JP7360481B2 - 光学素子および画像表示装置 - Google Patents
光学素子および画像表示装置 Download PDFInfo
- Publication number
- JP7360481B2 JP7360481B2 JP2021575822A JP2021575822A JP7360481B2 JP 7360481 B2 JP7360481 B2 JP 7360481B2 JP 2021575822 A JP2021575822 A JP 2021575822A JP 2021575822 A JP2021575822 A JP 2021575822A JP 7360481 B2 JP7360481 B2 JP 7360481B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- liquid crystal
- diffraction element
- light
- crystal layer
- diffraction
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims description 173
- 239000004973 liquid crystal related substance Substances 0.000 claims description 431
- 239000004986 Cholesteric liquid crystals (ChLC) Substances 0.000 claims description 168
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims description 142
- 239000011295 pitch Substances 0.000 claims description 35
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims description 28
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 claims description 3
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 255
- HUWSZNZAROKDRZ-RRLWZMAJSA-N (3r,4r)-3-azaniumyl-5-[[(2s,3r)-1-[(2s)-2,3-dicarboxypyrrolidin-1-yl]-3-methyl-1-oxopentan-2-yl]amino]-5-oxo-4-sulfanylpentane-1-sulfonate Chemical compound OS(=O)(=O)CC[C@@H](N)[C@@H](S)C(=O)N[C@@H]([C@H](C)CC)C(=O)N1CCC(C(O)=O)[C@H]1C(O)=O HUWSZNZAROKDRZ-RRLWZMAJSA-N 0.000 description 45
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 38
- UWCWUCKPEYNDNV-LBPRGKRZSA-N 2,6-dimethyl-n-[[(2s)-pyrrolidin-2-yl]methyl]aniline Chemical compound CC1=CC=CC(C)=C1NC[C@H]1NCCC1 UWCWUCKPEYNDNV-LBPRGKRZSA-N 0.000 description 22
- 239000000463 material Substances 0.000 description 22
- 238000000034 method Methods 0.000 description 19
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 15
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 12
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 12
- 210000001747 pupil Anatomy 0.000 description 10
- ZWEHNKRNPOVVGH-UHFFFAOYSA-N 2-Butanone Chemical compound CCC(C)=O ZWEHNKRNPOVVGH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- -1 polyethylene terephthalate Polymers 0.000 description 9
- 239000004094 surface-active agent Substances 0.000 description 9
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 8
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 8
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 7
- 239000004985 Discotic Liquid Crystal Substance Substances 0.000 description 6
- 239000003431 cross linking reagent Substances 0.000 description 6
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 6
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 6
- 238000006116 polymerization reaction Methods 0.000 description 6
- NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-M Acrylate Chemical compound [O-]C(=O)C=C NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 5
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 5
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 5
- 230000001965 increasing effect Effects 0.000 description 5
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 5
- 230000009471 action Effects 0.000 description 4
- 230000008859 change Effects 0.000 description 4
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 description 4
- 239000004642 Polyimide Substances 0.000 description 3
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 3
- 125000000751 azo group Chemical group [*]N=N[*] 0.000 description 3
- 239000003999 initiator Substances 0.000 description 3
- 229920001721 polyimide Polymers 0.000 description 3
- 239000003505 polymerization initiator Substances 0.000 description 3
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 3
- 239000005268 rod-like liquid crystal Substances 0.000 description 3
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 3
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 3
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 3
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 3
- 229920002284 Cellulose triacetate Polymers 0.000 description 2
- RTZKZFJDLAIYFH-UHFFFAOYSA-N Diethyl ether Chemical compound CCOCC RTZKZFJDLAIYFH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N Fluorine atom Chemical compound [F] YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229920000106 Liquid crystal polymer Polymers 0.000 description 2
- HPEUJPJOZXNMSJ-UHFFFAOYSA-N Methyl stearate Chemical compound CCCCCCCCCCCCCCCCCC(=O)OC HPEUJPJOZXNMSJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000004988 Nematic liquid crystal Substances 0.000 description 2
- 239000004952 Polyamide Substances 0.000 description 2
- NNLVGZFZQQXQNW-ADJNRHBOSA-N [(2r,3r,4s,5r,6s)-4,5-diacetyloxy-3-[(2s,3r,4s,5r,6r)-3,4,5-triacetyloxy-6-(acetyloxymethyl)oxan-2-yl]oxy-6-[(2r,3r,4s,5r,6s)-4,5,6-triacetyloxy-2-(acetyloxymethyl)oxan-3-yl]oxyoxan-2-yl]methyl acetate Chemical compound O([C@@H]1O[C@@H]([C@H]([C@H](OC(C)=O)[C@H]1OC(C)=O)O[C@H]1[C@@H]([C@@H](OC(C)=O)[C@H](OC(C)=O)[C@@H](COC(C)=O)O1)OC(C)=O)COC(=O)C)[C@@H]1[C@@H](COC(C)=O)O[C@@H](OC(C)=O)[C@H](OC(C)=O)[C@H]1OC(C)=O NNLVGZFZQQXQNW-ADJNRHBOSA-N 0.000 description 2
- DZBUGLKDJFMEHC-UHFFFAOYSA-N acridine Chemical compound C1=CC=CC2=CC3=CC=CC=C3N=C21 DZBUGLKDJFMEHC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 125000004069 aziridinyl group Chemical group 0.000 description 2
- 125000005337 azoxy group Chemical group [N+]([O-])(=N*)* 0.000 description 2
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 2
- 125000004432 carbon atom Chemical group C* 0.000 description 2
- 150000001788 chalcone derivatives Chemical class 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 2
- 230000003098 cholesteric effect Effects 0.000 description 2
- 239000003086 colorant Substances 0.000 description 2
- 238000004132 cross linking Methods 0.000 description 2
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 2
- 125000003700 epoxy group Chemical group 0.000 description 2
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 2
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011737 fluorine Substances 0.000 description 2
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 description 2
- 239000012948 isocyanate Substances 0.000 description 2
- 150000002576 ketones Chemical class 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- QSHDDOUJBYECFT-UHFFFAOYSA-N mercury Chemical compound [Hg] QSHDDOUJBYECFT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052753 mercury Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000012299 nitrogen atmosphere Substances 0.000 description 2
- 150000002894 organic compounds Chemical class 0.000 description 2
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 description 2
- 229920002647 polyamide Polymers 0.000 description 2
- 229920000728 polyester Polymers 0.000 description 2
- 229920000139 polyethylene terephthalate Polymers 0.000 description 2
- 239000005020 polyethylene terephthalate Substances 0.000 description 2
- 229920001296 polysiloxane Polymers 0.000 description 2
- 238000004904 shortening Methods 0.000 description 2
- 150000004756 silanes Chemical class 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 238000004528 spin coating Methods 0.000 description 2
- WBYWAXJHAXSJNI-VOTSOKGWSA-M trans-cinnamate Chemical class [O-]C(=O)\C=C\C1=CC=CC=C1 WBYWAXJHAXSJNI-VOTSOKGWSA-M 0.000 description 2
- KLDXJTOLSGUMSJ-BXKVDMCESA-N (3s,3as,6s,6as)-2,3,3a,5,6,6a-hexahydrofuro[3,2-b]furan-3,6-diol Chemical class O[C@H]1CO[C@H]2[C@@H](O)CO[C@H]21 KLDXJTOLSGUMSJ-BXKVDMCESA-N 0.000 description 1
- UWFRVQVNYNPBEF-UHFFFAOYSA-N 1-(2,4-dimethylphenyl)propan-1-one Chemical compound CCC(=O)C1=CC=C(C)C=C1C UWFRVQVNYNPBEF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ARXJGSRGQADJSQ-UHFFFAOYSA-N 1-methoxypropan-2-ol Chemical compound COCC(C)O ARXJGSRGQADJSQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- AUXIEQKHXAYAHG-UHFFFAOYSA-N 1-phenylcyclohexane-1-carbonitrile Chemical class C=1C=CC=CC=1C1(C#N)CCCCC1 AUXIEQKHXAYAHG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OOLUVSIJOMLOCB-UHFFFAOYSA-N 1633-22-3 Chemical compound C1CC(C=C2)=CC=C2CCC2=CC=C1C=C2 OOLUVSIJOMLOCB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- BTJPUDCSZVCXFQ-UHFFFAOYSA-N 2,4-diethylthioxanthen-9-one Chemical compound C1=CC=C2C(=O)C3=CC(CC)=CC(CC)=C3SC2=C1 BTJPUDCSZVCXFQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000003923 2,5-pyrrolediones Chemical class 0.000 description 1
- POAOYUHQDCAZBD-UHFFFAOYSA-N 2-butoxyethanol Chemical compound CCCCOCCO POAOYUHQDCAZBD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 125000003504 2-oxazolinyl group Chemical group O1C(=NCC1)* 0.000 description 1
- WLNDDIWESXCXHM-UHFFFAOYSA-N 2-phenyl-1,4-dioxane Chemical class C1OCCOC1C1=CC=CC=C1 WLNDDIWESXCXHM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OXPDQFOKSZYEMJ-UHFFFAOYSA-N 2-phenylpyrimidine Chemical class C1=CC=CC=C1C1=NC=CC=N1 OXPDQFOKSZYEMJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- UWHCZFSSKUSDNV-UHFFFAOYSA-N 3-(aziridin-1-yl)propanoic acid;2-ethyl-2-(hydroxymethyl)propane-1,3-diol Chemical compound OC(=O)CCN1CC1.OC(=O)CCN1CC1.OC(=O)CCN1CC1.CCC(CO)(CO)CO UWHCZFSSKUSDNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- MWKAGZWJHCTVJY-UHFFFAOYSA-N 3-hydroxyoctadecan-2-one Chemical compound CCCCCCCCCCCCCCCC(O)C(C)=O MWKAGZWJHCTVJY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004593 Epoxy Chemical class 0.000 description 1
- KLDXJTOLSGUMSJ-JGWLITMVSA-N Isosorbide Chemical compound O[C@@H]1CO[C@@H]2[C@@H](O)CO[C@@H]21 KLDXJTOLSGUMSJ-JGWLITMVSA-N 0.000 description 1
- CERQOIWHTDAKMF-UHFFFAOYSA-M Methacrylate Chemical compound CC(=C)C([O-])=O CERQOIWHTDAKMF-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 239000004372 Polyvinyl alcohol Substances 0.000 description 1
- ZJCCRDAZUWHFQH-UHFFFAOYSA-N Trimethylolpropane Chemical compound CCC(CO)(CO)CO ZJCCRDAZUWHFQH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 150000001252 acrylic acid derivatives Chemical class 0.000 description 1
- NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-N acrylic acid group Chemical group C(C=C)(=O)O NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 1
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 1
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 1
- 150000001350 alkyl halides Chemical class 0.000 description 1
- 150000001408 amides Chemical class 0.000 description 1
- 239000003963 antioxidant agent Substances 0.000 description 1
- 235000006708 antioxidants Nutrition 0.000 description 1
- 150000001541 aziridines Chemical class 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 150000001558 benzoic acid derivatives Chemical class 0.000 description 1
- ZDZHCHYQNPQSGG-UHFFFAOYSA-N binaphthyl group Chemical group C1(=CC=CC2=CC=CC=C12)C1=CC=CC2=CC=CC=C12 ZDZHCHYQNPQSGG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ZLSMCQSGRWNEGX-UHFFFAOYSA-N bis(4-aminophenyl)methanone Chemical compound C1=CC(N)=CC=C1C(=O)C1=CC=C(N)C=C1 ZLSMCQSGRWNEGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000012662 bulk polymerization Methods 0.000 description 1
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 1
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 1
- HVYWMOMLDIMFJA-DPAQBDIFSA-N cholesterol group Chemical group [C@@H]1(CC[C@H]2[C@@H]3CC=C4C[C@@H](O)CC[C@]4(C)[C@H]3CC[C@]12C)[C@H](C)CCCC(C)C HVYWMOMLDIMFJA-DPAQBDIFSA-N 0.000 description 1
- 238000004040 coloring Methods 0.000 description 1
- 125000000332 coumarinyl group Chemical class O1C(=O)C(=CC2=CC=CC=C12)* 0.000 description 1
- 125000004802 cyanophenyl group Chemical group 0.000 description 1
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- KIQKWYUGPPFMBV-UHFFFAOYSA-N diisocyanatomethane Chemical compound O=C=NCN=C=O KIQKWYUGPPFMBV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- HBGGXOJOCNVPFY-UHFFFAOYSA-N diisononyl phthalate Chemical class CC(C)CCCCCCOC(=O)C1=CC=CC=C1C(=O)OCCCCCCC(C)C HBGGXOJOCNVPFY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000539 dimer Substances 0.000 description 1
- CZZYITDELCSZES-UHFFFAOYSA-N diphenylmethane Chemical compound C=1C=CC=CC=1CC1=CC=CC=C1 CZZYITDELCSZES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- CAMHHLOGFDZBBG-UHFFFAOYSA-N epoxidized methyl oleate Natural products CCCCCCCCC1OC1CCCCCCCC(=O)OC CAMHHLOGFDZBBG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000002148 esters Chemical class 0.000 description 1
- NKSJNEHGWDZZQF-UHFFFAOYSA-N ethenyl(trimethoxy)silane Chemical compound CO[Si](OC)(OC)C=C NKSJNEHGWDZZQF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000002170 ethers Chemical class 0.000 description 1
- 230000001747 exhibiting effect Effects 0.000 description 1
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 1
- 239000010419 fine particle Substances 0.000 description 1
- 125000003055 glycidyl group Chemical group C(C1CO1)* 0.000 description 1
- 150000002391 heterocyclic compounds Chemical class 0.000 description 1
- UOYPNWSDSPYOSN-UHFFFAOYSA-N hexahelicene Chemical compound C1=CC=CC2=C(C=3C(=CC=C4C=CC=5C(C=34)=CC=CC=5)C=C3)C3=CC=C21 UOYPNWSDSPYOSN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 1
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 1
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 1
- 239000003112 inhibitor Substances 0.000 description 1
- 150000002484 inorganic compounds Chemical class 0.000 description 1
- 229910010272 inorganic material Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000002513 isocyanates Chemical class 0.000 description 1
- 238000006317 isomerization reaction Methods 0.000 description 1
- 229960002479 isosorbide Drugs 0.000 description 1
- 239000004611 light stabiliser Substances 0.000 description 1
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- PHQOGHDTIVQXHL-UHFFFAOYSA-N n'-(3-trimethoxysilylpropyl)ethane-1,2-diamine Chemical compound CO[Si](OC)(OC)CCCNCCN PHQOGHDTIVQXHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- IZXDTJXEUISVAJ-UHFFFAOYSA-N n-methyl-n-octadecyloctadecan-1-amine;hydrochloride Chemical compound [Cl-].CCCCCCCCCCCCCCCCCC[NH+](C)CCCCCCCCCCCCCCCCCC IZXDTJXEUISVAJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000004866 oxadiazoles Chemical class 0.000 description 1
- WXZMFSXDPGVJKK-UHFFFAOYSA-N pentaerythritol Chemical compound OCC(CO)(CO)CO WXZMFSXDPGVJKK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 125000001791 phenazinyl group Chemical class C1(=CC=CC2=NC3=CC=CC=C3N=C12)* 0.000 description 1
- OPYYWWIJPHKUDZ-UHFFFAOYSA-N phenyl cyclohexanecarboxylate Chemical class C1CCCCC1C(=O)OC1=CC=CC=C1 OPYYWWIJPHKUDZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920000765 poly(2-oxazolines) Chemical class 0.000 description 1
- 229920000058 polyacrylate Polymers 0.000 description 1
- 229920000515 polycarbonate Polymers 0.000 description 1
- 239000004417 polycarbonate Substances 0.000 description 1
- 229920000098 polyolefin Polymers 0.000 description 1
- 229920002451 polyvinyl alcohol Polymers 0.000 description 1
- 239000004800 polyvinyl chloride Substances 0.000 description 1
- 229920000915 polyvinyl chloride Polymers 0.000 description 1
- 230000000644 propagated effect Effects 0.000 description 1
- 150000004053 quinones Chemical class 0.000 description 1
- 230000009257 reactivity Effects 0.000 description 1
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 1
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 1
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 150000003462 sulfoxides Chemical class 0.000 description 1
- 238000012719 thermal polymerization Methods 0.000 description 1
- 150000001608 tolans Chemical class 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
- G02B27/01—Head-up displays
- G02B27/017—Head mounted
- G02B27/0172—Head mounted characterised by optical features
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B15/00—Optical objectives with means for varying the magnification
- G02B15/14—Optical objectives with means for varying the magnification by axial movement of one or more lenses or groups of lenses relative to the image plane for continuously varying the equivalent focal length of the objective
- G02B15/142—Optical objectives with means for varying the magnification by axial movement of one or more lenses or groups of lenses relative to the image plane for continuously varying the equivalent focal length of the objective having two groups only
- G02B15/1425—Optical objectives with means for varying the magnification by axial movement of one or more lenses or groups of lenses relative to the image plane for continuously varying the equivalent focal length of the objective having two groups only the first group being negative
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B30/00—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images
- G02B30/50—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images the image being built up from image elements distributed over a 3D volume, e.g. voxels
- G02B30/56—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images the image being built up from image elements distributed over a 3D volume, e.g. voxels by projecting aerial or floating images
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B5/00—Optical elements other than lenses
- G02B5/18—Diffraction gratings
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B5/00—Optical elements other than lenses
- G02B5/32—Holograms used as optical elements
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour
- G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
- G02F1/133—Constructional arrangements; Operation of liquid crystal cells; Circuit arrangements
- G02F1/1333—Constructional arrangements; Manufacturing methods
- G02F1/1335—Structural association of cells with optical devices, e.g. polarisers or reflectors
- G02F1/133504—Diffusing, scattering, diffracting elements
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour
- G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
- G02F1/133—Constructional arrangements; Operation of liquid crystal cells; Circuit arrangements
- G02F1/1333—Constructional arrangements; Manufacturing methods
- G02F1/1335—Structural association of cells with optical devices, e.g. polarisers or reflectors
- G02F1/133524—Light-guides, e.g. fibre-optic bundles, louvered or jalousie light-guides
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour
- G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
- G02F1/133—Constructional arrangements; Operation of liquid crystal cells; Circuit arrangements
- G02F1/1333—Constructional arrangements; Manufacturing methods
- G02F1/1335—Structural association of cells with optical devices, e.g. polarisers or reflectors
- G02F1/133526—Lenses, e.g. microlenses or Fresnel lenses
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour
- G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
- G02F1/133—Constructional arrangements; Operation of liquid crystal cells; Circuit arrangements
- G02F1/1333—Constructional arrangements; Manufacturing methods
- G02F1/1335—Structural association of cells with optical devices, e.g. polarisers or reflectors
- G02F1/133528—Polarisers
- G02F1/133541—Circular polarisers
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour
- G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
- G02F1/133—Constructional arrangements; Operation of liquid crystal cells; Circuit arrangements
- G02F1/1333—Constructional arrangements; Manufacturing methods
- G02F1/1335—Structural association of cells with optical devices, e.g. polarisers or reflectors
- G02F1/133528—Polarisers
- G02F1/133543—Cholesteric polarisers
-
- G—PHYSICS
- G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
- G03H—HOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
- G03H1/00—Holographic processes or apparatus using light, infrared or ultraviolet waves for obtaining holograms or for obtaining an image from them; Details peculiar thereto
- G03H1/0005—Adaptation of holography to specific applications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
- G02B27/01—Head-up displays
- G02B27/0101—Head-up displays characterised by optical features
- G02B2027/0123—Head-up displays characterised by optical features comprising devices increasing the field of view
- G02B2027/0125—Field-of-view increase by wavefront division
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
- G02B27/01—Head-up displays
- G02B27/017—Head mounted
- G02B27/0172—Head mounted characterised by optical features
- G02B2027/0174—Head mounted characterised by optical features holographic
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B5/00—Optical elements other than lenses
- G02B5/30—Polarising elements
- G02B5/3016—Polarising elements involving passive liquid crystal elements
-
- G—PHYSICS
- G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
- G03H—HOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
- G03H1/00—Holographic processes or apparatus using light, infrared or ultraviolet waves for obtaining holograms or for obtaining an image from them; Details peculiar thereto
- G03H1/0005—Adaptation of holography to specific applications
- G03H2001/0088—Adaptation of holography to specific applications for video-holography, i.e. integrating hologram acquisition, transmission and display
-
- G—PHYSICS
- G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
- G03H—HOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
- G03H1/00—Holographic processes or apparatus using light, infrared or ultraviolet waves for obtaining holograms or for obtaining an image from them; Details peculiar thereto
- G03H1/04—Processes or apparatus for producing holograms
- G03H1/0402—Recording geometries or arrangements
- G03H2001/0439—Recording geometries or arrangements for recording Holographic Optical Element [HOE]
-
- G—PHYSICS
- G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
- G03H—HOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
- G03H1/00—Holographic processes or apparatus using light, infrared or ultraviolet waves for obtaining holograms or for obtaining an image from them; Details peculiar thereto
- G03H1/22—Processes or apparatus for obtaining an optical image from holograms
- G03H1/2202—Reconstruction geometries or arrangements
- G03H2001/2236—Details of the viewing window
- G03H2001/2239—Enlarging the viewing window
-
- G—PHYSICS
- G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
- G03H—HOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
- G03H1/00—Holographic processes or apparatus using light, infrared or ultraviolet waves for obtaining holograms or for obtaining an image from them; Details peculiar thereto
- G03H1/22—Processes or apparatus for obtaining an optical image from holograms
- G03H1/2249—Holobject properties
- G03H2001/2284—Superimposing the holobject with other visual information
-
- G—PHYSICS
- G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
- G03H—HOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
- G03H2223/00—Optical components
- G03H2223/16—Optical waveguide, e.g. optical fibre, rod
-
- G—PHYSICS
- G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
- G03H—HOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
- G03H2223/00—Optical components
- G03H2223/23—Diffractive element
-
- G—PHYSICS
- G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
- G03H—HOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
- G03H2240/00—Hologram nature or properties
- G03H2240/10—Physical parameter modulated by the hologram
- G03H2240/15—Polarisation modulation
-
- G—PHYSICS
- G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
- G03H—HOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
- G03H2270/00—Substrate bearing the hologram
- G03H2270/55—Substrate bearing the hologram being an optical element, e.g. spectacles
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Nonlinear Science (AREA)
- Mathematical Physics (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Diffracting Gratings Or Hologram Optical Elements (AREA)
Description
この光学装置の一方の面側に表示パネルが配置され、表示パネルが照射した光を、光学装置(リフレクタアレイ光学素子)が面方向に再帰反射することで、光学装置の表示パネル側の面とは反対側の面側の空中に空中像を形成する。
[1] 導光板と、
導光板の主面に配置される入射回折素子と、
導光板の主面に配置される出射回折素子と、を有する導光素子、および、
導光板の主面に垂直な方向から見た際に出射回折素子と重複する位置に配置される正レンズを有し、
入射回折素子は、入射した光を回折して導光板内に入射させるものであり、
出射回折素子は、導光板内を伝搬する光を導光板から出射させるものであり、
正レンズは、出射回折素子によって導光板から出射された光を集光する光学素子。
[2] 導光素子と正レンズとは離間している[1]に記載の光学素子。
[3] 正レンズは出射回折素子よりも大きい[1]または[2]に記載の光学素子。
[4] 導光素子の、正レンズとは反対側に配置される負レンズを有する[1]~[3]のいずれかに記載の光学素子。
[5] 導光素子と負レンズとは離間している[4]に記載の光学素子。
[6] 正レンズの焦点距離を+fpとし、負レンズの焦点距離を-fnとすると、fpおよびfnは、
0.7≦fn/fp≦1.3
を満たす[4]または[5]に記載の光学素子。
[7] 負レンズが、焦点可変レンズである[4]~[6]のいずれかに記載の光学素子。
[8] 負レンズが、表面レリーフ型回折素子、体積ホログラム型回折素子、および、偏光回折素子のいずれかである[4]~[7]のいずれかに記載の光学素子。
[9] 正レンズが、焦点可変レンズである[1]~[8]のいずれかに記載の光学素子。
[10] 正レンズが、表面レリーフ型回折素子、体積ホログラム型回折素子、および、偏光回折素子のいずれかである[1]~[9]のいずれかに記載の光学素子。
[11] 導光素子は、導光板の主面に配置される中間回折素子を有し、
中間回折素子は、入射回折素子によって回折されて導光板内に入射し、導光板内を伝搬する光を出射回折素子に向けて回折する[1]~[10]のいずれかに記載の光学素子。
[12] 中間回折素子の回折構造の周期が0.1μm~1μmである[11]に記載の光学素子。
[13] 中間回折素子は、表面レリーフ型回折素子、体積ホログラム型回折素子、および、偏光回折素子のいずれかである[11]または[12]に記載の光学素子。
[14] 入射回折素子および出射回折素子はそれぞれ、表面レリーフ型回折素子、体積ホログラム型回折素子、および、偏光回折素子のいずれかである[1]~[13]のいずれかに記載の光学素子。
[15] 偏光回折素子が、液晶化合物を含む液晶層を有する液晶回折素子であり、
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[8]、[10]、[13]および[14]のいずれかに記載の光学素子。
[16] 液晶層において、液晶化合物の光学軸の向きが厚さ方向で捩じれ回転している領域を有する[15]に記載の光学素子。
[17] 液晶層は、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である[15]または[16]に記載の光学素子。
[18] 液晶回折素子は、液晶回折素子の主面の法線方向および法線に対して傾斜した方向から面内レタデーションを測定した際に、遅相軸面内および進相軸面内のいずれかにおいて、面内レタデーションが最小となる方向が法線方向から傾斜している[15]~[17]のいずれかに記載の光学素子。
[19] 液晶回折素子が2以上の液晶層を有し、
2以上の液晶層はそれぞれ、走査型電子顕微鏡によって観察される液晶層の断面において、液晶相に由来する明部および暗部が、液晶層の主面に対して傾斜しており、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ピッチとした際に、液晶層のピッチが互いに異なる、[15]~[18]のいずれかに記載の光学素子。
[20] 液晶層において、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面内方向に180°回転する長さを回折構造の1周期とすると、
2以上の液晶層の1周期が、互いに異なる[19]に記載の光学素子。
[21] 液晶回折素子が第1液晶層と第2液晶層とを有し、
第1液晶層のピッチをP1、1周期をΛ1とし、第2液晶層のピッチをP2、1周期をΛ2とすると、
P1<P2
Λ1<Λ2
を満たす[20]に記載の光学素子。
[22] 入射回折素子および出射回折素子の回折構造の周期が0.1μm~1μmである[1]~[21]のいずれかに記載の光学素子。
[23] [1]~[22]のいずれかに記載の光学素子と、
光学素子の入射回折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。
[24] 表示素子が偏光を照射する[23]に記載の画像表示装置。
[25] 表示素子が円偏光を照射する[24]に記載の画像表示装置。
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。
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。
本発明の光学素子は、
導光板と、
導光板の主面に配置される入射回折素子と、
導光板の主面に配置される出射回折素子と、を有する導光素子、および、
導光板の主面に垂直な方向から見た際に出射回折素子と重複する位置に配置される正レンズを有し、
入射回折素子は、入射した光を回折して導光板内に入射させるものであり、
出射回折素子は、導光板内を伝搬する光を導光板から出射させるものであり、
正レンズは、出射回折素子によって導光板から出射された光を集光する光学素子である。
本発明の画像表示装置は、
上述した光学素子と、
光学素子の入射回折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である。
図1に、本発明の光学素子を有する本発明の画像表示装置の一例を概念的に示す。
図1に示す画像表示装置10は、表示素子12と、導光板16、入射回折素子18、および、出射回折素子24を有する導光素子14、ならびに、正レンズ26を有する光学素子13と、を有する。入射回折素子18および出射回折素子24はそれぞれ、導光板16の主面に配置されている。
ここで、出射回折素子24が光を回折する際に、出射回折素子24の複数個所で光の一部を回折することで射出瞳拡大をする。
前述のとおり、出射回折素子24は、光を回折する際に、出射回折素子24の複数個所で光の一部を回折することで射出瞳拡大をする。そのため、図2に示すように、表示素子12が照射した画像のある点の光は、出射回折素子24の複数の異なる位置で回折される。その際、表示素子12からある一定の角度で出射された光は、出射回折素子24の複数の位置から互いに平行な光として導光板16から出射される。
正レンズ26は、このような平行光が入射すると焦点面H1上の、結像点K1とは異なる結像点K2に光を結像する。
このような複数の結像点が面状に形成されて、表示素子12が照射した画像が、空中像G1として形成される。従って、画像表示装置10は、空中像G1を使用者Uに表示することができる。
例えば、表示素子12が直線偏光を照射する場合、あるいは、表示素子12の表示面側に直線偏光板を有する場合には、入射回折素子18と導光板16との間にλ/4板を有する構成とすればよい。表示素子12から照射された(あるいは、直線偏光板によって変換された)直線偏光は、λ/4板で円偏光に変換されて入射回折素子18に入射する。λ/4板は、表示素子12から照射された直線偏光を、入射回折素子18が反射する旋回方向の円偏光に変換するように配置される。
同様に、図1に示す例では、出射回折素子24として、入射した光を回折して反射する反射型の回折素子を用いる構成としたが、これに限定はされず、出射回折素子として、入射した光を回折して透過する透過型の回折素子を用いてもよい。
図5に示す例においては、入射回折素子18bおよび出射回折素子24bはそれぞれ、入射した光を回折して透過する透過型の回折素子である。
例えば、図7に示す導光素子14dは、導光板16、入射回折素子18、中間回折素子20、および、出射回折素子24を有する。
ここで、中間回折素子20を有する構成とすることで、中間回折素子20によって光を回折する際に、中間回折素子の複数個所で光の一部を回折することで射出瞳拡大をすることができる。すなわち、中間回折素子20を有する構成とすることで、中間回折素子20および出射回折素子24それぞれで、射出瞳拡大をすることができる。図7の例では、中間回折素子20により左右方向に射出瞳拡大をして、出射回折素子24により上下方向に射出瞳拡大をすることができる。
表示素子12は、空中に投映する画像(静止画または動画)を照射するものである。
表示素子12には、制限はなく、例えば、画像表示装置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。
ディスプレイとしては、一例として、液晶ディスプレイ(LCOS:Liquid Crystal On Siliconなどを含む)、有機エレクトロルミネッセンスディスプレイ、および、DLP(Digital Light Processing)、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)ミラーを用いたスキャニング方式ディスプレイ等が例示される。
表示素子12が円偏光を照射する際に、ディスプレイが無偏光の画像を照射する場合には、表示素子12は、例えば直線偏光子とλ/4板とからなる円偏光板を有するのが好ましい。また、ディスプレイが直線偏光の画像を照射する場合には、表示素子12は、例えばλ/4板を有するのが好ましい。
なお、表示素子12が照射する光は、他の偏光(例えば直線偏光等)であってもよい。
導光板16は、入射した光を内部で導光するものである。
導光板16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。
また、導光板16の主面の大きさには特に制限はなく、画像表示装置が表示する空中像G1の大きさ、表示素子12の表示面の大きさ等に応じて適宜設定すればよい。
入射回折素子18、中間回折素子20、および、出射回折素子24としては、従来公知の回折素子を適宜用いることができる。なお、以下の説明において、入射回折素子18、中間回折素子20、および、出射回折素子24を区別する必要がない場合には、まとめて回折素子ともいう。
偏光回折素子としては、液晶化合物を含む組成物を用いて形成された液晶回折素子であることが好ましい。また、液晶回折素子としては、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有することも好ましい。また、回折素子としては透過型の回折素子であってもよいし、反射型の回折素子であってもよい。
以下、各回折素子の構成について説明する。
表面レリーフ型回折素子としては公知の表面レリーフ型回折素子を用いることができる。図8に例示するD1のように、表面レリーフ型回折素子は、表面に直線状の微細な凹凸が交互に所定の周期で平行に並んで構成されたものである。回折構造の周期、材質および凸部の高さなどは回折する波長域によって適宜設定すればよい。
また、表面レリーフ型回折素子は、樹脂等からなるフィルム状物の表面に回折構造(凹凸構造)を形成したものであってもよいし、導光板の表面に直接、回折構造(凹凸構造)を形成したものであってもよい。
体積ホログラム型回折素子としては公知の体積ホログラム型回折素子を用いることができる。図9に例示するD2のように、体積ホログラム型回折素子は、屈折率が高い直線状の領域110と屈折率が低い直線状の領域112が交互に所定の周期で平行に並んで構成されたものである。回折構造の周期、材質および各領域の屈折率などは回折する波長域によって適宜設定すればよい。
偏光回折素子としては公知の偏光回折素子を用いることができる。偏光回折素子は微細領域で偏光状態を制御することによって、入射する光の偏光状態に応じて出射光の回折方向や偏光状態、回折光強度を制御する回折素子である。偏光回折素子として、例えば、「Erez Hasman et al., Polarization dependent focusing lens by useof quantized Pancharatnm-Berry phase diffractive optics, Applied Physics Letters, Volume 82, Number 3 pp.328-330」に記載の構造複屈折を用いて回折構造を形成した偏光回折素子、特許第5276847号に記載の複屈折材料を用いて回折構造を形成した偏光回折素子等が例示される。
偏光回折素子としては、液晶化合物を含む組成物を用いて形成され、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液晶層を有する、液晶回折素子が例示される。
反射型の液晶回折素子の一例を、図10および図11を用いて説明する。
図10は、反射型液晶回折素子が有するコレステリック液晶層の平面図である。図11は、反射型液晶回折素子の一例を模式的に示す図である。
図10および図11に示す反射型液晶回折素子は、コレステリック液晶相を固定してなり、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するコレステリック液晶層34を有する。コレステリック液晶層は、選択反射波長の一方の円偏光を反射し、他の波長域の光および他方の円偏光を透過するものである。したがって、コレステリック液晶層を有する回折素子は、反射型の回折素子である。
なお、図11に示す例の反射型液晶回折素子は、支持体30と、配向膜32と、コレステリック液晶層34とを有するが、本発明は、これに制限はされない。反射型液晶回折素子は、例えば、導光板16に貼り合わせた後に、支持体30を剥離した、配向膜32およびコレステリック液晶層34のみを有するものでもよい。または、反射型液晶回折素子は、例えば、導光板16に貼り合わせた後に、支持体30および配向膜32を剥離した、コレステリック液晶層34のみを有するものでもよい。
支持体30は、配向膜32、および、コレステリック液晶層34を支持するものである。
支持体30は、配向膜32、コレステリック液晶層34を支持できるものであれば、各種のシート状物(フィルム、板状物)が利用可能である。
なお、支持体30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30の厚さは、1~2000μmが好ましく、3~500μmがより好ましく、5~250μmがさらに好ましい。
単層である場合の支持体30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30が例示される。多層である場合の支持体30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。
反射型液晶回折素子において、支持体30の表面には配向膜32が形成される。
配向膜32は、コレステリック液晶層34を形成する際に、液晶化合物40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、本発明において、コレステリック液晶層34は、液晶化合物40に由来する光学軸40A(図10参照)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。従って、配向膜32は、コレステリック液晶層34が、この液晶配向パターンを形成できるように、形成される。
以下の説明では、『光学軸40Aの向きが回転』を単に『光学軸40Aが回転』とも言う。
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32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32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32の厚さは、0.01~5μmが好ましく、0.05~2μmがより好ましい。
図17に示す露光装置60は、レーザ62を備えた光源64と、レーザ62が出射したレーザ光Mの偏光方向を変えるλ/2板65と、レーザ62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、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32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。
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40Aの回転方向を逆にすることができる。
例えば、支持体30をラビング処理する方法、支持体30をレーザ光などで加工する方法等によって、支持体30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34が、液晶化合物40に由来する光学軸40A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。すなわち、本発明においては、支持体30を配向膜として作用させてもよい。
反射型液晶回折素子において、配向膜32の表面には、コレステリック液晶層34が形成される。
上述したように、コレステリック液晶層は、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するコレステリック液晶層である。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は、コレステリック液晶層の主面に垂直な断面においてSEMにて観察されるコレステリック液晶相由来の明部及び暗部の配列方向が、コレステリック液晶層の主面に対して傾斜している。
後に詳述するが、コレステリック液晶層の選択的な反射波長域は、上述した螺旋1ピッチの厚さ方向の長さに依存する。図14のように液晶化合物の傾斜が、明部および暗部の傾斜と一致する場合には、螺旋ピッチは、図12に示す傾斜面ピッチPと略一致する。また、図11のように液晶化合物の傾斜が、明部および暗部の傾斜と一致しない場合には、螺旋ピッチは、図12に示す傾斜面ピッチPから若干ズレるが、以下の説明では、螺旋ピッチと傾斜面ピッチとを区別せずに説明を行う。
すなわち、配列軸D方向に対する角度が等しい2つの液晶化合物40の、配列軸D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10に示すように、配列軸D方向と光学軸40Aの方向とが一致する2つの液晶化合物40の、配列軸D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。
コレステリック液晶層34の液晶配向パターンは、この1周期Λを、配列軸D方向すなわち光学軸40Aの向きが連続的に回転して変化する一方向に繰り返す。
言い換えれば、コレステリック液晶層34を形成する液晶化合物40は、Y方向では、液晶化合物40の光学軸40Aと配列軸D方向とが成す角度が等しい。
従来のコレステリック液晶層において、コレステリック液晶相由来の螺旋軸は、主面(X-Y面)に対して垂直であり、その反射面は主面(X-Y面)と平行な面である。また、液晶化合物の光学軸は、主面(X-Y面)に対して傾斜していない。言い換えると、光学軸は主面(X-Y面)に対して平行である。したがって、従来のコレステリック液晶層のX-Z面をSEMにて観察すると、明部と暗部とが交互に配列された配列方向は主面(X-Y面)と垂直となる。
コレステリック液晶相は鏡面反射性であるため、例えば、コレステリック液晶層に法線方向から光が入射される場合、法線方向に光が反射される。
例えば、図10および図11においては、配列軸D方向に向かう光学軸40Aの回転方向は時計回りで、ある円偏光が配列軸D方向に傾けて反射されるが、これを反時計回りとすることで、ある円偏光が配列軸D方向とは逆方向に傾けて反射される。
例えば、螺旋の旋回方向が右捩じれの場合、右円偏光を選択的に反射するものであり、配列軸D方向に沿って光学軸40Aが時計回りに回転する液晶配向パターンを有することにより、右円偏光を配列軸D方向に傾けて反射する。
また、例えば、螺旋の旋回方向が左捩じれの場合、左円偏光を選択的に反射するものであり、配列軸D方向に沿って光学軸40Aが時計回りに回転する液晶配向パターンを有する液晶層は、左円偏光を配列軸D方向と逆方向に傾けて反射する。
これらの回折素子の回折構造の周期(1周期Λ)は0.1μm~10μmが好ましく、0.1μm~1μmがより好ましく、0.1μm~0.8μmがさらに好ましく、導光板を全反射で伝播させる観点から、入射する光の波長λ以下がさらに好ましい。
例えば、図15に示す例は、コレステリック液晶層の、配向膜32側の界面において液晶化合物40の光学軸40Aが主面に平行であり(プレチルト角が0であり)、配向膜32側の界面から厚さ方向に離間するにしたがって、液晶化合物40のチルト角が大きくなって、その後、他方の界面(空気界面)側まで一定のチルト角で液晶化合物が配向されている構成である。
このように液晶化合物がチルト角を有して(傾斜して)いることにより、光が回折する際に実効的な液晶化合物の複屈折率が高くなり、回折効率を高めることができる。
なお、上記チルト角は、コレステリック液晶層断面の偏光顕微鏡観察において、液晶化合物40の光学軸40Aと主面とのなす角度を任意の5か所以上で測定して、それらを算術平均した値である。
液晶化合物をチルトさせた場合、チルトさせない場合と比較して、光が回折する方位に対してより高い複屈折率が生じる方位が存在する。この方向では実効的な異常光屈折率が大きくなるため、異常光屈折率と常光屈折率の差である複屈折率が高くなる。
狙った回折する方位に合わせて、チルト角の方位を設定することによって、その方位での本来の回折条件とのずれを抑制することができ、結果としてチルト角を持たせた液晶化合物を用いた場合の方が、より高い回折効率を得ることができると考えられる。
さらに、コレステリック液晶層中または配向膜中にプレチルト角を助長する添加剤を加えることも出来る。この場合、回折効率を更に高める因子として添加剤を利用できる。
この添加剤は空気側の界面のプレチルト角の制御にも利用できる。
コレステリック液晶層がこのような構成を有することにより、液晶化合物が主面に平行であるコレステリック液晶層に比して、高い回折効率で円偏光を回折できる。
光学軸傾斜角の絶対値を15°以上とすることにより、より好適に、液晶化合物の方向を明部および暗部に一致させ、回折効率を向上できる点で好ましい。
すなわち、図16に示すコレステリック液晶層は、コレステリック液晶構造を有し、螺旋軸と反射層の表面とのなす角が周期的に変化する構造を有する層である。言い換えれば、コレステリック液晶層は、コレステリック液晶構造を有し、コレステリック液晶構造はSEMにて観測される断面図において明部と暗部との縞模様を与え、暗部がなす線の法線と反射層の表面となす角が周期的に変化する層である。
傾斜角度0°の山または谷とは、凸状、凹状を含むが、傾斜角度0°であれば、階段状および棚状の点も含む。波打ち構造は、縞模様の明部または暗部の連続線において、傾斜角度の絶対値が5°以上である領域Mと、それを挟む山または谷とが、複数、繰り返すのが好ましい。
コレステリック液晶層は、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、コレステリック液晶層において、液晶化合物40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、コレステリック液晶相の配向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。
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)用キラル剤、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。
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32上にコレステリック液晶層を形成する場合には、配向膜32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。
このような傾斜液晶層を用いたコレステリック液晶層の形成方法は、国際公開2019/181247の段落[0049]~[0194]に記載されている。
また、例えば、回折素子は、選択反射中心波長が異なる3層の液晶層を有し、赤色光、緑色光および青色光等の可視光から選択される1色または2色と、赤外線および/または紫外線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。
あるいは、回折素子は、選択反射中心波長が異なる液晶層を2層または4層以上、有するものであってもよい。また、回折素子は、赤色光、緑色光および青色光等の可視光に加えて、赤外線および/または紫外線等の可視光以外の光を反射する構成でもよく、あるいは、各液晶層が、赤外線および/または紫外線等の可視光以外の光を反射する構成でもよい。
具体的には、液晶層のピッチPが互いに異なる場合には、ピッチP(選択反射中心波長の長さ)の順列と、液晶層の液晶配向パターンにおける1周期Λの長さの順列とが等しいことが好ましい。これにより、各液晶層の、SEM断面における明部および暗部の傾斜角度を略一致させることができ、各液晶層の選択反射波長の光に対する回折角度を略一致させることができる。すなわち、波長の異なる光を、ほぼ同じ方向に回折することができる。
透過型液晶回折素子は、面内の少なくとも1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、かつ、厚さ方向には液晶化合物がコレステリック液晶相を形成していない液晶回折素子である。なお、液晶回折素子において、液晶化合物がコレステリック液晶相とはならない程度に厚さ方向に捩じれ回転した構成を有していてもよい。
図18および図19に示す透過型液晶回折素子は、支持体30と、配向膜32と、液晶層36とを有する。
図19に示すように、透過型液晶回折素子の液晶層36も、コレステリック液晶層34と同様、液晶化合物40の光学軸40Aが、配列軸D方向に沿って連続的に回転する液晶配向パターンを有する。なお、図19も、上述した図10と同様、配向膜32の表面の液晶化合物のみを示している。
透過型液晶回折素子では、液晶層36を形成する液晶化合物40が厚さ方向に螺旋状に捩じれ回転しておらず、光学軸40Aは、面方向の同じ場所に位置する。このような液晶層は、上述したコレステリック液晶層の形成において、液晶組成物にキラル剤を添加しないことで形成できる。
一方、液晶層36を形成する液晶化合物40は、配列軸D方向と直交するY方向、すなわち光学軸40A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40Aの向きが等しい液晶化合物40が等間隔で配列されている。
言い換えれば、液晶層36を形成する液晶化合物40において、Y方向に配列される液晶化合物40同士では、光学軸40Aの向きと配列軸D方向とが成す角度が等しい。
この場合に、それぞれの領域Rにおける面内レタデーション(Re)の値は、半波長すなわちλ/2であるのが好ましい。これらの面内レタデーションは、領域Rの屈折率異方性に伴う屈折率差Δnと光学異方性層の厚さとの積により算出される。ここで、光学異方性層における領域Rの屈折率異方性に伴う屈折率差とは、領域Rの面内における遅相軸の方向の屈折率と、遅相軸の方向に直交する方向の屈折率との差により定義される屈折率差である。すなわち、領域Rの屈折率異方性に伴う屈折率差Δnは、光学軸40Aの方向の液晶化合物40の屈折率と、領域Rの面内において光学軸40Aに垂直な方向の液晶化合物40の屈折率との差に等しい。つまり、屈折率差Δnは、液晶化合物40の屈折率差に等しい。
この作用を、図20および図21に概念的に示す。なお、液晶層36は、液晶化合物の屈折率差と光学異方性層の厚さとの積の値がλ/2であるとする。
図20に示すように、液晶層36の液晶化合物の屈折率差と光学異方性層の厚さとの積の値がλ/2の場合に、液晶層36に左円偏光である入射光L1が入射すると、入射光L1は、液晶層36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、液晶層36に形成された液晶配向パターンは、配列軸D方向に周期的なパターンであるため、透過光L2は、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、入射方向に対して配列軸D方向に一定の角度だけ傾いた、右円偏光の透過光L2に変換される。
また、液晶層36に形成された液晶配向パターンは、配列軸D方向に周期的なパターンであるため、透過光L5は、入射光L4の進行方向とは異なる方向に進行する。このとき、透過光L5は透過光L2と異なる方向、つまり、入射方向に対して矢印X方向とは逆の方向に進行する。このように、入射光L4は、入射方向に対して配列軸D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。
また、配列軸D方向に沿って回転する、液晶化合物40の光学軸40A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。すなわち、図18~図19に示す例では、配列軸D方向に向かう光学軸40Aの回転方向は時計回りであるが、この回転方向を反時計回りにすることで、透過光の屈折の方向を、逆方向にできる。
正レンズは、入射した光を集光するレンズである。正レンズとしては従来公知の凸レンズを用いることができる。
また、正レンズとして、回折構造を、光を集光する構成とした回折素子を用いてもよい。この場合の回折素子としては、上述した表面レリーフ型回折素子、体積ホログラム型回折素子、および、偏光回折素子のいずれかを用いることが好ましい。
図23に示す正レンズは、液晶層27を有するものである。図23は液晶層27の正面図である。
図23に示す液晶層27は、上述した液晶回折素子の液晶層と同様に、液晶化合物40の光学軸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しており、液晶化合物40の光学軸の向きが連続的に回転しながら変化する配列軸(図23中、D1、D2、D3)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を有するものである。言い換えれば、図23に示す液晶層27の液晶配向パターンは、液晶化合物40の光学軸の向きが連続的に回転しながら変化する配列軸が、液晶層27の中心から放射状に設けられた液晶配向パターンである。
すなわち、液晶層27の液晶配向パターンを同心円状とすることにより、凸レンズとして機能を発現する。
前述のように、入射する光を屈折する角度は、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、液晶層の中心から、外方向に向かって、漸次、短くすることにより、図24に示すように、液晶層27の中心付近に入射する光を屈折する角度は小さく、液晶層27の外側に向かうにしたがって、入射する光を屈折する角度を大きくして、液晶層27による光の集束力を、より向上でき、凸レンズとしての性能を、向上できる。
負レンズは、入射した光を発散するレンズである。負レンズとしては従来公知の凹レンズを用いることができる。
また、負レンズとして、回折構造を、光を発散する構成とした回折素子を用いてもよい。この場合の回折素子としては、上述した表面レリーフ型回折素子、体積ホログラム型回折素子、および、偏光回折素子のいずれかを用いることが好ましい。
すなわち、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、凹レンズとして機能を発現する。回折素子を凹レンズとする場合には、液晶配向パターンにおいて光学軸が180°回転する方向を、凸レンズの場合と逆方向とすればよい。
前述のように、入射する光を屈折する角度は、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、液晶層の中心から、外方向に向かって、漸次、短くすることにより、液晶層の中心付近に入射する光を屈折する角度は小さく、液晶層の外側に向かうにしたがって、入射する光を屈折する角度を大きくして、液晶層による光の発散力を、より向上でき、凹レンズとしての性能を、向上できる。
<入射回折素子の作製>
(配向膜の形成)
支持体としてガラス基板を用意した。支持体上に、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。
―――――――――――――――――――――――――――――――――
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
―――――――――――――――――――――――――――――――――
図17に示す露光装置を用いて配向膜を露光して、配向パターンを有する配向膜P-1を形成した。
露光装置において、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)は、2つの光の交差角(交差角α)を変化させることによって制御した。
コレステリック液晶層を形成する液晶組成物として、下記の液晶組成物AB-1を調製した。この液晶組成物AB-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。
液晶組成物AB-1
―――――――――――――――――――――――――――――――――
棒状液晶化合物L-1 100.00質量部
重合開始剤(日本化薬製、KAYACURE DETX-S)
1.00質量部
キラル剤Ch-1 3.90質量部
キラル剤Ch-2 1.00質量部
メチルエチルケトン 203.00質量部
―――――――――――――――――――――――――――――――――
液晶組成物AB-1の塗膜をホットプレート上で80℃にて3分間(180sec)加熱した。その後、80℃にて、大気雰囲気下で第1露光工程として、高圧水銀灯を用いて、300nmのロングバスフィルタ、および、350nmのショートパスフィルタを介して露光を行った。第1露光工程は、波長315nmで測定される光の照射量が10mJ/cm2となるように行った。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600mJ/cm2の照射量で塗膜に照射することにより(第2露光工程)、液晶組成物AB-1を硬化して液晶化合物の配向を固定化し、コレステリック液晶層を形成した。
これにより、支持体、配向膜およびコレステリック液晶層を有する液晶回折素子を作製した。
コレステリック液晶層を光学軸の回転方向に沿う方向切削し、断面をSEMで観察した。その結果、配向膜側から配向膜と離間する側に向かって、厚さ方向に明部および暗部のピッチPが連続的に増大し、かつ、傾斜角θhpも連続的に増大する形状が見られた。なお、傾斜角θhp(明部/暗部の傾斜角θhp)とは、明部および暗部がコレステリック液晶層の主面に対して成す角度である。
その結果、コレステリック液晶層の面内レタデーションが最小となる方向が法線に対し傾斜していた。この結果は、各液晶分子の長軸方向が、コレステリック液晶層の主面に対して傾斜した配向状態をとっていることを示唆している。
図17に示す露光装置によって配向膜を露光する際の2つの光の交差角を変更した以外は、入射回折素子と同様にして、支持体の上に配向膜を形成した。
また、液晶組成物AB-1において、キラル剤Ch-1の量およびメチルエチルケトンの量を適宜変更した以外は、同様に液晶組成物を調製した。
この液晶組成物を用いた以外は、入射回折素子と同様にして、中間回折素子を形成した。なお、中間回折素子の形成では、第1露光工程は行わずに、第2露光工程による液晶層の硬化を実施し、コレステリック液晶層を形成した。
図17に示す露光装置によって配向膜を露光する際の2つの光の交差角を変更した以外は、入射回折素子と同様にして、支持体の上に配向膜を形成した。
また、液晶組成物AB-1において、キラル剤Ch-1の量およびメチルエチルケトンの量を適宜変更した以外は、同様に液晶組成物を調製した。
この液晶組成物を用いた以外は、入射回折素子と同様にして、出射回折素子を形成した。なお、出射回折素子の形成では、第1露光工程は行わずに、第2露光工程による液晶層の硬化を実施し、コレステリック液晶層を形成した。
導光板として、大きさ60mm×70mm、厚さ1mmの、ガラス製の導光板を用いた。
入射回折素子は、直径6mmの大きさの円に切り出して用いた。中間回折素子は、短辺6mm、長辺15mm×高さ40mmの大きさの台形に切り出して用いた。出射回折素子は、40mm×40mmの大きさの正方形に切り出して用いた。
なお、各回折素子を切り出す際には、図25に示すように、各回折素子を導光板上に配置した際に回折構造の周期方向が所定の方向となるよう、切り出す方向と回折構造の周期方向とを調整して切り出した。
各回折素子の配置は、入射回折素子は、導光板の主面の右上側に配置し、入射回折素子の左側に中間回折素子を配置し、中間回折素子の下側に出射回折素子を配置した。
入射回折素子と中間回折素子とは、図25に示すように、左右方向に1mm離間して配置した。中間回折素子と出射回折素子とは上下方向に8mm離間して配置した。
作製した導光素子の出射回折素子が配置される主面とは反対側の主面側に正レンズを配置して光学素子を作製した。
正レンズは、φ50mmのガラス製で、焦点距離+150mmのもの(シグマ光機株式会社製)を用いた。
正レンズと導光素子との間の距離は1mmとした。
さらに、導光素子の出射回折素子が配置される主面側に負レンズを配置した以外は実施例1と同様にして光学素子を作製した。
負レンズは、φ50mmのガラス製で、焦点距離-150mmのもの(シグマ光機株式会社製)を用いた。
正レンズとして、φ50mmのガラス製で、焦点距離が+70mm、+100mm、+150mm、+200mmの4種のレンズを入れ替えて用いることで、焦点可変レンズを模した以外は実施例1と同様にして光学素子を作製した。
さらに、導光素子の出射回折素子が配置される主面側に負レンズを配置した以外は実施例3と同様にして光学素子を作製した。
負レンズとして、φ50mmのガラス製で、焦点距離が-70mm、-100mm、-150mm、-200mmの4種のレンズを入れ替えて用いることで、焦点可変レンズを模した。
作製した光学素子の入射回折素子に画像を照射する表示素子を配置して画像表示装置を作製して空中像および背景像の評価を行った。
表示素子は、右円偏光の画像を出射するディスプレイを用いた。このディスプレイは、反射型液晶表示素子に投射光源と凸レンズとを組み合わせた投射型液晶表示素子である。反射型液晶表示素子の出射光の直線偏光をλ/4板により右円偏光に変換している。
その結果、いずれの実施例においても空中像が視認できた。また、その際、背景像も視認できた。背景像は実施例1および実施例3では、背景像に歪みが生じていたが、負レンズを有する実施例2および実施例4では、背景像に歪みが視認されなかった。
表示される空中像の焦点位置を以下のようにして評価した。
画像表示装置を用いて画像を表示して、空中像の焦点が合う位置にピントを合わせて、文字を書いた紙を空中像と同時にピントが合う位置に配置して、紙と正レンズとの距離を測定して空中像の焦点位置を求めた。その結果、いずれの実施例においても、おおよそ、正レンズの焦点距離の位置に空中像ができていることを確認した。
また、実施例3および実施例4においては、レンズを入れ替えて焦点距離を変えることで空中像の位置が変わることを確認した。すなわち、焦点可変レンズを用いることで、空中像の位置を変えることができることを確認した。
結果を表1に示す。
12 表示素子
13、13b、13c 光学素子
14、14b、14d 導光素子
16 導光板
18 入射回折素子
20 中間回折素子
24 出射回折素子
26 正レンズ
27、36 液晶層
28 負レンズ
30 支持体
32 配向膜
34 コレステリック液晶層
40 液晶化合物
40A 光学軸
60 露光装置
62 レーザ
64 光源
65 λ/2板
68 ビームスプリッター
70A,70B ミラー
72A,72B λ/4板
110、112 領域
G1 空中像
H1 焦点面
K1、K2、K3 結像点
U 使用者
D1 表面レリーフ型回折素子
D2 体積ホログラム型回折素子
P 螺旋ピッチ
Λ 1周期
L1,L4 入射光
L2,L5 出射光
M レーザ光
MA,MB 光線
PO 直線偏光
PR 右円偏光
PL 左円偏光
Claims (23)
- 導光板と、
前記導光板の主面に配置される入射回折素子と、
前記導光板の主面に配置される出射回折素子と、を有する導光素子、および、
前記導光板の主面に垂直な方向から見た際に前記出射回折素子と重複する位置に配置される正レンズを有し、
前記入射回折素子は、入射した光を回折して前記導光板内に入射させるものであり、
前記出射回折素子は、前記導光板内を伝搬する光を前記導光板から出射させるものであり、
前記正レンズは、前記出射回折素子によって前記導光板から出射された光を集光するものであり、
前記導光素子の、前記正レンズとは反対側に配置される負レンズを有し、
前記負レンズが、表面レリーフ型回折素子、体積ホログラム型回折素子、および、偏光回折素子のいずれかである光学素子。 - 前記導光素子と前記正レンズとは離間している請求項1に記載の光学素子。
- 前記正レンズは前記出射回折素子よりも大きい請求項1または2に記載の光学素子。
- 前記導光素子と前記負レンズとは離間している請求項1~3のいずれか一項に記載の光学素子。
- 前記正レンズの焦点距離を+fpとし、前記負レンズの焦点距離を-fnとすると、fpおよびfnは、
0.7≦fn/fp≦1.3
を満たす請求項1~4のいずれか一項に記載の光学素子。 - 前記負レンズが、焦点可変レンズである請求項1~5のいずれか一項に記載の光学素子。
- 前記正レンズが、焦点可変レンズである請求項1~6のいずれか一項に記載の光学素子。
- 前記正レンズが、表面レリーフ型回折素子、体積ホログラム型回折素子、および、偏光回折素子のいずれかである請求項1~7のいずれか一項に記載の光学素子。
- 前記導光素子は、前記導光板の主面に配置される中間回折素子を有し、
前記中間回折素子は、前記入射回折素子によって回折されて前記導光板内に入射し、前記導光板内を伝搬する光を前記出射回折素子に向けて回折する請求項1~8のいずれか一項に記載の光学素子。 - 前記中間回折素子の回折構造の周期が0.1μm~1μmである請求項9に記載の光学素子。
- 前記中間回折素子は、表面レリーフ型回折素子、体積ホログラム型回折素子、および、偏光回折素子のいずれかである請求項9または10に記載の光学素子。
- 前記入射回折素子および前記出射回折素子はそれぞれ、表面レリーフ型回折素子、体積ホログラム型回折素子、および、偏光回折素子のいずれかである請求項1~11のいずれか一項に記載の光学素子。
- 前記偏光回折素子が、液晶化合物を含む液晶層を有する液晶回折素子であり、
前記液晶層は、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ながら変化している液晶配向パターンを有する請求項1~12のいずれか一項に記載の光学素子。 - 前記液晶層において、前記液晶化合物の光学軸の向きが厚さ方向で捩じれ回転している領域を有する請求項13に記載の光学素子。
- 前記液晶層は、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である請求項13または14に記載の光学素子。
- 前記液晶回折素子は、前記液晶回折素子の主面の法線方向および法線に対して傾斜した方向から面内レタデーションを測定した際に、遅相軸面内および進相軸面内のいずれかにおいて、面内レタデーションが最小となる方向が前記法線方向から傾斜している請求項13~15のいずれか一項に記載の光学素子。
- 前記液晶回折素子が2以上の液晶層を有し、
前記2以上の液晶層はそれぞれ、走査型電子顕微鏡によって観察される前記液晶層の断面において、液晶相に由来する明部および暗部が、前記液晶層の主面に対して傾斜しており、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ピッチとした際に、前記液晶層のピッチが互いに異なる、請求項13~16のいずれか一項に記載の光学素子。 - 前記液晶層において、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面内方向に180°回転する長さを回折構造の1周期とすると、
前記2以上の液晶層の1周期が、互いに異なる請求項17に記載の光学素子。 - 前記液晶回折素子が第1液晶層と第2液晶層とを有し、
前記第1液晶層のピッチをP1、1周期をΛ1とし、前記第2液晶層のピッチをP2、1周期をΛ2とすると、
P1<P2
Λ1<Λ2
を満たす請求項18に記載の光学素子。 - 前記入射回折素子および前記出射回折素子の回折構造の周期が0.1μm~1μmである請求項1~19のいずれか一項に記載の光学素子。
- 請求項1~20のいずれか一項に記載の光学素子と、
前記光学素子の前記入射回折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。 - 前記表示素子が偏光を照射する請求項21に記載の画像表示装置。
- 前記表示素子が円偏光を照射する請求項22に記載の画像表示装置。
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2020017005 | 2020-02-04 | ||
JP2020017005 | 2020-02-04 | ||
PCT/JP2021/003841 WO2021157598A1 (ja) | 2020-02-04 | 2021-02-03 | 光学素子および画像表示装置 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPWO2021157598A1 JPWO2021157598A1 (ja) | 2021-08-12 |
JP7360481B2 true JP7360481B2 (ja) | 2023-10-12 |
Family
ID=77200315
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2021575822A Active JP7360481B2 (ja) | 2020-02-04 | 2021-02-03 | 光学素子および画像表示装置 |
Country Status (3)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US20220390723A1 (ja) |
JP (1) | JP7360481B2 (ja) |
WO (1) | WO2021157598A1 (ja) |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2003337298A (ja) | 2002-05-17 | 2003-11-28 | Sony Corp | 画像表示装置 |
CN107390380A (zh) | 2017-05-12 | 2017-11-24 | 上海誉沛光电科技有限公司 | 一种显示装置、导光平板及多层悬浮显示设备 |
CN109445109A (zh) | 2018-12-26 | 2019-03-08 | 深圳珑璟光电技术有限公司 | 一种透光板 |
WO2019060741A1 (en) | 2017-09-21 | 2019-03-28 | Magic Leap, Inc. | INCREASED REALITY DISPLAY HAVING A WAVEGUIDE CONFIGURED TO CAPTURE IMAGES OF THE EYE AND / OR THE ENVIRONMENT |
WO2019189586A1 (ja) | 2018-03-29 | 2019-10-03 | 富士フイルム株式会社 | 光学素子 |
WO2019221294A1 (ja) | 2018-05-18 | 2019-11-21 | 富士フイルム株式会社 | 光学素子 |
-
2021
- 2021-02-03 JP JP2021575822A patent/JP7360481B2/ja active Active
- 2021-02-03 WO PCT/JP2021/003841 patent/WO2021157598A1/ja active Application Filing
-
2022
- 2022-08-03 US US17/880,061 patent/US20220390723A1/en active Pending
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2003337298A (ja) | 2002-05-17 | 2003-11-28 | Sony Corp | 画像表示装置 |
CN107390380A (zh) | 2017-05-12 | 2017-11-24 | 上海誉沛光电科技有限公司 | 一种显示装置、导光平板及多层悬浮显示设备 |
WO2019060741A1 (en) | 2017-09-21 | 2019-03-28 | Magic Leap, Inc. | INCREASED REALITY DISPLAY HAVING A WAVEGUIDE CONFIGURED TO CAPTURE IMAGES OF THE EYE AND / OR THE ENVIRONMENT |
WO2019189586A1 (ja) | 2018-03-29 | 2019-10-03 | 富士フイルム株式会社 | 光学素子 |
WO2019221294A1 (ja) | 2018-05-18 | 2019-11-21 | 富士フイルム株式会社 | 光学素子 |
CN109445109A (zh) | 2018-12-26 | 2019-03-08 | 深圳珑璟光电技术有限公司 | 一种透光板 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
US20220390723A1 (en) | 2022-12-08 |
JPWO2021157598A1 (ja) | 2021-08-12 |
WO2021157598A1 (ja) | 2021-08-12 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP6980901B2 (ja) | 光学素子、導光素子および画像表示装置 | |
US20210311259A1 (en) | Light guide element, image display device, and sensing apparatus | |
US11650448B2 (en) | Liquid crystal diffraction element and light guide element | |
JP7483111B2 (ja) | 光学素子および画像表示装置 | |
US20220236587A1 (en) | Image display apparatus | |
US20220057638A1 (en) | Light guide element and image display apparatus | |
US11886071B2 (en) | Light guide element comprising a diffraction element having a cholesteric liquid crystal layer with a pitch gradient | |
US11796854B2 (en) | Optical member and image display apparatus | |
JP7196290B2 (ja) | 液晶回折素子および積層回折素子 | |
JP7360481B2 (ja) | 光学素子および画像表示装置 | |
JP7470714B2 (ja) | 導光素子および画像表示装置 | |
JP7416941B2 (ja) | 光学素子および画像表示装置 | |
JP7292414B2 (ja) | 導光素子および画像表示装置 | |
JP7482991B2 (ja) | 光学素子および画像表示装置 | |
JP7303326B2 (ja) | 導光素子および画像表示装置 | |
WO2021132063A1 (ja) | 画像表示装置およびarグラス | |
JP2022074858A (ja) | 画像表示システム | |
JP2022074706A (ja) | 画像表示システム |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20220801 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20230725 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20230919 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20230926 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20230929 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 7360481 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |