JP4479726B2 - 液晶レンズ素子および光ヘッド装置 - Google Patents
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Description
このように、単層光ディスクに対して収差がゼロとなるように最適設計された対物レンズを有する光ヘッド装置を用いて、2層光ディスクヘ記録および/または再生をする場合、カバー厚が異なると、そのカバー厚の相違に応じて球面収差が発生し、情報記録層への入射光の集光性が劣化する。特に、記録型の2層光ディスクにおいて、集光性の劣化は記録時の集光パワー密度の低下に対応し、書き込みエラーを招くため問題となる。
(I)例えば、可動レンズ郡を用いて球面収差補正を行うために、図8に示すような、光ディスクDの記録および/または再生を行う光ヘッド装置100が提案されている(例えば、特開2003−115127号公報)。
この光ヘッド装置100は、光源110と、各種の光学系120と、受光素子130と、制御回路140と、変調/復調回路150とのほかに、第1、第2の可動レンズ群160、170とを備えている。また、第1の可動レンズ群160は、凹レンズ161と、凸レンズ162と、アクチュエータ163とを備えており、アクチュエータ163に固定された凸レンズ162を光軸方向に移動することにより、可動レンズ群160のパワーが正(凸レンズ)から負(凹レンズ)へと連続的に変わる焦点距離可変レンズ機能を発現する。この可動レンズ群160は、光ディスクDの光路中に配置することにより、光ディスクDのカバー厚の異なる情報記録層(図略)に入射光の集光点を含わせることができるパワー成分を含む球面収差の補正が可能となる。
ところが、この可動レンズ群160を用いた場合、一対のレンズ161、162と、アクチュエータ163とが必要となる分、光ヘッド装置100の大型化を招くとともに、可動させるための機構設計が複雑になる問題があった。
この液晶レンズ200は、平坦なー面に透明電極210および配向フィルム220が形成された基板230と、軸対称で半径rのベキ乗の和である次式で記述される表面形状S(r)を有する曲面に透明電極240と配向フィルム250が形成された、基板260とにより挟持されるネマティック液晶270とを備えた構成となっている。
ここで、基板260の屈折率は電圧非印加時の液晶270の屈折率に等しい。従って、この電圧非印加時の場合には、入射光の透過波面は変化しない。一方、透明電極210、240間に電圧を印加すると、基板260と液晶270とに屈折率差△nが発生し、△n・S(r)(但し、S(r)は(1)式参照)に相当する透過光の位相差が生じる。従って、光ディスクDのカバー厚の相違に起因して発生する球面収差を補正するように基板260の表面形状S(r)を加工し、印加電圧に応じて屈折率差△nを調整することにより収差補正が可能となる。
そこで、液晶層を薄くするためには、パワー成分を除いた収差補正量が最も少ない球面収差のみを補正することが有効である。しかし、球面収差のみを補正するように基板260の表面形状S(r)を加工した場合、光ディスクの情報記録層に入射光を集光する対物レンズの光軸と液晶レンズの光軸とが偏心した時、コマ収差が発生して、情報記録層への集光性が劣化して記録や再生ができない問題が生じる。
この液晶回折レンズ300は、所定の鋸歯状のレリーフが形成された基板310の片面に透明電極320が形成され、この透明電極320と対向電極330により液晶層340を狭特している。この電極320、330間に電圧を印加すると、異常光偏光に対して液晶層340の実質的な屈折率は異常光屈折率neから常光屈折率noへと変化する。ここで、実質的な屈折率とは、液晶層の厚さ方向の平均屈折率を意味する。
鋸歯状レリーフ構造を有する基板310の屈折率をnF、入射光の波長をλとしたときに、鋸歯状レリーフの溝の採さdが、d=λ/(ne−nF)の関係を満たすように形成することにより、電圧非印加時に波長λで最大回折効率が得られ、回折レンズとなる。また、入射光の波長λが変化しても、波長λで最大回折となるように印加電圧を調整できる。
このような構成の液晶回折レンズ300では、鋸歯状レリーフの溝を埋めるように液晶層340を充填すればよいため、前述の図9に示す液晶レンズ200を用いてパワー成分を含む球面収差を補正するタイプの液晶270に比べて、液晶眉340は薄くできる。
しかしながら、この液晶回折レンズ300では、鋸歯状レリーフ面に透明電極320が形成されているため、正負両方のパワー成分を得るためには、no<nF<neの関係を満たす必要がある。その場合、no≠nFであるため、常光偏光に対しては、φ=d×(nF−no)/λで表現される固定された位相差が発生するため、偏光光学系を用いた光ヘッド装置に適用するには、問題があった。
しかしながら、パワー変化のない0次光となるような電圧を印加した場合、液晶層414と透明電極415の間にフレネルレンズ面417が配置されているので、液晶層414に印加される電圧がフレネルレンズ面417の形状に応じて分布してしまい、位相差が発生してしまう。その結果、0次光の回折効率が低下する問題が発生する。
また、前記位相補正面を構成する透明材料の屈折率は、前記液晶層の常光屈折率に等しい上記の液晶レンズ素子を提供する。
また、前記位相補正面に形成された断面が凹凸形状を有する輪帯状の凹部または凸部とフレネルレンズ面が形成する輪帯状の凸部とが光軸方向に重なるように形成されている上記の液晶レンズ素子を提供する。
さらに、前記光記録媒体の記録層を覆うカバー層の厚さが異なる3種類であり、それぞれの3種類の厚さに応じて前記液晶レンズ素子に印加される電圧が3つ切り替えられることにより、各々の記録層における集光性能が最適にされる上記の光ヘッド装置を提供する。
11、12、21、22 透明基板
13、23 シール
14、24 液晶層
15、16、25、26 透明電極
17、27 フレネルレンズ面
18、28 位相補正面
19 外部信号源
31 半導体レーザ
32 偏光ビームスプリッタ
33 コリメータレンズ
35 4分の1波長板
36 対物レンズ
37 シリンドリカルレンズ
38 光検出器
D 光ディスク
D1 第1記録層
D2 第2記録層
[第1の実施形態]
図1は、本発明の液晶レンズ素子の第1の実施形態を示す断面図であり、本実施形態に係る液晶レンズ素子10は、透明基板11、12及びシール13により挟持された液晶層14を備える。第1の透明基板12の表面には、透明電極15とフレネルレンズ面17が形成されており、第2の透明基板11の表面には、位相補正面18と透明電極16が形成されている。透明電極15、16は、液晶層14に電圧を印加するために、外部信号源19に接続されている。図1に示してはいないが、透明電極16及びフレネルレンズ面17の表面には、液晶層14を配向するための、配向膜が形成されている。更に、透明基板11、12の外側表面には反射防止膜が成膜されていてもよい。
はじめに、透明基板12の一面に透明電極15を形成する。さらに、透明電極15の上面に、屈折率nFの均一屈折率透明材料で、光軸を中心とした複数の輪帯からなり、断面形状が鋸歯状または鋸歯を階段状に近似した形状であるフレネルレンズ面17を形成する。
一方、透明基板11の一面には、はじめに、屈折率ncの均一屈折率透明材料で、光軸を中心とした輪帯状の凹凸形状である位相捕正面18を形成する。さらに、位相補正面18の上面に、透明電極16を形成する。
次に、フレネルレンズ面17には、透明電極15の面に所定の膜厚の均一屈折率透明材料層を形成した後、フォトリソグラフィや反応性イオンエッチングによりフレネルレンズ形状に加工してもよいし、金型を用いて均一屈折率透明材料層にフレネルレンズ形状を転写してもよい。同様にして、位相補正面18も、透明基板11の表面に所定の厚さと形状になるよう形成する。
次に、透明電極16及びフレネルレンズ面17の表面には、液晶層14の異常光屈折率方向がY方向を向くよう平行配向処理を施す。配向処理は、ポリイミドなどを主成分とする配向膜を基板表面にスピンコートした後、布などでラビングする方法や、SiO斜蒸着膜を基板表面に成膜する方法、光配向膜を基板表面にスピンコートした後、偏光紫外線を照射する方法などを利用すれば良い。
次に、ギャップ制御材が混入された図示外の接着材を印刷パターニングしてシール13を形成し、前記透明基板11、12を重ね合わせ、圧着して空セルを作製する。そして、シール13の一部に設けられた注入ロ(図示せず)から常光屈折率noおよび異常光屈折率ne(但し、n。≠ne)を有する液晶を注入し、この注入ロを封止して液晶をセル内に密封し、本実施形態の液晶レンズ素子10とする。
この液晶レンズ素子10は、透明電極15、16間に印加する電圧を切りかえることで、液晶層14の実質的な屈折率を変化させることにより、離散的に焦点可変なフレネルレンズとして機能する。以下、フレネルレンズ面17による作用、および位相補正面18による作用に関して詳述する。
本発明の液晶レンズ素子10を用いて、正または負のパワー成分が付与された透過波面を生成するためには、液晶レンズ10に入射する透過波面において、光軸中心(座標原点:x=y=0)の光軸に対して、半径r離れた位置を通過する光線の位相差φが、次式のようなベキ級数で記述されるようにする。
液晶レンズ素子10により、グラフF1、F2に相当する位相差を得るには、フレネルレンズ面17の形状を、グラフF1、F2と同様に加工すればよい。フレネルレンズ面17は、均一屈折率透明材料であれば良く、紫外線硬化樹脂や熱効果樹脂、感光性樹脂などの有機材料でもよいし、SiO2やAl2O3やSiOxNy(但し、x,yはOとNの元素比率を示す)などの無機材料でもよい。これらの材料は、透明電極15、16を構成する材料に比べ体積抵抗率が極めて大きく、液晶材料と比べても十分小さくはないため、誘電体と見なすことができる。
フレネルレンズ面17は、透明電極15、16の間に設置されているので、フレネルレンズ面17を構成する材料の比誘電率εFに応じて、液晶層14に印加される実効的な電圧VLCが変化する。具体的には、透明電極15、16間に印加した交流電圧をVとすると、VLCは、次式で記載される。
rm=1での位相差、つまりφ(1)≒λとなる電圧V+1では、液晶レンズ素子に入射する平面波が図2のF1に示すように変調される結果、P1に示すような+1次の回折波面として、正のパワーを含む波面に変換され収束光となる。他方、φ(1)≒−λとなる電圧V-1では、液晶レンズ素子に入射する平面波が図2のF2に示すように変調される結果、P2に示すような−1次の回折波面として、負のパワーを含む波面に変換され発散光となる。次に、φ(1)≒0となる電圧V0では、入射する波面が変化しないので、光線の集光位置は変化しない。しかし、従来例である図4(A)では、φ(0.5)≠0、すなわちフレネルレンズ面17の輪帯中央での位相差がゼロにならず、輪帯内で位相ズレが生じている。その結果、波面収差が発生し、光の利用効率(0次のフレネル回折効率)が低下する問題が生じる。これは、輪帯内の位置rmにより液晶層14の実質的な屈折率n(VLC)が異なることによるものであり、(3)式から、εLC/εFが大きくなるほど、又は、dFが大きくなるほど顕著になる。
一方、本発明の液晶レンズ素子では、上記0次光波面の位相ズレを、位相補正面18で補正する(図4(B))。そのため、位相補正面を形成する材料の屈折率nCとn(VLC)との差と、位相補正面18の厚さdC(rm)の積が、前記の位相ズレを相殺するように、nC及びdC(rm)を設計する。電圧V0においてnC<n(VLC)であれば、図3に示すように、輪帯中央で凸となるような形状、つまり位相補正面18を透明基板11に形成すれば良い。従って、本発明の液晶レンズ素子では、V0での位相差ズレが、ほぼ0になるため、高い光利用効率を得ることができる。
常光偏光の感ずる液晶の実効的な屈折率は印加する電圧によらず、常に液晶の常光屈折率に一致する。従って、液晶レンズ素子10の位相差φ(rm)は、(5)式のようになる。ただし、分子の2πを省いてある。
(nC−nO)×(dC(rm)−dC(0))<λ/10
であれば波面に及ぼす影響は小さいので実質的に問題はなく、この範囲で位相補正面18の屈折率nCを選択しても良い。特に、石英ガラスなどの透明基板上に、ドライエッチング技術などで直接、位相補正面18の形状を形成することは、製作が容易となり好ましい。
また、補正すべき位相差の絶対値が入射光の波長λ以下の場合は、液晶レンズ素子10の均一屈折率透明材料からなるフレネルレンズ面17の輪帯数は1となり、フレネルレンズ状にする必要はなく、目的とする波面に一致したレンズ形状であれば良い。この場合、印加電圧の大きさに応じて位相差は連続的に変化する。また、位相補正面18の輪帯数も1つになる。
また、本実施形態では、液晶層14には、透明電極15、16を通して交流電圧を印加する構成のものを示した。本発明では、これ以外に、例えば透明電極15、16の少なくとも一方の電極を、空間的に分割して独立に異なる交流電圧を印加でき得る分割電極としてもよい。これにより、さらに多様な位相差分布を生成できる。
また、本実施形態では、電圧非印加時に基板面に平行に配向し、印加電圧の大きさに応じて基板面に垂直方向に液晶分子が配列する正の誘電異方性を有する液晶を用いる例を示したが、別の液晶分子配向あるいは液晶材料でもよい。例えば、電圧非印加時に基板面に垂直に配向し、印加電圧Vに応じて基板面に平行方向に液晶分子が配列する負の誘電異方性を有する液晶を用いてもよい。
また、本実施形態では、一対の透明基板11、12に挟持された1つの液晶層14を有する液晶レンズ素子10に関して述べたが、同様な構成で、液晶分子配向方向が直交する第2の液晶レンズ素子を積層一体化しても良い。こうすることで、直交する2つの直線偏光に関して同様な光学的作用を及ぼすことから、入射する偏光によらずにレンズ機能を得ることができる。また、他に、波面収差補正素子など液晶を用いた光学素子を積層一体化してもよい。
また、本発明の液晶レンズ素子の表面に、位相差板や、回折格子、複屈折性ホログラム素子、波長依存性回折格子などの光部品を適宜積層して一体化しても良く、光ヘッド装置を構成する際には、光部品数が減り、光ヘッド装置の組立が簡易になるため好ましい。また、上記光部品は、透明基板に成型されていたり、張合わされていてもよい。
次に、本発明の第2の実施形態に係る液晶レンズ素子の構成例について以下に説明する。
図5は本発明の第2の実施形態に係る液晶レンズ素子を示す断面図である。本実施形態に係る液晶レンズ素子20は、透明基板21,22及びシール23により挟持された液晶層24を備えている。このうち、第1の透明基板22の表面には、透明電極25が形成されている。一方、第2の透明基板21の表面には、位相補正面28、透明電極26、フレネルレンズ面27が順に形成されている。透明電極25、26は、液晶層24に電圧を印加するために、外部信号源19に接続されている。なお、図5に示してはいないが、透明電極25及びフレネルレンズ面27の表面には、液晶層24を配向させるための配向膜が形成されている。更に、透明基板21、22の外側表面には、反射防止膜が成膜されていてもよい。
はじめに、透明基板22の一面には、透明電極25を形成する。一方、透明基板21の一面には、屈折率nCの均一屈折率透明材料で、光軸を中心とした輪帯状の凹凸形状である位相補正面28を形成する。次に、位相補正面28の上面に、透明電極26を形成する。さらに、透明電極26の上面に、屈折率nFの均一屈折率透明材料で、光軸を中心とした複数の輪帯からなり、断面が鋸歯状または階段形状により鋸歯状に近似させた形状であるフレネルレンズ面27を形成する。
次に、透明電極25及びフレネルレンズ面27の表面には、液晶層の異常光屈折率方向がY方向を向くように、平行配向処理を施す。
次に、それぞれ透明電極25,26を形成してある透明基板21,22の一面に、ギャップ制御材が混入された図示外の接着材を印刷パターニングしてシール23を形成する。
そして、前記透明基板21、22を重ね合わせ、圧着して空セルを作製する。そして、シール23の一部に設けられた注入口(図示せず)から常光屈折率noおよび異常光屈折率ne(但し、no≠ne)を有する液晶を注入した後、この注入口を封止して液晶をセル内に密封し、本実施形態の液晶レンズ素子20とする。
なお、フレネルレンズ面27、位相補正面28の形成方法及び、配向処理の方法は、前記第1の実施形態と同じでよい。位相補正面28の形状は、第1の実施形態における位相補正面18と同じで良いが、フレネルレンズ面27は、位相補正面28の凹凸形状の上に形成されるため、フレネルレンズ面27の厚さdF(rm)が、第1の実施形態でのフレネルレンズ面17の厚さdF(rm)と同じ厚さになるように形成する。
次に、本発明の液晶レンズ素子を搭載した光ヘッド装置について以下に説明する。
図6は、本発明の液晶レンズ素子を搭載した光ヘッド装置30の一例を示す模式図であり、2層光ディスクDに情報を記録および/または再生するようになっており、光源である半導体レーザ31と、偏光ビームスプリッタ32と、コリメータレンズ33と、本発明の液晶レンズ素子10(20)と、4分の1波長板35と、対物レンズ36と、シリンドリカルレンズ37と、光検出器38とを備えている。一方、2層光ディスクDには、DVDや高密度光ディスクなどが用いられており、第1記録層D1及び第2記録層D2を有する。
半導体レーザ31には、使用する波長として、光ディスクDの種類に応じて780nm帯、660nm帯、405nm帯の何れか一つであってもよいし、別の場所に異なる波長の複数の半導体レーザを搭載してあってもよい。すなわち、これらの波長帯の2つの組み合わせであってもよい。780nm帯と660nm帯、また660nm帯と405nm帯などの組み合わせである。3つの波長帯の組み合わせであってもよい。ここで使用する液晶レンズ素子は、前述の第1の実施形態または第2の実施形態などの形態をとりえる。以下では、図1に示す第1の実施形態における液晶レンズ素子10を用いて説明する。よって、液晶レンズ素子の構造及び作製方法や、動作原理の説明は省略する。なお、本発明に係る液晶レンズ素子を搭載した光ヘッド装置としては、図6に示した光部品以外に、回折格子、ホログラム素子、偏光依存性選択素子、波長選択性素子、波面変換手段などの異なる光部品または機構部品を適宜組み合わせて適用できる。
光源である半導体レーザ31から出射されたY方向の直線偏光は、偏光ビームスプリッタ32を透過した後、コリメータレンズ33、液晶レンズ素子10、4分の1波長板35を透過した後、円偏光に変換されて、対物レンズ36により、光ディスクDが有する第1記録層D1又は第2記録層D2に集光する。一方、光ディスクDから反射された光は、再度、対物レンズ36、4分の1波長板35を通過した後、X方向の直線偏光に変換され、液晶レンズ素子10、コリメータレンズ33を通過し、偏光ビームスプリッタ32で反射し、シリンドリカルレンズ37によって非点収差を与えられ、光検出器38に入射する。
ここでは、対物レンズ36は、第1記録層D1と第2記録層D2の中間のカバー厚において、収差が最小となるように設計されているものとする。すると、設計と異なるカバー厚の記録層に集光する際、カバー厚の記録層厚さから設計厚を差し引いたカバー厚差に比例した球面収差が発生し、情報の読み書きが困難になる。この球面収差は、対物レンズ36に入射する光を、平面波にパワー成分を付加した発散光または収束光とすることにより、補正できる。つまり、カバー厚差が負である第1記録層D1では、正のパワーを付加することで収束光とし、カバー厚差が正である第2記録層D2では、負のパワーを付加することで発散光に変換した後、対物レンズ36で集光すれば、球面収差が補正され正常に情報を読み書きすることができる。以下、場合に分けて説明する。
第1記録層D1への記録および/または再生においては、前記のように、液晶レンズ素子10の透過波面が若干集光する球面波となるよう、透明電極15、16(図1参照)間に交流電圧V+1を印加する。すると、液晶層14の配向方向が変化し、正のパワーすなわち凸レンズ相当の透過波面となる。従って、第1記録層D1へ集光する光の球面収差を補正することができる。
(ii)第2記録層D2(カバー厚差が正)の場合:
第2記録層D2への記録および/または再生においては、液晶レンズ素子10の透過波面が若干発散する球面波となるよう、透明電極15、16間に交流電圧V-1を印加する。
すると、液晶層14の配向方向が変化し、負のパワーすなわち凹レンズ相当の透過波面となる。従って、第2記録層D2へ集光する光の球面収差を補正できる。
(iii)単層光ディスクなどカバー厚差がゼロの場合:
上記した2層光ディスクDの替わりに、単層光ディスクなど、対物レンズの設計カバー厚に等しいカバー厚を有する記録層への記録および/または再生においては、液晶レンズ素子10の透過波面が変化しないよう、透明電極15、16間に交流電圧V0を印加する。
したがって、2層光ディスクの記録層D1、D2用の2つのカバー厚と単層光ディスクのカバー厚、合計3つのカバー厚に対して、交流電圧V+1、V−1およびV0を印加して、集光性能の最適化すなわち球面収差を補正する。
以上のようにして、液晶層に印加する電圧を変化させることで、異なるカバー厚さをもつ2つの記録層の球面収差を補正することができる。
したがって、異なる2つまたは3つの波長帯のレーザ光に対しても本液晶レンズ素子は対処することができる。異なる2つの波長帯のレーザ光とは、波長780nm帯と660nm帯、波長660nm帯と405nm帯などの組み合わせである。
次に、第1の実施形態に示した本発明の液晶レンズ素子10の実施例について、図1を参照しながら以下に具体的に説明する。
始めに、この液晶レンズ素子10の作製方法について説明する。
ガラスを素材とする透明基板12の片面に透明導電膜(ITO膜)を成膜し、パターニングを行ってこれを透明電極15とする。さらにその透明電極15上に、屈折率nF(=1.52)、比誘電率εF(=4)の均一屈折率材料であるSiON膜を膜厚d(=3.7μm)となるように蒸着する。次に、その成膜されたSiON膜が図2のグラフF2の形状に相当するように、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術により、SiON膜から、断面形状が鋸歯状で入射光の光軸(Z軸)に対して回転対称性を有する、図1に示すようなフレネルレンズ面17を形成する。フレネルレンズ面17の凹凸形状の最大深さは、2.7μmである。
一方、ガラスを素材とする透明基板11の表面に、屈折率nC(=1.52)の均一屈折率材料であるSiON膜を膜厚d(=0.35μm)となるように蒸着する。次に、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術により、SiON膜に対して、断面形状が輪帯中央部で凸であり、入射光の光軸(Z軸)に対して回転対称性を有する、図3に示すような位相補正面18を形成する。さらに、位相補正面18の表面に、透明導電膜(ITO膜)を成膜し、パターニングを行ってこれを透明電極16とする。その後、透明電極16及びフレネルレンズ面17の表面に、ポリイミドからなる液晶配向膜を塗布、焼成した後、Y軸方向にラビング配向処理して液晶配向膜を形成する。さらに、透明基板11の表面に、直径15μmのギャップ制御材が混入された接着材を印刷パターニングしてシール13を形成したのち、透明基板11、12を重ね合わせて圧着し、基板間隔が15μmの空セルを作製する。その後、常光屈折率no(=1.52)および異常光屈折率ne(=1.79)の正の誘電異方性を有するネマティック液晶を空セルの注入口(図示せず)から注入し、液晶層14とする。次に、注入口を紫外線硬化樹脂により封止して図1に示す液晶レンズ素子10とする。
このようにして得られた液晶レンズ素子10を外部信号源19と電気的に接続し、液晶層14に電圧を印加するとともに、波長660nmの光を入射し、液晶レンズ素子10のレンズ作用を確認してみる。即ち、印加電圧を0Vから増加させると、液晶層14のラビング方向の実質的な屈折率がne(=1.79)からno(=1.52)まで変化する。しかしながら、液晶に印加される実効的な電圧VLCは、(3)式により、フレネルレンズ面17、位相補正面18の形状に応じて、場所により異なり、液晶レンズ素子10が発生する位相差φは、前述の(4)式のように変化することがわかる。
(i)Y方向の直線偏光を入射すると、印加電圧の大きさに応じて図4(B)に示すように位相差が変化し、液晶レンズ素子10を透過する光の波面は変化する。
例えば、印加電圧3.0Vでは、n(VLC)<nFであり、位相差が+λとなって、入射平面波は+1次のフレネル回折波として、若干集光するような波面に変換される。+1次のフレネル回折効率は、図7において、グラフAのように印加電圧3.0Vで最大値98%となる。同様に、印加電圧1.06Vでは、n(VLC)>nSであり、位相差が−λとなって、入射平面波は−1次のフレネル回折波として、若干発散するような波面に変換される。−1次のフレネル回折効率は、図7において、グラフCのように印加電圧1.06Vで最大値95%となる。一方、印加電圧1.52Vでは、位相補正面18の効果により、図4(B)の印加電圧V0に示すように位相差は生じないため、0次のフレネル回折波として波面は変化せずに透過する。0次のフレネル回折効率は、図7において、グラフBのように印加電圧1.52Vで最大値98%になる。
以上のように、印加電圧を1.06V、1.52V、3.0Vと変化させると、本発明の液晶レンズ素子は“凹レンズ”、“レンズ作用なし”、“凸レンズ”として作用する。
(ii)次に、X方向の直線偏光を入射すれば、液晶層14の実質的な屈折率はno=nFとなるのでレンズ作用はない。
従って、本発明の液晶レンズ素子を用いれば、Y方向の直線偏光に対して、印加電圧に応じてレンズ作用を切り替えることができる。
次に、図6に示す光ヘッド装置に、例1で示した液晶レンズ素子10を液晶レンズ素子として組み込んだ実施例について、図6を参照しながら以下に具体的に説明する。
光源31は、波長660nmの半導体レーザであり、コリメータレンズ32により平行光にされ、液晶レンズ素子10に入射する。2層光ディスクDに備えられた、第1記録層D1のカバー厚は0.57mm、第2記録層D2のカバー厚は0.63mmである。対物レンズ36のNAは0.65、瞳直径は4.0mmであり、単層光ディスクのカバー厚0.6mmで波面収差が最小となるよう設計されている。すなわち、3つの異なるカバー厚に対して集光性能の最適化されている。
液晶レンズ素子10がレンズ作用を示さない場合である、V0=1.52Vを外部信号源19から透明電極15、16に印加すると、各記録層に集光する光の波面収差は、カバー厚の差に比例した球面収差の影響により、0.1λrms以上あり、光の集光性能は著しく劣化する。
次に、透明電極15、16間に電圧V+1=3.0Vを印加して第1記録層D1に集光する場合と、透明電極間にV-1=1.06Vを印加して、第2記録層D2に集光する場合では、球面収差は補正されて0.01λrms以下になり、集光性能が改善される。
さらに、2層光ディスクDの替わりに、カバー厚0.6mmの単層光ディスクを配置して、透明電極15、16間に電圧V0=1.52Vを印加したところ、液晶レンズ素子10を透過する光の波面は変化しない。また、図7のグラフBに示すように、位相補正面の効果により、液晶レンズ素子10を透過する光の98%を対物レンズ36に導くことができる。
以上のように、本発明の液晶レンズ素子を用いれば、2層ディスクや単層ディスクのカバー厚差に応じて発生する球面収差を補正することができる。また、液晶レンズ素子に備えられた位相補正面の効果により、高いフレネル回折効率を得ることができる。
なお、2004年7月15日に出願された日本特許出願2004−208302号の明細書、特許請求の範囲、図面及び要約書の全内容をここに引用し、本発明の明細書の開示として、取り入れるものである。
Claims (10)
- 少なくとも一対の透明基板により挟持された液晶層に印加する電圧の大きさに応じて透過する光の集光点を変化させる液晶レンズ素子であって、
前記一対の透明基板の一方には、前記光の光軸を中心として輪帯状に配置した断面が凹凸形状を有する位相補正面を備えるとともに、
前記位相補正面の表面及び前記一対の透明基板の他方の表面には、前記液晶層に電圧を印加するためのそれぞれの透明電極を備え、かつ、
前記それぞれの透明電極の間には、前記光の光軸に関して回転対称性を有する鋸歯状の断面形状または階段形状により鋸歯状に近似させた断面形状を有する透明材料からなるフレネルレンズ面と、前記液晶層とを備えることを特徴とする液晶レンズ素子。 - 前記フレネルレンズ面を構成する透明材料の屈折率は、前記液晶層の常光屈折率と実質的に一致しているとともに、
前記液晶層を透過する光の偏光方向は、前記液晶層の異常光屈折率方向と実質的に一致している直線偏光である請求項1に記載の液晶レンズ素子。 - 前記フレネルレンズ面と前記位相補正面は、前記それぞれの透明電極のうちの一方を挟んで同一基板表面に形成されている請求項1または2に記載の液晶レンズ素子。
- 前記一対の透明基板の少なくとも一方が石英ガラスからなり、その表面をエッチングすることにより前記位相補正面が形成されている請求項1から3の何れか1項に記載の液晶レンズ素子。
- 前記液晶レンズ素子を第1の液晶レンズ素子とした場合に、該第1の液晶レンズ素子の他に、第1の液晶レンズ素子と同一構成である第2の液晶レンズ素子を備え、
前記第1、第2の液晶レンズ素子は、それぞれの液晶層の異常光屈折率方向が互いに直交するように積層一体化されている請求項1〜4の何れか1項に記載された液晶レンズ素子。 - 前記光の波長に対する位相差がπ/2の奇数倍である位相板が一体化されている請求項1〜5の何れか1項に記載の液晶レンズ素子。
- 前記位相補正面を構成する透明材料の屈折率は、前記液晶層の常光屈折率に等しい請求項1〜6の何れか1項に記載の液晶レンズ素子。
- 前記位相補正面に形成された断面が凹凸形状を有する輪帯状の凹部または凸部とフレネルレンズ面が形成する輪帯状の凸部とが光軸方向に重なるように形成されている請求項1〜7の何れか1項に記載の液晶レンズ素子。
- 光源と、この光源からの出射光を光記録媒体上に集光させる対物レンズと、集光されて光記録媒体により反射された反射光を検出する光検出器と、前記光源と前記対物レンズとの間の光路中に設けられた請求項1から6のいずれか1項に記載の液晶レンズ素子とを備えることを特徴とする光ヘッド装置。
- 前記光記録媒体の記録層を覆うカバー層の厚さが異なる3種類であり、それぞれの3種類の厚さに応じて前記液晶レンズ素子に印加される電圧が3つ切り替えられることにより、各々の記録層における集光性能が最適にされる請求項9に記載の光ヘッド装置。
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