JP7229274B2 - 液晶回折素子および導光素子 - Google Patents

Description

本発明は、入射した光を回折する液晶回折素子およびこれを用いた導光素子に関する。

近年、非特許文献１に記載されるような、実際に見ている光景に、仮想の映像および各種の情報等を重ねて表示する、ＡＲ（Augmented Reality（拡張現実））グラスが実用化されている。ＡＲグラスは、スマートグラス、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ（Head Mounted Display））、および、ＡＲメガネ等とも呼ばれている。

非特許文献１に示されるように、ＡＲグラスは、一例として、ディスプレイ（光学エンジン）が表示した映像を、導光板の一端に入射して伝播し、他端から出射することにより、使用者が実際に見ている光景に、仮想の映像を重ねて表示する。
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、導光板の界面（表面）で光を反射させつつ、導光板内で光を他方の端部まで伝播させる。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。

このような回折格子として、液晶を用いた回折素子が知られている。
例えば、特許文献１には、ブラッグ条件に従って、内部を通過する光の伝播の方向を変更するように構成されている、複数の積層複屈折副層を備え、積層複屈折副層は、それぞれ、それぞれの格子周期を画定するように積層複屈折副層の隣接するものの間のそれぞれの境界面に沿って変化する局所光軸を備える、光学素子が記載されている。特許文献１に記載される光学素子は透過光を回折する光学素子である。基板（導光板）に入射する光を光学素子で回折することによって、光を基板内で全反射する角度で入射させて、基板内を光の入射方向と略垂直な方向に導光することが記載されている（特許文献１の図８参照）。

特許文献２には、偏光に敏感な光配向層と、光配向層の上に配置された、重合性メソゲンを含む少なくとも第１及び第２の液晶組成物を含む偏光回折格子であって、偏光ホログラムに対応する異方性配向パターンが光配向層内に配置され、第１の液晶組成物は配向層上に配置されてそれによって配向させられ、そして少なくとも部分的に重合させられ、第２の液晶組成物は第１の液晶組成物上に配置されてそれによって配向させられ、液晶組成物はともに、ｄを層の厚さ、Λを偏光回折格子のピッチとして、ｄ≦ｄｍａｘ＝Λ／２によって決定される層の厚さｄを有する偏光回折格子が記載されている。

特許文献３には、各々が所定方向に沿って延びる複数の螺旋状構造体を備え、所定方向に交差するとともに、光が入射する第１入射面と、所定方向に交差するとともに、第１入射面から入射した光を反射する反射面とを有し、第１入射面は、複数の螺旋状構造体のそれぞれの両端部のうちの一方端部を含み、複数の螺旋状構造体の各々は、所定方向に沿って連なる複数の構造単位を含み、複数の構造単位は、螺旋状に旋回して積み重ねられた複数の要素を含み、複数の構造単位の各々は、第１端部と第２端部とを有し、所定方向に沿って互いに隣接する構造単位のうち、一方の構造単位の第２端部は、他方の構造単位の第１端部を構成し、複数の螺旋状構造体に含まれる複数の第１端部に位置する要素の配向方向は揃っており、反射面は、複数の螺旋状構造体のそれぞれに含まれる少なくとも１つの第１端部を含み、反射面は、第１入射面に対して非平行である反射構造体が記載されている。

ここで、ＡＲグラスにおいて、回折素子の回折効率を調整して、導光板内を伝播する光を回折素子で回折する際に、複数個所で光の一部を回折して導光板の外に出射させる構成とすることで視域を拡大（射出瞳拡大）することが知られている。
例えば、特許文献４には、光導波路の入力カプラ（回折素子）は、対応するＦＯＶ（field of View）を有する画像に対応する光を光導波路に結合し、入力カプラは、光導波路に結合された画像のＦＯＶを第１および第２の部分に分割し、画像に対応する光の一部を第２の方向に第２の中間成分に向かって回折させるステップとを含む光導波路が記載されており、中間カプラ（回折素子）および出力カプラ（回折素子）が、射出瞳拡張を行うことが記載されている。

特表２０１７－５２２６０１号公報 特許第５２７６８４７号 国際公開第２０１６／１９４９６１号 国際公開第２０１７／１８０４０３号

Bernard C. Kress et al., Towards the Ultimate Mixed Reality Experience: HoloLens Display Architecture Choices, SID 2017 DIGEST, pp.127-131

ＡＲグラスに用いられる導光素子の回折素子として液晶回折素子を用い、ＡＲグラスの視域拡大（射出瞳拡大）のため、液晶回折素子が複数個所で光の一部を回折して導光板の外に出射させる構成とする場合には、液晶回折素子の面内での回折効率が均一だと、導光板から出射される光の明るさ（光量）が不均一になるという問題があった。

本発明の課題は、このような従来技術の問題点を解決することにあり、導光板から射出される光の明るさを均一にすることができる液晶回折素子および導光素子を提供することにある。

この課題を解決するために、本発明は、以下の構成を有する。
［１］ 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を有し、
光学異方性層は、液晶化合物由来の光学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ている液晶配向パターンを有し、
光学異方性層は、一方向の、一方の側から他方の側に向かうにしたがって回折効率が高くなる液晶回折素子。
［２］ 光学異方性層は、液晶化合物由来の光学軸の向きが面内の一方向に沿って連続的に回転している液晶配向パターンを有する［１］に記載の液晶回折素子。
［３］ 光学異方性層は、一方向の、一方の側から他方の側に向かうにしたがって連続的に回折効率が高くなる［１］または［２］に記載の液晶回折素子。
［４］ 光学異方性層は、一方向の、一方の側から他方の側に向かうにしたがって段階的に回折効率が高くなる［１］または［２］に記載の液晶回折素子。
［５］ 光学異方性層は、一方向の、一方の側から他方の側に向かうにしたがって膜厚が厚くなることで、回折効率が高くなっている［１］～［４］のいずれかに記載の液晶回折素子。
［６］ 光学異方性層は、一方向の、一方の側から他方の側に向かうにしたがって厚さ方向レターデーションＲｔｈが高くなることで、回折効率が高くなっている［１］～［４］のいずれかに記載の液晶回折素子。
［７］ 光学異方性層において、液晶化合物はコレステリック配向されている［１］～［６］のいずれかに記載の液晶回折素子。
［８］ 液晶化合物がラジカル反応性基とカチオン反応性基とをそれぞれ少なくとも１つ有する［１］～［７］のいずれかに記載の液晶回折素子。
［９］ 導光板と、
導光板の表面に配置される、［１］～［８］のいずれかに記載の液晶回折素子と、を有し、
液晶回折素子は、導光板内における光の進行方向に向かって、光学異方性層の回折効率が高くなるように配置されている導光素子。
［１０］ ［９］に記載の導光素子と、画像表示装置とを有するＡＲ表示デバイス。

本発明によれば、導光板から射出される光の明るさを均一にすることができる液晶回折素子および導光素子を提供することができる。

本発明の液晶回折素子の第一実施形態の一例の概念図である。 図１の光学異方性層の上面図である。 配向膜を露光する露光装置の例の概念図である。 図１の光学異方性層の作用を説明するための図である。 光学異方性層の位置と回折効率との関係の一例を概念的に表すグラフである。 光学異方性層の位置と回折効率との関係の他の一例を概念的に表すグラフである。 本発明の液晶回折素子の第一実施形態の一例の概念図である。 図７の光学異方性層の上面図である。 図７の光学異方性層の作用を説明するための図である。 図７の光学異方性層の作用を説明するための図である。 図１の液晶回折素子を有するＡＲ表示デバイスの一例を模式的に表す図である。 ＡＲ表示デバイスにおける位置と出射光との関係を概念的に表すグラフである。 図７の液晶回折素子を有するＡＲ表示デバイスの一例を模式的に表す図である。 光学異方性層の作製方法を説明するための図である。 光学異方性層の他の作製方法を説明するための図である。 露光位置と光学濃度との関係を表すグラフである。 露光位置と照射量との関係を表すグラフである。 露光位置と膜厚との関係を表すグラフである。 位置と回折効率との関係を表すグラフである。 実施例における出射光強度の測定方法を説明するための図である。 位置と出射光強度の比との関係を表すグラフである。 露光位置と推定Δｎとの関係を表すグラフである。 位置と出射光強度の比との関係を表すグラフである。 回折効率の測定方法を説明する模式図である。

以下、本発明の液晶回折素子および導光素子について、添付の図面に示される好適実施例を基に詳細に説明する。

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。
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、角度について「直交」および「平行」とは、厳密な角度±５°の範囲を意味するものとし、角度について「同一」とは、特に記載がなければ、厳密な角度との差異が５度未満の範囲内であることを意味する。厳密な角度との差異は、４度未満であることが好ましく、３度未満であることがより好ましい。

本明細書において、可視光は、電磁波のうち、ヒトの目で見える波長の光であり、３８０～７８０ｎｍの波長領域の光を示す。非可視光は、３８０ｎｍ未満の波長領域および７８０ｎｍを超える波長領域の光である。
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の波長領域の光は青色光であり、４９５～５７０ｎｍの波長領域の光は緑色光であり、６２０～７５０ｎｍの波長領域の光は赤色光である。

本明細書において、選択反射中心波長とは、対象となる物（部材）における透過率の極小値をＴmin（％）とした場合、下記の式で表される半値透過率：Ｔ１／２（％）を示す２つの波長の平均値のことを言う。
半値透過率を求める式： Ｔ１／２＝１００－（１００－Ｔmin）÷２
また、複数の層の選択反射中心波長が「等しい」とは、厳密に等しいことを意味するものではなく、光学的に影響のない範囲の誤差は許容される。具体的には、複数の物の選択反射中心波長が「等しい」とは、それぞれの物同士における選択反射中心波長の差が２０ｎｍ以下であることを意図し、この差は１５ｎｍ以下であることが好ましく、１０ｎｍ以下であることがより好ましい。

レターデーション値は、Ａｘｏｍｅｔｒｉｃｓ社製「Ａｘｏｓｃａｎ」を用いて測定した。測定波長は７５０ｎｍとした。サンプル面に対して法線方向からの入射光に対する位相差測定を行い、検出された遅相軸、進相軸に対して、遅相軸面内、進相軸面内に、それぞれ入射角が－４０°、４０°方向から位相差測定を行い、４方向からの測定値の平均値を斜め方向レターデーションＲｅ（４０）とした。

本発明の液晶回折素子は、
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を有し、
光学異方性層は、液晶化合物由来の光学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ている液晶配向パターンを有し、
光学異方性層は、一方向の、一方の側から他方の側に向かうにしたがって回折効率が高くなる液晶回折素子である。
後に詳述するが、本発明の液晶回折素子は、このような構造を有することにより、導光板内を伝播する光を液晶回折素子によって回折して導光板から射出させる際に、出射される光の明るさを均一にすることができる。

［第１実施形態］
図１に、本発明の液晶回折素子の第１実施形態の一例を概念的に示す。
図１に示す液晶回折素子１０は、特定の波長の光を選択的に反射するとともに、反射する光を回折する液晶回折素子である。
図１に示す液晶回折素子１０は、支持体２０と、配向膜２４と、光学異方性層１８と、をこの順に積層された構成を有する。

なお、図１に示す液晶回折素子１０は、支持体２０および配向膜２４を有しているが、本発明の液晶回折素子は、支持体２０あるいはさらに配向膜２４を有さない構成であってもよい。
例えば、本発明の液晶回折素子は、上述の構成から、支持体２０を剥離して、配向膜２４および光学異方性層１８のみの構成としてもよい。あるいは、支持体２０および配向膜２４を剥離して、光学異方性層１８のみで、液晶回折素子を構成してもよい。

すなわち、本発明の液晶回折素子は、液晶化合物由来の光学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し、かつ、液晶化合物由来の光学軸が回転する一方向の一方の側から他方の側に向かうにしたがって回折効率が高くなる構成を有する光学異方性層を有するものであれば、各種の層構成が利用可能である。
以上の点に関しては、後述する本発明の各態様の液晶回折素子も、全て、同様である。

＜支持体＞
支持体２０は、配向膜２４および光学異方性層１８を支持するフィルム状物（シート状物、板状物）である。
なお、支持体２０は、光学異方性層１８が回折する光に対する透過率が５０％以上であるのが好ましく、７０％以上であるのがより好ましく、８５％以上であるのがさらに好ましい。

支持体２０の厚さには、制限はなく、液晶回折素子１０の用途および支持体２０の形成材料等に応じて、配向膜２４および光学異方性層１８を保持できる厚さを、適宜、設定すればよい。
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。

支持体２０は単層であっても、多層であってもよい。
単層である場合の支持体２０としては、光学素子で支持体の材料として用いられる各種の材料を用いることができる。
具体的には、支持体２０の材料としては、ガラス、トリアセチルセルロース（ＴＡＣ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリカーボネート、ポリ塩化ビニル、アクリル、および、ポリオレフィン等が例示される。多層である場合の支持体２０の例としては、前述の単層の支持体のいずれかなどを基板として含み、この基板の表面に他の層を設けたもの等が例示される。

＜配向膜＞
支持体２０の表面には配向膜２４が形成される。
配向膜２４は、光学異方性層１８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。

後述するが、本発明の液晶回折素子１０において、光学異方性層は、液晶化合物３０に由来する光学軸３０Ａ（図２参照）の向きが、面内の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。
なお、本発明においては、液晶配向パターンにおける、光学軸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、光学軸３０Ａの向きが１８０°回転する長さを１周期（図２中符号Λ、「光学軸の回転周期」ともいう）とする。

以下の説明では、『光学軸３０Ａの向きが回転』を単に『光学軸３０Ａが回転』とも言う。

配向膜は、公知の各種のものが利用可能である。
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。

ラビング処理による配向膜は、ポリマー層の表面を紙または布で一定方向に数回こすることにより形成できる。
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い。

本発明の液晶回折素子１０においては、配向膜は、光配向性の素材に偏光または非偏光を照射して配向膜とした、いわゆる光配向膜が好適に利用される。すなわち、本発明の液晶回折素子１０においては、配向膜として、支持体２０上に、光配向材料を塗布して形成した光配向膜が、好適に利用される。
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。

本発明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号公報および特許第４１５１７４６号公報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号公報および特開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／またはアルケニル置換ナジイミド化合物、特許第４２０５１９５号および特許第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号公報および特許第４１６２８５０号に記載の光架橋性ポリイミド、光架橋性ポリアミドおよび光架橋性ポリエステル、ならびに、特開平９－１１８７１７号公報、特表平１０－５０６４２０号公報、特表２００３－５０５５６１号公報、国際公開第２０１０／１５０７４８号、特開２０１３－１７７５６１号公報および特開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、カルコン化合物およびクマリン化合物等が、好ましい例として例示される。
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、光架橋性ポリエステル、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。

配向膜の厚さには制限はなく、配向膜の形成材料に応じて、必要な配向機能を得られる厚さを、適宜、設定すればよい。
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。

配向膜の形成方法には、制限はなく、配向膜の形成材料に応じた公知の方法が、各種、利用可能である。一例として、配向膜を支持体２０の表面に塗布して乾燥させた後、配向膜をレーザ光によって露光して、配向パターンを形成する方法が例示される。

図３に、配向膜を露光して、配向パターンを形成する露光装置の一例を概念的に示す。

図３に示す露光装置６０は、レーザ６２およびλ／２板（図示せず）を備えた光源６４と、光源６４が出射したレーザ光Ｍを光線ＭＡおよびＭＢの２つに分離する偏光ビームスプリッター６８と、分離された２つの光線ＭＡおよびＭＢの光路上にそれぞれ配置されたミラー７０Ａおよび７０Ｂと、λ／４板７２Ａおよび７２Ｂと、を備える。
なお、図示は省略するが、光源６４はλ／２板を有し、レーザ６２が出射したレーザ光Ｍの偏光方向を変えて直線偏光Ｐ₀を出射する。λ／４板７２Ａおよび７２Ｂは、互いに平行な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Ｐ_Rに、λ／４板７２Ｂは直線偏光Ｐ₀（光線ＭＢ）を左円偏光Ｐ_Lに、それぞれ変換する。

配向パターンを形成される前の配向膜２４を有する支持体２０が露光部に配置され、２つの光線ＭＡと光線ＭＢとを配向膜２４上において交差させて干渉させ、その干渉光を配向膜２４に照射して露光する。
この際の干渉により、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。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に由来する光学軸３０Ａが一方向に向かって連続的に回転する配向パターンにおいて、光学軸３０Ａが回転する１方向における、光学軸３０Ａが１８０°回転する１周期の長さを調節できる。
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、コレステリック液晶層を形成することにより、後述するように、液晶化合物３０に由来する光学軸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、光学異方性層１８を形成できる。
また、λ／４板７２Ａおよび７２Ｂの光学軸を、それぞれ、９０°回転することにより、光学軸３０Ａの回転方向を逆にすることができる。

なお、本発明の液晶回折素子において、配向膜は、好ましい態様として設けられるものであり、必須の構成要件ではない。
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、コレステリック液晶層が、液晶化合物３０に由来する光学軸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。

＜光学異方性層＞
配向膜２４の表面には、光学異方性層１８が形成される。
光学異方性層１８は、液晶化合物を含む組成物を用いて形成された層であり、液晶化合物由来の光学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ている液晶配向パターンを有する。

図１に示す例において、光学異方性層１８は、液晶化合物がコレステリック配向された構成を有する。すなわち、光学異方性層１８は、コレステリック液晶相を固定してなる層であり、液晶化合物が厚み方向に平行な螺旋軸に沿って螺旋状にねじれ配向したコレステリック液晶構造を有する。光学異方性層１８は、液晶化合物３０が螺旋状に１回転（３６０°回転）して積み重ねられた構成を螺旋１ピッチとして螺旋状に旋回する液晶化合物３０が複数ピッチ積層された構成を有する。

コレステリック液晶構造を有する光学異方性層１８は、波長選択反射性を有する。
例えば、光学異方性層１８が、緑色の波長領域に選択反射中心波長を有する場合には、緑色光の右円偏光Ｇ_Rを反射して、それ以外の光を透過する。
ここで、光学異方性層１８は、面方向において液晶化合物３０が回転して配向されているため、入射した円偏光を光学軸の向きが連続的に回転している向きに屈折（回折）させて反射する。その際、入射する円偏光の旋回方向に応じて回折する方向が異なる。
すなわち、光学異方性層１８は、選択反射波長の右円偏光または左円偏光を反射し、かつ、この反射光を回折する。
また、光学異方性層１８は、反射した円偏光の旋回方向を逆方向に変化させる。

＜＜コレステリック液晶相＞＞
コレステリック液晶相は、特定の波長において左右いずれかの円偏光に対して選択反射性を示す。
選択反射の中心波長（選択反射中心波長）λは、コレステリック液晶相における螺旋構造のピッチＰ（＝螺旋の周期）に依存し、コレステリック液晶相の平均屈折率ｎとλ＝ｎ×Ｐの関係に従う。そのため、この螺旋構造のピッチを調節することによって、選択反射中心波長を調節することができる。コレステリック液晶相のピッチは、光学異方性層の形成の際、液晶化合物と共に用いるキラル剤の種類、またはその添加濃度に依存するため、これらを調節することによって所望のピッチを得ることができる。
なお、ピッチの調節については富士フイルム研究報告Ｎｏ．５０（２００５年）ｐ．６０－６３に詳細な記載がある。螺旋のセンスおよびピッチの測定法については「液晶化学実験入門」日本液晶学会編 シグマ出版２００７年出版、４６頁、および、「液晶便覧」液晶便覧編集委員会 丸善 １９６頁に記載の方法を用いることができる。

コレステリック液晶相による反射光が右円偏光であるか左円偏光であるかは、コレステリック液晶相の螺旋の捩れ方向（センス）による。コレステリック液晶相による円偏光の選択反射は、コレステリック液晶相の螺旋の捩れ方向が右の場合は右円偏光を反射し、螺旋の捩れ方向が左の場合は左円偏光を反射する。
従って、図１の液晶回折素子１０においては、光学異方性層１８は、右捩れのコレステリック液晶相を固定してなる層である。
なお、コレステリック液晶相の旋回の方向は、光学異方性層を形成する液晶化合物の種類および／または添加されるキラル剤の種類によって調節できる。

また、選択反射を示す選択反射帯域（円偏光反射帯域）の半値幅Δλ（ｎｍ）は、コレステリック液晶相のΔｎと螺旋のピッチＰとに依存し、Δλ＝Δｎ×Ｐの関係に従う。そのため、選択反射帯域の幅の制御は、Δｎを調節して行うことができる。Δｎは、光学異方性層を形成する液晶化合物の種類およびその混合比率、ならびに、配向固定時の温度により調節できる。
反射波長領域の半値幅は、液晶回折素子１０の用途に応じて調節され、例えば１０～５００ｎｍであればよく、好ましくは２０～３００ｎｍであり、より好ましくは３０～１００ｎｍである。

＜＜コレステリック液晶構造を有する光学異方性層の形成方法＞＞
コレステリック液晶構造を有する光学異方性層は、コレステリック液晶相を層状に固定して形成できる。
コレステリック液晶相を固定した構造は、コレステリック液晶相となっている液晶化合物の配向が保持されている構造であればよく、典型的には、重合性液晶化合物をコレステリック液晶相の配向状態としたうえで、紫外線照射、加熱等によって重合、硬化し、流動性が無い層を形成して、同時に、外場または外力によって配向形態に変化を生じさせることない状態に変化した構造が好ましい。
なお、コレステリック液晶相を固定した構造においては、コレステリック液晶相の光学的性質が保持されていれば十分であり、光学異方性層において、液晶化合物３０は液晶性を示さなくてもよい。例えば、重合性液晶化合物は、硬化反応により高分子量化して、液晶性を失っていてもよい。

コレステリック液晶相を固定してなる光学異方性層の形成に用いる材料としては、一例として、液晶化合物を含む液晶組成物が挙げられる。液晶化合物は重合性液晶化合物であるのが好ましい。
また、光学異方性層の形成に用いる液晶組成物は、さらに界面活性剤およびキラル剤を含んでいてもよい。

－－重合性液晶化合物－－
重合性液晶化合物は、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よい。
コレステリック液晶相を形成する棒状の重合性液晶化合物の例としては、棒状ネマチック液晶化合物が挙げられる。棒状ネマチック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等が好ましく用いられる。低分子液晶化合物だけではなく、高分子液晶化合物も用いることができる。

重合性液晶化合物は、重合性基を液晶化合物に導入することで得られる。重合性基の例には、不飽和重合性基、エポキシ基、およびアジリジニル基が含まれ、不飽和重合性基が好ましく、エチレン性不飽和重合性基がより好ましい。重合性基は種々の方法で、液晶化合物の分子中に導入できる。重合性液晶化合物が有する重合性基の個数は、好ましくは１～６個、より好ましくは１～３個である。
重合性液晶化合物の例は、Ｍａｋｒｏｍｏｌ．Ｃｈｅｍ．，１９０巻、２２５５頁（１９８９年）、Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ５巻、１０７頁（１９９３年）、米国特許第４６８３３２７号明細書、米国特許第５６２２６４８号明細書、米国特許第５７７０１０７号明細書、国際公開第９５／２２５８６号、国際公開第９５／２４４５５号、国際公開第９７／００６００号、国際公開第９８／２３５８０号、国際公開第９８／５２９０５号、特開平１－２７２５５１号公報、特開平６－１６６１６号公報、特開平７－１１０４６９号公報、特開平１１－８００８１号公報、および、特開２００１－３２８９７３号公報等に記載の化合物が含まれる。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。２種類以上の重合性液晶化合物を併用してもよい。２種類以上の重合性液晶化合物を併用すると、配向温度を低下させることができる。

また、上記以外の重合性液晶化合物としては、特開昭５７－１６５４８０号公報に開示されているようなコレステリック相を有する環式オルガノポリシロキサン化合物等を用いることができる。さらに、前述の高分子液晶化合物としては、液晶を呈するメソゲン基を主鎖、側鎖、あるいは主鎖および側鎖の両方の位置に導入した高分子、コレステリル基を側鎖に導入した高分子コレステリック液晶、特開平９－１３３８１０号公報に開示されているような液晶性高分子、および、特開平１１－２９３２５２号公報に開示されているような液晶性高分子等を用いることができる。

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

また、液晶組成物中の重合性液晶化合物の添加量は、液晶組成物の固形分質量（溶媒を除いた質量）に対して、７５～９９．９質量％であるのが好ましく、８０～９９質量％であるのがより好ましく、８５～９０質量％であるのがさらに好ましい。

－－界面活性剤－－
光学異方性層を形成する際に用いる液晶組成物は、界面活性剤を含有してもよい。
界面活性剤は、安定的にまたは迅速にプレーナー配向のコレステリック液晶相とするために寄与する配向制御剤として機能できる化合物が好ましい。界面活性剤としては、例えば、シリコ－ン系界面活性剤およびフッ素系界面活性剤が挙げられ、フッ素系界面活性剤が好ましく例示される。

界面活性剤の具体例としては、特開２０１４－１１９６０５号公報の段落［００８２］～［００９０］に記載の化合物、特開２０１２－２０３２３７号公報の段落［００３１］～［００３４］に記載の化合物、特開２００５－９９２４８号公報の段落［００９２］および［００９３］中に例示されている化合物、特開２００２－１２９１６２号公報の段落［００７６］～［００７８］および段落［００８２］～［００８５］中に例示されている化合物、ならびに、特開２００７－２７２１８５号公報の段落［００１８］～［００４３］等に記載のフッ素（メタ）アクリレート系ポリマー、などが挙げられる。
なお、界面活性剤は、１種を単独で用いてもよいし、２種以上を併用してもよい。
フッ素系界面活性剤として、特開２０１４－１１９６０５号公報の段落［００８２］～［００９０］に記載の化合物が好ましい。

液晶組成物中における、界面活性剤の添加量は、液晶化合物の全質量に対して０．０１～１０質量％が好ましく、０．０１～５質量％がより好ましく、０．０２～１質量％がさらに好ましい。

－－キラル剤（光学活性化合物）－－
キラル剤（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。キラル剤は、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。
キラル剤としては、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。
キラル剤は、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キ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。キラル剤は、重合性基を有していてもよい。キ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、重合性キ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、キ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、重合性キ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、キ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、キラル剤は、液晶化合物であってもよい。

キ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。

―光反応型カイラル剤―
光反応型カイラル剤は、例えば、下記一般式（Ｉ）で表される化合物からなり、液晶性化合物の配向構造を制御し得ると共に、光の照射により液晶の螺旋ピッチ、即ち螺旋構造の捻れ力（ＨＴＰ：ヘリカルツイスティングパワー）を変化させることができる特質を有する。即ち、液晶性化合物、好ましくはネマチック液晶化合物に誘起する螺旋構造の捻れ力の変化を光照射（紫外線～可視光線～赤外線）によって起こさせる化合物であり、必要な部位（分子構造単位）として、カイラル部位（キラル部位）と光の照射によって構造変化を生じる部位とを有する。しかも、下記一般式（Ｉ）で表される光反応型カイラル剤は、特に液晶分子のＨＴＰを大きく変化させることができる。

尚、前述のＨＴＰは、液晶の螺旋構造の捻れ力、即ち、ＨＴＰ＝１／（ピッチ×キラル剤濃度〔質量分率〕）を表し、例えば、ある温度での液晶分子の螺旋ピッチ（螺旋構造の一周期；μｍ）を測定し、この値をカイラル剤（キラル剤）の濃度から換算〔μｍ^-1〕して求めることができる。光反応型カイラル剤により光の照度により選択反射色を形成する場合、前述のＨＴＰの変化率（＝照射前のＨＴＰ／照射後のＨＴＰ）としては、照射後にＨＴＰがより小さくなる場合には１．５以上が好ましく、更に２．５以上がより好ましく、照射後にＨＴＰがより大きくなる場合には０．７以下が好ましく、更に０．４以下がより好ましい。

次に、一般式（Ｉ）で表される化合物について説明する。
一般式（Ｉ）

前述の式中、Ｒは、水素原子、炭素数１～１５のアルコキシ基、総炭素数３～１５のアクリロイルオキシアルキルオキシ基、総炭素数４～１５のメタクリロイルオキシアルキルオキシ基を表す。
前述の炭素数１～１５のアルコキシ基としては、例えば、メトキシ基、エトキシ基、プロポキシ基、ブトキシ基、ヘキシルオキシ基、ドデシルオキシ基等が挙げられ、中でも、炭素数１～１２のアルコキシ基が好ましく、炭素数１～８のアルコキシ基が特に好ましい。

前述の総炭素数３～１５のアクリロイルオキシアルキルオキシ基としては、例えば、アクリロイルオキシエチルオキシ基、アクリロイルオキシブチルオキシ基、アクリロイルオキシデシルオキシ基等が挙げられ、中でも、炭素数５～１３のアクリロイルオキシアルキルオキシ基が好ましく、炭素数５～１１のアクリロイルオキシアルキルオキシ基が特に好ましい。

前述の総炭素数４～１５のメタクリロイルオキシアルキルオキシ基としては、例えば、メタクリロイルオキシエチルオキシ基、メタクリロイルオキシブチルオキシ基、メタクリロイルオキシデシルオキシ基等が挙げられ、中でも、炭素数６～１４のメタクリロイルオキシアルキルオキシ基が好ましく、炭素数６～１２のメタクリロイルオキシアルキルオキシ基が特に好ましい。

前述の一般式（Ｉ）で表される光反応型カイラル剤の分子量としては、３００以上が好ましい。また、後述する液晶性化合物との溶解性の高いものが好ましく、その溶解度パラメータＳＰ値が、液晶性化合物に近似するものがより好ましい。

以下、前述の一般式（Ｉ）で表される化合物の具体例（例示化合物（１）～（１５））を示すが、本発明においてはこれらに制限されるものではない。

光反応型光学活性化合物は、例えば、下記一般式（II）で表される化合物も用いられる。

一般式（II）

前述の式中、Ｒは、水素原子、炭素数１～１５のアルコキシ基、総炭素数３～１５のアクリロイルオキシアルキルオキシ基、総炭素数４～１５のメタクリロイルオキシアルキルオキシ基を表す。
前述の炭素数１～１５のアルコキシ基としては、例えば、メトキシ基、エトキシ基、プロポキシ基、ブトキシ基、ヘキシルオキシ基、オクチルオキシ基、ドデシルオキシ基等が挙げられ、中でも、炭素数１～１０のアルコキシ基が好ましく、炭素数１～８のアルコキシ基が特に好ましい。

前述の総炭素数３～１５のアクリロイルオキシアルキルオキシ基としては、例えば、アクリロイルオキシ基、アクリロイルオキシエチルオキシ基、アクリロイルオキシプロピルオキシ基、アクリロイルオキシヘキシルオキシ基、アクリロイルオキシブチルオキシ基、アクリロイルオキシデシルオキシ基等が挙げられ、中でも、炭素数３～１３のアクリロイルオキシアルキルオキシ基が好ましく、炭素数３～１１のアクリロイルオキシアルキルオキシ基が特に好ましい。

前述の総炭素数４～１５のメタクリロイルオキシアルキルオキシ基としては、例えば、メタクリロイルオキシ基、メタクリロイルオキシエチルオキシ基、メタクリロイルオキシヘキシルオキシ基等が挙げられ、中でも、炭素数４～１４のメタクリロイルオキシアルキルオキシ基が好ましく、炭素数４～１２のメタクリロイルオキシアルキルオキシ基が特に好ましい。

前述の一般式（II）で表される光反応型光学活性化合物の分子量としては、３００以上が好ましい。また、後述する液晶性化合物との溶解性の高いものが好ましく、その溶解度パラメータＳＰ値が、液晶性化合物に近似するものがより好ましい。

以下、前述の一般式（II）で表される光反応型光学活性化合物の具体例（例示化合物（２１）～（３２））を示すが、本発明においてはこれらに制限されるものではない。

また、光反応型カイラル剤は、捻れ力の温度依存性が大きいカイラル化合物など、光反応性のないカイラル剤と併用することもできる。前述の光反応性のない公知のキラル剤としては、例えば、特開２０００－４４４５１号、特表平１０－５０９７２６号、ＷＯ９８／００４２８、特表２０００－５０６８７３号、特表平９－５０６０８８号、Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌｓ（１９９６、２１、３２７）、Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌｓ（１９９８、２４、２１９）等に記載のキラル剤が挙げられる。

液晶組成物における、キラル剤の含有量は、液晶化合物の含有モル量に対して０．０１～２００モル％が好ましく、１～３０モル％がより好ましい。

－－重合開始剤－－
液晶組成物が重合性化合物を含む場合は、重合開始剤を含有しているのが好ましい。紫外線照射により重合反応を進行させる態様では、使用する重合開始剤は、紫外線照射によって重合反応を開始可能な光重合開始剤であるのが好ましい。
光重合開始剤の例には、α－カルボニル化合物（米国特許第２３６７６６１号、米国特許第２３６７６７０号の各明細書記載）、アシロインエーテル（米国特許第２４４８８２８号明細書記載）、α－炭化水素置換芳香族アシロイン化合物（米国特許第２７２２５１２号明細書記載）、多核キノン化合物（米国特許第３０４６１２７号、米国特許第２９５１７５８号の各明細書記載）、トリアリールイミダゾールダイマーとｐ－アミノフェニルケトンとの組み合わせ（米国特許第３５４９３６７号明細書記載）、アクリジンおよびフェナジン化合物（特開昭６０－１０５６６７号公報、米国特許第４２３９８５０号明細書記載）、ならびに、オキサジアゾール化合物（米国特許第４２１２９７０号明細書記載）等が挙げられる。
液晶組成物中の光重合開始剤の含有量は、液晶化合物の含有量に対して０．１～２０質量％であるのが好ましく、０．５～１２質量％であるのがさらに好ましい。

－－架橋剤－－
液晶組成物は、硬化後の膜強度向上、耐久性向上のため、任意に架橋剤を含有していてもよい。架橋剤としては、紫外線、熱、および、湿気等で硬化するものが好適に使用できる。
架橋剤としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えばトリメチロールプロパントリ（メタ）アクリレートおよびペンタエリスリトールトリ（メタ）アクリレート等の多官能アクリレート化合物；グリシジル（メタ）アクリレートおよびエチレングリコールジグリシジルエーテル等のエポキシ化合物；２，２－ビスヒドロキシメチルブタノール－トリス［３－（１－アジリジニル）プロピオネート］および４，４－ビス（エチレンイミノカルボニルアミノ）ジフェニルメタン等のアジリジン化合物；ヘキサメチレンジイソシアネートおよびビウレット型イソシアネート等のイソシアネート化合物；オキサゾリン基を側鎖に有するポリオキサゾリン化合物；ならびに、ビニルトリメトキシシラン、Ｎ－（２－アミノエチル）３－アミノプロピルトリメトキシシラン等のアルコキシシラン化合物などが挙げられる。また、架橋剤の反応性に応じて公知の触媒を用いることができ、膜強度および耐久性向上に加えて生産性を向上させることができる。これらは、１種単独で使用してもよいし、２種以上を併用してもよい。
架橋剤の含有量は、液晶組成物の固形分質量に対して、３～２０質量％が好ましく、５～１５質量％がより好ましい。架橋剤の含有量が上記範囲内であれば、架橋密度向上の効果が得られやすく、コレステリック液晶相の安定性がより向上する。

－－その他の添加剤－－
液晶組成物中には、必要に応じて、さらに重合禁止剤、酸化防止剤、紫外線吸収剤、光安定化剤、色材、および、金属酸化物微粒子等を、光学的性能等を低下させない範囲で添加することができる。

液晶組成物は、光学異方性層を形成する際には、液体として用いられるのが好ましい。
液晶組成物は溶媒を含んでいてもよい。溶媒には、制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、有機溶媒が好ましい。
有機溶媒には、制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ケトン類、アルキルハライド類、アミド類、スルホキシド類、ヘテロ環化合物、炭化水素類、エステル類、および、エーテル類などが挙げられる。これらは、１種単独で使用してもよいし、２種以上を併用してもよい。これらの中でも、環境への負荷を考慮した場合にはケトン類が好ましい。

光学異方性層を形成する際には、光学異方性層の形成面に液晶組成物を塗布して、液晶化合物をコレステリック液晶相の状態に配向した後、液晶化合物を硬化して、光学異方性層とするのが好ましい。
すなわち、配向膜上に光学異方性層を形成する場合には、配向膜に液晶組成物を塗布して、液晶化合物をコレステリック液晶相の状態に配向した後、液晶化合物を硬化して、コレステリック液晶相を固定してなる光学異方性層を形成するのが好ましい。
液晶組成物の塗布は、インクジェットおよびスクロール印刷等の印刷法、ならびに、スピンコート、バーコートおよびスプレー塗布等のシート状物に液体を一様に塗布できる公知の方法が全て利用可能である。

塗布された液晶組成物は、必要に応じて乾燥および／または加熱され、その後、硬化され、光学異方性層を形成する。この乾燥および／または加熱の工程で、液晶組成物中の液晶化合物がコレステリック液晶相に配向すればよい。加熱を行う場合、加熱温度は、２００℃以下が好ましく、１３０℃以下がより好ましい。

配向させた液晶化合物は、必要に応じて、さらに重合される。重合は、熱重合、および、光照射による光重合のいずれでもよいが、光重合が好ましい。光照射は、紫外線を用いるのが好ましい。照射エネルギーは、２０ｍＪ／ｃｍ²～５０Ｊ／ｃｍ²が好ましく、５０～１５００ｍＪ／ｃｍ²がより好ましい。光重合反応を促進するため、加熱条件下または窒素雰囲気下で光照射を実施してもよい。照射する紫外線の波長は２５０～４３０ｎｍが好ましい。

光学異方性層の厚さには、制限はなく、液晶回折素子１０の用途、光学異方性層に要求される光の反射率、および、光学異方性層の形成材料等に応じて、必要な光の反射率が得られる厚さを、適宜、設定すればよい。

＜＜光学異方性層の液晶配向パターン＞＞
前述のとおり、本発明の液晶回折素子１０において、光学異方性層は、液晶化合物３０に由来する光学軸３０Ａの向きが、光学異方性層の面内において、一方向に連続的に回転しながら変化する液晶配向パターンを有する。図１に示す例では、コレステリック液晶相を形成する液晶化合物３０に由来する光学軸３０Ａの向きが光学異方性層の面内において、一方向に連続的に回転しながら変化する液晶配向パターンを有する。
なお、液晶化合物３０に由来する光学軸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、光学軸３０Ａは、棒形状の長軸方向に沿っている。以下の説明では、液晶化合物３０に由来する光学軸３０Ａを、『液晶化合物３０の光学軸３０Ａ』または『光学軸３０Ａ』ともいう。

図２に、図１に示す光学異方性層１８の平面図を概念的に示す。
なお、平面図とは、図１において、液晶回折素子１０を上方から見た図であり、すなわち、液晶回折素子１０を厚さ方向（＝各層（膜）の積層方向）から見た図である。
また、図２では、光学異方性層１８の構成を明確に示すために、液晶化合物３０は配向膜２４の表面の液晶化合物３０のみを示している。

図２に示すように、配向膜２４の表面において、光学異方性層１８を構成する液晶化合物３０は、下層の配向膜２４に形成された配向パターンに応じて、矢印Ｘで示す所定の一方向、および、この一方向（矢印Ｘ方向）と直交する方向に、二次元的に配列された状態になっている。
以下の説明では、矢印Ｘ方向と直交する方向を、便宜的にＹ方向とする。すなわち、図１および図４、ならびに、後述する図７、図９および図１０では、Ｙ方向は、紙面に直交する方向となる。
また、光学異方性層１８を形成する液晶化合物３０は、光学異方性層１８の面内において、矢印Ｘ方向に沿って、光学軸３０Ａの向きが、連続的に回転しながら変化する、液晶配向パターンを有する。図１および２に示す例では、液晶化合物３０の光学軸３０Ａが、矢印Ｘ方向に沿って、時計回り方向に連続的に回転しながら変化する、液晶配向パターンを有する。
液晶化合物３０の光学軸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の光学軸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、光学軸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の光学軸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。

一方、光学異方性層１８を形成する液晶化合物３０は、矢印Ｘ方向と直交するＹ方向、すなわち、光学軸３０Ａが連続的に回転する一方向と直交するＹ方向では、光学軸３０Ａの向きが等しい。
言い換えれば、光学異方性層１８を形成する液晶化合物３０は、Ｙ方向では、液晶化合物３０の光学軸３０Ａと矢印Ｘ方向とが成す角度が等しい。

本発明の液晶回折素子１０においては、このような液晶化合物３０の液晶配向パターンにおいて、面内で光学軸３０Ａが連続的に回転して変化する矢印Ｘ方向において、液晶化合物３０の光学軸３０Ａが１８０°回転する長さ（距離）を、液晶配向パターンにおける１周期の長さΛとする。
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２に示すように、矢印Ｘ方向と光学軸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。
本発明の液晶回折素子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方向すなわち光学軸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。

コレステリック液晶相を固定してなる光学異方性層は、通常、入射した光（円偏光）を鏡面反射する。
これに対して、上述のような液晶配向パターンを有する光学異方性層１８は、入射した光を、鏡面反射に対して矢印Ｘ方向に角度を有した方向に反射する。例えば、光学異方性層１８は、法線方向から入射した光を、法線方向に反射するのではなく、法線方向に対して矢印Ｘに傾けて反射する。法線方向から入射した光とは、すなわち正面から入射した光であり、主面に対して垂直に入射した光である。主面とは、シート状物の最大面である。
以下、図４を参照して説明する。

前述のように、光学異方性層１８は、選択反射波長の一方の円偏光を選択的に反射する光学異方性層である。例えば、光学異方性層１８の選択反射波長が赤色光で、右円偏光を反射する場合を考えると、光学異方性層１８に光Ｒ_Rが入射すると、光学異方性層１８は、赤色光の右円偏光Ｒ_Rのみを反射し、それ以外の光を透過する。

光学異方性層１８に入射した赤色光の右円偏光Ｒ_Rは、光学異方性層１８によって反射される際に、各液晶化合物３０の光学軸３０Ａの向きに応じて絶対位相が変化する。
ここで、光学異方性層１８では、液晶化合物３０の光学軸３０Ａが矢印Ｘ方向（一方向）に沿って回転しながら変化している。そのため、光学軸３０Ａの向きによって、入射した赤色光の右円偏光Ｒ_Rの絶対位相の変化量が異なる。
さらに、光学異方性層１８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。そのため、光学異方性層１８に入射した赤色光の右円偏光Ｒ_Rには、図４に概念的に示すように、それぞれの光学軸３０Ａの向きに対応した矢印Ｘ方向に周期的な絶対位相Ｑが与えられる。
また、液晶化合物３０の光学軸３０Ａの矢印Ｘ方向に対する向きは、矢印Ｘ方向と直交するＹ方向の液晶化合物３０の配列では、均一である。
これにより光学異方性層１８では、赤色光の右円偏光Ｒ_Rに対して、ＸＹ面に対して矢印Ｘ方向に傾いた等位相面Ｅが形成される。
そのため、赤色光の右円偏光Ｒ_Rは、等位相面Ｅの法線方向（等位相面Ｅと直交する方向）に反射され、反射された赤色光の右円偏光Ｒ_Rは、ＸＹ面（光学異方性層１８の主面）に対して矢印Ｘ方向に傾いた方向に反射される。

ここで、一方向（矢印Ｘ方向）に向かって液晶化合物３０の光学軸３０Ａが連続的に回転する光学異方性層による光の反射角度は、反射する光の波長によって、角度が異なる。具体的には、長波長の光ほど、入射光に対する反射光の角度が大きくなる。
また、矢印Ｘ方向（一方向）に向かって、液晶化合物３０の光学軸３０Ａが連続的に回転する光学異方性層による光の反射角度は、矢印Ｘ方向において、光学軸３０Ａが１８０°回転する液晶配向パターンの１周期の長さΛ、すなわち、１周期Λによって異なる。具体的には、１周期Λが短いほど、入射光に対する反射光の角度が大きくなる。

本発明の液晶回折素子１０において、光学異方性層の配向パターンにおける１周期Λには、制限はなく、液晶回折素子１０の用途等に応じて、適宜、設定すればよい。

ここで、本発明の液晶回折素子１０は、一例として、ＡＲグラスにおいて、導光板を伝播した光を反射して導光板から使用者による観察位置に出射させる回折素子に、好適に利用される。
この際においては、導光板を伝播してきた光を確実に出射させるためには、入射光に対して、ある程度の大きな角度で光を反射させる必要がある。
また、前述のように、光学異方性層による光の反射角度は、液晶配向パターンにおける１周期Λを短くすることで、入射光に対する反射角度を大きくできる。

この点を考慮すると、光学異方性層の液晶配向パターンにおける１周期Λは、５０μｍ以下が好ましく、１０μｍ以下がより好ましい。
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。

ここで、本発明の液晶回折素子において、光学異方性層は、液晶化合物由来の光学軸の向きが面内で連続的に回転している一方向（以下、光学軸が回転する一方向という）において、一方の側から他方の側に向かうにしたがって回折効率が高くなる構成を有する。
例えば、図１および図２に示す光学異方性層の場合には、Ｘ方向の一方の側から他方の側に向かうにしたがって回折効率が高くなる。

図５および図６に、光学異方性層１８の、光学軸が回転する一方向（Ｘ方向）における位置と、その位置における回折効率との関係を模式的なグラフとして表す。
Ｘ方向において、光学異方性層１８の回折効率は、図５に示すように連続的に変化している構成であってもよいし、図６に示すように段階的に変化している構成であってもよい。

ここで、回折効率とは、光学異方性層１８を、図２４のようにダブプリズム１１０（屈折率＝１．５１７、斜面角度＝４５°）に転写し、所定の波長のレーザーを、直線偏光子１１２、およびλ／４板１１４を透過させて右円偏光とし、回折光が斜面から垂直に出射するように角度を設定して光学異方性層１８の表面に入射させる。出射光強度Ｌｒをニューポート社製パワーメータ１９１８－Ｃを用いて測定し、入射光強度Ｌｉとの比（Ｌｒ／Ｌｉ×１００［％］）を回折効率とした。

本発明の液晶回折格子は、光学異方性層が、光学軸が回転する一方向において、一方の側から他方の側に向かうにしたがって回折効率が高くなる構成を有する。そのため、ＡＲ（Augmented Reality（拡張現実））グラス等のＡＲ表示デバイスなどに用いられる導光素子において、本発明の液晶回折素子を導光板内を伝播する光を回折して導光板から出射させる回折素子として用いた場合に、射出瞳拡大を行っても導光板から出射される光の明るさ（光量）を均一にすることができる。
この点については後に詳述する。

なお、光学異方性層において回折効率が一定の領域が配列された方向を回折効率の変化方向とすると、この回折効率の変化方向は、光学軸が回転する一方向と一致していてもよいし、一致していなくてもよい。すなわち、回折効率の変化方向と光学軸が回転する一方向とが交差していてもよい。回折効率の変化方向と光学軸が回転する一方向とが交差する構成であっても、光学軸が回転する一方向において、一方の側から他方の側に向かうにしたがって回折効率が高くなる構成となる。

光学異方性層の回折効率を、液晶化合物由来の光学軸の向きが面内で連続的に回転している一方向において、一方の側から他方の側に向かうにしたがって高くなる構成は、光学異方性層が以下の（ｉ）および（ii）のいずれかの構成を有することによって実現することができる。
（ｉ）光学軸が回転する一方向において、一方の側から他方の側に向かうにしたがって膜厚が厚くなる構成。
（ii）光学軸が回転する一方向において、一方の側から他方の側に向かうにしたがって厚さ方向レターデーションＲｔｈが高くなる構成。

光学異方性層において、膜厚が厚い領域では回折効率が高くなり、膜厚が薄い領域では回折効率が低くなる。そのため、光学異方性層を、光学軸が回転する一方向において、一方の側から他方の側に向かうにしたがって膜厚が厚くなる構成とすることで、回折効率を変化させることができる。

前述のとおり、光学異方性層において、液晶化合物は所望の配向パターンで配列している。この配列が乱れていない領域では、適切に光を回折できるため回折効率が高くなる。また、液晶化合物の配列が乱れていない領域は厚さ方向レターデーションＲｔｈが高くなる。
一方、液晶化合物の配列が乱れている領域では、適切に光を回折しにくくなるため回折効率が低くなる。また、液晶化合物の配列が乱れている領域は厚さ方向レターデーションＲｔｈが低くなる。
従って、光学異方性層を、光学軸が回転する一方向において、一方の側から他方の側に向かうにしたがって厚さ方向レターデーションＲｔｈが高くなる構成とすることで、回折効率を変化させることができる。
このような光学異方性層の形成方法については後に詳述する。

［第２実施形態］
ここで、図１に示す例では、光学異方性層は、液晶化合物がコレステリック配向されているものとしたがこれに限定はされず、液晶化合物がコレステリック配向されていないものであってもよい。
図７に、本発明の液晶回折素子の第２実施形態の一例を概念的に示す。
図７に示す液晶回折素子１２は、入射した光を回折して透過する液晶回折素子である。
図７に示す液晶回折素子１２は、支持体２０と、配向膜２４と、光学異方性層１６と、をこの順に積層された構成を有する。

なお、支持体２０および配向膜２４に関しては、図１に示す液晶回折素子１０の支持体２０および配向膜２４と同様の構成を有するのでその説明は省略する。

＜光学異方性層＞
光学異方性層１６は、配向膜２４の表面に形成される。
光学異方性層１８は、液晶化合物を含む組成物を用いて形成された層であり、液晶化合物由来の光学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ている液晶配向パターンを有する。

図８に、図７に示す液晶回折素子の平面図を示す。なお、平面図とは、図７において、液晶回折素子を上方から見た図であり、すなわち、液晶回折素子を厚さ方向（＝各層（膜）の積層方向）から見た図である。言い換えれば、光学異方性層を主面と直交する方向から見た図である。
また、図８では、液晶回折素子の構成を明確に示すために、光学異方性層中の液晶化合物３０としては配向膜２４の表面の液晶化合物３０のみを示している。しかしながら、光学異方性層は、厚さ方向には、図７に示されるように、この配向膜２４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。

図８に示すように、光学異方性層１６は、光学異方性層の面内において、液晶化合物３０に由来する光学軸３０Ａの向きが、矢印Ｘで示す一方向に連続的に回転しながら変化する液晶配向パターンを有する。
液晶化合物３０の光学軸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の光学軸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、光学軸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の光学軸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。

一方、光学異方性層を形成する液晶化合物３０は、矢印Ｘ方向と直交するＹ方向、すなわち光学軸３０Ａが連続的に回転する一方向と直交するＹ方向では、光学軸３０Ａの向きが等しい液晶化合物３０が等間隔で配列されている。
言い換えれば、光学異方性層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、光学軸３０Ａの向きと矢印Ｘ方向とが成す角度が等しい。

光学異方性層１６の液晶配向パターンは、液晶配向パターンにおける１周期の長さΛを、矢印Ｘ方向すなわち光学軸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。

前述のように光学異方性層１６において、Ｙ方向に配列される液晶化合物は、光学軸３０Ａと矢印Ｘ方向（液晶化合物３０の光軸の向きが回転する１方向）とが成す角度が等しい。この光学軸３０Ａと矢印Ｘ方向とが成す角度が等しい液晶化合物３０が、Ｙ方向に配置された領域を、領域Ｒとする。
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。これらの面内レターデーションは、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１６の厚さとの積により算出される。ここで、光学異方性層１６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、光学軸３０Ａの方向の液晶化合物３０の屈折率と、領域Ｒの面内において光学軸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。

このような光学異方性層１６に円偏光が入射すると、光は、屈折され、かつ、円偏光の方向が変換される。
この作用を、図９に光学異方性層１６を例示して概念的に示す。なお、光学異方性層１６は、液晶化合物３０の屈折率差と光学異方性層１６の厚さとの積の値がλ／２であるとする。
図９に示すように、光学異方性層１６の液晶化合物３０の屈折率差と光学異方性層１６の厚さとの積の値がλ／２の場合に、光学異方性層１６に左円偏光である入射光Ｌ₁が入射すると、入射光Ｌ₁は、光学異方性層１６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、光学異方性層１６を通過する際に、それぞれの液晶化合物３０の光学軸３０Ａの向きに応じて絶対位相が変化する。このとき、光学軸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、光学軸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、光学異方性層１６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、光学異方性層１６を通過した入射光Ｌ₁には、図９に示すように、それぞれの光学軸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。

一方、図１０に概念的に示すように、光学異方性層１６の液晶化合物３０の屈折率差と光学異方性層１６の厚さとの積の値がλ／２のとき、光学異方性層１６に右円偏光の入射光Ｌ₄が入射すると、入射光Ｌ₄は、光学異方性層１６を通過することにより、１８０°の位相差が与えられて、左円偏光の透過光Ｌ₅に変換される。
また、入射光Ｌ₄は、光学異方性層１６を通過する際に、それぞれの液晶化合物３０の光学軸３０Ａの向きに応じて絶対位相が変化する。このとき、光学軸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、光学軸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、光学異方性層１６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、光学異方性層１６を通過した入射光Ｌ₄は、図１０に示すように、それぞれの光学軸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、光学軸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。

光学異方性層１６において、複数の領域Ｒの面内レターデーションの値は、半波長であるのが好ましいが、波長が５５０ｎｍである入射光に対する光学異方性層１６の複数の領域Ｒの面内レターデーションＲｅ（５５０）＝Δｎ₅₅₀×ｄが下記式（１）に規定される範囲内であるのが好ましい。ここで、Δｎ₅₅₀は、入射光の波長が５５０ｎｍである場合の、領域Ｒの屈折率異方性に伴う屈折率差であり、ｄは、光学異方性層１６の厚さである。
２００ｎｍ≦Δｎ₅₅₀×ｄ≦３５０ｎｍ・・・（１）
すなわち、光学異方性層１６の複数の領域Ｒの面内レターデーションＲｅ（５５０）＝Δｎ₅₅₀×ｄが式（１）を満たしていれば、光学異方性層１６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。面内レターデーション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１６の複数の領域Ｒの面内レターデーションＲｅ（λ）＝Δｎ_λ×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。
０．３５×λｎｍ≦Δｎ_λ×ｄ≦０．６５×λｎｍ・・・（１－２）

また、光学異方性層１６における、複数の領域Ｒの面内レターデーションの値は、上記式（１）の範囲外で用いることもできる。具体的には、Δｎ₅₅₀×ｄ＜２００ｎｍまたは３５０ｎｍ＜Δｎ₅₅₀×ｄとすることで、入射光の進行方向と同一の方向に進行する光と、入射光の進行方向とは異なる方向に進行する光に分けることができる。Δｎ₅₅₀×ｄが０ｎｍまたは５５０ｎｍに近づくと入射光の進行方向と同一の方向に進行する光の成分は増加し、入射光の進行方向とは異なる方向に進行する光の成分は減少する。

さらに、波長が４５０ｎｍの入射光に対する光学異方性層１６の領域Ｒのそれぞれの面内レターデーションＲｅ（４５０）＝Δｎ₄₅₀×ｄと、波長が５５０ｎｍの入射光に対する光学異方性層の１６領域Ｒのそれぞれの面内レターデーションＲｅ（５５０）＝Δｎ₅₅₀×ｄは、下記式（２）を満たすのが好ましい。ここで、Δｎ₄₅₀は、入射光の波長が４５０ｎｍである場合の、領域Ｒの屈折率異方性に伴う屈折率差である。
（Δｎ₄₅₀×ｄ）／（Δｎ₅₅₀×ｄ）＜１．０・・・（２）
式（２）は、光学異方性層１６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、光学異方性層１６は、広帯域の波長の入射光に対応できる。

ここで、光学異方性層１６に形成された液晶配向パターンの１周期Λを変化させることにより、透過光Ｌ₂およびＬ₅の屈折の角度を調節できる。具体的には、液晶配向パターンの１周期Λが短いほど、互いに隣接した液晶化合物３０を通過した光同士が強く干渉するため、透過光Ｌ₂およびＬ₅を大きく屈折させることができる。
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の光学軸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。

光学異方性層１６は、棒状液晶化合物または円盤状液晶化合物を含む液晶組成物の硬化層からなり、棒状液晶化合物の光軸または円盤状液晶化合物の光軸が、上記のように配向された液晶配向パターンを有している。
支持体２０上に配向膜２４を形成し、配向膜２４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１６を得ることができる。液晶組成物の塗布方法および硬化方法は前述のとおりである。
なお、いわゆるλ／２板として機能するのは光学異方性層１６であるが、本発明は、支持体２０および配向膜２４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１６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、架橋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。また、液晶組成物は、溶媒を含んでいてもよい。
光学異方性層１６を形成するための液晶組成物が含有する、棒状液晶化合物、円盤状液晶化合物等は、前述の光学異方性層１８を形成するための液晶組成物が含有する棒状液晶化合物、円盤状液晶化合物等と同様のものを用いることができる。
すなわち、光学異方性層１６を形成するための液晶組成物は、キラル剤を含有しない以外は、前述の光学異方性層１８を形成するための液晶組成物と同様である。

また、光学異方性層１６は、入射光の波長に対して広帯域であることが望ましく、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、液晶組成物１６に捩れ成分を付与することにより、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１６を実質的に広帯域にすることも好ましい。例えば、光学異方性層１６において、捩れ方向が異なる２層の液晶を積層することによって広帯域のパターン化されたλ／２板を実現する方法が特開２０１４－０８９４７６号公報等に示されており、本発明において好ましく使用することができる。

［導光素子およびＡＲ表示デバイス］
本発明の導光素子は、上記液晶回折素子と導光板とを有する。
本発明のＡＲ（Augmented Reality（拡張現実））表示デバイスは、導光素子と画像表示装置とを有する。

（第１実施形態）
図１１に、本発明のＡＲ表示デバイスの第１実施形態の一例を概念的に示す。
図１１に示すＡＲ表示デバイス５０は、ディスプレイ（画像表示装置）４０と、導光素子４５とを有する。

導光素子４５は本発明の導光素子であり、本発明の第１実施形態である液晶回折素子１０と、導光板４４と、回折素子４２と、を有する。
導光板４４は、一方向に長尺な直方体形状で内部で光を導光する。
図１１に示すように、導光板４４の長手方向の一方の端部側の表面（主面）には回折素子４２が配置されている。また、導光板４４の他方の端部側の表面には液晶回折素子１０が配置されている。回折素子４２の配置位置は導光板４４の光の入射位置に対応し、液晶回折素子１０の配置位置は、導光板４４の光の出射位置に対応する。また、回折素子４２および液晶回折素子１０は、導光板４４の同じ表面に配置されている。

導光板４４としては特に限定はなく、画像表示装置等で用いられている従来公知の導光板を用いることができる。

回折素子４２はディスプレイ４０から照射され、導光板４４内に入射した光を導光板４４内で全反射するように回折する回折素子である。
回折素子４２としては限定はなく、レリーフ型の回折素子、液晶を用いた回折素子等のＡＲ表示デバイスで用いられている回折素子が各種利用可能である。

図１１に示すように、ディスプレイ４０は、導光板４４の一方の端部の、回折素子４２が配置された表面とは反対側の表面に対面して配置される。また、導光板４４の一方の端部の、液晶回折素子１０が配置された表面とは反対側の表面側が使用者Ｕの観察位置となる。
なお、以下の説明において、導光板４４の長手方向をＸ方向、Ｘ方向に垂直な方向で、液晶回折素子１０の表面に垂直な方向をＺ方向とする。Ｚ方向は、液晶回折素子１０における各層の積層方向でもある（図１参照）。
ディスプレイ４０には、制限はなく、例えば、ＡＲグラス等のＡＲ表示デバイスに用いられる公知のディスプレイが、各種、利用可能である。
ディスプレイ４０としては、一例として、液晶ディスプレイ（ＬＣＯＳ：Liquid Crystal On Silicon等を含む）、有機エレクトロルミネッセンスディスプレイ、ＤＬＰ（Digital Light Processing）等が例示される。
なお、ディスプレイ４０は、モノクロ画像を表示するものでも、二色画像を表示するものでも、カラー画像を表示するものでもよい。

このような構成のＡＲ表示デバイス５０において、ディスプレイ４０が表示した光は、矢印で示すように、導光板４４の一方の端部の、回折素子４２が配置された表面とは反対側の表面から導光板４４内に入射する。導光板４４内に入射した光は回折素子４２にて反射される。その際、回折素子４２による回折の効果によって鏡面反射（正反射）せずに、鏡面反射方向とは角度が異なる方向に反射される。図１１に示す例では、光は回折素子４２に対して略垂直な方向（Ｚ方向）から入射し、垂直方向から導光板４４の長手方向（Ｘ方向）側に大きな角度傾斜した方向に反射される。

回折素子４２で反射された光は、入射光の角度に対して、大きな角度で反射されているため、光の進行方向の、導光板４４の表面に対する角度が小さくなるため、導光板４４の両表面で全反射されて導光板４４内を長手方向（Ｘ方向）に導光される。
導光板４４内を導光された光は、導光板４４の長手方向の他方の端部において、液晶回折素子１０により反射される。その際、液晶回折素子１０による回折の効果によって鏡面反射せずに、鏡面反射方向とは角度が異なる方向に反射される。図１１に示す例では、光は液晶回折素子１０に対して斜め方向から入射し、液晶回折素子１０の表面に垂直方向へ反射される。

液晶回折素子１０で反射された光は、導光板４４の、液晶回折素子１０が配置された表面とは反対側の表面に到達するが、この表面に対して略垂直に入射するため、全反射されずに導光板４４の外に出射される。すなわち、使用者Ｕによる観察位置に光を出射する。
このように、ＡＲ表示ディスプレイ５０は、ディスプレイ４０が表示した映像を、導光素子４４の一端に入射して伝播し、他端から出射することにより、使用者Ｕが実際に見ている光景に、仮想の映像を重ねて表示する。

ここで、導光素子４５では、液晶回折素子１０の回折効率が調整されており、導光板４４内を伝播する光を液晶回折素子１０で回折する際に、複数個所で光の一部を回折して導光板４４の外に出射させる構成であり、これにより、視域を拡大（射出瞳拡大）を行っている。
具体的には、図１１において、導光板４４を伝播する光Ｉ₀は、導光板４４の両表面（界面）で反射を繰り返しつつ液晶回折素子１０の位置に到達する。液晶回折素子１０の位置に到達した光Ｉ₀は、入射側に近い領域Ｐ₁で一部が回折されて導光板４４から出射される（出射光Ｒ₁）。また、回折されなかった光Ｉ₁はさらに導光板４４内を伝播し、再度、液晶回折素子１０のＰ₂の位置で一部の光Ｒ₂が回折されて導光板４４から出射される。回折されなかった光Ｉ₂はさらに導光板４４内を伝播し、再度、液晶回折素子１０のＰ₃の位置で一部の光Ｒ₃が回折されて導光板４４から出射される。回折されなかった光Ｉ₃はさらに導光板４４内を伝播し、再度、液晶回折素子１０のＰ₄の位置で一部の光Ｒ₄が回折されて導光板４４から出射される。

このように、導光板４４内を伝播する光を液晶回折素子１０によって複数個所で回折して導光板４４の外に出射させる構成とすることで、視域を拡大（射出瞳拡大）することができる。

ここで、液晶回折素子１０の回折効率が面内で一定であった場合を考える。回折効率が一定の場合には、入射側に近い領域（位置）Ｐ₁では、入射する光Ｉ₀の光強度（光量）が大きいため、出射される光Ｒ₁の強度も大きくなる。次に、回折されなかった光Ｉ₁が導光板４４内を伝播して再度、液晶回折素子１０の位置Ｐ₂で回折されて一部の光Ｒ₂が出射されるが、光Ｉ₁は光Ｉ₀よりも光強度が小さいため、同じ回折効率で回折されても光Ｒ₂の光強度は、入射側に近い領域で反射された光Ｒ₁の光強度よりも小さくなる。同様に、回折されなかった光Ｉ₂が導光板４４内を伝播して再度、液晶回折素子１０の位置Ｐ₃で回折されて一部の光Ｒ₃が出射されるが、光Ｉ₂は光Ｉ₁よりも光強度が小さいため、同じ回折効率で回折されても光Ｒ₃の光強度は、Ｐ₂の位置で反射された光Ｒ₂の光強度よりも小さくなる。さらに、入射側からより遠い領域Ｐ₄で反射された光Ｒ₄の光強度は光Ｒ₃の光強度よりも小さくなる。
このように、液晶回折素子１０の回折効率が面内で一定であった場合には、入射側に近い領域では光強度の高い光が出射され、入射側から離れた領域では光強度が弱い光が出射される。そのため、図１２の破線で示すように、出射される光強度が、位置によって不均一になるという問題が生じる。

これに対して、本発明の液晶回折素子１０は、光学軸が回転する一方向において、一方の側から他方の側に向かうにしたがって回折効率が高くなる構成を有し（図１２参照）、導光素子４５において、液晶回折素子１０は、導光板４４内における光の進行方向に向かって光学異方性層１８の回折効率が高くなるように配置される。すなわち、図１１に示す例では、液晶回折素子１０の光学異方性層１８は、図１１中、左から右に向かって回折効率が高くなる構成を有する。

この場合には、入射側に近い位置Ｐ₁では、入射する光Ｉ₀の光強度（光量）が大きいが、回折効率が低いため、出射される光Ｒ₁の強度はある程度の光強度となる。次に、回折されなかった光Ｉ₁が導光板４４内を伝播して再度、液晶回折素子１０の位置Ｐ₂で回折されて一部の光Ｒ₂が出射される。このとき、光Ｉ₁は光Ｉ₀よりも光強度が小さいが、位置Ｐ₂での回折効率は位置Ｐ₁での回折効率よりも高いため、光Ｒ₂の光強度は、位置Ｐ₁で反射された光Ｒ₁の光強度と同等とすることができる。同様に、回折されなかった光Ｉ₂が導光板４４内を伝播して再度、液晶回折素子１０の位置Ｐ₃で回折されて一部の光Ｒ₃が出射されるが、Ｉ₂はＩ₁よりも光強度が小さいが、位置Ｐ₃での回折効率は位置Ｐ₂での回折効率よりも高いため、光Ｒ₃の光強度は、位置Ｐ₂で反射された光Ｒ₂の光強度と同等とすることができる。さらに、入射側からより遠い領域Ｐ₄での回折効率は位置Ｐ₃での回折効率よりも高いため、光Ｒ₄の光強度は、位置Ｐ₃で反射された光Ｒ₃の光強度と同等とすることができる。
このように、液晶回折素子１０の回折効率が、光学軸が回転する一方向において、一方の側から他方の側に向かうにしたがって高くなる構成とすることで、液晶回折素子１０のどの位置でも一定の光強度の光を出射させることができる。そのため、図１２に実線で示すように、出射される光強度を位置によらず均一にすることができる。

なお、図１１において、光を矢印で示したが、ディスプレイ４０から出射される光は面状であってもよく、面状の光は位置関係を保ったまま、導光板４４内を伝播され、液晶回折素子１０によって回折される。

また、図１１において、液晶回折素子１０は、１層の光学異方性層を有するものとして説明を行ったが、液晶回折素子１０が複数層の光学異方性層を有する構成であってもよい。あるいは、導光素子４５において、単層の光学異方性層を有する液晶回折素子１０を複数積層する構成としてもよい。
液晶回折素子１０が、複数の光学異方性層を有する構成とする場合、あるいは、導光素子４５が複数の液晶回折素子１０を有する構成として、複数の光学異方性層を有する構成とする場合、選択反射波長の異なる複数の光学異方性層を有する構成とするのが好ましい。例えば、赤色光、緑色光および青色光をそれぞれ選択反射波長とする光学異方性層を有する構成とすることができる。これにより、液晶回折素子（その積層体）は赤色光、緑色光および青色光をそれぞれ回折することができ、導光素子４５はカラー表示するディスプレイ４０の光を適切に導光することができる。
あるいは、選択反射波長が同じで旋回方向が逆の円偏光を反射する２層の光学異方性層を有する構成としてもよい。例えば、赤色光の右円偏光を反射する光学異方性層と、赤色の左円偏光を反射する光学異方性層とを有する構成とすることができる。これにより、液晶回折素子（その積層体）は、右円偏光および左円偏光をそれぞれ回折することができ、導光素子４５は右円偏光および左円偏光を導光することができるため光の利用効率を高くすることができる。

また、図１１に示す例では、導光素子４５は、入射側および出射側にそれぞれ回折素子を有する構成としたが、これに限定はされず、中間の回折素子を有する構成としてもよい。すなわち、入射用の回折素子により回折されて導光板内に入射した光を中間の回折素子で回折して導光板内における光の進行方向を曲げて、その後、出射側の回折素子によって回折して導光板の外に光を出射する構成としてもよい。このような構成の場合に、中間の回折素子として本発明の液晶回折素子を用いることができる。中間の回折素子として本発明の液晶回折素子を用いることによって、射出瞳拡張をおこなうことができ、その際、拡張された光の光量を均一にすることができる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態の液晶回折素子を用いた導光素子およびＡＲ表示デバイスについて説明する。
図１３に本発明のＡＲ表示デバイスの第２実施形態の一例を概念的に示す。
図１３に示すＡＲ表示デバイス５０ｂは、ディスプレイ４０と、導光素子４５ｂとを有する。

導光素子４５ｂは本発明の導光素子であり、本発明の第２実施形態である液晶回折素子１２と、導光板４４と、回折素子４２と、を有する。
導光板４４および回折素子４２に関しては前述の導光板４４および回折素子４２と同様の構成を有するのでその説明は省略する。

図１３に示すように、導光板４４の長手方向の一方の端部側の表面（主面）には回折素子４２が配置されている。また、導光板４４の他方の端部側の表面には液晶回折素子１２が配置されている。回折素子４２の配置位置は導光板４４の光の入射位置に対応し、液晶回折素子１２の配置位置は、導光板４４の光の出射位置に対応する。また、回折素子４２および液晶回折素子１２は、導光板４４の異なる表面に配置されている。

図１３に示すように、ディスプレイ４０は、導光板４４の一方の端部の、回折素子４２が配置された表面とは反対側の表面に対面して配置される。また、導光板４４の一方の端部の、液晶回折素子１０が配置された表面側が使用者Ｕの観察位置となる。
なお、以下の説明において、導光板４４の長手方向をＸ方向、Ｘ方向に垂直な方向で、液晶回折素子１２の表面に垂直な方向をＺ方向とする。Ｚ方向は、液晶回折素子１０における各層の積層方向でもある（図７参照）。

このような構成のＡＲ表示デバイス５０ｂにおいて、ディスプレイ４０が表示した光は、矢印で示すように、導光板４４の一方の端部の、回折素子４２が配置された表面とは反対側の表面から導光板４４内に入射する。導光板４４内に入射した光は回折素子４２にて反射される。その際、回折素子４２による回折の効果によって鏡面反射（正反射）せずに、鏡面反射方向とは角度が異なる方向に反射される。図１３に示す例では、光は回折素子４２に対して略垂直な方向（Ｚ方向）から入射し、垂直方向から導光板４４の長手方向（Ｘ方向）側に大きな角度傾斜した方向に反射される。

回折素子４２で反射された光は、入射光の角度に対して、大きな角度で反射されているため、光の進行方向の、導光板４４の表面に対する角度が小さくなるため、導光板４４の両表面で全反射されて導光板４４内を長手方向（Ｘ方向）に導光される。
導光板４４内を導光された光は、導光板４４の長手方向の他方の端部において、液晶回折素子１２に入射し、透過する。その際、液晶回折素子１０による回折の効果によって入射方向とは角度が異なる方向に透過される。図１３に示す例では、光は液晶回折素子１２に対して斜め方向から入射し、液晶回折素子１２の表面に垂直な方向へ透過して、導光板４４の外に出射される。すなわち、使用者Ｕによる観察位置に光を出射する。
このように、ＡＲ表示ディスプレイ５０ｂは、ディスプレイ４０が表示した映像を、導光素子４４の一端に入射して伝播し、他端から出射することにより、使用者Ｕが実際に見ている光景に、仮想の映像を重ねて表示する。

ここで、導光素子４５ｂでも、液晶回折素子１２の回折効率が調整されており、導光板４４内を伝播する光を液晶回折素子１２で回折する際に、複数個所で光の一部を回折して導光板４４の外に出射させる構成であり、これにより、視域を拡大（射出瞳拡大）を行っている。
具体的には、図１３において、導光板４４を伝播する光Ｉ₀は、導光板４４の両表面（界面）で反射を繰り返しつつ液晶回折素子１２の位置に到達する。液晶回折素子１２の位置に到達した光Ｉ₀は、入射側に近い領域Ｐ₁で一部が回折されて導光板４４から出射される（出射光Ｒ₁）。また、回折されなかった光Ｉ₁はさらに導光板４４内を伝播し、再度、液晶回折素子１２のＰ₂の位置で一部の光Ｒ₂が回折されて導光板４４から出射される。回折されなかった光Ｉ₂はさらに導光板４４内を伝播し、再度、液晶回折素子１２のＰ₃の位置で一部の光Ｒ₃が回折されて導光板４４から出射される。回折されなかった光Ｉ₃はさらに導光板４４内を伝播し、再度、液晶回折素子１２のＰ₄の位置で一部の光Ｒ₄が回折されて導光板４４から出射される。

このように、導光板４４内を伝播する光を液晶回折素子１２によって複数個所で回折して導光板４４の外に出射させる構成とすることで、視域を拡大（射出瞳拡大）することができる。

ここで、液晶回折素子１２の回折効率が面内で一定であった場合には、前述の液晶回折素子１０の場合と同様に、入射側に近い領域では光強度の高い光が出射され、入射側から離れた領域では光強度が弱い光が出射される。そのため、図１２の破線で示すように、出射される光強度が、位置によって不均一になるという問題が生じる。

これに対して、本発明の液晶回折素子１２は、光学軸が回転する一方向において、一方の側から他方の側に向かうにしたがって回折効率が高くなる構成を有し、導光素子４５において、液晶回折素子１２は、導光板４４内における光の進行方向に向かって光学異方性層１８の回折効率が高くなるように配置される。すなわち、図１３に示す例では、液晶回折素子１２の光学異方性層１８は、図１３中、左から右に向かって回折効率が高くなる構成を有する。

この場合には、前述の液晶回折素子１０の場合と同様に、入射側に近い位置Ｐ₁では、入射する光Ｉ₀の光強度（光量）が大きいが、回折効率が低いため、出射される光Ｒ₁の強度はある程度の光強度となる。次に、回折されなかった光Ｉ₁が導光板４４内を伝播して再度、液晶回折素子１２の位置Ｐ₂で回折されて一部の光Ｒ₂が出射される。このとき、光Ｉ₁は光Ｉ₀よりも光強度が小さいが、位置Ｐ₂での回折効率は位置Ｐ₁での回折効率よりも高いため、光Ｒ₂の光強度は、位置Ｐ₁で反射された光Ｒ₁の光強度と同等とすることができる。同様に、回折されなかった光Ｉ₂が導光板４４内を伝播して再度、液晶回折素子１０の位置Ｐ₃で回折されて一部の光Ｒ₃が出射されるが、Ｉ₂はＩ₁よりも光強度が小さいが、位置Ｐ₃での回折効率は位置Ｐ₂での回折効率よりも高いため、光Ｒ₃の光強度は、位置Ｐ₂で反射された光Ｒ₂の光強度と同等とすることができる。さらに、入射側からより遠い領域Ｐ₄での回折効率は位置Ｐ₃での回折効率よりも高いため、光Ｒ₄の光強度は、位置Ｐ₃で反射された光Ｒ₃の光強度と同等とすることができる。
このように、液晶回折素子１２の回折効率が、光学軸が回転する一方向において、一方の側から他方の側に向かうにしたがって高くなる構成とすることで、液晶回折素子１２のどの位置でも一定の光強度の光を出射させることができる。そのため、図１２に実線で示すように、出射される光強度を位置によらず均一にすることができる。

なお、光学異方性層の回折効率の分布は、光学異方性層の長さ、導光板の厚み、光の波長、光学異方性層の複屈折の大きさ等から、出射光の光強度を均一にできる分布を適宜設定すればよい。
また、光学異方性層の回折効率は低い領域で３～５０％が好ましく、５～２０％がより好ましく、高い領域で１０～１００％が好ましく、２０～１００％がより好ましい。

また、光学異方性層の回折効率を膜厚で調整する場合には、光学異方性層の厚みは上記回折効率の分布に合わせて設定すればよい。
光学異方性層の厚みは薄い領域で０．０５～２．０μｍが好ましく、０．１～１．０μｍがより好ましく、厚い領域で０．５～４．０μｍが好ましく、１．０～４．０μｍがより好ましい。

同様に、光学異方性層の回折効率を厚さ方向レターデーションＲｔｈで調整する場合には、光学異方性層の厚さ方向レターデーションＲｔｈは上記回折効率の分布に合わせて設定すればよい。
光学異方性層の厚さ方向レターデーションＲｔｈ回折効率が低い領域で３～１５０ｎｍが好ましく、５～８０ｎｍがより好ましく、高い領域で４０～３００ｎｍが好ましく、８０～３００ｎｍがより好ましい。

なお、図１１および図１３においては、入射側の回折素子４２として反射型の回折素子を用いるものとしたが、これに限定はされず、透過型の回折素子を用いてもよい。すなわち、回折素子４２が、導光板４４の、ディスプレイ４０側の表面に配置される構成としてもよい。

［光学異方性層の形成方法］
次に、（ｉ）光学軸が回転する一方向において、一方の側から他方の側に向かうにしたがって膜厚が厚くなる構成の光学異方性層の形成方法、ならびに、（ii）光学軸が回転する一方向において、一方の側から他方の側に向かうにしたがって厚さ方向レターデーションＲｔｈが高くなる構成の光学異方性層の形成方法、についてそれぞれ説明する。

（膜厚が変化する光学異方性層の形成方法）
光学軸が回転する一方向において、一方の側から他方の側に向かうにしたがって膜厚が厚くなる構成の光学異方性層の形成方法について、図１４を用いて説明する。
膜厚が変化する光学異方性層の形成方法は、支持体２０上に配向パターンが形成された配向膜２４を作製する工程Ｓ１、配向膜２４上に液晶組成物を塗布し組成物層１８ａを形成する工程Ｓ２、組成物層１８ａをグラデーションマスクＭＫで露光する工程Ｓ３、露光した組成物層１８ａの上に液晶組成物を塗布する工程Ｓ４を有し、工程Ｓ３と工程Ｓ４を繰り返すことで、所定の膜厚で膜厚に勾配を有する光学異方性層１８が形成される（Ｓ５）。
すなわち、この光学異方性層の形成方法は、光学異方性層１８を複数回に分けて形成するものであり、薄膜が複数層積層された構成の光学異方性層１８が形成される。

配向パターンが形成された配向膜２４を作製する工程Ｓ１は、前述のとおり、配向膜を支持体２０の表面に塗布して乾燥させた後、図３に示すような露光装置を用いてレーザ光によって露光して、配向パターンを形成する工程である。

工程Ｓ２は、配向膜２４上に液晶組成物を塗布し組成物層１８ａを形成する工程である。ここで、この光学異方性層の形成方法は、光学異方性層１８を複数回に分けて形成するものであるため、１回の塗布で形成される組成物層１８ａの膜厚は、最終的に形成される光学異方性層１８の厚みと薄膜の総数に応じて適宜設定すればよい。
なお、液晶組成物、および、塗布方法については前述のとおりである。
また、塗布された組成物層１８ａ中の液晶化合物は、配向膜２４に形成された配向パターンにしたがって、光学軸の向きが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形成する。

なお、工程Ｓ２の後、液晶化合物の配向を促進するために組成物層を加熱してもよい。

工程Ｓ３は、組成物層１８ａを露光して硬化する工程である。ここで、工程Ｓ３において、グラデーションマスクＭＫを介して露光を行う。グラデーションマスクＭＫは、露光する光（紫外線）の透過率が面内で変化しているマスクである。グラデーションマスクＭＫを介して露光を行うことで組成物層１８ａに照射される光量が位置によって変わる。

例えば、グラデーションマスクＭＫは、配向膜２４に形成された配向パターンにおいて光学軸が回転する一方向に対応する方向に沿って、すなわち、光学軸が回転する一方向に沿って、一方の側から他方の側に向かって透過率が低くなる構成を有する。
このようなグラデーションマスクＭＫを用いて露光を行うと、光学軸が回転する一方向の、他方の側（図１４のＳ３の左側）では、組成物層１８ａは十分な光が照射され露光されるため液晶組成物の硬化が進む。一方、一方の側（図１４のＳ３の右側）では、グラデーションマスクＭＫによって組成物層１８ａに照射される光量が少なくなるため、十分に露光されず液晶組成物が十分に硬化されない。

次に、工程Ｓ４は、工程Ｓ３で露光した組成物層１８ａの上に液晶組成物を塗布し、組成物層１８ｂを形成する。
ここで、組成物層１８ａは、他方の側では硬化が進んでいるが、一方の側では硬化が十分ではないため、液晶組成物を塗布する際などに、未硬化の液晶組成物が流れ出し、硬化が十分でない領域では組成物層１８ａの膜厚が薄くなる。そのため、組成物層１８ａの膜厚は、光学軸が回転する一方向に沿って変化する。
また、塗布された組成物層１８ｂ中の液晶化合物は、組成物層１８ａの液晶配向パターンにしたがって、光学軸の向きが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形成する。

次に、組成物層１８ａの上に形成した組成物層１８ｂに対して露光を行う。その際、工程Ｓ３と同様に、グラデーションマスクＭＫを用いて露光を行う。これによって、組成物層１８ｂも組成物層１８ａと同様に、他方の側では硬化が進み、一方の側では硬化が十分ではない状態となる。

さらに、組成物層１８ｂの上に液晶組成物を塗布し、組成物層１８ｂを形成し、グラデーションマスクＭＫを用いた露光を行うことを繰り返して、所望の厚さの光学異方性層１８を作製する。ここで、複数回形成された組成物層（１８ａ、１８ｂ）は、組成物層１８ａの膜厚は、光学軸が回転する一方向に沿って一方の側から他方の側に向かって厚くなっているため、これらの組成物層が積層されて形成される光学異方性層１８は、図１４のＳ５に示すように、光学軸が回転する一方向に沿って一方の側から他方の側に向かって厚くなる構成となる。
これによって、光学異方性層１８は、光学軸が回転する一方向において、一方の側から他方の側に向かって回折効率が高くなる構成とすることができる。

なお、上述の膜厚が変化する光学異方性層の形成方法では、グラデーションマスクＭＫを用いて組成物層への紫外線の照射量に勾配を持たせる構成としたがこれに限定はされず、位置によって照射時間、あるいは照射強度を変えて照射量に勾配を持たせる構成としてもよい。

（厚さ方向レターデーションＲｔｈが変化する光学異方性層の形成方法）
光学軸が回転する一方向において、一方の側から他方の側に向かうにしたがって厚さ方向レターデーションＲｔｈが高くなる構成の光学異方性層の形成方法について、図１５を用いて説明する。
厚さ方向レターデーションＲｔｈが変化する光学異方性層の形成方法は、支持体２０上に配向パターンが形成された配向膜２４を作製する工程Ｓ１、配向膜２４上に液晶組成物を塗布し組成物層１８ｃを形成し、加熱する工程Ｓ６、組成物層１８ｃの上に開始剤供給層４６を塗布、形成する工程Ｓ７、グラデーションマスクＭＫを介して露光を行う工程Ｓ８、焼成を行う工程Ｓ９を有する。

ここで、この光学異方性層の形成方法は、加熱による硬化（工程Ｓ６）と、紫外線照射による硬化（工程Ｓ８）の２種の硬化を行うものである。
従って、光学異方性層となる液晶組成物は、重合条件の異なる２種類以上の反応性基を有することが好ましく、ラジカル反応性基とカチオン反応性基とをそれぞれ少なくとも１つ有する液晶化合物を含むことがより好ましい。

ラジカル反応性基とカチオン反応性基とをそれぞれ少なくとも１つ有する液晶化合物としては、特開２００９－１７５２０８号公報の段落［００３７］～［００４３］に例示される化合物などを用いることができる。

工程Ｓ１は、図１４の工程Ｓ１と同様であるのでその説明は省略する。

工程Ｓ６は、配向膜２４上に液晶組成物を塗布し、加熱して組成物層１８ｃを形成する工程である。なお、塗布方法および加熱方法については前述のとおりである。
また、塗布された組成物層１８ｃ中の液晶化合物は、配向膜２４に形成された配向パターンにしたがって、光学軸の向きが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形成する。

液晶組成物は加熱によって重合する液晶化合物を含んでいるため、加熱することで組成物層１８ｃの熱硬化が進む。なお、液晶組成物中に含まれる液晶化合物は、加熱による硬化と、紫外線照射による硬化の２種の硬化に対応する液晶化合物を含んでいるため、加熱を行うのみでは完全には硬化されない。

次に、工程Ｓ７は、組成物層１８ｃの上に開始剤供給層４６を形成する工程である。
開始剤供給層４６は、次の工程Ｓ８で光硬化（重合）を行わせるための開始剤を含む層である。
開始剤供給層４６の材料としては、組成物層１８ｃ中の液晶化合物を光硬化させるための重合開始剤を含んでいればよい。
開始剤供給層４６の塗布方法は、インクジェットおよびスクロール印刷等の印刷法、ならびに、スピンコート、バーコートおよびスプレー塗布等のシート状物に液体を一様に塗布できる公知の方法が全て利用可能である。
また、開始剤供給層４６の厚みは限定はない。

工程Ｓ８は、組成物層１８ｃを露光して光硬化する工程である。ここで、工程Ｓ８において、グラデーションマスクＭＫを介して露光を行う。グラデーションマスクＭＫは、露光する光（紫外線）の透過率が面内で変化しているマスクである。グラデーションマスクＭＫを介して露光を行うことで組成物層１８ｃに照射される光量が位置によって変わる。

例えば、グラデーションマスクＭＫは、配向膜２４に形成された配向パターンにおいて光学軸が回転する一方向に対応する方向に沿って、すなわち、光学軸が回転する一方向に沿って、一方の側から他方の側に向かって透過率が低くなる構成を有する。
このようなグラデーションマスクＭＫを用いて露光を行うと、光学軸が回転する一方向の、他方の側（図１５のＳ８の左側）では、組成物層１８ｃは十分な光が照射され露光されるため液晶組成物の光硬化が進む。一方、一方の側（図１５のＳ８の右側）では、グラデーションマスクＭＫによって組成物層１８ｃに照射される光量が少なくなるため、十分に露光されず液晶組成物が十分に光硬化されない。

次に、工程Ｓ１０は、工程Ｓ９で露光した組成物層１８ｃを焼成する工程である。
ここで、組成物層１８ｃは、他方の側では光硬化が進んでいるが、一方の側では光硬化が十分ではない。そのため、焼成すると、光硬化が進んでいる領域では状態の変化は生じないが、光硬化が進んでいない領域では液晶化合物が動いて配向が乱れる。前述のとおり、液晶化合物の配向が乱れた領域では厚さ方向レターデーションＲｔｈが低くなる。そのため、焼成された組成物層１８ｃ（光学異方性層１８）の厚さ方向レターでションＲｔｈは、光学軸が回転する一方向に沿って変化する構成となる。
これによって、光学異方性層１８は、光学軸が回転する一方向において、回折効率を変化させることができる。

なお、上述の厚さ方向レターデーションＲｔｈが変化する光学異方性層の形成方法では、工程Ｓ６では液晶組成物を熱硬化させ、工程Ｓ９では液晶組成物を光硬化させる構成としたがこれに限定はされず、それぞれ重合条件の異なる２種の硬化を実施すればよい。例えば、一回目の硬化で光硬化させて、二回目の硬化で一回目とは異なる反応性基による光硬化を行う構成としてもよい。

上述の本発明の液晶回折素子は、いずれの液晶回折素子も、光学異方性層の液晶配向パターンにおける液晶化合物３０の光学軸３０Ａは、矢印Ｘ方向のみに沿って、連続して回転している。
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の光学軸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。

本発明の液晶回折素子は、光学装置における光路変更部材、光集光素子、所定方向への光拡散素子、回折素子等、鏡面反射ではない角度で光を反射する、各種の用途に利用可能である。

以上の例は、本発明の液晶回折素子を、可視光を反射する液晶回折素子に利用したものであるが、本発明は、これに限定はされず、各種の構成が利用可能である。
例えば、本発明の液晶回折素子は、赤外線または紫外線とを反射する構成でもよく、可視光以外の光のみを反射する構成でもよい。

以上、本発明の液晶回折素子および導光素子について詳細に説明したが、本発明は上述の例に限定はされず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変更を行ってもよいのは、もちろんである。

以下に実施例を挙げて本発明の特徴をさらに具体的に説明する。以下の実施例に示す材料、試薬、使用量、物質量、割合、処理内容、および、処理手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更することができる。したがって、本発明の範囲は以下に示す具体例により限定的に解釈されるべきものではない。

＜回折素子１の作製＞
（配向膜の形成）
支持体としてガラス基材を用い、ガラス基材上に下記の配向膜形成用塗布液を塗布した。塗布はスピンコータを用い、２５００ｒｐｍにて塗布した。
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。

配向膜形成用塗布液
――――――――――――――――――――――――――――――――――
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－

次に、図３に示すような露光装置を用いて、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、レーザとして波長（３２５ｎｍ）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３００ｍＪ／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（光学軸が１８０°回転する長さ）Λは０．４４μｍとなるように、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１の形成）
光学異方性層１を形成する液晶組成物として、下記の組成物ＬＣ－１を調製した。

組成物ＬＣ－１
――――――――――――――――――――――――――――――――――
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
キラル剤Ｃｈ－１ ５．２０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 ２５５．００質量部
――――――――――――――――――――――――――――――――――

－棒状液晶化合物Ｌ－１－

－キラル剤Ｃｈ－１－

－レベリング剤Ｔ－１－

調製した組成物ＬＣ－１を配向膜Ｐ－１上に塗布し、組成物層を形成した。塗布はスピンコータを用いて、８００ｒｐｍで塗布した。
組成物層を有する支持体をホットプレート上で８０℃にて３分間加熱し、その後さらに８０℃にて、窒素雰囲気下で高圧水銀灯を用いて波長３６５ｎｍの紫外線を３００ｍＪ／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、光学異方性層１を形成した。光学異方性層１の厚みは４μｍとなるように作製した。
以上により、回折素子１を作製した。

［実施例１］
＜液晶回折素子の作製＞
支持体および配向膜は回折素子１と同様とした。

（光学異方性層２の形成）
光学異方性層２を形成する液晶組成物として、下記の組成物ＬＣ－２を調製した。

組成物ＬＣ－２
――――――――――――――――――――――――――――――――――
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
キラル剤Ｃｈ－１ ５．２０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 １５７２．００質量部
――――――――――――――――――――――――――――――――――

光学異方性層２は多層塗布することによって形成した。すなわち、図１４に示すように、配向膜の上に液晶組成物を塗布し、加熱後に紫外線硬化を行って１層目の組成物層（以下、液晶固定化層という）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、紫外線硬化を行うことを繰り返して光学異方性層２を形成した。光学異方性層２を多層塗布により形成することにより、光学異方性層２の総厚が厚くなった時でも配向膜の配向パターンが光学異方性層２の下面から上面にわたって反映される。

まず、配向膜Ｐ－１の上に組成物ＬＣ－２を塗布し、組成物層を形成した。塗布はスピンコータを用いて、１０００ｒｐｍで塗布した。組成物層を有する支持体をホットプレート上で８０℃にて３分間加熱し、その後さらに８０℃にて、窒素雰囲気下で高圧水銀灯を用いて波長３６５ｎｍの紫外線を２４０ｍＪ／ｃｍ²の照射量で塗膜に照射した。ここで、紫外線の照射の際には、組成物層の上（組成物層と光源との間）にグラデーションマスクＭＫ－１を配置して、位置に応じて照射量を変えた。グラデーションマスクＭＫ－１の露光位置と光学濃度との関係は図１６に示すとおりである。また、このグラデーションマスクＭＫ－１を介して組成物層に照射された紫外線の照射量は、図１７に示すとおりである。

次に、１層目の液晶固定化層の上に組成物ＬＣ－２を塗布し、１層目と同じ条件で加熱および紫外線の照射を行って２層目の液晶固定化層を形成した。
同様に、２層目の液晶固定化層の上に組成物ＬＣ－２を塗布し、１層目と同じ条件で加熱および紫外線の照射を行って３層目の液晶固定化層を形成した。
４層目は、３層目の液晶固定化層の上に組成物ＬＣ－２を塗布し、１層目と同じ条件で加熱した後に、グラデーションマスクＭＫ－１を介さずに紫外線照射を行って液晶固定化層を形成した。
以上の工程によって、光学異方性層２を有する液晶回折素子を作製した。
光学異方性層２の膜厚の分布を測定したところ、図１８に示す膜厚分布であった。一方の端部における膜厚は約０．４μｍで、他方の端部における膜厚は約１μｍであった。
また、光学異方性層２の回折効率の分布をレーザー光の入射位置が指定の位置になるようにサンプル位置を調整しながら上述のようにして測定したところ、図１９に示す分布であった。すなわち、光学異方性層２は、光学軸が回転する一方向において、一方の側から他方の側に向かうにしたがって回折効率が高くなる構成を有する。

［比較例１］
光学異方性層の形成において１～４層目の露光工程の際にいずれもグラデーションマスクを介さずに５００ｍＪ／ｃｍ²の照射量で露光し、光学異方性層３を形成した以外は実施例１と同様にして液晶光学素子を作製した。
光学異方性層３の膜厚は全域で４μｍで一定であった。また、光学異方性層３の回折効率の分布を測定したところ、図１９に示す分布であった。すなわち、光学異方性層３の回折効率は全域で一定であった（３５％）。

［評価］
（出射光強度分布）
図２０に示すように、上記で作製した回折素子および液晶回折素子を導光板４４の表面に配置して導光素子を作製した。図２０中、回折素子は導光板４４の一方の端部の表面（ＤＯＥ－１の位置）に配置し、液晶回折素子は導光板の他方の端部の表面（ＤＯＥ－２の位置）に配置した。
導光板４４としては、屈折率１．５、厚さ１ｍｍ、ガラス製の導光板を用いた。
また、回折素子および液晶回折素子はガラス基材から剥離して用いた。回折素子および液晶回折素子と導光板４４とは、感熱性接着剤を用いて接着した。
また、回折素子と液晶回折素子とは、液晶配向パターンの面内周期の方向が、互いに逆平行となるように配置した。

図２０に示すように、導光板４４の回折素子が配置された側の端部の、回折素子が配置された面とは反対側の面に対面してレーザを配置し、レーザと導光板４４との間に直線偏光子１００およびλ／４板１０２を配置した。
一方、導光板４４の液晶回折素子が配置された側の端部の、液晶回折素子が配置された面とは反対側の面に対面して遮光板１０４を配置した。遮光板１０４には直径２ｍｍのピンホール１０４ａが形成されている。

レーザから光を出射すると、直線偏光子１００およびλ／４板１０２を通過することで右円偏光となって導光板４４に入射する。導光板４４に入射した光はＤＯＥ－１の回折格子に入射する。
ＤＯＥ－１の回折格子の回折作用および選択反射作用により、反射回折された回折光は導光板４４内を伝播する。導光板４４内を伝播した光はＤＯＥ－２の液晶回折素子に回折、反射されて遮光板１０４の方向に出射される。

導光板４４から出射された光の強度（出射光強度）を遮光板１０４のピンホール１０４ａを介して測定した。ピンホール１０４ａの位置を変えることで、ＤＯＥ－２の液晶回折素子の位置ごとに出射光強度を測定した。出射光強度は、ニューポート社製パワーメータ１９１８－Ｃを用いて測定した。各位置における入射光強度に対する出射光強度の比を図２１に示す。また、実施例１および比較例１の作製条件を表１に示す。

図２１に示すとおり、回折効率が面内で一定の比較例１は、出射光の強度が位置によって変わっており不均一になってしまうことがわかる。一方、本発明の実施例１は、光学軸が回転する一方向において、一方の側から他方の側に向かうにしたがって回折効率が高くなる構成を有するため、出射光の強度が位置によらず一定であり、均一になることがわかる。

［実施例２］
＜液晶回折素子の作製＞
支持体および配向膜は回折素子１と同様とした。

（光学異方性層４の形成）
光学異方性層４を形成する液晶組成物として、下記の組成物ＬＣ－３を調製後、孔径０．２μｍのポリプロピレン製フィルタでろ過して、光学異方性層用塗布液ＬＣ－３として用いた。

組成物ＬＣ－３
――――――――――――――――――――――――――――――――――
棒状液晶化合物ＬＣ－２－１ １００．００質量部
カチオン系光重合開始剤
(Ｃｙｒａｃｕｒｅ ＵＶＩ６９７４、ダウ・ケミカル社製) ２．００質量部
水平配向剤ＬＣ－１－２ ０．０６質量部
キラル剤Ｃｈ－１ ５．００質量部
メチルエチルケトン ２４９．８質量部
――――――――――――――――――――――――――――――――――

－棒状液晶化合物ＬＣ－２－１－

ＬＣ－２－１は２つの反応性基を有する液晶化合物であり、２つの反応性基の片方はラジカル性の反応性基であるメタクリル基、他方はカチオン性の反応性基であるオキセタン基である。

（透明樹脂層用塗布液ＣＬ－１の調製）
下記の組成物を調製後、孔径０．２μｍのポリプロピレン製フィルタでろ過して、透明樹脂層用塗布液ＣＬ－１として用いた。
Ｂ－４はベンジルメタクリレートとメタクリル酸の共重合体で共重合組成比（モル比）＝７２．０／２８．０、重量平均分子量＝３．８万である。

組成物ＣＬ－１
――――――――――――――――――――――――――――――――――
バインダー（Ｂ－４） １１．５７質量部
ＮＫエステルＡ－ＢＰＥ－１０(新中村化学工業（株）製)１．３０質量部
ラジカル光重合開始剤（ＲＰＩ－１） ０．１２質量部
ハイドロキノンモノメチルエーテル ０．００２質量部
メガファックＦ－１７６ＰＦ（大日本インキ化学工業（株）製）
０．０５質量部
メチルエチルケトン ８６．９６質量部
――――――――――――――――――――――――――――――――――

配向膜Ｐ－１上に、光学異方性層用塗布液ＬＣ－３を塗布、膜面温度９０℃で２分間乾燥して液晶相状態とした後、空気下にて１６０Ｗ／ｃｍの空冷メタルハライドランプ（アイグラフィックス（株）製）を用いて紫外線を照射してその配向状態を固定化して厚さ１．５μｍの光学異方性層を形成した。この際、用いた紫外線の照度はＵＶ－Ｂ領域（波長２８０ｎｍ～３２０ｎｍの積算）において５０ｍＷ／ｃｍ²、照射量はＵＶ－Ｂ領域において１２０ｍＪ／ｃｍ²であった。

さらに、その上に透明樹脂層用塗布液ＣＬ－１を塗布、乾燥して１．２μｍの透明樹脂層を形成した。この透明樹脂層は開始剤供給層に相当する。

次に、透明樹脂層の上にグラデーションマスクＭＫ－２配置して、グラデーションマスクＭＫ－２を介して露光を行った。空冷メタルハライドランプ（アイグラフィックス（株）製）を用い、照射量の設定は８０ｍＪ／ｃｍ²として紫外線を照射した。グラデーションマスクＭＫ－２の露光位置と光学濃度との関係は図１６に示すとおりである。また、このグラデーションマスクＭＫ－２を介して組成物層に照射された紫外線の照射量は、図１７に示すとおりである。
その後、２３０℃のクリーンオーブンで１時間のベークを行った。
以上の工程によって、光学異方性層４を有する液晶回折素子を作製した。
実施例２の作製条件を表２に示す。

光学異方性層４の斜めレターデーションＲｅ（４０）の分布を測定したところ図２２に示す分布であった。Ｒｅ（４０）の分布はＡｘｏｍｅｔｒｉｃｓ社製 「Ａｘｏｓｃａｎ」によって測定した。

［評価］
（出射光強度分布）
実施例２で作製した液晶回折素子をＤＯＥ－２の位置に配置して先と同様に出射光強度分布を測定した。
結果を図２３に示す。

図２３から、本発明の実施例２は、光学軸が回転する一方向において、一方の側から他方の側に向かうにしたがって回折効率が高くなる構成を有するため、出射光の強度が位置によらず一定であり、均一になることがわかる。

ＡＲグラスの導光板に光を入射および出射させる回折素子など、光学装置において光を反射する各種の用途に好適に利用可能である。

１０、１２ 液晶回折素子
１６、１８ 光学異方性層
１８ａ～１８ｄ 組成物層
２０ 支持体
２４ 配向膜
３０ 液晶化合物
３０Ａ 光学軸
４０ ディスプレイ（画像表示装置）
４２ 回折素子
４４ 導光板
４５、４５ｂ 導光素子
５０、５０ｂ ＡＲ表示デバイス
６０ 露光装置
６２ レーザ
６４ 光源
６８ ビームスプリッター
７０Ａ，７０Ｂ ミラー
７２Ａ，７２Ｂ λ／４板
１００ 直線偏光子
１０２ λ／４板
１０４ 遮光板
１０４ａ ピンホール
１１０ ダブプリズム
１１２ 直線偏光子
１１４ λ／４板
Ｍ レーザ光
ＭＡ，ＭＢ 光線
Ｐ_O 直線偏光
Ｐ_R 右円偏光
Ｐ_L 左円偏光
α 交差角
Ｑ 絶対位相
Ｅ 等位相面
Ｌ₁、Ｌ₄ 入射光
Ｌ₂、Ｌ₅ 反射光
Ｒ_R 赤色光の右円偏光
ＭＫ グラデーションマスク
Ｉ₀～Ｉ₃ 導光板内を伝播する光
Ｐ₁～Ｐ₄ 位置
Ｒ₁～Ｒ₄ 光

Claims (8)

1. 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を有し、
   前記光学異方性層は、前記液晶化合物由来の光学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ている液晶配向パターンを有し、
   前記光学異方性層の厚さが面内で一定であり、
   前記光学異方性層は、前記一方向の、一方の側から他方の側に向かうにしたがって厚さ方向レターデーションＲｔｈが高くなることで、回折効率が高くなる液晶回折素子。
2. 前記光学異方性層は、前記液晶化合物由来の光学軸の向きが面内の一方向に沿って連続的に回転している液晶配向パターンを有する請求項１に記載の液晶回折素子。
3. 前記光学異方性層は、前記一方向の、一方の側から他方の側に向かうにしたがって連続的に回折効率が高くなる請求項１または２に記載の液晶回折素子。
4. 前記光学異方性層は、前記一方向の、一方の側から他方の側に向かうにしたがって段階的に回折効率が高くなる請求項１または２に記載の液晶回折素子。
5. 前記光学異方性層において、前記液晶化合物はコレステリック配向されている請求項１～４のいずれか一項に記載の液晶回折素子。
6. 前記液晶化合物がラジカル反応性基とカチオン反応性基とをそれぞれ少なくとも１つ有する請求項１～５のいずれか一項に記載の液晶回折素子。
7. 導光板と、
   前記導光板の表面に配置される、請求項１～６のいずれか一項に記載の液晶回折素子と、を有し、
   前記液晶回折素子は、前記導光板内における光の進行方向に向かって、前記光学異方性層の回折効率が高くなるように配置されている導光素子。
8. 請求項７に記載の導光素子と、画像表示装置とを有するＡＲ表示デバイス。

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