CN110637240B - 光学元件及光学装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光学元件，其具有：波长选择性反射偏振器，选择性地反射作为特定的波长区域的光的特定的圆偏振光；及λ/2板，配置于波长选择性反射偏振器的至少一面侧，λ/2板具备具有与表面平行的方向的光轴的、由液晶组合物的固化层形成的光学各向异性层，并且具有在光学各向异性层的面内的至少一个方向上光轴的朝向连续地旋转并改变的液晶取向图案，由此在入射于λ/2板侧的表面的光中，将作为与特定的圆偏振光相反朝向的圆偏振光且为特定的波长区域的光向与入射的光的镜面反射方向不同的方向反射。

Description

光学元件及光学装置
技术领域
本发明涉及一种能够控制入射光的反射方向的光学元件及具备光学元件的光学装置。
背景技术
在很多光学器件或系统中利用偏振光，要求一种用以进行偏振光的反射、聚光及发散等的控制的光学元件。
在日本专利公开2008-268724号公报(以下，称为专利文献1。)中提出了一种反射衍射偏振器，其在胆甾醇液晶层的表面具备凹凸的衍射光栅结构。在专利文献1中记载有如下内容：在特定的圆偏振光与胆甾醇液晶相的螺旋轴平行地入射到该反射衍射光栅的情况下，可以获得高反射率及低反射零级衍射效率。
另一方面，作为偏振衍射光栅，在日本专利公开2008-532085号公报(以下，称为专利文献2。)中公开了一种偏振衍射光栅，其通过液晶以与偏振全息图对应的各向异性取向图案取向而成。在专利文献2中可以举出如下例子：各向异性取向图案的取向方向在沿取向层的平面内的至少1个直线是周期性的。并且，日本专利公表2016-519327号公报(以下，称为专利文献3。)中公开了一种偏振光转换系统，与专利文献2相同地，所述偏振光转换系统使用具备各向异性取向图案的几何相位差全息图。
发明内容
发明要解决的技术课题
不容易制作如专利文献1的反射衍射光栅一样的在表面具备凹凸的胆甾醇液晶。并且，虽然抑制反射光的零级反射，但是反射光的方向未得到控制，未能期待所希望方向的反射。
本发明的目的在于提供一种光学元件及具备光学元件的光学装置，该光学元件能够将入射光向与镜面反射不同的所希望的方向进行反射。
用于解决技术课题的手段
本发明的光学元件，其具有：波长选择性反射偏振器，选择性地反射作为特定的波长区域的光的特定的圆偏振光；及
λ/2板，配置于波长选择性反射偏振器的至少一面侧，
λ/2板具备具有与表面平行的方向的光轴的、由液晶组合物的固化层形成的光学各向异性层，并且具有在光学各向异性层的面内的至少一个方向上光轴的朝向连续地旋转并改变的液晶取向图案，
在入射于λ/2板侧的表面的光中，将作为与特定的圆偏振光相反朝向的圆偏振光且为特定的波长区域的光向与入射的光的镜面反射方向不同的方向反射。
在本发明的光学元件中，λ/2板的面内至少一个方向上的光轴的朝向的180°旋转节距优选为45μm以下。
在本发明的光学元件中，波长选择性反射偏振器优选具备胆甾醇液晶层而成。
在此，胆甾醇液晶层优选由包含棒状液晶化合物的聚合性液晶组合物的固化层形成。
在本发明的光学元件中，λ/2板中的液晶取向图案优选为由棒状液晶被取向成图案状而成。
本发明的光学装置具备本发明的光学元件和使光入射于光学元件的λ/2板侧的光源。
发明效果
本发明的光学元件，其具有：波长选择性反射偏振器，选择性地反射作为特定的波长区域的光的特定的圆偏振光；及λ/2板，配置于波长选择性反射偏振器的至少一面侧，λ/2板具备具有与表面平行的方向的光轴的、由液晶组合物的固化层形成的光学各向异性层，并且具有在光学各向异性层的面内的至少一个方向上光轴的朝向连续地旋转并改变的液晶取向图案，因此在入射于λ/2板侧的表面的光中，能够使作为与特定的圆偏振光相反朝向的圆偏振光且为特定的波长区域的光向与入射的光的镜面反射方向不同的方向反射。此时，通过适当地设定光轴的朝向的180°旋转节距，能够使特定的波长区域的光即与特定的圆偏振光相反的朝向的圆偏振光以所希望的角度进行反射。
附图说明
图1是第1实施方式的光学元件的侧视示意图。
图2是第1实施方式的光学元件的俯视示意图。
图3是用以说明在光学元件中在与镜面反射方向不同的方向上产生反射光的原理的图。
图4是表示随机偏振光的入射光入射到第1实施方式的光学元件的情况下的反射光及透射光的图。
图5是表示入射光倾斜入射到第1实施方式的光学元件的情况下的反射光的状态的图。
图6是表示λ/2板中的光轴的其他取向图案的俯视示意图。
图7是第2实施方式的光学元件的侧视示意图。
图8是第2实施方式的光学元件的俯视示意图。
图9是对取向膜照射干涉光的曝光装置的概略结构图。
图10是作为光学装置的一例的头戴式显示器的概略结构图。
具体实施方式
以下，参考附图，对本发明的光学元件的实施方式进行说明。另外，在各附图中，为了容易视觉辨认，使构成要件的比例与实际的适当地不同。另外，在本说明书中，使用“～”表示的数值范围是指将记载于“～”前后的数值作为下限值及上限值而包括的范围。并且，关于角度，“正交”及“平行”是指严格的角度±10°的范围。
图1是表示本发明的第1实施方式的光学元件10的结构的侧视示意图，图2是表示图1所示的光学元件10的λ/2板14中的液晶取向图案的俯视示意图。另外，在图中，片材状光学元件10的片材表面定义为x-y面，将厚度方向定义为z方向。
本实施方式的光学元件10具有由胆甾醇液晶层构成的波长选择性反射偏振器12(以下，称为“反射偏振器12”。)和在反射偏振器12的至少一面侧所具备的λ/2板14。
反射偏振器12选择性地反射特定的波长区域的光即特定的圆偏振光。反射偏振器12具备胆甾醇液晶层，该胆甾醇液晶层是通过棒状液晶化合物或圆盘状液晶化合物以螺旋状排列的胆甾醇相被固定而成的。在本实施方式中，以下说明反射偏振器12是由胆甾醇液晶层构成的。在本实施方式中说明反射偏振器12反射右圆偏振光，但是反射偏振器12反射的特定的圆偏振光只要根据用途设定即可，将右圆偏振光及左圆偏振光中的任一个进行反射。同样地，反射偏振器12选择性地反射的特定的波长区域的光，只要根据用途从蓝色、绿色及红色等中适当地设定即可。当制作胆甾醇液晶层时，通过调整液晶层的折射率及胆甾醇相的螺旋节距等，能够适当地设定进行反射的特定的圆偏振光及反射波长区域。
该光学元件中的λ/2板14除了具备作为通常的λ/2板的功能，即，在入射光的正交的直线偏振光成分之间赋予180°(＝π＝λ/2)的相位差的功能以外，还具备根据以下结构进行波面控制的功能。
λ/2板14具备由液晶组合物的固化层形成的光学各向异性层。在本实施方式中，λ/2板14由光学各向异性层形成。在光学各向异性层中具有在其面内的至少一个方向上光轴22的朝向连续地旋转并改变的液晶取向图案。关于形成λ/2板的液晶化合物，为了与使用于反射偏振器的液晶化合物进行区分，在本申请中，根据需要，能够设为“棒状液晶”或“圆盘状液晶”。在图1及图2中示意性地示出棒状液晶20的长轴在面内的一个方向上旋转并改变的液晶取向图案。棒状液晶20的长轴(慢轴)是棒状液晶20中的光轴22，棒状液晶20的长轴的旋转和棒状液晶20的光轴的旋转的含义相同。
如图1及图2所示，在本实施方式的光学元件10的λ/2板14中，棒状液晶20的光轴22与λ/2板14的表面平行地取向，并且，以在面内的至少一个方向(轴A)上连续地旋转并改变的取向图案被固定。光轴22的朝向在一个方向上连续地旋转并改变是指，沿轴A配置的棒状液晶20的光轴22和轴A所成的角度根据轴A方向的位置而不同，光轴22和轴A沿轴A所成的角度从θ至θ+180°或θ-180°逐渐改变。在此，逐渐改变是指，如图1、2所示，每30°等恒定角度的区域可以相邻并从0°至180°(＝0°)进行旋转，也可以完全不连续。若单位范围的平均值以恒定的比例线性改变，则成为逐渐改变。然而，与轴A方向相邻并具有不同斜率的区域的光轴斜率的变化设为45°以下。然而，相邻区域的斜率的变化优选更小。
在A轴方向上，与光轴22的A轴所成角度θ改变至θ+180°或θ-180°(恢复原状)的距离为180°旋转节距P。该光轴的朝向的180°旋转节距P为与可见光用衍射光栅的节距相同的程度以下。具体而言，180°旋转节距P优选为45μm以下，更优选为10μm以下，尤其优选为5μm以下。另外，该180°旋转节距P只要根据相对于对光学元件的入射光的所希望的反射方向进行确定即可。
根据具备如上所述的反射偏振器12及λ/2板14的结构，该光学元件10在入射于λ/2板14侧的表面的光中，将与特定的圆偏振光相反的朝向的圆偏振光且特定的波长区域的光，在与镜面反射方向不同的方向上进行反射。例如，在反射偏振器12反射绿色的波长区域的光且右圆偏振光PR的情况下，如图1所示，若使左圆偏振光PL光L1(以下，称为入射光L1。)从与光学元件10的表面的法线平行的方向(以下，称为法线方向。)入射，则在与法线方向不同的方向上反射左圆偏振光PL的绿色光L4(以下，称为反射光L4。)。λ/2板14上的上述180°旋转节距越小，光学元件10能够使光在相对于镜面反射方向具有越大的斜率的方向上反射。
图3是示意性地表示入射到光学元件10的入射光L1在与入射光L1的镜面反射方向不同的方向上作为反射光L4而反射的原理的图。以下，参考图3进行说明。
作为左圆偏振光PL的入射光L1通过λ/2板14，由此被赋予λ/2的相位差而转换成右圆偏振光PR。并且，在λ/2板14中，入射光L1通过面内各区域中的棒状液晶20的光轴22而改变绝对相位。此时，棒状液晶20的光轴22的朝向在A轴方向(本例中为x轴方向)上旋转并改变，因此根据入射光所入射的λ/2板14的表面(x-y面)的x坐标上的棒状液晶20的光轴22的朝向，绝对相位的改变量不同。在由图3中的虚线表示的区域中，示意性地示出该绝对相位的改变量根据x坐标不同的情况。如图3所示，因通过λ/2板14时的绝对相位的偏差而形成相对于λ/2板的表面具有角度的绝对相位的等相位面24。由此，相对于沿与法线N平行的方向入射的入射光L1，在与等相位面24垂直的方向上被赋予弯曲力，入射光L1的行进方向改变。即，入射光L1在通过了λ/2板14之后成为右圆偏振光PR，并且成为在法线方向上具有角度的方向上行进的光L2。而且，光L2以规定的角度倾斜地入射于反射偏振器12。
作为入射到反射偏振器12的右圆偏振光PR的光L2中的特定的波长区域的光(例如绿色光)被镜面反射。即，入射到反射偏振器12的光L2成为右圆偏振光PR被维持的绿色光的反射光L3。反射光L3再次通过λ/2板14，由此被赋予λ/2的相位差而转换成左圆偏振光PL。并且，与入射时相同地，通过因与棒状液晶20的光轴22的朝向对应的绝对相位的改变量的偏差而形成的等相位面24，与入射时相同地被赋予弯曲力，从而行进方向在从法线方向斜率进一步变大的方向上改变，作为反射光L4从λ/2板14侧的表面(光学元件10的表面)10a射出。
如上所述，在光学元件10中，从相对于光学元件10的表面的法线N入射的入射光L1，作为与法线方向不同的方向的反射光L4而反射。
此时，通过改变λ/2板14中的液晶取向图案中的光轴的朝向的180°旋转节距，能够改变相对于反射光的镜面反射方向的斜率。将180°旋转节距设为越小，越能够赋予入射光以大的弯曲力，因此能够增大斜率。
如此，能够通过λ/2板14中的液晶取向图案而改变绝对相位的改变量以改变入射光的波面。
另一方面，在光学元件10中右圆偏振光PR作为入射光L11入射的情况下，在λ/2板14上转换成左圆偏振光PL，并且成为行进方向因受到与左圆偏振光PL的入射光L1的情况相反朝向的弯曲力而改变的光L12。而且，光L12是左圆偏振光PL，因此直接透射反射偏振器12，并从光学元件10的反射偏振器12侧的表面(光学元件10的背面)10b射出。
如图4所示，在使随机偏振光且白色入射光L41入射到光学元件10的情况下，在该光L41中，由反射偏振器12选择性地反射的右圆偏振光和作为相反的圆偏振光的左圆偏振光PL且特定的波长区域的光作为反射光L44，在与入射光L41的镜面反射方向不同的方向上被反射。并且，在入射光L41中，虽然是左圆偏振光PL，但是除了特定的波长区域以外的光在λ/2板14上转换成右圆偏振光PR，并通过液晶取向图案受到弯曲力而改变了行进方向，该状态下，透射反射偏振器12并从光学元件10的背面10b作为第1透射光L42而射出。入射光L41中的右圆偏振光PR在λ/2板14上转换成左圆偏振光PL，并且因受到与从左圆偏振光转换到右圆偏振光的光相反的朝向的弯曲力而改变了行进方向，该状态下，透射反射偏振器12并从光学元件10的背面10b作为第2透射光L45而射出。另外，第1透射光L42和第2透射光L45的行进方向成为相对于入射光L41的行进方向大致线对称的关系。
并且，如图5所示，在使左圆偏振光PL的入射光L21以与相对于图3的反射光L4的法线的角度α相同的角度α的入射角入射到光学元件10的情况下，按照图3中已说明的光路的反向，能够得到在法线方向N上反射的反射光L24。
在本发明的一实施方式的光学元件中，λ/2板上的上述180°旋转节距在整个表面不需要相同。并且，在λ/2板的面内至少一个方向(轴A)上，只要局部具有光轴的朝向旋转的液晶取向图案即可，也可以具备光轴的朝向恒定的部分。
如图1及图2所示的光学元件10的λ/2板14，在面内同样具备液晶取向图案的情况下，反射方向在一个方向上被确定，在所述液晶取向图案中与表面平行的光轴在面内一个方向上以恒定的180°旋转节距旋转并改变。另一方面，在具备在面内一个方向上包括不同的多个180°旋转节距的液晶取向图案的情况下，能够使入射光在与包含在液晶取向图案中的旋转节距对应的多个反射方向上进行反射。并且，在液晶取向图案中，光轴旋转并改变的方向并不限定于一个方向，可以是两个方向或多个方向。通过使用具备与所希望的反射光的朝向对应的液晶取向图案的λ/2板，能够使入射光在所希望的方向上反射。
图6是光学元件的设计变更例中的λ/2板34的俯视示意图。λ/2板34中的液晶取向图案与上述实施方式的λ/2板14中的液晶取向图案不同。图6中仅示出光轴22。图6的λ/2板34具有光轴22的朝向从中心侧沿外侧的多个方向，例如沿轴A1、A2、A3…逐渐旋转并改变的液晶取向图案。根据图6所示的液晶取向图案，入射光在光轴22的朝向不同的各局部区域中，绝对相位以分别不同的改变量改变。若具备光轴以这种放射状旋转并改变的液晶取向图案，则能够作为发散光或聚焦光而反射。即，通过λ/2板34中的液晶取向图案，能够实现作为凹透镜或凸透镜的功能。
如此，本发明的一实施方式的光学元件通过适当地设计λ/2板中的液晶取向图案，除了使光在与镜面反射方向不同的方向上反射的光反射元件以外，还能够作为使光聚光或发散的微透镜而利用。并且，也能够作为使入射光扩散的反射屏幕而利用。
在上述实施方式中，对λ/2板具备液晶取向图案的结构进行了说明，该液晶取向图案是由棒状液晶被取向成图案状而成。然而，也可以具备通过圆盘状液晶以图案状取向而成的液晶取向图案来代替棒状液晶。
图7是表示本发明的第2实施方式的光学元件110的结构的侧视示意图，
图8是表示图7所示的光学元件110的λ/2板114的结构的俯视示意图。在此，也将片材状光学元件110的片材表面定义为x-y面，将厚度方向定义为z方向。
第2实施方式的光学元件110具有反射偏振器12和在反射偏振器12的至少一面侧所具备的λ/2板114。
反射偏振器12与第1实施方式的光学元件10的反射偏振器相同，但是λ/2板114与第1实施方式的光学元件10的λ/2板14不同，具有基于圆盘状液晶120的液晶取向图案。与圆盘状液晶120的圆盘面垂直的轴(快轴)是圆盘状液晶中的光轴22。
如图7及图8所示，在本实施方式的光学元件110的λ/2板中，圆盘状液晶120在其圆盘面在与λ/2板114的表面垂直的方向上直立的状态下，在一个方向(轴A)上连续地旋转并改变。即，相对于轴A的与圆盘状液晶120的圆盘面所成角度通过逐渐改变的取向图案而被固定。由此，实现了在λ/2板(光学各向异性层)114中，光轴22与表面平行地取向，而且，在面内的至少一个方向(轴A)上连续地旋转并改变的取向图案。
本光学元件110中的光轴22的改变由于与图2所示的第1实施方式的光学元件10的情况相同，因此产生与光学元件10相同的作用。从而，与第1实施方式的光学元件10相同地，光学元件110在入射于λ/2板114侧的表面的光中，将与特定的圆偏振光相反朝向的圆偏振光且特定的波长区域的光，在与镜面反射方向不同的方向上进行反射。例如，在反射偏振器12反射绿色的波长区域的光且右圆偏振光PR的情况下，如图7所示，若使左圆偏振光PL的光L1从法线方向入射于光学元件110的表面(λ/2板114侧的表面)110a，则左圆偏振光PL的绿色光L4在与法线方向不同的方向上反射。
如上所述，λ/2板上的液晶取向图案即使是基于棒状液晶的取向图案，或者是基于圆盘状液晶的取向图案，也能够获得相同的效果。如上所述，关于反射偏振器12，可以由棒状液晶化合物及圆盘状液晶化合物中的任一种构成。λ/2板和反射偏振器可以由相同种类的液晶化合物构成，也可以一个由棒状液晶化合物构成，另一个由圆盘状液晶化合物构成。并且，也可以是如下结构：λ/2板和反射偏振器中的一个由棒状液晶化合物构成，另一个由圆盘状液晶化合物构成。该情况下，使倾斜方向的延迟在彼此抵消的方向上起作用，因此倾斜方向的延迟成为接近于正面方向的延迟，由此有效的角度变广，因此优选。
另外，本发明的一实施方式的光学元件具有波长选择性反射偏振器和λ/2板，但是还可以具备其他层或支撑体。并且，波长选择性反射偏振器和λ/2板可以经由粘接层而层叠。而且，本发明的一实施方式的光学元件可以是如下结构：波长选择性反射偏振器和λ/2板通过保持部件而具有两者之间不产生干涉的程度的间隙例如0.1μm以下的空隙被固定配置。
在本发明的一实施方式的光学元件中，与反射偏振器反射的特定的圆偏振光(在此，设为右圆偏振光。)相反的左圆偏振光，首先在入射于λ/2板而通过时转换成右圆偏振光，并且在因受到通过液晶取向图案产生的弯曲力而改变了行进方向的状态下入射于反射偏振器，并通过反射偏振器被镜面反射。在基于反射偏振器的镜面反射时，以维持右圆偏振光的状态从与入射于λ/2板时相反的方向入射。此时，在λ/2板中，转换成左圆偏振光，并且，通过液晶取向图案产生的弯曲力以与入射时相同的朝向起作用。由此，反射光在从入射光的镜面反射方向进一步倾斜的方向上射出。另外，在具备由金属电介质多层膜或金属膜构成的现有的反射板来代替反射偏振器的情况下，经过λ/2板入射于反射板的圆偏振光成为与镜面反射时相反朝向的圆偏振光。如此，在偏振光方向因反射板而改变的圆偏振光返回到λ/2板的情况下，在λ/2板中，在与入射时相反方向上弯曲力进行作用，其结果，入射光在镜面反射方向上反射。从而，在具备由金属电介质多层膜或金属膜构成的现有的反射板的结构中，无法获得通过本发明的一实施方式的光学元件获得的在与镜面反射方向不同的方向上反射的效果。
另外，在上述中设为仅在反射偏振器的一面侧具备具有面内各向异性的λ/2板的结构，但是也可以在反射偏振器的两面具备相同的λ/2板。
并且，可以将具备具有不同的选择波长区域的反射偏振器的光学元件进行组合而利用。该说明中示出了入射光正面入射的例子，但是在入射光成为倾斜时也获得相同的效果。若角度大致倾斜地偏离正面，则反射光及透射光的角度偏离相当于所偏离角度的量。
以下，对构成本发明的一实施方式的光学元件的反射偏振器及λ/2板的详细内容进行说明。
[反射偏振器]
反射偏振器具备胆甾醇液晶层，该胆甾醇液晶层是通过棒状液晶或圆盘状液晶以螺旋状排列的胆甾醇相被固定而成的。胆甾醇液晶层由包含棒状液晶化合物或圆盘状液晶化合物的聚合性液晶组合物的固化层形成。螺旋结构的节距通过改变手性剂的添加量能够容易调整。具体而言，在Fujifilm研究报告No.50(2005年)p.60-63中有详细记载。并且，也能够通过固定胆甾醇相时的温度、照度及照射时间等条件等进行调整。在支撑体上形成取向膜，并在该取向膜上涂布并固定聚合性液晶组合物，由此能够得到由聚合性液晶组合物的固化层形成的胆甾醇液晶层。另外，作为反射偏振器发挥功能的是胆甾醇液晶层，但是有时将一体地具备支撑体及取向膜的层叠体称为反射偏振器，本发明包括该方式。
＜胆甾醇液晶层＞
用以形成胆甾醇液晶层的聚合性液晶组合物含有棒状液晶化合物或圆盘状液晶化合物及手性剂，还可以含有取向控制剂、聚合引发剂及取向助剂等其他成分。
-棒状液晶化合物-
作为棒状液晶化合物，优选使用偶氮甲碱类、氧化偶氮类、氰基联苯类、氰基苯酯类、安息香酸酯类、环己烷甲酸苯酯类、氰基苯基环己烷类、氰基取代苯基嘧啶类、烷氧基取代苯基嘧啶类、苯基二噁烷类、二苯乙炔类及链烯基环己基苄腈类。不仅能够使用如上所述的低分子液晶分子，而且还能够使用高分子液晶分子。
更优选通过聚合棒状液晶化合物而固定取向，作为聚合性棒状液晶化合物，能够使用在Makromol.Chem.，190卷、2255页(1989年)、Advanced M aterials 5卷、107页(1993年)、美国专利4683327号公报、美国专利5622648号公报、美国专利5770107号公报、WO95/022586号公报、WO95/024455号公报、WO97/00600号公报、WO98/023580号公报、WO98/052905号公报、日本专利公开平1-272551号公报、日本专利公开平6-016616号公报、日本专利公开平7-110469号公报、日本专利公开平11-080081号公报及日本专利公开2001-328973号公报等中记载的化合物。而且，作为棒状液晶化合物，例如能够优选使用在日本专利公表平11-513019号公报和日本专利公开2007-279688号公报中记载的棒状液晶化合物。
-圆盘状液晶化合物-
作为圆盘状液晶化合物，例如能够优选使用在日本专利公开2007-108732号公报和日本专利公开2010-244038号公报中记载的圆盘状液晶化合物。
-其他成分-
另外，关于手性剂、取向控制剂、聚合引发剂及取向助剂等其他成分，均能够利用公知的材料。
-溶剂-
作为用以形成胆甾醇液晶层的组合物的溶剂，优选使用有机溶剂。在有机溶剂的例子中，包括酰胺(例如N、N-二甲基甲酰胺)、亚砜(例如二甲基亚砜)、杂环化合物(例如吡啶)、烃(例如苯、己烷)、烷基卤化物(例如氯仿、二氯)、酯(例如乙酸甲酯、乙酸丁酯)、酮(例如丙酮、甲基乙基酮、环己酮)、醚(例如四氢呋喃、1、2-二甲氧基乙烷)。优选为烷基卤化物及酮。可以并用两种以上的有机溶剂。
＜支撑体＞
作为支撑体，优选为透明支撑体，能够举出聚甲基丙烯酸甲酯等聚丙烯酸系树脂薄膜、三乙酸纤维素等纤维素系树脂薄膜及环烯烃聚合物系薄膜[例如，商品名称“ARTON”、JSR Corporation制、商品名称“ZEONOR”、Zeon Co rporation制]等。支撑体并不限定于柔性膜，可以是玻璃基板等非柔性基板。
＜胆甾醇液晶层形成用取向层＞
在支撑体上，可以在胆甾醇液晶层的制膜面上具备取向层。胆甾醇液晶层形成用取向层能够通过有机化合物(优选为聚合物)的摩擦处理、无机化合物的倾斜蒸镀、具有微槽的层的形成等方式而设置。而且，也已知通过赋予电场、赋予磁场或光照射而产生取向功能的取向层。取向层优选通过摩擦处理而形成聚合物的膜表面。
根据使用于支撑体中的聚合物种类，即使不设置取向层，也能够通过对支撑体进行直接取向处理(例如，摩擦处理)而作为取向层发挥功能。作为这种支撑体的一例，能够举出PET(聚对苯二甲酸乙二酯)。
＜胆甾醇液晶层的形成＞
在取向层上涂布聚合性液晶组合物而形成涂膜。
聚合性液晶组合物的涂布能够通过以辊涂方式和凹版印刷方式、旋涂方式等适当的方式展开的方法等而进行。而且，能够通过绕线棒涂布法、挤出涂布法、直接凹版涂布法、逆向凹版涂布法、模涂法等各种方法而进行。并且，也能够使用喷墨装置从喷嘴吐出液晶组合物而形成涂膜。
然后，通过使涂膜中的液晶取向为胆甾醇相并使聚合性液晶组合物固化而维持并固定取向状态，由此得到胆甾醇液晶层。也可以在形成胆甾醇液晶层之后剥离支撑体及取向膜。
[λ/2板]
λ/2板具备光学各向异性层而成，该光学各向异性层是通过棒状液晶或圆盘状液晶以所述取向图案取向而成的。光学各向异性层由包含棒状液晶或圆盘状液晶的液晶组合物的固化层形成。在支撑体上形成取向膜，并在该取向膜上涂布液晶组合物并继续固化，由此能够得到由液晶组合物的固化层形成的光学各向异性层。另外，作为λ/2板发挥功能的是光学各向异性层，但是也有时将一体地具备支撑体及取向膜的层叠体称为λ/2板，本发明包括该方式。能够使用与反射偏振器中所具备的支撑体相同的支撑体。
＜光学各向异性层＞
用以形成光学各向异性层的液晶组合物含有棒状液晶或圆盘状液晶，还可以含有流平剂、取向控制剂、聚合引发剂及取向助剂等其他成分。
作为棒状液晶、圆盘状液晶，能够适当地使用适用于胆甾醇液晶层形成用聚合性液晶组合物的所述棒状液晶化合物、圆盘状液晶化合物，但是λ/2板理想的是相对于波长为宽频带，优选使用双折射为反向分散的液晶材料。并且，通过对液晶赋予扭曲成分和层叠不同的相位差层，优选实质上设为宽频带。例如，通过层叠扭曲方向不同的2层液晶而实现宽频带的被图案化的λ/2板的方法，在日本专利公开2014-089476号公报等中示出，在本发明的一实施方式中能够优选使用。
＜光学各向异性层形成用取向膜＞
作为光学各向异性层形成用取向膜，例如可以举出使由聚合物等有机化合物构成的摩擦处理膜和无机化合物的倾斜蒸镀膜、具有微槽的膜、或者如ω-三十烷酸和双十八烷基甲基氯化铵、硬脂酸甲酯一样的有机化合物的基于朗缪尔-布洛杰特法的LB膜积累的膜等。作为取向膜，优选为对聚合物层表面进行摩擦处理而形成的取向膜。通过用纸和布在恒定方向上对聚合物层表面进行多次摩擦而实施摩擦处理。关于使用于取向层中的聚合物的种类，能够优选使用聚酰亚胺、聚乙烯醇、在日本专利公开平9-152509号公报中记载的具有聚合性基的聚合物、日本专利公开2005-097377号公报、日本专利公开2005-099228号公报及日本专利公开2005-128503号公报记载的正交取向膜等。另外，在本说明书中，正交取向膜是指使聚合性棒状液晶化合物分子的长轴取向为与正交取向膜的摩擦方向实质上正交的取向膜。若能够提供取向功能，则取向层的厚度不需要是厚的，优选为0.01～5μm，进一步优选为0.05～2μm。
并且，也能够使用对光取向性原材料照射偏振光或非偏振光而设为取向膜的所谓的光取向膜。即，在支撑体上，可以涂布光取向材料而制作光取向膜。能够从垂直方向或倾斜方向对光取向膜进行偏振光的照射，并能够从倾斜方向对光取向膜进行非偏振光的照射。
作为在能够利用于本发明的一实施方式中的光取向膜中所使用的光取向材料，例如，可以举出：在日本专利公开2006-285197号公报、日本专利公开2007-076839号公报、日本专利公开2007-138138号公报、日本专利公开2007-094071号公报、日本专利公开2007-121721号公报、日本专利公开2007-140465号公报、日本专利公开2007-156439号公报、日本专利公开2007-133184号公报、日本专利公开2009-109831号公报、日本专利第3883848号、日本专利第4151746号中记载的偶氮化合物；在日本专利公开2002-229039号公报中记载的芳香族酯化合物、在日本专利公开2002-265541号公报、日本专利公开2002-317013号公报中记载的具有光取向性单位的马来酰亚胺和/或烯基取代纳迪克酰亚胺化合物；在日本专利第4205195号、日本专利第4205198号中记载的光交联性硅烷衍生物；在日本专利公表2003-520878号公报、日本专利公表2004-529220号公报、日本专利第4162850号中记载的光交联性聚酰亚胺、聚酰胺、或酯；在日本专利公开平9-118717号公报、日本专利公表平10-506420号公报、日本专利公表2003-505561号公报、WO2010/150748号公报、日本专利公开2013-177561号公报、日本专利公开2014-012823号公报中记载的能光二聚化的化合物；尤其，可以举出肉桂酸酯化合物、查耳酮化合物、香豆素化合物作为优选例。尤其优选为偶氮化合物、光交联性聚酰亚胺、聚酰胺、酯、肉桂酸酯化合物、查耳酮化合物。
在本发明的一实施方式中，优选使用光取向膜。
在支撑体上涂布取向膜并干燥之后，对取向膜进行激光器曝光而形成取向图案。将取向膜的曝光装置的示意图在图9中示出。曝光装置50具备：光源54，具备半导体激光器52；光束分离器56，将来自半导体激光器52的激光束70分离成2个；及反射镜58A、58B及λ/4板60A、60B，分别配置于被分离的2个光线72A、72B的光路上。λ/4板60A及60B具备彼此正交的光轴，λ/4板60A将直线偏振光P0转换成右圆偏振光PR，λ/4板60B将直线偏振光P0转换成左圆偏振光PL。
具备取向膜82的支撑体80配置于曝光部，使2个光线72A、72B在取向膜82上交叉而干涉，并将该干涉光照射于取向膜82进行曝光。通过此时的干涉，照射于取向膜82的光的偏振光状态以干涉条纹状周期性地改变。由此，得到取向状态周期性地改变的取向图案。在曝光装置50中，通过改变2个光72A及72B的交叉角β而能够改变取向图案的节距。在具有取向状态周期性地改变的取向图案的取向膜上形成后述光学各向异性层，由此能够形成具备与该周期对应的液晶取向图案的光学各向异性层。
＜光学各向异性层的形成＞
通过在取向膜上涂布多层液晶组合物而形成了光学各向异性层。涂布多层是指重复进行如下操作：在取向膜上涂布液晶组合物并加热，在进一步冷却之后进行紫外线固化而制作第1层的液晶固定化层，然后在第2层以后对该液晶固定化层进行重涂而进行涂布，同样地在进行加热并冷却之后进行紫外线固化。如上所述，涂布多层而形成光学各向异性层，由此在光学各向异性层的总厚度变厚的情况下，也能够在从光学各向异性层的下表面至上表面反映出取向膜的取向方向。
另外，由粘接层来贴合如上所述得到的反射偏振器和λ/2板，由此能够得到通过反射偏振器和λ/2板层叠而成的光学元件。
作为使用于粘接层中的粘合剂的例子，能够举出聚酯系树脂、环氧系树脂、聚氨酯系树脂、硅酮系树脂、丙烯酸系树脂等树脂。这些可以单独使用，或者混合2种以上而使用。尤其，从耐水性、耐热性、耐光性等可靠性优异，粘接力、透明性良好，而且，以使折射率适合于液晶显示器的方式容易调整等观点考虑，丙烯酸系树脂是优选的。
接着，对具备本发明的一实施方式的光学元件的光学装置的一例进行说明。图10是表示作为光学装置的一例的头戴式显示器90的主要部分结构的图。
如图10所示，头戴式显示器90具备作为光源的一方式的液晶显示装置92和将从液晶显示装置92输出的光进行导光的导光部件94，导光部件94的一部分具备本发明的实施方式的光学元件10A，10B。液晶显示装置92和导光部件94配置成来自液晶显示装置92的光垂直地入射于导光部件94，光学元件10A配置在入射到导光部件94的光垂直地入射于光学元件10A的表面的位置。另一方面，光学元件10B配置于在导光部件94中进行全反射而被导光的光所入射的位置。
光学元件10A具备反射偏振器12A和λ/2板14A，并构成为使与λ/2板14A垂直地入射的光在倾斜方向上反射。光学元件10B具备反射偏振器12B和λ/2板14B，并构成为使从倾斜方向入射于λ/2板14B的光在垂直方向上反射。
如此，若使用本发明的一实施方式的光学元件，则能够将入射光的反射方向设为所希望的方向，由于不需要另外设置反射元件和用以变更光路的元件，因此能够实现光学装置的小型化。
实施例
以下，对本发明的光学元件的实施例及比较例进行说明。
“实施例1～4”
在支撑体或基板上分别形成λ/2板及反射偏振器之后，将两者进行贴合而制作成光学元件。在实施例1～4中，λ/2板的180°旋转节距分别不同。
[λ/2板的制作]
(支撑体的皂化)
作为支撑体而使用了市售的三乙酰纤维素薄膜“Z-TAC”(FUJIFILM Co.,Lt d.制)。使支撑体通过温度60℃的介电式加热辊，以将支撑体表面温度升温至40℃。然后，在支撑体的单面，使用棒涂布机以涂布量14mL/m2涂布下述所示的碱性溶液，并将支撑体加热为110℃，进而，在NoritakeCompany,Limited制蒸汽式远红外加热器的下方传送了10秒钟。接着，使用相同的棒涂布机，在支撑体表面上涂布了纯水3mL/m2。接着，在重复进行3次基于喷注式涂布机的水洗及基于气刀的脱水之后，在70℃的干燥区中传送10秒钟以干燥支撑体，得到经碱皂化处理的支撑体。
＜碱性溶液＞
氢氧化钾 4.70质量份
水 15.80质量份
异丙醇 63.70质量份
表面活性剂
SF-1：C14H29O(CH2CH2O)2OH 1.0质量份
丙二醇 14.8质量份
(下涂层的形成)
用#8的线棒连续地将下述下涂层形成用涂布液涂布在经上述碱皂化处理的支撑体上。用60℃的暖风经60秒钟干燥形成有涂膜的支撑体，还用100℃的暖风经120秒钟进行干燥，形成了下涂层。
＜涂层形成用涂布液＞
Figure BDA0002276640700000161
[化学式1]
改性聚乙烯醇
Figure BDA0002276640700000162
(取向膜P-1的形成)
在形成了上述下涂层的支撑体上，用#2的线棒连续涂布了下述取向膜P-1形成用涂布液。用60℃的暖风经60秒钟干燥形成了该取向膜P-1形成用涂布液的涂膜的支撑体，形成了取向膜P-1。
＜取向膜P-1形成用涂布液＞
Figure BDA0002276640700000171
-光取向用原材料-
[化学式2]
Figure BDA0002276640700000172
(取向膜P-1的曝光)
使用图9所示的曝光装置50对取向膜进行曝光。在曝光装置50中，作为半导体激光器52而使用了射出波长为(405nm)的激光束的半导体激光器。将基于干涉光的曝光量设为100mJ/cm2。另外，因2条激光束的干涉而形成的图案的180°旋转节距，通过改变2束光的交叉角β而进行了控制。
(光学各向异性层A-1的形成)
作为光学各向异性层而形成了由反向分散液晶构成的层。通过在取向膜P-1上涂布多层下述组合物A-1而形成了光学各向异性层。涂布多层是指重复进行如下操作：首先，在取向膜上涂布第1层的组合物A-1并进行加热、冷却之后，进行紫外线固化而制作液晶固定化层，然后，在第2层以后在该液晶固定化层上进行重涂以进行涂布，同样地在进行加热、冷却之后进行紫外线固化。由于通过涂布多层而形成，因此在液晶层的总厚度变厚时，取向膜的取向方向也从液晶层的下表面至上表面被反映出来。
首先，在第1层中，将在取向膜P-1上涂布了下述组合物A-1的涂膜在热板上加热为110℃，然后，冷却至60℃之后，在氮气环境下使用高压汞灯将波长为365nm的紫外线以100mJ/cm2的照射量照射于涂膜，由此固定了液晶化合物的取向。此时的1层液晶层的膜厚为0.2μm。
在第2层以后，在该液晶层上进行重涂，并在与上述相同的条件下进行加热、冷却之后进行紫外线固化，从而制作出液晶固定化层。如此，直至总厚度成为所希望的膜厚为止重复进行重涂而得到光学各向异性层A-1。用偏振光显微镜确认到，最终液晶的双折射率成为275nm(＝λ/2)，而且成为周期性的取向表面。
＜组合物A-1＞
Figure BDA0002276640700000181
-液晶化合物L-1-
[化学式3]
Figure BDA0002276640700000182
-液晶化合物L-2-
[化学式4]
Figure BDA0002276640700000183
-液晶化合物L-3-
[化学式5]
Figure BDA0002276640700000184
-聚合引发剂PI-1-
[化学式6]
Figure BDA0002276640700000191
-流平剂T-1-
[化学式7]
Figure BDA0002276640700000192
“反射偏振器的制作”
(取向层的形成)
在保温为80℃的容器中，将下述所示的取向层形成用组合物A的成分进行搅拌并使其溶解，制备出取向层形成用组合物A。
＜取向层形成用组合物A＞
纯水 97.2质量份
PVA-205(KURARAYCO.,LTD.制) 2.8质量份
在玻璃基板上，使用狭缝涂布机均匀地涂布上述所制备的取向层形成用组合物A之后，在100℃的烘箱内经2分钟进行干燥，得到了膜厚为0.5μm的带取向层的玻璃基板。
(反射偏振器(胆甾醇液晶层)的形成)
在保温为25℃的容器中，将下述所示的胆甾醇液晶组合物Gm的成分进行搅拌并使其溶解，制备出胆甾醇液晶组合物Gm。
＜胆甾醇液晶组合物Gm＞
Figure BDA0002276640700000193
Figure BDA0002276640700000201
-液晶化合物L-4-
[化学式8]
Figure BDA0002276640700000202
-手性剂A-
[化学式9]
Figure BDA0002276640700000203
-表面活性剂-
[化学式10]
Figure BDA0002276640700000204
胆甾醇液晶组合物Gm是在从垂直方向入射和反射的情况下形成反射中心波长为550nm的右圆偏振光的层。
在对上述所制作的带取向膜玻璃基板的取向膜表面进行摩擦处理之后，使用狭缝涂布机均匀地涂布上述所制备的胆甾醇液晶组合物Gm，然后在95℃下干燥30秒钟之后，由紫外线照射装置在室温下照射500mJ/cm2的紫外线而使其固化，从而形成了由膜厚为2μm的胆甾醇液晶层构成的反射偏振器。
(层叠方法)
使用Soken Chemical&Engineering Co.,Ltd.制SK Dyne(注册商标)贴合了如上所述制作的反射偏振器和λ/2板。
[实施例5]
在实施例1的λ/2板的制作方法中，将光学各向异性层A-1代替为光学各向异性层A-2，形成了由正向分散液晶构成的光学各向异性层。
在实施例1的制作工序中，使用了下述组合物A-2来代替组合物A-1。通过在取向膜P-1上涂布多层组合物A-2而形成。除了将热板上的加热温度设为90℃以外，涂布多层方法设为与实施例1相同。
＜组合物A-2＞
Figure BDA0002276640700000211
“比较例1”
为了比较，将仅由不具备λ/2板的反射偏振器构成的光学元件设为比较例1。
“比较例2”
使用了SIGMAKOKI Co.,LTD.制的半反射镜PSCH-25.4C03-10-550(商品编号)来代替反射偏振器。
将与实施例2相同的λ/2板与半反射镜贴合而设为比较例2的光学元件。
[评价]
关于各光学元件，在光学元件的λ/2板侧的表面，从表面的法线方向(极角0°)入射光，测定出该反射光的反射角。此时，使具有550nm的输出中心波长的激光束从在法线方向上分离50cm的位置沿法线方向入射于光学元件的表面，并通过从光学元件的表面起在50cm的距离配置的屏幕而捕获反射光的光点，从而计算出反射角度。在空气中进行了测定。
表1中总结示出各例的结构及评价结果。
[表1]
Figure BDA0002276640700000221
如表1所示，在只有比较例1的反射偏振器的情况下，在具备半反射镜来代替比较例2的反射偏振器的情况下，入射光进行了镜面反射。另一方面，在本发明的实施例1至5中，相对于入射光在与镜面反射不同的方向上检测出反射光，明确了本发明的效果。并且，180°旋转节距越小，得到越大的反射角。
如此，通过组合具有面内各向异性的λ/2板和由胆甾醇液晶层构成的反射偏振器，能够发挥将从法线方向入射的入射光倾斜地反射的特殊的效果。在使用了比较例2中所使用的半反射镜等由金属电介质多层膜和金属膜构成的现有的反射板来代替由胆甾醇液晶层的反射偏振器的情况下，无法得到上述效果。
2017年5月19日申请的日本专利申请2017-100265号的公开其全部内容通过参考而援用于本说明书。
本说明书中所记载的所有文献、专利申请及技术标准，以与具体且分别记载通过参考而援用各文献、专利申请及技术标准之情况相同之程度，通过参考而援用于本说明书中。
符号说明
10、10A、10B、110-光学元件，10a-光学元件的表面(λ/2板侧的表面)，10b-光学元件的背面(反射偏振器侧的表面)，12、12A、12B-波长选择性反射偏振器，14、14A、14B、34、114-λ/2板，20-棒状液晶，22-光轴，24-等相位面，50-曝光装置，52-半导体激光器，54-光源，56-光束分离器，58A、58B-反射镜，60A、60B-λ/4板，70-激光束，72A、72B-光线，80-支撑体，82-取向膜，90-头戴式显示器，92-液晶显示装置，94-导光部件，120-圆盘状液晶。

Claims (5)

1.一种光学元件，其具有：
波长选择性反射偏振器，选择性地反射作为特定的波长区域的光的特定的圆偏振光；及
λ/2板，配置于该波长选择性反射偏振器的至少一面侧，
所述λ/2板具备具有与表面平行的方向的光轴的、由液晶组合物的固化层形成的光学各向异性层，并且具有在该光学各向异性层的面内的至少一个方向上所述光轴的朝向连续地旋转并改变的液晶取向图案，
在入射于所述λ/2板侧的表面的光中，将作为与所述特定的圆偏振光相反朝向的圆偏振光且为所述特定的波长区域的光向与所述入射的光的镜面反射方向不同的方向进行反射，
所述λ/2板的所述一个方向上的所述光轴的朝向的180°旋转节距为45μm以下。
2.根据权利要求1所述的光学元件，其中，
所述波长选择性反射偏振器具备胆甾醇液晶层而成。
3.根据权利要求2所述的光学元件，其中，
所述胆甾醇液晶层由包含棒状液晶化合物的聚合性液晶组合物的固化层形成。
4.根据权利要求1或2所述的光学元件，其中，
所述λ/2板中的所述液晶取向图案由棒状液晶被取向成图案状而成。
5.一种光学装置，其具备：
权利要求1至4中任一项所述的光学元件；及
光源，使光入射于该光学元件的所述λ/2板侧的表面。
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