JP7392160B2 - 透過型液晶回折素子 - Google Patents

Description

本発明は、入射した光を回折する透過型液晶回折素子に関する。

光を屈曲させて光の進行方向を制御する光学素子として回折素子は多くの光学デバイスあるいはシステムで利用されている。
このような回折素子として、液晶化合物を用いた液晶回折素子が提案されている。

例えば、特許文献１には、棒状液晶化合物を含む液晶組成物の硬化層である第１の光学異方性層と、第１の光学異方性層に積層された、円盤状液晶化合物を含む液晶組成物の硬化層である第２の光学異方性層とが積層された積層構造の光学異方性層を備え、棒状液晶化合物の光学軸が、第１の光学異方性層の面に平行であり、かつ、第１の光学異方性層が、第１の光学異方性層の面内の少なくとも一方向に沿って配列された液晶配向パターンであって、棒状液晶化合物の光学軸の向きが、連続的に回転変化した第１の液晶配向パターンを有し、棒状液晶化合物の光学軸の向きが０．５μｍ～５μｍの周期で１８０°回転しており、円盤状液晶化合物の光学軸が、第２の光学異方性層の面に平行であり、かつ、第２の光学異方性層が、第２の光学異方性層の面内の少なくとも一方向に沿って配列された液晶配向パターンであって、円盤状液晶化合物の向きが、連続的に回転変化した第２の液晶配向パターンを有し、円盤状液晶化合物の光学軸の向きが０．５μｍ～５μｍの周期で１８０°回転している光学素子が記載されている。

国際公開第２０１９／２２１２９４号

液晶化合物を用いた回折素子では、回折効率などの回折性能に入射角依存性があるため、光の入射角が大きくなると回折効率が低下してしまうという問題があった。
また、液晶化合物を用いた回折素子では、円偏光を回折させるとともに、円偏光の偏光方向を変換する作用が生じる。しかしながら、回折光が純粋な円偏光にはなりにくく、回折光の円偏光度は低い。そのため、円偏光を混合させたくない用途ではノイズの原因となるという問題があった。

本発明の課題は、広い入射角の範囲で高い回折効率を維持でき、回折光の円偏光度を高くできる透過型液晶回折素子を提供することにある。

この課題を解決するために、本発明は、以下の構成を有する。
［１］ 棒状液晶化合物を配向してなる棒状液晶層と、円盤状液晶化合物を配向してなる円盤状液晶層とを交互に積層した構成を有する透過型液晶回折素子であって、
棒状液晶層および円盤状液晶層は、それぞれ、棒状液晶化合物および円盤状液晶化合物に由来する光学軸の向きが連続的に回転しながら変化している方向が、棒状液晶層および円盤状液晶層の面内の少なくとも一方向に沿っている、液晶配向パターンを有し、
棒状液晶層の液晶配向パターンにおける光学軸の回転方向と、円盤状液晶層の液晶配向パターンにおける光学軸の回転方向とが同じであり、
光学軸の向きが面内で１８０°回転する長さを１周期とすると、棒状液晶層の液晶配向パターンの１周期と、円盤状液晶層の液晶配向パターンの１周期とが同じであり、
棒状液晶層および円盤状液晶層のそれぞれの厚さ方向の位相差｜Ｒｔｈ｜が６５ｎｍ以下であり、
棒状液晶層と円盤状液晶層との界面において、透過型液晶回折素子の主面の面方向の同じ位置に存在する棒状液晶化合物と円盤状液晶化合物とは、棒状液晶化合物の長手方向と、円盤状液晶化合物を円盤状液晶層の界面に投影した形状における長手方向とが一致している透過型液晶回折素子。
［２］ 透過型液晶回折素子の主面の面方向の同じ位置に存在する棒状液晶化合物と円盤状液晶化合物とは、棒状液晶化合物の長手方向と、円盤状液晶化合物を円盤状液晶層の界面に投影した形状における長手方向とが、透過型液晶回折素子の一方の面から他方の面に亘って一致している［１］に記載の透過型液晶回折素子。
［３］ 透過型液晶回折素子の主面の面方向の同じ位置に存在する棒状液晶化合物と円盤状液晶化合物とは、前記棒状液晶層および前記円盤状液晶層のそれぞれの厚さ方向において、棒状液晶化合物の長手方向と、円盤状液晶化合物を円盤状液晶層の界面に投影した形状における長手方向とが連続的にねじれ配向しており、
透過型液晶回折素子の一方の面から他方の面におけるねじれ配向のねじれ角が３６０°未満である［１］に記載の透過型液晶回折素子。
［４］ 棒状液晶層の厚さ、および、円盤状液晶層の厚さがそれぞれ、０．９μｍ以下である［１］～［３］のいずれかに記載の透過型液晶回折素子。

本発明によれば、広い入射角範囲において、高い回折効率を有し、回折光の円偏光度を高くできる透過型液晶回折素子を提供することができる。

本発明の透過型液晶回折素子の一例を概念的に示す図である。 図１に示す透過型液晶回折素子が有する棒状液晶層を概念的に示す図である。 図２に示す棒状液晶層の正面図である。 図１に示す透過型液晶回折素子が有する円盤状液晶層を概念的に示す図である。 図４に示す円盤状液晶層の正面図である。 配向膜を露光する露光装置の一例の概念図である。 棒状液晶層の作用を説明するための概念図である。 棒状液晶層の作用を説明するための概念図である。 本発明の透過型液晶回折素子の他の一例を概念的に示す図である。 本発明の透過型液晶回折素子の他の一例を概念的に示す図である。

以下、本発明の透過型液晶回折素子について、添付の図面に示される好適実施例を基に詳細に説明する。

本明細書において「～」を用いて表される数値範囲は、「～」の前後に記載される数値を下限値および上限値として含む範囲を意味する。
本明細書において、「（メタ）アクリレート」は、「アクリレートおよびメタクリレートのいずれか一方または双方」の意味で使用される。
本明細書において、「同じ」、「等しい」等は、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。

［透過型液晶回折素子］
本発明の透過型液晶回折素子は、
棒状液晶化合物を配向してなる棒状液晶層と、円盤状液晶化合物を配向してなる円盤状液晶層とを交互に積層した構成を有し、
棒状液晶層および円盤状液晶層は、それぞれ、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している方向が、棒状液晶層および円盤状液晶層の面内の少なくとも一方向に沿っている、液晶配向パターンを有し、
棒状液晶層の液晶配向パターンにおける光学軸の回転方向と、円盤状液晶層の液晶配向パターンにおける光学軸の回転方向とが同じであり、
光学軸の向きが面内で１８０°回転する長さを１周期とすると、棒状液晶層の液晶配向パターンの１周期と、円盤状液晶層の液晶配向パターンの１周期とが同じであり、
棒状液晶層および円盤状液晶層のそれぞれの厚さ方向の位相差｜Ｒｔｈ｜が６５ｎｍ以下であり、
棒状液晶層と円盤状液晶層との界面において、透過型液晶回折素子の主面の面方向の同じ位置に存在する棒状液晶化合物と円盤状液晶化合物とは、棒状液晶化合物の長手方向と、円盤状液晶化合物を円盤状液晶層の界面に投影した形状における長手方向とが一致している。

図１に、本発明の透過型液晶回折素子の一例を概念的に示す。

図１に示す透過型液晶回折素子１０は、厚さ方向に交互に積層された棒状液晶層４２と円盤状液晶層４４とを計４層有する。なお、図１においては、図面を簡略化して透過型液晶回折素子１０の構成を明確に示すために、棒状液晶層４２および円盤状液晶層４４は、表面の液晶化合物（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、棒状液晶層４２および円盤状液晶層４４はそれぞれ、図４および図６に概念的に示すように、厚さ方向において、液晶化合物が積み重ねられた構造を有する。なお、以下の説明において、棒状液晶化合物および円盤状液晶化合物を区別しない場合には、単に液晶化合物ともいう。

図１に示すように、棒状液晶層４２と円盤状液晶層４４とは厚さ方向に交互に積層されている。

棒状液晶層４２は、棒状液晶化合物４０ｃを、その光学軸の向きが連続的に回転しながら変化している方向が面内の少なくとも一方向に沿っている液晶配向パターンで配向した層である。また、円盤状液晶層４４は、円盤状液晶化合物４０ｄを、その光学軸の向きが連続的に回転しながら変化している方向が面内の少なくとも一方向に沿っている液晶配向パターンで配向した層である。
また、図１に示す例においては、透過型液晶回折素子１０の主面の面方向の同じ位置に存在する棒状液晶化合物４０ｃと円盤状液晶化合物４０ｄとは、少なくとも棒状液晶層と円盤状液晶層との界面において、棒状液晶化合物４０ｃの長手方向と、円盤状液晶化合物４０ｄを円盤状液晶層４４の界面に投影した形状における長手方向（以下、単に円盤状液晶化合物４０ｄの長手方向ともいう）とが一致するように配向されている。

後に詳述するが、液晶化合物を用いた液晶層が、液晶化合物に由来する光学軸の向きが連続的に回転しながら変化している方向が面内の少なくとも一方向に沿っている液晶配向パターンを有すると、透過する光を回折することができる。その際の回折角度は、液晶配向パターンにおいて、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（以下、液晶配向パターンの１周期ともいう）とすると、この１周期の長さに依存する。そのため、液晶配向パターンの１周期を調節することによって、回折角度を調節することができる。また、その際の回折の向きは、液晶配向パターンにおける光学軸の回転方向に依存する。そのため、液晶配向パターンにおける光学軸の回転方向を調節することによって、回折の向きを調節することができる。

ここで、本発明においては、棒状液晶層４２の液晶配向パターンにおける光学軸の回転方向と、円盤状液晶層４４の液晶配向パターンにおける光学軸の回転方向とが同じであり、かつ、棒状液晶層４２の液晶配向パターンの１周期の長さと、円盤状液晶層４４の液晶配向パターンの１周期の長さとが同じである。また、少なくとも棒状液晶層４２と円盤状液晶層４４との界面において、透過型液晶回折素子の主面の面方向の同じ位置に存在する棒状液晶化合物４０ｃと円盤状液晶化合物４０ｄとは、棒状液晶化合物４０ｃの長手方向と、円盤状液晶化合物４０ｄを円盤状液晶層４４の界面に投影した形状における長手方向とが一致している。本発明においては、交互に積層された棒状液晶層４２および円盤状液晶層４４の液晶配向パターンの１周期および回転方向が同じであるため、交互に積層された棒状液晶層４２と円盤状液晶層４４とが一体的に、所定の液晶配向パターンを有する１つの液晶層（光学異方性層）として光学的な作用を発揮する。さらに、棒状液晶層４２および円盤状液晶層４４のそれぞれの厚さ方向の位相差｜Ｒｔｈ｜が６５ｎｍ以下である。すなわち、棒状液晶層４２と円盤状液晶層４４とが交互に積層された構造で、各層のＲｔｈのうち最もＲｔｈの絶対値が大きいものでも６５ｎｍ以下である。

前述のとおり、液晶化合物を用いた回折素子では、回折効率などの回折性能に入射角依存性があるため、光の入射角が大きくなると回折効率が低下してしまうという問題があった。具体的には、例えば、棒状液晶化合物を所定の液晶配向パターンに配向してなる単層の液晶層の場合には、液晶層の表面に垂直な方向から見た際には、棒状液晶化合物の向きによらず、棒状液晶化合物の長手方向の長さと短手方向の長さとの差が同じになる。そのため、液晶層の面方向の位置によらず面内レタデーションＲｅが一定となる。これに対して、液晶層の表面に斜め方向から見た際には、棒状液晶化合物の向きによって、棒状液晶化合物の長手方向の長さと短手方向の長さとの差が異なるものとなる。そのため、液晶層の面方向の位置によって面内レタデーションＲｅが異なるものとなる。従って、光が液晶層の表面に斜め方向から入射した場合には、光が液晶層の表面に垂直な方向から入射した場合とは、液晶層の光学的な作用が異なるものとなり、回折効率が低下する。この点は、円盤状液晶化合物を所定の液晶配向パターンに配向してなる単層の液晶層の場合にも同様である。このように、光の入射角によって面内レタデーションＲｅが変化することは、液晶層の厚さ方向レタデーションＲｔｈがゼロでない場合に生じる。

また、後に詳述するが、液晶を用いた液晶回折素子では、入射した円偏光の偏光方向を逆の円偏光に変換する。ここで、液晶回折素子の厚さ方向レタデーションＲｔｈがゼロでない場合には、光が液晶回折素子内を方向を変えつつ進行するにつれて、光が受ける面内レタデーションＲｅの影響が変化する。そのため、液晶回折素子によって回折された円偏光が完全な円偏光にはならない。そのため、右円偏光と左円偏光とを混合させたくない用途にはノイズの原因になり不都合が生じる。

これに対して、本発明においては、液晶配向パターンの１周期および回転方向が同じ棒状液晶層４２と円盤状液晶層４４とを交互に積層した構成を有する。ここで、棒状液晶化合物４０ｃは正の複屈折性を有し、円盤状液晶化合物４０ｄは負の複屈折性を有する。そのため、棒状液晶層４２と円盤状液晶層４４とを交互に積層することで、棒状液晶層４２と円盤状液晶層４４とを交互に積層した１つの液晶層としての厚さ方向レタデーションＲｔｈをゼロに近づけることができる。その際、棒状液晶層４２および円盤状液晶層４４の材料、厚さ等を調整して、棒状液晶層４２および円盤状液晶層４４のそれぞれの厚さ方向レタデーション｜Ｒｔｈ｜を６５ｎｍ以下とする。これにより、光の入射角によって面内レタデーションＲｅが変化することを抑制できるため、この液晶層を有する透過型液晶回折素子に斜め方向から光が入射した際の入射角による面内レタデーションＲｅの変化が小さくなる。そのため、回折効率の入射角依存性を向上できる。

また、本発明の透過型液晶回折素子は、棒状液晶層４２と円盤状液晶層４４とを交互に積層することで、厚さ方向レタデーションＲｔｈをゼロに近づけることができるため、光が液晶回折素子内を方向を変えつつ進行しても、光が受けるレタデーションの影響は小さい。そのため、透過型液晶回折素子によって回折された円偏光は完全な円偏光に変換される。そのため、右円偏光と左円偏光とを混合させたくない用途においても好ましく用いることができる。

ここで、棒状液晶層４２の厚さおよび円盤状液晶層４４の厚さは、棒状液晶層４２と円盤状液晶層４４とを合わせた厚みが、入射する光の波長に対して大きすぎないことが好ましい。棒状液晶層４２の厚さおよび円盤状液晶層４４の厚さが入射する光の波長に対して十分に大きいと、各層がそれぞれ単層として光に対して光学的な作用（レタデーション）を発揮する。この場合、前述の単層の場合と同様に、光の入射角によってレタデーションが変化するため、入射角が大きいと回折効率が低下してしまう。
上記観点から、棒状液晶層４２の厚さおよび円盤状液晶層４４の厚さはそれぞれ回折する光の波長に応じて適宜設定すればよい。回折する光が可視光の場合には、０．９μｍ以下が好ましく、０．７μｍ～０．０１μｍがより好ましく、０．５μｍ～０．０１μｍがさらに好ましい。

なお、棒状液晶層４２と円盤状液晶層４４とが積層された状態で各層の厚さ方向の位相差｜Ｒｔｈ｜は以下のようにして測定する。
断面ＳＥＭによりそれぞれの膜厚を求めることができる。また、透過型液晶回折素子の断面切片を切削するリタデーション観測により、透過型液晶回折素子の断面方向から各液晶層の遅相軸および進相軸方向とその屈折率の差を求めることが出来る。これにより各層におけるＲｔｈを求めることができる。

ここで、図１に示す例では、棒状液晶層４２と円盤状液晶層４４とをそれぞれ２層ずつ計４層有する構成としたがこれに限定はされず、棒状液晶層４２と円盤状液晶層４４とをそれぞれ１層ずつ計２層有する構成であってもよいし、一方を２層、他方を１層の計３層有する構成であってもよいし、棒状液晶層４２と円盤状液晶層４４とを計５層以上有する構成であってもよい。
すなわち、棒状液晶層４２と円盤状液晶層４４とを同じ層数有する構成に限定はされず、棒状液晶層４２と円盤状液晶層４４のいずれか一方が１層多くてもよい。

ここで、図１に示す例においては、透過型液晶回折素子１０の主面の面方向の同じ位置に存在する棒状液晶化合物４０ｃと円盤状液晶化合物４０ｄとは、棒状液晶化合物４０ｃの長手方向と、円盤状液晶化合物４０ｄの長手方向とが、透過型液晶回折素子１０の一方の面（たとえば、棒状液晶層４２の表面のうち、円盤状液晶層４４が積層されずに露出している面）から他方の面（たとえば、円盤状液晶層４４の表面のうち、棒状液晶層４２が積層されずに露出している面）に亘って一致するように配向されている構成としたが、棒状液晶層と円盤状液晶層との界面において、液晶化合物の長手方向が一致している限り、これに限定はされない。
図２に本発明の透過型液晶回折素子の他の一例を示す。

図２に示す透過型液晶回折素子１０ｂは、厚さ方向に交互に積層された棒状液晶層４２ｂと円盤状液晶層４４ｂとを計４層有する。なお、図２において、図面を簡略化して透過型液晶回折素子１０ｂの構成を明確に示すために、棒状液晶層４２ｂおよび円盤状液晶層４４ｂは、表面の液晶化合物のみを概念的に示している。しかしながら、棒状液晶層４２ｂおよび円盤状液晶層４４ｂは、厚さ方向において、液晶化合物が積み重ねられた構造を有する。

棒状液晶層４２ｂは、棒状液晶化合物４０ｃを、その光学軸の向きが連続的に回転しながら変化している方向が面内の少なくとも一方向に沿っている液晶配向パターンで配向した層である。また、円盤状液晶層４４ｂは、円盤状液晶化合物４０ｄを、その光学軸の向きが連続的に回転しながら変化している方向が面内の少なくとも一方向に沿っている液晶配向パターンで配向した層である。また、棒状液晶層４２ｂの液晶配向パターンにおける光学軸の回転方向と、円盤状液晶層４４ｂの液晶配向パターンにおける光学軸の回転方向とが同じであり、かつ、棒状液晶層４２ｂの液晶配向パターンの１周期の長さと、円盤状液晶層４４ｂの液晶配向パターンの１周期の長さとが同じである。また、棒状液晶層４２ｂと円盤状液晶層４４ｂとの界面において、透過型液晶回折素子１０ｂの主面の面方向の同じ位置に存在する棒状液晶化合物４０ｃと円盤状液晶化合物４０ｄとは、棒状液晶化合物４０ｃの長手方向と、円盤状液晶化合物４０ｄを円盤状液晶層４４ｂの界面に投影した形状における長手方向とが一致している。また、棒状液晶層４２ｂおよび円盤状液晶層４４ｂのそれぞれの厚さ方向の位相差｜Ｒｔｈ｜が６５ｎｍ以下である。

ここで、図２に示す例においては、図中下側の棒状液晶層４２ｂから図中上側の円盤状液晶層４４ｂに向かって一体的に、層内の液晶化合物の長手方向が、厚さ方向にねじれ配向している。これにより、２層の棒状液晶層４２ｂと２層の円盤状液晶層４４ｂとが１つの液晶層として、厚さ方向に液晶化合物がねじれ配向している構成を有するものとなる。
図２に示す例においては、透過型液晶回折素子１０ｂにおける液晶化合物のねじれ方向は、図中上から下に向かって反時計回りに回転する方向である。透過型液晶回折素子１０ｂにおけるねじれ配向は、厚さ方向でのねじれ角が３６０°未満である。すなわち、透過型液晶回折素子１０ｂの一方の面（たとえば、棒状液晶層４２ｂの表面のうち、円盤状液晶層４４ｂが積層されずに露出している面）から他方の面（たとえば、円盤状液晶層４４ｂの表面のうち、棒状液晶層４２ｂが積層されずに露出している面）におけるねじれ配向のねじれ角が３６０°未満であり、コレステリック配向されない程度にねじれ配向されたものである。

このように、透過型液晶回折素子１０ｂが、液晶化合物が厚み方向にねじれ配向された構造を有すると、透過型液晶回折素子１０に対する光の入射角と出射角とが異なっている場合の回折効率を高くすることができる。具体的には、光学軸の向きが連続的に回転しながら変化している方向（後述する配列軸Ｄ方向）に平行な断面において、同じ方向を向いている液晶化合物を厚さ方向に結んだ線分に対して、光の入射方向がなす角度と、出射方向がなす角度とが同じになるのが好ましい。

また、図２に示すような棒状液晶層と円盤状液晶層とを積層し、液晶化合物の長手方向をねじれ配向させた光学異方性層を２層積層し、２つの光学異方性層におけるねじれ方向を逆にした構成としてもよい。
図３に本発明の透過型液晶回折素子の他の一例を概念的に表す図を示す。

図３に示す透過型液晶回折素子１０ｃは、棒状液晶層４２ｂと円盤状液晶層４４ｂとを交互に計４層有する第１の光学異方性層３７ｂと、棒状液晶層４２ｂと円盤状液晶層４４ｂとを交互に計４層有する第２の光学異方性層３７ｃと、を有する。

棒状液晶層４２ｂは、棒状液晶化合物４０ｃを、その光学軸の向きが連続的に回転しながら変化している方向が面内の少なくとも一方向に沿っている液晶配向パターンで配向した層である。また、円盤状液晶層４４ｂは、円盤状液晶化合物４０ｄを、その光学軸の向きが連続的に回転しながら変化している方向が面内の少なくとも一方向に沿っている液晶配向パターンで配向した層である。
また、棒状液晶層４２ｂの液晶配向パターンにおける光学軸の回転方向と、円盤状液晶層４４ｂの液晶配向パターンにおける光学軸の回転方向とが同じであり、かつ、棒状液晶層４２ｂの液晶配向パターンの１周期の長さと、円盤状液晶層４４ｂの液晶配向パターンの１周期の長さとが同じである。すなわち、第１の光学異方性層３７ｂの棒状液晶層４２ｂおよび円盤状液晶層４４ｂの液晶配向パターンにおける光学軸の回転方向および１周期の長さと、第２の光学異方性層３７ｃの棒状液晶層４２ｂおよび円盤状液晶層４４ｂの液晶配向パターンにおける光学軸の回転方向および１周期の長さとは同じである。また、第１の光学異方性層３７ｂおよび第２の光学異方性層３７ｃはそれぞれ、棒状液晶層４２ｂおよび円盤状液晶層４４ｂのそれぞれの厚さ方向の位相差｜Ｒｔｈ｜が６５ｎｍ以下である。

ここで、図３に示す例においては、第１の光学異方性層３７ｂは、図中下側（第２の光学異方性層３７ｃと接する側）の棒状液晶層４２ｂから図中上側の円盤状液晶層４４ｂに向かって一体的に、層内の液晶化合物の長手方向が、厚さ方向にねじれ配向している。具体的には、第１の光学異方性層３７ｂにおける液晶化合物のねじれ方向は、図中上から下に向かって反時計回りに回転する方向である。一方、第２の光学異方性層３７ｃは、図中下側の円盤状液晶層４４ｂから図中上側（第１の光学異方性層３７ｂと接する側）の棒状液晶層４２ｂに向かって一体的に、層内の液晶化合物の長手方向が、厚さ方向にねじれ配向している。具体的には、第２の光学異方性層３７ｃにおける液晶化合物のねじれ方向は、図中上から下に向かって時計回りに回転する方向である。すなわち、第１の光学異方性層３７ｂにおける液晶化合物のねじれ方向と、第２の光学異方性層３７ｃにおける液晶化合物のねじれ方向とは逆である。

このように、透過型液晶回折素子１０ｃが、厚さ方向における液晶化合物のねじれ方向が異なる光学異方性層を有する構成とすることにより、回折効率の角度依存性および波長依存性がより向上する。この際、各光学異方性層のツイスト角（厚さ方向の総ねじれ角）とレタデーションΔｎ×ｄは液晶化合物の屈折率差Δｎに依存して最適値が変化する。そのため、各光学異方性層に合わせてツイスト角を最適化すればよい。ツイスト角は、３０～１８０°のものが好ましい。ねじれ配向は、通常用いられるキラル剤の添加で実現できる。

また、液晶化合物のΔｎが大きいと角度依存性および波長依存性がより改善するので好ましい。

また、図３に示す例では、透過型液晶回折素子１０ｃはねじれ方向が異なる光学異方性層を積層した２層構成としたが、これに限定はされない。透過型液晶回折素子は、ねじれ方向が異なる光学異方性層を３層以上有していてもよい。あるいは、透過型液晶回折素子は、ねじれ方向が異なる２層の光学異方性層の間に、厚さ方向に液晶化合物がねじれていない光学異方性層を有していてもよい。これにより、回折効率の角度依存性および波長依存性がより向上する。
ねじれ配向した光学異方性層の間の非ねじれ配向の光学異方性層は、液晶化合物の光学軸の方向が、透過型液晶回折素子の主面の面方向の任意の位置において、隣接するねじれ配向した光学異方性層との界面における液晶化合物の光学軸の方向と連続的に繋がっている（同じ向きを向いている）ことが好ましい。このように隣接する光学異方性層間で液晶化合物の光学軸の向きが連続的に繋がっている構成は、下層の液晶層に上層の液晶層を積層塗布することによって作製することができる。

透過型液晶回折素子が、厚さ方向における液晶化合物のねじれ方向が異なる光学異方性層を有する構成の場合には、各光学異方性層の厚さ方向における単位長さ当たりのねじれ角は、同じであってもよいし、異なっても良い。

以下、棒状液晶層４２について図４および図５を用いて説明する。

図４および図５に示す例は、棒状液晶化合物を配向させた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連続的に回転しながら変化している方向が面内の少なくとも一方向に沿っている液晶配向パターンを有する棒状液晶層である。

図４に示す例では、棒状液晶層４２は、支持体３０の上に積層された配向膜３２上に積層されている。
なお、図１の透過型液晶回折素子１０の下から１層目の棒状液晶層４２の場合には、棒状液晶層４２は、支持体３０および配向膜３２の上に積層された状態でもよい。あるいは、棒状液晶層４２は、支持体３０を剥離した、配向膜３２および棒状液晶層４２のみが積層された状態で積層されてもよい。または、棒状液晶層４２は、支持体３０および配向膜３２を剥離した、棒状液晶層４２のみの状態で積層されてもよい。
また、図１の透過型液晶回折素子１０の下から３層目の棒状液晶層４２のように、円盤状液晶層４４上に積層される棒状液晶層４２は、円盤状液晶層４４上に直接形成して積層されてもよいし、図４の例ように支持体の上に形成した後に支持体および配向膜を剥離して円盤状液晶層４４上に積層されてもよい。

＜支持体＞
支持体３０は、配向膜３２、および、棒状液晶層４２を支持するものである。
支持体３０は、配向膜３２、棒状液晶層４２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、回折する光に対する透過率が５０％以上であるのが好ましく、７０％以上であるのがより好ましく、８５％以上であるのがさらに好ましい。

支持体３０の厚さには、制限はなく、透過型液晶回折素子の用途および支持体３０の形成材料等に応じて、配向膜３２、棒状液晶層４２を保持できる厚さを、適宜、設定すればよい。
支持体３０の厚さは、１～１０００μｍが好ましく、３～２５０μｍがより好ましく、５～１５０μｍがさらに好ましい。

支持体３０は単層であっても、多層であってもよい。
単層である場合の支持体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。

＜配向膜＞
支持体３０の表面には配向膜３２が形成される。
配向膜３２は、棒状液晶層４２を形成する際に、棒状液晶化合物４０ｃ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、棒状液晶層４２は、棒状液晶化合物４０ｃに由来する光学軸４０Ａ（図５参照）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、棒状液晶層４２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。

配向膜３２は、公知の各種のものが利用可能である。
例えば、ポリマーなどの有機化合物からなるラビング処理膜、無機化合物の斜方蒸着膜、マイクログルーブを有する膜、ならびに、ω－トリコサン酸、ジオクタデシルメチルアンモニウムクロライドおよびステアリル酸メチルなどの有機化合物のラングミュア・ブロジェット法によるＬＢ（Langmuir-Blodgett：ラングミュア・ブロジェット）膜を累積させた膜、等が例示される。

ラビング処理による配向膜３２は、ポリマー層の表面を紙または布で一定方向に数回こすることにより形成できる。
配向膜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。

配向膜３２は、光配向性の素材に偏光または非偏光を照射して配向膜３２とした、いわゆる光配向膜が好適に利用される。すなわち、配向膜３２として、支持体３０上に、光配向材料を塗布して形成した光配向膜が、好適に利用される。
偏光の照射は、光配向膜に対して、垂直方向または斜め方向から行うことができ、非偏光の照射は、光配向膜に対して、斜め方向から行うことができる。

本発明に利用可能な配向膜に用いられる光配向材料としては、例えば、特開２００６－２８５１９７号公報、特開２００７－７６８３９号公報、特開２００７－１３８１３８号公報、特開２００７－９４０７１号公報、特開２００７－１２１７２１号公報、特開２００７－１４０４６５号公報、特開２００７－１５６４３９号公報、特開２００７－１３３１８４号公報、特開２００９－１０９８３１号公報、特許第３８８３８４８号公報および特許第４１５１７４６号公報に記載のアゾ化合物、特開２００２－２２９０３９号公報に記載の芳香族エステル化合物、特開２００２－２６５５４１号公報および特開２００２－３１７０１３号公報に記載の光配向性単位を有するマレイミドおよび／またはアルケニル置換ナジイミド化合物、特許第４２０５１９５号および特許第４２０５１９８号に記載の光架橋性シラン誘導体、特表２００３－５２０８７８号公報、特表２００４－５２９２２０号公報および特許第４１６２８５０号に記載の光架橋性ポリイミド、光架橋性ポリアミドおよび光架橋性ポリエステル、ならびに、特開平９－１１８７１７号公報、特表平１０－５０６４２０号公報、特表２００３－５０５５６１号公報、国際公開第２０１０／１５０７４８号、特開２０１３－１７７５６１号公報および特開２０１４－１２８２３号公報に記載の光二量化可能な化合物、特にシンナメート化合物、カルコン化合物およびクマリン化合物等が、好ましい例として例示される。
中でも、アゾ化合物、光架橋性ポリイミド、光架橋性ポリアミド、光架橋性ポリエステル、シンナメート化合物、および、カルコン化合物は、好適に利用される。

配向膜３２の厚さには、制限はなく、配向膜３２の形成材料に応じて、必要な配向機能を得られる厚さを、適宜、設定すればよい。
配向膜３２の厚さは、０．０１～５μｍが好ましく、０．０５～２μｍがより好ましい。

配向膜３２の形成方法には、制限はなく、配向膜３２の形成材料に応じた公知の方法が、各種、利用可能である。一例として、配向膜３２を支持体３０の表面に塗布して乾燥させた後、配向膜３２をレーザ光によって露光して、配向パターンを形成する方法が例示される。

図８に、配向膜３２を露光して、配向パターンを形成する露光装置の一例を概念的に示す。
図８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Ｐ_Rに、λ／４板７２Ｂは直線偏光Ｐ₀（光線ＭＢ）を左円偏光Ｐ_Lに、それぞれ変換する。

配向パターンを形成される前の配向膜３２を有する支持体３０が露光部に配置され、２つの光線ＭＡと光線ＭＢとを配向膜３２上において交差させて干渉させ、その干渉光を配向膜３２に照射して露光する。
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。
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、棒状液晶化合物４０ｃに由来する光学軸４０Ａが一方向に沿って連続的に回転する配向パターンにおいて、光学軸４０Ａが回転する１方向における、光学軸４０Ａ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３２上に、光学異方性層を形成することにより、後述するように、棒状液晶化合物４０ｃに由来する光学軸４０Ａが一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、棒状液晶層４２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４０Ａの回転方向を逆にすることができる。

上述のとおり、パターン配向膜は、パターン配向膜の上に形成される棒状液晶層中の液晶化合物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となるように、液晶化合物を配向させる配向パターンを有する。パターン配向膜が、液晶化合物を配向させる向きに沿った軸を配向軸とすると、パターン配向膜は、配向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配向パターンを有するといえる。パターン配向膜の配向軸は、吸収異方性を測定することで検出することができる。例えば、パターン配向膜に直線偏光を回転させながら照射して、パターン配向膜を透過する光の光量を測定した際に、光量が最大または最小となる向きが、面内の一方向に沿って漸次変化して観測される。

なお、本発明において、配向膜３２は、好ましい態様として設けられるものであり、必須の構成要件ではない。
例えば、支持体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、棒状液晶層４２が、棒状液晶化合物４０ｃ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。

＜棒状液晶層＞
棒状液晶層４２は、配向膜３２の表面に形成される。
上述したように、棒状液晶層４２は、棒状液晶化合物４０ｃを配向した液晶相を固定してなる液晶層であり、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している方向が面内の少なくとも一方向に沿っている液晶配向パターンを有する液晶層である。

棒状液晶層４２は、図４に概念的に示すように、棒状液晶化合物４０ｃが厚さ方向に螺旋状に捩じれ回転しておらず、面方向の同じ位置の棒状液晶化合物４０ｃはその光学軸４０Ａの向きが同じ向きになるように配向されていてもよい。

＜＜棒状液晶層の形成方法＞＞
棒状液晶層は、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している方向が面内の少なくとも一方向に沿っている液晶配向パターンを有する液晶相を層状に固定して形成できる。
液晶相を固定した構造は、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液晶配向パターンに沿った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、液晶相を固定した構造においては、液晶相の光学的性質が保持されていれば十分であり、棒状液晶層において、液晶化合物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。
これらの点は、後述する円盤状液晶層についても同様である。

液晶相を固定してなる棒状液晶層の形成に用いる材料としては、一例として、液晶化合物を含む液晶組成物が挙げられる。液晶化合物は重合性液晶化合物であるのが好ましい。
また、棒状液晶層の形成に用いる液晶組成物は、さらに界面活性剤、重合開始剤等を含んでいてもよい。

－－重合性液晶化合物－－
棒状液晶層を形成する棒状の重合性液晶化合物の例としては、棒状ネマチック液晶化合物が挙げられる。棒状ネマチック液晶化合物としては、アゾメチン類、アゾキシ類、シアノビフェニル類、シアノフェニルエステル類、安息香酸エステル類、シクロヘキサンカルボン酸フェニルエステル類、シアノフェニルシクロヘキサン類、シアノ置換フェニルピリミジン類、アルコキシ置換フェニルピリミジン類、フェニルジオキサン類、トラン類、および、アルケニルシクロヘキシルベンゾニトリル類等が好ましく用いられる。低分子液晶化合物だけではなく、高分子液晶化合物も用いることができる。

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

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

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

－－界面活性剤－－
棒状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、液晶化合物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。

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

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

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

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

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

液晶組成物は、棒状液晶層を形成する際には、液体として用いられるのが好ましい。
液晶組成物は溶媒を含んでいてもよい。溶媒には、制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、有機溶媒が好ましい。

有機溶媒には、制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ケトン類、アルキルハライド類、アミド類、スルホキシド類、ヘテロ環化合物、炭化水素類、エステル類、および、エーテル類などが挙げられる。これらは、１種単独で使用してもよいし、２種以上を併用してもよい。これらの中でも、環境への負荷を考慮した場合にはケトン類が好ましい。

棒状液晶層を形成する際には、棒状液晶層の形成面に液晶組成物を塗布し、この液晶化合物が所定の液晶配向パターンに配向された液晶相を形成した後、液晶化合物を硬化して、棒状液晶層とするのが好ましい。
すなわち、配向膜３２上に棒状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、所定の液晶配向パターンになるように液晶化合物を配向した後、液晶化合物を硬化して、液晶相を固定してなる棒状液晶層を形成するのが好ましい。また、円盤状液晶層上に棒状液晶層を形成する場合には、円盤状液晶層に液晶組成物を塗布して、所定の液晶配向パターンになるように液晶化合物を配向した後、液晶化合物を硬化して、液晶相を固定してなる棒状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。

塗布された液晶組成物は、必要に応じて乾燥および／または加熱され、その後、硬化され、棒状液晶層を形成する。この乾燥および／または加熱の工程で、所定の液晶配向パターンになるように液晶組成物中の液晶化合物が配向すればよい。加熱を行う場合、加熱温度は、２００℃以下が好ましく、１３０℃以下がより好ましい。

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

＜＜棒状液晶層の液晶配向パターン＞＞
前述のように、棒状液晶層は、棒状液晶化合物４０ｃに由来する光学軸４０Ａの向きが、光学異方性層の面内において、一方向に連続的に回転しながら変化する液晶配向パターンを有する。
なお、棒状液晶化合物４０ｃに由来する光学軸４０Ａとは、棒状液晶化合物４０ｃ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。棒状液晶化合物４０ｃでは、光学軸４０Ａは、棒形状の長軸方向に沿っている。以下の説明では、液晶化合物に由来する光学軸４０Ａを、『液晶化合物の光学軸４０Ａ』または『光学軸４０Ａ』ともいう。

図５に、棒状液晶層４２の平面図を概念的に示す。
なお、平面図とは、図４において棒状液晶層を上方から見た図であり、すなわち、透過型液晶回折素子の厚さ方向（＝各層（膜）の積層方向）から見た図である。
また、図５では、棒状液晶層の構成を明確に示すために、棒状液晶化合物４０ｃは配向膜３２の表面の棒状液晶化合物４０ｃのみを示している。

図５に示すように、配向膜３２の表面において、棒状液晶層４２を構成する棒状液晶化合物４０ｃは、下層の配向膜３２に形成された配向パターンに応じて、棒状液晶層４２の面内において、矢印Ｄ（以下、配列軸Ｄという）で示す所定の一方向に沿って、光学軸４０Ａ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、棒状液晶化合物４０ｃの光学軸４０Ａが、配列軸Ｄ方向に沿って、時計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。
棒状液晶層４２を構成する棒状液晶化合物４０ｃは、配列軸Ｄ、および、この一方向（配列軸Ｄ方向）と直交する方向に、二次元的に配列された状態になっている。
以下の説明では、配列軸Ｄ方向と直交する方向を、便宜的にＹ方向とする。すなわち、矢印Ｙ方向とは、棒状液晶化合物４０ｃの光学軸４０Ａの向きが、棒状液晶層４２の面内において、連続的に回転しながら変化する一方向と直交する方向である。従って、図１～４、および後述する図６では、Ｙ方向は、紙面に直交する方向となる。

棒状液晶化合物４０ｃの光学軸４０Ａの向きが配列軸Ｄ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、配列軸Ｄ方向に沿って配列されている棒状液晶化合物４０ｃの光学軸４０Ａと、配列軸Ｄ方向とが成す角度が、配列軸Ｄ方向の位置によって異なっており、配列軸Ｄ方向に沿って、光学軸４０Ａと配列軸Ｄ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、配列軸Ｄ方向に互いに隣接する棒状液晶化合物４０ｃの光学軸４０Ａ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。

また、本発明において、配列軸Ｄ方向に互いに隣接する棒状液晶化合物４０ｃの光学軸４０Ａがなす角度が小さくなる向きに液晶化合物が回転しているものとする。従って、図４および図５に示す棒状液晶層４２においては、棒状液晶化合物４０ｃの光学軸４０Ａは、配列軸Ｄの矢印の方向に沿って、右回り（時計回り）に回転している。

一方、棒状液晶層４２を形成する棒状液晶化合物４０ｃ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。
言い換えれば、棒状液晶層４２を形成する棒状液晶化合物４０ｃは、Ｙ方向では、棒状液晶化合物４０ｃの光学軸４０Ａと配列軸Ｄ方向とが成す角度が等しい。

棒状液晶層４２において、Ｙ方向に配列される液晶化合物は、光学軸４０Ａと配列軸Ｄ方向（棒状液晶化合物４０ｃの光学軸の向きが回転する１方向）とが成す角度が等しい。この光学軸４０Ａと配列軸Ｄ方向とが成す角度が等しい棒状液晶化合物４０ｃが、Ｙ方向に配置された領域を、領域Ｒとする。

棒状液晶層４２においては、このような棒状液晶化合物４０ｃの液晶配向パターンにおいて、面内で光学軸４０Ａが連続的に回転して変化する配列軸Ｄ方向において、棒状液晶化合物４０ｃの光学軸４０Ａが１８０°回転する長さ（距離）を、液晶配向パターンにおける１周期の長さΛとする。
すなわち、配列軸Ｄ方向に対する角度が等しい２つの棒状液晶化合物４０ｃ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５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つの棒状液晶化合物４０ｃ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。
棒状液晶層４２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。

なお、図４においては、厚さ方向において、面内の同じ位置に存在する棒状液晶化合物４０ｃは、光学軸４０Ａが同じ向きを向いて配向される構成としたが、図２に示す例のように、交互に積層された棒状液晶層４２ｂおよび円盤状液晶層４４ｂ内において、液晶化合物の長手方向が、厚さ方向にねじれ配向する構成の場合には、各層内においても、棒状液晶化合物４０ｃの光学軸４０Ａが厚さ方向にねじれ配向する。この点は円盤状液晶層においても同様である。

＜円盤状液晶層＞
以下、円盤状液晶層４４について図６および図７を用いて説明する。

図６および図７に示す例は、円盤状液晶化合物を配向させた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連続的に回転しながら変化している方向が面内の少なくとも一方向に沿っている液晶配向パターンを有する円盤状液晶層である。

なお、図１の透過型液晶回折素子１０の円盤状液晶層４４のように、円盤状液晶層４４が棒状液晶層４２上に積層される場合には、円盤状液晶層４４は、棒状液晶層４２上に直接形成して積層されてもよいし、図４の棒状液晶層４２のように支持体および配向膜の上に形成した後に支持体および配向膜を剥離して棒状液晶層４２上に積層されてもよい。

上述したように、円盤状液晶層４４は、円盤状液晶化合物４０ｄを配向した液晶相を固定してなる液晶層であり、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している方向が面内の少なくとも一方向に沿っている液晶配向パターンを有する液晶層である。円盤状液晶化合物４０ｄの光学軸は円盤面に垂直な方向を向いている。そのため、円盤状液晶層４４において、円盤状液晶化合物４０ｄは、円盤状液晶層４４の界面（表面）に対して円盤面が垂直になるように配列される。

円盤状液晶層４４は、図６に概念的に示すように、円盤状液晶化合物４０ｄが厚さ方向に螺旋状に捩じれ回転しておらず、面方向の同じ位置の円盤状液晶化合物４０ｄはその光学軸４０Ａの向きが同じ向きになるように配向されていてもよい。

＜＜円盤状液晶層の形成方法＞＞
円盤状液晶層は、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している方向が面内の少なくとも一方向に沿っている液晶配向パターンを有する液晶相を層状に固定して形成できる。

液晶相を固定してなる円盤状液晶層の形成に用いる材料としては、一例として、液晶化合物を含む液晶組成物が挙げられる。液晶化合物は重合性液晶化合物であるのが好ましい。
また、棒状液晶層の形成に用いる液晶組成物と同様に、円盤状液晶層の形成に用いる液晶組成物は、さらに界面活性剤、重合開始剤等の添加剤、ならびに、溶媒を含んでいてもよい。界面活性剤、重合開始剤等の添加剤、ならびに、溶媒については上記のとおりである。

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

円盤状液晶層を形成する際には、円盤状液晶層の形成面に液晶組成物を塗布して、液晶化合物を所定の液晶配向パターンに配向された液晶相の状態に配向した後、液晶化合物を硬化して、円盤状液晶層とするのが好ましい。
すなわち、配向膜上に円盤状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、液晶化合物を所定の液晶配向パターンに配向した後、液晶化合物を硬化して、液晶相を固定してなる円盤状液晶層を形成するのが好ましい。また、棒状液晶層上に円盤状液晶層を形成する場合には、棒状液晶層に液晶組成物を塗布して、液晶化合物を所定の液晶配向パターンに配向した後、液晶化合物を硬化して、液晶相を固定してなる円盤状液晶層を形成するのが好ましい。

液晶組成物の塗布方法、塗布後の乾燥、加熱方法、ならびに、重合方法は上述のとおりである。

＜＜円盤状液晶層の液晶配向パターン＞＞
前述のように、円盤状液晶層は、円盤状液晶化合物４０ｄに由来する光学軸４０Ａの向きが、光学異方性層の面内において、一方向に連続的に回転しながら変化する液晶配向パターンを有する。
なお、円盤状液晶化合物４０ｄに由来する光学軸４０Ａとは、円盤状液晶化合物４０ｄの円盤面に垂直な軸である。

図７に、円盤状液晶層４４の平面図を概念的に示す。
なお、平面図とは、図６において円盤状液晶層を上方から見た図であり、すなわち、透過型液晶回折素子の厚さ方向（＝各層（膜）の積層方向）から見た図である。
また、図７では、円盤状液晶層の構成を明確に示すために、円盤状液晶化合物４０ｄは円盤状液晶層４４の表面（界面）の円盤状液晶化合物４０ｄのみを示している。

図７に示すように、円盤状液晶層４４を構成する円盤状液晶化合物４０ｄは、円盤状液晶層４４の面内において、配列軸Ｄで示す所定の一方向に沿って、光学軸４０Ａ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、円盤状液晶化合物４０ｄの光学軸４０Ａが、配列軸Ｄ方向に沿って、時計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。
円盤状液晶層４４を構成する円盤状液晶化合物４０ｄは、配列軸Ｄ、および、この一方向（配列軸Ｄ方向）と直交するＹ方向に、二次元的に配列された状態になっている。

円盤状液晶層４４において、Ｙ方向に配列される液晶化合物は、光学軸４０Ａと配列軸Ｄ方向とが成す角度が等しい。この光学軸４０Ａと配列軸Ｄ方向とが成す角度が等しい円盤状液晶化合物４０ｄが、Ｙ方向に配置された領域を、領域Ｒとする。

円盤状液晶層４４においては、このような円盤状液晶化合物４０ｄの液晶配向パターンにおいて、面内で光学軸４０Ａが連続的に回転して変化する配列軸Ｄ方向において、円盤状液晶化合物４０ｄの光学軸４０Ａが１８０°回転する長さ（距離）を、液晶配向パターンにおける１周期の長さΛとする。
すなわち、配列軸Ｄ方向に対する角度が等しい２つの円盤状液晶化合物４０ｄ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７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つの円盤状液晶化合物４０ｄ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。
円盤状液晶層４４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。

ここで、前述のとおり、棒状液晶層４２と円盤状液晶層４４との界面において、面方向の同じ位置に存在する棒状液晶化合物４０ｃと円盤状液晶化合物４０ｄとは、棒状液晶化合物４０ｃの長手方向と、円盤状液晶化合物４０ｄを円盤状液晶層４４の界面に投影した形状における長手方向とが一致している。そのため、図１に示すように交互に積層された棒状液晶層４２ｂおよび円盤状液晶層４４ｂにおいて、厚さ方向の全体にわたって面方向の同じ位置の棒状液晶化合物４０ｃおよび円盤状液晶化合物４０ｄは長手方向の向きが同じ向きになるように配向される。

棒状液晶層４２と円盤状液晶層４４とを交互に積層した透過型液晶回折素子１０において、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と透過型液晶回折素子１０の厚さとの積により算出される。ここで、透過型液晶回折素子１０における領域Ｒの屈折率異方性に伴う屈折率差は、棒状液晶化合物４０ｃの長手方向の屈折率と長手方向に垂直な方向の屈折率との差（棒状液晶化合物４０ｃの屈折率差）、および、円盤状液晶化合物４０ｄの長手方向の屈折率と長手方向に垂直な方向の屈折率との差（円盤状液晶化合物４０ｄの屈折率差）に依存する。従って、透過型液晶回折素子１０の領域Ｒにおける面内レタデーションは、棒状液晶化合物４０ｃの屈折率差、円盤状液晶化合物４０ｄの屈折率差、棒状液晶化合物４０ｃの厚さ、および、円盤状液晶化合物４０ｄの厚さ等に応じて定まる。

このような透過型液晶回折素子１０は、入射した円偏光を屈折し、かつ、円偏光の偏光方向を変換する作用を発生する。
透過型液晶回折素子１０の作用を、図９および図１０に概念的に示す図を用いて説明する。なお、透過型液晶回折素子１０は、液晶化合物の屈折率差と透過型液晶回折素子の厚さとの積の値がλ／２であるとする。また、図９および図１０においては、透過型液晶回折素子１０の液晶配向パターンにおける光学軸の回転方向を示すため、表面の棒状液晶化合物４０ｃのみを示しているが、透過型液晶回折素子１０は、図１に示す例のように、交互に積層された棒状液晶層４２および円盤状液晶層４４を有する。

図９に示すように、透過型液晶回折素子１０の液晶化合物の屈折率差と透過型液晶回折素子１０の厚さとの積の値がλ／２の場合に、透過型液晶回折素子１０に左円偏光である入射光Ｌ₁が入射すると、入射光Ｌ₁は、透過型液晶回折素子１０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、透過型液晶回折素子１０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。図９に示す例では、透過光Ｌ₂は、右下方向に進行するように回折されている。

一方、図１０に示すように、透過型液晶回折素子１０の液晶化合物の屈折率差と棒状液晶層４２の厚さとの積の値がλ／２のとき、透過型液晶回折素子１０に右円偏光の入射光Ｌ₄が入射すると、入射光Ｌ₄は、透過型液晶回折素子１０を通過することにより、１８０°の位相差が与えられて、左円偏光の透過光Ｌ₅に変換される。
また、透過型液晶回折素子１０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、入射方向に対して配列軸Ｄの矢印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。図１０に示す例では、透過光Ｌ₅は、左下方向に進行するように回折されている。

前述のとおり、透過型液晶回折素子１０は、形成された液晶配向パターンの１周期Λの長さによって、透過光Ｌ₂およびＬ₅の屈折の角度を調節できる。具体的には、透過型液晶回折素子１０は、液晶配向パターンの１周期Λが短いほど、互いに隣接した液晶化合物を通過した光同士が強く干渉するため、透過光Ｌ₂およびＬ₅を大きく屈折させることができる。

また、配列軸Ｄ方向に沿って回転する、液晶化合物の光学軸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９～図１０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。具体的には、図９および図１０において、配列軸Ｄ方向に向かう光学軸４０Ａの回転方向が反時計回りの場合には、透過型液晶回折素子１０に図中上側から入射する左円偏光は、透過型液晶回折素子１０を通過することにより透過光は右円偏光に変換され、かつ、図中左下方向に進行するように回折される。また、透過型液晶回折素子１０に図中上側から入射する右円偏光は、透過型液晶回折素子１０を通過することにより透過光は左円偏光に変換され、かつ、図中右下方向に進行するように回折される。

＜＜透過型液晶回折素子の作製方法＞＞
透過型液晶回折素子は、棒状液晶層および円盤状液晶層をそれぞれ上述した方法で、交互に形成することで作製できる。すなわち、例えば、まず、支持体上にパターン配向膜を形成し、このパターン配向膜上に棒状液晶層となる液晶組成物を塗布、乾燥、加熱および硬化して１層目の棒状液晶層を形成し、次に、この１層目の棒状液晶層の上に円盤状液晶層となる液晶組成物を塗布、乾燥、加熱および硬化して１層目の円盤状液晶層を形成し、次に、この１層目の円盤状液晶層の上に棒状液晶層となる液晶組成物を塗布、乾燥、加熱および硬化して２層目の棒状液晶層を形成し、次に、この２層目の棒状液晶層の上に円盤状液晶層となる液晶組成物を塗布、乾燥、加熱および硬化して２層目の円盤状液晶層を形成することで、棒状液晶層と円盤状液晶層とを交互に２層ずつ有する透過型液晶回折素子を作製することができる。
なお、上記例では、支持体上のパターン配向膜の上に棒状液晶層を形成するものとしたがこれに限定はされず、支持体上のパターン配向膜の上に円盤状液晶層を形成し、その後、棒状液晶層および円盤状液晶層を形成してもよい。
また、透過型液晶回折素子の作製後には、支持体およびパターン配向膜を剥離してもよい。

ここで、前述のとおり、棒状液晶層および円盤状液晶層を、厚さ方向において液晶化合物がねじれ配向している構成とするためには、棒状液晶層および円盤状液晶層を形成するための液晶組成物にキラル剤を含有させればよい。

－－キラル剤（光学活性化合物）－－
キラル剤（キラル剤）は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および螺旋誘起力（Helical twisting power：ＨＴＰ）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。

キラル剤が光異性化基を有する場合には、塗布、配向後に活性光線などのフォトマスク照射によって、発光波長に対応した所望のねじれ配向を形成することができるので好ましい。光異性化基としては、フォトクロッミック性を示す化合物の異性化部位、アゾ基、アゾキシ基、または、シンナモイル基が好ましい。具体的な化合物として、特開２００２－８０４７８号公報、特開２００２－８０８５１号公報、特開２００２－１７９６６８号公報、特開２００２－１７９６６９号公報、特開２００２－１７９６７０号公報、特開２００２－１７９６８１号公報、特開２００２－１７９６８２号公報、特開２００２－３３８５７５号公報、特開２００２－３３８６６８号公報、特開２００３－３１３１８９号公報、および、特開２００３－３１３２９２号公報等に記載の化合物を用いることができる。

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

ここで、図１に示す透過型液晶回折素子では、液晶化合物の光学軸が光学異方性層の主面に平行な構成を示したがこれに限定はされない。透過型液晶回折素子において、液晶化合物の光学軸が透過型液晶回折素子の主面に傾斜していてもよい。

また、図５に示す棒状液晶層４２、および、図７に示す円盤状液晶層４４の液晶配向パターンにおける液晶化合物の光学軸４０Ａは、配列軸Ｄ方向のみに沿って、連続して回転している。
しかしながら、本発明は、これに制限はされず、棒状液晶層４２および円盤状液晶層４４において、液晶化合物の光学軸４０Ａ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。

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

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

［比較例１］
＜液晶回折素子の作製＞
以下のようにして棒状液晶層を１層有する液晶回折素子を作製した。
（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Ｐ－１を形成した。

配向膜形成用塗布液
―――――――――――――――――――――――――――――――――
・下記光配向用素材 １．００質量部
・水 １６．００質量部
・ブトキシエタノール ４２．００質量部
・プロピレングリコールモノメチルエーテル ４２．００質量部
―――――――――――――――――――――――――――――――――

光配向用素材

（配向膜の露光）
図８に示す露光装置を用いて配向膜Ｐ－１を露光して、配向パターンを有する配向膜Ｐ－２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つのレーザー光の干渉により形成される配向パターンの１周期Λ（光学軸が１８０°回転する長さ）が、１．０５μｍとなるように、２つの光の交差角（交差角α）を調節した。

（棒状液晶層の形成）
棒状液晶層を形成する液晶組成物として、下記の組成物Ｂ－１を調製した。

組成物Ｂ－１
――――――――――――――――――――――――――――――――――
・下記棒状液晶化合物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
・下記レベリング剤Ｔ－１ ０．０８質量部
・メチルエチルケトン ２０００．００質量部
――――――――――――――――――――――――――――――――――

棒状液晶化合物Ｌ－１

レベリング剤Ｔ－１

棒状液晶層は、組成物Ｂ－１を配向膜Ｐ－２上に多層塗布することにより形成した。すなわち、先ず配向膜Ｐ－２の上に組成物Ｂ－１を塗布したのち加熱し、次いで紫外線硬化を行って、１層目の液晶固定化層を作製した。２層目以降の液晶固定化層は、その直前に作製した液晶固定化層に組成物Ｂ－１を重ね塗りした以外は１層目の液晶固定化層の作製と同様にして作製した。

より詳細に説明すると、先ず１層目の液晶固定化層は、配向膜Ｐ－２上に組成物Ｂ－１を塗布して塗膜を得、この塗膜をホットプレート上で８０℃に加熱し、その後、８０℃において、窒素雰囲気下で高圧水銀灯を用いて波長３６５ｎｍの紫外線を３００ｍＪ／ｃｍ²の照射量で塗膜に照射して、液晶化合物の配向を固定化することにより作製した。

２層目以降の液晶固定化層は、この直前に作製した液晶固定化層に組成物Ｂ－１を重ね塗りして、上と同じ条件で加熱した後に紫外線硬化を行うことで作製した。このようにして、総厚が所望の膜厚になるまで組成物Ｂ－１の重ね塗りを繰り返し、棒状液晶層を形成した。

なお、液晶組成物Ｂ－１の硬化層の屈折率差Δｎは、液晶組成物Ｂ－１を別途に用意したレターデーション測定用の配向膜付き支持体上に塗布し、液晶化合物のダイレクタが基材に水平となるよう配向させた後に紫外線照射して固定化して得た液晶固定化層のレターデーションＲｅ（λ）および膜厚を測定して求めた。レターデーションＲｅ（λ）を膜厚で除算することによりΔｎ_λを算出できる。レターデーションＲｅ（λ）はＡｘｏｍｅｔｒｉｘ 社のＡｘｏｓｃａｎを用いて目的の波長で測定し、膜厚はＳＥＭを用いて測定した。Ｒｅ（λ）の表記においてλは入射光の波長である。以下において、入射光の波長λは５５０ｎｍとした。

棒状液晶層は、最終的に液晶のΔｎ₁₅₅₀×厚さが７２０ｎｍになり、かつ、周期的な配向になっていることを偏光顕微鏡で確認した。また、棒状液晶層の厚さ方向の捩れ角は０°であった。また、ＳＥＭによる断面像において、棒状液晶層の下界面（ガラス基板との界面）に対し、垂直の明暗線が観察された。この明暗線は、同じ向きに配向している液晶化合物が厚さ方向に積み重ねられた構成により観察されるものである。

［比較例２］
比較例１と同様にして、配向膜の形成および配向膜の露光を行い、次いで、下記のようにして円盤状液晶層と棒状液晶層とを１層ずつ有する液晶回折素子を作製した。

組成物Ｄ－０
――――――――――――――――――――――――――――――――――
・下記円盤状液晶化合物Ｌ－２ ８０．００質量部
・下記円盤状液晶化合物Ｌ－３ ２０．００質量部
・重合開始剤（ＢＡＳＦ製、Ｉｒｇａｃｕｒｅ（登録商標）９０７）
５．００質量部
・メガファックＦ４４４（ＤＩＣ製） ０．５０質量部
・メチルエチルケトン ３００．００質量部
――――――――――――――――――――――――――――――――――

円盤状液晶化合物Ｌ－２

円盤状液晶化合物Ｌ－３

（円盤状液晶層の形成）
円盤状液晶層は、配向膜Ｐ－２上に組成物Ｄ－０を多層塗布することにより形成した。すなわち、先ず配向膜Ｐ－２の上に組成物Ｄ－０を塗布したのち加熱し、次いで紫外線硬化を行って、１層目の液晶固定化層を作製した。２層目以降の液晶固定化層は、その直前に作製した液晶固定化層に組成物Ｄ－０を重ね塗りした以外は１層目の液晶固定化層の作製と同様にして作製した。塗布から紫外線硬化までの工程は比較例１と同じである。この際、各回の重ね塗り時の塗布厚は円盤状液晶層Ｄ－０の厚みが約０．４μｍ程度になるようにして良好な配向状態が得られるようにした。これにより、円盤状液晶層Ｄ－０のΔｎ₁₅₅₀×厚さが３６０ｎｍになるようにした。

（棒状液晶層の形成）
形成した円盤状液晶層の上に、比較例１と同様の方法で、棒状液晶層Ｂ－１を形成した。棒状液晶層Ｂ－１のΔｎ₁₅₅₀×厚さは３６０ｎｍになるようにした。
以上により、円盤状液晶層Ｄ－０と棒状液晶層Ｂ－１が重なった構造の透過型液晶回折素子（Δｎ₁₅₅₀×厚さが７２０ｎｍ）を作製した。顕微鏡で確認した結果、周期的な配向になっていることを確認した。また、円盤状液晶層Ｄ－０部分の厚さ方向の捩れ角は０°、棒状液晶層Ｂ－１部分の厚さ方向の捩れ角は０°であった。また、ＳＥＭによる断面像において、円盤状液晶層Ｄ－０の下界面（ガラス基板との界面）に対し、略垂直の明暗線が観察された。また、円盤状液晶層および棒状液晶層のうち最大の｜Ｒｔｈ｜は１８０ｎｍであった。

［実施例１］
比較例１と同様にして、配向膜の形成および配向膜の露光を行い、次いで、以下のようにして、円盤状液晶層と棒状液晶層とを交互に複数層積層した液晶回折素子を作製した。

（円盤状液晶層および棒状液晶層の形成）
先ず配向膜の上に組成物Ｄ－０を塗布したのち加熱し、次いで紫外線硬化を行って、液晶固定化層（１層目の円盤状液晶層Ｄ－０）を形成した。次に、１層目の円盤状液晶層Ｄ－０に、組成物Ｂ－１を重ね塗りしてしたのち加熱し、ついで紫外線硬化を行って、液晶固定化層（２層目の棒状液晶層Ｂ－１）を形成した。このように円盤状液晶層Ｄ－０と棒状液晶層Ｂ－１の形成を交互に繰り返し行って、交互に積層された円盤状液晶層Ｄ－０と棒状液晶層Ｂ－１を各６層ずつ、合計で１２層形成した。塗布から紫外線硬化までの工程は比較例１と同じである。この際、１回の塗布での塗布厚は約０．４μｍ程度になるようにした。最終的に、液晶層の全体のΔｎ₁₅₅₀×厚さが７２０ｎｍになるようにした。

このようにして液晶層Ｄ－０と液晶層Ｂ－１が交互積層した構造の液晶回折素子を作製した。顕微鏡で確認した結果、周期的な配向になっていることを確認した。また、液晶回折素子の厚さ方向の捩れ角は０°であった。また、ＳＥＭによる断面像において、１層目の円盤状液晶層の下界面（ガラス基板との界面）に対し、略垂直の明暗線が観察された。また、各円盤状液晶層および棒状液晶層のうち最大の｜Ｒｔｈ｜は３０ｎｍであった。

［実施例２］
実施例１の作製方法のうち、組成物Ｄ－０および組成物Ｂ－１の塗布を２回ずつ塗布して各層を形成するものとした以外は実施例１と同様にして、実施例２の液晶回折素子を作製した。
すなわち、まず、配向膜の上に組成物Ｄ－０を塗布したのち加熱し、次いで紫外線硬化を行って、液晶固定化層を作製した。この液晶固定化層に組成物Ｄ－０を重ね塗りした後、上記と同様の条件で再び加熱および紫外線硬化を行い、１層目の円盤状液晶層を形成した。
次に、１層目の円盤状液晶層の上に、組成物Ｂ－１を塗布したのち加熱し、次いで紫外線硬化を行って、液晶固定化層を作製した。この液晶固定化層に組成物Ｂ－１を重ね塗りした後、上記と同様の条件で再び加熱、および紫外線硬化を行い、１層目の棒状液晶層を形成した。

このように、円盤状液晶層および棒状液晶層をそれぞれ２回の塗布で形成することを、交互に行い、円盤状液晶層および棒状液晶層を交互に形成した。
１回の塗布での塗布厚は約０．４μｍ程度とした。すなわち、円盤状液晶層および棒状液晶層はそれぞれ約０．８μｍである。最終的に、液晶層の全体のΔｎ₁₅₅₀×厚さが７２０ｎｍになるようにした。

このようにして円盤状液晶層Ｄ－０と棒状液晶層Ｃ－１とが交互積層した構造の液晶回折素子を作製した。顕微鏡で確認した結果、周期的な配向になっていることを確認した。また、液晶回折素子の厚さ方向の捩れ角は０°であった。また、ＳＥＭによる断面像において、１層目の円盤状液晶層の下界面（ガラス基板との界面）に対し、略垂直の明暗線が観察された。また、各円盤状液晶層および棒状液晶層のうち最大の｜Ｒｔｈ｜は６５ｎｍであった。

［実施例３］
実施例１と同様にして、配向膜の形成および配向膜の露光を行い、次いで以下のようにして円盤状液晶層と棒状液晶層とを交互に複数層積層して液晶回折素子を作製した。

（円盤状液晶層および棒状液晶層の形成）
液晶層を形成する液晶組成物として、下記の組成物Ｃ－１、Ｃ－２、Ｄ－１、Ｄ－２を調製した。ここで、符号のＣは液晶化合物の主成分が棒性の化合物で、Ｄは液晶化合物の主成分が円盤状の化合物を表し、また、１は時計回り（ねじれ角は＋の値）、２は反時計回り（ねじれ角は－の値）を表している。すなわち、組成物Ｃ－１は、棒状液晶化合物を主成分とし、時計回りとなる液晶組成物であり、組成物Ｃ－２は、棒状液晶化合物を主成分とし、反時計回りとなる液晶組成物であり、組成物Ｄ－１は、円盤状液晶化合物を主成分とし、時計回りとなる液晶組成物であり、組成物Ｄ－２は、円盤状液晶化合物を主成分とし、反時計回りとなる液晶組成物である。

組成物Ｃ－１
――――――――――――――――――――――――――――――――――
・棒状液晶化合物Ｌ－１ １００．００質量部
・キラル剤Ｃｈ－２ ０．０５８質量部
・重合開始剤（ＢＡＳＦ製、Ｉｒｇａｃｕｒｅ（登録商標）９０７）
３．００質量部
・光増感剤（日本化薬製、ＫＡＹＡＣＵＲＥ ＤＥＴＸ－Ｓ）
１．００質量部
・レベリング剤Ｔ－１ ０．０８質量部
・メチルエチルケトン ２０００．００質量部
――――――――――――――――――――――――――――――――――

組成物Ｃ－２
――――――――――――――――――――――――――――――――――
・棒状液晶化合物Ｌ－１ １００．００質量部
・キラル剤Ｃｈ－３ ０．０９９質量部
・重合開始剤（ＢＡＳＦ製、Ｉｒｇａｃｕｒｅ（登録商標）９０７）
３．００質量部
・光増感剤（日本化薬製、ＫＡＹＡＣＵＲＥ ＤＥＴＸ－Ｓ）
１．００質量部
・レベリング剤Ｔ－１ ０．０８質量部
・メチルエチルケトン ２０００．００質量部
――――――――――――――――――――――――――――――――――

組成物Ｄ－１
――――――――――――――――――――――――――――――――――
・円盤状液晶化合物Ｌ－２ ８０．００質量部
・円盤状液晶化合物Ｌ－３ ２０．００質量部
・重合開始剤（ＢＡＳＦ製、Ｉｒｇａｃｕｒｅ（登録商標）９０７）
５．００質量部
・メガファックＦ４４４（ＤＩＣ製） ０．５０質量部
・キラル剤Ｃｈ－２ ０．０３３質量部
・メチルエチルケトン ３００．００質量部
――――――――――――――――――――――――――――――――――

組成物Ｄ－２
――――――――――――――――――――――――――――――――――
・円盤状液晶化合物Ｌ－２ ８０．００質量部
・円盤状液晶化合物Ｌ－３ ２０．００質量部
・重合開始剤（ＢＡＳＦ製、Ｉｒｇａｃｕｒｅ（登録商標）９０７）
５．００質量部
・メガファックＦ４４４（ＤＩＣ製） ０．５０質量部
・キラル剤Ｃｈ－３ ０．０３３質量部
・メチルエチルケトン ３００．００質量部
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円盤状液晶化合物Ｌ－２

円盤状液晶化合物Ｌ－３

キラル剤Ｃｈ－２

キラル剤Ｃｈ－３

配向膜の上に組成物Ｃ－１と組成物Ｄ－１を交互に多層塗布し、その上に組成物Ｃ－２と組成物Ｄ－２を交互に多層塗布することにより液晶層を形成した。
すなわち、先ず、配向膜の上に組成物Ｃ－１を塗布した後加熱し、次いで紫外線硬化を行って、棒状液晶層Ｃ－１を作製した。この棒状液晶層Ｃ－１に組成物Ｄ－１を重ね塗りした後、上記と同様の条件で再び加熱および紫外線硬化を行い、円盤状液晶層Ｄ－１を形成した。この棒状液晶層Ｃ－１と円盤状液晶層Ｄ－１の形成を交互に繰り返し行った。塗布から紫外線硬化までの工程は実施例１と同じである。この際、１回の塗布での塗布厚は約０．４μｍ程度になるようにした。また、液晶層の全体のΔｎ₁₅₅₀×厚さが９３０ｎｍになるようにした。この場合のΔｎ₁₅₅₀は面内方向の複屈折率である。
棒状液晶層Ｃ－１の液晶化合物の配向方向（棒状液晶化合物の長軸の方向）と円盤状液晶層Ｄ－１の液晶化合物の配向方向（円盤状液晶化合物の長い側の方向）は積層塗布時に平行に配向するため、厚さ方向のリタデーションは相殺する光学特性になる。

棒状液晶層Ｃ－１と円盤状液晶層Ｄ－１が交互に積層された液晶層の上に、上記と同様の方法で組成物Ｃ－２と組成物Ｄ－２を交互に多層塗布して、棒状液晶層Ｃ－２と円盤状液晶層Ｄ－２とを交互に複数有する液晶層を形成した。その際、液晶層の全体のΔｎ₁₅₅₀×厚さが９３０ｎｍになるようにした。
このようにして、棒状液晶層Ｃ－１と円盤状液晶層Ｄ－１が交互積層した液晶層に、棒状液晶層Ｃ－２と円盤状液晶層Ｄ－２が交互積層した液晶層が重なった液晶層を作製した。顕微鏡で確認した結果、周期的な配向になっていることを確認した。また、棒状液晶層Ｃ－１および円盤状液晶層Ｄ－１が交互に積層した液晶層部分の厚さ方向のねじれ角は６０°、棒状液晶層Ｃ－２および円盤状液晶層Ｄ－２が交互に積層した液晶層部分の厚さ方向のねじれ角は－６０°であった。
また、ＳＥＭによる断面像において、下界面（ガラス基板との界面）に対し、Ｖの字を横にした形状の明暗線が観察された。この明暗線は、正負の異なった厚さ方向のねじれ方向を配向している液晶化合物が厚さ方向に積み重ねられた構成により観察されるものである。また、各円盤状液晶層および棒状液晶層のうち最大の｜Ｒｔｈ｜は３０ｎｍであった。

［実施例４］
実施例３の作製方法のうち、組成物Ｃ－１、Ｃ－２、Ｄ－１、Ｄ－２の塗布を２回ずつ塗布して各層を形成するものとした以外は実施例３と同様にして、実施例４の液晶回折素子を作製した。１回の塗布での塗布厚は約０．４μｍ程度とした。すなわち、円盤状液晶層および棒状液晶層はそれぞれ約０．８μｍである。このようにして、棒状液晶層Ｃ－１と円盤状液晶層Ｄ－１が交互積層した液晶層（Δｎ₁₅₅₀×厚さが９３０ｎｍ）に、棒状液晶層Ｃ－２と円盤状液晶層Ｄ－２が交互積層した液晶層（Δｎ₁₅₅₀×厚さが９３０ｎｍ）が重なった液晶層を作製した。顕微鏡で確認した結果、周期的な配向になっていることを確認した。また、棒状液晶層Ｃ－１および円盤状液晶層Ｄ－１が交互に積層した液晶層部分の厚さ方向のねじれ角は６０°、棒状液晶層Ｃ－２および円盤状液晶層Ｄ－２が交互に積層した液晶層部分の厚さ方向のねじれ角は－６０°であった。 また、ＳＥＭによる断面像において、液晶層の下界面（ガラス基板との界面）に対し、Ｖの字を横にした形状の明暗線が観察された。また、各円盤状液晶層および棒状液晶層のうち最大の｜Ｒｔｈ｜は６５ｎｍであった。

［評価］
作製した透過型液晶回折素子に、方位角は液晶化合物由来の光学軸が面内一方向に沿って連続的に回転しながら変化している方位（配列軸Ｄ方向）で、かつ、透過型液晶回折素子の主面の法線方向からの入射角θiで波長１５５０ｎｍのレーザー光を入射し、光を入射した方位方向において、光の入射方向と逆方向に屈折された屈折光の出射角度θoと強度（回折効率）をパワーメーターで測定した。なお、レーザー光は右円偏光を入射した。基準は以下の通りである。
・Ａ：強度（回折効率）が９５％以上
・Ｂ：強度（回折効率）が８０％以上
・Ｃ：強度（回折効率）が７０％以上
・Ｄ：強度（回折効率）が６０％以上
・Ｅ：強度（回折効率）が５０％未満

また、回折光の偏光度維持特性を以下の基準で評価した。
・Ａ：回折光の円偏光度が９９％以上
・Ｂ：回折光の円偏光度が９８％以上
・Ｃ：回折光の円偏光度が９６％以上
・Ｄ：回折光の円偏光度が９６％未満
結果を下記の表１に示す。

表１から、本発明の実施例は、斜めからの入射光に対して回折効率が低下しないことがわかる。また、入射光の偏光状態を維持したまま回折できていることがわかる。
以上の結果より、本発明の効果は明らかである。

１０、１０ｂ、１０ｃ 透過型液晶回折素子
３０ 支持体
３２ 配向膜
３７ｂ 第１の光学異方性層
３７ｃ 第２の光学異方性層
４０ｃ 棒状液晶化合物
４０ｄ 円盤状液晶化合物
４０Ａ 光学軸
４２、４２ｂ 棒状液晶層
４４、４４ｂ 円盤状液晶層
６０ 露光装置
６２ レーザ
６４ 光源
６５ λ／２板
６８ 偏光ビームスプリッター
７０Ａ，７０Ｂ ミラー
７２Ａ，７２Ｂ λ／４板
Ｄ 配列軸
Ｒ 領域
Λ １周期
Ｍ レーザ光
ＭＡ，ＭＢ 光線
Ｐ_O 直線偏光
Ｐ_R 右円偏光
Ｐ_L 左円偏光
α 角度
Ｌ₁，Ｌ₂，Ｌ₄，Ｌ₅ 光

Claims (4)

1. 棒状液晶化合物を配向してなる棒状液晶層と、円盤状液晶化合物を配向してなる円盤状液晶層とを交互に積層した構成を有する透過型液晶回折素子であって、
   前記棒状液晶化合物は正の複屈折性を有し、前記円盤状液晶化合物は負の複屈折性を有し、
   前記棒状液晶層および前記円盤状液晶層は、それぞれ、前記棒状液晶化合物および前記円盤状液晶化合物に由来する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、
   前記棒状液晶層の前記液晶配向パターンにおける前記光学軸の回転方向と、前記円盤状液晶層の前記液晶配向パターンにおける前記光学軸の回転方向とが同じであり、
   前記光学軸の向きが前記面内で１８０°回転する長さを１周期とすると、前記棒状液晶層の前記液晶配向パターンの１周期と、前記円盤状液晶層の前記液晶配向パターンの１周期とが同じであり、
   前記棒状液晶層および前記円盤状液晶層のそれぞれの厚さ方向の位相差｜Ｒｔｈ｜が６５ｎｍ以下であり、
   前記棒状液晶層と前記円盤状液晶層との界面において、前記透過型液晶回折素子の主面の面方向の同じ位置に存在する前記棒状液晶化合物と前記円盤状液晶化合物とは、前記棒状液晶化合物の長手方向と、前記円盤状液晶化合物を前記円盤状液晶層の界面に投影した形状における長手方向とが一致している透過型液晶回折素子。
2. 前記透過型液晶回折素子の主面の面方向の同じ位置に存在する前記棒状液晶化合物と前記円盤状液晶化合物とは、前記棒状液晶化合物の長手方向と、前記円盤状液晶化合物を前記円盤状液晶層の界面に投影した形状における長手方向とが、前記透過型液晶回折素子の一方の面から他方の面に亘って一致している請求項１に記載の透過型液晶回折素子。
3. 前記透過型液晶回折素子の主面の面方向の同じ位置に存在する前記棒状液晶化合物と前記円盤状液晶化合物とは、前記棒状液晶層および前記円盤状液晶層のそれぞれの厚さ方向において、前記棒状液晶化合物の長手方向と、前記円盤状液晶化合物を前記円盤状液晶層の界面に投影した形状における長手方向とが連続的にねじれ配向しており、
   前記透過型液晶回折素子の一方の面から他方の面における前記ねじれ配向のねじれ角が３６０°未満である請求項１に記載の透過型液晶回折素子。
4. 前記棒状液晶層の厚さ、および、前記円盤状液晶層の厚さがそれぞれ、０．９μｍ以下である請求項１～３のいずれか一項に記載の透過型液晶回折素子。