JP7427076B2 - 導光素子 - Google Patents

Description

本発明は、光を伝搬する導光素子に関する。

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

特許文献１に示されるように、ＡＲグラスは、一例として、ディスプレイ（光学エンジン）が表示した映像を、導光板の一端に入射して伝播し、他端から出射することにより、使用者が実際に見ている光景に、仮想の映像を重ねて表示する。
ＡＲグラスでは、導光板の表面に回折素子を配置した導光素子を用いて、ディスプレイからの光（投影光）を導光する。具体的には、ディスプレイからの光（投影光）を、回折素子で回折（屈折）させて導光板の一方の端部に入射させる。これにより、角度を付けて導光板に光を導入して、導光板内で光を全反射して伝播させる。導光板を伝播した光は、導光板の他方の端部において出射回折素子によって回折されて、導光板から、使用者による観察位置に出射される。

このような導光素子を用いたＡＲグラスにおいて、画像を表示する領域である視野角（ＦＯＶ（Field of View））が広いことが要求される。
これに対して、導光板の屈折率を高くし、空気との屈折率差を大きくして、導光板内で光が全反射する条件（角度）を大きくすることで、ＦＯＶを広げることが考えられている。

ところで、導光素子が有する回折素子として、液晶化合物を、光学軸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配向パターンで配向してなる液晶層を有する液晶回折素子が提案されている（特許文献２）。
このような液晶回折素子は、表面レリーフ構造を有する回折素子等に比べて回折効率が高い。

ＵＳ２０１６／０２３１５６８Ａ１ 国際公開第２０２０／０２２５０４号

本発明者らの検討によれば、液晶回折素子を有する導光素子において、導光板の屈折率を高くすると、高い回折効率が得られない入射角度が存在することがわかった。

通常、液晶回折素子において、任意の入射角度における回折効率は、光学軸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配向パターンの１周期Λ、および、膜厚ｄ、さらに、液晶層がコレステリック配向されている場合には螺旋ピッチＰで制御することができる。

しかしながら、導光板の屈折率が高いと、１周期Λ、膜厚ｄ、および、螺旋ピッチＰだけでは回折効率を上げることができない入射角度があることがわかった。

本発明の課題は、このような従来技術の問題点を解決することにあり、高い回折効率が得られる入射角度範囲が広い導光素子を提供することにある。

この課題を解決するために、本発明は、以下の構成を有する。
［１］ 導光板と、
導光板の主面に配置される回折素子と、を有し、
回折素子は、液晶化合物を含む液晶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し、
導光板の屈折率が１．７０以上であって、
導光板の屈折率をｎ_ｄとし、液晶層の屈折率をｎ_kとすると、
ｎ_k－ｎ_d≧０を満たす導光素子。
［２］ 液晶層が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［１］に記載の導光素子。
［３］ コレステリック液晶層は、膜厚方向で螺旋ピッチが変化しているピッチグラジエント層である［１］または［２］に記載の導光素子。
［４］ 液晶層において、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主面において、液晶化合物の光学軸の向きが１８０°回転する長さを１周期Λとし、ピッチグラジエント層の一方の面側における螺旋ピッチをＰ１とし、他方の面側における螺旋ピッチをＰ２とすると、
Ｐ１＜Λ＜Ｐ２を満たす［３］に記載の導光素子。
［５］ 導光板の屈折率ｎ_ｄと、液晶層の屈折率ｎ_kとが、
０．１＞ｎ_k－ｎ_d≧０を満たす［１］～［４］のいずれかに記載の導光素子。
［６］ 回折素子が、光を導光板内に入射させる入射回折素子である［１］～［５］のいずれかに記載の導光素子。

本発明によれば、高い回折効率が得られる入射角度範囲が広い導光素子を提供することができる。

本発明の導光素子を用いる画像表示装置の一例を概念的に示す図である。 導光板の屈折率と入射角度範囲およびＦＯＶとの関係を説明するための図である。 導光板の屈折率と入射角度範囲およびＦＯＶとの関係を説明するための図である。 入射角度と回折効率との関係を表すグラフである。 入射角度と回折効率との関係を表すグラフである。 本発明の導光素子を用いる画像表示装置の他の一例を概念的に示す図である。 回折素子として用いられるコレステリック液晶層を概念的に示す平面図である。 図７に示すコレステリック液晶層の概念図である。 図７に示すコレステリック液晶層の断面ＳＥＭ画像を概念的に示す図である。 図７に示すコレステリック液晶層の作用を説明するための概念図である。 回折素子として用いられるコレステリック液晶層の他の例を概念的に示す図である。 回折素子として用いられるコレステリック液晶層の他の例を概念的に示す図である。 配向膜を露光する露光装置の一例の概念図である。 透過型の液晶回折素子が有する液晶層の一例を概念的に示す図である。 図１４に示す液晶層の平面図である。 図１４に示す液晶層の作用を説明するための概念図である。 図１４に示す液晶層の作用を説明するための概念図である。 液晶層の他の一例を概念的に示す図である。 回折効率の測定方法を概念的に示す図である。

以下、本発明の導光素子について、添付の図面に示される好適実施例を基に詳細に説明する。

本明細書において「～」を用いて表される数値範囲は、「～」の前後に記載される数値を下限値および上限値として含む範囲を意味する。
本明細書において、「（メタ）アクリレート」は、「アクリレートおよびメタクリレートのいずれか一方または双方」の意味で使用される。
本明細書において、屈折率とは、波長５５０ｎｍにおける屈折率を意味する。

［導光素子］
本発明の導光素子は、
導光板と、
導光板の主面に配置される回折素子と、を有し、
回折素子は、液晶化合物を含む液晶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し、
導光板の屈折率が１．７０以上であって、
導光板の屈折率をｎ_ｄとし、液晶層の屈折率をｎ_kとすると、
ｎ_k－ｎ_d≧０を満たす導光素子である。

図１に、本発明の導光素子を用いる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５０は、好適な一例として、ＡＲグラスとして利用されるものである。なお、本発明の導光素子は、ＡＲグラス以外にも、透明スクリーン、照明装置(液晶ディスプレイのバックライト等を含む)、および、センサー等の光学素子にも利用可能である。また、本発明の画像表示装置は、これらの光学素子を用いる画像表示装置にも利用可能である。

図１に示す画像表示装置５０は、表示素子５４と、導光板１６および導光板１６の主面に配置される回折素子１２ａおよび１２ｂを有する導光素子１０ａと、を有する。

図１に示す導光素子１０ａにおいて、回折素子１２ａ、および、回折素子１２ｂは、導光板１６の主面の面方向の異なる位置に配置されている。図１に示す例においては、回折素子１２ａは、導光板１６の図中左側の端部に配置されている。また、回折素子１２ｂは、導光板１６の図中右側の端部に配置されている。なお、主面とは、シート状物（板状物、フィルム等）の最大面である。
また、画像表示装置５０において、表示素子５４は、導光板１６の主面の面方向の回折素子１２ａと重複する位置で、導光板１６の回折素子１２ａが配置される側とは反対側の面に対面して配置されている。

図１に示す例では、回折素子１２ａおよび回折素子１２ｂは、光を鏡面反射とは異なる方向に反射することで、光を反射しつつ回折する反射型の回折素子である。回折素子１２ａおよび回折素子１２ｂは、液晶化合物を含む液晶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ことで、このように光を回折する。この点については後に詳述する。

画像表示装置５０において、表示素子５４が表示した画像（画像に対応する光）は、導光板１６に主面に垂直な方向から入射して回折素子１２ａに入射する。回折素子１２ａに入射した光は回折素子１２ａによって回折されて、導光板１６に入射する。その際、回折素子１２ａは、光を導光板１６内で全反射する角度に回折し、また、回折された光の進行方向が回折素子１２ｂに向かう方向となるように光を回折する。図１に示す例では、回折素子１２ａは、入射した光を図１中右方向に向けて回折する。

回折素子１２ａにより回折された光は、導光板１６内を全反射して他方の端部側に伝搬し、回折素子１２ｂに入射する。回折素子１２ｂは、入射した光を、導光板１６内を全反射する角度から外れるように回折する。図１に示す例では、回折素子１２ｂは、入射した光を図１中上側に向けて回折する。すなわち、図１に示すように、回折素子１２ｂは、入射した光を導光板の主面に略垂直な方向に向けて回折する。

回折素子１２ｂによって回折された光は、導光板１６から出射されて、使用者Ｕに向けて出射される。これにより、画像表示装置５０は、表示素子５４が照射した画像を表示することができる。

ここで、本発明において、導光板１６の屈折率は１．７０以上である。
導光板１６の屈折率と、導光板に入射する光の入射角度との関係について、図２および図３を用いて説明する。図２に示す導光素子は、導光板５２ｂの屈折率が低い例であり、図３に示す導光素子は、導光板５２の屈折率が高い例である。

周知のとおり、導光板内で光が全反射する角度は、導光板の屈折率と、空気との屈折率との差に依存する。導光板の屈折率が低いと空気との屈折率差が小さくなるため、図２に示す例のように、導光板５２ｂ内で光が全反射する角度範囲が狭くなる。ここで、例えば、入射側の回折素子１２ａが、導光板５２ｂの主面に垂直な方向から入射した光を、全反射角度範囲の中心の角度に進行するように回折するものとして、回折素子１２ａが、入射した光を全反射角度範囲内に回折することができる入射光の角度の範囲を入射角度範囲とすると、導光板５２ｂの屈折率が低い場合には、全反射角度範囲が狭いため、この入射角度範囲も狭くなる。また、図２に示すように、全反射角度範囲が狭いと、出射側の回折素子１２ｂで出射される光の角度範囲も狭くなり、画像を表示する領域である視野角（ＦＯＶ（Field of View））が狭くなる。

これに対して、導光板の屈折率が高いと空気との屈折率差が大きくなるため、図３に示す例のように、導光板５２内で光が全反射する角度範囲が広くなる。そのため、導光板５２の屈折率が高い場合には、全反射角度範囲が広いため、回折素子１２ａが、入射した光を全反射角度範囲内に回折することができる入射角度範囲も広くなる。また、図３に示すように、全反射角度範囲が広いと、出射側の回折素子１２ｂで出射される光の角度範囲も広くなり、画像を表示する領域である視野角（ＦＯＶ（Field of View））が広くなる。

ここで、さらに、本発明においては、導光板の屈折率をｎ_ｄとし、回折素子が有する液晶層の屈折率をｎ_kとすると、ｎ_k－ｎ_d≧０を満たす。すなわち、液晶層（回折素子）の屈折率が導光板の屈折率以上である。

本発明者らの検討によれば、液晶層を用いた回折素子（以下、液晶回折素子ともいう）を有する導光素子において、導光板の屈折率を高くすると（１．７０以上とすると）、高い回折効率が得られない入射角度が存在することがわかった。この点について本発明者らが種々の検討を行なったところ、回折素子の液晶層の屈折率（以下、回折素子の屈折率ともいう）が導光板の屈折率よりも低いと、一部の入射角度範囲で回折効率が低くなってしまうことがわかった。

一例として、図４に、回折素子の屈折率が、導光板の屈折率よりも低い場合の、入射角度範囲と回折効率との関係を表すグラフを示す。このグラフは、導光板の屈折率が１．８０で、回折素子の屈折率が１．６０の場合の例である。

図４に示す例において、導光板の屈折率から定まる全反射角度範囲に、入射光を屈折させることができる入射角度範囲は、約－２４°～２４°である（図４中破線で示す）。なお、入射角度は、導光板内を光が進行する方向に傾斜するものをマイナスで表し、導光板内を光が進行する方向とは逆方向に傾斜するものをプラスで表した（図２、図３参照）。

しかしながら、回折素子の屈折率が、導光板の屈折率よりも低い場合には、図４中、一点鎖線で示した角度範囲（約１０°～２４°）では、回折効率がほぼ０％になることがわかった。

これに対して、本発明者らは種々の検討を行った結果、回折素子の屈折率を導光板の屈折率以上とすることで、一部の入射角度範囲で回折効率が低くなることを抑制できることがわかった。

一例として、図５に、回折素子の屈折率が、導光板の屈折率以上の場合の、入射角度範囲と回折効率との関係を表すグラフを示す。このグラフは、導光板の屈折率が１．８０で、回折素子の屈折率が１．８０の場合の例である。

図５に示す例において、導光板の屈折率から定まる全反射角度範囲に、入射光を屈折させることができる入射角度範囲は、図４の例と同様に、約－２４°～２４°である（図５破線で示す）。

図５に示すように、回折素子の屈折率が、導光板の屈折率以上の場合には、回折素子の屈折率が導光板の屈折率よりも低い場合に回折効率がほぼ０％となった角度範囲（約１０°～２４°、図５中一点鎖線で示す範囲）においても、高い回折効率が得られることがわかった。

前述のとおり、通常、液晶回折素子において、任意の入射角度における回折効率は、光学軸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配向パターンの１周期Λ、および、膜厚ｄ、さらに、液晶層がコレステリック配向されている場合には螺旋ピッチＰで制御することができる。しかしながら、導光板の屈折率が高いと、１周期Λ、膜厚ｄ、および、螺旋ピッチＰだけでは回折効率を上げることができない入射角度があることがわかった。

これに対して、本発明の導光素子は、導光板の屈折率をｎ_ｄとし、回折素子の屈折率をｎ_kとすると、ｎ_k－ｎ_d≧０を満たすことで、高い回折効率が得られる入射角度範囲を広くすることができる。

ここで、回折効率の観点から、導光板の屈折率ｎ_ｄと、回折素子の屈折率ｎ_kとは、０．１＞ｎ_k－ｎ_d≧０を満たすのが好ましく、０．０５＞ｎ_k－ｎ_d≧０を満たすのがより好ましい。

また、視野角（ＦＯＶ）、回折効率等の観点から、導光板の屈折率は、１．７～２．３が好ましく、１．９～２．３がより好ましい。

ここで、図１に示す例では、導光素子１０ａは、反射型の回折素子１２ａおよび回折素子１２ｂを有する構成としたがこれに限定はされない。

図６に、本発明の導光素子を用いる画像表示装置の他の一例を概念的に示す。

図６に示す画像表示装置５０ｂは、表示素子５４と、導光板１６および導光板１６の主面に配置される回折素子１１ａおよび１１ｂを有する導光素子１０ｂと、を有する。

図６に示す導光素子１０ｂにおいて、回折素子１１ａ、および、回折素子１１ｂは、導光板１６の主面の面方向の異なる位置に配置されている。図６に示す例においては、回折素子１１ａは、導光板１６の図中左側の端部に配置されている。また、回折素子１１ｂは、導光板１６の図中右側の端部に配置されている。
また、画像表示装置５０ｂにおいて、表示素子５４は、導光板１６の主面の面方向の回折素子１１ａと重複する位置で、導光板１６の回折素子１１ａが配置される側の面に対面して配置されている。

図６に示す例では、回折素子１１ａおよび回折素子１１ｂは、光を透過しつつ回折する透過型の回折素子である。回折素子１１ａおよび回折素子１１ｂは、液晶化合物を含む液晶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ことで、このように光を回折する。この点については後に詳述する。

画像表示装置５０ｂにおいて、表示素子５４が表示した画像（画像に対応する光）は、導光板１６に主面に垂直な方向から回折素子１１ａに入射する。回折素子１１ａに入射した光は回折素子１１ａによって回折されて、導光板１６に入射する。その際、回折素子１１ａは、光を導光板１６内で全反射する角度に回折し、また、回折された光の進行方向が回折素子１１ｂに向かう方向となるように光を回折する。図６に示す例では、回折素子１１ａは、入射した光を図６中右方向に向けて回折する。

回折素子１１ａにより回折された光は、導光板１６内を全反射して他方の端部側に伝搬し、回折素子１１ｂに入射する。回折素子１１ｂは、入射した光を、導光板１６内を全反射する角度から外れるように回折する。図６に示す例では、回折素子１１ｂは、入射した光を図６中上側に向けて回折する。すなわち、図６に示すように、回折素子１１ｂは、入射した光を導光板の主面に略垂直な方向に向けて回折する。

回折素子１１ｂによって回折された光は、導光板１６から出射されて、使用者Ｕに向けて出射される。これにより、画像表示装置５０は、表示素子５４が照射した画像を表示することができる。

このように、透過型の回折素子を有する導光素子においても、導光板１６の屈折率を１．７０以上とすることで、全反射角度範囲を広くして視野角（ＦＯＶ）を広くすることができ、また、回折素子の屈折率を、導光板の屈折率以上とすることで、高い回折効率が得られる入射角度範囲を広くすることができる。

なお、上述した説明では、回折素子と導光板との屈折率差と、入射角度範囲および回折効率との関係について説明した。すなわち、入射側の回折素子の屈折率が、導光板の屈折率以上であれば上述した効果が得られる。しかしながら、本発明は、これに限定はされず、出射側の回折素子の屈折率が、導光板の屈折率以上であってもよい。出射側の回折素子の屈折率を、導光板の屈折率以上とすることで、出射側の回折素子において、高い回折効率が得られる角度範囲を広くでき、視野角（ＦＯＶ）を広くすることができる。

以下、各構成要素について説明する。

［表示素子］
表示素子５４は、使用者Ｕが観察する画像（映像）を表示して、画像を入射回折素子に照射するものである。従って、表示素子５４は照射する画像が入射回折素子に入射するように配置される。

画像表示装置において、表示素子５４には制限はなく、ＡＲグラス等に用いられる公知の表示素子（表示装置、プロジェクター）が、各種、利用可能である。表示素子５４としては、一例として、ディスプレイと投映レンズとを有する表示素子が例示される。

画像表示装置において、ディスプレイには、制限はなく、例えば、ＡＲグラス等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等を含む）、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。

なお、画像表示装置が多色画像を表示する構成の場合には、ディスプレイは、多色画像を表示するディスプレイが用いられる。

画像表示装置に用いられる表示素子５４おいて、投映レンズも、ＡＲグラス等に用いられる公知の投映レンズ（コリメートレンズ）である。

ここで、画像表示装置においては、表示素子５４による表示画像すなわち表示素子５４が照射する光には、制限はないが、無偏光（自然光）または円偏光が好ましい。
表示素子５４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５４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５４は、例えばλ／４板を有するのが好ましい。
なお、表示素子５４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］
導光素子１０ａにおいて、導光板１６は、屈折率が１．７０以上である以外は、内部に入射した光を反射して導光（伝搬）する、公知の導光板である。
導光板１６には、制限はなく、ＡＲグラスおよび液晶ディスプレイのバックライトユイット等で用いられている公知の導光板が、各種、利用可能である。

屈折率が１．７０以上の導光板１６の材料としては、重フリント系ガラスやＢａ、Ｌａ、Ｎｂなどを含んだガラスやポリマー系導光板等が挙げられる。
導光板１６の屈折率の上限は特に制限されないが、２．１以下の場合が多い。

［回折素子］
入射側の回折素子、および、出射側の回折素子は、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、液晶回折素子が例示される。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。

（反射型の液晶回折素子）
液晶回折素子の一例について図７～図９を用いて説明する。
図７は、液晶回折素子１２が有する液晶層３４の主面の面内における液晶化合物の配向状態を示す模式図である。また、図８は、主面に垂直な断面における液晶相の状態を示す断面模式図である。以下においては、液晶層３４の主面をＸ－Ｙ面とし、このＸ－Ｙ面に対して垂直な断面をＸ－Ｚ面として説明する。つまり、図７は、液晶層３４のＸ－Ｙ面の模式図に相当し、図８は、液晶層３４のＸ－Ｚ面の模式図に相当する。
図７～図８に示す液晶層は、液晶化合物がコレステリック配向されたコレステリック液晶層の例である。また、液晶化合物が棒状液晶化合物の場合の例である。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液晶回折素子は、反射型の液晶回折素子である。

図８に示す例では、液晶回折素子１２は、支持体３０と、配向膜３２と、液晶層３４と、を有する。
なお、図８に示す例の液晶回折素子１２は、支持体３０と、配向膜３２と、液晶層３４とを有するが、本発明は、これに制限はされない。液晶回折素子１２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および液晶層３４のみを有するものでもよい。または、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、液晶層３４のみを有するものでもよい。

＜支持体＞
支持体３０は、配向膜３２、および、液晶層３４を支持するものである。
支持体３０は、配向膜３２、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の厚さには、制限はなく、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、液晶層３４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、１～２０００μｍが好ましく、３～５００μｍがより好ましく、５～２５０μｍがさらに好ましい。

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等を基板として含み、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＞
液晶回折素子１２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、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、液晶層３４は、液晶化合物４０に由来する光学軸４０Ａ（図７参照）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、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。

配向膜３２は、公知の各種のものが利用可能である。
例えば、ポリマー等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ン酸メチル等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２００５－０９７３７７号公報、特開２００５－０９９２２８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。

液晶回折素子１２においては、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、液晶回折素子においては、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２００７－０７６８３９号公報、特開２００７－１３８１３８号公報、特開２００７－０９４０７１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２０１４－０１２８２３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１３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１３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、液晶化合物４０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、コレステリック液晶層を形成することにより、後述するように、液晶化合物４０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、液晶層３４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、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をレーザ光等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、液晶層が、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、支持体３０を配向膜として作用させてもよい。

＜液晶層＞
液晶回折素子１２において、配向膜３２の表面には、液晶層３４が形成される。
上述したように、液晶層３４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。

液晶層３４は、図８に概念的に示すように、通常のコレステリック液晶相を固定してなるコレステリック液晶層と同様に、液晶化合物４０が螺旋状に旋回して積み重ねられた螺旋構造を有し、液晶化合物４０が螺旋状に１回転（３６０°回転）して積み重ねられた構成を螺旋１ピッチとして、螺旋状に旋回する液晶化合物４０が、複数ピッチ、積層された構造を有する。

周知のように、コレステリック液晶相を固定してなるコレステリック液晶層は、波長選択反射性を有する。
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ピッチの長さ（図９に示すピッチＰ）に依存する。

従って、このような液晶層を有する回折素子は、波長選択性を有し、所定の波長の光を回折するものである。従って、回折素子が反射（回折）する光の波長は、液晶層の螺旋ピッチＰを調整して、液晶層の選択的な反射波長域を適宜設定すればよい。

図７に示すように、液晶層３４のＸ－Ｙ面において、液晶化合物４０は、Ｘ－Ｙ面内の互いに平行な複数の配列軸Ｄに沿って配列しており、それぞれの配列軸Ｄ上において、液晶化合物４０の光学軸４０Ａの向きは、配列軸Ｄに沿った面内の一方向に連続的に回転しながら変化している。ここで、説明のため、配列軸ＤがＸ方向に向いているとする。また、Ｙ方向においては、光学軸４０Ａの向きが等しい液晶化合物４０が等間隔で配向している。
なお、「液晶化合物４０の光学軸４０Ａの向きが配列軸Ｄに沿った面内の一方向に連続的に回転しながら変化している」とは、液晶化合物４０の光学軸４０Ａと配列軸Ｄとのなす角度が、配列軸Ｄ方向の位置により異なっており、配列軸Ｄに沿って光学軸４０Ａと配列軸Ｄとのなす角度がθからθ＋１８０°あるいはθ－１８０°まで徐々に変化していることを意味する。つまり、配列軸Ｄに沿って配列する複数の液晶化合物４０は、図７に示すように、光学軸４０Ａが配列軸Ｄに沿って一定の角度ずつ回転しながら変化する。
なお、配列軸Ｄ方向に互いに隣接する液晶化合物４０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、本明細書において、液晶化合物４０が棒状液晶化合物である場合、液晶化合物４０の光学軸４０Ａは、棒状液晶化合物の分子長軸を意図する。一方、液晶化合物４０が円盤状液晶化合物である場合、液晶化合物４０の光学軸４０Ａは、円盤状液晶化合物の円盤面に対する法線方向に平行な軸を意図する。

液晶層３４においては、このような液晶化合物４０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、液晶化合物４０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。
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。

一方、液晶層３４を形成する液晶化合物４０は、配列軸Ｄ方向と直交する方向（図７においては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、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。

図８に示す液晶層３４のＸ－Ｚ面をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）にて観察すると、図９に示すような明部４２と暗部４４とが交互に配列された配列方向が、主面（Ｘ－Ｙ面）に対して所定角度で傾斜している縞模様が観察される。このようなＳＥＭ断面において、隣接する明部４２から明部４２、または、暗部４４から暗部４４の、明部４２または暗部４４が成す線の法線方向における間隔が１／２ピッチに略一致する。すなわち、図９中にＰで示すように、明部４２が２つと暗部４４が２つで螺旋１ピッチ分（螺旋の巻き数１回分）、すなわちピッチＰと略一致する。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する場合には、螺旋ピッチは、図９に示す明暗線のピッチＰと略一致する。また、図８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９に示す明暗線のピッチＰから若干ズレるが、以下の説明では、螺旋ピッチと明暗線のピッチとを区別せずに説明を行う。

以下、液晶層による回折の作用について説明する。
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。

これに対して、液晶層３４は、入射した光を、鏡面反射に対して配列軸Ｄ方向に傾けて反射する。液晶層３４は、面内において、配列軸Ｄ方向（所定の一方向）に沿って光学軸４０Ａ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ものである。以下、図１０を参照して説明する。

一例として、液晶層３４は、赤色光の右円偏光Ｒ_Rを選択的に反射するコレステリック液晶層であるとする。従って、液晶層３４に光が入射すると、液晶層３４は、赤色光の右円偏光Ｒ_Rのみを反射し、それ以外の光を透過する。

液晶層３４では、液晶化合物４０の光学軸４０Ａが配列軸Ｄ方向（一方向）に沿って回転しながら変化している。液晶層３４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。そのため、液晶層３４に入射した赤色光の右円偏光Ｒ_Rは、図１０に概念的に示すように、液晶配向パターンの周期に応じた方向に反射（回折）され、反射された赤色光の右円偏光Ｒ_Rは、ＸＹ面（コレステリック液晶層の主面）に対して配列軸Ｄ方向に傾いた方向に反射（回折）される。

この結果として、液晶層３４を導光素子等に適用した場合、導光板の主面に垂直な方向から入射した光を導光板内を全反射する角度に反射（回折）することができ、また、導光板内を全反射して導光された光を、導光板の主面に垂直な方向に反射（回折）することができる回折素子として用いることができる。

液晶層３４において、光学軸４０Ａが回転する一方向である配列軸Ｄ方向を、適宜、設定することで、光の反射方向（回折角度）を調節できる。

また、同じ波長で、同じ旋回方向の円偏光を反射する場合に、配列軸Ｄ方向に向かう液晶化合物４０の光学軸４０Ａの回転方向を逆にすることで、円偏光の反射方向を逆にできる。
例えば、図７および図８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。

さらに、同じ液晶配向パターンを有する液晶層では、液晶化合物４０の螺旋の旋回方向すなわち反射する円偏光の旋回方向によって、反射方向が逆になる。
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。

液晶層において、液晶化合物の液晶配向パターンにおいて、液晶化合物の光学軸が１８０°回転する長さが回折構造の１周期Λであり、液晶化合物の光学軸が回転しながら変化している一方向（配列軸Ｄ方向）が回折構造の周期方向である。

液晶配向パターンを有する液晶層では、１周期Λが短いほど、入射光に対する反射光の角度が大きくなる。すなわち、１周期Λが短いほど、入射光に対して、反射光を大きく傾けて反射できる。従って、各回折素子が有する液晶層における液晶配向パターンの１周期は、各回折素子の回折角度、配置等に応じて適宜設定すればよい。
これらの回折素子の回折構造の周期（１周期Λ）は０．１～１０μｍが好ましく、０．１～１μｍがより好ましく、０．１～０．８μｍがさらに好ましく、導光板１６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。

また、同じ波長の光を回折する入射回折素子の液晶層と出射回折素子の液晶層とは、コレステリック液晶相の螺旋捩れの回転方向が同じである。

ここで、図８に示す例では、液晶層３４のＸ－Ｚ面において、液晶化合物４０が、主面（Ｘ－Ｙ面）に対して、その光学軸４０Ａが平行に配向している構成としたがこれに限定はされない。例えば、図１１に示すように、液晶層３４のＸ－Ｚ面において、液晶化合物４０が、主面（Ｘ－Ｙ面）に対して、その光学軸４０Ａが傾斜して配向している構成であってもよい。

また、図１１に示す例では、液晶層３４のＸ－Ｚ面において、液晶化合物４０の主面（Ｘ－Ｙ面）に対する傾斜角度（チルト角）は厚さ方向（Ｚ方向）に一様としたが、これに限定はされない。液晶層３４において、液晶化合物４０のチルト角が厚さ方向で異なっている領域を有していてもよい。
例えば、図１２に示す例は、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、液晶層においては、上下界面の一方の界面において、液晶化合物の光学軸がプレチルト角を有している構成であってもよく、両方の界面でプレチルト角を有する構成であってもよい。また、両界面でプレチルト角が異なっていてもよい。
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。

液晶化合物４０の光学軸４０Ａと主面（Ｘ－Ｙ面）とのなす平均角度（平均チルト角）は、５～８０°が好ましく、１０～５０°がより好ましい。なお、平均チルト角は、液晶層３４のＸ－Ｚ面を偏光顕微鏡観察することにより測定できる。なかでも、液晶層３４のＸ－Ｚ面において、液晶化合物４０は、主面（Ｘ－Ｙ面）に対して、その光学軸４０Ａが同一の方向に傾斜配向することが好ましい。
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。

回折素子（液晶層）に垂直に入射した光は、液晶層内において斜め方向に、屈曲力が加わり斜めに進む。液晶層内において光が進むと、本来垂直入射に対して所望の回折角が得られるように設定されている回折周期等の条件とのずれが生じるために、回折ロスが生じる。
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。

また、チルト角は液晶層の界面の処理によって制御されることが望ましい。支持体側の界面においては、配向膜にプレチルト処理をおこなうことにより液晶化合物のチルト角を制御することが出来る。例えば、配向膜の形成の際に配向膜に紫外線を正面から露光した後に斜めから露光することにより、配向膜上に形成する液晶層中の液晶化合物にプレチルト角を生じさせることが出来る。この場合には、２回目の照射方向に対して液晶化合物の単軸側が見える方向にプレチルトする。但し２回目の照射方向に対して垂直方向の方位の液晶化合物はプレチルトしないため、面内でプレチルトする領域とプレチルトしない領域が存在する。このことは、狙った方位に光を回折させるときにその方向に最も複屈折を高めることに寄与するので回折効率を高めるのに適している。
さらに、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。

ここで、液晶層３４は、膜厚方向で螺旋ピッチＰが変化しているピッチグラジエント層であることが好ましい。具体的には、液晶層３４は、液晶層３４の一方の主面側から他方の主面側に向かって、螺旋ピッチが漸次、大きく（または、小さく）なるように変化していることが好ましい。液晶層３４は、膜厚方向で螺旋ピッチＰが変化することで、選択反射波長を広帯域化することができる。

また、液晶層３４がピッチグラジエント層である場合には、液晶層３４は、１周期Λと、ピッチグラジエント層の一方の面側における螺旋ピッチＰ１と、他方の面側における螺旋ピッチＰ２とが、Ｐ１＜Λ＜Ｐ２を満たすことが好ましい。
これにより、斜め方向から入射する光に対する回折効率を高くすることができる。

ここで、液晶層は、ＳＥＭで観察した断面において、コレステリック液晶相に由来する明部および暗部が、主面に対して傾斜している。液晶層は、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Ｒｅ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Ｒｅが最小となる方向が法線方向から傾斜しているのが好ましい。具体的には、面内レタデーションＲｅが最小となる方向が法線と成す測定角の絶対値が５°以上であることが好ましい。言い換えると、液晶層の液晶化合物が主面に対して傾斜し、かつ、傾斜方向が液晶層の明部および暗部に略一致していることが好ましい。なお、法線方向とは、主面に対して直交する方向である。
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液晶層に比して、高い回折効率で円偏光を回折できる。

液晶層の液晶化合物が主面に対して傾斜し、かつ、傾斜方向が明部および暗部に略一致している構成では、反射面に相当する明部および暗部と、液晶化合物の光学軸とが一致している。そのため、光の反射（回折）に対する液晶化合物の作用が大きくなり、回折効率を向上できる。その結果、入射光に対する反射光の光量をより向上できる。

液晶層の進相軸面または遅相軸面において、液晶層の光学軸傾斜角の絶対値は５°以上が好ましく、１５°以上がより好ましく、２０°以上がさらに好ましい。
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。

ここで、本発明において、回折素子を構成する液晶層の屈折率は、導光板の屈折率以上である。
液晶層の屈折率の調整方法は特に制限されず、例えば、屈折率が高い液晶化合物を使用する方法、および、液晶層中に屈折率が高いナノ粒子の添加する方法が挙げられる。
液晶化合物の高屈折率化のためには、例えば、液晶化合物の吸収の長波長化、および／または、モル吸光係数を大きくすること、ならびに、液晶化合物の構造を剛直鎖にすること等が有効である。より具体的には、例えば、芳香族環、フッ素原子以外のハロゲン原子、イオウ原子、脂環式基、二重結合基、および、三重結合基からなる群から選択される少なくとも１種を液晶化合物に導入する方法がある。
また、上述した屈折率が高いナノ粒子としては、例えば、酸化ジルコニウムや酸化チタン等が挙げられる。

液晶層の屈折率の測定方法としては、例えば、液晶層を形成する液晶組成物を別途に用意した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（硬化層）を反射分光膜厚計ＦＥ-３０００（大塚電子株式会社製）等で測定して面内平均屈折率を求めることで測定できる。あるいは、コレステリック液晶層を直接、アッペ屈折率計や分光エリプソメーターを用いて測定することができる。

なお、回折素子が、支持体等を含む場合には、屈折率の高い液晶層を導光板に接して配置するのが好ましい。あるいは、支持体として屈折率の高い材料からなる支持体を用いることが好ましい。

＜＜液晶層の形成方法＞＞
液晶層は、液晶化合物が所定の配向状態に配向されてなる液晶相を層状に固定して形成できる。例えば、コレステリック液晶層の場合には、コレステリック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所定の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、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、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。

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、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－－
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。
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。

液晶化合物としては、一般式（１）で表される化合物が好ましい。

一般式（１）中、
Ｐ_１およびＰ_２は、それぞれ独立に、重合性基を表す。
重合性基の種類は特に制限されず、公知の重合性基が挙げられ、反応性の点から、付加重合反応が可能な官能基が好ましく、重合性エチレン性不飽和基または環重合性基がより好ましい。重合性基としては、例えば、（メタ）アクリロイルオキシ基、ビニル基、マレイミド基、アセチル基、スチリル基、アリル基、エポキシ基、オキセタン基、および、これらの基を含む基などが挙げられる。なお、上記各基中の水素原子は、ハロゲン原子など他の置換基で置換されていてもよい。
Ｌ_１およびＬ_２は、それぞれ独立に、単結合または２価の連結基を表す。
上記２価の連結基としては、例えば、エーテル基（－Ｏ－）、カルボニル基（－ＣＯ－）、エステル基（－ＣＯＯ－）、チオエーテル基（－Ｓ－）、－ＳＯ_２－、－ＮＲ－（Ｒは、水素原子、または、アルキル基を表す）、２価の炭化水素基（例えば、アルキレン基等の飽和炭化水素基、アルケニレン基（例：－ＣＨ＝ＣＨ－）、アルキニレン基（例：－Ｃ≡Ｃ－）、および、アリーレン基）、ならびに、これらを組み合わせた基が挙げられる。
上記２価の連結基のうちの一般式（１）中のベンゼン環基と直接結合する原子は、炭素原子が好ましく、上記炭素原子はｓｐ３炭素原子（一重結合のみを有する炭素原子）が好ましい。
上記２価の連結基としては、置換基を有していてもよい炭素数１～２０の２価の炭化水素基が好ましい。上記２価の炭化水素基のうちの１個以上のメチレン基は、それぞれ独立に、－Ｏ－または－Ｃ（＝Ｏ）－で置換されていてもよい。なお、１つのメチレン基が－Ｏ－で置換され、それに隣り合うメチレン基が－Ｃ（＝Ｏ）－で置換されて、エステル基を形成してもよい。
上記２価の炭化水素基が有していてもよい置換基としては、例えば、フッ素原子が好ましい。
上記２価の炭化水素基の炭素数は、１～２０であり、１～１０が好ましく、１～５がより好ましい。
上記２価の炭化水素基は、直鎖状でも分岐鎖状でもよく、環状構造を有していてもよい。

中でも、Ｌ_１は式（Ａ）で表される基を表し、Ｌ_２は式（Ｂ）で表される基を表すのが好ましい。
式（Ａ） ＊－Ｚ_１－Ｓｐ_１－＊＊
式（Ｂ） ＊－Ｚ_２－Ｓｐ_２－＊＊
Ｚ_１およびＺ_２は、それぞれ独立に、－Ｃ(Ｒ_ｚａ)(Ｒ_ｚｂ)－を表す。
Ｒ_ｚａおよびＲ_ｚｂは、それぞれ独立に、水素原子または置換基を表し、水素原子が好ましい。
Ｓｐ_１およびＳｐ_２は、それぞれ独立に、フッ素原子を有していてもよい炭素数１～１９の２価の炭化水素基、または、単結合を表す。上記２価の炭化水素基のうちの１個以上のメチレン基は、それぞれ独立に、－Ｏ－または－Ｃ（＝Ｏ）－で置換されていてもよい。なお、１つのメチレン基が－Ｏ－で置換され、それに隣り合うメチレン基が－Ｃ（＝Ｏ）－で置換されて、エステル基を形成してもよい。
上記２価の炭化水素基は、直鎖状でも分岐鎖状でもよく、環状構造を有していてもよい。
＊は、それぞれ、Ｌ_１またはＬ_２と直接結合するベンゼン環基との結合位置を表し、＊＊は、それぞれ、Ｐ_１またはＰ_２との結合位置を表す。

Ｘは、－Ｃ(Ｒ_ｘａ)(Ｒ_ｘｂ)－を表す。Ｒ_ｘａおよびＲ_ｘｂは、それぞれ独立に、水素原子または置換基を表す。
Ｒ_ｘａおよびＲ_ｘｂは、水素原子が好ましい。

Ｙは、－Ｃ(Ｒ_ｙａ)(Ｒ_ｙｂ)－、－Ｏ－、－ＮＲ_ｙｎ－、または、－Ｓ－を表す。Ｒ_ｙaおよびＲ_ｙｂは、それぞれ独立に、水素原子または置換基を表す。Ｒ_ｙｎは、水素原子または炭素数１～６のアルキル基（直鎖状でも分岐鎖状でもよく、環状構造を有していてもよい。また、さらに置換基を有していてもよい）を表す。
中でも、Ｙは、－Ｃ(Ｒ_ｙａ)(Ｒ_ｙｂ)－または－Ｏ－が好ましく、化合物の着色をより抑制できる点からは、－Ｃ(Ｒ_ｙａ)(Ｒ_ｙｂ)－がより好ましい。

Ｒ_１～Ｒ_４は、それぞれ独立に、置換基を表す。
上記置換基としては、それぞれ独立に、炭素数１～２０（好ましくは炭素数１～１０、より好ましくは炭素数２～５）のアルキル基、炭素数１～２０のアルコキシ基、炭素数１～２０のアルカノイル基、炭素数１～２０のアルカノイルオキシ基、炭素数１～２０（好ましくは炭素数２～６）のアルキルオキシカルボニル基、炭素数１～２０のアルキルアミノ基、炭素数１～２０のアルキルアミノカルボニル基、炭素数１～２０のアルカノイルアミノ基、シアノ基、ニトロ基、ハロゲン原子、または、重合性基を有する基が好ましい。
上述した置換基が、直鎖状にも分岐鎖状にもなり得る場合、上述した置換基は、直鎖状であってもよく分岐鎖状であってもよい。また、可能な場合、環状構造を有していてもよい。
上記アルキル基および上述した置換基のアルキル基部分（例えば、上記アルコキシ基における－Ｏ－以外の部分）のうちの１個以上のメチレン基は、それぞれ独立に、－Ｏ－または－Ｃ（＝Ｏ）－で置換されていてもよい。
また、上述した置換基は、可能な場合、さらに置換基（好ましくはフッ素原子）を有していてもよい。例えば上記アルキル基が、フルオロアルキル基（例えば、トリフルオロメチル基などの炭素数１～１０のパーフルオロアルキル基）となるのも好ましい。また、例えば、上述した置換基のアルキル基部分がフッ素原子を有するのも好ましい。
中でも、化合物の液晶性および溶解性が優れる点から、置換基としては、上記アルキル基、上記アルキルオキシカルボニル基、または、上記アルキルアミノカルボニル基が好ましく、炭素数が２以上のアルキル基、フルオロメチル基（好ましくはトリフルオロメチル基）、上記アルキルオキシカルボニル基、または、上記アルキルアミノカルボニル基がより好ましく、上記アルキルオキシカルボニル基、または、上記アルキルアミノカルボニル基がさらに好ましく、上記アルキルオキシカルボニル基が特に好ましい。

ｍ_１～ｍ_４は、それぞれ独立に、０～４の整数を表す。ｍ_１～ｍ_４が２以上であることによって対応するＲ_１～Ｒ_４がそれぞれ複数存在する場合、複数存在するＲ_１～Ｒ_４は、それぞれ同一でもよく異なっていてもよい。
化合物の液晶性および溶解性が優れる点から、ｍ_１～ｍ_４のうちの少なくとも１つが１以上の整数を表すのが好ましい。中でも、ｍ_３が１以上の整数を表すのが好ましい。
中でも、ｍ_１～ｍ_４のうちの少なくとも１つが１以上の整数を表し、１以上の整数を表すｍ_１～ｍ_４のうちの少なくとも１つに対応するＲ_１～Ｒ_４のうちの少なくとも１つが、上記アルキル基、上記アルキルオキシカルボニル基、または、上記アルキルアミノカルボニル基であるのが好ましく、炭素数が２以上のアルキル基、フルオロメチル基（好ましくはトリフルオロメチル基）、上記アルキルオキシカルボニル基、または、上記アルキルアミノカルボニル基であるのがより好ましく、上記アルキルオキシカルボニル基、または、上記アルキルアミノカルボニル基であるのがさらに好ましく、上記アルキルオキシカルボニル基であるのが特に好ましい。特に、ｍ_３が１以上の整数を表し、Ｒ_３のうちの少なくとも１つが、上記アルキル基、上記アルキルオキシカルボニル基、または、上記アルキルアミノカルボニル基であるのが好ましい。
なお、「１以上の整数を表すｍ_１～ｍ_４のうちの少なくとも１つに対応するＲ_１～Ｒ_４のうちの少なくとも１つが、上記アルキル基等である」とは、例えば、ｍ_１が１以上の整数を表し、ｍ_２～ｍ_４が０である場合、ｍ_１に対応するＲ_１が上述した基である態様が挙げられる。また、別の例としては、ｍ_１～ｍ_２が１以上の整数を表し、ｍ_３～ｍ_４が０である場合、ｍ_１に対応するＲ_１およびｍ_２に対応するＲ_２の少なくとも１つが上述した基である態様が挙げられる。

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

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

－－界面活性剤－－
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。

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２００５－０９９２４８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、等が挙げられる。
なお、界面活性剤は、１種を単独で用いてもよいし、２種以上を併用してもよい。
フッ素系界面活性剤として、特開２０１４－１１９６０５号公報の段落［００８２］～［００９０］に記載の化合物が好ましい。

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

－－キラル剤（光学活性化合物）－－
キラル剤（キラル剤）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。

キラル剤が光異性化基を有する場合には、塗布、配向後に活性光線等のフォトマスク照射によって、発光波長に対応した所望の反射波長のパターンを形成することができるので好ましい。光異性化基としては、フォトクロッミック性を示す化合物の異性化部位、アゾ基、アゾキシ基、または、シンナモイル基が好ましい。具体的な化合物として、特開２００２－０８０４７８号公報、特開２００２－０８０８５１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。

－－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等が挙げられる。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、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、エーテル類等が挙げられる。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。

液晶層を形成する際には、液晶層の形成面に液晶組成物を塗布して、液晶化合物を所望の液晶相の状態に配向した後、液晶化合物を硬化して、液晶層とするのが好ましい。
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、液晶層を形成する。この乾燥および／または加熱の工程で、液晶組成物中の液晶化合物がコレステリック液晶相に配向すればよい。加熱を行う場合、加熱温度は、２００℃以下が好ましく、１３０℃以下がより好ましい。

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

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

（透過型の液晶回折素子）
以上の例は、液晶回折素子として液晶化合物がコレステリック配向された液晶層を用いているが、本発明に用いる液晶回折素子は、液晶化合物４０に由来する光学軸４０Ａが、面内の少ないとも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するものであれば、各種の液晶回折素子が利用可能である。
本発明においては、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も、利用可能である。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１４および図１５に、透過型の液晶回折素子を例示して、その一例を説明する。
図１４および図１５に示す液晶回折素子は、支持体３０と、配向膜３２と、液晶層３６とを有する。
図１５に示す液晶回折素子の液晶層３６も、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１５も、上述した図７と同様、配向膜３２の表面の液晶化合物のみを示している。
図１４に示す液晶回折素子では、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。

上述したように、液晶層３６は、面内において、液晶化合物４０に由来する光学軸４０Ａの向きが、配列軸Ｄ方向すなわち矢印Ｄで示す一方向に沿って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。
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。

液晶層３６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（液晶化合物４０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液晶化合物４０が、Ｙ方向に配置された領域を、領域Ｒとする。
この場合に、それぞれの領域Ｒにおける面内レタデーション（Ｒｅ）の値は、半波長すなわちλ／２であるのが好ましい。これらの面内レタデーションは、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。

このような液晶層３６に円偏光が入射すると、光は、屈折され、かつ、円偏光の方向が変換される。
この作用を、図１６および図１７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１６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。

一方、図１７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のとき、液晶層３６に右円偏光の入射光Ｌ₄が入射すると、入射光Ｌ₄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、左円偏光の透過光Ｌ₅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。

液晶層３４と同様、液晶層３６も、形成された液晶配向パターンの１周期Λを変化させることにより、透過光Ｌ₂およびＬ₅の屈折の角度を調節できる。具体的には、液晶層３６も、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４０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Ｄ１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１４～図１７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。

なお、回折効率の観点から、このような、入射光を透過回折する液晶回折素子を用いる場合も、液晶化合物が捩れて回転（捩れ角が３６０°未満）している領域を有する液晶回折素子を用いるのが好ましい。特に、導光板内を全反射する角度に光を回折する場合、回折効率の観点から、液晶化合物が捩れて回転する領域を有する液晶回折素子を好適に用いることができる。また、液晶化合物が捩れて回転する角度が異なる液晶回折素子を積層して用いることや、液晶化合物が捩れて回転する方向が異なる液晶回折素子を積層して用いることは、回折効率の観点から好ましい。

また、このような、液晶化合物がコレステリック配向されておらず、捩れて回転（捩れ角が３６０°未満）している領域を有する液晶回折素子を反射型の回折素子として用いることもできる。このような液晶回折素子では、回折された光が液晶回折素子の界面で反射して光の入射側から出射されて、光を反射しつつ回折するため反射型の回折素子として機能させることもできる。

ここで、図１４に示す液晶層３６は、液晶化合物の光学軸が液晶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。

例えば、図１８に示す液晶層３６ｂのように、前述の液晶層において、液晶化合物の光学軸が液晶層の主面に傾斜していてもよい。なお、このような液晶層は、液晶化合物に由来する光学軸の向きが、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点は前述の液晶層３６と同様である。すなわち、液晶層３６ｂの平面図は、図１５と同様である。

本発明の導光素子において、各回折素子として異なる種類の回折素子を組み合わせて用いてもよい。例えば、入射側の回折素子として透過型の液晶回折素子を用い、出射側の回折素子として反射型の液晶回折素子を用いてもよい。

本発明の導光素子は、視認の改善のため、射出瞳を拡大する回折光学方法を用いてもよい。
具体的には複数個の回折要素（回折素子）を使用する光学的方法、すなわち内結合、中間および外結合回折要素を備えた回折光学方法を用いることができる。本方法は特表２００８－５４６０２０号公報に詳しく記載がある。

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

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

［実施例１］
＜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を用いて、２５００ｒｐｍにて３０秒間塗布した。この配向膜形成用塗布液の塗膜が形成された支持体を６０℃のホットプレート上で６０秒間乾燥し、配向膜を形成した。

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

－光配向用素材－

（配向膜の露光）
図１３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３２０ｍＪ／ｃｍ²とした。なお、２つのレーザ光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）が、０．４１０μｍとなるように、２つの光の交差角（交差角α）を５１．３°に調節した。

（コレステリック液晶層の形成）
コレステリック液晶層を形成する液晶組成物として、下記の液晶組成物ＬＣ－１を調製した。

液晶組成物ＬＣ－１
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液晶化合物Ｌ－１ ４０．０質量部
液晶化合物Ｌ－２ ６０．０質量部
重合開始剤（ＢＡＳＦ社製、Ｉｒｇａｃｕｒｅ９０７）
３．０質量部
光増感剤（日本化薬社製、ＫＡＹＡＣＵＲＥ ＤＥＴＸ－Ｓ）
１．０質量部
キラル剤Ｃｈ－１ ５．７質量部
メチルエチルケトン １６４．６質量部
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液晶化合物Ｌ－１

液晶化合物Ｌ－２

液晶化合物Ｌ－１と液晶化合物Ｌ－２を４０対６０の割合で混合した液晶化合物のΔｎは、混合した液晶化合物を、くさび型セルに注入し、これに波長５５２ｎｍのレーザー光を照射し、透過光の屈折角を測定することで測定した。液晶化合物Ｌ－１のΔｎは０．２３であった。

キラル剤Ｃｈ－１

なお、このキラル剤Ｃｈ－１は、液晶化合物を右捩じれの螺旋状に旋回させるキラル剤である。従って、コレステリック液晶層は、右円偏光を選択的に反射する。

配向膜Ｐ－１上に、液晶組成物ＬＣ－１を、スピンコータを用いて、８００ｒｐｍで１０秒間塗布した。液晶組成物ＬＣ－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、窒素雰囲気下で高圧水銀灯を用いて波長３６５ｎｍの紫外線を３００ｍＪ／ｃｍ²の照射量で塗膜に照射することにより、液晶組成物ＬＣ－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、図１２に示すような液晶回折素子を作製した。

コレステリック液晶層は、図７に示すような周期的な配向表面になっていることを偏光顕微鏡で確認した。
液晶回折素子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。ＳＥＭ画像を解析することで、コレステリック液晶層の液晶配向パターンにおける１周期Λ、および、螺旋１ピッチの長さピッチＰ１、Ｐ２を測定した。Ｐ１はコレステリック液晶層内の膜厚方向に対して、ガラス基板側の測定値であり、Ｐ２はコレステリック液晶層内の膜厚方向に対して、空気界面側の測定値である。測定結果を、下記の表１に示す。

［回折素子の面内平均屈折率の測定］
液晶組成物ＬＣ-１を別途に用意した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（硬化層）を反射分光膜厚計ＦＥ-３０００（大塚電子株式会社製）で測定して面内平均屈折率を求めた。

［実施例２］
液晶組成物の組成、塗布工程および露光工程における条件を表１に示すように変更し、実施例１と同様に液晶回折素子を作製した。

実施例２において、液晶組成物を硬化するための第２露光工程に先立ち、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、１００℃で液晶組成物の露光を行った。第１露光工程は、波長３１５ｎｍで測定される光の照射量が４ｍＪ／ｃｍ²となるように行った。
実施例２で作製された液晶回折素子は、ピッチグラジエント層を有する。

［実施例３～４、比較例１］
液晶組成物の組成、塗布工程および露光工程における条件を表１に示すように変更した以外は、実施例２と同様に液晶回折素子を作製し、同様の測定を行った。

キラル剤Ｃｈ－２

［評価］
（回折効率の測定）
作製した液晶回折素子を高い屈折率を有する導光板に配置した場合の、所定の入射角度範囲内での回折効率を以下の方法で測定した。

図１９に示すように、作製した液晶回折素子Ｄをダブプリズム８０に配置した。ダブプリズム８０は斜面角度が４５°のものを用いた。また、ダブプリズムの屈折率は１．７０とした。

ダブプリズム８０に、波長５５２ｎｍのレーザーを、直線偏光子８２およびλ／４板８４を透過させて右円偏光とし、液晶回折素子Ｄの表面に対して表１に記載の導光する角度範囲で角度を変えながら入射させた。
回折光Ｌｄと０次の透過光Ｌ₀の強度を測定器８６（ニューポート社製、パワーメータ１９１８－Ｃ）を用いて測定し、Ｌｄ／（Ｌｄ＋Ｌ₀）×１００（％）の式から回折効率を求めた。求めた回折効率を以下の基準で評価した。結果を表１に示す。

・ＡＡ：導光する入射角度範囲内で、一番低い回折効率の値が８０％より大きく１００％以下の場合
・Ａ：導光する入射角度範囲内で、一番低い回折効率の値が５０％より大きく８０％以下の場合
・Ｂ：導光する入射角度範囲内で、一番低い回折効率の値が１０％より大きく５０％以下の場合
・Ｃ：導光する入射角度範囲内で、一番低い回折効率の値が０％より大きく１０％以下の場合

表１から、本発明の実施例は、比較例に比べて、導光可能な入射角度範囲での回折効率が高いことがわかる。すなわち、高い回折効率が得られる入射角度範囲が広いことがわかる。

また、実施例２と実施例４との対比から、導光板の屈折率ｎ_ｄと、液晶層の屈折率ｎ_kとが、０．１＞ｎ_k－ｎ_d≧０を満たすことが好ましいことがわかる。
また、実施例３と実施例４との対比から、液晶層がピッチグラジエント層である場合には、１周期Λと、螺旋ピッチＰ１と、螺旋ピッチＰ２とがＰ１＜Λ＜Ｐ２を満たすことが好ましいことがわかる。
以上の結果より、本発明の効果は明らかである。

ＡＲグラス等、導光を利用する各種の光学装置に好適に利用可能である。

１０ａ、１０ｂ 導光素子
１１、１２ 回折素子
１６、１１６ 導光板
３０ 支持体
３２ 配向膜
３４、３６ 液晶層
４０ 液晶化合物
４０Ａ 光学軸
４２ 明部
４４ 暗部
５０ 画像表示装置
５４ ディスプレイ
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
８０ ダブプリズム
８２ 直線偏光子
８４ λ／４板
８６ 測定器
Ｒ_R 赤色の右円偏光
Ｍ レーザ光
ＭＡ，ＭＢ 光線
Ｐ_O 直線偏光
Ｐ_R 右円偏光
Ｐ_L 左円偏光
α 交差角
Ｕ 使用者
Ｄ 配列軸
Λ １周期
Ｐ ピッチ
Ｌ₁，Ｌ₄ 入射光
Ｌ₂，Ｌ₅ 出射光
Ｌ レーザ光
Ｌｒ 出射光

Claims (2)

1. 導光板と、
   前記導光板の主面に配置される回折素子と、を有し、
   前記回折素子は、液晶化合物を含む液晶組成物を用いて形成され、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液晶層を有し、
   前記導光板の屈折率が１．７０以上であって、
   前記導光板の屈折率をｎ_ｄとし、前記液晶層の屈折率をｎ_kとすると、
   ０．１＞ｎ_k－ｎ_d≧０
   を満たし、
   前記液晶層が、前記液晶層の主面に対して前記光学軸が傾斜している前記液晶化合物を含み、且つ前記液晶層の主面に対する前記光学軸の傾斜角度が膜厚方向で異なっている領域を有し、
   前記液晶層が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、
   前記コレステリック液晶層は、膜厚方向で螺旋ピッチが変化しているピッチグラジエント層であり、
   前記液晶層において、前記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主面において、前記液晶化合物の光学軸の向きが１８０°回転する長さを１周期Λとし、前記ピッチグラジエント層の一方の面側における螺旋ピッチをＰ１とし、他方の面側における螺旋ピッチをＰ２とすると、
   Ｐ１＜Λ＜Ｐ２
   を満たす導光素子。
2. 前記回折素子が、光を前記導光板内に入射させる入射回折素子である請求項１に記載の導光素子。