JP7431986B2 - 画像表示ユニットおよびヘッドマウントディスプレイ - Google Patents

Description

本発明は、ＶＲ（virtual reality）用ヘッドマウントディスプレイに用いる画像表示ユニット、および、ヘッドマウントディスプレイに関する。

現実世界の外光を通さない、いわゆる没入型の仮想現実（ＶＲ）を体験するために、使用者に装着されて、画像を使用者の眼に導く画像表示ユニットを有するヘッドマウントディスプレイがある。このようなヘッドマウントディスプレイに用いられる画像表示ユニットでは、画像表示装置から出射された光が使用者の眼の位置で光を集光するレンズが必要である。ヘッドマウントディスプレイに用いられる画像表示ユニットでは、画像表示装置とレンズとの距離をレンズの焦点距離に近くすることで、使用者に画像表示装置が表示する画像を遠方の虚像として視認させることができる。

ヘッドマウントディスプレイに用いられる画像表示ユニットでは、薄型化および軽量化のために、一般的に、レンズとしてフレネルレンズが用いられている。しかしながら、フレネルレンズを用いる場合には、焦点距離を短くするのに限界がある。そのため、画像表示ユニット（ヘッドマウントディスプレイ）全体の厚さを薄くすることが難しい。

これに対して、画像表示ユニットを薄型化する構成として、画像表示装置から出射された光を１度反射偏光子などで反射させた後、再びミラーなどを用いて反射させ、使用者の眼に導く構造が提案されている。これにより、画像表示装置から使用者の眼までの光路長を稼ぐことができ、画像表示ユニット全体を薄型化することができる。

例えば、特許文献１には、画像表示装置側から直線偏光子、１／４波長板、ハーフミラー、１／４波長板、反射偏光子をこの順で有し、ＶＲ用光学装置として使用することのできるヘッドマウントディスプレイが記載されている。この光学素子では、ハーフミラーと反射偏光子の間で光を往復させて光路長を長くしている。

特表２０１９－５２６０７５号公報

上記のように、ハーフミラーおよび反射偏光子を用いて、ハーフミラーと反射偏光子との間で光を往復させて光路長を長くする画像表示ユニットでは、ハーフミラーが入射した光の約５０％を透過し、さらに、ハーフミラーを透過し反射偏光子が反射した光の約５０％をハーフミラーが反射して、この光が画像表示ユニットから出射される。そのため、画像表示装置が出射した画像の光量に対する光の利用効率が約２５％と低くなってしまうという問題があった。

また、フレネルレンズを用いる画像表示ユニットでは、焦点距離を短くすると、フレネルレンズの溝構造に起因する散乱が生じたり、溝構造に起因する光のスジが視認されるという問題があり、画質が低下するという問題があった。

本発明の課題は、小型で、光利用効率が高く、画質低下の少ない画像表示ユニットおよびヘッドマウントディスプレイ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］ 画像表示装置と、
画像表示装置から出射された光を回折する偏光回折素子と、
偏光回折素子で回折された偏光を透過し、偏光回折素子で回折されなかった光を吸収する偏光板と、を有し、
偏光回折素子が、レンズ機能を有する偏光回折レンズであって、
偏光回折レンズの焦点距離をｆとし、画像表示装置と偏光回折レンズとの距離をｄとすると、
ｄ≦ｆを満たす画像表示ユニット。
［２］ 偏光回折レンズの焦点距離ｆが４０ｍｍ未満である［１］に記載の画像表示ユニット。
［３］ 偏光回折素子が、円偏光を回折するものであり、
偏光板が円偏光板である［１］または［２］に記載の画像表示ユニット。
［４］ 画像表示装置が、直線偏光を出射するものであり、
画像表示装置と偏光回折素子との間に、位相差板を有する［３］に記載の画像表示ユニット。
［５］ 位相差板がλ／４板である［４］に記載の画像表示ユニット。
［６］ 画像表示装置が、無偏光を出射するものであり、
画像表示装置と偏光回折素子との間に、円偏光板を有する［３］に記載の画像表示ユニット。
［７］ 円偏光板が、直線偏光板と位相差板とからなる［３］～［６］のいずれかに記載の画像表示ユニット。
［８］ 位相差板がλ／４板である［７］に記載の画像表示ユニット。
［９］ 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し、
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１周期とすると、液晶層は、面内に、１周期の長さが異なる領域を有する［１］～［８］のいずれかに記載の画像表示ユニット。
［１０］ 液晶層は、液晶配向パターンにおける一方向の一方の側から他方の側に向かって、１周期が漸次、短くなる［９］に記載の画像表示ユニット。
［１１］ 液晶層は、液晶配向パターンの一方向を、内側から外側に向かう同心円状に有する［９］または［１０］に記載の画像表示ユニット。
［１２］ 液晶層は、一方向に沿って厚さ方向に切断した断面を走査型電子顕微鏡で観察される断面画像において、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いる領域を有する［９］～［１１］のいずれかに記載の画像表示ユニット。
［１３］ 液晶回折素子は、液晶層を２層以上有し、
少なくとも２層の液晶層は、一方向に沿って厚さ方向に切断した断面を走査型電子顕微鏡で観察した断面画像において、光学軸の向きに由来する明部および暗部が観察され、
少なくとも２層の液晶層において、明部および暗部の、液晶層の主面に対する傾斜角度が、互いに異なっている［１２］に記載の画像表示ユニット。
[１４] 液晶層は、一方向に沿って厚さ方向に切断した断面を走査型電子顕微鏡で観察される断面画像において、一方の表面から他方の表面に延在する明部および暗部を有し、暗部が、２つ以上の角度の変曲点を有し、
厚さ方向において、暗部の傾斜方向が異なる領域を有する[９]～[１３]のいずれかに記載の画像表示ユニット。
[１５] 液晶層における、暗部の、傾斜方向が折り返される変曲点の数が奇数個である［１４］に記載の画像表示ユニット。
[１６] 液晶層における、暗部の平均傾斜角が、一方向に沿って漸次変化している［１２］～[１５]のいずれかに記載の画像表示ユニット。
[１７]液晶層は、液晶層の厚さ方向の中心線に対して、明部および暗部の形状が非対称である領域を有する［１２］～[１６]のいずれかに記載の画像表示ユニット。
[１８]液晶層の屈折率異方性に伴う屈折率差Δｎ₅₅₀が０．２以上である、［９］～[１７]のいずれかに記載の画像表示ユニット。
［１９］ ［１］～［１８］のいずれかに記載の画像表示ユニットを有するヘッドマウントディスプレイ。

本発明によれば、小型で、光利用効率が高く、画質低下の少ない画像表示ユニットおよびヘッドマウントディスプレイを提供することができる。

本発明の画像表示ユニットの一例を概念的に表す図である。 図１の画像表示ユニットの一部を拡大した図である。 図１の画像表示ユニットの作用を説明するための概念図である。 本発明の画像表示ユニットの他の一例を概念的に表す部分拡大図である。 液晶回折素子の液晶層の一例を概念的に表す平面図である。 図５に示す液晶回折素子の液晶層を概念的に示す図である。 図５に示す液晶回折素子の液晶層の一部を拡大して示す平面図である。 図５に示す液晶層を形成する配向膜を露光する露光装置の一例を概念的に示す図である。 液晶層の作用を説明するための概念図である。 液晶層の作用を説明するための概念図である。 図５に示す液晶回折素子の作用を示す概念図である。 液晶層のＳＥＭ断面の一例を概念的に示す図である。 液晶層の他の例を示す概念図である。 液晶層の他の例を示す概念図である。

以下、本発明について詳細に説明する。以下に記載する構成要件の説明は、本発明の代表的な実施態様に基づいてなされることがあるが、本発明はそのような実施態様に限定されるものではない。なお、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。また、角度について「直交」および「平行」とは、厳密な角度±１０°の範囲を意味するものとし、並びに角度について「同一」および「異なる」は、その差が５°未満であるか否かを基準に判断できる。

本明細書において「遅相軸」とは、面内において屈折率が最大となる方向を意味する。

本明細書において逆波長分散性とは長波長になるほど面内レターデーションの絶対値が大きくなる性質を意味し、具体的には、波長４５０ｎｍで測定した面内レターデーション値であるＲｅ（４５０）と、波長５５０ｎｍで測定した面内レターデーション値であるＲｅ（５５０）と、波長６５０ｎｍで測定した面内レターデーションの値であるＲｅ（６５０）とがＲｅ（４５０）≦Ｒｅ（５５０）≦Ｒｅ（６５０）の関係を満たすことを意味する。

［画像表示ユニット］
本発明の画像表示ユニットは、
画像表示装置と、
画像表示装置から出射された光を回折する偏光回折素子と、
偏光回折素子で回折された偏光を透過し、偏光回折素子で回折されなかった光を吸収する偏光板と、を有し、
偏光回折素子が、レンズ機能を有する偏光回折レンズであって、
偏光回折レンズの焦点距離をｆとし、画像表示装置と偏光回折レンズとの間の距離をｄとすると、
ｄ≦ｆを満たす画像表示ユニットである。

図１は、本発明の画像表示ユニットの一例を概念的に表す図である。図２は、図１に示す画像表示ユニットの一部（破線で囲む部位）を拡大する図であり、画像表示ユニットの作用を説明するための図である。

図１および図２に示す画像表示ユニット１０は、画像表示装置５２と、第１の円偏光板１６と、偏光回折素子２０と、第２の円偏光板２６と、を有する。第１の円偏光板１６は、第１の直線偏光板１２と、第１の位相差板１４とを有する。また、第２の円偏光板２６は、第２の直線偏光板２４と、第２の位相差板２２とを有する。第２の円偏光板２６は、本発明における偏光板である。

図１に示す例では、画像表示装置５２は画像として無偏光の光を出射するものである。また、第１の円偏光板１６は、所定の旋回方向の円偏光を透過し、他方の円偏光を遮蔽するものである。図１に示す例では、第１の円偏光板１６は、第１の直線偏光板１２によって、入射する光のうち所定の直線偏光成分を透過し、第１の位相差板１４によって、第１の直線偏光板１２を透過した直線偏光を円偏光に変換することで、所定の旋回方向の円偏光を透過する。また、偏光回折素子２０は、第１の円偏光板１６を透過した円偏光を回折するものである。その際、偏光回折素子２０は、円偏光を変換する際に、逆の旋回方向の円偏光に変換する。また、偏光回折素子２０は、円偏光を回折することで光を集光するレンズ機能を有する偏光回折レンズである。第２の円偏光板２６は、偏光回折素子２０で回折された光を透過し、回折されなかった光を吸収するものである。図１に示す例では、第２の円偏光板２６は、第２の位相差板２２によって、偏光回折素子２０で回折された円偏光を直線偏光に変換し、第２の直線偏光板２４によって、第２の位相差板２２で変換された直線偏光を透過し、他の直線偏光成分を吸収することで、偏光回折素子２０で回折された偏光を透過し、回折されなかった光を吸収する。

また、図３に示すように、偏光回折素子（偏光回折レンズ）２０の焦点距離をｆとし、画像表示装置５２と偏光回折素子２０との距離をｄとすると、偏光回折素子２０と画像表示装置５２とは、ｄ≦ｆを満たすように配置される。

画像表示ユニット１０において、画像表示装置５２が光（画像）を出射すると、光は、第１の円偏光板１６、偏光回折素子２０、および、第２の円偏光板２６を通過して、使用者Ｕに向けて出射される。その際、画像表示装置５２から出射された光は、偏光回折素子２０によって、使用者Ｕの眼の位置に集光される。図３に示すように、偏光回折素子２０と画像表示装置５２との距離ｄが、偏光回折素子２０の焦点距離ｆ以下であると、画像表示ユニット１０は、使用者Ｕに画像を遠方の虚像ＶＩとして視認させる。

以下、図２を用いて、各部材の作用を具体的に説明する。図２に示すように、画像表示装置５２から出射された無偏光は、第１の直線偏光板１２によって、所定の直線偏光成分のみが透過される。一例として、図２に示す例では、第１の直線偏光板１２は、図２の紙面に垂直な直線偏光成分を透過する。第１の直線偏光板１２を透過した直線偏光は、第１の位相差板１４に入射して右円偏光に変換される。第１の位相差板１４によって変換された右円偏光は、偏光回折素子２０に入射し、回折される。また、回折される際に右円偏光は左円偏光に変換される。偏光回折素子２０に回折された左円偏光は、第２の位相差板２２によって図中上下方向の直線偏光に変換される。第２の位相差板２２によって変換された直線偏光は、第２の直線偏光板２４を透過して出射される。

ここで、偏光回折素子２０による回折効率を１００％とすることは難しいため、図２に破線の矢印で示すように、偏光回折素子２０に入射した右円偏光の一部は回折されずに、偏光回折素子２０を透過する。第２の円偏光板２６がない場合には、偏光回折素子２０に回折されなかった右円偏光は、画像表示ユニット１０から出射され使用者Ｕに視認される。この右円偏光による画像は、集光されていないため実像として視認される。そのため、使用者Ｕには虚像に実像が重畳されて視認されるため、表示されるべき虚像の画質が低下してしまう。

これに対して、本発明の画像表示ユニット１０は、第２の円偏光板２６を有する。この場合、図２に示すように、偏光回折素子２０に回折されなかった右円偏光（すなわち、０次光）は、第２の円偏光板２６の第２の位相差板２２に入射して図２の紙面に垂直な方向の直線偏光に変換され、第２の直線偏光板２４に入射して吸収される。すなわち、偏光回折素子２０に回折されなかった右円偏光は、第２の円偏光板２６によって吸収される。従って、使用者Ｕには、左円偏光による虚像のみが視認され、回折されなかった右円偏光は視認されない。そのため、画像表示ユニット１０が表示する虚像の画質が低下することを抑制できる。

また、前述のとおり、フレネルレンズを用いる画像表示ユニットでは、焦点距離を短くすると、フレネルレンズの溝構造に起因する散乱が生じたり、溝構造に起因する光のスジが視認されるという問題がある。
これに対して、本発明の画像表示ユニット１０は、レンズとして偏光を回折する偏光回折素子２０を用いる。そのため、偏光回折素子２０は、溝構造などを有さないため、溝構造に起因する散乱および光のスジ等は生じず、これによる画質低下も生じない。

また、前述のとおり、ハーフミラーおよび反射偏光子を用いて、ハーフミラーと反射偏光子との間で光を往復させて光路長を長くする画像表示ユニットでは、ハーフミラーが入射した光の約５０％を透過し、さらに、ハーフミラーを透過し反射偏光子が反射した光の約５０％をハーフミラーが反射して、この光が画像表示ユニットから出射される。そのため、画像表示ユニットとしは、画像表示装置が出射した画像の光量に対する光の利用効率が約２５％と低くなってしまうという問題があった。
これに対して、本発明の画像表示ユニット１０は、レンズとして偏光を回折する偏光回折素子２０を用いる。そのため、画像表示装置５２が出射した画像の光量に対する光の利用効率をより高くすることができる。

ここで、図１に示す例では、画像表示装置５２が無偏光を出射するものとし、画像表示装置５２と偏光回折素子２０との間に第１の円偏光板１６を有する構成としたがこれに限定はされない。

図３は、本発明の画像表示ユニットの他の一例を概念的に示す部分拡大図である。
図３に示す画像表示ユニット１０ｂは、画像表示装置５２ｂと、第１の位相差板１４と、偏光回折素子２０と、第２の円偏光板２６と、を有する。第２の円偏光板２６は、第２の直線偏光板２４と、第２の位相差板２２とを有する。第２の円偏光板２６は、本発明における偏光板である。

図３に示す例では、画像表示装置５２ｂは画像として直線偏光の光を出射するものである。また、第１の位相差板１４は、画像表示装置５２ｂが出射した直線偏光を円偏光に変換するものである。偏光回折素子２０および第２の円偏光板２６は、図１に示す画像表示ユニット１０の偏光回折素子２０および第２の円偏光板２６と同様の構成を有する。また、偏光回折素子２０と画像表示装置５２とは、ｄ≦ｆを満たすように配置される。

画像表示ユニット１０ｂにおいて、画像表示装置５２ｂが直線偏光（画像）を出射すると、光は、第１の位相差板１４、偏光回折素子２０、および、第２の円偏光板２６を通過して、使用者Ｕに向けて出射される。その際、画像表示装置５２ｂから出射された光は、偏光回折素子２０によって、使用者Ｕの眼の位置に集光される。偏光回折素子２０と画像表示装置５２ｂとの距離ｄが、偏光回折素子２０の焦点距離ｆ以下であるため、画像表示ユニット１０ｂは、使用者Ｕに画像を遠方の虚像として視認させる。

一例として、図３に示す例では、画像表示装置５２ｂは、図３の紙面に垂直な方向の直線偏光を出射するものとする。画像表示装置５２ｂから出射された直線偏光は、第１の位相差板１４に入射して右円偏光に変換される。第１の位相差板１４によって変換された右円偏光は、偏光回折素子２０に入射し、回折される。また、回折される際に右円偏光は左円偏光に変換される。偏光回折素子２０に回折された左円偏光は、第２の位相差板２２によって図中上下方向の直線偏光に変換される。第２の位相差板２２によって変換された直線偏光は、第２の直線偏光板２４を透過して出射される。

また、偏光回折素子２０に回折されなかった右円偏光（すなわち、０次光）は、第２の円偏光板２６の第２の位相差板２２に入射して図４の紙面に垂直な方向の直線偏光に変換され、第２の直線偏光板２４に入射して吸収される。すなわち、偏光回折素子２０に回折されなかった右円偏光は、第２の円偏光板２６によって吸収される。従って、使用者Ｕには、左円偏光による虚像のみが視認され、回折されなかった右円偏光は視認されない。そのため、画像表示ユニット１０が表示する虚像の画質が低下することを抑制できる。

ここで、図２および図４に示す例では、偏光回折素子２０は、円偏光を回折するものとしたがこれに限定はされない。例えば、偏光回折素子は、直線偏光を回折する偏光回折レンズであってもよい。偏光回折素子が直線偏光を回折する偏光回折レンズである場合には、第２の円偏光板２６に代えて、偏光回折素子が回折した直線偏光を透過し、偏光回折素子が回折しなかった直線偏光を吸収する直線偏光板を配置すればよい。このような構成において、この直線偏光板は、本発明における偏光板に相当する。

また、偏光回折素子が直線偏光を回折する偏光回折レンズである場合には、画像表示装置が無偏光を出射するものであれば、画像表示装置と偏光回折素子との間には直線偏光板を配置すればよく、画像表示装置が直線偏光を出射するものであれば、画像表示装置と偏光回折素子との間には直線偏光板および位相差板等を配置しなくてよい。

また、図２および図４に示す例において、第１の位相差板１４は、入射する直線偏光を円偏光に変換する観点から、λ／４板であることが好ましい。画像表示装置は、基本的に可視光の光を出射するものであるので、第１の位相差板１４は、可視光域の波長に対してλ／４板となるものであればよい。また、第１の位相差板１４に入射する光が楕円偏光である場合等には、第１の位相差板１４としては、入射した光を円偏光に変換する位相差を有するものであればよい。

また、図２および図４に示す例において、第２の位相差板２２は、入射する円偏光を直線偏光に変換する観点から、λ／４板であることが好ましい。第２の位相差板２２は、可視光域の波長に対してλ／４板となるものであればよい。

また、画像表示ユニットの薄型化、視野角等の観点から、偏光回折素子（偏光回折レンズ）の焦点距離ｆは４０ｍｍ未満であることが好ましく、１ｍｍ以上３０ｍｍ以下であるのがより好ましく、３ｍｍ以上１５ｍｍ以下であるのがさらに好ましい。

また、虚像を表示する観点等からは、画像表示システムと偏光回折素子との距離ｄは、偏光回折素子の焦点距離ｆ以下であればよく、虚像を遠方に表示する観点等から、距離ｄと、焦点距離ｆとの比ｄ／ｆは、０．８～１の範囲であるのが好ましく、０．９～１の範囲であるのがより好ましく、０．９５～１の範囲であるのがさらに好ましい。

以下、画像表示システムが有する部材について説明する。

＜画像表示装置＞
画像表示装置は、画像表示システムが表示する画像（静止画または動画）を照射するものである。
画像表示装置には、制限はなく、例えば、ヘッドマウントディスプレイ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。

なお、画像表示装置は、単色画像を表示するディスプレイであってもよいし、多色画像を表示するディスプレイであってもよい。

前述のとおり、本発明の画像表示ユニットにおいては、画像表示装置が照射する光は、無偏光でも直線偏光でもよい。

＜偏光板＞
第１および第２の直線偏光板は、一方の偏光方向の直線偏光を透過し、他方の偏光方向の直線偏光を吸収する機能を有する直線偏光板であれば特に限定されず、従来公知の直線偏光板を利用することができる。直線偏光板は、吸収型の直線偏光板であっても反射型の直線偏光板であってもよい。

吸収型直線偏光板としては、吸収型偏光子であるヨウ素系偏光子、二色性染料を利用した染料系偏光子、およびポリエン系偏光子などが用いられる。ヨウ素系偏光子および染料系偏光子には、塗布型偏光子と延伸型偏光子があり、いずれも適用できる。なかでも、ポリビニルアルコールにヨウ素または二色性染料を吸着させ、延伸して作製される偏光子が好ましい。
また、基材上にポリビニルアルコール層を形成した積層フィルムの状態で延伸および染色を施すことで偏光子を得る方法として、特許第５０４８１２０号公報、特許第５１４３９１８号公報、特許第４６９１２０５号公報、特許第４７５１４８１号公報、および、特許第４７５１４８６号公報を挙げることができ、これらの偏光子に関する公知の技術も好ましく利用することができる。
吸収型偏光子としては、延伸を行わず、液晶の配向性を利用して二色性色素を配向させた偏光子は特に好ましい。前記偏光子は、厚みが０．１μｍ～５μｍ程度と非常に薄層化できること、特開２０１９－１９４６８５号公報に記載されているように折り曲げた時のクラックが入りにくいことや熱変形が小さいこと、特許６４８３４８６号公報に記載されるように５０％を超えるような透過率の高い偏光板でも耐久性に優れること、また加熱成形性に優れる等、多くの長所を有する。
これらの長所を生かして、高輝度や小型軽量が求められる用途、微細な光学系用途、曲面を有する部位への成形用途、フレキシブルな部位への用途が可能である。また、支持体を剥離して偏光子を転写して使用することも可能である。
ヘッドアップディスプレイ等の車載ディスプレイ光学系、ＡＲ眼鏡、ＶＲ眼鏡等の光学系やＬｉＤＡＲ、顔認証システム、偏光イメージング等の光学センサなどで迷光抑止の目的で吸収型偏光子を組み込むことも好ましい。

反射型の直線偏光板としては、特開２０１１－０５３７０５に記載されているような、２種のポリマーを含む層を延伸したフィルムや、ワイヤーグリッド偏光子等を用いることができる。輝度の観点から、ポリマーを含む層を延伸したフィルムが好ましい。市販品としては、３Ｍ社製の反射型偏光子（商品名ＡＰＦ）や、旭化成株式会社製のワイヤグリッド偏光子（商品名ＷＧＦ）等を、好適に用いることができる。あるいは、コレステリック液晶膜とλ／４板を組み合わせた反射型直線偏光板を用いても良い。

本発明に用いる偏光板は、表面が平滑であることが好ましい。特に、偏光板をレンズ等に適用する場合は、レンズの像拡大の効果によって、僅かな表面凹凸が像の歪みに繋がることがあるため、表面に凹凸がないことが望まれる。具体的には、表面の平均算術粗さＲａが５０ｎｍ以下であることが好ましく、３０ｎｍ以下であることがさらにより好ましく、１０ｎｍ以下がさらには好ましく、５ｎｍ以下であることが最も好ましい。また、偏光板の表面上において、１平方ミリメートルの範囲内における表面凹凸の高低差が、１００ｎｍ以下であることが好ましく、５０ｎｍ以下であることがさらに好ましく、２０ｎｍ以下であることが最も好ましい。
表面の凹凸および平均算術粗さは、粗さ計や干渉計を用いて測定することができる。たとえば、株式会社菱化システム製の干渉計「ｖｅｒｔｓｃａｎ」を用いて測定することができる。

（位相差板）
第１および第２の位相差板は、入射した偏光の位相を変換する位相差板である。位相差板は、入射する偏光を直線偏光に近くなるように変換するか、円偏光に近くなるように変換するかに応じて、遅相軸の方向を調整して配置される。具体的には、位相差板は、隣接して配置される直線偏光板の透過軸に対して、遅相軸が＋４５°または－４５°となるように配置すればよい。

本発明に用いる位相差板は、光学異方性層１層で構成された単層型でもよいし、それぞれ複数の異なる遅相軸を持つ２層以上の光学異方性層の積層によって構成された複層型もよい。複層型の位相差板の例として、ＷＯ１３／１３７４６４号公報、ＷＯ２０１６／１５８３００号公報、特開２０１４－２０９２１９号公報、特開２０１４－２０９２２０号公報、ＷＯ１４／１５７０７９号公報、特開２０１９－２１５４１６号公報、ＷＯ２０１９／１６００４４号公報が挙げられるが、これに限定されない。

直線偏光を円偏光に変換し、または、円偏光を直線偏光に変換する観点から、位相差板は、λ／４板であることが好ましい。

λ／４板には制限はなく、公知のλ／４機能を有する板が、各種、利用可能である。λ／４板の具体例としては、例えば米国特許出願公開２０１５／０２７７００６号に記載のものなどが挙げられる。

例えば、λ／４板が単層構造である態様としては、具体的には、延伸ポリマーフィルム、および、支持体上にλ／４機能を有する光学異方性層を設けた位相差フィルム等が挙げられる。また、λ／４板が複層構造である態様としては、具体的には、λ／４板とλ／２波長板とを積層してなる広帯域λ／４板が挙げられる。

λ／４板の厚さは特に制限はないが、１～５００μｍが好ましく、１～５０μｍがより好ましく、１～５μｍがさらに好ましい。

本発明に用いられる位相差板は、逆波長分散性を有することが好ましい。逆波長分散性を有することで、位相差板における位相変化が理想的になり、直線偏光と円偏光との間の変換が理想的になる。

＜偏光回折素子＞
偏光回折素子は、偏光を回折し、回折した偏光を集光するレンズ機能を有する偏光回折レンズである。前述のとおり、偏光回折素子は、直線偏光を回折するものであってもよいし、円偏光を回折するものであってもよい。

直線偏光を回折する偏光回折素子としては、体積ホログラム型回折素子等が挙げられる。また、偏光回折素子は、その回折構造が回折した偏光を集光する構成とするため、例えば、偏光回折素子の中心から外側に向かうにしたがって回折角度が大きくなるように構成される。

（液晶回折素子）
円偏光を回折する偏光回折素子としては、液晶回折素子が挙げられる。

一例として、図５に液晶回折素子を用いた正レンズの概念図を示す。図５は、液晶回折素子が有する液晶層を概念的に示す平面図である。
液晶回折素子は、液晶化合物を含む組成物を用いて形成された、液晶化合物由来の光学軸が回転する所定の液晶配向パターンを有する液晶層を有するものである。図５に示す例は、液晶層３６の液晶配向パターンが、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一方向を、内側から外側に向かう同心円状に有する、同心円状のパターンである。同心円状のパターンとは、光学軸が同じ方向を向いた液晶化合物を結んだ線が円形であり、円形の線分が同心円状となるパターンである。言い換えれば、図５に示す液晶層３６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一方向が、液晶層３６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。

図５に示す液晶層３６において、液晶化合物４０の光学軸（図示省略）は、液晶化合物４０の長手方向である。
液晶層３６では、液晶化合物４０の光学軸の向きは、液晶層３６の中心から外側に向かう多数の方向、例えば、矢印Ａ₁で示す方向、矢印Ａ₂で示す方向、矢印Ａ₃で示す方向…に沿って、連続的に回転しながら変化している。矢印Ａ₁、矢印Ａ₂で、および、矢印Ａ₃は、後述する配列軸である。

また、液晶回折素子が有する液晶層３６は、液晶配向パターンの１周期Λが、面内において異なる領域を有している。ここで、液晶配向パターンの１周期Λとは、液晶配向パターンの、面内で光学軸の向きが連続的に回転して変化する一方向において、液晶化合物４０の光学軸が１８０°回転する長さ（距離）である。
具体的には、図５に示す例では、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各方向において、中心から外側に向かうにしたがって、１周期Λが漸次、短くなる構成を有する。

後に詳述するが、液晶回折素子による回折角度は、液晶配向パターンの１周期Λに依存し、１周期Λが短いほど回折角度が大きくなる。

液晶層３６が、液晶配向パターンが、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一方向を、液晶層３６の中心から放射状に設けられ、各方向において、中心から外側に向かうにしたがって、液晶配向パターンの１周期Λが漸次、短くなる構成を有すると、この液晶配向パターンを有する液晶層３６に入射した円偏光は、液晶化合物４０の光学軸の向きが異なる個々の局所的な領域において、それぞれ、絶対位相が変化する。この際に、それぞれの絶対位相の変化量は、円偏光が入射した液晶化合物４０の光学軸の向きに応じて異なる。また、それぞれの回折角度は、円偏光が入射した領域における１周期に応じて異なる。同心円状の液晶配向パターン、すなわち、放射状に光学軸が連続的に回転して変化する液晶配向パターンを有する液晶層３６は、液晶化合物４０の光学軸の回転方向および入射する円偏光の方向に応じて、入射光を、集束光として透過できる。
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、液晶回折素子は、例えば、凸レンズとして機能を発現する。

以下、液晶回折素子の液晶層についてより詳細に説明する。
図６は、液晶層３６の、液晶化合物４０の光学軸４０Ａの向きが連続的に回転しながら変化する一方向に沿った断面を局所的に見た概念図である。図７は、図６の平面図である。

図６に示す液晶回折素子は、支持体３０、配向膜３２および液晶層（以下、光学異方性層ともいう）３６、を有する。
前述のとおり、液晶回折素子は、液晶化合物を含む組成物を用いて形成された、液晶化合物由来の光学軸が回転する所定の液晶配向パターンを有する液晶層を有するものである。また、後述するように、液晶層は、液晶配向パターンの１周期Λが、面内において異なる領域を有している。

また、図６に示す液晶回折素子は、支持体３０を有しているが、支持体３０を設けなくてもよい。
例えば、本発明の光学素子は、上記構成から、支持体３０を剥離して、配向膜および液晶層のみで、または、配向膜も剥離して、液晶層のみで、本発明の光学素子を構成してもよい。

すなわち、液晶回折素子は、液晶層が、液晶化合物由来の光学軸の向きが一方向に向かって回転する液晶配向パターンを有するものであれば、各種の層構成が利用可能である。

＜＜支持体＞＞
液晶回折素子において、支持体３０は、配向膜３２、ならびに、液晶層３６を支持するものである。

支持体３０は、配向膜および液晶層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。
支持体３０としては、透明支持体が好ましく、ポリメチルメタクリレート等のポリアクリル系樹脂フィルム、セルローストリアセテート等のセルロース系樹脂フィルム、シクロオレフィンポリマー系フィルム（例えば、商品名「アートン」、ＪＳＲ社製、商品名「ゼオノア」、日本ゼオン社製）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリカーボネート、および、ポリ塩化ビニル等を挙げることができる。支持体は、可撓性のフィルムに限らず、ガラス基板等の非可撓性の基板であってもよい。
また、支持体３０は、多層のものであってもよく、多層の支持体としては、上述した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。

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、配向膜および液晶層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、３～５００μｍがより好ましく、５～２５０μｍがさらに好ましい。

＜＜配向膜＞＞
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、液晶回折素子の液晶層３６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、液晶回折素子において、液晶層は、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（後述する配列軸Ｄ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、液晶回折素子の配向膜は、液晶層が、この液晶配向パターンを形成できるように、形成される。
また、液晶配向パターンにおける、光学軸４０Ａの向きが連続的に回転しながら変化する一方向において、光学軸４０Ａの向きが１８０°回転する長さを１周期Λ（光学軸の回転周期）とする。

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。

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

ラビング処理による配向膜は、ポリマー層の表面を紙または布で一定方向に数回こすることにより形成できる。配向膜に使用する材料としては、ポリイミド、ポリビニルアルコール、特開平９－１５２５０９号公報に記載された重合性基を有するポリマー、特開２００５－９７３７７号公報、特開２００５－９９２２８号公報、および、特開２００５－１２８５０３号公報記載の配向膜等の形成に用いられる材料が好ましく例示される。

液晶回折素子においては、配向膜は、光配向性の素材に偏光または非偏光を照射して配向膜とした、いわゆる光配向膜が好適に利用される。すなわち、液晶回折素子においては、配向膜として、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光配向膜に用いられる光配向材料としては、例えば、特開２００６－２８５１９７号公報、特開２００７－７６８３９号公報、特開２００７－１３８１３８号公報、特開２００７－９４０７１号公報、特開２００７－１２１７２１号公報、特開２００７－１４０４６５号公報、特開２００７－１５６４３９号公報、特開２００７－１３３１８４号公報、特開２００９－１０９８３１号公報、特許第３８８３８４８号公報および特許第４１５１７４６号公報に記載のアゾ化合物、特開２００２－２２９０３９号公報に記載の芳香族エステル化合物、特開２００２－２６５５４１号公報および特開２００２－３１７０１３号公報に記載の光配向性単位を有するマレイミドおよび／またはアルケニル置換ナジイミド化合物、特許第４２０５１９５号および特許第４２０５１９８号に記載の光架橋性シラン誘導体、特表２００３－５２０８７８号公報、特表２００４－５２９２２０号公報および特許第４１６２８５０号に記載の光架橋性ポリイミド、光架橋性ポリアミドおよび光架橋性エステル、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、光架橋性エステル、シンナメート化合物、および、カルコン化合物は、好適に利用される。

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

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

図８に、配向膜に、同心円状の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。
露光装置８０は、レーザ８２を備えた光源８４と、レーザ８２からのレーザ光ＭをＳ偏光ＭＳとＰ偏光ＭＰとに分割する偏光ビームスプリッター８６と、Ｐ偏光ＭＰの光路に配置されたミラー９０ＡおよびＳ偏光ＭＳの光路に配置されたミラー９０Ｂと、Ｓ偏光ＭＳの光路に配置されたレンズ９２と、偏光ビームスプリッター９４と、λ／４板９６とを有する。

偏光ビームスプリッター８６で分割されたＰ偏光ＭＰは、ミラー９０Ａによって反射されて、偏光ビームスプリッター９４に入射する。他方、偏光ビームスプリッター８６で分割されたＳ偏光ＭＳは、ミラー９０Ｂによって反射され、レンズ９２によって集光されて偏光ビームスプリッター９４に入射する。
Ｐ偏光ＭＰおよびＳ偏光ＭＳは、偏光ビームスプリッター９４で合波されて、λ／４板９６によって偏光方向に応じた右円偏光および左円偏光となって、支持体３０の上の配向膜３２に入射する。
ここで、右円偏光と左円偏光の干渉により、配向膜に照射される光の偏光状態が干渉縞状に周期的に変化するものとなる。同心円の内側から外側に向かうにしたがい、左円偏光と右円偏光の交差角が変化するため、内側から外側に向かってピッチが変化する露光パターンが得られる。これにより、配向膜において、配向状態が周期的に変化する同心円状の配向パターンが得られる。

この露光装置８０において、液晶化合物４０の光学軸が一方向に沿って連続的に１８０°回転する液晶配向パターンの１周期Λは、レンズ９２の屈折力（レンズ９２のＦナンバー）レンズ９２の焦点距離、および、レンズ９２と配向膜３２との距離等を変化させることで、制御できる。
また、レンズ９２の屈折力（レンズ９２のＦナンバー）を調節することによって、光学軸が連続的に回転する一方向において、液晶配向パターンの１周期の長さΛを変更できる。
具体的には、平行光と干渉させる、レンズ９２で広げる光の広がり角によって、光学軸が連続的に回転する一方向において、液晶配向パターンの１周期の長さΛを変えることができる。より具体的には、レンズ９２の屈折力を弱くすると、平行光に近づくため、液晶配向パターンの１周期の長さΛは、内側から外側に向かって緩やかに短くなり、Ｆナンバーは大きくなる。逆に、レンズ９２の屈折力を強めると、液晶配向パターンの１周期の長さΛは、内側から外側に向かって急に短くなり、Ｆナンバーは小さくなる。

上述のとおり、露光されパターンを形成された配向膜（以下、パターン配向膜ともいう）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、液晶回折素子において、配向膜は、好ましい態様として設けられるものであり、必須の構成要件ではない。
例えば、支持体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３６等が、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。

＜＜液晶層＞＞
液晶回折素子において、配向膜３２の表面には、液晶層３６が形成される。
なお、後述する図９および図１０においては、図面を簡略化して液晶回折素子の構成を明確に示すために、液晶層３６は、配向膜の表面の液晶化合物４０（液晶化合物分子）のみを示している。しかしながら、液晶層３６は、図６に液晶層３６を例示して概念的に示すように、通常の液晶化合物を含む組成物を用いて形成された液晶層と同様に、配向された液晶化合物４０が厚さ方向に積み重ねられた構造を有する。

前述のように、液晶回折素子において、液晶層３６は、液晶化合物を含む組成物を用いて形成されたものである。
液晶層は、面内レタデーションの値をλ／２に設定した場合に、一般的なλ／２板としての機能、すなわち、液晶層に入射した光に含まれる互いに直交する２つの直線偏光成分に半波長すなわち１８０°の位相差を与える機能を有している。
ここで、液晶層は、面方向において液晶化合物が回転して配向されているため、入射した円偏光を光学軸の向きが連続的に回転している向きに屈折（回折）させて透過する。その際、入射する円偏光の旋回方向に応じて回折する方向が異なる。
すなわち、液晶層は、円偏光を透過し、かつ、この透過光を回折する。
また、液晶層は、透過した円偏光の旋回方向を逆方向に変化させる。

液晶層は、液晶層の面内において、液晶化合物に由来する光学軸の向きが、配列軸Ｄで示す一方向に連続的に回転しながら変化する液晶配向パターンを有する。
なお、液晶化合物４０に由来する光学軸４０Ａとは、液晶化合物４０において屈折率が最も高くなる軸、いわゆる遅相軸である。例えば、液晶化合物４０が棒状液晶化合物である場合には、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、『配列軸Ｄで示す一方向』を単に『配列軸Ｄ方向』とも言う。また、以下の説明では、液晶化合物４０に由来する光学軸４０Ａを、『液晶化合物４０の光学軸４０Ａ』または『光学軸４０Ａ』とも言う。
液晶層において、液晶化合物４０は、それぞれ、液晶層において、配列軸Ｄ方向と、この配列軸Ｄ方向と直交するＹ方向とに平行な面内に二次元的に配向している。なお、図６、後述する図９～図１３では、Ｙ方向は、紙面に垂直な方向となる。

図７に、液晶層３６の平面図を概念的に示す。
なお、平面図とは、図６において、液晶回折素子を上方から見た図であり、すなわち、液晶回折素子を厚さ方向（＝各層（膜）の積層方向）から見た図である。言い換えれば、液晶層３６を主面と直交する方向から見た図である。
また、図７では、液晶回折素子の構成を明確に示すために、液晶化合物４０は配向膜３２の表面の液晶化合物４０のみを示している。しかしながら、液晶層３６は、厚さ方向には、図６に示されるように、この配向膜３２の表面の液晶化合物４０から、液晶化合物４０が積み重ねられた構造を有するのは、前述のとおりである。

なお、図６および図７では、液晶層３６の面内の一部を代表例として説明するが、液晶層の各領域においては、液晶配向パターンの１周期の長さ（１周期Λ）が異なる以外は、基本的に、同様の構成および作用効果を有する。

液晶層３６は、液晶層３６の面内において、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。
液晶化合物４０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、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。

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。

液晶回折素子においては、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の向き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。言い換えれば、液晶配向パターンにおける１周期の長さは、液晶化合物４０の光学軸４０Ａと配列軸Ｄ方向とのなす角度がθからθ＋１８０°となるまでの距離により定義される。
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。
液晶回折素子において、液晶層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。

前述のように液晶層において、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と液晶層の厚さとの積により算出される。ここで、液晶層における領域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、上記屈折率差Δｎは、液晶化合物の屈折率差に等しい。

このような液晶層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９および図１０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液晶層３６の厚さとの積の値がλ／２であるとする。
図９に示すように、液晶層３６の液晶化合物の屈折率差と液晶層３６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１０に示すように、液晶層３６の液晶化合物の屈折率差と液晶層３６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、入射方向に対して配列軸Ｄ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３６は、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。

液晶層３６において、複数の領域Ｒの面内レタデーションの値は、半波長であるのが好ましいが、波長が５５０ｎｍである入射光に対する液晶層３６の複数の領域Ｒの面内レタデーションＲｅ（５５０）＝Δｎ₅₅₀×ｄが下記式（１）に規定される範囲内であるのが好ましい。ここで、Δｎ₅₅₀は、入射光の波長が５５０ｎｍである場合の、領域Ｒの屈折率異方性に伴う屈折率差であり、ｄは、液晶層３６の厚さである。
２００ｎｍ≦Δｎ₅₅₀×ｄ≦３５０ｎｍ・・・（１）
すなわち、液晶層３６の複数の領域Ｒの面内レタデーションＲｅ（５５０）＝Δｎ₅₅₀×ｄが式（１）を満たしていれば、液晶層３６に入射した光の十分な量の円偏光成分を、配列軸Ｄ方向に対して順方向または逆方向に傾いた方向に進行する円偏光に変換することができる。面内レタデーションＲｅ（５５０）＝Δｎ₅₅₀×ｄは、２２５ｎｍ≦Δｎ₅₅₀×ｄ≦３４０ｎｍがより好ましく、２５０ｎｍ≦Δｎ₅₅₀×ｄ≦３３０ｎｍがさらに好ましい。
なお、上記式（１）は波長５５０ｎｍである入射光に対する範囲であるが、波長がλｎｍである入射光に対する液晶層の複数の領域Ｒの面内レタデーションＲｅ（λ）＝Δｎ_λ×ｄは下記式（１－２）に規定される範囲内であるのが好ましく、適宜設定することができる。
０．７×（λ／２）ｎｍ≦Δｎ_λ×ｄ≦１．３×（λ／２）ｎｍ・・・（１－２）

さらに、波長が４５０ｎｍの入射光に対する液晶層３６の領域Ｒのそれぞれの面内レタデーションＲｅ（４５０）＝Δｎ₄₅₀×ｄと、波長が５５０ｎｍの入射光に対する液晶層３６の領域Ｒのそれぞれの面内レタデーションＲｅ（５５０）＝Δｎ₅₅₀×ｄは、下記式（２）を満たすのが好ましい。ここで、Δｎ₄₅₀は、入射光の波長が４５０ｎｍである場合の、領域Ｒの屈折率異方性に伴う屈折率差である。
（Δｎ₄₅₀×ｄ）／（Δｎ₅₅₀×ｄ）＜１．０・・・（２）
式（２）は、液晶層３６に含まれる液晶化合物４０が逆分散性を有していることを表している。すなわち、式（２）が満たされることにより、液晶層３６は、広帯域の波長の入射光に対応できる。

液晶層は、棒状液晶化合物または円盤状液晶化合物を含む液晶組成物の硬化層からなり、棒状液晶化合物の光学軸または円盤状液晶化合物の光学軸が、上述のように配向された液晶配向パターンを有している。
支持体上に配向膜を形成し、配向膜上に液晶組成物を塗布、硬化することにより、液晶組成物の硬化層からなる液晶層を得ることができる。なお、いわゆるλ／２板として機能するのは液晶層であるが、本発明は、支持体および配向膜を一体的に備えた積層体がλ／２板として機能する態様を含む。
また、液晶層を形成するための液晶組成物は、棒状液晶化合物または円盤状液晶化合物を含有し、さらに、レベリング剤、配向制御剤、重合開始剤および配向助剤などのその他の成分を含有していてもよい。

また、液晶層は、入射光の波長に対して広帯域であることが望ましく、複屈折率が逆分散となる液晶材料を用いて構成されていることが好ましい。また、液晶組成物に捩れ成分を付与することにより、また、異なる位相差層を積層することにより、入射光の波長に対して液晶層を実質的に広帯域にすることも好ましい。例えば、液晶層において、捩れ方向が異なる２層の液晶を積層することによって広帯域のパターン化されたλ／２板を実現する方法が特開２０１４－０８９４７６号公報等に示されており、本発明において好ましく使用することができる。

―棒状液晶化合物―
棒状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が好ましく用いられる。以上のような低分子液晶性分子だけではなく、高分子液晶性分子も用いることができる。

棒状液晶化合物を重合によって配向を固定することがより好ましく、重合性棒状液晶化合物としては、Ｍａｋｒｏｍｏｌ． Ｃｈｅｍ．， １９０巻、２２５５頁（１９８９年）、Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ５巻、１０７頁（１９９３年）、米国特許４６８３３２７号明細書、同５６２２６４８号明細書、同５７７０１０７号明細書、国際公開第９５／２２５８６号、同９５／２４４５５号、同９７／００６００号、同９８／２３５８０号、同９８／５２９０５号、特開平１－２７２５５１号公報、同６－１６６１６号公報、同７－１１０４６９号公報、同１１－８００８１号公報、および、特願２００１－６４６２７号公報などに記載の化合物を用いることができる。さらに棒状液晶化合物としては、例えば、特表平１１－５１３０１９号公報および特開２００７－２７９６８８号公報に記載のものも好ましく用いることができる。

―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号公報および特開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。
なお、液晶層に円盤状液晶化合物を用いた場合には、液晶層において、液晶化合物４０は厚さ方向に立ち上がっており、液晶化合物に由来する光学軸４０Ａは、円盤面に垂直な軸、いわゆる進相軸として定義される。

液晶化合物としては、高い回折効率を得るために、屈折率異方性Δｎの高い液晶化合物を好ましく用いることができる。屈折率異方性を高める事により、入射角度が変化した際の回折効率を高く維持する事ができる。屈折率異方性Δｎの高い液晶化合物としては、特に限定されないが、ＷＯ２０１９／１８２１２９Ａ１に例示の化合物や、下記一般式（Ｉ）で表される化合物を好ましく用いる事ができる。

一般式（Ｉ）中、
Ｐ^１及びＰ^２は、それぞれ独立に、水素原子、－ＣＮ、－ＮＣＳ又は重合性基を表す。
Ｓｐ^１及びＳｐ^２は、それぞれ独立に、単結合又は２価の連結基を表す。ただし、Ｓｐ^１及びＳｐ^２は、芳香族炭化水素環基、芳香族複素環基及び脂肪族炭化水素環基からなる群より選ばれる少なくとも１つの基を含む２価の連結基を表すことはない。
Ｚ^１、Ｚ^２及びＺ^３は、それぞれ独立に、単結合、－Ｏ－、－Ｓ－、－ＣＨＲ－、－ＣＨＲＣＨＲ－、－ＯＣＨＲ－、－ＣＨＲＯ－、－ＳＯ－、－ＳＯ_２－、－ＣＯＯ－、－ＯＣＯ－、－ＣＯ－Ｓ－、－Ｓ－ＣＯ－、－Ｏ－ＣＯ－Ｏ－、－ＣＯ－ＮＲ－、－ＮＲ－ＣＯ－、－ＳＣＨＲ－、－ＣＨＲＳ－、－ＳＯ－ＣＨＲ－、－ＣＨＲ－ＳＯ－、－ＳＯ_２－ＣＨＲ－、－ＣＨＲ－ＳＯ_２－、－ＣＦ_２Ｏ－、－ＯＣＦ_２－、－ＣＦ_２Ｓ－、－ＳＣＦ_２－、－ＯＣＨＲＣＨＲＯ－、－ＳＣＨＲＣＨＲＳ－、－ＳＯ－ＣＨＲＣＨＲ－ＳＯ－、－ＳＯ_２－ＣＨＲＣＨＲ－ＳＯ_２－、－ＣＨ＝ＣＨ－ＣＯＯ－、－ＣＨ＝ＣＨ－ＯＣＯ－、－ＣＯＯ－ＣＨ＝ＣＨ－、－ＯＣＯ－ＣＨ＝ＣＨ－、－ＣＯＯ－ＣＨＲＣＨＲ－、－ＯＣＯ－ＣＨＲＣＨＲ－、－ＣＨＲＣＨＲ－ＣＯＯ－、－ＣＨＲＣＨＲ－ＯＣＯ－、－ＣＯＯ－ＣＨＲ－、－ＯＣＯ－ＣＨＲ－、－ＣＨＲ－ＣＯＯ－、－ＣＨＲ－ＯＣＯ－、－ＣＲ＝ＣＲ－、－ＣＲ＝Ｎ－、－Ｎ＝ＣＲ－、－Ｎ＝Ｎ－、－ＣＲ＝Ｎ－Ｎ＝ＣＲ－、－ＣＦ＝ＣＦ－又は－Ｃ≡Ｃ－を表す。Ｒは水素原子又は炭素原子数１～１０のアルキル基を表す。Ｒが複数存在する場合は、同一であっても異なっていてもよい。Ｚ^１及びＺ^２は、それぞれ複数存在する場合は、同一であっても異なっていてもよい。複数存在するＺ^３は、同一であっても異なっていてもよい。ただし、Ｓｐ^２に連結したＺ^３は、単結合を表す。
Ｘ^１及びＸ^２は、それぞれ独立に、単結合又は－Ｓ－を表す。複数存在するＸ^１及びＸ^２は、それぞれ同一であっても異なっていてもよい。ただし、複数存在するＸ^１及び複数存在するＸ^２のうち、いずれか少なくとも１つは－Ｓ－を表す。
ｋは２～４の整数を表す。
ｍ及びｎは、それぞれ独立に、０～３の整数を表す。複数存在するｍは、同一であっても異なっていてもよい。
Ａ^１、Ａ^２、Ａ^３及びＡ^４は、それぞれ独立に、下記一般式（Ｂ－１）～（Ｂ－７）のいずれかで表される基、又は下記一般式（Ｂ－１）～（Ｂ－７）のいずれかで表される基を２つ以上３つ以下連結してなる基を表す。複数存在するＡ^２及びＡ^３は、それぞれ同一であっても異なっていてもよい。Ａ^１及びＡ^４は、それぞれ複数存在する場合は、同一であっても異なっていてもよい。

一般式（Ｂ－１）～（Ｂ－７）中、
Ｗ^１～Ｗ^１８は、それぞれ独立に、ＣＲ^１又はＮを表し、Ｒ^１は水素原子又は下記置換基Ｌを表す。
Ｙ^１～Ｙ^６は、それぞれ独立に、ＮＲ^２、Ｏ又はＳを表し、Ｒ^２は水素原子又は下記置換基Ｌを表す。
Ｇ^１～Ｇ^４は、それぞれ独立に、ＣＲ^３Ｒ^４、ＮＲ^５、Ｏ又はＳを表し、Ｒ^３～Ｒ^５は、それぞれ独立に、水素原子又は下記置換基Ｌを表す。
Ｍ^１及びＭ^２は、それぞれ独立に、ＣＲ^６又はＮを表し、Ｒ^６は水素原子又は下記置換基Ｌを表す。
＊は結合位置を表す。
置換基Ｌは、炭素原子数１～１０のアルキル基、炭素原子数１～１０のアルコキシ基、炭素原子数１～１０のアルキルアミノ基、炭素原子数１～１０のアルキルチオ基、炭素原子数１～１０のアルカノイル基、炭素原子数１～１０のアルカノイルオキシ基、炭素原子数１～１０のアルカノイルアミノ基、炭素原子数１～１０のアルカノイルチオ基、炭素原子数２～１０のアルキルオキシカルボニル基、炭素原子数２～１０のアルキルアミノカルボニル基、炭素原子数２～１０のアルキルチオカルボニル基、ヒドロキシ基、アミノ基、メルカプト基、カルボキシ基、スルホ基、アミド基、シアノ基、ニトロ基、ハロゲン原子又は重合性基である。ただし、置換基Ｌとして記載した上記基が－ＣＨ_２－を有する場合、上記基に含まれる－ＣＨ_２－の少なくとも１つを、－Ｏ－、－ＣＯ－、－ＣＨ＝ＣＨ－又は－Ｃ≡Ｃ－に置き換えてなる基も置換基Ｌに含まれる。また、置換基Ｌとして記載した上記基が水素原子を有する場合、上記基に含まれる水素原子の少なくとも１つを、フッ素原子及び重合性基からなる群より選択される少なくとも１つに置き換えてなる基も置換基Ｌに含まれる。

入射角度が変化した際の回折効率を高く維持するため、液晶化合物の屈折率異方性Δｎ₅₅₀は０．１５以上が好ましく、０，２以上がより好ましく、０．２５以上がさらに好ましく、０．３以上が最も好ましい。

＜液晶回折素子の作用＞
前述のように、液晶化合物を含む組成物を用いて形成された、光学軸４０Ａの方向が配列軸Ｄ方向に沿って回転する液晶配向パターンを有する液晶層は、円偏光を屈折させるが、液晶配向パターンの１周期Λが小さいほど、屈折の角度が大きい。
そのため、面内の異なる領域で液晶配向パターンの１周期Λが異なるようにパターンを形成した場合には、面内の異なる領域に入射した光は、異なる角度に屈折される。

以下、図１１の概念図を参照して、液晶回折素子の作用を詳細に説明する。図１１は、液晶層３６の、液晶化合物４０の光学軸４０Ａの向きが連続的に回転しながら変化する一方向に沿った断面の、この一方向の一部を表す概念図である。
なお、液晶回折素子において、光学的な作用を発現するのは、基本的に、液晶層のみである。そのため、図面を簡略化して、構成および作用効果を明確に示すために、図１１では、液晶回折素子は、液晶層３６のみを示す。

前述のように、液晶回折素子は、液晶層３６を有する。
液晶回折素子は、一例として、円偏光を対象として、入射光を所定の方向に屈折して透過させる。なお、図１１では、入射光を左円偏光としている。

図１１に示す部分において、液晶層３６は、図１１中左側から３つの領域Ａ０、Ａ１、Ａ２を有し、各領域で１周期の長さΛが異なっている。具体的には、１周期の長さΛは、領域Ａ０、Ａ１、Ａ２の順に短くなっている。また、領域Ａ１およびＡ２は、光学軸が液晶層の厚さ方向でねじれて回転した構造（以下、ねじれ構造ともいう）を有している。各領域のねじれ角は同一であってもよいし、異なっていてもよく、必要となる性能に応じて適宜設定することができる。図１１は、領域Ａ１の厚さ方向のねじれ角は、領域Ａ２の厚さ方向のねじれ角よりも小さく、領域Ａ０はねじれ構造を有していない領域である（すなわち、ねじれ角が０°である）一例である。
なお、ねじれ角は、厚さ方向全体でのねじれ角とする。
液晶層が、ねじれ構造を有する場合には、図１２に示すように、ＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）で観察される断面において、明部４２および暗部４４が液晶層３６の主面に対して傾斜している構成となる。

液晶回折素子において、左円偏光ＬＣ１が液晶層３６の面内の領域Ａ１に入射すると、前述のように、入射方向に対して、配列軸Ｄ方向に、すなわち、液晶化合物の光学軸の向きが連続的に回転しながら変化している一方向に所定角度、屈折されて透過する。同様に左円偏光ＬＣ２が液晶層３６の面内の領域Ａ２に入射すると、入射方向に対して、配列軸Ｄ方向に所定角度、屈折されて透過する。同様に左円偏光ＬＣ０が液晶層３６の面内の領域Ａ０に入射すると、入射方向に対して、配列軸Ｄ方向に所定角度、屈折されて透過する。
ここで、液晶層３６による屈折の角度は、領域Ａ１の液晶配向パターンの１周期Λ_A1よりも、領域Ａ２の液晶配向パターンの１周期Λ_A2が短いため、図１１に示すように、入射光に対する屈折の角度は、領域Ａ２の透過光の角度θ_A2の方が領域Ａ１の透過光の角度θ_A1よりも大きくなる。また、領域Ａ１の液晶配向パターンの１周期Λ_A1よりも、領域Ａ０の液晶配向パターンの１周期Λ_A0が長いため、図１１に示すように、入射光に対する屈折の角度は、領域Ａ０の透過光の角度θ_A0の方が領域Ａ１の透過光の角度θ_A1よりも小さくなる。

液晶回折素子の中央側から端部側に向かって、領域の液晶配向パターンΛを短くすることで、液晶回折素子の中央付近に入射した光よりもより端部側に入射した光を大きく屈折させることができ、光を集光する正レンズとして機能させることができる。

ここで、面内で液晶化合物の光学軸の向きが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による光の回折では、回折角度が大きくなると回折効率が低下するおそれがある。
そのため、液晶層を、液晶化合物の光学軸の向きが面内で１８０°回転する１周期の長さが異なる領域を有する構成とした場合には、光の入射位置によって回折角度が異なるため、面内の入射位置によって回折光の光量に差が生じるおそれがある。すなわち、面内の入射位置によって、透過、回折した光が暗くなる領域が生じるおそれがある。

これに対して、液晶回折素子は、液晶層が厚さ方向でねじれて回転する領域を有していると、屈折された光の回折効率の低下を抑制することができる。従って、液晶回折素子は、液晶層が厚さ方向でねじれて回転する領域を有しており、厚さ方向のねじれ角の大きさが異なる領域を有することが好ましい。
具体的には、液晶配向パターンの１周期Λが短い領域ほど厚さ方向のねじれ角を大きくすることで、面内の入射位置によらず、透過した光の光量が均一になるようにすることができる。

また、液晶回折素子では、厚さ方向のねじれ角の大きさが１０°～３６０°である領域を有することが好ましい。
液晶回折素子において、厚さ方向のねじれ角は、面内の液晶配向パターンの１周期Λに応じて、適宜、設定すればよい。

ここで、図６に示す例では、液晶回折素子は、液晶層を１層有する構成としたが、これに限定はされず、２層以上の液晶層を有していてもよい。
また、液晶回折素子では、液晶層を２層以上有する場合には、厚さ方向でねじれて回転する方向（ねじれ角の向き）が互いに異なる液晶層をさらに有していてもよい。
例えば、液晶化合物由来の光学軸の向きが一方向に向かって回転する液晶配向パターンを有し、さらに、光学軸が液晶層の厚さ方向でねじれて回転する領域を有しており、かつ、回転のねじれ角が面内で異なる領域を有する液晶層であって、厚さ方向でねじれて回転する方向が互いに異なる液晶層を積層して用いてもよい。
このように、厚さ方向でねじれて回転する方向が異なる液晶層をさらに有することにより、厚さ方向でねじれ角を有する領域において、様々な偏光状態の入射光に対し、効率的に透過光を屈折することができる。

ここで、厚さ方向でねじれて回転する方向が互いに異なる液晶層を有する場合には、厚さ方向のねじれ角が面内の領域ごとに同一であることが好ましい。

しかしながら、本発明は、これに制限はされず、液晶回折素子において、厚さ方向のねじれ角にも制限はなく、光学素子の用途等に応じて、適宜、設定すればよい。

また、厚さ方向でねじれて回転する方向が互いに異なる液晶層は、波長がλｎｍである入射光に対する液晶層の複数の領域Ｒの面内レタデーションＲｅ（λ）＝Δｎ_λ×ｄが同一であることが好ましい。

しかしながら、本発明は、これに制限はされず、液晶回折素子において、波長がλｎｍである入射光に対する液晶層の複数の領域Ｒの面内レタデーションＲｅ（λ）＝Δｎ_λ×ｄにも制限はなく、光学素子の用途等に応じて、適宜、設定すればよい。

液晶回折素子において、液晶層の配向パターンにおける１周期Λにも、制限はなく、光学素子の用途等に応じて、適宜、設定すればよい。

（ねじれ構造のねじれ角が異なる領域の形成方法）
液晶層において、ねじれ構造のねじれ角が異なる領域を有する構成は、光の照射によって、戻り異性化、二量化、ならびに、異性化および二量化等を生じて、螺旋誘起力（ＨＴＰ：Helical Twisting Power）が変化するカイラル剤を用い、液晶層を形成する液晶組成物の硬化前、または、液晶組成物の硬化時、カイラル剤のＨＴＰを変化させる波長の光を、領域ごとに照射量を変えて照射することで、形成できる。
例えば、光の照射によってＨＴＰが小さくなるカイラル剤を用いることにより、光の照射によってカイラル剤のＨＴＰが低下する。ここで、領域ごとに光の照射量を変えることで、例えば、照射量が多い領域では、ＨＴＰが大きく低下し、螺旋の誘起が小さくなるのでねじれ構造のねじれ角が小さくなる。一方、照射量が少ない領域では、ＨＴＰの低下が小さいため、ねじれ構造のねじれ角は大きくなる。

領域ごとに光の照射量を変える方法には特に限定はなく、グラデーションマスクを介して光を照射する方法、領域ごとに照射時間を変える方法、あるいは、領域ごとに照射強度を変える方法等が利用可能である。
なお、グラデーションマスクとは、照射する光に対する透過率が面内で変化しているマスクである。

ここで、本発明において、液晶回折素子を凸レンズとして作用させる場合には、下記の式を満たすのが好ましい。
Φ（ｒ）＝（π／λ）［（ｒ²＋ｆ²）^1/2－ｆ］
ここで、ｒは同心円の中心からの距離で式ｒ＝（ｘ²＋ｙ²）^1/2で表わされる。ｘ、ｙは面内の位置を表し、（ｘ、ｙ）＝（０、０）は同心円の中心を表す。Φ（ｒ）は中心からの距離ｒにおける光学軸の角度、λは波長、ｆは目的とする焦点距離を表わす。

なお、本発明においては、例えば透過光に光量分布を設けたい場合など、液晶回折素子の用途によって、光学軸が連続的に回転する１方向に向かって、１周期Λを、漸次、変更するのではなく、光学軸が連続的に回転する１方向において、部分的に１周期Λが異なる領域を有する構成も利用可能である。例えば、部分的に１周期Λを変更する方法として、集光したレーザー光の偏光方向を任意に変えながら、光配向膜をスキャン露光してパターニングする方法等を利用することができる。
加えて、液晶回折素子は、１周期Λが全面的に均一な液晶層と、１周期Λが異なる領域を有する液晶層とを有してもよい。

ここで、図５に示す例においては、液晶層の液晶配向パターンは、液晶化合物の光学軸の向きが連続的に回転しながら変化する方向が、液晶層の中心から放射状に設けられた、同心円状のパターンとしたが、入射する偏光を集光することができれば、これに限定はされない。
例えば、液晶層の液晶配向パターンは、液晶化合物の光学軸の向きが連続的に回転しながら変化する方向が、楕円の同心円状パターンであってもよい。すなわち、光学軸が同じ方向を向いた液晶化合物を結んだ線が楕円形となる同心円状パターンであってもよい。あるいは、入射する偏光を集光することができれば、同心円状パターンが変形したようなパターンであってもよい。

前述のとおり、液晶回折素子は、２層以上の液晶層を有していてもよい。その際、少なくとも２層の液晶層は、液晶化合物の光学軸の向きが連続的に回転しながら変化する一方向に沿って厚さ方向に切断した断面を走査型電子顕微鏡で観察した断面画像において、光学軸の向きに由来する明部および暗部が観察され、少なくとも２層の液晶層において、明部および暗部の、液晶層の主面に対する傾斜角度が、互いに異なっていることが好ましい。また、明部および暗部の傾斜方向が互いに異なっていることが好ましい。

このような液晶回折素子の一例を図１３に示す。
図１３に示す液晶回折素子は、第１の液晶層２１７と、第２の液晶層２１９と、第３の液晶層２１８と、をこの順に積層された構成を有する。
第１の液晶層２１７および第３の液晶層２１８は、液晶化合物由来の光学軸の向きが面内の少なくとも一方向に沿って連続的に回転しながら変化している液晶配向パターンを有し、かつ、厚さ方向にねじれ配向している。

「光学軸が厚さ方向にねじれ配向した」とは、液晶層の一方の主面から他方の主面に向かう厚さ方向に配列されている光学軸の向きが相対的に変化し一方向にねじれて配向された状態をいう。ねじれ性には、右ねじれ性および左ねじれ性があるが、回折させたい方向に応じて適用すればよい。なお、厚さ方向における光学軸のねじれは１回転未満、すなわちねじれ角は３６０°未満である。厚み方向における液晶化合物の捩れ角は１０°から２００°程度が好ましく、２０°から１８０°程度がより好ましい。コレステリック配向の場合には、捩れ角が３６０°以上であり特定の波長域の特定の円偏光を反射する選択反射性を有するものとなる。本明細書における「ねじれ配向」にはコレステリック配向を含まず、ねじれ配向を有する液晶層において選択反射性は生じない。

このような液晶配向パターンを有する液晶層について断面をＳＥＭで観察すると、図１３に示した明線および暗線が観察される。図１３において明線および暗線を重ねて示すように、この明線および暗線の周期は、液晶配向パターンの周期と一致する。

図１３に示すように、第１の液晶層２１７および第３の液晶層２１８は、明線および暗線の、液晶層の主面に対する傾斜角度は同じで、傾斜方向が互いに異なっている。したがって、第１の液晶層２１７および第３の液晶層２１８は、明線および暗線が上下対称（厚さ方向の中心線に対して対称）である。

また、第１の液晶層２１７と第３の液晶層２１８との間に配置される、第２の液晶層２１９は、液晶化合物由来の光学軸の向きが面内の少なくとも一方向に沿って連続的に回転しながら変化している液晶配向パターンを有し、かつ、厚さ方向にねじれ配向していない。従って、第２の液晶層２１９の明線および暗線は第２の液晶層２１９の界面の法線に沿っており、傾きを有していない。

第１の液晶層２１７、第２の液晶層２１９、および、第３の液晶層２１８の液晶配向パターンにおける１周期はそれぞれ、面内の領域ごとに異なっているが、面内の同じ位置における、第１の液晶層２１７、第２の液晶層２１９、および、第３の液晶層２１８の液晶配向パターンにおける１周期は等しい。

したがって、第１の液晶層２１７、第２の液晶層２１９、および、第３の液晶層２１８を有する液晶回折素子は、明線および暗線が上下対称である。

第２の液晶層２１９のように、厚さ方向にねじれ配向していない場合、法線方向から入射した光に対する回折効率は高いが、斜め方向から入射した光に対する回折効率は低くなる。他方、第１の液晶層２１７および第３の液晶層２１８では、斜め方向から入射した光に対する回折効率を向上させることができる。
従って、これらの液晶層を積層してなる液晶回折素子は、入射角による回折効率の変化を少なくすることができ、平均的な回折効率を向上させることができる。

なお、図１３に示す例では、液晶回折素子は、明線および暗線が上下対称である構成としたがこれに限定はされない。
例えば、第１の液晶層２１７と、第２の液晶層２１９と、第３の液晶層２１８とで、液晶化合物由来の光学軸の向きが変化する一方向に沿って変化する厚さ方向のねじれ角の変化を異なるものとすることで、液晶回折素子の中心側では、明部および暗部が、上下対称であり、液晶回折素子の中心側では、明部および暗部が、上下非対称である構成としてもよい。

また、図１４に示す例のように、第１の液晶層３７ａと、第２の液晶層３７ｂと、第３の液晶層３７ｃの、明部および暗部が、互いに傾斜しており、互いの傾斜角度が異なっている、上下非対称である構成としてもよい。

ここで、本発明においては、図１３および図１４に示すように、液晶層は、ＳＥＭ画像において、一方の表面から他方の表面に延在する明部および暗部を有し、暗部が、２つ以上の角度の変曲点を有し、厚さ方向において、暗部の傾斜方向が異なる領域を有する液晶回折素子を好ましく用いることができる。

図１３および図１４に示す例では、液晶層は、明部および暗部の縞模様を有し、１つの暗部はそれぞれ、厚さ方向の２か所で、表面に対する傾斜角度が変化している。すなわち、各暗部はそれぞれ２つの変曲点を有している。また、いずれの暗部においても、図中上側の領域における傾斜方向と、図中下側の領域における傾斜方向とが互いに逆である。すなわち、各暗部は、傾斜方向が異なる領域を有している。

また、液晶層における、暗部の傾斜方向が折り返される変曲点の数が奇数個であることが好ましい。図１４に示す例では、暗部の傾斜方向が折り返される変曲点の数は１個である。

液晶層における、暗部の平均傾斜角は、一方向に沿って漸次変化していることが好ましい。暗部の平均傾斜角は、１つの暗部の一方の表面上の点と他方の表面上の点とを結んだ線分の、液晶層の主面に対する角度である。

また、液晶層の屈折率異方性に伴う屈折率差Δｎ₅₅₀が０．２以上であることが好ましい。

液晶回折素子が、２層以上の液晶層を有しており、少なくとも２層の液晶層の明部および暗部の傾斜角度が、互いに異なっている構成の他の例としては、国際公開第２０２０／０６６４２９号に記載されている。

以上、説明した本発明の画像表示ユニットは、ヘッドマウントディスプレイの画像表示ユニットとして好適に用いることができる。

以下に実施例と比較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、使用量、割合、処理内容、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］
＜偏光回折素子の作製＞
（支持体）
支持体として、ガラスを用意した。

（配向膜の形成）
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連続的に塗布した。この配向膜形成用塗布液の塗膜が形成された支持体を６０℃のホットプレート上で６０秒間乾燥し、配向膜を形成した。

配向膜形成用塗布液
――――――――――――――――――――――――――――――――
光配向用素材Ａ 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Ａ－

（配向膜の露光）
図８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１０００ｍＪ／ｃｍ²とした。なお、図８に示す露光装置を用いることによって、配向パターンの１周期が、外方向に向かって、漸次、短くなるようにした。

（液晶層の形成）
第１の液晶層を形成する液晶組成物として、下記の組成物Ａ－１を調製した。
組成物Ａ－１
――――――――――――――――――――――――――――――――
液晶化合物Ｌ－１ １００．００質量部
カイラル剤Ｍ－１ ０．３６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 １０５０．００質量部
――――――――――――――――――――――――――――――――

液晶化合物Ｌ－１

カイラル剤Ｍ－１

レベリング剤Ｔ－１

液晶層は、組成物Ａ－１を配向膜Ｐ－１上に多層塗布することにより形成した。多層塗布とは、先ず配向膜の上に１層目の組成物Ａ－１を塗布、加熱、冷却後に紫外線硬化を行って液晶固定化層を作製した後、２層目以降はその液晶固定化層に重ね塗りして塗布を行い、同様に加熱、冷却後に紫外線硬化を行うことを繰り返すことを指す。多層塗布により形成することにより、液晶層の総厚が厚くなった時でも配向膜の配向方向が液晶層の下面から上面にわたって反映される。

先ず１層目は、配向膜Ｐ－１上に下記の組成物Ａ－１を塗布して、塗膜をホットプレート上で８０℃に加熱し、その後、窒素雰囲気下で高圧水銀灯を用いて波長３６５ｎｍの紫外線を３００ｍＪ／ｃｍ²の照射量で塗膜に照射することにより、液晶化合物の配向を固定化した。

２層目以降は、この液晶層に重ね塗りして、上と同じ条件で加熱、冷却後に紫外線硬化を行って液晶固定化層を作製した。このようにして、総厚が所望の膜厚になるまで重ね塗りを繰り返し、第１の液晶層を形成した。

なお、液晶組成物Ａ１の硬化層の複素屈折率Δｎは、液晶組成物Ａ１を別途に用意したリ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（硬化層）のリタ―デーション値および膜厚を測定して求めた。リタ―デーション値を膜厚で除算することによりΔｎを算出できる。リタ―デーション値はＡｘｏｍｅｔｒｉｘ 社のＡｘｏｓｃａｎを用いて目的の波長で測定し、膜厚は走査型電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope、SEM）を用いて測定した。

第１の液晶層は、最終的に液晶のΔｎ₅₅₀×厚さ（Ｒｅ（５５０））が１６０ｎｍになり、かつ、図５に示すような同心円状（放射状）の周期的な配向表面になっていることを偏光顕微鏡で確認した。なお、この第１の液晶層の液晶配向パターンは、外方向に向かって周期が短くなる液晶配向パターンであった。また、第１の液晶層の厚さ方向のねじれ角は面内で、右捩じれで８０°であった。以下、特に記載が無い場合には、『Δｎ₅₅₀×ｄ』等の測定は、同様に行った。

第２の液晶層を形成する液晶組成物として、下記の組成物Ａ－２を調製した。
組成物Ａ－２
――――――――――――――――――――――――――――――――
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
レベリング剤Ｔ－１ ０．０８質量部
メチルエチルケトン １０５０．００質量部
――――――――――――――――――――――――――――――――

組成物Ａ－２を用い、液晶層の膜厚を調整した以外は、第１の液晶層と同様にして第１の液晶層の上に第２の液晶層を形成した。

第２の液晶層は、最終的に液晶のΔｎ₅₅₀×厚さ（Ｒｅ（５５０））が３３０ｎｍになり、かつ、図５に示すような同心円状（放射状）の周期的な配向表面になっていることを偏光顕微鏡で確認した。なお、この第２の液晶層の液晶配向パターンは、外方向に向かって周期が短くなる液晶配向パターンであった。また、第２の液晶層の厚さ方向のねじれ角は面内で、０°であった。

第３の液晶層を形成する液晶組成物として、下記の組成物Ａ－３を調製した。
組成物Ａ－３
――――――――――――――――――――――――――――――――
液晶化合物Ｌ－１ １００．００質量部
カイラル剤Ｈ－１ ０．６３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 １０５０．００質量部
――――――――――――――――――――――――――――――――

カイラル剤Ｈ－１

組成物Ａ－３を用い、液晶層の膜厚を調整した以外は、第１の液晶層と同様にして第２の液晶層の上に第３の液晶層を形成した。

第３の液晶層は、最終的に液晶のΔｎ₅₅₀×厚さ（Ｒｅ（５５０））が１６０ｎｍになり、かつ、図５に示すような同心円状（放射状）の周期的な配向表面になっていることを偏光顕微鏡で確認した。なお、この第３の液晶層の液晶配向パターンは、外方向に向かって周期が短くなる液晶配向パターンであった。また、液晶層の厚さ方向のねじれ角は面内で、左捩じれで８０°であった。
第１～第３の液晶層を有する液晶回折素子に平行光を入射して、集光される出射光の焦点距離を測定した。焦点距離は３０ｍｍであった。

＜位相差板の作製＞
特開２０１９－２１５４１６号公報の段落０１０２から段落０１２６に記載のポジティブＡプレートと同様の方法で、セルロースアシレートフィルム、配向膜および光学異方性層Ｃを有するフィルムを得た。
光学異方性層ＣはポジティブＡプレート（位相差板）であり、Ｒｅ（５５０）が１３８ｎｍとなるように、ポジティブＡプレートの厚さを制御している。

＜画像表示ユニットの作製＞
第１の直線偏光板、第１の位相差板（λ／４板）、液晶回折素子、第２の位相差板（λ／４板）、および、直線偏光板を用いて画像表示ユニットを作製した（図１参照）。市販のヘッドマウントディスプレイであるＯｃｕｌｕｓ社のＯｃｕｌｕｓ Ｒｉｆｔ Ｓを分解し、その中のディスプレイを画像表示装置として用い、その表面に貼合されている直線偏光板を、第１の直線偏光板および第２の直線偏光板として用いた。画像表示装置側に第１の直線偏光板の吸収軸の角度が９０°となるよう配置した。第１の位相差板は、遅相軸が４５°となるように配置した。第２の位相差板は、遅相軸が－４５°となるように配置した。第２の直線偏光板は、吸収軸の角度が０°となるよう配置した。なお、記載の軸角度は、ヘッドマウントディスプレイの水平方向を基準（０°）とし、視認側から画像表示ユニットを見た際に時計回りの方向を正とした。
また、画像表示装置と液晶回折素子との距離は３０ｍｍとした。

［実施例２］
液晶回折素子の作製において、配向膜Ｐ－１に形成する配向パターンを変更し、焦点距離を１５ｍｍとし、画像表示装置と液晶回折素子との距離を１５ｍｍとした以外は、実施例１と同様にして画像表示ユニットを作製した。

［実施例３］
液晶回折素子の作製において、配向膜Ｐ－１に形成する配向パターンを変更し、焦点距離を１０ｍｍとし、画像表示装置と液晶回折素子との距離を１０ｍｍとした以外は、実施例１と同様にして画像表示ユニットを作製した。

［比較例１］
画像表示装置の表示面側にフレネルレンズを配置して画像表示ユニットを作製した。フレネルレンズの焦点距離は４０ｍｍであった。画像表示装置とフレネルレンズとの距離は４０ｍｍとした。

フレネルレンズは、Ｏｃｕｌｕｓ Ｒｉｆｔ Ｓに付属のものを使用した。

［比較例２］
第１の吸収型直線偏光板、第１の位相差板（λ／４板）、部分反射ミラー、第２の位相差板（λ／４板）、反射型直線偏光板、第２の吸収型直線偏光板を用いて光学素子を作製し、ヘッドマウントディスプレイである画像表示ユニットを作製した。市販のヘッドマウントディスプレイであるＯｃｕｌｕｓ社のＯｃｕｌｕｓ Ｒｉｆｔ Ｓを分解し、その中のディスプレイおよびその表面に貼合されている吸収型直線偏光板を用い、第１の吸収型直線偏光板の吸収軸角度が９０°となるよう配置した。部分反射ミラーとしては、透過率５０％、反射率５０％となるように直径５ｃｍ、曲率半径１０ｃｍのレンズの凸面へスパッタによりアルミ膜を形成した。すなわち、部分反射ミラーは湾曲形状とした。第２の反射型直線偏光板としては３Ｍ社のＤＢＥＦを用い、透過軸角度が９０°となるよう配置した。第２の反射型直線偏光板の視認側には、第２の吸収型直線偏光板を吸収軸角度が０°となるよう配置した。また、第１の位相差板および第２の位相差板はそれぞれ、遅相軸が４５°および－４５°となるよう配置した。
部分反射ミラーの焦点距離は２０ｍｍとした。画像表示装置と部分反射ミラーとの距離は２０ｍｍとした。

［比較例３］
第２の位相差板および第２の直線偏光板を有さない以外は実施例１と同様にして画像表示ユニットを作製した。

［評価］
＜画像表示ユニットの光利用効率の評価＞
画像表示ユニットにおけるディスプレイを取り外し、評価用光源を配置した。評価用光源としては、レーザーポインタ（波長５３２ｎｍ）を用いた。レーザーポインタを用いて、第１の直線偏光板側から光を入射し（入射光）、出射光の強度をパワーメーターで測定した。入射光の強度との強度比を求めて以下の基準で評価した。
Ａ：強度比が０．７以上
Ｂ：強度比が０．５以上０．７未満
Ｃ：強度比が０．５未満

＜画質評価１＞
上記光利用効率の評価と同様にレーザーポインタを用いて、第１の直線偏光板側から光を入射し、焦点距離の位置に紙を配置して紙の上に表示される光を観察して以下の基準で評価した。
Ａ：焦点１点に光の点が観察された。
Ｂ：焦点以外の位置にも光が観察された。

＜画質評価２＞
画像表示ユニットにおいてディスプレイを点灯して、表示される画像を観察して以下の基準で評価した。
Ａ：光のスジが観察されなかった。
Ｂ：光のスジが観察された。
結果を表１に示す。

表１から、本発明の実施例１～３は、比較例に比べて光の利用効率が高く、表示される画像の画質も高いことがわかる。
比較例１は、表示画像にフレネルレンズの溝構造に起因する光のスジが視認されてしまい画質が悪かった。
比較例２は、光利用効率が低かった。
比較例３は、液晶回折素子で回折されなかった光が出射されるため、画質が低下してしまう。

［実施例１－Ａ２］
実施例１において、液晶化合物Ｌ－１を液晶化合物Ｌ－２に変えて、カイラル剤Ｍ－１、カイラル剤Ｈ－１の添加量を調整し、液晶層の膜厚を調整した以外は同様にして、液晶回折素子を作製し、実施例１－Ａ２の画像表示ユニットを作製した。

液晶化合物Ｌ－２

第１の液晶層は、最終的に液晶のΔｎ₅₅₀×厚さ（Ｒｅ（５５０））が１６０ｎｍになり、かつ、図５に示すような同心円状（放射状）の周期的な配向表面になっていることを偏光顕微鏡で確認した。なお、この第１の液晶層の液晶配向パターンは、外方向に向かって周期が短くなる液晶配向パターンであった。また、第１の液晶層の厚さ方向のねじれ角は面内で、右捩じれで８０°であった。

第２の液晶層は、最終的に液晶のΔｎ₅₅₀×厚さ（Ｒｅ（５５０））が３３０ｎｍになり、かつ、図５に示すような同心円状（放射状）の周期的な配向表面になっていることを偏光顕微鏡で確認した。なお、この第２の液晶層の液晶配向パターンは、外方向に向かって周期が短くなる液晶配向パターンであった。また、第２の液晶層の厚さ方向のねじれ角は面内で、０°であった。

第３の液晶層は、最終的に液晶のΔｎ₅₅₀×厚さ（Ｒｅ（５５０））が１６０ｎｍになり、かつ、図５に示すような同心円状（放射状）の周期的な配向表面になっていることを偏光顕微鏡で確認した。なお、この第３の液晶層の液晶配向パターンは、外方向に向かって周期が短くなる液晶配向パターンであった。また、液晶層の厚さ方向のねじれ角は面内で、左捩じれで８０°であった。
第１～第３の液晶層を有する液晶回折素子に平行光を入射して、集光される出射光の焦点距離を測定した。焦点距離は３０ｍｍであった。

［実施例２－Ａ２］
液晶回折素子の作製において、配向膜Ｐ－１に形成する配向パターンを変更し、焦点距離を１５ｍｍとし、画像表示装置と液晶回折素子との距離を１５ｍｍとした以外は、実施例１－Ａ２と同様にして画像表示ユニットを作製した。

［実施例３－Ａ２］
液晶回折素子の作製において、配向膜Ｐ－１に形成する配向パターンを変更し、焦点距離を１０ｍｍとし、画像表示装置と液晶回折素子との距離を１０ｍｍとした以外は、実施例１－Ａ２と同様にして画像表示ユニットを作製した。

［実施例１－Ａ３］
実施例１において、液晶化合物Ｌ－１を液晶化合物Ｌ－３に変えて、カイラル剤Ｍ－１、カイラル剤Ｈ－１の添加量を調整し、液晶層を形成するときの塗膜の加熱温度を５５℃に変更し、液晶層の膜厚を調整した以外は同様にして、液晶回折素子を作製し、実施例１－Ａ３の画像表示ユニットを作製した。

液晶化合物Ｌ－３

第１の液晶層は、最終的に液晶のΔｎ₅₅₀×厚さ（Ｒｅ（５５０））が１６０ｎｍになり、かつ、図５に示すような同心円状（放射状）の周期的な配向表面になっていることを偏光顕微鏡で確認した。なお、この第１の液晶層の液晶配向パターンは、外方向に向かって周期が短くなる液晶配向パターンであった。また、第１の液晶層の厚さ方向のねじれ角は面内で、右捩じれで８０°であった。

第２の液晶層は、最終的に液晶のΔｎ₅₅₀×厚さ（Ｒｅ（５５０））が３３０ｎｍになり、かつ、図５に示すような同心円状（放射状）の周期的な配向表面になっていることを偏光顕微鏡で確認した。なお、この第２の液晶層の液晶配向パターンは、外方向に向かって周期が短くなる液晶配向パターンであった。また、第２の液晶層の厚さ方向のねじれ角は面内で、０°であった。

第３の液晶層は、最終的に液晶のΔｎ₅₅₀×厚さ（Ｒｅ（５５０））が１６０ｎｍになり、かつ、図５に示すような同心円状（放射状）の周期的な配向表面になっていることを偏光顕微鏡で確認した。なお、この第３の液晶層の液晶配向パターンは、外方向に向かって周期が短くなる液晶配向パターンであった。また、液晶層の厚さ方向のねじれ角は面内で、左捩じれで８０°であった。
第１～第３の液晶層を有する液晶回折素子に平行光を入射して、集光される出射光の焦点距離を測定した。焦点距離は３０ｍｍであった。

［実施例２－Ａ３］
液晶回折素子の作製において、配向膜Ｐ－１に形成する配向パターンを変更し、焦点距離を１５ｍｍとし、画像表示装置と液晶回折素子との距離を１５ｍｍとした以外は、実施例１－Ａ３と同様にして画像表示ユニットを作製した。

［実施例３－Ａ３］
液晶回折素子の作製において、配向膜Ｐ－１に形成する配向パターンを変更し、焦点距離を１０ｍｍとし、画像表示装置と液晶回折素子との距離を１０ｍｍとした以外は、実施例１－Ａ３と同様にして画像表示ユニットを作製した。

なお、実施例１～実施例３の液晶層（液晶化合物）のΔｎ₅₅₀は０．１５、実施例１－Ａ２～実施例３－Ａ２の液晶層のΔｎ₅₅₀は０．２５、実施例１－Ａ３～実施例３－Ａ３の液晶層のΔｎ₅₅₀は０．３２であった。

［評価］
＜画像表示ユニットの光利用効率の評価＞
画像表示ユニットにおけるディスプレイを取り外し、評価用光源を配置した。評価用光源としては、レーザーポインタ（波長５３２ｎｍ）を用いた。レーザーポインタを用いて、第１の直線偏光板側から光を入射し（入射光）、出射光の強度をパワーメーターで測定した。入射光の強度との強度比を求めた。
作製した液晶回折素子の同心円の中心から、５ｍｍ、１５ｍｍの位置において、液晶回折素子の法線方向（０°）から、±４０°（１０°刻み）で入射角度を変えて測定を行った。
異なる入射角度で測定した強度比（光の利用効率）の平均値を算出し、実施例１～実施例３、実施例１－Ａ２～実施例３－Ａ２および実施例１－Ａ３～実施例３－Ａ３の比較を行った。

評価の結果、実施例１に対し、実施例１－Ａ２の光の利用効率(平均値)は向上しており、実施例１－Ａ３の光の利用効率(平均値)はさらに向上していた。
同様に、実施例２に対し、実施例２－Ａ２の光の利用効率(平均値)は向上しており、実施例２－Ａ３の光の利用効率(平均値)はさらに向上していた。
実施例３に対し、実施例３－Ａ２の光の利用効率(平均値)は向上しており、実施例３－Ａ３の光の利用効率(平均値)はさらに向上していた。

以上から、液晶回折素子の液晶層の屈折率差Δｎ₅₅₀が高い方が、異なる入射角に対する光の利用効率が向上することがわかる。

［実施例１－Ｂ１］
（液晶層の形成）
第１の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

――――――――――――――――――――――――――――――――
液晶化合物Ｌ－１ １００．００質量部
カイラル剤Ｃ－３ ０．２３質量部
カイラル剤Ｃ－４ ０．８２質量部
重合開始剤（ＢＡＳＦ製、Ｉｒｇａｃｕｒｅ ＯＸＥ０１）
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 １０５０．００質量部
――――――――――――――――――――――――――――――――

カイラル剤Ｃ－３

カイラル剤Ｃ－４

第２の液晶層を形成する液晶組成物として、実施例１－Ｂ１の組成物Ｂ－１において、カイラル剤Ｃ－３を０．５４質量部、カイラル剤Ｃ－４を０．６２質量部に変更して組成物Ｂ－２を調整した。

第３の液晶層を形成する液晶組成物として、実施例１－Ｂ１の組成物Ｂ－１において、カイラル剤Ｃ－３を０．４８質量部、カイラル剤Ｃ－４を未添加に変更して組成物Ｂ－３を調整した。

まず、組成物Ｂ－１を配向膜Ｐ－１上に多層塗布することにより第１の液晶層を形成した。

先ず１層目は、配向膜Ｐ－１上に上記の組成物Ｂ－１を塗布して、塗膜をホットプレート上で８０℃に加熱し、その後、ＬＥＤ-ＵＶ露光機の波長３６５ｎｍの紫外線を塗膜に照射した。このとき、面内で紫外線の照射量を変化させて塗膜に照射した。具体的には中心部から端部に向けて照射量が増加するように面内で照射量を変化させて塗膜への照射を行った。その後、ホットプレート上で８０℃に加熱した塗膜を、窒素雰囲気下で高圧水銀灯を用いて波長３６５ｎｍの紫外線を３００ｍＪ／ｃｍ²の照射量で塗膜に照射することにより、液晶化合物の配向を固定化した。

２層目以降は、この液晶固定化層に重ね塗りして、上と同じ条件で液晶固定化層を作製した。このようにして、総厚が所望の膜厚になるまで重ね塗りを繰り返し、液晶層の第１の液晶層を形成した。
第１の液晶層は、最終的に液晶のΔｎ₅₅₀×厚さ（Ｒｅ（５５０））が１６０ｎｍになり、かつ、図５に示すような同心円状（放射状）の周期的な配向表面になっていることを偏光顕微鏡で確認した。なお、この液晶層は外方向に向かって周期が短くなる液晶配向パターンであった。また、液晶層の厚さ方向のねじれ角は、中心から約５ｍｍの距離でのねじれ角が左回りに８０°（－８０°）、中心から１５ｍｍの距離での１周期が左回りに１１５°（－１１５°）であり、外方向に向かってねじれ角が大きくなっていた。
以上のようにして面内でねじれ角が変化する液晶層を形成した。

次に、組成物Ｂ－２を第１の液晶層上に多層塗布することにより第２の液晶層を形成した。
第１の液晶層の上に組成物Ｂ－２を塗布して、実施例１－Ｂ１の第１の液晶層の作製において、中心部から端部に向けて塗膜へ照射する紫外線の照射量を変更（中心部から端部に向けて照射量を増加）し、総厚が所望の膜厚になるように変更した以外は同様にして、液晶層を形成した。

２層目以降は、この液晶固定化層に重ね塗りして、上と同じ条件で液晶固定化層を作製した。このようにして、総厚が所望の膜厚になるまで重ね塗りを繰り返し、第２の液晶層を形成した。
この第２の液晶層は、最終的に液晶のΔｎ₅₅₀×厚さ（Ｒｅ（５５０））が３３０ｎｍになり、かつ、図５に示すような同心円状（放射状）の周期的な配向表面になっていることを偏光顕微鏡で確認した。なお、この液晶層は外方向に向かって周期が短くなる液晶配向パターンであった。また、液晶層の厚さ方向のねじれ角は、中心から約５ｍｍの距離でのねじれ角が左回りに６°（－６°）、中心から１５ｍｍの距離での１周期が左回りに７６°（－７６°）であり、外方向に向かってねじれ角が大きくなっていた。
以上のようにして面内でねじれ角が変化する液晶層を形成した。

次に、組成物Ｂ－３を第２の液晶層上に多層塗布することにより第３の液晶層を形成した。
第２の液晶層の上に組成物Ｂ－３を塗布して、実施例１－Ｂ１の第１の液晶層の作製において、中心部から端部に向けて塗膜へ照射する紫外線の照射量を変更（中心部から端部に向けて照射量を増加）し、総厚が所望の膜厚になるように変更した以外は同様にして、液晶層を形成した。

２層目以降は、この液晶固定化層に重ね塗りして、上と同じ条件で液晶固定化層を作製した。このようにして、総厚が所望の膜厚になるまで重ね塗りを繰り返し、第３の液晶層を形成した。
この第３の液晶層は、最終的に液晶のΔｎ₅₅₀×厚さ（Ｒｅ（５５０））が１６０ｎｍになり、かつ、図５に示すような同心円状（放射状）の周期的な配向表面になっていることを偏光顕微鏡で確認した。なお、この液晶層は外方向に向かって周期が短くなる液晶配向パターンであった。また、液晶層の厚さ方向のねじれ角は、中心から約５ｍｍの距離でのねじれ角が右回りに８０°（ねじれ角８０°）、中心から１５ｍｍの距離での１周期が右回りに４８°（ねじれ角４８°）であり、外方向に向かってねじれ角が小さくなっていた。
以上のようにして第１の液晶層から第３の液晶層を有する液晶層を形成した。

作製した光学異方性層の断面をＳＥＭで観察したところ、明部および暗部の形状は、暗部が２つの変曲点を有し、平均傾斜角が、中心から外方向に向かって大きくなっていた。
また、第１～第３の液晶層を有する液晶回折素子に平行光を入射して、集光される出射光の焦点距離を測定した。焦点距離は３０ｍｍであった。

［実施例２－Ｂ１］
液晶回折素子の作製において、配向膜Ｐ－１に形成する配向パターンを変更し、焦点距離を１５ｍｍとし、画像表示装置と液晶回折素子との距離を１５ｍｍとした以外は、実施例１－Ｂ１と同様にして画像表示ユニットを作製した。

［実施例３－Ｂ１］
液晶回折素子の作製において、配向膜Ｐ－１に形成する配向パターンを変更し、焦点距離を１０ｍｍとし、画像表示装置と液晶回折素子との距離を１０ｍｍとした以外は、実施例１－Ｂ１と同様にして画像表示ユニットを作製した。

［実施例１－Ｂ２］
実施例１－Ｂ１において、液晶化合物Ｌ－１を液晶化合物Ｌ－２に変えて、カイラル剤Ｃ－３、カイラル剤Ｃ－４の添加量を調整し、液晶層の作製において、中心部から端部に向けて塗膜へ照射する紫外線の照射量を調整し、液晶層の膜厚を調整した以外は同様にして、液晶回折素子を作製し、実施例１－Ｂ２の画像表示ユニットを作製した。

第１の液晶層は、最終的に液晶のΔｎ₅₅₀×厚さ（Ｒｅ（５５０））が１６０ｎｍになり、かつ、図５に示すような同心円状（放射状）の周期的な配向表面になっていることを偏光顕微鏡で確認した。なお、この液晶層は外方向に向かって周期が短くなる液晶配向パターンであった。また、液晶層の厚さ方向のねじれ角は、中心から約５ｍｍの距離でのねじれ角が左回りに８０°（－８０°）、中心から１５ｍｍの距離での１周期が左回りに１１５°（－１１５°）であり、外方向に向かってねじれ角が大きくなっていた。
以上のようにして面内でねじれ角が変化する液晶層を形成した。

第２の液晶層は、最終的に液晶のΔｎ₅₅₀×厚さ（Ｒｅ（５５０））が３３０ｎｍになり、かつ、図５に示すような同心円状（放射状）の周期的な配向表面になっていることを偏光顕微鏡で確認した。なお、この液晶層は外方向に向かって周期が短くなる液晶配向パターンであった。また、液晶層の厚さ方向のねじれ角は、中心から約５ｍｍの距離でのねじれ角が左回りに６°（－６°）、中心から１５ｍｍの距離での１周期が左回りに７６°（－７６°）であり、外方向に向かってねじれ角が大きくなっていた。
以上のようにして面内でねじれ角が変化する液晶層を形成した。

第３の液晶層は、最終的に液晶のΔｎ₅₅₀×厚さ（Ｒｅ（５５０））が１６０ｎｍになり、かつ、図５に示すような同心円状（放射状）の周期的な配向表面になっていることを偏光顕微鏡で確認した。なお、この液晶層は外方向に向かって周期が短くなる液晶配向パターンであった。また、液晶層の厚さ方向のねじれ角は、中心から約５ｍｍの距離でのねじれ角が右回りに８０°（ねじれ角８０°）、中心から１５ｍｍの距離での１周期が右回りに４８°（ねじれ角４８°）であり、外方向に向かってねじれ角が小さくなっていた。
以上のようにして第１の液晶層から第３の液晶層を有する液晶層を形成した。

作製した光学異方性層の断面をＳＥＭで観察したところ、明部および暗部の形状は、暗部が２つの変曲点を有し、平均傾斜角が、中心から外方向に向かって大きくなっていた。
また、第１～第３の液晶層を有する液晶回折素子に平行光を入射して、集光される出射光の焦点距離を測定した。焦点距離は３０ｍｍであった。

［実施例２－Ｂ２］
液晶回折素子の作製において、配向膜Ｐ－１に形成する配向パターンを変更し、焦点距離を１５ｍｍとし、画像表示装置と液晶回折素子との距離を１５ｍｍとした以外は、実施例１－Ｂ２と同様にして画像表示ユニットを作製した。

［実施例３－Ｂ２］
液晶回折素子の作製において、配向膜Ｐ－１に形成する配向パターンを変更し、焦点距離を１０ｍｍとし、画像表示装置と液晶回折素子との距離を１０ｍｍとした以外は、実施例１－Ｂ２と同様にして画像表示ユニットを作製した。

［実施例１－Ｂ３］
実施例１－Ｂ１において、液晶化合物Ｌ－１を液晶化合物Ｌ－３に変えて、カイラル剤Ｃ－３、カイラル剤Ｃ－４の添加量を調整し、液晶層の作製において、中心部から端部に向けて塗膜へ照射する紫外線の照射量を調整し、液晶層を形成するときの塗膜の加熱温度を５５℃に変更し、液晶層の膜厚を調整した以外は同様にして、液晶回折素子を作製し、実施例１－Ｂ２の画像表示ユニットを作製した。

第１の液晶層は、最終的に液晶のΔｎ₅₅₀×厚さ（Ｒｅ（５５０））が１６０ｎｍになり、かつ、図５に示すような同心円状（放射状）の周期的な配向表面になっていることを偏光顕微鏡で確認した。なお、この液晶層は外方向に向かって周期が短くなる液晶配向パターンであった。また、液晶層の厚さ方向のねじれ角は、中心から約５ｍｍの距離でのねじれ角が左回りに８０°（－８０°）、中心から１５ｍｍの距離での１周期が左回りに１１５°（－１１５°）であり、外方向に向かってねじれ角が大きくなっていた。
以上のようにして面内でねじれ角が変化する液晶層を形成した。

第２の液晶層は、最終的に液晶のΔｎ₅₅₀×厚さ（Ｒｅ（５５０））が３３０ｎｍになり、かつ、図５に示すような同心円状（放射状）の周期的な配向表面になっていることを偏光顕微鏡で確認した。なお、この液晶層は外方向に向かって周期が短くなる液晶配向パターンであった。また、液晶層の厚さ方向のねじれ角は、中心から約５ｍｍの距離でのねじれ角が左回りに６°（－６°）、中心から１５ｍｍの距離での１周期が左回りに７６°（－７６°）であり、外方向に向かってねじれ角が大きくなっていた。
以上のようにして面内でねじれ角が変化する液晶層を形成した。

第３の液晶層は、最終的に液晶のΔｎ₅₅₀×厚さ（Ｒｅ（５５０））が１６０ｎｍになり、かつ、図５に示すような同心円状（放射状）の周期的な配向表面になっていることを偏光顕微鏡で確認した。なお、この液晶層は外方向に向かって周期が短くなる液晶配向パターンであった。また、液晶層の厚さ方向のねじれ角は、中心から約５ｍｍの距離でのねじれ角が右回りに８０°（ねじれ角８０°）、中心から１５ｍｍの距離での１周期が右回りに４８°（ねじれ角４８°）であり、外方向に向かってねじれ角が小さくなっていた。
以上のようにして第１の液晶層から第３の液晶層を有する液晶層を形成した。

作製した光学異方性層の断面をＳＥＭで観察したところ、明部および暗部の形状は、暗部が２つの変曲点を有し、平均傾斜角が、中心から外方向に向かって大きくなっていた。
また、第１～第３の液晶層を有する液晶回折素子に平行光を入射して、集光される出射光の焦点距離を測定した。焦点距離は３０ｍｍであった。

［実施例２－Ｂ３］
液晶回折素子の作製において、配向膜Ｐ－１に形成する配向パターンを変更し、焦点距離を１５ｍｍとし、画像表示装置と液晶回折素子との距離を１５ｍｍとした以外は、実施例１－Ｂ３と同様にして画像表示ユニットを作製した。

［実施例３－Ｂ３］
液晶回折素子の作製において、配向膜Ｐ－１に形成する配向パターンを変更し、焦点距離を１０ｍｍとし、画像表示装置と液晶回折素子との距離を１０ｍｍとした以外は、実施例１－Ｂ３と同様にして画像表示ユニットを作製した。

［評価］
＜画像表示ユニットの光利用効率の評価＞
画像表示ユニットにおけるディスプレイを取り外し、評価用光源を配置した。評価用光源としては、レーザーポインタ（波長５３２ｎｍ）を用いた。レーザーポインタを用いて、第１の直線偏光板側から光を入射し（入射光）、出射光の強度をパワーメーターで測定した。入射光の強度との強度比を求めた。
作製した液晶回折素子の同心円の中心から、５ｍｍ、１５ｍｍの位置において、液晶回折素子の法線方向（０°）から測定を行った。
測定した強度比（光の利用効率）を用いて、実施例１～実施例３、実施例１－Ｂ１～実施例３－Ｂ１の比較を行った。

評価の結果、実施例１に対し、実施例１－Ｂ１の光の利用効率は、液晶回折素子の同心円の中心から、５ｍｍ位置では同等で、１５ｍｍの位置において、利用率が向上していた。
同様に、実施例２に対し、実施例２－Ｂ１の光の利用効率は、液晶回折素子の同心円の中心から、５ｍｍ位置では同等で、１５ｍｍの位置において、利用率が向上していた。
実施例３に対し、実施例３－Ｂ１の光の利用効率は、液晶回折素子の同心円の中心から、５ｍｍ位置では同等で、１５ｍｍの位置において、利用率が向上していた。

以上から、液晶回折素子の液晶層が厚さ方向のねじれ角の大きさが異なる領域を有し、液晶配向パターンの１周期Λが短い領域ほど、液晶層の厚さ方向のねじれ角を大きくする（暗部の平均傾斜角を大きくする）ことで、回折角が大きくなる領域（上述の場合、１５ｍｍの位置）において、光の利用効率が向上していることがわかる。

［評価］
＜画像表示ユニットの光利用効率の評価＞
画像表示ユニットにおけるディスプレイを取り外し、評価用光源を配置した。評価用光源としては、レーザーポインタ（波長５３２ｎｍ）を用いた。レーザーポインタを用いて、第１の直線偏光板側から光を入射し（入射光）、出射光の強度をパワーメーターで測定した。入射光の強度との強度比を求めた。
作製した液晶回折素子の同心円の中心から、５ｍｍ、１５ｍｍの位置において、液晶回折素子の法線方向（０°）から、±４０°（１０°刻み）で入射角度を変えて測定を行った。
異なる入射角度で測定した強度比（光の利用効率）の平均値を算出し、実施例１－Ｂ１～実施例３－Ｂ１、実施例１－Ｂ２～実施例３－Ｂ２および実施例１－Ｂ３～実施例３－Ｂ３の比較を行った。

評価の結果、実施例１－Ｂ１に対し、実施例１－Ｂ２の光の利用効率(平均値)は向上しており、実施例１－Ｂ３の光の利用効率(平均値)はさらに向上していた。
同様に、実施例２－Ｂ１に対し、実施例２－Ｂ２の光の利用効率(平均値)は向上しており、実施例２－Ｂ３の光の利用効率(平均値)はさらに向上していた。
実施例３－Ｂ１に対し、実施例３－Ｂ２の光の利用効率(平均値)は向上しており、実施例３－Ｂ３の光の利用効率(平均値)はさらに向上していた。

以上から、液晶回折素子の液晶層の屈折率差Δｎ₅₅₀が高い方が、異なる入射角に対する光の利用効率が向上することがわかる。

［実施例４～６］
実施例１～３の画像ユニット作製において、直線偏光板（ポリビニルアルコール層型）を、後述の様にして作製した吸収型偏光板に変更した以外は同様にして、画像ユニットを作製した。

[吸収型偏光子の作製]
＜透明支持体１の作製＞
後述する配向層形成用塗布液ＰＡ１を、ワイヤーバーで連続的にセルロースアシレートフィルム（厚み４０μｍのＴＡＣ基材；ＴＧ４０ 富士フイルム社）上に塗布した。塗膜が形成された支持体を１４０℃の温風で１２０秒間乾燥し、続いて、塗膜に対して偏光紫外線照射（１０ｍＪ／ｃｍ^２、超高圧水銀ランプ使用）することで、光配向層ＰＡ１を形成し、光配向層付きＴＡＣフィルムを得た。
膜厚は０．３μｍであった。

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（配向層形成用塗布液ＰＡ１）
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下記記重合体ＰＡ－１ １００．００質量部
下記酸発生剤ＰＡＧ-1 ５．００質量部
下記酸発生剤ＣＰＩ－１１０ＴＦ ０．００５質量部
キシレン ２２０．００質量部
メチルイソブチルケトン １２２．００質量部
――――――――――――――――――――――――――――――

重合体ＰＡ－１

酸発生剤ＰＡＧ－１

酸発生剤ＣＰＩ－１１０Ｆ

＜光吸収異方性層Ｐ１の形成＞
得られた配向層ＰＡ１上に、下記の光吸収異方性層形成用組成物Ｐ１をワイヤーバーで連続的に塗布し、塗布層Ｐ１を形成した。
次いで、塗布層Ｐ１を１４０℃で３０秒間加熱し、塗布層Ｐ１を室温（２３℃）になるまで冷却した。
次いで、９０℃で６０秒間加熱し、再び室温になるまで冷却した。
その後、ＬＥＤ灯（中心波長３６５ｎｍ）を用いて照度２００ｍＷ／ｃｍ^２の照射条件で２秒間照射することにより、配向層ＰＡ１上に光吸収異方性層Ｐ１を作製した。
膜厚は１．６μｍであった。
これを積層体１Ｂとした。

―――――――――――――――――――――――――――――――――
光吸収異方性層形成用組成物Ｐ１の組成
―――――――――――――――――――――――――――――――――
・下記二色性物質Ｄ－１ ０．２５質量部
・下記二色性物質Ｄ－２ ０．３６質量部
・下記二色性物質Ｄ－３ ０．５９質量部
・下記高分子液晶性化合物Ｐ－１ ２．２１質量部
・下記低分子液晶性化合物Ｍ－１ １．３６質量部
・重合開始剤
ＩＲＧＡＣＵＲＥＯＸＥ-０２（ＢＡＳＦ社製） ０．２００質量部
・下記界面活性剤Ｆ－１ ０．０２６質量部
・シクロペンタノン ４６．００質量部
・テトラヒドロフラン ４６．００質量部
・ベンジルアルコール ３．００質量部
―――――――――――――――――――――――――――――――――

Ｄ－１

Ｄ－２

Ｄ－３

高分子液晶性化合物Ｐ－１

低分子液晶性化合物Ｍ－１

界面活性剤Ｆ－１

＜ＵＶ接着剤の作製＞
下記のＵＶ接着剤組成物を調製した。
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ＵＶ接着剤組成物
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・ＣＥＬ２０２１Ｐ（ダイセル社製） ７０質量部
・１、４－ブタンジオールジグリシジルエーテル ２０質量部
・２－エチルヘキシルグリシジルエーテル １０質量部
・ＣＰＩ－１００Ｐ ２．２５質量部
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ＣＰＩ－１００Ｐ

＜吸収型偏光フィルムの作製＞
積層体１Ｂの光吸収異方性層表面に対し、上記ＵＶ接着剤を用いて、樹脂基材Ｓ１としてテクノロイＳ００１Ｇ（メタクリル樹脂５０μｍ厚、ｔａｎδピーク温度１２８℃、住化アクリル販売（株））を貼り合わせた。その後、セルロースアシレートフィルム１のみ剥離して、樹脂基材/接着層/光吸収異方性層/配向層がこの順に配置された吸収型偏光フィルムを作製した。ＵＶ接着層の厚みは２μｍであった。

得られた吸収型偏光フィルムの平均算術粗さＲａは、１０ｎｍ以下であった。一方、直線偏光板（ポリビニルアルコール層型）の平均算術粗さＲａは、２０ｎｍ以上であった。
これにより、作製した吸収型偏光フィルムは、表示される画像の歪みを抑制することができる。
なお、平均算術粗さＲａは、株式会社菱化システム製の干渉計「ｖｅｒｔｓｃａｎ」を用いて測定した。

［評価］
画像表示ユニットの光利用効率の評価、画質評価１、画質評価２を行い、いずれも評価はＡであった。
以上から本発明の効果は明らかである。

１０ａ、１０ｂ 画像表示ユニット
１２ 第１の直線偏光板
１４ 第１の位相差板
１６ 第１の円偏光板
２０ 偏光回折素子（偏光回折レンズ）
２２ 第２の位相差板
２４ 第２の直線偏光板
２６ 第２の円偏光板
３０ 支持体
３２ 配向膜
３６ 液晶層
４０ 液晶化合物
４０Ａ 光学軸
４２ 明部
４４ 暗部
５２、５２ｂ 画像表示装置
８０ 露光装置
８２ レーザ
８４ 光源
８６、９４ 偏光ビームスプリッター
９０Ａ、９０Ｂ ミラー
９６ λ／４板
９２ レンズ
Ｄ、Ａ₁～Ａ₃ 配列軸
Λ １周期
Ｕ 使用者
Ｍ レーザ光
ＭＰ Ｐ偏光
ＭＳ Ｓ偏光
Ｒ 領域
Ｌ₁、Ｌ₂、Ｌ₄、Ｌ₅ 光
ＶＩ 虚像
ｄ 画像表示装置と偏光回折レンズとの距離
ｆ 偏光回折レンズの焦点距離

Claims (19)

1. 画像表示装置と、
   前記画像表示装置から出射された光を回折する偏光回折素子と、
   前記偏光回折素子で回折された偏光を透過し、前記偏光回折素子で回折されなかった光を吸収する偏光板と、を有し、
   前記偏光回折素子が、レンズ機能を有する偏光回折レンズであって、
   前記偏光回折レンズの焦点距離をｆとし、前記画像表示装置と前記偏光回折レンズとの距離をｄとすると、
   ｄ≦ｆを満たす画像表示ユニット。
2. 前記偏光回折レンズの焦点距離ｆが４０ｍｍ未満である請求項１に記載の画像表示ユニット。
3. 前記偏光回折素子が、円偏光を回折するものであり、
   前記偏光板が円偏光板である請求項１または２に記載の画像表示ユニット。
4. 前記画像表示装置が、直線偏光を出射するものであり、
   前記画像表示装置と前記偏光回折素子との間に、位相差板を有する請求項３に記載の画像表示ユニット。
5. 前記位相差板がλ／４板である請求項４に記載の画像表示ユニット。
6. 前記画像表示装置が、無偏光を出射するものであり、
   前記画像表示装置と前記偏光回折素子との間に、前記円偏光板を有する請求項３に記載の画像表示ユニット。
7. 前記円偏光板が、直線偏光板と位相差板とからなる請求項３～６のいずれか一項に記載の画像表示ユニット。
8. 前記位相差板がλ／４板である請求項７に記載の画像表示ユニット。
9. 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し、
   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１周期とすると、前記液晶層は、面内に、前記１周期の長さが異なる領域を有する請求項１～８のいずれか一項に記載の画像表示ユニット。
10. 前記液晶層は、前記液晶配向パターンにおける前記一方向の一方の側から他方の側に向かって、前記１周期が漸次、短くなる請求項９に記載の画像表示ユニット。
11. 前記液晶層は、前記液晶配向パターンの前記一方向を、内側から外側に向かう同心円状に有する請求項９または１０に記載の画像表示ユニット。
12. 前記液晶層は、前記一方向に沿って厚さ方向に切断した断面を走査型電子顕微鏡で観察される断面画像において、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いる領域を有する請求項９～１１のいずれか一項に記載の画像表示ユニット。
13. 前記液晶回折素子は、前記液晶層を２層以上有し、
    少なくとも２層の前記液晶層は、前記一方向に沿って厚さ方向に切断した断面を走査型電子顕微鏡で観察した断面画像において、前記光学軸の向きに由来する明部および暗部が観察され、
    前記少なくとも２層の前記液晶層において、前記明部および前記暗部の、前記液晶層の主面に対する傾斜角度が、互いに異なっている請求項１２に記載の画像表示ユニット。
14. 前記液晶層は、一方向に沿って厚さ方向に切断した断面を走査型電子顕微鏡で観察される断面画像において、一方の表面から他方の表面に延在する明部および暗部を有し、暗部が、２つ以上の角度の変曲点を有し、
    厚さ方向において、前記暗部の傾斜方向が異なる領域を有する請求項９～１３のいずれか一項に記載の画像表示ユニット。
15. 前記液晶層における、前記暗部の傾斜方向が折り返される変曲点の数が奇数個である請求項１４に記載の画像表示ユニット。
16. 前記液晶層における、前記暗部の平均傾斜角が、一方向に沿って漸次変化している、請求項１２～１５のいずれか一項に記載の画像表示ユニット。
17. 前記液晶層は、前記液晶層の厚さ方向の中心線に対して、前記明部および前記暗部の形状が非対称である領域を有する、請求項１２～１６のいずれか一項に記載の画像表示ユニット。
18. 前記液晶層の屈折率異方性に伴う屈折率差Δｎ₅₅₀が０．２以上である、請求項９～１７のいずれか一項に記載の画像表示ユニット。
19. 請求項１～１８のいずれか一項に記載の画像表示ユニットを有するヘッドマウントディスプレイ。