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WO2006009176A1 - 液晶レンズ素子および光ヘッド装置 - Google Patents

液晶レンズ素子および光ヘッド装置 Download PDF

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WO2006009176A1
WO2006009176A1 PCT/JP2005/013322 JP2005013322W WO2006009176A1 WO 2006009176 A1 WO2006009176 A1 WO 2006009176A1 JP 2005013322 W JP2005013322 W JP 2005013322W WO 2006009176 A1 WO2006009176 A1 WO 2006009176A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
liquid crystal
light
refractive index
lens element
lens
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/JP2005/013322
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Yoshiharu Ooi
Takuji Nomura
Toshimasa Kakiuchi
Mitsuo Oosawa
Yuzuru Tanabe
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
AGC Inc
Original Assignee
Asahi Glass Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Asahi Glass Co Ltd filed Critical Asahi Glass Co Ltd
Priority to JP2006529247A priority Critical patent/JP4835437B2/ja
Priority to EP05766240A priority patent/EP1783537A4/en
Publication of WO2006009176A1 publication Critical patent/WO2006009176A1/ja
Priority to US11/625,005 priority patent/US7738344B2/en
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Ceased legal-status Critical Current

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    • G11B2007/13727—Compound lenses, i.e. two or more lenses co-operating to perform a function, e.g. compound objective lens including a solid immersion lens, positive and negative lenses either bonded together or with adjustable spacing

Definitions

  • Liquid crystal lens element and optical head device Liquid crystal lens element and optical head device
  • the present invention relates to a liquid crystal lens element that generates a change in the transmitted wavefront in the on state when a voltage is applied, in which the change of the transmitted wavefront is not affected by the polarization state of incident light in the off state when no voltage is applied, and
  • the present invention relates to an optical head device capable of recording and Z or reproducing information on a plurality of optical recording media having different cover layer thicknesses.
  • optical disk As an optical recording medium (hereinafter referred to as “optical disk”) having an information recording layer formed on a light incident side surface and a cover layer made of a transparent resin covering the information recording layer, the power of the information recording layer
  • CD optical discs hereinafter called “CD optical discs” for short
  • cover thickness 1.2 mm
  • DVD optical discs with an information recording layer cover thickness of 0.6 mm
  • CD optical discs hereinafter referred to as “DVD optical discs” for short
  • an optical head device used for recording and Z or reproducing (hereinafter referred to as “recording / reproducing”) information on a CD has a wavelength as a light source (hereinafter referred to as “CD wavelength”). 790nm band
  • NA numerical aperture
  • a lens with an objective lens of 0.6 to 0.65 is used.
  • BD optical discs optical discs with a cover thickness of 0.1 mm
  • This optical head device used for recording / reproducing BD has a wavelength as a light source (hereinafter referred to as “BD wavelength”).
  • BD objective lens an object lens
  • large spherical aberration is caused by the difference in the cover thickness of the optical disk.
  • the light collecting property of incident light on the information recording layer is deteriorated, and good recording and reproduction cannot be performed.
  • the development of a compact three-wavelength compatible optical head device capable of recording and reproducing three types of optical disks with different cover thicknesses using a single objective lens is being studied.
  • an optical head device capable of recording and reproducing DVDs using a BD objective lens and a Fresnel lens is proposed. (For example, JP 2004-71134 A).
  • This optical head device uses a Fresnel lens in which a hologram grating having a stepped cross section is formed in an area corresponding to the NA of a DVD.
  • This Fresnel lens has a concave lens function for the wavelength of DV D (Fresnel lens).
  • Each unit step of the step-shaped cross-section has an optical path difference of about one wavelength for light with a wavelength ⁇ of BD.
  • An optical head device has also been proposed in which spherical aberration caused by the difference in the cover thickness of CD, DVD and BD is reduced by a phase corrector (for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-207714).
  • phase correcting element for DVD having a step-shaped cross-sectional front surface in the area corresponding to the NA of the DVD and a phase correcting surface having a step-shaped cross-section in the area corresponding to the NA of the CD are formed. It is equipped with a phase correction element for CD that is used together with an objective lens for BD.
  • each unit step of the stepped cross-sectional shape of the phase correction surface for CD is an approximate integer of the wavelength with respect to the wavelength ⁇ of BD and the wavelength ⁇ of DVD.
  • phase correction element corrects only the spherical aberration, there is no concave lens function for extending the distance between the objective lens and the optical disk (hereinafter referred to as “working distance”).
  • the working distance with respect to the CD is 0.3 mm or less, and the optical disc and the objective lens do not come into contact with each other when the optical disc rotates, so that recording and playback can be performed stably. Difficult,
  • a concave lens function can be realized by forming the phase correction surface of the CD phase correction element into a Fresnel lens shape as disclosed in JP-A-2004-71134.
  • the level difference of the concavo-convex part and the number of ring zones increase, and the wavelength of the BD due to the wall surface of each level difference is increased.
  • An optical head device using a light modulation element corresponding to a liquid crystal lens element has also been proposed as a means for correcting spherical aberration that occurs due to such a difference in cover thickness of an optical disk or the like (for example, Japanese Patent Laid-Open No. 9 230300). Issue gazette).
  • a cross-sectional view of this light modulation element is shown in FIG.
  • This light modulation element 100 includes two substantially parallel transparent substrates 110 and 120 and a liquid crystal layer 130 sandwiched between them, and a concentric blade shape is formed on the liquid crystal side surface of one of the transparent substrates 110.
  • a Fresnel lens-shaped concavo-convex portion 140 having the above-described structure is formed, and an electrode 150 and an alignment film 160 are formed on the liquid crystal side surfaces of the two transparent substrates 110 and 120.
  • the liquid crystal layer 130 has an orientation direction substantially parallel to the transparent substrate when no electric field is applied, and is substantially perpendicular to the transparent substrate when an electric field is applied.
  • one of the ordinary light refractive index n and the extraordinary light refractive index n of the liquid crystal layer 130 is a transparent substrate.
  • This optical modulation element 100 is integrated with a BD objective lens and mounted on an optical head device, and the optical modulation element 100 is turned on only during CD recording / reproduction, so that the optical disc cover thickness difference Spherical aberration caused by this can be corrected, and a concave lens function that extends the working distance to 0.3 mm or more appears.
  • high transmittance can be obtained by turning off the light modulation element 100.
  • the transmitted wavefront changes according to the refractive index difference An between the liquid crystal layer 130 and the concavo-convex portion 140 regardless of the applied voltage.
  • the transmitted wavefront aberration is deteriorated and recording and reproduction cannot be performed.
  • a conventionally used DVD optical disk has a single information recording layer and a cover thickness of 0.6 mm (hereinafter referred to as “single-layer DVD optical disk”).
  • the information recording layer has two information recording layers (playback-only or playable and recordable) (hereinafter referred to as “two-layer DVD optical disc”).
  • the information recording layer is formed at positions where the cover thickness on the light incident side is 0.57 mm and 0.63 mm.
  • an optical head device having an objective lens that is optimally designed to have zero aberration with respect to a single-layer optical disc (that is, a single-layer DVD optical disc or a single-layer BD optical disc).
  • a single-layer optical disc that is, a single-layer DVD optical disc or a single-layer BD optical disc.
  • a dual-layer optical disc ie, dual-layer DVD optical disc or dual-layer BD optical disc
  • spherical aberration occurs according to the difference in the cover thickness
  • the condensing property of incident light deteriorates.
  • the deterioration of the light condensing performance is a problem because it corresponds to a decrease in the condensing power density during recording and causes a writing error.
  • an aberration correction apparatus described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-103058 has been proposed for the purpose of correcting spherical aberration caused by a difference in cover thickness of a two-layer optical disk or the like. .
  • this aberration correction apparatus includes a correlation between a cover layer and a holographic liquid crystal cell for coarse adjustment that corrects a large aberration corresponding to the recording layer interval of a multi-layer disc.
  • a segment liquid crystal cell for fine adjustment that corrects spherical aberration for errors and an aberration correction unit that also has force are used.
  • the hologram liquid crystal cell is encapsulated between a glass substrate and a glass substrate having a sawtooth shape in cross section, a liquid crystal having a blazed hologram shape in which the cross sectional shape of the diffraction grating is a sawtooth shape, and liquid crystal on both sides of the liquid crystal. It is configured as a liquid crystal Fresnel lens with a transparent electrode arranged to be able to apply a voltage. The electrode is divided! It is formed of a uniform transparent conductive material.
  • HD optical disc In recent years, in order to improve the recording density of an optical disc, an optical head device including a blue semiconductor laser with a wavelength of 405 nm band and an objective lens with NA of 0.65 is used, and the cover thickness is DVD.
  • the same 0.6 mm optical disc hereinafter referred to as HDDVD optical disc, “HD” for short
  • HDD VD and BD have different cover thickness, so When recording and playback of HDDVD using a monitor, or when recording and playback of BD using an HDDVD objective lens cannot be performed, another problem arises.
  • An object of the present invention is to provide a liquid crystal lens element that exhibits the function of a concave lens with respect to incident light. Also, by providing this liquid crystal lens element together with an objective lens optimally designed for BD in an optical head device, an optical head device that realizes stable recording and playback of BD, DVD and CD is provided. For the purpose.
  • the present invention by using a liquid crystal lens element, a small element having no movable part can be realized, and spherical aberration generated due to a difference in cover thickness between the single-layer and double-layer optical disks. It is an object of the present invention to provide an optical head device capable of correcting recording and performing stable recording and Z or reproduction.
  • an object of the present invention is to provide a BDZHDD VD compatible optical head device capable of recording and reproducing BD and HDDVD optical discs in an optical head device equipped with a BD objective lens or an HDDVD objective lens. .
  • the present invention provides the following contents.
  • the liquid crystal layer is a nematic liquid crystal having a negative dielectric anisotropy, and the orientation direction of the liquid crystal molecules in the off state is perpendicular or nearly perpendicular to the surface of the Fresnel lens, and the Fresnel
  • the lens has a refractive index n equal to the ordinary refractive index n of the liquid crystal layer.
  • the liquid crystal layer is nematic liquid crystal having positive dielectric anisotropy, and the orientation direction of the off-state liquid crystal molecules is parallel to or close to the surface of the Fresnel lens.
  • the lens is the same as the extraordinary refractive index n (n ⁇ n) of the liquid crystal layer.
  • the liquid crystal layer is a nematic liquid crystal having positive dielectric anisotropy, and the orientation direction of the off-state liquid crystal molecules is parallel to or close to the surface of the Fresnel lens.
  • the lens is the same as or equal to the extraordinary refractive index n of the liquid crystal layer.
  • a uniform refractive index material force of a value close to this is generated, and one of the pair of transparent substrates is generated between the incident light of normal light polarization and the transmitted light on the liquid crystal lens element in the off state.
  • the transmitted wavefront of the incident light of the liquid crystal lens element does not change regardless of the polarization state of the incident light in the off state, but in the on state, the incident wave of abnormal light polarization
  • the focal length can be switched between on and off.
  • the “vertical or near-vertical angle” and the “parallel or near-state” near angle and state mean within 5 degrees from the vertical angle or parallel state, respectively.
  • a value close to “a value that is the same as or close to the refractive index n” means a variation within 3% of the refractive index.
  • At least one of the transparent substrates has a step difference of a wavelength ⁇ with an optical path length difference that is an integer multiple of the wavelength or a value close to that for wavelength 1 and wavelength 3.
  • the aberration correction function is exhibited by the phase correction surface regardless of the polarization state.
  • a value close to “integer multiple of wavelength or close to this” means a variation within 5% of one wavelength.
  • the present invention relates to a light source, an objective lens that condenses the emitted light of the light source power onto an optical recording medium having a different cover layer thickness, and the optical recording medium that is condensed by the objective lens.
  • an optical head device including a photodetector that detects light reflected by the information recording layer, wavefront aberration generated on the optical recording medium is changed by changing a transmitted wavefront generated in the on state.
  • the liquid crystal lens element force according to 1 or 2 above which has a function of correcting and a concave lens function of expanding a distance between the objective lens and the optical recording medium, and is disposed in an optical path between the light source and the objective lens.
  • a light source that emits light of wavelength ⁇
  • an objective lens that condenses the light emitted from the light source on an optical recording medium, and light that is collected by the objective lens and reflected by the optical recording medium.
  • the optical recording medium has a plurality of pieces of information of two or more layers having different cover layer thicknesses.
  • the liquid crystal lens element according to 1 is provided in an optical path between the light source and the objective lens, and the liquid crystal lens element is switched between an applied voltage between an off state and an on state.
  • the liquid crystal lens element includes a first liquid crystal lens part and a second liquid crystal lens part, and the first and second liquid crystal lens parts are The cross-section formed on the flat surface of the one transparent substrate facing the other transparent substrate has an irregular shape and is equal to or close to the ordinary refractive index n of the liquid crystal layer!
  • the liquid crystal layer is a nematic liquid crystal having a negative dielectric anisotropy, and the orientation direction of the off-state liquid crystal molecules is on the surface of the Fresnel lens. Is perpendicular to or near vertical
  • the substantial refractive index n (V) of the liquid crystal layer depends on the magnitude of the voltage V applied between the first transparent electrode and the second transparent electrode.
  • the normal refractive index directions of the liquid crystal layers of the first liquid crystal lens unit and the second liquid crystal lens unit in the ON state are perpendicular to each other! / Optical head device characterized by squeezing.
  • the liquid crystal lens element in the OFF state when no voltage is applied, the light emitted from the liquid crystal lens element is transmitted straight without wavefront change regardless of the polarization state of the incident light, and a high transmittance is obtained.
  • the liquid crystal lens element in the ON state when a voltage is applied, can exhibit a lens function with respect to incident light of extraordinary light polarization. Therefore, the presence or absence of the lens function can be switched by turning the voltage on and off.
  • the recording / reproducing of the optical disk can be realized by using the liquid crystal lens element in an off state for BD and DVD.
  • the concave lens function is realized by using the liquid crystal lens element in the ON state, and the wavefront aberration due to the difference in cover thickness is corrected and the working distance is 0.3 m.
  • Stable recording and playback can be achieved by expanding to more than m.
  • an optical head device including such a liquid crystal lens element can be used to effectively correct wavefront aberration caused by the difference in cover thickness that occurs in a single-layer optical disc for BD or CD and a double-layer optical disc. , Stable recording and playback can be realized.
  • an optical head device including such a liquid crystal lens element and an objective lens for BD or HDDVD
  • a compatible optical head device for BD and HDDVD can be realized.
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a configuration of a liquid crystal lens element of a first embodiment according to the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing the configuration of the liquid crystal lens element shown in FIG.
  • FIG. 3 is a graph showing the optical path length difference of the transmitted wavefront generated by the liquid crystal lens according to the first embodiment, where ⁇ is a graph in which the horizontal axis is the radius r and the optical path length difference is expressed in units of wavelength; ⁇ is a graph showing the difference in optical path length from ⁇ to zero, minus an integer multiple of ⁇ force wavelength
  • Y is a graph showing zero optical path length difference with no transmitted wavefront change.
  • FIG. 4 is an enlarged view between transparent electrodes in a side view of the liquid crystal lens element of the present invention.
  • FIG. 5 is a longitudinal sectional view showing the configuration of another liquid crystal lens element according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a longitudinal sectional view showing a configuration of a liquid crystal lens element of a second embodiment according to the present invention.
  • FIG. 7 is a partially enlarged view of wavefront aberration showing the wavefront aberration correcting action of the DVD phase correction surface of the liquid crystal lens element according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is an explanatory diagram showing the operation when the voltage applied to the liquid crystal lens element of the second embodiment is switched, wherein ( ⁇ ) is the transmitted wavefront with no wavefront change in wavelength when the applied voltage is V , ( ⁇ ) is the transmitted wavefront with no wavefront change in wavelength when the applied voltage is V , ( ⁇ ) is the transmitted wavefront with no wavefront change in wavelength when the applied voltage is V , ( ⁇ ) is the transmitted wavefront with no wavefront change in wavelength when the applied voltage is V , ( ⁇ ) is the transmitted wavefront with no wavefront change in wavelength when the applied voltage is V , ( ⁇ ) is the transmitted wavefront with no wavefront change in wavelength when the applied voltage is V , ( ⁇ ) is the transmitted wavefront with no wavefront change in wavelength when the applied voltage is V , ( ⁇ ) is the transmitted wavefront with no wavefront change in wavelength when the applied voltage is V , ( ⁇ ) is the transmitted wavefront with no wavefront change in wavelength when the applied voltage is V , ( ⁇ ) is the transmitted wavefront with no wavefront change in wavelength when
  • ⁇ ) is the divergent transmission wavefront of wavelength ⁇ at applied voltage V
  • (C) is the wavelength at applied voltage V.
  • the divergent transmitted wavefront of ⁇ is shown.
  • FIG. 9 is a configuration diagram showing an optical head device according to a third embodiment on which the liquid crystal lens element of the present invention is mounted.
  • FIG. 10 is a longitudinal sectional view showing a configuration of a liquid crystal lens element according to a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a transverse sectional view showing the configuration of the liquid crystal lens element shown in FIG.
  • FIG. 12 is a configuration diagram showing an optical head device equipped with a liquid crystal lens element according to a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a configuration diagram showing a part of an optical head device equipped with a liquid crystal lens element according to a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a graph showing the wavefront aberration performance calculation values of Example 3 and the conventional example of the optical head device equipped with the liquid crystal lens element according to the present invention.
  • FIG. 15 is a graph showing calculated wavefront aberration performance values of Example 4 and the conventional example of the optical head device equipped with the liquid crystal lens element according to the present invention.
  • FIG. 16 is a longitudinal sectional view showing a configuration example of a conventional light modulation element (liquid crystal diffraction lens).
  • a configuration example of the liquid crystal lens element 10 according to the first embodiment of the present invention will be described in detail with reference to a side view shown in FIG. 1 and a plan view shown in FIG.
  • the liquid crystal lens element 10 of the present embodiment includes transparent substrates 11 and 12, a first transparent electrode 13, a second transparent electrode 14, a seal 15, a liquid crystal layer 16, a concavo-convex portion 17, and a diffraction grating 18. It is equipped with.
  • the first transparent electrode 13 is formed on one flat surface (the upper surface in FIG. 1) of the transparent substrate 11. To do. Furthermore, a transparent material with a refractive index n is applied to the numerical aperture NA on the transparent electrode 13.
  • the uneven portion 17 is formed.
  • the numerical aperture NA 0.65 except for the opening.
  • an adhesive (not shown) mixed with a gap control material is printed to form a seal 15, and the above-described transparent electrode is formed.
  • An empty cell is produced by overlapping with substrate 11 and pressing.
  • a nematic liquid crystal having an ordinary light refractive index ⁇ and an extraordinary light refractive index ⁇ (where ⁇ ⁇ ⁇ ) is injected from an injection port (not shown) provided in a part of the seal 15, and then the injection port e 0 e
  • liquid crystal is sealed in the cell to form the liquid crystal layer 16, thereby obtaining the liquid crystal lens element 10 of the present embodiment.
  • conductive metal particles are mixed into the rammed seal 15 and the seal is pressure-bonded.
  • conductivity is developed in the seal thickness direction, and the second transparent electrode 14 and the electrode 14A are electrically connected.
  • An external AC power supply is connected to the electrode 13 A connected to the first transparent electrode 13 and the electrode 14 A connected to the second transparent electrode 14, and an AC voltage is applied to the liquid crystal layer 16.
  • the “substantial refractive index” of the liquid crystal layer 16 means the average refractive index of the liquid crystal layer 16 with respect to the polarization direction of incident light, and corresponds to (optical path length) ⁇ (thickness of the liquid crystal layer).
  • the substantial refractive index n (V) of the liquid crystal layer 16 changes according to the magnitude of the voltage V with respect to the specific linearly polarized light of the incident light, and the liquid crystal lens
  • the wavefront of the transmitted light of the device 10 changes.
  • the electrical resistivity p of the material of the concavo-convex portion 17 is sufficiently smaller than the electrical resistivity p of the liquid crystal layer 16.
  • the applied voltage V is distributed according to the electric capacity C of the uneven portion 17 and the electric capacity C of the liquid crystal layer 16.
  • the voltage V applied to the liquid crystal layer 16 is determined. That is, the first transparent electrode 13 and the second transparent electrode
  • the capacitance C according to the ratio of the thickness of the concavo-convex part 17 and the liquid crystal layer 16 sandwiched between the transparent electrodes 14
  • a liquid crystal lens element 10 capable of switching the condensing point of transmitted light is obtained.
  • the alignment direction of the molecules of the liquid crystal layer 16 is aligned at the interface with the transparent substrate.
  • an alignment material such as polyimide is applied to the surface of the second transparent electrode 14 and the concavo-convex portion 17, and is rubbed in the X-axis direction after curing. That's fine.
  • Polyimide may be used as the material for the uneven portion 17 and its surface may be rubbed.
  • the alignment of liquid crystal molecules may be aligned using an SiO oblique deposition film or photo-alignment film as an alignment material.
  • the concavo-convex portion 17 made of a transparent material having a Fresnel lens shape may be an organic material such as an ultraviolet curable resin, a thermosetting resin, or a photosensitive resin, or may be SiO, Al 2 O, or SiO 2 N.
  • the direction of the liquid crystal is aligned in the vertical direction (ie, the direction of the extraordinary refractive index ⁇ ).
  • an alignment film such as polyimide (not shown) in which the alignment direction of liquid crystal molecules is substantially perpendicular to the surface of the concavo-convex portion 17 and the second transparent electrode 14 is applied and cured, and then X-axis direction Rubbing process.
  • the liquid crystal molecules when no voltage is applied are aligned in a substantially vertical direction with respect to the surface of the concavo-convex portion 17 and the second transparent electrode 14.
  • the substantial refractive index n (O) of the liquid crystal layer 16 is the ordinary refractive index n with respect to incident light of extraordinary light polarization (polarization plane whose polarization direction is the X-axis direction; polarization plane in the X—Z plane).
  • Liquid crystal having a positive dielectric anisotropy ⁇ is used, and in FIG. 1, the orientation direction of the liquid crystal molecules on the surfaces of the second transparent electrode 14 and the concave and convex portion 17 is the concave and convex portion 17 and the second transparent electrode 14.
  • a horizontal alignment film that is aligned almost parallel to the surface of the film is formed, and a homogeneous alignment in which the alignment direction of the liquid crystal molecules is aligned in the X-axis direction is adopted.
  • the substantial refractive index ⁇ ( ⁇ ) of the liquid crystal layer 16 with respect to the incident light of extraordinary light polarization becomes the extraordinary refractive index ⁇ of the liquid crystal, and as the voltage V increases, it approaches the ordinary light refractive index ⁇ . .
  • the substantial refractive index ⁇ (0) of the liquid crystal layer 16 with respect to the incident light of extraordinary light polarization becomes the average value ( ⁇ + ⁇ ) ⁇ 2 of the extraordinary refractive index ⁇ and ordinary refractive index ⁇ of the liquid crystal, and eoeo As the voltage V increases, it approaches the ordinary refractive index n.
  • the cover thickness of the optical disk is different.
  • OPD (r) a! r 2 + a 2 r 4 + a 3 r 6 + a 4 r 8 +
  • the graph shown by a in Fig. 3 (optical path length difference) is divided by the interval of wavelength ⁇ .
  • the graph ⁇ showing the optical path length difference projected (translated) on the surface with zero length difference is substantially the same as the graph (X.
  • the optical path length differences shown in graph j8 are all within the range (in the figure). In this case, it corresponds to the Fresnel lens shape of the concavo-convex portion 17 in the liquid crystal lens element 10 shown in Fig. 1.
  • the graph indicated by ⁇ in Fig. 3 Indicates a transmitted wavefront with zero optical path length difference and no transmitted wavefront change.
  • the convex lens action appears when the central part of the XY plane symmetrical to that of Fig. 1 has a convex Fresnel lens shape.
  • the electrical resistivity ⁇ , ⁇ of the concavo-convex portion 17 and the liquid crystal 16 is regarded as an electrical insulator.
  • the voltage distribution to the concavo-convex portion 17 and the liquid crystal layer 16 is determined by the electric capacities C and C of the concavo-convex portion 17 and the liquid crystal layer 16 in the electrical equivalent circuit.
  • the AC frequency of the AC voltage V applied between the transparent electrodes is f
  • the relative permittivity of the concavo-convex portion 17 is ⁇
  • the thickness is d
  • the relative permittivity of the liquid crystal of the liquid crystal layer 16 is ⁇
  • the layer thickness is d
  • 0 is the dielectric constant in vacuum.
  • the sum (d + d) of the film thickness d of the concavo-convex part 17 and the layer thickness d of the liquid crystal 16 is a constant value G.
  • the ratio V ZV of the applied voltage V distributed to the liquid crystal layer 16 with respect to the AC applied voltage V between the first transparent electrode 13 and the second transparent electrode 14 is described by the following equation.
  • V LC / V C F / (C F + C L c )
  • the film thickness d of the concavo-convex portion 17 is a sawtooth shape or a stepped sawtooth forming a Fresnel lens.
  • D / ⁇ is zero because it is distributed up to zero force d corresponding to the cross-sectional shape approximated by the shape.
  • the uneven portion 17 has a relative dielectric constant ⁇ of 4 or more.
  • the liquid crystal has dielectric anisotropy, and the relative dielectric constant ⁇ in the major axis direction of the liquid crystal molecule and the relative dielectric constant ⁇ ⁇ in the minor axis direction of the liquid crystal molecule are different.
  • the relative dielectric constant ⁇ of the liquid crystal layer 16 also changes due to the change in the orientation of the liquid crystal molecules. Therefore, equation (2)
  • the liquid according to the shape of the concavo-convex part 17 reflects the change of the relative dielectric constant ⁇ according to V.
  • V depends on the film thickness d
  • V [0] is equal to the applied voltage V between the transparent electrodes.
  • OPD n F X (d F — d) + n (V L c [d F ]) X (G-d F )
  • the film thickness d is distributed from d to zero, and the optical path length difference OPD is from zero to the optical path length of equation (4).
  • the optical path length difference OPD can be approximated.
  • Four convex ridges 17 are Fresnorelene so that X is approximately equal, that is, 0.75 ⁇ force and 1.25 ⁇ .
  • the plane waves of the extraordinary light polarization incident on the beam are emitted as transmission wavefronts shown in graphs ⁇ and
  • the substantial refractive index of the liquid crystal layer 16 is ordinary light in any of the above-described vertical orientation, homogenous orientation, and noble orientation.
  • the refractive index is ⁇ , which is unchanged regardless of the applied voltage V.
  • the optical path length difference OPD described by Eq. (3) becomes ⁇ ( ⁇ ⁇ ) X (d ⁇ d) ⁇ , and (n n) is zero.
  • the transmitted wavefront of the liquid crystal lens element 10 depends on the distribution of the film thickness d of the concavo-convex portion 17.
  • the refractive index n for the extraordinary light polarization of the concavo-convex part 17 is n from Equation (3).
  • the liquid crystal lens element 10 In order not to generate such a spatial distribution of the fixed optical path length difference OPD with respect to the incident light of ordinary light polarization, it is preferable to adopt the configuration of the liquid crystal lens element 10 described below.
  • a birefringent material such as a polymer liquid crystal is used as the transparent material of the uneven portion 17, and the refractive index and uneven portion of the liquid crystal layer 16 with respect to extraordinary light polarization and ordinary light polarization of the liquid crystal layer 16 in the off state. Adjust so that the refractive index of 17 matches. Specifically, with respect to extraordinary light polarization, the refractive index n of the uneven portion 17 is equal to the substantial refractive index n (0) of the liquid crystal layer 16 in the off state.
  • the material is folded so that the spatial distribution of the optical path length difference OPD does not occur regardless of the polarization state of the incident light.
  • the normal light refractive index n and the extraordinary light refractive index n of the polymer liquid crystal are set to the normal light refraction of the liquid crystal layer 16 of the homogeneous alignment.
  • the liquid crystal molecules e at the interface of the concavo-convex portion 17 of the liquid crystal layer 16 are matched with the refractive index n and the extraordinary refractive index n.
  • the polymer liquid crystal may be aligned in the same direction as the alignment.
  • FIG. 5 shows a cross-sectional view of the liquid crystal lens element 20.
  • a birefringent material cover is formed on the transparent substrate 21 as a polarization phase correction layer in order to cancel the fixed optical path length difference OPD of the liquid crystal lens element 10 generated with respect to the incident light of ordinary polarization.
  • a polarized Fresnel lens 22 is formed.
  • the alignment direction of the polymer liquid crystal and the alignment direction of the liquid crystal in the liquid crystal layer 16 in the off state are orthogonal to each other, and the polarization direction that becomes abnormal light polarization with respect to the liquid crystal layer 16 is the polarization plane (X-Z plane).
  • the ordinary refractive index n of the polymer liquid crystal and the refractive index n of the transparent adhesive 23 match.
  • the transmitted wavefront of the polarized Fresnel lens 22 does not change.
  • the extraordinary refractive index n of the polymer liquid crystal and the refractive index n of the transparent adhesive 23 are different, and the polarization Fresnel lens
  • the 22 transmitted wavefront changes depending on the Fresnel lens shape of the uneven part. If the concavo-convex shape of the polymer liquid crystal is used so that this transmitted wavefront change cancels the fixed optical path length difference OPD generated for the normally polarized incident light of the liquid crystal lens element 10, it is related to the polarization state of the incident light. This is preferable because the transmitted wavefront in the off state is unchanged.
  • the refractive indices n and n of the polymer liquid crystal are
  • the liquid crystal is not restricted by the extraordinary refractive index n and the ordinary refractive index n of the liquid crystal.
  • the liquid crystal lens element becomes thick due to the formation of the polarization Fresnel lens 22, there are disadvantages.
  • a dielectric multilayer filter 19 is formed in a predetermined region on one side of the transparent substrate 21 to exhibit an aperture limiting function.
  • the dielectric multilayer filter 19 transmits the wavelength and reflects the wavelength and the wavelength.
  • the first transparent electrode 13 is formed on the plane of the transparent substrate 11, and the Fresnel lens including the uneven portion 17 thereon. It is set as the structure formed. However, a configuration may be adopted in which a Fresnel lens composed of the uneven portion 17 is formed on the plane of the transparent substrate 11 and the first transparent electrode 13 is formed on the surface of the uneven portion 17.
  • the voltage V force applied to the first transparent electrode 13 and the second transparent electrode 14 is directly applied to the liquid crystal layer 16 without a voltage drop at the concavo-convex portion 17, and therefore is related to the film thickness d of the concavo-convex portion 17.
  • the substantial refractive index n (V) of the liquid crystal layer 16 is uniform. Therefore, the uneven part of film thickness d 17
  • the optical path length between the first transparent electrode 13 and the second transparent electrode 14 is (n Xd + n (V)
  • optical path length difference OPD with respect to V) X (G-d) ⁇ is given by equation (5).
  • OPD ⁇ n F X dp + n (V) X d L c ⁇
  • optical path length difference ⁇ n (V) ⁇ n ⁇ Xd is abbreviated (ie 0.75 ⁇ to 1.25 ⁇ )
  • the film thickness d of the concavo-convex part 17 is determined so that P F 3 3 3 is obtained, and the concavo-convex part 17 may be formed into a cross-sectional shape that reaches the film thickness zero force d.
  • the applied voltage V of the liquid crystal layer 16 depends on the material properties such as the relative permittivity and electrical resistivity of the concavo-convex portion 17 and its shape.
  • the first transparent electrode 13 matches the applied voltage V of the first transparent electrode 13 and the second transparent electrode 14. Therefore, it is easy to design the shape of the uneven portion 17 of the Fresnel lens, but it is difficult to stably form the first transparent electrode 13 having a low resistance on the surface of the uneven portion 17 without disconnection. On the other hand, when the first transparent electrode 13 is formed on the lower surface of the uneven portion 17, the applied voltage V of the liquid crystal layer 16 is
  • the thickness d decreases as the thickness d increases, and the substantial refractive index n (V [d]) of the liquid crystal layer 16 is accordingly determined.
  • the liquid crystal lens element is transmitted in a straight line, and a high transmittance can be obtained.
  • the divergence equivalent to a concave lens is applied to the incident light of an extraordinary polarization with a wavelength. Transmits as a transmitted wavefront (ie, a negative power component).
  • incident light of ordinary light polarization is transmitted straight without any change in the transmitted wavefront (that is, without power) regardless of the applied voltage and wavelength, and high transmittance is obtained.
  • the voltage V is set to zero (that is, in the off state), and the light travels straight through the numerical aperture NA with almost no optical loss.
  • a liquid crystal element that generates an optical path length difference OPD equivalent to correction of axially asymmetric coma and astigmatism other than Equation (1) can also be processed by processing the concavo-convex part 17 and filling the liquid crystal in the concave part based on the same principle. Can be made.
  • the configuration in which the AC voltage is applied to the liquid crystal layer 16 using the two terminals of the first transparent electrode 13 and the second transparent electrode 14 that are solid electrodes is shown.
  • the electrode force of at least one of the first transparent electrode 13 and the second transparent electrode 14 may be spatially divided so that different AC voltages can be applied independently.
  • this spatially divided transparent electrode is used as a resistance film having a desired electrical resistance, and two or more feeding points are provided to provide an applied voltage distribution in the radial direction, so that the voltage applied to the liquid crystal is in the radial direction. Even if it is inclined to.
  • a wider variety of spatial distributions of optical path length differences OPD can be generated.
  • the concave lens function appears in the 3rd region.
  • the liquid crystal lens element 10 in which the alignment directions of the liquid crystal molecules of the liquid crystal layer 16 are orthogonal to each other is laminated.
  • the concavo-convex portion 17 that also has a birefringent material force such as a polymer liquid crystal, the optical axis direction of the birefringent material of the concavo-convex portion 17 is also directly Let them cross.
  • a phase correction Fresnel lens may be formed on the surface of the transparent substrate of the liquid crystal lens element.
  • a configuration example of the liquid crystal lens element 30 according to the second embodiment of the present invention will be described in detail with reference to a side view shown in FIG.
  • the same parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals to avoid redundant description.
  • a phase correction surface 32 for DVD is formed. Furthermore, the present embodiment is different from the liquid crystal lenses 10 and 20 of the first embodiment in that the phase plate 33 is held between the transparent substrate 31 and the transparent substrate 12. 6 that are the same as those in FIG. 1 indicate the same elements as those in FIG.
  • phase correction element see, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-138895
  • spherical aberration can be corrected and stable recording / reproduction of a DVD optical disk can be performed.
  • the DVD phase correction surface 32 of the present embodiment is formed in the area of the numerical aperture NA.
  • the step-like uneven part force having rotational symmetry with respect to the optical axis of the incident light, and the phase difference of the transmitted light having the wavelength ⁇ at each step of the uneven part is an even multiple of 2 ⁇ .
  • the phase difference of the transmitted light at each step of the concavo-convex portion of the phase correction surface 32 that also has a transparent material force of uniform refractive index ⁇ is an even multiple of 2 ⁇ with respect to the wavelength, the refractive index wavelength dispersion of the concavo-convex portion material
  • the wavefront passes straight through without changing.
  • the phase difference of the concavo-convex portion of the phase correction surface 32 is a non-integer multiple of 2 ⁇ , resulting in a wavelength-selective phase correction surface in which the transmitted wavefront changes according to the shape of the concavo-convex portion.
  • the optical path length difference described in Equation (1). decide.
  • a transmitted wavefront with a power component may be used.
  • the phase correction surface 32 has a sawtooth shape in cross section, and a fresnel lens shape in which each sawtooth convex portion is approximated by a staircase-shaped grating.
  • the stepped grating has a concave-convex shape corresponding to the transmitted wavefront corresponding to the graph ⁇ showing the optical path length difference divided by 2 and projected onto the plane with zero optical path length difference (translated).
  • the optical path length difference of one step height d (n— 1) which is obtained by dividing the height d of the (N + 1) level (ie, step 1) staircase-shaped grid into N equal parts.
  • (n— 1) Xd 2 ⁇ ⁇
  • the refractive index wavelength dispersion of the transparent substrate 31 is taken into consideration, it is about 2 ⁇ ⁇ 1.18.
  • FIG. 7 shows a partially enlarged view of wavefront aberration showing the wavefront aberration correcting action of the phase correction surface 32.
  • Figure 7 shows an example of aberration correction using a 6-level (5-step) staircase-shaped grating.
  • a polyimide alignment film that is aligned in the direction that forms an angle of 45 ° with the X-axis is formed on the surface of the transparent substrate 31, polymerized and cured after application of a liquid crystal monomer, and polymer liquid crystal that is aligned in the alignment direction.
  • a phase plate 33 is also formed which also has a force. Further, it is bonded and fixed to the transparent substrate 12 using a transparent adhesive (not shown).
  • a polymer in consideration of refractive index wavelength dispersion The film thickness of the liquid crystal material is set, and the retardation value Rd of the phase plate 33 is set to 9 ⁇ with respect to the wavelength ⁇ .
  • the Rd for the wavelength is about 5 ⁇ ⁇ 4
  • the Rd for the wavelength is about
  • FIG. 8 shows transmitted light when linearly polarized light in the X-axis direction (abnormal light) or the Y-axis direction (ordinary light) is incident on the liquid crystal lens element 30 thus obtained.
  • the light flux of 3 3 is transmitted as a divergent light wavefront by the Fresnel lens having the concavo-convex portion 17 and the liquid crystal layer 16 force as linearly polarized light in the X-axis direction.
  • a phase plate 33 corresponding to a Z4 wavelength plate can also be used. In this case, incidence of CD wavelength
  • the optical head device 40 of this embodiment is a semiconductor laser that is a light source with a BD wavelength of 405 nm.
  • the polarizing beam splitter 2 In addition to the 1, the polarizing beam splitter 2, the combining prism 3, the collimator lens 4, the BD objective lens 5, and the wavelength detector 6, the actuator 7 that holds the objective lens 5
  • DVD unit 8A and CD laser wavelength not shown in the figure semiconductor laser that is a light source of 790 nm
  • the light is condensed on the information recording layer of the BD optical disk D by the objective lens 5 for D.
  • the signal light reflected by the information recording layer passes through the original path, and is converted into extraordinary light polarization (polarization plane whose polarization direction is the X-axis direction) by the phase plate 33 in the liquid crystal lens element 30, and the liquid crystal lens element
  • the light passes through 30 straight, passes through the combining prism 3 and the polarization beam splitter 2, and is efficiently condensed on the light receiving surface of the photodetector 6 and converted into an electric signal.
  • the phase correction surface 32 within 0 (see FIG. 6) is converted into a transmitted wavefront as shown in FIG. 8 (B) that corrects the aberration caused by the difference in the cover thickness of the optical disc.
  • the light is focused on the information recording layer of DVD optical disc D.
  • the signal light reflected by the information recording layer passes through the original path, is converted to extraordinary polarization by the phase plate 33 in the liquid crystal lens element 30, reflects the combining prism 3, and transmits the combining prism 9.
  • the light is collected on the light receiving surface of the photodetector in the DVD unit 8A and converted to an electrical signal.
  • the bundle has a transmitted wavefront so as to correct the aberration caused by the difference in the cover thickness of the optical disk by the Fresnel lens composed of the uneven portion 17 and the liquid crystal layer 16 (both shown in FIG. 6) in the liquid crystal lens element 30.
  • the light is converted into divergent light shown in FIG. 8 (C), and is focused on the information recording layer of the CD optical disk D by the objective lens 5.
  • the signal light reflected by the information recording layer passes through the original path with the extraordinary light polarization, is condensed on the light receiving surface of the photodetector in the CD unit 8B, and converted into an electric signal.
  • the light beam that passes straight through the numerical aperture NA excluding the numerical aperture NA is the CD optical disk.
  • the wavelength after passing through the liquid crystal lens element 30 and the light having the wavelength are diverged.
  • the working distance of DVD and CD optical disc D can be increased by machining the concave and convex portion 17 and the phase correction surface 32 (both see Fig. 6) so that it becomes light, as shown by the broken and dotted lines in Fig. 9. Therefore, the stability when the focus servo is activated by the actuator 7 is improved.
  • the BD objective lens 5 and the liquid crystal lens element 30 are used as a composite lens, which is generated due to a difference in the cover thickness of the DVD and CD optical disc D.
  • a concave lens function can be added to increase the working distance.
  • liquid crystal lens element 30 in the off state is high in wavelength and wavelength.
  • the 1Z4 wavelength plate is integrated, so that an optical system with high light utilization efficiency using a polarizing beam splitter can be obtained. As a result, it is suitable for high-speed BD and DVD recording optical head devices.
  • the liquid crystal lens element 50 of the present embodiment includes a first liquid crystal lens part 50C and a second liquid crystal lens part 50D having the same configuration as the liquid crystal lens element 10 according to the first embodiment.
  • the concavo-convex portions 17C and 17D have a Fresnel lens or a shape similar to a Fresnel lens in a staircase shape, and a transparent material having a refractive index n substantially equal to the ordinary light refractive index n of the liquid crystal layers 16C and 16D is used. Is formed in the effective diameter ⁇ region, and is on the optical axis (Z-axis) of incident light.
  • the first transparent electrodes 13C and 13D are formed on one side of the transparent substrates 12C and 12D.
  • a transparent material with a refractive index n is used in the area of the effective diameter ⁇ on the transparent electrodes 13C and 13D.
  • Irregularities 17C and 17D are formed.
  • the seals 15C and 15D are formed by printing the adhesive material (not shown) mixed with the gap control material.
  • An empty cell is produced by overlaying and crimping the transparent substrates 12C and 12D.
  • the liquid crystal is injected, and then the injection port is sealed to seal the liquid crystal in the cell to form the liquid crystal layers 16 C and 16 D, thereby obtaining the liquid crystal lens element 50 of the present embodiment.
  • a voltage is applied to the first transparent electrodes 13C and 13D through the electrode 13A (see FIG. 11) formed on the transparent substrate 11 side, and the second through the electrode 14A (see FIG. 11). Apply voltage to transparent electrodes 14C and 14D.
  • An external AC power source (not shown) is connected to the electrodes 13A and 14A, and an AC voltage is applied to the liquid crystal layers 16C and 16D.
  • the second transparent electrodes 14C and 14D are aligned so that the liquid crystal molecules 16C and 16D are aligned in the X and Y directions, respectively.
  • An alignment film (not shown) that is aligned in the X and Y directions is formed on the surface.
  • a liquid crystal lens element 50 that can switch the condensing point of the transmitted light by switching the pressure V is obtained.
  • the first liquid crystal lens unit 50C has a focal length switching function for the X-direction linearly polarized light
  • the second liquid crystal lens unit 50D has a focal length switching function for the Y-direction linearly polarized light.
  • the element 50 has a focal length switching function regardless of the incident polarization state.
  • the liquid crystal lens element 50 shown in FIG. 10 is a Fresnel lens having a concave and convex portion 17C, 17D at the center, and the substantial refractive index of the liquid crystal layer at the applied voltage V is the concave and convex portion.
  • the cross-sectional shape of the Fresnel lens or the concavo-convex portions 17C and 17D approximating the Fresnel lens in a staircase shape is as follows. ) As described by the formula.
  • the liquid crystal lens element 50 of the present embodiment in the optical head device for recording and reproduction of single-layer and double-layer optical discs, spherical aberration generated due to the difference in cover thickness is corrected, and The concave and convex portions 17C and 17D are determined so that aberrations do not deteriorate even when the objective lens is placed separately from the objective lens and the liquid crystal lens element 50 is decentered during tracking.
  • the first liquid crystal lens unit 50C and the second liquid crystal lens unit 50D At an applied voltage V, the first liquid crystal lens unit 50C and the second liquid crystal lens unit 50D are applied.
  • the concavo-convex portions 17C and 17D are formed with the transparent substrate 11 therebetween, a difference in image point position corresponding to the interval occurs.
  • the concavo-convex portions 17C and 17D may be formed so as to have different ring zones. Further, the shapes of the concavo-convex portions 17C and 17D may be set independently so that completely different power components are generated for the linearly polarized incident light in the X direction and the Y direction.
  • the optical components having the same functions as those of the three-wavelength compatible optical head device 40 according to the third embodiment shown in FIG.
  • an optical head device 60 using an objective lens 550 designed to minimize aberration with respect to a single-layer BD optical disc with a cover thickness of 0.100 mm an information recording layer with a cover thickness of 0.075 mm for a two-layer BD optical disc. Recording to D1During playback, applied voltage V (ON).
  • the generation of aberration is reduced by generating a positive power component equivalent to a convex lens by the liquid crystal lens element 50 in the above state.
  • a positive power component equivalent to a convex lens by the liquid crystal lens element 50 in the above state.
  • a liquid crystal lens element 50 with an applied voltage V generates a positive power component equivalent to a convex lens.
  • the generation of aberration is reduced for an optical disc with a cover thickness of 0.59 mm. That is, by switching the applied voltage of the liquid crystal lens element 50, the aberration can be minimized at cover thicknesses of 0.59 mm and 0.6 lmm.
  • a 1Z4 wavelength plate 51 is disposed in the optical path between the liquid crystal lens element 50 and the objective lens 5, and the polarization of the forward path and the return path incident on the polarization beam splitter 2 are orthogonalized to provide a high efficiency beam splitter.
  • the polarization of the forward path and the return path incident on the polarization beam splitter 2 are orthogonalized to provide a high efficiency beam splitter.
  • an aberration correction function is exhibited for any polarized light, and stable recording and reproducing performance can be maintained.
  • the BD object lens 5 and the liquid crystal lens 50 shown in FIG. 13 are fixed to the actuator 7. This will be described below using the configuration diagram.
  • the liquid crystal lens element 50 of the present embodiment has the same configuration as that of the liquid crystal lens element 50 according to the fourth embodiment shown in FIG. 10, but differs from the fourth embodiment in the following points.
  • the liquid crystal lens element 50 has a light transmission region corresponding to the effective diameter of the BD objective lens 5 of NA0.85, but the concave and convex portions 17C and 17D (see Fig. 10) are formed only in the effective length corresponding to NA0.65. Has been. Also, incident light with a wavelength in the NA0.
  • the concave and convex portions 17C and 17D are designed to compensate for the spherical aberration that occurs when focusing on the information recording layer of an HDDVD optical disc with a cover thickness of 0.6 mm and to increase the distance between the objective lens and the optical disc.
  • the negative power component by the liquid crystal lens element 50 (
  • BD BD optical disc D
  • FIG. 13A when recording / reproducing the BD optical disc D (BD), as shown in FIG. 13A, no voltage is applied to the liquid crystal lens element 50 (off state), so that no change in the transmitted wavefront occurs. Therefore, the transmitted light (shown by the solid line) is efficiently condensed by the BD objective lens 5 onto the information recording layer having a cover thickness of 0.100 mm, and stable recording and reproduction of the BD optical disc is realized.
  • the 65 region transmitted light (shown by the solid line) becomes divergent light and is efficiently condensed by the BD objective lens 5 onto the information recording layer with a cover thickness of 0.6 mm. This realizes stable recording and playback of HDDVD optical discs. .
  • NA0.85 the light beam outside the NA0.65 region passes straight through the liquid crystal lens element 50 (shown by a broken line) and is not condensed on the information recording layer of the HDDVD optical disk by the BD objective lens 5. It does not affect the luminous flux for recording and playback in 65 areas.
  • a BDZHDDVD compatible optical head device capable of recording / reproducing BD optical discs and HDDVDD optical discs with different standards is realized.
  • the first liquid crystal lens unit 50C (see FIG. 10) that functions with respect to X-direction linearly polarized light and the second liquid crystal lens unit 50D (with respect to Y-direction linearly polarized light)
  • the liquid crystal lens element 50 having the structure shown in FIG. 10
  • the focal length switching function occurs regardless of the polarization state of the incident light. Therefore, the 1Z4 wavelength plate may be disposed in any optical path between the collimator lens and the liquid crystal lens unit 50 or between the BD objective lens and the liquid crystal lens unit 50.
  • the concavo-convex part 17 is formed only in the effective length corresponding to NA0.65, and the linearly polarized incident light in the X direction of the wavelength ⁇ in the NA0.65 region is covered with the BD objective lens 5 to a thickness of 0.60 mm of
  • the BD objective lens 5 and the liquid crystal lens 50 are fixed to the actuator 7.
  • the force described in the example of the configuration may be arranged in a fixed portion in the optical path between the collimator lens and the BD objective lens 5 without mounting the liquid crystal lens 50 on the actuator 7. In this case, there is an advantage that the weight load of the actuator 7 is reduced.
  • an objective lens according to force which is an example of a BDZHDDVD compatible optical head device using a BD objective lens designed for a BD optical disc having a cover thickness of 0.100 mm, may be used.
  • the NA0.65 region of the objective lens has a parallel incident wavelength.
  • the annular zone outside the NA0.65 region and NA0.85 region of the objective lens is parallel to the wave length.
  • An objective lens designed to collect light is used.
  • the NA0.65 area and the annular zone have different focal points, and the luminous flux of the NA0.65 area is efficiently focused on the information recording layer of the HDDVD optical disk. Stable recording 'playback is realized.
  • the luminous flux outside the NA 0.65 area and the annular zone within the NA 0.85 area is focused on the information recording layer of the BD optical disc. Therefore, a liquid crystal lens element is used on the information recording layer of the BD optical disc having a cover thickness of 0.1 mm so that the light flux in the NA 0.65 region is focused on the information recording layer of the BD optical disc in the same manner as the light flux in the annular zone. Liquid crystal lens when applied voltage V to compensate for spherical aberration that occurs when focusing
  • the Fresnel lens has a concave-convex portion 17 (17C, 17D) force that generates a transmitted wavefront to which a positive power component (convex lens function) is applied by the P element, it can be used.
  • a concave-convex portion 17 (17C, 17D) force that generates a transmitted wavefront to which a positive power component (convex lens function) is applied by the P element, it can be used.
  • a transparent conductive film (ITO film) is formed on the glass substrate which is the transparent substrate 11 to form the first transparent electrode 13.
  • n uniform refractive index
  • the SiON film is covered by a reactive ion etching method so as to correspond to the shape of graph 13 in FIG.
  • the concave and convex portion 17 is processed by approximating a Fresnel lens having a cross section shown in FIG. Thereafter, a vertical alignment film (not shown) is formed on the surface of the concavo-convex portion 17 to a thickness of about 50 nm.
  • a transparent conductive film (ITO film) is formed on the glass substrate which is the transparent substrate 12 to form the second transparent electrode 14. Further, a vertical alignment film (not shown) having a thickness of about 50 nm is formed thereon, and a rubbing alignment process is performed in the X-axis direction to obtain an alignment film for liquid crystal. Then, on the second transparent electrode 14 side of the transparent substrate 12, an adhesive material mixed with a gap control material having a diameter of 8 m is printed to form a seal 15, which is overlapped with the transparent substrate 11 and pressure-bonded. Is made. Thereafter, liquid crystal is injected from an injection port (not shown) of the empty cell, and the injection port is sealed to form a liquid crystal layer 16 to obtain the liquid crystal lens element 10.
  • the liquid crystal is aligned perpendicular to the surface of the concavo-convex portion 17 and the second transparent electrode 14 when no voltage is applied, and the liquid crystal molecules are tilted in the X-axis direction as the voltage is applied, approaching homogenous alignment.
  • a voltage distribution V corresponding to the lens shape is generated.
  • the polarization direction is the X-axis direction.
  • the optical path length difference between the bright electrodes OPD is distributed as described in Equation (3).
  • optical path length difference OPD is distributed from zero to the OPD in Eq. (4).
  • the maximum optical path length difference is about 1.4 ⁇ and the RMS wavefront aberration is about 437.
  • the uneven portion 17 is processed so that the optical path length difference OPD of the graph j8 corresponding to the graph a in FIG.
  • the optical path length difference 0 to 0 in equation (1) is 111 units, and r is [mm] units.
  • the electrode spacing G is 8 ⁇ m.
  • the calculated efficiency is 100% and 98%, respectively.
  • the effective diameter is 3.2 mm.
  • phase correction surface 32 such as a six-level, five-step staircase grating is formed.
  • the glass substrate has a refractive index of 1.47 at wavelength ⁇ , a refractive index of 1.45 at wavelengths ⁇ and ⁇ , and the phase difference of one stage is
  • the wavelength is 2. ⁇ ⁇
  • the wavelength is 1.18 ⁇
  • the wavelength is 0.999 ⁇ . Therefore, position complementation
  • Wavelength transmitted light that passes through the front 32 has a wavefront change depending on the concavo-convex shape.
  • the transmitted wavefront has coefficients a to a shown in Table 2 above.
  • the phase correction surface 32 is placed on the surface of the transparent substrate 31 so that the optical path length difference OP D of the graph ⁇ corresponding to the graph a in FIG. To do.
  • a diffraction grating 18 having a rectangular cross-section with a depth of 0 is formed in an annular zone corresponding to an effective diameter of 3.8 mm to 4.2 mm.
  • the phase difference of the step of the diffraction grating is 1. 01 ⁇ , wave
  • a phase plate 33 made of a polymer liquid crystal film is formed on the other surface of the transparent substrate 31.
  • a polymer liquid crystal film having a film thickness of 6.8 / zm is obtained by molecular orientation in the direction of an angle of 45 ° with respect to the X axis in the plane of the transparent substrate 31.
  • the birefringence index An of the polymer liquid crystal film is 0.134 in the wavelength, 0.122 in the wavelength, and 0.117 in the wavelength, the retardation value R of the phase plate 33
  • d is 2.25 ⁇ in wavelength, 1.26 ⁇ in wavelength, and 1.00 ⁇ in wavelength. Therefore,
  • the phase plate 33 is equivalent to a 1Z4 wave plate in terms of wavelength and wavelength.
  • the wavelength is reduced.
  • the wavelength of the light are converted into extraordinary light polarized light by the liquid crystal lens element 30, and are sent to each photodetector.
  • the light of wavelength ⁇ exits the liquid crystal lens element 30 with the extraordinary light polarization, and the light
  • the difference between the liquid crystal lens element 10 in the liquid crystal lens element 30 of Example 1 and Example 2 is the following two points. That is, a polymer liquid crystal is used in place of the SiON film as the Fresnel lens composed of the concavo-convex portion 17, and the shape of the concavo-convex portion 17 is a convex Fresnel lens in the center of FIG. 1 and a concave Fresnel lens in the center. .
  • nematic liquid crystal having positive dielectric anisotropy is used instead of nematic liquid crystal having negative dielectric anisotropy.
  • the uneven part 17 is 3.2 m thick with molecular orientation in the X-axis direction.
  • ⁇ ⁇ is 11, and the alignment direction of the liquid crystal molecules when no voltage is applied is aligned with the same X-axis direction as the polymer liquid crystal.
  • the surface of the polymer liquid crystal on the concavo-convex part 17 surface when no voltage is applied by rubbing the surface of the polymer liquid crystal directly in the X-axis direction. Homogenous alignment in which the alignment is aligned in the X-axis direction. As the voltage is applied, the liquid crystal molecules tilt in the vertical axis direction and approach vertical alignment.
  • an optical head device 40 will be described in which the liquid crystal lens element 10 is mounted on the actuator 7 shown in FIG. 9 described in the third embodiment.
  • the BD objective lens 5 a DVD-compatible BD objective lens in which the DVD phase correction surface 32 of the liquid crystal lens element 30 in FIG. 5 is formed on the surface of the objective lens is used.
  • a single phase plate element in which the phase plate 33 portion of the liquid crystal lens 30 in FIG. 6 is sandwiched between a pair of transparent substrates is disposed in the optical path between the multiplexing prism 3 and the collimator lens 4.
  • the first liquid crystal lens unit 50C and the second liquid crystal lens unit 50D have the same configuration as the liquid crystal lens element 30 of the present invention described in detail in Example 1, and function as aberration correction elements for single-layer and double-layer BD optical disks. .
  • the coefficients shown are the objective lens and liquid crystal lens when the objective lens that has the minimum aberration for a single-layer BD optical disc with a cover thickness of 0.1 mm is used for the information recording surface of a double-layer BD optical disc with a cover thickness of 0.075 mm. This is a result of designing the generated aberration to be corrected by the liquid crystal lens element 50, including when ⁇ 0.3 mm is decentered from the element 50. If the objective lens used has different specifications, its coefficient value will also be different.
  • the transmitted wavefront of the incident light of the liquid crystal lens element 50 does not change in the off state (voltage non-printing force []), but in the on state, the wavelength of 405 nm It becomes a convergent transmission wavefront with a lens function equivalent to a convex lens.
  • the liquid crystal lens element 50 obtained in this way is mounted on an optical head device 60 for recording / reproducing a BD optical disc shown in FIG.
  • the objective lens 5 is designed to have minimum aberration with respect to a single layer BD optical disc having a cover thickness of 0.1 mm.
  • the recording wavefront of the liquid crystal lens element 50 is unchanged by using the liquid crystal lens element 50 in the off state during recording and reproduction on the information recording surface of the single layer and double layer BD optical discs with a cover thickness of 0.1 mm. Stable recording and playback.
  • liquid crystal lens element 50 of the present invention shown in the fourth embodiment, an example in which the liquid crystal lens element 50 is used as an aberration correction element of a single-layer and double-layer DVD optical disk will be described below.
  • Gap control material is used.
  • an alignment film subjected to alignment treatment is formed at the interface in contact with the liquid crystal layer so that the alignment directions of the liquid crystal molecules at the time of voltage application are orthogonal between 16C and 16D.
  • the coefficient shown is ⁇ 0 between the objective lens and the liquid crystal lens element 50 when an objective lens that has minimum aberration for an optical disc with a cover thickness of 0.59 mm is used for the information recording surface of an optical disc with a cover thickness of 0.62 mm. This is a result of the design so that the generated aberration is corrected by the liquid crystal lens element 50, including 3 mm decentration. If the objective lens used has different specifications, the coefficient value will also be different.
  • the transmitted wavefront of the incident light of the liquid crystal lens element 50 does not change in the off state (no voltage applied) regardless of the polarization state of the incident light, but in the on state, it corresponds to a concave lens with respect to the wavelength of 660 nm. It becomes a divergent transmission wavefront by the lens function.
  • the liquid crystal lens element 50 thus obtained is mounted on the optical head device 60 for recording / reproducing a DVD optical disk shown in FIG.
  • the objective lens 5 is designed to have a minimum aberration with respect to an optical disk having a cover thickness of 0.59 mm.
  • the liquid crystal lens element 50 is used in the off state in recording and reproduction on the information recording surface of a single-layer DVD optical disc having a cover thickness of 0.6 mm and a dual-layer DVD optical disc having a cover thickness of 0.57 mm.
  • the liquid crystal lens element 50 is used in the ON state.
  • FIG. 15 shows the calculation results of RMS wavefront aberration generated for an optical disk having a cover thickness of 0.57 mm and a thickness of 0.63 mm with the liquid crystal lens element 50 turned off and on.
  • the increase of the RMS wavefront aberration accompanying the tracking shift of the objective lens 5 is slight. Therefore, for an optical disk with a cover thickness of 0.57 mm and a force of 0.505 mm, the use of the liquid crystal lens element 50 in the off state can cause an RMS wavefront aberration of 28 m ⁇ (rms) or less.
  • an RMS wavefront aberration of 21 m (rms) or less is obtained by using the liquid crystal lens element 50 in the ON state.
  • the solid line in Fig. 15 shows the calculation result of the RMS wavefront aberration when an objective lens for a single-layer DVD optical disc with a cover thickness of 0.6 mm is used. Aberrations of up to 43m (rms) occur for an optical disc with a cover thickness of 0.57mm and a force of 0.63mm.
  • Example 4 shows the design example of the object lens 5 and the liquid crystal lens element 50 that have the minimum aberration for optical discs with cover thicknesses of 0.59 mm and 0.62 mm. Minimum aberration for the other two cover thicknesses It is good also as a combination which becomes.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be implemented in various forms without departing from the gist thereof.
  • the liquid crystal lens element of the present invention does not generate a transmitted wavefront change without depending on the polarization state of incident light when no voltage is applied, and has an aberration with respect to incident light having a wavelength of extraordinary light polarization when a voltage is applied.
  • a correction function and a concave lens function can be added. Furthermore, by mounting the liquid crystal lens element of the present invention on the optical head device integrally with the objective lens, it can be used for an optical head device capable of recording and Z or reproducing a plurality of small and stable optical disks.
  • the liquid crystal lens element of the present invention reduces aberrations caused by the difference in cover thickness in an optical disk recording / reproducing optical head device having a single-layer and two-layer information recording surfaces. It can be used as an aberration correction element.
  • the liquid crystal lens element of the present invention is an objective. Since it can be mounted on an optical head device separately from the lens, it can be used for an optical head device capable of recording and reproducing a plurality of compact and stable optical disks.
  • the Japanese patent application 2004- 211246 filed on July 20, 2004, the specification of Japanese patent application 2004- 284752 filed on September 29, 2004, and March 4, 2005
  • the entire contents of the claims, drawings and abstract of the patent application filed in Japanese Patent Application No. 2005-060597 are cited here and incorporated as the disclosure of the specification of the present invention.

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Abstract

　電圧非印加時のオフ状態で入射光の偏光状態に係わらず透過波面変化が生じず、電圧印加時のオン状態で異常光偏光入射光に対して凹レンズの機能が発現する液晶レンズ素子を提供する。 　一対の透明基板１１、１２に液晶層１６が挟持され、液晶層１６に印加する電圧の大きさに応じてここを透過する光の集光点を変化させる液晶レンズ素子１０において、透明基板１１に形成された断面が凹凸形状からなるフレネルレンズ１７と、フレネルレンズ１７が形成された透明基板１１の平坦面に形成された第１の透明電極１３と、他方の透明基板１２の平坦面に形成された第２の透明電極１４とを備える。

Description

明 細 書
液晶レンズ素子および光ヘッド装置
技術分野
[0001] 本発明は、電圧非印加時のオフ状態では入射光の偏光状態にかかわらず透過波 面の変化がなぐ電圧印加時のオン状態では透過波面に変化を発生させる液晶レン ズ素子、およびカバー層の厚さが異なる複数の光記録媒体への情報の記録および Zまたは再生を行うことができ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、情報記録層の力 バー層の厚さ（以下、「カバー厚」という）が 1. 2mmの CD用光ディスク（以下、 CD光 ディスク、略して「CD」という）や情報記録層のカバー厚が 0. 6mmの DVD用光ディ スク（以下、 DVD光ディスク、略して「DVD」とよぶ)という）などが普及している。一方 、 CDの情報の記録および Zまたは再生（以下、「記録 ·再生」という）に用いる光へッ ド装置としては、光源として波長え（以下、これを「CDの波長え 」とよぶ)が 790nm帯
3 3
の半導体レーザと、 NA (開口数）が 0. 45力ら 0. 50までの対物レンズを備えたもの が知られている。また、 DVDの記録'再生に用いる光ヘッド装置としては、光源として 波長え （以下、これを「DVDの波長え 」とよぶ)が 660nm帯の半導体レーザと、 NA
2 2
が 0. 6から 0. 65までの対物レンズを備えたものが用いられる。
[0003] 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 0. 1mmの光ディ スク（以下、 BD光ディスク、略して「BD」とよぶ）が開発されている。この BDの記録' 再生に用いる光ヘッド装置は、光源として波長え（以下、これを「BDの波長え 」とよ
1 1 ぶ)が 405nm帯の青色半導体レーザと、 NAが 0. 85の対物レンズを備えたものが用 いられる。ところ力 BDに対して波長えで波面収差がほぼゼロに最適設計された対
1
物レンズ (以下、「BD用対物レンズ」という）を用い、 DVDおよび CDの記録 ·再生を 行う場合、光ディスクのカバー厚の相違に起因した大きな球面収差が発生する。その 結果、情報記録層への入射光の集光性が劣化し、良好な記録'再生ができない。こ のような事情から、単一の対物レンズを用いてカバー厚の異なる 3種の光ディスクの 記録'再生ができる小型の 3波長互換光ヘッド装置の開発が検討されている。ところ で、この 3波長互換光ヘッド装置の実現に向けた光ヘッド装置の一つとして、 BD用 対物レンズとフレネルレンズを用いて DVDの記録'再生を行うことができる光ヘッド装 置が、提案されている（例えば、特開 2004— 71134号公報)。
この光ヘッド装置は、フレネルレンズとして、 DVDの NAに相当する領域に階段状 断面形状のホログラム格子を形成したものを用いている。このフレネルレンズは、 DV Dの波長え に対して凹レンズ機能が発現する（フレネルレンズ)形状とする一方、階
2
段状断面形状の各単位段差が、 BDの波長 λの光に対して約 1波長分の光路差に
1
相当するように形成しており、 BD用対物レンズと一体で用いる。これにより、 BDおよ び DVDの記録'再生ができる光ヘッド装置を構成している。しかし、 CDに対しては 収差補正機能がな 、ため、 3種の光ディスクの記録 ·再生を行うことは難 、。
また、 CD、 DVDおよび BDのカバー厚の相違に起因して発生する球面収差を位 相補正器により低減する光ヘッド装置も提案されている（例えば、特開 2003— 2077 14号公報)。
この光ヘッド装置では、 DVDの NAに相当する領域に階段状断面形状の位相補 正面を形成した DVD用位相補正素子と、 CDの NAに相当する領域に階段状断面 形状の位相補正面を形成した CD用位相補正素子とを備えており、 BD用対物レンズ と一体で用いる。
DVD用位相補正面の階段状断面形状の各単位段差を、 BDの波長えおよび CD
1 の波長 λ に対して波長の略整数倍の光路差を与える段差とし、 DVDの波長 λ に
3 2 対してのみ球面収差補正機能を発現させる。また、 CD用位相補正面の階段状断面 形状の各単位段差を、 BDの波長 λおよび DVDの波長 λ に対して波長の略整数
1 2
倍の光路差を与える段差とし、 CDの波長え に対してのみ球面収差補正機能を発現
3
させる。
しかし、各位相補正素子において所望の波長選択性を発現するためには、特殊な 屈折率波長分散を有するガラス材料が必用となるとともに、複数の深 、段差を精度 良く加工することが前提となり、安定して波長選択収差補正機能を得ることは難しい。 また、位相補正素子は、球面収差のみを補正するため、対物レンズと光ディスクとの 間隔 (以下、「作動距離」という）を拡張する凹レンズ機能は生じない。従って、 BD用 対物レンズを CD用位相補正素子と一体で用いた場合、 CDに対する作動距離が 0. 3mm以下となり、光ディスク回転時に光ディスクと対物レンズが接触することなく安定 して記録 ·再生することが難 、。
なお、 CD用位相補正素子の位相補正面を特開 2004— 71134号公報に示すフレ ネルレンズ形状とすることにより、凹レンズ機能が発現できる。ところが、この場合には 、凹凸部の段差および輪帯数が増大して、各段差の壁面に起因した BDの波長え
1 および DVDの波長え における高い回折次数の回折光が発生し、所望の凹レンズ機
2
能に相当する透過波面の効率が低下するので、問題である。
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、液晶レンズ素子に相当する光変調素子を用いる光ヘッド装置も提案され ている（例えば、特開平 9 230300号公報)。以下に、この光変調素子の横断面図 を図 16に示す。
この光変調素子 100は、略平行な 2つの透明基板 110、 120と、その間に狭持する 液晶層 130とを備えており、一方の透明基板 110の液晶側の面に同心円状のブレー ズ形状を有するフレネルレンズ形状の凹凸部 140を形成するとともに、 2つの透明基 板 110、 120の液晶側の面に電極 150および配向膜 160を形成している。また、液 晶層 130は、電界非印加時に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。
ここで、液晶層 130の常光屈折率 n、異常光屈折率 nのいずれか一方が透明基板
0 e
のブレーズ形状を有する凹凸部 140の屈折率 nにほぼ等しい構成とすることにより、
F
電界非印加時と電界印加時に、異常光偏光の入射光に対して、液晶層 130と凹凸 部 140との屈折率差 An力 Δη(=η— η )からゼロまで変化する。従って、この凹凸 e 0
部 140の深さを ΔηΧ (凹凸部の深さ） = (真空中の光の波長）とし、凹凸部 140の屈 折率 ηを ηと略等しくすることにより、異常光偏光の入射光に対して光変調素子 100
F e
は、電圧非印加時に凹レンズ機能のないオフ状態と電圧印加時に凹レンズが発現 するオン状態が切り替わる液晶レンズ素子となる。 この光変調素子 100を BD用対物レンズと一体ィ匕して光ヘッド装置に搭載して、 CD の記録 ·再生時にのみ光変調素子 100をオン状態とすることにより、光ディスクのカバ 一厚の相違に起因して発生する球面収差が補正できるとともに、作動距離を 0. 3m m以上に拡張する凹レンズ機能が発現する。一方、 BDおよび DVDの記録 ·再生時 は、光変調素子 100をオフ状態とすることで、高い透過率が得られる。
し力しながら、図 16に示された光変調素子 100に常光偏光が入射した場合、印加 電圧の有無に係わらず液晶層 130と凹凸部 140との屈折率差 Anに応じて透過波面 が変化する。特に、 BDおよび DVDの記録 *再生において、光変調素子 100に常光 偏光と異常光偏光の何れも入射するため、透過波面収差を劣化させ、記録 '再生が できない問題が生じる。
[0006] また、従来、一般に用いられている DVD光ディスクは、情報記録層が単層でカバ 一厚が 0. 6mm (以下、「単層 DVD光ディスク」という）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 DVD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. 63m mの位置に情報記録層が形成されて 、る。
BD光ディスクについても、情報記録層が単層でカバー厚が 0. 1mm (以下、「単層 BD光ディスク」という）に加えて、光ディスク 1枚当たりの情報量を増大させるために 2 層光ディスク（以下、「2層 BD光ディスク」という）が開発され、光入射側のカバー厚が 0. 100mmおよび 0. 075mmの位置に情報記録層が形成されている。
[0007] このように、単層光ディスク（すなわち、単層 DVD光ディスクあるいは単層 BD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（すなわち、 2層 DVD光ディスクあるいは 2層 BD光デイス ク)へ記録'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。
[0008] そこで、 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、例えば、特開平 10— 269611号公報に記載された波面収差補正手段 を備えた光ヘッド装置も提案されている。この光ヘッド装置では、特開平 10— 2696 11号公報の図 2に記載されるように、多層ディスクの記録層間隔に対応して発生する 球面収差成分を補正するセグメント液晶パネルが用いられて ヽる。
ところが、球面収差成分のみを補正する場合、対物レンズと別置きで液晶パネルを 用いた時、対物レンズのトラッキング時において生じる両素子の偏心に起因したコマ 収差が発生し問題となる。このような問題を回避するために、例えば液晶パネルを対 物レンズと一体で用いることが考えられる力 このような構成とした場合、対物レンズを 可動するァクチユエータの負荷が増すとともに、液晶パネルへの電圧印加機構が煩 雑となるといつた問題があった。
[0009] また、同じように 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 を補正する目的で、特開 2004— 103058号公報に記載の収差補正装置が提案さ れている。
この収差補正装置には、特開 2004— 103058号公報の図 2に記載するように、多 層ディスクの記録層間隔に対応する大きな収差を補正する粗調用のホログラム液晶 セルと、カバー層の相関誤差に対する球面収差を補正する微調用のセグメント液晶 セルと力もなる収差補正ユニットが用いられている。ここで、ホログラム液晶セルは、ガ ラス基板及び断面形状が鋸歯状のガラス基板の間に封入され、回折格子の断面形 状が鋸歯状のブレーズホログラム形状を有する液晶と、液晶の両側に液晶に電圧を 印加できるように配された透明電極と、を備えた液晶フレネルレンズとして構成されて V、る。電極は分割されて!、な 、一様な透明導電材料により形成されて 、る。
[0010] ところが、このホログラム液晶セルの場合、鋸歯状に表面が加工されたガラス基板 の表面に透明電極が形成されているため、断線しやすく安定した低抵抗の透明電極 の作製が困難であった。
[0011] また、近年、光ディスクの記録密度を向上させるため、波長 405nm帯の青色半導 体レーザと、 NAが 0. 65の対物レンズを備えた光ヘッド装置を用いる、カバー厚が D VDと同じ 0. 6mmの光ディスク（以下、 HDDVD光ディスク、略して「HD」とよぶ）が 開発されている。ところが、 HDD VDと BDではカバー厚が異なるため、 BD用対物レ ンズを用いた HDDVDの記録'再生が、あるいは、 HDDVD用対物レンズを用いた B Dの記録 '再生ができな 、と 、つた問題が生じる。
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0012] 本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、電圧非印加時のオフ状態では入射 光の偏光状態に係わらず透過波面変化が生じず、電圧印加時のオン状態では異常 光偏光入射光に対して凹レンズの機能が発現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 BDに対して最適設計された対物レンズと一 体で光ヘッド装置に搭載することにより、 BD、 DVDおよび CDの安定した記録 '再生 が実現する光ヘッド装置を提供することを目的とする。
[0013] さらに、本発明は、液晶レンズ素子を用いることにより、可動部のない小型な素子が 実現可能であるとともに、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 Z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。
さらに、本発明は、 BD用対物レンズまたは HDDVD用対物レンズを備えた光へッ ド装置において、 BDおよび HDDVDの光ディスクを記録'再生ができる BDZHDD VD互換光ヘッド装置を提供することを目的とする。
課題を解決するための手段
[0014] 本発明は、下記の内容を提供する。
1.対向する一対の透明基板と、この透明基板に液晶が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点を 変化させる液晶レンズ素子において、前記一方の透明基板の、他方の透明基板と対 向する平坦面に形成された断面が凹凸形状力 なる凹凸部を有するフレネルレンズ と、このフレネルレンズの形成された前記一方の透明基板のフレネルレンズ下部の平 坦面または前記フレネルレンズの凹凸部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前記第 2の透明電極とを備え、前記液晶層の実質的な屈折率 n(V)は、前記第 1の透明電 極と第 2の透明電極の間に印加する電圧 Vの大きさに応じて、異常光偏光の入射光 に対しては電圧非印加時 (v=o)のオフ状態の屈折率から電圧印加時のオン状態 の屈折率まで変化するとともに、常光偏光の入射光に対しては印加電圧に係わらず 常光屈折率 nであり、かつ、次の（1)から（3)のいずれかの要件を満たしていることを 特徴とする液晶レンズ素子。
(1)前記液晶層は、誘電異方性が負のネマティック液晶であり、前記オフ状態の液晶 分子の配向方向が前記フレネルレンズの表面に対して垂直または垂直に近い角度 であるとともに、前記フレネルレンズは、屈折率 nが前記液晶層の常光屈折率 nと同
F
一またはこれに近い値の均一屈折率材料力 なる。
(2)前記液晶層は、誘電異方性が正のネマティック液晶であり、前記オフ状態の液晶 分子の配向方向が前記フレネルレンズの表面に対して平行またはこれに近い状態で あるとともに、前記フレネルレンズは、液晶層の異常光屈折率 n (n≠n )と同一また
e e o
はこれに近い値の異常光屈折率 n と前記液晶層の常光屈折率 nと同一またはこれ
Fe
に近い値の常光屈折率 n (n ≠n )を有する複屈折材料からなる。
Fo fe fo
(3)前記液晶層は、誘電異方性が正のネマティック液晶であり、前記オフ状態の液晶 分子の配向方向が前記フレネルレンズの表面に対して平行またはこれに近い状態で あるとともに、前記フレネルレンズは、前記液晶層の異常光屈折率 nと同一またはこ
e
れに近い値の均一屈折率材料力 なり、かつ、前記一対の透明基板の一方には、前 記オフ状態での前記液晶レンズ素子への常光偏光の入射光と透過光との間に生じ る位相差を相殺するための偏光フレネルレンズが形成されて 、る、の 、ずれかである ことを特徴とする液晶レンズ素子。
このような液晶レンズ素子とすることにより、液晶レンズ素子の入射光の透過波面は 、オフ状態では入射光の偏光状態に係わらず変化しないが、オン状態では異常光偏 光の入射光に対して変化し、オン状態とオフ状態で焦点距離を切り替えることができ る。なお、ここで、「垂直または垂直に近い角度」、「平行またはこれに近い状態」の近 い角度、状態とは、垂直角度または平行状態から、それぞれ、 5度以内を意味する。 また、「屈折率 nと同一またはこれに近い値」の近い値とは、屈折率の 3パーセント以 内のばらつきを意味する。
2.入射する 3つの異なる波長え ^ λ , λ ( λ < λ < λ )について、前記一対の 透明基板の少なくとも一方の基板には、 1段の段差が波長え 1および波長え 3に対し ては波長の整数倍またはこれに近い値の光路長差で波長 λ
2に対しては波長の非整 数倍の光路長差である、複数の段差力もなる位相補正面が形成されていることを特 徴とする上記 1に記載の液晶レンズ素子。
このような液晶レンズ素子とすることにより、オフ状態で波長えの入射光に対しての
2
みその偏光状態に関わらず位相補正面により収差補正機能が発現する。なお、「波 長の整数倍またはこれに近い値」の近い値とは、 1波長の 5パーセント以内のばらつ きを意味する。
[0016] 3.本発明は、光源と、この光源力 の出射光をカバー層の厚さが異なる光記録媒 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の情報 記録層で反射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、オン 状態のときに発生する透過波面を変化させることにより前記光記録媒体に対して発 生する波面収差を補正する機能とともに対物レンズと前記光記録媒体との間隔を拡 大する凹レンズ機能を有する、上記 1または 2に記載の液晶レンズ素子力 前記光源 と前記対物レンズとの間の光路中に配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。
このような光ヘッド装置を用いることにより、カバー厚の異なる複数の光ディスクの記 録-再生において、液晶レンズ素子のオン状態でカバー厚の相違に起因して発生す る波面収差の補正と作動距離の拡張ができる。その結果、単一の対物レンズと液晶 レンズ素子を用いて複数の光ディスクの記録 ·再生を安定して行うことができる。
[0017] 4.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へ ッド装置において、前記光記録媒体はカバー層の厚さが異なる 2層以上の複数の情 報記録層を有し、前記光源と前記対物レンズとの間の光路中に、上記 1に記載の液 晶レンズ素子が設置され、前記液晶レンズ素子のオフ状態とオン状態の印加電圧切 り替えにより、前記カバー層の厚さが異なる情報記録層への記録および Ζまたは再 生を行なうことを特徴とする光ヘッド装置。 [0018] 5.上記 4に記載の光ヘッド装置において、前記液晶レンズ素子は、第 1の液晶レン ズ部と第 2の液晶レンズ部からなり、第 1および第 2の液晶レンズ部は、何れも、前記 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断面が凹凸形 状で前記液晶層の常光屈折率 nと同一またはこれに近!、値の均一屈折率材料から なり凹凸部を有するフレネルレンズと、このフレネルレンズの形成された前記一方の 透明基板の平坦面に形成された第 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前記第 2の透明電極とを備え、前記 液晶層は、誘電異方性が負のネマティック液晶であり、前記オフ状態の液晶分子の 配向方向が前記フレネルレンズの表面に対して垂直または垂直に近い角度であると ともに、液晶層の実質的な屈折率 n(V)は、前記第 1の透明電極と第 2の透明電極の 間に印加する電圧 Vの大きさに応じて、異常光偏光の入射光に対しては電圧非印加 時 (V=0)のオフ状態の屈折率力 電圧印加時のオン状態の屈折率まで変化すると ともに、常光偏光の入射光に対しては印加電圧に係わらず常光屈折率 nであり、ォ ン状態における前記第 1の液晶レンズ部と前記第 2の液晶レンズ部の液晶層の常光 屈折率の方向が互 ヽに直交して！/ヽることを特徴とする光ヘッド装置。
このような光ヘッド装置を用いることにより、入射光の偏光状態に係わらず、カバー 厚の異なるカバー層の厚さが異なる 2層以上の複数の情報記録層を有する光デイス クの安定した記録 ·再生が実現できる。
発明の効果
[0019] 本発明によれば、電圧非印加時のオフ状態では、入射光の偏光状態にかかわらず 液晶レンズ素子の出射光は波面変化がなく直進透過し、高い透過率が得られる。一 方、電圧印加時のオン状態では、異常光偏光の入射光に対して液晶レンズ素子は レンズ機能を発現できる。従って、電圧のオン'オフにより、レンズ機能の有無を切り 替えることができる。
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、 BDおよび D VDに対しては、液晶レンズ素子をオフ状態で用い、光ディスクの記録 ·再生が実現 できる。また、 CDに対しては、液晶レンズ素子をオン状態で用いて凹レンズ機能を発 現させ、カバー厚の相違に起因した波面収差を補正するとともに作動距離を 0. 3m m以上に拡大し、安定した記録 ·再生を実現できる。
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、 BDまたは C D用の単層光ディスクおよび 2層光ディスクにおいて発生するカバー厚の相違に起 因した波面収差を有効に補正できるため、安定した記録 ·再生を実現できる。
また、このような液晶レンズ素子と、 BD用または HDDVD用対物レンズを備えた光 ヘッド装置とすることにより、 BDおよび HDDVDの互換光ヘッド装置を実現できる。 図面の簡単な説明
[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え単位で表記したグラフ、 β は α力 波長え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
、 yは透過波面変化のない光路長差ゼロを示すグラフ。
[図 4]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図。
[図 5]本発明に係る第 1の実施形態の他の液晶レンズ素子の構成を示す縦断面図。
[図 6]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 7]本発明に係る第 2の実施形態の液晶レンズ素子の DVD用位相補正面の波面 収差補正作用を示す波面収差の部分拡大図。
[図 8]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、（Α)は印加電圧 Vのときの波長えの波面変化のない透過波面、 (
0 1
Β)は印加電圧 Vのときの波長 λ の発散透過波面、 (C)は印加電圧 Vのときの波長
0 2 Ρ
λ の発散透過波面を示す。
3
[図 9]本発明の液晶レンズ素子を搭載した第 3の実施形態の光ヘッド装置を示す構 成図。
[図 10]本発明に係る第 4の実施形態の液晶レンズ素子の構成を示す縦断面図。
[図 11]図 10に示す液晶レンズ素子の構成を示す横断面図。
[図 12]本発明に係る第 4の実施形態の液晶レンズ素子を搭載した光ヘッド装置を示 す構成図。 [図 13]本発明に係る第 4の実施形態の液晶レンズ素子を搭載した光ヘッド装置の一 部を示す構成図。
[図 14]本発明に係る液晶レンズ素子を搭載した光ヘッド装置の実施例 3と従来例の 波面収差性能計算値を示すグラフ。
[図 15]本発明に係る液晶レンズ素子を搭載した光ヘッド装置の実施例 4と従来例の 波面収差性能計算値を示すグラフ。
[図 16]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
1 半導体レーザ (光源）
2 偏光ビームスプリッタ
3 合波プリズム
4 コリメータレンズ
5 BD用対物レンズ
6 光検出器
7 ァクチユエータ
8 A CD用ユニット
8B DVD用ユニット
9 合波プリズム
10、 20、 30 液晶レンズ素子
11、 12、 12C、 12D、 21、 31、 310、 320 透明基板
13、 13C、 13D 第 1の透明電極
14、 14C、 14D 第 2の透明電極
15、 15C、 15D シーノレ
16、 16C、 16D 液晶層
17、 17C、 17D 凹凸部（フレネルレンズ）
18 回折格子
19 誘電体多層膜
22 偏光フレネルレンズ 23 透明接着材
32 位相補正面
33 位相板
40 光ヘッド装置
51 1Z4波長板
D 光ディスク
D1、D2 情報記録層
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、第 1の透明電極 13と、第 2の透明電極 14と、シール 15と、液晶層 16と、凹凸部 17と、回折格子 18とを備えて いる。
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 nの透明材料を用いて CDの開口数 NA =0. 50に
F 3
相当する有効径領域に形成されており、入射光の光軸 (Z軸）に関して回転対称性を 有する。一方、回折格子 18は、 DVDの開口数 NAを除き BDの開口数 NAを含む
2 1 領域に形成されており、 BDの波長え =405nmに対して 1波長に相当する位相差と
1
なる格子深さの矩形断面形状を有する。このように構成すると、回折格子 18に波長 λ の光が入射した場合、回折されることなく直進透過する。他方、波長え =660nm
1 2 および波長え = 790nmの光が入射した場合、大半の光は回折されて直進透過す
3
る光は 15%以下となる。すなわち、波長えの入射光は透明基板 12の開口数 NAの
1 1 全域を直進透過し、波長えおよび波長えの入射光は開口数 NAの領域のみ直進
2 3 2
透過する、波長選択性の開口制限機能が発現する。
[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 11の一方の平坦面（図 1では上面）に第 1の透明電極 13を形 成する。さらに、この透明電極 13上の開口数 NAの領域に、屈折率 nの透明材料を
3 F
用い凹凸部 17を形成する。
一方、透明基板 12の一方の表面（図 1では上面)で、開口数 NA =0. 65を除き開
2
口数 NA =0. 85を含む領域に、回折格子 18を形成する。この回折格子 18は、前
1
述したように、 BDの波長え =405nmに対して 1波長に相当する位相差となる格子
1
深さの矩形断面形状の凹凸格子に加工する。なお、透明基板 12の回折格子 18が 形成された表面には、波長え、え 、 λ に対して反射率が 0. 5%以下となる反射防
1 2 3
止膜を形成する。
さらに、透明基板 12の他方の基板面に第 2の透明電極 14を作製した後、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ユングしてシール 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。
次に、シール 15の一部に設けた注入口（図示せず)から常光屈折率 ηおよび異常 光屈折率 η (但し、 η≠η )を有するネマティック液晶を注入し、その後、この注入口 e 0 e
を封止し液晶をセル内に密封して液晶層 16を形成し、本実施形態の液晶レンズ素 子 10とする。
なお、本実施形態では、透明基板 11側に形成された電極 14Aを通して第 2の透明 電極 14に電圧を印加するため、あらカゝじめシール 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の透明電極 14と 電極 14Aを導通する。第 1の透明電極 13に接続された電極 13Aと、第 2の透明電極 14に接続された電極 14Aとに外部の交流電源を接続して、液晶層 16に交流電圧を 印加する。
このようにして、液晶レンズ素子 10の第 1の透明電極 13と第 2透明電極 14に交流 電圧 Vを印加することにより、液晶層 16に印加される電圧 V に応じて、液晶分子の
LC
配向が変化し、液晶層 16の実質的な屈折率が変化する。ここで、液晶層 16の「実質 的な屈折率」とは、入射光の偏光方向に対する液晶層 16の平均屈折率を意味し、 ( 光路長） ÷ (液晶層の厚さ）に相当する。その結果、入射光の特定の直線偏光に対し 、電圧 V の大きさに応じて液晶層 16の実質的な屈折率 n (V )が変化し、液晶レン
LC LC
ズ素子 10の透過光の波面が変化する。 [0024] 凹凸部 17の材料の電気比抵抗 p が液晶層 16の電気比抵抗 p に比べて充分小
F LC
さな値と見なされない場合、第 1の透明電極 13と第 2の透明電極 14の印加電圧 Vに 対して、凹凸部 17の電圧降下が生じ、実効的に液晶層 16に印加される電圧 V 力 S
LC
低下する。
凹凸部 17および液晶層 16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 17の電気容量 Cと液晶層 16の電気容量 C に応じて配分さ
F LC
れ、液晶層 16に印加される電圧 V が定まる。すなわち、第 1の透明電極 13と第 2の
LC
透明電極 14に狭持された凹凸部 17と液晶層 16の厚さの比率に応じて電気容量 C
F
とじ が変化するため、電圧 V および屈折率 n (V )が分布し、透明電極 13、 14間
LC LC LC
の平均屈折率、すなわち光路長を凹凸部 17の形状に応じて調整することができる。 その結果、凹凸部 17のフレネルレンズ形状に応じて、入射光の透過波面がパワー成 分 (レンズ機能）を示す印加電圧 Vが存在する。これにより、印加電圧 Vの切り替えで
P
透過光の集光点の切り替えができる液晶レンズ素子 10が得られる。
なお、電圧 V に対して液晶層 16の実質的な屈折率の大きな変化を得るために、
LC
液晶層 16の分子の配向方向が透明基板との界面で揃って 、ることが好まし 、。液晶 分子の配向方向を一定方向に揃えるために、第 2の透明電極 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配向材として用い液晶 分子の配向を揃えてもょ 、。
[0025] ここで、フレネルレンズ形状の透明材料カゝらなる凹凸部 17は、紫外線硬化榭脂ゃ 熱硬化榭脂、感光性榭脂などの有機材料でもよいし、 SiOや Al Oや SiO N (但し
2 2 3
、 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。また、均一屈折率材料 あるいは複屈折材料でもよい。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ゃ反応性イオンエッチングなどの技術に より凹凸状に加工してもよいし、金型を用いて透明材料層に凹凸部形状を転写しても よい。 なお、第 1の透明電極 13と第 2の透明電極 14の電圧非印加時 (V=0)のオフ状態 で、常光偏光 (偏光方向が Y軸方向の偏光面）の入射光に対して液晶レンズ素子 10 の透過波面が変化しない (パワーなし)機能を得るために、凹凸部 17の屈折率 n
Fを 液晶層 16の実質的な屈折率 n (V =0)とほぼ等しくする。
LC
電圧非印加時の液晶層 16の液晶分子の配向方向は、例えば、以下の 3種類があ る。
(i)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丄との差 である誘電異方性△ ε ( = ε — ε丄）が負の液晶を用いる場合、電圧印加により生
II
じる電界とは垂直方向に液晶の配向方向（すなわち、異常光屈折率 ηの方向）が揃 e
う。図 1において、凹凸部 17および第 2の透明電極 14の表面に液晶分子の配向方 向がその表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、 X軸方向にラビング処理する。その結果、電圧非印加時の液晶分子は凹凸部 17お よび第 2の透明電極 14の表面に対して略垂直方向に揃う垂直配向となる。この時、 異常光偏光 (偏光方向が X軸方向の偏光面。 X— Z面内の偏光面）の入射光に対し て液晶層 16の実質的な屈折率 n (O)は常光屈折率 nとなり、電圧 V の増加とともに
LC
異常光屈折率 nに近づく。
e
(ii)誘電異方性△ εが正の液晶を用い、図 1において、第 2の透明電極 14および凹 凸部 17の表面に液晶分子の配向方向が凹凸部 17および第 2の透明電極 14の表面 に略平行に揃う水平配向膜を形成し、液晶分子の配向方向が X軸方向に揃うホモジ 二ァス配向とする。この時、異常光偏光の入射光に対して液晶層 16の実質的な屈折 率 η (Ο)は液晶の異常光屈折率 ηとなり、電圧 V の増加とともに常光屈折率 ηに近 e LC o づく。
(iii)誘電異方性△ εが正の液晶を用い、図 1において、凹凸部 17の表面に垂直配 向膜を形成する。一方、平坦な第 2の透明電極 14の表面に X軸方向にラビング処理 した水平配向膜を形成する。その結果、液晶分子の配向方向が、凹凸部 17の表面 に対して略垂直方向に揃 、、第 2の透明電極 14の表面に対して略平行方向に揃う、 ハイブリッド配向となる。この時、異常光偏光の入射光に対して液晶層 16の実質的な 屈折率 η (0)は液晶の異常光屈折率 ηと常光屈折率 ηの平均値 (η +η ) Ζ2となり、 e o e o 電圧 V の増加とともに常光屈折率 nに近づく。
LC
[0027] 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、以下に詳細に説明する。
本発明の液晶レンズ素子 10を光ヘッド装置に搭載し、第 1の透明電極 13と第 2の 透明電極 14へ電圧 Vを印加したオン状態のときに、光ディスクのカバー厚の相違に
P
起因して発生する球面収差を補正する透過波面を生成させるとともに、作動距離を 拡張する負のパワー成分（凹レンズ機能）が付与された透過波面を生成させる。この とき、液晶レンズ素子 10に入射する異常光偏光の平面波の透過波面において、光 軸中心 (座標原点: x=y=0)の光線に対する半径 r離れた位置を通過する光線の光 路長差 OPDが、（1)式のようなべキ級数で記述されるようにする。
[0028] [数 1]
OPD (r) =a！ r2 +a 2 r 4 +a3 r 6 +a4 r 8 + · · ·
• · · (1)
但し、 r2 =x2 +y2
a ! , a 2、 · · · ；定数 （後述する、 凹凸部 17は [表 1] の係
数、 位相補正面 32では [表 2] の係数。 ）
[0029] [表 1]
Figure imgf000018_0001
[0030] および
[0031] [表 2] 健
a. 3.4553
1.0111
αΐ811
一 0.0164
a. Λ0074
[0032] ここで、 （1)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、 aのグラフは（1)式の中心軸（ r=0)を含む断面を示す。
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 るため、図 3の a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 (平行移動した)光路長差を示すグラフ βは、グラフ (Xと実質的に同 等である。一方、グラフ j8に示す光路長差は全てえ以内（図中では えからゼロの 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 1 0における凹凸部 17のフレネルレンズ形状に対応する。なお、図 3の γで示すグラフ は透過波面変化のない光路長差がゼロの透過波面を示す。
図 1に示す液晶レンズ素子 10では、オン状態で液晶層 16の実質的な屈折率 η (V
Ρ
)と凹凸部 17の屈折率 ηの大小関係が n (V ) >nの場合、図 1のような中心部が凸
F P F
のフレネルレンズ形状とすることにより、凹レンズ作用が発現する。一方、 n(V ) <n
P F
の場合、図 1と XY面対称の中心部が凸のフレネルレンズ形状とすることにより、凸レ ンズ作用が発現する。
[0033] ところで、凹凸部 17および液晶 16の電気比抵抗 ρ 、 ρ が電気的絶縁体と見な
F LC
せる大きな電気比抵抗の場合、電気等価回路において凹凸部 17と液晶層 16の電 気容量 C、C により凹凸部 17と液晶層 16への電圧配分が決定される。
F LC
そこで、透明電極間に印加する交流電圧 Vの交流周波数を f、凹凸部 17の比誘電 率を ε 、膜厚を d、液晶層 16の液晶の比誘電率を ε 、層厚を d とするときに、 f x
F F LC LC
ε X p X ε
O F Fおよび f X ε X p X ε
0 LC LCがそれぞれ 1より充分大きな場合について、 第 1の透明電極 13と第 2の透明電極 14の間の凹凸部 17および液晶層 16の拡大断 面図である図 4を用いて、液晶レンズ素子 10の作用を、以下に説明する。なお、 ε
0 は真空中の誘電率である。また、第 1の透明電極 13と第 2の透明電極 14の間隔を G とすると、凹凸部 17の膜厚 dと液晶 16の層厚 d の和（d +d )は一定値 Gである。
F LC F LC
第 1の透明電極 13と第 2の透明電極 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 V の比率 V ZVは、次式で記載される。
LC LC
[0034] [数 2]
VL C/V = C F/ (C F + C L c)
= 1/ (1+ (t L C / E F) X (d F/d L c) }
… （2)
[0035] ここで、凹凸部 17の膜厚 dはフレネルレンズを形成する鋸歯状または鋸歯を階段
F
形状で近似した断面形状に対応してゼロ力 dまで分布するため、 d /ά はゼロか
F LC
ら dZ(G— d)まで分布する。その結果、液晶層 16の印加電圧 V は、凹凸部 17の
LC
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、（2)式の比率 V ZVが増大するよ
LC
うに比誘電率 ε 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
F
電率 ε は約 4以上であるため、凹凸部 17は 4以上の比誘電率 ε とすることが好ま
LC F
しい。
また、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丄が異なるため、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 ε も変化する。従って、（2)式
LC
において、比誘電率 ε の V に応じた変化を反映し、凹凸部 17の形状に応じた液
LC LC
晶層 16の印加電圧 V の空間分布が定まる。 V は膜厚 dに依存するため、以後、
LC LC F
V [d ]と表記する。
LC F
なお、 V [0]は透明電極間の印加電圧 Vに等しい。
LC
[0036] 従って、凹凸部 17の膜厚 dの分布に応じて、異常光偏光の入射光に対する液晶
F
層 16の実質的な屈折率 n(V [d ])に空間分布が生じる。図 4において、凹凸部 17
LC F
の膜厚 dの位置の第 1の透明電極 13と第 2の透明電極 14の間の光路長は {n Xd
F F F
+n(V [d ]) Xd }であり、凹凸部 17のフレネルレンズ中心位置（d =d)の光路長 {n Xd+n(V [d]) X (G— d)}に対する光路長差 OPDは、（3)式となる。
F LC
[0037] [数 3]
OPD = nF X (d F— d) +n (V L c [d F] ) X (G - d F)
-n (VL c [d] ) X (G-d)
… （3)
[0038] なお、膜厚 dは dからゼロまで分布し、光路長差 OPDは、ゼロから (4)式の光路長
F
差 OPDまで分布する。
0
[0039] 画
OPD 0= in (V) -n (V L c [d] ) }
XG - {nF -n (VL c [d] ) } Xd
… （4)
[0040] 例えば、印加電圧 Vにおいて、 CDの波長 λ の入射光に対して、図 3のグラフ βに
Ρ 3
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 OPDが略え となるよ
3 うに、透明基板 11に形成された凹凸部 17の膜厚 dおよび第 1の透明電極 13と透明 基板 12に形成された第 2の透明電極 14の間隔 Gを決定するとともに、凹凸部 17を膜 厚ゼロ力も dに至る断面形状とすればよい。ここでは、光路長差 OPD力CDの波長
0
X に略等しく、すなわち、 0. 75 λ力ら 1. 25λ、となるよう四凸咅 17をフレネノレレン
3 3 3
ズ形状に加工する。
ここで、オフ状態とオン状態である印加電圧 V ( = 0)、 Vにおいて、液晶レンズ 10
0 Ρ
に入射する異常光偏光の平面波は、それぞれ図 3のグラフ γおよび |8に示す透過 波面となって出射する。すなわち、第 1の透明電極 13と第 2の透明電極 14の印加電 圧に応じて、オフ状態でパワーなし、オン状態で負のパワーに対応するレンズ機能が 得られる。
一方、液晶レンズ素子 10の入射光の直線偏光が常光偏光の場合、前述の垂直配 向、ホモジ-ァス配向およびノヽイブリツド配向の何れの場合も、液晶層 16の実質的な 屈折率は常光屈折率 ηとなり、印加電圧 Vの大きさに係わらず不変である。このとき、 (3)式で記述される光路長差 OPDは { (η— η ) X (d— d ) }となり、 (n n )がゼロ
F F F でない場合は、凹凸部 17の膜厚 dの分布に応じて液晶レンズ素子 10の透過波面は
F
変化する。異常光偏光の入射光に対して、オフ状態 (V=V [d ] =V [d] =0)で
LC F LC
パワーなしとする条件から、（3)式より凹凸部 17の異常光偏光に対する屈折率 nが n
F
=n (0)となり、液晶層 16が垂直配向では n =n、ホモジ-ァス配向では n =n、ハ
F F F e イブリツド配向では n = (n +n
F o e)Z2とする。
従って、凹凸部 17が均一屈折率材料の場合、常光偏光の入射光に対して、垂直 配向では（n— n )がゼロとなる力 ホモジ-ァス配向およびハイブリッド配向では、そ
F
れぞれ (n— n )および (n— n )Z2の値となり、光路長差 OPDの分布に起因して透 e e
過波面変化が生じる。
[0041] このような常光偏光の入射光に対する固定的な光路長差 OPDの空間分布を発生 させな 、ために、次に記載する液晶レンズ素子 10の構成とすることが好ま 、。 第 1の構成として、凹凸部 17の透明材料として高分子液晶などの複屈折材料を用 い、オフ状態で液晶層 16の異常光偏光および常光偏光に対して液晶層 16の屈折 率と凹凸部 17の屈折率が一致するように調整する。具体的には、異常光偏光に対し て凹凸 17部の屈折率 n が液晶層 16のオフ状態の実質的な屈折率 n(0)に等しぐ
Fe
常光偏光に対して凹凸部 17の屈折率 n が液晶層 16の常光屈折率 nに等しい複屈
Fo
折材料とし、入射光の偏光状態に係わらず光路長差 OPDの空間分布が発生しない 構成とする。例えば、高分子液晶から成る凹凸部 17の場合、高分子液晶の常光屈 折率 n および異常光屈折率 n をホモジニァス配向の液晶層 16の液晶の常光屈折
Fo Fe
率 nおよび異常光屈折率 nと一致させ、液晶層 16の凹凸部 17の界面の液晶分子 e
配向と同じ方向に高分子液晶を配向させればよい。
[0042] 次に、第 2の構成として（図 1の液晶レンズ素子 10の変形例）、図 5に液晶レンズ素 子 20の断面図を示す。液晶レンズ素子 20では、常光偏光の入射光に対して発生す る液晶レンズ素子 10の固定的な光路長差 OPDを相殺するため、偏光位相補正層と して透明基板 21に複屈折材料カゝら成る偏光フレネルレンズ 22を形成する。
ここで、はじめに、この透明基板 21、および偏光フレネルレンズ 22の作製方法を説 明すると、透明基板 21の片面（図 5では下側）に配向処理された配向膜を作製し、 Y 軸方向に分子配向の揃った高分子液晶膜を形成する。この高分子液晶膜を凹凸部 力もなるフレネルレンズ形状に加工し、その凹部に高分子液晶の常光屈折率 n と等 しい均一屈折率 nの透明接着材 23を充填するとともに透明基板 12に接着固定する
。ここで、高分子液晶の配向方向とオフ状態の液晶層 16の液晶の配向方向は直交 し、液晶層 16にとつて異常光偏光となる偏光方向が X軸方向の偏光面 (X— Z面内） に対して、高分子液晶の常光屈折率 n と透明接着材 23の屈折率 nは一致するため
、偏光フレネルレンズ 22の透過波面は変化しない。一方、液晶層 16にとつて常光偏 光となる偏光方向が Y軸方向の偏光面に対して、高分子液晶の異常光屈折率 n と 透明接着材 23の屈折率 nは異なり、偏光フレネルレンズ 22の透過波面はその凹凸 部のフレネルレンズ形状に応じた変化が生じる。この透過波面変化が液晶レンズ素 子 10の常光偏光入射光に対して発生する固定的な光路長差 OPDを相殺するように 高分子液晶の凹凸部形状とすれば、入射光の偏光状態に係わらずオフ状態の透過 波面が不変であるため好ましい。第 1の構成と比べ、高分子液晶の屈折率 n 、n は
、液晶の異常光屈折率 n、常光屈折率 nに制約されないため、材料選択の自由度 が高いといった長所がある。一方、偏光フレネルレンズ 22の形成により、液晶レンズ 素子が厚くなると 、つた短所がある。
また、図 5の液晶レンズ 20では、液晶レンズ 10の回折格子 18の代わりに、誘電体 多層膜フィルタ 19を透明基板 21の片面の所定領域に形成し、開口制限機能を発現 する。この誘電体多層膜フィルタ 19は、波長えを透過し、波長えおよび波長えを 反射する。
なお、図 5の符号で図 1と同じものは図 1と同じ要素を示す。
以上のように、図 1および図 5の液晶レンズ素子 10、 20は、何れも第 1の透明電極 1 3が透明基板 11の平面に成膜され、さらにその上に凹凸部 17からなるフレネルレン ズが形成された構成としている。しかし、透明基板 11の平面に凹凸部 17からなるフレ ネルレンズを形成し、凹凸部 17の表面に第 1の透明電極 13を成膜した構成としても よい。
その場合、第 1の透明電極 13と第 2の透明電極 14に印加する電圧 V力 凹凸部 17 で電圧降下することなく直接液晶層 16に印加されるため、凹凸部 17の膜厚 dに係 わらず液晶層 16の実質的な屈折率 n (V)は均一となる。従って、膜厚 dの凹凸部 17 の位置で、第 1の透明電極 13と第 2の透明電極 14の間の光路長は {n Xd +n(V)
F F
Xd }であり、凹凸部 17のフレネルレンズ中心位置（d =d)での光路長 {n Xd+n(
LC F F
V) X (G— d)}に対する光路長差 OPDは、（5)式のようになる。
[0044] [数 5]
OPD= {nF X d p + n (V) X d L c }
- (nF X d + n (V) X (G— d) )
= (V) — nF } X (d-d F)
… （5)
[0045] ここで、膜厚 dは dからゼロまで分布するので、（5)式で示す光路長差 OPDはゼロ
F
から {n(V)— n } Xdまで分布する。従って、例えば印加電圧 Vにおいて、 CDの波
F P
長えの入射光に対して図 3のグラフ |8に相当する透過波面の光路長差を生成する
3
ためには、光路長差 {n(V )—n }Xdが略え （すなわち、 0.75 λから 1.25λ )と
P F 3 3 3 なるように、凹凸部 17の膜厚 dを決定するとともに、凹凸部 17を膜厚ゼロ力も dに至る 断面形状とすればよい。
凹凸部 17の表面に第 1の透明電極 13を成膜した構成の場合、液晶層 16の印加電 圧 V は凹凸部 17の比誘電率や電気比抵抗など材質物性およびその形状に係わら
LC
ず、第 1の透明電極 13と第 2の透明電極 14の印加電圧 Vと一致する。このため、フレ ネルレンズの凹凸部 17の形状の設計が容易だが、凹凸部 17の表面に断線なく安定 して低抵抗の第 1の透明電極 13を形成することは難しい。一方、凹凸部 17の下面に 第 1の透明電極 13を成膜した構成の場合、液晶層 16の印加電圧 V は凹凸部 17の
LC
膜厚 dが厚い程低下し、それに応じて液晶層 16の実質的な屈折率 n(V [d ])が分
F LC F
布する。その結果、比較的薄い膜厚 dの凹凸部 17により大きな光路長差を得ることが できるため、凹凸部 17の成膜および加工プロセスが簡略ィ匕される t 、つた長所があ る。
[0046] 以上のようにして得られる液晶レンズ素子 10または 20において、オフ状態 (V=V し
[d ] =0)で、入射光はその偏光状態および波長に係わらず透過波面変化がなく (
C F
すなわち、パワーなし)液晶レンズ素子を直進透過し、高い透過率が得られる。また、 オン状態 (v=v )では、波長えの異常光偏光の入射光に対し凹レンズ相当の発散 透過波面 (すなわち、負のパワー成分）となって透過する。なお、常光偏光の入射光 に対しては印加電圧および波長に係わらず透過波面変化がなく（すなわち、パワー なし)直進透過し、高い透過率が得られる。
従って、液晶レンズ素子 10または 20に BDの波長えの光束が入射する場合、印加
1
電圧 Vをゼロにして (即ち、オフ状態）、開口数 NAの領域でほとんど光損失なく直進
1
透過できる。また、 DVDの波長えの光束が入射する場合、印加電圧 Vをゼロにして
2
、開口数 NAの領域でほとんど光損失なく直進透過できる。一方、 CDの波長えの
2 3 異常光偏光の光束が入射する場合、印加電圧 Vを Vにして (即ち、オン状態)、開口
P
数 NAの領域で凹レンズ機能の発散波面となって透過する。
3
また、本実施形態では、（1)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力
(1)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 17の加工およびその凹部への液晶 充填により作製できる。
また、本実施形態では、何れもベタ電極である第 1の透明電極 13と第 2透明電極 1 4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が、これ以外に、 例えば第 1の透明電極 13と第 2の透明電極 14の少なくとも一方の電極力 空間的に 分割されて独立に異なる交流電圧を印加でき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ょ ヽ。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。
また、 X軸方向の直線偏光に対して凹レンズ機能が発現する液晶レンズ素子と Y軸 方向の直線偏光に対して凹レンズ機能が発現する液晶レンズ素子を積層することに より、 CDの波長 λの入射光の偏光状態に係わらず、オン状態で、開口数 ΝΑの領
3 3 域で凹レンズ機能が発現する。具体的には、液晶層 16の液晶分子の配向方向を互 いに直交させた液晶レンズ素子 10を積層すればょ 、。高分子液晶などの複屈折材 料力もなる凹凸部 17を用いる場合、凹凸部 17の複屈折材料の光軸方向も互いに直 交させる。また、誘電異方性△ εが正の液晶からなる液晶層 16と均一屈折率材料か らなる凹凸部 17を用いる場合、入射偏光に係わらず発生する固定的な光路長差 ΟΡ Dを相殺するため、液晶レンズ素子の透明基板の表面に位相補正用のフレネルレン ズを形成すればよい。
[0048] [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 30の構成例について、図 6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 30では、第 1の実施形態と異なり、 BD用対物レンズ を用いて DVDの記録 ·再生を行う場合、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、透明基板 31の表面の開口数 ΝΑ =0. 65に相当する領域に
2
、 DVD用の位相補正面 32が形成されている。さらに、本実施形態では、位相板 33 が透明基板 31と透明基板 12に狭持されている点が、第 1の実施形態の液晶レンズ 1 0および 20と異なる。なお、図 6の符号で図 1と同じものは図 1と同じ要素を示す。
[0049] BD用対物レンズを用い DVDに対して開口数 ΝΑ =0. 65で波長え =660nmの
2 2
入射光を情報記録層に集光した場合、大きな球面収差が発生する。この場合、位相 補正素子 (例えば、特開 2004— 138895号公報を参照）を用いることにより、このよう な球面収差を補正して DVD光ディスクの安定した記録 ·再生ができる。
そこで、本実施形態の DVD用の位相補正面 32は、開口数 NAの領域に形成され
2
た入射光の光軸に関して回転対称性を有する階段状の凹凸部力 なり、凹凸部の各 段における波長 λの透過光の位相差が 2 πの偶数倍としている。
1
ここで、均一屈折率 ηの透明材料力もなる位相補正面 32の凹凸部の各段の透過光 の位相差を波長え に対して 2 πの偶数倍とすると、凹凸部材料の屈折率波長分散を
1
考慮し、波長え に対する位相差は 2 πのほぼ整数倍となる。従って、波長えおよび
3 1 波長 λ に対しては入射光の偏光状態にかかわらず位相補正面 32の凹凸部の透過
3
波面は変化することなく直進透過する。一方、波長えの
2 入射光に対しては位相補正 面 32の凹凸部の位相差が 2 πの非整数倍となり、凹凸部の形状に応じて透過波面 が変化する波長選択性の位相補正面となる。 光ディスクのカバー厚の相違に起因して発生する DVDの球面収差を補正する（1) 式で記載される光路長差 OPDの透過波面を生成するように、位相補正面 32の凹凸 部断面形状を決定する。なお、 DVD光ディスクとの作動距離を変えるため、パワー 成分が付与された透過波面としてもよい。この場合、位相補正面 32はその断面形状 が鋸歯状で、鋸歯状の各凸部が階段形状格子によって近似されたフレネルレンズ形 状となる。
[0050] この位相補正面 32は、例えば、図 3の aで示すグラフ（光路長差)を波長 λ の間隔
2 で分割して光路長差ゼロの面に射影した (平行移動した)光路長差を示すグラフ βに 相当する透過波面となる階段状格子の凹凸形状とする。ここで、（N+1)レベル (す なわち Ν段)の階段形状格子の高さ dを N等分した 1段の高さ dの光路長差 (n— 1)
N 1
Xdが波長え =405nmの偶数倍となるようにする。例えば、（n— 1) Xd = 2Χ λ
1 1 1 1 のとき、位相補正面 32に波長えの光が入射すると、凹凸部 1段の透過波面の位相
2
差は、 2π Χ(η— l)XdZ =2π Χ (2Χ λ /λ
1 2 1 2 )となり、透明基板 31の屈折率 波長分散を考慮すると、 2π Χ1. 18程度となる。すなわち、階段形状格子の 1段に つき実効的に 0.18波長だけ透過波面が遅れる。従って、鋸歯状の断面形状を Ν = 4または Ν = 5の階段形状格子に近似することにより、 DVDの透過波面のみを補正 する位相補正面 32となる。
ここで、位相補正面 32の波面収差補正作用を示す波面収差の部分拡大図を図 7 に示す。階段形状格子の 1段の高さ d
1に対応した補正光路長差 a={(n— 1) Xd
1 λ }を単位に、 1波長 λ分の波面収差を補正光路長差 aで分割することにより、近似
2 2
的に波面収差を補正する。図 7では 6レベル (5段)の階段形状格子による収差補正 例を示す。
[0051] 次に、図 6を参照しながら、透明基板 31と透明基板 12に狭持された位相板 33につ いて、説明する。
透明基板 31の表面に X軸と 45° の角度をなす方向に配向処理されたポリイミド配 向膜を形成し、液晶モノマーを塗布後に重合硬化させ、配向処理方向に分子配向 の揃った高分子液晶力もなる位相板 33を形成する。さらに、透明接着材（図示せず） を用いて透明基板 12に接着固定する。ここで、屈折率波長分散を考慮して高分子 液晶材料の膜厚を設定し、位相板 33のリタデーシヨン値 Rdを波長 λ に対して 9 λ
1 1
Ζ4とすると、波長え に対する Rdが略 5 λ Ζ4に、波長え に対する Rdが略え にな
2 2 3 3 る。すなわち、波長えおよび波長えでは 1Z4波長板となり、波長えでは波長板と
1 2 3
して機能しない。
[0052] このようにして得られる液晶レンズ素子 30に、 X軸方向（異常光)または Y軸方向（ 常光）の直線偏光が入射するときの透過光を図 8に示す。
オフ状態 (V=V =0)で、開口数 NAの領域に入射する BDの波長えの光束は、
0 1 1 図 8の (A)に示すように透過波面変化がなく円偏光となって直進透過する。また、開 口数 NAの領域に入射する DVDの波長 λの光束は、図 8の（Β)に示すように位相
2 2
補正面 32により発散光波面の円偏光となって透過する。また、オン状態 (V=V )で
P
X軸方向の直線偏光が入射した場合、開口数 NAの領域に入射する CDの波長え
3 3 の光束は、図 8の（C)に示すように X軸方向の直線偏光のまま凹凸部 17と液晶層 16 力 なるフレネルレンズにより発散光波面となって透過する。
なお、リタデーシヨン値 Rdおよび遅相軸の角度が異なる 2層または 3層の高分子液 晶からなる位相板を積層することにより、波長え 1と波長え 2と波長え 3に対してほぼ 1
Z4波長板に相当する位相板 33とすることもできる。この場合、 CDの波長えの入射
3 光の偏光状態に係わらず、オン状態で開口数 NA
3の領域で凹レンズ機能が発現す るように、 X軸方向の直線偏光に対して凹レンズ機能が発現する液晶レンズ素子と、 Y軸方向の直線偏光に対して凹レンズ機能が発現する液晶レンズ素子とを積層した 構成とすることが好ましい。
[0053] [第 3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 30 (図 6参照）を搭載した B D、 DVD、および CDの 3種の光ディスクの記録'再生に用いる 3波長互換光ヘッド装 置 40について、図 9を参照しながら説明する。
本実施形態の光ヘッド装置 40は、 BDの波長え =405nmの光源である半導体レ
1
一ザ 1と、偏光ビームスプリッタ 2と、合波プリズム 3と、コリメータレンズ 4と、 BD用対物 レンズ 5と、波長えの光検出器 6の他に、対物レンズ 5を保持するァクチユエータ 7に
1
液晶レンズ素子 30がー体ィ匕された構成のものである。 さらに、本実施形態の光ヘッド装置 40は、図示外の DVDの波長え =660nmの光
2
源である半導体レーザ、波長えの光検出器、およびビームスプリッタがー体ィ匕された
2
DVDユニット 8Aと、図示外の CDの波長え = 790nmの光源である半導体レーザ、
3
波長えの光検出器、およびビームスプリッタがー体ィ匕された CDユニット 8Bと、ビー
3
ムスプリッタ 9とを備えて 、る。
次に、本実施形態の作用について説明する。
(I)半導体レーザ 1から放射された波長 λ =405nmの光が偏光ビームスプリッタ 2で
1
反射され、合波プリズム 3を透過し、コリメータレンズ 4により平行光となりオフ状態の 液晶レンズ素子 30に常光偏光 (偏光方向が Y軸方向の偏光面）として入射する。さら に、液晶レンズ素子 30内の位相板 33 (図 6参照）により円偏光に変換され、図 8 (A) に示すように液晶レンズ素子 30を直進透過し、開口数 NA =0. 85に相当する光束
1
力 ¾D用対物レンズ 5により BD光ディスク Dの情報記録層へ集光される。一方、情報 記録層で反射した信号光は元の経路を経て、液晶レンズ素子 30内の位相板 33によ り異常光偏光 (偏光方向が X軸方向の偏光面）に変換され、液晶レンズ素子 30を直 進透過し、合波プリズム 3および偏光ビームスプリッタ 2を透過して光検出器 6の受光 面へ効率よく集光され、電気信号に変換される。
(Π)また、 DVDユニット 8A力も放射された波長え =660nmの光は、合波プリズム 9
2
を透過し、合波プリズム 3で反射された後、コリメータレンズ 4により集光され平行光と なりオフ状態の液晶レンズ素子 30に常光偏光として入射する。さらに、液晶レンズ素 子 30内の位相板 33 (図 6参照）により円偏光に変換され、液晶レンズ素子 30の回折 格子 18で開口制限された開口数 NA =0. 65に相当する光束は、液晶レンズ素子 3
2
0内の位相補正面 32 (図 6参照）により、光ディスクのカバー厚の相違に起因して発 生する収差を補正する図 8 (B)に示す透過波面に変換されて、 BD用対物レンズ 5〖こ より DVD光ディスク Dの情報記録層へ集光される。一方、情報記録層で反射した信 号光は元の経路を経て、液晶レンズ素子 30内の位相板 33により異常光偏光に変換 され、合波プリズム 3を反射し、合波プリズム 9を透過して DVDユニット 8A内の光検 出器の受光面へ集光され、電気信号に変換される。
(ΠΙ)また、 CDユニット 8B力も放射された波長え = 790nmの光は、合波プリズム 9お よび合波プリズム 3で反射された後、コリメータレンズ 4により集光され平行光となりォ ン状態の液晶レンズ素子 30に異常光偏光として入射する。さらに、液晶レンズ素子 3 0内の位相板 33により偏光面が変化することなぐ開口数 NA =0. 50に相当する光
3
束は、液晶レンズ素子 30内の凹凸部 17と液晶層 16 (共に、図 6参照）からなるフレネ ルレンズにより、光ディスクのカバー厚の相違に起因して発生する収差を補正するよ うに透過波面が図 8 (C)に示す発散光に変換されて、対物レンズ 5により CD光デイス ク Dの情報記録層へ集光される。情報記録層で反射した信号光は異常光偏光のまま 元の経路を経て、 CDユニット 8B内の光検出器の受光面へ集光され、電気信号に変 換される。ここで、開口数 NAを除く開口数 NAの直進透過する光束は CD光デイス
3 2
ク Dの情報記録層に集光されないため、結果的に NA領域のフレネルレンズが開口
3
制限機能をなす。
[0055] 図 9に示すように、液晶レンズ素子 30透過後の波長えおよび波長えの光が発散
2 3
光となるよう凹凸部 17および位相補正面 32 (共に、図 6参照）を加工することにより、 図 9の破線および点線で示す光路のように、 DVDおよび CD光ディスク Dの作動距 離を拡げることができるため、ァクチユエータ 7によりフォーカスサーボを起動させると きの安定性が向上する。
このように、本実施形態に係る光ヘッド装置 40によれば、 BD用対物レンズ 5と液晶 レンズ素子 30を一体化した複合レンズとして用い、 DVDおよび CDの光ディスク 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、作動距離を拡大する凹 レンズ機能も付加できる。その結果、 BD、 DVDおよび CDの 3種の光ディスクの安定 した記録 ·再生ができる小型 ·軽量な光ヘッド装置が実現する。
また、オフ状態の液晶レンズ素子 30は、波長えおよび波長えの光に対して高い
1 2
透過率を示すとともに、 1Z4波長板が一体ィ匕されているため、偏光ビームスプリッタ を併用した光利用効率の高い光学系が得られる。その結果、高倍速の BDおよび D VDの記録用光ヘッド装置に好適である。
[0056] [第 4の実施形態]
本発明の第 4の実施形態に係る液晶レンズ素子 50の構成例について、図 10に示 す側面図と図 11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 50は、第 1の実施形態に係る液晶レンズ素子 10と同 様の構成を有する第 1の液晶レンズ部 50Cと第 2の液晶レンズ部 50Dとからなる。そ れぞれ、透明基板 11、 12C、 12Dと、第 1の透明電極 13C、 13Dと、第 2の透明電極 14C、 14Dと、シーノレ 15C、 15Dと、液晶層 16C、 16Dと、 凸咅 17C、 17Dとを備 えている。
このうち、凹凸部 17C、 17D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、液晶層 16C、 16Dの常光屈折率 nと略等しい屈折 率 nの透明材料を用いて有効径 φ領域に形成されており、入射光の光軸 (Z軸）に
F
関して回転対称性を有する。
次に、この液晶レンズ素子 50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 12C、 12Dの片面に第 1の透明電極 13C、 13Dを形成する。さ らに、この透明電極 13C、 13D上の有効径 φの領域に、屈折率 nの透明材料を用
F
い、凹凸部 17C、 17Dを形成する。
一方、透明基板 11の両面に第 2の透明電極 14C、 14Dを作製した後、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ユングしてシール 15C、 15Dを形成 し、前述の透明基板 12C、 12Dと重ね合わせ、圧着して空セルを作製する。
次に、シール 15C、 15Dの一部に設けられた注入口（図示せず）から、負の誘電異 方性を有し、常光屈折率 nおよび異常光屈折率 n (但し、 n≠n )を有するネマテイツ
0 e 0 e
ク液晶を注入し、その後、この注入口を封止して液晶をセル内に密封して液晶層 16 C、 16Dを形成し、本実施形態の液晶レンズ素子 50とする。
なお、本実施形態では、透明基板 11側に形成された電極 13A (図 11参照）を通し て第 1の透明電極 13C、 13Dに電圧を印加し、電極 14A (図 11参照）を通して第 2の 透明電極 14C、 14Dに電圧を印加する。電極 13Aと電極 14Aとに外部の交流電源（ 図示せず)を接続して、液晶層 16C、 16Dに交流電圧を印加する。
また、第 1および第 2の透明電極間の印加電圧に応じて、液晶層 16C、 16Dの液晶 分子の配向がそれぞれ X方向および Y方向に揃うよう、少なくとも第 2の透明電極 14 C、 14Dの表面に X方向および Y方向に配向処理された配向膜（図示せず）が形成 されている。 [0058] 凹凸部 17C、 17Dおよび液晶層 16C、 16Dが電気的に絶縁体と見なせる大きな電 気比抵抗の場合、凹凸部 17C、 17Dのフレネルレンズ形状に応じて、入射光の透過 波面がパワー成分 (レンズ機能)を示す印加電圧 Vが存在する。これにより、印加電
P
圧 Vの切り替えで透過光の集光点の切り替えができる液晶レンズ素子 50が得られる 。ここで、第 1の液晶レンズ部 50Cは X方向の直線偏光に対して、第 2の液晶レンズ 部 50Dは Y方向の直線偏光に対して、焦点距離の切り替え機能が発生するため、液 晶レンズ素子 50は入射偏光状態に関わらず焦点距離の切り替え機能が発生する。 また、図 10に示す液晶レンズ素子 50では、中心部が凹状の凹凸部 17C、 17Dか らなるフレネルレンズであり、印加電圧 Vのとき液晶層の実質的な屈折率は凹凸部
P
の屈折率より大きいため、正のパワー成分（凸レンズ機能）が付与された透過波面を 発生させる。
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 17C、 17Dの断面 形状は、第 1の実施形態に係る液晶レンズ素子 10において詳述したように、透過光 の光路長差 OPDが、（1)式で記述されるようにカ卩ェする。
[0059] 本実施形態の液晶レンズ素子 50の場合は、単層および 2層光ディスクの記録'再 生用の光ヘッド装置において、カバー厚の相違に起因して発生する球面収差を補正 するとともに、対物レンズと別置きで配置し、対物レンズがトラッキング時に液晶レンズ 素子 50と偏心が生じた場合でも収差劣化が生じないように、凹凸部 17C、 17Dの形 状が決定される。
印加電圧 Vにおいて、第 1の液晶レンズ部 50Cと第 2の液晶レンズ部 50Dにより発
P
生する正のパワー成分が付与された透過波面は、凹凸部 17C、 17Dのフレネルレン ズ形状によって決定される。したがって、凹凸部 17C、 17Dを同一形状とすることによ り、 X方向および Y方向の直線偏光入射光に対して同じ透過波面となる。
図 10において、凹凸部 17Cと 17Dは透明基板 11を隔てて形成されているため、そ の間隔に相当する像点位置の差異が生じる。このような入射偏光による像点位置の 差異を解消するように、凹凸部 17Cと 17Dの輪帯形状を異なるように作製してもよい 。また、 X方向と Y方向の直線偏光入射光に対して全く異なるパワー成分が発生する ように凹凸部 17Cと 17Dの形状を独立に設定してもよい。 [0060] 次に、本発明の第 4の実施形態に係る液晶レンズ素子 50を搭載した単層および 2 層の BD光ディスクあるいは DVD光ディスクの記録'再生に用いる光ヘッド装置 60に ついて、その構成図を示す図 12を参照しながら説明する。
本実施形態の光ヘッド装置 60において、図 9に示す第 3の実施形態に係る 3波長 互換光ヘッド装置 40と同じ機能の光学部品は、同一符号を用い、説明を省略する。 例えば、カバー厚 0. 100mmの単層 BD光ディスクに対して収差が最小となるよう に設計された対物レンズ 550を用いる光ヘッド装置 60において、 2層 BD光ディスク のカバー厚 0. 075mmの情報記録層 D1への記録 ·再生時に、印加電圧 V (オン状
P
態）の液晶レンズ素子 50により凸レンズ相当の正のパワー成分を発生させることによ り、収差発生を低減する。ここで、カバー厚 0. 100mmの単層および 2層 BD光デイス クの情報記録層 D2に対しては、液晶レンズ素子 50に電圧印加しない (オフ状態)こ とにより透過波面変化は生じないため、安定した記録 '再生が実現する。
[0061] なお、例えば、 2層 BD光ディスクのカバー厚 0. 100mmと 0. 075mmの中間の力 バー厚 0. 0875mmに対して収差が最小となるように設計された対物レンズ 5を用い る場合、対物レンズ 5に入射する光束をわずかに発散光とする有限系配置により、力 バー厚 0. 100mmで収差が最小となる。この場合も、液晶レンズ素子 50の印加電圧 の切り替えにより、単層および 2層 BD光ディスクの情報記録層 Dl、 D2に対して安定 した記録'再生が実現する。
[0062] また、例えば、カバー厚 0. 59mmの光ディスクに対して収差が最小となるように設 計された対物レンズを用いる光ヘッド装置において、カバー厚 0. 62mmの光デイス クに対して、印加電圧 Vの液晶レンズ素子 50により凹レンズ相当の負のパワー成分
P
を発生させることにより、収差発生を低減する。従って、カバー厚 0. 61mm力も 0. 6 3mmの 2層 DVD光ディスクの情報記録面 D2の記録.再生時には、液晶レンズ素子 50に電圧 Vを印加することにより、安定した記録再生が実現する。一方、カバー厚 0
P
. 60mmの単層 DVD光ディスクおよびカバー厚 0. 57mm力ら 0. 59mmの 2層 DV D光ディスクの情報記録面 D1の記録 ·再生時には、液晶レンズ素子 50に電圧印加 せず、対物レンズの収差性能により記録 ·再生を行う。その結果、液晶レンズ素子 50 への印加電圧のオン 'オフの切り替えにより、単層および 2層光ディスクの安定した記 録'再生が実現できる。
なお、カバー厚 0. 60mmの単層 DVD光ディスクに対して収差が最小となるように 設計された対物レンズを用いる光ヘッド装置において、対物レンズに入射する光束を わずかに発散光とする有限系配置により、例えば、カバー厚 0. 61mmで収差が最 小となる。印加電圧 Vの液晶レンズ素子 50により凸レンズ相当の正のパワー成分を
P
発生させることにより、カバー厚 0. 59mmの光ディスクに対して収差発生を低減する 。すなわち、液晶レンズ素子 50の印加電圧の切り替えにより、カバー厚 0. 59mmお よび 0. 6 lmmで収差を最小とすることができる。
また、液晶レンズ素子 50と対物レンズ 5の間の光路中に 1Z4波長板 51を配置し、 偏光ビームスプリッタ 2に入射する往路と復路の偏光を直交化させることにより、高効 率ビームスプリッタとしている。ここで、液晶レンズ素子 50には往路と復路で直交する 直線偏光が入射するが、何れの偏光に対しても収差補正機能が発現し、安定した記 録'再生性能が維持できる。
[第 5の実施形態]
本発明の液晶レンズ素子を搭載した BDおよび HDDVDの光ディスクを記録'再生 できる BDZHDDVD互換光ヘッド装置の実施形態について、図 13に示す BD用対 物レンズ 5と液晶レンズ 50がァクチユエータ 7に固定された構成図を用いて、以下に 説明する。
本実施形態の液晶レンズ素子 50は、図 10に示す第 4の実施形態に係る液晶レン ズ素子 50と同様の構成を有するが、以下の点が第 4の実施形態と異なる。
液晶レンズ素子 50は、 NA0. 85の BD用対物レンズ 5の有効径に対応した光透過 領域を有するが、凹凸部 17C、 17D (図 10参照）は NA0. 65に相当する有効経に のみ形成されている。また、 NA0. 65領域の波長えの入射光を BD用対物レンズ 5
1
を用いてカバー厚 0. 60mmの HDDVD光ディスクの情報記録層に集光するとき発 生する球面収差を補償するとともに対物レンズと光ディスクの間隔を拡大するように、 凹凸部 17C、 17Dは、印加電圧 Vの時、液晶レンズ素子 50により負のパワー成分（
P
凹レンズ機能）が付与された透過波面を発生させるようなフレネルレンズ形状として ヽ る。 [0064] ここで、 BD光ディスク D (BD)を記録 ·再生する時、図 13 (A)に示すように、液晶レ ンズ素子 50に電圧印加しない (オフ状態)ことにより透過波面変化は生じないため、 透過光（実線で示す）は BD用対物レンズ 5によりカバー厚 0. 100mmの情報記録層 に効率よく集光され、 BD光ディスクの安定した記録 '再生が実現する。
一方、 HDDVDD光ディスク D (HD)を記録 ·再生する時、図 13 (B)に示すように、 液晶レンズ素子 50に電圧 Vを印加する（オン状態）ことにより、液晶レンズ 50の NA0
P
. 65領域の透過光（実線で示す）は発散光となって BD用対物レンズ 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、 HDDVD光ディスクの安定した記録 '再生が実現する。なお、 NA0. 85中で NA0. 65領域外の光束は液晶レンズ素子 5 0を直進透過 (破線で示す）し、 BD用対物レンズ 5により HDDVD光ディスクの情報 記録層に集光されないため、 NA0. 65領域の記録 ·再生用の光束に影響を与えるこ とはない。その結果、 BD用対物レンズと液晶レンズ素子を用いることにより、規格の 異なる BD光ディスクと HDDVDD光ディスクの記録 ·再生ができる BDZHDDVD互 換光ヘッド装置が実現する。
[0065] 本実施形態では、 X方向の直線偏光に対して機能する第 1の液晶レンズ部 50C ( 図 10参照）と、 Y方向の直線偏光に対して機能する第 2の液晶レンズ部 50D (同じく 、図 10参照）から成る液晶レンズ素子 50を用いているため、入射光の偏光状態に関 わらず焦点距離の切り替え機能が発生する。従って、 1Z4波長板はコリメータレンズ と液晶レンズ部 50との間あるいは BD用対物レンズと液晶レンズ部 50との間の何れ の光路中に配置してもよい。また、液晶レンズ部 50の代わりに、図 1に示す液晶レン ズ部 10、あるいは、図 6に示す液晶レンズ部 30と同様の構成としてもよい。この場合 も、凹凸部 17は NA0. 65に相当する有効経にのみ形成され、 NA0. 65領域の波長 λの X方向の直線偏光入射光を BD用対物レンズ 5を用いてカバー厚 0. 60mmの
1
HDDVD光ディスクの情報記録層に集光する時発生する球面収差を補償するととも に、対物レンズと光ディスクの間隔を拡大するように、印加電圧 Vの時、液晶レンズ
P
素子により負のパワー成分（凹レンズ機能）が付与された透過波面を発生させる凹凸 部 17からなるフレネルレンズ形状として!/、る。
[0066] なお、本実施形態では BD用対物レンズ 5と液晶レンズ 50がァクチユエータ 7に固 定された構成例を説明した力 液晶レンズ 50をァクチユエータ 7に搭載せずコリメ一 タレンズと BD用対物レンズ 5との間の光路中の固定部に配置してもよい。この場合、 ァクチユエータ 7の重量負荷が軽減されるといった利点がある。
また、本実施形態ではカバー厚 0. 100mmの BD光ディスクに対して設計された B D用対物レンズを用いる BDZHDDVD互換光ヘッド装置の例を示した力 別の対 物レンズを用いてもよい。例えば、対物レンズの NA0. 65領域は波長えの平行入射
1 光に対してカバー厚 0. 60mmの HDDVD光ディスクの情報記録層に集光するよう に設計され、対物レンズの NA0. 65領域外かつ NA0. 85領域内の輪帯領域は波 長えの平行入射光に対してカバー厚 0. 100mmの BD光ディスクの情報記録層に
1
集光するように設計された対物レンズを用いる。このような対物レンズに波長えの
1 平 行光が入射すると、 NA0. 65領域と前記輪帯領域では集光点が異なり、 NA0. 65 領域の光束は効率よく HDDVD光ディスクの情報記録層に集光されるため、 HDDV D光ディスクの安定した記録 '再生が実現する。一方、 NA0. 65領域外、かつ、 NA0 . 85領域内の輪帯領域の光束は BD光ディスクの情報記録層に集光される力 NA0 . 65領域の光束は集光されない。そこで、 NA0. 65領域の光束が前記輪帯領域の 光束と同様 BD光ディスクの情報記録層に集光されるように、液晶レンズ素子を用い 、カバー厚 0. 100mmの BD光ディスクの情報記録層に集光するときに発生する球 面収差を補償するように、印加電圧 Vの時、液晶レンズ
P 素子により正のパワー成分（ 凸レンズ機能）が付与された透過波面を発生させる凹凸部 17 (17C、 17D)力もなる フレネルレンズ形状とすればよ 、。 実施例
[0067] 「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 30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。
初めに、この液晶レンズ素子 30の作製方法について説明する。
[0068] (i)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、第 1の透明 電極 13とする。その上に、 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スパッタリング法により、均一な屈折率 n ( = 1. 49)で膜厚 d (= 3. O ^ m)の SiO N膜を成膜する。
さらに、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ユングした後、反 応性イオンエッチング法により SiO N膜を図 3のグラフ 13の形状に相当するようにカロ ェする。その結果、開口数 NA =0. 50に対応する有効径 2. 65mmの領域に、図 6
3
に断面を示すようなフレネルレンズを 16段の階段状で近似した凹凸部 17を加工する 。その後、凹凸部 17の表面に垂直配向膜 (図示せず)を膜厚約 50nm形成する。
[0069] (ii)また、透明基板 12であるガラス基板上に透明導電膜 (ITO膜)を成膜し、第 2透 明電極 14とする。さらにその上に、垂直配向膜 (図示せず)を膜厚約 50nm形成し、 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。そして、透明基板 12の第 2 透明電極 14側に、直径 8 mのギャップ制御材が混入された接着材を印刷パター- ングしてシール 15とし、透明基板 11と重ね合わせて圧着し、空セルを作製する。そ の後、液晶を空セルの注入口（図示せず)から注入し、その注入口を封止して液晶層 16を形成して液晶レンズ素子 10とする。この液晶層 16の液晶としては、常光屈折率 n ( = 1. 49)および異常光屈折率 n ( = 1. 64)で負の誘電異方性（△ ε = ε — ε
II
丄 =— 10)を有するネマティック液晶を用いる。また、この液晶は、電圧非印加時に 凹凸部 17および第 2の透明電極 14の面に垂直に配向し、電圧印加とともに X軸方 向に液晶分子が傾き、ホモジ-ァス配向に近づく。
[0070] (m)このようにして得られる液晶レンズ素子 10の第 1の透明電極 13と第 2の透明電 極 14に交流電源を接続し、矩形交流電圧 Vを印加する。印加電圧 Vに対して液晶 層 16に配分される印加電圧 V の比率 V ZVは、図 4に示す凹凸部 17の膜厚 dお
LC LC F
よび液晶層 16の層厚 d に応じて（2)式で関係付けられ、凹凸部 17からなるフレネ
LC
ルレンズ形状に対応した電圧分布 V が生じる。その結果、偏光方向が X軸方向であ
LC
る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 dの分布に対して透
F
明電極間の光路長差 OPDが（3)式で記載されるように分布する。 SiO N膜からなる 凹凸部 17の膜厚 dは dからゼロまで分布し、フレネルレンズ形状の中心部（d =d)に
F F
対する光路長差 OPDはゼロから (4)式の OPDまで分布する。
0
[0071] ここで、電圧非印加時 (V=V =0)の液晶層 16は、 n (0) =nの均一屈折率層とな
0
り、凹凸部 17の SiO N膜の屈折率 nと一致するため、入射光の波長および偏光状
F 態に依存することなく OPDはほぼゼロとなる。すなわち、透過波面は変化することな
0
く直進透過する。
一方、透明電極間の印加電圧 Vを増加させると、異常光編光に対する (4)式の OP Dは変化し、 CD用の波長え = 790nmに対して OPDが略えとなる印加電圧 Vが
0 3 0 3 P 存在する。従って、液晶レンズ素子 30に入射する波長えの異常光編光は、印加電
3
圧 Vと Vの切り替えによりパワーなしの透過波面と図 3の βに相当する負のパワーの
0 Ρ
発散光透過波面に切り替わる。
波長え =405nmで焦点距離 2. 40mmの BD用対物レンズを、波長え = 790nm
1 3 で CD光ディスクに用いると、最大光路長差が約 1. 4 λで、 RMS波面収差が約 437
3
m l に相当する大きな球面収差が発生する。
3
[0072] (iv)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、印加電圧 V の透過波面が、前述の表 1に示す係数 a〜aの値を用いて（1)式で表記される図 3
P 1 5
のグラフ aに相当するグラフ j8の光路長差 OPDとなるように、凹凸部 17を加工する。 ただし、（1)式の光路長差0?0は 111]単位で、 rは [mm]単位である。
本例ではフレネルレンズの凹凸部 17を 16段の階段形状によって近似しているため 、矩形波形の交流実効電圧である印加電圧 V = 3. 8Vで (4)式で記述される電極
P
間の光路長差 OPDが略 0. 74 /z mとなるように、凹凸部 17の厚さが d= 3. で
0
電極間隔 Gを 8 μ mとしている。
波長え = 790nmで印加電圧の切り替え V、 Vにおいて発生する透過波面の生
3 0 P
成効率の計算値は、それぞれ 100%、 98%となる。
[0073] (V)次に、透明基板 31である石英ガラス基板の表面の開口数 NA =0. 65に相当
2
する有効径 3. 2mmの領域に、透明基板 31での凹凸部の 1段の段差 dが 1.
1
で 6レベル 5段の階段状格子カゝらなる位相補正面 32を形成する。ガラス基板は波長 λで屈折率 1. 47、波長 λおよび波長 λ で屈折率 1. 45であり、 1段の位相差は
1 2 23
波長えで 2. Ο λ 、波長えで 1. 18 λ 、波長えで 0. 99 λとなる。従って、位相補
1 1 2 2 3 3
正面 32を透過する波長えの透過光は凹凸形状に応じて波面変化が生じるが、波長
2
λおよび波長えの透過光の波面変化は生じない。
1 3
前述の BD用対物レンズを波長え = 660nmで DVD光ディスクに用いると、最大光 路長差が約 2. 7 λで、 RMS (Root Mean Square)波面収差が約 794m λ に相当す
2 2 る大きな球面収差が発生する。
そこで、この球面収差を補正するため、透過波面が前述した表 2に示す係数 a〜a
1 5 の値を用いて（1)式で表記される図 3のグラフ aに相当するグラフ βの光路長差 OP Dとなるように、透明基板 31の表面に位相補正面 32をカ卩ェする。
[0074] (vi)また、透明基板 31の開口数 NA =0. 65を除き開口数 NA =0. 85を含む有
2 1
効径 3. 8mmから 4. 2mmに相当する輪帯領域に、深さが 0. の矩形断面形 状の回折格子 18を形成する。回折格子の段差の位相差は波長えで 1. 01 λ、波
1 1 長えで 0. 59 λ 、波長えで 0. 50 λ となる。従って、波長えの光は回折されること
2 2 3 3 1
なく直進透過するが、波長えおよび波長えの光は大半が回折されて直進透過光は
2 3
15%以下となり、開口制限機能が得られる。
[0075] (vii)さらに、透明基板 31の他方の面に高分子液晶膜からなる位相板 33を形成す る。透明基板 31の面内で X軸に対して 45° の角度をなす方向に分子配向した、膜 厚 6. 8 /z mの高分子液晶膜とする。高分子液晶膜の複屈折率 Anを、波長えで 0. 134、波長えで 0. 122、波長えで 0. 117とすると、位相板 33のリタデーシヨン値 R
2 3
dは、波長えで 2. 25 λ、波長えで 1. 26 λ、波長えで 1. 00 λ となる。従って、
1 1 2 2 3 3
位相板 33は波長えおよび波長えで 1Z4波長板相当となり、波長えでは波長板と
1 2 3
して機能しない。
[0076] (viii)最後に、透明基板 31の位相板 33の形成された面を液晶レンズ素子 10に接 着固定し、液晶レンズ素子 30とする。その結果、第 2の実施形態で説明した作用'効 果が得られる。また、液晶レンズ素子 30を第 3の実施形態において説明した図 9に示 す光ヘッド装置 40のァクチユエータ 7に搭載する。
[0077] 本例によれば、例えば図 9において、光ディスク Dへと光が集光される往路におい て、液晶レンズ素子 30がオフ状態のとき、 BDの波長えの常光偏光 (偏光方向が Y
1
軸方向の偏光面）の入射光に対して、作動距離 0. 96mm隔てたカバー厚 0. lmm の BD光ディスクの情報記録層に良好に集光できる。また、 DVDの波長えの常光偏
2 光の入射光に対して、作動距離 0. 68mm隔てたカバー厚 0. 6mmの DVD光デイス クの情報記録層に良好に集光できる。さらに、液晶レンズ素子 30がオン状態のとき、 CDの波長 λの異常光偏光 (偏光方向が Υ軸方向の偏光面)の入射光に対して、作
3
動距離 0. 60mm隔てたカバー厚 1. 2mmの CD光ディスクの情報記録層に良好に 集光できる。
また、光ディスク Dでの反射光が光検出器へ集光される復路において、波長えお
1 よび波長えの光は液晶レンズ素子 30により異常光偏光に変換され、各光検出器に
2
良好に集光する。波長 λの光は異常光偏光のまま液晶レンズ素子 30を出射し、光
3
検出器に良好に集光する。その結果、 BD用対物レンズ 5と液晶レンズ素子 30を用 いて、 BD、 DVD,および CDの 3種の光ディスクの記録'再生が実現する。
[0078] 「例 2」
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および図 4を参照しながら、以下に説明する。
例 1の液晶レンズ素子 30における液晶レンズ素子 10と、例 2の相違は、以下の 2点 である。すなわち、凹凸部 17からなるフレネルレンズとして SiO N膜の代わりに高分 子液晶を用い、凹凸部 17の形状を図 1の中心部が凸型のフレネルレンズが中心部 が凹型のフレネルレンズとする。また、液晶層 16の液晶として、負の誘電異方性を有 するネマティック液晶の代わりに正の誘電異方性を有するネマティック液晶を用いる。
[0079] ここで、高分子液晶は、常光屈折率 n ( = 1. 52)および異常光屈折率 n ( = 1. 6
Fo Fe
6)で、 X軸方向に分子配向した膜厚 3. 2 mの凹凸部 17とする。また、液晶層 16の 液晶は、常光屈折率 n ( = 1. 50)および異常光屈折率 n ( = 1. 66)で、誘電異方性 e
△ εが 11であって、電圧非印加時の液晶分子の配向方向を高分子液晶と同じ X軸 方向に揃える。高分子液晶からなる凹凸部 17の表面には配向膜を形成せず、高分 子液晶の表面を直接 X軸方向にラビング処理することにより、電圧非印加時の凹凸 部 17表面の液晶分子の配向が X軸方向に揃うホモジ-ァス配向とする。また、電圧 印加とともに Ζ軸方向に液晶分子が傾き、垂直配向に近づく。
[0080] 常光偏光および異常光偏光に対して、電圧非印加時 (V=V =0)の液晶層 16の 実質的な屈折率は、凹凸部 17の屈折率と略一致するため、入射光の波長および偏 光状態に依存することなぐ凹凸部 17の膜厚 dの位置の第 1の透明電極 13と第 2の
F
透明電極 14の間の光路長と、フレネルレンズ中心位置（d =0)の光路長との光路長 差 OPDは dの値に係わらずほぼゼロとなる。すなわち、オフ状態の液晶レンズ素子 1
F
0の入射光は透過波面が変化することなく直進透過する。
一方、透明電極間の印加電圧 Vを増加させると、異常光編光の入射光に対する (4 )式の OPDは変化し、 CDの波長え = 790nmに対して OPDが略えとなる印加電
0 3 3
圧 Vが存在する。従って、液晶レンズ素子 10に入射する波長えの異常光編光は印 p 3
加電圧 Vと Vの切り替えにより、パワーなしの透過波面と図 3の βに相当する負のパ
0 Ρ
ヮ一の発散光透過波面に切り替わる。従って、例 1の液晶レンズ素子 10の部分と同 じ作用 ·効果が得られる。
[0081] 次に、この液晶レンズ素子 10を第 3の実施形態において説明した図 9に示すァクチ ユエータ 7に搭載した光ヘッド装置 40について説明する。ここで、 BD用対物レンズ 5 として、図 5の液晶レンズ素子 30の DVD用位相補正面 32が対物レンズの表面に形 成された DVD互換対応の BD用対物レンズを用いる。また、図 6の液晶レンズ 30の 位相板 33の部分が一対の透明基板に狭持された単一の位相板素子を、合波プリズ ム 3とコリメータレンズ 4の間の光路中に配置する。
このような構成とした場合、液晶レンズ素子 10に入射する波長えおよび波長えの
1 2 光は円偏光となるが、オフ状態の液晶レンズ素子 10は入射偏光状態に係わらず透 過波面変化が生じない。また、波長え 3の光は異常光偏光のままオン状態の液晶レン ズ素子 10に入射し、凹レンズ機能の発散光透過波面となって出射するため、例 1と 同様の作用'効果が得られる。その結果、 DVD互換対応の BD用対物レンズと液晶 レンズ素子 10を用いて、 BDと DVDと CDの 3種の光ディスクの記録'再生が実現す る。
[0082] 「例 3」
次に、第 4の実施形態に示した本発明の液晶レンズ素子 50の具体的な実施例に ついて、図 10を参照しながら以下に説明する。
第 1の液晶レンズ部 50Cと第 2の液晶レンズ部 50Dは例 1で詳述した本発明の液晶 レンズ素子 30と同様の構成から成り、単層および 2層 BD光ディスクの収差補正素子 として機能する。
[0083] 使用目的の相違に伴 、、以下の構成が液晶レンズ素子 30と異なる。 凹凸部 17Cおよび 17Dのフレネルレンズは、波長 405nmの屈折率 n ( = 1. 50)
F
で膜厚 d(= 1. 5 m)の SiO N膜からなり、対物レンズの NAにトラッキング時のレン ズシフト幅 ±0. 3mmを付カ卩した有効経 φ = 3. 6mmの領域に形成する。また、液晶 層 16C、 16Dの液晶としては、常光屈折率 n ( = 1. 50)および異常光屈折率 n (= 1
. 66)で負の誘電異方性を有するネマティック液晶を用い、液晶層の最大厚が となるようギャップ制御材を用いる。ここで、電圧印加時の液晶分子の配向方向が 16 Cと 16Dとで直交するように、液晶層に接する界面に配向処理された配向膜が形成 されている。
[0084] ここで、凹凸部 17Cおよび 17Dの形状は、波長 405nmの入射光に対して、液晶レ ンズ素子 50がオン状態（印加電圧 V = 3. 5V)で、その透過波面が表 3に示す係数
P
a〜aの値を用いて（1)式で表記される光路長差 OPDとなるようにカ卩ェする。表 3に
1 5
示す係数は、カバー厚 0. 1mmの単層 BD光ディスクに対して最小収差となる対物レ ンズを、カバー厚 0. 075mmの 2層 BD光ディスクの情報記録面に用いたとき、対物 レンズと液晶レンズ素子 50との ±0. 3mmの偏心時も含めて、発生収差を液晶レン ズ素子 50により補正するように設計した結果である。使用する対物レンズの仕様が異 なればその係数値も異なる。
[0085] [表 3]
Figure imgf000042_0001
その結果、入射光の偏光状態に係わらず、オフ状態 (電圧非印力 [])では液晶レンズ 素子 50の入射光の透過波面は変化しな 、が、オン状態では波長 405nmに対して 凸レンズ相当のレンズ機能による収束透過波面となる。
このようにして得られる液晶レンズ素子 50を、図 12に示す BD光ディスクの記録 ·再 生用光ヘッド装置 60に搭載する。ここで、対物レンズ 5はカバー厚 0. 1mmの単層 B D光ディスクに対して最小収差となるように設計されている。ここで、単層および 2層 B D光ディスクのカバー厚 0. 1mmの情報記録面に対する記録.再生において、液晶 レンズ素子 50をオフ状態で用いることにより、液晶レンズ素子 50の透過波面は不変 なため、安定した記録'再生ができる。一方、 2層 BD光ディスクのカバー厚 0. 075m mの情報記録面に対する記録 '再生において、液晶レンズ素子 50をオン状態で用い ることにより、カバー厚の相違に起因して発生する収差が有効に補正されるため、安 定した記録 ·再生ができる。
[0087] 液晶レンズ素子 50をオフおよびオン状態で、カバー厚 0. 1mmおよび 0. 075mm の情報記録面の記録 ·再生を行う場合、対物レンズ 5のトラッキングシフトに伴い発生 する RMS波面収差の計算結果を図 14に參および〇で示す。 0. 3mmの対物レンズ シフトに対して 17m (rms)以下の安定した収差レベルが維持できる。比較のため 、従来の球面収差のみを補正する液晶収差補正素子を対物レンズと別置きで使用し た時の RMS波面収差の計算結果を図 14に黒四角で示す。 0. 1mm以上の対物レ ンズシフトに対して 60m (rms)以上の収差が発生し、このままでは収差補正素子 として機能しない。
[0088] 「例 4」
次に、第 4の実施形態に示した本発明の液晶レンズ素子 50の他の実施例として、 単層および 2層 DVD光ディスクの収差補正素子として用いる例について以下に記載 する。
使用目的の相違に伴い、以下の構成が例 3の液晶レンズ素子 50と異なる。 凹凸部 17Cおよび 17Dのフレネルレンズは、波長 660nmの屈折率 n ( = 1. 49)
F
で膜厚 d( = 2 /z m)の SiO N膜からなり、対物レンズの NAにトラッキング時のレンズ シフト幅 ±0. 3mmを付カ卩した有効経 φ =4. 6mmの領域に形成する。また、液晶層 16C、 16Dの液晶としては、常光屈折率 n ( = 1. 49)および異常光屈折率 n ( = 1.
65)で負の誘電異方性を有するネマティック液晶を用い、液晶層の最大厚が 8 mと なるようギャップ制御材を用いる。ここで、電圧印加時の液晶分子の配向方向が 16C と 16Dとで直交するように、液晶層に接する界面に配向処理された配向膜が形成さ れている。
[0089] ここで、凹凸部 17Cおよび 17Dの形状は、波長 660nmの入射光に対して、液晶レ ンズ素子 50がオン状態（印加電圧 V = 3. 5V)で、その透過波面が表 4に示す係数
P
a〜aの値を用いて（1)式で表記される光路長差 OPDとなるようにカ卩ェする。表 3に
1 5
示す係数は、カバー厚 0. 59mmの光ディスクに対して最小収差となる対物レンズを 、カバー厚 0. 62mmの光ディスクの情報記録面に用いたとき、対物レンズと液晶レン ズ素子 50との ±0. 3mmの偏心時も含めて、発生収差を液晶レンズ素子 50により補 正するように設計した結果である。使用する対物レンズの仕様が異なればその係数 値も異なる。
[0090] [表 4]
Figure imgf000044_0001
[0091] その結果、入射光の偏光状態に係わらず、オフ状態 (電圧非印加）では液晶レンズ 素子 50の入射光の透過波面は変化しな 、が、オン状態では波長 660nmに対して 凹レンズ相当のレンズ機能による発散透過波面となる。
このようにして得られる液晶レンズ素子 50を、図 12に示す DVD光ディスクの記録' 再生用光ヘッド装置 60に搭載する。ここで、対物レンズ 5はカバー厚 0. 59mmの光 ディスクに対して最小収差となるように設計されている。ここで、カバー厚 0. 6mmの 単層 DVD光ディスクおよびカバー厚 0. 57mmの 2層 DVD光ディスクの情報記録面 に対する記録 '再生において、液晶レンズ素子 50をオフ状態で用いる。一方、カバ 一厚 0. 63mmの 2層 DVD光ディスクの情報記録面に対する記録.再生において、 液晶レンズ素子 50をオン状態で用いる。
[0092] 液晶レンズ素子 50をオフおよびオン状態で、カバー厚 0. 57mm力ら 0. 63mmの 光ディスクに対して発生する RMS波面収差の計算結果を、図 15に參および〇で示 す。例 3と同様、対物レンズ 5のトラッキングシフトに伴う RMS波面収差の増加は僅か である。従って、カバー厚 0. 57mm力 0. 605mmの光ディスクに対しては、液晶レ ンズ素子 50をオフ状態で用いることにより、 28m λ (rms)以下の RMS波面収差が
2
維持され、カバー厚 0. 605mm力ら 0. 63mmの光ディスクに対しては、液晶レンズ 素子 50をオン状態で用いることにより、 21m (rms)以下の RMS波面収差となる。
2
その結果、単層および 2層 DVD光ディスクのカバー厚の相違に起因して発生する収 差が有効に補正されるため、安定した記録 '再生ができる。比較のために、カバー厚 0. 6mmの単層 DVD光ディスク用の対物レンズを用いた場合の RMS波面収差の計 算結果を図 15の実線で示す。カバー厚 0. 57mm力 0. 63mmの光ディスクに対し て最大 43m (rms)の収差が発生し、特に、 2層 DVD光ディスクの安定した記録 ·
2
再生が難しい。
例 4では、カバー厚 0. 59mmと 0. 62mmの光ディスクに対して最小収差となる対 物レンズ 5と液晶レンズ素子 50の設計例を示す力 他の 2種のカバー厚に対して最 小収差となる組み合わせとしてもよい。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ぐ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
[0093] 本発明の液晶レンズ素子は、電圧非印加時において入射光の偏光状態に依存す ることなく透過波面変化を発生させないとともに、電圧印加時に異常光偏光の波長の 入射光に対して収差補正機能と凹レンズ機能を付与できる。さら〖こ、本発明の液晶レ ンズ素子を対物レンズと一体で光ヘッド装置に搭載することにより、小型で安定した 複数の光ディスクの記録および Zまたは再生ができる光ヘッド装置に利用できる。
[0094] また、本発明の液晶レンズ素子は、単層および 2層の情報記録面を有する光デイス クの記録 ·再生用光ヘッド装置において、カバー厚の相違に起因して発生する収差 を低減する収差補正素子として利用できる。特に、本発明の液晶レンズ素子を対物 レンズと別置きで光ヘッド装置に搭載して使用できるため、小型で安定した複数の光 ディスクの記録 '再生ができる光ヘッド装置に利用できる。 なお、 2004年 7月 20曰に出願された曰本特許出願 2004— 211246号、 2004年 9月 29日に出願された日本特許出願 2004— 284752号の明細書、及び 2005年 3 月 4日に出願された日本特許出願 2005— 060597号特許請求の範囲、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。

Claims

請求の範囲 対向する一対の透明基板と、この透明基板に液晶が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点を変 化させる液晶レンズ素子において、 前記一方の透明基板の、他方の透明基板と対向する平坦面に形成された断面が 凹凸形状力 なる凹凸部を有するフレネルレンズと、 このフレネルレンズの形成された前記一方の透明基板のフレネルレンズ下部の平 坦面または前記フレネルレンズの凹凸部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、 前記液晶層の実質的な屈折率 n (V)は、前記第 1の透明電極と第 2の透明電極の 間に印加する電圧 Vの大きさに応じて、異常光偏光の入射光に対しては電圧非印加 時 (V=0)のオフ状態の屈折率力 電圧印加時のオン状態の屈折率まで変化すると ともに、常光偏光の入射光に対しては印加電圧の大きさに係わらず常光屈折率 nで あり、かつ、 次の（1)から（3)の 、ずれかの要件を満たして 、ることを特徴とする液晶レンズ素子
(1)前記液晶層は、誘電異方性が負のネマティック液晶であり、前記オフ状態の液晶 分子の配向方向が前記フレネルレンズの表面に対して垂直または垂直に近い角度 であるとともに、
前記フレネルレンズは、屈折率 nが前記液晶層の常光屈折率 nと同一またはこれ
F
に近 、値の均一屈折率材料からなる。
(2)前記液晶層は、誘電異方性が正のネマティック液晶であり、前記オフ状態の液晶 分子の配向方向が前記フレネルレンズの表面に対して平行またはこれに近い状態で あるとともに、
前記フレネルレンズは、液晶層の異常光屈折率 n (n≠n )と同一またはこれに近
e e o
い値の異常光屈折率 n と前記液晶層の常光屈折率 nと同一またはこれに近い値の
Fe
常光屈折率 n (n_≠n )を有する複屈折材料からなる。 (3)前記液晶層は、誘電異方性が正のネマティック液晶であり、前記オフ状態の液晶 分子の配向方向が前記フレネルレンズの表面に対して平行またはこれに近い状態で あるとともに、
前記フレネルレンズは、前記液晶層の異常光屈折率 nと同一またはこれに近い値 e
の均一屈折率材料からなり、かつ、
前記一対の透明基板の一方には、前記オフ状態での前記液晶レンズ素子への常 光偏光の入射光と透過光との間に生じる位相差を相殺するための偏光フレネルレン ズが形成されている。
[2] 入射する 3つの異なる波長え , λ , λ ( λ < λ < λ )について、前記一対の透
1 2 3 1 2 3
明基板の少なくとも一方の基板には、 1段の段差が波長え 1および波長え 3に対して は波長の整数倍またはこれに近い値の光路長差で波長 λ
2に対しては波長の非整 数倍の光路長差である、複数の段差力もなる位相補正面が形成されている請求項 1 に記載の液晶レンズ素子。
[3] 前記一対の透明基板の、挟持された液晶層とは反対側の平坦な一つの面の周辺 部に回折格子が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。
[4] 光源と、この光源力 の出射光をカバー層の厚さが異なる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の情報記録層で反射 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、
オン状態のときに発生する透過波面を変化させることにより前記光記録媒体に対し て発生する波面収差を補正する機能とともに対物レンズと前記光記録媒体との間隔 を拡大する凹レンズ機能を有する、請求項 1、 2または 3に記載の液晶レンズ素子が、 前記光源と前記対物レンズとの間の光路中に配置されていることを特徴とする光へッ ド装置。
[5] 波長 λの光を出射する光源と、この光源からの出射光を光記録媒体に集光する対 物レンズと、この対物レンズにより集光され前記光記録媒体により反射された光を分 波するビームスプリッタと、前記分波された光を検出する光検出器とを備えた光ヘッド 装置において、
前記光記録媒体はカバー層の厚さが異なる 2層以上の複数の情報記録層を有し、 前記光源と前記対物レンズとの間の光路中に、請求項 1に記載の液晶レンズ素子 が設置され、
前記液晶レンズ素子のオフ状態とオン状態の印加電圧切り替えにより、前記カバー 層の厚さが異なる情報記録層への記録および Zまたは再生を行なうことを特徴とする 光ヘッド装置。
請求項 4の光ヘッド装置にお 、て、
前記液晶レンズ素子は、第 1の液晶レンズ部と第 2の液晶レンズ部力もなり、 第 1および第 2の液晶レンズ部は、何れも、前記一方の透明基板の、他方の透明基 板と対向する平坦面に形成された断面が凹凸形状で前記液晶層の常光屈折率 nと 同一またはこれに近い値の均一屈折率材料力もなり凹凸部を有するフレネルレンズ と、このフレネルレンズの形成された前記一方の透明基板の平坦面に形成された第 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、
前記液晶層は、誘電異方性が負のネマティック液晶であり、前記オフ状態の液晶分 子の配向方向が前記フレネルレンズの表面に対して垂直または垂直に近い角度で あるとともに、
液晶層の実質的な屈折率 n (V)は、前記第 1の透明電極と第 2の透明電極の間に 印加する電圧 Vの大きさに応じて、異常光偏光の入射光に対しては電圧非印加時（ V=0)のオフ状態の屈折率力 電圧印加時のオン状態の屈折率まで変化するととも に、常光偏光の入射光に対しては印加電圧の大きさに係わらず常光屈折率 nであり 、オン状態における前記第 1の液晶レンズ部と前記第 2の液晶レンズ部の液晶層の 常光屈折率の方向が互いに直交していることを特徴とする光ヘッド装置。
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