JP3745221B2 - 円偏光抽出光学素子及びその製造方法、偏光光源装置、液晶表示装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、コレステリック規則性を有する複数のポリマー化した液晶層を液晶分子のダイレクターの方向を実質的に一致させつつ連続的に積層することができる円偏光抽出光学素子、その製造方法、円偏光抽出光学素子を使用した偏光光源装置及び液晶表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、コレステリック液晶層を用いて、その液晶分子の螺旋ピッチに対応する波長の右旋又は左旋円偏光を反射し、他方を透過するようにした円偏光抽出板がある。
【０００３】
このような円偏光抽出板において、選択反射される波長のバンド幅を広帯域にする方法として、例えば特開平８−２７１７３１号公報、特開平１１−２６４９０７号公報等に開示されるように、ヘリカルピッチが異なる複数のコレステリック液晶層を重ねて構成したものがある。
【０００４】
又、このような円偏光抽出板を用いた偏光光源装置あるいは液晶表示装置としては、例えば、特開平９−３０４７７０号公報等に開示されるようなものがある。
【０００５】
前記特開平１１−２６４９０７号公報に開示された円偏光抽出板は、予めフィルム化されたコレステリック液晶層を、複数層、接着剤を用いて接着するか、あるいは接着剤を用いないで熱接着して構成している。
【０００６】
接着剤を用いる場合は、フィルム化した液晶層の液晶分子と接着剤の分子との接着性が良好である必要があり、接着剤の種類が限定されてしまうのみならず、接着剤層分の厚さが増加し、更には接着剤層と液晶層の屈折率差が原因で両者の界面に反射が生じたり、抽出光に、接着剤層自体の色が付いてしまう等の問題点があった。
【０００７】
又、接着剤を用いないで熱接着する場合、フィルム化した液晶層に柔軟性を与えるために、これをガラス転移温度（Ｔｇ）以上に加熱する必要があり、熱接着装置の構成及びハンドリングの点で工業化が難しいという問題点があり、更に高温に加熱することによって、液晶層の液晶分子が隣接する液晶層の液晶分子とランダムに混合してしまい、これによって光学的特性が劣化してしまう等の問題点がある。
【０００８】
更に、接着剤の使用又は非使用のどちらの場合でも、液晶分子をプレーナ配向させるために配向膜と基材を使用しなければならず、その厚さ分だけ全体が厚くなってしまうという問題点がある。
【０００９】
これに対して、延伸ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）フィルム等の延伸フィルムを基材として用いた場合は、延伸フィルム自体が配向膜の機能を有するので、配向膜を省略することができるが、延伸フィルムの厚さ分だけは全体の厚さが増加する。
【００１０】
更に又、配向膜と基材を用いた場合、液晶が固化した後にこれらを剥離することも考えられるが、剥離時に液晶層が損傷を受けることが多く、量産性が低くなるという問題点がある。
【００１１】
又、液晶層を３層以上に積層する場合は、上記いずれの方法でもかなり複雑な工程になり、基材及び配向膜が層数分だけ無駄になるという問題点がある。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような問題点に対して、例えば特開平１１−４４８１６号公報に開示されるように、コレステリック液晶ポリマー層の上に別のコレステリック液晶ポリマーを塗工して円偏光抽出層を形成する方法が提案されている。
【００１３】
しかしながら、この方法は、各液晶層におけるコレステリック液晶分子のヘリカル軸を常に一定にすることが困難であり、又、単純にコレステリック液晶ポリマーを塗工するだけでは、界面付近の液晶分子のダイレクターの方向が一義的に定まらないので、コレステリック液晶ポリマー層の界面において液晶分子のダイレクターの方向の断層が生じ、円偏光抽出光学素子としての光学的機能を低下させてしまうという問題点があった。
【００１４】
この発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたものであって、接着剤や剥離工程が不要であって、液晶分子のダイレクターの方向を実質的に一致させつつ連続的に積層した円偏光抽出光学素子、その製造方法、その円偏光抽出光学素子を利用した偏光光源装置及び液晶表示装置を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、コレステリック規則性を有する液晶分子が３次元架橋されてなる液晶層が、液晶分子のヘリカル軸の方向が実質的に一致する状態で複数積層され、かつ、相互に隣接する液晶層の界面近傍の３次元架橋された液晶分子のダイレクターの方向が、実質的に一致されていて、且つ、前記各液晶層における液晶分子の旋回方向が同一であることを特徴とする円偏光抽出光学素子により、上記目的を達成するものである。
【００１６】
又、コレステリック規則性を有する液晶分子を含む液晶ポリマーからなる液晶層が、液晶分子のへリカル軸の方向が実質的に一致する状態で、複数積層されており、かつ、相互に隣接する液晶層の界面近傍の液晶分子のダイレクターの方向が、実質的に一致していて、且つ、前記各液晶層における液晶分子の旋回方向が同一であることを特徴とする円偏光抽出光学素子により、上記目的を達成するものである。
【００１７】
更に、前記液晶層は、液晶分子のヘリカル構造における分子螺旋１ピッチ当たりの距離が、他の前記液晶層の液晶分子のヘリカル構造における分子螺旋１ピッチ当たりの距離と異なるようにしてもよい。
【００１８】
又、前記各液晶層の厚さを、入射する対応波長光の右旋又は左旋円偏光成分の一方を最大反射率で反射するための必要厚さよりも薄くしてもよい。
【００１９】
更に、コレステリック規則性を有する液晶分子を含む液晶層が、液晶分子のへリカル軸の方向が実質的に一致する状態で、複数積層され、前記液晶層は、液晶分子のヘリカル構造における分子螺旋１ピッチ当たりの距離が、他の前記液晶層の液晶分子のヘリカル構造における分子螺旋１ピッチ当たりの距離と異なり、前記液晶層と他の前記液晶層との間に、分子螺旋１ピッチ当たりの距離が厚さ方向に変化する遷移液晶層が配置され、前記遷移液晶層における液晶分子の分子螺旋１ピッチ当たりの距離が、隣接する一方の液晶層側ではその分子螺旋１ピッチ当たりの距離と実質的に等しく、前記液晶層側では、その分子螺旋１ピッチ当たりの距離と実質的に等しくされていることを特徴とする円偏光抽出光学素子により、上記目的を達成するものである。
【００２１】
更に又、前記各液晶層のうち少なくとも２層の選択反射波長帯域は、中心領域が異なる帯域であって、且つ、端部領域が一部重なるようにしてもよい。
【００２２】
本製造方法の発明は、コレステリック規則性を有する液晶分子である重合性モノマー分子又は重合性オリゴマー分子を配向膜上にコーティングして、その配向力によって液晶分子を配向させ、前記重合性モノマー分子又は重合性オリゴマー分子を３次元架橋して液晶層を形成し、更にその上に、別に用意したコレステリック規則性を有する液晶分子である重合性モノマー分子又は重合性オリゴマー分子を直接コーティングし、前記３次元架橋した液晶層表面の配向力を用いてコーティングした液晶分子を配向させ、３次元架橋させることにより次の液晶層を形成する、という手順を繰り返して、前記各液晶層における液晶分子の旋回方向が同一となるように、液晶層を順次積層して多層化することを特徴とする円偏光抽出光学素子の製造方法により、上記目的を達成するものである。
【００２３】
又、製造方法の他の発明は、配向膜の配向力によって配向させたコレステリック規則性を有する液晶分子を含む液晶ポリマーからなる液晶層を冷却してガラス状態にし、その上に、別に用意したコレステリック規則性を有する液晶分子を含む液晶ポリマーを直接コーティングし、前記冷却された液晶層表面の配向力を用いてコーティングした液晶分子を配向させ、更に、冷却してガラス状態にする、という手順を繰り返して、前記各液晶層における液晶分子の旋回方向が同一となるように、液晶層を順次積層して多層化することを特徴とする円偏光抽出光学素子の製造方法により、上記目的を達成するものである。
【００２４】
前述した様に、隣接する層同士のダイレクターの方向が、実質的に一致していれば、コレステリック構造特有の円偏光反射特性を充分に引き出すことができる。前記ダイレクター方向が実質的に一致していないと、光学的な特異点が形成されることになり、円偏光を用いて分光反射率を測定した際に、波長に対して不連続な点が生じる。
【００２５】
前記３次元架橋とは、重合性モノマー分子又は重合性オリゴマー分子が互いに３次元的に重合し、網目（ネットワーク）構造になっていることを意味する。このような状態にすることによって、コレステリック液晶状態を光学的に固定化することができ、常温で安定したフィルム状の膜状にすることができ、光学膜としての取り扱いが容易になる。
【００２６】
重合性モノマー分子又は重合性オリゴマー分子を所定の温度で液晶層にした場合にはネマチック状態になるが、これに任意のカイラル剤を入れれば、カイラルネマチック液晶（コレステリック液晶）となる。本製造方法の発明ではカイラル剤を数％〜１０％程度入れる。このカイラル剤の種類を代えてカイラルパワ−を変えるか、又は、カイラル剤の濃度を変化させれば、コレステリック液晶の選択反射波長帯域をコントロールすることができる。
【００２７】
液晶ポリマーは、温度によって状態が変わり、例えば、ガラス転移温度が９１℃、アイソトロピック転移温度が２００℃である場合は、９１℃〜２００℃の間でコレステリック液晶状態を呈し、これを室温に冷却すればコレステリック構造を有したままでガラス状態で固化される。
【００２８】
液晶ポリマーとして、液晶ポリマーそれ自体にカイラル能を有しているコレステリック液晶ポリマーそのものを用いてもよいし、ネマチック系液晶ポリマーとコレステリック系液晶ポリマーの混合物を用いてもよい。
【００２９】
液晶ポリマーのコレステリック構造に起因する選択反射波長帯域をコントロールする方法は、前述したコレステリック液晶ポリマー分子の場合は、公知の方法で分子中のカイラルパワ−を調整すればよいし、ネマチック系液晶ポリマーとコレステリック系液晶ポリマーの混合物を用いた場合は、その混合比を調整すればよい。
【００３０】
また、各層の、分子螺旋１ピッチ当たりの距離が異なるようにすれば、任意の波長に対する光の円偏光を抽出することができる。
【００３１】
特に、各層の厚さを、入射する対応波長光の右旋又は左旋円偏光成分の一方を最大反射率で反射するための必要厚さよりも薄くし、該一方の円偏光成分を最大反射率よりも小さい反射率で反射する様にすれば、該一方の円偏光成分を任意の反射率又は透過率で取り出すことができる様々な光学装置に使用することができる。
【００３２】
なお、各液晶層間に分子螺旋の１ピッチ当たりの距離が変化する遷移液晶層を設ければ光学特性をなめらかにすることができる。
【００３３】
各液晶層における液晶分子の旋回方向が同一であれば、各液晶層間に光学的な断層が生成されてしまうことを避けることができる。
【００３４】
特に、選択反射波長の中心が重ならない液晶層が少なくとも２層あれば連続した広帯域化を図ることができる。
【００３５】
偏光光源装置の発明は、非偏光を発生する光源と、この光源からの非偏光を受光して円偏光を透過するようにされた前記のいずれかの円偏光抽出光学素子とを有してなる偏光光源装置により、上記目的を達成するものである。
【００３６】
又、液晶表示装置の発明は、前記の偏光光源装置と、この偏光光源装置からの偏光を受光して、前記偏光に対する透過率を変化させて透過するようにした液晶セルと、を有してなる液晶表示装置により、上記目的を達成するものである。
【００３７】
この発明においては、先に形成された液晶層の表面が配向力を有する状態で、次の液晶層を直接これにコーティングすることによって、液晶分子を配向させるので、隣接する液晶層間の界面において、各々の液晶分子のダイレクターの方向が実質的に一致される。従って、光学的な特異点が生じることがない。
【００３８】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態の例を図面を参照して詳細に説明する。
【００３９】
図１に示されるように、この発明の実施の形態の例に係る円偏光抽出光学素子１０は、各々が、コレステリック規則性を有する液晶分子１８をその螺旋構造におけるヘリカル軸１８Ａの方向が層の厚さ方向に整列した状態で３次元架橋してなる第１の液晶層１２、第２の液晶層１４、及び、第３の液晶層１６を直接この順で積層して構成され、且つ、図２（Ａ）又は（Ｂ）に模式的に拡大して示されるように、第１の液晶層１２と第２の液晶層１４の各々の界面１３及び第２の液晶層１４と第３の液晶層１６の各々の界面１５近傍の液晶分子１８のダイレクターＤの方向が実質的に一致されるようにしたものである。３次元架橋したポリマーの状態は、網目構造（ネットワーク構造）とも言うことが出来る。
【００４０】
前記第１〜第３の液晶層１２〜１６に含まれる液晶分子１８は、例えばコレステリック液晶、カイラルネマチック液晶等のコレステリック規則性を有するものが利用されている。
【００４１】
前記コレステリック液晶層は、一般的に、フィジカルな分子配列に基づいて、一方向の旋光成分と、これと逆廻りの旋光成分とを分離する旋光選択特性を発現するが、プレーナ配列のへリカル軸に入射した光は右旋光光と左旋光光の２つの円偏光光に分かれ、一方は透過し他方は反射される。
【００４２】
この現象は、円偏光２色性として知られ、円偏光の旋光方向を入射光に対して適宜選択すると、コレステリック液晶のヘルカル軸方向と同一の旋光方向を持つ円偏光が選択的に反射される。
【００４３】
この場合の最大旋光光散乱は、次の（１）式の波長λO で生じる。
【００４４】
λO ＝ｎａｖ＊ｐ ・・・（１）
ここで、ｐはへリカルピッチ、ｎａｖはへリカル軸に直交する平面内の平均屈折率である。
【００４５】
このときの反射光の波長バンド幅Δλは、次の（２）式で示される。
【００４６】
Δλ＝Δｎ＊ｐ ・・・（２）
ここで、Δｎは複屈折値である。
【００４７】
又、各液晶層は、３次元架橋された液晶分子１８のモノマー又はオリゴマーあるいはガラス状態にした液晶ポリマーを用いて構成されている。
【００４８】
具体的なコレステリック液晶の材料として、架橋可能なモノマー分子を用いる場合は、特開平７一２５８６３８号公報や特表平１０−５０８８８２号公報で開示されているような液晶性モノマー及びキラル化合物の混合物、オリゴマー分子を用いる場合は、特開昭５７−１６５４８０で開示されているようなコレステリック相を有する環式オルガノポリシ２キサン化合物、等が望ましい。
【００４９】
コレステリック液晶の材料としてポリマー（高分子）液晶を用いる場合は、液晶を呈するメソゲン基を主鎖、側鎖、あるいは主鎖及び側鎖の位置に導入した高分子、コレステリル基を側鎖に導入した高分子コレステリック液晶や、例えば、特開平９−１３３８１０号公報で開示されているような液晶性高分子、特開平１１−２９３２５２号公報で開示されているような液晶性高分子を用いてもよい。
【００５０】
前記ガラス基板２０に代えて基材として光透過性基材を用いる場合は、ポリメタアクリル酸メチル、ポリアクリル酸メチル等のアクリル酸エステル又はメタアクリル酸エステルの単独若しくは共重合体、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート等のポリエステル、ポリカーボネート、ポリエチレン等の透明な樹脂、透明なセラミクス等の透光性材料からなる平面形状をしたシート状又は板状の部材を用いればよい。
【００５１】
上記のような第１〜第３の液晶層１２、１４、１６内において、コレステリック規則性を有する前記液晶分子１８は、図１、２に模式的に示されるように、そのダイレクターＤの方向が、液晶層の厚さ方向に連続的に回転して螺旋構造となっている。
【００５２】
ここで、前述の、界面１３、１５近傍の液晶分子１８のダイレクターＤの方向が実質的に一致しているとは、図２（Ａ）に示されるように、界面１３の両側位置での液晶分子１８の方向がほぼ一致しているか、図２（Ｂ）に示されるように、ほぼ１８０°ずれているかのどちらかを意味する。これは、多くの場合、液晶分子の頭と尾を光学的に弁別できないことに起因する。
【００５３】
このように、液晶層の界面１３、１５の両側で、各層における液晶分子１８のダイレクターＤの方向が実質的に一致していれば、この位置での、コレステリック構造特有の円偏光反射特性に断層が生じることがない。もし、ダイレクターＤの方向が実質的に一致していないと、光学的な特異点が形成されることになり、円偏光を用いて、この円偏光抽出光学素子１０を測定した際に、反射波長に不連続な点が発生する。
【００５４】
なお、液晶分子のダイレクターＤの方向が実質的に一致しているかどうかは、液晶層の断面を透過型電子顕微鏡で観察することによって判別することができる。透過型電子顕微鏡により、コレステリック規則性を有する液晶分子が固化された層の断面を観察すると、コレステリック構造特有のピッチに相当する明暗の縞模様が観察できる。従って、隣接する液晶層の互いに接触する部分、即ち界面部分でほぼ同じ濃度（明暗）で観察できれば、隣接する液晶層の界面近傍における液晶分子のダイレクターＤの方向が実質的に一致していることになる。
【００５５】
次に、上記のように、隣接する液晶層の界面において液晶分子１８のダイレクターＤの方向が実質的に一致するように円偏光抽出光学素子１０を形成するための製造方法について説明する。
【００５６】
第１の製造方法は図３に示される。
【００５７】
まず、図３（Ａ）に示されるように、ガラス基板２０上に配向膜２２を形成し、次に、図３（Ｂ）に示されるように、配向膜２２上に、液晶分子として、重合可能なモノマー分子又は重合可能なオリゴマー分子をコーティングする。
【００５８】
コーティングされた液晶分子は、前記配向膜２２の配向力によって配向され、第１の液晶層１２となる。これを、図３（Ｃ）に示されるように、（予め添加しておいた光開始剤と外部から照射した紫外線の作用により、又は電子線照射により）重合させて３次元架橋（ポリマー化）する。
【００５９】
この固化された第１の液晶層１２上に、前述と同様の、重合可能なモノマー分子又は重合可能なオリゴマー分子を、図３（Ｄ）に示されるように直接コーティングする。コーティングされた液晶分子は、固化された第１の液晶層１２の表面の配向力によって該表面の液晶分子に整列して液晶分子が配向され、第２の液晶層１４となる。
【００６０】
このとき、固化された液晶層１２表面と第２の液晶層１４の液晶分子との相互作用が重要なカギとなる。即ち、第１及び第２の液晶層の液晶分子が接近したときに、それぞれのダイレクター方向がほぼ一致又はほぼ１８０°の状態となることである。
【００６１】
前記ダイレクター方向が実質的に一致していないと、光学的な特異点が形成されることになり、円偏光を用いて分光反射率を測定した際に、波長に対して不連続な点が生じる。
【００６２】
図３（Ｅ）に示されるように、この第２の液晶層１４に、前述と同様に、紫外線あるいは電子線照射により３次元架橋（ポリマー化）して、固化した第２の液晶層１４を形成する。このようにして、必要な数だけ順次液晶層を重ねていく。
【００６３】
この方法の場合、前記重合可能なモノマー分子又は重合可能なオリゴマー分子を溶媒に溶かしてコーティング液とするとよいが、その場合は、３次元架橋する前に溶媒を蒸発させるための乾燥工程が必要となる。
【００６４】
円偏光抽出光学素子の第２の製造方法は、図４に示される。
【００６５】
この製造方法では、まず、図４（Ａ）に示されるように、ガラス基板２０上に配向膜２２を形成しておく。
【００６６】
次に、図４（Ｂ）に示されるように、コレステリック規則性を有する液晶ポリマーを前記配向膜２２上にコーティングし、その配向力によって液晶を配向させて第１のポリマー液晶層２４を形成する。
【００６７】
次に、前記第１のポリマー液晶層２４をガラス転移温度（Ｔｇ）以下に冷却しガラス状態にして固化し、ここに、前述と同様の、コレステリック規則性を有する液晶ポリマーをコーティングし、固化した第１のポリマー液晶層２４表面における配向力を用いて配向させ、図４（Ｃ）に示されるような、第２のポリマー液晶層２６を形成する。
【００６８】
このとき、固化された液晶層１２表面と第２の液晶層１４の液晶分子との相互作用が重要なカギとなる。即ち、第１及び第２の液晶層の液晶分子が接近したときに、それぞれのダイレクター方向がほぼ一致又はほぼ１８０°の状態となることである。
【００６９】
前記ダイレクター方向が実質的に一致していないと、光学的な特異点が形成されることになり、円偏光を用いて分光反射率を測定した際に、波長に対して不連続な点が生じる。
【００７０】
更に必要であれば、第２のポリマー液晶層２６を前述と同様にガラス転移温度（Ｔｇ）以下に冷却してから、次のコレステリック規則性を有する液晶ポリマーをコーティングするという手順を繰り返す。
【００７１】
この製造方法の場合、液晶ポリマーを予め溶媒に溶かしておいて、これをコーティング液としてもよい。その場合、液晶分子が配向された後にガラス転移温度（Ｔｇ）以下に冷却する前に、前記溶媒を蒸発させるための乾燥工程が必要である。
【００７２】
なお、第１のポリマー液晶層２４と第２のポリマー液晶層２６のガラス転移温度やアイソトロピック転移温度が実質的に同一の場合、ガラス状態に固化したポリマー液晶層の上に更に液晶ポリマーをコーティングしてこれを配向させるには加温が必要となるが、この加温の時に、２つの液晶層が混じり合ってしまうので、前記転移温度は少し異なるようにすることが好ましい。
【００７３】
次に図５に示される本発明の実施の形態の第２例に係る円偏光抽出光学素子３０について説明する。
【００７４】
この円偏光抽出光学素子３０は、前述のような製造方法によって形成された第１の液晶層３２と第２の液晶層３４における液晶の分子螺旋１ピッチ当たりの距離ｐ1とｐ2が異なるようにしたものである。
【００７５】
ここで、分子螺旋１ピッチ当たりの距離とは、各液晶層における液晶分子の配列（ダイレクター）方向が、分子螺旋の中心軸に対して１回転するのに必要な厚さ方向の距離ｐ1、ｐ2（図５参照）をいう。
【００７６】
前記のように、積層した複数の液晶層における液晶の分子螺旋１ピッチ当たりの距離を相違させると、異なる波長の円偏光を抽出することができ、その波長帯域幅を大きくすることができる。
【００７７】
次に、図６に示される、本発明の実施の形態の第３例に係る円偏光抽出光学素子４０について説明する。
【００７８】
この円偏光抽出光学素子４０は、それぞれの液晶分子における分子螺旋１ピッチ当たりの距離が異なるようにして、反射する円偏光の波長λ1、λ2、λ3がそれぞれ異なるようにした３層の第１〜第３の液晶層４２、４４、４６を前述と同様に積層したものである。
【００７９】
なお、図６では、各液晶層４２、４４、４６において右旋円偏光Ｒの一部が反射され、左旋円偏光Ｌが透過されるように示している。
【００８０】
前記第１〜第３の液晶層４２、４４、４６の厚さは、例えば、各液晶層における最大反射率を得るための厚さが、分子螺旋の８ピッチ分とすると、これより少ない６．４ピッチ分の厚さとしている。
【００８１】
前記第１〜第３の液晶層４２、４４、４６の厚さは、例えば、各液晶層における最大反射率を得るための厚さが、分子螺旋の８ピッチ分とすると、これより少ない６．４ピッチ分の厚さとしている。
【００８２】
コレステリック液晶による偏光分離作用は、コレステリック液晶で、前記波長λoを中心とした波長バンド幅Δλの範囲の光の右旋又は左旋の円偏光成分の一方が反射され、他方の円偏光成分及び他の波長領域の光が透過される。反射の際、右（左）旋円偏光又は左（右）旋円偏光はそのまま反射される。
【００８３】
一般的に、右旋又は左旋円偏光成分の一方を最大反射率（通常９５％〜９９％）で反射し、他方を透過するようにするためには、そのピッチ数が少なくとも８ピッチ必要である。
【００８４】
これに対して、前記各液晶層のピッチ数は６．４ピッチと、前記必要ピッチ数よりも少なくされているので、前記Δλの範囲では右旋又は左旋円偏光の一方の反射光量を８０％、透過光量を２０％とすることができる。なお、他方の円偏光成分については、コレステリック構造のピッチ数が８ピッチのときと比較して、透過率が向上し、１００％近くになる。
【００８５】
又、例えば、前記ポリマー化した各液晶層のピッチ数を、例えば５．６ピッチとすれば、各液晶層における右旋又は左旋円偏光成分の一方の反射光量を７０％、同様に透過光量を３０％とすることができる。即ち、各液晶層のピッチ数によって最大反射率に対する任意の反射率及び透過率を得ることができる。
【００８６】
また、一般的に、右旋又は左旋円偏光成分の一方を最大反射率（通常９５％〜９９％）で反射し、他方を透過するようにするためには、可視光領域における波長３８０ｎｍの光では、少なくとも１．６μｍ、７８０ｎｍの光では、少なくとも３．３μｍ必要である。
【００８７】
これに対して、図６における前記コレステリック構造を有する各液晶層の厚さは、可視光領域に於いては例えば１．２４μｍ（３８０ｎｍ）〜２．６（７８０ｎｍ）μｍ（各層の厚さは選択反射波長に対してリニアに変化させる）として、前記必要厚さよりも薄くされている。
【００８８】
従って、前記Δλの範囲では右旋又は左旋円偏光の一方の反射光量を８０％、透過光量を２０％とすることができる。なお、他方の円偏光成分については、厚さが５μｍのときと比較して、透過率が向上し、１００％近くになる。
【００８９】
又、例えば、前記各液晶層の厚さを、例えば、１．１μｍ（３８０ｎｍ）〜２．３（７８０ｎｍ）μｍ（各層の厚さ選択反射波長に対してリニアに変化させる）とすれば、各液晶層における右旋又は左旋円偏光成分の一方の反射光量を７０％、同様に透過光量を３０％とすることができる。即ち、各液晶層の厚さによって最大反射率に対する任意の反射率及び透過率を得ることができる。
【００９０】
更に、前記円偏光抽出光学素子は、各層が右旋又は左旋円偏光成分の一方を最大反射率で反射する場合よりも、薄く構成されているので、前記反射光を形成するための入射光と反対側から入射する透過光によっても、反射光と同様の円偏光成分を得ることができる。
【００９１】
前記図６の円偏光抽出光学素子４０は、第１〜第３の液晶層４２、４４、４６の反射波長が異なるようにしたものであるが、本発明はこれに限定されるものでなく、図７に示される実施の形態の第４例に係る円偏光抽出光学素子５０のように、第１、第２、第３の液晶層５２、５４、５６の反射波長が同一となるようにしてもよい。ここで第２の液晶層５４においては左旋円偏光Ｌの一部が反射され、第１、第３の液晶層５２、５６と異なるようにしている。
【００９２】
このようにすると、所定波長の右旋及び左旋円偏光を同時に且つ任意の割合で抽出することができる。
【００９３】
次に図８に示される本発明の実施の形態の第５例の円偏光抽出光学素子６０について説明する。
【００９４】
この円偏光抽出光学素子６０は、分子螺旋１ピッチ当たりの距離が異なる第１及び第２の液晶層６２、６４の間に、遷移液晶層６６を設けたものである。
【００９５】
ここで、前記第１及び第２の液晶層６２、６４の分子螺旋１ピッチ当たりの距離をｐ1、ｐ2とし、遷移液晶層６６の分子螺旋１ピッチ当たりの距離をｐsとしたとき、ｐ1＜ｐ2、且つ、ｐ1≦ｐs≦ｐ2となるようにしている。
【００９６】
即ち、遷移液晶層６６の分子螺旋ピッチの距離はその厚さ方向に変化され、第１の液晶層６２との界面６３ではｐ1、第２の液晶層６４との界面６５ではｐ2となるようにされている。具体的には、第１の液晶層６２上に第２の液晶層６４をコーティングしたときに、第１の液晶層６２が少し溶けるようにする。このようにすると、抽出円偏光の波長の連続した広帯域化を図ることができる。
【００９７】
なお、前記図５に示される円偏光抽出光学素子３０のように、分子螺旋ピッチが異なる液晶層を積層する場合、図９に示されるように、各液晶層のうち少なくとも２層での選択反射波長の一部が重なるようにすると、即ち、積層された各液晶層のうち少なくとも２層は、その選択反射波長帯域の中心領域Ｃ1とＣ2が異なり、且つ、一方の端部領域Ｅ1とＥ2が重なるようにすると、抽出円偏光の波長の連続した広帯域化を図ることができる。
【００９８】
上記実施の形態の各例に係る円偏光抽出光学素子１０、３０、４０、５０、６０は、例えば、図１０に示されるように、偏光光源装置８０に用いる。
【００９９】
この偏光光源装置８０は、例えば、非偏光を発生する面光源装置８２の光出射面側に、前述のような円偏光抽出光学素子８４（１０、３０、４０、５０又は６０）を取り付け、所定の円偏光を抽出するように構成する。
【０１００】
又、このような偏光光源装置８０は、図１１に示されるように、例えば液晶表示装置９０の光源として用いる。
【０１０１】
この液晶表示装置９０は、前記のような偏光光源装置８０と、その偏光出射面側に設けられ、所定波長の円偏光に対する透過率を変化させて透過するようにした液晶セル９２とから構成されている。
【０１０２】
【実施例】
以下本発明の実施例を、一部比較例を参照して説明する。
【０１０３】
（実施例１）
実施例１ではラビングによりダイレクターを一致させた。
【０１０４】
両末端に重合可能なアクリレートを有し、中央部のメソゲンと前記アクリレートとの間にスペーサーを有するネマチック−アイソトロピック転移温度が１１０℃であるモノマー分子９０部と、両末端に重合可能なアクリレートを有するカイラル剤分子１０部とをトルエン溶液に溶解させ、光開始剤を前記モノマー分子に対して５重量％添加した（なお、上記カイラルネマチック液晶は、配向膜上で、ラビング方向±５度の範囲にダイレクターが揃うことを確認している）。
【０１０５】
一方、透明なガラス基板上に溶媒に溶かしたポリイミドをスピンコーティングでコーティングし、乾燥後、２００℃で製膜（膜厚０．１μｍ）し、ラビングして配向膜として機能するようにした。
【０１０６】
前記配向膜付ガラス基板を、スピンコーターにセットし、前記トルエン溶液をスピンコーティングした。
【０１０７】
次に、８０℃でトルエンを蒸発させ、更に、コレステリック層を呈することを目視で選択反射により確認した。
【０１０８】
上記塗膜に紫外線を照射して、光開始剤から発生するラジカルによって、モノマー分子のアクリレートを３次元架橋してポリマー化（膜厚２μｍ）した。分光光度計で測定したところ、選択反射帯域の中心波長は６００ｎｍ付近だった。
【０１０９】
更に、上記ポリマー化した塗膜の表面を、塗膜表面のダイレクター方向（この方向は、配向膜のラビング方向、コレステリック液晶の選択反射波長、コレステリック液晶の屈折率、膜厚から計算によって算出できるし、光学的に測定することも可能であるし、断面を透過型電子顕微鏡で確認することも可能である）にラビングした。
【０１１０】
更に、ラビングした塗膜の上に、カイラル剤分子が１５部である以外は上記と同じトルエン溶液を前回よりは早い回転数でスピンコーティングした。
【０１１１】
次に、８０℃でトルエンを蒸発させ、更に、コレステリック層を呈することを目視で選択反射により確認した。分光光度計で測定したところ、選択反射帯域の中心波長は５００ｎｍ付近だった。
【０１１２】
上記塗膜に紫外線を照射して、光開始剤から発生するラジカルによって、モノマー分子のアクリレートを３次元架橋してポリマー化（膜厚１．５μｍ）した。
【０１１３】
得られた複数のコレステリック構造を有する塗膜の断面を透過型電子顕微鏡で観察したところ、各ポリマー化した液晶層間の明暗模様はお互い平行な状態（このことから、ヘリカル軸の方向が一致していることがわかる）で、層間に断層が観察されなかった（このことから、近接する液晶層表面間の、液晶分子のダイレクターの方向が一致していることがわかる）。更に、分光光度計で測定したところ、透過率に光学的特異点は観察されなかった。
【０１１４】
（比較例１）
比較例１では、ラビングによりダイレクターを不一致にした。
【０１１５】
ポリマー化した塗膜の表面を、塗膜表面のダイレクター方向から９０度の方向にラビングした以外は上記実施例１と同様にした。
【０１１６】
得られた複数のコレステリック構造を有する塗膜の断面を透過型電子顕微鏡で観察したところ、各ポリマー化した液晶層間の明暗模様はお互い平行な状態（このことから、ヘリカル軸の方向が一致していることがわかる）であったが、層間に断層が観察された（このことから、近接する液晶層表面間の、液晶分子のダイレクターの方向が一致していないことがわかる）。更に、分光光度計で測定したところ、透過率に光学的特異点が観察され、詳しく調べてみると、円偏光の状態が乱されていた。
【０１１７】
（実施例２）
実施例２では、直接積層によりダイレクターを一致させた。
【０１１８】
ポリマー化した塗膜をラビングしなかった以外は上記実施例１と同様にした。
【０１１９】
得られた複数のコレステリック構造を有する塗膜の断面を透過型電子顕微鏡で観察したところ、各ポリマー化した液晶層間の明暗模様はお互い平行な状態（このことから、ヘリカル軸の方向が一致していることがわかる）で、断層はなかった（このことから、近接する液晶層表面間の、液晶分子のダイレクターの方向が一致していることがわかる）。更に、分光光度計で測定したところ、透過率に光学的特異点は観察されなかった。
【０１２０】
（実施例３）
ガラス転移温度が８０℃でアイソトロピック転移温度が２００℃であるアクリル系の側鎖型液晶ポリマーを、トルエン溶液に溶解させた（なお、上記高分子コレステリック液晶は、配向膜上で、ラビング方向±５度の範囲にダイレクターが揃うことを確認している）。
【０１２１】
一方、透明なガラス基板上に溶媒に溶かしたポリイミドをスピンコーティングでコーティングし、乾燥後、２００℃で製膜（膜厚０．１μｍ）し、ラビングして配向膜として機能するようにした。
【０１２２】
前記配向膜付ガラス基板を、スピンコーターにセットし、前記トルエン溶液をスピンコーティングした。
【０１２３】
次に、９０℃でトルエンを蒸発させ、更に、上記塗膜を１５０℃で１０分間保持し、コレステリック層を呈することを目視で選択反射により確認した後、室温まで冷却して液晶ポリマーを固定化（膜厚２μｍ）した。分光光度計で測定したところ、選択反射帯域の中心波長は６００ｎｍ付近だった。
【０１２４】
更に、固定化した塗膜の上に、ガラス転移温度が７５℃でアイソトロピック転移温度が１９０℃であるアクリル系の側鎖型液晶ポリマーを、トルエン溶液に溶解させた溶液を前回より早い回転数でスピンコーティングした。
【０１２５】
次に、８０℃でトルエンを蒸発させ、更に、コレステリック層を呈することを目視で選択反射により確認した。分光光度計で測定したところ、選択反射帯域の中心波長は５００ｎｍ付近だった。
【０１２６】
次に、９０℃でトルエンを蒸発させ、更に、上記塗膜を１５０℃で１０分間保持し、コレステリック層を呈することを目視で選択反射により確認した後、室温まで冷却して液晶ポリマーを固定化（膜厚１．５μｍ）した。
【０１２７】
得られた複数のコレステリック構造を有する塗膜の断面を透過型電子顕微鏡で観察したところ、各固定化したポリマー液晶層間の明暗模様はお互い平行な状態（このことから、ヘリカル軸の方向が一致していることがわかる）で、断層はなかった（このことから、近接する液晶層表面間の、液晶分子のダイレクターの方向が一致していることがわかる）。更に、分光光度計で測定したところ、透過率に光学的特異点は観察されなかった。
【０１２８】
（実施例４）
両末端に重合可能なアクリレートを有し、中央部のメソゲンと前記アクリレートとの間にスペーサーを有するネマチック−アイソトロピック転移温度が１１０℃であるモノマー分子９０部と、両末端に重合可能なアクリレートを有するカイラル剤分子１０部を、トルエン溶液に溶解させ、光開始剤を前記モノマー分子に対して３重量％添加した（なお、上記カイラルネマチック液晶は、配向膜上で、ラビング方向±５度の範囲にダイレクターが揃うことを確認している）。
【０１２９】
一方、透明なガラス基板上に溶媒に溶かしたポリイミドをスピンコーティングでコーティングし、乾燥後、２００℃で製膜（膜厚０．１μｍ）し、ラビングして配向膜として機能するようにした。
【０１３０】
前記配向膜付ガラス基板を、スピンコーターにセットし、前記トルエン溶液をスピンコーティングした。
【０１３１】
次に、８０℃でトルエンを蒸発させ、更に、コレステリック層を呈することを目視で選択反射により確認した。
【０１３２】
上記塗膜に実施例１の１／１０の紫外線を照射して、光開始剤から発生するラジカルによって、モノマー分子のアクリレートを３次元架橋してポリマー化（膜厚２μｍ）した。分光光度計で測定したところ、選択反射帯域の中心波長は６００ｎｍ付近だった。
【０１３３】
更に、ポリマー化した塗膜の上に、カイラル剤分子が１５部である以外は上記と同じトルエン溶液を前回よりは早い回転数でスピンコーティングした。
【０１３４】
次に、８０℃でトルエンを蒸発させ、更に、コレステリック層を呈することを目視で選択反射により確認した。分光光度計で測定したところ、選択反射帯域の中心波長は５００ｎｍ付近だった。
【０１３５】
上記塗膜に紫外線を照射して、光開始剤から発生するラジカルによって、モノマー分子のアクリレートを３次元架橋してポリマー化（膜厚１．５μｍ）した。
【０１３６】
得られた複数のコレステリック構造を有する塗膜の断面を透過型電子顕微鏡で観察したところ、各ポリマー化た液晶層間の明暗模様はお互い平行な状態（このことから、ヘリカル軸の方向が一致していることがわかる）で、断層はなかった（このことから、近接する液晶層表面間の、液晶分子のダイレクターの方向が一致していることがわかる）。更に、分光光度計で測定したところ、透過率に光学的特異点は観察されなかった。
【０１３７】
又、層間に明暗模様の遷移層が観察された。その遷移層は、明暗模様のピッチが、隣接する層と一致しており、遷移層の中ではその中間的状態だった。
【０１３８】
遷移層ができた理由は、第１層目が、光開始剤の添加量や紫外線照射量を少なくすることによって、完全に３次元架橋せず、第１層の成分が第２層目に部分的に物質移動したためと考えられる。
【０１３９】
【発明の効果】
本発明は上記のように構成したので、任意の円偏光を抽出できると共に、抽出波長帯域が一定以上の場合、途中に断層を形成することなく、連続した波長帯域の円偏光を得ることができるという優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の第１例に係る円偏光抽出光学素子を示す拡大模式図
【図２】同円偏光抽出光学素子における液晶分子のダイレクターを示す模式図
【図３】本発明に係る円偏光抽出光学素子の第１の製造方法を示す拡大略視断面図
【図４】同第２の製造方法を示す拡大略視断面図
【図５】本発明の実施の形態の第２例に係る円偏光抽出光学素子の要部を拡大して示す模式図
【図６】同実施の形態の第３例に係る円偏光抽出光学素子を示す拡大略視断面図
【図７】同実施の形態の第４例に係る円偏光抽出光学素子を示す拡大略視断面図
【図８】同実施の形態の第５例に係る円偏光抽出光学素子を拡大して示す模式図
【図９】同実施の形態の第２例に係る円偏光抽出光学素子の反射波長帯域を示す線図
【図１０】偏光光源装置に係る実施の形態の例を示す略視拡大断面図
【図１１】液晶表示装置の実施の形態の例を示す拡大略視断面図
【符号の説明】
１０、３０、４０、５０、６０、７０…円偏光抽出光学素子
１２、３２、４２、５２、６２…第１の液晶層
１３、１５、６３、６５…界面
１４、３４、４４、５４、６４…第２の液晶層
１６、４６、５６…第３の液晶層
１８…液晶分子
２０…ガラス基板
２２…配向膜
２４…第１のポリマー液晶層
２６…第２のポリマー液晶層
６６…遷移液晶層
８０…偏光光源装置
８２…面光源装置
９０…液晶表示装置
９２…液晶セル
Ｄ…ダイレクター

Claims (14)

1. コレステリック規則性を有する液晶分子が３次元架橋されてなる液晶層が、液晶分子のヘリカル軸の方向が実質的に一致する状態で複数積層され、かつ、相互に隣接する液晶層の界面近傍の３次元架橋された液晶分子のダイレクターの方向が、実質的に一致されていて、且つ、前記各液晶層における液晶分子の旋回方向が同一であることを特徴とする円偏光抽出光学素子。
2. コレステリック規則性を有する液晶分子を含む液晶ポリマーからなる液晶層が、液晶分子のへリカル軸の方向が実質的に一致する状態で、複数積層されており、かつ、相互に隣接する液晶層の界面近傍の液晶分子のダイレクターの方向が、実質的に一致していて、且つ、前記各液晶層における液晶分子の旋回方向が同一であることを特徴とする円偏光抽出光学素子。
3. 請求項１または２において、前記液晶層は、液晶分子のヘリカル構造における分子螺旋１ピッチ当たりの距離が、他の前記液晶層の液晶分子のヘリカル構造における分子螺旋１ピッチ当たりの距離と異なることを特徴とする円偏光抽出光学素子。
4. 請求項１、２、または３において、前記各液晶層の厚さが、入射する対応波長光の右旋又は左旋円偏光成分の一方を最大反射率で反射するための必要厚さよりも薄くしたことを特徴とする円偏光抽出光学素子。
5. コレステリック規則性を有する液晶分子を含む液晶層が、液晶分子のへリカル軸の方向が実質的に一致する状態で、複数積層され、前記液晶層は、液晶分子のヘリカル構造における分子螺旋１ピッチ当たりの距離が、他の前記液晶層の液晶分子のヘリカル構造における分子螺旋１ピッチ当たりの距離と異なり、前記液晶層と他の前記液晶層との間に、分子螺旋１ピッチ当たりの距離が厚さ方向に変化する遷移液晶層が配置され、前記遷移液晶層における液晶分子の分子螺旋１ピッチ当たりの距離が、隣接する一方の液晶層側ではその分子螺旋１ピッチ当たりの距離と実質的に等しく、前記液晶層側では、その分子螺旋１ピッチ当たりの距離と実質的に等しくされていることを特徴とする円偏光抽出光学素子。
6. 請求項１乃至５のいずれかにおいて、前記各液晶層のうち少なくとも２層の選択反射波長帯域は、中心領域が異なる帯域であって、且つ、端部領域が一部重なることを特徴とする円偏光抽出光学素子。
7. 請求項１乃至６のいずれかにおいて、前記液晶分子のヘリカル軸の方向が液晶層の厚さ方向であることを特徴とする円偏光抽出光学素子。
8. 請求項１乃至７のいずれかにおいて、隣接する液晶層が互いに接触していることを特徴とする円偏光抽出光学素子。
9. コレステリック規則性を有する液晶分子である重合性モノマー分子又は重合性オリゴマー分子を配向膜上にコーティングして、その配向力によって液晶分子を配向させ、前記重合性モノマー分子又は重合性オリゴマー分子を３次元架橋して液晶層を形成し、更にその上に、別に用意したコレステリック規則性を有する液晶分子である重合性モノマー分子又は重合性オリゴマー分子を直接コーティングし、前記３次元架橋した液晶層表面の配向力を用いてコーティングした液晶分子を配向させ、３次元架橋させることにより次の液晶層を形成する、という手順を繰り返して、前記各液晶層における液晶分子の旋回方向が同一となるように、液晶層を順次積層して多層化することを特徴とする円偏光抽出光学素子の製造方法。
10. 配向膜の配向力によって配向させたコレステリック規則性を有する液晶分子を含む液晶ポリマーからなる液晶層を冷却してガラス状態にし、その上に、別に用意したコレステリック規則性を有する液晶分子を含む液晶ポリマーを直接コーティングし、前記冷却された液晶層表面の配向力を用いてコーティングした液晶分子を配向させ、更に、冷却してガラス状態にする、という手順を繰り返して、前記各液晶層における液晶分子の旋回方向が同一となるように、液晶層を順次積層して多層化することを特徴とする円偏光抽出光学素子の製造方法。
11. 請求項９又は１０において、前記液晶層の液晶分子のヘリカル軸の方向が液晶層の厚さ方向であることを特徴とする円偏光抽出光学素子の製造方法。
12. 請求項９、１０又は１１において、隣接する液晶層が互いに接触していることを特徴とする円偏光抽出光学素子の製造方法。
13. 非偏光を発生する光源と、この光源からの非偏光を受光して円偏光を透過するようにされた請求項１乃至８のいずれかに記載の円偏光抽出光学素子と、を有してなる偏光光源装置。
14. 請求項１３記載の偏光光源装置と、この偏光光源装置からの偏光を受光して、前記偏光に対する透過率を変化させて透過するようにした液晶セルと、を有してなる液晶表示装置。

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