JP2003121650A - ホログラム回折格子素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 コントラスト比の高い偏光分離素子として用
いることが可能なホログラム回折格子素子およびその製
造方法を提供することを目的とする。 【解決手段】 光学的異方性を有するパターン３が所定
周期で配列され、このパターン３が単一相で構成され、
かつその内部において液晶コア部７（液晶相を示す分子
構造部分）が同一方向に配向していることを特徴とする
ホログラム回折格子素子１である。パターン３間には、
光学的等方性を有する材料からなる等方性材料層５が配
置されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ホログラム回折格
子素子およびその製造方法に関し、特には偏光分離素子
として好適に用いることができるホログラム回折格子素
子とその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】現在、液晶パネル（液晶ライトバルブ）
を光スイッチング素子として利用した投射型ディスプレ
イ、いわゆる液晶プロジェクタの商品化が進んでいる。
このうち特に、解像度や光利用効率に優れた反射型液晶
パネル（すなわち反射型液晶ライトバルブ）を用いた反
射型プロジェクタの開発が活発化している。この反射型
液晶プロジェクタにおいては、反射型液晶ライトバルブ
が偏光変換素子として作用するため、その光学系には偏
光ビームスプリッター（以下ＰＢＳ）などの偏光分離素
子が必須となる。

【０００３】ところが、通常、偏光分離素子として用い
られているＰＢＳは、全可視域にわたる消光比が必ずし
も十分ではなく、しかもガラスの立方体であるためバル
キーで重いという難点がある。そこで、光重合相分離を
用いたホログラフィック高分子分散型液晶素子（Hologr
aphic Polymer Dispersed Liquid Crystals、以下Ｈ−
ＰＤＬＣ）を応用したホログラム回折格子を偏光分離素
子として用いることが提案されている。

【０００４】このＨ−ＰＤＬＣは、図８（１）に示すよ
うに、非重合性液晶１０１（以下、液晶）と等方相しか
示さない光重合性モノマー１０２との混合相からなるホ
ログラム記録材料層１０３に、ホログラム回折格子を露
光記録（パターン露光）することによって形成される。
そして、パターン露光の際に生じる光重合相分離によ
り、図８（２）に示すように、液晶（１０１）を殆ど含
まない高分子過多層１０５と、液晶が析出したドロプレ
ット１０６が高分子中に分散された状態の液晶過多層１
０７とからなる多層構造が構成され、液晶過多層１０７
と高分子過多層１０５との屈折率差により、ある角度よ
り入射した特定波長の光を回折させる回折格子として構
成されるのである。

【０００５】この方法により作製したＨ−ＰＤＬＣ素子
は、薄い透明基板間にホログラム記録材料を挟み込んだ
簡単な構造であるため、ＰＢＳに比較して非常に薄くて
軽い。また、露光記録する回折格子により回折させる波
長、角度などが任意に制御できる特徴も兼ね備えてい
る。さらに、ホログラム記録材料と透明基板の屈折率を
一致させることにより、回折光、非回折光ともにほとん
どロスのない明るい光学素子となる。

【０００６】このようなＨ−ＰＤＬＣ素子においては、
ある種の光重合性モノマーと液晶との組み合わせを用い
ることにより、液晶過多層１０７内で液晶が回折格子の
層構造に対してある角度を持って（例えば液晶分子長軸
が垂直もしくは平行など）配列するという現象が起こ
る。

【０００７】そして、液晶分子長軸が回折格子層に対し
て垂直に配列している場合には、回折格子層に対して垂
直な面内で傾いた方向からの入射光のうち、その傾斜面
と平行な偏光（Ｐ偏光）は、液晶の異常光屈折率と高分
子過多層の屈折率の差により回折が起こる。また、この
場合、上記傾斜面に対して垂直な偏光（Ｓ偏光）は、液
晶の常光屈折率と高分子過多層の屈折率の差により回折
が起こる。一方、液晶分子長軸が回折格子層に対して平
行に配列している場合は、この逆の回折現象が生じる。

【０００８】したがって、液晶の異常光屈折率または常
光屈折率のいずれか一方と、高分子過多層の屈折率とを
一致させれば、一方の偏光に対して回折は起こらず、Ｐ
偏光とＳ偏光によりコントラスト比の高い偏光分離を実
現できる。この場合、実効的な液晶の常光屈折率と異常
光屈折率との差、つまり光学的異方性の大きい方が回折
格子の屈折率変調が大きくなり、ひいては偏光分離度が
高くなるため、このホログラム回折格子における光学的
異方性の大きさ（複屈折）がＨ−ＰＤＬＣ素子の偏光分
離度を決定する重要な要素となる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、Ｈ−Ｐ
ＤＬＣ素子においては、光重合性モノマーと液晶とを適
宜選択して組み合わせることにより、液晶過多層内の液
晶を回折格子に対して配列させることができるとはい
え、その複屈折は液晶材料固有の値に対して数パーセン
トから数十パーセントと非常に小さく、実現できるＰ偏
光とＳ偏光の回折効率の比つまり偏光分離度は不十分で
あった。

【００１０】これは、光重合性モノマーが重合する際、
液晶過多層において高分子中の微小な球形空孔にドロッ
プレット状に液晶が閉じ込められ、その閉じこめられた
壁面に対して液晶が揃うため一様な液晶配向とならず、
実効的な複屈折が、液晶の材料に固有の値に対して小さ
くなってしまうためである。（参考”Liquid CrystalDi
spersions”, Paul S. Drzaic, World Scientific Publ
ishing Co.）

【００１１】また、このような液晶の配向を示す光重合
性モノマーと液晶との組み合わせは非常に限られてお
り、光重合性モノマーの屈折率と液晶モノマーの屈折率
と一致させる場合に、光重合性モノマーの選択肢がほと
んどない点も問題であった。

【００１２】そこで本発明は、コントラスト比の高い偏
光分離素子として用いることが可能なホログラム回折格
子素子およびその製造方法を提供することを目的とす
る。

【００１３】

【課題を解決するための手段】このような課題を解決す
るための本発明のホログラム回折格子素子は、光学的異
方性を有するパターンを所定周期で配列してなるホログ
ラム回折格子素子において、前記パターンが、単一相で
構成され、かつその内部において液晶相を示す分子構造
部分が同一方向に配向していることを特徴としている。

【００１４】このような構成のホログラム回折格子素子
では、所定周期で配列形成されたパターンが同一相で構
成されているため、このパターン内で同一方向に配向し
ている分子構造部分は、パターンの側壁に沿って配向す
ることになる。このため、パターン内においてドロップ
レット状に分散された相分離部分内で液晶分子が配向し
ている場合と比較し、パターン全体においての液晶相を
示す分子構造部分の配向状態が良好になり、パターンに
おける光学的異方性（複屈折）がより大きくなる。

【００１５】また、本発明のホログラム回折格子素子の
第１の製造方法は、先ず、光重合性液晶モノマーを含有
する組成物層を形成し、次いで組成物層に対してパター
ン露光を行うことにより当該光重合性液晶モノマーを重
合させてなる前記パターンを形成する。この際、光重合
性液晶モノマーを配向させた状態でパターン露光を行
う。このパターン露光は、干渉波形を用いて行っても良
い。

【００１６】さらに本発明のホログラム回折格子素子の
第２の製造方法は、先ず、液晶モノマーを含有する組成
物層を形成し、次いで液晶モノマーを配向させた状態で
当該液晶モノマーを重合させることによって組成物層を
硬化させる。そして、硬化させた組成物層を、パターニ
ングすることによって前記パターンを形成する。

【００１７】このような第１および第２の製造方法で
は、液晶モノマー（光重合成モノマー）を配向させた状
態で重合させているため、これらの液晶モノマーは、露
光部内、つまりパターン内において相分離することな
く、配向状態を保ったまま重合されるため、重合によっ
て形成されたパターン内においては液晶相を示す分子構
造部分が良好な配向状態に保たれる。このため、光学的
異方性（複屈折）が大きいパターンで構成されたホログ
ラム回折格子素子が得られる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明のホログラム回折格
子素子およびその製造方法の実施の形態を説明する。

【００１９】＜ホログラム回折格子素子＞図１は、本発
明のホログラム回折格子素子を概念的に示す断面概略構
成図である。

【００２０】この図に示すホログラム回折格子素子１
は、偏光分離素子として用いることを目的するものであ
り、光学的異方性を有するパターン３を所定周期で配列
形成してなる。このパターン３間には、光学的等方性を
有する材料が充填された等方性材料層５が配置されてい
る。

【００２１】パターン３は、単一相として構成されてお
り、この内部において液晶相を示す分子構造部分（以下
液晶コア部と記す）７が同一方向に配向しており、配向
した状態で固定されていることとする。ここで液晶コア
部７とは、単一相で構成されたパターン３内において、
光学的異方性を示す骨格部分であることとする。また、
単一相で構成されたパターン３内においては、液晶コア
部７が同一方向に配向していれば、液晶コア部７のみが
連続して結合することで固定されて単一相からなるパタ
ーン３が構成されていても良く、また液晶コア部７間に
他の分子が挟まれる状態で結合することで固定されて単
一相からなるパターンが構成されていても良い。ただ
し、パターン３内には、液晶相が示される程度に十分な
配合比で液晶コア部７が含有されていることとする。

【００２２】尚、液晶コア部７の配向方向は、パターン
３の配列方向に対して垂直または平行であることとす
る。

【００２３】このようなパターン３は、可視光領域の光
（概ね波長４００ｎｍ〜７００ｎｍ）を偏光分離するこ
とを目的として、その波長と同程度の周期ｐで配置され
ていることとする。そして、このパターン３の周期ｐ方
向の幅は、周期ｐの半分程度であることとするが、これ
に限定されることはない。また、パターン３の高さｈは
数μｍから１０μｍ程度であり、長さ（図面奥行き方
向）は所望の長さに設定されることとする。

【００２４】そして、パターン３間に配置される等方性
材料層５は、光学的等方性を示していれば良く、好まし
くは液晶コア部７の異常光屈折率または常光屈折率のい
ずれか一方と、略同一の屈折率を有していることとす
る。また、この等方性材料層５に光学的異方性を示す分
子構造（例えば液晶分子構造部分）が含有されていたと
しても、これらの構造分子が配向状態に無ければ良い。

【００２５】このようなホログラム回折格子素子１は、
ここでの図示を省略した基板上に形成されていても良
く、また対向配置された基板間に挟持されていても良
い。

【００２６】このような構成のホログラム回折格子素子
１では、所定周期ｐで配列形成されたパターン３が同一
相で構成されているため、このパターン３内で同一方向
に配向している液晶コア部７は、パターン３の側壁に沿
って配向することになる。このため、例えばパターン内
においてドロップレット状に分散された相分離部分内で
液晶分子が配向している場合と比較し、パターン３全体
においての液晶コア部７の配向状態が良好になり、パタ
ーン３における光学的異方性（複屈折）がより大きくな
る。したがって、このホログラム回折格子素子１は、屈
折率変調が大きい、すなわち偏光分離度が十分に高いも
のとなる。

【００２７】尚、パターン３間には、必ずしも上述した
等方性材料層５が設けられている必要はなく、パターン
３間に大気やその他の気体が充填されていても良い。こ
の場合、パターン３とその間の部分との屈折率差が大き
く回折効率の良好なホログラム回折格子素子が得られ
る。尚、偏光分離度を決めるＰ波およびＳ波に対するパ
ターン３と等方性材料層５との屈折率差による回折効率
は、H.kogelnik,Bell Syst.Tech.J.,48,2909(1969)に記
述されるCoupled wave theoryにより精度良く計算する
ことができる。

【００２８】＜ホログラム回折格子素子の製造方法−１
＞次に、このようなホログラム回折格子素子の製造方法
の実施形態を、図２および必要に応じて他の図を用いて
説明する。

【００２９】先ず、図２（１）に示すように、１対の透
明基板１１，１２の表面に、必要に応じて透明材料から
なる配向膜１３をそれぞれ形成する。配向膜１３は、一
般的に液晶配向に用いられている高分子ラビング膜や、
一酸化珪素、二酸化珪素などの斜方蒸着膜であることと
する。そして、一方の透明基板１１の配向膜１３上に球
状のスペーサー１４を散布し、他方の透明基板１２の配
向膜１３上に光重合性液晶モノマー２１を含有する光重
合性混合材料を滴下する。

【００３０】次いで、配向膜１３の溝が平行または反平
行となるように透明基板１１，１２を対向配置し、その
周縁部を接着剤１５で封止する。これにより、スペーサ
ー１４によって決められた膜厚を有する組成物層２３を
形成する。

【００３１】この組成物層２３には、「光重合性液晶モ
ノマー２１」の他に、必要に応じて「非重合性材料」
や、液晶モノマー以外の「他の重合性モノマー」が含有
されていることとする。さらにこの組成物層２３には、
含有されている「光重合性液晶モノマー」や「他の重合
性モノマー」に応じた、重合開始剤および光重合増感剤
などの「添加剤」も含有されていることとする。

【００３２】このため、組成物層２３の構成は、次のよ
うな各材料の組み合わせ〜に大きく類別される。 「光重合性液晶モノマー２１」＋「非重合性材料」＋
「添加剤」 「光重合性液晶モノマー２１」＋「他の重合性モノマ
ー」＋「添加剤」 「光重合性液晶モノマー２１」＋「添加剤」 尚、これらの組み合わせ〜で構成される組成物層２
３内には、液晶相が示される程度に十分な配合比で光重
合液晶モノマー２１が含有されていることとする。ただ
し、以降に説明するように、光重合液晶モノマー２１の
重合過程において相分離が生じる場合には、光重合性液
晶モノマー２１の重合部分において液晶相が示されれば
良い。

【００３３】ここで、「光重合性液晶モノマー２１」と
しては、シッフ塩基系、アゾ及びアゾキシ系、ビフェニ
ル系、ターフェニル系、エステル系、シクロヘキサン環
系、複素環系、環置換導入系、などベンゼン環やシクロ
ヘキサン環などの環状構造及びそれに挟まれた部分から
成る液晶相を示す基となる剛直な骨格部（すなわち上述
したコア部）に、光重合を起こすアクリル基やメタクリ
ル基、エポキシ基などの官能基が結合した構造の化合物
が使用できる。尚、「光重合性液晶モノマー２１」の具
体的な物質例としては、Angeloni, et. Al, Makromol.
Chem. 186, 977(1985), Broer, et. al, Makromol. Che
m. 190, 2255(1989)、特開平１１−１１６５３４号に記
載された材料を用いることができる。なかでも、次に行
うパターン露光において可視光波長領域の露光光を用い
る場合、この可視光波長領域の露光光においては主とし
てラジカル重合過程が進行する。したがって、「光重合
性液晶モノマー２１」としては、次のパターン露光にお
いて重合が進行しやすい、ラジカル重合過程において光
重合するアクリル基を持つ物質を選択することが好まし
い。

【００３４】また、「非重合性材料」としては、光重合
性液晶モノマー２１や添加剤などの他の材料成分との相
溶性から、セルロースエステル系、シクロヘキサン系、
ビニルカルバゾール系などのバインダーポリマーと呼ば
れる高分子材料が適している。このような「非重合性材
料」は、光重合性液晶モノマー２１の光重合過程を阻害
しなければ、光重合性液晶モノマー２１と一致する屈折
率を持ち、他の成分との相溶性から適当に材料を選択す
ればよい。また、適当な官能基により修飾すれば、光重
合性液晶モノマー２１の光重合速度を向上させることも
可能である。

【００３５】さらに、「他の重合性モノマー」として
は、光重合性液晶モノマーとは異なる過程で重合する他
の重合性モノマーであることが好ましい。例えば、光重
合性液晶モノマー２１として、上述したように、ラジカ
ル重合過程において光重合するアクリル基を持つ物質が
選択された場合、「他の重合性モノマー」としては主と
して紫外線照射時において重合が進行し易いカチオン重
合過程において光重合する物質（例えばカチオン重合過
程において光重合するエポキシ系の等方性モノマー）
や、アニオン重合過程などの他の光重合過程により光重
合する官能基を持つ物質、さらには光照射以外の要因
（例えば熱）によって重合する物質を選択して用いるこ
ととする。またこれらの他にも、光重合性液晶モノマー
２１と逆の官能基を持つ物質を「他の重合性モノマー」
として用い、次に行われるパターン露光でおこる光重合
過程に対して、さらにその後に行われる紫外線照射時に
おいて逆の光重合過程が起こるようにしても良い。

【００３６】このような「他の重合性モノマー」の具体
例としては、ラジカル重合する重合性モノマーとして、
ポリエステル系、エポキシ系、ウレタン系、アルキッド
樹脂系、スピラン樹脂系、シリコーン樹脂系、イミド系
などのアクリレートもしくはメタクリレート、またはＮ
−ビニルホルムアミド、Ｎ−ビニルピロリジノンなどが
ある。また、カチオン重合する光重合性モノマーとし
て、エポキシ化合物、オキセタン化合物、多官能性ビニ
ルエーテルなどがある。

【００３７】そして、「添加剤」のうち、重合開始剤と
しては、ベンゾフェノン、アントラキノン、チオキサン
トンなどの芳香族ケトン、トリス（トリクロロメチル）
-s-トリアジンに代表されるハロゲン系化合物、過酸化
ベンゾイルなどの有機過酸化物、ヘキサアリールビスイ
ミダゾール系化合物、シアニンボレートなどのボレート
系化合物、ビスペンタジエニルチタニウム−ジ（ペンタ
フルオロフェニル）やチタノセン化合物などの有機金属
化合物、Ｎ−フェニルグリシン、もしくはその一部にこ
れらと同等の構造を持った化合物などが有効である。

【００３８】また特に、ラジカル重合とともにカチオン
重合を開始させる光重合開始剤として、ジアゾニウム
塩、ヨードニウム塩、スルホニウム塩、セレノニウム
塩、鉄−アレーン錯体、シラノール／アルミニウム錯
体、スルホン酸エステル、イミドスルホネート類などが
ある。

【００３９】さらに、「添加剤」のうち、光重合増感剤
としては、スチリル系、フルオロン系、クマリン系、ケ
トクマリン系、チオピリリウム系、ピラゾトリアゾール
系、スクワリリウム系、ポルフィリン系、シアニン系な
どの可視光波長領域において吸収を持つ色素が適してい
る。ただし、鉄アレイ錯体やチタノセンに代表されるよ
うに、光重合開始剤として作用する化合物自体にホログ
ラム回折格子露光を行うレーザー光波長領域に吸収を持
つ場合には、光重合増感剤は不要となる場合がある。

【００４０】以上で例示した各物質は、上記各組み合わ
せ〜に用いられている各材料として、単独であるい
は複数を混合して用いることができる。

【００４１】例えば、光重合性液晶モノマー２１が液晶
相を示す温度範囲を広げるために、光重合性液晶モノマ
ー２１として例示される複数の物質を混合して用いても
良い。

【００４２】さらに、組成物層２３がまたはの組み
合わせからなる場合には、光重合性液晶モノマー２１以
外の材料の屈折率を光重合性液晶モノマー２１の屈折率
と一致させるために、非重合性材料や、他の重合性モノ
マーとして例示される複数の物質を混合することによっ
て屈折率調整を行うことが好ましい。

【００４３】以上のようにして各材料を含有する組成物
層２３を形成した後、図２（２）に示すように、基板１
１，１２間に形成された組成物層２３中の光重合性液晶
モノマー２１が一定方向に向かうように配向させる。

【００４４】この際、光重合性液晶モノマー２１が液晶
相を示す条件（例えば温度条件）を整えることで、光重
合性液晶モノマー２１を配向膜１３の溝方向に沿って配
向させる。

【００４５】また、基板１１，１２上に配向膜１３を設
けていない場合には、光重合性液晶モノマー２１が液晶
相を示す条件を整えた状態において、外的要因を与える
ことで光重合性液晶モノマー２１を配向させる。このよ
うな配向処理としては、一般的に行われている、ずり応
力配向法、温度勾配法、電場もしくは磁場による外場配
向法などを適用することができる。

【００４６】、そして、図２（３）に示すように、光重
合性モノマー２１を配向させた状態で、この組成物層２
３に対して回折格子パターンをパターン露光する。

【００４７】このパターン露光においては、光の干渉に
よって形成した干渉波形（いわゆる干渉縞）を露光光Ｈ
として組成物層２３に照射することで、４００ｎｍ〜７
００ｎｍ程度の短い周期でのパターン露光を行うことが
好ましい。また、干渉波形を用いたパターン露光に限定
されることはなく、マスクを用いたパターン露光であっ
ても良い。

【００４８】これにより、組成物層２３における露光光
Ｈの照射部分部で、光重合性液晶モノマー２１の重合を
進行させ、これにより組成物層２３内に光重合性液晶モ
ノマー２１を配向状態を保って重合させてなるパターン
２５を形成する。

【００４９】ここで、図３には、上述したの組み合わ
せ、すなわち「光重合性液晶モノマー２１」＋「非重合
性材料３１」＋「添加剤（図示省略）」で構成された組
成物層２３においての光重合性液晶モノマー２１の重合
過程を示す。

【００５０】この場合、図３（１）に示すように、光重
合性液晶モノマー２１と非重合成材料３１とを含有して
いる組成物層２３に対して、上述したように光重合性液
晶モノマー２１を一定方向に向かうように配向させた状
態で、図３（２）に示すように、この組成物層２３に対
して回折格子パターンの露光光Ｈを照射するパターン露
光を行う。これにより、組成物層２３内においては、露
光光Ｈの照射部に光重合性液晶モノマー２１が析出して
層分離が進み、この照射部において光重合性液晶モノマ
ー２１を重合させたパターン２５が形成される。

【００５１】またここでは、パターン露光による重合が
終了した後、図３（３）に示すように、パターン２５間
に残された非重合成材料３１やその他の材料の定着させ
る。この際、例えば組成物層２３全体に紫外線ＵＶを一
括照射することにより、材料の定着と共に組成物層２３
に含まれる色素の脱色を行う。ただし、パターン２５間
に多量の光重合性液晶モノマー２１が残されている場合
には、光重合性液晶モノマー２１が液晶相を示さない条
件（例えば温度条件）を整えた上で上記定着を行い、こ
れによりパターン２５間の材料を光学的等方性に保つ。
また、紫外線ＵＶを一括照射させる前に、熱処理を行う
ことにより、反応部分と未反応部分の分離を加速させ、
回折効率を向上させても良い。

【００５２】次に、図４には、上述したの組み合わ
せ、すなわち「光重合性液晶モノマー２１」＋「他の重
合性モノマー３３」＋「添加剤（図示省略）」のうち、
他の重合性モノマー３３が光重合性液晶モノマー２１と
異なる重合過程で重合する物質である場合の組成物層２
３においての光重合性液晶モノマー２１の重合過程を示
す。

【００５３】この場合、図４（１）に示すように、光重
合性液晶モノマー２１と、これとは異なる重合過程で重
合する他の重合性モノマー３３とを含有している組成物
層２３に対して、上述したように光重合性液晶モノマー
２１を一定方向に向かうように配向させた状態で、図４
（２）に示すように、この組成物層２３に対して回折格
子パターンの露光光Ｈを照射するパターン露光を行う。
これにより、組成物層２３内においては、露光光Ｈの照
射部に光重合性液晶モノマー２１が析出して層分離が進
み、この照射部において光重合性液晶モノマー２１を重
合させたパターン２５が形成される。

【００５４】またここでは、パターン露光による重合が
終了した後、図４（３）に示すように、パターン２５間
に残された他の重合性モノマー３３の重合を行う。この
際、例えば組成物層２３全体に紫外線ＵＶを一括照射す
るか、または、他の重合成モノマー３３として用いてい
る物質によっては熱を加えることによって重合を行うよ
うにしても良い。ただし、パターン２５間に多量の光重
合性液晶モノマー２１が残されている場合には、光重合
性液晶モノマー２１が液晶相を示さない条件（例えば温
度条件）を整えた上で重合を行い、これによりパターン
２５間の材料を光学的等方性に保つ。尚、材料の定着と
共に組成物層２３に含まれる色素の脱色を行うために
は、紫外線ＵＶの一括照射を行うこととする。さらに、
紫外線ＵＶの一括照射によって重合を行う場合には、紫
外線ＵＶを一括照射させる前に、熱処理を行うことによ
り、反応部分と未反応部分の分離を加速させ、回折効率
を向上させても良い。

【００５５】さらに、図５には、上述したの組み合わ
せ、すなわち「光重合性液晶モノマー２１」＋「他の重
合性モノマー３３’」＋「添加剤（図示省略）」のう
ち、他の重合性モノマー３３’が光重合性液晶モノマー
２１と同様の光重合過程で重合する物質である場合の組
成物層２３においての光重合性液晶モノマー２１の重合
過程を示す。

【００５６】この場合、図５（１）に示すように、光重
合性液晶モノマー２１と、これと同様の重合過程で重合
する他の重合性モノマー３３’とを含有している組成物
層２３に対して、上述したように光重合性液晶モノマー
２１を一定方向に向かうように配向させた状態で、図５
（２）に示すように、この組成物層２３に対して回折格
子パターンの露光光Ｈを照射するパターン露光を行う。
これにより、組成物層２３内においては、露光光Ｈの照
射部において光重合性液晶モノマー２１と他の重合性モ
ノマー３３’とを重合させたパターン２５が形成され
る。この際、層分離は起こらない。

【００５７】このような場合であっても、パターン露光
による重合が終了した後、図５（３）に示すように、パ
ターン２５間に残された組成物の重合を行う。この際、
パターン２５間には光重合性液晶モノマー２１が残され
るため、光重合性液晶モノマー２１が液晶相を示さない
条件（例えば温度条件）を整えることで、光重合性液晶
モノマー２１を未配向状態とし、組成物層２３全体に露
光光Ｈ’を一括照射する。この際、材料の定着と共に組
成物層２３に含まれる色素の脱色を行うためには、露光
光Ｈ’として紫外線を照射する。

【００５８】また、図６には、上述したの組み合わ
せ、すなわち「光重合性液晶モノマー２１」＋「添加剤
（図示省略）」で構成された組成物層２３においての光
重合性液晶モノマー２１の重合過程を示す。

【００５９】この場合、図６（１）に示すように、光重
合性液晶モノマー２１と添加剤とを含有している組成物
層２３に対して、上述したように光重合性液晶モノマー
２１を一定方向に向かうように配向させた状態で、図６
（２）に示すように、この組成物層２３に対して回折格
子パターンの露光光Ｈを照射するパターン露光を行う。
これにより、組成物層２３内においては、露光光Ｈの照
射部において光重合性液晶モノマー２１を重合させたパ
ターン２５が形成される。この際、層分離は起こらな
い。

【００６０】このような場合であっても、パターン露光
による重合が終了した後、図６（３）に示すように、パ
ターン２５間に残された光重合性液晶モノマー２１の重
合を行う。この際、光重合性液晶モノマー２１が液晶相
を示さない条件（例えば温度条件）を整えることで、光
重合性液晶モノマー２１を未配向状態とし、組成物層２
３全体に露光光Ｈを一括照射する。この際、材料の定着
と共に組成物層２３に含まれる色素の脱色を行うために
は、露光光Ｈ’として紫外線を照射する。

【００６１】以上説明したような各重合過程をへて、図
１を用いて説明したと同様のホログラム回折格子素子１
が得られる。

【００６２】以上の製造方法−１によれば、光重合性液
晶モノマー２１を配向させた状態で重合させているた
め、光重合性液晶モノマー２１は、露光部内、つまりパ
ターン２５内において相分離することなく、配向状態を
保ったまま重合される。このため、パターン２５内にお
いては液晶相を示す分子構造部分（液晶コア部２１ａ）
が良好な配向状態に保たれる。したがって、パターンに
おける光学的異方性（複屈折）がより大きく、コントラ
スト比の高い偏光分離が可能なホログラム回折格子素子
を得ることができる。

【００６３】さらに、このような製造方法によれば、パ
ターン２５に複屈折を与える光重合性液晶モノマー２１
が高分子化されるため、高分子空孔中に非重合性液晶が
閉じ込められるだけのＨ−ＰＤＬＣ素子に比較して、長
期安定性が高いホログラム回折格子素子を得ることがで
きる。また、外部からの相互作用により光重合性液晶モ
ノマー２１を配向させるため、液晶材料を配向させるこ
とを目的として他の材料を選択する必要はなく、他の材
料の選択範囲を広げることもできる。したがって、液晶
コア部７の屈折率と、パターン２５間に配置される等方
性材料層５の屈折率を一致させる場合に、材料の選択肢
が広く、実現が容易である。

【００６４】また、露光記録するホログラム回折格子方
向に対して、配向処理方向を平行もしくは垂直にするこ
とにより、等方性材料層５の屈折率を液晶コア部７の常
光線に対する屈折率、異常光線に対する屈折率にそれぞ
れ一致させることができる。すなわち、形成する回折格
子に対して相対的に配向処理方向を変えるだけで、Ｓ偏
光、Ｐ偏光のいずれを回折させるかを簡単に制御するこ
とができる。

【００６５】尚、以上の製造方法においては、パターン
２５間の材料は必要に応じて除去しても良い。この場
合、パターン露光によって光重合性液晶モノマー２１を
重合させた後に、パターン２５間の材料の定着を行うこ
となく、この部分に残された材料を、例えばウェットエ
ッチングによって除去する工程を行う。

【００６６】＜ホログラム回折格子素子の製造方法−２
＞次に、図１に示したホログラム回折格子素子の製造方
法の他の実施形態を、図７を用いて説明する。

【００６７】先ず、図７（１）に示すように、上述した
製造方法−１と同様にして、例えば透明基板に形成した
配向膜間に、液晶モノマー７１を含有する組成物層７３
を形成する。この組成物層７３内には、液晶相が示され
る程度に十分な配合比で液晶モノマー７１が含有されて
いることとする。

【００６８】この組成物層７３に含有させる液晶モノマ
ー７１は、その重合過程が光重合であることに限定され
ず、例えば加熱によって重合反応が進む物質であっても
良い。また、この組成物層７３には、液晶モノマー７１
の他に、必要に応じて非重合性材料や、他の重合性モノ
マー、さらには液晶モノマー７１や他の重合性モノマー
に応じた、重合開始剤などの添加剤も含有されているこ
ととする。尚、他の重合性モノマーを含有させる場合に
は、液晶モノマー７１と同一の重合過程で重合する物質
を選択して用いることが好ましい。

【００６９】次に、図７（２）に示すように、組成物層
７３中の液晶モノマー７１を一定方向に配向させる。こ
の際、液晶モノマー７１が液晶相を示す条件（例えば温
度条件）を整えることで、液晶モノマー７１を配向膜の
溝方向に沿って配向させる。このような配向方法の他に
も、上述した製造方法−１で説明したと同様に、一般的
な配向方法を適用することができる。

【００７０】このような状態で、図７（３）に示すよう
に、この組成物層７３全体に対して、液晶モノマー７１
の重合を進める処理を行う。この場合、液晶モノマー７
１の重合過程によってそれぞれ適する処理を行うことと
し、液晶モノマー７１が光重合性である場合には、この
組成物層７３全体に対して、一括して露光光を照射する
処理を行う。また、この液晶モノマー７１が加熱によっ
て重合が進む物質である場合には、液晶モノマー７１が
配向状態を保ち、かつ重合が進む範囲で組成物層７３を
加熱する処理を行う。

【００７１】以上の後、図７（４）に示すように、重合
によって硬化させた組成物層７３上に、リソグラフィ法
によってレジストパターン７５を形成する。このレジス
トパターン７５は、回折格子パターンと同様のデザイ
ン、すなわち可視光領域の光（概ね波長４００ｎｍ〜７
００ｎｍ）を偏光分離することを目的として、その波長
と同程度の周期ｐで配置され、その幅ｗは周期ｐの半分
程度であることとする。また、レジストパターン７５の
配列方向は、液晶モノマー７１の配向方向と平行または
垂直であることとする。このようなレジストパターン７
５形成の際のリソグラフィにおいては、露光光として干
渉波形を用いても良い。

【００７２】そして、このレジストパターン７５をマス
クに用いて組成物層７３をパターンエッチングし、重合
によって硬化させた組成物層７３からなるパターン７７
を形成する。

【００７３】次に、図７（５）に示すように、パターン
７７間に光学的等方性を有する材料を埋め込む。この材
料は、好ましくは液晶コア部７の異常光屈折率または常
光屈折率のいずれか一方と、略同一の屈折率を有してい
ることとする。以上によって、パターン７７と、この材
料からなる等方性材料層７９とを交互に配置してなるホ
ログラフ回折格子素子を得る。

【００７４】以上説明した製造方法−２によれば、上述
した製造方法−１と同様に、液晶モノマー７１を配向さ
せた状態で重合させているため、製造方法−１と同様
に、パターン７７内においては液晶相を示す分子構造部
分（液晶コア部７１ａ）が良好な配向状態に保たれ、パ
ターン７７における光学的異方性（複屈折）がより大き
く、コントラスト比の高い偏光分離が可能なホログラム
回折格子素子を得ることができる等、製造方法−１と同
様の効果を得ることができる。しかも、パターン７７が
ほぼ液晶モノマーのみからなるため、その固有の複屈折
がほとんど損なわれることがない。また、相分離を用い
ていないため、液晶モノマーと他の材料（等方性材料）
との組み合わせが自在である。

【００７５】尚、以上の製造方法においては、必ずしも
パターン７７間に等方性材料層７９を設ける必要はな
く、この場合には光学的等方性を有する材料の埋め込み
工程を省略することとする。

【００７６】

【実施例】次に、本発明の実施例を、図面に基づいて説
明する。

【００７７】＜第１実施例＞本第１実施例においては、
上述した実施の形態において、図３を用いて説明した重
合過程を適用してホログラム回折格子素子を製造した例
を説明する。

【００７８】先ず、液晶相を示す骨格の両末端に光ラジ
カル重合を起こすアクリレート基を持つ液晶ジアクリレ
ート（光重合性液晶モノマー２１）と、光学的に等方性
で非重合性のセルロースエステル系バインダーポリマー
（非重合性材料３１）とを、液晶ジアクリレート９５重
量％、バインダーポリマー５重量％の配合比で混合し
た。さらに、次のパターン露光において露光光として使
用するレーザー光波長において光重合開始剤として作用
するトリス（トリクロロメチル）-s-トリアジンと、増
感剤としてクマリン系色素とを、上記配合物：光重合開
始剤：増感剤＝９７：１．５：１．５の重量配合比で混
合した。以上から成る混合材料を加熱しながら攪拌し、
均一な光重合性混合材料を得た。

【００７９】また、２枚の透明ガラス基板を洗浄後、ポ
リイミド配向剤をスピンコート塗布、焼成後、コットン
布にて配向剤表面にラビング処理を行った。そして、一
方の基板の配向処理した表面上に球状スペーサーを均一
に散布し、他方の基板の配向処理した表面上には上記の
光重合性混合材料を滴下し、ラビング処理方向が反平行
となり、かつ配向処理表面でスペーサー及び光重合性混
合材料を狭持するように基板を対向配置し、エポキシ系
接着剤で二枚の基板をその周縁部で固定したセルを形成
した。

【００８０】その後、液晶ジアクリレート（光重合性液
晶モノマー２１）の均一配向を得るために、光重合性混
合材料が液晶相もしくは等方相となる温度領域まで加熱
後、除冷した。これにより、図３（１）に示すように、
配向処理方向に沿った一方向に液晶ジアクリレートを配
向させた。

【００８１】次いで、以上の手順で作製したセルを光重
合性混合材料が液晶相を示す温度領域に保持しながら、
図３（２）に示すように、波長４７７ｎｍのレーザー光
の干渉波形を露光光Ｈとして照射した。すると、干渉波
形の明部では光重合が起こり、液晶ジアクリレートが均
一な配向状態を保持したまま重合して高分子化した。一
方、暗部には非重合性のバインダーポリマー（非重合性
材料３１）が、相分離により析出し、これによって干渉
波形に応じて高分子化した液晶性層のパターン２５と光
学的な等方性層との屈折率変調を持った多層構造、つま
りホログラム回折格子が形成された。

【００８２】その後、図３（３）に示すように、液晶相
を示さない温度領域において光重合性混合材料からなる
組成物層２３の全面に紫外線ＵＶを一括照射することに
より、色素を脱色及び回折格子を定着させた。尚、以上
の手順はすべて暗室中で行われた。

【００８３】以上のようにして得られたホログラム回折
格子素子１は、偏光分離度が１００：１程度のコントラ
スト比の高い偏光分離が可能であり、例えば反射型液晶
ライトバルブを用いた反射型プロジェクタ用の偏光分離
素子として十分に用いることが可能であった。

【００８４】＜第２実施例＞本第２実施例においては、
上述した実施の形態において、図４を用いて説明した重
合過程を適用してホログラム回折格子素子を製造した例
を説明する。

【００８５】先ず、液晶相を示す骨格の両末端に光ラジ
カル重合を起こすアクリレート基を持つ液晶ジアクリレ
ート（光重合性液晶モノマー２１）と、光学的に等方性
で光カチオン重合を起こす脂環式エポキシオリゴマー
（他の重合性モノマー３３）とを、液晶ジアクリレート
９０重量％、脂環式エポキシオリゴマー１０重量％の配
合比で混合した。さらに、ラジカル重合及びカチオン重
合の双方の光重合開始剤として作用するジフェニルヨー
ドニウム塩、増感剤としてケトクマリン系色素とを、上
記配合物：光重合開始剤：増感剤＝９７：１．５：１．
５の重量配合比で混合した。以上から成る混合材料を加
熱しながら攪拌し、均一な光重合性混合材料を得た。

【００８６】そして、第１実施例と同様にして、光重合
性混合材料を狭持してなるセルを形成した。

【００８７】その後、液晶ジアクリレート（光重合性液
晶モノマー２１）の均一配向を得るために、光重合性混
合材料が液晶相もしくは等方相となる温度領域まで加熱
後、除冷した。これにより、図４（１）に示すように、
配向処理方向に沿った一方向に液晶ジアクリレートを配
向させた。

【００８８】次いで、以上の手順で作製したセルを光重
合性混合材料が液晶相を示す温度領域に保持しながら、
図４（２）に示すように、波長５３２ｎｍのレーザー光
の干渉波形を露光光Ｈとして照射した。すると、干渉波
形の明部では光ラジカル重合が選択的に起こり、液晶ジ
アクリレートが均一な配向状態を保持したまま高分子化
した。一方、暗部には光ラジカル重合を起こさない脂環
式エポキシオリゴマーが相分離により析出し、これによ
って干渉波形に応じて高分子化した液晶性層のパターン
２５と光学的な等方性層との屈折率変調を持った多層構
造、つまりホログラム回折格子が形成された。

【００８９】その後、図４（３）に示すように、液晶相
を示さない温度領域において光重合性混合材料からなる
組成物層２３の全面に紫外線ＵＶを一括照射することに
より、カチオン重合が起こり、等方性層部分も高分子化
した。これにより、回折格子を定着させるとともに、色
素を脱色させた。尚、以上の手順はすべて暗室中で行わ
れた。

【００９０】以上のようにして得られたホログラム回折
格子素子１も、第１実施例で作製したホログラム回折格
子素子と同様に、偏光分離度が１５０：１程度のコント
ラスト比の高い偏光分離が可能であり、例えば反射型液
晶ライトバルブを用いた反射型プロジェクタ用の偏光分
離素子として十分に用いることが可能であった。

【００９１】＜第３実施例＞本第３実施例においては、
上述した実施の形態において、図６を用いて説明した重
合過程を適用してホログラム回折格子素子を製造した例
を説明する。

【００９２】先ず、液晶相を示す骨格の両末端に光ラジ
カル重合を起こすアクリレート基を持つ液晶ジアクリレ
ート（光重合性液晶モノマー２１）に、使用するレーザ
ー光波長において光重合開始剤として作用するトリス
（トリクロロメチル）-s-トリアジン、増感剤としてク
マリン系色素を、光重合性液晶モノマー２１：光重合開
始剤：増感剤＝９７：１．５：１．５の重量配合比で混
合した。以上から成る混合材料を加熱しながら攪拌し、
均一な光重合性混合材料を得た。

【００９３】そして、第１実施例と同様にして、光重合
性混合材料を狭持してなるセルを形成した。

【００９４】その後、液晶ジアクリレート（光重合性液
晶モノマー２１）の均一配向を得るために、光重合性混
合材料が液晶相もしくは等方相となる温度領域まで加熱
後、除冷した。これにより、図６（１）に示すように、
配向処理方向に沿った一方向に液晶ジアクリレートを配
向させた。

【００９５】次いで、以上の手順で作製したセルを光重
合性混合材料が液晶相を示す温度領域に保持しながら、
図６（２）に示すように、波長４７７ｎｍのレーザー光
の干渉波形を露光光Ｈとして照射した。すると、干渉波
形の明部では光重合が起こり、液晶ジアクリレートが均
一な配向状態を保持したまま高分子化した。一方、暗部
では十分な光エネルギーが得られないことで光重合が起
こらず、干渉波形に応じて高分子化した液晶性層のパタ
ーン２５と、高分子化していない液晶性層の多層構造が
形成された。

【００９６】このままでは屈折率変調を示さないため、
その後、図６（３）に示すように、等方相もしくは結晶
相などの液晶相を示さない温度領域において紫外線ＵＶ
もしくは可視光線照射することにより、パターン露光に
より未重合であった部分を光学的に等方性とした状態で
高分子化し、屈折率変調を持った多層構造を形成した。
また、この光照射により色素を脱色及び回折格子を定着
させた。以上の手順はすべて暗室中で行われた。

【００９７】以上のようにして得られたホログラム回折
格子素子１も、第１実施例で作製したホログラム回折格
子素子と同様に、偏光分離度が８０：１程度のコントラ
スト比の高い偏光分離が可能であり、例えば反射型液晶
ライトバルブを用いた反射型プロジェクタ用の偏光分離
素子として十分に用いることが可能であった。

【００９８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のホログラ
ム回折格子素子によれば、同一相で構成されたパターン
内で液晶相を示す分子構造部分を一方向に配向させる構
成としたことで、所定周期で配列されたパターンにおけ
る光学的異方性（複屈折）を最大限とすることができ、
よりコントラスト比の高い偏光分離を行うことが可能に
なる。また、本発明のホログラム回折格子素子の製造方
法によれば、液晶モノマーを配向させた状態で重合させ
ることで、より良好な配向状態のパターンを形成する構
成としたことで、コントラスト比の高い偏光分離が可能
な偏光分離素子として用いることができるホログラム回
折格子素子を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のホログラム回折格子素子の一例を説明
する断面図である。

【図２】本発明のホログラム回折格子素子の製造方法−
１を説明する図である。

【図３】製造方法−１における第１の重合過程を示す図
である。

【図４】製造方法−１における第２の重合過程を示す図
である。

【図５】製造方法−１における第２の重合過程の他の例
を示す図である。

【図６】製造方法−１における第３の重合過程を示す図
である。

【図７】本発明のホログラム回折格子素子の製造方法−
２を説明する図である。

【図８】Ｈ−ＰＤＬＣ素子からなるホログラム回折格子
素子を説明する図である。

【符号の説明】

１…ホログラム回折格子素子、３，２５，７７…パター
ン、５，７９…等方性材料層、７，２１ａ，７１ａ…液
晶コア部、２１…光重合性液晶モノマー、２３，７３…
組成物層、７１…液晶モノマー、Ｈ…露光光

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光学的異方性を有するパターンを所定周
   期で配列してなるホログラム回折格子素子において、 前記パターンが、単一相で構成され、かつその内部にお
   いて液晶相を示す分子構造部分が同一方向に配向してい
   ることを特徴とするホログラム回折格子素子。
2. 【請求項２】 請求項１記載のホログラム回折格子素子
   において、 前記パターン間には、光学的等方性を有する材料が充填
   されていることを特徴とするホログラム回折格子素子。
3. 【請求項３】 光学的異方性を有するパターンを所定周
   期で配列してなるホログラム回折格子素子の製造方法で
   あって、 光重合性液晶モノマーを含有する組成物層を形成し、 前記光重合性液晶モノマーを同一方向に向けて配向させ
   た状態で前記組成物層に対してパターン露光を行うこと
   により、当該光重合性液晶モノマーを重合させてなる前
   記パターンを形成することを特徴とするホログラム回折
   格子素子の製造方法。
4. 【請求項４】 請求項３記載のホログラム回折格子素子
   の製造方法において、 前記パターン露光は、干渉波形を用いて行われることを
   特徴とするホログラム回折格子素子の製造方法。
5. 【請求項５】 光学的異方性を有するパターンを所定周
   期で配列してなるホログラム回折格子素子の製造方法で
   あって、 液晶モノマーを含有する組成物層を形成し、 前記液晶モノマーを同一方向に向けて配向させた状態で
   当該液晶モノマーを重合させることによって前記組成物
   層を硬化させ、 前記硬化させた組成物層をパターニングすることによっ
   て前記パターンを形成することを特徴とするホログラム
   回折格子素子の製造方法。