JP6968190B2 - 光学素子 - Google Patents

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Description

本開示は、入射光の反射方向を制御可能な光学素子に関する。
多くの光学デバイスあるいはシステムにおいて、偏光が利用されており、偏光の反射、集光および発散などの制御を行うための光学素子が求められている。
特表2016−519327号公報には、異方性配向パターンを備えた幾何学的位相差ホログラムを用いる偏光変換システムが開示されている。
特表2017−522601号公報には、棒状液晶化合物を含み光学的異方性を有する薄膜をパターニングすることによって形成される回折光学素子が開示されている。
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により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、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。
特表2017−522601号公報に記載されているような面内で棒状液晶化合物の配向パターンを変化させて光を回折させる素子は、仮想現実(Augmented Reality:AR)映像投影装置などの光学部材としての適用が期待される。しかしながら、回折角度が大きくなると回折効率が低下する、すなわち回折光の強度が弱くなるという問題がある。特表2017−522601号公報においては、液晶を多層化した複雑な層構成を用いる方法が提案されている。
本開示は、簡単な構成で回折効率の高い回折光を得ることができる光学素子を提供することを目的とする。
本開示の光学素子は、第1の円盤状液晶化合物を含む液晶組成物の硬化層である第1の光学異方性層を備え、
第1の円盤状液晶化合物の光学軸が、第1の光学異方性層の面に平行であり、かつ、第1の光学異方性層が、第1の光学異方性層の面内の少なくとも一方向に沿って配列された液晶配向パターンであって、第1の円盤状液晶化合物の光学軸の向きが、連続的に回転変化した液晶配向パターンを有し、
光学軸の向きが0.5μm〜5μmの周期で180°回転している光学素子である。
本開示の光学素子は、波長λの光に対する第1の光学異方性層の面内リタデーションが、0.36λ〜0.64λであってもよい。
本開示の光学素においては、第1の光学異方性層において、その光学異方性層の厚み方向に第1の円盤状液晶化合物が第1の捩れ性に従った捩れ配向していてもよい。
子。
本開示の光学素子において、第1の光学異方性層が第1の捩れ性に従った捩れ配向を有する場合、第2の円盤状液晶化合物を含む液晶組成物の硬化層である第2の光学異方性層であって、第2の円盤状液晶化合物の光学軸が、第2の光学異方性層の面に平行であり、かつ、第2の光学異方性層が、第2の光学異方性層の面内の少なくとも一方向に沿って配列された液晶配向パターンであって、第2の円盤状液晶化合物の光学軸の向きが、連続的に回転変化した液晶配向パターンを有し、光学軸の向きが0.5μm〜5μmの周期で180°回転している第2の光学異方性層を備え、第2の光学異方性層において、第2の光学異方性層の厚み方向に第2の円盤状液晶化合物が第2の捩れ性に従って捩れ配向しており、第1の捩れ性と第2の捩れ性とが逆向きであることが好ましい。
本開示の光学素子において、第2の光学異方性層を備える場合、波長λの光に対する第2の光学異方性層の面内リタデーションが、0.36λ〜0.64λであることが好ましい。
本開示の光学素子において、第1の光学異方性層と第2の光学異方性層とを備える場合、第1の光学異方性層と第2の光学異方性層とが積層配置されていることが好ましい。
あるいは、本開示の光学素子においては、第1の光学異方性層において第1の円盤状液晶化合物が厚み方向にコレステリック配向していてもよい。
本開示の光学素子は、第1の円盤状液晶化合物を含む液晶組成物の硬化層である第1の光学異方性層を備え、第1の円盤状液晶化合物の光学軸が第1の光学異方性層の面に平行であり、かつ、第1の光学異方性層の面内の少なくとも一方向に沿って配列された液晶配向パターンであって、第1の円盤状液晶化合物の光学軸の向きが、連続的に回転変化した液晶配向パターンを有し、光学軸の向きの180°回転の周期が0.5μm〜5μmである。係る構成により、本開示の光学素子は、回折効率の高い回折光を得ることができる。
第1の実施形態の光学素子の光学異方性層における液晶配向パターンを示す側面模式図である。 第1の実施形態の光学素子の光学異方性層における液晶配向パターンを示す平面模式図である。 光学異方性層が回折格子として機能する原理を説明するための図である。 回折格子における回折現象を模式的に示した図である。 第1の実施形態の光学素子にランダム偏光が入射した場合の出射光を説明するための図である。 第1の実施形態の光学素子の設計変更例の積層構造を示す側面模式図である。 光学素子の他の設計変更例における水平回転配向パターンを示す平面模式図である。 第2の実施形態の光学素子の光学異方性層における液晶配向パターンを示す側面模式図である。 第2の実施形態の光学素子にランダム偏光の入射光が入射した場合の反射光および透過光を示す図である。 第3の実施形態の光学素子の光学異方性層における液晶配向パターンを示す側面模式図である。 第3の実施形態の光学素子にランダム偏光の入射光が入射した場合の出射光を示す図である。 第4の実施形態の光学素子の光学異方性層における液晶配向パターンを示す側面模式図である。 配向膜に対して干渉光を照射する露光装置の概略構成図である。 光学装置の一例であるヘッドマウントディスプレイの概略構成図である。 透過型光学素子についての光強度の測定方法を説明するための図である。 反射型光学素子についての光強度の測定方法を説明するための図である。
以下、本発明の光学素子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。なお、本明細書において「〜」を用いて表される数値範囲は、「〜」の前後に記載される数値を下限値および上限値として含む範囲を意味する。また、角度について「直交」および「平行」とは、厳密な角度±10°の範囲を意味するものとする。
図1は、第1の実施形態の光学素子10における液晶配向パターンを示す側面模式図であり、図2は、図1に示す光学素子10の液晶配向パターンを示す平面模式図である。なお、図においては、シート状の光学素子10のシート面をx−y面、厚み方向をz方向として定義している。
光学素子10は、円盤状液晶化合物を含む液晶組成物の硬化層である光学異方性層14を備えている。光学異方性層14においては、円盤状液晶化合物の光学軸(進相軸)が、光学異方性層の面に平行であり、かつ、光学異方性層の面内の少なくとも一方向に沿って配列された液晶パターンであって、円盤状液晶化合物の光学軸の向きが、回転変化した液晶配向パターンを有する。そして、液晶配向パターンを構成する円盤状液晶化合物の光学軸の向きが0.5μm〜5μmの周期で180°回転している。
本実施形態の光学素子10は、波長λの光に対する光学異方性層14の面内リタデーションR(=Δn・d)が、0.36λ〜0.64λである。リタデーションRは0.4λ〜0.6λが好ましく、0.45λ〜0.55λがより好ましく、0.5λであることが特に好ましい。Δnは光学異方性層14の複屈折率、dは光学異方性層14の厚みである。例えば、550nmの光を入射光として想定する場合には、550nmの光に対するリタデーションRが198nm〜352nmの範囲であればよく、275nmであることが特に好ましい。このようなリタデーションRを有するので、光学異方性層14は、一般的なλ/2板としての機能、すなわち、入射光の直交する直線偏光成分の間に180°(=π=λ/2)の位相差を与える機能を呈する。なお、面内リタデーションは、λ/2に近いほど回折効率が向上して好ましいが、面内リタデーションは上記範囲に限定されるものではない。
本光学素子10は、透過型の回折格子として機能する。回折格子として機能する原理について説明する。
図1および図2に示すように、光学異方性層14において、円盤状液晶化合物20が、その円盤面が光学異方性層14の面に垂直な方向(z軸方向)に立ち上がった状態で、一方向(図2中の軸Aに沿った方向)に連続的に回転変化した液晶配向パターンで固定化されている。すなわち、円盤状液晶化合物20の光学軸22として定義される円盤状液晶化合物20の短軸(異常光の軸:ダイレクタ)が、面に平行に配向されており、かつ軸Aに沿って配列されている円盤状液晶化合物20の光学軸22の軸Aとなす角度が回転変化するように円盤状液晶化合物20が配向されている。
光学軸22の向きが回転変化した液晶配向パターンとは、軸Aに沿って配置されている円盤状液晶化合物20の光学軸22と軸Aとのなす角度が、軸A方向の位置によって異なっており、軸Aに沿って光学軸22と軸Aとのなす角度がφからφ+180°あるいはφ−180°まで徐々に変化するように配向され固定化されたパターンである。以下において、図2に示すような、光学異方性層において、液晶の光学軸が光学異方性層の面に平行であり、かつ光学軸の向きが一定である局所領域(単位領域)が、一方向に配列されている複数の局所領域間で光学軸の向きが一方向に連続的に回転変化するように配置されているパターンを水平回転配向と称する。
なお、連続的に回転変化するとは、図1、2に示す通り、30°刻みなどの一定の角度の領域が隣接して0°から180°(=0°)まで回転するものであってもよい。単位範囲の光学軸の向きの平均値が一定の割合で線形に変化していれば徐々に変化していることになる。ただし、軸A方向に隣接して異なる傾きを有する領域の光学軸の傾きの変化は45°以下とする。隣接する領域の傾きの変化は、より小さいことが好ましい。
A軸方向において、光学軸22のA軸となす角度がφからφ+180°もしくはφ−180°(元に戻る)まで変化する距離が180°回転の周期p(以下において、回転周期pという。)である。この光学軸の向きの回転周期pは、既述の通り0.5μm〜5μmである。なお、この回転周期pは、光学素子への入射光の波長および所望の出射角に応じて定めればよい。
本光学素子10は、上記の光学異方性層14の構成により、入射光に対してλ/2の位相差を与える共に、入射角0°で入射した、すなわち垂直入射した入射光を出射角θで出射させる。すなわち、図1に示すように、光学異方性層14の面に垂直に(面の法線に沿って)右円偏光Pの光L(以下において、入射光Lという。)を入射させると、法線方向と角度θをなす方向に左円偏光Pの光L(以下において、出射光Lという。)が出射される。光学素子10は、所定の波長の光を入射させる場合、光学異方性層14における回転周期pが小さいほど、出射光Lの出射角θが大きくなる。
図3は、光学素子10に垂直入射した入射光Lが、所定の出射角θで出射される原理を模式的に示す図である。以下、図3を参照して説明する。
まず、入射光Lとして、波長λの右円偏光Pを用いた場合について説明する。
右円偏光Pである入射光Lは、光学異方性層14を通過することにより、λ/2の位相差が与えられて左円偏光Pに変換される。また光学異方性層14中において、入射光Lは、面内の個々の領域における円盤状液晶化合物20の光学軸22により絶対位相が変化する。ここで、円盤状液晶化合物20の光学軸22の向きがA軸方向(本例ではx軸方向)に回転して変化しているため、入射光が入射する光学異方性層14の面(x−y面)のx座標における円盤状液晶化合物20の光学軸22の向きに応じて絶対位相の変化量が異なる。図3中の破線で示す領域には、その絶対位相の変化量がx座標によって異なる様子を模式的に示している。図3に示すように光学異方性層14を通過する際の絶対位相のずれにより、光学異方性層の面に対して角度を有する絶対位相の等位相面24が形成される。これによって、法線方向から入射した入射光Lに対して、等位相面24に垂直な方向に屈曲力が与えられ、入射光Lの進行方向が変化する。すなわち、右円偏光Pである入射光Lは、光学異方性層14を通過した後には左円偏光Pとなり、かつ、法線方向と所定の角度θをなす方向に進行する出射光Lとして光学異方性層14から出射される。
以上のようにして、光学素子10においては、光学素子10の面に対して垂直に法線方向に沿って入射した入射光Lは、法線方向とは異なる方向に出射光Lとして出射される。
光学異方性層14中の液晶配向パターンにおける光学軸の向きの回転周期pを変化させることにより、出射角の傾きを変化させることができる。回転周期pを小さくするほど入射光に大きな屈曲力を与えることができるので、傾きを大きくすることができる。
このように、光学異方性層14における液晶配向パターンによって、絶対位相の変化量を変化させて入射光の波面を変化させることができる。
光学素子10が、一方向のみに一様な回転周期pの液晶配向パターンを有している場合、上記のような原理に基づく入射光Lの出射光Lへの変換は、透過回折として説明できる。入射光Lに対し光学異方性層14は透過回折格子として機能し、光学異方性層14に垂直入射した入射光Lは、所定の回折角θの透過回折光Lとして透過回折される。この場合、一般的な光の回折の式である下記式(1)を満たす。
sinθ−nsinθ=mλ/p 式(1)
ここで、nは回折格子(ここでは光学異方性層)の入射面側の媒質1の屈折率、θは入射角、nは回折格子(ここでは光学異方性層)の出射面側の媒質2の屈折率、θは回折角(出射角)、λは波長、pは回転周期、mは回折の次数である。ここでは、m=1で最大の回折効率が得られるように設定する。また、ここで、入射角θ=0°であるので、式(1)は、
sinθ=λ/p 式(2)
となる。
図4は、式(2)で示される回折現象を模式的に示す図である。
媒質nと媒質nとの間に回折格子としての光学異方性層14が配置されている。屈折率nである媒質1側から光学異方性層14に法線方向から入射した光Lは、光学異方性層14による回折作用により回折されて、屈折率nである媒質2側に出射される。このとき出射角θで出射される出射光Lは、回折角θの透過回折光Lと言い換えることができる。
このように、円盤状液晶化合物20が水平回転配向して固定化された光学異方性層14が回折格子として機能する。
本発明者らは、このような円盤状液晶化合物20が水平回転配向して固定化された光学異方性層14は、従来の棒状液晶化合物が水平回転配向して固定化された光学異方性層を用いた回折格子と比較して高い回折効率を得ることができることを見出した。ここで棒状液晶化合物が水平回転配向するとは、棒状液晶化合物の光学軸(長軸)が面に平行かつ光学軸が少なくとも一方向に回転変化する配向をいう。
円盤状液晶化合物20を用いることにより棒状液晶化合物の場合と比較して高い回折効率が得られる理由は、以下の通りと推測される。
図3で示したように、光学異方性層に垂直に入射した光は、光学異方性層内において斜め方向に、屈曲力が加わり斜めに進む。光学異方性層内において光が進むと、本来垂直入射に対して所望の回折角が得られるように設定されている回折周期等の条件とのずれが生じるために、回折ロスが生じる。
ここで、光学異方性層の厚さ方向の屈折率は以下のようになる。
光学軸が水平回転配向して固定化された光学異方性層の厚さ方向の屈折率は常光の屈折率noであり、面内方向の屈折率は常光の屈折率noと異常光の屈折率neの平均値になる。
円盤状液晶化合物を用いた場合、no>neなので、厚さ方向の屈折率は面内方向の屈折率より大きい。一方、棒状液晶化合物を用いた場合、no<neなので、厚さ方向の屈折率は面内方向の屈折率より小さい。
円盤状液晶化合物の場合には、回折光が斜めに液晶媒質中を進むときに感じる屈折率が棒状液晶化合物の場合と比較して大きくなり、スネルの法則を考えると、棒状液晶化合物の場合より浅い角度で液晶媒質中を光が伝播する。すなわち、同一の回転周期を有する円盤状液晶化合物の水平回転配向と棒状液晶化合物の水平回転配向と場合では、棒状液晶化合物よりも円盤状液晶化合物の方が光学異方性層内において光の進行方向の傾きが小さくなる。そのため、本来の回折条件とのずれを抑制することができ、結果として円盤状液晶化合物を用いた場合の方が、より高い回折効率を得ることができると考えられる。
本開示の光学素子により回折作用を生じさせる光の波長λは、紫外から赤外、さらには、電磁波レベルであってもよい。同一の回転周期pに対し、入射光の波長が大きいほど回折角が大きく、入射光の波長が小さいほど回折角が小さくなる。波長λが380nmである場合、回転周期p(μm)は0.5<p<1の範囲で棒状液晶化合物と比べて高い回折効率を得ることができる。また、波長λが1100nmである場合、回転周期p(μm)は2<p<5の範囲で棒状液晶化合物と比べて高い回折効率を得ることができる。
既述の通り、図1に示すように、光学素子10の表面の法線に沿って右円偏光Pの光Lを入射させると、法線方向と角度θをなす方向に左円偏光Pの光Lが出射される。一方、光学素子10に左円偏光を入射光として入射させた場合には、入射光は光学異方性層14において右円偏光に変換されると共に図1とは逆向きの屈曲力を受けて進行方向が変化される。
図5に示すように、光学素子10に対して、ランダム偏光(すなわち、非偏光)の入射光L41を入射させた場合、入射光L41のうち、右円偏光Pは液晶配向パターンによって屈曲力を受けて進行方向が変化し、光学異方性層を透過して第1の透過回折光L42として出射される。この右円偏光Pは光学異方性層14を通過することにより左円偏光Pに変換されて出射される。入射光L41のうちの左円偏光Pは、右円偏光から左円偏光に変換された光とは逆向きの屈曲力を受けて進行方向が変化した状態で光学異方性層14を透過して光学素子10の反対の面から第2の透過回折光L43として出射される。この左円偏光Pは光学異方性層14で右円偏光Pに変換されて出射される。なお、第1の透過回折光L42と第2の透過回折光L43の進行方向は法線に対して略線対称の関係となる。
なお、図6に示すように、光学素子10は、支持体12上に配向膜13を備え、その上に光学異方性層14を備えた構成とすることができる。
本開示の光学素子においては、光学異方性層における上記180°回転周期は全面に亘って一様である必要はない。また、光学異方性層の面内の少なくとも一方向(軸A)に光学軸の向きが回転している液晶配向パターンを一部に有していればよく、光学軸の向きが一定の部分を備えていてもよい。
上記説明では入射光を光学異方性層に対して垂直に入射する例を示したが、入射光が斜めになった場合も同様に透過回折の効果が得られる。斜め入射の場合には、入射角θを考慮に入れて上記式(1)を満たすように、所望の回折角θを得られるように回転周期の設計をすればよい。
図1および図2に示した光学素子10の光学異方性層14のように、面に平行な光学軸が面内の一方向に一定の180°回転周期で回転変化している液晶配向パターンを面内に一様に備えている場合には、出射方向が一方向に定まる。
一方、液晶配向パターンにおいて、光学軸が回転変化する方向は一方向に限らず、二方向あるいは複数の方向であってもよい。所望の反射光の向きに応じた液晶配向パターンを備えた光学異方性層14を用いることにより、入射光を所望の方向に反射させることができる。
図7は、光学素子の設計変更例における光学異方性層34の平面模式図である。光学異方性層34における液晶配向パターンは、上記実施形態の光学異方性層14における液晶配向パターンと異なる。図7においては、光学軸22のみを示している。図7の光学異方性層34は、光学軸22の向きが中心側から外側の多方向、例えば、軸A、A、A…に沿って徐々に回転して変化している液晶配向パターンを有している。図7に示す液晶配向パターンによって、入射光は光学軸22の向きが異なる局所領域間では、異なる変化量で絶対位相が変化する。図7に示すような放射状に光学軸が回転変化する液晶配向パターンを備えれば、発散光もしくは集束光として反射させることができる。すなわち、光学異方性層14中の液晶配向パターンによって凹レンズあるいは凸レンズとしての機能を実現できる。
図8は、本発明の第2の実施形態の光学素子110の構成を示す側面模式図である。なお、第2の実施形態の光学素子の光学異方性層における面内における液晶配向パターンの平面模式図は図2に示した第1の実施形態のものと同様である。
第2の実施形態の光学素子110は、光学異方性層114を備えている。本実施形態の光学素子110についても、支持体上に形成された配向膜上に光学異方性層が形成される構成を有していてもよい。
光学素子110は、光学異方性層114の厚み方向における液晶配向パターンが第1の実施形態の光学異方性層14と異なる。厚み方向において、円盤状液晶化合物20がコレステリック配向している点で光学異方性層14と異なる。
光学異方性層114は、特定の円偏光(右円偏光もしくは左円偏光)の所定の選択波長域の光のみを選択的に反射する機能を奏する。選択的に反射される光の中心波長はコレステリックの螺旋ピッチおよび膜厚dにより定められ、左右いずれの円偏光を反射するかは、螺旋の回転方向により定められる。
本光学素子110における光学軸22の面内方向における変化は図2に示した第1の実施形態の光学素子10の場合と同等であるため、光学素子10と同様の作用を生じる。従って、光学素子110は、第1の実施形態の光学素子10と同様に、入射した光に対して絶対位相を変化させて斜めに屈曲させる作用を生じる。また、同時に、厚み方向にコレステリック相を有するので、光学異方性層に入射する光のうち、特定の円偏光の選択波長域の光を選択的に反射する。
ここで、光学異方性層114においてコレステリック相が所定の中心波長を有する右円偏光を反射するよう設計されているものとする。この場合、図8に示すように、本光学素子110の光学異方性層114の面に垂直に、すなわち法線に沿って右円偏光である所定の中心波長の光L51を入射させると、法線方向に対して傾きを有する方向に進行する反射光L52が生じる。すなわち、光学異方性層114は、光51に対して反射型回折格子として機能する。
なお、所定の選択波長域以外の光、および左円偏光は光学異方性層114を透過する。
従って、図9に示すように、所定の中心波長を有するランダム偏光L61を光学異方性層114に垂直入射させた場合、右円偏光L62のみが反射回折され、左円偏光L63は、光学異方性層114を透過する。
本実施形態の光学素子110についても、第1の実施形態の光学素子10と同様に、棒状液晶化合物によって、水平回転配向かつ厚み方向にコレステリック相を有する液晶配向パターンを形成した場合と比較して、回折効率を向上させることができる。
なお、光学素子において、異なる選択波長領域のコレステリック相の複数の光学異方性層を組み合わせて備えてもよい。
図10は、本発明の第3の実施形態の光学素子210の構成を示す側面模式図である。
第3の実施形態の光学素子210は、光学異方性層214を備えている。本実施形態の光学素子210についても、支持体上に形成された配向膜上に光学異方性層が形成される構成を有していてもよい。なお、第3の実施形態の光学素子210の光学異方性層214の面内における液晶配向パターンは第1の実施形態の光学異方性層14と略同じであり、平面模式図は図2に示した第1の実施形態のものと同様である。
光学素子210は、光学異方性層214の厚み方向における液晶配向パターンが第1の実施形態の光学異方性層14と異なる。光学異方性層214では、厚み方向に円盤状液晶化合物20が第1の捩れ性にしたがって捩れ配向している点で光学異方性層14と異なる。「厚み方向に円盤状液晶化合物20が捩れ配向している」とは、光学異方性層214の一面から他面に向かう厚み方向に配列されている複数の円盤液晶化合物20の光学軸の向きが相対的に変化し一方向に捩れて配向している状態をいう。捩れ性には、右捩れ性および左捩れ性があるが、回折させたい光の偏光に応じて適用すればよい。
既述の通り、第2の実施形態の光学素子110は、厚み方向にコレステリック配向しており、特定の円偏光の特定の選択波長域の光のみを選択的に反射する反射型の回折格子として機能する。コレステリック配向は、円盤状液晶化合物20が厚み方向に回転した螺旋配向であり、円盤状液晶化合物20が厚み方向に1回転以上回転している。これに対し、光学異方性層214において、厚み方向における円盤液晶化合物の捩れは1回転未満、すなわち捩れ角は360°未満である。例えば、図10の例では、厚み方向(z方向)において、一方の面側から他方の面側までの間に円盤状液晶化合物20の光学軸は略60°回転している。厚み方向における円盤状液晶化合物20の捩れ角は45°から90°程度が好ましい。コレステリック配向の場合には、特定の波長域の特定の円偏光を反射するものとなるが、捩れ配向の場合は、反射性は生じない。
図10に示す例の光学異方性層214では、円盤状液晶化合物20が厚み方向に光の入射側から出射側、すなわち、紙面において下から上に向かって左捩れとなるように配向されている。円盤状液晶化合物20が面内で水平回転配向し、かつ、厚み方向に左捩れ配向していることから、図10に破線矢印で示す方向に円盤状液晶化合物20の光学軸の向きが同等の領域が存在する配向パターンを有する。
光学異方性層214の厚みdは、Δnを光学異方性層214の複屈折率とした場合に、面内リタデーションR(=Δn・d)が、0.36λ〜0.64λである。リタデーションRは0.4λ〜0.6λが好ましく、0.45λ〜0.55λがより好ましく、0.5λであることが特に好ましい。すなわち、第1の実施形態の光学異方性層14の場合と同様に、λ/2板として機能する。
厚み方向における円盤状液晶化合物の捩れが1回転未満である光学素子210は、第1の実施形態の光学素子10と同様に、透過型の回折格子として機能する。すなわち、光学素子210は、一面からの入射した光を斜めに屈曲させ、他面から回折光として出射させる。
図10に示すように、光学素子210の一方の面に右円偏光Pの光L71(以下において、入射光L71という。)を入射した場合、入射光L71は円盤状液晶化合物の水平回転配向の作用により一方の方向に屈曲され、また、λ/2板の作用により、他方の面から左円偏光Pの光L72が出射される。この際、第1の実施形態の光学異方性層14のように、円盤状液晶化合物の光学軸の向きが厚み方向に変化していない場合、斜め方向に屈曲された入射光L71は絶対位相の変化量が異なる箇所を通過することになる。入射光L71が当初の絶対位相の変化量と異なる変化量となる箇所を通過そのために光の進行方向にずれが生じて回折ロスとなる。一方、本光学異方性層214においては、破線矢印で示す方向に円盤状液晶化合物の光学軸の向きが同等である領域が存在する。そして、屈曲された入射光L71の進行方向に光学軸の向きが同等な領域が存在することで、回折ロスを低減し、回折効率をより高めることが可能となる。なお、破線矢印で示す方向と、屈曲された入射光L71の進行方向が一致していることが好ましい。しかしながら、両者の方向は完全に一致している必要はない。同等の絶対位相の領域が存在する方向が、厚み方向から傾きを有し、厚み方向よりも屈曲した光の進行方向に近い方向であれば回折効率向上の効果を奏する。
図11に示すように、光学素子210に対して、ランダム偏光の入射光L81を入射させた場合、入射光L81のうち、右円偏光Pは液晶配向パターンによって屈曲力を受けて進行方向が変化し、光学異方性層214を透過して第1の透過回折光L82として出射される。またこの際、光学異方性層214において左円偏光Pに変換される。他方、入射光L81のうちの左円偏光Pは、面内方向における水平回転配向と、厚み方向における捩れ配向とにより、屈曲力が相殺されて、左円偏光Pは、円盤状液晶化合物の配向パターンによる影響を受けず直進して出射光L83として出射される。また、左円偏光Pに対しては、光学異方性層はλ/2の作用を生じず、そのまま左円偏光Pとして出射する。すなわち、光学素子210は、右円偏光Pに対してのみ回折格子およびλ/2板として作用する。
なお、図10および図11に示した光学異方性層214における円盤状液晶化合物20の厚み方向の捩れ性とは逆の右捩れ性を有する光学異方性層の場合、左斜め上方向に円盤状液晶化合物20の光学軸の向きが同等な領域が存在する配向パターンが形成される。そのため、光学素子210とは逆に、左円偏光Pが入射された場合には、入射光は屈曲されて紙面において左斜め上方向に進行し、λ/2板の作用を受けて、右円偏光Pの透過回折光として出射される。また、この場合、右円偏光Pが入射された場合には、回折およびλ/2の作用を受けることなく、右円偏光Pのまま直進して出射される。
図12は、本発明の第4の実施形態の光学素子220の構成を示す側面模式図である。
第4の実施形態の光学素子220は、第1の円盤状液晶化合物を含む液晶組成物の硬化層である第1の光学異方性層224と、第2の円盤状液晶化合物を含む液晶組成物の硬化層である第2の光学異方性層225とを備えている。
第1の光学異方性層224は、第1の円盤状液晶化合物20の光学軸が、第1の光学異方性層224の面に平行であり、かつ、第1の光学異方性層224の面内の少なくとも一方向に沿って配列された液晶配向パターンであって、第1の円盤状液晶化合物20の光学軸の向きが、連続的に回転変化した液晶配向パターンを有する。この光学軸の向きが0.5μm〜5μmの周期で180°回転している。そして、第1の光学異方性層224は、その厚み方向に第1の円盤状液晶化合物20が第1の捩れ性に従って捩れ配向している。
第2の光学異方性層225は、第2の円盤状液晶化合物21の光学軸が、第2の光学異方性層225の面に平行であり、かつ、第2の光学異方性層225の面内の少なくとも一方向に沿って配列された液晶配向パターンであって、第2の円盤状液晶化合物21の光学軸の向きが、連続的に回転変化した液晶配向パターンを有する。この光学軸の向きが0.5μm〜5μmの周期で180°回転している。そして、第2の光学異方性層225は、その厚み方向に第2の円盤状液晶化合物21が第2の捩れ性に従って捩れ配向している。なお、第2の光学異方性層225における第2の捩れ性は第1の光学異方性層224における第1の捩れ性と逆向きである。
光学素子220は、第1の光学異方性層224と第2の光学異方性層225とが積層されてなる光学異方性層226を備えている。
第1の光学異方性層224は、第1の波長λの光に対する面内のリタデーションR(=Δn・d)が、0.36λ〜0.64λであってもよい。面内リタデーションRは0.4λ〜0.6λが好ましく、0.45λ〜0.55λがより好ましく、0.5λであることが特に好ましい。Δnは第1の光学異方性層224の複屈折率、dは第1の光学異方性層224の厚みである。
第2の光学異方性層225は、第2の波長λの光に対する面内のリタデーションR(=Δn・d)が、0.36λ〜0.64λであることが好ましい。面内リタデーションRは0.4λ〜0.6λが好ましく、0.45λ〜0.55λがより好ましく、0.5λであることが特に好ましい。Δnは第2の光学異方性層225の複屈折率、dは第2の光学異方性層225の厚みである。
第1の波長λと第2の波長λとは異なっていてもよいし、同一であってもよい。本例においては、同一であり、それぞれλ/2板として機能するものとする。この場合、第1の光学異方性層224、第2の光学異方性層225はそれぞれ単独で偏光回折格子として同一波長λに対して作用する。
第1の光学異方性層224は、右円偏光Pである入射光に対しては、回折格子として機能し、かつλ/2板として機能する。他方、左円偏光Pである入射光に対しては、回折格子およびλ/2板として機能しない。
第2の光学異方性層225は、第1の光学異方性層224における厚み方向の捩れ性とは逆の捩れ性を有し、ここでは、円盤状液晶化合物20が厚み方向に右捩れ配向した配向パターンを備える。従って、第2の光学異方性層225は、左円偏光Pである入射光に対しては、回折格子として機能し、かつλ/2板として機能する。他方、右円偏光Pである入射光に対しては、回折格子およびλ/2板として機能しない。
光学異方性層226は、上記第1の光学異方性層224および第2の光学異方性層225の積層であり、両者の特性を備えている。したがって、右円偏光Pに対しては、第1の光学異方性層224が作用し、左円偏光Pに対しては、第2の光学異方性層225が作用する。そのため、光学異方性層226の一方の面から垂直入射した右円偏光Pの入射光は右斜めに回折され、他方の面から左円偏光Pとして出射される。光学異方性層226の一方の面から垂直入射した左円偏光Pの入射光は左斜めに回折されて右円偏光Pとして出射される。
図12に示すように、光学異方性層226の一方の面に対して垂直にランダム偏光の入射光L91を入射させて場合について説明する。この場合、入射光L91のうちの右円偏光P成分は、第2の光学異方性層225を通過し、その後、第1の光学異方性層224において屈曲力を受けて進行方向が変化され、光学異方性層226の他方の面から第1の透過回折光L92として出射される。入射光L91のうちの右円偏光P成分は第1の光学異方性層224を通過することにより左円偏光Pに変換されて出射される。他方、入射光L91のうちの左円偏光P成分は、第2の光学異方性層225において屈曲力を受けて進行方向が変化された状態で第2の光学異方性層225から出射し、その回折状態を保ったまま第1の光学異方性層224を通過して光学異方性層226の他方の面から第2の透過回折光L93として出射される。入射光L91のうちの左円偏光P成分は第2の光学異方性層225で右円偏光Pに変換されており、その状態を保ったまま第1の光学異方性層224を通過して出射される。本例においては、第1の光学異方性層224と第2の光学異方性層225とは、厚み方向における捩れ性が互いに逆であること以外は同一の構成であることから、第1の透過回折光L92と第2の透過回折光L93の進行方向は法線に対して略線対称の関係となる。
このように、互いの膜厚方向における捩れ性が逆向きである第1の光学異方性層と第2の光学異方性層とを備えることにより、右円偏光Pおよび左円偏光Pのいずれをも高い回折効率で回折させることが可能である。
第4の実施形態の光学素子220のように、第1の光学異方性層224と第2の光学異方性層225を備える場合には、第1の円盤状液晶化合物と第2の円盤状液晶化合物とは同一であってもよいし、異なる化合物であってもよい。また、第1の光学異方性層224における第1の円盤状液晶化合物の水平回転配向の180°回転の周期と、第2の光学異方性層225における第2の円盤状液晶化合物の水平回転配向の180°回転の周期とは、同一であってもよいし、異なっていてもよい。両光学異方性層の水平回転配向の回転周期が異なる場合、左円偏光と右円偏光とで異なる回折角の回折光を得ることができる。
なお、厚み方向における円盤状液晶化合物の捩れ配向を有する光学異方性層を積層することにより、回折可能な入射光の波長を広帯域化させることができる。
広帯域化は、膜厚方向に捩れ配向を有する光学異方性層とする以外にも、光学異方性層を、複屈折率が逆分散となる液晶材料を用いて構成することでも実現することができる。したがって、光学異方性層は、複屈折率が逆分散となる液晶材料を用いて構成されていることが好ましい。また、異なる位相差層を積層することにより、入射光の波長に対して光学異方性層を実質的に広帯域にすることも好ましい。
以下、本開示の光学素子の構成要素の詳細について説明する。
<光学異方性層>
光学異方性層を形成するための、円盤状液晶化合物を含む液晶組成物は、円盤状液晶化合物の他に、レベリング剤、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。支持体上に配向膜を形成し、その配向膜上に液晶組成物を塗布、硬化することにより、液晶組成物の硬化層からなる、所定の液晶配向パターンが固定化された光学異方性層を得ることができる。
−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。
−その他の成分−
なお、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については、いずれも公知の材料を利用することができる。なお、第2の実施形態の光学異方性層を形成するためには、厚み方向にコレステリック液晶相を得るためカイラル剤を添加する。また、第3あるいは第4の実施形態の光学異方性層、すなわち厚み方向に捩れ配向を形成する場合にも、カイラル剤を添加する。
−−カイラル剤(光学活性化合物)−−
カイラル剤はコレステリック液晶相の螺旋構造を誘起する機能を有する。カイラル剤は、化合物によって誘起する螺旋の捩れ方向または螺旋ピッチが異なるため、目的に応じて選択すればよい。
カイラル剤としては、特に制限はなく、公知の化合物(例えば、液晶デバイスハンドブック、第3章4−3項、TN(twisted nematic)、STN(Super Twisted Nematic)用カイラル剤、199頁、日本学術振興会第142委員会編、1989に記載)、イソソルビド、および、イソマンニド誘導体等を用いることができる。
カイラル剤は、一般に不斉炭素原子を含むが、不斉炭素原子を含まない軸性不斉化合物または面性不斉化合物もカイラル剤として用いることができる。軸性不斉化合物または面性不斉化合物の例には、ビナフチル、ヘリセン、パラシクロファン、および、これらの誘導体が含まれる。カイラル剤は、重合性基を有していてもよい。カイラル剤と液晶化合物とがいずれも重合性基を有する場合は、重合性カイラル剤と重合性液晶化合物との重合反応により、重合性液晶化合物から誘導される繰り返し単位と、カイラル剤から誘導される繰り返し単位とを有するポリマーを形成することができる。この態様では、重合性カイラル剤が有する重合性基は、重合性液晶化合物が有する重合性基と、同種の基であるのが好ましい。従って、カイラル剤の重合性基も、不飽和重合性基、エポキシ基またはアジリジニル基であるのが好ましく、不飽和重合性基であるのがより好ましく、エチレン性不飽和重合性基であるのがさらに好ましい。
また、カイラル剤は、液晶化合物であってもよい。
カイラル剤が光異性化基を有する場合には、塗布、配向後に活性光線などのフォトマスク照射によって、発光波長に対応した所望の反射波長のパターンを形成することができるので好ましい。光異性化基としては、フォトクロッミック性を示す化合物の異性化部位、アゾ基、アゾキシ基、または、シンナモイル基が好ましい。具体的な化合物として、特開2002−80478号公報、特開2002−80851号公報、特開2002−179668号公報、特開2002−179669号公報、特開2002−179670号公報、特開2002−179681号公報、特開2002−179682号公報、特開2002−338575号公報、特開2002−338668号公報、特開2003−313189号公報、および、特開2003−313292号公報等に記載の化合物を用いることができる。
−溶媒−
液晶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。
<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。
<光学異方性層形成用の配向膜>
光学異方性層形成用の配向膜としては、例えば、ポリマー等の有機化合物からなるラビング処理膜や無機化合物の斜方蒸着膜、マイクログルーブを有する膜、あるいはω−トリコサン酸やジオクタデシルメチルアンモニウムクロライド、ステアリル酸メチルの如き有機化合物のラングミュア・ブロジェット法によるLB膜を累積させた膜などがあげられる。配向膜としては、ポリマー層の表面をラビング処理して形成されたものが好ましい。ラビング処理は、ポリマー層の表面を紙や布で一定方向に数回こすることにより実施される。配向膜に使用するポリマーの種類は、ポリイミド、ポリビニルアルコール、特開平9−152509号公報に記載された重合性基を有するポリマー、特開2005−97377号公報、特開2005−99228号公報、および特開2005−128503号公報記載の直交配向膜等を好ましく使用することができる。なお、ここで、直交配向膜とは、重合性棒状液晶化合物の分子の長軸を、直交配向膜のラビング方向と実質的に直交するように配向させる配向膜を意味する。配向膜の厚さは配向機能を提供できれば厚い必要はなく、0.01〜5μmであることが好ましく、0.05〜2μmであることがさらに好ましい。
また、光配向性の素材に偏光又は非偏光を照射して配向膜とした、いわゆる光配向膜も用いることもできる。即ち、支持体上に、光配光材料を塗布して光配向膜を作製してもよい。偏光の照射は、光配向膜に対して、垂直方向又は斜め方向から行うことができ、非偏光の照射は、光配向膜に対して、斜め方向から行うことができる。
本開示の光学素子に利用可能な光配向膜に用いられる光配向材料としては、例えば、特開2006−285197号公報、特開2007−76839号公報、特開2007−138138号公報、特開2007−94071号公報、特開2007−121721号公報、特開2007−140465号公報、特開2007−156439号公報、特開2007−133184号公報、特開2009−109831号公報、特許第3883848号、特許第4151746号に記載のアゾ化合物、特開2002−229039号公報に記載の芳香族エステル化合物、特開2002−265541号公報、特開2002−317013号公報に記載の光配向性単位を有するマレイミドおよび/又はアルケニル置換ナジイミド化合物、特許第4205195号、特許第4205198号に記載の光架橋性シラン誘導体、特表2003−520878号公報、特表2004−529220号公報、特許第4162850号に記載の光架橋性ポリイミド、ポリアミド、又はエステル、特開平9−118717号公報、特表平10−506420号公報、特表2003−505561号公報、WO2010/150748号公報、特開2013−177561号公報、特開2014−12823号公報に記載の光二量化可能な化合物、特にシンナメート化合物、カルコン化合物、クマリン化合物が好ましい例として挙げられる。特に好ましくは、アゾ化合物、光架橋性ポリイミド、ポリアミド、エステル、シンナメート化合物、カルコン化合物である。
本開示の光学素子においては、光配向膜を用いることが好ましい。
配向膜を支持体上に塗布して乾燥させた後、配向膜をレーザ露光して配向パターンを形成する。配向膜の露光装置の模式図を図13に示す。露光装置50は、半導体レーザ52を備えた光源54と、半導体レーザ52からのレーザ光70を2つに分離するビームスプリッター56と、分離された2つの光線72A、72Bの光路上にそれぞれ配置されたミラー58A、58Bおよびλ/4板60A、60Bを備える。λ/4板60Aおよび60Bは互いに直交する光学軸を備えており、λ/4板60Aは、直線偏光Pを右円偏光Pに、λ/4板60Bは直線偏光Pを左円偏光Pに変換する。
配向膜82を備えた支持体80が露光部に配置され、2つの光線72A、72Bを配向膜82上で交差させて干渉させ、その干渉光を配向膜82に照射して露光する。この際の干渉により、配向膜82に照射される光の偏光状態が干渉縞状に周期的に変化するものとなる。これによって、配向状態が周期的に変化する配向パターンが得られる。露光装置50において、2つの光72Aおよび72Bの交差角βを変化させることにより、配向パターンの周期を変化させることができる。配向状態が周期的に変化した配向パターンを有する配向膜上に後述の光学異方性層を形成することにより、この周期に応じた液晶配向パターンを備えた光学異方性層を形成することができる。
<光学異方性層の形成>
光学異方性層は、配向膜上に液晶組成物を多層塗布することにより形成することができる。多層塗布とは、配向膜の上に液晶組成物を塗布し、加熱し、さらに冷却した後に紫外線硬化を行って1層目の液晶固定化層を作製した後、2層目以降はその液晶固定化層に重ね塗りして塗布を行い、同様に加熱し、冷却後に紫外線硬化を行うことを繰り返すことをいう。光学異方性層を上記のように多層塗布して形成することにより、光学異方性層の総厚が厚くなった場合でも配向膜の配向方向を、光学異方性層の下面から上面にわたって反映させることができる。
第1の実施形態の光学異方性層と第2の実施形態の光学異方性層とでは液晶組成物が異なるだけで、同様の形成方法を採用することができる。
次に、本開示の光学素子を備えた光学装置の一例を説明する。図14は光学装置の一例であるヘッドマウントディスプレイ90の要部構成を示す図である。
図14に示すように、ヘッドマウントディスプレイ90は、光源の一態様である液晶表示装置92と、液晶表示装置92から出力された光を導光する導光部材94とを備えており、導光部材94の一部に、本発明の第2の実施形態の光学素子と同様に反射型回折格子として機能する光学素子110A,110Bが備えられている。液晶表示装置92と導光部材94とは、液晶表示装置92からの光が導光部材94に対して垂直に入射するように配置されており、光学素子110Aが導光部材94に入射した光が光学素子110Aの表面に垂直に入射する位置に配置されている。他方、光学素子110Bは、導光部材94中を全反射して導光された光が入射される位置に配置されている。
光学素子110Aは支持体112A上に光学異方性層114Aを備え、光学異方性層114Aに垂直に入射する所定の中心波長の特定の円偏光を斜め方向に反射するように構成されている。光学素子110Bは支持体112B上に光学異方性層114Bを備え、光学異方性層114Bに斜め方向から入射する所定の中心波長の特定の円偏光を垂直方向に反射するように構成されている。
このように、本開示の光学素子を用いれば、入射光の反射方向を所望の方向とすることができ、反射素子と光路変更のための素子を別途に設ける必要がないため、光学装置の小型化を図ることができる。
本発明の光学素子は、上記のようなヘッドマウントディスプレイ90への適用に限らず、光を入射角とは異なる方向に反射させる光反射素子として、AR投影装置へも適用可能である。また、光を集光また発散するマイクロミラー、あるいはマイクロレンズとして、センサ用集光ミラーあるいは、光を拡散させる反射スクリーン等への適用が可能である。
以下、本発明の光学素子の実施例および比較例について説明する。
まず、透過型回折格子として機能する第1の実施形態の光学素子の実施例1〜3および比較例1〜3について説明する。
「実施例1〜3」
支持体上に配向膜を形成し、配向膜上に円盤状液晶化合物を含む液晶組成物D1の硬化層からなる光学異方性層A−1を形成して、実施例1〜3の光学素子を作製した。光学異方性層A−1は、円盤状液晶化合物が水平回転配向された液晶配向パターンとした。実施例1〜3は、光学異方性層における液晶配向パターンの回転周期pが互いに異なる。
[実施例1〜3の光学素子の作製]
支持体として、市販されているトリアセチルセルロースフィルム「Z−TAC」(富士フイルム社製)を用いた。
(支持体の鹸化)
支持体を、温度60℃の誘電式加熱ロールを通過させて、支持体表面温度を40℃に昇温した。その後、支持体の片面に、バーコーターを用いて下記に示すアルカリ溶液を塗布量14mL/mで塗布し、支持体を110℃に加熱し、さらに、(株)ノリタケカンパニーリミテド製のスチーム式遠赤外ヒーターの下を、10秒間搬送した。続いて、同じくバーコーターを用いて、支持体表面上に純水を3mL/m塗布した。次いで、ファウンテンコーターによる水洗およびエアナイフによる水切りを3回繰り返した後に、70℃の乾燥ゾーンを10秒間搬送して支持体を乾燥させ、アルカリ鹸化処理した支持体を得た。
<アルカリ溶液>
水酸化カリウム 4.70質量部
水 15.80質量部
イソプロパノール 63.70質量部
界面活性剤
SF−1:C1429O(CHCHO)OH 1.0 質量部
プロピレングリコール 14.8 質量部
(下塗り層の形成)
下記の下塗り層形成用塗布液を#8のワイヤーバーで連続的に上記アルカリ鹸化処理した支持体上に塗布した。塗膜が形成された支持体を60℃の温風で60秒間、さらに100℃の温風で120秒間乾燥し、下塗り層を形成した。
<塗り層形成用塗布液>
下記変性ポリビニルアルコール 2.40質量部
イソプロピルアルコール 1.60質量部
メタノール 36.00質量部
水 60.00質量部
Figure 0006968190

(配向膜P−1の形成)
上記の下塗り層を形成した支持体上に下記の配向膜P−1形成用塗布液を#2のワイヤーバーで連続的に塗布した。この配向膜P−1形成用塗布液の塗膜が形成された支持体を60℃の温風で60秒間乾燥し、配向膜P−1を形成した。
<配向膜P−1形成用塗布液>
下記光配向用素材 1.00質量部
水 16.00質量部
ブトキシエタノール 42.00質量部
プロピレングリコールモノメチルエーテル 42.00質量部
−光配向用素材−
Figure 0006968190

(配向膜P−1の露光)
図13に示した露光装置50を用いて配向膜を露光した。露光装置50において、半導体レーザ52として波長(405nm)のレーザ光を出射するものを用いた。干渉光による露光量を100mJ/cmとした。なお、2つのレーザ光の干渉により形成されるパターンの180°回転周期は2つの光の交差角βを変化させることによって制御した。
(光学異方性層A−1の形成)
まず、下記の液晶組成物D1を準備した。
<液晶組成物D1>
――――――――――――――――――――――――――――――――――
円盤状液晶化合物L−2 80.00質量部
円盤状液晶化合物L−3 20.00質量部
重合開始剤(BASF製、Irgacure(登録商標)907)
5.00質量部
メガファックF444(DIC製) 0.50質量部
メチルエチルケトン 300.00質量部
――――――――――――――――――――――――――――――――――
円盤状液晶化合物L−2
Figure 0006968190

円盤状液晶化合物L−3
Figure 0006968190

なお、液晶組成物D1の硬化層の複素屈折率Δnは、0.15であった。複素屈折率Δnは、液晶組成物D1を別途に用意したリタデーション測定用の配向膜付き支持体上に塗布し、円盤状液晶化合物のダイレクタが基材に水平となるよう配向させた後に紫外線照射して固定化して得た液晶固定化層(硬化層)のリタデーション値および膜厚を測定して求めた。リタデーション値を膜厚で除算することによりΔnを算出できる。リタデーション値はAxometrix 社のAxoscanで550nmの波長で測定し、膜厚は走査型電子顕微鏡(Scanning Electron Microscope、SEM)を用いて測定した。
<光学異方性層A−1の塗布形成>
光学異方性層A−1は、液晶組成物D1を配向膜P−1上に多層塗布することにより形成した。多層塗布とは、先ず配向膜の上に1層目の液晶組成物D1を塗布、加熱、冷却後に紫外線硬化を行って液晶固定化層を作製した後、2層目以降はその液晶固定化層に重ね塗りして塗布を行い、同様に加熱、冷却後に紫外線硬化を行うことを繰り返すことを指す。多層塗布により形成することにより、液晶層の総厚が厚くなった時でも配向膜の配向方向が液晶層の下面から上面にわたって反映される。
先ず1層目は、配向膜P−1上に下記の液晶組成物D1を塗布した塗膜をホットプレート上で110℃に加熱し、その後、60℃に冷却した後、窒素雰囲気下で高圧水銀灯を用いて波長365nmの紫外線を100mJ/cmの照射量で塗膜に照射することにより、液晶化合物の配向を固定化した。この時の固定化された液晶層(1層の液晶固定化層)の膜厚は0.2μmであった。
2層目以降の液晶固定化層は、先に形成された液晶固定化層に液晶組成物D1を重ね塗りして、上と同じ条件で加熱、冷却後に紫外線硬化を行って形成した。このようにして、総厚が所望の膜厚になるまで重ね塗りを繰り返し光学異方性層A−1を得た。最終的に液晶の複屈折率が275nm(=λ/2)になり、かつ周期的な配向表面になっていることを偏光顕微鏡で確認した。
「比較例1〜3」
実施例1〜3に対し、円盤状液晶化合物に代えて棒状液晶化合物を含む液晶組成物E1の硬化層からなる光学異方性層A−2を備えた光学素子とした。すなわち、比較例1〜3の光学素子において、光学異方性層は、棒状液晶が水平回転配向された液晶配向パターンとした。
[比較例1〜3の光学素子の作製]
実施例1〜3に対し、液晶組成物D1を液晶組成物E1として光学異方性層A−2を形成した以外は、実施例1〜3と同様にして、比較例1〜3の光学素子を作製した。
(光学異方性層A−2の形成)
下記の組成物の液晶組成物E1を準備した。
<液晶組成物E1>
――――――――――――――――――――――――――――――――――
棒状液晶化合物L−1 100.00質量部
重合開始剤(BASF製、Irgacure(登録商標)907)
3.00質量部
光増感剤(日本化薬製、KAYACURE DETX−S)1.00質量部
レベリング剤T−1 0.08質量部
メチルエチルケトン 296.50質量部
――――――――――――――――――――――――――――――――――
棒状液晶化合物L−1
Figure 0006968190

−レベリング剤T−1−
Figure 0006968190

なお、液晶組成物E1の硬化層の複素屈折率Δnは、0.15であった。複素屈折率Δnは、液晶組成物D1の場合と同様の方法で求めた。
<光学異方性層A−2の塗布形成>
先ず1層目は、配向膜P−1上に上記液晶組成物E1を塗布した塗膜をホットプレート上で110℃に加熱し、その後、60℃に冷却した後、窒素雰囲気下で高圧水銀灯を用いて波長365nmの紫外線を100mJ/cmの照射量で塗膜に照射することにより、液晶化合物の配向を固定化した。この時の固定化された液晶層(1層の液晶固定化層)の膜厚は0.2μmであった。
2層目以降の液晶固定化層は、先に形成された液晶固定化層に液晶組成物E1を重ね塗りして、上と同じ条件で加熱、冷却後に紫外線硬化を行って形成した。このようにして、総厚が所望の膜厚になるまで重ね塗りを繰り返し光学異方性層A−2を得た。最終的に液晶の複屈折率が275nm(=λ/2)になり、かつ周期的な配向表面になっていることを偏光顕微鏡で確認した。
[評価]
−回折角の測定−
実施例1〜3および比較例1〜3の各光学素子について、光学素子の支持体を通して光学異方層の表面に垂直に光を入射させ、その透過回折光の回折角を測定した。具体的には、550nmに出力の中心波長をもつ右円偏光としたレーザ光を、光学素子の一方の面、すなわち光学異方性層の一方の面に、法線方向に50cmの離れた位置から垂直入射させ、透過回折光のスポットを光学素子の他方の面から50cmの距離に配置したスクリーンで捉えて、回折角を算出した。
−光強度の測定−
光強度の測定方法を、図15を参照して説明する。実施例および比較例の光学素子10Sは、支持体12Sの表面に備えられた配向膜13S上に光学異方性層14Sを備えている。この光学異方性層14Sの一方の面である配向膜13S側の面と対向する他方の面に、支持体12Sとほぼ同一の屈折率の第2の支持体18を接着させて測定用試料とした。
半導体レーザ30から出射した波長550nmの半導体レーザ光を直線偏光子31、およびλ/4板32を透過させて右円偏光Pの光Lとした。この光Lを支持体12Sに垂直入射させることにより、光Lを光学異方性層14Sの一方の面に垂直入射させた。この場合、光学異方性層14Sによる回折作用により回折角θの回折光Lが光学異方性層14Sの他方の面から出力される。この回折光Ltは、光学異方性層14Sの他方の面に接続されている第2の支持体18中を進行し、試料の表面から大気中に出射される。この出射光Lt1の光強度を光検出器35で測定した。なお、試料と大気との界面において、屈折率差があるため回折光Ltは屈曲されて出射角θ22で出射する出射光Lt1と第2の支持体18内部に反射する反射光Lt2が生じる。光検出器35で検出した光強度と、フレネル則から内部反射した光Lt2の光強度を求め、回折光Lの光強度を算出した。
そして、回折光Lの光強度と光Lの光強度との比をとり、回折光Lの入射光に対する相対光強度値を求めた。
表1に実施例1〜3および比較例1〜3の光学素子の構成および評価結果を纏めて示す。
Figure 0006968190

表1に示すように、回転周期pが同一であれば、棒状液晶化合物であっても、円盤状液晶化合物であっても水平回転配向パターンによる回折角は同一であった。しかし、相対光強度値は、円盤状液晶化合物の水平回転配向パターンを有する光学異方性層を備えた実施例が比較例より大きかった。この効果は回折角が大きくなるほど顕著であった。
次に、反射型回折格子として機能する第2の実施形態の光学素子の実施例11〜13および比較例11〜13について説明する。
「実施例11〜13」
支持体上に配向膜を形成し、配向膜上に円盤状液晶化合物を含む液晶組成物D2の硬化層からなる光学異方性層A−3を形成して、実施例11〜13の光学素子を作製した。光学異方性層は、円盤状液晶化合物が水平回転配向され、かつ厚み方向にコレステリック相を有する液晶配向パターンとした。実施例11〜13は、光学異方性層における液晶配向パターンの回転周期pが互いに異なる。
[実施例11〜13の光学素子の作製]
実施例1〜3に対し、液晶組成物D1を液晶組成物D2としてコレステリック相を有する液晶配向パターンを持つ光学異方性層を形成した以外は、実施例1〜3と同様にして、実施例11〜13の光学素子を作製した。光学素子の断面SEMからコレステリック相を有する液晶配向パターンであることを確認し、また、Axometrix 社のAxoscanでの測定により、円盤状液晶化合物の配向によることを確認した。
<液晶組成物D2>
―――――――――――――――――――――――――――――――――
円盤状液晶化合物L−2 80.00質量部
円盤状液晶化合物L−3 20.00質量部
重合開始剤(BASF製、Irgacure(登録商標)907)
5.00質量部
カイラル剤Ch−2 3.79質量部
メガファックF444(DIC製) 0.50質量部
メチルエチルケトン 255.00質量部
―――――――――――――――――――――――――――――――――
−カイラル剤Ch−2−
Figure 0006968190

(光学異方性層A−3の形成)
光学異方性層A−3は、液晶組成物D2を配向膜P−1上に多層塗布することにより形成した。
先ず1層目は、配向膜P−1上に下記の液晶組成物D2を塗布した塗膜をホットプレート上で95℃に加熱し、その後、25℃に冷却した後、窒素雰囲気下で高圧水銀灯を用いて波長365nmの紫外線を100mJ/cmの照射量で塗膜に照射することにより、液晶化合物の配向を固定化した。この時の固定化された液晶層(1層の液晶固定化層)の膜厚は0.2μmであった。
2層目以降の液晶固定化層は、先に形成された液晶固定化層に液晶組成物D2を重ね塗りして、上と同じ条件で加熱、冷却後に紫外線硬化を行って形成した。このようにして、総厚が所望の膜厚になるまで重ね塗りを繰り返し光学異方性層A−3を得た。また、周期的な配向表面になっていることを偏光顕微鏡およびSEMで確認した。
「比較例11〜13」
実施例11〜13に対し円盤状液晶化合物に代えて棒状液晶化合物を含む液晶組成物E2の硬化層からなる光学異方性層A−4を備えた光学素子とした。すなわち、比較例11〜13の光学素子において、光学異方性層は、棒状液晶化合物が水平回転配向され、かつ厚み方向にコレステリック相を有する液晶配向パターンとした。
[比較例11〜13の光学素子の作製]
実施例11〜13に対し、液晶組成物D2を液晶組成物E2として光学異方性層A−4を形成した以外は、実施例11〜13と同様にして、比較例11〜13の光学素子を作製した。
(光学異方性層A−4の形成)
下記の組成物の液晶組成物E2を準備した。
<液晶組成物E2>
――――――――――――――――――――――――――――――――――
棒状液晶化合物L−1 100.00質量部
重合開始剤(BASF製、Irgacure(登録商標)907)
3.00質量部
光増感剤(日本化薬製、KAYACURE DETX−S)1.00質量部
カイラル剤Ch−1 5.45質量部
レベリング剤T−1 0.08質量部
メチルエチルケトン 268.20質量部
――――――――――――――――――――――――――――――――――
−カイラル剤Ch−1−
Figure 0006968190

<光学異方性層A−4の塗布形成>
光学異方性層は、実施例11において、液晶組成物D2を用いるかわりに液晶組成物E2を配向膜P−1上に多層塗布することにより形成した。
先ず1層目は、配向膜P−1上に下記の液晶組成物E2を塗布した塗膜をホットプレート上で95℃に加熱し、その後、25℃に冷却した後、窒素雰囲気下で高圧水銀灯を用いて波長365nmの紫外線を100mJ/cmの照射量で塗膜に照射することにより、液晶化合物の配向を固定化した。この時の固定化された液晶層(1層の液晶固定化層)の膜厚は0.2μmであった。
2層目以降の液晶固定化層は、先に形成された液晶固定化層に液晶組成物E2を重ね塗りして、上と同じ条件で加熱、冷却後に紫外線硬化を行って形成した。このようにして、総厚が所望の膜厚になるまで重ね塗りを繰り返し光学異方性層A−4を得た。また、周期的な配向表面になっていることを偏光顕微鏡およびSEMで確認した。
[評価]
−回折角の測定−
実施例11〜13および比較例11〜13の各光学素子について、光学素子の支持体を通して光学異方層の表面の垂直に光を入射させ、その反射回折光の回折角を測定した。具体的には、550nmに出力の中心波長をもつ右円偏光としたレーザ光を、光学素子の一方の面、すなわち光学異方性層の一方の面に、法線方向に50cmの離れた位置から垂直入射させ、反射回折光のスポットを光学素子の一面から50cmの距離に配置したスクリーンで捉えて、回折角を算出した。
−光強度の測定−
光強度の測定方法を、図16を参照して説明する。
半導体レーザ30から出射した波長550nmの半導体レーザ光を直線偏光子31、およびλ/4板32を透過させて右円偏光Pの光Lとした。この光Lを支持体112S上に配向膜113Aを介して備えられた光学異方性層114Sの表面に垂直入射させた。この場合、光学異方性層114Sによる回折作用および選択反射作用により、回折角θで反射回折された回折光Lrの光強度を光検出器35で測定した。そして、回折光Lrの光強度と光Lの光強度との比をとり、回折光Lrの入射光に対する相対光強度値を求めた。
表2に実施例11〜13および比較例11〜13の光学素子の構成および評価結果を纏めて示す。
Figure 0006968190

表2に示すように、回転周期pが同一であれば、棒状液晶化合物であっても、円盤状液晶化合物であっても水平回転配向パターンによる回折角は同一であった。しかし、相対光強度値は、円盤状液晶化合物の水平回転配向パターンを有する光学異方性層を備えた実施例が比較例より大きかった。回折角が大きいほど、円盤状液晶化合物を用いたことにより効果が高かった。
「実施例21」
実施例2に対し、液晶組成物D1を液晶組成物D21として厚み方向に捩れ性を有する液晶配向パターンを持つ光学異方性層を形成した以外は、実施例2と同様にして、実施例21の光学素子を作製した。
<液晶組成物D21>
――――――――――――――――――――――――――――――――――
円盤状液晶化合物L−2 80.00質量部
円盤状液晶化合物L−3 20.00質量部
重合開始剤(BASF製、Irgacure(登録商標)907)
5.00質量部
メガファックF444(DIC製) 0.50質量部
カイラル剤Ch−2 0.14質量部
メチルエチルケトン 300.00質量部
――――――――――――――――――――――――――――――――――
光学素子の断面SEMから捩れを有する液晶配向パターンであることを確認し、また、Axometrix 社のAxoscanでの測定により、その液晶配向パターンが円盤状液晶化合物の配向によることを確認した。作製した光学素子のΔnd=275nm、厚み方向における捩れ配向の捩れ角は75度であった。
「実施例22」
実施例21と同様の液晶組成物D21を用いて厚み方向に捩れ性を有する液晶配向パターンを持つ第1の光学異方性層(第1の領域)を形成した後で、以下の液晶組成物D22を重ねて塗布して第2の光学異方性層(第2の領域)を形成し、液晶組成物D21による第1の光学異方性層とD22による第2の光学異方性層を積層してなる光学異方性層を形成した。液晶組成物D22は液晶組成物D21に対し左右逆の捩れ正を有する液晶配向パターン持つ第2の光学異方性層を形成する液晶組成物である。この様にして、実施例22の光学素子を作製した。
<液晶組成物D22>
――――――――――――――――――――――――――――――――――
円盤状液晶化合物L−2 80.00質量部
円盤状液晶化合物L−3 20.00質量部
重合開始剤(BASF製、Irgacure(登録商標)907)
5.00質量部
メガファックF444(DIC製) 0.50質量部
カイラル剤Ch−3 0.14質量部
メチルエチルケトン 300.00質量部
――――――――――――――――――――――――――――――――――
−カイラル剤Ch−3−
Figure 0006968190

光学素子の断面SEMから捩れを有する液晶配向パターンが2層重なっていることを確認した。また、Axometrix 社のAxoscanでの測定により、それらの液晶配向パターンが円盤状液晶化合物の配向によることを確認した。作製した光学素子は2層重なった構成であり、1層目のΔnd=275nm、捩れ角は75度で、2層目のΔnd=275nm、捩れ角は−75度であった。
実施例21および実施例22についての評価として、実施例1〜3と同様の手法により回折角の測定および光強度の測定を行った。加えて、測定光として左円偏光のレーザ光を用いた場合について回折角および光強度の測定を行った。
表3に実施例21〜22の光学素子の構成および評価結果を纏めて示す。
Figure 0006968190

表3に示すように、実施例21および22は、実施例2と同様に、いずれも円盤状液晶化合物の水平回転配向パターンを有する光学異方性層であり、棒状液晶化合物の水平回転配向パターンを有する比較例2に対して光強度の増加率が高いことがわかった。また、実施例21および22は、厚み方向に捩れ配向パターンを有していない実施例2と比較して、比較例2に対する光強度増加率が大幅に向上した。なお、左円偏光のレーザ光を用いた場合には、実施例21では回折光が得られず、実施例22では、右円偏光のレーザ光と法線に対称な−33°の回折光が得られた。また、実施例22において、回折光の強度は、右円偏光の場合と左円偏光の場合とで同程度であった。
2017年11月13日に出願された日本国特許出願特願2017−218513および2018年5月18日に出願された日本国特許出願特願2018−096570の開示はその全体が参照により本明細書に取り込まれる。
本明細書に記載された全ての文献、特許出願および技術規格は、個々の文献、特許出願、および技術規格が参照により取り込まれることが具体的かつ個々に記された場合と同程度に、本明細書中に参照により取り込まれる。

Claims (1)

  1. 第1の円盤状液晶化合物を含む液晶組成物の硬化層である第1の光学異方性層を備え、
    前記第1の円盤状液晶化合物の光学軸が、前記第1の光学異方性層の面に平行であり、かつ、該第1の光学異方性層が、該第1の光学異方性層の面内の少なくとも一方向に沿って配列された液晶配向パターンであって、前記第1の円盤状液晶化合物の前記光学軸の向きが、連続的に回転変化した液晶配向パターンを有し、
    前記光学軸の向きが0.5μm〜5μmの周期で180°回転しており、かつ、
    前記第1の光学異方性層において、前記第1の円盤状液晶化合物が厚み方向にコレステリック配向している光学素子。
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