JP4501611B2 - Liquid crystal lens element and optical head device - Google Patents
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Description
本発明は、液晶レンズ素子および光ヘッド装置に係り、特に印加電圧の大きさに応じて異なる焦点距離に切り換えることができる液晶レンズ、およびこの液晶レンズを搭載した光記録媒体への情報の記録および/または再生に使用する光ヘッド装置に関する。 The present invention relates to a liquid crystal lens element and an optical head device, and in particular, a liquid crystal lens that can be switched to a different focal length depending on the magnitude of an applied voltage, and information recording and recording on an optical recording medium equipped with the liquid crystal lens The present invention relates to an optical head device used for reproduction.
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とを有する光記録媒体(以後、「光ディスク」という)として、CDとともにDVDなどが普及している。一方、DVDへの情報の記録および/または再生に用いる光ヘッド装置には、光源として波長が660nm帯の半導体レーザと、NA(開口数)が0.6から0.65までの対物レンズなどを備えたものが知られている。
ところで、従来、一般に用いられているDVDは、情報記録層が単層でカバー厚が0.6mmである(以下、「単層光ディスク」という)。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層光ディスク」という)も開発されている。
As an optical recording medium (hereinafter referred to as “optical disk”) having an information recording layer formed on the light incident side surface and a cover layer made of a transparent resin covering the information recording layer, DVD and the like have been widely used. Yes. On the other hand, an optical head device used for recording and / or reproducing information on a DVD includes a semiconductor laser having a wavelength of 660 nm as a light source and an objective lens having an NA (numerical aperture) of 0.6 to 0.65. What you have is known.
By the way, a conventionally used DVD has a single information recording layer and a cover thickness of 0.6 mm (hereinafter referred to as “single-layer optical disk”). However, in recent years, in order to increase the amount of information per optical disc, an optical disc (hereinafter referred to as “double-layer optical disc”) having two information recording layers (reproduction-only or reproducible and recordable) has been developed. ing.
このような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層光ディスクへの記録および/または再生する場合、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つながり、書き込みエラーを招くため問題となる。
近年、さらに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、「高密度光ディスク」とよぶ)も提案されている。一方、この光ディスクへの情報記録用の光ヘッド装置には、光源として波長が405nm帯の青色レーザ光を出射する半導体レーザと、NAが0.85の対物レンズとを備えるタイプのものも開発されている。ところが、このタイプの光ヘッド装置の場合も、記録型の2層光ディスクについては、カバー厚の相違に応じて発生する球面収差が書き込みエラーを招くため、問題となる。
When recording and / or reproducing on a two-layer optical disk using an optical head device having an objective lens that is optimally designed to have zero aberration for such a single-layer optical disk, if the cover thickness is different, Spherical aberration occurs according to the difference in the cover thickness, and the condensing property of incident light on the information recording layer is deteriorated. In particular, in a recording type two-layer optical disc, deterioration of light condensing performance is a problem because it leads to a decrease in light condensing power density during recording and causes a writing error.
In recent years, an optical disc having a cover thickness of 0.1 mm (hereinafter referred to as a “high density optical disc”) has been proposed in order to further improve the recording density of the optical disc. On the other hand, an optical head device for recording information on an optical disk has been developed that includes a semiconductor laser that emits blue laser light having a wavelength of 405 nm as a light source and an objective lens having an NA of 0.85. ing. However, even in the case of this type of optical head device, there is a problem with the recording type double-layer optical disk because the spherical aberration that occurs according to the difference in the cover thickness causes a writing error.
そこで、従来、上記のような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、可動レンズ群や液晶レンズを用いる方法が知られている。
(I)例えば、可動レンズ群を用いて球面収差補正を行うために、図16に示すような、光ディスクDの記録・再生を行う光ヘッド装置100が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
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)に入射光の焦点を合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。
Therefore, conventionally, a method using a movable lens group or a liquid crystal lens is known as means for correcting spherical aberration caused by the difference in the cover thickness of the two-layer optical disk as described above.
(I) For example, in order to perform spherical aberration correction using a movable lens group, an
In addition to the
The
However, when the
(II)また、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ために、図17に示すような液晶レンズ200を用いた光ヘッド装置も提案されている(例えば、特許文献2参照)。
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
S(r)=α1r2+α2r4+α3r6+・・・+αmr2m+・・・
・・・(1) 但し、r2=x2+y2
α1、α2、α3、・・・、αm;定数
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とにより狭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。
この液晶レンズ200は、透明電極210、240間に電圧が印加されると、液晶270の分子配向が変化し、屈折率が変わる。その結果、基板260と液晶270の屈折率差に応じて、透過光の波面が変化する。
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。
ところが、図17に記載の液晶レンズの場合、印加電圧に対する液晶270の屈折率変化は最大0.3程度であるため、入射光の焦点を変化させるパワー成分に相当する大きな位相差分布△n×S(r)を発生させるためには、S(r)の凹凸差を大きくしなければならない。その結果、液晶270の層が厚くなり、駆動電圧の増加および応答が遅くなる問題が生じる。
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。
(II) Also, an optical head device using a
The
S (r) = α 1 r 2 + α 2 r 4 + α 3 r 6 +... + Α m r 2m +.
(1) where r 2 = x 2 + y 2
α 1 , α 2 , α 3 ,..., α m ; sandwiched by a
In this
Here, the refractive index of the
Accordingly, the surface shape S (r) of the
However, in the case of the liquid crystal lens shown in FIG. 17, since the refractive index change of the
Therefore, in order to make the liquid crystal layer thin, it is effective to correct only the spherical aberration with the smallest aberration correction amount excluding the power component. However, when the surface shape S (r) of the
(III)液晶層を厚くすることなく入射光の焦点変化に相当するパワー成分も可変とする実質的なレンズ機能を発現するために、図18に示すような液晶回折レンズ300も提案されている(例えば、特許文献3参照)。
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。
鋸歯状レリーフ構造を有する基板310の屈折率をn1、入射光の波長をλとしたときに、鋸歯状レリーフの溝の深さdが、次式の関係を満たすように
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。
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に液晶を充填すればよいため、前述の図17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層に比べて、液晶層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、鋸歯状レリーフ構造と液晶の屈折率差が印加電圧と共に変化し、屈折率差と鋸歯状レリーフの溝の深さdとの積が、前記波長λの整数倍になった状態においてのみ、波面が連続的につながりパワー成分を得ることができるため、発生するパワーは電圧に応じて離散的にしか変化させることができない。
一方で、光ディスクのカバー厚は製造誤差によりばらつくことが一般的である。特に、NAが0.85の対物レンズを備える光ヘッド装置においては、カバー厚のばらつきにより発生する球面収差が、対物レンズNAの4乗に比例することから、カバー厚の製造誤差を原因とする球面収差に関しても適正に補正する必要がある。従って、離散的なパワー成分しか得られない液晶回折レンズ300では、カバー厚の製造ばらつきを適正に補正することは困難である。
(III) A liquid crystal
In this liquid crystal
When the refractive index of the
d = λ / (n e -n 1)
By forming, a maximum diffraction efficiency is obtained at a wavelength λ when no voltage is applied, and a diffractive lens is obtained. Further, even if the wavelength λ of the incident light changes, the applied voltage can be adjusted so that the maximum diffraction occurs at the wavelength λ.
In the liquid crystal
However, in the liquid crystal
On the other hand, the cover thickness of the optical disc generally varies due to manufacturing errors. In particular, in an optical head device including an objective lens having an NA of 0.85, spherical aberration caused by variations in the cover thickness is proportional to the fourth power of the objective lens NA, which causes a manufacturing error in the cover thickness. It is necessary to appropriately correct spherical aberration. Therefore, in the liquid crystal
更に、図17に示す液晶レンズや図18に示すような液晶回折レンズでは、液晶が一様配向しているために、液晶の常光屈折率を感じる偏光に対しては、透過波面を印加電圧で変化させることはできない。DVDや高密度光ディスクの記録再生に用いる光ヘッド装置は、偏光光学系を用いることが一般的であるため、直交する偏光を有する往路光(光ディスクに向かう光)と復路光(光ディスクから反射された光)の何れか一方の光しか、球面収差を補正することができないといった問題が発生する。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、可動部のない小型の素子が実現可能であるとともに、液晶層が薄い液晶素子でありながら印加電圧の大きさに応じて安定した入射光の焦点変化に相当するパワー成分を含む球面収差補正を行うことができるレンズ機能を有する液晶レンズ素子を提供することを目的とする。また、本発明は、この液晶レンズ素子を用いることにより、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球面収差を補正し、安定した記録および/または再生ができる光ヘッド装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and it is possible to realize a small element having no movable part, and it is possible to realize stable incident light according to the magnitude of an applied voltage while the liquid crystal layer is a thin liquid crystal element. An object of the present invention is to provide a liquid crystal lens element having a lens function capable of correcting spherical aberration including a power component corresponding to a focus change. In addition, the present invention corrects spherical aberration caused by a difference in cover thickness between a single-layer optical disk and a double-layer optical disk by using this liquid crystal lens element, and can perform stable recording and / or reproduction. The purpose is to provide.
本発明は、液晶に印加する電圧の大きさに応じて、前記液晶を透過する光の焦点距離を変化させる液晶レンズ素子であって、第1のフレネルレンズ部と、第2のフレネルレンズ部と、電極レンズ部とを備え、前記第1のフレネルレンズ部は、一対の透明基板により挟持した第1液晶層と、この第1液晶層に電圧を印加するために前記透明基板の表面にそれぞれ設置した対向する電極対と、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鋸歯を階段形状に近似した断面形状を有し、前記対向する電極対の少なくとも一方の上面に透明材料で形成した第1凹凸部とを備え、前記第2のフレネルレンズ部は、一対の透明基板により挟持した第2液晶層と、この第2液晶層に電圧を印加するために前記透明基板の表面にそれぞれ設置した対向する電極対と、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鋸歯を階段形状に近似した断面形状を有し、前記対向する電極対の少なくとも一方の上面に透明材料で形成した第2凹凸部とを備え、前記電極レンズ部は、一対の透明基板により挟持した第3液晶層と、この第3液晶層に電圧を印加するために前記透明基板の表面に対向して設置し、そのうちの少なくとも一方が低抵抗電極と高抵抗平面電極とからなる複合電極である電極対とを備え、前記第1、第2、第3液晶層は電圧非印加時または電圧印加時に平行配向したネマティック液晶であって、前記第1液晶層の常光屈折率方向と、前記第2液晶層及び前記第3液晶層の異常光屈折率方向とが一致することを特徴とする液晶レンズ素子を提供する。 The present invention provides a liquid crystal lens element that changes a focal length of light transmitted through the liquid crystal according to a magnitude of a voltage applied to the liquid crystal, and includes a first Fresnel lens unit, a second Fresnel lens unit, The first Fresnel lens unit is disposed on the surface of the transparent substrate for applying a voltage to the first liquid crystal layer sandwiched between the pair of transparent substrates. A transparent material on at least one upper surface of the opposing electrode pair, and a sawtooth-like cross-sectional shape having rotational symmetry with respect to the optical axis of the light or a cross-sectional shape approximating a sawtooth to a step shape The second Fresnel lens portion includes a second liquid crystal layer sandwiched between a pair of transparent substrates, and a surface of the transparent substrate for applying a voltage to the second liquid crystal layer. In each A transparent material on at least one upper surface of the opposing electrode pair, and a sawtooth-like cross-sectional shape having rotational symmetry with respect to the optical axis of the light or a cross-sectional shape approximating a sawtooth to a step shape The electrode lens portion is opposed to the surface of the transparent substrate for applying a voltage to the third liquid crystal layer, and a third liquid crystal layer sandwiched between a pair of transparent substrates. At least one of which is a composite electrode composed of a low resistance electrode and a high resistance planar electrode, and the first, second and third liquid crystal layers are not applied with voltage or applied with voltage. 2. A liquid crystal lens element, wherein the liquid crystal lens element is a nematic liquid crystal aligned in parallel, wherein an ordinary light refractive index direction of the first liquid crystal layer and an extraordinary light refractive index direction of the second liquid crystal layer and the third liquid crystal layer coincide. I will provide a.
また、前記電極レンズ部に設置された対向する前記電極対のいずれか一方が前記複合電極であって前記複合電極は、高抵抗平面電極と、前記光の光軸を中心とする複数の同心円形状からなる低抵抗電極とからなる上記の液晶レンズ素子を提供する。 In addition, any one of the opposing electrode pairs installed in the electrode lens unit is the composite electrode, and the composite electrode includes a high-resistance planar electrode and a plurality of concentric circles centered on the optical axis of the light. A liquid crystal lens element comprising the low-resistance electrode is provided.
また、前記電極レンズ部に設置された対向する電極の両方が前記複合電極であって、
前記一方の複合電極は、高抵抗平面電極とストライプ状に配された複数の低抵抗電極とからなるとともに、前記もう一方の複合電極は、前記高抵抗平面電極と前記低抵抗電極の配置方向と直交する方向に、ストライプ状に配された複数の低抵抗電極からなることを特徴とする液晶レンズ素子を提供する。
Further, both of the opposing electrodes installed in the electrode lens unit are the composite electrodes,
The one composite electrode includes a high resistance planar electrode and a plurality of low resistance electrodes arranged in a stripe pattern, and the other composite electrode includes an arrangement direction of the high resistance planar electrode and the low resistance electrode. Provided is a liquid crystal lens element comprising a plurality of low resistance electrodes arranged in stripes in a direction perpendicular to each other.
また、前記第1、第2凹凸部を形成する前記透明材料の屈折率は、前記第1液晶層および第2液晶層の常光屈折率に等しいことを特徴とする上記の液晶レンズ素子を提供する。 In addition, the liquid crystal lens element is characterized in that a refractive index of the transparent material forming the first and second concavo-convex portions is equal to an ordinary refractive index of the first liquid crystal layer and the second liquid crystal layer. .
また、前記第1のフレネルレンズ部、第2のフレネルレンズ部及び電極レンズ部は、積層して一体化してあるとともに、前記第1、第2、第3液晶層は、互いに対向する4枚の透明基板が形成する3つの基板の間隙にそれぞれ設置されていることを特徴とする上記の液晶レンズ素子を提供する。 The first Fresnel lens portion, the second Fresnel lens portion, and the electrode lens portion are laminated and integrated, and the first, second, and third liquid crystal layers include four sheets facing each other. The liquid crystal lens element is provided, wherein the liquid crystal lens element is provided in a gap between three substrates formed by a transparent substrate.
また、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を一体化していることを特徴とする上記の液晶レンズ素子を提供する。 The liquid crystal lens element is characterized in that a phase plate whose phase difference with respect to the wavelength of the light is an odd multiple of π / 2 is integrated.
また、前記液晶レンズ素子の電極レンズ部は、第1の電極レンズ部と第2の電極レンズ部からなり、
前記第1の電極レンズ部は、一対の透明基板により挟持した前記第3液晶層と、この第3液晶層に電圧を印加するために透明基板の表面に設置して、そのうちの少なくとも一方が、低抵抗電極と高抵抗平面電極から成る複合電極である対向する電極対とを備え、
前記第2の電極レンズ部は、一対の透明基板により挟持した第4液晶層と、この第4液晶層に電圧を印加するために透明基板の表面に設置して、そのうちの少なくとも一方が、低抵抗電極と高抵抗平面電極から成る複合電極である対向する電極対とを備え、
前記第1、第2、第3、第4の液晶層は電圧非印加時または電圧印加時に平行配向したネマティック液晶であって、第1液晶層の常光屈折率方向と、第2、第3液晶層の異常光屈折率方向および第4液晶層の常光屈折率方向とが、一致することを特徴とする上記の液晶レンズ素子を提供する。
The electrode lens portion of the liquid crystal lens element includes a first electrode lens portion and a second electrode lens portion,
The first electrode lens unit is disposed on the surface of the transparent substrate in order to apply a voltage to the third liquid crystal layer sandwiched between a pair of transparent substrates, and at least one of them. An opposing electrode pair that is a composite electrode composed of a low-resistance electrode and a high-resistance planar electrode;
The second electrode lens unit is disposed on the surface of the transparent substrate in order to apply a voltage to the fourth liquid crystal layer sandwiched between the pair of transparent substrates, and at least one of them is low An opposing electrode pair that is a composite electrode composed of a resistance electrode and a high-resistance planar electrode;
The first, second, third, and fourth liquid crystal layers are nematic liquid crystals that are aligned in parallel when no voltage is applied or when a voltage is applied, and the normal refractive index direction of the first liquid crystal layer and the second and third liquid crystals. The liquid crystal lens element is provided in which the extraordinary refractive index direction of the layer and the ordinary refractive index direction of the fourth liquid crystal layer coincide with each other.
また、前記電極レンズ部に設置された対向する電極は、一方が前記複合電極であって、
この複合電極は、高抵抗平面電極と、前記光の光軸を中心とする複数の同心円形状からなる低抵抗電極とからなることを特徴とする上記の液晶レンズ素子を提供する。
One of the opposing electrodes installed in the electrode lens part is the composite electrode,
This composite electrode is provided with the liquid crystal lens element described above, characterized by comprising a high resistance flat electrode and a plurality of concentric low resistance electrodes centered on the optical axis of the light.
また、前記電極レンズ部に設置された対向する電極は、両方が前記複合電極であって、
一方の前記複合電極は、高抵抗平面電極とストライプ状に配された複数の低抵抗電極とからなるとともに、
もう一方の前記複合電極は、高抵抗平面電極と前記低抵抗電極の配置方向と直交する方向に、ストライプ状に配された複数の低抵抗電極とからなることを特徴とする上記の液晶レンズ素子を提供する。
Further, the opposing electrodes installed in the electrode lens part are both the composite electrodes,
One of the composite electrodes is composed of a high resistance flat electrode and a plurality of low resistance electrodes arranged in a stripe pattern,
The other composite electrode is composed of a plurality of low resistance electrodes arranged in stripes in a direction orthogonal to the arrangement direction of the high resistance planar electrode and the low resistance electrode. I will provide a.
また、前記第1、第2凹凸部を形成する前記透明材料の屈折率は、前記第1液晶層および第2液晶層の常光屈折率に等しいことを特徴とする上記の液晶レンズ素子を提供する。 In addition, the liquid crystal lens element is characterized in that a refractive index of the transparent material forming the first and second concavo-convex portions is equal to an ordinary refractive index of the first liquid crystal layer and the second liquid crystal layer. .
また、前記第1のフレネルレンズ部と第2のフレネルレンズ部を積層し一体化しているとともに、前記第1の電極レンズ部と第2の電極レンズ部を積層し一体化していることを特徴とする請求項7から10記載の液晶レンズ素子を提供する。 In addition, the first Fresnel lens part and the second Fresnel lens part are laminated and integrated, and the first electrode lens part and the second electrode lens part are laminated and integrated. A liquid crystal lens element according to claim 7 to 10 is provided.
また、本発明は、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ための対物レンズと、前記光記録媒体上に集光されて反射する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配置する請求項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ていることを特徴とする光ヘッド装置を提供する。
The present invention also provides a light source, an objective lens for condensing the light emitted from the light source on the optical recording medium, and a photodetector for detecting the light collected and reflected on the optical recording medium. An optical head device comprising: the liquid crystal lens element according to
また、前記光源から前記光記録媒体へ向かう光の光路上において、前記液晶レンズ素子に入射する前記光源からの光の偏光方向が、前記液晶レンズ素子の第3液晶層の異常光屈折率方向と一致することを特徴とする上記の光ヘッド装置を提供する。 Further, on the optical path of light traveling from the light source to the optical recording medium, the polarization direction of the light from the light source incident on the liquid crystal lens element is an extraordinary refractive index direction of the third liquid crystal layer of the liquid crystal lens element. The above-described optical head device is provided that matches.
また、本発明は、光源と、光源からの出射光を光記録媒体上に集光させるための対物レンズと、光源と対物レンズとの間の光路中に、請求項7から11のいずれか1項に記載の液晶レンズ素子を配置することを特徴とする光ヘッド装置を提供する。 According to another aspect of the present invention, there is provided a light source, an objective lens for condensing light emitted from the light source on the optical recording medium, and an optical path between the light source and the objective lens. An optical head device comprising the liquid crystal lens element according to the item is provided.
また、本発明は、光源と、光源からの出射光を光記録媒体の情報記録層に集光させる対物レンズと、前記情報記録層の反射光を受光する光検出器と、光源から光記録媒体に向かう往路の光束と前記情報記録層の反射光が光検出器と向かう復路の光束とを分離するビームスプリッタを少なくとも含む光ヘッド装置において、
前記第1のフレネルレンズ部と第2の電極レンズ部を積層し一体化した往路用液晶レンズ素子と、前記第2のフレネルレンズ部と第1の電極レンズ部を積層し一体化した復路用液晶レンズ素子からなる請求項7から10記載の液晶レンズ素子の、往路用液晶レンズ素子を光源とビームスプリッタの間の光路中に配置し、復路用液晶レンズ素子をビームスプリッタと光検出器の間の光路中に配置することを特徴とする光ヘッド装置を提供する。
The present invention also provides a light source, an objective lens that focuses light emitted from the light source onto the information recording layer of the optical recording medium, a photodetector that receives the reflected light of the information recording layer, and an optical recording medium from the light source. In an optical head device including at least a beam splitter that separates a light beam on an outward path toward the light beam and a light beam on a return path where reflected light from the information recording layer faces a photodetector,
A forward liquid crystal lens element in which the first Fresnel lens part and the second electrode lens part are laminated and integrated, and a backward liquid crystal in which the second Fresnel lens part and the first electrode lens part are laminated and integrated. 11. The liquid crystal lens element according to claim 7, wherein the forward liquid crystal lens element is disposed in an optical path between the light source and the beam splitter, and the backward liquid crystal lens element is disposed between the beam splitter and the photodetector. Provided is an optical head device which is arranged in an optical path.
本発明によれば、印加電圧に応じて透過波面が変化するため、焦点距離可変液晶レンズが実現できる。しかも、本発明の液晶レンズ素子が備える第1、第2のフレネルレンズ部では、鋸歯状または鋸歯を階段形状で近似した断面形状を有する透明材料の凹部に液晶を充填しているため、比較的大きなパワー成分を発生できるにも関わらず、液晶層の厚さを薄くできるようになり、低電圧駆動および高速応答につながる。さらに、第1、第2の液晶層の異常光屈折率方向が直交しているために、入射偏光によらず安定した球面収差補正を実現できる。また、本発明によれば、液晶レンズ素子が備える電極レンズ部により、パワー成分を連続的に変化することができる。
従って、このような液晶レンズ素子を備えた光ヘッド装置では、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するのみならず、カバー厚のばらつきに起因して発生する球面収差をも有効に補正できる。また、トラッキング時に対物レンズが液晶レンズ素子と偏心が生じた場合でも収差劣化が少ないため、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提供できる。
According to the present invention, since the transmitted wavefront changes according to the applied voltage, a variable focal length liquid crystal lens can be realized. In addition, in the first and second Fresnel lens portions provided in the liquid crystal lens element of the present invention, the liquid crystal is filled in the concave portions of the transparent material having a sawtooth shape or a cross-sectional shape approximating the sawtooth in a stepped shape. Although a large power component can be generated, the thickness of the liquid crystal layer can be reduced, leading to low voltage driving and high speed response. Furthermore, since the extraordinary refractive index directions of the first and second liquid crystal layers are orthogonal, stable spherical aberration correction can be realized regardless of the incident polarization. Further, according to the present invention, the power component can be continuously changed by the electrode lens portion provided in the liquid crystal lens element.
Therefore, in the optical head device provided with such a liquid crystal lens element, not only the spherical aberration generated due to the difference in the cover thickness in the two-layer optical disc but also the spherical surface generated due to the variation in the cover thickness. Aberrations can also be corrected effectively. Also, even when the objective lens is decentered from the liquid crystal lens element during tracking, there is little aberration deterioration, so that an optical head device capable of stable recording and / or reproduction can be provided.
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詳細に説明する。
[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の構成例について以下に説明する。
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る。本実施形態に係る液晶レンズ素子10は、大略構成として、第1のフレネルレンズ部10Aと、第2のフレネルレンズ部10Bと、電極レンズ部10Cとを備えており、4枚の透明基板11〜14及び3つの液晶層24〜26により積層一体化されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
[First Embodiment]
A configuration example of the liquid crystal lens element according to the first embodiment of the present invention will be described below.
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a first embodiment of the liquid crystal lens element of the present invention. The liquid crystal lens element 10 according to the present embodiment includes a first
図2は、本発明の第1の実施形態に係る液晶レンズ素子のフレネルレンズ部10A(または10B)を示す上面図である。図3は、本発明の液晶レンズ素子の第1の実施形態に係る電極レンズ部10Cの上面図である。
第1のフレネルレンズ部10Aは、透明基板11,12と、透明基板11,12及びシール21により挟持された第1の液晶層24と、第1の凹凸部27と、第1の液晶層24に電圧を印加するための対向する透明電極15、16を備えている。同様に、第2のフレネルレンズ部10Bは、透明基板12,13と、透明基板12,13及びシール22により挟持された第2の液晶層25と、第2の凹凸部28と、第2の液晶層25に電圧を印加するための対向する透明電極17、18を備えている。
一方、電極レンズ部10Cは、透明基板13,14と、透明基板13,14及びシール23により挟持された第3の液晶層26と、第3の液晶層26に電圧を印加するための透明電極19と、複合電極20を備えている。
透明電極15、17及び16、18は、電極取出部15A、17A及び16A、18A及び導通接続手段29により、外部信号源30に接続されている。透明電極19は、電極取出部19Aおよび図示外の接続線を介して外部信号源30に接続されている。複合電極20は、図3に示すように、光軸を中心とする同心円状に配置された低抵抗電極31〜34と、一様な高抵抗平面電極35を備えている。このうち、低抵抗電極31〜34は、電極取出部31A〜34Aおよび図示外の接続線を介して外部信号源30に接続されている。
凹凸部27、28は、断面が鋸歯状または鋸歯を階段状で近似した形状を有するものであり、均一屈折率透明材料を用いて形成しており、有効径φの領域では入射光の光軸(Z軸)に関して回転対称性を有する。凹凸部27、28の詳細に関しては後述する。
FIG. 2 is a top view showing the
The first Fresnel lens portion 10 </ b> A includes the
On the other hand, the electrode lens unit 10 </ b> C includes
The
The concavo-
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の一面及び透明基板12、13の両面に、透明電極15〜19を形成する。さらに、透明電極16、18の上面に、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27、28を形成する。凹凸部27、28は、透明電極16、18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ー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。透明基板14の一方の表面には、図3に示すように、低抵抗電極31〜34を形成した後、高抵抗平面電極35を形成して複合電極20とする。
次に、透明電極15及び凹凸部27の表面には、第1の液晶層24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し、透明電極17、19、凹凸部28、及び複合電極20表面には、第2、第3の液晶層25、26の異常光屈折率方向がX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21〜23を形成し、前記透明基板11〜14を重ね合わせ、圧着して空セルを作製する。シール21〜23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、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10とする。
Next, an example of a manufacturing procedure of the liquid crystal lens element 10 will be described below.
First,
Next, the surfaces of the
Next, an adhesive material (not shown) mixed with a gap control material is printed and patterned to form
次に、本発明の液晶レンズ素子の第1の実施形態における動作原理を以下に説明する。
本発明の液晶レンズ素子10は、液晶の配向方向が直交した第1のフレネルレンズ部10A、10Bと、第2のフレネルレンズ部10Bに平行な液晶配向方向を有する電極レンズ部10Cにより構成されている。フレネルレンズ部10A、10Bは、透明電極15、16又は透明電極17、18間に印加する電圧を変化することで、液晶層24、25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。
一方、電極レンズ部10Cは、複合電極20に生ずる電圧分布に応じて、液晶層26の実質的な屈折率分布を変化させることにより、連続的に焦点可変なレンズとして機能する。
Next, the operation principle in the first embodiment of the liquid crystal lens element of the present invention will be described below.
The liquid crystal lens element 10 of the present invention is composed of first
On the other hand, the
以下、フレネルレンズ部10A、10B、電極レンズ部10Cに関して順に詳述する。
・ フレネルレンズ部10A、10Bの説明
本発明の液晶レンズ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)の光線に対して半径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
φ(r)=a1r2+a2r4+a3r6+a4r8+ ・・・(3) 但し、r2=x2+y2
a1、a2、・・・;定数
で記述されるようにする。
ここで、横軸を半径rとし、位相差φを入射光の波長λの単位で表記した曲線の具体例を図4に符号P1及びP2で示す。
位相が揃ったコヒーレントな波長λの入射光の場合、λの整数倍の位相差をもつ透過波面は同等と見なせる。従って、図4のP1、P2で示すグラフを波長λ間隔で分割して位相差ゼロの面に移動した位相差を示すグラフF1、F2は、グラフP1、P2とは実質的に同等である。グラフF1、F2に示す位相差分布は、全てλ以内であり、断面が鋸歯状となっている。
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、フレネルレンズ部10Aまたは10Bに備えた凹凸部27、28の形状が、グラフF1、F2と相似な形状となるように加工すればよい。ここで、凹凸部27、28は、均一屈折率透明材料であればよく、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15〜18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。
Hereinafter, the
Description of
φ (r) = a 1 r 2 + a 2 r 4 + a 3 r 6 + a 4 r 8 + (3) where r 2 = x 2 + y 2
a 1 , a 2 ,...;
Here, a specific example of a curve in which the horizontal axis is the radius r and the phase difference φ is expressed in units of the wavelength λ of the incident light is indicated by reference signs P1 and P2 in FIG.
In the case of incident light having a coherent wavelength λ having the same phase, transmitted wavefronts having a phase difference that is an integral multiple of λ can be regarded as equivalent. Therefore, the graphs F1 and F2 showing the phase differences obtained by dividing the graphs indicated by P1 and P2 in FIG. 4 by the wavelength λ interval and moving to the plane of zero phase difference are substantially equivalent to the graphs P1 and P2. The phase difference distributions shown in the graphs F1 and F2 are all within λ and have a sawtooth cross section.
In order to obtain a phase difference corresponding to the graphs F1 and F2 by the liquid crystal lens element 10, the shape of the
図5は本発明の液晶レンズ素子の断面図におけるフレネルレンズ部の拡大図である。
透明基板11、12(または、12、13)の表面に形成された透明電極15(または、17)と16(または、18)の間隔をGとし、凹凸部27(または、28)の膜厚dFはゼロからdまで分布し、液晶層24(または、25)の層厚dLCはGからG−dまで分布している。ここで、間隔G(=dF+dLC)は一定値である。
凹凸部27は、透明電極15、16の間に設置されているので、凹凸部27を構成する材料の比誘電率εFに応じて、液晶層24に印加される実効的な電圧VLCが変化する。具体的には、電極15、16間に印加した交流電圧Vとすると、VLC/Vは、次式で記載される。
VLC/V=1/{1+(εLC/εF)×(dF/dLC)}
・・・(4)
ここで、凹凸部27の膜厚dFはフレネルレンズを形成する鋸歯状または鋸歯を階段形状で近似した断面形状に対応してゼロからdまで分布するため、dF/dLCはゼロからd/(G−d)まで分布する。その結果、液晶層24に印加される実効的な電圧VLCは凹凸部27の形状に応じて空間分布が生じる。
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、液晶分子の配向の変化により液晶層24の比誘電率εLCも変化する。従って、(4)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27の形状に応じた液晶層24に印加される実効的な電圧VLCの空間分布が定まる。ここで、VLCは膜厚dFに応じて変化するため、今後、印加電圧はVLC[dF]と表記する。なお、膜厚dFがゼロである位置においてVLC[0]は、電極間印加電圧Vに等しい。
FIG. 5 is an enlarged view of the Fresnel lens portion in the cross-sectional view of the liquid crystal lens element of the present invention.
The distance between the transparent electrodes 15 (or 17) and 16 (or 18) formed on the surface of the
Since the
V LC / V = 1 / {1+ (ε LC / ε F ) × (d F / d LC )}
... (4)
Here, the film thickness d F of the concavo-
In addition, liquid crystal has dielectric anisotropy, and the relative dielectric constant ε // in the major axis direction of the liquid crystal molecule and the relative dielectric constant ε の in the minor axis direction of the liquid crystal molecule are different. The relative dielectric constant ε LC of the
ところで、液晶層24に印加される電圧VLCが凹凸部27の形状に応じて異なるため、異常光偏光に対する液晶層24の実質的な屈折率n(VLC[dF])に空間分布が生じる。例えば、図5において、凹凸部27の膜厚dFの位置における電極15と16の間の光路長はns×dF+n(VLC[dF])×dLCであり、凹凸部27のないフレネルレンズ中心位置(dF=0)における光路長n(V)×Gに対する位相差φdFは次式となる。
φdF={ns×dF+n(VLC[dF])×(G−dF)}
−n(V)×G ・・・(5)
ここで、膜厚dFはゼロからdまで分布し、位相差φdFはゼロから次式のφdまで分布する。
φd={ns×d+n(VLC[d])×(G−d)}−n(V)×G
={n(VLC[d])−n(V)}×G
−{n(VLC[d])−ns}×d
例えば、印加電圧V+1において、図4のグラフF1に相当する透過波面の位相差を生成するためには、位相差φdが略λ(すなわち、0.75λ〜1.25λ)となるように、凹凸部の膜厚dおよび透明電極の間隔Gを決定すると共に、凹凸部27の膜厚がゼロからdFに至る断面形状とすればよい。
By the way, since the voltage V LC applied to the
φ dF = {n s × d F + n (V LC [d F ]) × (G−d F )}
−n (V) × G (5)
Here, the thickness d F distributed from zero to d, the phase difference phi dF is distributed from zero to phi d follows.
φ d = {n s × d + n (V LC [d]) × (G−d)} − n (V) × G
= {N (V LC [d])-n (V)} × G
− {N (V LC [d]) − n s } × d
For example, at an applied voltage V +1, to generate a phase difference of transmission wavefront corresponding to the graph F1 of FIG. 4, approximately lambda (i.e., 0.75Ramuda~1.25Ramuda) phase difference phi d is such that , and determines the distance G thickness d and the transparent electrode of the uneven portion may be the thickness of the concave-
ここで、印加電圧Vを変化させることにより、(5)式の位相差が変化する。例えば、
i)凹凸部27の膜厚dFがゼロからdまで分布するとき、(5)式の位相差が入射光の波長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、充分小さな位相差は、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)位相差φd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4のグラフF2に示す位相差の透過波面を生成できる。これは、位相差ゼロの面に対して図4のグラフF1と面対称の位相差の透過波面に相当する。
従って、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。
ここで、印加電圧V+1、V0、V−1において液晶レンズ10に平面波が入射した場合、それぞれ図6(A)、(B)、(C)に示す透過波面となって出射する。すなわち、透明電極15、16、又は透明電極17、18の印加電圧に応じて、正のパワー、パワーなし、負のパワーに対応するレンズ機能が得られる。液晶と凹凸部27の屈折率および比誘電率、凹凸部27の膜厚d、および透明電極間隔Gなどの選択により、得られる位相差の電気光学特性の設計自由度が高いため、低電圧駆動あるいは多種多様の透過波面を生成することができる。
Here, by changing the applied voltage V, the phase difference of the equation (5) changes. For example,
i) When the film thickness d F of the concavo-
ii) At an applied voltage V −1 where the phase difference φ d is approximately −λ (ie, −0.75λ to −1.25λ), a transmitted wavefront having a phase difference shown in the graph F2 of FIG. 4 can be generated. This corresponds to a transmitted wavefront having a phase difference symmetrical to the graph F1 in FIG. 4 with respect to a plane having no phase difference.
Accordingly, the applied voltage V +1, by switching the V 0, V -1, it is possible to switch three transmitting wavefront selectively.
Here, when a plane wave is incident on the liquid crystal lens 10 at the applied voltages V +1 , V 0 , and V −1 , they are emitted as transmitted wave fronts shown in FIGS. 6A, 6 B, and 6 C, respectively. That is, a lens function corresponding to positive power, no power, and negative power is obtained according to the applied voltage of the
以上はフレネルレンズ部に入射する光が異常光偏光の場合であるが、常光偏光の場合では、入射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において、凹凸部27の最低部(dF=0)に対する、膜厚dFである位置における位相差φdは、常光偏光では、
φd=(ns−no)×d ・・・(6)
であり、凹凸部27の屈折率nsと液晶の常光屈折率noの差に比例する。ここで、凹凸部27の屈折率nsと液晶の常光屈折率noを等しくすることが望ましい。このような構成とすることにより、常光偏光に対して印加電圧の大きさに関わらずφdが0となるため、透過光波面は変化しない。
また、図4のP1、P2で示す位相差を波長λ間隔で区切った位相差であるF1、F2を生成する液晶レンズ素子以外に、位相差φdが略mλ(m=2または3)に相当する液晶レンズ素子の形態でもよい。この場合、図4のP1、P2を波長m・λ(ここでは、m=2または3)間隔で区切った位相差に対応した透過波面となる。
また、本実施形態では、(3)式で記述される軸対称の位相差を生成する液晶レンズ素子10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が、(3)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位相差を生成する液晶レンズ素子についても、同様の原理で、均一屈折率透明材料の凹凸形状加工および凹部の液晶充填により作製できる。
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凹凸部27、28の断面形状を鋸歯状とする必要はなく、目的とする波面に一致した形状であれば良い。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、本実施形態では、凹凸部を形成する材料を屈折率nsの均一屈折率透明材料としているが、分子配向方向が基板面内で一方向に揃った高分子液晶などの複屈折材料を用いてもよい。この場合、複屈折材料の異常光屈折率をnsとし、常光屈折率を液晶の常光屈折率noと等しくするとともに、複屈折材料の分子配向方向(異常光屈折率の方向)を液晶分子の配向方向と一致させることが好ましい。このような構成とすることにより、常光偏光入射光に対して印加電圧の大きさに関わらず液晶と複屈折材料の常光屈折率が一致するため、透過光波面は変化しない。
また、本実施形態では、液晶層24、25には、それぞれ透明電極15、16及び透明電極17、18を介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、17と透明電極16、18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。
The above is the case where the light incident on the Fresnel lens is an extraordinary light polarization. In the case of ordinary light polarization, the effective refractive index of the liquid crystal perceived by the incident polarization is always the ordinary refractive index of the liquid crystal, regardless of the applied voltage. Matches. Therefore, in the liquid crystal lens element 10, the phase difference φ d at the position where the film thickness is d F with respect to the lowest portion (d F = 0) of the
φ d = (n s −n o ) × d (6)
, And the proportion to the difference between the refractive index n s and the liquid crystal of the ordinary refractive index n o of the concave-
Besides the liquid crystal lens element for generating F1, F2 is the phase difference, separated by wavelength λ intervals the phase difference shown in FIG. 4 of P1, P2, phase difference phi d is approximately mλ (m = 2 or 3) A corresponding liquid crystal lens element may be used. In this case, the transmission wavefront corresponds to a phase difference obtained by dividing P1 and P2 in FIG. 4 at intervals of wavelength m · λ (here, m = 2 or 3).
In the present embodiment, the element structure and the principle of operation of the liquid crystal lens element 10 that generates the axially symmetric phase difference described by the expression (3) have been described. A liquid crystal lens element that generates a phase difference corresponding to correction of coma, astigmatism, and the like can also be produced by processing the concavo-convex shape of a uniform refractive index transparent material and filling the concave portion with liquid crystal on the same principle.
In addition, when the absolute value of the phase difference to be corrected is equal to or less than the wavelength λ of the incident light, the cross-sectional shape of the
Further, in the present embodiment, the material forming the concave-convex portion is a uniform refractive index transparent material having a refractive index n s, the molecular orientation direction of the birefringent material such as a polymer liquid crystal aligned in one direction in the substrate plane It may be used. In this case, the extraordinary refractive index of the birefringent material and n s, together with the ordinary refractive index equal to the ordinary refractive index n o of the liquid crystal, the liquid crystal molecules molecular orientation direction of the birefringent material (the direction of the extraordinary refractive index) It is preferable to match the orientation direction. With such a configuration, the normal light refractive index of the liquid crystal and the birefringent material matches the normal light polarized incident light regardless of the magnitude of the applied voltage, so that the transmitted light wavefront does not change.
Moreover, in this embodiment, the thing of the structure which applies an alternating voltage to the liquid crystal layers 24 and 25 via the
(2)電極レンズ部10Cの説明
次に、本発明の液晶レンズ素子10に備えた電極レンズ部10Cについて、以下に説明する。
この電極レンズ部10Cは、液晶層26の異常光屈折率方向に一致する偏光成分の光に対し、連続的に変化するパワー成分を付与することを目的としている。そこで、電極レンズ部10Cの一方に設ける複合電極20は、図3に示すように、高抵抗平面電極35と、目的とするパワー成分に対応した電圧分布を高抵抗平面電極35に発生させるための低抵抗電極31〜34とを備える。
図7は電極レンズ部10Cが発生する位相差分布を示す模式図である。低抵抗電極31〜34に各々異なる電圧を印加すると、高抵抗平面電極35には、低抵抗電極31〜34間の電圧差に応じて連続的に変化する電圧分布が形成される。液晶分子は、電圧分布に応じて配向が変化するため、液晶層26には実効的な屈折率分布が形成され、位相差分布が発生する。
図7に示すA、B、C、Dの各点は、各々、低抵抗電極31、32、33、34の位置に対応し、目的とするパワーαに略一致した位相差βを発生する。ここで、「略一致」するとは、目的とするパワーαと位相差βの差の標準偏差が、入射する光の波長λの20分の1以下であればよく、これを満足するように低抵抗電極31〜34の形状や印加する電圧を設定することが、十分な結像性能を得るために望ましい。
高抵抗平面電極35は、低抵抗電極31〜34に比べてシート抵抗値が十分高く、かつ、透明な材料であれば良く、亜鉛、鉛、錫、インジウムなどの酸化物を含む組成物であっても良い。低抵抗電極31〜34も、亜鉛、鉛、錫、インジウムなどの酸化物を含む透明な組成物であっても良く、光学的に問題がなければ、アルミニウム、金、銀、クロムなどの金属膜であっても良い。
また、図3の構成例においては、低抵抗電極31〜34は、電極取出部31A〜34Aに接続されて(図示せず)外部信号源30に接続されているが、液晶レンズ素子10の内部において、低抵抗電極31〜34同士を適当な薄膜抵抗体で接続することにより、外部信号源30により印加される電圧を分圧させて低抵抗電極31〜34に配分しても良い。このように構成すれば、外部信号源30の信号数を減らすことができるため、好ましい。
また、本実施形態では、図3に示す複合電極20により、パワー成分を生成する電極レンズ部10Cの場合について、その動作原理を説明したが、パワー成分以外に、複合電極20の構造を変えれば、軸対称な球面収差も同様な原理で生成することができる。更に、パワーと球面収差の両成分からなる位相差分布を得ることもできる。
(2) Description of
The
FIG. 7 is a schematic diagram showing a phase difference distribution generated by the
Each point of A, B, C, and D shown in FIG. 7 corresponds to the position of the
The high resistance
In the configuration example of FIG. 3, the
In the present embodiment, the operation principle of the
以上のように、本発明の液晶レンズ素子を用いれば、偏光に依存せず、発生するパワーを離散的に切り替えることができ、また、電極レンズ部の液晶配向方向に一致する偏光に関しては、連続的に変化するパワーを得ることができる。
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率異方性を有する液晶を用いる例を示したが、別の液晶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率異方性を有する液晶を用いてもよい。
また、本発明の液晶レンズ素子を構成する、第1、第2のフレネルレンズ部、電極レンズ部は、光軸に対して適切な位置に設置されていれば、一体である必要はない。しかし、このように構成すれば、液晶レンズ素子の設置スペースが大きくなったり、位置調整が複雑になる問題が発生するので、図1に示すように、全てを積層し一体化することは大変望ましい。この場合、3つの液晶層を挟持するには、4枚以上の基板を用いれば良いが、4枚の透明基板により積層することは、液晶レンズ素子の厚さを薄くできるため好ましい。
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。
As described above, when the liquid crystal lens element of the present invention is used, the generated power can be switched discretely without depending on the polarization, and the polarization matching the liquid crystal alignment direction of the electrode lens portion is continuous. Can be obtained.
In this embodiment, a liquid crystal having a positive dielectric anisotropy that is aligned parallel to the substrate surface when no voltage is applied and liquid crystal molecules are aligned in a direction perpendicular to the substrate surface according to the magnitude of the applied voltage is used. Although an example is shown, another liquid crystal alignment or liquid crystal material may be used. For example, a liquid crystal having negative dielectric anisotropy that is aligned perpendicular to the substrate surface when no voltage is applied and liquid crystal molecules are aligned in a direction parallel to the substrate surface according to the applied voltage V may be used.
Further, the first and second Fresnel lens portions and the electrode lens portion constituting the liquid crystal lens element of the present invention do not need to be integrated as long as they are installed at appropriate positions with respect to the optical axis. However, with such a configuration, there is a problem that the installation space of the liquid crystal lens element becomes large and the position adjustment becomes complicated. Therefore, as shown in FIG. . In this case, four or more substrates may be used to sandwich the three liquid crystal layers. However, it is preferable to stack the four liquid crystal layers because the thickness of the liquid crystal lens element can be reduced.
Further, optical components such as a retardation plate, a diffraction grating, a birefringent hologram element, and a wavelength-dependent diffraction grating may be appropriately laminated and integrated on the surface of the liquid crystal lens element of the present invention. This is preferable because the number of optical components to be configured is reduced and the assembly of the optical head device is simplified. Further, the optical component may be molded on a transparent substrate or may be bonded.
[第2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について、図8を参照しながら説明する。
図8は、本発明の液晶レンズ素子の第2の実施形態に備えられた、複合電極の上面図である。本実施形態の液晶レンズ素子は、図1に示した第1の実施形態に係る液晶レンズ素子10において、電極レンズ部10Cに備えられた透明電極19及び複合電極20を、図8に示す複合電極40、50に置き換えた構成になっている。従って、本実施形態において、電極レンズ部10C以外は第1の実施形態と同じであるため、以下では説明を省略し、電極レンズ部10Cのみを説明する。
[Second Embodiment]
Next, a liquid crystal lens element according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 8 is a top view of a composite electrode provided in the second embodiment of the liquid crystal lens element of the present invention. The liquid crystal lens element of the present embodiment is the same as the liquid crystal lens element 10 according to the first embodiment shown in FIG. 1 except that the
本実施形態の電極レンズ部10Cに備えられた複合電極40、50は、液晶層26に電圧を印加するための一対の複合電極であり、ストライプ状に配置された低抵抗電極41〜44及び51〜54に適当な電圧を印加することにより、高抵抗平面電極45、55に電位分布を発生する。
ここで、図7を用いて、本実施形態の電極レンズ部が発生する位相分布に関し説明する。低抵抗電極41〜44に各々異なる電圧を印加すると、高抵抗平面電極45には、低抵抗電極41〜44間の電圧差に応じて連続的に変化する電位分布が形成される。ストライプ状に配された低抵抗電極41〜44の位置が、図7に示すA、B、C、Dにそれぞれ対応する場合、X方向に関しては目的とするパワーαに略一致した位相差βを生成する電圧分布を得ることができる。一方、Y方向に関しては、複合電極40に発生する電圧分布はY方向で変化しない。また、Y方向にストライブ状に配置された低抵抗電極51〜54の位置が、図7のA、B、C、Dに対応する場合、Y方向に関しては目的とするパワーαに略一致した位相差βを生成する電圧分布を得ることができる。
The
Here, the phase distribution generated by the electrode lens unit of the present embodiment will be described with reference to FIG. When different voltages are applied to the
従って、X方向、Y方向に変化する電圧分布を発生する2つの複合電極40、50間に設置された液晶層26に印加される実効的な電圧は、第1の実施形態における、透明電極19及び複合電極20(図1参照)によるものと同様な分布になる。従って、液晶層26には実効的な屈折率分布が形成され、目的のパワーαに略一致した位相差βを得ることができる。
なお、低抵抗電極41〜44、51〜54及び高抵抗平面電極45、55の材質及び作製方法は、第1の実施形態における複合電極20と同じでよい。また、低抵抗電極41〜44または低抵抗電極51〜54は、外部信号源30と接続する際、信号線数を減らすために各低抵抗電極間を薄膜抵抗体により接続しても良く、少ない信号線数で駆動できるため好ましい。
Therefore, the effective voltage applied to the
The materials and manufacturing methods of the
[第3の実施形態]
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9は、本発明の液晶レンズ素子を搭載した光ヘッド装置60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/または再生するための光ヘッド装置であり、半導体レーザ61と、偏光ビームスプリッタ62と、コリメータレンズ63と、本発明に係る液晶レンズ素子64と、4分の1波長板65と、対物レンズ66と、シリンドリカルレンズ67と、光検出器68とを備えている。なお、2層光ディスクDには、第1記録層D1及び第2記録層D2を有する、DVDや高密度光ディスクなどが用いられている。
半導体レーザ61の波長は、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良いし、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良い。液晶レンズ素子64は、上記に説明した、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。従って、液晶レンズ素子64の構造及び作製方法や、動作原理の説明は省略する。
さらに、本発明の光ヘッド装置では、図9に図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することができる。
[Third Embodiment]
Next, an optical head device equipped with the liquid crystal lens element of the present invention will be described below.
FIG. 9 is a schematic diagram showing an example of an
The wavelength of the
Furthermore, in the optical head device of the present invention, in addition to the optical components shown in FIG. 9, different optical components or mechanical components such as a diffraction grating, a hologram element, a polarization-dependent selection element, a wavelength-selective element, and a wavefront conversion unit are appropriately used. It can be applied in combination.
次に、本発明の作用について説明する。
光源である半導体レーザ61から出射されたX方向の直線偏光は、偏光ビームスプリッタ92を透過した後、コリメータレンズ63、液晶レンズ素子64、4分の1波長板65を透過した後に円偏光に変換され、対物レンズ66により、光ディスクDに備えられた第1記録層D1又は第2記録層D2に集光する。その後、光ディスクDから反射された光は、再度、対物レンズ66、4分の1波長板65を通過した後、Y方向の直線偏光に変換され、液晶レンズ素子64、コリメータレンズ63を通過し、偏光ビームスプリッタ62で反射し、シリンドリカルレンズ67によって非点収差を与えられ、光検出器68に入射する。
Next, the operation of the present invention will be described.
The linearly polarized light in the X direction emitted from the
次に、液晶レンズ素子64として本発明の第1の実施形態に係る液晶レンズ素子10を搭載した光ヘッド装置60を用いて、カバー厚の異なる記録層D1,D2に情報を記録および/または再生する動作を、以下に説明する。ただし、以下においては、対物レンズ66は、第1記録層D1と第2記録層D2の中間のカバー厚さにおいて、収差が最小となるように設計されているものとする。
例えば、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さ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66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、補正することができる。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する一方、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する。その後、対物レンズ95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。
(i)第1記録層D1(カバー厚差が負)への記録および/または再生の場合:
第1記録層D1への記録および/または再生においては、前述のように、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間及び透明電極17、18間に交流電圧V+1を印加する。すると、液晶層24及び25の配向方向が変化し、図6(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。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)への記録および/または再生の場合:
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間及び透明電極17、18間に交流電圧V−1を印加する。すると、液晶層24及び25の配向方向が変化し、図6(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。従って、第2記録層D2へ集光する光の球面収差を補正することができる。
以上のようにして、液晶層に印加する電圧を変化することで、異なるカバー厚をもつ2つの記録層の球面収差を補正することができる。
Next, using the
For example, when focusing on a recording layer with a cover thickness different from the design, spherical aberration proportional to the cover thickness difference obtained by subtracting the design thickness from the recording thickness of the cover thickness occurs, making it difficult to read and write information. This spherical aberration can be corrected by making light incident on the
(I) For recording and / or reproduction on the first recording layer D1 (cover thickness difference is negative):
In recording and / or reproduction on the first recording layer D1, as described above, the
(Ii) In the case of recording and / or reproduction on the second recording layer D2 (cover thickness difference is positive):
In recording and / or reproduction on the second recording layer D2, the AC voltage V − is applied between the
As described above, the spherical aberration of the two recording layers having different cover thicknesses can be corrected by changing the voltage applied to the liquid crystal layer.
本発明の液晶レンズ素子は、第1、第2のフレネルレンズ部が直交する2つの直線偏光に関し、同一な動作をするものであれば、液晶レンズ素子に入射する偏光によらず、球面収差を補正することができる。しかし、液晶レンズ素子の製造誤差、例えば液晶層24、25の厚さが異なる状況においては複屈折が生じるため、入射する偏光によっては、適切なパワーを得ることができない。そのため、液晶レンズ素子に入射する光の偏光は、フレネルレンズ部に備えた何れかの液晶層の配向方向に一致した直線偏光であることが望ましい。
前述のように、図9に例示した光ヘッド装置60は、光ディスクDに入射する光である往路光と、光ディスクDから反射した光である復路光の偏光が直交している。従って、往路光の偏光と第2のフレネルレンズ部の液晶配向方向と一致し、復路光の偏光と第1のフレネルレンズ部の液晶配向方向が一致していれば、往復路光で球面収差を補正することができる。また、凹凸部27、28の屈折率が、液晶の常光屈折率と一致していれば、常光屈折率方向の偏光成分に関して、波面は変化しないため好ましい。
The liquid crystal lens element of the present invention has a spherical aberration regardless of the polarization incident on the liquid crystal lens element as long as the first and second Fresnel lens portions perform the same operation with respect to two linearly polarized lights orthogonal to each other. It can be corrected. However, in the situation where the manufacturing error of the liquid crystal lens element, for example, the thicknesses of the liquid crystal layers 24 and 25 are different, birefringence occurs, so that appropriate power cannot be obtained depending on the incident polarized light. Therefore, it is desirable that the polarization of the light incident on the liquid crystal lens element is linearly polarized light that matches the alignment direction of any liquid crystal layer provided in the Fresnel lens portion.
As described above, in the
次に、光ディスクDの製造ばらつきなどにより、第1、第2記録層D1,D2のカバー厚にばらつきが生じた場合に関して説明する。
フレネルレンズ部10A、10Bを用いることにより、第1、第2記録層D1,D2の基準カバー厚差に関しては、精度良く補正することができる。しかしながら、フレネルレンズ部10A、10Bは、ある所定の離散的パワー成分しか発生することができいため、記録層のカバー厚が基準値と異なるような個々のカバー厚ばらつきに対応することは困難である。一方、電極レンズ部は、フレネルレンズ部に比べ同等若しくは大きなパワーを得ることは困難である。
そこで、本発明の液晶レンズ素子10では、第1記録層と第2記録層の切り替えにより生じる球面収差に関しては、主に前記フレネルレンズ部が発生する離散的なパワーにより補正し、各記録層でのカバー厚ばらつきに関しては、主に電極レンズ部が発生する連続的なパワーにより補正するように用いれば、便宜である。
Next, a case where variations occur in the cover thicknesses of the first and second recording layers D1 and D2 due to manufacturing variations of the optical disc D will be described.
By using the
Therefore, in the liquid crystal lens element 10 of the present invention, spherical aberration caused by switching between the first recording layer and the second recording layer is corrected mainly by the discrete power generated by the Fresnel lens portion, It is convenient if the cover thickness variation is corrected so as to be corrected mainly by the continuous power generated by the electrode lens portion.
[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70の構成例について以下に説明する。図10は、本発明の液晶レンズ素子の第4の実施形態を示す断面図である。なお、図10において、図1と同じ構成要素は同一符号を用いて重複説明を避けている。
第4の実施形態に係る液晶レンズ素子70は、図1に示す本発明の第1の実施形態に係る液晶レンズ素子10と比較して、電極レンズ部として、第1の実施形態の電極レンズ部10C(第1の電極レンズ部)に、さらに電極レンズ部10D(第2の電極レンズ部)が付加された構成としている点が異なる。
[Fourth Embodiment]
A configuration example of the liquid
Compared with the liquid crystal lens element 10 according to the first embodiment of the present invention shown in FIG. 1, the liquid
また、本実施形態に係る液晶レンズ素子70は、第1フレネルレンズ部10Aと第2フレネルレンズ部10Bとが一体化されたフレネルレンズ部70Aと、第1電極レンズ部10Cと第2電極レンズ部10Dとが一体化された電極レンズ部70Bとからなる。そして、このフレネルレンズ部70Aと電極レンズ部70Bとは、分離されており、それぞれ独立に外部信号電源30A、30Bに接続されている点が、第1の実施形態に係る液晶レンズ素子10と異なる。
他の大略構成は、第1の実施形態に係る液晶レンズ素子10と同じであり、透明基板13A、13B、13Cは透明基板13と同じである。
In addition, the liquid
Other general configurations are the same as those of the liquid crystal lens element 10 according to the first embodiment, and the
ここで、第2の電極レンズ部10Dは、第1の電極レンズ部10Cと同様に、透明基板13C、14及びシール23Bにより挟持された第4の液晶層26Bと、この第4の液晶層26Bに電圧を印加するための透明電極19Bと、複合電極20Bとを備えている。この電極レンズ部10Dは、複合電極20Bに生ずる電圧分布に応じて、Y方向の直線偏光入射光に対して液晶層26Bの実質的な屈折率分布を変化させることにより、連続的に焦点可変なレンズとして機能する。
Here, similarly to the first
透明電極15、17及び16、18は、電極取出部15A、17A及び16A、18Aを介して外部信号源30Aに接続されている。一方、透明電極19、19Bは、電極取出部19Aを介して外部信号源30Bに接続されている。複合電極20Bは、複合電極20と同様の構造を有しており、図3に示すように、光軸を中心とする同心円状に配置された低抵抗電極31〜34と、一様な高抵抗平面電極35とを備えている。このうち、低抵抗電極31〜34は、電極取出部31A〜34Aを介して外部信号源30Bに接続されている。
The
なお、第2の電極レンズ部10Dの第4の液晶層26Bと第1の電極レンズ部10Cの第3の液晶層26とでは、液晶の配向方向が異なる。すなわち、第4の液晶層26Bは、異常光屈折率がY方向を向くよう、透明電極19B及び複合電極20B表面に配向処理が施されている。
The fourth
従って、電極レンズ部70Bは、入射光の偏光状態に係わらず、外部信号源30Bによる印加電圧に応じて連続的に焦点可変なレンズとなる。その結果、本実施形態に係る液晶レンズ素子70の構成とすることにより、入射光の偏光状態に係わらず、離散的に焦点可変なレンズ機能と、連続的に焦点可変なレンズ機能が得られる。
図9に示す光ヘッド装置60において、液晶レンズ素子70を、液晶レンズ素子64の代わりに用いると、第3の実施形態で説明した作用効果が得られる。特に、電極レンズ部70Bは、往路のX方向の入射偏光のみならず復路のY方向の入射偏光に対しても連続的に焦点可変なレンズとして機能するため、復路の球面収差も有効に補正することができる。その結果、フォーカスサーボの精度が向上し、より安定した2層光ディスクの記録・再生ができる。
Therefore, the
In the
[第5の実施形態]
本発明の第5の実施形態に係る液晶レンズ素子80の構成例について、以下に説明する。図11は本発明の液晶レンズ素子の第5の実施形態を示す断面図である。図11において、図10と同じ構成要素は同一符号を用いている。
本実施形態に係る液晶レンズ素子80は、図10に示す本発明の第4の実施形態に係る液晶レンズ素子70と異なり、第1フレネルレンズ部10Aと第2電極レンズ部10Dとが一体化されたY方向の入射偏光に対してレンズ機能が発現する復路用液晶レンズ部80Aと、第2フレネルレンズ部10Bと第1電極レンズ部10Cとが一体化されたX方向の入射偏光に対してレンズ機能が発現する往路用液晶レンズ部80Bとからなる。復路用液晶レンズ部80Aと往路用液晶レンズ部80Bは、分離されており、それぞれ独立に外部信号電源30C、30Dに接続されている。他の大略構成は、第4の実施形態に係る液晶レンズ素子70と同じである。
[Fifth Embodiment]
A configuration example of the liquid
The liquid
従って、X方向の入射偏光に対しては、X方向の往路用液晶レンズ部80Bが機能し、外部信号源30Cによる印加電圧に応じて、離散的および連続的に焦点可変なレンズとなる。また、Y方向の入射偏光に対しては、復路用液晶レンズ部80Aが機能し、外部信号源30Dによる印加電圧に応じて、離散的および連続的に焦点可変なレンズとなる。
Therefore, the X-direction forward liquid
ここで、図9に示す光ヘッド装置60において、液晶レンズ素子80を、液晶レンズ素子64の代わりに用いると、第4の実施形態で説明した作用効果が得られる。
また、光ヘッド装置の光路中で、往路の光路中に往路用液晶レンズ部80Bを配置するとともに、復路の光路中に復路用液晶レンズ部80Aを配置する構成の光ヘッド装置90を図12に示す。この図12において、図9と同じ構成要素は同一符号を用いて重複説明を避ける。
図12の光ヘッド装置90において、往路用と復路用でそれぞれコリメータレンズ63A、63Bを用いるとともに、コリメータレンズ63A、63Bと4分の1波長板65との間の光路中に偏光ビームスプリッタ62が配置されている点が、光ヘッド装置60と異なる。さらに、光ヘッド装置90では、往路の直線偏光(紙面内の偏光)に対してレンズ作用を有する液晶レンズ部80Bと、復路の直線偏光(紙面に垂直な偏光)に対してレンズ作用を有する液晶レンズ部80Aとが、それぞれコリメータレンズ63B、63Aと偏光ビームスプリッタ62との間に配置されている。その結果、光ヘッド装置60の場合と比較し、往路と復路でレンズ作用のない液晶層を通過することがないため、高い透過率が得やすい、といった特徴がある。
Here, in the
Further, FIG. 12 shows an
In the
[第6の実施形態]
次に、本発明の第6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。
本実施形態の液晶レンズ素子では、フレネルレンズ部の構成が他の実施形態と異なる。
すなわち、図1、図10及び図11に示す、液晶レンズ素子の第1のフレネルレンズ部10A及び第2のフレネルレンズ部10Bにおいて、第1液晶層24及び第2液晶層25には、負の誘電率異方性を有するネマティック液晶を用いている。そして、液晶層に電圧が印加されないオフ状態のときには、液晶分子の配向方向が基板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、第1凹凸部27と第2凹凸部28の屈折率nFが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。このように、液晶分子の配向方向が基板表面に対して垂直または垂直に近い角度とするためには、液晶の垂直配向膜を液晶層と接する基板表面に形成すればよい。
一方、液晶層に電圧印加されたオン状態では、液晶分子の配向方向が特定方向に傾斜するように、配向膜表面が配向処理されていることが好ましい。具体的には、第1液晶層24はY方向に、第2液晶層25はX方向に液晶分子が傾斜するよう配向処理を施す。
[Sixth Embodiment]
Next, a configuration example of the liquid crystal lens element according to the sixth embodiment of the present invention will be described below.
In the liquid crystal lens element of this embodiment, the configuration of the Fresnel lens portion is different from those of the other embodiments.
That is, in the first
On the other hand, in the ON state in which a voltage is applied to the liquid crystal layer, the alignment film surface is preferably subjected to an alignment treatment so that the alignment direction of the liquid crystal molecules is inclined in a specific direction. Specifically, the first
このような構成とすることにより、オフ状態では入射光の偏光状態に係わらず液晶層と凹凸部の屈折率がほぼ一致するため、凹凸部の形状に係わらず透過波面の変化が生じない。また、液晶層と凹凸部の屈折率の波長分散の相違に起因する屈折率差は僅かであるため、入射光の波長が変化しても透過波面変化はほとんどない。一方、オン状態では、凹凸部の形状及び印加電圧に応じて液晶分子の配向方向が変化し、配向処理された方向の直線偏光(すなわち、異常光偏光)の入射光に対して液晶層の実質的な屈折率が変化する。その結果、印加電圧及び凹凸部の形状に応じた透過波面変化が生じる。
例えば、フレネルレンズの凹凸部の中心が凹の場合、オフ状態では、図6(B)に示すように、透過波面変化なしで、オン状態では、図6(A)に示すように凸レンズ相当の収束透過波面とすることができる。すなわち、印加電圧のオン・オフ切り替えにより、パワーなしとパワー有りの2値焦点切り替えレンズとなる。
なお、第1液晶層24と第2液晶層25は、オン状態で液晶分子の傾斜方向のXY面内射影成分が直交するため、第1及び第2のフレネルレンズ部における凹凸部27、28の形状及び液晶層24、25の層厚が同じで、外部信号源より透明電極15と16間及び透明電極17と18間に同一のオン状態の印加電圧とすれば、入射光の偏光状態に係わらず単一の収束波面となる。なお、本実施形態のフレネルレンズ部を構成要素とする液晶レンズ素子は、電極レンズ部との組み合わせにおいて、図1、図10或いは図11に示す何れの構成としてもよい。
With such a configuration, in the off state, the refractive index of the liquid crystal layer and the concavo-convex portion are almost the same regardless of the polarization state of the incident light, so that the transmitted wavefront does not change regardless of the shape of the concavo-convex portion. Further, since the difference in refractive index due to the difference in the wavelength dispersion of the refractive index between the liquid crystal layer and the uneven portion is slight, there is almost no change in the transmitted wavefront even if the wavelength of the incident light is changed. On the other hand, in the ON state, the alignment direction of the liquid crystal molecules changes according to the shape of the concavo-convex part and the applied voltage, and the liquid crystal layer substantially does not respond to incident light of linearly polarized light (that is, extraordinary light polarized light) in the aligned direction. The refractive index changes. As a result, the transmitted wavefront changes according to the applied voltage and the shape of the concavo-convex portion.
For example, when the center of the concavo-convex portion of the Fresnel lens is concave, in the off state, as shown in FIG. 6 (B), there is no change in the transmitted wavefront, and in the on state, it corresponds to a convex lens as shown in FIG. 6 (A). It can be a convergent transmitted wavefront. That is, by switching on / off of the applied voltage, a binary focus switching lens with no power and with power is obtained.
Since the first
次に、本実施形態の液晶レンズ素子を、図9の液晶レンズ素子64の代わりに搭載した光ヘッド装置を用いて、第2記録層D2を備えた単層高密度光ディスク及び第1記録層D1と第2記録層D2を備えた2層高密度光ディスクの情報の記録・再生動作について、以下に説明する。なお、ここで、対物レンズ66は、カバー厚100μmの第2記録層D2に対して収差が最小となるように設計されている。また、半導体レーザ61の波長は405nm帯である。他の構成は第3の実施形態の光ヘッド装置と同じである。
カバー厚100μmの第2記録層D2の記録・再生時には、液晶レンズ素子のフレネルレンズ部には電圧印加せずオフ状態とすることで、対物レンズ66の収差性能が維持され、安定した集光性能が実現する。一方、カバー厚75μmmの第1記録層D1の記録・再生時には、液晶レンズ素子のフレネルレンズ部の透明電極15と16間及び透明電極17と18間に電圧印加しオン状態とすることで正のパワーを付加した収束光とし、球面収差が補正され、その結果安定した集光性能が実現する。
また、高密度光ディスクの製造ばらつきなどにより、第1記録層D1及び第2記録層D2のカバー厚ばらつきに起因して発生する球面収差は、第3或いは第4の実施形態と同様に、電極レンズ部に印加する電圧に応じて発生する連続的なパワーにより補正する。
本発明の液晶レンズ素子は、印加電圧に応じて焦点距離を変化させることにより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、液晶レンズ素子を対物レンズと分離して配置し、対物レンズがトラッキング時に液晶レンズ素子と偏心が生じた場合でも、収差劣化がほとんどないといった長所がある。その結果、単層及び2層の高密度光ディスクの安定した記録・再生が実現できる。
第3の実施形態の液晶レンズ素子では、フレネルレンズ部の透明電極15、16間及び、透明電極17、18間に印加する電圧をV+1、V+0、V−1に切り替えることにより、それぞれ“凸レンズ”、“レンズ作用なし”、“凹レンズ”の3値焦点切り替えレンズ機能が得られるが、本実施形態の液晶レンズ素子では、印加電圧のオフ・オン切り替えで、それぞれ“レンズ作用なし”、“凸レンズ”の2値焦点切り替えレンズ機能が得られる。第3の実施形態の3値焦点切り替えに比べ、本実施形態の2値焦点切り替えの方が必用な電極間の光路長変化が半分程度となるため、透明電極間の間隔Gを薄くできる。すなわち、液晶層の層厚及び凹凸部の膜厚dを薄くできるため、焦点切り替え時の応答速度が速くなる。また、凹凸部の膜厚dが薄いほど、凹凸部の作製工程が短縮できるとともに、凹凸部表面の液晶分子の配向が安定するため、液晶分子配向の不均一に起因して発生する不要な散乱光が軽減し、高い効率が得やすいといった長所がある。
また、液晶レンズ素子に入射する光ヘッド装置の配置構成において、本実施形態の液晶レンズの場合、高密度光ディスクで用いる波長と異なるDVDやCDの波長の光も、電圧非印加時のオフ状態で入射光の波長に係わらず透過波面変化がないため、DVDやCDの光ヘッド装置としての性能劣化を及ぼすことがなく好ましい。
Next, a single-layer high-density optical disc including the second recording layer D2 and the first recording layer D1 using an optical head device in which the liquid crystal lens element of this embodiment is mounted instead of the liquid
During recording / reproduction of the second recording layer D2 having a cover thickness of 100 μm, the aberration performance of the
In addition, spherical aberration that occurs due to variations in the cover thickness of the first recording layer D1 and the second recording layer D2 due to manufacturing variations of high-density optical discs is the same as in the third or fourth embodiment. Correction is performed by the continuous power generated according to the voltage applied to the unit.
The liquid crystal lens element of the present invention is arranged separately from the objective lens in order to correct the spherical aberration caused by the difference in the cover thickness by changing the focal length according to the applied voltage, Even when the objective lens is decentered from the liquid crystal lens element during tracking, there is an advantage that there is almost no deterioration of aberration. As a result, stable recording / reproduction of single-layer and double-layer high-density optical discs can be realized.
In the liquid crystal lens element of the third embodiment, the voltages applied between the
In addition, in the arrangement of the optical head device that is incident on the liquid crystal lens element, in the case of the liquid crystal lens of the present embodiment, light of a wavelength of DVD or CD different from the wavelength used in the high-density optical disc is also in an off state when no voltage is applied. Since there is no change in the transmitted wavefront regardless of the wavelength of the incident light, it is preferable that the performance of the optical head device of DVD or CD is not deteriorated.
「例1」
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11〜13の片面若しくは両面に透明導電膜(ITO膜)を成膜し、パターニングを行ってこれを透明電極15〜19とする。さらにその透明電極16、18上に、屈折率nS(=1.52)、比誘電率εS(=4)の均一屈折率材料であるSiON膜を膜厚d(=2.9μmm)となるように蒸着する。次に、図4のグラフF1の形状に相当するように、フォトリソグラフィー技術及びエッチング技術により、SiON膜を加工し、断面形状が鋸歯状で入射光の光軸(Z軸)に関して回転対称性を有する、図1に示すような凹凸部27、28を形成する。
一方、ガラスを素材とする透明基板14の表面にシート抵抗値が40Ω/□のITO膜を成膜した後、図3に示すように、パターニングして低抵抗電極31〜34を形成する。さらに、シート抵抗値が106Ω/□の酸化錫膜を成膜した後、パターニングして高抵抗平面電極35を形成し、複合電極20とする。その後、電極が形成された全ての透明基板表面に、ポリイミドからなる液晶配向膜を塗布、焼成した後、透明電極15、16の表面をY軸方向に、透明電極17〜19及び複合電極20の表面をX軸方向にラビング配向処理する。さらに透明電極15、17、19が形成された透明基板11、12、13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21〜23を形成し、透明基板11〜14を重ね合わせて圧着し、透明電極間隔が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(=1.70)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24、25、26とする。その後、注入口を紫外線硬化樹脂により封止した後、導通接続手段29を接続して図1に示す液晶レンズ素子10とする。
"Example 1"
Next, specific examples of the liquid crystal lens element 10 of the present invention shown in the first embodiment will be described below with reference to FIG.
First, a method for manufacturing the liquid crystal lens element 10 will be described.
A transparent conductive film (ITO film) is formed on one side or both sides of the
On the other hand, after forming an ITO film having a sheet resistance value of 40Ω / □ on the surface of the
Thereafter, nematic liquid crystal having positive dielectric anisotropy of ordinary light refractive index n o (= 1.52) and extraordinary light refractive index n e (= 1.70) is injected from the inlet (not shown) of the empty cell. The liquid crystal layers 24, 25, and 26 are used. Thereafter, the inlet is sealed with an ultraviolet curable resin, and then the conduction connecting means 29 is connected to obtain the liquid crystal lens element 10 shown in FIG.
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30と電気的に接続し、液晶層24、25、26に電圧を印加できるようにする。そして、印加電圧を0Vから増加させると、液晶層24〜26のラビング方向の実質的な屈折率がne(=1.70)からno(=1.52)まで変化する。しかし、液晶に印加される実効的な電圧VLCは、(4)式により、凹凸部27、28の形状に応じて、すなわち場所により異なり、液晶レンズ素子10が発生する位相差φdは、凹凸部27、28の膜厚dFに応じて(5)式のように変化する。
The liquid crystal lens element 10 thus obtained is electrically connected to the
次に、図13は、第1の実施例における液晶レンズ素子10のフレネルレンズ効率を示す説明図である。図13の横軸は、外部信号源30を用いて、透明電極15、16間及び透明電極17、18間に印加した電圧であり、ここでは、電極レンズ部10C、つまり透明電極19、複合電極20間の電圧を0Vとする。
図1において、X方向の直線偏光を入射すると、液晶層24はY方向に配向しているので、凹凸部27との実質的な屈折率差は生じないため、印加電圧によらず光は透過する。一方、液晶層25及び凹凸部28で発生する位相差は、凹凸部28の膜厚dFに応じて(5)式のように電圧により変化する。
印加電圧1.35Vでは、n(VLC[dF])>nSであり、凹凸部28の最薄部と最厚部の位相差がλとなって、図6(A)に示すように、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13のグラフAのように、印加電圧1.35Vで最大となる。
同様に、印加電圧2.85Vでは、n(VLC[dF])<nSであり、−1次のフレネル回折効率は、図13のグラフCのように印加電圧2.85Vで最大となる。
一方、印加電圧1.74Vでは、n(VLC[dF])≒nSとなり、波面はほとんど変化せず、0次のフレネル回折として図13のグラフBのように、印加電圧1.74Vで最大になる。
以上のように、印加電圧を1.35V、1.74V、2.85Vと変化させると、本発明の液晶レンズ素子は“凸レンズ”、“レンズ作用なし”、“凹レンズ”として作用する。
次に、Y方向の直線偏光を入射すれば、液晶層25の実質的な屈折率はno=nSとなるのでレンズ作用はない。上記した凹凸部27、28は同一であり、液晶層24、25は液晶材料が等しく配向方向が直交しているので、前記と同様に、1.35V、1.74V、2.85Vと変化させると、“凸レンズ”、“レンズ作用なし”、“凹レンズ”として作用する。
Next, FIG. 13 is an explanatory diagram showing the Fresnel lens efficiency of the liquid crystal lens element 10 in the first embodiment. The horizontal axis of FIG. 13 is the voltage applied between the
In FIG. 1, when linearly polarized light in the X direction is incident, since the
At an applied voltage of 1.35 V, n (V LC [d F ])> n S , and the phase difference between the thinnest part and the thickest part of the concavo-
Similarly, at an applied voltage of 2.85 V, n (V LC [d F ]) <n S , and the −1st-order Fresnel diffraction efficiency is maximum at an applied voltage of 2.85 V as shown in graph C of FIG. Become.
On the other hand, when the applied voltage is 1.74V, n (V LC [d F ]) ≈n S , and the wavefront hardly changes, and the applied voltage is 1.74V as 0th-order Fresnel diffraction as shown in the graph B of FIG. It becomes the maximum in.
As described above, when the applied voltage is changed to 1.35V, 1.74V, and 2.85V, the liquid crystal lens element of the present invention acts as a “convex lens”, “no lens action”, and “concave lens”.
Next, if linearly polarized light in the Y direction is incident, the substantial refractive index of the
従って、本発明の液晶レンズ素子を用いれば、X方向、Y方向の直線偏光に対して、印加電圧の大きさに応じてレンズ作用を切り換えることができる。
次に、透明電極15、16間及び透明電極17、18間には電圧を印加せずに、電極レンズ部10C、つまり透明電極19、複合電極20間に電圧を印加する。
例えば、液晶層26の配向方向X方向に等しい直線偏光を入射した場合、低抵抗電極31〜34に印加する電圧をVA、VB、VC、VDとし、0(V)<VA<VB<VC<VDとなる適切な電圧を印加する。すると、図7のグラフβに示すように、最大1.5λの位相差を得ることができる。逆に、0(V)<VD<VC<VB<VAとなる適切な電圧を印加すれば、図7のグラフβを負符号にした位相差を得ることができる。従って、低抵抗電極31〜34の電圧制御により、最大±1.5λの位相差を有するパワーを含んだ波面を連続的に変化することができる。
以上のように、本発明の液晶レンズ素子を用いれば、直交する直線偏光で等しく作用する焦点切り替えフレネンルレンズを得る事ができる。また、複合電極に印加する電圧を制御することにより、液晶層26に一致した直線偏光の波面を連続的に変化することができる。
Therefore, when the liquid crystal lens element of the present invention is used, the lens action can be switched according to the magnitude of the applied voltage for linearly polarized light in the X direction and the Y direction.
Next, without applying a voltage between the
For example, when linearly polarized light equal to the alignment direction X direction of the
As described above, by using the liquid crystal lens element of the present invention, it is possible to obtain a focus switching Fresnel lens that works equally with orthogonal linearly polarized light. Further, by controlling the voltage applied to the composite electrode, the wavefront of linearly polarized light that matches the
「例2」
次に、図9に示す光ヘッド装置60に、例1で示した液晶レンズ素子10を液晶レンズ素子64として組み込む。なお、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75μm、第2記録層D2のカバー厚は100μmである。
この光ヘッド装置60において、光源61は、波長405nmの半導体レーザであり、コリメータレンズ63により平行光にされ、液晶レンズ素子10に入射する。対物レンズ66のNAは0.85、瞳直径は3mmであり、87.5μmのカバー厚で波面収差が最小となるよう設計されている。
"Example 2"
Next, the liquid crystal lens element 10 shown in Example 1 is incorporated as the liquid
In the
ここで、液晶レンズ素子がレンズ作用を示さない場合である、V0=1.74Vを印加すると、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以上あるため、光の集光性能は著しく劣化する。
次に、透明電極15、16間及び透明電極17、18間に電圧V+1=1.35V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=2.85V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。
Here, when V 0 = 1.74 V is applied, which is a case where the liquid crystal lens element does not exhibit a lens action, the wavefront aberration of the light condensed on each recording layer is affected by the spherical aberration proportional to the difference in cover thickness. Therefore, the light condensing performance is significantly deteriorated.
Next, when the voltage V +1 = 1.35 V is applied between the
次に、2層光ディスクDのカバー厚の製造誤差による球面収差の補正性能を検証するため、2層光ディスクDのカバー厚を70μm〜80μm及び95μm〜105μmとなるように形成し、本実施例の液晶レンズ素子10に印加する電圧を適宜最適化して、波面収差を補正する。図14は、そのときの光ヘッド装置60における、波面収差のカバー厚に対する依存性を示す図である。
図14に示すように、液晶レンズ素子10では、カバー厚が75μm、100μmの各々で波面収差が最小となるように設計されたフレネルレンズ部10A、10Bにより収差補正されており、グラフAは電極レンズ部10Cのレンズ作用を使わない方式、グラフBは電極レンズ10Cの発生するパワーを最適に調整した場合である。
この図14に示すように、本発明の液晶レンズ素子10を用いれば、カバー厚が70〜80μm又は95〜105μmの範囲で残存する波面収差の大きさをλ/30rms以下にできるため、記録層のカバー厚に製造ばらつきなどが発生していた場合でも、波面収差を補正して、集光性能を維持することができる。
Next, in order to verify the correction performance of the spherical aberration due to the manufacturing error of the cover thickness of the double-layer optical disc D, the cover thickness of the double-layer optical disc D is formed to be 70 μm to 80 μm and 95 μm to 105 μm. The wavefront aberration is corrected by optimizing the voltage applied to the liquid crystal lens element 10 as appropriate. FIG. 14 is a diagram showing the dependence of the wavefront aberration on the cover thickness in the
As shown in FIG. 14, in the liquid crystal lens element 10, the aberration is corrected by the
As shown in FIG. 14, when the liquid crystal lens element 10 of the present invention is used, the magnitude of the wavefront aberration remaining in the cover thickness range of 70 to 80 μm or 95 to 105 μm can be reduced to λ / 30 rms or less. Even when manufacturing variations occur in the cover thickness, the wavefront aberration can be corrected and the light condensing performance can be maintained.
「例3」
次に、第6の実施形態に示した本発明の液晶レンズ素子70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。なお、液晶レンズ素子10と同一構成要素の内容は同じであるため、説明を省略する。
この「例3」において「例1」の液晶レンズ素子10(図1参照)との主な相違点は、第1のフレネルレンズ部10A及び第2のフレネルレンズ部10Bの構成と、電極レンズ部が第1の電極レンズ部10Cと第2の電極レンズ部10Dからなる点である。
"Example 3"
Next, specific examples of the liquid
The main differences between the “example 3” and the liquid crystal lens element 10 (see FIG. 1) of “example 1” are the configurations of the first
初めに、第1のフレネルレンズ部10A及び第2のフレネルレンズ部10Bの作製方法について、以下に説明する。
第1のフレネルレンズ部10Aについては、片面にITO膜から成る透明電極15、18が形成された透明基板11、13Aと、両面にITOから成る透明電極膜16、17が形成された透明基板12とを用い、透明電極16、18上に、屈折率nS(=1.52)、比誘電率εS(=4)の均一屈折率材料であるSiON膜を膜厚d(=1.5μmm)となるように成膜する。次に、このSiON膜について、図4のグラフF1の形状に相当するように、フォトリソグラフィー技術及びエッチング技術により、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10に示すような凹凸部27、28を形成する。さらに、透明電極15、17の表面と、凹凸部27、28の表面にポリイミドからなる液晶の垂直配向膜(図示せず)を塗布、焼成した後、透明電極15及び凹凸部27の表面をY軸方向に、透明電極17及び凹凸部28の表面をX軸方向にラビング配向処理する。さらに透明電極16、18が形成された透明基板の表面に、直径7μm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21、22を形成し、透明基板11、12、13Aを重ね合わせて圧着し、透明電極間隔が7μmの空セルを作製する。
その後、常光屈折率no(=1.52)及び異常光屈折率ne(=1.70)の負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24、25とする。その後、注入口を紫外線硬化樹脂により封止し、図10に示すフレネルレンズ部70Aとし、外部信号源30Aと透明電極とを電気的に接続し、液晶層24、25に電圧を印加できるようにする。
First, a method for manufacturing the first
For the first
After that, nematic liquid crystal having negative dielectric anisotropy of ordinary light refractive index n o (= 1.52) and extraordinary light refractive index n e (= 1.70) is injected from the inlet (not shown) of the empty cell. The liquid crystal layers 24 and 25 are used. Thereafter, the injection port is sealed with an ultraviolet curable resin to form the
次に、第1電極レンズ部10C及び第2電極レンズ部10Dについて、図10及び図3を参照しながら以下に説明する。
第1電極レンズ部10C及び第2電極レンズ部10Dは、主な構成として、片面にITO膜から成る透明電極19が形成された透明基板13Bと、一方の表面にITO膜から成る透明電極19Bが形成されるとともに他方の表面に複合電極20が形成された透明基板14と、片面に複合電極20Bが形成された透明基板13Cとを備える。
第1電極レンズ部10C及び第2電極レンズ部10Dの作製については、特に、複合電極20、20Bには、各透明基板14、13C上に、シート抵抗値が40Ω/□のITO膜を成膜した後、パターニングして低抵抗電極31〜35(図3参照)を形成し、さらに、シート抵抗値が106Ω/□の酸化錫膜を成膜した後、パターニングして高抵抗平面電極35(図3参照)を形成する。さらに、透明電極19、19B及び前述の複合電極20、20Bの表面には、ポリイミドからなる液晶の水平配向膜を塗布、焼成した後、透明電極19及び複合電極部20の表面をX軸方向に、透明電極19B及び複合電極部20Bの表面をY軸方向に、それぞれラビング配向処理する。その後、常光屈折率no(=1.52)及び異常光屈折率ne(=1.70)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26、27とする。その後、注入口を紫外線硬化樹脂により封止し、図10に示す電極レンズ部70Bとし、外部信号源30Bと各電極とを電気的に接続し、液晶層26、27に同一の電圧を印加できるようにする。
このようにして作製した液晶レンズ素子70において、外部信号源30A、30Bより生成される交流印加電圧を0Vから増加させると、液晶層24と25は負の誘電率異方性を有する垂直配向液晶で、液晶層26と27は正の誘電率異方性を有する水平配向液晶であるため、液晶層24、25のラビング方向の実質的な屈折率はno(=1.52)からne(=1.70)まで変化し、液晶層26、27のラビング方向の実質的な屈折率はne(=1.70)からno(=1.52)まで変化する。
Next, the first
The first
Regarding the production of the first
In the liquid
図15は、この「例3」における液晶レンズ素子70のフレネルレンズ効率を示す説明図である。図15の横軸は、外部信号源30Aを用いて、フレネルレンズ部70Aの透明電極15と16間、及び透明電極17と18間に印加した電圧であり、ここでは、電極レンズ部70Bには電圧印加しないとする。
(I)電圧非印加時のオフ状態では、液晶層と凹凸部との屈折率が入射光の偏光状態に係わらず一致するため、透過波面は不変である。すなわち、“レンズ作用なし”となる。
(II)一方、電圧印加時のオン状態では、X方向の直線偏光を入射すると、液晶層24はY方向に配向しているので、凹凸部27との実質的な屈折率差は生じないため、印加電圧によらず光は透過する。一方、液晶層25はX方向に配向しているので、液晶層25及び凹凸部28で発生する位相差は、凹凸部28の膜厚dFに応じて印加電圧により変化する。印加電圧3.5Vで、凹凸部の最薄部と最厚部の位相差がλとなって、図6(A)に示すように、入射平面波は+1次のフレネル回折波の効率が最大となり、凸レンズ相当の収束波面に変換される。
また、Y方向の直線偏光を入射すると、液晶層25はX方向に配向しているので、凹凸部28との実質的な屈折率差は生じないため、印加電圧によらず光は透過する。一方、液晶層24はY方向に配向しているので、液晶層24及び凹凸部27で発生する位相差は、凹凸部27の膜厚dFに応じて印加電圧により変化する。印加電圧3.5Vで、凹凸部の最薄部と最厚部の位相差がλとなって、図6(A)に示すように、入射平面波は+1次のフレネル回折波の効率が最大となり、凸レンズ相当の収束波面に変換される。なお、図13および図15の印加電圧単位Vrmsのrmsは交流実効電圧を意味する。
FIG. 15 is an explanatory diagram showing the Fresnel lens efficiency of the liquid
(I) In the off state when no voltage is applied, the refractive index of the liquid crystal layer and the concavo-convex portion are the same regardless of the polarization state of the incident light, so the transmitted wavefront is unchanged. That is, “no lens action”.
(II) On the other hand, in the on state at the time of voltage application, when linearly polarized light in the X direction is incident, the
Further, when linearly polarized light in the Y direction is incident, the
以上のように、印加電圧を0V(オフ状態)と3.5V(オン状態)に切り替えると、本発明の液晶レンズ素子は“レンズ作用なし”、“凸レンズ”として作用する。従って、本発明の液晶レンズ素子を用いれば、X方向、Y方向の直線偏光に対して、すなわち入射光の偏光状態に係わらず、印加電圧のオン・オフに応じてレンズ作用を切り替えることができる。
次に、フレネルレンズ部70Aの透明電極15と16間及び、透明電極17と18間には電圧を印加せずに、電極レンズ部70Bの透明電極19と複合電極20間及び、透明電極19Bと複合電極20B間に電圧を印加する。液晶層26と液晶層26Bの配向方向が直交しているため、X方向及びY方向の直線偏光に対して、低抵抗電極31〜34の電圧制御により、パワーを含んだ波面を連続的に変化することができる。
以上のように、本発明の液晶レンズ素子70を用いれば、入射光の偏光状態に係わらず作用する2値焦点切り替えレンズを得ることができる。また、電極レンズ部に印加する電圧を制御することにより、入射光の偏光状態に係わらず作用するパワーを含んだ波面を連続的に変化することができる。
As described above, when the applied voltage is switched between 0 V (off state) and 3.5 V (on state), the liquid crystal lens element of the present invention acts as “no lens action” and “convex lens”. Therefore, when the liquid crystal lens element of the present invention is used, the lens action can be switched according to on / off of the applied voltage with respect to linearly polarized light in the X direction and Y direction, that is, regardless of the polarization state of incident light. .
Next, without applying a voltage between the
As described above, by using the liquid
次に、本発明の液晶レンズ素子70を、図9の光ヘッド装置90の液晶レンズ素子64の代わりに配置し、単層高密度光ディスク及び2層高密度光ディスクの記録・再生に用いてみた。
(I)初めに、カバー厚100μmの第2記録層D2の記録・再生時は、液晶レンズ素子70のフレネルレンズ部70Aをオフ状態とし、カバー厚75μmの第1記録層D1の記録・再生時は、外部信号源30Aより液晶レンズ素子70のフレネルレンズ部70Aに3.5Vの電圧を印加してオン状態に切り替える。
ここで、第1記録層D1及び第2記録層D2のカバー厚が±5μm変動した場合に、残留するRMS波面収差の計算結果を図14のAに示す。カバー厚100μm及び75μmにおいて、RMS波面収差は0.01λrms以下となり、カバー厚が±5μm変動した場合、0.05λrms程度のRMS波面収差が発生する。
(II)さらに、第1記録層D1及び第2記録層D2のカバー厚の変動に応じて、液晶レンズ素子70の電極レンズ部70Bに外部信号源30Bより電圧を印加し、収差補正を行った場合の残留するRMS波面収差の計算結果を図14(B)に示す。カバー厚が±5μm変動した場合でも、0.03λrms以下のRMS波面収差発生に低減できる。
(III)また、トラッキング時に、対物レンズ66が液晶レンズ素子70と±0.3mm程度の偏心が生じた場合でも、図14に示すRMS波面収差はほとんど劣化しない。従って、本発明の液晶レンズ素子70を搭載した光ヘッド装置90を用いることにより、単層及び2層の高密度光ディスクの安定した記録・再生が実現する。
Next, the liquid
(I) First, when recording / reproducing the second recording layer D2 having a cover thickness of 100 μm, the
Here, FIG. 14A shows the calculation result of the remaining RMS wavefront aberration when the cover thicknesses of the first recording layer D1 and the second recording layer D2 vary by ± 5 μm. When the cover thickness is 100 μm and 75 μm, the RMS wavefront aberration is 0.01 λrms or less, and when the cover thickness varies ± 5 μm, an RMS wavefront aberration of about 0.05 λrms occurs.
(II) Further, according to the variation of the cover thickness of the first recording layer D1 and the second recording layer D2, a voltage is applied from the
(III) Further, even when the
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。 The present invention is not limited to the embodiment described above, and can be implemented in various forms without departing from the gist of the present invention.
本発明の液晶レンズ素子は、印加電圧を切り換えることにより焦点距離が離散的に大きく切り換わる焦点距離切り換えレンズとして利用できると共に、印加電圧の大きさに応じて焦点距離が連続的に変化する焦点可変レンズをしても利用できる。特に、カバー厚の異なる2層の情報記録層を有する光ディスクの記録および/または再生において、発生するパワー成分を含む球面収差を補正する液晶レンズ素子として利用できるので、液晶レンズ素子と対物レンズとが偏心した時に収差が発生しないため、液晶レンズ素子を対物レンズと離して配置することができる。さらに、光源や光検出器やビームスプリッタなどと一体化した小型なユニットとして光ヘッド装置などに利用することができる。 The liquid crystal lens element of the present invention can be used as a focal length switching lens in which the focal length is switched discretely by switching the applied voltage, and the focal length can be changed continuously according to the magnitude of the applied voltage. Can be used with a lens. In particular, in recording and / or reproduction of an optical disc having two information recording layers having different cover thicknesses, the liquid crystal lens element and the objective lens can be used as a liquid crystal lens element that corrects spherical aberration including a generated power component. Since no aberration occurs when the lens is decentered, the liquid crystal lens element can be arranged away from the objective lens. Furthermore, it can be used for an optical head device or the like as a small unit integrated with a light source, a photodetector, a beam splitter, or the like.
10、70、80 液晶レンズ素子
10A 第1のフレネルレンズ部
10B 第2のフレネルレンズ部
10C (第1の)電極レンズ部
10D (第2の)電極レンズ部
11、12、13、13A、13B、13C、14 透明基板
15、16、17、18、19、19B 透明電極
15A〜18A 電極取出部
19A 電極取出部
20、20B 複合電極
21、22、23、23B シール
24、25、26、26B 液晶層
27、28 凹凸部
29 導通接続手段
30、30A、30B、30C、30D 外部信号源
31〜34 低抵抗電極
31A〜34A 電極取出部
35 高抵抗平面電極
40、50 複合電極
45、55 高抵抗平面電極
41〜44、51〜54 低抵抗電極
61 半導体レーザ
62 偏光ビームスプリッタ
63 コリメータレンズ
64 液晶レンズ素子
65 4分の1波長板
66 対物レンズ
67 シリンドリカルレンズ
68 光検出器
70A フレネルレンズ部
70B 電極レンズ部
80A 復路用液晶レンズ部
80B 往路用液晶レンズ部
D 光ディスク
D1 第1記録層
D2 第2記録層
10, 70, 80 Liquid
Claims (15)
第1のフレネルレンズ部と、第2のフレネルレンズ部と、電極レンズ部とを備え、
前記第1のフレネルレンズ部は、一対の透明基板により挟持した第1液晶層と、この第1液晶層に電圧を印加するために前記透明基板の表面にそれぞれ設置した対向する電極対と、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鋸歯を階段形状に近似した断面形状を有し、前記対向する電極対の少なくとも一方の上面に透明材料で形成した第1凹凸部とを備え、
前記第2のフレネルレンズ部は、一対の透明基板により挟持した第2液晶層と、この第2液晶層に電圧を印加するために前記透明基板の表面にそれぞれ設置した対向する電極対と、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鋸歯を階段形状に近似した断面形状を有し、前記対向する電極対の少なくとも一方の上面に透明材料で形成した第2凹凸部とを備え、
前記電極レンズ部は、一対の透明基板により挟持した第3液晶層と、この第3液晶層に電圧を印加するために前記透明基板の表面に対向して設置し、そのうちの少なくとも一方が低抵抗電極と高抵抗平面電極とからなる複合電極である電極対とを備え、
前記第1、第2、第3液晶層は電圧非印加時または電圧印加時に平行配向したネマティック液晶であって、前記第1液晶層の常光屈折率方向と、前記第2液晶層及び前記第3液晶層の異常光屈折率方向とが一致することを特徴とする液晶レンズ素子。 A liquid crystal lens element that changes a focal length of light transmitted through the liquid crystal according to a magnitude of a voltage applied to the liquid crystal,
A first Fresnel lens part, a second Fresnel lens part, and an electrode lens part;
The first Fresnel lens unit includes a first liquid crystal layer sandwiched between a pair of transparent substrates, opposing electrode pairs respectively disposed on the surface of the transparent substrate to apply a voltage to the first liquid crystal layer, A first concavo-convex portion having a sawtooth-like cross-sectional shape having rotational symmetry with respect to the optical axis of light or a cross-sectional shape approximating a sawtooth like a step shape, and formed of a transparent material on at least one upper surface of the opposed electrode pair; With
The second Fresnel lens unit includes a second liquid crystal layer sandwiched between a pair of transparent substrates, opposing electrode pairs respectively disposed on the surface of the transparent substrate to apply a voltage to the second liquid crystal layer, A sawtooth-like cross-sectional shape having rotational symmetry with respect to the optical axis of the light, or a second concavo-convex portion formed of a transparent material on the upper surface of at least one of the opposing electrode pairs; With
The electrode lens unit is disposed opposite to the surface of the transparent substrate in order to apply a voltage to the third liquid crystal layer sandwiched between a pair of transparent substrates, and at least one of them is a low resistance An electrode pair that is a composite electrode composed of an electrode and a high-resistance planar electrode;
The first, second, and third liquid crystal layers are nematic liquid crystals that are aligned in parallel when no voltage is applied or when a voltage is applied, and the normal refractive index direction of the first liquid crystal layer, the second liquid crystal layer, and the third liquid crystal layer A liquid crystal lens element characterized in that an extraordinary refractive index direction of a liquid crystal layer coincides.
前記複合電極は、高抵抗平面電極と、前記光の光軸を中心とする複数の同心円形状からなる低抵抗電極とからなる請求項1に記載の液晶レンズ素子。 Either one of the opposing electrode pairs installed in the electrode lens unit is the composite electrode,
2. The liquid crystal lens element according to claim 1, wherein the composite electrode includes a high-resistance flat electrode and a plurality of concentric low-resistance electrodes centered on the optical axis of the light.
前記一方の複合電極は、高抵抗平面電極とストライプ状に配された複数の低抵抗電極とからなるとともに、前記もう一方の複合電極は、前記高抵抗平面電極と前記低抵抗電極の配置方向と直交する方向に、ストライプ状に配された複数の低抵抗電極からなる請求項1に記載の液晶レンズ素子。 Both of the opposing electrodes installed in the electrode lens unit are the composite electrodes,
The one composite electrode includes a high resistance planar electrode and a plurality of low resistance electrodes arranged in a stripe pattern, and the other composite electrode includes an arrangement direction of the high resistance planar electrode and the low resistance electrode. The liquid crystal lens element according to claim 1, comprising a plurality of low-resistance electrodes arranged in stripes in a direction perpendicular to each other.
前記第1、第2、第3液晶層は、互いに対向する4枚の透明基板が形成する3つの基板の間隙にそれぞれ設置されている請求項1から4のいずれか1項に記載の液晶レンズ素子。 The first Fresnel lens part, the second Fresnel lens part and the electrode lens part are laminated and integrated,
5. The liquid crystal lens according to claim 1, wherein the first, second, and third liquid crystal layers are respectively installed in a gap between three substrates formed by four transparent substrates facing each other. element.
前記第1の電極レンズ部は、一対の透明基板により挟持した前記第3液晶層と、この第3液晶層に電圧を印加するために透明基板の表面に設置して、そのうちの少なくとも一方が、低抵抗電極と高抵抗平面電極から成る複合電極である対向する電極対とを備え、
前記第2の電極レンズ部は、一対の透明基板により挟持した第4液晶層と、この第4液晶層に電圧を印加するために透明基板の表面に設置して、そのうちの少なくとも一方が、低抵抗電極と高抵抗平面電極から成る複合電極である対向する電極対とを備え、
前記第1、第2、第3、第4の液晶層は電圧非印加時または電圧印加時に平行配向したネマティック液晶であって、第1液晶層の常光屈折率方向と、第2、第3液晶層の異常光屈折率方向および第4液晶層の常光屈折率方向とが、一致することを特徴とする請求項1に記載の液晶レンズ素子。 The electrode lens portion of the liquid crystal lens element includes a first electrode lens portion and a second electrode lens portion,
The first electrode lens unit is disposed on the surface of the transparent substrate in order to apply a voltage to the third liquid crystal layer sandwiched between a pair of transparent substrates, and at least one of them. An opposing electrode pair that is a composite electrode composed of a low-resistance electrode and a high-resistance planar electrode;
The second electrode lens unit is disposed on the surface of the transparent substrate in order to apply a voltage to the fourth liquid crystal layer sandwiched between the pair of transparent substrates, and at least one of them is low An opposing electrode pair that is a composite electrode composed of a resistance electrode and a high-resistance planar electrode;
The first, second, third, and fourth liquid crystal layers are nematic liquid crystals that are aligned in parallel when no voltage is applied or when a voltage is applied, and the normal refractive index direction of the first liquid crystal layer and the second and third liquid crystals. 2. The liquid crystal lens element according to claim 1, wherein the extraordinary refractive index direction of the layer and the ordinary refractive index direction of the fourth liquid crystal layer coincide with each other.
この複合電極は、高抵抗平面電極と、前記光の光軸を中心とする複数の同心円形状からなる低抵抗電極とからなる請求項7に記載の液晶レンズ素子。 One of the opposing electrodes installed in the electrode lens unit is the composite electrode,
The liquid crystal lens element according to claim 7, wherein the composite electrode includes a high-resistance planar electrode and a plurality of concentric low-resistance electrodes centered on the optical axis of the light.
一方の前記複合電極は、高抵抗平面電極とストライプ状に配された複数の低抵抗電極とからなるとともに、
もう一方の前記複合電極は、高抵抗平面電極と前記低抵抗電極の配置方向と直交する方向に、ストライプ状に配された複数の低抵抗電極とからなる請求項7に記載の液晶レンズ素子。 The opposing electrodes installed in the electrode lens part are both composite electrodes,
One of the composite electrodes is composed of a high resistance flat electrode and a plurality of low resistance electrodes arranged in a stripe pattern,
8. The liquid crystal lens element according to claim 7, wherein the other composite electrode includes a plurality of low resistance electrodes arranged in a stripe shape in a direction orthogonal to an arrangement direction of the high resistance planar electrode and the low resistance electrode.
この光源からの出射光を光記録媒体上に集光させるための対物レンズと、
前記光記録媒体上に集光されて反射する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配置する請求項1から6のいずれか1項に記載の液晶レンズ素子と
を備えていることを特徴とする光ヘッド装置。 A light source;
An objective lens for condensing the light emitted from the light source on the optical recording medium;
A photodetector for detecting light that is collected and reflected on the optical recording medium;
7. An optical head device comprising: the liquid crystal lens element according to claim 1 disposed in an optical path between the light source and the objective lens.
前記第1のフレネルレンズ部と第2の電極レンズ部を積層し一体化した往路用液晶レンズ素子と、前記第2のフレネルレンズ部と第1の電極レンズ部を積層し一体化した復路用液晶レンズ素子からなる請求項7から10記載の液晶レンズ素子の、往路用液晶レンズ素子を光源とビームスプリッタの間の光路中に配置し、復路用液晶レンズ素子をビームスプリッタと光検出器の間の光路中に配置することを特徴とする光ヘッド装置。 A light source, an objective lens for condensing the light emitted from the light source on the information recording layer of the optical recording medium, a photodetector for receiving the reflected light of the information recording layer, and a light beam traveling in the forward direction from the light source to the optical recording medium; In an optical head device including at least a beam splitter that separates a reflected light beam from the information recording layer and a light beam in a return path toward the photodetector,
A forward liquid crystal lens element in which the first Fresnel lens part and the second electrode lens part are laminated and integrated, and a backward liquid crystal in which the second Fresnel lens part and the first electrode lens part are laminated and integrated. 11. The liquid crystal lens element according to claim 7, wherein the forward liquid crystal lens element is disposed in an optical path between the light source and the beam splitter, and the backward liquid crystal lens element is disposed between the beam splitter and the photodetector. An optical head device arranged in an optical path.
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