WO1999018459A1

WO1999018459A1 - Tete optique et element de diffraction conçu pour cette tete optique, et procede de fabrication de l'element de diffraction et de la tete optique

Info

Publication number: WO1999018459A1
Application number: PCT/JP1998/004445
Authority: WO
Inventors: Koichi Murata; Hiromasa Sato
Original assignee: Asahi Glass Company Ltd.
Priority date: 1997-10-02
Filing date: 1998-10-01
Publication date: 1999-04-15
Also published as: US6618116B1; KR20010030879A; KR100497586B1

Description

明細書

光へッド装置とそれに適した回折素子及び回折素子と光へッド装置の製造方法技術分野

本発明は、 C D、 D V D等の光記録媒体に光学的情報を書き込んだり、光学的情報を読み取るための光へッド装置及びそれに適した回折素子及び回折素子の製造方法に関する。技術背景

従来、 C Dや D V D等の光ディスク及び光磁気ディスク等の光記録媒体に光学的情報を書き込んだり、光記録媒体から光学的情報を読み取つたりするのに、光記録媒体からの反射光である信号光を光検出器である受光素子へ導光する回折素子等を備えた光へッド装置が用いられる。

回折素子の光の往復効率を、光の偏光方向に依存しない無偏光系の往復効率 1 0 % よりも上げるために、回折素子として光の偏光方向によって往復効率が変わる偏光系であるホログラムビ一ムスプリッタ等を用いることが提案されている。

偏光系のホログラムビ一ムスプリッ夕は、ガラス基板等の上に形成された、液晶等の複屈折性光学材料の常光屈折率または異常光屈折率と等しい屈折率を有する等方性の光学材料からなる等方性回折格子と、配向処理が実施された配向膜を有する対向基板とが向かい合わされ、シール材を介在させて熱圧着され、内部に液晶等の複屈折性光学材料が充填された構造となっている。

なお、偏光系のホログラムビームスプリッタを用いる場合には、このホログラムビ一ムスプリッ夕と 1 / 4波長板とを組み合わせることにより、ホログラムビームスプリッ夕を通過するときの光の偏光方向を往路（光源から光記録媒体面へ向かう方向）と復路（光記録媒体面から光源側及び受光素子側へ向かう方向）で 9 0度回転させる光ディスクは、高速回転されるので、 1箇所以上の部分的な複屈折性を持った光デイスクからの反射光は、偏光方向が一定とならずに時々刻々変動し、往路の光の偏光方向に対して復路の偏光方向が 9 0度よりもずれ、しかも、どの程度偏方向がずれているかがまつたく不明な反射光が戻ってくる。そして、最悪の場合には、光ディスクからの反射光が往路と同じ偏光方向で戻ることも起こる。このよう場合には、偏光系のホログラムビームスプリツ夕は、ほとんど反射光を回折できず、光ディスクの情報を受光素子で読み取ることができない本発明は、上述の実情に鑑み、複屈折性を持つ光記録媒体に対しても情報を読み取るようにした回折素子及び光へッド装置を提供することを第 1の目的とする。

一方従来、高分子液晶の薄膜を使用した回折素子を次のように作成していた。すなわち、ガラス等の透明基板面に配向処理を施し、この透明基板面上に液晶を薄く塗布し、光重合により硬化させ高分子液晶の薄膜とした。この高分子液晶の薄膜に断面が凹凸状の格子をドライエッチング等を施すことにより形成し、その凹凸部に光学的な等方性媒質を充填した。

しかし、この高分子液晶の薄膜を作成する際に配向処理を施した基板に重合前のモノマ一状態である液晶を塗布したとき、得られる配向状態を安定化させることが難しかった。配向状態が安定しないと重合後の実質的な複屈折性状態が変化し屈折率が安定せず所望の回折効率が得られず、回折素子が歩留まりょく得られない問題があったまた、高分子液晶の膜厚の制御も困難であり、この膜厚が変動すると回折効率が変動し、回折素子の製造歩留まりの低下を招いていた。

本発明は、膜厚が一定していることにより屈折率が安定し所望の回折効率が得られる回折素子の製造方法を提供することを第 2の目的とする。発明の開示

本発明は、断面凹凸状の回折格子を形成する光学材料と、回折格子の少なくとも凹部に充填される別の光学材料とからなる回折素子において、上記 2種類の光学材料のうちの少なくとも一方が複屈折性を示し、かつ、他方の光学材料が、複屈折性を示す一方の光学材料の常光屈折率と異常光屈折率とのどちらとも異なる屈折率を少なくとも一つ有することを特徴とする回折素子を提供する。

また本発明は、高分子液晶の薄膜に断面が凹凸状の格子を形成し凹凸状の格子部に等方性媒質を充填する回折素子の製造方法において、対向する 2枚の基板の少なくとも一方の対向面に配向処理を施し、対向する基板間にスぺーザと高分子液晶の薄膜となる液晶とを挟持して、液晶を配向させ硬化して高分子液晶の薄膜とした後、少なくとも一方の基板を取り外して高分子液晶の薄膜に断面が凹凸状の格子を形成し、凹凸状の格子部の少なくとも凹部に等方性媒質を充填することを特徴とする回折素子の製造方法を提供する。

さらに本発明は、光源と、光源からの出射光を通過させるとともに光記録媒体で反射して戻ってきた反射光の進行方向を変更する回折素子と、回折素子で進行方向を変更された反射光の情報を検知する光検出器とを備えた光へッド装置において、回折素子として、上記の回折素子を用いたことを特徴とする光へッド装置を提供する。図面の簡単な説明

図 1は、本発明の第 1の実施の形態にかかる偏光系の回折素子の側方断面図。

図 2は、本発明の第 1の実施の形態にかかる他の偏光系の回折素子の側方断面図。図 3は、本発明の第 1の実施の形態にかかる、効率と、波長で規格化された位相差 Δ η Χ ά / λとの関係を示すグラフ。

図 4は、本発明の第 2の実施の形態にかかる偏光系の回折素子の側方断面図。

図 5は、本発明の第 2の実施の形態にかかる、効率と、波長で規格化された位相差 Δ η Χ ά Ζ λとの関係を示すグラフ。

図 6の（a ) 、（b ) 、（c ) は、本発明の第 3の実施の形態にかかる 2つの複屈折性光学材料の屈折率の関係を示す図。

図 7の（a ) 、（b ) 、（c ) は、高分子液晶の薄膜の製造の工程の一例を示す側面図。

図 8は、本発明の回折素子をホログラムビームスプリッ夕として光へッド装置に用いた場合の概略を示す側面図。発明を実施するための最良の形態

本発明は、断面凹凸状の回折格子を形成した光学材料と、回折格子の少なくとも凹部に充填した別の光学材料との 2種類の光学材料のうちの少なくとも一方が複屈折性を示し、かつ、他方の光学材料が、複屈折性を示す一方の光学材料の常光屈折率と異常光屈折率のどちらとも異なる屈折率を少なくとも一つ有するところにその特徴がある。尚上記において、「少なくとも凹部に充填した」と表現している力^ 別の表現として、「少なくとも凸部間に充填した」があり、これらは同じ意味である。今後、後者のように表現することもある。

そして、基本的な本実施の形態では、 2種類の光学材料のうちの一方を、等方性の光学材料としている。等方性の光学材料を使用すると、複屈折性の光学材料として高分子液晶を使用する場合配向処理が容易で製造上好ましい。

さらに、等方性の光学材料の屈折率は、複屈折性の光学材料の常光屈折率と異常光屈折率の中間の値としてもよいが、好ましくは、複屈折性の光学材料の常光屈折率及び異常光屈折率のうちの小さい方よりも小さいか、または、大きい方よりも大きくする。

そして、回折効率が最低となる偏光方向に対する 1次回折効率が、回折効率が最高となる偏光方向に対する 1次回折効率の 1 0 %以上となり、回折効率が最低となる偏光方向に対する 0次透過効率と回折効率が最高となる偏光方向に対する 1次回折効率との積が 1 0 %以上となる屈折率差を有する 2種類の光学材料を使用する。

ここで、 1次回折効率とは、 ± 1次回折光のいずれか一方の回折効率を意味する。光源と、光源からの出射光を通過させるとともに光記録媒体で反射して戻ってきた反射光の進行方向を変更する回折素子と、回折素子で進行方向を変更された反射光の情報を検知する光検出器とを備えた光ヘッド装置において、回折素子として、上記の回折素子を用いる。

具体的な構造としては、例えば、図 1に示すように、ガラス等の基板 2 0の上に、断面矩形波状の複屈折性回折格子 2 1を形成し、複屈折性回折格子 2 1の少なくとも凹部に等方性充填材 2 2を充填して回折素子 2 3を構成し、この回折素子 2 3を光へッド装置の光源と光ディスクとの間に組み込む。

なお、図 1に示すように、凸部間の複屈折性光学材料を完全に除去してもよいし、複屈折性回折格子 2 1の格子深さ dを調整するために、図 2に示すように凸部間の複屈折性光学材料を所要量残した構造としてもよい。

この場合、複屈折性回折格子 2 1を構成する複屈折性光学材料としては、例えば、モノマー状態の液晶を配向させ重合して高分子化した高分子液晶や、 1軸延伸した高分子のフィルムゃ複屈折性単結晶を使用できる。また、等方性充填材 2 2を構成する等方性光学材料としては、例えば、アクリル系樹脂やエポキシ系樹脂等を使用できる凹部の複屈折性光学材料を完全に除去する場合（図 1 ) や凹部の複屈折性光学材料を所要量残す場合（図 2) のいずれの場合にも、上面に 1Z4波長板 27を一体的に形成してもよい。これにより、部品点数を削減できるとともに、小型軽量化を図れるので有利である。 1/4波長板 27を対向基板とは別体に設けてもよい。

そして、まず、複屈折性光学材料の常光屈折率を n。、異常光屈折率を n_e、等方性材料の屈折率を n_s とすると、 n_s ≠n_e で、かつ、 n_s ≠n。となるような複屈折性光学材料と等方性材料の組合せを選定する。これにより、複屈折性光学材料の常光屈折率方向の偏光または異常光屈折率方向の偏光のいずれに対しても、等方性光学材料が複屈折性光学材料とは異なる屈折率を示すため、この回折素子 23は光の偏光方向に拘わらず回折効率を持つ。

そして、回折素子 23の回折効率や透過効率は、 2つの光学材料の屈折率差を Δη 、格子深さを d、光の波長を λとすると、効率と、波長で規格化された位相差 ΔηΧ dZAとの関係を示す図 5のグラフ等に基づいて求められる。

このうち、光の波長 λは、光源の発振する波長として使途に応じて予め定められるので、屈折率差 Δηと、格子深さ dによって回折効率を決めることになるが、格子深さ dを深くすると回折素子製造上の困難を伴うので、主として屈折率差 Δ nで決めるのがよい。

ここで、複屈折性光学材料の異常光屈折率方向における、複屈折性光学材料と等方性光学材料との屈折率差を Δι^ = I n_e -n_s I とし、複屈折性光学材料の常光屈折率方向における、複屈折性光学材料と等方性光学材料との屈折率差を Δη₂ = I η 。一 n_s I とすると、等方性材料の屈折率 n_s を、複屈折性光学材料の常光屈折率 n 。と異常光屈折率 n_e との中間の値（n_e <n_s <n。、または、 n。 <n_s <n_e

) とした場合には、屈折率差△ i と Δη₂ が大差のない値となるため、回折効率等の設定に、格子深さ dを深くして対応せざるを得ないので、構造上不利である。そこで、等方性材料の屈折率 n_s を、複屈折性光学材料の常光屈折率 n。及び異常光屈折率 n_eのうちの小さい方よりも小さいか、または、大きい方よりも大きくする

(n_s <n _e , η。、または、 n_e ， n。く n_s ) 。こう —ると、屈折率差 Δι^ と Δη₂ の値に大きな差を付けることができるので、格子深さ dを深くしなくとも、回折効率等の設定を容易にでき、構造上、大きな利点が得られる。

ここで、偏光系の回折素子 23において、最も回折効率の低い偏光方向を A方向とし、最も回折効率の高い偏光方向を B方向とした場合、往路の 0次透過効率を高く（すなわち、 1次回折効率を低く）し、復路の 1次回折効率を高くすると、往復効率が高くなるので、往路の光の偏光方向を A方向にし、復路の光の偏光方向を B方向とするの力好ましい。そして、復路（B方向）の偏光方向に対する 1次回折効率は、できるだけ高くした方が、光の往復効率を高くできるので好ましい。 B方向の偏光方向に対する 1次回折効率は、図 3によれば、ほぼ 4 0 %程度を確保できる。

そして、無偏光系のホログラムビームスプリツ夕の理論往復効率である 1 0 %以上の往復効率を得るには、復路の 1次回折効率がほぼ 4 0 % (実際にはこれ以下となる ) であるから、往路（A方向）の偏光に対する 0次透過効率は、多少の余裕を持たせてほぼ 3 0 %以上とする必要がある。

一方、光ディスクに複屈折性があると、最悪の場合、復路の偏光方向が往路と同じ A方向の偏光方向になることがある。この場合、 A方向の偏光方向に対する 1次回折効率によって回折されるが、往路と等しい偏光方向に対する 1次回折効率を余り低くしすぎると、受光素子で光を有効に検知できない。

受光素子に接続された自動ゲイン補正回路で信号を補正できる倍率は、ほぼ 1 0倍程度までなので、 A方向の偏光に対する 1次回折効率を B方向の偏光に対する 1次回折効率の 1 0 %以上とすることにより、受光素子で光を有効に検知できるようになる。なお、自動ゲイン補正回路の構成を簡略化するためには、 A方向の偏光に対する 1 次回折効率を B方向の偏光に対する 1次回折効率の 2 5 %以上とするのが好ましいここで、 0次透過効率を高くすると、 1次回折効率が低くなり、反対に、 0次透過効率を低くすると、 1次回折効率が高くなるという関係が成立しているため、往路に対応する A方向の偏光方向における 0次透過効率と 1次回折効率を、上記の両方の条件を満たす範囲内に設定することにより、複屈折性を持った光ディスクからでも情報を読み取らせることができる。

なお、光ディスクには、必ず複屈折性を有する部分があるとは限らないので、復路の偏光方向が往路の偏光方向と直交した偏光方向になるように、回折素子 2 3と光デイスクとの間には 1 / 4波長板を配置しておくのが好ましい。

以上をさらに、常光屈折率 n。が異常光屈折率 n _eよりも小さい複屈折性光学材料と、屈折率 n _sが複屈折性光学材料の常光屈折率 n。よりも小さい等方性材料を使用する場合、すなわち、 n _s < n。ぐ n _eである場合で、かつ、凹部と凸部の幅寸法の比が 1 ： 1の断面矩形波状の回折格子を用いる場合について、より具体的に、屈折率 n。、 n_e 、 n_s の決め方を説明する。

凹部と凸部の幅寸法の比が 1 ： 1の断面矩形波状の回折格子を用いる場合、効率と、波長で規格化された位相差 ΔηΧάΖλとの関係は、図 3に示すようになり、図か 5ΔηΧά/λ = 0. 5のときに ± 1次回折効率がそれぞれ 40. 5%と最も高くなるのがわかる。

この場合には、常光屈折率 η。の方向が最も回折効率の低い Α方向となり、異常光屈折率 n_eの方向が最も回折効率の高い B方向となるので、 A方向を往路の偏光方向に、 B方向を復路の偏光方向に設定する。

そして、 B方向の屈折率差を ΔΓ^ - I n_e 一 n_s I とすると、 1次回折効率を最大値である 40. 5 %とするには、 Δι^ Xdの値を最適化して、 ΔΓ^ XdZAの値が 0. 5もしくは、 0. 5付近となるようにする。

そして、無偏光系の回折素子の理論往復効率である 10%以上の往復効率を確保するためには、往路の 0次透過効率をほぼ 30%以上とする必要があるので（復路の 1 次回折効率を 40. 5%とした場合には、計算上は、往路の 0次透過効率はほぼ 25 %以上でよいことになるが、実際には、復路の 1次回折効率として 40. 5%という高い値は得られない）、往路の屈折率差を Δη₂ = I η。一 n_s I として、 Δη₂ ズノの値をほぼ0. 32以下とする。

さらに、常光屈折率 η。の方向（Α方向）の偏光に対する 1次回折効率は、前述のように異常光屈折率 n_e の方向（B方向）の偏光に対する 1次回折効率（=40. 5 ) の 10%以上、好ましくは 25 %以上が必要であるので、 1次回折効率としては 40. 5%X 1Z10 = 4%以上、好ましくは 40. 5 % X 1 Z4 = 10 %以上となり、この条件を満たす An₂XdZAの値は、ほぼ 0. 1 1以上、好ましくはほぼ 0 . 17以上とする。その結果、上記を合わせると、 Δη₂ΧάΖλの値としては、ほぼ 0. 11以上、好ましくはほぼ 0. 17以上で、ほぼ 0. 32以下という範囲が得られる。

図 4は、本発明の第 2の実施の形態にかかる回折格子を鋸歯状とした場合を示す。回折格子の断面形状を鋸歯状にすると、図 5に示すように、 AnXdZえ = 1. 0の時に、最も高く、ほぼ 100%という 1次回折効率が得られる。したがって、 B方向の偏光に対する 1次回折効率を 100%の近傍に設定することにより、無偏光系の回折素子の理論往復効率である 10 %以上の往復効率を得るための A方向の偏光に対する 0次透過効率はほぼ 10%以上となり、この条件を満たす Δη₂ ΧάΖλの値は、ほぼ 0. 76以下となる。

また、 Β方向の偏光に対する 1次回折効率（ほぼ 100%) の 10%以上、好ましくは 25%以上となる Α方向の偏光に対する 1次回折効率は、ほぼ 10%以上、好ましくはほぼ 25 %以上となり、この条件を満たす Δη₂ XdZAの値は、ほぼ 0. 2 5以上、好ましくはほぼ 0. 4以上となる。

その結果、上記を合せると、 Δη₂ΧοΙΖλの値としては、ほぼ 25以上、好ましくはほぼ 0. 4以上、ほぼ 0. 74以下という範囲が得られる。

上記以外についても、前記実施の形態とほぼ同様の構成を備えており、同様の作用 •効果が得られる。

図 6の（a) 、（b) 、（c) は、本発明の第 3の実施の形態にかかる 2つの複屈折性光学材料の屈折率の関係を示す図である。

本実施の形態は、 2種類の光学材料の両方を、複屈折性の光学材料としたところにその特徴がある。この場合において、 2種類の複屈折性の光学材料の常光屈折率及び異常光屈折率のうちの少なくとも 3つが異なるようにする。

例えば、図 6に示すように、 2種類の複屈折性の光学材料をそれぞれ光学材料（1 ) と光学材料（2) とし、光学材料（1) の常光屈折率と異常光屈折率のうち、 A方向とする屈折率を n_al、 B方向とする屈折率を n_blで表わし、光学材料（2) の常光屈折率と異常光屈折率のうち、 A方向とする屈折率を n_a2、 B方向とする屈折率を n_b2で表わすと、光学材料（1) と光学材料（2) の屈折率の方向を調整することによって、常光屈折率と異常光屈折率を、 n_al、 n_bl、または、 n_a2、 n_b2のどちらにでも設定できるので、例えば、図 6 (a) に示すように、光学材料（1) の常光屈折率と異常光屈折率の間に、光学材料（2) の常光屈折率と異常光屈折率の高い方があり、光学材料（1) の常光屈折率と異常光屈折率の低い方よりも下に、光学材料（ 2) の常光屈折率と異常光屈折率の低い方がある場合に、光学材料（1) の常光屈折率と異常光屈折率のうち屈折率の低い方を A方向にし、屈折率の高い方を B方向にするとともに、光学材料（2) の常光屈折率と異常光屈折率のうち屈折率の高い方を A 方向にし、屈折率の低い方を B方向にして、 A方向の屈折率差 Δη₂ (= I n_al-n _a2 I ) 及び B方向の屈折率差 ΔΓ^ (= I n_bl-n_b2 I ) を得るようにしたり、図 6 (b) に示すように、光学材料（1) の常光屈折率と異常光屈折率のうち屈折率の低い方を A方向にし、屈折率の高い方を B方向にするとともに、光学材料（2) の常光屈折率と異常光屈折率のうち屈折率の低い方を A方向にし、屈折率の高い方を B方向にして、 A方向の屈折率差 Δη₂ I n_al-n_a2 I ) 及び B方向の屈折率差 Δ (= I n_bl-n_b2 I ) を得るようにしたりして、屈折率差、または、波長で規格化された位相差△ n X d/λを選択し、 1次回折効率や 0次透過効率を設定するようにする。

また、図 6 (c) に示すように、光学材料（1) の常光屈折率と異常光屈折率の低い方よりも下に、光学材料（2) の常光屈折率と異常光屈折率の高い方がある場合に、光学材料（1) の常光屈折率と異常光屈折率のうち屈折率の低い方を A方向にし、屈折率の高い方を B方向にするとともに、光学材料（2) の常光屈折率と異常光屈折率のうち屈折率の高い方を A方向にし、屈折率の低い方を B方向にして、 A方向の屈折率差 Δη₂ (= I n_al— n_a2 I ) 及び Β方向の屈折率差 Δ Γ^ (= | n_bl— n_b2 I) を得るようにしたり、図示しないが、光学材料（1) の常光屈折率と異常光屈折率のうち屈折率の低い方を A方向にし、屈折率の高い方を B方向にするとともに、光学材料（2) の常光屈折率と異常光屈折率のうち屈折率の高い方を B方向にし、屈折率の低い方を A方向にして、 A方向の屈折率差 Δη₂ (= I n_al-n_a2 I ) 及び B 方向の屈折率差 Δι^ (= l n_bl— n_b2 l ) を得るようにしたりして、屈折率差、あるいは、波長で規格化された位相差 ΔηΧάΖλを選択し、 1次回折効率や 0次透過効率を設定する。

また、光学材料（1) の常光屈折率と異常光屈折率の間に、光学材料（2) の常光屈折率と異常光屈折率の両方がある場合に対しても、同様に、屈折率差、あるいは、波長で規格化された位相差 Δ nXd/λを選択し、 1次回折効率や 0次透過効率を設定できる。

このように 2種類の光学材料の両方を複屈折性の光学材料とすることにより、屈折率差の選択範囲が拡がるので、 1次回折効率や 0次透過効率を設定するうえで自由度が増える。

次に、回折素子の製造方法に関しての、実施の最良の形態について述べる。本発明においては、対向する 2枚の基板の対向面、すなわち液晶に接する面に配向処理を施す場合、 1枚の基板に施してもよいし 2枚の基板に施してもよいが、 2枚の基板に施す方が液晶の分子配向を制御しやすく好ましい。ここで使用する配向処理としては基板表面又はその表面に付着されたポリイミド膜、ポリアミド膜の高分子膜や S i 0₂ 等の無機膜等へのラビング処理、又は S i Oの斜め蒸着処理等が代表的である。

本発明で用いる高分子液晶の薄膜を形成するための液晶は、液晶性を示すモノマー、オリゴマーその他の反応性化合物等の組成物であり、基板への配向処理により組成物として液晶配列するものであれば使用できる。以下の説明ではこれら液晶性を示す反応性化合物等の組成物を液晶材料を呼び説明する。したがって、液晶材料はポリマ一ではないことを意味する。

この対向する 2枚の基板間にスぺーサを配置して、所定の間隔を設けて基板を対向させ、その空隙に液晶材料を注入し、硬化する手段によって液晶材料を重合させて硬化し高分子液晶の薄膜とする。

液晶材料を硬化する手段としては、可視光や UV (紫外）光等の光を照射したり、加熱による方法等があるが、特に可視光や UV光等の光を照射する硬化方法は基板上で直接できて好ましい。したがって、ここでは光の照射によって液晶材料を重合して硬化するものとして説明する。

高分子液晶の薄膜の製造の工程の一例を図 7に示す。図 7 ( a ) は所定の間隔を設けて、対向する 2枚の基板を示す側面図であり、図 7 ( b ) は対向する 2枚の基板間に液晶材料を注入し、 U V光等の光を照射して液晶材料を高分子液晶の薄膜とした様子を示す側面図であり、図 7 ( c ) は対向する 2枚の基板の一枚の基板を外した様子を示す側面図である。図 7中、 1は高分子液晶薄膜、 2は基板、 1 1は配向処理膜、 1 2はスぺ一サである。

液晶材料の注入方式としては、真空注入法を採用してもよいし、毛細管現象を利用した方法で大気圧中で行ってもよい。この場合、これに先立ってスぺーサをあらかじめ 1枚目の基板上に散布してから 2枚目の基板を積層すればよい。また、 1枚目の基板にスぺーザと液晶材料の混合物を滴下した後、 2枚目の基板を積層してプレスしてちょい。

さらに、 1枚目の基板にスぺーサを散布した後液晶材料を滴下して 2枚目の基板を積層してプレスし薄膜化してもよい。基板としては透明なガラス板やプラスチック板等が使用できるが、硬度や耐久性等に優れる点で、ガラス板が好ましい。

そして対向する基板間にこの間隔を一定に保持する手段と高分子液晶の薄膜となる液晶材料を挟持する。使用する液晶材料として、アクリル酸又はメタクリル酸等のエステル類中から選ぶのが好ましい。

このうち、液晶材料に反応基を付加し、重合して高分子化する材料（側鎖形高分子液晶）であるアクリル酸系のものが好ましい。この高分子液晶は、材料そのものの複屈折性が大きいことに加え、この液晶材料は基板の配向処理に対して敏感に反応し重合後の複屈折性を大きくしゃすい、という優れた特徴を有する。

高分子液晶の薄膜の厚さに分布があると、上記のように回折効率にバラツキが発生して好ましくない。したがって、本発明の製造法では 2枚の基板の間隔を一定に保持する手段としてスぺーサを用いる。このスぺーサとしては、剛性と耐久性を有するガラス、アルミナ、シリカ等の無機物又はプラスチックの球形、粒状、繊維状等のスぺーサであればその機能を果たす力ガラスのスぺーサが特に剛性と耐久性に優れており好ましい。通常、高分子液晶の薄膜の厚さは 1〜5 / mで使用される。

このガラスとしては、球形の S i 0₂ ガラスがよく、その個数は直径が 2 /z m以下の場合、 1 c m²当たり 1 0個〜 2 0万個がよい。 1 0個より少ないと基板間の間隔を一定に保持することが困難であり 2 0万個より多いと光散乱を招き、光へッド装置に装着した際に迷光が発生して良くない。好ましくは 1千個〜 1万個であり、この場合上記の不具合を有効に回避できる。

液晶材料を配向させた後に行う光照射には、上記のように可視光や UV光等が使用されるが、効率よく硬化させるために U V光が好ましい。このように光照射を行うことによって、配向状態を維持したまま、液晶材料を硬化させ得る。

硬化後対向する 2枚の基板のうち少なくとも一方の基板を取り外す（図 7 ( c ) ) 。この場合、取り外す基板に高分子液晶の薄膜が付着するのを防ぐために、取り外す基板の内面、すなわち液晶材料に接する面に離型処理を施すことが好ましい。

対向する 2枚の基板のうち、 1枚の基板の内面に配向処理を施した場合は、配向処理をしていない方の基板の内面に離型処理を施すことが、液晶材料の配向効果を高めるうえで好ましい。

離型処理のために使用される離型剤としては、フルォロシラン系、含フッ素脂肪族環構造を有する含フッ素重合体等が使用できる。

このように製造された高分子液晶の薄膜に、断面が凹凸状の格子が形成され、少なくとも凹部に等方性媒質が充填されて回折素子が得られる。

すなわち、高分子液晶の薄膜にフォトリソグラフィによるエッチング法や格子形状を有する金型によるプレス方式等によって、断面が凹凸状の格子を形成する。この断面凹凸状の格子が形成され、少なくとも凹部に、屈折率が高分子液晶の薄膜の常光屈折率（n。）にも異常光屈折率（n _e ) にも等しくない等方性媒質を充填し硬化する。この場合は、光記録媒体である光ディスク等に複屈折性があつたとき、上述のようにこの回折素子と組み合わせることにより光ディスクによって反射される信号光の強度を低下させない効果があり極めて好ましい。

なおこの等方性媒質は、高分子液晶の薄膜の常光屈折率（n。）又は異常光屈折率 ( n _e )にも等しい屈折率の光学的等方性媒質を凹凸部に充填する場合にも利用できる。等方性媒質としては例えば光重合型のァクリル系樹脂やエポキシ系樹脂等を使用できる。

本発明の製造方法で製造した回折素子は、高分子液晶の分子軸の一方向への配向性がよいため、屈折率が回折素子内で均一で大きくさらに高分子液晶の薄膜の厚みが均一であるために、高くて一様な回折効率が得られるという優れた特性を有する。回折格子の凹部に残留した高分子液晶の薄膜中を光が透過する際に入射角度等により偏光方向が変わることがある。このため、凹部の高分子液晶の薄膜を完全に除去することが好ましい。

さらに、本発明の製造方法で製造した回折素子を光ヘッド装置に装着する。すなわち、半導体レーザからの出射光を光記録媒体へ導き、光記録媒体からの反射光を回折素子で回折させてこの回折光を光検出器により検出する光へッド装置の回折素子として、本発明の製造方法で製造した回折素子を用いる。

本発明の回折素子をホログラムビームスプリツ夕として光ヘッド装置に用いた場合の概略を示す側面図を図 8に示す。光源である半導体レーザ 3 5から出た光は、回折素子 3 4である、ホログラムビ一ムスプリッ夕を透過し、対物レンズ 3 7で光ディスク 3 8上に集光され光ディスク 3 8からの反射光は再び対物レンズ 3 7を透過し、ホログラムビ一ムスプリッタにより回折され光検出器である受光素子 3 6に到達する。このホログラムビームスプリッタと光ディスク 3 8との間に 1 Z 4波長板 4 0を挿入することにより、上述のように光ディスク 3 8に複屈折性があり、往路と復路で半導体レーザ 3 5から出射した直線偏光の偏光方向をいかなる角度に回転しても、反射光である情報光を検出することができる。実施例

[例 1 ]

高分子液晶の薄膜の製造方法の各プロセスの側面図を図 7の（a ) 、（b ) 及び ( c ) に示した。

まず図 7 ( a ) に示すように、対向する直径が 3インチの 2枚のガラスの基板 2の内面上にポリイミドの薄膜を形成しその後ラビング処理として 2枚の基板間で平行な一方向にこすり配向処理を行い配向処理膜 1 1とした。この対向する 2枚のガラスの基板 2のうち一方の基板の配向処理膜 1 1上にフルォロシラン系の離型剤を塗布 (図示せず）した。

他方の基板には直径 2 . 0 ^ 111の3 1 0₂ 製の球形のスぺーサ 1 2を 6 0 0 0個/ c m² の密度で散布した後、この 2枚の基板の内面の間隔が 2 mになるように張り合わせた。次に図 7 ( b ) に示すように、この 2枚の基板の空隙部に真空注入法により、ァクリル酸系でネマチック相の液晶材料を注入した。

この状態で、液晶の配向状態を観察するとラビング方向に整然と液晶材料の分子軸が配向していることが観察され、良好な配向状態であることが確認された。次に、ガラス基板を通して 6 0 O m Jの UV光を照射し液晶材料を光重合させ硬化して高分子液晶の薄膜 1を形成した。高分子液晶の配向状態も均一で良好なものであった。さらに図 7 ( c ) に示すように、離型処理を施した方の基板を取り外した。その結果、離型処理を行っていない基板の高分子液晶は剥がれることなく基板に残り、この基板側に高分子液晶の薄膜 1を形成できた。その配向状態は、基板を取り外す前と同様に良好であった。また、高分子液晶の薄膜 1の膜厚は約 2 mであり設計通りの均一な膜厚を得ることができた。

その後、基板上の複屈折性材料である高分子液晶の薄膜 1にフォトリソグラフィによるエッチング法により断面が凹凸状の格子（図 1 ) で、ラビング方向に平行な長手方向を有する格子を形成しアクリル系の等方性媒質 3で充填し硬化した。このときの等方性媒質 3の屈折率は高分子液晶薄膜 1の常光屈折率に等しいものであった。そして、この基板を外寸 4mmx 4mmに切断することにより偏光性の回折素子であるホログラムビームスプリッ夕を得た。

こうして製造したホログラムビームスプリッタを図 8に示す光へッド装置の回折素子 34として組み込んだ。この光へッド装置に搭載したホログラムビームスプリッ夕は、往路の光である半導体レーザ 35から出射した直線の偏光に対しては高い透過率 95%を示し、復路の光である光ディスク 38で反射して 1/4波長板 40を透過して、往路の光と偏光方向が 90度回転した偏光に対しては高い ± 1次の回折効率 3 6 %を示した。

したがって、 0. 95 X 0. 36 = 0. 34、すなわち 34%の高い光利用効率を得ることができ、しかもこのホログラムビームスプリッ夕の回折効率は面内で均一でめった。

また、光ディスクに大きな複屈折性がある場合を想定し、復路の偏光方向が往路と同じ A方向になったときの往復効率を調べると、 95 %X 0 %= 0 %となった

[例 2]

断面矩形波状の複屈折性回折格子 21に等方性充填材 22を充填することにより図 1のものとほぼ同様の回折素子 23を作製した。

この場合に、複屈折性回折格子 21として常光屈折率 no =1. 52、異常光屈折率 n e =1. 64の高分子液晶を用い、等方性充填材 22として屈折率 n s =1 . 43のアクリル系等方性媒質を用いた。そして、格子深さ dを約 1. 62/ mに設定し、波長 λが 65 Onmの光源を用いた。

この回折素子 23の最も屈折率の高い B方向の屈折率差 Δ n 1 は、 1. 64— 1 . 43 = 0. 21となり、格子の深さ dが 1. 62 m、波長 λが 650 nmであることから、 Δη ΐ XdZAの値は、ほぼ 0. 5となり、 B方向の偏光の光に対する 1次回折効率は、約 38%という理論限界に近い値が得られた。

また、この回折素子 23の最も屈折率の低い A方向の屈折率差 Δη 2 は、 1. 5 2— 1. 43 = 0. 09となり、格子の深さ dが 1. 62 m、波長 λが 650 nm であることから、 Δ η 2 X d/λの値はほぼ 0. 22となり、 Α方向の偏光の光に対する 0次透過効率はほぼ 58%、 1次回折効率はほぼ 15%という値が得られた。上記の回折素子を光へッド装置に搭載した。複屈折性のほとんどない光ディスクの場合には、 A方向に偏光された出射光が 58%の 0次透過効率で回折素子 23を透過され、 1/4波長板で円偏光に変換され、光ディスクで反射されて、再び 1/4波長板で B方向の偏光に変化された後、回折素子 23で 38%の 1次回折効率で回折され、受光素子に到達した。この時の往復効率は、 58%X 38% 22%であった。ただし、この値は、対物レンズの瞳径による開口制限やディスクの反射損等はないと仮定したときの換算値である。

また、光ディスクに大きな複屈折性がある場合を想定し、復路の偏光方向が往路と同じ A方向になったときの往復効率を調べると、 58%X 15%=8. 7%となった [例 3 ]

例 2と同様の回折素子 23を作製した。ここでは、複屈折性回折格子 21として常光屈折率 _n。 =l. 57、異常光屈折率 n_e =1. 68の高分子液晶を用い、等方性充填材 22として屈折率 n_s = 1. 49のアクリル系等方性媒質を用いた。そして、格子深さ dを約 1. 75 mに設定し、波長 λが 650 nmの光源を用いた。

この回折素子 2 3の最も屈折率の高い B方向の屈折率差 ΔΓ^ は、 0. 1 9となり、また最も屈折率の低い Α方向の屈折率差 Δη₂ は、 0. 08となった。格子の深さ dが 1. 75 であり波長 λが 650 nmであることから、 Δι^ ΧάΖλの値は、ほぼ 5となり、また Δη₂ΧάΖλの値はほぼ 0. 22となって、 Β方向の偏光の光に対する 1次回折効率及び Α方向の偏光の光に対する 0次透過効率と、 1次回折効率のいずれも例 2と同様の値が得られた。

さらに、上記の回折素子を光ヘッド装置に搭載した場合にも、やはり例 2と同様の結果を得た。

[例 4]

断面形状が鋸歯状の等方性回折格子 24に複屈折性充填材 25を充填することにより図 4のものとほぼ同様の回折素子 23を作製した。

この場合に、複屈折性充填材 25として常光屈折率 n。 = 1. 52、異常光屈折率 n_e = 1. 77の液晶を用い、屈折率 n_s =1. 59のガラス製の基板 20に直接等方性回折格子 24を形成した。そして、格子深さ dを約 3. 6 mに設定し、波長 λ が 650 nmの光源を用いた。

この回折素子 23の最も屈折率の高い B方向の屈折率差 Δι^ は、 1. 77— 1. 59 = 0. 18となり、格子の深さ dが 3. 6 m、波長 λが 650 nmであることから、 Δη ΐ XdZAの値は、ほぼ 1. 0となり、 B方向の偏光の光に対する 1次回折効率は、理論限界であるほぼ 95%という値が得られた。

また、この回折素子 23の最も屈折率の低い A方向の屈折率差 Δη₂ は、 1. 52 - 1. 59 =— 0. 07となり、格子の深さ dが 3. 6 m、波長 λが 650 nmであることから、 Δη₂Χ d/λの値はほぼ 0. 39となり、 Α方向の偏光の光に対する 0次透過効率はほぼ 58%、 1次回折効率はほぼ 22%という値が得られた。上記の回折素子を光へッド装置に組み込んだ。複屈折のほとんどない光ディスクの場合には、 A方向に偏光された出射光が 58 %の 0次透過効率で回折素子 23を透過され、 1/4波長板で円偏光に変換され、光ディスクで反射されて、再び 1/4波長板で B方向の偏光に変化された後、回折素子 23で 95 %の 1次回折効率で回折され、受光素子に到達した。この時の往復効率は、 58%X 95%=55%であった。ただし、この値は、対物レンズの瞳径による開口制限やディスクの反射損等はないと仮定したときの換算値である。

また、光ディスクに大きな複屈折性がある場合を想定し、復路の偏光方向が往路と同じ A方向になったときの往復効率を調べると、 58%X 22%^13%となった。なお、本発明は、上述の実施の形態にのみ限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加えうる。産業上の利用可能性

本発明の製造方法を採用することにより、液晶材料は良好に安定して配向し、また作製された高分子液晶の膜厚を均一にでき、さらに屈折率も安定し高い。

したがって、回折素子は回折効率が高く、かつ回折効率は面内均一である特徴を有する。また、回折素子の製造の歩留まりを向上させ得る。

本発明の回折素子及び光へッド装置によれば、複屈折性を持つ光記録媒体に対しても情報を読み取ることができるという優れた効果を奏し得る。さらに、光利用効率の高い、回折効率の安定した装置となる。

Claims

請求の範囲

I . 断面凹凸状の回折格子を形成した光学材料と、回折格子の少なくとも凹部に充填した別の光学材料とからなる回折素子において、上記 2種類の光学材料のうちの少なくとも一方が複屈折性を示し、かつ、他方の光学材料が、複屈折性を示す一方の光学材料の常光屈折率と異常光屈折率のどちらとも異なる屈折率を少なくとも一つ有することを特徴とする回折素子。

2 . 2種類の光学材料のうちの一方を、等方性の光学材料とした請求項 1記載の回折素子。

3 . 等方性の光学材料の屈折率が、複屈折性の光学材料の常光屈折率及び異常光屈折率のうちの小さい方よりも小さいか、または、大きい方よりも大きい請求項 2記載の回折素子。

4 . 回折効率が最低となる偏光方向に対する 1次回折効率が、回折効率が最高となる偏光方向に対する 1次回折効率の 1 0 %以上となり、回折効率が最低となる偏光方向に対する 0次透過効率と回折効率が最高となる偏光方向に対する 1次回折効率との積が 1 0 %以上となる屈折率差を有する 2種類の光学材料を使用した請求項 1記載の回折素子。

5 . 断面凹凸の形状が左右非対称な鋸歯状である請求項 1記載の回折素子。

6 . ガラス基板の上に回折格子が形成されている請求項 1記載の回折素子。

7 . 1 / 4波長板が一体に形成されている請求項 1記載の回折素子。

8 . 複屈折性を示す光学材料が高分子液晶である請求項 1記載の回折素子。

9 . 等方性の光学材料の屈折率が、高分子液晶の常光屈折率及び異常光屈折率のうちの小さい方よりも小さい請求項 8記載の回折素子。

1 0 . 高分子液晶の薄膜に断面が凹凸状の格子を形成し凹凸状の格子部に等方性媒質を充填する回折素子の製造方法において、対向する 2枚の基板の少なくとも一方の対向面に配向処理を施し、対向する基板間にスぺーサと高分子液晶の薄膜となる液晶とを挟持して、液晶を配向させ硬化して高分子液晶の薄膜とした後、少なくとも一方の基板を取り外して高分子液晶の薄膜に断面が凹凸状の格子を形成し、少なくとも凹部に等方性媒質を充填することを特徴とする回折素子の製造方法。

I I . 対向する 2枚の基板に配向処理を施した後に少なくとも一方の基板の対向面に離型処理を施すことを特徴とする請求項 1 0記載の回折格子の製造方法。

1 2 . 高分子液晶薄膜の凹凸状の格子部に充填する等方性媒質の屈折率が、高分子液晶薄膜の常光屈折率と異常光屈折率のどちらとも異なることを特徴とする請求項 1

1記載の回折素子の製造方法。

1 3 . 光源と、光源からの出射光を通過させるとともに光記録媒体で反射して戻ってきた反射光の進行方向を変更する回折素子と、回折素子で進行方向を変更された反射光の情報を検知する光検出器とを備えた光ヘッド装置において、回折素子として、請求項 1記載の回折素子を用いたことを特徴とする光へッド装置。

1 4 . 2種類の光学材料のうちの一方を、等方性の光学材料とした回折素子を用いたことを特徴とする請求項 1 3記載の光へッド装置。

1 5 . 等方性の光学材料の屈折率が、複屈折性の光学材料の常光屈折率及び異常光屈折率のうちの小さい方よりも小さレ、か、または、大きい方よりも大きい回折素子を用いたことを特徴とする請求項 1 3記載の光へッド装置。

1 6 . 回折効率が最低となる偏光方向に対する 1次回折効率が、回折効率が最高となる偏光方向に対する 1次回折効率の 1 0 %以上となり、回折効率が最低となる偏光方向に対する 0次透過効率と回折効率が最高となる偏光方向に対する 1次回折効率との積が 1 0 %以上となる屈折率差を有する 2種類の光学材料を使用した回折素子を用いたことを特徴とする請求項 1 3記載の光へッド装置。

1 7 . 光源と、光源からの出射光を通過させるとともに光記録媒体で反射して戻ってきた反射光の進行方向を変更する回折素子と、回折素子で進行方向を変更された反射光の情報を検知する光検出器とを備えた光へッド装置の製造方法において、対向する 2枚の基板の少なくとも一方の対向面に配向処理を施し、対向する基板間にスぺーサと高分子液晶の薄膜となる液晶とを挟持して、液晶を配向させた後、硬化して高分子液晶の薄膜とした後、少なくとも一方の基板を取り外し、高分子液晶の薄膜に断面が凹凸状の格子を形成し、少なくとも凹部に等方性媒質を充填することにより回折素子を形成することを特徴とする光へッド装置の製造方法。

1 8 . 回折素子を製造する場合、対向する 2枚の基板に配向処理を施した後に少なくとも一方の基板の対向面に離型処理を施し、液晶を硬化させた後に離型処理を施した側の基板を取り外すことを特徴とする請求項 1 7記載の光へッド装置の製造方法。