｜≦ｄ≦（ｍ＋０．２５）・λ／｜ｎｅ−ｎｓ｜の範囲であり、
前記異常光偏光入射光に対し、（２ｍ＋１）個の交流印加電圧値によって透過波面を切り替えられることを特徴とする液晶レンズ素子。
【請求項２】
波長λの前記光に対する位相差がπ／２の奇数倍である位相板を一体化している請求項１に記載の液晶レンズ素子。
【請求項３】
前記波長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または２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。
【請求項４】
前記光記録媒体は情報記録層を覆うカバー層を有し、このカバー層の厚さが異なる光記録媒体への記録および／または再生を行う請求項３に記載の光ヘッド装置。
【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複数の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用光ディスクやＤＶＤ用光ディスクなどが普及している。また、このＤＶＤ用光ディスクへの情報の記録および／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が用いられている。【０００３】
従来、一般に用いられているＤＶＤ用光ディスク（以下、「単層光ディスク」という）は、情報記録層が単層でカバー厚が０．６ｍｍである。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）も開発されており、この２層光ディスクでは、光入射側のカバー厚が０．５７ｍｍおよび０．６３ｍｍの位置に情報記録層が形成されている。【０００４】
このように、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対応し、書き込みエラーを招くため問題となる。【０００５】
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、「ＢＤ用光ディスク」とよぶ）も提案されている。また、この光ディスクへの情報記録用の光ヘッド装置は、光源として波長が４０５ｎｍ帯の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ものが用いられる。ところが、この場合も、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。【０００６】
従来、上述のような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。【０００７】
（I）例えば、可動レンズ群を用いて球面収差補正を行うために、図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。【０００８】
この可動レンズ群１６０は、光ディスクＤの光路中に配置することにより、光ディスクＤのカバー厚の異なる情報記録層（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。【０００９】
（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【００１０】
【数１】
0004720507.tif 000002
【００１１】
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。【００１２】
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△ｎを調整することにより収差補正が可能となる。【００１３】
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光路長差分布△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。【００１４】
（III）ところで、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。【００１５】
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。【００１６】
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２７０に比べて、液晶層３４０は薄くできる。【００１７】
しかしながら、この液晶回折レンズ３００では、鋸歯状レリーフ面に透明電極３２０が形成されているため、エッジ部でその透明電極３２０が断線しやすい。また、液晶層３４０を薄くすると、透明電極３２０と対向電極３３０が短絡しやすい。
【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】
【００１８】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、可動部のない小型な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が行える、レンズ機能を有する液晶レンズ素子を提供する。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】
【００１９】
本発明は、下記の要旨からなるものである。
１．焦点距離が可変の液晶レンズ素子であって、それぞれ透明電極を備えた一対の透明基板と、該一対の透明基板に備えられたそれぞれの透明電極の間に電圧を印加する電圧印加手段と、透明材料で形成されており、液晶レンズ素子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するとともに、前記それぞれの透明電極のうち少なくとも一方の透明電極上に形成された凹凸部と、少なくとも前記凹凸部の凹部に充填された液晶と、を備え、前記透明電極間に前記電圧印加手段によって印加する電圧の大きさに応じて前記液晶の実質的な屈折率を変化させ、前記液晶は、常光屈折率ｎｏおよび異常光屈折率ｎｅ（但し、ｎｏ≠ｎｅ）を有するとともに、前記印加する電圧の大きさに応じて液晶層の実質的な屈折率がｎｏからｎｅまでの範囲の値に変化する液晶材料を用い、かつ、電圧非印加時の液晶分子の配向方向が前記液晶層内で特定方向に揃う特性を有しているとともに、前記凹凸部の透明材料は、少なくとも異常光偏光入射光に対して屈折率ｎｓの透明材料であり、屈折率ｎｓの値が、ｎｏとｎｅとの間にあり（屈折率ｎｓの値が、ｎｏまたはｎｅと等しい場合を含む）、前記透明材料は、屈折率ｎｓの値が、｜ｎｅ−ｎｓ｜≦｜ｎｅ−ｎｏ｜／２の関係を満たすとともに、前記凹凸部は、凹部の深さｄが前記液晶を透過する光の波長λに対して、以下の（２）式におけるｍ＝１、２または３の場合の範囲であり、前記異常光偏光入射光に対し、（２ｍ＋１）個の交流印加電圧値によって透過波面を切り替えられることを特徴とする液晶レンズ素子。
【００２０】
【数２】
0004720507.tif 000003
この構成により、透明電極が透明基板の平坦面に形成され、さらにその上に波面収差を補正する凹凸部が形成されている。その結果、液晶を充填した液晶層に印加される電界の均一性が高く、液晶レンズ素子の面内で安定した動作が得られる。さらに、透明電極間隔が一定に確保されているため、電極間の短絡が生じにくい構造となる。また、鋸歯状の断面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、液晶層の厚さを薄くできる。その結果、低電圧駆動および高速応答をもたらすことができる。なお、前記凹凸部はその透明基板面に対する各凸部および各凹部の高さ揃っている、すなわち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において凸部に対する凹部の深さが揃っている、所謂フレネルレンズ形状とすることが好ましい。
【００２１】
なお、前記凹凸部の透明材料は、異常光偏光入射光に対して屈折率ｎｓであれば均一屈折率透明材料以外に複屈折材料であってもよい。
【００２２】
この構成により、印加電圧の大きさに応じて液晶と凹凸部の透明材料の屈折率が異なる状態と一致する状態が発現する。これにより、パワー成分を含む球面収差を補正するように入射光の透過波面が変化するレンズ機能と入射光の透過波面が変化しない機能を切り換えできる液晶レンズ素子が得られる。特に、前記凹凸部の屈折率ｎsをｎeと一致させた場合、異常光偏光入射光に対し、電圧非印加時に凹凸部と液晶層で屈折率差が生じないため入射光の透過波面が変化しない機能が発現する。一方、前記凹凸部の屈折率ｎsをｎoと一致させた場合、常光偏光入射光に対し、電圧非印加時に凹凸部と液晶層で屈折率差が生じないため入射光の透過波面が変化しない機能が発現する。透過波面変化の波長依存性はほとんどないため、液晶レンズ素子にＢＤ用やＤＶＤ用やＣＤ用などの複数の波長帯の光が入射しても透過波面が変化しない機能が発現する。【００２８】
この構成により、液晶の分子配向方向に偏光面を有する直線偏光入射光に対して、印加電圧Ｖの大きさに応じて変化する液晶層の実質的な屈折率ｎ（Ｖ）と凹凸部の透明材料の屈折率ｎsの差をΔｎ（Ｖ）＝ｎ（Ｖ）−ｎsとすると、凸部の透明材料と凹部の液晶との最大光路長差Δｎ（Ｖ）・ｄが印加電圧の大きさに応じて、ほぼ＋ｍλから−ｍλ間で変化する。なお、Δｎ（Ｖ0）＝０、すなわち液晶層の屈折率が凹凸部の透明材料の屈折率ｎsに等しくなる印加電圧Ｖ0において、入射光の透過波面が変化しない機能が発現する。
また、その前後の印加電圧で発生する透過波面のパワー成分が正（凸レンズ）および負（凹レンズ）に切り換わる機能も発現する。これにより、焦点距離、すなわちパワー成分、を含む球面収差を印加電圧によって切り換えることができる液晶レンズ素子が得られる。【００２９】
ｍ＝１の場合、印加電圧Ｖ+1、Ｖ-1（Ｖ+1＜Ｖ0＜Ｖ-1）においてΔｎ（Ｖ）・ｄ＝＋λおよび−λとなり、
ｍ＝２の場合、ｍ＝１の場合に加えて、印加電圧Ｖ+2、Ｖ-2（Ｖ+2＜Ｖ+1＜Ｖ0＜Ｖ-1Ｖ-2）においてΔｎ（Ｖ）・ｄ＝＋２λおよび−２λとなり、
ｍ＝３の場合、ｍ＝２の場合に加えて、印加電圧Ｖ+3、Ｖ-3（Ｖ+3＜Ｖ+2＜Ｖ+1＜Ｖ0＜Ｖ-1＜Ｖ-2＜Ｖ-3）においてΔｎ（Ｖ）・ｄ＝＋３λおよび−３λとなる。
すなわち、ｍの値に応じて（２ｍ＋１）個の印加電圧値によって透過波面、すなわちパワー成分を含む球面収差を切り換えられる液晶レンズ素子となる。なお、中間の電圧値においてもパワー生成効果は発現する。【００３０】
前記凹凸部の凹部の深さｄが（２）式を満たす時、このような機能が有効に発現するために、凹凸部材料の電気比抵抗ρFが液晶層の電気比抵抗ρLCに比べて充分低いことが好ましい。具体的にはρF／ρLCが１０-5以下であることが好ましい。その結果、透明電極間に印加された電圧の内、凹凸部での電圧降下が軽減され、実効的に液晶層に電圧が印加される。
一方、凹凸部材料の電気比抵抗ρFが液晶層の電気比抵抗ρLCに比べて充分低くない場合、透明電極間の印加電圧Ｖに対して、凹凸部での電圧降下が生じ、実効的に液晶層に印加される電圧ＶLCが低下する。
凹凸部材料および液晶層が電気的に絶縁体と見なせる大きな電気比抵抗の場合、印加電圧Ｖは凹凸部の電気容量ＣFと液晶層の電気容量ＣLCに応じて配分され、液晶層に印可される電圧ＶLCが定まる。すなわち、透明電極間の鋸歯状の断面または鋸歯を階段形状で近似した断面形状の凹凸部と液晶層の厚さの比率に応じて変化する電気容量ＣFとＣLCを調整することにより、電極間の平均屈折率すなわち光路長を凹凸部の形状に応じて調整することができる。その結果、入射光の透過波面が変化しない印加電圧Ｖ0、あるいは、透過波面のパワー成分が正（凸レンズ）となる印加電圧Ｖ+1、あるいは、透過波面のパワー成分が負（凹レンズ）となる印加電圧Ｖ-1が存在する。これにより、焦点距離、すなわちパワー成分、を含む球面収差を印加電圧によって切り換えることができる液晶レンズ素子が得られる。【００３１】
２．波長λの前記光に対する位相差がπ／２の奇数倍である位相板を一体化している上記１に記載の液晶レンズ素子。
【００３５】
３．前記波長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、上記１から２のいずれか１項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。
また、上記の液晶レンズ素子の何れかを備えた光ヘッド装置とすることにより、単層および２層光ディスクにおけるカバー厚の相違に起因して発生するパワー成分を含む球面収差を補正でき、液晶レンズ素子と対物レンズが偏心した位置関係においても安定した収差補正効果が得られるため、情報記録面への集光性が向上し、安定した記録および／または再生ができる光ヘッド装置が実現する。
【００３７】
４．前記光記録媒体は情報記録層を覆うカバー層を有し、このカバー層の厚さが異なる光記録媒体への記録および／または再生を行う上記３に記載の光ヘッド装置。
上記の液晶レンズ素子の何れかを備えた光ヘッド装置とすることにより、波長λ1の入射光に対しては印加電圧の大きさに応じて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ような機能を備えることできる。一方、波長λ2の入射光に対しては、印加電圧の大きさに関わらず、入射光の透過波面を変化させないような機能を備えることができる。その結果、波長λ1と波長λ2の光が液晶レンズ素子に入射する場合でも、波長λ2の光を用いる光ディスクの記録および／または再生において悪影響を与えない。
【発明の効果】
【００３８】
本発明によれば、液晶層に印加される電界の均一性が高く、液晶レンズ素子面内で安定した動作が得られるとともに、透明電極間隔が一定に確保されているため、電極間の短絡が生じにくい構造となる。しかも、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、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。換言すれば、可動部がなく小型化が可能でありながら、印加電圧に応じて安定したパワー成分を含む球面収差補正ができるレンズ機能を有する液晶レンズ素子を提供できる。【００３９】
また、この液晶レンズ素子を付加することにより、単層および２層光ディスクにおけるカバー厚の相違に起因して発生する球面収差を補正し、液晶レンズ素子と対物レンズとが偏心した場合でも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できる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明に係る第１の実施形態の液晶レンズ素子の構成を示す側断面図。
【図２】図１に示す液晶レンズ素子の構成を示す平面図。
【図３】液晶レンズにより生成される透過波面の光路長差を示すグラフであって、αは横軸を半径ｒとし、光路長差を波長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、ゼロ以上λ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】本発明の液晶レンズ素子への印加電圧を切り替えたときの作用を示す側面図であって、（Ａ）は印加電圧Ｖ+1のときの収束透過波面を示す。（Ｂ）は印加電圧Ｖ0のときの波面変化のない透過波面を示す。（Ｃ）は印加電圧Ｖ-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素子の側面図における透明電極間の拡大断面図。
【図６】位相板が一体化された本発明の第２の実施形態の液晶レンズ素子の構成を示す側断面図。
【図７】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第３の実施形態の液晶レンズ素子の構成を示す側断面図。
【図８】切り替える透過波面が異なる液晶レンズ素子が積層された本発明の第４の実施形態の液晶レンズ素子の構成を示す側断面図。
【図９】位相板と偏光性回折格子と回折格子が一体化された本発明の第５の実施形態の液晶レンズ素子の構成を示す側断面図。
【図１０】光源と光検出器が単一パッケージに収められ、液晶レンズ素子が一体化された本発明に係る光ユニットの構成例を示す側面図。
【図１１】本発明の第２の実施形態に係る液晶レンズ素子を搭載した第６の実施形態の光ヘッド装置を示す構成図。
【図１２】本発明の第２の実施形態に係る液晶レンズ素子を搭載した第６の実施形態の光ヘッド装置の変形例を示す構成図。
【図１３】本発明の第５の実施形態の液晶レンズ素子が一体化された光ユニットを搭載する第７の実施形態の光ヘッド装置を示す構成図。
【図１４】本発明の液晶レンズ素子の電圧による焦点切り替えの測定例を示すグラフ。
【図１５】本発明の液晶レンズ素子が搭載された光ヘッド装置を用い、カバー厚の異なるＤＶＤ光ディスクに対して発生する波面収差の計算値を示すグラフ。
【図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側断面図。
【図１８】従来の液晶回折レンズの構成例を示す側面図。
【符号の説明】
【００４１】
１Ａ、１Ｂ、６１  半導体レーザ（光源）
１Ｃ  ２波長光源
２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、５３  回折格子
２Ｃ  波長選択性の回折格子
３  ダイクロイックプリズム
４  ビームスプリッタ
４Ｂ  ホログラムビームスプリッタ
５  コリメータレンズ
６  対物レンズ
７  シリンドリカルレンズ
８、８Ａ、８Ｂ、６２  光検出器
１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、２０、３０、４０、５０  液晶レンズ素子
１１、１２、１２Ａ、１２Ｂ、２１  透明基板
１３、１３Ａ、１３Ｂ、１４、１４Ａ、１４Ｂ  透明電極
１５、１５Ａ、１５Ｂ  シール
１６、１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃ  液晶
１７、１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃ  凹凸部
１８、１８Ａ、１８Ｂ  交流電源
２２  位相板
５１  複屈折回折格子
５２  接着材層
６０  光ユニット
６３  金属ブロック
６４  パッケージ
７０、８０、９０  光ヘッド装置
Ｄ  光ディスク
【発明を実施するための最良の形態】
【００４２】
以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。
［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態に係る液晶レンズ素子１０の構成例について、図１に示す断面図と図２に示す平面図を参照しながら詳細に説明する。
本実施形態に係る液晶レンズ素子１０は、透明基板１１、１２と、透明電極１３、１４と、シール１５と、液晶（液晶層）１６と、凹凸部１７と、交流電源１８とを備えている。【００４３】
このうち、凹凸部１７は、透明材料、例えば本実施形態では、屈折率ｎsの均一屈折率透明材料を用いて形成し、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、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。ここで、凹凸部１７はその凸部に対する凹部の深さが揃っているフレネルレンズ形状とすることが好ましい。【００４４】
次に、この液晶レンズ素子１０の作製手順の一例について、以下に説明する。
はじめに、透明基板１１の一方の平坦面に透明電極１３を形成する。さらに、この透明電極１３の一方の平坦面（図１では上面）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１７を形成する。【００４５】
さらに、透明電極１４が形成され透明基板１２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。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。【００４６】
このようにして、凹凸部１７の少なくとも凹部に液晶１６が充填され、透明電極１３、１４に交流電源１８を用いて矩形波の交流電圧を印加することにより、液晶１６の分子配向が変化し、液晶（層）１６の実質的な屈折率がｎeからｎoまで変化する。その結果、印加電圧の大きさに応じて液晶１６と凹凸部１７の屈折率差△ｎ（Ｖ）が変化し、入射光に対する透過光の波面が変化する。【００４７】
ここで、均一屈折率透明材料からなる凹凸部１７は、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。すなわち、均一屈折率透明材料の屈折率ｎsが、ｎoまたはｎeを含むｎoとｎeの中間の屈折率値を有する透明材料であればよい。
凹凸部１７は、透明電極１３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。【００４８】
また、印加電圧に対して大きな屈折率差△ｎ（Ｖ）の変化を得るために、凹部に充填される液晶１６は、液晶レンズ素子１０に入射する光の偏光面の方向に液晶分子の配向方向が揃っていることが好ましい。例えば、図２において、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）を揃え、Ｘ軸方向の偏光面を有する直線偏光を入射させる。【００４９】
液晶分子の配向方向をＸ軸方向に揃えるためには、透明電極１４および凹凸部１７の表面にポリイミドなどの配向材（図示せず）を塗布し、硬化後にＸ軸方向にラビング処理すればよい。凹凸部１７の材料としてポリイミドを用い、その表面をラビング処理してもよい。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。【００５０】
なお、透明基板１１側に形成された電極１４１を通して透明電極１４に電圧を印加するために、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、透明電極１４と電極１４１を導通する。透明電極１３に接続された電極１３１と透明電極１４に接続された電極１４１に交流電源１８を接続することにより、液晶１２に電圧を印加できる。【００５１】
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説明する。本発明の液晶レンズ１０を用いて、光ディスクのカバー厚の相違に起因して発生する球面収差を補正する透過波面を生成するとともに、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に入射する平面波の透過波面において、光軸中心（座標原点：ｘ＝ｙ＝０）の光線に対して半径ｒ離れた位置を通過する光線の光路長差ＯＰＤが、次式のようなベキ級数【００５２】
【数３】
0004720507.tif 000004
で記述されるようにする。
【００５３】
ここで、横軸を半径ｒとし、光路長差ＯＰＤを入射光の波長λの単位で表記した曲線の具体例を図３に符号α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とは実質的に同等である。グラフβに示す光路長差は、全てλ以内であり、断面が鋸歯状となっている。【００５４】
ここで、凹凸部１７の透明材料の電気体積抵抗率ρFが液晶１６の電気体積抵抗率ρLCに比べて充分低い、具体的にはρF／ρLCが１０-5以下の場合、透明電極１３と１４の間に印加された電圧は実効的に液晶１６に印加される。
このような透明電極間の印加電圧と液晶１６の印加電圧が略等しくなる条件（これを、「Ｃａｓｅ１」とする）の場合、凹凸部１７の断面形状と液晶レンズ素子１０の作用について以下に説明する。【００５５】
透明電極１３、１４に電圧Ｖを印加したとき、異常光偏光の光に対する液晶（層）１６の実質的な屈折率をｎ（Ｖ）とすれば、均一屈折率透明材料からなる凹凸部１７と液晶１６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１１の深さｄを、次式【００５６】
【数４】
0004720507.tif 000005
の関係を満す値に穿設すればよい。ただし、Δｎ（Ｖ＋１）＞０を満たす印加電圧Ｖ＋１とする。
【００５７】
ここで、印加電圧Ｖを変化させることにより、屈折率差△ｎ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において、図３のグラフγに示す光路長差の透過波面が生じる。これは、光路長差ゼロの面に対して図３のグラフβと面対称の光路長差の透過波面に相当する。【００５８】
ところで、凹凸部１７を形成する均一屈折率透明材料の屈折率ｎｓは、屈折率値がｎｏまたはｎｅを含むｎｏとｎｅとの間にある（屈折率ｎｓの値が、ｎｏまたはｎｅと等しい場合を含む）値であるため、電圧値Ｖ０およびＶ＋１またはＶ−１が存在する。そこで、均一屈折率透明材料からなる凹凸部１７は、液晶１６の屈折率がｎ（Ｖ＋１）およびｎ（Ｖ−１）のとき、図３のグラフβおよびグラフγに相当する光路長差空間分布となるように、鋸歯状あるいは鋸歯を階段状で近似した断面形状に加工する。
【００５９】
本実施形態の液晶レンズ素子１０において、凹凸部１７を形成する均一屈折率透明材料の屈折率ｎsを、次式【００６０】
【数５】
0004720507.tif 000006
の関係を満たすようにすると、
Δｎ（Ｖ０）＝０、
Δｎ（Ｖ＋１）＝−Δｎ（Ｖ−１）＞０
となる電圧値Ｖ＋１＜Ｖ0＜Ｖ−１が必ず存在する。
【００６１】
従って、交流電源１８について、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。また、【００６２】
【数６】
0004720507.tif 000007
の範囲であれば、均一屈折率透明材料の屈折率ｎｓが（ｎｏ＋ｎｅ）／２に略等しいといえる。
【００６３】
また、液晶１６の電圧非印加時の屈折率はｎeであり、印加電圧値Ｖ+1およびＶ-1の時、図３のグラフβおよびグラフγに相当する光路長差を生成するためには、凹凸部１７の深さｄを、次のような範囲【００６４】
【数７】
0004720507.tif 000008
とすることが好ましい。これは、（２）式においてｍ＝１の場合に相当する。
【００６５】
ここで、印加電圧Ｖ+1、Ｖ0、Ｖ-1（但し、Ｖ+1＜Ｖ0＜Ｖ-1）において液晶レンズ１０に入射した平面波は、それぞれ図４（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示す透過波面となって出射する。すなわち、透明電極１３、１４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。
なお、電圧値Ｖ+1とＶ0の中間あるいは電圧値Ｖ0とＶ-1の中間の印加電圧Ｖにおいては、その電圧値Ｖに応じた割合で２種の透過波面（図４（Ａ）と（Ｂ）に示す波面、または図４（Ｂ）と（Ｃ）に示す波面）が主に発生する。【００６６】
以上、Ｃａｓｅ１の条件における本実施形態では、図３のαで示す光路長差ＯＰＤを波長λ間隔で区切った光路長差ＯＰＤであるβを生成する液晶レンズ素子（（２）式において、ｍ＝１に相当する）の形態について説明したが、（２）式において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３のαを波長ｍ・λ（ここでは、ｍ＝２または３）間隔で区切った光路長差ＯＰＤに対応した透過波面となる。【００６７】
凹凸部１７の透明材料の電気体積抵抗率ρFが液晶１６の電気体積抵抗率抗ρLCに比べて充分低くない場合、凹凸部１７の透明材料の比誘電率εFとその膜厚ｄFに依存する電気容量ＣFと、液晶１６の比誘電率εLCとその層厚ｄLCに依存する電気容量ＣLCに応じて、透明電極１３と１４の間に印加された電圧は凹凸部１７と液晶（層）１６に分配される。
即ち、凹凸部１７と液晶（層）１６のそれぞれを電気抵抗ＲF、ＲLCと電気容量ＣF、ＣLCを用いた電気等価回路において、透明電極間の交流周波数ｆの交流印加電圧Ｖに対して液晶（層）１６の印加電圧ＶLCが算出できる。【００６８】
一方、凹凸部１７および液晶１６の電気体積抵抗率ρF、ρLCが充分大きく、電気等価回路において凹凸部１７と液晶（層）１６の電気容量ＣF、ＣLCにより凹凸部１７と液晶（層）１６への電圧配分が決定される場合、すなわちｆ×ＲF×ＣFおよびｆ×ＲLC×ＣLCが１より充分小さな条件（これを、「Ｃａｓｅ２」とする）の場合、凹凸部１７の断面形状と液晶レンズ素子１０の作用について以下に説明する。【００６９】
液晶レンズ素子１０の断面図を示す図１において、透明電極１３と１４の間の凹凸部１７および液晶１６の拡大図を図５に示す。この図５において、透明電極１３と１４の間隔を一定値Ｇとする。また、凹凸部１７の膜厚ｄFはゼロからｄまで分布し、液晶１６の層厚ｄLCはＧからＧ−ｄまで分布している。ここで、ｄF＋ｄLC（＝Ｇ）は一定値である。【００７０】
Ｃａｓｅ２において、透明電極１３、１４間の交流印加電圧Ｖに対して、液晶（層）１６に配分される印加電圧ＶLCの比率ＶLC／Ｖは、次式で記載される。【００７１】
【数８】
0004720507.tif 000009
【００７２】
ここで、凹凸部１７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）１６の印加電圧ＶLCは凹凸部１７の形状に応じて空間分布が生じる。
液晶（層）１６に効率よく電圧を印加するためには、（５）式の比率ＶLC／Ｖが増大するように比誘電率εFの大きな凹凸部１７の材料とすることが好ましい。液晶（層）１６の比誘電率εLCは約４以上であるため、４以上の比誘電率εFとすることが好ましい。【００７３】
また、一般に、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、液晶分子の配向変化により液晶（層）１６の比誘電率εLCも変化する。従って、（５）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１７の形状に応じた液晶（層）１６の印加電圧ＶLCの空間分布が定まる。ＶLCがｄFに応じて変化するため、これ以降ＶLC［ｄF］と表記する。なお、ＶLC［０］は電極間印加電圧Ｖに等しい。【００７４】
Ｃａｓｅ２の場合はＣａｓ１と異なり、液晶（層）１６に印加される電圧ＶLCが凹凸部１７の形状に応じて異なるため、異常光偏光の入射光に対する液晶（層）１６の実質的な屈折率ｎ（ＶLC［ｄF］）に空間分布が生じる。図５において、凹凸部１７の膜厚ｄFの位置の透明電極１３と１４の間の光路長はｎs×ｄF＋ｎ（ＶLC［ｄF］）×ｄLCであり、凹凸部１７のないフレネルレンズ中心位置（ｄF＝０）の光路長ｎ（Ｖ）×Ｇに対する光路長差ＯＰＤは次式となる。【００７５】
【数９】
0004720507.tif 000010
【００７６】
膜厚ｄFはゼロからｄまで分布し、光路長差ＯＰＤはゼロから次式のＯＰＤdまで分布する。【００７７】
【数１０】
0004720507.tif 000011
【００７８】
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、光路長差ＯＰＤdが略λ（すなわち、０．７５λ〜１．２５λ）となるように、凹凸部１７の膜厚ｄおよび透明電極１３と１４の間隔Ｇを決定すると共に、凹凸部１７の膜厚がゼロからｄに至る断面形状とすればよい。【００７９】
ここで、印加電圧Ｖを変化させることにより、（６）式の光路長差ＯＰＤが変化する。
例えば、
ｉ）凹凸部１７の膜厚ｄFがゼロからｄまで分布する時、（６）式の光路長差ＯＰＤ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、充分小さな光路長差ＯＰＤ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）光路長差ＯＰＤd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３のグラフγに示す光路長差の透過波面を生成できる。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。
従って、交流電源１８について、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。【００８０】
ここで、印加電圧Ｖ+1、Ｖ0、Ｖ-1において液晶レンズ１０に入射した平面波は、それぞれ図４（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示す透過波面となって出射する。すなわち、透明電極１３、１４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。Ｃａｓｅ１の条件の場合と同様、図３のαで示す光路長差ＯＰＤを波長λ間隔で区切った光路長差ＯＰＤであるグラフβを生成する液晶レンズ素子以外に、光路長差ＯＰＤd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３のグラフαを波長ｍ・λ（ここでは、ｍ＝２または３）間隔で区切った光路長差ＯＰＤに対応した透過波面となる。【００８１】
なお、Ｃａｓｅ１の場合と異なり、３種類の透過波面を生成する場合、凹凸部１７の均一屈折率透明材料の屈折率ｎsが液晶１６の常光屈折率ｎoあるいは異常光屈折率ｎeに略等しくてもよい。
例えば、ｎs＝ｎoで、誘電率異方性（△ε＝ε//−ε⊥）が正の液晶をホモジニアス配向させた場合、電圧非印加時（Ｖ+1＝０）の光路長差ＯＰＤd＝−（ｎe−ｎo）×ｄが−λとなるよう凹凸部１７を形成すると、Ｃａｓｅ１およびＣａｓｅ２の何れも液晶レンズ１０に異常光偏光が入射した平面波は図４（Ａ）に示す正のパワーに相当する透過波面となって出射する。透明電極１３、１４間の印加電圧を増加させると、Ｃａｓｅ１では、１０Ｖ以上の高い印加電圧で液晶（層）１６の屈折率がｎsに近づき、図４（Ｂ）に示すパワーなしに相当する透過波面が得られるが、図４（Ｃ）に示す負のパワーに相当する透過波面は発生しない。しかし、Ｃａｓｅ２では、５Ｖ以下の印加電圧で、図４（Ｂ）に示すパワーなしに相当する透過波面および図４（Ｃ）に示す負のパワーに相当する透過波面を生成できる。【００８２】
すなわち、Ｃａｓｅ２はＣａｓｅ１と比較して、液晶１６と凹凸部１７の屈折率および比誘電率、凹凸部１７の膜厚ｄおよび透明電極１３、１４の間隔Ｇなどの選択により、液晶レンズ素子１０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。また、Ｃａｓｅ１に比べＣａｓｅ２の方が、凹凸部１７の膜厚ｄを薄くできるため、成膜及び凹凸加工の作製プロセスを短縮できる。【００８３】
また、凹凸部１７の屈折率ｎsを液晶（層）１６の常光屈折率ｎoに略等しくすることが好ましい。この場合、電極間印加電圧Ｖの値にかかわらず常光偏光に対して凹凸部１７と液晶（層）１６の屈折率差が生じないため、液晶レンズ素子１０に入射する常光偏光の透過波面は変化せず、高い透過率が得られるといった利点がある。すなわち、液晶レンズ素子１０に複数の光束が入射し、特定の光束は波面変化を生じることなく透過させたい場合、液晶レンズ素子１０に常光偏光として入射させればよい。例えば、ＤＶＤ用とＣＤ用の異なる波長光が入射し、ＤＶＤ用の波長にのみ液晶レンズ素子１０のパワー切り替え作用を発現させるためには、ＤＶＤ用は異常光偏光とし、ＣＤ用は常光偏光として液晶レンズ素子１０に入射させればよい。【００８４】
また、本実施形態では、（３）式で記述される軸対称の光路長差ＯＰＤを生成する液晶レンズ素子１０の場合について、その素子構造および動作原理について説明したが、（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光路長差ＯＰＤを生成する液晶レンズ素子も、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。【００８５】
また、本実施形態では、液晶レンズ素子１０により生成する光路長差ＯＰＤの絶対値が入射光の波長λ以下になるように凹凸部１７の深さｄを設定し、断面形状を鋸歯状としているが、高速応答性が不要な場合は、光路長差ＯＰＤの絶対値が入射光の波長λ以上となるよう凹凸部１７を加工してもよい。
この場合、［背景技術］の欄の特許文献２に記載の液晶レンズに比べて電極間隔は一定のため、液晶に加わる電界の均一性が優れ、駆動電圧および応答速度の面内均一性は高い。同様に、［背景技術］の欄の特許文献３に記載の液晶回折レンズと異なり、印加電圧の大きさに応じて光路長差は連続的に変化する。【００８６】
また、補正すべき光路長差ＯＰＤ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１７の断面形状を鋸歯状とする必要はなく、印加電圧の大きさに応じて光路長差は連続的に変化する。【００８７】
また、本実施形態では、電圧非印加時に基板１１、１２面に平行に配向し、印加電圧の大きさに応じて基板１１、１２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１６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。【００８８】
また、本実施形態では、凹凸部１７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。【００８９】
また、本実施形態では、液晶１６には、それぞれ透明基板１１、１２の各一面に亙って設けたベタ電極である透明電極１３と透明電極１４を通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１３と透明電極１４の少なくとも一方の電極が、空間的に分割されて独立に異なる交流電圧を印加でき得る構成としてもよい。これにより、さらに多様な光路長差ＯＰＤの空間分布を生成できる。
また、この空間的に分割された透明電極を所望の電気抵抗を有する抵抗膜とし、半径方向に印加電圧分布を付与して、液晶に印加される電圧が半径方向に傾斜分布するようにしてもよい。【００９０】
［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２０について、図６を参照しながら説明する。なお、本実施形態において、第１の実施形態と同一部分には、同一符号を付して重複説明を避ける。
本実施形態の液晶レンズ素子２０は、前述した第１の実施形態に係る液晶レンズ素子１０において、さらに位相板２２と、透明基板２１とを付加した構成となっている。即ち、この液晶レンズ素子２０には、透明基板１２の透明電極１４取付面とは反対面において、透明基板２１との間に、複屈折材料からなる位相板２２が狭持一体化されている。【００９１】
位相板２２としては、ポリカーボネートなどの有機膜を延伸して延伸方向に遅相軸を有する複屈折膜を用い、接着材により透明基板１２、２１の間に接着する。または、配向処理した透明基板２１に液晶モノマーを所定の膜厚となるよう塗布した後、重合硬化して高分子液晶膜としたものを用いてもよい。あるいは、水晶などの複屈折結晶を透明基板２１の代わりに位相板２２として用い、透明基板１２に接着固定してもよい。【００９２】
何れの場合も、位相板２２の光軸方向は、入射光の偏光面の方向であるＸ軸に対して、ＸＹ面内において４５°の角度をなす方向とする。例えば、波長λの入射光に対して位相板２２のリタデーション値を波長λの１／４の奇数倍、すなわち位相差がπ／２の奇数倍とすることにより、液晶レンズ素子２０を透過した光は円偏光となって出射する。【００９３】
従って、本実施形態の液晶レンズ素子２０を光ヘッド装置に搭載して用いることにより、単一素子で透過光の波面と偏光状態を変化させることができる。【００９４】
［第３の実施形態］
次に、本発明の第３の実施形態に係る液晶レンズ素子３０について、図７を参照しながら説明する。なお、本実施形態において、第１の実施形態と同一部分には、同一符号を付して重複説明を避ける。
本実施形態の液晶レンズ素子３０は、第１の実施形態に係る液晶レンズ素子１０を２個凹凸部１７が互い対向するような状態で上下に重ねて積層させた構成（但し、透明基板１１は共通）であって、大略構成として、第１の液晶レンズ素子１０Ａと、第２のレンズ素子１０Ｂと、これらに交流電圧を印加する交流電源１８とを備えている。【００９５】
即ち、この液晶レンズ素子３０は、第１の液晶レンズ素子１０Ａに、２枚の透明基板１１、１２Ａと、これらの透明基板に形成した透明電極１３Ａ、１４Ａと、透明電極１４Ａに形成した凹凸部１７Ａと、透明電極１３Ａと凹凸部１７Ａを設けた透明電極１４Ａとの間の空隙に密封された液晶１６Ａとを備えている。一方、第２の液晶レンズ素子１０Ｂも、透明基板１１を共用しているが、第１の液晶レンズ素子１０Ａと同様の構成となっている。【００９６】
次に、本実施形態の製造方法について説明する。
初めに、各透明基板１２Ａ、１２Ｂにおいて、一面に透明電極１４Ａ、１４Ｂをそれぞれ形成する。そして、これら透明電極１４Ａ、１４Ｂの平坦面に、それぞれ、屈折率ｎsの均一屈折率透明材料を用いて、断面が鋸歯状または鋸歯を階段状に近似した形状の凹凸部１７Ａ、１７Ｂを形成する。これらの凹凸部１７Ａ、１７Ｂは、それぞれ一面が、入射光の光軸（Ｚ軸）に対して回転対称性を有する同一の凹凸形状に加工されている。一方、透明基板１１の両面には、透明電極１３Ａ、１３Ｂを形成する。【００９７】
次に、各透明基板１２Ａ、１２Ｂには、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たシール１５Ａ、１５Ｂを、それぞれ形成する。そして、凹凸部１７Ａと凹凸部１７Ｂの回転対称軸が一致するように、各透明基板１２Ａ、１２Ｂと透明基板１１とを重ね合わせ、圧着して空セルを作製する。その後、シールの一部に設けられた注入口（図示せず）から液晶を注入するとともに、その注入口を封止して液晶１６Ａ、１６Ｂをセル内に密封し、液晶レンズ素子３０とする。また、透明電極１３Ａ、１３Ｂを導通させて共通電極とするとともに、透明電極１４Ａ、１４Ｂを導通させて共通電極とする。【００９８】
このようにして形成した液晶レンズ素子１０において、交流電源１８により共通電極の間に矩形波の交流電圧を印加する。すると、この印加電圧に応じて液晶１６Ａ、１６Ｂの分子配向が変化し、液晶層の実質的な屈折率がｎeからｎoまで変化する。その結果、液晶１６Ａ、１６Ｂと凹凸部１７Ａ、１７Ｂの屈折率差△ｎが変化し、入射光に対する透過光の波面が変化する。【００９９】
図７に示す第１、第２の液晶レンズ素子１０Ａ、１０Ｂの構成および作用は、図１に示した液晶レンズ１０と同様であるが、液晶１６Ａ、１６Ｂは液晶分子の配向方向が互いに直交している点が異なる。すなわち、第１、第２の液晶レンズ素子１０Ａ、１０Ｂにおいて、液晶層界面の配向処理方向が直交している。その結果、本実施形態によれば、入射光の偏光状態にかかわらず印加電圧に応じて、例えば図４の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示すような正のパワー、パワーなし、負のパワーを有するレンズ機能が得られる。
なお、Δｎ（Ｖ0）＝０となる印加電圧Ｖ0において、液晶層に対して異常光偏光に相当する入射光の場合、第１、第２の液晶レンズ素子１０Ａ、１０Ｂの透過波面は変化しないが、液晶層に対して常光偏光に相当する入射光の場合、印加電圧の大きさにかかわらず、第１、第２の液晶レンズ素子１０Ａ、１０Ｂの透過波面は、屈折率差ｎo−ｎsに対応した一定の変化が生じる。
第１、第２の液晶レンズ素子１０Ａ、１０Ｂは、その液晶１６Ａと１６Ｂの配向方向が直交しているため、入射偏光状態に関わらず、この一定透過波面変化が生じる。このような印加電圧Ｖ0における一定の透過波面変化を相殺するように、透明基板１２Ａまたは１２Ｂの表面に補正面を形成することが好ましい。
あるいは、凹凸部１７Ａおよび１７Ｂをそれぞれ液晶１６Ａおよび１６Ｂの配向方向と同じ配向方向で常光複屈折率が等しい高分子液晶などの複屈折率材料を用いて形成することにより、印加電圧Ｖ0において、液晶レンズ素子３０の透過波面が変化しないようにすることができる。【０１００】
［第４の実施形態］
次に、本発明の第４の実施形態に係る液晶レンズ素子４０について、図８を参照しながら説明する。なお、本実施形態において、第１、第２の実施形態と同一部分には、同一符号を付して重複説明を避ける。
本実施形態の液晶レンズ素子４０は、図７に示す液晶レンズ素子３０と比べ、第１、第２の液晶レンズ素子１０Ａ、１０Ｃの構造が以下の点で異なる。【０１０１】
第２の液晶レンズ素子１０Ｃの液晶の配向方向は、第３の実施形態の第２の液晶レンズ素子１０Ｂとは異なり、第１の液晶レンズ素子１０Ａの液晶１６Ａと同じ配向方向である。また、第２の液晶レンズ素子１０Ｃの凹凸部１７Ｃの輪体形状は、凹凸部１７Ａと異なり、（３）式で記述される図３のグラフαに示す光路長差ＯＰＤが互いに異なる。さらに、液晶１６Ａ、１６Ｃには、それぞれ独立に交流電源１８Ａ、１８Ｃにより、矩形波の交流電圧が印加される。【０１０２】
これにより、液晶１６Ａ、１６Ｃの配向方向に対応した偏光面を有する異常光偏光が入射したとき、第１、第２の液晶レンズ素子１０Ａ、１０Ｃはそれぞれ独立に発生するパワーの異なる液晶レンズとして作用する。【０１０３】
例えば、印加電圧Ｖ+1とＶ0とＶ-1における第１の液晶レンズ素子１０ＡのパワーをＰＡ+1、ＰＡ0（＝０）、ＰＡ-1とするとともに、第２の液晶レンズ素子１０ＣのパワーをＰＣ+1、ＰＣ0（＝０）、ＰＣ-1とし、それぞれの大小関係をＰＡ+1＜ＰＣ+1＜０＜ＰＣ-1＜ＰＡ-1とする。【０１０４】
このとき、交流電源１８Ａ、１８Ｃにより印加電圧を調整することにより、液晶レンズ素子４０は、７種（（ＰＡ+1＋ＰＣ+1）＜ＰＡ+1＜ＰＣ+1＜０＜ＰＣ-1＜ＰＡ-1＜（ＰＡ-1＋ＰＣ-1））の異なるパワーを生成することができる。
その結果、本実施形態の液晶レンズ素子４０を光ヘッド装置に搭載して用いることにより、カバー厚の相違により生成する７種のパワー成分を含む球面収差量を補正できる。【０１０５】
［第５の実施形態］
次に、本発明の第５の実施形態に係る液晶レンズ素子５０について、図９を参照しながら説明する。なお、本実施形態において、第１、第２の実施形態と同一部分には、同一符号を付して重複説明を避ける。
本実施形態の液晶レンズ素子５０は、第１または第２の実施形態に示す液晶レンズ１０において、透明基板１２の片面（透明電極を設けていない方の面）と透明基板２１の一面に取り付けた位相板２２との間で、複屈折回折格子５１と接着材層５２を挟持している。【０１０６】
複屈折回折格子５１は、透明基板１２の片面（透明電極を設けていない方の面）に高分子液晶からなる複屈折材料層を形成し、これを凹凸格子の断面形状に加工して複屈折回折格子５１とする。さらに、均一屈折率透明材料からなる接着材を用いて、複屈折回折格子５１の少なくとも凹部を充填し、接着材層５２にするとともに、位相板２２が形成された透明基板２１と接着する。【０１０７】
高分子液晶からなる複屈折回折格子５１は、液晶１６と高分子液晶の分子配向が直交するように配向処理する。すなわち、Ｙ軸方向に配向処理した配向膜（図示せず）を透明基板１２に形成し、液晶モノマーを塗布して重合硬化することにより、Ｙ軸方向に配向（異常光屈折率の方向）が揃った高分子液晶となる。さらに、フォトリソグラフィと反応性イオンエッチングにより、断面が凹凸形状の複屈折回折格子５１とする。
複屈折回折格子５１の凹部に、高分子液晶の常光屈折率と略等しい屈折率の接着材を充填して接着材層５２を形成することにより、入射光のうち常光偏光は透過し異常光偏光は回折する偏光性回折格子となる。【０１０８】
複屈折回折格子５１の断面形状は、図９に示す矩形状としてもよいし、特定の回折次数で高い回折効率を得るために鋸歯形状としてもよい。複屈折回折格子５１は、これを形成している高分子液晶の異常光屈折率と接着材層５２の屈折率との屈折率差（△Ｎ）と、この高分子液晶の凹凸深さ（Ｄ）との積である（△Ｎ×Ｄ）を適宜設定することにより、波長λの異常光偏光の入射光に対して所望の回折次数の回折効率が得られる。また、格子ピッチおよび格子長手方向の角度が格子面内で所定の分布をなすホログラムパターンとすることにより、入射光の回折方向を空間的に制御できる。【０１０９】
位相板２２は、第２の実施形態（図６参照）で説明した位相板２２と同じものであり、位相板２２の光軸方向を入射光の偏光面の方向であるＸ軸に対してＸＹ面内において４５°の角度をなす方向とし、そのリタデーション値を入射光の波長λの１／４とする。【０１１０】
さらに、本実施形態の液晶レンズ素子５０では、図９に示すように、透明基板１１の表面に回折格子５３を形成しており、入射光に対して０次回折光（直進透過光）と±１次回折光を発生する。回折格子５３は、例えば光ヘッド装置において光ディスクのトラッキング用３ビームとして用いられる。【０１１１】
次に、本実施形態の作用について説明する。
本実施形態の液晶レンズ素子５０に、透明基板１１側からＸ軸方向の偏光面を有する直線偏光が入射すると、交流電源１８により液晶レンズ素子１０に印加される電圧の大きさに応じて透過波面が変化し、複折回折格子５１と接着材層５２からなる偏光性回折格子に常光偏光として入射する。そして、この偏光性回折格子により回折されることなく透過した光は、位相板２２により円偏光となって液晶レンズ素子５０を透過する。【０１１２】
一方、図示外の光ディスク等の反射面で反射された光が液晶レンズ素子５０の透明基板２１側から再び入射すると、位相板２２によりＹ軸方向の偏光面を有する直線偏光となって偏光性回折格子に異常光偏光として入射し、そこで回折されて液晶レンズ素子５０から出射する。【０１１３】
このように、液晶レンズ素子１０に偏光性回折格子５１、位相板２２、回折格子５３を一体化することにより、それぞれの素子を別々に装置に取り付ける場合に比べて位置精度が向上するため、安定した性能が得られる。【０１１４】
ここで、このような液晶レンズ素子５０が半導体レーザ及び光検出器とともに同一パッケージ内に一体にユニット化されたもの（以下、「光ユニット６０」とよぶ）について、図１０を参照しながら説明する。【０１１５】
この光ユニット６０は、Ｘ軸方向の偏光面を有する波長λの直線偏光を出射する半導体レーザ６１と光検出器６２とが金属ブロック６３に固定されており、パッケージ６４に納められている。光検出器６２には、光信号を電気信号に変換した後、その信号に対する信号増幅用および信号処理用の回路が集積化されている。このパッケージ６４の光出射および光入射側には開口部が設けられており、その開口部に液晶レンズ素子５０が接着固定されて一体にユニット化された構成となっている。【０１１６】
このような光ユニット６０を光ヘッド装置に搭載して用いると、トラッキング用の３ビームを発生する回折格子の機能と、印加電圧に応じた収差補正する機能と、往路では直進透過し復路では効率よく光検出器へと光を分波する偏光ホログラムビームスプリッタの機能とを併せ持った液晶レンズ素子となり、光ヘッド装置の小型化につながる。【０１１７】
［第６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２０を搭載したＤＶＤおよびＣＤ用光ディスクの記録および再生に用いる光ヘッド装置７０について、図１１を参照しながら説明する。なお、本実施形態において、第２の実施形態と同一部分には、同一符号を付して重複説明を避ける。【０１１８】
本実施形態の光ヘッド装置７０は、光源である第１、第２の半導体レーザ１Ａ、１Ｂと、第１、第２の回折格子２Ａ、２Ｂと、ダイクロイックプリズム３と、ビームスプリッタ４と、コリメータレンズ５と、対物レンズ６と、シリンドリカルレンズ７と、光検出器８との他に、液晶レンズ素子２０がビームスプリッタ４とコリメータレンズ５との間の光路上に備えてある。【０１１９】
次に、本実施形態の作用について説明する。
（i）ＤＶＤ用光ディスクの場合：
ＤＶＤ用の半導体レーザ１Ａから出射するとともに、図１１の紙面内に偏光面を有する波長λ1（＝６６０ｎｍ）の出射光は、回折格子２Ａによりトラッキング用の３ビームを発生する。そして、ダイクロイックプリズム３を透過し、ビームスプリッタ４で反射されて液晶レンズ素子２０に入射する。この液晶レンズ素子２０を透過した光は、円偏光となり、コリメータレンズ５により平行光化され、対物レンズ６によりＤＶＤ用光ディスクＤの情報記録層に集光される。【０１２０】
なお、対物レンズ６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６とコリメータレンズ５、さらに液晶レンズ素子２０を透過し、紙面に直交する偏光面を有する直線偏光となって一部の光がビームスプリッタ４を透過する。そして、非点収差法によるフォーカスサーボ用に設けられたシリンドリカルレンズ７を透過して、光検出器８に集光される。なお、ビームスプリッタ４により反射された光は、元の光路を経て半導体レーザ１Ａの発光点に集光されるが、レーザ発信光と偏光面が直交する直線偏光のためレーザ発信に影響せず、レーザ発信強度は安定する。【０１２１】
（ii）ＣＤ用光ディスクの場合：
一方、ＣＤ用の半導体レーザ１Ｂから出射する紙面垂直な偏光面を有する波長λ2（＝７９０ｎｍ）の出射光は、回折格子２Ｂによりトラッキング用の３ビームを発生し、ダイクロイックプリズム３を反射してＤＶＤ用の波長λ1の光と光軸を一致させて進行し、ビームスプリッタ４で反射される。そして、この反射光は、ＤＶＤ用の波長λ1の光と同様に、コリメータレンズ５および対物レンズ６により、ＣＤ用光ディスクＤの情報記録層に集光される。また、光ディスクの反射面で反射後の光路は、ＤＶＤ用の波長λ1の光路と同じである。【０１２２】
本実施形態の光ヘッド装置７０では、半導体レーザ１Ａ、１Ｂに発信出力の大きなものを用いる場合、レーザ発光点への戻り光の偏光面をレーザ発信光の偏光面と直交化させるために、液晶レンズ素子２０中の位相板２２（図６参照）を波長λ1および波長λ2に対して１／４波長板となるようにすることが好ましい。
具体的には、波長λ1と波長λ2の中間波長に対して、それぞれ、リタデーション値が１／４波長および１／２波長となる高分子液晶層を、その光軸角度が所望の角度となるように積層すればよい。【０１２３】
次に、本発明の液晶レンズ素子２０（図６参照）を搭載した光ヘッド装置７０を用いて、カバー厚の異なる単層および２層のＤＶＤ記録および再生用の光ディスクＤに対する記録・再生動作について、以下に説明する。
（i）単層光ディスク（カバー厚０．６０ｍｍ）の場合：
対物レンズ６は、カバー厚０．６０ｍｍの単層光ディスクＤに対して収差が最小となるように設計されているため、単層光ディスクＤの記録および／または再生時には液晶レンズ素子２０の電極間に交流電圧Ｖ0を印加する。このとき、液晶１６と凹凸部１７との屈折率が一致するため、図４の（Ｂ）に示すように透過波面は不変である。【０１２４】
（ii）２層光ディスク（カバー厚０．５７ｍｍ）の場合：
２層光ディスク中のカバー厚０．５７ｍｍの情報記録層への記録および／または再生においては、液晶レンズ素子２０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、液晶１６の方が凹凸部１７に比べ屈折率が大きいため、図４の（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。すなわち、対物レンズ６により、カバー厚０．５７ｍｍの情報記録層に効率よく集光される。【０１２５】
（iii）単層光ディスク（カバー厚０．６３ｍｍ）の場合：
一方、カバー厚０．６３ｍｍでの図示外の情報記録層への記録および／または再生時は、液晶レンズ素子２０の透過波面が若干発散する球面波となるように、電極間に交流電圧Ｖ-1を印加する。このとき、液晶１６の方が凹凸部１７に比べ屈折率が小さくなるため、図４の（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。すなわち、対物レンズ６により、カバー厚０．６３ｍｍの情報記録層に効率よく集光される。【０１２６】
従って、液晶レンズ素子２０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ＤＶＤ用の単層光ディスクおよび２層光ディスクに対して安定した記録・再生が実現する。【０１２７】
このように、本実施形態に係る光ヘッド装置７０によれば、液晶レンズ素子２０は、光ディスクＤのカバー厚の相違により発生する球面収差の補正のみならず、焦点位置変化に相当するパワー成分の切替え機能も付加できる。このため、例えば、対物レンズ６と別置きで使用し、対物レンズ６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２０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。【０１２８】
また、液晶レンズ素子２０において、（２）式のｍ＝２または３に相当する凹凸部１７の形状とすることにより、それぞれ５種または７種の透過波面の切り換えができるため、カバー厚の異なる光ディスク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２０の替わりに、図７に示す第３実施形態の液晶レンズ素子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。【０１２９】
また、液晶レンズ素子２０の替わりに、図８に示す第４実施形態の液晶レンズ素子４０を用いれば、３種のカバー厚の異なる光ディスクの収差補正のみならず、それ以外のカバー厚の収差補正もできる。このため、カバー厚にばらつきの有る光ディスクあるいは光ヘッド装置全体の光学系に球面収差が残留している場合でも、よりきめ細かな収差補正ができる。【０１３０】
なお、液晶レンズ２０において、往路の偏光面と直交する直線偏光が液晶レンズ素子２０の液晶に対して常光偏光として入射するため、屈折率差ｎo−ｎsに対応示した一定の透過波面変化が生じる。これを相殺するには、高分子液晶などの複屈折材料からなり、液晶１６の凹凸形状に相当する補正面の凹部に均一屈折率充填材を充填した補正素子を形成すればよい。このとき、液晶の常光偏光に対して光路長差が生じ、異常光偏光に対し光路長差が生じないように、複屈折材料と充填材の屈折率を調整しておく。【０１３１】
このとき、ＣＤ用の波長λ2の偏光は液晶レンズ素子２０の液晶に対して常光偏光となって入射するため、液晶レンズ素子２０の印加電圧に関わらず、透過波面は変化しない。
すなわち、収差劣化をもたらすことなくＣＤ用の光ディスクの安定した記録・再生ができる。【０１３２】
ここで、例えば図１２に模式的に示す光ヘッド装置８０のように、単一パッケージ内にＤＶＤ用の半導体レーザとＣＤ用の半導体レーザの発光点が１００μｍ程度隔てて配置された２波長光源１Ｃを用いる場合は、簡易な構成となる。
この光ヘッド装置８０は、図１１における回折格子２Ａ、２Ｂの替わりに、波長選択性の回折格子２Ｃをトラッキング用の３ビーム発生素子として用いている。【０１３３】
この波長選択性の回折格子２Ｃは、ＤＶＤ用の波長λ1の光を回折することなく透過し、ＣＤ用の波長λ2の光を回折する回折格子、またはＣＤ用の波長λ2の光を回折することなく透過しＤＶＤ用の波長λ1の光を回折する回折格子、またはそれらを積層した素子であって、不要な迷光の発生が抑制され高い光利用効率が得られる。【０１３４】
また、この光ヘッド装置８０は、２波長光源１Ｃとビームスプリッタ４の間の光路中に液晶レンズ素子２０を配置することにより、装置の小型化が図られている。また、液晶レンズ素子２０に波長選択性の回折格子２Ｃを一体化することにより、さらに装置の小型化につながる。【０１３５】
なお、本実施形態では、光源として波長が６６０ｎｍ帯の半導体レーザを用いるＤＶＤ用の単層および２層光ディスクＤに対して動作する液晶レンズ素子２０を搭載した光ヘッド装置８０について説明したが、光源として波長が４０５ｎｍ帯の半導体レーザを用いるＢＤ用の単層および２層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。【０１３６】
［第７の実施形態］
次に、本発明の第７の実施形態に光ヘッド装置９０について、図１３を参照しながら説明する。なお、本実施形態において、第６の実施形態と同一部分には、同一符号を付して重複説明を避ける。【０１３７】
本実施形態の光ヘッド装置９０は、ＤＶＤ用のユニット９０Ａと、ＣＤ用のユニット９０Ｂと、ダイクロイックプリズム３と、コリメータレンズ５と、対物レンズ６とを備えている。【０１３８】
ＤＶＤ用のユニット９０Ａは、第５の実施形態において説明した図１０に示す光ユニット６０、つまり、ＤＶＤ用の半導体レーザ１Ａ（６１）と、光検出器８Ａ（６２）と、液晶レンズ素子５０が図示外のパッケージに接着固定されて、一体にユニット化されている。一方、ＣＤ用のユニットは、ＣＤ用の半導体レーザ１Ｂと、光検出器８Ｂと、ホログラムビームスプリッタ４Ｂとがパッケージに一体化されている。【０１３９】
次に、本実施形態の作用について説明する。
（i）ＤＶＤ用の光ディスクの記録および／または再生について：
このＤＶＤ用の光ディスクの記録および／または再生については、ＤＶＤ用のユニット９０Ａ、つまり示す光ユニット６０を用いる。
光ユニット６０中のＤＶＤ用の半導体レーザ１Ａから出射する図１３の紙面内に偏光面を有する波長λ1（＝６６０ｎｍ）の出射光は、液晶レンズ素子５０を透過して円偏光の３ビームとなり、ダイクロイックプリズム３を透過する。その後、この透過光は、コリメータレンズ５により平行光化され、対物レンズ６によりＤＶＤ用光ディスクＤの情報記録層に集光される。【０１４０】
また、この光ディスクＤの反射面で反射された光は、逆行して再び対物レンズ６とコリメータレンズ５とダイクロイックプリズム３を透過し、さらに液晶レンズ素子５０中の１／４波長板である位相板２２（図９参照）を透過する。そして、この透過光は、図１３の紙面に直交する偏光面を有する直線偏光となって液晶レンズ素子５０中のホログラムビームスプリッタである複屈折回折格子５１と接着材層５２からなる偏光性回折格子（図９参照）により回折されて、光検出器８Ａの受光面に効率よく集光する。【０１４１】
（ii）ＣＤ用の光ディスクの記録・再生について：
一方、ＣＤ用の光ディスクの記録・再生は、ＣＤ用の半導体レーザ１Ｂと光検出器８Ｂとホログラムビームスプリッタ４Ｂがパッケージに一体化されたＣＤ用のユニット９０Ｂを用いる。
半導体レーザ１Ｂから出射する波長λ2（＝７９０ｎｍ）の光は、トラッキング用の３ビームを発生する回折格子が一体化されたホログラムビームスプリッタ４Ｂを透過する。
そして、この透過光は、ダイクロイックプリズム３で反射してＤＶＤ用の波長λ1の光と光軸が一致するように進行し、コリメータレンズ５および対物レンズ６によりＣＤ用光ディスクＤの情報記録層に集光される。【０１４２】
また、光ディスクＤの反射面で反射された光は、逆行して再び対物レンズ６とコリメータレンズ５を透過し、ダイクロイックプリズム３で反射し、さらにホログラムビームスプリッタ４Ｂにより一部の光が回折されて、光検出器８Ｂの受光面に集光する。【０１４３】
このように、本実施形態では、カバー厚の異なるＤＶＤ用の単層および２層光ディスクＤに対して安定した記録および／または再生を行うための動作は、第６の実施形態と同様である。従って、本実施形態の光ヘッド装置９０によれば、光ヘッド装置９０の組み立て調整が簡略化されるとともに、装置全体の小型・軽量化につながる。
【実施例】
【０１４４】
「例１」
次に、第２の実施形態に示した本発明の液晶レンズ素子２０の具体的な実施例について、図６を参照しながら以下に説明する。【０１４５】
初めに、この液晶レンズ素子２０の作製方法について説明する。
透明基板１１であるガラス基板上に透明導電膜（ＩＴＯ膜）を成膜し、これを透明電極１３とする。さらにその透明電極１３上に、屈折率ｎS（＝１．６６）の均一屈折率材料である感光性ポリイミドを膜厚ｄ（＝５．５μｍｍ）となるように塗布する。【０１４６】
次に、図３のグラフβの形状に相当するように、紫外線透過率が半径方向に分布した階調マスクを用いて、感光性ポリイミドに紫外線を照射し、階調マスクパターンを焼き付けた後、現像する。その結果、有効径φ（＝４．９ｍｍ）の領域に、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６に示すような凹凸部１７を加工・形成する。さらに、ポリイミドからなる凹凸部１７の表面を、Ｘ軸方向にラビング配向処理する。このようにして得られるポリイミドからなる凹凸部１７の透明材料として、その電気体積抵抗率ρFが液晶１６の体積抵抗率ρLCに比べ１０6以上低抵抗となる材料を用いる。【０１４７】
また、透明電極１４として透明導電膜（ＩＴＯ膜）が成膜された透明基板１２であるガラス基板上にポリイミド膜を膜厚約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、透明基板１１と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、液晶１６を空セルの注入口（図示せず）から注入し、その注入口を封止して図６に示す液晶レンズ素子１０とする。【０１４８】
この液晶１６には、常光屈折率ｎo（＝１．５０）および異常光屈折率ｎe（＝１．７８）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、透明電極１３、１４の平面に、平行かつＸ軸方向に液晶分子の配向が揃った液晶１６を凹凸部１７の凹部に充填する。なお、鋸歯状の凹凸部１７の斜面は最大３°程度の傾斜であるため、液晶分子の配向は透明電極面に平行と見なされる。【０１４９】
次に、透明基板２１であるガラス基板上に、ポリイミド膜を膜厚約５０ｎｍ塗布した後焼成し、ポリイミド膜表面をＸ軸と４５°の角度をなす方向に、ラビング配向処理する。
その上に、液晶モノマーを膜厚６．６μｍとなるよう塗布した後、重合硬化し、Ｘ軸と４５°の角度をなす方向に遅相軸が揃った、常光屈折率と異常光屈折率の差が０．２０の高分子液晶膜からなる位相板２２を作製する。そして、接着材を用いて位相板２２と透明基板１２を接着固定するようにして、液晶レンズ素子１０に透明基板２１などを固着し、液晶レンズ素子２０とする。【０１５０】
この位相板２２のリタデーション値（Ｒｄ）は、
Ｒｄ＝０．２０×６．６
＝１．３２μｍ
で、ＤＶＤ用の波長λ（＝６６０ｎｍ）の５／４倍に相当し、１／４波長板の機能を有する。【０１５１】
このようにして得られた液晶レンズ素子２０の透明電極１３、１４に交流電源１８を接続することにより、凹凸部１７の電圧降下は僅かで第１の実施形態に示したＣａｓｅ１の条件に相当し、実効的に液晶１６に電圧が印加される。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ｎe（＝１．７８）から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１６と凹凸部１７の屈折率差（△ｎ）が、
△ｎmax（＝ｎe−ｎs）＝０．１２
（但し、ｎs＝１．６６）
から
△ｎmin（＝ｎo−ｎs）＝−０．１６
まで変化し、凹凸部１７の凹部に充填された液晶１６の厚さ分布に応じて、透過波面が変化する。【０１５２】
ここで、例えば、使用波長λ（＝６６０ｎｍ）で、カバー厚０．６０ｍｍのＤＶＤ用の単層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開口数（ＮＡ）０．６５および焦点距離３．０５ｍｍの対物レンズを、カバー厚０．５７ｍｍと０．６３ｍｍのＤＶＤ用の２層光ディスクに用いると、最大光路長差が約０．１５λで、二乗平均波面収差が約４３ｍλ［ｒｍｓ］に相当する球面収差が発生する。【０１５３】
そこで、液晶レンズ素子２０を用いてこの球面収差を補正するため、電圧非印加時の透過波面が、下記の［表１］に示す係数値ａ1〜ａ5を用いて（３）式で表記される光路長差ＯＰＤに相当するように、凹凸部１７を加工する。ただし、（３）式の光路長差ＯＰＤは［μｍ］単位で、ｒは［ｍｍ］単位である。【０１５４】
【表１】
0004720507.tif 000012
【０１５５】
これにより、［表１］の係数値ａ1〜ａ5を用いて、（３）式で表記される図３のグラフαに相当する光路長差から波長λの整数倍を差し引いて得られる（ゼロ以上λ以下の光路長差に相当する）、図３のグラフβに示す光路長差の透過波面を生成する。【０１５６】
ここで、電圧非印加時の液晶１６と凹凸部１７の屈折率差（△ｎ）は、前述したように、
△ｎ（＝ｎe−ｎs）＝０．１２
であるので、凹凸部１７とこの凹部に充填された液晶１６とにより上述の透過波面を生成するためには、前述した（４）式を満たすようにすればよい。即ち、（２）式において、ｍ＝１の場合、最大光路長差が波長λ＝６６０ｎｍ（＝０．６６μｍ）に相当するように、
△ｎ×ｄ＝０．６６μｍ
この式から凹凸部１７の深さｄ（μｍ）を決定する。【０１５７】
これにより、凹凸部１７は、深さ（ｄ）がｄ＝５．５μｍとして、図１に示す断面形状に加工されている。なお、鋸歯状の凹凸部１７を階段形状によって近似してもよい。図３のグラフαに相当する滑らかな透過波面を生成するためには、凹凸部１７の深さ（ｄ）を、
（０．７５×λ／△ｎ）≦ｄ≦（１．２５×λ／△ｎ）
とすることが好ましい。また、凹凸部１７の有効径は４．９ｍｍであるため、最大半径は２．４５ｍｍである。【０１５８】
液晶レンズ素子２０に入射するＤＶＤ用の波長λ（＝６６０ｎｍ）の透過波面は、電圧非印加時（Ｖ+1＝０）は図４（Ａ）に示す集光光となり、焦点距離（ｆ）がｆ＝６７５ｍｍ相当の凸レンズ作用を示す。次に、印加電圧を増加させると、Ｖ0＝２．５Ｖ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＝６Ｖ程度で△ｎ（Ｖ-1）＝−△ｎ（Ｖ+1）となり、透過波面は、図４（Ｃ）に示す発散光となり、焦点距離（ｆ）がｆ＝−６７５ｍｍ相当の凹レンズ作用を示す。【０１５９】
「例２」
次に、前述の「例１」の液晶レンズ素子２０を、図１１に示す第６の実施形態の光ヘッド装置７０に搭載する場合の具体的な実施例について説明する。なお、この光ヘッド装置７０の構成は第６の実施形態で説明したので省略する。【０１６０】
カバー厚０．６０ｍｍのＤＶＤ用の単層光ディスクＤを記録・再生する場合、液晶レンズ素子２０の印加電圧をＶ0＝２．５Ｖ程度とすると、入射光は対物レンズ６により情報記録層に集光される。【０１６１】
ＤＶＤ用の２層光ディスクＤに対しては、液晶レンズ素子２０の印加電圧をＶ+1（＝０Ｖ）程度とすると、入射光はカバー厚０．５７ｍｍの情報記録層に集光され、印加電圧をＶ-1（＝６Ｖ）程度とすると、入射光はカバー厚０．６３ｍｍの情報記録層に集光される。何れも、残留する二乗平均波面収差の計算値は３ｍλ［ｒｍｓ］以下となる。【０１６２】
なお、カバー厚が０．５５５ｍｍから０．５８５ｍｍの範囲では、印加電圧Ｖ+1とすることにより、また、カバー厚が０．５８５ｍｍから０．６１５ｍｍの範囲では印加電圧Ｖ0とすることにより、さらに、カバー厚が０．６１５ｍｍから０．６４５ｍｍの範囲では印加電圧Ｖ-1とすることにより、それぞれ、残留する二乗平均波面収差の計算値が約２０ｍλ［ｒｍｓ］以下に低減する。【０１６３】
また、トラッキングのため、光ディスクＤの半径方向に対物レンズ６が±０．３ｍｍ程度移動した時、液晶レンズ素子２０との偏心が発生するが、それに伴う収差発生はないため、集光スポットの劣化も生じない。
従って、液晶レンズ素子２０に印加する電圧をＶ0、Ｖ+1、Ｖ-1に切り換えることにより、ＤＶＤ用の単層および２層の光ディスクＤへ安定した記録および再生を行える光ヘッド装置が実現する。【０１６４】
「例３」
次に、例１の実施例で示した本発明の液晶レンズ素子２０において、凹凸部１７の透明材料として、その電気体積抵抗率ρFが液晶１６の体積抵抗率ρLCと同等以上に高い材料を用いる場合の実施例について、図６を参照しながら以下に説明する。なお、凹凸部１７および液晶１６以外の素子構成は、実施例１と同じであるため、同一部分の説明は省略する。【０１６５】
初めに、この液晶レンズ素子２０における凹凸部１７の作製方法について説明する。
透明基板１１であるガラス基板上に成膜された透明電極１３の上に、液晶１６の常光屈折率ｎoに略等しい屈折率ｎS（＝１．５０７）の均一屈折率材料である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。ここで、ＳｉスパッタターゲットとＡｒガスに酸素および窒素を混入した放電ガスを用いることにより、屈折率ｎsの透明な均一屈折率で膜厚ｄ（＝２．９４μｍ）のＳｉＯxＮy膜としている。ＳｉＯxＮy膜は比誘電率εFが４．０で、電気体積抵抗率ρFが１０10Ω・ｃｍ以上である。【０１６６】
さらに、図３のグラフγ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（＝４．９ｍｍ）の領域に、フレネルレンズの鋸歯断面形状を８段の階段状で近似し、図１に示す凹凸部１７の凸部と凹部を逆にした凸型フレネルレンズ形状に加工する。
すなわち、図６では凹凸部１７からなるフレネルレンズ形状の中心部が凹となっているが、本実施例では中心部が凸のフレネルレンズ形状としている。中心部が凹に比べて凸とすることにより液晶層の平均厚さを薄くできるため、焦点切り換え時の電圧応答性が高速化できる。
次に、凹凸部１７の表面に透明導電膜（ＩＴＯ膜）を成膜し、これを第１透明電極１３とする。さらに、ポリイミド膜（図示せず）を第１透明電極１３上に膜厚約５０ｎｍとなるよう塗布した後に焼成し、ポリイミド膜表面をＸ軸方向にラビング配向処理して配向膜とする。【０１６７】
また、透明電極１４として透明導電膜（ＩＴＯ膜）が成膜された透明基板１２であるガラス基板上にポリイミド膜を膜厚約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する。さらにその上に、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１５を形成し、透明基板１１と重ね合わせて圧着し、透明電極間隔Ｇが１５μｍの空セルを作製する。
その後、液晶１６を空セルの注入口（図示せず）から注入し、その注入口を封止して図６に示す液晶レンズ素子１０とする。【０１６８】
この液晶１６には、常光屈折率ｎo（＝１．５０７）および異常光屈折率ｎe（＝１．７４５）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、透明電極１３、１４の平面に、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の液晶１６を凹凸部１７の凹部に充填する。液晶１６の比誘電率εLCは、液晶分子長軸方向の比誘電率ε//が１５．２、液晶分子短軸方向の比誘電率ε⊥が４．３で、正の誘電率異方性を有する。また、液晶１６の電気体積抵抗率ρLCは、１０10Ω・ｃｍ以上である。なお、位相板２２は例１と同様にして作製する。【０１６９】
このようにして得られた液晶レンズ素子２０の透明電極１３、１４に交流電源１８を接続し、周波数ｆ＝１ｋＨｚの矩形交流電圧Ｖを印加する。第１の実施形態に示したＣａｓｅ２の条件に相当するため、透明電極１３、１４の印加電圧Ｖに対して液晶（層）１６に配分される印加電圧ＶLCの比率ＶLC／Ｖは、図５に示す凹凸部１７の膜厚ｄFおよび液晶（層）の層厚ｄLCに応じて（５）式で関係付けられ、凹凸部１７からなるフレネルレンズ形状に対応した電圧分布ＶLCが生じる。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、凹凸部１７の膜厚ｄFの分布に起因して透明電極間の光路長差ＯＰＤが次式で記載されるように分布する。フレネルレンズ形状の中心部が凸のため、凹の場合を示す（６）式と異なる表記となる。【０１７０】
【数１１】
0004720507.tif 000013
【０１７１】
ＳｉＯxＮy膜からなる凹凸部１７の膜厚ｄFはｄからゼロまで分布し、フレネルレンズ形状の中心部に対する光路長差ＯＰＤは、ゼロから次式のＯＰＤdまで分布する。【０１７２】
【数１２】
0004720507.tif 000014
【０１７３】
透明電極間への電圧非印加時は、Ｖ＝ＶLC［ｄ］＝０で、ｎ（０）＝ｎeのため、光路長差ＯＰＤdは次式の値となる。
ＯＰＤd＝（ｎe−ｎs）×ｄ
＝０．２３８×２．９４
＝０．７０μｍ
となる。【０１７４】
透明電極間の印加電圧Ｖを増加させると、ＯＰＤdは減少し、ＤＶＤ用の波長λ＝６６０ｎｍに対して、ＯＰＤdが＋λ、ゼロ、−λとなる印加電圧Ｖ-1、Ｖ0、Ｖ+1（Ｖ-1＜Ｖ0＜Ｖ+1）が存在する。従って、液晶レンズ素子２０に入射する波長λ＝６６０ｎｍの平面波は、印加電圧Ｖ-1、Ｖ0、Ｖ+1を切り替えると、それぞれ、図３のγ、ＯＰＤゼロ、βに相当する透過波面となる。すなわち、印加電圧Ｖ-1で図４（Ｃ）に示す負のパワーに相当する透過波面を生成し、印加電圧Ｖ0で図４（Ｂ）に示すパワーなしに相当する透過波面を生成し、印加電圧Ｖ+1で図４（Ａ）に示す正のパワーに相当する透過波面を生成する。【０１７５】
液晶レンズ素子２０の光出射側に集光レンズを配置し、印加電圧Ｖ-1、Ｖ0、Ｖ+1に応じて集光点位置が切り替わり、３値の焦点距離可変液晶レンズ素子の動作を確認した。開口絞りと光検出器を各集光点位置に配置し、液晶レンズ素子２０の透明電極間の印加電圧Ｖを変化させた時、波長λ＝６６０ｎｍの異常光偏光の入射光に対する液晶レンズ素子２０の出射光の集光効率の測定例を図１４に示す。
印加電圧Ｖ-1が０から１．２Ｖ域で負のパワー（凹レンズ）となり、印加電圧Ｖ0が１．６Ｖ域でパワーなし（レンズ作用なし）となり、印加電圧Ｖ+1が２．５から３Ｖ域で正のパワー（凸レンズ）となった。なお、集光効率が１００％に満たない原因は、凹凸部加工形状の最適値からのずれおよび屈折率の異なる複数の界面における反射損失であり、改善できる。【０１７６】
また、均一屈折率材料のＳｉＯxＮy膜からなる凹凸部１７の屈折率ｎSと液晶１６の常光屈折率ｎoは略等しいため、液晶レンズ素子２０に常光偏光が入射した場合、透過波面は変化しない。常光偏光の入射光に対しては、液晶レンズ素子２０の透明電極間の印加電圧および入射光の波長に依存することなく、透過波面変化のない（パワーなし）９８％の高い透過率が得られた。【０１７７】
「例２」と同様、この液晶レンズ素子２０を、図１１に示す第６の実施形態の光ヘッド装置７０に搭載し、単層および２層のＤＶＤ光ディスクの記録・再生を行う。
この光ヘッド装置７０を用いて、カバー厚０．６０ｍｍの単層ＤＶＤ光ディスクＤに情報を記録・再生する場合、液晶レンズ素子１０の印加電圧をＶ0＝１．６Ｖ程度とすると、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。【０１７８】
一方、２層ＤＶＤ光ディスクＤに対しては、液晶レンズ素子２０の印加電圧をＶ-1（＝１Ｖ）程度とすると、入射光はカバー厚０．６３ｍｍの情報記録層に集光され、印加電圧をＶ+1（＝３Ｖ）程度とすると、入射光はカバー厚０．５７ｍｍの情報記録層に集光される。何れも、残留するＲＭＳ波面収差の計算値は３ｍλ［ｒｍｓ］以下となる。【０１７９】
次に、カバー厚が０．５６ｍｍから０．６４ｍｍの光ディスクに対して、液晶レンズ素子１０の印加電圧Ｖ0、Ｖ-1、Ｖ+1に応じて発生する透過波面を用いた場合、残留するＲＭＳ波面収差の計算結果を図１５に示す。
従って、カバー厚が０．５６ｍｍから０．５８５ｍｍの範囲では、印加電圧Ｖ+1とすることにより、カバー厚が０．５８５ｍｍから０．６１５ｍｍの範囲では印加電圧Ｖ0とすることにより、さらに、カバー厚が０．６１５ｍｍから０．６４ｍｍの範囲では印加電圧Ｖ-1とすることにより、それぞれ、残留するＲＭＳ波面収差が約２０ｍλ［ｒｍｓ］以下に低減する。
また、トラッキングのため、光ディスクＤの半径方向に対物レンズ５が±０．３ｍｍ程度移動した時、液晶レンズ素子２０との偏心が生じるが、それに伴う収差発生はないため、集光スポットの劣化も生じない。
従って、液晶レンズ素子２０に印加する電圧をＶ0、Ｖ-1、Ｖ+1に切り替えることにより、単層および２層のＤＶＤ光ディスクＤの安定した記録・再生を行える光ヘッド装置が実現する。【０１８０】
なお、この液晶レンズ素子２０に他の波長、例えばＣＤ用の７９０ｎｍ波長帯の光が入射する場合、液晶レンズ素子２０中の液晶１６に対して常光偏光となる直線偏光とすることにより、電圧非印加時に透過波面変化せず高い透過率が得られるため好ましい。
【産業上の利用可能性】
【０１８１】
本発明の液晶レンズ素子は、印加電圧に応じて焦点距離が複数切り換わる焦点距離切り換えレンズとして利用でき、特に、カバー厚の異なる単層および２層の情報記録層を有する光ディスクの記録および／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、配置の制約が軽減され、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できる。
なお、本出願の優先権主張の基礎となる日本特許願２００４−０２６６８５号（２００４年２月３日に日本特許庁に出願）及び日本特許願２００４−２３０６０６号（２００４年８月６日に日本特許庁に出願）の全明細書の内容をここに引用し、本発明の明細書の開示として、取り入れるものである。
【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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