(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向する一対の透明基板と、この透明基板間に挟持された液晶層とを備え、この液晶層に印加する電圧の大きさに応じて前記液晶層を透過する光の集光位置を変化させる液晶レンズ素子において、
一方の透明基板の、他方の透明基板と対向する平坦面に形成されたフレネルレンズと、
このフレネルレンズの凹凸状の表面に形成された第１の透明電極と、
前記他方の透明基板の、前記一方の透明基板と対向する平坦面に形成された第２の透明電極とを備え、
前記液晶層を挟む第１の透明電極と第２の透明電極との間に印加する電圧Ｖの大きさに応じて、特定波長λを有する直線偏光の入射光に対する前記液晶層の実質的な屈折率ｎ（Ｖ）が、電圧非印加時の屈折率ｎ１から電圧印加時の電圧変化に伴う変動のない十分に飽和した屈折率ｎ２（ｎ１≠ｎ２）まで変化し、かつ、前記フレネルレンズの屈折率ｎｓが前記屈折率ｎ１とｎ２の間の値であって、前記液晶層との屈折率差｜ｎ１−ｎｓ｜および｜ｎ２−ｎｓ｜のうち小さい方の値をδｎとするときに、前記フレネルレンズの厚さｄがｄ≧０．７５×λ／δｎの関係を満たすように形成され、
第１の透明電極と第２の透明電極との間に印加する電圧Ｖのうち、Ｍ個（但し、Ｍは３以上の整数）の特定の印加電圧にそれぞれ対応して焦点距離が存在し、
前記Ｍ個の焦点距離に集光する透過波面のうち、パワーが付与された透過波面と入射光との光路長差について、光軸中心（座標原点：ｘ＝ｙ＝０）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（ｒ）を、
ＯＰＤ（ｒ）＝ａ１ｒ２＋ａ２ｒ４＋ａ３ｒ６＋ａ４ｒ８＋・・・
但し、ｒ２＝ｘ２＋ｙ２
ａ１、ａ２、・・・；定数
で表すとき、前記フレネルレンズの凹凸状は、ＯＰＤ（ｒ）を、λまたは、２λまたは、３λの間隔で分割して光路長差がゼロの面に射影した光路長差を与える形状と実質的に同等であることを特徴とする液晶レンズ素子。
【請求項２】
前記フレネルレンズの屈折率ｎｓ、およびｎ１とｎ２との間で、｜ｎ１−ｎｓ｜≦｜ｎ２−ｎｓ｜の関係式を満たすとともに、
前記フレネルレンズの厚さｄが、
（ｍ−０．２５）×λ ≦ ｜ｎ１−ｎｓ｜×ｄ ≦ （ｍ＋０．２５）×λ  …（２）
（ただし、ｍ＝１、２または３）
の関係式を満たすように前記フレネルレンズが形成され、かつ、
前記特定の印加電圧Ｖｋを印加したときに前記液晶層の屈折率ｎ（Ｖｋ）が次式
ｎ（Ｖｋ）＝ｎ１＋［（ｍ−ｋ）×（ｎｓ−ｎ１）］／ｍ
（ただし、ｋは−ｍ≦ｋ≦ｍを満たす整数）
の関係を満たすときに、
前記Ｍは２ｍ＋１で表され、そのＭ個の印加電圧Ｖｋに対応して焦点距離がＭ個存在する請求項１に記載の液晶レンズ素子。
【請求項３】
前記フレネルレンズが階段状に近似されている請求項１または２に記載の液晶レンズ素子。
【請求項４】
前記フレネルレンズは複屈折材料から構成され、複屈折材料の異常光屈折率が前記ｎｓに対応し、複屈折材料の常光屈折率が前記液晶層の常光屈折率に等しい請求項１、２または３に記載の液晶レンズ素子。
【請求項５】
前記フレネルレンズが、ＳｉＯｘＮｙ（ここで０≦ｘ≦２、０≦ｙ≦１および０＜ｘ＋ｙである）から構成されている請求項１、２または３に記載の液晶レンズ素子。
【請求項６】
波長λの光を出射する光源と、この光源からの出射光を光記録媒体に集光する対物レンズと、この対物レンズにより集光され前記光記録媒体により反射された光を分波するビームスプリッタと、その分波された光を検出する光検出器とを備えた光ヘッド装置において、
前記光源と前記対物レンズとの間の光路中に、請求項１から５のいずれかに記載の液晶レンズ素子が設置されていることを特徴とする光ヘッド装置。
【請求項７】
前記光記録媒体は情報記録層を覆うカバー層を有し、このカバー層の厚さが異なる光記録媒体への記録および／または再生を行う請求項６に記載の光ヘッド装置。
【請求項８】
波長λの光を出射する光源と、この光源からの出射光を光記録媒体に集光する対物レンズと、この対物レンズにより集光され前記光記録媒体により反射された光を分波するビームスプリッタと、その分波された光を検出する光検出器とを備えた光ヘッド装置の前記光源と前記対物レンズとの間の光路中に、請求項１から５のいずれかに記載の液晶レンズ素子が設置されていて、液晶レンズ素子の透明電極間にＭ個（但し、Ｍは３以上の整数）の特定の印加電圧Ｖｋが印加されて用いられる光ヘッド装置の使用方法。
【請求項９】
前記光記録媒体は情報記録層を覆うカバー層を有し、このカバー層の厚さが異なる光記録媒体への記録および／または再生を行う請求項６に記載の光ヘッド装置に搭載した液晶レンズ素子の透明電極間にＭ個（但し、Ｍは３以上の整数）の特定の印加電圧Ｖｋが印加されて用いられる光ヘッド装置の使用方法。
【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、特に複数の印加電圧の切り替えに応じて複数の異なる焦点距離に切り替えることができる液晶レンズおよびこの液晶レンズを搭載した、光記録媒体への情報の記録および／または再生に使用する光ヘッド装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光入射側の面に形成された情報記録層と、この情報記録層を覆う透明樹脂からなるカバー層を有する光記録媒体（以後、「光ディスク」という）として、ＣＤ用光ディスクやＤＶＤ用光ディスクなどが普及している。また、このＤＶＤ用光ディスクへの情報の記録および／または再生（以下、「記録・再生」という）に用いる光ヘッド装置には、光源として波長が６６０ｎｍ帯の半導体レーザと、ＮＡ（開口数）が０．６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、ＤＶＤ用光ディスクとして、情報記録層が単層でカバー厚（カバー層の厚さ）が０．６ｍｍの光ディスク（以下、「単層ＤＶＤ光ディスク」という）と、情報記録層が２層の（再生専用または再生および記録可能な）光ディスク（以下、「２層ＤＶＤ光ディスク」という）が開発されている。この２層ＤＶＤ光ディスクでは情報記録層の間隔が５５±１５μｍであり、光入射側のカバー厚が０．５６ｍｍから０．６３ｍｍの位置に情報記録層が形成されている。【０００４】
ところで、カバー厚が０．６ｍｍの単層ＤＶＤ光ディスクに対して収差が最小となるように最適設計された対物レンズを有する光ヘッド装置を用いて、２層ＤＶＤ光ディスクの記録・再生する場合、カバー厚の相違に応じて球面収差が発生し、情報記録層への入射光の集光性が劣化する。特に、記録型の２層ＤＶＤ光ディスクにおいて、集光性の劣化は記録時の集光パワー密度の低下をもたらし、書き込みエラーを招くため問題となる。【０００５】
また、近年、光ディスクの記録密度を向上させるため、カバー厚が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。この単層ＢＤ光ディスク用の記録・再生に用いる光ヘッド装置は、光源として波長が４０５ｎｍ帯の半導体レーザと、ＮＡが０．８５の対物レンズなどが用いられる。この場合、単層ＢＤ光ディスクの面内でカバー厚が±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）においては、カバー厚の相違に応じて発生する大きな球面収差が書き込みエラーを招くため、問題となる。【０００６】
従来、このような光ディスク等のカバー厚の相違に起因して発生する球面収差を補正する手段として、可動レンズ群や液晶レンズを用いる方法が知られている。【０００７】
（I）例えば、可動レンズ群を用いて球面収差補正を行うために、図１２に示すような、光ディスクＤの記録・再生を行う光ヘッド装置１００が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
この光ヘッド装置１００は、光源１１０と、各種の光学系１２０と、受光素子１３０と、制御回路１４０と、変調／復調回路１５０とのほかに、第１、第２の可動レンズ群１６０、１７０とを備えている。第１の可動レンズ群１６０は、凹レンズ１６１と、凸レンズ１６２と、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。
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が必要となり、光ヘッド装置１００の大型化を招くとともに、レンズを可動させるための機構設計が複雑になるといった問題があった。【０００９】
（II）また、ＤＶＤ用光ディスクとＣＤ用光ディスクのカバー厚の相違に起因して発生する球面収差を補正するために、図１３に示すような液晶レンズ２００を用いた光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のベキ級数である次式
Ｓ（ｒ）＝α１ｒ２＋α２ｒ４＋α３ｒ６＋・・・            ・・・（１）
但し、ｒ２＝ｘ２＋ｙ２
α１、α２、α３、・・・：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。【００１０】
ところで、この液晶レンズ２００は、透明電極２１０、２４０間に電圧が印加されると、液晶２７０の分子配向が変化し、屈折率が変わる。その結果、基板２６０と液晶２７０の屈折率差に応じて、液晶レンズ２００の入射光の透過波面が変化する。
ここで、基板２６０の屈折率は電圧非印加時の液晶２７０の屈折率に等しい。従って、電圧非印加時には入射光の透過波面は変化しない。一方、透明電極２１０、２４０間に電圧を印加すると、基板２６０と液晶２７０とに屈折率差△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。【００１１】
ところが、図１３に記載の液晶レンズ２００の場合、印加電圧に対する液晶２７０の屈折率変化は最大０．３程度であるため、入射光の集光位置（焦点位置）を変化させる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、表面形状Ｓ（ｒ）の凹凸差を大きくしなければならない。その結果、液晶２７０の層が厚くなり、印加電圧に対する光路長変化の応答速度が遅くなる。特に、単層および２層の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おいて発生する波面収差の補正には１秒以下の応答性が必要となるため、問題であった。【００１２】
また、この液晶レンズ２００は、パワー成分を除いた球面収差のみを補正することにより、収差補正量すなわち光路長差分布を低減できるため、液晶層を薄くでき、高速応答化に有効である。しかし、球面収差のみを補正するように基板２６０の表面形状Ｓ（ｒ）を加工した場合、光ディスクの情報記録層に入射光を集光する対物レンズの光軸と液晶レンズの光軸とが偏心した時、コマ収差が発生する。特に、対物レンズが光デ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。【００１３】
（III）ところで、液晶層を厚くすることなく入射光の焦点位置変化に相当するパワー成分も変化する実質的なレンズ機能を発現するための液晶レンズとして、光変調素子が提案されている（例えば、特許文献３参照）。また、このＤＶＤ用光ディスクとＣＤ用光ディスクのカバー厚の相違に起因して発生する球面収差を補正するために、光変調素子を用いた光ヘッド装置も提案されている。図１４に光変調素子３００を示す。
この光変調素子３００は、略平行な２つの透明基板３１０、３２０と、その間に狭持される液晶３３０とを備えており、一方の透明基板３１０の液晶側の面が同心円状のブレーズ形状を有する凹凸部３４０とされ、２つの透明基板３１０、３２０の液晶側の面に電極３５０および配向膜３６０が形成されている。また、液晶３３０は、電界非印加時には配向方向が透明基板に対して略平行であり、電界印加時には配向方向が透明基板に対して略垂直である。【００１４】
ここで、液晶３３０の常光屈折率ｎｏ、異常光屈折率ｎｅのいずれか一方が透明基板のブレーズ形状を有する凹凸部３４０の屈折率にほぼ等しい構成とすることにより、電界非印加時と電界印加時で、液晶３３０と凹凸部３４０との屈折率差が、△ｎ（＝ｎｅ―ｎｏ）からゼロまで変化する。例えば、凹凸部３４０の屈折率がｎｏであって、この凹凸部３４０の深さを、△ｎ×（凹凸部の深さ）＝（真空中の光の波長）とすることにより、光変調素子３００は、電圧非印加時にはほぼ１００％の回折効率が得られるフレネルレンズとして機能する。一方、電圧印加時には液晶３３０の屈折率が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に印加する電圧の有無を切り替えることにより、２つの焦点位置を切り替えることができる。このような光変調素子３００を光ヘッド装置に搭載して用いることにより、ＤＶＤ用とＣＤ用でカバー厚の異なる光ディスクの情報記録層への集光性が改善される。その結果、ＤＶＤ用の対物レンズを用いて、ＤＶＤ用とＣＤ用の光ディスクの記録・再生ができる。【００１５】
従って、光変調素子３００を用いることにより、印加電圧有無の切り替えにより２値の焦点切り替えはできるが、その中間域の焦点への切り替えは困難であった。その結果、単層および２層ＤＶＤ光ディスクで必要とされるカバー厚０．５６ｍｍ〜０．６３ｍｍで発生する球面収差を３０ｍλ以下のＲＭＳ波面収差レベルに低減できなかった。また、単層および２層ＢＤ光ディスクにおいても、カバー厚が±５μｍ変動するとき発生する球面収差を５０ｍλ以下のＲＭＳ波面収差レベルに低減できなかった。その結果、カバー厚の相違に応じて発生する大きな球面収差が充分補正できず、書き込みエラーを招くといった問題が解消できない。
【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９−２３０３００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、可動部のない小型の素子が実現可能であるとともに、印加電圧に応じて３値以上の多値焦点距離の切り替えができるレンズ機能を有する液晶レンズ素子を提供することを目的とする。また、この液晶レンズ素子を用いることにより、単層および２層の光ディスクにおけるカバー厚の相違に起因して発生する球面収差を補正し、対物レンズとの偏心に伴う収差劣化が生じない、安定した記録および／または再生ができる光ヘッド装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は、対向する一対の透明基板と、この透明基板間に挟持された液晶層とを備え、この液晶層に印加する電圧の大きさに応じて前記液晶層を透過する光の集光位置を変化させる液晶レンズ素子において、一方の透明基板の、他方の透明基板と対向する平坦面に形成されたフレネルレンズと、このフレネルレンズの凹凸状の表面に形成された第1の透明電極と、前記他方の透明基板の、前記一方の透明基板と対向する平坦面に形成された第２の透明電極とを備え、前記液晶層を挟む第１の透明電極と第２の透明電極との間に印加する電圧Ｖの大きさに応じて、特定波長λを有する直線偏光の入射光に対する前記液晶層の実質的な屈折率ｎ（Ｖ）が、電圧非印加時の屈折率ｎ１から電圧印加時の電圧変化に伴う変動のない十分に飽和した屈折率ｎ２（ｎ１≠ｎ２）まで変化し、かつ、前記フレネルレンズの屈折率ｎｓが前記屈折率ｎ１とｎ２の間の値であって、前記液晶層との屈折率差｜ｎ１−ｎｓ｜および｜ｎ２−ｎｓ｜のうち小さい方の値をδｎとするときに、前記フレネルレンズの厚さｄがｄ≧０．７５×λ／δｎの関係を満たすように形成され、第１の透明電極と第２の透明電極との間に印加する電圧Ｖのうち、Ｍ個（但し、Ｍは３以上の整数）の特定の印加電圧にそれぞれ対応して焦点距離が存在し、前記Ｍ個の焦点距離に集光する透過波面のうち、パワーが付与された透過波面と入射光との光路長差について、光軸中心（座標原点：ｘ＝ｙ＝０）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（ｒ）を、
ＯＰＤ（ｒ）＝ａ１ｒ２＋ａ２ｒ４＋ａ３ｒ６＋ａ４ｒ８＋・・・
但し、ｒ２＝ｘ２＋ｙ２
ａ１、ａ２、・・・；定数
で表すとき、前記フレネルレンズの凹凸状は、ＯＰＤ（ｒ）を、λまたは、２λまたは、３λの間隔で分割して光路長差がゼロの面に射影した光路長差を与える形状と実質的に同等であることを特徴とする液晶レンズ素子を提供する。
【００１８】
これにより、印加電圧Ｖに応じて液晶層の実質的な屈折率ｎ（Ｖ）が変化し、ｄ≧０．７５×λ／δｎの関係式を満たすようにフレネルレンズを形成することにより、凹レンズおよび凸レンズに相当する透過波面と波面変化のない透過波面が生成できる。ここで、焦点距離が無限大のものも1つの焦点距離と考える。【００１９】
また、前記液晶レンズ素子において、前記フレネルレンズの屈折率ｎｓおよびｎ１とｎ２との間で、｜ｎ１−ｎｓ｜≦｜ｎ２−ｎｓ｜の関係式を満たすとともに、
前記フレネルレンズの厚さｄが、
（ｍ−０．２５）×λ  ≦  ｜ｎ１−ｎｓ｜×ｄ ≦ （ｍ＋０．２５）×λ  …（２）
（ただし、ｍ＝１、２または３）
の関係式を満たすように前記フレネルレンズが形成され、かつ、
前記特定の印加電圧Ｖｋを印加したときに前記液晶層の屈折率ｎ（Ｖｋ）が次式
ｎ（Ｖｋ）＝ｎ１＋［（ｍ−ｋ）×（ｎｓ−ｎ１）］／ｍ
（ただし、ｋは−ｍ≦ｋ≦ｍを満たす整数）
の関係を満たすときに、
前記Ｍは２ｍ＋１で表わされ、そのＭ個の印加電圧Ｖｋに対応して焦点距離がＭ個存在することを特徴とする液晶レンズ素子を提供する。【００２０】
これにより、フレネルレンズの厚さｄが（２）式を満たすことにより、３値以上の透過波面切り替えができる多値焦点距離可変液晶レンズが実現する。即ち、印加電圧Ｖｋの切り替えに応じて、ｍ＝１の場合は３値、ｍ＝２の場合は５値、ｍ＝３の場合は７値の焦点距離の切り替えができる。その結果、従来のブレーズ形状基板と液晶を用いたフレネルレンズ（特許文献３）では、２値の焦点距離の切り替えのみであったため適用範囲に制限があったが、より広範な応用に適用できる。
また、前記フレネルレンズが階段状に近似されている上記の液晶レンズ素子を提供する。
フレネルレンズまたはフレネルレンズを階段形状で近似した断面形状を有する凹凸部の凹部に液晶を充填しているため、大きな光路長差に相当するパワー成分を発生しながらも液晶層の厚さを薄くできる。その結果、高速の焦点距離切替が実現する。換言すれば、可動部がなく小型化が可能でありながら、印加電圧に応じて安定したパワー成分を含む球面収差補正ができるレンズ機能を有する液晶レンズ素子を提供できる。
また、前記フレネルレンズは複屈折材料から構成され、複屈折材料の異常光屈折率が前記ｎｓに対応し、複屈折材料の常光屈折率が前記液晶層の常光屈折率に等しい上記の液晶レンズ素子を提供する。
また、前記フレネルレンズが、ＳｉＯｘＮｙ（ここで０≦ｘ≦２、０≦ｙ≦１および０＜ｘ＋ｙである）から構成されている上記請求項１、２または３に記載の液晶レンズ素子を提供する。
また、波長λの光を出射する光源と、この光源からの出射光を光記録媒体に集光する対物レンズと、この対物レンズにより集光され前記光記録媒体により反射された光を分波するビームスプリッタと、その分波された光を検出する光検出器とを備えた光ヘッド装置において、
前記光源と前記対物レンズとの間の光路中に、上記の液晶レンズ素子が設置されていることを特徴とする光ヘッド装置を提供する。【００２１】
このような液晶レンズ素子を備えた光ヘッド装置とすることにより、光記録媒体である単層および２層光ディスクにおいて、カバー厚の相違あるいは光ディスク内のカバー厚ばらつきに起因して発生するパワー成分を含む球面収差を有効に補正できる。また、対物レンズがトラッキング時に液晶レンズ素子と偏心が生じた場合でも収差劣化が少ないため、液晶レンズ素子を対物レンズと一体でアクチュエータに搭載する必要がない。その結果、液晶レンズ素子の光ヘッド装置における配置上の制約が軽減されるとともに、情報記録面への集光性が向上し、安定した記録・再生ができる光ヘッド装置が実現する。【００２２】
前記光記録媒体は、情報記録層を覆うカバー層を有し、このカバー層の厚さが異なる光記録媒体に情報の記録および／または再生を行う上記の光ヘッド装置を提供する。
また、波長λの光を出射する光源と、この光源からの出射光を光記録媒体に集光する対物レンズと、この対物レンズにより集光され前記光記録媒体により反射された光を分波するビームスプリッタと、その分波された光を検出する光検出器とを備えた光ヘッド装置の前記光源と前記対物レンズとの間の光路中に、上記の液晶レンズ素子が設置されていて、液晶レンズ素子の透明電極間にＭ個（但し、Ｍは３以上の整数）の特定の印加電圧Ｖｋが印加されて用いられる光ヘッド装置の使用方法を提供する。
さらに、前記光記録媒体は情報記録層を覆うカバー層を有し、このカバー層の厚さが異なる光記録媒体への記録および／または再生を行う上記の光ヘッド装置に搭載した液晶レンズ素子の透明電極間にＭ個（但し、Ｍは３以上の整数）の特定の印加電圧Ｖｋが印加されて用いられる光ヘッド装置の使用方法を提供する。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、印加電圧に応じて３値以上の透過波面切り替えができる多値焦点距離可変液晶レンズが実現できる。しかも、フレネルレンズまたはフレネルレンズを階段形状で近似した断面形状を有する凹凸部の凹部に液晶を充填しているため、大きな光路長差に相当するパワー成分を発生しながらも液晶層の厚さを薄くできる。従って、高速応答につながるとともに、可動部がなく小型化が可能でありながら、印加電圧に応じて安定したパワー成分を含む球面収差補正ができるレンズ機能を有する液晶レンズ素子を提供できる。【００２４】
また、このような液晶レンズ素子を備えた光ヘッド装置とすることにより、単層および２層光ディスクにおけるカバー厚の相違および光ディスク内のカバー厚ばらつきに起因して発生するパワー成分を含む球面収差を有効に補正できる。また、トラッキング時に対物レンズが液晶レンズ素子と偏心が生じた場合でも収差劣化が少ないため、安定した記録・再生ができる光ヘッド装置が実現する。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明に係る第１の実施形態の液晶レンズ素子の構成を示す縦断面図。
【図２】図１に示す液晶レンズ素子の構成を示す横断面図。
【図３】第１の実施形態に係る液晶レンズにより生成される透過波面の光路長差を示すグラフであって、αは、横軸を半径ｒとし光路長差を波長λ単位で表記したグラフ。βはαから波長λの整数倍を差し引いた、−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】第１の実施形態の液晶レンズ素子への印加電圧を切り替えたときの作用を示す側面図であって、（Ａ）は印加電圧Ｖ＋１のときの発散透過波面を示す。（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のときの収束透過波面を示す。
【図５】本発明に係る第２の実施形態の液晶レンズ素子の構成を示す縦断面図。
【図６】第２の実施形態の液晶レンズにより生成される透過波面の光路長差を示すグラフであって、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。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７】第２の実施形態の液晶レンズ素子への印加電圧を切り替えたときの作用を示す説明図であって、（Ａ）は印加電圧Ｖ＋２のときの発散透過波面を示す。（Ｂ）は印加電圧Ｖ＋１のときの発散透過波面を示す。（Ｃ）は印加電圧Ｖ０のときの波面変化のない透過波面を示す。（Ｄ）は印加電圧Ｖ−１のときの収束透過波面を示す。（Ｅ）は印加電圧Ｖ−２のときの収束透過波面を示す。
【図８】液晶分子の配向方向が互いに直交するように２つの液晶レンズ素子が積層された本発明の第３の実施形態の液晶レンズ素子の構成を示す縦断面図。
【図９】本発明の液晶レンズ素子を搭載した第４の実施形態の光ヘッド装置を示す構成図。
【図１０】本発明の液晶レンズ素子が搭載された光ヘッド装置を用い、カバー厚の異なるＤＶＤ光ディスクに対して発生する波面収差の計算値を示すグラフ。
【図１１】本発明の液晶レンズ素子が搭載された光ヘッド装置を用い、カバー厚の異なるＢＤ光ディスクに対して発生する波面収差の計算値を示すグラフ。
【図１２】可動レンズ群が搭載された従来の光ヘッド装置を示す構成図。
【図１３】従来の液晶レンズの構成例を示す縦断面図。
【図１４】従来の光変調素子（液晶回折レンズ）の構成例を示す縦断面図。
【符号の説明】
【００２６】
１０、２０、３０  液晶レンズ素子
１１、１２、１２Ａ、１２Ｂ  透明基板
１３、１３Ａ、１３Ｂ  第１透明電極
１４、１４Ａ、１４Ｂ  第２透明電極
１５、１５Ａ、１５Ｂ  シール
１６  液晶
１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃ、１６Ｄ  液晶層
１７、１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃ、１７Ｄ  凹凸部
１８  交流電源
１３１、１４１  電極
４０  光ヘッド装置
Ｄ  光ディスク
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。
［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態に係る液晶レンズ素子１０の構成例について、図１に示す側面図と図２に示す平面図を参照しながら、詳細に説明する。
本実施形態の液晶レンズ素子１０は、透明基板１１、１２と、透明電極１３、１４と、シール１５と、液晶（液晶層）１６と、凹凸部１７と、交流電源１８とを備えている。【００２８】
このうち、凹凸部１７は、フレネルレンズまたはフレネルレンズを階段状で近似した形状を有するものであり、屈折率ｎｓの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。【００２９】
次に、この液晶レンズ素子１０の作製手順の一例について、以下に説明する。
はじめに、透明基板１１の一方の平坦面（図１では上面）に、屈折率ｎｓの透明材料により、フレネルレンズまたはフレネルレンズを階段状で近似した形状の凹凸部１７を形成する。さらに、この凹凸部１７の表面に第１透明電極１３を形成する。【００３０】
一方、透明基板１２に第２透明電極１４を形成した後、この透明基板１２に、ギャップ制御材が混入された接着材を印刷パターニングしてシール１５を形成し、この透明基板１２と前述の透明基板１１とが所定の間隙を保持するようにして重ね合わせ、圧着して空セルを作製する。次に、シール１５の一部に設けられた注入口（図示せず）から常光屈折率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型の液晶１６を注入し、この注入口を封止して液晶１６をセル内に密封して液晶層を形成し、本実施形態の液晶レンズ素子１０とする。また、液晶層内への異物等の混入による第１透明電極１３と第２透明電極１４との短絡を防止するため、第１透明電極１３と第２透明電極１４との最短間隔が２μｍ以上となるよう、ギャップ制御材を選定することが好ましい。さらに、第２透明電極１４の表面に透明絶縁体膜（図示せず）を膜厚１０〜２００ｎｍ程度成膜し、短絡防止とすることが好ましい。【００３１】
このようにして、凹凸部１７の少なくとも凹部に液晶１６が充填された液晶レンズ素子１０の第１、第２透明電極１３、１４に、交流電源１８を用いて矩形波の交流電圧を印加することにより、液晶１６の分子配向が変化し、液晶層の実質的な屈折率がｎ１からｎ２（ｎ１≠ｎ２）まで変化する。ここで、液晶１６からなる液晶層（これを液晶層１６Ａとよぶ）の実質的な屈折率とは、入射光の偏光方向に対する第１透明電極１３と第２透明電極１４により狭持された液晶層１６Ａの平均屈折率を意味し、（光路長）÷（液晶層間隔）に相当する。その結果、入射光の特定の直線偏光に対し、印加電圧の大きさに応じて液晶層１６Ａと凹凸部１７の屈折率差△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。【００３２】
ここで、透明材料からなる凹凸部１７は、紫外線硬化樹脂や熱硬化樹脂、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の元素比率を示し、０≦ｘ≦２、０≦ｙ≦１および０＜ｘ＋ｙである。）などの無機材料でもよい。また、均一屈折率材料、または複屈折材料でもよい。要は、印加電圧に応じて液晶層１６Ａ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の間にあるとともに、｜ｎ１−ｎｓ｜≦｜ｎ２−ｎｓ｜の関係を満たす屈折率ｎｓの透明材料であればよい。【００３３】
なお、凹凸部１７は、透明基板１１の平坦面に所定の膜厚の透明材料層を形成した後、フォトリソグラフィ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。
また、印加電圧に対して液晶層１６Ａの実質的な屈折率の大きな変化を得るために、この凹凸部１７の凹部に充填される液晶層１６Ａの分子の配向方向は透明電極１３および１４の面上で揃っていることが好ましい。【００３４】
ここで、液晶層１６Ａのネマティック液晶分子の配向方向については、例えば、以下の３種類がある。
ｉ）液晶１６の異常光屈折率方向の比誘電率と常光屈折率方向の比誘電率との差である誘電率異方性△εが正の場合、図１において、第１、第２の透明電極１３および１４の表面に液晶分子の配向方向が透明基板１１、１２の一面（これを、基板面とよぶ）に略平行となるポリイミドなどの配向膜（図示せず）を塗布し、硬化後にＸ軸方向にラビング処理する。これにより、Ｘ軸方向に液晶分子の配向方向（すなわち、異常光屈折率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、酸化ケイ素の斜蒸着膜や光配向膜などを用いて液晶分子の配向を揃えてもよい。ここで、第１、第２の透明電極１３、１４に交流電圧Ｖを印加することにより、Ｘ軸方向の偏光面を有する直線偏光の入射光に対して、液晶層１６Ａの実質的な屈折率ｎ（Ｖ）がｎ１（＝ｎｅ）からｎ２（＝ｎｏ）まで変化する。【００３５】
この構成により、低電圧で液晶層１６Ａの実質的な屈折率の大きな変化が得られるため、透明凹凸電極基板面を形成する凹凸部１７の最大深さｄを、比較的小さな値とすることができる。その結果、凹凸部１７の形成工程が短縮されるとともに、液晶層１６Ａを薄くできるため高速応答化につながる。【００３６】
ii）第１透明電極１３の表面に、液晶分子の配向方向が基板面に略垂直となるポリイミドなどの配向膜（図示せず）を塗布後硬化させる。一方、平坦な第２透明電極１４の表面には、液晶分子の配向方向が基板面に平行となるポリイミドなどの配向膜（図示せず）を塗布・硬化後、Ｘ軸方向にラビング処理する。その結果、液晶分子の配向方向が、凹凸部１７の透明電極１３では基板面に対して略垂直方向に揃い、第２透明電極１４では基板面に対して略平行方向に揃うハイブリッド配向となる。この場合、凹凸部１７に配向処理が不要なため均一な液晶配向が得やすい。ここで、第１、第２の透明電極１３、１４に交流電圧Ｖを印加することにより、Ｘ軸方向に偏光面を有する直線偏光の入射光に対して、液晶層の実質的な屈折率ｎ（Ｖ）がｎ１（＝［ｎｅ＋ｎｏ］／２）からｎ２（＝ｎｏ）まで変化する。【００３７】
この構成により、液晶層１６Ａの配向は第２透明電極１４の基板面上の配向処理された配向膜により規定されるため、第１透明電極１３の基板面上の配向膜の配向処理なしでも液晶層１６Ａの配向方向は安定する。その結果、凹凸基板面の配向不良に起因した透過光の効率劣化などが軽減できる。【００３８】
iii）印加電圧に対して、電界と垂直方向に液晶の配向が揃う誘電率異方性△εが負の液晶を用い、第１、第２の透明電極１３、１４の表面に液晶分子の配向方向が基板面に略垂直となるポリイミドなどの配向膜（図示せず）を塗布後硬化させる。さらに、第２透明電極１４の配向膜にのみＸ軸方向にラビング処理する。その結果、液晶分子の配向方向が透明電極１３および１４の基板面に対して略垂直方向に揃う垂直配向となる。凹凸部１７の面に配向処理を施す必要がないため、均一な液晶配向が得やすい。ここで、透明電極１３、１４に電圧Ｖを印加することにより、Ｘ軸方向に偏光面を有する直線偏光の入射光に対して、液晶層１６Ａの実質的な屈折率ｎ（Ｖ）がｎ１（＝ｎｏ）からｎ２（＝ｎｅ）まで変化する。【００３９】
この構成により、低電圧で液晶層１６Ａの実質的な屈折率の大きな変化が得られるため、フレネルレンズを形成する凹凸部１７の最大深さｄを比較的小さな値とできる。その結果、凹凸部１７の形成工程が短縮されるとともに、液晶層１６Ａを薄くできるため高速応答化につながる。さらに、液晶層１６Ａの配向は第２透明電極１４面上の配向処理された配向膜により規定されるため、第１透明電極１３面上の配向膜の配向処理なしでも液晶層１６Ａの配向方向は安定する。その結果、基板面の配向不良に起因した透過光の効率劣化などが軽減できる。【００４０】
なお、透明基板１１側に形成された電極１４１を通して第２透明電極１４に電圧を印加するために、あらかじめシール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、第２透明電極１４と電極１４１を導通する。第１透明電極１３に接続された電極１３１と、第２透明電極１４に接続された電極１４１とに交流電源１８を接続することにより、液晶層１６Ａに電圧を印加できる。【００４１】
次に、フレネルレンズまたはフレネルレンズを階段状で近似した凹凸部１７の断面形状について、以下に説明する。
本発明の液晶レンズ素子１０を光ヘッド装置に搭載し、光ディスクのカバー厚の相違に起因して発生する球面収差を補正する透過波面を生成するとともに、対物レンズとの偏心に対して収差発生がないよう正または負のパワー成分が付与された透過波面を生成するために、液晶レンズ素子１０に入射する平面波の透過波面において、光軸中心（座標原点：ｘ＝ｙ＝０）の光線に対して半径ｒ離れた位置を通過する光線の光路長差ＯＰＤが、次式のようなベキ級数で記述されるようにする。
ＯＰＤ（ｒ）＝ａ１ｒ２＋ａ２ｒ４＋ａ３ｒ６＋ａ４ｒ８＋    ・・・（３）
但し、ｒ２＝ｘ２＋ｙ２
ａ１、ａ２、・・・；定数（後述の［表１］、［表２］参照）   【００４２】
ここで、（３）式の曲線の具体例を図３に符号αで示す。なお、横軸は半径ｒで、縦軸は光路長差ＯＰＤを入射光の波長λの単位で表記し、αのグラフは（３）式の中心軸（ｒ＝０）を含む断面を示す。
液晶レンズ素子１０において、波長λの入射光に対して、λの整数倍の光路長差をもつ透過波面は同等と見なせる。従って、図３のαで示すグラフ（光路長差）を波長λの間隔で分割して光路長差ゼロの面に射影した光路長差を示すグラフβは、グラフαと実質的に同等である。一方、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、フレネルレンズ形状となっている。これが、図１に示す液晶レンズ素子１０において、凹凸部１７の形状になる。【００４３】
次に、第１、第２の透明電極１３、１４に電圧Ｖを印加したとき、異常光偏光の光に対する液晶層１６Ａの実質的な屈折率をｎ（Ｖ）とすれば、透明材料からなる液晶１６と凹凸部１７の屈折率差は△ｎ（Ｖ）＝ｎ（Ｖ）−ｎｓである。なお、ｎｓは、前述したように、透明材料からなる凹凸部１７の屈折率である。
例えば、印加電圧Ｖ＋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、次式の関係を満す値に穿設すればよい。
ｄ＝λ／｜△ｎ（Ｖ＋１）｜                                ・・・（４）
但し、λ；入射光の波長
△ｎ（Ｖ＋１）＝ｎ（Ｖ＋１）−ｎｓ＝ｎ１−ｎｓ
即ち、これは、ｎ１−ｎｓ＞０の場合で、（２）式において、ｍ＝１の場合の深さに相当する。【００４４】
ここで、印加電圧Ｖを変化させることにより屈折率差△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。【００４５】
ここで、凹凸部１７は、液晶層１６Ａの実質的な屈折率が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、フレネルレンズあるいはフレネルレンズを階段状で近似した断面形状に加工されている。
また、図１に示すように、凹凸部１７の中心部を凸とすることにより、液晶層１６Ａの平均層厚を低減できる。その結果、高速応答化につながるとともに、使用する液晶材料量も減少するため好ましい。【００４６】
本実施形態の液晶レンズ素子１０において、凹凸部１７を形成する透明材料の屈折率ｎｓをｎ１とｎ２との間の値であるとともに、｜ｎ１−ｎｓ｜≦｜ｎ２−ｎｓ｜の関係式を満たすように選択すると、
△ｎ（Ｖ０）＝０、
△ｎ（Ｖ−１）＝−△ｎ（Ｖ＋１）
となる電圧値Ｖ＋１＜Ｖ０＜Ｖ−１が必ず存在する。【００４７】
なお、液晶層の実質的な屈折率ｎ（Ｖ）は温度により変化し、高温ほど低下する。従って、液晶レンズ素子の使用温度範囲が−１０°Ｃから８０°Ｃまで変化すると、高温域すなわち８０°Ｃで（４）式を満たす凹凸部１７の深さｄとすることが好ましい。すなわち、室温においてｄ＝０．７５×λ／｜Δｎ（Ｖ＋１）｜とすれば、使用温度範囲において電圧値Ｖ＋１＜Ｖ０＜Ｖ−１が必ず存在する。【００４８】
従って、交流電源１８を用いて、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。
ここで、印加電圧Ｖ＋１およびＶ−１において、グラフβおよびグラフγに相当する透過波面を効率よく生成するためには、凹凸部１７をフレネル形状またはフレネルレンズをＮ段の階段形状で近似した形状とし、凹凸部１７の最大深さｄが、次式
ｄ＝［（Ｎ−１）／Ｎ］×λ／｜Δｎ（Ｖ＋１）｜
を満たすことが好ましい。
ここで、生成される透過波面の効率を７０％以上とするためには、Ｎを４以上とすることが好ましい。すなわち、次式
０．７５×λ≦｜ｎ１−ｎｓ｜×ｄ≦λ
を満たすｄとすることが好ましい。これは、（２）式においてｍ＝１の場合に相当する。
同様の理由で、ｍ＝２および３においても（２）式を満たすｄとすることが好ましい。【００４９】
ここで、△ｎ（Ｖ＋１）＝ｎ１−ｎｓ＞０の場合、印加電圧Ｖ＋１、Ｖ０、Ｖ−１において液晶レンズ１０に入射した波長λの直線偏光の平面波は、それぞれ図４（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示す透過波面となって出射する。すなわち、第１、第２の透明電極１３、１４の印加電圧の大きさに応じて、負のパワー、パワーなし、正のパワーに対応するレンズ機能が得られる。
なお、△ｎ（Ｖ＋１）＜０の場合は、Ｖ＋１およびＶ−１において図４（Ｃ）と（Ａ）に対応する正のパワーおよび負のパワーに相当する透過波面となって出射する。【００５０】
また、本実施形態では、（３）式で記述される軸対称の光路長差ＯＰＤを生成する液晶レンズ素子１０の場合について、その素子構造および動作原理について説明したが、（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を生成する液晶素子も、同様の原理で、凹凸部の加工およびその凹部への液晶充填により作製できる。【００５１】
本実施形態では、液晶層１６の屈折率ｎ（Ｖ）が印加電圧Ｖに応じてｎ１からｎ２まで変化する入射光の直線偏光に対して、凹凸部１７を屈折率ｎｓの透明材料としている。ここで用いる凹凸部１７の透明材料は、均一屈折率材料でもよいし、分子配向方向が基板面内で一方向に揃った高分子液晶などの複屈折材料を用いてもよい。複屈折材料を用いる場合、その異常光屈折率を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、複屈折材料の異常光屈折率の方向を液晶層１６の液晶分子の配向方向と一致させることが好ましい。このような構成とすることにより、常光偏光入射光に対して印加電圧の大きさに関わらず液晶と複屈折材料の常光屈折率が一致するため、透過光波面は変化しない。【００５２】
また、本実施形態では、何れもベタ電極である第１透明電極１３と第２透明電極１４の２端子を用いて液晶層１６に交流電圧を印加する構成を示した。これ以外に、例えば第１透明電極１３と第２透明電極１４の少なくとも一方の電極が、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。また、この空間的に分割された透明電極を所望の電気抵抗を有する抵抗膜とし、２つ以上の給電点を設けて半径方向に印加電圧分布を付与し、液晶に印加される電圧が半径方向に傾斜分布するようにしてもよい。このような分割電極または抵抗膜電極の構造とすることにより、さらに多様な光路長差ＯＰＤの空間分布を生成できる。その結果、図４の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示す以外の透過波面を生成できる。【００５３】
また、液晶レンズ素子１０に、位相板、回折格子、偏光ホログラムビームスプリッタ、一定の固定収差の補正面などを一体化形成してもよい。その結果、光ヘッド装置等に搭載して用いる場合、部品点数を削減できるとともに装置の小型化につながる。【００５４】
［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態に係る液晶レンズ素子２０の構成例について、図５に示す側面図を参照しながら詳細に説明する。なお、本実施形態において、第１の実施形態と同一部分には、同一符号を付して重複説明を避ける。
本実施形態の液晶レンズ素子２０では、凹凸部１７Ｂの最大深さｄが、前記述した（２）式のｍ＝２の場合の深さに相当している点が、第１の実施形態の液晶レンズ素子１０と異なる。それに伴い、液晶層１６Ｂの厚さ分布も異なる。【００５５】
以下に、本実施形態に係る液晶レンズ素子２０の凹凸部１７Ｂについて説明する。なお、図６のαは、図３のαと同様、（３）式で表記される光路長差ＯＰＤを表すグラフである。また、図６の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６のグラフβ２に示す。このグラフβ２はグラフαとは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、断面がフレネルレンズ形状となっている。【００５６】
印加電圧Ｖ＋２において、図６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５に示す凹凸部１７Ｂの深さｄを、次式の関係を満す値に穿設すればよい。
ｄ＝２λ／｜△ｎ（Ｖ＋２）｜                              ・・・（５）
但し、λ；入射光の波長
△ｎ（Ｖ＋２）＝ｎ（Ｖ＋２）−ｎｓ＝ｎ１−ｎｓ
これは、ｎ１−ｎｓ＞０の場合で、（２）式において、ｍ＝２の場合の深さに相当する。【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（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６のグラフβ１に示す光路長差の透過波面が生じる。これは、光路長差ゼロの面に対してグラフβ２に示す光路長差を半分にした透過波面に相当するとともに、グラフαの光路長差を半分にした透過波面にも相当する。また、グラフβ１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）である。
iii）△ｎ（Ｖ−１）＝−△ｎ（Ｖ＋１）となる印加電圧Ｖ−１において、グラフγ１に示す光路長差の透過波面が生じる。これは、光路長差ゼロの面に対してグラフβ１と面対称の光路長差の透過波面に相当する。
iv）△ｎ（Ｖ−２）＝−△ｎ（Ｖ＋２）となる印加電圧Ｖ−２において、グラフγ２に示す光路長差の透過波面が生じる。これは、光路長差ゼロの面に対してグラフβ２と面対称の光路長差の透過波面に相当するとともに、グラフγ１に示す光路長差を２倍にした透過波面に相当する。【００５８】
凹凸部１７Ｂは液晶層１６Ｂの実質的なの屈折率がｎ（Ｖ＋２）およびｎ（Ｖ−２）のとき、図６のグラフβ２およびグラフγ２に相当する光路長差空間分布となるように、フレネルレンズまたはフレネルレンズを階段状で近似した断面形状に加工されている。【００５９】
本実施形態の液晶レンズ素子２０において、凹凸部１７Ｂを形成する均一屈折率透明材料の屈折率ｎｓを、ｎ１とｎ２との間の値であるとともに、｜ｎ１−ｎｓ｜≦｜ｎ２−ｎｓ｜の関係式を満たすように選択すると、
△ｎ（Ｖ０）＝０、
△ｎ（Ｖ−１）＝−△ｎ（Ｖ＋１）
△ｎ（Ｖ−２）＝−△ｎ（Ｖ＋２）
となる電圧値Ｖ＋２＜Ｖ＋１＜Ｖ０＜Ｖ−１＜Ｖ−２が必ず存在する。【００６０】
従って、交流電源１８を用いて、印加電圧Ｖ＋２、Ｖ＋１、Ｖ０、Ｖ−１、Ｖ−２を切り替えることにより、５種類の透過波面を選択的に切り替えることが可能となる。
ここで、印加電圧Ｖ＋２、Ｖ＋１、Ｖ−１およびＶ−２において、グラフβ２、β１、γ１およびγ２に相当する透過波面を効率よく生成するためには、凹凸部１７Ｂをフレネルレンズ形状とし、凹凸部１７Ｂの最大深さｄが、（５）式を満たすことが好ましい。【００６１】
また、本実施形態のほかに、例えば凹凸部１７のフレネルレンズ形状をＮレベルで（Ｎ−１）段の高さが等しい階段状で近似した場合、凹凸部１７の最大深さｄが、次式
ｄ＝［（Ｎ−１）／Ｎ］×２λ／｜△ｎ（Ｖ＋２）｜
を満たすことが好ましい。ここで、生成される透過波面の効率を７０％以上とするためには、Ｎを８以上とすることが好ましい。すなわち、
１．７５×λ ≦ ｜ｎ１−ｎｓ｜×ｄ ≦ ２×λ
を満たす最大深さをｄとすることが好ましい。これは、（２）式においてｍ＝２の場合に相当する。【００６２】
ここで、△ｎ（Ｖ＋２）＝ｎ１−ｎｓ＞０の場合、印加電圧Ｖ＋２、Ｖ＋１、Ｖ０、Ｖ−１、Ｖ−２において液晶レンズ素子２０に入射した波長λの直線偏光を有する平面波は、それぞれ図７（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）、（Ｅ）に示す透過波面となって出射する。すなわち、透明電極１３、１４の印加電圧に応じて、２種の負のパワー、パワーなし、２種の正のパワーに対応するレンズ機能が得られる。
なお、Δｎ（Ｖ＋２）＜０の場合は、Ｖ＋２、Ｖ＋１において、図７（Ｅ）と（Ｄ）に対応する正のパワーに相当する透過波面となって、Ｖ−２およびＶ−１において図７（Ａ）と（Ｂ）に対応する負のパワーに相当する透過波面となって液晶レンズ素子を出射する。【００６３】
以上、本実施形態では、（２）式においてｍ＝２に相当する図６のグラフαで示す光路長差ＯＰＤを波長λの２倍の間隔で区切った光路長差ＯＰＤであるβ２を生成する液晶レンズ素子２０の形態について説明したが、（２）式においてｍ＝３に相当する液晶レンズ素子の形態でもよい。この場合、図３のαを波長λの３倍間隔で区切った光路長差ＯＰＤに対応した透過波面となる。【００６４】
［第３の実施形態］
次に、本発明の第３の実施形態に係る液晶レンズ素子３０について、図８を参照しながら説明する。なお、本実施形態において、第１の実施形態と同一部分には、同一符号を付して重複説明を避ける。
本実施形態の液晶レンズ素子３０は、第１の液晶レンズ素子１０Ａと、第２のレンズ素子１０Ｂと、これらに交流電圧を印加する交流電源１８とを備えている。第１、第２の液晶レンズ素子１０Ａ、１０Ｂは、第１の実施形態に係る液晶レンズ素子１０を２個凹凸部１７が互い対向するような状態で上下に重ねて積層させた構成（但し、透明基板１１は共通）としている。【００６５】
ここで、第１の（第２の）液晶レンズ素子１０Ａ（１０Ｂ）は、第２透明電極１４Ａ（１４Ｂ）が形成された透明基板１１と、凹凸部１７Ｃ（１７Ｄ）とその表面に第１透明電極１３Ａ（１３Ｂ）が形成された透明基板１２Ａ（１２Ｂ）との間の空隙に密封された液晶１６とを備えている。【００６６】
次に、本実施形態の製造方法について説明する。
初めに、各透明基板１２Ａ、１２Ｂの平坦面に、それぞれ、屈折率ｎｓの透明材料を用いて、フレネルレンズまたはフレネルレンズを階段状に近似した形状の凹凸部１７Ｃ、１７Ｄを形成する。これらの凹凸部１７Ｃ、１７Ｄは、何れも入射光の光軸（Ｚ軸）に関して回転対称性を有する同一の凹凸形状に加工されている。さらに、凹凸部１７Ｃ、１７Ｄの表面に第１透明電極１３Ａ、１３Ｂをそれぞれ形成する。一方、透明基板１１の両面には、第２透明電極１４Ａ、１４Ｂを形成する。【００６７】
次に、各透明基板１２Ａ、１２Ｂに、ギャップ制御材が混入された接着材を印刷パタ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１７Ｃと凹凸部１７Ｄの回転対称軸が一致するように、各透明基板１２Ａ、１２Ｂと透明基板１１とを重ね合わせ、圧着して空セルを作製する。その後、シールの一部に設けられた注入口（図示せず）から液晶１６を注入するとともに、その注入口を封止して液晶１６をセル内に密封して液晶層１６Ｃ、１６Ｄを形成し、液晶レンズ素子３０とする。また、第１透明電極１３Ａ、１３Ｂを導通させて共通電極とするとともに、第２透明電極１４Ａ、１４Ｂを導通させて共通電極とする。【００６８】
このようにして作製した液晶レンズ素子３０において、交流電源１８により共通電極の間に矩形波の交流電圧を印加する。すると、この印加電圧Ｖの大きさに応じて液晶層１６Ｃ、１６Ｄの分子配向が変化し、液晶層１６Ｃ、１６Ｄの実質的な屈折率がｎ１からｎ２まで変化する。その結果、液晶層１６Ｃ、１６Ｄと凹凸部１７Ａ、１７Ｂの屈折率差△ｎ（Ｖ）が変化し、入射光に対する透過光の波面が変化する。【００６９】
図８に示す第１、第２の液晶レンズ素子１０Ａ、１０Ｂの構成および作用は、図１に示した液晶レンズ１０と同様であるが、電圧非印加時または電圧印加時において液晶分子の配向方向のＸＹ面内成分が液晶層１６Ｃと液晶層１６Ｄとで互いに直交している点が異なる。その結果、本実施形態の液晶レンズ素子を用いれば、入射光の偏光状態に係わらず印加電圧に応じて、例えば図４の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に示すような負のパワー、パワーなし、正のパワーを有するレンズ機能が得られる。【００７０】
なお、Δｎ（Ｖ０）＝０となる印加電圧Ｖ０において、入射光のうち印加電圧の大きさに応じて液晶層１６Ｃ、１６Ｄの屈折率が変化する直線偏光成分に対しても、第１、第２の液晶レンズ素子１０Ａ、１０Ｂの透過波面は変化しない。一方、入射光のうち偏光方向がそれと直交する直線偏光成分に対して、印加電圧の大きさに係わらず液晶層１６Ｃ、１６Ｄの屈折率は常光屈折率ｎｏとなる。従って、第１、第２の液晶レンズ素子１０Ａ、１０Ｂの透過波面は、液晶１６の常光屈折率ｎｏと凹凸部１７Ｃ、１７Ｄの材料の常光屈折率との差に対応した一定の変化が生じる。
特に、凹凸部１７Ｃ、１７Ｄが均一屈折率ｎｓの材料を用いて形成されている場合、（ｎｏ−ｎｓ）の屈折率差に対応した一定の波面変化が生じる。第１、第２の液晶レンズ素子１０Ａ、１０Ｂは、それら液晶層１６Ｃ、１６Ｄの液晶分子の配向方向のＸＹ面内成分が直交しているため、入射偏光状態に関わらず、この一定透過波面変化が生じる。
印加電圧Ｖ０において生じるこの一定の透過波面変化を相殺するためには、透明基板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１７Ｃおよび１７Ｄとして、液晶層１６Ｃ、１６Ｄの常光屈折率と等しい常光屈折率を有する高分子液晶などの複屈折率材料を用いて形成することにより、それぞれの常光屈折率の方向を液晶層１６Ｃ、１６Ｄの常光屈折率の方向と一致させる。その結果、印加電圧Ｖ０において、液晶レンズ素子２０の透過波面が変化しないようにできる。【００７１】
［第４の実施形態］
次に、本発明の第１の実施形態に係る液晶レンズ素子１０（図１参照）を搭載した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９を参照しながら説明する。【００７２】
本実施形態の光ヘッド装置４０は、ＤＶＤ用の波長λ（＝６６０ｎｍ）の光源である半導体レーザ１と、回折格子２と、ビームスプリッタ３と、コリメータレンズ４と、対物レンズ５と、光検出器６との他に、位相板７と、液晶レンズ素子１０とをコリメータレンズ４と対物レンズ５の間の光路上に備えている。なお、位相板７は、液晶レンズ素子１０と一体化すれば、部品点数が削減できるため好ましい。
また、この図９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構成例を示すが、半導体レーザ１と対物レンズ５の間の光路中に配置されていればよい。【００７３】
次に、本実施形態の作用について説明する。
半導体レーザ１から出射する、図９の紙面内に偏光面を有する波長λの直線偏光出射光は、回折格子２によりトラッキング用の３ビームを発生する。そして、この３ビームは、ビームスプリッタ３で反射され、コリメータレンズ５４により平行光化されて液晶レンズ素子１０に入射する。そして、この液晶レンズ素子１０を透過した光は、波長λに対して１／４波長板に相当する位相板７により円偏光となり、対物レンズ５によりＤＶＤ用光ディスクＤの情報記録層に集光される。【００７４】
なお、対物レンズ５は、フォーカスサーボおよびトラッキングサーボ用のアクチュエータ（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、コリメータレンズ４により、一部の光がビームスプリッタ３を透過して光検出器６の受光面に集光される。【００７５】
次に、本発明の液晶レンズ素子１０を搭載した光ヘッド装置４０を用いて、カバー厚の異なる単層および２層のＤＶＤ光ディスクＤに対する記録・再生動作について、以下に説明する。
（i）単層ＤＶＤ光ディスク（カバー厚０．６０ｍｍ）の場合：
対物レンズ５は、カバー厚０．６０ｍｍの単層光ディスクＤに対して収差が最小となるように設計されているため、単層光ディスクＤの記録・再生時には液晶レンズ素子１０の電極間に交流電圧Ｖ０を印加する。このとき、液晶レンズ素子１０（図１を参照）中の液晶層１６Ａと凹凸部１７との屈折率が一致するため、図４の（Ｂ）に示すように、液晶レンズ１０の入射波面に対して透過波面は不変である。すなわち、対物レンズ５によりカバー厚０．６０ｍｍの情報記録層に効率よく集光される。【００７６】
（ii）２層ＤＶＤ光ディスク（カバー厚０．５７ｍｍ）の場合：
２層光ディスク中のカバー厚０．５７ｍｍの情報記録層への記録・再生においては、液晶レンズ素子１０の透過波面が若干集光する球面波となるように、電極間に交流電圧Ｖ−１を印加する。
このとき、凹凸部１７に比べ液晶層１６Ａの屈折率が小さくなるため、図４の（Ｃ）に示すように、正のパワーすなわち凸レンズ相当の透過波面となる。すなわち、対物レンズ５により、カバー厚０．５７ｍｍの情報記録層に効率よく集光される。【００７７】
（iii）２層ＤＶＤ光ディスク（カバー厚０．６３ｍｍ）の場合：
一方、２層光ディスク中のカバー厚０．６３ｍｍの情報記録層への記録・再生においては、液晶レンズ素子１０の透過波面が若干発散する球面波となるように、電極間に交流電圧Ｖ＋１を印加する。
このとき、凹凸部１７に比べ液晶層１６の屈折率が大きくなるため、図４の（Ａ）に示すように、負のパワーすなわち凹レンズ相当の透過波面となる。すなわち、対物レンズ５により、カバー厚０．６３ｍｍの情報記録層に効率よく集光される。【００７８】
従って、液晶レンズ素子１０の印加電圧を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。【００７９】
このように、本実施形態に係る光ヘッド装置４０によれば、液晶レンズ素子１０は、光ディスクＤのカバー厚の相違により発生する球面収差の補正のみならず、焦点位置変化に相当するパワー成分の切替え機能も付加できる。このため、液晶レンズ素子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無い。その結果、球面収差のみを補正する従来の液晶素子に比べて、安定した記録・再生が実現する。【００８０】
なお、本実施形態では、光源として波長λが６６０ｎｍ帯の半導体レーザを用いる単層および２層のＤＶＤ光ディスクに対して動作する液晶レンズ素子１０を搭載した光ヘッド装置４０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単層および２層のＢＤ光ディスクに対して動作する液晶レンズ素子を搭載した光ヘッド装置などについても同様の作用・効果が得られる。【００８１】
また、液晶レンズ素子１０の替わりに、図５に示す第２実施形態の液晶レンズ素子２０を用いれば、５種の透過波面の切り替えができるため、カバー厚の異なる光ディスクにおいて、または光ディスク内のカバー厚のばらつきにより発生する収差に対して、よりきめ細かな収差補正ができる。
また、液晶レンズ素子１０の替わりに、図８に示す第３実施形態の液晶レンズ素子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ても、本発明の５値あるいは７値の液晶レンズ素子を用いることにより、２端子電極に印加する電圧の切り替えで、カバー厚に起因して発生する収差を補正できる。
【実施例】
【００８２】
［例１］
次に、第１の実施形態に示した本発明の液晶レンズ素子１０の具体的な実施例について、図１を参照しながら以下に説明する。【００８３】
初めに、この液晶レンズ素子１０の作製方法について説明する。
透明基板１１であるガラス基板上にＳｉＯｘＮｙをスパッタリング法により成膜する。
ここで、Ｓｉスパッタターゲットを用い、Ａｒガスに酸素および窒素を混入した放電ガスを用いることにより、屈折率ｎｓ（＝１．６４）の透明な均一屈折率で膜厚ｄ（＝５．５μｍ）のＳｉＯｘＮｙ膜としている。【００８４】
さらに、図３のグラフβの形状に相当するように、フォトマスクを用いたフォトリソグラフィ法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、フレネルレンズを８段の階段状で近似した図１に断面を示すような凹凸部１７を加工する。
次に、凹凸部１７の表面に透明導電膜（ＩＴＯ膜）を成膜し、これを第１透明電極１３とする。さらに、ポリイミド膜（図示せず）を第１透明電極１３上に膜厚約５０ｎｍとなるよう塗布した後に焼成し、ポリイミド膜表面をＸ軸方向にラビング配向処理して配向膜とする。【００８５】
また、透明基板１２であるガラス基板上に第２透明電極１４として透明導電膜（ＩＴＯ膜）を成膜し、さらにその上にポリイミド膜（図示せず）を膜厚約５０ｎｍ塗布した後に焼成し、ポリイミド膜表面をＸ軸方向にラビング配向処理して液晶用の配向膜とする。
さらにその上に、直径８μｍ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、第１透明電極１３と第２透明電極１４との間隔が最大８μｍ、最小２．５μｍの空セルを作製する。
その後、液晶１６を空セルの注入口（図示せず）から注入し、その注入口を封止して液晶層１６Ａを形成し、図１に示す液晶レンズ素子１０とする。【００８６】
液晶１６として、常光屈折率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１６は、電圧非印加時に第１、第２の透明電極１３、１４の面に平行かつＸ軸方向に液晶分子の配向が揃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。【００８７】
このようにして得られた液晶レンズ素子１０の第１、第２の透明電極１３、１４に交流電源１８を接続することにより、液晶層１６Ａに電圧が印加される。この印加電圧を０Ｖから増加させると、液晶層１６Ａ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軸方向に振動しｚ軸方向に進行する直線偏光入射光に対して、液晶層１６Ａと凹凸部１７との屈折率差がｎ１−ｎｓ＝０．１１から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。【００８８】
ここで、例えば、使用波長λ（＝６６０ｎｍ）で、カバー厚０．６０ｍｍの単層ＤＶＤ光ディスクに対して、収差がゼロとなるように設計されたＮＡ０．６５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２層ＤＶＤ光ディスクに用いると、最大光路長差が約０．１５λで、ＲＭＳ波面収差が約４３ｍλ［ｒｍｓ］に相当する球面収差が発生する。【００８９】
そこで、液晶レンズ素子１０を用いてこの球面収差を補正するため、電圧非印加時の透過波面が、［表１］に示す係数ａ１〜ａ５の値を用いて（３）式で表記される図３のグラフαに相当するグラフβの光路長差ＯＰＤとなるように、凹凸部１７を加工する。ただし、（３）式の光路長差ＯＰＤは［μｍ］単位で、ｒは［ｍｍ］単位である。【００９０】
【表１】
0004752763.tif 000002
【００９１】
表１において、係数ａ１はパワー成分に相当し、ａ２〜ａ５は球面収差成分に相当する。従って、液晶レンズ素子１０により生成されるグラフβの光路長差はパワー成分と球面収差成分を含む。【００９２】
ここで、電圧非印加時の電圧Ｖ＋１＝０において、液晶１６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１６とにより前述の透過波面を生成するため、（２）式のｍ＝１を満たすように凹凸部１７の最大深さｄを決定する。
本例ではフレネルレンズの凹凸部１７を８段の階段形状によって近似し、ｄ＝５．５μｍとしている。【００９３】
液晶レンズ素子１０に入射するＤＶＤ用の波長λ（＝６６０ｎｍ）の透過波面は、電圧非印加時（Ｖ＋１＝０）には図４（Ａ）に示す発散波面となり、焦点距離（ｆ）がｆ＝−６７５ｍｍ相当の凹レンズ作用を示す。次に、印加電圧を増加させると、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ｆ＝＋６７５ｍｍ相当の凸レンズ作用を示す。
このとき、印加電圧の切り替えＶ＋１、Ｖ０、Ｖ−１において発生する図４（Ａ）、図４（Ｂ）、図４（Ｃ）に示す透過波面の生成効率の計算値は、それぞれ、９５％、１００％、９５％となる。【００９４】
［例２］
次に、前述の「例１」の液晶レンズ素子１０を、図９に示す第４の実施形態の光ヘッド装置４０に搭載する場合の具体的な実施例について説明する。なお、この光ヘッド装置４０の構成は第４の実施形態で説明したので省略する。【００９５】
この光ヘッド装置４０を用いて、カバー厚０．６０ｍｍの単層ＤＶＤ光ディスクＤに情報を記録・再生する場合、液晶レンズ素子１０の印加電圧をＶ０＝１．８Ｖ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。【００９６】
一方、２層ＤＶＤ光ディスクＤに対しては、液晶レンズ素子１０の印加電圧をＶ＋１（＝０Ｖ）程度とすると、入射光はカバー厚０．６３ｍｍの情報記録層に集光され、印加電圧をＶ−１（＝４．４Ｖ）程度とすると、入射光はカバー厚０．５７ｍｍの情報記録層に集光される。何れも、残留するＲＭＳ波面収差の計算値は３ｍλ［ｒｍｓ］以下となる。【００９７】
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１０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。【００９８】
また、トラッキングのため、光ディスクＤの半径方向に対物レンズ５が±０．３ｍｍ程度移動した時、液晶レンズ素子１０との偏心が生じるが、それに伴う収差発生はないため、集光スポットの劣化も生じない。
従って、液晶レンズ素子１０に印加する電圧を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。【００９９】
［例３］
次に、第３の実施形態に示した本発明の液晶レンズ素子３０の具体的な実施例について、図８を参照しながら以下に説明する。【０１００】
液晶レンズ素子３０は、第１、第２の液晶レンズ素子１０Ａ、１０Ｂを備えており、これらの液晶レンズ素子１０Ａ、１０Ｂは、例１で示した液晶レンズ素子１０と同様にして作製される。
本例の液晶レンズ素子３０は、波長４０５ｎｍ帯のレーザ光を用いた単層および２層のＢＤ光ディスクの記録・再生用光ヘッド装置に搭載し、光ディスクのカバー厚の相違に応じて発生する収差を補正する目的で用いられる。それに伴い第１、第２の液晶レンズ素子１０Ａ、１０Ｂの、素子構成が実施例１の液晶レンズ素子１０と異なる。
具体的には、第１、第２の液晶レンズ素子１０Ａ、１０Ｂは、第２の実施形態で説明した液晶レンズ素子２０と同様、（２）式のｍ＝２に相当する凹凸部１７Ｃ、１７Ｄの最大深さｄとしている。【０１０１】
即ち、凹凸部１７Ｃ、１７Ｄとして、屈折率ｎＳ（＝１．７０）および膜厚ｄ（＝５．９μｍｍ）の均一屈折率透明膜であるＳｉＯｘＮｙ膜を用いる。また、有効径φ（＝４．０ｍｍ）の領域に、フレネルレンズ形状を１６段の階段で近似した、図５に断面を示す凹凸部１７Ｂに相当する１７Ｃ、１７Ｄを加工する。また、液晶１６は、常光屈折率ｎｏ（＝１．５３）および異常光屈折率ｎｅ（＝１．８３）の正の誘電異方性を有するネマティック液晶を用いる。なお、電圧非印加時に、液晶層１６ＣはＸ軸方向に液晶分子の配向が揃うように、液晶層１６ＤはＹ軸方向に液晶分子の配向が揃うように、液晶１６と接する配向膜（図示せず）の配向処理が施されている。また、第１、第２の液晶レンズ素子１０Ａ、１０Ｂの第１透明電極と第２透明電極の間隔を何れも最大８μｍ、最小２．１μｍとしている。【０１０２】
このようにして得られた液晶レンズ素子３０の第１透明電極１３Ａと１３Ｂ、第２透明電極１４Ａと１４Ｂをそれぞれ接続し、その第１、第２の透明電極間に交流電源１８により電圧を印加する。印加電圧を０Ｖから増加させると、液晶層１６ＣのＸ軸方向の実質的な屈折率と液晶層１６ＤのＹ軸方向の実質的な屈折率が、ｎ１＝ｎｅ（＝１．８３）からｎ２＝ｎｏ（＝１．５３）まで変化する。一方、液晶層１６ＣのＹ軸方向および液晶層１６ＤのＸ軸方向の実質的な屈折率は、印加電圧に関わらずｎｏ（＝１．５３）のままで変化しない。【０１０３】
その結果、第１の液晶レンズ素子１０Ａに入射するＸ軸方向の偏光面を有する直線偏光入射光に対して、および、第２の液晶レンズ素子１０Ｂに入射するＹ軸方向の偏光面を有する直線偏光入射光に対して、液晶層１６Ｃと凹凸部１７Ｃの屈折率差および液晶層１６Ｄと凹凸部１７Ｄの屈折率差は何れも、ｎ１−ｎｓ＝０．１３からｎ２−ｎｓ＝−０．１７まで変化し、凹凸部１７Ｃ、１７Ｄの凹部に充填された液晶層１６Ｃ、１６Ｄの厚さ分布に応じて、透過波面が変化する。【０１０４】
ここで、例えば、使用波長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および焦点距離１．８８２ｍｍの対物レンズを、カバー厚１００μｍと７５μｍの単層および２層のＢＤ光ディスクに用いると、最大光路長差が約０．４３λで、ＲＭＳ波面収差が約１２５ｍλ［ｒｍｓ］に相当する球面収差が発生する。【０１０５】
そこで、Ｘ軸方向に振動しｚ軸方向に進行する直線偏光入射光に対しては第１の液晶レンズ素子１０Ａにより、Ｙ軸方向に振動しｚ軸方向に進行する直線偏光入射光に対しては第２の液晶レンズ素子１０Ｂにより、この球面収差を補正するため、電圧非印加時の透過波面が、表２に示す係数ａ１〜ａ５の値を用いて（３）式で表記される図６のグラフαに相当するグラフβ２の光路長差ＯＰＤとなるように、凹凸部１７Ｃ、１７Ｄ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。【０１０６】
【表２】
0004752763.tif 000003
【０１０７】
ここで、電圧非印加時の電圧Ｖ＋２＝０において、Ｘ軸方向に振動しｚ軸方向に進行する直線偏光に対する液晶層１６Ｃと凹凸部１７Ｃの屈折率差およびＹ軸方向に振動しｚ軸方向に進行する直線偏光に対する液晶層１６Ｄと凹凸部１７Ｄの屈折率差である△ｎ（Ｖ＋２）は、前述したように、
△ｎ（Ｖ＋２）＝ｎ１−ｎｓ＝０．１３
であるので、凹凸部１７Ｃ、１７Ｄとこの凹部に充填された液晶層１６Ｃ、１６Ｄとにより上述の透過波面を生成するために、（２）式のｍ＝２を満たすように凹凸部１７Ｃ、１７Ｄの最大深さｄを決定する。なお、本例ではフレネルレンズ形状の凹凸部１７Ｃ、１７Ｄを１６段の階段状で近似し、ｄ＝５．９μｍとしている。【０１０８】
なお、液晶層１６Ｃ、１６Ｄの常光屈折率に対応する入射直線偏光に対して、印加電圧の大きさに関わらず、液晶層１６Ｃと凹凸部１７Ｃ、および、液晶層１６Ｄと凹凸部１７Ｄとの間にｎｏ−ｎｓ＝−０．１７の屈折率差が生じ、それに伴い固定波面が発生する。このような固定波面を相殺するために、透明基板１２Ｂの表面に凹凸部１７Ｄと同様の断面形状を有する凹凸部を加工する（図示せず）。具体的には、屈折率ｎｇ＝１．４６の石英透明基板１２Ｂの表面を、最大深さが２．２３μｍとなるように凹凸加工する。【０１０９】
このようにして得られる液晶レンズ素子３０に、ＢＤ用の波長λ（＝４０５ｎｍ）のレーザ光を入射させる。
(i)すると、入射光の偏光状態に係わらず、電圧非印加時（Ｖ＋２＝０）は透過波面が図７（Ａ）に示す発散波面となり、図６のグラフβ２に相当する光路長差で、焦点距離（ｆ）がｆ＝−６１６ｍｍ相当の凹レンズ作用を示す。
(ii)次に、印加電圧を増加させると、Ｖ＋１＝１．４Ｖ程度で△ｎ（Ｖ＋１）＝△ｎ（Ｖ＋２）／２となり、透過波面が図７（Ｂ）に示す発散波面となる。この透過波面は図６のグラフβ１に相当する光路長差で、焦点距離（ｆ）がｆ＝−１２３２ｍｍ相当の凹レンズ作用を示す。
（iii）さらに、Ｖ０＝１．７Ｖ程度で△ｎ（Ｖ０）＝０となり、透過波面は、図７（Ｃ）に示すように、入射波面と同じ波面のまま（パワーなし）変化しない。【０１１０】
(iv)さらに、印加電圧を増加させると、Ｖ−１＝２．３Ｖ程度で△ｎ（Ｖ−１）＝−△ｎ（Ｖ＋１）となり、透過波面が図７（Ｄ）に示す収束波面となり、図６のグラフγ１に相当する光路長差で、焦点距離（ｆ）がｆ＝＋１２３２ｍｍ相当の凸レンズ作用を示す。
(v)さらに、印加電圧を増加させると、Ｖ−２＝４．５Ｖ程度で△ｎ（Ｖ−２）＝−△ｎ（Ｖ＋２）となり、透過波面が図７（Ｅ）に示す収束波面となり、図６のグラフγ２に相当する光路長差で、焦点距離（ｆ）がｆ＝＋６１６ｍｍ相当の凸レンズ作用を示す。【０１１１】
なお、印加電圧の切り替えＶ＋２、Ｖ＋１、Ｖ０、Ｖ−１、Ｖ−２において発生する図７（Ａ）、７（Ｂｂ）、７（Ｃ）、７（Ｄ）、７（Ｅ）に示す透過波面の生成効率の計算値は、それぞれ、９５％、９８％、１００％、９８％、９５％となる。【０１１２】
［例４］
次に、図９に示す第４の実施形態の光ヘッド装置４０において、液晶レンズ素子１０の代わりに「例３」の液晶レンズ素子３０を搭載する例について説明する。
本例では、ＢＤ用の波長λ（＝４０５ｎｍ）の半導体レーザ１を光源として用い、光ディスクＤは単層および２層のＢＤ光ディスクとしている。また、対物レンズ５は、カバー厚８７．５μｍの光ディスクに対して収差が最小となるように設計されている。【０１１３】
カバー厚１００μｍの単層および２層ＢＤ光ディスクＤに情報を記録・再生する場合、液晶レンズ素子３０の印加電圧をＶ＋２（＝０Ｖ）程度とすると、入射光は対物レンズ５によりカバー厚１０１．５μｍの面に集光される。このとき、カバー厚１００μｍの情報記録層では、残留するＲＭＳ波面収差の計算値は２０ｍλ［ｒｍｓ］以下となり、カバー厚１００μｍの単層および２層ＢＤ光ディスクＤの記録・再生ができる。【０１１４】
一方、カバー厚７５μｍの２層ＢＤ光ディスクＤに情報を記録・再生する場合、液晶レンズ素子３０の印加電圧をＶ―２＝４．５Ｖ程度とすると、入射光はカバー厚７３．５μｍの面に集光される。このとき、カバー厚７５μｍの情報記録層では、残留するＲＭＳ波面収差の計算値は２０ｍλ［ｒｍｓ］以下となり、カバー厚７５μｍの２層ＢＤ光ディスクＤの記録・再生ができる。【０１１５】
次に、カバー厚が７０μｍから１０５μｍのＢＤ光ディスクに対して、液晶レンズ素子３０の印加電圧Ｖ＋２、Ｖ＋１、Ｖ０、Ｖ―１、Ｖ―２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１１に示す。
従って、同図によれば、カバー厚が７０μｍから７７μｍの範囲では印加電圧Ｖ＋２とすることにより、カバー厚が７７μｍから８４μｍの範囲では印加電圧Ｖ＋１とすることにより、カバー厚が８４μｍから９１μｍの範囲では印加電圧Ｖ０とすることにより、カバー厚が９１μｍから９８μｍの範囲では印加電圧Ｖ―１とすることにより、さらに、カバー厚が９８μｍから１０５μｍの範囲では印加電圧Ｖ―２とすることにより、それぞれ、残留するＲＭＳ波面収差が約３５ｍλ［ｒｍｓ］以下に低減する。【０１１６】
従って、液晶レンズ素子３０に印加する電圧をＶ＋２、Ｖ＋１、Ｖ０、Ｖ―１、Ｖ−２に切り替えることにより、ＢＤ用の単層および２層の光ディスクＤの安定した記録・再生を行える光ヘッド装置が実現する。
また、トラッキングのため、光ディスクＤの半径方向に対物レンズ５が±０．３ｍｍ程度移動した時、液晶レンズ素子３０との偏心が生じるが、それに伴う収差発生はないため、集光スポットの劣化も生じない。【０１１７】
なお、本発明は、上述した実施形態に何ら限定されるものではなく、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】
【０１１８】
本発明の液晶レンズ素子は、印加電圧の大きさに応じて焦点距離が３値、５値または７値と複数切り換わる焦点距離切り替えレンズとして利用できる。特に、カバー厚の異なる単層および２層の情報記録層を有する光ディスクの記録および／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。【０１１９】
さらに、本発明の液晶レンズ素子を搭載した光ヘッド装置とすることにより、液晶レンズ素子と対物レンズとが偏心した時にも収差が発生しないため、配置の制約が軽減され、小型で安定した光ディスクの記録および／または再生ができる光ヘッド装置に利用できる。
なお、２００４年４月３０日に出願された日本特許出願２００４−１３６０７５号の明細書、特許請求の範囲、図面及び要約書の全内容をここに引用し、本発明の明細書の開示として、取り入れるものである。
【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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