JP4720507B2 - 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。
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、平坦な一面に透明電極210および配向フィルム220が形成された基板230と、軸対称で半径rのベキ乗の和である次式
ここで、基板260の屈折率は電圧非印加時の液晶270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光路長差分布が生じる。
従って、光ディスクDのカバー厚の相違に起因して発生する球面収差を補正するように基板260の表面形状S(r)を加工し、印加電圧に応じて屈折率差△nを調整することにより収差補正が可能となる。
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しまい、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を狭持している。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。
d=λ/(ne−n1)
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。
1.焦点距離が可変の液晶レンズ素子であって、それぞれ透明電極を備えた一対の透明基板と、該一対の透明基板に備えられたそれぞれの透明電極の間に電圧を印加する電圧印加手段と、透明材料で形成されており、液晶レンズ素子の光軸に関して回転対称性を有する鋸歯状の断面形状または鋸歯を階段形状に近似した断面形状を有するとともに、前記それぞれの透明電極のうち少なくとも一方の透明電極上に形成された凹凸部と、少なくとも前記凹凸部の凹部に充填された液晶と、を備え、前記透明電極間に前記電圧印加手段によって印加する電圧の大きさに応じて前記液晶の実質的な屈折率を変化させ、前記液晶は、常光屈折率noおよび異常光屈折率ne(但し、no≠ne)を有するとともに、前記印加する電圧の大きさに応じて液晶層の実質的な屈折率がnoからneまでの範囲の値に変化する液晶材料を用い、かつ、電圧非印加時の液晶分子の配向方向が前記液晶層内で特定方向に揃う特性を有しているとともに、前記凹凸部の透明材料は、少なくとも異常光偏光入射光に対して屈折率nsの透明材料であり、屈折率nsの値が、noとneとの間にあり(屈折率nsの値が、noまたはneと等しい場合を含む)、前記透明材料は、屈折率nsの値が、|ne−ns|≦|ne−no|/2の関係を満たすとともに、前記凹凸部は、凹部の深さdが前記液晶を透過する光の波長λに対して、以下の(2)式におけるm=1、2または3の場合の範囲であり、前記異常光偏光入射光に対し、(2m+1)個の交流印加電圧値によって透過波面を切り替えられることを特徴とする液晶レンズ素子。
また、その前後の印加電圧で発生する透過波面のパワー成分が正(凸レンズ)および負(凹レンズ)に切り換わる機能も発現する。これにより、焦点距離、すなわちパワー成分、を含む球面収差を印加電圧によって切り換えることができる液晶レンズ素子が得られる。
m=2の場合、m=1の場合に加えて、印加電圧V+2、V-2(V+2<V+1<V0<V-1V-2)においてΔn(V)・d=+2λおよび−2λとなり、
m=3の場合、m=2の場合に加えて、印加電圧V+3、V-3(V+3<V+2<V+1<V0<V-1<V-2<V-3)においてΔn(V)・d=+3λおよび−3λとなる。
すなわち、mの値に応じて(2m+1)個の印加電圧値によって透過波面、すなわちパワー成分を含む球面収差を切り換えられる液晶レンズ素子となる。なお、中間の電圧値においてもパワー生成効果は発現する。
一方、凹凸部材料の電気比抵抗ρFが液晶層の電気比抵抗ρLCに比べて充分低くない場合、透明電極間の印加電圧Vに対して、凹凸部での電圧降下が生じ、実効的に液晶層に印加される電圧VLCが低下する。
凹凸部材料および液晶層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は凹凸部の電気容量CFと液晶層の電気容量CLCに応じて配分され、液晶層に印可される電圧VLCが定まる。すなわち、透明電極間の鋸歯状の断面または鋸歯を階段形状で近似した断面形状の凹凸部と液晶層の厚さの比率に応じて変化する電気容量CFとCLCを調整することにより、電極間の平均屈折率すなわち光路長を凹凸部の形状に応じて調整することができる。その結果、入射光の透過波面が変化しない印加電圧V0、あるいは、透過波面のパワー成分が正(凸レンズ)となる印加電圧V+1、あるいは、透過波面のパワー成分が負(凹レンズ)となる印加電圧V-1が存在する。これにより、焦点距離、すなわちパワー成分、を含む球面収差を印加電圧によって切り換えることができる液晶レンズ素子が得られる。
また、上記の液晶レンズ素子の何れかを備えた光ヘッド装置とすることにより、単層および2層光ディスクにおけるカバー厚の相違に起因して発生するパワー成分を含む球面収差を補正でき、液晶レンズ素子と対物レンズが偏心した位置関係においても安定した収差補正効果が得られるため、情報記録面への集光性が向上し、安定した記録および/または再生ができる光ヘッド装置が実現する。
上記の液晶レンズ素子の何れかを備えた光ヘッド装置とすることにより、波長λ1の入射光に対しては印加電圧の大きさに応じて光ディスクにおけるカバー厚の相違に起因して発生する球面収差を補正するような機能を備えることできる。一方、波長λ2の入射光に対しては、印加電圧の大きさに関わらず、入射光の透過波面を変化させないような機能を備えることができる。その結果、波長λ1と波長λ2の光が液晶レンズ素子に入射する場合でも、波長λ2の光を用いる光ディスクの記録および/または再生において悪影響を与えない。
1C 2波長光源
2A、2B、2C、53 回折格子
2C 波長選択性の回折格子
3 ダイクロイックプリズム
4 ビームスプリッタ
4B ホログラムビームスプリッタ
5 コリメータレンズ
6 対物レンズ
7 シリンドリカルレンズ
8、8A、8B、62 光検出器
10、10A、10B、10C、20、30、40、50 液晶レンズ素子
11、12、12A、12B、21 透明基板
13、13A、13B、14、14A、14B 透明電極
15、15A、15B シール
16、16A、16B、16C 液晶
17、17A、17B、17C 凹凸部
18、18A、18B 交流電源
22 位相板
51 複屈折回折格子
52 接着材層
60 光ユニット
63 金属ブロック
64 パッケージ
70、80、90 光ヘッド装置
D 光ディスク
[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に示す断面図と図2に示す平面図を参照しながら詳細に説明する。
本実施形態に係る液晶レンズ素子10は、透明基板11、12と、透明電極13、14と、シール15と、液晶(液晶層)16と、凹凸部17と、交流電源18とを備えている。
はじめに、透明基板11の一方の平坦面に透明電極13を形成する。さらに、この透明電極13の一方の平坦面(図1では上面)に、屈折率nsの均一屈折率透明材料で、断面が鋸歯状または鋸歯を階段状で近似した形状の凹凸部17を形成する。
凹凸部17は、透明電極13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凹凸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凹凸部形状を転写してもよい。
位相が揃ったコヒーレントな波長λの入射光の場合、λの整数倍の光路長差をもつ透過波面は同等と見なせる。従って、図3のαで示すグラフ(光路長差)を波長λ間隔で分割して光路長差ゼロの面に射影した光路長差を示すグラフβは、グラフαとは実質的に同等である。グラフβに示す光路長差は、全てλ以内であり、断面が鋸歯状となっている。
このような透明電極間の印加電圧と液晶16の印加電圧が略等しくなる条件(これを、「Case1」とする)の場合、凹凸部17の断面形状と液晶レンズ素子10の作用について以下に説明する。
例えば、印加電圧V+1において、図3のグラフβに相当する透過波面の光路長差を生成するためには、図1に示す凹凸部11の深さdを、次式
i)△n(V0)=0となる印加電圧V0において、液晶レンズ素子10の透過波面は変化しない。また、
ii)△n(V-1)=−△n(V+1)となる印加電圧V-1において、図3のグラフγに示す光路長差の透過波面が生じる。これは、光路長差ゼロの面に対して図3のグラフβと面対称の光路長差の透過波面に相当する。
なお、電圧値V+1とV0の中間あるいは電圧値V0とV-1の中間の印加電圧Vにおいては、その電圧値Vに応じた割合で2種の透過波面(図4(A)と(B)に示す波面、または図4(B)と(C)に示す波面)が主に発生する。
即ち、凹凸部17と液晶(層)16のそれぞれを電気抵抗RF、RLCと電気容量CF、CLCを用いた電気等価回路において、透明電極間の交流周波数fの交流印加電圧Vに対して液晶(層)16の印加電圧VLCが算出できる。
液晶(層)16に効率よく電圧を印加するためには、(5)式の比率VLC/Vが増大するように比誘電率εF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の比誘電率εLCは約4以上であるため、4以上の比誘電率εFとすることが好ましい。
例えば、
i)凹凸部17の膜厚dFがゼロからdまで分布する時、(6)式の光路長差OPDが入射光の波長λに対して充分小さな値となる印加電圧V0が存在する。このとき、液晶レンズ素子10の透過波面は変化しない。ここで、充分小さな光路長差OPDは、具体的にはλ/5以下、さらに好ましくはλ/10以下である。また、
ii)光路長差OPDdが略−λ(すなわち、−0.75λから−1.25λ)となる印加電圧V-1において、図3のグラフγに示す光路長差の透過波面を生成できる。これは、光路長差ゼロの面に対して図3のグラフβと面対称の光路長差の透過波面に相当する。
従って、交流電源18について、印加電圧V+1、V0、V-1を切り替えることにより、3種類の透過波面を選択的に切り替えることが可能となる。
例えば、ns=noで、誘電率異方性(△ε=ε//−ε⊥)が正の液晶をホモジニアス配向させた場合、電圧非印加時(V+1=0)の光路長差OPDd=−(ne−no)×dが−λとなるよう凹凸部17を形成すると、Case1およびCase2の何れも液晶レンズ10に異常光偏光が入射した平面波は図4(A)に示す正のパワーに相当する透過波面となって出射する。透明電極13、14間の印加電圧を増加させると、Case1では、10V以上の高い印加電圧で液晶(層)16の屈折率がnsに近づき、図4(B)に示すパワーなしに相当する透過波面が得られるが、図4(C)に示す負のパワーに相当する透過波面は発生しない。しかし、Case2では、5V以下の印加電圧で、図4(B)に示すパワーなしに相当する透過波面および図4(C)に示す負のパワーに相当する透過波面を生成できる。
この場合、[背景技術]の欄の特許文献2に記載の液晶レンズに比べて電極間隔は一定のため、液晶に加わる電界の均一性が優れ、駆動電圧および応答速度の面内均一性は高い。同様に、[背景技術]の欄の特許文献3に記載の液晶回折レンズと異なり、印加電圧の大きさに応じて光路長差は連続的に変化する。
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、半径方向に印加電圧分布を付与して、液晶に印加される電圧が半径方向に傾斜分布するようにしてもよい。
次に、本発明の第2の実施形態に係る液晶レンズ素子20について、図6を参照しながら説明する。なお、本実施形態において、第1の実施形態と同一部分には、同一符号を付して重複説明を避ける。
本実施形態の液晶レンズ素子20は、前述した第1の実施形態に係る液晶レンズ素子10において、さらに位相板22と、透明基板21とを付加した構成となっている。即ち、この液晶レンズ素子20には、透明基板12の透明電極14取付面とは反対面において、透明基板21との間に、複屈折材料からなる位相板22が狭持一体化されている。
次に、本発明の第3の実施形態に係る液晶レンズ素子30について、図7を参照しながら説明する。なお、本実施形態において、第1の実施形態と同一部分には、同一符号を付して重複説明を避ける。
本実施形態の液晶レンズ素子30は、第1の実施形態に係る液晶レンズ素子10を2個凹凸部17が互い対向するような状態で上下に重ねて積層させた構成(但し、透明基板11は共通)であって、大略構成として、第1の液晶レンズ素子10Aと、第2のレンズ素子10Bと、これらに交流電圧を印加する交流電源18とを備えている。
初めに、各透明基板12A、12Bにおいて、一面に透明電極14A、14Bをそれぞれ形成する。そして、これら透明電極14A、14Bの平坦面に、それぞれ、屈折率nsの均一屈折率透明材料を用いて、断面が鋸歯状または鋸歯を階段状に近似した形状の凹凸部17A、17Bを形成する。これらの凹凸部17A、17Bは、それぞれ一面が、入射光の光軸(Z軸)に対して回転対称性を有する同一の凹凸形状に加工されている。一方、透明基板11の両面には、透明電極13A、13Bを形成する。
なお、Δn(V0)=0となる印加電圧V0において、液晶層に対して異常光偏光に相当する入射光の場合、第1、第2の液晶レンズ素子10A、10Bの透過波面は変化しないが、液晶層に対して常光偏光に相当する入射光の場合、印加電圧の大きさにかかわらず、第1、第2の液晶レンズ素子10A、10Bの透過波面は、屈折率差no−nsに対応した一定の変化が生じる。
第1、第2の液晶レンズ素子10A、10Bは、その液晶16Aと16Bの配向方向が直交しているため、入射偏光状態に関わらず、この一定透過波面変化が生じる。このような印加電圧V0における一定の透過波面変化を相殺するように、透明基板12Aまたは12Bの表面に補正面を形成することが好ましい。
あるいは、凹凸部17Aおよび17Bをそれぞれ液晶16Aおよび16Bの配向方向と同じ配向方向で常光複屈折率が等しい高分子液晶などの複屈折率材料を用いて形成することにより、印加電圧V0において、液晶レンズ素子30の透過波面が変化しないようにすることができる。
次に、本発明の第4の実施形態に係る液晶レンズ素子40について、図8を参照しながら説明する。なお、本実施形態において、第1、第2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40は、図7に示す液晶レンズ素子30と比べ、第1、第2の液晶レンズ素子10A、10Cの構造が以下の点で異なる。
その結果、本実施形態の液晶レンズ素子40を光ヘッド装置に搭載して用いることにより、カバー厚の相違により生成する7種のパワー成分を含む球面収差量を補正できる。
次に、本発明の第5の実施形態に係る液晶レンズ素子50について、図9を参照しながら説明する。なお、本実施形態において、第1、第2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50は、第1または第2の実施形態に示す液晶レンズ10において、透明基板12の片面(透明電極を設けていない方の面)と透明基板21の一面に取り付けた位相板22との間で、複屈折回折格子51と接着材層52を挟持している。
複屈折回折格子51の凹部に、高分子液晶の常光屈折率と略等しい屈折率の接着材を充填して接着材層52を形成することにより、入射光のうち常光偏光は透過し異常光偏光は回折する偏光性回折格子となる。
本実施形態の液晶レンズ素子50に、透明基板11側からX軸方向の偏光面を有する直線偏光が入射すると、交流電源18により液晶レンズ素子10に印加される電圧の大きさに応じて透過波面が変化し、複折回折格子51と接着材層52からなる偏光性回折格子に常光偏光として入射する。そして、この偏光性回折格子により回折されることなく透過した光は、位相板22により円偏光となって液晶レンズ素子50を透過する。
次に、本発明の第2の実施形態に係る液晶レンズ素子20を搭載したDVDおよびCD用光ディスクの記録および再生に用いる光ヘッド装置70について、図11を参照しながら説明する。なお、本実施形態において、第2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。
(i)DVD用光ディスクの場合:
DVD用の半導体レーザ1Aから出射するとともに、図11の紙面内に偏光面を有する波長λ1(=660nm)の出射光は、回折格子2Aによりトラッキング用の3ビームを発生する。そして、ダイクロイックプリズム3を透過し、ビームスプリッタ4で反射されて液晶レンズ素子20に入射する。この液晶レンズ素子20を透過した光は、円偏光となり、コリメータレンズ5により平行光化され、対物レンズ6によりDVD用光ディスクDの情報記録層に集光される。
一方、CD用の半導体レーザ1Bから出射する紙面垂直な偏光面を有する波長λ2(=790nm)の出射光は、回折格子2Bによりトラッキング用の3ビームを発生し、ダイクロイックプリズム3を反射してDVD用の波長λ1の光と光軸を一致させて進行し、ビームスプリッタ4で反射される。そして、この反射光は、DVD用の波長λ1の光と同様に、コリメータレンズ5および対物レンズ6により、CD用光ディスクDの情報記録層に集光される。また、光ディスクの反射面で反射後の光路は、DVD用の波長λ1の光路と同じである。
具体的には、波長λ1と波長λ2の中間波長に対して、それぞれ、リタデーション値が1/4波長および1/2波長となる高分子液晶層を、その光軸角度が所望の角度となるように積層すればよい。
(i)単層光ディスク(カバー厚0.60mm)の場合:
対物レンズ6は、カバー厚0.60mmの単層光ディスクDに対して収差が最小となるように設計されているため、単層光ディスクDの記録および/または再生時には液晶レンズ素子20の電極間に交流電圧V0を印加する。このとき、液晶16と凹凸部17との屈折率が一致するため、図4の(B)に示すように透過波面は不変である。
2層光ディスク中のカバー厚0.57mmの情報記録層への記録および/または再生においては、液晶レンズ素子20の透過波面が若干集光する球面波となるように、電極間に交流電圧V+1を印加する。
このとき、液晶16の方が凹凸部17に比べ屈折率が大きいため、図4の(A)に示すように、正のパワーすなわち凸レンズ相当の透過波面となる。すなわち、対物レンズ6により、カバー厚0.57mmの情報記録層に効率よく集光される。
一方、カバー厚0.63mmでの図示外の情報記録層への記録および/または再生時は、液晶レンズ素子20の透過波面が若干発散する球面波となるように、電極間に交流電圧V-1を印加する。このとき、液晶16の方が凹凸部17に比べ屈折率が小さくなるため、図4の(C)に示すように、負のパワーすなわち凹レンズ相当の透過波面となる。すなわち、対物レンズ6により、カバー厚0.63mmの情報記録層に効率よく集光される。
また、液晶レンズ素子20の替わりに、図7に示す第3実施形態の液晶レンズ素子30を用いれば、往路の偏光のみならず復路の直交する偏光に対しても補正作用があるため、光検出器への集光性も改善される。
すなわち、収差劣化をもたらすことなくCD用の光ディスクの安定した記録・再生ができる。
この光ヘッド装置80は、図11における回折格子2A、2Bの替わりに、波長選択性の回折格子2Cをトラッキング用の3ビーム発生素子として用いている。
次に、本発明の第7の実施形態に光ヘッド装置90について、図13を参照しながら説明する。なお、本実施形態において、第6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。
(i)DVD用の光ディスクの記録および/または再生について:
このDVD用の光ディスクの記録および/または再生については、DVD用のユニット90A、つまり示す光ユニット60を用いる。
光ユニット60中のDVD用の半導体レーザ1Aから出射する図13の紙面内に偏光面を有する波長λ1(=660nm)の出射光は、液晶レンズ素子50を透過して円偏光の3ビームとなり、ダイクロイックプリズム3を透過する。その後、この透過光は、コリメータレンズ5により平行光化され、対物レンズ6によりDVD用光ディスクDの情報記録層に集光される。
一方、CD用の光ディスクの記録・再生は、CD用の半導体レーザ1Bと光検出器8Bとホログラムビームスプリッタ4Bがパッケージに一体化されたCD用のユニット90Bを用いる。
半導体レーザ1Bから出射する波長λ2(=790nm)の光は、トラッキング用の3ビームを発生する回折格子が一体化されたホログラムビームスプリッタ4Bを透過する。
そして、この透過光は、ダイクロイックプリズム3で反射してDVD用の波長λ1の光と光軸が一致するように進行し、コリメータレンズ5および対物レンズ6によりCD用光ディスクDの情報記録層に集光される。
次に、第2の実施形態に示した本発明の液晶レンズ素子20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。
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、これを透明電極13とする。さらにその透明電極13上に、屈折率nS(=1.66)の均一屈折率材料である感光性ポリイミドを膜厚d(=5.5μmm)となるように塗布する。
その後、液晶16を空セルの注入口(図示せず)から注入し、その注入口を封止して図6に示す液晶レンズ素子10とする。
その上に、液晶モノマーを膜厚6.6μmとなるよう塗布した後、重合硬化し、X軸と45°の角度をなす方向に遅相軸が揃った、常光屈折率と異常光屈折率の差が0.20の高分子液晶膜からなる位相板22を作製する。そして、接着材を用いて位相板22と透明基板12を接着固定するようにして、液晶レンズ素子10に透明基板21などを固着し、液晶レンズ素子20とする。
Rd=0.20×6.6
=1.32μm
で、DVD用の波長λ(=660nm)の5/4倍に相当し、1/4波長板の機能を有する。
△nmax(=ne−ns)=0.12
(但し、ns=1.66)
から
△nmin(=no−ns)=−0.16
まで変化し、凹凸部17の凹部に充填された液晶16の厚さ分布に応じて、透過波面が変化する。
△n(=ne−ns)=0.12
であるので、凹凸部17とこの凹部に充填された液晶16とにより上述の透過波面を生成するためには、前述した(4)式を満たすようにすればよい。即ち、(2)式において、m=1の場合、最大光路長差が波長λ=660nm(=0.66μm)に相当するように、
△n×d=0.66μm
この式から凹凸部17の深さd(μm)を決定する。
(0.75×λ/△n)≦d≦(1.25×λ/△n)
とすることが好ましい。また、凹凸部17の有効径は4.9mmであるため、最大半径は2.45mmである。
次に、前述の「例1」の液晶レンズ素子20を、図11に示す第6の実施形態の光ヘッド装置70に搭載する場合の具体的な実施例について説明する。なお、この光ヘッド装置70の構成は第6の実施形態で説明したので省略する。
従って、液晶レンズ素子20に印加する電圧をV0、V+1、V-1に切り換えることにより、DVD用の単層および2層の光ディスクDへ安定した記録および再生を行える光ヘッド装置が実現する。
次に、例1の実施例で示した本発明の液晶レンズ素子20において、凹凸部17の透明材料として、その電気体積抵抗率ρFが液晶16の体積抵抗率ρLCと同等以上に高い材料を用いる場合の実施例について、図6を参照しながら以下に説明する。なお、凹凸部17および液晶16以外の素子構成は、実施例1と同じであるため、同一部分の説明は省略する。
透明基板11であるガラス基板上に成膜された透明電極13の上に、液晶16の常光屈折率noに略等しい屈折率nS(=1.507)の均一屈折率材料であるSiOxNy(但し、x,yはOとNの元素比率を示す)をスパッタリング法により成膜する。ここで、SiスパッタターゲットとArガスに酸素および窒素を混入した放電ガスを用いることにより、屈折率nsの透明な均一屈折率で膜厚d(=2.94μm)のSiOxNy膜としている。SiOxNy膜は比誘電率εFが4.0で、電気体積抵抗率ρFが1010Ω・cm以上である。
すなわち、図6では凹凸部17からなるフレネルレンズ形状の中心部が凹となっているが、本実施例では中心部が凸のフレネルレンズ形状としている。中心部が凹に比べて凸とすることにより液晶層の平均厚さを薄くできるため、焦点切り換え時の電圧応答性が高速化できる。
次に、凹凸部17の表面に透明導電膜(ITO膜)を成膜し、これを第1透明電極13とする。さらに、ポリイミド膜(図示せず)を第1透明電極13上に膜厚約50nmとなるよう塗布した後に焼成し、ポリイミド膜表面をX軸方向にラビング配向処理して配向膜とする。
その後、液晶16を空セルの注入口(図示せず)から注入し、その注入口を封止して図6に示す液晶レンズ素子10とする。
OPDd=(ne−ns)×d
=0.238×2.94
=0.70μm
となる。
印加電圧V-1が0から1.2V域で負のパワー(凹レンズ)となり、印加電圧V0が1.6V域でパワーなし(レンズ作用なし)となり、印加電圧V+1が2.5から3V域で正のパワー(凸レンズ)となった。なお、集光効率が100%に満たない原因は、凹凸部加工形状の最適値からのずれおよび屈折率の異なる複数の界面における反射損失であり、改善できる。
この光ヘッド装置70を用いて、カバー厚0.60mmの単層DVD光ディスクDに情報を記録・再生する場合、液晶レンズ素子10の印加電圧をV0=1.6V程度とすると、入射光は対物レンズ5により情報記録層に効率よく集光される。
従って、カバー厚が0.56mmから0.585mmの範囲では、印加電圧V+1とすることにより、カバー厚が0.585mmから0.615mmの範囲では印加電圧V0とすることにより、さらに、カバー厚が0.615mmから0.64mmの範囲では印加電圧V-1とすることにより、それぞれ、残留するRMS波面収差が約20mλ[rms]以下に低減する。
また、トラッキングのため、光ディスクDの半径方向に対物レンズ5が±0.3mm程度移動した時、液晶レンズ素子20との偏心が生じるが、それに伴う収差発生はないため、集光スポットの劣化も生じない。
従って、液晶レンズ素子20に印加する電圧をV0、V-1、V+1に切り替えることにより、単層および2層のDVD光ディスクDの安定した記録・再生を行える光ヘッド装置が実現する。
なお、本出願の優先権主張の基礎となる日本特許願2004−026685号(2004年2月3日に日本特許庁に出願)及び日本特許願2004−230606号(2004年8月6日に日本特許庁に出願)の全明細書の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 (4)
- 焦点距離が可変の液晶レンズ素子であって、
それぞれ透明電極を備えた一対の透明基板と、
該一対の透明基板に備えられたそれぞれの透明電極の間に電圧を印加する電圧印加手段と、
透明材料で形成されており、液晶レンズ素子の光軸に関して回転対称性を有する鋸歯状の断面形状または鋸歯を階段形状に近似した断面形状を有するとともに、前記それぞれの透明電極のうち少なくとも一方の透明電極上に形成された凹凸部と、
少なくとも前記凹凸部の凹部に充填された液晶と、を備え、
前記透明電極間に前記電圧印加手段によって印加する電圧の大きさに応じて前記液晶の実質的な屈折率を変化させ、
前記液晶は、常光屈折率noおよび異常光屈折率ne(但し、no≠ne)を有するとともに、前記印加する電圧の大きさに応じて液晶層の実質的な屈折率がnoからneまでの範囲の値に変化する液晶材料を用い、かつ、電圧非印加時の液晶分子の配向方向が前記液晶層内で特定方向に揃う特性を有しているとともに、
前記凹凸部の透明材料は、少なくとも異常光偏光入射光に対して屈折率nsの透明材料であり、屈折率nsの値が、noとneとの間にあり(屈折率nsの値が、noまたはneと等しい場合を含む)、
前記透明材料は、屈折率nsの値が、
|ne−ns|≦|ne−no|/2
の関係を満たすとともに、
前記凹凸部は、凹部の深さdが前記液晶を透過する光の波長λに対して、m=1、2または3として、
(m−0.25)・λ/|ne−ns|≦d≦(m+0.25)・λ/|ne−ns|の範囲であり、
前記異常光偏光入射光に対し、(2m+1)個の交流印加電圧値によって透過波面を切り替えられることを特徴とする液晶レンズ素子。 - 波長λの前記光に対する位相差がπ/2の奇数倍である位相板を一体化している請求項1に記載の液晶レンズ素子。
- 前記波長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、
前記光源と前記対物レンズとの間の光路中に、請求項1または2に記載の液晶レンズ素子を設置していることを特徴とする光ヘッド装置。 - 前記光記録媒体は情報記録層を覆うカバー層を有し、このカバー層の厚さが異なる光記録媒体への記録および/または再生を行う請求項3に記載の光ヘッド装置。
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