液晶元件及光頭裝置及可變光調製元件的製作方法

2023-12-09 15:39:51

專利名稱：液晶元件及光頭裝置及可變光調製元件的製作方法
技術領域：
本發明涉及利用液晶並具有衍射光柵結構的液晶元件、對使用了該液晶元件的光 盤等光記錄媒體進行信息的記錄重放的光頭裝置、以及使用了該液晶元件的針對入射的光 使透射的光的光量可變的可變光調製元件。
背景技術：
使用了液晶的衍射元件通過利用液晶所具有的折射率各向異性即尋常光折射率 (n。)與非常光折射率(rO之間的差Δ η，能夠被用作具有入射的光因偏光狀態而光學特性 不同地被出射的偏光依存性的光學元件。例如，如圖1所示的液晶元件10，2張平行的透明 基板IlaUlb中的一張透明基板Ila的一個面的剖面具有成為周期性凹凸狀的衍射光柵 14，並與另一張透明基板lib相對地配置。此外，互相在透明基板Ila的面上形成配向膜 12a，在透明基板12a的面上形成配向膜12b，具有與各自的配向膜相對地配置，並且在2張 透明基板的空隙中填充有液晶材料的液晶層13。配向膜如果使用有機材料優選聚醯亞胺， 特別公知有對形成了聚醯亞胺的表面進行摩擦而成為配向膜，調整與配向膜表面接觸的液 晶分子的配向方向的方法。另外，還公知有，對與SiO2等無機材料的配向膜相對的基板的 表面進行從基板面的法線偏離一定傾斜方向的蒸鍍的斜方蒸鍍方法。此時，液晶層13中使用例如具有正的介電常數各向異性的液晶材料，該液晶材料 的液晶分子的長軸方向設為相對於透明基板面大致水平並且與衍射光柵14的凹凸的長邊 方向(Y軸方向)平行的方向，使作為各向同性光學材料的透明基板Ila的折射率(Iis)與 液晶的尋常光折射率(η。)大致一致。在對該液晶元件10入射與Z軸方向平行地前行的光 的情況下，在X軸方向上偏振的光由於感覺不到η0和ns之間的折射率差因此幾乎不發生衍 射地直接前進透過，在Y軸方向上偏振的光能感覺到~和ns之間的折射率差而發生衍射現 象。具有這樣的偏光依存性的液晶元件還能夠在液晶之間配置ITO等透明導電膜來施加交 流電壓，從而改變液晶的配向狀態。另外，液晶既可以是介電常數各向異性為正的特性的材 料，也可以是介電常數各向異性為負的特性的材料，能夠根據光學用途來組合液晶材料、配 向方法等。另外，關於衍射光柵(凹凸部)14，凹部15、凸部16表示分別針對液晶層13的 凹部、凸部，接下來在本發明所涉及的液晶元件中沒有特別說明的情況下，凹部及凸部均作 為液晶層的凹部及凸部的意思進行表達。衍射光柵結構如將凹凸部的1周期的長度(以下稱作「光柵間距」)設置得較窄 (較短)，則在圖1的Z軸方向前進而入射的與Y軸方向平行地偏振的光的衍射角(Z軸方 向與衍射方向所成的角度)較大。在該情況下，例如與不發生衍射的X軸方向平行地偏振 的光以高透過率入射到在其前進透過方向上配置的其他光學元件。另一方面，能夠使與Y 軸方向平行地偏振的光以較大的衍射角進行衍射而不入射到其他的光學元件，能夠提高在 直進方向上透過的光的消光比。另外，通過增大衍射角，例如被衍射後的光成為雜散光而很 難入射到在其直進方向上配置的其他光學元件，因此能夠提高光學系統的品質。接著，以圖2所示的在光頭裝置20中配置液晶元件10的情況為例子進行說明。從光源21以X方向的直線偏光朝向光碟25方向出射的光，在液晶元件10中不衍射地透過。 通過準直透鏡22成為平行光的光，透過1/4波長板23而成為例如右旋的圓偏光，通過物鏡 24被聚光而到達光碟25的信息記錄面25a。在信息記錄面25a被反射的光成為左旋的圓 偏光而透過物鏡24，通過1/4波長板23成為Y方向的直線偏光，通過液晶元件10被衍射後 到達受光元件26。此時，液晶元件10的光柵間距越窄則衍射角越大，因此，衍射光能夠偏光 成形成較大的衍射角，能夠使被反射的光相對於例如作為光源21的半導體雷射器不成為 雜散光。接著，考慮確定透過的光的相位差(光路長度差)來設計液晶元件10的情況。若 在液晶層13內液晶分子被同樣地配向，則光路長度差能夠通過調整液晶材料和衍射光柵 的深度來得以實現。能夠如下所述那樣對在Z軸方向上前進的光透過凹部15和凸部16時 的光路長度差進行說明。將液晶材料針對入射的光的波長λ的尋常光折射率設為η。、非常 光折射率設為I，作為各向同性材料的光柵材料的折射率設為ns，液晶材料與光柵材料之 間的折射率差分別設為Δη。= |n0-nsUAne= |ne-nsU此時，若入射液晶材料的尋常光方 向即超前軸方向的光，則在光柵深度d的衍射光柵產生的光路長度差為Δη。· d，若入射液 晶材料的非常光方向即滯後軸方向的光，則成為△&·(!。例如，為了在矩形的衍射光柵中 增大士 1次衍射光的衍射效率，則優選的是，在相位差為(2m+l) λ/2(πι為0以上的整數)的 條件下，確定液晶材料來調整光柵深度d。由此，能夠增加可利用的液晶材料的種類。在配 向狀態在液晶層中不一樣的情況下，能夠根據配向狀態調整衍射光柵深度等來進行應對。另外，作為衍射光柵的光柵間距和衍射角之間的關係，在向具有光柵間距P的衍 射光柵的液晶元件面上垂直地入射波長λ的光時，Q次衍射光相對於液晶元件面的法線 (=光的前進方向)的衍射角θ如(1)式所示。sin θ = QX/P... (1) (Q = 士1、士2、…)由此，在如適用於例如高密度DVD用的光頭裝置的400nm頻帶那樣相對于波長短 的光較大地設置衍射角的情況下，需要將光柵間距設置得更窄。另外，衍射光柵的凹凸部不 限於矩形，也可以是鋸齒(blaze)型或將鋸齒角近似為臺階狀的形狀，在該情況下，能夠增 大一個方向上的衍射光的光量，能夠提高光利用效率。由此，衍射光柵能夠與入射的光的波長相對應地通過將光柵間距設為例如10 μ m 以下(幾ym)來增大衍射角。但是，若要通過以往的摩擦方法在衍射光柵上形成配向膜， 則由於光柵間距窄而導致摩擦用的纖維不能夠充分地到達透明基板Ila的槽(與液晶層的 凸部16接觸的部分)，因而配向限制力不充分，液晶層的凸部16的表面的液晶分子不能夠 充分地被配向而產生配向不均。另外，摩擦布的纖維一般為幾十μ m，這樣，對光柵間距為幾 十μ m、特別是20 μ m以下的衍射光柵結構進行摩擦而控制液晶分子的配向是非常困難的。 因此，存在不能夠穩定地獲得入射到液晶元件的光的衍射效率和衍射的光的偏光狀態等光 學特性的問題。作為減小這樣的配向不均的影響的方法，專利文獻1中提示了在透明導電膜上形 成配向膜，在其上通過電子射線抗蝕形成衍射光柵圖案的方法。在該方法中，在抗蝕劑被除 去的部分露出配向膜，與配向膜接觸的液晶分子被垂直配向。另夕卜，除此之外，作為無摩擦而得到幾μ m的光柵間距的方法，除了通過光刻法和 蝕刻直接加工基板表面的方法之外，還公知有利用壓印方法的液晶的配向方法，所述的壓印方法作為成型加工技術，將形成凹凸的透明基板做成透明樹脂，或者在於表面上形成有 樹脂膜的基板上按壓形成有凹凸圖案的壓模而在樹脂膜上轉印幾Pm的光柵間距的凹凸 圖案。壓印法中有熱硬化型的熱壓印法、照射紫外線而使抗蝕劑等硬化的光刻印法。在專 利文獻2中公開有，在幾μ m的光柵間距的衍射光柵表面上形成透明導電膜，通過相對的具 有透明導電膜的平坦的基板夾持液晶而施加電壓，在液晶分子被配向的狀態下成為高分子 液晶的液晶元件和液晶元件的製造方法。在該方法中，由於不需要形成配向膜，因此不會產 生因摩擦而引起的配向不均。專利文獻1 日本特公平6-052348號公報專利文獻2 日本特開2005-353207號公報但是，在專利文獻1中，在液晶層內包括與衍射光柵接觸的部分都被同樣地配向， 因此利用衍射光柵圖案透過凹部和凸部的光的光路長度差僅依存於衍射光柵的槽的深度。 因此，為了調整光路長度差而必須正確地形成衍射光柵的槽的深度，存在加工困難的問題。 進而，由於沒有對衍射光柵面整體進行配向處理，因此在未施加電壓時，容易產生液晶的配 向不均，這不僅會導致透過率降低，還存在從衍射光柵出射的光達不到所期待的偏光狀態 或者不能夠得到所希望的衍射效率的問題。另外，在專利文獻2中，通過使光柵帶有錐度而使電場方向相對於光的入射方向 具有傾斜的角度，來利用液晶的雙折射，所以只能夠利用比液晶本身所具有的折射率各向 異性小很多的折射率各向異性，存在光柵的槽的深度非常容易變得很大而不容易加工的問 題。此外，在專利文獻2中，液晶層由高分子液晶構成，因此，不需要對將液晶高分子化的液 晶元件施加外部電壓。因此，夾持高分子液晶的透明導電膜和絕緣膜就成為降低入射的光 的透過率的主要原因，存在光利用效率也降低的問題。另外，透明導電膜不僅被形成在透明 基板Ila的凹部的底面(與液晶層的凸部16的上表面接觸的部分)，還被形成在透明基板 Ila的凹部的側面，因此，對液晶層施加電壓時的液晶的配向狀態在液晶層的厚度方向上不 能夠同樣地平行。特別是，光柵間距越窄越難於同樣地平行，因此，存在不容易對透過被填 充有高分子液晶的衍射光柵的凹部(槽部)的光的光路長度進行控制的問題。

發明內容
本發明是為了解決現有技術的上述問題而做出的，其目的在於提供一種液晶元 件，通過製作成不施加電壓地使液晶進行配向並且使配向方向相對於衍射光柵的凹凸面大 致垂直的液晶元件，凹凸部的液晶配向限制力高，容易對入射到液晶元件的光的光路長度 進行控制，並且生產性良好。本發明提供一種液晶元件，該液晶元件具備透明基板；和液晶層，通過液晶材料 形成，包含有由周期性的凹凸構成的凹凸部，其特徵在於，所述液晶層的凹凸部被配向成使 位於所述透明基板側且位於所述液晶層的凹凸部的界面即凹凸面的液晶分子的長軸方向 相對於所述透明基板側的凹凸面實質上成為垂直方向，或者所述液晶層的凹凸部被配向成 使位於所述透明基板的相反側的介質側並且位於所述液晶層的凹凸部的界面即凹凸面的 液晶分子的長軸方向相對於所述介質側的凹凸面實質上成為垂直方向，來形成衍射光柵。通過上述結構，液晶分子不僅相對於形成衍射光柵的凹凸部的槽的底面，還相對 於壁面大致垂直地配向，因此，即使光柵間距較窄的情況下也能夠得到充分的配向限制力，能夠實現具有高品質的光學特性的液晶元件。另外，在光柵間距小於入射的光的波長程度 的情況下，偏振度高而波長分散性良好，通過液晶自身的雙折射性，與通常的使用各向同性 材料的結構雙折射元件相比，縱橫比(aspect ratio)減小，因此，不需要很高的加工精度就 能夠容易地製造結構雙折射元件。另外，能夠通過雙折射性材料和各向同性材料的界面上 的液晶分子的配向分布來連續地改變折射率，因此能夠製造可得到偏光依存性被抑制的防 反射效果的結構。另外，在光柵間距大於入射的光的波長程度的情況下，能夠製造偏光依存 性高的偏光衍射光柵。此外，通過該結構，通過控制液晶層中與衍射光柵(凹凸部)不同的 部分的折射率，能夠控制凹凸部的高度和折射率，能夠獨立地調整相對於液晶的配向方向 以垂直方向入射的光的衍射效率和以水平方向入射的光的衍射效率。另外，本發明提供如上所述的液晶元件，其中所述介質是透明基板，通過一對透明 基板使所述液晶層被填充、平坦化。通過該結構，由剛性高的透明基板夾持液晶層，因此能夠提高液晶元件的機械可靠性。另外，本發明提供如上所述的液晶元件，其中，在所述液晶層中，與設有所述凸部 的面相對的所述液晶層的面是平坦的，平坦的所述液晶層的面的液晶分子被同樣地配向。 另外，本發明提供如上所述的液晶元件，其中，在所述液晶層中，平坦的所述液晶層的面的 液晶分子被配向成相對於平坦的所述液晶層的面實質上水平的方向。通過該結構，成為液晶層內的凹部的液晶分子的長軸方向在液晶層的厚度方向上 變化的混合配向。另一方面，由於液晶層內的凸部的液晶分子的長軸方向能夠幾乎同樣，因 此，相對於在液晶層的厚度方向上前進的光，凹部和凸部之間的光學上的光路長度差變大。 因此，即使不增大用凸部的厚度相對於光柵間距的比表示的縱橫比，也能夠得到較大的光 路長度差，在衍射光柵的製造中不需要很高的加工精度，因此能夠減少製作工序的負擔。另外，本發明提供如上所述的液晶元件，其中所述液晶層的設有凹凸部的面由多 個區域構成並且各區域的凹凸部的周期方向不同，或者所述液晶層的凹凸部的凹凸方向連 續變化地分布，所述液晶層中，平坦的所述液晶層的面的液晶分子被配向成相對於平坦的 所述液晶層的面實質上垂直的方向。通過該結構，能夠對入射的散亂的光按照每個區域改變偏光狀態並使其出射，並 且能夠使與從各區域出射的光的成分正交的成分的光發生衍射。另外，在將相對的基板側 設為水平配向的情況下，由於具有相同的功能，因此，需要配向處理的圖案形成，以便根據 區域不同而在不同的方向上進行配向。此外，具有衍射光柵的基板和與該基板相對的基板 之間的疊合而產生的偏離也會導致特性的劣化，並且要求疊合的精度，因此實際上的作業 是困難的，而與此相對，該結構的特徵在於，不需要上述疊合精度及配向處理的圖案形成。 另外，實質上垂直是指大致垂直，實質上水平是指大致水平。此外，本發明提供如上所述的液晶元件，其中所述液晶層的凹凸部側的介質由各 向同性材料形成，所述各向同性材料的折射率與液晶的尋常光折射率(η。)或非常光折射率 (ne)實質上相等。通過該結構，液晶元件成為對入射的光具有偏光依存性的液晶元件，因此，能夠作 為偏光濾光片、偏轉分離元件等光學元件進行使用。此外，提供一種光頭裝置，其具備光源；物鏡，用於將來自所述光源的出射光聚光在光記錄媒體上；光檢測器，接受被聚光後被所述光記錄媒體反射的所述出射光；以及 配置在所述光源和所述光記錄媒體之間的光路中或者所述光記錄媒體和所述光檢測器之 間的光路中的如上所述的液晶元件。通過該結構，能夠作為針對從光源朝向光碟的光路即去路的光，使光幾乎都透過， 針對被光碟反射而朝向光檢測器的光路即迴路的光，使光衍射後到達光檢測器的液晶元件 來使用。另外，由於具有偏光依存性，因此，正交的2個成分的光中的一個幾乎直進透過，而 使另一個成分的光衍射，由此作為偏光濾光片發揮作用。此外，提供一種可變型調製元件，其具備在一對透明基板中挾持液晶而成的液晶 單元、如上所述的液晶元件、以及對所述液晶單元施加電壓來改變所述液晶的配向狀態的 電壓控制裝置。通過該結構，能夠根據對液晶單元施加的電壓的大小來改變入射的光的偏光狀 態，使入射的光中的第一偏光方向的光直進透過，使與第一方向正交的第二偏光方向的光 衍射。由此，例如能夠調整對液晶單元施加的電壓，使第一偏光方向的光幾乎以100%入射 至液晶元件而直進透過率(0次衍射效率)幾乎為100%，或者能夠使第二偏光方向的光幾 乎以100%入射至液晶元件而直進透過率(0次衍射效率)幾乎為0%。另外，形成液晶元 件的衍射光柵的凹凸部不需要高的加工精度而能夠期待獲得直進透過的光的高的消光比。發明效果本發明通過使液晶相對於液晶所接觸的衍射光柵的凹凸部的面(凹凸面)實質上 垂直地配向，即使是光柵間距狹窄的衍射光柵，也能夠具有充分的配向限制力，並且能夠得 到以衍射特性為代表的光學特性良好的衍射元件，並且能夠實現生產性優良的液晶元件。


圖1是具有衍射光柵結構的液晶元件。圖2是配置有具有偏光依存性的液晶元件的光頭裝置。圖3是第一實施方式及實施例1所涉及的液晶元件。圖4是第一實施方式所涉及的液晶元件的液晶層內的配向狀態的剖面示意圖。圖5是表示針對液晶元件40的厚度d2的衍射效率比(JlcZn1)的特性例的坐標 圖。圖6是表示第一實施方式所涉及的液晶元件的其他結構例的剖面示意圖。圖7是表示第二實施方式所涉及的液晶元件的工藝的示意圖。圖8是第三實施方式所涉及的液晶元件的俯視示意圖。圖9是第三實施方式所涉及的液晶元件的液晶層內的配向狀態的剖面示意圖。圖10是表示液晶元件60的區域64上的、針對厚度d2的衍射效率比(η。/、)的 特性例的坐標圖。圖11是將具有偏光依存性的液晶元件作為偏光濾光片而配置的光頭裝置。圖12是使用了第一實施方式所涉及的液晶元件的可變型光調製元件的剖面示意 圖。圖13是實施例1所涉及的液晶元件。符號說明
10、30a、30b、30c、30d、40、45a、45b、60a、60b、100 液晶元件lla、llb、31a、31b、31c、31d、41a、41b、46a、46b、48a、48b、55、58、71a、71b、92、 IOlaUOlb 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 衍射光柵(凹凸部)15、43、61a、61b 凹部16、44、62a、62b 凸部20,80 光頭裝置21 光源22 準直透鏡23:1/4 波長板24 物鏡25 光碟25a:信息記錄面26、85 受光元件33:各向同性的光學材料39a、39b 液晶部42、72 液晶分子51 鑄模基板52 垂直配向處理材料層53 聚合性液晶層56 液晶聚合物層57 透明聚合物層63、64、65、66 衍射光柵區域81 偏光濾光片82 柵格83 偏光光束分離器84 前監視器90 可變型調製元件91 液晶單元94a、94b、103a、103b 透明導電膜95 密封劑96 電壓控制裝置97:聚光透鏡98 受光元件104 光柵形狀
具體實施例方式(第一實施方式)圖3 (a)中示出了第一實施方式所涉及的液晶元件30a的結構。液晶元件30a在 平行配置的透明基板31a、31b中的31b的一個面上形成配向膜35，並夾持著液晶層32。與 透明基板31a接觸的各向同性的光學材料33具有剖面為凹凸形狀的衍射光柵結構，並且在 凹凸形狀的面上具有配向膜34，並填充有液晶層32。各向同性的光學材料33是與透明基 板31a不同的材料，但是也可以是對透明基板31a直接加工衍射光柵的形狀，而不設置各向 同性的光學材料33。或者也可以是，代替光學材料33為各向同性材料，而使光學材料33為 具有折射率各向異性的雙折射性的材料。另外，凹凸形狀不限於剖面為矩形的衍射光柵，也 可以是多階段階梯型衍射光柵結構、鋸齒型的結構。另外，各向同性的光學材料33隻要是 能夠在光柵面上實施垂直配向處理的材料即可，優選的是，具有因溫度變化引起的液晶材 料的折射率的變化接近的特性的材料。另外，將形成凹凸形狀的部分作為凹凸部。透明基板31a、31b可以使用丙烯類樹脂、環氧類樹脂、聚氯乙烯類樹脂、聚碳酸酯 等，但是考慮到耐久性等，優選無機材料使用石英基板、玻璃基板。另外，若在透明基板31a、 31b中互相不相對一側的表面上加工防反射(AR)膜，則能夠提高透過率，這是優選的。另外，圖3(b)、圖3(c)及圖3(d)分別是表示液晶元件30b、30c及30d的結構的剖 面示意圖。例如，在液晶元件自身在耐久性等要求不嚴格的情況下，可以如上述各圖所示那 樣，透明基板僅設置其中一側，而液晶層的與透明基板側相反的一側的介質為空氣。在該情 況下，能夠期待液晶元件的薄型化及成本方面的優勢。另外，在該情況下，作為構成液晶層 的液晶材料，優選使用高分子液晶。另外，在圖3(b) 圖3(d)中進行了省略，但是也可以 在液晶元件30b、30c及30d上形成配向膜。液晶元件30b是從液晶元件30a上去掉透明基板31a和各向同性的光學材料33之 後的結構，液晶層32具有凹凸部(衍射光柵)36。另外，液晶元件30c是透明基板31c具有 衍射光柵形狀的凹凸(形狀)，以填充該凹凸並覆蓋透明基板31c的方式形成液晶層37的 結構，液晶層37具有凹凸部(衍射光柵)38。另外，液晶元件30d是液晶部39a、39b在平坦 的透明基板31d面上分開而形成衍射光柵形狀的結構。由此，即使在液晶部分開的情況下， 也可以將這些液晶部39a、39b概括定義為液晶層39。在該情況下，液晶元件30d的凹凸部 相當於液晶層39。另外，雖未進行圖示，但是不限於此，例如也可是圖3 (c)的液晶元件30c的液晶層 37隻在透明基板31c的槽部分開地形成。此外，若除掉如液晶元件30d那樣將液晶層分開 為多個液晶部的結構，便構成不設置透明基板而僅使液晶層具有衍射光柵形狀(凹凸部) 的液晶元件，這樣也可以。另外，作為不使用透明基板時的製造方法，例如，可以是對透明基 板31a、31b實施分模處理並形成液晶層32的凹凸部(衍射光柵)之後，除去透明基板31a、 31b，或者是在各向同性的光學材料33上直接塗敷液晶單體，通過添加表面活性劑等使液 晶的空氣界面同樣地配向，使液晶單體硬化而形成液晶層32。此外，雖未進行圖示，但是也可以是，通過ITO等透明導電膜夾持液晶層，能夠施加 電壓。在該情況下，透過率雖然減少，但卻能夠通過施加電壓使衍射效率可變。另外，在未施 加電壓時也能夠通過來自光柵的側壁、上表面或底面的配向限制力使液晶的配向穩定，從而 不管施加電壓還是不施加電壓，都能夠得到不會產生因配向不均引起的偏光依存性、消光比降低的高品質的可變型偏光衍射元件。另外，以下對圖3(a)的液晶元件30a進行說明。液晶層32中使用的液晶材料只要是能夠相對於配向膜的接觸面大致垂直、大致 水平方向地進行配向控制的材料即可，能夠使用低分子液晶組成物、用於形成高分子液晶 的聚合性液晶組成物。在衍射光柵表面形成的配向膜34被實施處理以使得液晶在配向膜 表面垂直配向，配向膜35被實施處理以使得液晶在配向膜表面水平配向。另外，例如，如果 是各向同性的光學材料33是其本身對液晶具有垂直配向能的材料，則也可以不配置被實 施了垂直配向處理的配向膜34。配向膜35不限於水平配向處理，也可以被實施垂直配向處 理，但是如後述那樣，出於強調衍射光柵結構的相位階差這一點，優選水平配向處理。另外， 凹凸部和衍射光柵是相同的部分，將液晶層的凹凸部的界面作為凹凸面或衍射光柵面。圖4(a)的液晶元件40是示意性地表示液晶元件30a的液晶層的部分的結構，是 表示被填充在衍射光柵結構中的液晶分子42的配向狀態的剖面示意圖。圖4(a)被實施了 未圖示的配向膜，透明基板41a的液晶側(衍射光柵結構)的表面被實施了垂直配向處理， 透明基板41b的液晶側的表面被實施了水平配向處理。另外，對衍射光柵結構中的成為凹 部的區域43和成為凸部的區域44的2個區域分開進行說明。這2個區域是表示具有凹部 的區域43和凸部的區域44在X方向上的寬度的液晶的空間。圖4(b)是對圖4(a)的凸部 44和凹部43的一部分液晶分子的配向分布進一步細化表示的示意圖，相當於示出了將液 晶分子作為連續體分析後的結果的分布。根據圖4(a)和圖4(b)，液晶層中衍射光柵結構(凹凸部)側被實施了垂直配向 處理，因此，液晶分子相對於衍射光柵面(凹凸面)大致垂直方向地配向。也就是說，在圖 4(a)和圖4(b)中，對於與衍射光柵面的平行於X軸方向的面接觸的液晶分子被配向成其 長軸方向與Z軸方向大致平行(與X方向大致垂直)的方向，與平行於Z軸方向的面接觸 的液晶分子被配向成其長軸方向與X軸大致平行(與Z軸方向大致垂直)的方向。另一方 面，透明基板41b側被實施水平配向處理，與41b的面接觸的液晶分子被配向成其長軸方向 與X軸方向大致平行。另外，大致垂直是指與接觸面的法線成0 15度的角度即可，大致 水平是指與接觸面成0 15度的角度即可。另外，為了使液晶分子的配向對齊，優選具有 一定預傾角的配向，上述分別優選0. 1 15度，更優選1 15度。在此，首先對凹部43區域的液晶(分子)的配向分布進行說明。對於被進行了垂 直配向處理的透明基板41a和所相對的被進行了水平配向處理的透明基板41b夾持的區域 (厚度d2)的液晶，按照所謂的混合配向的狀態進行分布，其中，混合配向是指從透明基板 41a的面朝向透明基板41b的面，從相對於透明基板41a的面垂直配向空間地變化為相對於 透明基板41b的面水平配向。與此相對，凸部44區域的液晶中與透明基板41a的平行於X 軸的面接觸的液晶分子被垂直配向，但是與透明基板41a的平行於Z軸的面(衍射光柵的 側面)接觸的液晶分子也被大致垂直地配向。因此，平行於X軸的透明基板41a的面的附 近也被配向成液晶分子的長軸與X軸方向大致平行。另外，與透明基板41b接觸的面也同 樣與X軸方向大致平行地配向。另外，凸部44的Cl2厚度的區域受到相鄰的凹部的混合配 向的影響而從X方向傾斜地配向。在此，可以想到如下的未圖示的衍射元件，S卩，液晶層內的液晶分子相對於透過的 光的偏光方向在成為非常光折射率的方向幾乎同樣地配向，並且通過具有與衍射光柵的液 晶的尋常光折射率大致相等的折射率(ns)的各向同性材料(n。= ns)來填充。在該情況下，透過凹部的光的光路長度與透過凸部的光的光路長度之差即光路長度差與光柵深度d(相 當於圖4(a)中所示的Cl1-(I2)成比例地增大。因此，在為了填充在衍射光柵中而配置的液晶 層中使用相同的液晶材料來構成的情況下，為了增加光路長度差，需要增大深度d。與此相對，若如圖4(a)、圖4(b)所示那樣使液晶層內的液晶分子進行分布，則根 據折射率各向異性的特性，對於與Z軸方向平行地透過衍射光柵的光，能夠增大透過凹部 43的光的光路長度與透過凸部44的光的光路長度之差(=光路長度差)。特別是，液晶元 件40由於能夠調整厚度d2從而能夠調整光路長度差的大小，因此，也可不是僅將衍射光柵 的深度(Cl1-Cl2)增大，能夠容易地加工衍射光柵。以下，基於該原理進行說明。例如，考慮具有液晶分子長軸方向的介電常數ε 〃和液晶分子短軸方向的介電常 數ε ±之間的差即介電常數各向異性Δ ε ( = ε ,廠ε丄)為正的特性的材料的情況。另外， 具有折射率各向異性的液晶相對于波長λ的光的非常光折射率OO和尋常光折射率(η。) 之間的關係為I >η。，並且與液晶分子的長軸方向平行的偏光狀態的光為非常光折射率。 若在液晶元件40中入射在與Z軸平行的方向上前進、在X方向上振動的直線偏光的光，則 光相對於在X軸方向配向的液晶成為非常光折射率、相對於在Z軸方向配向的液晶成為尋 常光折射率而前進。另外，使透明基板41a的折射率^與尋常光折射率η。相一致。此時， 若將以尋常光折射率前進的液晶層的厚度設為d。、以非常光折射率前進的液晶層的厚度設 為尤，則透過液晶層的光路長度L能夠表示為L = η。· d。+ne · de ... (2)在此，關於第一實施方式的液晶元件40的光學特性，同樣以折射率的關係為η。= ns的情況進行說明。將凸部44的成為非常光折射率的厚度、成為尋常光折射率的厚度分 別設為del、d。」將凹部43的成為非常光折射率的厚度、成為尋常光折射率的厚度分別設為 de2、d。2。在對衍射光柵面實施了垂直配向處理的液晶元件40中入射在與Z軸平行的方向前 進的X方向的直線偏光時，對於凸部44的平均光路長度L1，若將凸部的厚度設為Cl1，則在Cl1 的厚度中為了相對於尋常光折射率η。更大地感覺到非常光折射率ι，使> d0l興0。因 此，存在關係(ne+n0) · ,/2 < L1 < ne · d10另一方面，凹部43的液晶為混合配向狀態，因此，凹部43的光路長度L2成為 U-· (ne+n0) -d2/2。此外，若將透過凹部43和透明基板41a的一部分(厚度drd2)的 光在Cl1厚度上的光路長度為L2'，則由於~ = n。，因此L2' = L2+n。·(Cl1-Cl2)。由此，光路長度差AL( = L1-L2')能夠針對特定的液晶材料通過厚度Cl1和厚度 d2進行調整。例如，在實現具有特定的光路長度差(相位差)AL的液晶元件時，產生凹部 43區域中厚度d2上的光路長度和凸部44區域中厚度d2上的光路長度之間的差，因此，不 需要增大光柵深度d( = Cl1-(I2)所產生的凹部43和凸部44之間的光路長度差。因此，能夠 減小光柵深度d，所以可以不用為了得到所需的光路長度差而增大光柵深度(Cl1-Cl2),能夠 容易地加工衍射光柵。另外，為了得到所需的衍射效率，能夠不改變光柵深度d而通過改變 厚度d2進行調整，所以能夠在衍射光柵結構的加工中期待生產性的提高。圖5是對具體地將光柵深度d設定為一定值而改變液晶元件40的厚度d2時的、通 過ι次衍射效率H1和0次衍射效率(直進透過率)nQ之間的比表示的衍射效率比(nQ/ H1)的變化進行模擬而求得的結果。另外，入射的光是波長為405nm的X方向的直線偏光， 並且在Z方向上前進，液晶的折射率各向異性Δ η為0. 17，透明基板41a、41b與液晶的尋常光折射率η相一致。此時，衍射光柵設定成，光柵間距為2 μ m、光柵間距的凸部寬度與凹部 寬度的比即比率(Duty)為1 1、光柵深度d為1.27μπι。根據圖5的結果，在厚度(12為大 約2 6μ m之間，0次衍射效率n0幾乎為0，但是，在除此之外的厚度中也發生一定量的 0次衍射光(直進透過光)，厚度d2的值與衍射效率比(Ilci/ Il1)之間存在關聯性。由此， 能夠不改變光柵深度d地調整液晶元件40的光學特性，能夠不改變衍射光柵結構地進行高 自由度的光學設計。此外，根據上述的式(1)，液晶元件40的光柵間距依賴於入射的光的波長λ及使 入射的光發生衍射而透過的光相對於入射的光的衍射角θ的具體設定值，為了較大地設 定所希望的衍射角θ需要較窄(較短)地設定光柵間距P，而本發明的液晶元件40為適合 該情況的結構。光柵間距P的長度沒有特別的限制，雖然能夠利用本發明的液晶元件40但 是特別是基於摩擦的配向控制是困難的，但是能夠增大衍射角θ，能夠使液晶相對於光柵 間距P = 20 μ m以下的衍射光柵面良好地配向，並且，即使光柵間距P較短也能夠不增加光 柵深度d地得到所需的光學特性。另外，只要加工精度允許，能夠較小地設定光柵間距的最小值來適用本發明的液 晶元件40，即使在光柵間距比波長還小的情況下，也能夠作為具有液晶的折射率各向異性 和結構雙折射性的、具有比通常優良的折射率各向異性的分散特性的波長板來適用本發明 的液晶元件40。另外，目前為止對剖面為矩形形狀的衍射光柵進行了說明，但是不限於此， 也可以如上所述那樣，剖面形狀為鋸齒型或將鋸齒近似為階梯狀的形狀，該情況下的光柵 間距P若也為1 20μπι，則特別在加工容易性、光學特性方向是有效的。此時，d2的值只要是0以上即可，但是為了得到大的光路長度差AL需要較大的衍 射光柵深度(Cl1-Cl2),因此，為了使光柵槽的加工容易，優選為大於0的值。並且，若增大d2， 則能夠如圖4的液晶層內的液晶分子42的配向示意圖所示那樣，相對於厚度d2的液晶層 的凹部43增大凸部44的光路長度。但是，另一方面，若進一步增大厚度d2，則凸部44的厚 度d2部分的液晶分子容易受到相鄰的凹部的混合配向的影響。因此，厚度d2上的凸部44 和凹部43之間的光路長度差變小。因此，d2的厚度優選相對於(Cl1-Cl2)的厚度即光柵深度 為10以下，更優選為5以下。另外，若在衍射元件40中入射在與Z軸方向平行的方向上前進並在Y方向上振動 的直線偏光，則凸部44及凹部43均以尋常光折射率前進。此時，若使透明基板41a的折射 率與尋常光折射率n0相一致，則入射的光不衍射而直進透過，能夠實現具有偏光依存性的 液晶元件。在此說明了液晶使用了具有正的介電常數各向異性的材料的情況，但是，也可以 是具有負的介電常數各向異性的材料。另外，衍射光柵的長邊方向不限於液晶元件30a那 樣僅為Y方向的1個方向，也可以是，在光入射的區域內有2個以上方向而選擇性地使光衍 射的結構。接著，對衍射光柵的製造方法進行說明。作為將衍射光柵的剖面形狀設為例如矩 形形狀的方法，能夠通過光刻法及蝕刻、壓印法、切削等進行加工。另外，在配向處理中，作 為垂直配向法通過聚醯亞胺塗敷、SiO2微粒子膜、斜方蒸鍍、基於含有烷基、全氟基等的矽 烷劑的矽烷處理等，或者利用上述各方法的組合，來形成配向膜。能夠列舉出相對於平坦的(透明)基板面成水平方向的水平配向法以及相對於平 坦的(透明)基板面成垂直方向的垂直配向法。作為水平配向法，能夠通過在透明基板上形成聚醯亞胺膜並對表面進行摩擦的方法、斜方蒸鍍法、光配向法、離子束配向法、基於槽 結構的配向等，或者通過這些方法的組合，來形成配向膜。另一方面，關於垂直配向法，能夠 使用與上述的光柵加工面的配向處理相同的方法。另外，在此說明了將衍射光柵結構僅設置於透明基板31a的液晶元件30a，但是不 限於此。例如也可以是，將衍射光柵也形成在透明基板32b的液晶層32側，通過衍射光柵 結構夾持液晶層32的兩側。圖6是表示在2個透明基板的相對的各自的面上具有衍射光 柵結構的液晶元件45a、45b的剖面示意圖。在圖6(a)的液晶元件45a中，透明基板46a側 的光柵間距、透明基板46b側的光柵間距相同，在夾持液晶層47的兩側，成為各自的槽的部 分對齊而配置。在該情況下，能夠增大透過凹部的光的光路長度與透過凸部的光的光路長 度之差即光路長度差，因此，與僅通過一側的衍射光柵來獲得所希望的光路長度差的情況 相比，能夠縮小一側的衍射光柵的縱橫比。另外，作為衍射元件利用在液晶層47的兩側配 置相同間距的光柵的情況下，優選凹部間的間隙為20μπι以內，更優選ΙΟμπι以內。另外，當在液晶層47的兩側配置不同的光柵間距的衍射光柵來作為偏光衍射光 柵的情況下，能夠得到提高直進透過的光相對於入射的光的消光比的效果。在這種情況下， 液晶層的凹部間的間隙一般優選相隔 ο μ m以上，更優選相隔20 μ m以上。另夕卜，在圖6 (b) 的液晶元件45b中，透明基板48b側的光柵間距相對於透明基板48a側的光柵間距之間的 關係為整數倍，在此為2倍，使夾著液晶層49成為透明基板48b側的槽的邊緣的部分與透 明基板48a側的槽的邊緣對齊配置。在該情況下，液晶層49的厚度相對於X軸方向以4階 段進行變化，因此若對在Z方向上透過液晶層49的光的光路長度進行表示，成為階梯狀，也 能夠模擬地作為剖面為階梯型的衍射元件。並且，在想要利用液晶元件45a、45b提高直進 透過的光相對於入射的光的消光比的情況下，優選與上述同樣使凹部間的間隙為20μπι以 內，更優選為IOym以內。(第二實施方式)第二實施方式的液晶元件具有與第一實施方式的液晶元件30a相同的結構，但是 在液晶層32中使用了高分子液晶材料。此時，高分子液晶的配向狀態成為，設置有相對於 衍射光柵面(圖4(a)的與透明基板41a接觸的面)被進行垂直配向處理的配向膜，並且設 置有與衍射光柵面相對的透明基板面(圖4(a)的與透明基板41b接觸的面)被進行水平 配向處理的配向膜。圖7是表示將液晶維持為第一實施方式中代表的配向狀態來進行固化 的一個方法即光刻印方法的工藝的示意圖，以下具體說明該方法。在圖7(a)的透明基板55上形成的配向膜54被與X方向大致平行地實施水平 配向處理，在配向膜54上形成有聚合性液晶層53。該聚合性液晶層53通過具有介晶基 (mesogenic)的丙烯類聚合性液晶等構成。鑄模基板51在形成模的面上具有衍射光柵形 狀，設置有由相對於該衍射光柵面被實施垂直配向處理的材料構成的垂直配向處理材料層 52。鑄模基板出於耐久性的觀點，優選石英、矽酮等無機材料。垂直配向處理材料層52是 能夠使液晶垂直配向並且能夠將聚合性液晶層53聚合之後實施分模處理的材料。垂直配 向材料層52利用能夠舉出具有全氟基的矽烷劑等。將圖7(a)的具有垂直配向處理材料層52的鑄模基板51壓向聚合性液晶層53而 形成光柵形狀，維持該狀態的同時進行紫外線的照射等，從而使聚合性液晶聚合。若從聚合 後的液晶(液晶聚合體)將鑄模基板51分模，則如圖7(b)所示，生成表面成為光柵形狀的液晶聚合物層56。另外，液晶聚合物層56的液晶也顯示出如第一實施方式所涉及的液晶元 件40所示的配向那樣的分布，同樣能夠通過改變厚度d2的值來控制光學特性。與包含有圖7(b)的光柵結構的液晶聚合物的基板相對地配置平行的透明基板 58，並且在兩基板間作為填充材料夾持填充有各向同性的透明單體，作為各向同性的透明 聚合物層57。此時，優選的是，透明聚合物層57的折射率與高分子液晶的尋常光折射率或 非常光折射率中的某個大致相等。另外，填充材料不限於各向同性材料，可以是雙折射材 料，也可以是透明的聚合性材料。另外，也可以使用不利用各向同性的透明聚合物層57的液晶元件的結構。此時， 例如，該結構在將液晶層56的衍射光柵(凹凸部)的光柵間距設置成短於入射的光的波長 λ、作為結構雙折射元件進行利用時是有效的。在該情況下，與通過各向同性材料形成衍射 光柵結構的情況相比，具有能夠提高折射率的波長分散的控制性的優點。例如，在通過各向同性材料形成衍射光柵結構的情況下，為了提高雙折射性而在 衍射光柵結構中不使用充填材料，利用在空氣與構成衍射光柵的材料之間產生的折射率 差，所以折射率的波長分散的控制性差。但是，在該情況下，由於液晶本身具有雙折射性而 能夠增加在構成結構雙折射時的參數，所以即使在利用與空氣之間的折射率差的情況下， 也能夠比各向同性材料提高波長分散的控制性及雙折射性，具有容易獲得波長選擇性或寬 頻性的優點。另外，也能夠作為具有防止入射到衍射光柵結構的光反射的效果的結構進行 利用。在該情況下，由於液晶具有雙折射性，因此，非常分散側偏光和常分散側偏光兩者的 折射率都不會非連續地變化，而能夠使其連續地變化，能夠作為具有相對於空氣界面這樣 的各向同性介質的偏光依存性非常小的防反射的效果的結構進行利用。(第三實施方式)作為第三實施方式，在圖8示出了具有衍射光柵的面的凹凸的周期方向即光柵方 向不一樣的液晶元件。作為液晶元件的例子，可以如從X-Y平面觀察到圖8(a)的液晶元件 60a所示，例如以相鄰的區域63、64、65及66的光柵方向相互不同的方式進行圖案形成，或 者也可以如圖8(b)的液晶元件60b所示，以衍射光柵方向從圓的中心向半徑方向放射狀地 連續的方式進行圖案形成。區域不限於四邊形，可以是任意的形狀，連續的圖案也可以是衍 射光柵方向任意地變化。另外，61a及61b表示衍射光柵的凹部，62a及62b表示凸部。另外，在圖8中，關於相對的未圖示的平坦的透明基板側的液晶的配向處理，在是 相對於透明基板的水平配向處理的情況下，使衍射光柵的長邊方向平行地變化。對於水平 配向處理的圖案形成的方法，具有基於槽結構的配向的圖案形成、使用了掩模法的配向處 理的圖案形成。另一方面，在垂直配向處理的情況下，不需要上述的圖案形成，並且不要重 疊精度，因此是優選的。以下，在第三實施方式中，以對相對的未圖示的平坦的透明基板側 的液晶進行垂直配向處理的情況為前提進行說明。圖9(a)中示出了在液晶元件60a的A-A'進行截斷時的部分剖面示意圖。液晶 被透明基板夾持，這一點與第一及第二實施方式相同。液晶元件60a中，與平面的透明基板 71b接觸的液晶分子(的長軸)的配向方向被配向成相對於透明基板71b面成大致垂直方 向的Z軸方向，與具有衍射光柵的透明基板71a接觸的液晶分子的配向方向被配向成相對 於各個面成大致垂直方向。成為凹部的71a(厚度d2)相互垂直地配向，因此，液晶層內的 配向也成為大致垂直狀態。
另一方面，凸部62a(厚度(I1)中的與透明基板71a接觸的液晶相對於透明基板71a 面被垂直配向，但是如圖9(a)所示，在衍射光柵壁面(與Z軸平行的面)上也成為垂直配 向而使液晶分子與X方向平行地被配向。另一方面，凸部62a中的與透明基板71b接觸的 液晶也如上述那樣相對於透明基板71b面被垂直配向，因此，凸部62a被配向成具有朝著相 對的衍射光柵的傾斜角在厚度方向上變化的分布。也就是說，在凸部62a中，按照液晶分子 的長軸方向從透明基板71b面朝向透明基板71a、從Z方向向X方向然後從X方向向Z方向 大致平行的分布被混合配向。圖9(b)是進一步細化表示圖9(a)的凸部62a及凹部61a的 一部分液晶分子的配向分布的示意圖，相當於對將液晶分子作為連續體進行解析的結果進 行表示的分布。圖9(a)、圖9(b)所示，在液晶層中的透明基板71b側的液晶分子被配向成大致垂 直方向的情況下，如第一實施方式所涉及的液晶元件40那樣，能夠不改變光柵深度d而改 變厚度d2，來控制光學特性圖10是具體地將光柵深度d設為一定值，針對液晶元件60a的區域64，對利用使 厚度d2變化時的1次衍射效率η工和0次衍射效率(直進透過率)η C1的比來表示的衍射效 率比(IlcZn1)的變化進行模擬而求出的結果。其中，入射的光的波長為405nm的X方向的 直線偏光並且使該光在Z方向上前進，液晶的折射率各向異性Δη為0. 17，透明基板71a、 71b為與液晶的尋常光折射率η。一致的基板。此時，衍射光柵被設定為，光柵間距為2 μ m、 光柵間距的凸部寬度與凹部寬度之間的比即比率為1 1、光柵深度d為1.5 μ m。根據圖 10的結果，在厚度d2為大約7 μ m以上的情況下，0次衍射效率Ilci幾乎為0，但是若厚度d2 若不小於大約6 μ m也會產生一定量的0次衍射光(直進透過光)，厚度d2的值與衍射效率 比(JlcZn1)之間具有關聯性。由此，即使在透明基板71b側的液晶分子被配向成大致垂直 方向的情況下，也能夠不改變光柵深度d地調整光學特性，從而能夠不改變衍射光柵結構 的加工精度地進行自由度高的光學設計。如上所述，在液晶元件60a的區域64中，能夠相對於入射的X方向的直線偏光調 整衍射效率比，相對於Y方向的直線偏光成為尋常光折射率n。，因此，不被衍射，能夠獲得幾 乎100%這樣高的0次衍射效率。因此，也能夠通過偏光狀態對衍射效率比等光學特性進行 控制。由此，例如若在圖8(a)的區域64中則凸部62a中的一部分液晶分子被配向成X方 向，但是，在區域63中則相同的凸部62a中的一部分液晶分子被配向成Y方向。另外，若是 圖8(b)，則從圓區域的中心向半徑(徑向)方向被配向。由此，在衍射光柵方向在X-Y平面 內不同的情況下，若入射在Z方向上前進的光，該光分別成為與凸部的液晶分子的傾斜方 向相對應的偏光方向的成分的光而透過。對於能夠如上所述那樣按照每個區域分別使透過的光的偏光狀態不同的液晶元 件，例如，在對信息記錄面有2層以上的多層光碟進行重放的圖1的光頭裝置中，配置在液 晶元件10和光檢測器26之間的光路中，能夠期待抑制因與重放的信息記錄層不同的層反 射來的光(以下稱為「雜散光」)而產生幹涉的效果。另外，從重放的信息記錄層反射的光 為信號光。此時，若配置成使信號光相對於液晶元件60a在Z方向上前進並且成為相對於 X及Y方向成45°的直線偏光，則該直線偏光按照每個區域偏光方向不同地射出，並透過未 圖示的圓柱透鏡而在光檢測器中聚光。另一方面，雜散光在光檢測器上不被聚光，因此，例 如能夠使信號光以X方向的偏光到達光檢測器上的一個區域，使雜散光以Y方向的偏光到達該區域。(第四實施方式)在圖11中示出了利用了在第一實施方式或第二實施方式中製作的液晶元件的光 頭裝置的第四實施方式的例子。其中，光頭裝置80使用與圖2的光頭20共同的光學部件 等，對相同部分標以相同的符號而避免重複說明。從作為光源的半導體雷射器21出射光， 成為在Y方向上偏光的直線偏光。光透過只使Y方向的直線偏光直進透過的偏光濾光片 81，通過柵格(grating)82將光分離成1個主光束和2個副光束。入射到偏光光束分離器 83的光被分離成直進方向和前監視器84的方向。前監視器對向光碟側前進的光量和前監 視器所接受的光量之間的比率進行監視，通過未圖示的控制電路在半導體雷射器側進行光 量調整的控制以使該比率成為一定值。直進透過偏光光束分離器的光通過準直透鏡22成為平行光，通過1/4波長板23 從直線偏光變為圓偏光。圓偏光例如是右旋的圓偏光。通過物鏡24被會聚的光聚光在光 盤25的信息記錄面25a上，並在信息記錄面上被反射的光成為左旋的圓偏光，透過物鏡24。 透過1/4波長板23的光成為X方向的直線偏光並透過準直透鏡22，再次入射到光束分離器 83。X方向的直線偏光的光通過光束分離器被向受光元件65方向聚光，從而能夠讀出光碟 的重放信息。在該光頭裝置80中，半導體雷射器在一定方向上振動以成為Y方向的直線偏光， 但是，該直線偏光的方向會因溫度、雷射器的個體差而產生偏差。也就是說，根據條件不同 也有時發現X方向成分的光。因此，如上所述那樣通過前監視器84使接受的光量和分離給 光碟25側的光量之間的比率成為一定，因此，為了消除從半導體雷射器出射的光的偏光方 向的偏差，需要在半導體雷射器附近配置偏光濾光片81。作為該偏光濾光片81，能夠使用本申請的第一實施方式及第二實施方式的液晶元 件。例如，使衍射光柵的周期方向為X方向，使液晶的尋常光折射率(η。)與各向同性的光 學材料33的折射率相一致。在Y方向上偏光的光在液晶層內為尋常光折射率，具有X方向 成分的光在液晶層內為非常光折射率，因與相當於尋常光折射率的光學材料之間的折射率 差而產生衍射，因此，在直進方向上前進的光幾乎為Y方向成分的直線偏光。例如，將入射 的光的波長設為λ [nm]，使透過本發明的液晶元件的凸部的在X方向上偏光的光與透過凹 部的在X方向上偏光的光之間的光路長度差為(2m+l) λ /2[nm] (m為> 0的整數)，由此使 衍射效率最大，不產生直進透過光。因此，能夠作為使特定的偏光方向的光直進透過而不使 與該偏光方向正交的偏光方向的光直進透過的偏光濾光片的發揮功能。另外，在作為偏光濾光片發揮功能的情況下，能夠使不直進的光的偏光成分通過 衍射作用在與直進方向不同的方向上前進(偏向)，但是，在這種情況下也是，衍射角較大 的情況下對於利用直進透過的偏光成分的光學部件等而言不需要的光的偏光成分不易成 為雜散光，因此衍射角較大是優選的。如上所述，為了增大衍射角優選利用衍射光柵的光柵 間距小的液晶元件，但是，通過使用調整液晶的配向方向的本發明的液晶元件，不增大縱橫 比也能夠獲得良好的光學特性，並且能夠實現高品質的偏光濾光片，同時能夠實現高品質 的光頭裝置。(第五實施方式)圖12(a)是作為第五實施方式，表示包含有第一實施方式所涉及的液晶元件30a的可變型光調製元件90的剖面的示意圖。另外，可變型光調製元件90中不限於第一實施方 式所涉及的液晶元件30a，也可以是第二實施方式所涉及的液晶元件。此外，可變型光調製 元件90共用透明基板31b，透明基板31b的與液晶層32相反的面上具有透明導電膜94a。 此外，在透明導電膜94a和形成在透明基板92的一個面上的透明導電膜94b之間具有一定 厚度的液晶層93，在液晶層93的周邊部形成有密封劑95。並且配置有通過透明導電膜94a 及94b對液晶層93施加電壓從而控制透過光的偏光狀態的電壓控制裝置96。另外，將包含 有透明基板31b (的一部分)、透明導電膜94a、液晶層93、透明導電膜94及透明基板92的 結構作為液晶單元91。另外，在透明基板31b和92的、第二液晶層93側的面上配置有未圖示的配向膜， 透明基板92的配向膜的配向方向是Y方向，液晶層93側的透明基板31b的配向膜的配向 方向為X方向。並且，在未在液晶單元91的液晶層93上施加電壓時(以下稱作「未施加電 壓時」。)，液晶分子在厚度方向上被扭轉90°。並且，在電壓被施加於液晶層93時(以下 稱作「施加電壓時」。)，液晶分子的長軸方向與電場方向平行(Z方向)。接著，對未施加電壓時和施加電壓時的可變型光調製元件90的作用進行說明。圖 12(b)是表示對可變型光調製元件90入射Y方向的偏光的形態的示意圖。首先，在未施加 電壓時，液晶層93的液晶分子被扭轉，因此，從透明基板92側朝Z方向前進的Y方向的偏 光在液晶層93中成為X方向的偏光。並且，X方向的偏光通過液晶元件30a的衍射光柵被 衍射。透過可變型光調製元件90的光入射到聚光透鏡97，但是，焦點卻與例如光纖等的受 光元件98的位置不一致。在該情況下，通過衍射元件30加大衍射角，從而能夠在未施加電 壓時使不需要的衍射光遠離受光元件98，所以使作為雜散光而入射的光量變小。另一方面，在施加電壓時，液晶層93的液晶分子的長軸方向被配向成電場方向即 厚度方向，因此，Y方向的偏光不改變偏光狀態地透過液晶層93，併入射到液晶元件30a。液 晶元件30a還使Y方向的偏光直進透過，因此，能夠通過聚光透鏡97良好地聚光於受光元 件98。由此，能夠根據基於電壓控制裝置96的施加電壓的大小來控制入射到受光元件98 的光的光量，但是通過使用本發明的液晶元件能夠縮窄(縮短)衍射光柵的間距而能夠增 大衍射光的衍射角，所以能夠在未施加電壓時大大地減少入射到受光元件98的雜散光，因 此能夠提高消光比。此外，圖12(a)所示的可變型光調製元件90是一個例子，液晶元件的結構不限於 此。例如，在液晶層32中可以使用高分子液晶，此外衍射光柵結構可以是(近似)鋸齒形 狀。此外，液晶單元91的液晶層93的液晶的介電常數各向異性Δ ε不限於為正，也可以 是，△ ε為負，並且具有在未施加電壓時相對於透明基板面大致垂直地配向、施加電壓時相 對於透明基板面大致水平地配向的特性。此外，在圖12(b)中，示出了在直進透過可變型光 調製元件90的方向上配置受光元件98的例子，但是也可以是在衍射光前進的方向上配置 受光元件的結構，並且也可以是，在可變型光調製元件90上設置未圖示的反射層，使從例 如1個光纖發射出來的光反射，接受所反射的光。此外，例如也可以是配置有衍射光柵的液 晶元件30a不限於1個而重疊有2個的結構。(實施例1)作為實施例製作圖13所示的液晶元件100。準備好將厚度為0. 5mm的石英基板洗 淨並在一個面(未圖示)上形成防反射膜的透明基板101b。在與防反射膜相反的面上，通過濺射形成由ITO構成的透明導電膜103b。在透明導電膜103b上形成SiO2層作為未圖示 的絕緣膜，在其上塗敷聚醯亞胺，經過燒結工序之後通過摩擦實施水平配向處理，形成配向 膜 106。同樣，準備好將厚度為0. 5mm的石英基板洗淨並在一個面上(未圖示)形成防反 射膜的透明基板101a，在另一個面上形成由ITO構成的透明導電膜103a。在ITO膜103a 上形成SiO2層作為未圖示的絕緣膜之後，蒸鍍形成厚度約1. 35μπι的SiON膜。此時，各向 同性材料的SiON膜相對於405nm的光的折射率是1. 51。通過光刻法工序，在SiON的面上 對抗蝕劑進行圖案形成，成為剖面的光柵間距約為2 μ m、光柵間距的凸部寬度與凹部寬度 的比即比率為1 1的光柵形狀。以深度約為1.27蝕刻對抗蝕劑進行了圖案形成的面，將 抗蝕劑剝離並進行灰化，從而製作由SiON構成的光柵形狀104。在光柵形狀104的面上塗 敷垂直配向的聚醯亞胺之後，經過燒結工序成為配向膜。使配向膜或進行了配向處理的面相對，此時，使配向膜106的水平配向方向與X方 向平行，並且光柵形狀的光柵的周期方向(光柵方向)為X方向。在配向膜106上散布未 圖示的直徑為3. 5μπι的隔離物，通過未圖示的密封劑密封基板周邊，從未圖示的注入口在 由隔離物製造出的空隙中注入液晶進行填充，從而形成液晶層102。此時，注入的液晶使用 的是特性為相對於405nm的光的尋常光折射率(η。)= 1. 51、非常光折射率OO = 1. 68、折 射率各向異性Δη = 0. 17的材料。此外，在透明導電膜103a、103b之間連接有未圖示的電 壓控制裝置以便能夠對液晶層102施加電壓。將上述製作的材料利用光學元件切割鋸切割成約5mm見方的大小而作為液晶元 件，成為能夠適用於光頭裝置的形狀。切割之後，使用波長約633mm的He-Ne雷射來測定該 液晶元件的透過波像差，為25m λ rms以下，由此能夠確認出該液晶元件完全能夠用作光學 元件。此外，對製作好的液晶元件入射405nm的光，來測定衍射特性。使405nm的光以與 Z軸平行的前進方向、X方向的偏光方向入射，在未施加電壓時，入射的光的直進透過率為 10%以下，士 1次衍射效率約為40%。另一方面，若對液晶層施加約40Vrms的IkHz的矩形 交流波電壓，則液晶受電壓的驅動而衍射效率發生變化，直進透過率成為90%以上。由此， 能夠作為通過控制電壓來改變直進透過光量的光量調整元件而使用。(實施例2)製作圖7(c)所示的液晶元件。準備好將厚度為0. 5mm的石英基板洗淨並在一個 面(未圖示)上形成防反射膜的透明基板55。在與防反射膜相反的面上塗敷聚醯亞胺，經 過燒結工序之後通過摩擦實施水平配向處理，形成配向膜54。另外，另外準備好將厚度為 1. Omm的石英基板洗淨並在一個面(未圖示)上形成防反射膜的透明基板58。通過光刻法工序，在透明基板上對抗蝕劑進行圖案形成，成為剖面的光柵間距為 約2μπκ比率為1 1的光柵形狀。以深度約為1.27 μ m蝕刻對抗蝕劑進行了圖案形成的 面，將抗蝕劑剝離並進行灰化，由此製作鑄模基板51。在鑄模基板51的光柵形狀表面通過 具有全氟基的矽烷劑進行修飾，形成垂直配向材料層52。使配向膜54的水平配向方向與X方向平行，在配向膜54上散布未圖示的直徑為 3. 5μπι的隔離物，通過未圖示的密封劑密封基板周邊，在由隔離物製造出來的空隙中注入 聚合性液晶組成物進行填充，形成聚合性液晶層53。此時注入的聚合性液晶組成物使用的是，通過光聚合而聚合物化，從而具有相對於405nm的光的尋常光折射率(η。)= 1. 51、非常 光折射率OO = 1. 68、折射率各向異性Δη = 0. 17的特性的材料。使鑄模基板51的光柵 的周期方向為與X軸平行的方向而使鑄模基板51與聚合性液晶層53重疊，並進行壓接以 使聚合性液晶組成物成為鑄模基板的光柵形狀。在壓接鑄模基板的狀態下，使UV光曝光，進行液晶聚合物化。在聚合物化後對鑄 模基板進行分模處理，形成圖7 (b)所示那樣的衍射光柵形狀的液晶聚合物層56。接著如圖 7(c)所示，在液晶聚合物層56上填充與液晶聚合物的尋常光折射率幾乎相等、溫度依存性 也相等的作為透明聚合物57的光聚合性的單體。之後，使透明聚合物57與進行了未圖示 的防反射膜處理的厚度約為0. 5mm的透明基板58相對。在相對的狀態下，在透明單體中使UV光曝光，進行透明聚合物化。將上述製作材 料利用光學元件切割鋸切割成約5mm見方的大小，作為液晶元件，成為能夠適用於光頭裝 置的形狀。切割之後，使用波長約633nm的He-Ne雷射測定該液晶元件的透過波像差，為 25mArms以下，由此能夠確認出該液晶元件完全能夠用作光學元件。此外，若使405nm的光以與Z軸平行的前進方向、X方向的偏光方向入射，則光的 直進透過率(0次衍射效率)Iltl為5%以下。另一方面，若以X方向的偏光方向入射，則直 進透過率(0次衍射效率)以上。由此，能夠實現衍射效率具有入射偏光方向依 存性並且縱橫比小的液晶元件。(實施例3)使用與實施例2相同的製造方法，製作圖8(a)所示的液晶元件。此時，使得區域 64和區域65的衍射光柵的長邊方向、與區域6和區域66的衍射光柵的長邊方向之間正交， 各自的光柵間距為約2 μ m、光柵深度d為約1. 5 μ m，並且散布的隔離物的直徑為約7. 0 μ m， 與衍射光柵側相反的透明基板側的配向膜(圖8(c)中的配向膜54)為具有垂直配向能的 聚醯亞胺膜。此外，該聚醯亞胺膜以不進行摩擦處理的方式進行製作，其他條件與實施例1 相同。結果，若入射與區域63 區域66的各自的衍射光柵的長邊方向正交的偏光方向 的光，則直進透過率(0次衍射效率)％為5%以下，而另一方面，若入射與衍射光柵的長邊 方向平行的偏光方向的光，則直進透過率(0次衍射效率)％為95%以上，能夠作為圖案形 成偏光件獲得充分的效果。工業實用性如上所述，本發明所涉及的液晶元件通過對衍射光柵面的配向膜進行垂直配向處 理而對相對地平面進行水平配向處理，能夠以低縱橫比實現成為一定衍射角的衍射光柵結 構。此外，能夠不改變衍射光柵的光柵深度，而通過改變不包含衍射光柵的槽部在內的液晶 層的厚度，來控制衍射效率等光學特性。進而，本發明所涉及的液晶元件由於不需要有透明 導電膜或絕緣膜，因此能夠不降低透過率地實現高的光利用效率。由此，能夠實現生產性高 且品質良好的液晶元件，並且通過配置在光頭裝置中，能夠作為液晶元件、偏光濾光片、光 量可變元件進行使用。
權利要求
一種液晶元件，具有透明基板、和由液晶材料形成並且包含有由周期性的凹凸構成的凹凸部的液晶層，其特徵在於，所述液晶層的凹凸部被配向成使位於所述透明基板側且位於所述液晶層的凹凸部的界面即凹凸面的液晶分子的長軸方向相對於所述透明基板側的凹凸面實質上成為垂直方向，或者，所述液晶層的凹凸部被配向成使位於所述透明基板的相反一側的介質側且位於所述液晶層的凹凸部的界面即凹凸面的液晶分子的長軸方向相對於所述介質側的凹凸面實質上成為垂直方向，從而形成衍射光柵。
2.如權利要求1所述的液晶元件，其特徵在於，所述介質為透明基板，通過一對透明基板使所述液晶層被填充、平坦化。
3.如權利要求1或2所述的液晶元件，其特徵在於，在所述液晶層中，與設置有所述凹凸部的面相對的所述液晶層的面是平坦的，平坦的 所述液晶層的面的液晶分子被同樣地進行配向。
4.如權利要求3所述的液晶元件，其特徵在於，所述液晶層被配向成平坦的所述液晶層的面的液晶分子相對於平坦的所述液晶層的 面實質上成為水平方向。
5.如權利要求1 3中任一項所述的液晶元件，其特徵在於，所述液晶層的設置有凹凸部的面由多個區域構成，各區域的凹凸部的周期方向不同， 或者所述液晶層的凹凸部的凹凸方向連續地變化分布，所述液晶層被配向成平坦的所述液晶層的面的液晶分子相對於平坦的所述液晶層的 面實質上成垂直方向。
6.如權利要求1 5中任一項所述的液晶元件，其特徵在於，所述液晶層的凹凸部側的介質通過各向同性材料形成，所述各向同性材料的折射率與 液晶的尋常光折射率(η。)或非常光折射率OO實質上相等。
7.一種光頭裝置，包括 光源；物鏡，用於將來自所述光源的出射光聚光在光記錄媒體上； 光檢測器，接受被聚光並被所述光記錄媒體反射的所述出射光；以及 權利要求1 6中任一項所述的液晶元件，配置在所述光源與所述光記錄媒體之間的 光路中，或者所述光記錄媒體與所述光檢測器之間的光路中。
8.—種可變型光調製元件，包括在一對透明基板中夾持液晶而成的液晶單元；權利要求1 6中任一項所述的液晶元件；以及對所述液晶施加電壓來改變所述液晶的配向狀態的電壓控制裝置。
全文摘要
液晶元件具有透明基板、和由液晶材料形成並包含有由周期性的凹凸構成的凹凸部的液晶層，其中，所述液晶層的凹凸部被配向成，使位於所述透明基板側並位於所述液晶層的凹凸部的界面即凹凸面的液晶分子的長軸方向相對於所述透明基板側的凹凸面實質上成為垂直方向，或者所述液晶層的凹凸部被配向成，使位於與所述透明基板相反一側的介質側並且位於所述液晶層的凹凸部的界面即凹凸面的液晶分子的長軸方向相對於所述介質側的凹凸面實質上成為垂直方向，從而形成衍射光柵。
文檔編號G02B5/30GK101911191SQ20088012277
公開日2010年12月8日 申請日期2008年12月25日 優先權日2007年12月27日
發明者垰幸宏, 柚山健一 申請人:旭硝子株式會社