(57)【要約】  【課題】  狭いピッチかつ高い回折効率を実現でき、位置合わせを容易にし製造工程を簡素化できる偏光回折素子および光ヘッド装置を提供すること。  【解決手段】  複屈折を有する光学異方性媒質の屈折率が空間的に周期的に変化することによって、入射光の偏光方向に応じて回折効率が異なる偏光回折素子において、基板１０１、１０２と、基板１０１、１０２上に設けられた配向膜１０４ａ、１０４ｂ、１０５ａと、光学異方性媒質が、層状の液晶等によって構成される液晶層１０３とを備え、液晶層１０３の第１の面で、液晶等の配向方向が周期的に変化し、液晶層１０３の第２の面で、液晶等の配向方向が一様に同一方向になる構成を有している。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複屈折を有する光学異方性媒質の屈折率が空間的に周期的に変化することによって、入射する光の偏光方向に応じて回折効率が異なる偏光回折素子において、
前記光学異方性媒質が、層状をなし、液晶、または、液晶を高分子化した高分子液晶によって構成される液晶層を備え、
前記液晶層の対向する２つの面であって前記光が通過する２つの面のうちの第１の面で、前記液晶または前記高分子液晶の分子の配向方向が周期的に変化し、
前記液晶層の対向する２つの面であって前記光が通過する２つの面のうちの第２の面で、前記液晶または前記高分子液晶の分子の配向方向が一様に同一方向になるようにしたことを特徴とする偏光回折素子。
【請求項２】
前記液晶層の前記第１の面で、前記液晶または前記高分子液晶の分子の配向方向が前記液晶層の面内方向に対して垂直な領域と、前記液晶または前記高分子液晶の分子の配向方向が前記液晶層の面内方向に水平な領域とが周期的に配列し、前記液晶層の前記第２の面で、前記液晶または前記高分子液晶の分子の配向方向が、前記液晶層の面内方向に対して一様に垂直、または、前記液晶層の面内方向に一様に水平になるようにした請求項１に記載の偏光回折素子。
【請求項３】
前記液晶層の前記第１の面における配向方向に配向させる第１の配向膜と、前記液晶層の前記第２の面における配向方向に配向させる第２の配向膜と、前記第１の配向膜が前記液晶層の前記第１の面と接するように形成された第１の基板と、前記第２の配向膜が前記液晶層の前記第２の面と接するように形成された第２の基板とを備えた請求項１または２に記載の偏光回折素子。
【請求項４】
前記第１の基板と前記第２の基板の対向する２つの面であって、前記光が通過する２つの面のそれぞれに形成され、前記液晶層間に電圧を印加するための電極を備えた請求項３に記載の偏光回折素子。
【請求項５】
第３の基板と、前記第１の基板または第２の基板間と前記第３の基板との間に挟持され光学異方性媒質の液晶層からなる付加液晶層とを備え、前記付加液晶層の分子の配向方向が一様に同一方向になるようにした請求項３または４に記載の偏光回折素子。
【請求項６】
光源と、前記光源からの出射光を光記録媒体へ集光する対物レンズと、前記対物レンズによって集光され前記光記録媒体により反射された光を検出する光検出器とを備える光ヘッド装置において、前記対物レンズと前記光源との間の光路中に、請求項１から５までのいずれか１項に記載の前記偏光回折素子が配置されていることを特徴とする光ヘッド装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入射する光の偏光方向に応じて回折効率を変えて回折させる回折素子（以下、偏光回折素子という。）、および、光ディスク等の光記録媒体への記録または光記録媒体からの再生（以下、記録再生という。）を行う光ヘッド装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、偏光回折素子を作製する方法として、入射する光の偏光方向に応じて屈折率が空間的に周期的に変化するように複屈折媒質を空間的に周期的に配置する方法が提案されている。そして、偏光回折素子には、複屈折媒質として低分子液晶を用い、回折効率を電気的に変化させることが可能な可変偏光回折素子（例えば、特許文献１参照。）と、回折効率を変化させることができない偏光回折素子（以下、固定偏光回折素子という。）とがある。
【０００３】
ここで、これらの偏光回折素子は光通信装置、表示装置、計測装置等に用いられ、特に光ヘッド装置に偏光回折素子を用いることによって、光の利用効率を向上させたり、規格の異なる複数の光ディスクを１つの光ヘッド装置で記録再生できるようにしたりできる。
【０００４】
上記の特許文献１に開示された従来技術では、可変偏光回折素子に印加する電圧を変えることによって回折効率を変化できる例が示されている。ここで、可変偏光回折素子の回折効率を変化させる機能を実現するための第１の方法として、ホモジニアス型と９０度ツイストネマティック型の２つの配向状態を有する低分子液晶を交互に可変偏光回折素子に周期的に配置することによって光を回折させ、可変偏光回折素子中の低分子液晶に電圧を印加して液晶分子を電界方向（厚さ方向）に配向させ、回折効率を低下またはゼロにするという方法がある。以下、第１の方法によって作製された可変偏光回折素子を、第１例の可変偏光回折素子という。
【０００５】
また、第２の方法として、ホモジニアス配向した低分子液晶を挟持する１対のガラス基板のうち、一方のガラス基板にストライプ状の透明電極を形成し、他方のガラス基板のほぼ全面に透明電極（以下、対向透明電極という。）を形成し、ストライプ状の透明電極と対向透明電極との間に電圧を印加して低分子液晶の屈折率を変化させ、これによって回折か透過かを制御するという方法がある。第２の方法に係る回折素子は位相変調型回折格子であるため、第１の方法に係る回折素子に比べ回折効率が大きくなる。以下、第２の方法によって作製された可変偏光回折素子を、第２例の可変偏光回折素子という。
【０００６】
一方、固定偏光回折素子としては、上記の第１の方法に係る配向状態および液晶の配置を保存しながら、液晶分子を高分子化した高分子液晶を用いて、回折効率を固定するようにした回折格子（以下、第１例の固定偏光回折素子という。）も実現可能である。また、一様にホモジニアス配向した高分子液晶薄膜をエッチングして凹凸を作製し、その凹部に複屈折のない等方性媒質を充填して固定偏光回折素子（以下、第２例の固定偏光回折素子という。）を作製する方法も提案されている。第２例の固定偏光回折素子は、光学特性的には非常に優れた偏光回折素子が得られる。
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−３３７３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、このような従来の第１例の可変偏光回折素子では、電圧を印加しない電圧無印加状態で、液晶がツイスト配向した領域に入射した光もホモジニアス配向した領域に入射した光も、各領域を透過する際の実効的光路長はほとんど同じであり、領域が異なることによる位相差はなく、透過する光の偏光方向のみに応じて各領域での光路長が異なることにより光が回折するために、一般的な位相変調型回折格子に比して回折効率が非常に低いという問題があった。また、透過光の偏光状態が入射光の偏光状態と異なるものになってしまうという問題もあり、応用が非常に制限されている。
【０００９】
また、第１例の可変偏光回折素子に比して回折効率が高い第２例の可変偏光回折素子では、ストライプ状の電極と対向透明電極との間に電圧を印加した場合、ストライプ状の電極からの電界漏れがあり、位相格子の境界がぼやけるという問題や、格子ピッチを小さくできないという問題があった。また、２つの基板ともストライプ電極を形成して対向させることで電界漏れの問題は若干解消するが、格子ピッチの小さな回折素子では２つのストライプ電極の位置を適切に位置合わせすることが非常に困難であり、実質上、格子ピッチには下限があった。
【００１０】
また、高分子液晶を用いた第１例の固定偏光回折素子においても、第１例の可変偏光回折素子と同様の問題があった。これに対して第２例の固定偏光回折素子では、上記の問題は解消されているが、高分子液晶薄膜をエッチングして等方性媒質を充填する必要があり、製造工程が複雑になるという問題があった。
【００１１】
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、従来の偏光回折素子よりも狭いピッチかつ高い回折効率を実現できると共に、位置合わせを容易にし製造工程を簡素化することが可能な偏光回折素子および光ヘッド装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
以上の点を考慮して、請求項１に係る発明は、複屈折を有する光学異方性媒質の屈折率が空間的に周期的に変化することによって、入射する光の偏光方向に応じて回折効率が異なる偏光回折素子において、前記光学異方性媒質が、層状をなし、液晶、または、液晶を高分子化した高分子液晶によって構成される液晶層を備え、前記液晶層の対向する２つの面であって前記光が通過する２つの面のうちの第１の面で、前記液晶または前記高分子液晶の分子の配向方向が周期的に変化し、前記液晶層の対向する２つの面であって前記光が通過する２つの面のうちの第２の面で、前記液晶または前記高分子液晶の分子の配向方向が一様に同一方向になる構成を有している。
【００１３】
この構成により、液晶層の１の面で配向方向が周期的に変化し、他の面で配向方向が一様に同一方向になるようにしたため、光の偏光方向に応じて光路長を変化させることができ、従来の偏光回折素子よりも狭いピッチかつ高い回折効率を実現できると共に、位置合わせを容易にし製造工程を簡素化することが可能な偏光回折素子を実現できる。
【００１４】
また、請求項２に係る発明は、請求項１において、前記液晶層の前記第１の面で、前記液晶または前記高分子液晶の分子の配向方向が前記液晶層の面内方向に対して垂直な領域と、前記液晶または前記高分子液晶の分子の配向方向が前記液晶層の面内方向に水平な領域とが周期的に配列し、前記液晶層の前記第２の面で、前記液晶または前記高分子液晶の分子の配向方向が、前記液晶層の面内方向に対して一様に垂直、または、前記液晶層の面内方向に一様に水平になる構成を有している。
【００１５】
この構成により、請求項１の効果に加え、配向方向が液晶層の面に垂直または水平になるため、さらに、回折効率を向上させることが可能な偏光回折素子を実現できる。
【００１６】
また、請求項３に係る発明は、請求項１または２において、前記液晶層の前記第１の面における配向方向に配向させる第１の配向膜と、前記液晶層の前記第２の面における配向方向に配向させる第２の配向膜と、前記第１の配向膜が前記液晶層の前記第１の面と接するように形成された第１の基板と、前記第２の配向膜が前記液晶層の前記第２の面と接するように形成された第２の基板とを備えた構成を有している。
【００１７】
この構成により、請求項１または２の効果に加え、配向膜を用いて液晶層の分子を配向させるため、配向方向の制御が容易な偏光回折素子を実現できる。
【００１８】
また、請求項４に係る発明は、請求項３において、前記第１の基板と前記第２の基板の対向する２つの面であって、前記光が通過する２つの面のそれぞれに形成され、前記液晶層間に電圧を印加するための電極を備えた構成を有している。
【００１９】
この構成により、請求項３の効果に加え、電極を介して液晶層間に電圧を印加し、配向方向を変化させることができるため、回折効率を電気的に変化させることが可能な偏光回折素子を実現できる。
【００２０】
また、請求項５に係る発明は、請求項３または４において、第３の基板と、前記第１の基板または第２の基板間と前記第３の基板との間に挟持され光学異方性媒質の液晶層からなる付加液晶層とを備え、前記付加液晶層の分子の配向方向が一様に同一方向になる構成を有している。
【００２１】
この構成により、請求項３または４の効果に加え、配向方向が一様に同一方向の付加液晶層を新たな光学素子として一体化できるため、部品点数を削減することが可能な偏光回折素子を実現できる。
【００２２】
また、請求項６に係る発明は、光源と、前記光源からの出射光を光記録媒体へ集光する対物レンズと、前記対物レンズによって集光され前記光記録媒体により反射された光を検出する光検出器とを備える光ヘッド装置において、前記対物レンズと前記光源との間の光路中に、請求項１から５までのいずれか１項に記載の前記偏光回折素子が配置されている構成を有している。
【００２３】
この構成により、請求項１から５までのいずれか１項の効果を有し、かつ、光利用効率を向上させることが可能な光ヘッド装置を実現できる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明は、液晶層の１の面で配向方向が周期的に変化し、他の面で配向方向が一様に同一方向になるようにしたため、光の偏光方向に応じて光路長を変化させることができ、従来の偏光回折素子よりも狭いピッチかつ高い回折効率を実現できると共に、位置合わせを容易にし製造工程を簡素化することが可能な光ヘッド装置を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る偏光回折素子の概念的な構成を示す断面図である。図１（ａ）に示す偏光回折素子１００は、ガラス、樹脂等からなる透明な２枚の基板１０１、１０２と、２枚の基板１０１、１０２間に挟持された液晶層１０３と、基板１０１、１０２と液晶層１０３との間の界面に設けられた配向膜１０４ａ、１０４ｂ、１０５ａとによって構成される。以下では、液晶層１０３は、複屈折を有する光学異方性媒質としての高分子液晶からなるものとする。
【００２６】
図１（ａ）に示す偏光回折素子１００を構成する液晶層１０３は、液晶分子１０６の配向状態が異なる２種類の領域１０３１、１０３２が周期的に繰り返される構成となっている。第１の領域１０３１では、配向膜１０４ａと配向膜１０５ａとのいずれもが液晶分子１０６をほぼ基板１０１、１０２にほぼ平行な同一方向に配向させるようになっており、液晶分子１０６は、均質に配向したホモジニアス配向状態になっている。
【００２７】
一方、第２の領域１０３２では、配向膜１０４ｂが液晶分子１０６を第１の基板１０１に対してほぼ垂直に配向させ、配向膜１０５ａが液晶分子１０６を第２の基板１０２にほぼ平行に配向させるようになっている。そのため、液晶分子１０６は、液晶層１０３の第１の基板１０１側の面である第１の面（以下、第１の界面という。）１０７付近で第１の基板１０１に対してほぼ垂直に配向し、液晶層１０３の第２の基板１０２側の面である第２の面（以下、第２の界面という。）１０８ａ付近で第２の基板１０２にほぼ平行に配向する、いわゆる、ハイブリッド配向状態になっている。上記のように、液晶層１０３の両界面１０７、１０８ａ付近では配向状態が異なり、第１の界面１０７付近では、第１の基板１０１にほぼ平行な配向状態と第１の基板１０１に対してほぼ垂直な配向状態とが周期的に繰り返される。
【００２８】
係る構成では、図１（ａ）に示す偏光回折素子の断面に平行な直線偏光の光が透過した場合、液晶層１０３の第１の領域１０３１と第２の領域１０３２とで液晶分子１０６の配向が異なることにより屈折率が異なるため、液晶層１０３を透過した光は領域１０３１、１０３２の周期性に基づく屈折率の周期的な変化により位相変調を受け、回折する。
【００２９】
つまり、第１の領域１０３１を透過する光の光路長は、高分子液晶の異常光屈折率ｎｅと高分子液晶からなる液晶層１０３の厚さｄとの積ｎｅ×ｄとなる。これに対して、第２の領域１０３２では、第１の界面１０７から第２の界面１０８ａまでの間で高分子液晶の配向状態が滑らかに変化し、第２の領域１０３２を透過する光の光路長は、（ｎｏ＋Δｎ・Ａ）ｄとなる。ここで、Δｎは、異常光屈折率ｎｅと常光屈折率ｎｏの差である。また、Ａは常光屈折率ｎｏおよび異常光屈折率ｎｅの関数であり、詳細な検討の結果、実用上、Ａ＝１／２＋０．０３７Δｎにより近似できることがわかった。
【００３０】
その結果、第１の領域１０３１と第２の１０３２とを透過する光の光路長の差（以下、単に光路長差という。）はΔｎ・（１−Ａ）・ｄとなり、液晶層１０３を透過した光は波面変調を受けて回折することになる。ここで、透過した光の偏光状態は変わらない。この場合、光路長差Δｎ・（１−Ａ）・ｄは、使用する波長λの１／２と整数ｉとの積に±２０％の範囲内で一致するようにすると回折効率が高くなり好ましい。
【００３１】
さらに好ましくは±１０％範囲内、さらに好ましくは±５％範囲内とし、さらにΔｎ・（１−Ａ）・ｄ＝ｉ・λ／２となるようにすることが同様の理由で好ましい。換言すれば、（Δｎ／２−０．０３７Δｎ２）・ｄ＝ｉ・λ／２に等しくすることが同様の理由で好ましい。
【００３２】
これに対して、図１（ａ）に示す偏光回折素子の断面に垂直な直線偏光の光が透過した場合、高分子液晶の屈折率が第１の領域１０３１でも第２の領域１０３２でも常光屈折率ｎｏとなり、液晶層１０３を透過する光は位相変調を受けないため、回折はほとんど生じない。この様に、液晶層１０３に入射する光の偏光方向によって回折効率が異なる偏光回折素子を実現することができる。
【００３３】
図１（ｂ）に、液晶層１０３中の液晶分子１０６の配向状態が異なる偏光回折素子の例を示す。この例では、偏光回折素子１１０は、第２の基板１０２と液晶層１０３との間の界面に設けられた配向膜１０５ｂが、液晶分子１０６を第２の基板１０２に対してほぼ垂直に配向させるようになっている。このような配向膜１０５ｂを有する偏光回折素子１１０は、偏光回折素子１００と同様に、液晶層１０３内に液晶分子１０６の配向状態が異なる２種類の領域１０３３、１０３４が周期的に繰り返される構成となっている。
【００３４】
第３の領域１０３３では、配向膜１０４ｂと配向膜１０５ｂとのいずれもが液晶分子１０６を第１の基板１０１に対してほぼ垂直に配向させるようになっており、液晶分子１０６は、均質に配向した垂直配向状態になっている。一方、第４の領域１０３４では、配向膜１０４ａが液晶分子１０６を第１の基板１０１にほぼ平行に配向させ、配向膜１０５ｂが液晶分子１０６を第２の基板１０２に対してほぼ垂直に配向させるようになっている。
【００３５】
そのため、液晶分子１０６は、第１の基板１０１との第１の界面１０７付近で第１の基板１０１にほぼ平行に配向し、第２の基板１０２との第２の界面１０８ｂ付近で第２の基板１０２に対してほぼ垂直に配向するハイブリッド配向状態になっている。上記のように、液晶層１０３の両界面１０７、１０８ｂ付近では配向状態が異なり、第１の界面１０７付近では、第１の基板１０１にほぼ平行な配向状態と第１の基板１０１に対してほぼ垂直な配向状態とが周期的に繰り返される。
【００３６】
係る構成では、図１（ｂ）に示す偏光回折素子の断面に対して垂直な直線偏光の光が透過した場合、液晶層１０３の第３の領域１０３３と第４の領域１０３４とで液晶分子１０６の配向が異なる影響を受けて屈折率が異なるため、液晶層１０３を透過した光は領域１０３３、１０３４の周期性に基づく屈折率の周期的な変化により位相変調を受け、回折する。
【００３７】
つまり、第３の領域１０３３を透過する光の光路長は、高分子液晶の異常光屈折率ｎｏと高分子液晶の厚さｄとの積ｎｏ×ｄとなる。これに対して、第４の領域１０３４では、第１の界面１０７から第２の界面１０８ｂまでの間で高分子液晶の配向状態が滑らかに変化し、第４の領域１０３４を透過する光の光路長は、（ｎｏ＋Δｎ・Ａ）ｄとなる。
【００３８】
その結果、第３の領域１０３３と第４の領域１０３４とを透過する光の光路長差はΔｎ・Ａ・ｄとなり、液晶層１０３を透過した光は波面変調を受けて回折することになる。ここで、透過した光の偏光状態は変わらない。この場合、光路長差Δｎ・Ａ・ｄは、使用する波長λの１／２と整数ｉとの積と±２０％の範囲内で一致するようにすると回折効率が高くなり好ましい。さらに好ましくは±１０％範囲内、さらに好ましくは±５％範囲内とし、さらにΔｎ・Ａ・ｄ＝ｉ・λ／２となるようにすることが同様の理由で好ましい。換言すれば、（Δｎ／２＋０．０３７Δｎ２）・ｄ＝ｉ・λ／２と等しくすることが同様の理由で好ましい。
【００３９】
これに対して、図１（ｂ）に示す偏光回折素子の断面に垂直な直線偏光の光が透過した場合、高分子液晶の屈折率が第３の領域１０３３でも第４の領域１０３４でも常光屈折率ｎｏとなり、液晶層１０３を透過する光は位相変調を受けないため回折はほとんど生じない。この様に、液晶層１０３に入射する光の偏光方向によって回折効率が異なる偏光回折素子を実現することができる。
【００４０】
以上のように、図１（ａ）に示す偏光回折素子１００または図１（ｂ）に示す偏光回折素子１１０のいずれもが、偏光方向に応じて入射する光を透過または回折させると共に、透過または回折後の光の偏光方向を入射したときの偏光方向に維持することができる。
【００４１】
上記で説明したように、液晶層１０３中の液晶分子１０６の配向方向の制御は、液晶層１０３の界面に配向膜を設けて行うことが好ましい。具体的には、第１の界面１０７付近の配向状態は、液晶分子１０６を水平配向させる配向膜１０４ａと垂直配向させる配向膜１０４ｂとを交互に周期的に繰り返して配置することによって、周期的に変化するように制御される。
【００４２】
また、図１（ａ）に示す第２の界面１０８ａ付近の配向状態は、液晶分子１０６を水平配向させる配向膜１０５ａを用いることによって制御され、図１（ｂ）に示す第２の界面１０８ｂ付近の配向状態は、液晶分子１０６を垂直配向させる配向膜１０５ｂを用いることによって制御される。このように単一の配向膜を用いることによって、第２の界面１０８ａ、１０８ｂ付近での配向状態を一様にするものである。
【００４３】
第１の基板１０１に上記の２種類の配向膜１０４ａ、１０４ｂを交互に周期的に作製し、第２の基板１０２に上記の１種類の配向特性を示す配向膜１０５ａまたは配向膜１０５ｂを一様に作製し、第１の基板１０１上の配向膜と第２の基板１０２上の配向膜とを対向させ、その間に液晶を入れ高分子化することによって、周期的に配向状態が変化する液晶層１０３を実現できる。このとき、第２の基板１０２に設けられた配向膜は均質なため、第１の基板１０１と第２の基板１０２のパターンを合わせる位置合わせの必要がなく、低コストで位置ずれによる歩留り低下や特性劣化もなく、偏光回折素子を実現できる。
【００４４】
ここで、上記の配向膜用の膜として、ポリイミド、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）等の有機の膜や、ＳｉＯ等の無機の膜等を用いることができる。液晶分子を所定の方向に配向させるように上記の各膜に配向特性を持たせる方法としては、上記の各膜をラビングする方法および紫外線等を照射して光配向させる方法がある。
【００４５】
ここで、光配向とは、基板上の膜に偏光等の光学的な異方性を有する光を照射して、基板上の膜内の分子の再配列や異方的な化学反応を誘起し、これによって、基板上の膜に異方性を与えて液晶分子を配向させるものである。光配向は、部分的に紫外線を照射することで配向パターンを形成することができるので好ましい。また、同様の理由で水平配向させるポリイミドを部分的に紫外線や熱を加えて垂直配向させる配向特性に変化させることも好ましい。
【００４６】
以上説明したように、本発明の第１の実施の形態に係る偏光回折素子は、液晶層の一方で配向方向が周期的に変化し、他の面で配向方向が一様にほぼ同一方向になるようにしたため、光の偏光方向に応じて光路長を変化させることができ、従来の偏光回折素子よりも狭いピッチかつ高い回折効率を実現できると共に、位置合わせを容易にし製造工程を簡素化できる。
【００４７】
また、配向方向が液晶層の面にほぼ垂直またはほぼ水平になるため、さらに、回折効率を向上できる。
【００４８】
また、配向膜を用いて液晶層を配向させるため、配向方向の制御が容易にできる。
【００４９】
（第２の実施の形態）
図２は、本発明の第２の実施の形態に係る偏光回折素子の概念的な構成を示す断面図である。図２において、偏光回折素子２００は、図１（ｂ）に示す偏光回折素子１１０と同様の配向状態を有し、偏光回折素子１１０を構成する第２の基板１０２と配向膜１０５ｂとを取り除いた構成を有する。一般に、液晶分子は空気や真空との界面で垂直配向するものが多いため、このような特性を有する液晶を用い、図２に示すように片面に配向膜を設けることによって、偏光回折素子１１０と同様の配向状態を有する偏光回折素子２００を実現できる。
【００５０】
本発明の第２の実施の形態に係る偏光回折素子は、本発明の第１の実施の形態の効果に加え、製作工程の工程数を削減して製作を容易にできると共に、部材も削減できることから好ましい。また、液晶に界面活性剤を添加するなどによって液晶の特性を変え、空気や真空との界面で液晶分子を水平配向させることができる。これによって、図１（ａ）に示す偏光回折素子１００と同様の配向状態を有する偏光回折素子を実現でき、好ましい。
【００５１】
（第３の実施の形態）
偏光回折格子と光の偏光状態を変える波長板（例えば、１/４波長板や１/２波長板など）とは、組み合わされて使用される場合が多い。本発明に係る偏光回折素子と上記の波長板とを一体化した偏光回折素子とすることで、部品点数を減らせるため好ましい。この波長板は、ポリカーボネート等のポリマーフィルム、高分子液晶等の有機材料、水晶、ＬｉＮｂＯ３等の単結晶等によって作成することができる。
【００５２】
図３は、本発明に係る偏光回折素子と波長板とを一体化した概略の構成例を概念的に示す断面図である。以下、偏光回折素子と波長板とを一体化して得られる素子を波長板付き偏光回折素子という。図３において、波長板付き偏光回折素子は、３枚の基板１０１、１０２、３０３と、基板１０１、１０２間に挟持され周期的に配向状態が変化する液晶層１０３と、基板１０２、３０３間に挟持され均質な配向状態の液晶層（以下、付加液晶層という。）３０４によって構成される。
【００５３】
付加液晶層３０４は、均質な配向状態（図３では、基板にほぼ平行な配向状態。）を有し、入射する光の偏光状態を変化させる波長板として機能する。他方の液晶層１０３は、上記で説明したように偏光回折格子として機能する。この構成例では、各基板１０１、１０２、３０３に応じた配向特性の配向膜を形成した後、１回の工程で液晶を挟持させ重合を起こさせて波長板付き偏光回折素子を作製できるので好ましい。
【００５４】
以上説明したように、本発明の第３の実施の形態に係る偏光回折素子は、本発明の第１の実施の形態の効果に加え、配向方向が一様に同一方向の付加液晶層を新たな光学素子として一体化できるため、部品点数を削減できる。
【００５５】
（第４の実施の形態）
次に、光学異方性媒質として低分子の液晶を用いた場合について説明する。低分子の液晶は、電圧を印加すること、または、印加した電圧を変化させることで配向状態が変化するため、回折効率が可変な可変偏光回折素子を実現することができる。図４（ａ）は、本発明の第４の実施の形態に係る可変偏光回折素子の概念的な構成の一例を示す断面図である。
【００５６】
図４（ａ）において、可変偏光回折素子４００は、基板４０１、４０２と、基板４０１、４０２上に形成された電極４０３、４０４と、電極４０３、４０４上に形成された配向膜４０５ａ、４０５ｂ、４０６と、配向膜４０５ａ、４０５ｂ、４０６間に挟持された低分子液晶層４０７とによって構成される。ここで、電極４０３、４０４としては、可変偏光回折素子４００を反射型回折素子として利用する場合、ＩＴＯ等の透明電極を用い、反射型回折素子として利用する場合、金属等の光を反射する電極を用いることができる。
【００５７】
また、配向膜４０５ａ、４０５ｂは、上記で、偏光回折素子１１０（図１（ｂ）参照。）を構成する配向膜１０４ａ、１０４ｂと同様の配向特性を有するように形成され、配向膜４０５ａ、４０５ｂと配向膜４０６との間に挟持された低分子液晶層４０７の液晶分子が、低分子液晶層４０７と配向膜４０５ａ、４０５ｂとの界面付近で、第１の基板４０１にほぼ平行な配向状態と、第１の基板１０１に対してほぼ垂直な配向状態とが周期的に繰り返されるようになっている（図４（ａ）参照。）。
【００５８】
なお、図４（ａ）では省略したが、挟持した液晶が漏れないようにシール材を設けたり、絶縁性を向上させるために電極４０３、４０４と配向膜４０５ａ、４０５ｂ、４０６との間に絶縁膜を設けたりするのでもよい。このように構成された可変偏光回折素子４００の電極４０３、４０４は、スイッチ４０９を介して電源４０８に接続され、所定の電圧が印加されたとき、以下のように動作する。
【００５９】
まず、電極４０３、４０４間に電圧を印加しない場合、液晶分子の配向状態が図４（ａ）に示すように周期的に変化するため、入射する光の偏光方向に応じて光を回折させることができる。次に、配向膜４０５ａ、４０５ｂ、４０６が液晶分子を配向させる力より強い力で液晶分子を配向させる電圧を電極４０３、４０４間に印加した場合、液晶分子の配向方向は図４（ｂ）に示すように一様になるため、入射する光を回折させることができなくなる。電極４０３、４０４間に印加する電圧を所定の電圧範囲で徐々に変化させることによって、回折効率を電圧に応じて変化させることもできる。
【００６０】
なお、上記では、電圧を印加しない状態で可変偏光回折素子４００における液晶分子が、図１（ｂ）に示す偏光回折素子１１０における液晶分子と同様に配向する例について説明したが、配向膜４０６に、図１（ａ）に示す偏光回折素子１００を構成する配向膜１０５ａと同様な配向特性を持たせることによって、電圧を印加しない状態で、図１（ａ）に示す偏光回折素子１００における液晶分子の配向状態の可変偏光回折素子を実現することができる。
【００６１】
この場合、電圧を印加したときに、液晶分子が基板にほぼ平行な方向になるような誘電率異方性が負の液晶を用いることによって、電圧印加時に光を回折しない素子を作成することができる。このように構成される上記の２つの可変偏光回折素子は、基板４０２の配向膜は均質なため、基板４０１と基板４０２のパターンを位置合わせする必要がないため、位置ずれによる歩留りの低下や特性の劣化等がない偏光回折素子を低コストで作成できる。
【００６２】
ここで、上記の配向膜４０５ａ、４０５ｂ、４０６用の膜として、ポリイミド、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）等の有機の膜や、ＳｉＯなどの無機の膜等を用いることができる。また、上記の液晶層１０３を用いた偏光回折素子と同様に、偏光回折素子と波長板とを一体化することも可能である。
【００６３】
以上説明したように、本発明の第４の実施の形態に係る偏光回折素子は、本発明の第１の実施の形態および本発明の第３の実施の形態の効果に加え、電極を介して液晶層間に電圧を印加し、配向方向を変化させることができるため、回折効率を電気的に変化させることができる。
【００６４】
なお、本発明の第４の実施の形態に係る偏光回折素子に、本発明の第３の実施の形態に係る偏光回折素子を構成する付加液晶層３０４と基板３０３とを基板４０２側に付加し、波長板等の光学素子と一体化するのでもよい。これによって、部品点数を削減できる。
【００６５】
（第５の実施の形態）
次に、本発明に係る偏光回折素子を光ヘッド装置に用いた例について説明する。図５は、本発明に係る偏光回折素子を用いた光ヘッド装置の一構成例を概念的に示した図である。図５において、光ヘッド装置は、所定の波長の光束を出射する光源５０１と、上記で説明したいずれかの偏光回折素子５０３と波長板５０４とが一体化した波長板付き偏光回折素子５０２と、入射光を平行光にするコリメーターレンズ５０５と、入射した光を光ディスク５０７に集光する対物レンズ５０６と、光ディスク５０７で反射して波長板付き偏光回折素子５０２に戻る光（以下、戻り光という。）を検出する光検出器５０８とによって構成される。ここで、光源５０１としては、例えば半導体レーザを用いることができる。
【００６６】
光源５０１が出射した光は、波長板付き偏光回折素子５０２を透過し、コリメーターレンズ５０５および対物レンズ５０６によって光ディスク５０７に集光される。光ディスク５０７からの戻り光は、対物レンズ５０６およびコリメーターレンズ５０５を順次透過し、波長板付き偏光回折素子５０２によって光検出器５０８に到達する。光検出器５０８に到達した戻り光に基づいて、光ディスク５０７に記録された情報を読みとることができる。
【００６７】
ここで、本発明に係る波長板付き偏光回折素子５０２は、光ディスク５０７からの戻り光を光検出器５０８に導くために用いられ、波長板付き偏光回折素子５０２が戻り光を光検出器５０８に向けて回折させるように構成されている。波長板付き偏光回折素子５０２としては、例えば、波長板５０４として１/４波長板を用い、この波長板５０４と上記の偏光回折素子５０３とを一体化したものを用いるのでもよい。
【００６８】
このとき、偏光回折格子５０３の透過率の高い（回折効率の低い）方向に直線偏光した光を光源５０１から出射すると、出射された光は偏光回折格子５０３をほとんど回折することなく直線的に透過し、１/４波長板である波長板５０４により円偏光に変換され、光ディスク５０７に到達する。光ディスク５０７からの戻り光は、１/４波長板である波長板５０４によって往路での入射光の偏光方向と直交した直線偏光となる。
【００６９】
上記のように、波長板５０４によって入射光の偏光方向に対して直交する方向に偏光方向が変わった戻り光は、偏光回折素子５０３による回折の回折効率が高い偏光方向となるため、効率よく光検出器５０８に光が到達する。これによって、光ディスク５０７に少ないロスで光を照射し、かつ、効率よく戻り光を光検出器５０８に導くことができ好ましい。
【００７０】
また、本発明の第４の実施の形態において説明した可変偏光回折素子を光ヘッド装置に用いることは、例えば、ＣＤ、ＤＶＤ、および、４００ｎｍ帯の波長の光源を用いる大容量光ディスクを、３ビームを出射する光源を用いて１つの光ヘッド装置で記録再生する場合に、ディスクの種類や光源の波長に応じて、３ビーム用に可変偏光回折素子の回折効率を変更することができ、望ましい。
【００７１】
また、複数種類の光ディスクを１つの光ディスク装置で記録再生する場合において、例えば、光源が１つで、可変偏光回折素子による回折の回折効率を切り替えて上記の各種類の光ディスク用の光束を生成するようにした構成では、可変偏光回折素子に印加する電圧のＯＮ／ＯＦＦや印加電圧の調整により発生させるビームを変えることができ、好ましい。また、３ビーム等の複数のビームを発生させる用途以外にも、これら複数種類の光ディスク用に１つの光源が複数の波長の光束を出射する構成では、色収差、ディスク厚さ等による収差の補正に回折効率が可変な可変偏光回折素子を用いることは非常に有効である。
【００７２】
以上説明したように、本発明の第５の実施の形態に係る光ヘッド装置は、本発明の第１の実施の形態から本発明の第４の実施の形態のいずれかの効果に加え、光ディスクに入射する光または光ディスクからの戻り光の光利用効率を向上できる。
【００７３】
なお、本発明の第５の実施の形態では、コリメーターレンズを用いた構成の光ヘッド装置について説明したが、コリメーターレンズは必ずしも本発明の光ヘッド装置に必要な構成要素ではなく、コリメーターレンズを省略しても上記と同様の効果を得ることができる。
【００７４】
本発明の偏光回折素子および光ディスク装置のさらなる特徴については、以下に示す実施例により具体的に説明する。
【実施例】
【００７５】
図１（ａ）は、本発明の第１の実施の形態に係る偏光回折素子の概念的な構成を示す断面図である。まず、ガラス、樹脂等からなる透明な２枚の基板１０１、１０２の対向する面に液晶を配向させる配向膜１０４ａ、１０４ｂ、１０５ａを形成する。第１の基板１０１には、基板１０１にほぼ平行な配向状態を得ることができる配向膜１０４ｂと、基板１０１にほぼ垂直な配向状態を得ることができる配向膜１０４ａとをストライプ状に交互に周期的に形成する。
【００７６】
このストライプ状の形状の周期的な繰り返しは、直線的な繰り返しに限らず、同心円の輪帯状の繰り返しでもよい。また、湾曲した曲線的な繰り返しでもよい。このストライプ状の形状により、回折光の方向や波面形状を変えることができる。これに対して、第２の基板１０２には、基板１０２にほぼ平行な配向が得られる配向膜１０５ａを形成する。以下、このような配向膜１０４ａ、１０４ｂ、１０５ａで得られる配向を平行配向という。
【００７７】
平行配向の場合、基板１０１、１０２面内の配向方向は、第１の基板１０１と第２の基板１０２間で等しいか、または、１８０度反転した方向とする。基板１０１、１０２面内の配向方向は、ラビング法や光配向法によって実現できる。この２枚の基板１０１、１０２を、配向膜１０４ａ、１０４ｂと配向膜１０５ａとが向き合うように、ギャップをあけて積層する。
【００７８】
このギャップは、０．５μｍ以上５０μｍの範囲内であることが好ましく、さらに好ましくは１μｍ以上２０μｍ以下が好ましい。また、この２枚の基板１０１、１０２を積層する際の位置合わせの精度は、従来のような高い精度で行う必要はなく、従来に比して非常にラフな位置合わせでも偏光回折素子としての機能を得ることができる。
【００７９】
次に、真空注入法等によって液晶をこのギャップの中に挟みこむ。液晶分子１０６は、第２の領域１０３２では、厚さ方向に垂直配向から水平配向に変化するハイブリッド配向となり、第１の領域１０３１では厚さ方向全体に水平配向となる。このように構成することによって、周期的に液晶の配向状態を変化させることができる。この液晶として、重合を可能とする、例えば、アクリル基を付加した液晶を用いることで、紫外線等を照射して重合させ高分子化させることが可能となり、周期的に配向状態の異なる液晶層１０３を形成することができる。
【００８０】
波長λが６５０ｎｍで回折効率が大きくなる偏光回折素子を作成する場合、上記の異常光屈折率ｎｅと常光屈折率ｎｏとの差Δｎが０．１の高分子液晶を用い、液晶層１０３の厚さｄを６．６μｍとし、概ね（Δｎ／２−０．０３７Δｎ２）・ｄ＝λ／２の関係を満たすようにすることが好ましい。
【００８１】
上記のように作製した偏光回折素子に、高分子液晶の配向方向と同じ方向（異常光方向）の直線偏光の光を入射することによって、約４０％の高い、±１次回折光の回折効率が得られる。一方、高分子液晶の配向方向に対して直交する偏光方向（常光屈折率方向）の光を入射すると、９５％以上の高い０次透過率を得ることができ、回折はほとんど生じない。この様に、偏光方向により回折効率の異なる偏光回折格子を実現できる。さらに、１／４波長板を高分子液晶を用いて作成することによって、図３に示すような、波長板付き偏光回折素子を作成することができる。
【００８２】
以下、波長板付き偏光回折素子を、光ヘッド装置に用いる例について説明する。図５は本実施例に係る偏光回折素子を用いた光ヘッド装置の一構成例を概念的に示した図である。光源５０１である半導体レーザが出射した光は、波長板付き偏光回折素子５０２を透過し、コリメーターレンズ５０５および対物レンズ５０６によって光ディスク５０７に集光される。光ディスク５０７からの戻り光は、対物レンズ５０６およびコリメーターレンズ５０５を順次透過し、波長板付き偏光回折素子５０２によって光検出器５０８に到達する。光検出器５０８に到達した戻り光に基づいて、光ディスク５０７の情報を読みとることができる。
【００８３】
ここで、光ディスク５０７からの戻り光を光検出器５０８に導くのに本発明の波長板付き偏光回折素子５０２を用い、戻り光を回折させて光検出器５０８に到達させるようになっている。本実施例に係る光ヘッド装置は、本発明の偏光回折格子５０３と１/４波長板である波長板５０４とを一体化した波長板付き偏光回折素子５０２を用いた一例である。
【００８４】
このとき、偏光回折格子５０３の透過率の高い（回折効率の低い）方向に直線偏光した光を光源５０１から出射すると、出射された光は偏光回折格子５０３をほとんど回折することなく直線的に透過し、１/４波長板である波長板５０４により円偏光に変換され、光ディスク５０７に到達する。光ディスク５０７からの戻り光は、１/４波長板である波長板５０４によって往路での入射光の偏光方向と直交した直線偏光となる。
【００８５】
上記のように波長板５０４によって直線偏光に偏光方向が変わった戻り光は、偏光回折素子５０３による回折の回折効率が高い偏光方向となるため、効率よく光検出器５０８に光が到達する。これによって、光ディスク５０７に少ないロスで光を照射し、かつ、効率よく戻り光を光検出器５０８に導くことができ好ましい。
【産業上の利用可能性】
【００８６】
本発明に係る回折素子および光ヘッド装置は、従来の偏光回折素子よりも狭いピッチかつ高い回折効率を実現できると共に、位置合わせを容易にし製造工程を簡素化できるという効果が有用な偏光回折素子および光ヘッド装置等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る偏光回折素子の概念的な構成を示す断面図。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係る偏光回折素子の概念的な構成を示す断面図。
【図３】本発明に係る偏光回折素子と波長板とを一体化した概略の構成例を概念的に示す断面図。
【図４】本発明の第４の実施の形態に係る可変偏光回折素子の概念的な構成の一例を示す断面図。
【図５】本発明に係る偏光回折素子を用いた光ヘッド装置の一構成例を概念的に示した図。
【符号の説明】
【００８８】
１００、１１０、２００、５０３  偏光回折素子
１０１、１０２、３０３、４０１、４０２  基板
１０３、４０７  液晶層
１０３１  液晶層の第１の領域
１０３２  液晶層の第２の領域
１０３３  液晶層の第３の領域
１０３４  液晶層の第４の領域
１０４ａ、１０４ｂ、１０５ａ、１０５ｂ、４０５ａ、４０５ｂ、４０６  配向膜
１０６  液晶分子
１０７  液晶層の第１の面（第１の界面）
１０８ａ、１０８ｂ  液晶層の第２の面（第２の界面）
３００、５０２  波長板付き偏光回折素子
３０４  付加液晶層
４００  可変偏光回折素子
４０３、４０４  電極
４０８  電源
４０９  スイッチ
５０１  光源
５０４  波長板
５０５  コリメーターレンズ
５０６  対物レンズ
５０７  光ディスク
５０８  光検出器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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