JP4835437B2 - 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、DVDの波長λ2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、階段状断面形状の各単位段差が、BDの波長λ1の光に対して約1波長分の光路差に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いため、3種の光ディスクの記録・再生を行うことは難しい。
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λ1およびCDの波長λ3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λ2に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λ1およびDVDの波長λ2に対して波長の略整数倍の光路差を与える段差とし、CDの波長λ3に対してのみ球面収差補正機能を発現させる。
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、複数の深い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・再生することが難しい。
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λ1およびDVDの波長λ2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no、異常光屈折率neのいずれか一方が透明基板のブレーズ形状を有する凹凸部140の屈折率nFにほぼ等しい構成とすることにより、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△nが、△n(=ne−no)からゼロまで変化する。従って、この凹凸部140の深さを△n×(凹凸部の深さ)=(真空中の光の波長)とし、凹凸部140の屈折率nFをne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化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、光ディスクのカバー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0.3mm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。
しかしながら、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△n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。
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。
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が、このような構成とした場合、対物レンズを可動するアクチュ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った問題があった。
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から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いる。電極は分割されていない一様な透明導電材料により形成されている。
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ヘッド装置において、BDおよびHDDVDの光ディスクを記録・再生ができるBD/HDDVD互換光ヘッド装置を提供することを目的とする。
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から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=0)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noであり、かつ、次の(1)及び(2)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nFが前記液晶層の常光屈折率noと同一またはこれに近い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ne(ne≠no)と同一またはこれに近い値の異常光屈折率nFeと前記液晶層の常光屈折率noと同一またはこれに近い値の常光屈折率nFo(nFe≠nFo)を有する複屈折材料からなる。
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。
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λ2の入射光に対しての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。
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。
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ィスクの安定した記録・再生が実現できる。
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およびDVD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0.3mm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CD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。
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 アクチュエータ
8A 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 シール
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 1/4波長板
D 光ディスク
D1、D2 情報記録層
[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nFの透明材料を用いてCDの開口数NA3=0.50に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NA2を除きBDの開口数NA1を含む領域に形成されており、BDの波長λ1=405nmに対して1波長に相当する位相差と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λ1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λ2=660nmおよび波長λ3=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る光は15%以下となる。すなわち、波長λ1の入射光は透明基板12の開口数NA1の全域を直進透過し、波長λ2および波長λ3の入射光は開口数NA2の領域のみ直進透過する、波長選択性の開口制限機能が発現する。
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NA3の領域に、屈折率nFの透明材料を用い凹凸部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NA2=0.65を除き開口数NA1=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、前述したように、BDの波長λ1=405nmに対して1波長に相当する位相差となる格子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λ1、λ2、λ3に対して反射率が0.5%以下となる反射防止膜を形成する。
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ニングしてシール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noおよび異常光屈折率ne(但し、no≠ne)を有するネマティック液晶を注入し、その後、この注入口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、あらかじめシール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VLCに応じて、液晶分子の配向が変化し、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VLCの大きさに応じて液晶層16の実質的な屈折率n(VLC)が変化し、液晶レンズ素子10の透過光の波面が変化する。
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CFと液晶層16の電気容量CLCに応じて配分され、液晶層16に印加される電圧VLCが定まる。すなわち、第1の透明電極13と第2の透明電極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CFとCLCが変化するため、電圧VLCおよび屈折率n(VLC)が分布し、透明電極13、14間の平均屈折率、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VPが存在する。これにより、印加電圧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10が得られる。
なお、電圧VLC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、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いることが好ましい。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nFを液晶層16の実質的な屈折率n(VLC=0)とほぼ等しくする。
(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⊥との差である誘電異方性△ε(=ε//−ε⊥)が負の液晶を用いる場合、電圧印加により生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neの方向)が揃う。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(0)は常光屈折率noとなり、電圧VLCの増加とともに異常光屈折率neに近づく。
(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ニアス配向とする。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n(0)は液晶の異常光屈折率neとなり、電圧VLCの増加とともに常光屈折率noに近づく。
(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い、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n(0)は液晶の異常光屈折率neと常光屈折率noの平均値(ne+no)/2となり、電圧VLCの増加とともに常光屈折率noに近づく。
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VP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)式のようなベキ級数で記述されるようにする。
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α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αと実質的に同等である。一方、グラフβに示す光路長差は全てλ以内(図中では−λ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10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n(VP)と凹凸部17の屈折率nFの大小関係がn(VP)>nFの場合、図1のような中心部が凸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(VP)<nF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。
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εF、膜厚をdF、液晶層16の液晶の比誘電率をεLC、層厚をdLCとするときに、f×ε0×ρF×εFおよびf×ε0×ρLC×εLC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、ε0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dFと液晶16の層厚dLCの和(dF+dLC)は一定値Gである。
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VLCの比率VLC/Vは、次式で記載される。
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、凹凸部17は4以上の比誘電率εFとすることが好ましい。
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⊥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εLCも変化する。従って、(2)式において、比誘電率εLCのVLCに応じた変化を反映し、凹凸部17の形状に応じた液晶層16の印加電圧VLCの空間分布が定まる。VLCは膜厚dFに依存するため、以後、VLC[dF]と表記する。
なお、VLC[0]は透明電極間の印加電圧Vに等しい。
ここで、オフ状態とオン状態である印加電圧V0(=0)、VPにおいて、液晶レンズ10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β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、ホモジニアス配向およびハイブリッ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no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{(no−nF)×(d―dF)}となり、(no−nF)がゼロでない場合は、凹凸部17の膜厚dFの分布に応じて液晶レンズ素子10の透過波面は変化する。異常光偏光の入射光に対して、オフ状態(V=VLC[dF]=VLC[d]=0)で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nFがnF=n(0)となり、液晶層16が垂直配向ではnF=no、ホモジニアス配向ではnF=ne、ハイブリッド配向ではnF=(no+ne)/2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(no−nF)がゼロとなるが、ホモジニアス配向およびハイブリッド配向では、それぞれ(no−ne)および(no−ne)/2の値となり、光路長差OPDの分布に起因して透過波面変化が生じる。
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nFeが液晶層16のオフ状態の実質的な屈折率n(0)に等しく、常光偏光に対して凹凸部17の屈折率nFoが液晶層16の常光屈折率noに等しい複屈折材料とし、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nFoおよび異常光屈折率nFeをホモジニアス配向の液晶層16の液晶の常光屈折率noおよび異常光屈折率neと一致させ、液晶層16の凹凸部17の界面の液晶分子配向と同じ方向に高分子液晶を配向させればよい。
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から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nFoと等しい均一屈折率ns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にとっ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nFoと透明接着材23の屈折率ns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にとっ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nFeと透明接着材23の屈折率ns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nFe、nFeは、液晶の異常光屈折率ne、常光屈折率ne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いった短所がある。
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λ1を透過し、波長λ2および波長λ3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。
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が、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dF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dF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{nF×dF+n(V)×dLC}であり、凹凸部17のフレネルレンズ中心位置(dF=d)での光路長{nF×d+n(V)×(G−d)}に対する光路長差OPDは、(5)式のようになる。
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VLC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VLCは凹凸部17の膜厚dF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(VLC[dF])が分布する。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化されるといった長所がある。
従って、液晶レンズ素子10または20にBDの波長λ1の光束が入射する場合、印加電圧Vをゼロにして(即ち、オフ状態)、開口数NA1の領域でほとんど光損失なく直進透過できる。また、DVDの波長λ2の光束が入射する場合、印加電圧Vをゼロにして、開口数NA2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λ3の異常光偏光の光束が入射する場合、印加電圧VをVPにして(即ち、オン状態)、開口数NA3の領域で凹レンズ機能の発散波面となって透過する。
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14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が、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よい。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λ3の入射光の偏光状態に係わらず、オン状態で、開口数NA3の領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を積層すればよい。高分子液晶などの複屈折材料からなる凹凸部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OPD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。
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NA2=0.65に相当する領域に、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10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。
そこで、本実施形態のDVD用の位相補正面32は、開口数NA2の領域に形成され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からなり、凹凸部の各段における波長λ1の透過光の位相差が2πの偶数倍としている。
ここで、均一屈折率nの透明材料からなる位相補正面32の凹凸部の各段の透過光の位相差を波長λ1に対して2πの偶数倍とすると、凹凸部材料の屈折率波長分散を考慮し、波長λ3に対する位相差は2πのほぼ整数倍となる。従って、波長λ1および波長λ3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の凹凸部の透過波面は変化することなく直進透過する。一方、波長λ2の入射光に対しては位相補正面32の凹凸部の位相差が2π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。
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d1に対応した補正光路長差a={(n−1)×d1−λ2}を単位に、1波長λ2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。
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からなる位相板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のリタデーション値Rdを波長λ1に対して9λ1/4とすると、波長λ2に対するRdが略5λ2/4に、波長λ3に対するRdが略λ3になる。すなわち、波長λ1および波長λ2では1/4波長板となり、波長λ3では波長板として機能しない。
オフ状態(V=V0=0)で、開口数NA1の領域に入射するBDの波長λ1の光束は、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NA2の領域に入射するDVDの波長λ2の光束は、図8の(B)に示すように位相補正面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=VP)でX軸方向の直線偏光が入射した場合、開口数NA3の領域に入射するCDの波長λ3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から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、リタデーション値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λ1と波長λ2と波長λ3に対してほぼ1/4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λ3の入射光の偏光状態に係わらず、オン状態で開口数NA3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。
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BD、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λ1=405nmの光源である半導体レーザ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λ1の光検出器6の他に、対物レンズ5を保持するアクチュエータ7に液晶レンズ素子30が一体化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λ2=660nmの光源である半導体レーザ、波長λ2の光検出器、およびビームスプリッタが一体化されたDVDユニット8Aと、図示外のCDの波長λ3=790nmの光源である半導体レーザ、波長λ3の光検出器、およびビームスプリッタが一体化されたCDユニット8Bと、ビームスプリッタ9とを備えている。
(I)半導体レーザ1から放射された波長λ1=405nmの光が偏光ビームスプリッタ2で反射され、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NA1=0.85に相当する光束がBD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。
(II)また、DVDユニット8Aから放射された波長λ2=660nmの光は、合波プリズム9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NA2=0.65に相当する光束は、液晶レンズ素子30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により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。
(III)また、CDユニット8Bから放射された波長λ3=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オ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30内の位相板33により偏光面が変化することなく、開口数NA3=0.50に相当する光束は、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光ディスク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NA3を除く開口数NA2の直進透過する光束はCD光ディスクDの情報記録層に集光されないため、結果的にNA3領域のフレネルレンズが開口制限機能をなす。
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λ1および波長λ2の光に対して高い透過率を示すとともに、1/4波長板が一体化されているため、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DVDの記録用光ヘッド装置に好適である。
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、シール15C、15Dと、液晶層16C、16Dと、凹凸部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noと略等しい屈折率nF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)に関して回転対称性を有する。
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nFの透明材料を用い、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ニングしてシール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noおよび異常光屈折率ne(但し、no≠ne)を有するネマティック液晶を注入し、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16C、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14C、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。
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VPのとき液晶層の実質的な屈折率は凹凸部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加工する。
印加電圧VP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。
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VP(オン状態)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光ディスクの情報記録層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。
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VP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、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0.61mm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1/4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。
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BD/HDDVD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がアクチュエータ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λ1の入射光をBD用対物レンズ5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VPの時、液晶レンズ素子50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ようなフレネルレンズ形状としている。
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VPを印加する(オン状態)ことにより、液晶レンズ50のNA0.65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50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BD/HDDVD互換光ヘッド装置が実現する。
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BD用対物レンズを用いるBD/HDDVD互換光ヘッド装置の例を示したが、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λ1の平行入射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λ1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λ1の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、HDDVD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が、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VPの時、液晶レンズ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)からなるフレネルレンズ形状とすればよい。
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。
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ニングした後、反応性イオンエッチング法によりSiOxNy膜を図3のグラフβの形状に相当するように加工する。その結果、開口数NA3=0.50に対応する有効径2.65mmの領域に、図6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。
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OPD0は変化し、CD用の波長λ3=790nmに対してOPD0が略λ3となる印加電圧VPが存在する。従って、液晶レンズ素子30に入射する波長λ3の異常光編光は、印加電圧V0とVP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発散光透過波面に切り替わる。
波長λ1=405nmで焦点距離2.40mmのBD用対物レンズを、波長λ3=790nmでCD光ディスクに用いると、最大光路長差が約1.4λ3で、RMS波面収差が約437mλ3に相当する大きな球面収差が発生する。
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VP=3.8Vで(4)式で記述される電極間の光路長差OPD0が略0.74μmとなるように、凹凸部17の厚さがd=3.0μmで電極間隔Gを8μmとしている。
波長λ3=790nmで印加電圧の切り替えV0、VPにおいて発生する透過波面の生成効率の計算値は、それぞれ100%、98%となる。
前述のBD用対物レンズを波長λ2=660nmでDVD光ディスクに用いると、最大光路長差が約2.7λ2で、RMS(Root Mean Square)波面収差が約794mλ2に相当す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a1〜a5の値を用いて(1)式で表記される図3のグラフαに相当するグラフβの光路長差OPDとなるように、透明基板31の表面に位相補正面32を加工する。
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λ1および波長λ2の光は液晶レンズ素子30により異常光偏光に変換され、各光検出器に良好に集光する。波長λ3の光は異常光偏光のまま液晶レンズ素子30を出射し、光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。
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SiOxNy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。
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OPD0は変化し、CDの波長λ3=790nmに対してOPDoが略λ3となる印加電圧VPが存在する。従って、液晶レンズ素子10に入射する波長λ3の異常光編光は印加電圧V0とVP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。
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λ1および波長λ2の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λ3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。
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。
凹凸部17Cおよび17Dのフレネルレンズは、波長405nmの屈折率nF(=1.50)で膜厚d(=1.5μm)のSiOxNy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を付加した有効経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no(=1.50)および異常光屈折率ne(=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6μm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。
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BD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BD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0.075mm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。
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nF(=1.49)で膜厚d(=2μm)のSiOxNy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を付加した有効経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no(=1.49)および異常光屈折率ne(=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8μm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。
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、カバー厚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。
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の設計例を示すが、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く、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。
なお、2004年7月20日に出願された日本特許出願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 (6)
- 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から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の大きさに係わらず常光屈折率noであり、かつ、
次の(1)及び(2)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nFが前記液晶層の常光屈折率noと同一またはこれに近い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ne(ne≠no)と同一またはこれに近い値の異常光屈折率nFeと前記液晶層の常光屈折率noと同一またはこれに近い値の常光屈折率nFo(nFe≠nFo)を有する複屈折材料からなる。 - 入射する3つの異なる波長λ1、λ2、λ3(λ1<λ2<λ3)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λ1および波長λ3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λ2に対しては波長の非整数倍の光路長差である、複数の段差から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。
- 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。
- 光源と、この光源から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ヘッド装置。 - 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/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noと同一またはこれに近い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の大きさに係わらず常光屈折率no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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