JP7232887B2 - 光学素子、導光素子および画像表示装置 - 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。
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7参照)。
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。
コレステリック液晶層は、反射に波長選択性を有し、かつ、特定の旋回方向の円偏光のみを反射する。すなわち、コレステリック液晶層は、例えば、赤色光の右円偏光のみを反射し、それ以外の光を透過する。
このようなコレステリック液晶層を利用することにより、例えば、スクリーンを介した向こう側が視認できる、透明な投影用スクリーンが実現できる。
そのため、コレステリック液晶層の応用範囲は、制限されてしまう。
この反射構造体は、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ている。また、この反射構造体は、所定方向に交差すると共に、光が入射する第1入射面と、この所定方向に交差すると共に、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む。また、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、この複数の構造単位は、螺旋状に旋回して積み重ねられた複数の要素を含む。また、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、かつ、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いる。さらに、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端部を含むものであり、かつ、第1入射面に対して非平行となっている。
そのため、特許文献3に記載される反射構造体は、鏡面反射ではなく、入射した光を、鏡面反射に対して所定の方向に角度を持たせて反射する。例えば、特許文献3に記載されるコレステリック液晶層によれば、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、法線方向に対して角度を有して反射する。
その結果、特許文献3によれば、コレステリック液晶層を利用する反射構造体の応用範囲を拡張できる。
そのため、特許文献3に記載されるコレステリック液晶層は、鏡面反射に対して所定の方向に角度を持たせて反射するため、ブルーシフト(短波シフト)の影響により、反射角度が大きくなると反射光の光量が低下する問題があることがわかった。
特に、特許文献3に記載されるような、レンズ機能を有する反射素子の場合、光の入射位置によって反射角度が異なるため、素子面内の入射位置によって反射光量に差が生じる。すなわち、素子面内の入射位置によって、反射した光が暗くなる領域が生じる。
[1] コレステリック液晶相を固定してなるパターンコレステリック液晶層を備え、
パターンコレステリック液晶層は、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ながら変化している液晶配向パターンを有し、
かつ、パターンコレステリック液晶層における螺旋構造のピッチが面内で異なる領域を有する、光学素子。
[2] パターンコレステリック液晶層は、一方向の、一方の側から他方の側に向かうにしたがって螺旋構造のピッチが長くなる、[1]に記載の光学素子。
[3] コレステリック液晶層を、複数層、備えた光学素子であって、コレステリック液晶層における螺旋構造の捩れ方向が互いに異なるコレステリック液晶層を有しており、
コレステリック液晶層のうち少なくとも1層はパターンコレステリック液晶層である[1]または[2]に記載の光学素子。
[4] 螺旋構造の捩れ方向が互いに異なるパターンコレステリック液晶層を有し、
螺旋構造の捩れ方向が互いに異なるパターンコレステリック液晶層は、液晶配向パターンにおける液晶化合物由来の光学軸の向きの連続的な回転方向が、互いに異なる、[3]に記載の光学素子。
[5] 螺旋構造の捩れ方向が互いに異なるコレステリック液晶層は、選択反射中心波長が同じである、[3]または[4]に記載の光学素子。
[6] パターンコレステリック液晶層を、複数、備えた光学素子であって、パターンコレステリック液晶層における螺旋構造の捩れ方向が互いに同一であるパターンコレステリック液晶層を有する、[1]~[5]のいずれかに記載の光学素子。
[7] 螺旋構造の捩れ方向が互いに同一であるパターンコレステリック液晶層を有し、
螺旋構造の捩れ方向が互いに同一であるパターンコレステリック液晶層は、液晶配向パターンにおける液晶化合物由来の光学軸の向きの連続的な回転方向が、互いに同一である、[6]に記載の光学素子。
[8] 螺旋構造の捩れ方向が互いに同一であるパターンコレステリック液晶層は、傾斜面ピッチが互いに異なる、[6]または[7]に記載の光学素子。
[9] 液晶化合物由来の光学軸の向きが面内で180°回転する長さを1周期とした際に、1周期の長さが50μm以下である、[1]~[8]のいずれかに記載の光学素子。
[10] 1周期の長さが1μm以下である、[9]に記載の光学素子。
[11] 導光板と、
導光板の表面に配置される、[1]~[10]のいずれかに記載の光学素子と、を有し、
光学素子は、導光板内における光の進行方向に向かって、パターンコレステリック液晶層の螺旋構造の螺旋ピッチが漸次変化するように配置されている導光素子。
[12] 導光板と、
導光板の表面に配置され、光を回折して導光板内に入射させる第一回折素子と、
導光板内を伝播した光を回折して導光板の外部に出射させる第三回折素子と、
導光板内で、第一回折素子の位置から伝播した光を、第三回折素子の方向に回折する第二回折素子と、を有し、
第二回折素子および第三回折素子の少なくとも一方が[1]~[10]のいずれかに記載の光学素子である導光素子。
[13] 第二回折素子および第三回折素子が[1]~[10]のいずれかに記載の光学素子である[12]に記載の導光素子。
[14] 第一回折素子、第二回折素子および第三回折素子が、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するコレステリック液晶層であり、
第一回折素子、第二回折素子および第三回折素子それぞれにおける液晶配向パターンの1周期の長さをそれぞれΛ1、Λ2およびΛ3とすると、
Λ2<Λ1、および、Λ2<Λ3を満たす[12]または[13]に記載の導光素子。
[15] [11]~[14]のいずれかに記載の導光素子と、導光素子に画像を照射する表示素子とを有する画像表示装置。
[16] 表示素子が円偏光を出射する[15]に記載の画像表示装置。
[17] コレステリック液晶相を固定してなるパターンコレステリック液晶層を備え、
パターンコレステリック液晶層は、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ながら変化している液晶配向パターンを有し、
かつ、パターンコレステリック液晶層における螺旋構造のピッチが面内で異なる領域を有し、
液晶化合物由来の光学軸の向きが面内で180°回転する長さを1周期とした際に、1周期の長さが異なる領域を有する光学素子。
[18] パターンコレステリック液晶層は、液晶配向パターンにおける1周期の長さが異なる複数の領域が、1周期の長さの順に配列しており、
かつ、螺旋構造のピッチが異なる複数の領域が、螺旋構造のピッチの長さの順に配列しており、
1周期の長さの順列の方向と螺旋構造のピッチの長さの順列の方向が異なる、[17]に記載の光学素子。
[19] パターンコレステリック液晶層は、液晶配向パターンにおける液晶化合物由来の光学軸の向きが連続的に回転しながら変化する一方向の、一方の側から他方の側に向かって、液晶配向パターンの1周期が、漸次、短くなる、[17]または[18]に記載の光学素子。
[20] 液晶配向パターンが、液晶化合物由来の光学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、[17]~[19]のいずれかに記載の光学素子。
[21] コレステリック液晶層を、複数層、備えた光学素子であって、コレステリック液晶層における螺旋構造の捩れ方向が互いに異なるコレステリック液晶層を有しており、
コレステリック液晶層のうち少なくとも1層はパターンコレステリック液晶層である[17]~[20]のいずれかに記載の光学素子。
[22] 螺旋構造の捩れ方向が互いに異なるパターンコレステリック液晶層を有し、
螺旋構造の捩れ方向が互いに異なるパターンコレステリック液晶層は、液晶配向パターンにおける液晶化合物由来の光学軸の向きの連続的な回転方向が、互いに異なる、[21]に記載の光学素子。
[23] 螺旋構造の捩れ方向が互いに異なるコレステリック液晶層は、選択反射中心波長が同じである、[21]または[22]に記載の光学素子。
[24] パターンコレステリック液晶層を、複数、備えた光学素子であって、パターンコレステリック液晶層における螺旋構造の捩れ方向が互いに同一であるパターンコレステリック液晶層を有する、[17]~[23]のいずれかに記載の光学素子。
[25] 螺旋構造の捩れ方向が互いに同一であるパターンコレステリック液晶層を有し、
螺旋構造の捩れ方向が互いに同一であるパターンコレステリック液晶層は、液晶配向パターンにおける液晶化合物由来の光学軸の向きの連続的な回転方向が、互いに同一である、[24]に記載の光学素子。
[26] 螺旋構造の捩れ方向が互いに同一であるコレステリック液晶層は、傾斜面ピッチが互いに異なる、[24]または[25]に記載の光学素子。
[27] 液晶配向パターンにおける1周期の長さが50μm以下である、[17]~[26]のいずれかに記載の光学素子。
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、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。
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。
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。
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。
本発明の光学素子において、パターンコレステリック液晶層は、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ながら変化している液晶配向パターンを有する。ここで、液晶配向パターンの、光学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、光学軸の向きが180°回転する長さを1周期とする。また、パターンコレステリック液晶層における螺旋構造のピッチが面内で異なる領域を有する。
後に詳述するが、本発明の光学素子は、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光学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。
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、特定の波長の光を選択的に反射する光学素子で、第1反射層14を有する。
光学素子10において、第1反射層14は、支持体20と、配向膜24と、パターンコレステリック液晶層26と、を有する。
例えば、本発明の光学素子は、上述の構成から、第1反射層14の支持体20を剥離して、配向膜、パターンコレステリック液晶層のみで、または、パターンコレステリック液晶層のみで、本発明の光学素子を構成してもよい。
以上の点に関しては、後述する本発明の各態様の光学素子も、全て、同様である。
第1反射層14において、支持体20は、配向膜24およびパターンコレステリック液晶層26を支持するものである。
なお、支持体20は、対応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。
単層である場合の支持体20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、ポリオレフィン等からなる支持体20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。
第1反射層14において、支持体20の表面には配向膜24が形成される。配向膜24は、第1反射層14のパターンコレステリック液晶層26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、以下に示す配向膜に関する説明は、後述する反射部材に設けられる配向膜においても、同様である。従って、以下の説明では、他の配向膜とを区別する必要がない場合には、単に『配向膜』ともいう。また、反射層14およびパターンコレステリック液晶層26と、他のコレステリック液晶層とを区別する必要がない場合には、単に『コレステリック液晶層』とも言う。
また、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Λ(光学軸の回転周期)とする。
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。
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。
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は直線偏光P0を出射する。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、パターンコレステリック液晶層26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。
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、パターン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。
第1反射層14において、配向膜24の表面には、パターンコレステリック液晶層26が形成される。
パターンコレステリック液晶層26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、パターンコレステリック液晶層における螺旋構造のピッチが面内で異なる領域を有する。
なお、図2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、パターンコレステリック液晶層26は、配向膜の表面の液晶化合物30(液晶化合物分子)のみを概念的に示している。しかしながら、パターンコレステリック液晶層26は、図1に概念的に示すように、通常のコレステリック液晶相を固定してなるコレステリック液晶層と同様に、液晶化合物30が螺旋状に旋回して積み重ねられた螺旋構造を有し、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、積層された構造を有する。
例えば、パターンコレステリック液晶層26は、緑色の波長領域に選択反射中心波長を有するコレステリック液晶層である場合には、緑色光の右円偏光GRを反射して、それ以外の光を透過する。
ここで、パターンコレステリック液晶層26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、パターンコレステリック液晶層26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。
コレステリック液晶相は、特定の波長において選択反射性を示すことが知られている。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、コレステリック液晶層の形成の際、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。
従って、図示例の光学素子10においては、コレステリック液晶層は、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、コレステリック液晶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。
反射波長領域の半値幅は、光学素子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層(パターンコレステリック液晶層を含む)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、コレステリック液晶層において、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。
また、コレステリック液晶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。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。
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。
コレステリック液晶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、シリコー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。
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。
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。
本発明において、キラル剤として光反応型カイラル剤を用いるのが好ましい。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。
一般式(I)
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。
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。
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。
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。
すなわち、配向膜上にコレステリック液晶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コレステリック液晶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。
本発明の光学素子10において、パターンコレステリック液晶層は、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、パターンコレステリック液晶層の面内において、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。
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(=各層(膜)の積層方向)から見た図である。
また、前述のとおり、図2では、本発明の光学素子10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。
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、および後述する図3では、Y方向は、紙面に直交する方向となる。
また、パターンコレステリック液晶層26を形成する液晶化合物30は、パターンコレステリック液晶層26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。図示例においては、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。
言い換えれば、パターンコレステリック液晶層26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。
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。
本発明の光学素子10において、パターンコレステリック液晶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コレステリック液晶層は、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パターンコレステリック液晶層26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、パターンコレステリック液晶層26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3を参照して説明する。
従って、第1反射層14に光が入射すると、パターンコレステリック液晶層26は、緑色光の右円偏光GRのみを反射し、それ以外の光を透過する。
ここで、パターンコレステリック液晶層26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、入射した緑色光の右円偏光GRの絶対位相の変化量が異なる。
さらに、パターンコレステリック液晶層26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、パターンコレステリック液晶層26に入射した緑色光の右円偏光GRには、図3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。
これによりパターンコレステリック液晶層26では、緑色光の右円偏光GR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、緑色光の右円偏光GR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、反射された緑色光の右円偏光GRは、XY面(パターンコレステリック液晶層26の主面)に対して矢印X方向に傾いた方向に反射される。
一方、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パターンコレステリック液晶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。
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反射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反射させる必要がある。
また、前述のように、パターンコレステリック液晶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。
なお、液晶配向パターンの精度等を考慮すると、パターンコレステリック液晶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。
また、本発明の光学素子は、図1に概念的に示すように、パターンコレステリック液晶層における螺旋構造のピッチが面内で異なる領域を有する。
具体的には、図1においてパターンコレステリック液晶層26は、図1中右側の領域における螺旋ピッチPT1が、図1中左側の領域における螺旋ピッチPT2よりも長く、図1中左側の領域から右側の領域に向かうにしたがって螺旋ピッチが長くなる構成を有する。
なお、螺旋ピッチは液晶化合物が螺旋状に1回転(360°回転)する距離であるが、図1においては簡略化して、半回転(180°回転)する距離をPT1およびPT2として示している。
例えば、本発明の光学素子をAR表示デバイスなどに用いられる導光素子の回折素子として用いる場合に、パターンコレステリック液晶層において、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螺旋ピッチが長くなる構成とすることで、図5に示すように、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することができる。
このように、パターンコレステリック液晶層を、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回折効率が高くなる構成とすることで、AR表示デバイスなどに用いられる導光素子において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。
例えば、図3であれば、液晶化合物由来の光軸の向きが一方向に向かって回転する液晶配向パターンを有し、さらに、螺旋構造のピッチが面内で異なる領域を有するパターンコレステリック液晶層において、反射する円偏光の方向(螺旋構造のセンス)が互いに異なる光学異方性層を積層して用いてもよい。
このように、反射する円偏光の方向(螺旋構造のセンス)が異なるパターンコレステリック液晶層をさらに有することにより、様々な偏光状態の入射光に対し、効率的に入射光を反射することができる。
このように、選択反射中心波長が同じで、反射する円偏光の方向が異なるパターンコレステリック液晶層を有することにより、特定の光の反射率を向上する。
例えば、緑色光の右円偏光を反射するパターンコレステリック液晶層26における液晶化合物30の光学軸30Aの回転方向が、図2に示すように時計回りである場合には、緑色光の左円偏光を反射する第2のパターンコレステリック液晶層における液晶化合物30の光学軸30Aの回転方向は、反時計回りであるのが好ましい。
これに対して、選択反射中心波長が同じで、反射する円偏光の方向が異なるパターンコレステリック液晶層において、液晶配向パターンにおける液晶化合物30の光学軸30Aの回転方向を互いに逆にすることにより、右円偏光を反射するパターンコレステリック液晶層と、左円偏光を反射するパターンコレステリック液晶層とで、円偏光の反射方向(回折方向)を、同一にできる。
ここで、光学素子の光反射量の点では、パターンコレステリック液晶層の組み合わせを構成するパターンコレステリック液晶層は、選択的な反射波長領域の重複領域が広い方が好ましい。具体的には、パターンコレステリック液晶層の組み合わせを構成するパターンコレステリック液晶層は、半値透過率の2つの波長間帯域をΔλhとしたとき、選択反射中心波長の差が0.8×Δλhnm以下であるのが好ましく、0.6×Δλhnm以下であるのがより好ましく、0.4×Δλhnm以下であるのがさらに好ましく、選択反射中心波長が一致しているのが特に好ましく、選択的な反射波長領域が一致する同じパターンコレステリック液晶層であるのが中でも特に好ましい。
なお、2層のパターンコレステリック液晶層の半値透過率の2つの波長間帯域が異なる場合は、両者の平均値をΔλhとして用いる。
ここで、パターンコレステリック液晶層の組み合わせを構成するパターンコレステリック液晶層は、液晶配向パターンにおける1周期Λの長さの差は、小さい方が好ましい。前述のように、1周期Λの長さが短いほど、入射光に対する反射角度が大きくなる。従って、1周期Λの長さの差が小さいほど、パターンコレステリック液晶層の組み合わせを構成するパターンコレステリック液晶層による光の反射方向を近くできる。パターンコレステリック液晶層の組み合わせを構成するパターンコレステリック液晶層は、液晶配向パターンにおける1周期Λの長さの差が20%以下であるのが好ましく、10%以下であるのがより好ましく、1周期Λが一致するのがさらに好ましい。
例えば、図3であれば、液晶化合物由来の光軸の向きが一方向に向かって回転する液晶配向パターンを有し、さらに、螺旋構造のピッチが面内で異なる領域を有するパターンコレステリック液晶層において、反射する円偏光の方向(螺旋構造のセンス)が互いに同一である光学異方性層を積層して用いてもよい。
このように、選択反射中心波長が異なり、かつ選択反射中心波長の少なくとも一部が重複し、反射する円偏光の方向が同じであるパターンコレステリック液晶層を有することにより、選択反射波長帯域を広くすることができる。選択反射波長帯域を広くすることにより、斜めに入射した光も効率的に反射することができ、ARグラス等のAR表示デバイスなどに用いられる導光素子の回折素子に用いた場合に、広い視野角範囲で効率的に光を反射することができる。
その結果、赤色光、緑色光および青色光によってフルカラー画像を表示する場合であっても、各波長における反射角度ズレを生じることなく導光板内を導光して、視野の広いフルカラー画像を表示できる。
パターンコレステリック液晶層において、螺旋ピッチが異なる領域を有する構成は、光の照射によって、戻り異性化、二量化、ならびに、異性化および二量化等を生じて、螺旋誘起力(HTP:Helical Twisting Power)が変化するカイラル剤を用い、パターンコレステリック液晶層を形成する液晶組成物の硬化前、または、液晶組成物の硬化時、カイラル剤のHTPを変化させる波長の光を、領域ごとに照射量を変えて照射することで、形成できる。
例えば、光の照射によってHTPが小さくなるカイラル剤を用いることにより、光の照射によってカイラル剤のHTPが低下する。ここで、領域ごとに光の照射量を変えることで、例えば、照射量が多い領域では、HTPが大きく低下し、螺旋の誘起が小さくなるので螺旋ピッチが長くなる。一方、照射量が少ない領域では、HTPの低下が小さく、カイラル剤が、本来、有するHTPで螺旋が誘起されるので、螺旋ピッチが短くなる。
なお、グラデーションマスクとは、照射する光に対する透過率が面内で変化しているマスクである。
本発明の導光素子は、上記光学素子と導光板とを有する。
本発明の画像表示装置は、AR(Augmented Reality(拡張現実))グラス等のAR表示デバイスとして好適に用いられるものであり、導光素子と表示素子とを有する。
図6に示すAR表示デバイス50は、ディスプレイ(表示素子)40と、導光素子45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6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光学素子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、光学素子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および光学素子10は、導光板44の同じ表面に配置されている。
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、体積ホログラム素子等の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。
また、回折素子42は反射型の回折素子に限定はされず、透過型の回折素子であってもよい。回折素子42が透過型の回折素子の場合、回折素子42は、導光板44の、ディスプレイ40に対向する面に配置される。
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、光学素子10の表面に垂直な方向をZ方向とする。Z方向は、光学素子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)、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)等を用いた方式が例示される。
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。
また、ディスプレイ40が出射する光は無偏光であっても、偏光であってもよいが、円偏光であるのが好ましい。ディスプレイ40が円偏光を出射するものとすることで、導光素子45は、ディスプレイ40が出射した光を効率よく導光することができる。
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、導光板44と光学素子10との界面で反射される。その際、光学素子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6に示す例では、光は光学素子10に対して斜め方向から入射し、光学素子10の表面に垂直方向へ反射される。
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。
具体的には、図6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光学素子10の位置に到達する。光学素子10の位置に到達した光I0は、入射側に近い領域(位置)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、光学素子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、光学素子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、光学素子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、光学素子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7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。
これにより、光学素子10は、パターンコレステリック液晶層の回折効率を、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高くなる構成とすることができ(図5参照)、導光素子45において、光学素子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することができる。すなわち、図6に示す例では、光学素子10のパターンコレステリック液晶層は、図6中、左から右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。
このように、光学素子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、光学素子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7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。
また、パターンコレステリック液晶層の回折効率は低い領域で0.5%~20%が好ましく、1%~10%がより好ましく、高い領域で20%~100%が好ましく、30%~95%がより好ましい。
光学素子10が、複数のパターンコレステリック液晶層を有する構成とする場合、あるいは、導光素子45が複数の光学素子10を有する構成として、複数のパターンコレステリック液晶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パターンコレステリック液晶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パターンコレステリック液晶層を有する構成とすることができる。これにより、光学素子(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層のパターンコレステリック液晶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パターンコレステリック液晶層と、赤色の左円偏光を反射するパターンコレステリック液晶層とを有する構成とすることができる。これにより、光学素子(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。
図8は、本発明の導光素子の他の一例を模式的に表す正面図であり、図9は、図8の上面図である。
第一回折素子、第二回折素子および第三回折素子それぞれの液晶配向パターンの1周期の長さが、Λ2<Λ1、および、Λ2<Λ3を満たすことで、好適に第一回折素子から第三回折素子まで光を伝搬でき、導光板から使用者Uへ適切に光を出射することができる。
しかしながら、本発明は、これに制限はされず、コレステリック液晶層において、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。
例えば、本発明の光学素子は、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。
以下、本発明の第二態様の光学素子について、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、「(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。
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。
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。
本発明の光学素子において、パターンコレステリック液晶層は、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ながら変化している液晶配向パターンを有する。ここで、液晶配向パターンの、光学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、光学軸の向きが180°回転する長さを1周期とする。また、パターンコレステリック液晶層における螺旋構造のピッチが面内で異なる領域を有する。さらに、液晶化合物由来の光学軸の向きが面内で180°回転する長さを1周期とした際に、1周期の長さが異なる領域を有する。
後に詳述するが、本発明の光学素子は、このような構造を有することにより、面内における反射光量の反射角度依存性が小さく、面内の異なる領域において入射した光を異なる角度に反射した場合、反射光を明るくすることができる。
図12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、特定の波長の光を選択的に反射する光学素子で、第1反射層14を有する。
光学素子10において、第1反射層14は、支持体20と、配向膜24と、パターンコレステリック液晶層26と、を有する。
例えば、本発明の光学素子は、上述の構成から、第1反射層14の支持体20を剥離して、配向膜、コレステリック液晶層のみで、または、コレステリック液晶層のみで、本発明の光学素子を構成してもよい。
以上の点に関しては、後述する本発明の各態様の光学素子も、全て、同様である。
第1反射層14において、支持体20は、配向膜24およびパターンコレステリック液晶層26を支持するものである。
なお、支持体20は、対応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。
単層である場合の支持体20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、ポリオレフィン等からなる支持体20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。
第1反射層14において、支持体20の表面には配向膜24が形成される。配向膜24は、第1反射層14のパターンコレステリック液晶層26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、以下に示す配向膜に関する説明は、後述する反射部材に設けられる配向膜においても、同様である。従って、以下の説明では、他の配向膜とを区別する必要がない場合には、単に『配向膜』ともいう。また、反射層14およびパターンコレステリック液晶層26と、他のコレステリック液晶層とを区別する必要がない場合には、単に『コレステリック液晶層』とも言う。
また、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Λ(光学軸の回転周期)とする。
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。
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。
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は直線偏光P0を出射する。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。すなわち、配向状態が周期的に変化する配向パターンを有する配向膜(以下、パターン配向膜ともいう)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パターン配向膜上に、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、パターンコレステリック液晶層26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。
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、パターン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。
第1反射層14において、配向膜24の表面には、パターンコレステリック液晶層26が形成される。
なお、図14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、パターンコレステリック液晶層26は、配向膜の表面の液晶化合物30(液晶化合物分子)のみを概念的に示している。しかしながら、パターンコレステリック液晶層26は、図13に概念的に示すように、通常のコレステリック液晶相を固定してなるコレステリック液晶層と同様に、液晶化合物30が螺旋状に旋回して積み重ねられた螺旋構造を有し、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、積層された構造を有する。
例えば、パターンコレステリック液晶層26は、緑色の波長領域に選択反射中心波長を有するコレステリック液晶層である場合には、緑色光の右円偏光GRを反射して、それ以外の光を透過する。
ここで、パターンコレステリック液晶層26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、パターンコレステリック液晶層26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。
コレステリック液晶相は、特定の波長において選択反射性を示すことが知られている。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、コレステリック液晶層の形成の際、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。
従って、図示例の光学素子10においては、コレステリック液晶層は、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、コレステリック液晶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。
反射波長領域の半値幅は、光学素子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層(パターンコレステリック液晶層を含む)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、コレステリック液晶層において、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。
また、コレステリック液晶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。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。
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。
コレステリック液晶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、シリコー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。
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。
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。
本発明において、キラル剤として光反応型カイラル剤を用いるのが好ましい。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。
一般式(I)
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。
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。
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。
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。
すなわち、配向膜上にコレステリック液晶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コレステリック液晶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。
本発明の光学素子10において、パターンコレステリック液晶層は、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、パターンコレステリック液晶層の面内において、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。
なお、平面図とは、図12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(=各層(膜)の積層方向)から見た図である。
また、前述のとおり、図14では、本発明の光学素子10の構成を明確に示すために、図12と同様、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。
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12、図13および後述する図15では、Y方向は、紙面に直交する方向となる。
また、パターンコレステリック液晶層26を形成する液晶化合物30は、パターンコレステリック液晶層26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。図示例においては、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。
言い換えれば、パターンコレステリック液晶層26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。
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14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。
本発明の光学素子10において、パターンコレステリック液晶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コレステリック液晶層は、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パターンコレステリック液晶層26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、パターンコレステリック液晶層26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15を参照して説明する。
従って、第1反射層14に光が入射すると、パターンコレステリック液晶層26は、緑色光の右円偏光GRのみを反射し、それ以外の光を透過する。
ここで、パターンコレステリック液晶層26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、入射した緑色光の右円偏光GRの絶対位相の変化量が異なる。
さらに、パターンコレステリック液晶層26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、パターンコレステリック液晶層26に入射した緑色光の右円偏光GRには、図15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。
これによりパターンコレステリック液晶層26では、緑色光の右円偏光GR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、緑色光の右円偏光GR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、反射された緑色光の右円偏光GRは、XY面(パターンコレステリック液晶層26の主面)に対して矢印X方向に傾いた方向に反射される。
一方、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パターンコレステリック液晶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。
以上の点については、後に詳述する。
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反射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反射させる必要がある。
また、前述のように、パターンコレステリック液晶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。
なお、液晶配向パターンの精度等を考慮すると、パターンコレステリック液晶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。
また、本発明の光学素子は、図12に概念的に示すように、パターンコレステリック液晶層における螺旋構造のピッチが面内で異なる領域を有する。
さらに、本発明の光学素子は、図12に概念的に示すように、パターンコレステリック液晶層における液晶配向パターンの1周期の長さΛが面内で異なる領域を有する。
なお、螺旋ピッチは液晶化合物が螺旋状に1回転(360°回転)する距離であるが、図12においては簡略化して、半回転(180°回転)する距離をPT0およびPT2として示している。
なお、図17においては、光学素子10の作用を明確に示すために、第1反射層14はパターンコレステリック液晶層26のみを示す。また、同様の理由で、光学素子10には、法線方向(正面)から光が入射したとする。
ここで、パターンコレステリック液晶層26は、前述のように、液晶化合物30に由来する光学軸30Aが、矢印X方向に向かって時計回りで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。
パターンコレステリック液晶層26による反射の角度は、領域A1の液晶配向パターンの1周期ΛA1よりも、領域A2の液晶配向パターンの1周期ΛA2が短いため、図17に示すように、入射光に対する反射の角度は、領域A2の反射光の角度θA2の方が領域A1の反射光の角度θA1よりも大きくなる。また、領域A1の液晶配向パターンの1周期ΛA1よりも、領域A0の液晶配向パターンの1周期ΛA0が長いため、図17に示すように、入射光に対する反射の角度は、領域A0の反射光の角度θA0の方が領域A1の反射光の角度θA1よりも小さくなる。
したがって、図17に示す例では、領域A1における反射光の光量は領域A0における反射光の光量よりも小さくなり、領域A2における反射光の光量は領域A1における反射光の光量よりも小さくなる。
図17に示す例では、パターンコレステリック液晶層26の領域A2の螺旋構造のピッチの長さPLA2は領域A1の螺旋構造のピッチの長さPLA1よりも大きく、また、領域A0の螺旋構造のピッチの長さPLA0は領域A1の螺旋構造のピッチの長さPLA1よりも短い。
これにより、選択反射する光の波長が短波長側に移動するブルーシフトの影響を低減して、反射光の反射角度が大きくなる領域での反射光の光量の低下を抑制することができる。具体的には、螺旋構造のピッチの長さを長くして、ブルーシフトした時の選択反射波長を入射する光の波長となるようにすることで、入射する光の波長における反射効率を高くすることができる。したがって、面内の入射位置によって、反射した光が暗くなる領域が生じることを抑制できる。
図17に示す例では、反射光の反射角度θA1が領域A0よりも大きい、すなわち、1周期の長さΛA1が領域A0での1周期の長さΛA0よりも短い領域A1での螺旋ピッチPLA1を領域A0螺旋ピッチPLA0よりも長くし、反射光の反射角度θA2が最も大きい、すなわち、1周期の長さΛA2が最も短い領域A2での螺旋ピッチPLA2を領域A0、領域A1の螺旋ピッチよりも長くして、領域A1、A2で反射された光の反射光量の低下を抑制して、面内の入射位置によって、反射した光の光量が均一になるようにすることができる。
すなわち、光学素子10では、パターンコレステリック液晶層による反射角度の大きさに応じて、面内における螺旋構造のピッチの長さを設定することで、入射光に対する反射光を明るくすることができる。
そのため、本発明の光学素子10によれば、面内における反射光量の反射角度依存性を小さくすることができる。
また、パターンコレステリック液晶層26の面内における螺旋構造のピッチの長さは、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の短い領域の方が1周期Λの大きい領域よりも、長い領域を有する。光学素子10では、一例として、図17にも示すように、パターンコレステリック液晶層26の領域A2における液晶配向パターンの1周期ΛA2が、領域A1における液晶配向パターンの1周期ΛA1よりも短く、螺旋構造のピッチの長さPLA2は長い。すなわち、パターンコレステリック液晶層26の領域A2方が、大きく光を反射させる。
従って、対象とする液晶配向パターンの1周期Λに対して、面内における螺旋構造のピッチの長さPLを設定することで、好適に、面内の異なる領域において異なる角度に反射した反射光を明るくすることができる。
そのため、本発明の光学素子においては、液晶配向パターンの1周期の長さが異なる領域において、1周期の長さの順列と螺旋構造のピッチの長さの順列が異なる領域を有することが好ましい。
しかしながら、本発明は、これに制限はされず、本発明の光学素子において、液晶配向パターンの1周期の長さが異なる領域において、1周期の長さの順列と螺旋構造のピッチの長さの順列が一致する領域を有していてもよい。本発明の光学素子において、螺旋構造のピッチの長さは、面内の液晶配向パターンの1周期Λに応じて、好ましい範囲を有しており、適宜、設定すればよい。
また、本発明の光学素子では、パターンコレステリック液晶層を2層以上有する場合には、反射する円偏光の方向(螺旋構造のセンス)が異なる、パターンコレステリック液晶層を有してもよい。
このように、反射する円偏光の方向(螺旋構造のセンス)が異なる反射コレステリック液晶層をさらに有することにより、様々な偏光状態の入射光に対し、効率的に入射光を反射することができる。
このように、選択反射中心波長が同じで、反射する円偏光の方向が異なるパターンコレステリック液晶層を有することにより、特定の光の反射率を向上する。
例えば、緑色光の右円偏光を反射するパターンコレステリック液晶層26における液晶化合物30の光学軸30Aの回転方向が、図14に示すように時計回りである場合には、緑色光の左円偏光を反射する第2のパターンコレステリック液晶層26bにおける液晶化合物30の光学軸30Aの回転方向は、反時計回りであるのが好ましい。
これに対して、選択反射中心波長が同じで、反射する円偏光の方向が異なるパターンコレステリック液晶層において、液晶配向パターンにおける液晶化合物30の光学軸30Aの回転方向を互いに逆にすることにより、右円偏光を反射するパターンコレステリック液晶層と、左円偏光を反射するパターンコレステリック液晶層とで、円偏光の反射方向を、同一にできる。
ここで、光学素子の光反射量の点では、パターンコレステリック液晶層の組み合わせを構成するパターンコレステリック液晶層は、選択的な反射波長領域の重複領域が広い方が好ましい。具体的には、パターンコレステリック液晶層の組み合わせを構成するパターンコレステリック液晶層は、半値透過率の2つの波長間帯域をΔλhとしたとき、選択反射中心波長の差が0.8×Δλhnm以下であるのが好ましく、0.6×Δλhnm以下であるのがより好ましく、0.4×Δλhnm以下であるのがさらに好ましく、選択反射中心波長が一致しているのが特に好ましく、選択的な反射波長領域が一致するパターンコレステリック液晶層であるのが中でも特に好ましい。
なお、2層のパターンコレステリック液晶層の半値透過率の2つの波長間帯域が異なる場合は、両者の平均値をΔλhとして用いる。
ここで、パターンコレステリック液晶層の組み合わせを構成するパターンコレステリック液晶層の領域ごとの、液晶配向パターンにおける1周期Λの長さの差は、小さい方が好ましい。前述のように、1周期Λの長さが短いほど、入射光に対する反射角度が大きくなる。従って、1周期Λの長さの差が小さいほど、パターンコレステリック液晶層の組み合わせを構成するパターンコレステリック液晶層の領域ごとの光の反射方向を近くできる。パターンコレステリック液晶層の組み合わせを構成するパターンコレステリック液晶層の各領域における、液晶配向パターンにおける1周期Λの長さの差が5%以下であるのが好ましく、3%以下であるのがより好ましく、1周期Λが一致するのがさらに好ましい。
例えば、図17であれば、液晶化合物由来の光軸の向きが一方向に向かって回転する液晶配向パターンを有し、さらに、螺旋構造のピッチが面内で異なる領域を有するパターンコレステリック液晶層において、反射する円偏光の方向(螺旋構造のセンス)が互いに同一である光学異方性層を積層して用いてもよい。
このように、選択反射中心波長が異なり、反射する円偏光の方向が同じであるパターンコレステリック液晶層を有することにより、選択反射波長帯域を広くすることができる。
パターンコレステリック液晶層において、螺旋ピッチが異なる領域を有する構成は、光の照射によって、戻り異性化、二量化、ならびに、異性化および二量化等を生じて、螺旋誘起力(HTP:Helical Twisting Power)が変化するカイラル剤を用い、パターンコレステリック液晶層を形成する液晶組成物の硬化前、または、液晶組成物の硬化時、カイラル剤のHTPを変化させる波長の光を、領域ごとに照射量を変えて照射することで、形成できる。
例えば、光の照射によってHTPが小さくなるカイラル剤を用いることにより、光の照射によってカイラル剤のHTPが低下する。ここで、領域ごとに光の照射量を変えることで、例えば、照射量が多い領域では、HTPが大きく低下し、螺旋の誘起が小さくなるので螺旋ピッチが長くなる。一方、照射量が少ない領域では、HTPの低下が小さく、カイラル剤が、本来、有するHTPで螺旋が誘起されるので、螺旋ピッチが短くなる。
なお、グラデーションマスクとは、照射する光に対する透過率が面内で変化しているマスクである。
しかしながら、本発明は、これに制限はされず、パターンコレステリック液晶層において、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。
あるいは、同心円状ではなく、液晶化合物30の光学軸の向きが連続的に回転しながら変化する一方向が、パターンコレステリック液晶層34の中心から放射状に設けられた液晶配向パターンも、利用可能である。
さらに、図19では、コレステリック液晶層34を1層のみ示すが、本発明の光学素子は、パターンコレステリック液晶層の組み合わせを有してもよいのは、前述のとおりである。また、好ましい構成および各種の態様は、前述の各種の実施形態と同様である。
パターンコレステリック液晶層34では、液晶化合物30の光学軸の向きは、パターンコレステリック液晶層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。
また、好ましい態様として、図19に示すようにパターンコレステリック液晶層34の中心から放射状に、同じ方向に回転しながら変化するものが挙げられる。図19で示す態様は、反時計回りの配向である。図19中の矢印A1、A2およびA3の各矢印において、光学軸の回転方向は、中心から外側に向かうにつれて反時計回りとなっている。
この液晶配向パターンを有するパターンコレステリック液晶層34に入射した円偏光は、液晶化合物30の光学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の光学軸の向きに応じて異なる。
すなわち、パターンコレステリック液晶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、凹面鏡または凸面鏡としての機能を発現する。
前述のように、入射方向に対する光の反射角度は、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、パターンコレステリック液晶層34の中心から、光学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、光を、より集束でき、凹面鏡としての性能を、向上できる。
これに対して、本発明の光学素子は、パターンコレステリック液晶層が螺旋構造のピッチが異なる領域を有する。図19に示す例では、パターンコレステリック液晶層34は、中心から光学軸が連続的に回転する1方向の外方向に向かって、螺旋構造のピッチを漸次長くすることにより、パターンコレステリック液晶層34の外側の領域での反射光量の低下を抑制できる。
また、パターンコレステリック液晶層34の中心から、光学軸が連続的に回転する1方向の外方向に向かって、光学軸が180°回転する1周期Λを、漸次、短くすることにより、パターンコレステリック液晶層による光を、より発散でき、凸面鏡としての性能を、向上できる。
さらに、パターンコレステリック液晶層34は、中心から光学軸が連続的に回転する1方向の外方向に向かって、螺旋構造のピッチを漸次長くすることにより、パターンコレステリック液晶層34の外側の領域での反射光量の低下を抑制できる。
この場合も、パターンコレステリック液晶層34の中心から、光学軸が連続的に回転する1方向の外方向に向かって、光学軸が180°回転する1周期Λを、漸次、短くすることにより、パターンコレステリック液晶層が反射する光を、より発散でき、凸面鏡としての性能を、向上できる。
なお、パターンコレステリック液晶層の螺旋状に旋回する方向を逆にした上で、液晶配向パターンにおいて光学軸の連続的な回転方向を、パターンコレステリック液晶層34の中心から、逆方向に回転させることで、光学素子を凹面鏡として作用させることができる。
Φ(r)=(π/λ)[(r2+f2)1/2-f]・・・式(4)
ここで、rは同心円の中心からの距離で式『r=(x2+y2)1/2』で表わされる。xおよび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における光学軸の角度、λはパターンコレステリック液晶層の選択反射中心波長、fは目的とする焦点距離を表わす。
さらに、例えば反射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、光学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、光学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。
さらに、本発明の光学素子は、1周期Λが全面的に均一なパターンコレステリック液晶層と、1周期Λが異なる領域を有するパターンコレステリック液晶層とを有してもよい。この点に関しては、図12に示すような、一方向のみに光学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、光学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、光学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反射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学軸が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反射する光学素子を得ることができる。コレステリック液晶層が反射する円偏光の方向(螺旋構造のセンス)を逆にすることでも、矢印X方向にのみ拡散するように光を反射する光学素子を得ることができる。なお、コレステリック液晶層が反射する円偏光の方向(螺旋構造のセンス)を逆にした上で、液晶配向パターンにおいて光学軸が180°回転する方向を逆にすることにより、集光するように光を反射する光学素子を得ることができる。
さらに、例えば反射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。
例えば、本発明の光学素子は、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。
ガラス基板上に、下記の配向膜形成用塗布液をスピンコートで塗布した。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。
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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
―――――――――――――――――――――――――――――――――――
配向膜を露光する露光装置として、図4に示す露光装置を用い、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0.41μm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。
コレステリック液晶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。この組成物A-1は、右円偏光を反射するコレステリック液晶層(コレステリック液晶相)を形成する、液晶組成物である。
組成物A-1
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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 4.00質量部
キラル剤Ch-2A 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 2660.00質量部
―――――――――――――――――――――――――――――――――――
コレステリック液晶層の断面をSEM(Scanning Electron Microscope)で確認したところ、コレステリック液晶層のコレステリック液晶相は2ピッチであった。また、主面に対する明部および暗部の傾いている面の傾斜面ピッチ(明部から明部、または暗部から暗部の傾斜面に対する法線方向の間隔を1/2面ピッチとする)は0.42μmであった。なお、コレステリック液晶層のSEM断面における明部および暗部の傾斜面のピッチは、コレステリック液晶相の螺旋ピッチおよび液晶配向パターンの1周期に応じて変化する。
コレステリック液晶層は、図2に示すような周期的な配向パターンになっていることを偏光顕微鏡で確認した。
なお、コレステリック液晶層の選択反射中心波長の測定は、分光光度計(島津製作所製、UV-3150)によって行った。
(パターンコレステリック液晶層の形成)
コレステリック液晶層を形成する液晶組成物として、下記の組成物A-2Aを調製した。この組成物A-2Aは、右円偏光を反射するコレステリック液晶層(コレステリック液晶相)を形成する、液晶組成物である。
組成物A-2A
―――――――――――――――――――――――――――――――――――
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 4.00質量部
キラル剤Ch-2A 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 2660.00質量部
―――――――――――――――――――――――――――――――――――
パターンコレステリック液晶層の断面をSEM(Scanning Electron Microscope)で確認したところ、反射層のコレステリック液晶相は2ピッチであった。また、主面に対する明部および暗部の傾いている面の傾斜面ピッチは、0.37μmから0.41μmまで変化していることを確認した。
パターンコレステリック液晶層は、図2に示すような周期的な配向パターンになっていることを偏光顕微鏡で確認した。
実施例1-1において、配向膜の配向パターンの1周期(光学軸が180°回転する長さ)Λが0.34μmとなるように、交差角αを変化させることによって制御し、パターンコレステリック液晶層を形成する組成物中のキラル剤Ch-1の添加量を、5.60質量部に変更した以外は、実施例1-1と同様にしてパターンコレステリック液晶層を形成した。
パターンコレステリック液晶層は、図2に示すような周期的な配向パターンになっていることを偏光顕微鏡で確認した。
比較例1-1において、配向膜の配向パターンの1周期(光学軸が180°回転する長さ)Λが0.34μmとなるように、交差角αを変化させることによって制御し、コレステリック液晶層を形成する組成物中のキラル剤Ch-1の添加量を、5.60質量部に変更した以外は、比較例1-1と同様にしてコレステリック液晶層を形成した。
コレステリック液晶層は、図2に示すような周期的な配向パターンになっていることを偏光顕微鏡で確認した。
実施例1-1において、配向膜の配向パターンの1周期(光学軸が180°回転する長さ)Λが0.49μmとなるように、交差角αを変化させることによって制御し、パターンコレステリック液晶層を形成する組成物中のキラル剤Ch-1の添加量を、3.20質量部に変更した以外は、実施例1-1と同様にしてパターンコレステリック液晶層を形成した。
パターンコレステリック液晶層は、図2に示すような周期的な配向パターンになっていることを偏光顕微鏡で確認した。
比較例1-1において、配向膜の配向パターンの1周期(光学軸が180°回転する長さ)Λが0.49μmとなるように、交差角αを変化させることによって制御し、コレステリック液晶層を形成する組成物中のキラル剤Ch-1の添加量を、3.2質量部に変更した以外は、比較例1-1と同様にしてコレステリック液晶層を形成した。
コレステリック液晶層は、図2に示すような周期的な配向パターンになっていることを偏光顕微鏡で確認した。
(出射光強度分布(均一性))
図10に示すように、上記で作製した実施例および比較例の光学素子を導光板44の表面に配置して導光素子を作製した。図10中、光学素子は、導光板の出射側の端部の表面(DOE-2の位置)に配置した。また、導光板44の入射側の端部の表面(DOE-1の位置)には、対応する比較例の光学素子においてコレステリック液晶相を8ピッチになるように厚さを調整した光学素子を配置した。
導光板44としては、屈折率1.52、厚さ1mm、ガラス製の導光板を用いた。
また、光学素子と導光板44とは、感熱性接着剤を用いて接着した。
また、DOE-1の光学素子とDOE-2の光学素子とは、液晶配向パターンの面内周期の方向が、互いに逆方向となるように配置した。
一方、導光板44のDOE-2が配置された側の端部の、DOE-2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。
DOE-1の光学素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の光学素子に回折、反射されて遮光板104の方向に出射される。
なお、実施例1-1および比較例1-1に対しては、532nmの波長の光を照射するレーザを用いて測定を行い、実施例1-2および比較例1-2に対しては、450nmの波長の光を照射するレーザを用いて測定を行い、実施例1-3および比較例1-3に対しては、635nmの波長の光を照射するレーザを用いて測定を行った。
A:出射光強度の最大値と最小値との比(最小値/最大値)が0.8以上
B:出射光強度の最大値と最小値との比(最小値/最大値)が0.7以上0.8未満
C:出射光強度の最大値と最小値との比(最小値/最大値)が0.5以上0.7未満
D:出射光強度の最大値と最小値との比(最小値/最大値)が0.5未満
結果を表1に示す。
実施例1-1において組成物A-2Aのキラル剤Ch-1を4.26質量部に変更した以外は同様にして、第1パターンコレステリック液晶層を形成した。
第1パターンコレステリック液晶層の面内周期は0.41μmであった。
第2パターンコレステリック液晶層の面内周期は0.41μmであった。
第1パターンコレステリック液晶層上に第2パターンコレステリック液晶層を積層した導光素子をDOE-2に用いた。
比較例1-1のコレステリック液晶層作製において、組成物A-1のキラル剤Ch-1を4.26質量部に変更した以外は同様にして、第1コレステリック液晶層を形成した。
第1コレステリック液晶層の面内の配向パターンの1周期は0.41μmであった。
第2コレステリック液晶層の面内の配向パターンの周期は0.41μmであった。
第1コレステリック液晶層上に第2コレステリック液晶層が積層された導光素子をDOE-1に用いた。
実施例1-1と同様にして、上記で作製した光学素子を導光板44の表面に配置して導光素子を作製した。なお、実施例1-1を用いた導光素子作製において、入射側の光学素子を実施例1-4で作製した入射側の光学素子に変更した以外は同様にして導光素子を作製したものを実施例1-5とした。
一方、導光板44のDOE-2が配置された側の端部の、DOE-2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。
なお、実施例1-4および実施例1-5に対しては、532nmの波長の光を照射するレーザを用いて測定を行った。
<第1反射層の作製>
(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。
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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
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支持体のアルカリ鹸化処理面に、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。
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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
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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。
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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
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配向膜を露光する露光装置として、図20に示す露光装置を用い配向膜P-1を形成した。なお、図20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。
コレステリック液晶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。この組成物A-1は、選択反射中心波長が650nmで、右円偏光を反射するコレステリック液晶層(コレステリック液晶相)を形成する、液晶組成物である。
組成物A-1
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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 4.57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 977.00質量部
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コレステリック液晶層の断面をSEM(Scanning Electron Microscope)で確認したところ、コレステリック液晶層のコレステリック液晶相は8ピッチであった。
コレステリック液晶層は、図19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、このコレステリック液晶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181μmで、中心から5mmの距離での1周期が1.8μm、中心から10mmの距離での1周期が1.0μm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。
また、コレステリック液晶層の選択反射中心波長は、中心部、中心から5mmの距離の位置、および、中心から10mmの距離の位置で650nmであった。すなわち、コレステリック液晶層の螺旋構造のピッチは面内で均一であった。
なお、コレステリック液晶層の選択反射中心波長の測定は、分光光度計(島津製作所製、UV-3150)によって行った。
(パターンコレステリック液晶層の形成)
パターンコレステリック液晶層を形成する液晶組成物として、下記の組成物A-2Aを調製した。この組成物A-2Aは、右円偏光を反射するパターンコレステリック液晶層(コレステリック液晶相)を形成する、液晶組成物である。
組成物A-2A
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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
キラル剤Ch-2A 3.84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 977.00質量部
―――――――――――――――――――――――――――――――――――
パターンコレステリック液晶層の断面をSEM(Scanning Electron Microscope)で確認したところ、パターンコレステリック液晶層のコレステリック液晶相は8ピッチであった。
パターンコレステリック液晶層は、図19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、このパターンコレステリック液晶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181μmで、中心から5mmの距離での1周期が1.8μm、中心から10mmの距離での1周期が1.0μm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。また、パターンコレステリック液晶層の選択反射中心波長は、中心部は650nm、中心から5mmの距離は700nm、中心から10mmの距離は750nmであり、つまり、外側に向かってコレステリック液晶層の螺旋構造のピッチが長くなっていた。
実施例2-1においてキラル剤Ch-2Aを下記構造のキラル剤Ch-2Bに変更し、3.85質量部に変更した以外は、実施例2-1と同様にしてパターンコレステリック液晶層を形成した。
パターンコレステリック液晶層は、図19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、このパターンコレステリック液晶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181μmで、中心から5mmの距離での1周期が1.8μm、中心から10mmの距離での1周期が1.0μm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。また、パターンコレステリック液晶層の選択反射中心波長は、中心部は650nm、中心から5mmの距離は700nm、中心から10mmの距離は750nmであり、つまり、外側に向かってパターンコレステリック液晶層の螺旋構造のピッチが長くなっていた。
キラル剤をCh-3に変更し、添加量を7.69質量部に変更した以外は、比較例2-1と同様にして、選択反射中心波長が650nmである左円偏光を反射する第2のコレステリック液晶層を形成した。この際、比較例2-1と同様に紫外線の照射量は面内で変化させなかった。
第2のコレステリック層を比較例2-1の光学素子に積層して光学素子を作製した。
なお、右円偏光を反射するコレステリック層と、左円偏光を反射する第2のコレステリック層とを積層する際には、液晶配向パターンにおける光学軸の向きの連続的な回転方向が、互いに異なるように貼合した。
キラル剤をCh-4Aに変更し、添加量を7.40質量部に変更した以外は、実施例2-1と同様にして、第2のパターンコレステリック液晶層を形成する組成物A-4Aを調製した。この組成物A-4Aは、左円偏光を反射する第2のパターンコレステリック液晶層(コレステリック液晶相)を形成する、液晶組成物である。
なお、右円偏光を反射するパターンコレステリック層と、左円偏光を反射する第2のパターンコレステリック層とを積層する際には、液晶配向パターンにおける光学軸の向きの連続的な回転方向が、互いに異なるように貼合した。
キラル剤をCh-4Bに変更し、添加量を3.85質量部に変更した以外は、実施例2-3と同様にして、第2のパターンコレステリック液晶層を形成する組成物A-4Bを調製した。この組成物A-4Bは、左円偏光を反射するパターンコレステリック液晶層(コレステリック液晶相)を形成する、液晶組成物である。
なお、右円偏光を反射するパターンコレステリック層と、左円偏光を反射する第2のパターンコレステリック層とを積層する際には、液晶配向パターンにおける光学軸の向きの連続的な回転方向が、互いに異なるように貼合した。
後述する『光強度の測定』を行うために、下記のようにして、円偏光板を作製した。
まず、実施例2-1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。
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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
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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。
下記式で表される低分子化合物B2(日清オリイオ社、ノムコートTAB)を用いた。
下記式で表わされる架橋剤C1(ナガセケムテックス社製、デナコールEX411)を用いた。
下記式で表わされる化合物D1(川研ファインケミカル社製、アルミキレートA(W))を用いた。
下記式で表わされる化合物D2(東洋サイエンス社製、トリフェニルシラノール)を用いた。
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Δn650×d(Re(650))は162.5nm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、粘着剤を介して直線偏光板を貼り合わせて円偏光板を得た。
作製した光学素子に、法線方向(正面すなわち法線に対する角度0°の方向)から光を入射した際における、赤色光の反射光の、入射光に対する角度(反射角度)を測定した。光の入射は、パターンコレステリック液晶層を表面とする側からとした。
具体的には、赤色光(650nm)に出力の中心波長を持つレーザ光を、作製した光学素子に、法線方向に100cm離れた位置から垂直入射させ、反射光を100cmの距離に配置したスクリーンで捉えて、反射角度を算出した。
なお、上記で作製した、レーザ光の波長に対応する円偏光板に垂直入射させて、右円偏光にした後、作製した光学素子に光を入射し、評価を行った。
図21に示す方法で、相対光強度を測定した。
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、反射光の、入射光に対する相対光強度を測定した。
具体的には、650nmに出力中心波長を持つレーザ光Lを、光源98から、作製した光学素子Sに垂直入射させた。反射角θで反射された反射光Lrの光強度を光検出器99で測定した。そして、反射光Lrの光強度と光Lの光強度との比をとり、反射光Lrの入射光(レーザ光L)に対する相対光強度値を求めた(反射光Lr/レーザ光L)。反射角θは、先に測定した反射角度とした。
また、実施例2-3及び2-4に示されるように、互いにコレステリック液晶層の螺旋構造の捩れ方向(反射する円偏光の方向)が異なる、複数のコレステリック液晶層の組み合わせることで、様々な入射偏光に対しても高い反射光量が得られる。
12 反射部材
14 第1反射層
20 支持体
24 配向膜
26、26b、34 パターンコレステリック液晶層
30 液晶化合物
30A 光学軸
60、80 露光装置
62、82、98 レーザ
64、84 光源
65 λ/2板
68、86、94 偏光ビームスプリッター
70A、70B、90A、90B ミラー
72A、72B、96 λ/4板
92 レンズ
99 光検出器
100 直線偏光子
102 λ/4板
104 遮光板
104a ピンホール
110 導光素子
112 導光板
114 第一回折素子
116 第二回折素子
118 第三回折素子
120 ダブプリズム
122 直線偏光子
124 λ/4板
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
α 交差角
Q 絶対位相
E 等位相面
S サンプル
L 光
Lr 反射光
I0~I3 導光板内を伝播する光
P1~P4 位置
R1~R4 光
PT1、PT2 螺旋ピッチ
Claims (4)
- コレステリック液晶相を固定してなるパターンコレステリック液晶層を複数層備え、
螺旋構造の捩れ方向が互いに異なる前記パターンコレステリック液晶層を有し、
前記パターンコレステリック液晶層は、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ながら変化している液晶配向パターンを有し、
かつ、前記パターンコレステリック液晶層における螺旋構造のピッチが面内で異なる領域を有し、
前記液晶化合物由来の光学軸の向きが面内で180°回転する長さを1周期とした際に、前記1周期の長さが異なる領域を有し、
螺旋構造の捩れ方向が互いに異なる前記パターンコレステリック液晶層は、選択反射中心波長が同じであり、
1周期の長さが短く入射光に対する屈折の角度が大きい領域ほど螺旋構造のピッチが大きく、1周期の長さが長く入射光に対する屈折の角度が小さい領域ほど螺旋構造のピッチが短く、
螺旋構造の捩れ方向が互いに異なる前記パターンコレステリック液晶層は、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学軸の向きの連続的な回転方向が、互いに異なる、光学素子。 - 前記パターンコレステリック液晶層は、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学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1に記載の光学素子。
- 前記液晶配向パターンが、前記液晶化合物由来の光学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または2に記載の光学素子。
- 前記液晶配向パターンにおける前記1周期の長さが50μm以下である、請求項1~3のいずれか1項に記載の光学素子。
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