CN112771420B - 光学元件及光偏振装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种光学元件及光偏振装置，光学元件沿厚度方向具备多个光学各向异性层，所述光学各向异性层具有来源于液晶化合物的光轴的朝向一边沿面内的至少一个方向连续地旋转一边发生变化的面内取向图案，光学各向异性层具有在一个方向上光轴的朝向旋转180°为止的长度彼此不同的区域，多个光学各向异性层中的至少一层为如下倾斜光学各向异性层，即，在通过扫描式电子显微镜观察了沿一个方向以厚度方向切割的截面的截面像中，沿一个方向具有多个来源于光轴的朝向的明线及暗线对，且具有明线及暗线对相对于光学各向异性层的界面的法线以彼此不同的倾斜角度倾斜的区域。

Description

光学元件及光偏振装置
技术领域
本发明涉及一种光学元件及具备光学元件的光偏振装置。
背景技术
在大多光学器件或***中利用偏振光，并正在推进用于控制偏振光的反射、聚光及发散等的光学元件的开发。
日本特开2014-016632号公报(以下，称为专利文献1)及日本特开2010-525394号公报(以下，称为专利文献2)等中公开有通过使具有光学各向异性的液晶化合物图案取向而形成的偏振光衍射元件。
并且，日本特开2016-519327号公报(以下，称为专利文献3)中公开有使用了具有沿表面具备至少在一个维度非线性变化的局部光轴方向的光学各向异性的几何学相位元件的偏振光转换***。在此，也利用液晶化合物的图案取向。
发明内容
发明要解决的技术课题
专利文献1、2并不是根据入射位置而使光的衍射角度不同的方向射出的技术，并且也没有类似的记载。
通过本发明人等的研究明确了若使光入射于如专利文献3那样的具有具备在一个维度非线性变化的局部光轴方向的光学各向异性的层，则根据入射位置而衍射程度不同。在这种元件中，当根据区域而使光以不同的入射角入射、射出时，面内的衍射效率根据区域而不同，从而有时会产生衍射效率降低的区域。
鉴于上述情况，本发明的目的在于提供一种实现面内的衍射效率的平均化并且提高了平均的衍射效率的光学元件及光偏振装置。
用于解决技术课题的手段
在本发明的技术中包含以下方式。
＜1＞一种光学元件，其中，沿厚度方向具备多个光学各向异性层，该光学各向异性层具有来源于液晶化合物的光轴的朝向一边沿面内的至少一个方向连续地旋转一边发生变化的面内取向图案，
上述光学各向异性层具有在上述一个方向上上述光轴的朝向旋转180°为止的长度彼此不同的区域，
上述多个光学各向异性层中的至少一层为倾斜光学各向异性层，所述倾斜光学各向异性层在通过扫描式电子显微镜观察沿上述一个方向以上述厚度方向切割的截面而得的截面像中，沿上述一个方向具有多个来源于上述光轴的朝向的明线及暗线对，且具有上述明线及暗线对相对于上述光学各向异性层的界面的法线以彼此不同的倾斜角度倾斜的区域。
＜2＞根据＜1＞所述的光学元件，其中，具备两层上述倾斜光学各向异性层，在上述截面像中，上述两层倾斜光学各向异性层中的至少一部分对置区域中，一个倾斜光学各向异性层中的上述明线及暗线对与另一个倾斜光学各向异性层中的上述明线及暗线对的上述倾斜角度彼此不同。
＜3＞根据＜1＞或＜2＞所述的光学元件，其中，具备两层上述倾斜光学各向异性层，在上述截面像中，上述两层倾斜光学各向异性层中的至少一部分对置区域中，一个倾斜光学各向异性层中的上述明线及暗线对与另一个倾斜光学各向异性层中的上述明线及暗线对的相对于上述法线的倾斜方向不同。
＜4＞根据＜1＞至＜3＞中任一个所述的光学元件，其中，具备两层上述倾斜光学各向异性层，在上述截面像中，上述两层倾斜光学各向异性层中的至少一部分对置区域中，一个倾斜光学各向异性层中的上述明线及暗线对与另一个倾斜光学各向异性层中的上述明线及暗线对的相对于上述法线的倾斜方向相同。
＜5＞根据＜1＞至＜4＞中任一个所述的光学元件，其中，上述倾斜光学各向异性层具有上述光轴沿厚度方向扭曲取向的区域。
＜6＞根据＜1＞至＜5＞中任一个所述的光学元件具有衍射并透射所入射的光的功能。
＜7＞根据＜1＞至＜5＞中任一个所述的光学元件，其中，上述液晶化合物在上述倾斜光学各向异性层中胆甾醇型取向。
＜8＞根据＜7＞所述的光学元件具有衍射并反射所入射的光的功能。
＜9＞根据＜1＞至＜8＞中任一个所述的光学元件，其中，上述光学各向异性层的上述面内取向图案为在上述一个方向上上述光轴的朝向旋转180°为止的长度在该一个方向上逐渐发生变化的图案。
＜10＞根据＜1＞至＜9＞中任一个所述的光学元件，其中，上述光学各向异性层的上述面内取向图案为使上述一个方向从内侧朝向外侧呈放射状的图案。
＜11＞根据＜1＞至＜10＞中任一个所述的光学元件，其中，在上述光学各向异性层的上述面内取向图案中，具有在上述一个方向上上述光轴的朝向旋转180°为止的长度为10μm以下的区域。
＜12＞一种光偏振装置，其具备：光偏振元件，偏振射出所入射的光；驱动机构，驱动上述光偏振元件；及＜1＞至＜11＞中任一个所述的光学元件，配置于上述光偏振元件的光出射侧。
发明效果
根据本发明，在光学元件及光偏振装置中，能够实现面内的衍射效率的平均化并且提高平均的衍射效率。
附图说明
图1是示意地表示第1实施方式的光学元件的一部分表面的光轴的取向图案的俯视图。
图2是关于图1所示的光学元件的通过扫描式电子显微镜获得的截面像的示意图。
图3是示意地表示图1所示的光学元件的厚度方向(z方向)及水平方向(x方向)的液晶取向图案的图。
图4是表示具有水平旋转取向图案的光学各向异性层的作用的概念图。
图5是关于第2实施方式的光学元件的可通过扫描式电子显微镜获得的截面像的示意图。
图6是关于第3实施方式的光学元件的可通过扫描式电子显微镜获得的截面像的示意图。
图7是示意地表示第4实施方式的光学元件的截面的图。
图8是示意地表示设计变更例的光学元件的表面上的光轴的取向图案的俯视图。
图9是概念性地表示曝光取向膜而形成取向图案的曝光装置的一例的图。
图10是表示光偏振装置的一例的概略结构的图。
图11是表示比较例1的光学元件的层结构的图。
图12是表示实施例1的光学元件的层结构的图。
图13是表示实施例2的光学元件的层结构的图。
图14是表示实施例3的光学元件的层结构的图。
图15是表示实施例4的光学元件的层结构的图。
图16是表示实施例5的光学元件的层结构的图。
图17是表示透射光强度的测量方法的概念图。
图18是表示比较例11的光学元件的层结构的图。
图19是表示实施例11的光学元件的层结构的图。
图20是表示反射光强度的测量方法的概念图。
具体实施方式
以下，参考附图对本发明的光学元件的实施方式进行说明。另外，在各附图中，为了便于视觉辨认，与实际比例相比，适当变更了构成要件的比例尺。另外，在本说明书中，使用“～”来表示的数值范围表示将在“～”的前后记载的数值作为下限值及上限值来包含的范围。并且，关于角度，“正交”及“平行”表示严格的角度±10°的范围。
[光学元件]
图1是示意地表示第1实施方式的光学元件1的一部分表面的俯视图，图2是通过扫描式电子显微镜(SEM：Scanning Electron Microscope)观察光学元件1的截面而获得的截面像的示意图。另外，在以下附图中，将片状的光学元件的片面定义为xy面，将厚度方向定义为z方向。
光学元件1具备沿厚度方向层叠的两层光学各向异性层10、20。光学各向异性层10、20由包含液晶化合物的组合物的固化层构成。另外，光学元件1也可以是具备支承体及取向膜并且在取向膜上设置有光学各向异性层的结构。作为本发明的光学元件，只要沿厚度方向具备多个光学各向异性层即可，并不限于两层结构，也可以具备三层以上。
光学各向异性层10、20具有来源于液晶化合物的光轴30A的朝向一边沿面内的至少一个方向A连续地旋转一边发生变化的面内取向图案(面内的液晶取向图案)。在图1中示意地示出了光学各向异性层20的表面上的来源于液晶化合物的光轴30A的面内取向图案。
另外，关于来源于液晶化合物的光轴30A，当为棒状液晶化合物时，是棒形状的长轴方向(慢轴)，当为圆盘状液晶化合物时，是与圆盘状平面垂直的方向(快轴)。在以下说明中，将来源于液晶化合物的光轴30A也称为液晶化合物的光轴30A，或简称为光轴30A。
光轴30A的朝向一边沿一个方向A连续地旋转一边发生变化的面内取向图案是指，沿一个方向A(以下，也称为轴A。)排列的液晶化合物的光轴30A与轴A所成的角度根据轴A方向的位置而不同，且以光轴30A与轴A沿轴A所成的角度从
Figure GDA0002993690370000051
至
Figure GDA0002993690370000052
或
Figure GDA0002993690370000053
逐渐发生的变化的方式取向并被固定化的图案。以下，在如图1所示的光学各向异性层中，液晶化合物的光轴与光学各向异性层的面平行且将光轴的朝向恒定的局部区域(单位区域)以在沿一个方向排列的多个局部区域之间光轴的朝向沿一个方向连续地旋转变化的方式配置的面内取向图案称为水平旋转取向图案。
另外，“光轴30A与轴A所成的角度逐渐发生变化”可以是光轴的朝向在单位区域之间每次发生规定的角度的变化，也可以是不是以规定的角度间隔而是以不均匀的角度间隔发生变化，进而也可以是连续地发生变化。但是，沿x方向彼此相邻的单位区域之间的光轴30A的角度差优选为45°以下，更优选为15°以下，进一步优选为更小的角度。
在光学元件1中，在这种液晶化合物30的水平旋转取向图案中，将液晶化合物30的光轴30A旋转180°的长度(距离)设为水平旋转取向上的一个周期的长度Λ。换言之，水平旋转取向图案中的一个周期的长度为从液晶化合物30的光轴30A与轴A所成的角度
Figure GDA0002993690370000061
成为
Figure GDA0002993690370000062
为止的距离。在以下说明中，将该一个周期的长度Λ也称为“一个周期Λ”，或简称为“周期Λ”。
光学元件1中的光学各向异性层10、20包含在轴A方向上一个周期的长度Λ彼此不同的区域。在图1所示的例子中，在轴A方向上，包含一个周期的长度分别为ΛA1、ΛA2、ΛA3……(在此，ΛA1＜ΛA2＜ΛA3)的不同的区域A1、A2、A3……。在本例中，具有周期从纸面右侧向左侧逐渐变短的液晶取向图案，但作为本发明的光学元件，只要具有一个周期的长度彼此不同的2以上的区域即可。但是，当适用于后述的光偏振装置时，如本例所示，优选为一个周期的长度逐渐发生变化的液晶取向图案。优选包含周期Λ为10μm以下的区域。
另外，在多个光学各向异性层之间，对置的区域中的一个周期的长度可以偏离，但优选在±10％以内的范围内一致。
这种结构在首先形成第1层光学各向异性层的基础上，以通过涂布等形成第2层光学各向异性层的顺序形成多个光学各向异性层，由此能够使周期一致。
如图1所示，若以在正交的2个起偏器之间夹持具备光学各向异性层的光学元件1的状态通过光学显微镜对光轴的取向图案进行观察，则可交替地观察到明部42及暗部44。明暗的周期(即，明部的周期或暗部的周期)为光轴的水平旋转取向图案的周期Λ的一半。
在两层光学各向异性层10、20中的至少一层为倾斜光学各向异性层，在本例中，第1光学各向异性层10为倾斜光学各向异性层。以下，将第1光学各向异性层也称为倾斜光学各向异性层10。在此，倾斜光学各向异性层是指，在通过扫描式电子显微镜(SEM：ScanningElectron Microscope)观察了沿一个方向以厚度方向切割的截面的截面像(以下，称为截面SEM像。)中，沿一个方向具有多个来源于光轴的朝向的明线及暗线对(明暗线)，且具有明暗线相对于其层的界面的法线n以彼此不同的倾斜角度倾斜的区域的层。“来源于光轴的朝向的明线及暗线”是指，根据光学各向异性层的厚度方向上的液晶化合物的取向状态而观察到的明暗线。
图2是通过SEM观察了沿光轴旋转的一个方向以厚度方向切割的截面时的截面像的示意图。如图2所示，在截面像中，交替存在多个相对于倾斜光学各向异性层10的界面的法线n倾斜的明线及暗线对。
明暗线相对于界面的法线n的倾角根据x方向位置而不同，在本例中，倾斜角度沿x轴方向逐渐变大(α1＜α2＜α3……)。另外，在此，明暗线的倾斜角度以明暗线与法线n所成的角度中小于90°的锐角的角度来定义。
在倾斜光学各向异性层10中，例如，除了水平旋转取向以外还具备厚度方向上的扭曲取向，由此在上述的截面像中可观察到明暗线。
在图3中示意地示出图1及图2所示的光学元件1的截面上的液晶取向图案。在此，液晶化合物为棒状液晶化合物30。另外，在图3中重叠示出了通过SEM观察了截面时可观察到的明暗线。
如图3所示，倾斜光学各向异性层10具有棒状液晶化合物30(以下，简称为液晶化合物30。)沿x方向水平旋转取向且沿厚度方向扭曲取向的液晶取向图案。
“光轴沿厚度方向扭曲取向”是指，沿从光学各向异性层10的一面朝向另一面的厚度方向排列的光轴的朝向相对的发生变化且沿一个方向扭曲取向并被固定的状态。扭曲性中有右扭曲性及左扭曲性，但根据欲衍射的方向而适用即可。另外，厚度方向上的光轴的扭曲小于1圈，即，扭曲角小于360°。例如，在图3的例子中，在厚度方向(z方向)上，在从一面侧至另一面侧之间液晶化合物30的光轴大致旋转140°。厚度方向上的液晶化合物30的扭曲角优选为10°至200°左右，更优选为45°至180°左右。在后述的胆甾醇型取向的情况下，具有扭曲角为360°以上且反射特定的波长区域的特定的圆偏振光的选择反射性。本说明书中的“扭曲取向”中不包含胆甾醇型取向，在具有扭曲取向的光学各向异性层中不产生选择反射性。
若对具有这种液晶取向图案的倾斜光学各向异性层通过SEM观察其截面，则可观察到图2所示的明暗线。如在图3中重叠示出的明暗线，该明暗线的周期与水平旋转取向的周期一致。
另一方面，在截面像中，在第2光学各向异性层20中也交替存在多个明暗线，但第2光学各向异性层20的明暗线沿光学各向异性层20的界面的法线n，不具有倾角。在第2光学各向异性层20中，厚度方向上的光轴的朝向相同。
并且，在本光学元件1中，如图2所示，第1光学各向异性层10中的水平旋转取向的周期ΛA1、ΛA2……和第2光学各向异性层20中的水平旋转取向的周期ΛB1、ΛB2……在对置区域中一致。即，ΛA1＝ΛB1、ΛA2＝ΛB2……。
光学元件1衍射并透射所入射的光。例如，当使规定的圆偏振光的入射光Lin入射时，入射光Lin因光学各向异性层20而承受屈光力，且向弯曲的方向射出光。屈光力根据水平旋转取向的周期而不同，周期越小，可获得越大的衍射角。当在光学各向异性层10、20中以相同入射角使规定的圆偏振光的入射光Lin入射于水平旋转取向的周期不同的区域时，与周期相对较大的区域中的出射光Lout1相比，周期相对较小的区域中的出射光Lout2的衍射角更大。
在此，参考图4对具有水平旋转取向图案的光学各向异性层作为透射型衍射元件而发挥作用的原理简单进行说明。
另外，当作为透射型衍射元件而发挥作用时，光学各向异性层优选相对于波长λ的面内延迟Re(λ)(＝Δnλ×d)为0.3λ～0.7λ。延迟Re优选为0.4λ～0.6λ，更优选为0.45λ～0.55λ，尤其优选为0.5λ。Δnλ为波长λ时的光学各向异性层的双折射率，d为光学各向异性层的厚度。例如，当假设940nm的光为入射光时，相对于940nm的光的延迟Re在282nm～658nm的范围内即可，尤其优选为470nm。当具有这种延迟Re时，光学各向异性层发挥作为常规λ/2板的作用，即在入射光的正交的直线偏振光分量之间赋予180°(＝π＝λ/2)的相位差的作用。另外，延迟优选越接近λ/2衍射效率越提高，但延迟并不限定于上述范围。
当光学各向异性层具有大致λ/2的延迟时，对入射光赋予λ/2的相位差，将具有规定的圆偏振光的入射光转换为反向的圆偏振光并射出。
在图4中概念性地示出作为入射光L1使用了波长λ的右旋圆偏振光PR时的光学各向异性层11对具有水平旋转取向图案的光学各向异性层11发挥的作用。当将波长λ的右旋圆偏振光的入射光L1入射于光学各向异性层11时，右旋圆偏振光PR即入射光L1因通过光学各向异性层11而被赋予λ/2的相位差并转换为左旋圆偏振光PL。并且，入射光L1因水平旋转取向图案中的各单位区域(局部区域)中的液晶化合物30的光轴30A而绝对相位发生变化。在此，在光学各向异性层中，液晶化合物30的光轴30A的朝向沿轴A旋转而发生变化，因此根据入射光入射的光学各向异性层11的轴A的位置上的液晶化合物30的光轴30A的朝向而绝对相位的变化量不同。在图4中以虚线表示的区域，示意地示出了其绝对相位Q的变化量根据x坐标而不同的情况。
如图4所示，因通过光学各向异性层11时的绝对相位Q的偏差而形成相对于光学各向异性层11的表面具有角度的绝对相位的等相位面E。由此，沿与等相位面E垂直的方向对从法线方向入射的入射光L1赋予弯曲力，从而入射光L1的行进方向发生变化。即，右旋圆偏振光PR即入射光L1在通过光学各向异性层11之后成为左旋圆偏振光PL，且作为沿与法线方向呈规定的角度的方向行进的出射光L2而从光学各向异性层11被射出。
另外，当将左旋圆偏振光作为入射光而入射于光学各向异性层11时，入射光在光学各向异性层11中转换为右旋圆偏振光并且承受与图反向的弯曲力而行进方向发生变化。并且，当液晶化合物30的光轴30A的水平旋转取向的旋转方向相反时，基于光学各向异性层的光的折射方向与上述相反。
光学各向异性层中的面内取向图案中的一个周期越短能够对入射光赋予越大的弯曲力，因此能够加大衍射角。
并且，通过光学各向异性层11产生衍射作用的光的波长λ可以是从紫外到可见光、红外，甚至可以是电磁波级别。只要是相同的周期，则入射光的波长越大衍射角越大，入射光的波长越小衍射角越小。因此，根据对象波长及所期望的衍射角设定周期即可。
另外，上述中说明了对从法线方向入射的光赋予弯曲力的情况，但也能够以相同的原理对斜向入射的光赋予弯曲力，并获得与入射角不同的角度的出射角的出射光。
本结构的光学元件1中，第1及第2光学各向异性层10、20在各自的面内具备水平旋转取向图案的周期不同的区域，因此相对于相同的入射角，能够射出不同的出射角的光。如第2光学各向异性层20，当没有沿厚度方向扭曲取向时，对于沿法线方向入射的光的衍射效率较高，但存在对于斜向入射的光的衍射效率较低的问题。另一方面，在倾斜光学各向异性层10中，能够提高对于斜向入射的光的衍射效率。
光学元件1具有两层以上的光学各向异性层的层叠结构，其中，至少一层为倾斜光学各向异性层，因此能够提高根据区域改变入射角而入射时的平均的衍射效率，并能够抑制出射光的强度差而使出射强度平均。
在本例中，光学各向异性层为两层结构，但也可以是三层以上。并且，倾斜光学各向异性层可以是一层，但更优选具备两层以上。
作为第2及第3实施方式的光学元件2、3，在图5、图6中示出具备两层倾斜光学各向异性层的结构例。图5及图6是各光学元件2、3的截面像的示意图。如上所述，截面像为观察了沿水平旋转取向的一个方向以厚度方向切割的截面的SEM像。
如图5所示，两层倾斜光学各向异性层在截面像中，其两层对置区域中的一个倾斜光学各向异性层10中的明暗线相对于法线n的倾斜方向和另一个倾斜光学各向异性层22中的明暗线相对于法线n的倾斜方向可以不同。相对于法线n的倾斜方向不同是指，一个倾斜光学各向异性层10的明暗线相对于法线n的倾斜方向为x轴的负侧(纸面左侧)，相反，另一个倾斜光学各向异性层22的明暗线相对于法线n的倾斜方向为x轴的正侧(纸面右侧)。两层倾斜光学各向异性层的明暗线相对于法线n的倾斜角度在对置区域中可以相同(αn＝βn)，也可以不同(αn≠βn)。另外，当具备两层倾斜光学各向异性层时，彼此的明暗线的倾斜方向为不同朝向的对置区域可以遍及整个区域，也可以是一部分。本说明书中，两层倾斜光学各向异性层的对置区域是指，在相同的xy区域中从厚度方向进行视觉辨认时重叠的区域。
通过将一个倾斜光学各向异性层10及另一个倾斜光学各向异性层22中的厚度方向的扭曲取向的扭曲性设为反向，能够使彼此的明暗线相对于法线的倾角相反。
如图6所示，两层倾斜光学各向异性层在截面像中，其两层的对置区域的一个倾斜光学各向异性层10中的明暗线相对于界面的法线n的倾斜方向和另一个倾斜光学各向异性层24中的明暗线相对于界面的法线n的倾斜方向可以是相同的方向。但是，在此，对置区域中的一个倾斜光学各向异性层10中的明暗线的倾斜角度αn和另一个倾斜光学各向异性层24中的明暗线的倾斜角度γn彼此不同。另外，当具备两层倾斜光学各向异性层时，彼此的明暗线的倾斜方向相同的对置区域可以遍及整个区域，也可以是一部分。
通过使一个倾斜光学各向异性层10及另一个倾斜光学各向异性层22中的厚度方向的扭曲取向的扭曲的螺距不同，能够使彼此的明暗线相对于法线的倾角不同。扭曲的螺距不同是指，光轴扭曲至相同的扭曲角为止的厚度不同。
另外，在设置于一个光学元件的两层倾斜光学各向异性层中，可以同时包含倾斜方向相同的对置区域及倾斜方向不同的对置区域。
上述中，对作为透射型衍射元件而发挥作用的光学元件进行了说明，但本发明的光学元件也能够作为反射型衍射元件而发挥作用。
在图7中示出作为反射型衍射元件而发挥作用的第4实施方式的光学元件5的剖视图。在图7中示意地重叠示出了截面SEM像中的明暗线。
光学元件5具备两层倾斜光学各向异性层12、14。两层倾斜光学各向异性层12、14均水平旋转取向，且沿厚度方向胆甾醇型取向。两层倾斜光学各向异性层12、14中，水平旋转取向的光轴旋转的朝向彼此相反，胆甾醇型取向的回转的朝向也是反向。
倾斜光学各向异性层12、14具有胆甾醇型取向，因此仅选择性地反射特定的圆偏振光的特定的选择波长区域的光。被选择性地反射的光的中心波长根据胆甾醇型的螺旋节距及膜厚规定，反射哪一个圆偏振光根据螺旋的旋转方向规定。
由于是具有水平旋转取向且胆甾醇型取向的液晶取向图案，因此在截面像中，与已叙述的实施方式同样地沿法线方向具有倾角，可观察到其倾斜角度不同的明暗线(参考图7)。
与上述的方式相同地，倾斜光学各向异性层12、14的面内方向上的光轴30A的取向图案为水平旋转取向，因此发挥与光学元件1相同的作用。即，发挥使入射的光的绝对相位发生变化而向规定的方向弯曲的作用。因此，光学元件5兼具使入射光向与入射方向不同的方向弯曲的作用及基于上述胆甾醇型取向的作用，并且相对于镜面反射的反射方向沿规定方向具有角度而反射光。并且，在面内方向上，具有水平旋转取向的周期不同的区域，因此对于相同的入射角能够以不同的反射角来反射光。
并且，能够提高根据区域而改变入射角来入射时的平均的衍射效率，并且能够抑制反射光的强度差。
在上述各实施方式中，示出了水平旋转取向的一个周期沿x方向逐渐变长的图案。作为光学元件，也优选光学各向异性层在面内具有一个周期从一个轴方向的中心朝向一端及另一端逐渐变短的面内取向图案。
此外，如图8所示，还优选具有将水平旋转取向的一个方向设定成从内侧朝向外侧呈放射状的面内取向图案。图8是设计变更例的光学元件的光学各向异性层的平面示意图。在图8中，根据液晶化合物的光轴30A示出了面内取向图案。光学各向异性层具有光轴的朝向相同的区域设置成同心圆状且光轴30A的朝向一边连续地旋转一边发生变化的一个方向设置成从光学各向异性层15的中心呈放射状的面内取向图案。
在光学各向异性层15中，光轴30A的朝向沿从光学各向异性层15的中心朝向外侧的多个方向例如以箭头A1来表示的方向、以箭头A2来表示的方向、以箭头A3来表示的方向，一边连续地旋转一边发生变化。沿各自的轴向旋转的光轴的旋转的朝向相对于中心旋转对称。
若以在正交的2个起偏器之间夹持具备具有图8所示的面内取向图案的光学各向异性层的光学元件1的状态通过光学显微镜进行观察，则以同心圆状可交替观察到明部及暗部。同心圆状的周期性的取向表面上的明暗的周期(即，暗部的周期或明部的周期)为水平旋转取向图案的周期Λ的一半。周期朝向外侧逐渐变短，因此同心圆的直径越靠外侧与相邻的同心圆的直径之差越变小。
入射于具有该面内取向图案的光学各向异性层15的圆偏振光在液晶化合物30的光轴的朝向不同的每个局部区域中，绝对相位分别发生变化。此时，各自的绝对相位的变化量根据圆偏振光所入射的液晶化合物30的光轴的朝向而不同。
如上所述，液晶取向图案中的一个周期Λ越短，相对于入射方向的光折射的角度越变大。因此，通过使面内取向图案中的一个周期Λ从光学各向异性层15的中心朝向光轴连续地旋转的一个方向的外方向逐渐变短，能够进一步提高基于光学各向异性层15的光的会聚力或发散力。
另外，相反，也可以使同心圆状的液晶取向图案中的一个周期Λ从光学各向异性层15的中心朝向光轴连续地旋转的一个方向的外方向逐渐变长。
而且，例如，当对透射光欲设置光量分布时等，根据光学元件的用途，也能够利用不是朝向光轴连续地旋转的一个方向逐渐变更一个周期Λ，而是在光轴连续地旋转的一个方向上具有局部性地一个周期Λ不同的区域的结构。
接着，对设置于本发明的光学元件的构成要件材料及形成方法进行说明。
＜光学各向异性层＞
用于形成光学各向异性层的包含液晶化合物的液晶组合物除了液晶化合物以外，还可以含有流平剂、取向控制剂、聚合引发剂及取向助剂等其他成分。通过在支承体上形成取向膜，并且在该取向膜上涂布并固化液晶组合物，能够获得由液晶组合物的固化层构成的规定的液晶取向图案被固定化的光学各向异性层。
-棒状液晶化合物-
作为棒状液晶化合物，优选使用甲亚胺类、氧化偶氮类、氰基联苯类、氰基苯酯类、苯甲酸酯类、环己烷羧酸苯酯类、氰基苯基环己烷类、氰基取代苯基嘧啶类、烷氧基取代苯基嘧啶类、苯基二噁烷类、二苯乙炔类及链烯基环己基苄腈类。不仅能够使用如上所述的低分子液晶性分子，还能够使用高分子液晶性分子。
更优选对棒状液晶化合物通过聚合固定取向，作为聚合性棒状液晶化合物，能够使用Makromol.Chem.,190卷，2255页(1989年)；Advanced Mat erials 5卷，107页(1993年)；美国专利4683327号说明书、美国专利5622648号说明书、美国专利5770107号说明书；国际公开第95/22586号、国际公开95/24455号、国际公开97/00600号、国际公开98/23580号、国际公开98/52905号；日本特开平1-272551号公报、日本特开平6-016616号公报、日本特开平7-110469号公报、日本特开平11-080081号公报及日本特开2001-328973号公报等中所记载的化合物。而且，作为棒状液晶化合物，例如也能够优选使用日本特表平11-513019号公报及日本特开2007-279688号公报中所记载的化合物。
-圆盘状液晶化合物-
作为圆盘状液晶化合物，例如，能够优选使用日本特开2007-108732号公报及日本特开2010-244038号公报中所记载的化合物。
-其他成分-
另外，关于取向控制剂、聚合引发剂及取向助剂等其他成分，均能够利用普遍所知的材料。另外，为了获得沿厚度方向具有扭曲取向的光学各向异性层或沿厚度方向具有胆甾醇型取向的光学各向异性层而添加手性试剂。
--手性试剂(光学活性化合物)--
手性试剂具有诱发胆甾醇型液晶相的螺旋结构的功能。手性试剂由于由化合物诱发的螺旋的扭曲方向或螺旋节距不同，因此根据目的选择即可。
作为手性试剂，并无特别限制，能够使用普遍所知的化合物(例如，液晶器件手册，第3章4-3项，TN(twisted nematic：扭曲向列)，STN(Super Twisted Nematic：超扭曲向列)用手性试剂，199页，日本学术振兴会第142委员会编，记载于1989)、异山梨醇及异甘露糖醇衍生物等。
手性试剂通常包含不对称碳原子，但也能够将不包含不对称碳原子的轴向不对称化合物或表面不对称化合物用作手性试剂。轴向不对称化合物或表面不对称化合物的例子中包含联萘、螺烯、对环芳烷及它们的衍生物。手性试剂也可以具有聚合性基团。当手性试剂及液晶化合物均具有聚合性基团时，通过聚合性手性试剂与聚合性液晶化合物的聚合反应，能够形成具有从聚合性液晶化合物衍生的重复单元及从手性试剂衍生的重复单元的聚合物。在该方式中，聚合性手性试剂所具有的聚合性基团优选为与聚合性液晶化合物所具有的聚合性基团相同种类的基团。因此，手性试剂的聚合性基团也优选为聚合性不饱和基、环氧基或氮丙啶基，更优选为聚合性不饱和基，进一步优选为烯属不饱和聚合性基团。
并且，手性试剂可以是液晶化合物。
当手性试剂具有光异构化基时，在涂布、取向之后，通过活性光线等的光掩模照射，能够形成与发光波长对应的所期望的反射波长的图案，因此优选。作为光异构化基，优选为表示光致变色性的化合物的异构化部位、偶氮基、氧化偶氮基或肉桂酰基。作为具体的化合物，能够使用日本特开2002-080478号公报、日本特开2002-080851号公报、日本特开2002-179668号公报、日本特开2002-179669号公报、日本特开2002-179670号公报、日本特开2002-179681号公报、日本特开2002-179682号公报、日本特开2002-338575号公报、日本特开2002-338668号公报、日本特开2003-313189号公报及日本特开2003-313292号公报等中所记载的化合物。
-溶剂-
作为液晶组合物的溶剂，优选使用有机溶剂。有机溶剂的例子中包含酰胺(例如，N,N-二甲基甲酰胺)、亚砜(例如，二甲基亚砜)、杂环化合物(例如，吡啶)、烃(例如，苯、己烷)、卤代烷(例如，氯仿、二氯甲烷)、酯(例如，乙酸甲酯、乙酸丁酯)、酮(例如，丙酮、甲基乙基酮、环己酮)、醚(例如，四氢呋喃、1,2-二甲氧基乙烷)。优选为卤代烷及酮。可以并用两种以上的有机溶剂。
＜光学各向异性层的形成＞
光学各向异性层例如能够通过在取向膜上涂布多层液晶组合物来形成。多层涂布是指，在取向膜上涂布液晶组合物，进行加热，进而冷却之后进行紫外线固化而制作第1层液晶固定化层之后，第2层以后重复如下操作，即，在该液晶固定化层上以重涂方式进行涂布，同样地进行加热，冷却之后进行紫外线固化。
＜支承体＞
支承体支承光学各向异性层或光学各向异性层及取向膜。支承体并不是光学元件中必须的构成要件。也可以在形成光学各向异性层时使用之后剥离。
支承体只要能够支承光学各向异性层即可，能够利用各种片状物(薄膜、板状物)。
作为支承体，优选为透明支承体，能够举出聚甲基丙烯酸甲酯等聚丙烯酸类树脂薄膜、三乙酸纤维素等纤维素系树脂薄膜、环烯烃聚合物系薄膜(例如，商品名称“ARTON”，Japan Synthetic Rubber Co.,Ltd.制，商品名称“ZEON OR”，Zeon Corporation制)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚碳酸酯及聚氯乙烯等。支承体并不限于挠性薄膜，也可以是玻璃基板等非挠性基板。
关于支承体的厚度并无限制，根据光学元件的用途及支承体的形成材料等，适当设定能够保持取向膜及光学各向异性层的厚度即可。
支承体的厚度优选为1～1000μm，更优选为3～250μm，进一步优选为5～150μm。
＜取向膜＞
在形成光学各向异性层时，取向膜为了使液晶化合物取向成规定的液晶取向图案而设置。
取向膜能够利用普遍所知的各种取向膜。
例如，可例示由聚合物等有机化合物构成的摩擦处理膜、无机化合物的倾斜蒸镀膜、具有微槽的膜以及ω-二十三烷酸、双十八烷基甲基氯化铵及硬脂酸甲酯等有机化合物的基于朗缪尔-布洛杰特法的累积了LB(Langmuir-Blodget t：朗缪尔布洛杰特)膜的膜等。
基于摩擦处理的取向膜能够通过用纸或布沿规定方向摩擦数次聚合物层的表面来形成。
作为取向膜中所使用的材料，可优选例示聚酰亚胺；聚乙烯醇；日本特开平9-152509号公报中所记载的具有聚合性基团的聚合物；日本特开2005-097377号公报、日本特开2005-099228号公报及日本特开2005-128503号公报中所记载的取向膜等的形成中所使用的材料。
在本发明的光学元件中，取向膜优选利用对光取向性的材料照射偏振光或非偏振光而形成了取向膜的所谓的光取向膜。即，在本发明的光学元件中，作为取向膜，优选利用在支承体上涂布光取向材料而形成的光取向膜。
能够从垂直方向或倾斜方向对光取向膜进行偏振光的照射，能够从倾斜方向对光取向膜进行非偏振光的照射。
作为光取向膜中所使用的光取向材料，例如，可例示日本特开2006-285197号公报、日本特开2007-076839号公报、日本特开2007-138138号公报、日本特开2007-094071号公报、日本特开2007-121721号公报、日本特开2007-140465号公报、日本特开2007-156439号公报、日本特开2007-133184号公报、日本特开2009-109831号公报、日本专利第3883848号公报及日本专利第4151746号公报中所记载的偶氮化合物；日本特开2002-229039号公报中所记载的芳香族酯化合物；日本特开2002-265541号公报及日本特开2002-317013号公报中所记载的具有光取向性单位的马来酰亚胺和/或烯基取代纳迪克酰亚胺化合物；日本专利第4205195号及日本专利第4205198号中所记载的光交联性硅烷衍生物；日本特表2003-520878号公报、日本特表2004-529220号公报及日本专利第4162850号中所记载的光交联性聚酰亚胺、光交联性聚酰胺及光交联性酯；以及日本特开平9-118717号公报、日本特表平10-506420号公报、日本特表2003-505561号公报、国际公开第2010/150748号、日本特开2013-177561号公报及日本特开2014-012823号公报中所记载的能够光二聚化的化合物尤其肉桂酸酯化合物、查耳酮化合物及香豆素化合物等而作为优选例。
其中，优选利用偶氮化合物、光交联性聚酰亚胺、光交联性聚酰胺、光交联性酯、肉桂酸酯化合物及查耳酮化合物。
关于取向膜的厚度并无限制，根据取向膜的形成材料，适当设定可获得所需的取向功能的厚度即可。
取向膜的厚度优选为0.01～5μm，更优选为0.05～2μm。
关于取向膜的形成方法并无限制，能够利用各种与取向膜的形成材料相应的普遍所知的方法。作为一例，可举出将取向膜涂布于支承体的表面并进行干燥之后，通过激光束曝光取向膜，以形成取向图案的方法。
在图9中概念性地示出曝光取向膜而形成取向图案的曝光装置的一例。曝光装置具备射出激光束的激光光源81、扩大从激光光源81射出的激光束L的光束直径的扩束器82、配置于激光束L的光路上的λ/2板83、透镜84及设置取向膜90的驱动台86。λ/2板83安装于未图示的旋转式卡口，且作为可变偏振旋转器而发挥作用。
通过扩束器82扩大从激光光源81射出的激光束L的光束直径，通过λ/2板83的旋转向任意的偏振方向进行调整，通过透镜84在光取向膜上进行聚光，驱动驱动台86而扫描曝光光取向膜而进行图案形成。由此，能够形成所期望的图案的图案化取向膜。
另外，在本发明的光学元件中，取向膜作为优选方式而设置的，但不是必须的构成要件。
例如，通过对支承体进行摩擦处理的方法、对支承体用激光束等进行加工的方法等，在支承体中形成取向图案，由此也能够形成具有水平旋转取向图案的光学各向异性层。
另外，在上述的各光学元件中，基本上对假设成单波长的入射光的结构进行了说明，但也能够设为对多波长的入射光发挥相同的效果的结构。只要设为层叠了具备与各波长相应的液晶取向图案的光学各向异性层的结构的光学元件，则能够使用多波长的入射光。
[光偏振装置]
在图10示出一实施方式的光偏振装置的一例的概略结构图。
光偏振装置130从光(光束)的行进方向的上游侧具有聚光透镜131、λ/4板111、光偏振元件132及本发明的一方式的光学元件120。在以下说明中，将上游及下游设为光的行进方向的上游及下游。
聚光透镜131为普遍所知的聚光透镜，且为了使来自未图示的光源的光(光束)以稍微聚光的状态入射于光偏振元件132而设置。聚光透镜131作为优选方式而设置，不是必须的构成要件。但是，通过设置聚光透镜131，能够使从光偏振装置130射出的光(光束)成为适当的平行光而提高直进性。
另外，并不限于聚光透镜131，能够利用所有能够使光(光束)聚光的普遍所知的聚光元件。
λ/4板111为将从光源向外部射出的直线偏振光转换为圆偏振光的普遍所知的λ/4板(1/4相位差板)。作为λ/4板111，能够无限制地使用普遍所知的λ/4板。因此，λ/4板111可以来源于聚合物，也可以来源于液晶。另外，λ/4板111可以配置于MEMS(Micro ElectroMechanical System：微机电***)光偏振元件132与光学元件120之间。然而，在能够使λ/4板111小型化等的方面，优选设置于比MEMS光偏振元件132更靠上游的位置。当圆偏振的光入射时，在使用MEMS光偏振元件132的光偏振装置130中可以不设置λ/4板111。
光偏振元件132为对光进行二维扫描的MEMS光偏振元件。作为MEMS光偏振元件，并无特别限制，能够适当利用日本特开2012-208352号公报中所记载的MEMS光偏振元件、日本特开2014-134642号公报中所记载的MEMS光偏振元件及日本特开2015-022064号公报中所记载的MEMS光偏振元件等通过使用压电致动器等使反射镜(镜)摆动而使光偏振(偏振扫描)的普遍所知的MEMS光偏振元件(MEMS(光)扫描仪、MEMS光偏振器、MEMS反射镜或DMD(Digital Micromirror Device：数字显微装置))。
在光偏振元件132中连接有用于旋转驱动反射镜的驱动装置134。驱动装置134使用与MEMS光偏振元件132的结构等相应的普遍所知的装置即可。
光学元件120具备两层图8所示的光学各向异性层，该光学各向异性层具有光轴沿从中心呈放射状设置的轴水平旋转取向且其周期越靠外侧越变小的面内的液晶取向图案。如图10所示，与光学元件120的中心区域的周期Λ1相比，越朝向外侧，周期越变小(Λ1＞Λ2＞Λ3＞Λ4……)。在此，一个光学各向异性层121为倾斜光学各向异性层，另一个光学各向异性层122为在厚度方向上不具有扭曲性而在厚度方向上具有相同的图案的光学各向异性层。光学元件120配置成中心与光偏振元件132的偏振的中心一致。光学元件120的截面SE M像中的明暗线相对于法线的倾角成为越靠中心越大且越靠外侧越小的倾角。
光偏振装置130中，从未图示的光源射出的相对于光学元件120的出射面120b而偏振P的光通过聚光透镜131稍微聚光，接着通过λ/4板111例如转换为右旋圆偏振光。
通过λ/4板111转换为圆偏振的光通过MEMS光偏振元件132进行偏振，并入射于光学元件120的入射面120a。入射于光学元件120的光被衍射，并且从光学元件120的出射面120b，即从光偏振装置130射出。
配置成光学元件120的中心与光偏振元件132的偏振的中心一致，因此由光偏振元件132扫描的光相对于光学元件120的一面随着远离其一面的中心而以较大的入射角入射。水平旋转取向的周期构成为随着远离中心而变短，越靠外侧，弯曲力越强。因此，光学元件120对垂直入射的光几乎不产生弯曲力而使其直接透射，越靠光学元件120的外侧，更大的弯曲并射出。通过光学各向异性层121、122的水平旋转取向，将从中心朝向外侧被赋予弯曲力的偏振光作为入射光入射于光学元件120，由此能够获得大于光偏振元件132的扫描角度θmax的扫描角度θmaxout。
在此，若将向光学元件120的入射面120a入射的光的入射角设为θ1，将入射侧的介质的折射率设为n1，将从光学元件120的出射面120b射出的光的出射角设为θ2，将出射侧的介质的折射率设为n2，将光的波长设为λ，将液晶衍射元件的周期结构螺距设为Λ，将衍射次数设为m，则通过以下式(1)，可建立这些值的关系。
n1·sinθ1-n2·sinθ2＝m·λ/Λ(1)
如上所述，通过改变光学元件120的光学各向异性层中的水平旋转取向图案的周期Λ，能够改变来自光学元件120的出射光的角度。
若考虑斯涅耳定律，则最终射出到空气时的角度可达到绝对值80°左右，因此能够将出射角扩大到非常大的角度。并且，通过在面内连续地改变光学元件120的光学各向异性层中的水平旋转取向图案的周期，能够连续地向任意的方向射出光。
从以上说明明确可知，本发明的光偏振装置能够以比光偏振元件所具有的扫描角度(视角)更宽的扫描角度来进行光扫描。另外，在图10中，示出了x方向的扫描角度较宽的情况，但水平旋转取向图案设置成放射状，因此在y方向上也能够以相同的原理扩大扫描角度。因此，通过用光学元件120使来自光偏振元件132的偏振光(扫描光)衍射并进行扫描，与通过光偏振元件132能够二维扫描的扫描范围相比，能够大幅扩大扫描范围。
即使在适用于这种光偏振装置130的光学元件120不具备倾斜光学各向异性层121的情况下，也能够获得扩大扫描角度的效果。然而，当适用了不具备倾斜光学各向异性层121而仅具备光学各向异性层122的光学元件时，在入射角较小的中心附近及入射角较大且衍射角变大的外周部的区域，在衍射效率上出现较大的差，从而存在作为整体的衍射效率(平均衍射效率)低的问题。通过具备倾斜光学各向异性层121，能够提高入射角变大的元件外周部的衍射效率，抑制由入射位置及入射角引起的衍射效率的差，从而能够抑制出射光的光量的偏差。并且，通过具备两层以上的光学各向异性层，还能够提高平均衍射效率。
另外，在光偏振装置中，并不限于上述光学元件120，例如，也可以使用具备如图1所示那样的在x轴方向上具有周期从一侧朝向另一侧逐渐变小的水平旋转取向图案的光学各向异性层的光学元件。并且，也可以使用具备在x轴方向上具有周期从元件的中心朝向外侧逐渐变小的水平旋转取向图案，且隔着中心两侧的水平旋转取向图案的光轴的旋转方向相反的光学各向异性层的光学元件。
实施例
以下，举出实施例进一步对本发明的特征进行具体说明。以下实施例所示的材料、试剂、使用量、物质量、比例、处理内容及处理顺序等在不脱离本发明的宗旨的范围内能够适当进行变更。因此，本发明的范围并不应限定于以下所示的具体例而解释。在以下实施例及比较例中，假设将对象波长940nm的红外光作为入射光而设计了液晶取向图案。
[比较例1]
作为比较例1制作了具备在截面SEM像中明暗线未倾斜的非倾斜光学各向异性层211作为第1光学各向异性层的光学元件(参考图11)。
＜光学元件的制作＞
(取向膜的形成)
通过旋涂法在玻璃基板上涂布了下述取向膜形成用涂布液。将形成有该取向膜形成用涂布液的涂膜的支承体在60℃的热板上干燥60秒钟，形成了取向膜。
取向膜形成用涂布液
Figure GDA0002993690370000211
-光取向用材料A-
[化学式1]
Figure GDA0002993690370000212
(取向膜的曝光)
使用一边任意地改变聚光的激光束的偏振方向一边扫描曝光光取向膜而进行图案形成的图9所示的曝光装置来曝光取向膜，形成了具有取向图案的取向膜P-1。在曝光装置中，作为激光使用了射出波长(325nm)的激光束的装置。另外，设为同心圆状的取向图案，并且使其取向图案的一个周期从中心朝向外方向逐渐变短。
(第1光学各向异性层的形成)
作为形成光学各向异性层的液晶组合物，制备了下述组合物A-1。
组合物A-1
Figure GDA0002993690370000221
液晶化合物L-1
[化学式2]
Figure GDA0002993690370000222
流平剂T-1
[化学式3]
Figure GDA0002993690370000223
通过在取向膜P-1上涂布多层组合物A-1而形成了第1光学各向异性层。首先，在取向膜上涂布第1层组合物A-1，进行加热，冷却后进行紫外线固化而制作液晶固定化层之后，第2层以后重复了如下操作，即，在该液晶固定化层以重涂方式进行涂布，同样地进行加热，冷却后进行紫外线固化。
首先，第1层在取向膜P-1上涂布下述组合物A-1，在热板上将涂膜加热至70℃，然后，冷却至25℃之后，在氮气氛下使用高压汞灯对涂膜以300mJ/cm2的照射量照射波长365nm的紫外线，由此对液晶化合物的取向进行了固定化。此时的第1层液晶层的膜厚为0.2μm。
第2层以后在该液晶层进行重涂，并且在与上述相同的条件下进行加热，冷却后进行紫外线固化而制作了液晶固定化层。如此，重复重涂，直至总厚度成为所期望的膜厚，形成了第1光学各向异性层。
通过以上工序，制作了比较例1的光学元件。
另外，测量了将液晶组合物A1涂布于另行准备的延迟测量用带取向膜的支承体上，并以使液晶化合物的指向矢与基材成为水平的方式取向之后照射紫外线进行固定化而获得的液晶固定化层(固化层)的延迟Re(λ)及膜厚，从而求出了液晶组合物A1的固化层的复折射率Δn。能够通过延迟Re(λ)除以膜厚来计算Δnλ。延迟Re(λ)使用Woollam公司的椭圆偏振光谱仪并且以目的波长来进行测量，膜厚使用SEM进行了测量。Re(λ)的标记中，λ为入射光的波长。以下，将入射光的波长λ设为940nm。
关于第1光学各向异性层，液晶的Δn940×厚度＝Re(940)最终成为470nm，且通过偏振光显微镜确认到成为图8所示那样的同心圆状的周期性取向表面。同心圆状的周期性取向表面表示水平旋转取向的轴配置成从中心呈放射状的面内取向图案。另外，在该第1光学各向异性层的水平旋转取向图案中，一个周期在中心部非常大(可视为周期的倒数是0)，距中心1.0mm的距离时为9.0μm，距中心2.5mm的距离时为4.5μm，距中心4.0mm的距离时为3.0μm，且周期朝向外方向逐渐变短。并且，第1光学各向异性层的厚度方向的扭曲角为0°。以下，除非另有特别记载，以相同的方式进行了『Δn940×厚度』等的测量。并且，在基于SEM的截面像中，观察到相对于光学各向异性层的下界面(与玻璃基板的界面)沿垂直方向即法线延伸的明暗线。在明暗线的重复图案中，观察到周期从中心朝向外侧变短的情况。
[实施例1]
作为实施例1制作了如下光学元件，具备两层光学各向异性层，第1光学各向异性层为在截面SEM像中明暗线向界面的法线倾斜的倾斜光学各向异性层212，第2光学各向异性层为非倾斜光学各向异性层211(参考图12)。
(第1光学各向异性层的形成)
作为形成光学各向异性层的液晶组合物，制备了下述组合物A-2。
组合物A-2
Figure GDA0002993690370000241
手性试剂A
[化学式4]
Figure GDA0002993690370000242
除了使用了组合物A-2以外，以与比较例1相同地方式，在取向膜P-1上形成了第1光学各向异性层。
(第2光学各向异性层的形成)
实施例1的第2光学各向异性层与比较例1的第1光学各向异性层相同，使用组合物A-1，并且以与比较例1的第1光学各向异性层相同的方式，在第1光学各向异性层上形成第2光学各向异性层，制作了实施例1的光学元件。
关于第1光学各向异性层及第2光学各向异性层，通过偏振光显微镜确认了液晶的Δn940×厚度＝Re(940)最终成为470nm，且成为图8所示那样的同心圆状的周期性取向表面。另外，在该第1光学各向异性层的水平旋转取向图案中，一个周期在中心部非常大(可视为周期的倒数是0)，距中心1.0mm的距离时为9.0μm，距中心2.5mm的距离时为4.5μm，距中心4.0mm的距离时为3.0μm，且周期朝向外方向逐渐变短。另外，第2光学各向异性层涂布形成于第1光学各向异性层上，因此其周期与第1光学各向异性层的周期相同。后述中，通过涂布形成于第1光学各向异性层上的其他层也是相同的周期。并且，第1光学各向异性层的厚度方向的扭曲角为右扭曲140°。第2光学各向异性层的厚度方向的扭曲角为0°。并且，在基于SEM的截面像中，在第1光学各向异性层中观察到相对于光学各向异性层下界面(与玻璃基板的界面)的法线倾斜的明暗线，在第2光学各向异性层中观察到沿法线方向延伸的明暗线。第1光学各向异性层从中心朝向外侧而明暗线相对于法线的倾斜角度逐渐变小。关于明暗线的图案，在第1光学各向异性层及第2光学各向异性层中均观察到周期从中心朝向外侧变短的情况。
[实施例2]
作为实施例2制作了如下光学元件，具备两层光学各向异性层，第1光学各向异性层为非倾斜光学各向异性层211，第2光学各向异性层为倾斜光学各向异性层212(参考图13)。即，实施例2具有颠倒构成实施例1的第1光学各向异性层和第2光学各向异性层的结构。
除了使用组合物A-1而形成第1光学各向异性层，并且使用组合物A-2而形成第2光学各向异性层以外，以与实施例1相同的方式，制作了实施例2的光学元件。
关于第1光学各向异性层及第2光学各向异性层，通过偏振光显微镜确认了液晶的Δn940×厚度(Re(940))最终成为470nm，且成为图8所示那样的同心圆状的周期性取向表面。另外，在该第1光学各向异性层的水平旋转取向图案中，一个周期在中心部非常大(可视为周期的倒数是0)，距中心1.0mm的距离时为9.0μm，距中心2.5mm的距离时为4.5μm，距中心4.0mm的距离时为3.0μm，且周期朝向外方向逐渐变短。并且，第1光学各向异性层的厚度方向的扭曲角为0°。第2光学各向异性层的厚度方向的扭曲角为右扭曲140°。并且，在基于SEM的截面像中，第1光学各向异性层中观察到沿光学各向异性层下界面(与玻璃基板的界面)的法线方向延伸的明暗线，在第2光学各向异性层中观察到相对于法线倾斜的明暗线。第2光学各向异性层从中心朝向外侧而明暗线相对于法线的倾斜角度逐渐变小。关于明暗线的图案，在第1光学各向异性层及第2光学各向异性层中均观察到周期从中心朝向外侧变短的情况。
[比较例2]
作为比较例2制作了具备在截面SEM像中明暗线相对于界面的法线倾斜的倾斜光学各向异性层212作为第1光学各向异性层的光学元件。
(第1光学各向异性层的形成)
比较例2的第1光学各向异性层与实施例1的第1光学各向异性层相同，使用组合物A-2，并且以与实施例1的第1光学各向异性层相同的方式，在取向膜P-1上形成第1光学各向异性层，制作了比较例2的光学元件。即，比较例2的光学元件作为光学各向异性层为仅具备一层倾斜光学各向异性层的结构。
关于第1光学各向异性层，液晶的Δn940×厚度＝Re(940)最终成为470nm，且通过偏振光显微镜确认到成为图8所示那样的同心圆状的周期性取向表面。另外，在该第1光学各向异性层的水平旋转取向图案中，一个周期在中心部非常大(可视为周期的倒数是0)，距中心1.0mm的距离时为9.0μm，距中心2.5mm的距离时为4.5μm，距中心4.0mm的距离时为3.0μm，且周期朝向外方向逐渐变短。并且，第1光学各向异性层的厚度方向的扭曲角为右扭曲140°。并且，在基于SEM的截面像中，第1光学各向异性层中观察到相对于光学各向异性层下界面(与玻璃基板的界面)的法线倾斜的明暗线。第1光学各向异性层从中心朝向外侧而明暗线相对于法线的倾斜角度逐渐变小。明暗线的图案观察到周期从中心朝向外侧变短的情况。
[实施例3]
作为实施例3制作了如下光学元件，具备两层光学各向异性层，第1光学各向异性层及第2光学各向异性层为在截面SEM像中明暗线向界面的法线倾斜的倾斜光学各向异性层213、214(参考图14)。在第1光学各向异性层及第2光学各向异性层中，将截面SEM像中的明暗线倾斜的方向设为相同，且使倾斜角度不同。
(第1光学各向异性层的形成)
作为形成第1光学各向异性层的液晶组合物，制备了下述的组合物A-3。
组合物A-3
Figure GDA0002993690370000271
除了使用了组合物A-3以外，以与实施例1相同的方式，在取向膜P-1上形成了第1光学各向异性层。
(第2光学各向异性层的形成)
作为形成光学各向异性层的液晶组合物，制备了下述的组合物A-4。
组合物A-4
Figure GDA0002993690370000272
除了使用了组合物A-4以外，以与实施例1相同的方式，在第1光学各向异性层上形成第2光学各向异性层，制作了实施例3的光学元件。
关于第1光学各向异性层及第2光学各向异性层，通过偏振光显微镜确认了液晶的Δn940×厚度＝Re(940)最终成为470nm，且成为图8所示那样的同心圆状的周期性取向表面。另外，在该第1光学各向异性层的水平旋转取向图案中，一个周期在中心部非常大(可视为周期的倒数是0)，距中心1.0mm的距离时为9.0μm，距中心2.5mm的距离时为4.5μm，距中心4.0mm的距离时为3.0μm，且周期朝向外方向逐渐变短。并且，第1光学各向异性层的厚度方向的扭曲角为右扭曲160°。第2光学各向异性层的厚度方向的扭曲角为右扭曲20°。第1光学各向异性层与第2光学各向异性层的扭曲的方向相同。并且，在基于SEM的截面像中，在第1光学各向异性层及第2光学各向异性层中均观察到相对于光学各向异性层下界面的法线倾斜的明暗线。而且，从中心朝向外侧而明暗线相对于法线的倾斜角度逐渐变小，第1光学各向异性层及第2光学各向异性层的明暗线从法线的倾斜方向相同。关于明暗线的图案，在第1光学各向异性层及第2光学各向异性层中均观察到周期从中心朝向外侧变短的情况。
[实施例4]
作为实施例4制作了如下光学元件，具备两层光学各向异性层，第1光学各向异性层及第2光学各向异性层为在截面SEM像中明暗线向界面的法线倾斜的倾斜光学各向异性层215、216(参考图15)。在第1光学各向异性层及第2光学各向异性层中，使截面SEM像中的明暗线倾斜的方向不同。
(第1光学各向异性层的形成)
作为形成光学各向异性层的液晶组合物，制备了下述组合物A-5。
组合物A-5
Figure GDA0002993690370000281
除了使用了组合物A-5以外，以与实施例1相同的方式，在取向膜P-1上形成了第1光学各向异性层。
(第2光学各向异性层的形成)
作为形成光学各向异性层的液晶组合物，制备了下述的组合物A-6。
组合物A-6
Figure GDA0002993690370000291
手性试剂B
[化学式5]
Figure GDA0002993690370000292
除了使用了组合物A-6以外，以与实施例1相同的方式，在第1光学各向异性层上形成第2光学各向异性层，制作了实施例4的光学元件。
关于第1光学各向异性层及第2光学各向异性层，通过偏振光显微镜确认了液晶的Δn940×厚度＝Re(940)最终成为470nm，且成为图8所示那样的同心圆状的周期性取向表面。另外，在该第1光学各向异性层的水平旋转取向图案中，一个周期在中心部非常大(可视为周期的倒数是0)，距中心1.0mm的距离时为9.0μm，距中心2.5mm的距离时为4.5μm，距中心4.0mm的距离时为3.0μm，且周期朝向外方向逐渐变短。并且，第1光学各向异性层的厚度方向的扭曲角为右扭曲80°。第2光学各向异性层的厚度方向的扭曲角为左扭曲80°。第1光学各向异性层及第2光学各向异性层的扭曲的方向相反。并且，在基于SEM的截面像中，在第1光学各向异性层及第2光学各向异性层中均观察到明暗线相对于光学各向异性层下界面的法线倾斜的情况。而且，从中心朝向外侧而明暗线相对于法线的倾斜角度逐渐变小，第1光学各向异性层及第2光学各向异性层的明暗线从法线的倾斜方向相反。关于明暗线的图案，在第1光学各向异性层及第2光学各向异性层中均观察到周期从中心朝向外侧变短的情况。
[实施例5]
作为实施例5制作了如下光学元件，具备三层光学各向异性层，第1光学各向异性层及第3光学各向异性层为在截面SEM像中明暗线向界面的法线倾斜的倾斜光学各向异性层217、218，配置于第1及第3光学各向异性层之间的第2光学各向异性层为非倾斜光学各向异性层219(参考图16)。在第1光学各向异性层及第3光学各向异性层中，使截面SEM像中的明暗线倾斜的方向不同。
(第1光学各向异性层的形成)
作为形成光学各向异性层的液晶组合物，制备了下述的组合物A-7。
组合物A-7
Figure GDA0002993690370000301
除了使用了组合物A-7以外，以与实施例1相同的方式，在取向膜P-1上形成了第1光学各向异性层。
(第2光学各向异性层的形成)
除了使用组合物A-1，并且变更了膜厚以外，以与比较例1的第1光学各向异性层相同的方式，在第1光学各向异性层上形成了第2光学各向异性层。
(第3光学各向异性层的形成)
作为形成光学各向异性层的液晶组合物，制备了下述的组合物A-8。
组合物A-8
Figure GDA0002993690370000311
除了使用了组合物A-8以外，以与实施例1相同的方式，在第2光学各向异性层上形成第3光学各向异性层，制作了实施例5的光学元件。
第1光学各向异性层及第3光学各向异性层中，液晶的Δn940×厚度＝Re(940)最终为470nm，第2光学各向异性层中，Δn940×厚度(Re(940))为564nm。并且，通过偏振光显微镜确认到成为图8所示那样的同心圆状的周期性取向表面。另外，在该第1光学各向异性层的水平旋转取向图案中，一个周期在中心部非常大(可视为周期的倒数是0)，距中心1.0mm的距离时为9.0μm，距中心2.5mm的距离时为4.5μm，距中心4.0mm的距离时为3.0μm，且周期朝向外方向逐渐变短。并且，第1光学各向异性层的厚度方向的扭曲角为右扭曲130°。第2光学各向异性层的厚度方向的扭曲角为0°，第3光学各向异性层的厚度方向的扭曲角为左扭曲130°。第1光学各向异性层与第3光学各向异性层的扭曲的方向相反。并且，在基于SEM的截面像中，在第1光学各向异性层及第3光学各向异性层中观察到相对于光学各向异性层下界面的法线倾斜的明暗线，在第2光学各向异性层中观察到沿法线延伸的明暗线。在第1及第3光学各向异性层中，从中心朝向外侧而明暗线相对于法线的倾斜角度逐渐变小，第1光学各向异性层及第3光学各向异性层的明暗线相对于法线的倾斜方向相反。明暗线的图案中，第1光学各向异性层、第2光学各向异性层及第3光学各向异性层均观察到周期从中心朝向外侧变短的情况。
[评价]
比较例1及实施例1～5的光学元件作为透射型衍射元件而发挥作用。关于各光学元件，测量光入射时的透射衍射光相对于光学元件的法线方向的角度，并评价了相对于比较例1的元件的光强度增加率。具体的测量方法如下。
首先，使激光束以规定的入射角入射于光学元件的表面的规定位置，将透射光投影到配置于距光学元件的法线方向30cm的距离的屏幕上，从利用红外相机拍摄的图像计算出了透射衍射光的角度。光源中使用了波长940nm的激光二极管。
接着，如图17所示，使从激光光源251射出的波长940nm的激光束透射线性起偏器252及λ/4板254而获得了右旋圆偏振的光Li。使该光Li以规定的入射角入射于光学元件S的表面的规定的位置。通过光电检测器256测量了由光学元件S衍射的透射衍射光Ld的光强度。然后，取衍射光Ld的光强度与光Li的光强度之比，求出了衍射光Ld相对于入射光的相对光强度值。并且，改变入射角并且以相同的方式求出了相对光强度值。利用对于不同的入射角的相对光强度值的平均值以以下基准来评价了实施例相对于比较例1的光强度增加率。
A：光强度增加率为20％以上
B：光强度增加率为10％以上且小于20％
C：光强度增加率为5％以上且小于10％
D：光强度增加率小于5％
另外，在比较例1及比较例2与实施例1～3的比较中，将距中心1.0mm的距离(一个周期9.0μm)时的入射角设为10°，将距中心2.5mm的距离(一个周期4.5μm)时的入射角设为20°，将距中心4.0mm的距离(一个周期3.0μm)时的入射角设为30°而进行了评价。
并且，在比较例1及比较例2与实施例4及实施例5的比较中，将距中心1.0mm的距离(一个周期9.0μm)时的入射角设为±10°，将距中心2.5mm的距离(一个周期4.5μm)时的入射角设为±20°，将距中心4.0mm的距离(一个周期3.0μm)时的入射角设为±30°而进行了评价。
将结果示于表1中。
[表1]
Figure GDA0002993690370000331
实施例1～3在入射角10～30°的范围内，而实施例4及5在入射角-30～+30°的范围内，均获得了高于比较例1的平均衍射效率。通过组合截面SEM像中的明暗线倾角相反的倾斜光学各向异性层，能够遍及更宽的入射角范围内增加衍射效率。另外，在仅具备一层倾斜光学各向异性层的比较例2的光学元件中，无法获得提高平均衍射效率的效果。
[比较例11]
作为比较例11制作了如下光学元件，具有周期逐渐发生变化的水平旋转取向图案，且具备沿厚度方向胆甾醇型取向的第1光学各向异性层221(参考图18)。在图18中，示意地示出了关于沿厚度方向示胆甾醇型取向的一部分。
(第1光学各向异性层的形成)
作为形成光学各向异性层的液晶组合物，制备了下述的组合物C-1。该组合物C-1是选择反射中心波长为940nm且形成反射右旋圆偏振光的胆甾醇型液晶层的液晶组合物。
组合物C-1
Figure GDA0002993690370000332
Figure GDA0002993690370000341
除了使用组合物C-1并且变更了膜厚以外，以与实施例1相同的方式，在取向膜P-1上形成第1光学各向异性层，制作了比较例11的光学元件。
第1光学各向异性层中通过扫描式电子显微镜确认了涂布层的截面的结果，胆甾醇型液晶相为8螺距，且通过偏振光显微镜确认到成为图8所示那样的同心圆状的周期性取向表面。另外，在该第1光学各向异性层的水平旋转取向图案中，一个周期在中心部非常大(可视为周期的倒数是0)，距中心1.0mm的距离时为9.0μm，距中心2.5mm的距离时为4.5μm，距中心4.0mm的距离时为3.0μm，且周期朝向外方向逐渐变短。并且，在基于SEM的截面像中，在第1光学各向异性层中明暗线相对于光学各向异性层下界面的法线倾斜。第1光学各向异性层中，明暗线的倾斜角度从中心朝向外侧逐渐变大。关于第1光学各向异性层的明暗线的图案，观察到周期从中心朝向外侧变短的情况。
[实施例11]
作为实施例11制作了如下光学元件，具有周期逐渐发生变化的水平旋转取向图案，且具备沿厚度方向胆甾醇型取向的第1光学各向异性层222及第2光学各向异性层223(参考图19)。在图19中，示意地示出了关于沿厚度方向示胆甾醇型取向的一部分。
(第1光学各向异性层的形成)
使用组合物C-1，并且以与比较例11相同的方式，在取向膜P-1上形成了第1光学各向异性层。
第1光学各向异性层中通过扫描式电子显微镜确认了涂布层的截面的结果，胆甾醇型液晶相为8螺距，且通过偏振光显微镜确认到成为图8所示那样的同心圆状(放射状)的周期性取向表面。另外，在该第1光学各向异性层的水平旋转取向图案中，一个周期在中心部非常大(可视为周期的倒数是0)，距中心1.0mm的距离时为9.0μm，距中心2.5mm的距离时为4.5μm，距中心4.0mm的距离时为3.0μm，且周期朝向外方向逐渐变短。
(第2光学各向异性层的形成)
作为形成第2光学各向异性层的液晶组合物，制备了下述的组合物C-2。该组合物C-2是选择反射中心波长为940nm且形成反射左旋圆偏振光的胆甾醇型液晶层的液晶组合物。
＜组合物C-2＞
Figure GDA0002993690370000351
以与比较例11相同的方式，在取向膜P-1上形成了第2光学各向异性层。
第1光学各向异性层中通过扫描式电子显微镜确认了涂布层的截面的结果，胆甾醇型液晶相为8螺距，且通过偏振光显微镜确认到成为图8所示那样的同心圆状的周期性取向表面。另外，在该第1光学各向异性层的水平旋转取向图案中，一个周期在中心部非常大(可视为周期的倒数是0)，距中心1.0mm的距离时为9.0μm，距中心2.5mm的距离时为4.5μm，距中心4.0mm的距离时为3.0μm，且周期朝向外方向逐渐变短。
贴合第1光学各向异性层与第2光学各向异性层而制作了实施例11的光学元件。另外，在层叠第1光学各向异性层与第2光学各向异性层时，以使液晶取向图案中的光轴的朝向的连续的旋转方向彼此不同方式进行贴合。
在基于SEM的截面像中，在第1光学各向异性层及第2光学各向异性层中均观察到明暗线相对于光学各向异性层下界面的法线倾斜的情况。而且，从中心朝向外侧而明暗线的倾斜角度逐渐变小，第1光学各向异性层及第2光学各向异性层的明暗线相对于法线的倾斜方向相同。关于明暗线的图案，在第1光学各向异性层及第2光学各向异性层中均观察到周期从中心朝向外侧变短的情况。
[评价]
比较例11及实施例11的光学元件作为反射型衍射元件而发挥作用。关于各元件，测量光入射时的反射衍射光相对于光学元件的法线方向的角度，并评价了光强度增加率。具体的测量方法如下。
使激光束以规定的入射角入射于光学元件的表面的规定位置，将反射光投影到配置于距光学元件的法线方向30cm的距离的屏幕上，从利用红外相机拍摄的图像计算出了反射衍射光的角度。光源中使用了波长940nm的激光二极管。
接着，如图20所示，使从激光光源251射出的波长940nm的激光束透射线性起偏器252而获得了直线偏振的光Lir。使该光Lir以规定的入射角入射于光学元件S的表面的规定的位置。通过光电检测器256测量了由光学元件S衍射的反射衍射光Ldr的光强度。然后，取衍射光Ldr的光强度与光Lir的光强度之比，求出了衍射光Ldr相对于入射光的相对光强度值。并且，改变入射角并且以相同的方式求出了相对光强度值。关于相对于不同的入射角的相对光强度值的平均值，以以下基准评价了实施例相对于比较例的光强度增加率。
A：光强度增加率为20％以上
B：光强度增加率为10％以上且小于20％
C：光强度增加率为5％以上且小于10％
D：光强度增加率小于5％
另外，在比较例11与实施例11的比较中，将距中心1.0mm的距离(一个周期9.0μm)时的入射角设为10°，将距中心2.5mm的距离(一个周期4.5μm)时的入射角设为20°，将距中心4.0mm的距离(一个周期3.0μm)时的入射角设为30°而进行了评价。
将结果示于表2中。
[表2]
Figure GDA0002993690370000371
实施例11在入射角10～30°的范围内，获得了高于比较例11的平均衍射效率。
于2018年9月28日申请的日本国专利申请2018-185584的公开其全部内容通过参考编入于本说明书中。
本说明书中所记载的所有的文献、专利申请及技术标准，通过参考而援用于此的每个文献、专利申请及技术标准与具体且个别记载时相同程度地通过参考编入于本说明书中。

Claims (22)

1.一种光学元件，其中，
沿厚度方向具备多个光学各向异性层，所述光学各向异性层具有来源于液晶化合物的光轴的朝向一边沿面内的至少一个方向连续地旋转一边发生变化的面内取向图案，
所述多个光学各向异性层分别具有在所述一个方向上所述光轴的朝向旋转180°为止的长度彼此不同的区域，
所述多个光学各向异性层分别在通过扫描式电子显微镜观察沿所述一个方向以所述厚度方向切割的截面而得的截面像中，沿所述一个方向具有多个来源于所述光轴的朝向的明线及暗线对，
作为所述多个光学各向异性层中的一层的第1光学各向异性层为倾斜光学各向异性层，所述倾斜光学各向异性层在所述截面像中具有所述明线及暗线对相对于所述光学各向异性层的界面的法线以彼此不同的倾斜角度倾斜的区域，
所述多个光学各向异性层中包含与所述第1光学各向异性层相邻地配置的第2光学各向异性层，
所述第1光学各向异性层和所述第2光学各向异性层按照使所述光轴的朝向旋转180°为止的长度彼此一致的区域彼此一致的方式层叠，在所述截面像中，所述第1光学各向异性层和所述第2光学各向异性层的明线彼此及暗线彼此在两者的界面处相连。
2.根据权利要求1所述的光学元件，其中，
所述第2光学各向异性层是在所述截面像中所述多个明线及暗线对分别沿所述法线延伸的非倾斜光学各向异性层。
3.根据权利要求1所述的光学元件，其中，
所述第2光学各向异性层是在所述截面像中具有所述多个明线及暗线对相对于所述法线以彼此不同的倾斜角度倾斜的区域的倾斜光学各向异性层。
4.根据权利要求3所述的光学元件，其中，
在所述截面像中，所述第1光学各向异性层和所述第2光学各向异性层的至少一部分对置区域中，所述第1光学各向异性层中的所述明线及暗线对与所述第2光学各向异性层中的所述明线及暗线对的所述倾斜角度彼此不同。
5.根据权利要求3所述的光学元件，其中，
在所述截面像中，所述第1光学各向异性层和所述第2光学各向异性层的至少一部分对置区域中，所述第1光学各向异性层中的所述明线及暗线对与所述第2光学各向异性层中的所述明线及暗线对的相对于所述法线的倾斜方向不同。
6.根据权利要求3所述的光学元件，其中，
在所述截面像中，所述第1光学各向异性层和所述第2光学各向异性层的至少一部分对置区域中，所述第1光学各向异性层中的所述明线及暗线对与所述第2光学各向异性层中的所述明线及暗线对的相对于所述法线的倾斜方向相同。
7.根据权利要求1所述的光学元件，其中，
所述多个光学各向异性层中包含与所述第1光学各向异性层及所述第2光学各向异性层不同的第3光学各向异性层，所述第3光学各向异性层是在所述截面像中具有所述明线及暗线对相对于所述光学各向异性层的界面的法线以彼此不同的倾斜角度倾斜的区域的倾斜光学各向异性层，
所述第3光学各向异性层与所述第2光学各向异性层相邻，在所述截面像中，所述第2光学各向异性层和所述第3光学各向异性层的明线彼此及暗线彼此在两者的界面处相连。
8.一种光学元件，其中，
沿厚度方向具备多个光学各向异性层，所述光学各向异性层具有来源于液晶化合物的光轴的朝向一边沿面内的至少一个方向连续地旋转一边发生变化的面内取向图案，
所述多个光学各向异性层分别具有在所述一个方向上所述光轴的朝向旋转180°为止的长度彼此不同的区域，
所述多个光学各向异性层分别在通过扫描式电子显微镜观察沿所述一个方向以所述厚度方向切割的截面而得的截面像中，沿所述一个方向具有多个来源于所述光轴的朝向的明线及暗线对，
作为所述多个光学各向异性层中的一层的第1光学各向异性层为倾斜光学各向异性层，所述倾斜光学各向异性层在所述截面像中具有所述明线及暗线对相对于所述光学各向异性层的界面的法线以彼此不同的倾斜角度倾斜的区域，
所述多个光学各向异性层中包含与所述第1光学各向异性层相邻地配置的第2光学各向异性层，
所述第2光学各向异性层是在所述截面像中所述多个明线及暗线对分别沿所述法线延伸的非倾斜光学各向异性层。
9.根据权利要求8所述的光学元件，其中，
所述多个光学各向异性层中包含与所述第1光学各向异性层及所述第2光学各向异性层不同的第3光学各向异性层，所述第3光学各向异性层是在所述截面像中具有所述明线及暗线对相对于所述光学各向异性层的界面的法线以彼此不同的倾斜角度倾斜的区域的倾斜光学各向异性层，
所述第3光学各向异性层与所述第2光学各向异性层相邻，在所述截面像中，所述第2光学各向异性层和所述第3光学各向异性层的明线彼此及暗线彼此在两者的界面处相连。
10.一种光学元件，其中，
沿厚度方向具备多个光学各向异性层，所述光学各向异性层具有来源于液晶化合物的光轴的朝向一边沿面内的至少一个方向连续地旋转一边发生变化的面内取向图案，
所述多个光学各向异性层分别具有在所述一个方向上所述光轴的朝向旋转180°为止的长度彼此不同的区域，
所述多个光学各向异性层分别在通过扫描式电子显微镜观察沿所述一个方向以所述厚度方向切割的截面而得的截面像中，沿所述一个方向具有多个来源于所述光轴的朝向的明线及暗线对，
作为所述多个光学各向异性层中的一层的第1光学各向异性层为倾斜光学各向异性层，所述倾斜光学各向异性层在所述截面像中具有所述明线及暗线对相对于所述光学各向异性层的界面的法线以彼此不同的倾斜角度倾斜的区域，
所述多个光学各向异性层中包含与所述第1光学各向异性层相邻地配置的第2光学各向异性层，
所述多个光学各向异性层中包含与所述第1光学各向异性层及所述第2光学各向异性层不同的第3光学各向异性层，所述第3光学各向异性层是在所述截面像中具有所述明线及暗线对相对于所述光学各向异性层的界面的法线以彼此不同的倾斜角度倾斜的区域的倾斜光学各向异性层，
所述第3光学各向异性层与所述第2光学各向异性层相邻，在所述截面像中，所述第2光学各向异性层和所述第3光学各向异性层的明线彼此及暗线彼此在两者的界面处相连。
11.根据权利要求9或10所述的光学元件，其中，
所述第1光学各向异性层和所述第3光学各向异性层在所述截面像中，所述第1光学各向异性层中的所述明线及暗线对与所述第3光学各向异性层中的所述明线及暗线对的相对于所述法线的倾斜方向不同。
12.根据权利要求9或10所述的光学元件，其中，
所述第2光学各向异性层和所述第3光学各向异性层在所述截面像中，所述第2光学各向异性层中的所述明线及暗线对与所述第3光学各向异性层中的所述明线及暗线对的相对于所述法线的倾斜方向不同。
13.根据权利要求9或10所述的光学元件，其中，
所述第1光学各向异性层和所述第3光学各向异性层在所述截面像中，所述第1光学各向异性层中的所述明线及暗线对与所述第3光学各向异性层中的所述明线及暗线对的所述倾斜角度彼此不同。
14.根据权利要求9或10所述的光学元件，其中，
所述第2光学各向异性层和所述第3光学各向异性层在所述截面像中，所述第2光学各向异性层中的所述明线及暗线对与所述第3光学各向异性层中的所述明线及暗线对的所述倾斜角度彼此不同。
15.根据权利要求1、8、10中任一项所述的光学元件，其中，
所述倾斜光学各向异性层具有所述光轴沿厚度方向扭曲取向的区域。
16.根据权利要求1、8、10中任一项所述的光学元件，其中，所述光学元件具有将所入射的光衍射并透射的功能。
17.根据权利要求1、8、10中任一项所述的光学元件，其中，
在所述倾斜光学各向异性层中，所述液晶化合物进行了胆甾醇型取向。
18.根据权利要求17所述的光学元件，其中，所述光学元件具有将所入射的光衍射并反射的功能。
19.根据权利要求1、8、10中任一项所述的光学元件，其中，
所述多个光学各向异性层的各自的所述面内取向图案为在所述一个方向上所述光轴的朝向旋转180°为止的长度在该一个方向上逐渐发生变化的图案。
20.根据权利要求1、8、10中任一项所述的光学元件，其中，
所述多个光学各向异性层的各自的所述面内取向图案为使所述一个方向从内侧朝向外侧呈放射状的图案。
21.根据权利要求1、8、10中任一项所述的光学元件，其中，
在所述多个光学各向异性层的各自的所述面内取向图案中，具有在所述一个方向上所述光轴的朝向旋转180°为止的长度为10μm以下的区域。
22.一种光偏振装置，其具备：
光偏振元件，将所入射的光偏振并射出；
驱动机构，驱动所述光偏振元件；及
权利要求1至21中任一项所述的光学元件，配置于所述光偏振元件的光出射侧。
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