專利名稱：偏振衍射元件和光學(xué)頭裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及偏振衍射元件和將偏振衍射元件作為構(gòu)成要素包含的光頭裝置，特別是涉及使用具有圓偏振選擇反射造成的大的旋光色散特性的旋光性材料的偏振衍射元件和光學(xué)頭裝置。
背景技術(shù)：
包含膽甾醇相液晶和手征性(カイラル)材料的向列型液晶是形成螺旋結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)取向的膽甾醇相液晶，已知有如下性能，即在螺距P與入射光的波長λ相當(dāng)?shù)那闆r下，從螺旋方向入射的具有與液晶的扭轉(zhuǎn)方向相同的旋轉(zhuǎn)方向的圓偏振光被反射，具有有反方向旋轉(zhuǎn)的圓偏振光透過的圓偏振光相關(guān)性(這被稱為“圓偏振光的選擇反射”)。
又，在這種膽甾型相液晶中，假定例如液晶的扭轉(zhuǎn)方向?yàn)橛肄D(zhuǎn)方向，則對于向右旋轉(zhuǎn)的圓偏振入射光，存在帶來圓偏振選擇反射的波段(這被稱為“反射波段”)，在該反射波段的近旁，顯示出大的旋光色散(旋光因波長而不同的現(xiàn)象)。另一方面，對于向左旋轉(zhuǎn)的圓偏振入射光，不存在反射波段，因此顯示出比較小的旋光色散，這種情況在非專利文獻(xiàn)1中有記載。
也就是說，在具有膽甾醇相液晶的圓偏振選擇反射功能的反射波段近旁的透射波段，向右旋轉(zhuǎn)的圓偏振光與向左旋轉(zhuǎn)的圓偏振光中，發(fā)生旋光性顯著不同的情況。
又，在螺距P比較小的膽甾醇相液晶中，已知在與膽甾醇相各向同性相的中間溫度區(qū)域發(fā)現(xiàn)膽甾醇藍(lán)(コレステリツクブル一)相(將該膽甾醇藍(lán)相狀態(tài)的液晶稱為“藍(lán)相液晶”)。
該藍(lán)相液晶形成具有雙重扭轉(zhuǎn)螺旋內(nèi)部結(jié)構(gòu)的圓筒狀部分在空間上規(guī)則地排列的三維周期性晶格結(jié)構(gòu)，使?jié)M足衍射條件的波長和入射角的入射光發(fā)生布喇格衍射。在這里發(fā)生的布喇格衍射光與膽甾醇相液晶一樣與圓偏振相關(guān)，但是與膽甾醇相液晶相比，圓偏振選擇反射的反射波段狹窄，因此在更加狹窄的反射波段的附近的透射波段，右旋偏振光與左旋偏振光旋光性有顯著不同。
又，已有的藍(lán)相的溫度范圍為數(shù)℃左右的極其狹窄的范圍，因此應(yīng)用藍(lán)相的實(shí)用元件難于實(shí)現(xiàn)。但是近年來有這樣的報(bào)告(參照例非專利文獻(xiàn)2)，即在液晶中混合單體，在藍(lán)相液晶的溫度區(qū)域照射紫外線，以此使單體高分子化，得到藍(lán)相液晶的溫度范圍擴(kuò)大到60℃以上的高分子穩(wěn)定化藍(lán)相液晶。
但是，在CD和DVD等那樣的光盤和光磁盤等光記錄媒體的信息記錄面上進(jìn)行信息記錄和/或信息重放(以下稱為“記錄·重放”)的光學(xué)頭裝置中，從半導(dǎo)體激光器射出的出射光通過物鏡被聚光于光盤的信息記錄面上，同時(shí)被反射形成返回光，該返回光通過光束分離器被導(dǎo)入作為光檢測器的受光元件。在這里，這種光束分離器采用例如作為衍射元件的一種的全息光束分離器等，這樣能夠利用衍射使光束的行進(jìn)方向偏轉(zhuǎn)，將其引向光檢測器，因此實(shí)現(xiàn)了光學(xué)頭的小型化。
又，在安裝有DVD用的半導(dǎo)體激光器和CD用的半導(dǎo)體激光器的光學(xué)頭裝置中，能夠?qū)σ?guī)格不同的作為光記錄媒體的DVD和CD用的光盤的信息進(jìn)行錄放的DVD/CD互換光學(xué)頭裝置也得到實(shí)用化。
專利文獻(xiàn)1記載了如下所述的偏振衍射元件，即為了實(shí)現(xiàn)這樣的光學(xué)頭裝置的小型化和高的光利用效率，加工為使取向方向一致的高分子液晶構(gòu)成的矩形衍射光柵的凹凸部的相位差對于CD用的波長的異常光為波長的自然數(shù)倍，而且對于正常光為0，從而能夠透過DVD用的650nm波段的正常偏振光，而衍射異常偏振光，同時(shí)能夠使CD用的790nm波段的入射光透過而不管其偏振狀態(tài)如何的，具備波長選擇性的偏振衍射元件。
非專利文獻(xiàn)1Chandrasekhar著的“液晶物理學(xué)”，吉岡書店1995年出版，p.260～261(第4章、圖4.1，6)(Chandrasekhar，“Liquid Crystals”，Secondedition，Cambridge University Press Chap.4 Fig.4.1，6)非專利文獻(xiàn)2“Nature Materials(自然材料)”，Vol.1，no.1，MacmillanPress，2002，Sep.，p.64～68專利文獻(xiàn)1日本特開2001-174614號公報(bào)發(fā)明內(nèi)容但是，在這樣的偏振衍射元件中，偏振衍射元件的光柵間距如果狹窄，由于光柵壁面的影響就有790nm波段的異常偏振光透射率低下的問題。
本發(fā)明是鑒于上述情況而作出的，其目的在于，提供對于波長λ1的光作為偏振衍射元件起作用，對于不同于波長λ1的波長λ2的光，與入射偏振狀態(tài)無關(guān)地不作為衍射元件起作用而具有高透射率的波長選擇性的偏振衍射元件以及使用這種元件的光學(xué)頭裝置。
本發(fā)明提供如下所述的偏振衍射元件，這是使特定波長的光發(fā)生衍射的偏振衍射元件，其特征在于，偏振衍射元件利用兩種光學(xué)材料的連接形成衍射光柵而形成，一種光學(xué)材料使用旋光性材料，另一種光學(xué)材料使用光學(xué)各向同性材料，兩種光學(xué)材料相接，其中該旋光性材料針對所述特定波長光中的具有一個(gè)旋轉(zhuǎn)方向的第1圓偏振光具有反射波段，并且在反射波段外產(chǎn)生衍射，所述光學(xué)各向同性材料使旋轉(zhuǎn)方向與第1圓偏振光相反的第2圓偏振光透射而不使其發(fā)生衍射。
如果采用上述結(jié)構(gòu)，則能夠?qū)崿F(xiàn)對于第1圓偏振光與第2圓偏振光發(fā)現(xiàn)其衍射效率不同的與偏振相關(guān)的特性的具備波長選擇性的偏振衍射元件。
又，本發(fā)明提供的偏振衍射元件，是對于分別具有第1圓偏振光和與該第1圓偏振光相反方向旋轉(zhuǎn)的第2圓偏振光的至少兩個(gè)波長不同的入射光，根據(jù)所述兩個(gè)入射光的波長和偏振狀態(tài)有選擇地衍射或透射的偏振衍射元件，是至少在對于所述第1圓偏振光的入射光的反射波段不包含兩個(gè)入射光的波長的第1偏振衍射元件。
如果采用上述結(jié)構(gòu)，則能夠?qū)崿F(xiàn)對至少兩個(gè)波長不同的入射光，發(fā)現(xiàn)對于第1圓偏振光與第2圓偏振光其衍射效率不同的與偏振相關(guān)的特性的具備波長選擇性的偏振衍射元件。
又，本發(fā)明提供第2偏振衍射元件，所述衍射元件是在第1偏振衍射元件中，對于分別具有第1圓偏振光和與該第1圓偏振光相反方向旋轉(zhuǎn)的第2圓偏振光的第1波長λ1以及不等于λ1的第2波長λ2的入射光，根據(jù)所述兩個(gè)入射光的波長和偏振狀態(tài)有選擇地衍射的偏振衍射元件，具有反射波段，該反射波段至少針對所述第1圓偏振光的入射光，不將所述第1波長λ1和所述第2波長λ2包含于反射波長的對象中，具有在所述第1波長λ1以及所述第2波長λ2的所述入射光中，作為所述反射波段近旁的透射波長的所述第1波長λ1的所述入射光，與所述第2波長λ2相比，用具有相對較多發(fā)現(xiàn)的旋光色散功能的旋光性材料，使所述第1波長λ1的第1圓偏振入射光有選擇地衍射的波長偏振選擇衍射功能。
如果采用上述結(jié)構(gòu)，則能夠?qū)崿F(xiàn)對于第1圓偏振光與第2圓偏振光，在第1波長λ1發(fā)現(xiàn)其衍射效率不同的與偏振相關(guān)的特性，在第2波長λ2其衍射效率大致相同，沒有發(fā)現(xiàn)與偏振相關(guān)的特性的具備波長選擇性的偏振衍射元件。
又，本發(fā)明提供第3偏振衍射元件，該元件是在所述至少兩個(gè)不同波長的入射光中，至少有一個(gè)波長在比所述反射波段短的短波側(cè)，至少一個(gè)波長在比所述反射波段落長的長波側(cè)，采用在比所述反射波段短的短波側(cè)和比所述反射波段長的長波側(cè)具有不同的旋光色散功能的旋光性材料，至少有選擇地使一個(gè)波長的入射光的第1圓偏振光與第2圓偏振光衍射或透射。
如果采用上述結(jié)構(gòu)，則能夠?qū)崿F(xiàn)至少兩個(gè)波長不同的入射光中，將至少一個(gè)波長的入射光的第1圓偏振光和第2圓偏振光有選擇地衍射或透射的偏振衍射元件。
又，本發(fā)明提供如下所述的第4偏振衍射元件，該衍射元件是在第2偏振衍射元件中，具有使用波長λ的，對所述第1圓偏振光的折射率與對所述第2圓偏振光的折射率之差記為Δn(λ)時(shí)，滿足Δn(λ1)＞Δn(λ2)，而且Δn(λ2)0的所述旋光性材料與在所述第2波長λ2與所述旋光性材料的折射率大致相等的光學(xué)各向同性材料中的任意一種材料，加工成斷面形狀具有周期性凹凸的光柵形狀的光柵、以及至少在該加工的所述光柵的凹部充填所述旋光性材料與所述光學(xué)各向同性材料中的任意另一種材料的充填材料。
如果采用上述結(jié)構(gòu)，則對于第1圓偏振光與第2圓偏振光的入射光，在第1波長λ1發(fā)現(xiàn)其衍射效率不同的與偏振相關(guān)的特性，在第2波長λ2則不管入射光的偏振狀態(tài)如何，不衍射而一直向前透過。因此能夠?qū)崿F(xiàn)光利用效率高的，具備波長選擇性的偏振衍射元件。特別是在第2波長λ2，旋光性材料與光學(xué)各向同性材料的折射率大致相等，因此不管光柵間距及光柵形狀如何都能夠得到高透射率。
又，本發(fā)明提供如下所述的第5偏振衍射元件，所述衍射元件是，在第4偏振衍射元件中，所述旋光性材料，由其螺旋軸方向與厚度方向一致，同時(shí)對所述第1圓偏振光具有不將所述第1波長λ1以及所述第2波長λ2包含于反射波長的對象中的所述反射波段，而且所述第1波長λ1為與所述第2波長λ2相比相對地更靠近所述反射波段的透射波長的具有螺距的膽甾醇相液晶構(gòu)成。
如果采用上述結(jié)構(gòu)，則由于使用斷面形狀為周期性凹凸形狀的，螺旋軸一致的膽甾醇相液晶，通過調(diào)整膽甾醇相液晶的螺距，能夠在任意波段發(fā)現(xiàn)圓偏振選擇反射波段。其結(jié)果是，能夠得到關(guān)于波長選擇性的設(shè)計(jì)自由度高的偏振衍射元件。
而且，本發(fā)明提供第6偏振衍射元件，所述衍射偏轉(zhuǎn)元件是在第5衍射偏轉(zhuǎn)元件中，所述膽甾醇相液晶由膽甾醇相高分子液晶構(gòu)成，其螺旋軸方向與厚度方向一致，同時(shí)對所述第1圓偏振光具有不將所述第1波長λ1以及所述第2波長λ2包含于反射波長的對象中的所述反射波段，而且所述第1波長λ1為與所述第2波長λ2相比相對地更靠近所述反射波段的透射波長的具有螺距的膽甾醇相液晶構(gòu)成。
如果采用上述結(jié)構(gòu)，則由于膽甾醇相高分子液晶是固體，與膽甾醇相低分子液晶相比，分子取向穩(wěn)定化，能夠?qū)崿F(xiàn)在溫度變化等環(huán)境變化的情況下特性變化小的偏振衍射元件。而且由于不必密封于單元內(nèi)，能夠簡化制作工序。
還有，本發(fā)明提供第7偏振衍射元件，所述偏振衍射元件中，所述旋光性材料，由對所述第1圓偏振光具有不將所述第1波長λ1以及所述第2波長λ2包含于反射波長的對象中的所述反射波段，同時(shí)具有所述第1波長λ1為與所述第2波長λ2相比相對更靠近所述反射波段的透射波長的波長選擇性，利用高分子網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)大了膽甾醇藍(lán)相的溫度范圍的高分子穩(wěn)定化膽甾醇藍(lán)相液晶構(gòu)成。
如果采用上述結(jié)構(gòu)，則即使是第1波長λ1與第2波長λ2的波長間隔狹小的情況下，也能夠?qū)崿F(xiàn)光利用效率高的有波長選擇性的偏振衍射元件。
又，本發(fā)明提供如下所述的光學(xué)頭裝置，該裝置至少具備發(fā)射第1波長λ1的光與第2波長λ2(λ1≠λ2)的光的半導(dǎo)體激光器、將該半導(dǎo)體激光器發(fā)射出的出射光聚光于光記錄媒體上的物鏡、將所述光記錄媒體反射的光中至少所述第1波長的λ1的光加以衍射的光束分離器、以及檢測所述衍射的所述第1波長λ1的光的光檢測器，進(jìn)行所述光記錄媒體的記錄·重放，所述光束分離器包含第2、4～7中的任一偏振衍射元件。
如果采用上述結(jié)構(gòu)，對于第1波長λ1的入射光，作為光利用效率高的偏振光束分離器起作用，對于第2波長λ2的入射光，作為不受入射偏振光的影響的光損失小的直進(jìn)光透射元件起作用。其結(jié)果是，能夠?qū)崿F(xiàn)使用不同波長對光盤進(jìn)行穩(wěn)定記錄·重放的小型的光學(xué)頭裝置。
又，本發(fā)明提供第8偏振衍射元件，該衍射元件是在第3偏振衍射元件中，包含假設(shè)波長λ的相對于所述第1圓偏振光的折射率和相對于所述第2圓偏振光的折射率之差為Δn(λ)時(shí)，至少對于兩個(gè)波長不同的入射光中的至少一個(gè)的波長，Δn(λ)0的所述旋光性材料、以及在所述第1圓偏振光與所述第2圓偏振光的至少一個(gè)圓偏振光中與所述旋光性材料的折射率大致相等的光學(xué)各向同性材料，使用所述旋光性材料與所述光學(xué)各向同性材料中的任意一種材料，形成在加工成斷面形狀具有周期性凹凸的光柵形狀的光柵時(shí)，至少該加工的所述光柵的凹部充填另一種材料的結(jié)構(gòu)。
如果采用上述結(jié)構(gòu)，則對于至少兩個(gè)波長不同的入射光中的至少一個(gè)波長，與入射光的偏振狀態(tài)無關(guān)地直進(jìn)透射而不衍射，對于與此不同波長的入射光，發(fā)現(xiàn)有對于第1圓偏振光和第2圓偏振光衍射效率不同的與偏振的相關(guān)性。因此能夠?qū)崿F(xiàn)光利用效率高的有波長選擇性的偏振衍射元件。
還有，本發(fā)明提供第9偏振衍射元件，該偏振衍射元件是在第8偏振衍射元件中，所述旋光性材料，由其螺旋軸方向與厚度方向一致，同時(shí)對所述第1圓偏振光具有不將至少兩個(gè)波長不同的入射光的全部波長包含于反射波長的對象中的所述反射波段，而且是在至少兩個(gè)波長不同的入射光中，比最短入射波長大，比最長入射波長短的反射波段的，具有螺距的膽甾醇相液晶構(gòu)成。
如果采用上述結(jié)構(gòu)，則能夠?qū)崿F(xiàn)對于通過調(diào)整膽甾醇相液晶的螺距規(guī)定的偏振選擇反射波段，利用在短波段和長度波段發(fā)現(xiàn)的大的旋光性差異的，光利用效率高的具有波長選擇性的偏振衍射元件。
而且，本發(fā)明提供在第10偏振衍射元件，該偏振衍射元件是在第9偏振衍射元件中，所述膽甾醇相液晶由膽甾醇相高分子液晶構(gòu)成，其螺旋軸方向與厚度方向一致，同時(shí)對所述第1圓偏振光具有不將至少兩個(gè)波長不同的入射光的全部波長包含于反射波長的對象中的所述反射波段，而且是在至少兩個(gè)波長不同的入射光中，比最短入射波長大，比最長入射波長短的反射波段的，具有螺距的膽甾醇相高分子液晶構(gòu)成。
如果采用上述結(jié)構(gòu)，由于膽甾醇相高分子液晶是固體，與膽甾醇相低分子液晶相比，分子取向穩(wěn)定化，能夠?qū)崿F(xiàn)在溫度變化等環(huán)境變化的情況下特性變化小的偏振衍射元件。而且由于不必密封于單元內(nèi)，能夠簡化制作工序。
又，本發(fā)明提供第2光學(xué)頭裝置，該裝置具備發(fā)射至少兩束波長不同的光的至少兩個(gè)半導(dǎo)體激光器、將該半導(dǎo)體激光器發(fā)射出的光聚光于光記錄媒體上的物鏡、將所述光記錄媒體反射的光中至少一個(gè)波長的光衍射的光束分離器、以及檢測所述衍射的所述波長的光的光檢測器，進(jìn)行所述光記錄媒體的記錄和/或重放，所述光束分離器包含第3、8～10偏振衍射元件中的任意一個(gè)。
如果采用上述結(jié)構(gòu)，則能夠?qū)崿F(xiàn)至少對于一個(gè)波長作為光利用效率高的偏振光束分離器起作用，對于至少一個(gè)入射光，作為與入射偏振無關(guān)的光損失少的直進(jìn)光透射元件起作用。其結(jié)果是，能夠?qū)崿F(xiàn)使用不同波長對光盤進(jìn)行穩(wěn)定記錄·重放的小型的光學(xué)頭裝置。
還有，本發(fā)明提供第3光學(xué)頭裝置，該裝置是在第1或第2光學(xué)頭裝置中，所述光束分離器是光柵格子的間距和光柵格子的角度在光柵形成面內(nèi)分布的全息案構(gòu)成的全息圖光束分離器。
如果采用上述結(jié)構(gòu)，則能夠形成小型而且附加透鏡功能等的設(shè)計(jì)自由度高的光束分離器，因此能夠?qū)崿F(xiàn)以高精度進(jìn)行記錄·重放的小型的光學(xué)頭裝置。
如果采用本發(fā)明，則能夠提供對于第1圓偏振光和第2圓偏振光的入射光，對于第1波長λ1，發(fā)現(xiàn)衍射效率不同的與偏振的相關(guān)性，對于第2波長λ2，衍射效率大致相等，沒有發(fā)現(xiàn)與偏振的相關(guān)性的，具有波長偏振選擇性的衍射效率特性的偏振衍射元件。


圖1是表示本發(fā)明第1實(shí)施形態(tài)的偏振衍射元件的結(jié)構(gòu)例的側(cè)剖面圖。
圖2表示光射入圖1所示的偏振衍射元件的情況下的作用，(A)是表示波長λ1、λ2的第1圓偏振光射入時(shí)的透過狀態(tài)的說明圖。(B)是表示波長λ1、λ2的第2圓偏振光射入時(shí)的透過狀態(tài)的說明圖。
圖3是表示本發(fā)明第2實(shí)施形態(tài)的偏振衍射元件的結(jié)構(gòu)例的側(cè)剖面圖。
圖4是表示本發(fā)明第3實(shí)施形態(tài)的偏振衍射元件的結(jié)構(gòu)例的側(cè)剖面圖。
圖5是表示使用本發(fā)明第4實(shí)施形態(tài)的本發(fā)明的偏振衍射元件的光學(xué)頭裝置的結(jié)構(gòu)例的側(cè)剖面圖。
圖6是表示本發(fā)明第5實(shí)施形態(tài)的偏振衍射元件的結(jié)構(gòu)例的側(cè)剖面圖。
圖7表示光射入圖6所示的偏振衍射元件的情況下的作用，(A)是表示波長λ1、λ2、λ3的第1圓偏振光射入時(shí)的透過狀態(tài)的說明圖。(B)是表示波長λ1、λ2、λ3的第2圓偏振光射入時(shí)的透過狀態(tài)的說明圖。
圖8是表示本發(fā)明第6實(shí)施形態(tài)的偏振衍射元件的結(jié)構(gòu)例的側(cè)剖面圖。
圖9表示光射入圖8所示的偏振衍射元件的情況下的作用，(A)是表示波長λ1、λ2、λ3的第1圓偏振光射入時(shí)的透過狀態(tài)的說明圖。(B)是表示波長λ1、λ2、λ3的第2圓偏振光射入時(shí)的透過狀態(tài)的說明圖。
圖10是表示本發(fā)明第7實(shí)施形態(tài)的偏振衍射元件的結(jié)構(gòu)例的側(cè)剖面圖。
圖11表示光射入圖10所示的偏振衍射元件的情況下的作用，(A)是表示波長λ1、λ2、λ3的第1圓偏振光射入時(shí)的透過狀態(tài)的說明圖。(B)是表示波長λ1、λ2、λ3的第2圓偏振光射入時(shí)的透過狀態(tài)的說明圖。
圖12表示光射入圖6所示的偏振衍射元件的情況下的作用，(A)是表示波長λ1、λ2、λ3的平行于紙面的第1線偏振光射入時(shí)的透過狀態(tài)的說明圖。(B)是表示波長λ1、λ2、λ3的垂直于紙面的第2線偏振光射入時(shí)的透過狀態(tài)的說明圖。
圖13是表示使用本發(fā)明例4的本發(fā)明的偏振衍射元件的光學(xué)頭的結(jié)構(gòu)例的側(cè)剖面圖。
符號說明1 2波長用半導(dǎo)體激光器2 光檢測器3 準(zhǔn)直透鏡4 物鏡5 3波長用半導(dǎo)體激光器10、20、50、70、80、90 偏振衍射元件11(34)、12、31(42)、41 透光性基板13、73、83、93 高分子液晶光柵14、33、74、84、94 充填材料21 各向同性光柵22 高分子穩(wěn)定化藍(lán)相液晶23 膽甾醇相液晶30 波長選擇性衍射元件32 短波長吸收光柵40 相位元件
43 相位板60、100 光學(xué)頭裝置D 光盤R1 反射波段U 組件λ1 第1波長λ2 第2波長λ3 第3波長具體實(shí)施方式
下面參照圖對本發(fā)明的最佳實(shí)施形態(tài)進(jìn)行詳細(xì)說明。
第1實(shí)施形態(tài)圖1是表示本發(fā)明第1實(shí)施形態(tài)的偏振衍射元件10的剖面圖。該偏振衍射元件10具備透光性基板11、12、在該透光性基板11、12之間設(shè)置的高分子液晶構(gòu)成的晶格(以下將其稱為“高分子液晶光柵”)13、以及充填材料14。
其中，透光性基板11、12由具有均勻的折射率的玻璃等透光性材料形成。
在這里，高分子液晶光柵13的高分子液晶層是均勻涂布例如含有手征性材料的正常光折射率為no，異常光折射率ne的膽甾醇液晶單體材料形成的，通過使其含有手征性材料，能夠形成在液晶層的厚度方向(Z方向)上有螺旋軸的成螺旋結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)取向的膽甾醇相液晶。
另一方面，充填材料14將在下面所詳細(xì)敘述，采用具有所要求的折射率的各向同性光學(xué)材料構(gòu)成。
(1)首先，在透光性基板11上均勻涂布含有例如手征性材料的正常光折射率no，異常光折射率ne的膽甾醇液晶單體材料形成。
借助于此，對應(yīng)于手征性材料形成在液晶層的厚度方向(Z方向)上有螺旋軸的成螺旋結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)取向的膽甾醇相液晶。如果在該膽甾醇相液晶狀態(tài)進(jìn)行紫外線照射等，使單體液晶聚合固化，則形成扭轉(zhuǎn)取向固定的膽甾醇相高分子液晶。
在這里，構(gòu)成高分子液晶光柵13的膽甾醇相高分子液晶，具有如下所述特性，即在從其厚度方向(Z方向)垂直入射的入射光中，對于相當(dāng)于液晶的螺距P與液晶層的平均折射率n＝(no+ne)/2的積的中心波長λ0、也就是
λ0＝P·(no+ne)/2近旁的波段(反射波段)的光，使具有與液晶的扭轉(zhuǎn)方向相同的旋轉(zhuǎn)方向的第1圓偏振光反射，同時(shí)使具有與液晶的扭轉(zhuǎn)方向反向的旋轉(zhuǎn)的第2圓偏振光透射。
在這里，第1圓偏振光的反射波段R1相當(dāng)于螺距P與液晶材料的雙折射n＝ne-no的積、也就是R1＝P·(ne-no)。
但是，在該反射波段R1的近旁的透射波長λ1的光中，僅對于第1圓偏振光發(fā)生大的旋光色散(因波長不同而旋光性不同的現(xiàn)象)，但是其程度與上述波長λ1相比，越是偏離反射波段R1的波長λ2的入射光旋光色散越是減少。
在這里，所謂反射波段R1的近旁的透射波長λ1，只要是旋光性材料在例如波長400nm以上的透明波段具有高衍射效率的透射波長即可。也就是說，為了得到高衍射效率，假設(shè)將旋光性材料的厚度記為h，則最好是Δn(λ1)h≥0.2微米。旋光性材料的厚度h，從容易加工出發(fā)，因此最好是h≤20微米，因此，能夠得到滿足Δn(λ1)≥0.01的Δn的透射波長λ1就是近旁的波長，滿足Δn(λ1)＝0.01的透射波長λ是臨界波長。又，Δn(λ1)的值最好是滿足0.01≤Δn(λ1)≤0.2。該透射波長λ1因旋光性材料的不同而變化。
另一方面，對于不存在反射波段的第2圓偏振光，在上述波長λ1和波長λ2的入射光中，形成小的旋光色散。
例如在波長λ的入射光中，如果將對于膽甾醇相高分子液晶的第1圓偏振光的折射率記為n1(λ)，將對于第2圓偏振光的折射率記為n2(λ)，其差(折射率差)記為Δn12(λ)，即如果Δn12(λ)＝|n1(λ)-n2(λ)|，則i)在波長λ2的折射率差Δn12(λ2)為接近于0的小的數(shù)值，也就是說，Δn12(λ2)＝|n1(λ2)-n2(λ2)|0 ……(1)ii)又，在波長λ1的折射率差Δn12(λ1)為較大的數(shù)值，也就是說，Δn12(λ1)＝|n1(λ1)-n2(λ1)|＞Δn12(λ2)……(2)(2)接著，對形成于透光性基板11上的，構(gòu)成高分子液晶光柵13的膽甾醇相高分子液晶進(jìn)行加工，形成斷面為凹凸晶格形狀，凹部的深度為d的晶格。例如在圖1中，表示出將凸部加工為矩形斷面形狀的例子，但是除此以外，也可以采用例如鋸齒波形狀或使鋸齒波形狀為近似于階梯狀的所謂擬似炫耀光柵。
作為這種光柵形狀加工方法的例子，也可以利用光刻法在膽甾醇相高分子液晶層上將光刻膠形成圖案之后，利用反應(yīng)性離子蝕刻方法將膽甾醇相高分子液晶加工形成圖案，以此加工成微米級的微細(xì)光柵形狀。又，也可以采用用金屬模具的成型、復(fù)印或紫外線干涉曝光等加工方法。
(3)接著，用透明的充填材料14進(jìn)行充填，至少填埋上述高分子液晶光柵13的凹部，同時(shí)從該充填材料14上連接·夾著透光性基板12，作為偏振衍射元件10。該充填材料14只要是光學(xué)各向同性材料，任何材料都可以，但是最好采用能借助于紫外線照射聚合、固化的光學(xué)粘接材料。
還有，這種充填材料14采用在波長λ1和波長λ2的入射光中，與對第2圓偏振光的膽甾醇相高分子液晶的折射率大致相等折射率的各向同性光學(xué)材料構(gòu)成的充填材料。
借助于此，在波長λ1和λ2的入射光中，對于第1圓偏振光高分子液晶光柵13和充填材料14的折射率差，相當(dāng)于膽甾醇相高分子液晶的，相對于第1圓偏振光和第2圓偏振光的上述折射率差Δn12(λ1)以及Δn12(λ2)。
.關(guān)于第1圓偏振光的入射光i)也就是說，對于波長λ1的第1圓偏振光的高分子液晶光柵13與充填材料14的折射率差Δn1(λ1)，相當(dāng)于對于膽甾醇相高分子液晶的波長λ1的第1和第2圓偏振光的上述折射率差Δn12(λ1)、也就是Δn 1(λ1)＝Δn12(λ1)＝|n1(λ1)-n2(λ1)|＞Δn12(λ2)(根據(jù)式(2))……(3)ii)同樣，對于波長λ2的第1圓偏振光的高分子液晶光柵13與充填材料14的折射率差Δn1(λ2)，相當(dāng)于對于膽甾醇相高分子液晶的第1和第2圓偏振光的上述折射率差Δn12(λ2)、也就是Δn1(λ2)＝Δn12(λ2)＝|n1(λ2)-n2(λ2)|0(根據(jù)式(1)) ……(4)還有，Δn1(λ2)，如果是上述Δn1(λ1)的20％以下的數(shù)值，則在波長λ2中，高分子液晶光柵13與充填材料14的折射率可以說大致相等。
.關(guān)于第2圓偏振光的入射光又，在波長λ1和波長λ2的入射光中，對于第2圓偏振光的高分子液晶光柵13與充填材料14的折射率差Δ2(λ1)和Δn2(λ2)沒有發(fā)生。也就是說，Δn2(λ1)＝Δn2(λ2)0 ……(5)下面利用圖2對第1實(shí)施形態(tài)的偏振衍射元件10的作用進(jìn)行說明。
.關(guān)于第1圓偏振光的入射光對于第1圓偏振光的入射光，i)例如對于波長λ2，高分子液晶光柵13與充填材料14的折射率差Δn1(λ2)根據(jù)式(4)為接近于0的小數(shù)值。因此如圖2(A)所示，不產(chǎn)生衍射光而直進(jìn)透過偏振衍射元件10。
ii)又，對于波長λ1，其折射率差Δn1(λ1)為式(3)所示的有限值，因此如圖2(A)所示發(fā)生衍射光。這時(shí)，為了對于波長λ1使±1次衍射效率為最大，d＝λ1/(2·Δn1(λ1))……(6)其中，d高分子液晶光柵13的凹部深度Δn1(λ1)將膽甾醇相高分子液晶構(gòu)成的高分子液晶光柵13的凹部深度d加工得使對于波長λ1的第1圓偏振光的、高分子液晶光柵13與充填材料14的折射率差得到滿足即可。
還有，在鋸齒波斷面形狀的情況下，高分子液晶光柵13的凹部深度d滿足d＝λ1/Δn1(λ1) ……(7)時(shí)+1次衍射效率為最大。
.關(guān)于第2圓偏振光的入射光另一方面，對于第2圓偏振光的入射光，即使是波長λ1和波長λ2中的任一波長的情況下，如上所述，，高分子液晶光柵13與充填材料14的折射率差Δn2(λ1)和Δn2(λ2)根據(jù)式(5)只是很小的數(shù)值。因此如圖2(B)復(fù)式表示所示，即使是波長λ1和波長λ2中的任何一個(gè)波長，也不發(fā)生衍射光而直進(jìn)透過偏振衍射元件10。
如上所述，圖1所示的偏振衍射元件10中，采用將構(gòu)成高分子液晶光柵13的膽甾醇相高分子液晶加工成光柵的形狀之后，在該光柵的凹部充填由光學(xué)各向同性材料構(gòu)成的充填材料14的結(jié)構(gòu)，但是也可以采用別的結(jié)構(gòu)，例如采用下面說明的第2實(shí)施形態(tài)那樣的結(jié)構(gòu)。
第2實(shí)施形態(tài)下面就本發(fā)明第2實(shí)施形態(tài)的偏振衍射元件用圖3所示的剖面圖在下面進(jìn)行說明。還有，在本實(shí)施形態(tài)中，與第1實(shí)施形態(tài)相同的部分標(biāo)以相同的符號并避免重復(fù)說明。
在第2實(shí)施形態(tài)的偏振衍射元件20中，如圖3所示，用光學(xué)各向同性材料加工成斷面為凹凸形狀的光柵(以下將其稱為“各向同性光柵”)21之后，至少在其光柵的凹部充填高分子穩(wěn)定化藍(lán)相液晶22，這一點(diǎn)與第1實(shí)施形態(tài)不同。
各向同性光柵21可以對透光性基板11的表面直接加工形成，也可以在透光性基板11上形成SiON等無機(jī)材料或聚酰亞胺和紫外線固化樹脂等的有機(jī)材料膜，然后利用蝕刻加工方法加工成光柵形狀。
另一方面，使用于高分子穩(wěn)定化藍(lán)相液晶22的材料和制作方法，如上面背景技術(shù)一欄所述，記載于非專利文獻(xiàn)2，請參照其說明(具體地說，參照例如原文64～65頁)。
如果采用第2實(shí)施形態(tài)的偏振衍射元件20，則高分子穩(wěn)定化藍(lán)相液晶22由于反射波段R1的寬度通常比膽甾醇相液晶狹窄，因此即使是波長λ1與波長λ2的波長間隔小的情況下，也能夠?qū)崿F(xiàn)光利用效率高的有波長選擇性的偏振衍射元件。
還有，在本實(shí)施形態(tài)中，使用光學(xué)各向同性材料加工成剖面為凹凸形狀的各向同性光柵21之后，至少在其凹部充填高分子穩(wěn)定化藍(lán)相液晶22，但是也可以充填膽甾醇相液晶23(在圖1所示的第1實(shí)施形態(tài)中，將該膽甾醇相液晶作為高分子液晶光柵13使用)。還有，這時(shí)的膽甾醇相液晶可以是低分子液晶，也可以是高分子液晶，而在低分子液晶的情況下，使用密封材料(未圖示)將液晶保持在密封狀態(tài)下。
第3實(shí)施形態(tài)下面用圖4所示的剖面圖對第1實(shí)施形態(tài)的偏振衍射元件10上迭層波長選擇性衍射元件和相位板的本發(fā)明第3實(shí)施形態(tài)的偏振衍射元件50進(jìn)行說明。還有，在本實(shí)施形態(tài)中，也對與第1、第2實(shí)施形態(tài)相同的部分標(biāo)以相同的符號并避免重復(fù)說明。
本實(shí)施形態(tài)的偏振衍射元件50一體化地具備，具有下述相位板43的光學(xué)元件(以下將其稱為“相位元件”)40、波長選擇性衍射元件30、以及第1實(shí)施形態(tài)的偏振衍射元件10。還有，這些波長選擇性衍射元件30與偏振衍射元件10也可以采用高分子液晶光柵13和光柵32由全息圖案構(gòu)成的全息光束分離器。
其中，波長選擇性衍射元件30具備透光性基板31、光柵32、充填材料33、以及透光性基板34(11)。也就是說，在透光性基板31的一側(cè)表面上形成、在比波長λ1短的波段具有光吸收端的包含有機(jī)物顏料的各向同性材料構(gòu)成的斷面形狀為周期性凹凸形狀的光柵(以下稱為“短波長吸收光柵”)32。又，在該短波長吸收光柵32的凹部，充填對波長λ1的光具有與短波長吸收光柵32相同的折射率，同時(shí)對波長λ2的光有不同于短波長吸收光柵32的折射率的充填材料33。又，在充填材料33等外表面上連接偏振光衍射元件10的兼作透光性基板11的透光性基板34。
這樣形成的波長選擇性衍射元件30具有與本申的申請人提出的日本特開2002-318306記載的發(fā)明相同的結(jié)構(gòu)和功能(參照例如 ～ 和圖1)。
另一方面，相位元件40具備兼用波長選擇性衍射元件30的透光性基板31的透光性基板42以及透光性基板41挾持的相位板43。
相位板43至少對波長λ1的光作為雙折射相位差為π/2即1/4波長的波長板起作用。作為這種相位差板43，可以將水晶或金紅石結(jié)晶等無機(jī)雙折射材料加工為平板狀使用，也可以將聚碳酸酯薄膜延伸使其發(fā)現(xiàn)有雙折射性能使用，還可以采用取向方向在面內(nèi)一致的液晶或高分子液晶等有機(jī)雙折射材料。又可以是通過將雙折射相位差不同的兩種雙折射材料迭層，使其滯相軸方向形成規(guī)定的角度，對于波長λ1和波長λ2作為1/4波長板起作用的相位板43。在這種情況下，將波長λ1和波長λ2的線偏振光的入射光都變成圓偏振光。還有，在本實(shí)施形態(tài)的偏振衍射元件50中，表示出對波長λ1和波長λ2作為1/4波長板起作用的高分子液晶構(gòu)成的相位板43的例子。
下面對本實(shí)施形態(tài)的偏振衍射元件50的作用進(jìn)行說明。
(1)關(guān)于波長λ1的光在這樣得到的偏振衍射元件50中，具有Y軸方向的偏振面的波長λ1的線偏振光，從透光性基板41一側(cè)平行于Z方向入射時(shí)，用相位板43變換為第2圓偏振光后入射到波長選擇性衍射元件30。由于短波長吸收光柵32和充填材料33對該波長λ1的光具有相同的折射率，波長λ1的光在這里不發(fā)生衍射而直進(jìn)透過，射入偏振衍射元件10。接著，該波長λ1的光如圖2(B)所示，在該偏振衍射元件10不發(fā)生衍射而直進(jìn)透過并從透光性基板12一側(cè)射出。
波長λ1的第1圓偏振光(在這里的第1圓偏振光是第2圓偏振光在光盤D(參照圖5)上反射形成的)從透光性基板12一側(cè)射向偏振衍射元件10時(shí)，如圖2(A)所示，相應(yīng)于偏振衍射元件10的高分子液晶光柵13的凹部的深度d發(fā)生衍射光，射入波長選擇性衍射元件30。這些衍射光由于是波長λ1，在只對波長λ2有衍射功能的波長選擇性衍射元件30不發(fā)生衍射而透過，而且透過相位板43形成在X軸方向有偏振面的線偏振光，從透光性基板41一側(cè)射出。
因此，在從透光性基板41一側(cè)射入Y軸方向具有偏振面的波長λ1的線偏振光的情況下，用本實(shí)施形態(tài)的偏振衍射元件50(相位板43)變換為第2圓偏振光，光無損失地直進(jìn)透過。而且該第2圓偏振光被光盤D等反射面反射成為第1圓偏振光從透光性基板12一側(cè)再次入射時(shí)，在偏振衍射元件10發(fā)生衍射，其后在相位板43形成在X軸方向上有偏振面的線偏振光，然后從透光性基板41一側(cè)射出。
(II)關(guān)于波長λ2的光另一方面，在X軸和Y軸方向具有偏振面的波長λ2的線偏振光從透光性基板41一側(cè)向Z方向入射時(shí)，該波長λ2的線偏振光由相位板43變換為第1或第2圓偏振光，然后射入波長選擇性衍射元件30。但是，在該波長選擇性衍射元件30中，對于波長λ2的光，短波長吸收光柵32和充填材料33的折射率不同。因此相應(yīng)于短波長吸收光柵32的凹部的深度，在直進(jìn)透射光(0次衍射光)以外還發(fā)生±1次衍射光。
其次，這些衍射光由于是波長λ2的光，一旦射入只具有使波長λ1(的第1圓偏振光)發(fā)生衍射的功能的偏振衍射元件10，第1或第2圓偏振光都如圖2(A)或(B)所示，不發(fā)生衍射而透過從透光性基板12一側(cè)射出。
其后，波長λ2的圓偏振光一旦被光盤等反射面所反射，第1圓偏振光就成為第2圓偏振光，第2圓偏振光就成為第1圓偏振光。而且該波長λ2的圓偏振光一旦從透光性基板12一側(cè)射入，在偏振衍射元件10不發(fā)生衍射就直進(jìn)透過。其后，在波長選擇性衍射元件30發(fā)生衍射，而且在相位板43成為具有與入射時(shí)垂直的(Y軸方向或X軸方向的)偏振面的線偏振光從透光性基板41一側(cè)射出。
從而，對于波長λ1的線偏振入射光，偏振衍射元件10作為偏振衍射光柵起作用，對于波長λ2的線偏振入射光，波長選擇性衍射元件30作為與入射光的偏振狀態(tài)無關(guān)的衍射元件起作用。又，通過本實(shí)施形態(tài)的來回偏振衍射元件50的波長λ1和波長λ2的光成為與原線偏振光垂直的偏振面的線偏振光。
第4實(shí)施形態(tài)下面用示意性表示本發(fā)明的光學(xué)頭裝置60的配置結(jié)構(gòu)的圖5詳細(xì)說明配置圖4所示的偏振衍射元件50的本發(fā)明的光學(xué)頭裝置60。
本實(shí)施形態(tài)的光學(xué)頭裝置60具備半導(dǎo)體激光器1和光檢測器2、偏振衍射元件50、準(zhǔn)直透鏡3、以及物鏡4，形成能夠?qū)獗PD進(jìn)行記錄和重放的結(jié)構(gòu)。
半導(dǎo)體激光器1由具有在Y軸方向有偏振面的波長λ1和波長λ2的兩個(gè)發(fā)光點(diǎn)，用于切換出射光的波長λ1和λ2的2波長用半導(dǎo)體激光器構(gòu)成。該半導(dǎo)體激光器(以下稱為“2波長用半導(dǎo)體激光器”)1是發(fā)射波長λ1為660nm±20nm的DVD波段的激光和波長λ2為790nm±20nm的CD波段的激光的激光器，各激光發(fā)光點(diǎn)配置在100微米左右的間隔上。
還有，該2波長用半導(dǎo)體激光器1，與光檢測器2一起配置于單個(gè)組件U內(nèi)，作為本發(fā)明的第3實(shí)施形態(tài)的偏振衍射元件50，作為成一整體配置于該組件U的光射入射出的一側(cè)的光單元使用。
下面對本實(shí)施形態(tài)的光學(xué)頭裝置60的作用進(jìn)行說明。
從2波長用半導(dǎo)體激光器1射出，直進(jìn)透過偏振衍射元件50的波長λ1和λ2的發(fā)散光利用準(zhǔn)直透鏡3形成為大致平行的光，利用物鏡4會聚于光盤D的信息記錄面上，在該信息記錄面上反射形成返回光。該返回光受到偏振衍射元件50的衍射被引向光檢測器2的受光面，光盤D的記錄信息被變換為電信號。
i)波長λ1的線偏振的情況。
具體地說，從2波長用半導(dǎo)體激光器1射出的Y軸方向上具有偏振面的波長λ1的線偏振光在偏振衍射元件50內(nèi)的相位板43中變成第2圓偏振光。其后第2圓偏振光全部直進(jìn)透過偏振衍射元件50，會聚于DVD用的光盤D的信息記錄面上，同時(shí)反射形成第1偏振光，再度射入偏振衍射元件50。
其后，該波長λ1的第1圓偏振光(返回光)由偏振衍射元件50內(nèi)的偏振衍射元件10(參照圖4)衍射，一次衍射光被會聚于光檢測器2的受光面上。又，該波長λ1的第1圓偏振光(返回光)中，直進(jìn)透過偏振衍射元件10的0次衍射光形成在X軸方向有偏振面的線偏振光，向2波長用半導(dǎo)體激光器1的發(fā)光點(diǎn)入射。
ii)波長λ2的線偏振光的情況另一方面，從2波長用半導(dǎo)體激光器1射出，射入偏振衍射元件50的Y方向上具有偏振面的波長λ2的線偏振光中，由偏振衍射元件50內(nèi)的波長選擇性衍射元件30(參照圖4)衍射的±1次衍射光不能夠由準(zhǔn)直透鏡3和物鏡4會聚于CD用的光盤D的信息記錄面上。
另一方面，上述波長λ2的線偏振光中，對偏振衍射元件10直進(jìn)透過的0次光(該0次衍射光在相位板43也已經(jīng)形成第2圓偏振光)由準(zhǔn)直透鏡3和物鏡4會聚于CD用的光盤D的信息記錄面上，被反射之后形成第1圓偏振光再度射入偏振元件50，透過偏振衍射元件10。
其后，該波長λ2的入射光的一部分由偏振衍射元件50內(nèi)的波長選擇性衍射元件30衍射，1次衍射光被會聚于光檢測器2的受光面上。還有，在波長選擇性衍射元件30的作為直進(jìn)透射光的0次衍射光形成在X軸方向具有偏振面的線偏振光射向2波長用半導(dǎo)體激光器1的發(fā)光點(diǎn)。
從而，偏振衍射元件50作為如下所述的偏振光束分離器起作用，即對DVD用波長λ1作為偏振衍射光柵起作用，在向光盤D聚光的往路上光不發(fā)生損失，同時(shí)在向光檢測器2會聚的歸路上能夠得到高衍射效率。
又，該偏振衍射元件50對CD用的波長λ2作為與入射光的偏振狀態(tài)無關(guān)的衍射光柵起作用，由于覆蓋層比DVD用的厚2倍，因此對于余留的雙折射比較大的CD用的光盤D，衍射效率也沒有變動(dòng)，因此能夠作為實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的光檢測的光束分離器起作用。
又，如果采用這種偏振衍射元件50，能夠獨(dú)立地對波長λ1和波長λ2制造偏振衍射元件10和波長選擇性衍射元件30的光柵圖案，因此能夠控制衍射角度和衍射效率。其結(jié)果是，使用將2波長用半導(dǎo)體激光器1和DVD/CD共用的光檢測器2配置在一個(gè)組件U內(nèi)的單一的光單元，能夠?qū)崿F(xiàn)DVD用和CD用光盤D的穩(wěn)定記錄和重放。
還有，向2波長用半導(dǎo)體激光器1的發(fā)光點(diǎn)返回的光形成與振蕩光垂直的偏振方向的線偏振光，因此能夠避免與振蕩光的干涉，所以能夠得到穩(wěn)定的激光的出射光強(qiáng)度。
在本實(shí)施形態(tài)中，對使用將偏振光衍射元件10、波長選擇性衍射元件30、相位元件40形成一體的偏振衍射元件50的光學(xué)頭裝置60進(jìn)行了說明，但是也可以采用將各要素分開配置的結(jié)構(gòu)。還有，在實(shí)際的光學(xué)頭裝置中，使用在Y軸和Z軸方向上移動(dòng)物鏡的致動(dòng)器和循跡控制用的發(fā)生衍射光的衍射光柵等，但是由于與本發(fā)明沒有直接關(guān)系，所以省略其說明。
又，為了得到聚焦信號和循跡信號，光檢測器2的受光面被分割為多個(gè)，往往將偏振衍射元件10和波長選擇性衍射元件30的光柵圖案在空間上分割使用，使得分別在各受光面上會聚偏振衍射元件50的衍射光。
在上述實(shí)施形態(tài)中，對斷面形狀為周期性凹凸形狀的衍射光柵進(jìn)行了說明，但是不限于衍射光柵的結(jié)構(gòu)，例如也可以采用膽甾醇相液晶等旋光性材料的膜厚在面內(nèi)空間分布的元件。在這種情況下，形成根據(jù)旋光性材料的膜厚分布在特定波段只使第1圓偏振光成份的透射波面改變的波長以及具有偏振選擇性的波面變換元件。
第5實(shí)施形態(tài)下面用圖6所示的剖面圖說明作為本發(fā)明第5實(shí)施形態(tài)的偏振衍射元件。還有，在本實(shí)施形態(tài)中，與第1實(shí)施形態(tài)相同的部分標(biāo)以相同的符號并避免重復(fù)說明。
在第5實(shí)施形態(tài)的偏振衍射元件70中，形成高分子液晶光柵的材料使用具有比實(shí)施形態(tài)1更短的螺距的膽甾醇相高分子液晶，這一點(diǎn)是不同的。
對于離開由螺距決定的上述反射波段足夠遠(yuǎn)的透射波長λ2的光和透射波長λ3的光，第1圓偏振光與第2圓偏振光的折射率大致相等。而在比反射波段更短波長的一側(cè)，發(fā)生與比其更長波長的一側(cè)相比相對較大的折射率差。例如比反射波段更短波長的一側(cè)的波長記為λ1，比反射波段長得多的長波長一側(cè)的波長記為λ2和λ3，與上面所述一樣將膽甾醇相高分子液晶的對于第1圓偏振光的折射率記為n1(λ)，將對于第2圓偏振光的折射率記為n2(λ)，如果其差(折射率差)記為Δn12(λ)、即Δn12(λ)＝|n1(λ)-n2(λ)|，則i)對于波長λ2和λ3的折射率差Δn12(λ2)以及Δn12(λ3)為接近0的小的數(shù)值，即Δn12(λ2)＝|n1(λ2)-n2(λ2)|0……(8)Δn12(λ3)＝|n1(λ3)-n2(λ3)|0……(9)
但是，Δn12(λ2)＞Δn12(λ3)ii)又，在波長λ1的折射率差Δn12(λ1)為較大的值，即Δn12(λ1)＝|n1(λ1)-n2(λ1)|＞Δn12(λ2) ……(10)與第1實(shí)施形態(tài)相同，對在透光性基板11上形成的，構(gòu)成高分子液晶光柵73的膽甾醇相高分子液晶進(jìn)行加工，形成斷面為凹凸格子狀，凹部深度為d的光柵，用透明的充填材料74進(jìn)行充填，至少填埋上述高分子液晶光柵73的凹部，同時(shí)從該充填材料74上連接、夾著透光性基板12，形成偏振衍射元件70。該充填構(gòu)件74使用在波長λ1、λ2以及λ3的入射光中具有與膽甾醇相高分子液晶對于第2圓偏振光的折射率大致相等的折射率的各向同性光學(xué)材料構(gòu)成的構(gòu)件。
借助于此，在波長λ1、λ2以及λ3的入射光中，高分子液晶光柵73與充填材料74對于第1圓偏振光的折射率差，相當(dāng)于膽甾醇相高分子液晶相對于第1圓偏振光和第2圓偏振光的所述折射率差Δn12(λ1)、Δn12(λ2)以及Δn12(λ3)。
.關(guān)于第1圓偏振光的入射光i)也就是說，相對于波長λ1的第1圓偏振光的、高分子液晶光柵73與充填材料74的折射率差Δn1(λ1)相當(dāng)于膽甾醇相高分子液晶對于波長λ1的第1與第2圓偏振光的所述折射率差Δn12(λ1)、即Δn1(λ1)＝Δn12(λ1)＝|n1(λ1)-n2(λ1)|＞Δn12(λ2)(根據(jù)式(10))……(11)ii)同樣，對于波長λ2、波長λ3的第1圓偏振光，高分子液晶光柵73與充填材料74的折射率差Δn1(λ2)、Δn1(λ3)相當(dāng)于膽甾醇相高分子液晶相對于第1和第2圓偏振光的上述折射率差Δn12(λ2)和Δn12(λ3)、也就是Δn1(λ2)＝Δn12(λ2)＝|n1(λ2)-n2(λ2)|0(根據(jù)式(8)) ……(12)以及Δn1(λ3)＝Δn12(λ3)
＝|n1(λ3)-n2(λ3)|0(根據(jù)式(9)) ……(13)還有，Δn1(λ2)以及Δn1(λ3)如果是上述Δn1(λ1)的20％以下的值，則可以說在波長λ2和波長λ3，高分子液晶光柵73與充填材料74的折射率差大致相等。
關(guān)于第2圓偏振光的入射光又，在波長λ1、波長λ2和波長λ3的入射光中，對于第2圓偏振光，不發(fā)生高分子液晶光柵73與充填材料74的折射率差Δn2(λ1)、Δn2(λ2)(λ1)以及Δn2(λ3)。也就是說，Δn2(λ1)＝Δn2(λ2)＝Δn2(λ3)0 ……(14)下面用圖7對第5實(shí)施形態(tài)的偏振衍射元件70的作用進(jìn)行說明。
.關(guān)于第1圓偏振光的入射光對于第1圓偏振光的入射光，i)例如對于波長λ2和波長λ3，高分子液晶光柵73與充填材料74的折射率差Δn1(λ2)和Δn1(λ3)，根據(jù)式(12)和式(13)是接近于0的小數(shù)值。因此如圖7(A)所示，不發(fā)生衍射光，而是直進(jìn)透過偏振衍射元件70。
ii)又，對于波長λ1，該折射率差Δn1(λ1)根據(jù)式(11)得出是有限的數(shù)值，因此如圖7(A)所示發(fā)生衍射光。這時(shí)，為了使對波長λ1的±1次衍射效率為最大，有下式d＝λ1/(2·Δn1(λ1))……(15)其中，d高分子液晶光柵73的凹部深度Δn1(λ1)對膽甾醇相高分子液晶構(gòu)成的高分子液晶光柵73的凹部深度d進(jìn)行加工，使對于波長λ1的第1圓偏振光的、高分子液晶光柵73與充填材料74的折射率差得到滿足即可。
還有，在鋸齒波斷面形狀的情況下，高分子液晶光柵73的凹部深度d滿足d＝λ1/Δn1(λ1) ……(16)時(shí)+1次衍射效率達(dá)到最大。
.關(guān)于第2圓偏振光的入射光另一方面，對于第2圓偏振光的入射光，在波長λ1、波長λ2和波長λ3的任一波長的情況下，如上所述高分子液晶光柵73與充填材料74的折射率差Δn2(λ1)、Δn2(λ2)、Δn2(λ3)根據(jù)式(4)可知是極小的數(shù)值。因此如圖7(B)的復(fù)式表示所示，對于波長λ1、波長λ2和波長λ3的任一波長都不發(fā)生衍射光，直進(jìn)透過偏振衍射元件70。
第6實(shí)施形態(tài)下面用圖8所示的剖面圖對本發(fā)明第6實(shí)施形態(tài)的偏振衍射元件進(jìn)行說明。還有，在本實(shí)施形態(tài)中，對與第1實(shí)施形態(tài)相同的部分標(biāo)以相同的符號并避免重復(fù)說明。
在第6實(shí)施形態(tài)的偏振衍射元件80中，充填高分子液晶光柵的材料采用與實(shí)施形態(tài)5的充填材料不同折射率的充填材料，這一點(diǎn)不同于實(shí)施形態(tài)5。
與上面所述相同，將膽甾醇相高分子液晶對第1圓偏振光的折射率記為n1(λ)，將對第2圓偏振光的折射率記為n2(λ)，將充填材料的折射率記為ns(λ)。對于第1圓偏振光和第2圓偏振光，與充填材料的折射率差分別記為Δn1-s(λ)、Δn2-s(λ)。也就是Δn1-s(λ)＝|n1(λ)-ns(λ)|Δn2-s(λ)＝|n2(λ)-ns(λ)|在波長λ1進(jìn)行選擇使對于第1圓偏振光的折射率n1(λ1)與對于波長λ1的充填材料的折射率ns(λ1)大致一致。
i)在波長λ1對于第1圓偏振光和第2圓偏振光的充填材料與高分子液晶光柵的折射率差Δn1-s(λ)、Δn2-s(λ)對于第1圓偏振光是接近于0的很小的數(shù)值，對于第2圓偏振光，根據(jù)式(11)，是有意義的值，即Δn1-s(λ1)＝|n1(λ1)-ns(λ1)|0……(17)Δn2-s(λ1)＝|n2(λ1)-ns(λ1)|＞Δn1-s(λ1) ……(18)ii)又，在波長λ2和波長λ3的對于第1圓偏振光和第2圓偏振光的充填材料與高分子液晶光柵的折射率差Δn1-s(λ)、Δn2-s(λ)根據(jù)式(12)和式(13)，具有大致相等的有意義的數(shù)值、即為Δn1-s(λ2)＝|n1(λ2)-ns(λ2)||n2(λ2)-ns(λ2)|＝Δn2-s(λ2) ……(19)Δn1-s(λ3)＝|n1(λ3)-ns(λ3)|
|n2(λ3)-ns(λ3)|＝Δn2-s(λ3) ……(20)與第1實(shí)施形態(tài)相同，對形成于透光性基板11上的，構(gòu)成高分子液晶光柵83的膽甾醇相高分子液晶進(jìn)行加工，使其剖面為凹凸格子形狀而且格子的凹部深度為d，用透明的充填材料84進(jìn)行充填，至少將上述高分子液晶光柵83的凹部加以填埋，同時(shí)從該充填材料84上連接并夾著透光性基板12，作為偏振衍射元件80，該充填材料84使用在波長λ1的入射光的情況下具有與膽甾醇相高分子液晶對第1圓偏振光的折射率大致相等的折射率的各向同性光學(xué)材料構(gòu)成的充填材料。
這樣，在波長λ1、λ2和波長λ3的入射光中，對于第1圓偏振光的高分子液晶光柵83與充填材料84的折射率差相當(dāng)于Δn1-s(λ1)、Δn1-s(λ2)以及Δn1-s(λ3)，對于第1圓偏振光的高分子液晶光柵83與充填材料84的折射率差相當(dāng)于Δn2-s(λ1)、Δn2-s(λ2)以及Δn2-s(λ3)。
下面用圖9對這種情況下的作用進(jìn)行說明。
.關(guān)于第1圓偏振光的入射光對于第1圓偏振光入射光，i)例如對于波長λ1，高分子液晶光柵83與充填材料84的折射率差Δn1-s(λ1)如式(17)所示，為接近于0的很小的值。因此如圖9(A)所示，不發(fā)生衍射光就直進(jìn)透過偏振衍射元件80。
ii)而對于波長λ2和λ3，其折射率差Δn1-s(λ2)和Δn1-s(λ3)如式(19)和式(20)所示，為有限的數(shù)值，因此如圖9(A)所示，發(fā)生衍射光。
.關(guān)于第2圓偏振入射光另一方面，對于第2圓偏振入射光，波長λ1、波長λ2以及波長λ3的任意一種波長的情況下，高分子液晶光柵83與充填材料84的折射率差Δn2-s(λ1)、Δn2-s(λ2)以及Δn2-s(λ3)具有有意義的數(shù)值。因此如圖9(B)上復(fù)式表示所示，波長λ1、波長λ2以及波長λ3的任意一種波長都在偏振衍射元件80發(fā)生衍射光。
通過形成本結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)對第1圓偏振光，只有入射的波長中的一個(gè)波長不發(fā)生衍射光的元件。
第7實(shí)施形態(tài)下面用圖10所示的剖面圖對本發(fā)明第7實(shí)施形態(tài)的偏振衍射元件進(jìn)行說明。還有，在本實(shí)施形態(tài)中，與第1實(shí)施形態(tài)相同的部分標(biāo)以相同的符號并避免重復(fù)說明。
第7實(shí)施形態(tài)的偏振衍射元件90中，高分子液晶光柵形成用的材料采用具有不同于實(shí)施形態(tài)1和實(shí)施形態(tài)5的螺距的膽甾醇相高分子液晶，這一點(diǎn)是與其不同的。
對于與由螺距決定的上述發(fā)生波段也保持充分距離的透射波長λ3，第1圓偏振光與第2圓偏振光的折射率大致相等。而對于比反射波段波長短的一側(cè)的透射波長λ1以及比反射波段的長波長一側(cè)近旁的透射波長λ2，發(fā)生與透射波長λ3相比相對較大的折射率差。與上面所述相同，將膽甾醇相高分子液晶的對第1圓偏振光的折射率記為n1(λ)，將對于第2圓偏振光的折射率記為n2(λ)，其折射率差記為Δn12(λ)，即Δn12(λ)＝|n1(λ)-n2(λ)|時(shí)，i)在波長λ3的折射率差Δn12(λ3)為接近于0的很小的值，即Δn12(λ3)＝|n1(λ3)-n2(λ3)|0……(21)ii)又，對于波長λ1和波長λ2，其折射率差Δn12(λ1)以及Δn12(λ2)有較大的值，即為Δn12(λ1)＝|n1(λ1)-n2(λ1)|＞Δn12(λ3) ……(22)Δn12(λ2)＝|n1(λ2)-n2(λ2)|＞|n12(λ3)……(23)與第1實(shí)施形態(tài)一樣，對在透光性基板11上形成的，構(gòu)成高分子液晶光柵93的膽甾醇相高分子液晶進(jìn)行加工，形成斷面為凹凸格子形狀，凹部深度為d的光柵，用透明充填材料94至少對上述高分子液晶光柵93的凹部進(jìn)行充填，同時(shí)從該充填材料94上連接并夾著透光性基板12，作為偏振衍射元件90。該充填材料94采用具有與在波長λ1、波長λ2以及波長λ3的入射光的條件下，對于第2圓偏振光的膽甾醇相高分子液晶的折射率大致相同的折射率的光學(xué)各向同性材料構(gòu)成的材料。
借助于此，在波長λ1、波長λ2以及波長λ3的入射光中，對于第1圓偏振光的高分子液晶光柵93與充填材料94的折射率差相當(dāng)于對于第1圓偏振光和第2圓偏振光的膽甾醇相高分子液晶的上述折射率差Δn12(λ1)、Δn12(λ2)以及Δn12(λ3)?！诚旅嬗脠D11說明這種情況下的作用。
.關(guān)于第1圓偏振光的入射光對于第1圓偏振光的入射光，i)例如對于波長λ3，高分子液晶光柵93與充填材料84的折射率差Δn1(λ3)如式(21)所示，為接近于0的很小的值。因此如圖11(A)所示，不發(fā)生衍射光就直進(jìn)透過偏振衍射元件90。
ii)而對于波長λ1和λ2，其折射率差Δn1(λ1)和Δn1(λ2)如式(22)和式(23)所示，為有限的數(shù)值，因此如圖11(A)所示，發(fā)生衍射光。
.關(guān)于第2圓偏振入射光另一方面，對于第2圓偏振入射光，波長λ1、波長λ2以及波長λ3的任意一種波長的情況下，都與上述實(shí)施形態(tài)一樣，高分子液晶光柵93與充填材料94的折射率差Δn2(λ1)、Δn2(λ2)以及Δn2(λ3)很小。因此如圖11(B)上復(fù)式表示所示，波長λ1、波長λ2以及波長λ3的任意一種波長都不發(fā)生衍射，而直進(jìn)透過偏振衍射元件90。
通過形成本結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)只有入射的波長中的一個(gè)波長不管其偏振如何都不發(fā)生衍射的元件。
本發(fā)明的偏振衍射光柵是在入射的第1圓偏振光和第2圓偏振光之間具有最大的透射、衍射特性差異的光柵，而對于入射的線偏振光也具有作為衍射元件的功能。這種情況下的作用用圖12以第5實(shí)施形態(tài)為例進(jìn)行說明。
線偏振光可以認(rèn)為是強(qiáng)度大致相等的第1圓偏振光與第2圓偏振光的相加。因此得到的透射·衍射特性也是第1圓偏振光和第2圓偏振光的平均特性。也就是說，對于波長λ1，如圖12(A)和圖12(B)所示，對于平行于紙面的第1線偏振光和垂直紙面的第2線偏振光，都顯示出與對于圖7(A)所示的第1圓偏振光和對于圖7(B)所示的第2圓偏振光發(fā)生的各透射·衍射特性之和相當(dāng)?shù)耐干洹ぱ苌涮匦?。對于波長λ1和波長λ2，如圖7(A)和圖7(B)所示，對于第1圓偏振光和第2圓偏振光中的任何一個(gè)都不發(fā)生衍射光，因此如圖12(A)和圖12(B)所示，對于第1線偏振光和第2線偏振光中的任何一個(gè)都不發(fā)生衍射光。
這種對線偏振光的透射·衍射特性，不限于第1線偏振光和第2線偏振光，對于在任意方向上偏振的線偏振光都顯示出大致相同的衍射特性。這樣，在將線偏振光使用為入射光的情況下，可以使偏振衍射元件的與偏振的相關(guān)性消失，只利用波長選擇性。
對于本發(fā)明的偏振衍射元件以及使用該元件的光學(xué)頭裝置的當(dāng)然的特征，將利用以下所示的實(shí)施例進(jìn)行具體說明。
實(shí)施例例1下面就本實(shí)施例的偏振衍射元件50，利用圖4所示的剖面圖對其制作方法和結(jié)構(gòu)進(jìn)行具體說明。
.關(guān)于偏振衍射元件10(1)這種偏振衍射元件10是與上述第1實(shí)施形態(tài)說明的結(jié)構(gòu)相同的元件，作為高分子液晶光柵13，采用高分子化后的正常光折射率no＝1.51以及異常光折射率ne＝1.71，右旋螺距P＝3.8微米的膽甾醇相高分子液晶，加工成斷面為矩形格子形狀。這時(shí)，膽甾醇相高分子液晶對于作為第1圓偏振光的右旋圓偏振光，顯示出中心波長為λ0＝612nm，波段75nm的反射波段R1。
(2)接著，用具有與這種膽甾醇相高分子液晶的平均折射率n＝1.61相當(dāng)折射率的透明粘接材料構(gòu)成的充填材料14，填埋高分子液晶光柵13的凹部，同時(shí)連接、固定于玻璃構(gòu)成的透光性基板12上，以此制作偏振衍射元件10。
在這里，對于作為第2圓偏振光的左旋圓偏振光，膽甾醇相高分子液晶的折射率n2(λ)大約等于平均折射率n。根據(jù)使用4×4傳播行列法的膽甾醇相高分子液晶的透射光偏振分量的理論計(jì)算，高分子液晶光柵13的凹部深度采用d＝8.8微米。借助于此，作為第1圓偏振光的右旋圓偏振光與作為第2圓偏振光的左旋圓偏振光的透射光的相位差對于波長λ1＝660nm大約為π，對于波長λ2＝790nm，大約為0.14π。
因此，凹凸形狀的凸部(高分子液晶光柵13)與凹部(充填材料14)的透射光的相位差φ、也就是從下式算出的相位差φ＝2π·Δn(λ)·d/λ ……(24)其中，Δn(λ)折射率差在波長λ1對于作為第1圓偏振光的右旋圓偏振光相當(dāng)于大約π，對于作為第2圓偏振光的左旋圓偏振光，為大于0.14π。又，在波長λ2，對于任何圓偏振光均大約為0。
在該偏振衍射元件10中，直進(jìn)透射的0次衍射效率利用下式可以近似求出。
η0＝cos2(φ/2) ……(25)
±1次衍射效率η1＝(2/π)2·sin2(φ/2) ……(26)因此，波長λ1的第1圓偏振光根據(jù)式(26)，±1次衍射光最大η1＝41％，第2圓偏振光不衍射地直進(jìn)透射(η0＝100％)。又，對于波長λ2的第1圓偏振光，根據(jù)式(25)，0次衍射率最大η0＝95％，對于第2圓偏振光，η0＝100％，大半光不衍射而直進(jìn)透過。
.關(guān)于波長選擇性衍射元件30(1)包含在波長590nm有吸收端的有機(jī)物顏料(紅色顏料)的紅色光刻膠利用旋轉(zhuǎn)涂布方法在玻璃構(gòu)成的透光性基板31上均勻涂布形成6.0微米厚度之后進(jìn)行加熱使其固化。
(2)接著利用光掩模對紅色光刻膠進(jìn)行紫外線曝光和顯像處理，以此制作斷面為矩形的短波長吸收光柵32。該短波長吸收光柵32的折射率在波長λ1為n1＝1.654，在波長λ2為n2＝1.626。
(3)接著，將在聚合后的折射率對于波長λ1為n1＝1.656，對于波長λ2為n2＝1.646的光聚合物以單體狀態(tài)作為充填材料33充填于短波長吸收光柵32的凹部。其后在充填材料33上迭層偏振衍射元件10的透光性基板11，與短波長吸收光柵32夾著充填材料33，對單體照射紫外線使其聚合，制作波長選擇性衍射元件30。
在這樣制作的波長選擇性衍射元件30中，對于波長λ1，短波長吸收光柵32與充填材料33之間沒有折射率差，因此不發(fā)生衍射光而直進(jìn)透射。另一方面，對于波長λ2，短波長吸收光柵32的凸部與凹部通過的光的相位差大約為0.30π，直進(jìn)透射的0次衍射效率根據(jù)式(25)為η0＝79％，±1次衍射效率為根據(jù)式(26)為η1＝8.5％。因此，波長選擇性衍射元件30是能夠與入射光的偏振狀態(tài)無關(guān)地使波長λ1的入射光直進(jìn)透過，使波長λ2的入射光中的8.5％±1次衍射的波長選擇性衍射元件。
.關(guān)于相位元件40將對于波長λ1與波長λ2的中心波長λc＝725nm的雙折射相位差相當(dāng)于π以及π/2的延遲值362.5nm的第1高分子液晶(圖中省略)、以及延遲值181.3nm的第2高分子液晶(圖中省略)按照第1高分子液晶、第2高分子液晶的順序迭層在玻璃構(gòu)成的透光性基板41上，并使各滯相軸角度在XY面內(nèi)相對Y軸形成15°和75°，制作相位元件40。
該相位元件40在Y軸方向上具有偏振面的波長λ1和波長λ2的線偏振光從透光性基板41一側(cè)入射時(shí)，透射光形成作為第2圓偏振光的左旋偏振光。又，相位元件40在作為第1圓偏振光的右旋偏振光從透光性基板42一側(cè)入射時(shí)，透射光形成都在X軸方向上具有偏振面的線偏振光。也就是說，該相位元件40對于波長λ1和波長λ2作為1/4波長板起作用。
通過這樣，能夠制作將具有相位板43的相位元件40、波長選擇性衍射元件30、偏振衍射元件10迭層形成的本實(shí)施例的偏振衍射元件50，得到在上述第3實(shí)施形態(tài)中說明的光學(xué)功能。
例2下面對裝有偏振衍射元件50的光學(xué)頭裝置60，參照示意性表示其配置結(jié)構(gòu)的圖5進(jìn)行說明。
這種偏振衍射元件50對于DVD用的波長λ1作為偏振衍射光柵起作用，在會聚于光盤D上的往路上控制衍射光造成的光損失，實(shí)現(xiàn)90％以上的光利用效率。另一方面，這種偏振衍射元件50在會聚于光檢測器2的歸路上作為能夠得到30％以上的高±1次衍射效率的偏振光束分離器起作用。
又，這種偏振衍射元件50，對于CD用的波長λ2作為與入射光的偏振狀態(tài)無關(guān)的衍射光柵起作用，對于殘存有雙折射的CD用光盤D，衍射效率也沒有變動(dòng)，因此能夠作為實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的光檢測的光束分離器起作用。
其結(jié)果是，在實(shí)現(xiàn)光學(xué)頭裝置60的小型化、輕量化的同時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)對DVD用和CD用的光盤D的穩(wěn)定記錄和重放。
例3下面就本實(shí)施例的偏振衍射元件70，用圖6所示的剖面圖對其制作方法和結(jié)構(gòu)進(jìn)行具體說明。
.關(guān)于偏振衍射元件70i)這種偏振衍射元件70是與第5實(shí)施形態(tài)結(jié)構(gòu)相同的元件，作為高分子液晶光柵73，采用高分子化之后的正常光折射率no＝1.55，而異常光折射率ne＝1.77，右旋螺距P＝0.33微米的膽甾醇相高分子液晶，加工成斷面為矩形格子形狀。這時(shí)，膽甾醇相高分子液晶對于作為第1圓偏振光的右旋圓偏振光中心波長λ0＝550nm，顯示出波段70nm的反射波段R1。
ii)接著用具有相當(dāng)于該膽甾醇相高分子液晶的平均折射率n＝1.66的折射率的透明粘接材料構(gòu)成的充填材料74填埋高分子液晶光柵73的凹部，同時(shí)粘接、固定于玻璃構(gòu)成的透光性基板12上，以此制造偏振衍射元件70。
在這里，對于作為第2圓偏振光的左旋偏振光的膽甾醇相高分子液晶的折射率n2(λ)，大約等于平均折射率n。根據(jù)采用4×4的傳播行列法的，膽甾醇相高分子液晶的透射光偏振分量的理論計(jì)算，高分子液晶光柵73的凹部深度d采用d＝9.1微米。這樣，作為第1圓偏振光的右旋圓偏振光與作為第2圓偏振光的左旋圓偏振光的透射光相位差對于波長λ1＝405nm大約為π，對于波長λ2＝660nm，大約為0.12π，對于波長λ3＝790nm，大約為0.05π。
因此，凹凸形狀的凸部(高分子液晶光柵73)與凹部(充填材料74)的透射光的相位差φ、也就是從下式計(jì)算出的相位差φ＝2π·Δn(λ)·d/λ ……(27)其中，Δn(λ)折射率差，在波長λ1，對于作為第1圓偏振光的右旋偏振光相當(dāng)于約π，在波長λ2和波長λ3，分別大約為0.10π和大約0.05π。在第2圓偏振光中，對于任一波長均大約為0。
在這一偏振衍射元件70中，直進(jìn)透射的0次衍射效率可以用下式近似求出，即η0＝cos2(φ/2) ……(28)±1次衍射效率可以用下式近似求出，即η1＝(2/π)2sin2(φ/2) ……(29)因此，波長λ1的第1圓偏振光根據(jù)式(29)，±1次衍射光為最大η1＝41％，第2圓偏振光沒有發(fā)生衍射而直進(jìn)透射(η0＝100％)。又，對于波長λ1和波長λ2的第1圓偏振光，根據(jù)式(28)，0次衍射效率分別為最大η0＝96％，而η0＝98％，對于第2圓偏振光均為η0＝100％，沒有衍射就直進(jìn)透過的光占一大半。
例4下面對裝有偏振光衍射元件70的光學(xué)頭裝置100，參照示意性表示其配置結(jié)構(gòu)的圖13進(jìn)行說明。
光學(xué)頭裝置100采用替換著發(fā)射波長λ1為405nm±10nm的高密度光盤用激光、波長λ2為660nm±20nm的DVD波段的激光、波長λ3為790nm±20nm的CD波段的激光的3波長用激光半導(dǎo)體激光器5。而且實(shí)施例2所示的偏振衍射元件50中包含的相位差板使用對于波長λ1、波長λ2以及波長λ3作為大約1/4相位差板起作用的波長范圍大的相位差板，新追加偏振衍射光柵70。
實(shí)施例2所說明的DVD用的波長λ2以及CD用的波長λ3的功能，在實(shí)施例4也大致相同，因此省略其說明。
新追加的偏振衍射元件70，對于在高密度光盤中使用的激光的波長λ1作為偏振衍射光柵起作用，在聚光于光盤D的往路上，衍射光造成的光損失得到控制，能夠?qū)崿F(xiàn)90％以上的利用效率。另一方面，該偏振衍射元件70在聚光于光檢測器2的歸路上作為能夠得到30％以上的高±1次衍射效率的偏振光束分離器起作用。又，這種偏振衍射元件70，對于DVD用的波長λ2和CD用的波長λ3，不管入射光的偏振狀態(tài)如何，不發(fā)生衍射光。
其結(jié)果是，能夠?qū)崿F(xiàn)光學(xué)頭裝置100的小型化和輕量化，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)對高密度光盤用、DVD用、以及CD用的光盤D的穩(wěn)定記錄和重放。
被用于本發(fā)明的偏光性衍射元件的形成膽甾醇相高分子液晶的聚合性膽甾醇相液晶可使用公知的光學(xué)活性化合物。例如，較好的是式(30)的日本專利特開2002-12580揭示的螺旋誘導(dǎo)力較大的化合物。
R-X1-A1-B1-C*HY1-CH2-(B2)n-X2-A2-X3-A3-X4-Z-OCO-CY2＝CH2…(30)式(30)中的符號的含義如下所述。
R碳原子數(shù)1～12的烷基、1個(gè)或1個(gè)以上的氫原子被氟原子取代的碳原子數(shù)1～12的烷基、氫原子或鹵素原子，X1、X2、X4、X4互相獨(dú)立，表示羰基氧基(-COO-)、氧羰基(-OCO-)、醚性氧原子(-O-)、氧亞甲基(-OCH2-)、亞甲氧基(-CH2O-)或單鍵，Y1甲基(-CH3)或1個(gè)或1個(gè)以上的氫原子被氟原子取代的甲基，Y2氫原子或甲基(-CH3)，Z碳原子數(shù)1～12的亞烷基或1個(gè)或1個(gè)以上的氫原子被氟原子取代的碳原子數(shù)1～12的亞烷基，A1、A3、A3互相獨(dú)立，表示1個(gè)或2個(gè)氫原子可被氟原子取代的1，4-亞苯基、1個(gè)或2個(gè)氫原子可被甲基(-CH3)取代的1，4-亞苯基、無取代的2，6-亞萘基、無取代的反-1，4-亞環(huán)己基或單鍵，B1、B2互相獨(dú)立，表示1個(gè)或2個(gè)氫原子可被氟原子取代的1，4-亞苯基、1個(gè)或2個(gè)氫原子可被甲基(-CH3)取代的1，4-亞苯基、無取代的2，6-亞萘基、無取代的反-1，4-亞環(huán)己基或-D1-CH2CH2-D2-表示的基團(tuán)(D1及D2互相獨(dú)立，表示1個(gè)或2個(gè)氫原子可被氟原子及/或甲基(-CH3)取代的1，4-亞苯基、無取代的2，6-亞萘基、無取代的反-1，4-亞環(huán)己基)，n1或2，C*手性碳原子。
此外，為了調(diào)整螺距，可并用其它的聚合性液晶化合物。其它的聚合性液晶化合物具有多個(gè)聚合性官能團(tuán)時(shí)，聚合性官能團(tuán)的種類可不同。
已知大量具有2個(gè)聚合性官能團(tuán)的化合物，使它們聚合時(shí)，一般可獲得良好的耐熱性及強(qiáng)度特性，所以適合采用。具體可例示日本專利特開平10-265531號公報(bào)中記載的下述二丙烯酸酯化合物， 式中，A2為氟原子、氯原子、氫原子或甲基，q為0～8的整數(shù)，q為0或1時(shí)的r為0，q為2～8的整數(shù)時(shí)的r為1，X2為單鍵、-COO-、-OCO-或-CH2CH2-，s為0或1，p為0或1，p為0時(shí)的X3為單鍵，p為1時(shí)的X3的結(jié)構(gòu)與X2相同，這里所用的符號僅指該式中的符號。
具體來講，可例示下述的化合物。
此外，作為分子內(nèi)含有1個(gè)聚合性官能團(tuán)的化合物，可例舉同一公報(bào)中例示的下式表示的化合物，
式中，A1為氟原子、氯原子、氫原子或甲基，m為0～8的整數(shù)，m為0或1時(shí)的n為0，m為2～8的整數(shù)時(shí)的n為1，X1為單鍵、-COO-、-OCO-或-CH2CH2-，Y為1，4-亞苯基或1，4-反-亞環(huán)己基，Z1為碳原子數(shù)1～8的烷氧基、氟原子、氯原子或氰基，這里所用的符號僅指該式中的符號。
具體來講，可例示下述的化合物。
此外，還可例示下式表示的化合物， 式中的X為1，4-亞苯基或1，4-反-亞環(huán)己基，Y為碳原子數(shù)1～8的烷基。
具體來講，較好的例子包括4-(反-4’-正丙基環(huán)己基羰基氧基)苯基丙烯酸酯、4-(反-4’-正丁基環(huán)己基羰基氧基)苯基丙烯酸酯、4-(反-4’-正戊基環(huán)己基羰基氧基)苯基丙烯酸酯、4-(4’-正丙基苯基羰基氧基)苯基丙烯酸酯、4-(4’-正丁基苯基羰基氧基)苯基丙烯酸酯、4-(4’-正戊基苯基羰基氧基)苯基丙烯酸酯。這些聚合性液晶化合物可單獨(dú)1種使用也可2種或2種以上組合使用。
此外，被用于本發(fā)明的偏光性衍射元件的聚合性膽甾醇相液晶組合物中可含有聚合性非液晶化合物。對該聚合性化合物無特別限定，較好為丙烯酸酯系、甲基丙烯酸酯系、乙烯基醚系化合物，它們可1種單獨(dú)使用，也可2種或2種以上組合使用。
為使本發(fā)明的具有聚合性基團(tuán)的液晶性化合物的保存穩(wěn)定性提高，可添加穩(wěn)定劑。作為穩(wěn)定劑，可例示氫醌、氫醌一烷基醚類或叔丁基兒茶酚類等。
本發(fā)明并不僅限于上述實(shí)施方式，在不脫離其技術(shù)要素的前提下可以以各種方式實(shí)施。
工業(yè)應(yīng)用性本發(fā)明的偏振衍射元件，其衍射效率在特定的透射波段具有與圓偏振相關(guān)的特性，而在其他透射波段與偏振無關(guān)，因此通過對光柵形狀和光柵圖案進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)整，能夠得到具有只取出特定波段的特定圓偏振光的波長選擇性和偏振選擇性的光束分離器。
特別是通過將本發(fā)明的偏振衍射元件使用于用多個(gè)波長的激光光源對規(guī)格不同的光盤進(jìn)行信息記錄或重放的光學(xué)頭裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)光學(xué)頭裝置的小型化和，同時(shí)由于形成光利用效率高的光學(xué)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的記錄和重放。
權(quán)利要求
1.一種偏振衍射元件，是使特定波長的光發(fā)生衍射的偏振衍射元件，其特征在于，偏振衍射元件利用兩種光學(xué)材料的連接形成衍射光柵而形成，一種光學(xué)材料使用旋光性材料，另一種光學(xué)材料使用光學(xué)各向同性材料，兩種光學(xué)材料相接，其中該旋光性材料針對所述特定波長光中的具有一個(gè)旋轉(zhuǎn)方向的第1圓偏振光具有反射波段，并且在反射波段外產(chǎn)生衍射，所述光學(xué)各向同性材料使旋轉(zhuǎn)方向與第1圓偏振光相反的第2圓偏振光透射而不使其發(fā)生衍射。
2.一種偏振衍射元件，是對于分別具有第1圓偏振光和與該第1圓偏振光相反方向旋轉(zhuǎn)的第2圓偏振光的至少兩個(gè)波長不同的入射光，根據(jù)所述兩個(gè)入射光的波長和偏振狀態(tài)有選擇地衍射或透射的偏振衍射元件，其特征在于，至少在所述第1圓偏振光的入射光的反射波段不包含所述兩個(gè)入射光的波長。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的偏振衍射元件，是對于分別具有第1圓偏振光和與該第1圓偏振光相反方向旋轉(zhuǎn)的第2圓偏振光的第1波長λ1以及不等于λ1的第2波長λ2的入射光，根據(jù)所述兩個(gè)入射光的波長和偏振狀態(tài)有選擇地衍射的偏振衍射元件，其特征在于，具有反射波段，該反射波段至少針對所述第1圓偏振光的入射光，不將所述第1波長λ1和所述第2波長λ2包含于反射波長的對象中，具有在所述第1波長λ1以及所述第2波長λ2的所述入射光中，作為所述反射波段近旁的透射波長的所述第1波長λ1的所述入射光，與所述第2波長λ2相比，用具有相對較多發(fā)現(xiàn)的旋光色散功能的旋光性材料，使所述第1波長λ1的第1圓偏振入射光有選擇地衍射的波長偏振選擇衍射功能。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的偏振衍射元件，其特征在于，所述至少兩個(gè)不同波長的入射光中，至少有一個(gè)波長在比所述反射波段短的短波側(cè)，至少一個(gè)波長在比所述反射波段長的長波側(cè)，采用在比所述反射波段短的短波側(cè)和比所述反射波段長的長波側(cè)具有不同的旋光色散功能的旋光性材料，至少有選擇地使一個(gè)波長的入射光的第1圓偏振光與第2圓偏振光衍射或透射。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的偏振衍射元件，其特征在于，具有使用波長λ的，對所述第1圓偏振光的折射率與對所述第2圓偏振光的折射率之差記為Δn(λ)時(shí)，滿足Δn(λ1)＞Δn(λ2)，而且Δn(λ2)0的所述旋光性材料與在所述第2波長λ2與所述旋光性材料的折射率大致相等的光學(xué)各向同性材料中的任意一種材料，加工成斷面形狀具有周期性凹凸的光柵形狀的光柵、以及至少在該加工的所述光柵的凹部充填所述旋光性材料與所述光學(xué)各向同性材料中的任意另一種材料的充填材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的偏振衍射元件，其特征在于，所述旋光性材料，由其螺旋軸方向與厚度方向一致，同時(shí)對所述第1圓偏振光具有不將所述第1波長λ1以及所述第2波長λ2包含于反射波長的對象中的所述反射波段，而且所述第1波長λ1為與所述第2波長λ2相比相對地更靠近所述反射波段的透射波長的具有螺距的膽甾醇相液晶構(gòu)成。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的偏振衍射元件，其特征在于，所述旋光性材料，由對所述第1圓偏振光具有不將所述第1波長λ1以及所述第2波長λ2包含于反射波長的對象中的所述反射波段，同時(shí)具有所述第1波長λ1為與所述第2波長λ2相比相對更靠近所述反射波段的透射波長的波長選擇性，利用高分子網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)大了膽甾醇藍(lán)相的溫度范圍的高分子穩(wěn)定化膽甾醇藍(lán)相液晶構(gòu)成。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的偏振衍射元件，其特征在于，包含假設(shè)波長λ的相對于所述第1圓偏振光的折射率和相對于所述第2圓偏振光的折射率之差為Δn(λ)時(shí)，至少對于兩個(gè)波長不同的入射光中的至少一個(gè)的波長，Δn(λ)0的所述旋光性材料、以及在所述第1圓偏振光與所述第2圓偏振光的至少一個(gè)圓偏振光中與所述旋光性材料的折射率大致相等的光學(xué)各向同性材料，使用所述旋光性材料與所述光學(xué)各向同性材料中的任意一種材料，形成在加工成斷面形狀具有周期性凹凸的光柵形狀的光柵時(shí)，至少該加工的所述光柵的凹部充填另一種材料的結(jié)構(gòu)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的偏振衍射元件，其特征在于，所述旋光性材料，由其螺旋軸方向與厚度方向一致，同時(shí)對所述第1圓偏振光具有不將至少兩個(gè)波長不同的入射光的全部波長包含于反射波長的對象中的所述反射波段，而且是在至少兩個(gè)波長不同的入射光中，比最短入射波長大，比最長入射波長短的反射波段的，具有螺距的膽甾醇相液晶構(gòu)成。
10.一種光學(xué)頭裝置，具備發(fā)射至少兩束波長不同的光的至少兩個(gè)半導(dǎo)體激光器、將該半導(dǎo)體激光器發(fā)射出的光聚光于光記錄媒體上的物鏡、將所述光記錄媒體反射的光中至少一個(gè)波長的光衍射的光束分離器、以及檢測所述衍射的所述波長的光的光檢測器，進(jìn)行所述光記錄媒體的記錄和/或重放，其特征在于，所述光束分離器包含權(quán)利要求3～權(quán)利要求9中的任一項(xiàng)所述的偏振衍射元件。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的光學(xué)頭裝置，其特征在于，所述光束分離器是光柵格子的間距和光柵格子的角度在光柵形成面內(nèi)分布的全息案構(gòu)成的全息圖光束分離器。
全文摘要
實(shí)現(xiàn)在波長λ1作為偏振衍射元件起作用，在波長λ2不管入射偏振狀態(tài)如何不作為衍射光柵起作用，具有高透射率的波長選擇性的偏振衍射元件和使用所述偏振衍射元件的光學(xué)頭裝置。偏振衍射元件對分別具有第1圓偏振光和與該第1圓偏振光反方向旋轉(zhuǎn)的第2圓偏振光的至少兩束波長不同的入射光，根據(jù)入射光的波長和偏振狀態(tài)有選擇地將其衍射或使其通過。而且至少對第1圓偏振光的入射光的反射波段中不包含兩個(gè)入射光的波長。
文檔編號G11B7/1353GK1898584SQ20048003905
公開日2007年1月17日 申請日期2004年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月26日
發(fā)明者大井好晴, 佐藤弘昌, 郡島友紀(jì) 申請人:旭硝子株式會社