JPWO2009084604A1 - 液晶素子および光ヘッド装置および可変光変調素子 - Google Patents

Abstract

液晶素子であって、透明基板と、液晶材料から構成され周期的な凹凸からなる凹凸部を含む液晶層と、を有し、前記液晶層の凹凸部は、前記透明基板側に位置するとともに前記液晶層の凹凸部の界面である凹凸面に位置する液晶分子の長軸方向が前記透明基板側の凹凸面に対して実質的に垂直方向となるかまたは、前記液晶層の凹凸部は、前記透明基板の反対にある媒質側に位置するとともに前記液晶層の凹凸部の界面である凹凸面に位置する液晶分子の長軸方向が前記媒質側の凹凸面に対して実質的に垂直方向となるように配向されて回折格子を形成する。

Description

本発明は、液晶を用いて回折格子構造を有する液晶素子および該液晶素子を用いた光ディスク等の光記録媒体に対して情報の記録再生を行う光ヘッド装置、該液晶素子を用い入射する光に対して透過する光の光量を可変する可変光変調素子に関する。

液晶を用いた回折素子は、液晶が有する屈折率異方性、つまり常光屈折率（ｎ_ｏ）と異常光屈折率（ｎ_ｅ）との差Δｎを利用することで入射する光の偏光状態によって光学特性が異なって出射される、偏光依存性を有する光学素子として利用できる。例えば、図１に示すような液晶素子１０は、２枚の平行した透明基板１１ａ、１１ｂのうち一方の透明基板１１ａの一方の面の断面が周期的な凹凸状となる回折格子１４を有し、もう一方の透明基板１１ｂに対向して配置される。さらに、互いに透明基板１１ａの面に配向膜１２ａ、透明基板１２ａの面に配向膜１２ｂが形成され、それぞれの配向膜が対向するように配置されて２枚の透明基板の空隙に液晶材料が充填された液晶層１３を有するものである。配向膜は、有機材料であればポリイミドが好適に用いられ、とくにポリイミドを形成した表面をラビングして配向膜とし、配向膜表面に接する液晶分子の配向方向を調整する方法が知られている。また、ＳｉＯ_２などの無機材料の配向膜を対向する基板の表面に基板面の法線から一定の傾斜方向からの蒸着を行う斜方蒸着方法も知られている。

このとき、液晶層１３に例えば、正の誘電率異方性を有する液晶材料を用い、該液晶材料の液晶分子の長軸方向は透明基板面に対して略水平かつ回折格子１４の凹凸の長手方向（Ｙ軸方向）に平行な方向とし、等方性光学材料となる透明基板１１ａの屈折率（ｎ_ｓ）を液晶の常光屈折率（ｎ_ｏ）と略一致させる。この液晶素子１０に対し、Ｚ軸方向に平行に進行する光が入射する場合、Ｘ軸方向に偏光した光はｎ_ｏとｎ_ｓとの屈折率差を感じないので回折がほとんど発生せずに直進透過し、Ｙ軸方向に偏光した光はｎ_ｅとｎ_ｓとの屈折率差を感じて回折現象が発現する。このような偏光依存性をもたらす液晶素子は、さらに液晶の間にＩＴＯなどの透明導電膜を配して交流電圧を印加することによって、液晶の配向状態を変化させることもできる。また、液晶は誘電率異方性が正の特性の材料であっても負の特性の材料であってもよく、光学用途に応じて液晶材料、配向方法などを組み合わせることができる。なお、回折格子（凹凸部）１４に対して、凹部１５、凸部１６はそれぞれ、液晶層１３に対する凹部、凸部を示すものであり、以降、本願発明にかかる液晶素子においてもとくに説明されない場合、凹部および凸部は、いずれも液晶層の凹部および凸部という意味で表現するものとする。

回折格子構造は、凹凸部の１周期の長さ（以下、格子ピッチという）を狭く（短く）すると図１のＺ軸方向に進行して入射するＹ軸方向と平行に偏光した光の回折角（Ｚ軸方向と回折方向とがなす角度）が大きくなる。この場合、例えば、回折しないＸ軸方向と平行に偏光した光は直進透過した方向に配置された別の光学素子に高い透過率で入射する。一方、Ｙ軸方向と平行に偏光した光は大きな回折角で回折して別の光学素子に入射させないようにすることができ、直進方向に透過する光の消光比を高めることができる。また、回折角を大きくすることで例えば、回折された光が直進方向に配置された別の光学素子へ迷光となって入射しにくくなるので光学系の品質を上げることができる。

次に、図２に示す光ヘッド装置２０に液晶素子１０を配置したときを例にして説明する。光源２１をＸ方向の直線偏光で光ディスク２５の方向へ出射した光は、液晶素子１０を回折せずに透過する。コリメータレンズ２２で平行光となった光が１／４波長板２３を透過して例えば右回りの円偏光となって対物レンズ２４で集光され光ディスク２５の情報記録面２５ａに到達する。情報記録面２５ａで反射された光は、左回りの円偏光となって対物レンズ２４を透過し、１／４波長板２３によってＹ方向の直線偏光となり、液晶素子１０によって回折されて受光素子２６に到達する。このとき、液晶素子１０の格子ピッチが狭いほど回折角が大きくなるので、回折光が大きい回折角となるように偏向できると、反射された光は、例えば光源２１となる半導体レーザに対して迷光とならないようにすることができる。

次に、液晶素子１０を、透過する光の位相差（光路長差）を特定して設計する場合を考える。液晶層１３内で液晶分子が一様に配向されていると、光路長差は液晶材料および回折格子の深さを調整することで実現できる。Ｚ軸方向に進行する光が凹部１５と凸部１６を透過するときの光路長差は、以下のように説明できる。入射する光の波長λに対する液晶材料の常光屈折率をｎ_ｏ、異常光屈折率をｎ_ｅ、そして等方性材料となる格子材料の屈折率をｎ_ｓとし、液晶材料と格子材料との屈折率差をそれぞれ、Δｎ_ｏ＝｜ｎ_ｏ−ｎ_ｓ｜、Δｎ_ｅ＝｜ｎ_ｅ−ｎ_ｓ｜とする。このとき、液晶材料の常光方向、つまり進相軸方向となる光が入射すると格子深さｄの回折格子で生じる光路長差は、Δｎ_ｏ・ｄとなり、液晶材料の異常光方向、つまり遅相軸方向となる光が入射するとΔｎ_ｅ・ｄとなる。例えば、矩形状の回折格子において±１次回折光の回折効率を大きくするため位相差を（２ｍ＋１）λ／２とする条件では（ｍは０以上の整数）、液晶材料を特定して格子深さｄを調整することが好ましい。このようにすると使用できる液晶材料の種類を多くすることができる。配向状態が液晶層で一様ではない場合は、配向状態に応じて回折格子深さなどを調整することで対応できる。

また、回折格子の格子ピッチと回折角との関係として、格子ピッチＰの回折格子を有する液晶素子面に垂直に波長λの光が入射したとき、液晶素子面の法線（＝光の進行方向）に対するＱ次回折光の回折角θは（１）式のようになる。
ｓｉｎθ＝Ｑλ／Ｐ ・・・（１） （Ｑ＝±１、±２、・・・）
これより、例えば高密度ＤＶＤ用の光ヘッド装置に適応した４００ｎｍ帯域のように波長の短い光に対して回折角を大きくする場合、格子ピッチをより狭くする必要がある。また、回折格子の凹凸部は矩形型に限らずブレーズ型やブレーズを階段状に近似した形状であってもよく、この場合、一つの方向の回折光の光量を大きくすることができ、光利用効率を高くすることができる。

このように回折格子は、入射する光の波長に合わせて、格子ピッチを例えば１０μｍ以下（数μｍ）とすることで回折角を大きくすることができる。しかし、従来のラビング方法により回折格子に配向膜を形成しようとすると格子ピッチが狭いためにラビング用の繊維が透明基板１１ａの溝（液晶層の凸部１６に接触する部分）に十分に届かなくなるために配向規制力が不十分となり、液晶層の凸部１６の表面の液晶分子が十分に配向されず配向ムラが生じる。また、ラビング布の繊維は一般的に数十μｍであり、このように格子ピッチが数十μｍ、とくに２０μｍ以下となる回折格子構造に対してラビングをして液晶分子の配向を制御することは困難であった。このため、液晶素子に入射する光の回折効率および回折する光の偏光状態などの光学特性が安定して得られないという問題があった。

このような配向ムラの影響を少なくする方法として、特許文献１では、透明導電膜上に配向膜を形成し、その上に電子線レジストによって回折格子パターンを形成する方法が提示されている。この方法では、レジストが除去された部分に配向膜が露出し、配向膜と接する液晶分子が垂直配向されている。

また、このほかにラビングレスで数μｍの格子ピッチを得る方法として、フォトリソグラフィとエッチングによって直接基板表面を加工する方法のほかに凹凸を形成する透明基板を透明樹脂とするかまたは、表面に樹脂膜を形成した基板上に凹凸パターンを形成したスタンパを押し当てて樹脂膜に数μｍの格子ピッチの凹凸パターンを転写する成型加工技術であるインプリント方法を利用した液晶の配向方法が知られている。インプリント法には、熱硬化型の熱インプリント法、紫外線を照射してレジスト剤などを硬化させる光インプリント法がある。特許文献２では、数μｍの格子ピッチの回折格子表面に透明導電膜を形成し、対向する透明導電膜を有する平坦な基板によって液晶を挟持させて電圧を印加して液晶分子を配向させた状態で高分子液晶とした液晶素子および液晶素子の製造方法が報告されている。この方法では、配向膜を形成する必要がないため、ラビングによる配向ムラは発生しない。

特公平６−０５２３４８号公報 特開２００５−３５３２０７号公報

しかし、特許文献１は、液晶層内では回折格子と接する部分も含め一様に配向されているため、回折格子パターンを利用して凹部と凸部とを透過する光の光路長差が回折格子の溝の深さのみに依存する。このため、光路長差を調整するためには回折格子の溝の深さを正確に形成しなければならず加工が容易ではないといった問題があった。さらに、回折格子面全てに配向処理がされていないため、電圧無印加時は液晶の配向ムラが発生しやすく、透過率の低下を招くだけでなく、回折格子を出射する光が期待する偏光状態とならなかったり、所望の回折効率が得られなかったりするという問題もあった。

また、特許文献２は、格子にテーパーをつけることで電場方向を光の入射方向に対し傾斜した角度にすることで、液晶の複屈折を利用するため、液晶そのものが備えている屈折率異方性よりもかなり小さい屈折率異方性しか利用できず、格子の溝の深さが非常に大きくなりやすく容易に加工できないといった問題があった。さらに、特許文献２は、液晶層が高分子液晶で構成されているため、液晶を高分子化した液晶素子には外部電圧を印加する必要はない。そのため、高分子液晶を挟持する透明導電膜および絶縁膜は入射する光の透過率を低下させる要因となって、光利用効率も低下するという問題があった。また、透明導電膜は、透明基板１１ａの凹部の底面（液晶層の凸部１６の上面に接触する部分）だけでなく透明基板１１ａの凹部の側面にも施されるので、液晶層に電圧を印加したときの液晶の配向状態は、液晶層の厚さ方向に一様に平行とはならない。とくに、格子ピッチが狭くなるほど一様に平行となりにくいので、高分子液晶が充填された回折格子の凹部（溝部）を透過する光の光路長を制御しにくくなるという問題があった。

本発明は、従来技術のかかる問題を解決するためになされたものであり、電圧を印加せずに液晶を配向させるとともに配向方向を回折格子の凹凸面に対して略垂直となる液晶素子とすることにより、凹凸部の液晶配向規制力が高く液晶素子に入射する光の光路長を制御しやすくするとともに生産性のよい液晶素子を提供することを目的とする。

本発明は、透明基板と、液晶材料から構成され周期的な凹凸からなる凹凸部を含む液晶層と、を有する液晶素子であって、前記液晶層の凹凸部は、前記透明基板側に位置するとともに前記液晶層の凹凸部の界面である凹凸面に位置する液晶分子の長軸方向が前記透明基板側の凹凸面に対して実質的に垂直方向となるかまたは、前記液晶層の凹凸部は、前記透明基板の反対にある媒質側に位置するとともに前記液晶層の凹凸部の界面である凹凸面に位置する液晶分子の長軸方向が前記媒質側の凹凸面に対して実質的に垂直方向となるように配向されて回折格子を形成する液晶素子を提供する。

この構成により、回折格子を形成する凹凸部の溝の底面だけでなく壁面に対しても液晶分子が略垂直に配向するので、格子ピッチが狭い場合でも十分な配向規制力が得られ、品質の高い光学特性を有する液晶素子を実現できる。また、格子ピッチが、入射する光の波長程度より小さくなる場合には、偏光度が高く波長分散性に優れ、液晶自身の複屈折性により、通常の等方性材料を用いた構造複屈折素子に比べて、アスペクト比が低減されるので、高い加工精度を必要とせず容易に構造複屈折素子を製造することができる。また、複屈折性材料と等方性材料の界面における液晶分子の配向分布によって連続的に屈折率を変化させることができるので偏光依存性を抑制した反射防止効果を得る構造が作製できる。また、格子ピッチが、入射する光の波長程度より大きくなる場合には、偏光依存性が高い偏光回折格子が作製できる。さらに、この構成により、液晶層のうち回折格子（凹凸部）とは異なる部分の屈折率を制御することで、凹凸部の高さと屈折率を制御することができ、液晶の配向方向に対して、垂直方向で入射する光の回折効率と水平方向で入射する光の回折効率を独立に調整できるようになる。

また、前記媒質は、透明基板であって、一対の透明基板によって前記液晶層が充填、平坦化されている上記に記載の液晶素子を提供する。

この構成により、剛直性の高い透明基板によって液晶層を挟持するため、液晶素子の機械的信頼性を向上させることができる。

また、前記液晶層は、前記凹凸部が設けられた面と対向する前記液晶層の面が平坦であり、平坦な前記液晶層の面の液晶分子が一様に配向されている上記に記載の液晶素子を提供する。また、前記液晶層は、平坦な前記液晶層の面の液晶分子が平坦な前記液晶層の面に対して実質的に水平方向に配向される上記に記載の液晶素子を提供する。

この構成により、液晶層内の凹部の液晶分子の長軸方向が液晶層の厚さ方向で変化するいわゆるハイブリッド配向となる。一方、液晶層内の凸部の液晶分子の長軸方向はほぼ一様とすることができるので、液晶層の厚さ方向に進行する光に対して光学的に凹部と凸部との光路長差が大きくなる。このため、格子ピッチに対する凸部の厚さの比で表される、アスペクト比を大きくしなくても大きい光路長差を得ることができ、回折格子の作製において高い加工精度を必要としなくなるので、製作工程の負担が減少する。

また、前記液晶層の凹凸部が設けられた面が複数の領域から構成されて各領域の凹凸部の周期方向が異なっているかまたは、前記液晶層の凹凸部の凹凸方向が連続的に変化して分布し、前記液晶層は、平坦な前記液晶層の面の液晶分子が平坦な前記液晶層の面に対して実質的に垂直方向に配向される上記に記載の液晶素子を提供する。

この構成により、入射するランダムな光に対して領域ごとに偏光状態を変えて出射させることができるとともに、各領域を出射する光の成分と直交する成分の光を回折させることができる。また、対向基板側を水平配向とした場合、同機能を持たせるために、領域によって異なる方向に配向するように、配向処理のパターニングが必要になる。さらに、回折格子を有する基板と、該基板と対向する基板との重ね合わせによるずれによっても特性が劣化するとともに、重ね合わせの精度が必要となるため、実際上の作製が困難であるのに対し、この構成により上記の重ね合わせ精度および配向処理のパターニングが不要であるという特徴がある。なお、実質的に垂直は、略垂直、実質的に水平は、略水平と表現する。

また、前記液晶層の凹凸部側の媒質が等方性材料で形成され、前記等方性材料の屈折率が液晶の常光屈折率（ｎ_ｏ）または異常光屈折率（ｎ_ｅ）と実質的に等しい上記に記載の液晶素子を提供する。

この構成により、入射する光に対して偏光依存性を有する液晶素子となるので、偏光フィルタ、偏向分離素子などの光学素子として使用することができる。

また、光源と、前記光源からの出射光を光記録媒体上に集光させるための対物レンズと、集光されて前記光記録媒体により反射された前記出射光を受光する光検出器と、前記光源と前記光記録媒体との間の光路中または前記光記録媒体と前記光検出器との間の光路中に配された上記に記載の液晶素子と、を備える光ヘッド装置を提供する。

この構成により、光源から光ディスクへ向かう光路である往路の光に対して、光をほぼ透過させ、光ディスクで反射されて光検出器に向かう光路である復路の光に対して、光を回折させて光検出器へ到達させる液晶素子として使用できる。また、偏光依存性を有することから直交する２つの成分の光のうち一方をほぼ直進透過させ、もう一方の光を回折させることによって偏光フィルタとして機能させることができる。

さらに、一対の透明基板に液晶が挟持された液晶セルと、上記に記載の液晶素子と、前記液晶セルに電圧を印加して前記液晶の配向状態を変える電圧制御装置と、を備える可変型光変調素子を提供する。

この構成により、液晶セルに印加する電圧の大きさによって入射する光の偏光状態を変え、入射する光のうち、第１の偏光方向の光を直進透過させ、第１の方向と直交する第２の偏光方向の光を回折させることもできる。これによって例えば、液晶セルに印加する電圧を調整して、第１の偏光方向の光をほぼ１００％として液晶素子に入射させて直進透過率（０次回折効率）をほぼ１００％としたり、第２の偏光方向の光をほぼ１００％として液晶素子に入射させて直進透過率（０次回折効率）をほぼ０％としたりすることができる。また、液晶素子の回折格子を形成する凹凸部の高い加工精度を必要とせずに直進透過する光の高い消光比を得ることが期待できる。

本発明は、液晶が接する回折格子の凹凸部の面（凹凸面）に対して液晶を実質的に垂直に配向させることによって格子ピッチが狭い回折格子においても、十分な配向規制力を有するとともに回折特性をはじめとする光学特性の良好な回折素子を得ることができ、さらに生産性に優れた液晶素子を実現することができる。

回折格子構造を有する液晶素子 偏光依存性を有する液晶素子を配置した光ヘッド装置 第１の実施形態および実施例１にかかる液晶素子 第１の実施形態にかかる液晶素子の液晶層内の配向状態の断面模式図 液晶素子４０の厚さｄ_２に対する回折効率比（η_０／η_１）の特性例を示すグラフ 第１の実施形態にかかる液晶素子の他の構成例を示す断面模式図 第２の実施形態にかかる液晶素子のプロセスを示す模式図 第３の実施形態にかかる液晶素子の平面模式図 第３の実施形態にかかる液晶素子の液晶層内の配向状態の断面模式図 液晶素子６０の領域６４における、厚さｄ_２に対する回折効率比（η_０／η_１）の特性例を示すグラフ 偏光依存性を有する液晶素子を偏光フィルタとして配置した光ヘッド装置 第１の実施形態にかかる液晶素子を用いた可変型光変調素子の断面模式図 実施例１にかかる液晶素子

符号の説明

１０、３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ、４０、４５ａ、４５ｂ、６０ａ、６０ｂ、１００：液晶素子
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：液晶層
１４、３６、３８：回折格子（凹凸部）
１５、４３、６１ａ、６１ｂ：凹部
１６、４４、６２ａ、６２ｂ：凸部
２０、８０：光ヘッド装置
２１：光源
２２：コリメータレンズ
２３：１／４波長板
２４：対物レンズ
２５：光ディスク
２５ａ：情報記録面
２６、８５：受光素子
３３：等方性の光学材料
３９ａ、３９ｂ：液晶部
４２、７２：液晶分子
５１：モールド基板
５２：垂直配向処理材料層
５３：重合性液晶層
５６：液晶ポリマー層
５７：透明ポリマー層
６３、６４、６５、６６：回折格子領域
８１：偏光フィルタ
８２：グレーティング
８３：偏光ビームスプリッタ
８４：フロントモニタ
９０：可変型変調素子
９１：液晶セル
９４ａ、９４ｂ、１０３ａ、１０３ｂ：透明導電膜
９５：シール剤
９６：電圧制御装置
９７：集光レンズ
９８：受光素子
１０４：格子形状

（第１の実施の形態）
図３（ａ）に第１の実施形態にかかる液晶素子３０ａの構造を示す。液晶素子３０ａは、平行に配置された透明基板３１ａ、３１ｂのうち３１ｂの一方の面に配向膜３５を形成して液晶層３２が挟持される。透明基板３１ａと接する等方性の光学材料３３は断面が凹凸形状の回折格子構造を有し、さらに凹凸形状の面に配向膜３４を有し、液晶層３２が充填されている。等方性の光学材料３３は、透明基板３１ａと異なる材料としたが、透明基板３１ａに対して直接、回折格子の形状に加工し、等方性の光学材料３３を設けない構成としてもよい。もしくは、光学材料３３を等方性材料の代わりに屈折率異方性を有する複屈折性の材料としてもよい。また、凹凸形状は断面が矩形の回折格子に限らず、多段のステップ型回折格子構造、ブレーズ型の構造であってもよい。また、等方性の光学材料３３は、格子面上に垂直配向処理が可能である材料であればよく、温度変化による液晶材料の屈折率の変化に近い特性を有する材料であれば好ましい。なお、凹凸形状が形成された部分を凹凸部とする。

透明基板３１ａ、３１ｂは、アクリル系樹脂、エポキシ系樹脂、塩化ビニル系樹脂、ポリカーボネート等を用いてもよいが、耐久性等の点から無機材料として石英基板、ガラス基板が好適である。また、透明基板３１ａ、３１ｂのうち互いに対向しない方の表面には反射防止（ＡＲ）膜が施されていると透過率が向上して好ましい。

また、図３（ｂ）、図３（ｃ）および図３（ｄ）は、それぞれ液晶素子３０ｂ、３０ｃおよび３０ｄの構造を示す断面模式図である。例えば、液晶素子自体の耐久性等の要求が厳しくない場合、これらに示すように透明基板がいずれか一方にのみ設けられていてもよく、液晶層の透明基板側とは反対側にある媒質は空気となる。この場合、液晶素子の薄型化やコスト面での優位性が期待できる。また、この場合、液晶層を構成する液晶材料として高分子液晶が好ましく用いられる。なお、図３（ｂ）〜図３（ｄ）では省略しているが、液晶素子３０ｂ、３０ｃおよび３０ｄに配向膜が形成されていてもよい。

液晶素子３０ｂは、液晶素子３０ａから透明基板３１ａおよび等方性の光学材料３３を除いた構造であり、液晶層３２は凹凸部（回折格子）３６を有する。また、液晶素子３０ｃは、透明基板３１ｃが回折格子形状の凹凸（形状）を有し、この凹凸を充填するとともに透明基板３１ｃを覆うように液晶層３７が形成される構造であり、液晶層３７は凹凸部（回折格子）３８を有する。また、液晶素子３０ｄは、平坦な透明基板３１ｄ面上に液晶部３９ａ、３９ｂが離隔して回折格子形状を形成される構造である。このように液晶部が離隔している場合でも、これら液晶部３９ａ、３９ｂをまとめて液晶層３９として定義する。この場合、液晶素子３０ｄの凹凸部は液晶層３９に相当する。

また、図示しないが、これに限らず、例えば図３（ｃ）の液晶素子３０ｃの液晶層３７が透明基板３１ｃの溝部にのみ離隔するように形成されているものであってもよい。さらに、液晶素子３０ｄのように液晶層が複数の液晶部に離隔する構造を除けば、透明基板を設けずに液晶層のみが回折格子形状（凹凸部）を有して液晶素子を構成するものであってもよい。また、透明基板を用いない場合の製法としては、例えば透明基板３１ａ、３１ｂに離型処理を施し液晶層３２の凹凸部（回折格子）を形成してから、透明基板３１ａ、３１ｂを除去したり、等方性の光学材料３３に液晶モノマーを直接塗布し、界面活性剤等を添加することで液晶の空気界面を一様に配向させて、液晶モノマーを硬化させて液晶層３２を形成したりしてもよい。

さらに、図示しないが、液晶層をＩＴＯなどの透明導電膜によって狭持し、電圧を印加できるようにしてもよい。この場合、透過率は減少するものの、回折効率を電圧印加によって可変させることができるようになる。また、電圧無印加時にも格子の側壁や上面や底面からの配向規制力によって液晶の配向が安定することで電圧印加、非印加にかかわらず、配向ムラによる偏光依存性、消光比の低下が発生しない高品質な可変型偏光回折素子とすることができる。なお、以下では、図３（ａ）の液晶素子３０ａについて説明する。

液晶層３２に用いられる液晶材料は、配向膜の接触面に対して略垂直、略水平方向に配向制御できる材料がよく、低分子液晶組成物、高分子液晶を形成するための重合性液晶組成物が用いられる。回折格子表面に形成される配向膜３４は、配向膜表面で液晶が垂直配向されるように処理され、配向膜３５は、配向膜表面で液晶が水平配向されるように処理されている。また、例えば等方性の光学材料３３そのものが液晶に対して垂直配向能を有している材料であれば垂直配向処理された配向膜３４を設けなくてもよい。配向膜３５は水平配向処理に限らず、垂直配向処理がされてもよいが、後述するように回折格子構造の位相段差を強調できる点で水平配向処理が好ましい。なお、凹凸部と回折格子とは同じものであって、液晶層の凹凸部の界面を凹凸面または回折格子面とする。

図４（ａ）の液晶素子４０は、液晶素子３０ａの液晶層の部分を模式的に示したものであり、回折格子構造に充填された液晶分子４２の配向状態を示す断面模式図である。図４（ａ）は、図示しない配向膜が施されており、透明基板４１ａの液晶側（回折格子構造）の表面は垂直配向処理、透明基板４１ｂの液晶側の表面は水平配向処理が施されている。また、回折格子構造のうち凹部となる領域４３と、凸部となる領域４４との２つの領域に分けて説明する。これらは、凹部の領域４３および凸部の領域４４のＸ方向の幅をもつ液晶の空間を示すものである。図４（ｂ）は、図４（ａ）の凸部４４および凹部４３の一部の液晶分子の配向の分布をさらに微視的に表した模式図であって、液晶分子を連続体として解析した結果を表した分布に相当する。

図４（ａ）および図４（ｂ）より、液晶層のうち回折格子構造（凹凸部）側は垂直配向処理がされているため、回折格子面（凹凸面）に対して液晶分子は略垂直方向に配向される。つまり、図４（ａ）および図４（ｂ）において、回折格子面のＸ軸方向と平行する面に接触する液晶分子はその長軸方向がＺ軸方向と略平行（Ｘ方向と略垂直）する方向に配向され、Ｚ軸方向と平行する面に接触する液晶分子はその長軸方向がＸ軸と略平行（Ｚ軸方向と略垂直）する方向に配向される。一方で透明基板４１ｂ側は、水平配向処理がされ、４１ｂの面に接触する液晶分子はその長軸方向がＸ軸方向と略平行して配向される。なお、略垂直は接触面の法線に対して０〜１５°の角度であればよく、略水平は接触面に対して０〜１５°の角度であればよい。また、液晶分子の配向を揃えるために一定のプレチルト角を有する配向であるとよく、上記それぞれ０．１〜１５°が好ましく、１〜１５°であればより好ましい。

ここで、まずは凹部４３の領域の液晶（分子）の配向分布について説明する。垂直配向処理された透明基板４１ａと対向する水平配向処理された透明基板４１ｂに挟持された領域（厚さｄ_２）の液晶は、透明基板４１ａ面から透明基板４１ｂ面に向かって透明基板４１ａ面に対して垂直配向から透明基板４１ｂ面に対して水平配向へ空間的に変化するいわゆるハイブリッド配向された状態で分布する。これに対して、凸部４４の領域の液晶のうち、透明基板４１ａのＸ軸に平行な面と接触する液晶分子は垂直配向されるが、透明基板４１ａのＺ軸に平行な面（回折格子の側面）と接触する液晶分子も略垂直に配向される。したがって、Ｘ軸と平行となる透明基板４１ａの面の近傍も液晶分子の長軸がＸ軸方向に略平行して配向される。また、透明基板４１ｂと接する面も同様にＸ軸方向に略平行して配向される。なお、凸部４４のｄ_２の厚さの領域は隣り合う凹部のハイブリッド配向となる影響を受けてＸ方向より傾いて配向される。

ここで、液晶層内の液晶分子が、透過する光の偏光方向に対して異常光屈折率となる方向にほぼ一様に配向されているとともに、回折格子の液晶の常光屈折率と略等しい屈折率（ｎ_ｓ）を有する等方性材料で充填されている（ｎ_ｏ＝ｎ_ｓ）図示しない回折素子を考える。この場合、凹部を透過する光の光路長と凸部を透過する光の光路長の差である光路長差は、格子深さｄ（図４（ａ）でいうｄ_１−ｄ_２に相当）に比例して大きくなる。したがって、回折格子に充填するように配される液晶層に同一の液晶材料を用いて構成する場合、光路長差を大きくするためには格子深さｄを大きくする必要がある。

これに対して、図４（ａ）、図４（ｂ）のように液晶層内の液晶分子が分布されていると、屈折率異方性の特性から回折格子をＺ軸方向に平行に透過する光に対し、凹部４３を透過する光の光路長と凸部４４を透過する光の光路長との差（＝光路長差）を大きくすることができる。とくに液晶素子４０は、厚さｄ_２を調整することで光路長差の大きさを調整できるので、回折格子の深さ（ｄ_１−ｄ_２）だけを大きくしなくてもよく、回折格子の加工を容易にすることができる。以下、この原理について説明する。

例えば、液晶分子の長軸方向の誘電率ε_〃と液晶分子の短軸方向の誘電率ε_⊥との差となる誘電率異方性Δε（＝ε_〃−ε_⊥）が正の特性を有する材料である場合を考える。また、屈折率異方性を有する液晶の波長λの光に対する異常光屈折率（ｎ_ｅ）と常光屈折率（ｎ_ｏ）との関係は、ｎ_ｅ＞ｎ_ｏであって液晶分子の長軸方向と平行する偏光状態の光は異常光屈折率を感じる。液晶素子４０に、Ｚ軸と平行方向に進行し、Ｘ方向に振動する直線偏光の光が入射すると、Ｘ軸方向に配向された液晶に対して異常光屈折率、Ｚ軸方向に配向された液晶に対して常光屈折率となって進行する。また、透明基板４１ａの屈折率ｎ_ｓを常光屈折率ｎ_ｏと一致させる。このとき、液晶層を透過する光路長Ｌは、常光屈折率で進行する液晶層の厚さをｄ_ｏ、異常光屈折率で進行する液晶層の厚さをｄ_ｅとすると、
Ｌ＝ｎ_ｏ・ｄ_ｏ＋ｎ_ｅ・ｄ_ｅ ・・・（２）
で表すことができる。

ここで、第１の実施形態の液晶素子４０の光学特性について同様に屈折率の関係をｎ_ｏ＝ｎ_ｓとしたときについて説明する。凸部４４の異常光屈折率となる厚さ、常光屈折率となる厚さをそれぞれｄ_ｅ１、ｄ_ｏ１とし、凹部４３の異常光屈折率となる厚さ、常光屈折率となる厚さをそれぞれｄ_ｅ２、ｄ_ｏ２とする。回折格子面に対して垂直配向処理を施した液晶素子４０において、Ｚ軸と平行方向に進行し、Ｘ方向の直線偏光が入射するとき、凸部４４の平均の光路長Ｌ_１は、凸部の厚さをｄ_１とすると、ｄ_１の厚さにおいて常光屈折率ｎ_ｏに対して異常光屈折率ｎ_ｅを大きく感じるためにｄ_ｅ１＞ｄ_ｏ１≠０となる。したがって、（ｎ_ｅ＋ｎ_ｏ）・ｄ_１／２＜Ｌ_１＜ｎ_ｅ・ｄ_１の関係となる。

一方、凹部４３の液晶はハイブリッド配向状態であるので、凹部４３の光路長Ｌ_２は、Ｌ_２≒（ｎ_ｅ＋ｎ_ｏ）・ｄ_２／２となる。さらに、凹部４３と透明基板４１ａの一部（厚さ：ｄ_１−ｄ_２）を透過する光のｄ_１の厚さの光路長をＬ_２´とすると、ｎ_ｓ＝ｎ_ｏであるので、Ｌ_２´＝Ｌ_２＋ｎ_ｏ・（ｄ_１−ｄ_２）となる。

このように、光路長差ΔＬ（＝Ｌ_１−Ｌ_２´）は、特定の液晶材料に対して厚さｄ_１および厚さｄ_２によって調整することができる。例えば、特定の光路長差（位相差）ΔＬを与える液晶素子を実現するとき、凹部４３の領域うち厚さｄ_２における光路長と、凸部４４の領域うち厚さｄ_２における光路長との差が生じるので、格子深さｄ（＝ｄ_１−ｄ_２）で発生させる凹部４３と凸部４４との光路長差を大きくしなくてもよい。そのため、格子深さｄを小さくすることができるので、所望の光路長差を得るために格子深さ（ｄ_１−ｄ_２）を大きくしなくてもよく、回折格子の加工を容易にすることができる。また、所望の回折効率を得るために格子深さｄを変化させずに厚さｄ_２を変化させることによって調整できるので、回折格子構造の加工において生産性の向上が期待できる。

図５は、具体的に格子深さｄを一定値とし、液晶素子４０の厚さｄ_２を変化させたときの１次回折効率η_１と０次回折効率（直進透過率）η_０の比で表す回折効率比（η_０／η_１）の変化についてシミュレーションにより求めた結果である。なお、入射する光は波長が４０５ｎｍのＸ方向の直線偏光であってＺ方向に進行するものとし、液晶の屈折率異方性Δｎが０．１７であって、透明基板４１ａ、４１ｂは、液晶の常光屈折率ｎ_ｏと一致するものとする。このとき、回折格子は、格子ピッチを２μｍ、格子ピッチの凸部の幅と凹部の幅との比であるＤｕｔｙを１：１、格子深さｄを１．２７μｍとした。図５の結果より、厚さｄ_２が約２〜６μｍの間では、０次回折効率η_０がほぼ０であるが、それ以外の厚さであれば一定量の０次回折光（直進透過光）も発生し、厚さｄ_２の値と回折効率比（η_０／η_１）との間に相関性を有する。このように、格子深さｄを変えずに液晶素子４０の光学特性を調整することができるので、回折格子構造を変えずに自由度の高い光学設計ができる。

また、液晶素子４０の格子ピッチは、上記の式（１）より入射する光の波長λおよび入射する光に対して回折させて透過する光の回折角θの具体的な設定値にもよるが、所望の回折角θが大きくするために格子ピッチＰを狭く（短く）する必要があるところ、本願発明の液晶素子４０はこの場合に適する構造となる。格子ピッチＰの長さにはとくに制限なく本願発明の液晶素子４０を利用できるが、とくにラビングによる配向制御が困難であるが回折角θを大きくできる、格子ピッチＰ＝２０μｍ以下の回折格子面に対して良好に液晶を配向させることができるとともに、格子ピッチＰが短くなっても格子深さｄを大きくせずに所望の光学特性を得ることができる。

また、加工精度が許す限り、格子ピッチの最小値を小さくして本願発明の液晶素子４０を適用することができ、波長よりも格子ピッチが小さくなった場合においても、液晶の屈折率異方性と構造複屈折性を持った、通常よりも優れた屈折率異方性の分散特性を持つ波長板として本願発明の液晶素子４０を適用することができる。また、これまで、断面が矩形形状となる回折格子について説明したが、これに限らず、前述のように断面形状がブレーズ型やブレーズを階段状に近似した形状であってもよく、この場合の格子ピッチＰも１〜２０μｍであると、とくに加工容易性、光学特性において有効である。

このとき、ｄ_２の値は０以上であればよいが、大きな光路長差ΔＬを得るには大きな回折格子深さ（ｄ_１−ｄ_２）を必要とするので、格子溝の加工が容易にするには０より大きい値であると好ましい。そして、ｄ_２を大きくすると、図４の液晶層内の液晶分子４２の配向模式図のように厚さｄ_２の液晶層の凹部４３に対して凸部４４の光路長を大きくすることができる。しかし、一方、厚さｄ_２をさらに大きくすると、凸部４４の厚さｄ_２部分の液晶分子が隣り合う凹部のハイブリッド配向の影響を受けやすくなる。そのため、厚さｄ_２における凸部４４と凹部４３との光路長差が小さくなってしまう。したがって、ｄ_２の厚さは、（ｄ_１−ｄ_２）の厚さである格子深さに対して１０以下であると好ましく、５以下であるとより好ましい。

また、回折素子４０にＺ軸方向と平行方向に進行し、Ｙ方向に振動する直線偏光が入射すると、凸部４４および凹部４３いずれも常光屈折率で進行する。このとき透明基板４１ａの屈折率を常光屈折率ｎ_ｏと一致させると、入射する光は回折せずに直進透過し、偏光依存性を有する液晶素子を実現できる。液晶は正の誘電率異方性を有する材料を用いた場合について説明したが、負の誘電率異方性を有する材料であってもよい。また、回折格子の長手方向は、液晶素子３０ａのようにＹ方向の１方向だけに限らず、光が入射する領域内に２方向以上あって選択的に光を回折させるものであってもよい。

次に、回折格子の製造方法について説明する。回折格子の断面形状を例えば矩形形状とする方法としては、フォトリソグラフィおよびエッチング、インプリント法、切削などによる加工が可能である。また、配向処理としては、垂直配向法として、ポリイミド塗布、ＳｉＯ_２微粒子膜、斜方蒸着、アルキル基、パーフルオロ基などを有するシラン剤によるシラン処理などによって、もしくはそれらの組み合わせにて配向膜を形成することができる。

平坦な（透明）基板面に対しては、水平方向となる水平配向法および、平坦な（透明）基板面に対して垂直方向となる垂直配向法が挙げられる。水平配向法として、透明基板上にポリイミド膜を形成して表面をラビングする方法、斜方蒸着法、光配向法、イオンビーム配向法、溝構造による配向などによって、もしくはそれらの組み合わせにて配向膜を形成することができる。一方、垂直配向方に関しては上記に示した格子加工面の配向処理と同様の方法を用いることができる。

また、回折格子構造を透明基板３１ａのみに設ける液晶素子３０ａについて説明したが、これに限らない。例えば、回折格子を透明基板３２ｂの液晶層３２側にも形成し、液晶層３２の両側を回折格子構造にて狭持してもよい。図６は、２つの透明基板が対向するそれぞれの面に回折格子構造を有する液晶素子４５ａ、４５ｂの断面模式図を示すものである。図６（ａ）の液晶素子４５ａは、透明基板４６ａ側、透明基板４６ｂ側の格子ピッチそれぞれの格子ピッチを同一とし、液晶層４７を挟持した両側で、それぞれの溝となる部分をそろえて配置させたものである。この場合、凹部を透過する光の光路長と凸部を透過する光の光路長との差である光路長差を大きくすることができるため、片側の回折格子のみで所望の光路長差を得る場合に比べて、片側の回折格子のアスペクト比を小さくできる。また、回折素子として、液晶層４７の両側に同一ピッチの格子を配置して利用する場合には、凹部間のギャップが２０μｍ以内であることが好ましく、１０μｍ以内であることがさらに好ましい。

また、液晶層４７の両側に異なる格子ピッチの回折格子を配置し、偏光回折格子として用いる場合は、入射する光に対して直進透過する光の消光比を向上できるといった効果がある。この場合、液晶層の凹部間のギャップが、一般的には、１０μｍ以上離れていると好ましく、さらに２０μｍ以上離れているとより好ましい。また、図６（ｂ）の液晶素子４５ｂは、透明基板４８ａ側の格子ピッチに対し、透明基板４８ｂ側の格子ピッチとの関係が整数倍、ここでは２倍とし、液晶層４９を挟持して透明基板４８ｂ側の溝のエッジとなる部分を透明基板４８ａ側の溝のエッジにそろえて配置させたものである。この場合、Ｘ軸方向に対して液晶層４９の厚さが４段階で変わるので、液晶層４９をＺ方向に透過する光の光路長を表すと階段状となり、擬似的に断面がステップ型の回折素子とすることもできる。そして液晶素子４５ａ、４５ｂを用いて入射する光に対して直進透過する光の消光比を向上させたい場合は、上記と同様に凹部間のギャップが２０μｍ以内であることが好ましく、１０μｍ以内であることがさらに好ましい。

（第２の実施の形態）
第２の実施形態は、第１の実施形態の液晶素子３０ａと同じ構造を有するものであるが、液晶層３２には高分子液晶材料を用いているものである。このとき、高分子液晶の配向状態は回折格子面（図４（ａ）の透明基板４１ａに接する面）に対して垂直配向処理される配向膜が設けられるとともに回折格子面と対向する透明基板面（図４（ａ）の透明基板４１ｂに接する面）は水平配向処理となる配向膜が設けられる。図７は、液晶を第１の実施形態に代表される配向状態を維持して固化させる方法の一つである光インプリント方法のプロセスを示す模式図であり、以下にその方法について具体的に説明する。

図７（ａ）の透明基板５５上に形成された配向膜５４は、Ｘ方向に略平行となるように水平配向処理されており、配向膜５４上には重合性液晶層５３が形成されている。この重合性液晶層５３はメソゲン基を有するアクリル系重合性液晶などで構成される。モールド基板５１には型を形成する面に回折格子形状を有し、この回折格子面に対して垂直配向処理が施された材料からなる垂直配向処理材料層５２が設けられている。モールド基板は、耐久性の観点から石英、シリコンなどの無機材料であると好ましい。垂直配向処理材料層５２は、液晶を垂直配向させることができるとともに重合性液晶層５３を重合後に離型処理できるものである。垂直配向材料層５２は、例えば、パーフルオロ基を有するシラン剤等が挙げられる。

図７（ａ）の垂直配向処理材料層５２を有するモールド基板５１を重合性液晶層５３に押し当てて格子形状を形成し、その状態を維持しながら紫外線を当てるなどして重合性液晶を重合させる。重合後の液晶（液晶重合体）からモールド基板５１を離型すると、図７（ｂ）のように表面が格子形状となる液晶ポリマー層５６が生成される。なお、液晶ポリマー層５６の液晶も第１の実施形態にかかる液晶素子４０に示すような配向となるような分布を示し、同様に厚さｄ_２の値を変えることによって光学特性を制御することができる。

図７（ｂ）の格子構造の液晶ポリマーを含む基板に対向して平行する透明基板５８を配置して両基板間に充填材として、等方性の透明モノマーを挟持して充填し、等方性の透明ポリマー層５７とする。このとき、透明ポリマー層５７の屈折率は、高分子液晶の常光屈折率または異常光屈折率のいずれか一方に略等しくすると好ましい。また、充填材は等方性材料に限らず複屈折材料であってもよく、透明の重合性材料であってもよい。

また、等方性の透明ポリマー層５７を用いない液晶素子の構成も可能である。このとき、例えば、液晶層５６の回折格子（凹凸部）の格子ピッチを、入射する光の波長λよりもさらに短くし、構造複屈折素子として利用する場合において有効である。この場合、等方性材料によって回折格子構造を形成するものに比べて、屈折率の波長分散の制御性を向上させることができる利点がある。

例えば、等方性材料によって回折格子構造を形成する場合、複屈折性を向上させるために回折格子構造に充填材料を用いず、空気と回折格子を構成する材料との間で発生する屈折率差を利用するため屈折率の波長分散の制御性が乏しくなる。しかし、この場合、液晶自身が複屈折性を保有していることによって構造複屈折を構成する際のパラメータを増やすことができるため、空気との屈折率差を利用した場合においても、等方性材料よりも波長分散の制御性や、複屈折性を向上させることができ、波長選択性や広帯域性を出しやすく利点が大きい。また、回折格子構造を入射する光に対して反射防止の効果を有する構造として利用することもできる。この場合、液晶に複屈折性があるため、異常分散側偏光と常分散側偏光の両方ともの屈折率が非連続に変化することなく、連続的に変化させることが可能となり、空気界面のような等方性媒質に対して偏光依存性が非常に小さい反射防止の効果を有する構造として利用することも可能である。

（第３の実施形態）
第３の実施形態として、回折格子を有する面の凹凸の周期方向である格子方向が一様ではない液晶素子を図８に示す。液晶素子の例として、Ｘ−Ｙ平面から見た図８（ａ）の液晶素子６０ａのように例えば隣り合う領域６３、６４、６５および６６の格子方向が互いに異なるようにパターニングされるものであったり、図８（ｂ）の液晶素子６０ｂのように回折格子方向が円の中心から半径方向に放射状に連続しているパターニングであったりしてもよい。領域はとくに四角形に限らず、任意の形状でもよく、連続するパターンも回折格子方向が任意に変化してもよい。また、６１ａおよび６１ｂは、回折格子の凹部を示し、６２ａおよび６２ｂは凸部を示す。

また、図８において、対向する図示しない平坦な透明基板側の液晶の配向処理について、透明基板に対して水平配向処理の場合は、回折格子の長手方向に平行して変化させる。水平配向処理のパターニングの方法については、溝構造による配向によるパターニング、マスキング法を用いた配向処理のパターニングがある。一方、垂直配向処理の場合は、上記のようなパターニングは不要となり、また、重ね合わせ精度等も不要となるため、好ましい。以下、第３の実施形態では、対向する図示しない平坦な透明基板側の液晶を垂直配向処理した場合を前提に説明する。

図９（ａ）に液晶素子６０ａのＡ−Ａ´で切断したときの部分的な断面模式図を示す。液晶が透明基板によって挟持されているのは、第１および第２の実施形態と同じである。液晶素子６０ａは、平面となる透明基板７１ｂと接する液晶分子（の長軸）の配向方向は透明基板７１ｂ面に対して略垂直方向となるＺ軸方向に配向されており、回折格子を有する透明基板７１ａと接する液晶分子の配向方向はそれぞれの面に対して略垂直方向に配向されている。凹部となる７１ａ（厚さｄ_２）は互いに垂直配向されているので液晶層内の配向も略垂直状態となる。

一方、凸部６２ａ（厚さｄ_１）のうち、透明基板７１ａと接する液晶は透明基板７１ａ面に対して垂直配向されているが、図９（ａ）に示すように回折格子壁面（Ｚ軸に平行な面）でも垂直配向されているためにＸ方向と平行に液晶分子が配向される。一方、凸部６２ａのうち透明基板７１ｂと接する液晶も上記のように透明基板７１ｂ面に対して垂直配向されているので、凸部６２ａは対向する回折格子に向かってチルト角が厚さ方向に変化する分布を有して配向される。つまり、凸部６２ａにおいて、液晶分子の長軸方向は、透明基板７１ｂ面から透明基板７１ａに向かって、Ｚ方向からＸ方向そして、Ｘ方向からＺ方向にほぼ平行するような分布でハイブリッド配向される。図９（ｂ）は、図９（ａ）の凸部６２ａおよび凹部６１ａの一部の液晶分子の配向の分布をさらに微視的に表した模式図であって、液晶分子を連続体として解析した結果を表した分布に相当する。

図９（ａ）、図９（ｂ）のように液晶層のうち透明基板７１ｂ側の液晶分子が略垂直方向に配向される場合であって、第１の実施形態にかかる液晶素子４０のように格子深さｄを変化させずに、厚さｄ_２を変化させることによっても光学特性を制御することができる。

図１０は、具体的に格子深さｄを一定値とし、液晶素子６０ａの領域６４について、厚さｄ_２を変化させたときの１次回折効率η_１と０次回折効率（直進透過率）η_０の比で表す回折効率比（η_０／η_１）の変化についてシミュレーションにより求めた結果である。なお、入射する光は波長が４０５ｎｍのＸ方向の直線偏光であってＺ方向に進行するものとし、液晶の屈折率異方性Δｎが０．１７であって、透明基板７１ａ、７１ｂは、液晶の常光屈折率ｎ_ｏと一致するものとする。このとき、回折格子は、格子ピッチを２μｍ、格子ピッチの凸部の幅と凹部の幅との比であるＤｕｔｙを１：１、格子深さｄを１．５μｍとした。図１０の結果より、厚さｄ_２が約７μｍ以上では、０次回折効率η_０がほぼ０であるが、厚さｄ_２が約６μｍより小さくなれば一定量の０次回折光（直進透過光）も発生し、厚さｄ_２の値と回折効率比（η_０／η_１）との間に相関性を有する。このように、透明基板７１ｂ側の液晶分子が略垂直方向に配向される場合であっても、格子深さｄを変えずに光学特性を調整することができ、回折格子構造の加工精度を変えずに自由度の高い光学設計ができる。

上記のように、液晶素子６０ａの領域６４において、入射するＸ方向の直線偏光に対して回折効率比を調整することができ、Ｙ方向の直線偏光に対しては常光屈折率ｎ_ｏとなるので、回折されず、ほぼ１００％の高い０次回折効率が得られる。したがって偏光状態によって回折効率比などの光学特性を制御することもできる。このように、例えば、図８（ａ）の領域６４であれば凸部６２ａのうちの一部の液晶分子はＸ方向に配向されるが、領域６３であれば同じ凸部６２ａのうちの一部の液晶分子はＹ方向に配向される。また、図８（ｂ）であれば、円領域の中心より半径（ラジアル）方向に配向される。このように回折格子方向がＸ−Ｙ平面内で異なる場合、Ｚ方向に進行する光が入射すると、それぞれ凸部の液晶分子のチルト方向に合わせた偏光方向の成分の光となって透過する。

このように領域ごとに透過する光の偏光状態を異ならせることができる液晶素子は、例えば、情報記録面が２層以上ある複層光ディスクを再生する図１の光ヘッド装置において、液晶素子１０と光検出器２６との間の光路中に配置して、再生する情報記録層と異なる層から反射される光（以下、迷光という）による干渉を抑制する効果が期待できる。また、再生する情報記録層から反射される光を信号光とする。このとき、信号光が液晶素子６０ａに対してＺ方向に進行するとともにＸおよびＹ方向に対して４５°の直線偏光となるように配置すると、領域ごとに偏光方向が異なって出射されて図示しないシリンドリカルレンズを透過して光検出器に集光される。一方、迷光は光検出器上では集光されないので、例えば光検出器上の一つの領域において信号光をＸ方向の偏光で到達させ、迷光をＹ方向の偏光で到達させることができる。

（第４の実施形態）
第１の実施形態または第２の実施形態で作製した液晶素子を用いた光ヘッド装置にかかる第４の実施形態の例を図１１に示す。なお、光ヘッド装置８０は、図２の光ヘッド２０と共通する光学部品などを用いており、同一部分には同一符号を付して重複説明を避ける。光源となる半導体レーザ２１から光が出射され、Ｙ方向に偏光した直線偏光とする。光は、Ｙ方向の直線偏光のみ直進透過させる偏光フィルタ８１を透過し、グレーティング８２によって１つのメインビームと２つのサブビームとに分離する。偏光ビームスプリッタ８３に入射する光は、直進方向とフロントモニタ８４の方向に分離される。フロントモニタは、光ディスク側へ進む光量とフロントモニタで受光する光量との比率をモニタし、図示しない制御回路を通して半導体レーザ側にこの比率が一定になるように光量調整の制御を行うものである。

偏光ビームスプリッタを直進透過した光は、コリメータレンズ２２で平行光となり、１／４波長板２３によって直線偏光から円偏光となる。円偏光は例えば右回りの円偏光とする。対物レンズ２４で収束された光は、光ディスク２５の情報記録面２５ａに集光し、情報記録面上で反射された光は、左回りの円偏光となって、対物レンズ２４を透過する。１／４波長板２３を透過した光は、Ｘ方向の直線偏光となりコリメータレンズ２２を透過し、再びビームスプリッタ８３に入射する。Ｘ方向の直線偏光の光はビームスプリッタで受光素子６５の方向へ集光され、光ディスクの再生情報を読み出すことができる。

この光ヘッド装置８０において、半導体レーザは、Ｙ方向となるように一定の方向に振動する直線偏光としているが、この直線偏光の方向は、温度、レーザの個体差によって、ばらつきが生じるものである。つまり、Ｘ方向の成分の光も条件によって発現する。したがって、上述のようにフロントモニタ８４で受光する光量と光ディスク２５側とに分離される光量との比率を一定にするため、半導体レーザから出射される光の偏光方向のばらつきを無くすために半導体レーザの近くに偏光フィルタ８１が必要となる。

この偏光フィルタ８１として、本願第１の実施形態および第２の実施形態の液晶素子を用いることができる。例えば、回折格子の周期方向をＸ方向とし、液晶の常光屈折率（ｎ_ｏ）と等方性の光学材料３３の屈折率とを一致させる。Ｙ方向に偏光した光は液晶層内で常光屈折率となるが、Ｘ方向の成分を有する光は液晶層内で異常光屈折率であり、常光屈折率に相当する光学材料との屈折率差により回折が生じるので、直進方向に進む光はほぼＹ方向成分の直線偏光となる。例えば、入射する光の波長をλ［ｎｍ］として、本願発明の液晶素子の凸部を透過するＸ方向に偏光した光と凹部を透過するＸ方向に偏光した光との光路長差を（２ｍ＋１）λ／２［ｎｍ］とすることによって（ｍ≧０の整数）回折効率が最大となり、直進透過光を発生させない。したがって、特定の偏光方向の光を直進透過させ、その偏光方向と直交する偏光方向の光を直進透過させない偏光フィルタとして機能させることもできる。

また、偏光フィルタとして機能する場合、直進させない光の偏光成分は回折作用によって直進方向と異なる方向に進行（偏向）させることができるが、この場合も回折角が大きい方が不必要な光の偏光成分が、直進透過する偏光成分を利用する光学部品等にとって迷光となりにくいので好ましい。前述のように、回折角を大きくするためには回折格子の格子ピッチが小さい液晶素子を用いるのが好ましいが、液晶の配向方向を調整する本願発明の液晶素子を用いることでアスペクト比を大きくしなくても良好な光学特性が得られるとともに高品質の偏光フィルタを実現でき、同時に高品質の光ヘッド装置を実現することができる。

（第５の実施形態）
図１２（ａ）は、第５の実施形態として、第１の実施形態にかかる液晶素子３０ａを含む可変型光変調素子９０の断面を示す模式図である。なお、可変型光変調素子９０には第１の実施形態にかかる液晶素子３０ａに限らず、第２の実施形態にかかる液晶素子であってもよい。また、可変型光変調素子９０は、透明基板３１ｂを共有し、透明基板３１ｂの液晶層３２とは反対の面に透明導電膜９４ａを有する。さらに、透明導電膜９４ａと、透明基板９２の一方の面に形成された透明導電膜９４ｂと、の間に一定の厚さの液晶層９３を有し、液晶層９３の周辺部にシール剤９５が形成されている。そして、透明導電膜９４ａおよび９４ｂを介して、液晶層９３に電圧を印加して透過する光の偏光状態を制御する電圧制御装置９６が備えられている。また、透明基板３１ｂ（の一部）、透明導電膜９４ａ、液晶層９３、透明導電膜９４および透明基板９２を含む構成を液晶セル９１とする。

なお、透明基板３１ｂ、９２のうち第２の液晶層９３側の面には図示しない配向膜が備えられており、透明基板９２の配向膜の配向方向はＹ方向、液晶層９３側の透明基板３１ｂの配向膜の配向方向はＸ方向であるとする。そして、液晶セル９１の液晶層９３に電圧が印加されないとき（以下、「電圧非印加時」という。）、液晶分子が厚さ方向に９０°ツイストされているものとする。そして、液晶層９３に電圧が印加されるとき（以下、「電圧印加時」という。）には液晶分子の長軸方向が電界方向と平行（Ｚ方向）となる。

次に、電圧非印加時および電圧印加時における可変型光変調素子９０の作用について説明する。図１２（ｂ）は、可変型光変調素子９０にＹ方向の偏光が入射する様子を示した模式図である。まず、電圧非印加時は、液晶層９３の液晶分子がツイストしているので、透明基板９２側からＺ方向に進行するＹ方向の偏光は、液晶層９３でＸ方向の偏光となる。そして、Ｘ方向の偏光は液晶素子３０ａの回折格子で回折される。可変型光変調素子９０を透過した光は、集光レンズ９７に入射するが、例えば光ファイバなどの受光素子９８の位置に焦点が合わない。この場合、回折素子３０で回折角を大きくすることで、電圧非印加時において受光素子９８から不要となる回折光を遠ざけることができるので、迷光として入射される光量が小さくなる。

一方、電圧印加時は、液晶層９３の液晶分子の長軸方向は電界方向である厚さ方向に配向するので、Ｙ方向の偏光は偏光状態を変えずに液晶層９３を透過し、液晶素子３０ａに入射する。液晶素子３０ａも、Ｙ方向の偏光を直進透過するので、集光レンズ９７によって受光素子９８に良好に集光する。このように、電圧制御装置９６による印加電圧の大きさによって受光素子９８に入射する光の光量を制御できるが、本願発明の液晶素子を用いることで回折格子のピッチを狭く（短く）できるため回折光の回折角を大きくできるので、電圧非印加時に受光素子９８へ入射する迷光を大きく低減できることから、消光比を高くすることができる。

また、図１２（ａ）に示した可変型光変調素子９０は一例であって、液晶素子の構造はこれに限らない。例えば、液晶層３２に高分子液晶を用いたり、また、回折格子構造が（疑似）ブレーズ形状であったりしてもよい。また、液晶セル９１の液晶層９３の液晶は誘電率異方性Δεが正のものに限らず、Δεが負であって電圧非印加時に透明基板面に対して略垂直、電圧印加時に透明基板面に略水平に配向する特性を有するものであってもよい。さらに、図１２（ｂ）では、可変型光変調素子９０を直進透過する方向に受光素子９８を配置した例を示したが、回折光が進行する方向に受光素子を配置する構成であってもよく、また、可変型光変調素子９０に図示しない反射層を設けて、例えば１つの光ファイバから発射した光を反射させ、反射した光を受光するものであってもよい。さらに、例えば回折格子を備えた液晶素子３０ａが１つに限らず２つ重なるように構成されるものであってもよい。

（実施例１）
実施例として図１３に示す液晶素子１００を作製する。厚さ０．５ｍｍの石英基板を洗浄し一方の面に（図示しない）反射防止膜を形成する透明基板１０１ｂを準備した。反射防止膜と反対の面にスパッタリングによってＩＴＯからなる透明導電膜１０３ｂを形成した。透明導電膜１０３ｂ上に図示しない絶縁膜としてＳｉＯ_２層を形成し、その上にポリイミドを塗布し、焼成工程を経てラビングにより水平配向処理を施し、配向膜１０６を形成した。

同様に厚さ０．５ｍｍの石英基板を洗浄し一方の面に（図示しない）反射防止膜を形成する透明基板１０１ａを準備し、もう一方の面にＩＴＯからなる透明導電膜１０３ａを形成した。ＩＴＯ膜１０３ａ上に図示しない絶縁膜としてＳｉＯ_２層を形成した上に、厚さ約１．３５μｍのＳｉＯＮ膜を蒸着した。このとき、等方性材料であるＳｉＯＮ膜の屈折率は４０５ｎｍの光に対して１．５１となった。ＳｉＯＮの面にフォトリソグラフィ工程により断面の格子ピッチが約２μｍ、格子ピッチの凸部の幅と凹部の幅との比であるＤｕｔｙを１：１とした格子形状にレジストをパターニングした。レジストをパターニングした面を深さ約１．２７μｍとなるようにエッチングを行い、レジストを剥離してアッシングすることによってＳｉＯＮからなる格子形状１０４を作製した。格子形状１０４の面に垂直配向となるポリイミドを塗布後、焼成工程を経て配向膜とした。

配向膜または配向処理を行った面を対向させ、このとき、配向膜１０６の水平配向方向をＸ方向に平行とするとともに、格子形状の格子の周期方向（格子方向）をＸ方向とする。配向膜１０６上に図示しない直径３．５μｍのスペーサを散布し、図示しないシール剤によって基板周辺をシールして、スペーサによって作られた空隙に図示しない注入口から、液晶を注入し充填して液晶層１０２を形成した。このとき、注入する液晶は、４０５ｎｍの光に対し常光屈折率（ｎ_ｏ）＝１．５１、異常光屈折率（ｎ_ｅ）＝１．６８、屈折率異方性Δｎ＝０．１７の特性の材料を使用した。また、透明導電膜１０３ａ、１０３ｂ間には液晶層１０２に電圧を印加できるように図示しない電圧制御装置が接続されている。

作製した光学素子ダイシングソーによって約５ｍｍ四方の大きさに切断して液晶素子とし、光ヘッド装置に適用できる形状とした。切断後、波長約６３３ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザを用いてこの液晶素子の透過波面収差を測定すると２５ｍλｒｍｓ以下であり、光学素子として十分に使用できることが確認された。

また、作製した液晶素子に４０５ｎｍの光を入射して、回折特性を測定する。４０５ｎｍの光をＺ軸に平行な進行方向で、Ｘ方向の偏光方向で入射させると、電圧非印加時では入射する光の直進透過率は１０％以下となり、±１次回折効率は約４０％となった。一方、液晶層に１ｋＨｚの矩形交流波電圧を約４０Ｖｒｍｓ印加すると、液晶が電圧によって駆動して回折効率が変化し、直進透過率は９０％以上となった。これにより、電圧を制御することで直進透過光量を変化させる光量調整素子としても使用できる。

（実施例２）
図７（ｃ）に示す液晶素子を作製する。厚さ０．５ｍｍの石英基板を洗浄し一方の面に（図示しない）反射防止膜を形成する透明基板５５を準備した。反射防止膜と反対の面にポリイミドを塗布し、焼成工程を経てラビングにより水平配向処理を施し、配向膜５４を形成した。また、新たに厚さ１．０ｍｍの石英基板を洗浄し一方の面に（図示しない）反射防止膜を形成する透明基板５８を準備した。

透明基板上にフォトリソグラフィ工程により断面の格子ピッチが約２μｍ、Ｄｕｔｙを１：１とした格子形状にレジストをパターニングした。レジストをパターニングした面を深さ約１．２７μｍとなるようにエッチングを行い、レジストを剥離してアッシングすることによってモールド基板５１を作製する。モールド基板５１の格子形状表面にパーフルオロ基を有するシラン剤によって修飾し、垂直配向材料層５２を形成した。

配向膜５４の水平配向方向をＸ方向に平行とし、配向膜５４上に図示しない直径３．５μｍのスペーサを散布し、図示しないシール剤によって基板周辺をシールして、スペーサによって作られた空隙に重合性液晶組成物を注入し充填して重合性液晶層５３を形成した。このとき注入する重合性液晶組成物は、光重合によってポリマー化することにより、４０５ｎｍの光に対し常光屈折率（ｎ_ｏ）＝１．５１、異常光屈折率（ｎ_ｅ）＝１．６８、屈折率異方性Δｎ＝０．１７の特性の材料を使用した。モールド基板５１の格子の周期方向をＸ軸と平行となる方向として重合性液晶層５３に重ね合わせ、重合性液晶組成物がモールド基板の格子形状となるように押し当てた。

モールド基板を押し当てた状態で、ＵＶ光を露光し、液晶ポリマー化する。ポリマー化した後にモールド基板を離型処理して図７（ｂ）のような回折格子形状の液晶ポリマー層５６を形成した。次に図７（ｃ）のように液晶ポリマー層５６上に液晶ポリマーの常光屈折率とほぼ等しく温度依存性も等しい透明ポリマー５７となる光重合性のモノマーを充填した。その後、図示しない反射防止膜処理をした厚さ約０．５ｍｍの透明基板５８を対向させた。

対向させた状態で、透明モノマーにＵＶ光を露光し、透明ポリマー化した。作製した光学素子ダイシングソーによって約５ｍｍ四方の大きさに切断して液晶素子とし、光ヘッド装置に適用できる形状とする。切断後、波長約６３３ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザを用いてこの液晶素子の透過波面収差を測定すると２５ｍλｒｍｓ以下であり、光学素子として十分に使用できることが確認された。

また、４０５ｎｍの光をＺ軸に平行な進行方向で、Ｘ方向の偏光方向で入射させると、光の直進透過率（０次回折効率）η_０は５％以下となった。一方、Ｘ方向の偏光方向で入射させると、直進透過率（０次回折効率）η_０は９５％以上となった。これにより、回折効率が入射偏光方向依存性を有するとともにアスペクト比が小さく液晶素子を実現することができる。

（実施例３）
実施例２と同じ製造方法を用い、図８（ａ）に示す液晶素子を作製する。このとき、領域６４および領域６５の回折格子の長手方向と、領域６３および領域６６の回折格子の長手方向を直交するようにし、それぞれの格子ピッチが約２μｍ、格子深さｄが約１．５μｍ、そして、散布するスペーサの直径を約７．０μｍとし、回折格子側と反対の透明基板側の配向膜（図８（ｃ）でいう配向膜５４）を、垂直配向能を有するポリイミド膜とする。また、このポリイミド膜は、ラビング処理はしないで作製し、その他の条件は、実施例１と同じものとする。

この結果、領域６３〜領域６６のそれぞれの回折格子の長手方向と直交する偏光方向の光が入射すると、直進透過率（０次回折効率）η_０は５％以下となり、一方、回折格子の長手方向と平行する偏光方向の光が入射すると、直進透過率（０次回折効率）η_０は９５％以上となり、パターニング偏光子として十分な効果が得られる。

以上のように、本発明にかかる液晶素子は、回折格子面の配向膜を垂直配向対向する平面を水平配向処理とすることで一定の回折角となる回折格子構造を低アスペクト比で実現することができる。また、回折格子の格子深さを変化させず、回折格子の溝部を含まない液晶層の厚さを変えることで回折効率などの光学特性を制御することができる。さらに、本発明にかかる液晶素子は、透明導電膜や絶縁膜を必要としないことから透過率を低下させることなく高い光利用効率を実現できる。これより、生産性が高く品質の良好な液晶素子を実現できるとともに光ヘッド装置に具備することで液晶素子、偏光フィルタ、光量可変素子として使用することができる。

Claims (8)

1. 透明基板と、
   液晶材料から構成され周期的な凹凸からなる凹凸部を含む液晶層と、を有する液晶素子であって、
   前記液晶層の凹凸部は、前記透明基板側に位置するとともに前記液晶層の凹凸部の界面である凹凸面に位置する液晶分子の長軸方向が前記透明基板側の凹凸面に対して実質的に垂直方向となるかまたは、
   前記液晶層の凹凸部は、前記透明基板の反対にある媒質側に位置するとともに前記液晶層の凹凸部の界面である凹凸面に位置する液晶分子の長軸方向が前記媒質側の凹凸面に対して実質的に垂直方向となるように配向されて回折格子を形成する液晶素子。
2. 前記媒質は、透明基板であって、一対の透明基板によって前記液晶層が充填、平坦化されている請求項１に記載の液晶素子。
3. 前記液晶層は、前記凹凸部が設けられた面と対向する前記液晶層の面が平坦であり、平坦な前記液晶層の面の液晶分子が一様に配向されている請求項１または請求項２に記載の液晶素子。
4. 前記液晶層は、平坦な前記液晶層の面の液晶分子が平坦な前記液晶層の面に対して実質的に水平方向に配向される請求項３に記載の液晶素子。
5. 前記液晶層の凹凸部が設けられた面が複数の領域から構成されて各領域の凹凸部の周期方向が異なっているかまたは、前記液晶層の凹凸部の凹凸方向が連続的に変化して分布し、
   前記液晶層は、平坦な前記液晶層の面の液晶分子が平坦な前記液晶層の面に対して実質的に垂直方向に配向される請求項１乃至３のいずれか１項に記載の液晶素子。
6. 前記液晶層の凹凸部側の媒質が等方性材料で形成され、前記等方性材料の屈折率が液晶の常光屈折率（ｎ_ｏ）または異常光屈折率（ｎ_ｅ）と実質的に等しい請求項１乃至５のいずれか１項に記載の液晶素子。
7. 光源と、前記光源からの出射光を光記録媒体上に集光させるための対物レンズと、
   集光されて前記光記録媒体により反射された前記出射光を受光する光検出器と、
   前記光源と前記光記録媒体との間の光路中または前記光記録媒体と前記光検出器との間の光路中に配された請求項１乃至６のいずれか１項に記載の液晶素子と、を備える光ヘッド装置。
8. 一対の透明基板に液晶が挟持された液晶セルと、
   請求項１乃至６のいずれか１項に記載の液晶素子と、
   前記液晶に電圧を印加して前記液晶の配向状態を変える電圧制御装置と、を備える可変型光変調素子。

Images