JP2006215186A - Diffraction element, manufacturing method of the same, and polarization selecting device using diffraction element - Google Patents

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Mayuka Araumi
麻由佳 荒海
Hiroshi Fujimura
浩 藤村
Hiroyuki Sugimoto
浩之 杉本
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a diffraction element having high diffraction efficiency and a simple structure, switching presence or absence of the diffraction state by applying an electric field as required, and produced inexpensively, and also to provide a method for manufacturing the element, and a polarization selecting device using the diffraction element. <P>SOLUTION: The diffraction element is characterized in that: a liquid crystal layer having uniform chemical composition and comprising a single phase is disposed between a pair of transparent substrates; the liquid crystal layer is composed of a first region having optical anisotropy and a second region having different optical anisotropy from that of the first region; and each region has an arrayed structure with a predetermined period. For example, a material having variable critical surface tension by addition of energy is used to form a surface layer having two surface patterns with different critical surface tensions on the surface of a transparent substrate. If necessary, a transparent electrode is disposed on each opposing surface of the pair of transparent substrates. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、液晶を用いた回折素子に関し、詳しくは簡易な構造で良好な回折効率を実現する回折素子とその製造方法および回折素子を用いた偏光選択装置に関する。   The present invention relates to a diffractive element using liquid crystal, and more particularly to a diffractive element that achieves good diffraction efficiency with a simple structure, a manufacturing method thereof, and a polarization selection device using the diffractive element.

現在、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の開発が盛んに行われており、特に、小型の液晶デバイスを用いた投射型大画面ディスプレイの商品化が急速に進んでいる。しかしながら、従来用いられている液晶デバイスは透過型が主であるため、解像度や光利用効率などの点において不十分な状況にある。
このような問題に対処するため、解像度や光利用効率などの特性に優れた反射型ライトバルブを投射型ディスプレイに応用する研究開発が活発化している。しかし、反射型ライトバルブは偏光変換により動作するものであるため、光学系に偏光ビームスプリッターなどの偏光分離を担う手段が必要となる。
At present, the development of a projection display using a liquid crystal light valve as an optical switching element has been actively carried out, and in particular, the commercialization of a projection large screen display using a small liquid crystal device is rapidly progressing. However, since the liquid crystal devices used in the past are mainly transmissive, the situation is insufficient in terms of resolution and light utilization efficiency.
In order to deal with such problems, research and development for applying a reflective light valve excellent in characteristics such as resolution and light utilization efficiency to a projection display has been activated. However, since the reflection type light valve operates by polarization conversion, means for carrying out polarization separation such as a polarization beam splitter is required in the optical system.

現在、偏光分離手段として用いられている偏光ビームスプリッターは、全可視域における消光比や光利用効率が不十分であることに加えてガラスのプリズムであるため、重く嵩張るという難点がある。
また、プリズムを用いた偏光分離素子においては、高い偏光分離度を確保するために、誘電体多層膜を何重にも成膜する必要があるため製造コストが高価であり、また薄型化や小型化が難しいという問題がある。
この問題の解決策として、現状の偏光ビームスプリッターに替る新たな素子がいくつか提案されている。
At present, the polarization beam splitter used as the polarization separation means has a drawback that it is heavy and bulky because it is a glass prism in addition to an insufficient extinction ratio and light utilization efficiency in the entire visible range.
In addition, in a polarization separation element using a prism, in order to secure a high degree of polarization separation, it is necessary to form multiple layers of dielectric multilayer films, so that the manufacturing cost is high, and the thickness and size are reduced. There is a problem that it is difficult.
As a solution to this problem, several new elements that replace the current polarization beam splitter have been proposed.

例えば、第1の光学的異方性を有するパターン層と、このパターン層の間隔を充填する第2の光学的異方性を有する充填層を備え、パターン層と充填層とにおける常光線または異常光線に対するいずれか一方の屈折率を等しくした回折格子素子が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。この提案により、安価で薄くて軽く、高い偏光分離度を実現できる回折格子素子が得られるとされている。   For example, a pattern layer having a first optical anisotropy and a filler layer having a second optical anisotropy that fills the space between the pattern layers are provided. A diffraction grating element in which either one of the refractive indexes with respect to a light beam is equal has been proposed (for example, see Patent Document 1). This proposal is said to provide an inexpensive, thin and light diffraction grating element that can realize a high degree of polarization separation.

すなわち、上記提案は、一方向に配向した重合性液晶と非重合性液晶を混合した材料をパターン露光して得られる回折格子素子であり、紫外線のパターン露光や二光束干渉露光によって重合した部位と重合していない部位を規則的に作製して回折素子としているため、製造工程が煩雑であるほか、高い偏光分離度を実現するために使用する材料の組み合わせに制限がある。また、得られた回折素子は、光が回折する状態と回折しない状態を切り替えることができないという制約もある。   That is, the above proposal is a diffraction grating element obtained by pattern exposure of a mixed material of polymerizable liquid crystal and non-polymerizable liquid crystal aligned in one direction, and a portion polymerized by ultraviolet pattern exposure or two-beam interference exposure. Since diffractive elements are produced by regularly producing unpolymerized sites, the manufacturing process is complicated, and there are limitations on the combinations of materials used to achieve a high degree of polarization separation. Further, the obtained diffractive element has a limitation that it cannot switch between a state where light is diffracted and a state where light is not diffracted.

また、一方の基板面に複数の線状に設けられた第1の透明電極と、これに対応するように他方の基板面に複数の線状に設けられた第2の透明電極とから構成される1組の透明基板を対向配置し、この基板の間隙に電圧印加によって屈折率が変化する物質を充填した回折素子が提案されている(例えば、特許文献2参照。)。この提案により、回折する状態と回折しない状態とを切り替えることができるとしている。   In addition, the first transparent electrode provided in a plurality of lines on one substrate surface and the second transparent electrode provided in a plurality of lines on the other substrate surface to correspond to the first transparent electrode. A diffractive element has been proposed in which a pair of transparent substrates are arranged so as to face each other, and a gap between the substrates is filled with a substance whose refractive index changes when a voltage is applied (see, for example, Patent Document 2). With this proposal, it is possible to switch between a diffracting state and a non-diffracting state.

上記提案では、電圧を印加することによって線状電極部に対応する液晶の向きを変化させ、これにより屈折率差が生じることを利用している。このように、回折格子を液晶のみで構成し、複数の透明電極を線状に形成して電界を印加する構造の場合、回折の有無を切り替えられるという利点があるが、隣り合う線状電極の間に電界洩れが発生するため、線状電極の無い部分でも液晶が応答してしまうという問題がある。
このため、回折素子の屈折率変調を大きくすることが困難で、得られる回折素子の性能には限界があった。すなわち、線状の透明電極を形成し、それに線状の配向処理を施す等の手法では微細なピッチを形成することは困難であり、効率の良い回折素子を得ることは難しい。
The above proposal utilizes the fact that the direction of the liquid crystal corresponding to the linear electrode portion is changed by applying a voltage, thereby causing a difference in refractive index. Thus, in the case of a structure in which the diffraction grating is composed only of liquid crystal and a plurality of transparent electrodes are linearly formed and an electric field is applied, there is an advantage that the presence or absence of diffraction can be switched. Since electric field leakage occurs in the meantime, there is a problem that the liquid crystal responds even in a portion where there is no linear electrode.
For this reason, it is difficult to increase the refractive index modulation of the diffractive element, and the performance of the obtained diffractive element is limited. That is, it is difficult to form a fine pitch by a method such as forming a linear transparent electrode and applying a linear alignment treatment thereto, and it is difficult to obtain an efficient diffraction element.

なお、本出願人は先に、2枚の透明基板の間に液晶を挟持した回折機能を有する光機能素子を提案した(例えば、特許文献3参照。)。
しかし、この素子は回折状態と非回折状態を任意に切り替えることができない構成のものであるため、応用分野に制約があった。
The present applicant has previously proposed an optical functional element having a diffraction function in which a liquid crystal is sandwiched between two transparent substrates (see, for example, Patent Document 3).
However, since this element cannot be arbitrarily switched between the diffracted state and the non-diffracted state, there is a restriction in the application field.

特開2003−232910号公報JP 2003-232910 A 特開2001−4973号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2001-4773 特開2004−219750号公報JP 2004-219750 A

本発明は、上記従来技術に鑑みてなされたものであり、簡易構造でかつ良好な回折効率を有するとともに、簡便でしかも低コストで生産することのできる回折素子と、その製造方法を提供することを目的とする。また、必要により、電界印加によって回折状態の有無を切り替えられる構造とした回折素子を提供する。さらに、回折素子を用いた偏光選択装置を提供する。   The present invention has been made in view of the above prior art, and provides a diffraction element that has a simple structure and good diffraction efficiency, can be produced simply and at low cost, and a method for manufacturing the same. With the goal. In addition, a diffraction element having a structure in which the presence or absence of a diffraction state can be switched by applying an electric field is provided. Furthermore, a polarization selection device using a diffraction element is provided.

本発明者らは鋭意検討した結果、一対の透明基板の間に化学組成が均一で同一相からなる液晶層を設け、この液晶層を、光学的異方性を有する2つの領域により周期的に構成すれば上記課題が解決されることを見出し本発明に至った。   As a result of intensive studies, the present inventors have provided a liquid crystal layer having a uniform chemical composition and the same phase between a pair of transparent substrates, and this liquid crystal layer is periodically formed by two regions having optical anisotropy. The present invention has been found out that the above-mentioned problems can be solved by configuring.

すなわち、本発明は、一対の透明基板の間に化学組成が均一で同一相からなる液晶層が設けられた回折素子であって、
前記液晶層は、光学的異方性を有する第1の領域(第1領域)と、該第1領域とは異なる光学的異方性を有する第2の領域(第2領域)とが所定周期をもって配列されていることを特徴とする回折素子である。
That is, the present invention is a diffraction element provided with a liquid crystal layer having a uniform chemical composition and the same phase between a pair of transparent substrates,
In the liquid crystal layer, a first region (first region) having optical anisotropy and a second region (second region) having optical anisotropy different from the first region have a predetermined period. It is a diffraction element characterized by being arranged with.

ここで、前記一対の透明基板を構成する一方の基板界面近傍において、第1領域中の液晶の長軸方向が基板界面に対して略水平に配向し、第2領域中の液晶の長軸方向が基板界面に対して略垂直に配向しているとともに、
前記一対の透明基板を形成する他方の基板界面近傍において、第1領域中および第2領域中の液晶の長軸方向が基板界面に対して略垂直に配向していることを特徴とする。
Here, in the vicinity of one substrate interface constituting the pair of transparent substrates, the major axis direction of the liquid crystal in the first region is aligned substantially horizontally with respect to the substrate interface, and the major axis direction of the liquid crystal in the second region Is oriented substantially perpendicular to the substrate interface,
In the vicinity of the other substrate interface forming the pair of transparent substrates, the major axis direction of the liquid crystal in the first region and the second region is aligned substantially perpendicular to the substrate interface.

また、前記一対の透明基板を構成する一方の基板界面近傍において、第1領域中の液晶の長軸方向が基板界面に対して略水平に配向し、第2領域中の液晶の長軸方向が基板界面に対して略垂直に配向しているとともに、
前記一対の透明基板を形成する他方の基板界面近傍において、第1領域中および第2領域中の液晶の長軸方向が基板界面に対して略水平に配向していることを特徴とする。
Also, in the vicinity of one substrate interface constituting the pair of transparent substrates, the major axis direction of the liquid crystal in the first region is aligned substantially horizontally with respect to the substrate interface, and the major axis direction of the liquid crystal in the second region is Oriented substantially perpendicular to the substrate interface,
In the vicinity of the other substrate interface forming the pair of transparent substrates, the major axis direction of the liquid crystal in the first region and the second region is aligned substantially horizontally with respect to the substrate interface.

さらに、前記一対の透明基板を構成する双方の基板界面近傍において、第1領域中の液晶の長軸方向が各基板界面に対して略水平に配向し、第2領域中の液晶の長軸方向が各基板界面に対して略垂直に配向していることを特徴とする。   Further, in the vicinity of the interface between both substrates constituting the pair of transparent substrates, the major axis direction of the liquid crystal in the first region is aligned substantially horizontally with respect to each substrate interface, and the major axis direction of the liquid crystal in the second region Is characterized by being oriented substantially perpendicularly to each substrate interface.

上記回折素子において、前記第1領域中の液晶の各長軸方向が、基板界面に水平な面であって該第1領域の周期方向と直交する延在方向において、略同一方向に揃って配向していることが望ましい。   In the diffraction element, each major axis direction of the liquid crystal in the first region is aligned in substantially the same direction in the extending direction that is a plane horizontal to the substrate interface and orthogonal to the periodic direction of the first region. It is desirable that

ここで、前記第1領域中の液晶の各長軸方向が、第1領域の延在方向に対して略平行または略直角であることが好ましい。   Here, each major axis direction of the liquid crystal in the first region is preferably substantially parallel or substantially perpendicular to the extending direction of the first region.

さらに、上記いずれかの回折素子において、前記一対の透明基板と液晶層とが接する少なくとも一方の透明基板面に、臨界表面張力の異なる2つの表面パターンが所定周期をもって配列された表面層を備え、
該表面パターンの所定周期が前記第1領域と第2領域の所定周期に対応し、該第1領域と第2領域の液晶の長軸方向がそれぞれ表面パターン界面の臨界表面張力に対応して略水平または略垂直に配向するようにしたことを特徴とする。
Furthermore, in any one of the above diffraction elements, a surface layer in which two surface patterns having different critical surface tensions are arranged with a predetermined period is provided on at least one transparent substrate surface in contact with the pair of transparent substrates and the liquid crystal layer,
The predetermined period of the surface pattern corresponds to the predetermined period of the first region and the second region, and the major axis direction of the liquid crystal in the first region and the second region corresponds to the critical surface tension of the surface pattern interface, respectively. It is characterized by being oriented horizontally or substantially vertically.

上記回折素子において、前記表面層が、エネルギーの付与により臨界表面張力が変化する材料を用いて形成された層であることが望ましい。   In the diffractive element, the surface layer is preferably a layer formed using a material whose critical surface tension is changed by energy application.

ここで、前記エネルギーの付与により臨界表面張力が変化する材料が、側鎖に疎水性基を有する高分子材料からなることが好ましい。   Here, the material whose critical surface tension is changed by the application of energy is preferably made of a polymer material having a hydrophobic group in a side chain.

さらにここで、前記側鎖に疎水性基を有する高分子材料が、ポリイミド骨格を含む高分子材料からなることが好適である。   Further, it is preferable that the polymer material having a hydrophobic group in the side chain is made of a polymer material containing a polyimide skeleton.

そして、上記いずれかの回折素子において、前記臨界表面張力を変化させるためのエネルギーの付与が、紫外線照射によるものであることが好ましい。   In any one of the above diffraction elements, it is preferable that the application of energy for changing the critical surface tension is by ultraviolet irradiation.

また、前記表面層が、臨界表面張力の異なる2種類の材料により構成されていることが好ましい。   The surface layer is preferably composed of two types of materials having different critical surface tensions.

さらに、上記いずれかの回折素子において、前記一対の透明基板の各対向基板面に透明電極を備え、電界の印加により液晶の長軸方向の配向を制御可能としたことを特徴とする。   Furthermore, in any one of the above diffraction elements, a transparent electrode is provided on each of the opposing substrate surfaces of the pair of transparent substrates, and the orientation of the liquid crystal in the major axis direction can be controlled by applying an electric field.

さらに、本発明は、一対の透明基板の一方または双方に、エネルギーの付与により臨界表面張力が変化する材料を用いて表面層を形成する工程と、
該表面層にエネルギーを付与し、臨界表面張力の小さい領域と大きい領域からなる2つの表面パターンを所定周期をもって形成する工程と、
上記表面パターンが形成された表面層に配向処理を施し、表面層が内側となるように一対の透明基板を対向配置させてセルを組み立てる工程と、
該セルに液晶材料を充填する工程と、
上記液晶材料が充填されたセルを、液晶材料が等方相となる温度まで加熱してから冷却する工程と
を含むことを特徴とする回折素子の製造方法に係るものである。
Furthermore, the present invention includes a step of forming a surface layer on one or both of the pair of transparent substrates using a material whose critical surface tension is changed by applying energy;
Applying energy to the surface layer to form two surface patterns having a small critical surface tension region and a large region with a predetermined period;
A process of assembling a cell by subjecting the surface layer on which the surface pattern is formed to an alignment treatment and arranging a pair of transparent substrates so that the surface layer is on the inside,
Filling the cell with a liquid crystal material;
And a step of heating the cell filled with the liquid crystal material to a temperature at which the liquid crystal material is in an isotropic phase and then cooling the cell.

ここで、前記臨界表面張力を変化させるためのエネルギーの付与が、紫外線照射によるものであることが好ましい。   Here, it is preferable that the application of energy for changing the critical surface tension is by ultraviolet irradiation.

また、本発明は、一対の透明基板の一方または双方に、臨界表面張力の異なる2種類の材料を用いて、臨界表面張力の小さい領域と大きい領域からなる2つの表面パターンを所定周期をもって形成する工程と、
上記表面パターンが形成された表面層に配向処理を施し、表面層が内側となるように一対の透明基板を対向配置させてセルを組み立てる工程と、
該セルに液晶材料を充填する工程と、
上記液晶材料が充填されたセルを、液晶材料が等方相となる温度まで加熱してから冷却する工程と
を含むことを特徴とする回折素子の製造方法に係るものである。
Further, according to the present invention, two surface patterns composed of a region having a small critical surface tension and a region having a large critical surface tension are formed with a predetermined period on one or both of a pair of transparent substrates using two kinds of materials having different critical surface tensions. Process,
A process of assembling a cell by subjecting the surface layer on which the surface pattern is formed to an alignment treatment and arranging a pair of transparent substrates so that the surface layer is on the inside,
Filling the cell with a liquid crystal material;
And a step of heating the cell filled with the liquid crystal material to a temperature at which the liquid crystal material is in an isotropic phase and then cooling the cell.

そして、上記いずれかの回折素子の製造方法において、前記一対の透明基板の双方に表面層が設けられる場合に、各表面層における臨界表面張力の異なる2つの表面パターンの該臨界表面張力が同等であるパターン同士を略対向するように配置構成したことを特徴とする。   In any one of the above-described diffraction element manufacturing methods, when surface layers are provided on both of the pair of transparent substrates, the critical surface tensions of two surface patterns having different critical surface tensions in each surface layer are equal. It is characterized in that a certain pattern is arranged so as to be substantially opposed to each other.

また、本発明は、回折素子を用いて入射光を偏光方向に応じて選択的に透過もしくは回折させるように構成した偏光選択装置であって、
前記回折素子が、請求項1〜13のいずれかに記載の回折素子であることを特徴とする偏光選択装置に係るものである。
Further, the present invention is a polarization selection device configured to selectively transmit or diffract incident light according to a polarization direction using a diffraction element,
The diffractive element is a diffractive element according to any one of claims 1 to 13, and relates to a polarization selection device.

ここで、前記入射光を偏光方向に応じて異なる方向に反射分離するようにしたことを特徴とする。   Here, the incident light is reflected and separated in different directions according to the polarization direction.

本発明における異なる光学的異方性領域(第1領域と第2領域)の周期構造からなる液晶層を備えた構成とすれば、構造が簡単でありながら良好な回折効率を有するとともに、簡便でしかも低コストで生産することが可能な回折素子を提供することができる。
特に、第1領域と第2領域の配向状態を制御することによって、さらに回折効率を向上させることができるとともに、回折素子の製造を簡便とすることができる。
The structure having a liquid crystal layer composed of a periodic structure of different optically anisotropic regions (first region and second region) in the present invention has a simple diffraction structure and a good diffraction efficiency. In addition, a diffraction element that can be produced at low cost can be provided.
In particular, by controlling the orientation state of the first region and the second region, it is possible to further improve the diffraction efficiency and simplify the manufacture of the diffraction element.

上記配向状態の制御は、透明基板の表面に臨界表面張力の異なる2つの表面パターンを有する表面層を形成することによって実現でき、このような表面層は、エネルギーの付与により臨界表面張力が変化する材料を用いるか、臨界表面張力の異なる2種類の材料を用いて形成される。材料としては、任意の臨界表面張力に対応したパターンが作製できる側鎖に疎水性基を有する高分子材料、特に、信頼性の点からポリイミドが好適である。
また、一対の透明基板の各対向基板面に透明電極を備えた構成とすれば、回折状態と非回折状態を切り替え可能とする回折素子を提供することができる。
Control of the orientation state can be realized by forming a surface layer having two surface patterns having different critical surface tensions on the surface of the transparent substrate, and the critical surface tension of such a surface layer is changed by applying energy. It is formed by using materials or two kinds of materials having different critical surface tensions. As a material, a polymer material having a hydrophobic group in a side chain capable of producing a pattern corresponding to an arbitrary critical surface tension, particularly polyimide is preferable from the viewpoint of reliability.
Further, if the transparent substrate is provided on each counter substrate surface of the pair of transparent substrates, it is possible to provide a diffractive element capable of switching between a diffracted state and a non-diffracted state.

さらに、本発明における製造方法によれば、生産性が優れ、簡便でしかも低コストで回折素子を製造することが可能である。   Furthermore, according to the manufacturing method of the present invention, it is possible to manufacture a diffraction element with excellent productivity, simple and low cost.

また、本発明における偏光選択装置によれば、偏光選択性に優れ、入射光を偏光方向に応じて異なる方向に反射分離することもでき、薄型、小型かつ低コストで製造できるため、投射型ディスプレイ等における偏光分離素子として使用することが可能である。   In addition, according to the polarization selection device of the present invention, the projection type display has excellent polarization selectivity, and can reflect and separate incident light in different directions according to the polarization direction, and can be manufactured thin, small and low cost. It can be used as a polarization beam splitting element.

前述のように本発明の回折素子は、一対の透明基板の間に化学組成が均一で同一相からなる液晶層が設けられており、この液晶層は、光学的異方性を有する第1の領域(第1領域と省略)と、該第1領域とは異なる光学的異方性を有する第2の領域(第2領域と省略)とが所定周期をもって繰り返し配列されて構成されていることを特徴とするものである。
なお、上記「化学組成が均一で同一相」とあるのを、以降、「単一相」と表現することがある。すなわち、液晶層が単一相から構成されるとは、液晶層を構成する材料がほぼ均一な化学組成を有し、同一の相を呈することを意味する。
As described above, in the diffraction element of the present invention, a liquid crystal layer having a uniform chemical composition and the same phase is provided between a pair of transparent substrates. This liquid crystal layer has a first optical anisotropy. A region (abbreviated as the first region) and a second region (abbreviated as the second region) having optical anisotropy different from the first region are repeatedly arranged with a predetermined period. It is a feature.
In addition, the above-mentioned “chemical composition is uniform and the same phase” may be hereinafter referred to as “single phase”. That is, that the liquid crystal layer is composed of a single phase means that materials constituting the liquid crystal layer have a substantially uniform chemical composition and exhibit the same phase.

図1は、本発明における回折素子の構成を模式的に示す断面図と上面図である。
図1において、一対の透明基板(1a、1b)の間に液晶層(2)が充填されている。そして、液晶層(2)は、光学的異方性を有する第1の領域(第1領域(3a))と光学的異方性を有する第2の領域(第2領域(3b))から構成されている。
このように、第1領域(3a)と第2領域(3b)は、所定の周期で配列された周期構造を有し、基板面に水平であって周期方向に直交する方向(図1の上面図における延在方向)に延長した構造に形成されている。周期構造の周期ピッチは、入射光の波長や所望する回折角によって異なるが、概ね0.2〜10μm程度である。回折素子に対して入射する光線は、第1領域と第2領域における屈折率の差によって回折される。
FIG. 1 is a cross-sectional view and a top view schematically showing the configuration of a diffraction element in the present invention.
In FIG. 1, a liquid crystal layer (2) is filled between a pair of transparent substrates (1a, 1b). The liquid crystal layer (2) includes a first region having optical anisotropy (first region (3a)) and a second region having optical anisotropy (second region (3b)). Has been.
Thus, the first region (3a) and the second region (3b) have a periodic structure arranged with a predetermined period, and are horizontal to the substrate surface and perpendicular to the periodic direction (the upper surface of FIG. 1). It is formed in a structure extending in the extending direction in the figure. Although the periodic pitch of the periodic structure varies depending on the wavelength of incident light and a desired diffraction angle, it is about 0.2 to 10 μm. Light rays incident on the diffractive element are diffracted by the difference in refractive index between the first region and the second region.

図1に示すように、本発明の回折素子は、液晶層2が単一相からなる簡易な構造であり、しかも第1領域および第2領域が所定周期で繰り返し配列された構造であるため、良好な回折効率を実現することができる。   As shown in FIG. 1, the diffraction element of the present invention has a simple structure in which the liquid crystal layer 2 is composed of a single phase, and the first region and the second region are repeatedly arranged at a predetermined period. Good diffraction efficiency can be realized.

本発明において、使用する液晶の種類としては、ネマティック、スメクティック、コレステリックのいずれでもよく、従来公知の材料単体あるいは混合物を用いることができる。回折素子の屈折率変調を大きくするためには、屈折率異方性、すなわち常光屈折率と異常光屈折率の差が大きな材料を選択することが好ましい。   In the present invention, the type of liquid crystal used may be nematic, smectic, or cholesteric, and a conventionally known material alone or a mixture may be used. In order to increase the refractive index modulation of the diffractive element, it is preferable to select a material having a large refractive index anisotropy, that is, a difference between the ordinary light refractive index and the extraordinary light refractive index.

なお、透明基板としては、液晶表示素子の基板として用いられるようなガラスやプラスチック製のものを用いることができる。   As the transparent substrate, a glass or plastic substrate used as a substrate of a liquid crystal display element can be used.

また、液晶層の厚みは、図示していないスペーサーによって制御されている。スペーサー部材は従来の液晶素子に用いられているのと同様の球形スペーサー、ファイバースペーサー、ポストスペーサー、フィルムスペーサー等を用いることができる。スペーサー部材の高さは、回折光の波長と、液晶層の各領域の光学特性に応じて適宜設定される。   The thickness of the liquid crystal layer is controlled by a spacer not shown. As the spacer member, the same spherical spacer, fiber spacer, post spacer, film spacer and the like as those used in conventional liquid crystal elements can be used. The height of the spacer member is appropriately set according to the wavelength of the diffracted light and the optical characteristics of each region of the liquid crystal layer.

前記第1領域と第2領域は、互いに異なった光学的異方性を有していれば、その内部の形態について制限は無いが、より良好な回折効率を実現するという目的を達成するために好ましい形態について以降に詳述する。   As long as the first region and the second region have different optical anisotropies, there is no limitation on the internal form thereof, but in order to achieve the object of realizing better diffraction efficiency A preferred embodiment will be described in detail below.

図2の模式図に、本発明における回折素子の第1領域と第2領域の形態例(I)を示す。
図2において、一対の透明基板(21a、21b)を構成する一方の基板(21a)界面近傍で、第1領域(23a)中の液晶の長軸方向が基板(21a)界面に対して略水平に配向し、第2領域(23b)中の液晶の長軸方向が基板(21a)界面に対して略垂直に配向しており、他方の基板(21b)界面近傍で、第1領域(23a)中および第2領域(23b)中の液晶の長軸方向が基板(21b)界面に対して略垂直に配向している。
なお、以降「液晶の長軸方向」を「液晶ダイレクター」と呼称することがある。
In the schematic diagram of FIG. 2, the example (I) of the 1st area | region and 2nd area | region of the diffraction element in this invention is shown.
In FIG. 2, in the vicinity of the interface of one substrate (21a) constituting the pair of transparent substrates (21a, 21b), the major axis direction of the liquid crystal in the first region (23a) is substantially horizontal with respect to the interface of the substrate (21a). The major axis direction of the liquid crystal in the second region (23b) is aligned substantially perpendicular to the interface of the substrate (21a), and in the vicinity of the interface of the other substrate (21b), the first region (23a) The major axis direction of the liquid crystal in the middle and second regions (23b) is aligned substantially perpendicular to the interface of the substrate (21b).
Hereinafter, the “major axis direction of liquid crystal” may be referred to as “liquid crystal director”.

すなわち、第1領域(23a)では、液晶ダイレクターが上下基板の間で水平配向から垂直配向へと連続的に変化するハイブリッド配向状態を採り、第2領域(23b)ではホメオトロピック配向状態をとるため、互いに屈折率の異なる2つの領域が周期的に配列している回折素子となり、この素子に入射した光は回折される。   That is, in the first region (23a), the liquid crystal director adopts a hybrid alignment state in which the liquid crystal director continuously changes from horizontal alignment to vertical alignment between the upper and lower substrates, and the second region (23b) takes a homeotropic alignment state. Therefore, a diffractive element in which two regions having different refractive indexes are periodically arranged is obtained, and light incident on this element is diffracted.

このような回折素子の構造により、簡易な構造でより良好な回折効率を実現することができる。
また、後述の方法により製造する場合、上下基板の貼り合わせ工程において精密な位置合せが不要のため、一方の透明基板にライン状の水平配向処理と垂直配向処理を所定周期で施し、他方の透明基板には垂直配向処理を施すだけで簡便に製造することができる。
With such a diffraction element structure, better diffraction efficiency can be achieved with a simple structure.
In addition, when manufacturing by the method described later, precise alignment is not required in the bonding process of the upper and lower substrates, so that one transparent substrate is subjected to line-shaped horizontal alignment processing and vertical alignment processing at a predetermined cycle, and the other transparent substrate is transparent. The substrate can be easily manufactured simply by performing a vertical alignment treatment.

図3の模式図に、本発明における回折素子の第1領域と第2領域の別の形態例(II)を示す。
図3において、一対の透明基板(31a、31b)を構成する一方の基板(31a)界面近傍で、第1領域(33a)中の液晶の長軸方向が基板界面に対して略水平に配向し、第2領域(33b)中の液晶の長軸方向が基板界面に対して略垂直に配向しており、他方の基板(31b)界面近傍で、第1領域(33a)中および第2領域(33b)中の液晶の長軸方向が基板界面に対して略水平に配向している。
The schematic diagram of FIG. 3 shows another example (II) of the first region and the second region of the diffraction element in the present invention.
In FIG. 3, in the vicinity of the interface of one substrate (31a) constituting the pair of transparent substrates (31a, 31b), the major axis direction of the liquid crystal in the first region (33a) is aligned substantially horizontally with respect to the substrate interface. The major axis direction of the liquid crystal in the second region (33b) is aligned substantially perpendicular to the substrate interface, and in the vicinity of the other substrate (31b) interface, the first region (33a) and the second region ( The major axis direction of the liquid crystal in 33b) is aligned substantially horizontally with respect to the substrate interface.

すなわち、第1領域(33a)では液晶ダイレクターが上下基板の間で水平配向状態を採り、第2領域(33b)では上下基板の間で垂直配向から水平配向へと連続的に変化するハイブリッド配向状態を採るため、互いに屈折率の異なる2つの領域が周期的に配列している回折素子となり、この素子に入射した光は回折される。   That is, in the first region (33a), the liquid crystal director takes a horizontal alignment state between the upper and lower substrates, and in the second region (33b), the hybrid alignment continuously changes from the vertical alignment to the horizontal alignment between the upper and lower substrates. In order to take a state, it becomes a diffraction element in which two regions having different refractive indexes are periodically arranged, and light incident on this element is diffracted.

このような回折素子の構造は、前記図1と同様に簡易な構造であり、より良好な回折効率を実現することができる。また、後述の方法により製造する場合、上下基板の貼り合わせ工程において精密な位置合せが不要のため、一方の透明基板にライン状の水平配向処理と垂直配向処理を所定周期で施し、他方の透明基板には水平配向処理を施すだけで、簡便に製造することができる。   The structure of such a diffractive element is a simple structure as in FIG. 1, and better diffraction efficiency can be realized. In addition, when manufacturing by the method described later, precise alignment is not required in the bonding process of the upper and lower substrates, so that one transparent substrate is subjected to line-shaped horizontal alignment processing and vertical alignment processing at a predetermined cycle, and the other transparent substrate is transparent. The substrate can be easily manufactured simply by performing a horizontal alignment treatment.

図4の模式図に、本発明における回折素子の第1領域と第2領域の別の形態例(III)を示す。
図4において、一対の透明基板を構成する双方の基板(31a、31b)界面近傍で、第1領域(33a)中の液晶の長軸方向が各基板(31a、31b)界面に対して略水平に配向し、第2領域(33b)中の液晶の長軸方向が各基板(31a、31b)界面に対して略垂直に配向している。
The schematic diagram of FIG. 4 shows another embodiment (III) of the first region and the second region of the diffraction element in the present invention.
In FIG. 4, the major axis direction of the liquid crystal in the first region (33a) is substantially horizontal to the interface of each substrate (31a, 31b) in the vicinity of the interface between both substrates (31a, 31b) constituting the pair of transparent substrates. The major axis direction of the liquid crystal in the second region (33b) is aligned substantially perpendicular to the interface of each substrate (31a, 31b).

すなわち、第1領域(33a)では液晶ダイレクターが水平配向状態を採り、第2領域(33b)ではホメオトロピック配向状態を採るため、互いに屈折率の異なる2つの領域が周期的に配列している回折素子となり、この素子に入射した光は回折される。この場合、第1領域(33a)の実質的な屈折率は液晶分子の異常光屈折率(ne )に近い値となり、第2領域(33b)の実質的な屈折率は液晶分子の常光屈折率(no)に近い値となるため、二つの領域の屈折率差が大きくなる。   That is, in the first region (33a), the liquid crystal director adopts a horizontal alignment state, and in the second region (33b), a homeotropic alignment state is adopted. Therefore, two regions having different refractive indexes are periodically arranged. A diffractive element is formed, and light incident on the element is diffracted. In this case, the substantial refractive index of the first region (33a) is close to the extraordinary refractive index (ne) of the liquid crystal molecules, and the substantial refractive index of the second region (33b) is the ordinary refractive index of the liquid crystal molecules. Since the value is close to (no), the difference in refractive index between the two regions becomes large.

したがって、このような回折素子は、前記図1と同様に簡易な構造であり、図2、図3に示した回折素子よりも屈折率変調が大きくなり、回折効率がより良好な回折素子とすることができる。そして、このような構造の回折素子は、後述の方法により製造する場合、双方の透明基板にライン状の水平配向処理と垂直配向処理を所定周期で施しておくことにより簡便に作製することは可能であるが、上下基板の貼り合わせ時には所望の構造を得るために適当な位置合せをする必要がある。   Therefore, such a diffractive element has a simple structure as in FIG. 1, and has a refractive index modulation larger than that of the diffractive element shown in FIGS. be able to. When the diffraction element having such a structure is manufactured by a method described later, it can be easily manufactured by performing a linear alignment process and a vertical alignment process in a predetermined cycle on both transparent substrates. However, at the time of bonding the upper and lower substrates, it is necessary to perform proper alignment in order to obtain a desired structure.

図5の模式図に、図3、4における回折素子の第1領域の配向例を示す。
図5に示すように、透明基板(31a、31b)界面に対して略水平に配向している第1領域(33a)中の液晶の各長軸方向が、該第1領域(33a)の延在方向において略同一方向に揃って配向していることが好ましい。
このような構造の回折素子は、上下の基板の水平配向処理を、貼り合せたときにそれらの配向処理方向が反平行となるように行うことによって作製することができる。
The schematic diagram of FIG. 5 shows an example of the orientation of the first region of the diffractive element in FIGS.
As shown in FIG. 5, each major axis direction of the liquid crystal in the first region (33a) oriented substantially horizontally with respect to the interface of the transparent substrate (31a, 31b) is the extension of the first region (33a). It is preferable that they are aligned in substantially the same direction in the present direction.
A diffractive element having such a structure can be produced by performing a horizontal alignment process on the upper and lower substrates so that the alignment process directions are antiparallel when bonded.

このような構成とすることにより、第1領域では液晶ダイレクターが基板に水平かつ同一の方向に揃ったホモジーニアス配向状態を採り、第2領域(33b)では、ホメオトロピック配向状態を採る回折素子となる。
この場合、入射光の、第1領域の液晶ダイレクター方向と同じ方向に振動する偏光成分は、二つの領域の屈折率差を大きく感じるために回折効率が高く、逆に、第1領域の液晶ダイレクター方向と直交する方向に振動する偏光成分は二つの領域の屈折率差を特に小さく感じるため回折効率が小さくなる。このような効果を利用することによって、本発明における回折素子に偏光選択性を付与することができる。
By adopting such a configuration, a diffraction element in which the liquid crystal director is in a homogeneous alignment state that is aligned horizontally and in the same direction with respect to the substrate in the first region, and a homeotropic alignment state in the second region (33b). It becomes.
In this case, the polarization component of the incident light that vibrates in the same direction as the liquid crystal director direction in the first region has a high diffraction efficiency because it feels a large difference in refractive index between the two regions, and conversely, the liquid crystal in the first region. Since the polarization component that vibrates in the direction orthogonal to the director direction feels the difference in refractive index between the two regions to be particularly small, the diffraction efficiency decreases. By utilizing such an effect, polarization selectivity can be imparted to the diffraction element of the present invention.

さらに、図5における双方の基板近傍での第1領域(33a)の液晶ダイレクターが、第1領域の延在方向に対して略平行または略直角に配向していることが好ましい。
図6の模式図に、図5における第1領域(33a)の液晶ダイレクターが、第1領域の延在方向に対して略平行(a)または略直角(b)に配向している状態を示す。
Furthermore, it is preferable that the liquid crystal directors in the first region (33a) in the vicinity of both substrates in FIG. 5 are aligned substantially parallel or substantially perpendicular to the extending direction of the first region.
In the schematic diagram of FIG. 6, the liquid crystal director in the first region (33a) in FIG. 5 is oriented substantially parallel (a) or substantially perpendicular (b) to the extending direction of the first region. Show.

第1領域において液晶ダイレクターが、同領域の延在方向に対して略平行に配向している図6(a)の場合、第1領域(33a)および第2領域(33b)の屈折率はいずれも液晶の常光屈折率(no)にほぼ等しくなる。このため、p偏光の入射光に対して、二つの領域の屈折率差が感じられないため、回折は生じず、一方、s偏光の入射光に対しては、第1領域(33a)の屈折率(異常光屈折率ne)と第2領域(33b)の屈折率(常光屈折率no)の差を感じて回折する。このような効果によって、s偏光を選択的に回折する回折素子となる。   In the case of FIG. 6A in which the liquid crystal directors are oriented substantially parallel to the extending direction of the first region in the first region, the refractive indexes of the first region (33a) and the second region (33b) are Both are almost equal to the ordinary light refractive index (no) of the liquid crystal. For this reason, the difference in refractive index between the two regions is not perceived with respect to p-polarized incident light, so that diffraction does not occur. The diffraction is performed by feeling the difference between the refractive index (abnormal light refractive index ne) and the refractive index (ordinary light refractive index no) of the second region (33b). With such an effect, a diffraction element that selectively diffracts s-polarized light is obtained.

また、第1領域において液晶ダイレクターが、同領域の延在方向に対して略垂直に配向している図6(b)の場合、s偏光の入射光に対しては、第1領域(33a)および第2領域(33b)の屈折率はいずれも液晶の常光屈折率(no)にほぼ等しくなるため、二つの領域の屈折率差が感じられないため、回折は生じず、一方、p偏光の入射光に対しては、第1領域(33a)の屈折率(異常光屈折率ne)と第2領域(33b)の屈折率(常光屈折率no)の差を感じて回折する。このような効果によって、p偏光を選択的に回折する回折素子となる。   In the case of FIG. 6B in which the liquid crystal directors are aligned substantially perpendicular to the extending direction of the first region in the first region, the first region (33a) is used for incident light of s-polarized light. ) And the second region (33b) are almost equal to the ordinary refractive index (no) of the liquid crystal, so that no difference in refractive index between the two regions is felt, so that no diffraction occurs, whereas p-polarized light Is diffracted by feeling the difference between the refractive index (abnormal light refractive index ne) of the first region (33a) and the refractive index (ordinary light refractive index no) of the second region (33b). By such an effect, a diffractive element that selectively diffracts p-polarized light is obtained.

s偏光、p偏光のいずれを選択的に回折する回折素子でも、用いる液晶の屈折率異方性Δnが大きなものを選ぶことによって、素子の厚みを薄くすることができる。素子の厚みを薄くすることにより、回折効率の角度依存性がさらに小さくなり、実用的な非平行光に対する光利用効率がさらに向上する。   For a diffractive element that selectively diffracts either s-polarized light or p-polarized light, the thickness of the element can be reduced by selecting a liquid crystal that has a large refractive index anisotropy Δn. By reducing the thickness of the element, the angle dependency of diffraction efficiency is further reduced, and the light utilization efficiency for practical non-parallel light is further improved.

なお、前記図2〜6における第1領域と第2領域の液晶の配向処理方法としては、従来公知の方法を用いることができ、例えば、ラビング法、薬品処理、SiO斜方蒸着などが適用できるが、中でも簡便かつ低コスト処理が可能なラビング法が好ましい。   In addition, as a method for aligning the liquid crystal in the first region and the second region in FIGS. 2 to 6, conventionally known methods can be used, for example, rubbing method, chemical treatment, SiO oblique deposition, etc. can be applied. However, a rubbing method capable of simple and low-cost treatment is particularly preferable.

また本発明の回折素子の構成として、一対の透明基板と液晶層とが接する少なくとも一方の透明基板面に、臨界表面張力の異なる2つの表面パターンが所定周期をもって配列した表面層を設けることができる。
図7の模式図に、本発明における臨界表面張力の異なる2つの表面パターンが所定周期をもって配列した表面層を有する回折素子の一例を示す。
As a configuration of the diffraction element of the present invention, a surface layer in which two surface patterns having different critical surface tensions are arranged with a predetermined period can be provided on at least one transparent substrate surface where a pair of transparent substrates and a liquid crystal layer are in contact with each other. .
The schematic diagram of FIG. 7 shows an example of a diffraction element having a surface layer in which two surface patterns having different critical surface tensions are arranged with a predetermined period in the present invention.

図7において、一対の透明基板(71a、71b)と液晶層(72)とが接する少なくとも一方の透明基板(例えば、71b)面に、臨界表面張力の異なる表面パターンA(74)と表面パターンB(75)が所定周期をもって配列した表面層が設けられている。
そして、この表面パターンAと表面パターンBの所定周期が、それぞれ光学的異方性を有する第1領域(73a)と第2領域(73b)の所定周期に対応するように調整されている。そして、第1領域と第2領域の液晶の長軸方向が表面パターンA、表面パターンBの界面に対応して略水平または略垂直に配向する。
In FIG. 7, the surface pattern A (74) and the surface pattern B having different critical surface tensions are formed on at least one transparent substrate (for example, 71b) surface where the pair of transparent substrates (71a, 71b) and the liquid crystal layer (72) are in contact. A surface layer in which (75) is arranged with a predetermined period is provided.
The predetermined periods of the surface pattern A and the surface pattern B are adjusted so as to correspond to the predetermined periods of the first region (73a) and the second region (73b) having optical anisotropy, respectively. Then, the major axis direction of the liquid crystal in the first region and the second region is aligned substantially horizontally or substantially vertically corresponding to the interface between the surface pattern A and the surface pattern B.

すなわち、臨界表面張力の大きな表面層(例えば、表面パターンA)の部位と、表面パターンAに比べて臨界表面張力の小さな表面層(例えば、表面パターンB)を形成する。
これにより、臨界表面張力が大きい、いわゆる濡れ性が高い表面パターンAの近傍においては、液晶ダイレクターが基板に略水平に配向し、表面パターンAに比べて臨界表面張力の小さい、いわゆる濡れ性が低い表面パターンBの近傍においては、液晶ダイレクターは基板に垂直に近い方向に配向することになる。
That is, a portion of a surface layer (for example, surface pattern A) having a large critical surface tension and a surface layer (for example, surface pattern B) having a smaller critical surface tension than surface pattern A are formed.
Thereby, in the vicinity of the surface pattern A having a large critical surface tension, that is, so-called high wettability, the liquid crystal director is oriented substantially horizontally on the substrate, and the so-called wettability having a smaller critical surface tension than the surface pattern A is obtained. In the vicinity of the low surface pattern B, the liquid crystal director is aligned in a direction close to perpendicular to the substrate.

このため、少なくとも一方の透明基板側において液晶を水平配向させたい部位には表面パターンAを、垂直配向させたい部位には表面パターンBを形成することにより、基板近傍での液晶ダイレクターを制御することができる。また、表面パターンAと表面パターンBの臨界表面張力の差を大きくすることにより、光学的異方性の異なる二つの領域の屈折率差を大きくすることができるので、回折効率の良好な回折素子とすることができる。
このように臨界表面張力の異なる2つの表面パターンを配列した表面層を設ければ、前記図2〜6に示した第1領域と第2領域からなる形態の回折素子を精密に製造することができ、回折効率がより良好で、偏光選択性を有する素子を得ることができる。
For this reason, the liquid crystal director in the vicinity of the substrate is controlled by forming the surface pattern A in the portion where the liquid crystal is to be horizontally aligned and the surface pattern B in the portion where the liquid crystal is vertically aligned on at least one transparent substrate side. be able to. In addition, by increasing the difference in critical surface tension between the surface pattern A and the surface pattern B, the difference in refractive index between two regions having different optical anisotropies can be increased. It can be.
By providing a surface layer in which two surface patterns having different critical surface tensions are arranged in this way, the diffraction element having the first region and the second region shown in FIGS. 2 to 6 can be precisely manufactured. In addition, an element having better diffraction efficiency and polarization selectivity can be obtained.

さらに本発明者らは、エネルギーを付与(例えば、紫外線等のエネルギービームを照射)することによって臨界表面張力が変化する材料を用い、透明基板上に所望のパターン、例えば、所定周期をもって配列した臨界表面張力の異なる2つの表面パターンからなる表面層を設けることにより、本発明の回折素子を作製することができることを見出した。
すなわち、付与するエネルギーを制御することによって、臨界表面張力の異なる2つの表面パターンが形成できるので、簡便かつ低コストで回折素子を製造することができる。また、好適なエネルギー付与方法は、上記紫外線照射であり、この方法でエネルギーの付与を行えば、表面パターンを効率良く形成することが可能で、しかも精細度が高い回折素子とすることができ、生産性にも優れる。
Furthermore, the present inventors use a material whose critical surface tension is changed by applying energy (for example, irradiation with an energy beam such as ultraviolet rays), and a critical pattern arranged on a transparent substrate with a predetermined period, for example, a predetermined period. It has been found that the diffraction element of the present invention can be produced by providing a surface layer composed of two surface patterns having different surface tensions.
That is, by controlling the energy to be applied, two surface patterns having different critical surface tensions can be formed, so that a diffractive element can be manufactured easily and at low cost. Further, a preferable energy application method is the above-described ultraviolet irradiation. If energy is applied by this method, a surface pattern can be efficiently formed, and a diffraction element with high definition can be obtained. Excellent productivity.

上記エネルギーの付与により臨界表面張力が変化する材料が、側鎖に疎水性基を有する高分子材料であれば、回折素子の表面層として任意の臨界表面張力に対応したパターンを作製することができるため、さらに好ましい。
このような側鎖に疎水性基を有する高分子材料としては、具体的には、図8の概念図に示すように、ポリイミドや(メタ)アクリレート等の骨格を有する主鎖Lに直接あるいは図示しない結合基を介して疎水性基を有する側鎖Rが結合しているものを挙げることができる。
If the material whose critical surface tension is changed by the application of energy is a polymer material having a hydrophobic group in the side chain, a pattern corresponding to an arbitrary critical surface tension can be produced as the surface layer of the diffraction element. Therefore, it is more preferable.
Specifically, as such a polymer material having a hydrophobic group in the side chain, as shown in the conceptual diagram of FIG. 8, it is directly or illustrated in the main chain L having a skeleton such as polyimide or (meth) acrylate. Examples thereof include those in which a side chain R having a hydrophobic group is bonded via a bonding group that is not bonded.

図中の側鎖Rの疎水性基としては、末端構造が−CF2CH3、−CF2CF3、−CF(CF3)2、−C(CF3)3、−CF2H、−CFH2等である基が挙げられる。分子鎖同士を配向しやすくするためには炭素鎖長の長い基が好ましく、炭素数4以上のものがより好ましい。さらには、アルキル基の水素原子の2個以上がフッ素原子に置換されたポリフルオロアルキル基(以下、「Rf基」と記す。)が好ましく、特に炭素数4〜20のRf基が好ましく、とりわけ、炭素数6〜12のRf基が好ましい。Rf基は直鎖構造であっても分岐構造であってもよいが、直鎖構造の方が好ましい。さらに、疎水性基は、アルキル基の水素原子の実質的に全てがフッ素原子に置換されたパーフルオロアルキル基が好ましい。パーフルオロアルキル基はCn2n+1−(ただし、nは4〜16の整数)で表わされる基が好ましく、特に、nが6〜12の整数である場合の該基が好ましい。パーフルオロアルキル基は直鎖構造であっても分岐構造であってもよく、直鎖構造が好ましい。 As the hydrophobic group of the side chain R in the figure, the terminal structure is —CF 2 CH 3 , —CF 2 CF 3 , —CF (CF 3 ) 2 , —C (CF 3 ) 3 , —CF 2 H, — Examples include groups such as CFH 2 . In order to facilitate the orientation of molecular chains, a group having a long carbon chain length is preferable, and a group having 4 or more carbon atoms is more preferable. Furthermore, a polyfluoroalkyl group in which two or more of the hydrogen atoms of the alkyl group are substituted with fluorine atoms (hereinafter referred to as “Rf group”) is preferable, and an Rf group having 4 to 20 carbon atoms is particularly preferable. The Rf group having 6 to 12 carbon atoms is preferred. The Rf group may have a linear structure or a branched structure, but a linear structure is preferred. Further, the hydrophobic group is preferably a perfluoroalkyl group in which substantially all of the hydrogen atoms of the alkyl group are substituted with fluorine atoms. The perfluoroalkyl group is preferably a group represented by C n F 2n + 1 — (where n is an integer of 4 to 16), particularly preferably when n is an integer of 6 to 12. The perfluoroalkyl group may have a linear structure or a branched structure, and a linear structure is preferred.

上記材料については、特開平3−178478号公報等に詳しく記載されて周知であり、加熱状態で液体または固体と接触させたときに親液性となり、空気中で加熱すると疎液性となる性質を有する。例えば、接触媒体の選択と熱エネルギーの付与などによって臨界表面張力を変化させることができる。   The above materials are well described in detail in JP-A-3-178478, etc., and are lyophilic when brought into contact with a liquid or solid in a heated state and become lyophobic when heated in air. Have For example, the critical surface tension can be changed by selecting a contact medium and applying thermal energy.

さらに、上記疎水性基としては、フッ素原子を含まない−CH2CH3、−CH(CH3)2、−C(CH3)3等の末端構造を有する基を挙げることができる。この場合にも、分子鎖同士を配向しやすくするためには炭素鎖長の長い基が好ましく、炭素数4以上のものがより好ましい。疎水性基は直鎖構造であっても分岐構造であってもよいが、直鎖構造の方が好ましい。 Furthermore, examples of the hydrophobic group include groups having a terminal structure such as —CH 2 CH 3 , —CH (CH 3 ) 2 , and —C (CH 3 ) 3 that do not contain a fluorine atom. Also in this case, in order to facilitate the orientation of molecular chains, a group having a long carbon chain length is preferable, and a group having 4 or more carbon atoms is more preferable. The hydrophobic group may have a linear structure or a branched structure, but a linear structure is preferred.

上記アルキル基はハロゲン原子、シアノ基、フェニル基、ヒドロキシル基、カルボキシル基また炭素数1〜12の直鎖、分岐鎖もしくは環状のアルキル基やアルコキシ基で置換されたフェニル基を含有していてもよい。Rの結合部位が多いほど表面エネルギーが低く(臨界表面張力が小さく)、疎液性となると考えられる。紫外線照射等によって、結合の一部が切断される、あるいは配向状態が変化するために臨界表面張力が増加し、親液性になるものと推察される。   The alkyl group may contain a halogen atom, a cyano group, a phenyl group, a hydroxyl group, a carboxyl group, or a phenyl group substituted with a linear, branched or cyclic alkyl group having 1 to 12 carbon atoms or an alkoxy group. Good. It is considered that the more R binding sites, the lower the surface energy (the smaller the critical surface tension) and the more lyophobic. It is presumed that, due to ultraviolet irradiation or the like, a part of the bond is broken or the orientation state changes, so that the critical surface tension increases and becomes lyophilic.

側鎖に疎水性基を有する高分子材料としては、前述のようにポリイミド骨格を含む高分子材料が好適である。ポリイミドは耐薬品性、耐熱性に優れているため、製造プロセス中において損傷を受けにくく、信頼性の高い表面層を形成することが可能である。さらに、電気絶縁性にも優れているため、例えば、透明基板表面に電極を設け、電界の印加によって前記第1領域中および第2領域中の液晶の配向方向を制御するようにした回折素子においては、ポリイミドを含む高分子材料が特に好適に用いられ、より信頼性の高い回折素子とすることができる。   As the polymer material having a hydrophobic group in the side chain, a polymer material containing a polyimide skeleton is suitable as described above. Since polyimide is excellent in chemical resistance and heat resistance, it is difficult to be damaged during the manufacturing process, and a highly reliable surface layer can be formed. Furthermore, since it is excellent in electrical insulation, for example, in a diffraction element in which an electrode is provided on the surface of a transparent substrate and the orientation direction of liquid crystals in the first region and the second region is controlled by applying an electric field. In particular, a polymer material containing polyimide is preferably used, and a more reliable diffraction element can be obtained.

また、本発明における前記臨界表面張力の異なる2つの表面パターンを有する表面層は、臨界表面張力の異なる2種類の材料により構成されていてもよい。
2種類の材料を用いて臨界表面張力の異なる表面パターンを形成する方法としては、例えば、前記図7を参考にすると、透明基板全面に表面パターンAをスピンコーティング法により形成した後、この上に所定のパターンの版を用いて表面パターンBをフレキソ印刷法で形成することができる。
In the present invention, the surface layer having two surface patterns having different critical surface tensions may be composed of two types of materials having different critical surface tensions.
As a method of forming a surface pattern having different critical surface tensions using two kinds of materials, for example, referring to FIG. 7, after forming the surface pattern A on the entire surface of the transparent substrate by the spin coating method, The surface pattern B can be formed by a flexographic printing method using a plate having a predetermined pattern.

このスピンコーティング法とフレキソ印刷法の組み合わせ以外にも、ディッピング法、インクジェット法、キャスト法、バーコート法などの塗布方法を適宜組み合わせることによって表面パターンの形成が可能である。
この2種類の材料を用いる方法は、前記エネルギー付与により臨界表面張力が変化する材料を用いる場合と比較すると、高精細なパターン形成時には不利であるが、表面パターン形成に大きなエネルギーを必要としないのでエネルギー的に有利であり、低コストで生産ができるという利点がある。
In addition to the combination of the spin coating method and the flexographic printing method, a surface pattern can be formed by appropriately combining coating methods such as a dipping method, an ink jet method, a casting method, and a bar coating method.
The method using these two kinds of materials is disadvantageous when a high-definition pattern is formed as compared with the case where a material whose critical surface tension is changed by applying the energy, but does not require a large amount of energy for forming the surface pattern. It is advantageous in terms of energy and has the advantage that it can be produced at low cost.

また、前記本発明の回折素子における一対の透明基板の各対向基板面に透明電極を設け、この透明電極に電界を印加することで、前記光学的異方性を有する第1領域と第2領域中に含まれる液晶の長軸方向の配向を制御可能とし、光が回折する状態と回折しない状態を切り替えることが可能な回折素子とすることができる。
なお、電極としては、表示素子に通常用いられるようなITO薄膜などの透明電極を使用することができる。
図9の模式図に、透明基板の各対向基板面に透明電極を設け、誘電異方性が正の液晶を使用した回折素子の液晶配向状態を示す。(a):電圧非印加状態、(b):電圧印加状態。
In addition, a transparent electrode is provided on each opposing substrate surface of the pair of transparent substrates in the diffraction element of the present invention, and an electric field is applied to the transparent electrode, whereby the first region and the second region having the optical anisotropy are provided. A diffractive element capable of controlling the alignment in the major axis direction of the liquid crystal contained therein and switching between a state where light is diffracted and a state where light is not diffracted can be obtained.
In addition, as an electrode, transparent electrodes, such as an ITO thin film normally used for a display element, can be used.
The schematic diagram of FIG. 9 shows a liquid crystal alignment state of a diffraction element in which a transparent electrode is provided on each counter substrate surface of a transparent substrate and a liquid crystal having positive dielectric anisotropy is used. (A): Voltage non-application state, (b): Voltage application state.

図9(a)のように、電極(94、95)間に電界を印加していないときには、光学的異方性を有する第1の領域(第1領域(93a))と、第1領域と異なる光学的異方性を有する第2の領域(第2領域(93b))の屈折率差により、光は回折される。
電極(94、95)間に電界を印加すると、図9(b)に示すように、第1領域および第2領域のいずれにおいても液晶ダイレクターの向きが電界方向に揃うため、各々の領域の屈折率も同等になり、光は回折されない。図9(a)に例示した以外の光学的異方性を有する回折素子においても同様に、電界印加によって液晶ダイレクターの向きが揃い、光は回折しなくなる。このようにして、電界によって光の回折、非回折を制御することができる素子を得ることができる。
As shown in FIG. 9A, when no electric field is applied between the electrodes (94, 95), a first region having optical anisotropy (first region (93a)), a first region, The light is diffracted by the refractive index difference of the second region (second region (93b)) having different optical anisotropy.
When an electric field is applied between the electrodes (94, 95), as shown in FIG. 9B, the orientation of the liquid crystal director is aligned with the electric field direction in both the first region and the second region. The refractive index is also equal, and the light is not diffracted. Similarly, in a diffractive element having optical anisotropy other than that illustrated in FIG. 9A, the direction of the liquid crystal director is aligned by applying an electric field, and light is not diffracted. In this way, an element that can control the diffraction and non-diffraction of light by an electric field can be obtained.

前述のように本発明の回折素子は、エネルギーの付与により臨界表面張力が変化する材料を用いる場合(I)と、臨界表面張力の異なる2種類の材料を用いる場合(II)のいずれを選択しても製造することが可能である。(I)および(II)それぞれの回折素子の製造工程は以下のようである。   As described above, the diffraction element of the present invention selects either the case where a material whose critical surface tension is changed by applying energy (I) or the case where two kinds of materials having different critical surface tensions are used (II). Can be manufactured. The manufacturing process of each diffraction element (I) and (II) is as follows.

<(I)の場合>
工程(1):一対の透明基板の一方または双方に、エネルギーの付与により臨界表面張力が変化する材料を用いて表面層を形成する。
工程(2):形成された表面層にエネルギーを付与し、臨界表面張力の小さい領域と大きい領域からなる2つの表面パターンを所定周期をもって形成する。
工程(3):上記表面パターンが形成された表面層に配向処理を施し、表面層が内側となるように一対の透明基板を対向配置させてセルを組み立てる。
工程(4):組み立てたセルに液晶材料を充填する。
工程(5):上記液晶材料が充填されたセルを、液晶材料が等方相となる温度まで加熱してから冷却する。
<In the case of (I)>
Step (1): A surface layer is formed on one or both of the pair of transparent substrates by using a material whose critical surface tension is changed by applying energy.
Step (2): Energy is applied to the formed surface layer, and two surface patterns composed of a region having a small critical surface tension and a region having a large critical surface tension are formed with a predetermined period.
Step (3): An orientation process is performed on the surface layer on which the surface pattern is formed, and a pair of transparent substrates are arranged to face each other so that the surface layer is on the inside, thereby assembling the cell.
Step (4): The assembled cell is filled with a liquid crystal material.
Step (5): The cell filled with the liquid crystal material is heated to a temperature at which the liquid crystal material becomes isotropic, and then cooled.

上記工程(1)〜(5)を含む一連の工程により、臨界表面張力の小さい領域と大きい領域からなる所定周期構造の表面パターンが形成でき、簡易構造でかつ回折効率が良好な回折素子を簡便にしかも低コストで製造することができる。   Through a series of steps including the above steps (1) to (5), a surface pattern having a predetermined periodic structure consisting of a region having a small critical surface tension and a region having a large critical surface tension can be formed. Moreover, it can be manufactured at low cost.

上記臨界表面張力を変化させるためのエネルギーの付与を紫外線照射によって行えば、より高精細な表面パターンを効率良く形成することが可能であり、精細度が高い回折素子とすることができ、生産性にも優れる。   If energy for changing the critical surface tension is applied by ultraviolet irradiation, a higher-definition surface pattern can be efficiently formed, and a diffraction element with higher definition can be obtained. Also excellent.

<(II)の場合>
工程(1):一対の透明基板の一方または双方に、臨界表面張力の異なる2種類の材料を用いて、臨界表面張力の小さい領域と大きい領域からなる2つの表面パターンを所定周期をもって形成する。
工程(2):上記表面パターンが形成された表面層に配向処理を施し、表面層が内側となるように一対の透明基板を対向配置させてセルを組み立てる。
工程(3):組み立てられたセルに液晶材料を充填する。
工程(4):上記液晶材料が充填されたセルを、液晶材料が等方相となる温度まで加熱してから冷却する。
<(II)>
Step (1): Two surface patterns composed of a region having a small critical surface tension and a region having a large critical surface tension are formed on one or both of the pair of transparent substrates with a predetermined period using two kinds of materials having different critical surface tensions.
Step (2): The surface layer on which the surface pattern is formed is subjected to an orientation treatment, and a pair of transparent substrates are arranged to face each other so that the surface layer is on the inside, and a cell is assembled.
Step (3): The assembled cell is filled with a liquid crystal material.
Step (4): The cell filled with the liquid crystal material is heated to a temperature at which the liquid crystal material becomes isotropic, and then cooled.

上記工程(1)〜(4)を含む一連の工程により、エネルギー的に有利な方法で臨界表面張力の小さい領域と大きい領域からなる所定周期構造の表面パターンが形成でき、簡易構造でかつ回折効率が良好な回折素子を生産性良く製造することができる。   Through a series of steps including the above steps (1) to (4), a surface pattern having a predetermined periodic structure consisting of a region having a small critical surface tension and a region having a large critical surface tension can be formed in an energetically advantageous manner, and has a simple structure and diffraction efficiency. Can be manufactured with good productivity.

また、上記(I)および(II)において、表面層における臨界表面張力の異なる2つの表面パターンの当該臨界表面張力が同等であるパターン同士を略対向するように配置構成することにより、回折効率がより一層良好で、偏光選択性を有する回折素子を生産性良く製造することができる。   In the above (I) and (II), the diffraction efficiency is improved by arranging the two surface patterns having different critical surface tensions in the surface layer so that the patterns having the same critical surface tension are substantially opposed to each other. A diffractive element that is even better and has polarization selectivity can be manufactured with high productivity.

また、前記回折素子を用いて、入射光を偏光方向に応じて選択的に透過もしくは回折させるように構成すれば、偏光選択性に優れ、薄型、小型かつ低コストで製造が可能な偏光選択装置とすることができる。ここで、入射光を偏光方向に応じて異なる方向に反射分離するように構成することもできる。   In addition, if the diffractive element is used to selectively transmit or diffract incident light in accordance with the polarization direction, the polarization selection device is excellent in polarization selectivity and can be manufactured thin, small, and at low cost. It can be. Here, it can also be configured to reflect and separate incident light in different directions depending on the polarization direction.

図10の概略模式図に、本発明における偏光選択装置の構成例を示す。
図10の偏光選択装置(101)は、前記本発明の回折格子(102)と、反射型液晶素子(103)から構成されており、反射型液晶素子は入射光側とは反対側に配設されている例である。なお、本発明は、これに限定されるものではない。
The schematic diagram of FIG. 10 shows a configuration example of the polarization selection device in the present invention.
10 includes the diffraction grating (102) of the present invention and a reflective liquid crystal element (103). The reflective liquid crystal element is disposed on the side opposite to the incident light side. This is an example. Note that the present invention is not limited to this.

図10における回折素子が、前記図6(b)に図示するような構造である場合を例として、以下説明する。
偏光選択装置(101)に対して、入射光(L)を入射させると、s偏光成分Lsは回折されずに直進し、透過する。一方、p偏光成分Lpは回折素子(102)によって回折されて、反射型液晶素子(103)に対して垂直に入射する。反射型液晶素子によりs偏光に変換されなかった反射光Lp1は、回折素子により再び回折されて元の入射光方向に戻り、反射型液晶素子によりs偏光に変換された反射光Lp2は、回折素子で回折されずに直進し、透過する。
このように、前述の回折素子(格子)は入射光のうちs偏光は透過してp偏光を回折する偏光選択装置として機能しているとともに、これを利用して、同一方向から入射した入射光を異なる方向の反射光Lp1とLp2に分離する偏光選択装置として用いることができる。従って、本発明の偏光選択装置は、投射型ディスプレイ等における偏光分離素子として使用することが可能となる。
An example in which the diffractive element in FIG. 10 has the structure shown in FIG. 6B will be described below.
When incident light (L) is incident on the polarization selection device (101), the s-polarized light component Ls travels straight without being diffracted and passes therethrough. On the other hand, the p-polarized light component Lp is diffracted by the diffractive element (102), and enters the reflective liquid crystal element (103) perpendicularly. The reflected light Lp1 that has not been converted to s-polarized light by the reflective liquid crystal element is diffracted again by the diffraction element and returns to the original incident light direction, and the reflected light Lp2 that has been converted to s-polarized light by the reflective liquid crystal element is It goes straight without being diffracted and passes through.
As described above, the above-described diffraction element (grating) functions as a polarization selection device that transmits s-polarized light and diffracts p-polarized light in incident light. Using this, incident light incident from the same direction is used. Can be used as a polarization selection device for separating the reflected light Lp1 and Lp2 in different directions. Therefore, the polarization selection device of the present invention can be used as a polarization separation element in a projection display or the like.

以下、実施例を挙げて本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
(実施例1)
まず、エネルギー付与により臨界表面張力が変化する材料として、構造中にアルキル部位を有するポリイミド樹脂を含むPIA−X491(チッソ石油化学製)を準備した。次に、上下の基板となる一対の透明電極付きガラス基板それぞれの電極形成面側にスピンコーティングにより、PIA−X491を膜厚約80nmで成膜した後210℃で焼成した。
PIA−X491を成膜したそれぞれの基板に、遮光部と透過部の幅がともに4μmで構成されたストライプ状のパターンを有する石英基板製のフォトマスクを介して、250nmにおける光強度が5mW/cm2に制御された紫外線を30分間照射した。照射量は、9J/cm2に相当する。
この紫外線照射により、臨界表面張力が約40mN/mの表面パターンと、臨界表面張力が約24mN/mの表面パターンからなるストライプ状臨界表面張力パターンを有する表面層を備えた電極付基板を作製した。続いて、双方の基板の表面層に対して、臨界表面張力のストライプ状パターンの延長方向(ストライプ状パターンの周期方向と直交する方向)と平行な方向にラビング処理を施した。
EXAMPLES Hereinafter, although an Example is given and this invention is demonstrated further more concretely, this invention is not limited to this.
Example 1
First, PIA-X491 (made by Chisso Petrochemical Co., Ltd.) containing a polyimide resin having an alkyl moiety in the structure was prepared as a material whose critical surface tension changes due to energy application. Next, PIA-X491 was formed into a film with a thickness of about 80 nm by spin coating on the electrode formation surface side of each of the pair of glass substrates with a transparent electrode serving as the upper and lower substrates, and then baked at 210 ° C.
The light intensity at 250 nm is 5 mW / cm through a quartz substrate photomask having a stripe-shaped pattern in which the widths of the light-shielding part and the transmission part are both 4 μm on each substrate on which PIA-X491 is formed. The ultraviolet rays controlled to 2 were irradiated for 30 minutes. The irradiation dose corresponds to 9 J / cm 2 .
By this ultraviolet irradiation, a substrate with an electrode provided with a surface layer having a surface pattern with a critical surface tension of about 40 mN / m and a stripe-like critical surface tension pattern composed of a surface pattern with a critical surface tension of about 24 mN / m was produced. . Subsequently, the surface layers of both substrates were rubbed in a direction parallel to the extending direction of the stripe pattern having a critical surface tension (a direction perpendicular to the periodic direction of the stripe pattern).

上記表面パターンを形成した一方の基板には、アミン硬化型のエポキシ樹脂を成分とするシール材をディスペンサーで塗布し、他方の基板には、25μm粒径の樹脂ビーズをイソプロピルアルコールを溶媒として約100個/mm2の密度で散布した。次に、表面パターンの臨界表面張力が高い部分同士を対向させ、ラビング処理を施した方向が反平行となるように基板を重ねて貼り合せ、この状態で接着剤を硬化させて空セルを作製した。
この空セルに、メルク(株)製のネマティック液晶TL−203を封入した後、ホットプレートに載せて100℃まで加熱して液晶を等方相とし、その後充分に遅い冷却速度で室温まで冷却して回折素子を作製した。
One substrate on which the surface pattern is formed is coated with a sealant containing an amine curable epoxy resin as a component, and the other substrate is made of resin beads having a particle diameter of 25 μm with isopropyl alcohol as a solvent for about 100. It sprayed with the density of the piece / mm < 2 >. Next, the parts with high critical surface tension of the surface pattern are made to face each other, the substrates are stacked and bonded so that the rubbing direction is antiparallel, and the adhesive is cured in this state to produce an empty cell did.
After nematic liquid crystal TL-203 manufactured by Merck Co., Ltd. was sealed in this empty cell, it was placed on a hot plate and heated to 100 ° C. to make the liquid crystal isotropic phase, and then cooled to room temperature at a sufficiently slow cooling rate. Thus, a diffraction element was produced.

作製した回折素子の回折効率を次の条件で測定した。
回折効率の測定には、波長442nm、出力93VのHe−Cdレーザーを用いた。
1次回折光強度が最大になる入射光角度における回折効率、すなわち、入射光強度に対する1次回折光強度の比率を求め回折効率とした。
また、入射光路中に直線偏光板と半波長板を配置し、半波長板の光軸を45度回転させることで、ホログラム素子に入射する偏光方向(p偏光、s偏光)を切り換え可能に構成し、1次回折効率の偏光選択性を比較した。
The diffraction efficiency of the produced diffraction element was measured under the following conditions.
For measuring the diffraction efficiency, a He—Cd laser having a wavelength of 442 nm and an output of 93 V was used.
The diffraction efficiency at the incident light angle at which the first-order diffracted light intensity is maximized, that is, the ratio of the first-order diffracted light intensity to the incident light intensity, was determined as the diffraction efficiency.
In addition, a linearly polarizing plate and a half-wave plate are arranged in the incident optical path, and the polarization direction (p-polarized light, s-polarized light) incident on the hologram element can be switched by rotating the optical axis of the half-wave plate by 45 degrees. The polarization selectivity of the first-order diffraction efficiency was compared.

測定の結果、s偏光の1次回折効率は21%、p偏光の1次回折効率は0.4%であり、良好な偏光選択性を示した。さらに、上下基板間に10Vの電界を印加したところ、s偏光、p偏光ともに回折効率は0%となり、電界の印加によって光を回折する状態と回折しない状態(回折の有無)を良好に切り替えることができた。   As a result of the measurement, the first-order diffraction efficiency of s-polarized light was 21%, and the first-order diffraction efficiency of p-polarized light was 0.4%, indicating good polarization selectivity. Furthermore, when an electric field of 10 V is applied between the upper and lower substrates, the diffraction efficiency is 0% for both s-polarized light and p-polarized light, and the state of diffracting light and the state of not diffracting (presence / absence of diffraction) are satisfactorily switched by applying the electric field. I was able to.

なお、s偏光の回折効率の絶対値は21%程度であるが、これは液晶層内の屈折率変調量に対して液晶層の厚みが最適化されていないことと、基板貼り合せ精度が十分でなく臨界表面張力が同等である表面パターン同士が正確に対向していない可能性があると推定される。したがって、液晶層の厚みの最適化と貼り合せ精度の向上によって、より偏光選択性が良好で、回折効率が大きな回折素子を作製することが可能である。   The absolute value of the diffraction efficiency of s-polarized light is about 21%. This is because the thickness of the liquid crystal layer is not optimized with respect to the amount of refractive index modulation in the liquid crystal layer, and the substrate bonding accuracy is sufficient. It is estimated that there is a possibility that the surface patterns having the same critical surface tension are not exactly opposed to each other. Therefore, by optimizing the thickness of the liquid crystal layer and improving the bonding accuracy, it is possible to produce a diffraction element with better polarization selectivity and higher diffraction efficiency.

(実施例2)
実施例1において、ラビング処理を、臨界表面張力のストライプ状パターンの延長方向と垂直な方向に施したこと以外は、実施例1と同様にして回折素子を作製した。
作製した回折素子を実施例1と同様に評価を行ったところ、s偏光の1次回折効率は0.4%、p偏光の1次回折効率は19%であり、良好な偏光選択性を示した。
さらに、上下基板間に10Vの電界を印加したところ、s偏光、p偏光ともに回折効率は0%となり、電界の印加によって光を回折する状態と回折しない状態を良好に切り替えることができた。
(Example 2)
In Example 1, a diffractive element was produced in the same manner as in Example 1 except that the rubbing treatment was performed in the direction perpendicular to the extending direction of the stripe pattern having the critical surface tension.
When the produced diffraction element was evaluated in the same manner as in Example 1, the first-order diffraction efficiency of s-polarized light was 0.4%, and the first-order diffraction efficiency of p-polarized light was 19%, indicating good polarization selectivity. It was.
Furthermore, when an electric field of 10 V was applied between the upper and lower substrates, the diffraction efficiency was 0% for both s-polarized light and p-polarized light, and it was possible to satisfactorily switch between the state of diffracting light and the state of not diffracting.

なお、p偏光の回折効率の絶対値は19%程度であるが、これは実施例1と同様に液晶層内の屈折率変調量に対して液晶層の厚みが最適化されていないことと、基板貼り合せ精度が十分でなく臨界表面張力が同等である表面パターン同士が正確に対向していない可能性があると推定される。したがって、実施例1と同様に液晶層の厚みの最適化と貼り合せ精度の向上によって、より偏光選択性が良好で、回折効率が大きな回折素子を作製することが可能である。   The absolute value of the diffraction efficiency of p-polarized light is about 19%. This is because the thickness of the liquid crystal layer is not optimized with respect to the amount of refractive index modulation in the liquid crystal layer, as in Example 1. It is estimated that there is a possibility that the surface patterns with insufficient substrate bonding accuracy and the same critical surface tension are not exactly facing each other. Therefore, as in Example 1, by optimizing the thickness of the liquid crystal layer and improving the bonding accuracy, it is possible to manufacture a diffraction element with better polarization selectivity and higher diffraction efficiency.

(実施例3)
エネルギー付与により臨界表面張力が変化する材料として、焼成後に下記式(1)ならびに下記式(2)で表される高分子構造体となる前駆体を溶解した混合溶液を用い、一方の透明な電極付きガラス基板の電極形成面側に、スピンコート法により塗布した後、200℃で焼成した。膜厚は約80nmであった。
(Example 3)
As a material whose critical surface tension is changed by energy application, a mixed solution in which a precursor that becomes a polymer structure represented by the following formula (1) and the following formula (2) is dissolved after firing is used. After being applied to the electrode forming surface side of the attached glass substrate by a spin coating method, it was baked at 200 ° C. The film thickness was about 80 nm.

Figure 2006215186
Figure 2006215186

Figure 2006215186
Figure 2006215186

上記成膜した一方の基板に、実施例1と同様に遮光部と透過部の幅がともに4μmで構成されたストライプ状のパターンを有する石英基板製のフォトマスクを介して、250nmにおける光強度が5mW/cm2に制御された紫外線を30分間照射(照射量:9J/cm2)した。 The light intensity at 250 nm is applied to one of the deposited substrates through a quartz substrate photomask having a stripe pattern in which both the light-shielding portion and the transmission portion have a width of 4 μm, as in Example 1. Ultraviolet rays controlled to 5 mW / cm 2 were irradiated for 30 minutes (irradiation amount: 9 J / cm 2 ).

この紫外線照射により、臨界表面張力が約40mN/mの表面パターンと、臨界表面張力が約24mN/mの表面パターンからなるストライプ状臨界表面張力パターンを有する表面層を備えた電極付基板を作製した。続いて、臨界表面張力のストライプ状パターンの延長方向(ストライプ状パターンの周期方向と直交する方向)と平行な方向にラビング処理を施した。   By this ultraviolet irradiation, a substrate with an electrode provided with a surface layer having a surface pattern with a critical surface tension of about 40 mN / m and a stripe-like critical surface tension pattern consisting of a surface pattern with a critical surface tension of about 24 mN / m was produced. . Subsequently, a rubbing treatment was performed in a direction parallel to the extending direction of the stripe pattern having a critical surface tension (a direction perpendicular to the periodic direction of the stripe pattern).

次に、他方の透明な電極付きガラス基板の電極形成面側には、AL−3046(JSR製)を用いて、ポリイミド樹脂からなる薄膜を厚さ60nmで成膜した後、ラビング処理を施した。   Next, a thin film made of polyimide resin was formed at a thickness of 60 nm on the electrode forming surface side of the other transparent glass substrate with electrodes using AL-3046 (manufactured by JSR), and then a rubbing treatment was performed. .

実施例1と同様に、ストライプ状臨界表面張力パターンを有する基板に、アミン硬化型のエポキシ樹脂を成分とするシール材をディスペンサーで塗布し、他方の基板には、30μm粒径の樹脂ビーズをイソプロピルアルコールを溶媒として約100個/mm2の密度で散布した。2枚の基板を対向させ、ラビング処理を施した方向が反平行となるように基板を重ねて貼り合せ、この状態で接着剤を硬化させて空セルを作製した。
この空セルに、メルク(株)製のネマティック液晶TL−203を封入した後、ホットプレートに載せて100℃まで加熱して液晶を等方相とし、その後充分に遅い冷却速度で室温まで冷却して回折素子を作製した。
As in Example 1, a sealing material containing an amine curable epoxy resin as a component was applied to a substrate having a striped critical surface tension pattern with a dispenser, and resin beads having a particle diameter of 30 μm were applied to the other substrate with isopropyl. Alcohol was sprayed at a density of about 100 pieces / mm 2 as a solvent. Two substrates were made to face each other, the substrates were stacked and bonded so that the rubbing direction was antiparallel, and in this state, the adhesive was cured to produce an empty cell.
After nematic liquid crystal TL-203 manufactured by Merck Co., Ltd. was sealed in this empty cell, it was placed on a hot plate and heated to 100 ° C. to make the liquid crystal isotropic phase, and then cooled to room temperature at a sufficiently slow cooling rate. Thus, a diffraction element was produced.

実施例1と同様に評価を行ったところ、s偏光の1次回折効率は18%、p偏光の1次回折効率は0.5%であり、良好な偏光選択性を示した。   When evaluated in the same manner as in Example 1, the first-order diffraction efficiency of s-polarized light was 18%, and the first-order diffraction efficiency of p-polarized light was 0.5%, indicating good polarization selectivity.

(実施例4)
実施例1において透明電極を設けないガラス基板を用いたこと以外は、実施例1と同様にして回折素子を作製し、実施例1と同様に作製した回折素子の回折効率を評価した。
測定の結果、s偏光の1次回折効率は21%、p偏光の1次回折効率は0.4%であり、良好な偏光選択性を示した。
Example 4
A diffraction element was produced in the same manner as in Example 1 except that a glass substrate without a transparent electrode was used in Example 1, and the diffraction efficiency of the diffraction element produced in the same manner as in Example 1 was evaluated.
As a result of the measurement, the first-order diffraction efficiency of s-polarized light was 21%, and the first-order diffraction efficiency of p-polarized light was 0.4%, indicating good polarization selectivity.

(実施例5)
実施例3において透明電極を設けないガラス基板を用いたこと以外は、実施例3と同様にして回折素子を作製し、実施例1と同様に作製した回折素子の回折効率を評価した。
測定の結果、s偏光の1次回折効率は18%、p偏光の1次回折効率は0.5%であり、良好な偏光選択性を示した。
(Example 5)
A diffraction element was produced in the same manner as in Example 3 except that a glass substrate without a transparent electrode was used in Example 3, and the diffraction efficiency of the diffraction element produced in the same manner as in Example 1 was evaluated.
As a result of the measurement, the first-order diffraction efficiency of s-polarized light was 18%, and the first-order diffraction efficiency of p-polarized light was 0.5%, indicating good polarization selectivity.

上記実施例1〜5の結果から、本発明の回折素子は、構造が簡単でありながら良好な回折効率を有するとともに、簡便でしかも低コストで生産することが可能である。   From the results of Examples 1 to 5, the diffractive element of the present invention has a simple structure and good diffraction efficiency, and can be produced easily and at low cost.

(実施例6)
前記図10と同様に本発明の回折格子と反射型液晶素子から構成された偏光選択装置を作製した。
この偏光選択装置について評価した結果、入射光のうちs偏光は透過してp偏光を回折する偏光選択性を示すとともに、入射光を異なる方向の反射光Lp1とLp2として分離する機能を有することが確認された。これらの評価から、投射型ディスプレイ等における偏光分離素子として使用することが可能であることが分った。
(Example 6)
As in the case of FIG. 10, a polarization selection device composed of the diffraction grating of the present invention and a reflective liquid crystal element was produced.
As a result of evaluating this polarized light selection device, it has a polarization selectivity that transmits s-polarized light and diffracts p-polarized light in incident light, and has a function of separating incident light as reflected light Lp1 and Lp2 in different directions. confirmed. From these evaluations, it was found that it can be used as a polarization separation element in a projection display or the like.

本発明における回折素子の構成を模式的に示す断面図と上面図である。It is sectional drawing and the top view which show typically the structure of the diffraction element in this invention. 本発明における回折素子の第1領域と第2領域の形態例(I)を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the example (I) of the 1st area | region and 2nd area | region of a diffraction element in this invention. 本発明における回折素子の第1領域と第2領域の別の形態例(II)を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows another example (II) of the 1st area | region and 2nd area | region of a diffraction element in this invention. 本発明における回折素子の第1領域と第2領域の別の形態例(III)を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows another example (III) of the 1st area | region and 2nd area | region of a diffraction element in this invention. 図3、4における回折素子の第1領域の配向例を示す模式図である。FIG. 5 is a schematic diagram illustrating an example of orientation of a first region of the diffraction element in FIGS. 図5における第1領域の液晶ダイレクターが、第1領域の延在方向に対して略平行(a)または略直角(b)に配向している状態を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the state which the liquid crystal director of the 1st area | region in FIG. 5 has orientated substantially parallel (a) or substantially right angle (b) with respect to the extending direction of a 1st area | region. 本発明における臨界表面張力の異なる2つの表面パターンが所定周期をもって配列した表面層を有する回折素子の一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of the diffraction element which has a surface layer in which two surface patterns from which critical surface tension differs in this invention were arranged with the predetermined period. 本発明における側鎖に疎水性基を有する高分子材料を説明するための概念図である。It is a conceptual diagram for demonstrating the polymeric material which has a hydrophobic group in the side chain in this invention. 透明基板の各対向基板面に透明電極を設け誘電異方性が正の液晶を使用した回折素子の電圧非印加(a)と電圧印加(b)での液晶配向状態を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the liquid crystal orientation state by the voltage non-application (a) and voltage application (b) of the diffraction element which provided the transparent electrode in each opposing board | substrate surface of a transparent substrate, and used the liquid crystal with positive dielectric anisotropy. 本発明における偏光選択装置の構成例を示す概略模式図である。It is a schematic diagram which shows the structural example of the polarization | polarized-light selection apparatus in this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1a、1b 透明基板
2 液晶層
3a 第1領域
3b 第2領域
21a、21b 透明基板
22 液晶層
23a 第1領域
23b 第2領域
31a、31b 透明基板
32 液晶層
33a 第1領域
33b 第2領域
71a、71b 透明基板
72 液晶層
73a 第1領域
73b 第2領域
74 表面パターンA
75 表面パターンB
91a、91b 透明基板
92 液晶層
93a 第1領域
93b 第2領域
94、95 電極
101 偏光選択装置
102 回折素子
103 反射型液晶素子

DESCRIPTION OF SYMBOLS 1a, 1b Transparent substrate 2 Liquid crystal layer 3a 1st area | region 3b 2nd area | region 21a, 21b Transparent substrate 22 Liquid crystal layer 23a 1st area | region 23b 2nd area | region 31a, 31b Transparent substrate 32 Liquid crystal layer 33a 1st area | region 33b 2nd area | region 71a, 71b Transparent substrate 72 Liquid crystal layer 73a First region 73b Second region 74 Surface pattern A
75 Surface pattern B
91a, 91b Transparent substrate 92 Liquid crystal layer 93a First region 93b Second region 94, 95 Electrode 101 Polarization selector 102 Diffraction element 103 Reflective liquid crystal element

Claims (19)

一対の透明基板の間に化学組成が均一で同一相からなる液晶層が設けられた回折素子であって、
前記液晶層は、光学的異方性を有する第1の領域(第1領域)と、該第1領域とは異なる光学的異方性を有する第2の領域(第2領域)とが所定周期をもって配列されていることを特徴とする回折素子。
A diffractive element in which a liquid crystal layer having a uniform chemical composition and the same phase is provided between a pair of transparent substrates,
In the liquid crystal layer, a first region (first region) having optical anisotropy and a second region (second region) having optical anisotropy different from the first region have a predetermined period. A diffractive element characterized by being arranged.
前記一対の透明基板を構成する一方の基板界面近傍において、第1領域中の液晶の長軸方向が基板界面に対して略水平に配向し、第2領域中の液晶の長軸方向が基板界面に対して略垂直に配向しているとともに、
前記一対の透明基板を形成する他方の基板界面近傍において、第1領域中および第2領域中の液晶の長軸方向が基板界面に対して略垂直に配向していることを特徴とする請求項1に記載の回折素子。
In the vicinity of one substrate interface constituting the pair of transparent substrates, the major axis direction of the liquid crystal in the first region is aligned substantially horizontally with respect to the substrate interface, and the major axis direction of the liquid crystal in the second region is the substrate interface. Is oriented substantially perpendicular to the
The major axis direction of the liquid crystal in the first region and the second region is aligned substantially perpendicular to the substrate interface in the vicinity of the other substrate interface forming the pair of transparent substrates. The diffraction element according to 1.
前記一対の透明基板を構成する一方の基板界面近傍において、第1領域中の液晶の長軸方向が基板界面に対して略水平に配向し、第2領域中の液晶の長軸方向が基板界面に対して略垂直に配向しているとともに、
前記一対の透明基板を形成する他方の基板界面近傍において、第1領域中および第2領域中の液晶の長軸方向が基板界面に対して略水平に配向していることを特徴とする請求項1に記載の回折素子。
In the vicinity of one substrate interface constituting the pair of transparent substrates, the major axis direction of the liquid crystal in the first region is aligned substantially horizontally with respect to the substrate interface, and the major axis direction of the liquid crystal in the second region is the substrate interface. Is oriented substantially perpendicular to the
The major axis direction of the liquid crystal in the first region and the second region is aligned substantially horizontally with respect to the substrate interface in the vicinity of the other substrate interface forming the pair of transparent substrates. The diffraction element according to 1.
前記一対の透明基板を構成する双方の基板界面近傍において、第1領域中の液晶の長軸方向が各基板界面に対して略水平に配向し、第2領域中の液晶の長軸方向が各基板界面に対して略垂直に配向していることを特徴とする請求項1に記載の回折素子。   In the vicinity of both substrate interfaces constituting the pair of transparent substrates, the major axis direction of the liquid crystal in the first region is aligned substantially horizontally with respect to each substrate interface, and the major axis direction of the liquid crystal in the second region is The diffraction element according to claim 1, wherein the diffraction element is oriented substantially perpendicular to the substrate interface. 前記第1領域中の液晶の各長軸方向が、基板界面に水平な面であって該第1領域の周期方向と直交する延在方向において、略同一方向に揃って配向していることを特徴とする請求項3または4に記載の回折素子。   Each major axis direction of the liquid crystal in the first region is aligned in substantially the same direction in an extending direction that is a plane parallel to the substrate interface and orthogonal to the periodic direction of the first region. The diffraction element according to claim 3 or 4, characterized in that 前記第1領域中の液晶の各長軸方向が、第1領域の延在方向に対して略平行または略直角であることを特徴とする請求項5に記載の回折素子。   The diffraction element according to claim 5, wherein each major axis direction of the liquid crystal in the first region is substantially parallel or substantially perpendicular to the extending direction of the first region. 前記一対の透明基板と液晶層とが接する少なくとも一方の透明基板面に、臨界表面張力の異なる2つの表面パターンが所定周期をもって配列された表面層を備え、
該表面パターンの所定周期が前記第1領域と第2領域の所定周期に対応し、該第1領域と第2領域の液晶の長軸方向がそれぞれ表面パターン界面の臨界表面張力に対応して略水平または略垂直に配向するようにしたことを特徴とする請求項2〜6のいずれかに記載の回折素子。
A surface layer in which two surface patterns having different critical surface tensions are arranged with a predetermined period on at least one transparent substrate surface in contact with the pair of transparent substrates and the liquid crystal layer,
The predetermined period of the surface pattern corresponds to the predetermined period of the first region and the second region, and the major axis direction of the liquid crystal in the first region and the second region corresponds to the critical surface tension of the surface pattern interface, respectively. The diffraction element according to claim 2, wherein the diffraction element is oriented horizontally or substantially vertically.
前記表面層が、エネルギーの付与により臨界表面張力が変化する材料を用いて形成された層であることを特徴とする請求項7に記載の回折素子。   The diffraction element according to claim 7, wherein the surface layer is a layer formed using a material whose critical surface tension is changed by applying energy. 前記エネルギーの付与により臨界表面張力が変化する材料が、側鎖に疎水性基を有する高分子材料からなることを特徴とする請求項8に記載の回折素子。   9. The diffraction element according to claim 8, wherein the material whose critical surface tension is changed by the application of energy is a polymer material having a hydrophobic group in a side chain. 前記側鎖に疎水性基を有する高分子材料が、ポリイミド骨格を含む高分子材料からなることを特徴とする請求項9に記載の回折素子。   The diffraction element according to claim 9, wherein the polymer material having a hydrophobic group in the side chain is a polymer material containing a polyimide skeleton. 前記臨界表面張力を変化させるためのエネルギーの付与が、紫外線照射によるものであることを特徴とする請求項8〜10のいずれかに記載の回折素子。   The diffraction element according to any one of claims 8 to 10, wherein the application of energy for changing the critical surface tension is by ultraviolet irradiation. 前記表面層が、臨界表面張力の異なる2種類の材料により構成されていることを特徴とする請求項7に記載の回折素子。   The diffraction element according to claim 7, wherein the surface layer is made of two kinds of materials having different critical surface tensions. 前記一対の透明基板の各対向基板面に透明電極を備え、電界の印加により液晶の長軸方向の配向を制御可能としたことを特徴とする請求項1〜12のいずれかに記載の回折素子。   The diffraction element according to any one of claims 1 to 12, wherein a transparent electrode is provided on each of the opposing substrate surfaces of the pair of transparent substrates, and the orientation in the major axis direction of the liquid crystal can be controlled by applying an electric field. . 一対の透明基板の一方または双方に、エネルギーの付与により臨界表面張力が変化する材料を用いて表面層を形成する工程と、
該表面層にエネルギーを付与し、臨界表面張力の小さい領域と大きい領域からなる2つの表面パターンを所定周期をもって形成する工程と、
上記表面パターンが形成された表面層に配向処理を施し、表面層が内側となるように一対の透明基板を対向配置させてセルを組み立てる工程と、
該セルに液晶材料を充填する工程と、
上記液晶材料が充填されたセルを、液晶材料が等方相となる温度まで加熱してから冷却する工程と
を含むことを特徴とする回折素子の製造方法。
Forming a surface layer on one or both of the pair of transparent substrates using a material whose critical surface tension is changed by applying energy;
Applying energy to the surface layer to form two surface patterns having a small critical surface tension region and a large region with a predetermined period;
A process of assembling a cell by subjecting the surface layer on which the surface pattern is formed to an alignment treatment and arranging a pair of transparent substrates so that the surface layer is on the inside,
Filling the cell with a liquid crystal material;
And a step of heating the cell filled with the liquid crystal material to a temperature at which the liquid crystal material is in an isotropic phase and then cooling the cell.
前記臨界表面張力を変化させるためのエネルギーの付与が、紫外線照射によるものであることを特徴とする請求項14に記載の回折素子の製造方法。   The method for producing a diffraction element according to claim 14, wherein the application of energy for changing the critical surface tension is by ultraviolet irradiation. 一対の透明基板の一方または双方に、臨界表面張力の異なる2種類の材料を用いて、臨界表面張力の小さい領域と大きい領域からなる2つの表面パターンを所定周期をもって形成する工程と、
上記表面パターンが形成された表面層に配向処理を施し、表面層が内側となるように一対の透明基板を対向配置させてセルを組み立てる工程と、
該セルに液晶材料を充填する工程と、
上記液晶材料が充填されたセルを、液晶材料が等方相となる温度まで加熱してから冷却する工程と
を含むことを特徴とする回折素子の製造方法。
Forming two surface patterns having a small critical surface tension region and a large region with a predetermined period using two kinds of materials having different critical surface tensions on one or both of a pair of transparent substrates;
A process of assembling a cell by subjecting the surface layer on which the surface pattern is formed to an alignment treatment and arranging a pair of transparent substrates so that the surface layer is on the inside,
Filling the cell with a liquid crystal material;
And a step of heating the cell filled with the liquid crystal material to a temperature at which the liquid crystal material is in an isotropic phase and then cooling the cell.
前記一対の透明基板の双方に表面層が設けられる場合に、各表面層における臨界表面張力の異なる2つの表面パターンの該臨界表面張力が同等であるパターン同士を略対向するように配置構成したことを特徴とする請求項14〜16のいずれかに記載の回折素子の製造方法。   When surface layers are provided on both of the pair of transparent substrates, the two surface patterns having different critical surface tensions in each surface layer are arranged so that the patterns having the same critical surface tension are substantially opposed to each other. The method for producing a diffraction element according to claim 14, wherein: 回折素子を用いて入射光を偏光方向に応じて選択的に透過もしくは回折させるように構成した偏光選択装置であって、
前記回折素子が、請求項1〜13のいずれかに記載の回折素子であることを特徴とする偏光選択装置。
A polarization selection device configured to selectively transmit or diffract incident light according to a polarization direction using a diffraction element,
The diffractive element is the diffractive element according to any one of claims 1 to 13, wherein the polarization selecting device.
前記入射光を偏光方向に応じて異なる方向に反射分離するようにしたことを特徴とする請求項18に記載の偏光選択装置。

19. The polarization selection apparatus according to claim 18, wherein the incident light is reflected and separated in different directions according to the polarization direction.

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