(57)【要約】【課題】所定の波長で入射する光の利用効率および信頼性が高く、材料選択の自由度が大きくかつ、光の焦点距離を容易に切り替え可能な液晶回折レンズ素子を提供する。【解決手段】一対の透明基板１０１ａ、１０１ｂの対向するいずれかの面にフレネルレンズ形状に加工された第１の複屈折材料を設け、透明基板間の空隙に液晶材料１０４を注入し、透明電極１０２ａ、１０２ｂによって液晶材料に電圧を印加できるようにする。対向する透明基板１０２ｂ、１０２ｃのいずれか一方の面にフレネルレンズ形状に加工された第２の複屈折材料を設け、等方性材料１０６で充填する。第１の複屈折材料１０３ａと透明電極１０２ｂの面の配向方向を直交させ、第１の複屈折材料１０３ａと第２の複屈折材料１０３ｂの配向方向を直交させる。電圧非印加時に入射する光は直進透過し、電圧印加時に発散させて焦点距離を電圧によって切り替える液晶回折レンズ素子。【選択図】図１
2009015995.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平行に配置された３枚以上の透明基板と、
前記透明基板のうち一対の前記透明基板の対向する面のいずれか一方の面に設けられた断面形状がフレネルレンズ形状となる第１の複屈折材料と、
前記第１の複屈折材料の表面と対向する前記透明基板面との空間を充填する第１の液晶材料と、
前記第１の液晶材料に電圧を印加する電極と、
前記第１の複屈折材料を有する一対の前記透明基板の対向する面とは異なる、一対の前記透明基板の対向するいずれか一方の面に設けられた断面形状がフレネルレンズ形状となる第２の複屈折材料と、
前記第２の複屈折材料の表面と対向する前記透明基板面との空間を埋める充填材料と、を備え、
前記第１の複屈折材料の異常光屈折率方向と前記第２の複屈折材料の異常光屈折率方向とが平行または直交し、
前記第１の複屈折材料の常光屈折率をｎｏ＿Ｂ1、異常光屈折率をｎｅ＿Ｂ1、前記第１の液晶材料の常光屈折率をｎｏ＿ＬＣ、異常光屈折率をｎｅ＿ＬＣとするとき、
ｎｅ＿ＬＣ−ｎｅ＿Ｂ1＝ｎｅ＿Ｂ1−ｎｏ＿ＬＣ＞０
ｎｏ＿Ｂ1＝ｎｏ＿ＬＣ
となる等式をほぼ満足する材料で構成されている液晶回折レンズ素子。
【請求項２】
前記充填材料が等方性材料であり、前記等方性材料の屈折率をｎｓ、前記第２の複屈折材料の常光屈折率をｎｏ＿Ｂ２、異常光屈折率をｎｅ＿Ｂ２とするとき、
ｎｏ＿Ｂ２＝ｎｓ
または、
ｎｅ＿Ｂ２＝ｎｓ
のいずれかの等式をほぼ満足する材料で構成されている請求項１に記載の液晶回折レンズ素子。
【請求項３】
前記第１の複屈折材料と前記第２の複屈折材料とが同じ材料であり、前記第１の複屈折材料からなるフレネルレンズ形状と前記第２の複屈折材料からなるフレネルレンズ形状とが同じである請求項１または請求項２に記載の液晶回折レンズ素子。
【請求項４】
前記等方性材料の屈折率と前記第１の液晶材料の常光屈折率が、
ｎｓ＝ｎｏ＿ＬＣ
となる等式をほぼ満足する材料で構成されている請求項２または請求項３に記載の液晶回折レンズ素子。
【請求項５】
前記第１の複屈折材料の表面の前記第１の液晶材料と前記第１の複屈折材料と対向する透明基板表面の前記第１の液晶材料との配向方向とが直交する請求項１〜４いずれか１項に記載の液晶回折レンズ素子。
【請求項６】
前記第１の複屈折材料と前記第２の複屈折材料との間にあり、かつ、前記第１の複屈折材料を有する一対の前記透明基板の対向する面と異なるとともに、
前記第２の複屈折材料を有する一対の前記透明基板の対向する面とは異なる、一対の前記透明基板の対向する面の空間を埋める第２の液晶材料を備え、
前記第２の液晶材料に電圧を印加する電極を備える請求項１〜４いずれか１項に記載の液晶回折レンズ素子。
【請求項７】
前記第２の液晶材料が一様に配向され、前記第２の液晶材料が充填されている空間の光学的厚さが、入射する波長λの光に対して（２ｎ＋１）・（λ／２）に略等しくなっている請求項６に記載の液晶回折レンズ素子（ｎは整数を示す）。
【請求項８】
前記第１の複屈折材料の表面の第１の液晶材料と前記第１の複屈折材料と対向する透明基板表面の第１の液晶材料との配向方向が平行となり、
前記第１の複屈折材料の表面の第１の液晶材料の配向方向と前記第２の液晶材料の配向方向とがなす角度が略４５°である請求項７に記載の液晶回折レンズ素子。
【請求項９】
特定の波長の直線偏光を出射する光源と、直線偏光を出射する光を光記録媒体に集光する対物レンズと、光記録媒体からの反射光を検出する光検出器とを備えた、光記録媒体の情報の記録・再生を行う光ヘッド装置であって、前記対物レンズと前記光検出器との間の光路中に、請求項１〜８のいずれか１項に記載の液晶回折レンズ素子が設置されている光ヘッド装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、焦点位置を切り替えることが可能な液晶回折レンズ素子および光ディスク等の光記録媒体に情報の記録および／または光記録媒体からの情報の再生（以下、記録再生という）を行うためにこの液晶回折レンズ素子を用いる光ヘッド装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光ディスク等の光記録媒体を対象にして記録再生を行う光ヘッド装置では、ＣＤとＤＶＤ等のように異なるカバー厚の光ディスクを対象に情報の記録再生が行われる。また、光ディスクには、情報記録層が単層の単層光ディスクと、複数層ある複層光ディスクとがある。例えば２層の記録層を有する２層光ディスクに対して情報の記録再生を行うとき、情報を記録する情報記録面の光ディスク表面からの深さ（以下、単に情報記録面の深さという）が異なる。このように情報記録面の深さが異なる光ディスクを対象にして記録再生を行うようにするために、焦点距離を切り替えるための光変調素子が用いられる（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
ここで、特許文献１に開示された光変調素子は、図７に示すように一対の透明基板５０１ａおよび５０１ｂにおいて、これらの透明基板の対向する面にそれぞれフレネルレンズ形状となる複屈折材料５０３ａおよび５０３ｂを有し、これらの透明基板で挟持された液晶材料５０４に電圧を印加できるように透明電極５０２ａおよび５０２ｂが設けられている。液晶に電圧を印加することによって液晶の屈折率を切り替えて上記の複屈折材料がフレネルレンズとして機能するか否かを切り替えるようになっている。
【０００４】
光ヘッド装置に使用される液晶素子では、通常、入射光として特定の方向に偏光した光が用いられ、屈折率の切り替えは、入射光の偏光方向に対して液晶の配向方向を一致させることによって行われる。そして、液晶の屈折率は、液晶に印加する電圧の切り替えの前後で上記のフレネルレンズの形状を有する光学部材の屈折率と一致または異なるように切り替えられる。
【０００５】
【特許文献１】国際公開第２００６／０４３５１６号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載されている液晶レンズ回折素子は、液晶と接する両面のフレネルレンズ形状の複屈折材料に対して配向処理を施しているので、液晶の配向性に難点があった。また、特許文献１の構成では、液晶材料５０４と複屈折材料５０３ａおよび５０３ｂの常光屈折率と異常光屈折率をいずれも一致させる必要がある。ところが、複屈折材料として加工が容易な高分子液晶を用いると、液晶材料に対して上記常光屈折率、異常光屈折率と一致する材料の組み合わせが限られてしまい、屈折率に差異が発生することで光利用効率が低下する原因を引き起こしていた。さらに、この液晶素子では、ツイストネマティック（以下、ＴＮという）液晶を両面にフレネルレンズ構造の形状のセルに入れるため、フレネルレンズ形状の深さの分布により、入射する光に対する液晶素子内での出射光分布が大きいという問題があった。
【０００７】
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、液晶の配向が容易であり材料選択の自由度が高くかつ、入射する光の出射光分布が安定した液晶レンズ回折素子およびそれを用いた光ヘッド装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、平行に配置された３枚以上の透明基板と、前記透明基板のうち一対の前記透明基板の対向する面のいずれか一方の面に設けられた断面形状がフレネルレンズ形状となる第１の複屈折材料と、前記第１の複屈折材料の表面と対向する前記透明基板面との空間を充填する第１の液晶材料と、前記第１の液晶材料に電圧を印加する電極と、前記第１の複屈折材料を有する一対の前記透明基板の対向する面とは異なる、一対の前記透明基板の対向するいずれか一方の面に設けられた断面形状がフレネルレンズ形状となる第２の複屈折材料と、前記第２の複屈折材料の表面と対向する前記透明基板面との空間を埋める充填材料と、を備え、前記第１の複屈折材料の異常光屈折率方向と前記第２の複屈折材料の異常光屈折率方向とが平行または直交し、前記第１の複屈折材料の常光屈折率をｎｏ＿Ｂ1、異常光屈折率をｎｅ＿Ｂ1、前記第１の液晶材料の常光屈折率をｎｏ＿ＬＣ、異常光屈折率をｎｅ＿ＬＣとするとき、
ｎｅ＿ＬＣ−ｎｅ＿Ｂ1＝ｎｅ＿Ｂ1−ｎｏ＿ＬＣ＞０
ｎｏ＿Ｂ1＝ｎｏ＿ＬＣ
となる等式をほぼ満足する材料で構成されている液晶回折レンズ素子を提供する。
【０００９】
この構成により、液晶に電圧を加えて液晶の配向方向を切り替えることによって、複屈折材料で形成されるフレネルレンズの機能を発現させたり、解消させたりすることができる。この機能により、入射する光の偏光状態に関わらず電圧の印加・非印加によって焦点距離を切り替えることが可能で、信頼性の高い液晶回折レンズ素子を実現できる。ここで、等式をほぼ満足とは、それぞれの屈折率の等式の誤差±５％以内の値とし、以下同様のものとする。また、複屈折材料と液晶材料の屈折率は常光屈折率を一致させるような材料の組み合わせをすればよく、材料選択の自由度が広がって好適である。
【００１０】
また、前記充填材料が等方性材料であり、前記等方性材料の屈折率をｎｓ、前記第２の複屈折材料の常光屈折率をｎｏ＿Ｂ２、異常光屈折率をｎｅ＿Ｂ２とするとき、
ｎｏ＿Ｂ２＝ｎｓ
または、
ｎｅ＿Ｂ２＝ｎｓ
のいずれかの等式をほぼ満足する材料で構成されている上記に記載の液晶回折レンズ素子を提供する。
【００１１】
この構成により、第２の複屈折材料と等方性材料の組み合わせによって第１の液晶材料への電圧の印加・非印加によって入射する光の偏光状態に関わらず発散光と直進透過光、または集光光と直進透過光として焦点距離を切り替えることができるので設計の自由度が大きくなり好適である。
【００１２】
また、前記第１の複屈折材料と前記第２の複屈折材料とが同じ材料であり、前記第１の複屈折材料からなるフレネルレンズ形状と前記第２の複屈折材料からなるフレネルレンズ形状とが同じである上記に記載の液晶回折レンズ素子を提供する。
【００１３】
この構成により、複屈折材料で形成される２つのフレネルレンズが同一の機能を有するので、入射する光の制御が容易になる。また、同じ材料および形状のため、生産性が向上し、好適である。
【００１４】
また、前記等方性材料の屈折率と前記第１の液晶材料の常光屈折率が、
ｎｓ＝ｎｏ＿ＬＣ
となる等式をほぼ満足する材料で構成されている上記に記載の液晶回折レンズ素子を提供する。
【００１５】
この構成により、第２の複屈折材料によるフレネルレンズ機能は、電圧を印加せずに入射する光の偏光方向によってレンズ機能を発現したり、直進透過させたりすることができる。また、第１の複屈折材料と第１の液晶材料の配向状態、および入射する光の偏光状態と組み合わせることによって制御のよいレンズ機能を実現できる。
【００１６】
また、前記第１の複屈折材料の表面の前記第１の液晶材料と前記第１の複屈折材料と対向する透明基板表面の前記第１の液晶材料との配向方向とが直交する上記に記載の液晶回折レンズ素子を提供する。
【００１７】
この構成により、電圧非印加時に第１の液晶材料の配向方向が厚さ方向に対して９０°ツイストした状態となる。これにより、電圧非印加時に入射する直線偏光の偏光状態を９０°変えて出射させることができる。一方、電圧印加時には入射する直線偏光の偏光状態を維持したまま出射させることができるので、偏光状態によりフレネルレンズ機能の発現の制御を容易に実現することができる。
【００１８】
また、前記第１の複屈折材料と前記第２の複屈折材料との間にあり、かつ、前記第１の複屈折材料を有する一対の前記透明基板の対向する面と異なるとともに、前記第２の複屈折材料を有する一対の前記透明基板の対向する面とは異なる、一対の前記透明基板の対向する面の空間を埋める第２の液晶材料を備え、前記第２の液晶材料に電圧を印加する電極を備える上記に記載の液晶回折レンズ素子を提供する。
【００１９】
この構成により、第２の液晶材料に対して電圧を印加するまたは非印加により第１の複屈折材料によるフレネルレンズを出射した光の偏光状態を変えて第２の複屈折材料によるフレネルレンズに入射させることができるので、偏光状態を任意に制御することができる。
【００２０】
また、前記第２の液晶材料が一様に配向され、前記第２の液晶材料が充填されている空間の光学的厚さが、入射する波長λの光に対して（２ｎ＋１）・（λ／２）に略等しくなっている上記に記載の液晶回折レンズ素子（ｎは整数を示す）を提供する。
【００２１】
この構成により、第２の液晶材料に入射する光に対してλ／２板として機能させることができるので、第１の複屈折材料によるフレネルレンズを出射した直線偏光の光を異なる直線偏光の光として出射させることができ、第２の複屈折材料によるフレネルレンズによるレンズ機能の発現を容易に制御できる。
【００２２】
また、前記第１の複屈折材料の表面の第１の液晶材料と前記第１の複屈折材料と対向する透明基板表面の第１の液晶材料との配向方向が平行となり、前記第１の複屈折材料の表面の第１の液晶材料の配向方向と前記第２の液晶材料の配向方向とがなす角度が略４５°である上記に記載の液晶回折レンズ素子を提供する。
【００２３】
この構成により、第２の液晶材料に入射する光が遅相軸または進相軸に対して平行な直線偏光の光であれば、入射する光に対して直交した直線偏光の光を出射させることができるので、偏光状態を容易に制御できる液晶回折レンズ素子を実現することができる。
【００２４】
さらに、特定の波長の直線偏光を出射する光源と、直線偏光を出射する光を光記録媒体に集光する対物レンズと、光記録媒体からの反射光を検出する光検出器とを備えた、光記録媒体の情報の記録・再生を行う光ヘッド装置であって、前記対物レンズと前記光検出器との間の光路中に、上記に記載の液晶回折レンズ素子が設置されている光ヘッド装置を提供する。
【００２５】
この構成により、上記いずれかの液晶回折レンズ素子を設置することによって、入射する光の焦点距離を電圧の印加・非印加により容易に切り替えて制御する光ヘッド装置を実現できるので、情報記録面が多層となる光ディスクなどの記録再生が制御よく実施できる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明は、液晶に電圧を印加して液晶の配向方向を切り替えることによって、第１の複屈折材料が形成するフレネルレンズおよび第２の複屈折材料が形成するフレネルレンズを機能させることができる。この機能を利用して電圧の印加時と非印加時とで入射する光の焦点距離を切り替えることが可能な液晶回折レンズ素子および光ヘッド装置を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。
【００２８】
（第１の実施の形態）
図１に本発明の第１の実施の形態となる液晶回折レンズ素子の断面図を示す。また説明を簡単にするために透明基板１０１ａと透明基板１０１ｂとの間に挟持された部分を液晶回折レンズ１１とし、透明基板１０１ｂと透明基板１０１ｃとの間に挟持された部分を複屈折回折レンズ１２とする。
【００２９】
液晶回折レンズ１１は、透明基板１０１ａと１０１ｂに挟持された第１の液晶材料１０４と、第１の液晶材料１０４に電圧を印加するための透明電極１０２ａ、１０２ｂ、透明基板１０１ａ側に設けられたフレネルレンズ形状をした第１の複屈折材料１０３ａからなり、シール材１０５によりシールされる。透明電極は、液晶に対してＺ軸方向に電圧を印加できるようにされていればよく、第１の複屈折材料１０３ａのフレネルレンズ形状表面などに設けられていてもよいが、生産性および信頼性の点から透明基板１０１ａ表面に設けると好ましい。
【００３０】
屈折率異方性を有する第１の液晶材料１０４および第１の複屈折材料１０３ａはそれぞれ配向方向を有し、とくに液晶材料１０４は図示しない配向膜によって配向されている。液晶材料は、液晶分子の長軸方向が遅相軸となるものと、液晶分子の長軸方向が進相軸となるものがあるが、以降は、液晶分子の長軸方向が遅相軸となる液晶材料を使用するものとして説明する。つまり、液晶分子の配向方向と遅相軸が一致する特性を有するものである。また、長軸方向が進相軸となる液晶材料を使用しても、液晶分子の配向方向が進相軸となるだけで配向状態を調整して同様の特性を得ることができる。
【００３１】
複屈折回折レンズ１２は、透明電極１０２ｂと異なる透明基板１０１ｂの面側に設けられたフレネルレンズ形状の第２の複屈折材料１０３ｂを充填材料１０６で充填平坦化し、透明基板１０１ｂと１０１ｃとで挟持され、シール材１０５でシールされている。なお、充填材料１０６は以下の等方性材料として説明するが、複屈折材料を用いてもよい。この場合は、充填材料となる複屈折材料の常光屈折率または異常光屈折率のいずれか一方が第２の複屈折材料１０３ｂの常光屈折率または異常光屈折率のいずれか一方と一致させて適切に設計することで実現できる。
【００３２】
液晶分子の配向方向を１５ａ、１５ｂおよび１５ｃに示す。第１の複屈折材料１０３ａの配向方向およびにフレネルレンズ形状表面の第１の液晶材料１０４の配向方向はＸ軸方向であるが、透明電極１０２ｂと接する第１の液晶材料の配向方向はＹ軸方向である。つまり１５ｂのように第１の液晶材料１０４の厚さ方向（Ｚ軸）で９０°のツイスト角を有する。第２の複屈折材料１０３ｂの配向方向はＹ軸方向である。
【００３３】
透明電極１０２ａおよび１０２ｂには外部信号源により電圧が印加される。図１の液晶回折レンズ１１をＸ−Ｙ平面で展開した断面図を図２に示す。透明電極１０２ａおよび１０２ｂと外部信号源１７とを接続する配線として、フレキシブル回路基板を用いるのでもよく、この場合、液晶回折レンズ１１側では、フレキシブル回路基板を透明電極１０２ａおよび１０２ｂの端子取り出し部１１０ａ、１１０ｂに接続する。
【００３４】
ここで、透明基板１０１ａ、１０１ｂとして、例えば、アクリル系樹脂、エポキシ系樹脂、塩化ビニル系樹脂、ポリカーボネート等を用いるのでもよいが、耐久性等の点からガラス基板が好適である。
【００３５】
透明電極１０２ａ、１０２ｂとしては、Ａｕ、Ａｌ等からなる金属膜を用いることができるが、ＩＴＯ、ＳｎＯ３等からなる膜を用いる方が金属膜に比べ、光の透過性がよく、機械的耐久性が優れているため、好適である。透明電極１０２ａ、１０２ｂには外部信号源１７が接続され、所定の信号が第１の液晶材料１０４に印加されるようになっている。印加される電圧信号としては、矩形交流信号が好ましく、矩形交流信号の周波数は１０Ｈｚ〜１０ｋＨｚが好ましい。また、矩形交流信号中の直流成分を充分小さくすることが極めて好ましい。
【００３６】
第１の複屈折材料１０３ａと第２の複屈折材料１０３ｂは、後述するフレネルレンズの光の発散および集光機能が同程度であれば異なる材料で構成されていてもよいが、フレネルレンズ形状およびこれらの複屈折材料が同じであってもよく、生産性の点からも好ましい。またフレネルレンズの位置は図１に示す面上に形成されていなくてもよく、透明電極１０２ｂ上や透明基板１０１ｃの上に形成されていてもよい。この場合、フレネルレンズを形成する面によって入射する光の集光特性と発散特性とが異なって出射される。例えば電圧非印加時に液晶回折レンズ素子１０に入射する光を直進透過させるとき、液晶回折レンズ１１で発散（集光）させ、複屈折回折レンズ１２で集光（発散）させるような構成を取ることができる。また、第１の複屈折材料１０３ａと第２の複屈折材料１０３ｂとが異なる材料であっても、フレネルレンズ形状の深さを材料に合わせて設計することで、発散・集光特性を同じものにすることができる。
【００３７】
以下では、簡単のため第１の複屈折材料１０３ａと第２の複屈折材料１０３ｂは同じ材料として説明する。フレネルレンズ形状は、図２のＸ軸とＹ軸の交点となる光軸を中心に同心円状に形成される。ここで、上記の複屈折材料としては、ニオブ酸リチウム、水晶等の無機材料、および高分子液晶等を用いることができる。上記の複屈折材料として高分子液晶を用いると加工が容易なこと、屈折率の調整が可能であること、高分子液晶のバリエーションが多いことによる設計自由度の高さの観点から、好適である。
【００３８】
また、フレネルレンズを形成する上記の各輪は、回折効率を高めるためブレーズ化されていることから、以下ではブレーズ輪という。なお、上記のブレーズ輪の中心軸を含む面を断面とする断面形状を階段状の形状で近似したもの（以下、擬似ブレーズ輪という）を、上記のブレーズ輪の代わりに用いるのでもよい。以下、ブレーズ輪というときは、擬似ブレーズ輪を含むものとする。
【００３９】
ブレーズ輪は、基板面から突き出た凸状のブレーズ輪でも、基板面より窪んだ凹状のブレーズ輪でもよい。以下、フレネルレンズの形状について、図６を用いて説明する。図６に符号Ｐ１、Ｐ２を用いて示す曲線は、所定のレンズを通過した後の入射光が受ける位相変化量の差分の分布（以下、移相分布という。）のうちの、光軸を含む面内のものである。以下、符号Ｐ１、Ｐ２を用いて示す曲線を光軸移相曲線という。
【００４０】
ここで、位相変化量の差分の分布（移相分布）は、レンズを通過した後の位相変化量の分布から、光軸における位相変化量を差し引いたものである。上記の移相分布は、光軸に対してほぼ回転対称になっていると共に、入射光の焦点を切り替えるような分布をなしている。ここで、符号Ｐ１、Ｐ２を用いて示す光軸移相曲線は、それぞれ、凸レンズおよび凹レンズの光軸移相曲線に対応するものである。
【００４１】
ここで、上記の移相分布は、以下のベキ級数によって表される。
φ（ｒ）＝ａ１ｒ２＋ａ２ｒ４＋ａ３ｒ６＋ａ４ｒ８＋・・・
ここで、ｒは光軸からの半径方向の距離であり、ａｉ（ｉ＝１、２、３、４、・・・）は定数であり、φ（ｒ）は距離ｒにおける移相分布である。
【００４２】
各フレネルレンズを通過した後の光の光軸を含む面内における移相分布は、符号Ｆ１（Ｐ１に対応）、Ｆ２（Ｐ２に対応）を用いて示す光軸移相曲線となる。波長の整数倍の位相差によって光は実質的に変化しないため、各フレネルレンズは、等価的に、符号Ｐ１、Ｐ２を用いて示すいずれかの光軸移相曲線を有する移相分布の分だけ、入射光の位相を変化させる。以下、符号Ｆ１、Ｆ２を用いて示す光軸移相曲線を有する移相分布を、単に、「符号Ｆ１、Ｆ２を用いて示す移相分布」という。フレネルレンズに関しては、周知であるため、さらなる具体的な説明は省略する。
【００４３】
各フレネルレンズを構成する各ブレーズ輪は、符号Ｆ１、Ｆ２を用いて示す移相分布が得られる半径方向の幅と光軸方向の厚さを有する。各ブレーズ輪の光軸方向の厚さは、用いる複屈折材料に応じて決定される。図６に示す例では、各ブレーズ輪の光軸方向の最大の厚さは、光路差が最大１波長分となるように設定されている。なお、第１の複屈折材料と第２の複屈折材料が同じで、各フレネルレンズ形状が同じである場合、同一の倍率で焦点距離を切り替えることができるため、好適である。
【００４４】
各ブレーズ輪の形成は、フォトリソグラフィ技術とエッチング技術を用いて行うのでも、金型を用いて行うのでも、その他の方法で行うのでもよい。
【００４５】
第１の液晶材料１０４の配向は、ポリイミド、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）等の配向膜をラビングした面、特定方向に偏光したＵＶ光等を光反応性官能基を有する化学物質に照射して光配向させた面、ＳｉＯ等を斜め蒸着して得られる面、ダイヤモンドライクカーボン等へイオンビーム照射して得られる面等を液晶１０４に接触させることによって設定することができる。
【００４６】
なお、第１の複屈折材料１０３ａを高分子液晶を用いてフレネルレンズを形成し、この高分子液晶の表面分子の配列を利用して第１の液晶材料１０４を配向させるのは、配向膜等を用いた配向処理が不要となり好適である。また、第１の液晶材料１０４の配向方向と第１の液晶材料１０４と接する第１の複屈折材料１０３ａの遅相軸と一致させるのが好適である。
【００４７】
なお、対向する透明電極１０２ａ、１０２ｂ間に絶縁膜を設け、短絡を防ぐことは好ましい。係る絶縁膜の形成には、ＳｉＯ２、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２等の無機材料を用いて、スパッタリング等によって真空成膜する方法、ゾルゲル法によって化学的に成膜する方法等を用いることができる。
【００４８】
シール材１０５は、第１の液晶材料１０４が透明基板１０１ａ、１０１ｂ間から漏れ出さないようにするためのものであり、確保すべき光学的有効領域の外周に設けられる。シール材１０５用の材料としては、エポキシ、アクリル等の樹脂系接着剤が取り扱い上好ましいが、加熱またはＵＶ光の照射によって硬化させるのでもよい。また、所望のセル間隔を得るためにガラスファイバ等のスペーサを数％混入させるのでもよい。
【００４９】
なお、透明基板１０１ａおよび１０１ｃの各基板面のうちの第１の液晶材料１０４側または等方性材料１０６と反対側に面した基板面上に反射防止膜を設けることは、光の利用効率を改善することになるため、好適である。係る反射防止膜として誘電体多層膜、波長オーダーの薄膜等を用いることができるが、その他の膜でもよい。これらの膜は、蒸着法やスパッタリング法等を用いて形成することができるが、その他の方法で形成するのでもよい。
【００５０】
また、以下、第１の複屈折材料１０３ａと第２の複屈折材料１０３ｂを同じ材料とし形成されるフレネルレンズ形状も同じとする。また、同じ材料の第１の複屈折材料１０３ａと第２の複屈折材料１０３ｂを単に「複屈折材料」とする。これらの材料の屈折率特性として、入射する光の波長帯域（例えば４０５±２０ｎｍ）における複屈折材料の常光屈折率をｎｏ＿Ｂ、異常光屈折率をｎｅ＿Ｂ、前記第１の液晶材料の常光屈折率をｎｏ＿ＬＣ、異常光屈折率をｎｅ＿ＬＣ、等方性材料の屈折率をｎｓとするとき、
ｎｅ＿ＬＣ−ｎｅ＿Ｂ＝ｎｅ＿Ｂ−ｎｏ＿ＬＣ＞０  ・・・（１）
ｎｏ＿Ｂ＝ｎｏ＿ＬＣ＝ｎｓ                  ・・・（２）
の等式をほぼ満足することで、後述するレンズ機能を効果的に作用させることができる。
【００５１】
以下、液晶回折レンズ素子１０に直線偏光の光がＸ軸方向またはＹ軸方向で１００の進行方向で入射したときの作用について図１を用いて説明する。
【００５２】
（電圧非印加、Ｘ軸方向の直線偏光の光入射）
このとき、第１の液晶材料１０４は１５ｂに示すようにフレネルレンズ面でＸ軸に配向され、一方で対向する透明電極１０２ｂ上ではＹ軸に配向され液晶材料層内で９０°ツイストしている。他、複屈折材料の配向方向は、１５ａおよび１５ｃの方向である。Ｘ軸の直線偏光の光がＺ軸方向に進行し１００のように液晶回折レンズ１１に入射すると第１の液晶材料１０４と複屈折材料１０３ａともＸ軸方向に配向されていることからいずれも異常光屈折率の方向であり、ｎｅ＿ＬＣ＞ｎｅ＿Ｂの関係よりフレネルレンズの作用よりＺ軸と平行な光軸で直進入射した光は集光する光として進行する。
【００５３】
第１の液晶材料１０４が液晶層内で９０°ツイストしていることから、入射した光の偏光状態は９０°旋光し、集光する光はＹ方向の直線偏光の光となる。液晶回折レンズ１１を出射した光は、複屈折レンズ１２に入射し、複屈折材料１０３ｂはＹ軸に配向されていることから異常光屈折率の方向であり、ｎｅ＿Ｂ＞ｎｓの関係よりフレネルレンズの作用より集光して入射した光は、発散する光として進行する。
【００５４】
ここで、（１）および（２）式より、液晶回折レンズ１１の集光作用と複屈折レンズ１２の発散作用は互いに打ち消す作用を生じるため、結果として電圧非印加時にＸ方向の直線偏光の光が液晶回折レンズ素子１０に入射すると、直進透過する。
【００５５】
（電圧印加、Ｘ軸方向の直線偏光の光入射）
第１の液晶材料１０４に電圧を印加すると、１５ｂの配向方向でツイストした第１の液晶材料１０４は電界方向であるＺ軸に略平行して配向される。Ｘ軸の直線偏光の光がＺ軸方向に進行し１００のように液晶回折レンズ１１に入射すると複屈折材料１０３ａがＸ軸方向の異常光屈折率、第１の液晶材料１０４がＺ軸方向に配向されていることから常光屈折率であり、ｎｅ＿Ｂ＞ｎｏ＿ＬＣの関係よりフレネルレンズの作用より直進入射した光は発散するＸ軸の直線偏光の光として進行する。
【００５６】
液晶回折レンズ１１を出射した光は、複屈折回折レンズ１２にＸ軸の直線偏光の光で入射するので、複屈折材料１０３ｂは常光屈折率の方向であり、ｎｏ＿Ｂ＝ｎｓの関係からフレネルレンズの作用はせずに発散する光のまま透過する。
【００５７】
（電圧非印加、Ｙ軸方向の直線偏光の光入射）
このとき、複屈折材料１０３ａおよび複屈折材料１０３ａからなるフレネルレンズ形状に接する第１の液晶材料１０４は１５ｂに示すようにＸ軸に配向されているので、Ｙ軸方向の光が入射しても互いに常光屈折率となる。ｎｏ＿Ｂ＝ｎｏ＿ＬＣの関係から液晶回折レンズ１１はフレネルレンズの作用をせず直進通過し、また、第１の液晶材料１０４は１５ｂのように配向方向が厚さ方向に９０°ツイストしているので偏光状態はＸ軸方向の直線偏光の光として出射する。
【００５８】
Ｘ軸の偏光状態で複屈折レンズ１２に入射した光はフレネルレンズ形状の複屈折材料１０３ｂで常光屈折率となり、また、等方性材料１０６もｎｏ＿Ｂ＝ｎｓの関係からフレネルレンズ機能をせずに直進透過する。
【００５９】
（電圧印加、Ｙ軸方向の直線偏光の光入射）
第１の液晶材料１０４に電圧を印加すると、１５ｂの配向方向でツイストした第１の液晶材料１０４は電界方向であるＺ軸に略平行して配向される。Ｙ軸の直線偏光の光がＺ軸方向に進行し１００のように液晶回折レンズ１１に入射すると複屈折材料１０３ａがＹ軸方向で常光屈折率、第１の液晶材料１０４がＺ軸方向に配向されていることから常光屈折率であり、ｎｏ＿Ｂ＝ｎｏ＿ＬＣの関係から液晶回折レンズ１１はフレネルレンズの作用をせず直進通過する。また、液晶回折レンズ１１を出射する光の偏光状態はＹ軸方向のままである。
【００６０】
液晶回折レンズ１１を出射した光は、複屈折レンズ１２にＹ軸の直線偏光の光で入射するので、複屈折材料１０３ｂは異常光屈折率であり、ｎｅ＿Ｂ＞ｎｓの関係からフレネルレンズの作用により入射した光は発散して出射する。
【００６１】
以上、第１の実施形態では、液晶回折レンズ素子１０は、第１の液晶材料１０４に対して電圧非印加時は光軸がＺ軸の光であれば偏光状態に関わらず液晶回折レンズ素子１０を直進する。一方、電圧印加時はフレネルレンズ形状の複屈折材料１０３ａ、１０３ｂでフレネルレンズ作用が生じるので発散光となって出射する。
【００６２】
（第２の実施の形態）
図３（ａ）に本発明の第２の実施の形態となる液晶回折レンズ素子２０の断面図を示す。また説明を簡単にするために透明基板２０１ａと透明基板２０１ｂとの間に挟持された部分を液晶回折レンズ２１、透明基板２０１ｂと透明基板２０１ｃとの間に挟持された部分を液晶位相変調素子２２、そして透明基板２０１ｃと透明基板２０１ｄとの間に挟持された部分を複屈折回折レンズ２３とする。
【００６３】
液晶回折レンズ２１は、透明基板２０１ａと２０１ｂに挟持された第１の液晶材料２０４ａと、第１の液晶材料２０４ａに電圧を印加するための透明電極２０２ａ、２０２ｂ、透明基板２０１ａ側に設けられたフレネルレンズ形状をした複屈折材料２０３ａからなり、シール材２０５によりシールされる。透明電極は、第１の液晶材料２０４ａに対してＺ軸方向に電圧を印加できるようにされていればよく、複屈折材料２０３ａからなるフレネルレンズ形状表面などに設けられていてもよいが、生産性および信頼性の点から透明基板２０１ａ表面に設けると好ましい。
【００６４】
屈折率異方性を有する第１の液晶材料２０４ａおよび複屈折材料２０３ａはそれぞれ配向方向を有し、とくに第１の液晶材料２０４ａは図示しない配向膜によって配向されている。複屈折材料２０３ａ、第１の液晶材料２０４ａの層においてフレネルレンズ面および対向する透明電極２０２ｂ面での第１の液晶材料２０４ａの配向方向はいずれもＸ軸の方向である。
【００６５】
液晶位相変調素子２２は、透明基板２０１ｂと２０１ｃに挟持された第２の液晶材料２０４ｂと、第２の液晶材料２０４ｂに電圧を印加するための透明電極２０２ｃおよび２０２ｄから構成され、シール材２０５でシールされている。第２の液晶材料の配向方向は図３（ｂ）にも示しているが液晶層内でＸ−Ｙ平面で一定の方向に配向され、後述する理由からＸ軸方向に対して４５°の角度をなしている。また、透明電極は、第１の液晶材料２０４ａに対してＺ軸方向に電圧を印加できるようにされていればよい。第２の液晶材料２０４ｂは第１の液晶材料２０４ａと同じものでも異なっているものでもよく、入射する光の波長をλとして電圧非印加時にλ／２板として機能するような材料および液晶層の厚さを設定すればよい。
【００６６】
複屈折回折レンズ２３は、透明電極２０２ｄと異なる透明基板２０１ｃの面側に設けられたフレネルレンズ形状の第２の複屈折材料２０３ｂを等方性材料２０６で充填平坦化し、透明基板２０１ｃと２０１ｄとで挟持して、シール材２０５でシールされている。
【００６７】
第２の実施形態における各材料やフレネルレンズ形状に関する設定は第１の実施形態の条件と同じである。外部信号源２７は、液晶回折レンズ２１と液晶位相変調素子２２に共通に電圧を供給してもよいし、別々の信号源で供給してもよい。
【００６８】
以下、液晶回折レンズ素子２０に直線偏光の光がＸ軸方向またはＹ軸方向で２００の進行方向で入射したときの作用について図３（ａ）を用いて説明する。
【００６９】
（電圧非印加、Ｘ軸方向の直線偏光の光入射）
このとき、第１の液晶材料２０４ａは２５ｂに示すようにフレネルレンズ面でＸ軸に配向され、同様に対向する透明電極２０２ｂ上でもＸ軸に配向されている。第２の液晶材料２０４ｂは２５ｃに示すようにＸ軸方向に対して４５°に配向されている。また、複屈折材料２０３ａおよび２０３ｂはそれぞれＸ軸とＹ軸に配向されている。Ｘ軸の直線偏光の光がＺ軸方向に進行し２００のように液晶回折レンズ２１に入射すると第１の液晶材料２０４ａと複屈折材料２０３ａともＸ軸方向に配向されていることからいずれも異常光屈折率の方向であり、ｎｅ＿ＬＣ＞ｎｅ＿Ｂの関係よりフレネルレンズの作用よりＺ軸と平行な光軸で直進入射した光は集光する光として偏光状態を同じくして進行する。
【００７０】
液晶回折レンズ２１を出射した光は、液晶位相変調素子２２に入射し、第２の液晶材料２０４ｂの遅相軸方向が入射する光のＸ軸方向に対して４５°の角度であり、λ／２板として作用する。このことから、液晶位相変調素子２２を通過する光はＹ軸方向の直線偏光の光に変調されて出射される。
【００７１】
複屈折回折レンズ２３にＹ軸方向の直線偏光の光が入射すると、複屈折材料２０３ｂはＹ軸に配向されていることから異常光屈折率の方向であり、ｎｅ＿Ｂ＞ｎｓの関係よりフレネルレンズの作用より集光して入射した光は、発散する光として進行する。
【００７２】
ここで、（１）および（２）式より、液晶回折レンズ２１の集光作用と複屈折レンズ２３の発散作用は互いに打ち消す作用を生じるため、結果として電圧非印加時にＸ方向の直線偏光の光が液晶回折レンズ素子２０に入射すると、直進透過する。
【００７３】
（電圧印加、Ｘ軸方向の直線偏光の光入射）
第１の液晶材料２０４ａおよび第２の液晶材料２０４ｂに電圧を印加すると、２５ｂおよび２５ｃの配向方向の各液晶材料は電界方向であるＺ軸に略平行して配向される。Ｘ軸の直線偏光の光がＺ軸方向に進行し２００のように液晶回折レンズ２１に入射すると複屈折材料２０３ａがＸ軸方向の異常光屈折率、液晶材料２０４ａがＺ軸方向に配向されていることから常光屈折率であり、ｎｅ＿Ｂ＞ｎｏ＿ＬＣの関係よりフレネルレンズの作用より直進入射した光は発散するＸ軸の直線偏光の光として進行する。
【００７４】
液晶回折レンズ２１を出射した光は、Ｚ軸に配向された第２の液晶材料２０４ｂの液晶位相回折素子２２をそのまま通過し、複屈折回折レンズ２３にＸ軸の直線偏光の光で入射する。このとき、複屈折材料２０３ｂは常光屈折率の方向であり、ｎｏ＿Ｂ＝ｎｓの関係からフレネルレンズの作用はせずに発散する光のまま透過する。
【００７５】
（電圧非印加、Ｙ軸方向の直線偏光の光入射）
このとき、複屈折材料２０３ａおよび第１の液晶材料２０４ａは２５ｂに示すようにＸ軸に配向されているので、Ｙ軸方向の光が入射しても互いに常光屈折率となる。ｎｏ＿Ｂ＝ｎｏ＿ＬＣの関係から液晶回折レンズ２１はフレネルレンズの作用をせず直進通過する。
【００７６】
液晶回折レンズ２１を出射した光は、液晶位相変調素子２２に入射し、第２の液晶材料２０４ｂの遅相軸方向が入射する光のＹ軸方向に対して４５°の角度であり、λ／２板として作用する。このことから、液晶位相変調素子２２を通過する光はＸ軸方向の直線偏光の光に変調されて出射される。
【００７７】
複屈折回折レンズ２３にＸ軸方向の直線偏光の光が入射すると、複屈折材料２０３ｂはＹ軸に配向されていることから常光屈折率の方向であり、等方性材料２０６もｎｏ＿Ｂ＝ｎｓの関係より入射した光は、そのまま進行透過する。したがって、液晶回折レンズ素子２０に入射する光は偏光状態は変わるものの、そのままフレネルレンズの作用がなく透過する。
【００７８】
（電圧印加、Ｙ軸方向の直線偏光の光入射）
第１の液晶材料２０４ａおよび第２の液晶材料２０４ｂに電圧を印加すると、２５ｂおよび２５ｃの配向方向の各液晶材料は電界方向であるＺ軸に略平行して配向される。Ｙ軸の直線偏光の光がＺ軸方向に進行し２００のように液晶回折レンズ２１に入射すると複屈折材料２０３ａがＹ軸方向で常光屈折率、第１の液晶材料２０４ａがＺ軸方向に配向されていることから常光屈折率であり、ｎｏ＿Ｂ＝ｎｏ＿ＬＣの関係から液晶回折レンズ２１はフレネルレンズの作用をせず直進通過する。また、液晶回折レンズ２１を出射する光の偏光状態はＹ軸方向のままである。
【００７９】
液晶回折レンズ２１を出射した光は、Ｚ軸に配向された第２の液晶材料２０４ｂの液晶位相回折素子２２をそのまま通過し、複屈折回折レンズ２３にＹ軸の直線偏光の光で入射する。このとき、複屈折材料２０３ｂは異常光屈折率の方向であり、ｎｅ＿Ｂ＞ｎｓの関係からフレネルレンズの作用により入射した光は発散して出射する。
【００８０】
以上、第２の実施形態では、液晶回折レンズ素子２０は、第１の液晶材料２０４ａおよび第２の液晶材料２０４ｂに対して電圧非印加時は光軸がＺ軸の光であれば偏光状態に関わらず液晶回折レンズ素子１０を直進する。一方、電圧印加時はフレネルレンズ形状の複屈折材料１０３ａ、１０３ｂでフレネルレンズ作用が生じるので発散光となって出射する。
【００８１】
（第３の実施の形態）
図４に本発明の第３の実施の形態となる液晶回折レンズ素子３０の断面図を示す。また説明を簡単にするために透明基板３０１ａと透明基板３０１ｂとの間に挟持された部分を液晶回折レンズ３１、透明基板３０１ｂと透明基板３０１ｃとの間に挟持された部分を複屈折回折レンズ３２とする。
【００８２】
液晶回折レンズ３１は、透明基板３０１ａと３０１ｂに挟持された第１の液晶材料３０４と、第１の液晶材料３０４に電圧を印加するための透明電極３０２ａ、３０２ｂ、透明基板３０１ａ側に設けられたフレネルレンズ形状をした第１の複屈折材料３０３ａからなり、シール材３０５によりシールされる。透明電極は、液晶に対してＺ軸方向に電圧を印加できるようにされていればよく、複屈折材料３０３ａのフレネルレンズ形状表面などに設けられていてもよいが、生産性および信頼性の点から透明基板３０１ａ表面に設けると好ましい。
【００８３】
屈折率異方性を有する第１の液晶材料３０４および複屈折材料３０３ａはそれぞれ配向方向を有し、とくに液晶材料３０４は図示しない配向膜によって配向されている。複屈折材料３０３ａ、第１の液晶材料３０４の層においてフレネルレンズ面と接する第１の液晶材料３０４の配向方向はＸ軸方向、対向する透明電極３０２ｂと接する第１の液晶材料３０４の配向方向はＹ軸の方向である。つまり３５ｂのように第１の液晶材料３０４の厚さ方向（Ｚ軸）で９０°のツイスト角を有する。
【００８４】
複屈折回折レンズ３２は、透明電極３０２ｂと異なる透明基板３０１ｂの面と対向する透明基板３０１ｃの面に設けられたフレネルレンズ形状の複屈折材料３０３ｂを等方性材料３０６で充填平坦化し、透明基板３０１ｂと３０１ｃとで挟持して、シール材３０５でシールされている。第３の実施形態における各材料やフレネルレンズ形状に関する設定は第１の実施形態の条件と同じである。
【００８５】
以下、液晶回折レンズ素子３０に直線偏光の光がＸ軸方向またはＹ軸方向で２００の進行方向で入射したときの作用について図４を用いて説明する。
【００８６】
（電圧非印加、Ｘ軸方向の直線偏光の光入射）
このとき、第１の液晶材料３０４は３５ｂに示すようにフレネルレンズ面でＸ軸に配向され、一方で対向する透明電極３０２ｂ上ではＹ軸に配向され液晶材料層内で９０°ツイストしている。他、複屈折材料の配向方向は、３５ａおよび３５ｃの方向である。Ｘ軸の直線偏光の光がＺ軸方向に進行し３００のように液晶回折レンズ３１に入射すると第１の液晶材料３０４と複屈折材料３０３ａともＸ軸方向に配向されていることからいずれも異常光屈折率の方向であり、ｎｅ＿ＬＣ＞ｎｅ＿Ｂの関係よりフレネルレンズの作用よりＺ軸と平行な光軸で直進入射した光は集光する光として進行する。
【００８７】
第１の液晶材料３０４が液晶層内で９０°ツイストしていることから、入射した光の偏光状態は９０°旋光し、集光する光はＹ方向の直線偏光の光となる。液晶回折レンズ３１を出射した光は、複屈折レンズ３２に入射する。第１の実施の形態と異なり、光の進行方向３００は等方性材料３０６を通過した後、フレネルレンズ形状の第２の複屈折材料３０３ｂを通過する。複屈折材料３０３ｂはＹ軸に配向されていることから異常光屈折率の方向であり、ｎｅ＿Ｂ＞ｎｓの関係よりフレネルレンズの作用より集光して入射した光は、発散する光として進行する。
【００８８】
ここで、（１）および（２）式より、液晶回折レンズ３１の集光作用と複屈折レンズ３２の発散作用は互いに打ち消す作用を生じるため、結果として電圧非印加時にＸ方向の直線偏光の光が液晶回折レンズ素子３０に入射すると、直進透過する。
【００８９】
（電圧印加、Ｘ軸方向の直線偏光の光入射）
第１の液晶材料に電圧を印加すると、３５ｂの配向方向でツイストした第１の液晶材料３０４は電界方向であるＺ軸に略平行して配向される。Ｘ軸の直線偏光の光がＺ軸方向に進行し３００のように液晶回折レンズ３１に入射すると複屈折材料３０３ａがＸ軸方向の異常光屈折率、液晶材料３０４がＺ軸方向に配向されていることから常光屈折率であり、ｎｅ＿Ｂ＞ｎｏ＿ＬＣの関係よりフレネルレンズの作用より直進入射した光は発散するＸ軸の直線偏光の光として進行する。
【００９０】
液晶回折レンズ３１を出射した光は、複屈折回折レンズ３２にＸ軸の直線偏光の光で入射するので、複屈折材料３０３ｂは常光屈折率の方向であり、ｎｏ＿Ｂ＝ｎｓの関係からフレネルレンズの作用はせずに発散する光のまま透過する。
【００９１】
（電圧非印加、Ｙ軸方向の直線偏光の光入射）
このとき、複屈折材料３０３ａおよび複屈折材料３０３ａからなるフレネルレンズ形状に接する第１の液晶材料３０４は３５ｂに示すようにＸ軸に配向されているので、Ｙ軸方向の光が入射しても互いに常光屈折率となる。ｎｏ＿Ｂ＝ｎｏ＿ＬＣの関係から液晶回折レンズ３１はフレネルレンズの作用をせず直進通過し、また、第１の液晶材料３０４は３５ｂのように配向方向が厚さ方向に９０°ツイストしているので偏光状態はＸ軸方向の直線偏光の光として出射する。
【００９２】
Ｘ軸の偏光状態で複屈折レンズ３２に入射した光はフレネルレンズ形状の複屈折材料３０３ｂで常光屈折率となり、また、等方性材料３０６もｎｏ＿Ｂ＝ｎｓの関係からフレネルレンズ機能をせずに直進透過する。
【００９３】
（電圧印加、Ｙ軸方向の直線偏光の光入射）
第１の液晶材料３０４に電圧を印加すると、３５ｂの配向方向でツイストした第１の液晶材料３０４は電界方向であるＺ軸に略平行して配向される。Ｙ軸の直線偏光の光がＺ軸方向に進行し３００のように液晶回折レンズ３１に入射すると第１の複屈折材料３０３ａがＹ軸方向で常光屈折率、第１の液晶材料３０４がＺ軸方向に配向されていることから常光屈折率であり、ｎｏ＿Ｂ＝ｎｏ＿ＬＣの関係から液晶回折レンズ３１はフレネルレンズの作用をせず直進通過する。また、液晶回折レンズ３１を出射する光の偏光状態はＹ軸方向のままである。
【００９４】
液晶回折レンズ３１を出射した光は、第１の実施の形態と異なり、光の進行方向３００は等方性材料３０６を通過した後、フレネルレンズ形状の第２の複屈折材料３０３ｂを通過する。複屈折材料３０３ｂはＹ軸に配向されていることから異常光屈折率の方向であり、ｎｅ＿Ｂ＞ｎｓの関係よりフレネルレンズの作用より集光して入射した光は、発散する光として進行する。
【００９５】
以上、第３の実施形態では、液晶回折レンズ素子３０は、第１の液晶材料３０４に対して電圧非印加時は光軸がＺ軸の光であれば偏光状態に関わらず液晶回折レンズ素子１０を直進する。一方、電圧印加時はフレネルレンズ形状の複屈折材料３０３ａ、３０３ｂでフレネルレンズ作用が生じるので発散光となって出射する。
【００９６】
また、第３の実施の形態にかかる図４の模式的断面図において等方性材料３０６の屈折率がｎｓ＝ｎｅ＿Ｂ２であり、複屈折材料３０３ｂの配向方向３５ｃがＹ軸方向となる以外同じ条件である場合について説明する。このとき、電圧非印加時にはＸ軸方向およびＹ軸方向の直線偏光の光はいずれも集光する一方、電圧印加時にはＸ軸方向およびＹ軸方向の直線偏光の光は、いずれも直進透過する。したがって、透過光と発散光との切り替えだけでなく、透過光と集光光との切り替えもこれらの材料やフレネルレンズを形成する位置によって自由に設計することができる。
【００９７】
本発明の液晶回折レンズ素子および光ヘッド装置のさらなる特徴については、以下に示す実施例により具体的に説明する。
【実施例】
【００９８】
（実施例１）
本発明の実施例１に係る図１の液晶回折レンズ素子１０の作製方法を説明する。まず、透明基板１０１ａ、１０１ｂは石英基板を用いる。透明電極１０２ａ、１０２ｂ用の材料としては、ＩＴＯを用いる。透明電極は、ＩＴＯをスパッタリング法でシート抵抗値が３００Ω／□程度となる膜厚まで堆積し、フォトリソグラフィ技術およびウェットエッチング技術を用いてＩＴＯ膜をパターニングすることによって形成する。複屈折材料１０３ａ、１０３ｂには常光屈折率１．５５、異常光屈折率１．７２の高分子液晶を用いた。フレネルレンズの形成は、透明電極１０２ａの上に１．７μｍの膜厚が高分子液晶層を形成し、図１においてＸ方向に配向する。同様に、透明基板１０３ｂ上にも１．７μｍの膜厚が高分子液晶層を形成し、図１においてY方向に配向する。高分子液晶は配向処理させた面上に光重合性の液晶に光を当てて重合高分子化し、離型処理をして作製する。
【００９９】
フレネルレンズ構造の形成については、フォトリソグラフィー技術およびリアクティブイオンエッチング技術を用いて高分子液晶をパターンニングし、各ブレーズ輪帯を形成する。ここで光源の波長を４０５ｎｍとして、各ブレーズ輪帯の光軸方向の厚さを、図６のＦ２に示す位相分布が得られるようにする。次に、複屈折材料１０３ａの表面と透明電極１０２ｂの表面に配向膜としてポリイミド膜を形成し（図示せず）、ラビング法にてそれぞれＸ軸方向とＹ軸方向に配向処理を施す。
【０１００】
シール材１０５の材料としては、エポキシ樹脂系接着剤に直径１１μｍのグラスファイバーをスペーサーとして混入し、光学的有効エリアの外周に印刷した後、熱圧着して基板間ギャップ１１μｍの空隙からなる液晶セルを作製した。この液晶セルに、第１の液晶材料１０４ａとして常光屈折率１．５５、異常光屈折率１．８９、誘電異方性Δεが９のネマチック液晶を真空注入により注入した。ネマチック液晶には、液晶に対して０．１ｗｔ％の量のカイラル材を添加した。
【０１０１】
上記の液晶セルに第１の液晶材料１０４ａを注入した後、アクリル樹脂系接着剤を用いて注入口を封止して液晶回折レンズ素子１０を作製する。透明電極１０２ａ、１０２ｂの形成時に端子取り出し部１１０ａ、１１０ｂを設け、上記端子部にフレキシブル回路基板を接続し周波数１ｋＨｚの矩形交流波の信号を発生する外部信号源１７を取り付ける。
【０１０２】
次に複屈折レンズ１２の作製方法は、フレネルレンズ形状の複屈折材料１０３ｂは上記と同様の方法で作製し、上記と同様の空隙に充填材料として屈折率が１．５５の等方性材料を充填する。充填材料としては、ＵＶ硬化性アクリル系樹脂を用いるが、エポキシ系樹脂、ポリイミド樹脂などの有機材料や、ＳｉＯ２、ＳｉＯＮ、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、などの無機材料膜、そしてこれらから形成される多層膜などで構成してもよい。
【０１０３】
このように作製した液晶回折レンズ素子１０に対して図１のＺ軸方向の光軸の光を入射して往路の光利用効率を調査した。なお、電圧非印加時は外部信号源１７の電圧は０Ｖｒｍｓ、電圧印加時の電圧は２０Ｖｒｍｓの値とする。電圧非印加時にＸ軸方向の直線偏光の光が入射したときに約９５％、Ｙ軸方向の直線偏光の光が入射したときに約８５％となる。また、電圧印加時にＸ軸方向の直線偏光の光が入射したときに約９５％、Ｙ軸方向の直線偏光の光が入射したときに約８５％となる。
【０１０４】
（実施例２）
本発明の実施例２に係る図３の液晶回折レンズ素子２０の作製方法を説明する。液晶回折レンズ２１および複屈折レンズ２３は実施例１と同様の材料および製法を用いるが、液晶回折レンズ２１の透明電極２０２ｂ上のラビング方向はＸ軸の配向とする。次に液晶位相変調素子２２の作製方法も同様に透明基板である石英基板２０１ｂ、２０１ｃの対向面にＩＴＯの透明電極を作製し、図示しないポリイミド膜を形成してＸ軸（またはＹ軸）から４５°の角度をなす方向にラビングさせて配向処理をする。
【０１０５】
液晶位相変調素子２２のシール材２０５としては、エポキシ樹脂系接着剤に直径２．２μｍのグラスファイバーをスペーサーとして混入し、光学的有効エリアの外周に印刷した後、熱圧着して基板間ギャップ２．２μｍの液晶セルを作製する。この液晶セルに、第２の液晶材料２０４ｂとして常光屈折率１．５１、異常光屈折率１．６０、誘電異方性Δεが３．８のネマチック液晶を真空注入により注入する。
【０１０６】
実施例１と同様に透明電極２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃおよび２０２ｄの形成時に端子取り出し部を設け、上記端子部にフレキシブル回路基板を接続し周波数１ｋＨｚの矩形交流波の信号を発生する外部信号源２７を取り付ける。
【０１０７】
このように作製した液晶回折レンズ素子２０に対して図２のＺ軸方向の光軸の光を入射して光利用効率を調査する。なお、電圧非印加時は外部信号源１７の電圧は０Ｖｒｍｓ、電圧印加時の電圧は２０Ｖｒｍｓの値とする。電圧非印加時にＸ軸方向の直線偏光の光が入射したときに約９５％、Ｙ軸方向の直線偏光の光が入射したときに約９０％となる。また、電圧印加時にＸ軸方向の直線偏光の光が入射したときに約９０％、Ｙ軸方向の直線偏光の光が入射したときに約９０％となる。
【０１０８】
これらの液晶回折レンズ素子を図５に示す光ヘッド装置に組む例について説明する。光ヘッド装置４０は４０５ｎｍの波長の光束を出射する半導体レーザー４１と、偏光方向に応じて光を通過または反射させる偏光ビームスプリッタ４２、入射する光束を略平行光に変換するコリメーターレンズ４３と、液晶回折レンズ素子４４と、１／４波長板４５と、１／４波長板を透過した光を光ディスク４７上に集光させる対物レンズ４６、偏光ビームスプリッタで反射された光ディスクからの戻り光を非点収差させるシリンドリカルレンズ４８と、戻り光を検出する光検出器４９とを備える。液晶回折レンズ素子４４は、上記液晶回折レンズ素子１０、２０または３０に相当する。
【０１０９】
光ディスク４７は情報記録面が２層構造をなしており、４７ａと４７ｂの面を有する。ここで、対物レンズは、液晶回折レンズ素子４４を入射光がレンズ作用をせずに通過するときに、入射光が第１の情報記録面に集光するように設定する。液晶回折レンズ素子４４に電圧を印加しない場合（印加電圧が０Ｖｒｍｓ）、光ヘッド装置は、液晶回折レンズ素子４４を除いたときと実質的に同様に動作し、入射光が第１の情報記録面に集光する。
【０１１０】
これに対して、液晶回折レンズ素子４４に２０Ｖｒｍｓの電圧を印加した場合、液晶回折レンズ素子４４に入射した光は、液晶回折レンズ素子４４によって焦点距離が切り替えられて発散光となる。液晶回折レンズ素子４４、１／４波長板４５および対物レンズ４６を通過し、光ディスクの第２の情報記録面に集光するように設定した。光ディスクからの戻り光は、対物レンズを透過し、１／４波長板４５によって入射光と偏光方向が９０度異なる直線偏光の光に変えられ、液晶回折レンズ素子４４によって焦点距離が切り替えられて透過する。液晶回折レンズ素子を透過した光は、コリメーターレンズ３３を透過し、偏光ビームスプリッタ４２で反射されて光検出器４９に入射する。これより、液晶回折レンズ素子への電圧の切り替えによって２層の情報記録層への良好な情報の記録再生が効率よく実施できる。
【０１１１】
上記光ヘッド装置の例は、液晶回折レンズ素子４４に電圧印加時に発散光、電圧非印加時に直進透過光となる構成であるが、このほかに、電圧印加時に直進透過光、電圧非印加時に集光光となる液晶回折レンズ素子４４の構成などもあり、それぞれの電圧切り替え特性により、第１の情報記録面または第２の情報記録面に対して焦点を結ぶように設計すればよい。
【図面の簡単な説明】
【０１１２】
【図１】本発明の第１の実施の形態にかかる液晶回折レンズ素子の概念的な構成を示す断面図。
【図２】本発明の液晶回折レンズ素子のフレネルレンズ形状部分の断面図。
【図３】本発明の第２の実施の形態にかかる液晶回折レンズ素子の概念的な構成を示す平面図。
【図４】本発明の第３の実施の形態にかかる液晶回折レンズ素子の概念的な構成を示す平面図。
【図５】本発明の実施の形態にかかる光ヘッド装置の概念的な構成を示す図。
【図６】本発明の実施の形態にかかる液晶回折レンズ素子を構成する複屈折フレネルレンズ部材の形状を説明するための説明図。
【図７】従来の液晶回折レンズ素子の概念的な構成を示す断面図。
【符号の説明】
【０１１３】
１０、２０、３０、４４、５０：液晶回折レンズ素子
１１、２１、３１：液晶回折レンズ
１２、２３、３２：複屈折レンズ
１５ａ、２５ａ、３５ａ：第１の複屈折材料の配向方向
１５ｂ、２５ｂ、３５ｂ：第１の液晶材料の配向方向
２５ｃ：第２の液晶材料の配向方向
１５ｃ、２５ｄ、３５ｃ：第２の複屈折材料の配向方向
１７、２７、３７、５７：外部信号源
２２：液晶位相変調素子
４０：光ヘッド装置
４１：半導体レーザー
４２：偏光ビームスプリッタ
４３：コリメータレンズ
４５：１／４波長板
４６：対物レンズ
４７：光ディスク
４７ａ：第１記録層
４７ｂ：第２記録層
４８：シリンドリカルレンズ
４９：光検出器
５５ａ、５５ｃ：複屈折材料の配向方向
５５ｂ：液晶材料の配向方向
１００、２００、３００、５００：入射光（往路）の進行方向
１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ、２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃ、２０１ｄ、３０１ａ、３０１ｂ、３０１ｃ、５０１ａ、５０１ｂ：透明基板
１０２ａ、１０２ｂ、２０２ａ、３０２ａ、３０２ｂ、２０２ｂ、２０２ｃ、２０２ｄ、５０２ａ、５０２ｂ：透明電極
１０３ａ、２０３ａ、３０３ａ：第１の複屈折材料
１０３ｂ、２０３ｂ、３０３ｂ：第２の複屈折材料
１０４、２０４ａ、３０４：第１の液晶材料
１０５、２０５、３０５、５０５：シール材
１０６、２０６、３０６：充填材料（等方性材料）
１１０ａ、１１０ｂ：端子取り出し部
２０４ｂ：第２の液晶材料
５０３ａ、５０３ｂ：複屈折材料
５０４：液晶材料
【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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