(57)【要約】【課題】短波長光においても大きな回折角度が得られ、大きな回折効率と優れた偏光選択性を有し、入射角度依存性が小さく発散光に対しても高効率の偏光分離素子を実現する。【解決手段】本発明は、相分離により光学的異方性領域４と光学的等方性領域５からなる周期構造が形成される偏光分離素子１において、組成物に含まれる非重合性液晶の相分離前の複屈折ΔｎＬＣと、相分離により生成される周期構造の屈折率変調量ΔｎＨとの関係から、偏光分離素子の屈折率変調量ΔｎＨを、０．１７７・ΔｎＬＣ≦｜ΔｎＨ｜≦０．５３・ΔｎＬＣかつ、０＜｜ΔｎＨ｜≦{２・(λ/ｄ)√(-cos２φ)}の関係に設定する。これにより周期的な相分離構造の形成が最適化され、高い回折効率と良好な偏光選択性を有する偏光分離素子が得られる。【選択図】図１
2006133603.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学的異方性または複屈折性を示す領域と光学的等方性を示す領域からなる周期的な構造（以下、周期構造と言う）を有し、前記周期構造として、非重合性液晶と、重合性モノマーあるいはプレポリマーと、光重合開始剤とからなる組成物を、一対の透明基板間に保持し、前記組成物を二光束干渉露光することにより、主にポリマーから成る層と、主に非重合性液晶から成る層との周期的な相分離構造を形成した構成のポリマー分散液晶型の偏光分離素子において、
前記非重合性液晶の複屈折をΔｎＬＣ、入射波長をλ、前記組成物の膜厚をｄ、素子内部の格子の傾きをφ（但し、φは格子周期構造に垂直なベクトルであり、周期構造配列面を基準（０°）として４５°＜φ＜１３５°の関係にあるものとする）としたとき、特定の偏光方向の入射光に対する前記光学的異方性を示す領域の屈折率と前記光学的等方性を示す領域の屈折率とにより生成される屈折率変調量ΔｎＨが、
(ａ/３)・ΔｎＬＣ≦｜ΔｎＨ｜≦ａ・ΔｎＬＣ
（但し、ａ＜１．０）
かつ、
０＜｜ΔｎＨ｜≦{２・(λ/ｄ)√(-cos２φ)}
の関係にあることを特徴とする偏光分離素子。
【請求項２】
請求項１記載の偏光分離素子において、
良好な偏光選択性が得られるときの前記係数ａの実験値は最大で０．５３であり、前記屈折率変調量ΔｎＨが、
０．１７７・ΔｎＬＣ≦｜ΔｎＨ｜≦０．５３・ΔｎＬＣ
の関係にあることを特徴とする偏光分離素子。
【請求項３】
請求項１または２記載の偏光分離素子において、
高い回折効率を得る条件として、前記屈折率変調量ΔｎＨが、
０．７・(λ/ｄ)√(-cos２φ)＜｜ΔｎＨ｜＜１．３・(λ/ｄ)√(-cos２φ)
の範囲にあることを特徴とする偏光分離素子。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一つに記載の偏光分離素子において、
前記組成物の膜厚ｄは、回折光の波長と前記周期的構造のポリマー部と液晶部の屈折率差に応じて数μｍ〜数十μｍの範囲で所定の厚みになるように設定されることを特徴とする偏光分離素子。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか一つに記載の偏光分離素子において、
前記周期構造のピッチは、０．２μｍ〜１０μｍの範囲で設定されることを特徴とする偏光分離素子。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか一つに記載の偏光分離素子において、
前記周期構造のポリマー層と液晶層の境界面の傾斜角は、該境界面が基板面に対して垂直な場合を０°として、０°〜±２０°の範囲で設定されることを特徴とする偏光分離素子。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか一つに記載の偏光分離素子を作製する偏光分離素子の製造方法であって、
非重合性液晶と、重合性モノマーあるいはプレポリマーと、光重合開始剤とからなる組成物を、スペーサー部材により基板間隔を制御された一対の透明基板間に注入する工程と、前記組成物を二光束干渉露光することにより、主にポリマーから成る層と、主に非重合性液晶から成る層との周期的な相分離構造を形成する工程とを有することを特徴とする偏光分離素子の製造方法。
【請求項８】
請求項７記載の偏光分離素子の製造方法において、
前記組成物中の非重合性液晶材料は、前記重合性モノマーあるいはプレポリマーの合計量：１００重量部に対して、１５重量部〜５００重量部の割合で使用することを特徴とする偏光分離素子の製造方法。
【請求項９】
請求項７または８記載の偏光分離素子の製造方法において、
前記重合性モノマーあるいはプレポリマーとしては、重合による硬化収縮が大きいものを用いることを特徴とする偏光分離素子の製造方法。
【請求項１０】
請求項７乃至９のいずれか一つに記載の偏光分離素子の製造方法において、
前記光重合開始剤の添加量は、前記重合性モノマーあるいはプレポリマーの全量に対して０．１重量％以上、１０重量％以下であることを特徴とする偏光分離素子の製造方法。
【請求項１１】
請求項７乃至１０のいずれか一つに記載の偏光分離素子の製造方法において、
前記組成物の膜厚は、前記一対の基板間に介在されるスペーサー部材の高さで制御し、該スペーサー部材の高さは、回折光の波長と前記周期的構造のポリマー部と液晶部の屈折率差に応じて前記組成物の膜厚が所定の厚みになるように設定することを特徴とする偏光分離素子の製造方法。
【請求項１２】
請求項７乃至１１のいずれか一つに記載の偏光分離素子の製造方法において、
前記二光束干渉露光及び相分離過程においては、前記組成物を保持する基板を４０℃〜１１０℃の範囲の温度に加熱保持しておくことを特徴とする偏光分離素子の製造方法。
【請求項１３】
請求項７乃至１２のいずれか一つに記載の偏光分離素子の製造方法において、
前記二光束干渉露光に用いる光源の波長は、短波長であることを特徴とする偏光分離素子の製造方法。
【請求項１４】
請求項７乃至１３のいずれか一つに記載の偏光分離素子の製造方法において、
前記二光束干渉露光時の露光量は、０．５Ｊ／ｃｍ２〜５０Ｊ／ｃｍ２の範囲で設定することを特徴とする偏光分離素子の製造方法。
【請求項１５】
光源からの光を記録媒体に集光し、該記録媒体からの反射光を光検出器で検出して情報の記録または再生、あるいは記録及び再生を行なう光ヘッド装置において、
前記記録媒体から前記光検出器に至る光路中に、前記記録媒体からの反射光を光検出器に向けて偏向する光学素子を備え、該光学素子が請求項１乃至６のいずれか一つに記載の偏光分離素子であることを特徴とする光ヘッド装置。
【請求項１６】
請求項１５記載の光ヘッド装置において、
前記光源と前記光検出器を一つのケース内に収納し、該ケースの光出・入射部に前記偏光分離素子を一体化したことを特徴とする光ヘッド装置。
【請求項１７】
記録媒体に対して光ヘッド装置を用いて情報の記録または再生、あるいは記録及び再生を行なう光ディスクドライブ装置において、
前記光ヘッド装置として、請求項１５または１６記載の光ヘッド装置を搭載したことを特徴とする光ディスクドライブ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入射光の偏光方向によって素子を透過または回折させる機能を有する偏光分離素子に関し、特に光ヘッド装置（光ピックアップ装置）等に用いる偏光選択性の偏光分離素子（偏光回折素子、偏光ホログラム素子等）及びその製造方法に関するものであり、さらには、その偏光分離素子を用いた光ヘッド装置及び、その光ヘッド装置を搭載した光ディスクドライブ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光ヘッド装置（光ピックアップ装置と言う場合もある）等に用いる偏光選択性の偏光分離素子（偏光回折素子、偏光ホログラム素子等）としては、以下のような従来技術がある。
（１）特許文献１（特許第３２９９３８４号公報（特開平７−２８７１１７号公報））には、光学異方性基板上に回折格子形状を形成し、この回折格子形状の溝部に屈折率を規定した材料を充填した偏光ビームスプリッターが開示されている。
（２）特許文献２（特許第５５０９０５号公報（特開平１０−９２００４号公報））には、等方性基板上に回折格子形状を形成し、この回折格子形状の溝部に光学異方性の材料を充填した光学異方性回折素子が開示されている。
（３）特許文献３（特開平１０−７４３３３号公報）には、光重合性液晶を、周期的な透明電極パターンを有する透光性基板で狭持した液晶セルを用い、透明電極パターンに電圧を印加することで液晶を周期的に垂直配向させて光重合させるとともに、非電圧印加部は水平配向の状態で光重合させることで、水平配向領域と垂直配向領域の周期構造を形成した光学異方性回折素子が開示されている。
（４）特許文献４（特開平１１−２７１５３６号公報）には、上述のような光重合性液晶を用い、水平配向させた状態で干渉露光等の方法で露光を行い、露光部の液晶を周期的に重合固化させた後に未露光部に外場を印加させ垂直配向させた状態で反応固化するホログラム素子が開示されている。
（５）特許文献５（特開２０００−２２１４６５号公報）には、液晶と高分子を含む光学媒体を液晶のＮ−Ｉ点に対応した特定の温度範囲に制御して二光束干渉露光を行うことで、液晶が微細な周期構造に対し一様な方向に配向する構造を有する回折光学素子が開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特許第３２９９３８４号公報（特開平７−２８７１１７号公報）
【特許文献２】特許第５５０９０５号公報（特開平１０−９２００４号公報）
【特許文献３】特開平１０−７４３３３号公報
【特許文献４】特開平１１−２７１５３６号公報
【特許文献５】特開２０００−２２１４６５号公報
【特許文献６】特開平９−５０６４２号公報
【非特許文献１】BellSyst. Tech. J.,48, 1969,P2909-2947
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、光ディスクドライブ装置等に搭載される光ヘッド装置（光ピックアップ装置）の小型化のために、光源であるレーザーダイオード（ＬＤ）と光検出器（フォトディテクター）を近接して配置し、偏光分離素子（例えば偏光選択性ホログラム素子）を用いて光源からの出射光は回折せずに効率良くディスク面に集光し、ディスク面で反射された後に偏光面が９０度回転して戻ってきた光のみを回折させて効率良く光検出器の受光素子内に導く方式が提案されている。また、光ディスクドライブ装置は高密度化のために光源の短波長化が進展している。上記のホログラム素子を用いた場合、回折角は波長に依存するため、小型のレイアウトを実現するために必要な回折角を得るためには、より短いピッチの回折格子が必要とされている。一方、光源の短波長化に伴い、光検出器の受光素子の感度が低下するため、光学系の高効率化が必要とされている。さらに、書き込みや読み込み速度を向上させるためにも光学系の効率向上が求められており、偏光選択性ホログラム素子としては短いピッチで高い回折効率が得られるものが求められている。
【０００５】
それに対して、特許文献１や特許文献２に記載の従来例は、ドライエッチング等の方法で回折格子形状を形成する必要がある。このような構造において、高い回折効率を得るためには溝形状の深さをより深くする必要があり、加工上の困難を伴う。また、深い溝形状に均一に材料を充填することが困難であるという問題もある。特許文献３に記載の従来例では、格子のピッチは透明電極のピッチで決まるが、電極の微細化の制約とともに、回折効率を高くするために厚膜化すると電極のピッチよりも膜厚が厚くなり、隣接電極の影響によって液晶層に所望の電界がかけられなくなるという問題がある。また、短いピッチでは、垂直配向領域の配向が隣接する水平配向領域に影響を及ぼし、所望の配向分布が得られないと言う問題がある。また、特許文献４に記載の従来例では露光のピッチを微細化することは可能であるが、反応活性種の熱拡散のために露光通りの短いピッチを形成することが困難であるという問題がある。さらに特許文献５に記載の従来例では、ポリマーと液晶の相分離を利用して短いピッチの周期構造を比較的容易に形成できるが、液晶相部分の複屈折性を十分に利用することは難しく、良好な偏光選択性、短波長における良好な透過性を得ることは難しい。また、ポリマーからなる等方性の屈折率と液晶からなる光学異方性の一方の屈折率とのマッチングをとることは困難であり、この微小な屈折率の差は偏光選択性の劣化に繋がる。
【０００６】
上記のような方法によって得られるバイナリー構造のホログラムでは±１次あるいはそれ以上の高次の回折現象を示すため、例え＋２次以上あるいは−２次以下の高次光を抑制したとしても、回折光の光利用効率は半分以下となってしまう。また、±１次光それぞれに対応させて受光素子を配置する方法も知られているが（例えば特許文献６（特開平９−５０６４２号公報））、この方法では構造が複雑となり、コスト増加を招く。理想的には＋１次または−１次光のみが高効率で得られるブレーズ化ホログラムのような性能を有する偏光分離素子が好ましいが、前述の特許文献１〜３に記載の従来技術では青色等の短波長でこのような特性を示すものは得られていない。特許文献４に記載の方法では干渉縞を斜めに形成することで回折角の小さい場合には＋１次または−１次光の片方の回折効率を高めた素子が得られるが、前述の反応活性種の拡散のため回折角が大きな素子は得られていない。特許文献５に記載の方法でも干渉縞を斜めに形成することで回折角の小さい場合には＋１次または−１次光の片方の回折効率を高めた素子が得られるが、液晶相部分の複屈折性を十分に発現させることが難しく、体積ホログラムの厚みを厚くする必要があり、回折効率の入射角度依存性が大きくなるという課題がある。
【０００７】
本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、青色等の短波長光においても大きな回折角度が得られ、大きな回折効率と優れた偏光選択性を有し、入射角度依存性が小さく発散光に対しても高効率の偏光分離素子（偏光選択性ホログラム素子）を提供することを目的とする。また、本発明は、その偏光分離素子の製造方法を提供することを目的とする。さらに本発明は、その偏光分離素子を用いた光ディスク用（または光磁気ディスク用）の小型な光ヘッド装置（光ピックアップ装置）を提供することを目的とする。さらに本発明は、その光ヘッド装置を搭載した光ディスクドライブ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明では以下のような技術的手段を採っている。
本発明の第１の手段は、光学的異方性または複屈折性を示す領域と光学的等方性を示す領域からなる周期的な構造（以下、周期構造と言う）を有し、前記周期構造として、非重合性液晶と、重合性モノマーあるいはプレポリマーと、光重合開始剤とからなる組成物を、一対の透明基板間に保持し、前記組成物を二光束干渉露光することにより、主にポリマーから成る層と、主に非重合性液晶から成る層との周期的な相分離構造を形成した構成のポリマー分散液晶型の偏光分離素子において、前記非重合性液晶の複屈折をΔｎＬＣ、入射波長をλ、前記組成物の膜厚をｄ、素子内部の格子の傾きをφ（但し、φは格子周期構造に垂直なベクトルであり、周期構造配列面を基準（０°）として４５°＜φ＜１３５°の関係にあるものとする）としたとき、特定の偏光方向の入射光に対する前記光学的異方性を示す領域の屈折率と前記光学的等方性を示す領域の屈折率とにより生成される屈折率変調量ΔｎＨが、
(ａ/３)・ΔｎＬＣ≦｜ΔｎＨ｜≦ａ・ΔｎＬＣ
（但し、ａ＜１．０）
かつ、
０＜｜ΔｎＨ｜≦{２・(λ/ｄ)√(-cos２φ)}
の関係にあることを特徴とする（請求項１）。
【０００９】
本発明の第２の手段は、第１の手段の偏光分離素子において、良好な偏光選択性が得られるときの前記係数ａの実験値は最大で０．５３であり、前記屈折率変調量ΔｎＨが、
０．１７７・ΔｎＬＣ≦｜ΔｎＨ｜≦０．５３・ΔｎＬＣ
の関係にあることを特徴とする（請求項２）。
【００１０】
本発明の第３の手段は、第１または第２の手段の偏光分離素子において、高い回折効率を得る条件として、前記屈折率変調量ΔｎＨが、
０．７・(λ/ｄ)√(-cos２φ)＜｜ΔｎＨ｜＜１．３・(λ/ｄ)√(-cos２φ)
の範囲にあることを特徴とする（請求項３）。
【００１１】
本発明の第４の手段は、第１乃至第３のいずれか一つの手段の偏光分離素子において、前記組成物の膜厚ｄは、回折光の波長と前記周期的構造のポリマー部と液晶部の屈折率差に応じて数μｍ〜数十μｍの範囲で所定の厚みになるように設定されることを特徴とする（請求項４）。
また、本発明の第５の手段は、第１乃至第４のいずれか一つの手段の偏光分離素子において、前記周期構造のピッチは、０．２μｍ〜１０μｍの範囲で設定されることを特徴とする（請求項５）。
さらに本発明の第６の手段は、第１乃至第５のいずれか一つの手段の偏光分離素子において、前記周期構造のポリマー層と液晶層の境界面の傾斜角は、該境界面が基板面に対して垂直な場合を０°として、０°〜±２０°の範囲で設定されることを特徴とする（請求項６）。
【００１２】
本発明の第７の手段は、第１乃至第６のいずれか一つの手段の偏光分離素子を作製する偏光分離素子の製造方法であって、非重合性液晶と、重合性モノマーあるいはプレポリマーと、光重合開始剤とからなる組成物を、スペーサー部材により基板間隔を制御された一対の透明基板間に注入する工程と、前記組成物を二光束干渉露光することにより、主にポリマーから成る層と、主に非重合性液晶から成る層との周期的な相分離構造を形成する工程とを有することを特徴とする（請求項７）。
【００１３】
本発明の第８の手段は、第７の手段の偏光分離素子の製造方法において、前記組成物中の非重合性液晶材料は、前記重合性モノマーあるいはプレポリマーの合計量：１００重量部に対して、１５重量部〜５００重量部の割合で使用することを特徴とする（請求項８）。
また、本発明の第９の手段は、第７または第８の手段の偏光分離素子の製造方法において、前記重合性モノマーあるいはプレポリマーとしては、重合による硬化収縮が大きいものを用いることを特徴とする（請求項９）。
さらに本発明の第１０の手段は、第７乃至第９のいずれか一つの手段の偏光分離素子の製造方法において、前記光重合開始剤の添加量は、前記重合性モノマーあるいはプレポリマーの全量に対して０．１重量％以上、１０重量％以下であることを特徴とする（請求項１０）。
【００１４】
本発明の第１１の手段は、第７乃至第１０のいずれか一つの手段の偏光分離素子の製造方法において、前記組成物の膜厚は、前記一対の基板間に介在されるスペーサー部材の高さで制御し、該スペーサー部材の高さは、回折光の波長と前記周期的構造のポリマー部と液晶部の屈折率差に応じて前記組成物の膜厚が所定の厚みになるように設定することを特徴とする（請求項１１）。
また、本発明の第１２の手段は、第７乃至第１１のいずれか一つの手段の偏光分離素子の製造方法において、前記二光束干渉露光及び相分離過程においては、前記組成物を保持する基板を４０℃〜１１０℃の範囲の温度に加熱保持しておくことを特徴とする（請求項１２）。
【００１５】
本発明の第１３の手段は、第７乃至第１２のいずれか一つの手段に記載の偏光分離素子の製造方法において、前記二光束干渉露光に用いる光源の波長は、短波長（例えば５１４ｎｍ以下）であることを特徴とする（請求項１３）。
また、本発明の第１４の手段は、第７乃至第１３のいずれか一つの手段の偏光分離素子の製造方法において、前記二光束干渉露光時の露光量は、０．５Ｊ／ｃｍ２〜５０Ｊ／ｃｍ２の範囲で設定することを特徴とする（請求項１４）。
【００１６】
本発明の第１５の手段は、光源からの光を記録媒体に集光し、該記録媒体からの反射光を光検出器で検出して情報の記録または再生、あるいは記録及び再生を行なう光ヘッド装置において、前記記録媒体から前記光検出器に至る光路中に、前記記録媒体からの反射光を光検出器に向けて偏向する光学素子を備え、該光学素子が第１乃至第６のいずれか一つの手段に記載の偏光分離素子であることを特徴とする（請求項１５）。
また、本発明の第１６の手段は、第１５の手段の光ヘッド装置において、前記光源と前記光検出器を一つのケース内に収納し、該ケースの光出・入射部に前記偏光分離素子を一体化したことを特徴とする（請求項１６）。
【００１７】
本発明の第１７の手段は、記録媒体に対して光ヘッド装置を用いて情報の記録または再生、あるいは記録及び再生を行なう光ディスクドライブ装置において、前記光ヘッド装置として、第１５または第１６の手段の光ヘッド装置を搭載したことを特徴とする（請求項１７）。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の第１〜第６の手段によれば、相分離により周期的な構造が形成される偏光分離素子において、組成物に含まれる非重合性液晶の相分離前の複屈折ΔｎＬＣと、相分離により生成される周期構造の屈折率変調量ΔｎＨとの関係から、偏光分離素子の屈折率変調量が前述の式の範囲に設定されることで、周期的な相分離構造の形成が最適化され、高い回折効率、良好な偏光選択性を有する偏光分離素子を得ることができる（なお、ここでの偏光選択性とは、Ｓ偏光の回折効率／Ｐ偏光の回折効率と定義する）。従って、本発明によれば、青色等の短波長光においても大きな回折角度が得られ、大きな回折効率と優れた偏光選択性を有し、入射角度依存性が小さく発散光に対しても高効率の偏光分離素子（偏光選択性ホログラム素子）を実現することができる。
また、本発明の第７〜第１４の手段の製造方法によれば、第１〜第６の手段の高い回折効率、良好な偏光選択性を有する偏光分離素子を作製することができる。
【００１９】
本発明の第１５の手段によれば、記録媒体からの反射光を光検出器に向けて偏向する光学素子として、第１〜第６のいずれか一つの手段による高回折効率で偏光選択性のよい偏光分離素子を用いるので、光源から出射した光の往路ではほとんど回折せずに効率よく記録媒体に集光し、記録媒体からの反射光の復路（偏光面は９０°回転）では大きな回折効率で情報を光検出器へと回折させることができる。そのため、小型で光利用効率の高い光ヘッド装置を実現することができる。
また、本発明の第１６の手段によれば、前記光源と前記光検出器を一つのケース内に収納し、該ケースの光出・入射部に前記偏光分離素子を一体化したことにより、組付けや調整が容易な光ヘッド装置を実現することができる。
【００２０】
本発明の第１７の手段によれば、第１５または第１６の手段の小型で光利用効率の高い光ヘッド装置を搭載しているので、光利用効率が高く、コンパクトな光ディスクドライブ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】
【００２１】
以下、本発明の構成・動作及び作用について図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明に係る偏光分離素子の断面構成の概略を示す図である。この偏光分離素子１は、光学的異方性（複屈折性）を示す領域４と光学的等方性を示す領域５からなる周期的な構造（周期構造）を有し、その周期構造は、非重合性液晶と、重合性モノマーあるいはプレポリマーと、光重合開始剤とからなる組成物を一対の透明基板２，３間に保持し、前記組成物を二光束干渉露光することにより、主にポリマーから成る層（光学的等方性領域）５と、主に非重合性液晶から成る層（光学的異方性（複屈折性）領域）４との周期的な相分離構造を形成したポリマー分散液晶型の偏光分離素子である。この偏光分離素子１の機能動作としては、例えば図２（ａ）に示すように、偏光分離素子１へ入射する偏光方向がＳ偏光（ここでは紙面垂直方向である格子稜線方向とする）であり、光学的等方性領域５の屈折率ｎと光学的異方性（複屈折性）領域４の一方の屈折率ｎoがｎ＝ｎoのとき、光はそのまま透過する。また、図２（ｂ）に示すように、入射する偏光方向がＰ偏光（ここでは紙面左右方向である格子アレイ方向とする）であり、光学的等方性領域５の屈折率ｎと光学的異方性（複屈折性）領域４のもう一方の屈折率ｎeがｎ≠ｎeのとき、光は回折する。このように入射光の偏光方向により、透過と回折の選択がなされる機能を有する。
【００２２】
ここで一般的に回折を利用した偏光分離素子（偏光回折素子）にはさまざまなタイプが存在し、例えば振幅変調型、位相変調型の素子がある。回折効率の点では位相変調型の方が優位であり、位相変調型には表面レリーフ型、屈折率変調型がある。また、偏光回折素子は厚いものと薄いものに区別され、一般に次式により定義される。
Ｑ＝（２πλｄ）／（ｎΛ２）
（但し、λ：波長、ｄ：厚さ、ｎ：記録材料の屈折率、Λ：周期構造のピッチ）
(1) 薄い→Ｑ≒０
(2) 厚い→Ｑ≫１
【００２３】
ここで、例えば周期が波長に比べて十分大きく、薄いと見なせる偏光回折素子の回折効率はフラウンホーファー回折理論およびスカラー回折理論が適応でき、周期が波長程度に小さくなってきた場合には、電磁界解析であるベクトル回折理論が適応できる。また、厚いと見なせる屈折率変調型素子（厚いホログラム）の回折効率はKogelnikの結合波理論（非特許文献１（BellSyst. Tech. J.,48, 1969,P2909-2947）参照）が適応できる。これは、ある波長の光が周期構造を形成する各領域に入射した場合、各領域で散乱された光はその波長と入射角度および各領域の周期構造ピッチに対応する特定方向に散乱成分が強め合うブラックの回折条件を満たしている。ここで、図１に示した構成の偏光分離素子１は、この屈折率変調型に相当する。一般的に回折効率はホログラムの屈折率変調量ΔｎＨと厚みｄに依存し、回折効率が最大（１００％）となる屈折率変調量ΔｎＨ_maxは次式で表せる。
ｆ(ｄ)＝ΔｎＨ_max＝(λ/ｄ)√(-cos２φ)
【００２４】
すなわち、特定な偏光方向における光学的異方性を示す領域４と光学的等方性を示す領域５の屈折率変調量ΔｎＨが一定である場合、偏光分離素子１の周期構造の厚みｄ（以後、膜厚と呼ぶ場合もある）を設定することで高い回折効率を設定することができる。ここで、φは図１に示したように格子周期構造に垂直なベクトルであり、周期構造配列面を基準（０°）として、４５°＜φ＜１３５°の関係にあるものとする。
【００２５】
また、図３に本発明に係る偏光分離素子の屈折率変調量ΔｎＨと周期構造の厚み（膜厚ｄ＝gap）の関係を示す。プロット○は前述したように最大回折効率（１００％）が得られる屈折率変調量ΔｎＨ_maxであり、このプロットから外れるにしたがって回折効率が低下する。例えば、膜厚ｄ（＝gap）が５μｍのとき、
０．７・ｆ(ｄ)＝０．７・ΔｎＨ_max
では回折効率が８０％となり、
１．９・ｆ(ｄ)＝１．９・ΔｎＨ_max
では回折効率が２％となる。言い換えると、膜厚ｄが５μｍの場合、屈折率変調量ΔｎＨが、
０．７・ｆ(ｄ)＜ΔｎＨ＜１．３・ｆ(ｄ)
の範囲では回折効率が８０％以上となることを意味している。このように、周期構造の厚みと屈折率変調量ΔｎHを設定することで、高い回折効率または所望の回折効率を得ることができる。
【００２６】
ここで、本発明の偏光分離素子の作製方法について詳細に説明する。図４に相分離を行う前の素子の断面構成の概略を示す。ここでは複屈折性を大きくするために光学的異方性を示す領域と光学的等方性を示す領域の少なくとも一方の領域において液晶を含むように、非重合性液晶分子６と重合性モノマー（あるいはプレポリマー）７と図示しない光重合開始剤とを均一に混合した組成物８を二枚の透明基板２，３間に挟む。組成物８の厚みは基板間隔を制御するための図示しないスペーサー部材によって制御できる。なお、この組成物８は感光性を有するため、素子作製工程において感度を有する波長域の光を遮断した環境下で取り扱うことが好ましい。
【００２７】
非重合性液晶６としては、屈折率異方性を有する液晶ならば一般的なものを使用できる。液晶材料を選択する時は、あるオーダーパラメーターの配向状態において、重合性モノマー（あるいはプレポリマー）７の硬化層の屈折率とほぼ等しい屈折率となる液晶材料を選択してもよく、また、液晶材料を選択してから、その液晶のあるオーダーパラメーターの配向状態での屈折率とほぼ等しい屈折率になるように重合性モノマー（あるいはプレポリマー）を選択してもよい。非重合性液晶６の組成としては、ネマチック、コレステリック、スメクチックのいずれのタイプでも良く、従来公知のビフェニル、ターフェニル、フェニルシクロヘキサン、ビフェニルシクロヘキサン、安息香酸フェニルエステル、シクロヘキサンカルボン酸フェニルエステル、フェニルピリミジン、フェニルジオキサン、トラン、１−フェニル−２−シクロヘキシルエタン、１−フェニル−２−ビフェニルエタン、１−シクロヘキシル−２−ビフェニルエタン、ビフェニルカルボン酸フェニルエステル、４−シクロヘキシル安息香酸フェニルエステルなどを骨格とし、アルキル基、アルコキシ基や誘電異方性を付与するための極性付与基としてのシアノ基、ハロゲン基などを置換基として有する液晶などを用いることができ、特に末端にクロル基を含むものが好ましい。非重合性液晶材料は、重合性モノマー（あるいはプレポリマー）の合計量：１００重量部に対して１５重量部〜５００重量部の割合で使用されることが好ましい。
【００２８】
重合性モノマー（またはそのプレポリマー）７としては、重合による硬化収縮が大きいものを用いることが好ましい。このような重合性モノマーとしては、エチレン性不飽和結合を有する光重合可能な化合物であって、１分子中に少なくともエチレン性不飽和二重結合を１個有する光重合、光架橋可能なモノマー、オリゴマー、プレポリマー及びそれらの混合物であり、モノマー及びその共重合体の例としては、不飽和カルボン酸及びその塩、不飽和カルボン酸と脂肪族多価アルコール化合物とのエステル、不飽和カルボン酸と脂肪族多価アミン化合物とのアミド等が挙げられるが、特に２官能以上の多官能性モノマーは硬化収縮が大きく、好適に使用できる。不飽和カルボン酸のモノマーとしてはアクリル酸、メタクリル酸、イタコン酸、クロトン酸、イソクロトン酸、マレイン酸、及びそれらのハロゲン置換不飽和カルボン酸、例えば塩素化不飽和カルボン酸、臭素化不飽和カルボン酸、弗素化不飽和カルボン酸等が挙げられる。不飽和カルボン酸の塩としては前述の酸のナトリウム塩及びカリウム塩等がある。また、ウレタンアクリレート類、ポリエステルアクリレート類、エポキシ樹脂と（メタ）アクリル酸等の多官能性のアクリレートやメタクリレートを挙げることができる。また、上記の他に熱重合禁止剤、可塑剤等が添加されても良い。
【００２９】
光重合開始剤としては、公知の材料を用いることができ、例えばビアセチル、アセトフェノン、ベンゾフェノン、ミヒラーケトン、ベンジル、ベンゾインアルキルエーテル、ベンジルジメチルケタール、１−ヒドロキシ−２−メチル−１−フェニルプロパン−１−オン、２−クロロチオキサントン、メチルベンゾイルフォーメート、１−（４−イソプロピルフェニル）−２−ヒドロキシ−２−メチルプロパン−１−オン、ジエトキシアセトフェノン、１−ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン、２，２−ジメトキシ−１，２−ジフェニルエタン−１−オン、α-アミノアルキルフェノン、ビスアシルフォスフィンオキサイド、メタロセンなどを例示することができる。光重合開始剤の添加量は照射する光の波長に対する各材料の吸光度によっても異なるが、重合性モノマーまたはプレポリマーの全量に対して０．１重量％以上１０重量％以下であることが好ましく、さらに０．５重量％以上３重量％以下であることがより好ましい。光重合開始剤の添加量が少なすぎる場合にはポリマーと液晶の相分離が起こり難くなり、必要な露光時間が長くなってしまう。逆に、光重合開始剤が多すぎる場合にはポリマーと液晶の相分離が不十分な状態で硬化してしまうため、ポリマー中に多くの液晶分子が取り込まれ、実効的な複屈折性が低下して偏光選択性が小さくなるという問題がある。
【００３０】
スペーサー部材としては、液晶表示装置に用いられるような球形スペーサー、ファイバースペーサー、フィルムなどを用いることができる。また、フォトリソグラフィーとエッチングあるいは成型技術などによって基板表面に突起形状を加工しても良い。スペーサー部材はホログラムの有効領域外に形成することが好ましい。スペーサー部材の高さは数μｍから数十μｍ範囲が好ましく、回折光の波長とポリマー部と液晶部の屈折率差に応じて所望の周期的構造層（ホログラム層）厚みとなるように適宜設定される。透明基板２，３としては、液晶表示装置に用いられるようなガラス、プラスチックなどを用いることができる。
【００３１】
次に相分離による周期的構造（ホログラム）の形成過程（光学異方性領域と光学等方性領域の周期構造形成）について図５を用いて説明する。ここでは図４に示したような一対の基板２，３間に注入された組成物８を二光束干渉露光することにより、主にポリマーから成る層と、主に非重合性液晶から成る層との周期的な相分離構造を形成する工程を説明する。図６に二光束干渉露光装置の基本的な構成を示す。この二光束干渉露光装置は、露光用レーザー装置（可干渉性を有する光源）５１と、対物レンズ５２とアパーチャ５３からなるスペイシャルフィルタと、コリメートレンズ５４と、ハーフミラー５５と、ミラー５６ａ，５６ｂで構成され、５７は図４に示すような一対の基板２，３間に注入された組成物８からなる記録材料、５８は記録材料を加熱するための温調ステージである。露光用レーザー装置５１にはクリプトンイオンレーザー（発振波長４０７ｎｍ）、ヘリウムカドミウムレーザー（発振波長４４２ｎｍ）、アルゴンレーザー（発振波長４８８ｎｍまたは５１４ｎｍ）等の短波長光源を利用するが、これに限らず可干渉性を有する光源であればよい。露光用レーザー装置５１には単一縦モード発振するレーザーを利用するとコヒーレンス長が長くなり、また、ノイズの少ない回折格子を作製できる。対物レンズ５２とアパーチャ５３からなるスペイシャルフィルタは必ずしも必要ではないが、ハーフミラー５５までの光学素子などでレーザービームにノイズが乗ることがあり、このビーム品質を良好にするためには有用である。ハーフミラー５５でレーザー光を二分してからミラー５６ａ，５６ｂで所定の角度でビームを重ね合わせ、干渉縞を発生させ、記録材料（被露光サンプル）５７をこの干渉縞の発生した位置に配置すると、干渉縞ピッチに対応した回折格子を作製できる。ここでは、スペイシャルフィルタ（対物レンズ５２とアパーチャ５３）とコリメートレンズ５４はハーフミラー５５の手前に配置しているが、ミラー５６ａ，５６ｂの各ミラーの後に配置してもよい。さらに、コリメートレンズ５４の後に収束レンズ（図示しない）を配置することで、収束光を用いた干渉露光が可能となる。収束光による干渉露光を用いた場合は、再生した時の収束位置が設定できる。
【００３２】
図５においては、図６に示すような構成の所望の波長のレーザー光源による二光束干渉露光装置を用いて、記録材料である組成物８中に露光を行うと、干渉縞の明部において重合性モノマー（あるいはプレポリマー）７の光重合反応が始まる。この時、硬化収縮が起こって密度差が生じ、隣接する重合性モノマー（あるいはプレポリマー）７が明部に移動し更に重合が進行する。それと同時に明部に存在していた非重合性液晶６が暗部に向かって追い出されることで相分離が起こる。この時、液晶分子が移動して行く際にモノマーやポリマー鎖との相互作用で液晶分子長軸を移動方向に配向させようとする力が働くと考えられる。すなわち、相分離過程において干渉縞の間隔方向に液晶分子を配向させようとする力が働くと考えられる。最終的には図５の下段の図のように干渉縞の明暗のピッチに対応してポリマー層７（光学的等方性領域５）と非重合性液晶層６（光学的異方性（複屈折性）領域４）の周期構造が形成され、液晶層部の配向ベクトルが干渉縞の間隔方向を向いた状態が得られると考えられる。なお、この干渉露光および相分離過程においては、試料を適当な温度に加熱保持しておくことが好ましい。温度によって相分離の速度が変化し、液晶分子の配向性に影響を及ぼすと考えられる。最適な加熱温度は使用する材料によって異なるが４０℃から１１０℃程度が好ましい。
【００３３】
相分離によるポリマー層７（光学的等方性領域５）と非重合性液晶層６（光学的異方性（複屈折性）領域４）の周期構造では、厳密にはポリマーと非重合性液晶が周期的に完全に分離することは困難であり、ここで言うポリマー層とはポリマー成分が多い領域であり液晶分子を含んでいても良い。また、非重合性液晶層とは非重合性液晶成分が多い領域でありポリマー成分を含んでいても良い。実際にはポリマー層と液晶層の界面は理想的な平面では無く凹凸状であると推測されるため、図５に示したように界面での液晶分子長軸方向のバラツキは大きく、液晶層のオーダーパラメーターは比較的小さい状態となる。したがって、液晶層部の複屈折は材料単体の複屈折性よりは比較的小さくなる。
【００３４】
ここで、ある作製条件の相分離過程により形成された周期構造の屈折率変調量ΔｎＨと液晶材料単体の複屈折ΔｎＬＣとの関係を図７に示す。理想的には液晶材料単体の複屈折と偏光分離素子の屈折率変調量は一致するはずであるが、前述したように周期構造におけるポリマーと液晶の完全分離の困難、液晶層オーダーパラメーターの低下のため、実際には図７のように理想的な配向より小さい傾き（＜１）をもつ範囲にてある関係が成り立つ。図７の傾き０．５３をもつプロット○は、前述した方法で作製した偏光分離素子の実施結果であり、偏光分離素子として非常に良好な特性が得られるものである。素子の特性としては、膜厚の最適化により８０％以上の高回折効率が得られており、また、偏光選択性も１％以下と非常に良好であった。なお、液晶材料は種類によって複屈折ΔｎＬＣが異なるので、種々の液晶材料のΔｎＬＣと屈折率変調量ΔｎＨの関係を実験で検証した。その結果を図９に示す。図９（ａ）のグラフは実験結果をプロットしたものであり、このグラフから図７の関係が成立していることが判る。また、図９（ｂ）は上記プロットの液晶材料の特性を表にしたものである。
【００３５】
偏光分離素子として良好な特性を得るためには、回折効率に関しては膜厚の最適化、偏光選択性に関しては形成される周期構造にて複屈折性を有する必要がある。周期構造における複屈折性の詳細な説明は非常に複雑であるため、ここでは液晶材料単体の複屈折について図８にて説明する。液晶材料の複屈折に関して、常光に対する屈折率をｎo、異常光に対する屈折率をｎeとすると、液晶の複屈折ΔｎＬＣは
ΔｎＬＣ＝｜ｎe−ｎo｜
で示される。液晶分子が規則的な配向を示さずランダムな場合には、複屈折性を示さず等方的であり、この場合の屈折率ｎＡＶＥは、
ｎＡＶＥ＝(２ｎo＋ｎe)／３
で示される。また、液晶分子が少しでも規則的に配向すると平均的な複屈折が発生することになる。
【００３６】
ここで、図１０を参照して前述した液晶材料の複屈折性を考慮した偏光分離素子の屈折率変調量ΔｎＨについて説明する。ここでは、図１０（Ａ）の（ａ），（ｂ），（ｃ）共に周期構造の等方性領域の屈折率をｎp（≒ｎo）とし、ｎpを基準とした場合について述べる。図１０（Ａ）の（ａ）は液晶分子が理想的に配向している場合であり、Ｐ偏光に対する屈折率変調量ΔｎＨＰとＳ偏光に対する屈折率変調量ΔｎＨＳは大きく異なり、ｎp≒ｎoでかつ複屈折性を有しているため、良好な偏光選択性が得られる。図１０（Ａ）の（ｂ）は液晶分子の配向がランダムな場合であり、Ｐ偏光およびＳ偏光に対する屈折率変調量ΔｎＨＰとΔｎＨＳは｜ｎＡＶＥ−ｎp｜で一致し、Ｐ偏光およびＳ偏光に対しても常に同様の回折効率となり、偏光選択性は得られない。図１０（Ａ）の（ｃ）は液晶分子の配向が若干の規則性を有する（オーダーパラメーターが低下している）場合であり、Ｐ偏光に対する屈折率変調量ΔｎＨＰとＳ偏光に対する屈折率変調量ΔｎＨＳは異なり、ｎp≒ｎo'でかつ複屈折性を有しているため、良好な偏光選択性が得られる。なお、図１０（Ｂ）は、上記のことを表にまとめたものである。
【００３７】
ここで、液晶材料が複屈折性を示すのは、ｎoを基準とした場合、
｜ｎＡＶＥ−ｎo｜＝｜ｎe−ｎo｜／３＝ΔｎＬＣ／３
より大きい関係を満たしていればよい。この関係を偏光分離素子の周期構造の屈折率変調量ΔｎＨに適応すると、
(ａ/３)・ΔｎＬＣ≦｜ΔｎＨ｜≦ａ・ΔｎＬＣ
（但し、ａ＜１．０）
の関係が得られるが、前述した液晶材料の複屈折ΔｎＬＣと周期構造の屈折率変調量ΔｎＨとの関係（図７のプロット○（または図９の実験結果参照））により、係数ａの実験値は最大で０．５３であり、周期的な構造により形成可能な最大の屈折率変調量ΔｎＨ'（＝０．５３・ΔｎＬＣ）の１／３より大きければよいことになる。すなわち、複屈折性（偏光選択性）を得るためのΔｎＨは、
ΔｎＨ' ／３＝０．５３・ΔｎＬＣ／３＝０．１７７・ΔｎＬＣ
より大きくなればよい。
したがって、液晶材料の複屈折ΔｎＬＣと周期構造の屈折率変調量ΔｎＨが、
０．１７７・ΔｎＬＣ≦｜ΔｎＨ｜≦０．５３・ΔｎＬＣ
の関係にあることで、良好な偏光選択性を有する偏光分離素子を得ることができる。なお、前述した屈折率変調量ΔｎＨは偏光分離素子の回折効率の入射角特性および温度特性とkogelnikの結合波理論とのフィッティングにより算出することができる。
【００３８】
ここで、前述したように回折効率に依存する膜厚ｄと屈折率変調量ΔｎＨの関係、偏光選択性に依存する液晶材料の複屈折ΔｎＬＣと屈折率変調量ΔｎＨの関係を図１１にまとめて示す。
まず、所望の回折効率を得ることが可能な条件は、屈折率変調量ΔｎＨが、
０＜｜ΔｎＨ｜≦２・(λ/ｄ)√(-cos２φ)
の範囲にあり、膜厚を最適化することで実現することができる。
特に８０％以上の高い回折効率を得る条件は、屈折率変調量ΔｎＨが、
０．７・(λ/ｄ)√(-cos２φ)＜｜ΔｎＨ｜＜１．３・(λ/ｄ)√(-cos２φ)
の範囲のときである。
【００３９】
また、良好な偏光選択性が得られる条件は、前述したように液晶材料の複屈折ΔｎＬＣと周期構造の屈折率変調量ΔｎＨが、
０．１７７・ΔｎＬＣ≦｜ΔｎＨ｜≦０．５３・ΔｎＬＣ
の関係にあるときである。
すなわち、図１１に示す塗りつぶしの範囲において、良好な偏光選択性と所望の回折効率を得る偏光分離素子が実現できる。
【００４０】
ここで、偏光分離素子の周期構造のピッチについて述べる。作製する周期構造のピッチは所望の回折角や波長によって異なるが、概ね０．２μｍから１０μｍの範囲である。例えば、波長４０５ｎｍの入射光に対して２０°の回折角を得るためには、１．１μｍ程度のピッチ、６５０ｎｍの入射光に対しては２．３μｍ程度のピッチが必要となる。ポリマー層と液晶層の境界面の傾斜角としては、境界面が基板面に対して垂直な場合を０°として、０°から±２０°程度が好ましい。二光束干渉露光時の露光量としては、光重合開始剤の添加濃度や露光時の温度によっても異なるが、０．５Ｊ／ｃｍ２から５０Ｊ／ｃｍ２が好ましく、１Ｊ／ｃｍ２から１５Ｊ／ｃｍ２がより好ましい。ここではより狭ピッチが実現可能である二光束干渉露光系による説明を記しているが、所望のピッチが実現できれば、ステッパー露光、マスク露光等において相分離過程を促がし、偏光分離素子を作製してもよい。
【００４１】
ここで、前述したような相分離により生成された偏光分離素子において、回折させたい場合の偏光方向は、ポリマーや液晶により生成された複屈折性を最大限活用するために、見かけ上の液晶の配向方向に対して平行であることが好ましい。そこで、液晶の配向ベクトルは光学的異方性領域４と光学的等方性領域５の周期構造のアレイ方向を向いていると考えられており、すなわち、回折させたい場合の入射光の偏光方向は光学的異方性領域４と光学的等方性領域５の境界に対して直交していることが好ましい。このように素子に入射する特定の偏光方向を周期構造の境界と直交するように設定することで、素子としての偏光分離機能を最大限活用することができる。ここで、図１、図５に示した偏光分離素子１の光学的異方性領域４と光学的等方性領域５の周期構造は基板面に対して略垂直の場合を例示しているが、これに限らず、図１２（ａ），（ｂ）のように光学的異方性領域４と光学的等方性領域５の周期構造の境界面は基板面に対して傾斜していてもよく、その傾斜角は、境界面が基板面に対して垂直な場合を０°として、０°〜±２０°の範囲で設定することができる。
【００４２】
傾斜領域の形成方法としては、階調マスク露光や電子ビーム（ＥＢ）描画によるフォトリソグラフィーとエッチング、または切削加工や成形技術、二光束干渉露光等により形成することができる。このように傾斜領域を形成した場合には、図１２（ｂ）に示すように、周期構造の傾斜方向に応じてプラス方向またはマイナス方向の片側のみにブラック回折による回折光が出射し、一方向に対して高効率化が図れる。また、回折させたい偏光方向に対する光学的異方性領域４と光学的等方性領域５との屈折率変調量と周期構造の厚みを最適化することで、プラスまたはマイナス一次回折光のみが高効率で出射し、二次以上の高次の回折光はほとんどゼロとなるように設定することができる。
【００４３】
以上の本発明に係る偏光分離素子について、例えば二光束干渉露光により作製した偏光分離素子は１μｍ程度の短いピッチが容易に形成できることから、小型化のために大きい回折角を必要とする光ヘッド装置（光ピックアップ装置）用の偏光分離素子に用いたときに特に効果的である。
【００４４】
図１３は本発明の偏光分離素子（偏光選択性ホログラム素子）を用いた光ヘッド装置（光ピックアップ装置）の基本的な構成例を示す図である。図１３において、符号１１は半導体レーザー（レーザーダイオード（ＬＤ））、１２は図１，２（または図１２）を参照して説明した構成の偏光分離素子（偏光選択性ホログラム素子）、１３は１／４波長板、１４はコリメーターレンズ、１５は対物レンズ、１６は記録媒体である光ディスク、１７は光検出器の受光素子（例えばフォトダイオード）である。
【００４５】
図１３において、半導体レーザー１１から出た読み出し光である直線偏光は、偏光分離素子１２、１／４波長板１３を透過し、コリメーターレンズ１４によって略平行光となって対物レンズ１５に導かれ、光ディスク１６の記録層に集光される。光ディスク１６で反射された光は入出射の共通光路におかれた１／４波長板１３によって偏光面が９０°回転される。偏光分離素子１２は半導体レーザー近傍の入出射の共通光路中におかれる。半導体レーザー１１からの出射偏光が偏光分離素子１２の光学的異方性を示す領域と光学的等方性を示す領域の屈折率差が０となるような方向であれば、光はほとんど損失なく透過して光ディスク１６の記録層に集光される。光ディスク１６からの戻り光は偏光面が９０°回転して偏光分離素子１２に入射するため、光学的異方性を示す領域と光学的等方性を示す領域には屈折率差が生じ、この屈折率差に対して最大回折効率が得られる膜厚を設定しておくことで、高回折効率化が図れる。この際、偏光分離素子１２の分離角が１５°以上であれば、偏光分離素子１２と半導体レーザー１１及びフォトダイオード１７を近接させることができ、光路長を短く構成することができる。ここで、分離角を２０°、波長を４０５ｎｍとしたとき、所望の回折格子（ホログラム）のピッチはおおよそ１ミクロン前後である。本発明の偏光分離素子１２は、前述のように格子間隔をきわめて短く構成することができるため、このような短い格子間隔であっても高い回折効率を得ることができる。
【００４６】
次に図１４は本発明の偏光分離素子（偏光選択性ホログラム素子）を用いた光ヘッド装置（光ピックアップ装置）の別の構成例を示す図である。
この光ヘッド装置は、光源（半導体レーザー）１１と光検出器（フォトダイオード）１７を一つのケース１８内に収納し、このケース８の光出・入射部に偏光分離素子１２を接合して一体化したものである。このように光源１１と光検出器１７及び偏光分離素子１２を一体化してユニットを構成することにより、光ヘッド装置の各素子の組み付けや調整が容易となる。
【００４７】
次に上記光ヘッド装置（光ピックアップ装置）を搭載した光ディスクドライブ装置の一例について説明する。
図１３に示した光ヘッド装置（光ピックアップ装置）は、偏光分離素子１２として本発明の偏光選択性の偏光分離素子（偏光選択性ホログラム素子）を用いるので、光利用効率が高く、高速な記録・再生に適した信頼性の高い信号が得られる。また、回折効率が高いと信号検出系の光集積回路（ＯＰＩＣ）のゲインを小さくでき、ＯＰＩＣの高速応答化に貢献できる。また、入射角度により回折効率が変わらなければオフセットの小さい信号が得られる。したがって光ディスクドライブ装置の記録・再生速度の高速化と安定したサーボ制御を達成することができる。
【００４８】
さらに、図１４に示した光ヘッド装置は、偏光分離素子１２として本発明の偏光選択性の偏光分離素子（偏光選択性ホログラム素子）を用い、半導体レーザー１１とフォトダイオード１７を収納したケース１８と一体化した構成であるので、光ヘッド装置の小型化、薄型化が可能であり、例えばノート型パーソナルコンピュータや、ディスプレイ一体型ドライブ装置等に搭載される光ディスクドライブ装置の光ヘッド装置（光ピックアップ装置）として好適に用いることができる。
【００４９】
次に光ディスクドライブ装置の一構成例を図１５に示す。図１５は光ディスクドライブ装置の概略構成の一例を示すブロック図である。この光ディスクドライブ装置２０は、記録媒体としての光ディスク１６を回転駆動するためのスピンドルモータ２２、光ヘッド装置（光ピックアップ装置）２３、レーザーコントロール回路２４、エンコーダ２５、モータドライバ２７、再生信号処理回路２８、サーボコントローラ３３、バッファＲＡＭ３４、バッファマネージャ３７、インターフェース３８、リード・オンリー・メモリ（ＲＯＭ）３９、中央演算処理装置（ＣＰＵ）４０、ランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）４１などを備えている。尚、図１５における矢印は、代表的な信号や情報の流れを示すものであり、各ブロックの接続関係の全てを表わすものではない。また、図１５の構成は一例であり、これに限定されるものではない。
【００５０】
記録媒体である光ディスク１６としては、ＣＤ（コンパクト・ディスク）系の光ディスク（ＣＤ，ＣＤ−Ｒ，ＣＤ−ＲＷ）や、ＤＶＤ（デジタル・バーサタイル・ディスク）系の光ディスク（ＤＶＤ，ＤＶＤ−Ｒ，ＤＶＤ＋Ｒ，ＤＶＤ−ＲＷ，ＤＶＤ＋ＲＷ，ＤＶＤ−ＲＡＭ等）、青色半導体レーザーを光源とした高密度光ディスク等があるが、光ヘッド装置（光ピックアップ装置）２３内に波長の異なる光源を複数備えた構成とし、光ディスク１６の種類に応じて光源を選択的に駆動するようにすれば、複数種類の光ディスクに対して記録や再生を行うことができる光ディスクドライブ装置を構成することができる。
【００５１】
図１５において、光ヘッド装置（光ピックアップ装置）２３は、光ディスク１６のスパイラル状または同心円状のトラックが形成された記録面にレーザー光を照射すると共に、記録面からの反射光を受光し、情報の記録または再生を行うための装置であり、例えば図１３または図１４に示したような構成となっている。
再生信号処理回路２８は、光ヘッド装置（光ピックアップ装置）２３の出力信号である電流信号を電圧信号に変換し、該電圧信号に基づいてウォブル信号、再生情報を含むＲＦ信号及びサーボ信号（フォーカス信号、トラッキング信号）などを検出する。そして、再生信号処理回路２８では、ウォブル信号からアドレス情報及び同期信号等を抽出する。ここで抽出されたアドレス情報はＣＰＵ４０に出力され、同期信号はエンコーダ２５に出力される。さらに、再生信号処理回路２８では、ＲＦ信号に対して誤り訂正処理等を行なった後、バッファマネージャ３７を介してバッファＲＡＭ３４に格納する。また、サーボ信号は再生信号処理回路２８からサーボコントローラ３３に出力される。サーボコントローラ３３では、サーボ信号に基づいて光ヘッド装置（光ピックアップ装置）２３を制御する制御信号を生成しモータドライバ２７に出力する。
【００５２】
前記バッファマネージャ３７では、バッファＲＡＭ３４へのデータの入出力を管理し、蓄積されたデータ量が所定の値になると、ＣＰＵ４０に通知する。前記モータドライバ２７では、サーボコントローラ３３からの制御信号及びＣＰＵ４０の指示に基づいて、光ヘッド装置（光ピックアップ装置）２３及びスピンドルモータ２２を制御する。前記エンコーダ２５では、ＣＰＵ４０の指示に基づいて、バッファＲＡＭ３４に蓄積されているデータをバッファマネージャ３７を介して取り出し、エラー訂正コードの付加などを行い、光ディスク１６への書き込みデータを作成するとともに、再生信号処理回路２８からの同期信号に同期して、書き込みデータをレーザーコントロール回路２４に出力する。前記レーザーコントロール回路２４では、エンコーダ２５からの書き込みデータに基づいて、光ヘッド装置（光ピックアップ装置）２３からのレーザー光出力を制御する。
【００５３】
前記インターフェース３８は、ホスト（例えばパーソナルコンピュータ）との双方向の通信インターフェースであり、ＡＴＡＰＩ（AT Attachment Packet Interface）及びＳＣＳＩ（Small Computer System Interface）等の標準インターフェースに準拠している。
前記ＲＯＭ３９には、ＣＰＵ４０にて解読可能なコードで記述された制御用のプログラム等が格納されている。ＣＰＵ４０は、ＲＯＭ３９に格納されている前記プログラムに従って上記各部の動作を制御するとともに、制御に必要なデータ等を一時的にＲＡＭ４１に保持する。
【００５４】
以上、光ディスクドライブ装置の一構成例を説明したが、本発明では光ヘッド装置（光ピックアップ装置）２３として、回折効率が高い偏光分離素子（偏光選択性ホログラム素子）１２を用いた光ヘッド装置（光ピックアップ装置）を搭載しているので、光利用効率が高く且つ偏光選択性が良いので、信頼性の高い信号が得られ、かつ記録・再生速度の高速化を達成することができる。また、青色半導体レーザーを光源とした高密度光ディスクドライブ装置を実現することができる。
さらに本発明では、光ヘッド装置（光ピックアップ装置）２３内に波長の異なる複数の光源を備えることにより、ＣＤ系やＤＶＤ系の光ディスク、青色半導体レーザーを光源とした高密度光ディスクなどの使用する波長の異なる複数規格の光ディスクを記録または再生することができる光ディスクドライブ装置を実現することができる。
【実施例】
【００５５】
次に本発明に係る偏光分離素子の構成及び作製方法のより具体的な実施例を説明する。
【００５６】
（実施例１）
まず、厚み０．７ｍｍのガラス基板の片面に青色光に対する反射防止膜を形成し、およそ３〜９μｍ径のビーズスペーサーを混入した接着剤により二枚のガラス基板を貼り合わせてセルを形成した。接着剤の塗布は反射防止膜形成面とは反対の面で、基板の縁の２箇所に塗布した。
次に以下の(1)〜(5)の材料の混合物からなる組成物を約６０℃に加熱しながら毛管法によりセル中（基板間）に注入し、厚み約３〜９μｍの組成物層をそれぞれ形成した。なお、この組成物は緑色より短波長の光に反応性を示すため、赤色光を用いた暗室下で取り扱った。また、セル中に注入後、この組成物は室温下において等方性を示した。
【００５７】
(1) ネマチック液晶（メルク社製ＴＬ２１６、ΔｎＬＣ＝０．２４５（λ:４４２ｎｍ）、Δε＞０）：３０重量部
(2) フェニルグリシジルエーテルアクリレートヘキサメチレンジイソシアネートウレタンプレポリマー（共栄社化学製ＡＨ６００）：７５重量部
(3) ジメチロールトリシクロデカンジアクリレート（共栄社化学製ＤＣＰ−Ａ）：１０重量部
(4) ２−ヒドロキシエチルメタクリレート（共栄社化学製ＨＯ）：５重量部
(5) ビスアシルフォスフィンオキサイド系光重合開始剤（チバガイギー製イルガキュア８１９）：０．１〜３重量部
【００５８】
次に波長４４２ｎｍ、出力８０ｍＷのＨｅ−Ｃｄレーザーを光源とした露光用レーザー装置５１を用い、図６に示すような二光束干渉露光装置を作成した。レーザー光をコリメートレンズ５４で拡大し、ハーフミラー５５で分割して１つの光束が約１０ｍＷ／ｃｍ２程度の平行光とし、ミラー５６ａ，５６ｂにより反射して、二光束の交差角度を２６度に設定した。この波長と交差角度では二光束の交差領域に約１μｍ周期の干渉縞が生成される。
セル基板（記録材料５７）を温調用の加熱装置５８に取り付け、約６０℃に加熱した状態で、約１分間の二光束干渉露光を行い、偏光分離素子を作製した。このとき、基板面の垂直方向に対して＋２６度と０度の方向から二光束が入射するように設定しており、素子内部に形成される格子の傾きは基板面に対しておよそ８１．７度となる。なお、基板面に対して垂直な方向を基準（０°）とした場合には、格子の境界面の傾斜角は８．３°である。
【００５９】
作製した素子の基板面に対して垂直方向から波長４４２ｎｍの直線偏光のレーザー光を照射して、入射光強度に対する＋１次回折光強度を測定した。入射光強度は５ｍＷ程度になるようにＮＤフィルターを用いて調整し、回転ステージを用いて素子の基板面に対して垂直方向から±２０°の範囲で回折効率の入射角特性を測定した。この入射角特性から素子の屈折率変調量ΔｎＨを求めた。また、入射光路中に直線偏光板と半波長板を配置し、半波長板の光軸を４５度回転させることで、素子に入射する偏光方向（Ｐ偏光、Ｓ偏光）を切り換え可能に構成し、＋１次回折効率の偏光選択性を測定した。このときのＰ偏光は干渉露光時の干渉縞と直交方向とし、Ｓ偏光は干渉縞の方向とした。以下に素子の諸特性について述べる。
【００６０】
図１６に本実施例の偏光分離素子の膜厚（gap）ｄによる回折効率の関係を示す。図１６から明らかなように膜厚ｄによって回折効率を選定することができ、Ｓ偏光の回折効率はほぼ０％であるので、良好な偏光選択性が得られていることが分かる。また、図１７に算出した屈折率変調量ΔｎＨと膜厚（gap）ｄの関係を示す。屈折率変調量ΔｎＨは膜厚ｄによらずほぼ同様の値を示しており、特性としては良好な偏光選択性が得られていることから、複屈折を有する最適な周期構造が形成されていると考えられる。図１８に液晶の複屈折ΔｎＬＣと算出した屈折率変調量ΔｎＨの関係を示す。実施例１の結果のプロットの傾きaは最大で０．５３であり、
０．１７７≦ａ≦０．５３
の範囲にあり、この傾き範囲においては良好な偏光選択性、所望回折効率の選択（高回折効率の選択）が可能な偏光分離素子が実現できた。０．１７７より小さい傾きについては以下の比較例１について説明する。
【００６１】
（比較例１）
組成物の膜厚を９μｍ、光重合開始剤をメタロセン系光重合開始剤（チバガイギー製イルガキュア７８４）：０．１〜３重量部、にした以外は実施例１と同様にして偏光分離素子を作製した。
この素子の諸特性を以下に示す。
・Ｐ偏光における＋１次光回折効率：約８０％
・Ｓ偏光における＋１次光回折効率：約１０％
・偏光選択性：１２．５％
・角度特性より算出した屈折率変調量ΔｎＨ：０．０４
【００６２】
上記のように高い回折効率が得られているが、偏光選択性が１０％以上と悪い。図１８に比較例１の屈折率変調量ΔｎＨをプロットしたところ、比較例１のプロットの傾きはおよそ０．１６３と、０．１７７より小さい値である。
従って、実施例１のように屈折率変調量ΔｎＨが、
０．１７７・ΔｎＬＣ≦ΔｎＨ≦０．５３・ΔｎＬＣ
の範囲にあることで良好な偏光選択性が得られることが分かる。
【００６３】
（実施例２）
実施例１と同様にして偏光分離素子を作製した。この素子を図１３のような構成の光ヘッド装置（光ピックアップ装置）に使用する場合、偏光分離素子１２の基板面を光源（半導体レーザー）１１から光ディスク１６面までの光軸に対して垂直に配置することができる。また、図１３の半導体レーザー１１とフォトダイオード１７間の距離が一定である場合、回折角度が２６度と非常大きいために、半導体レーザー１１とフォトダイオード１７の形成面と、偏光分離素子１２の間隔を短縮することができる。したがって光ヘッド装置（光ピックアップ装置）全体の薄型化が実現できる。
また、半導体レーザー１１とフォトダイオード１７の形成面と、偏光分離素子１２の間隔を短縮することができるので、例えば図１４に示すように半導体レーザー（ＬＤ）１１とフォトダイオード（ＰＤ）１７を収納したケース１８の光入・出射部に偏光分離素子（ＨＯ）１２を取り付けてユニット化することができ、このようなＬＤ・ＰＤ・ＨＯ一体化ユニットを用いることにより、光ヘッド装置の組み付け・調整が容易になる。さらに、この光ヘッド装置（光ピックアップ装置）を用いることにより、光利用効率が高く、薄型でコンパクトな光ディスクドライブ装置を実現できる。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
以上説明したように、本発明によれば、青色等の短波長光においても大きな回折角度が得られ、高回折効率と優れた偏光選択性を有し、入射角度依存性が小さく発散光に対しても高効率な偏光分離素子（偏光選択性ホログラム素子）を実現することができる。そして、この偏光分離素子を用いることにより、高密度光ディスク対応の小型な光ヘッド装置（光ピックアップ装置）を容易に実現することができ、さらには、その光ヘッド装置を搭載した、小型でコンパクトな光ディスクドライブ装置を実現することができる。そして、このような小型でコンパクトな光ディスクドライブ装置は、デスクトップ型やノート型のパーソナルコンピュータに搭載する光ディスクドライブ装置として好適に利用できる他、ポータブルなディスプレー一体型光ディスクドライブ装置等にも好適に利用することができる。
【００６５】
さらに本発明の偏光分離素子は、光ディスク用の他、光磁気ディスクなどの記録、再生に用いる光ヘッド装置を小型化するための偏光選択性ホログラム素子として利用することができる。
また、本発明の偏光分離素子は、投射型表示装置などに用いる照明光学系において、照明光の光利用効率を向上させるための偏光分離素子としても利用することができる。
さらにまた、本発明の偏光分離素子は、偏光面に応じて光路を切り換える光スイッチなどにも応用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明に係る偏光分離素子の断面構成の概略を示す図である。
【図２】図１に示す構成の偏光分離素子の動作の説明図である。
【図３】本発明に係る偏光分離素子の屈折率変調量と周期構造の厚み（膜厚）の関係を示す図である。
【図４】相分離を行う前の素子（セル）の断面構成の概略を示す図である。
【図５】相分離による周期的構造の形成過程を示す図である。
【図６】二光束干渉露光装置の基本的な構成を示す図である。
【図７】ある作製条件の相分離過程により形成された周期構造の屈折率変調量と液晶材料単体の複屈折との関係を示す図である。
【図８】液晶材料単体の複屈折の説明図である。
【図９】種々の液晶材料の複屈折と屈折率変調量の関係を実験で検証した結果をグラフと表で示した図である。
【図１０】偏光分離素子の液晶分子の配向と複屈折性及び屈折率変調量の関係を説明するための図及び表である。
【図１１】偏光分離素子の膜厚と屈折率変調量の関係、液晶材料の複屈折と屈折率変調量の関係を、まとめて示す図である。
【図１２】周期構造の境界面が基板面に対して傾斜している構成の偏光分離素子の動作の説明図である。
【図１３】本発明の偏光分離素子を用いた光ヘッド装置の基本的な構成例を示す図である。
【図１４】本発明の偏光分離素子を用いた光ヘッド装置の別の構成例を示す図である。
【図１５】本発明の光ヘッド装置を搭載した光ディスクドライブ装置の概略構成の一例を示すブロック図である
【図１６】実施例１の偏光分離素子の膜厚による回折効率の関係を示す図である。
【図１７】実施例１の偏光分離素子の算出した屈折率変調量と膜厚の関係を示す図である。
【図１８】液晶の複屈折と算出した屈折率変調量の関係を示す図である。
【符号の説明】
【００６７】
１：偏光分離素子
２，３：透明基板
４：光学的異方性（複屈折性）領域
５：光学的等方性領域
６：非重合性液晶
７：重合性モノマー（あるいはプレポリマー）
８：組成物
１１：半導体レーザー
１２：偏光分離素子（偏光選択性ホログラム素子）
１３：１／４波長板
１４：コリメーターレンズ
１５：対物レンズ
１６：光ディスク（記録媒体）
１７：フォトダイオード（受光素子）
１８：ケース
２３：光ヘッド装置（光ピックアップ装置）
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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