(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一対の透明基板により挟持された液晶層に印加する電圧の大きさに応じて透過する光の集光点を変化させる液晶レンズ素子であって、
前記一対の透明基板の一方には、前記光の光軸を中心として輪帯状に配置した断面が凹凸形状を有する位相補正面を備えるとともに、
前記位相補正面の表面及び前記一対の透明基板の他方の表面には、前記液晶層に電圧を印加するためのそれぞれの透明電極を備え、かつ、
前記それぞれの透明電極の間には、前記光の光軸に関して回転対称性を有する鋸歯状の断面形状または階段形状により鋸歯状に近似させた断面形状を有する透明材料からなるフレネルレンズ面と、前記液晶層とを備え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面を構成する透明材料の屈折率は、前記液晶層の常光屈折率と実質的に一致しているとともに、
前記液晶層を透過する光の偏光方向は、前記液晶層の異常光屈折率方向と実質的に一致している直線偏光である請求項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面と前記位相補正面は、前記それぞれの透明電極のうちの一方を挟んで同一基板表面に形成されている請求項１または２に記載の液晶レンズ素子。
【請求項４】
前記一対の透明基板の少なくとも一方が石英ガラスからなり、その表面をエッチングすることにより前記位相補正面が形成されている請求項１から３の何れか１項に記載の液晶レンズ素子。
【請求項５】
前記液晶レンズ素子を第１の液晶レンズ素子とした場合に、該第１の液晶レンズ素子の他に、第１の液晶レンズ素子と同一構成である第２の液晶レンズ素子を備え、
前記第１、第２の液晶レンズ素子は、それぞれの液晶層の異常光屈折率方向が互いに直交するように積層一体化されている請求項１〜４の何れか１項に記載された液晶レンズ素子。
【請求項６】
前記光の波長に対する位相差がπ／２の奇数倍である位相板が一体化されている請求項１〜５の何れか１項に記載の液晶レンズ素子。
【請求項７】
前記位相補正面を構成する透明材料の屈折率は、前記液晶層の常光屈折率に等しい請求項１〜６の何れか１項に記載の液晶レンズ素子。
【請求項８】
前記位相補正面に形成された断面が凹凸形状を有する輪帯状の凹部または凸部とフレネルレンズ面が形成する輪帯状の凸部とが光軸方向に重なるように形成されている請求項１〜７の何れか１項に記載の液晶レンズ素子。
【請求項９】
光源と、この光源からの出射光を光記録媒体上に集光させる対物レンズと、集光されて光記録媒体により反射された反射光を検出する光検出器と、前記光源と前記対物レンズとの間の光路中に設けられた請求項１から６のいずれか１項に記載の液晶レンズ素子とを備えることを特徴とする光ヘッド装置。
【請求項１０】
前記光記録媒体の記録層を覆うカバー層の厚さが異なる３種類であり、それぞれの３種類の厚さに応じて前記液晶レンズ素子に印加される電圧が３つ切り替えられることにより、各々の記録層における集光性能が最適にされる請求項９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焦点距離を異なるよう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（以下、「光ディスク」という）として、ＣＤやＤＶＤなどが普及している。また、このＤＶＤへの情報の記録および／または再生に用いる光ヘッド装置には、光源として波長が６６０ｎｍ帯の半導体レーザと、ＮＡ（開口数）が０．６から０．６５までの対物レンズを備えたものが知られている。【０００３】
従来、一般に用いられているＤＶＤは、情報記録層が単層でカバー層が０．６ｍｍである（以下、「単層光ディスク）という）。ところが、近年、光ディスク１枚当たりの情報量を増大させるために、情報記録層を２層とした再生専用、または再生および記録可能な光ディスク（以下、「２層光ディスク」という）も開発されている。
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層光ディスクヘ記録および／または再生をする場合、カバー厚が異なると、その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。【０００４】
そこで、近年、さらに光ディスクの記録密度を向上させるため、カバー厚が０．１ｍｍの光ディスク（以下、「高密度光ディスク」とよぶ）も提案されている。また、この光ディスクヘ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。【０００５】
上記のような２層光ディスク等のカバー厚の相違に起因して発生する球面収差を補正する手段として、可動レンズ群や液晶レンズを用いる方法が知られている。
（Ｉ）例えば、可動レンズ郡を用いて球面収差補正を行うために、図８に示すような、光ディスクＤの記録および／または再生を行う光ヘッド装置１００が提案されている（例えば、特開２００３−１１５１２７号公報）。
この光ヘッド装置１００は、光源１１０と、各種の光学系１２０と、受光素子１３０と、制御回路１４０と、変調／復調回路１５０とのほかに、第１、第２の可動レンズ群１６０、１７０とを備えている。また、第１の可動レンズ群１６０は、凹レンズ１６１と、凸レンズ１６２と、アクチュエータ１６３とを備えており、アクチュエータ１６３に固定された凸レンズ１６２を光軸方向に移動することにより、可動レンズ群１６０のパワーが正（凸レンズ）から負（凹レンズ）へと連続的に変わる焦点距離可変レンズ機能を発現する。この可動レンズ群１６０は、光ディスクＤの光路中に配置することにより、光ディスクＤのカバー厚の異なる情報記録層（図略）に入射光の集光点を含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。【０００６】
（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９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、特開平５−２０５２８２号公報）。
この液晶レンズ２００は、平坦なー面に透明電極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とにより挟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。【０００７】
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の屈折率に等しい。従って、この電圧非印加時の場合には、入射光の透過波面は変化しない。一方、透明電極２１０、２４０間に電圧を印加すると、基板２６０と液晶２７０とに屈折率差△ｎが発生し、△ｎ・Ｓ（ｒ）（但し、Ｓ（ｒ）は（１）式参照）に相当する透過光の位相差が生じる。従って、光ディスクＤのカバー厚の相違に起因して発生する球面収差を補正するように基板２６０の表面形状Ｓ（ｒ）を加工し、印加電圧に応じて屈折率差△ｎを調整することにより収差補正が可能となる。
【数１】
0004479726.tif 000002
【０００８】
ところが、図９に示す液晶レンズの場合、印加電圧に対する液晶２７０の屈折率変化は最大０．３程度であるため、入射光の集光点位置を変化させるパワー成分に相当する大きな位相差分布△ｎ・Ｓ（ｒ）を発生させるためには、Ｓ（ｒ）の凹凸差を大きくしなければならない。その結果、液晶２７０の層が厚くなり、駆動電圧の増加および応答が遅くなる問題が生じる。
そこで、液晶層を薄くするためには、パワー成分を除いた収差補正量が最も少ない球面収差のみを補正することが有効である。しかし、球面収差のみを補正するように基板２６０の表面形状Ｓ（ｒ）を加工した場合、光ディスクの情報記録層に入射光を集光する対物レンズの光軸と液晶レンズの光軸とが偏心した時、コマ収差が発生して、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。【０００９】
（III）ところで、液晶層を厚くすることなく入射光の集光点位置の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１０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、特開平９−１８９８９２号公報）。
この液晶回折レンズ３００は、所定の鋸歯状の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を狭特している。この電極３２０、３３０間に電圧を印加すると、異常光偏光に対して液晶層３４０の実質的な屈折率は異常光屈折率ｎeから常光屈折率ｎoへと変化する。ここで、実質的な屈折率とは、液晶層の厚さ方向の平均屈折率を意味する。
鋸歯状レリーフ構造を有する基板３１０の屈折率をｎF、入射光の波長をλとしたときに、鋸歯状レリーフの溝の採さｄが、ｄ＝λ／（ｎe−ｎF）の関係を満たすように形成することにより、電圧非印加時に波長λで最大回折効率が得られ、回折レンズとなる。また、入射光の波長λが変化しても、波長λで最大回折となるように印加電圧を調整できる。
このような構成の液晶回折レンズ３００では、鋸歯状レリーフの溝を埋めるように液晶層３４０を充填すればよいため、前述の図９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、液晶眉３４０は薄くできる。
しかしながら、この液晶回折レンズ３００では、鋸歯状レリーフ面に透明電極３２０が形成されているため、正負両方のパワー成分を得るためには、ｎo＜ｎF＜ｎeの関係を満たす必要がある。その場合、ｎo≠ｎFであるため、常光偏光に対しては、φ＝ｄ×（ｎF−ｎo）／λで表現される固定された位相差が発生するため、偏光光学系を用いた光ヘッド装置に適用するには、問題があった。【００１０】
（IV）常光偏光で透過波面が変化せず、正負両方のパワー成分を得るために、図１１に示すような液晶回折レンズ素子４００が考えられる。この液晶回折レンズ素子４００は、一対の透明基板４１１、４１２及びシール４１３で構成されるセル中に充填された液晶層４１４を、透明基板４１１、４１２上に形成された透明電極４１５、４１６により駆動する。透明電極４１５の表面には、鋸歯状レリーフ面であるフレネルレンズ面４１７が形成されている。この液晶回折レンズ素子４００では、ｎF＝ｎoとしているため、常光偏光に対しては、透過波面は変化しない。また、フレネルレンズ面４１７を構成する材料の比誘電率に応じて、液晶層４１４に実質的な屈折率の分布が生じるため、印加する電圧の大きさに応じて、正負両方のパワー成分を発生できる。
しかしながら、パワー変化のない０次光となるような電圧を印加した場合、液晶層４１４と透明電極４１５の間にフレネルレンズ面４１７が配置されているので、液晶層４１４に印加される電圧がフレネルレンズ面４１７の形状に応じて分布してしまい、位相差が発生してしまう。その結果、０次光の回折効率が低下する問題が発生する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
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、印加電圧の大きさに応じて安定した入射光の集光位置の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】
【００１２】
本発明は、少なくとも一対の透明基板により挟持した液晶層に印加する電圧の大きさに応じて透過する光の集光点を変化させる液晶レンズ素子であって、前記一対の透明基板の一方には、前記光の光軸を中心として輪帯状に配置した断面が凹凸形状を有する位相補正面を備えるとともに、前記位相補正面の表面及び前記一対の透明基板の他方の表面には、前記液晶層に電圧を印加するためのそれぞれの透明電極を備え、かつ、前記それぞれの透明電極の間には、前記光の光軸に関して回転対称性を有する鋸歯状の断面形状または鋸歯を階段形状により鋸歯状に近似させた断面形状を有する透明材料からなるフレネルレンズ面と、前記液晶層とを備えることを特徴とする液晶レンズ素子を提供する。【００１３】
また、前記フレネルレンズ面を構成する透明材料の屈折率が、前記液晶層の常光屈折率に略一致しているとともに、前記液晶層を透過する光の偏光方向が、前記液晶層の異常光屈折率方向に略一致した直線偏光である上記の液晶レンズ素子を提供する。【００１４】
また、前記フレネルレンズ面と前記位相補正面は、前記それぞれの透明電極のうちの一方を挟んで同一基板表面に形成されている上記の液晶レンズ素子を提供する。【００１５】
また、前記一対の透明基板の少なくとも一方が石英ガラスからなり、その表面をエッチングすることにより前記位相補正面が形成されている上記の液晶レンズ素子を提供する。【００１６】
また、前記液晶レンズ素子を第１の液晶レンズ素子とした場合に、該第１の液晶レンズ素子の他に、第１の液晶レンズ素子と同一構成である第２の液晶レンズ素子を備え、前記第１、第２の液晶レンズ素子が、液晶層の異常光屈折率方向が互いに直交するように積層一体化されている上記の液晶レンズ素子を提供する。【００１７】
また、前記光の波長に対する位相差がπ／２の奇数倍である位相板を一体化されている上記の液晶レンズ素子を提供する。
また、前記位相補正面を構成する透明材料の屈折率は、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、前記位相補正面に形成された断面が凹凸形状を有する輪帯状の凹部または凸部とフレネルレンズ面が形成する輪帯状の凸部とが光軸方向に重なるように形成されている上記の液晶レンズ素子を提供する。【００１８】
また、本発明は、光源と、この光源からの出射光を光記録媒体上に集光させる対物レンズと、集光されて光記録媒体により反射した反射光を検出する光検出器と、前記光源と前記対物レンズとの間の光路中に設けた請求項１から６のいずれか１項に記載の液晶レンズ素子とを備えることを特徴とする光ヘッド装置を提供する。
さらに、前記光記録媒体の記録層を覆うカバー層の厚さが異なる３種類であり、それぞれの３種類の厚さに応じて前記液晶レンズ素子に印加される電圧が３つ切り替えられることにより、各々の記録層における集光性能が最適にされる上記の光ヘッド装置を提供する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、印加電圧の大きさに応じて透過波面が変化するため、焦点距離可変液晶レンズが実現できる。更に、本発明の液晶レンズ素子が備えるフレネルレンズ面により、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。更に、本発明の液晶レンズ素子が備える位相補正面により、光利用効率の高い液晶レンズ素子を提供できる。従って、このような液晶レンズ素子を備えた光ヘッド装置では、２層光ディスクにおけるカバー厚の相違に起因して発生する球面収差を補正することができ、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を生じた場合でも、収差劣化が少ないため、安定した記録および／または再生ができる光ヘッド装置が実現する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明に係る液晶レンズ素子の第１の実施形態を示す断面図。
【図２】本発明に係る液晶レンズ素子の液晶レンズにより生成される透過波面の位相差を示すグラフであって、Ｐ１、Ｐ２は位相差を波長λ単位で表記したグラフ、Ｆ１、Ｆ２はＰ１、Ｐ２から波長λの整数倍を加減し、ゼロ以上λ以下の位相差としたグラフ。
【図３】本発明に係る液晶レンズ素子の第１の実施形態における断面拡大図。
【図４】液晶レンズ素子の輪帯内に生じる位相差φ（ｒm）の印加電圧Ｖに対する変化を示す模式図であって、（Ａ）は従来の液晶レンズ素子、（Ｂ）は本発明の液晶レンズ素子。
【図５】本発明に係る液晶レンズ素子の第２の実施形態を示す断面模式図。
【図６】本発明の光ヘッド装置の一例を示す模式図。
【図７】本発明の第１の実施例における液晶レンズ素子のフレネル回折効率を示す説明図。
【図８】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９】従来の液晶レンズの構成例を示す断面図。
【図１０】従来の液晶回折レンズの構成例を示す断面模式図。
【図１１】従来の液晶レンズ素子の構成例を示す断面模式図。
【符号の説明】
【００２１】
１０、２０  液晶レンズ素子
１１、１２、２１、２２  透明基板
１３、２３  シール
１４、２４  液晶層
１５、１６、２５、２６  透明電極
１７、２７  フレネルレンズ面
１８、２８  位相補正面
１９  外部信号源
３１  半導体レーザ
３２  偏光ビームスプリッタ
３３  コリメータレンズ
３５  ４分の１波長板
３６  対物レンズ
３７  シリンドリカルレンズ
３８  光検出器
Ｄ  光ディスク
Ｄ１  第１記録層
Ｄ２  第２記録層
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
[第１の実施形態]
図１は、本発明の液晶レンズ素子の第１の実施形態を示す断面図であり、本実施形態に係る液晶レンズ素子１０は、透明基板１１、１２及びシール１３により挟持された液晶層１４を備える。第１の透明基板１２の表面には、透明電極１５とフレネルレンズ面１７が形成されており、第２の透明基板１１の表面には、位相補正面１８と透明電極１６が形成されている。透明電極１５、１６は、液晶層１４に電圧を印加するために、外部信号源１９に接続されている。図１に示してはいないが、透明電極１６及びフレネルレンズ面１７の表面には、液晶層１４を配向するための、配向膜が形成されている。更に、透明基板１１、１２の外側表面には反射防止膜が成膜されていてもよい。【００２３】
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１２の一面に透明電極１５を形成する。さらに、透明電極１５の上面に、屈折率ｎFの均一屈折率透明材料で、光軸を中心とした複数の輪帯からなり、断面形状が鋸歯状または鋸歯を階段状に近似した形状であるフレネルレンズ面１７を形成する。
一方、透明基板１１の一面には、はじめに、屈折率ｎcの均一屈折率透明材料で、光軸を中心とした輪帯状の凹凸形状である位相捕正面１８を形成する。さらに、位相補正面１８の上面に、透明電極１６を形成する。
次に、フレネルレンズ面１７には、透明電極１５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フレネルレンズ形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フレネルレンズ形状を転写してもよい。同様にして、位相補正面１８も、透明基板１１の表面に所定の厚さと形状になるよう形成する。
次に、透明電極１６及びフレネルレンズ面１７の表面には、液晶層１４の異常光屈折率方向がＹ方向を向くよう平行配向処理を施す。配向処理は、ポリイミドなどを主成分とする配向膜を基板表面にスピンコートした後、布などでラビングする方法や、ＳｉＯ斜蒸着膜を基板表面に成膜する方法、光配向膜を基板表面にスピンコートした後、偏光紫外線を照射する方法などを利用すれば良い。
次に、ギャップ制御材が混入された図示外の接着材を印刷パターニングしてシール１３を形成し、前記透明基板１１、１２を重ね合わせ、圧着して空セルを作製する。そして、シール１３の一部に設けられた注入ロ（図示せず）から常光屈折率ｎoおよび異常光屈折率ｎe（但し、ｎ。≠ｎe）を有する液晶を注入し、この注入ロを封止して液晶をセル内に密封し、本実施形態の液晶レンズ素子１０とする。【００２４】
次に、本発明の第１の実施形態に係る液晶レンズ素子１０の動作原理を、以下に説明する。
この液晶レンズ素子１０は、透明電極１５、１６間に印加する電圧を切りかえることで、液晶層１４の実質的な屈折率を変化させることにより、離散的に焦点可変なフレネルレンズとして機能する。以下、フレネルレンズ面１７による作用、および位相補正面１８による作用に関して詳述する。
本発明の液晶レンズ素子１０を用いて、正または負のパワー成分が付与された透過波面を生成するためには、液晶レンズ１０に入射する透過波面において、光軸中心（座標原点：ｘ＝ｙ＝０）の光軸に対して、半径ｒ離れた位置を通過する光線の位相差φが、次式のようなベキ級数で記述されるようにする。【００２５】
【数２】
0004479726.tif 000003
【００２６】
ここで、横軸を液晶レンズ素子の半径ｒとし、ｒ=０すなわち光軸位置に対する光路長差である液晶素子の位相差を入射光の波長λの単位で表記した曲線の具体例を、図２に符号Ｐ１及びＰ２で示す。【００２７】
位相が揃ったコヒーレントな波長λの入射光の場合、λの整数倍の位相差をもつ透過波面は同等と見なせる。従って、図２のＰ１、Ｐ２で示すグラフを波長λ間隔で分割して位相差ゼロの面に射影した位相差を示すグラフＦ１、Ｆ２は、グラフＰ１、Ｐ２とは実質的に同等である。グラフＦ１、Ｆ２に示す位相差分布は、全て波長λ以内であり、断面が鋸歯状となっている。
液晶レンズ素子１０により、グラフＦ１、Ｆ２に相当する位相差を得るには、フレネルレンズ面１７の形状を、グラフＦ１、Ｆ２と同様に加工すればよい。フレネルレンズ面１７は、均一屈折率透明材料であれば良く、紫外線硬化樹脂や熱効果樹脂、感光性樹脂などの有機材料でもよいし、ＳｉＯ2やＡｌ2Ｏ3やＳｉＯxＮy（但し、ｘ，ｙはＯとＮの元素比率を示す）などの無機材料でもよい。これらの材料は、透明電極１５、１６を構成する材料に比べ体積抵抗率が極めて大きく、液晶材料と比べても十分小さくはないため、誘電体と見なすことができる。【００２８】
図３は本発明の液晶レンズ素子１０における、断面の拡大図であり、中心からｍ番目のフレネルレンズ面１７の輪帯部分を拡大した模式図である。図に示すように、フレネルレンズ面１７の輪帯ｍにおいて、輪帯の幅で規格化した座標系ｒmを定義し、輪帯ｍの光軸側をｒm＝０、外周側をｒm＝１にする。フレネルレンズ面１７の凹凸厚さをｄF（ｒm）、液晶層１４の厚さをｄLC（ｒm）、位相補正面１８の凹凸厚さをｄC（ｒm）とし、Ｇ＝ｄF（ｒm）＋ｄLC（ｒm）＋ｄC（ｒm）が一定値Ｇになるものとする。
フレネルレンズ面１７は、透明電極１５、１６の間に設置されているので、フレネルレンズ面１７を構成する材料の比誘電率εFに応じて、液晶層１４に印加される実効的な電圧ＶLCが変化する。具体的には、透明電極１５、１６間に印加した交流電圧をＶとすると、ＶLCは、次式で記載される。【００２９】
【数３】
0004479726.tif 000004
【００３０】
ここで、εLCは液晶層１４の実効的な比誘電率である。液晶は、誘電率異方性を有し、液晶分子長軸方向の比誘電率ε//と液晶分子短軸方向の比誘電率ε⊥が異なるため、電圧印加に伴い液晶分子の配向方向が変化し、液晶分子の配向方向の変化により液晶層１４の比誘電率εLCも変化する。（３）式より液晶に印加される実効的な電圧ＶLCは、光の入射位置ｒmに応じて空間的に分布するので、ｒmの関数である。よって、今後、ＶLC（ｒm）と表記する。【００３１】
本発明の液晶レンズ素子に、液晶層１４に対する異常光偏光が入射する場合、液晶層１４の実質的な屈折率ｎ（ＶLC）は、光の入射位置ｒmに応じて空間的に分布する。図３において、透明基板１１、１２間を透過する光の光路長ＯＰ（ｒm）は、次式のとおりである。【００３２】
【数４】
0004479726.tif 000005
【００３３】
従って、ｒm＝０に入射する光の光路長ＯＰ（０）に対する位相差φ（ｒm）は（４）のようになる。ただし、分子の2πを省いてある。【００３４】
【数５】
0004479726.tif 000006
【００３５】
図４は、ｒm＝０を基準にしたフレネルレンズ面１７の１つの輪帯内に生じる位相差φ（ｒm）の印加電圧Ｖに対する変化を示す模式図であり、実線はφ（ｒm＝１）、破線はφ（ｒm＝０．５）の場合であり、図４（Ａ）に示すグラフは、図１１に示す従来の液晶レンズ素子４００の場合、図４（Ｂ）に示すグラフは、本発明の液晶レンズ素子１０の場合である。
ｒm＝1での位相差、つまりφ（１）≒λとなる電圧Ｖ+1では、液晶レンズ素子に入射する平面波が図２のＦ１に示すように変調される結果、Ｐ１に示すような＋１次の回折波面として、正のパワーを含む波面に変換され収束光となる。他方、φ（１）≒−λとなる電圧Ｖ-1では、液晶レンズ素子に入射する平面波が図２のＦ２に示すように変調される結果、Ｐ２に示すような−１次の回折波面として、負のパワーを含む波面に変換され発散光となる。次に、φ（１）≒０となる電圧Ｖ0では、入射する波面が変化しないので、光線の集光位置は変化しない。しかし、従来例である図４（Ａ）では、φ（０．５）≠０、すなわちフレネルレンズ面１７の輪帯中央での位相差がゼロにならず、輪帯内で位相ズレが生じている。その結果、波面収差が発生し、光の利用効率（０次のフレネル回折効率）が低下する問題が生じる。これは、輪帯内の位置ｒmにより液晶層１４の実質的な屈折率ｎ（ＶLC）が異なることによるものであり、（３）式から、εLC／εFが大きくなるほど、又は、ｄFが大きくなるほど顕著になる。
一方、本発明の液晶レンズ素子では、上記０次光波面の位相ズレを、位相補正面１８で補正する（図４（Ｂ））。そのため、位相補正面を形成する材料の屈折率ｎCとｎ（ＶLC）との差と、位相補正面１８の厚さｄC（ｒm）の積が、前記の位相ズレを相殺するように、ｎC及びｄC（ｒm）を設計する。電圧Ｖ0においてｎC＜ｎ（ＶLC）であれば、図３に示すように、輪帯中央で凸となるような形状、つまり位相補正面１８を透明基板１１に形成すれば良い。従って、本発明の液晶レンズ素子では、Ｖ0での位相差ズレが、ほぼ０になるため、高い光利用効率を得ることができる。【００３６】
以上のように、本発明の液晶レンズ素子を用いれば、フレネルレンズ面における回折レンズ効果により、印加電圧Ｖ+1、Ｖ0、Ｖ-1において液晶レンズ１０に入射した平面波を、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。さらに、位相補正面により位相補正を行うことで、特に印加電圧Ｖ0での結像効率を向上させることができる。また、本発明の液晶レンズ素子は、一対の電極間にフレネルレンズ面を有し、かつ、位相補正面を一対の電極外に備えることにより、液晶とフレネルレンズ面の屈折率および比誘電率、凹凸厚さ、および液晶層厚さなどの選択により、得られる位相差の電気光学特性の設計自由度が高いため、低電圧駆動あるいは多種多様の透過波面を生成することができる。【００３７】
以上、異常光偏光に対する液晶レンズ素子の作用を説明した。次に、常光偏光に対する液晶レンズ素子の作用を説明する。
常光偏光の感ずる液晶の実効的な屈折率は印加する電圧によらず、常に液晶の常光屈折率に一致する。従って、液晶レンズ素子１０の位相差φ（ｒm）は、（５）式のようになる。ただし、分子の2πを省いてある。【００３８】
【数６】
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【００３９】
上記（５）式において、第１項は、フレネルレンズ面１７の屈折率ｎFと液晶の常光屈折率ｎOの差に比例した固定位相差であり、ｋλ（ｋは整数）になるよう、ｎF、ｎOを設定すれば、固定焦点の液晶レンズとして利用できる。常光偏光に対して、レンズ作用を与えない場合は、ｎF＝ｎOにすれば良く、下記に述べる光ヘッド装置への応用においては、復路光への余分なパワーが発生しないため、好ましい。一方、（５）式第２項は、位相補正面１８の屈折率ｎCと液晶の常光屈折率ｎOの差に比例した固定位相差であり、常光偏光に対しては電圧依存性がないため、ｎC＝ｎOにすることが望ましい。しかし、位相差の大きさが、
（ｎC−ｎO）×（ｄC（ｒm）−ｄC（０））＜λ／１０
であれば波面に及ぼす影響は小さいので実質的に問題はなく、この範囲で位相補正面１８の屈折率ｎCを選択しても良い。特に、石英ガラスなどの透明基板上に、ドライエッチング技術などで直接、位相補正面１８の形状を形成することは、製作が容易となり好ましい。【００４０】
また、本実施形態では、図２のＰ１、Ｐ２で示す位相差を波長λ間隔で区切った位相差であるＦ１、Ｆ２を生成する液晶レンズ素子以外に、波長のｍ倍、ｍ・λ（ｍ＝２または３）間隔で区切った位相差を生成する液晶レンズ素子の形態でもよい。この場合、図２のＰ１、Ｐ２を波長のｍ倍、ｍ・λ（ここでは、ｍ＝２または３）間隔で区切った位相差に対応した透過波面となる。
また、補正すべき位相差の絶対値が入射光の波長λ以下の場合は、液晶レンズ素子１０の均一屈折率透明材料からなるフレネルレンズ面１７の輪帯数は１となり、フレネルレンズ状にする必要はなく、目的とする波面に一致したレンズ形状であれば良い。この場合、印加電圧の大きさに応じて位相差は連続的に変化する。また、位相補正面１８の輪帯数も１つになる。
また、本実施形態では、液晶層１４には、透明電極１５、１６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１５、１６の少なくとも一方の電極を、空間的に分割して独立に異なる交流電圧を印加でき得る分割電極としてもよい。これにより、さらに多様な位相差分布を生成できる。
また、本実施形態では、電圧非印加時に基板面に平行に配向し、印加電圧の大きさに応じて基板面に垂直方向に液晶分子が配列する正の誘電異方性を有する液晶を用いる例を示したが、別の液晶分子配向あるいは液晶材料でもよい。例えば、電圧非印加時に基板面に垂直に配向し、印加電圧Ｖに応じて基板面に平行方向に液晶分子が配列する負の誘電異方性を有する液晶を用いてもよい。
また、本実施形態では、一対の透明基板１１、１２に挟持された１つの液晶層１４を有する液晶レンズ素子１０に関して述べたが、同様な構成で、液晶分子配向方向が直交する第２の液晶レンズ素子を積層一体化しても良い。こうすることで、直交する２つの直線偏光に関して同様な光学的作用を及ぼすことから、入射する偏光によらずにレンズ機能を得ることができる。また、他に、波面収差補正素子など液晶を用いた光学素子を積層一体化してもよい。
また、本発明の液晶レンズ素子の表面に、位相差板や、回折格子、複屈折性ホログラム素子、波長依存性回折格子などの光部品を適宜積層して一体化しても良く、光ヘッド装置を構成する際には、光部品数が減り、光ヘッド装置の組立が簡易になるため好ましい。また、上記光部品は、透明基板に成型されていたり、張合わされていてもよい。【００４１】
［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の構成例について以下に説明する。
図５は本発明の第２の実施形態に係る液晶レンズ素子を示す断面図である。本実施形態に係る液晶レンズ素子２０は、透明基板２１，２２及びシール２３により挟持された液晶層２４を備えている。このうち、第１の透明基板２２の表面には、透明電極２５が形成されている。一方、第２の透明基板２１の表面には、位相補正面２８、透明電極２６、フレネルレンズ面２７が順に形成されている。透明電極２５、２６は、液晶層２４に電圧を印加するために、外部信号源１９に接続されている。なお、図５に示してはいないが、透明電極２５及びフレネルレンズ面２７の表面には、液晶層２４を配向させるための配向膜が形成されている。更に、透明基板２１、２２の外側表面には、反射防止膜が成膜されていてもよい。【００４２】
次に、この液晶レンズ素子２０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２２の一面には、透明電極２５を形成する。一方、透明基板２１の一面には、屈折率ｎCの均一屈折率透明材料で、光軸を中心とした輪帯状の凹凸形状である位相補正面２８を形成する。次に、位相補正面２８の上面に、透明電極２６を形成する。さらに、透明電極２６の上面に、屈折率ｎFの均一屈折率透明材料で、光軸を中心とした複数の輪帯からなり、断面が鋸歯状または階段形状により鋸歯状に近似させた形状であるフレネルレンズ面２７を形成する。
次に、透明電極２５及びフレネルレンズ面２７の表面には、液晶層の異常光屈折率方向がＹ方向を向くように、平行配向処理を施す。
次に、それぞれ透明電極２５，２６を形成してある透明基板２１，２２の一面に、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２３を形成する。
そして、前記透明基板２１、２２を重ね合わせ、圧着して空セルを作製する。そして、シール２３の一部に設けられた注入口（図示せず）から常光屈折率ｎoおよび異常光屈折率ｎe（但し、ｎo≠ｎe）を有する液晶を注入した後、この注入口を封止して液晶をセル内に密封し、本実施形態の液晶レンズ素子２０とする。
なお、フレネルレンズ面２７、位相補正面２８の形成方法及び、配向処理の方法は、前記第１の実施形態と同じでよい。位相補正面２８の形状は、第１の実施形態における位相補正面１８と同じで良いが、フレネルレンズ面２７は、位相補正面２８の凹凸形状の上に形成されるため、フレネルレンズ面２７の厚さｄF（ｒm）が、第１の実施形態でのフレネルレンズ面１７の厚さｄF（ｒm）と同じ厚さになるように形成する。【００４３】
本実施形態における液晶レンズ素子２０は、第１の実施形態における液晶レンズ素子１０と比較すると、フレネルレンズ面２７の設置位置が、位相補正面を備えた同一基板上にあることだけが異なっている。従って、一対の透明電極２５、２６間に備えた、フレネルレンズ面２７、及び液晶層２４の厚さは、第１の実施形態と同じであるので、本実施形態における液晶レンズ素子２０の電気光学特性は、第１の実施形態と同じである。本実施形態のように、フレネルレンズ面２７と位相補正面２８を同じ透明基板２１上に形成すれば、液晶レンズ素子２０を作製する上で、フレネルレンズ面２７と位相補正面２８の位置ズレを小さくすることができるため、好ましい。【００４４】
［第３の実施形態］
次に、本発明の液晶レンズ素子を搭載した光ヘッド装置について以下に説明する。
図６は、本発明の液晶レンズ素子を搭載した光ヘッド装置３０の一例を示す模式図であり、２層光ディスクＤに情報を記録および／または再生するようになっており、光源である半導体レーザ３１と、偏光ビームスプリッタ３２と、コリメータレンズ３３と、本発明の液晶レンズ素子１０（２０）と、４分の１波長板３５と、対物レンズ３６と、シリンドリカルレンズ３７と、光検出器３８とを備えている。一方、２層光ディスクＤには、ＤＶＤや高密度光ディスクなどが用いられており、第１記録層Ｄ１及び第２記録層Ｄ２を有する。
半導体レーザ３１には、使用する波長として、光ディスクＤの種類に応じて７８０ｎｍ帯、６６０ｎｍ帯、４０５ｎｍ帯の何れか一つであってもよいし、別の場所に異なる波長の複数の半導体レーザを搭載してあってもよい。すなわち、これらの波長帯の２つの組み合わせであってもよい。７８０ｎｍ帯と６６０ｎｍ帯、また６６０ｎｍ帯と４０５ｎｍ帯などの組み合わせである。３つの波長帯の組み合わせであってもよい。ここで使用する液晶レンズ素子は、前述の第１の実施形態または第２の実施形態などの形態をとりえる。以下では、図１に示す第１の実施形態における液晶レンズ素子１０を用いて説明する。よって、液晶レンズ素子の構造及び作製方法や、動作原理の説明は省略する。なお、本発明に係る液晶レンズ素子を搭載した光ヘッド装置としては、図６に示した光部品以外に、回折格子、ホログラム素子、偏光依存性選択素子、波長選択性素子、波面変換手段などの異なる光部品または機構部品を適宜組み合わせて適用できる。【００４５】
始めに、本実施形態に係る光ヘッド装置３０の作用について説明する。
光源である半導体レーザ３１から出射されたＹ方向の直線偏光は、偏光ビームスプリッタ３２を透過した後、コリメータレンズ３３、液晶レンズ素子１０、４分の１波長板３５を透過した後、円偏光に変換されて、対物レンズ３６により、光ディスクＤが有する第１記録層Ｄ１又は第２記録層Ｄ２に集光する。一方、光ディスクＤから反射された光は、再度、対物レンズ３６、４分の１波長板３５を通過した後、Ｘ方向の直線偏光に変換され、液晶レンズ素子１０、コリメータレンズ３３を通過し、偏光ビームスプリッタ３２で反射し、シリンドリカルレンズ３７によって非点収差を与えられ、光検出器３８に入射する。【００４６】
次に、本発明の液晶レンズ素子を搭載した光ヘッド装置３０を用いて、カバー厚の異なる記録層Ｄ１、Ｄ２に情報を記録および／または再生する動作を以下に説明する。
ここでは、対物レンズ３６は、第１記録層Ｄ１と第２記録層Ｄ２の中間のカバー厚において、収差が最小となるように設計されているものとする。すると、設計と異なるカバー厚の記録層に集光する際、カバー厚の記録層厚さから設計厚を差し引いたカバー厚差に比例した球面収差が発生し、情報の読み書きが困難になる。この球面収差は、対物レンズ３６に入射する光を、平面波にパワー成分を付加した発散光または収束光とすることにより、補正できる。つまり、カバー厚差が負である第１記録層Ｄ１では、正のパワーを付加することで収束光とし、カバー厚差が正である第２記録層Ｄ２では、負のパワーを付加することで発散光に変換した後、対物レンズ３６で集光すれば、球面収差が補正され正常に情報を読み書きすることができる。以下、場合に分けて説明する。【００４７】
（i）第１記録層Ｄ１（カバー厚差が負）の場合：
第１記録層Ｄ１への記録および／または再生においては、前記のように、液晶レンズ素子１０の透過波面が若干集光する球面波となるよう、透明電極１５、１６(図１参照)間に交流電圧Ｖ+1を印加する。すると、液晶層１４の配向方向が変化し、正のパワーすなわち凸レンズ相当の透過波面となる。従って、第１記録層Ｄ１へ集光する光の球面収差を補正することができる。
（ii）第２記録層Ｄ２（カバー厚差が正）の場合：
第２記録層Ｄ２への記録および／または再生においては、液晶レンズ素子１０の透過波面が若干発散する球面波となるよう、透明電極１５、１６間に交流電圧Ｖ-1を印加する。
すると、液晶層１４の配向方向が変化し、負のパワーすなわち凹レンズ相当の透過波面となる。従って、第２記録層Ｄ２へ集光する光の球面収差を補正できる。
（iii）単層光ディスクなどカバー厚差がゼロの場合：
上記した２層光ディスクＤの替わりに、単層光ディスクなど、対物レンズの設計カバー厚に等しいカバー厚を有する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１０の透過波面が変化しないよう、透明電極１５、１６間に交流電圧Ｖ0を印加する。
したがって、２層光ディスクの記録層Ｄ１、Ｄ２用の２つのカバー厚と単層光ディスクのカバー厚、合計３つのカバー厚に対して、交流電圧Ｖ＋１、Ｖ−１およびＶ０を印加して、集光性能の最適化すなわち球面収差を補正する。
以上のようにして、液晶層に印加する電圧を変化させることで、異なるカバー厚さをもつ２つの記録層の球面収差を補正することができる。
したがって、異なる２つまたは３つの波長帯のレーザ光に対しても本液晶レンズ素子は対処することができる。異なる２つの波長帯のレーザ光とは、波長７８０ｎｍ帯と６６０ｎｍ帯、波長６６０ｎｍ帯と４０５ｎｍ帯などの組み合わせである。【００４８】
また本実施形態では、半導体レーザ３１から光ディスクＤに向かう光路中（すなわち往路中）での、液晶レンズ素子１０に入射する光は、液晶層１４の異常光屈折率に一致する直線偏光であれば、上記のように、往路光に対してレンズ作用が動作する。一方、復路光（光ディスクＤからの反射光）では、偏光方向は４分の１波長板３５の作用により９０°回転するので、液晶層１４の常光偏光を感じる。従って、前述のように、電圧に依存しない固定位相差を得るが、フレネンルレンズ面の屈折率ｎFや位相補正面の屈折率ｎCを液晶層１４の常光屈折率ｎoと一致させておけば、波面は変化しないので好ましい。なお、復路光に発生する球面収差を補正する場合には、液晶層の異常光屈折率方向が直交するよう、同様な形態を有する第２の液晶レンズ素子を積層一体化した形態を用いれば補正できるので、より好ましい。
【実施例】
【００４９】
「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の実施例について、図１を参照しながら以下に具体的に説明する。
始めに、この液晶レンズ素子１０の作製方法について説明する。
ガラスを素材とする透明基板１２の片面に透明導電膜（ＩＴＯ膜）を成膜し、パターニングを行ってこれを透明電極１５とする。さらにその透明電極１５上に、屈折率ｎF（＝１．５２）、比誘電率εF（＝４）の均一屈折率材料であるＳｉＯＮ膜を膜厚ｄ（＝３．７μｍ）となるように蒸着する。次に、その成膜されたＳｉＯＮ膜が図２のグラフＦ２の形状に相当するように、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術により、ＳｉＯＮ膜から、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１に示すようなフレネルレンズ面１７を形成する。フレネルレンズ面１７の凹凸形状の最大深さは、２．７μｍである。
一方、ガラスを素材とする透明基板１１の表面に、屈折率ｎC（＝１．５２）の均一屈折率材料であるＳｉＯＮ膜を膜厚ｄ（＝０．３５μｍ）となるように蒸着する。次に、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術により、ＳｉＯＮ膜に対して、断面形状が輪帯中央部で凸であり、入射光の光軸（Ｚ軸）に対して回転対称性を有する、図３に示すような位相補正面１８を形成する。さらに、位相補正面１８の表面に、透明導電膜（ＩＴＯ膜）を成膜し、パターニングを行ってこれを透明電極１６とする。その後、透明電極１６及びフレネルレンズ面１７の表面に、ポリイミドからなる液晶配向膜を塗布、焼成した後、Ｙ軸方向にラビング配向処理して液晶配向膜を形成する。さらに、透明基板１１の表面に、直径１５μｍのギャップ制御材が混入された接着材を印刷パターニングしてシール１３を形成したのち、透明基板１１、１２を重ね合わせて圧着し、基板間隔が１５μｍの空セルを作製する。その後、常光屈折率ｎｏ（＝１．５２）および異常光屈折率ｎｅ（＝１．７９）の正の誘電異方性を有するネマティック液晶を空セルの注入口（図示せず）から注入し、液晶層１４とする。次に、注入口を紫外線硬化樹脂により封止して図１に示す液晶レンズ素子１０とする。
このようにして得られた液晶レンズ素子１０を外部信号源１９と電気的に接続し、液晶層１４に電圧を印加するとともに、波長６６０ｎｍの光を入射し、液晶レンズ素子１０のレンズ作用を確認してみる。即ち、印加電圧を０Ｖから増加させると、液晶層１４のラビング方向の実質的な屈折率がｎe（＝１．７９）からｎo（＝１．５２）まで変化する。しかしながら、液晶に印加される実効的な電圧ＶLCは、（３）式により、フレネルレンズ面１７、位相補正面１８の形状に応じて、場所により異なり、液晶レンズ素子１０が発生する位相差φは、前述の（４）式のように変化することがわかる。【００５０】
図７は、例１における液晶レンズ素子１０のフレネル回折効率を示す図である。なお、図７において、横軸は、外部信号源１９を用いて透明電極１５、１６間に印加した電圧である。
（i）Ｙ方向の直線偏光を入射すると、印加電圧の大きさに応じて図４（Ｂ）に示すように位相差が変化し、液晶レンズ素子１０を透過する光の波面は変化する。
例えば、印加電圧３．０Ｖでは、ｎ（ＶLC）＜ｎFであり、位相差が＋λとなって、入射平面波は＋１次のフレネル回折波として、若干集光するような波面に変換される。＋１次のフレネル回折効率は、図７において、グラフＡのように印加電圧３．０Ｖで最大値９８％となる。同様に、印加電圧１．０６Ｖでは、ｎ（ＶLC）＞ｎSであり、位相差が−λとなって、入射平面波は−１次のフレネル回折波として、若干発散するような波面に変換される。−１次のフレネル回折効率は、図７において、グラフＣのように印加電圧１．０６Ｖで最大値９５％となる。一方、印加電圧１．５２Ｖでは、位相補正面１８の効果により、図４（Ｂ）の印加電圧Ｖ0に示すように位相差は生じないため、０次のフレネル回折波として波面は変化せずに透過する。０次のフレネル回折効率は、図７において、グラフＢのように印加電圧１．５２Ｖで最大値９８％になる。
以上のように、印加電圧を１．０６Ｖ、１．５２Ｖ、３．０Ｖと変化させると、本発明の液晶レンズ素子は“凹レンズ”、“レンズ作用なし”、“凸レンズ”として作用する。
（ii）次に、Ｘ方向の直線偏光を入射すれば、液晶層１４の実質的な屈折率はｎo＝ｎFとなるのでレンズ作用はない。
従って、本発明の液晶レンズ素子を用いれば、Ｙ方向の直線偏光に対して、印加電圧に応じてレンズ作用を切り替えることができる。【００５１】
「例２」
次に、図６に示す光ヘッド装置に、例１で示した液晶レンズ素子１０を液晶レンズ素子として組み込んだ実施例について、図６を参照しながら以下に具体的に説明する。
光源３１は、波長６６０ｎｍの半導体レーザであり、コリメータレンズ３２により平行光にされ、液晶レンズ素子１０に入射する。２層光ディスクＤに備えられた、第１記録層Ｄ１のカバー厚は０．５７ｍｍ、第２記録層Ｄ２のカバー厚は０．６３ｍｍである。対物レンズ３６のＮＡは０．６５、瞳直径は４．０ｍｍであり、単層光ディスクのカバー厚０．６ｍｍで波面収差が最小となるよう設計されている。すなわち、3つの異なるカバー厚に対して集光性能の最適化されている。
液晶レンズ素子１０がレンズ作用を示さない場合である、Ｖ0＝１．５２Ｖを外部信号源１９から透明電極１５、１６に印加すると、各記録層に集光する光の波面収差は、カバー厚の差に比例した球面収差の影響により、０．１λｒｍｓ以上あり、光の集光性能は著しく劣化する。
次に、透明電極１５、１６間に電圧Ｖ+1＝３．０Ｖを印加して第１記録層Ｄ１に集光する場合と、透明電極間にＶ-1＝１．０６Ｖを印加して、第２記録層Ｄ２に集光する場合では、球面収差は補正されて０．０１λｒｍｓ以下になり、集光性能が改善される。
さらに、２層光ディスクＤの替わりに、カバー厚０．６ｍｍの単層光ディスクを配置して、透明電極１５、１６間に電圧Ｖ0＝１．５２Ｖを印加したところ、液晶レンズ素子１０を透過する光の波面は変化しない。また、図７のグラフＢに示すように、位相補正面の効果により、液晶レンズ素子１０を透過する光の９８％を対物レンズ３６に導くことができる。
以上のように、本発明の液晶レンズ素子を用いれば、２層ディスクや単層ディスクのカバー厚差に応じて発生する球面収差を補正することができる。また、液晶レンズ素子に備えられた位相補正面の効果により、高いフレネル回折効率を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明の液晶レンズ素子は、印加電圧の大きさを切り替えることにより、焦点距離が離散的に大きく切り換わる焦点距離切り換えレンズとして利用できる。特に、カバー厚の異なる２層の情報記録層を有する光ディスクの記録および／または再生において、本発明の液晶レンズ素子は、主としてパワー成分を発生することにより球面収差を補正するので、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。このため、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のユニットとして、光ヘッド装置などに利用できる。
なお、２００４年７月１５日に出願された日本特許出願２００４−２０８３０２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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