JP6765429B2

JP6765429B2 - 光学積層体

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Publication number: JP6765429B2
Application number: JP2018537317A
Authority: JP
Inventors: 齊藤　之人; 之人齊藤; 大助柏木
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Current assignee: Fujifilm Corp
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Filing date: 2017-08-29
Publication date: 2020-10-07
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Description

本発明は、波長選択性反射素子を備えた光学積層体に関する。

特定の波長領域の光を選択的に反射する波長選択性反射素子が知られている。
波長選択性反射素子の一種であるコレステリック液晶は特定の波長の特定の円偏光を選択的に反射し、その他の波長および円偏光を透過させる性質を有し、表示装置におけるカラーフィルタや輝度向上フィルム等に使用されている。

また、コレステリック液晶層を識別媒体に利用する技術も知られている（特開２００７−２７９１２９号公報、特開２０１１−１０２８４３号公報等）。特開２００７−２７９１２９号公報、特開２０１１−１０２８４３号公報には、左目用および右目用のホログラム像を含むホログラム層を有するコレステリック液晶層と、コレステリック液晶層上に所定のパターンを有して設けられたλ／２板を備えた識別媒体が開示されている。

一方、Kobayashi et al "Planar optics with patterned chiral liquid crystal" Nature Photonics, 2016.66(2016)においては、コレステリック液晶から反射される光の位相が螺旋構造の位相によって変化することを見出し、螺旋構造の位相を空間的に制御することによって、反射光の波面を任意に設計できることが示されている。

Kobayashi et al "Planar optics with patterned chiral liquid crystal" Nature Photonics, 2016.66(2016)においては、コレステリック液晶層の形成工程においてパターン配向させることにより、コレステリック液晶の螺旋構造の位相を制御する方法が提案されている。しかしながら、この方法では、微細な液晶配向方向の制御が必要であるため、実用化への適用が困難である。コレステリック液晶層に限らず、波長選択性反射素子における反射光の波面を任意に設計可能な光学部材に対する需要は高い。

本発明は、上記事情に鑑みて、容易に作製でき、波長選択性反射素子による反射光の波面を任意に設計可能な光学積層体を提供することを目的とする。

本発明の光学積層体は、特定の反射波長領域の光を選択的に反射する反射層を備えた波長選択性反射素子と、波長選択性反射素子の少なくとも一方の面側に備えられた、光学等方性を有する絶対位相調整層とを備え、
絶対位相調整層は、屈折率および膜厚の少なくとも一方に面内分布を有することにより膜厚方向の光路長に面内分布を有し、
絶対位相調整層側から入射した光のうち、波長選択性反射素子による特定の反射波長領域の光を、入射した光の波面とは異なる波面を有する反射光として出射する。

本発明の光学積層体においては、波長選択性反射素子の反射層が、コレステリック液晶層であってもよい。

本発明の光学積層体においては、波長選択性反射素子の反射層が、屈折率の異なる少なくとも２つの層が交互に多層積層された誘電体多層膜であってもよい。

本発明の光学積層体において、絶対位相調整層における光路長の面内分布は、光路長が階段状に変化するパターンを有することができる。

本発明の光学積層体において、絶対位相調整層における光路長の面内分布は、一点から離れるにつれて光路長が徐々に長くなるパターンを有することができる。

本発明の光学積層体において、絶対位相調整層における光路長の面内分布は、一点から離れるにつれて光路長が徐々に短くなるパターンを有することができる。

さらに、本発明の光学積層体の絶対位相調整層おける光路長の面内分布においては、上記のいずれかのパターンもしくは各パターンの組合せが周期的に繰り返されていてもよい。

本発明の光学積層体は、特定の反射波長領域の光を選択的に反射する反射層を備えた波長選択性反射素子と、波長選択性反射素子の少なくとも一方の面側に配された、光学等方性を有する絶対位相調整層とを備え、絶対位相調整層は屈折率および膜厚の少なくとも一方に面内分布を有することにより膜厚方向の光路長に面内分布を有するので、絶対位相調整層側から入射した光のうち、波長選択性反射素子による特定の反射波長領域の光を、入射した光の波面とは異なる波面を有する反射光として出射することができる。すなわち、一様な波長選択性反射素子に絶対位相調整層を備えることにより、反射光の波面制御を行うことができる。波長選択性反射素子自体に微細なパターンを形成しては波面制御可能とする場合と比較して、簡単に作製することができより実用化に適する。

本発明の第１の実施形態の光学積層体を示す側面模式図および絶対位相調整層の面内一方向における光路長分布を示す。絶対位相調整層の第１のパターン構成例を示す断面模式図Ａ、屈折率のｘ軸方向における屈折率分布Ｂ、およびｘ軸方向における光路長分布Ｃを示す。絶対位相調整層の第２のパターン構成例を示す断面模式図Ａ、ｘ軸方向における膜厚分布Ｂ，およびｘ軸方向における光路長分布Ｃである。絶対位相調整層の第３のパターン構成例を示す断面模式図Ａおよびｘ軸方向における光路長分布Ｂである。絶対位相調整層における光路長の面内分布の他の例を示す平面図である。絶対位相調整層における光路長の面内分布の他の例を示す平面図である。絶対位相調整層における光路長の面内分布の他の例を示す平面図である。絶対位相調整層のｘ軸方向における光路長分布を示す図である。本発明の第２の実施形態の光学積層体の一部を示す断面模式図である。

以下、本発明の光学積層体の実施形態について図面を参照して説明する。なお、各図面においては、視認しやすくするため、構成要素の縮尺は実際のものとは適宜異ならせてある。

＜光学積層体＞
図１は、本発明の第１の実施形態の光学積層体１０の側面図およびその絶対位相調整層１４の面内一方向における光路長Ｌの変化（光路長の面内分布）を示す。

本実施形態の光学積層体１０は、特定の反射波長領域の光を反射する反射層を備えた波長選択性反射素子１２と、波長選択性反射素子１２の少なくとも一方の面側に備えられた、光学等方性を有する絶対位相調整層１４とを有する。

本実施形態における波長選択性反射素子１２を構成するコレステリック液晶層は、棒状液晶化合物もしくは円盤状液晶化合物が螺旋状に配列された液晶相である。このコレステリック液晶相における螺旋構造のピッチまたは屈折率を変えることにより反射中心波長を調整することができる。この螺旋構造のピッチはキラル剤の添加量を変えることによって容易に調整可能である。

絶対位相調整層は、光学等方性を有する。ここで、「光学等方性を有する」とは絶対位相調整層を通過する光に複屈折による位相差が生じない、すなわち、通過する光の偏光状態に複屈折による影響を与えないものであることを意味する。但し、以下に述べる絶対位相調整層１４としての機能を損なわない範囲で位相差が生じることは許容される。

図１中に示すように、絶対位相調整層１４は、膜厚方向の光路長に面内分布を有している。ここでは、光路長Ｌが、面の一方向（例えば、ｘｙ平面のｘ軸方向）にのこぎり波状に変化するパターンを有している。光路長Ｌは屈折率ｎと膜厚ｄの積で表される。
本光学積層体１０は、この絶対位相調整層１４を備えたことにより、本光学積層体１０に絶対位相調整層１４側から入射した入射光Ｉのうち、波長選択性反射素子１２による選択反射波長領域の左円偏光成分もしくは右円偏光成分光である反射光Ｒを、入射時の波面とは異なる波面を有する光として出射することができる。
本実施形態の構成においては、面に垂直に入射する入射光Ｉのうち、波長選択性反射素子１２で反射された反射光Ｒは、面の法線に角度を持った斜め方向に出射される。

絶対位相調整層１４はその光路長に応じた絶対位相を反射光に生じさせることができる。したがって、絶対位相調整層１４における光路長の面内分布により、入射位置によって絶対位相の異なる反射光が生じ、反射特性を強め合い、あるいは弱め合うことにより、本光学積層体１０に入射して反射する光は、全体として入射時の波面とは異なる波面を有することとなる。
すなわち、絶対位相調整層１４の光路長の面内分布によって反射光の波面を制御することができる。

既述の通り、膜厚方向の光路長Ｌは屈折率ｎと膜厚ｄとの積で表される。したがって、光路長Ｌに面内分布を生じさせるためには、屈折率ｎおよび膜厚ｄの少なくとも一方に面内分布を設ければよい。
本発明の光学積層体においては、絶対位相調整層１４により絶対位相を変化させることにより反射光の波面を制御できるので、コレステリック液晶層からなる反射層自体には微細な配向方向制御の必要がなく、面内一様配向処理を用いることができる。

以下、図２〜図８を参照して、絶対位相調整層における光路長の面内分布のパターン構成例について説明する。

図２は、絶対位相調整層１４に屈折率ｎの面内分布を設けることにより、光路長の面内分布を形成した第１のパターン構成例を示す。図２において、Ａは光学積層体１０Ａの拡大断面模式図であり、Ｂは絶対位相調整層のｘ軸方向における屈折率分布、Ｃは絶対位相調整層のｘ軸方向における光路長分布を示している。

絶対位相調整層１４は、異なる屈折率ｎ_１〜ｎ_６をそれぞれ有する第１の領域Ａ_１〜第６の領域Ａ_６が面内の一方の方向に周期的に配列されてなる。第１の領域Ａ_１〜第６の領域Ａ_６の膜厚ｄは同一である。図２中のＢに示すように、第１の領域Ａ_１〜第６の領域Ａ_６を構成する各層の屈折率ｎ_１、ｎ_２、ｎ_３、ｎ_４、ｎ_５およびｎ_６は、ｎ_１＜ｎ_２＜ｎ_３＜ｎ_４＜ｎ_５＜ｎ_６の関係にあり、第１の領域Ａ_１から第６の領域Ａ_６に向かって屈折率が階段状に大きくなっている。そして、光路長Ｌは、図２中のＣに示すように、屈折率ｎが大きくなるにつれて大きくなる、屈折率分布に応じた階段状の分布を有している。本構成により、上記実施形態に示した、のこぎり波状の光路長パターンを概ね実現することができる。

図３は、絶対位相調整層１４に膜厚ｄの面内分布を設けることにより、光路長の面内分布を形成した第２のパターン構成例を示す。図３において、Ａは光学積層体１０Ｂの拡大断面模式図であり、Ｂは絶対位相調整層のｘ軸方向における膜厚分布、Ｃは絶対位相調整層のｘ軸方向における光路長分布を示している。

絶対位相調整層１４は、膜厚がｄ_１〜ｄ_６に階段状に変化するパターンが周期的に設けられた構成である。本例において絶対位相調整層１４は全域同一の組成物から構成されており、屈折率は全域に亘って均一である。図３中のＢに示すように、膜厚はｄ_１からｄ_６に階段状に大きくなり、図３中のＣに示すように、光路長Ｌは、膜厚が大きくなるにつれて大きくなる、膜厚分布に応じた階段状の分布を有している。本構成によっても、上記実施形態に示した、のこぎり波状の光路長パターンを概ね実現することができる。

図４は、第２のパターン構成例と同様に、絶対位相調整層１４に膜厚ｄの面内分布を設けることにより、光路長の面内分布を形成した第３のパターン構成例を示す。図４において、Ａは光学積層体１０Ｃの拡大断面模式図であり、Ｂは絶対位相調整層のｘ軸方向における光路長分布を示している。

絶対位相調整層１４は、膜厚が徐々に（滑らかに）変化する領域が周期的に設けられた構成である。図４に示すように、絶対位相調整層１４は断面形状が、のこぎり波状である。図３の例と同様に、絶対位相調整層１４は全域同一の組成物から構成されており、屈折率は全域に亘って均一である。本構成により、図４のＢに示すように光路長Ｌは、膜厚が大きくなるにつれてＬ_０からＬ_ｔまで徐々に長くなっている。すなわち、光路長Ｌは、膜厚のパターンに応じた、のこぎり波状のパターンを有している。

図２〜図４に示した例では、屈折率のみ、もしくは膜厚のみを変化させることにより光路長をのこぎり波状に変化させる場合について説明したが、屈折率および膜厚の両者を変化させて同様に光路長を変化させてもよい。

図２〜図４においては、光路長がｘ軸方向にのこぎり波状に変化する例を示したが、光路長の面内分布は上記に限らず、用途に応じて種々の設計が可能である。図５〜図８は光学積層体の絶対位相調整層１４における光路長の面内分布の他の例を示す平面模式図である。

図５に示す絶対位相調整層１４は、所定の一点Ｃ_１を中心とする同心円状に点Ｃ_１から外側に向けて配置された、互いに異なる光路長Ｌ_１〜Ｌ_６を有する第１の領域Ｓ_１、第２の領域Ｓ_２…第６の領域Ｓ_６の領域を有している。ここで、光路長Ｌ_１〜Ｌ_６は、Ｌ_１＜Ｌ_２＜Ｌ_３＜Ｌ_４＜Ｌ_５＜Ｌ_６であり、本構成においては、点Ｃ_１から離れるにつれて光路長が長くなる、光路長の面内分布を有している。このような光路長の面内分布は領域毎に屈折率もしくは膜厚を変化させることにより実現することができる。
図５に示す光路長の面内分布パターンは凸面レンズの機能を示し、反射光を発散させることができる。

図６に示す絶対位相調整層１４は、所定の一点Ｃ_２を中心とする同心円状に外側から点Ｃ_２に向けて配置された、互いに異なる光路長Ｌ_１〜Ｌ_６を有する第１の領域Ｓ_１、第２の領域Ｓ_２…第６の領域Ｓ_６の領域を有している。ここで、光路長Ｌ_１〜Ｌ_６は、Ｌ_１＜Ｌ_２＜Ｌ_３＜Ｌ_４＜Ｌ_５＜Ｌ_６であり、本構成においては、点Ｃ_２から離れるにつれて光路長が短くなる、光路長の面内分布を有している。このような光路長の面内分布は領域毎に屈折率もしくは膜厚を変化させることにより実現することができる。
図６に示す光路長の面内分布パターンは凹面レンズの機能を示し、反射光を集光させることができる。

また、図７に示すように、絶対位相調整層１４は、図５に示した凹面レンズ機能を示す光路長の面内分布パターンが複数、縦横に配列されてマイクロレンズアレイの機能を有するものとすることもできる。

さらに、絶対位相調整層１４における光路長の面内分布は、上記した複数のパターンの２以上の組み合わせであってもよい。
図８は、絶対位相調整層１４における光路長のｘ軸方向の変化を示す図である。絶対位相調整層１４は、図８に示すようなフレネルレンズ様の光路長の面内分布パターンを有するものとしてもよい。

なお、本発明の光学積層体は、支持体の一面に設けられた配向層上に波長選択性反射素子および絶対位相調整層が順に積層されてなる構成であってもよい。また、波長選択性反射素子と絶対位相調整層との間には、他の光学的に等方性を有する層を備えていてもよい。また、波長選択性反射素子と絶対位相調整層とは、接着層を介して接着されたものであってもよい。

上記実施形態においては、光学積層体における特定の反射波長領域の光を選択的に反射する反射層を備えた波長選択性反射素子として、反射層がコレステリック液晶層からなる場合について説明したが、波長選択性反射素子はこれに限らない。波長選択性反射素子は、反射層が誘電体多層膜であってよい。

図９は、本発明の第２の実施形態の光学積層体１１０の一部を示す断面模式図である。
本実施形態の光学積層体１１０は、上述の第１の実施形態の光学積層体１０における、コレステリック液晶層である反射層からなる波長選択性反射素子１２に代えて、屈折率の異なる少なくとも２つの層が交互に多層積層された誘電体多層膜である反射層からなる波長選択性反射素子１１２を備えている。

誘電体多層膜は、相対的に高い屈折率を有する高屈折率層１１２Ｈと、相対的に低い屈折率を有する低屈折率層１１２Ｌとが交互に積層されてなる。高屈折率層１１２Ｈと低屈折率層１１２Ｌは、有機層からなるものであっても無機層からなるものであってもよい。また、誘電体多層膜は特定の波長領域を選択的に反射するものであればよく、偏光反射性を有していても有していなくてもよい。

本光学積層体１１０は、第１の実施形態の光学積層体１０の第１の構成例の絶対位相調整層１４と同一の光路長の面内分布を備えているので、第１の実施形態と同様の効果を奏する。すなわち、面に垂直に入射する入射光Ｉのうち、波長選択性反射素子１１２で反射された反射光Ｒは、面の法線に角度を持った斜め方向に出射される。

誘電体多層膜の層構成、例えば、高屈折率層１１２Ｈおよび低屈折率層１１２Ｌの屈折率および両者の屈折率差、層厚などを適宜設定することにより、所望の反射中心波長および反射波長帯域、すなわち特定の反射波長領域を設定することができる。

誘電体多層膜を構成する高屈折率層１１２Ｈおよび低屈折率層１１２Ｌが面内異方性を有していない場合には偏光反射性がないため、特定の反射波長領域の光であれば偏光に拘わらず反射する。
他方、誘電体多層膜を構成する高屈折率層１１２Ｈと低屈折率層１１２Ｌの少なくとも一方が面内異方性を有し、特定の直線偏光を反射するように構成されていてもよい。

光学積層体において、反射層の偏光特性によって反射する光の偏光が異なるが、それ以外の作用はほぼ同等である。反射層がコレステリック液晶層である場合には、そのコレステリック相の螺旋の向きに応じた特定の円偏光が反射される。反射層が偏光特性を有していない誘電体多層膜である場合には、偏光に関係なく反射される。また直線偏光反射性を有する誘電体多層膜である場合には、特定の直線偏光が反射される。このように、本発明の光学積層体においては、入射光は、反射層毎の特定の反射波長領域であって、反射層毎の偏光特性に応じた偏光もしくは非偏光が、絶対位相調整層のパターンに応じて波面制御されて、入射光の正反射方向とは異なる方向に反射光を出射する。

以下、光学積層体を構成する各層の材料について説明する。

[波長選択性反射素子]
[[反射層：コレステリック液晶層]]
コレステリック液晶相における螺旋構造のピッチまたは屈折率を変えることにより反射中心波長を調整することができる。この螺旋構造のピッチはキラル剤の添加量を変えることによって容易に調整可能である。具体的には富士フイルム研究報告Ｎｏ．５０（２００５年）ｐ．６０−６３に詳細な記載がある。また、コレステリック液晶相を固定するときの温度や照度と照射時間などの条件などで調整することもできる。
コレステリック液晶層は、選択反射波長領域において右円偏光および左円偏光のいずれか一方の円偏光を選択的に反射し、他方の円偏光を透過させる。

（重合性液晶化合物）
コレステリック液晶層を形成するための重合性液晶組成物は、棒状液晶化合物もしくは円盤状液晶化合物を含有し、さらに、キラル剤、配向制御剤、重合開始剤および配向助剤などのその他の成分を含有していてもよい。

−棒状液晶化合物−
棒状液晶化合物としては、アゾメチン類、アゾキシ類、シアノビフェニル類、シアノフェニルエステル類、安息香酸エステル類、シクロヘキサンカルボン酸フェニルエステル類、シアノフェニルシクロヘキサン類、シアノ置換フェニルピリミジン類、アルコキシ置換フェニルピリミジン類、フェニルジオキサン類、トラン類およびアルケニルシクロヘキシルベンゾニトリル類が好ましく用いられる。以上のような低分子液晶性分子だけではなく、高分子液晶性分子も用いることができる。

棒状液晶化合物を重合によって配向を固定することがより好ましく、重合性棒状液晶化合物としては、Ｍａｋｒｏｍｏｌ．Ｃｈｅｍ．，１９０巻、２２５５頁（１９８９年）、ＡｄｖａｎｃｅｄＭａｔｅｒｉａｌｓ５巻、１０７頁（１９９３年）、米国特許４６８３３２７号公報、同５６２２６４８号公報、同５７７０１０７号公報、ＷＯ９５／２２５８６号公報、同９５／２４４５５号公報、同９７／００６００号公報、同９８／２３５８０号公報、同９８／５２９０５号公報、特開平１−２７２５５１号公報、同６−１６６１６号公報、同７−１１０４６９号公報、同１１−８００８１号公報、および特願２００１−６４６２７号公報などに記載の化合物を用いることができる。さらに棒状液晶化合物としては、例えば、特表平１１−５１３０１９号公報や特開２００７−２７９６８８号公報に記載のものも好ましく用いることができる。

−円盤状液晶化合物−
円盤状液晶化合物としては、例えば、特開２００７−１０８７３２号公報や特開２０１０−２４４０３８号公報に記載のものを好ましく用いることができる。

以下に、円盤状液晶化合物の好ましい例を示すが、本発明はこれらに限定されるものではない。

−その他の成分−
コレステリック液晶層を形成するために用いられる組成物には、上記円盤状液晶化合物の他、キラル剤、配向制御剤、重合開始剤、および配向助剤などのその他の成分を含有していてもよい。いずれも公知の材料を利用することができる。

−溶媒−
コレステリック液晶層を形成するための組成物の溶媒としては、有機溶媒が好ましく用いられる。有機溶媒の例には、アミド（例、Ｎ、Ｎ−ジメチルホルムアミド）、スルホキシド（例、ジメチルスルホキシド）、ヘテロ環化合物（例、ピリジン）、炭化水素（例、ベンゼン、ヘキサン）、アルキルハライド（例、クロロホルム、ジクロロメタン）、エステル（例、酢酸メチル、酢酸ブチル）、ケトン（例、アセトン、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン）、エーテル（例、テトラヒドロフラン、１、２−ジメトキシエタン）が含まれる。アルキルハライドおよびケトンが好ましい。二種類以上の有機溶媒を併用してもよい。

（重合性液晶組成物の塗布および硬化）
重合性液晶組成物の塗布は、重合性液晶組成物を溶媒により溶液状態としたり、加熱による溶融液等の液状物としたりしたものを、ロールコーティング方式やグラビア印刷方式、スピンコート方式などの適宜な方式で展開する方法などにより行うことができる。さらにワイヤーバーコーティング法、押し出しコーティング法、ダイレクトグラビアコーティング法、リバースグラビアコーティング法、ダイコーティング法、等の種々の方法によって行うことができる。また、インクジェット装置を用いて、液晶組成物をノズルから吐出して、塗布膜を形成することもできる。

その後重合性液晶組成物の硬化により、液晶化合物の分子の、配向状態を維持して固定する。硬化は、液晶性分子に導入した重合性基の重合反応により実施することが好ましい。
重合性液晶組成物の塗布後であって、硬化のための重合反応前に、塗布膜は、公知の方法で乾燥してもよい。例えば放置によって乾燥してもよく、加熱によって乾燥してもよい。
重合性液晶組成物の塗布および乾燥の工程で、重合性液晶組成物中の液晶化合物分子が配向していればよい。

[[反射層：誘電体多層膜]
誘電体多層膜は、互いに異なる屈折率を有する２以上の誘電体層が積層されて構成され、各層の屈折率や厚みを調整することにより、所望の波長領域が選択的に反射可能な反射層となる。

有機層からなる誘電体多層膜は、例えば、２種類の配向複屈折ポリマーの層を交互に積層して形成することができる。例えば特表平１１−５０８３７８号公報に記載の多層光学フィルムの材料および多層光学フィルムの作製方法を参照して作製することができる。

また、無機層からなる誘電体多層膜は、例えば、国際公開ＷＯ２０１４／０１０５３２に記載の誘電多層膜の材料および誘電多層膜の作製方法を参照して作製することができる。無機材料としては金属酸化物が主に用いられるが、使用できる金属酸化物として、特に制限されないが、透明な誘電体材料であることが好ましい。例えば、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化亜鉛、合成非晶質シリカ、コロイダルシリカ、アルミナ、コロイダルアルミナ、チタン酸鉛、鉛丹、黄鉛、亜鉛黄、酸化クロム、酸化第二鉄、鉄黒、酸化銅、酸化マグネシウム、水酸化マグネシウム、チタン酸ストロンチウム、酸化イットリウム、酸化ニオブ、酸化ユーロピウム、酸化ランタン、ジルコン、酸化スズ等を挙げることができ、低屈折率層、高屈折率層いずれも屈折率を調整するために適宜併用しても構わない。上記のうち、本発明に係る高屈折率材料としては、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化亜鉛等が好ましく挙げられるが、高屈折率層を形成するための金属酸化物粒子含有組成物の安定性の観点からは、酸化チタンがより好ましく用いられる。その中で、光触媒活性が低く屈折率が高いルチル型酸化チタンは特に好ましく用いられる。

[絶対位相調整層]
絶対位相調整層を構成する組成物は、光学的に等方性を有し、光路長に面内分布を形成することができれば、特に制限はない。例えば、ＩＴＯ（酸化インジウムスズ）の他、樹脂材料中に金属酸化物微粒子を添加したものが挙げられる。屈折率調整用透明材料として公知の材料を適宜使用することができる。

低屈折率を実現する素材としては、例えば、特開２００７−２９８９７４号公報に記載される含フッ素硬化性樹脂と無機微粒子を含有する組成物や、特開２００２−３１７１５２号公報、特開２００３−２０２４０６号公報、および特開２００３−２９２８３１号公報等に記載される中空シリカ微粒子含有低屈折率コーティングを好適に用いることができる。
高屈折率を実現する素材としては、例えば、特開２００２−３１１２０４号公報中の［００５４］〜［００５７］段落に記載のものや一般的な公知の高屈折率の材料も用いることができる。具体的には、特開２００８−２６２１８７号公報の段落番号［００７４］〜［００９４］に記載のものを用いることができる。また、光照射によって屈折率の値を変える屈折率光変調型の材料も用いることが出来る。例えばホログラフィーに用いられるようなフォトポリマー等の材料を用いることが出来る。

（絶対位相調整層の形成）
上記の低屈折率を実現する素材あるいは高屈折率を実現する素材を含有する組成物を複数用意して、マスクを利用する等により波長選択性反射素子上のあるいは仮支持体上の所望の位置に塗布し、露光硬化させる手順を組成物毎に繰り返すことにより、異なる屈折率を有する領域をパターン形成することができる。

図３〜６に示すようなパターンは、たとえば特開２００４−１１４４１９号公報記載の方法を参考にして作製することができる。具体的には、支持体に硬化組成物を塗布し、所望の形状を有するエンボス型等で圧着後に硬化させる等のプロセスを用いることで作製することができる。

次に、光学積層体に備えられ得る、その他の層について説明する。

[支持体]
支持体としては、透明支持体が好ましく、ポリメチルメタクリレート等のポリアクリル系樹脂フィルム、セルローストリアセテート等のセルロース系樹脂フィルム、およびシクロオレフィンポリマー系フィルム［例えば、商品名「アートン」、ＪＳＲ社製、商品名「ゼオノア」、日本ゼオン社製］等を挙げることができる。支持体は、可撓性のフィルムに限らず、ガラス基板等の非可撓性の基板であってもよい。
なお、本発明の光学積層体は、製膜する際の支持体に支持されたまま使用されるものであってもよいし、製膜する際の支持体は仮支持体とし、他の支持体に転写され、仮支持体を剥離して用いられるものであってもよい。

[配向層]
波長選択性反射素子がコレステリック液晶層を備える場合にはその製膜面に配向層が備えられていてもよい。配向層は有機化合物（好ましくはポリマー）のラビング処理、無機化合物の斜方蒸着、マイクログルーブを有する層の形成等の手段で設けることができる。さらには、電場の付与、磁場の付与、或いは光照射により配向機能が生じる配向層も知られている。配向層は、ポリマーの膜の表面を、ラビング処理することにより形成することが好ましい。配向層は、支持体と共に剥離することが好ましい。

支持体に用いられるポリマー種によっては、配向層を設けなくても、支持体を直接配向処理（例えば、ラビング処理）することで、配向層として機能させることもできる。そのような支持体の一例としては、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）を挙げることができる。

[接着層（粘着剤層）]
本明細書において、「接着」は「粘着」も含む概念で用いられる。
波長選択性反射素子と絶対位相調整層とを積層させる場合には接着層を介して積層されていてもよい。

接着層に用いられる粘着剤の例としては、ポリエステル系樹脂、エポキシ系樹脂、ポリウレタン系樹脂、シリコーン系樹脂、アクリル系樹脂等の樹脂をあげることができる。これらは単独もしくは２種以上混合して使用してもよい。特に、アクリル系樹脂は、耐水性、耐熱性、耐光性等の信頼性に優れ、接着力、透明性が良く、さらに、屈折率を液晶ディスプレイに適合するように調整し易い等から好ましい。

シート状光硬化型粘接着剤（東亞合成グループ研究年報１１ＴＲＥＮＤ２０１１第１４号記載）を接着層に用いることもできる。粘着剤のように光学フィルム同士の貼合が簡便で、紫外線（ＵＶ）で架橋・硬化し、貯蔵弾性率、接着力および耐熱性が向上するものであり、本発明に適した接着法である。

以下、本発明の光学積層体の実施例および比較例について説明する。

[実施例１]
波長選択性反射素子としてコレステリック液晶層からなる反射層を備えた光学積層体を作製した。ガラス基板上に設けられた配向層上にコレステリック液晶層を形成し、別途作製した絶対位相調整層をコレステリック液晶層と貼り合せることにより光学積層体を作製した。以下詳細について説明する。

(配向層の形成)
下記に示す配向層形成用組成物Ａの成分を、８０℃に保温された容器中にて攪拌、溶解させ、配向層形成用組成物Ａを調製した。
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配向層形成用組成物Ａ（質量部）
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純水９７．２
ＰＶＡ−２０５ (クラレ製) ２．８
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上記で調製した配向層形成用組成物Ａを、ガラス基板上にスリットコーターを用いて均一塗布した後、１００℃のオーブン内で２分乾燥し、膜厚０．５μｍの配向層付きガラス基板を得た。

(コレステリック液晶層の形成)
下記に示すコレステリック液晶組成物Ｇｍの成分を、２５℃に保温された容器中にて、攪拌、溶解させ、コレステリック液晶組成物Ｇｍを調製した。
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コレステリック液晶組成物Ｇｍ（質量部）
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メトキシエチルアクリレート１４５．０
下記の棒状液晶化合物の混合物１００．０
ＩＲＧＡＣＵＲＥ８１９ (ＢＡＳＦ社製) １０．０
下記構造のキラル剤Ａ５．９８
下記構造の界面活性剤０．０８
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棒状液晶化合物

コレステリック液晶組成物Ｇｍは、中心波長５３２ｎｍの光を反射する層を形成する材料である。また、コレステリック液晶組成物Ｇｍは、右円偏光を反射する層を形成する材料である。すなわち、コレステリック液晶組成物Ｇｍは、右偏光緑色層を形成するための材料である。

上記で作製した配向膜付きガラス基板の配向膜表面をラビング処理した後、上記で調製したコレステリック液晶組成物Ｇｍを、スリットコーターを用いて均一塗布した後、９５℃、３０秒間乾燥した後に、紫外線照射装置により、室温で５００ｍＪ／ｃｍ²の紫外線を照射して硬化させて、膜厚２μｍのコレステリック液晶層からなる反射層を形成した。なお、本コレステリック層の反射率を測定したところ、反射中心波長は略５３２ｎｍであった。また、コレステリック液晶層の断面を観察したところ、略８ピッチ（８回転）の捩れ構造が形成されていた。

（絶対位相調整層の作製）
ガラス基板上の配向層上に設けられたコレステリック液晶層の上に、互いに屈折率が異なる第１〜第６の領域が図２に示したように一方向に配列されたパターンが周期的に繰り返された面内分布を有する絶対位相調整層を形成した。

−第１〜第６の領域を形成するための組成物の準備−
[分散液Ｄ１の調製]
下記組成の分散液Ｄ１の成分を調合し、これをジルコニアビーズ（０．３ｍｍφ）１７，０００質量部と混合し、ペイントシェーカーを用いて１２時間分散を行った。ジルコニアビ−ズ（０．３ｍｍφ）をろ別し、分散液Ｄ１を得た。
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分散液Ｄ１（質量部）
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二酸化ジルコニウム（ジルコニア）
(日産化学工業(株)製、商品名:ナノユースＺＲ、
平均一次粒径:１０〜３０ｎｍ) １８７５
ＤＩＳＰＥＲＢＹＫ−１１１(ビックケミー・ジャパン(株)製)
３０％ＰＧＭＥＡ溶液２２００
溶剤ＰＧＭＥＡ３４２５
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[[ポリマーＥ１の合成]]
３つ口フラスコにＭＥＤＧ(ジエチレングリコールメチルエチルエーテル:東邦化学工業製)８９ｇを入れ、窒素雰囲気下において９０℃に昇温した。その溶液にＭＡＥＶＥ(１−エトキシエチルメタクリレート:和光純薬工業社製）０．４モル当量、ＧＭＡ(グリシジルメタクリレート：和光純薬工業製)０．３モル当量、ＭＡＡ(メタクリル酸:和光純薬工業社製)０．１モル当量、ＨＥＭＡ(ヒドロキシエチルメタクリレート:和光純薬工業社製)０．２モル当量、Ｖ−６５（アゾ系重合開始剤；和光純薬工業製、全単量体成分の合計１００ｍｏｌ％に対して４ｍｏｌ％に相当）を溶解させ、２時間かけて滴下した。滴下終了後２時間撹拌し、反応を終了させた。それによりポリマーＥ１を得た。なお、ＭＥＤＧとその他の成分の合計量との比を６０：４０とした。すなわち、固形分濃度４０％の重合体溶液を調製した。

[屈折率層形成用組成物Ｃ１〜Ｃ６の調製]
下記表１に示す組成(質量部)にて、各素材を混合して均一な溶液とした後、０．２μｍのポアサイズを有するポリエチレン製フィルターを用いてろ過して、屈折率層形成用組成物Ｃ１〜Ｃ６を調製した。

[[光酸発生剤]]
ＰＡＧ−１：特表２００２−５２８４５１号公報の段落番号［０１０８］に記載の方法に従って合成した下記構造の化合物（Ｔｓ部分はトリスルホネートを表す）。

[[光増感剤]]
増感剤１：下記構造のジブトキシアントラセン（製造元：川崎化成社製、品番：９，１０−ジブトキシアントラセン）

[[塩基性化合物]]
塩基性化合物：下記構造の化合物（製造元：東洋化成工業製、品番：ＣＭＴＵ）

[[界面活性剤]]
界面活性剤Ｆ−５５４：下記構造式で示されるパーフルオロアルキル基含有ノニオン界面活性剤（ＤＩＣ製）

(屈折率違いのパターニング層の形成)
上記で作製したコレステリック層付きガラス基板上に、上記組成物Ｃ１をスリットコーターを用いて均一塗布し、８０℃、６０秒間乾燥した後に、キヤノン（株）製ＰＬＡ−５０１Ｆ露光機（超高圧水銀ランプ）を用い、ライン線幅１３．３μｍ、Ｌ／Ｓ＝１／５のマスクを介して露光した。そして、露光後、組成物Ｃ１を、アルカリ現像液（０．４質量％のテトラメチルアンモニウムヒドロキシド水溶液）で２３℃／６０秒間現像した後、超純水で２０秒リンス、２００℃で３０分間のポストベーク加熱処理を行った。出来上がったＣ１層（第１の領域）の厚みは０．７１μｍ、線幅は１３．３μｍ、屈折率は１．５０であった。

上記で得られた第１の領域が形成された基板上に、組成物Ｃ２を同様に塗布し、同様の露光機にて、１ピッチずらしてマスク位置合わせを行い、第１の領域のとなりに組成物Ｃ２が残るように露光した。そして、露光後、組成物Ｃ２を、アルカリ現像液（０．４質量％のテトラメチルアンモニウムヒドロキシド水溶液）で２３℃／６０秒間現像した後、超純水で２０秒リンスし、その後、２００℃で３０分間のポストベーク加熱処理を行った。出来上がったＣ２層（第２の領域）の厚みは０．７１μｍ、線幅は１３．３μｍ、屈折率は１．５７であった。

以下、同様に組成物Ｃ３〜Ｃ６を、順次１ピッチずらしながら塗布、露光、現像、焼成を繰り返すことで、膜厚０．７１μｍ、各々の線幅１３．３μｍ、屈折率が１．５０（Ｃ１層：第１の領域）、１．５７（Ｃ２層：第２の領域）、１．６４（Ｃ３層：第３の領域）、１．７１（Ｃ４層：第４の領域）、１．７８（Ｃ５層：第５の領域）、１．８５（Ｃ６層：第６の領域）となる層を１単位として、これが連続的に配置された絶対位相調整層を得た。

こうして、コレステリック液晶層からなる反射層（波長選択性反射素子）に絶対位相調整層が積層形成されてなる実施例１の光学積層体を得た。

[実施例２]
(屈折率層形成用組成物Ｃ７〜１１の調整)
表２に示す組成(質量部)にて、各素材を混合して均一な溶液とした後、０．２μｍのポアサイズを有するポリエチレン製フィルターを用いてろ過して、屈折率層形成用組成物Ｃ７〜１１を調製した。

実施例１と同様に、ガラス基板上に形成されたコレステリック液晶層の上に、上記組成物Ｃ７をスリットコーターを用いて均一塗布し、８０℃、６０秒間乾燥した後に、キヤノン（株）製ＰＬＡ−５０１Ｆ露光機（超高圧水銀ランプ）を用い、ライン線幅１３．３μｍ、Ｌ／Ｓ＝１／５のマスクを介して露光した。そして、露光後、組成物Ｃ７を、アルカリ現像液（０．４質量％のテトラメチルアンモニウムヒドロキシド水溶液）で２３℃／６０秒間現像した後、超純水で２０秒リンス、２００℃で３０分間のポストベーク加熱処理を行った。出来上がったＣ７層（第２の領域）の厚みは０．１μｍ、線幅は１３．３μｍ、屈折率は１．５０であった。

以下、実施例１と同様に組成物Ｃ８〜Ｃ１１を、順次１ピッチずらしながら塗布、露光、現像、焼成を繰り返すことで、屈折率１．５０、各々の線幅１３．３μｍ、膜厚が０．１μｍ（Ｃ７層：第２の領域）、０．２μｍ（Ｃ８層：第３の領域）、０．３μｍ（Ｃ９層：第４の領域）、０．４μｍ（Ｃ１０層：第５の領域）、０．５μｍ（Ｃ１１層：第６の領域）、およびその隣にパターニング組成物の無い層（第１の領域）を１単位として、これが連続的に配置された絶対位相調整層を備えた実施例２の光学積層体を得た。なお、Ｃ７層からＣ１１層は互いに膜厚が異なるため、膜形成プロセス時に層を安定化させるために、表２に示すように各組成物におけるマトリクス（ポリマーＥ１）の量が異なる組成物Ｃ７〜Ｃ１１を用いて形成しているが、Ｃ７層からＣ１１層の屈折率は１．５で共通である。

[比較例１]
実施例１で作製した配向膜付きガラス基板の配向膜上にコレステリック液晶層が設けられてなるものを比較例１とした。すなわち、比較例１は絶対位相調整層を備えない従来の波長選択性反射素子からなる反射偏光子である。

[評価]
各光学積層体について、絶対位相調整層の表面側から、表面に対する法線方向（極角０°）から光を入射させ、その反射光の反射角を測定した。
反射角の測定は、５３２ｎｍに出力の中心波長をもつレーザ光を表面に対する法線方向から５０ｃｍの距離から入射し、その反射光のスポットを５０ｃｍの距離に配置したスクリーンで捉えて、反射角度を算出した。

表３に各例の構成および評価結果を纏めて示す。

表３に示すように、絶対位相調整層を備えない比較例１では入射光の特定の波長領域かつ特定の円偏光が正反射される。一方、実施例１、２のように、光路長の異なる第１〜第６の領域をパターン配置した絶対位相調整層を備えた場合には、反射角が０．４５°となり、反射光は正反射ではなく、斜め方向に出射された。

[実施例１１]
波長選択性反射素子として誘電体多層膜Ｄ１からなる反射層を備えた光学積層体を作製した。波長選択性反射素子は特表平１１−５０８３７８号公報を参照して作製した。以下詳細について説明する。

（誘電体多層膜Ｄ１）
誘電体多層膜Ｄ１を、２種類の配向複屈折ポリマー層を交互に積層し、その面内屈折率が２種類の層で異なるように２軸延伸させることで作製した。２種類の配向屈折率ポリマーの層のそれぞれの厚さにそれぞれの屈折率を掛けた値である光路長が、所望の反射波長（ここでは、５３２ｎｍ）の４分の１に等しくなるよう誘電体多層膜の厚さを設計した。本実施例では、特表平１１-５０８３７８号公報に記載の誘電体多層膜の作製方法は１軸延伸であるが、ここでは２軸延伸とし、各層の屈折率は面内異方性が無いものとした。２種類の配向屈折率ポリマーのうち低屈折率層の屈折率が１．６４、高屈折率層の屈折率が１．８８になるようにした。５３２ｎｍを中心波長とした波長領域を選択的に反射する反射層とするために、低屈折率層の厚さを８１．１ｎｍ、高屈折率層の厚さを７０．７ｎｍとし、これを交互に１２８層ずつ積層し計２５６層からなるフィルムを作製した。このようにして、反射中心波長が５３２ｎｍである特定の選択反射領域を有する誘電体多層膜Ｄ１からなる反射層を作製した。なお、選択反射領域の半値幅は約８０ｎｍであった。

（絶対位相調整層）
絶対位相調整層は、実施例１のものと同一の作製方法で誘電体多層膜Ｄ１上に作製した。すなわち、実施例１と同じ、屈折率層形成用組成物Ｃ１〜Ｃ６を用いて作製した第１から第６の領域が周期配置されたパターン構成の絶対位相調整層を作製した。

このようにして、誘電体多層膜Ｄ１からなる反射層（波長選択性反射素子）に絶対位相調整層が積層形成されてなる実施例１１の光学積層体を得た。

[実施例１２]
実施例１１と同様にして誘電体多層膜Ｄ１からなる反射層を作製した。絶対位相調整層は、実施例２のものと同一の作製方法で誘電体多層膜Ｄ１上に作製した。すなわち、実施例２と同じ、屈折率層形成用組成物Ｃ７〜Ｃ１１を用いて作製した第１から第６の領域が周期配置されたパターン構成の絶対位相調整層を作製した。

このようにして、誘電体多層膜Ｄ１からなる反射層に絶対位相調整層が形成されてなる実施例１２の光学積層体を得た。

[実施例１３]
波長選択性反射素子として誘電体多層膜Ｄ２からなる反射層を備えた光学積層体を作製した。

（誘電体多層膜Ｄ２）
誘電体多層膜Ｄ２を、２種類の配向複屈折ポリマー層を交互に積層する。このとき、２種類の配向性屈折率ポリマー層は、その面内の一方向（例えばｘ軸）の屈折率が略等しく、それと直交の方向(例えばｙ軸)の屈折率が互いに異なるものとし、それぞれの厚さにｙ軸方向の屈折率を掛けた値である光路長が、所望の反射波長（ここでは５３２ｎｍ）の４分の１に等しくなるよう誘電体多層膜の厚さを設計した。本実施例では、特表平１１−５０８３７８号公報に記載の誘電体多層膜の作製方法に則って１軸延伸により特表平１１−５０８３７８号公報の図１、図２の構成と同様の、特定の直線偏光を選択的に偏光反射する構成とした。５３２ｎｍを中心波長とした波長領域を選択的に反射する反射層とするために、低屈折率層の厚さを８１．１ｎｍ、高屈折率層の厚さを７０．７ｎｍとし、これを交互に１２８層ずつ積層し計２５６層からなるフィルムを作製した。このようにして、反射中心波長が５５０ｎｍであり、特定の選択反射領域を有し、かつ特定の直線偏光を反射する誘電体多層膜Ｄ２からなる反射層を作製した。なお、半値幅は約８０ｎｍであった。

（絶対位相調整層）
絶対位相調整層は、実施例１のものと同一の作製方法で誘電体多層膜Ｄ２上に作製した。すなわち、実施例１と同じ、屈折率層形成用組成物Ｃ１〜Ｃ６を用いて作製した第１から第６の領域が周期配置されたパターン構成の絶対位相調整層を作製した。

このようにして、誘電体多層膜Ｄ２からなる反射層（波長選択性反射素子）に絶対位相調整層が積層形成されてなる実施例１３の光学積層体を得た。

[比較例１１]
実施例１１で作製した誘電体多層膜Ｄ１からなる波長選択性反射素子を比較例１１とした。すなわち、比較例１１は絶対位相調整層を備えず波長選択性反射素子のみからなるものとした。

実施例１１〜１４および比較例１１について、実施例１等と同様の評価を行った。表４に各例の構成および評価結果を纏めて示す。

表４に示すように、絶対位相調整層を備えない比較例１１では入射光の特定の波長領域の光が正反射される。一方、実施例１１〜１３のように、光路長の異なる第１〜第６の領域をパターン配置した絶対位相調整層を備えた場合には、反射角が０．４５°となり、反射光は正反射ではなく、斜め方向に出射された。偏光反射性を有しない実施例１１、１２の光学積層体についても、特定の直線偏光を選択的に反射する実施例１３の光学積層体についても同様の効果が得られた。

１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１１０光学積層体
１２波長選択性反射素子（コレステリック液晶層）
１４絶対位相調整層
１１２波長選択性反射素子（誘電体多層膜）
Ａ_１〜Ａ_６、Ｓ_１〜Ｓ_６領域
ｎ、ｎ_１〜ｎ_６屈折率
ｄ、ｄ_１〜ｄ_６膜厚
Ｌ、Ｌ_１〜Ｌ_６光路長
Ｉ入射光
Ｒ反射光

Claims

特定の反射波長領域の光を選択的に反射する反射層を備えた波長選択性反射素子と、前記波長選択性反射素子の少なくとも一方の面側に備えられた、光学等方性を有する絶対位相調整層とを備え、
前記波長選択性反射素子は厚みが均一であり、
前記絶対位相調整層は、膜厚が均一であり、かつ、屈折率に面内分布を有することにより膜厚方向の光路長に面内分布を有し、
該絶対位相調整層側から入射した光のうち、前記波長選択性反射素子による前記特定の反射波長領域の光を、前記入射した光の波面とは異なる波面を有する反射光として出射する光学積層体。
前記波長選択性反射素子の前記反射層が、コレステリック液晶層からなる請求項１記載の光学積層体。
前記波長選択性反射素子の前記反射層が、屈折率の異なる少なくとも２つの層が交互に多層積層された誘電体多層膜からなる請求項１記載の光学積層体。
前記光路長の前記面内分布は、前記光路長が階段状に変化するパターンを有する請求項１から３いずれか１項記載の光学積層体。
前記光路長の前記面内分布は、一点から離れるにつれて前記光路長が徐々に長くなるパターンを有する請求項１から４いずれか１項記載の光学積層体。
前記光路長の前記面内分布は、一点から離れるにつれて前記光路長が徐々に短くなるパターンを有する請求項１から４いずれか１項記載の光学積層体。
前記パターンが周期的に繰り返されている請求項４から６いずれか１項記載の光学積層体。