JP3728212B2 - 円偏光抽出光学素子、偏光光源装置及び液晶表示装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、コレステリック規則性を有する液晶層を用いて無偏光から円偏光を抽出する円偏光抽出光学素子、この円偏光抽出光学素子を用いた偏光光源装置及び液晶表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
コレステリック液晶を用いた円偏光抽出光学素子としては、例えば特開平８−２７１７３１号公報、あるいは特開平１１−２６４９０７号公報等に開示されるように、液晶分子のヘリカルピッチが異なるコレステリック液晶層を複数層重ねて、幅広い反射波長帯域を得るようにしたものがある。
【０００３】
又、このような円偏光抽出光学素子を用いた偏光光源装置及び液晶表示装置としては、例えば特開平９−３０４７７０号公報等に開示されたようなものがある。
【０００４】
上記のような円偏光抽出光学素子をディスプレイ部材として用いることが多いが、この場合は例えば図１１に示されるように、直線偏光板（又は楕円偏光板）１、２をクロスニコル状態にして、その間に円偏光抽出光学素子３を挟み込んで用いることが多い。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、円偏光抽出光学素子をディスプレイ部材として用いるときは、光出射面の状態が均一でなければならないが、表面に明暗模様が現われて、著しく低下させることがあることが判明した。
【０００６】
この発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたものであって、直線偏光板や楕円偏光板をクロスニコル状態にして、その間に円偏光抽出光学素子を配備した場合でも、表示面に明暗模様が現われることがなく、従ってディスプレイの表示品位を低下させることがないようにした円偏光抽出光学素子、この円偏光抽出光学素子を用いた偏光光源装置及び液晶表示装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記のような、円偏光抽出光学素子を、クロスニコル状態にされた直線偏光板や楕円偏光板の間に配置したときの明暗模様の原因について、実験及びコンピュータシミュレーションを用いて鋭意研究した結果、円偏光抽出光学素子における表面の液晶分子のダイレクターの方向が原因であることをつき止めた。
【０００８】
本発明は、プレーナー配向されたコレステリック規則性を有する液晶層の２つの主たる表面の各々において、液晶分子のダイレクターの方向を実質的に一致させることにより、上記のような明暗模様の発生を抑制して、ディスプレイの表示品位低下を防止した。
【０００９】
更に、上記２つの表面における液晶分子のダイレクターの方向を実質的に平行とすることによって、更に明暗模様の発生を抑制できる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態の例を図面を参照して詳細に説明する。
【００１１】
図１に示されるように、本発明の実施の形態の例に係る円偏光抽出光学素子１０は、コレステリック液晶をプレーナー配向することによって、コレステリック規則性を有する液晶層からなり、該液晶層が対向する２つの主たる表面（広い方の表面）１２Ａ、１２Ｂでの、各表面１２Ａ、１２Ｂの各々全範囲において液晶分子のダイレクターＤａ、Ｄｂの方向が実質的に一致されるようにしたものである。
【００１２】
次に、前記ダイレクターの方向と液晶分子の関係について説明する。
【００１３】
上記のようなコレステリック規則性を有する液晶層は、一般的に、フィジカルな分子配列に基づいて、一方向の旋光成分とこれと逆回りの旋光成分とを分離する旋光選択特性を有する。
【００１４】
このような液晶層に対して、液晶のプレーナー配列のヘリカル軸に沿って入射した自然光は、右旋及び左旋の２つの円偏光に別れ、一方が透過し、他方が反射される。
【００１５】
この現象は、円偏光２色性として知られ、液晶分子の螺旋構造における旋回方向を適宜選択すると、該旋回方向と同一の旋光方向を持つ円偏光が選択的に反射される。
【００１６】
この場合の最大旋光偏光光散乱は、次の（１）式の波長λ0で生じる。
【００１７】
λ0＝ｎａｖ・ｐ …（１）
ここで、ｐは液晶分子の螺旋構造におけるヘリカルピッチ、ｎａｖはヘリカル軸に直交する平面内の平均屈折率である。
【００１８】
又、このときの反射光の波長バンド幅Δλは次の（２）式で示される。
【００１９】
Δλ＝Δｎ・ｐ …（２）
ここで、Δｎは複屈折値である。
【００２０】
コレステリック液晶による偏光分離作用は、入射した無偏光がコレステリック液晶において、前記波長λ0を中心とした波長バンド幅Δλの範囲の光の右旋又は左旋の円偏光成分の一方が反射され、他方の円偏光成分及び他の波長領域の光（無偏光）が透過される。なお、反射された右旋又は左旋円偏光は、通常の反射と異なり、位相が反転されることなくそのまま反射される。
【００２１】
前記２つの表面１２Ａ、１２Ｂのそれぞれの全範囲における液晶分子のダイレクターＤａ、Ｄｂの方向は実質的に一致するが、この実質的に一致するとは、液晶分子の頭と尻が光学的に区別できないので、１８０°ずれている場合、即ち液晶分子の頭又は尻が同一方向である場合も含むものである。表面１２Ａ、１２Ｂ間での液晶分子のダイレクターの方向が実質的に一致するあるいは平行の場合も同様である。
【００２２】
上記のような、液晶分子のダイレクターの方向が実質的に一致しているか否かは、液晶層の断面を透過型電子顕微鏡で観察することによって判別することができる。詳細には、透過型電子顕微鏡で、コレステリック構造を有する固化された液晶層の断面を観察すると、コレステリック構造特有の、分子螺旋ピッチに相当する明暗模様が観察されるが、このとき、各表面１２Ａ、１２Ｂにおいて、面に沿って明暗の濃度がばらつきがなくほぼ同程度に見えれば、この面内のダイレクターの方向が実質的に一致していることになる。
【００２３】
次に、図２に示される実施の形態の第２例に係る円偏光抽出光学素子２０について説明する。
【００２４】
この円偏光抽出光学素子２０は、主たる表面２２Ａ、２２Ｂの液晶分子のダイレクターＤａ、Ｄｂの方向を、実質的に平行となるようにしたものである。
【００２５】
この円偏光抽出光学素子２０では、相対向する２つの表面２２Ａ、２２Ｂにおける液晶分子の配向方向を、正確に一致させるために、液晶層の厚さを、液晶分子の螺旋構造における螺旋ピッチの１／２の整数倍としている。このようにすれば、例えば図３（Ａ）〜（Ｃ）に模式的に示されるように、光学的に、液晶分子のコレステリック規則性上のピッチｐにより厚さが割り切れるからであり、又、単純化された前記理論式（１）からの光学的なズレ、特に位相シフト差による偏光状態の乱れが抑制されるからである。
【００２６】
次に、前記のような円偏光抽出光学素子の材料及び製造過程について説明する。
【００２７】
円偏光抽出光学素子の材料としては、３次元架橋されたモノマー又はオリゴマーを用いたり、ガラス状態にした液晶ポリマーを用いる。
【００２８】
上記のような、３次元架橋可能なモノマー分子を用いる場合は、特開平７−２５８６３８号公報や特表平１０−５０８８８２号公報で開示されているような、液晶性モノマー及びキラル化合物の混合物がある。又、オリゴマー分子を用いる場合は、特開昭５７−１６５４８０号公報で開示されているようなコレステリック相を有する環式オルガノポリシロキ酸化合物等が望ましい。
【００２９】
ここで、３次元架橋とは、重合性モノマー又はオリゴマー分子が互いに３次元的に重合し網目（ネットワーク）構造になっていることを意味する。このような状態になっていると、液晶分子をコレステリック液晶状態のままで光学的に固定化することができ、これを、常温で安定したフィルム状の光学膜として構成し、取扱性を向上させることができる。
【００３０】
実際の製造工程では、図４（Ａ）に示されるように、ガラス基板１４上に配向膜１６を形成しておき、その上に、図４（Ｂ）に示されるように、重合性モノマー分子（又は重合性オリゴマー分子）１８をコーティングし、配向膜１６の配向規制力によって配向（このとき、分子は液晶層を構成する）させる。
【００３１】
次に、この配向状態のままで、図４（Ｃ）に示されるように、前記重合性モノマー分子（重合性オリゴマー分子）１８を、予め添加しておいた光開始材と外部から照射した紫外線によって重合を開始させるか、又は電子線で直接重合を開始させることにより、３次元架橋（ポリマー化）して、前記のような一層の円偏光抽出光学素子１０を得る。
【００３２】
ここでは、前記配向膜１６の配向規制力の方向を同配向膜１６の面内で実質的に一致させておけば、これと接触する液晶分子のダイレクターの方向を、該面内で実質的に一致させることができる。この場合、前記配向膜１６と接触する表面１２Ａと反対側の表面１２Ｂの液晶分子のダイレクターＤａ、Ｄｂを実質的に一致させるためには、液晶層の膜厚を均一にするか、図５（Ａ）〜（Ｄ）に示されるように、前記図２に示される工程のうち、重合性モノマー分子（重合性オリゴマー分子）１８を配向膜１６上にコーティングした後、３次元架橋の前に、第２の配向膜１６Ａを、前記コーティングした重合性モノマー分子１８上に重ねて、図４（Ｃ）におけると同様に、紫外線又は電子線照射により配向膜１６と第２の配向膜１６Ａとの間で重合性モノマー分子１８を３次元架橋させる。
【００３３】
なお、図２に示されるような円偏光抽出光学素子２０を製造する場合、第２の配向膜１６Ａの配向規制力の方向を前記配向膜１６におけると一致させる必要がある。又、第２の配向膜１６Ａは、紫外線又は電子線照射の後工程で液晶層から剥離してもよい。
【００３４】
ここで、前記重合性モノマー分子（又は重合性オリゴマー分子）１８は、溶媒に溶かしてコーティング液としてもよく、この場合は、紫外線や電子線照射を照射して３次元架橋させる前に溶媒を蒸発させるための乾燥工程が必要となる。
【００３５】
又、前記重合性モノマー分子（又は重合性オリゴマー分子）１８を所定の温度で液晶層にした場合には、これがネマチック状態になるが、ここに任意のカイラル剤を添加すれば、カイラルネマチック液晶（コレステリック液晶）となる。
【００３６】
この実施の形態の例では、重合性モノマー分子又は重合性オリゴマー分子に、カイラル剤を数％〜１０％程度入れる。ここで、カイラル剤の種類を変えてカイラルパワーを変えるか、あるいは、カイラル剤の濃度を変化させることにより、コレステリック液晶の選択反射波長帯域を形成することができる。
【００３７】
前記配向膜１６及び／又は第２の配向膜１６Ａは、従来知られている方法で作成する。例えば、前述のようにガラス基板１４上にポリイミドを成膜し、ラビングする方法、ガラス基板１４上に光配向膜となる高分子化合物を成膜し、偏光ＵＶ（紫外線）を照射する方法、延伸したＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）フィルム等を用いる。
【００３８】
次に、円偏光抽出光学素子の材料としてポリマー（高分子）液晶を用いる場合について説明する。
【００３９】
この材料としては、液晶を呈するメソゲン基を主鎖、側鎖、あるいは主鎖及び側鎖の位置に導入した高分子、コレステリル基を側鎖に導入した高分子コレステリック液晶や、例えば、特開平９−１３３８１０号公報で開示されているような液晶性高分子、特開平１１−２９３２５２号公報で開示されているような液晶性高分子を用いる。
【００４０】
このようなポリマー液晶を用いて円偏光抽出光学素子３０を製造する工程について図６を参照して説明する。
【００４１】
まず、図６（Ａ）に示されるように、前述と同様に、ガラス基板１４上に配向膜１６を形成しておく。
【００４２】
次に、図６（Ｂ）に示されるように、前記配向膜１６上に、液晶ポリマー層３２をコーティングして、配向膜１６の配向規制力によって液晶分子を配向させる（このとき液晶層が形成される）。
【００４３】
前記液晶ポリマー層３２を冷却してガラス状態に液晶分子を固定させれば、図６（Ｃ）に示されるように、円偏光抽出光学素子３０を得ることができる。
【００４４】
ここで、前記液晶ポリマー層３２は、予め液晶ポリマーを溶媒に溶かしておいてコーティング液としてもよいが、この場合は冷却前に溶媒を蒸発させるための乾燥工程が必要となる。
【００４５】
液晶ポリマーとしては、液晶ポリマーそれ自体にカイラル能を有しているコレステリック液晶ポリマーそのものを用いてもよいし、ネマチック系液晶ポリマーとコレステリック系液晶ポリマーの混合物を用いてもよい。
【００４６】
このような液晶ポリマーは、温度によって状態が変わり、例えばガラス転移温度が９０℃、アイソトロピック転移温度が２００℃である場合は、９０℃〜２００℃の間でコレステリック液晶状態を呈し、これを室温まで冷却すればコレステリック構造を有したままでガラス状態で固化させることができる。
【００４７】
液晶ポリマーのコレステリック構造に起因する、入射光の選択反射波長帯域を調整する方法は、前述したコレステリック液晶ポリマー分子の場合は、公知の方法で液晶分子中のカイラルパワーを調整すればよい。又、ネマチック系液晶ポリマーとコレステリック系液晶ポリマーの混合物を用いる場合は、その混合比を調整する。
【００４８】
前記製造過程において、前記配向膜１６の全範囲において配向規制力の方向を実質的に一致させておけば、これと接触する液晶分子のダイレクターの方向を、面内で実質的に一致させることができる。
【００４９】
液晶層における配向膜１６と反対側の表面における液晶分子のダイレクターの方向を配向膜１６による配向方向と一致させる方法としては、前述と同様に、液晶層の厚さを、液晶分子の螺旋構造における螺旋ピッチの１／２の整数倍とするか、第２の配向膜１６Ａを用いる。
【００５０】
上記実施の形態の例において、いずれの場合も円偏光抽出光学素子は一層の液晶層からなる単層構成であるが、本発明はこれに限定されるものでなく、多層構成としてもよい。
【００５１】
この多層構成の円偏光抽出光学素子４０を製造する工程について説明する。 まず、重合性モノマー分子（又は重合性オリゴマー分子）１８を用いる場合は、図７（Ａ）に示されるようなガラス基板１４上に形成された配向膜１６の上に、図７（Ｂ）に示されるように、重合性モノマー分子（又は重合性オリゴマー分子）１８をコーティングし、配向膜１６の配向規制力によって液晶分子を配向させる。
【００５２】
次に、図７（Ｃ）に示されるように、前述と同様に、光開始剤を用いての紫外線照射又は電子線の単独照射により、前記重合性モノマー分子（重合性オリゴマー分子）１８を３次元架橋させて第１の液晶層４２を得る。更にその上に、図７（Ｄ）に示されるように、別途用意した重合性モノマー分子（重合性オリゴマー分子）１９を直接コーティングし、図８に示されるように、前記３次元架橋された第１の液晶層４２の表面の配向規制力を用いて配向させ、この状態で、図７（Ｅ）に示されるように、前述と同様に紫外線照射又は電子線単独照射によって３次元架橋させて固化し、第２の液晶層４４を形成して２層構成の円偏光抽出光学素子４０を得る。３層以上の多層構成とする場合は、前記と同様の工程を繰返す。
【００５３】
上記製造工程において、前記配向膜１６の配向規制力の方向を、前記と同様に配向膜面内で実質的に一致させておけば、これと接触する液晶分子のダイレクターの方向を、該面内で実質的に一致させることができる。又、第１の液晶層４２を３次元架橋して固化する際に、前述と同様の第２の配向膜１６Ａを用いて、配向膜１６と反対側の主平面における液晶分子のダイレクターの方向を該面内で実質的に一致させるようにしてもよい。第２以降の液晶層の製造工程についても同様である。
【００５４】
前述と同様に、偏光抽出光学素子４０における液晶層４２、４４の表面の面内における液晶分子のダイレクターの方向を実質的に平行にするためには、これらの液晶層の厚さを、前記図３に示されるように、液晶分子の螺旋構造における螺旋ピッチの１／２の整数倍とすることによって、ダイレクターの方向をより確実に平行にすることができる。
【００５５】
上記のような多層構成の円偏光抽出光学素子を液晶ポリマーを用いて形成する場合は、図７（Ｃ）、（Ｅ）の紫外線又は電子線照射に代えて室温までの冷却によるガラス化の工程が必要となる。他の工程は材料を除いて図７に示されると同様である。
【００５６】
次に、図９を参照して本発明の実施の形態の例に係る偏光光源装置５０について説明する。
【００５７】
この偏光光源装置５０は、光源５２と、この光源５２の光出射面５２Ａに配置され、前記光源５２からの光を受光して偏光光を透過するようにされた前記円偏光抽出光学素子１０（２０、３０又は４０）とを備えて構成されている。
【００５８】
前記光源５２は、例えば面発光体からなり、白色の無偏光を前記光出射面５２Ａから出射するようにされている。
【００５９】
従って、この偏光光源装置５０においては、光源５２から出射された無偏光のうち、コレステリック液晶のヘリカルピッチに対応する前記（１）式の波長λ0の右旋又は左旋円偏光が（２）式での波長バンド幅Δλの範囲で反射され、その残りの左旋又は右旋円偏光及び前記反射波長帯域を除く波長帯域の無偏光が透過されて出射する。従って、特定の波長帯域における右旋又は左旋円偏光を得ることができる。
【００６０】
実際には、例えばバンドパスフィルタによって前記透過した円偏光の波長帯域を除く無偏光を除去すれば、所定の波長の左旋又は右旋円偏光が得られる。
【００６１】
次に、図１０を参照して、本発明の液晶表示装置の実施の形態の例について説明する。
【００６２】
この実施の形態の例に係る液晶表示装置６０は、前記図９に示される偏光光源装置５０と、この偏光光源装置５０の偏光出射面５０Ａに配置された液晶セル６２とを有して構成されている。
【００６３】
前記液晶セル６２は、入射する偏光光に対する透過率を、例えば印加電圧に応じて変化させて透過するようにされ、これによって画像等を表示できるようにされている。
【００６４】
【実施例】
実施例１；膜厚一定でダイレクターを一致させた。
【００６５】
両端末に重合可能なアクリレートを有し、中央部のメソゲンと前記アクリレートとの間にスペーサーを有するネマチック−アイソトロピッチ転移温度が１１０℃であるモノマー分子９０部と、両端末に重合可能なアクリレートを有するカイラル剤分子１０部を、トルエン溶液に溶解させ、光開始剤を前記モノマー分子に対して５重量％添加した。なお、上記ネマチック液晶は、配向膜上で、そのラビング方向±５度の範囲にダイレクターが揃うことを確認している。
【００６６】
一方、透明なガラス基板上に溶媒に溶かしたポリイミドをスピンコーティングでコーティングし、乾燥後、２００℃で製膜（膜厚０．１μｍ）し、一定方向にラビングして配向膜として機能するようにした。
【００６７】
前記配向膜付きガラス基板を、スピンコーターにセットし、前記モノマー分子等を溶解したトルエン溶液をできるだけ膜厚が一定になるような条件でスピンコーティングした。
【００６８】
次に、８０℃でトルエンを蒸発させ、更に、コレステリック層を呈することを目視で選択反射により確認した。
【００６９】
上記塗膜に紫外線を照射して、光開始剤から発生するラジカルによって、モノマー分子のアクリレートを３次元架橋してポリマー化し、単層の円偏光抽出光学素子を得た。このときの膜厚は２μｍ±１．５％だった。又、分光光度計で測定したところ、選択反射帯域の中心波長は６００ｎｍだった。
【００７０】
図１１に示されると同様に、直線偏光板をクロスニコル状態にして、その間に、前記のように作製した円偏光抽出光学素子を挟んで目視で観察したところ、面内に観察される明暗模様に極僅かだった。
【００７１】
比較例１；膜厚不均一でダイレクターを乱した。
【００７２】
スピンコーターの条件を変更して、膜厚を２μｍ±５％にした以外は実施例１と同様に作製した円偏光抽出光学素子を、同様に観察したところ、面内にははっきりとした明暗模様が観察された。
【００７３】
比較例２；ラビング方向不均一でダイレクターを乱した。
【００７４】
配向膜のラビング方向を面内で不均一にした以外は実施例１と同様に作製した円偏光抽出光学素子を、同様に観察したところ、面内にははっきりとした明暗模様が観察された。
【００７５】
実施例２、比較例３；膜厚一定、且つ、ピッチを合わせて、ダイレクターを平行にした。
【００７６】
膜厚を、用いる材料の屈折率からコレステリック構造の始点と終点のダイレクターの方向が平行になるような膜厚にした以外は実施例１と同様に作製した円偏光抽出光学素子を、同様に観察したところ、そうしなかった場合に比較して、観察される明暗模様は明らかに激減した。
【００７７】
実施例３；多層構成とし、且つ、膜厚一定でダイレクターを一致させた。
【００７８】
実施例１で作製した円偏光抽出光学素子を第１の液晶層として、その配向膜と反対側の表面に、カイラル剤分子が１５部である以外は実施例１と同じトルエン溶液を前回よりは速い回転数でスピンコーティングした。
【００７９】
次に、８０℃でトルエンを蒸発させ、更に、コレステリック層を呈することを目視で選択反射により確認した。
【００８０】
上記塗膜に紫外線を照射して、光開始剤から発生するラジカルによって、モノマー分子のアクリレートを３次元架橋してポリマー化して、第２の液晶層を形成し、多層の円偏光抽出光学素子を得た。このときの総膜厚は３．５μｍ±１．５％だった。
【００８１】
得られた複数のコレステリック構造を有する液晶層の断面を透過型電子顕微鏡で観察したところ、各ポリマー化した液晶層間の明暗模様は互いに平行な状態（このことから、ヘリカル軸の方向が一致していることが分かる）で、断層はなかった（このことから、近接する液晶層表面間の、液晶分子のダイレクターの方向が一致していることが分かる）。更に、分光光度計で測定したところ、第２の液晶層の選択反射帯域の中心波長は５００ｎｍ付近だった。
【００８２】
図１１に示したように、直線偏光板をクロスニコル状態にして、その間に作製した円偏光抽出光学素子を挟んで目視で観察したところ、面内に観察される明暗模様は極僅かだった。
【００８３】
比較例４；多層構成とし、且つ、膜厚不均一でダイレクターを乱した。
【００８４】
スピンコーターの条件を変更して、総膜厚を３．５μｍ±５％にした以外は実施例３と同様に作製した円偏光抽出光学素子を、同様に観察したところ、面内にははっきりとした明暗模様が観察された。
【００８５】
実施例４；液晶ポリマーを用いて、多層構成とし、且つ、膜厚一定でダイレクターを一致させた。
【００８６】
ガラス転移温度が８０℃で、アイソトロピック転移温度が２００℃であるアクリル系の側鎖型液晶ポリマーを、トルエン溶液に溶解させた。なお、上記高分子コレステリック液晶は、配向膜上で、そのラビング方向±５度の範囲にダイレクターが揃うことを確認している。
【００８７】
一方、透明なガラス基板上に溶媒に溶かしたポリイミドをスピンコーティングでコーティングし、乾燥後、２００℃で製膜（膜厚０．１μｍ）し、ラビングして配向膜として機能するようにした。
【００８８】
前記配向膜付きガラス基板上を、スピンコーターにセットし、前記液晶ポリマーを溶解したトルエン溶液をできるだけ膜厚が一定になるような条件でスピンコーティングした。
【００８９】
次に、９０℃でトルエンを蒸発させ、更に、上記塗膜を１５０℃で１０分間保持し、コレステリック層を呈することを目視で選択反射により確認した後、室温まで冷却して液晶ポリマーを固定化し、第１の液晶層を形成した。このときの膜厚は２μｍ±１．５％だった。分光光度計で測定したところ、選択反射帯域の中心波長は６００ｎｍだった。
【００９０】
更に、固定化した第１の液晶層の上に、ガラス転移温度が７５℃で、アイソトロピック転移温度が１９０℃であるアクリル系の側鎖型液晶ポリマーを、トルエン溶液に溶解させた溶液を前回よりは速い回転数でスピンコーティングした。
【００９１】
次に、８０℃でトルエンを蒸発させ、更に、コレステリック層を呈することを目視で選択反射により確認した。分光光度計で測定したところ、２層目の選択反射帯域の中心波長は５００ｎｍ付近だった。
【００９２】
次に９０℃でトルエンを蒸発させ、更に、上記塗膜を１５０℃で１０分間保持し、コレステリック層を呈することを目視で選択反射により確認した後、室温まで冷却して液晶ポリマーを固定化し、第２の液晶層を形成した。このときの総膜厚は３．５μｍ±１．５％だった。
【００９３】
得られた複数のコレステリック構造を有する液晶層の断面を透過型電子顕微鏡で観察したところ、各固定化したポリマー液晶層間の明暗模様は互いに平行な状態（このことから、ヘリカル軸の方向が一致していることが分かる）で、断層はなかった（このことから、近接する液晶層表面間の、液晶分子のダイレクターの方向が一致していることが分かる）。更に、分光光度計で測定したところ、透過率に光学的特異点は観察されなかった。
【００９４】
図１１に示したように、直線偏光板をクロスニコル状態にして、その間に作製した円偏光抽出光学素子を挟んで目視で観察したところ、面内に観察される明暗模様は極僅かだった。
【００９５】
比較例５；液晶ポリマーを用いて、多層構成とし、且つ、膜厚不均一でダイレクターを乱した。
【００９６】
スピンコーターの条件を変更して、総膜厚を３．５μｍ±５％にした以外は実施例４と同様に作製した円偏光抽出光学素子を、同様に観察したところ、面内にははっきりとした明暗模様が観察された。
【００９７】
【発明の効果】
本発明は上記のように構成したので、円偏光抽出光学素子において、これを直線偏光板や楕円偏光板をクロスニコル状態にして挟み込んだ場合でも、平面に明暗模様が現われたりすることがなく、ディスプレイの表示品位の著しい低下がないという優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】前記本発明の実施の形態の例に係る円偏光抽出光学素子の一部を拡大して模式的に示す斜視図
【図２】同実施の形態の第２例に係る円偏光抽出光学素子の一部を拡大して模式的に示す斜視図
【図３】コレステリック液晶分子の螺旋構造における螺旋ピッチと液晶層表面の液晶分子のダイレクターとの関係を示す模式図
【図４】同円偏光抽出光学素子の製造過程を示す略示断面図
【図５】円偏光抽出光学素子の他の製造過程を示す略示断面図
【図６】円偏光抽出光学素子の更に他の製造過程を示す略示断面図
【図７】多層構成の同円偏光抽出光学素子の製造過程を示す略示断面図
【図８】同円偏光抽出光学素子における層間の隣接表面での液晶分子のダイレクターを示す模式図
【図９】本発明の実施の形態の例に係る偏光光源装置を示す略示断面図
【図１０】本発明の実施の形態の例に係る液晶表示装置を示す略示断面図
【図１１】円偏光抽出光学素子を偏光板により挟んで観察する状態を示す略示分解斜視図
【符号の説明】
１０、２０、３０、４０…円偏光抽出光学素子
１２Ａ、１２Ｂ…表面
１４…ガラス基板
１６…配向膜
１６Ａ…第２の配向膜
１８、１９…重合性モノマー分子（重合性オリゴマー分子）
３２…液晶ポリマー層
４２…第１の液晶層
４４…第２の液晶層
５０…偏光光源装置
５０Ａ…偏光出射面
５２…光源
５２Ａ…光出射面
６０…液晶表示装置
６２…液晶セル
Ｄａ、Ｄｂ…ダイレクター
【発明の属する技術分野】
この発明は、コレステリック規則性を有する液晶層を用いて無偏光から円偏光を抽出する円偏光抽出光学素子、この円偏光抽出光学素子を用いた偏光光源装置及び液晶表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
コレステリック液晶を用いた円偏光抽出光学素子としては、例えば特開平８−２７１７３１号公報、あるいは特開平１１−２６４９０７号公報等に開示されるように、液晶分子のヘリカルピッチが異なるコレステリック液晶層を複数層重ねて、幅広い反射波長帯域を得るようにしたものがある。
【０００３】
又、このような円偏光抽出光学素子を用いた偏光光源装置及び液晶表示装置としては、例えば特開平９−３０４７７０号公報等に開示されたようなものがある。
【０００４】
上記のような円偏光抽出光学素子をディスプレイ部材として用いることが多いが、この場合は例えば図１１に示されるように、直線偏光板（又は楕円偏光板）１、２をクロスニコル状態にして、その間に円偏光抽出光学素子３を挟み込んで用いることが多い。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、円偏光抽出光学素子をディスプレイ部材として用いるときは、光出射面の状態が均一でなければならないが、表面に明暗模様が現われて、著しく低下させることがあることが判明した。
【０００６】
この発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたものであって、直線偏光板や楕円偏光板をクロスニコル状態にして、その間に円偏光抽出光学素子を配備した場合でも、表示面に明暗模様が現われることがなく、従ってディスプレイの表示品位を低下させることがないようにした円偏光抽出光学素子、この円偏光抽出光学素子を用いた偏光光源装置及び液晶表示装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記のような、円偏光抽出光学素子を、クロスニコル状態にされた直線偏光板や楕円偏光板の間に配置したときの明暗模様の原因について、実験及びコンピュータシミュレーションを用いて鋭意研究した結果、円偏光抽出光学素子における表面の液晶分子のダイレクターの方向が原因であることをつき止めた。
【０００８】
本発明は、プレーナー配向されたコレステリック規則性を有する液晶層の２つの主たる表面の各々において、液晶分子のダイレクターの方向を実質的に一致させることにより、上記のような明暗模様の発生を抑制して、ディスプレイの表示品位低下を防止した。
【０００９】
更に、上記２つの表面における液晶分子のダイレクターの方向を実質的に平行とすることによって、更に明暗模様の発生を抑制できる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態の例を図面を参照して詳細に説明する。
【００１１】
図１に示されるように、本発明の実施の形態の例に係る円偏光抽出光学素子１０は、コレステリック液晶をプレーナー配向することによって、コレステリック規則性を有する液晶層からなり、該液晶層が対向する２つの主たる表面（広い方の表面）１２Ａ、１２Ｂでの、各表面１２Ａ、１２Ｂの各々全範囲において液晶分子のダイレクターＤａ、Ｄｂの方向が実質的に一致されるようにしたものである。
【００１２】
次に、前記ダイレクターの方向と液晶分子の関係について説明する。
【００１３】
上記のようなコレステリック規則性を有する液晶層は、一般的に、フィジカルな分子配列に基づいて、一方向の旋光成分とこれと逆回りの旋光成分とを分離する旋光選択特性を有する。
【００１４】
このような液晶層に対して、液晶のプレーナー配列のヘリカル軸に沿って入射した自然光は、右旋及び左旋の２つの円偏光に別れ、一方が透過し、他方が反射される。
【００１５】
この現象は、円偏光２色性として知られ、液晶分子の螺旋構造における旋回方向を適宜選択すると、該旋回方向と同一の旋光方向を持つ円偏光が選択的に反射される。
【００１６】
この場合の最大旋光偏光光散乱は、次の（１）式の波長λ0で生じる。
【００１７】
λ0＝ｎａｖ・ｐ …（１）
ここで、ｐは液晶分子の螺旋構造におけるヘリカルピッチ、ｎａｖはヘリカル軸に直交する平面内の平均屈折率である。
【００１８】
又、このときの反射光の波長バンド幅Δλは次の（２）式で示される。
【００１９】
Δλ＝Δｎ・ｐ …（２）
ここで、Δｎは複屈折値である。
【００２０】
コレステリック液晶による偏光分離作用は、入射した無偏光がコレステリック液晶において、前記波長λ0を中心とした波長バンド幅Δλの範囲の光の右旋又は左旋の円偏光成分の一方が反射され、他方の円偏光成分及び他の波長領域の光（無偏光）が透過される。なお、反射された右旋又は左旋円偏光は、通常の反射と異なり、位相が反転されることなくそのまま反射される。
【００２１】
前記２つの表面１２Ａ、１２Ｂのそれぞれの全範囲における液晶分子のダイレクターＤａ、Ｄｂの方向は実質的に一致するが、この実質的に一致するとは、液晶分子の頭と尻が光学的に区別できないので、１８０°ずれている場合、即ち液晶分子の頭又は尻が同一方向である場合も含むものである。表面１２Ａ、１２Ｂ間での液晶分子のダイレクターの方向が実質的に一致するあるいは平行の場合も同様である。
【００２２】
上記のような、液晶分子のダイレクターの方向が実質的に一致しているか否かは、液晶層の断面を透過型電子顕微鏡で観察することによって判別することができる。詳細には、透過型電子顕微鏡で、コレステリック構造を有する固化された液晶層の断面を観察すると、コレステリック構造特有の、分子螺旋ピッチに相当する明暗模様が観察されるが、このとき、各表面１２Ａ、１２Ｂにおいて、面に沿って明暗の濃度がばらつきがなくほぼ同程度に見えれば、この面内のダイレクターの方向が実質的に一致していることになる。
【００２３】
次に、図２に示される実施の形態の第２例に係る円偏光抽出光学素子２０について説明する。
【００２４】
この円偏光抽出光学素子２０は、主たる表面２２Ａ、２２Ｂの液晶分子のダイレクターＤａ、Ｄｂの方向を、実質的に平行となるようにしたものである。
【００２５】
この円偏光抽出光学素子２０では、相対向する２つの表面２２Ａ、２２Ｂにおける液晶分子の配向方向を、正確に一致させるために、液晶層の厚さを、液晶分子の螺旋構造における螺旋ピッチの１／２の整数倍としている。このようにすれば、例えば図３（Ａ）〜（Ｃ）に模式的に示されるように、光学的に、液晶分子のコレステリック規則性上のピッチｐにより厚さが割り切れるからであり、又、単純化された前記理論式（１）からの光学的なズレ、特に位相シフト差による偏光状態の乱れが抑制されるからである。
【００２６】
次に、前記のような円偏光抽出光学素子の材料及び製造過程について説明する。
【００２７】
円偏光抽出光学素子の材料としては、３次元架橋されたモノマー又はオリゴマーを用いたり、ガラス状態にした液晶ポリマーを用いる。
【００２８】
上記のような、３次元架橋可能なモノマー分子を用いる場合は、特開平７−２５８６３８号公報や特表平１０−５０８８８２号公報で開示されているような、液晶性モノマー及びキラル化合物の混合物がある。又、オリゴマー分子を用いる場合は、特開昭５７−１６５４８０号公報で開示されているようなコレステリック相を有する環式オルガノポリシロキ酸化合物等が望ましい。
【００２９】
ここで、３次元架橋とは、重合性モノマー又はオリゴマー分子が互いに３次元的に重合し網目（ネットワーク）構造になっていることを意味する。このような状態になっていると、液晶分子をコレステリック液晶状態のままで光学的に固定化することができ、これを、常温で安定したフィルム状の光学膜として構成し、取扱性を向上させることができる。
【００３０】
実際の製造工程では、図４（Ａ）に示されるように、ガラス基板１４上に配向膜１６を形成しておき、その上に、図４（Ｂ）に示されるように、重合性モノマー分子（又は重合性オリゴマー分子）１８をコーティングし、配向膜１６の配向規制力によって配向（このとき、分子は液晶層を構成する）させる。
【００３１】
次に、この配向状態のままで、図４（Ｃ）に示されるように、前記重合性モノマー分子（重合性オリゴマー分子）１８を、予め添加しておいた光開始材と外部から照射した紫外線によって重合を開始させるか、又は電子線で直接重合を開始させることにより、３次元架橋（ポリマー化）して、前記のような一層の円偏光抽出光学素子１０を得る。
【００３２】
ここでは、前記配向膜１６の配向規制力の方向を同配向膜１６の面内で実質的に一致させておけば、これと接触する液晶分子のダイレクターの方向を、該面内で実質的に一致させることができる。この場合、前記配向膜１６と接触する表面１２Ａと反対側の表面１２Ｂの液晶分子のダイレクターＤａ、Ｄｂを実質的に一致させるためには、液晶層の膜厚を均一にするか、図５（Ａ）〜（Ｄ）に示されるように、前記図２に示される工程のうち、重合性モノマー分子（重合性オリゴマー分子）１８を配向膜１６上にコーティングした後、３次元架橋の前に、第２の配向膜１６Ａを、前記コーティングした重合性モノマー分子１８上に重ねて、図４（Ｃ）におけると同様に、紫外線又は電子線照射により配向膜１６と第２の配向膜１６Ａとの間で重合性モノマー分子１８を３次元架橋させる。
【００３３】
なお、図２に示されるような円偏光抽出光学素子２０を製造する場合、第２の配向膜１６Ａの配向規制力の方向を前記配向膜１６におけると一致させる必要がある。又、第２の配向膜１６Ａは、紫外線又は電子線照射の後工程で液晶層から剥離してもよい。
【００３４】
ここで、前記重合性モノマー分子（又は重合性オリゴマー分子）１８は、溶媒に溶かしてコーティング液としてもよく、この場合は、紫外線や電子線照射を照射して３次元架橋させる前に溶媒を蒸発させるための乾燥工程が必要となる。
【００３５】
又、前記重合性モノマー分子（又は重合性オリゴマー分子）１８を所定の温度で液晶層にした場合には、これがネマチック状態になるが、ここに任意のカイラル剤を添加すれば、カイラルネマチック液晶（コレステリック液晶）となる。
【００３６】
この実施の形態の例では、重合性モノマー分子又は重合性オリゴマー分子に、カイラル剤を数％〜１０％程度入れる。ここで、カイラル剤の種類を変えてカイラルパワーを変えるか、あるいは、カイラル剤の濃度を変化させることにより、コレステリック液晶の選択反射波長帯域を形成することができる。
【００３７】
前記配向膜１６及び／又は第２の配向膜１６Ａは、従来知られている方法で作成する。例えば、前述のようにガラス基板１４上にポリイミドを成膜し、ラビングする方法、ガラス基板１４上に光配向膜となる高分子化合物を成膜し、偏光ＵＶ（紫外線）を照射する方法、延伸したＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）フィルム等を用いる。
【００３８】
次に、円偏光抽出光学素子の材料としてポリマー（高分子）液晶を用いる場合について説明する。
【００３９】
この材料としては、液晶を呈するメソゲン基を主鎖、側鎖、あるいは主鎖及び側鎖の位置に導入した高分子、コレステリル基を側鎖に導入した高分子コレステリック液晶や、例えば、特開平９−１３３８１０号公報で開示されているような液晶性高分子、特開平１１−２９３２５２号公報で開示されているような液晶性高分子を用いる。
【００４０】
このようなポリマー液晶を用いて円偏光抽出光学素子３０を製造する工程について図６を参照して説明する。
【００４１】
まず、図６（Ａ）に示されるように、前述と同様に、ガラス基板１４上に配向膜１６を形成しておく。
【００４２】
次に、図６（Ｂ）に示されるように、前記配向膜１６上に、液晶ポリマー層３２をコーティングして、配向膜１６の配向規制力によって液晶分子を配向させる（このとき液晶層が形成される）。
【００４３】
前記液晶ポリマー層３２を冷却してガラス状態に液晶分子を固定させれば、図６（Ｃ）に示されるように、円偏光抽出光学素子３０を得ることができる。
【００４４】
ここで、前記液晶ポリマー層３２は、予め液晶ポリマーを溶媒に溶かしておいてコーティング液としてもよいが、この場合は冷却前に溶媒を蒸発させるための乾燥工程が必要となる。
【００４５】
液晶ポリマーとしては、液晶ポリマーそれ自体にカイラル能を有しているコレステリック液晶ポリマーそのものを用いてもよいし、ネマチック系液晶ポリマーとコレステリック系液晶ポリマーの混合物を用いてもよい。
【００４６】
このような液晶ポリマーは、温度によって状態が変わり、例えばガラス転移温度が９０℃、アイソトロピック転移温度が２００℃である場合は、９０℃〜２００℃の間でコレステリック液晶状態を呈し、これを室温まで冷却すればコレステリック構造を有したままでガラス状態で固化させることができる。
【００４７】
液晶ポリマーのコレステリック構造に起因する、入射光の選択反射波長帯域を調整する方法は、前述したコレステリック液晶ポリマー分子の場合は、公知の方法で液晶分子中のカイラルパワーを調整すればよい。又、ネマチック系液晶ポリマーとコレステリック系液晶ポリマーの混合物を用いる場合は、その混合比を調整する。
【００４８】
前記製造過程において、前記配向膜１６の全範囲において配向規制力の方向を実質的に一致させておけば、これと接触する液晶分子のダイレクターの方向を、面内で実質的に一致させることができる。
【００４９】
液晶層における配向膜１６と反対側の表面における液晶分子のダイレクターの方向を配向膜１６による配向方向と一致させる方法としては、前述と同様に、液晶層の厚さを、液晶分子の螺旋構造における螺旋ピッチの１／２の整数倍とするか、第２の配向膜１６Ａを用いる。
【００５０】
上記実施の形態の例において、いずれの場合も円偏光抽出光学素子は一層の液晶層からなる単層構成であるが、本発明はこれに限定されるものでなく、多層構成としてもよい。
【００５１】
この多層構成の円偏光抽出光学素子４０を製造する工程について説明する。 まず、重合性モノマー分子（又は重合性オリゴマー分子）１８を用いる場合は、図７（Ａ）に示されるようなガラス基板１４上に形成された配向膜１６の上に、図７（Ｂ）に示されるように、重合性モノマー分子（又は重合性オリゴマー分子）１８をコーティングし、配向膜１６の配向規制力によって液晶分子を配向させる。
【００５２】
次に、図７（Ｃ）に示されるように、前述と同様に、光開始剤を用いての紫外線照射又は電子線の単独照射により、前記重合性モノマー分子（重合性オリゴマー分子）１８を３次元架橋させて第１の液晶層４２を得る。更にその上に、図７（Ｄ）に示されるように、別途用意した重合性モノマー分子（重合性オリゴマー分子）１９を直接コーティングし、図８に示されるように、前記３次元架橋された第１の液晶層４２の表面の配向規制力を用いて配向させ、この状態で、図７（Ｅ）に示されるように、前述と同様に紫外線照射又は電子線単独照射によって３次元架橋させて固化し、第２の液晶層４４を形成して２層構成の円偏光抽出光学素子４０を得る。３層以上の多層構成とする場合は、前記と同様の工程を繰返す。
【００５３】
上記製造工程において、前記配向膜１６の配向規制力の方向を、前記と同様に配向膜面内で実質的に一致させておけば、これと接触する液晶分子のダイレクターの方向を、該面内で実質的に一致させることができる。又、第１の液晶層４２を３次元架橋して固化する際に、前述と同様の第２の配向膜１６Ａを用いて、配向膜１６と反対側の主平面における液晶分子のダイレクターの方向を該面内で実質的に一致させるようにしてもよい。第２以降の液晶層の製造工程についても同様である。
【００５４】
前述と同様に、偏光抽出光学素子４０における液晶層４２、４４の表面の面内における液晶分子のダイレクターの方向を実質的に平行にするためには、これらの液晶層の厚さを、前記図３に示されるように、液晶分子の螺旋構造における螺旋ピッチの１／２の整数倍とすることによって、ダイレクターの方向をより確実に平行にすることができる。
【００５５】
上記のような多層構成の円偏光抽出光学素子を液晶ポリマーを用いて形成する場合は、図７（Ｃ）、（Ｅ）の紫外線又は電子線照射に代えて室温までの冷却によるガラス化の工程が必要となる。他の工程は材料を除いて図７に示されると同様である。
【００５６】
次に、図９を参照して本発明の実施の形態の例に係る偏光光源装置５０について説明する。
【００５７】
この偏光光源装置５０は、光源５２と、この光源５２の光出射面５２Ａに配置され、前記光源５２からの光を受光して偏光光を透過するようにされた前記円偏光抽出光学素子１０（２０、３０又は４０）とを備えて構成されている。
【００５８】
前記光源５２は、例えば面発光体からなり、白色の無偏光を前記光出射面５２Ａから出射するようにされている。
【００５９】
従って、この偏光光源装置５０においては、光源５２から出射された無偏光のうち、コレステリック液晶のヘリカルピッチに対応する前記（１）式の波長λ0の右旋又は左旋円偏光が（２）式での波長バンド幅Δλの範囲で反射され、その残りの左旋又は右旋円偏光及び前記反射波長帯域を除く波長帯域の無偏光が透過されて出射する。従って、特定の波長帯域における右旋又は左旋円偏光を得ることができる。
【００６０】
実際には、例えばバンドパスフィルタによって前記透過した円偏光の波長帯域を除く無偏光を除去すれば、所定の波長の左旋又は右旋円偏光が得られる。
【００６１】
次に、図１０を参照して、本発明の液晶表示装置の実施の形態の例について説明する。
【００６２】
この実施の形態の例に係る液晶表示装置６０は、前記図９に示される偏光光源装置５０と、この偏光光源装置５０の偏光出射面５０Ａに配置された液晶セル６２とを有して構成されている。
【００６３】
前記液晶セル６２は、入射する偏光光に対する透過率を、例えば印加電圧に応じて変化させて透過するようにされ、これによって画像等を表示できるようにされている。
【００６４】
【実施例】
実施例１；膜厚一定でダイレクターを一致させた。
【００６５】
両端末に重合可能なアクリレートを有し、中央部のメソゲンと前記アクリレートとの間にスペーサーを有するネマチック−アイソトロピッチ転移温度が１１０℃であるモノマー分子９０部と、両端末に重合可能なアクリレートを有するカイラル剤分子１０部を、トルエン溶液に溶解させ、光開始剤を前記モノマー分子に対して５重量％添加した。なお、上記ネマチック液晶は、配向膜上で、そのラビング方向±５度の範囲にダイレクターが揃うことを確認している。
【００６６】
一方、透明なガラス基板上に溶媒に溶かしたポリイミドをスピンコーティングでコーティングし、乾燥後、２００℃で製膜（膜厚０．１μｍ）し、一定方向にラビングして配向膜として機能するようにした。
【００６７】
前記配向膜付きガラス基板を、スピンコーターにセットし、前記モノマー分子等を溶解したトルエン溶液をできるだけ膜厚が一定になるような条件でスピンコーティングした。
【００６８】
次に、８０℃でトルエンを蒸発させ、更に、コレステリック層を呈することを目視で選択反射により確認した。
【００６９】
上記塗膜に紫外線を照射して、光開始剤から発生するラジカルによって、モノマー分子のアクリレートを３次元架橋してポリマー化し、単層の円偏光抽出光学素子を得た。このときの膜厚は２μｍ±１．５％だった。又、分光光度計で測定したところ、選択反射帯域の中心波長は６００ｎｍだった。
【００７０】
図１１に示されると同様に、直線偏光板をクロスニコル状態にして、その間に、前記のように作製した円偏光抽出光学素子を挟んで目視で観察したところ、面内に観察される明暗模様に極僅かだった。
【００７１】
比較例１；膜厚不均一でダイレクターを乱した。
【００７２】
スピンコーターの条件を変更して、膜厚を２μｍ±５％にした以外は実施例１と同様に作製した円偏光抽出光学素子を、同様に観察したところ、面内にははっきりとした明暗模様が観察された。
【００７３】
比較例２；ラビング方向不均一でダイレクターを乱した。
【００７４】
配向膜のラビング方向を面内で不均一にした以外は実施例１と同様に作製した円偏光抽出光学素子を、同様に観察したところ、面内にははっきりとした明暗模様が観察された。
【００７５】
実施例２、比較例３；膜厚一定、且つ、ピッチを合わせて、ダイレクターを平行にした。
【００７６】
膜厚を、用いる材料の屈折率からコレステリック構造の始点と終点のダイレクターの方向が平行になるような膜厚にした以外は実施例１と同様に作製した円偏光抽出光学素子を、同様に観察したところ、そうしなかった場合に比較して、観察される明暗模様は明らかに激減した。
【００７７】
実施例３；多層構成とし、且つ、膜厚一定でダイレクターを一致させた。
【００７８】
実施例１で作製した円偏光抽出光学素子を第１の液晶層として、その配向膜と反対側の表面に、カイラル剤分子が１５部である以外は実施例１と同じトルエン溶液を前回よりは速い回転数でスピンコーティングした。
【００７９】
次に、８０℃でトルエンを蒸発させ、更に、コレステリック層を呈することを目視で選択反射により確認した。
【００８０】
上記塗膜に紫外線を照射して、光開始剤から発生するラジカルによって、モノマー分子のアクリレートを３次元架橋してポリマー化して、第２の液晶層を形成し、多層の円偏光抽出光学素子を得た。このときの総膜厚は３．５μｍ±１．５％だった。
【００８１】
得られた複数のコレステリック構造を有する液晶層の断面を透過型電子顕微鏡で観察したところ、各ポリマー化した液晶層間の明暗模様は互いに平行な状態（このことから、ヘリカル軸の方向が一致していることが分かる）で、断層はなかった（このことから、近接する液晶層表面間の、液晶分子のダイレクターの方向が一致していることが分かる）。更に、分光光度計で測定したところ、第２の液晶層の選択反射帯域の中心波長は５００ｎｍ付近だった。
【００８２】
図１１に示したように、直線偏光板をクロスニコル状態にして、その間に作製した円偏光抽出光学素子を挟んで目視で観察したところ、面内に観察される明暗模様は極僅かだった。
【００８３】
比較例４；多層構成とし、且つ、膜厚不均一でダイレクターを乱した。
【００８４】
スピンコーターの条件を変更して、総膜厚を３．５μｍ±５％にした以外は実施例３と同様に作製した円偏光抽出光学素子を、同様に観察したところ、面内にははっきりとした明暗模様が観察された。
【００８５】
実施例４；液晶ポリマーを用いて、多層構成とし、且つ、膜厚一定でダイレクターを一致させた。
【００８６】
ガラス転移温度が８０℃で、アイソトロピック転移温度が２００℃であるアクリル系の側鎖型液晶ポリマーを、トルエン溶液に溶解させた。なお、上記高分子コレステリック液晶は、配向膜上で、そのラビング方向±５度の範囲にダイレクターが揃うことを確認している。
【００８７】
一方、透明なガラス基板上に溶媒に溶かしたポリイミドをスピンコーティングでコーティングし、乾燥後、２００℃で製膜（膜厚０．１μｍ）し、ラビングして配向膜として機能するようにした。
【００８８】
前記配向膜付きガラス基板上を、スピンコーターにセットし、前記液晶ポリマーを溶解したトルエン溶液をできるだけ膜厚が一定になるような条件でスピンコーティングした。
【００８９】
次に、９０℃でトルエンを蒸発させ、更に、上記塗膜を１５０℃で１０分間保持し、コレステリック層を呈することを目視で選択反射により確認した後、室温まで冷却して液晶ポリマーを固定化し、第１の液晶層を形成した。このときの膜厚は２μｍ±１．５％だった。分光光度計で測定したところ、選択反射帯域の中心波長は６００ｎｍだった。
【００９０】
更に、固定化した第１の液晶層の上に、ガラス転移温度が７５℃で、アイソトロピック転移温度が１９０℃であるアクリル系の側鎖型液晶ポリマーを、トルエン溶液に溶解させた溶液を前回よりは速い回転数でスピンコーティングした。
【００９１】
次に、８０℃でトルエンを蒸発させ、更に、コレステリック層を呈することを目視で選択反射により確認した。分光光度計で測定したところ、２層目の選択反射帯域の中心波長は５００ｎｍ付近だった。
【００９２】
次に９０℃でトルエンを蒸発させ、更に、上記塗膜を１５０℃で１０分間保持し、コレステリック層を呈することを目視で選択反射により確認した後、室温まで冷却して液晶ポリマーを固定化し、第２の液晶層を形成した。このときの総膜厚は３．５μｍ±１．５％だった。
【００９３】
得られた複数のコレステリック構造を有する液晶層の断面を透過型電子顕微鏡で観察したところ、各固定化したポリマー液晶層間の明暗模様は互いに平行な状態（このことから、ヘリカル軸の方向が一致していることが分かる）で、断層はなかった（このことから、近接する液晶層表面間の、液晶分子のダイレクターの方向が一致していることが分かる）。更に、分光光度計で測定したところ、透過率に光学的特異点は観察されなかった。
【００９４】
図１１に示したように、直線偏光板をクロスニコル状態にして、その間に作製した円偏光抽出光学素子を挟んで目視で観察したところ、面内に観察される明暗模様は極僅かだった。
【００９５】
比較例５；液晶ポリマーを用いて、多層構成とし、且つ、膜厚不均一でダイレクターを乱した。
【００９６】
スピンコーターの条件を変更して、総膜厚を３．５μｍ±５％にした以外は実施例４と同様に作製した円偏光抽出光学素子を、同様に観察したところ、面内にははっきりとした明暗模様が観察された。
【００９７】
【発明の効果】
本発明は上記のように構成したので、円偏光抽出光学素子において、これを直線偏光板や楕円偏光板をクロスニコル状態にして挟み込んだ場合でも、平面に明暗模様が現われたりすることがなく、ディスプレイの表示品位の著しい低下がないという優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】前記本発明の実施の形態の例に係る円偏光抽出光学素子の一部を拡大して模式的に示す斜視図
【図２】同実施の形態の第２例に係る円偏光抽出光学素子の一部を拡大して模式的に示す斜視図
【図３】コレステリック液晶分子の螺旋構造における螺旋ピッチと液晶層表面の液晶分子のダイレクターとの関係を示す模式図
【図４】同円偏光抽出光学素子の製造過程を示す略示断面図
【図５】円偏光抽出光学素子の他の製造過程を示す略示断面図
【図６】円偏光抽出光学素子の更に他の製造過程を示す略示断面図
【図７】多層構成の同円偏光抽出光学素子の製造過程を示す略示断面図
【図８】同円偏光抽出光学素子における層間の隣接表面での液晶分子のダイレクターを示す模式図
【図９】本発明の実施の形態の例に係る偏光光源装置を示す略示断面図
【図１０】本発明の実施の形態の例に係る液晶表示装置を示す略示断面図
【図１１】円偏光抽出光学素子を偏光板により挟んで観察する状態を示す略示分解斜視図
【符号の説明】
１０、２０、３０、４０…円偏光抽出光学素子
１２Ａ、１２Ｂ…表面
１４…ガラス基板
１６…配向膜
１６Ａ…第２の配向膜
１８、１９…重合性モノマー分子（重合性オリゴマー分子）
３２…液晶ポリマー層
４２…第１の液晶層
４４…第２の液晶層
５０…偏光光源装置
５０Ａ…偏光出射面
５２…光源
５２Ａ…光出射面
６０…液晶表示装置
６２…液晶セル
Ｄａ、Ｄｂ…ダイレクター
Claims (5)
- プレーナー配向されたコレステリック規則性を有する少なくとも一層の液晶層を有し、該液晶層の対向する２つの主たる表面のうち、一方の表面の全範囲における液晶分子のダイレクターの方向が実質的に一致し、他方の表面の全範囲における液晶分子のダイレクターの方向も実質的に一致し、かつ、前記一方の表面の液晶分子のダイレクターの方向と、前記他方の表面の液晶分子のダイレクターの方向とが実質的に平行であることを特徴とする円偏光抽出光学素子。
- 請求項１において、複数の前記液晶層が順次直接積層されてなり、隣接する液晶層の一方及び他方の表面における液晶分子のダイレクターの方向が実質的に平行であることを特徴とする円偏光抽出光学素子。
- 請求項１又は２において、前記一方の表面における液晶分子と前記他方の表面における液晶分子との間に、０．５×整数倍のピッチ数の液晶分子螺旋構造があることを特徴とする円偏光抽出光学素子。
- 光源と、この光源の光出射面に配置され、前記光源からの光を受光して偏光光を透過するようにされた請求項１、２又は３に記載の円偏光抽出光学素子と、を有してなることを特徴とする偏光光源装置。
- 請求項４記載の偏光光源装置と、この偏光光源装置の前記円偏光抽出光学素子から出射する偏光光を受光して、前記偏光光に対する透過率を変化させて透過するようにした液晶セルと、を有してなることを特徴とする液晶表示装置。
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