JP6975257B2 - 光学素子および導光素子 - Google Patents
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Description
ARグラスでは、回折素子を用いて、ディスプレイからの光(投影光)を回折(屈折)させて導光板の一方の端部に入射する。これにより、角度を付けて導光板に光を導入して、導光板内で光を伝播させる。導光板を伝播した光は、導光板の他方の端部において同じく回折素子によって回折されて、導光板から、使用者による観察位置に出射される。
この導光板は、光を反射して導波する前面および後面を有し、前面または後面に設けられる第1の部分、および、前面または後面に設けられる第2の部分を有する。第1の部分は、第1の部分からの反射によって、第1の量だけ光の位相を変化させる構造を有する。また、同じ表面の第2の部分は、第2の部分からの反射によって、第1の量とは異なる第2の量だけ光の位相を変化させる、第1の部分とは異なる構造を有する。さらに、この導光板において、第1の部分は、第2の量と第1の量との差に実質的に一致する距離だけ、第2の部分とオフセットされる構成を有する。
従って、異なる波長の光を1つの回折素子によって回折させて導光板に導入し、かつ、導光板から出射させると、例えば、赤色画像、緑色画像および青色画像からなるカラー画像であれば、赤色画像、緑色画像および青色画像の位置が異なってしまう、いわゆる色ズレが生じてしまう。
ARグラスでは、これにより、赤色画像、緑色画像および青色画像の位置を一致させて、色ズレの無いカラー画像を表示している。
[1] 液晶化合物を含む組成物を用いて形成された、液晶化合物由来の光軸の向きが面内の少なくとも一方向に沿って連続的に回転しながら変化している液晶配向パターンを有する、複数の光学異方性層と、
複数の光学異方性層における、隣接する2枚の光学異方性層のうちの、少なくとも一対の間に配置される、特定の波長域の円偏光を逆の旋回方向の円偏光に変換する波長選択性位相差層と、を有し、かつ、
光学異方性層の液晶配向パターンにおいて、液晶化合物由来の光軸の向きが連続的に回転しながら変化する一方向における、液晶化合物由来の光軸の向きが180°回転する長さを1周期とした際に、少なくとも1層の光学異方性層は、他の光学異方性層と1周期の長さが異なる、光学素子。
なお、本発明において、隣接する2枚の光学異方性層(隣接する1対の光学異方性層)とは、特定の光学異方性層を示している訳ではなく、複数の光学異方性層から任意に選択される隣接する2枚の光学異方性層である。
[2] 複数対の連続する2枚の光学異方性層の間に、波長選択性位相差層を有し、かつ、波長選択性位相差層が円偏光を変換する特定の波長域が、光学異方性層の配列方向に、漸次、短くなる、[1]に記載の光学素子。
[3] 光学異方性層の液晶配向パターンにおける1周期の長さが、全ての光学異方性層で異なる、[1]または[2]に記載の光学素子。
[4] 光学異方性層と波長選択性位相差層とが、交互に配置される、[1]〜[3]のいずれかに記載の光学素子。
[5] 光学異方性層の配列方向の一方の端に位置する光学異方性層が、液晶配向パターンにおける1周期の長さが最も短い、[1]〜[4]のいずれかに記載の光学素子。
[6] 光学異方性層の少なくとも1層が、面内に、液晶配向パターンにおける1周期の長さが異なる領域を有する、[1]〜[5]のいずれかに記載の光学素子。
[7] 液晶配向パターンにおける液晶化合物由来の光軸の向きが連続的に回転しながら変化する一方向に向かって、液晶配向パターンの1周期が、漸次、短くなる、[6]に記載の光学素子。
[8] 光学異方性層の液晶配向パターンが、液晶化合物由来の光軸の向きが連続的に回転しながら変化する一方向を、内側から外側に向かう同心円状に有する、同心円状のパターンである、[1]〜[7]のいずれかに記載の光学素子。
[9] 3層以上の光学異方性層と、2層以上の波長選択性位相差層と、を有する、[1]〜[8]のいずれかに記載の光学素子。
[10] 波長選択性位相差層の1層が、赤色光の円偏光を逆の旋回方向の円偏光に変換し、波長選択性位相差層の他の1層が、緑色光の円偏光を逆の旋回方向の円偏光に変換する、[9]に記載の光学素子。
[11] 波長選択性位相差層の層数が、光学異方性層の層数よりも、1層、少ない、[1]〜[10]のいずれかに記載の光学素子。
[12] 波長選択性位相差層が複数の位相差層からなり、位相差層の少なくとも1層は他の位相差層と面内の遅相軸方位が異なる、[1]〜[11]のいずれかに記載の光学素子。
[13] 波長選択性位相差層における位相差層の少なくとも1層がλ/4板である、[12]に記載の光学素子。
[14] 波長選択性位相差層におけるλ/4板が逆波長分散性を有し、他の位相差層の少なくとも1層は順波長分散性を有する、[13]に記載の光学素子。
[15] [1]〜[14]のいずれか1項に記載の光学素子と、導光板と、を有する、導光素子。
[16] 離間する2つの光学素子が、導光板に設けられる、[15]に記載の導光素子。
本明細書において、「(メタ)アクリレート」は、「アクリレートおよびメタクリレートのいずれか一方または双方」の意味で使用される。
本明細書において、「同一」は、技術分野で一般的に許容される誤差範囲を含むものとする。また、本明細書において、「全部」、「いずれも」および「全面」などというとき、100%である場合のほか、技術分野で一般的に許容される誤差範囲を含み、例えば99%以上、95%以上、または90%以上である場合を含むものとする。
またこれに限定されるものではないが、可視光のうち、420〜490nmの波長域の光は青色光であり、495〜570nmの波長域の光は緑色光であり、620〜750nmの波長域の光は赤色光である。
本明細書において、Re(λ)は、AxoScan(Axometrics社製)において、波長λで測定した値である。AxoScanにて平均屈折率((nx+ny+nz)/3)と膜厚(d(μm))を入力することにより、
遅相軸方向(°)
Re(λ)=R0(λ)
が算出される。
なお、R0(λ)は、AxoScanで算出される数値として表示されるものであるが、Re(λ)を意味している。
ここで、波長選択性位相差層とは、特定の波長域の円偏光を逆の旋回方向の円偏光に変換するものである。例えば、波長選択性位相差層が、赤色光の円偏光を逆の旋回方向の円偏光に変換するものである場合には、緑色光の右円偏光および青色光の右円偏光は、右円偏光で、透過する。
また、本発明の光学素子は、光学異方性層の液晶配向パターンにおいて、液晶化合物由来の光軸の向きが連続的に回転しながら変化する一方向における、液晶化合物由来の光軸の向きが180°回転する長さを1周期とした際に、少なくとも1層の光学異方性層は、他の光学異方性と1周期の長さが異なる。
後に詳述するが、本発明の光学素子は、このような構成を有することにより、入射して透過する光の屈折角度の波長依存性が小さく、同じ方向から入射した異なる波長の光を、ほとんど同じ方向に出射できる。
図1に、本発明の光学素子の一例を概念的に示す。
図示例の光学素子10は、第1光学異方性部材12および第2光学異方性部材14、ならびに、第1光学異方性部材12と第2光学異方性部材14との間に配置される波長選択性位相差層18G、を有する。
前述のように、本発明の光学素子は、液晶化合物を含む組成物を用いて形成された、液晶化合物由来の光軸が回転する所定の液晶配向パターンを有する光学異方性層を、厚さ方向に配列したものである。第1光学異方性部材12は、支持体20、配向膜24Aおよび第1光学異方性層26A、を有する。また、第2光学異方性部材14は、支持体20、配向膜24Bおよび第2光学異方性層26B、を有する。
また、本発明の光学素子において、波長選択性位相差層は、前述のように、特定の波長域の円偏光を逆の旋回方向の円偏光に変換し、それ以外の光は、そのまま透過(素抜け)するものである。図示例の光学素子10において、波長選択性位相差層18Gは、緑色光の円偏光の旋回方向を逆の旋回方向に変換し、それ以外の光は、同じ旋回方向の円偏光で透過する。
本発明において、貼合層は、貼り合わせの対象となる物同士を貼り合わせられる層であれば、公知の各種の材料からなるものが利用可能である。貼合層としては、貼り合わせる際には流動性を有し、その後、固体になる、接着剤からなる層でも、貼り合わせる際にゲル状(ゴム状)の柔らかい固体で、その後もゲル状の状態が変化しない、粘着剤からなる層でも、接着剤と粘着剤との両方の特徴を持った材料からなる層でもよい。従って、貼合層は、光学透明接着剤(OCA(Optical Clear Adhesive))、光学透明両面テープ、ならびに、紫外線硬化型樹脂等の、光学装置および光学素子等でシート状物の貼り合わせに用いられる公知のものを用いればよい。
あるいは、貼合層で貼り合わせるのではなく、第1光学異方性部材12、波長選択性位相差層18G、および、第2光学異方性部材14を積層して、枠体または治具等で保持して、本発明の光学素子を構成してもよい。
なお、本発明の光学素子は、図示例のように第1光学異方性部材12、波長選択性位相差層18G、および、第2光学異方性部材14を密着して積層した構成に制限はされず、これらの部材の1以上を、離間した状態で配列した構成も、利用可能である。
例えば、本発明の光学素子は、第2光学異方性部材14(第2光学異方性層26B)の表面に波長選択性位相差層18Gを形成し、その上に配向膜24Aを形成し、その上に第1光学異方性層26Aを形成した構成でもよい。
あるいは、上記構成から、第2光学異方性部材14の支持体20を剥離して、波長選択性位相差層、配向膜および光学異方性層のみで、または、配向膜も剥離して、波長選択性位相差層および光学異方性層のみで、本発明の光学素子を構成してもよい。
本発明の光学素子10は、第1光学異方性部材12と第2光学異方性部材14との間に、波長選択性位相差層18Gを設けたものである。
前述のように、第1光学異方性部材12は、支持体20、配向膜24Aおよび第1光学異方性層26A、を有する。また、第2光学異方性部材14は、支持体20、配向膜24Bおよび第2光学異方性層26B、を有する。
<<支持体>>
第1光学異方性部材12および第2光学異方性部材14において、支持体20は、配向膜24Aおよび配向膜24B、ならびに、第1光学異方性層26Aおよび第2光学異方性層26Bを支持するものである。
以下の説明では、配向膜24Aと配向膜24Bとを区別する必要がない場合には、配向膜24Aと配向膜24Bとをまとめて『配向膜』とも言う。また、以下の説明では、第1光学異方性層26Aと第2光学異方性層26Bとを区別する必要がない場合には、第1光学異方性層26Aと第2光学異方性層26Bとをまとめて『光学異方性層』とも言う。
支持体20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、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)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリカーボネート、および、ポリ塩化ビニル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。
支持体20の厚さは、1〜1000μmが好ましく、3〜250μmがより好ましく、5〜150μmがさらに好ましい。
第1光学異方性部材12において、支持体20の表面には配向膜24Aが形成される。第2光学異方性部材14において、支持体20の表面には配向膜24Bが形成される。
配向膜24Aは、第1光学異方性部材12の第1光学異方性層26Aを形成する際に、液晶化合物30を所定の液晶配向パターンに配向するための配向膜である。配向膜24Bは、第2光学異方性部材14の第2光学異方性層26Bを形成する際に、液晶化合物30を所定の液晶配向パターンに配向するための配向膜である。
なお、本発明の光学素子では、液晶配向パターンにおける、光軸30Aの向きが連続的に回転しながら変化する一方向において、光軸30Aの向きが180°回転する長さを1周期(光軸の回転周期)とした際に、少なくとも1層の光学異方性層は、他の光学異方性と液晶配向パターンの1周期の長さが異なる。図1に示す光学素子10では、第1光学異方性層26Aにおける液晶配向パターンの1周期(1周期ΛA)は、第2光学異方性層26Bにおける液晶配向パターンの1周期(1周期ΛB)よりも短い。
例えば、ポリマーなどの有機化合物からなるラビング処理膜、無機化合物の斜方蒸着膜、マイクログルーブを有する膜、ならびに、ω−トリコサン酸、ジオクタデシルメチルアンモニウムクロライドおよびステアリル酸メチルなどの有機化合物のラングミュア・ブロジェット法によるLB(Langmuir-Blodgett:ラングミュア・ブロジェット)膜を累積させた膜、等が例示される。
配向膜に使用する材料としては、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号公報記載の配向膜等の形成に用いられる材料が好ましく例示される。
偏光の照射は、光配向膜に対して、垂直方向また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。
中でも、アゾ化合物、光架橋性ポリイミド、光架橋性ポリアミド、光架橋性エステル、シンナメート化合物、および、カルコン化合物は、好適に利用される。
配向膜の厚さは、0.01〜5μmが好ましく、0.05〜2μmがより好ましい。
なお、図示は省略するが、光源64は偏光板を備え、直線偏光P0を出射する。λ/4板72Aおよび72Bは、互いに直交する光学軸を備えている。λ/4板72Aは、直線偏光P0(光線MA)を右円偏光PRに、λ/4板72Bは直線偏光P0(光線MB)を左円偏光PLに、それぞれ変換する。
この際の干渉により、配向膜24A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。これにより、配向膜24Aにおいて、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60においては、2つの光線MAおよびMBの交差角αを変化させることにより、配向パターンの周期を調節できる。すなわち、露光装置60においては、交差角αを調節することにより、液晶化合物30に由来する光軸30Aが一方向に沿って連続的に回転する配向パターンにおいて、光軸30Aが回転する1方向における、光軸30Aが180°回転する1周期の長さ(1周期Λ)を調節できる。
このような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、光学異方性層を形成することにより、後述するように、液晶化合物30に由来する光軸30Aが一方向に向かって連続的に回転する液晶配向パターンを有する、第1光学異方性層26Aを形成できる。
また、λ/4板72Aおよび72Bの光学軸を各々90°回転することにより、光軸30Aの回転方向を逆にすることができる。
例えば、支持体20をラビング処理する方法、支持体20をレーザ光等で加工する方法等によって、支持体20に配向パターンを形成することにより、第1光学異方性層26A等が、液晶化合物30に由来する光軸30Aの向きが面内の少なくとも一方向に沿って連続的に回転しながら変化している液晶配向パターンを有する構成とすることも、可能である。
第1光学異方性部材12において、配向膜24Aの表面には、第1光学異方性層26Aが形成される。第2光学異方性部材14において、配向膜24Bの表面には、第2光学異方性層26Bが形成される。
なお、図1(および、後述する図4〜図6)においては、図面を簡略化して光学素子10の構成を明確に示すために、第1光学異方性層26Aおよび第2光学異方性層26Bは、共に、配向膜の表面の液晶化合物30(液晶化合物分子)のみを示している。しかしながら、第1光学異方性層26Aおよび第2光学異方性層26Bは、図2に第1光学異方性層26Aを例示して概念的に示すように、通常の液晶化合物を含む組成物を用いて形成された光学異方性層と同様に、配向された液晶化合物30が積み重ねられた構造を有する。
光学異方性層は、面内レタデーションの値をλ/2に設定した場合に、一般的なλ/2板としての機能、すなわち、光学異方性層に入射した光に含まれる互いに直交する2つの直線偏光成分に半波長すなわち180°の位相差を与える機能を有している。
なお、液晶化合物30に由来する光軸30Aとは、液晶化合物30において屈折率が最も高くなる軸、いわゆる遅相軸である。例えば、液晶化合物30が棒状液晶化合物である場合には、光軸30Aは、棒形状の長軸方向に沿っている。
以下の説明では、『矢印Xで示す一方向』を単に『矢印X方向』とも言う。また、以下の説明では、液晶化合物30に由来する光軸30Aを、『液晶化合物30の光軸30A』または『光軸30A』とも言う。
光学異方性層において、液晶化合物30は、それぞれ、光学異方性層において、矢印X方向と、この矢印X方向と直交するY方向とに平行な面内に二次元的に配向している。なお、図1、図2、後述する図4〜図6では、Y方向は、紙面に直交する方向となる。
なお、平面図とは、図1において、光学素子10を上方から見た図であり、すなわち、光学素子10を厚さ方向から見た図である。言い換えれば、第1光学異方性層26Aを主面と直交する方向から見た図である。光学素子10の厚さ方向とは、言い換えれば、各層(膜)の積層方向である。
また、図3では、本発明の光学素子10の構成を明確に示すために、図1と同様、液晶化合物30は配向膜24Aの表面の液晶化合物30のみを示している。しかしながら、第1光学異方性層26Aは、厚さ方向には、図2に示されるように、この配向膜24Aの表面の液晶化合物30から、液晶化合物30が積み重ねられた構造を有するのは、前述のとおりである。
なお、光軸30Aの向きの回転方向は、第1光学異方性層26Aと第2光学異方性層26Bとで、逆方向である。すなわち、第1光学異方性層26Aにおける光軸30Aの向きの回転が時計回りである場合には、第2光学異方性層における光軸30Aの向きの回転は反時計回りである。
液晶化合物30の光軸30Aの向きが矢印X方向(所定の一方向)に連続的に回転しながら変化しているとは、具体的には、矢印X方向に沿って配列されている液晶化合物30の光軸30Aと、矢印X方向とが成す角度が、矢印X方向の位置によって異なっており、矢印X方向に沿って、光軸30Aと矢印X方向とが成す角度がθからθ+180°あるいはθ−180°まで、順次、変化していることを意味する。
なお、矢印X方向に互いに隣接する液晶化合物30の光軸30Aの角度の差は、45°以下であるのが好ましく、15°以下であるのがより好ましく、より小さい角度であるのがさらに好ましい。
言い換えれば、第1光学異方性層26Aを形成する液晶化合物30において、Y方向に配列される液晶化合物30同士では、光軸30Aの向きと矢印X方向とが成す角度が等しい。
すなわち、矢印X方向に対する角度が等しい2つの液晶化合物30の、矢印X方向の中心間の距離を、1周期の長さΛとする。具体的には、図3に示すように、矢印X方向と光軸30Aの方向とが一致する2つの液晶化合物30の、矢印X方向の中心間の距離を、1周期の長さΛとする。以下の説明では、この1周期の長さΛを『1周期Λ』とも言う。
また、以下の説明では、各光学異方性層における1周期Λを識別するために、第1光学異方性層26Aにおける1周期Λを『ΛA』、第2光学異方性層26Bにおける1周期Λを『ΛB』とも言う。
本発明の光学素子10において、光学異方性層の液晶配向パターンは、この1周期Λを、矢印X方向すなわち光軸30Aの向きが連続的に回転して変化する一方向に繰り返す。
この場合に、それぞれの領域Rにおける面内レタデーション(Re)の値は、半波長すなわちλ/2であるのが好ましい。これらの面内レタデーションは、領域Rの屈折率異方性に伴う屈折率差Δnと光学異方性層の厚さとの積により算出される。ここで、光学異方性層における領域Rの屈折率異方性に伴う屈折率差とは、領域Rの面内における遅相軸の方向の屈折率と、遅相軸の方向に直交する方向の屈折率との差により定義される屈折率差である。すなわち、領域Rの屈折率異方性に伴う屈折率差Δnは、光軸30Aの方向の液晶化合物30の屈折率と、領域Rの面内において光軸30Aに垂直な方向の液晶化合物30の屈折率との差に等しい。つまり、上記屈折率差Δnは、液晶化合物の屈折率差に等しい。
この作用を、図4に第1光学異方性層26Aを例示して概念的に示す。なお、第1光学異方性層26Aは、液晶化合物の屈折率差と光学異方性層の厚さとの積の値がλ/2であるとする。
図4に示すように、第1光学異方性層26Aの液晶化合物の屈折率差と光学異方性層の厚さとの積の値がλ/2の場合に、第1光学異方性層26Aに左円偏光である入射光L1が入射すると、入射光L1は、第1光学異方性層26Aを通過することにより180°の位相差が与えられて、透過光L2は、右円偏光に変換される。
また、入射光L1は、第1光学異方性層26Aを通過する際に、それぞれの液晶化合物30の光軸30Aの向きに応じて絶対位相が変化する。このとき、光軸30Aの向きは、矢印X方向に沿って回転しながら変化しているため、光軸30Aの向きに応じて、入射光L1の絶対位相の変化量が異なる。さらに、第1光学異方性層26Aに形成された液晶配向パターンは、矢印X方向に周期的なパターンであるため、第1光学異方性層26Aを通過した入射光L1には、図4に示すように、それぞれの光軸30Aの向きに対応した矢印X方向に周期的な絶対位相Q1が与えられる。これにより、矢印X方向に対して逆の方向に傾いた等位相面E1が形成される。
そのため、透過光L2は、等位相面E1に対して垂直な方向に向かって傾くように屈折され、入射光L1の進行方向とは異なる方向に進行する。このように、左円偏光の入射光L1は、入射方向に対して矢印X方向に一定の角度だけ傾いた、右円偏光の透過光L2に変換される。
また、入射光L4は、第1光学異方性層26Aを通過する際に、それぞれの液晶化合物30の光軸30Aの向きに応じて絶対位相が変化する。このとき、光軸30Aの向きは、矢印X方向に沿って回転しながら変化しているため、光軸30Aの向きに応じて、入射光L4の絶対位相の変化量が異なる。さらに、第1光学異方性層26Aに形成された液晶配向パターンは、矢印X方向に周期的なパターンであるため、第1光学異方性層26Aを通過した入射光L4は、図5に示すように、それぞれの光軸30Aの向きに対応した矢印X方向に周期的な絶対位相Q2が与えられる。
ここで、入射光L4は、右円偏光であるので、光軸30Aの向きに対応した矢印X方向に周期的な絶対位相Q2は、左円偏光である入射光L1とは逆になる。その結果、入射光L4では、入射光L1とは逆に矢印X方向に傾斜した等位相面E2が形成される。
そのため、入射光L4は、等位相面E2に対して垂直な方向に向かって傾くように屈折され、入射光L4の進行方向とは異なる方向に進行する。このように、入射光L4は、入射方向に対して矢印X方向とは逆の方向に一定の角度だけ傾いた左円偏光の透過光L5に変換される。
200nm≦Δn550×d≦350nm・・・(1)
すなわち、第1光学異方性層26Aの複数の領域Rの面内レタデーションRe(550)=Δn550×dが式(1)を満たしていれば、第1光学異方性層26Aに入射した光の十分な量の円偏光成分を、矢印X方向に対して順方向または逆方向に傾いた方向に進行する円偏光に変換することができる。面内レタデーションRe(550)=Δn550×dは、225nm≦Δn550×d≦340nmがより好ましく、250nm≦Δn550×d≦330nmがさらに好ましい。
なお、上記式(1)は波長550nmである入射光に対する範囲であるが、波長がλnmである入射光に対する光学異方性層の複数の領域Rの面内レタデーションRe(λ)=Δnλ×dは下記式(1−2)に規定される範囲内であるのが好ましく、適宜設定することができる。
0.7λnm≦Δnλ×d≦1.3λnm・・・(1−2)
(Δn450×d)/(Δn550×d)<1.0・・・(2)
式(2)は、第1光学異方性層26Aに含まれる液晶化合物30が逆分散性を有していることを表している。すなわち、式(2)が満たされることにより、第1光学異方性層26Aは、広帯域の波長の入射光に対応できる。
また、入射光L1およびL4に対する透過光L2およびL5の屈折の角度は、入射光L1およびL4(透過光L2およびL5)の波長によって異なる。具体的には、入射光の波長が長いほど、透過光は大きく屈折する。すなわち、入射光が赤色光、緑色光および青色光である場合には、赤色光が最も大きく屈折し、青色光の屈折が最も小さい。
さらに、矢印X方向に沿って回転する、液晶化合物30の光軸30Aの回転方向を逆方向にすることにより、透過光の屈折の方向を、逆方向にできる。
支持体20上に配向膜を形成し、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光学異方性層を得ることができる。なお、いわゆるλ/2板として機能するのは光学異方性層であるが、本発明は、支持体20および配向膜を一体的に備えた積層体がλ/2板として機能する態様を含む。
また、光学異方性層を形成するための液晶組成物は、棒状液晶化合物または円盤状液晶化合物を含有し、さらに、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。
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。
円盤状液晶化合物としては、例えば、特開2007−108732号公報および特開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。
なお、光学異方性層に円盤状液晶化合物を用いた場合には、光学異方性層において、液晶化合物30は厚さ方向に立ち上がっており、液晶化合物に由来する光軸30Aは、円盤面に垂直な軸、いわゆる進相軸として定義される(図15参照)。
本発明の光学素子10は、第1光学異方性部材12と第2光学異方性部材14との間に、波長選択性位相差層18Gを設けたものである。
本発明の光学素子において、波長選択性位相差層とは、特定の波長域の円偏光を、逆の旋回方向の円偏光に変換する部材である。
図示例の光学素子において、波長選択性位相差層18Gは、緑色光の円偏光を選択的に逆の旋回方向の円偏光に変換するものであり、緑色光の右円偏光を緑色光の左円偏光に変換し、また、緑色光の左円偏光を緑色光の右円偏光に変換し、それ以外の光は、旋回方向を保って透過(素抜け)させる。
一例として、波長選択性位相差層は、特表2000−510961号公報およびSID 99 DIGEST, pp.1072-1075等に記載される波長選択性位相差層を用いることができる。
この波長選択性位相差層は、複数の位相差板(位相差層)を異なる遅相軸角度(遅相軸方位)で積層することにより、特定の波長域の直線偏光を、逆の直線偏光に変換するものである。なお、複数の位相差板は、全ての遅相軸の角度が互いに異なる構成に制限はされず、少なくとも1層の遅相軸角度が、他の位相差板と異なっていればよい。
位相差板は、少なくとも1層は、順分散性を有しているのが好ましい。少なくとも1層の位相差板が順分散性を有していることにより、複数の位相差板を異なる遅相軸角度で積層することで、特定の波長域のみに作用するλ/2板を実現することができる。
一方、特表2000−510961号公報およびSID 99 DIGEST, pp.1072-1075に記載される波長選択性位相差層は、直線偏光を選択的に逆の直線偏光に変換する。
本発明において波長選択性位相差層は、特定の波長域の円偏光を、逆の旋回方向の円偏光に変換するものである。そのため、特表2000−510961号公報およびSID 99 DIGEST, pp.1072-1075などに記載されている波長選択性位相差層の両面にλ/4板を付与して用いるのが好ましい。
λ/4板としてはポリマー、液晶化合物の硬化層、および、構造複屈折層等、種々の位相差板を用いることができる。
λ/4板は、逆分散性を有するのが好ましい。λ/4板が逆分散性を有していることにより、広帯域の波長の入射光に対応できる。
λ/4板は複数の位相差板を積層し、実効的にλ/4として機能する位相差層を用いるのも好ましい。例えば、国際公開第2013/137464号に記載される、λ/2板とλ/4板とを組み合わせて広帯域化したλ/4板は、広帯域の波長の入射光に対応でき、好ましく用いることができる。
前述のように、液晶化合物を含む組成物を用いて形成された、光軸30Aの方向が矢印X方向に沿って回転する液晶配向パターンを有する光学異方性層は、円偏光を屈折させるが、屈折の角度は、光の波長によって異なる。具体的には、長波長の光ほど、屈折の角度が大きい。従って、例えば、入射光が赤色光、緑色光および青色光である場合には、赤色光が最も大きく屈折し、青色光の屈折が最も小さい。
そのため、例えば、ARグラスの導光板において、導光板への光の入射および出射のための回折素子として、光軸30Aの向きが回転する上述の液晶配向パターンを有する光学異方性層による光学素子を用いた場合には、フルカラー画像では、赤色光と緑色光と青色光とで透過方向が異なってしまい、赤色画像と緑色画像と青色画像とが一致しない、いわゆる色ズレを有する画像が観察されてしまう。
非特許文献1に記載されるように、赤色画像、緑色画像および青色画像のそれぞれに対応して導光板を設け、3枚の導光板を積層した構成とすることで、色ズレは解消できる。しかしながら、この構成では、全体として導光板が厚く、かつ、重くなってしまい、さらに、構成も複雑になってしまう。
このような本発明の光学素子によれば、光の屈折角度の波長依存性を大幅に低減して、波長の異なる光を、ほぼ同じ方向に屈折して透過・出射できる。そのため、本発明の光学素子(一例として後述する光学素子32)を、例えば、ARグラスにおいて、導光板に光を入射させる回折素子および/または導光板から光を出射させる回折素子として用いることにより、1枚の導光板で、色ズレを生じることなく、赤色画像、緑色画像および青色画像を伝播して、適正な画像を使用者に表示できる。
なお、本発明の光学素子において、光学的な作用を発現するのは、基本的に、光学異方性層および波長選択性位相差層のみである。そのため、図面を簡略化して、構成および作用効果を明確に示すために、図6(および、後述する図9)では、第1光学異方性部材12および第2光学異方性部材14は、共に、第1光学異方性層26Aおよび第2光学異方性層26Bのみを示し、かつ、図示した部材は配列方向に離間して示す。
光学素子10は、一例として、青色光の円偏光および緑色光の円偏光を対象として、入射光を所定の方向に屈折して透過させる。なお、図6では、入射光を右円偏光としているが、入射光が左円偏光でも、屈折の方向が逆になるだけで、作用効果は同じである。
ここで、前述のように、第1光学異方性層26Aによる屈折の角度は、波長の長い緑色光の方が大きいので、図7に示すように、入射光に対する屈折の角度は、緑色光(G)の角度θG1の方が青色光(B)の角度θB1よりも大きい。また、光学異方性層の1周期Λは、第1光学異方性層26Aの1周期ΛAの方が短いので、各光の屈折の角度は、第2光学異方性層26Bを透過した際よりも大きい。
前述のように、波長選択性位相差層18Gは、緑色光の円偏光のみ、逆の旋回方向の円偏光に変換して、他の光は、旋回方向を保って透過(素抜け)するものである。
従って、緑色光の左円偏光G1Lおよび青色光の左円偏光B1Lが、波長選択性位相差層18Gに入射して、透過すると、青色光の左円偏光B1Lは、そのまま透過する。これに対して、緑色光の左円偏光G1Lは、緑色光の右円偏光G1Rに変換される。
第2光学異方性層26Bに入射した緑色光の右円偏光G1Rおよび青色光の左円偏光B1Lは、同様に、屈折され、また、円偏光を逆の旋回方向の円偏光に変換され、緑色光の左円偏光G2Lおよび青色光の右円偏光B2Rとなって、出射される。
そのため、図4および図5に示すように、青色光の左円偏光B2Lは、さらに、矢印X方向とは逆方向に屈折され、図7の左側に示すように、入射光(青色光の右円偏光BR)に対して、角度θB2で出射される。
これに対し、緑色光の右円偏光G1Rは、青色光とは円偏光の旋回方向が逆である。そのため図7の右側に示すように、第2光学異方性層26Bでは、第1光学異方性層26Aとは逆に、屈折を戻されるように矢印Xに方向に屈折される。その結果、緑色光の左円偏光G2Lは、入射光(緑色光の右円偏光GR)に対して、最初の角度θG1よりも小さく、青色光の左円偏光B2Lの角度θB2と殆ど同じ、角度θG2で出射される。
すなわち、光学素子10では、波長に起因する光学異方性層による屈折の大きさに応じて、屈折が大きい長波長の光は、最初に屈折させた後に、2回目では、逆方向に屈折させて屈折を戻す。これに対して、屈折が小さい短波長の光は、2回目も、1回目と同方向に屈折させる。これにより、入射光に対する、緑色光の屈折の角度θG2と、青色光の屈折の角度θB2とを、極めて近い角度にできる。
そのため、本発明の光学素子10によれば、入射した青色光と緑色光とを、ほぼ同様の角度で屈折して、ほぼ同じ方向に出射できる。
また、第1光学異方性層26Aおよび第2光学異方性層26Bによる屈折の光の角度は、液晶配向パターンにおいて矢印X方向に沿って光軸30Aの向きが180°回転する1周期Λが短いほど大きい。光学素子10では、一例として、図1にも示すように、第1光学異方性層26Aにおける液晶配向パターンの1周期ΛAが、第2光学異方性層26Bにおける液晶配向パターンの1周期ΛBよりも短い。すなわち、光入射側の第1光学異方性層26Aの方が、大きく光を屈折させる。
従って、対象とする光の波長に対して、液晶配向パターンの1周期Λを調節することで、好適に、異なる波長の光の出射方向を同一方向にできる。
Λ2=[(λa+λb)/(λa−λb)]Λ1
を満たす場合に、2種の波長域の光の出射方向を、ほぼ同方向にできる。なお、この式においては、第1光学異方性層26Aおよび第2光学異方性層26Bの、いずれを1層目にしてもよい。
この点を考慮すると、本発明においては、2種の波長(波長域)の光を対象とする光学素子10においては、下記の式を満たすのが好ましい。
0.6*{[(λa+λb)/(λa−λb)]Λ1}≦Λ2
≦3.0*{[(λa+λb)/(λa−λb)]Λ1}
これにより、屈折の波長依存性を極めて小さくして、2種の波長域の光の出射方向を、ほぼ同方向にできる。
また、本発明において、2種の波長(波長域)の光を対象とする光学素子10は、下記の式を満たすのがより好ましく、
0.7*{[(λa+λb)/(λa−λb)]Λ1}≦Λ2
≦1.8*{[(λa+λb)/(λa−λb)]Λ1}
下記の式を満たすのがさらに好ましく、
0.8*{[(λa+λb)/(λa−λb)]Λ1}≦Λ2
≦1.3*{[(λa+λb)/(λa−λb)]Λ1}
下記の式を満たすのが特に好ましい。
0.9*{[(λa+λb)/(λa−λb)]Λ1}≦Λ2
≦1.15*{[(λa+λb)/(λa−λb)]Λ1}
以上の光学素子10は、緑色光および青色光という2種の波長域(設計波長)の光を対象とするものであるが、本発明の光学素子は、これに限定はされず、3種あるいはそれ以上の種類の波長域の光を対象として、入射光を屈折させて出射してもよい。
なお、図8に示す光学素子32は、図1に示す光学素子10と同じ部材を多用するので、同じ部材には同じ符号を付し、以下の説明は、異なる部位を主に行う。
図8に示す光学素子32は、前述の光学素子10の第1光学異方性部材12、第2光学異方性部材14および波長選択性位相差層18Gに加え、第3光学異方性部材16および波長選択性位相差層18Rを有する。
また、波長選択性位相差層18Rは、赤色光の円偏光を選択的に逆の旋回方向の円偏光に変換するものであり、赤色光の右円偏光を赤色光の左円偏光に変換し、また、赤色光の左円偏光を赤色光の右円偏光に変換し、それ以外の光は、そのまま透過させる。
また、光学素子32は、液晶配向パターンにおいて液晶化合物30の光軸30Aが180°回転する矢印X方向の長さ1周期Λは、第1光学異方性層26Aの1周期ΛAが最も短く、第2光学異方性層26Bの1周期ΛBが最も長い。光学素子32は、第1光学異方性部材12側を、光入射側にする。すなわち、光学素子32においては、光入射側の第1光学異方性層26Aが、最も、大きく光を屈折させる。
さらに、光学素子32は、第1光学異方性部材12(第1光学異方性層26A)と第2光学異方性部材14(第2光学異方性層26B)との間に、赤色光の円偏光の旋回方向を選択的に変換する波長選択性位相差層18Rを配置する。また、光学素子32は、第2光学異方性部材14と第3光学異方性部材16(第3光学異方性層26C)との間に、緑色光の円偏光の旋回方向を選択的に変換する波長選択性位相差層18Gを配置する。
光学素子10は、一例として、赤色光の円偏光、緑色光の円偏光および青色光の円偏光を対象として、入射光を所定の方向に屈折して透過させる。なお、上述の図6と同様、図9では、入射光を右円偏光としているが、入射光が左円偏光でも、屈折の方向が逆になるだけで、作用効果は同じである。
ここで、前述のように、第1光学異方性層26Aによる屈折の角度は、波長が最も長い赤色光が最も大きく、波長が最も短い青色光が最も小さい。従って、入射光に対する屈折の角度は、図7に示すように、赤色光(R)の角度θR1が最も大きく、緑色光(G)の角度θG1が中間で、青色光(B)の角度θB1が最も小さい。なお、光学異方性層の1周期Λは、第1光学異方性層26Aの1周期ΛAが最も短いので、各光の屈折の角度は、第1光学異方性層26Aを透過した際が最も大きい。
前述のように、波長選択性位相差層18Rは、赤色光の円偏光のみ、逆の旋回方向の円偏光に変換して、他の光は、そのまま透過(素抜け)するものである。
従って、赤色光の左円偏光R1L、緑色光の左円偏光G1Lおよび青色光の左円偏光B1Lが、波長選択性位相差層18Rに入射して、透過すると、緑色光の左円偏光G1Lおよび青色光の左円偏光B1Lは、そのまま透過する。これに対して、赤色光の左円偏光R1Lは、赤色光の右円偏光R1Rに変換される。
第2光学異方性層26Bに入射した赤色光の右円偏光R1R、緑色光の左円偏光G1Lおよび青色光の左円偏光B1Lは、同様に、屈折され、また、円偏光を逆の旋回方向の円偏光に変換され、赤色光の左円偏光R2L、緑色光の右円偏光G2Rおよび青色光の右円偏光B2Rとなって、出射される。
また、第1光学異方性層26Aと第2光学異方性層26Bとは、前述のように、液晶化合物30の光軸30Aの回転方向は逆である。
そのため、図4および図5に示すように、第2光学異方性層26Bに入射した緑色光の左円偏光G2Lおよび青色光の左円偏光B2Lは、さらに、矢印X方向とは逆方向に屈折され、図10に示すように、入射光(緑色光の右円偏光GRおよび青色光の右円偏光BR)に対して、角度θG2および角度θB2で出射される。
これに対し、第2光学異方性層26Bに入射した円偏光の方向が逆の赤色光の右円偏光R1Rは、図10の右側に示すように、第1光学異方性層26Aとは逆に、屈折を戻されるように矢印X方向に屈折される。その結果、第2光学異方性層26Bから出射される赤色光の左円偏光R2Lは、入射光(赤色光の右円偏光RR)に対して、角度θR1よりも角度が小さい、角度θR2で出射される。
なお、光学異方性層の1周期Λは、第2光学異方性層26Bの1周期ΛBが最も長いので、各光の屈折の角度は、第2光学異方性層26Bを透過した際が最も小さい。
前述のように、波長選択性位相差層18Gは、緑色光の円偏光のみ、逆の旋回方向の円偏光に変換して、他の光は、そのまま透過するものである。
従って、赤色光の左円偏光R2L、緑色光の右円偏光G2Rおよび青色光の右円偏光B2Rが,波長選択性位相差層18Gに入射して、透過すると、赤色光の左円偏光R2Lおよび青色光の右円偏光B2Rは、そのまま透過する。これに対して、緑色光の右円偏光G2Rは、緑色光の左円偏光G2Lに変換される。
第3光学異方性層26Cに入射した赤色光の左円偏光R2L、緑色光の左円偏光G2Lおよび青色光の右円偏光B2Rは、同様に、屈折され、また、円偏光を逆の旋回方向の円偏光に変換され、赤色光の右円偏光R3R、緑色光の右円偏光G3Rおよび青色光の左円偏光B3Lとなって、出射される。
すなわち、第3光学異方性層26Cに入射するのは、青色光が右円偏光で、赤色光および緑色光が、波長選択性位相差層によって円偏光の方向が変換された左円偏光である。
また、第2光学異方性層26Bと第3光学異方性層26Cとは、前述のように、液晶化合物30の光軸30Aの回転方向は逆である。
これに対し、円偏光の方向が逆の赤色光の左円偏光R2Lは、第3光学異方性層26Cに入射すると、さらに、矢印X方向に戻されるように屈折される。その結果、第3光学異方性層26Cから出射される赤色光の右円偏光R3Rは、入射光(赤色光の右円偏光RR)に対して、先の角度θR2よりも角度が小さい、角度θR3で出射される。
同様に、青色光とは円偏光が逆の緑色光の左円偏光G2Lは、第3光学異方性層26Cに入射すると、図7の中央に示すように、今までとは逆に、矢印Xに戻されるように屈折される。その結果、第3光学異方性層26Cから出射される緑色光の右円偏光G3Rは、入射光(緑色光の右円偏光GR)に対して、角度θG2よりも角度が小さい、角度θG3で出射される。
また、2番目に長波長で、光学異方性層による屈折が2番目に大きい緑色光は、第1光学異方性層26Aおよび第2光学異方性層26Bによって矢印X方向とは逆の方向に屈折された後、第3光学異方性層26Cによって、1回、逆の矢印X方向に屈折される。
さらに、最も短波長で、光学異方性層による屈折が最も小さい青色光は、第1光学異方性層26A、第2光学異方性層26Bおよび第3光学異方性層26Cによって、3回、矢印X方向とは逆の方向に屈折される。
このように、本発明の光学素子32は、最初に、全ての光を同じ方向に大きく屈折させた後、波長による光学異方性層による屈折の大きさに応じて、最も長波長の光は、最も多くの回数、最初の屈折とは逆方向に戻すように屈折させ、波長が短くなるに応じて、最初の屈折とは逆方向に戻す屈折の回数を低減し、最も短波長の光は、最初の屈折とは逆方向に戻す屈折の回数を最も少なくする。これにより、入射光に対する、赤色光の屈折の角度θR3と、緑色光の屈折の角度θG3と、青色光の屈折の角度θB3とを、極めて近い角度にできる。
そのため、本発明の光学素子10によれば、入射した赤色光、青色光および緑色光を、ほぼ同様の角度で屈折して、ほぼ同じ方向に出射できる。
Λ2=[(λa+λc)λb/(λa−λb)λc]Λ1、
Λ3=[(λa+λc)λb/(λb−λc)λa]Λ1
を満たす場合に、2種の波長域の光の出射方向を、ほぼ同方向にできる。なお、この式においては、第1光学異方性層26Aおよび第3光学異方性層26Cの、いずれを1層目にしてもよい。
この点を考慮すると、本発明においては、3種の波長(波長域)の光を対象とする光学素子32においては、下記の2式の少なくとも一方を満たすのが好ましく、両方を満たすのがより好ましい。
0.6*{[(λa+λc)λb/(λa−λb)λc]Λ1}≦Λ2
≦3.0*{[(λa+λc)λb/(λa−λb)λc]Λ1}
0.6*{[(λa+λc)λb/(λb−λc)λa]Λ1}≦Λ3
≦3.0*{[(λa+λc)λb/(λb−λc)λa]Λ1}
これにより、屈折の波長依存性を極めて小さくして、2種の波長域の光の出射方向を、ほぼ同方向にできる。
また、本発明においては、3種の波長(波長域)の光を対象とする光学素子32は、下記の2式を満たすのがより好ましく、
0.7*{[(λa+λc)λb/(λa−λb)λc]Λ1}≦Λ2
≦1.8*{[(λa+λc)λb/(λa−λb)λc]Λ1}
0.7*{[(λa+λc)λb/(λb−λc)λa]Λ1}≦Λ3
≦1.8*{[(λa+λc)λb/(λb−λc)λa]Λ1}
下記の2式を満たすのがさらに好ましく、
0.8*{[(λa+λc)λb/(λa−λb)λc]Λ1}≦Λ2
≦1.3*{[(λa+λc)λb/(λa−λb)λc]Λ1}
0.8*{[(λa+λc)λb/(λb−λc)λa]Λ1}≦Λ3
≦1.3*{[(λa+λc)λb/(λb−λc)λa]Λ1}
下記の2式を満たすのが特に好ましい。
0.9*{[(λa+λc)λb/(λa−λb)λc]Λ1}≦Λ2
≦1.15*{[(λa+λc)λb/(λa−λb)λc]Λ1}
0.9*{[(λa+λc)λb/(λb−λc)λa]Λ1}≦Λ3
≦1.15*{[(λa+λc)λb/(λb−λc)λa]Λ1}
そのため、本発明の光学素子においては、複数の波長変換位相差層を有する場合には、図8〜図9に示される光学素子32と同様、波長選択性位相差層は、光学異方性層の配列方向に、漸次、円偏光を逆の旋回方向に変換する光の波長域が短くなるのが好ましい。
なお、本発明の光学素子において、光学異方性層の液晶配向パターンの1周期Λは、光学異方性層の配列方向に、漸次、大きくなる構成でもよい。あるいは、図8〜図9に示す光学素子32のように、液晶配向パターンの1周期Λが最も大きい光学異方性層と、液晶配向パターンの1周期Λが最も小さい光学異方性層との間に、液晶配向パターンの1周期Λが中間の光学異方性層を設ける構成など、光学異方性層の液晶配向パターンの1周期Λの変化が、光学異方性層の配列方向に不規則であってもよい。すなわち、本発明の光学素子において、各光学異方性層の液晶配向パターンの1周期Λは、光の波長、および、光学異方性層による屈折率に応じて、適宜、設定すればよい。
しかしながら、本発明は、これに制限はされず、例えば、光学異方性層を、複数枚、連続的に配列させて、複数の光学異方性層で連続して屈折させた光を、波長変換位相差層に入射するようにしてもよい。
また、2枚の光学異方性層の間に、複数枚の波長変換位相差層を配置してもよい。しかしながら、2枚の光学異方性層の間に同じ波長域の円偏光を逆の旋回方向の円偏光に変換する波長変換位相差層を、複数枚、配置する場合には、その数は、奇数枚とするのが好ましい。
しかしながら、複数の波長域の光の屈折すなわち出射角度を均一にし易い等の点で、全ての光学異方性層で、液晶配向パターンの1周期Λが異なるのが好ましい。
前述のように、第3の波長選択性位相差層Bは、青色光の円偏光のみ、逆の旋回方向の円偏光に変換して、他の光は、そのまま透過するものである。
従って、赤色光の右円偏光R3R、緑色光の右円偏光G3Rおよび青色光の左円偏光B3Lが、第3の波長選択性位相差層Bに入射して、透過すると、赤色光の右円偏光R3Rおよび緑色光の右円偏光G3Rは、そのまま透過する。これに対して、青色光の左円偏光B3Lは、青色光の右円偏光B3Rに変換される。
これにより、光学素子から出射する青色光、緑色光、赤色光の円偏光を同一の旋回方向の円偏光にすることができる。
この際においては、導光板で光を全反射させるためには、入射光に対して、ある程度の大きな角度で光を屈折させて導光板に導入する必要がある。また、導光板を伝播してきた光を確実に出射させるためにも、入射光に対して、ある程度の大きな角度で光を屈折させる必要がある。
また、前述のように、光学異方性層による光の透過角度は、液晶配向パターンにおける1周期Λを短くすることで、入射光に対する透過光の角度を大きくできる。
なお、液晶配向パターンの精度等を考慮すると、光学異方性層の液晶配向パターンにおける1周期Λは、0.1μm以上とするのが好ましい。
しかしながら、本発明は、これに制限はされず、光学異方性層において、液晶化合物30の光軸30Aが一方向に沿って連続して回転するものであれば、各種の構成が利用可能である。
さらに、図12では、光学異方性層34を1層のみ示すが、本発明の光学素子は、光学異方性層を、複数、有し、少なくとも1対の2枚の光学異方性層の間に波長選択性位相差層を有するのは、前述のとおりである。従って、このような同心円状の液晶配向パターンを有する光学異方性層を有する場合でも、一例として図8に示す光学素子32のように、第1光学異方性層と、赤色光の円偏光を変換する波長選択性位相差層と、第2光学異方性層と、緑色光の円偏光を変換する波長選択性位相差層と、第3光学異方性層と、を配列した構成を有する。
光学異方性層34では、液晶化合物30の光軸の向きは、光学異方性層34の中心から外側に向かう多数の方向、例えば、矢印A1で示す方向、矢印A2で示す方向、矢印A3で示す方向…に沿って、連続的に回転しながら変化している。
この液晶配向パターンを有する光学異方性層34に入射した円偏光は、液晶化合物30の光軸の向きが異なる個々の局所的な領域において、それぞれ、絶対位相が変化する。この際に、それぞれの絶対位相の変化量は、円偏光が入射した液晶化合物30の光軸の向きに応じて異なる。
すなわち、光学異方性層の液晶配向パターンを同心円状とすることにより、本発明の光学素子は、例えば、凸レンズまたは凹レンズとして機能を発現する。
前述のように、入射方向に対する光の屈折の角度は、液晶配向パターンにおける1周期Λが短いほど、大きくなる。従って、液晶配向パターンにおける1周期Λを、光学異方性層34の中心から、光軸が連続的に回転する1方向の外方向に向かって、漸次、短くすることにより、光学異方性層34による光の集束力を、より向上でき、凸レンズとしての性能を、向上できる。
前述のように、入射方向に対する光の屈折の角度は、液晶配向パターンにおける1周期Λが短いほど、大きくなる。従って、液晶配向パターンにおける1周期Λを、光学異方性層34の中心から、光軸が連続的に回転する1方向の外方向に向かって、漸次、短くすることにより、光学異方性層34による光の発散力を、より向上でき、凹レンズとしての性能を、向上できる。
Φ(r)=(π/λ)[(r2+f2)1/2−f]
ここで、rは同心円の中心からの距離で次式r=(x2+y2)1/2で表わされる。x、yは面内の位置を表し、(x、y)=(0、0)は同心円の中心を表す。Φ(r)は中心からの距離rにおける光軸の角度、λは波長、fは設計の焦点距離を表わす。
さらに、例えば透過光に光量分布を設けたい場合など、光学素子の用途によって、光軸が連続的に回転する1方向に向かって、1周期Λを、漸次、変更するのではなく、光軸が連続的に回転する1方向において、部分的に1周期Λが異なる領域を有する構成も利用可能である。
加えて、本発明の光学素子は、1周期Λが全面的に均一な光学異方性層と、1周期Λが異なる領域を有する光学異方性層とを有してもよい。この点に関しては、後述する、図1に示すような、一方向のみに光軸が連続的に回転する構成でも、同様である。
露光装置80は、レーザ82を備えた光源84と、レーザ82からのレーザ光MをS偏光MSとP偏光MPとに分割する偏光ビームスプリッター86と、P偏光MPの光路に配置されたミラー90AおよびS偏光MSの光路に配置されたミラー90Bと、S偏光MSの光路に配置されたレンズ92と、偏光ビームスプリッター94と、λ/4板96とを有する。
P偏光MPおよびS偏光MSは、偏光ビームスプリッター94で合波されて、λ/4板96によって偏光方向に応じた右円偏光および左円偏光となって、支持体20の上の配向膜24に入射する。
ここで、右円偏光と左円偏光の干渉により、配向膜24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。同心円の内側から外側に向かうにしたがい、左円偏光と右円偏光の交差角が変化するため、内側から外側に向かってピッチが変化する露光パターンが得られる。これにより、配向膜24において、配向状態が周期的に変化する同心円状の配向パターンが得られる。
また、レンズ92の屈折力(レンズ92のFナンバー)を調節することによって、光軸が連続的に回転する一方向において、液晶配向パターンの1周期の長さΛを変更できる。
具体的には、平行光と干渉させる、レンズ92で広げる光の広がり角によって、光軸が連続的に回転する一方向において、液晶配向パターンの1周期の長さΛを変えることができる。より具体的には、レンズ92の屈折力を弱くすると、平行光に近づくため、液晶配向パターンの1周期の長さΛは、内側から外側に向かって緩やかに短くなり、Fナンバーは大きくなる。逆に、レンズ92の屈折力を強めると、液晶配向パターンの1周期の長さΛは、内側から外側に向かって急に短くなり、Fナンバーは小さくなる。
例えば、液晶配向パターンの1周期Λを、矢印X方向に向かって、漸次、短くすることにより、集光するように光を透過する光学素子を得ることができる。また、液晶配向パターンにおいて、光軸が180°回転する方向を逆にすることにより、矢印X方向にのみ拡散するように光を透過する光学素子を得ることができる。なお、入射する円偏光の旋回方向を逆にすることでも、矢印のX方向にのみ拡散するように光を透過する光学素子を得ることができる。
さらに、例えば透過光に光量分布を設けたい場合など、光学素子の用途によって、矢印X方向に向かって、1周期Λを漸次、変更するのではなく、矢印X方向において、部分的に1周期Λが異なる領域を有する構成も利用可能である。例えば、部分的に1周期Λを変更する方法として、集光したレーザー光の偏光方向を任意に変えながら、光配向膜をスキャン露光してパターニングする方法等を利用することができる。
前述のように、本発明の光学素子は、透過の際の屈折角度の角度依存性が小さいので、ディスプレイ40が照射した赤色光、緑色光および青色光を同じ方向に屈折できる。そのため、1枚の導光板42で、赤色画像、緑色画像および青色画像を伝播しても、色ズレのないフルカラー画像を、導光板からARグラスの使用者Uによる観察位置に出射できる。従って、本発明の光学素子を用いる本発明の光学素子によれば、ARグラスの導光板を、全体的に薄く、軽くして、ARグラスの構成を簡略化できる。
なお、本発明の導光素子は、図13に示すように、導光板42に、互いに離間する2つの本発明の光学素子を設ける構成に制限はされず、導光板42への光の導入のため、または、導光板42からの光の取り出しのため、導光板に本発明の光学素子を1つのみ、設けた構成であってもよい。
例えば、本発明の光学素子は、図1と同様に3層の光学異方性層と2層の波長選択性位相差層とを有し、赤色光、緑色光および青色光から選択される2色と、赤外線または紫外線を透過して屈折する構成でもよい。あるいは、本発明の光学素子は、4層または5層の光学異方性層と、3層または4層の波長選択性位相差層とを有し、赤色光、緑色光および青色光に加え、赤外線および/または紫外線を透過して屈折する構成でもよい。あるいは、本発明の光学素子は、6層以上の光学異方性層と、光学異方性層の層数−1層の波長選択性位相差層とを有し、赤色光、緑色光および青色光に加え、3種以上の異なる波長帯域の光を透過して屈折する構成でもよい。あるいは、本発明の光学素子は、図1と同様に2層の光学異方性層と1層の波長選択性位相差層とを有し、赤色光および青色光、または、赤色光および緑色光を透過して屈折する構成、または、赤色光、緑色光および青色光から選択される1色と、赤外線または紫外線とを屈折して透過する構成でもよい。または、赤外線または/および紫外線を屈折して透過する構成でもよい。
<第1光学異方性部材の作製>
(支持体、および、支持体の鹸化処理)
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(富士フイルム社製、Z−TAC)を用意した。
支持体を、温度60℃の誘電式加熱ロールを通過させて、支持体の表面温度を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(リットル)/m2で塗布し、支持体を110℃に加熱し、さらに、スチーム式遠赤外ヒーター(ノリタケカンパニーリミテド社製)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、支持体のアルカリ溶液塗布面に、純水を3mL/m2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秒間搬送して乾燥させ、支持体の表面をアルカリ鹸化処理した。
――――――――――――――――――――――――――――――――――
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:C14H29O(CH2CH2O)2OH
1.0 質量部
プロピレングリコール 14.8 質量部
――――――――――――――――――――――――――――――――――
支持体のアルカリけん化処理面に、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。
――――――――――――――――――――――――――――――――――
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
――――――――――――――――――――――――――――――――――
下塗り層を形成した支持体上に、下記の配向膜形成用塗布液を#2のワイヤーバーで連続的に塗布した。この配向膜形成用塗布液の塗膜が形成された支持体を60℃のホットプレート上で60秒間乾燥し、配向膜を形成した。
――――――――――――――――――――――――――――――――――
光配向用素材A 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
――――――――――――――――――――――――――――――――――
図11に示す露光装置を用いて配向膜を露光して、配向パターンを有する配向膜P−1を形成した。
露光装置において、半導体レーザとして波長(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/cm2とした。なお、2つのレーザ光およびの干渉により形成される配向パターンの1周期(液晶化合物由来の光軸が180°回転する長さ)は、2つの光の交差角(交差角α)を変化させることによって制御した。
光学異方性層を形成する液晶組成物として、下記の組成物A−1を調製した。
組成物A−1
――――――――――――――――――――――――――――――――――
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 313.00質量部
――――――――――――――――――――――――――――――――――
第1光学異方性層は、最終的に液晶のΔn550×厚さ(Re(550))が275nmになり、かつ、図3に示すような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。なお、この第1光学異方性層の液晶配向パターンにおいて、液晶化合物由来の光軸が180°回転する1周期は、3.0μmであった。以下、特に記載が無い場合には、『Δn550×d』等の測定は、同様に行った。
図11に示す露光装置によって配向膜を露光する際の2つの光の交差角を変更した以外は、配向膜P−1と同様にして、配向パターンを有する配向膜P−2を形成した。
組成物A−1を配向膜P−2上に多層塗布した以外は、第1光学異方性層と同様にして、第2光学異方性層を形成して、第2光学異方性部材を作製した。
第2光学異方性層は、最終的に液晶のΔn550×厚さ(Re(550))が275nmになり、かつ、図3に示すような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。なお、この第2光学異方性層の液晶配向パターンにおいて、液晶化合物由来の光軸が180°回転する1周期は、36.9μmであった。
図11に示す露光装置によって配向膜を露光する際の2つの光の交差角を変更した以外は、配向膜P−1と同様にして、配向パターンを有する配向膜P−3を形成した。
組成物A−1を配向膜P−3上に多層塗布した以外は、第1光学異方性層と同様にして、第3光学異方性層を形成して、第3光学異方性部材を作製した。
第3光学異方性層は、最終的に液晶のΔn550×厚さ(Re(550))が275nmになり、かつ、図3に示すような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。なお、この第3光学異方性層の液晶配向パターンにおいて、液晶化合物由来の光軸が180°回転する1周期は、34.3μmであった。
(配向膜P−4の形成)
第1光学異方性部材と同様にして配向膜P−4を形成した。
得られた配向膜P−4を偏光紫外線照射(50mJ/cm2、超高圧水銀ランプ使用)することで、配向膜の露光を行った。
λ/4を形成する液晶組成物として、下記の組成物C−1を調製した。
組成物C−1
――――――――――――――――――――――――――――――――――
液晶化合物L−2 42.00質量部
液晶化合物L−3 42.00質量部
液晶化合物L−4 16.00質量部
重合開始剤PI−1 0.50質量部
レベリング剤G−1 0.20質量部
メチルエチルケトン 176.00質量部
シクロペンタノン 44.00質量部
――――――――――――――――――――――――――――――――――
λ/4板は、上記の組成物C−1を配向膜P−4上に塗布することにより形成した。塗布した塗膜をホットプレート上で70℃に加熱し、その後、65℃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500mJ/cm2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。
これにより、λ/4板を得た。得られたλ/4板のRe(550)は128nmであった。
λを形成する液晶組成物として、下記の組成物C−2を調製した。
組成物C−2
――――――――――――――――――――――――――――――――――
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G−1 0.20質量部
メチルエチルケトン 243.00質量部
――――――――――――――――――――――――――――――――――
得られたλ板の波長λ=490nmにおけるRe(490)は490nmであった。
λ板の作製において、液晶化合物の塗膜の膜厚を変更した以外は同様にして、2λ板を得た。
得られた2λ板の波長λ=490nmにおけるRe(490)は980nmであった。
これにより、緑色光の円偏光を逆の旋回方向の円偏光に変換し、それ以外の光を透過する、第2の波長選択性位相差層を作製した。
作製した第1光学異方性層、第1の波長選択性位相差層、第2光学異方性層、第2の波長選択性位相差層、および、第3光学異方性層を、この順番で、接着剤によって貼り合わせることにより、光学素子を作製した。なお、貼り合わせ時には、各光学異方性層および各波長選択性位相差層から支持体および配向膜を剥離してから、次の層を貼り合わせた。この構成は、図8に示す概念図から、支持体20ならびに配向膜24A、24Bおよび24Cを除いた態様に相当する。
図11に示す露光装置によって配向膜を露光する際の2つの光の交差角を変更した以外は、実施例1と同様にして、第1光学異方性部材、第2光学異方性部材および第3光学異方性部材を作製した。
なお、実施例1と同様に確認したところ、第1光学異方性層の液晶配向パターンおける、液晶化合物由来の光軸が180°回転する1周期は1.1μm、
第2光学異方性層の液晶配向パターンにおける、液晶化合物由来の光軸が180°回転する1周期は12.8μm、
第3光学異方性層の液晶配向パターンにおける、液晶化合物由来の光軸が180°回転する1周期は、11.9μm、であった。
これにより、赤色光の円偏光を逆の旋回方向の円偏光に変換し、それ以外の光を透過する、第1の波長選択性位相差層を作製した。
これにより、緑色光の円偏光を逆の旋回方向の円偏光に変換し、それ以外の光を透過する、第2の波長選択性位相差層を作製した。
この第1光学異方性部材、第2光学異方性部材および第3光学異方性部材、ならびに、第1の波長選択性位相差層および第2の波長選択性位相差層を用いて、実施例1と同様にして、光学素子を作製した。
<第1光学異方性部材の作製>
図11に示す露光装置によって配向膜を露光する際の2つの光の交差角を変更した以外は、配向膜P−1と同様にして、配向パターンを有する配向膜P−4を形成した。
組成物B−1
――――――――――――――――――――――――――――――――――
液晶化合物L−5 80.00質量部
液晶化合物L−6 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社製) 0.18質量部
メチルエチルケトン 315.00質量部
――――――――――――――――――――――――――――――――――
第1光学異方性層は、最終的に液晶のΔn550×厚さ(Re(550))が275nmになり、かつ、周期的な配向表面(図15参照)になっていることを偏光顕微鏡で確認した。なお、この第1光学異方性層の液晶配向パターンにおいて、液晶化合物由来の光軸が180°回転する1周期は、1.1μmであった。
図11に示す露光装置によって配向膜を露光する際の2つの光の交差角を変更した以外は、配向膜P−1と同様にして、配向パターンを有する配向膜P−5を形成した。
組成物B−1を配向膜P−5上に多層塗布した以外は、実施例1の第1光学異方性層と同様にして、第2光学異方性層を形成して、第2光学異方性部材を作製した。
第2光学異方性層は、最終的に液晶のΔn550×厚さ(Re(550))が275nmになり、かつ、周期的な配向表面(図15参照)になっていることを偏光顕微鏡で確認した。なお、この第2光学異方性層の液晶配向パターンにおいて、液晶化合物由来の光軸が180°回転する1周期は、12.8μmであった。
図11に示す露光装置によって配向膜を露光する際の2つの光の交差角を変更した以外は、配向膜P−1と同様にして、配向パターンを有する配向膜P−6を形成した。
組成物B−1を配向膜P−6上に多層塗布した以外は、実施例1の第1光学異方性層と同様にして、第3光学異方性層を形成して、第3光学異方性部材を作製した。
第3光学異方性層は、最終的に液晶のΔn550×厚さ(Re(550))が275nmになり、かつ、周期的な配向表面(図15参照)になっていることを偏光顕微鏡で確認した。なお、この第3光学異方性層の液晶配向パターンにおいて、液晶化合物由来の光軸が180°回転する1周期は、11.9μmであった。
実施例2と同様にして、第1の波長選択性位相差層および第2の波長選択性位相差層を作製した。
この第1光学異方性部材、第2光学異方性部材および第3光学異方性部材、ならびに、第1の波長選択性位相差層および第2の波長選択性位相差層を用いて、実施例1と同様にして、光学素子を作製した。
光学異方性層を形成する液晶組成物として、下記の組成物C−4を調製した。
組成物C−4
――――――――――――――――――――――――――――――――――
液晶化合物L−2 42.00質量部
液晶化合物L−3 42.00質量部
液晶化合物L−4 16.00質量部
重合開始剤PI−1 0.50質量部
レベリング剤T−1 0.10質量部
メチルエチルケトン 176.00質量部
シクロペンタノン 44.00質量部
――――――――――――――――――――――――――――――――――
なお、第1光学異方性層、第2光学異方性層および第3光学異方性層は、いずれも、最終的に液晶のΔn550×厚さ(Re(550))が275nmになり、かつ、図3に示すような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。
また、実施例1と同様に確認したところ、第1光学異方性層の液晶配向パターンおける、液晶化合物由来の光軸が180°回転する1周期は1.1μm、
第2光学異方性層の液晶配向パターンにおける、液晶化合物由来の光軸が180°回転する1周期は12.8μm、
第3光学異方性層の液晶配向パターンにおける、液晶化合物由来の光軸が180°回転する1周期は、11.9μm、であった。
実施例2と同様にして、第1の波長選択性位相差層および第2の波長選択性位相差層を作製した。
この第1光学異方性部材、第2光学異方性部材および第3光学異方性部材、ならびに、第1の波長選択性位相差層および第2の波長選択性位相差層を用いて、実施例1と同様にして、光学素子を作製した。
実施例1の第1光学異方性部材を光学素子とした。
[比較例2]
第1の波長選択性位相差層および第2の波長選択性位相差層を用いない以外は、実施例1と同様に光学素子を作製した。
[比較例2−2]
第2光学異方性部材および第3光学異方性部材の液晶配向パターンにおける、液晶化合物由来の光軸が180°回転する1周期を3.0μmに変更した以外は、実施例1と同様に光学素子を作製した。
実施例3の第1光学異方性部材を光学素子とした。
[比較例4]
第1の波長選択性位相差層および第2の波長選択性位相差層を用いない以外は、実施例2と同様に光学素子を作製した。
第1の波長選択性位相差層および第2の波長選択性位相差層を用いない以外は、実施例3と同様に光学素子を作製した。
<第1光学異方性部材の作製>
配向膜を露光する露光装置として、図13に示す露光装置を用いた以外は、配向膜P−1と同様にして配向膜P−7を形成した。なお、図13に示す露光装置を用いることによって、配向パターンの1周期が、外方向に向かって、漸次、短くなるようにした。
第1光学異方性層は、最終的に液晶のΔn550×厚さ(Re(550))が275nmになり、かつ、図12に示すような同心円状(放射状)の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。なお、この第1光学異方性層の液晶配向パターンにおいて、液晶化合物の光軸が180°回転する1周期は、中心部の1周期が325μmで、中心から2.5mmの距離での1周期が10.6μm、中心から5.0mmの距離での1周期が5.3μmであり、外方向に向かって周期が短くなる液晶配向パターンであった。
図13に示す露光装置において、レンズの焦点距離、および、レンズと配向膜との距離を変更した以外は、配向膜P−7と同様にして、配向膜P−8を形成した。
組成物A−1を配向膜P−8上に多層塗布した以外は、実施例1の第1光学異方性層と同様にして、第2光学異方性層を形成して、第2光学異方性部材を作製した。
第3光学異方性層は、最終的に液晶のΔn550×厚さ(Re(550))が275nmになり、かつ、図12に示すような同心円状(放射状)の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。なお、この第2光学異方性層の液晶配向パターンにおいて、液晶化合物の光軸が180°回転する1周期は、中心部の1周期が1135μmで、中心から2.5mmの距離での1周期が134μm、中心から5.0mmの距離での1周期が65μmで、外方向に向かって周期が短くなる液晶配向パターンであった。
図13に示す露光装置において、レンズの焦点距離、および、レンズと配向膜との距離を変更した以外は、配向膜P−7と同様にして、配向膜P−9を形成した。
組成物A−3を配向膜P−9上に多層塗布した以外は、実施例1の第1光学異方性層と同様にして、第3光学異方性層を形成して、第3光学異方性部材を作製した。
第3光学異方性層は、最終的に液晶のΔn550×厚さ(Re(550))が275nmになり、かつ、図12に示すような同心円状(放射状)の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。なお、この第3光学異方性層の液晶配向パターンにおいて、液晶化合物の光軸が180°回転する1周期は、中心部の1周期が1095μmで、中心から2.5mmの距離での1周期が122μm、中心から5.0mmの距離での1周期が60μmで、外方向に向かって周期が短くなる液晶配向パターンであった。
実施例1と同様にして、第1の波長選択性位相差層および第2の波長選択性位相差層を作製した。
この第1光学異方性部材、第2光学異方性部材および第3光学異方性部材、ならびに、第1の波長選択性位相差層および第2の波長選択性位相差層を用いて、実施例1と同様にして、光学素子を作製した。
実施例5の第1光学異方性部材を光学素子とした。
[比較例7]
第1の波長選択性位相差層および第2の波長選択性位相差層を用いない以外は、実施例5と同様に光学素子を作製した。
<光学異方性部材の作製>
図11に示す露光装置によって配向膜を露光する際の2つの光の交差角を、種々、変更した以外は、実施例1と同様にして、下記の表5に示す液晶配向パターンにおける液晶化合物の光軸が180°回転する1周期を有する、各種の第1光学異方性部材、第2光学異方性部材および第3光学異方性部材を作製した。
なお、各光学異方性部材における、液晶配向パターンおける液晶化合物の光軸が180°回転する1周期は、実施例1と同様に確認した。液晶配向パターンおける、液晶化合物由来の光軸が180°回転する1周期は、表5に示す。
<波長選択性位相差層の作製>
実施例2と同様にして、第1の波長選択性位相差層および第2の波長選択性位相差層を作製した。
<光学素子の作製>
この第1光学異方性部材、第2光学異方性部材および第3光学異方性部材、ならびに、第1の波長選択性位相差層および第2の波長選択性位相差層を用いて、実施例1と同様にして、光学素子を作製した。
<光学異方性部材の作製>
実施例2の第1光学異方性部材と同様にして、第1光学異方性部材を作製した。
また、図11に示す露光装置によって配向膜を露光する際の2つの光の交差角を変更した以外は、実施例2の第3光学異方性部材と同様にして、第2光学異方性部材を作製した。
なお、実施例1と同様に確認したところ、第1光学異方性層の液晶配向パターンおける、液晶化合物由来の光軸が180°回転する1周期は1.1μm、第2光学異方性層の液晶配向パターンにおける、液晶化合物由来の光軸が180°回転する1周期は6.2μm、であった。
<波長選択性位相差層の作製>
実施例2と同様にして、第1の波長選択性位相差層を作製した。
<光学素子の作製>
この第1光学異方性部材および第2光学異方性部材、ならびに、第1の波長選択性位相差層を用いて、実施例1と同様にして、光学素子を作製した。
実施例16の第1光学異方性部材を光学素子とした。
[比較例9]
第1の波長選択性位相差層を用いない以外は、実施例16と同様に光学素子を作製した。
後述する『透過の波長依存性の評価』を行うために、下記のようにして、円偏光板B、円偏光板Gおよび円偏光板Rを作製した。
まず、円偏光板Gを作製した。実施例1と同様にして下塗り層を形成した支持体を用意した。
下塗り層を形成した支持体上に、下記の配向膜P−10形成用塗布液を#2.4のワイヤーバーで連続的に塗布した。この配向膜P−10形成用塗布液の塗膜が形成された支持体を80℃のホットプレート上で5分間乾燥し、配向膜P−10を形成した。
――――――――――――――――――――――――――――――――――
光配向用素材 重合体A2 4.35質量部
低分子化合物B2 0.80質量部
架橋剤C1 2.20質量部
化合物D1 0.48質量部
化合物D2 1.15質量部
酢酸ブチル 100.00質量部
――――――――――――――――――――――――――――――――――
撹拌機、温度計、滴下漏斗および還流冷却管を備えた反応容器に、2−(3,4−エポキシシクロヘキシル)エチルトリメトキシシラン100質量部、メチルイソブチルケトン500質量部、および、トリエチルアミン10質量部を仕込み、室温で混合した。次いで、脱イオン水100質量部を滴下漏斗より30分かけて滴下した後、還流下で混合しつつ、80℃で6時間反応させた。反応終了後、有機相を取り出し、0.2質量%硝酸アンモニウム水溶液により洗浄後の水が中性になるまで洗浄した後、減圧下で溶媒および水を留去することにより、エポキシ含有ポリオルガノシロキサンを粘調な透明液体として得た。
このエポキシ含有ポリオルガノシロキサンについて、1H−NMR(Nuclear Magnetic Resonance)分析を行ったところ、化学シフト(δ)=3.2ppm付近にオキシラニル基に基づくピークが理論強度どおりに得られ、反応中にエポキシ基の副反応が起こっていないことが確認された。このエポキシ含有ポリオルガノシロキサンの重量平均分子量Mwは2,200、エポキシ当量は186g/モルであった。
次に、100mLの三口フラスコに、上記で得たエポキシ含有ポリオルガノシロキサン10.1質量部、アクリル基含有カルボン酸(東亜合成社製、アロニックスM−5300、アクリル酸ω−カルボキシポリカプロラクトン(重合度n≒2))0.5質量部、酢酸ブチル20質量部、特開2015−26050号公報の合成例1の方法で得られた桂皮酸誘導体1.5質量部、および、テトラブチルアンモニウムブロミド0.3質量部を仕込み、90℃で12時間撹拌した。反応終了後、反応溶液と等量(質量)の酢酸ブチルで希釈し、3回水洗した。
この溶液を濃縮し、酢酸ブチルで希釈する操作を2回繰り返し、最終的に、光配向性基を有するポリオルガノシロキサン(下記重合体A2)を含む溶液を得た。この重合体A2の重量平均分子量Mwは9,000であった。また、1H−NMR分析の結果、重合体A2中のシンナメート基を有する成分は23.7質量%であった。
得られた配向膜P−10に偏光紫外線を照射(20mJ/cm2、超高圧水銀ランプ使用)することで、配向膜P−10の露光を行った。
光学異方性層は、組成物C−1を配向膜P−10上に塗布することにより形成した。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500mJ/cm2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て、光学異方性層を作製した。
得られた光学異方性層のΔn530×d(Re(530))は132.5nmであった。
光学異方性層(λ/4板)のトリアセチルセルロースフィルム側に、粘着剤を介して偏光板を貼り合わせて円偏光板Gを得た。
上記円偏光板の作製において、光学異方性層の膜厚を変更し、Δn450×d(Re(450))を112.5nm、および、Δn635×d(Re(635))を158.8nmにした以外は、同様にして、円偏光板Bおよび円偏光板Rを作製した。
作製した光学素子に正面(法線に対する角度0°の方向)から光を入射した際における、赤色光、緑色光および青色光の、入射光に対する透過光の角度を測定した。透過光の角度は、入射光を0°とした際における、入射光に対する透過光の角度である。
具体的には、赤色光(635nm)、緑色光(530nm)および青色光(450nm)に出力の中心波長を持つレーザー光を、作製した光学素子に法線方向に10cm離れた位置から垂直入射させ、透過光を100cmの距離に配置したスクリーンで捉えて、透過角度を算出した。すなわち、本例においては、最も長波長の光の設計波長λaは635nm、中間の波長の光の設計波長λbは530nm、最も短波長の光の設計波長λcは450nmとしている。
なお、レーザー光を各波長に対応する円偏光板B、円偏光板Gおよび円偏光板Rに垂直入射させて、円偏光にした後、作製した光学素子に入射し、評価を行った。
赤色光、緑色光および青色光の平均透過角度θaveと、赤色光、緑色光および青色光のうちの最大透過角度θmaxおよび最小透過角度θminとから、下記の式によって、透過光の屈折の波長依存性PE[%]を算出した。PEが小さいほど、透過光の屈折の波長依存性が低い。なお、実施例14および比較例8〜9は、赤色光および青色光のみに関して、評価を行った。
PE[%]=[(θmax−θmin)/θave]×100
PEが5%以下の場合をAA、
PEが5%超10%以下の場合をA、
PEが10%超20%以下の場合をB、
PEが20%超30%以下の場合をC、
PEが30%超の場合をD、と評価した。
結果を下記の表5に示す。
なお、各光学異方性部材において、光学素子の光学特性(透過光の角度)に影響が有るのは光学異方性層で、また、光学異方性層以外の部材は、基本的に、均一あるので、表には、光学異方性層の特性のみを記す。
また、液晶配向パターンにおける液晶化合物の光軸が180°回転する1周期Λと、設計波長λa、λbおよびλcとの関係が、より好ましい範囲である『0.7*{[(λa+λc)λb/(λa−λb)λc]Λ1}≦Λ2≦1.8*{[(λa+λc)λb/(λa−λb)λc]Λ1}』および『0.7*{[(λa+λc)λb/(λb−λc)λa]Λ1}≦Λ3≦1.8*{[(λa+λc)λb/(λb−λc)λa]Λ1}』に入る実施例10および実施例11の光学素子は、透過光の出射角度の波長依存性が、より小さい(PEの評価B)。
液晶配向パターンにおける液晶化合物の光軸が180°回転する1周期Λと、設計波長λa、λbおよびλcとの関係が、さらに好ましい範囲である『0.8*{[(λa+λc)λb/(λa−λb)λc]Λ1}≦Λ2≦1.3*{[(λa+λc)λb/(λa−λb)λc]Λ1}』および『0.8*{[(λa+λc)λb/(λb−λc)λa]Λ1}≦Λ3≦1.3*{[(λa+λc)λb/(λb−λc)λa]Λ1}』に入る実施例8および実施例9の光学素子は、透過光の出射角度の波長依存性が、さらに小さい(PEの評価A)。
中でも、液晶配向パターンにおける液晶化合物の光軸が180°回転する1周期Λと、設計波長λa、λbおよびλcとの関係が、特に好ましい範囲である『0.9*{[(λa+λc)λb/(λa−λb)λc]Λ1}≦Λ2≦1.15*{[(λa+λc)λb/(λa−λb)λc]Λ1}』および『0.9*{[(λa+λc)λb/(λb−λc)λa]Λ1}≦Λ3≦1.15*{[(λa+λc)λb/(λb−λc)λa]Λ1}』に入る実施例1〜4および実施例5〜7、ならびに、『0.9*{[(λa+λb)/(λa−λb)]Λ1}≦Λ2≦1.15*{[(λa+λb)/(λa−λb)]Λ1}』に入る実施例16は、透過光の出射角度の波長依存性が、特に小さい(PEの評価AA)。
また、実施例8および実施例9に対して、液晶配向パターンにおける液晶化合物の光軸が180°回転する1周期Λと、設計波長λa、λbおよびλcとの関係が、一方の式のみを満たす実施例14および実施例16は、実施例8および実施例9よりも透過光の出射角度の波長依存性が大きいものの、透過光の出射角度の波長依存性は十分に小さい。
これに対し、1層の光学異方性層のみで構成される比較例1、3、6および8は、透過光の出射角度の波長依存性が大きく、赤色光、緑色光および青色光を同方向に出射できない。また、複数層の光学異方性層を有するものの、波長選択性位相差層を有さない比較例2、4、5、7および9も、同様に、透過光の出射角度の波長依存性が大きく、赤色光、緑色光および青色光を同方向に出射できない。
以上の結果より、本発明の効果は明らかである。
12 第1光学異方性部材
14 第2光学異方性部材
16 第3光学異方性部材
18G,18R 波長選択性位相差層
20 支持体
24A,24B,24C 配向膜
26A 第1光学異方性層
26B 第2光学異方性層
26C 第3光学異方性層
30 液晶化合物
30A 光軸
34 光学異方性層
40 ディスプレイ
42 導光板
60,80 露光装置
62,82 レーザ
64,84 光源
68 ビームスプリッター
70A,70B,90A,90B ミラー
72A,72B,96 λ/4板
86.94 偏光ビームスプリッター
92 レンズ
BR,B2R 青色光の右円偏光
GR,G1R,G2R,G3R 緑色光の右円偏光
RR,R1R,R3R 赤色光の右円偏光
B1L,B3L 青色光の左円偏光
G1L,G2L 緑色光の左円偏光
R1L,R2L 赤色光の左円偏光
M レーザ光
MA,MB 光線
MP P偏光
MS S偏光
PO 直線偏光
PR 右円偏光
PL 左円偏光
Q1,Q2 絶対位相
E1,E2 等位相面
U 使用者
Claims (16)
- 液晶化合物を含む組成物を用いて形成された、前記液晶化合物由来の光軸の向きが面内の少なくとも一方向に沿って連続的に回転しながら変化している液晶配向パターンを有する、複数の光学異方性層と、
前記複数の光学異方性層における、隣接する2枚の前記光学異方性層のうちの、少なくとも一対の間に配置される、特定の波長域の円偏光を逆の旋回方向の円偏光に変換し、前記特定の波長域の円偏光以外の光をそのまま透過させる波長選択性位相差層と、を有し、かつ、
波長がλnmである入射光に対する前記光学異方性層の面内レタデーションRe(λ)は、Re(λ)=λ/2であり、
前記隣接する2枚の前記光学異方性層における前記光軸の向きの回転方向は逆方向であり、
前記波長選択性位相差層は、隣接する2つの波長域の円偏光のうち、波長域が高い方の円偏光を逆の旋回方向の円偏光に変換し、波長域が低い方の円偏光をそのまま透過させ、
前記光学異方性層の前記液晶配向パターンにおいて、前記液晶化合物由来の光軸の向きが連続的に回転しながら変化する前記一方向における、前記液晶化合物由来の光軸の向きが180°回転する長さを1周期とした際に、少なくとも1層の前記光学異方性層は、他の前記光学異方性層と前記1周期の長さが異なる、光学素子。 - 複数対の前記連続する2枚の前記光学異方性層の間に、前記波長選択性位相差層を有し、かつ、前記波長選択性位相差層が円偏光を変換する特定の波長域が、前記光学異方性層の配列方向に、漸次、短くなる、請求項1に記載の光学素子。
- 前記光学異方性層の前記液晶配向パターンにおける前記1周期の長さが、全ての前記光学異方性層で異なる、請求項1または2に記載の光学素子。
- 前記光学異方性層と前記波長選択性位相差層とが、交互に配置される、請求項1〜3のいずれか1項に記載の光学素子。
- 前記光学異方性層の配列方向の一方の端に位置する前記光学異方性層が、前記液晶配向パターンにおける前記1周期の長さが最も短い、請求項1〜4のいずれか1項に記載の光学素子。
- 前記光学異方性層の少なくとも1層が、面内に、前記液晶配向パターンにおける前記1周期の長さが異なる領域を有する、請求項1〜5のいずれか1項に記載の光学素子。
- 前記液晶配向パターンにおける前記液晶化合物由来の光軸の向きが連続的に回転しながら変化する前記一方向に向かって、前記液晶配向パターンの前記1周期が、漸次、短くなる、請求項6に記載の光学素子。
- 前記光学異方性層の前記液晶配向パターンが、前記液晶化合物由来の光軸の向きが連続的に回転しながら変化する前記一方向を、内側から外側に向かう同心円状に有する、同心円状のパターンである、請求項1〜7のいずれか1項に記載の光学素子。
- 3層以上の前記光学異方性層と、2層以上の前記波長選択性位相差層と、を有する、請求項1〜8のいずれか1項に記載の光学素子。
- 前記波長選択性位相差層の1層が、赤色光の円偏光を逆の旋回方向の円偏光に変換し、前記波長選択性位相差層の他の1層が、緑色光の円偏光を逆の旋回方向の円偏光に変換する、請求項9に記載の光学素子。
- 前記波長選択性位相差層の層数が、前記光学異方性層の層数よりも、1層、少ない、請求項1〜10のいずれか1項に記載の光学素子。
- 前記波長選択性位相差層が複数の位相差層からなり、前記位相差層の少なくとも1層は他の位相差層と面内の遅相軸方位が異なる、請求項1〜11のいずれか1項に記載の光学素子。
- 前記波長選択性位相差層における前記位相差層の少なくとも1層がλ/4板である、請求項12に記載の光学素子。
- 前記波長選択性位相差層におけるλ/4板が逆波長分散性を有し、他の位相差層の少なくとも1層は順波長分散性を有する、請求項13に記載の光学素子。
- 請求項1〜14のいずれか1項に記載の光学素子と、導光板と、を有する、導光素子。
- 離間する2つの前記光学素子が、前記導光板に設けられる、請求項15に記載の導光素子。
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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