【手続補正書】
【提出日】平成15年10月1日(2003.10.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の名称】液晶回折素子の製造方法及びこの素子を用いた光ヘッド装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】光重合性の液晶を用いた液晶回折素子の製造方法において、液晶を挟持して対向する透明基板の少なくとも一方の基板の液晶に接する面に配向膜を設け、両基板の片面の全面に透明電極を設け、さらに平面的に周期的な遮光パターンを有するフォトマスクを基板面上に配置して、両基板の透明電極間に電圧を印加しつつ又は電圧を印加せずに、フォトマスクを介して液晶に平行光の照射を行い平面的に周期的な光の当たった部分の液晶のみを硬化させ、次いで透明電極間の電圧の印加状態を変えさらに液晶に光の照射を行うことによって、硬化していない残りの部分の液晶を硬化させて、硬化した液晶の配向方向が平面的に周期的に変化した回折格子を形成することを特徴とする液晶回折素子の製造方法。
【請求項２】光照射によって透明化する光重合開始剤を添加した液晶を使用する請求項１記載の液晶回折素子の製造方法。
【請求項３】光重合開始剤と光重合禁止剤とを液晶に添加し、光重合禁止剤を含まない液晶と比べ、弱い光の照射に対して硬化の速さが小さくなるようにした液晶を使用する請求項１記載の液晶回折素子の製造方法。
【請求項４】請求項１、２又は３記載の製造方法で作成した液晶回折素子を用いた光ヘッド装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＣＤ、ＣＤ−ＲＯＭ等の光ディスク、光磁気ディスク等の光記録媒体に、情報の読み取り及び記録をするための光ヘッド装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光ヘッド装置に用いられる回折素子として、等方性格子が使用されている。この等方性格子は、ガラス、プラスチック上に矩形格子（レリーフ型）をドライエッチング又は射出成形等によって形成し、この格子によって光を回折し、ビームスプリッタとしての機能を持たせている。
しかし、この等方性格子を光ヘッド装置に使用した場合、光の利用効率が低かった。具体的には往路がせいぜい５０％、復路がせいぜい２０％で、往復で１０％程度が限界であった。
【０００３】
この効率を改善するために、異方性格子を形成した液晶回折素子が用いられる。この液晶回折素子として、対向する基板の１つの内面に格子状の凹凸を設けておき両基板の間に液晶を封入したものや、格子状で平面的に周期的な透明電極を基板に設けこの透明電極に電圧を印加することにより、透明電極のある部分と透明電極のない部分で液晶の配向方向を変えて回折格子を形成するものが知られている。
【０００４】
また本発明者等は、液晶性を示す構造と光重合しうる構造を併有する、光重合性の液晶を用いた液晶回折素子の製造方法として、液晶回折素子を構成している対向する透明な基板間に未重合で液体状の液晶を挟持し、両基板に設けた平面的に周期的な透明電極に電圧を印加しながら、液晶に紫外線等の光照射をすることを提案している（特願平８−１００３２９）。
【０００５】
この提案の液晶回折素子の製造方法を図３に示す。すなわち、対向する基板３１Ａ、３１Ｂが液晶３３に接する面にポリイミド等によって水平配向用の配向膜３４Ａ、３４Ｂを形成し、また対向する基板に設けた平面的に周期的な透明電極３２Ａ、３２Ｂの設置位置は、それぞれの透明電極３２Ａと３２Ｂが向き合う位置である。電圧発生器３５による透明電極３２Ａと３２Ｂへの電圧印加によって液晶３３は基板３１Ａ及び３１Ｂの面に垂直に配向し、平面的に周期的な透明電極の設置されていない領域では、液晶３３は基板の面に平行に揃うので、液晶３３の全体を紫外線の照射光３７によって光重合し、平面的に周期的に配向方向が変化する硬化した液晶の配向状態を作り出し、液晶回折素子を作成していた。
【０００６】
他方、従来の光ヘッド装置は、光源、光源からの発散光を平行化するコリメートレンズ、このレンズにより平行化されたコリメート光を微小スポットに形成する集光手段、微小スポット光の状態で光ディスクからの信号を含んだ反射光が集光部を逆戻りした後、その進行方向を変更する光束分離手段、この光束分離手段によって偏向・分離・集光された後、分離させた光を信号光として受け取る受光素子等の構成要素からなる。通常は、光源と光束分離手段と受光素子は、最も近い位置に設置されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
基板内面に凹凸を形成する異方性格子はこの凹凸の形成工程や液晶注入工程が必要であり生産性が低い問題があった。
平面的に周期的な透明電極を形成する液晶回折素子は電圧発生器を付加するため体積が大きくなり、また構成が複雑となり、さらに透明電極の電圧印加の液晶領域のみならず透明電極の周辺部に電界の漏れが発生し回折格子の境界がボケる問題もあった。
【０００８】
また、前記提案の方法の場合も、平面的に周期的な透明電極を使用しているため、透明電極の周辺部の液晶への電界漏れ等の原因によって、作成された液晶回折素子が有する格子ピッチの微細さが不十分であった。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前述の問題点を解決すべくなされたものであり、光重合性の液晶を用いた液晶回折素子の製造方法において、液晶を挟持して対向する透明基板の少なくとも一方の基板の液晶に接する面に配向膜を設け、両基板の片面の全面に透明電極を設け、さらに平面的に周期的な遮光パターンを有するフォトマスクを基板面上に配置して、両基板の透明電極間に電圧を印加しつつ又は電圧を印加せずに、フォトマスクを介して液晶に平行光の照射を行い平面的に周期的な光の当たった部分の液晶のみを硬化させ、次いで透明電極間の電圧の印加状態を変えさらに液晶に光の照射を行うことによって、硬化していない残りの部分の液晶を硬化させて、硬化した液晶の配向方向が平面的に周期的に変化した回折格子を形成することを特徴とする液晶回折素子の製造方法を提供する。
【００１０】
さらに、光照射によって透明化する光重合開始剤を添加した液晶を使用する上記の液晶回折素子の製造方法を提供する。
さらに、光重合開始剤と光重合禁止剤とを液晶に添加し、光重合禁止剤を含まない液晶と比べ、弱い光の照射に対して硬化の速さが小さくなるようにした液晶を使用する上記の液晶回折素子の製造方法を提供する。
さらに、上記のいずれかの製造方法で作成した液晶回折素子を用いた光ヘッド装置を提供する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下の記載において、「平面的に周期的」を単に「周期的」と表現する。また、「平行」又は「垂直」は、特記ないかぎり「基板面に平行」又は「基板面に垂直」を意味する。
【００１２】
本発明では、対向する基板に形成する透明電極は、基板の片面のみに設けるベタのものとする。また、液晶回折素子の製造方法は２つに大別され、それぞれの方法において、前記電極間に電圧を印加しながら光の照射によって行う、液晶の周期的な配向形成の過程を２つの工程に分ける。
【００１３】
第１の製造方法として、第１の工程では、電極間に電圧を印加せず、液晶全体を平行に配向させながら、周期的な遮光パターンを有するフォトマスクを介して光が当たった液晶の部分をまず水平方向に硬化し、次の第２の工程では、この硬化した部分を含む液晶全体に垂直な電圧を印加しつつ硬化していない液晶の部分を垂直に配向させながら、硬化した部分を含む液晶全体に光の照射を行ってさらに硬化させる。
【００１４】
第２の製造方法として、第１の工程では、基板面に垂直な電圧を印加しつつ液晶全体を垂直に配向させながら、周期的な遮光パターンを有するフォトマスクを介して光が当たった液晶の部分をまず垂直方向に硬化し、次の第２の工程では、電極間に電圧を印加せず硬化していない液晶の部分を水平に配向させながら、硬化した部分を含む液晶全体に光の照射を行ってさらに硬化させる。
【００１５】
上記のいずれの製造方法でも同じ効果を有し、これらはともに硬化した液晶の配向方向が周期的に変化する液晶回折素子が得られる。
ここで使用するフォトマスクとしては、周期的な一方向の格子状の遮光パターンを有するものを使用すればよく、液晶を硬化させるための照射光としては紫外線や可視光線等を使用すればよい。
【００１６】
配向膜は水平方向に配向処理することが好ましい。基板に対する水平方向の配向処理法としては、ラビング法やシリカ等の斜方蒸着法等を使用すればよい。
基板に対する水平方向のラビングによる配向処理は、フォトマスク面内で格子方向に垂直に行ってもよく平行に行ってもよいが、透過率の高さを考慮すると、格子方向に垂直に行う方が好ましい。いずれの場合も、液晶の配向方向の周期構造を作成すると、ラビング方向に平行な偏光を入射すると回折格子として機能し、垂直な偏光を入射すると回折格子としては機能せず単なる透明板となる。
【００１７】
また、基板の表面での入射光による多重反射を低減するために基板の外側面に反射防止膜を形成することが好ましく、さらには液晶に面する基板の内側面にも形成すると、より好ましい。
【００１８】
また、電圧印加用の透明電極は基板の片側全面に設けたベタの電極であるので、切れ目が存在しないため電極間の液晶の領域への電界の漏れの問題はない。したがって、漏れ電界によって水平方向に配向した液晶が垂直方向に引きずられることはない。また、電極は透明な導電性膜であり、金属薄膜やＩＴＯ膜等を使用すればよい。
ここで、液晶回折素子を構成する基板はガラス、プラスチック等の透明基板が使用できる。
【００１９】
フォトマスクの周期的な遮光パターンは遮光部と開口部とを合わせて一つの単位をなし、この単位の長さすなわち遮光パターンのピッチはどこでも同じである。また、開口部幅と前記パターンのピッチの比率が２０％以上４０％以下である遮光パターンを使用することによって、遮光パターンの開口部である透明部を通過した光線束同士の重なりを回避でき、また不要である高次の回折光の強度を低減できて好ましい。
また、フォトマスクと基板とが離れておりかつこれらの間にフォトマスクの開口部を通過した光線束をさらに平行化するための光学系を配置する方が好ましい。ここで、フォトマスクの遮光パターンのピッチは５〜５０μｍの範囲で適宜選択して使用すればよい。
【００２０】
使用する液晶としては、アクリル酸又はメタクリル酸等のエステル類から選ぶのが好ましい。エステルを形成するアルコール残基にフェニル基が１個以上、特に２個又は３個含まれていることが好ましい。さらにエステルを形成するアルコール残基にシクロヘキシル基が１個含まれていてもよい。液晶として存在できる温度を広げるために、２成分以上混合して用いうる。
【００２１】
また、第１の工程の光の照射をするときに、光の照射によって透明化する光重合開始剤を使用することによって、硬化する液晶の領域を限定できる。すなわち、この光重合開始剤の使用によって、フォトマスクを介して基板面から光が入射したとき、最初に光が入射した液晶の領域から徐々に透明化が進み、光の拡散を防止しながら透明化した領域に光が導かれ、液晶の領域を限定しながら光の照射をすることができる。
【００２２】
光の照射によって透明化する効果があると考えられる光重合開始剤としては、ベンゾインイソプロピルエーテル、カンファキノン、２−メチル−１−［４−（メチルチオ）フェニル] −２−モルホリノプロパン−１−オン、ｏ−クロルヘキサアミノビイミダゾル等がある。この光重合開始剤は液晶中に０．１〜３ｗｔ％添加することが好ましい。
【００２３】
さらに、光重合開始剤とともに、弱い光で液晶の硬化の速さを低減するように光重合禁止剤を液晶に混入することにより、第１の工程の液晶の硬化過程において、フォトマスクを介した光の照射時に光の当たった液晶の部分と当たらなかった部分の境界領域における弱い漏れ光に対しては、光重合を禁止することによって光重合開始剤の機能を低下させ、液晶の特定部分での硬化を起こさせることができる。すなわち、強い光の照射部分では、光重合開始剤が作用して光重合が進行し、光の弱い部分では光重合禁止剤が作用して光重合が妨げられる。光重合禁止剤としては、２，４，６−トリ−ｔｅｒｔ−ブチルフェノール、ヒドロキノン等を使用できる。この光重合禁止剤は液晶中に０．５〜３ｗｔ％添加することが好ましい。
【００２４】
本発明の光照射を行う場合、照射光を縮める縮小光学系を利用してフォトマスクを介して行うこともできるが焦点深度が浅くなるため、照射光を縮めない平行光を使用してフォトマスクを介する方が好ましい。また、フォトマスクを使用せず２つのレーザ光の干渉によって生ずる干渉縞のピッチを自由に変えた明暗の格子状パターンを利用する方法も適応できるが、これは生産性に問題があってフォトマスクを使用する方が好ましい。
【００２５】
光ヘッド装置の光束分離素子として、本発明による液晶回折素子を使用することにより、光の利用効率の高い光ヘッド装置を得ることができる。この液晶回折素子の設置場所は、光ディスクからの戻り光を偏向させて、検出器に入射可能な場所であればどこでもよい。
【００２６】
また、本発明による液晶回折素子を、光源である半導体レーザや検出器であるフォトダイオードを少なくとも有するホログラムレーザユニットに組み込むことができる。これによって、光利用効率の高いホログラムレーザユニットを提供できるとともに、光源、検出器、光束分離素子などが一体化できて、光ヘッド装置のコンパクト化を図れる。
【００２７】
【実施例】
「例１」
例１の液晶回折素子の製造方法を図１に示す。ａ）は第１の工程の光の照射、ｂ）は第２の工程の光の照射の様子を表わす。
厚さ０．５ｍｍのガラスを用いた基板１１Ａに、厚さ５０ｎｍのＩＴＯ膜を用いた透明導電膜をスパッタ法により成膜した。ＩＴＯ膜を用いたベタの透明電極１２Ａを基板１１Ａ上に設け、また対向する基板１１ＢにもＩＴＯ膜を用いたベタの透明電極１２Ｂを形成し、両基板の対向する面（ＩＴＯ膜の透明電極の形成面）に厚さ６０ｎｍのポリイミドの配向膜１４Ａ、１４Ｂを形成し、基板面に水平でかつフォトマスク１６の格子方向と垂直な方向にラビング布によってラビングを施した。
【００２８】
２枚の基板１１Ａ、１１Ｂ間でラビング方向を１８０°の反対方向として、両方の基板を対向させ、粒径３μｍのスペーサを混合したシール材を周辺に配置して熱圧着し、両基板のギャップが約３μｍのセル構造を作製した。その２枚の基板１１Ａ、１１Ｂの間に４’−｛ω−アクリロイルオキシ）アルキルオキシ｝シアノビフェニルと、ｐ−［４−｛ω−（アクリロイルオキシ）アルキルオキシ｝］安息香酸ｐ’−ｎ−アルキルオキシフェニルエステルとを主成分とする液状の液晶１３を注入した。さらに、液晶１３には光重合開始剤としてベンゾインイソプロピルエーテルを１ｗｔ％添加して紫外線による硬化性の液晶の組成物とした。
【００２９】
第１の工程の光照射では、電圧発生器１５を使用して透明電極１２Ａと１２Ｂ間に１０Ｖｒｍｓ、１００Ｈｚの電圧を印加し全ての液晶を垂直に配向させながら、フォトマスク１６を介して基板１１Ａに向けて約８０ｍＪの紫外線である照射光１７を当てた。ここで光の照射に使用したフォトマスク１６の遮光パターンは格子状であり、その開口部幅は３μｍ、周期ピッチは８μｍであった。
フォトマスク１６と基板１１Ａとの間に、フォトマスク１６を通過した光束１８をさらに平行化するためのプロジェクションアライナーを配置した（図示せず）。
【００３０】
照射部の液晶は光重合による硬化が進み、電圧の印加を停止すると、非照射部の液晶と比べて配向方向の変化反応が低下し水平方向への戻りが見られなかった。
電圧の印加を停止した状態で、第２の工程の照射としてフォトマスクを介して、水平に配向した液晶を挟持した基板１２Ａの側から液晶全面に１５００ｍＪの紫外線である照射光１７を当て光重合により液晶を硬化させ、液晶の配向方向が周期的に変化する構造を固定した。その後、基板の外周部を切断し外寸５．０ｍｍ角の液晶回折素子を作製した。
【００３１】
作製した液晶回折素子は、波長６５０ｎｍのレーザ光でありかつ基板のラビング方向と垂直な直線偏光に対しては、９０％以上の透過率を示した。これに対し、ラビング方向と平行な直線偏光に対しては入射光は回折され合計約３５％の１次光の回折効率が得られた。
【００３２】
「例２」
例２の液晶回折素子の製造方法を図２に示す。ａ）は第１の工程の光の照射、ｂ）は第２の工程の光の照射の様子を表わす。
厚さ０．５ｍｍのガラスを用いた基板に、厚さ５０ｎｍのＩＴＯ膜を用いたベタの透明電極２２Ａをスパッタ法により成膜した。基板２１ＡのＩＴＯ膜の成膜面とは反対の面に光学多層膜の蒸着により、液晶回折素子を使用するときの波長である６５０ｎｍと光照射の波長である３６５ｎｍに対して１％以下の反射率を有する反射防止膜２９を形成した。２枚の基板２１Ａ、２１Ｂの対向するＩＴＯ膜の成膜面に厚さ６０ｎｍのポリイミドの配向膜２４Ａ、２４Ｂを形成した後、例１と同じ方向に、ラビング布による水平方向のラビングを実施した。
【００３３】
２枚の基板２１Ａ、２１Ｂでラビング方向を１８０゜の反対方向として両方の基板２１Ａ、２１Ｂを対向させ、粒径３μｍのスペーサを混合したシール材を周辺に配置して熱圧着しギャップが約３μｍのセル構造を作製した。この２枚の基板２１Ａ、２１Ｂの間に４’−｛ω−アクリロイルオキシ）アルキルオキシ｝シアノビフェニルと、ｐ−［４−｛ω−（アクリロイルオキシ）アルキルオキシ｝］安息香酸ｐ’−ｎ−アルキルオキシフェニルエステルとを主成分とする液状の液晶２３を注入した。
【００３４】
また、液晶２３には光重合開始剤として１ｗｔ％のベンゾインイソプロピルエーテルを添加し、さらに光重合禁止剤として０．５ｗｔ％の２，４，６−トリ−ｔｅｒｔ−ブチルフェノールを添加して、紫外線による硬化性の液晶の組成物とした。上記の基板２１Ａの上面から紫外線である照射光２７を当て、周期ピッチ８μｍで開口部幅３μｍの格子状の周期的な遮光パターンを有するフォトマスク２６を介して発生した波長３６５ｎｍの平行な紫外線の光束２７を液晶２３に約１２０ｍＪ照射した。
この場合も例１と同様に、フォトマスク２６と基板２１Ａとの間に、フォトマスク２６を通過した光束２８をさらに平行化するためのプロジェクションアライナーを配置した（図示せず）。
【００３５】
第１の工程の紫外線の照射によりに照射部の液晶は硬化が進み、非照射部に比べて電圧印加による電界方向への液晶の配向反応が低下した。このとき、照射した紫外線の基板２１Ａ、２１Ｂからの多重反射光強度が反射防止膜２９により低減されているため、多重反射に基づく照射部と非照射部との境界線の顕著なボケは見られなかった。
【００３６】
また、フォトマスクを介して光の当たっている液晶の照射部と当たっていない非照射部との境界部では光の回り込みは起きるが光強度が弱かったため、この境界領域では添加した光重合禁止剤が作用して液晶の光重合が進まず（本組成物は４０ｍＪ以下の弱い光では光重合が進まない）、この光強度が弱い液晶の部分を除いて、選択的に液晶を硬化させることができた。
【００３７】
この状態で、電圧発生器２５を用いて透明電極２２Ａ、２２Ｂ間に１５Ｖｒｍｓ、１００Ｈｚの電圧を印加し、第１の工程では紫外線の非照射部であった液晶を垂直に配向させて、硬化が進んでいる照射部の液晶は平行に配向させたままとした。この電圧を印加した状態で、第２の工程の紫外線の照射として液晶を挟持した基板２２Ａの側から全面に１５００ｍＪの紫外線の照射光２７を当て光重合により液晶を硬化させ、液晶の配向方向が周期的な硬化した液晶の構造を固定した。
【００３８】
その後、基板の外周部を切断し外寸５．０ｍｍ角の液晶回折素子を作製した。作製した液晶回折素子は、波長６５０ｎｍのレーザ光でありかつラビング方向と垂直な直線偏光に対しては、９０％以上の透過率を示した。これに対し、ラビング方向と平行な直線偏光に対しては入射光は回折され合計約４０％の１次光の回折効率が得られた。
【００３９】
「例３」
例２で作成した液晶回折素子を光ヘッド装置の光検出部とコリメートレンズとの間に配置し、１／４波長板をコリメートレンズと集光レンズとの間に配置した。
【００４０】
波長６５０ｎｍの半導体レーザからの出射直線偏光の方向が、液晶回折素子のラビング方向と垂直となるように半導体レーザと液晶回折素子の方向関係を設定したので、半導体レーザからの出射光は液晶回折素子を通過する往路では透過率が９０％であった。この光は１／４波長板を通過したのち円偏光となり光ディスクで反射され、反対方向に回転する円偏光の戻り光となり、再度１／４波長板を通過した戻り光は円偏光から直線偏光となって偏光方向が９０゜回転し、液晶回折素子のラビング方向と偏光方向が平行となって液晶回折素子を通過したときの１次回折光の回折効率が４０％であった。
【００４１】
したがって、半導体レーザからの出射光は光記録媒体である光ディスクからの反射戻り光として、結果的に１次回折光の合計が約３５％の強度の信号光として観測されて、光利用効率の高い良好な結果を得た。
【００４２】
【発明の効果】
対向する透明基板に挟持された液晶を、周期的な遮光パターンを有するフォトマスクを介して光照射するとき、光照射の過程を２つの工程に分けかつ液晶への電圧の印加状態を変えて光照射を実施することにより、配向方向の異なる硬化した液晶の領域の境界線が明確でかつ微細な一方向の格子状の周期ピッチが得られ、それゆえに光の利用効率の高い液晶回折素子が容易に得られる。
【００４３】
また、この液晶回折素子を光ヘッド装置に使用することにより、半導体レーザ光がこの液晶回折素子を往復するときの光の利用効率を高めることができ、低い出力のレーザ装置でも高いＳ／Ｎが得られ、また光ヘッド装置自体を小型・軽量化し、さらに光ヘッド装置の低消費電力化を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】例１の液晶回折素子の製造方法を示す断面図。ａ）第１の工程の光の照射、ｂ）第２の工程の照射。
【図２】例２の液晶回折素子の製造方法を示す断面図。ａ）第１の工程の光の照射、ｂ）第２の工程の光の照射。
【図３】従来の液晶回折素子の製造方法を示す断面図。
【符号の説明】
１１Ａ、１１Ｂ、２１Ａ、２１Ｂ：基板
１２Ａ、１２Ｂ、２２Ａ、２２Ｂ：透明電極
１３、２３：液晶
１４Ａ、１４Ｂ、２４Ａ、２４Ｂ：配向膜
１５、２５：電圧発生器
１６、２６：フォトマスク
１７、２７：照射光
１８、２８：光束
２９：反射防止膜