CN114902114A - 导光元件及图像显示装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的课题在于提供一种与使用人员的视线及使用人员的眼睛的位置等无关地，均能够防止图像的断开而能够适当地观察显示图像的整个区域的导光元件及使用该导光元件的图像显示装置。通过导光元件来解决课题，所述导光元件具有：导光板，具有第1导光层及第2导光层；以及入射衍射元件及射出衍射元件，层叠于第2导光层上，在将导光板的第1导光层的折射率设为n1且将第2导光层的折射率设为n2时，满足n1＜n2。

Description

导光元件及图像显示装置
技术领域
本发明涉及一种入射光而传播并射出的导光元件及使用该导光元件的图像显示装置。
背景技术
近年来，如非专利文献1中所记载的实际观察到的场景中叠加显示虚拟的影像及各种信息等的AR(Augmented Reality(增强现实))玻璃被实用化。AR玻璃还称为智能玻璃、头戴式显示器(HMD(Head Mounted Display))及AR眼镜等。
如非专利文献1所示，作为一例，AR玻璃将由显示器(光学引擎)显示的影像入射到导光板的其中一端而传播，并从另一端射出，从而在使用人员实际观察到的场景中叠加显示虚拟的影像。
在AR玻璃中，使用衍射元件使来自显示器的光(投影光)衍射(折射)并入射到导光板的其中一个端部。由此，以一定角度向导光板导入光，并且使光在导光板内传播。在导光板内传播的光在导光板的另一个端部同样地被衍射元件衍射，并从导光板射出到由使用人员观察的位置上。
以往技术文献
非专利文献
非专利文献1：Bernard C.Kress et al.,Towards the Ultimate Mixed RealityExperience(走向终极混合现实体验):HoloLens Display Architecture Choices,SID2017DIGEST,pp.127-131
发明内容
发明要解决的技术课题
如专利文献1及非专利文献1所示，在AR玻璃中，通过将由显示器显示的图像入射到入射侧的衍射元件上以使其衍射，从而使图像(投影光)入射到导光板上并在导光板内传播到射出侧的衍射元件上。射出侧的衍射元件通过衍射被传播的图像以使其从导光板射出到由使用人员观察的位置上。
然而，根据本发明人等的研究，在AR玻璃等使用导光板的以往的图像显示装置中，若使用人员移动视线或者移动眼睛的位置，则会产生图像局部看不到的、所谓的图像的断开，有时无法观察到适当的图像。
本发明的目的在于解决这种以往技术的问题点，并且在于提供一种在AR玻璃等使用导光板的图像显示装置中，与使用人员的视线及使用人员的眼睛的位置等无关地，均能够防止图像的断开而能够适当地观察显示图像的整个区域的导光元件及使用该导光元件的图像显示装置。
用于解决技术课题的手段
为了解决该课题，本发明具有以下结构。
[1]一种导光元件，其特征在于，具有：
导光板，具有第1导光层及第2导光层；以及
入射衍射元件及射出衍射元件，所述入射衍射元件层叠于导光板的第2导光层上，所述射出衍射元件层叠于导光板的第2导光层上，
在导光板中，在将第1导光层的折射率设为n1且将第2导光层的折射率设为n2时，满足n1＜n2。
[2]根据[1]所述的导光元件，其中，在导光板中，在将第1导光层的厚度设为d1且将第2导光层的厚度设为d2时，满足d1≥d2。
[3]根据[1]或[2]所述的导光元件，其中，第1导光层的折射率n1及第2导光层的折射率n2满足n2-n1＞0.1。
[4]根据[1]至[3]中任一项所述的导光元件，其中，第1导光层的厚度d1及第2导光层的厚度d2满足d2/d1＜0.7。
[5]根据[1]至[4]中任一项所述的导光元件，其中，在将入射衍射元件及射出衍射元件的折射率设为nD时，第1导光层的折射率n1及折射率nD满足n1＜nD。
[6]根据[1]至[5]中任一项所述的导光元件，其中，入射衍射元件及射出衍射元件中的至少一个为表面浮雕衍射元件、体积全息图衍射元件及偏振衍射元件中的任一个。
[7]根据[6]所述的导光元件，其中，偏振衍射元件具有液晶衍射层，所述液晶衍射层使用包含液晶化合物的组合物而形成，并且具有源自液晶化合物的光学轴的朝向一边沿面内的至少一个方向连续旋转一边发生变化的液晶取向图案。
[8]根据[7]所述的导光元件，其中，液晶衍射层具有液晶化合物的光学轴的朝向在厚度方向上以螺旋状扭转旋转的区域。
[9]根据[8]所述的导光元件，其中，液晶衍射层具有将胆甾醇型液晶相固定而成的胆甾醇型液晶层。
[10]根据[1]至[9]中任一项所述的导光元件，其中，入射衍射元件及射出衍射元件中的至少一个的衍射结构的周期为0.1～10μm。
[11]根据[1]至[10]中任一项所述的导光元件，其具有中间衍射元件，所述中间衍射元件设置于导光板上的光的传播路径的入射衍射元件与射出衍射元件之间。
[12]一种图像显示装置，其具有：
[1]至[11]中任一项所述的导光元件；及
显示元件，向入射衍射元件照射图像。
发明效果
根据本发明，例如在AR玻璃等使用导光板的图像显示装置中，与使用人员的视线及眼睛的位置等无关地，均能够抑制图像的局部断开而能够适当观察图像整体。
附图说明
图1是概念性地示出本发明的导光元件的一例的图。
图2是概念性地示出衍射元件的一例的图。
图3是概念性地示出图2所示的衍射元件的液晶层的平面图。
图4是概念性地示出图3所示的液晶层的截面SEM(扫描型电子显微镜)图像的图。
图5是用于说明图3所示的液晶层的作用的概念图。
图6是概念性地示出衍射元件中所使用的液晶层的另一例的图。
图7是概念性地示出衍射元件中所使用的液晶层的另一例的图。
图8是对取向膜进行曝光的曝光装置的一例的概念图。
图9是概念性地示出衍射元件的另一例的图。
图10是概念性地示出图9所示的衍射元件的液晶层的平面图。
图11是用于说明图9所示的液晶层的作用的概念图。
图12是用于说明图9所示的液晶层的作用的概念图。
图13是用于说明本发明的导光元件的作用的概念图。
图14是概念性地示出本发明的导光元件的另一例的图。
图15是用于说明以往的导光元件的作用的概念图。
图16是用于说明以往的导光元件的作用的概念图。
图17是用于说明以往的导光元件的作用的概念图。
图18是用于说明以往的导光元件的作用的概念图。
具体实施方式
以下，根据附图所示的优选实施例对本发明的导光元件及图像显示装置进行详细说明。
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含的范围。
在本说明书中，“(甲基)丙烯酸酯”以“丙烯酸酯及甲基丙烯酸酯中的一者或两者”的含义而使用。
在本说明书中，“相同”包含技术领域中通常允许的误差范围。并且，在本说明书中，在称为“全部”、“均”及“整体”等的情况下，除了100％的情况以外，还包含技术领域中通常允许的误差范围，例如包含99％以上、95％以上或90％以上的情况。
在本说明书中，可见光为电磁波中以肉眼观察的波长的光，并且表示380～780nm的波长区域的光。非可见光为小于380nm的波长区域及超过780nm的波长区域的光。
并且，并不限定于此，在可见光中，420～490nm的波长区域的光为蓝色光，495～570nm的波长区域的光为绿色光，620～750nm的波长区域的光为红色光。
本发明的导光元件具有导光板和设置于导光板上的入射衍射元件及射出衍射元件。
在本发明的导光元件中，导光板具有将第1导光层和折射率比第1导光层高且比第1导光层薄的第2导光层层叠而成的结构。并且，入射衍射元件及射出衍射元件均层叠设置于第2导光层上。
即，在本发明的导光元件中，依次设置有第1导光层、第2导光层及入射/射出衍射元件。
在图1中概念性地示出本发明的导光元件及图像显示装置的一例。
如图1所示，导光元件10具有：导光板12；入射衍射部14，具有入射衍射元件；及射出衍射部16，具有射出衍射元件。
导光板12具有层叠的低折射率层12a和高折射率层12b。在本发明中，高折射率层12b的折射率高于低折射率层12a，进一步优选厚度为低折射率层12a以下。
并且，在图示例的导光元件10中，入射衍射部14设置于导光板12的高折射率层12b的主表面的其中一个端部附近，射出衍射部16设置于导光板12的高折射率层12b的主表面的另一个端部附近。另外，主表面为片状物(板状物、膜、层)的最大面。
在导光元件10中，入射衍射部14具有：R入射衍射元件14R，选择性地反射(衍射)红色(R)光；G入射衍射元件14G，选择性地反射绿色(G)光；及B入射衍射元件14B，选择性地反射蓝色(B)光。
另一方面，射出衍射部16具有：R射出衍射元件16R，选择性地反射红色光；G射出衍射元件16G，选择性地反射绿色光；及B射出衍射元件16B，选择性地反射蓝色光。
另外，在导光元件10中，根据需要，层叠部件彼此通过粘贴层粘贴。
作为贴合层，只要具有充分的透光性，则可以为由粘结剂形成的层，也可以为由粘合剂形成的层，也可以为由具有粘结剂和粘合剂这两个的特征的材料形成的层。另外，粘结剂在贴合时具有流动性，之后成为固体。粘合剂在贴合时为凝胶状(橡胶状)的柔软的固体，之后凝胶状的状态也不会改变。
因此，贴合层只要使用光学透明粘结剂(OCA(Optical Clear Adhesiv e))、光学透明双面胶带及紫外线固化型树脂等在光学装置及导光元件等中用于贴合片状物的公知的层即可。
或者，也可以不是用贴合层贴合，而是用框体或夹具等保持各部件以构成本发明的导光元件。
在图示例中，各衍射元件均为反射型衍射元件。
在图示例的导光元件10中，由未图示的显示元件显示的彩色图像的红色图像R、绿色图像G及蓝色图像B透射导光板12而分别被入射衍射部14的R入射衍射元件14R、G入射衍射元件14G及B入射衍射元件14B衍射并反射，并入射到导光板12上。
入射到导光板12上的红色图像R、绿色图像G及蓝色图像B在导光板12内反复反射(优选为全反射)而传播，并入射到射出衍射部16上。
入射到射出衍射部16上的红色图像R、绿色图像G及蓝色图像B分别被射出衍射部16的R射出衍射元件16R、G射出衍射元件16G及B射出衍射元件16B衍射并反射，透射导光板12并射出到由使用人员U观察的位置上，从而作为彩色图像被观察到。
另外，本发明的导光元件及图像显示装置并不限于与由红色图像R、绿色图像G及蓝色图像B形成的全色图像的显示对应。
即，本发明的导光元件及图像显示装置也可以与仅使用红色图像R、绿色图像G及蓝色图像B中的2种颜色的图像显示对应。例如，在本发明的导光元件及图像显示装置与使用红色图像R及绿色图像G这2种颜色的图像显示对应的情况下，入射衍射部14具有R入射衍射元件14R和G入射衍射元件14G，射出衍射部16具有R射出衍射元件16R和G射出衍射元件16G。并且，在本发明的导光元件及图像显示装置与使用红色图像R及蓝色图像B这2种颜色的图像显示对应的情况下，入射衍射部14具有R入射衍射元件14R和B入射衍射元件14B，射出衍射部16具有R射出衍射元件16R和B射出衍射元件16B。
而且，本发明的导光元件及图像显示装置也可以与仅使用红色图像R、绿色图像G及蓝色图像B中的1种颜色的单色图像的显示对应。即，本发明的导光元件可以为如下元件：入射衍射部14仅具有R入射衍射元件14R、G入射衍射元件14G及B入射衍射元件14B中的任一个，射出衍射部16仅具有相同颜色的一个射出衍射元件。
以下，对构成本发明的图像显示装置及显示元件的各构成要件进行说明。
[显示元件]
在本发明的图像显示装置中，显示元件(省略图示)并无限制，能够利用各种AR玻璃等中所使用的公知的显示元件(显示装置、投影仪)。作为显示元件，作为一例，可以例示出具有显示器和投影透镜的显示元件。
在本发明的图像显示装置中，显示器并无限制，例如能够利用各种AR玻璃等中所使用的公知的显示器。
作为显示器，作为一例，可以例示出液晶显示器、有机电致发光显示器及使用了DLP(Digital Light Processing：数字光处理)、MEMS(Micro Electro MechanicalSystems：微机电系统)反射镜的扫面方式显示器等。另外，液晶显示器包括LCOS(LiquidCrystal On Silicon：硅上液晶)等。
另外，如图示例，在入射衍射部14中层叠有入射衍射元件的情况下，显示器可以利用使用由各入射衍射元件衍射的波长的光而显示多色图像的显示器。
并且，如后述，在入射衍射部14中入射衍射元件配置于面方向上不重叠的位置上的情况下，可以使用照射由各入射衍射元件衍射的波长的单色图像的多个显示器。并且，在面方向上不重叠的位置上配置多个入射衍射元件的情况下，可以设为使从显示多色图像的显示器照射的光按各波长进行分光并入射到各自的入射衍射元件上的结构。
在本发明的图像显示装置中所使用的显示元件中，投影透镜也为AR玻璃等中所使用的公知的投影透镜。投影透镜也可以为准直透镜。
其中，在本发明的图像显示装置中，基于显示元件的显示图像即由显示元件照射的光并无限制，但是优选为无偏振光(自然光)或圆偏振光。
在显示元件照射圆偏振光时，在显示器照射无偏振光的图像的情况下，显示元件例如优选具有由线性起偏器和λ/4片形成的圆偏振片。并且，在显示器照射直线偏振光的图像的情况下，显示元件例如优选具有λ/4片。
另外，由显示元件照射的光例如可以为直线偏振光等其他偏振光。
[导光板]
导光板12为反射入射到内部的光而传播(引导)的公知的导光板。
导光板12并无限制，能够利用各种AR玻璃及液晶显示器的背光单元等中所使用的公知的导光板。
其中，在本发明的导光元件10中，如上所述，导光板12具有层叠的低折射率层12a和高折射率层12b。高折射率层12b的折射率比低折射率层12a高且厚度比低折射率层12a薄。
即，低折射率层12a为本发明中的第1导光层，高折射率层12b为本发明中的第2导光层。因此，在导光元件10中，在将低折射率层12a(第1导光层)的折射率设为n1、将高折射率层12b(第2导光层)的折射率设为n2、将低折射率层12a的厚度设为d1、将高折射率层12b的厚度设为d2时，满足n1＜n2，进一步优选满足d1≥d2。
关于构成导光元件10的低折射率层12a(第1导光层)的折射率n1及高折射率层12b的折射率n2，能够使用阿贝折射仪等分别对未形成有入射衍射部及射出衍射部的部分进行测量。
并且，关于低折射率层12a(第1导光层)的厚度d1及高折射率层12b的厚度d2的各自，能够通过切割导光元件10等，从截面的层叠状态进行测量。
在本发明的导光元件10中，导光板12为特征部件。关于具有这种低折射率层12a和高折射率层12b的导光板12的结构及作用效果，在后面进行详细叙述。
[入射衍射部及射出衍射部]
入射衍射部14具有：R入射衍射元件14R，选择性地反射红色图像R(红色光)；G入射衍射元件14G，选择性地反射绿色图像G(绿色光)；及B入射衍射元件14B，选择性地反射蓝色图像B(蓝色光)。
作为优选方式，R入射衍射元件14R、G入射衍射元件14G及B入射衍射元件14B均为反射型偏振衍射元件。具体而言，作为优选方式，各入射衍射元件具有胆甾醇型液晶层作为衍射入射光的液晶衍射层，并且选择性地反射右旋圆偏振光或左旋圆偏振光。
由R入射衍射元件14R、G入射衍射元件14G及B入射衍射元件14B选择性地反射的圆偏振光的回转方向即胆甾醇型液晶相中的液晶化合物的螺旋的扭转方向可以相同，也可以不同。
并且，在入射衍射元件和相对应的后述射出衍射元件上选择性地反射的圆偏振光的回转方向可以相同，也可以不同，但是对应于相同颜色的入射衍射元件和射出衍射元件优选选择性地反射相同的回转方向的圆偏振光。
在本例中，作为一例，R入射衍射元件14R、G入射衍射元件14G及B入射衍射元件14B均选择性地反射右旋圆偏振光。
另一方面，射出衍射部16具有：R射出衍射元件16R，选择性地反射红色图像R(红色光)；G射出衍射元件16G，选择性地反射绿色图像G(绿色光)；及B射出衍射元件16B，选择性地反射蓝色图像B(蓝色光)。
作为优选方式，R射出衍射元件16R、G射出衍射元件16G及B射出衍射元件16B均为反射型偏振衍射元件。具体而言，作为优选方式，各射出偏转元件具有胆甾醇型液晶层作为衍射入射光的液晶衍射层。
由R射出衍射元件16R、G射出衍射元件16G及B射出衍射元件16B选择性地反射的圆偏振光的回转方向即胆甾醇型液晶相中的液晶化合物的螺旋的扭转方向可以相同，也可以不同。
在本例中，作为一例，R射出衍射元件16R、G射出衍射元件16G及B射出衍射元件16B均选择性地反射右旋圆偏振光。
关于R入射衍射元件14R、G入射衍射元件14G及B入射衍射元件14B以及R射出衍射元件16R、G射出衍射元件16G及B射出衍射元件16B，除了选择性地反射的光的波长区域和/或选择性地反射的圆偏振光的回转方向不同以外，基本上具有相同的结构。
因此，在以下说明中，在不需要区分各衍射元件的情况下，将这些衍射元件也统称为“液晶衍射元件”。
(液晶衍射元件)
使用图2～图4对液晶衍射元件进行说明。
图2是概念性地示出液晶衍射元件的层结构的图。如图2中概念性所示，液晶衍射元件具有：支撑体30；取向膜32；及胆甾醇型液晶层34，发挥作为衍射元件的作用的液晶衍射层。
图3是表示胆甾醇型液晶层34的主表面的面内的液晶化合物的取向状态的示意图。
在以下说明中，将胆甾醇型液晶层34的主表面设为X-Y面且将与该X-Y面垂直的截面设为X-Z面而进行说明。即，图2对应于胆甾醇型液晶层34的X-Z面的示意图，图3对应于胆甾醇型液晶层34的X-Y面的示意图。
如图2～图4所示，胆甾醇型液晶层34为液晶化合物被胆甾醇型取向的层。并且，图2～图4为构成胆甾醇型液晶层的液晶化合物为棒状液晶化合物时的例。
在以下说明中，将胆甾醇型液晶层也简称为液晶层。
另外，图2所示的液晶衍射元件具有支撑体30、取向膜32及液晶层34，但是本发明并不限于此。液晶衍射元件例如可以为贴合于导光板12上之后剥离了支撑体30而仅具有取向膜32及液晶层34的液晶衍射元件。或者，液晶衍射元件例如可以为贴合于导光板12上之后剥离了支撑体30及取向膜32而仅具有液晶层34的液晶衍射元件。
＜支撑体＞
支撑体30支撑取向膜32及液晶层34。
只要能够支撑取向膜32及液晶层34，则支撑体30能够利用各种片状物(膜、板状物)。
另外，支撑体30优选相对于相对应的光的透射率为50％以上，更优选为70％以上，进一步优选为85％以上。
支撑体30的厚度并无限制，只要根据液晶衍射元件的用途及支撑体30的形成材料等适当设定能够保持取向膜32及液晶层34的厚度即可。
支撑体30的厚度优选为1～2000μm，更优选为3～500μm，进一步优选为5～250μm。
支撑体30可以为单层，也可以为多层。
作为单层时的支撑体30，可以例示出由玻璃、三乙酰纤维素(TAC)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚碳酸酯、聚氯乙烯、丙烯酸及聚烯烃等形成的支撑体30。作为多层时的支撑体30的例，可以例示出包括前述单层的支撑体中的任一个等作为基板，并且在该基板的表面上设置其他层的支撑体等。
＜取向膜＞
在液晶衍射元件中，在支撑体30的表面上形成取向膜32。
取向膜32为在形成液晶层34时用于将液晶化合物40取向为规定的液晶取向图案的取向膜。
虽进行后述，但是在本发明中，液晶层34具有源自液晶化合物40的光学轴40A(参考图3)的朝向一边沿面内的一个方向连续旋转一边发生变化的液晶取向图案。因此，取向膜32形成为液晶层34能够形成该液晶取向图案。
在以下说明中，也将“光学轴40A的朝向旋转”简称为“光学轴40A旋转”。
取向膜32能够利用公知的各种取向膜。
例如，可以例示出由聚合物等有机化合物形成的摩擦处理膜、无机化合物的倾斜蒸镀膜、具有微槽的膜以及使ω-二十三烷酸、双十八烷基甲基氯化铵及硬脂酸甲酯等有机化合物的基于朗缪尔-布洛杰特法的LB(Langmuir-Blodgett：朗缪尔-布洛杰特)膜累积而成的膜等。
基于摩擦处理的取向膜32能够通过用纸或布向规定方向摩擦多次聚合物层的表面而形成。
作为取向膜32中所使用的材料，优选为聚酰亚胺、聚乙烯醇、日本特开平9-152509号公报中所记载的具有聚合性基团的聚合物、日本特开2005-097377号公报、日本特开2005-099228号公报及日本特开2005-128503号公报中所记载的取向膜32等的形成中所使用的材料。
在液晶衍射元件中，取向膜32优选利用向光取向性的原材料照射偏振光或非偏振光而形成取向膜32的所谓的光取向膜。即，在液晶衍射元件中，作为取向膜，优选利用在支撑体30上涂布光取向材料而形成的光取向膜32。
关于偏振光的照射，能够从相对于光取向膜的垂直方向或倾斜方向进行，关于非偏振光的照射，能够从相对于光取向膜的倾斜方向进行。
作为能够用于本发明的取向膜中所使用的光取向材料，例如可以例示出日本特开2006-285197号公报、日本特开2007-076839号公报、日本特开2007-138138号公报、日本特开2007-094071号公报、日本特开2007-121721号公报、日本特开2007-140465号公报、日本特开2007-156439号公报、日本特开2007-133184号公报、日本特开2009-109831号公报、日本专利第3883848号公报及日本专利第4151746号公报中所记载的偶氮化合物、日本特开2002-229039号公报中所记载的芳香族酯化合物、日本特开2002-265541号公报及日本特开2002-317013号公报中所记载的具有光取向性单元的马来酰亚胺和/或经烯基取代的纳迪克酰亚胺化合物、日本专利第4205195号及日本专利第4205198号中所记载的光交联性硅烷衍生物、日本特表2003-520878号公报、日本特表2004-529220号公报及日本专利第4162850号中所记载的光交联性聚酰亚胺、光交联性聚酰胺及光交联性聚酯以及日本特开平9-118717号公报、日本特表平10-506420号公报、日本特表2003-505561号公报、国际公开第2010/150748号、日本特开2013-177561号公报及日本特开2014-012823号公报中所记载能够光二聚化的化合物、尤其肉桂酸酯化合物、查耳酮化合物及香豆素化合物等作为优选例。
其中，优选利用偶氮化合物、光交联性聚酰亚胺、光交联性聚酰胺、光交联性聚酯、肉桂酸酯化合物及查耳酮化合物。
取向膜32的厚度并无限制，只要根据取向膜32的形成材料适当设定可以获得所需要的取向功能的厚度即可。
取向膜32的厚度优选为0.01～5μm，更优选为0.05～2μm。
取向膜32的形成方法并无限制，能够利用各种与取向膜32的形成材料对应的公知的方法。作为一例，可以例示出将取向膜32涂布于支撑体30的表面上并使其干燥之后，通过激光束对取向膜32进行曝光而形成取向图案的方法。
在图8中概念性地示出对取向膜32进行曝光而形成取向图案的曝光装置的一例。
图8所示的曝光装置60具备：具备了激光器62的光源64；改变由激光器62射出的激光束M的偏振方向的λ/2片65；将由激光器62射出的激光束M分离成光线MA及MB这2个的偏振光束分离器68；分别配置于所分离的2个光线MA及MB的光路上的反射镜70A及70B；及λ/4片72A及72B。
另外，光源64射出直线偏振光P0。λ/4片72A将直线偏振光P0(光线MA)转换成右旋圆偏振光PR，λ/4片72B将直线偏振光P0(光线MB)转换成左旋圆偏振光PL。
具有形成取向图案之前的取向膜32的支撑体30配置于曝光部，使2个光线MA及光线MB在取向膜32上交叉并使其干涉，将其干涉光照射到取向膜32上来进行曝光。
通过此时的干涉，照射到取向膜32上的光的偏振状态以干涉条纹状周期性地发生变化。由此，可以获得具有取向状态周期性地发生变化的取向图案的取向膜。在以下说明中，将具有该取向图案的取向膜还称为“图案取向膜”。
在曝光装置60中，通过改变2个光线MA及MB的交叉角α，能够调节取向图案的周期。即，在曝光装置60中，通过调节交叉角α，在源自液晶化合物40的光学轴40A沿一个方向连续旋转的取向图案中，能够调节将光学轴40A所旋转的一个方向上的光学轴40A旋转180°的一个周期的长度。
通过在具有这种取向状态周期性地发生变化的取向图案的取向膜32上形成胆甾醇型液晶层，如后述，能够形成具有源自液晶化合物40的光学轴40A沿一个方向连续旋转的液晶取向图案的液晶层34。
并且，能够通过将λ/4片72A及72B的光学轴分别旋转90°来使光学轴40A的旋转方向反转。
如上所述，图案取向膜具有取向图案，所述取向图案使液晶化合物取向，以成为形成于图案取向膜上的液晶层中的液晶化合物的光学轴的朝向一边沿面内的至少一个方向连续旋转一边发生变化的液晶取向图案。
若将图案取向膜沿使液晶化合物取向的朝向的轴设为取向轴，则可以说图案取向膜具有取向轴的朝向一边沿面内的至少一个方向连续旋转一边发生变化的取向图案。图案取向膜的取向轴能够通过测定吸收各向异性来检测。例如，在一边使直线偏振光旋转一边照射到图案取向膜上并测定了透射图案取向膜的光的光量时，光量成为最大或最小的朝向沿面内的一个方向逐渐变化而被观察。
另外，在本发明中，取向膜32以优选方式设置，并不是必须的构成要件。
例如，能够通过对支撑体30进行摩擦处理的方法、用激光束等对支撑体30进行加工的方法等在支撑体30上形成取向图案，从而也能够设为液晶层具有源自液晶化合物40的光学轴40A的朝向一边沿面内的至少一个方向连续旋转一边发生变化的液晶取向图案的结构。即，在本发明中，也可以使支撑体30作为取向膜而发挥作用。
＜液晶层(胆甾醇型液晶层)＞
在液晶衍射元件中，在取向膜32的表面上形成液晶层34。
液晶层34为将胆甾醇型液晶相固定而成的胆甾醇型液晶层，并且为具有源自液晶化合物的光学轴的朝向一边沿面内的至少一个方向连续旋转一边发生变化的液晶取向图案的胆甾醇型液晶层。
如图2中概念性所示，与将通常的胆甾醇型液晶相固定而成的胆甾醇型液晶层相同地，液晶层34具有液晶化合物40以螺旋状回转并堆叠而成的螺旋结构，将液晶化合物40以螺旋状旋转(360°旋转)一次并堆叠而成的结构设为螺旋1节距(节距P)，以螺旋状回转的液晶化合物40具有多个节距层叠而成的结构。
众所周知，胆甾醇型液晶相在特定的波长下对左右中的任一个圆偏振光显示选择反射性。反射光为右旋圆偏振光还是为左旋圆偏振光取决于胆甾醇型液晶相的螺旋的扭转方向(旋向)。在基于胆甾醇型液晶相的圆偏振光的选择反射中，胆甾醇型液晶相的螺旋的扭转方向为右方向时反射右旋圆偏振光，螺旋的扭转方向为左方向时反射左旋圆偏振光。
例如，构成选择性地反射右旋圆偏振光的R射出衍射元件16R、G射出衍射元件16G及B射出衍射元件16B的液晶层34的胆甾醇型液晶相的螺旋的扭转方向为右方向。
另外，胆甾醇型液晶相的回转的方向能够通过形成胆甾醇型液晶层的液晶化合物的种类和/或所添加的手性试剂的种类来调节。
并且，表示选择反射的选择反射带(圆偏振反射带)的半峰宽度Δλ(nm)取决于胆甾醇型液晶相的Δn与螺旋的节距P，并且遵循Δλ＝Δn×P的关系。因此，关于选择反射带的宽度的控制，能够调节Δn来进行。关于Δn，能够根据形成胆甾醇型液晶层的液晶化合物的种类及其混合比率以及取向固定时的温度来调节。
因此，关于由衍射元件反射(衍射)的光的波长，例如只要调整液晶层的螺旋的节距P来适当设定液晶层的选择性的反射波长区域即可。
反射波长区域的半峰宽度根据导光元件10的用途调节，例如只要为10～500nm即可，优选为20～300nm，更优选为30～100nm。
如图3所示，在液晶层34的X-Y面上，液晶化合物40沿X-Y面内的彼此平行的多个排列轴D排列，并且在各排列轴D上，液晶化合物40的光学轴40A的朝向一边向沿排列轴D的面内的一个方向连续旋转一边发生变化。其中，为了说明，设为排列轴D朝向X方向。并且，在Y方向上，光学轴40A的朝向相等的液晶化合物40以等间隔取向。
另外，“液晶化合物40的光学轴40A的朝向一边向沿排列轴D的面内的一个方向连续旋转一边发生变化”是指液晶化合物40的光学轴40A与排列轴D所形成的角度根据排列轴D方向的位置而不同，光学轴40A与排列轴D所形成的角度沿排列轴D从θ逐渐变化至θ+180°或θ-180°。即，如图3所示，沿排列轴D排列的多个液晶化合物40的光学轴40A一边沿排列轴D各旋转规定角度一边发生变化。
另外，在排列轴D方向彼此相邻的液晶化合物40的光学轴40A的角度之差优选为45°以下，更优选为15°以下，进一步优选为更小的角度。
并且，在本说明书中，在液晶化合物40为棒状液晶化合物的情况下，液晶化合物40的光学轴40A是指棒状液晶化合物的分子长轴。另一方面，在液晶化合物40为圆盘状液晶化合物的情况下，液晶化合物40的光学轴40A是指与相对于圆盘状液晶化合物的圆盘面的法线方向平行的轴。
在液晶层34中，在这种液晶化合物40的液晶取向图案中，在面内光学轴40A连续旋转而发生变化的排列轴D方向上，将液晶化合物40的光学轴40A旋转180°的长度(距离)设为液晶取向图案中的一个周期的长度Λ。
即，将相对于排列轴D方向的角度相等的2个液晶化合物40的排列轴D方向的中心之间的距离设为一个周期的长度Λ。具体而言，如图3所示，将排列轴D方向与光学轴40A的方向一致的2个液晶化合物40的排列轴D方向的中心之间的距离设为一个周期的长度Λ。在以下说明中，也将该一个周期的长度Λ称为“一个周期Λ”。
液晶层34的液晶取向图案在排列轴D方向即光学轴40A的朝向连续旋转而发生变化的一个方向上重复该一个周期Λ。在液晶衍射元件中，该一个周期Λ成为衍射结构的周期。
另一方面，形成液晶层34的液晶化合物40在与排列轴D方向正交的方向(在图3中为Y方向)即与光学轴40A连续旋转的一个方向正交的Y方向上与光学轴40A的朝向相等。
换言之，形成液晶层34的液晶化合物40在Y方向上，液晶化合物40的光学轴40A与排列轴D(X方向)所形成的角度相等。
若通过SEM(扫描型电子显微镜)观察图2所示的液晶层34的X-Z面，则观察到如图4所示的明部42和暗部44交替排列的排列方向相对于主表面(X-Y面)以规定角度倾斜的条纹图案。在这种SEM截面上，相邻的明部42至明部42或暗部44至暗部44的、明部42或暗部44所形成的线在法线方向上的间隔对应于1/2节距。即，如在图4中由P表示，2个明部42和2个暗部44对应于螺旋1节距量(螺旋的卷数1次量)即节距P。
以下，对基于液晶层的衍射的作用进行说明。
在以往的胆甾醇型液晶层中，源自胆甾醇型液晶相的螺旋轴与主表面(X-Y面)垂直，其反射面为与主表面(X-Y面)平行的面。并且，液晶化合物的光学轴相对于主表面(X-Y面)不倾斜。换言之，光学轴与主表面(X-Y面)平行。因此，若通过SEM观察以往的胆甾醇型液晶层的X-Z面，则明部和暗部交替排列的排列方向与主表面(X-Y面)垂直。
胆甾醇型液晶相为镜面反射性，因此例如在光从法线方向入射到胆甾醇型液晶层上的情况下，光在法线方向上被反射。
相对于此，液晶层34使所入射的光相对于镜面反射向排列轴D方向倾斜而反射。液晶层34为在面内具有光学轴40A一边沿排列轴D方向(规定的一个方向)连续旋转一边发生变化的液晶取向图案的层。以下，参考图5进行说明。
作为一例，液晶层34设为选择性地反射红色光的右旋圆偏振光RR的胆甾醇型液晶层。因此，若光入射到液晶层34上，则液晶层34仅反射红色光的右旋圆偏振光RR而使除此以外的光透射。
其中，在液晶层34中，液晶化合物40的光学轴40A一边沿排列轴D方向(一个方向)旋转一边发生变化。
形成于液晶层34上的液晶取向图案为沿排列轴D方向周期性的图案。因此，如图5中概念性所示，入射到液晶层34上的红色光的右旋圆偏振光RR向与液晶取向图案的周期对应的方向反射(衍射)，被反射的红色光的右旋圆偏振光RR向相对于XY面向排列轴D方向倾斜的方向反射(衍射)。即，XY面为胆甾醇型液晶层的主表面。
作为该结果，在将液晶层34适用于导光元件等中的情况下，能够用作如下衍射元件：能够以在导光板内全反射的角度反射(衍射)从与导光板的主表面垂直的方向所入射的光，并且能够将在导光板内全反射并被引导的光向与导光板的主表面垂直的方向反射(衍射)。
在液晶层34中，通过适当设定作为光学轴40A旋转的一个方向的排列轴D的方向，能够调节光的反射方向(衍射角度)。
并且，在反射相同波长且相同的回转方向的圆偏振光的情况下，通过使朝向排列轴D方向的液晶化合物40的光学轴40A的旋转方向反转，能够使圆偏振光的反射方向反转。
例如，在图2及图3中，朝向排列轴D方向的光学轴40A的旋转方向为顺时针方向且某个圆偏振光向排列轴D方向倾斜而反射，但是通过将其设为逆时针方向，某个圆偏振光向与排列轴D方向相反的方向倾斜而反射。
而且，在具有相同的液晶取向图案的液晶层中，根据液晶化合物40的螺旋的回转方向即反射的圆偏振光的回转方向而反射方向反转。
例如，在螺旋的回转方向为右扭转的情况下，选择性地反射右旋圆偏振光，并且通过具有光学轴40A沿排列轴D方向向顺时针方向旋转的液晶取向图案以使右旋圆偏振光向排列轴D方向倾斜而反射。
并且，例如在螺旋的回转方向为左扭转的情况下，选择性地反射左旋圆偏振光，具有光学轴40A沿排列轴D方向向顺时针方向旋转的液晶取向图案的液晶层使左旋圆偏振光向与排列轴D方向相反的方向倾斜而反射。
因此，构成入射衍射部14的R入射衍射元件14R、G入射衍射元件14G及B入射衍射元件14B根据选择性地反射的圆偏振光的回转方向即螺旋的回转方向来设定排列轴D的方向及液晶取向图案中的光学轴40A的旋转方向，以使所入射的光适当朝向射出衍射部16。
另一方面，构成射出衍射部16的R射出衍射元件16R、G射出衍射元件16G及B射出衍射元件16B根据选择性地反射的圆偏振光的回转方向即螺旋的回转方向来设定排列轴D的方向及液晶取向图案中的光学轴40A的旋转方向，以使所入射的光适当地射出到由使用人员U观察的位置上。
在该液晶衍射元件中，在液晶层中的液晶化合物的液晶取向图案中，液晶化合物的光学轴旋转180°的长度即一个周期Λ为衍射结构的周期(一个周期)。并且，在液晶层中，液晶化合物的光学轴一边旋转一边发生变化的一个方向(排列轴D方向)为衍射结构的周期方向。
在本发明的导光元件10中，衍射元件的一个周期Λ的长度并无限制，只要根据向导光板12的入射角度、用于从导光板12射出的光的衍射的大小等适当设定即可。
衍射元件的一个周期的长度、尤其射出衍射元件的一个周期Λ的长度优选为0.1～10μm，更优选为0.1～1μm，从在导光板12内以全反射传播的观点考虑，进一步优选为入射光的波长λ以下。
在具有液晶取向图案的液晶层中，一个周期Λ越短，反射光相对于入射光的角度越大。即，一个周期Λ越短，越能够使反射光相对于入射光大幅度倾斜而反射。
并且，在具有该液晶取向图案的液晶层中，关于光的反射角度(衍射角)，根据反射光的波长而角度不同。具体而言，波长越长的光，反射光相对于入射光的角度越大。
因此，在本发明的导光元件10中，构成入射衍射部14的R入射衍射元件14R、G入射衍射元件14G及B入射衍射元件14B优选液晶层的选择反射中心波长的排列与一个周期Λ的排列一致。同样地，构成射出衍射部16的R射出衍射元件16R、G射出衍射元件16G及B射出衍射元件16B也优选液晶层的选择反射中心波长的排列与一个周期Λ的排列一致。
关于这一点，在入射衍射部14及射出衍射部16仅具有2个衍射元件的情况下也相同。并且，关于这一点，在衍射元件不是反射型液晶衍射元件的情况下也相同。
例如，在入射衍射部14中，R入射衍射元件14R选择性地反射红色光，G入射衍射元件14G选择性地反射绿色光，B入射衍射元件14B选择性地反射蓝色光。
因此，关于各入射衍射元件的液晶取向图案中的一个周期Λ，优选选择性的反射光的波长最长的R入射衍射元件14R的液晶层34的一个周期Λ最长，选择性的反射光的波长第二长的G入射衍射元件14G的液晶层34的一个周期Λ第二长，选择性的反射光的波长最短的B入射衍射元件14B的液晶层34的一个周期Λ最短。
通过设为这种结构，使红色图像R、绿色图像G及蓝色图像B由入射衍射部14向导光板12的入射方向一致。而且，根据该结构，能够使从射出衍射部16射出的红色图像R、绿色图像G及蓝色图像B的射出方向成为相同方向。其结果，能够将没有颜色偏移的彩色图像从导光板射出到AR玻璃的使用人员U观察的位置上。
图2所示的例为如下结构：在液晶层34的X-Z面上，液晶化合物40使其光学轴40A相对于主表面(X-Y面)平行取向。
然而，本发明并不限于此。例如，如图6中概念性所示，也可以为在液晶层34的X-Z面上，液晶化合物40使其光学轴40A相对于主表面(X-Y面)倾斜取向的结构。
并且，在图6所示的例中，在液晶层34的X-Z面上，液晶化合物40相对于主表面(X-Y面)的倾斜角度(倾斜角)在厚度方向(Z方向)上相同，但是本发明并不限定于此。在液晶层34中，可以具有液晶化合物40的倾斜角在厚度方向上不同的区域。
例如，图7所示的例为如下结构：在液晶层的、取向膜32侧的界面上，液晶化合物40的光学轴40A与主表面平行(预倾角为0)，并且液晶化合物40的倾斜角随着从取向膜32侧的界面沿厚度方向分开而变大，之后使液晶化合物以规定的倾斜角取向直至另一个界面(空气界面)侧。
如此，在液晶层34中，可以为在上下界面的其中一个界面上液晶化合物的光学轴具有预倾角的结构，也可以为在两个界面上具有预倾角的结构。并且，在两个界面上，预倾角也可以不同。
如此，通过使液晶化合物具有倾斜角(倾斜)，在衍射光时有效的液晶化合物的双折射率变高，能够提高衍射效率。
液晶化合物40的光学轴40A与主表面(X-Y面)所形成的平均角度(平均倾斜角)优选为5～80°，更优选为10～50°。另外，关于平均倾斜角，能够通过用偏振光显微镜观察液晶层34的X-Z面来测定。其中，在液晶层34的X-Z面上，液晶化合物40优选使其光学轴40A相对于主表面(X-Y面)向相同的方向倾斜取向。
另外，上述倾斜角为如下值：在用偏振光显微镜观察胆甾醇型液晶层截面时，在任意5处以上的位置上测定液晶化合物40的光学轴40A与主表面所形成的角度，并将其算术平均而获得的值。
垂直入射到衍射元件(液晶层34)上的光在液晶层内沿倾斜方向施加弯曲力并倾斜行进。若光在液晶层内行进，则产生与原本设定成相对于垂直入射可以获得所期望的衍射角的衍射周期等条件的偏离，因此产生衍射损耗。
在使液晶化合物倾斜的情况下，与不倾斜的情况相比，存在相对于光所衍射的方位产生更高的双折射率的方位。在该方向上有效的异常光折射率变大，因此作为异常光折射率与寻常光折射率之差的双折射率变高。
根据目标衍射方位来设定倾斜角的方位，从而能够抑制该方位上的与原本的衍射条件的偏差。其结果，认为在使用了具有倾斜角的液晶化合物时能够获得更高的衍射效率。
并且，倾斜角优选为根据液晶层34的界面的处理来控制。
在支撑体侧的界面上，通过对取向膜进行预倾斜处理，能够控制液晶化合物的倾斜角。例如，在形成取向膜时对取向膜从正面曝光紫外线之后从斜侧进行曝光，从而能够在形成于取向膜上的液晶层中的液晶化合物中产生预倾角。在这种情况下，相对于第2次的照射方向向可以观察到液晶化合物的单轴侧的方向进行预倾斜。但是，与第2次的照射方向垂直的方向的方位上的液晶化合物不进行预倾斜，因此在面内存在进行预倾斜的区域及不进行预倾斜的区域。这是因为，在使光向目标方位衍射时，在其方向上最有助于提高双折射，因此适合提高衍射效率。
而且，也能够向液晶层中或取向膜加入促进预倾角的添加剂。在这种情况下，作为进一步提高衍射效率的因子，能够利用添加剂。
该添加剂也能够用于控制空气侧的界面的预倾角。
其中，在通过SEM观察的液晶层34的截面上，源自胆甾醇型液晶相的明部及暗部相对于主表面倾斜。在液晶层中，优选在从法线方向及相对于法线倾斜的方向测定面内延迟Re时，在慢轴面内及快轴面内中的任一个中，面内延迟Re最小的方向从法线方向倾斜。具体而言，优选面内延迟Re最小的方向与法线所形成的测定角的绝对值为5°以上。换言之，优选液晶层的液晶化合物相对于主表面倾斜，并且倾斜方向与液晶层的明部及暗部大致一致。另外，法线方向为与主表面正交的方向。
通过使液晶层具有这种结构，与液晶化合物和主表面平行的液晶层相比，能够以高衍射效率衍射圆偏振光。
在液晶层的液晶化合物相对于主表面倾斜，并且倾斜方向与明部及暗部大致一致的结构中，对应于反射面的明部及暗部与液晶化合物的光学轴一致。因此，相对于光的反射(衍射)的液晶化合物的作用变大，能够提高衍射效率。其结果，能够更加提高反射光相对于入射光的光量。
在液晶层的快轴面或慢轴面上，液晶层的光学轴倾斜角的绝对值优选为5°以上，更优选为15°以上，进一步优选为20°以上。
通过将光学轴倾斜角的绝对值设为5°以上，更优选使液晶化合物的方向与明部及暗部一致，从能够提高衍射效率的观点而言较为优选。
＜＜液晶层的形成方法＞＞
液晶层34能够将液晶化合物取向为规定的取向状态而成的液晶相固定成层状而形成。例如，在胆甾醇型液晶层的情况下，能够将胆甾醇型液晶相固定成层状而形成。
将胆甾醇型液晶相固定而成的结构只要为保持成为液晶相的液晶化合物的取向的结构即可，典型地优选如下结构：在将聚合性液晶化合物设为规定的液晶相的取向状态的基础上，通过紫外线照射、加热等进行聚合、固化而形成不具有流动性的层，同时改变成不会因外场或外力而使取向形态发生变化的状态。
另外，在将液晶相固定而成的结构中，只要保持液晶相的光学性质即可，在液晶层中，液晶化合物40可以不显示液晶性。例如，聚合性液晶化合物可以通过固化反应进行高分子量化而失去液晶性。
作为液晶层的形成中所使用的材料，作为一例，可以举出包含液晶化合物的液晶组合物。液晶化合物优选为聚合性液晶化合物。
并且，液晶层的形成中所使用的液晶组合物可以进一步包含表面活性剂及手性试剂。
--聚合性液晶化合物--
聚合性液晶化合物可以为棒状液晶化合物，也可以为圆盘状液晶化合物。
作为棒状聚合性液晶化合物的例，可以举出棒状向列相液晶化合物。作为棒状向列相液晶化合物，优选使用甲亚胺类、氧化偶氮类、氰基联苯类、氰基苯酯类、苯甲酸酯类、环己烷羧酸苯酯类、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苯甲腈类等。不仅能够使用低分子液晶化合物，而且也能够使用高分子液晶化合物。
关于聚合性液晶化合物，通过将聚合性基团导入到液晶化合物而获得。在聚合性基团的例中，包含不饱和聚合性基团、环氧基及吖丙啶基，优选为不饱和聚合性基团，更优选为烯键式不饱和聚合性基团。能够通过各种方法将聚合性基团导入到液晶化合物的分子中。聚合性液晶化合物所具有的聚合性基团的个数优选为1～6个、更优选为1～3个。
聚合性液晶化合物的例包含Makromol.Chem.，190卷、2255页(1989年)、AdvancedMaterials 5卷、107页(1993年)、美国专利第4683327号说明书、美国专利第5622648号说明书、美国专利第5770107号说明书、国际公开第95/022586号、国际公开第95/024455号、国际公开第97/000600号、国际公开第98/023580号、国际公开第98/052905号、日本特开平1-272551号公报、日本特开平6-016616号公报、日本特开平7-110469号公报、日本特开平11-080081号公报及日本特开2001-328973号公报等中所记载的化合物。可以同时使用2种以上的聚合性液晶化合物。若同时使用2种以上的聚合性液晶化合物，则能够降低取向温度。
并且，作为除了上述以外的聚合性液晶化合物，能够使用如日本特开昭57-165480号公报中所公开的具有胆甾醇相的环式有机聚硅氧烷化合物等。而且，作为上述高分子液晶化合物，能够使用将呈现液晶的介晶基团导入到主链、侧链或者主链及侧链这两个位置的高分子、将胆甾醇基团导入到侧链的高分子胆甾醇型液晶、如日本特开平9-133810号公报中所公开的液晶性高分子及如日本特开平11-293252号公报中所公开的液晶性高分子等。
--圆盘状液晶化合物--
作为圆盘状液晶化合物，例如能够优选使用日本特开2007-108732号公报及日本特开2010-244038号公报等中所记载的圆盘状液晶化合物。
并且，液晶组合物中的聚合性液晶化合物的添加量相对于液晶组合物的固体成分质量(去除了溶剂的质量)优选为75～99.9质量％，更优选为80～99质量％，进一步优选为85～90质量％。
--表面活性剂--
形成液晶层时所使用的液晶组合物可以含有表面活性剂。
表面活性剂优选为能够作为取向控制剂而发挥作用的化合物，所述取向控制剂有助于稳定或快速地取向胆甾醇型液晶相。作为表面活性剂，例如可以举出硅氧烷系表面活性剂及氟系表面活性剂，可以优选例示出氟系表面活性剂。
作为表面活性剂的具体例，可以举出日本特开2014-119605号公报的[0082]～[0090]段中所记载的化合物、日本特开2012-203237号公报的[0031]～[0034]段中所记载的化合物、日本特开2005-99248号公报的[0092]及[0093]段中所例示的化合物、日本特开2002-129162号公报的[0076]～[0078]段及[0082]～[0085]段中所例示的化合物以及日本特开2007-272185号公报的[0018]～[0043]段等中所记载的氟(甲基)丙烯酸酯类聚合物等。
另外，表面活性剂可以单独使用1种，也可以同时使用2种以上。
作为氟系表面活性剂，优选为日本特开2014-119605号公报的[0082]～[0090]段中所记载的化合物。
液晶组合物中的表面活性剂的添加量相对于液晶化合物的总质量优选为0.01～10质量％，更优选为0.01～5质量％，进一步优选为0.02～1质量％。
--手性试剂(光学活性化合物)--
手性试剂(Chiral agent)具有引起胆甾醇型液晶相的螺旋结构的功能。由于通过化合物引起的螺旋的扭转方向或螺旋节距不同，因此手性试剂只要根据目的选择即可。
作为手性试剂，并无特别限制，能够使用公知的化合物(例如，记载于液晶器件手册、第3章4-3项、TN(twisted nematic，扭曲向列)、STN(Super Twisted Nematic，超扭曲向列)用手性试剂、199页、日本学术振兴会第142委员会编、1989中)、异山梨醇及异甘露糖醇衍生物等。
手性试剂通常包含不对称碳原子，但是不包含不对称碳原子的轴向不对称化合物或表面不对称化合物也能够用作手性试剂。在轴向不对称化合物或表面不对称化合物的例中，包含联萘、螺烯、对二甲苯二聚体及它们的衍生物。手性试剂也可以具有聚合性基团。在手性试剂和液晶化合物均具有聚合性基团的情况下，能够通过聚合性手性试剂与聚合性液晶化合物的聚合反应而形成具有从聚合性液晶化合物衍生的重复单元及从手性试剂衍生的重复单元的聚合物。在该方式中，聚合性手性试剂所具有的聚合性基团优选为与聚合性液晶化合物所具有的聚合性基团相同的基团。因此，手性试剂的聚合性基团也优选为不饱和聚合性基团、环氧基或吖丙啶基，更优选为不饱和聚合性基团，进一步优选为烯键式不饱和聚合性基团。
并且，手性试剂也可以为液晶化合物。
在手性试剂具有光异构化基的情况下，优选能够在涂布、取向之后通过活化光线等的光掩模照射而形成与发光波长对应的所期望的反射波长的图案。作为光异构化基，优选为显示光变色性的化合物的异构化部位、偶氮基、氧化偶氮基或肉桂酰基。作为具体的化合物，能够使用日本特开2002-080478号公报、日本特开2002-080851号公报、日本特开2002-179668号公报、日本特开2002-179669号公报、日本特开2002-179670号公报、日本特开2002-179681号公报、日本特开2002-179682号公报、日本特开2002-338575号公报、日本特开2002-338668号公报、日本特开2003-313189号公报及日本特开2003-313292号公报等中所记载的化合物。
液晶组合物中的手性试剂的含量相对于液晶化合物的含有摩尔量优选为0.01～200摩尔％，更优选为1～30摩尔％。
--聚合引发剂--
在液晶组合物包含聚合性化合物的情况下，优选含有聚合引发剂。在通过紫外线照射进行聚合反应的方式中，所使用的聚合引发剂优选为通过紫外线照射而能够引发聚合反应的光聚合引发剂。
在光聚合引发剂的例中，可以举出α-羰基化合物(记载于美国专利第2367661号、美国专利第2367670号的各说明书中)、偶姻醚(记载于美国专利第2448828号说明书中)、α-烃取代芳香族偶姻化合物(记载于美国专利第2722512号说明书中)、多核醌化合物(记载于美国专利第3046127号、美国专利第2951758号的各说明书中)、三芳基咪唑二聚物和对氨基苯基酮的组合(记载于美国专利第3549367号说明书中)、吖啶及吩嗪化合物(记载于日本特开昭60-105667号公报、美国专利第4239850号说明书中)以及噁二唑化合物(记载于美国专利第4212970号说明书中)等。
液晶组合物中的光聚合引发剂的含量相对于液晶化合物的含量优选为0.1～20质量％，进一步优选为0.5～12质量％。
--交联剂--
为了提高固化后的膜强度且提高耐久性，液晶组合物可以任意含有交联剂。作为交联剂，能够优选使用通过紫外线、热及湿气等固化的交联剂。
作为交联剂，并无特别限制，能够根据目的适当选择，例如可以举出三羟甲基丙烷三(甲基)丙烯酸酯及季戊四醇三(甲基)丙烯酸酯等多官能丙烯酸酯化合物；(甲基)丙烯酸缩水甘油酯及乙二醇二缩水甘油醚等环氧化合物；2,2-双羟基甲基丁醇-三[3-(1-吖丙啶基)丙酸酯]及4,4-双(亚乙基亚氨基羰基氨基)二苯基甲烷等吖丙啶化合物；六亚甲基二异氰酸酯及缩二脲型异氰酸酯等异氰酸酯化合物；在侧链上具有噁唑啉基的聚噁唑啉化合物；以及乙烯基三甲氧基硅烷、N-(2-氨基乙基)3-氨基丙基三甲氧基硅烷等烷氧基硅烷化合物等。并且，能够根据交联剂的反应性使用公知的催化剂，除了提高膜强度及耐久性以外，还能够提高生产率。这些可以单独使用1种，也可以同时使用2种以上。
交联剂的含量相对于液晶组合物的固体成分质量优选为3～20质量％，更优选为5～15质量％。只要交联剂的含量在上述范围内，则容易获得提高交联密度的效果，从而更加提高液晶相的稳定性。
--其他添加剂--
在液晶组合物中，根据需要在不降低光学性能等的范围内能够进一步添加聚合抑制剂、抗氧化剂、紫外线吸收剂、光稳定剂、色料及金属氧化物微粒等。
在形成液晶层时，液晶组合物优选用作液体。
液晶组合物可以包含溶剂。溶剂并无限制，能够根据目的适当选择，但是优选为有机溶剂。
有机溶剂并无限制，能够根据目的适当选择，例如可以举出酮类、卤代烷类、酰胺类、亚砜类、杂环化合物、烃类、酯类及醚类等。这些可以单独使用1种，也可以同时使用2种以上。在这些之中，在考虑对环境的负担的情况下，优选为酮类。
在形成液晶层时，优选将液晶组合物涂布于液晶层的形成面上，将液晶化合物取向为所期望的液晶相的状态之后，将液晶化合物固化而形成液晶层。
即，在取向膜32上形成胆甾醇型液晶层的情况下，优选将液晶组合物涂布于取向膜32上，将液晶化合物取向为胆甾醇型液晶相的状态之后，将液晶化合物固化而形成将胆甾醇型液晶相固定而成的液晶层。
关于液晶组合物的涂布，能够利用所有喷墨及滚动印刷等印刷法以及旋涂、棒涂及喷雾涂布等能够将液体均匀地涂布于片状物上的公知的方法。
所涂布的液晶组合物根据需要进行干燥和/或加热，之后使其固化而形成液晶层。在该干燥和/或加热的工序中，只要液晶组合物中的液晶化合物取向为胆甾醇型液晶相即可。在进行加热的情况下，加热温度优选为200℃以下，更优选为130℃以下。
所取向的液晶化合物根据需要进一步进行聚合。聚合可以为热聚合及基于光照射的光聚合中的任一个，但是优选为光聚合。光照射优选使用紫外线。照射能量优选为20mJ/cm2～50J/cm2，更优选为50～1500mJ/cm2。为了促进光聚合反应，也可以在加热条件下或在氮气环境下实施光照射。所照射的紫外线的波长优选为250～430nm。
液晶层34的厚度并无限制，只要根据衍射元件的用途、液晶层中所要求的光的反射率及液晶层34的形成材料等适当设定可以获得所需要的光的反射率的厚度即可。
＜其他液晶层(液晶衍射元件)＞
在图示例的导光元件中，在入射衍射部14及射出衍射部16中利用使用了作为胆甾醇型液晶层的液晶层34的反射型液晶衍射元件，但是本发明并不限于此。
作为一例，也能够利用具有沿面内的至少一个方向连续旋转的液晶取向图案且液晶化合物在厚度方向上没有形成胆甾醇型液晶相的液晶衍射元件。另外，在液晶衍射元件中，可以具有沿厚度方向扭转旋转至液晶化合物不会成为胆甾醇型液晶相的程度的结构。
在图9及图10中例示出其他液晶衍射元件，并对该一例进行说明。
在图9及图10中所示的液晶衍射元件具有支撑体30、取向膜32及液晶层36。支撑体30及取向膜32与上述相同。
与(胆甾醇型)液晶层34相同地，图10所示的液晶衍射元件的液晶层36也具有液晶化合物40的光学轴40A沿排列轴D连续旋转的液晶取向图案。另外，与上述图3相同地，图10也仅示出取向膜32的表面上的液晶化合物。
在图9所示的液晶衍射元件中，形成液晶层36的液晶化合物40没有沿厚度方向以螺旋状扭转旋转，光学轴40A位于面方向上的相同位置上。关于这种液晶层，在形成上述液晶层时，不向液晶组合物添加手性试剂就能够形成。
如上所述，液晶层36具有源自液晶化合物40的光学轴40A的朝向在面内一边沿排列轴D方向即X方向连续旋转一边发生变化的液晶取向图案。
另一方面，在形成液晶层36的液晶化合物40中，光学轴40A的朝向相等的液晶化合物40在与X方向正交的Y方向即与作为光学轴40A连续旋转的一个方向的排列轴D正交的Y方向上以等间隔排列。
换言之，在形成液晶层36的液晶化合物40中，在Y方向上排列的液晶化合物40彼此之间，光学轴40A的朝向与排列轴D方向所形成的角度相等。
在液晶层36中，在Y方向上排列的液晶化合物中，光学轴40A与X方向(液晶化合物40的光学轴的朝向所旋转的一个方向)所形成的角度相等。将该光学轴40A与排列轴D所形成的角度相等的液晶化合物40配置于Y方向上的区域设为区域R。
在这种情况下，优选各自的区域R中的面内延迟(Re)的值为半波长即λ/2。关于这些面内延迟，通过区域R的折射率各向异性所伴随的折射率差Δn与光学各向异性层的厚度之积来计算。其中，光学各向异性层中的区域R的折射率各向异性所伴随的折射率差为通过区域R的面内的慢轴的方向的折射率与和慢轴的方向正交的方向的折射率之差来定义的折射率差。即，区域R的折射率各向异性所伴随的折射率差Δn等于光学轴40A的方向的液晶化合物40的折射率与在区域R的面内和光学轴40A垂直的方向的液晶化合物40的折射率之差。即，折射率差Δn等于液晶化合物40的折射率差。
若圆偏振光入射到这种液晶层36上，则光被折射，并且圆偏振光的方向改变。
在图11及图12中概念性地示出该作用。另外，液晶层36设为液晶化合物的折射率差与光学各向异性层的厚度之积的值为λ/2。
如图11所示，在液晶层36的液晶化合物的折射率差与光学各向异性层的厚度之积的值为λ/2的情况下，若作为左旋圆偏振光的入射光L1入射到液晶层36上，则入射光L1通过穿过液晶层36来赋予180°的相位差，透射光L2被转换成右旋圆偏振光。
并且，形成于液晶层36上的液晶取向图案为沿排列轴D方向周期性的图案，因此透射光L2向与入射光L1的行进方向不同的方向行进。如此，左旋圆偏振光的入射光L1被转换成相对于入射方向向排列轴D方向仅倾斜规定角度的右旋圆偏振光的透射光L2。
另一方面，如图12所示，在液晶层36的液晶化合物的折射率差与光学各向异性层的厚度之积的值为λ/2时，若右旋圆偏振光的入射光L4入射到液晶层36上，则入射光L4通过穿过液晶层36来赋予180°的相位差，从而转换成左旋圆偏振光的透射光L5。
并且，形成于液晶层36上的液晶取向图案为沿排列轴D方向周期性的图案，因此透射光L5向与入射光L4的行进方向不同的方向行进。此时，透射光L5向与透射光L2不同的方向即相对于入射方向与排列轴D方向相反的方向行进。如此，入射光L4被转换成相对于入射方向向与排列轴D方向相反的方向仅倾斜规定角度的左旋圆偏振光的透射光L5。
与液晶层34相同地，液晶层36也通过改变所形成的液晶取向图案的一个周期Λ，能够调节透射光L2及L5的折射的角度。具体而言，液晶层36也是液晶取向图案的一个周期Λ越短，穿过了彼此相邻的液晶化合物40的光彼此的干涉越强，因此能够使透射光L2及L5折射得更大。
并且，通过将沿排列轴D方向旋转的液晶化合物40的光学轴40A的旋转方向设为相反的方向，能够将透射光的折射的方向设为相反的方向。即，在图9～图12所示的例中，朝向排列轴D方向的光学轴40A的旋转方向为顺时针方向，但是通过将该旋转方向设为逆时针方向，能够将透射光的折射的方向设为相反的方向。
另外，从衍射效率的观点考虑，即使在使用这种透射衍射入射光的液晶衍射元件的情况下，也优选使用具有液晶化合物扭转而旋转(扭转角小于360°)的区域的液晶衍射元件。尤其，在以在导光板内反射的角度衍射光的情况下，从衍射效率的观点考虑，能够优选使用具有液晶化合物扭转而旋转的区域的液晶衍射元件。并且，关于层叠使用液晶化合物扭转而旋转的角度不同的液晶衍射元件及层叠使用液晶化合物扭转而旋转的方向不同的液晶衍射元件等，从衍射效率的观点考虑较为优选。
在本发明的导光元件中，在使用透射型衍射元件的情况下，衍射元件和显示元件及使用人员U的位置关系与使用了反射型衍射元件的情况相反。即，以如下方式构成导光元件：来自显示元件的图像不是从导光板12而是从入射衍射部侧入射并从导光板入射到射出衍射部上，从而透射了射出衍射部的图像射出到由使用人员U观察的位置上。
并且，在本发明的导光元件中，在入射衍射部14及射出衍射部16中可以使用不同的液晶衍射元件。
例如，在入射衍射部14中，可以使用具有液晶层36的透射型液晶衍射元件，在射出衍射部16中，可以使用具有液晶层34的反射型液晶衍射元件。
入射衍射部14及射出衍射部16中所使用的衍射元件并不限于具有上述液晶取向图案的液晶衍射元件。
关于衍射元件，例如可以使用体积全息图衍射元件及表面浮雕衍射元件等。并且，也能够利用交替具有液晶部分和液晶高分子部分的、具有波长选择性并反射直线偏振光的反射型衍射元件。
但是，在本发明的导光元件中，无论使用哪种衍射元件，入射衍射元件(入射衍射部)及射出衍射元件(射出衍射部)均层叠设置于导光板12的高折射率层12b上。
即，衍射元件可以为反射型，也可以为透射型，在本发明的导光元件中，依次设置有导光板12的低折射率层12a、导光板12的高折射率层12b及入射衍射部(入射衍射元件)/射出衍射部(射出衍射部)。
图示例的导光元件10的入射衍射部14具有将R入射衍射元件14R、G入射衍射元件14G及B入射衍射元件14B层叠而成的结构，但是本发明并不限于此。
例如，可以将R入射衍射元件14R、G入射衍射元件14G及B入射衍射元件14B配置于导光板12的主表面的不同位置上。或者，可以将R入射衍射元件14R和B入射衍射元件14B进行层叠，并将该层叠体和G入射衍射元件14G配置于导光板12的主表面的不同位置上。
从导光元件10的小型化等观点而言，将R入射衍射元件14R、G入射衍射元件14G及B入射衍射元件14B进行层叠是更有利的。另一方面，从能够防止图像入射侧的、未意图的衍射元件中的图像的反射等不适当的反射等的观点而言，针对画质，将R入射衍射元件14R、G入射衍射元件14G及B入射衍射元件14B配置于导光板12的主表面的不同位置上是更有利的。
[导光元件的作用]
以下，通过说明导光元件10的作用，对本发明的导光元件及显示装置进行更详细的说明。
如上所述，在使用导光元件10的显示装置中，从未图示的显示元件投影的红色图像R、绿色图像G及蓝色图像B透射导光板12并入射到入射衍射部14上，红色图像R的右旋圆偏振光被R入射衍射元件14R衍射而向朝向射出衍射部16的方向反射，绿色图像G的右旋圆偏振光被G入射衍射元件14G衍射而向朝向射出衍射部16的方向反射，蓝色图像B的右旋圆偏振光被B入射衍射元件14B衍射而向朝向射出衍射部16的方向反射，并分别入射到导光板12上。
入射到导光板12上的红色图像R、绿色图像G及蓝色图像B在导光板12内反复反射而传播，并入射到射出衍射部16上。
在入射到射出衍射部16上的各色图像中，红色图像R的右旋圆偏振光被R射出衍射元件16R衍射并反射，绿色图像G的右旋圆偏振光被G射出衍射元件16G衍射并反射，蓝色图像B的右旋圆偏振光被B射出衍射元件16B衍射并反射，并透射导光板12而照射到由使用人员U观察的位置上，从而观察全色图像。另外，射出衍射部16使左旋圆偏振光透射，因此使用人员U能够通过左旋圆偏振光观察到射出衍射部16朝向的一侧的风景。
其中，如上所述，本发明的导光元件10的导光板12具有层叠的低折射率层12a(第1导光层)和高折射率层12b(第2导光层)，所述高折射率层12b(第2导光层)的折射率比低折射率层12a高且厚度比低折射率层12a薄。
低折射率层12a为本发明中的第1导光层，高折射率层12b为本发明中的第2导光层。因此，在导光元件10中，在将低折射率层12a(第1导光层)的折射率设为n1、将高折射率层12b(第2导光层)的折射率设为n2、将低折射率层12a的厚度设为d1、将高折射率层12b的厚度设为d2时，满足n1＜n2，进一步优选满足d1≥d2。
本发明的导光元件10通过具有这种结构，例如在AR玻璃等使用导光板的图像显示装置中，与使用人员U的视线及眼睛的位置等无关地，均能够抑制图像局部看不到的、所谓的图像的局部断开而能够适当观察图像整体。
在图15中概念性地示出以往的导光元件的一例。
另外，在后述图13、图15～图18中，为了简化附图而明确表示导光板的作用，仅示出与中间波长区域的绿色图像G对应的G入射衍射元件14G及G射出衍射元件16G。然而，对于红色图像R及蓝色图像B以及与这些图像对应的入射衍射元件及射出衍射元件，导光板的作用也相同。
图15所示的导光元件具有1层结构的通常的导光板12A，因此导光板12A的折射率基本上在整个区域中均匀。
如上所述，从未图示的显示元件入射到导光元件上的绿色图像G透射导光板12A并入射到G射出衍射元件16G上，右旋圆偏振光被G入射衍射元件14G衍射而向朝向射出衍射部16的方向反射，并入射到导光板12A上而朝向G射出衍射元件16G传播。
其中，绿色图像G向导光元件的入射方向根据显示元件中的显示位置而不同。
例如，如在图中由实线表示，在显示元件的图中左侧显示的绿色图像G向与G射出衍射元件16G分开的方向行进并入射到G入射衍射元件14G上而被反射(衍射)。相对于此，如在图中由虚线表示，在显示元件的图中右侧显示的绿色图像G向接近G射出衍射元件16G的方向行进并入射到G入射衍射元件14G上而被反射(衍射)。
基于G入射衍射元件14G的衍射方向及角度设定为使来自显示元件的不同的入射方向的光朝向G射出衍射元件16G。
因此，在显示元件的左侧显示的、向与G射出衍射元件16G分开的方向行进的由实线表示的绿色图像G被G入射衍射元件14G向返回至与行进方向相反的一侧的方向反射。因此，如图15所示，由实线表示的绿色图像G以接近导光板12A的法线的角度入射到导光板12A上，并反复在导光板12A与空气的界面上的反射而朝向G射出衍射元件16G传播。
相对于此，在显示元件的右侧显示的、向朝向G射出衍射元件16G的方向行进的由虚线表示的绿色图像G被G入射衍射元件14G进一步向朝向G射出衍射元件16G的方向反射。因此，由虚线表示的绿色图像G相对于导光板12A的法线以大的角度入射到导光板12A上，并反复在导光板12A与空气的界面上的反射而朝向G射出衍射元件16G传播。
另外，法线为与片状物的主表面正交的线。
因此，如图15所示，由实线表示的绿色图像G在导光板12A与空气的界面上的反射位置接近传播方向，以窄的间隔反复反射而朝向G射出衍射元件16G传播。
相对于此，如图15所示，与由实线表示的绿色图像G相比，由虚线表示的绿色图像G在导光板12A与空气的界面上的反射位置沿传播方向分开，以宽的间隔反复反射而朝向G射出衍射元件16G传播。
即，如图16中概念性所示，由实线表示的绿色图像G向G射出衍射元件16G的入射间隔变窄，以窄的间隔反射(衍射)并射出到由使用人员U观察的位置上。
因此，在显示元件的左侧显示的由实线表示的绿色图像G中，即使使用人员U的视线及眼睛的位置发生变动，图像也会入射到使用人员U的眼睛上。因此，在显示元件的左侧显示的由实线表示的绿色图像G中，不会产生图像的局部断开而被使用人员U适当观察。
相对于此，如图17中概念性所示，由虚线表示的绿色图像G向G射出衍射元件16G的入射间隔变宽，以宽的间隔反射(衍射)并射出到由使用人员U观察的位置上。
因此，在显示元件的右侧显示的由虚线表示的绿色图像G中，若使用人员U的视线及眼睛的位置发生变动，则会产生图像不入射到使用人员U的眼睛上的情况。因此，在显示元件的右侧显示的由虚线表示的绿色图像G中，产生图像的局部断开，从而也会产生无法由使用人员U适当观察的情况。
相对于此，如图13中概念性所示，在本发明的导光元件10中，导光板12具有低折射率层12a和高折射率层12b，所述高折射率层12b的折射率比低折射率层12a高且比低折射率层12a薄。而且，G入射衍射元件14G(入射衍射部14)及G射出衍射元件16G(射出衍射部16)均设置于高折射率层12b上。
在这种本发明的导光元件10中，如图13所示，在显示元件的图中左侧显示的由实线表示的绿色图像G与上述相同地向与G射出衍射元件16G分开的方向行进并透射低折射率层12a及高折射率层12b，并入射到G入射衍射元件14G上。
同样地，向与G射出衍射元件16G分开的方向行进的由实线表示的绿色图像G被G入射衍射元件14G向返回至与行进方向相反的一侧的方向反射。因此，如图13所示，与上述相同地，由实线表示的绿色图像G以接近导光板12A的法线的角度入射到导光板12的高折射率层12b上，透射高折射率层12b及低折射率层12a，并反复在导光板12与空气的界面上的反射而朝向G射出衍射元件16G传播。
因此，与图15及图16相同地，由实线表示的绿色图像G在导光板12与空气的界面上的反射位置接近传播方向，以窄的间隔反复反射而朝向G射出衍射元件16G传播。其结果，与图16相同地，由实线表示的绿色图像G向G射出衍射元件16G的入射间隔变窄，以窄的间隔反射(衍射)并射出到由使用人员U观察的位置上。
因此，在显示元件的左侧显示的由实线表示的绿色图像G中，与图16相同地，即使使用人员U的视线及眼睛的位置发生变动，图像也会入射到使用人员U的眼睛上，不会产生图像的局部断开而被使用人员U适当观察。
另一方面，在导光元件10中，如图13中概念性所示，同样地，在显示元件的右侧显示的在图中由实线表示的绿色图像G向接近G射出衍射元件16G的方向行进并透射低折射率层12a及高折射率层12b，并入射到G入射衍射元件14G上。
向接近G射出衍射元件16G的方向行进的由实线表示的绿色图像G与上述相同地被G入射衍射元件14G进一步向朝向G射出衍射元件16G的方向反射。因此，由虚线表示的绿色图像G相对于导光板12A的法线以大的角度入射到导光板12的高折射率层12b上。
其中，导光板12为将低折射率层12a和折射率比低折射率层12a高的高折射率层12b层叠而成的导光板。因此，相对于导光板12的法线以大的角度入射到高折射率层12b上的由虚线表示的绿色图像G通过低折射率层12a与高折射率层12b的折射率之差而在低折射率层12a与高折射率层12b的界面上反射。
其结果，由虚线表示的绿色图像G在高折射率层12b与空气界面和低折射率层12a与高折射率层12b的界面上反复反射而在高折射率层12b内朝向G射出衍射元件16G传播。
其中，高折射率层12b的厚度优选为低折射率层12a以下。根据该结构，在高折射率层12b内，绿色图像G的厚度方向及传播方向上的行进距离成为低折射率层12a以下。因此，与在导光板12的两面与空气的界面上反射而传播的情况相比，在高折射率层12b内反复反射而传播的由虚线表示的绿色图像G在高折射率层12b与空气的界面上的反射位置及低折射率层12a与高折射率层12b的界面上的反射位置接近传播方向。
其结果，根据本发明的导光元件10，与使用了图18所示的通常的导光板12A的情况相比，在显示元件的右侧显示的由虚线表示的绿色图像G也如图13所示那样向G射出衍射元件16G的入射间隔变窄，以窄的间隔反射(衍射)并射出到由使用人员U观察的位置上。
因此，在显示元件的右侧显示的由虚线表示的绿色图像G中，即使使用人员U的视线及眼睛的位置发生变动，图像也会入射到使用人员U的眼睛上。因此，在显示元件的右侧显示的由实线表示的绿色图像G中，也不会产生图像的局部断开而被使用人员U适当观察。
即，根据本发明的导光元件及显示装置，即使使用人员U的视线及眼睛的位置发生变动，也不会产生图像的局部断开，与显示元件中的显示位置无关地，均能够适当观察图像的整个区域。
在本发明的导光元件10中，若高折射率层12b的折射率大于低折射率层12a的折射率，则导光板12的低折射率层12a与高折射率层12b的折射率之差并无限制。
在将低折射率层12a(第1导光层)的折射率设为n1且将高折射率层12b(第2导光层)的折射率设为n2时，优选满足n2-n1＞0.1，更优选满足n2-n1＞0.2，进一步优选满足n2-n1＞0.3。
从通过使低折射率层12a及高折射率层12b的折射率满足n2-n1＞0.1，能够增大在高折射率层12b内传播的光的反射率且能够扩大在高折射率层12b内传播的衍射光相对于导光板12的法线的角度范围等观点而言较为优选。
并且，在本发明的导光元件10中，在将入射衍射元件(14R、14G及14B)及射出衍射元件(16R、16G及16B)的折射率设为nD时，优选满足n1＜Dn，更优选满足Dn-n1＞0.05，进一步优选满足Dn-n1＞0.1。
从通过使入射衍射元件及射出衍射元件的折射率和低折射率层的折射率满足n1＜Dn，能够防止在高折射率层12b与衍射元件的界面上的光的反射，从而能够优选地将光入射到衍射元件上等观点而言较为优选。
另外，在本发明中，折射率为波长550nm下的折射率。
并且，在部件具有双折射性的情况下，折射率为异常光线的折射率ne与普通光线的折射率no的平均值。
在本发明的导光元件10中，导光板12的低折射率层12a与高折射率层12b的厚度之差也并无限制。
在将低折射率层12a(第1导光层)的厚度设为d1且将高折射率层12b(第2导光层)的厚度设为d2时，优选满足d1≥d2，更优选满足d2/d1＜1.0，进一步优选满足d2/d1＜0.7，尤其优选满足d2/d1＜0.5。
从通过使低折射率层12a及高折射率层12b的厚度满足d2/d1＜0.7，能够缩小在高折射率层12b内反复反射而传播的光的传播方向上的反射位置的间隔，从而能够缩小由射出衍射元件衍射而射出的光的间隔等观点而言较为优选。
在图14中概念性地示出本发明的导光元件的另一例。
另外，图14是从与导光板的主表面正交的方向观察导光元件的图。即，图14是从图1中的图中上方观察导光元件的图。
图1所示的导光元件10具有：入射衍射部14，具有R入射衍射元件14R、G入射衍射元件14G及B入射衍射元件14B；以及射出衍射部16，具有R射出衍射元件16R、G射出衍射元件16G及B射出衍射元件16B。
相对于此，图14所示的导光元件50除了入射衍射部14及射出衍射部16以外，还具有中间衍射部52，所述中间衍射部52将R中间衍射元件、G中间衍射元件及B中间衍射元件层叠而成。
R中间衍射元件除了一个周期Λ不同以外，与R入射衍射元件14R相同，并且为选择性地反射红色图像R(红色光)的右旋圆偏振光的衍射元件。G中间衍射元件除了一个周期Λ不同以外，与G入射衍射元件14G相同，并且为选择性地反射绿色图像G(绿色光)的右旋圆偏振光的衍射元件。B中间衍射元件除了一个周期Λ不同以外，与B入射衍射元件14B相同，并且为选择性地反射蓝色图像B(蓝色光)的右旋圆偏振光的衍射元件。
另外，由R中间衍射元件、G中间衍射元件及B中间衍射元件选择性地反射的圆偏振光可以相同，也可以相互不同，例如可以与射出衍射元件相同。
在该导光元件50中，如图14所示，入射到入射衍射部14上的各色图像被入射衍射部14的R入射衍射元件14R、G入射衍射元件14G及B入射衍射元件14B朝向中间衍射部52反射(衍射)并入射到导光板12上。
入射到导光板12上的各色图像在导光板12内反射而从入射衍射部14传播到中间衍射部52上，并被中间衍射部52的R中间衍射元件、G中间衍射元件及B中间衍射元件朝向射出衍射部16反射(衍射)。另外，入射到导光板12上的各色图像根据向入射衍射部14的入射方向在高折射率层12b内反复反射而传播，或者在由低折射率层12a和高折射率层12b形成的导光板12的整个区域内反复反射而传播，这与上述导光元件10相同。关于这一点，被中间衍射部52反射的图像也相同。
被中间衍射部52衍射的各色图像在导光板12内反射而从中间衍射部52传播到射出衍射部16上以入射到射出衍射部16上，并被R射出衍射元件16R、G射出衍射元件16G及B射出衍射元件16B反射(衍射)而从导光板12射出。
在射出衍射部16中，被相对应的射出衍射元件衍射的图像从导光板12射出并射出到由使用人员U观察的位置上。
其中，与上述例相同地，从射出衍射部16射出的光与向入射衍射部14的入射方向无关地以窄的间隔反射(衍射)并射出到由使用人员U观察的位置上。因此，即使使用人员U的视线及眼睛的位置发生变动，也不会产生图像的局部断开，与显示元件中的显示位置无关地，均能够适当观察图像的整个区域。
通过具有这种中间衍射部52，在使用本发明的导光元件的AR玻璃等中，能够扩大视角(FOV(Field of View))。
另外，在中间衍射部52中，也优选使选择性地反射(衍射)的光的波长的排列与衍射元件的液晶取向图案的一个周期Λ的排列一致。
即，关于中间衍射部52的各衍射元件中的液晶取向图案的一个周期Λ，优选选择性的反射光的波长最长的R中间衍射元件的一个周期Λ最长，选择性的反射光的波长第二长的G中间衍射元件的一个周期Λ第二长，选择性的反射光的波长最短的B中间衍射元件的一个周期Λ最短。
作为构成中间衍射部52的衍射元件，除此以外，也能够利用各种公知的衍射元件。
并且，具有中间衍射部(中间衍射元件)的导光元件能够利用各种日本特表2006-546020号公报所示的结构等公知的结构。
以上，对本发明的导光元件及图像显示装置进行了详细说明，但是本发明并不限定于上述例，在不脱离本发明的宗旨的范围内，当然可以进行各种改善或变更。
实施例
以下举出实施例对本发明的特征进行更具体的说明。以下实施例所示的材料、试剂、使用量、物质量、比例、处理内容及处理步骤等，只要不脱离本发明的主旨，则能够适当变更。因此，本发明的范围不应被以下所示的具体例做限定性解释。
[实施例1]
(取向膜的形成)
作为支撑体，准备了玻璃基板。
通过旋涂将下述取向膜形成用涂布液涂布于支撑体上。将形成有该取向膜形成用涂布液的涂膜的支撑体在60℃的热板上干燥60秒钟，从而形成了取向膜P-1。
取向膜形成用涂布液
Figure BDA0003714955330000381
-光取向用原材料-
[化学式1]
Figure BDA0003714955330000382
(取向膜的曝光)
使用图8所示的曝光装置对取向膜进行曝光，从而形成了具有取向图案的取向膜P-1。
在曝光装置中，使用射出波长(325nm)的激光束的装置作为激光器。将基于干涉光的曝光量设为300mJ/cm2。另外，关于通过2个激光束的干涉而形成的取向图案的一个周期(光学轴旋转180°的长度)，通过改变2个光的交叉角(交叉角α)来控制。
＜液晶衍射元件的制作＞
作为形成液晶衍射元件的液晶组合物，制备了下述组合物G-1。该组合物G-1为形成反射右旋圆偏振光的胆甾醇型液晶层(胆甾醇型液晶相)的液晶组合物。
组合物G-1
Figure BDA0003714955330000391
棒状液晶化合物L-1
[化学式2]
Figure BDA0003714955330000392
手性试剂Ch-1
[化学式3]
Figure BDA0003714955330000401
手性试剂Ch-2
[化学式4]
Figure BDA0003714955330000402
使用旋涂机将上述液晶组合物G-1涂布于取向膜P-1上。
将液晶组合物G-1的涂膜在80℃的热板上加热了3分钟(180sec)。之后，在80℃下，在大气环境下，作为第1曝光工序，使用高压汞灯，经由300nm的长波通滤光片及350nm的短波通滤光片进行了曝光。第1曝光工序以在波长315nm下进行测定的光的照射量成为10mJ/cm2的方式进行。而且，在80℃下，在氮气环境下，作为第2曝光工序，使用高压汞灯以600mJ/cm2的照射量向涂膜照射波长365nm的紫外线，以将液晶组合物G-1固化而使液晶化合物的取向固定化，从而形成了胆甾醇型液晶层。
由此，制作了具有支撑体、取向膜及胆甾醇型液晶层的液晶衍射元件。
用偏振光显微镜确认了胆甾醇型液晶层成为如图3所示的周期性的取向表面的情况。另外，在胆甾醇型液晶层的液晶取向图案中，液晶化合物的光学轴旋转180°的一个周期为0.42μm。
并且，通过阿贝折射仪测定了胆甾醇型液晶层的折射率。其结果，胆甾醇型液晶层的折射率为1.6。
＜导光元件的制作＞
作为第1导光层，准备了折射率1.5、大小60mm×70mm、厚度0.5mm的玻璃板。
作为第2导光层，准备了折射率0.5、大小60mm×70mm、厚度0.5mm的玻璃板。
将第1导光层及第2导光层完全重叠，并使用聚乙烯醇(KURARAY CO.,LTD.制、PVA-117H)3％水溶液作为粘结剂进行粘贴，从而制作了导光板。
另外，在以下操作中，粘结剂全部使用了相同的粘结剂。
将所制作的液晶衍射元件切割成直径6mm的圆形，并设为G入射衍射元件。而且，将所制作的液晶衍射元件切割成20×25mm的大小，并设为G射出衍射元件。
另外，在切割各衍射元件时，调节切割的方向和衍射结构的周期方向，以在将各衍射元件配置于导光板上时使衍射结构的周期方向成为规定的方向并进行切割。
使用粘结剂将G入射衍射元件粘贴在导光板的第2导光层侧的长边方向的端部附近。并且，使用粘结剂将G射出衍射元件粘贴在导光板的第2导光层侧的与G入射衍射元件分开1mm的位置上，从而制作了导光元件。
另外，G入射衍射元件调节衍射元件的周期方向(排列轴D的方向)，以使其成为入射到G入射衍射元件上的光的衍射光向G射出衍射元件方向传播的方向，并进行了粘贴。并且，G射出衍射元件调节衍射元件的周期方向(排列轴D的方向)，以使其成为与G入射衍射元件的周期方向平行且衍射被G入射衍射元件衍射而在导光板内传播的光并向导光板外部射出的方向，并进行了粘贴。
[实施例2]
将第2导光层的玻璃板变更为折射率1.7的玻璃板来制作了导光板，除此以外，以与实施例1相同的方式制作了导光元件。
[实施例3]
将第1导光层的厚度变更为0.7mm且将第2导光层的厚度变更为0.3mm来制作了导光板，除此以外，以与实施例1相同的方式制作了导光元件。
[实施例4]
将第2导光层的玻璃板变更为折射率1.7的玻璃板，并且将第1导光层的厚度变更为0.7mm且将第2导光层的厚度变更为0.3mm来制作了导光板，除此以外，以与实施例1相同的方式制作了导光元件。
[实施例5]
＜中间衍射元件的制作＞
在通过图8所示的曝光装置对取向膜进行曝光时，改变2个光的交叉角(交叉角α)以使形成于取向膜上的取向图案的一个周期不同，除此以外，以与上述液晶衍射元件相同的方式在支撑体上形成了取向膜。
将组合物G-1涂布于该取向膜上，除此以外，以与液晶衍射元件相同的方式制作了具有支撑体、取向膜及胆甾醇型液晶层的中间衍射元件。
与液晶衍射元件相同地进行确认的结果，在胆甾醇型液晶层的液晶取向图案中，液晶化合物的光学轴旋转180°的一个周期为0.3μm，胆甾醇型液晶层的折射率为1.6。
＜导光元件的制作＞
将中间衍射元件切割成15(最大)×25mm的大小，并设为G中间衍射元件。
在切割G中间衍射元件时，调节切割的方向和衍射结构的周期方向，以在将各衍射元件配置于导光板上时使衍射结构的周期方向成为规定的方向并进行切割。
将与实施例1相同的G入射衍射元件及G射出衍射元件以及所形成的G中间衍射元件以如图14所示的配置粘贴在与实施例1相同的导光板上，从而制作了导光元件。衍射元件向导光板的粘贴全部在第2导光层侧进行。
另外，实施例1的导光板为使用粘结剂粘贴厚度0.5mm、折射率1.5的玻璃制的第1导光层和厚度0.5mm、折射率1.8的第2导光层而成的大小60mm×70mm的导光板。
G入射衍射元件和G中间衍射元件在左右方向(导光板的长边方向)上分开1mm而配置。G中间衍射元件和G射出衍射元件在上下方向(导光板的短边方向)上分开8mm而配置。
G入射衍射元件中的G衍射结构的周期方向(排列轴D的方向)与G射出衍射元件中的衍射结构的周期方向(排列轴D的方向)所形成的角度设为90°。并且，G入射衍射元件中的衍射结构的周期方向与相对于G中间衍射元件的衍射结构的周期方向(排列轴D的方向)的垂线所形成的角度及G射出衍射元件的衍射结构的周期方向与相对于G中间衍射元件的衍射结构的周期方向(排列轴D的方向)的垂线所形成的角度均设为45°。
[实施例6]
将第1导光层的厚度变更为0.7mm且将第2导光层的厚度变更为0.3mm来制作了导光板，除此以外，以与实施例5相同的方式制作了导光元件。
[比较例1]
使用厚度1mm、折射率1.6的玻璃板作为导光板，除此以外，以与实施例1相同的方式制作了导光元件。
[评价]
将波长532nm的光以入射角15°入射到所制作的各导光元件的G入射衍射元件上。另外，入射角15°是指相对于法线的角度为15°。
将来自G射出衍射元件的射出光投影到屏幕上，并测定了射出光的间隔。
将结果示于下述表1中。
[表1]
Figure BDA0003714955330000431
如表1所示，根据使用由低折射率的第1导光层及高折射率的第2导光层形成的导光板的本发明的导光元件，与导光板的厚度相同的比较例1相比，射出光的间隔大幅度变窄，即，能够抑制图像的局部断开而能够适当观察图像整体。
并且，根据实施例1与实施例3、实施例2与实施例4及实施例5与实施例6的比较，通过使高折射率的第2导光层比低折射率的第1导光层薄，能够缩小射出光的间隔而能够更优选抑制图像的局部断开。
而且，根据实施例1与实施例2的比较及实施例3与实施例4的比较，通过增大高折射率的第2导光层与低折射率的第1导光层的折射率之差，能够缩小射出光的间隔而能够更优选抑制图像的局部断开。
根据以上结果，可以明确本发明的效果。
产业上的可利用性
能够优选用于AR玻璃等使用导光板的显示装置中。
符号说明
10、50-导光元件，12、12A-导光板，14-入射衍射部，14R-R入射衍射元件，14G-G入射衍射元件，14B-B入射衍射元件，16-射出衍射部，16R-R射出衍射元件，16G-G射出衍射元件，16B-射出衍射元件，30-支撑体，32-取向膜，34、36-液晶层，40-液晶化合物，40A-光学轴，42-明部，44-暗部，52-中间衍射部，60-曝光装置，62-激光器，64-光源，65-λ/2片，68-偏振光束分离器，70A、70B-反射镜，72A、72B-λ/4片，RR-红色的右旋圆偏振光，M-激光束，MA、MB-光线，PO-直线偏振光，PR-右旋圆偏振光，PL-左旋圆偏振光，L1、L4-入射光，L2、L5-透射光，U-使用人员，D-排列轴，Λ-一个周期(衍射结构的周期)，P-节距。

Claims (12)

1.一种导光元件，其特征在于，具有：
导光板，具有第1导光层及第2导光层；以及
入射衍射元件及射出衍射元件，所述入射衍射元件层叠于所述导光板的所述第2导光层上，所述射出衍射元件层叠于所述导光板的所述第2导光层上，
在所述导光板中，在将所述第1导光层的折射率设为n1且将所述第2导光层的折射率设为n2时，满足n1＜n2。
2.根据权利要求1所述的导光元件，其中，
在所述导光板中，在将所述第1导光层的厚度设为d1且将所述第2导光层的厚度设为d2时，满足d1≥d2。
3.根据权利要求1或2所述的导光元件，其中，
所述第1导光层的折射率n1及所述第2导光层的折射率n2满足n2-n1＞0.1。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的导光元件，其中，
所述第1导光层的厚度d1及所述第2导光层的厚度d2满足d2/d1＜0.7。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的导光元件，其中，
在将入射衍射元件及所述射出衍射元件的折射率设为nD时，所述第1导光层的折射率n1及所述折射率nD满足n1＜nD。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的导光元件，其中，
所述入射衍射元件及所述射出衍射元件中的至少一个为表面浮雕衍射元件、体积全息图衍射元件及偏振衍射元件中的任一个。
7.根据权利要求6所述的导光元件，其中，
所述偏振衍射元件具有液晶衍射层，所述液晶衍射层使用包含液晶化合物的组合物而形成，并且具有源自所述液晶化合物的光学轴的朝向一边沿面内的至少一个方向连续旋转一边发生变化的液晶取向图案。
8.根据权利要求7所述的导光元件，其中，
所述液晶衍射层具有所述液晶化合物的光学轴的朝向在厚度方向上以螺旋状扭转旋转的区域。
9.根据权利要求8所述的导光元件，其中，
所述液晶衍射层具有将胆甾醇型液晶相固定而成的胆甾醇型液晶层。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的导光元件，其中，
所述入射衍射元件及所述射出衍射元件中的至少一个的衍射结构的周期为0.1～10μm。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的导光元件，其中，所述导光元件具有中间衍射元件，所述中间衍射元件设置于所述导光板上的光的传播路径的所述入射衍射元件与所述射出衍射元件之间。
12.一种图像显示装置，其具有：
权利要求1至11中任一项所述的导光元件；及
显示元件，向所述入射衍射元件照射图像。
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