CN117480418A - 透射型液晶衍射元件 - Google Patents
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- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour
- G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
- G02F1/133—Constructional arrangements; Operation of liquid crystal cells; Circuit arrangements
- G02F1/1333—Constructional arrangements; Manufacturing methods
- G02F1/1337—Surface-induced orientation of the liquid crystal molecules, e.g. by alignment layers
Abstract
本发明提供一种能够使不同的偏振光在相同方向上衍射且对无偏振光也具有高衍射效率的透射型液晶衍射元件。其具有第1～第4光学各向异性层，所述第1～第4光学各向异性层具有光学轴的朝向沿面内的至少一个方向连续地旋转变化的液晶取向图案，第1～第4光学各向异性层的光学轴沿厚度方向扭曲，第1光学各向异性层和第2光学各向异性层的液晶取向图案中的光学轴的旋转方向及在厚度方向上的光学轴的扭曲方向相反，第3光学各向异性层和第4光学各向异性层的液晶取向图案中的光学轴的旋转方向及在厚度方向上的光学轴的扭曲方向相反，第1光学各向异性层和第2光学各向异性层以及第3光学各向异性层和第4光学各向异性层的液晶取向图案中的1个周期分别相同，第1光学各向异性层和第3光学各向异性层的液晶取向图案中的1个周期不同。
Description
技术领域
本发明涉及一种使入射的光衍射的透射型液晶衍射元件。
背景技术
衍射元件作为使光弯曲来控制光的行进方向的光学元件，在许多光学器件或系统中被利用。
作为这种衍射元件，提出了一种使用液晶化合物而成的液晶衍射元件。
例如，在专利文献1中记载了一种偏振光衍射光栅，其具备第1偏振光衍射光栅层和第2偏振光衍射光栅层而成，所述第1偏振光衍射光栅层包括根据第1扭曲性而扭曲的分子结构，使得第1偏振光衍射光栅层的分子各自的相对取向在第1偏振光衍射光栅层的两面之间确定的第1厚度上以第1扭曲角进行旋转，所述第2偏振光衍射光栅层位于第1偏振光衍射光栅层上且包括根据与第1扭曲性相反的第2扭曲性扭曲的分子结构，使得第2偏振光衍射光栅层的分子各自的相对取向在第2偏振光衍射光栅层的两面之间确定的第2厚度上以第2扭曲角进行旋转。
以往技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2014-089476号公报
发明内容
发明要解决的技术课题
使用液晶化合物而成的偏振光衍射元件根据偏振光而弯曲的方向不同。具体而言，入射到偏振光衍射元件的右旋圆偏振光和左旋圆偏振光向相反的方向弯曲并分离。因此，无论偏振光如何，均无法向规定的方向衍射光，对于无偏振光，向所期望的方向被衍射的衍射光的效率最大为50％。
本发明的课题在于提供一种能够使不同的偏振光在相同方向上衍射且能够以高效率衍射无偏振光的透射型液晶衍射元件。
用于解决技术课题的手段
为了解决该课题，本发明具有以下结构。
[1]一种透射型液晶衍射元件，其具有第1光学各向异性层～第4光学各向异性层，所述第1光学各向异性层～第4光学各向异性层具有源自液晶化合物的光学轴的朝向沿面内的至少一个方向连续旋转的同时发生变化的液晶取向图案，
在第1光学各向异性层～第4光学各向异性层中，源自液晶化合物的光学轴沿厚度方向扭曲，
第1光学各向异性层的液晶取向图案中的光学轴的旋转方向与第2光学各向异性层的液晶取向图案中的光学轴的旋转方向相反，
第3光学各向异性层的液晶取向图案中的光学轴的旋转方向与第4光学各向异性层的液晶取向图案中的光学轴的旋转方向相反，
第1光学各向异性层的厚度方向上的源自液晶化合物的光学轴的扭曲方向与第2光学各向异性层的厚度方向上的源自液晶化合物的光学轴的扭曲方向相反，
第3光学各向异性层的厚度方向上的源自液晶化合物的光学轴的扭曲方向与第4光学各向异性层的厚度方向上的源自液晶化合物的光学轴的扭曲方向相反，
将液晶取向图案中的源自液晶化合物的光学轴的朝向在面内旋转180°的长度设为1个周期时，第1光学各向异性层的液晶取向图案中的1个周期与第2光学各向异性层的液晶取向图案中的1个周期相同，
第3光学各向异性层的液晶取向图案中的1个周期与第4光学各向异性层的液晶取向图案中的1个周期相同，
第1光学各向异性层的液晶取向图案中的1个周期与第3光学各向异性层的液晶取向图案中的1个周期不同。
[2]根据[1]所述的透射型液晶衍射元件，其中，
第1光学各向异性层～第4光学各向异性层的厚度方向上的源自液晶化合物的光学轴的扭曲角小于360°。
[3]根据[1]或[2]所述的透射型液晶衍射元件，其中，
第1光学各向异性层～第4光学各向异性层以放射状具有液晶取向图案。
[4]根据[1]至[3]中任一项所述的透射型液晶衍射元件，其中，
在第1光学各向异性层与第2光学各向异性层的组合及第3光学各向异性层与第4光学各向异性层的组合中的至少一种组合中，液晶取向图案的1个周期沿一个方向逐渐变化。
[5]根据[3]或[4]所述的透射型液晶衍射元件，其中，
从放射状的液晶取向图案的中央部朝向外侧部，第1光学各向异性层的液晶取向图案的1个周期的倒数与第3光学各向异性层的液晶取向图案的1个周期的倒数之间的差分逐渐变大。
[6]根据[1]至[5]中任一项所述的透射型液晶衍射元件，其中，
在第1光学各向异性层～第4光学各向异性层的任一层间还具有C板。
[7]根据[1]至[6]中任一项所述的透射型液晶衍射元件，其中，
在第1光学各向异性层与第2光学各向异性层的组合及第3光学各向异性层与第4光学各向异性层的组合中的至少一种组合中，一方的光学各向异性层的液晶化合物为棒状液晶化合物，另一方的光学各向异性层的液晶化合物为圆盘状液晶化合物。
发明效果
根据本发明，能够提供一种能够使不同的偏振光在相同方向上衍射且对无偏振光也具有高衍射效率的透射型液晶衍射元件。
附图说明
图1是概念性地示出本发明的透射型液晶衍射元件的一例的图。
图2是概念性地示出图1所示的透射型液晶衍射元件所具有的光学各向异性层的图。
图3是图2所示的光学各向异性层的俯视图。
图4是对用于形成图2所示的光学各向异性层的取向膜进行曝光的曝光装置的一例的概念图。
图5是用于说明光学各向异性层的作用的概念图。
图6是用于说明光学各向异性层的作用的概念图。
图7是用于说明图1所示的透射型液晶衍射元件的作用的概念图。
图8是概念性地示出本发明的透射型液晶衍射元件的另一例的图。
图9是概念性地示出本发明的透射型液晶衍射元件的另一例的图。
图10是概念性地示出本发明的透射型液晶衍射元件的另一例所具有的光学各向异性层的俯视图。
图11是对用于形成图10所示的光学各向异性层的取向膜进行曝光的曝光装置的一例的概念图。
图12是概念性地表示本发明的透射型液晶衍射元件的另一例中的第1及第2光学各向异性层的主视图。
图13是概念性地表示本发明的透射型液晶衍射元件的另一例中的第3及第4光学各向异性层的主视图。
图14是概念性地表示本发明的透射型液晶衍射元件的另一例中的第1光学各向异性层的1个周期与第3光学各向异性层的1个周期之间的关系的图表。
图15是用于说明本发明的透射型液晶衍射元件的另一例中的作用的概念图。
图16是用于说明本发明的透射型液晶衍射元件的另一例中的作用的概念图。
具体实施方式
以下，根据附图所示的优选实施例，对本发明的透射型液晶衍射元件详细地进行说明。
在本说明书中，使用“～”来表示的数值范围是指将“～”的前后所记载的数值作为下限值及上限值而包含的范围。
在本说明书中，“(甲基)丙烯酸酯”以“丙烯酸酯及甲基丙烯酸酯中的任一个或两者”的含义来使用。
在本说明书中，“相同”、“相等”等包括技术领域中通常允许的误差范围。
[透射型液晶衍射元件]
本发明的液晶衍射元件为如下液晶衍射元件：
其具有第1光学各向异性层～第4光学各向异性层，所述第1光学各向异性层～第4光学各向异性层具有源自液晶化合物的光学轴的朝向沿面内的至少一个方向连续旋转的同时发生变化的液晶取向图案，
在第1光学各向异性层～第4光学各向异性层中，源自液晶化合物的光学轴沿厚度方向扭曲，
第1光学各向异性层的液晶取向图案中的光学轴的旋转方向与第2光学各向异性层的液晶取向图案中的光学轴的旋转方向相反，
第3光学各向异性层的液晶取向图案中的光学轴的旋转方向与第4光学各向异性层的液晶取向图案中的光学轴的旋转方向相反，
第1光学各向异性层的厚度方向上的源自液晶化合物的光学轴的扭曲方向与第2光学各向异性层的厚度方向上的源自液晶化合物的光学轴的扭曲方向相反，
第3光学各向异性层的厚度方向上的源自液晶化合物的光学轴的扭曲方向与第4光学各向异性层的厚度方向上的源自液晶化合物的光学轴的扭曲方向相反，
将液晶取向图案中的源自液晶化合物的光学轴的朝向在面内旋转180°的长度设为1个周期时，第1光学各向异性层的液晶取向图案中的1个周期与第2光学各向异性层的液晶取向图案中的1个周期相同，
第3光学各向异性层的液晶取向图案中的1个周期与第4光学各向异性层的液晶取向图案中的1个周期相同，
第1光学各向异性层的液晶取向图案中的1个周期与第3光学各向异性层的液晶取向图案中的1个周期不同。
图1中概念性地示出本发明的透射型液晶衍射元件的一例。
图1所示的透射型液晶衍射元件10具有在厚度方向上依次配置的第1光学各向异性层36a、第2光学各向异性层36b、第3光学各向异性层36c及第4光学各向异性层36d。另外，在图1中，为了简化附图并清楚地示出透射型液晶衍射元件10的结构，在第1光学各向异性层36a～第4光学各向异性层36d中，仅概念性地示出一部分液晶化合物40(液晶化合物分子)。然而，如在图2中概念性地示出，第1光学各向异性层36a～第4光学各向异性层36d具有在厚度方向上层叠有液晶化合物40的结构，并且具有在厚度方向上层叠的液晶化合物40的光学轴以扭曲的方式取向的结构。
第1光学各向异性层36a～第4光学各向异性层36d分别具有源自液晶化合物40的光学轴的朝向沿面内的至少一个方向连续旋转的同时发生变化的液晶取向图案。
第1光学各向异性层36a～第4光学各向异性层36d分别通过具有上述液晶取向图案而能够使透射的光衍射。关于此时的基于各光学各向异性层的衍射角度，若将液晶取向图案中的源自液晶化合物40的光学轴的朝向在面内旋转180°的长度设为1个周期(以下，也称为液晶取向图案的1个周期)，则依赖于该1个周期的长度。因此，各光学各向异性层能够通过调节液晶取向图案的1个周期来调节衍射角度。
基于具有上述液晶取向图案的光学各向异性层的光的衍射根据偏振光而被衍射的方向不同。具体而言，入射到光学各向异性层的右旋圆偏振光和左旋圆偏振光向相反方向被衍射并分离。基于光学各向异性层的衍射方向依赖于液晶取向图案中的光学轴的旋转方向。
并且，第1光学各向异性层36a～第4光学各向异性层36d各自的源自液晶化合物的光学轴沿厚度方向扭曲。如上所述，具有液晶取向图案的光学各向异性层根据偏振光而向不同方向衍射。此时，若源自液晶化合物的光学轴沿厚度方向扭曲，则等相位面相对于光学各向异性层的主表面倾斜，因此根据光的入射角度，一个偏振光容易被衍射而另一个偏振光则难以被衍射。关于这一点，将在后面进行详细叙述。另外，等相位面是液晶化合物在相同取向方向上的周期面。
在此，在本发明中，第1光学各向异性层36a的液晶取向图案中的光学轴的旋转方向与第2光学各向异性层36b的液晶取向图案中的光学轴的旋转方向相反。并且，第1光学各向异性层36a的液晶取向图案的1个周期与第2光学各向异性层36b的液晶取向图案的1个周期相同。并且，第1光学各向异性层36a的厚度方向上的源自液晶化合物的光学轴的扭曲方向与第2光学各向异性层36b的厚度方向上的源自液晶化合物的光学轴的扭曲方向相反。
并且，第3光学各向异性层36c的液晶取向图案中的光学轴的旋转方向与第4光学各向异性层36d的液晶取向图案中的光学轴的旋转方向相反。并且，第3光学各向异性层36c的液晶取向图案的1个周期与第4光学各向异性层36d的液晶取向图案的1个周期相同。并且，第3光学各向异性层36c的厚度方向上的源自液晶化合物的光学轴的扭曲方向与第4光学各向异性层36d的厚度方向上的源自液晶化合物的光学轴的扭曲方向相反。
此外，第1光学各向异性层36a(及第2光学各向异性层36b)的液晶取向图案中的1个周期与第3光学各向异性层36c(及第4光学各向异性层36d)的液晶取向图案中的1个周期不同。
在图1所示的例子中，第1光学各向异性层36a的液晶取向图案中的光学轴的旋转方向在图1中从上观察时从左向右右向(顺时针方向)旋转。另一方面，第2光学各向异性层36b的液晶取向图案中的光学轴的旋转方向向左(逆时针方向)旋转。并且，第1光学各向异性层36a的厚度方向上的源自液晶化合物的光学轴的扭曲方向在图1中从上向下向右(顺时针方向)扭曲。另一方面，第2光学各向异性层36b的厚度方向上的源自液晶化合物的光学轴的扭曲方向向左(逆时针方向)扭曲。
并且，在图1所示的例子中，第3光学各向异性层36c的液晶取向图案中的光学轴的旋转方向在图1中从上观察时从左向右右向(顺时针方向)旋转。另一方面，第4光学各向异性层36d的液晶取向图案中的光学轴的旋转方向向左(逆时针方向)旋转。并且，第3光学各向异性层36c的厚度方向上的源自液晶化合物的光学轴的扭曲方向在图1中从上向下向右(顺时针方向)扭曲。另一方面，第4光学各向异性层36d的厚度方向上的源自液晶化合物的光学轴的扭曲方向向左(逆时针方向)扭曲。
并且，如图1所示，第1光学各向异性层36a的液晶取向图案的1个周期与第2光学各向异性层36b的液晶取向图案的1个周期相同，第3光学各向异性层36c的液晶取向图案的1个周期与第4光学各向异性层36d的液晶取向图案的1个周期相同，第1光学各向异性层36a的液晶取向图案的1个周期与第3光学各向异性层36c的液晶取向图案的1个周期不同。
具有以上结构的本发明的透射型液晶衍射元件10使入射的光透射并且使其衍射。此时，能够使右旋圆偏振光及左旋圆偏振光向相同方向衍射。即，本发明的透射型液晶衍射元件10能够使不同的偏振光向相同方向衍射，从而能够实现具有高衍射效率的透射型液晶衍射元件。对于这种作用，将在后面进行详细叙述。
另外，各光学各向异性层的液晶取向图案中的光学轴的旋转方向及厚度方向上的光学轴的扭曲方向并不限于图1所示的例子，只要第1光学各向异性层36a与第2光学各向异性层36b的液晶取向图案中的光学轴的旋转方向相反、厚度方向上的光学轴的扭曲方向相反，并且第3光学各向异性层36c与第4光学各向异性层36d的液晶取向图案中的光学轴的旋转方向相反、厚度方向上的光学轴的扭曲方向相反，则也可以为其他组合。
并且，在图1所示的例子中，设为第1光学各向异性层36a与第3光学各向异性层36c的液晶取向图案中的光学轴的旋转方向及厚度方向上的光学轴的扭曲方向相同且第2光学各向异性层36b与第4光学各向异性层36d的液晶取向图案中的光学轴的旋转方向及厚度方向上的光学轴的扭曲方向相同的结构，但并不限定于此。例如，也可以为第1光学各向异性层36a与第4光学各向异性层36d的液晶取向图案中的光学轴的旋转方向及厚度方向上的光学轴的扭曲方向相同且第2光学各向异性层36b与第3光学各向异性层36c的液晶取向图案中的光学轴的旋转方向及厚度方向上的光学轴的扭曲方向相同的结构。
在本发明中，优选地，第1光学各向异性层36a及第2光学各向异性层36b中的一个、第3光学各向异性层36c及第4光学各向异性层36d中的一个的液晶取向图案中的光学轴的旋转方向及厚度方向上的光学轴的扭曲方向相同，第1光学各向异性层36a及第2光学各向异性层36b中的另一个、第3光学各向异性层36c及第4光学各向异性层36d中的另一个的液晶取向图案中的光学轴的旋转方向及厚度方向上的光学轴的扭曲方向相同。
并且，优选等相位面的平均倾斜的方向(向右倾斜或者向左倾斜)在各光学各向异性层彼此之间相同。当光学各向异性层的等相位面的倾斜相反时，衍射的光的强度(衍射效率)变小。并且，当将基板面的法线方向设为0度时，等相位面的平均倾斜的角度优选5度～35度。在此，平均倾斜的角度是指当光学各向异性层在厚度方向上具有倾斜角的分布时将倾斜角在厚度方向上平均化而得的角度。
并且，在图1所示的例子中，将各光学各向异性层分别设为分开而配置的结构，但并不限定于此，也可以为光学各向异性层彼此接触而配置的结构。例如，也可以为第1光学各向异性层36a与第2光学各向异性层36b接触而配置，第2光学各向异性层36b与第3光学各向异性层36c分开而配置，第3光学各向异性层36c与第4光学各向异性层36d接触而配置。
(光学各向异性层)
利用图2及图3对第1光学各向异性层36a～第4光学各向异性层36d进行说明。另外，除了液晶取向图案中的光学轴的旋转方向、液晶取向图案的1个周期、厚度方向上的光学轴的扭曲方向不同以外，第1光学各向异性层36a～第4光学各向异性层36d具有相同的结构，因此在无需区分第1光学各向异性层36a～第4光学各向异性层36d的情况下，一并作为光学各向异性层36进行说明。
图2及图3所示的例子为固定使液晶化合物取向的液晶相而成且具有源自液晶化合物的光学轴的朝向沿面内的至少一个方向连续旋转的同时发生变化的液晶取向图案，并且源自液晶化合物的光学轴沿厚度方向扭曲的光学各向异性层36。图2及图3所示的例子中的光学各向异性层36的液晶取向图案中的光学轴的旋转方向及厚度方向的光学轴的扭曲方向与图1的第1光学各向异性层36a相同。
在图2所示的例子中，光学各向异性层36层叠于在支撑体30上层叠的取向膜32上。
另外，当将第1光学各向异性层36a～第4光学各向异性层36d用作透射型液晶衍射元件时，如图2所示的例子那样，光学各向异性层36也可以在层叠于支撑体30及取向膜32上的状态下使用。或者，光学各向异性层36例如可以在剥离了支撑体30的、仅层叠有取向膜32及光学各向异性层36的状态下使用。或者，光学各向异性层36例如可以在剥离了支撑体30及取向膜32的、仅在光学各向异性层36的状态下使用。
<支撑体>
支撑体30支撑取向膜32及光学各向异性层36。
只要能够支撑取向膜32及光学各向异性层36，则支撑体30能够利用各种片状物(薄膜、板状物)。
另外，支撑体30相对于衍射的光的透射率优选为50％以上，更优选为70％以上，进一步优选为85％以上。
支撑体30的厚度并无限制，只要根据透射型液晶衍射元件的用途及支撑体30的形成材料等，适当地设定能够保持取向膜32、光学各向异性层36的厚度即可。
支撑体30的厚度优选1～1000μm，更优选3～250μm，进一步优选5～150μm。
支撑体30可以为单层，也可以为多层。
作为单层的情况下的支撑体30，可以例示出由玻璃、三乙酰纤维素(TAC)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚碳酸酯、聚氯乙烯、丙烯酸及聚烯烃等形成的支撑体30。作为多层的情况下的支撑体30的例子，可以例示出包括前述单层的支撑体中的任一个等作为基板，并且在该基板的表面上设置其他层的支撑体等。
＜取向膜＞
在支撑体30的表面形成有取向膜32。
取向膜32为在形成光学各向异性层36时用于将液晶化合物40取向为规定的液晶取向图案的取向膜。
如上所述，在本发明中，光学各向异性层36具有源自液晶化合物40的光学轴40A(参考图3)的朝向沿面内的一个方向连续旋转的同时发生变化的液晶取向图案。因此，取向膜32形成为使光学各向异性层36能够形成该液晶取向图案。
在以下说明中，也将“光学轴40A的朝向旋转”简称为“光学轴40A旋转”。
取向膜32能够利用公知的各种取向膜。
例如，可以例示出由聚合物等有机化合物形成的摩擦处理膜、无机化合物的倾斜蒸镀膜、具有微槽的膜以及使ω-二十三烷酸、双十八烷基甲基氯化铵及硬脂酸甲酯等有机化合物的基于朗缪尔-布洛杰特法的LB(Langmuir-Blodgett：朗缪尔-布洛杰特)膜累积而成的膜等。
基于摩擦处理的取向膜32能够通过用纸或布向规定方向摩擦多次聚合物层的表面而形成。
作为取向膜32中所使用的材料，优选聚酰亚胺、聚乙烯醇、日本特开平9-152509号公报中所记载的具有聚合性基团的聚合物、日本特开2005-97377号公报、日本特开2005-99228号公报及日本特开2005-128503号公报中所记载的取向膜32等的形成中所使用的材料。
取向膜32优选利用向光取向性的材料照射偏振光或非偏振光而形成取向膜32的所谓的光取向膜。即，作为取向膜32，优选利用在支撑体30上涂布光取向材料而形成的光取向膜。
关于偏振光的照射，能够从相对于光取向膜的垂直方向或倾斜方向进行，关于非偏振光的照射，能够从相对于光取向膜的倾斜方向进行。
作为能够用于本发明的取向膜中所使用的光取向材料，例如，可以例示出日本特开2006-285197号公报、日本特开2007-76839号公报、日本特开2007-138138号公报、日本特开2007-94071号公报、日本特开2007-121721号公报、日本特开2007-140465号公报、日本特开2007-156439号公报、日本特开2007-133184号公报、日本特开2009-109831号公报、日本专利第3883848号公报及日本专利第4151746号公报中所记载的偶氮化合物、日本特开2002-229039号公报中所记载的芳香族酯化合物、日本特开2002-265541号公报及日本特开2002-317013号公报中所记载的具有光取向性单元的马来酰亚胺和/或经烯基取代的纳迪克酰亚胺化合物、日本专利第4205195号及日本专利第4205198号中所记载的光交联性硅烷衍生物、日本特表2003-520878号公报、日本特表2004-529220号公报及日本专利第4162850号中所记载的光交联性聚酰亚胺、光交联性聚酰胺及光交联性聚酯以及日本特开平9-118717号公报、日本特表平10-506420号公报、日本特表2003-505561号公报、国际公开第2010/150748号、日本特开2013-177561号公报及日本特开2014-12823号公报中所记载的能够光二聚化的化合物、特别是肉桂酸酯化合物、查耳酮化合物及香豆素化合物等作为优选例。
其中，优选利用偶氮化合物、光交联性聚酰亚胺、光交联性聚酰胺、光交联性聚酯、肉桂酸酯化合物及查耳酮化合物。
取向膜32的厚度并无限制，只要根据取向膜32的形成材料适当地设定可以获得所需要的取向功能的厚度即可。
取向膜32的厚度优选0.01～5μm，更优选0.05～2μm。
取向膜32的形成方法并无限制，能够利用各种与取向膜32的形成材料相对应的公知的方法。作为一例，可以例示出将取向膜32涂布于支撑体30的表面上并使其干燥之后，通过激光束曝光取向膜32而形成取向图案的方法。
图4中概念性地示出对取向膜32进行曝光而形成取向图案的曝光装置的一例。
图4所示的曝光装置60具备：设置有激光器62的光源64；改变由激光器62射出的激光束M的偏振方向的λ/2板65；将由激光器62射出的激光束M分离成光线MA及MB这2个光线的光束分离器68；分别配置于所分离的2个光线MA及MB的光路上的反射镜70A及70B；及λ/4板72A及72B。
另外，光源64射出直线偏振光P0。λ/4板72A将直线偏振光P0(光线MA)转换成右旋圆偏振光PR，λ/4板72B将直线偏振光P0(光线MB)转换成左旋圆偏振光PL。
具有形成取向图案之前的取向膜32的支撑体30配置于曝光部，使2个光线MA及光线MB在取向膜32上交叉并使其干涉，将该干涉光照射到取向膜32上来进行曝光。
通过此时的干涉，照射到取向膜32上的光的偏振状态以干涉条纹状周期性地发生变化。由此，可以获得具有取向状态周期性地发生变化的取向图案的取向膜(以下，也称为图案取向膜)。
在曝光装置60中，通过改变2个光线MA及MB的交叉角α，能够调节取向图案的周期。即，在曝光装置60中，通过调节交叉角α，在源自液晶化合物40的光学轴40A沿一个方向连续旋转的取向图案中，能够调节将光学轴40A所旋转的一个方向上的光学轴40A旋转180°的1个周期的长度。
通过在具有这种取向状态周期性地发生变化的取向图案的取向膜32上形成光学各向异性层，如后述，能够形成具有源自液晶化合物40的光学轴40A沿一个方向连续旋转的液晶取向图案的光学各向异性层36。
并且，能够通过将λ/4板72A及72B的光学轴分别旋转90°来使光学轴40A的旋转方向反转。
如上所述，图案取向膜具有如下取向图案：使液晶化合物取向，以成为形成于图案取向膜上的光学各向异性层中的液晶化合物的光学轴的朝向沿面内的至少一个方向连续旋转的同时发生变化。若将图案取向膜沿使液晶化合物取向的朝向的轴设为取向轴，则可以说图案取向膜具有取向轴的朝向沿面内的至少一个方向连续旋转的同时发生变化的取向图案。图案取向膜的取向轴能够通过测量吸收各向异性来检测。例如，在使直线偏振光旋转的同时照射到图案取向膜上并测量了透射图案取向膜的光的光量时，观察到光量成为最大或最小的朝向沿面内的一个方向逐渐变化。
另外，在本发明中，取向膜32以优选方式设置，并不是必须的构成要件。
例如，能够通过对支撑体30进行摩擦处理的方法、用激光束等对支撑体30进行加工的方法等来在支撑体30上形成取向图案，从而也能够设为光学各向异性层具有源自液晶化合物40的光学轴40A的朝向沿面内的至少一个方向连续旋转的同时发生变化的液晶取向图案的结构。即，在本发明中，也可以使支撑体30作为取向膜而发挥作用。
＜光学各向异性层＞
光学各向异性层36形成于取向膜32的表面上。
如上所述，光学各向异性层36为固定使液晶化合物取向的液晶相而成的光学各向异性层，且为具有源自液晶化合物的光学轴的朝向沿面内的至少一个方向连续旋转的同时发生变化的液晶取向图案的光学各向异性层。
并且，如在图2中概念性地示出，光学各向异性层36具有液晶化合物40沿厚度方向回转而层叠的扭曲结构。在图示例中，从存在于光学各向异性层36的一个主表面侧的液晶化合物40至存在于另一主表面侧的液晶化合物40的合计扭曲角小于360°。
如此，光学各向异性层36在面内具有沿排列轴D光学轴40A的朝向连续旋转的同时发生变化的液晶取向图案，并且若液晶化合物40在厚度方向上具有扭曲结构，则在与排列轴D平行的截面中，在厚度方向上连结朝向相同方向的液晶化合物40的等相位面成为相对于光学各向异性层36的主表面倾斜的结构。由于等相位面如此倾斜，根据入射的光的角度及圆偏振光的回转方向等，衍射效率下降，会发生实质上不产生衍射作用的情况。例如，在图2所示的光学各向异性层36的情况下，对主表面垂直入射的右旋圆偏振光在图2中以向左下方向行进的方式被衍射。另一方面，对主表面垂直入射的左旋圆偏振光在液晶取向图案的作用下，在图2中以朝向右下方向的方式被衍射，但由于等相位面向相反方向倾斜，因此该衍射作用未充分发挥，未被衍射而以0次光的状态透射。
另外，若通过SEM(扫描型电子显微镜)观察与排列轴D平行的截面，则可以观察到由于液晶化合物的朝向而亮部及暗部交替排列的条纹图案。能够将该亮部和暗部的倾斜视为等相位面的倾斜。
本发明的透射型液晶衍射元件通过利用在第1光学各向异性层36a～第4光学各向异性层36d各自中透射这种0次光的情况，作为透射型液晶衍射元件，构成为使右旋圆偏振光及左旋圆偏振光向相同方向衍射的结构。关于这一点，将在后面进行详细叙述。
＜＜光学各向异性层的形成方法＞＞
光学各向异性层具有源自液晶化合物的光学轴的朝向沿面内的至少一个方向连续旋转的同时发生变化的液晶取向图案，并且能够以层状固定液晶相来形成，该液晶相取向为液晶化合物(光学轴)在厚度方向上回转而层叠的扭曲结构。
将液晶相固定而成的结构只要为保持呈液晶相的液晶化合物的取向的结构即可，典型地优选如下结构：在将聚合性液晶化合物设为沿液晶取向图案的取向状态的基础上，通过紫外线照射、加热等进行聚合、固化而形成不具有流动性的层，同时改变成不会因外场或外力而使取向形态发生变化的状态。
另外，在将液晶相固定而成的结构中，只要保持液晶相的光学性质即可，在光学各向异性层中，液晶化合物40可以不显示液晶性。例如，聚合性液晶化合物可以通过固化反应进行高分子量化而失去液晶性。
作为在固定液晶相而成的光学各向异性层的形成中所使用的材料，作为一例，可以举出含有液晶化合物的液晶组合物。液晶化合物优选为聚合性液晶化合物。
并且，为了将光学各向异性层设为液晶化合物在厚度方向上扭曲取向的结构，只要在液晶组合物中含有手性试剂即可。
并且，光学各向异性层的形成中所使用的液晶组合物还可以含有表面活性剂、聚合引发剂等。
--聚合性液晶化合物--
聚合性液晶化合物可以为棒状液晶化合物，也可以为圆盘状液晶化合物。
作为形成光学各向异性层的棒状的聚合性液晶化合物的例子，可以举出棒状向列相液晶化合物。作为棒状向列相液晶化合物，优选使用甲亚胺类、氧化偶氮类、氰基联苯类、氰基苯酯类、苯甲酸酯类、环己烷羧酸苯酯类、氰基苯基环己烷类、氰基取代苯基嘧啶类、烷氧基取代苯基嘧啶类、苯基二噁烷类、二苯乙炔类及链烯基环己基苯甲腈类等。不仅能够使用低分子液晶化合物，还能够使用高分子液晶化合物。
聚合性液晶化合物通过将聚合性基团导入到液晶化合物而获得。在聚合性基团的例子中包括不饱和聚合性基团、环氧基及吖丙啶基，优选不饱和聚合性基团，更优选烯属不饱和聚合性基团。能够以各种方法将聚合性基团导入到液晶化合物的分子中。聚合性液晶化合物所具有的聚合性基团的个数优选1～6个、更优选1～3个。
聚合性液晶化合物的例子包括Makromol.Chem.，190卷、2255页(1989年)、Advanced Materials 5卷、107页(1993年)、美国专利第4683327号说明书、美国专利第5622648号说明书、美国专利第5770107号说明书、国际公开第95/22586号、国际公开第95/24455号、国际公开第97/00600号、国际公开第98/23580号、国际公开第98/52905号、日本特开平1-272551号公报、日本特开平6-016616号公报、日本特开平7-110469号公报、日本特开平11-080081号公报及日本特开2001-328973号公报等中所记载的化合物。可以并用2种以上的聚合性液晶化合物。若并用2种以上的聚合性液晶化合物，则能够使取向温度下降。
并且，作为除了上述以外的聚合性液晶化合物，能够使用如日本特开昭57-165480号公报中所公开的具有胆甾醇相的环式有机聚硅氧烷化合物等。此外，作为上述高分子液晶化合物，能够使用将显示液晶的介晶基团导入到主链、侧链或者主链及侧链这两个位置的高分子、将胆甾醇基团导入到侧链的高分子胆甾醇型液晶、如日本特开平9-133810号公报中所公开的液晶性高分子及如日本特开平11-293252号公报中所公开的液晶性高分子等。
--圆盘状液晶化合物--
作为圆盘状液晶化合物，例如，能够优选使用日本特开2007-108732号公报或日本特开2010-244038号公报中所记载的圆盘状液晶化合物。
并且，液晶组合物中的聚合性液晶化合物的添加量相对于液晶组合物的固体成分质量(去除溶剂后的质量)优选为75～99.9质量％，更优选为80～99质量％，进一步优选为85～90质量％。
--手性试剂(光学活性化合物)--
手性试剂(手性剂)具有诱导液晶相的扭曲结构的功能。手性试剂由于通过化合物诱导的螺旋的扭曲方向及螺旋诱导力(Helical twisting power：HTP)不同，因此根据目的选择即可。
作为手性试剂，并无特别限制，能够使用公知的化合物(例如，记载于液晶器件手册、第3章4-3项、TN(twisted nematic，扭曲向列)、STN(Super Twisted Nematic，超扭曲向列)用手性试剂、199页、日本学术振兴会第142委员会编、1989中)、异山梨醇及异甘露糖醇衍生物等。
手性试剂通常含有不对称碳原子，但不含不对称碳原子的轴手性化合物或平面手性化合物也能够用作手性试剂。在轴手性化合物或平面手性化合物的例子中，包括联萘、螺烯、对二甲苯二聚体及它们的衍生物。手性试剂也可以具有聚合性基团。在手性试剂和液晶化合物均具有聚合性基团的情况下，能够通过聚合性手性试剂与聚合性液晶化合物的聚合反应而形成具有从聚合性液晶化合物衍生的重复单元及从手性试剂衍生的重复单元的聚合物。在该方式中，聚合性手性试剂所具有的聚合性基团优选为与聚合性液晶化合物所具有的聚合性基团相同种类的基团。因此，手性试剂的聚合性基团也优选为不饱和聚合性基团、环氧基或吖丙啶基，更优选为不饱和聚合性基团，进一步优选为烯属不饱和聚合性基团。
并且，手性试剂也可以为液晶化合物。
在手性试剂具有光异构化基的情况下，在涂布、取向之后通过活化光线等的光掩模照射能够形成与发光波长对应的所期望的扭曲取向，因此优选。作为光异构化基，优选显示光变色性的化合物的异构化部位、偶氮基、氧化偶氮基或肉桂酰基。作为具体的化合物，能够使用日本特开2002-80478号公报、日本特开2002-80851号公报、日本特开2002-179668号公报、日本特开2002-179669号公报、日本特开2002-179670号公报、日本特开2002-179681号公报、日本特开2002-179682号公报、日本特开2002-338575号公报、日本特开2002-338668号公报、日本特开2003-313189号公报及日本特开2003-313292号公报等中所记载的化合物。
液晶组合物中的手性试剂的含量相对于液晶化合物的含有摩尔量，优选0.01～200摩尔％，更优选1～30摩尔％。
--表面活性剂--
形成光学各向异性层时所使用的液晶组合物可以含有表面活性剂。
表面活性剂优选为能够作为取向控制剂发挥作用的化合物，所述取向控制剂有助于液晶化合物稳定或快速地取向。作为表面活性剂，例如，可以举出硅氧烷系表面活性剂及氟系表面活性剂，可优选例示出氟系表面活性剂。
作为表面活性剂的具体例，可以举出日本特开2014-119605号公报的[0082]～[0090]段中所记载的化合物、日本特开2012-203237号公报的[0031]～[0034]段中所记载的化合物、日本特开2005-099248号公报的[0092]及[0093]段中所例示的化合物、日本特开2002-129162号公报的[0076]～[0078]段及[0082]～[0085]段中所例示的化合物以及日本特开2007-272185号公报的[0018]～[0043]段等中所记载的氟(甲基)丙烯酸酯系聚合物等。
另外，表面活性剂可以单独使用1种，也可以并用2种以上。
作为氟系表面活性剂，优选日本特开2014-119605号公报的[0082]～[0090]段中所记载的化合物。
液晶组合物中的表面活性剂的添加量相对于液晶化合物的总质量优选0.01～10质量％，更优选0.01～5质量％，进一步优选0.02～1质量％。
--聚合引发剂--
在液晶组合物含有聚合性化合物的情况下，优选含有聚合引发剂。在通过紫外线照射进行聚合反应的方式中，所使用的聚合引发剂优选为能够通过紫外线照射来引发聚合反应的光聚合引发剂。
在光聚合引发剂的例子中，可以举出α-羰基化合物(记载于美国专利第2367661号、美国专利第2367670号的各说明书中)、偶姻醚(记载于美国专利第2448828号说明书中)、α-烃取代芳香族偶姻化合物(记载于美国专利第2722512号说明书中)、多核醌化合物(记载于美国专利第3046127号、美国专利第2951758号的各说明书中)、三芳基咪唑二聚物和对氨基苯基酮的组合(记载于美国专利第3549367号说明书中)、吖啶及吩嗪化合物(记载于日本特开昭60-105667号公报、美国专利第4239850号说明书中)以及噁二唑化合物(记载于美国专利第4212970号说明书中)等。
液晶组合物中的光聚合引发剂的含量相对于液晶化合物的含量，优选为0.1～20质量％，进一步优选为0.5～12质量％。
--交联剂--
为了提高固化后的膜强度且提高耐久性，液晶组合物可以任意含有交联剂。作为交联剂，能够优选使用通过紫外线、热及湿气等固化的交联剂。
作为交联剂并无特别限制，能够根据目的适当地选择，例如，可以举出三羟甲基丙烷三(甲基)丙烯酸酯及季戊四醇三(甲基)丙烯酸酯等多官能丙烯酸酯化合物；(甲基)丙烯酸缩水甘油酯及乙二醇二缩水甘油醚等环氧化合物；2,2-双羟基甲基丁醇-三[3-(1-吖丙啶基)丙酸酯]及4,4-双(亚乙基亚氨基羰基氨基)二苯基甲烷等吖丙啶化合物；六亚甲基二异氰酸酯及缩二脲型异氰酸酯等异氰酸酯化合物；在侧链上具有噁唑啉基的聚噁唑啉化合物；以及乙烯基三甲氧基硅烷、N-(2-氨基乙基)3-氨基丙基三甲氧基硅烷等烷氧基硅烷化合物等。并且，能够根据交联剂的反应性使用公知的催化剂，除了提高膜强度及耐久性以外，还能够提高生产率。这些可以单独使用1种，也可以并用2种以上。
交联剂的含量相对于液晶组合物的固体成分质量优选3～20质量％，更优选5～15质量％。只要交联剂的含量在上述范围内，则容易获得提高交联密度的效果，从而进一步提高液晶相的稳定性。
--其他添加剂--
在不降低光学性能等的范围内，根据需要，在液晶组合物中能够进一步添加聚合抑制剂、抗氧化剂、紫外线吸收剂、光稳定剂、色材及金属氧化物微粒等。
液晶组合物优选在形成光学各向异性层时用作液体。
液晶组合物可以含有溶剂。溶剂并无限制，能够根据目的适当地选择，但优选有机溶剂。
有机溶剂并无限制，能够根据目的适当地选择，例如，可以举出酮类、卤代烷类、酰胺类、亚砜类、杂环化合物、烃类、酯类及醚类等。这些可以单独使用1种，也可以并用2种以上。在这些之中，在考虑对环境的负担的情况下，优选酮类。
当形成光学各向异性层时，优选在光学各向异性层的形成面上涂布液晶组合物，将液晶化合物取向为以规定的液晶取向图案取向的液晶相状态之后，使液晶化合物固化以形成光学各向异性层。
即，在取向膜32上形成光学各向异性层的情况下，优选在取向膜32上涂布液晶组合物，将液晶化合物取向为规定的液晶取向图案之后，使液晶化合物固化以形成固定液晶相而成的光学各向异性层。
关于液晶组合物的涂布，能够利用喷墨及滚动印刷等印刷法以及旋涂、棒涂及喷雾涂布等能够将液体均匀地涂布于片状物上的所有公知的方法。
根据需要，对所涂布的液晶组合物进行干燥和/或加热，然后使其固化以形成光学各向异性层。在该干燥和/或加热工序中，液晶组合物中的液晶化合物取向为规定的液晶取向图案及扭曲结构即可。在进行加热的情况下，加热温度优选200℃以下，更优选130℃以下。
根据需要，对所取向的液晶化合物进一步进行聚合。聚合可以为热聚合及利用光照射的光聚合中的任一种，但优选光聚合。光照射优选使用紫外线。照射能量优选20mJ/cm2～50J/cm2，更优选50～1500mJ/cm2。为了促进光聚合反应，也可以在加热条件下或氮气环境下实施光照射。所照射的紫外线的波长优选250～430nm。
光学各向异性层的厚度并无限制，只要根据光学各向异性层的用途、光学各向异性层所需的光的反射率及光学各向异性层的形成材料等，适当地设定可获得所需的光的反射率的厚度即可。
＜＜光学各向异性层的液晶取向图案＞＞
如上所述，光学各向异性层具有源自液晶化合物40的光学轴40A的朝向在光学各向异性层的面内在一个方向上连续旋转的同时发生变化的液晶取向图案。
另外，源自液晶化合物40的光学轴40A为在液晶化合物40中折射率最高的轴，所谓的慢轴。例如，在液晶化合物40为棒状液晶化合物的情况下，光学轴40A沿棒形状的长轴方向。在以下说明中，也将源自液晶化合物40的光学轴40A称为“液晶化合物40的光学轴40A”或“光学轴40A”。
图3中概念性地示出光学各向异性层36的俯视图。
另外，俯视图是指在图2中从上方观察光学各向异性层36的图，即为从厚度方向(＝各层(膜)的层叠方向)观察光学各向异性层36的图。
并且，在图3中，液晶化合物40仅示出取向膜32的表面的液晶化合物40，以清楚地示出光学各向异性层36的结构。
如图3所示，在取向膜32的表面上，构成光学各向异性层36的液晶化合物40具有如下液晶取向图案：根据在下层的取向膜32上所形成的取向图案，在光学各向异性层的面内，光学轴40A的朝向沿箭头D(以下，称为排列轴D)所示的规定的一个方向连续旋转的同时发生变化。在图示例中，具有液晶化合物40的光学轴40A沿排列轴D方向以顺时针方向连续旋转的同时发生变化的液晶取向图案。
构成光学各向异性层36的液晶化合物40呈在排列轴D及与该一个方向(排列轴D方向)正交的方向上二维排列的状态。
在以下说明中，为了方便起见，将与排列轴D方向正交的方向设为Y方向。即，箭头Y方向为液晶化合物40的光学轴40A的朝向在光学各向异性层的面内与连续旋转的同时发生变化的一个方向正交的方向。因此，在图1、图2及后述的图5、图6中，Y方向成为与纸面正交的方向。
液晶化合物40的光学轴40A的朝向沿排列轴D方向(规定的一个方向)连续旋转的同时发生变化具体而言是指，沿排列轴D方向排列的液晶化合物40的光学轴40A与排列轴D方向所成的角度根据排列轴D方向的位置而不同，沿排列轴D方向，光学轴40A与排列轴D方向所成的角度从θ依次变化至θ+180°或θ-180°。
另外，在排列轴D方向上彼此相邻的液晶化合物40的光学轴40A的角度之差优选为45°以下，更优选为15°以下，进一步优选为更小的角度。
并且，在本发明中，设为液晶化合物朝向在排列轴D方向上彼此相邻的液晶化合物40的光学轴40A所成的角度变小的方向进行旋转。因此，在图2及图3所示的光学各向异性层中，液晶化合物40的光学轴40A沿排列轴D的箭头方向向右(顺时针方向)旋转。
另一方面，形成光学各向异性层36的液晶化合物40在与排列轴D方向正交的Y方向即与光学轴40A连续旋转的一个方向正交的Y方向上与光学轴40A的朝向相同。
换言之，形成光学各向异性层36的液晶化合物40在Y方向上，液晶化合物40的光学轴40A与排列轴D方向所成的角度相等。
在光学各向异性层36中，在Y方向上排列的液晶化合物中，光学轴40A与排列轴D方向(液晶化合物40的光学轴的朝向旋转的一个方向)所成的角度相等。将该光学轴40A与排列轴D方向所成的角度相等的液晶化合物40配置于Y方向上的区域设为区域R。
此时，各自的区域R中的面内延迟(Re)的值优选为半波长即λ/2。关于这些面内延迟，通过区域R的折射率各向异性所伴随的折射率差Δn与光学各向异性层的厚度之积来计算。在此，光学各向异性层中的区域R的折射率各向异性所伴随的折射率差为通过区域R的面内的慢轴方向的折射率和与慢轴方向正交的方向的折射率之差来定义的折射率差。即，区域R的折射率各向异性所伴随的折射率差Δn等于光学轴40A的方向的液晶化合物40的折射率与在区域R的面内与光学轴40A垂直的方向的液晶化合物40的折射率之差。即，折射率差Δn等于液晶化合物40的折射率差。
在光学各向异性层36中，在这种液晶化合物40的液晶取向图案中，在面内光学轴40A连续旋转而发生变化的排列轴D方向上，将液晶化合物40的光学轴40A旋转180°的长度(距离)设为液晶取向图案中的1个周期的长度Λ。
即，将相对于排列轴D方向的角度相等的2个液晶化合物40的排列轴D方向的中心之间的距离设为1个周期的长度Λ。具体而言，如图3所示，将排列轴D方向与光学轴40A的方向一致的2个液晶化合物40的排列轴D方向的中心之间的距离设为1个周期的长度Λ。在以下说明中，也将该1个周期的长度Λ称为“1个周期Λ”。
光学各向异性层36的液晶取向图案在排列轴D方向即光学轴40A的朝向连续旋转而发生变化的一个方向上重复该1个周期Λ。
若圆偏振光入射到这种光学各向异性层36上，则光被折射，并且圆偏振光的方向被转换。
在图5及图6中概念性地示出该作用。另外，在光学各向异性层36中，设为液晶化合物的折射率差与光学各向异性层的厚度的乘积的值为λ/2。并且，使用图5及图6的说明用于说明光学各向异性层36的液晶取向图案的作用，因此作为不具有厚度方向上的光学轴的扭曲结构来进行说明。
如图5所示，在光学各向异性层36的液晶化合物的折射率差与光学各向异性层的厚度的乘积的值为λ/2的情况下，若作为左旋圆偏振光的入射光L1入射到光学各向异性层36上，则入射光L1通过光学各向异性层36而被赋予180°的相位差，从而透射光L2被转换为右旋圆偏振光。
并且，形成于光学各向异性层36上的液晶取向图案在排列轴D方向上是周期性图案，因此透射光L2向与入射光L1的行进方向不同的方向行进。如此，左旋圆偏振光的入射光L1被转换为相对于入射方向向排列轴D方向仅倾斜规定角度的右旋圆偏振光的透射光L2。在图5所示的例子中，透射光L2被衍射，以向右下方向行进。
另一方面，如图6所示，在光学各向异性层36的液晶化合物的折射率差与光学各向异性层的厚度的乘积的值为λ/2时，若右旋圆偏振光的入射光L4入射到光学各向异性层36上，则入射光L4通过光学各向异性层36而被赋予180°的相位差，从而被转换为左旋圆偏振光的透射光L5。
并且，形成于光学各向异性层36上的液晶取向图案在排列轴D方向上是周期性图案，因此透射光L5向与入射光L4的行进方向不同的方向行进。此时，透射光L5向与透射光L2不同的方向即相对于入射方向与排列轴D的箭头方向相反的方向行进。如此，入射光L4被转换为相对于入射方向向与排列轴D方向相反的方向仅倾斜规定角度的左旋圆偏振光的透射光L5。在图6所示的例子中，透射光L5被衍射，以向左下方向行进。
如上所述，光学各向异性层36能够根据所形成的液晶取向图案的1个周期Λ的长度来调节透射光L2及L5的折射角度。具体而言，关于光学各向异性层36，液晶取向图案的1个周期Λ越短，通过了相互相邻的液晶化合物40的光彼此的干涉越强，因此能够使透射光L2及L5折射得更大。
并且，通过将沿排列轴D方向旋转的液晶化合物40的光学轴40A的旋转方向设为相反的方向，能够将透射光的折射的方向设为相反的方向。即，在图5～图6所示的例子中，朝向排列轴D方向的光学轴40A的旋转方向为顺时针方向，但通过将该旋转方向设为逆时针方向，能够将透射光的折射的方向设为相反的方向。具体而言，在图5及图6中，当朝向排列轴D方向的光学轴40A的旋转方向为逆时针方向时，从图中上侧入射到光学各向异性层36的左旋圆偏振光通过光学各向异性层36而透射光被转换为右旋圆偏振光，并且被衍射为向图中左下方向行进。并且，从图中上侧入射到光学各向异性层36的右旋圆偏振光通过光学各向异性层36而透射光被转换为左旋圆偏振光，并且被衍射为向图中右下方向行进。
(透射型液晶衍射元件的作用)
接着，利用图7对具有层叠有4层具有这种液晶取向图案的光学各向异性层的结构的本发明的透射型液晶衍射元件的作用进行说明。
如上所述，在本发明的透射型液晶衍射元件10中，依次排列有具有液晶取向图案的第1光学各向异性层36a～第4光学各向异性层36d，第1光学各向异性层36a与第2光学各向异性层36b的液晶取向图案中的光学轴的旋转方向相反、厚度方向上的光学轴的扭曲方向相反，并且第3光学各向异性层36c与第4光学各向异性层36d的液晶取向图案中的光学轴的旋转方向相反、厚度方向上的光学轴的扭曲方向相反。此外，第1光学各向异性层36a与第2光学各向异性层36b的液晶取向图案的1个周期相同，第3光学各向异性层36c与第4光学各向异性层36d的液晶取向图案的1个周期相同，第1光学各向异性层36a与第3光学各向异性层36c的液晶取向图案的1个周期不同。
在此，关于第1光学各向异性层36a与第2光学各向异性层36b，液晶取向图案的1个周期相同是指，在以第1光学各向异性层36a的液晶取向图案的1个周期为基准的情况下，若第2光学各向异性层36b的液晶取向图案的1个周期为0.8～1.2左右的大小差，则对从第2光学各向异性层36b射出的光的衍射角的影响少。
同样地，关于第3光学各向异性层36c与第4光学各向异性层36d，液晶取向图案的1个周期相同是指，在以第3光学各向异性层36c的液晶取向图案的1个周期为基准的情况下，若第4光学各向异性层36d的液晶取向图案的1个周期为0.8～1.2左右的大小差，则对从第4光学各向异性层36d射出的光的衍射角的影响少。
此外，关于第1光学各向异性层36a与第2光学各向异性层36b，即使在液晶取向图案的1个周期存在差的情况下，第3光学各向异性层36c与第4光学各向异性层36d的液晶取向图案的1个周期之差也与第1光学各向异性层36a与第2光学各向异性层36b的液晶取向图案的1个周期之差相抵消，从而从第4光学各向异性层36d射出的右旋圆偏振光和左旋圆偏振光的衍射角度成为适当的角度。
另外，第1光学各向异性层36a中的液晶取向图案的排列轴D的方向与第2光学各向异性层36b中的液晶取向图案的排列轴D的方向一致。同样地，第3光学各向异性层36c中的液晶取向图案的排列轴D的方向与第4光学各向异性层36d中的液晶取向图案的排列轴D的方向一致。此外，第1光学各向异性层36a中的液晶取向图案的排列轴D的方向与第3光学各向异性层36c中的液晶取向图案的排列轴D的方向一致。在图7所示的例子中，任一光学各向异性层的排列轴D的方向均为图中左方向。
以右旋圆偏振光IR及左旋圆偏振光IL从第1光学各向异性层36a侧入射到这种结构的透射型液晶衍射元件10的情况为例进行说明。
如图7所示，作为一例，右旋圆偏振光IR及左旋圆偏振光IL垂直入射到第1光学各向异性层36a的主表面上。
如上所述，光学各向异性层使右旋圆偏振光IR及左旋圆偏振光IL沿排列轴D向相反的方向衍射。在图7所示的例子中，第1光学各向异性层36a使入射的右旋圆偏振光IR相对于入射的右旋圆偏振光IR的行进方向沿排列轴D向图7中左方向衍射。并且，如上所述，被衍射的光被转换为左旋圆偏振光IL1。
另一方面，对于左旋圆偏振光IL，第1光学各向异性层36a欲使入射的左旋圆偏振光IL相对于入射的左旋圆偏振光IL的行进方向沿排列轴D向图7中右方向衍射。然而，如上所述，光学各向异性层具有扭曲结构，并且等相位面相对于光学各向异性层的主表面倾斜，因此向该方向的衍射作用不起作用，入射的左旋圆偏振光IL几乎未被衍射，以左旋圆偏振光IL(0次光)的状态向图7中的下方向透射第1光学各向异性层36a。
透射了第1光学各向异性层36a的左旋圆偏振光IL1及左旋圆偏振光IL入射到第2光学各向异性层36b。如上所述，第2光学各向异性层36b的液晶取向图案中的光学轴的旋转方向与第1光学各向异性层36a相反。因此，第2光学各向异性层36b使入射的圆偏振光向与第1光学各向异性层36a相反的方向衍射。即，使左旋圆偏振光沿排列轴D向左方向衍射。
如图7所示，左旋圆偏振光IL1以从右上方向向左下方向行进的方式入射到第2光学各向异性层36b。在此，对于左旋圆偏振光IL1，第2光学各向异性层36b欲使入射的左旋圆偏振光IL1相对于入射的左旋圆偏振光IL1的行进方向沿排列轴D向图7中左方向衍射。然而，由于向左下方向倾斜地入射到光学各向异性层，因此无法进一步向左方向弯曲，入射的左旋圆偏振光IL1几乎未被衍射，以左旋圆偏振光IL1(0次光)的状态向左下方向透射第2光学各向异性层36b。
另一方面，第2光学各向异性层36b使垂直于主表面入射的左旋圆偏振光IL相对于入射的左旋圆偏振光IL的行进方向，沿排列轴D向图7中左方向行进的方向衍射。并且，如上所述，被衍射的光被转换为右旋圆偏振光IR1。
由于第1光学各向异性层36a与第2光学各向异性层36b的液晶取向图案的1个周期相同，因此第1光学各向异性层36a中的左旋圆偏振光IL1的衍射角度与第2光学各向异性层36b中的右旋圆偏振光IR1的衍射角度大致相同。因此，透射了第1光学各向异性层36a及第2光学各向异性层36b的右旋圆偏振光IR1及左旋圆偏振光IL1沿相同方向(大致平行地)行进。
透射了第2光学各向异性层36b的右旋圆偏振光IR1及左旋圆偏振光IL1入射到第3光学各向异性层36c。此时，右旋圆偏振光IR1及左旋圆偏振光IL1被第1光学各向异性层36a及第2光学各向异性层36b衍射，因此右旋圆偏振光IR1及左旋圆偏振光IL1从相对于第3光学各向异性层36c的主表面的倾斜方向入射到第3光学各向异性层36c。
第3光学各向异性层36c使入射的左旋圆偏振光IL1相对于入射的左旋圆偏振光IL1的行进方向沿排列轴D向图7中右方向衍射。并且，如上所述，被衍射的光被转换为右旋圆偏振光IR2。
入射到第3光学各向异性层36c的左旋圆偏振光IL1被第1光学各向异性层36a向图7中左方向衍射，第3光学各向异性层36c使该左旋圆偏振光IL1向与第1光学各向异性层36a相反的方向(右方向)衍射。因此，透射第1光学各向异性层36a～第3光学各向异性层36c之后的右旋圆偏振光IR2相对于入射到透射型液晶衍射元件10时的右旋圆偏振光IR的衍射角度成为基于第1光学各向异性层36a的衍射角度与基于第3光学各向异性层36c的衍射角度之间的差分。
在此，第3光学各向异性层36c的液晶取向图案的1个周期与第1光学各向异性层36a的液晶取向图案的1个周期不同。因此，基于第1光学各向异性层36a的衍射角度与基于第3光学各向异性层36c的衍射角度不同。在图7所示的例子中，第3光学各向异性层36c的液晶取向图案的1个周期大于第1光学各向异性层36a的液晶取向图案的1个周期，因此基于第3光学各向异性层36c的衍射角度小于基于第1光学各向异性层36a的衍射角度。因此，透射第1光学各向异性层36a～第3光学各向异性层36c之后的右旋圆偏振光IR2在图7中成为以接近垂直于主表面的状态向左下方向行进的状态。
另一方面，对于右旋圆偏振光IR1，第3光学各向异性层36c欲使入射的右旋圆偏振光IR1相对于入射的右旋圆偏振光IR1的行进方向沿排列轴D向图7中的左方向衍射。然而，如上所述，光学各向异性层具有扭曲结构，并且等相位面相对于光学各向异性层的主表面倾斜，因此向该方向的衍射作用不起作用，入射的右旋圆偏振光IR1几乎未被衍射，以右旋圆偏振光IR1(0次光)的状态向图7中的左下方向透射第3光学各向异性层36c。
透射了第3光学各向异性层36c的右旋圆偏振光IR2及右旋圆偏振光IR1入射到第4光学各向异性层36d。如上所述，第4光学各向异性层36d的液晶取向图案中的光学轴的旋转方向与第3光学各向异性层36c相反。因此，第4光学各向异性层36d使入射的圆偏振光向与第3光学各向异性层36c相反的方向衍射。即，使右旋圆偏振光沿排列轴D向右方向衍射。
如图7所示，右旋圆偏振光IR2以接近垂直于第4光学各向异性层36d的主表面的角度从右上方向向左下方向行进的方式入射到第4光学各向异性层36d。在此，对于右旋圆偏振光IR2，第4光学各向异性层36d欲使入射的右旋圆偏振光IR2相对于入射的右旋圆偏振光IR2的行进方向沿排列轴D向图7中的右方向衍射。然而，等相位面相对于光学各向异性层的主表面倾斜，因此向该方向的衍射作用不起作用，入射的右旋圆偏振光IR2几乎未被衍射，以右旋圆偏振光IR2(0次光)的状态，并以接近垂直于图7中主表面的角度从右上方向向左下方向透射第4光学各向异性层36d。
另一方面，第4光学各向异性层36d使以从右上方向向左下方向大幅倾斜的状态入射的右旋圆偏振光IR1相对于入射的右旋圆偏振光IR1的行进方向，沿排列轴D向图7中右方向行进的方向衍射。并且，如上所述，被衍射的光被转换为左旋圆偏振光IL2。
入射到第4光学各向异性层36d的右旋圆偏振光IR1被第2光学各向异性层36b向图7中左方向衍射，第4光学各向异性层36d使该右旋圆偏振光IR1向与第2光学各向异性层36b相反的方向(右方向)衍射。因此，透射第1光学各向异性层36a～第4光学各向异性层36d之后的左旋圆偏振光IL2相对于入射到透射型液晶衍射元件10时的左旋圆偏振光IL的衍射角度成为基于第2光学各向异性层36b的衍射角度与基于第4光学各向异性层36d的衍射角度之间的差分。
第4光学各向异性层36d的液晶取向图案的1个周期与第2光学各向异性层36b的液晶取向图案的1个周期不同。因此，基于第2光学各向异性层36b的衍射角度与基于第4光学各向异性层36d的衍射角度不同。在图7所示的例子中，第4光学各向异性层36d的液晶取向图案的1个周期大于第2光学各向异性层36b的液晶取向图案的1个周期，因此基于第4光学各向异性层36d的衍射角度小于基于第2光学各向异性层36b的衍射角度。因此，透射第1光学各向异性层36a～第4光学各向异性层36d之后的左旋圆偏振光IL2在图7中成为以接近垂直于主表面的状态向左下方向行进的状态。
并且，第1光学各向异性层36a与第2光学各向异性层36b的液晶取向图案的1个周期相同，第3光学各向异性层36c与第4光学各向异性层36d的液晶取向图案的1个周期相同。因此，透射了第1光学各向异性层36a～第4光学各向异性层36d的右旋圆偏振光IR2及左旋圆偏振光IL2以大致相同的角度被衍射，并沿相同方向(大致平行地)行进。
如上所述，本发明的透射型液晶衍射元件能够使不同的偏振光(右旋圆偏振光和左旋圆偏振光)向相同方向衍射，因此能够以高效率衍射无偏振光。
在此，如图7所示，即使仅通过第1光学各向异性层36a与第2光学各向异性层36b的组合，也能够使入射的右旋圆偏振光IR及左旋圆偏振光IL向相同方向衍射。然而，在具有等相位面相对于主表面倾斜的结构的光学各向异性层中，为了使其发生如上所述的根据入射的光的角度及圆偏振光的回转方向等不产生衍射作用的情况，需要增大光学各向异性层中的衍射角度。因此，在仅组合第1光学各向异性层36a与第2光学各向异性层36b的情况下，仅能够获得以较大的衍射角度衍射的透射型液晶衍射元件，无法以较小的衍射角度使右旋圆偏振光和左旋圆偏振光向相同方向衍射。
与此相对，本发明的透射型液晶衍射元件具有第1光学各向异性层36a～第4光学各向异性层36d这4个光学各向异性层，第1光学各向异性层36a与第2光学各向异性层36b的组合(以下，也称为组合1)使入射的右旋圆偏振光和左旋圆偏振光以较大的衍射角度向相同方向衍射，第3光学各向异性层36c与第4光学各向异性层36d的组合(以下，也称为组合2)使被组合1衍射的右旋圆偏振光和左旋圆偏振光以较大的角度向与基于组合1的衍射方向相反的方向衍射，由此，作为透射型液晶衍射元件，能够以基于组合1的衍射角度与基于组合2的衍射角度之间的差分较小的衍射角度使右旋圆偏振光和左旋圆偏振光向相同方向衍射。
在此，若将第1光学各向异性层36a及第2光学各向异性层36b的液晶取向图案的1个周期设为Λ1、将第3光学各向异性层36c及第4光学各向异性层36d的液晶取向图案的1个周期设为Λ2，则由Λ1·Λ2/(Λ1-Λ2)的绝对值来确定作为透射型液晶衍射元件10的最终衍射角度。
并且，第1光学各向异性层36a～第4光学各向异性层36d的各单个光学各向异性层的衍射角度优选50°～130°，更优选60°～120°，进一步优选70°～110°。通过将光学各向异性层的衍射角度设在该范围内，如上所述，能够使其发生根据入射的光的角度及圆偏振光的回转方向等不产生衍射作用的情况。
在此，本发明的透射型液晶衍射元件并不限定于仅具有第1光学各向异性层36a～第4光学各向异性层36d的结构。如上所述，透射型液晶衍射元件的各光学各向异性层36可以是与支撑体30及取向膜32层叠的状态，也可以是与取向膜32层叠的状态。
并且，本发明的透射型液晶衍射元件可以具有其他层。例如，可以在光学各向异性层彼此之间具有C板。作为一例，图8所示的透射型液晶衍射元件10b在第2光学各向异性层36b与第3光学各向异性层36c之间具有C板38。
如上所述，光学各向异性层36将入射的圆偏振光转换为回转方向为相反的朝向的圆偏振光。然而，有时不转换为完全相反的朝向的圆偏振光，而成为楕圆偏振光。在透射型液晶衍射元件中，在由某个光学各向异性层转换的光成为楕圆偏振光的情况下，有可能无法准确地获得下一个光学各向异性层的作用而导致衍射效率下降。
因此，通过设为在光学各向异性层彼此之间具有C板38的结构，能够对从某个光学各向异性层射出的楕圆偏振光赋予相位差而使其成为圆偏振光，由此，可以准确地获得下一个光学各向异性层的作用，从而能够提高衍射效率。
另外，即使在光学各向异性层彼此之间设置C板的情况下，C板也不会影响衍射，因此，作为透射型液晶衍射元件，能够获得与图7所示的例子相同的衍射作用。
作为相位差层，只要能够对从第1光学各向异性层36a射出的楕圆偏振光赋予相位差即可，能够适当地利用C板及A板。
对于相位差层的厚度方向延迟，只要根据光的入射角、第1光学各向异性层36a的结构等适当地设定即可，以使能够将从第1光学各向异性层36a射出的楕圆偏振光转换为圆偏振光。作为其指标，能够使用Nz＝Rth/Re+0.5。在此，Rth为厚度方向的延迟，Re为面内方向的延迟。Nz优选0.1～1.1，更优选0.8～0.2，进一步优选0.7～0.3。
并且，在本发明中，在第1光学各向异性层36a与第2光学各向异性层36b的组合1及第3光学各向异性层36c与第4光学各向异性层36d的组合2中的至少一种组合中，优选一方的光学各向异性层的液晶化合物为棒状液晶化合物，另一方的光学各向异性层的液晶化合物为圆盘状液晶化合物。
图9是概念性地表示本发明的透射型液晶衍射元件的另一例的图。
图9所示的透射型液晶衍射元件10c依次具有第1光学各向异性层36e、第2光学各向异性层36b、第3光学各向异性层36f及第4光学各向异性层36d。另外，在图9中，为了简化附图而明确地示出透射型液晶衍射元件10c的结构，各光学各向异性层仅概念性地示出表面的液晶化合物40。然而，与图1等所示的例子同样地，各光学各向异性层具有在厚度方向上层叠有液晶化合物40的结构，并且具有在厚度方向上层叠的液晶化合物40的光学轴扭曲的结构。
在透射型液晶衍射元件10c中，在第1光学各向异性层36e与第2光学各向异性层36b的组合1中，第1光学各向异性层36e的液晶化合物为圆盘状液晶化合物40b，第2光学各向异性层36b的液晶化合物为棒状液晶化合物40。并且，在第3光学各向异性层36f与第4光学各向异性层36d的组合2中，第3光学各向异性层36f的液晶化合物为圆盘状液晶化合物40b，第4光学各向异性层36d的液晶化合物为棒状液晶化合物40。
第2光学各向异性层36b及第4光学各向异性层36d分别具有与图1所示的第2光学各向异性层36b及第4光学各向异性层36d相同的结构，因此省略其说明。
第1光学各向异性层36e除了使用圆盘状液晶化合物40b形成以外，具有与图1所示的第1光学各向异性层36a相同的结构。圆盘状液晶化合物40b的光学轴的方向沿与圆盘面垂直的方向。因此，在第1光学各向异性层36e中，圆盘状液晶化合物40b以圆盘面与第1光学各向异性层36e的界面垂直的方式取向。
第1光学各向异性层36e具有源自液晶化合物的光学轴的朝向沿面内的至少一个方向连续旋转的同时发生变化的液晶取向图案，并且光学轴的旋转方向与第2光学各向异性层36b的液晶取向图案中的光学轴的旋转方向相反。并且，第1光学各向异性层36e在厚度方向上源自液晶化合物的光学轴扭曲，其扭曲方向与第2光学各向异性层36b的厚度方向上的光学轴的扭曲方向相反。并且，第1光学各向异性层36e的液晶取向图案中的1个周期与第2光学各向异性层36b的液晶取向图案中的1个周期相同。
第3光学各向异性层36f除了使用圆盘状液晶化合物40b形成以外，具有与图1所示的第3光学各向异性层36c相同的结构。圆盘状液晶化合物40b的光学轴的方向沿与圆盘面垂直的方向。因此，在第3光学各向异性层36f中，圆盘状液晶化合物40b以圆盘面与第3光学各向异性层36f的界面垂直的方式取向。
第3光学各向异性层36f具有源自液晶化合物的光学轴的朝向沿面内的至少一个方向连续旋转的同时发生变化的液晶取向图案，并且光学轴的旋转方向与第4光学各向异性层36d的液晶取向图案中的光学轴的旋转方向相反。并且，第3光学各向异性层36f在厚度方向上源自液晶化合物的光学轴扭曲，其扭曲方向与第4光学各向异性层36d的厚度方向上的光学轴的扭曲方向相反。并且，第3光学各向异性层36f的液晶取向图案中的1个周期与第4光学各向异性层36d的液晶取向图案中的1个周期相同，与第1光学各向异性层36e的液晶取向图案中的1个周期不同。
如此，第1光学各向异性层36a与第2光学各向异性层36b的组合1及第3光学各向异性层36c与第4光学各向异性层36d的组合2中的至少一种组合中，通过设为一方的光学各向异性层的液晶化合物为棒状液晶化合物而另一方的光学各向异性层的液晶化合物为圆盘状液晶化合物的结构，能够使各组合中的厚度方向延迟Rth接近零。由此，光从倾斜方向入射到透射型液晶衍射元件时的面内延迟Re的变化变小。因此，能够提高衍射效率等衍射性能的入射角依赖性。由此，能够进一步提高透射型液晶衍射元件的衍射效率。
并且，在图3所示的光学各向异性层的液晶取向图案中，排列轴D沿一个方向存在，液晶化合物40的光学轴40A沿排列轴D方向在一个方向上连续旋转。
然而，本发明并不限制于此，只要在光学各向异性层中液晶化合物40的光学轴40A沿一个方向连续旋转，则能够利用各种结构。
例如，如在图10的俯视图中概念性地示出，光学各向异性层36可以为以放射状具有液晶取向图案的结构。在图10所示的光学各向异性层36中，液晶化合物40的光学轴的朝向沿从光学各向异性层36的中心朝向外侧的多个方向、例如，由箭头A1表示的方向、由箭头A2表示的方向、由箭头A3表示的方向……连续旋转的同时发生变化。即，箭头A1、A2及A3为排列轴。
并且，如图10所示，液晶化合物40的光学轴从光学各向异性层36的中心朝向外侧沿相同方向旋转的同时发生变化。图10中所示的方式为逆时针方向的取向。沿图10中的箭头A1、A2及A3的各箭头旋转变化的光学轴的旋转方向，随着从中心朝向外侧成为逆时针方向。
如此，在液晶取向图案为放射状的图案中，连接光学轴朝向相同方向的液晶化合物的线为圆形，并且圆形的线段为同心圆状的图案。
如此，具有放射状的液晶取向图案的光学各向异性层36，在使入射的光沿各排列轴(A1～A3等)以方位方向朝向中心侧的方式衍射的情况下，能够聚集透射光。或者，在使入射的光沿各排列轴(A1～A3)以方位方向朝向外侧的方式衍射的情况下，能够使透射光扩散。使透射光沿中心侧衍射，还是朝向外侧衍射取决于入射的光的偏振状态及液晶取向图案中的光学轴的旋转方向。
在此，在液晶取向图案具有放射状的图案的单个光学各向异性层中，一种圆偏振光聚集，另一种圆偏振光发散。因此，例如，作为聚集无偏振光的聚光透镜，其效率约为50％。
与此相对，在本发明中，通过将第1光学各向异性层～第4光学各向异性层的液晶取向图案设为这种放射状的图案，能够使右旋圆偏振光和左旋圆偏振光向相同方向聚集或发散，因此即使是无偏振光的光，也能够制成以高效率聚光或发散的透镜。
在本发明的透射型液晶衍射元件中，当将第1光学各向异性层～第4光学各向异性层的液晶取向图案设为上述的放射状图案时，在第1光学各向异性层与第2光学各向异性层的组合1及第3光学各向异性层与第4光学各向异性层的组合2中的至少一种组合中，优选液晶取向图案的1个周期沿一个方向逐渐变化。
具体而言，例如，当组合1的液晶取向图案的1个周期小于组合2的液晶取向图案的1个周期时，即，基于组合1的衍射角度大于基于组合2的衍射角度时，优选组合1的液晶取向图案的1个周期从放射状图案的中心朝向外侧逐渐变小。或者，也优选组合2的液晶取向图案的1个周期从放射状图案的中心朝向外侧逐渐变大。或者，也可以组合1的液晶取向图案的1个周期从放射状图案的中心朝向外侧逐渐变小且组合2的液晶取向图案的1个周期从放射状图案的中心朝向外侧逐渐变大。通过这种结构，从放射状图案的中心朝向外侧，基于组合1的衍射角度进一步变大和/或基于组合2的衍射角度进一步变小，因此基于组合1的衍射角度与基于组合2的衍射角度之间的差分的绝对值从放射状图案的中心朝向外侧变大。因此，入射到透射型液晶衍射元件的外侧附近的光比入射到中心附近的光衍射得更大，因此能够使其更优选地作为聚光透镜或者发散透镜发挥作用。
当组合1的液晶取向图案的1个周期大于组合2的液晶取向图案的1个周期时，优选组合1的液晶取向图案的1个周期从放射状图案的中心朝向外侧逐渐变大和/或组合2的液晶取向图案的1个周期从放射状图案的中心朝向外侧逐渐变小。
在这种结构中的组合1(第1光学各向异性层)的液晶取向图案的1个周期Λ1与组合2(第3光学各向异性层)的液晶取向图案的1个周期Λ2的关系能够由其倒数的差分来表示，并且组合1(第1光学各向异性层)的液晶取向图案的1个周期的倒数(1/Λ1)与组合2(第3光学各向异性层)的液晶取向图案的1个周期的倒数(1/Λ2)之间的差分成为组合1和组合2的合成元件的周期Λ的倒数，因此通过将该Λ设定为所期望的分布(例如从放射状的液晶取向图案的中央部朝向外侧部逐渐变小)，能够将合成元件用作透镜等聚光或发散元件。
在图14示出表示Λ与距光学各向异性层的中心的位置(x)之间的关系的图表。
作为一例，在图12示出用于说明第1光学各向异性层36a及第2光学各向异性层36b(组合1)的液晶取向图案的概念图。在图13示出用于说明第3光学各向异性层36c及第4光学各向异性层36d(组合2)的液晶取向图案的概念图。在图12及图13中，用虚线示出光学各向异性层的液晶取向图案的1个周期的间隔。
如图12所示，第1光学各向异性层36a及第2光学各向异性层36b(组合1)的液晶取向图案的1个周期为恒定。并且，如图13所示，第3光学各向异性层36c及第4光学各向异性层36d(组合2)的液晶取向图案的1个周期从放射状图案的中心朝向外侧逐渐变小。并且，图12及图13所示的例子为组合2的液晶取向图案的1个周期比组合1的液晶取向图案的1个周期小的例子。
利用图15对具备(具有这种液晶取向图案的)第1光学各向异性层36a～第4光学各向异性层36d的透射型液晶衍射元件的作用的一例进行说明。
平行光从图15所示的透射型液晶衍射元件10的第1光学各向异性层36a侧入射。入射的平行光被组合1以规定的角度朝向外侧衍射。此时，组合1的液晶取向图案的1个周期为恒定，因此在光学各向异性层的面内的任何位置处衍射角度均为恒定。
被组合1衍射的光入射到组合2，并被组合2以规定的角度朝向中心侧衍射。此时，组合2的液晶取向图案的1个周期从中心朝向外侧逐渐变小，因此衍射角度从光学各向异性层的面内的中心侧朝向外侧进一步变大。由此，如图15所示，被衍射的光得以聚光。
另外，在图15所示的例子中，设为组合1使光朝向外侧衍射且组合2使光朝向中心侧衍射的结构，但并不限定于此，如图16所示，也可以设为组合1使光朝向中心侧衍射且组合2使光朝向外侧衍射的结构。在通过组合1使光朝向中心侧衍射且组合2使光朝向外侧衍射的结构来聚集光时，只要使基于组合1的衍射角度大于基于组合2的衍射角度即可。
在此，图2所示的光学各向异性层36示出了液晶化合物的光学轴与光学各向异性层的主表面平行的结构，但并不限定于此。在光学各向异性层中，液晶化合物的光学轴可以向光学各向异性层的主表面倾斜。
并且，也可以为如下结构：光学各向异性层中的至少1个具有将使棒状液晶化合物以液晶取向图案取向的棒状液晶层和使圆盘状液晶化合物以液晶取向图案取向的圆盘状液晶层交替地层叠的结构。更优选所有光学各向异性层具有将棒状液晶层和圆盘状液晶层交替地层叠而成的结构。
通过将光学各向异性层设为将棒状液晶层和圆盘状液晶层交替地层叠而成的结构，能够使光学各向异性层的厚度方向延迟Rth接近零。由此，光从倾斜方向入射到光学各向异性层时的面内延迟Re的变化变小。因此，能够提高衍射效率等衍射性能的入射角依赖性。
并且，衍射光在产生衍射的层的厚度方向的各位置产生，因此优选在产生衍射的层的厚度方向的任何位置Rth均接近零，优选在产生衍射的层的厚度方向的各位置Rth被抵消。由此，优选交替地层叠的棒状液晶层及圆盘状液晶层的相邻层的Rth为正负的关系，并且各层的Rth的绝对值为10～200nm左右。
通过具有这种光学各向异性层，能够进一步提高透射型液晶衍射元件的衍射效率。
关于各棒状液晶层及圆盘状液晶层的厚度，优选棒状液晶层与圆盘状液晶层的合计厚度相对于入射的光的波长不要过大，各棒状液晶层及圆盘状液晶层的厚度分别优选0.1μm～5μm，更优选0.1μm～2μm，进一步优选0.1μm～0.5μm。
并且，在图2所示的例子中，将光学各向异性层36设为在厚度方向上的源自液晶化合物的光学轴的扭曲结构中每单位长度的扭曲角为恒定的结构，但并不限定于此，光学各向异性层36也可以在厚度方向上的源自液晶化合物的光学轴的扭曲结构中每单位长度的扭曲角逐渐变化。
以上，对本发明的透射型液晶衍射元件详细地进行了说明，但是本发明并不限定于上述例，在不脱离本发明的主旨的范围内，当然可以进行各种改进或变更。
实施例
以下举出实施例，对本发明的特征进一步具体地进行说明。以下实施例所示的材料、试剂、使用量、物质量、比例、处理内容及处理步骤等，只要不脱离本发明的主旨，则能够适当地变更。因此，本发明的范围不应被以下所示的具体例做限定性地解释。
[比较例1]
＜透射型液晶衍射元件的制作＞
(取向膜的形成)
作为支撑体准备了玻璃基板。通过旋涂将下述取向膜形成用涂布液涂布于支撑体上。将形成有该取向膜形成用涂布液的涂膜的支撑体在60℃的热板上干燥60秒钟，从而形成了取向膜P-2。
取向膜形成用涂布液
光取向用材料
[化学式1]
(取向膜的曝光)
通过对所获得的取向膜P-2照射(50mJ/cm2，使用超高压汞灯)偏振光紫外线，进行了取向膜P-2的曝光。
使用图4所示的曝光装置对取向膜进行曝光，以形成了具有取向图案的取向膜P-2。在曝光装置中，使用了射出波长(325nm)的激光束的装置作为激光器。将基于干涉光的曝光量设为300mJ/cm2。另外，调节了2个光的交叉角(交叉角α)，以使由2个激光束的干涉形成的取向图案的1个周期Λ(光学轴旋转180°的长度)成为10μm。
(光学各向异性层的形成)
作为形成光学各向异性层的液晶组合物，制备了下述组合物B-1。
组合物B-1
棒状液晶化合物L-1(以右侧所示的质量比含有下述结构)
[化学式2]
流平剂T-1
[化学式3]
光学各向异性层通过将组合物B-1多层涂布于取向膜P-2上而形成。重复进行了如下：首先在取向膜上涂布第1层的组合物B-1，并进行加热、冷却之后进行紫外线固化而制作液晶固定化层之后，第2层以后在该液晶固定化层上重叠涂布而进行涂布，并同样地进行加热、冷却之后进行紫外线固化。
首先，对于第1层，在取向膜P-2上涂布下述组合物B-1，并将涂膜在热板上加热至80℃，然后，在80℃下，在氮气氛下使用高压汞灯以300mJ/cm2的照射量对涂膜照射波长为365nm的紫外线，由此将液晶化合物的取向固定化。
对于第2层以后，在该液晶固定化层上重叠涂布，并在与上述相同的条件下进行加热、冷却之后进行紫外线固化而制作了液晶固定化层。如此，反复进行重叠涂布直至总厚度达到所期望的膜厚为止，以形成了光学各向异性层。
另外，对于组合物B-1的固化层的折射率差Δn，测量并求出了如下获得的液晶固定化层的延迟Re(λ)及膜厚：将组合物B-1涂布于单独准备的延迟测量用带取向膜的支撑体上，并以液晶化合物的指向失与基材呈水平的方式使其取向之后进行紫外线照射而使其固定化。能够通过将延迟Re(λ)除以膜厚来计算Δnλ。延迟Re(λ)使用Axometrix公司的Axoscan在目标波长下进行测量，膜厚使用SEM来进行了测量。在Re(λ)的标记中，λ为入射光的波长。以下，将入射光的波长λ设为600nm。
对于光学各向异性层，通过偏振光显微镜确认了液晶的Δn600×厚度＝Re(600)最终成为300nm，并且成为周期性取向。并且，光学各向异性层的厚度方向的扭曲角为0°。并且，在基于SEM的截面像中，观察到相对于光学各向异性层的下界面(与玻璃基板的界面)垂直的明暗线。该明暗线通过在厚度方向上层叠有向相同朝向取向的液晶化合物而成的结构来观察。
将该光学各向异性层1个层作为比较例1的透射型液晶衍射元件。
[比较例2]
以与比较例1相同的方式制作光学各向异性层，使其旋转180度，以使沿面内一个方向连续旋转的同时发生变化的源自液晶化合物的光学轴的旋转方向成为与光学各向异性层相反，并将其作为比较例2的光学各向异性层。
在下述表1中示出比较例1及比较例2的结构。另外，在表1中，线数为每1mm的周期数，是将1000(μm)除以1个周期(μm)而得的数。并且，倾斜角是指通过SEM截面观察到的明暗线与主表面的垂线所成的角度。
[表1]
[实施例1]
(第1光学各向异性层的形成)
在比较例1的取向膜的形成中，使取向图案的1个周期Λ成为1μm，除此以外，以与比较例1相同的方式形成了取向膜。
在比较例1的光学各向异性层的形成中，代替组合物B-1使用了下述组合物B-2，除此以外，以与比较例1相同的方式形成了第1光学各向异性层。
作为形成第1光学各向异性层的液晶组合物，使用了下述组合物B-2。
组合物B-2
手性试剂Ch-A
[化学式4]
(第2光学各向异性层的形成)
取向膜与第1光学各向异性层的情况同样地，使其旋转180度，以使沿面内一个方向连续旋转的同时发生变化的源自液晶化合物的光学轴的旋转方向成为与第1光学各向异性层相反。
在比较例1的光学各向异性层的形成中，代替组合物B-1使用了下述组合物B-3，除此以外，以与比较例1相同的方式形成了第2光学各向异性层。
作为形成第2光学各向异性层的液晶组合物，使用了下述组合物B-3。
组合物B-3
手性试剂Ch-B
[化学式5]
(第3光学各向异性层的形成)
在第1光学各向异性层的形成中，使取向膜的取向图案的1个周期Λ成为1.111μm，除此以外，以与第1光学各向异性层相同的方式形成了第3光学各向异性层。
(第4光学各向异性层的形成)
在第2光学各向异性层的形成中，使取向膜的取向图案的1个周期Λ成为1.111μm，除此以外，以与第2光学各向异性层相同的方式形成了第4光学各向异性层。
对于第1光学各向异性层，通过偏振光显微镜确认了液晶的Δn600×厚度＝Re(600)最终成为300nm，并且成为周期性取向。并且，第1光学各向异性层的厚度方向的扭曲角为80°(右扭曲)。并且，在基于SEM的截面像中，观察到相对于第1光学各向异性层的下界面(与玻璃基板的界面)倾斜的明暗线。
对于第2光学各向异性层，通过偏振光显微镜确认了液晶的Δn600×厚度＝Re(600)最终成为300nm，并且成为周期性取向。并且，第2光学各向异性层的厚度方向的扭曲角为-80°(左扭曲)。并且，在基于SEM的截面像中，观察到相对于第2光学各向异性层的下界面倾斜的明暗线。此时的倾斜角度与第1光学各向异性层的角度相同且倾斜方向相同。
对于第3光学各向异性层，通过偏振光显微镜确认了液晶的Δn600×厚度＝Re(600)最终成为300nm，并且成为周期性取向。并且，第3光学各向异性层的厚度方向的扭曲角为80°(右扭曲)。并且，在基于SEM的截面像中，观察到相对于第3光学各向异性层的下界面(与玻璃基板的界面)倾斜的明暗线。此时的倾斜角度与第1光学各向异性层的角度不同而倾斜方向相同。
对于第4光学各向异性层，通过偏振光显微镜确认了液晶的Δn600×厚度＝Re(600)最终成为300nm，并且成为周期性取向。并且，第4光学各向异性层的厚度方向的扭曲角为-80°(左扭曲)。并且，基于SEM的截面像中，观察到相对于第4光学各向异性层的下界面倾斜的明暗线。此时的倾斜角度与第3光学各向异性层的角度相同且倾斜方向相同。
依次层叠第1光学各向异性层～第4光学各向异性层以制作了实施例1的透射型液晶衍射元件。衍射元件的大小为20mm见方。
在下述表2示出实施例1的透射型液晶衍射元件的结构。
[表2]
[实施例2]
在实施例1中，将第3光学各向异性层及第4光学各向异性层的1个周期设为0.909μm，除此以外，以与实施例1相同的方式制作了透射型液晶衍射元件。
在下述表3示出实施例2的透射型液晶衍射元件的结构。
[表3]
[评价]
从透射型液晶衍射元件的主表面(在实施例中为第1光学各向异性层侧的主表面)的法线方向，向所制作的透射型液晶衍射元件入射波长600nm的无偏振光的直进光(直径为1mm)，并用功率计测量了1次衍射光的衍射强度(衍射效率)。强度(衍射效率)的标准如下。
·A：强度(衍射效率)为90％以上
·B：强度(衍射效率)为80％以上
·C：强度(衍射效率)为70％以上
·D：强度(衍射效率)为60％以上
·E：强度(衍射效率)为50％以上
·F：强度(衍射效率)小于50％
将结果示于下述表4中。
[表4]
| 衍射效率 | |
| 比较例1 | F |
| 比较例2 | F |
| 实施例1 | A |
| 实施例2 | A |
从表1可知，在本发明的实施例中，尽管为无偏振光，也可以获得较大的衍射效率。即，可知，能够使不同圆偏振光向相同方向衍射。
〔比较例11～12〕
作为取向膜的曝光装置使用如图11所示的曝光装置，并通过WO2019/189818中所记载的曝光方法形成了放射状的取向图案，除此以外，分别以与比较例1、2相同的方式制作了透射型液晶衍射元件。大小设为直径40mm。该透射型液晶衍射元件作为聚光透镜发挥作用。
在下述表5示出比较例1及比较例2的结构。
[表5]
[实施例11]
作为取向膜的曝光装置使用如图11所示的曝光装置，并通过WO2019/189818中所记载的曝光方法形成了放射状的取向图案，除此以外，以与实施例1相同的方式形成第1光学各向异性层～第4光学各向异性层，以制作了透射型液晶衍射元件。大小设为直径40mm。该透射型液晶衍射元件作为聚光透镜发挥作用。
在下述表6示出实施例11的透射型液晶衍射元件的结构。
[表6]
[实施例12]
作为取向膜的曝光装置使用如图11所示的曝光装置，并通过WO2019/189818中所记载的曝光方法，并且以光学各向异性层各自的面内旋转方向与实施例11的各自相反的方式形成了放射状的取向图案，除此以外，以与实施例2相同的方式形成第1光学各向异性层～第4光学各向异性层，以制作了透射型液晶衍射元件。大小设为直径40mm。该透射型液晶衍射元件作为聚光透镜发挥作用。
在下述表7示出实施例12的透射型液晶衍射元件的结构。
[表7]
[评价]
从透射型液晶衍射元件的主表面(在实施例中为第1光学各向异性层侧的主表面)的法线方向，向所制作的透射型液晶衍射元件入射波长600nm的无偏振光的直进光(直径为40mm)，并用功率计测量了利用透镜的聚光(1次衍射光)的衍射强度(衍射效率)。强度(衍射效率)的标准如下。
·A：强度(衍射效率)为90％以上
·B：强度(衍射效率)为80％以上
·C：强度(衍射效率)为70％以上
·D：强度(衍射效率)为60％以上
·E：强度(衍射效率)为50％以上
·F：强度(衍射效率)小于50％
将结果示于下述表8中。
[表8]
| 衍射效率 | |
| 比较例11 | F |
| 比较例12 | F |
| 实施例11 | A |
| 实施例12 | A |
从表8可知，在比较例中由于具有偏振光依赖性，因此对于无偏振光仅能获得一半以下的衍射效率，与此相对，本发明的实施例中尽管为无偏振光也可获得较大的衍射效率。并且，当目视观察透镜时，在比较例中可观察到由-1次光的发散光引起的不需要的图像，与此相对，在实施例中几乎观察不到，从而能够实现对应于无偏振光的良好的透镜。
从以上结果可知，本发明的效果明显。
符号说明
10、10b-透射型液晶衍射元件，30-支撑体，32-取向膜，36-光学各向异性层，36a、36e-第1光学各向异性层，36b-第2光学各向异性层，36c、36f-第3光学各向异性层，36d-第4光学各向异性层，38-C板，40-液晶化合物(棒状液晶化合物)，40b-圆盘状液晶化合物，40A-光学轴，60、80-曝光装置，62、82-激光器，64、84-光源，65-λ/2板，68-光束分离器，70A、70B、90A、90B-反射镜，72A、72B、96-λ/4板，86、94-偏振光束分离器，92-透镜，IR、IR1、IR2-右旋圆偏振光，IL、IL1、IL2-左旋圆偏振光，D、A1、A2、A3-排列轴，R-区域，Λ-1个周期，MA、MB-光线，PO-直线偏振光，PR-右旋圆偏振光，PL-左旋圆偏振光，M-激光束，MP-P偏振光，MS-S偏振光，α-角度，L1、L2、L4、L5-光。
Claims (7)
1.一种透射型液晶衍射元件，其具有：
第1光学各向异性层～第4光学各向异性层，所述第1光学各向异性层～第4光学各向异性层具有源自液晶化合物的光学轴的朝向沿面内的至少一个方向连续旋转的同时发生变化的液晶取向图案，
在所述第1光学各向异性层～所述第4光学各向异性层中，所述源自液晶化合物的光学轴沿厚度方向扭曲，
所述第1光学各向异性层的所述液晶取向图案中的光学轴的旋转方向与第2光学各向异性层的所述液晶取向图案中的光学轴的旋转方向相反，
第3光学各向异性层的所述液晶取向图案中的光学轴的旋转方向与所述第4光学各向异性层的所述液晶取向图案中的光学轴的旋转方向相反，
所述第1光学各向异性层的厚度方向上的所述源自液晶化合物的光学轴的扭曲方向与所述第2光学各向异性层的厚度方向上的所述源自液晶化合物的光学轴的扭曲方向相反，
所述第3光学各向异性层的厚度方向上的所述源自液晶化合物的光学轴的扭曲方向与所述第4光学各向异性层的厚度方向上的所述源自液晶化合物的光学轴的扭曲方向相反，
将所述液晶取向图案中的所述源自液晶化合物的光学轴的朝向在面内旋转180°的长度设为1个周期时，所述第1光学各向异性层的所述液晶取向图案中的1个周期与所述第2光学各向异性层的所述液晶取向图案中的1个周期相同，
所述第3光学各向异性层的所述液晶取向图案中的1个周期与所述第4光学各向异性层的所述液晶取向图案中的1个周期相同，
所述第1光学各向异性层的所述液晶取向图案中的1个周期与所述第3光学各向异性层的所述液晶取向图案中的1个周期不同。
2.根据权利要求1所述的透射型液晶衍射元件，其中，
所述第1光学各向异性层～所述第4光学各向异性层的厚度方向上的所述源自液晶化合物的光学轴的扭曲角小于360°。
3.根据权利要求1或2所述的透射型液晶衍射元件，其中，
所述第1光学各向异性层～所述第4光学各向异性层以放射状具有所述液晶取向图案。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的透射型液晶衍射元件，其中，
在所述第1光学各向异性层与所述第2光学各向异性层的组合及所述第3光学各向异性层与所述第4光学各向异性层的组合中的至少一种组合中，所述液晶取向图案的1个周期沿一个方向逐渐变化。
5.根据权利要求3或4所述的透射型液晶衍射元件，其中，
从放射状的所述液晶取向图案的中央部朝向外侧部，所述第1光学各向异性层的所述液晶取向图案的1个周期的倒数与所述第3光学各向异性层的所述液晶取向图案的1个周期的倒数之间的差分逐渐变大。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的透射型液晶衍射元件，其中，
在所述第1光学各向异性层～所述第4光学各向异性层中的任一层间还具有C板。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的透射型液晶衍射元件，其中，
在所述第1光学各向异性层与所述第2光学各向异性层的组合及所述第3光学各向异性层与所述第4光学各向异性层的组合中的至少一种组合中，一方的光学各向异性层的所述液晶化合物为棒状液晶化合物，另一方的光学各向异性层的所述液晶化合物为圆盘状液晶化合物。
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