液晶透镜元件及光学拾取头装置的制作方法

专利名称：液晶透镜元件及光学拾取头装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及液晶透镜元件，特别是涉及能够切换施加电压并根据大小来切换成不同的焦距的液晶透镜元件、以及装有该液晶透镜元件用于对光记录介质进行信息的记录及/或重放的光学头装置。
背景技术：
作为以光学方式读取信息的记录介质，开发了各种具有在入射侧表面形成的信息记录层、以及覆盖该信息记录层的由透明树脂构成的覆盖层的光记录介质(以后，称为「光盘」)，在该光盘中，已知有CD用光盘及DVD用光盘等。另外，开发了用于对该DVD用光盘进行信息的记录及/或重放(以下，称为「记录重放」)的光学头装置，在该光学头装置中，设置了作为光源的波长为660nm频带的半导体激光器、以及NA(数值孔径)为0.6至0.65的物镜等。
以往，对于DVD用光盘，开发了信息记录层为单层的覆盖厚度(覆盖层的厚度)为0.6mm的光盘(以下，称为「单层DVD光盘」)、以及信息记录层为两层(重放专用、或能够重放及记录)的光盘(以下，称为「双层DVD光盘」)等。在该双层DVD光盘中，信息记录层的间隔为55±15μm，在光入射侧的覆盖厚度为0.56mm至0.63mm处形成信息记录层。
因而，在采用具有对于覆盖厚度为0.6mm的单层DVD光盘进行最佳设计、使得像差为零的物镜的光学头装置中，进行双层DVD光盘的记录重放时，因覆盖厚度的不同，而相应产生球差，对信息记录层的入射光的聚焦性劣化。特别是在记录型的双重DVD光盘中，聚焦性劣化产生的问题是，导致记录时的聚焦功率密度降低，引起写入错误。
再有，近年来，为了提高光盘的记录密度，开发了覆盖厚度为100μm的光盘(以下，称为「单层BD光盘」)。另外，在用于该单层BD光盘的记录重放的光学头装置中，采用了作为光源的波长为405nm频带的蓝色光的半导体激光器、以及NA为0.85的物镜等。在利用该光学头装置对单层BD光盘进行记录重放时存在的问题是，若在单层BD光盘的面内，覆盖厚度有±5μm变化，则作为RMS(Root Mean Square方均根)波面像差，将产生约50mλ的大的球差，对信息记录层的入射光的聚焦性劣化。
再有，还开发了覆盖厚度为100μm及75μm的记录型的双层光盘(以下，称为「双层BD光盘」)，而在该双重BD光盘中存在的问题是，因覆盖厚度的不同而相应产生的大的球差将导致写入错误。
因此，以往作为校正因光盘的覆盖厚度的不同等而引起产生的球差用的方法，已知有下述公报所述的采用可动透镜组或液晶透镜的方法。
(I)例如，在特开2003-115127号公报中，为了使用可动透镜组来进行球差校正，提出一种图29所示那样的、进行光盘D的记录重放的光学头装置100。该光学头装置100除了具有光源110、各种光学系统120、受光元件130、控制电路140、及调制/解调电路150以外，还具有第1及第2可动透镜组160及170。另外，第1可动透镜组160中，具有凹透镜161、凸透镜162、及执行机构163。因而，通过使固定在执行机构163上的凸透镜162沿光轴方向移动，发现可动透镜组160的放大率从正(凸透镜)向负(凹透镜)连续变化的可变焦距透镜功能。通过将该可动透镜组160配置在光盘D的光路中，由于能够使入射光的聚焦点聚焦在光盘D的覆盖厚度不同的信息记录层，因此能够校正包含放大率分量的球差。
(II)另外，在特开平5-205282号公报中，为了校正因DVD用光盘与CD用光盘的覆盖厚度不同而引起产生的球差，还提出一种使用图30所示那样的液晶透镜200的光学头装置。该液晶透镜200具有在平坦的一面形成透明电极210及取向薄膜220的基板230、在轴对称的具有用半径r的取幂运算之和的式(1)描述的表面形状S(r)的曲面上，形成透明电极240及取向薄膜250的基板260、以及被夹在它们之间的向列型液晶270而构成。
式1S(r)＝a1r2+a2r4+a3r6…(1)其中，a1、a2、a3；常数r2＝x2+y2该液晶透镜200若在透明电极210与240之间施加电压，则液晶270的分子取向变化，折射率变化。其结果，根据基板260与液晶270的折射率之差，液晶透镜200的入射光的透射波面变化。
(III)另外，在特开平9-230300号公报中，由于发现不加厚液晶层、而相当于入射光的聚焦点变化的放大率分量也变化的实质上的透镜功能，因此提出一种光调制元件作为液晶透镜。其中，为了校正因DVD用光盘与CD用光盘的覆盖厚度不同而引起产生的球差，还提出一种使用该光调制元件的光学头装置。图31所示为该光调制元件300的侧视图。该光调制元件300具有实质上平行的两片透明基板310及320、以及夹在它们之间的液晶330，一块透明基板310的液晶侧的表面具有同心圆状的闪耀形状340。另外，在两片透明基板的液晶侧的表面形成电极350及取向膜360。对于该光导调制元件300，在不施加电场时，液晶330的取向方向实质上平行于透明基板，在施加电场时，取向方向实质上垂直于透明基板。
(IV)再有，在特开平9-189892号公报中，由于发现不加厚液晶层、而相当于入射光的聚焦点变化的放大率分量也变化的实质上的透镜功能，因此还提出一种图32所示的液晶衍射透镜400。
该液晶衍射透镜400在形成规定的锯齿状浮雕(relief)的基板410的单面形成透明电极420，利用该透明电极420与对向电极430夹住液晶层440。若对该电极420与430之间施加电压，则对于非常光偏振光，液晶层440的实质上的折射率从非常光折射率ne向寻常光折射率no变化。这里，所谓实质上的折射率，意味着液晶层的厚度方向的平均折射率。
设具有锯齿状浮雕结构的基板410的折射率为n1，入射光的波长为λ，这时形成锯齿状浮雕的槽深d满足下式的关系，d＝λ/(ne-n1)通过这样，在不施加电压时，能够以波长λ得到最大衍射效率，形成衍射透镜。另外，即使入射光的波长λ变化，也能够调整施加电压，使得以波长λ形成最大衍射。
对于这样构成的液晶衍射透镜400，由于只要在液晶层440充填液晶，使得埋入锯齿状浮雕的槽内即可，因此与使用前述的图30所示的液晶透镜200来校正包含放大率分量的球差的类型的液晶层相比，液晶层440可以较薄。
但是，对于(I)的特开2003-115127号公报所述的发明，在使用该可动透镜组160时存在的问题是，必须要一对透镜161、162及执行机构163，将导致光学头装置100大型化，同时为了使透镜可动，其机构设计复杂。
另外，对于(II)的特开平5-205282号公报所述的发明，基板260的折射率与不施加电压时的液晶270相等。因而，在该不施加电压时的情况下，入射光的透射波面不变化。另外，若在透明电极210与240之间施加电压，则基板260与液晶270产生折射率差Δn，产生相当于Δn×S(r)(这里，S(r)参照式(1))的透射光的光程长差分布。因而，加工基板260的表面形状S(r)，以校正因光盘D的覆盖厚度的不同而引起产生的球差，能够根据施加电压相应调整折射率差Δn，从而进行像差校正。
但是，在图30所示的液晶透镜的情况下，由于液晶270的折射率相对于施加电压的变化最大为0.3左右，因此为了产生相当于使入射光的聚焦点变化的放大率分量的大的光程长差分布Δn×S(r)，必须加大S(r)的凹凸差。其结果，液晶270的层变厚，对电压的响应速度变慢。特别是，在单层及双层的DVD光盘和BD光盘的记录重放中存在的问题是，因覆盖厚度的差异或单层与双层的记录层的切换而产生的波面像差的校正必须要1秒以下的响应性。
因此，若仅校正除去放大率分量的球差，则由于能够减少像差校正量即光程长差分布，因此能够减薄液晶层，对高速响应是有效的。但是，在为了仅校正球差而加工基板260的表面形状S(r)的情况下，当将入射光聚焦在光盘的信息记录层的物镜的光轴与液晶透镜的光轴产生偏心时，将产生彗差。特别是，在物镜沿光盘的半径方向进行移动±0.3mm左右的跟踪动作时产生的问题是，随着与液晶透镜的偏心而产生大的像差，对信息记录层的聚焦性劣化，不能进行记录重放。
另外，对于(III)的特开平9-230300号公报所述的发明，通过采用使液晶的寻常光折射率no及非常光折射率ne的某一方与透明基板的闪耀形状340的折射率实质上相等的构成，从而在不施加电场时和施加电场时，液晶330与闪耀形状340的折射率差从Δn(＝ne-no)变化到零。另外，通过形成折射率no的闪耀形状的凹凸部的深度，使得在不施加电压时满足Δn×(凹凸部的深度)＝(真空中的光的波长)的关系，从而在不施加电压时，得到实质上100％的衍射效率，起到作为菲涅尔透镜的功能。另外，在施加电压时，液晶330的折射率为no，不起到作为菲涅尔透镜的功能，光全部透过。其结果，通过切换对光调制元件300的电极350所加的电压，能够切换两个焦点。通过将这样的光调制元件300装在光学头装置上使用，能够改善对DVD用及CD用的覆盖厚度不同的光盘的信息记录层的聚焦性。通过这样，使用DVD用的物镜，能够进行DVD用及CD用的光盘的记录重放。因而，通过使用该光调制元件300，由于能够利用施加电压的切换来进行两值的焦点切换，因此较好。例如，双层BD光盘的覆盖厚度的标准中心为100μm及75μm，对于该厚度的覆盖，能够进行校正。
但是，该光调制元件的焦点位置难以进行微调。因此，虽然在覆盖厚度为100μm及75μm时有效，但对于作为光盘的制造误差而存在的覆盖厚度，则不可能完全进行减少像差的校正。具体来说，若相对于标准中心的厚度分别为100±5μm、75±5μm，即覆盖厚度变化±5μm时，产生的球差为50mλrms，再进一步变化±10μm时，产生的球差为100mλrms，这样大的像差就不能减少。这样，往往不能完全校正因覆盖厚度的不同而相应产生的大的球差，导致写入错误及读入错误，希望有一种有效的改善方法。
另外，对于(IV)的特开平9-189892号公报所述的发明，在该液晶衍射透镜400中，由于锯齿状浮雕结构与液晶的折射率差与施加电压一起变化，仅在折射率差与锯齿状浮雕的槽深d之积成为前述波长λ的整数倍的状态下，波面连续连接，能够得到放大率分量，因此产生的放大率只能根据电压相应地离散变化。
另一方面，一般情况下，光盘的覆盖厚度因制造误差而有差异。特别是，在具有NA为0.85的物镜的光学头装置中，由于因覆盖厚度的差异而产生的球差与物镜NA的4次方成正比，因此对于因覆盖厚度的制造误差的原因而产生的球差，必须进行适当校正。所以，对于只能得到离散的放大率分量的液晶衍射透镜400，难以对覆盖厚度的制造误差进行适当校正。
再有，在图30至图32所示的液晶透镜中，由于液晶取向相同，因此对于液晶的寻常光折射率敏感的偏振光，不能通过施加电压使透射波面变化。由于DVD或高密度光盘的记录重放中使用的光学头装置一般使用偏振光光学系统，因此产生的问题是，只有具有正交偏振光的去程光(向光盘去的光)及回程光(从光盘反射的光)的某一路光能够校正球差。
本发明的目的在于提供一种液晶透镜元件，该液晶透镜元件能够实现无可动部分的小型元件，同时具有能够根据施加电压相应切换两值以上的多值焦距的透镜功能。
另外，本发明的目的在于提供一种液晶透镜元件，该液晶透镜元件是液晶层薄的液晶元件，同时具有能够根据施加电压的大小相应进行包含相当于稳定的入射光的聚焦点变化的放大率分量的球差校正的透镜功能。
再有，本发明的目的在于提供一种光学头装置，该光学头装置通过使用上述的液晶透镜元件，能够校正因单层及双层光盘的覆盖厚度的差异而引起产生的球差，进行稳定的记录及/或重放。

发明内容
本发明揭示以下的内容。
1.一种液晶透镜元件，具有至少1个液晶层；以及以将该液晶层夹在中间的方式对向配置的第1透明基板及第2透明基板，前述第1透明基板包含透明电极；以及具有对于光轴有旋转对称性的锯齿状截面形状或以阶梯形状形成近似锯齿而成的截面形状的、由透明材料形成的凹凸部，前述第2透明基板包含透明电极。
2.一种光学头装置，具有光源；使来自该光源的出射光聚焦在光记录介质上用的物镜；检测聚焦在前述光记录介质上并反射的光的光检测器；以及配置在前述光源与前述物镜之间的光路中的上述1所述的液晶透镜元件。
3.一种液晶透镜元件，是至少将第1及第2的两片基板对向配置，根据对夹在前述基板间的液晶层施加的电压的大小使透过前述液晶层的光的聚焦点变化的液晶透镜元件，在前述第1基板的一个面上形成第1透明电极、以及具有锯齿形状或以阶梯形状形成近似锯齿而成的截面形状的由透明材料形成的凹凸部，该等凹凸部被形成为以入射光的光轴为中心的多个环带状，在前述第2基板的一个面上形成第2透明电极，前述第1及第2透明电极的至少一方分割成环带状的电极段，前述电极段的环带状的分割位置与前述第1基板的前述锯齿状的凹凸部的环带状的分割位置一致。
4.如上述3所述的液晶透镜元件，前述各电极段、以及与该电极段相邻的电极段，用电阻体电连接。
5.如上述3或4所述的液晶透镜元件，前述各电极段和在其内周侧相邻的电极段之间的电阻值，为前述各电极段和在其外周侧相邻的电极段之间的电阻值的2倍。
如上述3至5的任一项所述的液晶透镜元件，前述第1基板上形成的凹凸的深度与前述第2基板和前述凹凸的凸部的间隔相等。
6.一种光学头装置，具有光源；使来自该光源的出射光聚焦在光记录介质上用的物镜；将利用该物镜聚焦并利用前述光记录介质反射的光进行分光的分光镜；检测前述被分光的光的光检测器；以及配置在前述光源与前述物镜之间的光路中的上述3至5的任一项所述的液晶透镜元件。
7.一种液晶透镜元件，是根据对液晶层施加的电压的大小，使透过前述液晶层的光的聚焦点变化的液晶透镜元件，具有第1菲涅尔透镜部、第2菲涅尔透镜部、以及电极透镜部，前述第1菲涅尔透镜部具有利用一对透明基板夹住的第1液晶层；为了对该第1液晶层施加电压而在前述透明基板的表面分别设置的对向的电极对；以及具有对于前述光的光轴有旋转对称性的锯齿状截面形状或利用阶梯形状来近似锯齿的截面形状的、在前述对向的电极对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菲涅尔透镜部具有利用一对透明基板夹住的第2液晶层；为了对该第2液晶层施加电压而在前述透明基板的表面分别设置的对向的电极对；以及具有对于前述光的光轴有旋转对称性的锯齿状截面形状或利用阶梯形状来近似锯齿的截面形状的、在前述对向的电极对的至少一方的上表面由透明材料形成的第2凹凸部，前述电极透镜部具有利用一对透明基板夹住的第3液晶层；以及为了对该第3液晶层施加电压而在前述透明基板的表面对向设置的、其中至少一方是由低电阻电极与高电阻平面电极组成的复合电极的电极对，前述第1、第2、第3液晶层是在不施加电压时平行取向，或者施加电压时平行取向的向列型液晶，前述第1液晶层的寻常光折射率方向与前述第2液晶层及前述第3液晶层的非常光折射率方向一致。
8.如上述7所述的液晶透镜元件，设置在前述电极透镜部的对向的电极的双方是前述复合电极，前述一方的复合电极由高电阻平面电极与条状配置的多个低电阻电极组成，同时前述另一方的复合电极由高电阻平面电极与沿垂直于前述低电阻电极的配置方向的方向条状配置的多个低电阻电极组成。
9.如上述7或8所述的液晶透镜元件，形成前述第1、第2凹凸部的前述透明材料的折射率与前述第1液晶层及第2液晶层的寻常光折射率相等。
如上述7至9的任一项所述的液晶透镜元件，前述第1菲涅尔透镜部、第2菲涅尔透镜部与电极透镜部进行层叠形成一体，同时前述第1、第2、第3液晶层分别设置在互相对向的4片透明基板形成的3个基板间隙中。
10.如上述7至9的任一项所述的液晶透镜元件，将对于前述光的波长的位相差为π/2的奇数倍的位相板形成一体。
11.如上述7所述的液晶透镜元件，前述液晶透镜元件的电极透镜部由第1电极透镜部及第2电极透镜部组成，前述第1电极透镜部具有利用一对透明基板夹住的前述第3液晶层；以及为了对该第3液晶层施加电压而在透明基板的表面设置的、其中至少一方是由低电阻电极与高电阻平面电极组成的复合电极的对向的电极对，前述第2电极透镜部具有利用一对透明基板夹住的第4液晶层；以及为了对该第4液晶层施加电压而在透明基板的表面设置的、其中至少一方是由低电阻电极与高电阻平面电极组成的复合电极的对向的电极对，前述第1、第2、第3、第4液晶层是在不施加电压时平行取向，或者施加电压时平行取向的向列型液晶，第1液晶层的寻常光折射率方向与第2、第3液晶层的非常光折射率方向及第4液晶层的寻常光折射率方向一致。
12.如上述11所述的液晶透镜元件，设置在前述电极透镜部的对向的电极的一方是前述复合电极，该复合电极由高电阻平面电极与以前述光的光轴为中心的多个同心圆形状形成的低电阻电极组成。
13.如上述11所述的液晶透镜元件，设置在前述电极透镜部的对向的电极的双方是前述复合电极，一方的前述复合电极由高电阻平面电极与条状配置的多个低电阻电极组成，同时另一方的前述复合电极由高电阻平面电极与沿垂直于前述低电阻电极的配置方向的方向条状配置的多个低电阻电极组成。
如上述11至13的任一项所述的液晶透镜元件，形成前述第1、第2凹凸部的前述透明材料的折射率与前述第1液晶层及第2液晶层的寻常光折射率相等。
如上述11至13的任一项所述的液晶透镜元件，将前述第1菲涅尔透镜部与第2菲涅尔透镜部进行层叠形成一体，同时将前述第1电极透镜部与第2电极透镜部进行层叠形成一体。
14.一种光学头装置，具有光源；使来自该光源的出射光聚焦在光记录介质上用的物镜；检测聚焦在前述光记录介质上并反射的光的光检测器；以及配置在前述光源与前述物镜之间的光路中的上述7至13的任一项所述的液晶透镜元件。
如上述14所述的光学头装置，在从前述光源到前述光记录介质的光的光路上，入射前述液晶透镜元件的来自前述光源的光的偏振光方向、与前述液晶透镜元件的第3液晶层的非常光折射率方向一致。
一种光学头装置，配置光源；使来自该光源的出射光聚焦在光记录介质上用的物镜；以及在光源与物镜之间的光路中的上述7至13的任一项所述的液晶透镜元件。
15.提供一种光学头装置，至少包含光源；使来自该光源的出射光聚焦在光记录介质的信息记录层上的物镜；接受所述信息记录层的反射光的光检测器；以及从光源到光记录介质的去程光束与所述信息记录层的反射光到光检测器的回程光束分离的分光镜，由通过一体层叠所述第1菲涅尔透镜部和第2电极透镜部而形成的去程用液晶透镜元件、以及通过一体层叠所述第2菲涅尔透镜部和第1电极透镜部而形成的回程用液晶透镜元件组成的权利要求7至13的任一项所述的液晶透镜元件中的所述去程用液晶透镜元件被设置在光源与分光镜之间的光路中，所述回程用液晶透镜元件被设置在分光镜与光检测器之间的光路中。
根据本发明，能够实现根据施加电压的大小使透射波面相应连续变化、连续可变焦距液晶透镜。
另外，根据本发明，通过光学头装置中具有该液晶透镜，能够校正由覆盖厚度不同的光盘产生的像差。再有，能够实现对元件的输入端子数也少(3端)、控制性好、小型化、低成本的光学头装置。
再有，在本发明的液晶透镜元件具有的第1及第2菲涅尔透镜部中，由于对具有锯齿状或利用阶梯形状来近似锯齿的截面形状的凹部充填液晶，因此尽管能够产生比较大的放大率分量，但能够减薄液晶层的厚度，能够实现低电压驱动及高速响应。再有，由于第1与第2液晶层的非常光折射率方向垂直，因此与入射偏振光的方向无关，能够实现稳定的球差校正。另外，根据本发明，利用液晶透镜元件具有的电极透镜部能够连续使放大率分量变化。
因而，在具有这样的液晶透镜元件的光学头装置中，不仅能够校正因双层光盘的覆盖厚度的不同而引起产生的球差，还能够有效地校正因覆盖厚度的差异而引起产生的球差。另外，即使在跟踪时物镜与液晶透镜元件产生偏心的情况下，也由于像差劣化少，因此能够提供可稳定进行记录及/或重放的光学头装置。


图1所示为本发明有关实施形态的液晶透镜元件的构成侧视图。
图2(A)所示为构成图1所示的液晶透镜元件的第1基板的凹凸部的锯齿状环带平面图，(B)所示为构成第2基板的透明电极的环带电极段的平面图。
图3所示为利用本发明的液晶透镜生成的透射波面的光程长差的一个例子的曲线图，α为将横轴作为半径r、以波长λ为单位表示光程长差的曲线，β为从α减去波长λ的整数倍、作为-λ以上零以下的光程长差的曲线，γ所示为对于光程长差为零的面、与β面对称的光程长差的曲线。
图4所示为切换对液晶透镜元件的施加电压时的作用的侧视图，(A)所示为施加电压V+1时的收敛透射波面，(B)所示为施加电压V0时的没有波面变化的透射波面，(C)所示为施加电压V-1时的发散透射波面。
图5所示为利用本发明的液晶透镜生成的透射波面的光程长差的一个例子的曲线图，α为将横轴作为半径r、以波长γ为单位表示光程长差的曲线，β2为从α减去波长2λ的整数倍、作为-2λ以上零以下的光程长差的曲线，β1所示为β2的光程长差的一半的光程长差的曲线，γ1所示为对于光程长差为零的面、与β1面对称的光程长差的曲线，γ2所示为对于光程长差为零的面、与β2面对称的光程长差的曲线。
图6所示为将对本发明的液晶透镜元件的施加电压作为中间值时的光程长差的一个例子的曲线图。
图7所示为每个环带改变对本发明的液晶透镜元件的施加电压时的光程长差的一个例子的曲线图。
图8所示为每个环带改变对本发明的液晶透镜元件的施加电压的施加电压的一个例子的曲线图。
图9所示为本发明的液晶透镜元件的第2电极的环带状的段与电阻体的连接的示意平面图。
图10所示为本发明的液晶透镜元件的第2电极的环带状的段与电阻体的接线状态的示意平面图。
图11所示为本发明的液晶透镜元件的构成侧视图。
图12所示为将液晶透镜元件层叠、使得液晶分子的取向方向互相垂直的本发明的液晶透镜元件的其它构成例的侧视图。
图13所示为装有本发明的液晶透镜元件的本发明的光学头装置的构成图。
图14所示为本发明的第2实施形态有关的液晶透镜元件的剖视图。
图15为本发明的第2实施形态有关的液晶透镜元件的菲涅尔透镜部的俯视图。
图16为本发明的第2实施形态有关的液晶透镜元件的电极透镜部的俯视图。
图17所示为利用本发明的液晶透镜元件生成的透射波面的位相差的曲线图，P1、P2为将横轴作为半径r、以波长λ为单位表示位相差的曲线，F1、F2为从P1、P2加减波长λ的整数倍、作为零以上λ以下的位相差的曲线。
图18为本发明的液晶透镜元件的剖视图中的菲涅尔透镜部的放大图。
图19所示为切换对本发明的液晶透镜元件的菲涅尔透镜部的施加电压时的作用的剖视图，(A)所示为施加电压V+1时的收敛透射波面，(B)所示为施加电压V0时的没有波面变化的透射波面，(C)所示为施加电压V-1时的发散透射波面。
图20所示为本发明的液晶透镜元件的电极透镜部产生的位相差分布的示意图，α所示为作为目标的位相差，β所示为电极透镜部产生的位相差。
图21(A)(B)分别为构成本发明的第3实施形态有关的液晶透镜元件的电极透镜部的复合电极的俯视图。
图22所示为本发明的光学头装置的一个例子的构成图。
图23所示为本发明的液晶透镜元件的第5实施形态的剖视图。
图24所示为本发明的液晶透镜元件的第6实施形态的剖视图。
图25所示为本发明的光学头装置的其它一个例子的示意图。
图26所示为本发明的光学头装置中的液晶透镜元件的菲涅尔透镜效率的说明图。
图27所示为本发明的光学头装置中的波面像差与覆盖厚度的关系的说明图。
图28所示为本发明的液晶透镜元件的第7实施形态的、第4实施例中的液晶透镜元件的菲涅尔衍射效率的说明图。
图29所示为安装可动透镜组作为球差校正元件的以往的光学头装置的构成图。
图30所示为以往的液晶透镜构成例的侧视图。
图31所示为以往的光调制元件(液晶衍射透镜)构成例的侧视图。
图32所示为以往的液晶衍射透镜构成例的剖视图。
标号说明10、70、80液晶透镜元件10A第1菲涅尔透镜部10B第2菲涅尔透镜部10C(第1)电极透镜部10D(第2)电极透镜部11、12、13、13A、13B、13C、14透明基板15、16、17、18、19、19B透明电极15A～18A电极取出部19A电极取出部20、20B复合电极21、22、23、23B密封24、25、26、26B液晶层27、28凹凸部29导通连接单元30、30A、30B、30C、30D外部信号源31～34低电阻电极31A～34A电极取出部35高电阻平面电极40、50复合电极45、55高电阻平面电极41～44、51～54低电阻电极61半导体激光器62偏振光分光镜63准直透镜64液晶透镜元件651/4波片66物镜67柱面透镜68光检测器70A菲涅尔透镜部
70B电极透镜部80A去程用液晶透镜部80B回程用液晶透镜部501半导体激光器(光源)502衍射光栅503分光镜504准直透镜505物镜506光检测器507位相板510、520、530液晶透镜元件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)透明电极514、514C、514D(第2)透明电极514A电极段515、515A、515B密封516液晶层(液晶)517凹凸部518驱动电源电路519A、519B、519C驱动电源供给用的端子电极551电阻体554引出电极554B、5546、…、554I端部电极540光学头装置D光盘D1第1记录层D2第2记录层具体实施方式
(第1实施形态)
以下，参照

本发明的实施形态。
图1所示为与本发明的第1实施形态有关的液晶透镜元件510，该液晶透镜元件510具有透明基板511及512(以下，称为第1及第2基板511及512)、以及透明电极513及514，并具有密封515、液晶层(液晶)516、凹凸部517、以及驱动电源电路518。
液晶层516使用具有寻常光折射率no及非常光折射率ne(这里，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的截面凹凸形状。该凹凸部517最好具有锯齿状或利用阶梯形状来近似锯齿的形状，在有效直径φ的区域内相对于入射光的光轴(Z轴)具有旋转对称性。
下面，在图2(A)、(B)中，所示为第1基板511及第2基板512的平面图。
在第1基板511上，以同心状形成多个由锯齿状的环带构成的凹凸部517，同时在该凹凸部517的表面(外面)设置以同心状形成多个锯齿状的环带的透明电极513。
另外，在第2基板512上设置分割成环带状的电极段514A(透明电极514)，以便能够施加不同的电压。该电极段514A与第1基板511的凹凸部517的各半径相对应进行分割。
另外，对该透明电极513及透明电极514设置从元件外部供给驱动电源用的端子电极519A～519C。这里，为了简化说明起见，以将第2电极分割成环带状的电极段为例进行说明，但即使将第1基板的电极分割成环带状也没有问题。
下面，详细说明液晶层516的向列型液晶分子的取向方向。关于该向列型液晶分子的取向方向，例如有以下三种。
i)均匀取向在液晶的非常光折射率方向的相对介电常数与寻常光折射率方向的相对介电常数之差、即介电常数各向异性Δε为正时，在图1中，在透明电极513及514的表面涂布液晶分子的取向方向分别为实质上平行于第1及第2基板511及512面的聚酰亚胺等取向膜(未图示)，若固化后沿X轴方向进行摩擦处理，则成为液晶分子的取向方向沿X轴方向(即，非常光折射率ne的方向)一致的均匀取向。另外，除了聚酰亚胺的摩擦处理以外，也可以使用SiO斜蒸镀膜或光取向膜等，使液晶分子的取向一致。这里，通过对透明电极513及514施加交流电压V，对于具有X轴方向的偏振光面的直线偏振光的入射光，则液晶层516的实质上的折射率n(V)从n1＝ne变化到n2＝no。
根据该构成，由于液晶层516能够以低电压得到实质上的折射率有大的变化，因此能够将形成凹凸状的透明电极513的基板面的凹凸部517的最大深度d采用比较小的值。其结果，能够缩短凹凸部517的形成工序，同时由于能够减薄液晶层516，因此可实现高速响应。
ii)混合取向为了得到该取向，首先，在凹凸部517上的透明电极513的表面涂布液晶分子的取向方向为实质上垂直于基板面的聚酰亚胺等取向膜(未图示)后，使其固化。另外，在平坦的透明电极514的表面涂布液晶分子的取向方向为实质上平行于基板面的聚酰亚胺等取向膜(未图示)后，进行固化，然后，沿X轴方向进行摩擦处理。其结果，液晶分子的取向方向在凹凸部517的透明电极513与实质上垂直于基板面的方向一致，而在透明电极514与实质上平行于基板面的方向一致，成为上述这样的混合取向。虽然在凹凸部517的表面难以利用摩擦实施均匀的取向处理，但在这种情况下，由于对凹凸部517不要进行取向处理，因此容易得到均匀的液晶取向。这里，通过对透明电极513及514施加交流电压V，对于具有X轴方向的偏振光面的直线偏振光的入射光，则液晶层516的实质上的折射率n(V)从n1(ne+no)/2变化到n2＝no。
根据该构成，由于液晶层516的取向利用在平坦的透明电极514的基板面上的进行了取向处理的取向膜来规定，因此即使不进行凹凸状的透明电极513的基板面上的取向膜的取向处理，液晶层516的取向方向也稳定。其结果，能够减少因基板面的取向不良而引起的透射光的效率劣化。
iii)垂直取向为了得到该取向，使用液晶的取向沿与电场方向垂直的方向一致的介电常数各向异性Δε为负的液晶，首先，在透明电极513及514的表面涂布液晶分子的取向方向为实质上垂直于基板面的聚酰亚胺等取向膜(未图示)后，使其固化。再仅对透明电极514的取向膜沿X轴方向进行摩擦处理。其结果，液晶分子的取向方向成为与实质上垂直于凹凸部517的透明电极513及514的基板面的方向一致的垂直取向。由于不需要对凹凸部517的表面实施取向处理，因此容易得到均匀的液晶取向。这里，通过对透明电极513及514施加交流电压V，对于具有X轴方向的偏振光面的直线偏振光的入射光，则液晶层的实质上的折射率n(V)从n1＝no变化到n2＝ne。
根据该构成，由于液晶层516能够以低电压得到实质上的折射率有大的变化，因此能够将形成凹凸状的透明电极513的基板面的凹凸部517的最大深度d采用比较小的值。其结果，能够缩短凹凸部517的形成工序，同时由于能够减薄液晶层516，因此可实现高速响应。再有，由于液晶层516的取向利用在透明平坦电极514的基板面上的进行了取向处理的取向膜来规定，因此即使不进行凹凸状的透明电极513的基板面上的取向膜的取向处理，液晶层516的取向方向也稳定。其结果，能够减少因基板面的取向不良而引起的透射光的效率劣化。
下面，说明该液晶透镜元件510的制造顺序的一个例子。
首先，在第1基板511的一个平坦面上，用折射率ns的透明材料，形成截面为锯齿状或利用阶梯形状来近似锯齿的形状的凹凸部517。再在该凹凸部517的表面形成透明电极513。这里，以在凹凸部517的表面形成透明电极513的例子来说明，但也可以形成在凹凸部513与基板511之间。
接着，如图2(B)所示，形成分割成环带状的电极514，并对基板512印刷混入了间隔控制材料的粘接材料，形成图形，这样形成密封515，与前述的透明基板511重叠，进行压接，制成空盒。这时，设第1基板511的凹凸部517的凸部与基板512的间隔为g。从设置在密封515的一部分的注入口(未图示)注入具有寻常光折射率no及非常光折射率ne(这里，no≠ne)的向列型液晶516，封接该注入口，将液晶516密封在盒内，制成本实施形态的液晶透镜元件510。在图中虽省略，但最好在透明电极514的表面形成膜厚10～200nm左右的透明绝缘体膜，以防止短路，这样制成液晶的取向膜。
这样，在对凹凸部517的至少凹部充填液晶后，将图示外的交流电源与驱动电源电路518连接。作为该连接方法，是在透明基板511一侧形成驱动电源供给用的端子电极519B及519C，同时预先将导电性金属粒子混入密封515，进行密封压接，通过这样在密封厚度方向显现导电性，使透明电极514与端子电极519B、519C导通。另外，将驱动电源电路518与这些端子电极519B、519C连接，从而能够对液晶层516施加电压。
这样，完成液晶透镜元件510。
另外，在该液晶透镜元件510的制造中，对于由透明材料制成的凹凸部517，可以用紫外线固化树脂、热固化树脂、或感光性树脂等有机材料形成，也可以用SiO2或Al2O3或SiOxNy(这里，x及y表示O及N的元素比例)等无机材料形成。另外，该凹凸部517可以用均匀折射率材料形成，也可以用双折射材料形成。总之，该凹凸部517只要对于根据施加电压相应产生液晶层516的折射率变化的入射光的偏振光方向，用n1与n2之间的折射率ns的透明材料形成即可。
另外，该凹凸部517是在第1基板511的平坦面形成规定膜厚的透明材料层之后，可以利用光刻或反应性离子刻蚀加工成凹凸状，也可以使用金属模具对透明材料层转印凹凸部形状。另外，为了使液晶层516对于施加电压得到实质上的折射率有大的变化，在该凹凸部517的凹部充填的液晶层516的分子的取向方向最好在透明电极513及514的面上一致。
对于这样形成的本实施形态的液晶透镜元件510，若使用交流电源，对透明电极513及514施加矩形波的交流电压，则液晶的分子取向变化，液晶层516的实质上的折射率从n1变化到n2(n1≠n2)。其结果，对于入射光的特定的直线偏振光，根据施加电压的大小，相应地液晶与凹凸部517的折射率差Δn(V)变化，液晶透镜元件510的透射光的波面变化。这里，液晶层516的所谓「实质上的折射率」，意味着对于入射光的偏振光方向的、由透明电极513与514夹着的液晶层516的平均折射率，相当于平均折射率＝(液晶层光程长)÷(液晶层厚度)。
下面，详细说明锯齿状或利用阶梯形状来近似锯齿的凹凸部517的截面形状。
将本发明的液晶透镜元件510装在光学头装置中，在入射液晶透镜元件510的平面波的透射波面中，设通过对于光轴中心(坐标原点x＝y＝0)的光线仅离开半径r的长度的位置的光线的光程长差OPD满足式(2)那样的幂级数。
式2OPD(r)＝a1r2+a2r4+a3r5+a4r8+……(2)其中，r2＝x2+y2a1、a2、…；常数根据这样的构成，能够生成校正因光盘的覆盖厚度的不同而引起产生的球差的透射波面，同时能够生成赋予正或负的放大率分量的透射波面，使得对于与物镜的偏心不产生像差。
这里，对于式(2)的曲线的具体形状，在图3中用标号α表示。另外，横轴表示半径r，纵轴以入射光的波长λ为单位表示光程长差OPD。
对于波长λ的入射光，具有λ的整数倍的光程长差的透射波面可看成相等。因而，将图3的用α表示的曲线(光程长差)以波长λ为间隔进行分割，表示对光程长差为零的面投影的光程长差的曲线β，实质上与曲线α相等。曲线β表示的光程长差全部是λ以内(在图中为-λ到零的范围)，截面成为锯齿状。
下面，有关截面为锯齿状的凹凸部517的深度d则如下所述。
首先，说明将第2基板512的透明电极514的被分割的全部电极段设为同电位的情况。在这种情况下，对于凹凸部517的凸部与第2基板512的间隔g(以下，将该间隔称为「盒间隔」)中的液晶，在对分割电极段514A施加的电位相等时，则施加实质上同一电压。因此，由于仅使透射光的波面同样位移，所以在这种情况下，该盒间隔内的液晶的折射率变化可以忽略。
在透明电极513与514之间施加电压时，若设液晶层516(液晶)对于非常光偏振光的光的实质上的折射率为n(V)，则由透明材料形成的液晶层516与凹凸部517的折射率差为Δn(V)＝n(V)-ns。例如，在施加电压V+1下，为了生成相当于图3的曲线β的透射波面的光程长差，只要将图1所示的凹凸部517的深度d设置为满足式(3)的关系的值即可。
式3d＝λ/|Δn(V+1)| …(3)式中，λ；入射光的波长Δn(V+1)＝n(V+1)-ns＝n1-nsn1、ns；折射率这里，通过使施加电压V变化，从而折射率差Δn(V)变化。例如，i)在成为Δn(V0)＝0的施加电压V0的情况下，液晶透镜元件10的透射波面不变化。另外，ii)在成为Δn(V-1)＝-Δn(V+1)的施加电压V-1的情况下，产生图3的曲线γ所示的光程长差的透射波面。这相当于对于光程长差为零的面、与图3的曲线β面对称的光程长差的透射波面。
这样，利用施加电压，能够形成无透射波面变化、图3的曲线β及γ的波面状态的情况的三种波面状态。另外，若使折射率ns与n1或n2实质上相等，则透射波面能够形成无透射波面变化、及β或γ的状态的任一种状态的两种波面状态。
另外，图5的曲线α与图3的曲线α相同，是表示用式(2)所示的光程长差OPD的曲线。将图5的曲线α以波长λ的2倍间隔(即，2λ)进行分割，图5的曲线β2表示对光程长差为零的面投影的光程长差。该曲线β2，实质上与曲线α相等，曲线β2表示的光程长差全部是2λ以内(在图中为-2λ到零的范围)，截面成为锯齿状。
因而，在施加电压V+2下，为了生成相当于图5的曲线β2的透射波面的光程长差，只要将图11所示的凹凸部517的深度d设置为满足式(4)的关系的值即可。
式4d＝2λ/|Δn(V+2)| …(4)式中，λ；入射光的波长Δn(V+2)＝n(V+2)-ns＝n1-ns这里，通过使施加电压V变化，从而折射率差Δn(V)变化。例如，i)在成为Δn(V0)＝0的施加电压V0的情况下，液晶透镜元件520的透射波面不变化。另外，ii)在成为Δn(V+1)＝Δn(V+2)/2的施加电压V+1的情况下，产生图5的曲线β1所示的光程长差的透射波面。
iii)在成为Δn(V-1)＝-Δn(V+1)的施加电压V-1的情况下，产生图5的曲线γ1所示的光程长差的透射波面。
iv)在成为Δn(V-2)＝-Δn(V+2)的施加电压V-2的情况下，产生图5的曲线γ2所示的光程长差的透射波面。
这样，若使用图5所示的锯齿状或利用阶梯形状来近似锯齿的截面形状的凹凸部、即图11中的凹凸部517，则利用施加电压，能够形成无透射波面变化、图5的曲线β1、β2、γ1及γ2的五种波面状态。
另外，图3及图5所示的各波面状态(β、γ、β1、γ1、β2、γ2)都能够使透射波面以离散的状态变化。但是，不能使它的中间状态连续变化。另外，这里为了简化说明起见，说明满足式(3)图3的构成例。
在图6中，所示为形成无波面变化状态(以后，称为「0状态」)的施加电压V0、与形成曲线β的波面形状(光程长差OPD)的施加电压V+1的中间电压Va的波面形状的一个例子。如图该所示，曲线β的波面状态通过使锯齿状的波面的凹凸的振幅(Step)与透过的波长λ一致(或与波长λ的整数倍一致)，虽能够实现连续的波面形状，但在施加中间电压Va的虚线a的状态下，Step与波长λ不一致。因此存在的问题是，透射波面成为不连续，透射率(衍射效率)降低，波面像差也劣化。
以上，说明的是设本发明的第2透明电极的、第2基板512一侧的透明电极514的被分割的全部电极段514A为相同电位的情况，但为了解决中间电压下的波面不连续的问题，最好是将该第2透明电极分割成环带状，对电极段514A分别施加不同的电压。
如前所述，在图6所示的曲线a的状态下，Step与λ不一致。因此，必须如图7用实线所示的光程长差b那样，使Step与λ一致。这在每个凹凸环带的区域中，能够通过改变对液晶施加的电压来实现。因此，图8所示为对液晶施加的电压分布的例子。如图8所示，对每个环带区域、即从e1到e8，为了形成电压呈阶梯状变化那样的电压分布，而使施加的电压值的变化量减少。若使得相距液晶透镜10的元件中心的、第k号环带ek与相邻的第k+1号环带ek+1的电压之差δV(k，k+1)、和第k-1号与第k号的电压之差δV(k-1，k)不同，则由于在各区域中的液晶的有效折射率变化，因此能够使OPD区域间的Step与λ一致。这时，由于对液晶施加的电压不一样，因此光程长必须考虑凹凸部517内的最大厚度d的液晶、以及在凸部与第2透明电极514的间隔(g)内的液晶的折射率变化。由本发明者判明了，对于使该OPD的区域间Step与波长一致的电压分布，有下述那样的条件。所谓该条件是以下的三点1.d＝g2.δV(k-1，k)＝2·δV(k，k+1)3.最外周的液晶施加电压满足式(3)或式(4)的关系。
例如，为了容易满足该第2条件，被分割的第2电极段514A如图9所示，使各段(从e1到e7)的相邻的段分别通过电阻体551(各电阻体的电阻值为R1到R6)电连接。通过这样，不对各段供给不同的电压，而仅端子552及553供给对最内周的透明电极e1的电压及对最外周的透明电极(e8电极段数为8个时)施加的电压，从而能够达到第2条件。
即，根据两端子552与553之间的电位差及各电阻体551的电阻值，来决定对各电极段e1～e8施加的电压。因而，为了满足前述的δV(k-1，k)＝2·δv(k，k+1)，对于一个电极段环带与在外周侧相邻的电极段之间的电阻值，设该电极段环带与在内周侧相邻的电极段之间的电阻值为其近似2倍。即，设相距元件中心的第k号及第k-1号的电阻值分别为Rk及Rk-1时，决定电阻值，使得2·Rk＝Rk-1。通过这样，利用外部的驱动电源电路518仅施加两个电压，使其具有最内周电极段e1与最外周电极段e8的电位差δV，从而各段的电位差分布能够满足前述的δV(k-1，k)＝2·δV(k，k+1)的关系。
如上所述，虽然当然最好满足δV(k-1，k)＝2·δV(k，k+1)或2·Rk＝Rk-1的关系，但在设δV(k-1，k)＝x·δV(k，k+1)、y·Rk＝Rk-1时，若x及y在1.6至2.4之间，则由于不导致透射率及波面像差有大的劣化，因此实用上也可以。再有，若在1.8至2.2之间，则根据同样的理由，将更好。
另外，虽然当然最好前述的凹凸部517的最大厚度d与间隔(g)相等，但在设d＝z·g时，若z在0.8至1.2之间，则由于不导致透射率及波面像差有大的劣化，因此实用上也可以。再有，若在0.9至1.1之间，则根据同样的理由，将更好。
该电阻体551通过将与透明电极相同的材料形成图形而制成，使其形成很细的线条，或者也可以利用更高电阻薄膜在基板上制成。作为电阻体551的制造方法，则如图10所示，利用透明的电阻体551连接每个环带状的段e2、e3、…、e8分出的端部电极554B、554C、…554I，从而能够形成图9那样的电极引出线554。通过这样，由于在入射光通过的区域内不形成多个电极引出线554也可以解决问题，该引出线对透射波面产生的影响小，因此比较好。另外，也可以将位相板、衍射光栅、偏振光全息分光镜、一定的固定像差校正面等与液晶透镜元件510形成一体。其结果，在光学头装置等中安装该液晶透镜元件510的情况下，能够减少零部件数量，同时实现装置的小型化。
下面，参照图13说明安装了本发明有关的前述的液晶透镜元件510(参照图1)的(用于DVD用光盘的记录重放的)光学头装置540。
本实施形态的光学头装置540除了具有波长λ(＝405nm)的光源即半导体激光器501、衍射光栅502、分光镜503、准直透镜504、物镜505、及光检测器506以外，还在准直透镜504与物镜505之间的光路上具有位相板507、及液晶透镜元件510。另外，最好位相板507通过与液晶透镜元件510形成一体，因为能够减少零部件数量。另外，在图13中所示的是在准直透镜504与物镜505之间的光路中配置液晶透镜元件510的例子，但只要配置在半导体激光器501与物镜505之间的光路中即可。
下面，说明本实施形态的作用。
从半导体激光器501出射的、同时在图13的纸面内具有偏振面的波长λ的直线偏振光出射光利用衍射光栅502产生跟踪用的三光束。该三光束的光用分光镜503反射，利用准直透镜505形成平行光，入射至液晶透镜元件510。然后，透过该液晶透镜元件510的光利用位相板507成为圆偏振光，利用物镜505聚焦在光盘D的信息记录层上。
另外，物镜505利用聚焦伺服及跟踪伺服用的执行机构(未图示)，可沿X轴方向及Z轴方向移动。用光盘D的反射面反射的光再透过物镜505及位相板507，形成具有垂直于纸面方向的偏振面的直线偏振光，透过液晶透镜元件510，利用准直透镜504，一部分的光透过分光镜503，聚焦在光检测器506的受光面上。
下面，说明使用装有本发明的液晶透镜元件510的光学头装置540、对覆盖厚度不同的双层(第0层L0，第1层L1)光盘D进行的记录重放动作。另外，这里以设计物镜505、使得对于覆盖厚度87.5μm的光盘D的像差为最小的例子进行说明。
(i)双层光盘L0层(覆盖厚度100μm)的情况在对光盘D中的覆盖厚度100μm信息记录层进行记录重放中，在透明电极问施加交流电压V1，使得液晶透镜元件510的透射波面成为产生稍微发散的球面波。另外，设第2电极段14A的各电极段e1～e8间的电位差δV＝0。这时，由于与凹凸部517相比，液晶层516的折射率大，因此如图4(A)所示，形成负的放大率、即相当于凹透镜的透射波面。即，利用物镜505，以高效率聚焦在覆盖厚度100μm的信息记录层上。
(ii)双层光盘L1层(覆盖厚度75μm)的情况另外，在对双层光盘D中的覆盖厚度75μm信息记录层进行记录重放中，在电极间施加交流电压V-1使得液晶透镜元件510的透射波面成为产生稍微聚焦的球面波。这时，由于与凹凸部517相比，液晶层516的折射率小，因此如图4(C)所示，形成正的放大率、即相当于凸透镜的透射波面。即，利用物镜505，以高效率聚焦在覆盖厚度75μm的信息记录层上。因而，通过将液晶透镜元件510的施加电压切换为V0、V+1、V-1，从而对覆盖厚度不同的单层DVD光盘及双层DVD光盘实现稳定的记录重放。
(iii)双层光盘L0层的覆盖厚度有偏差(覆盖厚度＞100μm)的情况在对前述覆盖厚度100μm的信息记录层进行记录重放的情况下的液晶透镜的设定中，例如，对于覆盖厚度薄5μm(覆盖厚度为95μm)的盘片，有的情况下会产生球差。因此，对最外周段区域的液晶电极间施加电压V1，设最内周的电极段(例如，图9中的e1)与最外周的电极段(例如，图9中的e8)的电位差δV≠0，使得液晶透镜元件510的透射波面成为产生稍微聚焦的球面波(与对覆盖厚度100μm的信息记录层进行记录重放时相比，为聚焦焦距略长的球面波)。通过这样，能够实现图7的光程长差b那样的波面。即，利用物镜505，以高效率聚焦在覆盖厚度有偏差的信息记录层上。
这样，根据本实施形态有关的光学头装置540，液晶透镜元件510不仅能够校正因光盘D的覆盖厚度不同而产生的球差，而且还附加相当于焦点位置变化的放大率分量的切换功能及微调功能。因此，例如即使将液晶透镜元件510与物镜505另外放置使用，物镜505在跟踪时沿光盘D的半径方向移动，与液晶透镜元件510产生偏心的情况下，也几乎没有像差劣化。其结果，与仅校正球差的以往的液晶元件相比，实现稳定的记录及/或重放。
另外，在本实施形态中，说明的是使用波长λ为400nm频带的半导体激光器作为光源的对于双层光盘动作的、装有液晶透镜元件510的光学头装置540，但关于使用波长为650nm频带的半导体激光器作为光源的对于单层及双层DVD光盘动作的、装有液晶透镜元件的光学头装置等，也能够得到同样的作用及效果。另外，为了对于CD、DVD、BD使用，在用一个光学头对覆盖厚度为1.2mm、0.6mm、0.1mm的不同标准的光盘进行记录重放时，本发明的液晶透镜元件也有效。若使用对于表示图5所示的光程长差的液晶透镜元件分割第2透明电极的本发明的液晶透镜元件，以代替液晶透镜元件510，则能够进行五种透射波面的切换。再有，由于能够微调五种波面，因此对于覆盖厚度不同的光盘中、或因光盘内的覆盖厚度的差异而产生的像差，能够进行更细微的像差校正。另外，若使用图12所示的液晶透镜元件530，以代替液晶透镜元件510，则由于不仅对于去程的偏振光有校正作用，而且对于回程的正交的偏振光有校正作用，因此对光检测器的聚焦性也改善。另外，不限于单层及双层的光盘，今后即使信息记录层更多层化，通过采用本发明的5值或7值的液晶透镜元件，利用对2端透明电极施加的电压的切换，也能够校正因覆盖厚度而引起产生的像差。
(第2实施形态)以下，说明本发明的第2实施形态有关的液晶透镜元件的构成例。
图14所示为本发明的液晶透镜元件的第2实施形态的剖视图。本实施形态有关的液晶透镜元件10作为大致构成，具有第1菲涅尔透镜部10A、第2菲涅尔透镜部10B、及电极透镜部10C，利用4片透明基板11～14及3个液晶层24～26层叠而形成一体。
在以下的实施形态中，液晶透镜元件包含至少一个菲涅尔透镜部、及至少一个电极透镜部，菲涅尔透镜部相当于第1实施形态的液晶透镜元件的整个构成。因而，以下的实施形态的构成是通过对第1实施形态的构成追加电极透镜部来完成的。
图15所示为本发明的第2实施形态有关的液晶透镜元件的菲涅尔透镜部10A(或10B)的俯视图。图16为本发明的液晶透镜元件的第2实施形态有关的电极透镜部10C的俯视图。
第1菲涅尔透镜部10A具有透明基板11及12、利用透明基板11及12及密封21夹住的第1液晶层24、第1凹凸部27、以及对第1液晶层24施加电压用的对向的透明电极15及16。同样，第2菲涅尔透镜部10B具有透明基板12及13、利用透明基板12及13及密封22夹住的第2液晶层25、第2凹凸部28、以及对第2液晶层25施加电压用的对向的透明电极17及18。
另外，电极透镜部10C具有透明基板13及14、利用透明基板13及14及密封23夹住的第3液晶层26、对第3液晶层26施加电压用的透明电极19、以及复合电极20。
透明电极15、17和16、18利用电极取出部15A、17A和16A、18A和导通连接单元29，与外部信号源30连接。透明电极19通过电极取出部19A和图示外的连接线与外部信号源30连接。复合电极20如图16所示，具有以光轴为中心的同心圆状配置的低电阻电极31～34、以及一样的高电阻平面电极35。其中，低电阻电极31～34通过电极取出部31A～34A和图示外的连接线与外部信号源30连接。
凹凸部27及28具有截面为锯齿状或利用阶梯形状来近似锯齿的形状，使用均匀折射率透明材料形成，在有效直径φ的区域内，具有对于入射光的光轴(Z轴)的旋转对称性。关于凹凸部27及28的详细情况将在后面叙述。
下面，说明该液晶透镜元件10的制造顺序的一个例子。
首先，在透明基板11的一面及透明基板12及13的两面，形成透明电极15～19。再在透明电极16及18的上表面，用折射率ns的均匀折射率透明材料，形成截面为锯齿状或利用阶梯形状来近似锯齿的形状的凹凸部27及28。凹凸部27及28是在透明电极16及18的面上形成规定膜厚的均匀折射率透明材料层之后，可以利用光刻或反应性离子刻蚀加工成凹凸状，也可以使用金属模具对均匀折射率透明材料层转印凹凸部形状。在透明基板14的一个表面上如图16所示，形成低电阻电极31～34之后，形成高电阻平面电极35，作为复合电极20。
接着，在透明电极15及凹凸部27的表面实施平行取向处理，使得第1液晶层24的非常光折射率方向朝向Y方向，在透明电极17及19、凹凸部28、以及复合电极20的表面实施平行取向处理，使得第2及第3液晶层25及26的非常光折射率方向朝向X方向。取向处理只要利用下述等方法即可，方法一是在基板表面通过旋涂形成以聚酰亚胺等为主成分的取向膜后，用布等进行摩擦；方法二是在基板表面形成SiO斜蒸镀膜；方法三是在基板表面通过旋涂形成光取向膜后，照射偏振光紫外线。
然后，印刷混入了间隔控制材料的图示外的粘接材料，形成图形，这样形成密封21～23，将前述透明基板11～14重叠，进行压接，制成空盒。从设置在密封21～23的一部分的注入口(未图示)注入具有寻常光折射率no及非常光折射率ne(这里，no≠ne)的液晶，封接该注入口，将液晶密封在盒内，制成本实施形态的液晶透镜元件10。
接着，在以下说明本发明的液晶透镜元件的第2实施形态中的动作原理。
本发明的液晶透镜元件10利用液晶的取向方向垂直的第1菲涅尔透镜部10A、10B、以及具有平行于第2菲涅尔透镜部10B的液晶取向方向的电极透镜部10C构成。菲涅尔透镜部10A及10B通过改变在透明电极15与16或透明电极17与18之间施加的电压，使液晶层24及25的实质上的折射率变化，从而具有作为焦点离散可变的菲涅尔透镜的功能。
另一方面，电极透镜部10C根据复合电极20产生的电压分布，使液晶层26的实质上的折射率分布变化，从而具有作为焦点连续可变的透镜的功能。
以下，依次详细叙述菲涅尔透镜部10A、10B、及电极透镜部10C。
(1)菲涅尔透镜部10A及10B的说明使用本发明的液晶透镜10，为了生成赋予正或负的放大率分量的透射波面，在入射液晶透镜10的透射波面中，设通过对于光轴中心(坐标原点x＝y＝0)的光线离开半径r的位置的光线的位相差φ用式(5)那样的幂级数描述。另外，式(5)实质上与式(2)相同，但作为位相差再次进行定义。
φ(r)＝a1r2+a2r4+a3r6+a4r8+…(5)其中，r2＝x2+y2a1、a2、…；常数这里，在图17中，用标号P1及P2表示将横轴作为半径r、以入射光的波长λ为单位表示位相差φ的曲线的具体例子。
在位相一致的相干的波长λ的入射光的情况下，具有λ的整数倍的位相差的透射波面可看成相同。因而，将图17的用P1、P2所示的曲线以波长λ为间隔进行分割，表示沿位相差为零的面上移动的曲线F1、F2实质上与曲线P1、P2相同。曲线F1、F2所示的位相差分布全部在λ以内，截面成为锯齿状。
利用液晶透镜元件10，为了得到相当于曲线F1、F2的位相差，只要将菲涅尔透镜部10A或10B具有的凹凸部27、28的形状加工成与曲线F1、F2相似的形成即可。这里，凹凸部27、28只要是均匀折射率透明材料即可，可以是紫外线固化树脂、热固化树脂、或感光性树脂等有机材料，也可以是SiO2或Al2O3或SiOxNy(这里，x及y表示O及N的元素比例)等无机材料。由于这些材料与构成透明电极15～18的材料相比，其体积电阻率极大，与液晶材料相比，也不是足够小，因此可以看作为介质。
图18为本发明的液晶透镜元件的剖视图中的菲涅尔透镜部的放大图。
设透明基板11、12(或12、13)的表面形成的透明电极15(或17)与16(或18)的间隔为G，凹凸部27(或28)的膜厚dF是从零到d分布，液晶层24(或25)的层厚dLC是从G到G-d分布。这里，间隔G(＝dF+dLC)为一定值。
由于凹凸部27设置在透明电极15与16之间，因此根据构成凹凸部27的材料的对向介电常数εF，施加在液晶层24上的有效电压VLC相应变化。具体来说，若设在电极15与16之间施加的交流电压为V，则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是与形成菲涅尔透镜的锯齿状或利用阶梯形状来近似锯齿的截面形状对向应，从零到d分布，因此dF/dLC是从零到d/(G-d)分布。其结果，施加在液晶层24上的有效电压VLC与凹凸部27的形状对向应产生空间分布。
另外，由于液晶具有介电常数各向异性，液晶分子长轴方向的对向介电常数ε∥与液晶分子短轴方向的相对介电常数ε⊥不同，因此随着施加电压，液晶分子的取向方向相应变化，由于液晶分子的取向方向的变化，液晶层24的相对介电常数εLC也变化。因而，在式(6)中，反映了相对介电常数εLC的与VLC相对应的变化，规定了与凹凸部27的形状相对应的、施加在液晶层24上的有效电压VLC的空间分布。这里，由于VLC与膜厚dF相对应变化，因此今后施加电压表示为VLC[dF]。另外，在膜厚dF是零的位置处，VLC
与电极间施加电压V相等。
另外，由于施加在液晶层24上的电压VLC与凹凸部27的形状相对应是不同的，因此液晶层24对于非常光偏振光的实质上的折射率n(VLC[dF])产生空间分布。例如，在图18中，凹凸部27的膜厚dF的位置处的电极15与16之间的光程长为ns×dF+n(VLC[dF])×dLC，对于无凹凸部27的菲涅尔透镜中心位置(dF＝0)的光程长n(V)×G的位相差φdF为式(7)的关系。
φdF＝{ns×dF+n(VLC[dF])×(G-dF)}-n(V)×G……(7)式中，膜厚dF是从零到d分布，位相差φdF是从零到式(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，在施加电压V+1下，为了生成相当于图17的曲线F1的透射波面的位相差，只要决定凹凸部的膜厚d及透明电极的间隔G，使得位相差φd为近似λ(即，0.75λ～1.25λ)，同时凹凸部27的膜厚形成从零到dF的截面形状即可。
这里，通过使施加电压V变化，从而式(7)的位相差变化。例如，(i)在凹凸部27的膜厚dF是从零到d分布时，存在式(7)的位相差相对于入射光的波长λ为足够小的值的施加电压V0。这时，液晶透镜元件10的透射波面不变化。这里，所谓足够小的位相差，具体来说是λ/5以下，最好是λ/10以下。
(ii)在位相差φd成为近似-λ(即，-0.75λ～-1.25λ)的施加电压V-1下，能够生成图17的曲线F2所示的位相差的透射波面。这相当于对于位相差为零的面、与图17的曲线F1面对称的位相差的透射波面。
因而，通过切换施加电压V+1、V0、V-1，能够有选择地切换三种透射波面。
这里，在施加电压V+1、V0、V-1下对液晶透镜10入射平面波时，分别成为图19(A)、(B)、(C)所示的透射波面射出。即，根据透明电极15、16或透明电极17、18的施加电压，相应得到与正放大率、无放大率、负放大率相对应的透镜功能。由于通过选择液晶及凹凸部27的折射率和相对介电常数、凹凸部27的膜厚d、以及透明电极间隔G等，能够得对的位相差的电光学特性的设计自由度大，因此能够生成低电压驱动或多种多样的透射波面。
以上是入射菲涅尔透镜部的光为非常光偏振光的情况，而在寻常光偏振光的情况下，入射偏振光感觉到的有效的折射率与施加的电压无关，始终与液晶的寻常光折射率一致。因而，在液晶透镜元件10中，相对于凹凸部27的最低部(dF＝0)的、在膜厚dF的位置的位相差φd对于寻常光偏振光，则用式(9)表示，与凹凸部27的折射率ns与液晶的寻常光折射率no之差成正比。
φd＝(ns-no)×d……(9)这里，最好使凹凸部27的折射率ns与液晶的寻常光折射率no相等。通过采用这样的构成，由于对于寻常光偏振光，与施加电压的大小无关，φd为0，因此透射光波面不变化。
另外，除了生成将图17的用P1、P2所示的位相差以波长λ为间隔进行划分的位相差即F1、F2的液晶透镜元件以外，也可以是相当于位相差φd为近似mλ(m＝2或3)的液晶透镜元件的形态。在这种情况下，成为与将图17的P1、P2以波长mλ(这里，m＝2或3)为间隔进行划分的位相差相对应的透射波面。
另外，在本实施形态中，是对于生成用式(5)描述的轴对称的位相差的液晶透镜元件10的情况下、它的元件结构及动作原理进行了说明，但对于生成相当于校正式(5)以外的轴不对称的彗差或像散等的位相差的液晶透镜元件，也能够根据同样的原理，利用均匀折射率透明材料的凹凸形状加工及凹部充填液晶来制成。
另外，在应该校正的位相差的绝对值为入射光的波长λ以下时，不需要将液晶透镜元件10的由均匀折射率透明材料形成的凹凸部27及28的截面形状形成锯齿状，只要是与目标波面一致的形状即可。在这种情况下，根据施加电压的大小，位相差相应连续变化。
另外，在本实施形态中，是采用折射率ns的均匀折射率透明材料作为形成凹凸部的材料，但也可以采用分子的取向方向在基板面内一致沿一个方向取向的高分子液晶等双折射材料。在这种情况下，最好设双折射材料的非常光折射率为ns，使寻常光折射率与液晶的寻常光折射率no相等，同时使双折射材料的分子取向方向(非常光折射率的方向)与液晶分子的取向方向一致。通过采用这样的构成，由于对于寻常光偏振光入射光，与施加电压的大小无关，液晶与双折射材料的寻常光折射率一致，因此透射光波面不变化。
另外，在本实施形态中，所示为对液晶层24、25分别通过透明电极15、16及透明电极17、18施加交流电压的结构。在本发明中，除此以外，也可以采用将例如透明电极15、17及透明电极16、18的至少一方的电极在空间上进行分割、能够独立施加不同的交流电压的分割电极。通过这样，能够生成更多样的位相差分布。
(2)电极透镜部10C的说明接着，在以下说明本发明的液晶透镜元件10中具有的电极透镜部10C。
该电极透镜部10C的目的在于，对于与液晶层26的非常光折射率方向一致的偏振光分量的光，赋予连续变化的放大率分量。因此，在电极透镜部10C的一方设置的复合电极20如图16所示，具有高电阻平面电极35、以及为了使高电阻平面电极35产生与目标的放大率分量相对应的电压分布的低电阻电极31～34。
图20所示为电极透镜部10C产生的位相差分布的示意图。若对低电阻电极31～34分别施加不同的电压，则在高电阻平面电极35形成与低电阻电极31～34间的电压差相对应连续变化的电压分布。由于液晶分子的取向与电压分布相对应变化，因此对液晶层26形成有效的折射率分布，产生位相差分布。
图20所示的A、B、C、D各点分别与低电阻电极31、32、33、34的位置相对应，产生与目标的放大率α实质上一致的位相差β。这里，所谓「实质上一致」，只要是目标的放大率α与位相差β之差的标准偏差RSM是入射的光的波长λ的1/20以下即可。为了满足这一条件，最好通过设定低电阻电极31～34的形状或施加的电压，得到足够的成像性能。
高电阻平面电极35只要是与低电阻电极31～34相比表面电阻值非常高、而且透明的材料即可，可以是含有锌、铅、锡、铟等的氧化物的组成物。低电阻电极31～34也可以是含有锌、铅、锡、铟等的氧化物的透明的组成物，若光学上没有问题，则也可以是铝、金、银、铬等的金属膜。
另外，在图16的构成例中，低电阻电极31～34与电极取出部31A～34A连接(未图示)，与外部信号源30连接，但也可以在液晶透镜元件10的内部，用适当的薄膜电阻体将低电阻电极31～34彼此之间连接，通过这样使外部信号源30施加的电压进行分压，分配给低电阻电极31～34。若采用这样的构成，则由于能够减少外部信号源30的信号数，因此比较好。
另外，在本实施形态中，是对于利用图16所示的复合电极20生成放大率分量的电极透镜部10C的情况，说明了它的动作原理，但若除了放大率分量以外，改变复合电极20的结构，则也能够根据同样的原理生成轴对称的球差。再有，也能够得到由放大率及球差的两个分量组成的位相差分布。
如上所述，若采用本发明的液晶透镜元件，则能够与偏振光无关，离散地切换产生的放大率，另外，对于与电极透镜部的液晶取向方向一致的偏振光，能够得到连续变化的放大率。
另外，在本实施形态中，所示的例子是使用液晶分子在不施加电压时平行于基板面取向、并根据施加电压的大小相应沿垂直于基板面的方向排列的具有正的介电常数各向异性的液晶，但也可以是别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电压时垂直于基板面取向、并根据施加电压V相应沿平行于基板面的方向排列的具有负的介电常数各向异性的液晶。
另外，若构成本发明的液晶透镜元件的第1、第2菲涅尔透镜部、及电极透镜部对于光轴设置在适当的位置，则不需要形成一体。但是，若这样构成，则由于产生的问题是，液晶透镜元件的设置空间增大，或者位置调整复杂，因此非常希望如图14所示那样，将全部进行层叠，形成一体。在这种情况下，为了夹住3个液晶层，虽只要用4片以上的基板即可，但最好用4片透明基板进行层叠，因为能够减薄液晶透镜元件的厚度。
另外，也可以在本发明的液晶透镜元件的表面适当层叠位相板、衍射光栅、双折射性全息元件、或取决于波长的衍射光栅等光学零部件，形成一体，通过这样，由于构成光学头装置的光学零部件数减少，光学头装置的组装简单，因此比较好。另外，上述光学零部件也可以在透明基板上成形，或互相粘贴。
(第3实施形态)下面，参照图21说明本发明的第3实施形态有关的液晶透镜元件。
图21为本发明的液晶透镜元件的第3实施形态具有的复合电极的俯视图。本实施形态的液晶透镜元件是在图14所示的第2实施形态有关的液晶透镜元件10中，将电极透镜部10C具有的透明电极19及复合电极20置换成图21所示的复合电极40及50而构成的。因而，在本实施形态中，由于电极透镜部10C以外的部分与第2实施形态相同，因此以下省略说明，仅说明电极透镜部10C。
本实施形态的电极透镜部10C所具有的复合电极40及50是对液晶层26施加电压用的一对复合电极，通过对条状配置的低电阻电极41～44及51～54施加适当的电压，从而在高电阻平面电极45及55产生电位分布。
这里，用图20，说明有关本实施形态的电极透镜部产生的位相分布。若对低电阻电极41～44施加各不相同的电压，则在高电阻平面电极45形成与低电阻电极41～44间的电压差相对应连续变化的电位分布。在条状配置的低电阻电极41～44的位置分别与图20所示的A、B、C、D相对应时，能够得到对于X方向生成与目标的放大率α实质上一致的位相差β的电压分布。另一方面，对于Y方向，复合电极40产生的电压分布在Y方向没有变化。另外，在沿Y方向条状配置的低电阻电极51～54的位置与图20的A、B、C、D相对应时，能够得到对于Y方向生成与目标的放大率α实质上一致的位相差β的电压分布。
因而，对于设置在产生沿X方向及Y方向变化的电压分布的两个复合电极40与50之间的液晶层26施加的有效电压，形成与第2实施形态中的由透明电极19及复合电极20(参照图14)形成的电压同样的分布。因而，对于液晶层26形成有效的折射率分布，能够得到与目标的放大率α实质上一致的位相差β。
另外，低电阻电极41～44、51～54及高电阻平面电极45、55的材料及制造方法可以与第2实施形态的复合电极20相同。另外，低电阻电极41～44或低电阻电极51～54在与外部信号源30连接时，为了减少信号线数，也可以利用薄膜电阻体将各低电阻电极间进行连接，由于能够以较少的信号线数进行驱动，因此比较好。
(第4实施形态)接着，在以下说明装有本发明的液晶透镜元件的光学头装置。
图22所示为装有本发明的液晶透镜元件的光学头装置60的一个例子的示意图，是对双层光盘D进行信息记录及/或重放同的光学头装置，具有半导体激光器61、偏振光分光镜62、准直透镜63、本发明有关的液晶透镜元件64、1/4波片65、物镜66、柱面透镜67、及光检测器68。另外，对于双层光盘D，使用具有第1记录层D1及第2记录层D2的、DVD或高密度光盘等。
半导体激光器61的波长可以根据光盘D的种类，是780nm频带、660nm频带、405nm频带的任一种频带，也可以在别的地方安装不同波长的多个半导体激光器。液晶透镜元件64可以采用上述说明的、第2实施形态或第3实施形态等形态。因而，液晶透镜元件64的结构、制造方法及动作原理的说明省略。
再有，在本发明的光学头装置中，除了图22所示的光学零部件以外，可以将衍射光栅、全息元件、取决于偏振光的选择元件、波长选择性元件、波面变换单元等不同的光学零部件或机构零部件适当组合使用。
下面，说明本发明的作用。
从光源即半导体激光器61出射的、沿X方向具有偏振光方向的直线偏振光透过偏振光分光镜62之后，透过准直透镜63、液晶透镜元件64、及1/4波片65之后，变换成圆偏振光，利用物镜66，聚焦在光盘D具有的第1记录层D1或第2记录层D2上。然后，从光盘D反射的光再次通过物镜66及1/4波片65后，变换成沿Y方向具有偏振光方向的直线偏振光，通过液晶透镜元件64及准直透镜63，用偏振光分光镜62反射，利用柱面透镜67形成像散，入射至光检测器68。
接着，在以下说明使用装有本发明的第2实施形态有关的液晶透镜元件10作为液晶透镜元件64的光学头装置60、对覆盖厚度不同的记录层D1、D2进行信息记录及/或重放的动作。这里，在以下，假设设计物镜66，使得在第1记录层D1与第2记录层D2的中间覆盖厚度中像差为最小。
例如，当聚焦在与设计不同的覆盖厚度的记录层上时，产生与从覆盖厚度的记录层厚度减去设计厚度的覆盖厚度差成正比的球差，难以进行信息的读写。该球差能够通过使入射至物镜66的光形成对平面波附加放大率分量的发散光或收敛光来进行校正。即，对于覆盖厚度差为负的第1记录层D1，通过附加正的放大率来形成收敛光，而对于覆盖厚度差为正的第2记录层D2，通过附加负的放大率来变换成发散光。然后，若用物镜66聚焦，则能够校正球差，对信息正常进行读写。
(i)对第1记录层D1(覆盖厚度差为负)进行记录及/或重放的情况在对第1记录层D1进行记录及/或重放中，如前所述，在透明电极15与16之间及透明电极17与18之间施加交流电压V+1，使得液晶透镜元件10的透射波面成为产生稍微聚焦的球面波。于是，液晶层24及25的液晶分子的取向方向变化，如图19(A)所示，成为正的放大率、即相当于凸透镜的透射波面。因而，能够校正聚焦在第1记录层D1上的光的球差。
(ii)对第2记录层D2(覆盖厚度差为正)进行记录及/或重放的情况
在对第2记录层D2进行记录及/或重放中，在透明电极15与16之间及透明电极17与18之间施加交流电压V-1，使得液晶透镜元件10的透射波面成为产生稍微发散的球面波。于是，液晶层24及25的液晶分子的取向方向变化，如图19(C)所示，成为负的放大率、即相当于凹透镜的透射波面。因而，能够校正聚焦在第2记录层D2上的光的球差。
如上所述，通过改变对液晶层施加的电压，能够校正具有不同覆盖厚度的两个记录层的球差。
本发明的液晶透镜元件若对于第1及第2菲涅尔透镜部正交的两个直线偏振光进行同样的动作，则与入射至液晶透镜元件的偏振光无关，能够校正球差。但是，由于液晶透镜元件的制造误差，例如在液晶层24与25的厚度不同的状态下，产生双折射，因此取决于入射的偏振光，不能得到适当的放大率。所以，入射至液晶透镜元件的光的偏振光最好是与菲涅尔透镜部具有的某液晶层的液晶分子的取向方向一致的直线偏振光。
如前所述，图22所示例子的光学头装置60中，入射至光盘D的光即去程光、与从光盘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与第2菲涅尔透镜部的液晶分子的取向方向一致，回程光的偏振光方向与第1菲涅尔透镜部的液晶分子的取向方向一致，则能够校正去程光及回程光的球差。另外，若凹凸部27及28的折射率与液晶的寻常光折射率一致，则由于对于寻常光折射率方向的偏振光分量，波面没有变化，因此最好这样。
下面，说明由于光盘D的制造误差等而使第1及第2记录层D1及D2的覆盖厚度产生误差的情况。
通过使用菲涅尔透镜部10A及10B，能够对于第1及第2记录层D1及D2的基准覆盖厚度差，以高精度进行校正。但是，由于菲涅尔透镜部10A及10B只能产生某规定的离散的放大率分量，因此难以应对记录层的覆盖厚度与基准值不同的一个个覆盖厚度误差。另外，电极透镜部与菲涅尔透镜部相比，难以得到相同或较大的放大率。
因此，在本发明的液晶透镜元件10中若采用下述方法，即对于因切换第1记录层与第2记录层而产生的球差，主要利用前述菲涅尔透镜部产生的离散的放大率进行校正，而对于各记录层的覆盖厚度误差，主要利用电极透镜部产生的连续的放大率进行校正，则比较方便。
(第5实施形态)
以下，说明本发明的第5实施形态有关的液晶透镜元件70的构成例。图23所示为本发明的液晶透镜元件的第5实施形态的剖视图。另外，在图23中，与图14相同的构成要素使用同一标号，并避免重复说明。
第5实施形态有关的液晶透镜元件70与图14所示的第2实施形态有关的液晶透镜元件10比较，不同点在于，作为电极透镜部，是对第2实施形态的电极透镜部10C(第1电极透镜部)再附加电极透镜部10D(第2电极透镜部)而构成。
另外，本实施形态有关的液晶透镜元件70由将第1菲涅尔透镜部10A与第2菲涅尔透镜部10B形成一体的菲涅尔透镜部70A、以及将第1电极透镜部10C与第2电极透镜部10D形成一体的电极透镜部70B构成。然后，将该菲涅尔透镜部70A与电极透镜部70B分离，分别独立与外部信号电源30A及30B连接，这一点与第2实施形态有关的液晶透镜元件10不同。
其它的大致构成与第2实施形态有关的液晶透镜元件10相同，透明基板13A、13B、13C与透明基板13相同。
这里，第2电极透镜部10D与第1电极透镜部10C相同，具有利用透明基板13C及14及密封23B夹住的第4液晶层26B、对该第4液晶层26B施加电压用的透明电极19B、以及复合电极20B。该电极透镜部10D根据复合电极20B产生的电压分布，对于Y方向的直线偏振光入射光，使液晶层26B的实质上的折射率分布变化，通过这样起到作为连续可变焦点的透镜的功能。
透明电极15、17和16、18利用电极取出部15A、17A和16A、18A，与外部信号源30A连接。另一方面，透明电极19、19B通过电极取出部19A与外部信号源30B连接。复合电极20B具有与复合电极20相同的结构，如图16所示，具有以光轴为中心的同心圆状配置的低电阻电极31～34、以及一样的高电阻平面电极35。其中，低电阻电极31～34通过电极取出部31A～34A与外部信号源30B连接。
另外，第2电极透镜部10D的第4液晶层26B与第1电极透镜部10C的第3液晶层26中的液晶的取向方向不同。即，对透明电极19B及复合电极20B的表面实施取向处理，使得第4液晶层26B的非常光折射率朝向Y方向。
因而，电极透镜部70B成为与入射光的偏振光状态无关、而根据由外部信号源30B产生的施加电压连续可变焦点的透镜。其结果，通过采用本实施形态有关的液晶透镜元件70的构成，能够得到与入射光的偏振光状态无关、而离散可变焦点的透镜功能及连续可变焦点的透镜功能。
在图22所示的光学头装置60中，若使用液晶透镜元件70来代替液晶透镜元件64，则能够得到第4实施形态中说明的作用效果。特别是，由于电极透镜部70B不仅对于去程的X方向的入射偏振光，而且对于回程的Y方向的入射偏振光，也起到作为连续可变焦点透镜的功能，因此对于回程的球差也能够有效校正。其结果，聚焦伺服的精度提高，能够进行更稳定的双层光盘的记录重放。
(第6实施形态)以下，说明本发明的第6实施形态有关的液晶透镜元件80的构成例。图24所示为本发明的液晶透镜元件的第6实施形态的剖视图。在图24中，与图23相同的构成要素使用同一标号。
本实施形态有关的液晶透镜元件80与图23所示的本发明的第5实施形态有关的液晶透镜元件70不同，由将第1菲涅尔透镜部10A与第2电极透镜部10D形成一体的对于Y方向的入射偏振光发现透镜功能的回程用液晶透镜部80A、以及将第2菲涅尔透镜部10B与第1电极透镜部10C形成一体的对于X方向的入射偏振光发现透镜功能的去程用液晶透镜部80B构成。将回程用液晶透镜部80A与去程用液晶透镜部80B分离，分别独立与外部信号电源30C及30D连接。其它的大致构成与第5实施形态有关的液晶透镜元件70相同。
因而，对于X方向的入射偏振光，X方向的去程用液晶透镜部80B起作用，成为根据由外部信号源30D产生的施加电压、离散及连续可变焦点透镜。另外，对于Y方向的入射偏振光，回程用液晶透镜部80A起作用，成为根据由外部信号源30C产生的施加电压、离散及连续可变焦点透镜。
这里，在图22所示的光学头装置60中，若使用液晶透镜元件80来代替液晶透镜元件64，则能够得到第5实施形态中说明的作用效果。
另外，图25所示为光学头装置90，该光学头装置90是这样构成，它在光学头装置的光路中，在去程的光路中配置去程用液晶透镜部80B，同时在回程的光路中配置回程用液晶透镜部80A。在图25中，与图22相同的构成要素使用同一标号，并避免重复说明。
在图25的光学头装置90中，分别使用去程用及回程用的准直透镜63A及63B，同时在准直透镜63A及63B与1/4波片65之间的光路中配置偏振光分光镜62，这一点与光学头装置60不同。再有，在光学头装置90中，对于去程的直线偏振光(纸面内的偏振光方向)具有透镜作用的液晶透镜部80A及对于回程的直线偏振光(垂直于纸面的偏振光方向)具有透镜作用的液晶透镜部80B分别配置在准直透镜63A及63B与偏振光分光镜62之间。其结果，与光学头装置60比较，具有的特征是，由于在去程及回程中没有通过无透镜作用的液晶层，因此容易得到高的透射率。
(第7实施形态)接着，在下面说明本发明的第7实施形态有关的液晶透镜元件的构成例。
在本实施形态的液晶透镜元件中，菲涅尔透镜部的构成与其它的实施形态不同。
即，在图14、图23及图24所示的液晶透镜元件的第1菲涅尔透镜部10A及第2菲涅尔透镜部10B中，第1液晶层24及第2液晶层25中使用具有负的介电常数各向异性的向列型液晶。而且，在对液晶层不施加电压的断开状态时，液晶分子的取向方向对于基板表面是垂直或接近垂直的角度，同时由第1凹凸部27及第2凹凸部28的折射率nF与液晶层的寻常光折射率no相同或与之接近的值的均匀折射率材料构成。这样，由于液晶分子的取向方向对于基板表面是垂直或接近垂直的角度，因此只要在与液晶层接触的基板表面形成液晶的垂直取向膜即可。
另一方面，最好对取向膜表面进行取向处理，使得在对液晶层施加电压的接通状态下，液晶分子的取向方向向特定方向倾斜。具体来说，实施取向处理，使得第1液晶层24的液晶分子向Y方向倾斜，第2液晶层25的液晶分子向X方向倾斜。
通过采用这样的构成，由于在断开状态下，与入射光的偏振光状态无关，液晶层与凹凸部的折射率实质上一致，因此与凹凸部的形状无关，透射波面不产生变化。另外，由于液晶层与凹凸部的折射率因波长分散的不同而引起的折射率差很小，因此即使入射光的波长变化，透射波面也几乎没有变化。另一方面，在接通状态下，根据凹凸部的形状及施加电压，液晶分子的取向方向相应变化，对于进行取向处理的方向的直线偏振光(即，非常光偏振光)的入射光，液晶层的实质上的折射率变化。其结果，根据施加电压及凹凸部的形状，透射波面相应产生变化。
例如，在菲涅尔透镜的凹凸部的中心为凹时，在断开状态下，如图19(B)所示，透射波面不变化，在接通状态下，如图19(A)所示，能够形成相当于凸透镜的收敛透射波面。即，通过施加电压的断开与接通的切换，成为无放大率及有放大率的二值焦点切换透镜。
另外，第1液晶层24及第2液晶层25在接通状态下，由于液晶分子的倾斜方向的XY面内投影分量垂直，因此若第1及第2菲涅尔透镜部的凹凸部27和28的形状及液晶层24和25的层厚相同，从外部信号源在透明电极15与16之间及透明电极17与18之间施加同一接通状态的施加电压，则与入射光的偏振光状态无关，成为单一的收敛波面。另外，本实施形态的将菲涅尔透镜部作为构成要素的液晶透镜元件在与电极透镜部的组合中，也可以采用图14、图23或图24所示的任一种构成。
接着，在以下说明使用装有本实施形态的液晶透镜元件以代替图22的液晶透镜元件64、对具有第2记录层D2的单层高密度光盘及具有第1记录层D1和第2记录层D2的双层高密度光盘进行的信息记录重放动作。另外，这里的物镜66是这样设计，使得对于覆盖厚度100μm的第2记录层D2的像差成为最小。另外，半导体激光器61的波长为405nm频带。其它的构成与第4实施形态的光学头装置相同。
在覆盖厚度100μm的第2记录层D2进行记录重放时，对液晶透镜元件的菲涅尔透镜部不施加电压，处于断开状态，从而维持物镜66的像差性能，实现稳定的聚焦性能。另一方面，在覆盖厚度75μm的第1记录层D1进行记录重放时，在液晶透镜元件的菲涅尔透镜部的透明电极15与16之间及透明电极17与18之间施加电压，处于接通状态，从而形成附加正的放大率的收敛光，校正球差，其结果实现稳定的聚焦性能。
另外，由于高密度光盘的制造误差等，导致因第1记录层D1及第2记录层D2的覆盖厚度误差而引起产生的球差与第4或第5实施形态相同，利用根据对电极透镜部施加的电压而相应产生的连续的放大率进行校正。
本发明的液晶透镜元件由于通过根据施加电压而相应使焦距变化来校正因覆盖厚度不同而引起产生的球差，因此具有的优点是，即使将液晶透镜元件与物镜分离配置，在物镜跟踪时与液晶透镜元件产生偏心的情况下，也几乎没有像差劣化。其结果，能够实现单层及双层的高密度光盘的稳定的记录重放。
在第4实施形态的液晶透镜元件中，通过将菲涅尔透镜部的透明电极15与16之间及透明电极17与18之间施加的电压切换为V+1、V+0、V-1，能够得到分别为“凸透镜”、“无透镜作用”、“凹透镜”的三值焦点切换透镜功能，但在本实施形态的液晶透镜元件中，通过施加电压的断开与接通的切换，能够得到分别为“无透镜作用”、“凸透镜”的二值焦点切换透镜功能。与第4实施形态的三值焦点切换相比，本实施形态的二值焦点切换由于必需的电极间的光程长变化为一半左右，因此能够减小透明电极间的间隔G。即，由于能够减薄液晶层的层厚及凹凸部的膜厚d，因此焦点切换时的响应速度加快。另外具有的优点是，凹凸部的膜厚d越薄，凹凸部的制造工序越能够缩短，同时由于凹凸部表面的液晶分子的取向稳定，所以因液晶分子取向的不均匀而引起产生的不需要的散射光减少，容易得到高效率。
另外，在入射至液晶透镜元件的光学头装置的配置构成中，在本实施形态的液晶透镜的情况下，与高密度光盘所用的波长不同的DVD或CD的波长的光也同样，在不施加电压时的断开状态下，由于与入射光的波长无关，透射波面没有变化，因此不会导致DVD或CD的光学头装置的性能劣化，所以比较好。
实施例以下，参照

上述实施形态的具体实施例。
「例1」以下，参照图1说明第1实施形态所示的液晶透镜元件510的具体实施例。
首先，说明该液晶透镜元件510的制造方法。
利用溅射法，在第1基板(透明基板)11的玻璃基板上形成SiOxNy(这里，x及y表示O及N的元素比例)膜。在这种情况下，例如使用Si靶，同时使用Ar气体中混入氧及氮的放电气体，形成折射率ns(＝1.64)的透明的均匀折射率膜SiOxNy，使其膜厚为d(＝3.5μm)。
再通过使用光掩膜的光刻法，将抗蚀剂形成图形后，利用反应性离子刻蚀法对SiOxNy膜进行加工，使得相当于图3的曲线β的形状。其结果，加工图1所示其截面那样的凹凸部517，该凹凸部517在有效直径φ(＝5.0mm)的区域内，是利用8级阶梯形状近似锯齿形状的截面形状，对于入射光的光轴(Z轴)具有旋转对称性。
接着，在凹凸部517的表面形成透明导电膜(ITO膜)，将它作为透明电极513。再在透明电极513上涂布聚酰亚胺膜(未图示)，形成膜厚约50nm，然后进行烧结，对聚酰亚胺膜表面沿X轴方向进行摩擦取向处理，作为取向膜。
另外，在第2基板(透明基板)512的玻璃基板上形成透明导电膜(ITO膜)，作为透明电极514，如图2(B)所示，分割成环带状的段e1、e2、e3、…、e7，各段e1、e2、e3、…、e7如图9所示，用电阻体551(R1～R6)连接相邻的段。该电阻体R1～R6的一个电极段环带和在内周侧相邻的电极段之间的电阻值为该电极段和在外周侧相邻的电极段之间的电阻值的近似2倍。即，设相距元件中心的第k号及第k-1号的电阻值分别为Rk及Rk-1时，设定电阻值，使得成为2·Rk＝Rk-1的关系。该电阻体如图10所示，利用透明的电阻体551将划分成环带状的段的电极554B、554C、…连接，从而形成在入射光通过的区域内。
再在其上涂布膜厚约50nm的聚酰亚胺膜(未图示)后，进行烧结，对聚酰亚胺膜表面沿X轴方向进行摩擦取向处理，作为取向膜。再在其上，印刷混入了直径7μm的间隔控制材料的粘接材料，形成图形，这样形成密封515，与第1基板511重叠，进行压接，使透明电极间隔最大为7μm，最小为3.5μm(间隔g＝3.5μm)，制成d＝g的空盒。
然后，从空盒的注入口(未图示)注入向列型液晶，封接该注入口，作为图1所示的液晶透镜元件510。对该液晶使用具有寻常光折射率no(＝1.50)及非常光折射率ne(＝1.75)的正的介电常数各向异性的向列型液晶。另外，该液晶是液晶分子的取向平行于透明电极513及514的面而且沿X轴方向一致的均匀取向，充填在凹凸部517的凹部内。
将驱动电源电路518与这样得到的液晶透镜元件510的透明电极513及514连接，通过这样对液晶层516施加电压。若设分割成环带状的段电极间的电位差δV为0，对液晶的施加电压从0V增加，则液晶层516的X轴方向的实质上的折射率从n1＝ne(＝1.75)变化到n2＝no(＝1.50)。其结果，对于具有X轴的偏振光面的直线偏振光入射光，液晶层516与凹凸部517的折射率差从Δnmax(＝n1-ns)＝0.11变化到Δnmin(＝n2-ns)＝-0.14根据充填在凹凸部517的凹部内的液晶层516的厚度分布，透射波面相应变化。
这里，例如，若将对于使用波长λ(＝405nm)而且覆盖厚度87.5μm的光盘、要使得像差为零而设计的NA0.85的物镜用于覆盖厚度100μm及75μm双层光盘，则产生球差。然而，在不施加电压时的电压V+1＝0的情况下，液晶与凹凸部517的折射率差Δn(V+1)如前所述，由于是Δn(V+1)＝n1-ns＝0.11
因此为了利用凹凸部517及充填在该凹部内的液晶，生成前述的透射波面，就决定凹凸部517的最大深度d，使得满足0.75λ≤Δn(V+1)·d≤λ的条件。在本实施例中，为了利用8级的阶梯形状实质上截面为近似锯齿状的凹凸部517，而设d＝3.5μm。
入射至这样得到的液晶透镜元件510的波长λ(＝405nm)的透射波面在不施加电压时(V+1＝0)，成为图4(A)所示的发散波面，显示出焦距(f)为负的凹透镜作用。接着，若增加施加电压，则在V0＝1.8V左右，成为Δn(V0)＝0，透射波面如图4(B)所示，维持与入射波面相同的波面原样(无放大率)透过。若再进一步增加施加电压，则在V-1＝4.4V左右，成为Δn(V-1)＝-Δn(V+1)，透射波面成为图4(C)所示的收敛波面，显示出焦距f为正的凸透镜作用。这时，在施加电压的切换V+1、V+0、V-1中产生的图4(A)、(B)、(C)所示的透射波面的效率(透射效率)的计算值分别为95％、100％、95％。
这里，说明光盘D的覆盖厚度从标准中心的100μm、75μm偏离的情况。
在环带状的段电极的中心与最外周之间施加Δv的电位差。该电位差利用前述的电阻体如图8所示，在各段产生不同的电位。例如，相距元件中心的、第k号环带ek与相邻的第k+1号环带ek+1的电压之差δV(k，k+1)、和第k-1号环带ek-1与相邻的第k号环带ek的电压之差δV(k-1，k)满足δV(k-1，k)＝2·δV(k，k+1)的关系。这样，通过使得对内周的液晶施加的电压变化δV，从而透射的光的光程长差为图7的实线b所示那样，各段间的光程长的Step成为波长λ。因而，透过液晶透镜元件510的光成为实质上连续的波面形状，能够微调焦距。
下面，说明在图13所示的第4实施形态的光学头装置540装有该液晶透镜元件510的情况。另外，该光学头装置540的构成由于在前述的实施形态中说明，因此省略。
对于覆盖厚度100μm及75μm的标准中心的盘片，设δV＝0，将对液晶施加的电压作为V+1、V-1，从而将入射光利用物镜5以高效率聚焦在信息记录层上。另外，对于覆盖厚度从上述标准中心偏离的盘片，通过改变δV，进行调整，使得像差量成为最小(使得重放信号成为最好)，从而以高效率聚焦在信息记录层上。
「例2」接着，在以下参照图14说明第2实施形态所示的本发明的液晶透镜元件10的具体实施例。
首先，说明该液晶透镜元件10的制造方法。
在将玻璃作为原材料的透明基板11～13单面或双面形成透明导电膜(ITO膜)，进行图形形成，将它作为透明电极15～19。再在该透明电极16及18上，蒸镀折射率ns(＝1.52)、相对介电常数εs(＝4)的均匀折射率材料SiON膜，形成膜厚d(＝2.9μm)。接着，利用光刻技术及刻蚀技术，对SiON膜进行加工，使得相当于图17的曲线F1的形状，形成截面形状为锯齿状、对于入射光的光轴(Z轴)具有旋转对称性的图14所示那样的凹凸部27及28。
另一方面，在将玻璃作为原材料的透明基板14的表面形成表面电阻值为40Ω/□的ITO膜后，如图16所示，进行图形形成，形成低电阻电极31～34。再形成表面电阻值为106Ω/□的氧化锡膜后，进行图形形成，形成高电阻平面电极35，作为复合电极20。然后，在形成了电极的全部透明基板表面涂布聚酰亚胺构成的液晶取向膜，进行烧结后，将透明电极15及16的表面沿Y轴方向进行摩擦取向处理，将透明电极17～19及复合电极20的表面沿X轴方向进行摩擦取向处理。再在形成了透明电极15、17、19的透明基板11、12、13的表面，印刷混入了直径15μm的间隔控制材料的粘接材料，形成图形，这样形成密封21～23，将透明基板11～14重叠，进行压接，制成透明电极间隔为15μm的空盒。
然后，从空盒的注入口(未图示)注入具有寻常光折射率no(＝1.52)及非常光折射率ne(＝1.70)的正的介电常数各向异性的向列型液晶，作为液晶层24、25、26。然后，利用紫外线固化树脂封接注入口后，连接导通连接单元29，作为图14所示的液晶透镜元件10。
将这样得到的液晶透镜元件10与外部信号源30电连接，使得能够对液晶层24、25、26施加电压。然后，若使施加电压从0V增加，则液晶层24～26的摩擦方向的实质上的折射率从ne(＝1.70)变化到no(＝1.52)。但是，对液晶施加的有效电压VLC根据式(6)是与凹凸部27及28的形状相对应，即因地方而异，液晶透镜元件10产生的位相差φd根据凹凸部27及28的膜厚dF，如式(7)那样相应变化。
下面，图26所示为第2实施例中的液晶透镜元件10的菲涅尔透镜效率的说明图。图26的横轴是使用外部信号源30在透明电极15与16之间及透明电极17与18之间施加的电压，这里，设电极透镜部10C、即透明电极19、复合电极20之间的电压为0V。
在图14中，若入射沿X方向具有偏振光方向的直线偏振光，则由于液晶层24的液晶分子沿Y方向取向，因此与凹凸部27不产生实质上的折射率差，所以与施加电压无关，光透过。另一方面，在液晶层25及凹凸部28产生的位相差根据凹凸部28的膜厚dF，如式(7)那样随电压相应变化。
在施加电压为1.35V时，n(VLC[dF])＞ns，凹凸部28的最薄处与最厚处的位相差为λ，如图19(A)所示，入射平面波作为+1级的菲涅尔衍射波，变换为产生稍微聚焦那样的波面。+1级的菲涅尔衍射效率如图26的曲线A那样，在施加电压为1.35V时为最大。
同样，在施加电压为2.85V时，n(VLC[dF])＜ns，-1级的菲涅尔衍射效率如图26的曲线C那样，在施加电压为2.85V时为最大。
另外，在施加电压为1.74V时，n(VLC[dF])ns，波面几乎不变化，作为0级的菲涅尔衍射如图26的曲线B那样，在施加电压为1.74V时为最大。
如上所述，若使施加电压变为1.35V、1.74V、2.85V，则本发明的液晶透镜元件起到作为“凸透镜”、“无透镜作用”、“凹透镜”的作用。
下面，若入射Y方向的直线偏振光，则由于液晶层25的实质上的折射率为no＝ns，因此无透镜作用。上述的凹凸部27及28相同，由于液晶层24及25的液晶材料相同，取向方向垂直，因此与前述相同，若变为1.35V、1.74V、2.85V，则起到作为“凸透镜”、“无透镜作用”、“凹透镜”的作用。
因而，若使用本发明的液晶透镜元件，则对于X方向及Y方向的直线偏振光，能够根据施加电压的大小，切换透镜作用。
下面，在透明电极15与16之间及透明电极17与18之间不施加电压，在电极透镜部10C、即透明电极19、复合电极20之间施加电压。
例如，在入射与液晶层26的液晶分子的取向方向相同、沿X方向进行偏振的直线偏振光时，设对低电阻电极31～34施加的电压为VA、VB、VC、VD，施加0(V)＜VA＜VB＜VC＜VD的适当的电压。于是，如图20的曲线β所示，能够得到最大1.5λ的位相差。反之，若施加0(V)＜VD＜VC＜VB＜VA的适当的电压，则能够得到将图20的曲线β形成负符号的位相差。因而，利用低电阻电极31～34的电压控制，能够使包含具有最大±1.5λ的位相差的放大率的波面连续变化。
如上所述，若使用本发明的液晶透镜元件，则能够得到垂直的偏振光方向的直线偏振光相同作用的焦点切换菲涅尔透镜。另外，通过控制对复合电极施加的电压，能够使与液晶层26一致的直线偏振光的波面连续变化。
「例3」下面，对图22所示的光学头装置60装入例2所示的液晶透镜元件10作为液晶透镜元件64。另外，双层光盘D具有的第1记录层D1的覆盖厚度为75μm，第2记录层D2的覆盖厚度为100μm。
在该光学头装置60中，光源61是波长405nm的半导体激光器，利用准直透镜63形成平行光，入射至液晶透镜元件10。物镜66的NA为0.85，光瞳直径为3mm，设计成在87.5μm的覆盖厚度的情况下波面像差成为最小。
这里，若施加液晶透镜元件不显示透镜作用时的V0＝1.74V，则聚焦在各记录层上的光的波面像差由于受到与覆盖厚度之差成正比的球差的影响，为0.1λrms以上，因此光的聚焦性能显著劣化。
下面，在透明电极15与16之间及透明电极17与18之间施加电压V+1＝1.35V，聚焦在第1记录层D1上的情况下，以及在透明电极之间施加V-1＝2.85V，聚焦在第2记录层D2上的情况下，则球差被校正，成为0.01λrms以下，聚焦性能得到改善。
下面，为了验证双层光盘D因覆盖厚度的制造误差而引起的球差的校正性能，形成双层光盘D的覆盖厚度成为70μm～80μm及95μm～105μm，适当优化对本实施例的液晶透镜元件10施加的电压，来校正波面像差。图27所示为这时的光学头装置60中的波面像差与覆盖厚度的关系的说明图。
如图27所示，对于液晶透镜元件10，利用使得覆盖厚度分别为75μm及100μm时的波面像差成为最小那样来设计的菲涅尔透镜部10A及10B，进行像差校正，曲线A是不使用电极透镜部10C的透镜作用的方式，曲线B是最佳调整电极透镜部10C产生的放大率的情况。
如该图27所示，若使用本发明的液晶透镜元件10，则由于能够使覆盖厚度为70μm～80μm或95μm～105μm的范围内残存的波面一像差的大小为λ/30rms以下，因此即使在记录层的覆盖厚度产生制造误差等情况下，也能够校正波面像差，维持聚焦性能。
「例4」接着，在以下参照图23说明第7实施形态所示的本发明的液晶透镜元件70的具体实施例。另外，与液晶透镜元件10相同的构成要素的内容由于相同，因此省略说明。
该「例4」中的与「例2」的液晶透镜元件10(参照图14)的主要不同点在于，第1菲涅尔透镜部10A及第2菲涅尔透镜部10B的构成、以及电极透镜部由第1电极透镜部10C及第2电极透镜部10D构成。
首先，以下说明第1菲涅尔透镜部10A及第2菲涅尔透镜部10B的制造方法。
对于第1菲涅尔透镜部10A，使用在单面形成由ITO膜构成的透明电极15、18的透明基板11、13A、以及在双面形成由ITO膜构成的透明电极16、17的透明基板12，在透明电极16、18上，形成折射率ns(＝1.52)、相对介电常数εs(＝4)的均匀折射率材料的SiON膜，使得成为膜厚d(＝1.5μmm)。接着，对于该SiON膜，利用光刻技术及刻蚀技术，使得相当于图17的曲线F1的形状，形成截面形状为锯齿状、对于入射光的光轴(Z轴)具有旋转对称性的图23所示那样的凹凸部27及28。再在透明电极15、17的表面、及凹凸部27、28的表面涂布由聚酰亚胺构成的液晶的垂直取向膜(未图示)，进行烧结后，将透明电极15及凹凸部27的表面沿Y轴方向进行摩擦取向处理，将透明电极17及凹凸部28的表面沿X轴方向进行摩擦取向处理。再在形成了透明电极16、18的透明基板的表面，印刷混入了直径7μm的间隔控制材料的粘接材料，形成图形，这样形成密封21、22，将透明基板11、12、13A重叠，进行压接，制成透明电极间隔为7μm的空盒。
然后，从空盒的注入口(未图示)注入具有寻常光折射率no(＝1.52)及非常光折射率ne(＝1.70)的负的介电常数各向异性的向列型液晶，作为液晶层24、25。然后，利用紫外线固化树脂封接注入口，作为图23所示的菲涅尔透镜部70A，将外部信号源30A与透明电极电连接，使得能够对液晶层24、25施加电压。
接着，在以下参照图23及图16说明第1电极透镜部10C及第2电极透镜部10D。
第1电极透镜部10C及第2电极透镜部10D作为主要的构成，具有在单面形成由ITO膜构成的透明电极19的透明基板13B、在一个表面形成由ITO膜构成的透明电极19B同时在另一个表面形成复合电极20的透明基板14、以及在单面形成复合电极20B的透明基板13C。
关于第1电极透镜部10C及第2电极透镜部10D的制造，特别是对于复合电极20、20B，在各透明基板14、13C上形成表面电阻值为40Ω/□的ITO膜后，进行图形形成，形成低电阻电极31～35(参照图16)，再形成表面电阻值为106Ω/□的氧化锡膜后，进行图形形成，形成高电阻平面电极35(参照图16)。再进一步，在透明电极19、19B及前述的复合电极20、20B的表面，涂布由聚酰亚胺构成的液晶的水平取向膜，进行烧结后，将透明电极19及复合电极部20的表面沿X轴方向进行摩擦取向处理，将透明电极19B及复合电极部20B的表面沿Y轴方向进行摩擦取向处理。然后，从空盒的注入口(未图示)注入具有寻常光折射率no(＝1.52)及非常光折射率ne(＝1.70)的正的介电常数各向异性的向列型液晶，作为液晶层26、27。然后，利用紫外线固化树脂封接注入口，作为图23所示的电极透镜部70B，将外部信号源30B与各电极电连接，使得能够对液晶层26、27施加同一电压。
在这样制成的液晶透镜元件70中，若使得从外部信号源30A、30B生成的交流施加电压从0V增加，则由于液晶层24及25是具有负的介电常数各向异性的垂直取向液晶，液晶层26及27是具有正的介电常数各向异性的水平取向液晶，因此液晶层24、25的摩擦方向的实质上的折射率从no(＝1.52)变化到ne(＝1.70)，液晶层26、27的摩擦方向的实质上的折射率从ne(＝1.70)变化到no(＝1.52)。
图28所示为该「例4」中的液晶透镜元件70的菲涅尔衍射效率的说明图。图28的横轴是使用外部信号源30A在菲涅尔透镜部70A的透明电极15与16之间及透明电极17与18之间施加的电压，这里，设对于电极透镜部70B不施加电压。
(I)在不施加电压的断开状态下，由于与入射光的偏振光状态无关，液晶层与凹凸部的折射率一致，因此透射波面不变。即，成为“无透镜作用”。
(II)另外，在施加电压的接通状态下，若入射X方向的直线偏振光，则由于液晶层24沿Y方向取向，因此与凹凸部27不产生实质上的折射率差，所以与施加电压的大小无关，光透过。另一方面，由于液晶层25沿X方向取向，因此在液晶层25及凹凸部28之间产生的位相差根据凹凸部28的膜厚dF随施加电压相应变化。在施加电压为3.5V时，凹凸部的最薄处与最厚处的位相差为λ，如图19(A)所示，入射平面波的+1级的菲涅尔衍射波的效率成为最大，变换为相当于凸透镜的收敛波面。
另外，若入射沿Y方向偏振的直线偏振光，则由于液晶层25的液晶分子沿X方向取向，因此与凹凸部28不产生实质上的折射率差，所以与施加电压的大小无关，光透过。另一方面，由于液晶层24的液晶分子沿Y方向取向，因此在液晶层24及凹凸部27之间产生的位相差根据凹凸部27的膜厚dF随施加电压相应变化。在施加电压为3.5V时，凹凸部的最薄处与最厚处的位相差为λ，如图19(A)所示，入射平面波的+1级的菲涅尔衍射波的效率成为最大，变换为相当于凸透镜的收敛波面。另外，图26及图28的施加电压单位Vrms的rms意味着是交流有效电压。
如上所述，若将施加电压切换为0V(断开状态)与3.5V(接通状态)，则本发明的液晶透镜元件起到作为“无透镜作用”及“凸透镜”的作用。因而，若使用本发明的液晶透镜元件，则对于沿X方向、Y方向进行偏振的直线偏振光，即与入射光的偏振光状态无关，根据施加电压的接通与关断，能够相应切换透镜作用。
下面，在菲涅尔透镜部70A的透明电极15与16之间及透明电极17与18之间不施加电压，在电极透镜部70B的透明电极19与复合电极20之间及透明电极19B与复合电极20B之间施加电压。由于液晶层26与液晶层26B的液晶分子的取向方向垂直，因此对于沿X方向、Y方向进行偏振的直线偏振光，利用低电阻电极31～34的电压控制，能够连续使包含放大率的波面变化。
如上所述，若使用本发明的液晶透镜元件70，则能够与入射光的偏振光状态无关起作用，得到二值焦点切换透镜。另外，通过控制对电极透镜部施加的电压，能够与入射光的偏振光状态无关起作用，连续使包含放大率的波面变化。
下面，配置本发明的液晶透镜元件70，以代替图22的光学头装置60的液晶透镜元件64，用于单层高密度光盘及双层高密度光盘的记录重放、(I)首先，在覆盖厚度100μm的第2记录层D2的记录重放时，使液晶透镜元件70的菲涅尔透镜部70A为断开状态，在覆盖厚度75μm的第1记录层D1的记录重放时，从外部信号源30A对液晶透镜元件70的菲涅尔透镜部70A施加3.5V的电压，切换为接通状态。
这里，在第1记录层D1及第2记录层D2的覆盖厚度变动±5μm时，图27A所示为残留的RMS波面像差的计算结果。在覆盖厚度100μm及75μm的情况下，RMS波面像差成为0.01λrms以下，在覆盖厚度变动±5μm时，产生0.05λrms左右的RMS波面像差。
(II)再有，根据第1记录层D1及第2记录层D2的覆盖厚度变动，相应从外部信号源30B对液晶透镜元件70的电极透镜部70B施加电压，进行像差校正，图27(B)所示为这时的残留的RMS波面像差计算结果。即使在覆盖厚度变动±5μm时，也能够减少至产生0.03λrms以下的RMS波面像差。
(III)另外，即使在跟踪时，物镜66与液晶透镜元件70产生±0.3mm左右的偏心时，图27所示的RMS波面像差也几乎不劣化。因而，通过使用装有本发明的液晶透镜元件70的光学头装置60，从而实现单层及双层高密度光盘的稳定的记录重放。
以上，虽说明了本发明的各种实施形态，但本发明不限定于前述实施形态中所示的事项，根据权利要求的范围及说明书的叙述、以及众所周知的技术，业内人士对其进行变更及应用也是本发明的预定的内容，包含在请求保护的范围内。
工业上的实用性根据本发明，提供能够根据施加电压相应微调焦距的液晶透镜元件。根据该液晶透镜元件，特别是在具有覆盖厚度不同的双层信息记录层的光盘的记录及/或重放中，由于能够用作为校正产生的包含放大率分量的球差的液晶透镜元件，因此在液晶透镜元件干物镜偏心时不产生像差，所以能够将液晶透镜元件与物镜分离配置。
另外，通过使用本发明的液晶透镜元件，由于减少液晶透镜元件配置的限制，因此能够提供小型、而且能够进行稳定的光盘记录重放的光学头装置。
本申请是根据2004年8月4日申请的日本专利申请(特愿2004-227613)及2004年9月15日申请的日本专利申请(特愿2004-268142)的申请，其内容在这里引入作为参考。
权利要求
1.一种液晶透镜元件，其特征在于，具有至少1个液晶层；以及以将该液晶层夹在中间的方式对向配置的第1透明基板及第2透明基板，所述第1透明基板包含透明电极；以及具有对于光轴有旋转对称性的锯齿状截面形状或以阶梯形状形成近似锯齿而成的断面形状的、由透明材料形成的凹凸部，所述第2透明基板包含透明电极。
2.一种光学头装置，其特征在于，具有光源；使来自该光源的出射光聚焦在光记录介质上用的物镜；检测聚焦在所述光记录介质上并反射的光的光检测器；以及配置在所述光源与所述物镜之间的光路中的权利要求1所述的液晶透镜元件。
3.一种液晶透镜元件，其特征在于，是至少将第1及第2的两片基板对向配置，根据对夹在所述基板间的液晶层施加的电压的大小使透过所述液晶层的光的聚焦点变化的液晶透镜元件，在所述第1基板的一个面上形成第1透明电极、以及具有锯齿形状或以阶梯形状形成近似锯齿而成的断面形状的由透明材料形成的凹凸部，该等凹凸部被形成为以入射光的光轴为中心的多个环带状，在所述第2基板的一个面上形成第2透明电极，所述第1及第2透明电极的至少一方分割成环带状的电极段，所述电极段的环带状的分割位置与所述第1基板的所述锯齿状的凹凸部的环带状的分割位置一致。
4.如权利要求3所述的液晶透镜元件，其特征在于，所述各电极段、以及与该电极段相邻的电极段，用电阻体电连接。
5.如权利要求3或4所述的液晶透镜元件，其特征在于，所述各电极段和在其内周侧相邻的电极段之间的电阻值，为所述各电极段和在其外周侧相邻的电极段之间的电阻值的2倍。
6.一种光学头装置，其特征在于，具有光源；使来自该光源的出射光聚焦在光记录介质上用的物镜；将利用该物镜聚焦并利用所述光记录介质反射的光进行分光的分光镜；检测所述被分光的光的光检测器；以及配置在所述光源与所述物镜之间的光路中的权利要求3至5的任一项所述的液晶透镜元件。
7.一种液晶透镜元件，其特征在于，是根据对液晶层施加的电压的大小，使透过所述液晶层的光的聚焦点变化的液晶透镜元件，具有第1菲涅尔透镜部、第2菲涅尔透镜部、以及电极透镜部，所述第1菲涅尔透镜部具有利用一对透明基板夹住的第1液晶层；为了对该第1液晶层施加电压而在所述透明基板的表面分别设置的对向的电极对；以及具有对于所述光的光轴有旋转对称性的锯齿状截面形状或利用阶梯形状来近似锯齿的截面形状的、在所述对向的电极对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菲涅尔透镜部具有利用一对透明基板夹住的第2液晶层；为了对该第2液晶层施加电压而在所述透明基板的表面分别设置的对向的电极对；以及具有对于所述光的光轴有旋转对称性的锯齿状截面形状或利用阶梯形状来近似锯齿的截面形状的、在所述对向的电极对的至少一方的上表面由透明材料形成的第2凹凸部，所述电极透镜部具有利用一对透明基板夹住的第3液晶层；以及为了对该第3液晶层施加电压而在所述透明基板的表面对向设置的、其中至少一方是由低电阻电极与高电阻平面电极组成的复合电极的电极对，所述第1、第2、第3液晶层是在不施加电压时平行取向，或者施加电压时平行取向的向列型液晶，所述第1液晶层的寻常光折射率方向与所述第2液晶层及所述第3液晶层的非常光折射率方向一致。
8.如权利要求7所述的液晶透镜元件，其特征在于，设置在所述电极透镜部的对向的电极的双方是所述复合电极，所述一方的复合电极由高电阻平面电极与条状配置的多个低电阻电极组成，同时所述另一方的复合电极由高电阻平面电极与沿垂直于所述低电阻电极的配置方向的方向条状配置的多个低电阻电极组成。
9.如权利要求7或8所述的液晶透镜元件，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与所述第1液晶层及第2液晶层的寻常光折射率相等。
10.如权利要求7至9的任一项所述的液晶透镜元件，其特征在于，将对于所述光的波长的位相差为π/2的奇数倍的位相板形成一体。
11.如权利要求7所述的液晶透镜元件，其特征在于，所述液晶透镜元件的电极透镜部由第1电极透镜部及第2电极透镜部组成，所述第1电极透镜部具有利用一对透明基板夹住的所述第3液晶层；以及为了对该第3液晶层施加电压而在透明基板的表面设置的、其中至少一方是由低电阻电极与高电阻平面电极组成的复合电极的对向的电极对，所述第2电极透镜部具有利用一对透明基板夹住的第4液晶层；以及为了对该第4液晶层施加电压而在透明基板的表面设置的、其中至少一方是由低电阻电极与高电阻平面电极组成的复合电极的对向的电极对，所述第1、第2、第3、第4液晶层是在不施加电压时平行取向，或者施加电压时平行取向的向列型液晶，第1液晶层的寻常光折射率方向与第2、第3液晶层的非常光折射率方向及第4液晶层的寻常光折射率方向一致。
12.如权利要求11所述的液晶透镜元件，其特征在于，设置在所述电极透镜部的对向的电极的一方是所述复合电极，该复合电极由高电阻平面电极和以所述光的光轴为中心的多个同心圆形状形成的低电阻电极组成。
13.如权利要求11所述的液晶透镜元件，其特征在于，设置在所述电极透镜部的对向的电极的双方是所述复合电极，一方的所述复合电极由高电阻平面电极与条状配置的多个低电阻电极组成，同时另一方的所述复合电极由高电阻平面电极与沿垂直于所述低电阻电极的配置方向的方向条状配置的多个低电阻电极组成。
14.一种光学头装置，其特征在于，具有光源；使来自该光源的出射光聚焦在光记录介质上用的物镜；检测聚焦在所述光记录介质上并反射的光的光检测器；以及配置在所述光源与所述物镜之间的光路中的权利要求7至13的任一项所述的液晶透镜元件。
15.一种光学头装置，至少包含光源；使来自该光源的出射光聚焦在光记录介质的信息记录层上的物镜；接受所述信息记录层的反射光的光检测器；以及从光源到光记录介质的去程光束与所述信息记录层的反射光到光检测器的回程光束分离的分光镜，其特征在于，由通过一体层叠所述第1菲涅尔透镜部和第2电极透镜部而形成的去程用液晶透镜元件、以及通过一体层叠所述第2菲涅尔透镜部和第1电极透镜部而形成的回程用液晶透镜元件组成的权利要求7至13的任一项所述的液晶透镜元件中的所述去程用液晶透镜元件被设置在光源与分光镜之间的光路中，所述回程用液晶透镜元件被设置在分光镜与光检测器之间的光路中。
全文摘要
本发明提供能够根据施加电压的大小进行焦距微调的液晶透镜元件及使用该液晶透镜元件的光学头装置。在透明基板511的一个面上形成多个环带状的透明电极513及具有以锯齿形状近似的截面形状的、由透明材料形成的凹凸部517，在透明电极512的一个面上形成透明电极514，透明电极513、514构成分割成环带状的电极段，使该电极段的环带状的分割位置与透明基板511的锯齿状的凹凸部517的环带状的分割位置一致。
文档编号G02F1/1335GK1993748SQ20058002566
公开日2007年7月4日 申请日期2005年8月3日 优先权日2004年8月4日
发明者村田浩一, 野村琢治, 大泽光生, 大井好晴, 田边让 申请人:旭硝子株式会社