專利名稱：液晶透鏡元件及光學(xué)拾取頭裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及液晶透鏡元件，特別是涉及能夠切換施加電壓并根據(jù)大小來切換成不同的焦距的液晶透鏡元件、以及裝有該液晶透鏡元件用于對光記錄介質(zhì)進(jìn)行信息的記錄及/或重放的光學(xué)頭裝置。
背景技術(shù)：
作為以光學(xué)方式讀取信息的記錄介質(zhì)，開發(fā)了各種具有在入射側(cè)表面形成的信息記錄層、以及覆蓋該信息記錄層的由透明樹脂構(gòu)成的覆蓋層的光記錄介質(zhì)(以后，稱為「光盤」)，在該光盤中，已知有CD用光盤及DVD用光盤等。另外，開發(fā)了用于對該DVD用光盤進(jìn)行信息的記錄及/或重放(以下，稱為「記錄重放」)的光學(xué)頭裝置，在該光學(xué)頭裝置中，設(shè)置了作為光源的波長為660nm頻帶的半導(dǎo)體激光器、以及NA(數(shù)值孔徑)為0.6至0.65的物鏡等。
以往，對于DVD用光盤，開發(fā)了信息記錄層為單層的覆蓋厚度(覆蓋層的厚度)為0.6mm的光盤(以下，稱為「單層DVD光盤」)、以及信息記錄層為兩層(重放專用、或能夠重放及記錄)的光盤(以下，稱為「雙層DVD光盤」)等。在該雙層DVD光盤中，信息記錄層的間隔為55±15μm，在光入射側(cè)的覆蓋厚度為0.56mm至0.63mm處形成信息記錄層。
因而，在采用具有對于覆蓋厚度為0.6mm的單層DVD光盤進(jìn)行最佳設(shè)計(jì)、使得像差為零的物鏡的光學(xué)頭裝置中，進(jìn)行雙層DVD光盤的記錄重放時，因覆蓋厚度的不同，而相應(yīng)產(chǎn)生球差，對信息記錄層的入射光的聚焦性劣化。特別是在記錄型的雙重DVD光盤中，聚焦性劣化產(chǎn)生的問題是，導(dǎo)致記錄時的聚焦功率密度降低，引起寫入錯誤。
再有，近年來，為了提高光盤的記錄密度，開發(fā)了覆蓋厚度為100μm的光盤(以下，稱為「單層BD光盤」)。另外，在用于該單層BD光盤的記錄重放的光學(xué)頭裝置中，采用了作為光源的波長為405nm頻帶的藍(lán)色光的半導(dǎo)體激光器、以及NA為0.85的物鏡等。在利用該光學(xué)頭裝置對單層BD光盤進(jìn)行記錄重放時存在的問題是，若在單層BD光盤的面內(nèi)，覆蓋厚度有±5μm變化，則作為RMS(Root Mean Square方均根)波面像差，將產(chǎn)生約50mλ的大的球差，對信息記錄層的入射光的聚焦性劣化。
再有，還開發(fā)了覆蓋厚度為100μm及75μm的記錄型的雙層光盤(以下，稱為「雙層BD光盤」)，而在該雙重BD光盤中存在的問題是，因覆蓋厚度的不同而相應(yīng)產(chǎn)生的大的球差將導(dǎo)致寫入錯誤。
因此，以往作為校正因光盤的覆蓋厚度的不同等而引起產(chǎn)生的球差用的方法，已知有下述公報(bào)所述的采用可動透鏡組或液晶透鏡的方法。
(I)例如，在特開2003-115127號公報(bào)中，為了使用可動透鏡組來進(jìn)行球差校正，提出一種圖29所示那樣的、進(jìn)行光盤D的記錄重放的光學(xué)頭裝置100。該光學(xué)頭裝置100除了具有光源110、各種光學(xué)系統(tǒng)120、受光元件130、控制電路140、及調(diào)制/解調(diào)電路150以外，還具有第1及第2可動透鏡組160及170。另外，第1可動透鏡組160中，具有凹透鏡161、凸透鏡162、及執(zhí)行機(jī)構(gòu)163。因而，通過使固定在執(zhí)行機(jī)構(gòu)163上的凸透鏡162沿光軸方向移動，發(fā)現(xiàn)可動透鏡組160的放大率從正(凸透鏡)向負(fù)(凹透鏡)連續(xù)變化的可變焦距透鏡功能。通過將該可動透鏡組160配置在光盤D的光路中，由于能夠使入射光的聚焦點(diǎn)聚焦在光盤D的覆蓋厚度不同的信息記錄層，因此能夠校正包含放大率分量的球差。
(II)另外，在特開平5-205282號公報(bào)中，為了校正因DVD用光盤與CD用光盤的覆蓋厚度不同而引起產(chǎn)生的球差，還提出一種使用圖30所示那樣的液晶透鏡200的光學(xué)頭裝置。該液晶透鏡200具有在平坦的一面形成透明電極210及取向薄膜220的基板230、在軸對稱的具有用半徑r的取冪運(yùn)算之和的式(1)描述的表面形狀S(r)的曲面上，形成透明電極240及取向薄膜250的基板260、以及被夾在它們之間的向列型液晶270而構(gòu)成。
式1S(r)＝a1r2+a2r4+a3r6…(1)其中，a1、a2、a3；常數(shù)r2＝x2+y2該液晶透鏡200若在透明電極210與240之間施加電壓，則液晶270的分子取向變化，折射率變化。其結(jié)果，根據(jù)基板260與液晶270的折射率之差，液晶透鏡200的入射光的透射波面變化。
(III)另外，在特開平9-230300號公報(bào)中，由于發(fā)現(xiàn)不加厚液晶層、而相當(dāng)于入射光的聚焦點(diǎn)變化的放大率分量也變化的實(shí)質(zhì)上的透鏡功能，因此提出一種光調(diào)制元件作為液晶透鏡。其中，為了校正因DVD用光盤與CD用光盤的覆蓋厚度不同而引起產(chǎn)生的球差，還提出一種使用該光調(diào)制元件的光學(xué)頭裝置。圖31所示為該光調(diào)制元件300的側(cè)視圖。該光調(diào)制元件300具有實(shí)質(zhì)上平行的兩片透明基板310及320、以及夾在它們之間的液晶330，一塊透明基板310的液晶側(cè)的表面具有同心圓狀的閃耀形狀340。另外，在兩片透明基板的液晶側(cè)的表面形成電極350及取向膜360。對于該光導(dǎo)調(diào)制元件300，在不施加電場時，液晶330的取向方向?qū)嵸|(zhì)上平行于透明基板，在施加電場時，取向方向?qū)嵸|(zhì)上垂直于透明基板。
(IV)再有，在特開平9-189892號公報(bào)中，由于發(fā)現(xiàn)不加厚液晶層、而相當(dāng)于入射光的聚焦點(diǎn)變化的放大率分量也變化的實(shí)質(zhì)上的透鏡功能，因此還提出一種圖32所示的液晶衍射透鏡400。
該液晶衍射透鏡400在形成規(guī)定的鋸齒狀浮雕(relief)的基板410的單面形成透明電極420，利用該透明電極420與對向電極430夾住液晶層440。若對該電極420與430之間施加電壓，則對于非常光偏振光，液晶層440的實(shí)質(zhì)上的折射率從非常光折射率ne向?qū)こ９庹凵渎蕁o變化。這里，所謂實(shí)質(zhì)上的折射率，意味著液晶層的厚度方向的平均折射率。
設(shè)具有鋸齒狀浮雕結(jié)構(gòu)的基板410的折射率為n1，入射光的波長為λ，這時形成鋸齒狀浮雕的槽深d滿足下式的關(guān)系，d＝λ/(ne-n1)通過這樣，在不施加電壓時，能夠以波長λ得到最大衍射效率，形成衍射透鏡。另外，即使入射光的波長λ變化，也能夠調(diào)整施加電壓，使得以波長λ形成最大衍射。
對于這樣構(gòu)成的液晶衍射透鏡400，由于只要在液晶層440充填液晶，使得埋入鋸齒狀浮雕的槽內(nèi)即可，因此與使用前述的圖30所示的液晶透鏡200來校正包含放大率分量的球差的類型的液晶層相比，液晶層440可以較薄。
但是，對于(I)的特開2003-115127號公報(bào)所述的發(fā)明，在使用該可動透鏡組160時存在的問題是，必須要一對透鏡161、162及執(zhí)行機(jī)構(gòu)163，將導(dǎo)致光學(xué)頭裝置100大型化，同時為了使透鏡可動，其機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜。
另外，對于(II)的特開平5-205282號公報(bào)所述的發(fā)明，基板260的折射率與不施加電壓時的液晶270相等。因而，在該不施加電壓時的情況下，入射光的透射波面不變化。另外，若在透明電極210與240之間施加電壓，則基板260與液晶270產(chǎn)生折射率差Δn，產(chǎn)生相當(dāng)于Δn×S(r)(這里，S(r)參照式(1))的透射光的光程長差分布。因而，加工基板260的表面形狀S(r)，以校正因光盤D的覆蓋厚度的不同而引起產(chǎn)生的球差，能夠根據(jù)施加電壓相應(yīng)調(diào)整折射率差Δn，從而進(jìn)行像差校正。
但是，在圖30所示的液晶透鏡的情況下，由于液晶270的折射率相對于施加電壓的變化最大為0.3左右，因此為了產(chǎn)生相當(dāng)于使入射光的聚焦點(diǎn)變化的放大率分量的大的光程長差分布Δn×S(r)，必須加大S(r)的凹凸差。其結(jié)果，液晶270的層變厚，對電壓的響應(yīng)速度變慢。特別是，在單層及雙層的DVD光盤和BD光盤的記錄重放中存在的問題是，因覆蓋厚度的差異或單層與雙層的記錄層的切換而產(chǎn)生的波面像差的校正必須要1秒以下的響應(yīng)性。
因此，若僅校正除去放大率分量的球差，則由于能夠減少像差校正量即光程長差分布，因此能夠減薄液晶層，對高速響應(yīng)是有效的。但是，在為了僅校正球差而加工基板260的表面形狀S(r)的情況下，當(dāng)將入射光聚焦在光盤的信息記錄層的物鏡的光軸與液晶透鏡的光軸產(chǎn)生偏心時，將產(chǎn)生彗差。特別是，在物鏡沿光盤的半徑方向進(jìn)行移動±0.3mm左右的跟蹤動作時產(chǎn)生的問題是，隨著與液晶透鏡的偏心而產(chǎn)生大的像差，對信息記錄層的聚焦性劣化，不能進(jìn)行記錄重放。
另外，對于(III)的特開平9-230300號公報(bào)所述的發(fā)明，通過采用使液晶的尋常光折射率no及非常光折射率ne的某一方與透明基板的閃耀形狀340的折射率實(shí)質(zhì)上相等的構(gòu)成，從而在不施加電場時和施加電場時，液晶330與閃耀形狀340的折射率差從Δn(＝ne-no)變化到零。另外，通過形成折射率no的閃耀形狀的凹凸部的深度，使得在不施加電壓時滿足Δn×(凹凸部的深度)＝(真空中的光的波長)的關(guān)系，從而在不施加電壓時，得到實(shí)質(zhì)上100％的衍射效率，起到作為菲涅爾透鏡的功能。另外，在施加電壓時，液晶330的折射率為no，不起到作為菲涅爾透鏡的功能，光全部透過。其結(jié)果，通過切換對光調(diào)制元件300的電極350所加的電壓，能夠切換兩個焦點(diǎn)。通過將這樣的光調(diào)制元件300裝在光學(xué)頭裝置上使用，能夠改善對DVD用及CD用的覆蓋厚度不同的光盤的信息記錄層的聚焦性。通過這樣，使用DVD用的物鏡，能夠進(jìn)行DVD用及CD用的光盤的記錄重放。因而，通過使用該光調(diào)制元件300，由于能夠利用施加電壓的切換來進(jìn)行兩值的焦點(diǎn)切換，因此較好。例如，雙層BD光盤的覆蓋厚度的標(biāo)準(zhǔn)中心為100μm及75μm，對于該厚度的覆蓋，能夠進(jìn)行校正。
但是，該光調(diào)制元件的焦點(diǎn)位置難以進(jìn)行微調(diào)。因此，雖然在覆蓋厚度為100μm及75μm時有效，但對于作為光盤的制造誤差而存在的覆蓋厚度，則不可能完全進(jìn)行減少像差的校正。具體來說，若相對于標(biāo)準(zhǔn)中心的厚度分別為100±5μm、75±5μm，即覆蓋厚度變化±5μm時，產(chǎn)生的球差為50mλrms，再進(jìn)一步變化±10μm時，產(chǎn)生的球差為100mλrms，這樣大的像差就不能減少。這樣，往往不能完全校正因覆蓋厚度的不同而相應(yīng)產(chǎn)生的大的球差，導(dǎo)致寫入錯誤及讀入錯誤，希望有一種有效的改善方法。
另外，對于(IV)的特開平9-189892號公報(bào)所述的發(fā)明，在該液晶衍射透鏡400中，由于鋸齒狀浮雕結(jié)構(gòu)與液晶的折射率差與施加電壓一起變化，僅在折射率差與鋸齒狀浮雕的槽深d之積成為前述波長λ的整數(shù)倍的狀態(tài)下，波面連續(xù)連接，能夠得到放大率分量，因此產(chǎn)生的放大率只能根據(jù)電壓相應(yīng)地離散變化。
另一方面，一般情況下，光盤的覆蓋厚度因制造誤差而有差異。特別是，在具有NA為0.85的物鏡的光學(xué)頭裝置中，由于因覆蓋厚度的差異而產(chǎn)生的球差與物鏡NA的4次方成正比，因此對于因覆蓋厚度的制造誤差的原因而產(chǎn)生的球差，必須進(jìn)行適當(dāng)校正。所以，對于只能得到離散的放大率分量的液晶衍射透鏡400，難以對覆蓋厚度的制造誤差進(jìn)行適當(dāng)校正。
再有，在圖30至圖32所示的液晶透鏡中，由于液晶取向相同，因此對于液晶的尋常光折射率敏感的偏振光，不能通過施加電壓使透射波面變化。由于DVD或高密度光盤的記錄重放中使用的光學(xué)頭裝置一般使用偏振光光學(xué)系統(tǒng)，因此產(chǎn)生的問題是，只有具有正交偏振光的去程光(向光盤去的光)及回程光(從光盤反射的光)的某一路光能夠校正球差。
本發(fā)明的目的在于提供一種液晶透鏡元件，該液晶透鏡元件能夠?qū)崿F(xiàn)無可動部分的小型元件，同時具有能夠根據(jù)施加電壓相應(yīng)切換兩值以上的多值焦距的透鏡功能。
另外，本發(fā)明的目的在于提供一種液晶透鏡元件，該液晶透鏡元件是液晶層薄的液晶元件，同時具有能夠根據(jù)施加電壓的大小相應(yīng)進(jìn)行包含相當(dāng)于穩(wěn)定的入射光的聚焦點(diǎn)變化的放大率分量的球差校正的透鏡功能。
再有，本發(fā)明的目的在于提供一種光學(xué)頭裝置，該光學(xué)頭裝置通過使用上述的液晶透鏡元件，能夠校正因單層及雙層光盤的覆蓋厚度的差異而引起產(chǎn)生的球差，進(jìn)行穩(wěn)定的記錄及/或重放。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明揭示以下的內(nèi)容。
1.一種液晶透鏡元件，具有至少1個液晶層；以及以將該液晶層夾在中間的方式對向配置的第1透明基板及第2透明基板，前述第1透明基板包含透明電極；以及具有對于光軸有旋轉(zhuǎn)對稱性的鋸齒狀截面形狀或以階梯形狀形成近似鋸齒而成的截面形狀的、由透明材料形成的凹凸部，前述第2透明基板包含透明電極。
2.一種光學(xué)頭裝置，具有光源；使來自該光源的出射光聚焦在光記錄介質(zhì)上用的物鏡；檢測聚焦在前述光記錄介質(zhì)上并反射的光的光檢測器；以及配置在前述光源與前述物鏡之間的光路中的上述1所述的液晶透鏡元件。
3.一種液晶透鏡元件，是至少將第1及第2的兩片基板對向配置，根據(jù)對夾在前述基板間的液晶層施加的電壓的大小使透過前述液晶層的光的聚焦點(diǎn)變化的液晶透鏡元件，在前述第1基板的一個面上形成第1透明電極、以及具有鋸齒形狀或以階梯形狀形成近似鋸齒而成的截面形狀的由透明材料形成的凹凸部，該等凹凸部被形成為以入射光的光軸為中心的多個環(huán)帶狀，在前述第2基板的一個面上形成第2透明電極，前述第1及第2透明電極的至少一方分割成環(huán)帶狀的電極段，前述電極段的環(huán)帶狀的分割位置與前述第1基板的前述鋸齒狀的凹凸部的環(huán)帶狀的分割位置一致。
4.如上述3所述的液晶透鏡元件，前述各電極段、以及與該電極段相鄰的電極段，用電阻體電連接。
5.如上述3或4所述的液晶透鏡元件，前述各電極段和在其內(nèi)周側(cè)相鄰的電極段之間的電阻值，為前述各電極段和在其外周側(cè)相鄰的電極段之間的電阻值的2倍。
如上述3至5的任一項(xiàng)所述的液晶透鏡元件，前述第1基板上形成的凹凸的深度與前述第2基板和前述凹凸的凸部的間隔相等。
6.一種光學(xué)頭裝置，具有光源；使來自該光源的出射光聚焦在光記錄介質(zhì)上用的物鏡；將利用該物鏡聚焦并利用前述光記錄介質(zhì)反射的光進(jìn)行分光的分光鏡；檢測前述被分光的光的光檢測器；以及配置在前述光源與前述物鏡之間的光路中的上述3至5的任一項(xiàng)所述的液晶透鏡元件。
7.一種液晶透鏡元件，是根據(jù)對液晶層施加的電壓的大小，使透過前述液晶層的光的聚焦點(diǎn)變化的液晶透鏡元件，具有第1菲涅爾透鏡部、第2菲涅爾透鏡部、以及電極透鏡部，前述第1菲涅爾透鏡部具有利用一對透明基板夾住的第1液晶層；為了對該第1液晶層施加電壓而在前述透明基板的表面分別設(shè)置的對向的電極對；以及具有對于前述光的光軸有旋轉(zhuǎn)對稱性的鋸齒狀截面形狀或利用階梯形狀來近似鋸齒的截面形狀的、在前述對向的電極對的至少一方的上表面由透明材料形成的第1凹凸部，前述第2菲涅爾透鏡部具有利用一對透明基板夾住的第2液晶層；為了對該第2液晶層施加電壓而在前述透明基板的表面分別設(shè)置的對向的電極對；以及具有對于前述光的光軸有旋轉(zhuǎn)對稱性的鋸齒狀截面形狀或利用階梯形狀來近似鋸齒的截面形狀的、在前述對向的電極對的至少一方的上表面由透明材料形成的第2凹凸部，前述電極透鏡部具有利用一對透明基板夾住的第3液晶層；以及為了對該第3液晶層施加電壓而在前述透明基板的表面對向設(shè)置的、其中至少一方是由低電阻電極與高電阻平面電極組成的復(fù)合電極的電極對，前述第1、第2、第3液晶層是在不施加電壓時平行取向，或者施加電壓時平行取向的向列型液晶，前述第1液晶層的尋常光折射率方向與前述第2液晶層及前述第3液晶層的非常光折射率方向一致。
8.如上述7所述的液晶透鏡元件，設(shè)置在前述電極透鏡部的對向的電極的雙方是前述復(fù)合電極，前述一方的復(fù)合電極由高電阻平面電極與條狀配置的多個低電阻電極組成，同時前述另一方的復(fù)合電極由高電阻平面電極與沿垂直于前述低電阻電極的配置方向的方向條狀配置的多個低電阻電極組成。
9.如上述7或8所述的液晶透鏡元件，形成前述第1、第2凹凸部的前述透明材料的折射率與前述第1液晶層及第2液晶層的尋常光折射率相等。
如上述7至9的任一項(xiàng)所述的液晶透鏡元件，前述第1菲涅爾透鏡部、第2菲涅爾透鏡部與電極透鏡部進(jìn)行層疊形成一體，同時前述第1、第2、第3液晶層分別設(shè)置在互相對向的4片透明基板形成的3個基板間隙中。
10.如上述7至9的任一項(xiàng)所述的液晶透鏡元件，將對于前述光的波長的位相差為π/2的奇數(shù)倍的位相板形成一體。
11.如上述7所述的液晶透鏡元件，前述液晶透鏡元件的電極透鏡部由第1電極透鏡部及第2電極透鏡部組成，前述第1電極透鏡部具有利用一對透明基板夾住的前述第3液晶層；以及為了對該第3液晶層施加電壓而在透明基板的表面設(shè)置的、其中至少一方是由低電阻電極與高電阻平面電極組成的復(fù)合電極的對向的電極對，前述第2電極透鏡部具有利用一對透明基板夾住的第4液晶層；以及為了對該第4液晶層施加電壓而在透明基板的表面設(shè)置的、其中至少一方是由低電阻電極與高電阻平面電極組成的復(fù)合電極的對向的電極對，前述第1、第2、第3、第4液晶層是在不施加電壓時平行取向，或者施加電壓時平行取向的向列型液晶，第1液晶層的尋常光折射率方向與第2、第3液晶層的非常光折射率方向及第4液晶層的尋常光折射率方向一致。
12.如上述11所述的液晶透鏡元件，設(shè)置在前述電極透鏡部的對向的電極的一方是前述復(fù)合電極，該復(fù)合電極由高電阻平面電極與以前述光的光軸為中心的多個同心圓形狀形成的低電阻電極組成。
13.如上述11所述的液晶透鏡元件，設(shè)置在前述電極透鏡部的對向的電極的雙方是前述復(fù)合電極，一方的前述復(fù)合電極由高電阻平面電極與條狀配置的多個低電阻電極組成，同時另一方的前述復(fù)合電極由高電阻平面電極與沿垂直于前述低電阻電極的配置方向的方向條狀配置的多個低電阻電極組成。
如上述11至13的任一項(xiàng)所述的液晶透鏡元件，形成前述第1、第2凹凸部的前述透明材料的折射率與前述第1液晶層及第2液晶層的尋常光折射率相等。
如上述11至13的任一項(xiàng)所述的液晶透鏡元件，將前述第1菲涅爾透鏡部與第2菲涅爾透鏡部進(jìn)行層疊形成一體，同時將前述第1電極透鏡部與第2電極透鏡部進(jìn)行層疊形成一體。
14.一種光學(xué)頭裝置，具有光源；使來自該光源的出射光聚焦在光記錄介質(zhì)上用的物鏡；檢測聚焦在前述光記錄介質(zhì)上并反射的光的光檢測器；以及配置在前述光源與前述物鏡之間的光路中的上述7至13的任一項(xiàng)所述的液晶透鏡元件。
如上述14所述的光學(xué)頭裝置，在從前述光源到前述光記錄介質(zhì)的光的光路上，入射前述液晶透鏡元件的來自前述光源的光的偏振光方向、與前述液晶透鏡元件的第3液晶層的非常光折射率方向一致。
一種光學(xué)頭裝置，配置光源；使來自該光源的出射光聚焦在光記錄介質(zhì)上用的物鏡；以及在光源與物鏡之間的光路中的上述7至13的任一項(xiàng)所述的液晶透鏡元件。
15.提供一種光學(xué)頭裝置，至少包含光源；使來自該光源的出射光聚焦在光記錄介質(zhì)的信息記錄層上的物鏡；接受所述信息記錄層的反射光的光檢測器；以及從光源到光記錄介質(zhì)的去程光束與所述信息記錄層的反射光到光檢測器的回程光束分離的分光鏡，由通過一體層疊所述第1菲涅爾透鏡部和第2電極透鏡部而形成的去程用液晶透鏡元件、以及通過一體層疊所述第2菲涅爾透鏡部和第1電極透鏡部而形成的回程用液晶透鏡元件組成的權(quán)利要求7至13的任一項(xiàng)所述的液晶透鏡元件中的所述去程用液晶透鏡元件被設(shè)置在光源與分光鏡之間的光路中，所述回程用液晶透鏡元件被設(shè)置在分光鏡與光檢測器之間的光路中。
根據(jù)本發(fā)明，能夠?qū)崿F(xiàn)根據(jù)施加電壓的大小使透射波面相應(yīng)連續(xù)變化、連續(xù)可變焦距液晶透鏡。
另外，根據(jù)本發(fā)明，通過光學(xué)頭裝置中具有該液晶透鏡，能夠校正由覆蓋厚度不同的光盤產(chǎn)生的像差。再有，能夠?qū)崿F(xiàn)對元件的輸入端子數(shù)也少(3端)、控制性好、小型化、低成本的光學(xué)頭裝置。
再有，在本發(fā)明的液晶透鏡元件具有的第1及第2菲涅爾透鏡部中，由于對具有鋸齒狀或利用階梯形狀來近似鋸齒的截面形狀的凹部充填液晶，因此盡管能夠產(chǎn)生比較大的放大率分量，但能夠減薄液晶層的厚度，能夠?qū)崿F(xiàn)低電壓驅(qū)動及高速響應(yīng)。再有，由于第1與第2液晶層的非常光折射率方向垂直，因此與入射偏振光的方向無關(guān)，能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的球差校正。另外，根據(jù)本發(fā)明，利用液晶透鏡元件具有的電極透鏡部能夠連續(xù)使放大率分量變化。
因而，在具有這樣的液晶透鏡元件的光學(xué)頭裝置中，不僅能夠校正因雙層光盤的覆蓋厚度的不同而引起產(chǎn)生的球差，還能夠有效地校正因覆蓋厚度的差異而引起產(chǎn)生的球差。另外，即使在跟蹤時物鏡與液晶透鏡元件產(chǎn)生偏心的情況下，也由于像差劣化少，因此能夠提供可穩(wěn)定進(jìn)行記錄及/或重放的光學(xué)頭裝置。


圖1所示為本發(fā)明有關(guān)實(shí)施形態(tài)的液晶透鏡元件的構(gòu)成側(cè)視圖。
圖2(A)所示為構(gòu)成圖1所示的液晶透鏡元件的第1基板的凹凸部的鋸齒狀環(huán)帶平面圖，(B)所示為構(gòu)成第2基板的透明電極的環(huán)帶電極段的平面圖。
圖3所示為利用本發(fā)明的液晶透鏡生成的透射波面的光程長差的一個例子的曲線圖，α為將橫軸作為半徑r、以波長λ為單位表示光程長差的曲線，β為從α減去波長λ的整數(shù)倍、作為-λ以上零以下的光程長差的曲線，γ所示為對于光程長差為零的面、與β面對稱的光程長差的曲線。
圖4所示為切換對液晶透鏡元件的施加電壓時的作用的側(cè)視圖，(A)所示為施加電壓V+1時的收斂透射波面，(B)所示為施加電壓V0時的沒有波面變化的透射波面，(C)所示為施加電壓V-1時的發(fā)散透射波面。
圖5所示為利用本發(fā)明的液晶透鏡生成的透射波面的光程長差的一個例子的曲線圖，α為將橫軸作為半徑r、以波長γ為單位表示光程長差的曲線，β2為從α減去波長2λ的整數(shù)倍、作為-2λ以上零以下的光程長差的曲線，β1所示為β2的光程長差的一半的光程長差的曲線，γ1所示為對于光程長差為零的面、與β1面對稱的光程長差的曲線，γ2所示為對于光程長差為零的面、與β2面對稱的光程長差的曲線。
圖6所示為將對本發(fā)明的液晶透鏡元件的施加電壓作為中間值時的光程長差的一個例子的曲線圖。
圖7所示為每個環(huán)帶改變對本發(fā)明的液晶透鏡元件的施加電壓時的光程長差的一個例子的曲線圖。
圖8所示為每個環(huán)帶改變對本發(fā)明的液晶透鏡元件的施加電壓的施加電壓的一個例子的曲線圖。
圖9所示為本發(fā)明的液晶透鏡元件的第2電極的環(huán)帶狀的段與電阻體的連接的示意平面圖。
圖10所示為本發(fā)明的液晶透鏡元件的第2電極的環(huán)帶狀的段與電阻體的接線狀態(tài)的示意平面圖。
圖11所示為本發(fā)明的液晶透鏡元件的構(gòu)成側(cè)視圖。
圖12所示為將液晶透鏡元件層疊、使得液晶分子的取向方向互相垂直的本發(fā)明的液晶透鏡元件的其它構(gòu)成例的側(cè)視圖。
圖13所示為裝有本發(fā)明的液晶透鏡元件的本發(fā)明的光學(xué)頭裝置的構(gòu)成圖。
圖14所示為本發(fā)明的第2實(shí)施形態(tài)有關(guān)的液晶透鏡元件的剖視圖。
圖15為本發(fā)明的第2實(shí)施形態(tài)有關(guān)的液晶透鏡元件的菲涅爾透鏡部的俯視圖。
圖16為本發(fā)明的第2實(shí)施形態(tài)有關(guān)的液晶透鏡元件的電極透鏡部的俯視圖。
圖17所示為利用本發(fā)明的液晶透鏡元件生成的透射波面的位相差的曲線圖，P1、P2為將橫軸作為半徑r、以波長λ為單位表示位相差的曲線，F(xiàn)1、F2為從P1、P2加減波長λ的整數(shù)倍、作為零以上λ以下的位相差的曲線。
圖18為本發(fā)明的液晶透鏡元件的剖視圖中的菲涅爾透鏡部的放大圖。
圖19所示為切換對本發(fā)明的液晶透鏡元件的菲涅爾透鏡部的施加電壓時的作用的剖視圖，(A)所示為施加電壓V+1時的收斂透射波面，(B)所示為施加電壓V0時的沒有波面變化的透射波面，(C)所示為施加電壓V-1時的發(fā)散透射波面。
圖20所示為本發(fā)明的液晶透鏡元件的電極透鏡部產(chǎn)生的位相差分布的示意圖，α所示為作為目標(biāo)的位相差，β所示為電極透鏡部產(chǎn)生的位相差。
圖21(A)(B)分別為構(gòu)成本發(fā)明的第3實(shí)施形態(tài)有關(guān)的液晶透鏡元件的電極透鏡部的復(fù)合電極的俯視圖。
圖22所示為本發(fā)明的光學(xué)頭裝置的一個例子的構(gòu)成圖。
圖23所示為本發(fā)明的液晶透鏡元件的第5實(shí)施形態(tài)的剖視圖。
圖24所示為本發(fā)明的液晶透鏡元件的第6實(shí)施形態(tài)的剖視圖。
圖25所示為本發(fā)明的光學(xué)頭裝置的其它一個例子的示意圖。
圖26所示為本發(fā)明的光學(xué)頭裝置中的液晶透鏡元件的菲涅爾透鏡效率的說明圖。
圖27所示為本發(fā)明的光學(xué)頭裝置中的波面像差與覆蓋厚度的關(guān)系的說明圖。
圖28所示為本發(fā)明的液晶透鏡元件的第7實(shí)施形態(tài)的、第4實(shí)施例中的液晶透鏡元件的菲涅爾衍射效率的說明圖。
圖29所示為安裝可動透鏡組作為球差校正元件的以往的光學(xué)頭裝置的構(gòu)成圖。
圖30所示為以往的液晶透鏡構(gòu)成例的側(cè)視圖。
圖31所示為以往的光調(diào)制元件(液晶衍射透鏡)構(gòu)成例的側(cè)視圖。
圖32所示為以往的液晶衍射透鏡構(gòu)成例的剖視圖。
標(biāo)號說明10、70、80液晶透鏡元件10A第1菲涅爾透鏡部10B第2菲涅爾透鏡部10C(第1)電極透鏡部10D(第2)電極透鏡部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復(fù)合電極21、22、23、23B密封24、25、26、26B液晶層27、28凹凸部29導(dǎo)通連接單元30、30A、30B、30C、30D外部信號源31～34低電阻電極31A～34A電極取出部35高電阻平面電極40、50復(fù)合電極45、55高電阻平面電極41～44、51～54低電阻電極61半導(dǎo)體激光器62偏振光分光鏡63準(zhǔn)直透鏡64液晶透鏡元件651/4波片66物鏡67柱面透鏡68光檢測器70A菲涅爾透鏡部
70B電極透鏡部80A去程用液晶透鏡部80B回程用液晶透鏡部501半導(dǎo)體激光器(光源)502衍射光柵503分光鏡504準(zhǔn)直透鏡505物鏡506光檢測器507位相板510、520、530液晶透鏡元件511透明基板(第1基板)512、512A、512B透明基板(第2基板)513、513C、513D(第1)透明電極514、514C、514D(第2)透明電極514A電極段515、515A、515B密封516液晶層(液晶)517凹凸部518驅(qū)動電源電路519A、519B、519C驅(qū)動電源供給用的端子電極551電阻體554引出電極554B、5546、…、554I端部電極540光學(xué)頭裝置D光盤D1第1記錄層D2第2記錄層具體實(shí)施方式
(第1實(shí)施形態(tài))
以下，參照

本發(fā)明的實(shí)施形態(tài)。
圖1所示為與本發(fā)明的第1實(shí)施形態(tài)有關(guān)的液晶透鏡元件510，該液晶透鏡元件510具有透明基板511及512(以下，稱為第1及第2基板511及512)、以及透明電極513及514，并具有密封515、液晶層(液晶)516、凹凸部517、以及驅(qū)動電源電路518。
液晶層516使用具有尋常光折射率no及非常光折射率ne(這里，no≠ne)的向列型液晶。凹凸部517使用折射率ns的透明材料形成，形成具有深度d的截面凹凸形狀。該凹凸部517最好具有鋸齒狀或利用階梯形狀來近似鋸齒的形狀，在有效直徑φ的區(qū)域內(nèi)相對于入射光的光軸(Z軸)具有旋轉(zhuǎn)對稱性。
下面，在圖2(A)、(B)中，所示為第1基板511及第2基板512的平面圖。
在第1基板511上，以同心狀形成多個由鋸齒狀的環(huán)帶構(gòu)成的凹凸部517，同時在該凹凸部517的表面(外面)設(shè)置以同心狀形成多個鋸齒狀的環(huán)帶的透明電極513。
另外，在第2基板512上設(shè)置分割成環(huán)帶狀的電極段514A(透明電極514)，以便能夠施加不同的電壓。該電極段514A與第1基板511的凹凸部517的各半徑相對應(yīng)進(jìn)行分割。
另外，對該透明電極513及透明電極514設(shè)置從元件外部供給驅(qū)動電源用的端子電極519A～519C。這里，為了簡化說明起見，以將第2電極分割成環(huán)帶狀的電極段為例進(jìn)行說明，但即使將第1基板的電極分割成環(huán)帶狀也沒有問題。
下面，詳細(xì)說明液晶層516的向列型液晶分子的取向方向。關(guān)于該向列型液晶分子的取向方向，例如有以下三種。
i)均勻取向在液晶的非常光折射率方向的相對介電常數(shù)與尋常光折射率方向的相對介電常數(shù)之差、即介電常數(shù)各向異性Δε為正時，在圖1中，在透明電極513及514的表面涂布液晶分子的取向方向分別為實(shí)質(zhì)上平行于第1及第2基板511及512面的聚酰亞胺等取向膜(未圖示)，若固化后沿X軸方向進(jìn)行摩擦處理，則成為液晶分子的取向方向沿X軸方向(即，非常光折射率ne的方向)一致的均勻取向。另外，除了聚酰亞胺的摩擦處理以外，也可以使用SiO斜蒸鍍膜或光取向膜等，使液晶分子的取向一致。這里，通過對透明電極513及514施加交流電壓V，對于具有X軸方向的偏振光面的直線偏振光的入射光，則液晶層516的實(shí)質(zhì)上的折射率n(V)從n1＝ne變化到n2＝no。
根據(jù)該構(gòu)成，由于液晶層516能夠以低電壓得到實(shí)質(zhì)上的折射率有大的變化，因此能夠?qū)⑿纬砂纪範(fàn)畹耐该麟姌O513的基板面的凹凸部517的最大深度d采用比較小的值。其結(jié)果，能夠縮短凹凸部517的形成工序，同時由于能夠減薄液晶層516，因此可實(shí)現(xiàn)高速響應(yīng)。
ii)混合取向?yàn)榱说玫皆撊∠?，首先，在凹凸?17上的透明電極513的表面涂布液晶分子的取向方向?yàn)閷?shí)質(zhì)上垂直于基板面的聚酰亞胺等取向膜(未圖示)后，使其固化。另外，在平坦的透明電極514的表面涂布液晶分子的取向方向?yàn)閷?shí)質(zhì)上平行于基板面的聚酰亞胺等取向膜(未圖示)后，進(jìn)行固化，然后，沿X軸方向進(jìn)行摩擦處理。其結(jié)果，液晶分子的取向方向在凹凸部517的透明電極513與實(shí)質(zhì)上垂直于基板面的方向一致，而在透明電極514與實(shí)質(zhì)上平行于基板面的方向一致，成為上述這樣的混合取向。雖然在凹凸部517的表面難以利用摩擦實(shí)施均勻的取向處理，但在這種情況下，由于對凹凸部517不要進(jìn)行取向處理，因此容易得到均勻的液晶取向。這里，通過對透明電極513及514施加交流電壓V，對于具有X軸方向的偏振光面的直線偏振光的入射光，則液晶層516的實(shí)質(zhì)上的折射率n(V)從n1(ne+no)/2變化到n2＝no。
根據(jù)該構(gòu)成，由于液晶層516的取向利用在平坦的透明電極514的基板面上的進(jìn)行了取向處理的取向膜來規(guī)定，因此即使不進(jìn)行凹凸?fàn)畹耐该麟姌O513的基板面上的取向膜的取向處理，液晶層516的取向方向也穩(wěn)定。其結(jié)果，能夠減少因基板面的取向不良而引起的透射光的效率劣化。
iii)垂直取向?yàn)榱说玫皆撊∠?，使用液晶的取向沿與電場方向垂直的方向一致的介電常數(shù)各向異性Δε為負(fù)的液晶，首先，在透明電極513及514的表面涂布液晶分子的取向方向?yàn)閷?shí)質(zhì)上垂直于基板面的聚酰亞胺等取向膜(未圖示)后，使其固化。再僅對透明電極514的取向膜沿X軸方向進(jìn)行摩擦處理。其結(jié)果，液晶分子的取向方向成為與實(shí)質(zhì)上垂直于凹凸部517的透明電極513及514的基板面的方向一致的垂直取向。由于不需要對凹凸部517的表面實(shí)施取向處理，因此容易得到均勻的液晶取向。這里，通過對透明電極513及514施加交流電壓V，對于具有X軸方向的偏振光面的直線偏振光的入射光，則液晶層的實(shí)質(zhì)上的折射率n(V)從n1＝no變化到n2＝ne。
根據(jù)該構(gòu)成，由于液晶層516能夠以低電壓得到實(shí)質(zhì)上的折射率有大的變化，因此能夠?qū)⑿纬砂纪範(fàn)畹耐该麟姌O513的基板面的凹凸部517的最大深度d采用比較小的值。其結(jié)果，能夠縮短凹凸部517的形成工序，同時由于能夠減薄液晶層516，因此可實(shí)現(xiàn)高速響應(yīng)。再有，由于液晶層516的取向利用在透明平坦電極514的基板面上的進(jìn)行了取向處理的取向膜來規(guī)定，因此即使不進(jìn)行凹凸?fàn)畹耐该麟姌O513的基板面上的取向膜的取向處理，液晶層516的取向方向也穩(wěn)定。其結(jié)果，能夠減少因基板面的取向不良而引起的透射光的效率劣化。
下面，說明該液晶透鏡元件510的制造順序的一個例子。
首先，在第1基板511的一個平坦面上，用折射率ns的透明材料，形成截面為鋸齒狀或利用階梯形狀來近似鋸齒的形狀的凹凸部517。再在該凹凸部517的表面形成透明電極513。這里，以在凹凸部517的表面形成透明電極513的例子來說明，但也可以形成在凹凸部513與基板511之間。
接著，如圖2(B)所示，形成分割成環(huán)帶狀的電極514，并對基板512印刷混入了間隔控制材料的粘接材料，形成圖形，這樣形成密封515，與前述的透明基板511重疊，進(jìn)行壓接，制成空盒。這時，設(shè)第1基板511的凹凸部517的凸部與基板512的間隔為g。從設(shè)置在密封515的一部分的注入口(未圖示)注入具有尋常光折射率no及非常光折射率ne(這里，no≠ne)的向列型液晶516，封接該注入口，將液晶516密封在盒內(nèi)，制成本實(shí)施形態(tài)的液晶透鏡元件510。在圖中雖省略，但最好在透明電極514的表面形成膜厚10～200nm左右的透明絕緣體膜，以防止短路，這樣制成液晶的取向膜。
這樣，在對凹凸部517的至少凹部充填液晶后，將圖示外的交流電源與驅(qū)動電源電路518連接。作為該連接方法，是在透明基板511一側(cè)形成驅(qū)動電源供給用的端子電極519B及519C，同時預(yù)先將導(dǎo)電性金屬粒子混入密封515，進(jìn)行密封壓接，通過這樣在密封厚度方向顯現(xiàn)導(dǎo)電性，使透明電極514與端子電極519B、519C導(dǎo)通。另外，將驅(qū)動電源電路518與這些端子電極519B、519C連接，從而能夠?qū)σ壕?16施加電壓。
這樣，完成液晶透鏡元件510。
另外，在該液晶透鏡元件510的制造中，對于由透明材料制成的凹凸部517，可以用紫外線固化樹脂、熱固化樹脂、或感光性樹脂等有機(jī)材料形成，也可以用SiO2或Al2O3或SiOxNy(這里，x及y表示O及N的元素比例)等無機(jī)材料形成。另外，該凹凸部517可以用均勻折射率材料形成，也可以用雙折射材料形成?？傊?，該凹凸部517只要對于根據(jù)施加電壓相應(yīng)產(chǎn)生液晶層516的折射率變化的入射光的偏振光方向，用n1與n2之間的折射率ns的透明材料形成即可。
另外，該凹凸部517是在第1基板511的平坦面形成規(guī)定膜厚的透明材料層之后，可以利用光刻或反應(yīng)性離子刻蝕加工成凹凸?fàn)?，也可以使用金屬模具對透明材料層轉(zhuǎn)印凹凸部形狀。另外，為了使液晶層516對于施加電壓得到實(shí)質(zhì)上的折射率有大的變化，在該凹凸部517的凹部充填的液晶層516的分子的取向方向最好在透明電極513及514的面上一致。
對于這樣形成的本實(shí)施形態(tài)的液晶透鏡元件510，若使用交流電源，對透明電極513及514施加矩形波的交流電壓，則液晶的分子取向變化，液晶層516的實(shí)質(zhì)上的折射率從n1變化到n2(n1≠n2)。其結(jié)果，對于入射光的特定的直線偏振光，根據(jù)施加電壓的大小，相應(yīng)地液晶與凹凸部517的折射率差Δn(V)變化，液晶透鏡元件510的透射光的波面變化。這里，液晶層516的所謂「實(shí)質(zhì)上的折射率」，意味著對于入射光的偏振光方向的、由透明電極513與514夾著的液晶層516的平均折射率，相當(dāng)于平均折射率＝(液晶層光程長)÷(液晶層厚度)。
下面，詳細(xì)說明鋸齒狀或利用階梯形狀來近似鋸齒的凹凸部517的截面形狀。
將本發(fā)明的液晶透鏡元件510裝在光學(xué)頭裝置中，在入射液晶透鏡元件510的平面波的透射波面中，設(shè)通過對于光軸中心(坐標(biāo)原點(diǎn)x＝y(tǒng)＝0)的光線僅離開半徑r的長度的位置的光線的光程長差OPD滿足式(2)那樣的冪級數(shù)。
式2OPD(r)＝a1r2+a2r4+a3r5+a4r8+……(2)其中，r2＝x2+y2a1、a2、…；常數(shù)根據(jù)這樣的構(gòu)成，能夠生成校正因光盤的覆蓋厚度的不同而引起產(chǎn)生的球差的透射波面，同時能夠生成賦予正或負(fù)的放大率分量的透射波面，使得對于與物鏡的偏心不產(chǎn)生像差。
這里，對于式(2)的曲線的具體形狀，在圖3中用標(biāo)號α表示。另外，橫軸表示半徑r，縱軸以入射光的波長λ為單位表示光程長差OPD。
對于波長λ的入射光，具有λ的整數(shù)倍的光程長差的透射波面可看成相等。因而，將圖3的用α表示的曲線(光程長差)以波長λ為間隔進(jìn)行分割，表示對光程長差為零的面投影的光程長差的曲線β，實(shí)質(zhì)上與曲線α相等。曲線β表示的光程長差全部是λ以內(nèi)(在圖中為-λ到零的范圍)，截面成為鋸齒狀。
下面，有關(guān)截面為鋸齒狀的凹凸部517的深度d則如下所述。
首先，說明將第2基板512的透明電極514的被分割的全部電極段設(shè)為同電位的情況。在這種情況下，對于凹凸部517的凸部與第2基板512的間隔g(以下，將該間隔稱為「盒間隔」)中的液晶，在對分割電極段514A施加的電位相等時，則施加實(shí)質(zhì)上同一電壓。因此，由于僅使透射光的波面同樣位移，所以在這種情況下，該盒間隔內(nèi)的液晶的折射率變化可以忽略。
在透明電極513與514之間施加電壓時，若設(shè)液晶層516(液晶)對于非常光偏振光的光的實(shí)質(zhì)上的折射率為n(V)，則由透明材料形成的液晶層516與凹凸部517的折射率差為Δn(V)＝n(V)-ns。例如，在施加電壓V+1下，為了生成相當(dāng)于圖3的曲線β的透射波面的光程長差，只要將圖1所示的凹凸部517的深度d設(shè)置為滿足式(3)的關(guān)系的值即可。
式3d＝λ/|Δn(V+1)| …(3)式中，λ；入射光的波長Δn(V+1)＝n(V+1)-ns＝n1-nsn1、ns；折射率這里，通過使施加電壓V變化，從而折射率差Δn(V)變化。例如，i)在成為Δn(V0)＝0的施加電壓V0的情況下，液晶透鏡元件10的透射波面不變化。另外，ii)在成為Δn(V-1)＝-Δn(V+1)的施加電壓V-1的情況下，產(chǎn)生圖3的曲線γ所示的光程長差的透射波面。這相當(dāng)于對于光程長差為零的面、與圖3的曲線β面對稱的光程長差的透射波面。
這樣，利用施加電壓，能夠形成無透射波面變化、圖3的曲線β及γ的波面狀態(tài)的情況的三種波面狀態(tài)。另外，若使折射率ns與n1或n2實(shí)質(zhì)上相等，則透射波面能夠形成無透射波面變化、及β或γ的狀態(tài)的任一種狀態(tài)的兩種波面狀態(tài)。
另外，圖5的曲線α與圖3的曲線α相同，是表示用式(2)所示的光程長差OPD的曲線。將圖5的曲線α以波長λ的2倍間隔(即，2λ)進(jìn)行分割，圖5的曲線β2表示對光程長差為零的面投影的光程長差。該曲線β2，實(shí)質(zhì)上與曲線α相等，曲線β2表示的光程長差全部是2λ以內(nèi)(在圖中為-2λ到零的范圍)，截面成為鋸齒狀。
因而，在施加電壓V+2下，為了生成相當(dāng)于圖5的曲線β2的透射波面的光程長差，只要將圖11所示的凹凸部517的深度d設(shè)置為滿足式(4)的關(guān)系的值即可。
式4d＝2λ/|Δn(V+2)| …(4)式中，λ；入射光的波長Δn(V+2)＝n(V+2)-ns＝n1-ns這里，通過使施加電壓V變化，從而折射率差Δn(V)變化。例如，i)在成為Δn(V0)＝0的施加電壓V0的情況下，液晶透鏡元件520的透射波面不變化。另外，ii)在成為Δn(V+1)＝Δn(V+2)/2的施加電壓V+1的情況下，產(chǎn)生圖5的曲線β1所示的光程長差的透射波面。
iii)在成為Δn(V-1)＝-Δn(V+1)的施加電壓V-1的情況下，產(chǎn)生圖5的曲線γ1所示的光程長差的透射波面。
iv)在成為Δn(V-2)＝-Δn(V+2)的施加電壓V-2的情況下，產(chǎn)生圖5的曲線γ2所示的光程長差的透射波面。
這樣，若使用圖5所示的鋸齒狀或利用階梯形狀來近似鋸齒的截面形狀的凹凸部、即圖11中的凹凸部517，則利用施加電壓，能夠形成無透射波面變化、圖5的曲線β1、β2、γ1及γ2的五種波面狀態(tài)。
另外，圖3及圖5所示的各波面狀態(tài)(β、γ、β1、γ1、β2、γ2)都能夠使透射波面以離散的狀態(tài)變化。但是，不能使它的中間狀態(tài)連續(xù)變化。另外，這里為了簡化說明起見，說明滿足式(3)圖3的構(gòu)成例。
在圖6中，所示為形成無波面變化狀態(tài)(以后，稱為「0狀態(tài)」)的施加電壓V0、與形成曲線β的波面形狀(光程長差OPD)的施加電壓V+1的中間電壓Va的波面形狀的一個例子。如圖該所示，曲線β的波面狀態(tài)通過使鋸齒狀的波面的凹凸的振幅(Step)與透過的波長λ一致(或與波長λ的整數(shù)倍一致)，雖能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)的波面形狀，但在施加中間電壓Va的虛線a的狀態(tài)下，Step與波長λ不一致。因此存在的問題是，透射波面成為不連續(xù)，透射率(衍射效率)降低，波面像差也劣化。
以上，說明的是設(shè)本發(fā)明的第2透明電極的、第2基板512一側(cè)的透明電極514的被分割的全部電極段514A為相同電位的情況，但為了解決中間電壓下的波面不連續(xù)的問題，最好是將該第2透明電極分割成環(huán)帶狀，對電極段514A分別施加不同的電壓。
如前所述，在圖6所示的曲線a的狀態(tài)下，Step與λ不一致。因此，必須如圖7用實(shí)線所示的光程長差b那樣，使Step與λ一致。這在每個凹凸環(huán)帶的區(qū)域中，能夠通過改變對液晶施加的電壓來實(shí)現(xiàn)。因此，圖8所示為對液晶施加的電壓分布的例子。如圖8所示，對每個環(huán)帶區(qū)域、即從e1到e8，為了形成電壓呈階梯狀變化那樣的電壓分布，而使施加的電壓值的變化量減少。若使得相距液晶透鏡10的元件中心的、第k號環(huán)帶ek與相鄰的第k+1號環(huán)帶ek+1的電壓之差δV(k，k+1)、和第k-1號與第k號的電壓之差δV(k-1，k)不同，則由于在各區(qū)域中的液晶的有效折射率變化，因此能夠使OPD區(qū)域間的Step與λ一致。這時，由于對液晶施加的電壓不一樣，因此光程長必須考慮凹凸部517內(nèi)的最大厚度d的液晶、以及在凸部與第2透明電極514的間隔(g)內(nèi)的液晶的折射率變化。由本發(fā)明者判明了，對于使該OPD的區(qū)域間Step與波長一致的電壓分布，有下述那樣的條件。所謂該條件是以下的三點(diǎn)1.d＝g2.δV(k-1，k)＝2·δV(k，k+1)3.最外周的液晶施加電壓滿足式(3)或式(4)的關(guān)系。
例如，為了容易滿足該第2條件，被分割的第2電極段514A如圖9所示，使各段(從e1到e7)的相鄰的段分別通過電阻體551(各電阻體的電阻值為R1到R6)電連接。通過這樣，不對各段供給不同的電壓，而僅端子552及553供給對最內(nèi)周的透明電極e1的電壓及對最外周的透明電極(e8電極段數(shù)為8個時)施加的電壓，從而能夠達(dá)到第2條件。
即，根據(jù)兩端子552與553之間的電位差及各電阻體551的電阻值，來決定對各電極段e1～e8施加的電壓。因而，為了滿足前述的δV(k-1，k)＝2·δv(k，k+1)，對于一個電極段環(huán)帶與在外周側(cè)相鄰的電極段之間的電阻值，設(shè)該電極段環(huán)帶與在內(nèi)周側(cè)相鄰的電極段之間的電阻值為其近似2倍。即，設(shè)相距元件中心的第k號及第k-1號的電阻值分別為Rk及Rk-1時，決定電阻值，使得2·Rk＝Rk-1。通過這樣，利用外部的驅(qū)動電源電路518僅施加兩個電壓，使其具有最內(nèi)周電極段e1與最外周電極段e8的電位差δV，從而各段的電位差分布能夠滿足前述的δV(k-1，k)＝2·δV(k，k+1)的關(guān)系。
如上所述，雖然當(dāng)然最好滿足δV(k-1，k)＝2·δV(k，k+1)或2·Rk＝Rk-1的關(guān)系，但在設(shè)δV(k-1，k)＝x·δV(k，k+1)、y·Rk＝Rk-1時，若x及y在1.6至2.4之間，則由于不導(dǎo)致透射率及波面像差有大的劣化，因此實(shí)用上也可以。再有，若在1.8至2.2之間，則根據(jù)同樣的理由，將更好。
另外，雖然當(dāng)然最好前述的凹凸部517的最大厚度d與間隔(g)相等，但在設(shè)d＝z·g時，若z在0.8至1.2之間，則由于不導(dǎo)致透射率及波面像差有大的劣化，因此實(shí)用上也可以。再有，若在0.9至1.1之間，則根據(jù)同樣的理由，將更好。
該電阻體551通過將與透明電極相同的材料形成圖形而制成，使其形成很細(xì)的線條，或者也可以利用更高電阻薄膜在基板上制成。作為電阻體551的制造方法，則如圖10所示，利用透明的電阻體551連接每個環(huán)帶狀的段e2、e3、…、e8分出的端部電極554B、554C、…554I，從而能夠形成圖9那樣的電極引出線554。通過這樣，由于在入射光通過的區(qū)域內(nèi)不形成多個電極引出線554也可以解決問題，該引出線對透射波面產(chǎn)生的影響小，因此比較好。另外，也可以將位相板、衍射光柵、偏振光全息分光鏡、一定的固定像差校正面等與液晶透鏡元件510形成一體。其結(jié)果，在光學(xué)頭裝置等中安裝該液晶透鏡元件510的情況下，能夠減少零部件數(shù)量，同時實(shí)現(xiàn)裝置的小型化。
下面，參照圖13說明安裝了本發(fā)明有關(guān)的前述的液晶透鏡元件510(參照圖1)的(用于DVD用光盤的記錄重放的)光學(xué)頭裝置540。
本實(shí)施形態(tài)的光學(xué)頭裝置540除了具有波長λ(＝405nm)的光源即半導(dǎo)體激光器501、衍射光柵502、分光鏡503、準(zhǔn)直透鏡504、物鏡505、及光檢測器506以外，還在準(zhǔn)直透鏡504與物鏡505之間的光路上具有位相板507、及液晶透鏡元件510。另外，最好位相板507通過與液晶透鏡元件510形成一體，因?yàn)槟軌驕p少零部件數(shù)量。另外，在圖13中所示的是在準(zhǔn)直透鏡504與物鏡505之間的光路中配置液晶透鏡元件510的例子，但只要配置在半導(dǎo)體激光器501與物鏡505之間的光路中即可。
下面，說明本實(shí)施形態(tài)的作用。
從半導(dǎo)體激光器501出射的、同時在圖13的紙面內(nèi)具有偏振面的波長λ的直線偏振光出射光利用衍射光柵502產(chǎn)生跟蹤用的三光束。該三光束的光用分光鏡503反射，利用準(zhǔn)直透鏡505形成平行光，入射至液晶透鏡元件510。然后，透過該液晶透鏡元件510的光利用位相板507成為圓偏振光，利用物鏡505聚焦在光盤D的信息記錄層上。
另外，物鏡505利用聚焦伺服及跟蹤伺服用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)(未圖示)，可沿X軸方向及Z軸方向移動。用光盤D的反射面反射的光再透過物鏡505及位相板507，形成具有垂直于紙面方向的偏振面的直線偏振光，透過液晶透鏡元件510，利用準(zhǔn)直透鏡504，一部分的光透過分光鏡503，聚焦在光檢測器506的受光面上。
下面，說明使用裝有本發(fā)明的液晶透鏡元件510的光學(xué)頭裝置540、對覆蓋厚度不同的雙層(第0層L0，第1層L1)光盤D進(jìn)行的記錄重放動作。另外，這里以設(shè)計(jì)物鏡505、使得對于覆蓋厚度87.5μm的光盤D的像差為最小的例子進(jìn)行說明。
(i)雙層光盤L0層(覆蓋厚度100μm)的情況在對光盤D中的覆蓋厚度100μm信息記錄層進(jìn)行記錄重放中，在透明電極問施加交流電壓V1，使得液晶透鏡元件510的透射波面成為產(chǎn)生稍微發(fā)散的球面波。另外，設(shè)第2電極段14A的各電極段e1～e8間的電位差δV＝0。這時，由于與凹凸部517相比，液晶層516的折射率大，因此如圖4(A)所示，形成負(fù)的放大率、即相當(dāng)于凹透鏡的透射波面。即，利用物鏡505，以高效率聚焦在覆蓋厚度100μm的信息記錄層上。
(ii)雙層光盤L1層(覆蓋厚度75μm)的情況另外，在對雙層光盤D中的覆蓋厚度75μm信息記錄層進(jìn)行記錄重放中，在電極間施加交流電壓V-1使得液晶透鏡元件510的透射波面成為產(chǎn)生稍微聚焦的球面波。這時，由于與凹凸部517相比，液晶層516的折射率小，因此如圖4(C)所示，形成正的放大率、即相當(dāng)于凸透鏡的透射波面。即，利用物鏡505，以高效率聚焦在覆蓋厚度75μm的信息記錄層上。因而，通過將液晶透鏡元件510的施加電壓切換為V0、V+1、V-1，從而對覆蓋厚度不同的單層DVD光盤及雙層DVD光盤實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的記錄重放。
(iii)雙層光盤L0層的覆蓋厚度有偏差(覆蓋厚度＞100μm)的情況在對前述覆蓋厚度100μm的信息記錄層進(jìn)行記錄重放的情況下的液晶透鏡的設(shè)定中，例如，對于覆蓋厚度薄5μm(覆蓋厚度為95μm)的盤片，有的情況下會產(chǎn)生球差。因此，對最外周段區(qū)域的液晶電極間施加電壓V1，設(shè)最內(nèi)周的電極段(例如，圖9中的e1)與最外周的電極段(例如，圖9中的e8)的電位差δV≠0，使得液晶透鏡元件510的透射波面成為產(chǎn)生稍微聚焦的球面波(與對覆蓋厚度100μm的信息記錄層進(jìn)行記錄重放時相比，為聚焦焦距略長的球面波)。通過這樣，能夠?qū)崿F(xiàn)圖7的光程長差b那樣的波面。即，利用物鏡505，以高效率聚焦在覆蓋厚度有偏差的信息記錄層上。
這樣，根據(jù)本實(shí)施形態(tài)有關(guān)的光學(xué)頭裝置540，液晶透鏡元件510不僅能夠校正因光盤D的覆蓋厚度不同而產(chǎn)生的球差，而且還附加相當(dāng)于焦點(diǎn)位置變化的放大率分量的切換功能及微調(diào)功能。因此，例如即使將液晶透鏡元件510與物鏡505另外放置使用，物鏡505在跟蹤時沿光盤D的半徑方向移動，與液晶透鏡元件510產(chǎn)生偏心的情況下，也幾乎沒有像差劣化。其結(jié)果，與僅校正球差的以往的液晶元件相比，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的記錄及/或重放。
另外，在本實(shí)施形態(tài)中，說明的是使用波長λ為400nm頻帶的半導(dǎo)體激光器作為光源的對于雙層光盤動作的、裝有液晶透鏡元件510的光學(xué)頭裝置540，但關(guān)于使用波長為650nm頻帶的半導(dǎo)體激光器作為光源的對于單層及雙層DVD光盤動作的、裝有液晶透鏡元件的光學(xué)頭裝置等，也能夠得到同樣的作用及效果。另外，為了對于CD、DVD、BD使用，在用一個光學(xué)頭對覆蓋厚度為1.2mm、0.6mm、0.1mm的不同標(biāo)準(zhǔn)的光盤進(jìn)行記錄重放時，本發(fā)明的液晶透鏡元件也有效。若使用對于表示圖5所示的光程長差的液晶透鏡元件分割第2透明電極的本發(fā)明的液晶透鏡元件，以代替液晶透鏡元件510，則能夠進(jìn)行五種透射波面的切換。再有，由于能夠微調(diào)五種波面，因此對于覆蓋厚度不同的光盤中、或因光盤內(nèi)的覆蓋厚度的差異而產(chǎn)生的像差，能夠進(jìn)行更細(xì)微的像差校正。另外，若使用圖12所示的液晶透鏡元件530，以代替液晶透鏡元件510，則由于不僅對于去程的偏振光有校正作用，而且對于回程的正交的偏振光有校正作用，因此對光檢測器的聚焦性也改善。另外，不限于單層及雙層的光盤，今后即使信息記錄層更多層化，通過采用本發(fā)明的5值或7值的液晶透鏡元件，利用對2端透明電極施加的電壓的切換，也能夠校正因覆蓋厚度而引起產(chǎn)生的像差。
(第2實(shí)施形態(tài))以下，說明本發(fā)明的第2實(shí)施形態(tài)有關(guān)的液晶透鏡元件的構(gòu)成例。
圖14所示為本發(fā)明的液晶透鏡元件的第2實(shí)施形態(tài)的剖視圖。本實(shí)施形態(tài)有關(guān)的液晶透鏡元件10作為大致構(gòu)成，具有第1菲涅爾透鏡部10A、第2菲涅爾透鏡部10B、及電極透鏡部10C，利用4片透明基板11～14及3個液晶層24～26層疊而形成一體。
在以下的實(shí)施形態(tài)中，液晶透鏡元件包含至少一個菲涅爾透鏡部、及至少一個電極透鏡部，菲涅爾透鏡部相當(dāng)于第1實(shí)施形態(tài)的液晶透鏡元件的整個構(gòu)成。因而，以下的實(shí)施形態(tài)的構(gòu)成是通過對第1實(shí)施形態(tài)的構(gòu)成追加電極透鏡部來完成的。
圖15所示為本發(fā)明的第2實(shí)施形態(tài)有關(guān)的液晶透鏡元件的菲涅爾透鏡部10A(或10B)的俯視圖。圖16為本發(fā)明的液晶透鏡元件的第2實(shí)施形態(tài)有關(guān)的電極透鏡部10C的俯視圖。
第1菲涅爾透鏡部10A具有透明基板11及12、利用透明基板11及12及密封21夾住的第1液晶層24、第1凹凸部27、以及對第1液晶層24施加電壓用的對向的透明電極15及16。同樣，第2菲涅爾透鏡部10B具有透明基板12及13、利用透明基板12及13及密封22夾住的第2液晶層25、第2凹凸部28、以及對第2液晶層25施加電壓用的對向的透明電極17及18。
另外，電極透鏡部10C具有透明基板13及14、利用透明基板13及14及密封23夾住的第3液晶層26、對第3液晶層26施加電壓用的透明電極19、以及復(fù)合電極20。
透明電極15、17和16、18利用電極取出部15A、17A和16A、18A和導(dǎo)通連接單元29，與外部信號源30連接。透明電極19通過電極取出部19A和圖示外的連接線與外部信號源30連接。復(fù)合電極20如圖16所示，具有以光軸為中心的同心圓狀配置的低電阻電極31～34、以及一樣的高電阻平面電極35。其中，低電阻電極31～34通過電極取出部31A～34A和圖示外的連接線與外部信號源30連接。
凹凸部27及28具有截面為鋸齒狀或利用階梯形狀來近似鋸齒的形狀，使用均勻折射率透明材料形成，在有效直徑φ的區(qū)域內(nèi)，具有對于入射光的光軸(Z軸)的旋轉(zhuǎn)對稱性。關(guān)于凹凸部27及28的詳細(xì)情況將在后面敘述。
下面，說明該液晶透鏡元件10的制造順序的一個例子。
首先，在透明基板11的一面及透明基板12及13的兩面，形成透明電極15～19。再在透明電極16及18的上表面，用折射率ns的均勻折射率透明材料，形成截面為鋸齒狀或利用階梯形狀來近似鋸齒的形狀的凹凸部27及28。凹凸部27及28是在透明電極16及18的面上形成規(guī)定膜厚的均勻折射率透明材料層之后，可以利用光刻或反應(yīng)性離子刻蝕加工成凹凸?fàn)?，也可以使用金屬模具對均勻折射率透明材料層轉(zhuǎn)印凹凸部形狀。在透明基板14的一個表面上如圖16所示，形成低電阻電極31～34之后，形成高電阻平面電極35，作為復(fù)合電極20。
接著，在透明電極15及凹凸部27的表面實(shí)施平行取向處理，使得第1液晶層24的非常光折射率方向朝向Y方向，在透明電極17及19、凹凸部28、以及復(fù)合電極20的表面實(shí)施平行取向處理，使得第2及第3液晶層25及26的非常光折射率方向朝向X方向。取向處理只要利用下述等方法即可，方法一是在基板表面通過旋涂形成以聚酰亞胺等為主成分的取向膜后，用布等進(jìn)行摩擦；方法二是在基板表面形成SiO斜蒸鍍膜；方法三是在基板表面通過旋涂形成光取向膜后，照射偏振光紫外線。
然后，印刷混入了間隔控制材料的圖示外的粘接材料，形成圖形，這樣形成密封21～23，將前述透明基板11～14重疊，進(jìn)行壓接，制成空盒。從設(shè)置在密封21～23的一部分的注入口(未圖示)注入具有尋常光折射率no及非常光折射率ne(這里，no≠ne)的液晶，封接該注入口，將液晶密封在盒內(nèi)，制成本實(shí)施形態(tài)的液晶透鏡元件10。
接著，在以下說明本發(fā)明的液晶透鏡元件的第2實(shí)施形態(tài)中的動作原理。
本發(fā)明的液晶透鏡元件10利用液晶的取向方向垂直的第1菲涅爾透鏡部10A、10B、以及具有平行于第2菲涅爾透鏡部10B的液晶取向方向的電極透鏡部10C構(gòu)成。菲涅爾透鏡部10A及10B通過改變在透明電極15與16或透明電極17與18之間施加的電壓，使液晶層24及25的實(shí)質(zhì)上的折射率變化，從而具有作為焦點(diǎn)離散可變的菲涅爾透鏡的功能。
另一方面，電極透鏡部10C根據(jù)復(fù)合電極20產(chǎn)生的電壓分布，使液晶層26的實(shí)質(zhì)上的折射率分布變化，從而具有作為焦點(diǎn)連續(xù)可變的透鏡的功能。
以下，依次詳細(xì)敘述菲涅爾透鏡部10A、10B、及電極透鏡部10C。
(1)菲涅爾透鏡部10A及10B的說明使用本發(fā)明的液晶透鏡10，為了生成賦予正或負(fù)的放大率分量的透射波面，在入射液晶透鏡10的透射波面中，設(shè)通過對于光軸中心(坐標(biāo)原點(diǎn)x＝y(tǒng)＝0)的光線離開半徑r的位置的光線的位相差φ用式(5)那樣的冪級數(shù)描述。另外，式(5)實(shí)質(zhì)上與式(2)相同，但作為位相差再次進(jìn)行定義。
φ(r)＝a1r2+a2r4+a3r6+a4r8+…(5)其中，r2＝x2+y2a1、a2、…；常數(shù)這里，在圖17中，用標(biāo)號P1及P2表示將橫軸作為半徑r、以入射光的波長λ為單位表示位相差φ的曲線的具體例子。
在位相一致的相干的波長λ的入射光的情況下，具有λ的整數(shù)倍的位相差的透射波面可看成相同。因而，將圖17的用P1、P2所示的曲線以波長λ為間隔進(jìn)行分割，表示沿位相差為零的面上移動的曲線F1、F2實(shí)質(zhì)上與曲線P1、P2相同。曲線F1、F2所示的位相差分布全部在λ以內(nèi)，截面成為鋸齒狀。
利用液晶透鏡元件10，為了得到相當(dāng)于曲線F1、F2的位相差，只要將菲涅爾透鏡部10A或10B具有的凹凸部27、28的形狀加工成與曲線F1、F2相似的形成即可。這里，凹凸部27、28只要是均勻折射率透明材料即可，可以是紫外線固化樹脂、熱固化樹脂、或感光性樹脂等有機(jī)材料，也可以是SiO2或Al2O3或SiOxNy(這里，x及y表示O及N的元素比例)等無機(jī)材料。由于這些材料與構(gòu)成透明電極15～18的材料相比，其體積電阻率極大，與液晶材料相比，也不是足夠小，因此可以看作為介質(zhì)。
圖18為本發(fā)明的液晶透鏡元件的剖視圖中的菲涅爾透鏡部的放大圖。
設(shè)透明基板11、12(或12、13)的表面形成的透明電極15(或17)與16(或18)的間隔為G，凹凸部27(或28)的膜厚dF是從零到d分布，液晶層24(或25)的層厚dLC是從G到G-d分布。這里，間隔G(＝dF+dLC)為一定值。
由于凹凸部27設(shè)置在透明電極15與16之間，因此根據(jù)構(gòu)成凹凸部27的材料的對向介電常數(shù)εF，施加在液晶層24上的有效電壓VLC相應(yīng)變化。具體來說，若設(shè)在電極15與16之間施加的交流電壓為V，則VLC/V用式(6)表示。
VLC/V＝1/{1+(εLC/εF)×(dF/dLC)}…(6)式中，由于凹凸部27的膜厚dF是與形成菲涅爾透鏡的鋸齒狀或利用階梯形狀來近似鋸齒的截面形狀對向應(yīng)，從零到d分布，因此dF/dLC是從零到d/(G-d)分布。其結(jié)果，施加在液晶層24上的有效電壓VLC與凹凸部27的形狀對向應(yīng)產(chǎn)生空間分布。
另外，由于液晶具有介電常數(shù)各向異性，液晶分子長軸方向的對向介電常數(shù)ε∥與液晶分子短軸方向的相對介電常數(shù)ε⊥不同，因此隨著施加電壓，液晶分子的取向方向相應(yīng)變化，由于液晶分子的取向方向的變化，液晶層24的相對介電常數(shù)εLC也變化。因而，在式(6)中，反映了相對介電常數(shù)εLC的與VLC相對應(yīng)的變化，規(guī)定了與凹凸部27的形狀相對應(yīng)的、施加在液晶層24上的有效電壓VLC的空間分布。這里，由于VLC與膜厚dF相對應(yīng)變化，因此今后施加電壓表示為VLC[dF]。另外，在膜厚dF是零的位置處，VLC
與電極間施加電壓V相等。
另外，由于施加在液晶層24上的電壓VLC與凹凸部27的形狀相對應(yīng)是不同的，因此液晶層24對于非常光偏振光的實(shí)質(zhì)上的折射率n(VLC[dF])產(chǎn)生空間分布。例如，在圖18中，凹凸部27的膜厚dF的位置處的電極15與16之間的光程長為ns×dF+n(VLC[dF])×dLC，對于無凹凸部27的菲涅爾透鏡中心位置(dF＝0)的光程長n(V)×G的位相差φdF為式(7)的關(guān)系。
φdF＝{ns×dF+n(VLC[dF])×(G-dF)}-n(V)×G……(7)式中，膜厚dF是從零到d分布，位相差φdF是從零到式(8)的φd分布。
φd＝(ns×d+n(VLC[d])×(G-d)}-n(V)×G＝{n(VLC[d])-n(V)}×G-{n(VLC[d])-ns}×d……(8)例如，在施加電壓V+1下，為了生成相當(dāng)于圖17的曲線F1的透射波面的位相差，只要決定凹凸部的膜厚d及透明電極的間隔G，使得位相差φd為近似λ(即，0.75λ～1.25λ)，同時凹凸部27的膜厚形成從零到dF的截面形狀即可。
這里，通過使施加電壓V變化，從而式(7)的位相差變化。例如，(i)在凹凸部27的膜厚dF是從零到d分布時，存在式(7)的位相差相對于入射光的波長λ為足夠小的值的施加電壓V0。這時，液晶透鏡元件10的透射波面不變化。這里，所謂足夠小的位相差，具體來說是λ/5以下，最好是λ/10以下。
(ii)在位相差φd成為近似-λ(即，-0.75λ～-1.25λ)的施加電壓V-1下，能夠生成圖17的曲線F2所示的位相差的透射波面。這相當(dāng)于對于位相差為零的面、與圖17的曲線F1面對稱的位相差的透射波面。
因而，通過切換施加電壓V+1、V0、V-1，能夠有選擇地切換三種透射波面。
這里，在施加電壓V+1、V0、V-1下對液晶透鏡10入射平面波時，分別成為圖19(A)、(B)、(C)所示的透射波面射出。即，根據(jù)透明電極15、16或透明電極17、18的施加電壓，相應(yīng)得到與正放大率、無放大率、負(fù)放大率相對應(yīng)的透鏡功能。由于通過選擇液晶及凹凸部27的折射率和相對介電常數(shù)、凹凸部27的膜厚d、以及透明電極間隔G等，能夠得對的位相差的電光學(xué)特性的設(shè)計(jì)自由度大，因此能夠生成低電壓驅(qū)動或多種多樣的透射波面。
以上是入射菲涅爾透鏡部的光為非常光偏振光的情況，而在尋常光偏振光的情況下，入射偏振光感覺到的有效的折射率與施加的電壓無關(guān)，始終與液晶的尋常光折射率一致。因而，在液晶透鏡元件10中，相對于凹凸部27的最低部(dF＝0)的、在膜厚dF的位置的位相差φd對于尋常光偏振光，則用式(9)表示，與凹凸部27的折射率ns與液晶的尋常光折射率no之差成正比。
φd＝(ns-no)×d……(9)這里，最好使凹凸部27的折射率ns與液晶的尋常光折射率no相等。通過采用這樣的構(gòu)成，由于對于尋常光偏振光，與施加電壓的大小無關(guān)，φd為0，因此透射光波面不變化。
另外，除了生成將圖17的用P1、P2所示的位相差以波長λ為間隔進(jìn)行劃分的位相差即F1、F2的液晶透鏡元件以外，也可以是相當(dāng)于位相差φd為近似mλ(m＝2或3)的液晶透鏡元件的形態(tài)。在這種情況下，成為與將圖17的P1、P2以波長mλ(這里，m＝2或3)為間隔進(jìn)行劃分的位相差相對應(yīng)的透射波面。
另外，在本實(shí)施形態(tài)中，是對于生成用式(5)描述的軸對稱的位相差的液晶透鏡元件10的情況下、它的元件結(jié)構(gòu)及動作原理進(jìn)行了說明，但對于生成相當(dāng)于校正式(5)以外的軸不對稱的彗差或像散等的位相差的液晶透鏡元件，也能夠根據(jù)同樣的原理，利用均勻折射率透明材料的凹凸形狀加工及凹部充填液晶來制成。
另外，在應(yīng)該校正的位相差的絕對值為入射光的波長λ以下時，不需要將液晶透鏡元件10的由均勻折射率透明材料形成的凹凸部27及28的截面形狀形成鋸齒狀，只要是與目標(biāo)波面一致的形狀即可。在這種情況下，根據(jù)施加電壓的大小，位相差相應(yīng)連續(xù)變化。
另外，在本實(shí)施形態(tài)中，是采用折射率ns的均勻折射率透明材料作為形成凹凸部的材料，但也可以采用分子的取向方向在基板面內(nèi)一致沿一個方向取向的高分子液晶等雙折射材料。在這種情況下，最好設(shè)雙折射材料的非常光折射率為ns，使尋常光折射率與液晶的尋常光折射率no相等，同時使雙折射材料的分子取向方向(非常光折射率的方向)與液晶分子的取向方向一致。通過采用這樣的構(gòu)成，由于對于尋常光偏振光入射光，與施加電壓的大小無關(guān)，液晶與雙折射材料的尋常光折射率一致，因此透射光波面不變化。
另外，在本實(shí)施形態(tài)中，所示為對液晶層24、25分別通過透明電極15、16及透明電極17、18施加交流電壓的結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明中，除此以外，也可以采用將例如透明電極15、17及透明電極16、18的至少一方的電極在空間上進(jìn)行分割、能夠獨(dú)立施加不同的交流電壓的分割電極。通過這樣，能夠生成更多樣的位相差分布。
(2)電極透鏡部10C的說明接著，在以下說明本發(fā)明的液晶透鏡元件10中具有的電極透鏡部10C。
該電極透鏡部10C的目的在于，對于與液晶層26的非常光折射率方向一致的偏振光分量的光，賦予連續(xù)變化的放大率分量。因此，在電極透鏡部10C的一方設(shè)置的復(fù)合電極20如圖16所示，具有高電阻平面電極35、以及為了使高電阻平面電極35產(chǎn)生與目標(biāo)的放大率分量相對應(yīng)的電壓分布的低電阻電極31～34。
圖20所示為電極透鏡部10C產(chǎn)生的位相差分布的示意圖。若對低電阻電極31～34分別施加不同的電壓，則在高電阻平面電極35形成與低電阻電極31～34間的電壓差相對應(yīng)連續(xù)變化的電壓分布。由于液晶分子的取向與電壓分布相對應(yīng)變化，因此對液晶層26形成有效的折射率分布，產(chǎn)生位相差分布。
圖20所示的A、B、C、D各點(diǎn)分別與低電阻電極31、32、33、34的位置相對應(yīng)，產(chǎn)生與目標(biāo)的放大率α實(shí)質(zhì)上一致的位相差β。這里，所謂「實(shí)質(zhì)上一致」，只要是目標(biāo)的放大率α與位相差β之差的標(biāo)準(zhǔn)偏差RSM是入射的光的波長λ的1/20以下即可。為了滿足這一條件，最好通過設(shè)定低電阻電極31～34的形狀或施加的電壓，得到足夠的成像性能。
高電阻平面電極35只要是與低電阻電極31～34相比表面電阻值非常高、而且透明的材料即可，可以是含有鋅、鉛、錫、銦等的氧化物的組成物。低電阻電極31～34也可以是含有鋅、鉛、錫、銦等的氧化物的透明的組成物，若光學(xué)上沒有問題，則也可以是鋁、金、銀、鉻等的金屬膜。
另外，在圖16的構(gòu)成例中，低電阻電極31～34與電極取出部31A～34A連接(未圖示)，與外部信號源30連接，但也可以在液晶透鏡元件10的內(nèi)部，用適當(dāng)?shù)谋∧る娮梵w將低電阻電極31～34彼此之間連接，通過這樣使外部信號源30施加的電壓進(jìn)行分壓，分配給低電阻電極31～34。若采用這樣的構(gòu)成，則由于能夠減少外部信號源30的信號數(shù)，因此比較好。
另外，在本實(shí)施形態(tài)中，是對于利用圖16所示的復(fù)合電極20生成放大率分量的電極透鏡部10C的情況，說明了它的動作原理，但若除了放大率分量以外，改變復(fù)合電極20的結(jié)構(gòu)，則也能夠根據(jù)同樣的原理生成軸對稱的球差。再有，也能夠得到由放大率及球差的兩個分量組成的位相差分布。
如上所述，若采用本發(fā)明的液晶透鏡元件，則能夠與偏振光無關(guān)，離散地切換產(chǎn)生的放大率，另外，對于與電極透鏡部的液晶取向方向一致的偏振光，能夠得到連續(xù)變化的放大率。
另外，在本實(shí)施形態(tài)中，所示的例子是使用液晶分子在不施加電壓時平行于基板面取向、并根據(jù)施加電壓的大小相應(yīng)沿垂直于基板面的方向排列的具有正的介電常數(shù)各向異性的液晶，但也可以是別的液晶取向或液晶材料。例如，也可以使用液晶分子在不施加電壓時垂直于基板面取向、并根據(jù)施加電壓V相應(yīng)沿平行于基板面的方向排列的具有負(fù)的介電常數(shù)各向異性的液晶。
另外，若構(gòu)成本發(fā)明的液晶透鏡元件的第1、第2菲涅爾透鏡部、及電極透鏡部對于光軸設(shè)置在適當(dāng)?shù)奈恢?，則不需要形成一體。但是，若這樣構(gòu)成，則由于產(chǎn)生的問題是，液晶透鏡元件的設(shè)置空間增大，或者位置調(diào)整復(fù)雜，因此非常希望如圖14所示那樣，將全部進(jìn)行層疊，形成一體。在這種情況下，為了夾住3個液晶層，雖只要用4片以上的基板即可，但最好用4片透明基板進(jìn)行層疊，因?yàn)槟軌驕p薄液晶透鏡元件的厚度。
另外，也可以在本發(fā)明的液晶透鏡元件的表面適當(dāng)層疊位相板、衍射光柵、雙折射性全息元件、或取決于波長的衍射光柵等光學(xué)零部件，形成一體，通過這樣，由于構(gòu)成光學(xué)頭裝置的光學(xué)零部件數(shù)減少，光學(xué)頭裝置的組裝簡單，因此比較好。另外，上述光學(xué)零部件也可以在透明基板上成形，或互相粘貼。
(第3實(shí)施形態(tài))下面，參照圖21說明本發(fā)明的第3實(shí)施形態(tài)有關(guān)的液晶透鏡元件。
圖21為本發(fā)明的液晶透鏡元件的第3實(shí)施形態(tài)具有的復(fù)合電極的俯視圖。本實(shí)施形態(tài)的液晶透鏡元件是在圖14所示的第2實(shí)施形態(tài)有關(guān)的液晶透鏡元件10中，將電極透鏡部10C具有的透明電極19及復(fù)合電極20置換成圖21所示的復(fù)合電極40及50而構(gòu)成的。因而，在本實(shí)施形態(tài)中，由于電極透鏡部10C以外的部分與第2實(shí)施形態(tài)相同，因此以下省略說明，僅說明電極透鏡部10C。
本實(shí)施形態(tài)的電極透鏡部10C所具有的復(fù)合電極40及50是對液晶層26施加電壓用的一對復(fù)合電極，通過對條狀配置的低電阻電極41～44及51～54施加適當(dāng)?shù)碾妷?，從而在高電阻平面電極45及55產(chǎn)生電位分布。
這里，用圖20，說明有關(guān)本實(shí)施形態(tài)的電極透鏡部產(chǎn)生的位相分布。若對低電阻電極41～44施加各不相同的電壓，則在高電阻平面電極45形成與低電阻電極41～44間的電壓差相對應(yīng)連續(xù)變化的電位分布。在條狀配置的低電阻電極41～44的位置分別與圖20所示的A、B、C、D相對應(yīng)時，能夠得到對于X方向生成與目標(biāo)的放大率α實(shí)質(zhì)上一致的位相差β的電壓分布。另一方面，對于Y方向，復(fù)合電極40產(chǎn)生的電壓分布在Y方向沒有變化。另外，在沿Y方向條狀配置的低電阻電極51～54的位置與圖20的A、B、C、D相對應(yīng)時，能夠得到對于Y方向生成與目標(biāo)的放大率α實(shí)質(zhì)上一致的位相差β的電壓分布。
因而，對于設(shè)置在產(chǎn)生沿X方向及Y方向變化的電壓分布的兩個復(fù)合電極40與50之間的液晶層26施加的有效電壓，形成與第2實(shí)施形態(tài)中的由透明電極19及復(fù)合電極20(參照圖14)形成的電壓同樣的分布。因而，對于液晶層26形成有效的折射率分布，能夠得到與目標(biāo)的放大率α實(shí)質(zhì)上一致的位相差β。
另外，低電阻電極41～44、51～54及高電阻平面電極45、55的材料及制造方法可以與第2實(shí)施形態(tài)的復(fù)合電極20相同。另外，低電阻電極41～44或低電阻電極51～54在與外部信號源30連接時，為了減少信號線數(shù)，也可以利用薄膜電阻體將各低電阻電極間進(jìn)行連接，由于能夠以較少的信號線數(shù)進(jìn)行驅(qū)動，因此比較好。
(第4實(shí)施形態(tài))接著，在以下說明裝有本發(fā)明的液晶透鏡元件的光學(xué)頭裝置。
圖22所示為裝有本發(fā)明的液晶透鏡元件的光學(xué)頭裝置60的一個例子的示意圖，是對雙層光盤D進(jìn)行信息記錄及/或重放同的光學(xué)頭裝置，具有半導(dǎo)體激光器61、偏振光分光鏡62、準(zhǔn)直透鏡63、本發(fā)明有關(guān)的液晶透鏡元件64、1/4波片65、物鏡66、柱面透鏡67、及光檢測器68。另外，對于雙層光盤D，使用具有第1記錄層D1及第2記錄層D2的、DVD或高密度光盤等。
半導(dǎo)體激光器61的波長可以根據(jù)光盤D的種類，是780nm頻帶、660nm頻帶、405nm頻帶的任一種頻帶，也可以在別的地方安裝不同波長的多個半導(dǎo)體激光器。液晶透鏡元件64可以采用上述說明的、第2實(shí)施形態(tài)或第3實(shí)施形態(tài)等形態(tài)。因而，液晶透鏡元件64的結(jié)構(gòu)、制造方法及動作原理的說明省略。
再有，在本發(fā)明的光學(xué)頭裝置中，除了圖22所示的光學(xué)零部件以外，可以將衍射光柵、全息元件、取決于偏振光的選擇元件、波長選擇性元件、波面變換單元等不同的光學(xué)零部件或機(jī)構(gòu)零部件適當(dāng)組合使用。
下面，說明本發(fā)明的作用。
從光源即半導(dǎo)體激光器61出射的、沿X方向具有偏振光方向的直線偏振光透過偏振光分光鏡62之后，透過準(zhǔn)直透鏡63、液晶透鏡元件64、及1/4波片65之后，變換成圓偏振光，利用物鏡66，聚焦在光盤D具有的第1記錄層D1或第2記錄層D2上。然后，從光盤D反射的光再次通過物鏡66及1/4波片65后，變換成沿Y方向具有偏振光方向的直線偏振光，通過液晶透鏡元件64及準(zhǔn)直透鏡63，用偏振光分光鏡62反射，利用柱面透鏡67形成像散，入射至光檢測器68。
接著，在以下說明使用裝有本發(fā)明的第2實(shí)施形態(tài)有關(guān)的液晶透鏡元件10作為液晶透鏡元件64的光學(xué)頭裝置60、對覆蓋厚度不同的記錄層D1、D2進(jìn)行信息記錄及/或重放的動作。這里，在以下，假設(shè)設(shè)計(jì)物鏡66，使得在第1記錄層D1與第2記錄層D2的中間覆蓋厚度中像差為最小。
例如，當(dāng)聚焦在與設(shè)計(jì)不同的覆蓋厚度的記錄層上時，產(chǎn)生與從覆蓋厚度的記錄層厚度減去設(shè)計(jì)厚度的覆蓋厚度差成正比的球差，難以進(jìn)行信息的讀寫。該球差能夠通過使入射至物鏡66的光形成對平面波附加放大率分量的發(fā)散光或收斂光來進(jìn)行校正。即，對于覆蓋厚度差為負(fù)的第1記錄層D1，通過附加正的放大率來形成收斂光，而對于覆蓋厚度差為正的第2記錄層D2，通過附加負(fù)的放大率來變換成發(fā)散光。然后，若用物鏡66聚焦，則能夠校正球差，對信息正常進(jìn)行讀寫。
(i)對第1記錄層D1(覆蓋厚度差為負(fù))進(jìn)行記錄及/或重放的情況在對第1記錄層D1進(jìn)行記錄及/或重放中，如前所述，在透明電極15與16之間及透明電極17與18之間施加交流電壓V+1，使得液晶透鏡元件10的透射波面成為產(chǎn)生稍微聚焦的球面波。于是，液晶層24及25的液晶分子的取向方向變化，如圖19(A)所示，成為正的放大率、即相當(dāng)于凸透鏡的透射波面。因而，能夠校正聚焦在第1記錄層D1上的光的球差。
(ii)對第2記錄層D2(覆蓋厚度差為正)進(jìn)行記錄及/或重放的情況
在對第2記錄層D2進(jìn)行記錄及/或重放中，在透明電極15與16之間及透明電極17與18之間施加交流電壓V-1，使得液晶透鏡元件10的透射波面成為產(chǎn)生稍微發(fā)散的球面波。于是，液晶層24及25的液晶分子的取向方向變化，如圖19(C)所示，成為負(fù)的放大率、即相當(dāng)于凹透鏡的透射波面。因而，能夠校正聚焦在第2記錄層D2上的光的球差。
如上所述，通過改變對液晶層施加的電壓，能夠校正具有不同覆蓋厚度的兩個記錄層的球差。
本發(fā)明的液晶透鏡元件若對于第1及第2菲涅爾透鏡部正交的兩個直線偏振光進(jìn)行同樣的動作，則與入射至液晶透鏡元件的偏振光無關(guān)，能夠校正球差。但是，由于液晶透鏡元件的制造誤差，例如在液晶層24與25的厚度不同的狀態(tài)下，產(chǎn)生雙折射，因此取決于入射的偏振光，不能得到適當(dāng)?shù)姆糯舐?。所以，入射至液晶透鏡元件的光的偏振光最好是與菲涅爾透鏡部具有的某液晶層的液晶分子的取向方向一致的直線偏振光。
如前所述，圖22所示例子的光學(xué)頭裝置60中，入射至光盤D的光即去程光、與從光盤D反射的光即回程光的偏振光正交。因而，若去程光的偏振光方向與第2菲涅爾透鏡部的液晶分子的取向方向一致，回程光的偏振光方向與第1菲涅爾透鏡部的液晶分子的取向方向一致，則能夠校正去程光及回程光的球差。另外，若凹凸部27及28的折射率與液晶的尋常光折射率一致，則由于對于尋常光折射率方向的偏振光分量，波面沒有變化，因此最好這樣。
下面，說明由于光盤D的制造誤差等而使第1及第2記錄層D1及D2的覆蓋厚度產(chǎn)生誤差的情況。
通過使用菲涅爾透鏡部10A及10B，能夠?qū)τ诘?及第2記錄層D1及D2的基準(zhǔn)覆蓋厚度差，以高精度進(jìn)行校正。但是，由于菲涅爾透鏡部10A及10B只能產(chǎn)生某規(guī)定的離散的放大率分量，因此難以應(yīng)對記錄層的覆蓋厚度與基準(zhǔn)值不同的一個個覆蓋厚度誤差。另外，電極透鏡部與菲涅爾透鏡部相比，難以得到相同或較大的放大率。
因此，在本發(fā)明的液晶透鏡元件10中若采用下述方法，即對于因切換第1記錄層與第2記錄層而產(chǎn)生的球差，主要利用前述菲涅爾透鏡部產(chǎn)生的離散的放大率進(jìn)行校正，而對于各記錄層的覆蓋厚度誤差，主要利用電極透鏡部產(chǎn)生的連續(xù)的放大率進(jìn)行校正，則比較方便。
(第5實(shí)施形態(tài))
以下，說明本發(fā)明的第5實(shí)施形態(tài)有關(guān)的液晶透鏡元件70的構(gòu)成例。圖23所示為本發(fā)明的液晶透鏡元件的第5實(shí)施形態(tài)的剖視圖。另外，在圖23中，與圖14相同的構(gòu)成要素使用同一標(biāo)號，并避免重復(fù)說明。
第5實(shí)施形態(tài)有關(guān)的液晶透鏡元件70與圖14所示的第2實(shí)施形態(tài)有關(guān)的液晶透鏡元件10比較，不同點(diǎn)在于，作為電極透鏡部，是對第2實(shí)施形態(tài)的電極透鏡部10C(第1電極透鏡部)再附加電極透鏡部10D(第2電極透鏡部)而構(gòu)成。
另外，本實(shí)施形態(tài)有關(guān)的液晶透鏡元件70由將第1菲涅爾透鏡部10A與第2菲涅爾透鏡部10B形成一體的菲涅爾透鏡部70A、以及將第1電極透鏡部10C與第2電極透鏡部10D形成一體的電極透鏡部70B構(gòu)成。然后，將該菲涅爾透鏡部70A與電極透鏡部70B分離，分別獨(dú)立與外部信號電源30A及30B連接，這一點(diǎn)與第2實(shí)施形態(tài)有關(guān)的液晶透鏡元件10不同。
其它的大致構(gòu)成與第2實(shí)施形態(tài)有關(guān)的液晶透鏡元件10相同，透明基板13A、13B、13C與透明基板13相同。
這里，第2電極透鏡部10D與第1電極透鏡部10C相同，具有利用透明基板13C及14及密封23B夾住的第4液晶層26B、對該第4液晶層26B施加電壓用的透明電極19B、以及復(fù)合電極20B。該電極透鏡部10D根據(jù)復(fù)合電極20B產(chǎn)生的電壓分布，對于Y方向的直線偏振光入射光，使液晶層26B的實(shí)質(zhì)上的折射率分布變化，通過這樣起到作為連續(xù)可變焦點(diǎn)的透鏡的功能。
透明電極15、17和16、18利用電極取出部15A、17A和16A、18A，與外部信號源30A連接。另一方面，透明電極19、19B通過電極取出部19A與外部信號源30B連接。復(fù)合電極20B具有與復(fù)合電極20相同的結(jié)構(gòu)，如圖16所示，具有以光軸為中心的同心圓狀配置的低電阻電極31～34、以及一樣的高電阻平面電極35。其中，低電阻電極31～34通過電極取出部31A～34A與外部信號源30B連接。
另外，第2電極透鏡部10D的第4液晶層26B與第1電極透鏡部10C的第3液晶層26中的液晶的取向方向不同。即，對透明電極19B及復(fù)合電極20B的表面實(shí)施取向處理，使得第4液晶層26B的非常光折射率朝向Y方向。
因而，電極透鏡部70B成為與入射光的偏振光狀態(tài)無關(guān)、而根據(jù)由外部信號源30B產(chǎn)生的施加電壓連續(xù)可變焦點(diǎn)的透鏡。其結(jié)果，通過采用本實(shí)施形態(tài)有關(guān)的液晶透鏡元件70的構(gòu)成，能夠得到與入射光的偏振光狀態(tài)無關(guān)、而離散可變焦點(diǎn)的透鏡功能及連續(xù)可變焦點(diǎn)的透鏡功能。
在圖22所示的光學(xué)頭裝置60中，若使用液晶透鏡元件70來代替液晶透鏡元件64，則能夠得到第4實(shí)施形態(tài)中說明的作用效果。特別是，由于電極透鏡部70B不僅對于去程的X方向的入射偏振光，而且對于回程的Y方向的入射偏振光，也起到作為連續(xù)可變焦點(diǎn)透鏡的功能，因此對于回程的球差也能夠有效校正。其結(jié)果，聚焦伺服的精度提高，能夠進(jìn)行更穩(wěn)定的雙層光盤的記錄重放。
(第6實(shí)施形態(tài))以下，說明本發(fā)明的第6實(shí)施形態(tài)有關(guān)的液晶透鏡元件80的構(gòu)成例。圖24所示為本發(fā)明的液晶透鏡元件的第6實(shí)施形態(tài)的剖視圖。在圖24中，與圖23相同的構(gòu)成要素使用同一標(biāo)號。
本實(shí)施形態(tài)有關(guān)的液晶透鏡元件80與圖23所示的本發(fā)明的第5實(shí)施形態(tài)有關(guān)的液晶透鏡元件70不同，由將第1菲涅爾透鏡部10A與第2電極透鏡部10D形成一體的對于Y方向的入射偏振光發(fā)現(xiàn)透鏡功能的回程用液晶透鏡部80A、以及將第2菲涅爾透鏡部10B與第1電極透鏡部10C形成一體的對于X方向的入射偏振光發(fā)現(xiàn)透鏡功能的去程用液晶透鏡部80B構(gòu)成。將回程用液晶透鏡部80A與去程用液晶透鏡部80B分離，分別獨(dú)立與外部信號電源30C及30D連接。其它的大致構(gòu)成與第5實(shí)施形態(tài)有關(guān)的液晶透鏡元件70相同。
因而，對于X方向的入射偏振光，X方向的去程用液晶透鏡部80B起作用，成為根據(jù)由外部信號源30D產(chǎn)生的施加電壓、離散及連續(xù)可變焦點(diǎn)透鏡。另外，對于Y方向的入射偏振光，回程用液晶透鏡部80A起作用，成為根據(jù)由外部信號源30C產(chǎn)生的施加電壓、離散及連續(xù)可變焦點(diǎn)透鏡。
這里，在圖22所示的光學(xué)頭裝置60中，若使用液晶透鏡元件80來代替液晶透鏡元件64，則能夠得到第5實(shí)施形態(tài)中說明的作用效果。
另外，圖25所示為光學(xué)頭裝置90，該光學(xué)頭裝置90是這樣構(gòu)成，它在光學(xué)頭裝置的光路中，在去程的光路中配置去程用液晶透鏡部80B，同時在回程的光路中配置回程用液晶透鏡部80A。在圖25中，與圖22相同的構(gòu)成要素使用同一標(biāo)號，并避免重復(fù)說明。
在圖25的光學(xué)頭裝置90中，分別使用去程用及回程用的準(zhǔn)直透鏡63A及63B，同時在準(zhǔn)直透鏡63A及63B與1/4波片65之間的光路中配置偏振光分光鏡62，這一點(diǎn)與光學(xué)頭裝置60不同。再有，在光學(xué)頭裝置90中，對于去程的直線偏振光(紙面內(nèi)的偏振光方向)具有透鏡作用的液晶透鏡部80A及對于回程的直線偏振光(垂直于紙面的偏振光方向)具有透鏡作用的液晶透鏡部80B分別配置在準(zhǔn)直透鏡63A及63B與偏振光分光鏡62之間。其結(jié)果，與光學(xué)頭裝置60比較，具有的特征是，由于在去程及回程中沒有通過無透鏡作用的液晶層，因此容易得到高的透射率。
(第7實(shí)施形態(tài))接著，在下面說明本發(fā)明的第7實(shí)施形態(tài)有關(guān)的液晶透鏡元件的構(gòu)成例。
在本實(shí)施形態(tài)的液晶透鏡元件中，菲涅爾透鏡部的構(gòu)成與其它的實(shí)施形態(tài)不同。
即，在圖14、圖23及圖24所示的液晶透鏡元件的第1菲涅爾透鏡部10A及第2菲涅爾透鏡部10B中，第1液晶層24及第2液晶層25中使用具有負(fù)的介電常數(shù)各向異性的向列型液晶。而且，在對液晶層不施加電壓的斷開狀態(tài)時，液晶分子的取向方向?qū)τ诨灞砻媸谴怪被蚪咏怪钡慕嵌?，同時由第1凹凸部27及第2凹凸部28的折射率nF與液晶層的尋常光折射率no相同或與之接近的值的均勻折射率材料構(gòu)成。這樣，由于液晶分子的取向方向?qū)τ诨灞砻媸谴怪被蚪咏怪钡慕嵌?，因此只要在與液晶層接觸的基板表面形成液晶的垂直取向膜即可。
另一方面，最好對取向膜表面進(jìn)行取向處理，使得在對液晶層施加電壓的接通狀態(tài)下，液晶分子的取向方向向特定方向傾斜。具體來說，實(shí)施取向處理，使得第1液晶層24的液晶分子向Y方向傾斜，第2液晶層25的液晶分子向X方向傾斜。
通過采用這樣的構(gòu)成，由于在斷開狀態(tài)下，與入射光的偏振光狀態(tài)無關(guān)，液晶層與凹凸部的折射率實(shí)質(zhì)上一致，因此與凹凸部的形狀無關(guān)，透射波面不產(chǎn)生變化。另外，由于液晶層與凹凸部的折射率因波長分散的不同而引起的折射率差很小，因此即使入射光的波長變化，透射波面也幾乎沒有變化。另一方面，在接通狀態(tài)下，根據(jù)凹凸部的形狀及施加電壓，液晶分子的取向方向相應(yīng)變化，對于進(jìn)行取向處理的方向的直線偏振光(即，非常光偏振光)的入射光，液晶層的實(shí)質(zhì)上的折射率變化。其結(jié)果，根據(jù)施加電壓及凹凸部的形狀，透射波面相應(yīng)產(chǎn)生變化。
例如，在菲涅爾透鏡的凹凸部的中心為凹時，在斷開狀態(tài)下，如圖19(B)所示，透射波面不變化，在接通狀態(tài)下，如圖19(A)所示，能夠形成相當(dāng)于凸透鏡的收斂透射波面。即，通過施加電壓的斷開與接通的切換，成為無放大率及有放大率的二值焦點(diǎn)切換透鏡。
另外，第1液晶層24及第2液晶層25在接通狀態(tài)下，由于液晶分子的傾斜方向的XY面內(nèi)投影分量垂直，因此若第1及第2菲涅爾透鏡部的凹凸部27和28的形狀及液晶層24和25的層厚相同，從外部信號源在透明電極15與16之間及透明電極17與18之間施加同一接通狀態(tài)的施加電壓，則與入射光的偏振光狀態(tài)無關(guān)，成為單一的收斂波面。另外，本實(shí)施形態(tài)的將菲涅爾透鏡部作為構(gòu)成要素的液晶透鏡元件在與電極透鏡部的組合中，也可以采用圖14、圖23或圖24所示的任一種構(gòu)成。
接著，在以下說明使用裝有本實(shí)施形態(tài)的液晶透鏡元件以代替圖22的液晶透鏡元件64、對具有第2記錄層D2的單層高密度光盤及具有第1記錄層D1和第2記錄層D2的雙層高密度光盤進(jìn)行的信息記錄重放動作。另外，這里的物鏡66是這樣設(shè)計(jì)，使得對于覆蓋厚度100μm的第2記錄層D2的像差成為最小。另外，半導(dǎo)體激光器61的波長為405nm頻帶。其它的構(gòu)成與第4實(shí)施形態(tài)的光學(xué)頭裝置相同。
在覆蓋厚度100μm的第2記錄層D2進(jìn)行記錄重放時，對液晶透鏡元件的菲涅爾透鏡部不施加電壓，處于斷開狀態(tài)，從而維持物鏡66的像差性能，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的聚焦性能。另一方面，在覆蓋厚度75μm的第1記錄層D1進(jìn)行記錄重放時，在液晶透鏡元件的菲涅爾透鏡部的透明電極15與16之間及透明電極17與18之間施加電壓，處于接通狀態(tài)，從而形成附加正的放大率的收斂光，校正球差，其結(jié)果實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的聚焦性能。
另外，由于高密度光盤的制造誤差等，導(dǎo)致因第1記錄層D1及第2記錄層D2的覆蓋厚度誤差而引起產(chǎn)生的球差與第4或第5實(shí)施形態(tài)相同，利用根據(jù)對電極透鏡部施加的電壓而相應(yīng)產(chǎn)生的連續(xù)的放大率進(jìn)行校正。
本發(fā)明的液晶透鏡元件由于通過根據(jù)施加電壓而相應(yīng)使焦距變化來校正因覆蓋厚度不同而引起產(chǎn)生的球差，因此具有的優(yōu)點(diǎn)是，即使將液晶透鏡元件與物鏡分離配置，在物鏡跟蹤時與液晶透鏡元件產(chǎn)生偏心的情況下，也幾乎沒有像差劣化。其結(jié)果，能夠?qū)崿F(xiàn)單層及雙層的高密度光盤的穩(wěn)定的記錄重放。
在第4實(shí)施形態(tài)的液晶透鏡元件中，通過將菲涅爾透鏡部的透明電極15與16之間及透明電極17與18之間施加的電壓切換為V+1、V+0、V-1，能夠得到分別為“凸透鏡”、“無透鏡作用”、“凹透鏡”的三值焦點(diǎn)切換透鏡功能，但在本實(shí)施形態(tài)的液晶透鏡元件中，通過施加電壓的斷開與接通的切換，能夠得到分別為“無透鏡作用”、“凸透鏡”的二值焦點(diǎn)切換透鏡功能。與第4實(shí)施形態(tài)的三值焦點(diǎn)切換相比，本實(shí)施形態(tài)的二值焦點(diǎn)切換由于必需的電極間的光程長變化為一半左右，因此能夠減小透明電極間的間隔G。即，由于能夠減薄液晶層的層厚及凹凸部的膜厚d，因此焦點(diǎn)切換時的響應(yīng)速度加快。另外具有的優(yōu)點(diǎn)是，凹凸部的膜厚d越薄，凹凸部的制造工序越能夠縮短，同時由于凹凸部表面的液晶分子的取向穩(wěn)定，所以因液晶分子取向的不均勻而引起產(chǎn)生的不需要的散射光減少，容易得到高效率。
另外，在入射至液晶透鏡元件的光學(xué)頭裝置的配置構(gòu)成中，在本實(shí)施形態(tài)的液晶透鏡的情況下，與高密度光盤所用的波長不同的DVD或CD的波長的光也同樣，在不施加電壓時的斷開狀態(tài)下，由于與入射光的波長無關(guān)，透射波面沒有變化，因此不會導(dǎo)致DVD或CD的光學(xué)頭裝置的性能劣化，所以比較好。
實(shí)施例以下，參照

上述實(shí)施形態(tài)的具體實(shí)施例。
「例1」以下，參照圖1說明第1實(shí)施形態(tài)所示的液晶透鏡元件510的具體實(shí)施例。
首先，說明該液晶透鏡元件510的制造方法。
利用濺射法，在第1基板(透明基板)11的玻璃基板上形成SiOxNy(這里，x及y表示O及N的元素比例)膜。在這種情況下，例如使用Si靶，同時使用Ar氣體中混入氧及氮的放電氣體，形成折射率ns(＝1.64)的透明的均勻折射率膜SiOxNy，使其膜厚為d(＝3.5μm)。
再通過使用光掩膜的光刻法，將抗蝕劑形成圖形后，利用反應(yīng)性離子刻蝕法對SiOxNy膜進(jìn)行加工，使得相當(dāng)于圖3的曲線β的形狀。其結(jié)果，加工圖1所示其截面那樣的凹凸部517，該凹凸部517在有效直徑φ(＝5.0mm)的區(qū)域內(nèi)，是利用8級階梯形狀近似鋸齒形狀的截面形狀，對于入射光的光軸(Z軸)具有旋轉(zhuǎn)對稱性。
接著，在凹凸部517的表面形成透明導(dǎo)電膜(ITO膜)，將它作為透明電極513。再在透明電極513上涂布聚酰亞胺膜(未圖示)，形成膜厚約50nm，然后進(jìn)行燒結(jié)，對聚酰亞胺膜表面沿X軸方向進(jìn)行摩擦取向處理，作為取向膜。
另外，在第2基板(透明基板)512的玻璃基板上形成透明導(dǎo)電膜(ITO膜)，作為透明電極514，如圖2(B)所示，分割成環(huán)帶狀的段e1、e2、e3、…、e7，各段e1、e2、e3、…、e7如圖9所示，用電阻體551(R1～R6)連接相鄰的段。該電阻體R1～R6的一個電極段環(huán)帶和在內(nèi)周側(cè)相鄰的電極段之間的電阻值為該電極段和在外周側(cè)相鄰的電極段之間的電阻值的近似2倍。即，設(shè)相距元件中心的第k號及第k-1號的電阻值分別為Rk及Rk-1時，設(shè)定電阻值，使得成為2·Rk＝Rk-1的關(guān)系。該電阻體如圖10所示，利用透明的電阻體551將劃分成環(huán)帶狀的段的電極554B、554C、…連接，從而形成在入射光通過的區(qū)域內(nèi)。
再在其上涂布膜厚約50nm的聚酰亞胺膜(未圖示)后，進(jìn)行燒結(jié)，對聚酰亞胺膜表面沿X軸方向進(jìn)行摩擦取向處理，作為取向膜。再在其上，印刷混入了直徑7μm的間隔控制材料的粘接材料，形成圖形，這樣形成密封515，與第1基板511重疊，進(jìn)行壓接，使透明電極間隔最大為7μm，最小為3.5μm(間隔g＝3.5μm)，制成d＝g的空盒。
然后，從空盒的注入口(未圖示)注入向列型液晶，封接該注入口，作為圖1所示的液晶透鏡元件510。對該液晶使用具有尋常光折射率no(＝1.50)及非常光折射率ne(＝1.75)的正的介電常數(shù)各向異性的向列型液晶。另外，該液晶是液晶分子的取向平行于透明電極513及514的面而且沿X軸方向一致的均勻取向，充填在凹凸部517的凹部內(nèi)。
將驅(qū)動電源電路518與這樣得到的液晶透鏡元件510的透明電極513及514連接，通過這樣對液晶層516施加電壓。若設(shè)分割成環(huán)帶狀的段電極間的電位差δV為0，對液晶的施加電壓從0V增加，則液晶層516的X軸方向的實(shí)質(zhì)上的折射率從n1＝ne(＝1.75)變化到n2＝no(＝1.50)。其結(jié)果，對于具有X軸的偏振光面的直線偏振光入射光，液晶層516與凹凸部517的折射率差從Δnmax(＝n1-ns)＝0.11變化到Δnmin(＝n2-ns)＝-0.14根據(jù)充填在凹凸部517的凹部內(nèi)的液晶層516的厚度分布，透射波面相應(yīng)變化。
這里，例如，若將對于使用波長λ(＝405nm)而且覆蓋厚度87.5μm的光盤、要使得像差為零而設(shè)計(jì)的NA0.85的物鏡用于覆蓋厚度100μm及75μm雙層光盤，則產(chǎn)生球差。然而，在不施加電壓時的電壓V+1＝0的情況下，液晶與凹凸部517的折射率差Δn(V+1)如前所述，由于是Δn(V+1)＝n1-ns＝0.11
因此為了利用凹凸部517及充填在該凹部內(nèi)的液晶，生成前述的透射波面，就決定凹凸部517的最大深度d，使得滿足0.75λ≤Δn(V+1)·d≤λ的條件。在本實(shí)施例中，為了利用8級的階梯形狀實(shí)質(zhì)上截面為近似鋸齒狀的凹凸部517，而設(shè)d＝3.5μm。
入射至這樣得到的液晶透鏡元件510的波長λ(＝405nm)的透射波面在不施加電壓時(V+1＝0)，成為圖4(A)所示的發(fā)散波面，顯示出焦距(f)為負(fù)的凹透鏡作用。接著，若增加施加電壓，則在V0＝1.8V左右，成為Δn(V0)＝0，透射波面如圖4(B)所示，維持與入射波面相同的波面原樣(無放大率)透過。若再進(jìn)一步增加施加電壓，則在V-1＝4.4V左右，成為Δn(V-1)＝-Δn(V+1)，透射波面成為圖4(C)所示的收斂波面，顯示出焦距f為正的凸透鏡作用。這時，在施加電壓的切換V+1、V+0、V-1中產(chǎn)生的圖4(A)、(B)、(C)所示的透射波面的效率(透射效率)的計(jì)算值分別為95％、100％、95％。
這里，說明光盤D的覆蓋厚度從標(biāo)準(zhǔn)中心的100μm、75μm偏離的情況。
在環(huán)帶狀的段電極的中心與最外周之間施加Δv的電位差。該電位差利用前述的電阻體如圖8所示，在各段產(chǎn)生不同的電位。例如，相距元件中心的、第k號環(huán)帶ek與相鄰的第k+1號環(huán)帶ek+1的電壓之差δV(k，k+1)、和第k-1號環(huán)帶ek-1與相鄰的第k號環(huán)帶ek的電壓之差δV(k-1，k)滿足δV(k-1，k)＝2·δV(k，k+1)的關(guān)系。這樣，通過使得對內(nèi)周的液晶施加的電壓變化δV，從而透射的光的光程長差為圖7的實(shí)線b所示那樣，各段間的光程長的Step成為波長λ。因而，透過液晶透鏡元件510的光成為實(shí)質(zhì)上連續(xù)的波面形狀，能夠微調(diào)焦距。
下面，說明在圖13所示的第4實(shí)施形態(tài)的光學(xué)頭裝置540裝有該液晶透鏡元件510的情況。另外，該光學(xué)頭裝置540的構(gòu)成由于在前述的實(shí)施形態(tài)中說明，因此省略。
對于覆蓋厚度100μm及75μm的標(biāo)準(zhǔn)中心的盤片，設(shè)δV＝0，將對液晶施加的電壓作為V+1、V-1，從而將入射光利用物鏡5以高效率聚焦在信息記錄層上。另外，對于覆蓋厚度從上述標(biāo)準(zhǔn)中心偏離的盤片，通過改變δV，進(jìn)行調(diào)整，使得像差量成為最小(使得重放信號成為最好)，從而以高效率聚焦在信息記錄層上。
「例2」接著，在以下參照圖14說明第2實(shí)施形態(tài)所示的本發(fā)明的液晶透鏡元件10的具體實(shí)施例。
首先，說明該液晶透鏡元件10的制造方法。
在將玻璃作為原材料的透明基板11～13單面或雙面形成透明導(dǎo)電膜(ITO膜)，進(jìn)行圖形形成，將它作為透明電極15～19。再在該透明電極16及18上，蒸鍍折射率ns(＝1.52)、相對介電常數(shù)εs(＝4)的均勻折射率材料SiON膜，形成膜厚d(＝2.9μm)。接著，利用光刻技術(shù)及刻蝕技術(shù)，對SiON膜進(jìn)行加工，使得相當(dāng)于圖17的曲線F1的形狀，形成截面形狀為鋸齒狀、對于入射光的光軸(Z軸)具有旋轉(zhuǎn)對稱性的圖14所示那樣的凹凸部27及28。
另一方面，在將玻璃作為原材料的透明基板14的表面形成表面電阻值為40Ω/□的ITO膜后，如圖16所示，進(jìn)行圖形形成，形成低電阻電極31～34。再形成表面電阻值為106Ω/□的氧化錫膜后，進(jìn)行圖形形成，形成高電阻平面電極35，作為復(fù)合電極20。然后，在形成了電極的全部透明基板表面涂布聚酰亞胺構(gòu)成的液晶取向膜，進(jìn)行燒結(jié)后，將透明電極15及16的表面沿Y軸方向進(jìn)行摩擦取向處理，將透明電極17～19及復(fù)合電極20的表面沿X軸方向進(jìn)行摩擦取向處理。再在形成了透明電極15、17、19的透明基板11、12、13的表面，印刷混入了直徑15μm的間隔控制材料的粘接材料，形成圖形，這樣形成密封21～23，將透明基板11～14重疊，進(jìn)行壓接，制成透明電極間隔為15μm的空盒。
然后，從空盒的注入口(未圖示)注入具有尋常光折射率no(＝1.52)及非常光折射率ne(＝1.70)的正的介電常數(shù)各向異性的向列型液晶，作為液晶層24、25、26。然后，利用紫外線固化樹脂封接注入口后，連接導(dǎo)通連接單元29，作為圖14所示的液晶透鏡元件10。
將這樣得到的液晶透鏡元件10與外部信號源30電連接，使得能夠?qū)σ壕?4、25、26施加電壓。然后，若使施加電壓從0V增加，則液晶層24～26的摩擦方向的實(shí)質(zhì)上的折射率從ne(＝1.70)變化到no(＝1.52)。但是，對液晶施加的有效電壓VLC根據(jù)式(6)是與凹凸部27及28的形狀相對應(yīng)，即因地方而異，液晶透鏡元件10產(chǎn)生的位相差φd根據(jù)凹凸部27及28的膜厚dF，如式(7)那樣相應(yīng)變化。
下面，圖26所示為第2實(shí)施例中的液晶透鏡元件10的菲涅爾透鏡效率的說明圖。圖26的橫軸是使用外部信號源30在透明電極15與16之間及透明電極17與18之間施加的電壓，這里，設(shè)電極透鏡部10C、即透明電極19、復(fù)合電極20之間的電壓為0V。
在圖14中，若入射沿X方向具有偏振光方向的直線偏振光，則由于液晶層24的液晶分子沿Y方向取向，因此與凹凸部27不產(chǎn)生實(shí)質(zhì)上的折射率差，所以與施加電壓無關(guān)，光透過。另一方面，在液晶層25及凹凸部28產(chǎn)生的位相差根據(jù)凹凸部28的膜厚dF，如式(7)那樣隨電壓相應(yīng)變化。
在施加電壓為1.35V時，n(VLC[dF])＞ns，凹凸部28的最薄處與最厚處的位相差為λ，如圖19(A)所示，入射平面波作為+1級的菲涅爾衍射波，變換為產(chǎn)生稍微聚焦那樣的波面。+1級的菲涅爾衍射效率如圖26的曲線A那樣，在施加電壓為1.35V時為最大。
同樣，在施加電壓為2.85V時，n(VLC[dF])＜ns，-1級的菲涅爾衍射效率如圖26的曲線C那樣，在施加電壓為2.85V時為最大。
另外，在施加電壓為1.74V時，n(VLC[dF])ns，波面幾乎不變化，作為0級的菲涅爾衍射如圖26的曲線B那樣，在施加電壓為1.74V時為最大。
如上所述，若使施加電壓變?yōu)?.35V、1.74V、2.85V，則本發(fā)明的液晶透鏡元件起到作為“凸透鏡”、“無透鏡作用”、“凹透鏡”的作用。
下面，若入射Y方向的直線偏振光，則由于液晶層25的實(shí)質(zhì)上的折射率為no＝ns，因此無透鏡作用。上述的凹凸部27及28相同，由于液晶層24及25的液晶材料相同，取向方向垂直，因此與前述相同，若變?yōu)?.35V、1.74V、2.85V，則起到作為“凸透鏡”、“無透鏡作用”、“凹透鏡”的作用。
因而，若使用本發(fā)明的液晶透鏡元件，則對于X方向及Y方向的直線偏振光，能夠根據(jù)施加電壓的大小，切換透鏡作用。
下面，在透明電極15與16之間及透明電極17與18之間不施加電壓，在電極透鏡部10C、即透明電極19、復(fù)合電極20之間施加電壓。
例如，在入射與液晶層26的液晶分子的取向方向相同、沿X方向進(jìn)行偏振的直線偏振光時，設(shè)對低電阻電極31～34施加的電壓為VA、VB、VC、VD，施加0(V)＜VA＜VB＜VC＜VD的適當(dāng)?shù)碾妷?。于是，如圖20的曲線β所示，能夠得到最大1.5λ的位相差。反之，若施加0(V)＜VD＜VC＜VB＜VA的適當(dāng)?shù)碾妷?，則能夠得到將圖20的曲線β形成負(fù)符號的位相差。因而，利用低電阻電極31～34的電壓控制，能夠使包含具有最大±1.5λ的位相差的放大率的波面連續(xù)變化。
如上所述，若使用本發(fā)明的液晶透鏡元件，則能夠得到垂直的偏振光方向的直線偏振光相同作用的焦點(diǎn)切換菲涅爾透鏡。另外，通過控制對復(fù)合電極施加的電壓，能夠使與液晶層26一致的直線偏振光的波面連續(xù)變化。
「例3」下面，對圖22所示的光學(xué)頭裝置60裝入例2所示的液晶透鏡元件10作為液晶透鏡元件64。另外，雙層光盤D具有的第1記錄層D1的覆蓋厚度為75μm，第2記錄層D2的覆蓋厚度為100μm。
在該光學(xué)頭裝置60中，光源61是波長405nm的半導(dǎo)體激光器，利用準(zhǔn)直透鏡63形成平行光，入射至液晶透鏡元件10。物鏡66的NA為0.85，光瞳直徑為3mm，設(shè)計(jì)成在87.5μm的覆蓋厚度的情況下波面像差成為最小。
這里，若施加液晶透鏡元件不顯示透鏡作用時的V0＝1.74V，則聚焦在各記錄層上的光的波面像差由于受到與覆蓋厚度之差成正比的球差的影響，為0.1λrms以上，因此光的聚焦性能顯著劣化。
下面，在透明電極15與16之間及透明電極17與18之間施加電壓V+1＝1.35V，聚焦在第1記錄層D1上的情況下，以及在透明電極之間施加V-1＝2.85V，聚焦在第2記錄層D2上的情況下，則球差被校正，成為0.01λrms以下，聚焦性能得到改善。
下面，為了驗(yàn)證雙層光盤D因覆蓋厚度的制造誤差而引起的球差的校正性能，形成雙層光盤D的覆蓋厚度成為70μm～80μm及95μm～105μm，適當(dāng)優(yōu)化對本實(shí)施例的液晶透鏡元件10施加的電壓，來校正波面像差。圖27所示為這時的光學(xué)頭裝置60中的波面像差與覆蓋厚度的關(guān)系的說明圖。
如圖27所示，對于液晶透鏡元件10，利用使得覆蓋厚度分別為75μm及100μm時的波面像差成為最小那樣來設(shè)計(jì)的菲涅爾透鏡部10A及10B，進(jìn)行像差校正，曲線A是不使用電極透鏡部10C的透鏡作用的方式，曲線B是最佳調(diào)整電極透鏡部10C產(chǎn)生的放大率的情況。
如該圖27所示，若使用本發(fā)明的液晶透鏡元件10，則由于能夠使覆蓋厚度為70μm～80μm或95μm～105μm的范圍內(nèi)殘存的波面一像差的大小為λ/30rms以下，因此即使在記錄層的覆蓋厚度產(chǎn)生制造誤差等情況下，也能夠校正波面像差，維持聚焦性能。
「例4」接著，在以下參照圖23說明第7實(shí)施形態(tài)所示的本發(fā)明的液晶透鏡元件70的具體實(shí)施例。另外，與液晶透鏡元件10相同的構(gòu)成要素的內(nèi)容由于相同，因此省略說明。
該「例4」中的與「例2」的液晶透鏡元件10(參照圖14)的主要不同點(diǎn)在于，第1菲涅爾透鏡部10A及第2菲涅爾透鏡部10B的構(gòu)成、以及電極透鏡部由第1電極透鏡部10C及第2電極透鏡部10D構(gòu)成。
首先，以下說明第1菲涅爾透鏡部10A及第2菲涅爾透鏡部10B的制造方法。
對于第1菲涅爾透鏡部10A，使用在單面形成由ITO膜構(gòu)成的透明電極15、18的透明基板11、13A、以及在雙面形成由ITO膜構(gòu)成的透明電極16、17的透明基板12，在透明電極16、18上，形成折射率ns(＝1.52)、相對介電常數(shù)εs(＝4)的均勻折射率材料的SiON膜，使得成為膜厚d(＝1.5μmm)。接著，對于該SiON膜，利用光刻技術(shù)及刻蝕技術(shù)，使得相當(dāng)于圖17的曲線F1的形狀，形成截面形狀為鋸齒狀、對于入射光的光軸(Z軸)具有旋轉(zhuǎn)對稱性的圖23所示那樣的凹凸部27及28。再在透明電極15、17的表面、及凹凸部27、28的表面涂布由聚酰亞胺構(gòu)成的液晶的垂直取向膜(未圖示)，進(jìn)行燒結(jié)后，將透明電極15及凹凸部27的表面沿Y軸方向進(jìn)行摩擦取向處理，將透明電極17及凹凸部28的表面沿X軸方向進(jìn)行摩擦取向處理。再在形成了透明電極16、18的透明基板的表面，印刷混入了直徑7μm的間隔控制材料的粘接材料，形成圖形，這樣形成密封21、22，將透明基板11、12、13A重疊，進(jìn)行壓接，制成透明電極間隔為7μm的空盒。
然后，從空盒的注入口(未圖示)注入具有尋常光折射率no(＝1.52)及非常光折射率ne(＝1.70)的負(fù)的介電常數(shù)各向異性的向列型液晶，作為液晶層24、25。然后，利用紫外線固化樹脂封接注入口，作為圖23所示的菲涅爾透鏡部70A，將外部信號源30A與透明電極電連接，使得能夠?qū)σ壕?4、25施加電壓。
接著，在以下參照圖23及圖16說明第1電極透鏡部10C及第2電極透鏡部10D。
第1電極透鏡部10C及第2電極透鏡部10D作為主要的構(gòu)成，具有在單面形成由ITO膜構(gòu)成的透明電極19的透明基板13B、在一個表面形成由ITO膜構(gòu)成的透明電極19B同時在另一個表面形成復(fù)合電極20的透明基板14、以及在單面形成復(fù)合電極20B的透明基板13C。
關(guān)于第1電極透鏡部10C及第2電極透鏡部10D的制造，特別是對于復(fù)合電極20、20B，在各透明基板14、13C上形成表面電阻值為40Ω/□的ITO膜后，進(jìn)行圖形形成，形成低電阻電極31～35(參照圖16)，再形成表面電阻值為106Ω/□的氧化錫膜后，進(jìn)行圖形形成，形成高電阻平面電極35(參照圖16)。再進(jìn)一步，在透明電極19、19B及前述的復(fù)合電極20、20B的表面，涂布由聚酰亞胺構(gòu)成的液晶的水平取向膜，進(jìn)行燒結(jié)后，將透明電極19及復(fù)合電極部20的表面沿X軸方向進(jìn)行摩擦取向處理，將透明電極19B及復(fù)合電極部20B的表面沿Y軸方向進(jìn)行摩擦取向處理。然后，從空盒的注入口(未圖示)注入具有尋常光折射率no(＝1.52)及非常光折射率ne(＝1.70)的正的介電常數(shù)各向異性的向列型液晶，作為液晶層26、27。然后，利用紫外線固化樹脂封接注入口，作為圖23所示的電極透鏡部70B，將外部信號源30B與各電極電連接，使得能夠?qū)σ壕?6、27施加同一電壓。
在這樣制成的液晶透鏡元件70中，若使得從外部信號源30A、30B生成的交流施加電壓從0V增加，則由于液晶層24及25是具有負(fù)的介電常數(shù)各向異性的垂直取向液晶，液晶層26及27是具有正的介電常數(shù)各向異性的水平取向液晶，因此液晶層24、25的摩擦方向的實(shí)質(zhì)上的折射率從no(＝1.52)變化到ne(＝1.70)，液晶層26、27的摩擦方向的實(shí)質(zhì)上的折射率從ne(＝1.70)變化到no(＝1.52)。
圖28所示為該「例4」中的液晶透鏡元件70的菲涅爾衍射效率的說明圖。圖28的橫軸是使用外部信號源30A在菲涅爾透鏡部70A的透明電極15與16之間及透明電極17與18之間施加的電壓，這里，設(shè)對于電極透鏡部70B不施加電壓。
(I)在不施加電壓的斷開狀態(tài)下，由于與入射光的偏振光狀態(tài)無關(guān)，液晶層與凹凸部的折射率一致，因此透射波面不變。即，成為“無透鏡作用”。
(II)另外，在施加電壓的接通狀態(tài)下，若入射X方向的直線偏振光，則由于液晶層24沿Y方向取向，因此與凹凸部27不產(chǎn)生實(shí)質(zhì)上的折射率差，所以與施加電壓的大小無關(guān)，光透過。另一方面，由于液晶層25沿X方向取向，因此在液晶層25及凹凸部28之間產(chǎn)生的位相差根據(jù)凹凸部28的膜厚dF隨施加電壓相應(yīng)變化。在施加電壓為3.5V時，凹凸部的最薄處與最厚處的位相差為λ，如圖19(A)所示，入射平面波的+1級的菲涅爾衍射波的效率成為最大，變換為相當(dāng)于凸透鏡的收斂波面。
另外，若入射沿Y方向偏振的直線偏振光，則由于液晶層25的液晶分子沿X方向取向，因此與凹凸部28不產(chǎn)生實(shí)質(zhì)上的折射率差，所以與施加電壓的大小無關(guān)，光透過。另一方面，由于液晶層24的液晶分子沿Y方向取向，因此在液晶層24及凹凸部27之間產(chǎn)生的位相差根據(jù)凹凸部27的膜厚dF隨施加電壓相應(yīng)變化。在施加電壓為3.5V時，凹凸部的最薄處與最厚處的位相差為λ，如圖19(A)所示，入射平面波的+1級的菲涅爾衍射波的效率成為最大，變換為相當(dāng)于凸透鏡的收斂波面。另外，圖26及圖28的施加電壓單位Vrms的rms意味著是交流有效電壓。
如上所述，若將施加電壓切換為0V(斷開狀態(tài))與3.5V(接通狀態(tài))，則本發(fā)明的液晶透鏡元件起到作為“無透鏡作用”及“凸透鏡”的作用。因而，若使用本發(fā)明的液晶透鏡元件，則對于沿X方向、Y方向進(jìn)行偏振的直線偏振光，即與入射光的偏振光狀態(tài)無關(guān)，根據(jù)施加電壓的接通與關(guān)斷，能夠相應(yīng)切換透鏡作用。
下面，在菲涅爾透鏡部70A的透明電極15與16之間及透明電極17與18之間不施加電壓，在電極透鏡部70B的透明電極19與復(fù)合電極20之間及透明電極19B與復(fù)合電極20B之間施加電壓。由于液晶層26與液晶層26B的液晶分子的取向方向垂直，因此對于沿X方向、Y方向進(jìn)行偏振的直線偏振光，利用低電阻電極31～34的電壓控制，能夠連續(xù)使包含放大率的波面變化。
如上所述，若使用本發(fā)明的液晶透鏡元件70，則能夠與入射光的偏振光狀態(tài)無關(guān)起作用，得到二值焦點(diǎn)切換透鏡。另外，通過控制對電極透鏡部施加的電壓，能夠與入射光的偏振光狀態(tài)無關(guān)起作用，連續(xù)使包含放大率的波面變化。
下面，配置本發(fā)明的液晶透鏡元件70，以代替圖22的光學(xué)頭裝置60的液晶透鏡元件64，用于單層高密度光盤及雙層高密度光盤的記錄重放、(I)首先，在覆蓋厚度100μm的第2記錄層D2的記錄重放時，使液晶透鏡元件70的菲涅爾透鏡部70A為斷開狀態(tài)，在覆蓋厚度75μm的第1記錄層D1的記錄重放時，從外部信號源30A對液晶透鏡元件70的菲涅爾透鏡部70A施加3.5V的電壓，切換為接通狀態(tài)。
這里，在第1記錄層D1及第2記錄層D2的覆蓋厚度變動±5μm時，圖27A所示為殘留的RMS波面像差的計(jì)算結(jié)果。在覆蓋厚度100μm及75μm的情況下，RMS波面像差成為0.01λrms以下，在覆蓋厚度變動±5μm時，產(chǎn)生0.05λrms左右的RMS波面像差。
(II)再有，根據(jù)第1記錄層D1及第2記錄層D2的覆蓋厚度變動，相應(yīng)從外部信號源30B對液晶透鏡元件70的電極透鏡部70B施加電壓，進(jìn)行像差校正，圖27(B)所示為這時的殘留的RMS波面像差計(jì)算結(jié)果。即使在覆蓋厚度變動±5μm時，也能夠減少至產(chǎn)生0.03λrms以下的RMS波面像差。
(III)另外，即使在跟蹤時，物鏡66與液晶透鏡元件70產(chǎn)生±0.3mm左右的偏心時，圖27所示的RMS波面像差也幾乎不劣化。因而，通過使用裝有本發(fā)明的液晶透鏡元件70的光學(xué)頭裝置60，從而實(shí)現(xiàn)單層及雙層高密度光盤的穩(wěn)定的記錄重放。
以上，雖說明了本發(fā)明的各種實(shí)施形態(tài)，但本發(fā)明不限定于前述實(shí)施形態(tài)中所示的事項(xiàng)，根據(jù)權(quán)利要求的范圍及說明書的敘述、以及眾所周知的技術(shù)，業(yè)內(nèi)人士對其進(jìn)行變更及應(yīng)用也是本發(fā)明的預(yù)定的內(nèi)容，包含在請求保護(hù)的范圍內(nèi)。
工業(yè)上的實(shí)用性根據(jù)本發(fā)明，提供能夠根據(jù)施加電壓相應(yīng)微調(diào)焦距的液晶透鏡元件。根據(jù)該液晶透鏡元件，特別是在具有覆蓋厚度不同的雙層信息記錄層的光盤的記錄及/或重放中，由于能夠用作為校正產(chǎn)生的包含放大率分量的球差的液晶透鏡元件，因此在液晶透鏡元件干物鏡偏心時不產(chǎn)生像差，所以能夠?qū)⒁壕哥R元件與物鏡分離配置。
另外，通過使用本發(fā)明的液晶透鏡元件，由于減少液晶透鏡元件配置的限制，因此能夠提供小型、而且能夠進(jìn)行穩(wěn)定的光盤記錄重放的光學(xué)頭裝置。
本申請是根據(jù)2004年8月4日申請的日本專利申請(特愿2004-227613)及2004年9月15日申請的日本專利申請(特愿2004-268142)的申請，其內(nèi)容在這里引入作為參考。
權(quán)利要求
1.一種液晶透鏡元件，其特征在于，具有至少1個液晶層；以及以將該液晶層夾在中間的方式對向配置的第1透明基板及第2透明基板，所述第1透明基板包含透明電極；以及具有對于光軸有旋轉(zhuǎn)對稱性的鋸齒狀截面形狀或以階梯形狀形成近似鋸齒而成的斷面形狀的、由透明材料形成的凹凸部，所述第2透明基板包含透明電極。
2.一種光學(xué)頭裝置，其特征在于，具有光源；使來自該光源的出射光聚焦在光記錄介質(zhì)上用的物鏡；檢測聚焦在所述光記錄介質(zhì)上并反射的光的光檢測器；以及配置在所述光源與所述物鏡之間的光路中的權(quán)利要求1所述的液晶透鏡元件。
3.一種液晶透鏡元件，其特征在于，是至少將第1及第2的兩片基板對向配置，根據(jù)對夾在所述基板間的液晶層施加的電壓的大小使透過所述液晶層的光的聚焦點(diǎn)變化的液晶透鏡元件，在所述第1基板的一個面上形成第1透明電極、以及具有鋸齒形狀或以階梯形狀形成近似鋸齒而成的斷面形狀的由透明材料形成的凹凸部，該等凹凸部被形成為以入射光的光軸為中心的多個環(huán)帶狀，在所述第2基板的一個面上形成第2透明電極，所述第1及第2透明電極的至少一方分割成環(huán)帶狀的電極段，所述電極段的環(huán)帶狀的分割位置與所述第1基板的所述鋸齒狀的凹凸部的環(huán)帶狀的分割位置一致。
4.如權(quán)利要求3所述的液晶透鏡元件，其特征在于，所述各電極段、以及與該電極段相鄰的電極段，用電阻體電連接。
5.如權(quán)利要求3或4所述的液晶透鏡元件，其特征在于，所述各電極段和在其內(nèi)周側(cè)相鄰的電極段之間的電阻值，為所述各電極段和在其外周側(cè)相鄰的電極段之間的電阻值的2倍。
6.一種光學(xué)頭裝置，其特征在于，具有光源；使來自該光源的出射光聚焦在光記錄介質(zhì)上用的物鏡；將利用該物鏡聚焦并利用所述光記錄介質(zhì)反射的光進(jìn)行分光的分光鏡；檢測所述被分光的光的光檢測器；以及配置在所述光源與所述物鏡之間的光路中的權(quán)利要求3至5的任一項(xiàng)所述的液晶透鏡元件。
7.一種液晶透鏡元件，其特征在于，是根據(jù)對液晶層施加的電壓的大小，使透過所述液晶層的光的聚焦點(diǎn)變化的液晶透鏡元件，具有第1菲涅爾透鏡部、第2菲涅爾透鏡部、以及電極透鏡部，所述第1菲涅爾透鏡部具有利用一對透明基板夾住的第1液晶層；為了對該第1液晶層施加電壓而在所述透明基板的表面分別設(shè)置的對向的電極對；以及具有對于所述光的光軸有旋轉(zhuǎn)對稱性的鋸齒狀截面形狀或利用階梯形狀來近似鋸齒的截面形狀的、在所述對向的電極對的至少一方的上表面由透明材料形成的第1凹凸部，所述第2菲涅爾透鏡部具有利用一對透明基板夾住的第2液晶層；為了對該第2液晶層施加電壓而在所述透明基板的表面分別設(shè)置的對向的電極對；以及具有對于所述光的光軸有旋轉(zhuǎn)對稱性的鋸齒狀截面形狀或利用階梯形狀來近似鋸齒的截面形狀的、在所述對向的電極對的至少一方的上表面由透明材料形成的第2凹凸部，所述電極透鏡部具有利用一對透明基板夾住的第3液晶層；以及為了對該第3液晶層施加電壓而在所述透明基板的表面對向設(shè)置的、其中至少一方是由低電阻電極與高電阻平面電極組成的復(fù)合電極的電極對，所述第1、第2、第3液晶層是在不施加電壓時平行取向，或者施加電壓時平行取向的向列型液晶，所述第1液晶層的尋常光折射率方向與所述第2液晶層及所述第3液晶層的非常光折射率方向一致。
8.如權(quán)利要求7所述的液晶透鏡元件，其特征在于，設(shè)置在所述電極透鏡部的對向的電極的雙方是所述復(fù)合電極，所述一方的復(fù)合電極由高電阻平面電極與條狀配置的多個低電阻電極組成，同時所述另一方的復(fù)合電極由高電阻平面電極與沿垂直于所述低電阻電極的配置方向的方向條狀配置的多個低電阻電極組成。
9.如權(quán)利要求7或8所述的液晶透鏡元件，其特征在于，形成所述第1、第2凹凸部的所述透明材料的折射率與所述第1液晶層及第2液晶層的尋常光折射率相等。
10.如權(quán)利要求7至9的任一項(xiàng)所述的液晶透鏡元件，其特征在于，將對于所述光的波長的位相差為π/2的奇數(shù)倍的位相板形成一體。
11.如權(quán)利要求7所述的液晶透鏡元件，其特征在于，所述液晶透鏡元件的電極透鏡部由第1電極透鏡部及第2電極透鏡部組成，所述第1電極透鏡部具有利用一對透明基板夾住的所述第3液晶層；以及為了對該第3液晶層施加電壓而在透明基板的表面設(shè)置的、其中至少一方是由低電阻電極與高電阻平面電極組成的復(fù)合電極的對向的電極對，所述第2電極透鏡部具有利用一對透明基板夾住的第4液晶層；以及為了對該第4液晶層施加電壓而在透明基板的表面設(shè)置的、其中至少一方是由低電阻電極與高電阻平面電極組成的復(fù)合電極的對向的電極對，所述第1、第2、第3、第4液晶層是在不施加電壓時平行取向，或者施加電壓時平行取向的向列型液晶，第1液晶層的尋常光折射率方向與第2、第3液晶層的非常光折射率方向及第4液晶層的尋常光折射率方向一致。
12.如權(quán)利要求11所述的液晶透鏡元件，其特征在于，設(shè)置在所述電極透鏡部的對向的電極的一方是所述復(fù)合電極，該復(fù)合電極由高電阻平面電極和以所述光的光軸為中心的多個同心圓形狀形成的低電阻電極組成。
13.如權(quán)利要求11所述的液晶透鏡元件，其特征在于，設(shè)置在所述電極透鏡部的對向的電極的雙方是所述復(fù)合電極，一方的所述復(fù)合電極由高電阻平面電極與條狀配置的多個低電阻電極組成，同時另一方的所述復(fù)合電極由高電阻平面電極與沿垂直于所述低電阻電極的配置方向的方向條狀配置的多個低電阻電極組成。
14.一種光學(xué)頭裝置，其特征在于，具有光源；使來自該光源的出射光聚焦在光記錄介質(zhì)上用的物鏡；檢測聚焦在所述光記錄介質(zhì)上并反射的光的光檢測器；以及配置在所述光源與所述物鏡之間的光路中的權(quán)利要求7至13的任一項(xiàng)所述的液晶透鏡元件。
15.一種光學(xué)頭裝置，至少包含光源；使來自該光源的出射光聚焦在光記錄介質(zhì)的信息記錄層上的物鏡；接受所述信息記錄層的反射光的光檢測器；以及從光源到光記錄介質(zhì)的去程光束與所述信息記錄層的反射光到光檢測器的回程光束分離的分光鏡，其特征在于，由通過一體層疊所述第1菲涅爾透鏡部和第2電極透鏡部而形成的去程用液晶透鏡元件、以及通過一體層疊所述第2菲涅爾透鏡部和第1電極透鏡部而形成的回程用液晶透鏡元件組成的權(quán)利要求7至13的任一項(xiàng)所述的液晶透鏡元件中的所述去程用液晶透鏡元件被設(shè)置在光源與分光鏡之間的光路中，所述回程用液晶透鏡元件被設(shè)置在分光鏡與光檢測器之間的光路中。
全文摘要
本發(fā)明提供能夠根據(jù)施加電壓的大小進(jìn)行焦距微調(diào)的液晶透鏡元件及使用該液晶透鏡元件的光學(xué)頭裝置。在透明基板511的一個面上形成多個環(huán)帶狀的透明電極513及具有以鋸齒形狀近似的截面形狀的、由透明材料形成的凹凸部517，在透明電極512的一個面上形成透明電極514，透明電極513、514構(gòu)成分割成環(huán)帶狀的電極段，使該電極段的環(huán)帶狀的分割位置與透明基板511的鋸齒狀的凹凸部517的環(huán)帶狀的分割位置一致。
文檔編號G02F1/1335GK1993748SQ20058002566
公開日2007年7月4日 申請日期2005年8月3日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月4日
發(fā)明者村田浩一, 野村琢治, 大澤光生, 大井好晴, 田邊讓 申請人:旭硝子株式會社