JP7062054B2

JP7062054B2 - 光学素子

Info

Publication number: JP7062054B2
Application number: JP2020519956A
Authority: JP
Inventors: 之人齊藤; 寛佐藤
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2018-05-18
Filing date: 2019-05-17
Publication date: 2022-05-02
Anticipated expiration: 2039-05-17
Also published as: US20210088703A1; WO2019221294A1; US11480716B2; JPWO2019221294A1

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（以下において、特許文献１という。）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（以下において、特許文献２という。）には、光学的異方性を有する薄膜の面内で液晶配向パターンを変化させた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)（以下において、非特許文献１という。）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。

特許文献２に記載されているような面内で液晶配向パターンを変化させて光を回折させる素子（以下において液晶回折格子という。）は、ビーム光を任意の方向に曲げるビームステアリング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、液晶配向パターンを用いる方式では、ビーム光を回折させる波長以外の光に対して、液晶材料固有の複屈折が発生してしまう問題があった。より具体的には、図２０に示すように、可視光Ｌｖをビームステアリングする液晶回折格子１においてその液晶回折格子１の可視光入射面側にセンサ２を設置して、液晶回折格子１越しに赤外線光のセンシングを行う場合、赤外線光Ｌ_Ｉｒが液晶回折格子１に対して斜めに通過することによりリタデーションを生じ、液晶回折格子１に入射する前の赤外線光の偏光方向、例えば直線偏光から異なる偏光状態に変化してしまう。そのために、センシングする光に偏光成分があり、またセンサの検出感度に偏光特性がある場合に、センシングされる光の強度が、液晶回折格子への入射角によって変化し、センシングの誤差が発生する問題があった。

本開示は、回折光を得ることができると同時に回折光の波長帯域と異なる波長の光を、複屈折の影響を与えることなく透過させ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、棒状液晶化合物を含む液晶組成物の硬化層である第１の光学異方性層と、第１の光学異方性層に積層された、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の光学異方性層とを含み、
棒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、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、棒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、棒状液晶化合物の光学軸の向きが０．５μｍ～５μｍの周期で１８０°回転しており、
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、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、円盤状液晶化合物の光学軸の向きが０．５μｍ～５μｍの周期で１８０°回転している光学素子である。

本開示の光学素子においては、第１の光学異方性層の、第１の波長λ_１の光に対する厚み方向のリタデーションが、０．３６λ_１～０．６４λ_１であってもよい。

本開示の光学素子においては、第２の光学異方性層の、第２の波長λ_２の光に対する面内リタデーションが、０．３６λ_２～０．６４λ_２であってもよい。

本開示の光学素子においては、積層構造の光学異方性層の、波長λの光に対する面内リタデーションが、０．３６λ～０．６４λであってもよい。

本開示の光学素子においては、第１の光学異方性層において、第１の光学異方性層の厚み方向に棒状液晶化合物が第１の捩れ性に従って捩れ配向していることが好ましい。

本開示の光学素子においては、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いることが好ましい。

本開示の光学素子においては、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の捩れ性とが同一の向きであり、第１の光学異方性層と第２の光学異方性層において、棒状液晶化合物の光学軸の捩れ配向と円盤状液晶化合物の光学軸の捩れ配向とが連続的な捩れ配向であってもよい。

本開示の光学素子においては、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ってもよい。

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ける棒状液晶化合物と、第２の光学異方性層における円盤状液晶化合物とが厚み方向に連続的にコレステリック配向していてもよい。

また、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、棒状液晶化合物が厚み方向に第１のコレステリック配向し、
第２の光学異方性層において、円盤状液晶化合物が厚み方向に第２のコレステリック配向していてもよい。

本開示の光学素子によれば、回折光を得ることができ、かつ、回折光の波長帯域とは異なる波長の光を、複屈折の影響を与えることなく透過させることができる。

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第１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。第１の実施形態の光学素子の第２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の設計変更例の積層構造を示す側面模式図である。第１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１の実施形態の光学素子の他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さらに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第２の実施形態の光学素子の側面模式図である。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。第５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５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６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。従来の液晶回折格子の問題点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の第１の光学異方性層１３の液晶配向パターンを示す平面模式図である。また、図３は、光学素子１０の第２の光学異方性層１４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、棒状液晶化合物４０を含む液晶組成物の硬化層である第１の光学異方性層１３と円盤状液晶化合物２０を含む液晶組成物の硬化層である第２の光学異方性層１４とを備えている。すなわち、光学素子１０は、第１の光学異方性層１３と第２の光学異方性層１４との積層構造の光学異方性層１６を備えている。

図２に示すように、第１の光学異方性層１３においては、棒状液晶化合物４０の光学軸４２が、第１の光学異方性層１３の面に平行であり、かつ、第１の光学異方性層１３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、棒状液晶化合物４０の光学軸４２の向きが、回転変化した第１の液晶配向パターンを有する。そして、第１の液晶配向パターンを構成する棒状液晶化合物４０の光学軸４２の向きは０．５μｍ～５μｍの周期で１８０°回転している。

図３に示すように、第２の光学異方性層１４においては、円盤状液晶化合物２０の光学軸２２が、第２の光学異方性層１４の面に平行であり、かつ、第２の光学異方性層１４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２０の光学軸２２の向きが、回転変化した第２の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２０の光学軸２２の向きは、０．５μｍ～５μｍの周期で１８０°回転している。

棒状液晶化合物４０における光学軸４２は遅相軸であり、円盤状液晶化合物２０における光学軸２２は進相軸である。光学素子１０においては、棒状液晶化合物４０の面内遅相軸と円盤状液晶化合物２０の面内遅相軸とは平行になっている。

本実施形態の光学素子１０は、波長λの光に対する、積層構造の光学異方性層１６の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は光学異方性層１６の複屈折率、ｄは光学異方性層１６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の光に対する面内リタデーション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１６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、第１の光学異方性層１３において、棒状液晶化合物４０が、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、棒状液晶化合物４０の光学軸４２として定義される棒状液晶化合物４０の長軸が、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棒状液晶化合物４０の光学軸４２の軸Ａとなす角度が回転変化するように棒状液晶化合物４０が配向されている。

図１および図３に示すように、第２の光学異方性層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４２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棒状液晶化合物４０の光学軸４２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４２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。
同様に、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、３に示すような、光学異方性層において、液晶化合物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～図３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°あるいはφ－１８０°（すなわち、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。
図１に示す光学素子１０においては、第１の光学異方性層１３における水平回転配向の回転周期と第２の光学異方性層１４における水平回転配向の回転周期とはほぼ同一であるが、両者の回転周期は異なっていてもよい。

本光学素子１０は、上記の光学異方性層１６の構成により、入射光に対してλ／２の位相差を与え、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_２で出射させる。すなわち、図１に示すように、光学異方性層１６の一方の面に垂直に（面の法線に沿って）右円偏光Ｐ_Ｒの光Ｌ_１（以下において、入射光Ｌ_１という。）を入射させると、光学異方性層１６の他方の面から法線方向と角度θ_２をなす方向に左円偏光Ｐ_Ｌの光Ｌ_２（以下において、出射光Ｌ_２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１６における回転周期ｐが小さいほど、出射光Ｌ_２の出射角が大きくなる。

図４は、光学素子１０に垂直入射した入射光Ｌ_１が、所定の出射角θ_２で出射される原理を模式的に示す図である。以下、図４を参照して説明する。

まず、入射光Ｌ_１として、波長λの右円偏光Ｐ_Ｒを用いた場合について説明する。
右円偏光Ｐ_Ｒである入射光Ｌ_１は、光学異方性層１６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_Ｌに変換される。また光学異方性層１６中において、入射光Ｌ_１は、面内の個々の領域における棒状液晶化合物４０の光学軸４２および円盤状液晶化合物２０の光学軸２２により絶対位相が変化する。ここで、光学軸４２および光学軸４２，２２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１６の面（ｘ－ｙ面）のｘ座標における光学軸４２，２２の向きに応じて絶対位相の変化量が異なる。図４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４に示すように光学異方性層１６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_１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_１の進行方向が変化する。すなわち、右円偏光Ｐ_Ｒである入射光Ｌ_１は、光学異方性層１６を通過した後には左円偏光Ｐ_Ｌとなり、かつ、法線方向と所定の角度θ_２をなす方向に進行する出射光Ｌ_２として光学異方性層１６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_１は、法線方向とは異なる方向に出射光Ｌ_２として出射される。

光学異方性層１６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１６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_１の出射光Ｌ_２への変換は、透過回折として説明できる。入射光Ｌ_１に対し光学異方性層１６は透過回折格子として機能し、光学異方性層１６に垂直入射した入射光Ｌ_１は、所定の回折角θ_２の透過回折光Ｌ_２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。
ｎ_２ｓｉｎθ_２－ｎ_１ｓｉｎθ_１＝ｍλ／ｐ式（１）
ここで、ｎ_１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_１は入射角、ｎ_２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_２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_１＝０°であるので、式（１）は、
ｎ_２ｓｉｎθ_２＝λ／ｐ式（２）
となる。

図５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_１と媒質ｎ_２との間に回折格子としての光学異方性層１６が配置されている。屈折率ｎ_１である媒質１側から光学異方性層１６に法線方向から入射した光Ｌ_１は、光学異方性層１６による回折作用により回折されて、屈折率ｎ_２である媒質２側に出射される。このとき出射角θ_２で出射される出射光Ｌ_２は、回折角θ_２の透過回折光Ｌ_２と言い換えることができる。

このように、光学異方性層１６は回折格子として機能する。一方、第１の光学異方性層１３および第２の光学異方性層１４は、それぞれ単独でも回折格子として機能する。上記説明において、光学異方性層１６を第１の光学異方性層１３あるいは第２の光学異方性層１４と置き換えることができる。

本発明者らは、棒状液晶化合物４０が水平回転配向して固定化された第１の光学異方性層１３および円盤状液晶化合物２０が水平回転配向して固定化された光学異方性層１４が積層されてなる光学異方性層１６を備えた光学素子１０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のみを用いた回折格子、および円盤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のみを用いた回折格子と比較して、回折効率を保ったまま、回折光と異なる波長に対しては複屈折の影響を与えることなく透過させることができることを見出した。

光学素子１０が、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一層のみを用いた回折格子および円盤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一層のみを用いた回折格子と比較して、回折光と異なる波長に対しても複屈折の影響がない特性が得られる理由は、以下の通りと推測される。

回折対象とする光（以下において、回折光という。）の波長域とは異なる波長帯域の光が液晶回折格子に入射した場合、回折の影響を受けず直進して透過する。例えば可視光で回折するように設計した液晶回折格子は赤外光に対しては回折の影響を与えない。そのため、回折光と異なる波長が斜め方位からの入射するときには液晶回折格子を斜めに直進して透過する。しかし、棒状液晶化合物の水平回転配向によって構成される回折格子は面内で遅相軸が回転しているので、面内の屈折率が厚さ方向の屈折に比べて大きくなる。よって近似的に負のＣプレート（ｎｘ＝ｎｙ＞ｎｚ）として作用する。したがって、斜めの光はリタデーションを受けることになる。同様に、円盤状液晶化合物の水平回転配向によって構成される回折格子は面内で進相軸が回転しているので、面内の屈折率が厚さ方向の屈折に比べて小さくなる。よって近似的に正のＣプレート（ｎｘ＝ｎｙ＜ｎｚ）として作用する。したがって、斜めの光はリタデーションを受けることになる。

しかし、光学素子１０は、棒状液晶化合物の水平回転配向によって構成される回折格子と円盤状液晶化合物の水平回転配向によって構成される回折格子を積層しているので、近似的に負と正のＣプレートが相互補償して、斜め方向のリタデーションを解消すると考えられる。これによって、回折光と異なる波長に複屈折の影響を与えることなく、透過させることができる光学素子を提供できる。このような光学素子を用いれば、図１に示すように、光学素子１０の回折光を出射する面側から斜め入射する光、例えば、回折光が可視光である場合、その回折光の波長帯域とは異なる波長帯域の光である赤外光Ｌ_Ｉｒは、光学素子１０で回折の影響を受けず、かつ複屈折の影響を受けず透過する。したがって、光学素子１０の一方の面側に配置された検出センサ２によって、赤外光Ｌ_Ｉｒを小さい検出誤差で検出することができる。

なお、第１の光学異方性層と第２の光学異方性層とにより斜め入射光に対するリタデーションが生じないように相互補償できていれば、第１の光学異方性層と第２の光学異方性層とはそれぞれ１層ずつに限らない。例えば、図６に設計変更例の光学素子１１として示すように、２層の第１の光学異方性層１３ａ、１３ｂで第２の光学異方性層１４を挟む積層構造の光学異方性層１７としてもよい。さらに、第１の光学異方性層と第２の光学異方性層が交互に複数層ずつ積層されていてもよい。

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。
なお、回折作用を生じる光の波長帯域と異なる波長帯域としては、回折作用を生じる光の中心波長をλとした場合、１．０λのときに１次の回折効率が最大になり、例えば、１．５λ以上、あるいは０．６λ以下の波長域であれば、回折作用が小さくなる。

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_Ｒの光Ｌ_１を入射させると、法線方向と角度θ_２をなす方向に左円偏光Ｐ_Ｌの光Ｌ_２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１６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７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Ｌ_２１を入射させた場合、入射光Ｌ_２１のうち、右円偏光Ｐ_Ｒ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Ｌ_２２として出射される。この右円偏光Ｐ_Ｒは光学異方性層１６を通過することにより左円偏光Ｐ_Ｌに変換されて出射される。入射光Ｌ_２１のうちの左円偏光Ｐ_Ｌ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１６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Ｌ_２３として出射される。この左円偏光Ｐ_Ｌは光学異方性層１６で右円偏光Ｐ_Ｒに変換されて出射される。第１の光学異方性層と第２の光学異方性層における水平回転配向の周期が同一であれば、第１の透過回折光Ｌ_２２と第２の透過回折光Ｌ_２３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８に示すように、光学素子１０は、支持体１２上に配向膜１２ａを備え、その上に光学異方性層１６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_１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_２を得られるように回転周期の設計をすればよい。

図１から図３に示した光学素子１０の光学異方性層１６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１６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９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１６における液晶配向パターンと異なる。図９においては、光学軸２２のみを示している。図９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_１、Ａ_２、Ａ_３…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９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９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。

上記第１の実施形態においては、第１の光学異方性層と第２の光学異方性層とが積層された光学異方性層の全体として面内リタデーションＲ（＝Δｎ・ｄ）が、０．３６λ～０．６４λであることが好ましいと述べた。しかしながら、第１の光学異方性層と第２の光学異方性層は、互いに異なる波長λ_１、λ_２に対して回折格子として機能するように設計されていてもよい。そのような場合には、第１の光学異方性層における面内リタデーションと第２の光学異方性層における面内リタデーションとは独立に設定される。

図１０は、第２の実施形態の光学素子２１０の側面模式図である。
光学素子２１０は、棒状液晶化合物４０を含む液晶組成物の硬化層からなる第１の光学異方性層２１３と円盤状液晶化合物２０を含む液晶組成物の硬化層からなる第２の光学異方性層２１４とが積層された積層構造の光学異方性層２１６を備えている。

第１の光学異方性層２１３および第２の光学異方性層２１４は、上記第１の実施形態の光学素子１０における第１の光学異方性層１３および第２の光学異方性層１４と同様の水平回転配向の液晶配向パターンを有している。但し、第１の光学異方性層２１３と第２の光学異方性層２１４とは、それぞれが異なる波長λ_１、λ_２に対して回折格子として機能する。

第１の光学異方性層２１３は、第１の波長λ_１の光に対する面内のリタデーションＲ（＝Δｎ_１・ｄ_１）が、０．３６λ_１～０．６４λ_１であってもよい。面内リタデーションＲは０．４λ_１～０．６λ_１が好ましく、０．４５λ_１～０．５５λ_１がより好ましく、０．５λ_１であることが特に好ましい。Δｎ_１は第１の光学異方性層２１３の複屈折率、ｄ_１は第１の光学異方性層２１３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の光に対する面内リタデーション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、第１の光学異方性層２１３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。

第２の光学異方性層２１４は、第２の波長λ_２の光に対する面内のリタデーションＲ（＝Δｎ_２・ｄ_２）が、０．３６λ_２～０．６４λ_２であることが好ましい。面内リタデーションＲは０．４λ_２～０．６λ_２が好ましく、０．４５λ_２～０．５５λ_２がより好ましく、０．５λ_２であることが特に好ましい。Δｎ_２は第２の光学異方性層２１４の複屈折率、ｄ_２は第２の光学異方性層２１４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の光に対する面内リタデーション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、第２の光学異方性層２１４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、この際、第１の光学異方性層２１３における水平回転配向パターンの回転周期、および第２の光学異方性層２１４における水平回転配向パターンの回転周期はそれぞれ、波長λ_１、λ_２に対して回折させたい角度に応じて定めればよい。

図１１は、本発明の第３の実施形態の光学素子３１０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３１０は、棒状液晶化合物４０を含む液晶組成物の硬化層である第１の光学異方性層３１３と、円盤状液晶化合物２０を含む液晶組成物の硬化層である第２の光学異方性層３１４とを備えている。すなわち、光学素子３１０は、第１の光学異方性層３１３と第２の光学異方性層３１４との積層構造の光学異方性層３１６を備えている。

本実施形態の光学素子３１０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３１０の第１の光学異方性層３１３および第２の光学異方性層３１４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１３および１４と略同じであり、それぞれの平面模式図はそれぞれ図２および図３に示した第１の実施形態のものと同様である。

光学素子３１０は、光学異方性層３１３、３１４における厚み方向の液晶配向パターンが第１の実施形態の光学異方性層１３、１４と異なる。光学異方性層３１３、３１４は、厚み方向に棒状液晶化合物４０および円盤状液晶化合物２０がそれぞれ第１の捩れ性および第２の捩れ性に従って捩れ配向している。「厚み方向に棒状液晶化合物４０が捩れ配向している」とは、光学異方性層３１３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棒状液晶化合物４０間で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。「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３１４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状液晶化合物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。

後述の第５の実施形態の光学素子５１０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もしくは棒状液晶化合物４０が厚み方向に回転した螺旋配向であり、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３１３、３１４において、厚み方向における円盤状液晶化合物あるいは棒状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１１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棒状液晶化合物４０、円盤状液晶化合物２０の光学軸は略６０°回転している。厚み方向における棒状液晶化合物４０、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１１に示す例の光学異方性層３１３および３１４では、棒状液晶化合物４０および円盤状液晶化合物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。本構成では、第１の光学異方性層３１３から第２の光学異方性層３１４において、それぞれの液晶化合物の光学軸の回転が連続的なものとなっている。円盤状液晶化合物２０および棒状液晶化合物４０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１１に破線矢印で示す方向に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。

波長λに対する光学異方性層３１６の面内のリタデーションがＲ（＝Δｎ_３・ｄ_３）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_３は光学異方性層３１６の複屈折率、ｄ_３は光学異方性層３１６の厚みである。すなわち、第１の実施形態の光学異方性層１６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３１０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３１０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１１に示すように、光学素子３１０の一方の面に右円偏光Ｐ_Ｒの光Ｌ_３１（以下において、入射光Ｌ_３１という。）を入射した場合、入射光Ｌ_３１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_Ｌの光Ｌ_３２が出射される。この際、第１の実施形態の光学異方性層１６のように、液晶化合物の光学軸の向きが厚み方向には変化していない場合、斜め方向に屈曲された入射光Ｌ_３１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Ｌ_３１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３１６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Ｌ_７１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Ｌ_７１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。

なお、光学素子３１０に対して、ランダム偏光の入射光を入射させた場合、入射光のうち、右円偏光Ｐ_Ｒ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３１６を透過して第１の透過回折光として出射される。またこの際、光学異方性層３１６において左円偏光Ｐ_Ｌに変換される。他方、入射光のうちの左円偏光Ｐ_Ｌ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_Ｌ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Ｌ_８３として出射される。また、左円偏光Ｐ_Ｌ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_Ｌとして出射する。すなわち、光学素子３１０は、右円偏光Ｐ_Ｒ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１１の光学異方性層３１６における捩れ性とは逆の右捩れ性を有する光学異方性層の場合、左斜め上方向に液晶化合物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３１０とは逆に、左円偏光Ｐ_Ｌ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_Ｒ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_Ｒ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_Ｒ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４１０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４１０は、棒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４１３と、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４１４とを備えている。すなわち、光学素子４１０は、第１の光学異方性層４１３と第２の光学異方性層４１４とが積層されてなる光学異方性層４１６を備えている。第１の光学異方性層４１３および第２の光学異方性層４１４は、上記第１の実施形態の光学素子１０における第１の光学異方性層１３および第２の光学異方性層１４と同様に、水平回転配向の液晶配向パターンを有している。

第１の光学異方性層４１３、第２の光学異方性層４１４は、第３の実施形態の光学素子３１０の光学異方性層３１３，３１４と同様に、厚み方向の捩れ配向を有している。第１の光学異方性層４１３は、その厚み方向に第１の円盤状液晶化合物が第１の捩れ性に従って捩れ配向している。第２の光学異方性層４１４は、その厚み方向に第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いる。第２の光学異方性層４１４における第２の捩れ性は第１の光学異方性層４１３における第１の捩れ性と逆向きである。

第１の光学異方性層４１３は、第１の波長λ_１の光に対する面内のリタデーションＲ（＝Δｎ_４・ｄ_４）が、０．３６λ_１～０．６４λ_１であってもよい。面内リタデーションＲは０．４λ_１～０．６λ_１が好ましく、０．４５λ_１～０．５５λ_１がより好ましく、０．５λ_１であることが特に好ましい。Δｎ_４は第１の光学異方性層４１３の複屈折率、ｄ_４は第１の光学異方性層４１３の厚みである。

第２の光学異方性層４１４は、第２の波長λ_２の光に対する面内のリタデーションＲ（＝Δｎ_５・ｄ_５）が、０．３６λ_２～０．６４λ_２であることが好ましい。面内リタデーションＲは０．４λ_２～０．６λ_２が好ましく、０．４５λ_２～０．５５λ_２がより好ましく、０．５λ_２であることが特に好ましい。Δｎ_５は第２の光学異方性層４１４の複屈折率、ｄ_５は第２の光学異方性層４１４の厚みである。

第１の波長λ_１と第２の波長λ_２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４１３、第２の光学異方性層４１４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４１３は、左円偏光Ｐ_Ｌ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_Ｒ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４１４は、右円偏光Ｐ_Ｒ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_Ｌ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４１６は、上記第１の光学異方性層４１３および第２の光学異方性層４１４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_Ｒに対しては、第１の光学異方性層４１３が作用し、左円偏光Ｐ_Ｌに対しては、第２の光学異方性層４１４が作用する。そのため、光学異方性層４１６の一方の面から垂直入射した右円偏光Ｐ_Ｒの入射光は右斜めに回折され、他方の面から左円偏光Ｐ_Ｌとして出射される。光学異方性層４１６の一方の面から垂直入射した左円偏光Ｐ_Ｌの入射光は左斜めに回折されて右円偏光Ｐ_Ｒとして出射される。

図１２に示すように、光学異方性層４１６の一方の面に対して垂直にランダム偏光の入射光Ｌ_４１を入射させて場合について説明する。この場合、入射光Ｌ_４１のうちの右円偏光Ｐ_Ｒ成分は、第１の光学異方性層４１３を通過し、その後、第２の光学異方性層４１４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４１６の他方の面から第１の透過回折光Ｌ_４２として出射される。なお、入射光Ｌ_４１のうちの右円偏光Ｐ_Ｒ成分は第２の光学異方性層４１４を通過することにより左円偏光Ｐ_Ｌに変換されて出射される。

他方、入射光Ｌ_４１のうちの左円偏光Ｐ_Ｌ成分は、第２の光学異方性層４１３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４１４から出射し、その回折状態を保ったまま第２の光学異方性層４１４を通過して光学異方性層４１６の他方の面から第２の透過回折光Ｌ_４３として出射される。なお、入射光Ｌ_４１のうちの左円偏光Ｐ_Ｌ成分は第１の光学異方性層４１３で右円偏光Ｐ_Ｒに変換されており、その状態を保ったまま第２の光学異方性層４１４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４１３と第２の光学異方性層４１４とは、厚み方向における捩れ性が互いに逆であるが、水平回転配向の配向ピッチが同等であることから、第１の透過回折光Ｌ_４２と第２の透過回折光Ｌ_４３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_Ｒおよび左円偏光Ｐ_Ｌ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４１０のように、第１の光学異方性層４１３と第２の光学異方性層４１４を備える場合には、第１の光学異方性層４１３における棒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４１４における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、第２の実施形態および第３の実施形態の光学素子のように、厚み方向における捩れ配向を有する光学異方性層を備えることにより、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。

なお、広帯域化は、厚み方向に捩れ配向を有する光学異方性層とすること以外にも、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。

図１３は、本発明の第５の実施形態の光学素子５１０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５の実施形態の光学素子５１０は、棒状液晶化合物４０を含む液晶組成物の硬化層からなる第１の光学異方性層５１３と円盤状液晶化合物２０を含む液晶組成物の硬化層からなる第２の光学異方性層５１４とを備えている。すなわち、光学素子５１０は、第１の光学異方性層５１３と第２の光学異方性層５１４との積層構造の光学異方性層５１６を備えている。

本実施形態の光学素子５１０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５の実施形態の光学素子５１０の第１の光学異方性層５１３および第２の光学異方性層５１４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１３および１４と同様の水平回転配向を有し、平面模式図はそれぞれ図２および図３に示した第１の実施形態のものと同様である。

光学素子５１０は、光学異方性層５１３、５１４における厚み方向の液晶配向パターンが第１の実施形態の光学異方性層１３、１４と異なる。光学異方性層５１３、５１４は、厚み方向において、棒状液晶化合物４０および円盤状液晶化合物２０がコレステリック配向している。第１の光学異方性層５１３と第２の光学異方性層５１４とで、厚み方向において、連続的な１つのコレステリック配向を形成している。

光学異方性層５１６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_６により定められ、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５１０における光学軸の面内方向における変化は図２および図３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５１０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。

光学異方性層５１６においてコレステリック相は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。そのため、図１３に示すように、本光学素子５１０の光学異方性層５１６の一方の面に垂直に、すなわち法線に沿って右円偏光Ｐ_Ｒである所定の中心波長の光Ｌ_５１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Ｌ_５２が生じる。すなわち、光学異方性層５１６は、光Ｌ_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５１６を透過する。

従って、図１４に示すように、所定の中心波長を有するランダム偏光Ｌ_６１を光学異方性層５１６に垂直入射させた場合、右円偏光Ｌ_６２のみが反射回折され、左円偏光Ｌ_６３は、光学異方性層５１６を透過する。

本実施形態の光学素子５１０についても、第１の実施形態の光学素子１０と同様に、第１の光学異方性層が近似的に負のＣプレートとして作用し、第２の光学異方性層が近似的に正のＣプレートとして作用して、斜め方向のリタデーションを抑制することができる。したがって、回折光と異なる波長に与える複屈折を与えることなく、透過させることができる光学素子を提供することができる。

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１５は、本発明の第６の実施形態の光学素子６１０の構成を示す側面模式図である。
第６の実施形態の光学素子６１０は、棒状液晶化合物４０を含む液晶組成物の硬化層からなる第１の光学異方性層６１３と円盤状液晶化合物２０を含む液晶組成物の硬化層からなる第２の光学異方性層６１４とを備えている。すなわち、光学素子６１０は、第１の光学異方性層６１３と第２の光学異方性層６１４との積層構造の光学異方性層６１６を備えている。

第６の実施形態の光学素子６１０の第１の光学異方性層６１３および第２の光学異方性層６１４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１３および１４と同様の水平回転配向を有し、平面模式図はそれぞれ図２および図３に示した第１の実施形態のものと同様である。

一方、第１の光学異方性層６１３において、棒状液晶化合物４０が厚み方向に第１の第１のコレステリック配向し、第２の光学異方性層６１４において、円盤状液晶化合物２０が厚み方向に第２のコレステリック配向している。すなわち、第１の光学異方性層６１３と第２の光学異方性層６１４は、独立にコレステリック配向しており、第１の光学異方性層６１３と第２の光学異方性層６１４は、それぞれ単独で特定の円偏光（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。

例えば、第１の光学異方性層６１３が第１の波長域の光（たとえば、青色光）を反射するように、そのコレステリック配向のピッチおよび膜厚ｄ_７が調整されており、第２の光学異方性層６１４が第２の波長域の光（たとえば、緑色光）を反射するように、そのコレステリック配向のピッチおよび膜厚ｄ_８が調整されている。

これにより、光学素子６１０においては、例えば、ランダム偏光の白色光Ｌ_７１を光学異方性層６１６の一方の面に入射した場合、そのうちの第１の波長域の光であって、特定の円偏光、ここでは右円偏光の光Ｌ_７２（λ_１）および第２の波長域の光であって、右円偏光の光Ｌ_７２（λ_２）が反射回折光として反射される。なお、この場合、左円偏光の光Ｌ_７３、および選択波長以外の右円偏光は光学素子６１０を透過する。

本実施形態の光学素子６１０についても、第１の実施形態の光学素子１０と同様に、第１の光学異方性層が近似的に負のＣプレートとして作用し、第２の光学異方性層が近似的に正のＣプレートとして作用して、斜め方向のリタデーションを抑制することができる。したがって、回折光と異なる波長に与える複屈折を与えることなく、透過させることができる光学素子を提供することができる。

なお、上記した各実施形態において、棒状液晶化合物を含む液晶組成物の硬化層からなる第１の光学異方性層と、円盤状液晶化合物を含む液晶組成物の硬化層からなる第２の光学異方性層とは、両層を積層することにより、いずれか一方の光学異方性層を単独で用いた場合よりも斜め方向のリタデーションを抑制することができればよい。光学素子における斜め方向のリタデーションを抑制することにより、回折光の波長域とは異なる波長域の光が光学素子を透過する際の強度低下を抑制することができる。両層を積層することにより、斜め方向のリタデーションを相互補償して完全にキャンセルすることが特に好ましい。

以下、本発明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。

－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号明細書、同５６２２６４８号明細書、同５７７０１０７号明細書、国際公開第９５／２２５８６号、同９５／２４４５５号、同９７／００６００号、同９８／２３５８０号、同９８／５２９０５号、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、特開２００１－３２８９７３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号公報および特開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。

－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３および第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は、カイラル剤を添加する。また、第５および第６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（ｔｗｉｓｔｅｄｎｅｍａｔｉｃ）、ＳＴＮ（ＳｕｐｅｒＴｗｉｓｔｅｄＮｅｍａｔｉｃ）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あるいは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、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、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１６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_０を右円偏光Ｐ_Ｒに、λ／４板６０Ｂは直線偏光Ｐ_０を左円偏光Ｐ_Ｌ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１７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１７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５の実施形態の光学素子５１０Ａ，５１０Ｂ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５１０Ａが導光部材９４に入射した光が光学素子５１０Ａ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５１０Ｂ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５１０Ａは光学異方性層５１６Ａを備え、光学異方性層５１６Ａ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５１０Ｂは光学異方性層５１６Ｂを備え、光学異方性層５１６Ｂ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。

本開示の光学素子は、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。また、本開示の光学素子は、ビームステアリング光学部材として用いることができ、その際に、光学素子を介して、回折光とは異なる波長域の光を検出するセンサと組み合わせて利用することができる。本開示の光学素子は、回折光とは異なる波長域の光に対する複屈折による影響を抑制したものであるので、上記のセンサと組み合わせた場合、従来の光学素子よりも小さい検出誤差で光検出が可能である。

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および比較例１、第３の実施形態の光学素子の実施例２および比較例２について説明する。

「比較例１」
支持体上に配向膜を形成し、配向膜上に棒状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、比較例１の光学素子を作製した。光学異方性層Ａ－１は、棒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。

［比較例１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^２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^２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：Ｃ_１４Ｈ_２９Ｏ（ＣＨ_２ＣＨ_２Ｏ）_２ＯＨ１．０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

（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－

（配向膜Ｐ－１の露光）
図１６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^２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＞
―――――――――――――――――――――――――――――――――
棒状液晶化合物Ｌ－１１００．００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、ＫＡＹＡＣＵＲＥＤＥＴＸ－Ｓ）
１．００質量部
レベリング剤Ｔ－１０．０８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

－レベリング剤Ｔ－１－

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、棒状液晶化合物の光学軸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（ＳｃａｎｎｉｎｇＥｌｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ、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^２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２」
比較例１に対し、棒状液晶化合物に代えて円盤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２の光学素子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を有する。

（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＞
―――――――――――――――――――――――――――――――――
円盤状液晶化合物Ｌ－２８０．００質量部
円盤状液晶化合物Ｌ－３２０．００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

円盤状液晶化合物Ｌ－３

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^２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。

「実施例１」
まず、支持体上に配向膜を形成し、配向膜上に棒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（以下において、第１の光学異方性層Ａ－１）を形成した。その後、円盤状液晶化合物を含む液相組成物Ｅ１の硬化層からなる光学異方性層Ａ－２（以下において、第２の光学異方性層Ａ－２）を形成して実施例１の光学素子を作製した。
すなわち、１層目は棒状液晶化合物を含む液晶組成物Ｄ１の硬化層からなる第１の光学異方性層Ａ－１、２層目は円盤状液晶化合物を含む液晶組成物Ｅ１の硬化層からなる第２の光学異方性層Ａ－２の２層構造とした。

実施例１の光学素子は、比較例１と同様にして、支持体上に配向膜を形成し、配向膜上に第１の光学異方性層Ａ－１を形成した後、比較例２において配向膜上に形成した光学異方性層Ａ－２と同様にして、光学異方性層Ａ－１の上に光学異方性層Ａ－２を形成した。この際、各々の光学異方性層Ａ－１、Ａ－２を、それらの積層構造全体での面内レタデーションΔｎｄ（＝Δｎ_１ｄ_１＋Δｎ_２ｄ_２）が２７５ｎｍになるよう塗布量を調整し、それ以外は比較例１および比較例２と同様にして作製した。ここで、Δｎ_１は第１の光学異方性層の複屈折率、ｄ_１は第１の光学異方性層の厚み、Δｎ_２は第２の光学異方性層の複屈折率、ｄ_２は第２の光学異方性層の厚みである。
なお、Δｎ_１、Δｎ_２は、いずれも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。

実施例１の光学素子の断面ＳＥＭから水平回転配向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、１層目の第１の光学異方性層は棒状液晶化合物が配向したものであり、２層目の第２の光学異方性層は円盤状液晶化合物が配向したものであることを確認した。作製した光学素子は２層重なった構成であり、第１の光学異方性層面内レタデーションΔｎ_１ｄ_１＝１３８ｎｍ、捩れ角は０度で、第２の光学異方性層の面内レタデーションΔｎ_２ｄ_２＝１３７ｎｍ、捩れ角は０度であった。

「実施例２」
実施例１と同様に、第１の光学異方性層と第２の光学異方性層との２層構造の光学素子とした。実施例１の積層順と同様に、支持体、配向膜の順で積層し、その上に第１の光学異方性層、その上に第２の光学異方性層が積層された構造になっている。１層目は棒状液晶化合物を含む液晶組成物Ｄ２１の硬化層からなる第１の光学異方性層、２層目は円盤状液晶化合物を含む液晶組成物Ｅ２１の硬化層からなる第２の光学異方性層の２層構造とした。第１の光学異方性層と第２の光学異方性層とは、それぞれ厚み方向において、互いに逆向きの捩れ性を有する液晶配向パターンを有するものとした。
液晶組成物Ｄ２１は、実施例１で用いた液晶組成物Ｄ１に対してカイラル剤Ｃｈ－２が添加されている。液晶組成物Ｅ２１は、実施例１で用いた液晶組成物Ｅ１に対してカイラル剤Ｃｈ－３が添加されている。カイラル剤Ｃｈ－２と、Ｃｈ－３とは厚み方向において、互いに逆向きの捩れ性を付与するものである。

実施例２の光学素子は、第１の光学異方性層と第２の光学異方性層との、各々面内レタデーションΔｎ_１ｄ_１およびΔｎ_２ｄ_２がそれぞれ２７５ｎｍになるよう塗布量を調整し、それ以外は実施例１と同様に作製した。

＜液晶組成物Ｄ２１＞
―――――――――――――――――――――――――――――――――
棒状液晶化合物Ｌ－１１００．００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、ＫＡＹＡＣＵＲＥＤＥＴＸ－Ｓ）
１．００質量部
レベリング剤Ｔ－１０．０８質量部
カイラル剤Ｃｈ－２０．１２質量部
メチルエチルケトン２９６．５０質量部
―――――――――――――――――――――――――――――――――

－カイラル剤Ｃｈ－２－

＜液晶組成物Ｅ２１＞
―――――――――――――――――――――――――――――――――
円盤状液晶化合物Ｌ－２８０．００質量部
円盤状液晶化合物Ｌ－３２０．００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－３０．１４質量部
メチルエチルケトン３００．００質量部
―――――――――――――――――――――――――――――――――

－カイラル剤Ｃｈ－３－

実施例２の光学素子の断面ＳＥＭから水平回転配向を有し、かつ厚み方向に互いに逆向きの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、１層目の第１の光学異方性層は棒状液晶化合物が配向したものであり、２層目の第２の光学異方性層は円盤状液晶化合物が配向したものであることを確認した。実施例２の光学素子において第１の光学異方性層の面内レタデーションΔｎ_１ｄ_１＝２７５ｎｍ、捩れ角は７５度であり、第２の光学異方性層の面内レタデーションΔｎ_２ｄ_２＝２７５ｎｍ、捩れ角は－７５度であった。

［評価］
－回折角の測定－
実施例１、２および比較例１、２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１８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１２ａＳ上に１層もしくは２層構造の光学異方性層１６Ｓを備えている。この光学異方性層１６Ｓの一方の面である配向膜１２ａＳ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_Ｒの光Ｌとした。この光Ｌを支持体１２に垂直入射させることにより、光Ｌを光学異方性層１４の一方の面に垂直入射させた。この場合、光学異方性層１４による回折作用により回折角θ_２の回折光Ｌ_ｔが光学異方性層１４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１４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Ｌ_ｔ１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θ_２２で出射する出射光Ｌ_ｔ１と第２の支持体１８内部に反射する反射光Ｌ_ｔ２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Ｌ_ｔ２の光強度を求め、回折光Ｌ_ｔの光強度を算出した。
そして、回折光Ｌ_ｔの光強度と光Ｌの光強度との比をとり、回折光Ｌ_ｔの入射光に対する相対光強度値を求めた。

上記のようにして求めた相対光強度値について、下記の基準で評価した。
Ａ：比較例１に対する向上率が１５％以上
Ｂ：比較例１に対する向上率が２％以上、１５％未満
Ｃ：比較例１に対する向上率が２％未満

－回折光以外の波長の透過率の測定－
回折光以外の波長に対する液晶回折素子の影響を評価するために以下の方法で透過率を測定した。光学素子を平行配置の偏光板で挟み、偏光軸の方位から４５°方位で極角６０°における赤外光（波長９４０ｎｍ）の透過率を測定した。回折光以外の波長を有する光の一例として、波長９４０ｎｍの赤外光を用いた。この赤外光の透過率が大きいほど光学素子による斜めリタデーションの影響が小さく望ましい。

上記のようにして求めた、回折光以外の波長の透過率について、下記の基準で評価した。
Ａ：比較例１に対する向上率が２０％以上
Ｂ：比較例１に対する向上率が１０％以上、２０％未満
Ｃ：比較例１に対する向上率が５％以上、１０％未満
Ｄ：比較例１に対する向上率が５％未満

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。

表１に示すように、棒状液晶化合物を含む第１の光学異方性層と円盤状液晶化合物を含む第２の光学異方性層との積層構造を有する実施例が、円盤状液晶化合物を含む光学異方性層のみまたは棒状液晶化合物を含む光学異方性層のみの比較例に比べて、回折光強度を保ちつつ回折光以外の波長の透過率が高いことが確認できた。

次に、反射型回折格子として機能する第３の実施形態の光学素子の実施例１１および比較例１１～１２について説明する。

「比較例１１」
支持体上に配向膜を形成し、配向膜上に棒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、比較例１１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。

［比較例１１の光学素子の作製］
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、比較例１と同様にして、実施例１１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、液晶配向パターンは円盤状液晶化合物が配向したものであることを確認した。

＜液晶組成物Ｄ２＞
―――――――――――――――――――――――――――――――――
棒状液晶化合物Ｌ－１１００．００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、ＫＡＹＡＣＵＲＥＤＥＴＸ－Ｓ）
１．００質量部
カイラル剤Ｃｈ－１５．４５質量部
レベリング剤Ｔ－１０．０８質量部
メチルエチルケトン２６８．２０質量部
―――――――――――――――――――――――――――――――――

－カイラル剤Ｃｈ－１－

（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^２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（ここでは、４．５μｍ）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１２」
比較例１１対し棒状液晶化合物に代えて円盤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１２の光学素子において、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。

［比較例１２の光学素子の作製］
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１と同様にして、比較例１２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＞
―――――――――――――――――――――――――――――――――
円盤状液晶化合物Ｌ－２８０．００質量部
円盤状液晶化合物Ｌ－３２０．００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－２３．７９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
―――――――――――――――――――――――――――――――――

＜光学異方性層Ａ－４の塗布形成＞
光学異方性層は、比較例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^２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（ここでは、４．５μｍ）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。

「実施例１１」
支持体上に配向膜を形成し、配向膜上に棒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（以下において、第１の光学異方性層Ａ－３）を形成し、円盤状液晶化合物を含む液相組成物Ｅ２の硬化層からなる光学異方性層Ａ－４（以下において、第２の光学異方性層Ａ－４）を形成して実施例１１の光学素子を作製した。
すなわち、１層目は棒状液晶化合物を含む液晶組成物の硬化層からなる第１の光学異方性層Ａ－３、２層目は円盤状液晶化合物を含む液晶組成物の硬化層からなる第２の光学異方性層Ａ－４の２層構造とした。

実施例１１の光学素子は、比較例１１と同様にして、支持体上に配向膜を形成し、配向膜上に光学異方性層Ａ－３を形成した後、比較例１２において配向膜上に形成した光学異方性層Ａ－４と同様にして、光学異方性層Ａ－３上に光学異方性層Ａ－４を形成した。この際、全体の膜厚が比較例１２の光学異方性層の膜厚と同じになるよう、各々の光学異方性層Ａ－３、Ａ－４の膜厚をそれぞれ２．２５μｍとし、２層合せて４．５μｍになるよう塗布量を調整し、それ以外は比較例１１および比較例１２と同様にして作製した。実施例１１の光学素子は、厚み方向において、第１の光学異方性層Ａ－３と第２の光学異方性層Ａ－４の２層で連続的な１つのコレステリック配向が形成されてなる。コレステリック配向は選択反射中心波長が５５０ｎｍとなるように設計した。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および比較例１１、１２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１９を参照して説明する。実施例および比較例の光学素子１１０Ｓは、支持体１１２Ｓの表面に備えられた配向膜１１２ａＳ上に１層もしくは２層構造の光学異方性層１１６Ｓを備えている。
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_Ｒの光Ｌとした。この光Ｌを光学異方性層１１６Ｓの表面に垂直入射させた。この場合、光学異方性層１１６Ｓによる回折作用および選択反射作用により、回折角θ_２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の光強度と入射光Ｌの光強度との比をとり、回折光Ｌｒの入射光Ｌに対する相対光強度値を求めた。

上記のようにして求めた相対光強度値について、下記の基準で評価した。
Ａ：比較例１１に対する向上率が１５％以上
Ｂ：比較例１１に対する向上率が２％以上、１５％未満
Ｃ：比較例１１に対する向上率が２％未満

－回折光以外の波長の透過率の測定－
回折光以外の波長の透過率の測定は実施例１と同様の方法で行った。但し、評価は、比較例１に代えて比較例１１を基準とした。

表２に実施例１１および比較例１１～１２の光学素子の構成および評価結果を纏めて示す。

表２に示すように、反射型光学素子についても、棒状液晶化合物を含む第１の光学異方性層と円盤状液晶化合物を含む第２の光学異方性層との積層構造を有する実施例が、円盤状液晶化合物を含む光学異方性層のみまたは棒状液晶化合物を含む光学異方性層のみの比較例に比べて、回折光強度を保ちつつ回折光以外の波長の透過率が高いことが確認できた。

２０１８年５月１８日に出願された日本国特許出願２０１８－０９６５６９号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

棒状液晶化合物を含む液晶組成物の硬化層である第１の光学異方性層と、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の光学異方性層とが積層された積層構造の光学異方性層を備え、
前記棒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、前記第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、前記棒状液晶化合物の光学軸の向きが、連続的に回転変化した第１の液晶配向パターンを有し、前記棒状液晶化合物の前記光学軸の向きが０．５μｍ～５μｍの周期で１８０°回転しており、
前記円盤状液晶化合物の光学軸が、前記第２の光学異方性層の面に平行であり、かつ、該第２の光学異方性層が、該第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、前記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第２の液晶配向パターンを有し、前記円盤状液晶化合物の前記光学軸の向きが０．５μｍ～５μｍの周期で１８０°回転している光学素子。
前記第１の光学異方性層の、第１の波長λ_１の光に対する面内リタデーションが、０．３６λ_１～０．６４λ_１である請求項１に記載の光学素子。
前記第２の光学異方性層の、第２の波長λ_２の光に対する面内リタデーションが、０．３６λ_２～０．６４λ_２である請求項１または２に記載の光学素子。
前記積層構造の光学異方性層の、波長λの光に対する面内リタデーションが、０．３６λ～０．６４λである請求項１に記載の光学素子。
前記第１の光学異方性層において、該第１の光学異方性層の厚み方向に前記棒状液晶化合物が第１の捩れ性に従って捩れ配向している請求項１から４のいずれか１項に記載の光学素子。
前記第２の光学異方性層において、該第２の光学異方性層の厚み方向に前記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いる請求項１から４のいずれか１項に記載の光学素子。
前記第２の光学異方性層において、該第２の光学異方性層の厚み方向に前記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、
前記第１の捩れ性と前記第２の捩れ性とが同一の向きであり、前記第１の光学異方性層と前記第２の光学異方性層において、前記棒状液晶化合物の光学軸の捩れ配向と前記円盤状液晶化合物の光学軸の捩れ配向とが連続的な捩れ配向である請求項５に記載の光学素子。
前記第２の光学異方性層において、該第２の光学異方性層の厚み方向に前記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、
前記第１の捩れ性と前記第２の捩れ性とが逆向きである請求項５に記載の光学素子。
前記第１の光学異方性層における前記棒状液晶化合物と、前記第２の光学異方性層における前記円盤状液晶化合物とが厚み方向に連続的にコレステリック配向している請求項１に記載の光学素子。
前記第１の光学異方性層において、前記棒状液晶化合物が厚み方向に第１のコレステリック配向し、
前記第２の光学異方性層において、前記円盤状液晶化合物が厚み方向に第２のコレステリック配向している請求項１に記載の光学素子。
前記第１の光学異方性層の複屈折率Δｎ１と厚みｄ１との積で表される面内レタデーションΔｎ１・ｄ１と、前記第２の光学異方性層の複屈折率Δｎ２と厚みｄ２との積で表される面内リタデーションΔｎ２・ｄ２とが等しい、請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の光学素子。