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JP4692489B2 - 液晶回折レンズ素子および光ヘッド装置 - Google Patents

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Description

本発明は、焦点位置を切り替えることが可能な液晶回折レンズ素子、および、光ディスク等の光記録媒体に情報の記録および／または光記録媒体から情報の再生（以下、記録再生という。）を行うためにこの液晶回折レンズ素子を用いる光ヘッド装置に関する。
従来、光ディスク等の光記録媒体を対象にして記録再生を行う光ヘッド装置では、ＣＤとＤＶＤ等のように異なるカバー層厚の光ディスクを対象に情報の記録再生を行うことが行われる。ここで、異なるカバー層厚の光ディスク間では、情報を記録する情報記録面の光ディスク表面からの深さ（以下、単に情報記録面の深さという。）が異なる。情報記録面の深さが異なる複数の光ディスクを対象にして記録再生を行うことができるようにするために、焦点距離を切り替えるための光変調素子が用いられる（例えば、特開平９−２３０３００号公報参照。以下特許文献１という）。
ここで、特許文献１に開示された光変調素子は、１対の透明基板と、これらの透明基板間に挟持された液晶と、この液晶と一方の透明基板との界面に設けられたフレネルレンズの形状を有する光学部材と、液晶に電圧を印加するための透明電極とを備え、液晶に印加する電圧を切り替えることによって、液晶の配向方向を切り替え、入射光に対する液晶の屈折率を切り替えて上記の光学部材がフレネルレンズとして機能するか否かを切り替えるようになっている。
光ヘッド装置では、通常、入射光として特定の方向に偏光した光が用いられ、屈折率の切り替えは、入射光の偏光方向に対して液晶の配向方向を一致させることによって行われる。そして、液晶の屈折率は、液晶に印加する電圧の切り替えの前後で上記のフレネルレンズの形状を有する光学部材の屈折率と一致または異なるように切り替えられる。
また、光ディスクの記録密度を向上させるため波長４０５ｎｍの光を出射する半導体レーザを利用した光ヘッド装置が提案されている。この波長帯を利用する光ヘッド装置は、大きく２つの規格が提案されている。光ディスクの情報記録層を覆う透明樹脂からなるカバー層の厚さが０．１ｍｍで、ＮＡ（開口数）が０．８５の対物レンズを使用したブルーレイ規格と、カバー層の厚さが０．６ｍｍでＮＡが０．６５の対物レンズを使用したＨＤＤＶＤ規格である。また、ブルーレイ規格、ＨＤＤＶＤ規格の中に光ディスク１枚の情報量を増すために情報記録層を多層化した光ディスクも開発されている。
しかし、このような従来の光ヘッド装置では、光変調素子内の液晶が一様に配向しているため、液晶の常光屈折率を感ずる偏光方向に偏光した光に対しては、印加する電圧を切り替えることによって液晶の屈折率を切り替えることができないという問題があった。ＤＶＤ、高密度光ディスク（ブルーレイ規格、ＨＤＤＶＤ規格）等を対象に記録再生を行う光ヘッド装置では、偏光光学系を用いることが一般的であるため、光ディスクに向かう光である往路光と、光ディスクによって反射された光である復路光とのうちのいずれか一方の光しか、焦点距離を切り替えることができなかった。そのため、従来は、往路光と復路光の両方の焦点距離を切り替えることができるように、往路用と復路用にそれぞれ１つずつ光変調素子を設け、光ヘッド装置の大型化、駆動の煩雑化、コストアップ等の代償を払っていた。
また、ブルーレイ規格とＨＤＤＶＤ規格の互換をとるために、カバー層厚の違いにより焦点位置を可変とする素子が望まれていた。
また、各規格において多層化光ディスクの各層への記録再生において焦点位置を可変とする素子が望まれていた。
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、往路光と復路光の両方の焦点距離を１つの素子で切り替えることができる液晶回折レンズ素子およびそれを用いた光ヘッド装置を提供するものである。
以上の点を考慮して、本発明は以下の内容を提供する。
１．平行に配置された１対の透明基板と、１対の前記透明基板間に挟持された液晶と、前記液晶に電界を印加するための透明電極と、第１の前記透明基板と前記液晶との間に形成され、フレネルレンズの形状を有し、複屈折材料からなる第１の複屈折フレネルレンズ部材と、第１の前記透明基板と対向する第２の前記透明基板と前記液晶との間に形成され、フレネルレンズの形状を有し、複屈折材料からなる第２の複屈折フレネルレンズ部材とを備えた液晶回折レンズ素子において、前記第１の複屈折フレネルレンズ部材の異常光屈折率方向と前記第２の複屈折フレネルレンズ部材の異常光屈折率方向とが相互に直交し、前記液晶と第１の複屈折フレネルレンズ部材または透明電極との界面における前記液晶の配向方向と、前記液晶と第２の複屈折フレネルレンズ部材または透明電極との界面における前記液晶の配向方向とが直交するようになっていることを特徴とする液晶回折レンズ素子。
この構成により、液晶に電界を印加して液晶の配向方向を切り替えることによって、第１の複屈折フレネルレンズ部材と第２の複屈折フレネルレンズ部材とが、それぞれ直交する偏光方向を有する光に対してフレネルレンズとして機能するため、往路光と復路光の両方の焦点距離を１つの素子で切り替えることが可能な液晶回折レンズ素子を実現できる。
２．前記第１の複屈折フレネルレンズ部材の複屈折材料および前記第２の複屈折フレネルレンズ部材の複屈折材料の少なくとも一方が、高分子液晶からなる上記１に記載の液晶回折レンズ素子。
この構成により、上記１の構成の効果に加え、少なくとも一方の複屈折フレネルレンズ部材の複屈折材料として高分子液晶を用いるため、複屈折フレネルレンズ部材の形成が容易であり、屈折率の調整が可能であると共に高分子液晶のバリエーションが多いことによる設計自由度が高い液晶回折レンズ素子を実現できる。
３．前記液晶と各前記複屈折フレネルレンズ部材とが、同一の常光屈折率および同一の異常光屈折率を有する上記１または２に記載の液晶回折レンズ素子。
この構成により、上記１または２の構成の効果に加え、印加電圧のオンオフの切替で各複屈折フレネルレンズ部材がフレネルレンズとして機能するか否かを切り替えられるため、印加電圧の制御が簡単な液晶回折レンズ素子を実現できる。ここで、同一とは、それぞれの屈折率の±５％以内の値をいう。
４．前記第１の複屈折フレネルレンズ部材の形状と、前記第２の複屈折フレネルレンズ部材の形状とが同一である上記１から３までのいずれか１つに記載の液晶回折レンズ素子。
この構成により、上記１から３までの構成のいずれか１つの効果に加え、第１の複屈折フレネルレンズ部材の形状と、第２の複屈折フレネルレンズ部材の形状とが同一であるため、同じ倍率で焦点距離を変換することが可能な液晶回折レンズ素子を実現できる。
５．前記第１の複屈折フレネルレンズ部材および前記第２の複屈折フレネルレンズ部材の異常光屈折率方向が、前記透明基板面に平行であると共に、前記透明基板面に垂直な方向に関してねじれている上記１から４までのいずれか１つに記載の液晶回折レンズ素子。
この構成により、上記１から４までの構成のいずれか１つの効果に加え、複屈折フレネルレンズ部材の異常光屈折率方向が透明基板面に垂直な方向に関してねじれているため、複屈折フレネルレンズ部材の凹凸部において液晶の配向方向と異常光屈折率方向とを一致させることができ、フレネルレンズとしての機能をより好適に発揮することが可能な液晶回折レンズ素子を実現できる。
６．透過する光の波長に対する位相差がπ／２の奇数倍である位相板と一体化している上記１から５までのいずれか１つに記載の液晶回折レンズ素子。
この構成により、上記１から５までの構成のいずれか１つの効果に加え、位相板と一体化しているため、調整が容易で、省スペース化が可能な液晶回折レンズ素子を実現できる。
７．前記液晶の配向方向が、各前記複屈折フレネルレンズ部材との界面近傍において、前記複屈折フレネルレンズ部材の異常光屈折率方向と一致している上記１から６までのいずれか１つに記載の液晶回折レンズ素子。
この構成により、上記１から６までの構成のいずれか１つの効果に加え、液晶の配向方向が、各複屈折フレネルレンズ部材との界面近傍において、複屈折フレネルレンズ部材の異常光屈折率方向と一致しているため、フレネルレンズとしての機能をより好適に発揮することが可能な液晶回折レンズ素子を実現できる。ここで、一致しているとは、発明の効果を損ねない程度にずれている状態でもよい。具体的には、１０度程度以内のずれがあってもよい。
８．前記複屈折フレネルレンズ部材の一部が等方性材料である上記１から７までのいずれか１つに記載の液晶回折レンズ素子。
この構成により、上記１から７までのいずれか１つの効果に加え、等方性材料と複屈折材料から成るフレネルレンズ部材全体の複屈折率の調整が可能となり、使用する複屈折材料および液晶のバリエーションが多いことによる設計自由度が高い液晶回折レンズ素子を実現できる。
９．前記透明基板の少なくとも一方に、凹凸形状からなる位相調整面が一体化されている上記１から８までのいずれか１つに記載の液晶回折レンズ素子。
この構成により、上記１から８までの構成のいずれか１つの効果に加え、前記フレネルレンズ部材と液晶で生成される透過波面変化に対して独立に、位相調整面による透過波面変化が付加できるため、透過波面変化のバリエーションが多いことによる設計自由度が高い液晶回折レンズ素子を実現できる。
１０．前記位相調整面が屈折率の温度係数が異なる複数の材料により形成されている上記９に記載の液晶回折レンズ素子。
この構成により、上記９の構成の効果に加え、前記フレネルレンズ部材と液晶との屈折率の温度係数の相違に起因して発生する透過波面の温度変化を補正することができる。その結果、所定の焦点距離に相当する透過波面を生成する効率の温度変化が低減できる。
１１．光源と、前記光源から出射された光を光記録媒体上に集光させる集光手段と、前記光源と前記集光手段との間の光路上に配置された上記１から１０までのいずれか１つに記載の液晶回折レンズ素子と、前記光記録媒体からの情報を読み出す光検出器とを備えたことを特徴とする光ヘッド装置。
この構成により、上記１から１０までの構成のいずれか１つの効果を有し、かつ、光利用効率を向上させることが可能な光ヘッド装置を実現できる。
１２．前記光源側から前記液晶回折レンズ素子に入射する往路光の偏光方向が、前記液晶回折レンズ素子が有する各前記複屈折フレネルレンズ部材のうちの、前記往路光が入射する側に設けられた前記第１の複屈折フレネルレンズ部材の異常光屈折率方向と一致または直交するようになっている上記１１に記載の光ヘッド装置。
この構成により、上記１１の効果に加え、往路光の偏光方向が第１の複屈折フレネルレンズ部材の異常光屈折率方向と一致または直交するようになっているため、第１の複屈折フレネルレンズ部材がフレネルレンズとしての機能をより好適に発揮することが可能な光ヘッド装置を実現できる。
本発明は、液晶に電界を印加して液晶の配向方向を切り替えることによって、第１の複屈折フレネルレンズ部材と第２の複屈折フレネルレンズ部材とが、それぞれ直交する偏光方向を有する光に対してフレネルレンズとして機能するため、往路光と復路光の両方の焦点距離を１つの素子で切り替えることが可能な液晶回折レンズ素子および光ヘッド装置を実現できる。
本発明の第１および第２の実施の形態に係る液晶回折レンズ素子の概念的な構成を示す断面図。 本発明の実施の形態に係る液晶回折レンズ素子の概念的な構成を示す平面図。 本発明の第１の実施の形態に係る液晶回折レンズ素子を構成する複屈折フレネルレンズ部材の形状を説明するための説明図。 本発明の第２の実施の形態に係る液晶回折レンズ素子の概念的な構成を示す断面の拡大図。 本発明の第２の実施の形態に係る液晶回折レンズ素子の他の概念的な構成を示す断面図。 本発明の第２の実施の形態に係る液晶回折レンズ素子の他の概念的な構成を示す断面図。 本発明の実施の形態に係る光ヘッド装置の概念的な構成を示す図。
符号の説明
１ａ、１ｂ、１ｃ 透明基板
２ａ、２ｂ 透明電極
３ａ、３ｂ、３ａ１、３ｂ１ 複屈折フレネルレンズ部材
３ａ２、３ｂ２ 屈折率調整部
４ 液晶
５ シール
６、８ａ 位相調整面
７、９ 位相調整部
８ｂ 充填材
１０、３０、４０、５０ 液晶回折レンズ素子
２０ 外部の電圧信号源
２２ａ、２２ｂ 透明電極２ａ、２ｂの端子取り出し部
１００ 光ヘッド装置
１０１ 光源
１０２ 偏光ビームスプリッタ
１０３ コリメーターレンズ
１０４ １／４波長板
１０５ 対物レンズ
１０６ 光検出器
２００ 光ディスク
２００ａ、２００ｂ 情報記録面
以下、本発明の第１の実施の形態について、図面を用いて説明する。
(第１の実施の形態)
図１および図２は、それぞれ、本発明の第１の実施の形態に係る液晶回折レンズ素子の概念的な構成を示す断面図および平面図である。図１に示す断面図は、図２に示す液晶回折レンズ素子１０のＤ−Ｄ'断面を示す図である。図１および図２において、液晶回折レンズ素子１０は、平行に配置された１対の透明基板１ａ、１ｂと、１対の透明基板１ａ、１ｂ間に挟持された液晶４と、液晶に電界を印加するための透明電極２ａ、２ｂと、第１の透明基板１ａと液晶４との間に形成され、フレネルレンズの形状を有し、複屈折材料からなる第１の複屈折フレネルレンズ部材３ａと、第１の透明基板１ａと対向する第２の透明基板１ｂと液晶４との間に形成され、フレネルレンズの形状を有し、複屈折材料からなる第２の複屈折フレネルレンズ部材３ｂと、シール５とを備える。
ここで、透明基板１ａ、１ｂとして、例えば、アクリル系樹脂、エポキシ系樹脂、塩化ビニル系樹脂、ポリカーボネート等を用いるのでもよいが、耐久性等の点からガラス基板が好適である。
透明電極２ａ、２ｂとしては、Ａｕ、Ａｌ等からなる金属膜を用いることができるが、ＩＴＯ、ＳｎＯ３等からなる膜を用いる方が金属膜に比べ、光の透過性がよく、機械的耐久性が優れているため、好適である。透明電極２ａ、２ｂには外部の電圧信号源２０が接続され、外部の電圧信号源２０から出力された所定の電圧信号が液晶４に印加されるようになっている。液晶４に印加される信号としては、矩形交流電圧信号が好ましく、矩形交流電圧信号の周波数は１０Ｈｚ〜１０ｋＨｚが好ましい。また、矩形交流電圧信号中の直流成分を充分小さくすることが極めて好ましい。
複屈折フレネルレンズ部材３ａ、３ｂは、複屈折材料を用いて、入射光の波長の近傍でフレネルレンズとして機能するように複数の輪が光軸０を中心として同心円状に形成される。ここで、上記の複屈折材料としては、ニオブ酸リチウム、水晶等の無機材料、および、高分子液晶等を用いることができる。上記の複屈折材料として高分子液晶を用いることは、複屈折フレネルレンズ部材３ａ、３ｂの形成の容易さ、屈折率の調整が可能であると共に高分子液晶のバリエーションが多いことによる設計自由度の高さの観点から、好適である。
また、複屈折フレネルレンズ部材３ａ、３ｂを構成する上記の各輪は、回折効率を高めるためブレーズ化されていることから、以下ではブレーズ輪という。なお、上記のブレーズ輪の中心軸を含む面を断面（例えば、図２に示すＤ−Ｄ'断面）とする断面形状を階段状の形状で近似したもの（以下、擬似ブレーズ輪という。）を、上記のブレーズ輪の代わりに用いるのでもよい。以下、ブレーズ輪というときは、擬似ブレーズ輪を含むものとする。
ブレーズ輪は、基板面から突き出た凸状のブレーズ輪でも、基板面より窪んだ凹状のブレーズ輪でもよい。以下、複屈折フレネルレンズ部材３ａ、３ｂの形状について、図３を用いて説明する。図３に符号Ｐ１、Ｐ２を用いて示す曲線は、所定のレンズを通過した後の入射光が受ける位相変化量の差分の分布（以下、移相分布という。）のうちの、光軸を含む面内のものである。以下、符号Ｐ１、Ｐ２を用いて示す曲線を光軸移相曲線という。
ここで、位相変化量の差分の分布（移相分布）は、レンズを通過した後の位相変化量の分布から、光軸における位相変化量を差し引いたものである。上記の移相分布は、光軸に対してほぼ回転対称になっていると共に、入射光の焦点を切り替えるような分布をなしている。ここで、符号Ｐ１、Ｐ２を用いて示す光軸移相曲線は、それぞれ、凸レンズおよび凹レンズの光軸移相曲線に対応するものである。
ここで、上記の移相分布は、以下のベキ級数によって表される。
φ（ｒ）＝ａ１ｒ２＋ａ２ｒ４＋ａ３ｒ６＋ａ４ｒ８＋・・・
ここで、ｒは光軸からの半径方向の距離であり、ａｉ（ｉ＝１、２、３、４、・・・）は定数であり、φ（ｒ）は距離ｒにおける移相分布である。
複屈折フレネルレンズ部材３ａ、３ｂを通過した後の光の光軸を含む面内における移相分布は、符号Ｆ１（Ｐ１に対応）、Ｆ２（Ｐ２に対応）を用いて示す光軸移相曲線となる。波長の整数倍の位相差によって光は実質的に変化しないため、各複屈折フレネルレンズ部材３ａ、３ｂは、等価的に、符号Ｐ１、Ｐ２を用いて示すいずれかの光軸移相曲線を有する移相分布の分だけ、入射光の位相を変化させる。以下、符号Ｆ１、Ｆ２を用いて示す光軸移相曲線を有する移相分布を、単に、「符号Ｆ１、Ｆ２を用いて示す移相分布」という。フレネルレンズに関しては、周知であるため、さらなる具体的な説明は省略する。
複屈折フレネルレンズ部材３ａ、３ｂを構成する各ブレーズ輪は、符号Ｆ１、Ｆ２を用いて示す移相分布が得られる半径方向の幅と光軸方向の厚さを有する。各ブレーズ輪の光軸方向の厚さは、用いる複屈折材料に応じて決定される。図３に示す例では、各ブレーズ輪の光軸方向の最大の厚さは、光路差が最大１波長分となるように設定されている。なお、第１の複屈折フレネルレンズ部材３ａの形状と第２の複屈折フレネルレンズ部材３ｂの形状とを一致させることは、同一の倍率で焦点距離を切り替えることができるため、好適である。
各ブレーズ輪の形成は、フォトリソグラフィ技術とエッチング技術を用いて行うのでも、金型を用いて行うのでも、その他の方法で行うのでもよい。また、複屈折材料は厚さ方向にねじれていてもよく、複屈折材料の厚さをｄＦとし、液晶４の最大の厚さをｄとするとき、９０×ｄＦ／ｄだけねじれた構造にするのが好適である。
図１には、ブレーズ輪を凸状にした複屈折フレネルレンズ部材３ａ、３ｂと、入射光が異常光屈折率を感ずる方向（以下、異常光屈折率方向という。）とが符号Ａ、Ｂを用いて示されている。すなわち、図１に示す構成では、複屈折フレネルレンズ部材３ａの異常光屈折率方向Ａは基板および紙面に平行な方向（Ｘ軸方向）となっており、複屈折フレネルレンズ部材３ｂの異常光屈折率方向Ｂは基板に平行で紙面に垂直な方向（Ｙ軸方向）となっている。
液晶４は、２枚の透明基板１ａ、１ｂ間で配向方向（液晶分子の長軸方向）が９０度ねじれるようにツイスト配向するようになっている。液晶４としては、ツイストテッドネマチック液晶が好適である。液晶４の配向は、ポリイミド、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）等の配向膜をラビングした面、特定方向に偏光したＵＶ光等を光反応性官能基を有する化学物質に照射して光配向させた面、ＳｉＯ等を斜め蒸着して得られる面、ダイヤモンドライクカーボン等へイオンビーム照射して得られる面等を液晶４に接触させることによって設定することができる。
なお、高分子液晶を用いて複屈折フレネルレンズ部材３ａ、３ｂを形成し、この高分子液晶の表面分子の配列を利用して液晶４を配向させるのは、配向膜等を用いた配向処理が不要となり好適である。また、液晶４の配向方向を、液晶４と接する複屈折フレネルレンズ部材３ａ、３ｂの異常屈折率方向と一致させるのが好適である。さらに、液晶の屈折率（ｎｌｏ、ｎｌｅ）と複屈折材料の屈折率（ｎｏ、ｎｅ）とを一致させるのは、好適である。したがって、図１に示す構成では、符号Ｃを用いて示すように、液晶４の配向方向が、複屈折フレネルレンズ部材３ａとの界面で基板および紙面に平行な方向（異常光屈折率方向Ａ）となるようにし、複屈折フレネルレンズ部材３ｂとの界面で基板に平行で紙面に垂直な方向（異常光屈折率方向Ｂ）となるようにし、ｎｌｏ＝ｎｏとし、ｎｌｅ＝ｎｅするのが好適である。
液晶４の厚さは、所望の光学特性を得ることを重視する場合は厚い方が好ましく、所望の応答速度を得ることを重視する場合は薄い方が好ましい。また、液晶４としては、誘電異方性（Δε）が正のものを用いるのでも、負のものを用いるのでもよい。誘電異方性（Δε）の相違は、電界を印加したときに、液晶分子の長軸方向が電界方向を向くように動くか、電界方向と垂直する方向を向くように動くかの相違であり、誘電異方性（Δε）の正負はいずれでもよい。ただし、誘電異方性（Δε）が負の場合、電圧を印加しないときに液晶４の配向が概ね基板面に対して垂直になるようなものが好ましい。
上記の透明基板１ａ、１ｂ、透明電極２ａ、２ｂ、複屈折フレネルレンズ部材３ａ、３ｂ、液晶４の積層の順番は、この順番に積層するのでもよいが、透明基板１ａ、１ｂ、複屈折フレネルレンズ部材３ａ、３ｂ、透明電極２ａ、２ｂ、液晶４の順番で積層する方が、液晶４に電界を均一に印加できるため、好適である。また、複屈折フレネルレンズ部材３ａ、３ｂ用の複屈折材料として高分子液晶を使用し、ブレーズ輪の表面の高分子液晶分子の配向方向を利用して液晶４を配向させることにより、高分子液晶と液晶４部分を含めた厚さ方向のねじれが均一になり大変好ましい。
なお、対向する透明電極２ａ、２ｂ間に絶縁膜を設け、短絡を防ぐことは好ましい。係る絶縁膜の形成には、ＳｉＯ２、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２等の無機材料を用いて、スパッタリング等によって真空成膜する方法、ゾルゲル法によって化学的に成膜する方法等を用いることができる。また、透明電極２ａ、２ｂと外部の電圧信号源２０とを接続する配線として、フレキシブル回路基板を用いるのでもよい。この場合、液晶回折レンズ素子１０側では、フレキシブル回路基板を透明電極２ａ、２ｂの端子取り出し部２２ａ、２２ｂに接続する。
シール５は、液晶４が透明基板１ａ、１ｂ間から漏れ出さないようにするためのものであり、確保すべき光学的有効領域の外周に設けられる。シール５用の材料としては、エポキシ、アクリル等の樹脂系接着剤が取り扱い上好ましいが、加熱またはＵＶ光の照射によって硬化させるのでもよい。また、所望のセル間隔を得るためにガラスファイバ等のスペーサを数％混入させるのでもよい。
なお、透明基板１ａ、１ｂの各基板面のうちの液晶４側と反対側に面した基板面上に反射防止膜を設けることは、光の利用効率を改善することになるため、好適である。係る反射防止膜として誘電体多層膜、波長オーダーの薄膜等を用いることができるが、その他の膜でもよい。これらの膜は、蒸着法やスパッタリング法等を用いて形成することができるが、その他の方法で形成するのでもよい。
以下、液晶回折レンズ素子１０の作用について図１を用いて説明する。まず、電圧を印加しない場合について説明する。この場合は、液晶４は、複屈折フレネルレンズ部材３ａ、３ｂの近傍で異常光屈折率方向Ａ、Ｂに配向している。ここで、液晶が配向するとは、液晶分子が配向することをいう。以下同様とする。このとき、Ｘ軸方向に偏光しＺ軸方向に進行する光が液晶回折レンズ素子１０に入射すると、液晶４が複屈折フレネルレンズ部材３ａとの界面で異常光屈折率方向Ａ（Ｘ軸方向）に配向し、ｎｌｅ＝ｎｅとなっているため、同一の異常光屈折率を感じて複屈折フレネルレンズ部材３ａはフレネルレンズとして機能せず、入射光は複屈折フレネルレンズ部材３ａをそのまま通過する。以下、そのまま通過することを「スルー」という。一方、複屈折フレネルレンズ部材３ａを通過した光は、液晶４が複屈折フレネルレンズ部材３ｂ側まで連続的に捩れ９０度ツイストしているため、偏光方向が９０度旋光して入射する。そして、液晶４が複屈折フレネルレンズ部材３ｂとの界面で異常光屈折率方向Ｂ（Ｙ軸方向）に配向し、ｎｌｅ＝ｎｅとなっているため、同一の異常光屈折率を感じて複屈折フレネルレンズ部材３ｂはフレネルレンズとして機能せず、複屈折フレネルレンズ部材３ｂをそのまま通過する。その結果、Ｘ軸方向に偏光しＺ軸方向に進行する光は、偏光方向がＹ軸方向に変化するが、液晶回折レンズ素子のレンズ効果を受けずに通過する。
Ｙ軸方向に偏光しＺ軸方向に進行する光に関しては、以下のように作用する。すなわち、Ｙ軸方向に偏光しＺ軸方向に進行する光が液晶回折レンズ素子１０に入射すると、液晶４が複屈折フレネルレンズ部材３ａとの界面で異常光屈折率方向Ａ（Ｘ軸方向）に配向し、ｎｌｏ＝ｎｏとなっているため、同一の常光屈折率を感じて複屈折フレネルレンズ部材３ａはフレネルレンズとして機能せず、入射光は複屈折フレネルレンズ部材３ａをそのまま通過する。一方、複屈折フレネルレンズ部材３ａを通過した光は、液晶４が複屈折フレネルレンズ部材３ｂ側まで連続的に捩れ９０度ツイストしているため、偏光方向が９０度旋光して入射する。そして、液晶４が複屈折フレネルレンズ部材３ｂとの界面で異常光屈折率方向Ｂ（Ｙ軸方向）に配向し、ｎｌｏ＝ｎｏとなっているため、同一の常光屈折率を感じて複屈折フレネルレンズ部材３ｂはフレネルレンズとして機能せず、複屈折フレネルレンズ部材３ｂをそのまま通過する。その結果、Ｙ軸方向に偏光しＺ軸方向に進行する光は、偏光方向がＸ軸方向に変化するが、液晶回折レンズ素子のレンズ効果を受けずに通過する。したがって、電圧を印加しない場合には、偏光方向がＸ軸方向かＹ軸方向かにかかわらず、入射光は、液晶回折レンズ素子１０をそのまま通過する。
次に、電圧を印加して液晶４をＺ軸方向に配向させた場合について説明する。このとき、Ｘ軸方向に偏光しＺ軸方向に進行する光が液晶回折レンズ素子１０に入射すると、液晶４と複屈折フレネルレンズ部材３ａとの界面で、液晶４側では常光屈折率を感じ、複屈折フレネルレンズ部材３ａ側では異常光屈折率を感じて屈折率差が生ずるため、複屈折フレネルレンズ部材３ａとしての作用を受け、発散光または収束光となって複屈折フレネルレンズ部材３ａを出射する。一方、複屈折フレネルレンズ部材３ａを出射した光は、液晶４と複屈折フレネルレンズ部材３ｂとの界面で、液晶４側および複屈折フレネルレンズ部材３ｂ側で常光屈折率を感じ、ｎｌｏ＝ｎｏとなっているため、同一の常光屈折率を感じ、複屈折フレネルレンズ部材３ｂをそのまま通過する。その結果、Ｘ軸方向に偏光しＺ軸方向に進行する光は、複屈折フレネルレンズ部材３ａの作用を受けて、発散光または収束光となって液晶回折レンズ素子１０を通過する。
Ｙ軸方向に偏光しＺ軸方向に進行する光に関しては、以下のように作用する。すなわち、Ｙ軸方向に偏光しＺ軸方向に進行する光が液晶回折レンズ素子１０に入射すると、液晶４と複屈折フレネルレンズ部材３ａとの界面で、液晶４側および複屈折フレネルレンズ部材３ａ側で常光屈折率を感じ、ｎｌｏ＝ｎｏとなっているため、同一の常光屈折率を感じ、複屈折フレネルレンズ部材３ａをそのまま通過する。一方、複屈折フレネルレンズ部材３ａを通過した光は、液晶４と複屈折フレネルレンズ部材３ｂとの界面で、液晶４側では常光屈折率を感じ、複屈折フレネルレンズ部材３ｂ側では異常光屈折率を感じて屈折率差が生ずるため、複屈折フレネルレンズ部材３ｂとしての作用を受け、発散光または収束光となって複屈折フレネルレンズ部材３ｂを出射する。その結果、Ｙ軸方向に偏光しＺ軸方向に進行する光は、複屈折フレネルレンズ部材３ｂの作用を受けて、発散光または収束光となって液晶回折レンズ素子１０を通過する。
(第２の実施の形態)
第１の実施の形態に係る液晶回折レンズ素子１０では、複屈折材料からなる複屈折フレネルレンズ部材３ａ、３ｂと液晶４を用い、複屈折材料の屈折率（ｎｏ、ｎｅ）と液晶４の屈折率（ｎｌｏ、ｎｌｅ）とを一致させる構成としている。これにより、電圧を印加しない場合、Ｚ軸方向に進行する光はその偏光方向にかかわらず、液晶回折レンズ素子で回折光が生じることなく透過し、電圧を印加して液晶４をＺ軸方向に配向させた場合、Ｚ軸方向に進行する光は複屈折フレネルレンズ部材３ａおよび３ｂの作用を受けて発散光または収束光となって液晶回折レンズ素子１０を通過する。
しかし、複屈折材料の屈折率（ｎｏ、ｎｅ）と液晶４の屈折率（ｎｌｏ、ｎｌｅ）を完全に一致させることは難しいとともに、使用できる複屈折材料および液晶材料が限定されてしまう。特に、複屈折材料として高分子液晶を用いる場合、その常光屈折率ｎｏは液晶４の常光屈折率ｎｌｏに比べ大きな値となる。
このように、複屈折材料の屈折率（ｎｏ、ｎｅ）と液晶４の屈折率（ｎｌｏ、ｎｌｅ）が異なる場合でも、第１の実施の形態と同様の作用効果を実現するために、屈折率調整部を付加することが有効である。屈折率調整部が付加された第２の実施の形態に係る液晶回折レンズ素子について、以下の（１）〜（３）の態様について説明する。
（１）図４は、本発明の第２の実施の形態に係る液晶回折レンズ素子３０の一例の概念的な構成を示す断面の拡大図である。ここでは、透明基板１ａ、１ｂ（図示せず）に等方性材料の屈折率調整部３ａ２、３ｂ２のフレネルレンズ形状を作製した後、複屈折フレネルレンズ部材３ａ１、３ｂ１のフレネルレンズ形状を作製する例を示す。第１の実施の形態に係る液晶回折レンズ素子１０と比較して、第１の複屈折フレネルレンズ部材３ａと第２の複屈折フレネルレンズ部材３ｂが、複屈折材料３ａ１、３ｂ１と等方性材料の屈折率調整部３ａ２、３ｂ２からなる点が異なり、他の構成は第１の実施の形態に係る液晶回折レンズ素子１０と同じである。
ここで、Ｚ軸方向に進行する光に対して、複屈折材料の屈折率（ｎｏ、ｎｅ）である複屈折フレネルレンズ部材３ａ１、３ｂ１と屈折率（ｎｓ）である等方性材料の屈折率調整部３ａ２、３ｂ２との光路長の比率α：１−α（０＜α＜１）がＸＹ面内の各位置で一定となるように複屈折フレネルレンズ部材３ａ１、３ｂ１と屈折率調整部３ａ２、３ｂ２を加工することにより、複屈折フレネルレンズ部３ａ１、３ｂ１と屈折率調整部３ａ２、３ｂ２を一体とした複屈折フレネルレンズ部は、異常光屈折率はα×ｎｅ＋（１−α）×ｎｓ、常光屈折率はα×ｎo＋（１−α）×ｎｓとなる。
複屈折フレネルレンズ部材を複屈折材料と等方性材料から構成することにより、入射光に対する常光屈折率と異常光屈折率を調整することができるため、使用する複屈折材料および液晶のバリエーションが多いことによる設計自由度が高い液晶回折レンズ素子を実現できる。
具体的には、ｎｏ＞ｎｌｏのとき、ｎｌｏ＞ｎｓの等方性材料からなる屈折率調整部３ａ２、３ｂ２を用い、ｎｌｏ＝α×ｎo＋（１−α）×ｎｓを満足するようにαを調整すればよい。ここで、ｎｌｏは液晶4の屈折率の1つである。
屈折率調整部３ａ２、３ｂ２は、ガラス、樹脂などの等方性材料でもよいし、高分子液晶などの複屈折材料でもよいが、透明であることが好ましい。
屈折率調整部３ａ２、３ｂ２の形状は、透明基板１ａ、１ｂ上に形成した材料層をエッチング技術により加工する、あるいはプレス、金型などを用いて成型加工してもよい。また、透明基板１ａ、１ｂを直接加工して凹凸を作製してもよい。
（２）図５は、本発明の第２の実施の形態に係る液晶回折レンズ素子４０の一例の概念的な構成を示す断面図であって、図４の屈折率調整部３ａ２、３ｂ２の代わりに、位相調整部７が第１の実施の形態に係る液晶回折レンズ素子１０の透明基板１ｂの片面に付加された構成としている。
ここで、位相調整部７は透明基板１ａまたは１ｂの片面に、第１および第２の複屈折フレネルレンズ部材３ａ、３ｂのフレネル形状の輪帯と同じ輪帯からなるフレネルレンズ形状の位相調整面６からなる。位相調整面６は透明基板１ｂの表面をエッチングやプレス成型などにより直接加工してもよく、また別に作製して透明基板１ｂに貼り合わせてもよい。位相調整面６の材料は、ガラス、セラミックス、樹脂など材質を問わないが、透明であることが光利用効率の点から好ましい。
また、位相調整面６として複屈折率材料を用いる場合、常光偏光と異常光偏光に対して別々の位相調整を実施することが可能となり、設計自由度が向上する。
このような位相調整部７を形成することにより、複屈折フレネルレンズ部材３ａ、３ｂの複屈折材料の屈折率（ｎｏ、ｎｅ）と液晶４の屈折率（ｎｌｏ、ｎｌｅ）が異なる場合に発生する透過波面の乱れを補正することができるため、第１の実施の形態と同様の作用効果が得られる。
例えば、ｎｏ＞ｎｌｏの場合、電圧を印加しない状態で、複屈折フレネルレンズ部材３ａ、３ｂと液晶４との屈折率差（ｎｏ―ｎｌｏ）および複屈折フレネルレンズ部材の形状に応じて、Ｚ軸方向に進行する光の透過波面が乱れる。その結果、スルーする透過率が低下する。
ここで、Ｚ軸方向に進行する光に対して発生する透過波面の乱れを補正するように、屈折率ｎｓの等方性材料からなる位相調整面６を形成することにより、スルーする透過率の低下が解消できる。
具体的には、複屈折フレネルレンズ部材３ａ、３ｂの最大深さをｄとすると、Ｚ軸方向に進行する常光偏光に対して複屈折フレネルレンズ部材３ａ、３ｂと液晶４とにより発生する最大光路長差は（ｎｏ―ｎｌｏ）×ｄとなる。これを補正するため、フレネルレンズ形状の位相調整面６の最大深さＤが、（ｎｓ―１）×Ｄ＝（ｎｏ―ｎｌｏ）×ｄを満たすとともに、図５に示すように凹凸が逆のフレネルレンズ形状とすればよい。
なお、液晶４の屈折率がｎｏ相当となる電圧の印加状態で、複屈折フレネルレンズ部材３ａ、３ｂと液晶４、さらに位相調整面６を含めて最大回折条件を満たし、効率よく発散光または収束光を生成するためには、｛（ｎｅ―ｎｌｏ）×ｄ―（ｎｓ―１）×Ｄ｝が入射光の波長λに略等しいことが好ましい。
図５では位相調整面６を光出射側の透明基板１ｂに形成した例を示すが、光入射側の透明基板１ａに形成してもよいし、光入出射側の両面に設けてもよい。
また、位相調整面６と複屈折フレネルレンズ部材３ａ、３ｂとの距離はなるべく短い方が好ましい。したがって、透明基板１ｂの厚さは薄い方が好ましい。
また、位相調整面６は、断面を階段状に近似したフレネルレンズ形状としてもよい。なお、シール５によって透明基板１ａと１ｂが接合されている。
（３）図６は、図５の位相調整部７の代わりに、透明基板１ｂの片面にフレネルレンズ形状に加工された屈折率ｎｓ１の等方性材料から成る位相調整面８ａが形成され、その凹凸部の少なくとも凹部に屈折率ｎｓ２（ｎｓ２＜ｎｓ１）の等方性材料からなる充填材８ｂが充填され、透明基板１ｂと１ｃで狭持された位相調整部９とした液晶回折レンズ素子５０の一例の概念的な構成を示す断面図である。
液晶回折レンズ素子４０に比べて液晶回折レンズ素子５０の場合、位相調整面８ａと充填材８ｂの屈折率を調整することにより位相調整面の設計及び作製の自由度が増すため好ましい。
充填材８ｂは位相調整面８ａの凹凸部を充填するとともに、透明基板１ｂと１ｃを接着固定し、熱硬化型のエポキシ系や光硬化型のアクリル系の接着材が使用できる。
また、複屈折フレネルレンズ部材３ａ、３ｂと液晶４の屈折率の温度依存性が異なる場合、液晶回折レンズ素子の温度変化に応じて透過波面の効率が所望の値から変化するといった問題が生じる。ここで、屈折率の温度依存性が異なる位相調整面８ａと充填材８ｂの材料を用いることにより、複屈折フレネルレンズ部材３ａ、３ｂと液晶４との温度依存性を補償し、液晶回折レンズ素子５０の温度依存性を改善することができる。
第１および第２の実施の形態では、複屈折フレネルレンズ部材３ａ、３ｂが同心円状のフレネル輪帯形状の場合について説明したが、それ以外の断面形状を有する複屈折材料としてもよい。
例えば、複屈折フレネルレンズ部材３ａ、３ｂの代わりに、断面を放物面形状とすることにより、印加電圧に応じて透過波面が発散光や収束光などに変化する焦点距離切替レンズとなる。また、断面を球面収差相当の形状や非点収差相当の形状とすることにより、印加電圧に応じて透過波面に収差成分を付加できる。いづれの場合も、複屈折フレネルレンズ部材３ａと３ｂに対応した複屈折材料の断面形状を調整することにより、入射光の偏光方向に依存しない透過波面変化を得ることができる。なお、シール５によって透明基板１ａと１ｂが接合されている。
入射光の任意の偏光状態は直交する偏光方向の光の合成で表現できるため、入射光の偏光方向に依存しない透過波面変化を生成する本発明の液晶回折レンズ素子は、入射光の偏光状態に依存しないで透過波面変化を得ることができる。
(第３の実施の形態)
次に、本発明の第３の実施の形態に係る光ヘッド装置について図面を用いて説明する。図７は、本発明の実施の形態に係る光ヘッド装置の概念的な構成を示す図である。図７において、光ヘッド装置１００は、所定の波長の光束を出射する光源１０１と、偏光方向に応じて光を通過または反射させる偏光ビームスプリッタ１０２、入射する光束を略平行光に変換するコリメーターレンズ１０３と、液晶回折レンズ素子１０と、１／４波長板１０４と、１／４波長板１０４を透過した光を光ディスク２００上に集光させる対物レンズ１０５、偏光ビームスプリッタ１０２で反射された光ディスク２００からの戻り光を検出する光検出器１０６とを備える。ここで、上記の「戻り光」とは、光源１０１から出射され情報記録面２００ａ、２００ｂで反射されて液晶回折レンズ素子１０の方向に戻る光をいう。
光源１０１が出射した光は、偏光ビームスプリッタ１０２、コリメーターレンズ１０３、液晶回折レンズ素子１０、１／４波長板１０４および対物レンズ１０５の順に透過し、光ディスク２００の２層の情報記録面である、情報記録面２００ａまたは２００ｂに集光する。光ディスク２００の情報記録面２００ａまたは２００ｂに集光した光束は、それぞれ、各情報記録面２００ａ、２００ｂで反射され、対物レンズ１０５、１／４波長板１０４、液晶回折レンズ素子１０およびコリメーターレンズ１０３を透過し、偏光ビームスプリッタ１０２で反射され、光検出器１０６に入る。
ここで、光検出器１０６からの出力電気信号は、光ディスク２００の情報記録面２００ａ、２００ｂに記録された情報の、読み取り信号、フォーカスエラー信号、トラッキングエラー信号の生成に用いられる。なお、光ヘッド装置は、上記のフォーカスエラー信号に基づいてレンズを光軸方向に制御する機構（フォーカスサーボ）、および、上記のトラッキングエラー信号に基づいてレンズを光軸にほぼ垂直な方向に制御する機構（トラッキングサーボ）を備えるが、図４に示す構成では省略されている。
光源１０１は、例えば、半導体レーザで構成され、波長６５０ｎｍ近傍の波長かつ直線偏光の発散光を出射するようになっている。なお、上記の光源１０１は、同一パッケージ内の同一基板上に２個の半導体レーザチップがマウントされ、所謂、ハイブリッド型の２波長レーザ光源をなすように構成されるのでも、異なる波長を発光する２個の発光点を持ったモノリシック型の二波長レーザ光源（例えば、特開２００４-３９８９８号公報参照。）をなすように構成されるのでもよい。この場合、光源１０１は、例えば、波長６５０ｎｍ近傍の波長および７８０ｎｍ近傍の波長、かつ直線偏光の発散光を出射するようになっている。ここで、波長６５０ｎｍ近傍および７８０ｎｍ近傍の波長とは、それぞれ、６３０ｎｍ〜６７０ｎｍおよび７６０ｎｍ〜８００ｎｍの範囲にある波長を意味する。また、ブルーレイ規格やＨＤＤＶＤ規格において用いられる波長４０５ｎｍ近傍の青色半導体レーザとしてもよい。この場合の波長４０５ｎｍ近傍の波長とは３８５ｎｍ〜４２５ｎｍの範囲にある波長を意味する。
なお、偏光ビームスプリッタ１０２、コリメーターレンズ１０３、１／４波長板１０４、対物レンズ１０５および光検出器１０６については、周知であり、さらなる説明を省略する。
以下、光ヘッド装置１００の動作について説明する。光源１０１が出射した光は、偏光ビームスプリッタ１０２を通過した後、コリメーターレンズ１０３によって略平行光線とされ、直線偏光のまま液晶回折レンズ素子１０に入射する。ここで、光源１０１が出射した光の偏光方向は、液晶回折レンズ素子１０が有する各複屈折フレネルレンズ部材３ａ、３ｂのうちの、往路光が入射する側に設けられた第１の複屈折フレネルレンズ部材３ａの異常光屈折率方向と一致または直交するようになっている。液晶回折レンズ素子１０に入射した光は、液晶回折レンズ素子１０に所定の電圧信号が印加されている場合には焦点距離が切り替えられて透過し、液晶回折レンズ素子１０に電圧信号が印加されていない場合には焦点距離が切り替わらず偏光方向が９０度変化して透過し、１／４波長板１０４に入射する。
１／４波長板１０４に入射した光は、１／４波長板１０４によって円偏光の光となり、対物レンズ１０５によって光ディスク２００の情報記録面２００ａまたは２００ｂに集光させられる。
ここで、液晶レンズ素子１０に電圧を印加しないとき、入射光に対する液晶レンズ素子１０の透過波面は不変で、対物レンズ１０５により光ディスク２００の情報記録面２００ａに集光され、記録または再生が成される。一方、液晶レンズ素子１０に所定の電圧を印加するとき、入射光に対する液晶レンズ素子１０の透過波面は凹レンズの発散波面となり、対物レンズ１０５により光ディスク２００の情報記録面２００ｂに集光され、記録または再生が成される。その結果、２層の光ディスク２００の安定した記録および再生が実現できる。
光ディスク２００からの戻り光は、対物レンズ１０５を透過し、１／４波長板１０４によって入射光と偏光方向が９０度異なる直線偏光の光に変えられ、液晶回折レンズ素子１０によって、偏光方向、および、液晶回折レンズ素子１０に印加された電圧信号に応じて、そのまま、または、焦点距離が切り替えられて透過する。液晶回折レンズ素子１０を透過した光は、コリメーターレンズ１０３を透過し、偏光ビームスプリッタ１０２で反射されて光検出器１０６に入射し、光検出器１０６に記録された情報が電気信号に変換される。
ここで、液晶回折レンズ素子１０と１／４波長板１０４とを一体化することは、調整の容易さ、省スペース化等の観点からきわめて有効である。
また、ブルーレイ規格とＨＤＤＶＤ規格の互換性をとるために、カバー層厚の違いにより発生する球面収差を補正することが必要となる。本発明の液晶回折レンズ素子を用いて焦点位置を切り替えることにより、ブルーレイ規格とＨＤＤＶＤ規格の光ディスクに対して、同一の光ヘッド装置を用いて記録または再生が可能となる。
また、ブルーレイ規格またはＨＤＤＶＤ規格の各規格において、多層光ディスクの各層への記録または再生においても、カバー層厚の違いにより発生する球面収差を補正することが必要となるが、本発明の液晶回折レンズ素子を用いて焦点位置を切り替えることにより、多層光ディスクに対して、同一の光ヘッド装置を用いて記録または再生が可能となる。
本発明の液晶回折レンズ素子および光ヘッド装置のさらなる特徴については、以下に示す実施例により具体的に説明する。
(実施例１)
本発明の第１の実施例に係る液晶回折レンズ素子１０について図１を用いて説明する。本発明の実施例に係る液晶回折レンズ素子１０は、平行に配置された１対の透明基板１ａ、１ｂと、１対の透明基板１ａ、１ｂ間に挟持された液晶４と、液晶に電界を印加するための透明電極２ａ、２ｂと、第１の透明基板１ａと液晶４との間に形成され、フレネルレンズの形状を有し、複屈折材料からなる第１の複屈折フレネルレンズ部材３ａと、第１の透明基板１ａと対向する第２の透明基板１ｂと液晶４との間に形成され、フレネルレンズの形状を有し、複屈折材料からなる第２の複屈折フレネルレンズ部材３ｂと、シール５とを備える。
まず、透明基板１ａ、１ｂとしては石英ガラス板を用いた。透明電極２ａ、２ｂ用の材料としては、ＩＴＯを用いた。透明電極２ａ、２ｂの形成は、ＩＴＯをスパッタリング法でシート抵抗値が３００Ω／□程度となる膜厚まで堆積し、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いてＩＴＯ膜をパターニングすることによって行った。
複屈折フレネルレンズ部材３ａ、３ｂ用の複屈折材料としては、異常光屈折率ｎｅが１．７７、常光屈折率ｎｏが１．５５の高分子液晶を用いた。複屈折フレネルレンズ部材３ａ、３ｂの形成は、以下のように行った。まず、膜厚３μｍの高分子液晶を、透明基板１ａ側で異常光屈折率方向が図１に示すＸ軸方向となり、透明基板１ｂ側で異常光屈折率方向が図１に示すＹ軸方向となるように透明電極２ａ、２ｂ上に形成した。ここで、透明基板１ａは入射側であり、透明基板１ｂは出射側である。また、複屈折材料としての高分子液晶は、厚さ方向に対し異常光屈折率方向がねじれていない。
複屈折材料としての高分子液晶を形成した後、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いて、複屈折材料としての高分子液晶をパターニングし、各ブレーズ輪を形成した。ここで、光源１０１の波長を６６０ｎｍとし、各ブレーズ輪の光軸方向の厚さを、図３に示す符号Ｆ２を用いて示す移相分布が得られるようにする。
次に、各複屈折フレネルレンズ部材３ａ、３ｂの表面に配向膜としてポリイミド膜を形成し（図示せず）、ラビング法によって配向処理を施した。ラビング方向は、各複屈折フレネルレンズ部材３ａ、３ｂの高分子液晶の異常光屈折率方向とした。
シール５用の材料としては、エポキシ樹脂系接着剤に直径４０μｍのガラス球をスペーサとして混入し、光学的有効領域の外周に図２に示すように印刷した後、熱圧着して基板間ギャップ４０μｍの液晶セルを作製した。この液晶セルに、液晶４として、真空注入によって、常光屈折率が１．５５、異常光屈折率が１．７７、誘電異方性（Δε）が１４のネマチック液晶を注入した。ネマチック液晶には、カイラルピッチが２００μｍとなるカイラル材を添加した。
上記の液晶セルに液晶４を注入した後、アクリル樹脂系接着剤を用いて注入口を封止して液晶回折レンズ素子１０を作製した。透明電極２ａ、２ｂの形成の際に、透明電極２ａ、２ｂに端子取り出し部２２ａ、２２ｂを設け、上記の端子取り出し部２２ａ、２２ｂにフレキシブル回路基板を接続し、周波数１０００Ｈｚの矩形交流波の電圧信号を発生する外部の電圧信号源２０を接続できるようにした。
上記のように構成された液晶回折レンズ素子１０に、波長６６０ｎｍで直線偏光（Ｘ軸方向またはＹ軸方向に偏光）のレーザ光を入射させたときの液晶回折レンズ素子１０の作用を以下に説明する。
まず、電圧を印加しない場合（印加電圧が０Ｖｒｍｓ）について説明する。この場合、液晶４は、複屈折フレネルレンズ部材３ａ、３ｂの近傍で異常光屈折率方向Ａ、Ｂに配向している。このとき、Ｘ軸方向に偏光しＺ軸方向に進行する光が液晶回折レンズ素子１０に入射すると、液晶４が複屈折フレネルレンズ部材３ａとの界面で異常光屈折率方向Ａ（Ｘ軸方向）に配向し、ｎｌｅ＝ｎｅとなっているため、同一の異常光屈折率を感じて複屈折フレネルレンズ部材３ａはフレネルレンズとして機能せず、入射光は複屈折フレネルレンズ部材３ａをそのまま通過する。一方、複屈折フレネルレンズ部材３ａを通過した光は、液晶４が複屈折フレネルレンズ部材３ｂ側まで連続的に捩れ９０度ツイストしているため、偏光方向が９０度旋光して入射する。そして、液晶４が複屈折フレネルレンズ部材３ｂとの界面で異常光屈折率方向Ｂ（Ｙ軸方向）に配向し、ｎｌｅ＝ｎｅとなっているため、同一の異常光屈折率を感じて複屈折フレネルレンズ部材３ｂはフレネルレンズとして機能せず、複屈折フレネルレンズ部材３ｂをそのまま通過する。その結果、Ｘ軸方向に偏光しＺ軸方向に進行する光は、偏光方向がＹ軸方向に変化するが、液晶回折レンズ素子のレンズ効果を受けずに通過する。
Ｙ軸方向に偏光しＺ軸方向に進行する光に関しては、以下のように作用する。すなわち、Ｙ軸方向に偏光しＺ軸方向に進行する光が液晶回折レンズ素子１０に入射すると、液晶４が複屈折フレネルレンズ部材３ａとの界面で異常光屈折率方向Ａ（Ｘ軸方向）に配向し、ｎｌｏ＝ｎｏとなっているため、同一の常光屈折率を感じて複屈折フレネルレンズ部材３ａはフレネルレンズとして機能せず、入射光は複屈折フレネルレンズ部材３ａをそのまま通過する。一方、複屈折フレネルレンズ部材３ａを通過した光は、液晶４が複屈折フレネルレンズ部材３ｂ側まで連続的に捩れ９０度ツイストしているため、偏光方向が９０度旋光して入射する。そして、液晶４が複屈折フレネルレンズ部材３ｂとの界面で異常光屈折率方向Ｂ（Ｙ軸方向）に配向し、ｎｌｏ＝ｎｏとなっているため、同一の常光屈折率を感じて複屈折フレネルレンズ部材３ｂはフレネルレンズとして機能せず、複屈折フレネルレンズ部材３ｂをそのまま通過する。その結果、Ｙ軸方向に偏光しＺ軸方向に進行する光は、偏光方向がＸ軸方向に変化するが、液晶回折レンズ素子のレンズ効果を受けずに通過する。したがって、電圧を印加しない場合には、偏光方向がＸ軸方向かＹ軸方向かにかかわらず、入射光は、液晶回折レンズ素子１０をそのまま通過する。
次に、実効値１０Ｖｒｍｓの電圧を印加し、液晶用４の配向が概ね基板面に対して垂直となった場合について説明する。このとき、Ｘ軸方向に偏光しＺ軸方向に進行する光が液晶回折レンズ素子１０に入射すると、液晶４と複屈折フレネルレンズ部材３ａとの界面で、液晶４側では常光屈折率を感じ、複屈折フレネルレンズ部材３ａ側では異常光屈折率を感じて屈折率差が生ずるため、複屈折フレネルレンズ部材３ａとしての作用を受け、発散光となって複屈折フレネルレンズ部材３ａを出射する。一方、複屈折フレネルレンズ部材３ａを出射した光は、液晶４と複屈折フレネルレンズ部材３ｂとの界面で、液晶４側および複屈折フレネルレンズ部材３ｂ側で常光屈折率を感じ、ｎｌｏ＝ｎｏとなっているため、同一の常光屈折率を感じ、複屈折フレネルレンズ部材３ｂをそのまま通過する。その結果、Ｘ軸方向に偏光しＺ軸方向に進行する光は、複屈折フレネルレンズ部材３ａの作用を受けて、発散光となって液晶回折レンズ素子１０を通過する。
Ｙ軸方向に偏光しＺ軸方向に進行する光に関しては、以下のように作用する。すなわち、Ｙ軸方向に偏光しＺ軸方向に進行する光が液晶回折レンズ素子１０に入射すると、液晶４と複屈折フレネルレンズ部材３ａとの界面で、液晶４側および複屈折フレネルレンズ部材３ａ側で常光屈折率を感じ、ｎｌｏ＝ｎｏとなっているため、同一の常光屈折率を感じ、複屈折フレネルレンズ部材３ａをそのまま通過する。一方、複屈折フレネルレンズ部材３ａを通過した光は、液晶４と複屈折フレネルレンズ部材３ｂとの界面で、液晶４側では常光屈折率を感じ、複屈折フレネルレンズ部材３ｂ側では異常光屈折率を感じて屈折率差が生ずるため、複屈折フレネルレンズ部材３ｂとしての作用を受け、発散光となって複屈折フレネルレンズ部材３ｂを出射する。その結果、Ｙ軸方向に偏光しＺ軸方向に進行する光は、複屈折フレネルレンズ部材３ｂの作用を受けて、発散光となって液晶回折レンズ素子１０を通過した。
上記のように、Ｘ軸方向に偏光した直線偏光の光とＹ軸方向に偏光した直線偏光の光とは、どちらも、電圧を印加しない場合（印加電圧が０Ｖ）にはスルーで液晶回折レンズ素子１０を通過し、実効値１０Ｖｒｍｓの電圧を印加した場合には発散光となるように切り替えられる液晶回折レンズ素子１０が得られた。
(実施例２)
本発明の第２の実施例に係る液晶回折レンズ素子３０について、その断面の拡大図である図４を用いて説明する。
透明基板１ａ、１ｂ（図示せず）として、屈折率１．４６、厚さ０．７ｍｍの石英ガラス基板を用い、一方の面をフォトリソグラフィとエッティング技術により、各輪帯部の深さが３．６μｍのフレネルレンズ形状にエッティングして屈折率調整部３ａ２および３ｂ２を作製する。
次に、屈折率調整部３ａ２、３ｂ２の上にスパッタリング法を利用して３００Ω／□のシート抵抗値を持ったＩＴＯ膜（図示せず）を透明電極として成膜し、フォトリソグラフィ、エッティング技術によりＩＴＯをパタニングして電極を作製する。
さらに、ＩＴＯ成膜面上に複屈折率材料として異常光屈折率（ｎｅ）１．７７、常光屈折率（ｎｏ）１．５５の高分子液晶を膜厚３．０μｍとなるよう成膜し、フォトリソグラフィとエッティング技術により図４に示す複屈折フレネルレンズ部材３ａ１、３ｂ１を作製する。ここで、複屈折フレネルレンズ部材３ａ１はＸ軸方向に、複屈折フレネルレンズ部材３ｂ１はＹ軸方向に高分子液晶の配向（異常光屈折率の方向）が揃っている。
さらに、複屈折フレネルレンズ部材３ａ１、３ｂ１の表面に配向膜としてポリイミドを成膜し（図示せず）、高分子液晶表面の配向処理方向が高分子液晶の異常光屈折率方向となるようラビング法により配向処理を施す。
次に、図２に示すように、直径４０μｍのファイバスペーサを混合したエポキシ接着材からなるシール５を外周に印刷した後、熱圧着して基板間ギャップ４０μｍのセルを作製する。
次に、このセルに真空注入法により、常光屈折率１．５、異常光屈折率１．６、誘電異方性（△ε）１０で、カイラルピッチ２００μｍとなるようにカイラル材が添加されたネマティック液晶を注入し、アクリル系接着材により注入口を封止して液晶回折レンズ素子３０を作製する。
このような液晶回折レンズ素子３０の構成とすることにより、複屈折フレネルレンズ部材３ａ１、３ｂ１と液晶４との屈折率が異なる場合でも、第１の実施例の液晶回折レンズ素子１０と同様の機能が実現できる。
(実施例３)
本発明の第３の実施例に係る液晶回折レンズ素子４０について、その断面である図５を用いて説明する。
透明基板１ａ、１ｂとして、屈折率１．４６、厚さ０．７ｍｍの石英ガラス基板上にスパッタリング法を利用して３００Ω／□のシート抵抗値を持ったＩＴＯ膜を透明電極として各々成膜し、フォトリソグラフィとエッティング技術によりＩＴＯ膜をパタニングして透明電極２ａ、２ｂを作製する。
次に、透明基板１ｂのＩＴＯ成膜面の反対面をフォトリソグラフィとエッティング技術により深さ０．２９μｍのフレネルレンズ形状に加工し、図５に示す位相調整面６を作製する。
さらに、ＩＴＯ成膜面上に複屈折率材料として異常光屈折率（ｎｅ）１．７７、常光屈折率（ｎｏ）１．５５の高分子液晶を膜厚３．３μｍとなるよう成膜し、フォトリソグラフィとエッティング技術により図５に示す複屈折フレネルレンズ部材３ａ、３ｂを作製する。ここで、複屈折フレネルレンズ部材３ａはＸ軸方向に、複屈折フレネルレンズ部材３ｂはＹ軸方向に高分子液晶の配向（異常光屈折率の方向）が揃っている。
さらに、複屈折フレネルレンズ部材３ａ、３ｂの表面に配向膜としてポリイミドを成膜し（図示せず）、高分子液晶表面の配向処理方向が高分子液晶の異常光屈折率方向となるようラビング法により配向処理を施す。
次に、図５に示すように、直径４０μｍのファイバスペーサを混合したエポキシ接着材からなるシール５を外周に印刷した後、熱圧着して基板間ギャップ４０μｍのセルを作製する。
次に、このセルに真空注入法により、常光屈折率１．５１、異常光屈折率１．７３、誘電異方性（△ε）１０で、カイラルピッチ２００μｍとなるようにカイラル材が添加されたネマティック液晶を注入し、アクリル系接着材により注入口を封止して液晶回折レンズ素子４０を作製する。
このような液晶回折レンズ素子４０の構成とすることにより、複屈折フレネルレンズ部材３ａ、３ｂと液晶４との屈折率が異なる場合でも、第１の実施例の液晶回折レンズ素子１０と同様の機能が実現できる。
(実施例４)
本発明の第４の実施例に係る液晶回折レンズ素子５０について、その断面である図６を用いて説明する。
第３の実施例に対して、位相調整部９が異なるが他の構成は同じである。
透明基板１ｂである石英ガラス基板のＩＴＯ成膜面と反対面をフォトリソグラフィとエッティング技術により深さ３μｍのフレネルレンズ形状に加工し、図６に示す位相調整面８ａを作製する。
次に、屈折率１．５０４のアクリル系光硬化型接着材を充填材８ｂとして用い、位相調整面８ａの凹部を充填し、併せて厚さ０．３ｍｍの石英ガラスからなる透明基板１ｃを張り合わせる。
このような液晶回折レンズ素子５０の構成とすることにより、複屈折フレネルレンズ部材３ａ、３ｂと液晶４との屈折率が異なる場合でも、第１の実施例の液晶回折レンズ素子１０と同様の機能が実現できる。
(実施例５)
本発明の実施例に係る光ヘッド装置１００について、図７を用いて説明する。本発明の実施例に係る光ヘッド装置１００は、所定の波長の光束を出射する光源１０１と、偏光方向に応じて光を通過または反射させる偏光ビームスプリッタ１０２、入射する光束を略平行光に変換するコリメーターレンズ１０３と、液晶回折レンズ素子１０と、１／４波長板１０４と、１／４波長板１０４を透過した光を光ディスク２００上に集光させる対物レンズ１０５、偏光ビームスプリッタ１０２で反射された光ディスク２００からの戻り光を検出する光検出器１０６とを備える。
ここで、対物レンズ１０５は、液晶回折レンズ素子１０を入射光がスルーで通過するときに、入射光が第１の情報記録面２００ａに集光するようになっている。液晶回折レンズ素子１０に電圧を印加しない場合（印加電圧が０Ｖｒｍｓ）、光ヘッド装置１００は、液晶回折レンズ素子１０を除いたときと実質的に同様に動作し、入射光が第１の情報記録面２００ａに集光する。
これに対して、液晶回折レンズ素子１０に実効値１０Ｖｒｍｓの電圧を印加した場合、液晶回折レンズ素子１０に入射した光は、液晶回折レンズ素子１０によって焦点距離が切り替えられて発散光となって液晶回折レンズ素子１０を通過し、１／４波長板１０４および対物レンズ１０５を通過し、光ディスク２００の第２の情報記録面２００ｂに集光する。光ディスク２００からの戻り光は、対物レンズ１０５を透過し、１／４波長板１０４によって入射光と偏光方向が９０度異なる直線偏光の光に変えられ、液晶回折レンズ素子１０によって焦点距離が切り替えられて透過する。液晶回折レンズ素子１０を透過した光は、コリメーターレンズ１０３を透過し、偏光ビームスプリッタ１０２で反射されて光検出器１０６に入射し、光検出器１０６に記録された情報が電気信号に変換される。
以上説明したように、本発明の実施の形態に係る液晶回折レンズ素子は、液晶に電界を印加して液晶の配向方向を切り替えることによって、第１の複屈折フレネルレンズ部材と第２の複屈折フレネルレンズ部材とが、それぞれ直交する偏光方向を有する光に対してフレネルレンズとして機能するため、往路光と復路光の両方の焦点距離を１つの素子で切り替えることができる。
また、少なくとも一方の複屈折フレネルレンズ部材の複屈折材料として高分子液晶を用いるため、複屈折フレネルレンズ部材の形成が容易であり、屈折率の調整が可能であるとともに高分子液晶のバリエーションが多いことによる設計自由度が高い。
また、印加電圧のオンオフの切替で各複屈折フレネルレンズ部材がフレネルレンズとして機能するか否かを切り替えられるため、印加電圧の制御を簡単にできる。
また、第１の複屈折フレネルレンズ部材の形状と、第２の複屈折フレネルレンズ部材の形状とが同一であるため、同じ倍率で焦点距離を変換することができる。
また、複屈折フレネルレンズ部材の異常光屈折率方向が基板面に垂直な方向に関してねじれているため、複屈折フレネルレンズ部材の凹凸部において液晶の配向方向と異常光屈折率方向とを一致させることができ、フレネルレンズとしての機能をより好適に発揮することができる。
また、液晶回折レンズ素子と位相板とが一体化しているため、調整が容易で、省スペースを図ることができる。
また、液晶の配向方向が、各複屈折フレネルレンズ部材との界面近傍において、近接する複屈折フレネルレンズ部材の異常光屈折率方向と一致しているため、フレネルレンズとしての機能をより好適に発揮することができる。
また、本発明の実施の形態に係る光ヘッド装置は、上記のいずれか１つ以上の効果を有すると共に、光利用効率を向上させることができる。
また、往路光の偏光方向が第１の複屈折フレネルレンズ部材の異常光屈折率方向と一致または直交するようになっているため、第１の複屈折フレネルレンズ部材がフレネルレンズとしての機能をより好適に発揮することができる。
本発明に係る液晶回折レンズ素子および光ヘッド装置は、往路光と復路光の両方の焦点距離を１つの素子で切り替えることができるという効果が有用な液晶回折レンズ素子および光ヘッド装置等として有用である。

なお、２００４年１０月１９日に出願された日本特許出願２００４−３０４２４９号の明細書、特許請求の範囲、図面及び要約書の全内容をここに引用し、本発明の開示として取り入れるものである。

Claims (12)

  1. 平行に配置された１対の透明基板と、
    １対の前記透明基板間に挟持された液晶と、
    前記液晶に電界を印加するための透明電極と、
    第１の前記透明基板と前記液晶との間に形成され、フレネルレンズの形状を有し、複屈折材料からなる第１の複屈折フレネルレンズ部材と、
    第１の前記透明基板に対向する第２の前記透明基板と前記液晶との間に形成され、フレネルレンズの形状を有し、複屈折材料からなる第２の複屈折フレネルレンズ部材とを備えた液晶回折レンズ素子において、
    前記第１の複屈折フレネルレンズ部材の異常光屈折率方向と前記第２の複屈折フレネルレンズ部材の異常光屈折率方向とが相互に直交し、
    前記液晶と第１の複屈折フレネルレンズ部材または透明電極との界面における前記液晶の配向方向と、前記液晶と第２の複屈折フレネルレンズ部材または透明電極との界面における前記液晶の配向方向とが直交するようになっていることを特徴とする液晶回折レンズ素子。
  2. 前記第１の複屈折フレネルレンズ部材の複屈折材料および前記第２の複屈折フレネルレンズ部材の複屈折材料の少なくとも一方が、高分子液晶からなる請求項１に記載の液晶回折レンズ素子。
  3. 前記液晶と各前記複屈折フレネルレンズ部材とが、同一の常光屈折率および同一の異常光屈折率を有する請求項１または２に記載の液晶回折レンズ素子。
  4. 前記第１の複屈折フレネルレンズ部材の形状と、前記第２の複屈折フレネルレンズ部材の形状とが同一である請求項１から３までのいずれか１項に記載の液晶回折レンズ素子。
  5. 前記第１の複屈折フレネルレンズ部材および前記第２の複屈折フレネルレンズ部材の異常光屈折率方向が、前記透明基板面に平行であると共に、前記透明基板面に垂直な方向に関してねじれている請求項１から４までのいずれか１項に記載の液晶回折レンズ素子。
  6. 透過する光の波長に対する位相差がπ／２の奇数倍である位相板と一体化している請求項１から５までのいずれか１項に記載の液晶回折レンズ素子。
  7. 前記液晶の配向方向が、各前記複屈折フレネルレンズ部材との界面近傍において、前記複屈折フレネルレンズ部材の異常光屈折率方向と一致している請求項１から６までのいずれか１項に記載の液晶回折レンズ素子。
  8. 前記複屈折フレネルレンズ部材の一部が等方性材料である請求項１から７までのいずれか１項に記載の液晶回折レンズ素子。
  9. 前記透明基板の少なくとも一方に、凹凸形状からなる位相調整面が一体化されている請求項１から８までのいずれか１項に記載の液晶回折レンズ素子。
  10. 前記位相調整面が屈折率の温度係数が異なる複数の材料により形成されている請求項９に記載の液晶回折レンズ素子。
  11. 光源と、前記光源から出射された光を光記録媒体上に集光させる集光手段と、前記光源と前記集光手段との間の光路上に配置された請求項１から１０までのいずれか１項に記載の液晶回折レンズ素子と、前記光記録媒体からの情報を読み出す光検出器とを備えたことを特徴とする光ヘッド装置。
  12. 前記光源側から前記液晶回折レンズ素子に入射する往路光の偏光方向が、前記液晶回折レンズ素子が有する各前記複屈折フレネルレンズ部材のうちの、前記往路光が入射する側に設けられた前記第１の複屈折フレネルレンズ部材の異常光屈折率方向と一致または直交するようになっている請求項１１に記載の光ヘッド装置。
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