(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子液晶薄膜に断面が凹凸状の格子を形成し該凹凸状の格子部に等方性媒質を充填する回折素子の製造方法において、対向する２枚の基板の少なくとも一方の対向面に配向処理を施し、該対向する基板間にスペーサと高分子液晶薄膜となる液晶とを挟持して、該液
晶を配向させ硬化して高分子液晶薄膜とした後、少なくとも一方の基板を取り外して該高分子液晶薄膜に断面が凹凸状の格子を形成し、該凹凸状の格子部に等方性媒質を充填することを特徴とする回折素子の製造方法。
【請求項２】
該対向する２枚の基板に該配向処理を施した後に少なくとも一方の基板の対向面に離型処理を施すことを特徴とする請求項１記載の回折素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回折素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、高分子液晶を使用した回折素子を次のように作製していた。すなわち、ガラスなどの透明基板面に配向処理を施し、この透明基板面上に液晶を薄く塗布し、光重合により硬化させ高分子液晶薄膜とした。この高分子液晶薄膜に断面が凹凸状の格子をドライエッチングなどを施すことにより形成し、その凹凸部に等方性媒質（光学的な等方性媒質をいう）を充填した。この回折素子は、高分子液晶薄膜が複屈折性を有することにより、入射する光の偏光方向に応じて回折効率が異なる偏光性の回折素子となる。
【０００３】
もし、回折素子の等方性媒質の屈折率（ｎs ）が、複屈折媒体である高分子液晶薄膜の常光屈折率（ｎo ）又は異常光屈折率（ｎe ）に等しい場合、等しい屈折率方向の偏光に対しては回折素子は機能しない。
例えばｎs ＝ｎo のとき、この回折素子は常光屈折率方向の偏光を回折せず高い透過率を示し透過する。これに対して異常光屈折率方向の偏光に対しては回折素子が機能し高い回折効率が得られる。
【０００４】
光ヘッド装置にこの偏光型の回折素子を用いる場合には、回折素子と光記録媒体である光ディスクとの間に１／４波長板を挿入して、回折素子を通過するときの直線偏光の方向を往路と復路で９０度回転させることにより往復効率を高くできる。
【０００５】
しかし、この高分子液晶の薄膜を作製する際に配向処理を施した基板に重合前のモノマー状態である液晶を塗布したとき、得られる配向状態を安定化させることが難しかった。配向状態が安定しないと重合後の実質的な複屈折性状態が変化し屈折率が安定せず所望の回折効率が得られず回折素子が歩留まりよく得られない問題があった。また、高分子液晶の膜厚の制御も困難であり、この膜厚が変動すると回折効率が変動し、回折素子の製造歩留まりの低下を招いていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、従来技術の前述のような問題を解決し、高分子液晶薄膜を使用した回折素子の製造方法を新規に提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、高分子液晶薄膜に断面が凹凸状の格子を形成し該凹凸状の格子部に等方性媒質を充填する回折素子の製造方法において、対向する２枚の基板の少なくとも一方の対向面に配向処理を施し、該対向する基板間にスペーサと高分子液晶薄膜となる液晶とを挟持して、該液晶を配向させ硬化して高分子液晶薄膜とした後、少なくとも一方の基板を取り外して該高分子液晶薄膜に断面が凹凸状の格子を形成し、該凹凸状の格子部に等方性媒質を充填することを特徴とする回折素子の製造方法を提供する。
【０００８】
さらに、該対向する２枚の基板に該配向処理を施した後に少なくとも一方の基板の対向面に離型処理を施すことを特徴とする上記の回折素子の製造方法を提供する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明においては、対向する２枚の基板の対向面、すなわち液晶に接する面に配向処理を施す場合、１枚の基板に施してもよいし２枚の基板に施してもよいが、２枚の基板に施す方が液晶の分子配向を制御しやすく好ましい。ここで使用する配向処理としては基板表面又はその表面に付着されたポリイミド膜、ポリアミド膜の高分子膜やＳｉＯ2 などの無機膜などへのラビング処理、又はＳｉＯの斜め蒸着処理などが代表的である。
【００１０】
本発明で用いる高分子液晶薄膜を形成するための液晶は、液晶性を示すモノマー、オリゴマーその他の反応性化合物などの組成物であり、基板への配向処理により組成物として液晶配列するものであれば使用できる。以下の説明では液晶のモノマーがこれらを代表するものとして説明する。
【００１１】
この対向する２枚の基板間にスペーサを配置して、所定の間隔を設けて基板を対向させ、その空隙に液晶のモノマーを注入し、硬化する手段によって液晶のモノマーを重合させて硬化し高分子液晶薄膜とする。
【００１２】
液晶のモノマーを硬化する手段としては、可視光やＵＶ（紫外）光などの光を照射したり、加熱による方法などがあるが、特に可視光やＵＶ光などの光を照射する硬化方法は基板上で直接できて好ましい。したがって、ここでは光の照射によって液晶のモノマーを重合して硬化するものとして説明する。なお、液晶が未重合で高分子化してないことを明確にするために「液晶」の代わりに「液晶のモノマー」と表現する。
【００１３】
高分子液晶薄膜の製造の工程の一例を図１に示す。図１（ａ）は所定の間隔を設けて、対向する２枚の基板を示す側面図であり、図１（ｂ）は対向する２枚の基板間に液晶のモノマーを注入し、ＵＶ光などの光を照射して液晶のモノマーを高分子液晶薄膜とした様子を示す側面図であり、図１（ｃ）は対向する２枚の基板の一枚の基板を外した様子を示す側面図である。図中、１は高分子液晶薄膜、２は基板、１１は配向処理膜、１２はスペーサである。
【００１４】
液晶のモノマーの注入方式としては、真空注入法を採用してもよいし、毛細管現象を利用した方法で大気圧中で行ってもよい。この場合、これに先立ってスペーサをあらかじめ１枚目の基板上に散布してから２枚目の基板を積層すればよい。また、１枚目の基板にスペーサと液晶のモノマーの混合物を滴下した後、２枚目の基板を積層してプレスしてもよい。
【００１５】
さらに、１枚目の基板にスペーサを散布した後液晶のモノマーを滴下して２枚目の基板を積層してプレスし薄膜化してもよい。基板としては透明なガラス板やプラスチック板などが使用できるが、硬度や耐久性などに優れる点で、ガラス板が好ましい。
【００１６】
そして対向する基板間にこの間隔を一定に保持する手段と高分子液晶薄膜となる液晶のモノマーを挟持する。使用する液晶のモノマーとして、アクリル酸又はメタクリル酸などのエステル類中から選ぶのが好ましい。
このうち、液晶のモノマーに反応基を付加し、重合して高分子化する材料（側鎖形高分子液晶）であるアクリル酸系のものが好ましい。この高分子液晶は、材料そのものの複屈折性が大きいことに加え、この液晶のモノマーは基板の配向処理に対して敏感に反応し重合後の複屈折性を大きくしやすい、という優れた特徴を有する。
【００１７】
高分子液晶薄膜の厚さに分布があると、上記のように回折効率にバラツキが発生して好ましくない。したがって、対向する基板の間隔を一定に保持する手段としてスペーサを用いる。このスペーサとしては、剛性と耐久性を有するガラス、アルミナ、シリカなどの無機物又はプラスチックの球形、粒状、繊維状などのスペーサであればその機能を果たすが、ガラスのスペーサが特に剛性と耐久性に優れており好ましい。通常、高分子液晶薄膜の厚さは１〜５μｍで使用される。
【００１８】
このガラスとしては、球形のＳｉＯ2 ガラスがよく、その個数は直径が５μｍ以下の場合、１ｃｍ2 当たり１０個〜２０万個がよい。１０個より少ないと基板間の間隔を一定に保持することが困難であり２０万個より多いと光散乱を招き、光ヘッド装置に装着した際に迷光が発生してよくない。好ましくは１千個〜１万個であり、この場合上記の不具合を有効に回避できる。
【００１９】
液晶のモノマーを配向させた後に行う光照射には、上記のように可視光やＵＶ光などが使用されるが、効率よく硬化させるためにＵＶ光が好ましい。このように光照射を行うことによって、配向状態を維持したまま、液晶のモノマーを硬化させうる。
【００２０】
硬化後対向する２枚の基板のうち少なくとも一方の基板を取り外す（図１（ｃ））。この場合、取り外す基板に高分子液晶薄膜が付着するのを防ぐために、取り外す基板の内面、すなわち液晶のモノマーに接する面に離型処理を施すことが好ましい。
対向する２枚の基板のうち、１枚の基板の内面に配向処理を施した場合は、配向処理をしていない方の基板の内面に離型処理を施すことが、液晶のモノマーの配向効果を高めるうえで好ましい。
離型処理のために使用される離型剤としては、フルオロシラン系、含フッ素脂肪族環構造を有する含フッ素重合体などが使用できる。
【００２１】
このように製造された高分子液晶薄膜に、断面が凹凸状の格子が形成されこの凹凸部に等方性媒質が充填されて回折素子が得られる。
すなわち、高分子液晶薄膜にフォトリソグラフィによるエッチング法や格子形状を有する金型によるプレス方式などによって、断面が凹凸状の格子を形成する。この断面凹凸状の格子が形成された凹凸状の格子部に、屈折率が高分子液晶薄膜の常光屈折率（ｎo ）又は異常光屈折率（ｎe ）に等しい等方性媒質を充填し硬化する。等方性媒質としては例えば光重合型のアクリル系樹脂やエポキシ系樹脂などを使用できる。
【００２２】
このように屈折率を選ぶことによって、回折素子を通過する光の偏光方向に応じて、回折素子を回折格子として機能したりしなかったりさせうる。
すなわち、屈折率が高分子液晶薄膜の常光屈折率（ｎo ）に等しい等方性媒質を凹凸部に充填した場合、回折素子の常光屈折率を与える方向に直線偏光した光を回折素子に入射したとき、高分子液晶薄膜と等方性媒質との間に屈折率差がなく回折効果を生じない。
【００２３】
しかし、この方向と９０度の角度をなす異常光屈折率を与える方向に直線偏光した光を回折素子に入射したとき、高分子液晶薄膜と等方性媒質との間に屈折率差があり回折効果を生じる。異常光屈折率（ｎe ）に等しい等方性媒質を凹凸部に充填した場合も同様である。
【００２４】
高分子液晶薄膜の常光屈折率（ｎo ）にも異常光屈折率（ｎe ）にも等しくない屈折率の等方性媒質を凹凸部に充填する方法もある。この場合は、光記録媒体である光ディスクに複屈折性があったとき、後述の図５の回折素子と組み合わせることにより光ディスクによって反射される信号光の強度を低下させない効果がある。
【００２５】
本発明の製造方法で製造した回折素子は、高分子液晶の分子軸の一方向への配向性がよいため、屈折率が回折素子内で均一で高くさらに高分子液晶薄膜の厚みが均一であるために、高くて一様な回折効率が得られるという優れた特性を有する。
【００２６】
また、本発明による回折素子の一例を示す側面図である図２のように凹部の高分子液晶薄膜１を基板２上に残したまま完全に除去せず回折素子を形成することもできる。この場合、残留した高分子液晶薄膜中を光が透過する際に入射角度等により偏光方向が変わることがある。このため、本発明による回折素子の別の一例を示す側面図である図４のように凹部の高分子液晶薄膜１を完全に除去する、すなわち凹部が高分子液晶薄膜１を貫通して基板２の表面を露出することが好ましい。図２及び図４において、３は等方性媒質である。
【００２７】
本発明による回折素子の他の一例を示す側面図である図５では１／４波長板１０が回折素子と一体に設けられている。１、２及び３はそれぞれ上記のものと同じである。
【００２８】
さらに、本発明の製造方法で製造した回折素子を光ヘッド装置に装着する。すなわち、半導体レーザからの出射光を光記録媒体へ導き、光記録媒体からの反射光を回折素子で回折させてこの回折光を光検出器により検出する光ヘッド装置の回折素子として、本発明の製造方法で製造した回折素子を用いる。
【００２９】
本発明の回折素子をホログラムビームスプリッタとして光ヘッド装置に用いた場合の概略を示す側面図を図３に示す。光源である半導体レーザ５から出た光は、ホログラムビームスプリッタである回折素子４を透過し、対物レンズ７で光ディスク８上に集光され光ディスク８からの反射光は再び対物レンズ７を透過し、ホログラムビームスプリッタにより回折され受光素子６に到達する。
【００３０】
このホログラムビームスプリッタと光ディスク８との間に１／４波長板１０を挿入することにより、往路と復路で半導体レーザ５から出射した直線偏光の偏光方向を９０度回転させることができ、これにより、往路の偏光方向の光に対しては透過率が高く、復路の偏光方向の光に対しては回折効率が高くなって光の利用効率を高めうる。
【００３１】
【実施例】
以下本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。
高分子液晶薄膜の製造方法の各プロセスの側面図を図１の（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）に示した。
【００３２】
まず図１（ａ）に示すように、対向する直径が３インチの２枚のガラスの基板２の内面上にポリイミドの薄膜を形成しその後ラビング処理として２枚の基板間で平行な一方向にこすり配向処理を行い配向処理膜１１とした。この対向する２枚のガラスの基板２のうち一方の基板の配向処理膜１１上にフルオロシラン系の離型剤を塗布（図示せず）した。
【００３３】
他方の基板には直径２．０μｍのＳｉＯ2 製の球形のスペーサ１２を６０００個／ｃｍ2 の密度で散布した後、この２枚の基板の内面の間隔が２μｍになるように張り合わせた。次に図１（ｂ）に示すように、この２枚の基板の空隙部に真空注入法により、アクリル酸系の液晶のモノマーを注入した。
【００３４】
この状態で、液晶の配向状態を観察するとラビング方向に整然と液晶のモノマーの分子軸が配向していることが観察され、良好な配向状態であることが確認された。次に、ガラス基板を通して６００ｍＪのＵＶ光を照射し液晶のモノマーを光重合させ硬化して高分子液晶薄膜１を形成した。高分子液晶の配向状態も均一で良好なものであった。
【００３５】
さらに図１（ｃ）に示すように、離型処理を施した方の基板を取り外した。その結果、離型処理を行っていない基板の高分子液晶は剥がれることなく基板に残り、この基板側に高分子液晶薄膜１を形成できた。その配向状態は、基板を取り外す前と同様に良好であった。また、高分子液晶薄膜１の膜厚は約２μｍであり設計通りの均一な膜厚を得ることができた。
【００３６】
その後、基板上の複屈折性材料である高分子液晶薄膜１にフォトリソグラフィによるエッチング法により断面が凹凸状の格子（図４）で、ラビング方向に平行な長手方向を有する格子を形成しアクリル系の等方性媒質３で充填し硬化した。
【００３７】
このときの等方性媒質３の屈折率は高分子液晶薄膜１の常光屈折率に等しいものであった。そして、この基板を外寸４ｍｍ×４ｍｍに切断することにより偏光性の回折素子であるホログラムビームスプリッタを得た。
【００３８】
こうして製造したホログラムビームスプリッタを図３に示す光ヘッド装置の回折素子４として組み込んだ。この光ヘッド装置に搭載したホログラムビームスプリッタは、往路の光である半導体レーザ５から出射した直線の偏光に対しては高い透過率９５％を示し、復路の光である光ディスク８で反射して１／４波長板１０を透過して、往路の光と偏光方向が９０度回転した偏光に対しては高い±１次の回折効率３６％を示した。
【００３９】
したがって、０．９５×０．３６＝０．３４、すなわち３４％の高い光利用効率を得ることができ、しかもこのホログラムビームスプリッタの回折効率は面内で均一であった。
【００４０】
【発明の効果】
本発明の製造方法を採用することにより、液晶のモノマーは良好に安定して配向し、さらに膜厚を所望のものとする手段を採っているため、作製された高分子液晶薄膜は屈折率も安定し高く、さらに膜厚を均一にできる。
したがって、この高分子液晶薄膜を使用して製造した断面が凹凸状の格子に等方性媒質を充填した本発明の製造方法により製造した回折素子は、回折効率が高くかつ回折効率は面内均一である特徴を有する。
【００４１】
また、本発明によれば、容易に膜厚が均一な高分子液晶薄膜が得られるので、回折素子の製造の歩留まりを向上させうる。
さらに、本発明の製造方法により製造した回折素子を光ヘッド装置に組み込むことによって、光ヘッド装置は光利用効率の高い、回折効率の安定した装置となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における高分子液晶薄膜製造の工程の一例を示す側面図。（ａ）所定の間隔を設けて対向する基板を示す側面図。（ｂ）対向する基板間に液晶のモノマーを注入し、高分子液晶薄膜化した様子を示す側面図。（ｃ）対向する基板から一枚の基板を外した様子を示す側面図。
【図２】本発明による回折素子の一例を示す側面図。
【図３】本発明のヘッド装置の概略を示す側面図。
【図４】本発明による回折素子の別の一例を示す側面図。
【図５】本発明による回折素子の他の一例を示す側面図。
【符号の説明】
１：高分子液晶薄膜
２：基板
３：等方性媒質
４：回折素子（ホログラムビームスプリッタ）
５：半導体レーザ
６：受光素子
７：対物レンズ
８：光ディスク
１０：１／４波長板
１１：配向処理膜
１２：スペーサ
【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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