专利名称：液晶透镜元件及光学头装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及液晶透镜元件及光学头装置，特别涉及能够根据施加电压的大小而相应切换为多个不同焦距的液晶透镜、以及装有该液晶透镜的用于对光记录介质进行信息记录及/或重放的光学头装置。
背景技术：
光记录介质(以后称为“光盘”)，具有在光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形成的覆盖层，作为这种光记录介质，已经普及有CD用光盘及DVD用光盘等。另外，在用于对该DVD用光盘进行信息记录及/或重放的光学头装置中，作为光源是使用波长为660nm频带的半导体激光器，并使用NA(数值孔径)为0.6到0.65的物镜等。
以往，一般使用的DVD用光盘(以下称为“单层光盘”)的信息记录层是单层，覆盖层厚度为0.6mm。但是，近年来，为了增大每一片光盘的信息量，还开发了将信息记录层形成为两层的(重放专用或能够重放及记录的)光盘(以下称为“双层光盘”)，在该双层光盘中，在光入射侧的覆盖层厚度为0.57mm及0.63mm的位置处形成信息记录层。
这样，在采用具有对单层光盘进行最佳设计、使得像差为零的物镜的光学头装置对双层光盘进行记录及/或重放的情况下，若覆盖层厚度不同，则因覆盖层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差。特别是在记录型的双层光盘中，聚焦性差将相应使记录时的聚焦功率密度降低，产生导致写入错误的问题。
近年来，为了更进一步提高光盘的记录密度，还提出覆盖层厚度为0.1mm的光盘(以下称为“BD用光盘”)。另外，对这种光盘进行信息记录用的光学头装置使用具有射出波长为405nm频带的激光的半导体激光器作为光源、及NA为0.85的物镜的光学头装置。但是，在这种情况下，对于记录型的双层光盘也同样，因覆盖层厚度的不同而相应产生球差，该球差将产生导致写入错误的问题。
以往，作为校正上述那样的双层光盘等因覆盖层厚度的不同而产生的球差的方法，已知有采用可动透镜组成液晶透镜的方法。
(I)例如，为了利用可动透镜组进行球差校正，提出图16所示的进行光盘D的记录重放的光学头装置100(例如，参照专利文献1)。
这种光学头装置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、以及调制/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具有凹透镜161、凸透镜162、以及驱动器163，使固定在驱动器163上的凸透镜162沿光轴方向移动，从而发现可动透镜组160的放大率从正(凸透镜)到负(凹透镜)连续变化的变焦距离透镜功能。
通过在光盘D的光路中配置这种可动透镜组160，能够使得入射至光盘D的覆盖层厚度不同的信息记录层(图示省略)的入射光聚焦，校正包含放大率分量的球差。
但是，在使用这种可动透镜组160时，需要一对透镜161和162以及驱动器163，因此存在的问题是导致光学头装置100大型化，同时由于要可动，因此机构设计复杂。
(II)另外，为了校正因光盘的覆盖层厚度的差异而产生的球差，还提出了采用图17所示的液晶透镜200的光学头装置(例如，参照专利文献2)。
这种液晶透镜200是在平坦的一面形成透明电极210及取向膜220的基板230与用轴对称的半径r的取幂运算之和、即下式[数学式1]S(r)＝α1r2+α2r4+α3r6…(1)式中r2＝x2+y2α1、α2、α3常数描述的表面形状S(r)的曲面上形成透明电极240及取向膜250的、由基板260夹着的向列型液晶270而构成。
若电压施加在透明电极210与240之间，则该液晶透镜200的液晶270的分子取向变化，折射率改变。其结果，根据基板260与液晶270的折射率之差，透射光的波面相应变化。
这里，基板260的折射率与不施加电压时的液晶270相等。因此，在该不施加电压时，入射光的透射波面不变化。
另外，若电压施加在透明电极210与240之间，则基板260与液晶270之间产生折射率之差Δn，透射光产生相当于Δn×S(r)(式中，S(r)参照式(1))的光程长之差的分布。
因此，通过对基板260的表面形状S(r)进行加工，根据施加电压相应调整折射率之差Δn，使得校正因光盘D的覆盖层厚度之差异而产生的球差，从而能够校正像差。
但是，在图17所示的液晶透镜的情况下，由于液晶270相对于施加电压的折射率变化最大为0.3左右，因此为了产生相当于使入射光焦点变化的放大率分量的较大光程长之差的分布Δn×S(r)，必须增大S(r)的凹凸差。其结果，液晶270的层加厚，产生驱动电压增加及响应迟缓的问题。
因此，为了减薄液晶层，比较有效的是仅校正去掉放大率分量的像差校正量最少的球差。但是，在对基板260的表面形状S(r)进行加工，使得仅校正球差时，在将入射光聚焦在光盘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，产生对信息记录层的聚焦性差、不能记录或重放的问题。
(III)由于发现不加厚液晶层而使相当于入射光焦点变化的放大率分量也可变的实质上的透镜功能，还提出了图18所示的液晶衍射透镜300(例如，参照专利文献3)。
这种液晶衍射透镜300是在形成规定的锯齿状起伏的基板310的单面形成透明电极320，利用该透明电极320与对向电极330夹住液晶层340。若将电压施加在该电极320与330之间，则对于非常光偏振光，液晶层340的实际折射率从非常光折射率ne变为寻常光折射率no。这里，所谓“实际折射率”意味着是液晶层厚度方向的平均折射率。
在设具有锯齿状起伏结构的基板310的折射率为n1、入射光的波长为λ时，锯齿状起伏的槽深d形成为满足下式的关系d＝λ/(ne-n1)通过这样在不施加电压时从波长λ能够得到最大衍射效率，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成为最大衍射。
在这样构成的液晶衍射透镜300中，由于只要求填液晶层340，使得埋没锯齿状起伏的沟槽即可，因此与采用前述图17所示的液晶透镜200来校正包含放大率分量的球差的这种类型的液晶270相比，液晶层340能够减薄。
但是，在该液晶衍射透镜300中，由于在锯齿状起伏面上形成透面电极32，因此在边缘部分该透明电极320容易断线。另外，若液晶层340减薄，透明电极320与对向电极330容易短路。
专利文献1特开2003-115127号公报专利文献2特开平5-205282号公报专利文献3特开平9-189892号公报本发明正是鉴于上述情况提出的，其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，同时是液晶层较薄的液晶元件，而且具有能够根据施加电压的大小，对包含相当于稳定的入射光焦点变化的放大率分量的球差进行校正的透镜功能。另外，本发明的目的在于提供一种光学头装置，该光学头装置通过采用该液晶透镜元件，能够对单层及双层光盘中因覆盖层厚度之差异而产生的球差进行校正，进行稳定的记录及/或重放。
发明内容
本发明是由下述要点构成的。
1.一种液晶透镜元件，是可变焦距的液晶透镜元件，其中具有分别具有透明电极的一对透明基板；在该一对基板具有的各自的透晚电极之间施加电压的电压施加装置；用透明材料形成、并且具有对于液晶透镜元件的光轴有旋转对称性的锯齿状截面形状或近似阶梯形状的锯齿状的截面形状，同时在所述各透明电极中的至少一个透明电极上形成的凹凸部分；以及至少充填所述凹凸部分的凹下部分的液晶，根据利用所述电压施加装置施加在所述透明电极间的电压的大小，使所述液晶的实际折射率相应变化。
根据该结构，在透明基板的平坦面上形成透明电极，再在其上形成校正波面像差的凹凸部分。其结果，对充填有液晶的液晶层施加的电场的均匀性好，在液晶透镜元件的面内能够得到稳定的动作。再有，由于透明电极间隔能够确保一定，因此形成不易产生电极间短路的结构。另外，由于将液晶充填具有锯齿状截面或以近似阶梯形状的锯齿状的截面形状的透明材料的凹下部分，因此能够减薄液晶层的厚度。其结果，能够实现低电压驱动及高速响应。另外，最好前述凹凸部分对于该透明基板面的各凸起部分及各凹下部分的高度一致，即在锯齿状的截面形状或近似阶梯形状的锯齿状的截面形状中，凹下部分相对于凸起部分的深度一致，即最好采用所谓菲涅尔透镜形状。
2.上述1.所述的液晶透镜元件，所述液晶采用具有寻常光折射率no及非常光折射率ne(这里no≠ne)，同时液晶层的实际折射率根据所述施加的电压的大小在no到ne的范围的数值之间变化的液晶材料，而且具有不施加电压时的液晶分子的取向方向在液晶层内均沿特定方向取向的特性，同时所述凹凸部分的透明材料是至少对于非常光偏振光入射光有折射率ns的透明材料，折射率ns位于no与ne之间(包含折射率ns的值与no及ne相等的情况)。
另外，所述凹凸部分的透明材料若是对于非常光偏振光入射光的折射率为ns，则除了均匀折射率透明材料以外，也可以是双折射材料。
根据该结构，发现液晶与凹凸部分的透明材料的折射率根据施加电压的大小相应有不同的状态和一致的状态。通过这样，能够得到一种液晶透镜元件，它能够切换为了校正包含放大率分量的球差而使入射光的透射波面变化的透镜功能与入射光的透射波面不变化的功能。特别是使所述凹凸部分的折射率ns与ne一致时，对于非常光偏振入射光，发现不施加电压时因凹凸部分与液晶层不产生折射率之差而入射光的透射波面不变化的功能。另外，在使所述凹凸部分的折射率ns与no一致时，对于寻常光偏振入射光，发现不施加电压时因凹凸部分与液晶层不产生折射率之差而入射光的透射波面不变化的功能。由于透射波面变化基本上不取决于波长，因此发现即使BD用DVD用或CD用等多个波长频带的光入射液晶透镜元件而透射波面也不变化的功能。
3.上述2.所述的液晶透镜元件，所述凹凸部分的透明材料的折射率ns满足下式2的关系[数学式2]|ne-ns|≤|ne-no|/2同时所述凹凸部分的凹下部分的深度d对于透过所述液晶的光的波入λ，是在下式3的范围内[数学式3](m-0.25)·λ/|ne-ns|≤d≤(m+0.25)·λ/|ne-ns|…(2)
式中，m＝1、2或3。
另外，所述凹凸部分的透明材料若是对于非常光偏振入射光的折射率为ns，则除了均匀折射率透明材料以外，也可以是双折射材料。即提供所述的液晶透镜元件，该液晶透镜元件的所述凹凸部分的透明材料的折射率满足下式4的关系[数学式4]|ne-ns|≤|ne-no|/2同时所述凹凸部分的凹下部分的深度d对于所述光的波长λ是在所述式(2)的范围内。
根据该结构，对于在液晶的分子取向方向具有偏振面的直径偏振入射光，若设根据施加电压V的大小而相应变化的液晶层的实际折射率n(V)与凹凸部分的透明材料的折射率ns之差为Δn(V)＝n(V)-ns，则凸起部分的透明材料与凹下部分的液晶的最大光程长之差Δn(V)·d根据施加电压的大小实质上在+mλ到-mλ之间变化。另外，在Δn(V0)＝0时，即在液晶层的折射率与凹凸部分的透明材料的折射率ns相等的施加电压V0时，发现入射光的透射波而不变化的功能。
另外，还发现以其前后的施加电压所产生的透射波面的放大率分量切换为正(凸透镜)及负(凹透镜)的功能。通过这样，能够得到利用施加电压能够切换包含焦距、即放大率分量的球差的液晶透镜元件。
在m＝1的情况下，在施加电压V+1、V-1(V+1＜V0＜V-1)时，Δn(V)·d＝+λ及-λ，在m＝2的情况下，加上m＝1的情况，在施加电压V+2、V-2(V+2＜V+1＜V0＜V-1＜V-2)时，Δn(V)·d＝+2λ及-2λ，在m＝3的情况下，加上m＝2的情况，在施加电压V+3、V-3(V+3＜V+2＜V+1＜V0＜V-1＜V-2＜V-3)时，Δn(V)·d＝+3λ及-3λ，即，形成根据m的值、利用(2m+1)个施加电压值来切换包含透射波面、即放大率分量的球差的液晶透镜元件。另外，在中间电压值时，也发现有放大率生成效果。
在所述凹凸部分的凹下部分的深度d满足式(2)时，为了有效地发现这样的功能，最好凹凸部分材料的电阻率ρF大大低于液晶层的电阻率ρLC。具体来说，最好ρF/ρLC为小于等于10-5。其结果，施加在透明电极间的电压中，减少凹凸部分的电压降，电压有效地施加在液晶层上。
另外，在凹凸部分材料的电阻率ρF不是大大低于液晶层的电阻率ρLC时，对于透明电极间的施加电压V，会产生凹凸部分的电压降，有效地施加在液晶层上的电压VLC将降低。
在凹凸部分材料及液晶层看作为电气绝缘体的大电阻率的情况下，施加电压V根据凹凸部分的电容量CF与液晶层的电容量CLC进行分配，来决定施加在液晶层上的电压VLC。即，通过调整根据透明电极间的锯齿状截面或以近似阶梯形状的锯齿状的截面形状的凹凸部分与液晶层的厚度之比例而变化的电容量CF与CLC，能够根据凹凸部分的形状相应调整电极间的平均折射率即光程长。其结果，存在入射光的透射波面不变化的施加电压V0、或者透射波面的放大率分量为正(凸透镜)的施加电压V+1、或者透射波面的放大率分量为负(凹透镜)的施加电压V-1。通过这样，能够得到利用施加电压能够切换包含焦距、即放大率分量的球差的液晶透镜元件。
4.上述1.至3.的任一项所述的液晶透镜元件，其中，将波长λ与所述光之间的相位差为π/2的奇数倍的相位板形成一体化。
5.将相位板与上述1.所述的液晶透镜元件重叠而进行叠层的液晶透镜元件。
根据该结构，采用能够小型化的单一的液晶透镜元件，能够使偏振状态也与透射光的波面一起变化。
6.提供将两个上述1.所述的液晶透镜元件重叠而进行叠层的液晶透镜元件。
根据该结构，该液晶透镜元件的效果是将两个液晶透镜的效果互相相加的结果。再有，在构成各自的液晶透镜元件的液晶分子的取向方向互相垂直时，不管其偏振状态如何，都具有透镜效果，另外在液晶分子的取向方向平行、凹凸部分的截面形状(轮廓形状)不同时，起到作为放大率不同的液晶透镜的作用。
7.将偏振性衍射光栅与相位板依该顺序与上述1.所述的液晶透镜元件重叠而进行叠层的液晶透镜元件。
根据该结构，采用能够小型化的单一的液晶透镜元件，能够使偏振状态也与透射光的波面一起变化，还能够产生取决于偏振光的衍射光。
8.提供光学头装置，具有射出波长λ的光的光源、将来自该光源的光射光光记录介质聚焦的物镜、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、以及检测所述分光的光的光检测器，其中，在所述光源与所述物镜之间的光路中，设置1.至4.的任一项所述的液晶透镜元件。
另外，通过采用具有上述任一种液晶透镜元件的光学头装置，由于能够校正因单层及双层光盘中的覆盖层厚度之差异而产生的包含放大率分量的球差，即使在液晶透镜元件与物镜处于偏心的位置关系下也能够得到稳定的像差较正效果，因此实现能够提高对信息记录面的聚焦性、进行稳定的记录及/或重放的光学头装置。
9.一种光学头装置，具有射出波长λ1及波长λ2这里λ1≠λ2)的光的光源、将来自该光源的出射光聚焦在光记录介质上的物镜、以及检测利用该物镜聚焦并利用所述光记录介质反射的出射光的光检测器，其中，在所述光源与所述物镜之间的光路中，设置上述1.至4.的任一项所述的液晶透镜元件，同时作为入射至所述液晶透镜元件的所述波长λ1及波长λ2的光，采用偏振面互相垂直的直线偏振光。
10.上述8.或9.所述的光学头装置，其中，所述光记录介质具有覆盖信息层的覆盖层，对该覆盖层的厚度不同的光记录介质进行记录及/或重放。
通过采用具有上述任一种液晶透镜元件的光学头装置，能够具有对波长λ1的入射光根据施加电压的大小校正因光盘的覆盖层厚度之差异而产生的球差那样的功能。另外，能够具有对波长λ2的入射光与施加电压的大小无关而不使入射光的透射波面变化那样的功能。其结果，即使在波长λ1及波长λ2的光入射至液晶透镜元件的情况下，在采用波长λ2的光的光盘进行记录及/或重放时也不会产生不好影响。
根据本发明，由于对液晶层施加的电场的均匀性好，在液晶透镜元件的面内能够得到稳定的动作，同时透明电极间隔能够确保一定，因此形成不易产生电极间短路的结构。而且，由于将液晶充填具有锯齿状或以近似阶梯形状的锯齿状的截面形状的透明材料的凹下部分，因此能够减薄液晶层的厚度，从而实现低电压驱动及高速响应。换句话说，能够提供一种液晶透镜元件，该液晶透镜元件无可动部分并能够小型化，同时具有根据施加电压能够对包含放大率的球差进行稳定校正的透镜功能。
另外，能够提供一种光学头装置，这种光学头装置通过附加该液晶透镜元件，能够对单层及双层光盘中因覆盖层厚度之差异而产生的球差，即使在液晶透镜元件与物镜偏心的情况下，也能够进行稳定的记录及/或重放。
图1所示为本发明有关的第1实施形态的液晶透镜元件构成的侧面剖视图。
图2所示为图1所示的液晶透镜元件的构成平面图。
图3所示为利用液晶透镜生成的透射波面的光程长之差的曲线图，α是将横轴设为半径r、以波长λ为单元表示光程长之差的曲线，β是从α减去波长λ的整倍数、作为零以上λ以下的光程长之差的曲线，γ是表示相对于光程长之差为零的面与β形成对称的光程长之差的曲线。
图4所示为对本发明的液晶透镜元件切换施加电压时的作用的侧视图，(A)表示施加电压V+1时的收敛透射波面，(B)表示施加电压Vo时的没有波面变化的透射波面，(C)表示施加电压V-1时的发散透射波面。
图5是为本发明的液晶透镜元件的侧视图中透明电极间的放大剖视图。
图6所示为将相位板一体化的本发明第2实施形态的液晶透镜元件构成的侧面剖视图。
图7所示为液晶分子的取向方向互相垂直那样将液晶透镜元件叠层的本发明第3实施形态的液晶透镜元件构成的侧面剖视图。
图8所示为将切换的透射波面不同的液晶透镜元件叠层的本发明第4实施形态的液晶透镜元件构成的侧面剖视图。
图9所示为将相位板与偏振性衍射光栅与衍射光一体化的本发明第5实施形态的液晶透镜元件构成的侧面剖视图。
图10所示为将光源与光检测器装在单一组件内、并将液晶透镜元件一体化的本发明有关的光学单元构成例的侧视图。
图11所示为装有本发明第2实施形态有关的液晶透镜元件的第6实施形态的光学头装置的构成图。
图12所示为装有本发明第2实施形态有关的液晶透镜元件的第6实施形态的光学头装置变形例的构成图。
图13所示为装有将本发明第5实施形态的液晶透镜元件一体化的光学单元的第7实施形态的光学头装置构成图。
图14所示为本发明的液晶透镜元件利用电压进行焦点切换的测定例的曲线。
图15所示为使用装有本发明的液晶透镜元件的光学头装置对覆盖层厚度不同的DVD光盘产生的波面像差的计算值曲线。
图16所示为装有可动透镜组作为球差校正元件的以往的光学头装置构成图。
图17所示为以往的液晶透镜构成例的侧面剖视图。
图18所示为以往的液晶衍射透镜构成例的侧视图。
标号说明1A、1B、61半导体激光器(光源)1C双波长光源2A、2B、2C、53衍射光栅2C波长选择性的衍射光栅3 二向色棱镜4 分光镜4B全息分光镜5 准直透镜6 物镜7 柱面透镜8、8A、8B、62 光检测器10、10A、10B、10C、20、30、40、50 液晶透镜元件11、12、12A、12B、21透明基板13、13A、13B、14、14A、14B 透明电极15、15A、15B 密封16、16A、16B、16C 液晶17、17A、17B、17C 凹凸部分18、18A、18B 交流电源22相位板51双折射衍射光栅52粘接材料层
60光学单元63金属块64组件70、80、90光学头装置D 光盘具体实施方式
以下，参照
本发明的实施形态。
下面，参照图1所示的剖视图及图2所示的平面图，详细说明本发明第1实施形态有关的液晶透镜元件10的构成例。
本实施形态有关的液晶透镜元件10，具有透明基板11及12、透明电极13及14、密封15、液晶(液晶层)16、凹凸部分17、以及交流电源18。
其中，凹凸部分17用透明材料形成，例如在本实施形态中用折射率ns的均匀折射率透明材料形成，截面具有锯齿状或以阶梯状实质上锯齿状的形状，在有效直径φ的区域中相对于入射光的光轴(Z轴)具有旋转对称性。这里，最好采用凹凸部分的凹下部分相对于其凸起部分的深度是一致的菲涅尔透镜形状。
以下，说明该液晶透镜元件10的制造步骤的一个例子。
首先，在透明基板11的一个平坦面形成透明电极13。再在该透明电极13的一个平坦面(图1中为止表面)上，用折射率ns的均匀折射率透明材料，形成截面为锯齿状或以阶梯状实质上锯齿状的形状的凹凸部分17。
接着，形成透明电极14，在透明基板12上对混入间隙控制材料的图示以外的粘结材料进行印刷，制成图形，从而形成密封15，并与前述的透明基板11重叠，进行压接，制成空单元。从设置在密封15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16，封住该注入口，将液晶16密封在单元内，作为本实施形态的液晶透镜元件10。
这样，在凹凸部分17的至少凹下部分充填液晶16，使用交流电源18对透明电极13及14加上矩形波的交流电压，通过这样液晶16的分子取向发生变化，液晶(层)16的实际折射率从ne变为no。其结果，根据施加电压的大小，液晶16与凹凸部分17的折射率之差Δn(V)发生变化，透射光对于入射光的波面发生变化。
这里，由均匀折射率透明材料形成的凹凸部分17，可以是紫外线固化树脂、热效应树脂及感光性树脂等有机材料，也可以是SiO2或Al2O3或SiOxNy(这里，xy表示O与N的元素比例)等无机材料。即，均匀折射率透明材料的折射率ns，只要是具有包含no或ne的no与ne的中间折射率值的透明材料即可。
凹凸部分17在透明电极13的表面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，也可以利用金属模具对均匀折射率透明材料层转印凹凸部分形成。
另外，为了对于施加电压得到大的折射率之差Δn(V)的变化，最好充填在凹下部分的液晶16的液晶分子取向方向与入射至液晶透镜元件10的光的偏振面方向一致。例如，在图2中，将液晶分子的取向方向(即，非常光折射率ne的方向)与X轴方向一致，使具有X轴方向的偏振面的直线偏振光入射。
为了使液晶分子的取向方向与X轴方向一致，只要在透明电极14及凹凸部分17的表面涂布聚酰亚胺等取向材料(未图示)，固化后沿X轴方向进行摩擦处理即可。也可以采用聚酰亚胺作为凹凸部分17的材料，将其表面进行摩擦处理。除了聚酰亚胺的摩擦处理以外，也可以采用SiO斜蒸镀膜或光聚向膜等，使液晶分子的取向一致。
另外，为了通过在透明基板11一侧形成的电极141对透明电极14施加电压，预先对密封15混入导电性金属粒子，进行密封压接，从而在密封厚度方向发现有导电性，将透明电极14与电极11导通。对与电极13连接的电极131及与透明电极14连接的电极141连接交流电源18，从而能够对液晶12加上电压。
接着，在以下说明锯齿状或以阶梯状实质上锯齿状的凹凸部分17的截面形状。为了使用本发明的液晶透镜10，生成校正因光盘的覆盖层厚度之差异而产生的球差的透射波面，同时生成赋予正或负的放大率分量的透射波面，在入射至液晶透镜10的平面波的透射波面中，对于光轴中心(坐标原点x＝y＝0)的光线，使得通过离开半径r的位置的光线的光程长之差OPD，用下式的幂级数来描述[数学式5]OPD(r)＝a1r2+a2r4+a3r6+a4r8+ …(3)式中，r2＝x2+y2
α1、α2、…常数(参照后述的[表1])这里，在图3中用标号α表示将横轴设为半径r、将光程长之差OPD以入射光波长λ为单位表示的曲线的具体例子。
在相位一致的相干的波长λ的入射光的情况下，具有λ的整数倍的光程长之差的透射波面可看成是同样的。因此，将图3的用α表示的曲线(光程长之差)以波长λ的间隔加以分割，并表示向光程长之差为零的面投影的光程长之差的曲线β实质上与曲线α是同样的。曲线β所示的光程长之差全部在λ以内，截面成为锯齿状。
这里，在凹凸部分17的透明材料的体积电阻率ρF/ρLC为小于等于10-5时，施加在透明电极13与14之间的电压有效地施加在液晶16上。
以下，说明在这样的透明电极间的施加电压与液晶16的施加电压实质上相等的条件(将它设为“Casel”)下，凹凸部分17的截面形状及液晶透镜元件10的作用。
在对透明电极13与14加上电压V时，若设液晶(层)16相对于非常光偏振光的光的实际折射率为n(V)，则由均匀折射率透明材料构成的凹凸部分17与液晶16的折射率之差为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之差，只要设置图1所示的凹凸部分11的深度d为满足下式的关系即可[数学式6]d＝λ/Δn(V+1)…(4)式中，λ入射光的波长Δn(V+1)施加电压V+1F的(凹凸部分17与液晶16的)折射率之差式中，设满足Δn(V+1)＞0的施加电压V+1。
这里，通过使施加电压变化，从而使折射率之差Δn变化。例如i在成为Δ(V0)＝0的施加电压V0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下，产生图3的曲线r所示的光程长之差的透射波面。这相当于对于光程长之差为零的面与图3的曲线β面对称的光程长之差的透射波面。
但是，由于形成凹凸部分17的均匀折射率透明材料的折射率ns是处于包含折射率值n0或n2的n0与ne之间(包含折射率ns的值与n0及ns相等的情况)的值，因此存在电压值V0及V+1或V-1。所以在液晶16的折射率为n(V+1)及n(V-1)时，由均匀折射率透明材料形成的凹凸部分17加工成锯齿状或以阶梯状实质上锯齿状的截面形状，使得成为相当于图3的曲线β及曲线γ的光程长之差的空间分布。
在本实施形态的液晶透镜元件10中，若使形成凹凸部分17的均匀折射率透明材料的折射率ns满足下式的关系[数学式7]|ne-ns|≤|ne-no|/2则必然存在形成下式的电压值V+1＜V0＜V-1，即Δn(V0)＝0Δn(V+1)＝-Δn(V-1)＞0因此，对于交流电源18，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。另外，若是下式的范围[数学式8]|ns-[(no+ne)/2]|≤(ns-no)/4则可以说均匀折射率透明材料的折射率ns实质上等于(no+ne)/2。
另外，液晶16的不施加地的折射率为ne，在施加起来V+1及V-1时，为了生成相当于图3的曲线β及曲线γ的光程长之差，最好将凹凸部分17的深度d设为下式的范围[数学式9]0.75·[λ/|ne-ns|]≤d≤1.25·[λ/|ne-ns|]这相当于式(2)中的m＝1的情况。
这里，在施加电压V+1、V0、V-1(这里，V+1＜V0＜V-1)下，入射至液晶透镜10的平面波分别形成图4(A)、(B)、(C)所示的透射波面射出。即，根据透明电极13与14的施加电压，能够得到与正放大率、无放大率、负放大率相对应的透镜功能。
另外，在电压值V+1与V0的中间或电压值V0与V-1的中间的施加电压V下，主要根据与该电压值V相应的比例，产生两种透射波面(图4(A)及(B)所示的波面、或图4(B)及(C)所示的波面)。
以上，说明了在Case 1的条件下的本实施形态中，生成将图3的用α表示的光程长之差OPD以波长λ间隔分割的光程长之差OPD即β的液晶透镜元件(在式(2)中相当于m＝1)的形态，但也可以是在式(2)中相当于m＝2或3的液晶透镜元件的形态。在这种情况下，成为将图3的α以波长m·λ(这里，m＝2或3)间隔分割的光程长之差OPD所对应的透射波面。
在凹凸部分17的透明材料的体积电阻率ρF不是大大低于液晶16的体积电阻率抗ρLC时，根据取决于凹凸部分17的透明材料的相对介电常数εF及其膜厚dF的电容量CF、和取决于液晶16的相对介电常数εLC及其膜厚dLC的电容量CLC，将施施加在透明电极13与14之间的电压分配给凹凸部分17及液晶(层)16。
即，在分别对于凹凸部分17及液晶(层)16采用电阻RF、RLC及电容量CF、CLC的等效电路中，能够对于透明电极间的交流频率f的交流施加电压V，算出液晶(层)16的施加电压VLC。
另外，以下说明在凹凸部分17及液晶16的体积电阻率ρF及ρLC足够大、在等效电路中根据凹凸部分17及液晶(层)16的电容量CF及CLC来决定对凹凸部分17与液晶(层)16的电压分配是，即f×RF×CF及f×RLC×CLC比1要足够小的条件(将它设为“Case2”)下，关于凹凸部分17的截面形状及液晶透镜元件10的作用。
图5所示为表示液晶透镜元件10的截面图的图1中将透明电极13与14之间的凹凸部分17及液晶16放大的放大图。在该图5中，设透明电极13与14的间隔为一定值G。另外，凹凸部分17的膜厚dF按照从零到d进行分布，液晶16的层厚dLC按照从G到G-d进行分布。这里，dF+dLC(＝G)为一定值。
在Case2中，对于透明电极13与14之间的交流施加电压V，分配给液晶(层)16的施加电压VLC的比例VLC/V用下式表示[数学式10]VLC/V＝CF/(CF+CLC)＝1/{1+(εLC/εF)×(dF/dLC)}…(5)式中，εLC液晶16的相对介电常数εF凹凸部分17的相对介电常数这里，由于凹凸部分17的膜厚dF与形成菲涅尔透镜的锯齿状或以近似阶梯形状的锯齿状的截面形状相对应按照从零到d进行分布，因此dF/dLC按照从零到d/(G-d)进行分布。其结果，液晶(层)16的施加电压VLC与凹凸部分17的形状相以应产生空间分布。
为了对液晶(层)16有效地施加电压，最好采用相对介电常数εF大的凹凸部分17的材料，使得式(5)的比例VLC/V增大。由于液晶(层)16的相对介电常数εLC为大约大于等于4，因此最好采用大于等于4的相对介电常数εF。
另外，由于一般液晶具有各向异性电介常数，液晶分子长轴方向的相对介电常数ε11与液晶分子短轴方向的相对介电常数εL不同，因此随着施加电压，液晶分子的取向产生变化，由于液晶分子的取向变化，液晶(层)16的相对介电常数εLC也产生变化。因此，在式(5)中，反映相对介电常数εLC对应于VLC的变化，确定液晶(层)16的施加电压VLC对应于凹凸部分17的形状的空间分布。由于VLC对应于dF进行变化，因此在这之后表示为VLC[dF]。另外，VLC(0)等于电极间施加电压V。
Case2的情况与Case1不同，由于对液晶(层)16施加的电压VLC对应于凹凸部分17的形状是不同的，因此液晶(层)16对于非常光偏振光的入射光的实际折射率n(VLC[dF])将产生空间分布。在图5中，凹凸部分17的膜厚dF位置的透明电有13与14之间的光程长为ns×dF+ncVLC[dF])×dLC，相对于没有凹凸部分17的菲涅尔透镜中心位置(dF＝0)的光程长n(V)×G的光程长之差OPD形成下式[数学式11]OPD＝{ns×dF+n(VLC[dF])×(G-dF)}-n(V)×G…(6)膜厚dF按照从零到d进行分布，光程长之差OPD按照从零到下工的OPDd进行分布[数学式12]OPDd＝{ns×d+n(VLC[d])×(G-d)}-n(V)×G＝{n(VLC[d])-n(V)}×G-{n(VLC[d])-ns}×d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之差，只要使得光程长之差OPDd为实质上λ(即0.75λ～1.25λ)，来决定凹凸部分17的膜厚d及透明电极13与14的间隔G，同是采用凹凸部分17的膜厚从零到d的截面形状即可。
这里，通过改变施加电压V，式(6)的光程长之差OPD将变化。例如，i)在凹凸部分17的膜厚dF按照从零到d进行分布时，存在式(6)的光程长之差OPD相对于入射光的波长λ成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，足够小的光程长之差OPD具体来说是小于等于λ/5，最好是小于等于λ/10。
另外，ii)在光程长之差OPDd为实质上-λ(即从-0.75λ到-1/25λ)的实质上电压V下，能够生成图3的曲线γ所示的光程长之差的透射波面。这相当于对于光程长之差为零的面与图3的曲线β为面对称的光程长之差的透射波面。
因此，对于交流电源18，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，入射至液晶透镜10的平面波分别形成图4(A)、(B)、(C)所示的透射波面射出。即，根据透明电极13与14的施加电压，能够得到与正放大率、无放大率、负放大率相对应的透镜功能。与Case1条件的情况相同，除了生成将图3的用α表示的光程长之差OPD以波长λ间隔分割的光程长之差OPD即曲线β的液晶透镜元件以外，也可以是相当于光程长之差OPDd为实质上mλ(m＝2或3)的液晶透镜元件的形态。在这种情况下，形成将图3的曲线α以波长m·λ(这里m＝2或3)间隔分割的光程长之差OPD所对应的透射波面。
另外，在与Case1的情况不同、生成三种透射波面时，凹凸部分17的均匀折射率透明材料的折射率ns也可以实质上等于液晶16的寻常光折射率no或非常光折射率ne。
例如，在ns＝no、使各向异性介电常数(Δε＝ε∥-ε⊥)为正的液晶进行均匀取向时，若形成凹凸部分17，使得不施加电压时(V+1＝0)的光程长之差OPDd＝-(ne-no)×d成为λ，则Case1至Case2的任何一种情况下，非常光偏振光入射至液晶透镜10的平面波都形成图4(A)所示的相当于正放大率的透射波面射出。若增加透明电极13与14间的施加电压，则在Case1的情况下，以大于等于10V的高施加电压，液晶(层)16的折射率接近于ns，能够得到相当于图4(B)所示的无放大率的透射波面，但不产生相当于图4(C)所示的负放大率的透射波面。但是，在Case2的情况下，以小于等于5V的施加电压，能够生成相当于图4(B)所示的无放大率的透射波面及相当于图4(C)所示的负放大率的透射波面。
即，Case2与Case1相比，通过选择液晶16及凹凸部17的折射率和相对介电常数、凹凸部分17的膜厚d及透明电极13与14的间隔G等，由于液晶透镜元件10的光电学特性的设计自由度高，因此能够生成低电压驱动或多种多样的透射波面。另外，Case2与Case1相比，由于能够减薄凹凸部分17的膜厚d，因此能够缩短成膜及凹凸加工的制造过程。
另外，最好使凹凸部分17的折射率ns实质上等于液晶(层)16的寻常光折射率n0，在这种情况下具有的优点是，由于不管电极间施加电压V的值如何，对于寻常光偏振光，凹凸部分17与液晶(层)16都不产生折射率之差，因此入射至液晶透镜元件10的寻常咣偏振光的透射波面不变化，能够得到高透射率。即，在多个光束入射至液晶透镜元件10、而想要使特定光束不产生波面变化进行透射时，只要作为寻常光偏振光入射至液晶透镜元件10即可。例如，DVD用及CD用的不同波长入射，由于仅对于DVD用波长发现液晶透镜元件10的放大率切换作用，因此只要对于DVD作为非常光偏振光入射至液晶透镜元件10、而对于CD用作为寻常光偏振光入射至液晶透镜元件10即可。
另外，在本实施形态中，是对于生成用式(3)描述的轴对称的光程长之差OPD的液晶透镜元件10的情况，说明了它的元件结构及动作原理，但生成式(3)以外的相当于校正轴非对称的彗差或像散等的光程长之差OPD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对凹下部分充填液晶来制成。
另外，在本实施形态中，是使得利用液晶透镜元件10生成的光程长之差OPD的绝对值为小于等于入射光波长λ那样，来设定凹凸部分17的深度d，使截面形状为锯齿状，但在不需要高速响应性时，也可以加工凹凸部分17，使得光程长之差OPD的绝对值成为大于等于入射光波长λ。
在这种情况下，与[背景技术]一栏的专利文献2所述的液晶透镜相比，由于电极间隔一定，因此施加在液晶上的电场的均匀性好，驱动电压及响应速度的面内均匀性高。同样，与[背景技术]一栏的专利文献3所述的液晶衍射透镜不同，光程长之差与施加电压的大小相对应连续进行变化。
另外，在要校正的光程长之差OPD的绝对值为小于等于入射光波长λ时，不需要使液晶透镜元件10的由均匀折射率透明材料构成的凹凸部分17的剖面形状形成为锯齿状，光程长之差与施加电压的大小相对应连续进行变化。
另外，在本实施形态中，所示的是采用具有正各向异性介电常数的液晶16，该液晶16的液晶分子在不施加电压时与基板11及12的表面平行取向，并根据施加电压的大小，液晶分子沿基板11及12的表面的垂直方向排列，但也可以是别的液晶取向或液晶材料。例如，也可以用具有负各向异性介电常数的液晶，该液晶的液晶分子在不施加电压时垂直于基板表面取向，并根据施加电压V，液晶分子沿基板表面的平行方向排列。
另外，在本实施形态中，是将形成凹凸部分17的材料采用折射率为ns的均匀折射率透明材料，但也可以采用分子取向方向在基板面内沿单方向一致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，使寻常光折射率等于液晶的寻常光折射率no，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。通过采用这样的结构，由于对于寻常光偏振光入射光，不管施加电压的大小如何，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，所示的结构是对液晶16分别通过遍及透明基板11及12的各一个表面设置的全部电极即透明电极13及透明电极14施加交流电压的。但本发明中，除此以外，也可以采用例如透明电极13及透明电极14的至少一个电极在空间上加以分割、并能够独立施加不同的交流电压的结构。通过这样，能够生成更多样的光程长之差OPD的空间分布。
另外，也可以将该空间分割的透明电极作为具有所希望的电阻的电阻膜，使施加电压沿半径方向分布，使液晶所加的电压沿半径方向倾斜分布。
下面，参照图6说明本发明第2实施形态有关的液晶透镜元件20。另外，在本实施例中，对于与第1实施形态相同的部分，附加同一标号，并避免重复说明。
本实施形态的液晶透镜元件20，是在前述的第1实施形态有关的液晶透镜元件10中，再附加相位板22及透明基板21而构成的。即，在该液晶透镜元件20中，在透明基板12的与透明电极14安装面相反的一面，在与透明基板21之间，夹着由双折射材料形成的相位板22，并形成一体化。
作为相位板22，是采用将聚碳酸酯等有机膜延伸、并沿延伸方向具有滞相轴的双折射膜，利用粘结材料粘结在透明基板12与21之间。另外，也可以采用高分子液晶膜，它是对取向处理后的透明基板21涂布液晶单体，形成规定膜厚后，进行聚合固化而形成。或者，也可以采用水晶等双折射晶体作为相位板22，来代替透明基板21，与透明基板12粘结固定。
无论哪种情况下，相位板22的光轴方向相对于入射光偏振面的方向即X轴，在XY平面内形成45°夹角的方向。例如，相对于波入λ的入射光，使相位板22的滞后值为波长λ的1/4奇数倍，即相位差为π/2的奇数倍，通过这样透过液晶透镜元件20的光成为圆偏振光射出。
因此，通过对光学头装置安装使用本实施形态的液晶透镜元件20，能够用单一元件使透射光的波面及偏振光状态变化。
下面，参照图7说明本发明第3实施形态3有关的液晶透镜元件30。另外，在本实施形态中，对于与第1实施形态相同的部分，附加同一标号，并避免重复说明。
本实施形态的液晶透镜元件30是将第1实施形态有关的液晶透镜元件10、在两个凹凸部分17互相相对那样的状态下上下重叠，采用这样叠层的结构(但是，透明基板11是公用的)，作为大致的结构，具有第1液晶透镜元件10A、第2透镜元件10B、以及对它们施加交流电压的交流电源18。
即，该液晶透镜元件30的第1液晶透镜元件10A中，具有两片透明基板11及12A、在这些透明基板上形成的透明电极13A及14A、在透明电极14A上形成的凹凸部分17A、以及密封在透明电极13A与设置凹凸部分17A的透明电极14A之间的空隙中的液晶16A。另外，第2液晶透镜元件10B也与第1液晶透镜元件10A同样构成，但公用透明基板。
下面，说明本实施形态的制造方法首先，在各透明基板12A及12B的一个表面分别形成透明电极14A及14B。然后，在这些透明电极14A及14B的平坦面上，分别采用折射率为ns的均匀折射率透明材料，形成截面为锯齿状或以阶梯状实质上锯齿状的形状的凹凸部分17A及17B。这些凹凸部分17A及17B的各一面加工成相对于入射光的光轴(Z轴)具有旋转对称性的同一凹凸形状。另外，在透明基板11的两面形成透明电极13A及13B。
然后，在各透明基板12A及12B上，分别形成将混入间隔控制材料的粘结材料通过印刷制成图形的密封15A及15B。然后，将各透明基板12A及12B与透明基板11重叠，使得凹凸部分17A与凹凸部分17B的旋转对称轴一致，再进行压接，制成空单元。然后，从设置在密封的一部分的注入口(未图示)注入液晶，同时封住该注入口，将液晶16A及16B密封在单元内，制成液晶透镜元件30。另外，使透明电极13A及13B导通，作为公用电极，同时使透明电极14A与14B导通，作为公用电极。
在这样形成的液晶透镜元件10A中，利用交流电源18在公用电极之间加上矩形波的交流电压。于是，液晶16A及16B的分子取向与该施加电压相对应发生变化，液晶层的实际折射率从ne变为no。其结果，液晶16A及16B与凹凸部分17A及17B的折射率之差Δm发生变化，透射光对于入射光的波面发生变化。
图7所示的第1及第2液晶透镜元件10A及10B的构成及作用虽与图1所示的液晶透镜10相同，但液晶16A与16B的液晶分子取向方向互相垂直，这一点却不同。即，在第1及第2液晶透镜元件10A及10B中，液晶层界面的取向处理方向互相垂直。其结果，根据本实施形态，不管入射光的偏振光状态如何，根据施加电压，能够相应得到具有例如图4(A)、(B)、(C)所示那样的正放大率、无放大率、负放大率的透镜功能。
另外，在成为Δn(V0)＝0的施加电压V0下，在对于液晶层有相当于非常光偏振光的入射光时，第1及第2液晶透镜件10A及10B的透射波面不产生变化，但在对于液晶层有相当于寻常光偏振光的入射光时，不管施加电压的大小如何，第1及第2液晶透镜元件10A及10B的透射波面产生与折射率之差no-ns相对应的一定的变体。
第1及第2液晶透镜元件10A及10B由于它的液晶16A及16B的取向方向互相垂直，因此不管入射偏振光状态如何，都产生该一定透射波面变化。为了抵消这样的施加电压V0下的一定的透射波面变化，最好在透明基板10A或12B的表面形成校正面。
或者，采用在分别与液晶16A及16B的取向方向相同的取向方向的寻常光双折射率相等的高分子液晶等双折射率材料，形成凹凸部分17A及17B，通过这样在施加电压V0下，能够使液晶透镜元件30的透射波面不变化。
下面，参照图6说明本发明第4实施形态有关的液晶透镜元件40。另外，在本实施形态中，对于与第1及第2实施形态相同的部分，附加同一标号，并避免重复说明。
本实施形态的液晶透镜元件40与图7所示的液晶透镜元件30相比，第1及第2液晶透镜元件10A及10C的结构以下面的方面不同。
第2液晶透镜元件10C的液晶取向方向与第3实施形态的第2液晶透镜元件10B不同，是与第1液晶透镜元件10A的液晶16A相同的取向方向。另外，第2液晶透镜10C的凹凸部分17C的轮廓形状与凹凸部分17A不同，用式(3)描述的图3的曲线α所示的光程长之差OPD互相不同。再有，分别独立地利用交流电源18A及18C，对液晶16A及16C加上矩形波的交流电压。
通过这样，在入射具有与液晶16A及16C的取向方向相对应的偏振面的非常光偏振光时，第1及第2液晶透镜元件10A及10C起到作为分别独立产生放大率不同的液晶透镜的作用。
例如，在施加电压V+1及V0及V-1下，若设第1液晶透镜元件10A的放大率为PA+1、PA0(+0)、PA-1，同时设第2液晶透镜元件10C的放大率为PC+1、PC0(＝0)、PC-1，并设它们的大小关系为PA+1＜PC+1＜0＜PC-1＜PA-1。
这时，通过利用交流电源18A及18C未调整施加电压，液晶透镜元件40能够生成7种(PA+1＜PC+1)＜PA+1＜PC+10＜PC-1＜PA-1＜(PA+1＜PC+1)不同的放大率。
其结果，通过对光学头装置安装使用本实施形态的液晶透镜元件40，能够校正因覆盖层厚度的差异而生成的包含7种放大率分量的球差量。
下面，参照图9说明本发明第5实施形态有关的液晶透镜元件50。另外，在本实施形态中，对于与第1及第2实施形态相同的部分，附加同一标号，并避免重复说明。
本实施形态的液晶透镜元件50是在第1或第2实施形态所示的液晶透镜10中，在透明基板12的单面(没有设置透明电极的一面)与安装在透明基板21的一面的相位板22之间，夹着双折射衍射光栅51及粘结材料层52。
双折射衍射光栅51，是在透明基板12的单面(没有设置透明电极的一面)形成由高分子液晶构成的双折射材料层，将它加工成凹凸光栅的截面形状，从而形成双折射衍射光栅51。再采用由均匀折射率透明材料制成的粘结材料，它填双折射衍射光栅51的至少凹下部分，作为粘结材料层52，同时与形成有相位板22的透明基板粘结。
由高分子液晶形成的双折射光栅51进行取向处理，使得液晶16与高分子液晶的分子互向互相垂直。即，在透明基板12上形成沿Y轴方向进行取向处理的取向膜(未图示)，并涂布液晶单体，进行聚合固化，通过这样形成沿Y轴方向取向(非常光折射率的方向)一致的高分子液晶。再利用用刻及反应性离子刻蚀，形成截面为凹凸形状的双折射衍射光栅51。
对双折射衍射光51的凹下部分，充填折射率实质上等于高分子液晶的寻常光折射率的粘结剂，形成粘结材料层52，通过这样构成入射光中的寻常光偏振光透射、非常光偏振光衍射的偏光衍射光栅。
双折射衍射光栅51的截面形状，可以是图9所示的矩形形状，为了对于特定的衍射极数得到高的衍射效率，也可以采用锯齿形状。双折射衍射光栅51通过适当设定形成双折射衍射光栅的高分子液晶的非常光折射率与粘结材料层52的折射率的折射率之差(ΔN)、和该高分子液晶的凹凸深度(D)之积即(ΔN×D)，能够对于波长λ的非常光偏振光的入射光，得到所希望的衍射级数的衍射效率。另外，通过构成光栅间距及光栅长度方向的角度在光栅面内形成规定的分布的全息图形，能够在空间上控制入射光的衍射方向。
相位板22是与第2实施形态(参照图6)中说明的相位反22相同的相位板，设相位板22的光轴方向为相对于入射光偏振需的方向即X轴在XY平面内形成45°夹角的方向，设其滞后值为了射光波长λ的1/4。
再有，在本实施形态的液晶透镜元件50中，如图9所示，在透明基板11的表面形成衍射光栅53，相对于入射光产生0级衍射光(直线前进透射光)及±1级衍射光。衍射光栅53在例如光学头装置中用作为光盘的跟踪用三束光束。
下面，说明本实施形态的作用。
若从透明基板11一侧，具有X轴方向的偏振面的直线偏振光入射至本实施形态的液晶透镜元件50，则根据利用交流电源18施加在液晶透镜元件10上的电压的大小，透射波面相应变化，作为寻常光偏振光入射至由双折射光栅51与粘结材料层52构成的偏振性衍射光栅。而且没有利用该偏振性衍射光栅进行衍射的透射的光利用相位板22成为圆偏振光，透过液晶透镜元件50。
另外，若用图示外的光盘等反射面反射的光再次从液晶透镜元件50的透明基板21一侧入射，则利用相位板22成为具有Y轴方向的偏振面的直线偏振光，作为非常光偏振光入射至偏振性衍射光栅，因此产生衍射，从液晶透镜元件50射出。
这样，通过对液晶透镜元件10将偏振性衍射光栅51、相位板22、衍射光栅53形成一体化，与装置中分别一个一个安装元件的情况相比，由于位置精度提高，因此能够得到稳定的性能。
下面，参照图10说明这样的液晶透镜元件50与半导体激光器及光检测器一起在同一组件内形成一体而组成的单元组件(以下称为“光学单元60”)。
该光学单元60将射出具有X轴方向的偏振面的、波长λ的直线偏振光的半导体激光体60及光检测器62固定在金属块63上，放入组件64内。光检测器62中集成了将光信号变换为电信号后、对该信号进行信号放大用及信号处理用的电路。在该组件64的光出射及光入射侧设置开口部分，在该开口部分粘结固定了液晶透镜元件50，形成一体，构成单元化的结构。
若在光学头装置中安装这样的光学单元60，则成为同时具有产生跟踪用三束光束的衍射光栅的功能、与施加电压相对应的像差校正的功能、以及在去路上直线前进透射而回路上高效地向着光检测器分光的偏振光全自分光镜的功能的液晶透镜元件，使得光学头装置小型化。
下面，参照图11说明装有本发明第2实施形态有关的液晶透镜元件20的DVD及CD用光盘的记录及重放用的光学头装置70。另外，在本实施形态中，对于与第2实施形态相同的部分，附加同一标号，并避免重复说明。
本实施形态的光学头装置70具有光源即第1及第2半导体激光器1A及1B、第1及第2衍射光栅2A及2B、二向色棱镜3、分光镜4、准直透镜5、物镜6、柱面透镜7、光检测器8，除此之外，在分光镜4与准直透镜5之间的光路上具有液晶透镜元件20。
下面，说明本实施形态的作用。
(i)DVD用光盘的情况从DVD用半导体激光器1A射出、同时在图11的纸面内具有偏振面的波长λ1(＝660nm)的出射光，利用衍射光栅2A产生跟踪用的三束光束。然后，透过二向色棱镜3，用分光镜4反射，入射至液晶透镜元件20。透过该液晶透镜元件20的光成为圆偏振光，利用准直透镜5形成平行光，利用物镜6聚焦在DVD用光盘D的信息记录层。
另外，物镜6利用聚焦伺服及跟踪伺服用的驱动器(未图示)可以移动。用光盘D的反射面反射的光再次透过物镜6及准直透镜5，再透过液晶透镜元件20，成为具有与纸面垂直的偏振面的直线偏振光，一部分光透过分光镜4。然后，透过利用像散法的聚焦伺服用而设置的柱面透镜7，聚焦在光检测器8。另外，利用分光镜4反射的光虽经过原来的光路聚焦在半导体激光器1A的发光点，但由于是偏振面与激光器发送光垂直的直线偏振光，因此对激光器发送没有影响，使激光器发送强度稳定。
(ii)CD用光盘的情况另外，从CD用半导体激光器1B射出的、具有垂直纸面的偏振面的波长λ2(＝790nm)的出射光，利用衍射光栅2B产生跟踪用的三束光束，在二向色棱镜3反射，使光轴与DVD用的波长λ1的光一致前进，并用分光镜4反射。然后，该反射镜与DVD用的波长λ1的光相同，利用准直透镜5及物镜6，聚焦在CD用光盘D的信息记录层。另外，用光盘的反射面反射后的光路与DVD用的波长λ1的光路相同。
在本实施形态的光学头装置70中，在半导体激光器1A及1B采用发送输出功率大的半导体激光器时，为了使返回激光器发光点的返回光的偏振面与激光器发送光的偏振面垂直，最好使液晶透镜元件20中的相位板22(参照图6)对于波入λ1及波长λ2成为1/4波长板。
具体来说，是对于波长λ1与波长λ2的中间波长，分别将滞后值在1/4波长及1/2波长的高分子液晶层进行叠层，使其光轴角度为所希望的角度。
接着，使用装有本发明的液晶透镜元件20(参照图6)的光学头装置70，在下面说明对于覆盖层厚度不同的单层及双层DVD记录及重放用光盘的记录重放动作。
(i)单层光盘(覆盖层厚度0.60mm)的情况由于设计物镜6，使得对于覆盖层厚度0.60mm的单层光盘D的像差为最小，因此在单层光盘D进行记录及/或重放时，在液晶透镜元件20的电极间加上交流电压V0。这是，由于液晶16与凹凸部分17的折射率一致，因此如图4(B)所示，透射波面不变。
(ii)双层光盘(覆盖层厚度0.57mm)的情况在对双层光盘中的覆盖层厚度0.57mm的信息记录层进行记录及/或重放时，在电极间加上交流电压V+1，使得液晶透镜元件20的透射波面成为稍微聚焦的球面波。
这时，由于液晶16的折射率大于凹凸部分17，因此如图4(A)所示，成为正放大率即相当于凸透镜的透射波面。即，利用物镜6，能够有效地聚焦在覆盖层厚度0.57mm的信息记录层。
(iii)单层光盘(覆盖层厚度0.63mm)的情况另外，在对覆盖层厚度0.63mm的图示外的信息记录层进行记录及/或重放时，在电极间加上交流电压V-1，使得液晶透镜元件20的透射波面成为稍微发散的球面波。这时，由于液晶16的折射率小于凹凸部分17，因此如图4(C)所示，成为负放大率即相当于凹透镜的透射波面。即，利用物镜6，能够有效地聚焦在覆盖层厚度0.63mm的信息记录层。
因此，通过将液晶透镜元件20的施加电压切换为V0、V+1、V-1，从而对于覆盖层厚度不同的DVD用单层光盘及双层光盘，实现稳定的记录重放。
这样，根据本实施形态有关的光学头装置70，液晶透镜元件20不仅校正因光盘D的覆盖层厚度的差异而产生的球差，还能够附加相当于焦点位置变化的放大率分量切换功能。因此，例如与物镜6另外安置使用，在物镜6跟踪时沿光盘D的半径方向移动，与液晶透镜元件20产生偏心，即使在这种情况下，像差也几乎没有恶化。其结果，与仅校正球差的液晶元件相比，可实现稳定的记录及/或重放。
另外，在液晶透镜元件20中，通过采用相当于式(2)的m＝2或3的凹凸部分17的形状，由于能够分别切换5种或7种透射波面，因此对于覆盖层厚度不同的光盘，能够进行更精确的像差校正。
另外，若采用图7所示的第3实施形态的液晶透镜元件30，来代替液晶透镜元件20，则由于不仅对于去路的偏振光有校正作用，对于回路的垂直的偏振光也有校正作用，因此也改善对光检测器的聚焦性。
另外，若采用图8所示的第4实施形态的液晶透镜元件40，来代替液晶透镜元件20，则不仅能够校正三种覆盖层厚度不同的光盘的像差，还能够校正除此以外的覆盖层厚度的像差。因此，即使是覆盖层厚度有差异的光盘或整个光学头装置的光学系统剩下有球差时，也能够进行更精确的像素校正。
另外，在液晶透镜20中，由于去路的与偏振面垂直的直线偏振光作为寻常光偏振光对液晶透镜元件20的液晶入射，因此产生与折射率之差no-ns相对应所示的一定的透射波面变化。为了对它进行抵消，只要形成对相当于液晶16的凹凸形状的校正面的凹下部分充填均匀折射率充填材料的校正元件即可。这里，调整双折射材料及充填材料的折射率，使得对于液晶的寻常光偏振光产生光程长之差，对于非常光偏振光不产生光程长之差。
这时，由于CD用的波长λ2的偏振光成为寻常光偏振光，对液晶透镜元件20的液晶入射，因此不管液晶透镜元件20的施加电压如何，透射波面都不变化。
即，能够不使像差恶化，而对CD用光盘进行稳定的记录重放。
这里，例如图12所示的光学头装置80的示意图那样，采用在单一组件内隔开100μm左右配置DVD用半导体激光器及CD用半导体激光器的发光点的双波长光源1C时，可构成简单的结构。
该光学头装置80，采用波长选择性的衍射光栅2C作为跟踪用的三束光束发生元件，来代替图11中的衍射光栅2A及2B。
该波长选择性的衍射光栅2C是不使DVD用的波长λ1的光产生衍射而透射、并使CD用的波长λ2的光产生衍射的衍射光栅，或者是不使CD用的波长λ2的光产生衍射而透射、并使DVD用的波长λ1的光产生衍射的衍射光栅，或者将它们叠层的元件，能够抑制产生不需要的散射光，得到高的光利用效率。
另外，该光学头装置80通过在双波长光源1C与分光镜4之间的光路中配置液晶透镜元件20，能够力图实现装置小型化。另外，通过使液晶透镜元件20与波长选择性的衍射光栅2C一体化，进一步使装置小型化。
另外，在本实施形态中，是对于装有使用波长为660nm频带的半导体激光器作为光源的、对DVD用的单层及双层光盘D进行动作的液晶透镜元件20的光学头装置80进行了说明，但对于装有使用波长为405nm频带的半导体激光器作为光源的、对BD用的单层及双层光盘D进行动作的液晶透镜元件的光学头装置也能够得到同样的作用及效果。
下面，参照图13说明本发明第7实施形态的光学头装置90。另外，在本实施形态中，对于与第6实施形态相同的部分，附加同一标号，并避免重复说明。
本实施形态的光学头装置90具有DVD用单元90A、CD用单元90B、二向色棱镜3、准直透镜5、物镜6。
DVD用单元90A是第5实施形态中说明的图10所示的光学单元60，即DVD用半导体激光器1A(61)、光检测器8A(62)及液晶透镜元件50与图示外的组件粘结固定形成一体，构成单元。另外，CD用单元是将CD用半导体激光器1B、光检测器8B及全息分光镜4B与组件形成一体。
下面，说明本实施形态的作用(i)关于DVD用光盘的记录及/或重放关于该DVD用光盘进行记录及/或重放，是使用DVD用的单元90A、即所示的光学单元60。
从光学单元60中的DVD用半导体激光器1A射出、在图13的纸面内具有偏振面的波长λ1(＝66nm)的出射光，透过液晶透镜元件50，成为圆偏振光的三束光束，透过二向色棱镜3。然后，该透射光利用准直透镜5形成平行光，利用物镜聚焦在DVD用光盘D的信息记录层。
另外，用该光盘D的反射面反射的光逆向前进，再次透过物镜6及准直透镜5及二向色棱镜3，再透过液晶透镜元件50中的1/4波长板即相位板22(参照图9)。然后，该透射光成为具有与图13的纸面垂直的偏振面的直线偏振光，利用液晶透镜元件50中的由全息分光镜即双折射衍射光栅51及粘结材料层52构成的偏振性衍射光栅(参照图9)进行衍射，有效地聚焦在光检测器8A的受光面。
(ii)关于CD用光盘的记录重放另外，CD用光盘的记录重放是使用将CD用半导体激光器1B及光检测器8B及全息分光镜4B形成一体化组件的CD用单元90B。
从半导体激光器1B射出的波长λ2(＝790nm)的光透过将产生跟踪用三束光束的衍射光栅一体化的全息分光镜4B。
然后，该透射光用二向色棱镜3反射后前进，使得光轴与DVD用的波长λ1的光一致，并利用准直透镜5及物镜6聚焦在CD用光盘D的信息记录层。
另外，用光盘D的反射面反射的光逆向前进，再次透过物镜6及准直透镜5，用二向色棱镜3反射，再利用全息分光镜4B将一部分光进行衍射，聚焦在光检测器8B的受光面。
这样，在本实施形态中，对于覆盖层厚度不同的DVD用单层及双层光盘D进行稳定的记录及/或重放用的动作与第6实施形态相同。因此，根据本实施形态的光学头装置10，能够简化光学头装置90的组装调整，同时使整个装置小型化，并减轻重量。
实施例[例1]下面，参照图6说明第2实施形态所示的本发明液晶透镜元件20的具体首先，说明该液晶透镜元件20的制造方法。
在透明基板11的玻璃基板上形成透明导电膜(ITO膜)，将它作为透明电极13。再在该透明电极13上涂布折射率为ns(＝1.66)的均匀折射率材料即感光性聚酰亚胺，使其形成膜厚d(＝5.5μmm)。
然后，采用相当于图3的曲线β的形状那样的紫外线透射率沿半径方向分布的阶梯掩膜，对感光性聚酰亚胺照射紫外线，烧结阶梯掩膜图形后进行显影。其结果，在有效直径φ(＝4.9mm)的区域内加工形成截面形状为锯齿状的、对于入射光的光轴(Z轴)具有旋转对称性的图6所示那样的凹凸部分17。再对由聚酰亚胺形成的凹凸部分17的表面沿X轴方向进行摩擦取向处理。作为这样得到的由聚酰亚胺形成的凹凸部分17的透明材料，采用其体积电阻率ρF比液晶16的体积电阻率ρLC低106或106以上的低电阻的材料。
另外，在形成透明导电膜(ITO膜)作为透明电极14的透明基板12的玻璃基板上涂布膜厚约50nm的聚酰亚胺膜后，进行烧结，将聚酰亚胺膜表面沿X轴方向进行摩擦取向处理。再在其上将混入直径7μm的间隔控制材料的粘结材料通过印刷制成图形，形成密封15，使它与透明基板11重合，进行压接，制成透明电极间隔为7μm的空单元。
然后，从空单元的注入口(未图示)注入液晶16，封住该注入口，作为图6所示的液晶透镜元件10。
该液晶16采用具有寻常光折射率no(＝1.50)及非常光折射率ne(＝1.78)的正各向异性介电常数的向列型液晶。另外，将液晶分子的取向与透明电极13及14的平面平行而且沿X轴方向一致的液晶16充填凹凸部分17的凹下部分。另外，锯齿状的凹凸部分17的斜面由于是最大3°左右的倾斜，因此液晶分子的取向可以看成为与透明电极面平行。
然后，在透明基板21的玻璃基板上涂布膜厚约50nm的聚酰亚胺膜后，进行烧结，将聚酰亚胺膜表面沿与X轴形成45°夹然的方向进行摩擦取向处理。
在其上涂布液晶单体，使其成为膜厚6.6μm，然后进行聚合固化，制成由滞相轴沿与X轴形成45°夹然方向一致、寻常光折射率与非常光折射率之差为0.2的高分子液晶膜形成的相位板22。然后，用粘结材料将相位板22与透明基板12粘结固定，将透明基板21等与液晶透镜元件10粘接，作为液晶透镜元件20。
该相位板22的滞后值(Rd)为Rd＝0.20×6.6＝1.32μm相当于DVD用的波长λ(＝666nm)的5/4倍，具有114波长板的功能。
对这样得到的液晶透镜元件20的透明电极13及14连接交流电源18，通过这样相当于凹凸部分17的电压降很小的第1实施形态所示的Case1的条件，将电压有效地施加在液晶16上。若使施加电压从0V增加，则液晶(层)16沿X轴方向的实际折射率从ne(＝1.78)变为no(＝1.50)。其结果，对于具有X轴的偏振面的直线偏振光入射光，液晶16与凹凸部件17的折射率之差(Δn)从Δnmax(＝ne-ns)＝0.12(式中，ns＝1.66)变为Δnmin(＝no-ns)＝-0.16根据凹凸部分17的凹下部分中充填的液晶16的厚度分布，透射波面相应变化。
这里，例如对于使用波长λ(＝660nm)、覆盖层厚度0.60mm的DVD用单层光盘，设计了数值孔径(NA)0.65及焦距3.05mm的物镜，使得像差为零，若将这样的物镜用于覆盖层厚度为0.57mm及。063mm的DVD用双层光盘，则最大光程长之差约为0.15λ，产生相当于平方平均波面像差约为43mλ，[rms]的球差。
因此，为了使用液晶透镜元件20来校正该球差，要加工凹凸部分17，使得不施加电压时的透射波面相当于用下述[表1]所示的系数值a1～a5的式(3)表示的光程长之差OPD。这里，式(3)的光程长之差OPD以[μm]为单位，r以[mm]为单位。
通过这样，使用[表1]的系数值a1～a5，生成从式(3)表示的相当于图3的曲线α的光程长之差减去波长λ的整数倍而得到的(相当于大于等于零、小于等于λ的光程长之差)、图3的曲线β表示的光程长之差的透射波面。
这里，由于不施加电压时的液晶16与凹凸部分17的折射率之差(Δn)如前所述，是Δn(＝ne-ns)＝0.12因此为了利用凹凸部分17及该凸下部分中充填的液晶16生成上述的透射波面，只要满足前述的式(4)即可。即，在式(2)中，m＝1时，Δn×d＝0.66μm根据该式，决定凹凸部分17的深度d(μm)，使得最大光程长之差相当于波长λ＝660nm(＝0.66μm)。
通过这样，凹凸部分17的深度(d)设为d＝5.5μm，加工成图1所示的截面形状。另外也可以利用近似阶梯形状的锯齿状的凹凸部分17。为了生成相当于图3的曲线α的光滑的透射波面，最好将凹凸部分17的深度(d)设为(0.75×λ/Δn)≤d≤(1.25×λ/Δn)另外，由于凹凸部分17的有效直径是4.9mm，所以最大半径为2.45mm。
入射至液晶透镜元件20的DVD用波长λ(＝660nm)的透射波面在不施加电压时(V+1＝0)，成为图4(A)所示的聚焦光，表示相当于焦距(f)为f＝675mm的凸透镜作用。接着，若增加施加电压，则在V0＝2.5V左右时，成为Δn(V0)＝0，透射波面如图4(B)所示，保持与入射波面相同波面那样不变(无放大率)进行透射。若再增加施加电压，则在V-1＝6V左右时，成为Δn(V-1)＝-Δn(V+1)，透射波面成为图4(C)所示的发散光，表示相当于焦距(f)为f＝-675mm的凹透镜作用。
下面，说明将前述[例1]的液晶透镜元件20装在图11所示的第6实施形态的光学头装置70上时的具体实施例。另外，该光学头装置70的构成由于已在第6实施形态中加以说明，因此这里省略。
在以覆盖层厚度0.60mm的DVD用的单层光盘D进行记录重放时，若设液晶透镜元件20的施加电压为V0＝2.5V左右，则入射光利用物镜6聚焦在信息记录层。
对于DVD用的双层光盘D，若设液晶透镜元件20的施加电压为V+1(＝0V)左右，则入射光聚焦在覆盖层厚度0.57mm的信息记录层，若设施加电压为V-1(＝6V)左右，则入射光聚焦在覆盖层厚度0.63mm的信息记录层。我论什么情况，剩下的平方平均波面像差的计算值都成为小于等于3mλ[rms]。
另外，在覆盖层厚度为0.555mm到0.585mm的范围内，若施加电压设为V+1，或者在覆盖层厚度为0.585mm到0.615mm的范围内，若施加电压设为V0，或者再有在覆盖层厚度为。615mm到0.645mm的范围内，若施加电压为V-1，则通过这样分别所剩下的平方平均波面像差的计算值均减少至约小于等于20mλ[rms]。
另外，在为了跟踪，物镜6沿半盘D的半径方向移动±0.3mm左右时，与液晶透镜元件20虽产生偏心，但由于没有与此相应产生像差，因此聚焦点也没有变坏。
因此，通过将液晶透镜元件20所施加在电压切换为V0、V+1、V-1，从而实现对DVD用的单层及双层光盘D分别进行稳定的记录及重放的光学头装置。
接着，对于例1的实施例所示的本发明的液晶透镜元件20中作为凹凸部分17的透明材料使用其体积电阻率ρF大于等于液晶16的体积电阻率ρLC的材料时的实施例，参照图6在以下进行说明。
首先，说明该液晶透镜元件20中的凹凸部分17的制造方法。
在透明基板11的玻璃基板上成膜的透明电极13之上，利用溅射法形成与液晶16的寻常光折射率no实质上相等的折射率ns(＝1.507)的均匀折射率材料SiOxNy(这里，x及y表示O及N的元素比例)薄膜。这里，使用Si溅射靶及Ar气体中混入氧及氮的放电气体，通过这样形成折射率为ns的透明均匀折射率的、膜厚d(＝2.94μm)的SiOxNy膜。SiOxNy的相对介电常数εF为4.0，体积电阻率ρF为大于等于1010Ω·cm。
再进一步，通过采用光掩膜的光刻，将抗蚀剂形成图形后，利用反应性离子刻蚀法加工SiOxNy膜，使其相当于图3的曲线γ的形状。其结果，在有效直径φ(＝4.9mm)的区域内，以8级阶梯状实质上菲涅尔透镜的锯齿截面形状，加工成将图1所示的凹凸部分17的凸起部分及凹下部分反这来的凸型菲涅尔透镜形状。
即，图6中由凹凸部分17构成的菲涅尔透镜形状的中心部分成为凹下部分，但本实施例中，形成中心部分凸起的菲涅尔透镜形状。与中心部分与凹下相比，通过采用凸起，由于能够减薄液晶层的平均厚度，因此在焦点切换时能够提高电压响应的速度。
然后，在凹凸部分17的表面形成透明导电膜(ITO膜)，将它作为第1透明电极13。再在第1透明电极13上涂布聚酰亚胺膜(未图示)，使其膜厚约为50nm，然后进行烧结，将聚酰亚胺膜表面沿X轴方向进行摩擦取向处理，作为取向膜。
另外，在形成透明导电膜(ITO膜)作为透明电极14的透明基板12的玻璃基板上涂布膜厚约50nm的聚酰亚胺膜后，进行烧结，将聚酰亚胺膜表面沿X轴方向进行摩擦取向处理。再在其上将混入直径15μm的间隔控制材料的粘结材料通过印刷形成图形，形成密封15，使它与透明基板11重合，进行压接，制成透明电极间隔G为15μm的空单元。
然后，从空单元的注入口(未图示)注入液晶16，封住该注入口，作为图6所示的液晶透镜元件用。
该液晶16采用具有寻常光折射率no(＝1.507)及非常光折射率ne(＝1.705)的正各向异性介电常数的向列型液晶。另外，将液晶分子的取向与透明电极13及14的平面平行而且沿X轴方向一致的均匀取向的液晶16充填凹凸部分17的凹下部分。液晶16的相对介电常数εLC的液晶分子长轴方向的相对介电常数ε∥为15.2，液晶分子短轴方向的相对介电常数ε⊥为4.3，具有正各向异性介电常数。另外，液晶16的体积电阻率ρLC为大于等于1010Ω·cm。另外，相位板22与例1同样制成。
对这样得到的液晶透镜元件20的透明电极13及14连接交流电源18，加上频率f＝1kHz的距形交流电压。由于相当于第1实施形态所示的Case2的条件，因此分配给液晶(层)16的施加电压VLC相对于透明电极13及14的施加电压V的比例VLC/V根据图5所示的凹凸部分17的膜厚dF及液晶(层)的层厚dLC具有式(5)的关系，生成与凹凸部分17形成的菲涅尔透镜形状相对应的电压分布VLC。其结果，对于具有X轴偏振面的直线偏振光入射光，因此凹凸部分17的膜厚dF的分布引起，透明电极间的光程长之差OPD按下式所示那样分布。由于菲涅尔透镜形状的中心部分是凸起，因此成为与表示凹下情况的式(6)不同的描述形式。
OPD＝n(VLC[dF])×(G-dF)-n(VLC[d])×(G-d)-ns×(d-dF)由SiOxNy膜形成的凹凸部分17的膜厚dF按照从d到零进行分布，对于菲涅尔透镜形状的中心部分的光程长之差OPD按照从零到下式的OPDd进行分布[数学式14]OPDd＝{n(VLC[d])-ns}×d-{n(VLC[d])-n(V)}×G对透明电极间不施加电压时，因为V＝VLC[d]＝0，n(0)＝ne，因此光程长之差OPDd成为下式的值。
OPDd＝(ne-ns)×d＝0.238×2.94＝0.70μm若增加透明电极间的施加电压V，则OPDd减少，对于DVD用的波长λ＝66nm，存在OPDd成为+λ、零、-λ的施加电压V-1、V0、V+1(V-1＜V0＜V+1)。因此，若切换施加电压V-1、V0、V+1，则入射至液晶透镜元件20的波长λ＝660nm的平面波分别成为相当于图3的γ、OPD零、β的透射波面。即，用施加电压V-1生成相当于图4(C)所示的负放大率的透镜波面，用施加电压V0生成相当于图4(B)所示的无放大率的透射波面，用施加电压V+1生成相当于图4(A)所示的正放大率的透射波面。
在液晶透镜元件20的光射出侧配置聚焦透镜，根据施加电压V-1、V0、V+1，相应切换聚焦点位置，确认了三个数值的变焦距液晶透镜元件的动作，在各聚焦点位置配置孔径光阑及光检测器，在改变液晶透镜元件20的透明电极间的施加电压V时，图14所示为液晶透镜元件20的出射光相对于波长λ＝660nm的非常光偏振光的入射光的聚焦效率的测定例。
在施加电压V-1从0到1.2V范围内，成为负放大率(凹透镜)，在施加电压V0为1.6V范围内，成为无放大率(无透镜作用)，在施加电压V+1从2.5到3V范围内，成为正放大率(凸透镜)。另外，聚焦效率不到100％的原因是偏离凹凸部分加工形状的最佳值和在折射率不同的多个界面处的反射损耗，这是可以改进的。
另外，由于由均匀折射率材料的SiOxNy膜形成的凹凸部分17的折射率ns与液晶16的寻常光折射率no实质上相等，因此在寻常光偏振光入射至液晶透镜元件20时，透射波面不变化。对于寻常光偏振光的入射光，与液晶透镜元件20的透明电极间的施加电压及入射光的波长无关，能够得到透射波面不变化(无放大率)的98％的高透射率。
与[例2]相同，将该液晶透镜元件20装在图11所示的第6实施形态的光学头装置70上，进行单层及双层的DVD光盘的记录重放。
在用该光学头装置70对覆盖层厚度0.60mm的单层DVD光盘进行记录重放时，若设液晶透镜元件的施加电压为V0＝1.6V左右，则入射光利用物镜5有效地聚焦在信息记录层。
另外，对于双层DVD光盘，若设液晶透镜元件20的施加电压为V-1(1V)左右，则入射光聚焦在覆盖层厚度0.63mm的信息记录层，若设施加电压为V+1(＝3V)左右，则入射光聚焦在覆盖层厚度0.57mm的信息记录层。无论哪种情况剩下的RMS波面像差的计算值成为小于等于3mλ[rms]。
下面，对于覆盖层厚度从0.56mm到0.64mm的光盘，采用与液晶透镜元件10的施加电压V0、V-1、V+1相对应产生的透射波面时，用图15表示剩下的RMS波面像差的计算结果。
因此，在覆盖层厚度为0.56mm到0.585mm的范围内，通过设定施加电压V+1，在覆盖层厚度为0.585mm到0.615mm的范围内，通过设定施加电压V0，再在覆盖层厚度为0.615mm到0.64mm的范围内，通过设定施加电压V-1，从而分别所剩的RMS波面像差减少至约小于等于20mλ[rms]。
另外，在为了跟踪，物镜5沿光盘D的半径方向移动±0.3mm左右时，与液晶透镜元件20虽产生偏心，但由于没有与此相应产生像差，因此聚焦点也没有变坏。
因此，通过将液晶透镜元件20所加的电压切换为V0、V-1、V+1，从而实现对单层及双层的DVD光盘D能够进行稳定的记录重放的光学头装置。
另外，在对该液晶透镜元件20入射基它波长、例如CD用790nm波长频带的光时，对于液晶透镜元件20中的液晶16通过采用成为寻常光偏振光的直线偏振光，从而不施加电压时透射波面不变化，能够得到高透射率，因此较好。
工业上的实用性本发明的液晶透镜元件，可以用作为根据施加电压而相应切换多个焦距的焦距切换透镜，特别是在对具有覆盖层厚度不同的单层及双层的信息记录层的光盘进行记录及/或重放中，由于可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与物镜偏心时不产生像差，所以可用于能减轻配置的限制、将光源及光检测器及分光镜等形成一体化作为小型单元的光学头装置等。
另外，在这里引用成为本申请优先权主张的基础的日本专利申请愿2004-026685号(2004年2月3日向日本持许厅申请)及日本专利申请愿2004-230606号(2004年8月6日向日本特许厅申请)的全部说明书的内容，采用作为本发明说明书揭示的内容。
权利要求
1.一种液晶透镜元件，是可变焦距的液晶透镜元件，其特征在于，具有分别具有透明电极的一对透明基板；在该一对基板具有的各自的透明电极之间施加电压的电压施加装置；用透明材料形成、并且具有对于液晶透镜元件的光轴有旋转对称性的锯齿状截面形状或近似阶梯形状的锯齿状的截面形状，同时在所述各透明电极中的至少一个透明电极上形成的凹凸部分；以及至少充填所述凹凸部分的凹下部分的液晶，根据利用所述电压施加装置施加在所述透明电极间的电压的大小，使所述液晶的实际折射率相应变化。
2.如权利要求1所述的液晶透镜元件，其特征在于，所述液晶采用具有寻常光折射率no及非常光折射率ne(这里no≠ne)，同时液晶层的实际折射率根据所述施加的电压的大小在no到ne的范围的数值之间变化的液晶材料，而且具有不施加电压时的液晶分子的取向方向在液晶层内均沿特定方向取向的特性，同时所述凹凸部分的透明材料是至少对于非常光偏振光入射光有折射率ns的透明材料，折射率ns的值在no与ne之间(包含折射率ns的值与no及ne相等的情况)。
3.如权利要求2所述的液晶透镜元件，其特征在于，所述透明材料的折射率ns满足下式的关系|ne-ns|≤|ne-no|/2同时，所述凹凸部分的凹下部分的深度d对于透过所述液晶的光的波入λ，是在下式的范围内(m-0.25)·λ/|ne-ns|≤d≤(m+0.25)·λ/|ne-ns|式中，m＝1、2或3。
4.如权利要求1至3的任一项所述的液晶透镜元件，其特征在于，将波长λ与所述光之间的相位差为π/2的奇数倍的相位板形成一体化。
5.一种液晶透镜元件，其特征在于，将相位板与权利要求1所述的液晶透镜元件重合叠层。
6.一种液晶透镜元件，其特征在于，将两个权利要求1所述的液晶透镜元件重合叠层。
7.一种液晶透镜元件，其特征在于，将偏振性衍射光栅与相位板依该顺序与权利要求1所述的液晶透镜元件重合叠层。
8.一种光学头装置，具有射出波长λ的光的光源、将来自该光源的出射光聚焦在光记录介质上的物镜、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、以及检测所述分光的光的光检测器，其特征在于，在所述光源与所述物镜之间的光路中，设置权利要求1至7的任一项所述的液晶透镜元件。
9.一种光学头装置，具有射出波长λ1及波长λ2其中λ1≠λ2)的光的光源、将来自该光源的出射光聚焦在光记录介质上的物镜、以及检测利用该物镜聚焦并利用所述光记录介质反射的出射光的光检测器，其特征在于，在所述光源与所述物镜之间的光路中，设置权利要求1至4的任一项所述的液晶透镜元件，同时作为入射至所述液晶透镜元件的所述波长λ1及波长λ2的光，采用偏振面互相垂直的直线偏振光。
10.如权利要求8或9所述的光学头装置，其特征在于，所述光记录介质具有覆盖信息层的覆盖层，对该覆盖层的厚度不同的光记录介质进行记录及/或重放。
全文摘要
本发明提供无可动部分、小型、而且具有能够对包含相当于稳定的入射光焦点变化的放大率分量的球差进行校正的透镜功能的液晶透镜元件。是根据对一对透明基板(11)与(12)夹住的液晶(16)所施加的电压大小、使透过液晶(16)的光的焦距相应变化的液晶透镜元件，具有各透明基板(11)及(12)上设置的对液晶(16)施加电压的透明电极(13)及(14)、以及具有对于光轴有旋转对称性的锯齿状截面形状并在透明电极(13)的一面用透明材料形成的凹凸部分(17)，至少对凹凸部分(17)的下部分充填液晶(16)，根据施加的电压大小，使液晶(16)的实际折射率变化。
文档编号G11B7/1376GK1914674SQ20058000354
公开日2007年2月14日 申请日期2005年2月2日 优先权日2004年2月3日
发明者大井好晴, 佐藤弘昌, 清水龙一郎, 野村琢治, 田边让, 大泽光生 申请人:旭硝子株式会社