JP5055694B2 - 偏光性回折素子および光ヘッド装置 - Google Patents

Description

本発明は、偏光性回折素子およびこの偏光性回折素子を構成要素として含む光ヘッド装置に係り、特に円偏光選択反射に起因した大きな旋光分散特性を有する旋光性材料を用いた偏光性回折素子および光ヘッド装置に関する。

コレステリック液晶やカイラル材が含有されたネマティック液晶は、螺旋構造のねじれ配向をなすコレステリック相液晶となり、螺旋ピッチＰが入射光の波長λと同程度の場合、螺旋軸方向から入射した液晶のねじれ方向と同じ回転方向を有する円偏光が反射され、逆向きの回転を有する円偏光が透過する円偏光依存性を有する（これを「円偏光選択反射」とよぶ）ことが知られている。

また、このコレステリック相液晶では、例えば液晶のねじれ方向を右回りとすると、右回り円偏光の入射光に対しては、円偏光選択反射をもたらす波長帯（これを「反射波長帯」とよぶ）が存在し、その反射波長帯の近傍（反射波長帯近傍）で、大きな旋光分散（波長により旋光性が異なる現象）を示す。一方、左回り円偏光の入射光に対しては、反射波長帯が存在しないため、小さな旋光分散を示すことが、非特許文献１に記載されている。
すなわち、コレステリック相液晶の円偏光選択反射機能を有する反射波長帯域の近傍の透過波長帯域において、右回り円偏光と左回り円偏光で旋光性に顕著な相違が発生する。

また、螺旋ピッチＰが比較的小さなコレステリック相液晶において、コレステリック相と等方相の中間温度域に、コレステリックブルー相（このコレステリックブルー相状態の液晶を「ブルー相液晶」とよぶ）を発現することが知られている。
このブルー相液晶は、二重ねじれ螺旋内部構造を有する円筒状部分が空間的に規則正しく配列した３次元周期格子構造をなしており、回折条件を満たす波長および入射角の入射光をブラッグ回折する。ここで発生するブラッグ回折光は、コレステリック相液晶と同様に円偏光依存性を有するが、コレステリック相液晶に比べ円偏光選択反射の反射波長帯域は狭いため、より狭い反射波長帯域の近傍の透過波長帯域において、右回り円偏光と左回り円偏光で旋光性の顕著な相違が発生する。

また、従来のブルー相の温度範囲は、数℃程度と極めて狭かったため、ブルー相液晶を応用した実用的素子は実現するのが困難であった。しかし、近年、液晶にモノマを混合しブルー相液晶の温度域で紫外線を照射することにより、モノマを高分子化してブルー相液晶の温度範囲が６０℃以上に拡大された高分子安定化ブルー相液晶が得られることが報告されている（例えば、非特許文献２参照）。

ところで、ＣＤやＤＶＤなどのような光ディスクや光磁気ディスクなどの光記録媒体の情報記録面上に情報を記録及び／又は情報を再生する（以下、「記録・再生」と呼ぶ）光ヘッド装置では、半導体レーザからの出射光が対物レンズを介して光ディスクの情報記録面に集光されるとともに反射されて戻り光となり、この戻り光がビームスプリッタを介して光検出器である受光素子へ導かれる。ここで、このビームスプリッタとして、例えば回折素子の一種であるホログラムビームスプリッタなどを用いることにより、光の進行方向を回折によって偏向して光検出器に導くことができるため、光ヘッド装置の小型化が実現している。
また、ＤＶＤ用の半導体レーザとＣＤ用の半導体レーザを搭載した光ヘッド装置において、規格の異なる光記録媒体であるＤＶＤおよびＣＤ用の光ディスクの情報を記録・再生できるＤＶＤ／ＣＤ互換光ヘッド装置も実用化されている。

ところで、このような光ヘッド装置の小型化と高い光利用効率を実現するために、配向方向の揃った高分子液晶からなる矩形回折格子の凹凸部での位相差を、ＣＤ用の波長の異常光に対して波長の自然数倍、かつ、常光に対してゼロとなるように加工することにより、ＤＶＤ用の６５０ｎｍ波長帯の常光偏光を透過し異常光偏光を回折するとともに、ＣＤ用の７９０ｎｍ波長帯の入射光をその偏光状態にかかわらず透過する波長選択性を備えた偏光性回折素子が特許文献１に記載されている。

チャンドラセカール著、「液晶の物理」吉岡書店、１９９５年、ｐ．２６０〜ｐ．２６１（第４章、図４．１，６） （Chandrasekhar, "Liquid Crystals", Second edition, Cambridge University Press,Chap.4 Fig.4.1,6） 「ネイチャー マテリアル（Nature Materials）」マクシミリアン出版、２００２年９月、第１巻、第１号、ｐ．６４〜ｐ．６８（"Nature Materials", vol.1, no.1, Macmillan Press, 2002,Sep., p.64〜p.68） 特開２００１−１７４６１４号公報

しかしながら、このような偏光性回折素子にあっては、偏光性回折素子の格子ピッチが狭くなると、格子壁面の影響により７９０ｎｍ波長帯の異常光偏光の透過率が低下する問題があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、二つの波長の光の一方に対して偏光性回折素子として機能し、他方に対しては入射偏光状態に関わらず回折素子として機能せず高い透過率を有する波長選択性の偏光性回折素子およびそれを用いた光ヘッド装置を提供することを目的とする。

本発明は、特定波長の入射光に対して回折を生じさせる第１の偏光性回折素子であって、偏光性回折素子は旋光性材料と等方性材料とが接することにより形成される回折格子を含み、前記旋光性材料は、前記特定波長の入射光のうち１つの回転方向を有する第１の円偏光を反射する反射波長帯域を有するとともに、前記第１の円偏光と逆向きの回転方向となる第２の円偏光の前記特定波長の入射光に対して反射する反射波長帯域を有さず、前記第１の円偏光と前記第１の円偏光と逆向き回転である前記第２の円偏光との２つの偏光状態をそれぞれ有する第１波長λ ₁ および第２波長λ ₂ （λ ₁ ≠λ ₂ ）の入射光に対して、前記２つの入射光の波長および２つの偏光状態に応じて選択的に回折する偏光性回折素子であって、少なくとも前記第１の円偏光の入射光に対して前記第１波長λ ₁ および前記第２波長λ ₂ を反射波長の対象として含まない反射波長帯域を有し、前記第１波長λ ₁ および前記第２波長λ ₂ の前記入射光のうち、前記反射波長帯域近傍の透過波長である前記第１波長λ ₁ の前記入射光の方が、前記第２波長λ ₂ に比べると相対的により大きく発現する旋光分散機能を有する旋光性材料と、前記第１波長λ ₁ の前記第２の円偏光の入射光に対する旋光性材料の屈折率と略等しい屈折率を有する等方性材料を用いて、前記第１波長λ ₁ の前記第１の円偏光の入射光のみを選択的に回折させる波長偏光選択回折機能を有する。
上記構成によれば、少なくとも２つの波長の異なる入射光に対して、第１の円偏光と第２の円偏光で回折効率が異なる偏光依存性が発現する波長選択性の偏光性回折素子が実現できる。

また、第１の偏光性回折素子において、前記第１波長λ ₁ の入射光と前記第２波長λ ₂ の入射光の一方が、前記反射波長帯よりも短波長側にあり、前記第２波長λ ₂ の入射光と前記第１波長λ ₁ の入射光の他方が、前記反射波長帯よりも長波長側にあり、前記反射波長帯よりも短波長側と長波長側で異なる旋光分散機能を有する旋光性材料を用いて、前記第１波長λ ₁ の前記第１の円偏光の入射光のみを選択的に回折させる第２の偏光性回折素子を提供する。
上記構成によれば、少なくとも２つの波長の異なる入射光のうち、少なくとも１つの波長の入射光における第１の円偏光の入射光のみを選択的に回折させる偏光性回折素子が実現できる。

また、第１の偏光性回折素子において、波長λの、前記第１の円偏光に対する屈折率と前記第２の円偏光に対する屈折率との差を△ｎ（λ）とすると、△ｎ（λ₁）＞△ｎ（λ₂）を満たし、かつ、△ｎ（λ₂）≒０である前記旋光性材料と、前記第２波長λ₂において前記旋光性材料の屈折率と略等しい光学的等方材料とのうちのいずれか一方の材料を用いて、断面形状が周期的な凹凸を有する格子形状に加工された格子と、少なくともその加工された前記格子の凹部に、前記旋光性材料と前記光学的等方材料とのうちいずれか他方の材料が充填された充填材とを有する第３の偏光性回折素子を提供する。
上記構成によれば、第１の円偏光と第２の円偏光の入射光に対して第１波長λ₁では回折効率が異なる偏光依存性が発現し、第２波長λ₂では入射光の偏光状態に関わらず回折することなく直進透過する。このため、光利用効率の高い波長選択性の偏光性回折素子が実現する。特に、第２波長λ₂において旋光性材料と光学的等方材料の屈折率が略等しいため、格子ピッチおよび格子形状に関わらず高い透過率が得られる。

さらに、第３の偏光性回折素子において、前記旋光性材料は、螺旋軸方向が厚さ方向に揃っているとともに、前記第１の円偏光に対して前記第１波長λ₁および前記第２波長λ₂を反射波長の対象として含まない前記反射波長帯域を有し、かつ、前記第１波長λ₁が前記第２波長λ₂に比べて相対的に前記反射波長帯域の近傍の透過波長となる螺旋ピッチを有するコレステリック相液晶より構成されている第４の偏光性回折素子を提供する。
上記構成によれば、断面形状が周期的な凹凸形状である螺旋軸の揃ったコレステリック相液晶を用いるため、コレステリック相液晶の螺旋ピッチを調整することにより、任意の波長域に円偏光選択反射波長帯域を発現できる。その結果、波長選択性に関する設計自由度の高い偏光性回折素子が得られる。

さらに、第４の偏光性回折素子において、前記コレステリック相液晶がコレステリック相高分子液晶からなり、その螺旋軸方向が厚さ方向に揃っているとともに、前記第１の円偏光に対して前記第１波長λ₁および前記第２波長λ₂を反射波長の対象として含まない前記反射波長帯域を有し、かつ、前記第１波長λ₁が前記第２波長λ₂に比べて相対的に前記反射波長帯域の近傍の透過波長となる螺旋ピッチを有するコレステリック相高分子液晶より構成されている第５の偏光性回折素子を提供する。
上記構成によれば、コレステリック相高分子液晶は固体であるため、コレステリック相低分子液晶に比べて分子配向が安定化され、温度変化などの環境変化に対する特性変動が少ない偏光性回折素子が実現できる。また、セル内に密封する必要がないため、作製プロセスが簡略化できる。

さらに、第３の偏光性回折素子において、前記旋光性材料は、第１の円偏光に対して前記第１波長λ₁および前記第２波長λ₂を反射波長の対象として含まない前記反射波長帯域を有するとともに、前記第１波長λ₁が前記第２波長λ₂に比べて相対的に前記反射波長帯域の近傍の透過波長となる波長選択性を有し、高分子ネットワークによりコレステリックブルー相の温度範囲が拡大された高分子安定化コレステリックブルー相液晶より構成されている第６の偏光性回折素子を提供する。
上記構成によれば、第１波長λ₁と第２波長λ₂の波長間隔が狭い場合でも、光利用効率の高い波長選択性の偏光性回折素子が実現できる。

また、本発明は、特定波長の入射光に対して回折を生じさせる第７の偏光性回折素子であって、偏光性回折素子は旋光性材料と等方性材料とが接することにより形成される回折格子を含み、前記旋光性材料は、前記特定波長の入射光のうち１つの回転方向を有する第１の円偏光を反射する反射波長帯域を有するとともに、前記第１の円偏光と逆向きの回転方向となる第２の円偏光の前記特定波長の入射光に対して反射する反射波長帯域を有さず、前記第１の円偏光と前記第１の円偏光と逆向き回転である前記第２の円偏光との２つの偏光状態をそれぞれ有する第１波長λ ₁ および第２波長λ ₂ （λ ₁ ≠λ ₂ ）の入射光に対して、前記２つの入射光の波長および２つの偏光状態に応じて選択的に回折する偏光性回折素子であって、少なくとも前記第１の円偏光の入射光に対して前記第１波長λ ₁ および前記第２波長λ ₂ を反射波長の対象として含まない反射波長帯域を有し、前記第１波長λ ₁ および前記第２波長λ ₂ の前記入射光のうち、前記反射波長帯域近傍の透過波長である前記第１波長λ ₁ の前記入射光の方が、前記第２波長λ ₂ に比べると相対的により大きく発現する旋光分散機能を有する旋光性材料と、前記第１波長λ ₁ において前記第１の円偏光対する前記旋光性材料の屈折率と略等しい屈折率を有する等方性材料を用いて、前記第１波長λ ₁ の前記第１の円偏光の入射光のみを選択的に回折させず透過させる。
また、第７の偏光性回折素子において、前記第１波長λ ₁ の入射光と前記第２波長λ ₂ の入射光の一方が、前記反射波長帯よりも短波長側にあり、前記第２波長λ ₂ の入射光と前記第１波長λ ₁ の入射光の他方が、前記反射波長帯よりも長波長側にあり、前記反射波長帯よりも短波長側と長波長側で異なる旋光分散機能を有する旋光性材料を用いて、前記第１波長λ ₁ の前記第１の円偏光の入射光のみを選択的に回折させず透過させる第８の偏光性回折素子を提供する。

また、第７の偏光性回折素子において、波長λの、前記第１の円偏光に対する屈折率と前記第２の円偏光に対する屈折率との差を△ｎ（λ）とすると、△ｎ（λ ₁ ）＞△ｎ（λ ₂ ）を満たし、かつ、△ｎ（λ ₂ ）≒０である前記旋光性材料と、前記第１波長λ _１ において前記第１の円偏光に対する前記旋光性材料の屈折率と略等しい屈折率を有する光学的等方材料と、を含み、前記旋光性材料と前記光学的等方材料のいずれか一方の材料を用いて、断面形状が周期的な凹凸を有する格子形状に加工された格子と、少なくともその加工された前記格子の凹部に他方の材料が充填された構成からなる第９の偏光性回折素子を提供する。
上記構成によれば、少なくとも２つの波長の異なる入射光にのうちの少なくとも１つの
波長に対して入射光の偏光状態に関わらず回折することなく直進透過（第１の偏光性回折素子）または回折（第７の偏光性回折素子）し、それと波長の異なる入射光に対しては第１の円偏光と第２の円偏光で回折効率が異なる偏光依存性が発現する。このため、光利用効率の高い波長選択性の偏光性回折素子が実現する。

さらに、第９の偏光性回折素子において、前記旋光性材料は、螺旋軸方向が厚さ方向に揃っているとともに、前記第１の円偏光に対して少なくとも２つの波長の異なる入射光のすべての波長を反射波長の対象として含まない前記反射波長帯域を有し、かつ、少なくとも２つの波長の異なる入射光のなかで、最も短い入射波長よりも長波長であり、最も長い入射波長よりも短波長である反射波長帯となる螺旋ピッチを有するコレステリック相液晶より構成されている第１０の偏光性回折素子を提供する。
上記構成によれば、コレステリック相液晶の螺旋ピッチ調整により規定される円偏光選択反射波長帯域に対して、短波長域および長波長域において発現する大きな旋光性の相違を利用した光利用効率の高い波長選択性の偏光性回折素子が実現する。

さらに、第１０の偏光性回折素子において、前記コレステリック相液晶がコレステリック相高分子液晶からなり、その螺旋軸方向が厚さ方向に揃っているとともに、前記第１の円偏光に対して少なくとも２つの波長の異なる入射光のすべての波長を反射波長の対象として含まない前記反射波長帯域を有し、かつ、少なくとも２つの波長の異なる入射光のなかで、最も短い入射波長よりも長波長であり、最も長い入射波長よりも短波長である反射波長帯となる螺旋ピッチを有するコレステリック相高分子液晶より構成されている第１１の偏光性回折素子を提供する。
上記構成によれば、コレステリック相高分子液晶は固体であるため、コレステリック相低分子液晶に比べて分子配向が安定化され、温度変化などの環境変化に対する特性変動が少ない偏光性回折素子が実現できる。また、セル内に密封する必要がないため、作製プロセスが簡略化できる。

また、本発明は、少なくとも２つの波長の異なる光を出射する少なくとも２つの半導体レーザと、この半導体レーザからの出射光を光記録媒体に集光する対物レンズと、前記光記録媒体で反射された光のうち少なくとも１つの波長の光を回折するビームスプリッタと、前記回折された前記波長の光を検出する光検出器とを備え、前記光記録媒体の記録及び／又は再生を行う光ヘッド装置であって、
前記ビームスプリッタは、第１から１１のいずれかの偏光性回折素子を含む光ヘッド装置を提供する。
上記構成によれば、少なくとも１つの波長に対しては、光利用効率の高い偏光ビームスプリッタとして機能し、少なくとも１つの入射光に対しては、入射偏光に依存しない光損失の少ない直進光透過素子として機能する。その結果、使用波長の異なる光ディスクに対して安定した記録再生を行う小型の光ヘッド装置が実現できる。

さらに、前記光ヘッド装置において、前記ビームスプリッタは、格子ピッチおよび格子角度が格子形成面内で分布したホログラムパターンからなるホログラムビームスプリッタである。
上記構成によれば、小型でレンズ機能などを付加した設計自由度の高いビームスプリッタが形成できるので、高精度で記録・再生を行うことができる小型の光ヘッド装置が実現できる。

本発明によれば、第１の円偏光と第２の円偏光の入射光に対して、第１波長λ₁では回折効率が異なる偏光依存性が発現し、第２波長λ₂では回折効率が略等しく偏光依存性が発現しない波長偏光選択性の回折効率特性を有する偏光性回折素子を提供できる。

以下、本発明の好適な実施形態について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態である偏光性回折素子１０の断面図を示すものであり、この偏光性回折素子１０は、透光性基板１１、１２と、この透光性基板１１、１２間に設けた高分子液晶からなる格子（以下、これを「高分子液晶格子」とよぶ）１３および充填材１４とを備えている。
このうち、透光性基板１１、１２は、均一屈折率を有するガラス等の透光性材料で形成されている。

ここで、高分子液晶格子１３の高分子液晶層は、例えばカイラル材が含有された常光屈折率ｎ。で異常光屈折率ｎ_eのネマティック液晶モノマ材料を均一に塗布して形成しており、カイラル材を含有させることにより、液晶層の厚さ方向（Ｚ方向）に螺旋軸を有する螺旋構造のねじれ配向を成すコレステリック相液晶を形成できる。

一方、充填材１４は、後に詳述するが、所要の屈折率を有する等方性光学材料からなるものを用いる。

（１）初めに、透光性基板１１上に、例えばカイラル材が含有された常光屈折率ｎ。で異常光屈折率ｎ_eのネマティック液晶モノマ材料を均一に塗布して形成する。
これにより、カイラル材に対応して液晶層の厚さ方向（Ｚ方向）に螺旋軸を有する螺旋構造のねじれ配向を成すコレステリック相液晶が形成される。このコレステリック相液晶状態で紫外線照射などを行うことで、モノマ液晶を重合硬化させれば、ねじれ配向が固定したコレステリック相高分子液晶が形成される。

ここで、高分子液晶格子１３を構成するコレステリック相高分子液晶は、その厚さ方向（Ｚ方向）から垂直入射する入射光のうち、液晶の螺旋ピッチＰと液晶層の平均屈折率ｎ＝（ｎ。＋ｎ_e）／２の積に相当する中心波長λ₀、つまり、
λ₀＝Ｐ・（ｎ。＋ｎ_e）／２
近傍の波長帯域（反射波長帯域）の光に対して、液晶のねじれ方向と同じ回転方向を有する第１の円偏光を反射させるとともに、液晶のねじれ方向と逆向きの回転を有する第２の円偏光を透過させる特性を有する。

ここで、第１の円偏光の反射波長帯域Ｒ₁は、螺旋ピッチＰと液晶材料の複屈折ｎ＝ｎ_e−ｎ。との積、つまり
Ｒ₁＝Ｐ・（ｎ_e−ｎ。）
に相当する。

ところで、この反射波長帯域Ｒ₁の近傍の透過波長λ₁の光において、第１の円偏光に対してのみ大きな旋光分散（波長により旋光性が異なる現象）が発生するが、その程度は前述の波長λ₁と比べ、反射波長帯域Ｒ₁から隔たった波長λ₂の入射光ほど旋光分散が減少する。

一方、反射波長帯域の存在しない第２の円偏光に対しては、前述の波長λ₁および波長λ₂の入射光において、小さな旋光分散となっている。
例えば、波長λの入射光において、コレステリック相高分子液晶の第１の円偏光に対する屈折率をｎ₁（λ）、第２の円偏光に対する屈折率をｎ₂（λ）とし、その差（屈折率差）を△ｎ₁₂（λ）、すなわち、
△ｎ₁₂（λ）＝｜ｎ₁（λ）−ｎ₂（λ）｜
とすると、
i）波長λ₂での屈折率差△ｎ₁₂（λ₂）は、ゼロに近い小さな値、すなわち、
△ｎ₁₂（λ₂）＝｜ｎ₁（λ₂）−ｎ₂（λ₂）｜
≒０ ・・・（１）
ii）また、波長λ₁での屈折率差△ｎ₁₂（λ₁）は、大きな値、すなわち、
△ｎ₁₂（λ₁）＝｜ｎ₁（λ₁）−ｎ₂（λ₁）｜
＞△ｎ₁₂（λ₂） ・・・（２）
となる。

（２）次に、透光性基板１１上に形成された、高分子液晶格子１３を構成するコレステリック相高分子液晶を、断面が凹凸格子形状で凹部の深さがｄの格子となるよう加工する。例えば図１では、凸部を矩形断面形状に加工した例を示すが、これ以外に、例えば鋸波形状または鋸波形状を階段状に近似したいわゆる擬似ブレーズド格子としてもよい。

この格子形状加工法の例としては、フォトリソグラフィによりコレステリック相高分子液晶層上にレジストをパターニングした後、反応性イオンエッチングによりコレステリック相高分子液晶をバターニング加工することにより、ミクロンレベルの微細格子形状に加工することもできる。また、金型を用いた成形や転写或いは紫外線干渉露光などによる加工法を用いてもよい。

（３）次に、透明な充填材１４を用いて前述した高分子液晶格子１３の少なくとも凹部を埋めるように充填するとともに、この充填材１４の上から透光性基板１２を接着・狭持し、偏光性回折素子１０とする。この充填材１４は、光学的等方材料で有れば何れでもよいが、紫外線照射により重合・固化する光学接着材を用いることが好ましい。

さらに、この充填材１４には、波長λ₁および波長λ₂の入射光において、第２の円偏光に対するコレステリック相高分子液晶の屈折率と略等しい屈折率を有する等方性光学材料からなるものを用いる。
これにより、波長λ₁と波長λ₂の入射光において、第１の円偏光に対する高分子液晶格子１３と充填材１４との屈折率差は、コレステリック相高分子液晶の第１の円偏光と第２の円偏光とに対する前述の屈折率差△ｎ₁₂（λ₁）および△ｎ₁₂（λ₂）に相当する。

［１］．第１の円偏光の入射光について：
i）すなわち、波長λ₁の第１の円偏光に対する高分子液晶格子１３と充填材１４との屈折率差△ｎ₁（λ₁）は、コレステリック相高分子液晶の波長λ₁の第１および第２の円偏光に対する前述した屈折率差△ｎ₁₂（λ₁）、つまり
△ｎ₁（λ₁）＝△ｎ₁₂（λ₁）
＝｜ｎ₁（λ₁）−ｎ₂（λ₁）｜
＞△ｎ₁₂（λ₂）（∵（２）式より） ・・・（３）
に相当する。
ii）同様に、波長λ₂の第１の円偏光に対する高分子液晶格子１３と充填材１４との屈折率差△ｎ₁（λ₂）は、コレステリック相高分子液晶の第１および第２の円偏光に対する前述の屈折率差△ｎ₁₂（λ₂）、つまり
△ｎ₁（λ₂）＝△ｎ₁₂（λ₂）
＝｜ｎ₁（λ₂）−ｎ₂（λ₂）｜
≒０（∵（１）式より） ・・・（４）
に相当する。
なお、△ｎ₁（λ₂）は、前述の△ｎ₁（λ₁）に対して、２０％以下の値であれば、波長λ₂において、高分子液晶格子１３と充填材１４の屈折率は略等しいといえる。

［２］．第２の円偏光の入射光について：
また、波長λ₁および波長λ₂の入射光において、第２の円偏光に対する高分子液晶格子１３と充填材１４との屈折率差△ｎ₂（λ₁）および△ｎ₂（λ₂）は生じない。すなわち、
△ｎ₂（λ₁）＝△ｎ₂（λ₂）≒０ ・・・（５）
である。

次に、図２を用いて、第１の実施形態に係る偏光性回折素子１０の作用を説明する。
［１］．第１の円偏光の入射光について：
第１の円偏光の入射光に対しては、
i）例えば波長λ₂については、高分子液晶格子１３と充填材１４との屈折率差△ｎ₁（λ₂）が（４）式からゼロに近い小さな値である。このため、図２（Ａ）に示すように回折光は生じることなく偏光性回折素子１０を直進透過する。
ii）また、波長λ₁については、その屈折率差△ｎ₁（λ₁）が（３）式から有限な値であるため、図２（Ａ）に示すように回折光が発生する。このとき、波長λ₁に対して±１次回折効率を最大とするためには、次式
ｄ＝λ₁／（２・△ｎ₁（λ₁）） ・・・（６）
但し、
ｄ；高分子液晶格子１３の凹部の深さ
△ｎ₁（λ₁）；波長λ₁の第１の円偏光に対する高分子液晶格子１３と充填材１４との屈折率差を満たすように、コレステリック相高分子液晶からなる高分子液晶格子１３の凹部深さｄを加工すればよい。
なお、鋸波断面形状の場合は、高分子液晶格子１３の凹部深さｄが次式
ｄ＝λ₁／△ｎ₁（λ₁） ・・・（７）
を満たすときに＋１次回折効率が最大になる。

［２］．第２の円偏光の入射光について：
一方、第２の円偏光の入射光に対しては、波長λ₁および波長λ₂何れの波長の場合でも、前述のように高分子液晶格子１３と充填材１４との屈折率差△ｎ₂（λ₁）および△ｎ₂（λ₂）は（５）式から僅かである。このため、図２（Ｂ）に複式的に示すように、波長λ₁および波長λ₂の何れの波長であっても、回折光が生じることなく、偏光性回折素子１０を直進透過する。

以上、説明してきたように、図１に示す偏光性回折素子１０では、高分子液晶格子１３を構成するコレステリック相高分子液晶を格子の形状に加工した後、その格子の凹部に光学的等方材料からなる充填材１４を充填した構成としたが、別の構成、例えば次に説明する第２の実施形態のような構成としてもよい。

［第２の実施形態］
次に、本発明の第２の実施形態である偏光性回折素子について、図３に示す断面図を用いて以下に説明する。なお、本実施形態において、第１の実施形態と同一部分には同一符号を付して重複説明を避ける。

第２の実施形態の偏光性回折素子２０では、図３に示すように、光学的等方材料を用いて断面が凹凸形状の格子（以下、これを「等方性格子」とよぶ）２１に加工した後、少なくともその格子の凹部に、高分子安定化ブルー相液晶２２を充填する点が、第１の実施形態とは異なる。

等方性格子２１は、透光性基板１１の表面を直接加工して形成してもよいし、透光性基板１１上にＳｉＯＮ等の無機材料膜またはポリイミドや紫外線硬化樹脂などの有機材料膜を成膜した後、格子形状にエッチング加工してもよい。

一方、高分子安定化ブルー相液晶２２に用いられる材料および作製方法については、前述の［背景技術］の欄で説明したように非特許文献２に記載の通りであるので、これを参照されたい（具体的には、例えば６４〜６５頁参照）。

第２の実施形態の偏光性回折素子２０によれば、高分子安定化ブルー相液晶２２は、コレステリック相液晶に比べ反射波長帯域Ｒ₁の幅が一般に狭いため、波長λ₁と波長λ₂の波長間隔が小さな場合でも、光利用効率の高い波長選択性の偏光性回折素子が実現する。

なお、本実施形態では、光学的等方材料を用いて断面が凹凸形状の等方性格子２１に加工した後、少なくともその凹部に高分子安定化ブルー相液晶２２を充填したが、コレステリック相液晶２３（図１に示す第１の実施形態では、このコレステリック相液晶を高分子液晶格子１３として用いている。）を充填してもよい。なお、このときのコレステリック相液晶は、低分子液晶でもよいし高分子液晶としてもよいが、低分子液晶の場合は、シール材（図示せず）を用いて液晶を密封保持する。

［第３の実施形態］
次に、第１の実施形態の偏光性回折素子１０に波長選択性回折素子と位相板を積層した本発明の第３の実施形態である偏光性回折素子５０について、図４に示す断面図を用いて以下に説明する。なお、本実施形態においても、第１、第２の実施形態と同一部分には同一符号を付して重複説明を避ける。

本実施形態の偏光性回折素子５０は、後述する位相板４３を有する光学素子（以下、これを「位相子」とよぶ）４０と、波長選択性回折素子３０と、第１の実施形態の偏光性回折素子１０とを一体に備えている。なお、これら波長選択性回折素子３０と偏光性回折素子１０は、高分子液晶格子１３および格子３２がホログラムパターンからなる、ホログラムビームスプリッタとしてもよい。

このうち、波長選択性回折素子３０は、透光性基板３１と、格子３２と、充填材３３と、透光性基板３４（１１）とを備えている。即ち、透光性基板３１の片側表面には、波長λ₁よりも短い波長域に光の吸収端を有する有機物顔料を含む光学的等方材料からなり、断面形状が周期的な凹凸形状の格子（以下、「短波長吸収格子」とよぶ）３２を形成している。また、この短波長吸収格子３２の凹部には、波長λ₁の光に対しては短波長吸収格子３２と同じ屈折率を有するとともに、波長λ₂の光に対しては短波長吸収格子３２と異なる屈折率を有する充填材３３を充填している。また、充填材３３の外面には、偏光性回折素子１０での透光性基板１１を兼用する透光性基板３４を接着している。
このようにして形成された波長選択性回折素子３０は、本願出願人と同一出願人により出願されている特開２００２−３１８３０６に記載の発明と同一の構成および機能を有する(例えば、Ｐ５［００３２］〜［００３８］、図１参照)。

一方、位相子４０は、波長選択性回折素子３０の透光性基板３１を兼用する透光性基板４２と透光性基板４１により狭持した位相板４３と備えている。

位相板４３は、少なくとも波長λ_lの光に対して複屈折位相差がπ／２すなわち１／４波長板として機能する。この位相板４３としては、水晶やルチル結晶などの無機複屈折材料を平板状に加工して用いてもよいし、ポリカーポネート膜を延伸して複屈折性を発現させたものを用いてもよいし、配向方向が面内で揃った液晶や高分子液晶などの有機複屈折材料を用いてもよい。また、複屈折位相差が異なる２種の複屈折材料をその遅相軸方向が所定の角度を成すように積層することにより、波長λ_lおよび波長λ₂に対して、１／４波長板として機能する位相板４３としてもよい。この場合、波長λ₁および波長λ₂の直線偏光の入射光を何れも円偏光に変換する。なお、本実施形態の偏光性回折素子５０では、波長λ₁および波長λ₂に対して１／４波長板として機能する高分子液晶からなる位相板４３を用いた例を示す。

次に、本実施形態の偏光性回折素子５０の作用について説明する。
（I）波長λ₁の光について：
このようにして得られた偏光性回折素子５０において、透光性基板４１側から、Ｙ軸方向の偏光面を有する波長λ₁の直線偏光がＺ方向に平行に入射したとき、位相板４３で第２の円偏光に変換されて波長選択性回折素子３０に入射する。この波長λ₁の光に対して短波長吸収格子３２と充填材３３は同じ屈折率を有するため、波長λ₁の光は、ここで回折されることなく直進透過し、偏光性回折素子１０に入射する。次に、この波長λ₁の光は、図２（Ｂ）に示すように、偏光性回折素子１０では回折されることなく、直進透過して透光性基板１２側から出射する。

また、透光性基板１２側から偏光性回折素子１０に、波長λ₁の第１の円偏光（ここでの第１の円偏光は、第２の円偏光が光ディスクＤ（図５参照）で反射して形成される）が入射したとき、図２（Ａ）に示すように、偏光性回折素子１０における高分子液晶格子１３の凹部の深さｄに応じて、回折光が発生し、波長選択性回折素子３０に入射する。これらの回折光は、波長λ₁であるので、波長λ₂の光に対してのみ回折機能を有する波長選択性回折素子３０で回折されることなく透過し、さらに位相板４３を透過してＸ軸方向に偏光面を有する直線偏光となり、透光性基板４１側から出射する。

したがって、透光性基板４１側からＹ軸方向に偏光面を有する波長λ₁の直線偏光が入射した場合、本実施形態の偏光性回折素子５０（位相板４３）で第２の円偏光に変換されて光損失なく直進透過する。さらに、この第２の円偏光が、光ディスクＤなどの反射面により反射されて第１の円偏光となって透光性基板１２側から再入射すると、偏光性回折素子１０で回折光が発生し、その後、位相板４３でＸ軸方向に偏光面を有する直線偏光となって透光性基板４１側から出射する。

（II）波長λ₂の光について：
一方、透光性基板４１側からＸ軸またはＹ軸方向に偏光面を有する波長λ₂の直線偏光がＺ方向に入射したとき、この波長λ₂の直線偏光は、位相板４３により第１または第２の円偏光に変換されて波長選択性回折素子３０に入射する。ところが、この波長選択性回折素子３０では、波長λ₂の光に対しては短波長吸収格子３２と充填材３３の屈折率が異なる。このため、短波長吸収格子３２の凹部の深さに応じて、直進透過光（０次回折光）以外に±１次回折光が発生する。
次に、これらの回折光は、波長λ₂であるので、波長λ₁（の第１円偏光）のみを回折する機能を有する偏光性回折素子１０に入射すると、第１または第２の円偏光のいずれであっても、図２（Ａ）または（Ｂ）に示すように回折されることなく透過し、透光性基板１２側から出射する。

その後、波長λ₂の円偏光は、光ディスクなどの反射面により反射されると、第１の円偏光は第２の円偏光に、第２の円偏光は第１の円偏光となる。そして、この波長λ₂の円偏光が、透光性基板１２側から入射すると、偏光性回折素子１０で回折されることなく直進透過する。その後、波長選択性回折素子３０で回折光が発生し、さらに、位相板４３で入射時と直交する（Ｙ軸方向またはＸ軸方向の）偏光面を有する直線偏光となって透光性基板４１側から出射する。

従って、波長λ₁の直線偏光入射光に対しては、偏光性回折素子１０が偏光性回折格子として機能し、波長λ₂の直線偏光入射光に対しては、波長選択性回折素子３０が入射光の偏光状態に依存しない回折格子として機能する。また、本実施形態の偏光性回折素子５０を往復した波長λ₁および波長λ₂の光は、元の直線偏光と直交する偏光面の直線偏光となる。

［第４の実施形態］
次に、図４に示した偏光性回折素子５０を搭載した本発明の光ヘッド装置６０について、その配置構成を模式的に示した図５を用いて、以下に詳細に説明する。

本実施形態の光ヘッド装置６０は、半導体レーザ１および光検出器２と、偏光性回折素子５０と、コリメータレンズ３と、対物レンズ４とを備えており、光ディスクＤの記録および再生を行うように構成されている。

半導体レーザ１は、Ｙ軸方向に偏光面を有する波長λ₁および波長λ₂の２つの発光点を有し、出射光の波長λ₁とλ₂を切り換えて用いる２波長用半導体レーザで構成されている。この半導体レーザ（以下、「２波長用半導体レーザ」とよぶ）１は、波長λ₁が６６０ｎｍ±２０ｎｍのＤＶＤ波長域のレーザ光と、波長λ₂が７９０ｎｍ±２０ｎｍのＣＤ波長域のレーザ光とを出射するものであり、それぞれのレーザ発光点が１００μｍ程度の間隔に配置されている。
なお、この２波長用半導体レーザ１は、光検出器２とともに単一のパッケージＵ内に配置されており、本発明の第３の実施形態である偏光性回折素子５０がそのパッケージＵの光入出射側に一体化配置された光ユニットとして用いる。

次に、本実施形態の光ヘッド装置６０の作用を説明する。
２波長用半導体レーザ１から出射し、偏光性回折素子５０を直進透過した波長λ₁および波長λ₂の発散光は、コリメータレンズ３により略平行光となり、対物レンズ４により光ディスクＤの情報記録面に集光され、この情報記録面で反射され戻り光となる。この戻り光は、偏光性回折素子５０により回折されて光検出器２の受光面へ導かれ、光ディスクＤの記録情報が電気信号に変換される。

i）波長λ₁の直線偏光の場合：
具体的には、２波長用半導体レーザ１から出射したＹ軸方向に偏光面を有する波長λ₁の直線偏光は、偏光性回折素子５０内の位相板４３で第２の円偏光となる。その後、第２の円偏光の全てが偏光性回折素子５０を直進透過し、ＤＶＤ用の光ディスクＤの情報記録面に集光するとともに反射されて第１の円偏光となり、偏光性回折素子５０に再入射する。
その後、この波長λ₁の第１の円偏光（戻り光）は、偏光性回折素子５０内の偏光性回折素子１０（図４参照）によって回折され、１次回折光が光検出器２の受光面に集光される。また、この波長λ₁の第１の円偏光（戻り光）のうち偏光性回折素子１０を直進透過した０次回折光は、Ｘ軸方向に偏光面を有する直線偏光となって、２波長用半導体レーザ１の発光点に入射する。

ii）波長λ₂の直線偏光の場合：
一方、２波長用半導体レーザ１から出射し偏光性回折素子５０に入射するＹ軸方向に偏光面を有する波長λ₂の直線偏光のうち、偏光性回折素子５０内の波長選択性回折素子３０（図４参照）で回折された±１次回折光は、コリメータレンズ３および対物レンズ４によって、ＣＤ用の光ディスクＤの情報記録面には集光されない。

他方、前述の波長λ₂の直線偏光のうち、偏光性回折素子１０に対して直進透過する０次回折光（この０次回折光も、位相板４３で既に第２の円偏光となっている。）は、コリメータレンズ３および対物レンズ４によってＣＤ用の光ディスクＤの情報記録面に集光され、反射された後、第１の円偏光となって偏光性回折素子５０に再入射し、偏光性回折素子１０を透過する。
その後、この波長λ₂の入射光の一部が、偏光性回折素子５０内の波長選択性回折素子３０によって回折され、１次回折光が光検出器２の受光面に集光される。なお、波長選択性回折素子３０での直進透過光である０次回折光は、Ｘ軸方向に偏光面を有する直線偏光となって２波長用半導体レーザ１の発光点に入射する。

したがって、偏光性回折素子５０は、ＤＶＤ用の波長λ₁に対して、偏光性回折格子として作用し、光ディスクＤヘと集光される往路において光損失が生じないとともに、光検出器２へと集光される復路において高い回折効率が得られる偏光ビームスプリッタとして機能する。
また、この偏光性回折素子５０は、ＣＤ用の波長λ₂に対して、入射光の偏光状態に依存しない回折格子として作用し、カバー層がＤＶＤ用に比べて２倍厚いために残留複屈折が比較的大きなＣＤ用の光ディスクＤに対しても、回折効率の変動がないため、安定した光検出が実現するビームスプリッタとして機能する。

また、この偏光性回折素子５０によれば、波長λ₁および波長λ₂に対して独立に偏光性回折素子１０および波長選択性回折素子３０の格子パターンを作製できるため、回折角および回折効率を制御できる。その結果、２波長用半導体レーザ１とＤＶＤ／ＣＤ共通の光検出器２が一つのパッケージＵ内に配置された単一の光ユニットを用いて、ＤＶＤ用およびＣＤ用の光ディスクＤの安定した記録および再生が実現する。
さらに、２波長用半導体レーザ１の発光点への戻り光は、発振光と直交する偏光方向の直線偏光となっているので、発振光との干渉を回避できるため安定したレーザ出射光強度が得られる。

本実施形態では、偏光性回折素子１０と、波長選択性回折素子３０と、位相子４０とが一体化された偏光性回折素子５０を用いた光ヘッド装置６０について説明したが、各要素を分離配置した構成としてもよい。なお、実際の光ヘッド装置においては、対物レンズをＹ軸およびＺ軸方向に移動するアクチュエータやトラッキング制御用の回折光を発生する回折格子などが使用されるが、本発明と直接関係しないため説明を省略した。
また、フォーカス信号やトラッキング信号を得るため、光検出器２の受光面は複数に分割され、それぞれの受光面に偏光性回折素子５０による回折光が集光されるように、偏光性回折素子１０および波長選択性回折素子３０の格子パターンを空間分割して用いることが多い。

上記実施形態では、断面形状が周期的な凹凸状の回折格子について説明したが、回折格子の構成に限定されない。例えば、コレステリック相液晶などの旋光性材料の膜厚が面内で空問的に分布した素子としてもよい。この場合、旋光性材料の膜厚分布に応じて、特定の波長域において第１の円偏光成分の透過波面のみを変化させる波長および偏光選択性の波面変換素子となる。

［第５の実施形態］

次に、本発明の第５の実施形態である偏光性回折素子について、図６に示す断面図を用いて以下に説明する。なお、本実施形態において、第１の実施形態と同一部分には同一符号を付して重複説明を避ける。

第５の実施形態の偏光性回折素子７０では、高分子液晶格子を形成する材料として、実施形態１よりも短い螺旋ピッチを有するコレステリック相高分子液晶を用いることが、異なる。

螺旋ピッチにより決定される前述の反射波長帯域よりも十分に離れた透過波長λ_２の光および透過波長λ_３の光に対しては第１の円偏光と第２の円偏光との屈折率は略等しくなる。これに対して、反射波長帯域よりも短波長側では、長波長側と比較して相対的に大きな屈折率差が発生する。例えば、反射波長帯域よりも短波長側の波長をλ_１とし、反射波長帯域よりも十分に長波長側の波長を、λ_２およびλ_３とし、前述と同様にコレステリック相高分子液晶の第１の円偏光に対する屈折率をｎ₁（λ）、第２の円偏光に対する屈折率をｎ₂（λ）とし、その差（屈折率差）を△ｎ₁₂（λ）、すなわち、
△ｎ₁₂（λ）＝｜ｎ₁（λ）−ｎ₂（λ）｜
とすると、
i）波長λ₂およびλ_３での屈折率差△ｎ₁₂（λ₂）および△ｎ₁₂（λ_３）は、ゼロに近い小さな値、すなわち、
△ｎ₁₂（λ₂）＝｜ｎ₁（λ₂）−ｎ₂（λ₂）｜
≒０ ・・・（８）
△ｎ₁₂（λ₃）＝｜ｎ₁（λ₃）−ｎ₂（λ₃）｜
≒０ ・・・（９）
但し、 △ｎ₁₂（λ₂）＞△ｎ₁₂（λ₃）

ii）また、波長λ₁での屈折率差△ｎ₁₂（λ₁）は、大きな値、すなわち、
△ｎ₁₂（λ₁）＝｜ｎ₁（λ₁）−ｎ₂（λ₁）｜
＞△ｎ₁₂（λ₂） ・・・（１０）
となる。

第１の実施形態と同様に、透光性基板１１上に形成された、高分子液晶格子７３を構成するコレステリック相高分子液晶を、断面が凹凸格子形状で凹部の深さがｄの格子となるよう加工し、透明な充填材７４を用いて前述した高分子液晶格子７３の少なくとも凹部を埋めるように充填するとともに、この充填材７４の上から透光性基板１２を接着・狭持し、偏光性回折素子７０とする。この充填材７４には、波長λ₁、λ₂および波長λ₃の入射光において、第２の円偏光に対するコレステリック相高分子液晶の屈折率と略等しい屈折率を有する等方性光学材料からなるものを用いる。
これにより、波長λ₁、λ₂および波長λ₃の入射光において、第１の円偏光に対する高分子液晶格子７３と充填材７４との屈折率差は、コレステリック相高分子液晶の第１の円偏光と第２の円偏光とに対する前述の屈折率差△ｎ₁₂（λ₁）、△ｎ₁₂（λ₂）および△ｎ₁₂（λ₃）に相当する。

［１］．第１の円偏光の入射光について：
ｉ）すなわち、波長λ₁の第１の円偏光に対する高分子液晶格子７３と充填材７４との屈折率差△ｎ₁（λ₁）は、コレステリック相高分子液晶の波長λ₁の第１および第２の円偏光に対する前述した屈折率差△ｎ₁₂（λ₁）、つまり
△ｎ₁（λ₁）＝△ｎ₁₂（λ₁）
＝｜ｎ₁（λ₁）−ｎ₂（λ₁）｜
＞△ｎ₁₂（λ₂）（∵（１０）式より） ・・・（１１）に相当する。
ｉｉ）同様に、波長λ₂、波長λ₃の第１の円偏光に対する高分子液晶格子７３と充填材７４との屈折率差△ｎ₁（λ₂）、△ｎ₁（λ₃）は、コレステリック相高分子液晶の第１および第２の円偏光に対する前述の屈折率差△ｎ₁₂（λ₂）および△ｎ₁₂（λ₃）、つまり
△ｎ₁（λ₂）＝△ｎ₁₂（λ₂）
＝｜ｎ₁（λ₂）−ｎ₂（λ₂）｜
≒０（∵（８）式より） ・・・（１２）
ならびに
△ｎ₁（λ₃）＝△ｎ₁₂（λ₃）
＝｜ｎ₁（λ₃）−ｎ₂（λ₃）｜
≒０（∵（９）式より） ・・・（１３）
に相当する。
なお、△ｎ₁（λ₂）および△ｎ₁（λ₃）は、前述の△ｎ₁（λ₁）に対して、２０％以下の値であれば、波長λ₂および波長λ₃において、高分子液晶格子７３と充填材７４の屈折率は略等しいといえる。

［２］．第２の円偏光の入射光について：
また、波長λ₁、波長λ₂および波長λ₃の入射光において、第２の円偏光に対する高分子液晶格子７３と充填材７４との屈折率差△ｎ₂（λ₁）、△ｎ₂（λ₂）（λ₁）および△ｎ_２（λ₃）は生じない。すなわち、
△ｎ₂（λ₁）＝△ｎ₂（λ₂）＝△ｎ_２（λ₃）
≒０ ・・・（１４）
である。

次に、図７を用いて、第５の実施形態に係る偏光性回折素子７０の作用を説明する。
［１］．第１の円偏光の入射光について：
第１の円偏光の入射光に対しては、
i）例えば波長λ₂および波長λ₃については、高分子液晶格子７３と充填材７４との屈折率差△ｎ₁（λ₂）および△ｎ₁（λ₃）が（１２）式および（１３）式からゼロに近い小さな値である。このため、図７（Ａ）に示すように回折光は生じることなく偏光性回折素子７０を直進透過する。
ii）また、波長λ₁については、その屈折率差△ｎ₁（λ₁）が（１１）式から有限な値であるため、図７（Ａ）に示すように回折光が発生する。このとき、波長λ₁に対して±１次回折効率を最大とするためには、次式
ｄ＝λ₁／（２・△ｎ₁（λ₁）） ・・・（１５）
但し、
ｄ；高分子液晶格子７３の凹部の深さ
△ｎ₁（λ₁）；波長λ₁の第１の円偏光に対する高分子液晶格子７３と充填材７４との屈折率差を満たすように、コレステリック相高分子液晶からなる高分子液晶格子７３の凹部深さｄを加工すればよい。
なお、鋸波断面形状の場合は、高分子液晶格子７３の凹部深さｄが次式
ｄ＝λ₁／△ｎ₁（λ₁） ・・・（１６）
を満たすときに＋１次回折効率が最大になる。

［２］．第２の円偏光の入射光について：
一方、第２の円偏光の入射光に対しては、波長λ₁、波長λ₂および波長λ₃何れの波長の場合でも、前述のように高分子液晶格子７３と充填材７４との屈折率差△ｎ₂（λ₁）、△ｎ₂（λ₂）および△ｎ₂（λ₃）は（１４）式から僅かである。このため、図７（Ｂ）に複式的に示すように、波長λ₁、波長λ₂および波長λ₃の何れの波長であっても、回折光が生じることなく、偏光性回折素子７０を直進透過する。

［第６の実施形態］
次に、本発明の第６の実施形態である偏光性回折素子について、図８に示す断面図を用いて以下に説明する。なお、本実施形態において、第１の実施形態と同一部分には同一符号を付して重複説明を避ける。

第６の実施形態の偏光性回折素子８０では、高分子液晶格子を充填する材料として、実施形態５の充填材とは屈折率の異なる充填材を用いることが、実施形態５と異なる。
前述と同様にコレステリック相高分子液晶の第１の円偏光に対する屈折率をｎ₁（λ）、第２の円偏光に対する屈折率をｎ₂（λ）とし、充填材の屈折率をｎ_S（λ）とする。第１の円偏光および第２の円偏光に対する充填材との屈折率の差をそれぞれ、△ｎ_1-S（λ）、△ｎ_1-S（λ）とする。
すなわち、
△ｎ_1-S（λ）＝｜ｎ₁（λ）−ｎ_s（λ）｜
△ｎ_2-S（λ）＝｜ｎ₂（λ）−ｎ_s（λ）｜
とする。波長λ₁において充填材の屈折率ｎ_S（λ₁）と、第１の円偏光に対する屈折率をｎ₁（λ₁）が略一致するように選ぶ。

i）波長λ₁での第１の円偏光および第２の円偏光対する充填材と高分子液晶格子の屈折率差△ｎ_1-S（λ）、△ｎ_2-S（λ）は、第１の円偏光に対しては、ゼロに近い小さな値となり、第２の円偏光に対しては（１１）式より有意な値を持つ、すなわち、
△ｎ_1-S（λ₁）＝｜ｎ₁（λ₁）−ｎ_S（λ₁）｜
≒０ ・・・（１７）
△ｎ_2-S（λ₁）＝｜ｎ₂（λ₁）−ｎ_S（λ₁）｜
＞△ｎ_1-S（λ₁） ・・・（１８）
ii）また、波長λ₂および波長λ₃での第１の円偏光および第２の円偏光に対する充填材と高分子液晶格子の屈折率差△ｎ_1-S（λ）、△ｎ_2-S（λ）は、（１２）式および（１３）式より略等しい有意な値を持つ、すなわち、
△ｎ_1-S（λ₂）＝｜ｎ₁（λ₂）−ｎ_S（λ₂）｜
≒｜ｎ₂（λ₂）−ｎ_S（λ₂）｜
＝△ｎ_2-S（λ₂） ・・・（１９）
△ｎ_1-S（λ₃）＝｜ｎ₁（λ₃）−ｎ_S（λ₃）｜
≒｜ｎ₂（λ₃）−ｎ_S（λ₃）｜
＝△ｎ_2-S（λ₃） ・・・（２０）
となる。

第１の実施形態と同様に、透光性基板１１上に形成された、高分子液晶格子８３を構成するコレステリック相高分子液晶を、断面が凹凸格子形状で凹部の深さがｄの格子となるよう加工し、透明な充填材８４を用いて前述した高分子液晶格子８３の少なくとも凹部を埋めるように充填するとともに、この充填材８４の上から透光性基板１２を接着・狭持し、偏光性回折素子８０とする。この充填材８４には、波長λ₁の入射光において、第１の円偏光に対するコレステリック相高分子液晶の屈折率と略等しい屈折率を有する等方性光学材料からなるものを用いる。
これにより、波長λ₁、λ₂および波長λ₃の入射光において、第１の円偏光に対する高分子液晶格子８３と充填材８４との屈折率差は、△ｎ_1-S（λ₁）、△ｎ_1-S（λ₂）ならびに△ｎ_1-S（λ₃）に相当し、第１の円偏光に対する高分子液晶格子８３と充填材８４との屈折率差は、△ｎ_2-S（λ₁）、△ｎ_2-S（λ₂）ならびに△ｎ_2-S（λ₃）に相当する。
この場合の作用を、図９を用いて説明する。

［１］．第１の円偏光の入射光について：
第１の円偏光の入射光に対しては、
i）例えば波長λ₁については、高分子液晶格子８３と充填材８４との屈折率差△ｎ_1-S（λ₁）が（１７）式に示すようにゼロに近い小さな値である。このため、図９（Ａ）に示すように回折光は生じることなく偏光性回折素子８０を直進透過する。
ii）また、波長λ₂および波長λ₃については、その屈折率差△ｎ_1-S（λ₂）および△ｎ_1-S（λ₃）が（１９）式および（２０）式に示すように有限な値であるため、図９（Ａ）に示すように回折光が発生する。

［２］．第２の円偏光の入射光について：
一方、第２の円偏光の入射光に対しては、波長λ₁、波長λ₂および波長λ₃何れの波長の場合でも、高分子液晶格子８３と充填材８４との屈折率差△ｎ_2-S（λ₁）、△ｎ_2-S（λ₂）および△ｎ_2-S（λ₃）は有意な値を持つ。このため、図９（Ｂ）に複式的に示すように、波長λ₁、波長λ₂および波長λ₃の何れの波長であっても、偏光性回折素子８０で回折光が発生する。
本構成にすることで、第１の円偏光に対して、入射する波長のうちの１つでのみ回折光が発生しない素子を実現することが可能となる。

［第７の実施形態］
次に、本発明の第７の実施形態である偏光性回折素子について、図１０に示す断面図を用いて以下に説明する。なお、本実施形態において、第１の実施形態と同一部分には同一符号を付して重複説明を避ける。

第７の実施形態の偏光性回折素子９０では、高分子液晶格子を形成する材料として、実施形態１ならびに実施形態５とは異なる螺旋ピッチを有するコレステリック相高分子液晶を用いることが、異なる。
螺旋ピッチにより決定される前述の反射波長帯域よりも十分に離れた透過波長λ_３の光に対しては第１の円偏光と第２の円偏光との屈折率は略等しくなる。これに対して、反射波長帯域よりも短波長側である透過波長λ₁ならびに反射波長帯域の長波長側近傍の透過波長λ₂では、透過波長λ_３と比較して相対的に大きな屈折率差が発生する。前述と同様にコレステリック相高分子液晶の第１の円偏光に対する屈折率をｎ₁（λ）、第２の円偏光に対する屈折率をｎ₂（λ）とし、その差（屈折率差）を△ｎ₁₂（λ）、すなわち、
△ｎ₁₂（λ）＝｜ｎ₁（λ）−ｎ₂（λ）｜
とすると、
i）波長λ_３での屈折率差△ｎ₁₂（λ_３）は、ゼロに近い小さな値、すなわち、
△ｎ₁₂（λ₃）＝｜ｎ₁（λ₃）−ｎ₂（λ₃）｜
≒０ ・・・（２１）
ii）また、波長λ₁および波長λ₂での屈折率差△ｎ₁₂（λ₁）および△ｎ₁₂（λ₂）は、大きな値、すなわち、
△ｎ₁₂（λ₁）＝｜ｎ₁（λ₁）−ｎ₂（λ₁）｜
＞△ｎ₁₂（λ₃） ・・・（２２）
△ｎ₁₂（λ₂）＝｜ｎ₁（λ₂）−ｎ₂（λ₂）｜
＞△ｎ₁₂（λ₃） ・・・（２３）
となる。

第１の実施形態と同様に、透光性基板１１上に形成された、高分子液晶格子９３を構成するコレステリック相高分子液晶を、断面が凹凸格子形状で凹部の深さがｄの格子となるよう加工し、透明な充填材９４を用いて前述した高分子液晶格子９３の少なくとも凹部を埋めるように充填するとともに、この充填材９４の上から透光性基板１２を接着・狭持し、偏光性回折素子９０とする。この充填材９４には、波長λ₁、λ₂および波長λ₃の入射光において、第２の円偏光に対するコレステリック相高分子液晶の屈折率と略等しい屈折率を有する等方性光学材料からなるものを用いる。
これにより、波長λ₁、λ₂および波長λ₃の入射光において、第１の円偏光に対する高分子液晶格子９３と充填材９４との屈折率差は、コレステリック相高分子液晶の第１の円偏光と第２の円偏光とに対する前述の屈折率差△ｎ₁₂（λ₁）、△ｎ₁₂（λ₂）および△ｎ₁₂（λ₃）に相当する。

この場合の作用を、図１１を用いて説明する。
［１］．第１の円偏光の入射光について：
第１の円偏光の入射光に対しては、
i）例えば波長λ₃については、高分子液晶格子９３と充填材９４との屈折率差△ｎ₁（λ₃）が（２１）式に示すようにゼロに近い小さな値である。このため、図１１（Ａ）に示すように回折光は生じることなく偏光性回折素子９０を直進透過する。
ii）また、波長λ₁および波長λ₂については、その屈折率差△ｎ₁（λ₁）および△ｎ₁（λ₂）が（２２）式および（２３）式に示すように有限な値であるため、図１１（Ａ）に示すように回折光が発生する。

［２］．第２の円偏光の入射光について：
一方、第２の円偏光の入射光に対しては、波長λ₁、波長λ₂および波長λ₃何れの波長の場合でも、前述の実施形態と同様に高分子液晶格子９３と充填材９４との屈折率差△ｎ₂（λ₁）、△ｎ₂（λ₂）および△ｎ₂（λ₃）は僅かである。このため、図１１（Ｂ）に複式的に示すように、波長λ₁、波長λ₂および波長λ₃の何れの波長であっても、回折光が生じることなく、偏光性回折素子９０を直進透過する。
本構成にすることで、入射する波長のうちの１つでのみ入射する偏光によらず回折光が発生しない素子を実現することが可能となる。

本発明の偏光性回折格子は、入射する第１の円偏光と第２の円偏光の間で、最も大きな透過・回折特性の差異を有するものであるが、入射する直線偏光に対しても、回折素子としての機能を有する。この場合の作用を、第５の実施形態を例に図１２にて説明する。

直線偏光は、略等しい強度の第１の円偏光と第２の円偏光の足し合わせと考えることが可能である。このため、得られる透過・回折特性も、第１の円偏光と第２の円偏光の平均的な特性となる。すなわち、波長λ₁に対しては、図１２（Ａ）ならびに図１２（Ｂ）に示すように、紙面に平行な第１の直線偏光に対しても紙面に垂直な第２の直線偏光に対しても、図７（Ａ）に示した第１の円偏光と、図７（Ｂ）に示した第２の円偏光に対して生じる各々の透過・回折特性の和に相当する透過・回折特性を示す。波長λ₂および波長λ₃に対しては、図７（Ａ）ならびに図７（Ｂ）に示したように、第１の円偏光と第２の円偏光のいずれに対しても回折光は発生しないため、図１２（Ａ）ならびに図１２（Ｂ）に示すように、第１の直線偏光および第２の直線偏光のいずれでも回折光は発生しない。

この、直線偏光に対する透過・回折特性は、第１の直線偏光および第２の直円偏光に限定されるものではなく、任意の方向に偏光した直線偏光で略等しい回折特性を示す。このように、直線偏光を入射光に用いる場合には、偏光性回折素子の偏光依存性を消失させ、波長選択性のみを利用することも可能である。

本発明の偏光性回折素子およびそれを用いた光ヘッド装置のさらなる特徴については、以下に示す実施例により具体的に説明する。

「例１」
本実施例の偏光性回折素子５０について、図４に示す断面図を用いて、その作製方法および構成を具体的に説明する。

［I］．偏光性回折素子１０について：
（１）この偏光性回折素子１０は、第１の実施形態で説明した構成と同一のものであり、高分子液晶格子１３としては、高分子化後の常光屈折率ｎ。＝１．５１および異常光屈折率ｎ_e＝１．７１で、右回り螺旋ピッチＰ＝０．３８μｍとなるコレステリック相高分子液晶を用いており、断面が矩形格子形状となるように加工する。このとき、コレステリック相高分子波晶は、第１の円偏光である右回り円偏光に対して中心波長λ₀＝６１２ｎｍで、波長帯域７５ｎｍの反射帯域Ｒ₁を示す。

（２）次に、このコレステリック相高分子液晶の平均屈折率ｎ＝１．６１に相当する屈折率を有する透明接着材からなる充填材１４を用いて、高分子液晶格子１３の凹部を埋めるとともに、ガラスからなる透光性基板１２に接着・固定することにより、偏光性回折素子１０が製造される。

ここで、第２の円偏光である左回り円偏光に対するコレステリック相高分子液晶の屈折率ｎ₂（λ）は、平均屈折率ｎに略等しい。４×４の伝播行列法を用いたコレステリック相高分子液晶の透過光偏光成分の理論的な計算から、高分子液晶格子１３の凹部の深さを、ｄ＝８．８μｍとする。これにより、第１の円偏光である右回り円偏光と第２の円偏光である左回り円偏光との透過光の位相差が、波長λ₁＝６６０ｎｍに対しては約πで、波長λ₂＝７９０ｎｍに対しては約０．１４πとなる。

したがって、凹凸形状の凸部（高分子液晶格子１３）と凹部（充填材１４）の透過光の位相差φ、つまり、次式から算出される位相差
φ＝２π・△ｎ（λ）・ｄ／λ ・・・（２４）
但し、△ｎ（λ）；屈折率差
は、波長λ₁において、第１の円偏光である右回り円偏光に対しては約πに相当し、第２の円偏光である左回り円偏光に対しては約０．１４πとなる。また、波長λ₂においては何れの円偏光に対しても略ゼロとなる。

この偏光性回折素子１０において、直進透過する０次回折効率は、
η₀＝ｃｏｓ²（φ／２） ・・・（２５）
±１次回折効率は、
η₁＝（２／π）²・ｓｉｎ²（φ／２） ・・・（２６）
で近似的に求められる。
したがって、波長λ₁の第１の円偏光は、（２６）式から、±１次回折光が最大η₁＝４１％となり、第２の円偏光は回折されることなく直進透過（η₀＝１００％）する。また、波長λ₂の第１の円偏光に対しては、（２５）式から、０次回折効率が最大η₀＝９５％、第２の円偏光に対してはη₀＝１００％となり、回折されることなく直進透過する光が大半である。

［II］．波長選択性回折素子３０について：
（１）波長５９０ｎｍに吸収端を有する有機物顔料（赤色顔料）を含む赤色レジストをスピンコート法によりガラスからなる透光性基板３１上に、均一に厚さ６．０μｍにコーティングした後、加熱硬化する。
（２）次に、フォトマスクを用いて、赤色レジストを紫外線露光および現像処理することにより、断面が矩形状の短波長吸収格子３２を作製する。この短波長吸収格子３２の屈折率は、波長λ₁においてｎ₁＝１．６５４、波長λ₂においてｎ₂＝１．６２６である。
（３）次に、重合後の屈折率が波長λ₁においてｎ₁＝１．６５６、波長λ₂においてｎ₂＝１．６４６であるフォトポリマを、モノマの状態で充填材３３として短波長吸収格子３２の凹部に充填する。その後、充填材３３の上に、偏光性回折素子１０の透光性基板１１を積層して短波長吸収格子３２と充填材３３を挟み込み、モノマに紫外線を照射し重合させて、波長選択性回折素子３０を作製する。

このようにして作製した波長選択性回折素子３０では、波長λ₁に対しては短波長吸収格子３２と充填材３３との屈折率差がないため、回折光は発生せず直進透過する。一方、波長λ₂に対しては短波長吸収格子３２の凸部と凹部の通過光の位相差が略０．３０πとなり、直進透過する０次回折効率は、（２５）式から、η₀＝７９％、±１次回折光率は、（２６）式から、η₁＝８．５％となる。したがって、波長選択性回折素子３０は、入射光の偏光状態に依存せず、波長λ₁の入射光を直進透過し、波長λ₂の入射光のうち８．５％を±１次回折する波長選択性回折素となる。

［III］．位相子４０について：
波長λ₁と波長λ₂の中心波長であるλ_C＝７２５ｎｍに対する複屈折位相差がπおよびπ／２に相当するリタデーション値３６２．５ｎｍの第１の高分子液晶（図略）と、リタデーション値１８１．３ｎｍの第２の高分子液晶（図略）を、それぞれの遅相軸角度がＸＹ面内でＹ軸に対して１５°および７５°を成すように、ガラスから成る透光性基板４１上に第１の高分子液晶、第２の高分子液晶の順に積層して、位相子４０を作製する。

この位相子４０は、Ｙ軸方向に偏光面を有する波長λ₁および波長λ₂の直線偏光が透光性基板４１側から入射すると、透過光は第２の円偏光である左回り円偏光となる。また、位相子４０は、第１の円偏光である右回り円偏光が透光性基板４２側から入射すると、透過光は何れもＸ軸方向に偏光面を有する直線偏光となる。すなわち、この位相子４０は、波長λ₁および波長λ₂に対して、１／４波長板として作用する。

このようにして、位相板４３を有する位相子４０と、波長選択性回折素子３０と、偏光性回折素子１０とを積層して成る本実施例の偏光性回折素子５０を作製することができ、前述の第３の実施形態において説明した光学機能が得られる。

「例２」
次に、偏光性回折素子５０を搭載した光ヘッド装置６０について、その配置構成を模式的に示した図５を参照しながら説明する。
この偏光性回折素子５０は、ＤＶＤ用の波長λ₁に対しては偏光性回折格子として作用し、光ディスクＤヘと集光される往路においては回折光による光損失が抑制されて９０％以上の光利用効率が実現する。一方、この偏光性回折素子５０は、光検出器２へと集光される復路において、３０％以上の高い±１次回折効率が得られる偏光ビームスプリッタとして機能する。

また、この偏光性回折素子５０は、ＣＤ用の波長λ₂に対しては入射光の偏光状態に依存しない回折格子として作用し、複屈折が残存したＣＤ用の光ディスクＤに対しても回折効率の変動がないため、安定した光検出が実現するビームスプリッタとして機能する。
その結果、光ヘッド装置６０の小型・軽量化が達成されるとともに、ＤＶＤ用およびＣＤ用の光ディスクＤの安定した記録および再生が実現する。

「例３」
本実施例の偏光性回折素子７０について、図６に示す断面図を用いて、その作製方法および構成を具体的に説明する。

［I］．偏光性回折素子７０について：
（１）この偏光性回折素子７０は、第５の実施形態で説明した構成と同一のものであり、高分子液晶格子７３としては、高分子化後の常光屈折率ｎ。＝１．５５および異常光屈折率ｎ_e＝１．７７で、右回り螺旋ピッチＰ＝０．３３μｍとなるコレステリック相高分子液晶を用いており、断面が矩形格子形状となるように加工する。このとき、コレステリック相高分子波晶は、第１の円偏光である右回り円偏光に対して中心波長λ₀＝５５０ｎｍで、波長帯域７０ｎｍの反射帯域Ｒ₁を示す。

（２）次に、このコレステリック相高分子液晶の平均屈折率ｎ＝１．６６に相当する屈折率を有する透明接着材からなる充填材７４を用いて、高分子液晶格子７３の凹部を埋めるとともに、ガラスからなる透光性基板１２に接着・固定することにより、偏光性回折素子７０が製造される。

ここで、第２の円偏光である左回り円偏光に対するコレステリック相高分子液晶の屈折率ｎ₂（λ）は、平均屈折率ｎに略等しい。４×４の伝播行列法を用いたコレステリック相高分子液晶の透過光偏光成分の理論的な計算から、高分子液晶格子７３の凹部の深さを、ｄ＝９．１μｍとする。これにより、第１の円偏光である右回り円偏光と第２の円偏光である左回り円偏光との透過光の位相差が、波長λ₁＝４０５ｎｍに対しては約πで、波長λ₂＝６６０ｎｍに対しては約０．１２πとなり、波長λ₃＝７９０ｎｍに対しては約０．０５πとなる。

したがって、凹凸形状の凸部（高分子液晶格子７３）と凹部（充填材７４）の透過光の位相差φ、つまり、次式から算出される位相差
φ＝２π・△ｎ（λ）・ｄ／λ ・・・（２７）
但し、△ｎ（λ）；屈折率差
は、波長λ₁において、第１の円偏光である右回り円偏光に対しては約πに相当し、波長λ₂および波長λ₃においては、それぞれ約０．１０πおよび約０．０５πとなる。第２の円偏光においては何れの波長に対しても略ゼロとなる。

この偏光性回折素子７０において、直進透過する０次回折効率は、
η₀＝ｃｏｓ²（φ／２） ・・・（２８）
±１次回折効率は、
η₁＝（２／π）²・ｓｉｎ²（φ／２） ・・・（２９）
で近似的に求められる。
したがって、波長λ₁の第１の円偏光は、（２９）式から、±１次回折光が最大η₁＝４１％となり、第２の円偏光は回折されることなく直進透過（η₀＝１００％）する。また、波長λ₁および波長λ₂の第１の円偏光に対しては、（２８）式から、０次回折効率がそれぞれ最大η₀＝９６％およびη₀＝９８％、第２の円偏光に対してはいずれもη₀＝１００％となり、回折されることなく直進透過する光が大半である。

「例４」
次に、偏光性回折素子７０を搭載した光ヘッド装置１００について、その配置構成を模式的に示した図１３を参照しながら説明する。
光ヘッド装置１００は、波長λ₁が４０５ｎｍ±１０ｎｍの高密度光ディスク用のレーザ光と、波長λ₂が６６０ｎｍ±２０ｎｍのＤＶＤ波長域のレーザ光と、波長λ₃が７９０ｎｍ±２０ｎｍのＣＤ波長域のレーザ光を切り替えて出射する３波長用半導体レーザ５を用いる。さらに、実施例２に示した偏光性回折素子５０に含まれる位相差板に波長λ₁、波長λ₂および波長λ₃に対して略λ／４位相差板として作用する波長範囲の広いものを用い、新たに偏光性回折格子７０を追加したものである。
実施例２で説明したＤＶＤ用の波長λ₂およびＣＤ用の波長λ₃の機能に関しては、実施例４でもほぼ等しく機能し、説明を省略する。
新たに追加した偏光性回折素子７０は、高密度光ディスク用に用いられるレーザ光の波長λ₁に対しては偏光性回折格子として作用し、光ディスクＤヘと集光される往路においては回折光による光損失が抑制されて９０％以上の光利用効率が実現する。一方、この偏光性回折素子７０は、光検出器２へと集光される復路において、３０％以上の高い±１次回折効率が得られる偏光ビームスプリッタとして機能する。

また、この偏光性回折素子７０は、ＤＶＤ用の波長λ₂およびＣＤ用の波長λ₃に対しては入射光の偏光状態に依存せず回折光が発生しない。
その結果、光ヘッド装置１００の小型・軽量化が達成されるとともに、高密度ディスク用、ＤＶＤ用およびＣＤ用の光ディスクＤの安定した記録および再生が実現する。

本発明の偏光性回折素子に用いられるコレステリック相高分子液晶をなす重合性のコレステリック相液晶としては公知の光学活性化合物を使用することが可能である。たとえば式（３０）の特開2002-12580に示されているようなラセン誘起力のおおきな化合物が好ましい。
R-X1 -A1 -B1 -C*HY1 -CH₂ -(B2 )n -X2 -A2 -X3 -A3 -X4 -Z-OCO-CY2 =CH₂ ・・・（３０）
ただし、式（３０）中の記号は下記の意味を示す。
Ｒ：炭素数１〜１２のアルキル基、水素原子の１個以上がフッ素原子に置換された炭素数１〜１２のアルキル基、水素原子またはハロゲン原子。
Ｘ1 、Ｘ2 、Ｘ3 、Ｘ4 ：相互に独立して、カルボニルオキシ基（−ＣＯＯ−）、オキシカルボニル基（−ＯＣＯ−）、エーテル性の酸素原子（−Ｏ−）、オキシメチレン基（−ＯＣＨ₂−）、メチレンオキシ基（−ＣＨ₂ Ｏ−）または単結合。
Ｙ1 ：メチル基（−ＣＨ₃ ）または水素原子の１個以上がフッ素原子に置換されたメチル基。
Ｙ2 ：水素原子またはメチル基（−ＣＨ₃ ）。
Ｚ：炭素数１〜１２のアルキレン基または水素原子の１個以上がフッ素原子に置換された炭素数１〜１２のアルキレン基。
Ａ1 、Ａ2 、Ａ3 ：相互に独立して、水素原子の１個または２個がフッ素原子に置換されていてもよい１，４−フェニレン基、水素原子の１個または２個がメチル基（−ＣＨ₃ ）に置換されていてもよい１，４−フェニレン基、非置換の２，６−ナフチレン基、非置換のトランス−１，４−シクロヘキシレン基または単結合。
Ｂ1 、Ｂ2 ：相互に独立して、水素原子の１個もしくは２個がフッ素原子に置換されていてもよい１，４−フェニレン基、水素原子の１個もしくは２個がメチル基（−ＣＨ₃ ）に置換されていてもよい１，４−フェニレン基、非置換の２，６−ナフチレン基、非置換のトランス−１，４−シクロヘキシレン基または−Ｄ1 −ＣＨ₂ ＣＨ₂ −Ｄ2 −で表される基（Ｄ1 およびＤ2 はそれぞれ独立に、水素原子の１個または２個がフッ素原子および／またはメチル基（−ＣＨ₃ ）に置換されていてもよい１，４−フェニレン基、非置換の２，６−ナフチレン基、非置換のトランス−１，４−シクロヘキシレン基を表す。）。
ｎ：１または２。
Ｃ* ：不斉炭素原子。

また、ラセンピッチを調整するため、他の重合性液晶化合物を併用しても良い。他の重合性液晶化合物が、複数の重合性官能基を有する場合には、重合性官能基の種類が異なっていてもよい。

重合性官能基を２つ有する化合物は多数知られており、これらを重合させた場合には、一般的に良好な耐熱性および強度特性を得られることから好適に用いられる。具体的には、特開平１０−２６５５３１号公報に記載されている下記のジアクリル酸エステル化合物を例示できる。

（式中、Ａ^２はフッ素原子、塩素原子、水素原子またはメチル基であり、ｑは０〜８の整数であり、ｑが０または１である場合のｒは０であり、ｑが２〜８の整数である場合のｒは１であり、Ｘ^２は単結合、−ＣＯＯ−、−ＯＣＯ−または−ＣＨ_２ＣＨ_２−であり、ｓは０または１であり、ｐは０または１であり、ｐが０である場合のＸ^３は単結合であり、ｐが１である場合のＸ^３はＸ^２と同一構造である。ただし、ここで用いられる符号は本式中の符号のみを指すものとする。）

具体的には下記の化合物が例示できる。

また、分子内に重合性官能基を１つ含有する化合物としては、同公報に例示される下記式で表される化合物が挙げられる。

（式中、Ａ^１はフッ素原子、塩素原子、水素原子またはメチル基であり、ｍは０〜８の整数であり、ｍが０または１である場合のｎは０であり、ｍが２〜８の整数である場合のｎは１であり、Ｘ^１は単結合、−ＣＯＯ−、−ＯＣＯ−または−ＣＨ_２ＣＨ_２−であり、Ｙは１，４−フェニレン基または１，４−トランスシクロへキシレン基であり、Ｚ^１は炭素数１〜８のアルコキシル基、フッ素原子、塩素原子またはシアノ基である。ただし、ここで用いられる符号は本式中の符号のみを指すものとする。）

具体的には下記の化合物が例示される。

さらに、下記式で示される化合物も例示できる。

（式中Ｘは１，４−フェニレン基または１，４−トランスシクロヘキレン基であり、Ｙは炭素数１〜８のアルキル基を表す。）

具体的には、４−（トランス−４’−ｎ−プロピルシクロヘキシルカルボニルオキシ）フェニルアクリレート、４−（トランス−４’−ｎ−ブチルシクロヘキシルカルボニルオキシ）フェニルアクリレート、４−（トランス−４’−ｎ−ペンチルシクロヘキシルカルボニルオキシ）フェニルアクリレート、４−（４’−ｎ−プロピルフェニルカルボニルオキシ）フェニルアクリレート、４−（４’−ｎ−ブチルフェニルカルボニルオキシ）フェニルアクリレート、４−（４’−ｎ−ペンチルフェニルカルボニルオキシ）フェニルアクリレートが好ましく例示される。これらの重合性液晶化合物は、１種でも２種以上を組み合わせて用いることもできる。

また、本発明の偏光性回折素子に用いられる重合性のコレステリック相液晶の組成物は重合性非液晶化合物を含んでも良い。このような重合性化合物としては、特に限定されないが、アクリレート系、メタクリレート系、ビニルエーテル系の化合物が好ましく、これらは１種でも２種以上組み合わせて用いることもできる。
本発明の重合性基を有する液晶性化合物は、その保存安定性を向上させるために安定剤を添加しても良い。安定剤としては、ヒドロキノン、ヒドロキノンモノアルキルエーテル類または第三ブチルカテコール類などが例示される。

なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施し得るものである。

本発明の偏光性回折素子は、その回折効率が特定の透過波長域において円偏光依存性を有し、他の透過波長域では偏光依存性がないため、格子形状および格子パターンを設計調整することにより、特定透過波長域の特定の円偏光のみを取り出す波長選択性と偏光選択性を有するビームスプリッタが得られる。
特に、複数の波長のレーザ光源を用いて規格の異なる光ディスクの情報を記録または再生する光ヘッド装置に本発明の偏光性回折素子を適用することにより、光ヘッド装置の小型・軽量化が実現するとともに、光利用効率の高い光学系となるため、安定した記録・再生が実現可能となる。

本発明の第１の実施形態に係る偏光性回折素子の構成例を示す側断面図。 図１に示す偏光性回折素子に光が入射した場合の作用を示すものであって、(Ａ)は波長λ₁、λ₂の第１の円偏光が入射したときの透過状態を示す説明図。(Ｂ)は波長λ₁、λ₂の第２の円偏光が入射したときの透過状態を示す説明図。 本発明の第２の実施形態に係る偏光性回折素子の構成例を示す側断面図。 本発明の第３の実施形態に係る偏光性回折素子の構成例を示す側断面図。 本発明の第４の実施形態に係る本発明の偏光性回折素子を用いた光ヘッド装置の構成例を示す側断面図。 本発明の第５の実施形態に係る偏光性回折素子の構成例を示す側断面図。 図６に示す偏光性回折素子に光が入射した場合の作用を示すものであって、(Ａ)は波長λ₁、λ₂、λ_３の第１の円偏光が入射したときの透過状態を示す説明図。(Ｂ)は波長λ₁、λ₂、λ_３の第２の円偏光が入射したときの透過状態を示す説明図。 本発明の第６の実施形態に係る偏光性回折素子の構成例を示す側断面図。 図８に示す偏光性回折素子に光が入射した場合の作用を示すものであって、(Ａ)は波長λ₁、λ₂、λ_３の第１の円偏光が入射したときの透過状態を示す説明図。(Ｂ)は波長λ₁、λ₂、λ_３の第２の円偏光が入射したときの透過状態を示す説明図。 本発明の第７の実施形態に係る偏光性回折素子の構成例を示す側断面図。 図１０に示す偏光性回折素子に光が入射した場合の作用を示すものであって、(Ａ)は波長λ₁、λ₂、λ_３の第１の円偏光が入射したときの透過状態を示す説明図。(Ｂ)は波長λ₁、λ₂、λ_３の第２の円偏光が入射したときの透過状態を示す説明図。 図６に示す偏光性回折素子に光が入射した場合の作用を示すものであって、(Ａ)は波長λ₁、λ₂、λ_３の紙面に平行な第１の直線偏光が入射したときの透過状態を示す説明図。(Ｂ)は波長λ₁、λ₂、λ_３の紙面に垂直な第２の直線偏光が入射したときの透過状態を示す説明図。 本発明の第４の実施例に係る本発明の偏光性回折素子を用いた光ヘッド装置の構成例を示す側断面図。

符号の説明

１ ２波長用半導体レーザ
２ 光検出器
３ コリメータレンズ
４ 対物レンズ
５ ３波長用半導体レーザ
１０、２０、５０、７０、８０、９０ 偏光性回折素子
１１（３４）、１２、３１（４２）、４１ 透光性基板
１３、７３、８３、９３ 高分子液晶格子
１４、３３、７４、８４、９４ 充填材
２１ 等方性格子
２２ 高分子安定化ブルー相液晶
２３ コレステリック相液晶
３０ 波長選択性回折素子
３２ 短波長吸収格子
４０ 位相子
４３ 位相板
６０、１００ 光ヘッド装置
Ｄ 光ディスク
Ｒ₁ 反射波長帯域
Ｕ パッケージ
λ₁ （第１）波長
λ₂ （第２）波長
λ₃ （第３）波長

Claims (13)

1. 特定波長の入射光に対して回折を生じさせる偏光性回折素子であって、偏光性回折素子は旋光性材料と等方性材料とが接することにより形成される回折格子を含み、
   前記旋光性材料は、前記特定波長の入射光のうち１つの回転方向を有する第１の円偏光を反射する反射波長帯域を有するとともに、前記第１の円偏光と逆向きの回転方向となる第２の円偏光の前記特定波長の入射光に対して反射する反射波長帯域を有さず、
   前記第１の円偏光と前記第１の円偏光と逆向き回転である前記第２の円偏光との２つの偏光状態をそれぞれ有する第１波長λ ₁ および第２波長λ ₂ （λ ₁ ≠λ ₂ ）の入射光に対して、前記２つの入射光の波長および２つの偏光状態に応じて選択的に回折する偏光性回折素子であって、
   少なくとも前記第１の円偏光の入射光に対して前記第１波長λ ₁ および前記第２波長λ ₂ を反射波長の対象として含まない反射波長帯域を有し、
   前記第１波長λ ₁ および前記第２波長λ ₂ の前記入射光のうち、前記反射波長帯域近傍の透過波長である前記第１波長λ ₁ の前記入射光の方が、前記第２波長λ ₂ に比べると相対的により大きく発現する旋光分散機能を有する旋光性材料と、前記第１波長λ ₁ の前記第２の円偏光の入射光に対する旋光性材料の屈折率と略等しい屈折率を有する等方性材料を用いて、前記第１波長λ ₁ の前記第１の円偏光の入射光のみを選択的に回折させる波長偏光選択回折機能を有する偏光性回折素子。
2. 前記第１波長λ ₁ の入射光と前記第２波長λ ₂ の入射光の一方が、前記反射波長帯よりも短波長側にあり、前記第２波長λ ₂ の入射光と前記第１波長λ ₁ の入射光の他方が、前記反射波長帯よりも長波長側にあり、前記反射波長帯よりも短波長側と長波長側で異なる旋光分散機能を有する旋光性材料を用いて、前記第１波長λ ₁ の前記第１の円偏光の入射光のみを選択的に回折させる、請求項１に記載の偏光性回折素子。
3. 波長λの、前記第１の円偏光に対する屈折率と前記第２の円偏光に対する屈折率との差を△ｎ（λ）とすると、△ｎ（λ₁）＞△ｎ（λ₂）を満たし、かつ、△ｎ（λ₂）≒０である前記旋光性材料と、前記第２波長λ₂において前記旋光性材料の屈折率と略等しい光学的等方材料とのうちのいずれか一方の材料を用いて、断面形状が周期的な凹凸を有する格子形状に加工された格子と、
   少なくともその加工された前記格子の凹部に、前記旋光性材料と前記光学的等方材料とのうちいずれか他方の材料が充填された充填材と、を有する、請求項１に記載の偏光性回折素子。
4. 前記旋光性材料は、螺旋軸方向が厚さ方向に揃っているとともに、前記第１の円偏光に対して前記第１波長λ₁および前記第２波長λ₂を反射波長の対象として含まない前記反射波長帯域を有し、かつ、前記第１波長λ₁が前記第２波長λ₂に比べて相対的に前記反
   射波長帯域の近傍の透過波長となる螺旋ピッチを有するコレステリック相液晶より構成されている、請求項３に記載の偏光性回折素子。
5. 前記コレステリック相液晶がコレステリック相高分子液晶からなり、その螺旋軸方向が厚さ方向に揃っているとともに、前記第１の円偏光に対して前記第１波長λ₁および前記第２波長λ₂を反射波長の対象として含まない前記反射波長帯域を有し、かつ、前記第１波長λ₁が前記第２波長λ₂に比べて相対的に前記反射波長帯域の近傍の透過波長となる螺旋ピッチを有するコレステリック相高分子液晶より構成されている、請求項４に記載の偏光性回折素子。
6. 前記旋光性材料は、第１の円偏光に対して前記第１波長λ₁および前記第２波長λ₂を反射波長の対象として含まない前記反射波長帯域を有するとともに、前記第１波長λ₁が前記第２波長λ₂に比べて相対的に前記反射波長帯域の近傍の透過波長となる波長選択性を有し、高分子ネットワークによりコレステリックブルー相の温度範囲が拡大された高分子安定化コレステリックブルー相液晶より構成されている、請求項３に記載の偏光性回折素子。
7. 特定波長の入射光に対して回折を生じさせる偏光性回折素子であって、偏光性回折素子は旋光性材料と等方性材料とが接することにより形成される回折格子を含み、
   前記旋光性材料は、前記特定波長の入射光のうち１つの回転方向を有する第１の円偏光を反射する反射波長帯域を有するとともに、前記第１の円偏光と逆向きの回転方向となる第２の円偏光の前記特定波長の入射光に対して反射する反射波長帯域を有さず、
   前記第１の円偏光と前記第１の円偏光と逆向き回転である前記第２の円偏光との２つの偏光状態をそれぞれ有する第１波長λ ₁ および第２波長λ ₂ （λ ₁ ≠λ ₂ ）の入射光に対して、前記２つの入射光の波長および２つの偏光状態に応じて選択的に回折する偏光性回折素子であって、
   少なくとも前記第１の円偏光の入射光に対して前記第１波長λ ₁ および前記第２波長λ ₂ を反射波長の対象として含まない反射波長帯域を有し、
   前記第１波長λ ₁ および前記第２波長λ ₂ の前記入射光のうち、前記反射波長帯域近傍の透過波長である前記第１波長λ ₁ の前記入射光の方が、前記第２波長λ ₂ に比べると相対的により大きく発現する旋光分散機能を有する旋光性材料と、前記第１波長λ ₁ において前記第１の円偏光対する前記旋光性材料の屈折率と略等しい屈折率を有する等方性材料を用いて、前記第１波長λ ₁ の前記第１の円偏光の入射光のみを選択的に回折させず透過させる波長偏光選択回折機能を有する偏光性回折素子。
8. 前記第１波長λ ₁ の入射光と前記第２波長λ ₂ の入射光の一方が、前記反射波長帯よりも短波長側にあり、前記第２波長λ ₂ の入射光と前記第１波長λ ₁ の入射光の他方が、前記反射波長帯よりも長波長側にあり、前記反射波長帯よりも短波長側と長波長側で異なる旋光分散機能を有する旋光性材料を用いて、前記第１波長λ ₁ の前記第１の円偏光の入射光のみを選択的に回折させず透過させる、請求項７に記載の偏光性回折素子。
9. 波長λの、前記第１の円偏光に対する屈折率と前記第２の円偏光に対する屈折率との差を△ｎ（λ）とすると、
   △ｎ（λ ₁ ）＞△ｎ（λ ₂ ）を満たし、かつ、△ｎ（λ ₂ ）≒０である前記旋光性材料と、
   前記第１波長λ _１ において前記第１の円偏光に対する前記旋光性材料の屈折率と略等しい屈折率を有する光学的等方材料と、を含み、
   前記旋光性材料と前記光学的等方材料のいずれか一方の材料を用いて、断面形状が周期的な凹凸を有する格子形状に加工された格子と、少なくともその加工された前記格子の凹部に他方の材料が充填された構成からなる、請求項７に記載の偏光性回折素子。
10. 前記旋光性材料は、螺旋軸方向が厚さ方向に揃っているとともに、前記第１の円偏光に対して少なくとも２つの波長の異なる入射光のすべての波長を反射波長の対象として含まない前記反射波長帯域を有し、かつ、少なくとも２つの波長の異なる入射光のなかで、最も短い入射波長よりも長波長であり、最も長い入射波長よりも短波長である反射波長帯となる螺旋ピッチを有するコレステリック相液晶より構成されている、請求項９に記載の偏光性回折素子。
11. 前記コレステリック相液晶がコレステリック相高分子液晶からなり、その螺旋軸方向が厚さ方向に揃っているとともに、前記第１の円偏光に対して少なくとも２つの波長の異なる入射光のすべての波長を反射波長の対象として含まない前記反射波長帯域を有し、かつ、少なくとも２つの波長の異なる入射光のなかで、最も短い入射波長よりも長波長であり、最も長い入射波長よりも短波長である反射波長帯となる螺旋ピッチを有するコレステリック相高分子液晶より構成されている、請求項１０に偏光性回折素子。
12. 前記少なくとも２つの波長の異なる光を出射する少なくとも２つの半導体レーザと、
    この半導体レーザからの出射光を光記録媒体に集光する対物レンズと、
    前記光記録媒体で反射された光のうち少なくとも１つの波長の光を回折するビームスプリッタと、
    前記回折された前記波長の光を検出する光検出器とを備え、前記光記録媒体の記録及び／又は再生を行う光ヘッド装置であって、
    前記ビームスプリッタは、請求項１から１１のいずれか１項に記載の偏光性回折素子を含む、光ヘッド装置。
13. 前記ビームスプリッタは、格子ピッチおよび格子角度が格子形成面内で分布したホログラムパターンからなるホログラムビームスプリッタである、請求項１２に記載の光ヘッド装置。

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