WO2020004497A1 - 光学素子及び光学素子の製造方法 - Google Patents

光学素子及び光学素子の製造方法 Download PDF

Info

Publication number
WO2020004497A1
WO2020004497A1 PCT/JP2019/025464 JP2019025464W WO2020004497A1 WO 2020004497 A1 WO2020004497 A1 WO 2020004497A1 JP 2019025464 W JP2019025464 W JP 2019025464W WO 2020004497 A1 WO2020004497 A1 WO 2020004497A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
liquid crystal
alignment layer
curve
optical element
convex
Prior art date
Application number
PCT/JP2019/025464
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
聡一 鷲見
大助 柏木
Original Assignee
富士フイルム株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 富士フイルム株式会社 filed Critical 富士フイルム株式会社
Priority to JP2020527597A priority Critical patent/JPWO2020004497A1/ja
Publication of WO2020004497A1 publication Critical patent/WO2020004497A1/ja
Priority to US17/133,083 priority patent/US11402696B2/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
    • G02F1/133—Constructional arrangements; Operation of liquid crystal cells; Circuit arrangements
    • G02F1/1333—Constructional arrangements; Manufacturing methods
    • G02F1/1337—Surface-induced orientation of the liquid crystal molecules, e.g. by alignment layers
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/18—Diffraction gratings
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/30—Polarising elements
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
    • G02F1/133—Constructional arrangements; Operation of liquid crystal cells; Circuit arrangements
    • G02F1/1333—Constructional arrangements; Manufacturing methods
    • G02F1/1337—Surface-induced orientation of the liquid crystal molecules, e.g. by alignment layers
    • G02F1/133711—Surface-induced orientation of the liquid crystal molecules, e.g. by alignment layers by organic films, e.g. polymeric films
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
    • G02F1/133—Constructional arrangements; Operation of liquid crystal cells; Circuit arrangements
    • G02F1/1333—Constructional arrangements; Manufacturing methods
    • G02F1/1337—Surface-induced orientation of the liquid crystal molecules, e.g. by alignment layers
    • G02F1/133753—Surface-induced orientation of the liquid crystal molecules, e.g. by alignment layers with different alignment orientations or pretilt angles on a same surface, e.g. for grey scale or improved viewing angle
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
    • G02F1/133—Constructional arrangements; Operation of liquid crystal cells; Circuit arrangements
    • G02F1/1333—Constructional arrangements; Manufacturing methods
    • G02F1/1337—Surface-induced orientation of the liquid crystal molecules, e.g. by alignment layers
    • G02F1/133753—Surface-induced orientation of the liquid crystal molecules, e.g. by alignment layers with different alignment orientations or pretilt angles on a same surface, e.g. for grey scale or improved viewing angle
    • G02F1/133757—Surface-induced orientation of the liquid crystal molecules, e.g. by alignment layers with different alignment orientations or pretilt angles on a same surface, e.g. for grey scale or improved viewing angle with different alignment orientations
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
    • G02F1/133—Constructional arrangements; Operation of liquid crystal cells; Circuit arrangements
    • G02F1/1333—Constructional arrangements; Manufacturing methods
    • G02F1/1337—Surface-induced orientation of the liquid crystal molecules, e.g. by alignment layers
    • G02F1/133776—Surface-induced orientation of the liquid crystal molecules, e.g. by alignment layers having structures locally influencing the alignment, e.g. unevenness
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
    • G02F1/133—Constructional arrangements; Operation of liquid crystal cells; Circuit arrangements
    • G02F1/1333—Constructional arrangements; Manufacturing methods
    • G02F1/1337—Surface-induced orientation of the liquid crystal molecules, e.g. by alignment layers
    • G02F1/13378—Surface-induced orientation of the liquid crystal molecules, e.g. by alignment layers by treatment of the surface, e.g. embossing, rubbing or light irradiation
    • G02F1/133788—Surface-induced orientation of the liquid crystal molecules, e.g. by alignment layers by treatment of the surface, e.g. embossing, rubbing or light irradiation by light irradiation, e.g. linearly polarised light photo-polymerisation

Definitions

  • the present disclosure relates to an optical element that can be used as a liquid crystal polarizing element and a method for manufacturing the optical element.
  • Patent Document 1 JP-T-2008-532085 discloses a polarization diffraction element having a liquid crystal layer.
  • Patent Document 1 discloses a method for producing a polarization diffraction grating by pattern-aligning liquid crystals by controlling liquid crystal alignment using an optical alignment film.
  • Patent Document 2 discloses a liquid crystal polarizer capable of polarizing light in various polarization directions.
  • Patent Document 2 discloses a polarizer that forms a patterned alignment microstructure on a film by embossing with an engraving roller or a forming stamp, and includes a liquid crystal layer arranged on the alignment microstructure. ing.
  • an anisotropic alignment pattern is given to the photo-alignment film by exposing the right-handed circularly polarized light and the left-handed circularly polarized light so that the liquid crystal layer is formed on the photo-alignment film. .
  • a manufacturing method since it takes time to adjust the optical axis at the time of interference exposure, it takes a long time to manufacture, and only a small-area product can be manufactured. Further, the alignment pattern obtained by exposure is limited.
  • Patent Document 2 since an oriented microstructure is formed by embossing a form, various patterns including curves can be produced. Patent Document 2 does not specify the size of the pattern. However, Patent Literature 2 describes a polarizer used for a light control device. In consideration of this, a liquid crystal having a pitch of several mm to several cm larger than the pitch of the diffraction grating disclosed in Patent Literature 1 is considered. It is believed that it is intended to form an alignment pattern.
  • the present disclosure has been made in view of the above circumstances, and provides an optical element and a method for manufacturing an optical element that have a liquid crystal alignment pattern with a period as small as a diffraction grating can be realized and can be manufactured with high productivity. With the goal.
  • a support a linearly extending concave portion including a first curve having a curvature of 3.0 mm -1 or more, provided on one surface of the support, and a second concave having a curvature of 3.0 mm -1 or more.
  • An alignment layer having a concavo-convex structure in which convex portions extending linearly including a curve are provided alternately, and the optical axis of liquid crystal molecules is parallel to the one surface, and along the concave portions and convex portions of the alignment layer.
  • An optical element comprising: ⁇ 2> When the surface roughness Ra of the side wall surface of the concave-convex structure including a line connecting the bottom point of the concave portion and the vertex of the convex portion of the alignment layer is Ra ⁇ D when the width of the concave portion is D,
  • the orientation pattern is such that the direction of the optical axis of the liquid crystal molecule continuously changes in rotation along at least one direction in the plane of the liquid crystal layer, and the cycle of 180 ° rotation is 0.3 ⁇ m or more;
  • the curvature of the first curve and the second curve is 5.0 ⁇ m ⁇ 1 (5000 mm ⁇ 1 ) or less.
  • Optical element. ⁇ 5> On one surface of the support, an alignment layer having an uneven structure in which linearly extending concave portions including the first curve and linearly extending convex portions including the second curve are alternately formed.
  • a second step of forming a liquid crystal layer on the surface of the alignment layer. The first step includes applying a resist to the one surface of the support, and forming a transfer uneven structure.
  • a method of manufacturing an optical element wherein the uneven structure is formed in the resist by pressing a stamper having the uneven structure onto the resist, and the alignment layer having the uneven structure is formed by curing the resist having the uneven structure.
  • the first step includes applying a resist to the one surface of the support, and applying an electron beam lithography method.
  • FIG. 1 is a perspective view schematically illustrating an optical element according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a partially exploded perspective view of the optical element shown in FIG. 1.
  • FIG. 2 is a diagram schematically showing a partial cross section of the optical element shown in FIG. 1. It is a figure which shows typically the uneven structure cross section of an orientation layer. It is a figure which shows typically the uneven structure cross section of an orientation layer.
  • FIG. 2 is an enlarged perspective conceptual view showing a part of the optical element shown in FIG. 1.
  • FIG. 4 is a perspective conceptual view showing a part of a modification of the optical element shown in FIG. 1 in an enlarged manner. It is a figure which shows typically the orientation pattern in which the direction of an optical axis changes rotationally in a plane.
  • FIG. 1 is a perspective view schematically illustrating an optical element according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a partially exploded perspective view of the optical element shown in FIG. 1.
  • FIG. 2 is a diagram schematically showing a partial cross section of
  • FIG. 2 is a diagram schematically illustrating a concavo-convex structure of an alignment layer of the optical element illustrated in FIG. 1, an alignment pattern of an optical axis, and a light-dark pattern observed in a state sandwiched by orthogonal polarizers.
  • FIG. 8 is an enlarged view showing a concavo-convex structure of the alignment layer in a region indicated by VIII in FIG. 7.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating steps of a method for manufacturing the optical element according to the first embodiment. It is a figure showing a process of a manufacturing method of an optical element of a 2nd embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram schematically illustrating the uneven structure of the alignment layer in Examples 1 and 2 and Reference Example 1. It is a figure which shows typically about the orientation of an optical axis, and the light-dark pattern observed in the state which pinched
  • a numerical range represented by using “to” means a range including numerical values described before and after “to” as a lower limit and an upper limit.
  • “orthogonal” and “parallel” with respect to the angle mean a range of a strict angle ⁇ 10 °.
  • FIG. 1 is a perspective view schematically showing an embodiment of an optical element 10 according to the present invention
  • FIG. 2 is an exploded perspective view showing an alignment layer 12 and a liquid crystal layer 13 separately
  • FIG. FIG. 2 is a diagram schematically showing a partial cross section of the optical element 10 shown in FIG.
  • the optical element 10 of the embodiment includes a support 11, an alignment layer 12 provided on one surface of the support 11, having an uneven structure 20, and a predetermined alignment pattern provided on the surface of the uneven structure 20 of the alignment layer 12. And a liquid crystal layer 13 having
  • the support 11 is preferably a transparent substrate such as glass or a resin film.
  • a linearly extending concave portion and a linearly extending convex portion including a second curve having a curvature of 3.0 mm ⁇ 1 or more are provided alternately.
  • the first curve and the second curve may have the same curvature or may have different curvatures.
  • FIG. 2 schematically shows a curve along which the concave and convex portions of the uneven structure 20 linearly extend on the surface of the alignment layer 12.
  • the liquid crystal layer 13 has a predetermined alignment pattern 30 in which the optical axes 32 of the liquid crystal molecules are aligned along the concave portions 22 and the convex portions 24 of the alignment layer 12. That is, the liquid crystal molecules are arranged along the linearly extending concave and convex portions 22 and 24 including a curve having a curvature of 3.0 mm ⁇ 1 or more of the alignment layer 12, and the alignment pattern of the optical axis 32 along the curve. It has.
  • the liquid crystal layer 13 is formed by coating a liquid crystal composition containing rod-shaped liquid crystal molecules or a liquid crystal composition containing disc-shaped liquid crystal molecules on the alignment layer 12 and fixing the liquid crystal composition in a state where the liquid crystal composition is aligned in the alignment pattern. Layer.
  • FIGS. 4 and 5 are diagrams schematically showing liquid crystal molecules aligned along the uneven structure.
  • the liquid crystal molecules are rod-shaped liquid crystal molecules 33
  • the liquid crystal molecules are disc-shaped liquid crystal molecules.
  • the liquid crystal molecules are rod-shaped liquid crystal molecules 33, as shown in FIG. 4, when viewed microscopically, a large number of rod-shaped liquid crystal molecules are formed along the extending direction of the concave portions 22 and the convex portions 24 of the concavo-convex structure 20 provided on the alignment layer 12.
  • the optical axis 32 of the liquid crystal molecule 33 is oriented. It is considered that the optical axis 32 of the rod-shaped liquid crystal molecule 33 is parallel to the plane and is oriented in a substantially tangential direction of each of the concave portion 22 and the convex portion 24.
  • the optical axis of the rod-like liquid crystal molecule 33 coincides with its slow axis (long axis) direction. Then, macroscopically, in the liquid crystal layer 13, an alignment pattern in which the optical axis 32 is aligned along the uneven structure 20 is obtained.
  • the optical axis 32 of the disc-shaped liquid crystal molecule 34 is provided on the alignment layer 12 with the disc surface rising in the thickness direction of the liquid crystal layer. It is considered that they are oriented along the direction in which the concave portion 22 and the convex portion 24 of the concave-convex structure 20 extend.
  • the optical axis 32 of the discotic liquid crystal molecule 34 coincides with the fast axis direction.
  • curvature ⁇ of a curve can be represented by the following equation when the curve is represented by x and y.
  • Line in the optical device of the present disclosure including the alignment layer 12, and a recess extending linearly including first curve above curvature 3.0 mm -1, the second curve above curvature 3.0 mm -1
  • the linear concave and convex portions and a linear shape including a curve having a curvature of less than 3.0 mm ⁇ 1 are provided. It may have an extended concave portion and convex portion.
  • One linearly extending concave portion or one linearly extending convex portion may extend linearly including a plurality of curves of different curvatures, or may extend linearly including a curve and a straight line.
  • liquid crystal molecules cannot be aligned along a linearly extending concave or convex portion including a curve having a curvature of 3.0 mm ⁇ 1 or more.
  • the manufacturing method of one embodiment of the present disclosure described later it is possible to align the liquid crystal molecules even with respect to the linearly extending concave and convex portions including a curve having a curvature of 3.0 mm ⁇ 1 or more.
  • the first curve and the second curve may have the same curvature or may not have the same curvature. Note that the curvature of the first curve and the second curve is preferably 5 ⁇ m ⁇ 1 or less.
  • the direction of the optical axis 32 of the liquid crystal molecules is continuously rotated in at least one direction in the plane of the liquid crystal layer 13, that is, along the axis A in the figure, and the period of 180 ° rotation is 0.3 ⁇ m.
  • it has an orientation pattern of less than 1 mm, that is, an orientation pattern functioning as a diffraction grating (see FIG. 1).
  • the liquid crystal alignment pattern in which the direction of the optical axis 32 is rotationally changed along one direction in the plane is, for example, as shown in FIG. 6, the optical axis 32 of the liquid crystal molecules arranged along the axis A and the axis.
  • the angle between the optical axis 32 and the axis A is different depending on the position in the direction of the axis A, and the angle between the optical axis 32 and the axis A along the axis A is gradually changed from ⁇ to ⁇ + 180 ° or ⁇ 180 °. This is a fixed pattern.
  • FIG. 7 shows the uneven structure 20 of the alignment layer of the optical element 10, the alignment pattern 30 of the optical axis 32, and the light-dark pattern of the light part 42 and the dark part 44 observed when the optical element 10 is sandwiched between orthogonal polarizers. It is a figure which shows 40 typically.
  • the concavo-convex structure 20 is schematically shown by a straight line.
  • the distance at which the angle between the optical axis 32 and the A-axis changes from ⁇ to ⁇ + 180 ° or ⁇ 180 ° (returns to the original position) is a period of 180 ° rotation, and is hereinafter referred to as a rotation period ⁇ .
  • the rotation period ⁇ of the direction of the optical axis 32 is 0.3 ⁇ m or more and less than 1 mm, and preferably 0.5 ⁇ m to 5 ⁇ m.
  • the rotation period ⁇ may be determined according to the wavelength of light incident on the optical element and the desired output angle.
  • the light portions 42 and the dark portions 44 are observed alternately, and the cycle thereof is half of the rotation cycle of the optical axis.
  • the period of the light-dark pattern 40 corresponds to the period of the diffraction grating.
  • FIG. 8 is an enlarged view of the concavo-convex structure 20 of the alignment layer 12 in a region indicated by VIII in FIG.
  • FIG. 8 shows a concavo-convex structure provided to realize an orientation pattern in which the optical axis 32 is rotationally oriented in the direction of the axis A, as shown in FIG. 7, and is linear along a curve having a linear shape and various curvatures.
  • the concave portions 22 and the convex portions 24 extending in the vertical direction are alternately arranged.
  • the concave portions 22 and the convex portions 24 may be reverse patterns.
  • the width in a cross section perpendicular to the extending direction of the concave portion 22 and / or the convex portion 24 is preferably about 12.5 nm to 20 nm.
  • the width of the region where the uneven structure is linearly arranged is preferably 62.5 nm to 100 nm.
  • one concave or convex portion of the concavo-convex structure 20 has a shape of a half arc of an ellipse, and the curvature differs depending on the individual location.
  • the optical axes 32 are arranged along the concave portions 22 and the convex portions 24 shown in FIG. 8, thereby providing an orientation pattern of the optical axes 32 as shown in FIG.
  • the cross-sectional shape of the concave portion 22 and the convex portion 24, which is orthogonal to the linearly extending direction, is not limited to a rectangle, but may be a triangle, a polygon, a semicircle, or the like.
  • FIGS. 3B and 3C are views showing the cross section of the alignment layer 12 in an enlarged manner.
  • FIG. 3B shows a case where the projections and depressions have a rectangular uneven structure in the cross section
  • FIG. 3C shows a case where the uneven structure has a sinusoidal surface in the cross section.
  • the height difference between the concave portion 22 and the convex portion 24, that is, the distance h from the vertex 24a of the convex portion 24 to the bottom point 22a of the concave portion 22 is 5 nm to 1 ⁇ m, preferably 10 nm to 200 nm.
  • the vertex 24 a of the convex portion 24 is the highest point of the convex portion 24, and is the point of the surface of the convex portion 24 farthest from the one surface 11 a of the support 11 in the direction perpendicular to one surface of the support 11. .
  • the bottom point 22 a of the recess 22 is the deepest point of the recess 22, and is the point of the surface of the recess 22 closest to the one surface 11 a of the support 11 in a direction perpendicular to the one surface 11 a of the support 11.
  • the surface roughness Ra of the side wall surface 25 of the concave-convex structure 20, including the line connecting the bottom point 22a of the concave portion 22 and the vertex 24a of the convex portion 24, is Ra ⁇ D / 5, where D is the width of the concave portion. Is preferred.
  • the width D of the concave portion 22 is a distance between the side wall surfaces 25 at a height position that is half the height difference h between the concave portion 22 and the convex portion 24.
  • a line connecting the bottom point 22a of the concave portion 22 and the vertex 24a of the convex portion 24 is a line connecting the bottom point 22a and the vertex 24a at the shortest along the surface of the concavo-convex structure 20.
  • the surface of the concavo-convex structure 20 includes a line connecting the bottom point 22a of the concave portion 22 and the vertex 24a of the convex portion 24, that is, the line connecting the bottom point 22a of the concave portion 22 and the vertex 24a of the convex portion 24 passes.
  • the side wall surface 25. 3B, the upper surface of the convex portion 24 and the bottom surface of the concave portion 22 are not included in the side wall surface 25.
  • the surface roughness of the upper surface of the convex portion 24 and the surface roughness of the bottom surface of the concave portion 22 are substantially the same as the roughness of the side wall surface.
  • the entirety including the point connecting the vertex 24a and the bottom point 22a is regarded as the side wall surface.
  • a resin material such as an ultraviolet curable resist, a thermosetting resist, or a resist for electron beam exposure can be used for the alignment layer 12.
  • liquid crystal layer 13 for example, the following materials can be used.
  • the alignment of the rod-shaped liquid crystal compound is fixed by polymerization.
  • the polymerizable rod-shaped liquid crystal compound Makromol. ⁇ Chem. 190, 2255 (1989), Advanced Materials 5, 107 (1993), U.S. Pat. Nos. 4,683,327, 5,622,648, 5,770,107, WO95 / 22586, and 95/24455.
  • the compounds described in the gazette and Japanese Patent Application No. 2001-64627 can be used.
  • the rod-like liquid crystal compound for example, those described in JP-T-11-513019 and JP-A-2007-279688 can also be preferably used.
  • discotic liquid crystal compound for example, those described in JP-A-2007-108732 and JP-A-2010-244038 can be preferably used.
  • the manufacturing method according to the first embodiment is characterized in that a concave portion extending linearly including a first curve and a convex portion extending linearly including a second curve are alternately provided on one surface of a support.
  • the method includes a first step of forming an alignment layer having a structure, and a second step of forming a liquid crystal layer on a surface of the alignment layer. In the first step, a nanoimprint method is used.
  • FIG. 9 schematically shows the steps of the manufacturing method according to the first embodiment.
  • a resist 12a is applied to one surface 11a of the support 11 (Step 1).
  • the resist for example, an ultraviolet curable resin is used.
  • the stamper 1 having the transfer uneven structure is pressed against the resist 12a (Step 2), the uneven structure is transferred and formed on the resist 12a, and the resist having the uneven structure is irradiated with ultraviolet (UV) light to be cured (Step 3). Thereafter, the stamper 1 is peeled off to form the alignment layer 12 having the uneven structure 20 (Step 4).
  • the first step includes the above steps.
  • the stamper 1 is a mold for nanoimprinting, and has a concave and convex structure for transfer formed on a surface of a quartz or silicon substrate by a known method.
  • the transfer concavo-convex structure is a reverse pattern of the concavo-convex structure formed on the resist, and is a pattern designed according to the alignment pattern of the liquid crystal to be finally formed.
  • the alignment layer 12 has an uneven structure 20 in which linearly extending concave portions 22 including a first curve and linearly extending convex portions 24 including a second curve are provided alternately.
  • the first curve and the second curve may have the same curvature, or may have different curvatures.
  • the first curve and the second curve have a curvature of 3.0 mm ⁇ 1 or more.
  • the present manufacturing method can also be applied to the formation of an alignment layer having a concavo-convex structure including only linear concave and convex portions that do not include a curvature of 3.0 mm ⁇ 1 or more.
  • the surface roughness Ra of each of the concave portions 22 and the convex portions 24 of the concave-convex structure 20 formed in the first step is D / 5 or less.
  • Ra is 50 nm or less.
  • the surface of the concavo-convex structure of the alignment layer obtained by the above-described in-nanoprinting is smooth, and the surface roughness can be extremely small.
  • a liquid crystal composition is applied on the concave-convex structure 20 of the alignment layer 12, the liquid crystal molecules are aligned, and then cured to form the liquid crystal layer 13 (Step 5).
  • the orientation treatment is, for example, a treatment of heating to about 80 ° C.
  • the liquid crystal molecules in the liquid crystal composition are aligned in a direction along the uneven structure of the alignment layer, and are cured while maintaining the alignment pattern.
  • the liquid crystal composition is of an ultraviolet curable type, it is cured by irradiating ultraviolet rays.
  • the alignment layer has linear concave portions and convex portions including a curve having a curvature of 3.0 mm ⁇ 1 or more, as described above, since the surface roughness of the concave and convex portions is small and smooth, the liquid crystal molecules Can be favorably oriented.
  • an optical element having a liquid crystal layer having a liquid crystal alignment pattern with a smaller pitch than before can be manufactured. According to the above-described manufacturing method, it is possible to manufacture with extremely high productivity as compared with the case of manufacturing by the light interference exposure method, and the degree of freedom of the alignment pattern is high.
  • the manufacturing method according to the second embodiment is characterized in that a concave portion extending linearly including a first curve and a convex portion extending linearly including a second curve are alternately provided on one surface of a support.
  • the method includes a first step of forming an alignment layer having a structure, and a second step of forming a liquid crystal layer on a surface of the alignment layer. In the first step, an electron beam drawing method is used.
  • FIG. 10 schematically shows the steps of the manufacturing method according to the second embodiment.
  • a resist 112a is applied to one surface 11a of the support 11 (Step 1).
  • the resist an electron beam exposure resist is used.
  • the resist 112a is subjected to pattern exposure corresponding to a desired concavo-convex structure by using an electron beam lithography method (Step 2), and thereafter, is developed to form an alignment layer 112 made of a resist having a concavo-convex structure ( Step 3).
  • the first step includes the above steps.
  • the uneven structure 120 of the alignment layer 112 is a pattern designed according to the alignment pattern of the liquid crystal to be finally formed.
  • the alignment layer 112 has an uneven structure 120 having an uneven structure in which linearly extending concave portions 122 including a first curve and linearly extending convex portions 124 including a second curve are alternately provided. Is done.
  • the first curve and the second curve may have the same curvature, or may have different curvatures. In particular, it is preferable that the first curve and the second curve have a curvature of 3.0 mm ⁇ 1 or more.
  • the present manufacturing method can also be applied to the formation of an alignment layer having a concavo-convex structure including only linear concave and convex portions that do not include a curvature of 3.0 mm ⁇ 1 or more.
  • the surface roughness Ra of each of the concave and convex portions of the concavo-convex structure 20 formed in the first step is D / 5 or less.
  • the surface of the concavo-convex structure of the alignment layer obtained by using the above-described electron beam lithography is smooth and the surface roughness can be suppressed to a very small value.
  • a liquid crystal composition is applied on the concavo-convex structure 20 of the alignment layer 12, the liquid crystal molecules are aligned, and then cured to form the liquid crystal layer 13 (Step 4).
  • the orientation treatment is, for example, a treatment of heating to about 80 ° C.
  • the liquid crystal molecules in the liquid crystal composition are aligned in a direction along the uneven structure of the alignment layer, and are cured while maintaining the alignment pattern.
  • the liquid crystal composition is of an ultraviolet curable type, it is cured by irradiating ultraviolet rays.
  • the alignment layer has linear concaves and convexes including a curve having a curvature of 3.0 mm ⁇ 1 or more, as described above, since the surface roughness of the concaves and convexes is small and smooth, The molecules can be well oriented.
  • an optical element having a liquid crystal layer having a liquid crystal alignment pattern with a smaller pitch than before can be manufactured. According to the above-described manufacturing method, it is possible to manufacture with extremely high productivity as compared with the case of manufacturing by the light interference exposure method, and the degree of freedom of the alignment pattern is high.
  • FIG. 11 is a schematic plan view of the concavo-convex structure formed on the alignment layer. As shown in FIG. 11, the smallest largest radius r 2 of the concentrically from the radius r 1, to form a concavo-convex structure in which the annular concave portion and the convex portion are alternately arranged.
  • the manufacturing method of each example will be described.
  • Example 1 [Formation of alignment layer] Using a triacetylcellulose (TAC) film (FUJIFILM Corporation, Fujitac) as a support, a photocurable resin (Toyo Gosei, PAK-02) was applied to a coating thickness of 1.1 ⁇ m.
  • the curvature influencing is 0.0002 ⁇ m -1 ⁇ felicit ⁇ 0.5 ⁇ m -1, that is, the surface has a concavo-convex structure in which concentric concave and convex portions each having a radius of 2 ⁇ m to 5 mm are alternately formed with a width of 0.1 ⁇ m.
  • the quartz substrate included in the above as a stamper was pressed against the resist by using the quartz substrate included in the above as a stamper.
  • an inverted concavo-convex structure of the concavo-convex structure of the stamper was transferred to the resist, and the resist was irradiated with ultraviolet rays having a wavelength of 365 nm at an illuminance of 20 mW / cm 2 for 60 seconds to cure the resist. Thereafter, the stamper was slowly peeled off to obtain an alignment layer P-1 having a concave-convex structure formed on the TAC film.
  • the alignment layer obtained as described above was observed with a surface SEM (S-4800, Hitachi, Ltd.), and it was confirmed that the concentric concavo-convex structure of the stamper was transferred.
  • composition A-1 was prepared as a liquid crystal composition for forming a liquid crystal layer.
  • Composition A-1 ⁇ 100.00 parts by mass of a rod-shaped liquid crystal compound L-1 polymerization initiator (Irgacure (registered trademark) 907, manufactured by BASF) 3.00 parts by mass photosensitizer (KAYACURE DETX-S, manufactured by Nippon Kayaku) 1.00 parts by weight
  • Leveling agent T-1 0.08 parts by weight Methyl ethyl ketone 936.00 parts by weight ⁇ ⁇
  • the above composition A-1 is applied on the alignment layer P-1, the coating film is heated to 70 ° C. on a hot plate, and then cooled to 25 ° C., and then, using a high-pressure mercury lamp under a nitrogen atmosphere.
  • the coating was irradiated with ultraviolet light having a wavelength of 365 nm at an irradiation amount of 100 mJ / cm 2 to fix the orientation of the liquid crystal compound and form a liquid crystal layer having a thickness of 1.5 ⁇ m.
  • the optical element of Example 1 was manufactured.
  • Example 2 [Formation of alignment layer] An alignment layer P-1 was formed in the same manner as in Example 1.
  • composition A-2 was prepared as a liquid crystal composition for forming a liquid crystal layer.
  • Composition A-2 Disk-shaped liquid crystal compound (Compound 101) 80 parts by weight Disk-shaped liquid crystal compound (Compound 102) 20 parts by weight Polymerizable monomer 1 10 parts by weight Surfactant 1 0.3 parts by weight Polymerization initiator (Irgacure (registered trademark) manufactured by BASF) 907) 3 parts by weight methyl ethyl ketone 290 parts by weight cyclohexanone 50 parts by weight ⁇
  • the composition A-2 was coated on the alignment layer P-1, and the coating film was dried on a hot plate at 70 ° C. for 2 minutes and heated at 115 ° C. for 3 minutes. After cooling to 45 ° C., the coating film was irradiated with ultraviolet light having a wavelength of 365 nm at a dose of 300 mJ / cm 2 using a high-pressure mercury lamp under a nitrogen atmosphere to fix the orientation of the liquid crystal compound and to form a film having a thickness of 1.5 ⁇ m. Was formed. As described above, the optical element of Example 2 was manufactured.
  • Reference Example 1 In forming the alignment layer, a quartz substrate having a concavo-convex structure having concentric concave and convex portions having a curvature excellent of 0.0002 ⁇ m -1 ⁇ excellent ⁇ 6 ⁇ m -1 , that is, a radius of 167 nm to 5 mm was used as a stamper. An optical element of Reference Example 1 was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the alignment layer P-2 was formed using this quartz substrate.
  • Table 1 shows the results of the productivity evaluation, the continuous change evaluation of the liquid crystal alignment, and the yield evaluation for each example and the optical element.
  • an alignment layer for forming an alignment pattern in which the optical axis rotates and changes in one direction as shown in FIG. 1 was formed by various methods, and formed on the alignment layer.
  • An optical element of each example was formed by providing a liquid crystal layer.
  • the same liquid crystal composition A-1 containing rod-shaped liquid crystal molecules as in Example 1 was used as the material of the liquid crystal layer.
  • the polarization axis is designed to be a polarization diffraction grating in which the direction of the optical axis rotates 180 ° in one direction in the plane and the period ⁇ is 1 ⁇ m, and 0 ⁇ m ⁇ 1 ⁇ Consequently
  • a quartz substrate having on its surface an uneven structure in which linear concave portions and convex portions were arranged along a curve having a curvature ⁇ of ⁇ 2.3 ⁇ m ⁇ 1 was used as a stamper.
  • the width of each of the concave portion and the convex portion is 20 nm, and the height is 50 nm.
  • Example 3 a structure having linear concave and convex portions along an elliptical semi-arc as shown in FIGS. 2 to 4 was formed as an uneven structure on the alignment layer.
  • Example 4 In the formation of the alignment layer, when the liquid crystal is aligned, the optical axis is rotated by 180 ° in one direction in the plane.
  • the period ⁇ is designed to be a polarization diffraction grating having a period 3 of 3 ⁇ m. 0 ⁇ m ⁇ 1 ⁇ Consequently
  • a quartz substrate having a concave-convex structure on the surface in which linear concave portions and convex portions were arranged along a curve of a curvature ⁇ of ⁇ 0.8 ⁇ m ⁇ 1 was used as a stamper.
  • the width of each of the concave portion and the convex portion is 20 nm, and the height is 50 nm. Except for that point, the optical element of Example 4 was manufactured in the same manner as in Example 1.
  • Example 5 Using glass as a support, HMDS (Kanto Chemical, hexamethyldisilazane) was applied by a spin coater, and then heated at 180 ° C. for 2 minutes to form an adhesion layer.
  • An electron beam resist (Zeon 520A, Nippon Zeon Co., Ltd.) is applied on the adhesion layer by a spin coater so as to have a thickness of 150 nm, heated at 180 ° C. for 2 minutes, and then spin-coated with an antistatic agent (Showa Denko, Espacer 300Z). Coated with a coater.
  • the direction of the optical axis was designed to be a polarization diffraction grating having a period of 180 ° rotation in one direction in the plane of 1 ⁇ m, ⁇ . 0 ⁇ m -1 ⁇ iata ⁇ 2.3 ⁇ m line and space extending along the curve of the curvature K -1 preprogrammed so as to draw the electron beam (EB) exposure was carried out. Thereafter, the substrate was immersed in o-xylene for 5 minutes to form an alignment layer P-5 having a concave-convex structure including convex portions and concave portions along the drawing line on the glass. The width of each of the concave portion and the convex portion is 20 nm, and the height is 50 nm.
  • Example 1 when the alignment layer P-5 was observed by SEM, an uneven structure as programmed was observed. A liquid crystal layer was formed on the alignment layer P-5 thus obtained in the same manner as in Example 1, and an optical element of Example 5 was manufactured.
  • Example 6 In the formation of the alignment layer of Example 5, when the liquid crystal was aligned, the optical axis was designed to be a polarization diffraction grating in which the period ⁇ of rotating by 180 ° in one direction in the plane was 3 ⁇ m, and the polarization diffraction grating was 0 ⁇ m.
  • the alignment layer P-6 was formed by polarizing the EB exposure program so as to draw a line and space extending along a curve having a curvature ⁇ of ⁇ 1 ⁇ excellent ⁇ 0.8 ⁇ m ⁇ 1 . Otherwise, the optical element of Example 6 was manufactured in the same manner as in Example 5.
  • Comparative Example 2 In Comparative Example 1, an alignment layer P-8 on which a polarization hologram formed so that the period of rotation of the optical axis by 180 ° becomes 3 ⁇ m when the liquid crystal was aligned in the holography apparatus was formed.
  • Comparative Example 1 On the alignment layer P-8 thus obtained, the optical element of Comparative Example 1 was manufactured by the same method as Comparative Example 1 and by the same method as Comparative Example 2.
  • the TAC film After strongly pressing the uneven structure of the quartz substrate on a TAC film (Fujifilm, Fujitack), the TAC film is slowly peeled off, and the uneven surface structure is formed on the TAC film surface, so that the surface layer of the TAC film is oriented on the orientation layer P. It was set to -9. As in Example 1, when the alignment layer P-9 was observed by SEM, it was confirmed that the curved uneven structure of the quartz substrate was transferred.
  • a liquid crystal layer was formed on the alignment layer P-9 thus obtained in the same manner as in Example 1, and an optical element of Comparative Example 3 including a liquid crystal layer having a thickness of 1.5 ⁇ m was formed.
  • Comparative Example 4" 0 ⁇ m ⁇ 1 ⁇ alliance ⁇ 0.8 ⁇ m ⁇ , designed to be a polarization diffraction grating used as a stamper in Example 4 and having a period ⁇ ⁇ of 3 ⁇ m in which the direction of the optical axis rotates 180 ° in one direction in the plane, is 3 ⁇ m.
  • a quartz substrate having on its surface a concavo-convex structure in which linear concave portions and convex portions were arranged along a curve having a curvature excellent of 1 was used as a stamp.
  • An optical element of Comparative Example 4 was produced in the same manner as in Comparative Example 3, except that an alignment layer P-10 was produced using this stamp.
  • Table 2 shows the results of the productivity evaluation, the continuous change evaluation of the liquid crystal alignment, and the yield evaluation for the optical elements of Examples 3 to 6 and Comparative Examples 1 to 4.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Polarising Elements (AREA)
  • Liquid Crystal (AREA)
  • Diffracting Gratings Or Hologram Optical Elements (AREA)

Abstract

光学素子において、支持体と、支持体の一面に備えられた、曲率３．０ｍｍ－１以上の曲線を含む線状に延びた凹部と、曲率３．０ｍｍ－１以上の曲線を含む線状に延びた凸部とが交互に設けられた凹凸構造を有する配向層と、液晶分子の光学軸が、一面に平行、かつ、配向層の凹部及び凸部に沿って配向した配向パターンを有する液晶層とを備える。

Description

光学素子及び光学素子の製造方法
　本開示は、液晶偏光素子として利用可能な光学素子及び光学素子の製造方法に関する。
　特表２００８－５３２０８５号公報（以下において特許文献１）には、液晶層を備えた偏光回折素子が開示されている。特許文献１には、光配向膜を用いて液晶配向規制を行うことによって、液晶をパターン配向して偏光回折格子を作製する方法が開示されている。
　他方、台湾特許第５２２６６０号明細書（以下において特許文献２）には、光を様々な偏光方向に偏光することができる液晶偏光子が開示されている。特許文献２では、フィルム上に彫刻ローラ又は成形スタンプによるエンボス加工によって、パターン化された配向微細構造体を形成し、この配向微細構造上に配置された液晶の層を備えた偏光子が開示されている。
　特許文献１での光配向法では、右円偏光と左円偏光とを干渉させて露光することにより光配向膜に異方性配向パターンを付与し、その光配向膜上に液晶層を形成する。このような製造方法では、干渉露光の際の光軸合わせに時間がかかることから製造に時間がかかり、また、小面積のものしか作製できない。また、露光により得られる配向パターンは限定される。
　特許文献２では、フォルムにエンボス加工によって配向微細構造体を形成するため、曲線を含むような様々なパターンを作製することができる。特許文献２において、そのパターンのサイズについては明記されていない。しかし、特許文献２では、調光装置に用いられる偏光子と記載されており、これを考慮すると特許文献１で示されている回折格子のピッチよりも大きい数ｍｍ～数ｃｍ程度のピッチの液晶配向パターンを形成することを意図していると考えられる。
　しかしながら、本発明者らの研究によれば、特許文献２の手法では、回折格子を実現できる小さい周期の液晶配向パターンを備えた素子を作製することはできなかった。
　本開示は、上記事情に鑑み、回折格子を実現可能な程度の小さい周期の液晶配向パターンを有し、かつ、高い生産性で製造することができる光学素子及び光学素子の製造方法を提供することを目的とする。
　上記の課題を解決するための具体的手段には、以下の態様が含まれる。
＜１＞　支持体と、その支持体の一面に備えられた、曲率３．０ｍｍ－１以上の第１の曲線を含む線状に延びた凹部と、曲率３．０ｍｍ－１以上の第２の曲線を含む線状に延びた凸部とが交互に設けられた凹凸構造を有する配向層と、液晶分子の光学軸が、上記一面に平行、かつ、上記配向層の上記凹部及び凸部に沿って配向した配向パターンを有する液晶層とを備えた光学素子。
＜２＞　上記配向層の上記凹部の底点と上記凸部の頂点とを結ぶ線を含む、上記凹凸構造の側壁面の表面粗さＲａが、凹部の幅をＤとした場合に、Ｒａ≦Ｄ／５である＜１＞の光学素子。
＜３＞　上記配向パターンが、上記液晶層の面内の少なくとも一方向に沿って、上記液晶分子の光学軸の向きが連続的に回転変化し、かつ１８０°回転の周期が０．３μｍ以上、１ｍｍ未満である＜１＞又は＜２＞の光学素子。
＜４＞　上記配向層の上記凹凸構造において、上記第１の曲線及び上記第２の曲線の曲率は５．０μｍ－１（５０００ｍｍ－１）以下である＜１＞から＜３＞のいずれかの光学素子。
＜５＞　支持体の一面に、第１の曲線を含む線状に延びた凹部と第２の曲線を含む線状に延びた凸部とが交互に設けられた凹凸構造を有する配向層を形成する第１の工程と、上記配向層の表面に液晶層を形成する第２の工程とを含み、上記第１の工程は、上記支持体の上記一面にレジストを塗布し、転写用凹凸構造を有するスタンパを上記レジストに押し付けることにより、レジストに上記凹凸構造を形成し、凹凸構造が形成された上記レジストを硬化させることにより、上記凹凸構造を有する配向層を形成する光学素子の製造方法。
＜６＞　支持体の一面に、第１の曲線を含む線状に延びた凹部及び第２の曲線を含む線状に延びた凸部とが交互に設けられた凹凸構造を有する配向層を形成する第１の工程と、上記配向層の表面に液晶層を形成する第２の工程とを含み、上記第１の工程は、上記支持体の上記一面にレジストを塗布し、電子線描画法を用いて上記凹凸構造に対応するパターン露光を行い、パターン露光がなされた上記レジストを現像することにより、上記凹凸構造を有する配向層を形成する光学素子の製造方法。
＜７＞　上記第１の曲線及び第２の曲線が、３．０ｍｍ－１以上の曲率を含む＜５＞又は＜６＞の光学素子の製造方法。
　本開示によれば、回折格子を実現可能な周期の液晶配向パターンを有し、かつ、高い生産性で製造することができる光学素子を提供することができる。
一実施形態の光学素子を模式的に示す斜視図である。 図１に示す光学素子の一部分解斜視図である。 図１に示す光学素子の一部の断面を模式的に示す図である。 配向層の凹凸構造断面を模式的に示す図である。 配向層の凹凸構造断面を模式的に示す図である。 図１に示す光学素子の一部を拡大して示す斜視概念図である。 図１に示す光学素子の変形例の一部を拡大して示す斜視概念図である。 面内において光学軸の向きが回転変化する配向パターンを模式的に示す図である。 図１に示す光学素子の配向層の凹凸構造、光学軸の配向パターン及び直交する偏光子で挟んだ状態で観察される明暗パターンを模式的に示す図である。 図７中においてＶＩＩＩで示す領域の配向層の凹凸構造を拡大して示す図である。 第１の実施形態の光学素子の製造方法の工程を示す図である。 第２の実施形態の光学素子の製造方法の工程を示す図である。 実施例１、２及び参考例１の配向層の凹凸構造を模式的に示す図である。 実施例１、２について、光学軸の配向と、光学素子を直交する偏光子で挟んだ状態で観察される明暗パターンを模式的に示す図である。
　以下、本発明の光学素子の一実施形態について図面を参照して説明する。なお、各図面においては、視認しやすくするため、構成要素の縮尺は実際のものとは適宜異ならせてある。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及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」及び「平行」とは、厳密な角度±１０°の範囲を意味するものとする。
　図１は本発明の光学素子１０の一実施形態の概略を示す斜視図であり、図２は、配向層１２と液晶層１３とを分離して示す分解斜視図であり、図３Ａは、図１に示す光学素子１０の一部の断面を模式的に示す図である。
　実施形態の光学素子１０は、支持体１１と、支持体１１の一面に備えられた、凹凸構造２０を有する配向層１２と、配向層１２の凹凸構造２０の表面に備えられ、所定の配向パターンを有する液晶層１３とを備えている。
　支持体１１は、ガラス、樹脂フィルムなどの透明基材が好適である。
　配向層１２の凹凸構造２０は、液晶層に所定の配向パターンを形成するために構成されるものであり、曲率３．０ｍｍ－１（＝０．００３μｍ－１）以上の第１の曲線を含む線状に延びた凹部と、曲率３．０ｍｍ－１以上の第２の曲線を含む線状に延びた凸部とが交互に設けられている。第１の曲線と第２の曲線とは曲率が同一であってもよいし、異なっていてもよい。
　図２において配向層１２の表面に模式的に示す複数の曲線に沿って凹部及び凸部が設けられている。図２においては、配向層１２の表面に凹凸構造２０の線状に延びた凹部及び凸部が沿う曲線が模式的に示されている。
　液晶層１３は、液晶分子の光学軸３２が、配向層１２の凹部２２及び凸部２４に沿って配向した所定の配向パターン３０を有する。すなわち、配向層１２の曲率３．０ｍｍ－１以上の曲線を含む線状に延びた凹部２２及び凸部２４に沿って液晶分子が配列しており、その曲線に沿った光学軸３２の配向パターンを備えている。液晶層１３は、棒状液晶分子を含む液晶組成物、もしくは円盤状液晶分子を含む液晶組成物を配向層１２上に塗布して上記配向パターンに配向させた状態で固定化した液晶組成物の硬化層である。
　図４及び図５は凹凸構造に沿って配向している液晶分子を模式的に示す図である。図４において、液晶分子は棒状液晶分子３３であり、図５において、液晶分子は円盤状液晶分子３４である。
　液晶分子が棒状液晶分子３３である場合、図４に示すように、ミクロに観察すると、配向層１２に設けられている凹凸構造２０の凹部２２及び凸部２４の延びる方向に沿って多数の棒状液晶分子３３の光学軸３２が配向している。棒状液晶分子３３の光学軸３２は面に平行であり、凹部２２及び凸部２４の各部分の略接線方向に配向されると考えられる。棒状液晶分子３３の光学軸は、その遅相軸（長軸）方向と一致する。そして、マクロにみると、液晶層１３においては、光学軸３２が凹凸構造２０に沿って配向した配向パターンが得られる。
　液晶層１３が円盤状液晶分子３４である場合、図５に示すように、円盤面が液晶層の厚み方向に立ち上がった状態で、円盤状液晶分子３４の光学軸３２が、配向層１２に設けられている凹凸構造２０の凹部２２及び凸部２４の延びる方向に沿って配向していると考えられる。円盤状液晶分子３４はその円盤状液晶分子３４の光学軸３２は、その進相軸方向と一致する。結果として、棒状液晶分子の場合と同様に、液晶層１３においては、光学軸３２が凹凸構造２０に沿って配向した配向パターンが得られる。
　一般に曲線の曲率κは、曲線をｘ、ｙで表現した場合に、下記式で表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 
　本開示の光学素子においては、配向層１２が、曲率３．０ｍｍ－１以上の第１の曲線を含む線状に延びた凹部と、曲率３．０ｍｍ－１以上の第２の曲線を含む線状に延びた凸部とが交互に設けられた凹凸構造を少なくとも一部に備えるものであればよく、直線状の凹部及び凸部、並びに曲率３．０ｍｍ－１未満の曲線を含む線状に延びた凹部及び凸部を備えていてもよい。線状に延びた１つの凹部あるいは線状に延びた１つの凸部は、複数の異なる曲率の曲線を含む線状に延びていてもよく、又曲線と直線を含む線状に延びていてもよい。配向層１２は、５ｍｍ－１（＝０．００５μｍ－１）以上の曲率、さらには１０ｍｍ－１（＝０．０１μｍ－１）以上の曲率、特には１００ｍｍ－１（＝０．１μｍ－１）以上の曲率を有する曲線に沿った凹部あるいは凸部を備えることが好ましい。配向層１２は、５０００ｍｍ－１（＝５μｍ－１）を超える曲率を有する曲線に沿った凹部及び凸部を含まないことが好ましい。
　本発明者らの検討によれば、上述した従来の製造方法では、曲率３．０ｍｍ－１以上の曲線を含む線状に延びた凹部あるいは凸部に沿って液晶分子を配向させることができなかった。しかし、後述する本開示の一態様の製造方法によれば、曲率３．０ｍｍ－１以上の曲線を含む線状に延びた凹部及び凸部に対しても液晶分子を配向させることが可能であり、従来よりも周期の小さい液晶配向パターンを実現することができる。第１の曲線と第２の曲線は同一の曲率であってもよいし、同一の曲率でなくてもよい。なお、第１の曲線と第２の曲線の曲率は、５μｍ－１以下であることが好ましい。
　また、本実施形態においては、液晶層１３の面内の少なくとも一方向、図中軸Ａに沿って、液晶分子の光学軸３２の向きが連続的に回転し、１８０°回転する周期が０．３μｍ以上、１ｍｍ未満である配向パターン、すなわち、回折格子として機能する配向パターンを有する（図１参照）。
　光学軸３２の向きが面内の一方向に沿って回転変化した液晶配向パターンとは、一例として図６に示すように、例えば、軸Ａに沿って配置された液晶分子の光学軸３２と軸Ａとのなす角度が、軸Ａ方向の位置によって異なっており、軸Ａに沿って光学軸３２と軸Ａとのなす角度がφからφ＋１８０°あるいはφ－１８０°まで徐々に変化するように配向され固定化されたパターンである。
　図７は、光学素子１０の配向層の凹凸構造２０、光学軸３２の配向パターン３０、及び、光学素子１０を直交する偏光子で挟んだ状態で観察される明部４２と暗部４４の明暗パターン４０を模式的に示す図である。図７中において凹凸構造２０は直線で模式的に示している。
　Ａ軸方向において、光学軸３２のＡ軸となす角度がφからφ＋１８０°もしくはφ－１８０°（元に戻る）まで変化する距離が１８０°回転の周期Λであり、以下において回転周期Λという。この光学軸３２の向きの回転周期Λは、既述の通り０．３μｍ以上、１ｍｍ未満であり、０．５μｍ～５μｍであることが好ましい。なお、この回転周期Λは、光学素子への入射光の波長及び所望の出射角に応じて定めればよい。
　なお、光学素子１０を直交する偏光子で挟んだ状態で観察される明暗パターン４０において明部４２と暗部４４は交互に観察され、その周期は光学軸の回転周期Λの半分である。なお、この明暗パターン４０の周期が回折格子の周期に相当する。
　図８は、図７中においてＶＩＩＩで示す領域の配向層１２の凹凸構造２０を拡大して示す図である。図８は、図７に示すような、光学軸３２が軸Ａ方向に回転配向する配向パターンを実現するために設けられる凹凸構造であり、直線状及び様々な曲率を有する曲線に沿って線状に延びた凹部２２及び凸部２４が交互に配置されている。なお、凹部２２と凸部２４は反転パターンであってもよい。ここでは、凹部２２及び／又は凸部２４の延在方向に垂直な断面における幅は１２．５ｎｍ～２０ｎｍ程度が好ましい。また、直線状に凹凸構造が配置されている領域の幅は６２．５ｎｍ～１００ｎｍであることが好ましい。
　図７に示すように、凹凸構造２０の１つの凹部あるいは凸部は楕円の１／２円弧状であり、その個々の場所によって曲率は異なる。そして、図８に示す凹部２２及び凸部２４にそって光学軸３２は配列されることにより、図７に示すような光学軸３２の配向パターンを備える。
　配向層１２において、凹部２２及び凸部２４の、線状に延びる方向と直交する断面形状は矩形に限らず、三角形、多角形、あるいは半円などであってもよい。
　図３Ｂ及び図３Ｃは、配向層１２の断面を拡大して示す図である。図３Ｂは断面において凸部及び凹部が矩形の凹凸構造の場合であり、図３Ｃは断面において正弦波状である表面を有する凹凸構造の場合である。
　凹部２２と凸部２４の高低差、すなわち凸部２４の頂点２４ａから凹部２２の底点２２ａまでの距離ｈは、５ｎｍ～１μｍであり、好ましくは１０ｎｍ～２００ｎｍである。凸部２４の頂点２４ａとは、凸部２４のうち最も高い点であり、支持体１１の一面に垂直な方向において、凸部２４表面の、最も支持体１１の一面１１ａから離れた点である。凹部２２の底点２２ａとは、凹部２２のうち最も深い点であり、支持体１１の一面１１ａに垂直な方向において、凹部２２表面の、最も支持体１１の一面１１ａに近接した点である。
　凹部２２の底点２２ａと凸部２４の頂点２４ａとを結ぶ線を含む、凹凸構造２０の側壁面２５の表面粗さＲａは、凹部の幅をＤとしたとき、Ｒａ≦Ｄ／５であることが好ましい。なお、凹部２２の幅Ｄは、凹部２２と凸部２４の高低差ｈの半分の高さ位置における側壁面２５間の距離とする。凹部２２の底点２２ａと凸部２４の頂点２４ａとを結ぶ線は、凹凸構造２０の表面に沿って、底点２２ａと頂点２４ａを最短で結ぶ線である。そして、凹部２２の底点２２ａと凸部２４の頂点２４ａとを結ぶ線を含む、すなわち、凹部２２の底点２２ａと凸部２４の頂点２４ａとを結ぶ線が通る、凹凸構造２０の表面が側壁面２５である。
　なお、図３Ｂに示す断面矩形状の凸部２４及び凹部２２の場合には、凸部２４の上面及び凹部２２の底面は側壁面２５には含まれない。しかし、凸部２４の上面及び凹部２２の底面の表面粗さも側壁面の粗さと同程度であることが好ましい。図３Ｃに示す断面正弦状の凸部２４及び凹部２２の場合には、頂点２４ａと底点２２ａとを結ぶ点を含む全体を側壁面とみなす。
　表面粗さＲａがＤ／５以下であれば、後述する液晶分子の配向性が良好なものとなる。側壁面２５の表面粗さＲａは走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）観察から測定することができる。具体的には倍率５万倍のＳＥＭ画像において、粗さ曲線からその平均線の方向に基準長さＬだけを抜き取り、この抜き取り部分の平均線の方向にｘ軸を、縦倍率の方向にｙ軸を取り、粗さ曲線をｙ＝ｆ（ｘ）で表したときに、下記式によって求められる値をナノメートル（ｎｍ）で表す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 
　配向層１２には、紫外線硬化性レジスト、熱硬化性レジストあるいは電子線露光用レジスト等の樹脂材料を用いることができる。
　液晶層１３としては、例えば、以下の材料を用いることができる。
－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号公報、同５６２２６４８号公報、同５７７０１０７号公報、ＷＯ９５／２２５８６号公報、同９５／２４４５５号公報、同９７／００６００号公報、同９８／２３５８０号公報、同９８／５２９０５号公報、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号公報や特開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。
　以下に、円盤状液晶化合物の好ましい例を示すが、本発明はこれらに限定されるものではない。
　本開示の光学素子の製造方法の第１の実施形態を説明する。
　第１の実施形態の製造方法は、支持体の一面に、第１の曲線を含む線状に延びた凹部と第２の曲線を含む線状に延びた凸部とが交互に設けられた凹凸構造を有する配向層を形成する第１の工程と、配向層の表面に液晶層を形成する第２の工程とを含む。第１の工程において、ナノインプリント法を用いる。
　図９に第１の実施形態の製造方法の工程を模式的に示す。
　まず、支持体１１の一面１１ａにレジスト１２ａを塗布する（Ｓｔｅｐ１）。レジストとしては、例えば、紫外線硬化型樹脂を用いる。
　次に、転写用凹凸構造を有するスタンパ１をレジスト１２ａに押し付け（Ｓｔｅｐ２）、レジスト１２ａに凹凸構造を転写形成し、凹凸構造が形成されたレジストに紫外線（ＵＶ）光を照射して硬化させる（Ｓｔｅｐ３）。その後、スタンパ１を剥離して凹凸構造２０を有する配向層１２を形成する（Ｓｔｅｐ４）。
　第１の工程は以上の工程を含む。
　スタンパ１はナノインプリント用モールドであり、石英、シリコン基板などの表面に公知の手法により転写用凹凸構造が形成されてなるものである。転写用凹凸構造はレジストに形成される凹凸構造の反転パターンであり、最終的に形成すべき液晶の配向パターンに応じて設計されたパターンである。配向層１２には、第１の曲線を含む線状に延びた凹部２２と第２の曲線を含む線状に延びた凸部２４とが交互に設けられた凹凸構造２０が形成される。第１の曲線と第２の曲線とは同一の曲率を有するものであってもよいし、異なる曲率を有するものであってもよい。特に、第１の曲線及び第２の曲線が、３．０ｍｍ－１以上の曲率をすることが好ましい。但し、本製造方法は、３．０ｍｍ－１以上の曲率を含まない線状の凹部及び凸部のみからなる凹凸構造の配向層を形成する際にも適用可能である。
　第１の工程によって形成された凹凸構造２０の凹部２２及び凸部２４のそれぞれの表面の表面粗さＲａはＤ／５以下である。例えば、凹部の幅Ｄが２５０ｎｍである場合、Ｒａは５０ｎｍ以下である。上記のインナノプリントによって得られる配向層の凹凸構造の表面はなめらかであり表面粗さを非常に小さく抑えることができる。
　その後、配向層１２の凹凸構造２０上に液晶組成物を塗布して、液晶分子の配向処理を行った後に、硬化させて液晶層１３を形成する（Ｓｔｅｐ５）。配向処理は、例えば、８０℃程度に加熱する処理である。この配向処理において、液晶組成物中の液晶分子は、配向層の凹凸構造に沿った方向に配向し、その配向パターンを維持した状態で硬化される。なお、液晶組成物が紫外線硬化型である場合には、紫外線を照射して硬化させる。
　配向層が曲率３．０ｍｍ－１以上の曲線を含む線状の凹部及び凸部を有する場合でも、既述の通り、凹部及び凸部の表面の表面粗さが小さく滑らかであるので、液晶分子を良好に配向させることができる。
　以上の工程により、従来よりも小さいピッチの液晶配向パターンを備えた液晶層を有する光学素子を作製することができる。なお、上記製造方法によれば、光干渉露光法で作製する場合と比較して非常に高い生産性で製造することができ、また、配向パターンの自由度が高い。
　本開示の光学素子の製造方法の第２の実施形態を説明する。
　第２の実施形態の製造方法は、支持体の一面に、第１の曲線を含む線状に延びた凹部と第２の曲線を含む線状に延びた凸部とが交互に設けられた凹凸構造を有する配向層を形成する第１の工程と、配向層の表面に液晶層を形成する第２の工程とを含む。第１の工程において、電子線描画法を用いる。
　図１０に第２の実施形態の製造方法の工程を模式的に示す。
　まず、支持体１１の一面１１ａにレジスト１１２ａを塗布する（Ｓｔｅｐ１）。レジストとしては、電子線露光用レジストを用いる。
　次に、電子線描画法を用いて、レジスト１１２ａに所望の凹凸構造に対応するパターン露光を行い（Ｓｔｅｐ２）、その後、現像することにより、凹凸構造を有するレジストからなる配向層１１２を形成する（Ｓｔｅｐ３）。
　第１の工程は以上の工程を含む。
　図１０に示すように配向層１１２は凹部１２２において支持体１１の一面１１ａが露出していてもよい。配向層１１２の凹凸構造１２０は、最終的に形成すべき液晶の配向パターンに応じて設計されたパターンである。配向層１１２には、第１の曲線を含む線状に延びた凹部１２２と第２の曲線を含む線状に延びた凸部１２４とが交互に設けられた凹凸構造を有する凹凸構造１２０が形成される。第１の曲線と第２の曲線とは同一の曲率を有するものであってもよいし、異なる曲率を有するものであってもよい。特に、第１の曲線及び第２の曲線が、３．０ｍｍ－１以上の曲率をすることが好ましい。但し、本製造方法は、３．０ｍｍ－１以上の曲率を含まない線状の凹部及び凸部のみからなる凹凸構造の配向層を形成する際にも適用可能である。
　本形態においても、第１の工程によって形成された凹凸構造２０の凹部及び凸部のそれぞれの表面の表面粗さＲａはＤ／５以下である。上記の電子線描画法を用いて得られる配向層の凹凸構造の表面はなめらかであり表面粗さを非常に小さく抑えることができる。
　その後、配向層１２の凹凸構造２０上に液晶組成物を塗布して、液晶分子の配向処理を行った後に、硬化させて液晶層１３を形成する（Ｓｔｅｐ４）。配向処理は、例えば、８０℃程度に加熱する処理である。この配向処理において、液晶組成物中の液晶分子は、配向層の凹凸構造に沿った方向に配向し、その配向パターンを維持した状態で硬化される。なお、液晶組成物が紫外線硬化型である場合には、紫外線を照射して硬化させる。
　配向層が３．０ｍｍ－１以上の曲率の曲線を含む線状の凹部及び凸部を有する場合でも、既述の通り、凹部及び凸部の表面の表面粗さが小さく滑らかであるので、液晶分子を良好に配向させることができる。
　以上の工程により、従来よりも小さいピッチの液晶配向パターンを備えた液晶層を有する光学素子を作製することができる。なお、上記製造方法によれば、光干渉露光法で作製する場合と比較して非常に高い生産性で製造することができ、また、配向パターンの自由度が高い。
　上述の第１及び第２の実施形態の光学素子の製造方法によれば、様々な液晶配向パターンを実現することが可能である。
　以下、本発明の実施例及び比較例について説明する。
　実施例１、２及び参考例１として、支持体の一面に同心円状の凹凸構造を有する配向層を形成し、配向層上に液晶層を形成してなる光学素子を作製した。配向層に形成される凹凸構造の平面模式図を図１１に示す。図１１に示すように、最も小さい半径ｒ１から最も大きい半径ｒ２の同心円状に、環状の凹部と凸部とが交互に配置された凹凸構造を形成した。
　以下、各例の製造方法について説明する。
「実施例１」
［配向層の形成］
　トリアセチルセルロース（ＴＡＣ）フィルム（富士フイルム社製、フジタック）を支持体として、光硬化性樹脂　（東洋合成、ＰＡＫ－０２）を塗布膜厚１．１μｍとなるように塗布した。曲率кが、０．０００２μｍ－１≦к≦０．５μｍ－１である、すなわち半径２μｍ～５ｍｍの同心円状の凹部と凸部がそれぞれ０．１μｍの幅で交互に形成された凹凸構造を表面に有する石英基板をスタンパとして用いて、レジストに押圧した。これにより、レジストにスタンパの凹凸構造の反転凹凸構造を転写させ、波長３６５ｎｍの紫外線を照度２０ｍＷ／ｃｍ２で６０秒、レジストに照射してレジストを硬化させた。その後、スタンパをゆっくりと剥離して、ＴＡＣフィルム上に、凹凸構造が賦形された配向層Ｐ－１を得た。
　以上のようにして得られた配向層を、表面ＳＥＭ（日立製作所　Ｓ－４８００）で観察し、上記スタンパの同心円状の凹凸構造が転写されていることを確認した。
［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Ａ－１を調製した。
（組成物Ａ－１）
――――――――――――――――――――――――――――――――
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
レベリング剤Ｔ－１　　　　　　　　　　　　　　　　０．０８質量部
メチルエチルケトン　　　　　　　　　　　　　　９３６．００質量部
――――――――――――――――――――――――――――――――
　　液晶化合物Ｌ－１
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000003
 
　　レベリング剤Ｔ－１
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000004
 
　配向層Ｐ－１上に上記の組成物Ａ－１を塗布して、塗膜をホットプレート上で７０℃に加熱し、その後、２５℃に冷却した後、窒素雰囲気下で高圧水銀灯を用いて波長３６５ｎｍの紫外線を１００ｍＪ／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、膜厚１．５μｍの液晶層を形成した。
　上記のようにして、実施例１の光学素子を作製した。
「実施例２」
［配向層の形成］
　実施例１と同様に、配向層Ｐ－１を形成した。
［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Ａ－２を調整した。
（組成物Ａ－２）
―――――――――――――――――――――――――――――――
円盤状液晶化合物（化合物１０１）　　　　　　　　　８０質量部
円盤状液晶化合物（化合物１０２）　　　　　　　　　２０質量部
重合性モノマー１　　　　　　　　　　　　　　　　　１０質量部
界面活性剤１　　　　　　　　　　　　　　　　　　０．３質量部
重合開始剤（ＢＡＳＦ製、Ｉｒｇａｃｕｒｅ（登録商標）９０７）
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　３質量部
メチルエチルケトン　　　　　　　　　　　　　　　２９０質量部
シクロヘキサノン　　　　　　　　　　　　　　　　　５０質量部
―――――――――――――――――――――――――――――――
　　円盤状液晶化合物
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000005
 
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000006
 
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000007
 
　配向層Ｐ－１上に上記の組成物Ａ－２を塗布して、塗膜をホットプレート上で７０℃、２分間乾燥し、１１５℃で３分間加熱した。４５℃に冷却した後、窒素雰囲気下で高圧水銀灯を用いて波長３６５ｎｍの紫外線を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、膜厚１．５μｍの液晶層を形成した。
　上記のようにして、実施例２の光学素子を作製した。
「参考例１」
　配向層の形成において、スタンパとして、曲率кが０．０００２μｍ－１≦к≦６μｍ－１、すなわち、半径１６７ｎｍ～５ｍｍの同心円状の凹部と凸部からなる凹凸構造を有する石英基板を用いた。この石英基板を用いて配向層Ｐ－２を形成した点以外は、実施例１と同じ手法により参考例１の光学素子を作製した。
「評価」
　実施例１、２及び参考例１の光学素子について、以下の評価を行った。
［生産性評価］
　各例の光学素子及びの１時間あたりの生産枚数を評価した。
　１時間あたりの生産枚数については、１０枚以上のものをＡ、３枚以上９枚以下のものをＢ、２枚以下のものをＣとした。
［液晶の配向パターニング性評価］
　作製した各光学素子について、偏光板を直交に配置した偏光顕微鏡で観察し、液晶の配向パターニング性を評価した。実施例１，２、参考例１については、配向層の凹凸構造上で、放射線状の明暗が観察されたものをＡ、観察されなかったものをＢとした。配向層の凹凸構造の凹部及び凸部に沿って液晶分子が配向されている場合、図１２に示すように棒状に示す光学軸が環状に配向されて、本偏光顕微鏡では、図１２中において黒灰色に示される暗部と暗部間に示される明部が放射状に見える。
［欠陥数評価］
　作製した各光学素子について、偏光板を直交に配置した偏光顕微鏡で観察し、配向欠陥の数を評価した。明暗のストライプが乱れている箇所が、１箇所以下のものをＡ、２箇所以上のものをＢとした。
　各例の及び光学素子について、生産性評価、液晶配向の連続変化性評価及び得率評価の結果を表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000008
　表１の結果から、実施例１、２のように、半径２μｍ～５ｍｍの同心円状の凹部と凸部を備えた凹凸構造を備えた配向層を備えた構成では、液晶分子が棒状であっても円盤状であっても、良好な液晶配向パターニングができることが示された。
　なお、参考例１において、曲率κが５．０μｍ－１以下、すなわち、半径２００ｎｍ以上の円では、良好な配向パターンが形成されていたが、曲率кが５．０μｍ－１＜к≦６．０μｍ－１の範囲で配向パターニングできていなかった。この結果は、０μｍ－１≦к≦５．０μｍ－１の範囲の曲率を有する曲線であれば、自在な配向パターニングが可能であることを示唆している。
　実施例３～６及び比較例１～４として、図１に示したような、光学軸が一方向に回転変化する配向パターンを形成するための配向層を各種手法により形成し、配向層上に液晶層を設けて各例の光学素子を形成した。実施例３～６及び比較例１～４では、実施例１と同様の棒状液晶分子を含む液晶組成物Ａ－１を液晶層の材料として用いた。
「実施例３」
　配向層の形成において、液晶を配向させた際に、光学軸の向きが面内の一方向において１８０°回転する周期Λが１μｍである偏光回折格子となるように設計した、０μｍ－１≦к≦２．３μｍ－１である曲率кの曲線に沿って線状の凹部と凸部とが並んだ凹凸構造を表面に有する石英基板をスタンパとして用いた。凹部と凸部の幅はそれぞれ２０ｎｍ、高さは５０ｎｍである。その点以外は、実施例１と同じ手法により実施例３の光学素子を作製した。実施例３において、配向層には、凹凸構造として図２～４に示すような楕円の半弧状に沿った線状の凹部及び凸部をからなる構造を形成した。
「実施例４」
　配向層の形成において、液晶を配向させた際に、光学軸の向きが面内の一方向において１８０°回転する周期Λが３μｍである偏光回折格子となるように設計した、０μｍ－１≦к≦０．８μｍ－１である曲率кの曲線に沿って線状の凹部と凸部とが並んだ凹凸構造を表面に有する石英基板をスタンパとして、用いた。凹部と凸部の幅はそれぞれ２０ｎｍ、高さは５０ｎｍである。その点以外は、実施例１と同じ手法により実施例４の光学素子を作製した。
「実施例５」
　ガラスを支持体として、ＨＭＤＳ（関東化学、ヘキサメチルジシラザン）をスピンコーターで塗布後、１８０℃で２分間加熱することで、密着層を形成した。上記密着層上に、電子線レジスト（日本ゼオン、ＺＥＰ５２０Ａ）をスピンコーターで膜厚１５０ｎｍとなるように塗布し、１８０℃で２分間加熱後、帯電防止剤（昭和電工、エスペーサー３００Ｚ）をスピンコーターで塗布した。上記電子線レジストを塗布したガラス基板に、液晶を配向させた際に、光学軸の向きが面内の一方向において１８０°回転する周期Λが１μｍである偏光回折格子となるように設計した、０μｍ－１≦к≦２．３μｍ－１である曲率кの曲線に沿って延びるラインアンドスペースを描画するように予めプログラミングされた電子線（ＥＢ）露光を行った。その後、ｏ－キシレンに５分間浸漬することにより、描画ラインに沿った凸部及び凹部かからなる凹凸構造を備えた配向層Ｐ－５を上記ガラス上に形成した。凹部と凸部の幅はそれぞれ２０ｎｍ、高さは５０ｎｍである。
　実施例１同様、ＳＥＭで配向層Ｐ－５を観察したところ、プログラミングどおりの凹凸構造が観察された。こうして得られた配向層Ｐ－５に、実施例１と同様の手法で液晶層を作製し、実施例５の光学素子を作製した。
「実施例６」
　実施例５の配向層の形成において、液晶を配向させた際に、光学軸の向きが面内の一方向において１８０°回転する周期Λが３μｍである偏光回折格子となるように設計した、０μｍ－１≦к≦０．８μｍ－１である曲率кの曲線に沿って延びるラインアンドスペースを描画するようにＥＢ露光プログラムを偏光して、配向層Ｐ－６を形成した。それ以外は、実施例５と同じ手法により実施例６の光学素子を作製した。
「比較例１」
　特許文献１の手法を参照して光学素子を作製した。ガラスを支持体として、光配向材料（ＤＩＣ、ＬＩＡ－Ｃ００１）をスピンコーターで塗布し、ポリカーボネートシート及び屈折率適合流体フィルムからなるＵＶ吸収体上にそのガラスを置いて、裏面反射を最小にした。上記ガラスを、標準的なホログラフィ装置内で略９Ｊ／ｃｍ２において波長３５１ｎｍの２つの重ね合わされたレーザービームで露光した。このとき、２つのビームの１つは右旋性円偏光、もう１つは左旋性円偏光とし、それぞれの入射角を１．１８°及び２．３６°とした。このように、このホログラフィ装置内で、液晶を配向させた際に、光学軸の１８０°回転する周期Λが１μｍとなるように形成された偏光ホログラムが記録された配向層Ｐ－７を形成した。
　こうして得られた配向層Ｐ－７上に、実施例１と同様の手法で液晶層を作製し、比較例１の光学素子を作製した。
「比較例２」
　比較例１において、ホログラフィ装置内で、液晶を配向させた際に、光学軸の１８０°回転する周期が３μｍとなるように形成された偏光ホログラムが記録された配向層Ｐ－８を形成した。
　こうして得られた配向層Ｐ－８上に、比較例１と同じ手法により比較例２と同じ手法により比較例１の光学素子を作製した。
「比較例３」
　特許文献２の手法を参照して光学素子を作製した。配向層の形成において、実施例３においてスタンパとして用いた、光学軸の向きが面内の一方向において１８０°回転する周期Λが１μｍである偏光回折格子となるように設計した、０μｍ－１≦к≦２．３μｍ－１である曲率кの曲線に沿って線状の凹部と凸部とが並んだ凹凸構造を表面に有する石英基板をスタンプとして用いた。ＴＡＣフィルム（富士フイルム製、フジタック）に、上記石英基板の凹凸構造を強く押し付けた後、ゆっくりと剥離し、ＴＡＣフィルム表面に凹凸構造を賦形することにより、上記ＴＡＣフィルムの表層を配向層Ｐ－９とした。実施例１同様、ＳＥＭで配向層Ｐ－９を観察したところ、上記石英基板の曲線状の凹凸構造が転写されていることを確認した。
　こうして得られた配向層Ｐ－９に、実施例１と同様の手法で液晶層を作製し、膜厚１．５μｍの液晶層を備えた比較例３の光学素子を作製した。
「比較例４」
　実施例４でスタンパとして用いた、光学軸の向きが面内の一方向において１８０°回転する周期Λが３μｍである偏光回折格子となるように設計した、０μｍ－１≦к≦０．８μｍ－１である曲率кの曲線に沿って線状の凹部と凸部とが並んだ凹凸構造を表面に有する石英基板をスタンプとして用いた。このスタンプを用いて配向層Ｐ－１０を作製した以外は、比較例３と同様にして、比較例４の光学素子を作製した。
「評価」
　実施例３～６及び比較例１～４について、実施例１、２と同様の評価を行った。但し、液晶の配向パターニング性評価については、配向層の凹凸構造上で、ストライプ状の明暗（図６参照）が観察されたものをＡ、観察されなかったものをＢとした。
　なお、実施例３～６および比較例３、４、については、配向層形成後、液晶層塗布前に、配向層の凹凸構造の表面の表面粗さ（ラフネス）Ｒａを計測した。既述した方法に従って、ＳＥＭ画像から計測した。基準長さＬは２０ｎｍとした。
　実施例３～６及び比較例１～４の光学素子について、生産性評価、液晶配向の連続変化性評価及び得率評価の結果を表２に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000009
　実施例１～６の結果から、同心円状の配向パターンであっても、楕円の円弧状の配向パターンであっても、どちらも良好に配向パターニングできることが明らかである。
　さらに、実施例３～６では、比較例１，２のような光配向膜を用いた場合と比べ、生産性の改善効果が明らかである。
　また、実施例３～６に示すように、ナノインプリント法あるいはＥＢ描画を用いて凹凸構造を形成した場合には、１μｍ及び３μｍの回転周期の配向パターンのいずれも作製できた。これに対し、光配向膜で液晶を配向パターニングする手法では、比較例２の３μｍの回転周期の配向パターンはパターニングができたが、実施例と比較して欠陥数が多かった。比較例１の１μｍの回転周期の配向パターンのパターニングはできなかった。
　一方、物理的な凹凸構造で液晶を配向パターニングする場合であっても、比較例３，４のように、エンボス加工による凹凸構造を備えた配向層では、液晶を配向パターニングすることはできなかった。なお、比較例３，４で作製した凹凸構造は、実施例３～６で作製した凹凸構造と比較して、壁面のラフネス（表面粗さ）が大きいことが原因と推定される。
　上記結果から、物理的な凹凸構造で液晶を配向パターニングすることで、優れた生産性でピッチの狭い偏光回折格子が得られることが示された。
　２０１８年６月２８日に出願された日本国特許出願２０１８－１２３４００号の開示は、その全体が参照により本明細書に取り込まれる。
　本明細書に記載された全ての文献、特許出願、および技術規格は、個々の文献、特許出願、および技術規格が参照により取り込まれることが具体的かつ個々に記された場合と同程度に、本明細書中に参照により取り込まれる。

Claims (7)

  1. 　支持体と、
    　該支持体の一面に備えられた、曲率３．０ｍｍ－１以上の第１の曲線を含む線状に延びた凹部と、曲率３．０ｍｍ－１以上の第２の曲線を含む線状に延びた凸部とが交互に設けられた凹凸構造を有する配向層と、
    　液晶分子の光学軸が、前記一面に平行、かつ、前記配向層の前記凹部及び凸部に沿って配向した配向パターンを有する液晶層とを備えた光学素子。
  2. 　前記配向層の前記凹部の底点と前記凸部の頂点とを結ぶ線を含む、前記凹凸構造の側壁面の表面粗さＲａが、前記凹部の幅をＤとした場合に、
    Ｒａ≦Ｄ／５
    である請求項１に記載の光学素子。
  3. 　前記配向パターンが、前記液晶層の面内の少なくとも一方向に沿って、前記液晶分子の光学軸の向きが連続的に回転変化し、かつ１８０°回転の周期が０．３μｍ以上、１ｍｍ未満である請求項１又は２に記載の光学素子。
  4. 　前記配向層の前記凹凸構造において、前記第１の曲線及び前記第２の曲線の曲率が５．０μｍ－１以下である請求項１から３のいずれか１項に記載の光学素子。
  5. 　支持体の一面に、第１の曲線を含む線状に延びた凹部と第２の曲線を含む線状に延びた凸部とが交互に設けられた凹凸構造を有する配向層を形成する第１の工程と、
    　前記配向層の表面に液晶層を形成する第２の工程とを含み、
    　前記第１の工程は、前記支持体の前記一面にレジストを塗布し、転写用凹凸構造を有するスタンパを前記レジストに押し付けることにより、該レジストに前記凹凸構造を形成し、該凹凸構造が形成された前記レジストを硬化させることにより、前記凹凸構造を有する配向層を形成する光学素子の製造方法。
  6. 　支持体の一面に、第１の曲線を含む線状に延びた凹部及び第２の曲線を含む線状に延びた凸部とが交互に設けられた凹凸構造を有する配向層を形成する第１の工程と、
    　前記配向層の表面に液晶層を形成する第２の工程とを含み、
    　前記第１の工程は、前記支持体の前記一面にレジストを塗布し、電子線描画法を用いて前記凹凸構造に対応するパターン露光を行い、該パターン露光がなされた前記レジストを現像することにより、前記凹凸構造を有する配向層を形成する光学素子の製造方法。
  7. 　前記第１の曲線及び第２の曲線が、３．０ｍｍ－１以上の曲率を含む請求項５又は６に記載の光学素子の製造方法。
PCT/JP2019/025464 2018-06-28 2019-06-26 光学素子及び光学素子の製造方法 WO2020004497A1 (ja)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2020527597A JPWO2020004497A1 (ja) 2018-06-28 2019-06-26 光学素子及び光学素子の製造方法
US17/133,083 US11402696B2 (en) 2018-06-28 2020-12-23 Optical element and method of manufacturing optical element

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2018123400 2018-06-28
JP2018-123400 2018-06-28

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
US17/133,083 Continuation US11402696B2 (en) 2018-06-28 2020-12-23 Optical element and method of manufacturing optical element

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2020004497A1 true WO2020004497A1 (ja) 2020-01-02

Family

ID=68986634

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2019/025464 WO2020004497A1 (ja) 2018-06-28 2019-06-26 光学素子及び光学素子の製造方法

Country Status (3)

Country Link
US (1) US11402696B2 (ja)
JP (1) JPWO2020004497A1 (ja)
WO (1) WO2020004497A1 (ja)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023171077A1 (ja) * 2022-03-09 2023-09-14 株式会社ジャパンディスプレイ 液晶光学素子

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20220146889A1 (en) * 2020-11-06 2022-05-12 Japan Display Inc. Liquid crystal optical element

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1989002093A1 (en) * 1987-08-24 1989-03-09 Molecular Control Corporation Liquid crystal micelles, display, having concentric spheres
JPH04168427A (ja) * 1990-10-31 1992-06-16 Matsushita Electric Ind Co Ltd 光偏向素子
JPH06324337A (ja) * 1993-03-15 1994-11-25 Toshiba Corp 液晶表示装置
JPH0921913A (ja) * 1995-07-05 1997-01-21 Sharp Corp 軸対称偏光板及びその製造方法，並びに液晶表示装置
JP2008275691A (ja) * 2007-04-25 2008-11-13 Sekisui Chem Co Ltd 液晶配向用突起形成用ネガ型レジスト、液晶配向用突起、カラーフィルター、及び、液晶表示装置
WO2009084604A1 (ja) * 2007-12-27 2009-07-09 Asahi Glass Co., Ltd. 液晶素子および光ヘッド装置および可変光変調素子

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002217740A (ja) 2001-01-19 2002-08-02 Sakai Yasue 圧縮方法及び装置、伸長方法及び装置、圧縮伸長システム、記録媒体
JP2005274847A (ja) * 2004-03-24 2005-10-06 Toshiaki Nose 位相分布の形成方法及び回折光学素子
EP1886171B1 (en) 2005-03-01 2012-05-16 Stichting Dutch Polymer Institute Polarization gratings in mesogenic films
US10942398B1 (en) * 2017-05-19 2021-03-09 Facebook Technologies, Llc Continuous liquid crystal alignment patterns for geometric phase optics

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1989002093A1 (en) * 1987-08-24 1989-03-09 Molecular Control Corporation Liquid crystal micelles, display, having concentric spheres
JPH04168427A (ja) * 1990-10-31 1992-06-16 Matsushita Electric Ind Co Ltd 光偏向素子
JPH06324337A (ja) * 1993-03-15 1994-11-25 Toshiba Corp 液晶表示装置
JPH0921913A (ja) * 1995-07-05 1997-01-21 Sharp Corp 軸対称偏光板及びその製造方法，並びに液晶表示装置
JP2008275691A (ja) * 2007-04-25 2008-11-13 Sekisui Chem Co Ltd 液晶配向用突起形成用ネガ型レジスト、液晶配向用突起、カラーフィルター、及び、液晶表示装置
WO2009084604A1 (ja) * 2007-12-27 2009-07-09 Asahi Glass Co., Ltd. 液晶素子および光ヘッド装置および可変光変調素子

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023171077A1 (ja) * 2022-03-09 2023-09-14 株式会社ジャパンディスプレイ 液晶光学素子

Also Published As

Publication number Publication date
JPWO2020004497A1 (ja) 2021-05-13
US11402696B2 (en) 2022-08-02
US20210191169A1 (en) 2021-06-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8373810B2 (en) Optical vortex retarder micro-array
KR101063919B1 (ko) 위상차 판의 제조 방법
JP6865795B2 (ja) 光配向可能な物品
JP2005516236A (ja) パターン化した光学素子の製造方法
CN112771420A (zh) 光学元件及光偏振装置
KR101020634B1 (ko) 기능성 나노패턴을 갖는 렌즈의 제조방법
CN115877500A (zh) 在液晶聚合物材料上产生取向的方法
WO2020004497A1 (ja) 光学素子及び光学素子の製造方法
JP2003302532A (ja) 偏光板およびその製造方法
CN115461651B (zh) 反射光学超表面膜
CN114829986A (zh) 光学超表面膜
WO2005096037A1 (ja) 光学部材およびその製造方法
WO2010119735A1 (ja) 偏光分離素子およびその製造方法
KR20080082116A (ko) 선격자 편광판 제조방법
JP2004170623A (ja) 位相差板及び円偏光板
JP2010281998A (ja) 偏光性回折格子
JP2011112831A (ja) 積層グレーティング素子およびその製造方法
Yamada et al. Fabrication of achromatic infrared wave plate by direct imprinting process on chalcogenide glass
WO2019187907A1 (ja) 樹脂積層光学体及びその製造方法
TW201317686A (zh) 圖案化相位延遲膜及其製造方法
WO2022030482A1 (ja) 光学素子、及びその製造方法
CN116400562A (zh) 一种高精度的正弦摆线型衍射波片的光学压印制备方法
WO2023032975A1 (ja) 光学部材
WO2020080372A1 (ja) 微細パターン成形方法、インプリント用モールド製造方法およびインプリント用モールド並びに光学デバイス
KR20220097338A (ko) 불연속적인 기하학적 위상 회절광학소자로부터 연속적인 기하학적 위상 회절 광학소자를 제조하는 방법

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 19826085

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2020527597

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 19826085

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1