JP2012173452A

JP2012173452A - 偏光解消素子

Info

Publication number: JP2012173452A
Application number: JP2011034313A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Mori; 吉弘森; Takeshi Kobayashi; 武史小林; Taketomo Matsuyama; 剛知松山; Yasufumi Iimura; 靖文飯村
Original assignee: Osaka Organic Chemical Industry Co Ltd; Tokyo University of Agriculture and Technology NUC; Tokyo University of Agriculture
Current assignee: Osaka Organic Chemical Industry Co Ltd; Tokyo University of Agriculture and Technology NUC; Tokyo University of Agriculture
Priority date: 2011-02-21
Filing date: 2011-02-21
Publication date: 2012-09-10

Abstract

【課題】作製手順が少なく作製が容易で，且つ軽量の偏光解消素子の提供。
【解決手段】液晶性分子をランダムに配向させた状態に固定してなる薄膜を含んでなる偏光解消素子，及び光重合性液晶性液晶性高分子を含んでなる重合性材料を，非配向性の表面を有する基板の該表面に塗布し，これを該光重合性液晶性高分子がネマチック相の状態をとる温度に一旦加熱した上で，該温度より低下させ，該光重合性液晶性高分子を，偏光軸の方向について全体として偏りのない光照射に付すことにより重合させ，次いで焼成することを含む，偏光解消素子の製造方法。
【選択図】なし

Description

本発明は，偏光の解消に関し，特に，偏光解消素子及びその製造方法に関する。

光学系の研究において重要である光検出器や回折格子，分光器等の機器には，光の偏光状態により特性が変化する性質（偏光依存性）を有するものが多く，このためしばしば，偏光の解消が必要となる。偏光の解消には，偏光解消素子（水晶偏光解消板等）が用いられる。しかしながら，従来の偏光解消素子は，作製手順の複雑さ，価格の高さ及び重量等の点で問題がある。

他にも，複合プリズムと入射光を収束させる光学素子とを用いた偏光解消素子（特許文献１），板面内の光路長がランダムに分布するように作製した液晶板を用いた偏波解消素子（特許文献２），光学異方性を有する変換媒質と２つの反射層を備え，偏光を２成分に分離し反射層間で異なる回数反射させるようにしたもの（特許文献３），複数の偏角プリズムを用いたもの（特許文献４），基板の表層部に光の波長よりも短い周期で屈折率の異なる２種類の媒質を交互にストライプ状に設けたもの（特許文献５）等が知られているが，重量があり及び／又は作製工程が非常に複雑であるなどの問題がある。

他方，ＬＥＤ，有機ＥＬ，半導体レーザその他種々の発光素子，光ファイバ，光検出器，光増幅器，光ディスク，光アイソレータ，光スイッチ，光コネクタその他，様々な光デバイスが，光通信技術，照明技術，記録技術等のような光を操作する技術の急速な発達と共に，新たに創り出され，また高性能化されつつ，益々広範囲に利用されるようになっている。このため，偏光解消素子についても，より使いやすいものが求められている。

特許第２９７４４３７号公報特開２０００−３２１４２４号公報特開２００６−１０６１０４号公報国際公開２００４／１０４６５４号公報特許第４２３８６３３号公報

上記背景において，本発明は，作製手順が少なく作製が容易で，且つ軽量の偏光解消素子を提供することである。

本発明者らは，アモルファス（ランダム）液晶配向構造を有する薄膜に直線偏光が入射すると，その透過光の偏光特性が効率的に解消されることを見出し，更に検討を加えて本発明を完成させた。すなわち，本発明は，以下を提供するものである。
（１）液晶性分子をランダムに配向させた状態に固定してなる薄膜を含んでなる偏光解消素子。
（２）該液晶性分子が，光重合性液晶性高分子である，上記１の偏光解消素子。
（３）光重合性液晶性液晶性高分子を含んでなる重合性材料を，非配向性の表面を有する基板の該表面に塗布し，これを該光重合性液晶性高分子がネマチック相の状態をとる温度に一旦加熱した上で，該温度より低下させ，該光重合性液晶性高分子を，偏光軸の方向について全体として偏りのない光照射に付すことにより重合させ，次いで焼成することを含む，偏光解消素子の製造方法。
（４）該光照射が，非偏光の，又は該基板上の該重合性材料に対し光電場方向を時間的に変化させた偏光の照射の照射である，上記３の製造方法。
（５）該偏光の照射が，該基板上の該光重合性液晶性液晶性高分子に対して偏光の光電場面を相対的に回転させつつ行われるものである，上記４の製造方法。
（６）該偏光の照射が，該基板をその面内で回転させつつ該光重合性液晶性液晶性高分子に偏光を照射することによりなされるものである，上記４の製造方法。
（７）該非配向性を有する表面が，該基板の表面に配向膜形成材料を塗布し，これを焼成した後，偏光軸の方向について全体として偏りのない光照射に付して重合させることにより作製されるものである，上記３ないし６の何れかの製造方法。
（８）該配向膜形成材料の光照射が，非偏光の，又は該基板上の該配向膜形成材料に対し光電場方向を時間的に変化させた偏光の照射の照射である，上記７の製造方法。
（９）該配向膜形成材料へ偏光の照射が，該基板上の該配向膜形成材料に対して偏光の光電場面を相対的に回転させつつ行われるものである，上記８の製造方法。
（１０）該配向膜形成材料へ偏光の照射が，該基板をその面内で回転させつつ該配向膜形成材料に偏光を照射することによりなされるものである，上記９の製造方法。
（１１）該配向膜材料がポリビニルシンナメートである，上記７ないし１０の何れかの製造方法。

本発明によれば，従来のものに比して極めて軽量の偏光解消素子を得ることができる。また，本発明の偏光解消素子は，従来のものに比して作製が極めて容易であり，従って，従来のものより格段に低いコストでの提供することが可能となる。更に，本発明によれば，偏光解消素子のサイズや形状における自由度が従来に比して極めて高く，種々のサイズや形状の基板を用いて作製でき，また作製後にカッティングする等の単純な手段でサイズや形状の変更を行うことも容易にできる。このため，本発明の偏光解消素子は，光検出器，回折格子，分光器その他種々の光学機器への組み込みが極めて容易になるという点でも，非常に有利である。

図１は，偏光解消能の評価のためのシステムを示す概要図である。図２は，偏光子，回転検光子，並びに液晶のfast軸及びslow軸の一般的な角度関係を示すグラフである。図３は，種々の位相差δにつき，回転検光子の角度に対し測定光の規格化強度（任意単位）をプロットしたグラフである。なお，図中，「a.u.」は任意単位を表す。図４は，実施例で作製した偏光解消素子の偏光解消能の測定結果を示すグラフである。なお，図中，「a.u.」は任意単位を表す。図５は，実施例で得られた偏光解消素子の代表的無顕微鏡像を示す図面代用写真である。

偏光を完全に解消することは，特定の方向の電場面を有する入射光を，あらゆる方向に完全に同一強度の電場面を有するようにした偏光の束に変換することであるが，これは技術的に極めて困難である。現在繁用されている水晶偏光解消板を用いても，透過光の強度における角度依存性は残り，角度に対する強度のプロットは，もとの入射光の偏光軸（光電場面）方向にピークを持つなだらかな曲線を与える。従って，本明細書において，「偏光解消」とは，特定方向の偏光性を有する入射光を，入射光の偏光方向とは垂直な方向までも含んだ，種々の方向の偏光の混合した光にすることをいう。

本明細書において，「偏光解消素子」とは，上に述べた意味での偏光解消を達成することのできる物品をいい，平面状，弯曲状，直方体（立方体を含む），円柱状等，形状は問わない。偏光解消素子は，偏光を解消する機能を有する薄膜（偏光解消膜）を有しておればよく，そのような薄膜を基板の片面又は両面に設けたものも包含する。

本明細書において，液晶分子の配向について，「ランダム」あるいは「アモルファス」とは，液晶分子の向きにより生ずる偏光軸の方向に規則性がなく，全体として偏光軸に関して異方性がないことをいい，実用上，直径約５０μｍ以上の領域全体で見たとき特定の偏光軸に揃っていなければ足りる。

本明細書において，「液晶性高分子」とは，液晶を形成する能力を有する高分子をいう。典型的な液晶性高分子は，主鎖及び／又は側鎖に，メソゲン（液晶を形成し得る剛直な構造部位）を有する高分子である。
本明細書において，「光重合性液晶性高分子」とは，液晶性分子であって，且つ光（例えば，紫外線）による重合性を兼ね備えたものをいう。偏光解消膜を作製するには，光重合性と液晶性があれば十分であるから，光重合性液晶性高分子としては，それ以外に特段の制約はなく，両性質を有する種々の重合性液晶を適宜用いてよい。例えば，次の一般式で示される重合性液晶（式中，ａは２〜６の整数を，Ｒはハロゲン，アルキル基又は芳香族基を，それぞれ表す。）：

が挙げられる。が，これらに限定されない。

本明細書において，「光重合性液晶性液晶性高分子を含んでなる重合性材料」は，光重合性液晶性高分子の他に，均等な薄い塗布等の取り扱いを容易にし，重合の速度等を調整する等の目的で，常法により，溶媒，重合開始剤，界面活性剤その他，光重合において周知の種々の材料を，適宜含有していてよい。

本発明において，基板に上記重合性材料を塗布する場合，塗布厚は，特に限定されないが，一般には，約１μｍ〜約５０μｍの範囲とするのが好ましく，約１μｍ〜約５μｍの範囲とするのがより好ましい。

本明細書において，重合性材料をについて，「ネマチック相の状態をとる温度」とは，液晶性の分子が，特定の配向秩序を持ち得るが三次元的な位置秩序は持たない状態をとる温度であり，固体の状態を採る温度範囲と液体の状態を採る温度範囲との中間に位置する，ある幅を有する温度である。但し，本発明においては，基板への重合性材料の塗布に際し，基板には特定の配向性を持たせないことから，その上に塗布した重合性材料は，特定の配向性を有しない。ネマチック相の状態をとる温度は，用いる液晶材料毎に相違するが，材料を加熱しつつ偏光を照射して観察する等により，極めて簡単に検出することができる。

本発明において，「偏光軸の方向について全体として偏りのない光照射」を行うときの温度は，重合性材料を一旦「ネマチック相の状態をとる温度」に高めた後，当該温度から約１０〜２０℃まではゆっくり放冷し温度を低下させ,その後室温まで冷却させた時点で行うことが適切である。それにより光重合性液晶性高分子に重合を起こさせ，メソゲンにランダムな方向をとらせた状態に固定することができる。

本明細書において，「偏光軸の方向について全体として偏りのない光照射」とは，典型的には，非偏光（すなわち，あらゆる方向に同一の光電場強度となるように種々の光電場方向の偏光を均等に含んだ光）を照射することであるが，同様の結果を与えることのできる他の適宜な方法を用いてよい。例えば，光電場方向を時間的に変化（好ましくは，回転）させつつ偏光を所定の時間照射することにより，照射時間全体で見たとき結果的に特定の光電場方向への偏りを消失させることができる。これは，例えば，対象物に特定の偏光を照射しつつ，両者を相対的に回転（例えば，基板の側を回転）させることにより行うことができる。

なお本発明において，「基板」は，偏光解消能を有する薄膜をその上に安定に形成することのできる，任意の透明な支持体であってそれ自身が特定方向の偏光性を実質的に有しないものであればよく，それ以外には特に限定されない。特に好ましい一例は，ガラスである。

本発明において，「焼成」は，重合させた後の重合性材料を加熱することにより，溶媒（用いた場合）その他の揮発性物質の除去と共に，分子レベルで樹脂の構造を安定化して，製品の耐久性を高めるためのプロセスである。焼成温度は，用いる樹脂の性質に応じて適宜選択すればよい。

本発明において，光重合性液晶性高分子が塗布される表面は，当該高分子に特定の配向をとらせるおそれがないよう，非配向性のものである。そのような非配向性の表面は，基板（例えば，洗浄したガラス基板）自体の表面であってもよいが，基板の表面に配向膜形成材料（例えば，光架橋性樹脂であるポリビニルシンナメート）を塗布しこれを焼成した後，偏光軸の偏りをなくした光照射を照射することで作製して行うのが，より確実である。

以下，実施例を参照して本発明を更に具体的に説明するが，本発明がそれらの実施例に限定されることは意図しない。

〔実施例１〕
（１）偏光解消素子の作製
ガラス基板に，配向膜材料として光架橋性樹脂であるＰＶＣｉ（ポリビニルシンナメート，Aldrich Chem. Co.）を塗布し，スピンコートした（予備回転：５００ｒｐｍ×５秒，本回転：２０００ｒｐｍ×２０秒）。次いでこれを９０℃で３０秒次いで１８０℃で１時間焼成した。焼成後，これを回転させつつ直線偏光である紫外線（波長３１３ｎｍ）を，照射した。紫外線照射量は，５，１０，１５又は２０Ｊ／ｃｍ^２とした。また，紫外線照射しないものも設けた。

上記で得られた各配向膜（但し特定の配向性を有しない）を備えた基板上に，光重合性液晶性高分子として下記の重合成液晶組成物を塗布し，スピンコートした（予備回転：５００ｒｐｍ，本回転１０００ｒｐｍ）。これを，該高分子がネマチック相の状態をとる温度（８５〜１１５℃）内の９５℃で５分間加熱した後放冷し，温度が８０℃まで下がった段階で，基板を中心軸周りに回転させつつ，高分子膜に上方から直線偏光である紫外線（波長３１３ｎｍ）を照射し（９００ｍＪ），次いで２３０℃で３０分間焼成することにより，偏光解消素子サンプルを作製した（膜厚２．３μｍ）。

重合成液晶組成物
重合性液晶Ａ（次式（５））：２８．５４重量％

光開始材：Irg907：１．４３重量％
添加剤：BYK-330（レベリング剤）：０．０３重量％
溶剤：シクロヘキサノン：７０．０重量％

（２）偏光解消能の測定
上記で得られた偏光解消素子サンプルについて，その偏光解消能を以下の方法で測定した。

〔測定方法〕測定方法は次のとおりである。
図１に示すシステム構成を構成する。図において，１は偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）であり，３はλ／４板，５は検出器，７は偏光子，９はサンプル（偏光解消素子），１１は回転検光子，１３は検出器，１５は，Ｉ／Ｖ変換器,，１７はデジタルマルチメータ，１９はコンピュータを示す。レーザ光源から光（波長５３２ｎｍ）を偏光ビームスプリッタ１でＳ偏光（垂直偏光，Ｉ_Ｓ）とＰ偏光（平行偏光，Ｉ_Ｐ）に分離し，直進して透過した平行偏光をλ／４板３に通して円偏光とする（これにより，光源からのレーザ光自体が有し得る特定方向の偏光性が測定に及ぼす可能性を遮断する）。円偏光を静止した偏光子７に通して直線偏光とし，これをサンプル９に当て，透過光を回転検光子１１に導き，通過した光（測定光）を検出器１３で検出する。他方，偏光ビームスプリッタで直角方向に反射したＳ偏光（参照光）の強度を検出器５で検出とする。検出器５及び１３でそれぞれ検出された光強度をＩ／Ｖ変換器１５で電圧に変換し，デジタルマルチメータ１７で測定光の強度を求め，これを，回転検光子１１の回転角の回転角の関数として，コンピュータに記憶させる。これに際し，測定光の強度は，規格化強度（Ｉ_Ｎ＝測定光強度／参照光強度）として記録する。これにより，光源からの光の強度の時間的不安定さによる影響が除かれる。

図２は，光軸を原点とするｘｙ座標系に，偏光子の偏光軸方向（Ｐ），ある時点の回転検光子の偏光軸方向（Ａ），液晶のfast軸（ｎ_０）とslow軸（ｎ_ｏ）を描いた図であり，ｘ軸は偏光子の偏光軸方向と一致させてあり，θは液晶のfast軸とｘ軸との角度，φは，偏光子と回転検光子とのなす角度を示す。偏光子におけるジョーンズベクトルの計算により，回転検光子を通過してくる光の強度は，一般に次式（１）で表される。

ここに，δは，位相差を表す。サンプルである偏光解消素子において液晶分子はアモルファス配向していることから，光強度をθについて０〜πまで積分することにより，このサンプルでの測定光の強度は，次式（２）で表される。

図３は，式（２）に基づき，種々の位相差δにつき，回転検光子の角度に対し測定光の規格化強度を任意単位でプロットしたものである。位相差δが０からπまで増加するに伴い測定光の規格化強度における回転検光子の角度への依存性が低下し，位相差δがπに達したきはと角度への依存性は完全に消失する（すなわち偏光は完全に解消される）ことが分かる。従って，このグラフと，実際のサンプルでの測定光の強度を回転検光子の角度に対してプロットして得られる結果とを比較することで，偏光がどの程度まで解消されたかを評価することができる。
〔結果〕
上記で作製した偏光解消素子サンプル及び素ガラスでの測定結果を図４に示す。図に見られるように，対照としての素ガラスを用いたときは，回転検光子の角度に依存して透過光強度の非常に大きな変化（ゼロ〜最大）が観察された。これに対し，紫外線照射（５〜２０Ｊ）したＰＶＣｉ膜上に光重合性液晶性高分子の硬化膜を形成したサンプルでは，何れも，透過光強度の回転検光子の角度への依存性が非常に小さくなっており，偏光子と回転検光子の偏光軸方向に９０°の差があっても，十分な強度の透過光が検出されている。従って，作製した素子は，偏光解消素子として十分に機能することが分かる。図５は，こうして得られた偏光解消素子の代表的な偏光顕微鏡像を示す。バーは４０μｍであり，液晶性分子がランダムに配向していることが分かる。

本発明は，従来のものに比して極めて軽量で，しかもサイズや形状の自由度が極めて高い偏光解消素子の提供を可能にする。また，このため，種々の光学機器への組み込みが極めて容易となり，有用性が高い。しかも，本発明の偏光解消素子は，製造が容易であり，従来のものに比して遥かに低コストで提供することができる。

１＝偏光ビームスプリッタ
３＝λ／４板
５＝検出器
７＝偏光子
９＝サンプル
１１＝回転検光子
１３＝検出器
１５＝Ｉ／Ｖ変換器
１７＝デジタルマルチメータ
１９＝コンピュータ

Claims

液晶性分子をランダムに配向させた状態に固定してなる薄膜を含んでなる偏光解消素子。
該液晶性分子が，光重合性液晶性高分子である，請求項１の偏光解消素子。
光重合性液晶性液晶性高分子を含んでなる重合性材料を，非配向性の表面を有する基板の該表面に塗布し，これを該光重合性液晶性高分子がネマチック相の状態をとる温度に一旦加熱した上で，該温度より低下させ，該光重合性液晶性高分子を，偏光軸の方向について全体として偏りのない光照射に付すことにより重合させ，次いで焼成することを含む，偏光解消素子の製造方法。
該光照射が，非偏光の，又は該基板上の該重合性材料に対し光電場方向を時間的に変化させた偏光の照射の照射である，請求項３の製造方法。
該偏光の照射が，該基板上の該光重合性液晶性液晶性高分子に対して偏光の光電場面を相対的に回転させつつ行われるものである，請求項４の製造方法。
該偏光の照射が，該基板をその面内で回転させつつ該光重合性液晶性液晶性高分子に偏光を照射することによりなされるものである，請求項４の製造方法。
該非配向性を有する表面が，該基板の表面に配向膜形成材料を塗布し，これを焼成した後，偏光軸の方向について全体として偏りのない光照射に付して重合させることにより作製されるものである，請求項３ないし６の何れかの製造方法。
該配向膜形成材料の光照射が，非偏光の，又は該基板上の該配向膜形成材料に対し光電場方向を時間的に変化させた偏光の照射の照射である，請求項７の製造方法。
該配向膜形成材料へ偏光の照射が，該基板上の該配向膜形成材料に対して偏光の光電場面を相対的に回転させつつ行われるものである，請求項８の製造方法。
該配向膜形成材料へ偏光の照射が，該基板をその面内で回転させつつ該配向膜形成材料に偏光を照射することによりなされるものである，請求項９の製造方法。
該配向膜材料がポリビニルシンナメートである，請求項７ないし１０の何れかの製造方法。