CN116224660A - 光学元件、可变焦元件以及头戴式显示器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供光学元件、可变焦元件及头戴式显示器，光学元件具备：液晶单元，其具备第一基板、液晶层以及第二基板；及1/4波长膜，上述液晶层含有扭曲取向的液晶分子，上述液晶单元具有电极，上述电极配置为能够通过对上述液晶层施加电压来切换第一状态和第二状态，上述第一状态和上述第二状态的切换控制入射到上述液晶单元的光的偏振状态，在圆偏振光入射到上述液晶单元的情况下，在上述第一状态下，上述圆偏振光转换为第一直线偏振光，在上述第二状态下，上述圆偏振光转换为第二直线偏振光，在直线偏振光入射到上述液晶单元的情况下，在上述第一状态下，上述直线偏振光转换为第一圆偏振光，在上述第二状态下，上述直线偏振光转换为第二圆偏振光。

Description

光学元件、可变焦元件以及头戴式显示器
技术领域
以下的公开涉及光学元件、具备上述光学元件的可变焦元件以及具备上述可变焦元件的头戴式显示器。
背景技术
近年来是了面向头戴式显示器等，提出了组合潘查拉特南-贝里(PB：Pancharatnam Berry)透镜和可变1/2波长板(sHWP：Switchable Half Wave Plate)等光学元件的可变焦点光学系统。sHWP是能够切换左右圆偏振光的偏振状态的器件，通过液晶来实现。
作为与可变焦点光学系统相关的技术，例如，在专利文献1中公开了一种显示设备，其具备波导管和宽频带自适应透镜组件，所述波导管构成为将光向与波导管的输出表面平行的侧方向引导，进而构成为将所述被引导的光通过所述输出表面而外部结合，所述宽频带自适应透镜组件构成为穿过该宽频带自适应透镜组件而将来自所述波导管的外部结合的光进行内部结合以及衍射。
在专利文献2中，公开了具备sHWP和多个液晶透镜的可变焦点块。
专利文献3公开了一种消色偏振开关，其是转换初始偏振取向的直线偏振光的消色偏振开关，其具备：第一液晶(LC)单元，其针对所述初始偏振取向具有第一取向轴；第二LC单元，其针对所述第一取向轴具有第二取向轴。
专利文献4中公开了具备第一层叠双折射层和第二层叠双折射层的光学元件，所述第一层叠双折射层和第二层叠双折射层各自的本地光轴在该第一层和第二层各自的厚度上以各自的扭转角旋转，并沿着该第一层与第二层之间的界面排列。
现有技术文献
专利文献
[专利文献1]：特表2021-501361号公报[专利文献2]：美国专利10379419号说明书[专利文献3]：特表2009-524106号公报[专利文献4]：特表2014-528597号公报
发明内容
本发明所要解决的技术问题
在上述专利文献1～4中，存在如下课题：难以在宽频带中切换偏振光调制和偏振光非调制，该偏振光调制为对左右圆偏振光的偏振状态进行转换，该偏振光非调制为对左右圆偏振光的偏振状态不进行转换，并且难以实现可薄型化的装置结构。
本发明是鉴于上述现状而完成的，其目的在于，提供能够在宽频带中切换偏振光调制和偏振光非调制并且能够薄型化的光学元件、具备上述光学元件的可变焦元件以及具备上述可变焦元件的头戴式显示器。
用于解决技术问题的技术方案
(1)本发明的一实施方式的光学元件包括：液晶单元，其具备第一基板、液晶层以及第二基板；以及1/4波长膜，上述液晶层含有在上述第一基板与上述第二基板之间扭曲取向的液晶分子，上述液晶单元在上述第一基板以及上述第二基板的至少一方具有对上述液晶层施加电压用的电极，上述电极配置成能够通过对上述液晶层施加电压来切换第一状态和第二状态，上述第一状态是上述第一基板侧的上述液晶分子在第一取向方向上排列的状态，上述第二状态是上述第一基板侧的上述液晶分子在俯视时在与上述第一取向方向正交的第二取向方向上排列的状态，上述第一状态与上述第二状态的切换是用于对入射到上述液晶单元的光的偏振状态进行控制，当圆偏振光入射到上述液晶单元时，在上述第一状态下，上述圆偏振光被转换为第一直线偏振光，在上述第二状态下，上述圆偏振光被转换为第二直线偏振光，上述第二直线偏振光在俯视时具有与上述第一直线偏振光的偏振方向正交的偏振方向，当直线偏振光入射到上述液晶单元时，在上述第一状态下，上述直线偏振光被转换成第一圆偏振光，在上述第二状态下，上述直线偏振光转换成第二圆偏振光，上述第二圆偏振光向与上述第一圆偏振光的旋转方向相反的方向旋转。
(2)此外，本发明的某一实施方式的光学元件，在上述(1)的构成的基础上，上述液晶单元还具有：第一弱锚定力的水平取向膜，其配置在上述第一基板与上述液晶层之间；以及第二弱锚定力的水平取向膜，其配置在上述液晶层与上述第二基板之间，上述电极在上述第一基板具有第一梳齿电极，上述第一梳齿电极以梳齿状的像素电极与共用电极彼此的梳齿嵌合的方式设置，在上述第二基板具有第二梳齿电极，上述第二梳齿电极以梳齿状的像素电极与共用电极彼此的梳齿嵌合的方式设置，在俯视时，上述第一梳齿电极的延伸方向相对于上述第二梳齿电极的延伸方向倾斜设置。
(3)此外，本发明的某一实施方式的光学元件，在上述(1)的构成的基础上，上述液晶单元还具有：弱锚定力的水平取向膜，其配置在上述第一基板与上述液晶层之间；以及垂直取向膜，其配置在上述液晶层与上述第二基板之间，上述电极具有：第一梳齿电极，其在上述第一基板上以梳齿状的像素电极与共用电极彼此的梳齿嵌合的方式设置；以及第二梳齿电极，其隔着绝缘层与上述第一梳齿电极重叠，且以梳齿状的像素电极与共用电极彼此的梳齿嵌合的方式设置，在俯视时，上述第一梳齿电极的延伸方向与上述第二梳齿电极的延伸方向正交。
(4)此外，本发明的某一实施方式的光学元件，在上述(1)的构成的基础上，上述电极具有：第一梳齿电极，其在上述第一基板上以梳齿状的像素电极与共用电极彼此的梳齿嵌合的方式设置；第二梳齿电极，其隔着第一绝缘层与上述第一梳齿电极重叠，且以梳齿状的像素电极与共用电极彼此的梳齿嵌合的方式设置；第三梳齿电极，其在上述第二基板上以梳齿状的像素电极与共用电极彼此的梳齿嵌合的方式设置；以及第四梳齿电极，其隔着第二绝缘层与上述第三梳齿电极重叠，且以梳齿状的像素电极与共用电极彼此的梳齿嵌合的方式设置，在俯视时，上述第一梳齿电极的延伸方向与上述第二梳齿电极的延伸方向正交，上述第三梳齿电极的延伸方向与上述第四梳齿电极的延伸方向正交，上述第一梳齿电极的延伸方向相对于上述第三梳齿电极的延伸方向倾斜地设置。
(5)此外，本发明的某一实施方式的光学元件，在上述(1)的构成的基础上，上述液晶单元还具有配置在上述第一基板与上述液晶层之间的、在两个方向上具有取向稳定方向的双稳定取向膜，上述电极在上述第一基板具有第一梳齿电极，上述第一梳齿电极以梳齿状的像素电极与共用电极彼此的梳齿嵌合的方式设置，在上述第二基板具有第二梳齿电极，上述第二梳齿电极以梳齿状的像素电极与共用电极彼此的梳齿嵌合的方式设置，在俯视时，上述第一梳齿电极的延伸方向相对于上述第二梳齿电极的延伸方向倾斜设置。
(6)此外，本发明的某一实施方式的光学元件，在上述(1)的构成的基础上，上述液晶单元还具有：第一垂直取向膜，其配置在上述第一基板与上述液晶层之间；以及第二垂直取向膜，其配置在上述液晶层与上述第二基板之间，上述电极在上述第一基板上具有面状的第一电极、以及第二电极，上述第二电极隔着第一绝缘层与上述第一电极重叠且设有狭缝部，在上述第二基板上具有面状的第三电极、以及第四电极，上述第四电极隔着第二绝缘层与上述第三电极重叠且设有狭缝部，在俯视时，设置在上述第二电极上的上述狭缝部的延伸方向相对于设置在上述第四电极上的上述狭缝部的延伸方向倾斜地配置。
(7)此外，本发明的某一实施方式的光学元件，在上述(1)、上述(2)、上述(3)、上述(4)、上述(5)及上述(6)的构成的基础上，上述液晶层的折射率各向异性Δn为0.12以下。
(8)此外，本发明的某一实施方式的光学元件，在上述(1)、上述(2)、上述(3)、上述(4)、上述(5)、上述(6)及上述(7)的构成的基础上，上述1/4波长膜为第一1/4波长膜，在上述第一1/4波长膜的与上述液晶单元相反的一侧还具备第二1/4波长膜。
(9)此外，本发明的某一实施方式的光学元件，在上述(8)的构成的基础上，上述第一1/4波长膜具有反波长色散特性。
(10)此外，本发明的某一实施方式的光学元件，在上述(8)或上述(9)的构成的基础上，上述第一1/4波长膜的、波长450nm的面内相位差相对于波长550nm的面内相位差为0.7倍以上且1倍以下。
(11)此外，本发明的某一实施方式的光学元件，在上述(8)、上述(9)或上述(10)的构成的基础上，上述第一1/4波长膜的、波长650nm的面内相位差相对于波长550nm的面内相位差为1倍以上且1.3倍以下。
(12)此外，本发明的某一实施方式的光学元件，在上述(8)、上述(9)、上述(10)或上述(11)的构成的基础上，上述第一1/4波长膜的波长550nm的面内相位差是30nm以上且230nm以下。
(13)此外，本发明的某一实施方式的光学元件，在上述(8)、上述(9)、上述(10)、上述(11)或上述(12)的构成的基础上，上述第二1/4波长膜具有平坦波长色散特性。
(14)此外，本发明的某一实施方式的光学元件，在上述(8)、上述(9)、上述(10)、上述(11)、上述(12)或上述(13)的构成的基础上，上述第二1/4波长膜的波长550nm的面内相位差为110nm以上且175nm以下。
(15)此外，本发明的其他实施方式的可变焦元件，其具备：上述(1)、上述(2)、上述(3)、上述(4)、上述(5)、上述(6)、上述(7)、上述(8)、上述(9)、上述(10)、上述(11)、上述(12)、上述(13)或上述(14)所述的光学元件；以及潘查拉特南-贝里透镜。
(16)此外，本发明的某一实施方式的可变焦元件，在上述(15)的构成的基础上，上述潘查拉特南-贝里透镜配置在上述光学元件内。
(17)此外，本发明的其他实施方式的头戴式显示器，其具备上述(15)或上述(16)的可变焦元件。
(18)此外，本发明的其他实施方式的光学元件，在上述(1)的构成的基础上，上述液晶单元还具有：第一垂直取向膜，其配置在上述第一基板与上述液晶层之间；以及第二垂直取向膜，其配置在上述液晶层与上述第二基板之间，上述液晶层含有具有负的介电常数各向异性的液晶分子，上述第一垂直取向膜及上述第二垂直取向膜的至少一方控制无电压施加状态下的上述液晶分子的倾斜方向。
(19)此外，本发明的某一实施方式的光学元件，在上述(18)的构成的基础上，上述电极在上述第一基板和上述第二基板中的至少一方具有：面状电极；以及电极，其隔着绝缘层与上述面状电极重叠并且设置有狭缝部。
(20)此外，本发明的某一实施方式的光学元件，在上述(18)或上述(19)的构成的基础上，设有上述狭缝部的电极的间距为1μm以上且5μm以下。
(21)此外，本发明的某一实施方式的光学元件，在上述(18)、上述(19)或上述(20)的构成的基础上，上述第一垂直取向膜和上述第二垂直取向膜的至少一方是弱锚定力的垂直取向膜。
(22)此外，本发明的某一实施方式的光学元件，在上述(18)、上述(19)、上述(20)或上述(21)的构成的基础上，上述液晶层在波长550nm下的施加电压状态下的延迟Δnd为180nm以上且280nm以下。
(23)此外，本发明的某一实施方式的光学元件，在上述(18)、上述(19)、上述(20)、上述(21)或上述(22)的构成的基础上，上述液晶层的折射率各向异性Δn为0.12以下。
(24)此外，本发明的某一实施方式的光学元件，在上述(18)、上述(19)、上述(20)、上述(21)、上述(22)或上述(23)的构成的基础上，入射到上述光学元件上的光是圆偏振光。
(25)此外，本发明的某一实施方式的可变焦元件，其具备上述(18)、上述(19)、上述(20)、上述(21)、上述(22)、上述(23)或上述(24)所述的光学元件和潘查拉特南-贝里透镜。
(26)此外，本发明的某一实施方式的可变焦元件，在上述(25)的构成的基础上，上述潘查拉特南-贝里透镜被配置在上述光学元件内。
(27)此外，本发明的某一实施方式的头戴式显示器，其具备上述(25)或上述(26)所述的可变焦元件。
有益效果
根据本发明，能够提供能够在宽频带中切换偏振光调制和偏振光非调制且能够薄型化的光学元件、具备上述光学元件的可变焦元件以及具备上述可变焦元件的头戴式显示器。
附图说明
图1是第一实施方式的光学元件的截面示意图。
图2是第一实施方式的光学元件所具备的液晶单元的立体示意图。
图3是对第一实施方式的光学元件的第一状态和第二状态下的液晶分子的取向进行说明的示意图。
图4是对第一实施方式的光学元件的第一状态和第二状态下的偏振状态进行说明的示意图。
图5是表示第一实施方式的光学元件的轴方位的一个示例的图。
图6是表示第一实施方式的光学元件的第一状态下的各层的斯托克斯曲线的图。
图7是比较方式1的光学元件的截面示意图。
图8是比较方式2的光学元件的截面示意图。
图9是表示第一实施方式、比较方式1以及比较方式2的光学元件的调制时的斯托克斯参数S3的波长色散的一个示例的曲线图。
图10是第二实施方式的光学元件所具备的液晶单元的截面示意图。
图11是第二实施方式的光学元件所具备的液晶单元的立体示意图。
图12是表示施加于第二实施方式的光学元件的电场的方向的俯视示意图。
图13是表示第二实施方式的光学元件的轴方位的一个示例的图。
图14是第三实施方式的光学元件所具备的液晶单元的立体示意图。
图15是对第三实施方式的光学元件的第一状态和第二状态下的液晶分子的取向进行说明的示意图。
图16是第四实施方式的光学元件所具备的液晶单元的立体示意图。
图17是第五实施方式的光学元件所具备的液晶单元的截面示意图。
图18是第五实施方式的光学元件所具备的液晶单元的立体示意图。
图19是表示第五实施方式的光学元件的轴方位的一个示例的图。
图20是对第五实施方式的光学元件的第一状态和第二状态下的液晶分子的取向进行说明的示意图。
图21是第六实施方式的光学元件的截面示意图。
图22是第六实施方式的光学元件所具备的液晶单元的立体示意图。
图23是表示第六实施方式的光学元件的轴方位的一个示例的图。
图24是第七实施方式的可变焦元件的截面示意图。
图25是第七实施方式的可变焦元件所具备的PB透镜的截面示意图的一个示例。
图26是第七实施方式的变形例1的可变焦元件的截面示意图。
图27是第七实施方式的变形例1的可变焦元件的放大截面示意图。
图28是表示第七实施方式的变形例1的可变焦元件所具备的PB透镜的取向图案的俯视示意图。
图29是说明第七实施方式的变形例1的可变焦元件的详细构成的截面示意图。
图30是对第七实施方式的变形例1的可变焦元件在F-2.5模式下的偏振状态进行说明的图。
图31是第八实施方式的头戴式显示器的截面示意图。
图32是表示第八实施方式的头戴式显示器的外观的一个示例的立体示意图。
图33是对施加于实施例1的光学元件的电压进行说明的图表。
图34是表示相对于实施例1的光学元件所具备的液晶层的延迟的、非调制时的斯托克斯参数S3的图表。
图35是表示相对于实施例1的光学元件所具备的液晶层的延迟的、调制时的斯托克斯参数S3的图表。
图36是表示相对于实施例1的光学元件所具备的液晶层的扭曲角(twist angle)的、非调制时的斯托克斯参数S3的图表。
图37是表示相对于实施例1的光学元件所具备的液晶层的扭曲角的、调制时的斯托克斯参数S3的图表。
图38是表示相对于实施例1的光学元件所具备的反向波长色散的1/4波长膜的滞相轴的方位角的、非调制时的斯托克斯参数S3的图表。
图39是表示相对于实施例1的光学元件所具备的反向波长色散的1/4波长膜的滞相轴的方位角的、调制时的斯托克斯参数S3的图表。
图40是表示相对于实施例1的光学元件所具备的反向波长色散的1/4波长膜的相位差的、非调制时的斯托克斯参数S3的图表。
图41是表示相对于实施例1的光学元件所具备的反向波长色散的1/4波长膜的相位差的、调制时的斯托克斯参数S3的图表。
图42是表示相对于实施例1的光学元件所具备的平坦波长色散的1/4波长膜的滞相轴的方位角的、非调制时的斯托克斯参数S3的图表。
图43为表示相对于实施例1的光学元件所具备的平坦波长色散的1/4波长膜的滞相轴的方位角的、调制时的斯托克斯参数S3的图表。
图44是表示相对于实施例1的光学元件所具备的平坦波长色散的1/4波长膜的相位差的、非调制时的斯托克斯参数S3的图表。
图45是表示相对于实施例1的光学元件所具备的平坦波长色散的1/4波长膜的相位差的、调制时的斯托克斯参数S3的图表。
图46是比较例1的光学元件的截面示意图。
图47是比较例2的光学元件的截面示意图。
图48是表示实施例1、比较例1和比较例2的光学元件的调制时的斯托克斯参数S3的波长色散的图表。
图49是表示实施例1、比较例1和比较例2的光学元件的非调制时的斯托克斯参数S3的波长色散的图表。
图50是表示实施例1、实施例2和比较例1的光学元件的调制时的斯托克斯参数S3的波长色散的图表。
图51是表示实施例1、实施例2和比较例1的光学元件的非调制时的斯托克斯参数S3的波长色散的图表。
图52是对实施例4-1的光学元件所具备的双稳定取向膜的取向方向进行说明的图。
图53是对实施例4-2的光学元件所具备的双稳定取向膜的取向方向进行说明的图。
图54是对实施例5的光学元件的第一状态下的施加电压进行说明的图表。
图55是表示实施例1、实施例2、实施例5、比较例1和比较例2的光学元件的、调制时的斯托克斯参数S3的波长色散的图表。
图56是表示实施例1、实施例2、实施例5、比较例1和比较例2的光学元件的、非调制时的斯托克斯参数S3的波长色散的图表。
图57是表示实施例1、实施例2、实施例5、实施例6、比较例1和比较例2的光学元件的、调制时的斯托克斯参数S3的波长色散的图表。
图58是表示实施例1、实施例2、实施例5、实施例6、比较例1和比较例2的光学元件的、非调制时的斯托克斯参数S3的波长色散的图表。
图59是表示实施例7的可变焦元件所具备的光学元件的轴方位的图。
图60是对实施例7的可变焦元件的制造工序中的第一取向处理进行说明的示意图。
图61是对实施例7的可变焦元件的制造工序中的第二取向处理进行说明的示意图。
图62是对实施例7的可变焦元件的制造工序中的第三取向处理进行说明的示意图。
图63是对实施例7的可变焦元件的制造工序中的第四取向处理进行说明的示意图。
图64是第九实施方式的光学元件的截面示意图。
图65是第九实施方式的光学元件所具备的液晶单元的截面示意图。
图66是对第九实施方式的光学元件的第一状态和第二状态下的液晶分子的取向进行说明的示意图。
图67是表示第九实施方式的光学元件的、第一状态下的各层的斯托克斯曲线的图。
图68是对第九实施方式的光学元件的、第一状态下的偏振状态进行说明的示意图。
图69是第十实施方式的光学元件的截面示意图。
图70是第十实施方式的光学元件所具备的液晶单元的截面示意图。
图71是对第十实施方式的光学元件的第一状态和第二状态下的液晶分子的取向进行说明的示意图。
图72是第十一实施方式的光学元件的截面示意图。
图73是第十一实施方式的光学元件所具备的液晶单元的截面示意图。
图74是对第十一实施方式的光学元件的第一状态和第二状态下的液晶分子的取向进行说明的示意图。
图75是第十二实施方式的光学元件的截面示意图。
图76是第十二实施方式的光学元件所具备的液晶单元的截面示意图。
图77是对第十二实施方式的光学元件的第一状态和第二状态下的液晶分子的取向进行说明的示意图。
图78是第十三实施方式的变形例的可变焦元件的截面示意图。
图79是第十三实施方式的变形例的可变焦元件的放大截面示意图。
图80是对第十三实施方式的变形例的光学元件的、第一状态和第二状态下的液晶分子的取向进行说明的示意图。
图81是说明第十三实施方式的变形例的可变焦元件的详细构成的截面示意图。
图82是对第十三实施方式的变形例的可变焦元件在F-2.5模式下的偏振状态进行说明的图。
图83是对实施例8的光学元件的第一状态下的施加电压进行说明的图表。
图84是对实施例8的光学元件的第二状态下的施加电压进行说明的图表。
图85是比较例3的光学元件的截面示意图。
图86是比较例4的光学元件的截面示意图。
图87是表示实施例8、比较例3以及比较例4的光学元件的调制时的斯托克斯参数S3的波长色散的图表。
图88是表示实施例8、比较例3以及比较例4的光学元件的非调制时的斯托克斯参数S3的波长色散的图表。
图89是对实施例9的光学元件的第一状态下的施加电压进行说明的图表。
图90是对实施例9的光学元件的第二状态下的施加电压进行说明的图表。
图91是表示实施例8、实施例9以及比较例3的光学元件的调制时的斯托克斯参数S3的波长色散的图表。
图92是表示实施例8、实施例9以及比较例3的光学元件的非调制时的斯托克斯参数S3的波长色散的图表。
图93是对实施例10的光学元件的第一状态下的施加电压进行说明的图表。
图94是对实施例10的光学元件的第二状态下的施加电压进行说明的图表。
图95是表示实施例8～实施例10以及比较例3的光学元件的调制时的斯托克斯参数S3的波长色散的图表。
图96是表示实施例8～实施例10以及比较例3的光学元件的非调制时的斯托克斯参数S3的波长色散的图表。
图97是对实施例11的光学元件的第一状态下的施加电压进行说明的图表。
图98是对实施例11的光学元件的第二状态下的施加电压进行说明的图表。
图99是对实施例12的光学元件的第一状态下的施加电压进行说明的图表。
图100是对实施例12的光学元件的第二状态下的施加电压进行说明的图表。
图101是表示比较例3的光学元件的非调制时的视角特性的模拟结果的图。
图102是表示比较例3的光学元件的调制时的视角特性的模拟结果的图。
图103是表示实施例9的光学元件的非调制时的视角特性的模拟结果的图。
图104是表示实施例9的光学元件的调制时的视角特性的模拟结果的图。
图105是表示实施例12的光学元件的非调制时的视角特性的模拟结果的图。
图106是表示实施例12的光学元件的调制时的视野角特性的模拟结果的图。
图107是表示实施例13的光学元件非调制时的视角特性的模拟结果的图。
图108是表示实施例13的光学元件的调制时的视野角特性的模拟结果的图。
具体实施方式
以下，对本发明的实施方式进行说明。本发明并不限定于以下的实施方式所记载的内容，能够在满足本发明的构成的范围内适当进行设计变更。另外，在以下的说明中，对于相同的部分或具有相同功能的部分，在不同的附图之间共通适当使用相同的附图标记，适当省略其重复的说明。本发明的各方式也可以在不脱离本发明的主旨的范围内适当组合。
(用语的定义)
在本说明书中，方位是指将成为对象的方向投影到光学元件的出射侧的基板面上时的方向，由与作为基准的方位之间形成的角度(方位角)来表现。在此，作为基准的方位(0°)被设定为将上述第一状态下的上述第一基板侧的液晶分子的取向方向投影到光学元件的出射侧的基板面上时的方向。即，第一状态下的第一基板侧的液晶分子的取向方向的方位角设定为0°。方位角从作为基准的方位起逆时针方向为正的角度，从作为基准的方位起顺时针方向为负的角度。逆时针方向和顺时针方向均表示从出射侧观察光学元件时的旋转方向。此外，方位角表示在从出射侧俯视光学元件的状态下测量的值。
在本说明书中，两条直线(包括轴、方向以及方位)相互正交意味着在从出射侧俯视光学元件的状态下正交。此外，两条直线的一条直线相对于另一条直线倾斜设置是指，在从出射侧俯视光学元件的状态下，一条直线相对于另一条直线倾斜设置。此外，两条直线所成的角度表示从出射侧俯视光学元件的状态下的一条直线与另一条直线所成的角度。
在本说明书中，两条直线(包括轴、方向以及方位)正交是指两者所成的角度为90°±3°，优选为90°±1°，更优选为90°±0.5°，特别优选为90°(完全正交)。两条直线平行是指两者所成的角度为0°±3°，优选0°±1°，更优选0°±0.5°，特别优选0°(完全平行)。
在本说明书中，面内方向的延迟(面内相位差)Rp由Rp＝(ns-nf)d定义。此外，厚度方向的延迟Rth由Rth＝(nz-(nx+ny)/2)d定义。ns是指nx、ny中较大的一方，nf是较小的一方。此外，nx和ny表示双折射层(包含相位差膜和液晶层)的面内方向的主折射率，nz表示面外方向、即与双折射层的面垂直的方向的主折射率，d表示双折射层的厚度。
另外，本说明书中，主折射率、相位差等光学参数的测量波长只要没有特别说明，则为550nm。
以下，对本发明的实施方式进行说明。本发明并不限定于以下的实施方式所记载的内容，能够在满足本发明的构成的范围内适当进行设计变更。
(第一实施方式)
图1是第一实施方式的光学元件的截面示意图。图2是第一实施方式的光学元件所具备的液晶单元的立体示意图。图3是对第一实施方式的光学元件的第一状态和第二状态下的液晶分子的取向进行说明的示意图。图4是对第一实施方式的光学元件的第一状态和第二状态下的偏振状态进行说明的示意图。图5是表示第一实施方式的光学元件的轴方位的一个示例的图。
图1～图5所示，本实施方式的光学元件10具备液晶单元11和作为上述1/4波长膜的第一1/4波长膜12，液晶单元11具备第一基板100、液晶层300和第二基板200，液晶层300含有在第一基板100和第二基板200之间扭曲取向的液晶分子310。液晶单元11在第一基板100及第二基板200的至少一方具有对液晶层300施加电压用的电极11E。电极11E配置为通过对液晶层300的电压施加，能够切换第一状态和第二状态，第一状态为第一基板100侧的液晶分子311排列于第一取向方向311A，第二状态为第一基板100侧的液晶分子311在俯视时排列于与第一取向方向311A正交的第二取向方向311B。上述第一状态与上述第二状态的切换是对入射到液晶单元11的光的偏振状态进行控制的，当圆偏振光入射到液晶单元11的情况下，在上述第一状态下，上述圆偏振光被转换为第一直线偏振光，在上述第二状态下，上述圆偏振光被转换为第二直线偏振光，第二直线偏振光在俯视时具有与上述第一直线偏振光的偏振方向正交的偏振方向，当直线偏振光入射到液晶单元11的情况下，在上述第一状态下，上述直线偏振光被转换为第一圆偏振光，在上述第二状态下，上述直线偏振光被转换为向与上述第一圆偏振光的旋转方向相反的方向旋转的第二圆偏振光。通过采用这样的方式，从而能够在抑制光学元件10的厚度的同时，在宽频带中切换不调制入射到光学元件10的圆偏振光而出射的状态和调制入射到光学元件10的圆偏振光而出射的状态。即，能够实现可在宽频带切换偏振光调制及偏振光非调制且可薄型化的光学元件10。
在上述第一状态下，第一基板100侧的液晶分子311排列在第一取向方向311A，在上述第二状态下，第一基板100侧的液晶分子311在俯视时排列在与第一取向方向311A正交的第二取向方向311B。在此，第一基板侧的液晶分子的取向方向为在第一基板附近水平取向的液晶分子的取向方向。更具体而言，在设置于第一基板的液晶层侧的取向膜为水平取向膜的情况下，第一基板侧的液晶分子的取向方向是指位于液晶层的第一基板侧的界面的液晶分子的取向方向。在设置于第一基板的液晶层侧的取向膜为垂直取向膜的情况下，由于位于液晶层的第一基板侧的界面的液晶分子垂直取向，因此，第一基板侧的液晶分子的取向方向是指位于比第一基板侧的界面更靠液晶层的内侧的、处于水平取向状态的液晶分子的取向方向。
同样地，第二基板侧的液晶分子的取向方向是指在第二基板附近水平取向的液晶分子的取向方向。更具体而言，在设置于第二基板的液晶层侧的取向膜为水平取向膜的情况下，第二基板侧的液晶分子的取向方向是指位于液晶层的第二基板侧的界面的液晶分子的取向方向。在设置于第二基板的液晶层侧的取向膜是垂直取向膜的情况下，由于位于液晶层的第二基板侧的界面的液晶分子垂直取向，因此第二基板侧的液晶分子的取向方向是指位于比第二基板侧的界面更靠液晶层的内侧的、处于水平取向状态的液晶分子的取向方向。
在此，第一基板侧的液晶分子的取向方向以及第二基板侧的液晶分子的取向方向能够通过Axostan(“オプトサイエンス社”制造)测量液晶单元，并从输出的米勒矩阵(Mueller matrix)进行测量。具体而言，在填充有正型的液晶分子的情况下，在无电压施加时测量，在填充有负型的液晶分子的情况下，在施加电压时(例如5V)进行测量。此外，通过在Axostan内使液晶的单元厚度、扭曲角拟合的软件，也能够求出第一基板侧的液晶分子的取向方向以及第二基板侧的液晶分子的取向方向。
上述第一状态与上述第二状态的切换是对入射到液晶单元11的光的偏振状态进行控制的。当圆偏振光入射到液晶单元11时，在上述第一状态下，上述圆偏振光被转换为第一直线偏振光，在上述第二状态下，上述圆偏振光被转换为第二直线偏振光，该第二直线偏振光在俯视时具有与上述第一直线偏振光的偏振方向正交的偏振方向。当直线偏振光入射到液晶单元11时，在上述第一状态下，上述直线偏振光被转换为第一圆偏振光，在上述第二状态下，上述直线偏振光被转换为第二圆偏振光，该第二圆偏振光向与上述第一圆偏振光的旋转方向相反的方向旋转。
在此，当圆偏振光入射到液晶单元11时，在第一状态下，该圆偏振光大致被转换为第一直线偏振光即可。例如，在第一状态下，可以在波长550nm附近(具体为波长530nm以上、570nm以下)为第一直线偏振光，在其它波长成为椭圆偏振光。此外，在第二状态下，该圆偏振光大致转换为第二直线偏振光即可。例如，在第二状态下，在波长550nm附近(具体为波长530nm以上、570nm以下)也可以为第二直线偏振光，在其它波长上形成椭圆偏振光。
此外，当直线偏振光入射到液晶单元11时，在第一状态下，该直线偏振光大致转换为第一圆偏振光即可。例如，在第一状态下，可以在波长550nm附近(具体为波长530nm以上、570nm以下)为第一圆偏振光，在其它波长成为椭圆偏振光。此外，在第二状态下，该直线偏振光大致转换为第二圆偏振光即可。例如，在第二状态下，在波长550nm附近(具体为波长530nm以上、570nm以下)也可以为第二圆偏振光，在其它波长上为椭圆偏振光。
在本实施方式中，对圆偏振光入射到液晶单元11的情况进行说明，但对直线偏振光入射到液晶单元11的情况也可得到同样的效果。
液晶单元11依次具备第一基板100、液晶层300和第二基板200。在光学元件10中，在第一基板100及第二基板200的至少一方的基板上，通过在in-plane方向上产生两个方向的电场，从而能够切换第一状态和第二状态。
例如，通过在第一基板100与液晶层300之间、以及第二基板200与液晶层300之间的至少一方配置取向限制力无限地接近于0的弱锚定力的取向膜，从而能够切换第一状态和第二状态。具体而言，可列举使用被称为滑动膜(slide film)的保持液晶分子的取向的取向膜、使用在方位角0°及方位角90°的两个方向上具有取向限制力的取向膜。以下进行详细说明。
如图1所示，本实施方式的光学元件10优选在与第一1/4波长膜12的液晶单元11相反的一侧具备第二1/4波长膜13。通过采用这样的方式，能够在更宽频带中切换偏振光调制以及偏振光非调制。以下，对光学元件10从入射侧向出射侧依次具备液晶单元11、第一1/4波长膜12以及第二1/4波长膜13的方式进行说明。
如图2所示，液晶单元11还具有：第一弱锚定力的水平取向膜411，其配置于第一基板100与液晶层300之间；以及第二弱锚定力的水平取向膜421，其配置于液晶层300与第二基板200之间。电极11E在第一基板100上具有第一梳齿电极120，该第一梳齿电极120设置成梳齿状的像素电极与共用电极彼此的梳齿嵌合，在第二基板200上具有第二梳齿电极220，该第二梳齿电极220设置成梳齿状的像素电极与共用电极彼此的梳齿嵌合。在俯视时，第一梳齿电极120的延伸方向120A相对于第二梳齿电极220的延伸方向220A倾斜地设置。
通过采用这样的方式，从而在将第一梳齿电极120设为无电压施加状态、将第二梳齿电极220设为施加电压状态时，入射到液晶单元11的圆偏振光(例如右圆偏振光)在通过液晶单元11后成为第一直线偏振光。即，能够实现第一状态。而且，第一直线偏振光通过第一1/4波长膜12及第二1/4波长膜13，从而以宽频带转换成偏振状态与入射到液晶单元11的圆偏振光不同的圆偏振光(例如左圆偏振光)。这样，在第一状态下，入射到光学元件10的圆偏振光被转换为偏振状态不同的圆偏振光(例如，右圆偏振光被转换为左圆偏振光)而出射的偏振光调制以宽频带实现。
此外，在使第一梳齿电极120成为施加电压状态、使第二梳齿电极220成为无电压施加状态时，入射到液晶单元11的圆偏振光(例如右圆偏振光)在通过液晶单元11后，成为在俯视下具有相与第一直线偏振光的偏振方向正交的偏振方向的第二直线偏振光。即，能够实现第二状态。而且，第二直线偏振光通过第一1/4波长膜12以及第二1/4波长膜13，从而偏振状态与入射到液晶单元11的圆偏振光相同的圆偏振光(例如右圆偏振光)保持在宽频带上出射。这样，在第二状态下，入射到光学元件10的圆偏振光保持相同的偏振状态(例如，保持右圆偏振光)下出射的偏振光非调制以宽频带来实现。
另外，在本实施方式中，对从入射侧向出射侧依次具备液晶单元11、第一1/4波长膜12和第二1/4波长膜13的方式进行说明，但它们的层叠顺序也可以相反，具体而言，也可以从入射侧向出射侧依次具备第二1/4波长膜13、第一1/4波长膜12和液晶单元11。这种情况下，在第一状态下，入射到光学元件10的圆偏振光被转换为偏振状态不同的圆偏振光(例如，右圆偏振光被转换为左圆偏振光)并出射的偏振光调制以宽频带实现，在第二状态下，入射到光学元件10的圆偏振光保持相同偏振状态(例如，保持右圆偏振光)后出射的偏振光非调制以宽频带实现。另外，在层叠顺序相反的情况下，第一1/4波长膜12的滞相轴12A和第二1/4波长膜13的滞相轴13A被适当调整。
液晶层300含有在第一基板100和第二基板200之间扭曲取向的液晶分子310。在第一状态和第二状态的各个状态下，液晶分子310从第一基板100侧向第二基板200侧扭转取向。
液晶分子310的扭转取向例如可以通过在液晶材料中添加手性剂来实现。作为手性剂没有特别限定，可以使用以往公知的手性剂。作为手性剂，例如可以使用S-811(“メルク社”制造)等。
在俯视时，第一状态下的第一基板100侧的液晶分子311的取向方向(第一取向方向)311A与第二基板200侧的液晶分子312的取向方向312A所成的角度优选为57°以上且82°以下，更优选为63°以上且75°以下，进一步优选为66°以上且72°以下。通过采用这样的方式，能够在更宽频带中切换偏振光调制以及偏振光非调制。以下，也将在俯视时第一基板侧的液晶分子的取向方向与第二基板侧的液晶分子的取向方向所成的角度称为扭曲角。
在俯视时，第二状态下的第一基板100侧的液晶分子311的取向方向(第二取向方向)311B与第二基板200侧的液晶分子312的取向方向312B所成的角度优选为57°以上且82°以下，更优选为63°以上且75°以下，进一步优选为66°以上且72°以下。通过采用这样的方式，从而能够有效地以宽频带切换偏振光调制以及偏振光非调制。第一状态下的扭曲角和第二状态下的扭曲角可以相同也可以不同，但优选相同。
在俯视时，延伸方向120A与延伸方向220A所成的角度α(其中，α为超过0°且小于90°的实数)以及液晶层300所包含的液晶分子310的扭曲角A，优选在第一状态和第二状态下满足下述(式AX1)，更优选满足下述(式AX2)，进一步优选满足下述(式AX3)。通过采用这样的方式，从而能够有效地以宽频带切换偏振光调制以及偏振光非调制。
85°-A≤α≤95°-A……(式AX1)
88°-A≤α≤92°-A……(式AX2)
α＝90°-A……(式AX3)
扭曲角A优选为60°以上且80°以下，更优选为64°以上且76°以下，进一步优选为68°以上且72°以下。通过采用这样的方式，从而能够更有效地在宽频带中切换偏振光调制及偏振光非调制。
在延伸方向120A的方位角为0°，延伸方向220A的方位角为160°(即，在俯视时，延伸方向120A与延伸方向220A所成的角度α为20°)，液晶分子310的扭曲角A为70°，且液晶层300含有正型的液晶分子310时，如图3～图5所示，当第一梳齿电极120为无电压施加状态，第二梳齿电极220为施加电压状态时，第一基板100侧的液晶分子311的取向方向311A的方位角为0°，第二基板200侧的液晶分子312的取向方向312A的方位角为70°时，能够实现第一状态。此外，在第一梳齿电极120为施加电压状态、第二梳齿电极220为无电压施加状态的情况下，能够实现第一基板100侧的液晶分子311的取向方向311B的方位角为90°、第二基板200侧的液晶分子312的取向方向312B的方位角为160°的第二状态。
另外，在液晶层300含有负型的液晶分子310的情况下，在第一梳齿电极120为施加电压状态、第二梳齿电极220为无电压施加状态的情况下，能够实现第一基板100侧的液晶分子311的取向方向311A的方位角为0°、第二基板200侧的液晶分子312的取向方向312A的方位角为70°的第一状态。此外，在第一梳齿电极120为无电压施加状态、第二梳齿电极220为施加电压状态的情况下，能够实现第一基板100侧的液晶分子311的取向方向311B的方位角为90°、第二基板200侧的液晶分子312的取向方向312B的方位角为160°的第二状态。
图6是表示第一实施方式的光学元件的、第一状态下的各层的斯托克斯曲线的图。图6表示透过第一状态中的各层时的偏振状态(各层的作用)。使用图6的庞加莱球详细地说明第一实施方式的光学元件10的偏振光调制的原理。
如图6的(1)所示，右圆偏振光(S3＝+1)入射到液晶单元11。
通过70°扭转的液晶单元11后，一次性转换为图6的(2)的绘制的偏振状态。各绘制的点表示380nm～780nm的波长不同的绘制。波长550nm附近是直线偏振光(在庞加莱球上这样的赤道上)，除此以外的波长绘制在庞加莱球的北半球，成为椭圆偏振光。
然后，通过第一1/4波长膜12(具体而言，反向波长色散的1/4波长膜)，成为图6的(3)的绘制。
而且，如果通过第二1/4波长膜13(具体地是平坦波长色散的1/4波长膜)，则如图6的(4)的绘制所示，几乎所有波长都变成左圆偏振光(在庞加莱球上的南极位置)而出射。即，可知进行从右圆偏振光到左圆偏振光的调制。
第二状态(非调制时)也同样地通过70°扭转的液晶单元11后，变为一次直线偏振光。但是，由于使液晶单元11的取向整体旋转90°，因此成为与第一状态(调制时)约90°角度的不同的直线偏振光。然后，之后，在通过第一1/4波长膜12及第二1/4波长膜13后，全部波长变为右圆偏振光。即，能够将右圆偏振光作为右圆偏振光出射，成为非调制。
这样，第一状态和第二状态是指70°扭曲这样的液晶分子310的取向相同，系统整体处于90°不同的关系。如果使用本实施方式的光学元件10，则能够可逆地切换第一状态和第二状态这两种状态，能够实现偏振光非调制时和偏振光调制时都宽频带的薄型的可变1/2波长板(sHWP：Switchable Half Wave Plate)元件。
在此，如果想要在液晶层1层实现sHWP，则考虑图7所示那样的使用了具备90°扭转的TN液晶层300R1的液晶单元11R1的比较方式1的光学元件10R1的构成。更具体而言，比较方式1的光学元件10R1依次具备：滞相轴的方位角为75°的1/4波长膜14R、滞相轴的方位角为15°的1/2波长膜15R、液晶单元11R1、滞相轴的方位角为-75°的1/2波长膜16R、滞相轴的方位角为-15°的1/4波长膜17R。图7是比较方式1的光学元件的截面示意图。
此外，如果想要以液晶层2层实现sHWP，则可考虑如图8所示那样的、层叠有70°扭转的TN液晶层300R2和-70°扭转的TN液晶层300R3的比较方式2的光学元件10R2的构成。图8是比较方式2的光学元件的截面示意图。
图9是表示第一实施方式、比较方式1以及比较方式2的光学元件的调制时的斯托克斯参数S3的波长色散的一个示例的图表。图9表示入射到右圆偏振光(斯托克斯参数S3＝+1)时的出射光的偏振状态的波长依存。表示S3＝-1越近，越转换为左圆偏振光。遍及较宽的波段并接近-1的一方，调制时可以说是宽频带。
比较方式1的光学元件10R1虽然设计容易，但受到90°扭转的TN液晶层300R1的波长色散等的影响，如图9所示，难以实现宽频带化。此外，在比较方式2的光学元件10R2中，虽然能够实现宽频带化，但是难以实现薄型化。此外，偏振光调制时(将右圆偏振光转换为左圆偏振光时)为宽频带，但由于以纵向电场进行驱动，因此在偏振光非调制时(将右圆偏振光直接以右圆偏振光出射时)，在施加电压时液晶分子全部都不会是垂直取向，受到残留延迟的影响而不会成为宽频带。另一方面，在本实施方式的光学元件10中，能够在宽频带中对左右的圆偏振光进行切换。
在上述专利文献1中，完全没有公开偏振光调制特性。在专利文献1中公开了单层TN液晶层的构成，但在该构成中，在偏振光调制时(专利文献1的非激活时、电压断开时)，仅以特定的波长适当地偏振光转换，无法实现宽频带的偏振光转换。此外，在专利文献1中公开了层叠有多个液晶层的构成，但存在光学元件的制造复杂化、变厚的课题。
更具体而言，在专利文献1公开的单层的构成中，在偏振光调制时，液晶分子进行90°扭曲取向，在偏振光非调制时，液晶分子被施加纵向电场而垂直取向。在偏振光调制时，液晶分子进行90°扭曲取向，所以存在波长依存，不能以宽频带实现偏振光调制。即使调整液晶分子的扭曲角度、液晶层的单元厚度等而能够在宽频带实现偏振光调制，在偏振光非调制时，受到基板附近的液晶分子导致的残留延迟的影响而无法在宽频带实现偏振光非调制。即，无法兼顾宽频带内的偏振光调制和偏振光非调制。
另一方面，本实施方式的光学元件10，在偏振光调制时和偏振光非调制时，液晶分子310也维持70°扭曲状态，并且，这2个状态除了使系统整体旋转90°以外均同样地驱动。其结果，能够以宽频带实现偏振光调制及偏振光非调制。
在上述专利文献2公开了一种可变焦元件，将多组sHWP和潘查拉特南-贝里(PB：Pancharatnam Berry)透镜的组(例如6组)组合而对焦点深度赋予了可调谐性。因此，若sHWP变厚，则存在该可变焦元件整体变厚的课题。在用上述比较方式2这样的2层液晶层(70°扭转的TN液晶层300R2和-70°扭转的TN液晶层300R3)实现sHWP的构成中，需要6组中的12层的液晶层，存在难以使可变焦元件薄型化的课题。因此，要求sHWP即光学元件为薄型、能够在宽频带实现偏振光调制及偏振光非调制。
第一基板100具备第一支承基板110和第一梳齿电极120。第二基板200具备第二支承基板210和第二梳齿电极220。
作为第一支承基板110及第二支承基板210，例如可列举玻璃基板、塑料基板等绝缘基板。作为玻璃基板的材料，例如可以列举浮法玻璃、钠钙玻璃等玻璃。作为塑料基板的材料，例如可以列举聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚醚砜、聚碳酸酯、脂环式聚烯烃等塑料。
第一梳齿电极120具有作为梳齿电极的第一像素电极和作为梳齿电极的第一共用电极。第二梳齿电极220具有作为梳齿电极的第二像素电极和作为梳齿电极的第二共用电极。以下，将第一像素电极和第二像素电极简称为像素电极，将第一共用电极和第二共用电极简称为共用电极。像素电极和共用电极例如可以通过如下方式形成：通过溅射法等在单层或多层成膜形成氧化铟锡(ITO)、氧化铟锌(IZO)、氧化锌(ZnO)、氧化锡(SnO)等透明导电材料或它们的合金后，使用光刻法进行图案化。
第一梳齿电极120的间距(pitch)优选为1μm以上且5μm以下。通过采用这样的方式，从而能够使第一基板100侧的液晶分子311高效地旋转，容易得到均匀的扭转取向。同样地，第二梳齿电极220的间距优选为1μm以上且5μm以下。通过采用这样的方式，能够有效地使第二基板200侧的液晶分子312旋转，容易得到均匀的扭转取向。这里，梳齿电极具有线状电极部和狭缝部交替地重复配置的结构，梳齿电极的间距是指一组线状电极部和狭缝部的宽度的合计。
在本说明书中，将在一对共用电极与像素电极之间施加了阈值以上的电压的施加电压状态也简称为“施加电压状态”或“施加电压时”，将未在一对共用电极与像素电极之间施加电压(包括施加小于阈值的电压的情况)的无电压施加状态也简称为“无电压施加状态”或“无电压施加时”。
液晶层300包含液晶材料，对液晶层300施加电压，根据所施加的电压使液晶材料中的液晶分子310的取向状态变化，由此能够使通过液晶层300的光的偏振状态变化。
液晶分子310既可以是下述式(L)所定义的介电常数各向异性(Δε)具有正值的正型的液晶分子，也可以是具有负值的负型的液晶分子，但在本实施方式中以正型的液晶分子为例进行说明。另外，液晶分子的长轴方向为滞相轴的方向。此外，液晶分子在未施加电压的状态(无电压施加状态)下均质取向，无电压施加状态下的液晶分子的长轴的方向也称为液晶分子的初始取向的方向。
Δε＝(液晶分子的长轴方向的介电常数)-(液晶分子的短轴方向的介电常数)……(L)
液晶层300的波长550nm的无电压施加状态下的延迟Δnd优选为180nm以上且280nm以下，更优选为200nm以上且260nm以下，进一步优选为220nm以上且240nm以下。通过采用这样的方式，能够在更宽频带中切换偏振光调制以及偏振光非调制。
液晶层300的折射率各向异性Δn优选为0.12以下，更优选为0.1以下。通过采用这样的方式，从而能够减小液晶层300自身的波长色散，能够以更宽频带切换偏振光调制以及偏振光非调制。
液晶层300的厚度d优选为2μm以上且4.2μm以下。
对第一弱锚定力的水平取向膜411及第二弱锚定力的水平取向膜421进行说明。弱锚定力的取向膜是指相对于液晶分子的取向限制力弱的取向膜。在本实施方式中的弱锚定力的取向膜中，与单纯的锚定能(弹性)相比，粘弹性成为重要因素。弱锚定力的取向膜例如可以是润滑界面。在本说明书中，润滑界面是指由润滑界面感应区域诱导的界面。润滑界面感应区域是指与液晶相相比低秩序的区域。
润滑界面感应区域也可以是润滑界面诱导液体区域。润滑界面诱导液体区域是指润滑界面感应区域中的作为液体相的区域。作为润滑界面感应区域，不限于润滑界面诱导液体区域(液体相)，也可以是形成凝胶层的区域、顺序参数(取向秩序度)低的区域、透明点降低的区域、包含一部分无秩序区域的有序区域、包含运动性高的区域的区域等。
润滑界面感应区域优选包含润滑界面诱导剂。润滑界面感应区域可以仅包含润滑界面诱导剂，也可以包含润滑界面诱导剂及液晶成分。此外，润滑界面诱导剂可以包含在液晶层300中，也可以与液晶层300独立地导入，可以预先包含在支承基板中，也可以预先进行化学修饰而与支承基板结合。
上述润滑界面诱导剂优选为具有极性基团的化合物、聚合性化合物、高分子化合物或离子液体。上述高分子化合物优选具有链长不同的两种或三种以上的烷基、介晶基团、能够光异构化的基团中的至少一种。
优选液晶层300及上述润滑界面诱导剂表现相分离结构，液晶层300形成液晶相，润滑界面诱导剂在润滑界面感应区域形成液体相。润滑界面诱导剂也可以在润滑界面感应区域形成比液晶相低秩序的凝胶层。
弱锚定力的取向膜优选为例如设于液晶层300与上述润滑界面感应区域的界面的滑动(slipper)界面。
第一弱锚定力的水平取向膜411及第二弱锚定力的水平取向膜421优选为滑动界面(润滑膜(slipper film))。例如，由在液晶层300中混合有十二烷基丙烯酸酯的材料，在液晶层300与第一基板100之间以及液晶层300与第二基板200之间，十二烷基丙烯酸酯的液体相(各向同性相)形成润滑界面感应区域，液晶层300与润滑界面感应区域的界面形成润滑膜。
通过具有这样的界面，能够利用电场使液晶分子的取向方向朝向任意方向，并维持该状态。在润滑膜上，有时将存储这种取向的膜称为滑动膜。如果在沿某一方向取向后施加其他方向的电场，则能够使液晶分子的取向方向朝向其他方向。即，可以通过电场制作多个稳定状态。在本实施方式中，可以制作第一状态和第二状态。除了上述例示的材料以外，也可以使用日本特开2006-084536号公报、国际公开第2017/034023号等中记载的材料。
弱锚定力的取向膜例如可以是方位角锚定能小于1×10-4J/m2的取向膜。方位角锚定能例如能够通过扭矩平衡法、奈伐尔法、基于电场响应阈值的计算、基于旋转磁场的计算等各种公知的方法来计算。另外，本说明书所记载的方位角锚定能是使用基于电场响应阈值的计算方法而计算出的。弱锚定力的取向膜的方位角锚定能的下限值没有特别限定，弱锚定力的取向膜的方位角锚定能例如为1×10-10J/m2以上。
第一弱锚定力的水平取向膜411的方位角锚定能优选为1×10-10J/m2以上且小于1×10-4J/m2，更优选为1×10-10J/m2以上且1×10-5J/m2以下，进一步优选为1×10-10J/m2以上且1×10-6J/m2以下。通过采用这样的方式，从而能够有效地以宽频带切换偏振光调制以及偏振光非调制。
第二弱锚定力的水平取向膜421的方位角锚定能优选为1×10-10J/m2以上且小于1×10-4J/m2，更优选为1×10-10J/m2以上且1×10-5J/m2以下，进一步优选为1×10-10J/m2以上且1×10-6J/m2以下。通过采用这样的方式，从而能够有效地以宽频带切换偏振光调制以及偏振光非调制。
弱锚定力的取向膜除了通过进行取向处理而形成，还能够不进行取向处理而形成。具体而言，弱锚定力的取向膜既可以是摩擦取向膜，也可以是光取向膜，也可以是未实施取向处理的未处理的取向膜。
摩擦取向膜例如可通过如下方式得到：将包含摩擦取向膜用聚合物的取向膜材料在基板上成膜，使卷绕有由人造丝、棉等构成的布的辊以转速及辊与基板的距离保持一定的状态旋转，在规定方向上摩擦包含摩擦取向膜用聚合物的膜的表面(摩擦法)。通过改变摩擦处理的条件，可以调整取向膜的方位角锚定能，形成弱锚定力的取向膜。
作为摩擦取向膜用聚合物，例如可列举聚酰亚胺等。摩擦取向膜中包含的摩擦取向膜用聚合物可以是一种，也可以是两种以上。
光取向膜例如可通过如下方式得到：将包含具有光官能团的光取向性聚合物的取向膜材料在基板上成膜，照射偏振紫外线而在包含光取向性聚合物的膜的表面产生各向异性(光取向法)。通过改变光取向处理的条件、材料结构，可以调整取向膜的方位角锚定能，形成弱锚定力的取向膜。
作为上述光取向性聚合物，可举出例如具有选自环丁烷基、偶氮苯基、查耳酮基、肉桂酸酯基、香豆素基、芪基、酚酯基及苯甲酸苯酯基中的至少一种光官能团的光取向性聚合物等。光取向膜中包含的光取向性聚合物可以是一种，也可以是两种以上。光取向性聚合物具有的光官能团既可以存在于聚合物的主链，也可以存在于聚合物的侧链，还可以存在于聚合物的主链和侧链两者。
上述光取向性聚合物的光反应类型没有特别限定，可举出优选光分解型聚合物、光重排型聚合物(优选光弗利斯重排型聚合物)、光异构化型聚合物、光二聚化型聚合物及光交联型聚合物的例子。这些可以单独使用任一种，也可以同时使用两种以上。其中，从取向稳定性的观点出发，特别优选以254nm附近作为反应波长(主灵敏度波长)的光分解型聚合物和以254nm附近作为反应波长(主灵敏度波长)的光重排型聚合物。还优选侧链具有光官能团的光异构化型聚合物及光二聚化型聚合物。
上述光取向性聚合物的主链结构没有特别限定，可举出优选聚酰胺酸结构、聚酰亚胺结构、聚(甲基)丙烯酸结构和聚硅氧烷结构、聚乙烯结构、聚苯乙烯结构、聚乙烯结构的例子。
未处理的取向膜例如通过在基板上使含有取向膜聚合物的取向膜材料成膜而得到。作为上述取向膜聚合物，可举出例如：聚酰亚胺、聚甲基丙烯酸己酯等。未处理的取向膜所包含的取向膜聚合物可以是一种，也可以是两种以上。
此外，作为未处理的取向膜中所含的上述取向膜聚合物，除了聚酰亚胺和聚甲基丙烯酸己酯以外，还可以举出国际公开第2017/034023号中记载的聚合物，其中，优选聚乙二醇、聚丙二醇等聚环氧烷。
水平取向膜具有在无电压施加时使液晶层中的液晶分子相对于该水平取向膜的表面沿水平方向取向的功能。在此，液晶分子相对于水平取向膜的表面沿水平方向取向是指液晶分子的预倾角相对于水平取向膜的表面为0°以上且5°以下，优选0°以上且2°以下，更优选0°以上且1°以下。液晶分子的预倾角是指在对液晶层不施加电压时液晶分子的长轴相对于取向膜的主面倾斜的角度。
在本说明书中，将设置在第一基板100与液晶层300之间的取向膜称为第一取向膜410，将设置在第二基板200与液晶层300之间的取向膜称为第二取向膜420。
只要1/4波长膜(具体而言，第一1/4波长膜12和第二1/4波长膜13)至少对波长550nm的光赋予20nm以上且240nm以下的面内相位差即可。
作为1/4波长膜的材料，例如可举出光聚合性液晶材料等。作为光聚合性液晶材料的结构，例如可列举出在液晶分子的骨架的末端具有丙烯酸酯基、甲基丙烯酸酯基等光聚合性基团的结构。
1/4波长膜可通过例如下述的方法形成。首先，将光聚合性液晶材料溶解在丙二醇单甲醚乙酸酯(PGMEA)等有机溶剂中。接着，将得到的溶液涂布于基材(例如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)膜的表面上，形成溶液的涂膜。然后，对该溶液的涂膜依次进行预烧成、光照射(例如紫外线照射)、以及正式烧成，由此形成1/4波长膜。
此外，也可以将在上述光聚合性液晶材料中添加手性剂并在70°扭转的状态下聚合物化的液晶聚合物作为1/4波长膜使用。
作为1/4波长膜，例如也可以使用经延伸处理的高分子膜。作为高分子薄膜的材料，例如可举出环烯烃聚合物、聚碳酸酯、聚砜、聚醚砜、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯、聚乙烯醇、降冰片烯、三乙酰纤维素、二乙酰纤维素等。
第一1/4波长膜12优选具有反向波长色散特性。通过采用这样的方式，能够在更宽频带中切换偏振光调制以及偏振光非调制。在此，在本说明书中，“相位差膜的波长色散性”是指相位差膜赋予的相位差的绝对值与入射光的波长的相关关系。将在可见光区域，即使入射光的波长变化相位差膜所赋予的相位差的绝对值也不变化的性质称为“平坦波长色散特性”。此外，将在可见光区域中，相位差膜赋予的相位差的绝对值随着入射光的波长变大而变小的性质称为“正波长色散特性”，将在可见光区域中相位差膜赋予的相位差的绝对值随着入射光的波长变大而变大的性质称为“反向波长色散特性”。
第一1/4波长膜12的波长450nm的面内相位差相对于波长550nm的面内相位差优选为0.7倍以上且1倍以下。通过采用这样的方式，能够在更宽频带中切换偏振光调制以及偏振光非调制。
第一1/4波长膜12的波长650nm的面内相位差相对于波长550nm的面内相位差优选为1倍以上且1.3倍以下。通过采用这样的方式，能够在更宽频带中切换偏振光调制以及偏振光非调制。
第一1/4波长膜12的波长550nm的面内相位差优选为30nm以上且230nm以下。通过采用这样的方式，能够在更宽频带中切换偏振光调制以及偏振光非调制。
将第一状态下的第一基板100侧的液晶分子311的取向方向311A的方位角设为0°时，第一1/4波长膜12以及第二1/4波长膜13中的远离光线的出射侧的一侧的1/4波长膜的滞相轴(在本实施方式中为第一1/4波长膜12的滞相轴12A)的方位角优选为48°以上且66°以下。通过采用这样的方式，能够在更宽频带中切换偏振光调制以及偏振光非调制。
第二1/4波长膜13优选具有平坦波长色散特性。通过采用这样的方式，能够在更宽频带中切换偏振光调制以及偏振光非调制。
第二1/4波长膜13的波长550nm的面内相位差优选为110nm以上且175nm以下。通过采用这样的方式，能够在更宽频带中切换偏振光调制以及偏振光非调制。
当第一状态下的第一基板100侧的液晶分子311的取向方向311A的方位角为0°时，第一1/4波长膜12及第二1/4波长膜13中靠近光线出射侧的一侧的1/4波长膜的滞相轴(在本实施方式中为第二1/4波长膜13的滞相轴13A)的方位角优选为3°以上且22°以下。通过采用这样的方式，能够在更宽频带中切换偏振光调制以及偏振光非调制。
第一1/4波长膜12的滞相轴12A与第二1/4波长膜13的滞相轴13A所成的角度优选为40°以上且50°以下，更优选为42°以上且48°以下，进一步优选为44°以上且46°以下，特别优选为45°。
在液晶层300含有正型的液晶分子310的本实施方式中，在俯视时，第一状态下的第一基板100侧的液晶分子311的取向方向311A与第一梳齿电极120的延伸方向120A一致。因此，将第一状态下的第一基板100侧的液晶分子311的取向方向311A的方位角设为0°时，例如如图5所示，可以将延伸方向120A的方位角设定为0°，延伸方向220A的方位角设定为160°，第一1/4波长膜12的滞相轴12A的方位角设定为57.2°，第二1/4波长膜13的滞相轴13A的方位角设定为12.2°。
优选入射到光学元件10的光为圆偏振光。通过采用这样的方式，能够实现可切换圆偏振光的偏振状态的光学元件10。
(第二实施方式)
在本实施方式中，主要对本实施方式特有的特征进行说明，对于与上述第一实施方式重复的内容省略说明。本实施方式除了液晶单元11的构成不同之外，实质上与第一实施方式相同。
图10是第二实施方式的光学元件所具备的液晶单元的截面示意图。图11是第二实施方式的光学元件所具备的液晶单元的立体示意图。图12是表示施加于第二实施方式的光学元件的电场的方向的俯视示意图。图13是表示第二实施方式的光学元件的轴方位的一个示例的图。
如图10以及图11所示，本实施方式的光学元件10所具备的液晶单元11还具有：弱锚定力的水平取向膜412，其配置于第一基板100与液晶层300之间；以及垂直取向膜422，其配置于液晶层300与第二基板200之间。电极11E具有：在第一基板100上以梳齿状的像素电极和共用电极彼此的梳齿嵌合的方式设置的第一梳齿电极121；以及隔着绝缘层140与第一梳齿电极121重叠、且以梳齿状的像素电极和共用电极彼此的梳齿嵌合的方式设置的第二梳齿电极122。在俯视时，第一梳齿电极121的延伸方向121A与第二梳齿电极122的延伸方向122A正交。
通过采用这样的方式，从而如图12及图13所示，在使第一梳齿电极121成为无电压施加状态、使第二梳齿电极122成为施加电压状态时，入射到液晶单元11的圆偏振光(例如右圆偏振光)在通过液晶单元11后成为第一直线偏振光。即，能够实现第一状态。而且，第一直线偏振光通过第一1/4波长膜12及第二1/4波长膜13，从而以宽频带转换成偏振状态与入射到液晶单元11的圆偏振光不同的圆偏振光(例如左圆偏振光)。这样，在第一状态下，入射到光学元件10的圆偏振光被转换为偏振状态不同的圆偏振光(例如，右圆偏振光被转换为左圆偏振光)而出射的偏振光调制以宽频带实现。
此外，在使第一梳齿电极121成为施加电压状态、使第二梳齿电极122成为无电压施加状态时，入射到液晶单元11的圆偏振光(例如右圆偏振光)在通过液晶单元11后，成为在俯视下具有与第一直线偏振光的偏振方向正交的偏振方向的第二直线偏振光。即，能够实现第二状态。而且，第二直线偏振光通过第一1/4波长膜12以及第二1/4波长膜13，从而保持以偏振状态与入射到液晶单元11的圆偏振光相同的圆偏振光(例如右圆偏振光)的状态在宽频带上出射。这样，在第二状态下，入射到光学元件10的圆偏振光保持相同的偏振状态(例如，保持为右圆偏振光)下出射的偏振光非调制通过宽频带来实现。
如图10所示，本实施方式的液晶单元11是扭转HAN(Hybrid Aligned Nematic)单元，从入射侧向出射侧依次具备第一基板100、作为润滑膜的弱锚定力的水平取向膜412、加入有手性剂的液晶层300、垂直取向膜422以及第二基板200。液晶层300所包含的液晶分子310既可以是负型的液晶分子，也可以是正型的液晶分子，在实施方式中，以在液晶层300中包含正型的液晶分子310的情况为例进行说明。
如图11所示，第一基板100依次具备第一支承基板110、第二梳齿电极122、绝缘层140以及第一梳齿电极121。第二基板200具备第二支承基板210。
绝缘层140具有使第一梳齿电极121与第二梳齿电极122绝缘的功能。作为绝缘层140，可以使用无机绝缘膜、有机绝缘膜、或上述有机绝缘膜与无机绝缘膜的层叠体。作为无机绝缘膜，例如可以使用氮化硅(SiNx)、氧化硅(SiO2)等无机膜(相对介电常数ε＝5～7)、它们的层叠膜。作为有机绝缘膜，例如可以使用感光性丙烯酸树脂等相对介电常数小的有机膜(相对介电常数ε＝2～5)或它们的层叠膜。作为有机绝缘膜，更具体而言，可以使用丙烯酸树脂、聚酰亚胺树脂、酚醛清漆树脂等有机膜或它们的层叠体。
第一梳齿电极121具有作为梳齿电极的第一像素电极和作为梳齿电极的第一共用电极。第二梳齿电极122具有作为梳齿电极的第二像素电极和作为梳齿电极的第二共用电极。
第一梳齿电极121的间距优选为1μm以上且5μm以下。通过采用这样的方式，从而能够使第一基板100侧的液晶分子311高效地旋转，容易得到均匀的扭转取向。同样地，第二梳齿电极122的间距优选为1μm以上且5μm以下。通过采用这样的方式，从而能够使第一基板100侧的液晶分子311高效地旋转，容易得到均匀的扭转取向。
如图12所示，在对第二梳齿电极122施加电压而对第一梳齿电极121不施加电压的情况下，在第一电场方向120E1产生电场(第一状态)，在未对第二梳齿电极122施加电压而对第一梳齿电极121施加电压的情况下，在第二电场方向120E2产生电场(第二状态)。这样，第二实施方式的光学元件10能够通过电场使第一基板100侧的液晶分子311的取向方向的方位角旋转90°。
垂直取向膜422具有在无电压施加时使液晶层中的液晶分子在与该垂直取向膜的表面垂直的方向上取向的功能。在此，液晶分子在与垂直取向膜的表面垂直的方向上取向是指液晶分子的预倾角相对于垂直取向膜的表面为86°以上且90°以下，优选为87°以上且89°以下，更优选为87.5°以上且89°以下。
垂直取向膜422优选为强锚定的垂直取向膜。强锚定的取向膜是指相对于液晶分子的取向限制力强的取向膜，例如，是指方位角锚定能为1×10-4J/m2以上的取向膜。强锚定的取向膜的方位角锚定能的上限值没有特别限定，但强锚定的取向膜的方位角锚定能例如为1×10-1J/m2以下。
垂直取向膜422的方位角锚定能优选为1×10-4J/m2以上且1×10-1J/m2以下。通过采用这样的方式，能够在更宽频带中切换偏振光调制以及偏振光非调制。
弱锚定力的水平取向膜412优选为润滑膜。通过采用这样的方式，能够在更宽频带中切换偏振光调制以及偏振光非调制。
上述第一实施方式中，由于两侧的取向膜是弱锚定力，因此对于取向扭转以及响应速度存在改善的余地。在使单侧为垂直取向(HAN结构)的本实施方式中，由于单侧为垂直取向膜422的强锚定，因此取向容易稳定，能够形成可靠性优异的光学元件10。在HAN结构的情况下，不仅是弱锚定力的水平取向膜412的方位角锚定能重要，极角锚定能也是重要的。由于HAN取向，若弱锚定力的水平取向膜412的极角锚定能小，则受到第二基板200侧的强锚定的取向膜(垂直取向膜422)的影响，容易从理想的HAN取向崩溃。
因此，弱锚定力的水平取向膜412的极角锚定能优选为1×10-5J/m2以上，更优选为1×10-4J/m2以上，进一步优选为1×10-3J/m2以上。弱锚定力的水平取向膜412的极角锚定能的上限值没有特别限定，弱锚定力的水平取向膜412的极角锚定能例如为1×10-1J/m2以下。极角锚定能可以通过与方位角锚定能相同的方法来测量。此外，取向膜的极角锚定能可以通过与方位角锚定能相同的方法进行调整。
弱锚定力的水平取向膜412的极角锚定能优选为1×10-5J/m2以上且1×10-1J/m2以下，更优选为1×10-4J/m2以上且1×10-1J/m2以下，进一步优选为1×10-3J/m2以上且1×10- 1J/m2以下。通过采用这样的方式，从而易于获得理想的HAN取向。
在液晶层300含有正型的液晶分子310的本实施方式中，在俯视时，第一状态下的第一基板100侧的液晶分子311的取向方向311A与第一梳齿电极121的延伸方向121A一致。因此，当设第一状态下的第一基板100侧的液晶分子311的取向方向311A的方位角为0°时，例如如图13所示，可以设定为延伸方向121A的方位角为0°，延伸方向122A的方位角为90°，第二1/4波长膜13的滞相轴13A的方位角为4°，第一1/4波长膜12的滞相轴12A的方位角为49°。
(第三实施方式)
在本实施方式中，主要对本实施方式特有的特征进行说明，对于与上述第一实施方式～第二实施方式重复的内容省略说明。本实施方式除了液晶单元11的构成不同之外，实质上与第一实施方式相同。
图14是第三实施方式的光学元件所具备的液晶单元的立体示意图。图15是对第三实施方式的光学元件的第一状态和第二状态下的液晶分子的取向进行说明的示意图。
如图14和图15所示，本实施方式的光学元件10所具备的电极11E在第一基板100上具有：第一梳齿电极121，其以梳齿状的像素电极和共用电极彼此的梳齿嵌合的方式设置；以及第二梳齿电极122，其经由第一绝缘层141与第一梳齿电极121重叠，并且以梳齿状的像素电极和共用电极彼此的梳齿嵌合的方式设置，在第二基板200上具有：第三梳齿电极221，其以梳齿状的像素电极和共用电极彼此的梳齿嵌合的方式设置；以及第四梳齿电极222，其经由第二绝缘层241与第三梳齿电极221重叠，并且以梳齿状的像素电极和共用电极彼此的梳齿嵌合的方式设置。在俯视时，第一梳齿电极121的延伸方向121A与第二梳齿电极122的延伸方向122A正交，第三梳齿电极221的延伸方向221A与第四梳齿电极222的延伸方向222A正交，第一梳齿电极121的延伸方向121A相对于第三梳齿电极221的延伸方向221A倾斜地设置。
通过采用这样的方式，从而如图15所示，在使第一梳齿电极121成为无电压施加状态、使第二梳齿电极122成为施加电压状态、使第三梳齿电极221成为施加电压状态、使第四梳齿电极222成为无电压施加状态时，入射到液晶单元11的圆偏振光(例如右圆偏振光)在通过液晶单元11后成为第一直线偏振光。即，能够实现第一状态。进一步地，第一直线偏振光通过第一1/4波长膜12及第二1/4波长膜13，从而以宽频带转换成偏振状态与入射到液晶单元11的圆偏振光不同的圆偏振光(例如左圆偏振光)。这样，在第一状态下，入射到光学元件10的圆偏振光被转换为偏振状态不同的圆偏振光(例如，右圆偏振光被转换为左圆偏振光)而出射的偏振光调制以宽频带实现。
此外，在使第一梳齿电极121成为施加电压状态、使第二梳齿电极122成为无电压施加状态、使第三梳齿电极221成为无电压施加状态、使第四梳齿电极222成为施加电压状态时，入射到液晶单元11的圆偏振光(例如右圆偏振光)在通过液晶单元11后，成为第二直线偏振光，该第二直线偏振光在俯视时具有与第一直线偏振光的偏振方向正交的偏振方向。即，能够实现第二状态。而且，第二直线偏振光通过第一1/4波长膜12以及第二1/4波长膜13，从而保持以偏振状态与入射到液晶单元11的圆偏振光相同的圆偏振光(例如右圆偏振光)在宽频带上出射。这样，在第二状态下，入射到光学元件10的圆偏振光保持相同的偏振状态(例如，保持右圆偏振光)下出射的偏振光非调制通过宽频带来实现。
这样，在本实施方式的光学元件10中，通过对第一基板100及第二基板200这两个基板施加电压，其后降低电压，从而能够实现第一状态及第二状态。在第一状态和第二状态下，任一基板的电场方向均不同90°。在本实施方式中，能够通过电压规定第一基板100和第二基板200两者的取向，因此能够提高响应速度。
如图14所示，第一基板100依次具备第一支承基板110、第二梳齿电极122、第一绝缘层141以及第一梳齿电极121。第二基板200依次具有第二支承基板210、第三梳齿电极221、第二绝缘层241以及第四梳齿电极222。
第一绝缘层141具有使第一梳齿电极121与第二梳齿电极122绝缘的功能。第二绝缘层241具有使第三梳齿电极221与第四梳齿电极222绝缘的功能。作为第一绝缘层141及第二绝缘层241，可以使用与绝缘层140同样的绝缘层。
第一梳齿电极121具有作为梳齿电极的第一像素电极和作为梳齿电极的第一共用电极。第二梳齿电极122具有作为梳齿电极的第二像素电极和作为梳齿电极的第二共用电极。第三梳齿电极221具有作为梳齿电极的第三像素电极和作为梳齿电极的第三共用电极。第四梳齿电极222具有作为梳齿电极的第四像素电极和作为梳齿电极的第四共用电极。
第一梳齿电极121的间距优选为1μm以上且5μm以下。通过采用这样的方式，从而能够使第一基板100侧的液晶分子311高效地旋转，容易得到均匀的扭转取向。同样地，第二梳齿电极122的间距优选为1μm以上且5μm以下。通过采用这样的方式，从而能够使第一基板100侧的液晶分子311高效地旋转，容易得到均匀的扭转取向。
第三梳齿电极221的间距优选为1μm以上且5μm以下。通过采用这样的方式，能够有效地使第二基板200侧的液晶分子312旋转，容易得到均匀的扭转取向。同样地，第四梳齿电极222的间距优选为1μm以上且5μm以下。通过采用这样的方式，能够有效地使第二基板200侧的液晶分子312旋转，容易得到均匀的扭转取向。
俯视时，延伸方向121A与延伸方向221A所成的角度β(其中，β为超过0°且小于90°的实数)以及包含在液晶层300中的液晶分子310的扭曲角B，优选在第一状态及第二状态下满足下述(式BX1)，更优选满足下述(式BX2)，进一步优选满足下述(式BX3)。通过采用这样的方式，从而能够有效地以宽频带切换偏振光调制以及偏振光非调制。
85°-B≤β≤95°-B……(式BX1)
88°-B≤β≤92°-B……(式BX2)
β＝90°-B……(式BX3)
扭曲角B优选为60°以上且80°以下，更优选为64°以上且76°以下，进一步优选为68°以上且72°以下。通过采用这样的方式，从而能够更有效地在宽频带中切换偏振光调制及偏振光非调制。
在延伸方向121A的方位角为0°，延伸方向221A的方位角为160°(即，俯视时延伸方向121A与延伸方向221A所成的角度β为20°)，液晶分子310的扭曲角B为70°，并且液晶层300含有正型的液晶分子310的情况下，如图15所示，在第一梳齿电极121为无电压施加状态，第二梳齿电极220为施加电压状态，第三梳齿电极221为施加电压状态，第四梳齿电极222为无电压施加状态的情况下，能够实现第一基板100侧的液晶分子311的取向方向311A的方位角为0°，第二基板200侧的液晶分子312的取向方向312A的方位角为70°的第一状态。此外，在第一梳齿电极120为施加电压状态、第二梳齿电极220为无电压施加状态、第三梳齿电极221为无电压施加状态、第四梳齿电极222为施加电压状态的情况下，能够实现第一基板100侧的液晶分子311的取向方向311B的方位角为90°、第二基板200侧的液晶分子312的取向方向312B的方位角为160°的第二状态。
另外，液晶层300含有负型的液晶分子310时，在第一梳齿电极121为施加电压状态、第二梳齿电极122为无电压施加状态、第三梳齿电极221为无电压施加状态、第四梳齿电极222为施加电压状态的情况下，能够实现第一基板100侧的液晶分子311的取向方向311A的方位角为0°、第二基板200侧的液晶分子312的取向方向312A的方位角为70°的第一状态。此外，在第一梳齿电极121为无电压施加状态、第二梳齿电极122为施加电压状态、第三梳齿电极221为施加电压状态、第四梳齿电极222为无电压施加状态的情况下，能够实现第一基板100侧的液晶分子311的取向方向311B的方位角为90°、第二基板200侧的液晶分子312的取向方向312B的方位角为160°的第二状态。
在液晶层300含有正型的液晶分子310的本实施方式中，在俯视时，第一状态下的第一基板100侧的液晶分子311的取向方向311A与设置于第一梳齿电极121的梳齿电极的延伸方向121A一致。因此，将第一状态下的第一基板100侧的液晶分子311的取向方向311A的方位角设为0°时，例如，可以设定为：延伸方向121A的方位角为0°，延伸方向122A和延伸方向222A的方位角为90°，延伸方向221A的方位角为160°，第一1/4波长膜12的滞相轴12A的方位角为57.2°，第二1/4波长膜13的滞相轴13A的方位角为12.2°。
与上述第一实施方式和第二实施方式相同，本实施方式的光学元件10优选具有：第一弱锚定力的水平取向膜，其配置于第一基板100与液晶层300之间；以及第二弱锚定力的水平取向膜，其配置于液晶层300与第二基板200之间。通过采用这样的方式，从而在维持水平取向的状态下界面附近的液晶分子也能够均匀地一样取向。
(第四实施方式)
在本实施方式中，主要对本实施方式特有的特征进行说明，对于与上述第一实施方式～第三实施方式重复的内容省略说明。本实施方式除了使用双稳定取向膜来取代第一弱锚定力的水平取向膜411之外，与第一实施方式实质上相同。
图16是第四实施方式的光学元件所具备的液晶单元的立体示意图。如图16所示，本实施方式的光学元件10所具备的液晶单元11还具有配置在第一基板100与液晶层300之间的在两个方向上具有取向稳定方向的双稳定取向膜413。电极11E在第一基板100上具有第一梳齿电极120，该第一梳齿电极120设置成梳齿状的像素电极与共用电极彼此的梳齿嵌合，在第二基板200上具有第二梳齿电极220，该第二梳齿电极220设置成梳齿状的像素电极与共用电极彼此的梳齿嵌合。在俯视时，第一梳齿电极120的延伸方向120A相对于第二梳齿电极220的延伸方向220A倾斜地设置。
通过采用这样的方式，从而在将第一梳齿电极120设为无电压施加状态、将第二梳齿电极220设为施加电压状态时，入射到液晶单元11的圆偏振光(例如右圆偏振光)在通过液晶单元11后成为第一直线偏振光。即，能够实现第一状态。而且，第一直线偏振光通过第一1/4波长膜12及第二1/4波长膜13，从而以宽频带转换成偏振状态与入射到液晶单元11的圆偏振光不同的圆偏振光(例如左圆偏振光)。这样，在第一状态下，入射到光学元件10的圆偏振光被转换为偏振状态不同的圆偏振光(例如，右圆偏振光被转换为左圆偏振光)而出射的偏振光调制以宽频带实现。
此外，在使第一梳齿电极121成为施加电压状态、使第二梳齿电极122成为无电压施加状态时，入射到液晶单元11的圆偏振光(例如右圆偏振光)在通过液晶单元11后，成为在俯视下具有与第一直线偏振光的偏振方向正交的偏振方向的第二直线偏振光。即，能够实现第二状态。而且，第二直线偏振光通过第一1/4波长膜12以及第二1/4波长膜13，从而保持以偏振状态与入射到液晶单元11的圆偏振光相同的圆偏振光(例如右圆偏振光)在宽频带上出射。这样，在第二状态下，入射到光学元件10的圆偏振光保持相同的偏振状态(例如，保持为右圆偏振光)下出射的偏振光非调制通过宽频带来实现。
双稳定取向膜413是在2个方向(第一方向413A及第二方向413B)上具有取向稳定方向的取向膜。优选地，在俯视时，第一方向413A及第二方向413B的方位相互正交，并且第一方向413A与第一状态中的第一基板100侧的液晶分子311的取向方向311A平行。第一基板100侧的液晶分子311的取向方向311A的方位角在第一状态下为0°，在第二状态下为90°，所以在俯视时，第一方向413A和第二方向413B的方位相互正交，并且第一方向413A与第一状态下的第一基板100侧的液晶分子311的取向方向311A平行，由此，能够通过双稳定取向膜413将第一状态和第二状态下的第一基板100侧的液晶分子311的取向方向在能量上稳定化。其结果是，与仅用电压规定液晶分子310的取向方向的第一实施方式相比，能够实现取向稳定性优异的光学元件10。
双稳定取向膜413能够通过光照射或通过与凹凸基板进行摩擦处理而形成。
在利用光照射的情况下，例如能够使用将光官能波长互不相同的两个聚合物混合而成的材料来形成双稳定取向膜413。将混合有光官能波长互不相同的两种聚合物的溶液涂布于基板上后，例如，照射某一波长的偏振紫外线后，照射与其不同的波长和方向的偏振紫外线，由此能够形成在第一个方向和第二个方向的这两方向上具有取向稳定方向的双稳定取向膜413。
在利用凹凸基板与摩擦处理的情况下，例如，利用聚合物在基板上形成在特定的方向上具有槽的结构物，在与该槽方向不同的方向上实施摩擦处理。液晶分子存在沿槽方向排列的力和沿摩擦方向排列的力这2个，能够形成沿2个方向具有取向稳定方向的双稳定取向膜413。
本实施方式的光学元件10也可以在第二基板200与液晶层300之间具备第二取向膜420。第二取向膜420例如是弱锚定力的水平取向膜423。弱锚定力的水平取向膜423优选为润滑膜。通过采用这样的方式，能够在更宽频带中切换偏振光调制以及偏振光非调制。
第二取向膜420例如也可以是垂直取向膜。作为该垂直取向膜，能够使用与垂直取向膜422同样的取向膜。
(第五实施方式)
在本实施方式中，主要对本实施方式特有的特征进行说明，对于与上述第一实施方式～第四实施方式重复的内容省略说明。本实施方式除了液晶单元11的构成不同之外，实质上与第一实施方式相同。
图17是第五实施方式的光学元件所具备的液晶单元的截面示意图。图18是第五实施方式的光学元件所具备的液晶单元的立体示意图。图19是表示第五实施方式的光学元件的轴方位的一个示例的图。基板的界面附近的液晶分子的取向是垂直而不能规定方位，因此，在图19中，以电极方向规定液晶分子的取向方位。
如图17～图19所示，本实施方式的光学元件10所具备的液晶单元11还具有配置于第一基板100与液晶层300之间的第一垂直取向膜414和配置于液晶层300与第二基板200之间的第二垂直取向膜424。电极11E在第一基板100具有：面状的第一电极131、以及隔着第一绝缘层141与第一电极131重叠且设有狭缝部132S的第二电极132，在第二基板200中，具有面状的第三电极231、以及隔着第二绝缘层241与第三电极231重叠且设有狭缝部232S的第四电极232。
俯视时，设于第二电极132的狭缝部132S的延伸方向132A相对于设于第四电极232的狭缝部232S的延伸方向232A倾斜地配置。
通过采用这样的方式，在第一电极131及第二电极132间设为施加电压状态、第三电极231及第四电极232间设为无电压施加状态时，入射到液晶单元11的圆偏振光(例如右圆偏振光)在通过液晶单元11后成为第一直线偏振光。即，能够实现第一状态。而且，第一直线偏振光通过第一1/4波长膜12及第二1/4波长膜13，从而以宽频带转换成偏振状态与入射到液晶单元11的圆偏振光不同的圆偏振光(例如左圆偏振光)。这样，在第一状态下，入射到光学元件10的圆偏振光被转换为偏振状态不同的圆偏振光(例如，右圆偏振光被转换为左圆偏振光)而出射的偏振光调制以宽频带实现。
此外，在第一电极131及第二电极132间设为无电压施加状态、第三电极231及第四电极232间设为施加电压状态时，入射到液晶单元11的圆偏振光(例如右圆偏振光)通过液晶单元11后，成为在俯视下具有与第一直线偏振光的偏振方向正交的偏振方向的第二直线偏振光。即，能够实现第二状态。而且，第二直线偏振光通过第一1/4波长膜12以及第二1/4波长膜13，从而保持以偏振状态与入射到液晶单元11的圆偏振光相同的圆偏振光(例如右圆偏振光)在宽频带上出射。这样，在第二状态下，入射到光学元件10的圆偏振光保持相同的偏振状态(例如，保持为右圆偏振光)下出射的偏振光非调制通过宽频带来实现。
另外，第一电极131及第二电极132的一方是像素电极，另一方是共用电极。第三电极231及第四电极232的一方是像素电极，另一方是共用电极。在图18中，第一基板100和第二基板200均朝向液晶层300侧依次具备面状的电极和设置有狭缝部的电极，但面状的电极和设置有狭缝部的电极的配置并不限定于此，也可以朝向液晶层300侧依次具备设置有狭缝部的电极和面状电极。
在俯视时，延伸方向132A与延伸方向232A所成的角度γ(其中，γ为超过0°且小于90°的实数)以及液晶层300所包含的液晶分子310的扭曲角C，在第一状态和第二状态下，优选满足下述(式CX1)，更优选满足下述(式CX2)，进一步优选满足下述(式CX3)。通过采用这样的方式，从而能够有效地以宽频带切换偏振光调制以及偏振光非调制。
85°-C≤γ≤95°-C……(式CX1)
88°-C≤γ≤92°-C……(式CX2)
γ＝90°-C……(式CX3)
扭曲角C优选为60°以上且80°以下，更优选为64°以上且76°以下，进一步优选为68°以上且72°以下。通过采用这样的方式，从而能够更有效地在宽频带中切换偏振光调制及偏振光非调制。
在延伸方向132A的方位角为0°，延伸方向232A的方位角为160°(即，俯视时延伸方向132A与延伸方向232A所成的角度γ为20°)，液晶分子310的扭曲角C为70°，并且液晶层300含有负型的液晶分子310的情况下，在将第一电极131及第二电极132间设为施加电压状态，将第三电极231及第四电极232间设为无电压施加状态的情况下，能够实现第一基板100侧的液晶分子311的取向方向311A的方位角为0°，第二基板200侧的液晶分子312的取向方向312A的方位角为70°的第一状态。此外，在将第一电极131及第二电极132间设为无电压施加状态、将第三电极231及第四电极232间设为施加电压状态的情况下，能够实现第一基板100侧的液晶分子311的取向方向311B的方位角为90°、第二基板200侧的液晶分子312的取向方向312B的方位角为160°的第二状态。
此外，液晶层300含有正型的液晶分子310时，在将第一电极131及第二电极132间设为无电压施加状态、将第三电极231及第四电极232间设为电压施加的状态的情况下，能够实现第一基板100侧的液晶分子311的取向方向311A的方位角为0°、第二基板200侧的液晶分子312的取向方向312A的方位角为70°的第一状态。此外，在将第一电极131及第二电极132间设为施加电压状态、将第三电极231及第四电极232间设为无电压施加状态的情况下，能够实现第一基板100侧的液晶分子311的取向方向311B的方位角为90°、第二基板200侧的液晶分子312的取向方向312B的方位角为160°的第二状态。
第一基板100依次具有第一支承基板110、面状的第一电极131、第一绝缘层141以及设置有狭缝部232S的第二电极132。第二基板200依次具有第二支承基板210、面状的第三电极231、第二绝缘层241、以及设置有狭缝部232S的第四电极232。
设置有狭缝部132S的第二电极132的间距优选为1μm以上且5μm以下。通过采用这样的方式，从而能够使第一基板100侧的液晶分子311高效地旋转，容易得到均匀的扭转取向。此外，设置有狭缝部232S的第四电极232的间距优选为1μm以上且5μm以下。通过采用这样的方式，能够有效地使第二基板200侧的液晶分子312旋转，容易得到均匀的扭转取向。在此，设置有狭缝部的电极具有线状电极部和狭缝部交替地重复配置的结构，设置有狭缝部的电极的间距是指一组线状电极部和狭缝部的宽度的总和。
液晶分子310优选为负型的液晶分子。通过采用这样的方式，在第一基板100以及第二基板200间施加大的纵向电压，从而能够推倒负型的液晶分子310并使其水平取向化。在第一状态和第二状态下，第一电极131与第三电极231之间的电压差优选为1V以上，更优选为3V以上，进一步优选为5V以上。通过采用这样的方式，从而能够更有效地使液晶分子310水平取向。第一电极131与第三电极231之间的电压差的上限没有特别限定，但第一电极131与第三电极231之间的电压差例如为20V以下。第一电极131与第三电极231之间的电压差优选为1V以上且20V以下，更优选为3V以上且20V以下，进一步优选为5V以上且20V以下。
而且，在第一电极131及第二电极132间、以及第三电极231及第四电极232间的各个中，能够对像素电极及共用电极间施加弱的电压而控制液晶分子310的面内取向方位。液晶分子310为负型的液晶分子的情况下，在面内，液晶分子310在狭缝部132S、232S的延伸方向(与电场正交的方向)取向。此时，如果施加强的横向电场，则妨碍由手性的力所引起的液晶的取向扭转，因此优选横向电场弱。
例如，第一状态下的第一电极131与第二电极132之间的电压差优选为3V以下，更优选为1V以下，进一步优选为0.5V以下。此外，第二状态下的第三电极231与第四电极232之间的电压差优选为3V以下，更优选为1V以下，进一步优选为0.5V以下。第一状态下的第一电极131和第二电极132之间的电压差的下限值没有特别限定，但第一状态下的第一电极131和第二电极132之间的电压差例如为0.01V以上。此外，第二状态下的第三电极231与第四电极232之间的电压差的下限值没有特别限定，但第二状态下的第三电极231与第四电极232之间的电压差例如为0.01V以上。
第一状态下的第一电极131和第二电极132之间的电压差优选为0.01V以上且3V以下，更优选为0.05V以上且1V以下。此外，第二状态下的第三电极231与第四电极232之间的电压差优选为0.01V以上且3V以下，更优选为0.05V以上且1V以下。
第一垂直取向膜414和第二垂直取向膜424可以使用与垂直取向膜422同样的垂直取向膜。在本实施方式的光学元件10中，由于垂直取向膜配置于两基板侧，因此与配置水平取向膜的情况相比，能够实现生产率优异的光学元件10。
第一垂直取向膜414和第二垂直取向膜424也可以对液晶分子赋予微小的倾斜角。具体而言，第一垂直取向膜414和第二垂直取向膜424也可以对液晶分子310赋予85°以上且90°以下的预倾角。
图20是对第五实施方式的光学元件的第一状态和第二状态下的液晶分子的取向进行说明的示意图。如图20所示，此外，在第一基板100以及第二基板200的极近附近，液晶分子310垂直取向，但在液晶层300内，实现水平取向的大致70°的扭转取向。
在液晶层300包含负型的液晶分子310的本实施方式中，在俯视时，第一状态下的第一基板100侧的液晶分子311的取向方向311A与设置于第二电极132的狭缝部132S的延伸方向132A一致。因此，当设第一状态下的第一基板100侧的液晶分子311的取向方向311A的方位角为0°时，例如，可以设定延伸方向132A的方位角为0°，延伸方向232A的方位角为160°，第一1/4波长膜12的滞相轴12A的方位角为57.2°，第二1/4波长膜13的滞相轴13A的方位角为12.2°。
关于本实施方式的光学元件10，也与其它实施方式同样地，通过液晶层300的延迟Δnd、扭曲角的设计，能够适当地调整调制特性以及非调制特性。
(第六实施方式)
在本实施方式中，主要对本实施方式特有的特征进行说明，对于与上述第一实施方式～第五实施方式重复的内容省略说明。本实施方式除了不具备第二1/4波长膜13之外，与第一实施方式实质上相同。
图21是第六实施方式的光学元件的截面示意图。图22是第六实施方式的光学元件所具备的液晶单元的立体示意图。图23是表示第六实施方式的光学元件的轴方位的一个示例的图。
如图21～图23所示，本实施方式的光学元件10具备与第一实施方式同样的液晶单元11和作为第一1/4波长膜12的反向波长色散的1/4波长膜。通过这种方式，既能够抑制光学元件10的厚度，又能够在宽频带中切换不调制入射到光学元件10的圆偏振光而出射的状态和调制入射到光学元件10的圆偏振光而出射的状态。即，能够实现可在宽频带切换偏振光调制及偏振光非调制且可薄型化的光学元件10。
如本实施方式所述，当在液晶单元11的出射侧配置第一1/4波长膜12时，第一1/4波长膜12的滞相轴12A的方位角优选为3°以上且22°以下。此外，当在液晶单元11的入射侧配置第一1/4波长膜12时，第一1/4波长膜12的滞相轴12A的方位角优选为48°以上且67°以下。通过采用这样的方式，能够在更宽频带中切换偏振光调制以及偏振光非调制。
至此，对液晶分子为正型的液晶分子或负型的液晶分子的情况进行了说明，但也可以使用双频驱动液晶作为液晶分子。所谓双频驱动液晶，是指低频下Δε为正的正型的液晶分子的行为、高频下Δε为负的负型的液晶分子的行为的液晶分子。如果使用双频液晶，则即使不在上下基板(第一基板100及第二基板200)上分别设置角度不同的梳齿电极，只要对一个梳齿电极进行低频驱动，则液晶分子在与电极延伸方向垂直的方向上取向，如果进行高频驱动，液晶分子在电极延伸方向上取向，因此能够使电极构成简单。
(第七实施方式)
在本实施方式中，主要对本实施方式特有的特征进行说明，对于与上述第一实施方式～第六实施方式重复的内容省略说明。在本实施方式中，对具备上述第一实施方式～第六实施方式的光学元件(sHWP)的可变焦元件进行说明。图24是第七实施方式的可变焦元件的截面示意图。图24所示的本实施方式的可变焦元件30具备光学元件10和潘查拉特南-贝里(PB：Pancharatnam Berry)透镜20。
如上所述，第一实施方式～第六实施方式的光学元件10能够对圆偏振光进行调制。此外，PB透镜20在右圆偏振光和左圆偏振光中焦距不同，因此通过组合光学元件10和PB透镜20，能够实现可变焦元件30。
PB透镜20具有使圆偏振光聚光以及发散的功能。PB透镜20例如能够通过国际公开第2019/189818号中记载的方法来制作。
图25是第七实施方式的可变焦元件所具备的PB透镜的截面示意图的一个示例。如图25所示，PB透镜20具备光学各向异性层320A。作为一个示例，PB透镜20以圆偏振光为对象，使入射光向规定的方向折射并透过。另外，在图25中，将入射光设为左圆偏振光。
在图25所示的部分中，光学各向异性层320A具有从图25中左侧起三个区域R0、R1、R2，在各区域中一个周期的长度Λ不同。具体而言，一个周期的长度Λ按照区域R0、R1、R2的顺序变短。此外，区域R1和R2具有光轴在光学各向异性层的厚度方向扭转旋转的结构(以下，也称为扭转结构)。区域R1在厚度方向上的扭转角小于区域R2在厚度方向上的扭转角。另外，区域R0是不具有扭转结构的区域(即，扭转角为0°)。另外，扭转角设为厚度方向整体的扭转角。
在光学元件10中，当左圆偏振光LC1入射到光学各向异性层320的面内的区域R1时，相对于入射方向，在箭头X方向、即液晶分子320的光轴的方向连续旋转的同时变化的方向上，以规定角度折射并透射。同样，当左圆偏振光LC2入射到光学各向异性层320A的面内的区域R2时，相对于入射方向，在箭头X方向上以规定角度折射并透射。同样地，当左圆偏振光LC0入射到光学各向异性层320A的面内的区域R0时，相对于入射方向，在箭头X方向上以规定角度折射并透射。
在此，关于光学各向异性层320A的折射的角度，由于区域R2的液晶取向图案的1周期ΛR2比区域R1的液晶取向图案的1周期ΛR1短，因此，如图25所示，关于相对于入射光的折射的角度，区域R2的透射光的角度θR2大于区域R1的透射光的角度θR1。此外，区域R0的液晶取向图案的1周期ΛR0比区域R1的液晶取向图案的1周期ΛR1更长，因此，如图25所示，关于相对于入射光的折射的角度，区域R0的透射光的角度θR0小于区域R1的透射光的角度θR1。
在此，具有液晶取向图案的光学各向异性层的光的衍射中，液晶分子的光轴的方向在面内连续地旋转的同时变化，存在衍射角变大时衍射效率降低、即衍射光的强度变弱的问题。因此，在使光学各向异性层具有液晶分子的光轴的方向在面内旋转180°的1周期的长度不同的区域的构成的情况下，由于根据光的入射位置的衍射角度不同，因此衍射光的光量根据面内的入射位置产生差异。即，根据面内的入射位置，产生透射、衍射的光变暗的区域。
与此相对，本实施方式的PB透镜20具有光学各向异性层在厚度方向上扭转并旋转的区域，并具有在厚度方向上的扭转角的大小不同的区域。图25所示的例子中，光学各向异性层320的区域R2的厚度方向的扭转角
Figure BDA0003974135960000511
大于区域R1的厚度方向的扭转角/>
Figure BDA0003974135960000512
此外，区域R0不具有厚度方向上的扭转结构。由此，能够抑制折射后的光的衍射效率的降低。
在图25所示的例子中，通过对衍射角比区域R0大的区域R1及R2赋予扭转结构，能够抑制在区域R1、R2折射的光的光量的降低。此外，通过使衍射角比区域R1大的区域R2的扭转结构的扭转角比区域R1大，能够抑制在区域R2折射的光的光量的降低。由此，根据面内的入射位置，能够使透过的光的光量均匀。
这样，在本实施方式的PB透镜20中，在由光学各向异性层引起的折射大的面内的区域中，入射光透过厚度方向的扭转角大的层内而被折射。与此相对，由光学各向异性层引起的折射小的面内的区域使入射光透过厚度方向的扭转角小的层内而被折射。即，在PB透镜20中，通过根据光学各向异性层的折射的大小设定面内的厚度方向的扭转角，能够使对入射光的透过光变亮。因此，根据PB透镜20，能够减小面内的透过光量的折射角度依赖性。
光学各向异性层320的面内的折射的光的角度随着液晶取向图案的11周期Λ短而增大。此外，光学各向异性层320的面内的厚度方向的扭转角具有在液晶取向图案中沿箭头X方向使光轴的方向旋转180°的1周期Λ较短的区域比1周期Λ较大的区域大的区域。在PB透镜20中，作为一个示例，如图25所示，光学各向异性层320A的区域R2中的液晶取向图案的1周期ΛR2比区域R1中的液晶取向图案的1周期ΛR1短，在厚度方向上扭转角
Figure BDA0003974135960000521
大。即，光入射侧的光学各向异性层320A的区域R2使光较大程度地折射。
因此，通过对作为对象的液晶取向图案的1周期Λ设定面内的厚度方向的扭转角
Figure BDA0003974135960000522
能够优选使在面内的不同区域折射成不同角度的透射光变亮。
在PB透镜20中，如上所述，由于液晶取向图案的1周期Λ越短，折射的角度越大，因此，液晶取向图案的1周期Λ越短的区域，越使厚度方向的扭转角变大，从而能够使透过光变亮。因此，优选在PB透镜20中，在液晶取向图案的一个周期的长度不同的区域中，具有一个周期的长度的排列和厚度方向的扭转角的大小的排列不同的区域。
综上所述，优选PB透镜20具备使用包含液晶分子320的液晶组合物而形成的光学各向异性层320A，光学各向异性层320A具有源自上述液晶分子的光轴的方向沿着面内的至少一个方向连续地旋转的同时变化的液晶取向图案，并且具有上述光轴在光学各向异性层320A的厚度方向上扭转并旋转的区域，具有厚度方向的扭转角的大小不同的区域。
PB透镜20优选将来自液晶分子320的光轴的朝向在面内旋转180°的长度设为1周期时，上述液晶取向图案中的上述1周期的长度不同的区域。
光学各向异性层320A优选上述液晶取向图案中的上述1周期的长度不同的多个区域按照上述1周期的长度的顺序排列，且上述厚度方向的扭转角的大小不同的多个区域按照上述厚度方向的扭转角的大小的顺序排列，具有上述1周期的长度的排列的方向与上述厚度方向的扭转角的大小的排列的方向不同的区域。
光学各向异性层320A优选具有上述厚度方向的扭转角的大小为10°～360°的区域。
优选地，光学各向异性层320A朝向上述液晶取向图案中的来自上述液晶分子320的光轴的方向连续地旋转的同时变化的上述一个方向，上述液晶取向图案的上述1周期逐渐缩短。
优选地，光学各向异性层320A的上述液晶取向图案为来自上述液晶分子320的光轴的方向连续地旋转的同时变化的上述一个方向从内侧朝向外侧的同心圆状的图案。
图25所示的PB透镜20是扭转角在面内变化的PB透镜，是即使在衍射角大的情况下衍射效率也高的元件，但PB透镜20也可以是扭转角在面内不变化的PB透镜。具体而言，PB透镜20可以是在厚度方向的不扭转或在面内为一定的扭转角的PB透镜，例如，可使用特表2008-532085号公报中记载的偏振衍射光栅。
优选地，PB透镜20为具备多个光学各向异性层320A的PB透镜，具有在光学各向异性层320A的厚度方向上扭转角的方向彼此不同的光学各向异性层320A。
优选地，PB透镜20为具备多个光学各向异性层320A的PB透镜，且具有在光学各向异性层320A的厚度方向上扭转角的大小彼此不同的光学各向异性层320A。
优选地，PB透镜20是具有多层光学各向异性层320A的PB透镜，光学各向异性层320A具有液晶取向图案，该液晶取向图案中，来自上述液晶分子320的光轴的方向沿着面内的至少一个方向连续旋转的方向彼此相同。
上述液晶取向图案中的上述1周期的长度优选为50μm以下。
可变焦元件30可以是具备1组由光学元件10和PB透镜20构成的层叠体的2值的可变焦元件30A，也可以是具备2组以上由光学元件10和PB透镜20构成的层叠体的多级的可变焦元件30B。这样，通过组合多片光学元件10和PB透镜20的组，能够实现被赋予了多级的可调谐性的可变焦元件30B。
可变焦元件30例如能够通过将利用国际公开第2019/189818号中记载的方法制作的PB透镜20贴附于光学元件10来制作。
(第七实施方式的变形例1)
在本变形例中，说明上述第七实施方式中的PB透镜20配置在光学元件10内、并内嵌(in-cell)化的可变焦元件30。图26是第七实施方式的变形例1的可变焦元件的截面示意图。图27是第七实施方式的变形例1的可变焦元件的放大截面示意图。
如图26所示，本变形例的可变焦元件30是具备2组以上的由光学元件10和PB透镜20构成的层叠体的多级的可变焦元件30B。
如图27所示，本变形例的可变焦元件30所具备的PB透镜20配置在光学元件10内。这样，通过使PB透镜20内嵌化，无需外置PB透镜20，因此能够大幅降低制造成本。此外，能够抑制可变焦元件30的厚度。另外，在图26中，为了方便起见，分别图示光学元件10和PB透镜20。
更具体而言，本变形例的可变焦元件30从入射侧向出射侧依次具有第二1/4波长膜13、第一1/4波长膜12、第一基板100、液晶层300、PB透镜20以及第二基板200。可变焦元件30也可以在第一基板100与液晶层300之间具备第一取向膜410。此外，可变焦元件30也可以在第二基板200与液晶层300之间具备第二取向膜420。
在此，如上述第一实施方式～第七实施方式那样在液晶单元11的出射侧配置第一1/4波长膜12以及第二1/4波长膜13的情况下，在第一状态下，入射到光学元件10的圆偏振光(例如右圆偏振光)，首先入射到液晶单元11而转换为第一直线偏振光，该第一直线偏振光入射到第一1/4波长膜12以及第二1/4波长膜13而转换为圆偏振光(例如左圆偏振光)。并且，在第二状态下，入射到光学元件10的圆偏振光(例如右圆偏振光)，首先入射到液晶单元11而被转换为第二直线偏振光，该第二直线偏振光入射到第一1/4波长膜12及第二1/4波长膜13而被转换为圆偏振光(例如右圆偏振光)。
另一方面，如本变形例那样，当在液晶单元11的入射侧配置第一1/4波长膜12以及第二1/4波长膜13时，在第一状态下，入射到光学元件10的圆偏振光(例如右圆偏振光)，首先入射到第一1/4波长膜12以及第二1/4波长膜13而转换为直线偏振光，该直线偏振光入射到液晶单元11而转换为第一圆偏振光(例如左圆偏振光)。此外，在第二状态下，入射到光学元件10的圆偏振光(例如右圆偏振光)，首先入射到第一1/4波长膜12及第二1/4波长膜13而转换为直线偏振光，该直线偏振光入射到液晶单元11而转换为第二圆偏振光(例如右圆偏振光)。
将第一状态下的第一基板100侧的液晶分子311的取向方向311A的方位角设为0°时，第一1/4波长膜12及第二1/4波长膜13中的靠近光线出射侧的一侧的1/4波长膜的滞相轴(本变形例中第一1/4波长膜12的滞相轴12A)的方位角优选为3°以上且22°以下。通过采用这样的方式，能够在更宽频带中切换偏振光调制以及偏振光非调制。
将第一状态下的第一基板100侧的液晶分子311的取向方向311A的方位角设为0°时，第一1/4波长膜12及第二1/4波长膜13中离光线的出射侧远的一侧的1/4波长膜的滞相轴(本变形例中第二1/4波长膜13的滞相轴13A)的方位角优选为48°以上且66°以下。通过采用这样的方式，能够在更宽频带中切换偏振光调制以及偏振光非调制。
内嵌化的PB透镜20(PB透镜层)换言之，是以滞相轴方向在面内旋转的方式被图案化而成的内嵌相位差层。
PB透镜的内嵌化例如能够如下进行。通过在第二基板200上涂布含有下述通式(PB-1)表示的聚合物的内嵌PB透镜形成用的光敏性材料，形成PB透镜形成用膜后，对该PB透镜形成用膜进行取向处理，能够进行PB透镜20的内嵌化。
[化学式1]
Figure BDA0003974135960000561
(上述式中，V表示间隔基，W表示具有光官能团的二价有机基团，R5表示一价基团，p表示1以上的整数。)
上述通式(PB-1)中的V表示间隔基。V优选具有-(CH2)n-(其中，n为2以上的整数)所表示的碳原子数为2以上的亚烷基。通过采用这样的方式，能够表现出良好的相位差。上述亚烷基优选为直链状。
上述通式(PB-1)中的W表示具有光官能团的二价有机基团。作为具有光官能团的二价有机基团，可举出含有发生光二聚化、光异构化、光弗利斯重排、光分解等反应的光官能团(光反应部位)的二价有机基团。作为能够进行光二聚化及光异构化的光官能团，例如可列举出肉桂酸酯基、查耳酮基、香豆素基、芪基等。作为能够进行光异构化的光官能团，例如可列举偶氮苯基等。作为能够进行光弗利斯重排的光官能团，例如可列举出酚酯基等。作为可进行光分解的光官能团，例如可举出环丁烷环等。
上述通式(PB-1)中的R5表示一价基团。R5优选为氢原子或一价烃基，更优选为氢原子、甲基或乙基。
对PB透镜形成用膜的取向处理通过多个取向处理进行，通过上述多个取向处理照射的偏振光的方向互不相同。对PB透镜形成用膜的取向处理例如具备：以方位角0°的偏振光对PB透镜形成用膜进行取向处理的第一取向处理；以方位角45°的偏振光对PB透镜形成用膜进行取向处理的第二取向处理；以方位角90°的偏振光对PB透镜形成用膜进行取向处理的第三取向处理；以及以方位角135°的偏振光对PB透镜形成用膜进行取向处理的第四取向处理。
图28是表示第七实施方式的变形例1的可变焦元件所具备的PB透镜的取向图案的平面示意图。如图28所示，PB透镜20的取向图案例如随着从中心部朝向外周，取向方向连续地旋转。此外，在俯视时，半径R的位置的液晶分子310的取向方向全部相同。换言之，与距中心的距离对应地具有规定的角度分布。取向图案的周期P1和衍射角θ由P1＝2×λ/sinθ表示，取向图案的周期越短，越能够使光更大地衍射。因此，在想要得到连结焦点的透镜效果的情况下，通过越是光学元件的中心，间距越宽(衍射角度越小)，越往外周，间距越短(衍射角度越大)来实现。
后面描述的具有不同屈光度D的PB透镜20可以通过改变取向图案周期的设计来制造。此外，关于取向模式，也可以基于国际公开第2020/186123号、日本特表2008-532085号等来设定。
在本实施方式中，说明了通过四次曝光进行取向处理的情况，但曝光分割次数越增加，越能够得到衍射效率好的可变焦元件30。基于应用了光取向装置的多光取向处理的制作，与现有的液晶工厂的相容性良好，能够以高生产率制造。在本实施方式中，对基于多光取向处理的PB透镜20的制作进行了说明，但也可以通过光干涉法、激光直接描绘等现有的方法来制作取向图案。
内嵌化的PB透镜20(PB透镜层)的相位差优选为100nm以上且500nm以下，更优选为200nm以上且350nm以下，特别优选为λ/2(即275nm)。衍射效率由下述(式1)表示，因此在Δnd＝λ/2的情况下取最大值。
[数学式1]
Figure BDA0003974135960000581
将本变形例的可变焦元件30即光学元件10和在光学元件10中被内嵌化的PB透镜20的层叠体多个组合而成的多级的可变焦元件30例如具有如下的特性。
图29是说明第七实施方式的变形例1的可变焦元件的详细构成的截面示意图。如图29所示，可变焦元件30从入射侧向出射侧依次具有光学元件10、第一PB透镜20A1、光学元件10、第一PB透镜20A1、光学元件10、第二PB透镜20A2、光学元件10、第二PB透镜20A2、光学元件10、第二PB透镜20A2、光学元件10、第三PB透镜20A3、光学元件10和第三PB透镜20A3。
第一PB透镜20A1为屈光度D＝±0.25，第二PB透镜20A2具有屈光度D＝±0.5的透镜特性，第三PB透镜20A3为屈光度D＝±1的透镜特性。具有右圆偏振光入射的情况下为+(聚光)，左圆偏振光入射的情况下为-(发散)的特性。
下表1是对第七实施方式的变形例1的可变焦元件30在各模式下的光学元件10及PB透镜20A1、20A2及20A3的状态进行说明的表。
[表1]
Figure BDA0003974135960000591
使用上述表1说明F0的模式。在该模式下，所有的光学元件10均为第二状态(非调制)。如果右圆偏振光入射，则不用最初的光学元件10调制而直接入射到最初的第一PB透镜20A1。在此，接收0.25D的聚光。此时，出射光成为左圆偏振光。这里，即使通过PB透镜20，圆偏振光的方向也改变，这是PB透镜20的特性。由于光学元件10是非调制的，因此以左圆偏振光的状态通过第二个光学元件10。在第二个第一PB透镜20A1中，产生-0.25D的发散。其结果，在来自入射侧的最初的4张(光学元件10、第一PB透镜20A1、光学元件10以及第一PB透镜20A1)中，入射光直接通过。之后同样地，第二PB透镜20A2及PB透镜20A3也通过，作为出射光，也保持入射光的状态、在OD直接出射。
使用上述表1说明F1的模式。在该模式下，仅从入射侧起的第四个光学元件10为第一状态。在该状态下，通过最初的第二PB透镜20A2后，与F0的模式同样，处于以左圆偏振光赋予0.5D的状态。接着，用处于第一状态的光学元件转换为右圆偏振光。接着，在第二个第二PB透镜20A2中，成为被赋予+0.5D、合计被赋予1D的左圆偏振光而出射。之后，直接出射1D的左圆偏振光。由于通过第二个第二PB透镜20A2后变为左圆偏振光，因此第三PB透镜20A3的符号与F0时相反。
使用上述表1以及图30说明F-2.5的模式。图30是对第七实施方式的变形例1的可变焦元件在F-2.5的模式下的偏振状态进行说明的图。如表1以及图30所示，在F-2.5的模式下，成为由来自入射侧的最初的4张(光学元件10、第一PB透镜20A1、光学元件10以及第一PB透镜20A1)赋予了-0.5D的右圆偏振光，由出射侧的最后的4张(光学元件10、第三PB透镜20A3、光学元件10以及第三PB透镜20A3)赋予了-2D，作为合计-2.5D的右圆偏振光而出射。
另外，以同样的原理，根据将哪个光学元件10设为调制状态的第一状态，能够实现多级的焦距。在本变形例中，摘录并仅表示3个条件。
在上述第七实施方式及上述第七实施方式的变形例1中，对具备膜状(内嵌聚合物状)的PB透镜的方式进行了叙述，但也可以用液晶层形成PB透镜本身。在本变形例中，对由液晶层形成的PB透镜进行说明。
如上述第七实施方式及上述第七实施方式的变形例1那样，成为聚合物状的PB透镜其自身在电压下不能变化，因此被称为无源PB透镜。另一方面，由具有流动性的液晶层形成的PB透镜能够以电压进行驱动，因此被称为有源PB透镜。
有源PB透镜能够以以下的步骤制作。首先，对一对基板中的单侧的基板的取向膜进行PB透镜图案的取向处理。另一单侧的基板的取向膜为弱锚定力取向膜(滑动界面)。此外，在任一基板上都设有透明电极。当夹持液晶层而将该一对基板贴合时，液晶分子沿着实施了取向处理的图案取向，液晶层也采用PB透镜图案的取向。由此，能够实现有源PB透镜。更优选地，其后实施PSA(Polymer sustained alignment)处理，使液晶分子的界面的取向稳定化，由此能够得到取向稳定性和可靠性更高的有源PB透镜。
有源PB透镜在电压OFF状态下具有PB透镜图案，因此根据入射偏振状态而聚光或发散。在电压ON状态下，液晶分子成为垂直取向，因此不聚光也不发散而直接透过。
第七实施方式那样的组合了sHWP和被动PB透镜的可变焦元件中，是聚光/发散的2值切换，相对于此，本变形例那样的组合了sHWP和有源PB透镜的可变焦元件中，能够进行聚光/发散/透过的3值的切换。其结果，能够进行更平滑的焦点控制。或者，能够减少用于实现相同级数的焦距的电压驱动元件的层叠数。
(第八实施方式)
在本实施方式中，主要对本实施方式特有的特征进行说明，对于与上述第一实施方式～第七实施方式及其变形例重复的内容省略说明。在本实施方式中，对具备可变焦元件30的头戴式显示器进行说明。图31是第八实施方式的头戴式显示器的截面示意图。图32为表示第八实施方式的头戴式显示器的外观的一个示例的立体示意图。
如图31以及图32所示，本实施方式的头戴式显示器1具备显示图像的显示面板1P、相位差板40以及可变焦元件30。通过使用头戴式显示器1，从液晶显示装置、有机电致发光显示装置等显示面板1P出射的光经由相位差板40成为圆偏振光，其通过可变焦元件30，被用户U看到。
(第九实施方式)
在本实施方式中，主要对本实施方式特有的特征进行说明，对于与上述第一实施方式～第八实施方式及其变形例重复的内容省略说明。本实施方式除了液晶单元11的构成不同之外，与第五实施方式实质上相同。
图64是第九实施方式的光学元件的截面示意图。图65是第九实施方式的光学元件所具备的液晶单元的截面示意图。图66是对第九实施方式的光学元件的第一状态和第二状态下的液晶分子的取向进行说明的示意图。基板的界面附近的液晶分子的取向垂直而不能规定方位，因此在图66中，以电极方向规定液晶分子的取向方位。
另外，上述第一实施方式～第七实施方式、第七实施方式的变形例1、第八实施方式以及本实施方式中，作为基准的方位(0°)设定为将第一状态下的第一基板100侧的液晶分子311的取向方向311A投影到光学元件10的出射侧的基板面上时的方向，第一状态下的第一基板100侧的液晶分子311的取向方向311A与从出射侧观察光学元件10时的液晶单元11的画面的水平右方向一致。
图64～图66所示的本实施方式的光学元件10所具备的液晶单元11还具有配置于第一基板100与液晶层300之间的第一垂直取向膜414和配置于液晶层300与第二基板200之间的第二垂直取向膜424。液晶层300含有具有负的介电常数各向异性的液晶分子310。第一垂直取向膜414和第二垂直取向膜424中的至少一方控制无电压施加状态下的液晶分子310的倾斜方向。
优选地，电极11E在第一基板100以及第二基板200的至少一方中具有：面状的电极；以及电极，其隔着绝缘层与上述面状的电极重叠，并且设置有狭缝部。将由面状的电极和隔着绝缘层与上述面状的电极重叠且设有狭缝部的电极构成的一对电极也称为FFS电极。
更具体而言，图64～图66所示的本实施方式的光学元件10所具备的液晶单元11还具有配置于第一基板100与液晶层300之间的第一垂直取向膜414和配置于液晶层300与第二基板200之间的第二垂直取向膜424。液晶层300含有具有负的介电常数各向异性的液晶分子310。电极11E在第一基板100上，具有面状的第一电极131、以及隔着第一绝缘层141与第一电极131重叠且设有狭缝部132S的第二电极132，在第二基板200中，具有整面状电极240。俯视时，设于第二电极132的狭缝部132S的延伸方向132A与无电压施加状态下的第一基板100侧的液晶分子311的取向方向311X正交。
通过采用这样的方式，从而如图66所示，在第一电极131与第二电极132之间施加小于阈值的电压，并且，在第一电极131及第二电极132的至少一方与整面状电极240之间施加阈值以上的电压时，入射到液晶单元11的圆偏振光(例如右圆偏振光)在通过液晶单元11后成为第一直线偏振光。即，能够实现第一状态。
此外，如图66所示，在第一电极131与第二电极132之间施加阈值以上的电压、且在第一电极131及第二电极132中的至少一方与整面状电极240之间施加阈值以上的电压时，入射到液晶单元11的圆偏振光(例如右圆偏振光)在通过液晶单元11后，成为在俯视下具有与第一直线偏振光的偏振方向正交的偏振方向的第二直线偏振光。即，能够实现第二状态。
另外，第一电极131及第二电极132的一方是像素电极，另一方是共用电极。图65中，第一基板100朝向液晶层300侧依次具备面状的电极和设置有狭缝部的电极，但面状的电极和设置有狭缝部的电极的配置不限于此，也可以朝向液晶层300侧依次具备设置有狭缝部的电极和面状的电极。
在本实施方式中，将第一基板100侧和第二基板200侧的取向膜作为垂直取向膜。此外，在至少一个基板(在本实施方式中第一基板100)上设置FFS电极，通过与设置有该FFS电极的基板相对的对置基板(在本实施方式中第二基板200)和FFS基板的电压来驱动液晶分子310。对液晶分子310使用负型的液晶分子310，通过添加手性剂，调整液晶分子310使其70°扭转的同时取向。此时，通过调整施加于取向膜的倾斜方向、构成FFS电极的像素电极以及共用电极间的电压，实现使系统整体的取向旋转90°的第一状态的取向和第二状态的取向。
在本说明书中，倾斜方向是无电压施加状态下的液晶分子的取向方向的方位，也称为倾斜方位。此外，倾斜角与上述预倾角相同。此外，具有倾斜是指倾斜角小于89.9°(更具体而言，0°以上且小于89.9°)，不具有倾斜是指倾斜角为89.9°以上(更具体而言，89.9°以上且90°以下)。
第一基板100侧的液晶分子311以及第二基板200侧的液晶分子312的至少一方优选具有倾斜。例如，优选地，在第一基板100侧的液晶分子311具有倾斜的情况下，第一基板100侧的液晶分子311的倾斜方位与FFS电极的延伸方向的方位正交。更具体而言，优选地，无电压施加状态下的第一基板100侧的液晶分子311的取向方向311X的方位与设置于第二电极132的狭缝部132S的延伸方向132A的方位正交。此时，第一基板100侧的液晶分子311的倾斜方位优选大致为0°(例如，-10°以上、+10°以下)，第二基板200侧的液晶分子312优选不具有倾斜。
此外，在第二基板200侧的液晶分子312具有倾斜的情况下，第二基板200侧的液晶分子312的倾斜方位优选为大致70°(例如，60°以上且80°以下)，第一基板100侧的液晶分子311优选不具有倾斜。
此外，第一基板100侧的液晶分子311以及第二基板200侧的液晶分子312两者也可以具有倾斜。
在延伸方向132A的方位角为90°，无电压施加状态下的第一基板100侧的液晶分子311的取向方向311X的方位角为0°，液晶分子310的扭曲角为70°，且液晶层300含有负型的液晶分子310时，如图64～图66所示，在第一电极131与第二电极132之间施加小于阈值的电压，且在第一电极131及第二电极132与整面状电极240之间施加阈值以上的电压时，能够实现第一基板100侧的液晶分子311的取向方向311A的方位角为0°，第二基板200侧的液晶分子312的取向方向312A的方位角为70°的第一状态。此外，在第一电极131与第二电极132之间施加阈值以上的电压、且在第一电极131及第二电极132与整面状电极240之间施加阈值以上的电压的情况下，能够实现第一基板100侧的液晶分子311的取向方向311B的方位角为90°、第二基板200侧的液晶分子312的取向方向312B的方位角为160°的第二状态。
液晶层300的波长550nm的无电压施加状态下的延迟Δnd优选为180nm以上且280nm以下。液晶层300的折射率各向异性Δn优选为0.12以下，更优选为0.1以下。
在本实施方式中，将第一状态下的第一基板100侧的液晶分子311的取向方向311A的方位角设为0°时，第一1/4波长膜12以及第二1/4波长膜13中离光线的出射侧远的一侧的1/4波长膜的滞相轴(本实施方式中为第一1/4波长膜12的滞相轴12A)的方位角优选为58°以上且78°以下。通过采用这样的方式，能够在更宽频带中切换偏振光调制以及偏振光非调制。
在本实施方式中，将第一状态下的第一基板100侧的液晶分子311的取向方向311A的方位角设为0°时，第一1/4波长膜12以及第二1/4波长膜13中的靠近光线出射侧的一侧的1/4波长膜的滞相轴(在本实施方式中为第二1/4波长膜13的滞相轴13A)的方位角优选为13°以上且33°以下。通过采用这样的方式，能够在更宽频带中切换偏振光调制以及偏振光非调制。
第一1/4波长膜12的滞相轴12A与第二1/4波长膜13的滞相轴13A所成的角度优选为40°以上且50°以下，更优选为42°以上且48°以下，进一步优选为44°以上且46°以下，特别优选为45°。
在本实施方式中，通过将第一1/4波长膜12的滞相轴12A的方位角设定为58°以上且78°以下，且将第二1/4波长膜13的滞相轴13A的方位角设定为13°以上且33°以下，在第一状态下，上述第一直线偏振光通过第一1/4波长膜12及第二1/4波长膜13，从而以宽频带转换成偏振状态与入射到液晶单元11的圆偏振光(例如右圆偏振光)不同的圆偏振光(例如左圆偏振光)。这样，在第一状态下，入射到光学元件10的圆偏振光被转换为偏振状态不同的圆偏振光(例如，右圆偏振光被转换为左圆偏振光)而出射的偏振光调制以宽频带实现。此外，上述第二直线偏振光通过第一1/4波长膜12及第二1/4波长膜13，从而保持以偏振状态与入射到液晶单元11的圆偏振光相同的圆偏振光(例如右圆偏振光)在宽频带上出射。这样，在第二状态下，入射到光学元件10的圆偏振光保持相同的偏振状态(例如，保持右圆偏振光)下出射的偏振光非调制通过宽频带来实现。
图67是表示第九实施方式的光学元件的、第一状态下的各层的斯托克斯曲线的图。图68是对第九实施方式的光学元件的第一状态下的偏振状态进行说明的示意图。图67表示了透过第一状态中的各层时的偏振状态(各层的作用)。使用图67的庞加莱球及图68，详细地说明第九实施方式的光学元件10的偏振光调制的原理。
如图67的(1)所示，右圆偏振光(S3＝+1)入射到液晶单元11。
通过70°扭转的液晶单元11后，一次性转换为图67中的(2)的绘制的偏振状态。各绘制的点表示380nm～780nm的波长不同的绘制。波长550nm附近是直线偏振光(在庞加莱球上这样的赤道上)，除此以外的波长绘制在庞加莱球的北半球，成为椭圆偏振光。
然后，通过第一1/4波长膜12(具体而言，反向波长色散的1/4波长膜)，成为图67的(3)的图案。
而且，如果通过第二1/4波长膜13(具体地是平坦波长色散的1/4波长膜)，则如图67的(4)的绘制所示，几乎所有波长都变成左圆偏振光(在庞加莱球上的南极位置)而出射。即，如图68所示，可知进行从右圆偏振光到左圆偏振光的调制。
第二状态(非调制时)也同样地通过70°扭转的液晶单元11后，一次变为直线偏振光。但是，由于使液晶单元11的取向整体旋转90°，因此与第一状态(调制时)成为约90°角度的不同的直线偏振光。然后，之后，在通过第一1/4波长膜12及第二1/4波长膜13后，全部波长变为右圆偏振光。即，能够将右圆偏振光作为右圆偏振光出射，成为非调制。
这样，第一状态和第二状态是指70°扭曲这样的液晶分子310的取向相同，系统整体处于90°不同的关系。如果使用本实施方式的光学元件10，则能够可逆地切换第一状态和第二状态这两种状态，能够实现偏振光非调制时和偏振光调制时都宽频带的薄型的可变1/2波长板(sHWP：Switchable Half Wave Plate)元件。
第二1/4波长膜13(具体为平坦波长色散的1/4波长膜)例如为正A板或负A板。第二1/4波长膜13(具体为平坦波长色散的1/4波长膜)优选为负A板。通过采用这样的方式，从而能够提高非调制时的视角特性。
设置有狭缝部132S的第二电极132的间距优选为1μm以上且5μm以下。通过这样减小间距，液晶分子310的取向更均匀地变化，能够使调制特性优异。
整面状电极240是指至少在俯视时与像素的光学开口部重叠的区域未设置狭缝或开口的电极。整面状电极240例如能够通过利用溅射法等用单层或多层成膜形成氧化铟锡(ITO)、氧化铟锌(IZO)、氧化锌(ZnO)、氧化锡(SnO)等透明导电材料或者它们的合金后，使用光刻法进行图案化来形成。
本实施方式的液晶分子310为负型的液晶分子310。通过采用这样的方式，在第一基板100以及第二基板200间施加大的纵向电压，从而能够推倒负型的液晶分子310并使其水平取向化。在第一状态和第二状态下，第一电极131和第二电极132与整面状电极240之间的电压差优选为1V以上，更优选为3V以上，进一步优选为4V以上。通过采用这样的方式，从而能够更有效地使液晶分子310水平取向。第一电极131及第二电极132与整面状电极240之间的电压差的上限没有特别限定，但第一电极131及第二电极132与整面状电极240之间的电压差例如为7V以下。第一电极131及第二电极132与整面状电极240之间的电压差优选为1V以上且7V以下，更优选为3V以上且7V以下，进一步优选为4V以上且7V以下。
而且，在第一电极131及第二电极132间，能够对像素电极及共用电极之间施加弱的电压而控制液晶分子310的面内取向方位。液晶分子310为负型的液晶分子的情况下，在面内，液晶分子310在狭缝部132S的延伸方向(与电场正交的方向)取向。此时，如果施加强的横向电场，则妨碍由手性的力所引起的液晶的取向扭转，因此优选横向电场弱。
在第一电极131及第二电极132与整面状电极240之间的电压差为7V以下的情况下，例如，第一状态下的第一电极131与第二电极132之间的电压差优选为0.6V以下。此外，第二状态下的第一电极131与第二电极132之间的电压差优选为2V以下。第一状态下的第一电极131和第二电极132之间的电压差的下限值没有特别限定，但第一状态下的第一电极131和第二电极132之间的电压差例如为0.01V以上。此外，第二状态下的第一电极131与第二电极132之间的电压差的下限值没有特别限定，但第二状态下的第一电极131与第二电极132之间的电压差例如为0.6V以上。
第一状态下的第一电极131与第二电极132之间的电压差优选为0.01V以上且0.6V以下。此外，第二状态下的第一电极131与第二电极132之间的电压差优选为0.6V以上且2V以下。
作为第一垂直取向膜414和第二垂直取向膜424，能够使用与第五实施方式相同的垂直取向膜。在本实施方式中，由于垂直取向膜配置于两基板侧，因此与配置水平取向膜的情况相比，能够实现生产率优异的光学元件10。
第一垂直取向膜414和第二垂直取向膜424中的至少一方优选为弱锚定力的垂直取向膜。通过采用这样的方式，从而能够以更宽频带且低电压切换偏振光调制以及偏振光非调制。在此，上述弱锚定力的垂直取向膜在极角及方位角中的至少一方为弱锚定力即可。
优选入射到光学元件10的光为圆偏振光。通过采用这样的方式，能够实现可切换圆偏振光的偏振状态的光学元件10。
(第九实施方式的变形例)
在上述第九实施方式中，在第一状态和第二状态下，第一电极131和第二电极132与整面状电极240之间的电压差优选为8V以上。通过采用这样的方式，从而能够更有效地使液晶分子310水平取向。第一电极131及第二电极132与整面状电极240之间的电压差的上限没有特别限定，但第一电极131及第二电极132与整面状电极240之间的电压差例如为20V以下。第一电极131及第二电极132与整面状电极240之间的电压差优选为8V以上且20V以下。
在第一电极131及第二电极132与整面状电极240之间的电压差为8V以上的情况下，例如，第一状态下的第一电极131与第二电极132之间的电压差优选为2V以下。此外，第二状态下的第一电极131与第二电极132之间的电压差优选为3V以下。第一状态下的第一电极131和第二电极132之间的电压差的下限值没有特别限定，但第一状态下的第一电极131和第二电极132之间的电压差例如为0.01V以上。此外，第二状态下的第一电极131与第二电极132之间的电压差的下限值没有特别限定，但第二状态下的第一电极131与第二电极132之间的电压差例如为1.1V以上。
优选地，第一状态下的第一电极131与第二电极132之间的电压差为0.01V以上且2V以下。此外，优选地，第二状态下的第一电极131与第二电极132之间的电压差为1.1V以上且3V以下。
通过如本变形例那样施加电压，倒下至界面附近的液晶分子310，因此能够实现视野角宽的sHWP。此时，可以适当地变更单元厚度、扭转间距、相位差膜的角度。
(第十实施方式)
在本实施方式中，主要对本实施方式特有的特征进行说明，对于与上述第一实施方式～第九实施方式及其变形例重复的内容省略说明。本实施方式除了液晶单元11的构成以及施加于电极的优选的电压不同之外，与第九实施方式实质上相同。
图69是第十实施方式的光学元件的截面示意图。图70是第十实施方式的光学元件所具备的液晶单元的截面示意图。图71是对第十实施方式的光学元件的第一状态和第二状态下的液晶分子的取向进行说明的示意图。基板的界面附近的液晶分子的取向垂直而不能规定方位，因此在图71中，以电极方向规定液晶分子的取向方位。
另外，在本实施方式中，作为基准的取向(0°)设定为将第一状态下的第一基板100侧的液晶分子311的取向方向311A投影到光学元件10的出射侧的基板面上时的方向，第一状态下的第一基板100侧的液晶分子311的取向方向311A与从出射侧观察光学元件10时的液晶单元11的画面的水平右方向一致。
图69～图71所示的本实施方式的光学元件10所具备的液晶单元11还具有配置于第一基板100与液晶层300之间的第一垂直取向膜414和配置于液晶层300与第二基板200之间的第二垂直取向膜424。液晶层300含有具有负的介电常数各向异性的液晶分子310。电极11E在第一基板100上，具有面状的第一电极131、以及隔着第一绝缘层141与第一电极131重叠且设有狭缝部的第二电极132，在第二基板200中，具有面状的第三电极231、以及隔着第二绝缘层241与第三电极231重叠且设有狭缝部232S的第四电极232。俯视时，设于第二电极132的狭缝部132S的延伸方向132A相对于设于第四电极232的狭缝部232S的延伸方向232A倾斜地配置，并且与无电压施加状态下的第一基板100侧的液晶分子311的取向方向311X平行，设于第四电极232的狭缝部232S的延伸方向232A与无电压施加状态下的第二基板200侧的液晶分子312的取向方向312X平行。
通过采用这样的方式，从而如图71所示，在将第一电极131及第二电极132间设为施加电压状态、将第三电极231及第四电极232间设为无电压施加状态时，入射到液晶单元11的圆偏振光(例如右圆偏振光)在通过液晶单元11后成为第一直线偏振光。即，能够实现第一状态。
此外，如图71所示，在第一电极131及第二电极132间设为无电压施加状态、第三电极231及第四电极232间设为施加电压状态时，入射到液晶单元11的圆偏振光(例如右圆偏振光)通过液晶单元11后，成为在俯视下具有与第一直线偏振光的偏振方向正交的偏振方向的第二直线偏振光。即，能够实现第二状态。
另外，第一电极131及第二电极132的一方是像素电极，另一方是共用电极。第三电极231及第四电极232的一方是像素电极，另一方是共用电极。图70中，第一基板100和第二基板200均朝向液晶层300侧依次具备面状的电极和设置有狭缝部的电极，但面状的电极和设置有狭缝部的电极的配置并不限定于此，也可以朝向液晶层300侧依次具备设置有狭缝部的电极和面状电极。
第一基板100侧的液晶分子311以及第二基板200侧的液晶分子312的至少一方优选具有倾斜。例如，在第一基板100侧的液晶分子311具有倾斜的情况下，优选第一基板100侧的液晶分子311的倾斜方位与第一基板100侧的FFS电极的延伸方向的方位平行。更具体而言，优选地，无电压施加状态下的第一基板100侧的液晶分子311的取向方向311X的方位与设置于第二电极132的狭缝部132S的延伸方向132A的方位平行。此时，第一基板100侧的液晶分子311的倾斜方位优选大致为0°(例如，-10°以上且+10°以下)，第二基板200侧的液晶分子312优选不具有倾斜。
此外，在第二基板200侧的液晶分子312具有倾斜的情况下，优选第二基板200侧的液晶分子312的倾斜方位与第二基板200侧的FFS电极的延伸方向的方位平行。更具体而言，优选无电压施加状态下的第二基板200侧的液晶分子312的取向方向312X的方位与设置于第四电极232的狭缝部232S的延伸方向232A的方位平行。此时，优选第二基板200侧的液晶分子312的倾斜方位为大致160°(例如，150°以上且170°以下)，优选第一基板100侧的液晶分子311不具有倾斜。
此外，第一基板100侧的液晶分子311以及第二基板200侧的液晶分子312两者也可以具有倾斜。
在俯视时，延伸方向132A与延伸方向232A所成的角度γ(其中，γ为超过0°且小于90°的实数)以及液晶层300所包含的液晶分子310的扭曲角C优选在第一状态和第二状态下满足上述(式CX1)，更优选满足上述(式CX2)，进一步优选满足上述(式CX3)。通过采用这样的方式，从而能够有效地以宽频带切换偏振光调制以及偏振光非调制。
扭曲角C优选为60°以上且80°以下，更优选为64°以上且76°以下，进一步优选为68°以上且72°以下。通过采用这样的方式，从而能够更有效地在宽频带中切换偏振光调制及偏振光非调制。
在延伸方向132A的方位角为0°，无电压施加状态下的第一基板100侧的液晶分子311的取向方向311X的方位角为0°，延伸方向232A的方位角为160°，无电压施加状态下的第二基板200侧的液晶分子312的取向方向312X的方位角为160°，液晶分子310的扭曲角为70°，并且液晶层300含有负型的液晶分子310的情况下，如图69～图71所示，在将第一电极131及第二电极132间设为施加电压状态，将第三电极231及第四电极232间设为无电压施加状态的情况下，能够实现第一基板100侧的液晶分子311的取向方向311的方位角为0°，第二基板200侧的液晶分子312的取向方向312A的方位角为70°的第一状态。此外，在第一电极131及第二电极132间设为无电压施加状态、第三电极231及第四电极232间设为施加电压状态的情况下，能够实现第一基板100侧的液晶分子311的取向方向311B的方位角为90°、第二基板200侧的液晶分子312的取向方向312B的方位角为160°的第二状态。
设置有狭缝部132S的第二电极132的间距优选为1μm以上且5μm以下。通过这样减小间距，液晶分子310的取向更均匀地变化，能够使调制特性优异。此外，设置有狭缝部232S的第四电极232的间距优选为1μm以上且5μm以下。通过采用这样的方式，液晶分子310的取向更均匀地变化，能够使调制特性优异。
本实施方式的液晶分子310为负型的液晶分子310。通过采用这样的方式，在第一基板100以及第二基板200间施加大的纵向电压，从而能够推倒负型的液晶分子310并使其水平取向化。在第一状态和第二状态下，第一电极131和第二电极132与第三电极231和第四电极232之间的电压差优选为1V以上，更优选为3V以上，进一步优选为4V以上。通过采用这样的方式，从而能够更有效地使液晶分子310水平取向。第一电极131和第二电极132与第三电极231和第四电极232之间的电压差的上限没有特别限定，但第一电极131和第二电极132与第三电极231和第四电极232之间的电压差例如为7V以下。第一电极131和第二电极132与第三电极231和第四电极232之间的电压差优选为1V以上且7V以下，更优选为3V以上且7V以下，进一步优选为4V以上且7V以下。
而且，在第一电极131及第二电极132间、以及第三电极231及第四电极232间的各个中，能够对像素电极及共用电极间施加弱的电压而控制液晶分子310的面内取向方位。液晶分子310为负型的液晶分子的情况下，在面内，液晶分子310在狭缝部132S、232S的延伸方向(与电场正交的方向)取向。此时，如果施加强的横向电场，则妨碍由手性的力所引起的液晶的取向扭转，因此优选横向电场弱。
在第一电极131和第二电极132与第三电极231和第四电极232之间的电压差为7V以下的情况下，例如，第一状态下的第一电极131与第二电极132之间的电压差优选为2V以下。第一状态下的第三电极231与第四电极232之间的电压差优选为0.6V以下。第一状态下的第一电极131和第二电极132之间的电压差的下限值没有特别限定，但第一状态下的第一电极131和第二电极132之间的电压差例如为0.7V以上。此外，第一状态下的第三电极231与第四电极232之间的电压差的下限值没有特别限定，但第一状态下的第三电极231与第四电极232之间的电压差例如为0.01V以上。
第一状态下的第一电极131与第二电极132之间的电压差优选为0.7V以上且2V以下。第一状态下的第三电极231与第四电极232之间的电压差优选为0.01V以上且0.6V以下。
此外，第二状态下的第一电极131与第二电极132之间的电压差优选为0.6V以下。第二状态下的第三电极231与第四电极232之间的电压差优选为2V以下。第二状态下的第一电极131与第二电极132之间的电压差的下限值没有特别限定，但第二状态下的第一电极131与第二电极132之间的电压差例如为0.01V以上。此外，第二状态下的第三电极231与第四电极232之间的电压差的下限值没有特别限定，但第二状态下的第三电极231与第四电极232之间的电压差例如为0.7V以上。
第二状态下的第一电极131与第二电极132之间的电压差优选为0.01V以上且0.6V以下。第二状态下的第三电极231与第四电极232之间的电压差优选为0.7V以上且2V以下。
作为第一垂直取向膜414和第二垂直取向膜424，能够使用与第五实施方式相同的垂直取向膜。在本实施方式中，由于垂直取向膜配置于两基板侧，因此与配置水平取向膜的情况相比，能够实现生产率优异的光学元件10。
第一垂直取向膜414和第二垂直取向膜424中的至少一方优选为弱锚定力的垂直取向膜。通过采用这样的方式，从而能够以更宽频带且低电压切换偏振光调制以及偏振光非调制。在此，上述弱锚定力的垂直取向膜在极角及方位角中的至少一方为弱锚定力即可。
(第十实施方式的变形例)
在上述第十实施方式中，在第一状态和第二状态下，第一电极131和第二电极132与第三电极231和第四电极232之间的电压差优选为8V以上。通过采用这样的方式，从而能够更有效地使液晶分子310水平取向。第一电极131和第二电极132与第三电极231和第四电极232之间的电压差的上限没有特别限定，但第一电极131和第二电极132与第三电极231和第四电极232之间的电压差例如为20V以下。第一电极131和第二电极132与第三电极231和第四电极232之间的电压差优选为8V以上且20V以下。
在第一电极131和第二电极132与第三电极231和第四电极232之间的电压差为8V以上的情况下，例如，第一状态下的第一电极131与第二电极132之间的电压差优选为3V以下。第一状态下的第三电极231与第四电极232之间的电压差优选为2V以下。第一状态下的第一电极131和第二电极132之间的电压差的下限值没有特别限定，但第一状态下的第一电极131和第二电极132之间的电压差例如为1.1V以上。此外，第一状态下的第三电极231与第四电极232之间的电压差的下限值没有特别限定，但第一状态下的第三电极231与第四电极232之间的电压差例如为0.01V以上。
第一状态下的第一电极131与第二电极132之间的电压差优选为1.1V以上且3V以下。第一状态下的第三电极231与第四电极232之间的电压差优选为0.01V以上且2V以下。
此外，第二状态下的第一电极131与第二电极132之间的电压差优选为2V以下。第二状态下的第三电极231与第四电极232之间的电压差优选为3V以下。第二状态下的第一电极131与第二电极132之间的电压差的下限值没有特别限定，但第二状态下的第一电极131与第二电极132之间的电压差例如为0.01V以上。此外，第二状态下的第三电极231与第四电极232之间的电压差的下限值没有特别限定，但第二状态下的第三电极231与第四电极232之间的电压差例如为1.1V以上。
第二状态下的第一电极131与第二电极132之间的电压差优选为0.01V以上且2V以下。第二状态下的第三电极231与第四电极232之间的电压差优选为1.1V以上且3V以下。
通过如本变形例那样施加电压，倒下至界面附近的液晶分子310，因此能够实现视野角宽的sHWP。此时，可以适当地变更单元厚度、扭转间距、相位差膜的角度。
(第十一实施方式)
在本实施方式中，主要对本实施方式特有的特征进行说明，对于与上述第一实施方式～第十实施方式及其变形例重复的内容省略说明。本实施方式除了液晶单元11的构成、第一1/4波长膜12的滞相轴12A及第二1/4波长膜13的滞相轴13A的优选的方位角以及施加于电极的优选的电压不同之外，与第九实施方式实质上相同。
图72是第十一实施方式的光学元件的截面示意图。图73是第十一实施方式的光学元件所具备的液晶单元的截面示意图。图74是对第十一实施方式的光学元件的第一状态和第二状态下的液晶分子的取向进行说明的示意图。基板的界面附近的液晶分子的取向垂直而不能规定方位，因此在图74中，以电极方向规定液晶分子的取向方位。
另外，在本实施方式中，作为基准的取向(0°)设定为将第一状态下的第一基板100侧的液晶分子311的取向方向311A投影到光学元件10的出射侧的基板面上时的方向，第一状态下的第一基板100侧的液晶分子311的取向方向311A与从出射侧观察光学元件10时的液晶单元11的画面的水平右方向一致。
图72～图74所示的本实施方式的光学元件10所具备的液晶单元11还具有配置于第一基板100与液晶层300之间的第一垂直取向膜414和配置于液晶层300与第二基板200之间的第二垂直取向膜424。液晶层300含有具有负的介电常数各向异性的液晶分子310。电极11E在第一基板100上，具有面状的第一电极131、以及隔着第一绝缘层141与第一电极131重叠且设有狭缝部132S的第二电极132，在第二基板200中，具有面状的第三电极231、以及隔着第二绝缘层241与第三电极231重叠且设有狭缝部232S的第四电极232。俯视时，无电压施加状态下的第一基板100侧的液晶分子311的取向方向311X配置在设于第二电极132的狭缝部132S的延伸方向132A与设于第四电极232的狭缝部232S的延伸方向232A之间，且配置成与设于第二电极132的狭缝部132S的延伸方向132A正交，且相对于设于第四电极232的狭缝部232S的延伸方向232A倾斜。
通过采用这样的方式，从而如图74所示，在第一电极131及第二电极132间设为施加电压状态、第三电极231及第四电极232间设为无电压施加状态时，入射到液晶单元11的圆偏振光(例如右圆偏振光)在通过液晶单元11后成为第一直线偏振光。即，能够实现第一状态。
此外，如图74所示，在第一电极131及第二电极132间设为无电压施加状态、第三电极231及第四电极232间设为施加电压的状态时，入射到液晶单元11的圆偏振光(例如右圆偏振光)通过液晶单元11，成为在俯视下具有与第一直线偏振光的偏振方向正交的偏振方向的第二直线偏振光。即，能够实现第二状态。
另外，第一电极131及第二电极132的一方是像素电极，另一方是共用电极。第三电极231及第四电极232的一方是像素电极，另一方是共用电极。图73中，第一基板100和第二基板200均朝向液晶层300侧依次具备面状的电极和设置有狭缝部的电极，但面状的电极和设置有狭缝部的电极的配置并不限定于此，也可以具备朝向液晶层300侧依次设置有狭缝部的电极和面状的电极。
第一基板100侧的液晶分子311以及第二基板200侧的液晶分子312的至少一方优选具有倾斜。例如，在第一基板100侧的液晶分子311具有倾斜的情况下，第一基板100侧的液晶分子311的倾斜方位和第一基板100侧的FFS电极的延伸方向的方位优选正交。更具体而言，优选无电压施加状态下的第一基板100侧的液晶分子311的取向方向311X的方位与设置于第二电极132的狭缝部132S的延伸方向132A的方位正交。此时，第一基板100侧的液晶分子311的倾斜方位优选为约-45°(例如，-55°以上且-35°以下)，第二基板200侧的液晶分子312优选不具有倾斜。此外，也可以是，第二基板200侧的液晶分子312具有倾斜，第一基板100侧的液晶分子311不具有倾斜。此外，也可以是，第一基板100侧的液晶分子311以及第二基板200侧的液晶分子312两者具有倾斜。
优选地，在俯视时，取向方向311X与延伸方向232A所成的角度δ(其中，δ为大于0°且小于90°的实数)以及液晶层300所包含的液晶分子310的扭曲角D1在第一状态和第二状态下满足下述(式DX1)。通过采用这样的方式，从而能够有效地以宽频带切换偏振光调制以及偏振光非调制。
80°-D1≤δ≤100°-D1……(式DX1)
扭曲角D1优选为60°以上且80°以下，更优选为64°以上且76°以下，进一步优选为68°以上且72°以下。通过采用这样的方式，从而能够更有效地在宽频带中切换偏振光调制及偏振光非调制。
在延伸方向132A的方位角为90°，无电压施加状态下的第一基板100侧的液晶分子311的取向方向311X的方位角为0°，延伸方向232A的方位角为160°，液晶分子310的扭曲角为70°，并且液晶层300含有负型的液晶分子310的情况下，如图72～图74所示，在将第一电极131及第二电极132间设为施加电压状态，将第三电极231及第四电极232间设为无电压施加状态的情况下，能够实现第一基板100侧的液晶分子311的取向方向311A的方位角为0°，第二基板200侧的液晶分子312的取向方向312A的方位角为70°的第一状态。此外，在第一电极131及第二电极132间设为无电压施加状态、第三电极231及第四电极232间设为施加电压状态的情况下，能够实现第一基板100侧的液晶分子311的取向方向311B的方位角为90°、第二基板200侧的液晶分子312的取向方向312B的方位角为160°的第二状态。
当第一状态下的第一基板100侧的液晶分子311的取向方向311A的方位角为0°时，第一1/4波长膜12及第二1/4波长膜13中离光线的出射侧远的一侧的1/4波长膜的滞相轴(本实施方式中为第一1/4波长膜12的滞相轴12A)的方位角优选为58°以上且78°以下。通过采用这样的方式，能够在更宽频带中切换偏振光调制以及偏振光非调制。
将第一状态下的第一基板100侧的液晶分子311的取向方向311A的方位角设为0°时，第一1/4波长膜12及第二1/4波长膜13中的靠近光线出射侧的一侧的1/4波长膜的滞相轴(在本实施方式中为第二1/4波长膜13的滞相轴13A)的方位角优选为13°以上且33°以下。通过采用这样的方式，能够在更宽频带中切换偏振光调制以及偏振光非调制。
第一1/4波长膜12的滞相轴12A与第二1/4波长膜13的滞相轴13A所成的角度优选为40°以上且50°以下，更优选为42°以上且48°以下，进一步优选为44°以上且46°以下，特别优选为45°。
在本实施方式中，通过将第一状态下的第一基板100侧的液晶分子311的取向方向311A的方位角设定为0°，将第一1/4波长膜12的滞相轴12A的方位角设定为58°以上且78°以下，且将第二1/4波长膜13的滞相轴13A的方位角设定为13°以上且33°以下，在第一状态下，上述第一直线偏振光通过第一1/4波长膜12以及第二1/4波长膜13，从而以宽频带转换成偏振状态与入射到液晶单元11的圆偏振光(例如右圆偏振光)不同的圆偏振光(例如左圆偏振光)。这样，在第一状态下，入射到光学元件10的圆偏振光被转换为偏振状态不同的圆偏振光(例如，右圆偏振光被转换为左圆偏振光)而出射的偏振光调制以宽频带实现。此外，上述第二直线偏振光通过第一1/4波长膜12及第二1/4波长膜13，从而保持以偏振状态与入射到液晶单元11的圆偏振光相同的圆偏振光(例如右圆偏振光)在宽频带上出射。这样，在第二状态下，入射到光学元件10的圆偏振光保持相同的偏振状态(例如，保持右圆偏振光)下出射的偏振光非调制通过宽频带来实现。
设置有狭缝部132S的第二电极132的间距优选为1μm以上且5μm以下。通过这样减小间距，液晶分子310的取向更均匀地变化，能够使调制特性优异。此外，设置有狭缝部232S的第四电极232的间距优选为1μm以上且5μm以下。通过采用这样的方式，液晶分子310的取向更均匀地变化，能够使调制特性优异。
本实施方式的液晶分子310为负型的液晶分子310。通过采用这样的方式，在第一基板100以及第二基板200间施加大的纵向电压，从而能够推倒负型的液晶分子310并使其水平取向化。在第一状态和第二状态下，第一电极131和第二电极132与第三电极231和第四电极232之间的电压差优选为1V以上，更优选为3V以上，进一步优选为4V以上。通过采用这样的方式，从而能够更有效地使液晶分子310水平取向。第一电极131和第二电极132与第三电极231和第四电极232之间的电压差的上限没有特别限定，但第一电极131和第二电极132与第三电极231和第四电极232之间的电压差例如为7V以下。第一电极131和第二电极132与第三电极231和第四电极232之间的电压差优选为1V以上且7V以下，更优选为3V以上且7V以下，进一步优选为4V以上且7V以下。
而且，在第一电极131和第二电极132间、以及第三电极231和第四电极232间的各个中，能够对像素电极及共用电极间施加弱的电压而控制液晶分子310的面内取向方位。液晶分子310为负型的液晶分子的情况下，在面内，液晶分子310在狭缝部132S、232S的延伸方向(与电场正交的方向)取向。此时，如果施加强的横向电场，则妨碍由手性的力所引起的液晶的取向扭转，因此优选横向电场弱。
在第一电极131和第二电极132与第三电极231和第四电极232之间的电压差为7V以下的情况下，例如，第一状态下的第一电极131与第二电极132之间的电压差优选为2V以下。第一状态下的第三电极231与第四电极232之间的电压差优选为0.6V以下。第一状态下的第一电极131和第二电极132之间的电压差的下限值没有特别限定，但第一状态下的第一电极131和第二电极132之间的电压差例如为0.7V以上。此外，第一状态下的第三电极231与第四电极232之间的电压差的下限值没有特别限定，但第一状态下的第三电极231与第四电极232之间的电压差例如为0.01V以上。
第一状态下的第一电极131与第二电极132之间的电压差优选为0.7V以上且2V以下。第一状态下的第三电极231与第四电极232之间的电压差优选为0.01V以上且0.6V以下。
此外，第二状态下的第一电极131与第二电极132之间的电压差优选为0.6V以下。第二状态下的第三电极231与第四电极232之间的电压差优选为2V以下。第二状态下的第一电极131与第二电极132之间的电压差的下限值没有特别限定，但第二状态下的第一电极131与第二电极132之间的电压差例如为0.01V以上。此外，第二状态下的第三电极231与第四电极232之间的电压差的下限值没有特别限定，但第二状态下的第三电极231与第四电极232之间的电压差例如为0.7V以上。
第二状态下的第一电极131与第二电极132之间的电压差优选为0.01V以上且0.6V以下。第二状态下的第三电极231与第四电极232之间的电压差优选为0.7V以上且2V以下。
作为第一垂直取向膜414和第二垂直取向膜424，能够使用与第五实施方式相同的垂直取向膜。在本实施方式中，由于垂直取向膜配置于两基板侧，因此与配置水平取向膜的情况相比，能够实现生产率优异的光学元件10。
第一垂直取向膜414和第二垂直取向膜424中的至少一方优选为弱锚定力的垂直取向膜。通过采用这样的方式，从而能够以更宽频带且低电压切换偏振光调制以及偏振光非调制。在此，上述弱锚定力的垂直取向膜在极角及方位角中的至少一方为弱锚定力即可。
(第一实施方式的变形例)
在上述第十一实施方式中，在第一状态和第二状态下，第一电极131和第二电极132与第三电极231和第四电极232之间的电压差优选为8V以上。通过采用这样的方式，从而能够更有效地使液晶分子310水平取向。第一电极131和第二电极132与第三电极231和第四电极232之间的电压差的上限没有特别限定，但第一电极131和第二电极132与第三电极231和第四电极232之间的电压差例如为20V以下。第一电极131和第二电极132与第三电极231和第四电极232之间的电压差优选为8V以上且20V以下。
在第一电极131和第二电极132与第三电极231和第四电极232之间的电压差为8V以上的情况下，例如，第一状态下的第一电极131与第二电极132之间的电压差优选为3V以下。第一状态下的第三电极231与第四电极232之间的电压差优选为2V以下。第一状态下的第一电极131和第二电极132之间的电压差的下限值没有特别限定，但第一状态下的第一电极131和第二电极132之间的电压差例如为1.1V以上。此外，第一状态下的第三电极231与第四电极232之间的电压差的下限值没有特别限定，但第一状态下的第三电极231与第四电极232之间的电压差例如为0.01V以上。
第一状态下的第一电极131与第二电极132之间的电压差优选为1.1V以上且3V以下。第一状态下的第三电极231与第四电极232之间的电压差优选为0.01V以上且2V以下。
此外，第二状态下的第一电极131与第二电极132之间的电压差优选为2V以下。第二状态下的第三电极231与第四电极232之间的电压差优选为3V以下。第二状态下的第一电极131与第二电极132之间的电压差的下限值没有特别限定，但第二状态下的第一电极131与第二电极132之间的电压差例如为0.01V以上。此外，第二状态下的第三电极231与第四电极232之间的电压差的下限值没有特别限定，但第二状态下的第三电极231与第四电极232之间的电压差例如为1.1V以上。
第二状态下的第一电极131与第二电极132之间的电压差优选为0.01V以上且2V以下。第二状态下的第三电极231与第四电极232之间的电压差优选为1.1V以上且3V以下。
通过如本变形例那样施加电压，倒下至界面附近的液晶分子310，因此能够实现视野角宽的sHWP。此时，可以适当地变更单元厚度、扭转间距、相位差膜的角度。
(第十二实施方式)
在本实施方式中，主要对本实施方式特有的特征进行说明，对于与上述第一实施方式～第十一实施方式及其变形例重复的内容省略说明。本实施方式除了液晶单元11的构成以及施加于电极的优选的电压不同之外，与第九实施方式实质上相同。
图75是第十二实施方式的光学元件的截面示意图。图76是第十二实施方式的光学元件所具备的液晶单元的截面示意图。图77是对第十二实施方式的光学元件的第一状态和第二状态下的液晶分子的取向进行说明的示意图。基板的界面附近的液晶分子的取向垂直而无法规定方位，因此在图77中，以电极方向规定液晶分子的取向方位。
另外，在本实施方式中，作为基准的取向(0°)设定为将第一状态下的第一基板100侧的液晶分子311的取向方向311A投影到光学元件10的出射侧的基板面上时的方向，第一状态下的第一基板100侧的液晶分子311的取向方向311A与从出射侧观察光学元件10时的液晶单元11的画面的水平右方向一致。
图75～图77所示的本实施方式的光学元件10所具备的液晶单元11还具有配置于第一基板100与液晶层300之间的第一垂直取向膜414和配置于液晶层300与第二基板200之间的第二垂直取向膜424。液晶层300含有具有负的介电常数各向异性的液晶分子310。电极11E在第一基板100上，具有面状的第一电极131、以及隔着第一绝缘层141与第一电极131重叠且设有狭缝部132S的第二电极132，在第二基板200中，具有面状的第三电极231、以及隔着第二绝缘层241与第三电极231重叠且设有狭缝部232S的第四电极232。俯视时，无电压施加状态下的第一基板100侧的液晶分子311的取向方向311X配置在设于第二电极132的狭缝部132S的延伸方向132A与设于第四电极232的狭缝部232S的延伸方向232A之间，且配置成与设于第二电极132的狭缝部132S的延伸方向132A正交且相对于设于第四电极232的狭缝部232S的延伸方向232A倾斜。
通过采用这样的方式，从而如图77所示，在第一电极131及第二电极132间设为施加电压状态、第三电极231及第四电极232间设为无电压施加状态时，入射到液晶单元11的圆偏振光(例如右圆偏振光)在通过液晶单元11后成为第一直线偏振光。即，能够实现第一状态。
此外，如图77所示，在第一电极131及第二电极132间设为无电压施加状态、第三电极231及第四电极232间设为施加电压的状态时，入射到液晶单元11的圆偏振光(例如右圆偏振光)通过液晶单元11，成为在俯视下具有与第一直线偏振光的偏振方向正交的偏振方向的第二直线偏振光。即，能够实现第二状态。
另外，第一电极131及第二电极132的一方是像素电极，另一方是共用电极。第三电极231及第四电极232的一方是像素电极，另一方是共用电极。图77中，第一基板100和第二基板200均朝向液晶层300侧依次具备面状的电极和设置有狭缝部的电极，但面状的电极和设置有狭缝部的电极的配置并不限定于此，也可以朝向液晶层300侧依次具备设置有狭缝部的电极和面状电极。
第一基板100侧的液晶分子311以及第二基板200侧的液晶分子312的至少一方优选具有倾斜。例如，在第一基板100侧的液晶分子311具有倾斜的情况下，在本实施方式中，第一基板100侧的液晶分子311的倾斜方位与第一基板100侧的FFS电极的延伸方向的方位优选正交，更优选两者所成的角度为90°。更具体而言，优选无电压施加状态下的第一基板100侧的液晶分子311的取向方向311X的方位与设置于第二电极132的狭缝部132S的延伸方向132A的方位正交，更优选两者所成的角度为90°。此时，第一基板100侧的液晶分子311的倾斜方位优选大致0°(例如，-10°以上且+10°以下)，第二基板200侧的液晶分子312优选不具有倾斜。此外，也可以是，第二基板200侧的液晶分子312具有倾斜，第一基板100侧的液晶分子311不具有倾斜。此外，也可以是，第一基板100侧的液晶分子311以及第二基板200侧的液晶分子312两者具有倾斜。
优选地，在俯视时，取向方向311X与延伸方向232A所成的角度δ(其中，δ为大于0°且小于90°的实数)以及液晶层300所包含的液晶分子310的扭曲角D1在第一状态和第二状态下满足上述(式DX1)。通过采用这样的方式，从而能够有效地以宽频带切换偏振光调制以及偏振光非调制。
扭曲角D1优选为60°以上且80°以下，更优选为64°以上且76°以下，进一步优选为68°以上且72°以下。通过采用这样的方式，从而能够更有效地在宽频带中切换偏振光调制及偏振光非调制。
在延伸方向132A的方位角为90°，无电压施加状态下的第一基板100侧的液晶分子311的取向方向311X的方位角为0°，延伸方向232A的方位角为160°，液晶分子310的扭曲角为70°，并且液晶层300含有负型的液晶分子310的情况下，如图75～图77所示，能够实现将第一电极131及第二电极132间设为无电压施加状态，将第三电极231及第四电极232间设为无电压施加状态的情况下，第一基板100侧的液晶分子311的取向方向311A的方位角为0°，第二基板200侧的液晶分子312的取向方向312A的方位角为70°的第一状态。此外，在第一电极131及第二电极132间设为施加电压状态、第三电极231及第四电极232间设为施加电压状态的情况下，能够实现第一基板100侧的液晶分子311的取向方向311B的方位角为90°、第二基板200侧的液晶分子312的取向方向312B的方位角为160°的第二状态。
设置有狭缝部132S的第二电极132的间距优选为1μm以上且5μm以下。通过这样减小间距，液晶分子310的取向更均匀地变化，能够使调制特性优异。此外，设置有狭缝部232S的第四电极232的间距优选为1μm以上且5μm以下。通过采用这样的方式，液晶分子310的取向更均匀地变化，能够使调制特性优异。
本实施方式的液晶分子310为负型的液晶分子310。通过采用这样的方式，在第一基板100以及第二基板200间施加大的纵向电压，从而能够推倒负型的液晶分子310并使其水平取向化。在第一状态和第二状态下，第一电极131和第二电极132与第三电极231和第四电极232之间的电压差优选为1V以上，更优选为3V以上，进一步优选为4V以上。通过采用这样的方式，从而能够更有效地使液晶分子310水平取向。第一电极131和第二电极132与第三电极231和第四电极232之间的电压差的上限没有特别限定，但第一电极131和第二电极132与第三电极231和第四电极232之间的电压差例如为7V以下。第一电极131和第二电极132与第三电极231和第四电极232之间的电压差优选为1V以上且7V以下，更优选为3V以上且7V以下，进一步优选为4V以上且7V以下。
而且，在第一电极131及第二电极132间、以及第三电极231及第四电极232间的各个中，能够对像素电极及共用电极间施加弱的电压而控制液晶分子310的面内取向方位。液晶分子310为负型的液晶分子的情况下，在面内，液晶分子310在狭缝部132S、232S的延伸方向(与电场正交的方向)取向。此时，如果施加强的横向电场，则妨碍由手性的力所引起的液晶的取向扭转，因此优选横向电场弱。
在第一电极131和第二电极132与第三电极231和第四电极232之间的电压差为7V以下的情况下，例如，第一状态下的第一电极131与第二电极132之间的电压差优选为0.6V以下。第一状态下的第三电极231与第四电极232之间的电压差优选为0.6V以下。第一状态下的第一电极131和第二电极132之间的电压差的下限值没有特别限定，但第一状态下的第一电极131和第二电极132之间的电压差例如为0.01V以上。此外，第一状态下的第三电极231与第四电极232之间的电压差的下限值没有特别限定，但第一状态下的第三电极231与第四电极232之间的电压差例如为0.01V以上。
第一状态下的第一电极131与第二电极132之间的电压差优选为0.01V以上且0.6V以下。第一状态下的第三电极231与第四电极232之间的电压差优选为0.01V以上且0.6V以下。
此外，第二状态下的第一电极131与第二电极132之间的电压差优选为2V以下。第二状态下的第三电极231与第四电极232之间的电压差优选为2V以下。第二状态下的第一电极131与第二电极132之间的电压差的下限值没有特别限定，但第二状态下的第一电极131与第二电极132之间的电压差例如为0.7V以上。此外，第二状态下的第三电极231与第四电极232之间的电压差的下限值没有特别限定，但第二状态下的第三电极231与第四电极232之间的电压差例如为0.7V以上。
第二状态下的第一电极131与第二电极132之间的电压差优选为0.7V以上且2V以下。第二状态下的第三电极231与第四电极232之间的电压差优选为0.7V以上且2V以下。
作为第一垂直取向膜414和第二垂直取向膜424，能够使用与第五实施方式相同的垂直取向膜。在本实施方式中，由于垂直取向膜配置于两基板侧，因此与配置水平取向膜的情况相比，能够实现生产率优异的光学元件10。
(第十二实施方式的变形例)
在上述第十二实施方式中，在第一状态和第二状态下，第一电极131和第二电极132与第三电极231和第四电极232之间的电压差优选为8V以上。通过采用这样的方式，从而能够更有效地使液晶分子310水平取向。第一电极131和第二电极132与第三电极231和第四电极232之间的电压差的上限没有特别限定，但第一电极131和第二电极132与第三电极231和第四电极232之间的电压差例如为20V以下。第一电极131和第二电极132与第三电极231和第四电极232之间的电压差优选为8V以上且20V以下。
在第一电极131和第二电极132与第三电极231和第四电极232之间的电压差为8V以上的情况下，例如，第一状态下的第一电极131与第二电极132之间的电压差优选为2V以下。第一状态下的第三电极231与第四电极232之间的电压差优选为2V以下。第一状态下的第一电极131和第二电极132之间的电压差的下限值没有特别限定，但第一状态下的第一电极131和第二电极132之间的电压差例如为0.01V以上。此外，第一状态下的第三电极231与第四电极232之间的电压差的下限值没有特别限定，但第一状态下的第三电极231与第四电极232之间的电压差例如为0.01V以上。
第一状态下的第一电极131与第二电极132之间的电压差优选为0.01V以上且2V以下。第一状态下的第三电极231与第四电极232之间的电压差优选为0.01V以上且2V以下。
此外，第二状态下的第一电极131与第二电极132之间的电压差优选为3V以下。第二状态下的第三电极231与第四电极232之间的电压差优选为3V以下。第二状态下的第一电极131与第二电极132之间的电压差的下限值没有特别限定，但第二状态下的第一电极131与第二电极132之间的电压差例如为1.1V以上。此外，第二状态下的第三电极231与第四电极232之间的电压差的下限值没有特别限定，但第二状态下的第三电极231与第四电极232之间的电压差例如为1.1V以上。
第二状态下的第一电极131与第二电极132之间的电压差为1.1V以上且3V以下。第二状态下的第三电极231与第四电极232之间的电压差优选为1.1V以上且3V以下。
通过如本变形例那样施加电压，倒下至界面附近的液晶分子310，因此能够实现视野角宽的sHWP。此时，可以适当地变更单元厚度、扭转间距、相位差膜的角度。
(第十三实施方式)
在本实施方式中，主要对本实施方式特有的特征进行说明，对于与上述第一实施方式～第十二实施方式及其变形例重复的内容省略说明。在本实施方式中，对具备上述第九实施方式～第十二实施方式及其变形例的光学元件(sHWP)的可变焦元件进行说明。
与上述第七实施方式相同，上述第九实施方式～第十二实施方式及其变形例的光学元件(sHWP)也与PB透镜20组合，从而能够构成可变焦元件30。
(第十三实施方式的变形例)
与上述第七实施方式的变形例1同样，在本变形例中，对将上述第十三实施方式中的PB透镜20配置在光学元件10内并进行了内嵌化的可变焦元件30进行说明。在本变形例中，对于与上述第七实施方式的变形例1重复的内容省略说明。
图78是第十三实施方式的变形例的可变焦元件的截面示意图。图79是第十三实施方式的变形例的可变焦元件的放大截面示意图。图80是对第十三实施方式的变形例的光学元件的、第一状态和第二状态下的液晶分子的取向进行说明的示意图。基板的界面附近的液晶分子的取向是垂直而不能规定方位，因此在图80中，以电极方向规定液晶分子的取向方位。
另外，在本实施方式中，作为基准的取向(0°)设定为将第一状态下的第一基板100侧的液晶分子311的取向方向311A投影到光学元件10的出射侧的基板面上时的方向，第一状态下的第一基板100侧的液晶分子311的取向方向311A与从出射侧观察光学元件10时的液晶单元11的画面的水平右方向一致。
如图78所示，本变形例的可变焦元件30是具备两组以上由光学元件10和PB透镜20构成的层叠体的多级的可变焦元件30B。
如图79所示，本变形例的可变焦元件30所具备的PB透镜20配置在光学元件10内。这样，通过使PB透镜20内嵌化，无需外置PB透镜20，因此能够大幅降低制造成本。此外，能够抑制可变焦元件30的厚度。另外，在图78中，为了方便起见，分别图示光学元件10和PB透镜20。
更具体而言，本变形例的可变焦元件30从入射侧向出射侧依次具有第二1/4波长膜13、第一1/4波长膜12、第一基板100、液晶层300、PB透镜20以及第二基板200。可变焦元件30也可以在第一基板100与液晶层300之间具备第一垂直取向膜414。此外，可变焦元件30也可以在第二基板200与液晶层300之间具备第二垂直取向膜424。
在此，如上述第九实施方式～第十二实施方式及其变形例那样，当在液晶单元11的出射侧配置有第一1/4波长膜12及第二1/4波长膜13时，在第一状态下，入射到光学元件10的圆偏振光(例如右圆偏振光)首先入射到液晶单元11而转换为第一直线偏振光，该第一直线偏振光入射到第一1/4波长膜12及第二1/4波长膜13而转换为圆偏振光(例如左圆偏振光)。此外，在第二状态下，入射到光学元件10的圆偏振光(例如右圆偏振光)首先入射到液晶单元11而被转换为第二直线偏振光，该第二直线偏振光入射到第一1/4波长膜12及第二1/4波长膜13而被转换为圆偏振光(例如右圆偏振光)。
另一方面，如本变形例那样，当在液晶单元11的入射侧配置第一1/4波长膜12以及第二1/4波长膜13时，在第一状态下，入射到光学元件10的圆偏振光(例如右圆偏振光)首先入射到第一1/4波长膜12以及第二1/4波长膜13而转换为直线偏振光，该直线偏振光入射到液晶单元11而转换为第一圆偏振光(例如左圆偏振光)。此外，在第二状态下，入射到光学元件10的圆偏振光(例如右圆偏振光)首先入射到第一1/4波长膜12及第二1/4波长膜13而转换为直线偏振光，该直线偏振光入射到液晶单元11而转换为第二圆偏振光(例如右圆偏振光)。
在本变形例中，列举使用上述第九实施方式的光学元件作为光学元件10的情况为例进行说明。在延伸方向132A的方位角为90°，且无电压施加状态下的第一基板100侧的液晶分子311的取向方向311X的方位角为0°，液晶分子310的扭曲角为70°，且液晶层300含有负型的液晶分子310的情况下，如图78～图80所示，在第一电极131与第二电极132之间施加小于阈值的电压，且在第一电极131及第二电极132与整面状电极240之间施加阈值以上的电压的情况下，能够实现第一基板100侧的液晶分子311的取向方向311A的方位角为0°，第二基板200侧的液晶分子312的取向方向312A的方位角为70°的第一状态。此外，在第一电极131与第二电极132之间施加阈值以上的电压、且在第一电极131及第二电极132与整面状电极240之间施加阈值以上的电压的情况下，能够实现第一基板100侧的液晶分子311的取向方向311B的方位角为90°、第二基板200侧的液晶分子312的取向方向312B的方位角为160°的第二状态。
如图80所示，将第一状态下的第一基板100侧的液晶分子311的取向方向311A的方位角设为0°时，第一1/4波长膜12及第二1/4波长膜13中靠近光线的出射侧的一侧的1/4波长膜的滞相轴(本变形例中第一1/4波长膜12的滞相轴12A)的方位角优选为-2°以上且18°以下。通过采用这样的方式，能够在更宽频带中切换偏振光调制以及偏振光非调制。
如图80所示，将第一状态下的第一基板100侧的液晶分子311的取向方向311A的方位角设为0°时，第一1/4波长膜12及第二1/4波长膜13中离光线的出射侧远的一侧的1/4波长膜的滞相轴(本变形例中第二1/4波长膜13的滞相轴13A)的方位角优选为38°以上且58°以下。通过采用这样的方式，能够在更宽频带中切换偏振光调制以及偏振光非调制。
图81是说明第十三实施方式的变形例的可变焦元件的详细构成的截面示意图。如图81所示，可变焦元件30从入射侧向出射侧依次具有光学元件10、第一PB透镜20A1、光学元件10、第一PB透镜20A1、光学元件10、第二PB透镜20A2、光学元件10、第二PB透镜20A2、光学元件10、第二PB透镜20A2、光学元件10、第三PB透镜20A3、光学元件10和第三PB透镜20A3。
第一PB透镜20A1为屈光度D＝±0.25，第二PB透镜20A2具有屈光度D＝±0.5的透镜特性，第三PB透镜20A3具有屈光度D＝±1的透镜特性。具有右圆偏振光入射的情况下为+(聚光)，左圆偏振光入射的情况下为-(发散)的特性。
下表2是对第十三实施方式的变形例的可变焦元件30在各模式下的光学元件10和PB透镜20A1、20A2和20A3的状态进行说明的表。
[表2]
Figure BDA0003974135960000931
使用上述表2说明F0的模式。在该模式下，所有的光学元件10均为第二状态(非调制)。如果右圆偏振光入射，则不用最初的光学元件10调制而直接入射到最初的第一PB透镜20A1。在此，接收0.25D的聚光。此时，出射光成为左圆偏振光。这里，即使通过PB透镜20，圆偏振光的方向也改变，这是PB透镜20的特性。由于光学元件10是非调制的，因此以左圆偏振光的状态通过第二个光学元件10。在第二个第一PB透镜20A1中，产生-0.25D的发散。其结果，在来自入射侧的最初的4张(光学元件10、第一PB透镜20A1、光学元件10以及第一PB透镜20A1)中，入射光直接通过。之后同样地，第二PB透镜20A2及PB透镜20A3也通过，作为出射光，也保持入射光的状态、在OD直接出射。
使用上述表2说明F1的模式。在该模式下，仅从入射侧开始第四个光学元件10为第一状态。在该状态下，通过最初的第二PB透镜20A2后，与F0的模式同样，处于以左圆偏振光赋予0.5D的状态。接着，用处于第一状态的光学元件转换为右圆偏振光。接着，在第二个第二PB透镜20A2中，成为被赋予+0.5D、合计被赋予1D的左圆偏振光而出射。之后，直接出射1D的左圆偏振光。由于通过第二个第二PB透镜20A2后变为左圆偏振光，因此第三PB透镜20A3的符号与F0时相反。
使用上述表2和图82说明F-2.5的模式。图82是对第十三实施方式的变形例的可变焦元件在F-2.5的模式下的偏振状态进行说明的图。如表2及图82所示，在F-2.5的模式下，由来自入射侧的最初的4张(光学元件10、第一PB透镜20A1、光学元件10及第一PB透镜20A1)赋予了-0.5D的右圆偏振光，由出射侧的最后的4张(光学元件10、第三PB透镜20A3、光学元件10及第三PB透镜20A3)赋予了-2D，作为合计-2.5D的右圆偏振光而出射。
另外，以同样的原理，根据将哪个光学元件10设为调制状态的第一状态，能够实现多级的焦距。在本变形例中，摘录并仅示出3个条件。
在上述第十三实施方式及本变形例中，对具备膜状(内嵌聚合物状)的PB透镜的方式进行了叙述，但也可以如上述第七实施方式的变形例1那样，用液晶层形成PB透镜本身。
(第十四实施方式)
在本实施方式中，主要对本实施方式特有的特征进行说明，对于与上述第一实施方式～第十三实施方式及其变形例重复的内容省略说明。在本实施方式中，对具备上述第十三实施方式及其变形例的可变焦元件30的头戴式显示器进行说明。
与上述第八实施方式同样地，本实施方式的头戴式显示器1具备显示图像的显示面板1P、相位差板40以及可变焦元件30。通过使用头戴式显示器1，从液晶显示装置、有机电致发光显示装置等显示面板1P出射的光经由相位差板40成为圆偏振光，其通过可变焦元件30，被用户U看到。
以下，举出实施例和比较例来说明本发明的效果，但本发明并不限定于这些例子。
(实施例1)
制作具有与上述第一实施方式同样的构成的实施例1的光学元件10。实施例1的光学元件10从入射侧向出射侧依次具备液晶单元11、作为第一1/4波长膜12的反向波长色散的1/4波长膜、作为第二1/4波长膜13的平坦波长色散的1/4波长膜。反向波长色散的1/4波长膜的滞相轴(第一1/4波长膜12的滞相轴12A)的方位角为57.2°，平坦波长色散的1/4波长膜的滞相轴(第二1/4波长膜13的滞相轴13A)的方位角为12.2°。具体而言如下制作实施例1的光学元件10。
准备具备第一梳齿电极120的第一基板100和具备第二梳齿电极220的第二基板200。第一基板100的电极方向(第一梳齿电极120的延伸方向120A)和第二基板200的电极方向(第二梳齿电极220的延伸方向220A)形成为在贴合时成为图5所示的角度的关系。此外，在第二基板200上配置有高度3.6μm的光间隔物。
接着，对具备第一梳齿电极120的第一基板100及具备第二梳齿电极220的第二基板200两者制膜PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)。接着，在第二基板200上描绘密封材料，将第一基板100和第二基板200夹着液晶材料来贴合，制作液晶单元11。
在此，作为上述液晶材料，使用在介电各向异性为正的正型液晶分子液晶(Δn＝0.066)中混合有5wt％的十二烷基丙烯酸酯(C12A)和手性剂S-811的混合物。另外，手性剂以液晶单元中的上下基板间的扭曲角为70°的方式设定浓度。
将该液晶单元11加热至各向同性相状态之后，一边对第一基板100施加电压一边降温至室温，得到具备第一弱锚定力的水平取向膜411和第二弱锚定力的水平取向膜421的均匀水平取向的液晶单元11。进而，在上述得到的液晶单元11上贴附反向波长色散的1/4波长膜(第一1/4波长膜12)和平坦波长色散的1/4波长膜(第二1/4波长膜13)，得到实施例1的光学元件(sHWP元件)10。
图33是针对施加于实施例1的光学元件的电压进行说明的图表。如图33所示，对于实施例1的光学元件10，当向第二基板200施加电压时，如图3和图4所示，通过第二基板200侧的横向电场，第二基板200侧的液晶分子312在70°方向上取向。之后，当减弱第二基板200的电压(不是零)时，在第二基板200侧的液晶分子312沿着电场方向沿70°方向排列，第一基板100侧的液晶分子311由于添加于液晶材料的手性扭转力而滑动，并在0°方向上取向。这是第一状态。另外，之后，即使切断电压，也维持该第一状态的取向状态。
以与上述相反的要领，对第一基板100施加电压，其后减弱时，如图3和图4所示，第一基板100侧的液晶分子311朝向90°方向(方位角90°)，第二基板200侧的液晶分子312通过手性的力得到朝向160°方向(方位角160°)的状态。这是第二状态。这样，实施例1的光学元件10通过向第一基板100的电压施加或向第二基板200的电压施加，能够切换第二状态和第一状态。
如图5所示，第一状态和第二状态在第一基板100侧的液晶分子311与第二基板200侧的液晶分子312之间70°扭转是相同的，但有系统整体旋转90°的关系。
为了研究合适的液晶单元的设计，对于实施例1的光学元件10，使用“シンテック社”制造的LCD-MASTER1D进行了光学计算。以下，根据通过模拟得到的结果，将能够在450nm～630nm实现90％以上的调制(也包括非调制时)的范围判断为优选的范围。此外，在以下所示的图表中是了简化，仅图示450nm和630nm的波长。
首先是了研究液晶层300的波长550nm下的无电压施加状态下的延迟Δnd的优选范围，通过模拟求出实施例1的光学元件10所具备的液晶层300的、非调制时及调制时的斯托克斯参数S3相对于无电压施加状态下的延迟的波长色散。图34是表示相对于实施例1的光学元件所具备的液晶层的延迟的、非调制时的斯托克斯参数S3的图表。图35是表示相对于实施例1的光学元件所具备的液晶层的延迟的、调制时的斯托克斯参数S3的图表。
如图34及图35所示，可知液晶层300在波长550nm下的无电压施加状态下的延迟Δnd优选为180nm以上且280nm以下。
为了研究液晶层300的扭曲角的优选范围，通过模拟求出相对于实施例1的光学元件10所具备的液晶层300的扭曲角的非调制时及调制时的斯托克斯参数S3的波长色散。图36是表示相对于实施例1的光学元件所具备的液晶层的扭曲角的、非调制时的斯托克斯参数S3的图表。图37是表示相对于实施例1的光学元件所具备的液晶层的扭曲角的、调制时的斯托克斯参数S3的图表。如图36和图37所示，可知在第一状态和第二状态中的任意一个状态下，液晶层300的扭曲角均优选为57°以上且82°以下。
为了研究反向波长色散的1/4波长膜的滞相轴的方位角的优选范围，通过模拟求出相对于实施例1的光学元件10所具备的反向波长色散的1/4波长膜的滞相轴的方位角的、非调制时和调制时的斯托克斯参数S3的波长色散。图38是表示相对于实施例1的光学元件所具备的反向波长色散的1/4波长膜的滞相轴的方位角的、非调制时的斯托克斯参数S3的图表。图39是表示相对于实施例1的光学元件所具备的反向波长色散的1/4波长膜的滞相轴的方位角的、调制时的斯托克斯参数S3的图表。如图38和图39所示，可知作为第一1/4波长膜12的反向波长色散的1/4波长膜的滞相轴的方位角优选为48°以上且66°以下。
为了研究反向波长色散的1/4波长膜的相位差的优选范围，通过模拟求出相对于实施例1的光学元件10所具备的反向波长色散的1/4波长膜的相位差的、非调制时和调制时的斯托克斯参数S3的波长色散。图40是表示相对于实施例1的光学元件所具备的反向波长色散的1/4波长膜的相位差的、非调制时的斯托克斯参数S3的图表。图41是表示实施例1的光学元件所具备的相对于反向波长色散的1/4波长膜的相位差的、调制时的斯托克斯参数S3的图表。如图40及图41所示，可知作为第一1/4波长膜12的反向波长色散的1/4波长膜的相位差优选为30nm以上且230nm以下。
为了研究平坦波长色散的1/4波长膜的滞相轴的方位角的优选范围，通过模拟求出相对于实施例1的光学元件10所具备的平坦波长色散的1/4波长膜的滞相轴的方位角的、非调制时和调制时的斯托克斯参数S3的波长色散。图42是表示相对于实施例1的光学元件所具备的平坦波长色散的1/4波长膜的滞相轴的方位角的、非调制时的斯托克斯参数S3的图表。图43是表示相对于实施例1的光学元件所具备的平坦波长色散的1/4波长膜的滞相轴的方位角的、调制时的斯托克斯参数S3的图表。如图42和43所示，可知作为第二1/4波长膜13的平坦波长色散的1/4波长膜的滞相轴的方位角优选为3°以上且22°以下。
为了研究平坦波长色散的1/4波长膜的相位差的优选范围，通过模拟求出相对于实施例1的光学元件10所具备的平坦波长色散的1/4波长膜的相位差的、非调制时和调制时的斯托克斯参数S3的波长色散。图44是表示相对于实施例1的光学元件所具备的平坦波长色散的1/4波长膜的相位差的、非调制时的斯托克斯参数S3的图表。图45是表示实施例1的光学元件所具备的相对于平坦波长色散的1/4波长膜的相位差的、调制时的斯托克斯参数S3的图表。如图44及图45所示，可知作为第二1/4波长膜13的平坦波长色散的1/4波长膜的相位差优选为110nm以上且175nm以下。
(比较例1)
图46是比较例1的光学元件的截面示意图。制作图46所示的比较例1的光学元件10R1。比较例1的光学元件10R1是与上述比较方式1的光学元件对应的光学元件。比较例1的光学元件10R1从入射侧向出射侧依次具备：滞相轴的方位角为75°的1/4波长膜14R、滞相轴的方位角为15°的1/2波长膜15R、具备90°扭转的TN液晶层300R1的液晶单元11R1、滞相轴的方位角为-75°的1/2波长膜16R、以及滞相轴的方位角为-15°的1/4波长膜17R。
(比较例2)
图47是比较例2的光学元件的截面示意图。制作图47所示的比较例2的光学元件10R2。比较例2的光学元件10R2是与上述比较方式2的光学元件对应的光学元件。比较例2的光学元件10R2具有从入射侧向出射侧依次层叠有70°扭转的TN液晶层300R2和-70°扭转的TN液晶层300R3的结构。
(实施例1、比较例1及比较例2的评价)
关于实施例1、比较例1和比较例2的光学元件(sHWP)，在图48和图49中表示了入射右圆偏振光(S3＝+1)时的出射的光的斯托克斯参数S3的波长色散。图48是表示实施例1、比较例1和比较例2的光学元件的调制时的斯托克斯参数S3的波长色散的图表。图49是表示实施例1、比较例1和比较例2的光学元件的非调制时的斯托克斯参数S3的波长色散的图表。
如图48所示，可知实施例1的调制时(第一状态时)，出射光遍及较宽波段并接近于S3＝-1。即，能够从S3＝+1调制成S3＝-1(换言之，从右圆偏振光到左圆偏振光)。
此外，如图49所示，可知在实施例1的非调制时(第二状态时)，出射光遍及较宽的波段并接近S3＝+1。即，能够以S3＝+1保持非调制状态下出射S3＝+1(换言之，右圆偏振光保持为右圆偏振光)。
另一方面，在比较例1(TN1层)的情况下，虽然非调制时具有极其优异的特性，但调制时存在大的波长依存，可知只有极窄的范围才能适当地调制。此外，在比较例2(TN2层)的情况下，与比较例1相比，可知虽然改善了宽频带调制，但非调制时反而恶化。
(实施例2)
制作了具有与上述第二实施方式同样的构成的实施例2的光学元件10。具体而言，除了液晶单元11的构成不同之外，与实施例1同样地制作实施例2的光学元件10。具体而言，实施例2的光学元件10如下制作。
作为第一基板100，准备了能够向两个不同的方向施加横向电场的基板。更具体而言，准备具备第一梳齿电极121以及第二梳齿电极122的第一基板100。第一梳齿电极121的延伸方向121A被配置为与第二梳齿电极122的延伸方向122A正交。在第一基板100上配置有高度7.6μm的光间隔物。
在第一基板100上成膜PHMA(聚甲基丙烯酸己酯)，形成弱锚定力的水平取向膜412。在第二基板200上形成垂直取向膜422。接着，在第二基板200上描绘密封材料，以夹着液晶材料的方式贴合第一基板100和第二基板200，制作液晶单元11。
在此，作为上述液晶材料，使用在介电各向异性为正的正型液晶(Δn＝0.066)中混合有手性剂S-811的混合物。另外，手性剂以使得液晶单元中的上下基板间的扭曲角为106°的方式设定浓度。
将该液晶单元11加热至各向同性相状态之后，向第一基板100的上述第一电场方向施加电压的同时降温至室温，得到均匀水平取向的液晶单元11。进而，在上述得到的液晶单元11上以轴方位为图13所示的方位的方式贴附作为第一1/4波长膜12的反向波长色散的1/4波长膜和作为第二1/4波长膜13的平坦波长色散的1/4波长膜，得到实施例2的光学元件(sHWP元件)10。当在第一电场方向上施加电压时，得到第一状态(调制状态)，当在第二电场方向上施加电压时，得到第二状态(非调制状态)。
(实施例1、实施例2及比较例1的评价)
对于实施例1、实施例2及比较例1的光学元件(sHWP)，将入射到右圆偏振光(S3＝+1)时的出射的光的斯托克斯参数S3的波长色散示于图50及图51。图50是表示实施例1、实施例2和比较例1的光学元件的、调制时的斯托克斯参数S3的波长色散的图表。图51是表示实施例1、实施例2和比较例1的光学元件的、非调制时的斯托克斯参数S3的波长色散的图表。
如图50所示，可知实施例2的调制时(第一状态时)与实施例1同样，出射光遍及较宽的波段并接近S3＝-1。即，能够从S3＝+1调制成S3＝-1(换言之，从右圆偏振光到左圆偏振光)。
此外，如图51所示，在实施例2的非调制时(第二状态时)，与实施例1同样，可知出射光遍及较宽的波段，并接近S3＝+1。即，能够以S3＝+1保持非调制状态出射S3＝+1(换言之，右圆偏振光保持为右圆偏振光)。
(实施例3)
制作了与上述第三实施方式对应的实施例3的光学元件10。具体而言，除了使用具有第一梳齿电极121以及第二梳齿电极122的第一基板100和具有第三梳齿电极221以及第四梳齿电极222的第二基板200以外，与实施例1同样地制作实施例3的光学元件10。
实施例3的光学元件在调制时(第一状态时)，与实施例1同样，能够从S3＝+1调制成S3＝-1(换言之，从右圆偏振光到左圆偏振光)。非调制时(第二状态时)，与实施例1同样地，能够以S3＝+1保持非调制状态出射S3＝+1(换言之，右圆偏振光保持为右圆偏振光)。
实施例3的光学元件10通过对第一基板100及第二基板200的两基板施加导通电压，然后降低电压，从而能够形成两个状态。在实施例3中，能够以电压规定第一基板100和第二基板200两者的取向，因此能够提高响应速度。
(实施例4-1和实施例4-2)
制作对应于上述第四实施方式的实施例4-1和实施例4-2的光学元件10。具体而言，除了第一基板100与液晶层300之间设置的第一取向膜410和第二基板200与液晶层300之间设置的第二取向膜420的构成不同以外，与实施例1同样地制作实施例4-1和实施例4-2的光学元件10。图52是对实施例4-1的光学元件所具备的双稳定取向膜的取向方向进行说明的图。图53是对实施例4-2的光学元件所具备的双稳定取向膜的取向方向进行说明的图。实施例4-1及实施例4-2的光学元件10在第二基板200侧具备作为第二取向膜420的弱锚定力的水平取向膜(也称为润滑膜)423，在第一基板100侧具备作为第一取向膜410的双稳定取向膜413。
作为实施例4-1及实施例4-2的光学元件10所具备的弱锚定力的水平取向膜(润滑膜)423，使用PEG膜。PEG膜按照以下步骤形成。配制甲氧基聚乙二醇单丙烯酸酯5wt％、聚乙二醇二丙烯酸酯5wt％、Irgacure2959(0.1wt％)、环戊酮(89.9wt％)。将其涂布在第二基板200上，照射254nm的紫外线2J/cm2，然后在130℃下进行90分钟烧成处理。由此，得到弱锚定力的水平取向膜423。
在实施例4-1的光学元件10所具备的双稳定取向膜413中使用了基于光取向的膜。具体而言，如图52所示，使用混合了光官能波长互不相同的两个聚合物(第一光取向聚合物及第二光取向聚合物)的材料形成双稳定取向膜413。将混合有光官能波长互不相同的两种聚合物的溶液涂布于基板上后，照射特定波长的偏振紫外线后，照射与其不同的波长和方向的偏振紫外线，由此形成在由第一光取向聚合物限制取向的第一方向413A和由第二光取向聚合物限制取向的第二方向413B的两个方向上具有取向稳定方向的双稳定取向膜413。
在实施例4-2的光学元件10所具备的双稳定取向膜413中，使用了基于凹凸基板与摩擦处理的双稳定取向膜。具体而言，如图53所示，在第一基板100上用聚合物形成在特定的方向(第一方向413A)具有槽的结构物，在与该槽方向不同的方向(第二方向413B)上实施了摩擦处理。液晶分子310存在沿槽方向排列的力和沿摩擦方向排列的力这2个力，能形成在2个方向上具有取向稳定方向的双稳定取向膜413。
实施例4-1和4-2的光学元件在调制时(第一状态时)，与实施例1同样，能够从S3＝+1调制成S3＝-1(换言之，从右圆偏振光到左圆偏振光)。非调制时(第二状态时)，与实施例1同样地，能够以S3＝+1保持非调制状态出射S3＝+1(换言之，右圆偏振光保持为右圆偏振光)。
(实施例5)
制作对应于上述第五实施方式的实施例5的光学元件10。具体而言，除了液晶单元11的构成不同以外，与实施例1同样地制作实施例5的光学元件10。实施例5的光学元件10所具备的液晶单元11依次具备：具有第一电极131及第二电极132的第一基板100、第一垂直取向膜414、含有液晶分子310的液晶层300、第二垂直取向膜424、以及具有第三电极231及第四电极232的第二基板200。如图19所示，设于第二电极132的狭缝部132S的延伸方向132A的方位角为0°，设于第四电极232的狭缝部232S的延伸方向232A的方位角为160°。
图54是对实施例5的光学元件的第一状态下的施加电压进行说明的图表。如图54所示，在实施例5的光学元件10中，通过对第一基板100侧的第一电极131及第二电极132中的共用电极施加+/-1V、对像素电极施加-/+1V、对第二基板200侧的第三电极231及第四电极232两者施加+/-5V，能够实现第一状态。此外，在实施例5的光学元件10中，通过对第二基板200侧的第三电极231及第四电极232中的共用电极施加+/-1V、对像素电极施加-/+1V、对第一基板100侧的第一电极131及第二电极132两者施加+/-5V，能够实现第二状态。
图55是表示实施例1、实施例2、实施例5、比较例1和比较例2的光学元件的调制时的斯托克斯参数S3的波长色散的图表。图56是表示实施例1、实施例2、实施例5、比较例1和比较例2的光学元件的非调制时的斯托克斯参数S3的波长色散的图表。对于实施例5的光学元件10，将入射到右圆偏振光(S3＝+1)时的出射的光的斯托克斯参数S3的波长色散示于图55及图56。
在实施例5中，遍及波长450nm～650nm的范围内，也得到|S3|＞0.9，得到了良好的特性。即，如图55所示，可知实施例5的调制时(第一状态时)，出射光遍及较宽的波段，并接近S3＝-1。即，能够从S3＝+1调制成S3＝-1(换言之，从右圆偏振光到左圆偏振光)。此外，如图56所示可知，在实施例5的非调制时(第二状态时)，出射光遍及较宽的波段并接近S3＝+1。即，能够以S3＝+1保持非调制状态出射S3＝+1(换言之，右圆偏振光保持为右圆偏振光)。
在本实施例中，也与其他实施例同样，能够通过液晶层的Δnd、扭曲角的设计，适当地对调制特性/非调制特性进行调整。
(实施例6)
制作具有与上述第六实施方式同样的构成的实施例6的光学元件10。具体而言，实施例6的光学元件10从入射侧向出射侧依次具备液晶单元11和作为第一1/4波长膜12的反向波长色散的1/4波长膜。反向波长色散的1/4波长膜的滞相轴(第一1/4波长膜12的滞相轴12A)的方位角为12.2°，第一梳齿电极120的延伸方向120A的方位角为0°，第二梳齿电极220的延伸方向220A的方位角为220°。将实施例6的光学元件10具体地如下制作。
准备具备第一梳齿电极120的第一基板100和具备第二梳齿电极220的第二基板200。第一基板100的电极方向(第一梳齿电极120的延伸方向120A)和第二基板200的电极方向(第二梳齿电极220的延伸方向220A)形成为在贴合时成为图23所示的角度的关系。此外，在第二基板200上配置有高度3.4μm的间隔物。
接着，对第一基板100以及第二基板200两者制膜PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)。接着，在第二基板200上描绘密封材料，以夹着液晶材料的方式将第一基板100和第二基板200贴合，制作液晶单元11。
在此，作为上述液晶材料，使用在介电各向异性为正的正型液晶分子(Δn＝0.066)中混合有5wt％的十二烷基丙烯酸酯(C12A)和手性剂S-811的混合物。另外，手性剂以使得液晶单元中的上下基板间的扭曲角为64°的方式设定浓度。
将该液晶单元11加热至各向同性相状态之后，对第一基板100施加电压的同时降温至室温，得到具备第一弱锚定力的水平取向膜411和第二弱锚定力的水平取向膜421的均匀水平取向的液晶单元11。进而，在上述得到的液晶单元11上贴附反向波长色散的1/4波长膜(第一1/4波长膜12)，得到实施例6的光学元件(sHWP元件)10。
图57是表示实施例1、实施例2、实施例5、实施例6、比较例1和比较例2的光学元件的调制时的斯托克斯参数S3的波长色散的图表。图58是表示实施例1、实施例2、实施例5、实施例6、比较例1和比较例2的光学元件的非调制时的斯托克斯参数S3的波长色散的图表。对于实施例6的光学元件10，将入射右圆偏振光(S3＝+1)时的出射的光的斯托克斯参数S3的波长色散示于图57及图58。
在实施例6中，遍及波长450nm～650nm，也得到了|S3|＞0.9，得到了良好的特性。即，如图57所示，可知实施例5的调制时(第一状态时)，出射光遍及较宽的波段，并接近S3＝-1。即，能够从S3＝+1调制成S3＝-1(换言之，从右圆偏振光到左圆偏振光)。此外，如图58所示，可知在实施例5的非调制时(第二状态时)，出射光遍及较宽的波段并接近S3＝+1。即，能够以S3＝+1保持非调制状态出射S3＝+1(换言之，右圆偏振光保持为右圆偏振光)。
在本实施例中，也与其他实施例同样，能够通过液晶层的Δnd、扭曲角的设计，适当地对调制特性/非调制特性进行调整。
(实施例7)
图59是表示实施例7的可变焦元件所具备的光学元件的轴方位的图。制作了与上述第七实施方式的变形例1对应的实施例7的可变焦元件30。实施例7的可变焦元件30从入射侧向出射侧依次具有作为第二1/4波长膜13的平坦波长色散的1/4波长膜、作为第一1/4波长膜12的反向波长色散的1/4波长膜、第一基板100、第一取向膜410、液晶层300、第二取向膜420、PB透镜20以及第二基板200。构成液晶单元11的第一基板100、第一取向膜410(具体而言，第一弱锚定力的水平取向膜411)、液晶层300、第二取向膜420(具体而言，第二弱锚定力的水平取向膜421)及第二基板200具有与实施例1同样的构成。
如图59所示，反向波长色散的1/4波长膜的滞相轴(第一1/4波长膜12的滞相轴12A)的方位角为12.2°，平坦波长色散的1/4波长膜的滞相轴(第二1/4波长膜13的滞相轴13A)的方位角为57.2°。此外，第一状态下的第一基板100侧的液晶分子311的取向方向311A的方位角为0°，第二状态下的第一基板100侧的液晶分子311的取向方向311B的方位角为90°。第一状态下的第二基板200侧的液晶分子312的取向方向312A的方位角为70°，第二状态下的第二基板200侧的液晶分子312的取向方向312B的方位角为160°。
实施例7的可变焦元件30具体而言如下制作。在第二基板200上涂布含有上述通式(PB-1)表示的聚合物的内嵌PB透镜形成用的光感光性材料，形成PB透镜形成用膜。
图60是对实施例7的可变焦元件的制造工序中的第一取向处理进行说明的示意图。图61是对实施例7的可变焦元件的制造工序中的第二取向处理进行说明的示意图。图62是对实施例7的可变焦元件的制造工序中的第三取向处理进行说明的示意图。图63是对实施例7的可变焦元件的制造工序中的第四取向处理进行说明的示意图。
接着，对设置在第二基板200上的PB透镜形成用膜进行了取向处理。具体而言，如图60所示，使用第一光掩模510，以方位角0°的偏振光对PB透镜形成用膜600进行了取向处理。接着，如图61所示，使用第二光掩模520，以方位角45°的偏振光对PB透镜形成用膜600进行了取向处理。接着，如图62所示，使用第三光掩模530，以方位角90°的偏振光对PB透镜形成用膜600进行了取向处理。最后，如图63所示，使用第四光掩模540，以方位角135°的偏振光对PB透镜形成用膜600进行了取向处理。之后，进行退火处理，能够将PB透镜20形成在第二基板200上。
使用该第二基板200及PB透镜20的层叠体，与实施例1同样地制作液晶单元11。获得水平取向的液晶单元11后，作为第一1/4波长膜12贴附反向波长色散的1/4波长膜，作为第二1/4波长膜13贴附平坦波长色散的1/4波长膜，获得实施例7的可变焦元件30。
在此，在本实施例中，入射光比PB透镜20更先向第二1/4波长膜13、第一1/4波长膜12及液晶层300入射而切换右圆偏振光及左圆偏振光，并根据该偏振状态用PB透镜20进行聚光或发散，因此，第二1/4波长膜13及第一1/4波长膜12配置在比液晶层300更靠入射侧。因此，第二1/4波长膜13和第一1/4波长膜12的配置和轴方位与实施例1不同。
实施例7的可变焦元件30能够在宽频带中切换偏振光调制及偏振光非调制，并且能够实现薄型化。
(实施例8)
制作具有与上述第九实施方式同样的构成的实施例8的光学元件10。具体而言，除了液晶单元11的构成、反向波长色散的1/4波长膜的滞相轴(第一1/4波长膜12的滞相轴12A)的方位角以及平坦波长色散的1/4波长膜的滞相轴(第二1/4波长膜13的滞相轴13A)的方位角不同以外，与实施例5同样地制作实施例8的光学元件10。
如图66所示，实施例8的光学元件10所具备的液晶单元11依次具备：具有第一电极131及第二电极132的第一基板100(FFS基板)、弱锚定力的第一垂直取向膜414、含有液晶分子310的液晶层300、第二垂直取向膜424、具有整面状电极240的第二基板200。液晶层300包含含有手性剂的负型的液晶分子310，折射率各向异性Δn为0.104。液晶层300的手性间距为11μm，液晶层300的厚度(单元厚度)d为2.75μm。
设于第二电极132的狭缝部132S的延伸方向132A的方位角为90°，无电压施加状态下的第一基板100侧的液晶分子311的取向方向311X的方位角为0°。反向波长色散的1/4波长膜的滞相轴(第一1/4波长膜12的滞相轴12A)的方位角为68.7°，平坦波长色散的1/4波长膜的滞相轴(第二1/4波长膜13的滞相轴13A)的方位角为23.7°。平坦波长色散的1/4波长膜(第二1/4波长膜13)为正A板。
图83是对实施例8的光学元件的第一状态下的施加电压进行说明的图表。图84是对实施例8的光学元件的第二状态下的施加电压进行说明的图表。如图83所示，在实施例8的光学元件10中，通过对第二基板200侧的整面状电极240施加+/-5V，对第一基板100侧的第一电极131和第二电极132中的共用电极施加0V，对像素电极施加+/-0.4V，能够实现第一状态。此外，如图84所示，在实施例8的光学元件10中，通过对第二基板200侧的整面状电极240施加+/-5V、对第一基板100侧的第一电极131和第二电极132中的共用电极施加0V、对像素电极施加+/-1V，能够实现第二状态。
在本实施例中，通过施加大的纵向电场，推倒负型的液晶分子310，使其水平取向化，并且，对第一电极131与第二电极132(FFS基板的共用电极-像素电极)之间施加弱的电压来决定液晶分子310的面内取向方向。由于液晶层300所包含的液晶分子310为负型的液晶分子310，因此在面内，液晶分子310在狭缝延伸方向(与电场方向正交的方向)取向。此时，如果施加强的横向电场，则妨碍由手性的力所引起的液晶分子310的取向扭曲，因此横向的电压为弱的电压也是重点。由于使用垂直取向膜，因此基板极附近是垂直取向，但在液晶层300的本体内能够实现水平取向的大致70度扭转。此处的扭转角表示液晶分子310的倾斜角为45°以内的旋转角。
(比较例3)
图85是制作比较例3的光学元件的截面示意图。图85所示的比较例3的光学元件10R1。
(比较例4)
图86是制作比较例4的光学元件的截面示意图。图86所示的比较例4的光学元件10R1。
图87是表示实施例8、比较例3以及比较例4的光学元件的调制时的斯托克斯参数S3的波长色散的图表。图88是表示实施例8、比较例3及比较例4的光学元件的非调制时的斯托克斯参数S3的波长色散的图表。关于实施例8、比较例3及比较例4的光学元件，将入射右圆偏振光(S3＝+1)时的出射的光的斯托克斯参数S3的波长色散示于图87及图88。
如图87所示可知，在实施例8的调制时(第一状态)，出射光遍及较宽的波段，并接近于S3＝-1。即，能够从S3＝+1调制成S3＝-1(换言之，从右圆偏振光到左圆偏振光)。此外，如图88所示，可知在非调制时(第二状态)，出射光遍及较宽的波段，并接近S3＝+1。即，能够以S3＝+1保持非调制状态出射S3＝+1(换言之，右圆偏振光保持为右圆偏振光)。
另一方面，在比较例3(TN液晶层1层)的情况下，虽然非调制时具有极其优异的特性，但调制时存在大的波长依存，可知只有极窄的范围没有被适当地调制。在比较例4(TN液晶层2层)的情况下，与比较例1相比，可知改善了宽频带调制，但非调制时反而恶化。
(实施例9)
制作具有与上述第十实施方式同样的构成的实施例9的光学元件10。具体而言，除了液晶单元11的构成不同以外，与实施例8同样地制作实施例9的光学元件10。
如图71所示，实施例9的光学元件10所具备的液晶单元11依次具备：具有第一电极131及第二电极132的第一基板100(FFS基板)、第一垂直取向膜414、含有液晶分子310的液晶层300、第二垂直取向膜424、以及具有第三电极231及第四电极232的第二基板200(FFS基板)。液晶层300包含含有手性剂的负型的液晶分子310，折射率各向异性Δn为0.104。液晶层300的手性间距为11μm，液晶层300的厚度(单元厚度)d为3μm。
设于第二电极132的狭缝部132S的延伸方向132A的方位角为0°，无电压施加状态下的第一基板100侧的液晶分子311的取向方向311X的方位角为0°，设于第四电极232的狭缝部232S的延伸方向232A的方位角为160°，无电压施加状态下的第二基板200侧的液晶分子312的取向方向312A的方位角为160°。反向波长色散的1/4波长膜的滞相轴(第一1/4波长膜12的滞相轴12A)的方位角为68.7°，平坦波长色散的1/4波长膜的滞相轴(第二1/4波长膜13的滞相轴13A)的方位角为23.7°。平坦波长色散的1/4波长膜(第二1/4波长膜13)为正A板。此外，第一状态下的第一基板100侧的液晶分子311的取向方向311A的方位角为0°，第二状态下的第一基板100侧的液晶分子311的取向方向311B的方位角为90°。第一状态下的第二基板200侧的液晶分子312的取向方向312A的方位角为70°，第二状态下的第二基板200侧的液晶分子312的取向方向312B的方位角为160°。
图89是对实施例9的光学元件的第一状态下的施加电压进行说明的图表。图90是对实施例9的光学元件的第二状态下的施加电压进行说明的图表。如图89所示，在实施例9的光学元件10中，通过对第二基板200侧的第三电极231及第四电极232中的共用电极施加+/-5.4V、对像素电极施加+/-5V、对第一基板100侧的第一电极131及第二电极132中的共用电极施加0V、对像素电极施加+/-1V，能够实现第一状态。此外，如图90所示，在实施例9的光学元件10中，通过对第二基板200侧的第三电极231及第四电极232中的共用电极施加0V、对像素电极施加+/-1V、对第一基板100侧的第一电极131及第二电极132中的共用电极施加+/-5.4V、对像素电极施加+/-5V，能够实现第二状态。
图91是表示实施例8、实施例9以及比较例3的光学元件的调制时的斯托克斯参数S3的波长色散的图表。图92是表示实施例8、实施例9以及比较例3的光学元件的非调制时的斯托克斯参数S3的波长色散的图表。对于实施例8、实施例9以及比较例3的光学元件，将入射右圆偏振光(S3＝+1)时的出射的光的斯托克斯参数S3的波长色散示于图91以及图92。
如图91所示，与实施例8同样，在实施例9中，在调制时(第一状态)，可知出射光遍及较宽的波段，并接近S3＝-1。即，能够从S3＝+1调制成S3＝-1(换言之，从右圆偏振光到左圆偏振光)。此外，如图92所示，与实施例8同样地，在实施例9中，在非调制时(第二状态)，可知出射光遍及较宽的波段并接近S3＝+1。即，能够以S3＝+1保持非调制状态出射S3＝+1(换言之，右圆偏振光保持为右圆偏振光)。
此外，由于实施例9在两侧使用了强锚定的垂直取向膜，因此对于实施例8，响应速度、可靠性、量产性优良。但是，由于驱动需要稍大的电压，因此与实施例8相比，光学特性稍差。但是，与比较例3进行比较，可知在调制时具有优异的特性。
(实施例10)
制作具有与上述第十一实施方式相同的构成的实施例10的光学元件10。具体而言，除了液晶单元11的构成、以及第一1/4波长膜12的滞相轴12A及第二1/4波长膜13的滞相轴13A不同以外，与实施例8同样地制作实施例10的光学元件10。
如图74所示，实施例10的光学元件10所具备的液晶单元11依次具备：具有第一电极131及第二电极132的第一基板100(FFS基板)、第一垂直取向膜414、含有液晶分子310的液晶层300、第二垂直取向膜424、以及具有第三电极231及第四电极232的第二基板200(FFS基板)。液晶层300包括含有手性剂的负型的液晶分子310，折射率各向异性Δn为0.104。液晶层300的手性间距为11μm，液晶层300的厚度(单元厚度)d为3μm。
设于第二电极132的狭缝部132S的延伸方向132A的方位角为45°，无电压施加状态下的第一基板100侧的液晶分子311的取向方向311X的方位角为-45°，设于第四电极232的狭缝部232S的延伸方向232A的方位角为-65°。反向波长色散的1/4波长膜的滞相轴(第一1/4波长膜12的滞相轴12A)的方位角为68.7°，平坦波长色散的1/4波长膜的滞相轴(第二1/4波长膜13的滞相轴13A)的方位角为23.7°。平坦波长色散的1/4波长膜(第二1/4波长膜13)为正A板。
图93是对实施例10的光学元件的第一状态下的施加电压进行说明的图表。图94是对实施例10的光学元件的第二状态下的施加电压进行说明的图表。如图93所示，在实施例10的光学元件10中，通过对第二基板200侧的第三电极231及第四电极232中的共用电极施加+/-5.4V、对像素电极施加+/-5V、对第一基板100侧的第一电极131及第二电极132中的共用电极施加0V、对像素电极施加+/-1V，能够实现第一状态。此外，如图94所示，在实施例10的光学元件10中，通过对第二基板200侧的第三电极231及第四电极232中的共用电极施加0V、对像素电极施加+/-1V、对第一基板100侧的第一电极131及第二电极132中的共用电极施加+/-5.4V、对像素电极施加+/-5V，能够实现第二状态。
图95是表示实施例8～实施例10以及比较例3的光学元件的调制时的斯托克斯参数S3的波长色散的图表。图96是表示实施例8～实施例10和比较例3的光学元件的非调制时的斯托克斯参数S3的波长色散的图表。关于实施例8～实施例10、比较例3及比较例4的光学元件，入射右圆偏振光(S3＝+1)时出射的光的斯托克斯参数S3的波长色散示于图95和图96。
如图95所示，与实施例8和实施例9同样，在实施例10中，可知在调制时(第一状态)，出射光遍及较宽的波段，并接近S3＝-1。即，能够从S3＝+1调制成S3＝-1(换言之，从右圆偏振光到左圆偏振光)。此外，如图96所示，与实施例8及实施例9同样，在实施例10中，在非调制时(第二状态)，可知出射光遍及较宽的波段并接近S3＝+1。即，能够以S3＝+1保持非调制状态出射S3＝+1(换言之，右圆偏振光保持为右圆偏振光)。即，与实施例8和实施例9同样地，在实施例10中，在波长450nm～650nm的范围内，也能够实现|S3|≥0.9。
(实施例11)
制作具有与上述第十二实施方式相同的构成的实施例11的光学元件10。具体而言，除了液晶单元11的构成不同以外，与实施例8同样地制作实施例11的光学元件10。
如图77所示，实施例11的光学元件10所具备的液晶单元11依次具备：具有第一电极131及第二电极132的第一基板100(FFS基板)、第一垂直取向膜414、含有液晶分子310的液晶层300、第二垂直取向膜424、以及具有第三电极231及第四电极232的第二基板200(FFS基板)。液晶层300包含含有手性剂的负型的液晶分子310，折射率各向异性Δn为0.104。液晶层300的手性间距为11μm，液晶层300的厚度(单元厚度)d为3μm。
设于第二电极132的狭缝部132S的延伸方向132A的方位角为90°，无电压施加状态下的第一基板100侧的液晶分子311的取向方向311X的方位角为0°，设于第四电极232的狭缝部232S的延伸方向232A的方位角为160°。反向波长色散的1/4波长膜的滞相轴(第一1/4波长膜12的滞相轴12A)的方位角为68.7°，平坦波长色散的1/4波长膜的滞相轴(第二1/4波长膜13的滞相轴13A)的方位角为23.7°。平坦波长色散的1/4波长膜(第二1/4波长膜13)为正A板。
图97是对实施例11的光学元件的第一状态下的施加电压进行说明的图表。图98是对实施例11的光学元件的第二状态下的施加电压进行说明的图表。如图97所示，在实施例11的光学元件10中，通过对第二基板200侧的第三电极231及第四电极232中的共用电极施加+/-5.4V、对像素电极施加+/-5V、对第一基板100侧的第一电极131及第二电极132中的共用电极施加0V、对像素电极施加+/-0.4V，能够实现第一状态。此外，如图98所示，在实施例11的光学元件10中，通过对第二基板200侧的第三电极231及第四电极232中的共用电极施加+/-6V、对像素电极施加+/-5V、对第一基板100侧的第一电极131及第二电极132中的共用电极施加0V、对像素电极施加+/-1V，能够实现第二状态。
本实施例的液晶单元11具有与实施例10的液晶单元同样的构成，但与实施例10的电压的施加方式不同。在本实施例中，得到与实施例10相同的性能。具体而言，与实施例10同样地，在实施例11中，在调制时(第一状态)，出射光遍及较宽的波段，并接近S3＝-1。即，能够从S3＝+1调制成S3＝-1(换言之，从右圆偏振光到左圆偏振光)。此外，与实施例10同样，在实施例11中，在非调制时(第二状态)，出射光遍及较宽的波段并接近S3＝+1。即，能够以S3＝+1保持非调制状态下出射S3＝+1(换言之，右圆偏振光保持为右圆偏振光)。
(实施例12)
对于具有与上述实施例9的光学元件10相同的构成的光学元件10，与实施例9相比施加高电压。具体而言，施加与上述第十实施方式的变形例1对应的电压。
图99是对实施例12的光学元件的第一状态下的施加电压的图表。图100是对实施例12的光学元件的第二状态下的施加电压进行说明的图表。如图99所示，在实施例12的光学元件10中，通过对第二基板200侧的第三电极231及第四电极232中的共用电极施加+/-11V、对像素电极施加+/-10V、对第一基板100侧的第一电极131及第二电极132中的共用电极施加0V、对像素电极施加+/-1.1V，能够实现第一状态。此外，如图100所示，在实施例12的光学元件10中，通过对第二基板200侧的第三电极231及第四电极232中的共用电极施加0V、对像素电极施加+/-1.1V、对第一基板100侧的第一电极131及第二电极132中的共用电极施加+/-11V、对像素电极施加+/-10V，能够实现第二状态。
本实施例的液晶单元11具有与实施例9的液晶单元同样的构成，但与实施例9的电压的施加方式不同。在本实施例中，得到与实施例9同样的性能。具体而言，与实施例9同样，在实施例12中，在调制时(第一状态)，出射光遍及较宽的波段并接近S3＝-1。即，能够从S3＝+1调制成S3＝-1(换言之，从右圆偏振光到左圆偏振光)。此外，与实施例9同样，在实施例12中，在非调制时(第二状态)，出射光遍及较宽的波段并接近S3＝+1。即，能够以S3＝+1保持非调制状态出射S3＝+1(换言之，右圆偏振光保持为右圆偏振光)。
(实施例9、实施例12和比较例3的视角特性的评价)
针对实施例9、实施例12和比较例3的光学元件，通过模拟评价视角特性。结果示于图101～图106。图101是表示比较例3的光学元件的非调制时的视角特性的模拟结果的图。图102是表示比较例3的光学元件的调制时的视角特性的模拟结果的图。图103是表示实施例9的光学元件的非调制时的视角特性的模拟结果的图。图104是表示实施例9的光学元件的调制时的视角特性的模拟结果的图。图105是表示实施例12的光学元件的非调制时的视角特性的模拟结果的图。图106是表示实施例12的光学元件的调制时的视角特性的模拟结果的图。
图101～图106的非调制中的图表中，较浓的区域越宽，特性越好，调制中的图表中，较薄的区域越宽，特性越好。如图101～图106所示可知，在实施例9和实施例12中，在波长450nm～650nm的范围内，非调制和调制均是视角良好。此外，实施例12与实施例9相比，可知在波长450nm～650nm的范围内非调制、调制均是视角更宽。
(实施例13)
除了将平坦波长色散的1/4波长膜(第二1/4波长膜13)变更为负A板以外，对于具有与实施例12相同的构成的实施例13的光学元件10，与实施例12同样地施加电压。
(实施例12以及实施例13的视角特性的评价)
关于实施例12和实施例13的光学元件，通过模拟评价视角特性。结果示于图105～图108。图107是表示实施例13的光学元件的非调制时的视角特性的模拟结果的图。图108是表示实施例13的光学元件的调制时的视角特性的模拟结果的图。
图105～图108的非调制图表中，较浓的区域越宽，特性越好，调制图表中较薄的区域越宽，特性越好。如图105～图108所示，在实施例12和实施例13中，可知在波长450nm～650nm的范围内，非调制和调制均是视角良好。另外，实施例13与实施例12相比，非调制时的特性良好。
(实施例14)
制作了与上述第十三实施方式的变形例对应的实施例14的可变焦元件30。实施例14的可变焦元件30从入射侧向出射侧依次具有作为第二1/4波长膜13的平坦波长色散的1/4波长膜、作为第一1/4波长膜12的反向波长色散的1/4波长膜、第一基板100、弱锚定力的第一垂直取向膜414、液晶层300、第二垂直取向膜424、PB透镜20以及第二基板200。构成液晶单元11的第一基板100、弱锚定力的第一垂直取向膜414、液晶层300、第二垂直取向膜424以及第二基板200除了轴方位以外，具有与实施例8同样的构成。PB透镜20的内嵌化与实施例7同样地进行。
如图80所示，设于第二电极132的狭缝部132S的延伸方向132A的方位角为90°，无电压施加状态下的第一基板100侧的液晶分子311的取向方向311X的方位角为0°。反向波长色散的1/4波长膜的滞相轴(第一1/4波长膜12的滞相轴12A)的方位角为8.1°，平坦波长色散的1/4波长膜的滞相轴(第二1/4波长膜13的滞相轴13A)的方位角为53.1°。此外，第一状态下的第一基板100侧的液晶分子311的取向方向311A的方位角为0°，第二状态下的第一基板100侧的液晶分子311的取向方向311B的方位角为90°。第一状态下的第二基板200侧的液晶分子312的取向方向312A的方位角为70°，第二状态下的第二基板200侧的液晶分子312的取向方向312B的方位角为160°。
实施例14的可变焦元件30能够在宽频带中切换偏振光调制及偏振光非调制，并且能够实现薄型化。
附图标记说明
1：头戴式显示器
1P：显示面板
10、10R1、10R2：光学元件
11、11R1：液晶单元
11E：电极
12、13、14R、17R：1/4波长膜
12A、13A：滞相轴
15R、16R：1/2波长膜
20、20A1、20A2、20A3：潘查拉特南-贝里(PB)透镜
30、30A、30B：可变焦元件
40：相位差板
100：第一基板
110、210：支承基板
120、121、122、220：梳齿电极
120A、121A、122A、132A、220A、221A、222A、232A：延伸方向
120E1、120E2：电场方向
131：第一电极
132：第二电极
231：第三电极
232：第四电极
240：整面状电极
132S、232S：狭缝部
140、141、241：绝缘层
200：第二基板
300：液晶层
300R1、300R2、300R3：TN液晶层
310、311、312、320：液晶分子
311A、311B、311X、312A、312B、312X：取向方向
320A：光学各向异性层
410、420：取向膜
411、412、421、423：弱锚定力的水平取向膜
413：双稳定取向膜
414、422、424：垂直取向膜
510、520、530、540：光掩模
600：PB透镜形成用膜
LC0、LC1、LC2：左圆偏振光
R0、R1、R2：区域

Claims (27)

1.一种光学元件，其特征在于，
液晶单元，其具备第一基板、液晶层以及第二基板；以及
1/4波长膜，
所述液晶层含有在所述第一基板与所述第二基板之间扭曲取向的液晶分子，
所述液晶单元在所述第一基板以及所述第二基板的至少一方上具有对所述液晶层施加电压用的电极，
所述电极配置成能够通过对所述液晶层施加电压来切换第一状态和第二状态，所述第一状态是所述第一基板侧的所述液晶分子在第一取向方向上排列的状态，所述第二状态是所述第一基板侧的所述液晶分子在俯视时在与所述第一取向方向正交的第二取向方向上排列的状态，
所述第一状态与所述第二状态的切换是用于对入射到所述液晶单元的光的偏振状态进行控制，当圆偏振光入射到所述液晶单元时，在所述第一状态下，所述圆偏振光被转换为第一直线偏振光，在所述第二状态下，所述圆偏振光被转换为第二直线偏振光，所述第二直线偏振光在俯视时具有与所述第一直线偏振光的偏振方向正交的偏振方向，
当直线偏振光入射到所述液晶单元时，在所述第一状态下，所述直线偏振光被转换成第一圆偏振光，在所述第二状态下，所述直线偏振光转换成第二圆偏振光，所述第二圆偏振光向与所述第一圆偏振光的旋转方向相反的方向旋转。
2.根据权利要求1所述的光学元件，其特征在于，
所述液晶单元还具有：
第一弱锚定力的水平取向膜，其配置在所述第一基板与所述液晶层之间；以及
第二弱锚定力的水平取向膜，其配置在所述液晶层与所述第二基板之间，
所述电极在所述第一基板具有第一梳齿电极，所述第一梳齿电极以梳齿状的像素电极与共用电极彼此的梳齿嵌合的方式设置，在所述第二基板具有第二梳齿电极，所述第二梳齿电极以梳齿状的像素电极与共用电极彼此的梳齿嵌合的方式设置，
在俯视时，所述第一梳齿电极的延伸方向相对于所述第二梳齿电极的延伸方向倾斜设置。
3.根据权利要求1所述的光学元件，其特征在于，
所述液晶单元还具有：
弱锚定力的水平取向膜，其配置在所述第一基板与所述液晶层之间；以及
垂直取向膜，其配置在所述液晶层与所述第二基板之间，
所述电极具有：
第一梳齿电极，其在所述第一基板上以梳齿状的像素电极与共用电极彼此的梳齿嵌合的方式设置；以及
第二梳齿电极，其隔着绝缘层与所述第一梳齿电极重叠，且以梳齿状的像素电极与共用电极彼此的梳齿嵌合的方式设置，
在俯视时，所述第一梳齿电极的延伸方向与所述第二梳齿电极的延伸方向正交。
4.根据权利要求1所述的光学元件，其特征在于，
所述电极具有：
第一梳齿电极，其在所述第一基板上以梳齿状的像素电极与共用电极彼此的梳齿嵌合的方式设置；
第二梳齿电极，其隔着第一绝缘层与所述第一梳齿电极重叠，且以梳齿状的像素电极与共用电极彼此的梳齿嵌合的方式设置；
第三梳齿电极，其在所述第二基板上以梳齿状的像素电极与共用电极彼此的梳齿嵌合的方式设置；以及
第四梳齿电极，其隔着第二绝缘层与所述第三梳齿电极重叠，且以梳齿状的像素电极与共用电极彼此的梳齿嵌合的方式设置，
在俯视时，所述第一梳齿电极的延伸方向与所述第二梳齿电极的延伸方向正交，所述第三梳齿电极的延伸方向与所述第四梳齿电极的延伸方向正交，所述第一梳齿电极的延伸方向相对于所述第三梳齿电极的延伸方向倾斜地设置。
5.根据权利要求1所述的光学元件，其特征在于，
所述液晶单元还具有配置在所述第一基板与所述液晶层之间的、在两个方向上具有取向稳定方向的双稳定取向膜，
所述电极在所述第一基板具有第一梳齿电极，所述第一梳齿电极以梳齿状的像素电极与共用电极彼此的梳齿嵌合的方式设置，在所述第二基板具有第二梳齿电极，所述第二梳齿电极以梳齿状的像素电极与共用电极彼此的梳齿嵌合的方式设置，
在俯视时，所述第一梳齿电极的延伸方向相对于所述第二梳齿电极的延伸方向倾斜设置。
6.根据权利要求1所述的光学元件，其特征在于，
所述液晶单元还具有：
第一垂直取向膜，其配置在所述第一基板与所述液晶层之间；以及
第二垂直取向膜，其配置在所述液晶层与所述第二基板之间，
所述电极在所述第一基板上具有面状的第一电极、以及第二电极，所述第二电极隔着第一绝缘层与所述第一电极重叠且设有狭缝部，在所述第二基板上具有面状的第三电极、以及第四电极，所述第四电极隔着第二绝缘层与所述第三电极重叠且设有狭缝部，
在俯视时，设置在所述第二电极上的所述狭缝部的延伸方向相对于设置在所述第四电极上的所述狭缝部的延伸方向倾斜地配置。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的光学元件，其特征在于，所述液晶层的折射率各向异性Δn为0.12以下。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的光学元件，其特征在于，
所述1/4波长膜为第一1/4波长膜，
在所述第一1/4波长膜的与所述液晶单元相反的一侧还具备第二1/4波长膜。
9.根据权利要求8所述的光学元件，其特征在于，
所述第一1/4波长膜具有反波长色散特性。
10.根据权利要求8所述的光学元件，其特征在于，
所述第一1/4波长膜的、波长450nm的面内相位差相对于波长550nm的面内相位差为0.7倍以上且1倍以下。
11.根据权利要求8所述的光学元件，其特征在于，
所述第一1/4波长膜的、波长650nm的面内相位差相对于波长550nm的面内相位差为1倍以上且1.3倍以下。
12.根据权利要求8所述的光学元件，其特征在于，
所述第一1/4波长膜的波长550nm的面内相位差是30nm以上且230nm以下。
13.根据权利要求8所述的光学元件，其特征在于，
所述第二1/4波长膜具有平坦波长色散特性。
14.根据权利要求8所述的光学元件，其特征在于，
所述第二1/4波长膜的波长550nm的面内相位差为110nm以上且175nm以下。
15.根据权利要求1所述的光学元件，其特征在于，
所述液晶单元还具有：
第一垂直取向膜，其配置在所述第一基板与所述液晶层之间；以及
第二垂直取向膜，其配置在所述液晶层与所述第二基板之间，
所述液晶层含有具有负的介电常数各向异性的液晶分子，
所述第一垂直取向膜及所述第二垂直取向膜的至少一方控制无电压施加状态下的所述液晶分子的倾斜方向。
16.根据权利要求15所述的光学元件，其特征在于，
所述电极在所述第一基板和所述第二基板中的至少一方具有：
面状电极；以及
电极，其隔着绝缘层与所述面状电极重叠并且设置有狭缝部。
17.根据权利要求15或16所述的光学元件，其特征在于，
设有所述狭缝部的电极的间距为1μm以上且5μm以下。
18.根据权利要求15或16所述的光学元件，其特征在于，
所述第一垂直取向膜和所述第二垂直取向膜的至少一方是弱锚定力的垂直取向膜。
19.根据权利要求15或16所述的光学元件，其特征在于，
所述液晶层在波长550nm下的施加电压状态下的延迟Δnd为180nm以上且280nm以下。
20.根据权利要求15或16所述的光学元件，其特征在于，
所述液晶层的折射率各向异性Δn为0.12以下。
21.根据权利要求15或16所述的光学元件，其特征在于，
入射到所述光学元件上的光是圆偏振光。
22.一种可变焦元件，其特征在于，其具备：
权利要求1至6中任一项所述的光学元件；以及
潘查拉特南-贝里透镜。
23.根据权利要求22所述的可变焦元件，其特征在于，
所述潘查拉特南-贝里透镜配置在所述光学元件内。
24.一种头戴式显示器，其特征在于，其具备权利要求22所述的可变焦元件。
25.一种可变焦元件，其特征在于，其具备权利要求16所述的光学元件和潘查拉特南-贝里透镜。
26.根据权利要求25所述的可变焦元件，其特征在于，
所述潘查拉特南-贝里透镜被配置在所述光学元件内。
27.一种头戴式显示器，其特征在于，其具备权利要求25所述的可变焦元件。
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