CN101911191B - 液晶元件及光头装置及可变光调制元件 - Google Patents

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Abstract

液晶元件具有透明基板、和由液晶材料形成并包含有由周期性的凹凸构成的凹凸部的液晶层，其中，所述液晶层的凹凸部被配向成，使位于所述透明基板侧并位于所述液晶层的凹凸部的界面即凹凸面的液晶分子的长轴方向相对于所述透明基板侧的凹凸面实质上成为垂直方向，或者所述液晶层的凹凸部被配向成，使位于与所述透明基板相反一侧的介质侧并且位于所述液晶层的凹凸部的界面即凹凸面的液晶分子的长轴方向相对于所述介质侧的凹凸面实质上成为垂直方向，从而形成衍射光栅。

Description

液晶元件及光头装置及可变光调制元件
技术领域
本发明涉及利用液晶并具有衍射光栅结构的液晶元件、对使用了该液晶元件的光盘等光记录媒体进行信息的记录重放的光头装置、以及使用了该液晶元件的针对入射的光使透射的光的光量可变的可变光调制元件。
背景技术
使用了液晶的衍射元件通过利用液晶所具有的折射率各向异性即寻常光折射率(no)与非常光折射率(ne)之间的差Δn，能够被用作具有入射的光因偏光状态而光学特性不同地被出射的偏光依存性的光学元件。例如，如图1所示的液晶元件10，2张平行的透明基板11a、11b中的一张透明基板11a的一个面的剖面具有成为周期性凹凸状的衍射光栅14，并与另一张透明基板11b相对地配置。此外，互相在透明基板11a的面上形成配向膜12a，在透明基板12a的面上形成配向膜12b，具有与各自的配向膜相对地配置，并且在2张透明基板的空隙中填充有液晶材料的液晶层13。配向膜如果使用有机材料优选聚酰亚胺，特别公知有对形成了聚酰亚胺的表面进行摩擦而成为配向膜，调整与配向膜表面接触的液晶分子的配向方向的方法。另外，还公知有，对与SiO2等无机材料的配向膜相对的基板的表面进行从基板面的法线偏离一定倾斜方向的蒸镀的斜方蒸镀方法。
此时，液晶层13中使用例如具有正的介电常数各向异性的液晶材料，该液晶材料的液晶分子的长轴方向设为相对于透明基板面大致水平并且与衍射光栅14的凹凸的长边方向(Y轴方向)平行的方向，使作为各向同性光学材料的透明基板11a的折射率(ns)与液晶的寻常光折射率(no)大致一致。在对该液晶元件10入射与Z轴方向平行地前行的光的情况下，在X轴方向上偏振的光由于感觉不到no和ns之间的折射率差因此几乎不发生衍射地直接前进透过，在Y轴方向上偏振的光能感觉到ne和ns之间的折射率差而发生衍射现象。具有这样的偏光依存性的液晶元件还能够在液晶之间配置ITO等透明导电膜来施加交流电压，从而改变液晶的配向状态。另外，液晶既可以是介电常数各向异性为正的特性的材料，也可以是介电常数各向异性为负的特性的材料，能够根据光学用途来组合液晶材料、配向方法等。另外，关于衍射光栅(凹凸部)14，凹部15、凸部16表示分别针对液晶层13的凹部、凸部，接下来在本发明所涉及的液晶元件中没有特别说明的情况下，凹部及凸部均作为液晶层的凹部及凸部的意思进行表达。
衍射光栅结构如将凹凸部的1周期的长度(以下称作“光栅间距”)设置得较窄(较短)，则在图1的Z轴方向前进而入射的与Y轴方向平行地偏振的光的衍射角(Z轴方向与衍射方向所成的角度)较大。在该情况下，例如与不发生衍射的X轴方向平行地偏振的光以高透过率入射到在其前进透过方向上配置的其他光学元件。另一方面，能够使与Y轴方向平行地偏振的光以较大的衍射角进行衍射而不入射到其他的光学元件，能够提高在直进方向上透过的光的消光比。另外，通过增大衍射角，例如被衍射后的光成为杂散光而很难入射到在其直进方向上配置的其他光学元件，因此能够提高光学系统的品质。
接着，以图2所示的在光头装置20中配置液晶元件10的情况为例子进行说明。从光源21以X方向的直线偏光朝向光盘25方向出射的光，在液晶元件10中不衍射地透过。通过准直透镜22成为平行光的光，透过1/4波长板23而成为例如右旋的圆偏光，通过物镜24被聚光而到达光盘25的信息记录面25a。在信息记录面25a被反射的光成为左旋的圆偏光而透过物镜24，通过1/4波长板23成为Y方向的直线偏光，通过液晶元件10被衍射后到达受光元件26。此时，液晶元件10的光栅间距越窄则衍射角越大，因此，衍射光能够偏光成形成较大的衍射角，能够使被反射的光相对于例如作为光源21的半导体激光器不成为杂散光。
接着，考虑确定透过的光的相位差(光路长度差)来设计液晶元件10的情况。若在液晶层13内液晶分子被同样地配向，则光路长度差能够通过调整液晶材料和衍射光栅的深度来得以实现。能够如下所述那样对在Z轴方向上前进的光透过凹部15和凸部16时的光路长度差进行说明。将液晶材料针对入射的光的波长λ的寻常光折射率设为no、非常光折射率设为ne，作为各向同性材料的光栅材料的折射率设为ns，液晶材料与光栅材料之间的折射率差分别设为Δno＝|no-ns|、Δne＝|ne-ns|。此时，若入射液晶材料的寻常光方向即超前轴方向的光，则在光栅深度d的衍射光栅产生的光路长度差为Δno·d，若入射液晶材料的非常光方向即滞后轴方向的光，则成为Δne·d。例如，为了在矩形的衍射光栅中增大±1次衍射光的衍射效率，则优选的是，在相位差为(2m+1)λ/2(m为0以上的整数)的条件下，确定液晶材料来调整光栅深度d。由此，能够增加可利用的液晶材料的种类。在配向状态在液晶层中不一样的情况下，能够根据配向状态调整衍射光栅深度等来进行应对。
另外，作为衍射光栅的光栅间距和衍射角之间的关系，在向具有光栅间距P的衍射光栅的液晶元件面上垂直地入射波长λ的光时，Q次衍射光相对于液晶元件面的法线(＝光的前进方向)的衍射角θ如(1)式所示。
sin θ＝Qλ/P…(1)(Q＝±1、±2、…)
由此，在如适用于例如高密度DVD用的光头装置的400nm频带那样相对于波长短的光较大地设置衍射角的情况下，需要将光栅间距设置得更窄。另外，衍射光栅的凹凸部不限于矩形，也可以是锯齿(blaze)型或将锯齿角近似为台阶状的形状，在该情况下，能够增大一个方向上的衍射光的光量，能够提高光利用效率。
由此，衍射光栅能够与入射的光的波长相对应地通过将光栅间距设为例如10μm以下(几μm)来增大衍射角。但是，若要通过以往的摩擦方法在衍射光栅上形成配向膜，则由于光栅间距窄而导致摩擦用的纤维不能够充分地到达透明基板11a的槽(与液晶层的凸部16接触的部分)，因而配向限制力不充分，液晶层的凸部16的表面的液晶分子不能够充分地被配向而产生配向不均。另外，摩擦布的纤维一般为几十μm，这样，对光栅间距为几十μm、特别是20μm以下的衍射光栅结构进行摩擦而控制液晶分子的配向是非常困难的。因此，存在不能够稳定地获得入射到液晶元件的光的衍射效率和衍射的光的偏光状态等光学特性的问题。
作为减小这样的配向不均的影响的方法，专利文献1中提示了在透明导电膜上形成配向膜，在其上通过电子射线抗蚀形成衍射光栅图案的方法。在该方法中，在抗蚀剂被除去的部分露出配向膜，与配向膜接触的液晶分子被垂直配向。
另外，除此之外，作为无摩擦而得到几μm的光栅间距的方法，除了通过光刻法和蚀刻直接加工基板表面的方法之外，还公知有利用压印方法的液晶的配向方法，所述的压印方法作为成型加工技术，将形成凹凸的透明基板做成透明树脂，或者在于表面上形成有树脂膜的基板上按压形成有凹凸图案的压模而在树脂膜上转印几μm的光栅间距的凹凸图案。压印法中有热硬化型的热压印法、照射紫外线而使抗蚀剂等硬化的光刻印法。在专利文献2中公开有，在几μm的光栅间距的衍射光栅表面上形成透明导电膜，通过相对的具有透明导电膜的平坦的基板夹持液晶而施加电压，在液晶分子被配向的状态下成为高分子液晶的液晶元件和液晶元件的制造方法。在该方法中，由于不需要形成配向膜，因此不会产生因摩擦而引起的配向不均。
专利文献1：日本特公平6-052348号公报
专利文献2：日本特开2005-353207号公报
但是，在专利文献1中，在液晶层内包括与衍射光栅接触的部分都被同样地配向，因此利用衍射光栅图案透过凹部和凸部的光的光路长度差仅依存于衍射光栅的槽的深度。因此，为了调整光路长度差而必须正确地形成衍射光栅的槽的深度，存在加工困难的问题。进而，由于没有对衍射光栅面整体进行配向处理，因此在未施加电压时，容易产生液晶的配向不均，这不仅会导致透过率降低，还存在从衍射光栅出射的光达不到所期待的偏光状态或者不能够得到所希望的衍射效率的问题。
另外，在专利文献2中，通过使光栅带有锥度而使电场方向相对于光的入射方向具有倾斜的角度，来利用液晶的双折射，所以只能够利用比液晶本身所具有的折射率各向异性小很多的折射率各向异性，存在光栅的槽的深度非常容易变得很大而不容易加工的问题。此外，在专利文献2中，液晶层由高分子液晶构成，因此，不需要对将液晶高分子化的液晶元件施加外部电压。因此，夹持高分子液晶的透明导电膜和绝缘膜就成为降低入射的光的透过率的主要原因，存在光利用效率也降低的问题。另外，透明导电膜不仅被形成在透明基板11a的凹部的底面(与液晶层的凸部16的上表面接触的部分)，还被形成在透明基板11a的凹部的侧面，因此，对液晶层施加电压时的液晶的配向状态在液晶层的厚度方向上不能够同样地平行。特别是，光栅间距越窄越难于同样地平行，因此，存在不容易对透过被填充有高分子液晶的衍射光栅的凹部(槽部)的光的光路长度进行控制的问题。
发明内容
本发明是为了解决现有技术的上述问题而做出的，其目的在于提供一种液晶元件，通过制作成不施加电压地使液晶进行配向并且使配向方向相对于衍射光栅的凹凸面大致垂直的液晶元件，凹凸部的液晶配向限制力高，容易对入射到液晶元件的光的光路长度进行控制，并且生产性良好。
本发明提供一种液晶元件，该液晶元件具备：透明基板；和液晶层，通过液晶材料形成，包含有由周期性的凹凸构成的凹凸部，其特征在于，所述液晶层的凹凸部被配向成使位于所述透明基板侧且位于所述液晶层的凹凸部的界面即凹凸面的液晶分子的长轴方向相对于所述透明基板侧的凹凸面实质上成为垂直方向，或者所述液晶层的凹凸部被配向成使位于所述透明基板的相反侧的介质侧并且位于所述液晶层的凹凸部的界面即凹凸面的液晶分子的长轴方向相对于所述介质侧的凹凸面实质上成为垂直方向，来形成衍射光栅。
通过上述结构，液晶分子不仅相对于形成衍射光栅的凹凸部的槽的底面，还相对于壁面大致垂直地配向，因此，即使光栅间距较窄的情况下也能够得到充分的配向限制力，能够实现具有高品质的光学特性的液晶元件。另外，在光栅间距小于入射的光的波长程度的情况下，偏振度高而波长分散性良好，通过液晶自身的双折射性，与通常的使用各向同性材料的结构双折射元件相比，纵横比(aspect ratio)减小，因此，不需要很高的加工精度就能够容易地制造结构双折射元件。另外，能够通过双折射性材料和各向同性材料的界面上的液晶分子的配向分布来连续地改变折射率，因此能够制造可得到偏光依存性被抑制的防反射效果的结构。另外，在光栅间距大于入射的光的波长程度的情况下，能够制造偏光依存性高的偏光衍射光栅。此外，通过该结构，通过控制液晶层中与衍射光栅(凹凸部)不同的部分的折射率，能够控制凹凸部的高度和折射率，能够独立地调整相对于液晶的配向方向以垂直方向入射的光的衍射效率和以水平方向入射的光的衍射效率。
另外，本发明提供如上所述的液晶元件，其中所述介质是透明基板，通过一对透明基板使所述液晶层被填充、平坦化。
通过该结构，由刚性高的透明基板夹持液晶层，因此能够提高液晶元件的机械可靠性。
另外，本发明提供如上所述的液晶元件，其中，在所述液晶层中，与设有所述凸部的面相对的所述液晶层的面是平坦的，平坦的所述液晶层的面的液晶分子被同样地配向。另外，本发明提供如上所述的液晶元件，其中，在所述液晶层中，平坦的所述液晶层的面的液晶分子被配向成相对于平坦的所述液晶层的面实质上水平的方向。
通过该结构，成为液晶层内的凹部的液晶分子的长轴方向在液晶层的厚度方向上变化的混合配向。另一方面，由于液晶层内的凸部的液晶分子的长轴方向能够几乎同样，因此，相对于在液晶层的厚度方向上前进的光，凹部和凸部之间的光学上的光路长度差变大。因此，即使不增大用凸部的厚度相对于光栅间距的比表示的纵横比，也能够得到较大的光路长度差，在衍射光栅的制造中不需要很高的加工精度，因此能够减少制作工序的负担。
另外，本发明提供如上所述的液晶元件，其中所述液晶层的设有凹凸部的面由多个区域构成并且各区域的凹凸部的周期方向不同，或者所述液晶层的凹凸部的凹凸方向连续变化地分布，所述液晶层中，平坦的所述液晶层的面的液晶分子被配向成相对于平坦的所述液晶层的面实质上垂直的方向。
通过该结构，能够对入射的散乱的光按照每个区域改变偏光状态并使其出射，并且能够使与从各区域出射的光的成分正交的成分的光发生衍射。另外，在将相对的基板侧设为水平配向的情况下，由于具有相同的功能，因此，需要配向处理的图案形成，以便根据区域不同而在不同的方向上进行配向。此外，具有衍射光栅的基板和与该基板相对的基板之间的叠合而产生的偏离也会导致特性的劣化，并且要求叠合的精度，因此实际上的作业是困难的，而与此相对，该结构的特征在于，不需要上述叠合精度及配向处理的图案形成。另外，实质上垂直是指大致垂直，实质上水平是指大致水平。
此外，本发明提供如上所述的液晶元件，其中所述液晶层的凹凸部侧的介质由各向同性材料形成，所述各向同性材料的折射率与液晶的寻常光折射率(no)或非常光折射率(ne)实质上相等。
通过该结构，液晶元件成为对入射的光具有偏光依存性的液晶元件，因此，能够作为偏光滤光片、偏转分离元件等光学元件进行使用。
此外，提供一种光头装置，其具备：光源；物镜，用于将来自所述光源的出射光聚光在光记录媒体上；光检测器，接受被聚光后被所述光记录媒体反射的所述出射光；以及配置在所述光源和所述光记录媒体之间的光路中或者所述光记录媒体和所述光检测器之间的光路中的如上所述的液晶元件。
通过该结构，能够作为针对从光源朝向光盘的光路即去路的光，使光几乎都透过，针对被光盘反射而朝向光检测器的光路即回路的光，使光衍射后到达光检测器的液晶元件来使用。另外，由于具有偏光依存性，因此，正交的2个成分的光中的一个几乎直进透过，而使另一个成分的光衍射，由此作为偏光滤光片发挥作用。
此外，提供一种可变型调制元件，其具备：在一对透明基板中挟持液晶而成的液晶单元、如上所述的液晶元件、以及对所述液晶单元施加电压来改变所述液晶的配向状态的电压控制装置。
通过该结构，能够根据对液晶单元施加的电压的大小来改变入射的光的偏光状态，使入射的光中的第一偏光方向的光直进透过，使与第一方向正交的第二偏光方向的光衍射。由此，例如能够调整对液晶单元施加的电压，使第一偏光方向的光几乎以100％入射至液晶元件而直进透过率(0次衍射效率)几乎为100％，或者能够使第二偏光方向的光几乎以100％入射至液晶元件而直进透过率(0次衍射效率)几乎为0％。另外，形成液晶元件的衍射光栅的凹凸部不需要高的加工精度而能够期待获得直进透过的光的高的消光比。
发明效果
本发明通过使液晶相对于液晶所接触的衍射光栅的凹凸部的面(凹凸面)实质上垂直地配向，即使是光栅间距狭窄的衍射光栅，也能够具有充分的配向限制力，并且能够得到以衍射特性为代表的光学特性良好的衍射元件，并且能够实现生产性优良的液晶元件。
附图说明
图1是具有衍射光栅结构的液晶元件。
图2是配置有具有偏光依存性的液晶元件的光头装置。
图3是第一实施方式及实施例1所涉及的液晶元件。
图4是第一实施方式所涉及的液晶元件的液晶层内的配向状态的剖面示意图。
图5是表示针对液晶元件40的厚度d2的衍射效率比(η0/η1)的特性例的坐标图。
图6是表示第一实施方式所涉及的液晶元件的其他结构例的剖面示意图。
图7是表示第二实施方式所涉及的液晶元件的工艺的示意图。
图8是第三实施方式所涉及的液晶元件的俯视示意图。
图9是第三实施方式所涉及的液晶元件的液晶层内的配向状态的剖面示意图。
图10是表示液晶元件60的区域64上的、针对厚度d2的衍射效率比(η0/η1)的特性例的坐标图。
图11是将具有偏光依存性的液晶元件作为偏光滤光片而配置的光头装置。
图12是使用了第一实施方式所涉及的液晶元件的可变型光调制元件的剖面示意图。
图13是实施例1所涉及的液晶元件。
符号说明
10、30a、30b、30c、30d、40、45a、45b、60a、60b、100：液晶元件
11a、11b、31a、31b、31c、31d、41a、41b、46a、46b、48a、48b、55、58、71a、71b、92、101a、101b：透明基板
12a、12b、34、35、54、105、106：配向膜
13、32、37、39、47、49、93、102：液晶层
14、36、38：衍射光栅(凹凸部)
15、43、61a、61b：凹部
16、44、62a、62b：凸部
20、80：光头装置
21：光源
22：准直透镜
23：1/4波长板
24：物镜
25：光盘
25a：信息记录面
26、85：受光元件
33：各向同性的光学材料
39a、39b：液晶部
42、72：液晶分子
51：铸模基板
52：垂直配向处理材料层
53：聚合性液晶层
56：液晶聚合物层
57：透明聚合物层
63、64、65、66：衍射光栅区域
81：偏光滤光片
82：栅格
83：偏光光束分离器
84：前监视器
90：可变型调制元件
91：液晶单元
94a、94b、103a、103b：透明导电膜
95：密封剂
96：电压控制装置
97：聚光透镜
98：受光元件
104：光栅形状
具体实施方式
(第一实施方式)
图3(a)中示出了第一实施方式所涉及的液晶元件30a的结构。液晶元件30a在平行配置的透明基板31a、31b中的31b的一个面上形成配向膜35，并夹持着液晶层32。与透明基板31a接触的各向同性的光学材料33具有剖面为凹凸形状的衍射光栅结构，并且在凹凸形状的面上具有配向膜34，并填充有液晶层32。各向同性的光学材料33是与透明基板31a不同的材料，但是也可以是对透明基板31a直接加工衍射光栅的形状，而不设置各向同性的光学材料33。或者也可以是，代替光学材料33为各向同性材料，而使光学材料33为具有折射率各向异性的双折射性的材料。另外，凹凸形状不限于剖面为矩形的衍射光栅，也可以是多阶段阶梯型衍射光栅结构、锯齿型的结构。另外，各向同性的光学材料33只要是能够在光栅面上实施垂直配向处理的材料即可，优选的是，具有因温度变化引起的液晶材料的折射率的变化接近的特性的材料。另外，将形成凹凸形状的部分作为凹凸部。
透明基板31a、31b可以使用丙烯类树脂、环氧类树脂、聚氯乙烯类树脂、聚碳酸酯等，但是考虑到耐久性等，优选无机材料使用石英基板、玻璃基板。另外，若在透明基板31a、31b中互相不相对一侧的表面上加工防反射(AR)膜，则能够提高透过率，这是优选的。
另外，图3(b)、图3(c)及图3(d)分别是表示液晶元件30b、30c及30d的结构的剖面示意图。例如，在液晶元件自身在耐久性等要求不严格的情况下，可以如上述各图所示那样，透明基板仅设置其中一侧，而液晶层的与透明基板侧相反的一侧的介质为空气。在该情况下，能够期待液晶元件的薄型化及成本方面的优势。另外，在该情况下，作为构成液晶层的液晶材料，优选使用高分子液晶。另外，在图3(b)～图3(d)中进行了省略，但是也可以在液晶元件30b、30c及30d上形成配向膜。
液晶元件30b是从液晶元件30a上去掉透明基板31a和各向同性的光学材料33之后的结构，液晶层32具有凹凸部(衍射光栅)36。另外，液晶元件30c是透明基板31c具有衍射光栅形状的凹凸(形状)，以填充该凹凸并覆盖透明基板31c的方式形成液晶层37的结构，液晶层37具有凹凸部(衍射光栅)38。另外，液晶元件30d是液晶部39a、39b在平坦的透明基板31d面上分开而形成衍射光栅形状的结构。由此，即使在液晶部分开的情况下，也可以将这些液晶部39a、39b概括定义为液晶层39。在该情况下，液晶元件30d的凹凸部相当于液晶层39。
另外，虽未进行图示，但是不限于此，例如也可是图3(c)的液晶元件30c的液晶层37只在透明基板31c的槽部分开地形成。此外，若除掉如液晶元件30d那样将液晶层分开为多个液晶部的结构，便构成不设置透明基板而仅使液晶层具有衍射光栅形状(凹凸部)的液晶元件，这样也可以。另外，作为不使用透明基板时的制造方法，例如，可以是对透明基板31a、31b实施分模处理并形成液晶层32的凹凸部(衍射光栅)之后，除去透明基板31a、31b，或者是在各向同性的光学材料33上直接涂敷液晶单体，通过添加表面活性剂等使液晶的空气界面同样地配向，使液晶单体硬化而形成液晶层32。
此外，虽未进行图示，但是也可以是，通过ITO等透明导电膜夹持液晶层，能够施加电压。在该情况下，透过率虽然减少，但却能够通过施加电压使衍射效率可变。另外，在未施加电压时也能够通过来自光栅的侧壁、上表面或底面的配向限制力使液晶的配向稳定，从而不管施加电压还是不施加电压，都能够得到不会产生因配向不均引起的偏光依存性、消光比降低的高品质的可变型偏光衍射元件。另外，以下对图3(a)的液晶元件30a进行说明。
液晶层32中使用的液晶材料只要是能够相对于配向膜的接触面大致垂直、大致水平方向地进行配向控制的材料即可，能够使用低分子液晶组成物、用于形成高分子液晶的聚合性液晶组成物。在衍射光栅表面形成的配向膜34被实施处理以使得液晶在配向膜表面垂直配向，配向膜35被实施处理以使得液晶在配向膜表面水平配向。另外，例如，如果是各向同性的光学材料33是其本身对液晶具有垂直配向能的材料，则也可以不配置被实施了垂直配向处理的配向膜34。配向膜35不限于水平配向处理，也可以被实施垂直配向处理，但是如后述那样，出于强调衍射光栅结构的相位阶差这一点，优选水平配向处理。另外，凹凸部和衍射光栅是相同的部分，将液晶层的凹凸部的界面作为凹凸面或衍射光栅面。
图4(a)的液晶元件40是示意性地表示液晶元件30a的液晶层的部分的结构，是表示被填充在衍射光栅结构中的液晶分子42的配向状态的剖面示意图。图4(a)被实施了未图示的配向膜，透明基板41a的液晶侧(衍射光栅结构)的表面被实施了垂直配向处理，透明基板41b的液晶侧的表面被实施了水平配向处理。另外，对衍射光栅结构中的成为凹部的区域43和成为凸部的区域44的2个区域分开进行说明。这2个区域是表示具有凹部的区域43和凸部的区域44在X方向上的宽度的液晶的空间。图4(b)是对图4(a)的凸部44和凹部43的一部分液晶分子的配向分布进一步细化表示的示意图，相当于示出了将液晶分子作为连续体分析后的结果的分布。
根据图4(a)和图4(b)，液晶层中衍射光栅结构(凹凸部)侧被实施了垂直配向处理，因此，液晶分子相对于衍射光栅面(凹凸面)大致垂直方向地配向。也就是说，在图4(a)和图4(b)中，对于与衍射光栅面的平行于X轴方向的面接触的液晶分子被配向成其长轴方向与Z轴方向大致平行(与X方向大致垂直)的方向，与平行于Z轴方向的面接触的液晶分子被配向成其长轴方向与X轴大致平行(与Z轴方向大致垂直)的方向。另一方面，透明基板41b侧被实施水平配向处理，与41b的面接触的液晶分子被配向成其长轴方向与X轴方向大致平行。另外，大致垂直是指与接触面的法线成0～15度的角度即可，大致水平是指与接触面成0～15度的角度即可。另外，为了使液晶分子的配向对齐，优选具有一定预倾角的配向，上述分别优选0.1～15度，更优选1～15度。
在此，首先对凹部43区域的液晶(分子)的配向分布进行说明。对于被进行了垂直配向处理的透明基板41a和所相对的被进行了水平配向处理的透明基板41b夹持的区域(厚度d2)的液晶，按照所谓的混合配向的状态进行分布，其中，混合配向是指从透明基板41a的面朝向透明基板41b的面，从相对于透明基板41a的面垂直配向空间地变化为相对于透明基板41b的面水平配向。与此相对，凸部44区域的液晶中与透明基板41a的平行于X轴的面接触的液晶分子被垂直配向，但是与透明基板41a的平行于Z轴的面(衍射光栅的侧面)接触的液晶分子也被大致垂直地配向。因此，平行于X轴的透明基板41a的面的附近也被配向成液晶分子的长轴与X轴方向大致平行。另外，与透明基板41b接触的面也同样与X轴方向大致平行地配向。另外，凸部44的d2厚度的区域受到相邻的凹部的混合配向的影响而从X方向倾斜地配向。
在此，可以想到如下的未图示的衍射元件，即，液晶层内的液晶分子相对于透过的光的偏光方向在成为非常光折射率的方向几乎同样地配向，并且通过具有与衍射光栅的液晶的寻常光折射率大致相等的折射率(ns)的各向同性材料(no＝ns)来填充。在该情况下，透过凹部的光的光路长度与透过凸部的光的光路长度之差即光路长度差与光栅深度d(相当于图4(a)中所示的d1-d2)成比例地增大。因此，在为了填充在衍射光栅中而配置的液晶层中使用相同的液晶材料来构成的情况下，为了增加光路长度差，需要增大深度d。
与此相对，若如图4(a)、图4(b)所示那样使液晶层内的液晶分子进行分布，则根据折射率各向异性的特性，对于与Z轴方向平行地透过衍射光栅的光，能够增大透过凹部43的光的光路长度与透过凸部44的光的光路长度之差(＝光路长度差)。特别是，液晶元件40由于能够调整厚度d2从而能够调整光路长度差的大小，因此，也可不是仅将衍射光栅的深度(d1-d2)增大，能够容易地加工衍射光栅。以下，基于该原理进行说明。
例如，考虑具有液晶分子长轴方向的介电常数ε//和液晶分子短轴方向的介电常数ε⊥之间的差即介电常数各向异性Δε(＝ε//-ε⊥)为正的特性的材料的情况。另外，具有折射率各向异性的液晶相对于波长λ的光的非常光折射率(ne)和寻常光折射率(no)之间的关系为ne＞no，并且与液晶分子的长轴方向平行的偏光状态的光为非常光折射率。若在液晶元件40中入射在与Z轴平行的方向上前进、在X方向上振动的直线偏光的光，则光相对于在X轴方向配向的液晶成为非常光折射率、相对于在Z轴方向配向的液晶成为寻常光折射率而前进。另外，使透明基板41a的折射率ns与寻常光折射率no相一致。此时，若将以寻常光折射率前进的液晶层的厚度设为do、以非常光折射率前进的液晶层的厚度设为de，则透过液晶层的光路长度L能够表示为：
L＝no·do+ne·de  …(2)
在此，关于第一实施方式的液晶元件40的光学特性，同样以折射率的关系为no＝ns的情况进行说明。将凸部44的成为非常光折射率的厚度、成为寻常光折射率的厚度分别设为de1、do1，将凹部43的成为非常光折射率的厚度、成为寻常光折射率的厚度分别设为de2、do2。在对衍射光栅面实施了垂直配向处理的液晶元件40中入射在与Z轴平行的方向前进的X方向的直线偏光时，对于凸部44的平均光路长度L1，若将凸部的厚度设为d1，则在d1的厚度中为了相对于寻常光折射率no更大地感觉到非常光折射率ne，使de1＞do1≠0。因此，存在关系(ne+no)·d1/2＜L1＜ne·d1。
另一方面，凹部43的液晶为混合配向状态，因此，凹部43的光路长度L2成为此外，若将透过凹部43和透明基板41a的一部分(厚度：d1-d2)的光在d1厚度上的光路长度为L2′，则由于ns＝no，因此L2′＝L2+no·(d1-d2)。
由此，光路长度差ΔL(＝L1-L2′)能够针对特定的液晶材料通过厚度d1和厚度d2进行调整。例如，在实现具有特定的光路长度差(相位差)ΔL的液晶元件时，产生凹部43区域中厚度d2上的光路长度和凸部44区域中厚度d2上的光路长度之间的差，因此，不需要增大光栅深度d(＝d1-d2)所产生的凹部43和凸部44之间的光路长度差。因此，能够减小光栅深度d，所以可以不用为了得到所需的光路长度差而增大光栅深度(d1-d2)，能够容易地加工衍射光栅。另外，为了得到所需的衍射效率，能够不改变光栅深度d而通过改变厚度d2进行调整，所以能够在衍射光栅结构的加工中期待生产性的提高。
图5是对具体地将光栅深度d设定为一定值而改变液晶元件40的厚度d2时的、通过1次衍射效率η1和0次衍射效率(直进透过率)η0之间的比表示的衍射效率比(η0/η1)的变化进行模拟而求得的结果。另外，入射的光是波長为405nm的X方向的直线偏光，并且在Z方向上前进，液晶的折射率各向异性Δn为0.17，透明基板41a、41b与液晶的寻常光折射率n相一致。此时，衍射光栅设定成，光栅间距为2μm、光栅间距的凸部宽度与凹部宽度的比即比率(Duty)为1∶1、光栅深度d为1.27μm。根据图5的结果，在厚度d2为大约2～6μm之间，0次衍射效率η0几乎为0，但是，在除此之外的厚度中也发生一定量的0次衍射光(直进透过光)，厚度d2的值与衍射效率比(η0/η1)之间存在关联性。由此，能够不改变光栅深度d地调整液晶元件40的光学特性，能够不改变衍射光栅结构地进行高自由度的光学设计。
此外，根据上述的式(1)，液晶元件40的光栅间距依赖于入射的光的波长λ及使入射的光发生衍射而透过的光相对于入射的光的衍射角θ的具体设定值，为了较大地设定所希望的衍射角θ需要较窄(较短)地设定光栅间距P，而本发明的液晶元件40为适合该情况的结构。光栅间距P的长度没有特别的限制，虽然能够利用本发明的液晶元件40但是特别是基于摩擦的配向控制是困难的，但是能够增大衍射角θ，能够使液晶相对于光栅间距P＝20μm以下的衍射光栅面良好地配向，并且，即使光栅间距P较短也能够不增加光栅深度d地得到所需的光学特性。
另外，只要加工精度允许，能够较小地设定光栅间距的最小值来适用本发明的液晶元件40，即使在光栅间距比波长还小的情况下，也能够作为具有液晶的折射率各向异性和结构双折射性的、具有比通常优良的折射率各向异性的分散特性的波长板来适用本发明的液晶元件40。另外，目前为止对剖面为矩形形状的衍射光栅进行了说明，但是不限于此，也可以如上所述那样，剖面形状为锯齿型或将锯齿近似为阶梯状的形状，该情况下的光栅间距P若也为1～20μm，则特别在加工容易性、光学特性方向是有效的。
此时，d2的值只要是0以上即可，但是为了得到大的光路长度差ΔL需要较大的衍射光栅深度(d1-d2)，因此，为了使光栅槽的加工容易，优选为大于0的值。并且，若增大d2，则能够如图4的液晶层内的液晶分子42的配向示意图所示那样，相对于厚度d2的液晶层的凹部43增大凸部44的光路长度。但是，另一方面，若进一步增大厚度d2，则凸部44的厚度d2部分的液晶分子容易受到相邻的凹部的混合配向的影响。因此，厚度d2上的凸部44和凹部43之间的光路长度差变小。因此，d2的厚度优选相对于(d1-d2)的厚度即光栅深度为10以下，更优选为5以下。
另外，若在衍射元件40中入射在与Z轴方向平行的方向上前进并在Y方向上振动的直线偏光，则凸部44及凹部43均以寻常光折射率前进。此时，若使透明基板41a的折射率与寻常光折射率no相一致，则入射的光不衍射而直进透过，能够实现具有偏光依存性的液晶元件。在此说明了液晶使用了具有正的介电常数各向异性的材料的情况，但是，也可以是具有负的介电常数各向异性的材料。另外，衍射光栅的长边方向不限于液晶元件30a那样仅为Y方向的1个方向，也可以是，在光入射的区域内有2个以上方向而选择性地使光衍射的结构。
接着，对衍射光栅的制造方法进行说明。作为将衍射光栅的剖面形状设为例如矩形形状的方法，能够通过光刻法及蚀刻、压印法、切削等进行加工。另外，在配向处理中，作为垂直配向法通过聚酰亚胺涂敷、SiO2微粒子膜、斜方蒸镀、基于含有烷基、全氟基等的硅烷剂的硅烷处理等，或者利用上述各方法的组合，来形成配向膜。
能够列举出相对于平坦的(透明)基板面成水平方向的水平配向法以及相对于平坦的(透明)基板面成垂直方向的垂直配向法。作为水平配向法，能够通过在透明基板上形成聚酰亚胺膜并对表面进行摩擦的方法、斜方蒸镀法、光配向法、离子束配向法、基于槽结构的配向等，或者通过这些方法的组合，来形成配向膜。另一方面，关于垂直配向法，能够使用与上述的光栅加工面的配向处理相同的方法。
另外，在此说明了将衍射光栅结构仅设置于透明基板31a的液晶元件30a，但是不限于此。例如也可以是，将衍射光栅也形成在透明基板32b的液晶层32侧，通过衍射光栅结构夹持液晶层32的两侧。图6是表示在2个透明基板的相对的各自的面上具有衍射光栅结构的液晶元件45a、45b的剖面示意图。在图6(a)的液晶元件45a中，透明基板46a侧的光栅间距、透明基板46b侧的光栅间距相同，在夹持液晶层47的两侧，成为各自的槽的部分对齐而配置。在该情况下，能够增大透过凹部的光的光路长度与透过凸部的光的光路长度之差即光路长度差，因此，与仅通过一侧的衍射光栅来获得所希望的光路长度差的情况相比，能够缩小一侧的衍射光栅的纵横比。另外，作为衍射元件利用在液晶层47的两侧配置相同间距的光栅的情况下，优选凹部间的间隙为20μm以内，更优选10μm以内。
另外，当在液晶层47的两侧配置不同的光栅间距的衍射光栅来作为偏光衍射光栅的情况下，能够得到提高直进透过的光相对于入射的光的消光比的效果。在这种情况下，液晶层的凹部间的间隙一般优选相隔10μm以上，更优选相隔20μm以上。另外，在图6(b)的液晶元件45b中，透明基板48b侧的光栅间距相对于透明基板48a侧的光栅间距之间的关系为整数倍，在此为2倍，使夹着液晶层49成为透明基板48b侧的槽的边缘的部分与透明基板48a侧的槽的边缘对齐配置。在该情况下，液晶层49的厚度相对于X轴方向以4阶段进行变化，因此若对在Z方向上透过液晶层49的光的光路长度进行表示，成为阶梯状，也能够模拟地作为剖面为阶梯型的衍射元件。并且，在想要利用液晶元件45a、45b提高直进透过的光相对于入射的光的消光比的情况下，优选与上述同样使凹部间的间隙为20μm以内，更优选为10μm以内。
(第二实施方式)
第二实施方式的液晶元件具有与第一实施方式的液晶元件30a相同的结构，但是在液晶层32中使用了高分子液晶材料。此时，高分子液晶的配向状态成为，设置有相对于衍射光栅面(图4(a)的与透明基板41a接触的面)被进行垂直配向处理的配向膜，并且设置有与衍射光栅面相对的透明基板面(图4(a)的与透明基板41b接触的面)被进行水平配向处理的配向膜。图7是表示将液晶维持为第一实施方式中代表的配向状态来进行固化的一个方法即光刻印方法的工艺的示意图，以下具体说明该方法。
在图7(a)的透明基板55上形成的配向膜54被与X方向大致平行地实施水平配向处理，在配向膜54上形成有聚合性液晶层53。该聚合性液晶层53通过具有介晶基(mesogenic)的丙烯类聚合性液晶等构成。铸模基板51在形成模的面上具有衍射光栅形状，设置有由相对于该衍射光栅面被实施垂直配向处理的材料构成的垂直配向处理材料层52。铸模基板出于耐久性的观点，优选石英、硅酮等无机材料。垂直配向处理材料层52是能够使液晶垂直配向并且能够将聚合性液晶层53聚合之后实施分模处理的材料。垂直配向材料层52利用能够举出具有全氟基的硅烷剂等。
将图7(a)的具有垂直配向处理材料层52的铸模基板51压向聚合性液晶层53而形成光栅形状，维持该状态的同时进行紫外线的照射等，从而使聚合性液晶聚合。若从聚合后的液晶(液晶聚合体)将铸模基板51分模，则如图7(b)所示，生成表面成为光栅形状的液晶聚合物层56。另外，液晶聚合物层56的液晶也显示出如第一实施方式所涉及的液晶元件40所示的配向那样的分布，同样能够通过改变厚度d2的值来控制光学特性。
与包含有图7(b)的光栅结构的液晶聚合物的基板相对地配置平行的透明基板58，并且在两基板间作为填充材料夹持填充有各向同性的透明单体，作为各向同性的透明聚合物层57。此时，优选的是，透明聚合物层57的折射率与高分子液晶的寻常光折射率或非常光折射率中的某个大致相等。另外，填充材料不限于各向同性材料，可以是双折射材料，也可以是透明的聚合性材料。
另外，也可以使用不利用各向同性的透明聚合物层57的液晶元件的结构。此时，例如，该结构在将液晶层56的衍射光栅(凹凸部)的光栅间距设置成短于入射的光的波长λ、作为结构双折射元件进行利用时是有效的。在该情况下，与通过各向同性材料形成衍射光栅结构的情况相比，具有能够提高折射率的波长分散的控制性的优点。
例如，在通过各向同性材料形成衍射光栅结构的情况下，为了提高双折射性而在衍射光栅结构中不使用充填材料，利用在空气与构成衍射光栅的材料之间产生的折射率差，所以折射率的波长分散的控制性差。但是，在该情况下，由于液晶本身具有双折射性而能够增加在构成结构双折射时的参数，所以即使在利用与空气之间的折射率差的情况下，也能够比各向同性材料提高波长分散的控制性及双折射性，具有容易获得波长选择性或宽频性的优点。另外，也能够作为具有防止入射到衍射光栅结构的光反射的效果的结构进行利用。在该情况下，由于液晶具有双折射性，因此，非常分散侧偏光和常分散侧偏光两者的折射率都不会非连续地变化，而能够使其连续地变化，能够作为具有相对于空气界面这样的各向同性介质的偏光依存性非常小的防反射的效果的结构进行利用。
(第三实施方式)
作为第三实施方式，在图8示出了具有衍射光栅的面的凹凸的周期方向即光栅方向不一样的液晶元件。作为液晶元件的例子，可以如从X-Y平面观察到图8(a)的液晶元件60a所示，例如以相邻的区域63、64、65及66的光栅方向相互不同的方式进行图案形成，或者也可以如图8(b)的液晶元件60b所示，以衍射光栅方向从圆的中心向半径方向放射状地连续的方式进行图案形成。区域不限于四边形，可以是任意的形状，连续的图案也可以是衍射光栅方向任意地变化。另外，61a及61b表示衍射光栅的凹部，62a及62b表示凸部。
另外，在图8中，关于相对的未图示的平坦的透明基板侧的液晶的配向处理，在是相对于透明基板的水平配向处理的情况下，使衍射光栅的长边方向平行地变化。对于水平配向处理的图案形成的方法，具有基于槽结构的配向的图案形成、使用了掩模法的配向处理的图案形成。另一方面，在垂直配向处理的情况下，不需要上述的图案形成，并且不要重叠精度，因此是优选的。以下，在第三实施方式中，以对相对的未图示的平坦的透明基板侧的液晶进行垂直配向处理的情况为前提进行说明。
图9(a)中示出了在液晶元件60a的A-A′进行截断时的部分剖面示意图。液晶被透明基板夹持，这一点与第一及第二实施方式相同。液晶元件60a中，与平面的透明基板71b接触的液晶分子(的长轴)的配向方向被配向成相对于透明基板71b面成大致垂直方向的Z轴方向，与具有衍射光栅的透明基板71a接触的液晶分子的配向方向被配向成相对于各个面成大致垂直方向。成为凹部的71a(厚度d2)相互垂直地配向，因此，液晶层内的配向也成为大致垂直状态。
另一方面，凸部62a(厚度d1)中的与透明基板71a接触的液晶相对于透明基板71a面被垂直配向，但是如图9(a)所示，在衍射光栅壁面(与Z轴平行的面)上也成为垂直配向而使液晶分子与X方向平行地被配向。另一方面，凸部62a中的与透明基板71b接触的液晶也如上述那样相对于透明基板71b面被垂直配向，因此，凸部62a被配向成具有朝着相对的衍射光栅的倾斜角在厚度方向上变化的分布。也就是说，在凸部62a中，按照液晶分子的长轴方向从透明基板71b面朝向透明基板71a、从Z方向向X方向然后从X方向向Z方向大致平行的分布被混合配向。图9(b)是进一步细化表示图9(a)的凸部62a及凹部61a的一部分液晶分子的配向分布的示意图，相当于对将液晶分子作为连续体进行解析的结果进行表示的分布。
图9(a)、图9(b)所示，在液晶层中的透明基板71b侧的液晶分子被配向成大致垂直方向的情况下，如第一实施方式所涉及的液晶元件40那样，能够不改变光栅深度d而改变厚度d2，来控制光学特性
图10是具体地将光栅深度d设为一定值，针对液晶元件60a的区域64，对利用使厚度d2变化时的1次衍射效率η1和0次衍射效率(直进透过率)η0的比来表示的衍射效率比(η0/η1)的变化进行模拟而求出的结果。其中，入射的光的波长为405nm的X方向的直线偏光并且使该光在Z方向上前进，液晶的折射率各向异性Δn为0.17，透明基板71a、71b为与液晶的寻常光折射率no一致的基板。此时，衍射光栅被设定为，光栅间距为2μm、光栅间距的凸部宽度与凹部宽度之间的比即比率为1∶1、光栅深度d为1.5μm。根据图10的结果，在厚度d2为大约7μm以上的情况下，0次衍射效率η0几乎为0，但是若厚度d2若不小于大约6μm也会产生一定量的0次衍射光(直进透过光)，厚度d2的值与衍射效率比(η0/η1)之间具有关联性。由此，即使在透明基板71b侧的液晶分子被配向成大致垂直方向的情况下，也能够不改变光栅深度d地调整光学特性，从而能够不改变衍射光栅结构的加工精度地进行自由度高的光学设计。
如上所述，在液晶元件60a的区域64中，能够相对于入射的X方向的直线偏光调整衍射效率比，相对于Y方向的直线偏光成为寻常光折射率no，因此，不被衍射，能够获得几乎100％这样高的0次衍射效率。因此，也能够通过偏光状态对衍射效率比等光学特性进行控制。由此，例如若在图8(a)的区域64中则凸部62a中的一部分液晶分子被配向成X方向，但是，在区域63中则相同的凸部62a中的一部分液晶分子被配向成Y方向。另外，若是图8(b)，则从圆区域的中心向半径(径向)方向被配向。由此，在衍射光栅方向在X-Y平面内不同的情况下，若入射在Z方向上前进的光，该光分别成为与凸部的液晶分子的倾斜方向相对应的偏光方向的成分的光而透过。
对于能够如上所述那样按照每个区域分别使透过的光的偏光状态不同的液晶元件，例如，在对信息记录面有2层以上的多层光盘进行重放的图1的光头装置中，配置在液晶元件10和光检测器26之间的光路中，能够期待抑制因与重放的信息记录层不同的层反射来的光(以下称为“杂散光”)而产生干涉的效果。另外，从重放的信息记录层反射的光为信号光。此时，若配置成使信号光相对于液晶元件60a在Z方向上前进并且成为相对于X及Y方向成45°的直线偏光，则该直线偏光按照每个区域偏光方向不同地射出，并透过未图示的圆柱透镜而在光检测器中聚光。另一方面，杂散光在光检测器上不被聚光，因此，例如能够使信号光以X方向的偏光到达光检测器上的一个区域，使杂散光以Y方向的偏光到达该区域。
(第四实施方式)
在图11中示出了利用了在第一实施方式或第二实施方式中制作的液晶元件的光头装置的第四实施方式的例子。其中，光头装置80使用与图2的光头20共同的光学部件等，对相同部分标以相同的符号而避免重复说明。从作为光源的半导体激光器21出射光，成为在Y方向上偏光的直线偏光。光透过只使Y方向的直线偏光直进透过的偏光滤光片81，通过栅格(grating)82将光分离成1个主光束和2个副光束。入射到偏光光束分离器83的光被分离成直进方向和前监视器84的方向。前监视器对向光盘侧前进的光量和前监视器所接受的光量之间的比率进行监视，通过未图示的控制电路在半导体激光器侧进行光量调整的控制以使该比率成为一定值。
直进透过偏光光束分离器的光通过准直透镜22成为平行光，通过1/4波长板23从直线偏光变为圆偏光。圆偏光例如是右旋的圆偏光。通过物镜24被会聚的光聚光在光盘25的信息记录面25a上，并在信息记录面上被反射的光成为左旋的圆偏光，透过物镜24。透过1/4波长板23的光成为X方向的直线偏光并透过准直透镜22，再次入射到光束分离器83。X方向的直线偏光的光通过光束分离器被向受光元件65方向聚光，从而能够读出光盘的重放信息。
在该光头装置80中，半导体激光器在一定方向上振动以成为Y方向的直线偏光，但是，该直线偏光的方向会因温度、激光器的个体差而产生偏差。也就是说，根据条件不同也有时发现X方向成分的光。因此，如上所述那样通过前监视器84使接受的光量和分离给光盘25侧的光量之间的比率成为一定，因此，为了消除从半导体激光器出射的光的偏光方向的偏差，需要在半导体激光器附近配置偏光滤光片81。
作为该偏光滤光片81，能够使用本申请的第一实施方式及第二实施方式的液晶元件。例如，使衍射光栅的周期方向为X方向，使液晶的寻常光折射率(no)与各向同性的光学材料33的折射率相一致。在Y方向上偏光的光在液晶层内为寻常光折射率，具有X方向成分的光在液晶层内为非常光折射率，因与相当于寻常光折射率的光学材料之间的折射率差而产生衍射，因此，在直进方向上前进的光几乎为Y方向成分的直线偏光。例如，将入射的光的波长设为λ[nm]，使透过本发明的液晶元件的凸部的在X方向上偏光的光与透过凹部的在X方向上偏光的光之间的光路长度差为(2m+1)λ/2[nm](m为≥0的整数)，由此使衍射效率最大，不产生直进透过光。因此，能够作为使特定的偏光方向的光直进透过而不使与该偏光方向正交的偏光方向的光直进透过的偏光滤光片的发挥功能。
另外，在作为偏光滤光片发挥功能的情况下，能够使不直进的光的偏光成分通过衍射作用在与直进方向不同的方向上前进(偏向)，但是，在这种情况下也是，衍射角较大的情况下对于利用直进透过的偏光成分的光学部件等而言不需要的光的偏光成分不易成为杂散光，因此衍射角较大是优选的。如上所述，为了增大衍射角优选利用衍射光栅的光栅间距小的液晶元件，但是，通过使用调整液晶的配向方向的本发明的液晶元件，不增大纵横比也能够获得良好的光学特性，并且能够实现高品质的偏光滤光片，同时能够实现高品质的光头装置。
(第五实施方式)
图12(a)是作为第五实施方式，表示包含有第一实施方式所涉及的液晶元件30a的可变型光调制元件90的剖面的示意图。另外，可变型光调制元件90中不限于第一实施方式所涉及的液晶元件30a，也可以是第二实施方式所涉及的液晶元件。此外，可变型光调制元件90共用透明基板31b，透明基板31b的与液晶层32相反的面上具有透明导电膜94a。此外，在透明导电膜94a和形成在透明基板92的一个面上的透明导电膜94b之间具有一定厚度的液晶层93，在液晶层93的周边部形成有密封剂95。并且配置有通过透明导电膜94a及94b对液晶层93施加电压从而控制透过光的偏光状态的电压控制装置96。另外，将包含有透明基板31b(的一部分)、透明导电膜94a、液晶层93、透明导电膜94及透明基板92的结构作为液晶单元91。
另外，在透明基板31b和92的、第二液晶层93侧的面上配置有未图示的配向膜，透明基板92的配向膜的配向方向是Y方向，液晶层93侧的透明基板31b的配向膜的配向方向为X方向。并且，在未在液晶单元91的液晶层93上施加电压时(以下称作“未施加电压时”。)，液晶分子在厚度方向上被扭转90°。并且，在电压被施加于液晶层93时(以下称作“施加电压时”。)，液晶分子的长轴方向与电场方向平行(Z方向)。
接着，对未施加电压时和施加电压时的可变型光调制元件90的作用进行说明。图12(b)是表示对可变型光调制元件90入射Y方向的偏光的形态的示意图。首先，在未施加电压时，液晶层93的液晶分子被扭转，因此，从透明基板92侧朝Z方向前进的Y方向的偏光在液晶层93中成为X方向的偏光。并且，X方向的偏光通过液晶元件30a的衍射光栅被衍射。透过可变型光调制元件90的光入射到聚光透镜97，但是，焦点却与例如光纤等的受光元件98的位置不一致。在该情况下，通过衍射元件30加大衍射角，从而能够在未施加电压时使不需要的衍射光远离受光元件98，所以使作为杂散光而入射的光量变小。
另一方面，在施加电压时，液晶层93的液晶分子的长轴方向被配向成电场方向即厚度方向，因此，Y方向的偏光不改变偏光状态地透过液晶层93，并入射到液晶元件30a。液晶元件30a还使Y方向的偏光直进透过，因此，能够通过聚光透镜97良好地聚光于受光元件98。由此，能够根据基于电压控制装置96的施加电压的大小来控制入射到受光元件98的光的光量，但是通过使用本发明的液晶元件能够缩窄(缩短)衍射光栅的间距而能够增大衍射光的衍射角，所以能够在未施加电压时大大地减少入射到受光元件98的杂散光，因此能够提高消光比。
此外，图12(a)所示的可变型光调制元件90是一个例子，液晶元件的结构不限于此。例如，在液晶层32中可以使用高分子液晶，此外衍射光栅结构可以是(近似)锯齿形状。此外，液晶单元91的液晶层93的液晶的介电常数各向异性Δε不限于为正，也可以是，Δε为负，并且具有在未施加电压时相对于透明基板面大致垂直地配向、施加电压时相对于透明基板面大致水平地配向的特性。此外，在图12(b)中，示出了在直进透过可变型光调制元件90的方向上配置受光元件98的例子，但是也可以是在衍射光前进的方向上配置受光元件的结构，并且也可以是，在可变型光调制元件90上设置未图示的反射层，使从例如1个光纤发射出来的光反射，接受所反射的光。此外，例如也可以是配置有衍射光栅的液晶元件30a不限于1个而重叠有2个的结构。
(实施例1)
作为实施例制作图13所示的液晶元件100。准备好将厚度为0.5mm的石英基板洗净并在一个面(未图示)上形成防反射膜的透明基板101b。在与防反射膜相反的面上，通过溅射形成由ITO构成的透明导电膜103b。在透明导电膜103b上形成SiO2层作为未图示的绝缘膜，在其上涂敷聚酰亚胺，经过烧结工序之后通过摩擦实施水平配向处理，形成配向膜106。
同样，准备好将厚度为0.5mm的石英基板洗净并在一个面上(未图示)形成防反射膜的透明基板101a，在另一个面上形成由ITO构成的透明导电膜103a。在ITO膜103a上形成SiO2层作为未图示的绝缘膜之后，蒸镀形成厚度约1.35μm的SiON膜。此时，各向同性材料的SiON膜相对于405nm的光的折射率是1.51。通过光刻法工序，在SiON的面上对抗蚀剂进行图案形成，成为剖面的光栅间距约为2μm、光栅间距的凸部宽度与凹部宽度的比即比率为1∶1的光栅形状。以深度约为1.27蚀刻对抗蚀剂进行了图案形成的面，将抗蚀剂剥离并进行灰化，从而制作由SiON构成的光栅形状104。在光栅形状104的面上涂敷垂直配向的聚酰亚胺之后，经过烧结工序成为配向膜。
使配向膜或进行了配向处理的面相对，此时，使配向膜106的水平配向方向与X方向平行，并且光栅形状的光栅的周期方向(光栅方向)为X方向。在配向膜106上散布未图示的直径为3.5μm的隔离物，通过未图示的密封剂密封基板周边，从未图示的注入口在由隔离物制造出的空隙中注入液晶进行填充，从而形成液晶层102。此时，注入的液晶使用的是特性为相对于405nm的光的寻常光折射率(no)＝1.51、非常光折射率(ne)＝1.68、折射率各向异性Δn＝0.17的材料。此外，在透明导电膜103a、103b之间连接有未图示的电压控制装置以便能够对液晶层102施加电压。
将上述制作的材料利用光学元件切割锯切割成约5mm见方的大小而作为液晶元件，成为能够适用于光头装置的形状。切割之后，使用波长约633mm的He-Ne激光来测定该液晶元件的透过波像差，为25m λrms以下，由此能够确认出该液晶元件完全能够用作光学元件。
此外，对制作好的液晶元件入射405nm的光，来测定衍射特性。使405nm的光以与Z轴平行的前进方向、X方向的偏光方向入射，在未施加电压时，入射的光的直进透过率为10％以下，±1次衍射效率约为40％。另一方面，若对液晶层施加约40Vrms的1kHz的矩形交流波电压，则液晶受电压的驱动而衍射效率发生变化，直进透过率成为90％以上。由此，能够作为通过控制电压来改变直进透过光量的光量调整元件而使用。
(实施例2)
制作图7(c)所示的液晶元件。准备好将厚度为0.5mm的石英基板洗净并在一个面(未图示)上形成防反射膜的透明基板55。在与防反射膜相反的面上涂敷聚酰亚胺，经过烧结工序之后通过摩擦实施水平配向处理，形成配向膜54。另外，另外准备好将厚度为1.0mm的石英基板洗净并在一个面(未图示)上形成防反射膜的透明基板58。
通过光刻法工序，在透明基板上对抗蚀剂进行图案形成，成为剖面的光栅间距为约2μm、比率为1∶1的光栅形状。以深度约为1.27μm蚀刻对抗蚀剂进行了图案形成的面，将抗蚀剂剥离并进行灰化，由此制作铸模基板51。在铸模基板51的光栅形状表面通过具有全氟基的硅烷剂进行修饰，形成垂直配向材料层52。
使配向膜54的水平配向方向与X方向平行，在配向膜54上散布未图示的直径为3.5μm的隔离物，通过未图示的密封剂密封基板周边，在由隔离物制造出来的空隙中注入聚合性液晶组成物进行填充，形成聚合性液晶层53。此时注入的聚合性液晶组成物使用的是，通过光聚合而聚合物化，从而具有相对于405nm的光的寻常光折射率(no)＝1.51、非常光折射率(ne)＝1.68、折射率各向异性Δn＝0.17的特性的材料。使铸模基板51的光栅的周期方向为与X轴平行的方向而使铸模基板51与聚合性液晶层53重叠，并进行压接以使聚合性液晶组成物成为铸模基板的光栅形状。
在压接铸模基板的状态下，使UV光曝光，进行液晶聚合物化。在聚合物化后对铸模基板进行分模处理，形成图7(b)所示那样的衍射光栅形状的液晶聚合物层56。接着如图7(c)所示，在液晶聚合物层56上填充与液晶聚合物的寻常光折射率几乎相等、温度依存性也相等的作为透明聚合物57的光聚合性的单体。之后，使透明聚合物57与进行了未图示的防反射膜处理的厚度约为0.5mm的透明基板58相对。
在相对的状态下，在透明单体中使UV光曝光，进行透明聚合物化。将上述制作材料利用光学元件切割锯切割成约5mm见方的大小，作为液晶元件，成为能够适用于光头装置的形状。切割之后，使用波长约633nm的He-Ne激光测定该液晶元件的透过波像差，为25mλrms以下，由此能够确认出该液晶元件完全能够用作光学元件。
此外，若使405nm的光以与Z轴平行的前进方向、X方向的偏光方向入射，则光的直进透过率(0次衍射效率)η0为5％以下。另一方面，若以X方向的偏光方向入射，则直进透过率(0次衍射效率)η0为95％以上。由此，能够实现衍射效率具有入射偏光方向依存性并且纵横比小的液晶元件。
(实施例3)
使用与实施例2相同的制造方法，制作图8(a)所示的液晶元件。此时，使得区域64和区域65的衍射光栅的长边方向、与区域6和区域66的衍射光栅的长边方向之间正交，各自的光栅间距为约2μm、光栅深度d为约1.5μm，并且散布的隔离物的直径为约7.0μm，与衍射光栅侧相反的透明基板侧的配向膜(图8(c)中的配向膜54)为具有垂直配向能的聚酰亚胺膜。此外，该聚酰亚胺膜以不进行摩擦处理的方式进行制作，其他条件与实施例1相同。
结果，若入射与区域63～区域66的各自的衍射光栅的长边方向正交的偏光方向的光，则直进透过率(0次衍射效率)η0为5％以下，而另一方面，若入射与衍射光栅的长边方向平行的偏光方向的光，则直进透过率(0次衍射效率)η0为95％以上，能够作为图案形成偏光件获得充分的效果。
工业实用性
如上所述，本发明所涉及的液晶元件通过对衍射光栅面的配向膜进行垂直配向处理而对相对地平面进行水平配向处理，能够以低纵横比实现成为一定衍射角的衍射光栅结构。此外，能够不改变衍射光栅的光栅深度，而通过改变不包含衍射光栅的槽部在内的液晶层的厚度，来控制衍射效率等光学特性。进而，本发明所涉及的液晶元件由于不需要有透明导电膜或绝缘膜，因此能够不降低透过率地实现高的光利用效率。由此，能够实现生产性高且品质良好的液晶元件，并且通过配置在光头装置中，能够作为液晶元件、偏光滤光片、光量可变元件进行使用。

Claims (7)

1.一种液晶元件，具有透明基板、和由液晶材料形成并且包含有由周期性的凹凸构成的凹凸部的液晶层，其特征在于，
所述液晶层的凹凸部被配向成使位于所述透明基板侧且位于所述液晶层的凹凸部的界面即凹凸面的液晶分子的长轴方向相对于所述透明基板侧的凹凸面实质上成为垂直方向，或者，
所述液晶层的凹凸部被配向成使位于所述透明基板的相反一侧的介质侧且位于所述液晶层的凹凸部的界面即凹凸面的液晶分子的长轴方向相对于所述介质侧的凹凸面实质上成为垂直方向，
从而形成衍射光栅，
其中，所述液晶材料是高分子液晶，
所述凹凸部由矩形的周期性的凹凸构成。
2.如权利要求1所述的液晶元件，其特征在于，
所述介质为透明基板，通过一对透明基板使所述液晶层被填充、平坦化。
3.如权利要求1所述的液晶元件，其特征在于，
在所述液晶层中，与设置有所述凹凸部的面相对的所述液晶层的面是平坦的，所述液晶层被配向成平坦的所述液晶层的面的液晶分子相对于平坦的所述液晶层的面实质上成为水平方向。
4.如权利要求1所述的液晶元件，其特征在于，
所述液晶层的设置有凹凸部的面由多个区域构成，各区域的凹凸部的周期方向不同，或者所述液晶层的凹凸部的凹凸方向连续地变化分布，
所述液晶层被配向成平坦的所述液晶层的面的液晶分子相对于平坦的所述液晶层的面实质上成垂直方向。
5.如权利要求1所述的液晶元件，其特征在于，
所述液晶层的凹凸部侧的介质通过各向同性材料形成，所述各向同性材料的折射率与液晶的寻常光折射率(no)或非常光折射率(ne)实质上相等。
6.一种光头装置，包括：
光源；
物镜，用于将来自所述光源的出射光聚光在光记录媒体上；
光检测器，接受被聚光并被所述光记录媒体反射的所述出射光；以及
权利要求1～5中任一项所述的液晶元件，配置在所述光源与所述光记录媒体之间的光路中，或者所述光记录媒体与所述光检测器之间的光路中。
7.一种可变型光调制元件，包括：
在一对透明基板中夹持液晶而成的液晶单元；
权利要求1～5中任一项所述的液晶元件；以及
对所述液晶施加电压来改变所述液晶的配向状态的电压控制装置。
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