光ヘッド装置
【課題】複数の情報記録面を有する光ディスクに対して小型化および非点収差成分量を抑制して記録・再生する光ヘッド装置を提供する。
【解決手段】ビーム整形比ｍが１とは異なる立ち上げプリズム１５に対して、立ち上げプリズム１５で発生する非点収差成分量を低減させるとともに、フォーカス成分（Ｐｏｗｅｒ）量を変化させても、立ち上げプリズム１５を出射する光の非点収差成分量が一定のレベル以下にする可変フォーカス部１４を備えることで、複層光ディスクの各情報記録面に対して良好な記録・再生ができるとともに光ヘッド装置の小型化を実現できる。
【解決手段】ビーム整形比ｍが１とは異なる立ち上げプリズム１５に対して、立ち上げプリズム１５で発生する非点収差成分量を低減させるとともに、フォーカス成分（Ｐｏｗｅｒ）量を変化させても、立ち上げプリズム１５を出射する光の非点収差成分量が一定のレベル以下にする可変フォーカス部１４を備えることで、複層光ディスクの各情報記録面に対して良好な記録・再生ができるとともに光ヘッド装置の小型化を実現できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ストレージを扱う光学系として、ＣＤ、ＤＶＤ、光磁気ディスクなどの光記録媒体および、「Ｂｌｕ−ｒａｙ」（登録商標：以下ＢＤ）などの高密度光記録媒体に情報の記録または再生（以下、「記録・再生」という）を行う光ヘッド装置並びにこの光ヘッド装置を用いた光ディスク装置に関する。なお、これら光記録媒体および高密度光記録媒体を以下、「光ディスク」といい、とくに複数の情報記録層の集光面（情報記録面）を有する光ディスクを以下、「複層光ディスク」という。
【背景技術】
【０００２】
パーソナルコンピュータなどの小型化に伴い、これらの機器に用いられる光ディスク装置の小型化が求められている。この要求に対して、光ディスク装置に搭載される光ヘッド装置に三角柱の形状の立ち上げプリズムを用いることで光が進行する方向（空間）を変えて、これによって光ヘッド装置を薄型化し、光ディスク装置の小型化を実現している。
【０００３】
この立ち上げプリズムは、（光軸に対して垂直な面の）形状が楕円形である光を入射した場合に、出射する光の形状を円形に整形するビーム整形機能を有する場合がある。また、複層光ディスクの各情報記録面に集光するために、立ち上げプリズムに入射する光の平行度を変化させることによって各情報記録面のカバー厚の違いによって発生する球面収差成分量を制御する光ヘッド装置が報告されている（特許文献１）。しかしながら、この立ち上げプリズムを使用した場合、球面収差成分量を制御するためにプリズムへ非平行光を入射すると、情報記録面上に集光させるときの非点収差成分量が大きくなり、記録・再生特性が劣化するという問題点があった。
【０００４】
また、特許文献１に記載の光ヘッド装置における問題点を解決するものとして、立ち上げプリズムに起因して発生する非点収差成分量を抑制するためにビーム整形倍率を１．００に近づける特性を有する立ち上げプリズムを配置することで出射する光の形状を円形とし、集光点が異なる各情報記録面に集光する光の非点収差成分量の発生を抑制する光ヘッド装置が報告されている（特許文献２）。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−５９０３号公報
【特許文献２】特開２００７−２１３７５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記のように特許文献１に記載の光ヘッド装置は、ビーム整形倍率が１．１〜１．３の間と大きい立ち上げプリズムを使用していることから、非点収差成分量の発生について考慮されていない。これにより、情報記録面が単一である光ディスクに対しては、入射する光を平行光として非点収差成分量を低減するように調整できるが、複層光ディスクの記録・再生時に、集光させる情報記録面を切り替える場合、例えば立ち上げプリズムへ収束しながら入射する光と、発散しながら入射する光と、に切り替えるようにして制御すると、１．１〜１．３のビーム整形倍率の立ち上げプリズムでは、大きな非点収差成分量が発生してしまい、集光すべき情報記録面すべてに対して良好な集光特性が得られないという問題があった。
【０００７】
さらに、特許文献２に記載の光ヘッド装置の立ち上げプリズムは、ビーム整形倍率を０．９７〜１．０３としているため、立ち上げプリズムにより大きなビーム整形機能を発生させることができない。つまり、立ち上げプリズムに楕円形で入射する光を円形にして出射させる機能を有さないので、光ディスクに対して円形に集光させるために、立ち上げプリズムに入射する光を円形としなければならないという制限がある。さらに、ビーム整形倍率を０．９７〜１．０３とするために立ち上げプリズムの形状が光ヘッド装置の厚み方向に大きくなってしまったり、加工が困難な形状となってしまったりするなど、光ヘッド装置の小型化や低コスト化に制限があるという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本願発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、光源と、前記光源から出射する光の光軸と直交する平面における前記光の形状を変えるビーム整形素子と、前記ビーム整形素子から出射する光を複数の情報記録面を有する光ディスクに集光させる対物レンズと、前記光ディスクから反射された光を受光する光検出器を備える光ヘッド装置において、前記光源と前記対物レンズとの間の光路中に、前記ビーム整形素子と、フォーカス成分量と非点収差成分量とを可変して、光の発散状態を変化させる可変フォーカス部と、を有する光ヘッド装置を提供する。
【０００９】
この構成により、複層光ディスクを記録・再生する光ヘッド装置を小型化できるとともに、複層光ディスクの複数の情報記録面のうちそれぞれの情報記録面に収束する光の非点収差を抑制することができるので、良好な記録・再生を実現することができる。
【００１０】
また、前記ビーム整形素子は、平行して進行する入射光Ａの光軸と直交する平面における前記入射光Ａの形状が長軸または短軸に相当する第１の方向を径ｄ１、前記第１の方向と直交し、前記長軸または前記短軸の他方に相当する第２の方向を径ｄ２とする楕円であり、前記ビーム整形素子を出射する出射光Ａの光軸と直交する平面における前記出射光Ａの形状が前記径ｄ１を直径とする円であるとき、ｄ２／ｄ１で表されるビーム整形比ｍを有し、前記可変フォーカス部は、平行して進行する入射光Ｂの光軸と直交する平面における前記入射光Ｂの形状が円であり、前記可変フォーカス部を出射する出射光Ｂの光軸と直交する平面上で前記出射光Ｂの同じ位相となる位置を結んでできる等位相波面の形状が、長軸の径がａ、短軸の径がｂとなる楕円であるとき、ａ×ｍ×ｃ＝ｂ、またはａ＝ｍ×ｃ×ｂであって、０．９７≦ｃ≦１．０３を満足する上記の光ヘッド装置を提供する。また、前記ビーム整形素子の前記ビーム整形比ｍは、ｍ＞１．００９または、ｍ＜０．９９１である上記の光ヘッド装置を提供する。
【００１１】
この構成により、ビーム整形比ｍの大きさに大きな制限なくビーム整形素子を選択することができるので、設計自由度が高くなるとともに、該当するビーム整形比に合わせて非点収差成分量を抑制するように可変フォーカス部を設計できるので、複層光ディスクの複数の情報記録面のうちそれぞれの情報記録面に収束する光の非点収差を抑制することができるので、光ヘッド装置において良好な記録・再生を実現することができる。
【００１２】
また、前記可変フォーカス部は、２枚の透明基板を対向配置し、前記透明基板間に挟持された液晶に印加する電圧に応じて前記液晶を透過する光の焦点距離を変化させる液晶レンズ素子から構成される上記の光ヘッド装置を提供する。また、前記透明基板の一方の面には透明電極と、鋸歯形状または鋸歯を階段形状で近似した断面形状を有する透明材料からなるとともに入射平面上で光軸を中心として楕円率κの相似となる複数の楕円状に形成される凹凸部と、を有する上記の光ヘッド装置を提供する。
【００１３】
また、前記凹凸部の楕円率κは、０．９７×ｍ≦κ≦１．０３×ｍであるかまたは、０．９７／ｍ≦κ≦１．０３／ｍである上記の光ヘッド装置を提供する。
【００１４】
この構成により、液晶レンズに印加する電圧を制御することによって、複数の情報記録面のうちそれぞれの情報記録面に光を収束させるとき、容易にフォーカス成分量および非点収差成分量が最適な値となるように制御することができ、光ヘッド装置において良好な記録・再生を実現することができる。
【００１５】
また、前記可変フォーカス部は、光源から出射された光の発散状態を変えるコリメータレンズと、前記コリメータレンズを光軸方向に平行に移動する機構を有するコリメータレンズ位置調整部と、非点収差成分を発生させることができる非点収差生成部からなる上記に記載の光ヘッド装置を提供する。さらに、前記非点収差生成部は、２枚の透明基板に液晶が挟持され、少なくとも一方の前記透明基板に非点収差成分を発生させる特定のパターンに分割された透明電極が形成される液晶収差補正素子である上記に記載の光ヘッド装置を提供する。
【００１６】
この構成により、コリメータレンズの移動により簡易的にフォーカス成分量の可変ができ、このフォーカス成分量に比例するように非点収差成分量を発生することにより、容易にフォーカス成分量および非点収差成分量が最適な値となるように制御することができ、光ヘッド装置において良好な記録・再生を実現することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明は、複層光ディスクの各情報記録面に非点収差成分量を抑制して良好に集光させて記録・再生できるとともに、小型化を実現し、さらに設計自由度が大きい光ヘッド装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る光ヘッド装置１０の模式図である。光源１１から出射した光は、コリメータレンズ１３で平行光となり、可変フォーカス部１４を透過し、ビーム整形機能を発現する立ち上げプリズム１５に入射する。立ち上げプリズム１５に入射した光は、光ディスクに向けて偏向され、対物レンズ１７によって光ディスク１８の情報記録面（例えば情報記録面１８ｂ）に集光される。光ディスク１８で反射された光は、偏光ビームスプリッタ１２で偏向され、レンズ１９を透過して光検出器２０で光ディスク１８の情報記録面１８ａ、１８ｂに記録された情報の再生信号、フォーカスエラー信号、トラッキングエラー信号などの光情報が検出される。なお、光源１１から光ディスク１８に至るまでの光路を「往路」、光ディスク１８から光検出器２０に至るまでの光路を「復路」という。
【００１９】
また、偏光ビームスプリッタ１２と対物レンズ１７との間の光路中に波長λの光に対してλ／４の位相差を与える１／４波長板１６を配置してもよい。偏光ビームスプリッタ１２は、光源１１とコリメータレンズ１３との間の光路中に配置するものとは限らず、コリメータレンズ１３と立ち上げプリズム１５との間の光路中にあってもよい。図１において、点線は光の幅を模式的に示すものであり、一点鎖線は光の中心（光軸）を示す。なお、光路中の可変フォーカス部１４と立ち上げプリズム１５との配置は図１に示す順に限らず、例えば往路の光路中において、立ち上げプリズム１５を透過した後に可変フォーカス部１４が配置される構成であってもよい。例えば、図１の光ヘッド装置１０の構成のように往路において立ち上げプリズム１５の前に可変フォーカス部１４を配置すると、光ヘッド装置１０のＺ方向（厚さ方向）の幅を小さくすることができる。
【００２０】
なお、光ヘッド装置１０は、上記のフォーカスエラー信号に基づいて対物レンズ１７を光軸方向に移動制御する図示しないフォーカスサーボと、上記のトラッキングエラー信号に基づいて対物レンズ１７を光軸方向に垂直となる方向に制御する図示しないトラッキングサーボと、を備える。
【００２１】
光源１１は、２種類または３種類の単一波長の直線偏光の光を出射する構成としてもよい。かかる構成の光源としては、２個または３個の半導体レーザチップが同一基板上にマウントされた、所謂ハイブリッド型の２波長レーザ光源または３波長レーザ光源や、互いに異なる波長の光を出射する２個または３個の発光点を有するモノリシック型の２波長レーザ光源または３波長レーザ光源でもよい。例えば、３種類の波長として、ＢＤ用の４０５ｎｍ波長帯（３８５〜４２０ｎｍ）、ＤＶＤ用の６６０ｎｍ波長帯（６４０〜６７５ｎｍ）、ＣＤ用の７８５ｎｍ波長帯（７７０〜８００ｎｍ）の半導体レーザを用いることができる。
【００２２】
第１の実施形態に係る光ヘッド装置１０の可変フォーカス部１４は、後述するように液晶レンズ素子から構成される。液晶レンズ素子は、液晶に電圧を印加するための透明電極を備えており、電気信号によって、透過する光の波面形状を変化させることができる。例えば液晶レンズ素子に入射する光の光軸と直交する平面の形状が変わらずに進む平行光が入射したときに、電圧信号を印加しない場合、波面を変化させずに平行したまま透過させ、電圧を印加することで、透過する光のフォーカス成分（Ｐｏｗｅｒ）量と非点収差成分量とを変化させる。また、フォーカス成分量は、例えば平行光の場合、光の光軸と直交する平面の形状が変わらないので０であるが、光の光軸と直交する平面の形状の大きさが変わる場合、０とは異なる値となり、この形状の大きさの変化を表す値である。なお、「光の光軸と直交する平面の形状」は、以下「光の形状」という。
【００２３】
このようにフォーカス（Ｐｏｗｅｒ）成分量が変化する可変フォーカス部１４に例えば、平行光が入射すると、透過する光は発散しながら進むかまたは、収束しながら進む。このように、入射する光に対して収束させるように光を出射させたり発散させるように光を出射させたりする機能のいずれか、または両方の機能を含むものを「発散状態を変化させる」と表現する。一方、非点収差成分量は、収束させたり発散させたりしても光の形状が相似であって変わらない場合０であるが、例えばこの形状が円から楕円に変化するように形状が変化する場合、０とは異なる値となる。
【００２４】
立ち上げプリズム１５は、断面が二等辺三角形の形状をした三角柱の形状をなしている。また、図１に示すように断面としたとき、入射面１５ａに相当する辺と反射面１５ｃに相当する辺の長さが等しい二等辺三角形の形状である。光は、立ち上げプリズム１５の入射面１５ａから入射し、出射面１５ｂ方向へ進行し、出射面１５ｂでは反射され、反射面１５ｃ方向へ進行する。反射面１５ｃで反射され、再度出射面１５ｂに進行した光は、立ち上げプリズム１５を出射して光ディスク１８の方向へ進行する。このように立ち上げプリズム１５に入射する光の進行方向に対して出射する光の進行方向はほぼ９０°の角度をなす。このような立ち上げプリズム１５は、光の形状を変えるアナモルフィックプリズムとしての機能を有する。なお、出射面１５ｂは、出射面１５ｂと光の進行方向とがなす角度によって、光を反射したり透過したりする。
【００２５】
次に、この立ち上げプリズム１５を用いた光ヘッド装置１０について説明する。ここでは、光源１１から光が出射して進行する方向をＸ方向とし、立ち上げプリズム１５から出射して進行する方向をＺ方向、つまり、立ち上げプリズム１５に入射する方向に対し、立ち上げプリズム１５を出射する方向が直角方向に偏向して進行するものとする。また、立ち上げプリズム１５のビーム整形機能として、例えば、入射する光の形状が楕円となる光に対し、出射する光の形状を円とするものを考える。この立ち上げプリズム１５の光入射面１５ａへの入射光（光軸方向はＸ方向）のうちＺ方向の径をｄ２、Ｚ方向と直交するＹ方向の径をｄ１とし、立ち上げプリズム１５の光出射面１５ｃからの出射光（光軸方向はＺ方向）が径ｄ１の円とする。つまり、図示しないが、立ち上げプリズム１５へ入射する光および出射する光の形状のうちＹ方向の径は等しいものとする。そして、ビーム径の比ｄ２／ｄ１をビーム整形比ｍとして表す。本願発明は、ビーム整形比が１とは異なる（ｍ≠１）立ち上げプリズムを配置した場合でも大きな非点収差成分量を発生させないように可変フォーカス部１４を調整できる設計自由度が高い光ヘッド装置が実現できる。
【００２６】
ここで、光ディスク１８として、複層光ディスクであるＢＤを記録・再生する場合を考える。ＢＤは、情報記録面の厚さ方向の間隔が２５μｍと規格化されており、隣り合う情報記録面、例えば図１の情報記録面１８ａと情報記録面１８ｂとでは集光すべき位置が異なることから、フォーカスする成分（Ｐｏｗｅｒ）量がそれぞれの情報記録面で異なるように可変フォーカス部１４から出射する光の発散状態を変える。
【００２７】
そして、ここで図１の光ヘッド装置１０に示すように、ビーム整形比が１とは異なる（ｍ≠１）特性を有するビーム整形素子である立ち上げプリズム１５を配置する場合を考える。このとき、可変フォーカス部１４が光軸を中心とするＹ−Ｚ平面でＹ方向とＺ方向に対していずれも同じ発散および収束特性（同じ倍率）を発生する場合、立ち上げプリズム１５で発生する非点収差成分量により、情報記録面に有効に集光されず、良好な記録・再生特性が得られない。
【００２８】
この場合、いずれか一方の情報記録面（１８ａまたは１８ｂ）に対する集光特性が良くなるように調整しても、もう一方の情報記録面に対しては、非点収差成分量が増大するため良好な集光特性が得られない。例えば、立ち上げプリズム１５に平行光を入射させて情報記録面１８ｂに大きな非点収差が発生しないように集光させることができても、焦点が遠くに位置する情報記録面１８ａに集光するように、可変フォーカス部１４を制御して立ち上げプリズム１５に発散する光を入射させると、フォーカス成分（Ｐｏｗｅｒ）量に応じて発生する非点収差が大きくなるため良好な集光特性を得ることができない。
【００２９】
図２は、例として、フォーカス成分（Ｐｏｗｅｒ）量１λｒｍｓを有する平行光を立ち上げプリズム１５のようなビーム整形素子に入射させ、ビーム整形比ｍの変化に対し、出射した光の収差成分量をフォーカス成分（Ｐｏｗｅｒ）量と非点収差成分（ＡＳＴ）量と、に分けたときの特性を示すグラフである。このように、ビーム整形機能を発生させない立ち上げプリズム（横軸：ビーム整形比ｍ＝１）である場合、入射光のフォーカス成分（Ｐｏｗｅｒ）量１λｒｍｓがそのまま出射光に現れ、非点収差成分量は発生しないが、ビーム整形比ｍが１から離れる値になるにしたがって大きな非点収差成分量が発生する。一般に光ヘッド装置の記録・再生の際に許容される非点収差成分量は０．０４λｒｍｓ程度であるのに対して、ビーム整形比ｍが１より離れた値であればそれだけ大きな値の非点収差成分量が発生するため、これを一定レベル以下に抑える工夫が必要となる。
【００３０】
図２では簡単のため、ビーム整形素子１５へ入射する光のフォーカス成分量が１λｒｍｓである場合の特性を示したが、実際に、複数の情報記録面を有する光ディスクに与えるべき光のフォーカス成分量は異なる。なお、入射する光のフォーカス成分量と、発生する非点収差成分量とは比例し、例えば、ビーム整形素子１５へフォーカス成分量が１０λｒｍｓの光が入射すると、図２に示す非点収差成分量の１０倍の非点収差成分量が発生する。実際にＢＤの場合、使用する光の波長λは４０５ｎｍであり、対物レンズ１６の開口数ＮＡは０．８５と大きく、前述のようにＢＤの隣り合う２つの情報記録面間では前述のようにカバー厚が２５μｍ異なる。このため、一方の情報記録面に対して他方の情報記録面に集光させる場合、対物レンズに入射する発散光または収束光の可変すべきフォーカス成分量は実際に約３．３６λｒｍｓとなる。このため、可変フォーカス部１４を調整してそれぞれの情報記録面に適したフォーカス成分量を与える必要がある。
【００３１】
具体的に、上記を考慮すると、例えば立ち上げプリズム１５のみで、可変フォーカス部１４を有さない光ヘッド装置を考えたとき、非点収差成分量は０．０４λｒｍｓ程度を許容できるのは、ビーム整形比ｍは、０．９９１≦ｍ≦１．００９の値の特性を有するものに制限される。一方、光ヘッド装置に可変フォーカス部１４を有する光ヘッド装置であれば、ビーム整形比ｍは、ｍ＞１．００９または、ｍ＜０．９９１であっても、非点収差成分量は０．０４λｒｍｓ程度に抑制することが可能である。したがって、光ヘッド装置において良好な記録・再生を実現するための設計自由度が高くなる。
【００３２】
また、ビーム整形比ｍが一定の値に固定されたビーム整形素子（立ち上げプリズム１５）に光が入射するとき、上記の説明のように入射する光のフォーカス成分（Ｐｏｗｅｒ）量［λｒｍｓ］の増加に対して、ビーム整形素子１５を出射する光のフォーカス成分量と非点収差成分量は比例して増加する。図３は、例として、ビーム整形比ｍ＝０．８となるビーム整形素子１５に、光のフォーカス成分量を変化させて入射させたとき、ビーム整形素子１５を出射する光のフォーカス成分量および非点収差成分量を示すグラフである。これより、これらは比例関係となっていることがわかる。
【００３３】
このようにビーム整形比ｍ≠１となるビーム整形素子１５を用いる場合、複層光ディスクの各情報記録面へ集光する非点収差成分量を抑制して良好な集光特性を得るために、可変フォーカス部１４は、複層光ディスクの各情報記録面に集光させるようにフォーカス成分量を制御すると同時に、それにともなって発生する非点収差成分量も制御する機能をあわせ持つことが求められる。そのため、これら２つの成分量を制御できれば、ビーム整形素子１５（立ち上げプリズム１５）に要求されるビーム整形比ｍが取り得る範囲を広くすることができる。
【００３４】
つまり、可変フォーカス部は、フォーカス成分量に応じてビーム整形素子１５で発生する非点収差成分量を考慮し、この非点収差を打ち消すような非点収差成分量を予め発生させる機能を発生させる。このようにすることで、ビーム整形素子１５を出射する光の非点収差成分量がキャンセルされ、ビーム整形素子１５を出射する光の形状が円に近づくため、複層光ディスクの各情報記録面において非点収差成分量を低減させ、良好な集光特性を得ることができる。
【００３５】
図４は、可変フォーカス部に光軸と直交する平面（Ｘ−Ｙ面）が円形となる平行光が入射し、ビーム整形素子を出射する光の形状の様子を模式的に示すものである。可変フォーカス部では、上記の説明のように、フォーカス成分量を大きくすることで非点収差成分量も大きくなる。このように非点収差成分量が大きくなると、可変フォーカス部を出射する光は、楕円形状となる。例えば、図４に示すように、可変フォーカス部を出射する光が、Ｙ方向が長軸方向となる楕円形状となる場合、その光がビーム整形素子に入射して円形の光となって出射するように調整する。つまり、ビーム整形素子では、図４に示すＹ方向に比べてＸ方向に大きく発散する特性を有する場合、光は楕円から円となる。ここで、ビーム整形素子（立ち上げプリズム１５）を出射する光の（光軸と直交する平面の）形状を長軸の径に対する短軸の径の比であるアスペクト比とすると、このアスペクト比が１であれば円となる。このようにアスペクト比が１、つまり図４においてａ＝ｂ、となるようにすると、フォーカス成分量を変化させても非点収差成分量が大きくならないので集光特性が向上する。このように、可変フォーカス部で発生する非点収差成分量をビーム整形素子で発生する非点収差成分量と、がキャンセルされるように調整するとよい。
【００３６】
次に、可変フォーカス部１４の具体的な態様について説明する。まず、前述のように立ち上げプリズム（ビーム整形比ｍ≠１）で発生する非点収差成分量をキャンセルするために、可変フォーカス部１４を出射する波面について考える。図５は、光軸と直交する平面における等位相波面形状を示す模式図である。なお、「等位相波面形状」とは、光軸と直交する平面上で同じ位相となる位置を結んでできる形状のことをいう。図５（ａ）は、フォーカス成分量と非点収差成分量とを考慮したときの波面形状の一例を示す模式図であって、ここでは、可変フォーカス部１４を出射した光の波面形状に相当し、等位波面形状が楕円となる。
【００３７】
この例では、第１の方向である長軸方向の半径をａ１と第２の方向である短軸方向の半径をｂ１とする。例えば、この波面形状の光が、第１の方向が図１のＺ方向に一致するように可変フォーカス部１４を調整し、ビーム整形比ｍ（＝ｄ２／ｄ１）＞１となる立ち上げプリズム１５を入射すると、Ｚ方向のビーム径のみ１／ｍ倍となって出射される。そのため立ち上げプリズム１５の透過後の波面形状は図５（ｂ）のように変形し、ａ２＝ａ１／ｍ、ｂ２＝ｂ１となる。このとき非点収差成分量を十分に小さくするために、ビーム整形素子１５透過後の波面形状が円（ａ２＝ｂ２）、つまりアスペクト比が１となるように調整することが好ましい。
【００３８】
ここで、ビーム整形素子１５を出射する光の非点収差成分量を制御するために、
ａ１×ｍ×ｃ＝ｂ１ … （１）
が成立するｃを与える。このとき、０．９７≦ｃ≦１．０３のいずれかで式（１）が成立する場合、フォーカス成分量が１λｒｍｓで非点収差成分量は約０．０４λｒｍｓ以下であって好ましく、０．９８≦ｃ≦１．０２のいずれかで式（１）が成立する場合、フォーカス成分量が１λｒｍｓのときの非点収差成分量は約０．０２７λｒｍｓ以下となり、より好ましい。
【００３９】
また、上記の説明のようにＢＤの情報記録面間の間隔２５μｍの焦点距離の変化に相当するフォーカス成分量となる３．３６λｒｍｓとした場合、式（１）において、０．９９１≦ｃ≦１．００９のいずれかで成立すると非点収差成分量が約０．０４λｒｍｓ以下となるので好ましい。なお、これまでｍ＞１として説明したが、ｍ＜１である場合でも、可変フォーカス部１４を出射する波面がａ１＜ｂ１となるように調整すればよく、このときも上記の式（１）が成立するようにｃの値を調整するとよく、ｍ＜１であってもｃが取り得る上記の好ましい範囲、より好ましい範囲は同じである。
【００４０】
図６は、ビーム整形素子１５のビーム整形比をｍとして、該ビーム整形素子１５を出射する光のフォーカス成分（Ｐｏｗｅｒ）量が１λｒｍｓとするとき、該ビーム整形素子１５を出射する光の非点収差成分（ＡＳＴ）量を０λｒｍｓとするために可変フォーカス部１４を出射する光のフォーカス成分量および非点収差成分量の条件を示すグラフである。つまり、ビーム整形素子１５のビーム整形比ｍの値が決まると、図６に示すようなフォーカス成分量と非点収差成分量となる光を出射するように可変フォーカス部１４を設計することで、複層光ディスクのいずれの情報記録面においても良好な集光特性を得ることができるものである。そして、ビーム整形素子１５に入射させる光のフォーカス（Ｐｏｗｅｒ）成分量をＰ［λｒｍｓ］、非点収差成分量をＡ［λｒｍｓ］とすると、
Ｔ＝｜Ａ／Ｐ−（０．６６×（ｍ−１）２−１．４１×（ｍ−１））｜ …（２）
の関係式において、Ｔ≦０．１５が成立するようなＰおよびＡとなる各成分量の光を出射できるように制御するとよい。同様の理由でＴが「０」に近づく値になるにつれて非点収差成分量を抑制でき、Ｔ≦０．１０であることが好ましく、Ｔ≦０．０５であることがより好ましく、Ｔ≦０．０２であることがさらに好ましい。
【００４１】
このように、ｍの値が決まって、上記の式（２）のＴの値が０に近づくような関係が成立するように、ＰとＡの比がほぼ一定にするように可変フォーカス部１４で調整することで、ビーム整形素子１５を出射する光はフォーカス成分量のみを考慮すればよく、非点収差成分量は十分に低いレベルとすることができる。したがって、複層光ディスクの各情報記録面に対して品質良く記録・再生でき、好ましい。
【００４２】
次に、具体的に可変フォーカス部１４としての構成である、液晶レンズ素子について説明する。図７は、図１の光ヘッド装置１０の可変フォーカス部１４として用いられる具体的な液晶レンズ素子３０の構成を示したものである。図７（ａ）は液晶レンズ素子３０の平面模式図であり、図７（ｂ）は、平面模式図のＡ−Ａ´に沿った断面を示す断面模式図である。
【００４３】
液晶レンズ素子３０は、図７（ｂ）の断面模式図に示すように透明基板３１、３２と、透明電極３３、３４が備えられ、シール３５と、液晶層（液晶）３６と、凹凸部３７と、透明電極と電気的に接続される端子電極４１、４２を備え、図示しない駆動電源回路に接続されている。液晶層３６には、常光屈折率ｎoおよび異常光屈折率ｎe（ｎo≠ｎe）を有するネマティック液晶を用いる。凹凸部３７は、屈折率ｎsの透明材料を用いて形成しており、深さｄを有する断面が凹凸形状となっている。この凹凸部３７は、好ましくは、鋸歯形状（ブレーズ形状）または鋸歯形状を階段状で近似した形状（擬似ブレーズ形状）を有するものである。なお、透明電極３３は、凹凸部３７上に形成される例を示しているが、これに限らず、透明基板３１上に形成されていてもよい。また、透明電極３４は一面がベタとなる電極として説明するが、後述するようにブレーズ形状の領域に相当するように輪帯領域に分割されていてもよい。
【００４４】
また、図７（ａ）の平面模式図には、光軸を中心として楕円率κ（長軸の長さと短軸の長さの比：ｂ１／ａ１）が一定である楕円形状の線３８を示す。なお、使用するビーム整形素子１５のビーム整形比ｍが決まることで、上記の式（２）を満足するように、楕円率κを設定することができる。つまり、ビーム整形比ｍ（または１／ｍ）と楕円率κとが等しくなるようにフレネルレンズパターンを形成し、特定の割合のフォーカス成分（Ｐｏｗｅｒ）量と非点収差成分量の比が得られるように調整するとよい。楕円３８は、それぞれ図７（ｂ）の断面模式図に示す凹凸部の凸部の頂点を結んだ線に相当し、この液晶レンズ素子３０を出射する光の位相は、この楕円３８に沿って同じとなるものである。なお、最も外側に位置する楕円３９は、図７（ｂ）の断面模式図では、最も外側のブレーズ形状の段差がゼロになる点を結んだ線に相当する。そして、図７（ａ）に示す光軸を含む楕円領域が図７（ｂ）の凹凸部３７の中心の領域に相当し、図７（ａ）に示す隣り合う楕円で囲まれた輪帯領域が、それぞれ図７（ｂ）の１つのブレーズ形状の凹凸の領域に相当する。
【００４５】
次いで、液晶レンズ素子３０を構成する材料について説明する。透明基板３１、３２は、入射する光に対して透明であれば、樹脂板、樹脂フィルムなど種々の材料を用いることができるが、ガラスや石英ガラスなどの光学的等方性材料を用いると、透過光に複屈折性の影響を与えないため好ましい。凹凸部３７の材料としては、各種の無機材料や、感光性樹脂や熱硬化樹脂などの有機材料を用いることができる。無機材料としてはＳｉＯｘＮｙ膜（ｘ、ｙはＳｉに対するＯおよびＮの原子数比）、ＳｉＯ２膜、Ｓｉ３Ｎ４膜、Ａｌ２Ｏ３膜などを用いることができるが、中でもＳｉＯｘＮｙ膜が、成膜条件によりｘ、ｙを変化させて所望の屈折率に調整可能であり、透明性、耐久性にも優れる点から好ましく用いられる。また、この凹凸部３７は、光学的等方性材料でも、複屈折性を示す材料で形成してもよく、この凹凸部３７は、印加する電圧に応じて液晶層３６の屈折率変化が生じる入射光の偏光方向に対して、液晶が取り得る屈折率ｎ1と屈折率ｎ2（ｎ1＜ｎ2）の間の屈折率ｎsの透明材料で形成してあればよい。透明電極３３、３４としては、ＩＴＯ（酸化錫ドープ酸化インジウム）膜、ＡＺＯ（アルミニウムドープ酸化亜鉛）膜、ＧＺＯ（ガリウムドープ酸化亜鉛）膜などの酸化物透明導電膜が高い透明性と導電率とが得られるため好ましく用いられる。
【００４６】
液晶層３６はネマティック相液晶から構成され、以下にこのネマティック相液晶の液晶分子の配向方向について説明する。ここで、液晶は、誘電率異方性Δε＞０となる特性を有するものを考え、この液晶の配向方法を例として説明する。液晶を配向させるために透明電極３３、３４上に図示しない配向膜を形成する。なお、液晶層３６にΔε＞０となる液晶材料を用いるホモジニアス配向は、同じ配向方向となるように配向膜を形成する。具体的に配向膜として、ポリイミド膜を塗布して一定の方向にラビングされたもので構成されてなるもの、ＳｉＯを基板面に対して斜め方向から蒸着してなる斜方蒸着膜などが用いられる。なお、誘電率異方性Δε＞０となる液晶に限らず、誘電率異方性Δε＜０となる液晶を用いてもよい。
【００４７】
次に、ブレーズ形状または、擬似ブレーズ形状を有する凹凸部３７の断面形状について説明する。本発明の液晶レンズ素子３０に入射する平面波の透過波面において、光軸（ｘ＝ｙ＝０）の光線に対して半径ｒの長さだけ離れた位置を通過する光線の光路長差ＯＰＤ（ｒ）は、図７（ａ）より液晶レンズ素子の楕円率κをｂ１／ａ１とすると、
ＯＰＤ（ｒ）＝α１ｒ２＋α２ｒ４＋α３ｒ６＋α４ｒ８＋・・・ … （３）
但し、ｒ２＝｛（ｂ１／ａ１）・ｘ｝２＋ｙ２、
α１、α２、α３、α４・・・；定数
となるベキ級数の式を満たすようにする。このように構成することによって、光ヘッド装置に液晶レンズ素子３０を配置したとき、複層光ディスクのカバー厚の違いに起因して発生する球面収差成分量を補正する透過波面を生成することができるとともに、立ち上げプリズムで発生する非点収差成分量をキャンセルするように作用する。とくに式（２）を満足するようにフォーカス成分量と非点収差成分量を調整することで、立ち上げプリズムを出射する光の非点収差成分量を低レベルに抑制したままフォーカス（Ｐｏｗｅｒ）成分量を変化させ、各情報記録面に集光させることができる。
【００４８】
ここで、式（３）の曲線の具体的な形状について、図８に符号αで示す。なお、横軸は半径ｒ、縦軸は光路長差ＯＰＤを入射光の波長λの単位で表記する。そして、波長λの入射光に対して、λの整数倍の光路長差を有する透過波面は同等を見なすことができる。したがって、図８のαで示すグラフ（光路長差）を波長λ間隔で分割して光路長差をゼロの面に投影した光路長差を示すグラフβは、グラフαと実質的に同等である。グラフβで示される光路長差は、全てλ以内（図中では−λからゼロの範囲）であり、これを反映させて断面が鋸歯状となっているものである。
【００４９】
次に、凹凸部３７の深さｄについては、以下のようになる。この場合、凹凸部３７の凸部（屈折率ｎｓの等方性材料部分）と透明電極３４との間隔ｇ（以下、「セルギャップ」という）にある液晶にはほぼ同一の電圧が印加される。このため、このセルギャップ内の液晶の屈折率変化は、透過光の波面を一様にシフトするのみであるので波面変化を無視することができる。
【００５０】
一方、透明電極３３、３４間に電圧Ｖを印加すると、異常光屈折率を示す方向の偏光方向（以下、「異常光偏光」という）の光に対する液晶層３６（液晶）の実質的な屈折率をｎ（Ｖ）とすると、液晶層３６と凹凸部３７の屈折率差Δｎ（Ｖ）は、Δｎ（Ｖ）＝ｎ（Ｖ）−ｎｓとなる。例えば、印加電圧をＶ＋１として、このとき図８のグラフβに相当する透過波面の光路長差を生成するためには、図７（ｂ）に示す凹凸部３７の深さｄを、
ｄ＝λ／｜Δｎ（Ｖ＋１）｜ … （４）
但し、λ；入射光の波長、
Δｎ（Ｖ＋１）＝ｎ（Ｖ＋１）−ｎｓ＝ｎ１−ｎｓ、
ｎ１，ｎｓ；屈折率、
となる値に設定するとよい。
【００５１】
ここで、印加電圧Ｖを変化させると、屈折率差Δｎ（Ｖ）も変化する。例えば、Δｎ（Ｖ０）＝０となる印加電圧Ｖ０では、液晶レンズ素子３０の透過波面は変化しない。また、Δｎ（Ｖ−１）＝−Δｎ（Ｖ＋１）となる印加電圧Ｖ−１では、図８のグラフγに示す光路長差の透過波面が生じる。これは、光路長差ゼロの面に対して図８のグラフβと面対称の光路長差の透過波面に相当する。このように、透過波面変化なしの状態、図８のグラフβおよびγの波面状態の都合３種類の波面状態を印加電圧の大きさを変化させることにより生成することができる。また、屈折率ｎsをｎ1あるいはｎ2とほぼ等しくすると、透過波面は透過波面変化なし状態と、βあるいはγの状態のいずれかの２つの波面状態を生成することが可能である。また、式（４）で１λを基準に深さｄを設定したが、例えば２λを基準として設定してもよい。
【００５２】
また、透明電極３４は一面がベタな電極として説明したが、それに限らない。図９は、図７（ｂ）に示す透明電極３４を分割した場合の平面模式図であり、図７（ｂ）の１つのブレーズ形状からなる輪帯領域と（光軸方向からみて）一致するように分割されていてもよい。つまり、光軸を含む電極セグメント３４ａは、図７（ｂ）の凹凸部３７の中心の領域と一致し、同様に図７（ｂ）の１つのブレーズ形状の凹凸の領域はそれぞれ電極セグメント３４ｂ〜３４ｈに一致するように設計する。
【００５３】
また、回折型の液晶レンズ素子３０と図示しない屈折型液晶レンズ素子とを積層させた構造を有する液晶レンズ素子を使用してもよい。この場合、回折型液晶レンズ素子３０では、大きなフォーカス成分量を与え、非点収差成分量を与えたり与えなかったりする切り替えを制御し、一方、屈折型液晶レンズ素子でフォーカス成分量と非点収差成分量とを複層光ディスクのカバー厚さ（各情報記録面）に合わせて微調整することができるのでさらに好ましい。
【００５４】
上記では、Δｎ（Ｖ０）＝０となる印加電圧Ｖ０であるとき、そしてΔｎ（Ｖ−１）＝−Δｎ（Ｖ＋１）となる印加電圧Ｖ−１であるときの２つの電圧によって透過波面の切り替えをするものである。つまり、液晶レンズ素子３０を出射する光の１つは、入射する光の波面を変化させない平行光のままであり、もう１つは収束または発散させる光とする（フォーカス成分量を発生）ものである。しかし、このように複層光ディスクの各情報記録面に集光させるため、液晶レンズで発生させる出射光の状態はこれに限らず、例えば、１つは収束させる光、もう１つは発散させる光として切り替えてもよい。さらに、出射光の状態は同じ収束させる光であっても、収束の度合い（フォーカス成分量の大きさ）を２点以上設定して、その変化によって各情報記録面に集光させてもよい。また、例えば、３層の情報記録面を有する複層光ディスクの場合、液晶レンズ３０を出射する光の状態は、収束させる光、透過波面を変えない平行光、発散させる光、とするそれぞれの電圧を設定することによって各情報記録面へ集光する位置を切り替えることもできる。
【００５５】
（第２の実施形態）
図１０は、本発明の第２の実施形態に係る光ヘッド装置５０の模式図である。第１の実施形態に係る光ヘッド装置１０では、可変フォーカス部１４として、液晶レンズ素子３０について説明したが、第２の実施形態に係る光ヘッド装置５０の可変フォーカス部５１は、コリメータレンズ５３、コリメータレンズ５３を光軸方向に位置調整するコリメータレンズ位置調整部５２と、非点収差を補正する非点収差生成部６０とからなる。なお、光ヘッド装置５０において、光ヘッド装置１０と同じものは同じ番号を付して説明の重複を避ける。
【００５６】
コリメータレンズ位置調整部５２はコリメータレンズ５３を光軸方向と平行に移動させることができるものであって、この位置調整によって出射する光を収束させたり、発散させたりして、フォーカス成分（Ｐｏｗｅｒ）量を調整し、複層光ディスク１８の各情報記録面１８ａ、１８ｂに集光させる。そして、これまでの説明のように、フォーカス成分（Ｐｏｗｅｒ）量が変化すると非点収差成分量も変化するので、非点収差を補正するため非点収差生成部６０を配置する。
【００５７】
次に、図１１は、非点収差生成部６０として、液晶を用いる液晶収差補正素子６０の具体的構成を示す。図１１（ａ）は液晶収差補正素子６０の平面模式図であり、図１１（ｂ）は、平面模式図のＢ−Ｂ´に沿った断面を示す断面模式図である。図１１（ａ）に示すように、液晶収差補正素子６０は、一方の透明基板（例えば透明基板６５ａに透明電極６１、６２ａ、６２ｂ、６３ａ、６３ｂが形成され、それぞれの透明電極には独立に電圧を印加できるように図示しない電気的配線が施され、電圧制御装置に接続される。また、透明電極６１、６２ａ、６２ｂ、６３ａ、６３ｂは印加する電圧により非点収差を発生させるようなパターンに形成されている。そして、入射する光の有効領域６４の中心は、透明電極６１の中心と一致するように調整される。なお、これらの透明電極６１、６２ａ、６２ｂ、６３ａ、６３ｂをまとめてパターン電極という。また、この電極パターンは一例であり、非点収差を補正できるパターン電極であればこれに限らない。
【００５８】
図１１（ｂ）の断面模式図に示すように液晶収差補正素子６０は、パターン電極が形成された透明基板６５ａと、パターン電極と対向する透明基板６５ｂ側には、一面に透明電極６７が形成され、周辺にシール６９が施されて液晶層６８が挟持されて構成される。また、透明基板６５ａ、６５ｂにはそれぞれ図示しない配向膜が施され、互いに同一方向、例えば、Ｘ方向に配向されている。液晶層６８はネマティック相液晶から構成され、ここでは、誘電率異方性Δε＞０となる液晶を用いるものとする。
【００５９】
液晶層６８に電圧を印加しないとき（以下、電圧非印加時という）には、液晶分子の長軸方向は液晶層６８内でＸ方向に配向されるが、電圧を印加するとき（以下、電圧印加時という）には液晶の長軸方向は液晶層６８の厚さ方向に向けて配向する。このとき、電圧値をそれぞれのパターン電極で調整することで、電極パターンごとに液晶の配向が変化する。つまり、液晶は常光屈折率ｎｏと異常光屈折率ｎｅ（ｎｏ＜ｎｅ）を有する複屈折性材料であるので、それぞれのパターン電極を出射する光の位相は、それぞれのパターン電極に印加される電圧を制御することによって変えられる。例えば、（電圧非印加時に）Ｘ方向に配向され、Ｘ方向の直線偏光が入射するとき、入射光に対して異常光屈折率となるが、パターン電極に電圧を印加することによって液晶分子の長軸方向が液晶層の厚さ方向に配向するため、常光屈折率となる。これを利用して入射する光の波面に対して出射する光の波面を変えることができる。なお、液晶は誘電率異方性Δε＞０のものに限らず、誘電率異方性Δε＜０であってもよい。
【００６０】
次に、非点収差を与えるため、具体的にパターン電極に与える電圧について説明する。例えば、透明電極６１にＶａ、透明電極６２ａ、６２ｂに電圧Ｖｂ、透明電極６３ａ、６３ｂに電圧Ｖｃを与え、Ｖｂ＞Ｖａ、Ｖｃ＜Ｖａとなるように設定にする。このとき、液晶収差補正素子６０にＺ方向から平面波（同じ位相）で入射する光のうち、透明電極６１を出射する光に対して透明電極６２ａ、６２ｂを出射する光の位相は進み、透明電極６３ａ、６３ｂを出射する光の位相は遅れる。このように電圧を調整して、Ｘ方向の位相とＹ方向の位相を非対称にすることで非点収差を与え、ビーム整形素子である立ち上げプリズム１５で発生する非点収差を相殺するように制御することができる。そして、可変フォーカス部５１で発生するフォーカス（Ｐｏｗｅｒ）成分量と非点収差成分量との比が、式（２）を満足するように調整することによって、フォーカス成分量を変えても立ち上げプリズム１５を出射する光の非点収差成分を低いレベルに抑制することができる。
【００６１】
（実施例１）
まず、第１の実施形態に係る可変フォーカス部１４として液晶レンズ素子３０の具体的な作製方法を、図７を用いて説明する。透明基板３１、３２として石英ガラス基板面上にＳｉＯxＮy（但し、ｘ，ｙはＯとＮの元素比率を示す）をスパッタリング法により成膜する。この場合、例えばＳｉターゲットを用いるとともに、Ａｒガスに酸素および窒素を混入した放電ガスを用いて、屈折率ｎs（＝１．６４）の透明な均一屈折率膜ＳｉＯxＮyを成膜し、その膜厚をｄ（＝３．５μｍ）としている。
【００６２】
さらに、図８のグラフβの形状に相当するように、フォトマスクを用いたフォトリソグラフィにてレジストをパターニングした後、反応性イオンエッチング法によりＳｉＯxＮy膜を加工する。その結果、図７（ａ）の平面模式図の楕円３９（長径：６．２５ｍｍ、短径：５．００ｍｍ）の領域に、鋸歯形状を８段の階段形状で近似した断面形状で図７（ｂ）にその断面を示すような凹凸部３７を加工する。このとき、楕円３８および楕円３９の楕円率はいずれも０．８となる。次に、凹凸部３７の表面に透明電極３３としてＩＴＯ膜を成膜する。さらに、ポリイミド膜（図示せず）を透明電極３３上に膜厚約５０ｎｍとなるよう塗布した後に焼成し、ポリイミド膜表面をＸ軸方向にラビング配向処理して配向膜とする。
【００６３】
また、対向する透明基板３２として石英ガラス基板上に透明電極３４としてＩＴＯ膜を成膜し、その上にポリイミド膜（図示せず）を膜厚約５０ｎｍ塗布した後に焼成し、ポリイミド膜表面をＸ軸方向にラビング配向処理して配向膜とする。さらにその上に、直径７μｍのギャップ制御材が混入された接着材を印刷パターニングしてシール３５を形成し、透明基板３１と重ね合わせて圧着し、透明電極の間隔が最大７μｍ、最小３．５μｍ（ギャップｇ＝３．５μｍ）とし、ｄ＝ｇの空セルを作製する。その後、ネマティック液晶を空セルの注入口（図示せず）から注入し、その注入口を封止して図７に示す液晶レンズ素子３０とする。この液晶には、常光屈折率ｎo（＝１．５０）および異常光屈折率ｎe（＝１．７５）の正の誘電異方性を有するネマティック液晶を用いる。また、この液晶は、透明電極３３、３４の面に、平行かつＸ軸方向に液晶分子の配向が揃ったホモジニアス配向であり、凹凸部３７の凹部に充填されている。
【００６４】
このようにして得られた液晶レンズ素子３０の透明電極３３、３４間に図示しない駆動電源回路を接続することにより、液晶層３６に電圧が印加される。液晶層３６への印加電圧を０Ｖから増加させると、液晶層３６のＸ軸方向の実質的な屈折率が、ｎ1＝ｎe（＝１．７５）からｎ2＝ｎo（＝１．５０）まで変化する。その結果、Ｘ軸の偏光面を有する直線偏光入射光に対して、液晶層３６と凹凸部３７との屈折率差が、
Δｎmax（＝ｎ1−ｎs）＝０．１１、
から
△ｎmin（＝ｎ2−ｎs）＝−０．１４、
まで変化し、凹凸部３７の凹部に充填された液晶層３６の厚さ分布に応じて、透過波面が変化する。
【００６５】
ここで、例えばＢＤを記録・再生するとき、使用波長λ（＝４０５ｎｍ）で、カバー厚８７．５μｍの光ディスク１８に対して、収差がゼロとなるように設計されたＮＡ０．８５の対物レンズ１７を、カバー厚１００μｍと７５μｍの２つの情報記録面に集光させる場合を考える。そして、図１の光ヘッド装置１０において、ビーム整形比ｍが０．８（Ｙ方向のビーム径は透過前後で不変）の立ち上げプリズム１５を配し、可変フォーカス部１４に液晶レンズ素子３０を楕円３８、３９の長軸がＹ方向、短軸がＺ方向となるように配置する。液晶レンズ素子３０の深さｄを調整して、電圧がＶ＋１のときにカバー厚７５μｍの情報記録面（例えば１８ｂ）、電圧がＶ−１のときにカバー厚１００μｍの情報記録面（例えば１８ａ）に集光するようにフォーカス成分（Ｐｏｗｅｒ）量を調整する。このとき、光源１１から光の形状が円である平行光が入射して、液晶レンズ素子３０を出射すると、印加する電圧のよってフォーカス成分量を調整できるとともに、液晶レンズ素子３０で発生させる非点収差成分量が立ち上げプリズム１５で発生する非点収差成分量と相殺するように作用するので、各情報記録面上での非点収差成分量を抑制し集光させることができる。
【００６６】
（実施例２）
第２の実施形態に係る可変フォーカス部５１として液晶収差補正素子６０の具体的な作製方法を、図１１を用いて説明する。透明基板６５ａとして石英ガラス基板面上に、透明電極としてＩＴＯ膜を成膜する。そして、透明基板６５ａ面上のＩＴＯ膜は、図１１（ａ）に示すようなパターンとなるようにエッチングを行い、透明電極６１、６２ａ、６２ｂ、６３ａおよび６３ｂを形成する。さらに、ＩＴＯ膜上にポリイミド膜（図示せず）を膜厚約５０ｎｍとなるよう塗布した後に焼成し、ポリイミド膜表面をラビング配向処理して配向膜とする。
【００６７】
また、対向する透明基板６５ｂとして石英ガラス基板上に透明電極６７としてＩＴＯ膜を成膜し、その上にポリイミド膜（図示せず）を膜厚約５０ｎｍ塗布した後に焼成し、ラビング配向処理して配向膜とする。さらにその上に、直径７μｍのギャップ制御材が混入された接着材を印刷パターニングしてシール６７を形成し、透明基板６５ａとラビング方向が一致するように対向させ圧着し、透明電極の間隔が約７μｍの空セルを作製する。その後、ネマティック液晶を空セルの注入口（図示せず）から注入し、その注入口を封止して図１１に示す液晶収差補正素子６０とする。この液晶には、常光屈折率ｎo（＝１．５０）および異常光屈折率ｎe（＝１．７５）の正の誘電異方性を有するネマティック液晶を用いる。また、この液晶は、透明電極６５ａ、６５ｂの面に、平行かつＸ軸方向に液晶分子の配向が揃ったホモジニアス配向であり、液晶層６８に充填されている。
【００６８】
作製した液晶収差補正素子６０を光ヘッド装置５０に設置し、各透明電極に図示しない駆動電源回路を接続することにより、液晶層６８に電圧が印加される。コリメータレンズ５３から出射する光が平行光となるように、コリメータレンズ位置調整部５２によって調整した位置（Ａ点とする）に固定したとき、各透明電極には電圧を印加せず、液晶収差補正素子６０を出射する光には位相分布を与えないようにして、情報記録面１８ｂに集光させる。
【００６９】
次に、コリメータレンズ位置調整部５２によってＡ点とは異なる位置にコリメータレンズ５３を光軸と平行するように移動させ、コリメータレンズ５３を出射する光が発散する位置（Ｂ点とする）に固定し、透明電極６１にＶａ、透明電極６２ａ、６２ｂに電圧Ｖｂ、透明電極６３ａ、６３ｂに電圧Ｖｃを与え、Ｖｂ＞Ｖａ、Ｖｃ＜Ｖａとなるように設定にする。このとき、透明電極６２ａ、６２ｂを出射する光の位相は進み、透明電極６３ａ、６３ｂを出射する光の位相は遅れ、一定の非点収差成分量を発生させる。これによって、立ち上げプリズム１５において、フォーカス成分（Ｐｏｗｅｒ）量に対応した非点収差成分量をキャンセルするように働き、もう一つの情報記録面１８ａに非点収差成分量を十分に抑制して集光させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
以上のように、本発明の可変フォーカス部を用いることで、とくにビーム整形比ｍが１とは異なるビーム整形素子を使用して小型化を実現する光ヘッド装置においても、フォーカス成分量を可変しても非点収差成分量が低いレベルを維持することができる。とくに情報記録面を複数有する複層光ディスクの記録・再生の品質を高めた光ヘッド装置を実現することができ、有用である。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る光ヘッド装置を示す模式図。
【図２】ビーム整形比ｍのビーム整形素子に入射するフォーカス成分量１λｒｍｓの光に対して出射する光の各成分量の特性を示すグラフ。
【図３】ビーム整形比ｍが０．８のビーム整形素子に入射する光のフォーカス成分量を変化させ、ビーム整形素子を出射する光の各成分量の特性を示すグラフ。
【図４】可変フォーカス部に光軸およびビーム整形素子に入射／出射する光の形状の様子を示す模式図。
【図５】可変フォーカス部およびビーム整形素子を出射する光の当位相波面形状を示す模式図。
【図６】ビーム整形比ｍのビーム整形素子を出射する光のフォーカス成分量を１λｒｍｓとするとき、入射する光の各成分量の特性を示すグラフ。
【図７】第１の実施形態に係る光ヘッド装置の可変フォーカス部となる液晶レンズの構成を示す平面模式図および断面模式図。
【図８】液晶レンズにより生成される透過波面の光路長差を示す一例のグラフ。
【図９】液晶レンズの電極パターンを示す平面模式図。
【図１０】本発明の第２の実施形態に係る光ヘッド装置を示す模式図。
【図１１】第２の実施形態に係る光ヘッド装置の可変フォーカス部に用いられる液晶収差補正素子の構成を示す平面模式図および断面模式図。
【符号の説明】
【００７２】
１０、５０ 光ヘッド装置
１１ 光源
１２ ビームスプリッタ
１３、５２ コリメートレンズ
１４、５１ 可変フォーカス部
１５ 立ち上げプリズム（ビーム整形素子）
１５ａ 立ち上げプリズムの光入射面
１５ｂ 立ち上げプリズムの光出射面
１５ｃ 立ち上げプリズムの光反射面
１６ １／４波長板
１７ 対物レンズ
１８ （複層）光ディスク
１８ａ、１８ｂ 情報記録面
１９ シリンドリカルレンズ
２０ 光検出器
３０ 液晶レンズ
３１、３２、６５ａ、６５ｂ 透明基板
３３、３４、３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄ、３４ｅ、３４ｆ、３４ｇ、３４ｈ、６１、６２ａ、６２ｂ、６３ａ、６３ｂ、６７ 透明電極
３５、６９ シール
３６、６８ 液晶層
３７ 凹凸部
３８、３９ 楕円
４１、４２ 端子電極
５２ コリメータレンズ位置調整部
６０ 液晶収差補正素子
６４ （入射光の）有効領域
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ストレージを扱う光学系として、ＣＤ、ＤＶＤ、光磁気ディスクなどの光記録媒体および、「Ｂｌｕ−ｒａｙ」（登録商標：以下ＢＤ）などの高密度光記録媒体に情報の記録または再生（以下、「記録・再生」という）を行う光ヘッド装置並びにこの光ヘッド装置を用いた光ディスク装置に関する。なお、これら光記録媒体および高密度光記録媒体を以下、「光ディスク」といい、とくに複数の情報記録層の集光面（情報記録面）を有する光ディスクを以下、「複層光ディスク」という。
【背景技術】
【０００２】
パーソナルコンピュータなどの小型化に伴い、これらの機器に用いられる光ディスク装置の小型化が求められている。この要求に対して、光ディスク装置に搭載される光ヘッド装置に三角柱の形状の立ち上げプリズムを用いることで光が進行する方向（空間）を変えて、これによって光ヘッド装置を薄型化し、光ディスク装置の小型化を実現している。
【０００３】
この立ち上げプリズムは、（光軸に対して垂直な面の）形状が楕円形である光を入射した場合に、出射する光の形状を円形に整形するビーム整形機能を有する場合がある。また、複層光ディスクの各情報記録面に集光するために、立ち上げプリズムに入射する光の平行度を変化させることによって各情報記録面のカバー厚の違いによって発生する球面収差成分量を制御する光ヘッド装置が報告されている（特許文献１）。しかしながら、この立ち上げプリズムを使用した場合、球面収差成分量を制御するためにプリズムへ非平行光を入射すると、情報記録面上に集光させるときの非点収差成分量が大きくなり、記録・再生特性が劣化するという問題点があった。
【０００４】
また、特許文献１に記載の光ヘッド装置における問題点を解決するものとして、立ち上げプリズムに起因して発生する非点収差成分量を抑制するためにビーム整形倍率を１．００に近づける特性を有する立ち上げプリズムを配置することで出射する光の形状を円形とし、集光点が異なる各情報記録面に集光する光の非点収差成分量の発生を抑制する光ヘッド装置が報告されている（特許文献２）。
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−５９０３号公報
【特許文献２】特開２００７−２１３７５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記のように特許文献１に記載の光ヘッド装置は、ビーム整形倍率が１．１〜１．３の間と大きい立ち上げプリズムを使用していることから、非点収差成分量の発生について考慮されていない。これにより、情報記録面が単一である光ディスクに対しては、入射する光を平行光として非点収差成分量を低減するように調整できるが、複層光ディスクの記録・再生時に、集光させる情報記録面を切り替える場合、例えば立ち上げプリズムへ収束しながら入射する光と、発散しながら入射する光と、に切り替えるようにして制御すると、１．１〜１．３のビーム整形倍率の立ち上げプリズムでは、大きな非点収差成分量が発生してしまい、集光すべき情報記録面すべてに対して良好な集光特性が得られないという問題があった。
【０００７】
さらに、特許文献２に記載の光ヘッド装置の立ち上げプリズムは、ビーム整形倍率を０．９７〜１．０３としているため、立ち上げプリズムにより大きなビーム整形機能を発生させることができない。つまり、立ち上げプリズムに楕円形で入射する光を円形にして出射させる機能を有さないので、光ディスクに対して円形に集光させるために、立ち上げプリズムに入射する光を円形としなければならないという制限がある。さらに、ビーム整形倍率を０．９７〜１．０３とするために立ち上げプリズムの形状が光ヘッド装置の厚み方向に大きくなってしまったり、加工が困難な形状となってしまったりするなど、光ヘッド装置の小型化や低コスト化に制限があるという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本願発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、光源と、前記光源から出射する光の光軸と直交する平面における前記光の形状を変えるビーム整形素子と、前記ビーム整形素子から出射する光を複数の情報記録面を有する光ディスクに集光させる対物レンズと、前記光ディスクから反射された光を受光する光検出器を備える光ヘッド装置において、前記光源と前記対物レンズとの間の光路中に、前記ビーム整形素子と、フォーカス成分量と非点収差成分量とを可変して、光の発散状態を変化させる可変フォーカス部と、を有する光ヘッド装置を提供する。
【０００９】
この構成により、複層光ディスクを記録・再生する光ヘッド装置を小型化できるとともに、複層光ディスクの複数の情報記録面のうちそれぞれの情報記録面に収束する光の非点収差を抑制することができるので、良好な記録・再生を実現することができる。
【００１０】
また、前記ビーム整形素子は、平行して進行する入射光Ａの光軸と直交する平面における前記入射光Ａの形状が長軸または短軸に相当する第１の方向を径ｄ１、前記第１の方向と直交し、前記長軸または前記短軸の他方に相当する第２の方向を径ｄ２とする楕円であり、前記ビーム整形素子を出射する出射光Ａの光軸と直交する平面における前記出射光Ａの形状が前記径ｄ１を直径とする円であるとき、ｄ２／ｄ１で表されるビーム整形比ｍを有し、前記可変フォーカス部は、平行して進行する入射光Ｂの光軸と直交する平面における前記入射光Ｂの形状が円であり、前記可変フォーカス部を出射する出射光Ｂの光軸と直交する平面上で前記出射光Ｂの同じ位相となる位置を結んでできる等位相波面の形状が、長軸の径がａ、短軸の径がｂとなる楕円であるとき、ａ×ｍ×ｃ＝ｂ、またはａ＝ｍ×ｃ×ｂであって、０．９７≦ｃ≦１．０３を満足する上記の光ヘッド装置を提供する。また、前記ビーム整形素子の前記ビーム整形比ｍは、ｍ＞１．００９または、ｍ＜０．９９１である上記の光ヘッド装置を提供する。
【００１１】
この構成により、ビーム整形比ｍの大きさに大きな制限なくビーム整形素子を選択することができるので、設計自由度が高くなるとともに、該当するビーム整形比に合わせて非点収差成分量を抑制するように可変フォーカス部を設計できるので、複層光ディスクの複数の情報記録面のうちそれぞれの情報記録面に収束する光の非点収差を抑制することができるので、光ヘッド装置において良好な記録・再生を実現することができる。
【００１２】
また、前記可変フォーカス部は、２枚の透明基板を対向配置し、前記透明基板間に挟持された液晶に印加する電圧に応じて前記液晶を透過する光の焦点距離を変化させる液晶レンズ素子から構成される上記の光ヘッド装置を提供する。また、前記透明基板の一方の面には透明電極と、鋸歯形状または鋸歯を階段形状で近似した断面形状を有する透明材料からなるとともに入射平面上で光軸を中心として楕円率κの相似となる複数の楕円状に形成される凹凸部と、を有する上記の光ヘッド装置を提供する。
【００１３】
また、前記凹凸部の楕円率κは、０．９７×ｍ≦κ≦１．０３×ｍであるかまたは、０．９７／ｍ≦κ≦１．０３／ｍである上記の光ヘッド装置を提供する。
【００１４】
この構成により、液晶レンズに印加する電圧を制御することによって、複数の情報記録面のうちそれぞれの情報記録面に光を収束させるとき、容易にフォーカス成分量および非点収差成分量が最適な値となるように制御することができ、光ヘッド装置において良好な記録・再生を実現することができる。
【００１５】
また、前記可変フォーカス部は、光源から出射された光の発散状態を変えるコリメータレンズと、前記コリメータレンズを光軸方向に平行に移動する機構を有するコリメータレンズ位置調整部と、非点収差成分を発生させることができる非点収差生成部からなる上記に記載の光ヘッド装置を提供する。さらに、前記非点収差生成部は、２枚の透明基板に液晶が挟持され、少なくとも一方の前記透明基板に非点収差成分を発生させる特定のパターンに分割された透明電極が形成される液晶収差補正素子である上記に記載の光ヘッド装置を提供する。
【００１６】
この構成により、コリメータレンズの移動により簡易的にフォーカス成分量の可変ができ、このフォーカス成分量に比例するように非点収差成分量を発生することにより、容易にフォーカス成分量および非点収差成分量が最適な値となるように制御することができ、光ヘッド装置において良好な記録・再生を実現することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明は、複層光ディスクの各情報記録面に非点収差成分量を抑制して良好に集光させて記録・再生できるとともに、小型化を実現し、さらに設計自由度が大きい光ヘッド装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る光ヘッド装置１０の模式図である。光源１１から出射した光は、コリメータレンズ１３で平行光となり、可変フォーカス部１４を透過し、ビーム整形機能を発現する立ち上げプリズム１５に入射する。立ち上げプリズム１５に入射した光は、光ディスクに向けて偏向され、対物レンズ１７によって光ディスク１８の情報記録面（例えば情報記録面１８ｂ）に集光される。光ディスク１８で反射された光は、偏光ビームスプリッタ１２で偏向され、レンズ１９を透過して光検出器２０で光ディスク１８の情報記録面１８ａ、１８ｂに記録された情報の再生信号、フォーカスエラー信号、トラッキングエラー信号などの光情報が検出される。なお、光源１１から光ディスク１８に至るまでの光路を「往路」、光ディスク１８から光検出器２０に至るまでの光路を「復路」という。
【００１９】
また、偏光ビームスプリッタ１２と対物レンズ１７との間の光路中に波長λの光に対してλ／４の位相差を与える１／４波長板１６を配置してもよい。偏光ビームスプリッタ１２は、光源１１とコリメータレンズ１３との間の光路中に配置するものとは限らず、コリメータレンズ１３と立ち上げプリズム１５との間の光路中にあってもよい。図１において、点線は光の幅を模式的に示すものであり、一点鎖線は光の中心（光軸）を示す。なお、光路中の可変フォーカス部１４と立ち上げプリズム１５との配置は図１に示す順に限らず、例えば往路の光路中において、立ち上げプリズム１５を透過した後に可変フォーカス部１４が配置される構成であってもよい。例えば、図１の光ヘッド装置１０の構成のように往路において立ち上げプリズム１５の前に可変フォーカス部１４を配置すると、光ヘッド装置１０のＺ方向（厚さ方向）の幅を小さくすることができる。
【００２０】
なお、光ヘッド装置１０は、上記のフォーカスエラー信号に基づいて対物レンズ１７を光軸方向に移動制御する図示しないフォーカスサーボと、上記のトラッキングエラー信号に基づいて対物レンズ１７を光軸方向に垂直となる方向に制御する図示しないトラッキングサーボと、を備える。
【００２１】
光源１１は、２種類または３種類の単一波長の直線偏光の光を出射する構成としてもよい。かかる構成の光源としては、２個または３個の半導体レーザチップが同一基板上にマウントされた、所謂ハイブリッド型の２波長レーザ光源または３波長レーザ光源や、互いに異なる波長の光を出射する２個または３個の発光点を有するモノリシック型の２波長レーザ光源または３波長レーザ光源でもよい。例えば、３種類の波長として、ＢＤ用の４０５ｎｍ波長帯（３８５〜４２０ｎｍ）、ＤＶＤ用の６６０ｎｍ波長帯（６４０〜６７５ｎｍ）、ＣＤ用の７８５ｎｍ波長帯（７７０〜８００ｎｍ）の半導体レーザを用いることができる。
【００２２】
第１の実施形態に係る光ヘッド装置１０の可変フォーカス部１４は、後述するように液晶レンズ素子から構成される。液晶レンズ素子は、液晶に電圧を印加するための透明電極を備えており、電気信号によって、透過する光の波面形状を変化させることができる。例えば液晶レンズ素子に入射する光の光軸と直交する平面の形状が変わらずに進む平行光が入射したときに、電圧信号を印加しない場合、波面を変化させずに平行したまま透過させ、電圧を印加することで、透過する光のフォーカス成分（Ｐｏｗｅｒ）量と非点収差成分量とを変化させる。また、フォーカス成分量は、例えば平行光の場合、光の光軸と直交する平面の形状が変わらないので０であるが、光の光軸と直交する平面の形状の大きさが変わる場合、０とは異なる値となり、この形状の大きさの変化を表す値である。なお、「光の光軸と直交する平面の形状」は、以下「光の形状」という。
【００２３】
このようにフォーカス（Ｐｏｗｅｒ）成分量が変化する可変フォーカス部１４に例えば、平行光が入射すると、透過する光は発散しながら進むかまたは、収束しながら進む。このように、入射する光に対して収束させるように光を出射させたり発散させるように光を出射させたりする機能のいずれか、または両方の機能を含むものを「発散状態を変化させる」と表現する。一方、非点収差成分量は、収束させたり発散させたりしても光の形状が相似であって変わらない場合０であるが、例えばこの形状が円から楕円に変化するように形状が変化する場合、０とは異なる値となる。
【００２４】
立ち上げプリズム１５は、断面が二等辺三角形の形状をした三角柱の形状をなしている。また、図１に示すように断面としたとき、入射面１５ａに相当する辺と反射面１５ｃに相当する辺の長さが等しい二等辺三角形の形状である。光は、立ち上げプリズム１５の入射面１５ａから入射し、出射面１５ｂ方向へ進行し、出射面１５ｂでは反射され、反射面１５ｃ方向へ進行する。反射面１５ｃで反射され、再度出射面１５ｂに進行した光は、立ち上げプリズム１５を出射して光ディスク１８の方向へ進行する。このように立ち上げプリズム１５に入射する光の進行方向に対して出射する光の進行方向はほぼ９０°の角度をなす。このような立ち上げプリズム１５は、光の形状を変えるアナモルフィックプリズムとしての機能を有する。なお、出射面１５ｂは、出射面１５ｂと光の進行方向とがなす角度によって、光を反射したり透過したりする。
【００２５】
次に、この立ち上げプリズム１５を用いた光ヘッド装置１０について説明する。ここでは、光源１１から光が出射して進行する方向をＸ方向とし、立ち上げプリズム１５から出射して進行する方向をＺ方向、つまり、立ち上げプリズム１５に入射する方向に対し、立ち上げプリズム１５を出射する方向が直角方向に偏向して進行するものとする。また、立ち上げプリズム１５のビーム整形機能として、例えば、入射する光の形状が楕円となる光に対し、出射する光の形状を円とするものを考える。この立ち上げプリズム１５の光入射面１５ａへの入射光（光軸方向はＸ方向）のうちＺ方向の径をｄ２、Ｚ方向と直交するＹ方向の径をｄ１とし、立ち上げプリズム１５の光出射面１５ｃからの出射光（光軸方向はＺ方向）が径ｄ１の円とする。つまり、図示しないが、立ち上げプリズム１５へ入射する光および出射する光の形状のうちＹ方向の径は等しいものとする。そして、ビーム径の比ｄ２／ｄ１をビーム整形比ｍとして表す。本願発明は、ビーム整形比が１とは異なる（ｍ≠１）立ち上げプリズムを配置した場合でも大きな非点収差成分量を発生させないように可変フォーカス部１４を調整できる設計自由度が高い光ヘッド装置が実現できる。
【００２６】
ここで、光ディスク１８として、複層光ディスクであるＢＤを記録・再生する場合を考える。ＢＤは、情報記録面の厚さ方向の間隔が２５μｍと規格化されており、隣り合う情報記録面、例えば図１の情報記録面１８ａと情報記録面１８ｂとでは集光すべき位置が異なることから、フォーカスする成分（Ｐｏｗｅｒ）量がそれぞれの情報記録面で異なるように可変フォーカス部１４から出射する光の発散状態を変える。
【００２７】
そして、ここで図１の光ヘッド装置１０に示すように、ビーム整形比が１とは異なる（ｍ≠１）特性を有するビーム整形素子である立ち上げプリズム１５を配置する場合を考える。このとき、可変フォーカス部１４が光軸を中心とするＹ−Ｚ平面でＹ方向とＺ方向に対していずれも同じ発散および収束特性（同じ倍率）を発生する場合、立ち上げプリズム１５で発生する非点収差成分量により、情報記録面に有効に集光されず、良好な記録・再生特性が得られない。
【００２８】
この場合、いずれか一方の情報記録面（１８ａまたは１８ｂ）に対する集光特性が良くなるように調整しても、もう一方の情報記録面に対しては、非点収差成分量が増大するため良好な集光特性が得られない。例えば、立ち上げプリズム１５に平行光を入射させて情報記録面１８ｂに大きな非点収差が発生しないように集光させることができても、焦点が遠くに位置する情報記録面１８ａに集光するように、可変フォーカス部１４を制御して立ち上げプリズム１５に発散する光を入射させると、フォーカス成分（Ｐｏｗｅｒ）量に応じて発生する非点収差が大きくなるため良好な集光特性を得ることができない。
【００２９】
図２は、例として、フォーカス成分（Ｐｏｗｅｒ）量１λｒｍｓを有する平行光を立ち上げプリズム１５のようなビーム整形素子に入射させ、ビーム整形比ｍの変化に対し、出射した光の収差成分量をフォーカス成分（Ｐｏｗｅｒ）量と非点収差成分（ＡＳＴ）量と、に分けたときの特性を示すグラフである。このように、ビーム整形機能を発生させない立ち上げプリズム（横軸：ビーム整形比ｍ＝１）である場合、入射光のフォーカス成分（Ｐｏｗｅｒ）量１λｒｍｓがそのまま出射光に現れ、非点収差成分量は発生しないが、ビーム整形比ｍが１から離れる値になるにしたがって大きな非点収差成分量が発生する。一般に光ヘッド装置の記録・再生の際に許容される非点収差成分量は０．０４λｒｍｓ程度であるのに対して、ビーム整形比ｍが１より離れた値であればそれだけ大きな値の非点収差成分量が発生するため、これを一定レベル以下に抑える工夫が必要となる。
【００３０】
図２では簡単のため、ビーム整形素子１５へ入射する光のフォーカス成分量が１λｒｍｓである場合の特性を示したが、実際に、複数の情報記録面を有する光ディスクに与えるべき光のフォーカス成分量は異なる。なお、入射する光のフォーカス成分量と、発生する非点収差成分量とは比例し、例えば、ビーム整形素子１５へフォーカス成分量が１０λｒｍｓの光が入射すると、図２に示す非点収差成分量の１０倍の非点収差成分量が発生する。実際にＢＤの場合、使用する光の波長λは４０５ｎｍであり、対物レンズ１６の開口数ＮＡは０．８５と大きく、前述のようにＢＤの隣り合う２つの情報記録面間では前述のようにカバー厚が２５μｍ異なる。このため、一方の情報記録面に対して他方の情報記録面に集光させる場合、対物レンズに入射する発散光または収束光の可変すべきフォーカス成分量は実際に約３．３６λｒｍｓとなる。このため、可変フォーカス部１４を調整してそれぞれの情報記録面に適したフォーカス成分量を与える必要がある。
【００３１】
具体的に、上記を考慮すると、例えば立ち上げプリズム１５のみで、可変フォーカス部１４を有さない光ヘッド装置を考えたとき、非点収差成分量は０．０４λｒｍｓ程度を許容できるのは、ビーム整形比ｍは、０．９９１≦ｍ≦１．００９の値の特性を有するものに制限される。一方、光ヘッド装置に可変フォーカス部１４を有する光ヘッド装置であれば、ビーム整形比ｍは、ｍ＞１．００９または、ｍ＜０．９９１であっても、非点収差成分量は０．０４λｒｍｓ程度に抑制することが可能である。したがって、光ヘッド装置において良好な記録・再生を実現するための設計自由度が高くなる。
【００３２】
また、ビーム整形比ｍが一定の値に固定されたビーム整形素子（立ち上げプリズム１５）に光が入射するとき、上記の説明のように入射する光のフォーカス成分（Ｐｏｗｅｒ）量［λｒｍｓ］の増加に対して、ビーム整形素子１５を出射する光のフォーカス成分量と非点収差成分量は比例して増加する。図３は、例として、ビーム整形比ｍ＝０．８となるビーム整形素子１５に、光のフォーカス成分量を変化させて入射させたとき、ビーム整形素子１５を出射する光のフォーカス成分量および非点収差成分量を示すグラフである。これより、これらは比例関係となっていることがわかる。
【００３３】
このようにビーム整形比ｍ≠１となるビーム整形素子１５を用いる場合、複層光ディスクの各情報記録面へ集光する非点収差成分量を抑制して良好な集光特性を得るために、可変フォーカス部１４は、複層光ディスクの各情報記録面に集光させるようにフォーカス成分量を制御すると同時に、それにともなって発生する非点収差成分量も制御する機能をあわせ持つことが求められる。そのため、これら２つの成分量を制御できれば、ビーム整形素子１５（立ち上げプリズム１５）に要求されるビーム整形比ｍが取り得る範囲を広くすることができる。
【００３４】
つまり、可変フォーカス部は、フォーカス成分量に応じてビーム整形素子１５で発生する非点収差成分量を考慮し、この非点収差を打ち消すような非点収差成分量を予め発生させる機能を発生させる。このようにすることで、ビーム整形素子１５を出射する光の非点収差成分量がキャンセルされ、ビーム整形素子１５を出射する光の形状が円に近づくため、複層光ディスクの各情報記録面において非点収差成分量を低減させ、良好な集光特性を得ることができる。
【００３５】
図４は、可変フォーカス部に光軸と直交する平面（Ｘ−Ｙ面）が円形となる平行光が入射し、ビーム整形素子を出射する光の形状の様子を模式的に示すものである。可変フォーカス部では、上記の説明のように、フォーカス成分量を大きくすることで非点収差成分量も大きくなる。このように非点収差成分量が大きくなると、可変フォーカス部を出射する光は、楕円形状となる。例えば、図４に示すように、可変フォーカス部を出射する光が、Ｙ方向が長軸方向となる楕円形状となる場合、その光がビーム整形素子に入射して円形の光となって出射するように調整する。つまり、ビーム整形素子では、図４に示すＹ方向に比べてＸ方向に大きく発散する特性を有する場合、光は楕円から円となる。ここで、ビーム整形素子（立ち上げプリズム１５）を出射する光の（光軸と直交する平面の）形状を長軸の径に対する短軸の径の比であるアスペクト比とすると、このアスペクト比が１であれば円となる。このようにアスペクト比が１、つまり図４においてａ＝ｂ、となるようにすると、フォーカス成分量を変化させても非点収差成分量が大きくならないので集光特性が向上する。このように、可変フォーカス部で発生する非点収差成分量をビーム整形素子で発生する非点収差成分量と、がキャンセルされるように調整するとよい。
【００３６】
次に、可変フォーカス部１４の具体的な態様について説明する。まず、前述のように立ち上げプリズム（ビーム整形比ｍ≠１）で発生する非点収差成分量をキャンセルするために、可変フォーカス部１４を出射する波面について考える。図５は、光軸と直交する平面における等位相波面形状を示す模式図である。なお、「等位相波面形状」とは、光軸と直交する平面上で同じ位相となる位置を結んでできる形状のことをいう。図５（ａ）は、フォーカス成分量と非点収差成分量とを考慮したときの波面形状の一例を示す模式図であって、ここでは、可変フォーカス部１４を出射した光の波面形状に相当し、等位波面形状が楕円となる。
【００３７】
この例では、第１の方向である長軸方向の半径をａ１と第２の方向である短軸方向の半径をｂ１とする。例えば、この波面形状の光が、第１の方向が図１のＺ方向に一致するように可変フォーカス部１４を調整し、ビーム整形比ｍ（＝ｄ２／ｄ１）＞１となる立ち上げプリズム１５を入射すると、Ｚ方向のビーム径のみ１／ｍ倍となって出射される。そのため立ち上げプリズム１５の透過後の波面形状は図５（ｂ）のように変形し、ａ２＝ａ１／ｍ、ｂ２＝ｂ１となる。このとき非点収差成分量を十分に小さくするために、ビーム整形素子１５透過後の波面形状が円（ａ２＝ｂ２）、つまりアスペクト比が１となるように調整することが好ましい。
【００３８】
ここで、ビーム整形素子１５を出射する光の非点収差成分量を制御するために、
ａ１×ｍ×ｃ＝ｂ１ … （１）
が成立するｃを与える。このとき、０．９７≦ｃ≦１．０３のいずれかで式（１）が成立する場合、フォーカス成分量が１λｒｍｓで非点収差成分量は約０．０４λｒｍｓ以下であって好ましく、０．９８≦ｃ≦１．０２のいずれかで式（１）が成立する場合、フォーカス成分量が１λｒｍｓのときの非点収差成分量は約０．０２７λｒｍｓ以下となり、より好ましい。
【００３９】
また、上記の説明のようにＢＤの情報記録面間の間隔２５μｍの焦点距離の変化に相当するフォーカス成分量となる３．３６λｒｍｓとした場合、式（１）において、０．９９１≦ｃ≦１．００９のいずれかで成立すると非点収差成分量が約０．０４λｒｍｓ以下となるので好ましい。なお、これまでｍ＞１として説明したが、ｍ＜１である場合でも、可変フォーカス部１４を出射する波面がａ１＜ｂ１となるように調整すればよく、このときも上記の式（１）が成立するようにｃの値を調整するとよく、ｍ＜１であってもｃが取り得る上記の好ましい範囲、より好ましい範囲は同じである。
【００４０】
図６は、ビーム整形素子１５のビーム整形比をｍとして、該ビーム整形素子１５を出射する光のフォーカス成分（Ｐｏｗｅｒ）量が１λｒｍｓとするとき、該ビーム整形素子１５を出射する光の非点収差成分（ＡＳＴ）量を０λｒｍｓとするために可変フォーカス部１４を出射する光のフォーカス成分量および非点収差成分量の条件を示すグラフである。つまり、ビーム整形素子１５のビーム整形比ｍの値が決まると、図６に示すようなフォーカス成分量と非点収差成分量となる光を出射するように可変フォーカス部１４を設計することで、複層光ディスクのいずれの情報記録面においても良好な集光特性を得ることができるものである。そして、ビーム整形素子１５に入射させる光のフォーカス（Ｐｏｗｅｒ）成分量をＰ［λｒｍｓ］、非点収差成分量をＡ［λｒｍｓ］とすると、
Ｔ＝｜Ａ／Ｐ−（０．６６×（ｍ−１）２−１．４１×（ｍ−１））｜ …（２）
の関係式において、Ｔ≦０．１５が成立するようなＰおよびＡとなる各成分量の光を出射できるように制御するとよい。同様の理由でＴが「０」に近づく値になるにつれて非点収差成分量を抑制でき、Ｔ≦０．１０であることが好ましく、Ｔ≦０．０５であることがより好ましく、Ｔ≦０．０２であることがさらに好ましい。
【００４１】
このように、ｍの値が決まって、上記の式（２）のＴの値が０に近づくような関係が成立するように、ＰとＡの比がほぼ一定にするように可変フォーカス部１４で調整することで、ビーム整形素子１５を出射する光はフォーカス成分量のみを考慮すればよく、非点収差成分量は十分に低いレベルとすることができる。したがって、複層光ディスクの各情報記録面に対して品質良く記録・再生でき、好ましい。
【００４２】
次に、具体的に可変フォーカス部１４としての構成である、液晶レンズ素子について説明する。図７は、図１の光ヘッド装置１０の可変フォーカス部１４として用いられる具体的な液晶レンズ素子３０の構成を示したものである。図７（ａ）は液晶レンズ素子３０の平面模式図であり、図７（ｂ）は、平面模式図のＡ−Ａ´に沿った断面を示す断面模式図である。
【００４３】
液晶レンズ素子３０は、図７（ｂ）の断面模式図に示すように透明基板３１、３２と、透明電極３３、３４が備えられ、シール３５と、液晶層（液晶）３６と、凹凸部３７と、透明電極と電気的に接続される端子電極４１、４２を備え、図示しない駆動電源回路に接続されている。液晶層３６には、常光屈折率ｎoおよび異常光屈折率ｎe（ｎo≠ｎe）を有するネマティック液晶を用いる。凹凸部３７は、屈折率ｎsの透明材料を用いて形成しており、深さｄを有する断面が凹凸形状となっている。この凹凸部３７は、好ましくは、鋸歯形状（ブレーズ形状）または鋸歯形状を階段状で近似した形状（擬似ブレーズ形状）を有するものである。なお、透明電極３３は、凹凸部３７上に形成される例を示しているが、これに限らず、透明基板３１上に形成されていてもよい。また、透明電極３４は一面がベタとなる電極として説明するが、後述するようにブレーズ形状の領域に相当するように輪帯領域に分割されていてもよい。
【００４４】
また、図７（ａ）の平面模式図には、光軸を中心として楕円率κ（長軸の長さと短軸の長さの比：ｂ１／ａ１）が一定である楕円形状の線３８を示す。なお、使用するビーム整形素子１５のビーム整形比ｍが決まることで、上記の式（２）を満足するように、楕円率κを設定することができる。つまり、ビーム整形比ｍ（または１／ｍ）と楕円率κとが等しくなるようにフレネルレンズパターンを形成し、特定の割合のフォーカス成分（Ｐｏｗｅｒ）量と非点収差成分量の比が得られるように調整するとよい。楕円３８は、それぞれ図７（ｂ）の断面模式図に示す凹凸部の凸部の頂点を結んだ線に相当し、この液晶レンズ素子３０を出射する光の位相は、この楕円３８に沿って同じとなるものである。なお、最も外側に位置する楕円３９は、図７（ｂ）の断面模式図では、最も外側のブレーズ形状の段差がゼロになる点を結んだ線に相当する。そして、図７（ａ）に示す光軸を含む楕円領域が図７（ｂ）の凹凸部３７の中心の領域に相当し、図７（ａ）に示す隣り合う楕円で囲まれた輪帯領域が、それぞれ図７（ｂ）の１つのブレーズ形状の凹凸の領域に相当する。
【００４５】
次いで、液晶レンズ素子３０を構成する材料について説明する。透明基板３１、３２は、入射する光に対して透明であれば、樹脂板、樹脂フィルムなど種々の材料を用いることができるが、ガラスや石英ガラスなどの光学的等方性材料を用いると、透過光に複屈折性の影響を与えないため好ましい。凹凸部３７の材料としては、各種の無機材料や、感光性樹脂や熱硬化樹脂などの有機材料を用いることができる。無機材料としてはＳｉＯｘＮｙ膜（ｘ、ｙはＳｉに対するＯおよびＮの原子数比）、ＳｉＯ２膜、Ｓｉ３Ｎ４膜、Ａｌ２Ｏ３膜などを用いることができるが、中でもＳｉＯｘＮｙ膜が、成膜条件によりｘ、ｙを変化させて所望の屈折率に調整可能であり、透明性、耐久性にも優れる点から好ましく用いられる。また、この凹凸部３７は、光学的等方性材料でも、複屈折性を示す材料で形成してもよく、この凹凸部３７は、印加する電圧に応じて液晶層３６の屈折率変化が生じる入射光の偏光方向に対して、液晶が取り得る屈折率ｎ1と屈折率ｎ2（ｎ1＜ｎ2）の間の屈折率ｎsの透明材料で形成してあればよい。透明電極３３、３４としては、ＩＴＯ（酸化錫ドープ酸化インジウム）膜、ＡＺＯ（アルミニウムドープ酸化亜鉛）膜、ＧＺＯ（ガリウムドープ酸化亜鉛）膜などの酸化物透明導電膜が高い透明性と導電率とが得られるため好ましく用いられる。
【００４６】
液晶層３６はネマティック相液晶から構成され、以下にこのネマティック相液晶の液晶分子の配向方向について説明する。ここで、液晶は、誘電率異方性Δε＞０となる特性を有するものを考え、この液晶の配向方法を例として説明する。液晶を配向させるために透明電極３３、３４上に図示しない配向膜を形成する。なお、液晶層３６にΔε＞０となる液晶材料を用いるホモジニアス配向は、同じ配向方向となるように配向膜を形成する。具体的に配向膜として、ポリイミド膜を塗布して一定の方向にラビングされたもので構成されてなるもの、ＳｉＯを基板面に対して斜め方向から蒸着してなる斜方蒸着膜などが用いられる。なお、誘電率異方性Δε＞０となる液晶に限らず、誘電率異方性Δε＜０となる液晶を用いてもよい。
【００４７】
次に、ブレーズ形状または、擬似ブレーズ形状を有する凹凸部３７の断面形状について説明する。本発明の液晶レンズ素子３０に入射する平面波の透過波面において、光軸（ｘ＝ｙ＝０）の光線に対して半径ｒの長さだけ離れた位置を通過する光線の光路長差ＯＰＤ（ｒ）は、図７（ａ）より液晶レンズ素子の楕円率κをｂ１／ａ１とすると、
ＯＰＤ（ｒ）＝α１ｒ２＋α２ｒ４＋α３ｒ６＋α４ｒ８＋・・・ … （３）
但し、ｒ２＝｛（ｂ１／ａ１）・ｘ｝２＋ｙ２、
α１、α２、α３、α４・・・；定数
となるベキ級数の式を満たすようにする。このように構成することによって、光ヘッド装置に液晶レンズ素子３０を配置したとき、複層光ディスクのカバー厚の違いに起因して発生する球面収差成分量を補正する透過波面を生成することができるとともに、立ち上げプリズムで発生する非点収差成分量をキャンセルするように作用する。とくに式（２）を満足するようにフォーカス成分量と非点収差成分量を調整することで、立ち上げプリズムを出射する光の非点収差成分量を低レベルに抑制したままフォーカス（Ｐｏｗｅｒ）成分量を変化させ、各情報記録面に集光させることができる。
【００４８】
ここで、式（３）の曲線の具体的な形状について、図８に符号αで示す。なお、横軸は半径ｒ、縦軸は光路長差ＯＰＤを入射光の波長λの単位で表記する。そして、波長λの入射光に対して、λの整数倍の光路長差を有する透過波面は同等を見なすことができる。したがって、図８のαで示すグラフ（光路長差）を波長λ間隔で分割して光路長差をゼロの面に投影した光路長差を示すグラフβは、グラフαと実質的に同等である。グラフβで示される光路長差は、全てλ以内（図中では−λからゼロの範囲）であり、これを反映させて断面が鋸歯状となっているものである。
【００４９】
次に、凹凸部３７の深さｄについては、以下のようになる。この場合、凹凸部３７の凸部（屈折率ｎｓの等方性材料部分）と透明電極３４との間隔ｇ（以下、「セルギャップ」という）にある液晶にはほぼ同一の電圧が印加される。このため、このセルギャップ内の液晶の屈折率変化は、透過光の波面を一様にシフトするのみであるので波面変化を無視することができる。
【００５０】
一方、透明電極３３、３４間に電圧Ｖを印加すると、異常光屈折率を示す方向の偏光方向（以下、「異常光偏光」という）の光に対する液晶層３６（液晶）の実質的な屈折率をｎ（Ｖ）とすると、液晶層３６と凹凸部３７の屈折率差Δｎ（Ｖ）は、Δｎ（Ｖ）＝ｎ（Ｖ）−ｎｓとなる。例えば、印加電圧をＶ＋１として、このとき図８のグラフβに相当する透過波面の光路長差を生成するためには、図７（ｂ）に示す凹凸部３７の深さｄを、
ｄ＝λ／｜Δｎ（Ｖ＋１）｜ … （４）
但し、λ；入射光の波長、
Δｎ（Ｖ＋１）＝ｎ（Ｖ＋１）−ｎｓ＝ｎ１−ｎｓ、
ｎ１，ｎｓ；屈折率、
となる値に設定するとよい。
【００５１】
ここで、印加電圧Ｖを変化させると、屈折率差Δｎ（Ｖ）も変化する。例えば、Δｎ（Ｖ０）＝０となる印加電圧Ｖ０では、液晶レンズ素子３０の透過波面は変化しない。また、Δｎ（Ｖ−１）＝−Δｎ（Ｖ＋１）となる印加電圧Ｖ−１では、図８のグラフγに示す光路長差の透過波面が生じる。これは、光路長差ゼロの面に対して図８のグラフβと面対称の光路長差の透過波面に相当する。このように、透過波面変化なしの状態、図８のグラフβおよびγの波面状態の都合３種類の波面状態を印加電圧の大きさを変化させることにより生成することができる。また、屈折率ｎsをｎ1あるいはｎ2とほぼ等しくすると、透過波面は透過波面変化なし状態と、βあるいはγの状態のいずれかの２つの波面状態を生成することが可能である。また、式（４）で１λを基準に深さｄを設定したが、例えば２λを基準として設定してもよい。
【００５２】
また、透明電極３４は一面がベタな電極として説明したが、それに限らない。図９は、図７（ｂ）に示す透明電極３４を分割した場合の平面模式図であり、図７（ｂ）の１つのブレーズ形状からなる輪帯領域と（光軸方向からみて）一致するように分割されていてもよい。つまり、光軸を含む電極セグメント３４ａは、図７（ｂ）の凹凸部３７の中心の領域と一致し、同様に図７（ｂ）の１つのブレーズ形状の凹凸の領域はそれぞれ電極セグメント３４ｂ〜３４ｈに一致するように設計する。
【００５３】
また、回折型の液晶レンズ素子３０と図示しない屈折型液晶レンズ素子とを積層させた構造を有する液晶レンズ素子を使用してもよい。この場合、回折型液晶レンズ素子３０では、大きなフォーカス成分量を与え、非点収差成分量を与えたり与えなかったりする切り替えを制御し、一方、屈折型液晶レンズ素子でフォーカス成分量と非点収差成分量とを複層光ディスクのカバー厚さ（各情報記録面）に合わせて微調整することができるのでさらに好ましい。
【００５４】
上記では、Δｎ（Ｖ０）＝０となる印加電圧Ｖ０であるとき、そしてΔｎ（Ｖ−１）＝−Δｎ（Ｖ＋１）となる印加電圧Ｖ−１であるときの２つの電圧によって透過波面の切り替えをするものである。つまり、液晶レンズ素子３０を出射する光の１つは、入射する光の波面を変化させない平行光のままであり、もう１つは収束または発散させる光とする（フォーカス成分量を発生）ものである。しかし、このように複層光ディスクの各情報記録面に集光させるため、液晶レンズで発生させる出射光の状態はこれに限らず、例えば、１つは収束させる光、もう１つは発散させる光として切り替えてもよい。さらに、出射光の状態は同じ収束させる光であっても、収束の度合い（フォーカス成分量の大きさ）を２点以上設定して、その変化によって各情報記録面に集光させてもよい。また、例えば、３層の情報記録面を有する複層光ディスクの場合、液晶レンズ３０を出射する光の状態は、収束させる光、透過波面を変えない平行光、発散させる光、とするそれぞれの電圧を設定することによって各情報記録面へ集光する位置を切り替えることもできる。
【００５５】
（第２の実施形態）
図１０は、本発明の第２の実施形態に係る光ヘッド装置５０の模式図である。第１の実施形態に係る光ヘッド装置１０では、可変フォーカス部１４として、液晶レンズ素子３０について説明したが、第２の実施形態に係る光ヘッド装置５０の可変フォーカス部５１は、コリメータレンズ５３、コリメータレンズ５３を光軸方向に位置調整するコリメータレンズ位置調整部５２と、非点収差を補正する非点収差生成部６０とからなる。なお、光ヘッド装置５０において、光ヘッド装置１０と同じものは同じ番号を付して説明の重複を避ける。
【００５６】
コリメータレンズ位置調整部５２はコリメータレンズ５３を光軸方向と平行に移動させることができるものであって、この位置調整によって出射する光を収束させたり、発散させたりして、フォーカス成分（Ｐｏｗｅｒ）量を調整し、複層光ディスク１８の各情報記録面１８ａ、１８ｂに集光させる。そして、これまでの説明のように、フォーカス成分（Ｐｏｗｅｒ）量が変化すると非点収差成分量も変化するので、非点収差を補正するため非点収差生成部６０を配置する。
【００５７】
次に、図１１は、非点収差生成部６０として、液晶を用いる液晶収差補正素子６０の具体的構成を示す。図１１（ａ）は液晶収差補正素子６０の平面模式図であり、図１１（ｂ）は、平面模式図のＢ−Ｂ´に沿った断面を示す断面模式図である。図１１（ａ）に示すように、液晶収差補正素子６０は、一方の透明基板（例えば透明基板６５ａに透明電極６１、６２ａ、６２ｂ、６３ａ、６３ｂが形成され、それぞれの透明電極には独立に電圧を印加できるように図示しない電気的配線が施され、電圧制御装置に接続される。また、透明電極６１、６２ａ、６２ｂ、６３ａ、６３ｂは印加する電圧により非点収差を発生させるようなパターンに形成されている。そして、入射する光の有効領域６４の中心は、透明電極６１の中心と一致するように調整される。なお、これらの透明電極６１、６２ａ、６２ｂ、６３ａ、６３ｂをまとめてパターン電極という。また、この電極パターンは一例であり、非点収差を補正できるパターン電極であればこれに限らない。
【００５８】
図１１（ｂ）の断面模式図に示すように液晶収差補正素子６０は、パターン電極が形成された透明基板６５ａと、パターン電極と対向する透明基板６５ｂ側には、一面に透明電極６７が形成され、周辺にシール６９が施されて液晶層６８が挟持されて構成される。また、透明基板６５ａ、６５ｂにはそれぞれ図示しない配向膜が施され、互いに同一方向、例えば、Ｘ方向に配向されている。液晶層６８はネマティック相液晶から構成され、ここでは、誘電率異方性Δε＞０となる液晶を用いるものとする。
【００５９】
液晶層６８に電圧を印加しないとき（以下、電圧非印加時という）には、液晶分子の長軸方向は液晶層６８内でＸ方向に配向されるが、電圧を印加するとき（以下、電圧印加時という）には液晶の長軸方向は液晶層６８の厚さ方向に向けて配向する。このとき、電圧値をそれぞれのパターン電極で調整することで、電極パターンごとに液晶の配向が変化する。つまり、液晶は常光屈折率ｎｏと異常光屈折率ｎｅ（ｎｏ＜ｎｅ）を有する複屈折性材料であるので、それぞれのパターン電極を出射する光の位相は、それぞれのパターン電極に印加される電圧を制御することによって変えられる。例えば、（電圧非印加時に）Ｘ方向に配向され、Ｘ方向の直線偏光が入射するとき、入射光に対して異常光屈折率となるが、パターン電極に電圧を印加することによって液晶分子の長軸方向が液晶層の厚さ方向に配向するため、常光屈折率となる。これを利用して入射する光の波面に対して出射する光の波面を変えることができる。なお、液晶は誘電率異方性Δε＞０のものに限らず、誘電率異方性Δε＜０であってもよい。
【００６０】
次に、非点収差を与えるため、具体的にパターン電極に与える電圧について説明する。例えば、透明電極６１にＶａ、透明電極６２ａ、６２ｂに電圧Ｖｂ、透明電極６３ａ、６３ｂに電圧Ｖｃを与え、Ｖｂ＞Ｖａ、Ｖｃ＜Ｖａとなるように設定にする。このとき、液晶収差補正素子６０にＺ方向から平面波（同じ位相）で入射する光のうち、透明電極６１を出射する光に対して透明電極６２ａ、６２ｂを出射する光の位相は進み、透明電極６３ａ、６３ｂを出射する光の位相は遅れる。このように電圧を調整して、Ｘ方向の位相とＹ方向の位相を非対称にすることで非点収差を与え、ビーム整形素子である立ち上げプリズム１５で発生する非点収差を相殺するように制御することができる。そして、可変フォーカス部５１で発生するフォーカス（Ｐｏｗｅｒ）成分量と非点収差成分量との比が、式（２）を満足するように調整することによって、フォーカス成分量を変えても立ち上げプリズム１５を出射する光の非点収差成分を低いレベルに抑制することができる。
【００６１】
（実施例１）
まず、第１の実施形態に係る可変フォーカス部１４として液晶レンズ素子３０の具体的な作製方法を、図７を用いて説明する。透明基板３１、３２として石英ガラス基板面上にＳｉＯxＮy（但し、ｘ，ｙはＯとＮの元素比率を示す）をスパッタリング法により成膜する。この場合、例えばＳｉターゲットを用いるとともに、Ａｒガスに酸素および窒素を混入した放電ガスを用いて、屈折率ｎs（＝１．６４）の透明な均一屈折率膜ＳｉＯxＮyを成膜し、その膜厚をｄ（＝３．５μｍ）としている。
【００６２】
さらに、図８のグラフβの形状に相当するように、フォトマスクを用いたフォトリソグラフィにてレジストをパターニングした後、反応性イオンエッチング法によりＳｉＯxＮy膜を加工する。その結果、図７（ａ）の平面模式図の楕円３９（長径：６．２５ｍｍ、短径：５．００ｍｍ）の領域に、鋸歯形状を８段の階段形状で近似した断面形状で図７（ｂ）にその断面を示すような凹凸部３７を加工する。このとき、楕円３８および楕円３９の楕円率はいずれも０．８となる。次に、凹凸部３７の表面に透明電極３３としてＩＴＯ膜を成膜する。さらに、ポリイミド膜（図示せず）を透明電極３３上に膜厚約５０ｎｍとなるよう塗布した後に焼成し、ポリイミド膜表面をＸ軸方向にラビング配向処理して配向膜とする。
【００６３】
また、対向する透明基板３２として石英ガラス基板上に透明電極３４としてＩＴＯ膜を成膜し、その上にポリイミド膜（図示せず）を膜厚約５０ｎｍ塗布した後に焼成し、ポリイミド膜表面をＸ軸方向にラビング配向処理して配向膜とする。さらにその上に、直径７μｍのギャップ制御材が混入された接着材を印刷パターニングしてシール３５を形成し、透明基板３１と重ね合わせて圧着し、透明電極の間隔が最大７μｍ、最小３．５μｍ（ギャップｇ＝３．５μｍ）とし、ｄ＝ｇの空セルを作製する。その後、ネマティック液晶を空セルの注入口（図示せず）から注入し、その注入口を封止して図７に示す液晶レンズ素子３０とする。この液晶には、常光屈折率ｎo（＝１．５０）および異常光屈折率ｎe（＝１．７５）の正の誘電異方性を有するネマティック液晶を用いる。また、この液晶は、透明電極３３、３４の面に、平行かつＸ軸方向に液晶分子の配向が揃ったホモジニアス配向であり、凹凸部３７の凹部に充填されている。
【００６４】
このようにして得られた液晶レンズ素子３０の透明電極３３、３４間に図示しない駆動電源回路を接続することにより、液晶層３６に電圧が印加される。液晶層３６への印加電圧を０Ｖから増加させると、液晶層３６のＸ軸方向の実質的な屈折率が、ｎ1＝ｎe（＝１．７５）からｎ2＝ｎo（＝１．５０）まで変化する。その結果、Ｘ軸の偏光面を有する直線偏光入射光に対して、液晶層３６と凹凸部３７との屈折率差が、
Δｎmax（＝ｎ1−ｎs）＝０．１１、
から
△ｎmin（＝ｎ2−ｎs）＝−０．１４、
まで変化し、凹凸部３７の凹部に充填された液晶層３６の厚さ分布に応じて、透過波面が変化する。
【００６５】
ここで、例えばＢＤを記録・再生するとき、使用波長λ（＝４０５ｎｍ）で、カバー厚８７．５μｍの光ディスク１８に対して、収差がゼロとなるように設計されたＮＡ０．８５の対物レンズ１７を、カバー厚１００μｍと７５μｍの２つの情報記録面に集光させる場合を考える。そして、図１の光ヘッド装置１０において、ビーム整形比ｍが０．８（Ｙ方向のビーム径は透過前後で不変）の立ち上げプリズム１５を配し、可変フォーカス部１４に液晶レンズ素子３０を楕円３８、３９の長軸がＹ方向、短軸がＺ方向となるように配置する。液晶レンズ素子３０の深さｄを調整して、電圧がＶ＋１のときにカバー厚７５μｍの情報記録面（例えば１８ｂ）、電圧がＶ−１のときにカバー厚１００μｍの情報記録面（例えば１８ａ）に集光するようにフォーカス成分（Ｐｏｗｅｒ）量を調整する。このとき、光源１１から光の形状が円である平行光が入射して、液晶レンズ素子３０を出射すると、印加する電圧のよってフォーカス成分量を調整できるとともに、液晶レンズ素子３０で発生させる非点収差成分量が立ち上げプリズム１５で発生する非点収差成分量と相殺するように作用するので、各情報記録面上での非点収差成分量を抑制し集光させることができる。
【００６６】
（実施例２）
第２の実施形態に係る可変フォーカス部５１として液晶収差補正素子６０の具体的な作製方法を、図１１を用いて説明する。透明基板６５ａとして石英ガラス基板面上に、透明電極としてＩＴＯ膜を成膜する。そして、透明基板６５ａ面上のＩＴＯ膜は、図１１（ａ）に示すようなパターンとなるようにエッチングを行い、透明電極６１、６２ａ、６２ｂ、６３ａおよび６３ｂを形成する。さらに、ＩＴＯ膜上にポリイミド膜（図示せず）を膜厚約５０ｎｍとなるよう塗布した後に焼成し、ポリイミド膜表面をラビング配向処理して配向膜とする。
【００６７】
また、対向する透明基板６５ｂとして石英ガラス基板上に透明電極６７としてＩＴＯ膜を成膜し、その上にポリイミド膜（図示せず）を膜厚約５０ｎｍ塗布した後に焼成し、ラビング配向処理して配向膜とする。さらにその上に、直径７μｍのギャップ制御材が混入された接着材を印刷パターニングしてシール６７を形成し、透明基板６５ａとラビング方向が一致するように対向させ圧着し、透明電極の間隔が約７μｍの空セルを作製する。その後、ネマティック液晶を空セルの注入口（図示せず）から注入し、その注入口を封止して図１１に示す液晶収差補正素子６０とする。この液晶には、常光屈折率ｎo（＝１．５０）および異常光屈折率ｎe（＝１．７５）の正の誘電異方性を有するネマティック液晶を用いる。また、この液晶は、透明電極６５ａ、６５ｂの面に、平行かつＸ軸方向に液晶分子の配向が揃ったホモジニアス配向であり、液晶層６８に充填されている。
【００６８】
作製した液晶収差補正素子６０を光ヘッド装置５０に設置し、各透明電極に図示しない駆動電源回路を接続することにより、液晶層６８に電圧が印加される。コリメータレンズ５３から出射する光が平行光となるように、コリメータレンズ位置調整部５２によって調整した位置（Ａ点とする）に固定したとき、各透明電極には電圧を印加せず、液晶収差補正素子６０を出射する光には位相分布を与えないようにして、情報記録面１８ｂに集光させる。
【００６９】
次に、コリメータレンズ位置調整部５２によってＡ点とは異なる位置にコリメータレンズ５３を光軸と平行するように移動させ、コリメータレンズ５３を出射する光が発散する位置（Ｂ点とする）に固定し、透明電極６１にＶａ、透明電極６２ａ、６２ｂに電圧Ｖｂ、透明電極６３ａ、６３ｂに電圧Ｖｃを与え、Ｖｂ＞Ｖａ、Ｖｃ＜Ｖａとなるように設定にする。このとき、透明電極６２ａ、６２ｂを出射する光の位相は進み、透明電極６３ａ、６３ｂを出射する光の位相は遅れ、一定の非点収差成分量を発生させる。これによって、立ち上げプリズム１５において、フォーカス成分（Ｐｏｗｅｒ）量に対応した非点収差成分量をキャンセルするように働き、もう一つの情報記録面１８ａに非点収差成分量を十分に抑制して集光させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
以上のように、本発明の可変フォーカス部を用いることで、とくにビーム整形比ｍが１とは異なるビーム整形素子を使用して小型化を実現する光ヘッド装置においても、フォーカス成分量を可変しても非点収差成分量が低いレベルを維持することができる。とくに情報記録面を複数有する複層光ディスクの記録・再生の品質を高めた光ヘッド装置を実現することができ、有用である。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る光ヘッド装置を示す模式図。
【図２】ビーム整形比ｍのビーム整形素子に入射するフォーカス成分量１λｒｍｓの光に対して出射する光の各成分量の特性を示すグラフ。
【図３】ビーム整形比ｍが０．８のビーム整形素子に入射する光のフォーカス成分量を変化させ、ビーム整形素子を出射する光の各成分量の特性を示すグラフ。
【図４】可変フォーカス部に光軸およびビーム整形素子に入射／出射する光の形状の様子を示す模式図。
【図５】可変フォーカス部およびビーム整形素子を出射する光の当位相波面形状を示す模式図。
【図６】ビーム整形比ｍのビーム整形素子を出射する光のフォーカス成分量を１λｒｍｓとするとき、入射する光の各成分量の特性を示すグラフ。
【図７】第１の実施形態に係る光ヘッド装置の可変フォーカス部となる液晶レンズの構成を示す平面模式図および断面模式図。
【図８】液晶レンズにより生成される透過波面の光路長差を示す一例のグラフ。
【図９】液晶レンズの電極パターンを示す平面模式図。
【図１０】本発明の第２の実施形態に係る光ヘッド装置を示す模式図。
【図１１】第２の実施形態に係る光ヘッド装置の可変フォーカス部に用いられる液晶収差補正素子の構成を示す平面模式図および断面模式図。
【符号の説明】
【００７２】
１０、５０ 光ヘッド装置
１１ 光源
１２ ビームスプリッタ
１３、５２ コリメートレンズ
１４、５１ 可変フォーカス部
１５ 立ち上げプリズム（ビーム整形素子）
１５ａ 立ち上げプリズムの光入射面
１５ｂ 立ち上げプリズムの光出射面
１５ｃ 立ち上げプリズムの光反射面
１６ １／４波長板
１７ 対物レンズ
１８ （複層）光ディスク
１８ａ、１８ｂ 情報記録面
１９ シリンドリカルレンズ
２０ 光検出器
３０ 液晶レンズ
３１、３２、６５ａ、６５ｂ 透明基板
３３、３４、３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄ、３４ｅ、３４ｆ、３４ｇ、３４ｈ、６１、６２ａ、６２ｂ、６３ａ、６３ｂ、６７ 透明電極
３５、６９ シール
３６、６８ 液晶層
３７ 凹凸部
３８、３９ 楕円
４１、４２ 端子電極
５２ コリメータレンズ位置調整部
６０ 液晶収差補正素子
６４ （入射光の）有効領域
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
前記光源から出射する光の光軸と直交する平面における前記光の形状を変えるビーム整形素子と、
前記ビーム整形素子から出射する光を複数の情報記録面を有する光ディスクに集光させる対物レンズと、
前記光ディスクから反射された光を受光する光検出器を備える光ヘッド装置において、
前記光源と前記対物レンズとの間の光路中に、前記ビーム整形素子と、フォーカス成分量と非点収差成分量とを可変して、光の発散状態を変化させる可変フォーカス部と、を有する光ヘッド装置。
【請求項２】
前記ビーム整形素子は、平行して進行する入射光Ａの光軸と直交する平面における前記入射光Ａの形状が長軸または短軸に相当する第１の方向を径ｄ１、前記第１の方向と直交し、前記長軸または前記短軸の他方に相当する第２の方向を径ｄ２とする楕円であり、前記ビーム整形素子を出射する出射光Ａの光軸と直交する平面における前記出射光Ａの形状が前記径ｄ１を直径とする円であるとき、ｄ２／ｄ１で表されるビーム整形比ｍを有し、
前記可変フォーカス部は、平行して進行する入射光Ｂの光軸と直交する平面における前記入射光Ｂの形状が円であり、前記可変フォーカス部を出射する出射光Ｂの光軸と直交する平面上で前記出射光Ｂの同じ位相となる位置を結んでできる等位相波面の形状が、長軸の径がａ、短軸の径がｂとなる楕円であるとき、
ａ×ｍ×ｃ＝ｂ、またはａ＝ｍ×ｃ×ｂであって、０．９７≦ｃ≦１．０３を満足する請求項１に記載の光ヘッド装置。
【請求項３】
前記ビーム整形素子の前記ビーム整形比ｍは、ｍ＞１．００９または、ｍ＜０．９９１である請求項１または請求項２に記載の光ヘッド装置。
【請求項４】
前記可変フォーカス部は、２枚の透明基板を対向配置し、前記透明基板間に挟持された液晶に印加する電圧に応じて前記液晶を透過する光の焦点距離を変化させる液晶レンズ素子から構成される請求項１〜３いずれか１項に記載の光ヘッド装置。
【請求項５】
前記透明基板の一方の面には透明電極と、鋸歯形状または鋸歯を階段形状で近似した断面形状を有する透明材料からなるとともに入射平面上で光軸を中心として楕円率κの相似となる複数の楕円状に形成される凹凸部と、を有する請求項４に記載の光ヘッド装置。
【請求項６】
前記凹凸部の楕円率κは、０．９７×ｍ≦κ≦１．０３×ｍであるかまたは、０．９７／ｍ≦κ≦１．０３／ｍである請求項４または請求項５に記載の光ヘッド装置。
【請求項７】
前記可変フォーカス部は、光源から出射された光の発散状態を変えるコリメータレンズと、
前記コリメータレンズを光軸方向に平行に移動する機構を有するコリメータレンズ位置調整部と、
非点収差成分を発生させることができる非点収差生成部からなる請求項１〜３いずれか１項に記載の光ヘッド装置。
【請求項８】
前記非点収差生成部は、２枚の透明基板に液晶が挟持され、少なくとも一方の前記透明基板に非点収差成分を発生させる特定のパターンに分割された透明電極が形成される液晶収差補正素子である請求項７に記載の光ヘッド装置。
【請求項１】
光源と、
前記光源から出射する光の光軸と直交する平面における前記光の形状を変えるビーム整形素子と、
前記ビーム整形素子から出射する光を複数の情報記録面を有する光ディスクに集光させる対物レンズと、
前記光ディスクから反射された光を受光する光検出器を備える光ヘッド装置において、
前記光源と前記対物レンズとの間の光路中に、前記ビーム整形素子と、フォーカス成分量と非点収差成分量とを可変して、光の発散状態を変化させる可変フォーカス部と、を有する光ヘッド装置。
【請求項２】
前記ビーム整形素子は、平行して進行する入射光Ａの光軸と直交する平面における前記入射光Ａの形状が長軸または短軸に相当する第１の方向を径ｄ１、前記第１の方向と直交し、前記長軸または前記短軸の他方に相当する第２の方向を径ｄ２とする楕円であり、前記ビーム整形素子を出射する出射光Ａの光軸と直交する平面における前記出射光Ａの形状が前記径ｄ１を直径とする円であるとき、ｄ２／ｄ１で表されるビーム整形比ｍを有し、
前記可変フォーカス部は、平行して進行する入射光Ｂの光軸と直交する平面における前記入射光Ｂの形状が円であり、前記可変フォーカス部を出射する出射光Ｂの光軸と直交する平面上で前記出射光Ｂの同じ位相となる位置を結んでできる等位相波面の形状が、長軸の径がａ、短軸の径がｂとなる楕円であるとき、
ａ×ｍ×ｃ＝ｂ、またはａ＝ｍ×ｃ×ｂであって、０．９７≦ｃ≦１．０３を満足する請求項１に記載の光ヘッド装置。
【請求項３】
前記ビーム整形素子の前記ビーム整形比ｍは、ｍ＞１．００９または、ｍ＜０．９９１である請求項１または請求項２に記載の光ヘッド装置。
【請求項４】
前記可変フォーカス部は、２枚の透明基板を対向配置し、前記透明基板間に挟持された液晶に印加する電圧に応じて前記液晶を透過する光の焦点距離を変化させる液晶レンズ素子から構成される請求項１〜３いずれか１項に記載の光ヘッド装置。
【請求項５】
前記透明基板の一方の面には透明電極と、鋸歯形状または鋸歯を階段形状で近似した断面形状を有する透明材料からなるとともに入射平面上で光軸を中心として楕円率κの相似となる複数の楕円状に形成される凹凸部と、を有する請求項４に記載の光ヘッド装置。
【請求項６】
前記凹凸部の楕円率κは、０．９７×ｍ≦κ≦１．０３×ｍであるかまたは、０．９７／ｍ≦κ≦１．０３／ｍである請求項４または請求項５に記載の光ヘッド装置。
【請求項７】
前記可変フォーカス部は、光源から出射された光の発散状態を変えるコリメータレンズと、
前記コリメータレンズを光軸方向に平行に移動する機構を有するコリメータレンズ位置調整部と、
非点収差成分を発生させることができる非点収差生成部からなる請求項１〜３いずれか１項に記載の光ヘッド装置。
【請求項８】
前記非点収差生成部は、２枚の透明基板に液晶が挟持され、少なくとも一方の前記透明基板に非点収差成分を発生させる特定のパターンに分割された透明電極が形成される液晶収差補正素子である請求項７に記載の光ヘッド装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１０−８６６２１（Ｐ２０１０−８６６２１Ａ）
【公開日】平成２２年４月１５日（２０１０．４．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２５６１０４（Ｐ２００８−２５６１０４）
【出願日】平成２０年１０月１日（２００８．１０．１）
【出願人】（０００００００４４）旭硝子株式会社 (2,665)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年４月１５日（２０１０．４．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１０月１日（２００８．１０．１）
【出願人】（０００００００４４）旭硝子株式会社 (2,665)
【Ｆターム（参考）】
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