JP4826472B2 - 偏光性回折型フィルタおよび積層偏光性回折型フィルタ - Google Patents

Description

本発明は偏光子、旋光子、移相子などの偏光素子とあわせて用いることで透過する波長を変化させることができる偏光性回折型フィルタおよび偏光性回折型フィルタを積層してなる積層偏光性回折型フィルタに関する。

特定の波長を選択的に透過するフィルタとしては、誘電体多層膜フィルタや、顔料を分散させたカラーフィルタなどが一般的に広く用いられている。また、これと同様の機能をより簡便に実現する手段として、回折格子を用いた波長選択フィルタが提案されている。この波長選択フィルタは、透明基板上に形成された周期的な凹凸を設けたものであり、その凹部と凸部の入射光に対する位相差を特定の波長の整数倍とすることで、前記特定の波長に対して高い透過特性を得ることができる。

また、これを利用した回折型ダイクロイックフィルタ（波長選択フィルタ）が、例えば特開２０００−３４８３６６号に記載されている。この特許文献によれば、この回折型ダイクロイックフィルタは、発振波長が６６０ｎｍおよび７９０ｎｍの２種の半導体レーザを光源に用いる光ヘッド装置に対して、凹凸の段差から発生する入射光の位相差を６６０ｎｍの略２倍とすることで、波長６６０ｎｍの光は透過するとともに、波長７９０ｎｍの光を回折することにより遮光する（以下「回折遮光」という）フィルタとして機能させることができる。

ところが、前述の回折型フィルタにあっては、透過および回折する波長は、回折格子の深さにより定まる位相差により一義的に決定されており、透過する波長を自由に変更させる（切り替える）ことができない。また、前述の誘電体多層膜フィルタおよび顔料を分散させたカラーフィルタについても、透過する波長は固定されており、必要な波長の光を変更して（切り替えて）透過することは不可能である。

また、回折型フィルタにより回折遮光された特定波長の光は、透過する波長の光に対して、回折する光の波長λと回折格子の凹凸の周期Ｐにより、
ｓｉｎθ＝λ／Ｐ
の関係で定まる回折角度θで分離される。
従って、この回折分離角度を十分に大きく確保しようとすると、格子周期を小さくする必要があるが、格子周期を小さくした場合には、透過する波長の光に対する透過率が低下するという問題点もあわせて有していた。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、高い透過率および回折遮光性を有し、かつ透過する波長を変化させることが可能な偏光性回折型フィルタを提供することを目的とする。

本発明は、下記の内容を開示する。
１．一対の偏光性回折型フィルタを、回折格子が対向するように積層してなる積層偏光性回折型フィルタであって、前記偏光性回折型フィルタは、異なる２つ以上のピーク波長の光が入射するとともに前記２つ以上の光のうち少なくとも一つのピーク波長の光を回折により遮光し、その他のピーク波長の光を透過する偏光性回折型フィルタであって、前記偏光性回折型フィルタは、透明基板上に回折格子を構成する周期的な凹凸部が形成されているとともに、凹部には光学部材が充填され、かつ、液晶性材料を含むとともに、前記対向する回折格子の間に充填されており、前記対向する回折格子の長手方向は互いに直交するように配置されてなる積層偏光性回折型フィルタを提供する。
上記構成によれば、２つの回折格子を回折方向が直交するように配置することで、第１に入射する回折格子で発生した回折光が、第２に入射する回折格子によりさらに回折して生ずる回折光が、透過光と異なる方向に進行する。これにより、２枚の偏光性回折型フィルタを用いることにより、遮光する波長の透過率を抑制し透過する波長との消光比を大きくすることが可能となる。

２．前記液晶性材料の異常光屈折率を示す液晶分子の配向軸方向は、前記回折格子の近傍で、前記回折格子の長手方向と平行とされている上記１の積層偏光性回折型フィルタ。
上記構成によれば、液晶性材料の異常光屈折率を示す配向軸を格子長手方向と平行にすることで、格子壁面による液晶性材料に対する配向規制力を、液晶分子の配向に利用することが可能になる。

３．前記回折格子を構成する凹凸部は、透明基板上に形成された薄膜により形成されている上記１または２の積層偏光性回折型フィルタ。
上記構成によれば、回折格子の凹凸部は透明基板上に形成された薄膜により形成されているため、透明基板とは異なる任意の屈折率を有する材料で形成でき、光学部材の選択の幅を広げることが可能となる。

４．前記光学部材に含まれる液晶性材料の異常光屈折率を示す液晶分子の配向軸方向が前記透明基板面に垂直な方向の周りに９０度回転しているように、前記光学部材が配置されている上記１に記載の積層偏光性回折型フィルタ。
上記構成によれば、回折格子の間にある液晶が旋光子として機能することから直交する２つの回折格子の偏光特性は略等しくなり、複層化によって消光比が向上するとともに回折迷光の影響も抑制することが可能となる。

５． 前記光学性部材に含まれる液晶性材料の異常光屈折率を示す液晶分子の配向軸方向は、対向する回折格子のそれぞれの近傍で、前記回折格子の長手方向と平行とされている上記１から４のいずれかに記載の積層偏光性回折型フィルタ。
６．前記回折格子の少なくとも凹部に成膜された透明導電膜を備え、前記透明導電膜は、前記透明基板に対して垂直、もしくは前記回折格子の長手方向と直交している方向に電圧を印加して、前記液晶性材料を駆動することができるように形成されている上記１から５に記載の積層偏光性回折型フィルタ。
上記構成によれば、内蔵された電極に印加された電圧により液晶を駆動することで、偏光を変化させる機能を有する素子を内蔵した、透過する波長を変化させる回折フィルタとすることが可能になる。特に、前記回折格子の格子長手方向と直交する方向に、換言すれば回折格子の回折方向と平行な方向に電圧を印加する場合には、液晶性材料の異常光屈折率を示す配向軸が面内で変化することで、電圧無印加持に透過する波長を選択することが可能となる。
７．第１の偏光性回折型フィルタおよび第２の偏光性回折型フィルタを積層してなる積層偏光性回折型フィルタであって、第１の偏光性回折型フィルタおよび第２の偏光性回折型フィルタの各々は、異なる２つ以上のピーク波長の光が入射するとともに前記２つ以上の光のうち少なくとも一つのピーク波長の光を回折により遮光し、その他のピーク波長の光を透過する偏光性回折型フィルタであって、前記第１および第２の偏光性回折型フィルタは、透明基板上に回折格子を構成する周期的な凹凸部が形成されているとともに、凹部には光学部材が充填され、かつ、前記凹凸部を構成する部材もしくはこの前記凹部を充填する光学部材のうち少なくとも一方は、液晶性材料を含み、互いに直交する偏光方向を有する第１の直線偏光および第２の直線偏光に対して、第１の偏光性回折型フィルタは、第１の直線偏光をほぼ全て透過するとともに第２の直線偏光を回折するものであって、第２の偏光性回折型フィルタは、第１の直線偏光を回折するとともに第２の直線偏光をほぼ全て透過するものである、積層偏光性回折型フィルタ。
上記構成によれば、直交する直線偏光の一方にのみ作用する回折フィルタを組み合わせて設けることで、入射する全ての偏光を利用することが可能になり、利用効率を高めることができる。

８．第１の偏光性回折型フィルタおよび第２の偏光性回折型フィルタを積層してなる積層偏光性回折型フィルタであって、第１の偏光性回折型フィルタおよび第２の偏光性回折型フィルタの各々は、異なる２つ以上のピーク波長の光が入射するとともに前記２つ以上の光のうち少なくとも一つのピーク波長の光を回折により遮光し、その他のピーク波長の光を透過する偏光性回折型フィルタであって、前記第１および第２の偏光性回折型フィルタは、透明基板上に回折格子を構成する周期的な凹凸部が形成されているとともに、凹部には光学部材が充填され、かつ、前記凹凸部を構成する部材もしくはこの前記凹部を充填する光学部材のうち少なくとも一方は、液晶性材料を含み、第１の偏光性回折型フィルタがピーク波長の光に対して発生する位相差が、第２の偏光性回折型フィルタがピーク波長の光に対して発生する位相差の略２倍である積層偏光性回折型フィルタ。
上記構成によれば、透過する光の強度に対する波長依存性において、半値全幅を小さくすることができる。
また、上記してきたような回折型フィルタを用いることで、これらいずれのフィルタであってもこれを構成部品として用いることで、安価で設計自由度の大きい光ヘッド装置や画像処理装置とすることが可能となる。

本発明によれば、透明基板上に形成された周期的な凹凸部または凹凸部の凹部を充填する充填部の少なくとも一部は、複屈折性を有する液晶性材料で構成されていることにより、透過するピーク波長を変化させることが可能となる。

本発明の第１の実施態様における積層偏光性回折型フィルタ素子の構成例を示す斜視図。 本発明の第２の実施態様における積層偏光性回折型フィルタ素子の構成例を示す斜視図。 本発明の積層偏光性回折型フィルタの透過特性を示すグラフ。 本発明の第３の実施態様における積層偏光性回折型フィルタ素子の構成例を示す斜視図。 本発明の第３の実施態様における積層偏光性回折型フィルタ素子の構成例を示す斜視図。 本発明の第３の実施態様における積層偏光性回折型フィルタの透過特性を示すグラフ。

符号の説明

１０、２０、３０、４０ 積層偏光性回折型フィルタ
１１、１３、２１、２３、３１、３３、４１，４３ 透明基板
１２、２２、２４、３２、３４、４２，４４ 回折格子
１４、２５、３５、４５ 透明導電膜
１５、２６、３６、４６ 液晶

以下、本発明の実施態様について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。なお以下において、ピーク波長のことを単に「波長」と表現する。ここで、ピーク波長とは波長分散スペクトルにおいてピークとなる波長を意味する。
また以下の説明では、偏光性回折型フィルタを回折格子が対向するように積層してなる積層偏光性回折型フィルタを対象とする。
（第１の実施態様）
図１は、本発明の第１の実施態様である積層偏光性回折型フィルタ１０を示す斜視図であり、この積層偏光性回折型フィルタ１０は、屈折率がｎ_ｓであるガラス等の透明基板１１上に周期的な凹凸からなる深さがｄの回折格子１２が形成されている。回折格子１２上には、ＩＴＯ等の薄膜が成膜され透明導電膜１４を形成している。同様にＩＴＯを透明導電膜１４として表面に成膜して、対向する透明基板１３とした。透明基板１１および１３の片面に図示しない配向膜を形成し回折格子１２の格子長手方向と平行な方向、換言すれば回折格子の回折方向と直交する方向に配向処理を施してある。また後述するように、透明導電膜１４が対向する透明基板１１，１３間の空間には液晶性材料（液晶）１５が充填されており、液晶セルを構成している。
次に、本実施例の積層偏光性回折型フィルタ１０の製造方法について説明する。
（１）初めに、屈折率がｎ_ｓであるガラス等の透明基板１１を用意する。そしてその片面に、フォトリソグラフィーにより周期的な凹凸からなる深さがｄの回折格子１２を形成する。

本実施例の回折格子１２は、透明基板１１を直接加工しても良いし、透明基板１１上に成膜された無機膜または有機膜を加工してもよい。回折格子１２を形成する材料の屈折率は、一様な材料を用いる場合には、使用する液晶性材料の異常光屈折率ｎ_ｅから常光屈折率ｎ_ｏまでの範囲にないことが、中間の電圧で屈折率の一致により、回折が生じない状態を発生させないためには好ましい。特に、異常光屈折率ｎ_ｅよりも高い屈折率か、常光屈折率ｎ_ｏよりも低い屈折率が好ましいが、液晶性材料の屈折率と十分に解離した屈折率の材料を用いることが、格子深さを浅くできることから好ましい。
なお、高屈折率材料としては、ＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、Ｎｂ_２Ｏ_５などを使用することが可能であり、低屈折率材料としては、ＳｉＯ_２、ＭｇＦ_２などに加えて、波長に対して十分に小さな空孔を有することで実効的に低屈折率とした材料などを用いることが可能である。
使用する透明基板１１との屈折率差による界面反射（フレネル反射）損失に起因する透過率低下を抑制するためには、低屈折率材料の方が好ましい。

また、回折格子１２を形成する材料（部材）は、単一の材料からなる一様な屈折率に限定するものではなく、複数の材料から構成することも可能である。例えば、屈折率差から生じる位相を固定部と可変部に分離し、固定部として屈折率差が大きくとれる高屈折率材料と低屈折率材料との組み合わせで一定の位相を発生し、可変部として液晶材料と中間屈折率材料との組み合わせを用いることも可能である。
この場合、液晶の駆動により変化させる位相の範囲を設定する自由度が増加し好ましい。また、誘電体多層膜を格子材料として用いることも可能であり、透過率、実効屈折率などの波長依存性を積層構成の適正化で設計することも可能である。
また、格子材料として、複屈折性を有する液晶性高分子を加工して用いることも可能である。この場合、格子凹部は光学的な部材として、空気を含む低屈折率材料から高屈折率材料までの種々の等方性材料で充填することが可能である。また、格子凹部に複屈折性を有する液晶を充填することで、凸部および凹部のいずれにも複屈折性材料を用いた構成とすることも可能である。

また、透明基板１１上に成膜した材料で格子を形成する場合には、透明電極となる透明導電膜１４を、格子である凹凸部分の下部（底面）、上部（上面）のいずれにも形成することが可能である。ただし、格子凸部を形成する材料による印加電圧低下を抑制するためには、格子最上面および底部、すなわち凹凸部の表面にのみ電極が形成されていることが液晶に印加される電圧の低下がなく、透明基板に挟まれる均一液晶層に位相変調が発生しにくく好ましい。
また、透明基板上１１上に成膜した材料で格子を形成する場合には、透明電極となる透明導電膜１４を、上記において凹凸部分の下部と表現されているように、格子を形成する薄膜の下に一様に配置することも可能であり、透明基板に挟まれる均一液晶層の厚さが充分に大きく、均一液晶層に対する格子部による電圧降下の影響が少ない場合には、印加する電圧の均一性が高く、プロセスも簡便になり好ましい。

（２）次に、透明基板１１の回折格子１２を形成してある方の片面および透明基板１３の回折格子１２に対向する片面に、図示しない配向膜をそれぞれ形成し、（回折格子１２の）格子長手方向と平行な方向に配向処理を施したのち、所望の間隔を維持するために図示しないスペーサを含有する周辺シールを用いて、双方の透明基板１１および１３を接着する。

（３）その後、異常光屈折率がｎ_ｅ、常光屈折率がｎ_ｏ（ここで、ｎ_ｓ≠ｎ_ｅ≠ｎ_ｏ）の液晶性材料１５を双方の透明基板１１および１３間の空間に注入し、液晶を用いた積層偏光性回折型フィルタ１０とした。なお、液晶性材料１５としては液晶分子内に重合基を有する液晶を使用し、紫外光の照射などの方法で重合硬化したものを用いることも可能である。この場合、別途設置した位相子や旋光子などで偏光状態を切り替えることで、同様に透過する波長や回折する波長を切り替えることも可能である。

本実施態様の積層偏光性回折型フィルタ１０において、透明導電膜１４の間に電圧を印加していないときに、波長がλで格子の長手方向と平行な直線偏光を入射したとする。この場合、透明基板１１の屈折率ｎ_ｓと液晶性材料１５の格子に平行な異常光屈折率ｎ_ｅとを用いれば、前述の液晶セルの周期的な凹凸の界面に入射する直線偏光に対する透過光の透過率を決定する位相差Φが、（１）式により決まる。

一方、透明導電膜１４に矩形交流電圧を印加し、液晶を駆動することで、前記直線偏光に対する異常光屈折率ｎ_ｅは、常光屈折率ｎ_ｏに向けて連続的に変化する。このため、入射する直線偏光に対する透過率を決定する位相差Φを、連続的に、（２）式で示す位相差Φに向けて連続的に変化させることが可能である。

透明導電膜１４に印加する電圧を調整することで、例えば、Ｖ_０、Ｖ_１、Ｖ_２の印加電圧に対する位相差を、２π・λ_１／λ、２π・λ_２／λ、２π・λ_３／λとすることが可能であり、この回折格子は、印加電圧がＶ_０、Ｖ_１、Ｖ_２のときに、透過する波長がλ_１，λ_２，λ_３と変化する積層偏光性回折型フィルタとして機能する。また、同様に印加する電圧で回折遮光する波長を切り替えるフィルタとすることも可能である。

（第２の実施態様）
次に、本発明の第２の実施態様である積層偏光性回折型フィルタ２０について、図２を参照しながら説明する。
この積層偏光性回折型フィルタ２０は、本発明の第１の実施態様である積層偏光性回折型フィルタ１０と同様な回折格子２２、２４を、透明基板２１、２３の対向する面にそれぞれ形成してあり、格子の長手方向が互いに直交するように対向して積層してある点が異なる。

即ち、本実施態様の積層偏光性回折型フィルタ２０は、透明基板２１に形成の回折格子２２と略同じ構成の回折格子２４を、対向する透明基板２３にも配置する構成としている。この回折格子２２，２４は、第１の実施態様と同様に、格子と平行な方向に配向処理を施したことで、液晶の配向は、略９０度ねじれ（回転し）ており、旋光子としての機能もあわせて有する。
ここで、液晶の配向とは液晶分子の配向を意味する。以下においても同様である。

２つの透明導電膜２５の間に電圧を印加していないときには、波長がλで格子の長手方向と平行な直線偏光を入射光とした場合、透明基板２１に設置された回折格子２２では、第１の実施態様と同様に、透明基板２１の屈折率ｎ_ｓと液晶性材料２６の格子長手方向に平行な異常光屈折率ｎ_ｅでの透過特性となる。透明基板２１と対向する透明基板２３との間における液晶の配向方向のねじれ（回転）により、入射直線偏光は略９０度回転する。その結果、対向する透明基板２３の回折格子２４においても、透明基板２１と同じく、透明基板２３と液晶性材料２６の格子長手方向に平行な異常光屈折率ｎ_ｅでの透過特性となる。

この結果、例えば透明導電膜２５間に電圧Ｖ_０を印加した場合、第１の実施態様の単一の回折格子１２での透過率が、例えば、波長λ_１，λ_２、λ_３に対して、おのおのＴ_１、Ｔ_２，Ｔ_３（Ｔ_１＞Ｔ_２＞Ｔ_３）とすると、第２の実施態様の場合には、おのおの、Ｔ_１ ^２、Ｔ_２ ^２，Ｔ_３ ^２（Ｔ_１ ^２＞＞Ｔ_２ ^２＞＞Ｔ_３ ^２）となり、透過する波長の光と、回折遮光する波長の光との消光比が改善される。また、印加する電圧を十分に大きくとれば、液晶の配向方向は透明基板２１，２３に対して垂直となり、液晶セルの旋光子としての機能はなくなるものの、双方の回折格子２２，２４ともに、透明基板２１，２３の屈折率ｎ_ｓと液晶性材料の常光屈折率ｎ_ｏでの透過特性となり、同様に消光比が向上する。

図３に、本実施の態様での、フィルタ特性を示す。図３中の実線Ａは電圧を無印加での透過率を示す。図３中の点線Ｂおよび破線Ｃは、それぞれＶ_１、およびＶ_２ （ただし、Ｖ_１＜Ｖ_２）の電圧を印加した際の透過率をそれぞれ示す。図３によれば、印加電圧を大きくしていくことで、透過波長が、短波長側にシフトしていくことがわかる。

（第３の実施態様）
次に、本発明の第３の実施態様である積層偏光性回折型フィルタ３０について、図４を参照しながら説明する。
本実施態様の積層偏光性回折型フィルタ３０は、第２の実施態様と異なり、透明基板３１、３３上に形成された周期的な凹凸を有する回折格子３２、３４の形成材料の屈折率が、一方の回折格子３２（または３４）では、異常光屈折率に等しく、他方の回折格子３４（または３２）では、常光屈折率に等しい。また、本実施態様では、液晶３６の配向方向が、一方の回折格子３２（または３４）では、格子の長手方向と平行であり、他方の回折格子３４（または３２）では、格子の長手方向と垂直であることも、第２の実施態様と異なる。

次に、本実施態様の積層偏光性回折型フィルタ３０の作製方法について説明する。
（１）初めに、使用する液晶性材料の常光屈折率ｎ_ｏと略等しい屈折率を有する等方性材料を透明基板３１上に成膜し、フォトリソグラフィーにより、使用する液晶性材料の常光屈折率ｎ_ｏと略等しい屈折率を有する材料からなる周期的な凹凸からなる深さがｄの第１の回折格子３２を形成する。一方、これと対向する透明基板３３上には、使用する液晶性材料の異常光屈折率ｎ_ｅと略等しい屈折率を有する等方性材料を透明基板３３上に成膜し、使用する液晶性材料の異常光屈折率ｎ_ｅと略等しい屈折率を有する材料からなる周期的な凹凸からなる深さがｄの第２の回折格子３４を形成する。

（２）また、両方の回折格子３２、３４の凹凸上には、第１、第２の実施態様と同様に、透明導電膜３５を各透明基板３１、３３の対向面にそれぞれ成膜する。回折格子３２では、格子方向に平行な方向に配向処理を施し、対向する透明基板３３上の回折格子３４では、格子方向に垂直な配向処理を施す。

（３）次に、第２の実施態様と同様に、２枚の対向する透明基板３１、３３を格子方向が略直交するような状態で、所定の空間を保持して双方の透明基板３１、３３を接着した後、異常光屈折率がｎ_ｅ、常光屈折率がｎ_ｏの液晶性材料３６を注入し、液晶セルとする。

本実施態様の積層偏光性回折型フィルタ３０においては、２つの透明導電膜３５の間の液晶に電圧を印加していないときに、波長がλで第１の回折格子３２の格子方向と平行な直線偏光を入射した場合、第１の回折格子３２では、入射する直線偏光に対する透過率は、位相差Φ＝２π・（ｎ_ｅ−ｎ_ｓ）・ｄ／λとなり、第２の回折格子３４では位相差が略ゼロとなる。一方、波長がλで第１の回折格子３２の格子方向と垂直な直線偏光を入射光とした場合、第１の回折格子３２では位相差が略ゼロとなり、第２の回折格子３４では位相差Φ＝２π・（ｎ_ｅ−ｎ_ｓ）・ｄ／λとなる。
他方、液晶への電圧の印加により、回折格子３２と回折格子３４の位相差は、略等しい変化を示すことから入射する光の全ての偏光状態に対して等しく、位相差すなわち透過率を変化させることが可能となる。

以上説明した本発明の第１から第３の実施態様にあっては、回折格子の形成にリソグラフィーを用いていることから、光の入射する領域において特定の一部分だけフィルタを設置することも可能であり、格子の長手方向、深さ、周期などを領域によって変更することも容易である。
また、第１から第３の実施態様の回折フィルタは、例えば、波長４０５ｎｍ帯、６６０ｎｍ帯、７９０ｎｍ帯の光があわせて用いられる光ディスク装置の光学系内に配置して用いることが可能であり、有効領域の全面もしくは一部分に対して使用する波長の光を透過させ、使用しない波長の光を回折遮蔽する波長選択フィルタとして用いることが可能である。
また、可視域の光を用いる画像表示装置や画像読み込み装置に対しては、例えば波長が４５０ｎｍ帯、５５０ｎｍ帯、６５０ｎｍ帯の青、緑、赤に対して作用する可変フィルタとして用いることが可能である。
（第４の実施態様）
次に、本発明の第４の実施態様である積層偏光性回折型フィルタ４０について、図５を参照しながら説明する。
この積層偏光性回折型フィルタ４０は、本発明の第２の実施態様である積層偏光性回折型フィルタ２０（図２参照）が略等しい特性を有する回折格子２２、２４を用いているのに対して、特性の異なる回折格子４２、４４を、透明基板４１、４３の対向する面にそれぞれ形成し、格子の長手方向が互いに直交するように対向して積層してある点が異なる。
即ち、本実施態様の積層偏光性回折型フィルタ４０は、透明基板４１に形成の回折格子４２と構成が異なることで特性の異なる回折格子４４を、対向する透明基板４３にも配置する構成としている。この回折格子４２、４４は、第１の実施態様と同様に、格子と平行な方向に配向処理を施したことで、第２の実施態様である積層偏光性回折型フィルタ２０と同様に、液晶の配向は、略９０度ねじれ（回転し）ており、旋光子としての機能もあわせて有する。
２つの透明導電膜４５の間に電圧を印加していないときには、波長がλで格子の長手方向と平行な直線偏光を入射光とした場合、透明基板４１に設置された回折格子４２では、第１の実施態様と同様に、透明基板４１の屈折率ｎ_ｓと液晶性材料４６の格子長手方向に平行な異常光屈折率ｎ_ｅでの透過特性となる。透明基板４１と対向する透明基板４３との間における液晶の配向方向のねじれ（回転）により、入射直線偏光は略９０度回転する。その結果、対向する透明基板４３の回折格子４４においても、透明基板４１と同じく、透明基板４３と液晶性材料４６の格子長手方向に平行な異常光屈折率ｎ_ｅでの透過特性となる。
液晶セルの周期的な凹凸の界面に入射する直線偏光に対する透過光の透過率を決定する位相差Φは第１の実施の態様と同様に、電圧の印加により式１から式２へと変化する。回折格子４２、４４の格子深さを適切に選定することで、例えば、Ｖ_０、Ｖ_１、Ｖ_２の印加電圧に対する位相差を、第１の回折格子に対しては、２π・λ_１／λ、２π・λ_２／λ、２π・λ_３／λとし、第２の回折格子に対しては、２×（２π・λ_１／λ）、２×（２π・λ_２／λ）、２×（２π・λ_３／λ）とすることが可能となる。この場合、ある透過波長周辺における、第２の回折格子での透過スペクトルの波長に対する半値全幅は、第１の回折格子での透過スペクトルの波長の半値全幅よりも狭くなり、色純度が向上する。この効果は、第１の回折格子の位相差と第２の回折格子の位相差とは等しい必要はなく、いずれもが透過させる波長の整数倍になっていればよいが、透過率の低下の抑制ならびに、位相差が波長の整数倍で増加した際に、目的とする透過波長以外の波長で発生する透過ピークの数を抑えるためには位相は小さい方が好ましく、２つの回折格子の位相差が、透過させる波長の、１倍および２倍の組み合わせが、前述の理由で最も好ましい。
この様な組み合わせの位相差とした結果、例えば２つの透明導電膜４５間に電圧Ｖ_０を印加した場合、第１の回折格子４２での透過率を、例えば、波長λ_１，λ_２、λ_３に対して、おのおのＴ^１ _１、Ｔ^１ _２，Ｔ^１ _３とし、第２の回折格子４４での透過率を、例えば、波長λ_１，λ_２、λ_３に対して、おのおのＴ^２ _１、Ｔ^２ _２，Ｔ^２ _３とすると、第４の実施態様の場合には、素子透過後の特性は、おのおの、Ｔ^１ _１×Ｔ_１ ^２、Ｔ^１ _２×Ｔ_２ ^２、Ｔ^１ _３×Ｔ_３ ^２となる。第１の回折格子と第２の回折格子の透過特性を適切に設定することで、第１の実施態様や第２の実施態様で得られる特性に比べて、消光比の向上や、波長λ_１、λ_２、λ_３の間のコントラストの向上が可能となる。図６に、本実施の態様での、フィルタ特性の一例を示す。図６中の点線Ａは第１の回折格子の透過率を、破線Ｂは第２の回折格子の透過率をそれぞれ示す。２枚の回折格子の格子長手方向を直交して積層することで図６中に実線Ｃで示した透過率を示し、透過ピーク波長周辺での半値全幅が狭窄化されることがわかる。

以下に、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。
「例１」
本実施例では、図１を参照しながら第１の実施態様に係わる積層偏光性回折型フィルタ１０の具体的な作成方法を説明する。
透明基板１１として屈折率が、１．４６の石英ガラス基板を用い、この石英ガラス基板表面に、格子周期が１０μｍで深さ２μｍの回折格子１２をフォトリソグラフィーにより形成する。次に厚さが２０ｎｍのＩＴＯ膜をスパッタ法にて、透明導電膜１４として、回折格子１２上および対向する透明基板１３に成膜する。その後、図示しない配向膜としてポリイミド樹脂を塗布した後に焼成し、配向方向が格子１２の方向と平行になるようラビングによる配向処理を施す。その後、相対する配向方向が平行となるように、図示しない１０μｍのグラスファイバスペーサを含有するエポキシの周辺シールを透明基板１３の周辺に印刷し、熱圧着より透明基板１１と接着して液晶セルとする。このセルに、真空注入法にて、異常光屈折率が１．７６であり，常光屈折率が１．５１である液晶１５を注入封止し、積層偏光性回折型フィルタ１０とする。

この回折フィルタ１０によれば、回折フィルタ１０の前側位置に設置した図示外の偏光子を透過した格子の長手方向に平行な直線偏光の入射に対して、透明導電膜１４間に電圧を印加していない状態では、波長が６５０ｎｍの光に対しては、８５％以上の高い透過率を示すのに対して、波長が４５０ｎｍの光に対しては、１５％以下の低い透過率を示す。
一方、透明電極１４の間に、周波数１ｋＨｚの交流矩形電圧を印加し変化させることで透過する波長のピークは徐々に短波長側にシフトし、約３Ｖの印加電圧で波長が４５０ｎｍの光を８５％以上透過し、波長が６５０ｎｍの光の透過率は１５％以下となる。ランダムな入射偏光に対しての利用率は、前側の位置に設置した偏光子にて光量が半減しているが、透過する波長に対して約４０％が得られる。

「例２」
本実施例では、図４を参照しながら、先に説明した第３の実施態様に係わる積層偏光性回折型フィルタ３０の具体的な製造方法を説明する。
透明基板３１として屈折率が１．５１のガラス基板を用い、その表面に使用する液晶材料の常光屈折率１．５１と略等しくなるように組成比を調整した厚さ２．６μｍのＳｉＯＮ膜をプラズマＣＶＤ法にて成膜する。対向する透明基板３３の表面には、使用する液晶材料の異常光屈折率１．７６と略等しくなるように異なる組成比に調整した厚さ２．６μｍのＳｉＯＮ膜を同様に成膜する。

両方のＳｉＯＮ膜に対して、格子周期が２５μｍで深さ２．６μｍの回折格子３２および３４をフォトリソグラフィーにより形成する。透明導電膜３５として、厚さ２０ｎｍのＩＴＯ膜をスパッタ法にて、回折格子３２および３４の上に成膜する。その後、図示しない配向膜としてポリイミド樹脂を塗布、焼成し、配向方向が回折格子３２に対しては格子の長手方向と平行であり、回折格子３４に対しては格子の長手方向と垂直となるようにラビングによる配向処理を施す。

その後、相対する配向方向が平行となるように、図示しない１０μｍのグラスファイバスペーサを含有するエポキシの周辺シールを透明基板３３の周辺に印刷し、熱圧着より双方の透明基板３１、３３を接着し液晶セルとする。セルには、真空注入法にて、異常光屈折率が１．７６であり，常光屈折率が１．５１である液晶３６を注入封止し、積層偏光性回折型フィルタ３０とする。

回折格子３２および３４は、直交する直線偏光に対して、独立に作用するため、ランダムな偏光の入射に対して、電圧を印加していない状態では、波長が６５０ｎｍの光に対しては、８５％以上の高い透過率を示すのに対して、波長が４５０ｎｍの光に対しては、１０％以下の低い透過率を示す。２つの透明導電膜３５の間に、周波数１ｋＨｚの交流矩形電圧を印加することで透過する波長のピークは徐々に短波長側にシフトし、約２．５Ｖの印加電圧で波長が４５０ｎｍの光を８５％以上透過し、波長が６５０ｎｍの光を透過率は１０％以下となる。例１と異なり前側に配置する偏光子を用いていないため、透過する波長に対しての利用率は、約８０％が得られる。
「例３」
本実施例では、図５を参照しながら、先に説明した第４の実施態様に係わる積層偏光性回折型フィルタ４０の具体的な製造方法を説明する。
透明基板４１として屈折率が１．５１のガラス基板を用い、その表面に透明導電膜４５として、厚さ２０ｎｍのＩＴＯ膜をスパッタ法にて一様に成膜する。透明導電膜４５の上に屈折率が約２．２、厚さ１．２μｍのＴａ_２Ｏ_５膜を真空蒸着法にて成膜する。対向する透明基板４３の表面にも同様に透明導電膜４５として厚さ２０ｎｍのＩＴＯ膜と、屈折率が約２．２、厚さ２．４μｍのＴａ_２Ｏ_５膜を同様に順次成膜する。
両方のＴａ_２Ｏ_５膜に対して、格子周期が２μｍで深さ１．２μｍの回折格子４２および格子周期が２μｍで深さ２．４μｍの回折格子４４をフォトリソグラフィー法により形成する。その後、図示しない配向膜として照射した紫外光の偏光方向に液晶を配向させるポリビニルシナメート樹脂を塗布、焼成し、配向方向が回折格子４２に対しても回折格子４４に対しても格子の長手方向と平行となるように偏光紫外光照射による配向処理を施す。
その後、相対する格子の長手方向および配向方向が直交するように、図示しない１０μｍのグラスファイバスペーサを含有するエポキシの周辺シールを透明基板４３の周辺に印刷し、熱圧着より双方の透明基板４１、４３を接着し液晶セルとする。セルには、真空注入法にて、異常光屈折率が１．７６、常光屈折率が１．５１である液晶４６を注入封止し、積層偏光性回折型フィルタ４０とする。
この積層偏光性回折型フィルタ４０によれば、積層偏光性回折型フィルタ４０の前側位置に設置した図示外の偏光子を透過した、格子の長手方向に平行な偏光方向の直線偏光の入射光に対して、２つの透明導電膜４５間に電圧を印加していない状態では、波長が４５０ｎｍの光に対しては、８０％以上の高い透過率を示すのに対して、波長が５５０ｎｍおよび６５０ｎｍの光に対しては、１０％以下の低い透過率を示す。
一方、２つの透明電極４５の間に、周波数１ｋＨｚの交流矩形電圧を印加し変化させることで透過する波長のピークは徐々に長波長側にシフトし、約３Ｖの印加電圧で波長が５５０ｎｍの光を８０％以上透過し、波長が４５０ｎｍおよび６５０ｎｍの光の透過率は１０％以下となる。さらに電圧を印加することで波長が６５０ｎｍの光を８０％以上透過し、波長が４５０ｎｍおよび５５０ｎｍの光の透過率は１０％以下となる。

なお、本発明は、上述した実施態様に何ら限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施し得るものである。

本発明は、透過または回折遮光する波長が可変であるため、多数の波長を用いる光ディスクへの情報を記録または再生する光ヘッド装置や、可視域全体の波長範囲を用いる画像表示または画像処理装置の部品として用いることにより、装置が単純で部品点数を低減し、小型・軽量化することができるようになり、便宜である。

なお、２００４年７月２９日に出願された日本特許出願２００４−２２１２６５号の明細書、特許請求の範囲、図面及び要約書の全内容をここに引用し、本発明の明細書の開示として、取り入れるものである。

Claims (8)

1. 一対の偏光性回折型フィルタを、回折格子が対向するように積層してなる積層偏光性回折型フィルタであって、前記偏光性回折型フィルタは、
   異なる２つ以上のピーク波長の光が入射するとともに前記２つ以上の光のうち少なくとも一つのピーク波長の光を回折により遮光し、その他のピーク波長の光を透過する偏光性回折型フィルタであって、
   前記偏光性回折型フィルタは、透明基板上に回折格子を構成する周期的な凹凸部が形成されているとともに、
   凹部には光学部材が充填され、かつ、液晶性材料を含むとともに、前記対向する回折格子の間に充填されており、前記対向する回折格子の長手方向は互いに直交するように配置されてなる積層偏光性回折型フィルタ。
2. 前記液晶性材料の異常光屈折率を示す液晶分子の配向軸方向は、前記回折格子の近傍で、前記回折格子の長手方向と平行とされている請求項１に記載の積層偏光性回折型フィルタ。
3. 前記回折格子を構成する凹凸部は、透明基板上に形成された薄膜により形成されている請求項１または２の積層偏光性回折型フィルタ。
4. 前記光学部材に含まれる液晶性材料の異常光屈折率を示す液晶分子の配向軸方向が前記透明基板面に垂直な方向の周りに９０度回転しているように、前記光学部材が配置されている請求項１に記載の積層偏光性回折型フィルタ。
5. 前記光学性部材に含まれる液晶性材料の異常光屈折率を示す液晶分子の配向軸方向は、対向する回折格子のそれぞれの近傍で、前記回折格子の長手方向と平行とされている請求項１から４のいずれか１項に記載の積層偏光性回折型フィルタ。
6. 前記回折格子の少なくとも凹部に成膜された透明導電膜を備え、前記透明導電膜は、前記透明基板に対して垂直、もしくは前記回折格子の長手方向と直交している方向に電圧を印加して、前記液晶性材料を駆動することができるように形成されている請求項１から５のいずれか１項に記載の積層偏光性回折型フィルタ。
7. 第１の偏光性回折型フィルタおよび第２の偏光性回折型フィルタを積層してなる積層偏光性回折型フィルタであって、第１の偏光性回折型フィルタおよび第２の偏光性回折型フィルタの各々は、
   異なる２つ以上のピーク波長の光が入射するとともに前記２つ以上の光のうち少なくとも一つのピーク波長の光を回折により遮光し、その他のピーク波長の光を透過する偏光性回折型フィルタであって、
   前記第１および第２の偏光性回折型フィルタは、透明基板上に回折格子を構成する周期的な凹凸部が形成されているとともに、
   凹部には光学部材が充填され、かつ、前記凹凸部を構成する部材もしくはこの前記凹部を充填する光学部材のうち少なくとも一方は、液晶性材料を含み、
   互いに直交する偏光方向を有する第１の直線偏光および第２の直線偏光に対して、第１の偏光性回折型フィルタは、第１の直線偏光をほぼ全て透過するとともに第２の直線偏光を回折するものであって、第２の偏光性回折型フィルタは、第１の直線偏光を回折するとともに第２の直線偏光をほぼ全て透過するものである、積層偏光性回折型フィルタ。
8. 第１の偏光性回折型フィルタおよび第２の偏光性回折型フィルタを積層してなる積層偏光性回折型フィルタであって、第１の偏光性回折型フィルタおよび第２の偏光性回折型フィルタの各々は、
   異なる２つ以上のピーク波長の光が入射するとともに前記２つ以上の光のうち少なくとも一つのピーク波長の光を回折により遮光し、その他のピーク波長の光を透過する偏光性回折型フィルタであって、
   前記第１および第２の偏光性回折型フィルタは、透明基板上に回折格子を構成する周期的な凹凸部が形成されているとともに、
   凹部には光学部材が充填され、かつ、前記凹凸部を構成する部材もしくはこの前記凹部を充填する光学部材のうち少なくとも一方は、液晶性材料を含み、
   第１の偏光性回折型フィルタがピーク波長の光に対して発生する位相差が、第２の偏光性回折型フィルタがピーク波長の光に対して発生する位相差の略２倍である積層偏光性回折型フィルタ。

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