JP7281134B2 - OPTICAL ELEMENT MANUFACTURING METHOD AND OPTICAL ELEMENT - Google Patents
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Description
本発明は、液晶を利用した光学素子の製造方法、及び該製造方法により製造される光学素子に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing an optical element using liquid crystal, and an optical element manufactured by the method.
従来、液晶化合物が配向による屈折率異方性を有することを利用した、レンズ及び波長板等の光学素子が提案されている（例えば、特許文献１、非特許文献２、及び、非特許文献１参照）。
Conventionally, optical elements such as lenses and wavelength plates have been proposed that utilize the fact that liquid crystal compounds have refractive index anisotropy due to orientation (for example, Patent Document 1, Non-Patent
例えば、特許文献１に記載される液晶を用いたレンズでは、平坦な電極層と同心円状の複数の輪帯電極を含む電極層との間に液晶層を設け、各輪帯電極に印加する電圧を制御することにより、液晶層の屈折率分布を調整している。さらに、電極層を輪帯状にした場合、液晶層に印加される電圧が階段状となり、理想的なレンズ特性を得られないため、特許文献１では、輪帯状の透明電極と液晶層との間に絶縁層と高抵抗層を配置して、液晶層の屈折率分布の変化が滑らかになるようにしている。これにより、特許文献１では、液晶層を屈折率分布型レンズ（ＧＲＩＮレンズ）として機能するように構成している。 For example, in a lens using liquid crystal described in Patent Document 1, a liquid crystal layer is provided between a flat electrode layer and an electrode layer including a plurality of concentric ring-shaped electrodes, and a voltage is applied to each ring-shaped electrode. is adjusted to adjust the refractive index distribution of the liquid crystal layer. Furthermore, when the electrode layer is annular, the voltage applied to the liquid crystal layer becomes stepwise, and ideal lens characteristics cannot be obtained. An insulating layer and a high-resistance layer are arranged on the substrate so that the refractive index distribution of the liquid crystal layer changes smoothly. Thus, in Patent Document 1, the liquid crystal layer is configured to function as a gradient index lens (GRIN lens).
また、特許文献２では、液晶化合物を用いたレンズを得るために、液晶層の表面付近の液晶分子の配向を決める配向層のアンカリングエネルギーを、非一様な分布とすることが記載されている。アンカリングエネルギーの非一様な分布は、例えば、配向層に光誘起異方性を有する物質を使用し、光重合中の照射光量の分布を不均一にすることによって生成される。又は、アンカリングエネルギーの非一様な分布は、ラビング法において、配向層の表面を非一様な条件でラビングすることによっても生成される。
Further,
さらに、液晶化合物の配向方向を制御することにより、素子全体でπのリタデーションを有しながら、方位角方向に光学軸の向きが変化するｑプレートを製造することが知られている。ｑプレートは、超解像顕微鏡等に利用されるベクトルビームを生成するために利用される。非特許文献１は、ＳＷａＰ（scanning wave photopolymerization）と呼ばれる技術を利用して、ｑプレートのための分子の配向パターンを有するポリマーフィルムを直接製造することを開示している。 Furthermore, it is known to manufacture a q-plate in which the orientation of the optical axis changes in the azimuthal direction while having a retardation of π in the entire element by controlling the alignment direction of the liquid crystal compound. Q-plates are used to generate vector beams for applications such as super-resolution microscopy. Non-Patent Document 1 discloses the direct production of polymer films with molecular orientation patterns for q-plates using a technique called SWaP (scanning wave photopolymerization).
従来技術の液晶を使用した光学素子によれば、所望の光学特性を得るために、複雑な形状を有する電極、固有の配向特性を有する配向膜、又は、特殊な製造技術が必要であった。本発明の目的は、液晶を用いて単純な構成で所望の光学特性が得られる光学素子の製造方法及び、当該方法で製造される光学素子を提供することである。 According to conventional optical elements using liquid crystals, in order to obtain desired optical characteristics, electrodes with complicated shapes, alignment films with unique alignment characteristics, or special manufacturing techniques are required. SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing an optical element using liquid crystal, which can obtain desired optical characteristics with a simple structure, and an optical element manufactured by the method.
本発明者らは、上記従来技術の課題を解決するため鋭意検討を行った結果、図３に示すように、磁力線が第１の透明電極１４及び第２の透明電極１５と交差するように磁界を印加した状態で、第１の透明電極１４及び第２の透明電極１５の間に電圧を印加することにより、液晶分子２０の配向方向を所望の方向に設定することが可能になるとの知見を得、本発明に至った。
The inventors of the present invention have conducted intensive studies to solve the above-described problems of the prior art. As a result, as shown in FIG. is applied, the alignment direction of the
本発明は、以下のとおりである。
〔１〕平坦な第１の透明電極、前記第１の透明電極に対向する平坦な第２の透明電極、及び、前記第１の透明電極と前記第２の透明電極との間に設けられた液晶層を有する液晶セルに、前記第１の透明電極及び前記第２の透明電極に対して磁力線が交差する磁界を印加する工程と、
前記磁界を印加した状態で、前記第１の透明電極と前記第２の透明電極との間に電圧を印加する工程と、
を含む光学素子の製造方法。
〔２〕前記電圧を印加する工程の後に、前記磁界の印加を停止する上記〔１〕に記載の製造方法。
〔３〕前記液晶層は、重合性化合物を含有し、前記重合性化合物を重合させる工程を更に含む上記〔１〕又は〔２〕に記載の製造方法。
〔４〕前記液晶層は、負の誘電率異方性を示す液晶である上記〔１〕から〔３〕の何れかに記載の製造方法。
〔５〕前記液晶層は、前記第１の透明電極側及び前記第２の透明電極側で、それぞれ垂直配向膜に接する上記〔１〕から〔４〕の何れかに記載の製造方法。
〔６〕前記磁力線の少なくとも一部は、前記第１の透明電極及び前記第２の透明電極に略垂直に交差する上記〔１〕から〔５〕の何れかに記載の製造方法。
〔７〕平坦な第１の透明電極と、
前記第１の透明電極に対向する平坦な第２の透明電極と、
前記第１の透明電極と前記第２の透明電極との間に設けられた液晶層と、
前記第１の透明電極及び前記第２の透明電極に対して磁力線が交差する磁界を形成する磁界形成部と、
電圧を前記第１の透明電極と前記第２の透明電極との間に印加する電圧印加部と、
を備える光学素子。
〔８〕前記磁界形成部は除去可能である上記〔７〕に記載の光学素子。
〔９〕前記液晶層は、負の誘電率異方性を示す液晶である上記〔７〕又は〔８〕に記載の光学素子。
〔１０〕前記液晶層の前記第１の透明電極側及び前記第２の透明電極側に、それぞれ垂直配向膜を備える上記〔７〕から〔９〕の何れかに記載の光学素子。
〔１１〕前記磁界形成部は、前記第１の透明電極又は前記第２の透明電極に沿って配置される少なくとも１つの磁石を含む上記〔７〕から〔１０〕の何れかに記載の光学素子。
〔１２〕前記電圧印加部の印加する電圧の大きさを制御する電圧制御部をさらに備える上記〔７〕から〔１１〕の何れかに記載の光学素子。
〔１３〕前記第１の透明電極及び前記第２の透明電極に沿う方向において屈折率分布を有するレンズとして構成される上記〔７〕から〔１２〕の何れかに記載の光学素子。
〔１４〕前記磁界形成部により規定される軸線の周りで、光学軸の方向が方位角方向に変化するｑプレートとして構成される上記〔７〕から〔１２〕の何れかに記載の光学素子。
〔１５〕平坦な第１の透明電極と、
前記第１の透明電極に対向する平坦な第２の透明電極と、
前記第１の透明電極と前記第２の透明電極との間に設けられた、液晶分子が配向した状態で重合した液晶重合体層と、
前記液晶重合体層の前記第１の透明電極側及び前記第２の透明電極側にそれぞれ配置された垂直配向膜と
を備え、前記液晶重合体層は、前記液晶分子が少なくとも部分的に前記第１の透明電極及び前記第２の透明電極に対して垂直方向以外の方向に配向している光学素子。
〔１６〕前記液晶重合体層は、前記第１の透明電極及び前記第２の透明電極に沿う位置に依存して、前記液晶分子の配向方向が異なる上記〔１５〕に記載の光学素子。
〔１７〕前記液晶重合体層は、前記液晶分子が、少なくとも部分的に所定の中心軸線の周りに放射状に配向している上記〔１５〕又は〔１６〕に記載の光学素子。
〔１８〕前記第１の透明電極及び前記第２の透明電極に沿う方向において屈折率分布を有するレンズとして構成される上記〔１５〕又は〔１６〕に記載の光学素子。
〔１９〕前記所定の軸線の周りで、光学軸の方向が方位角方向に変化するｑプレートとして構成される上記〔１７〕に記載の光学素子。
The present invention is as follows.
[1] A flat first transparent electrode, a flat second transparent electrode facing the first transparent electrode, and a flat transparent electrode provided between the first transparent electrode and the second transparent electrode applying to a liquid crystal cell having a liquid crystal layer a magnetic field in which lines of magnetic force intersect with the first transparent electrode and the second transparent electrode;
applying a voltage between the first transparent electrode and the second transparent electrode while applying the magnetic field;
A method of manufacturing an optical element comprising:
[2] The manufacturing method according to [1] above, wherein the application of the magnetic field is stopped after the step of applying the voltage.
[3] The manufacturing method according to [1] or [2] above, wherein the liquid crystal layer contains a polymerizable compound, and further includes a step of polymerizing the polymerizable compound.
[4] The manufacturing method according to any one of [1] to [3] above, wherein the liquid crystal layer is a liquid crystal exhibiting negative dielectric anisotropy.
[5] The manufacturing method according to any one of [1] to [4] above, wherein the liquid crystal layer is in contact with the vertical alignment film on the first transparent electrode side and the second transparent electrode side, respectively.
[6] The manufacturing method according to any one of [1] to [5] above, wherein at least part of the magnetic lines of force intersect the first transparent electrode and the second transparent electrode substantially perpendicularly.
[7] A flat first transparent electrode;
a flat second transparent electrode facing the first transparent electrode;
a liquid crystal layer provided between the first transparent electrode and the second transparent electrode;
a magnetic field generator that forms a magnetic field in which lines of magnetic force intersect with the first transparent electrode and the second transparent electrode;
a voltage applying unit that applies a voltage between the first transparent electrode and the second transparent electrode;
An optical element comprising
[8] The optical element according to [7] above, wherein the magnetic field forming portion is removable.
[9] The optical element according to [7] or [8] above, wherein the liquid crystal layer is a liquid crystal exhibiting negative dielectric anisotropy.
[10] The optical element according to any one of [7] to [9] above, which comprises vertical alignment films on the first transparent electrode side and the second transparent electrode side of the liquid crystal layer, respectively.
[11] The optical element according to any one of [7] to [10] above, wherein the magnetic field generator includes at least one magnet arranged along the first transparent electrode or the second transparent electrode. .
[12] The optical element according to any one of [7] to [11] above, further comprising a voltage control section that controls the magnitude of the voltage applied by the voltage application section.
[13] The optical element according to any one of [7] to [12] above, which is configured as a lens having a refractive index distribution in a direction along the first transparent electrode and the second transparent electrode.
[14] The optical element according to any one of [7] to [12] above, which is configured as a q-plate in which the direction of the optical axis changes in the azimuth direction around the axis defined by the magnetic field forming portion.
[15] A flat first transparent electrode;
a flat second transparent electrode facing the first transparent electrode;
a liquid crystal polymer layer provided between the first transparent electrode and the second transparent electrode, the liquid crystal polymer layer being polymerized with the liquid crystal molecules aligned;
vertical alignment films respectively disposed on the first transparent electrode side and the second transparent electrode side of the liquid crystal polymer layer, the liquid crystal polymer layer having the liquid crystal molecules at least partially aligned with the second transparent electrode; An optical element oriented in a direction other than perpendicular to one transparent electrode and said second transparent electrode.
[16] The optical element according to [15] above, wherein the liquid crystal polymer layer has different alignment directions of the liquid crystal molecules depending on positions along the first transparent electrode and the second transparent electrode.
[17] The optical element according to [15] or [16] above, wherein in the liquid crystal polymer layer, the liquid crystal molecules are at least partially orientated radially around a predetermined central axis.
[18] The optical element according to [15] or [16] above, which is configured as a lens having a refractive index distribution in a direction along the first transparent electrode and the second transparent electrode.
[19] The optical element as described in [17] above, which is configured as a q-plate in which the direction of the optical axis changes in the azimuth direction around the predetermined axis.
本発明は、液晶を用いて単純な構成で所望の光学特性が得られる光学素子の製造方法及び、当該方法で製造される光学素子を提供することができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can provide a method for manufacturing an optical element that can obtain desired optical characteristics with a simple configuration using liquid crystal, and an optical element manufactured by the method.
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。また、以下の説明で用いられる図は模式的なものであり、図面上の寸法、比率等は現実のものとは一致していない。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The present invention is not limited to the following embodiments. Also, the drawings used in the following description are schematic, and the dimensions, ratios, etc. on the drawings do not match the actual ones.
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の一実施形態に係る光学素子１０の概略構成を説明するための光学素子１０を側方から見た模式図である。光学素子１０は、液晶層１１、平坦な第１及び第２の基板１２、１３、電圧印加部１８、並びに、磁界形成部１９を含んで構成される。図１及び以下の同様な図において、ｘ方向及びｙ方向は、第１及び第２の基板１２、１３の基板面に沿う互いに直交する方向である。ｘ方向を幅方向、ｙ方向を奥行き方向と言い換えることができる。第１及び第２の基板が平面視において矩形の形状を有する場合、ｘ方向及びｙ方向はそのそれぞれの辺に沿う方向としうる。ｚ方向は、ｘ方向及びｙ方向に直交する方向とすることができる。ｚ方向を厚さ方向と言い換えることができる。
<First Embodiment>
FIG. 1 is a schematic side view of the
液晶層１１は、液晶化合物を含み、第１の基板１２及び第２の基板１３の間に充填される。さらに、液晶層１１は、一以上の非液晶化合物を含んでよい。第１の基板１２及び第２の基板１３の間に液晶層１１を封入したものを、液晶セルと呼ぶ。液晶層１１は、負の誘電率異方性を示す液晶とすることができる。負の誘電率異方性を示す液晶層は、負の誘電率異方性を有する液晶化合物を含有しうる。液晶層１１の液晶化合物は、複数の種類の液晶分子２０を含んでよい。一般に、液晶分子２０は、誘電テンソルの分子軸（又は光学軸）に沿った成分が軸に垂直な成分よりも大きい正の誘電率異方性を有するものと、誘電テンソルの分子軸に沿った成分が軸に垂直な成分よりも小さい負の誘電率異方性を有するものがある。負の誘電率異方性を有する液晶化合物は、負の誘電率異方性を有する液晶分子２０を含有する。しかし、本発明に使用し得る液晶化合物の液晶分子２０は、負の誘電率異方性を有するものに限られない。説明のため、液晶分子２０は、一方向に長い棒状の分子として図１、３等に模式的に図示されている。これらの図における液晶分子２０は、実際の大きさや見かけを反映したものではない。
The
本実施形態の液晶層は、非重合性液晶化合物を含む一以上の非重合性化合物を含有する。以下に示す第２及び第４実施形態においても同様である。 The liquid crystal layer of this embodiment contains one or more non-polymerizable compounds including a non-polymerizable liquid crystal compound. The same applies to second and fourth embodiments described below.
本開示で使用されうる非重合性液晶化合物の詳細については、後述する。 Details of the non-polymerizable liquid crystal compound that can be used in the present disclosure will be described later.
第１及び第２の基板１２、１３は、それぞれ第１及び第２の透明電極１４、１５、並びに、第１及び第２の配向膜１６、１７を有する。第１及び第２の透明電極１４、１５は、それぞれ、第１及び第２の基板１２、１３の液晶層１１側に形成される。第１及び第２の配向膜１６、１７は、それぞれ、第１及び第２の透明電極１４、１５の液晶層１１側に形成され、液晶層１１と接する。
The first and
本実施形態において、ｚ方向に沿う方向に見たとき第１及び第２の基板１２、１３の形状は、矩形とする。しかし、第１及び第２の基板１２、１３の形状は、矩形に限られず、円形、三角形、六角形等の種々の形状とすることができる。第１及び第２の基板１２、１３は、所望の波長領域の光に対して透過性を有し、本願で開示する光学素子及び製造方法に適用可能なものであれば、どのような材料で構成されていてもよい。例えば、第１及び第２の基板１２、１３の材料としては、石英、ガラス、又は、プラスチックを採用することができる。第１の基板１２と第２の基板１３との間は、周囲が例えば封止材によって封止される。また、第１の基板１２と第２の基板１３との間の間隔を均一にするために、スペーサが配置される。
In this embodiment, the shape of the first and
第１及び第２の透明電極１４、１５は、例えば、インジウム酸化物、錫酸化物、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）により構成される。第１及び第２の透明電極１４、１５は、例えば、第１及び第２の基板１２、１３上にスパッタリングにより形成することができる。第１及び第２の透明電極１４、１５は、液晶層１１に本発明の目的を達するために十分な電界を印加可能な厚さを有する。
The first and second
第１及び第２の配向膜１６、１７は、液晶層１１と接し、界面に位置する液晶分子２０の配向方向を規定する。配向膜材料としては、ポリイミド、ポリアミド、ＢＣＢ（ペンゾシクロブテンポリマー）、ポリビニルアルコールなどの透明性の有機材料を用いることができる。本実施形態に係る第１及び第２の配向膜１６、１７としては、垂直配向膜を採用することができる。しかし、配向膜としては液晶分子の誘電率異方性の正負及び駆動モードに応じて、垂直配向膜又は水平配向膜を適宜選択することができる。垂直配向膜を採用する場合は、液晶を初期状態で垂直配向させることができるため、基板界面における方位角方向の束縛力（方位角アンカリング）が水平配向させた場合に比べて非常に小さくなることから、比較的弱い磁場と電界を用いて、放射線状等の液晶分子の配向を得られる。
垂直配向膜としては、公知の垂直配向処理が施された配向膜から選択された配向膜を使用することができる。垂直配向膜の材料及び製法等は、第１及び第２の配向膜１６、１７との界面に位置する液晶層１１の液晶分子２０が垂直配向するものであれば、特に制限は無い。例えば、公知の垂直配向膜には光配向処理を施した配向膜が含まれる。光配向処理は、基板上に塗布された高分子有機化合物の薄膜に直線偏光された紫外線を照射することにより、その高分子有機化合物の側鎖を紫外線の照射方向に傾けるものである。後述するように、第１及び第２の配向膜１６、１７は、本願発明の必須の構成要素ではない。例えば、自発配向作用を有する添加剤を使用することによって液晶分子の初期配向を制御できる場合には、第１又及び第２の配向膜１６、１７は、不要になる場合がある。また、液晶層１１の弾性及び磁場に対する応答性によっては、第１及び第２の配向膜１６、１７は、不要になる場合がある。
The first and
As the vertical alignment film, an alignment film selected from known alignment films subjected to vertical alignment treatment can be used. The material and manufacturing method of the vertical alignment film are not particularly limited as long as the
電圧印加部１８は、第１の透明電極１４と第２の透明電極１５との間に電圧を印加可能に構成される。電圧印加部１８は、第１の透明電極１４と第２の透明電極１５との間にｚ方向の電界を印加することにより、液晶層１１に含まれる液晶分子２０を分極させることができる。これによって、負の誘電率異方性を有する液晶分子２０に対して、電界の方向に対して直交するｘ方向及びｙ方向に平行なｙｘ面内方向に傾けようとする力が加わる。
The
電圧印加部１８は、図１に示すように電圧源２１、スイッチ２２、及び電圧源２１を制御する回路等を含んで構成されうる。図１に図示する例では、電圧源２１は、交流電圧源であるが、電圧源２１は、直流電圧源及び交流電圧源の何れであってもよい。光学素子１０は、電圧源２１を内蔵せず、電圧源２１に接続するための端子を有していてもよい。その場合、電圧印加部１８は、複数の端子を第１及び第２の透明電極１４、１５に接続する回路を含む。スイッチ２２は、電圧源２１と第１及び第２の透明電極１４、１５の少なくとも何れかとの電気的な接続を、オン／オフすることができる。すなわち、スイッチ２２の操作により、液晶層１１に電界が加わった状態と電界が加わっていない状態とを切替えることができる。なお、以下の説明において、電圧源２１により第１及び第２の透明電極１４、１５の間に電圧が印加された状態は、液晶層１１に電界が加わった状態と同じである。
The
磁界形成部１９は、第１の透明電極１４及び第２の透明電極１５に対して磁力線２３が交差する方向に磁界を形成する。磁界形成部１９が形成する磁界の磁力線２３の少なくとも一部は、第１の透明電極１４及び第２の透明電極１５と垂直に交差することが好ましい。なお、図１、図３等において、磁力線は液晶層１１を通る部分を含む一部のみを表示している。磁界形成部１９としては、例えば、ネオジウム磁石等の永久磁石又は電磁石を採用することができる。磁界形成部１９は、第１の基板１２又は第２の基板１３の液晶層１１側と反対側の側面近傍に配置することができる。本実施形態において、磁界形成部１９の磁力線を発する面は、第１及び第２の基板１２、１３の基板面よりも小さい。本発明では、例えば液晶分子を垂直配向することによって比較的弱い磁場と電界を用いて液晶分子の配向を変化させることができるので、第１及び第２の基板１２、１３の基板面よりも小さいネオジウム磁石等の永久磁石を使用することが可能である。そのため、磁界形成部１９の磁力線分布により、放射状の磁力線２３を得られる。例えば、図１及び図２に示すように、磁界形成部１９は、第２の基板１３の中心部分に隣接して配置される。磁界形成部１９が永久磁石の場合、磁界形成部１９は、ｚ方向に分極した丸型又は四角型等の板状の磁石とすることができる。磁界形成部１９は、Ｎ極又はＳ極の何れかの面を第２の基板１３に対向させて配置することができる。
The magnetic
次に、光学素子１０の動作について説明する。
Next, the operation of the
図１は、電圧が印加されていない状態の光学素子１０を示している。液晶層１１に含まれる液晶分子２０は、垂直配向膜である第１及び第２の配向膜１６、１７、並びに、磁界形成部１９が及ぼす作用により、第１及び第２の基板１２、１３の基板面に対して垂直なｚ方向に並んで配列する。
FIG. 1 shows the
第１及び第２の配向膜１６、１７は、第１及び第２の配向膜１６、１７に接する液晶分子２０に配向規制力を及ぼし、液晶分子２０の長手方向が、第１及び第２の基板１２、１３の基板面に直交するｚ方向に並ぶように液晶分子２０を配向させる。第１及び第２の配向膜１６、１７に接していない液晶分子も、液晶の有する弾性により同じ方向に並んで配向しようとする。
The first and
また、磁界形成部１９は、液晶分子２０に対して磁力線２３に沿う方向に液晶分子２０の長手方向を配向させる力を及ぼす。特に、第２の基板１３を挟んで磁界形成部１９の反対側に位置する液晶分子２０ａに対して、ｚ方向の強い磁界が作用する。このため、平面視において第２の基板１３の中心付近に位置する液晶分子２０ａは、ｚ方向に配向する。磁界形成部１９は、磁界形成部１９から離れて位置する液晶分子２０ｂに対しても、磁力線２３に沿う方向に配向させようとする力を及ぼす。しかし、図１に示した例では、液晶層１１が第１及び第２の配向膜１６、１７との界面で受ける垂直方向の配向規制力と、液晶層１１の有する弾性力とが、液晶分子２０ｂが磁場から受ける力に勝る。このため、磁界形成部１９から離れて位置する液晶分子２０ｂは、第２の基板１３の中心付近の液晶分子２０ａと同じｚ方向に配向される。
In addition, the
なお、第１及び第２の配向膜１６、１７によらず、磁界形成部１９の作用および液晶層１１の弾性のみにより、液晶層１１中の液晶分子２０がｚ方向に配列されることができるならば、第１及び第２の配向膜１６、１７は、必ずしも必要ではない。その場合、第１及び第２の配向膜１６、１７が無くとも、磁界形成部１９によって以下に説明する作用、効果を得ることができる。
The
図１の状態において、光学素子１０に対してｚ方向に入射する光は、進行方向及び偏光方向等を変更しようとする作用を受けることなく通過する。図１の光学素子１０は、光学素子としての機能を発現する前の段階にある。
In the state shown in FIG. 1, the light incident on the
図３は、磁界形成部１９による磁界を印加した状態で、電圧印加部１８により第１の透明電極１４と第２の透明電極１５との間に電圧を印加した状態を示す。第１の透明電極１４と第２の透明電極１５との間に印加された電圧により、液晶分子２０に対して第１及び第２の透明電極１４、１５と平行になるｘｙ面に沿う方向に倒れようとする力が働く。本願においてｘｙ面とは、ｘ方向及びｙ方向を含む面に平行な面を意味する。また、磁界形成部１９が形成する磁界により、液晶分子２０には磁界に沿う方向に傾こうとする力が加わる。このため、液晶層１１の液晶分子２０の配向方向は、第１及び第２の配向膜１６、１７による配向規制力、電圧印加部１８により印加される電圧、磁界形成部１９の形成する磁界のバランスにより決定される。
FIG. 3 shows a state in which a voltage is applied between the first
図３に示す例では、電圧印加部１８により印加される電圧、及び、磁界形成部１９の形成する磁界の強度を調整することにより、液晶分子２０は以下のように配向される。すなわち、磁界形成部１９に近く、第１の透明電極１４と第２の透明電極１５に直交する磁力線上に位置する液晶分子２０ａは、磁界からの力が強く働き、長手方向が第１の透明電極１４と第２の透明電極１５に直交するｚ方向に配向する。図２に示したように、磁界形成部１９は平面視において光学素子１０の中心付近に位置するので、液晶層１１のｘ方向及びｙ方向の中心付近の液晶分子２０ａは、長手方向をｚ方向に向け配向する。このような状態を、以下では単にｚ方向に配向するという場合がある。他の方向に配向する場合も同様とする。
In the example shown in FIG. 3, the
一方、磁界形成部１９から離れた位置に位置する液晶分子２０ｂにおいては、磁力線２３の向きはｚ方向からｘｙ面方向に傾く。また、磁界形成部１９から離れた位置に位置する液晶分子２０ｂに働く磁界の強さは、磁界形成部１９の近傍の液晶分子２０ａに働く磁界の強さより弱い。このため、磁界形成部１９から離れた位置に位置する液晶分子２０ｂは、より電界の影響を強く受けｚ軸方向から倒れた方向を向いて配向する。さらに、ｚ方向に沿う方向から見たとき、磁力線２３は磁界形成部１９から放射状に広がるので、液晶分子２０は、磁界形成部１９の第２の基板１３に対向する面の中心からｚ軸方向に延びる仮想的な軸線を中心にして、放射状に配向される。
On the other hand, in the
液晶は、液晶分子の配向方向に依存して屈折率が異なる屈折率異方性を有する。図３の光学素子１０では、液晶分子２０がｘ方向及びｙ方向の中心から外周部に向けて、ｚ方向を向いた状態から徐々に倒れることにより、軸対称な屈折率の勾配が生じる。例えば、図３では、第１及び第２の基板１２、１３に挟まれた液晶層１１のｘ方向及びｙ方向の中心付近では屈折率が小さく、外周部に向けて屈折率が徐々に大きくなる。光は、屈折率が一様でない媒質を伝播するとき、屈折率の大きい方へ曲がる性質を有する。これによって、光学素子１０は、第１の基板１２又は第２の基板１３に対して垂直に入射する光に対して、負の屈折力を有する屈折率分布型（ＧＲＩＮ：Graded Index）レンズとして作用する。
Liquid crystal has refractive index anisotropy in which the refractive index varies depending on the alignment direction of liquid crystal molecules. In the
光学素子１０は、スイッチ２２を操作することにより、レンズ機能を発現又は停止することができる。さらに、光学素子１０の電圧印加部１８は、第１の透明電極１４と第２の透明電極１５との間に印加する電圧の大きさを制御する電圧制御部２４を備えることができる。電圧制御部２４は、電圧源２１の電圧を調整することにより、液晶層１１の屈折率分布を変えることができる。これにより、光学素子１０の光学特性、例えば、焦点距離を変えることが可能になる。
The
次に、図４に示すフローチャートを用いて、レンズ機能を有する光学素子１０を生成する方法について説明する。ここで、光学素子１０を生成するとは、液晶セルを光学素子として機能させることまでを意味する。
Next, a method for producing the
まず、平坦な第１の透明電極１４、第１の透明電極１４に対向する平坦な第２の透明電極１５、及び、第１の透明電極１４と第２の透明電極１５との間に設けられた液晶層１１を有する液晶セルが用意される（ステップＳ１０１）。第１の透明電極１４及び第２の透明電極１５は、それぞれ、第１の基板１２及び第２の基板１３の対向する表面に形成されてよい。
First, a flat first
次に、この液晶セルに対して磁界を印加する（ステップＳ１０２）。磁界の磁力線２３は、第１の透明電極１４及び第２の透明電極１５に対して交差するように印加される。好ましくは、磁力線２３の一部は第１の透明電極１４及び第２の透明電極１５と直交する。磁界を形成する磁界形成部１９は、第１の透明電極１４又は第２の透明電極１５に沿って配置される。磁界形成部１９が永久磁石の場合、磁界形成部１９である磁石が、液晶セルに近接する所定の位置に配置される。磁界形成部１９が電磁石の場合、液晶セルに近接する所定の位置に配置された磁界形成部１９のコイルが通電され、磁界を発生させる。
Next, a magnetic field is applied to this liquid crystal cell (step S102). The
磁界を印加した状態で、第１の透明電極１４と第２の透明電極１５との間に電圧を印加する（ステップＳ１０３）。電圧は、交流電源又は直流電源である電圧源２１を備える電圧印加部１８により印加される。第１の透明電極１４と第２の透明電極１５との間に電圧が印加されると、液晶分子２０の配向が液晶層１１内の位置により変化するので、ｘｙ面内の位置による屈折率分布が生じる。電圧印加部１８が印加する電圧強度は、磁界形成部１９の形成する磁界との関係で、液晶層１１に所望の屈折率分布が得られるように調整される。これにより、光学素子１０を例えば、負の屈折力を有する凹レンズとして使用することができる。図３は平行光束である入射光２６が、光学素子１０を透過して発散する出射光２７となる様子を示す。
With the magnetic field applied, a voltage is applied between the first
以上説明したように本実施形態によれば、複雑な形状を有する電極、特殊な配向特性を有する配向膜等を用いること無く、比較的単純方法で負の屈折力を有するレンズとして機能する光学素子１０を生成することができる。また、電圧印加部１８により印加する電圧をオン／オフすることにより、光学素子としての機能を発現させ、又は、停止させることが可能になる。さらに、電圧印加部１８により印加する電圧を調整することにより、焦点距離を変更することも可能である。
As described above, according to the present embodiment, an optical element that functions as a lens having a negative refractive power in a relatively simple manner without using an electrode having a complicated shape, an alignment film having a special alignment characteristic, or the like. 10 can be generated. Also, by turning on/off the voltage applied by the
＜第２実施形態＞
図５は、第２実施形態に係る光学素子１１０の概略構成を説明する断面図である。光学素子１１０は、正の屈折力を有するレンズ、すなわち、凸レンズとして機能する。光学素子１１０は、部分的に図１～３の光学素子１０の構成と類似する。光学素子１０に含まれる構成要素に対応する構成要素がある場合、光学素子１１０の構成要素は、光学素子１０の対応する構成要素の参照符号に１００を加えた参照符号が付されている。
<Second embodiment>
FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of an
図５に示すように、光学素子１１０は、液晶層１１１、平坦な第１及び第２の基板１１２、１１３、電圧印加部１１８、並びに、磁界形成部１１９を含んで構成される。液晶層１１１は、液晶化合物を含み、第１の基板１１２及び第２の基板１１３の間に充填される。液晶層１１１は、非液晶化合物を含んでよい。第１及び第２の基板１１２、１１３は、それぞれ第１及び第２の透明電極１１４、１１５、第１及び第２の配向膜１１６、１１７を有する。
As shown in FIG. 5, the
液晶層１１１、第１及び第２の基板１１２、１１３、第１及び第２の透明電極１１４、１１５、第１及び第２の配向膜１１６、１１７、並びに、電圧印加部１１８は、それぞれ第１実施形態の液晶層１１、第１及び第２の基板１２、１３、第１及び第２の透明電極１４、１５、第１及び第２の配向膜１６、１７、並びに、電圧印加部１８と同様に構成されるので、説明を省略する。
The liquid crystal layer 111, the first and
光学素子１１０は、図５及び図６に示すように、磁界形成部１１９が、複数の磁石を含んで構成される。磁界形成部１１９は、第１の基板１１２に沿う外周部に取付けられている。例えば、磁界形成部１１９は、図６に示すように正六角形の頂点に当たる位置に配置された６つの磁石により構成されうる。それぞれの磁石は、第１の基板１１２に対して全て同じ極（Ｓ極又はＮ極）を向けて配置される。
As shown in FIGS. 5 and 6, the
図５に示すように、電圧印加部１１８により電圧を印加したときの液晶層１１１内における液晶分子１２０の配向は、図３の光学素子１０の液晶分子２０の配向とは異なる。具体的には、磁界形成部１１９の配置された液晶層１１１の外周部に位置する液晶分子１２０ｂは、ｚ方向に配向する。一方、何れの磁界形成部１１９からも離れた、液晶層１１１のｘｙ面の中心近くに位置する液晶分子１２０ａは、磁界形成部１１９からの磁場の影響が小さくなるので、印加された電場によりｘｙ面方向に平行な状態となる。このため、液晶層１１１の屈折率は、中心部において大きく外周部に近づくにつれて徐々に小さくなる。これによって、光学素子１１０は、第１の基板１１２又は第２の基板１１３に対して垂直に入射する光に対して、正の屈折力を有するＧＲＩＮレンズとして作用することができる。図５に示すように、光学素子１１０の外部から第１の基板１１２に垂直方向に入射した平行光束の入射光１２６は、光学素子１３０を透過して収束する出射光１２７となる。
As shown in FIG. 5, the orientation of the
なお、正の屈折力を有する光学素子１１０の磁界形成部１１９の配置される位置は、図５及び図６に示したものに限られない。図７に示すように、第１の基板１１２に隣接して、円環状の磁石を磁界形成部１１９として配置することもできる。円環状の磁石を用いることにより、より軸対称に近い磁場を発生させることが可能になる。また、矩形の第１の基板１１２の４隅に対向して、４つの磁界形成部１１９を配置することができる。さらに、矩形の第１の基板１１２の平行な２辺に沿って、長方形の磁石を配置することもできる。その場合、光学素子１１０は、シリンドリカルレンズとなりうる。
The position where the
以上説明したように本実施形態によれば、第１実施形態と同様に、複雑な形状を有する電極、特殊な配向特性を有する配向膜等を用いること無く、比較的単純な方法で正の屈折力を有するレンズとして機能する光学素子１１０を生成することができる。また、第１実施形態の光学素子１１０と同様に、光学素子としての機能の発現、停止、及び、焦点距離の変更等が可能である。
As described above, according to the present embodiment, similarly to the first embodiment, positive refraction can be obtained by a relatively simple method without using an electrode having a complicated shape, an alignment film having a special alignment characteristic, or the like. An
＜第３実施形態＞
次に、図８を参照して本発明の第３実施形態に係る光学素子１３０について説明する。図８の光学素子１３０は、第２実施形態に係る光学素子１１０と共通する構成要素を含む。また、光学素子１３０の製造方法は、第２実施形態に係る光学素子１１０を製造する方法と部分的に共通している。このため、第２実施形態に係る光学素子１１０と共通する構成要素には、同一の参照符号を付して、主に相違点についてのみ説明する。
<Third Embodiment>
Next, an
光学素子１３０は、液晶重合体層１３１、並びに、第１及び第２の基板１１２、１１３を含む。第１及び第２の基板１１２、１１３は、液晶重合体層１３１側にそれぞれ第１及び第２の透明電極１１４、１１５、第１及び第２の配向膜１１６、１１７を有する。第１及び第２の配向膜１１６、１１７は、液晶重合体層１３１の第１の透明電極１１４側及び第２の透明電極１１５側にそれぞれ配置された垂直配向膜である。光学素子１３０は、第２実施形態の光学素子１１０とは異なり、電圧印加部１１８及び磁界形成部１１９を含んでいない。
The
液晶重合体層１３１は、液晶層１１１中の重合性化合物が重合して固化し、液晶層１１１中の液晶分子を位置に応じて所定の方向に配向した状態で固定して形成される。重合性化合物は重合性液晶化合物を含んでよい。重合性液晶化合物は、重合性官能器を有する液晶化合物であり、液晶化合物と重合性化合物の双方の性質を有する。また、液晶層１１１は、液晶性を示さない重合性化合物と非重合性液晶化合物との混合物を含んでもよい。以下に示す第５実施形態においても同様である。
The liquid
本開示で使用されうる重合性液晶化合物の詳細については、後述する。 Details of the polymerizable liquid crystal compound that can be used in the present disclosure will be described later.
液晶重合体層１３１は、製造工程において印加した磁界及び電界の作用により、液晶分子が少なくとも部分的に第１の透明電極１４及び第２の透明電極１５に対して垂直なｚ方向以外の方向に配向して硬化されている。
In the liquid
液晶重合体層１３１に含まれる硬化した液晶分子の配向方向は、位置に依存して異なる。図８に示す例では、液晶分子２０の配向がｘｙ面の中心部でｘｙ面に沿う状態から、外周部に向けてｚ方向に徐々に立ち上がる。それに伴い、屈折率の大きさがｘｙ面内の位置に応じて変化する。液晶重合体層１３１のｘｙ面内の屈折率分布は、ｘｙ面内の中心部において大きく、周辺部において小さい。このため、光学素子１３０は、第２実施形態に係る光学素子１１０と同様に、正の屈折力を有するＧＲＩＮレンズとして機能する。第２実施形態の光学素子１１０と同様に、光学素子１３０の外部から第１の基板１１２に垂直方向に入射した平行光束の入射光１２６は、光学素子１３０を透過して収束する出射光１２７となる。
The alignment direction of the cured liquid crystal molecules contained in the liquid
次に、図９を参照して光学素子１３０の製造方法について説明する。この説明において、製造方法が部分的に共通する第２実施形態の図５及び図６を参照する。なお、ステップＳ２０１～Ｓ２０３の工程は、図４のステップＳ１０１～Ｓ１０３の工程に類似する。
Next, a method for manufacturing the
まず、平坦な第１の透明電極１１４、第１の透明電極１１４に対向する平坦な第２の透明電極１１５、及び、第１の透明電極１１４と第２の透明電極１１５との間に設けられた液晶層１１１を有する液晶セルが用意される（ステップＳ２０１）。第１の透明電極１１４及び第２の透明電極１１５は、それぞれ、第１の基板１１２及び第２の基板１１３の対向する表面に形成されてよい。第１の透明電極１１４及び第２の透明電極１１５の液晶層１１１側の表面には、さらに、第１の配向膜１１６及び第２の配向膜１１７が形成されてよい。第１の配向膜１１６及び第２の配向膜１１７は、垂直配向膜である。
First, a flat first
液晶層１１１は、負の誘電率異方性を示す液晶層である。負の誘電率異方性を示す液晶層は、負の誘電率異方性を有する液晶化合物を含有する。第２実施形態の液晶層１１１とは異なり、第３実施形態で使用される液晶層１１１は重合性化合物を含有する。液晶層１１１は、重合性化合物として、重合性液晶化合物を含んでよい。 The liquid crystal layer 111 is a liquid crystal layer exhibiting negative dielectric anisotropy. A liquid crystal layer exhibiting negative dielectric anisotropy contains a liquid crystal compound having negative dielectric anisotropy. Unlike the liquid crystal layer 111 of the second embodiment, the liquid crystal layer 111 used in the third embodiment contains a polymerizable compound. The liquid crystal layer 111 may contain a polymerizable liquid crystal compound as a polymerizable compound.
次に、この液晶セルに対して磁界を印加する（ステップ２０２）。磁界の磁力線は、第１の透明電極１１４及び第２の透明電極１１５に対して交差するように印加される。好ましくは、磁力線の一部は第１の透明電極１１４及び第２の透明電極１１５と直交する。磁界を印加する磁界形成部１１９が永久磁石の場合、磁界形成部１１９である磁石が、液晶層１１１に近接する所定の位置に配置される。磁界形成部１１９が電磁石の場合、液晶セルに近接する所定の位置に配置された磁界形成部１１９のコイルが通電され、磁界を発生させる。本実施形態では、図５及び図６に示すように、複数の磁界形成部１１９が、第１の基板１１２に沿う第１の基板１１２の外周部に配置される。例えば、磁界形成部１１９は、同じ極を第１の基板１１２に向けて配置される永久磁石である。磁界形成部１１９は、光学素子１３０に対して着脱可能に取り付けられる。
Next, a magnetic field is applied to this liquid crystal cell (step 202). The magnetic field lines of the magnetic field are applied so as to cross the first
ステップＳ２０２に続き、磁界を形成した状態で、第１の透明電極１１４と第２の透明電極１１５との間に電圧を印加する（ステップＳ２０３）。電圧は、交流電源又は直流電源を備える電圧印加部１１８により印加される。第１の透明電極１１４と第２の透明電極１１５との間に電圧が印加されると、液晶分子１２０の配向が場所により変化するので、ｘｙ面内の位置による屈折率分布が生じる。電圧印加部１１８が印加する電圧の大きさは、磁界形成部１１９の形成する磁界との関係で、液晶層１１１に所望の屈折率分布が得られるように調整される。図５において、液晶層１１１の屈折率は、ｘｙ面方向において第１及び第２の基板１１２、１１３の中心部分で大きく、周辺部分で小さい。これにより、光学素子１１０は、第１の基板１１２に垂直に入射する入射光に対して正の屈折力を有する凸レンズとして作用する。
Subsequent to step S202, a voltage is applied between the first
上記ステップＳ２０１～Ｓ２０３の工程は、液晶層１１１が重合性化合物を含有することを除き、第２実施形態において光学素子１１０を生成する工程と基本的に同じである。第２実施形態に係る光学素子１１０は、電圧印加部１１８により印加する電圧をオン／オフすること、及び、電圧値を調整することにより、動的に光学素子としての機能の発現／停止及び屈折率等を調整することができる。これに対して、本実施形態の光学素子１３０は、光学素子１１０の液晶層１１１に含まれていた重合性化合物を硬化させることにより、光学的特性が固定される。さらに、光学素子１３０は、後の工程で不要な構成要素を除去することにより小型に構成される。以下に、ステップＳ２０３の後の工程を説明する。
The processes of steps S201 to S203 are basically the same as the process of forming the
ステップＳ２０３の後、液晶セルに磁界及び電界を印加した状態で、液晶層１１１の重合性化合物を重合させる（ステップＳ２０４）。液晶層１１１の重合性化合物は、紫外線又は可視光光線を含む光の照射、加熱、又は、その他の方法によって硬化される。重合性化合物を硬化させることにより、液晶層１１１に含まれる液晶化合物が、重合前の液晶分子の配向状態のまま固定される。このため、重合前の液晶層１１１の屈折率分布が保持される。以下、液晶層１１１が重合した層を液晶重合体層１３１と呼ぶ。
After step S203, the polymerizable compound in the liquid crystal layer 111 is polymerized while a magnetic field and an electric field are applied to the liquid crystal cell (step S204). The polymerizable compound of the liquid crystal layer 111 is cured by irradiation with light containing ultraviolet light or visible light, heating, or other methods. By curing the polymerizable compound, the liquid crystal compound contained in the liquid crystal layer 111 is fixed in the alignment state of the liquid crystal molecules before polymerization. Therefore, the refractive index distribution of the liquid crystal layer 111 before polymerization is maintained. A layer obtained by polymerizing the liquid crystal layer 111 is hereinafter referred to as a liquid
ステップＳ２０４で重合性化合物を重合させた後、磁界及び電圧の印加を停止する（ステップＳ２０５）。具体的には、磁界形成部１１９が永久磁石の場合、磁界形成部１１９を光学素子１３０から取り除く。磁界形成部１１９が電磁石の場合、磁界形成部１１９への電力の供給を停止する。また、電圧印加部１１８のスイッチ１２２をオフにする。液晶重合体層１３１内では、液晶分子１２０は固定されているので、磁界及び電圧の印加を停止しても、液晶重合体層１３１の光学特性に変化は生じない。
After the polymerizable compound is polymerized in step S204, application of the magnetic field and voltage is stopped (step S205). Specifically, when the
さらに、ステップＳ２０５の後、光学素子１３０から不要な構成要素が取り除かれる（ステップＳ２０６）。不要な構成要素は、電磁石の場合の磁界形成部１１９及び電圧印加部２１８を含む。これにより、光学素子１３０は、電気回路を含まない構成としうる。光学素子１３０は、図８に示すように、薄く且つ軽量の板状又はフィルム状の光学部品とすることができる。
Furthermore, after step S205, unnecessary components are removed from the optical element 130 (step S206). Unnecessary components include the magnetic
従来技術においてレンズを液晶を用いて製造する場合、液晶に屈折力分布を持たせるために、例えば、位置に応じて水平及び垂直方向の配向規制力の異なる配向膜を用いたり、円環状の電極を用いて位置に応じて印加する電界の強さを変えたりすること等が行われている。このような方法では、特別な処理を行った配向膜、複雑な形状の電極等が必要となる。一方、本実施形態の方法によれば、液晶の界面には一様な垂直配向膜を配置し、電場及び磁場の印加により液晶分子の向きを制御することを可能にしている。また、本実施形態による光学素子１３０は、界面に位置する液晶分子の向きが垂直であるのに対し、界面から離れたｘｙ面の中心付近に水平方向に配向している液晶分子が含まれている点で、界面の規制力により液晶の配向を制御する、すなわち、界面に位置する液晶分子を水平にすることで界面から離れた液晶分子を水平方向へ配向させる、方法を用いた従来の方法で製造した液晶レンズとは物としても異なっている。なお、界面の規制力を用いないで液晶分子を配向させる方法として、光物理プロセスを用いる方法が知られている（例えば、特開２０１５－０５５６８５号公報、及び、Janossy I. et al. Mol. Cryst. Liq. Cryst., 1990, 179, 1.参照）。これは、液晶中にアントラキノンのような偏光の振動方向に平行に配向する色素を添加し、そこに、レーザー光を照射することにより配向させる方法である。レーザー光は光強度に分布を持ち、中心部分で光の強度が強く中心から離れるに従い弱い。そのため、液晶分子を基板に垂直に配向させておき、基板の法線方向からレーザー光を照射すると、レーザー光の中心部分は色素が基板に水平に配向し、それに誘導されて液晶分子も基板に水平に配向し、中心から離れるに従って、液晶が基板に垂直に配向したままの状態になる。このように、レーザー光の光強度に対応して液晶分子の配向を垂直から水平に変化させることにより屈折率が変化するので、液晶をレンズとして機能させることができる。しかしながら、この方法は、光の振動面に平行に配列する色素を使用することが必須であり、且つ、レーザーのような高出力の偏光した光を射出することが可能な光源を使用することも不可欠である。一方、本実施形態のレンズは、液晶化合物中に色素を含有しなくともよく、また、レーザー光を使用しなくてもよいなどの利点がある。
When a lens is manufactured using a liquid crystal in the prior art, in order to give the liquid crystal a refractive power distribution, for example, an alignment film having different alignment control forces in the horizontal and vertical directions depending on the position is used, or an annular electrode is used. is used to change the strength of the applied electric field depending on the position. Such a method requires an alignment film subjected to a special treatment, an electrode having a complicated shape, and the like. On the other hand, according to the method of this embodiment, a uniform vertical alignment film is arranged at the interface of the liquid crystal, and the orientation of the liquid crystal molecules can be controlled by applying an electric field and a magnetic field. In addition, the
以上説明したように本実施形態によれば、複雑な形状を有する電極、特殊な配向特性を有する配向膜等を用いること無く、比較的単純な製造方法で、正の屈折力を有する光学素子１３０を製造することができる。このようにして製造した光学素子１３０は、機能を発現するために、磁界及び／又は電圧等の印加を必要とせず、小型で軽量な構成となっている。
As described above, according to this embodiment, the
＜第４実施形態＞
図１０を参照して、第４実施形態に係る光学素子２１０の構成について説明する。光学素子２１０は、ｚ方向に延びる中心軸線Ａの周りで、光学軸の方向が方位角方向に変化するｑプレートとして構成される。中心軸線Ａは、光学素子２１０の軸対称性の中心となる仮想の線である。光学素子２１０は、図１～３の光学素子１０の構成と類似する部分を有する。光学素子１０に含まれる構成要素に対応する構成要素がある場合、光学素子２１０の構成要素は、光学素子１０の対応する構成要素の参照符号に２００を加えた参照符号が付されている。
<Fourth Embodiment>
The configuration of an
図１０に示すように、光学素子２１０は、液晶層２１１、平坦な第１及び第２の基板２１２、２１３、並びに、電圧印加部２１８を含んで構成される。液晶層２１１は、第１の基板２１２及び第２の基板２１３の間に充填される。第１及び第２の基板２１２、２１３は、それぞれ第１及び第２の透明電極２１４、２１５、並びに、第１及び第２の配向膜２１６、２１７を有する。
As shown in FIG. 10 , the
液晶層２１１、第１及び第２の基板２１２、２１３、第１及び第２の透明電極２１４、２１５、第１及び第２の配向膜２１６、２１７、並びに、電圧印加部１１８は、それぞれ第１実施形態の液晶層１１、第１及び第２の基板１２、１３、第１及び第２の透明電極１４、１５、第１及び第２の配向膜１６、１７、並びに、電圧印加部１８と同様に構成されるので、具体的な説明を省略する。
The
図１０に示すように、電圧印加部２１８により電圧を印加した状態で、液晶層２１１内における液晶分子２２０の配向は、図３の光学素子１０の液晶分子２０の配向とは異なる。具体的には、ｚ方向から見たとき、液晶分子２２０は、中心軸線Ａの回りに放射状に並ぶ。図１０に示すように、液晶分子２２０は水平方向（ｙ方向）から見たとき、ｚ方向に対して傾いて配向している。しかし、液晶分子２２０はｚ方向に対して垂直となるように水平方向に配向してもよい。液晶分子２２０のｚ方向及びｘｙ面に対する傾きは、液晶層２１１の全体に渡って一様である。このため、光学素子２１０は、第１実施形態の光学素子１０とは異なり、ｘ方向及びｙ方向に屈折率分布を有さない。
As shown in FIG. 10, the orientation of the
液晶化合物は、公知なように、複屈折性を有する。ネマチック液晶のような光学的に一軸性の相に偏光が入射すると、常光と異常光との成分に分解された二つの偏光が、液晶内を伝搬するように振る舞う。常光は、液晶の光学軸に垂直な方向に振動する偏光である。異常光は、液晶の光学軸に平行な方向に振動する偏光である。常光に対する屈折率ｎoと異常光に対する屈折率ｎeとの差により、液晶内を伝播する光の常光と異常光との間にリタデーション（位相遅れ）が発生する。液晶層２１１では、液晶分子が放射状に配向することにより、液晶の光学軸（高速軸）の方向が、方位角方向に変化する。液晶層２１１では、中心軸線Ａの回りを周回する間に、光学軸が３６０度回転する。
As is well known, liquid crystal compounds have birefringence. When polarized light is incident on an optically uniaxial phase such as a nematic liquid crystal, two polarized light components decomposed into ordinary light and extraordinary light behave as if propagating in the liquid crystal. Ordinary light is polarized light that oscillates in a direction perpendicular to the optical axis of the liquid crystal. Extraordinary light is polarized light vibrating in a direction parallel to the optical axis of the liquid crystal. Due to the difference between the refractive index n o for ordinary light and the refractive index n e for extraordinary light, retardation (phase lag) occurs between the ordinary light and the extraordinary light propagating in the liquid crystal. In the
液晶層２１１によるリタデーションは、液晶層２１１の厚さ（ｚ方向の大きさ）に依存して変化する。液晶層２１１は、適切に厚さを設定することにより、所定の波長の光に対して、リタデーションをπとすることができる。すなわち、光学素子２１０は、素子全体でリタデーションがπであり、中心軸線Ａの回りで方位角方向に光学軸が回転する１／２波長板として機能する。光学軸の向きが、
α（ｒ，φ）＝ｑφ＋α0
で方位角方向に変化する波長板は、ｑプレートと呼ばれる。本実施形態の光学素子２１０は、ｑ値が１のｑプレートとして機能する。ｑプレートは、偏光方向が一定の規則に従って空間的に変化するベクトルビームを発生させるために使用できる。
The retardation due to the
α(r,φ)=qφ+ α0
A waveplate that varies azimuthally at is called a q-plate. The
以下に、図１１を参照して、直線偏光に対する光学素子２１０の作用を説明する。図１１において、矢印２４１は、光学素子２１０への入射光の進行方向を示す。矢印２４３は、破線で示される入射光の断面における入射光の偏光方向を示す。入射光は、一方向に直線偏光しているものとする。また、光学素子２１０の光学軸２４４は、中心の周りで方位角方向に一周する間に３６０度回転している。１／２波長板では、入射光の偏光方向から光学軸が角度θ傾いた場合、出射光の偏光方向は入射光の偏光方向に対し角度２θ傾く。そのため、出射光の偏光方向は、出射光の断面２４２に矢印２４５で示すように、方位角方向に一周する間に７２０度（２回転）回転する。このように、光学素子２１０を用いることにより、方位角に応じて偏光方向が回転するベクトルビームを得ることができる。
The action of
なお、上述の説明では光学素子２１０は、リタデーションをπとしたが、光学素子２１０は、液晶層２１１の厚さの設計値を変えることにより、リタデーションを任意の大きさに設定することができる。例えば、リタデーションはπ／２とすることができる。リタデーションをπ／２とすると、光学素子２１０は、各方位角の位置で１／４波長板として機能する。このような光学素子２１０は、方位角方向に応じて、直線偏光を、直線偏光、楕円偏光及び円偏向の何れかに変換することができる。また、光学素子２１０は、電圧印加部２１８により印加される電圧を変えることによって、液晶分子のｚ方向に対する傾きを変更して、駆動中にリタデーションを調整することもできる。
Although the retardation of the
次に、図１２を参照して、光学素子２１０を生成する方法を説明する。
A method for producing
まず、第１の透明電極２１４、第１の透明電極２１４に対向する第２の透明電極２１５、及び、第１の透明電極２１４と第２の透明電極２１５との間に設けられた液晶層２１１を有する液晶セルが用意される（ステップＳ３０１）。この工程は、図４のフローチャートのステップＳ１０１と同様である。
First, a first
次に、この液晶セルに対して磁界を印加する（ステップＳ３０２）。この工程は、図４のフローチャートのステップＳ１０２と同様である。磁界を印加するため、光学素子２１０を生成するに当たっては、図１３に示すような第１実施形態に係る磁界形成部１９と同様の磁界形成部２１９が用いられる。磁界形成部２１９は、第１実施形態の磁界形成部１９と同様に構成され、同様の位置に配置される。
Next, a magnetic field is applied to this liquid crystal cell (step S302). This process is the same as step S102 in the flowchart of FIG. In order to apply a magnetic field, a
磁界を印加した状態で、第１の透明電極２１４と第２の透明電極２１５との間に電圧を印加する（ステップＳ３０３）。この工程は、図４のフローチャートのステップＳ１０３と同様である。これによって、図１３に示すように、第１実施形態の光学素子１０が有する液晶分子の配向と同様に配向した液晶分子を含む液晶層２１１が構成される。
A voltage is applied between the first
次に、磁場の印加を停止し磁界形成部２１９を取り除く。（ステップＳ３０４）。磁界の印加が停止すると、液晶層２１１中の液晶分子が磁界から受ける力が無くなる。磁界から受ける力が無くなると、液晶の有する弾性により、液晶層２２１の内部で液晶分子２２０が、図１０に示すように、ｚ方向において隣り合う液晶分子と同じ方向に並んで配向する。また、ｘｙ面で見たときは、中心軸線Ａを中心とする液晶分子２２０の放射状の配向が維持される。
Next, the application of the magnetic field is stopped and the magnetic
以上説明したように本実施形態によれば、複雑な形状を有する電極、特殊な配向特性を有する配向膜等を用いること無く、比較的単純な製造方法で、ｑプレートの機能を有する光学素子２１０を製造することができる。また、光学素子２１０は、電圧印加部２１８による電圧を調整することにより、リタデーションを調整することができる。さらに、光学素子２１０は、電圧印加部２１８による電圧の印加を停止することにより、液晶分子２２０がｚ方向に配向した元の状態に戻すことができる。
As described above, according to the present embodiment, the
＜第５実施形態＞
図１４は第５実施形態に係る光学素子２３０の概略構成を示す側面図である。図１４の光学素子２３０は、第４実施形態に係る光学素子２１０と共通する構成要素を含む。第４実施形態に係る光学素子２１０と共通する構成要素には、同一の参照符号を付して、説明を省略する。本実施形態では、第４実施形態における光学素子２１０の液晶層２１１を、第３実施形態の液晶層１１１と同様の重合性化合物を含有する液晶層２１１とする。さらに、図１２のフローチャートのステップＳ３０４の後において、液晶層２１１の重合性化合物を重合させて液晶重合体層２３１とすることにより、図１４に示す板状又はフィルム状の光学素子２３０を製造することができる。
<Fifth Embodiment>
FIG. 14 is a side view showing a schematic configuration of an
図１５のフローチャートを図１３及び図１４と共に参照して、光学素子２３０の製造方法を説明する。ステップＳ４０１～Ｓ４０４については、本実施形態では液晶層２１１が重合性化合物を含有することを除き、図１２のフローチャートのステップＳ３０１～Ｓ３０４と同じなので、説明を省略する。
A method for manufacturing the
ステップＳ４０４で磁場の印加を停止した後、液晶セルに電界を印加した状態で、液晶層２１１の重合性化合物を重合させ、液晶重合体層２３１とする（ステップＳ４０５）。これにより、液晶層２１１に含まれる液晶化合物が、重合前の液晶分子の配向状態のまま固定される。このため、重合前の液晶層２１１の複屈折性が保持され、光学素子２３０はステップＳ４０４の状態と略変わらない光学軸の方向とリタデーションを有する。
After stopping the application of the magnetic field in step S404, the polymerizable compound in the
つぎに、ステップＳ４０５で重合性化合物を重合させた後、電圧の印加を停止する（ステップＳ４０６）。具体的には、図１３のスイッチ２２２がオフにされる。電圧の印加を停止しても、液晶分子２２０の配向が固定されているので、光学素子２３０の特性は変化しない。
After polymerizing the polymerizable compound in step S405, the voltage application is stopped (step S406). Specifically,
さらに、ステップＳ４０６の後、光学素子２３０から不要な構成要素を取り除く（ステップＳ４０７）。不要な構成要素は、電圧印加部２１８を含む。これにより、図１４に示したｑプレートの機能を有する光学素子２３０が得られる。
Furthermore, after step S406, unnecessary components are removed from the optical element 230 (step S407). Unnecessary components include the
従来技術を用いてｑプレートを液晶を用いて製造する場合、界面に放射状の規制力を持たせた配向膜を用い、この上に液晶を塗布して液晶層全体の液晶分子を放射状に配向させ、これを重合させる方法が行われている。この方法では、配向方向が位置により異なるため、配向膜に特別な処理が必要となる。一方、本実施形態の製造方法によれば、液晶の界面には一様な垂直配向膜を用い、電場及び磁場の印加によりバルクの液晶、即ち、界面に触れていない部分の液晶の配向を変えることを可能にしている。また、本発明のｑプレートは、界面の液晶分子の向きが、バルクの液晶分子の向きと異なるという点で、従来技術による液晶を用いたｑプレートとは異なった構成を有している。 When a q-plate is manufactured using a liquid crystal using a conventional technique, an alignment film having a radial regulating force is used at the interface, and the liquid crystal is applied on the alignment film to radially align the liquid crystal molecules in the entire liquid crystal layer. , and a method of polymerizing it has been carried out. In this method, since the orientation direction differs depending on the position, the orientation film needs special treatment. On the other hand, according to the manufacturing method of this embodiment, a uniform vertical alignment film is used at the interface of the liquid crystal, and the orientation of the bulk liquid crystal, that is, the liquid crystal in the portion not touching the interface is changed by applying an electric field and a magnetic field. making it possible. The q-plate of the present invention also has a different configuration than q-plates using liquid crystals according to the prior art in that the orientation of the liquid crystal molecules at the interface is different from the orientation of the bulk liquid crystal molecules.
また、本実施形態における光学素子２３０の製造方法では、負の誘電率異方性を示す液晶層と垂直配向膜とを用い、電圧を印加しない状態で、液晶分子が基板に対して垂直方向を向くようにした。さらに、この製造法では、液晶分子が垂直方向を向いた状態から、磁場と電場を印加したことにより、液晶分子は磁界の影響を受けて、磁力線が垂直方向を向く位置を中心として放射方向に配向した。正の誘電率異方性を示す液晶層では、同様の方法で液晶分子を放射方向に配向させることは難しい。すなわち、負の誘電率異方性を示す液晶層は、正の誘電率異方性を示す液晶層を用いる場合よりも、液晶分子をこのような放射状の配列をさせるのに有利である。
In addition, in the method for manufacturing the
以上説明したように本実施形態によれば、複雑な形状を有する電極、特殊な配向特性を有する配向膜等を用いること無く、比較的単純な製造方法で、ｑプレートの機能を有する光学素子２３０を製造することができる。このようにして製造した光学素子２３０は、機能を発現するために、磁界及び／又は電圧等の印加を必要とせず、小型で軽量な構成となっている。
As described above, according to this embodiment, the
［非重合性液晶化合物］
本発明の液晶層を構成する液晶組成物に使用可能な非重合性液晶化合物は、特に制限されることはない。非重合性液晶化合物は、例えば、以下の一般式（Ｉ）で表わされる。
[Non-polymerizable liquid crystal compound]
The non-polymerizable liquid crystal compound that can be used in the liquid crystal composition that constitutes the liquid crystal layer of the present invention is not particularly limited. The non-polymerizable liquid crystal compound is represented, for example, by general formula (I) below.
Ａ11及びＡ12はそれぞれ独立して、
（ａ） １，４－シクロヘキシレン基（この基中に存在する１個の－ＣＨ2－又は相互に隣接していない２個以上の－ＣＨ2－は－Ｏ－又は－Ｓ－に置き換えられてもよい。）
（ｂ） １，４－フェニレン基（この基中に存在する１個の－ＣＨ＝又は相互に隣接していない２個以上の－ＣＨ＝は窒素原子に置き換えられてもよい。）、及び
（ｃ） ナフタレン－２，６－ジイル基、１，２，３，４－テトラヒドロナフタレン－２，６－ジイル基又はデカヒドロナフタレン－２，６－ジイル基（ナフタレン－２，６－ジイル基又は１，２，３，４－テトラヒドロナフタレン－２，６－ジイル基中に存在する１個の－ＣＨ＝又は相互に隣接していない２個以上の－ＣＨ＝は－Ｎ＝に置き換えられてもよい。）
からなる群より選ばれる基を表し、上記の基（ａ）、基（ｂ）及び基（ｃ）はそれぞれ独立して、シアノ基、フッ素原子又は塩素原子で置換されていてもよく、
Ｚ11は、単結合、－ＣＨ2ＣＨ2－、－（ＣＨ2）4－、－ＯＣＨ2－、－ＣＨ2Ｏ－、－ＣＯＯ－、－ＯＣＯ－、－ＯＣＦ2－、－ＣＦ2Ｏ－、－ＣＨ＝Ｎ－Ｎ＝ＣＨ－、－ＣＨ＝ＣＨ－、－ＣＦ＝ＣＦ－又は－Ｃ≡Ｃ－を表し、
Ｙ11は、水素原子、フッ素原子、塩素原子、シアノ基又は炭素原子数１～１０のアルキル基を表し、該アルキル基中の１個又は相互に非隣接の２個以上の－ＣＨ2－はそれぞれ独立して－ＣＨ＝ＣＨ－、－Ｃ≡Ｃ－、－Ｏ－、－ＣＯ－、－ＣＯＯ－又は－ＯＣＯ－によって置換されていてもよく、また、アルキル基中の１個又は２個以上の水素原子はフッ素原子で置換されていてもよく、
ｍ11は１、２、３又は４を表すが、ｍ11が２、３又は４を表す場合、複数存在するＡ11及びＺ11はそれぞれ同一であっても異なっていても良い。）
A 11 and A 12 each independently
(a) a 1,4-cyclohexylene group (one --CH 2 -- present in this group or two or more --CH 2 -- which are not adjacent to each other are replaced with --O-- or --S--; may be used.)
(b) a 1,4-phenylene group (one —CH= or two or more —CH= not adjacent to each other present in this group may be replaced by a nitrogen atom), and ( c) naphthalene-2,6-diyl group, 1,2,3,4-tetrahydronaphthalene-2,6-diyl group or decahydronaphthalene-2,6-diyl group (naphthalene-2,6-diyl group or 1 , 2,3,4-tetrahydronaphthalene-2,6-diyl group, one -CH= or two or more -CH= that are not adjacent to each other may be replaced with -N= .)
represents a group selected from the group consisting of, the above groups (a), (b) and (c) are each independently optionally substituted with a cyano group, a fluorine atom or a chlorine atom,
Z 11 is a single bond, -CH 2 CH 2 -, -(CH 2 ) 4 -, -OCH 2 -, -CH 2 O-, -COO-, -OCO-, -OCF 2 -, -CF 2 O -, -CH=N-N=CH-, -CH=CH-, -CF=CF- or -C≡C-,
Y 11 represents a hydrogen atom, a fluorine atom, a chlorine atom, a cyano group or an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, and one or two or more mutually non-adjacent --CH 2 -- in the alkyl group are Each independently may be substituted by -CH=CH-, -C≡C-, -O-, -CO-, -COO- or -OCO-, and one or two in the alkyl group The above hydrogen atoms may be substituted with fluorine atoms,
m 11 represents 1, 2, 3 or 4, and when m 11 represents 2, 3 or 4, a plurality of A 11 and Z 11 may be the same or different. )
本発明において、非重合性液晶化合物を単独で使用しても、あるいは２種以上混合して液晶組成物として使用してもよい。非重合性液晶化合物を２種以上混合して使用する場合には、種々の組み合わせが可能である。例えば、非重合性液晶化合物を誘電率異方性（Δε）に着目すると、誘電率異方性（Δε）が－２以上２以下の液晶化合物、誘電率異方性（Δε）が－２未満の液晶化合物及び誘電率異方性（Δε）が２以上の液晶化合物の３つに分類される。本発明の液晶層に使用される非重合性液晶化合物は、所望の誘電率異方性（Δε）又は所望の屈折率異方性（Δｎ）に応じて、誘電率異方性（Δε）が－２未満の液晶化合物、誘電率異方性（Δε）が－２以上２以下の液晶化合物、及び誘電率異方性（Δε）が２以上の液晶化合物からなる群から選択される少なくとも１種を選択することができる。以下、各液晶化合物の好ましい形態について説明する。 In the present invention, the non-polymerizable liquid crystal compounds may be used alone, or two or more of them may be mixed and used as a liquid crystal composition. When using a mixture of two or more non-polymerizable liquid crystal compounds, various combinations are possible. For example, when focusing on the dielectric anisotropy (Δε) of a non-polymerizable liquid crystal compound, the dielectric anisotropy (Δε) is -2 or more and 2 or less, and the dielectric anisotropy (Δε) is less than -2. and liquid crystal compounds having a dielectric anisotropy (Δε) of 2 or more. The non-polymerizable liquid crystal compound used in the liquid crystal layer of the present invention has a dielectric anisotropy (Δε) depending on a desired dielectric anisotropy (Δε) or a desired refractive index anisotropy (Δn). At least one selected from the group consisting of a liquid crystal compound having a dielectric anisotropy (Δε) of less than −2, a liquid crystal compound having a dielectric anisotropy (Δε) of −2 or more and 2 or less, and a liquid crystal compound having a dielectric anisotropy (Δε) of 2 or more. can be selected. Preferred forms of each liquid crystal compound are described below.
＜＜誘電率異方性（Δε）が－２以上２以下の液晶化合物＞＞
上記誘電率異方性（Δε）が－２以上２以下の液晶化合物としては、以下の一般式（２）で表わされる液晶化合物が好ましい。
<<Liquid crystal compound having a dielectric anisotropy (Δε) of −2 or more and 2 or less>>
As the liquid crystal compound having a dielectric anisotropy (Δε) of −2 or more and 2 or less, a liquid crystal compound represented by the following general formula (2) is preferable.
Ｍ21、Ｍ22及びＭ23はそれぞれ独立して、
（ｄ） トランス－１，４－シクロへキシレン基（この基中に存在する１個のメチレン基又は相互に隣接していない２個以上のメチレン基は－Ｏ－又は－Ｓ－に置き換えられてもよい）、
（ｅ） １，４－フェニレン基（この基中に存在する１個の－ＣＨ＝又は相互に隣接していない２個以上の－ＣＨ＝は窒素原子に置き換えられてもよい）、２－フルオロ－１，４－フェニレン基、３－フルオロ－１，４－フェニレン基、３，５－ジフルオロ－１，４－フェニレン基、並びに
（ｆ） １，４－シクロヘキセニレン基、１，４－ビシクロ［２．２．２］オクチレン基、ピペリジン－２，５－ジイル基、ナフタレン－２，６－ジイル基、デカヒドロナフタレン－２，６－ジイル基及び１，２，３，４－テトラヒドロナフタレン－２，６－ジイル基
からなる群より選ばれる基を表し、上記の基（ｄ）、基（ｅ）及び基（ｆ）中の水素原子はそれぞれ独立してシアノ基、フッ素原子又は塩素原子で置換されていてもよく、
ｏ21は０、１又は２を表し、
Ｌ21及びＬ22はそれぞれ独立して単結合、－ＣＨ2ＣＨ2－、－（ＣＨ2）4－、－ＯＣＨ2－、－ＣＨ2Ｏ－、－ＯＣＦ2－、－ＣＦ2Ｏ－、－ＣＨ＝ＣＨ－、－ＣＨ＝Ｎ－Ｎ＝ＣＨ－又は－Ｃ≡Ｃ－を表し、Ｌ22が複数存在する場合は、それらは同一でも、あるいは異なっていてもよく、Ｍ23が複数存在する場合は、それらは同一でも、あるいは異なっていてもよい。但し、以下の一般式（４ａ）～（４ｃ）で表わされる化合物を除く。）
M 21 , M 22 and M 23 are each independently
(d) a trans-1,4-cyclohexylene group (one methylene group present in this group or two or more methylene groups not adjacent to each other are replaced with -O- or -S- can also be used),
(e) a 1,4-phenylene group (one -CH= or two or more -CH= not adjacent to each other present in this group may be replaced by a nitrogen atom), 2-fluoro -1,4-phenylene group, 3-fluoro-1,4-phenylene group, 3,5-difluoro-1,4-phenylene group, and (f) 1,4-cyclohexenylene group, 1,4-bicyclo [2.2.2] Octylene group, piperidine-2,5-diyl group, naphthalene-2,6-diyl group, decahydronaphthalene-2,6-diyl group and 1,2,3,4-tetrahydronaphthalene- represents a group selected from the group consisting of 2,6-diyl groups, and the hydrogen atoms in the above groups (d), (e) and (f) are each independently a cyano group, a fluorine atom or a chlorine atom; may be substituted,
o21 represents 0, 1 or 2,
L 21 and L 22 are each independently a single bond, -CH 2 CH 2 -, -(CH 2 ) 4 -, -OCH 2 -, -CH 2 O-, -OCF 2 -, -CF 2 O-, -CH=CH-, -CH=N-N=CH- or -C≡C-, and when there are a plurality of L 22 , they may be the same or different, and a plurality of M 23 are present If so, they may be the same or different. However, compounds represented by the following general formulas (4a) to (4c) are excluded. )
一般式（２）で表される化合物において、Ｒ21及びＲ22はそれぞれ独立して、炭素原子数１～１０のアルキル基又は炭素原子数２～１０のアルケニル基（これらの基中に存在する１個のメチレン基又は相互に隣接していない２個以上のメチレン基は－Ｏ－又は－Ｓ－に置換されたもの、またこれらの基中に存在する１個又は２個以上の水素原子はフッ素原子又は塩素原子に置換されたものも含む。）が好ましく、炭素原子数１～５のアルキル基、炭素原子数１～５のアルコキシ基、炭素原子数２～５のアルケニル基又は炭素原子数３～６のアルケニルオキシ基がより好ましく、炭素原子数１～５のアルキル基又は炭素原子数１～５のアルコキシ基が特に好ましい。 In the compound represented by the general formula (2), R 21 and R 22 are each independently an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms or an alkenyl group having 2 to 10 carbon atoms ( one methylene group or two or more methylene groups not adjacent to each other are substituted with -O- or -S-, and one or more hydrogen atoms present in these groups are (Including those substituted with a fluorine atom or a chlorine atom.) is preferred, and an alkyl group having 1 to 5 carbon atoms, an alkoxy group having 1 to 5 carbon atoms, an alkenyl group having 2 to 5 carbon atoms, or a number of carbon atoms Alkenyloxy groups of 3 to 6 are more preferred, and alkyl groups of 1 to 5 carbon atoms or alkoxy groups of 1 to 5 carbon atoms are particularly preferred.
光学素子における液晶層の信頼性を重視する場合には、Ｒ21及びＲ22はともにアルキル基であることが好ましい。液晶層における液晶化合物の揮発性を低減させることを重視する場合にはアルコキシ基であることが好ましい。液晶層において、粘性の低下を重視する場合には、Ｒ21又はＲ22の少なくとも一方がアルケニル基であることが好ましい。 When the reliability of the liquid crystal layer in the optical element is emphasized, both R 21 and R 22 are preferably alkyl groups. An alkoxy group is preferable when it is important to reduce the volatility of the liquid crystal compound in the liquid crystal layer. At least one of R 21 and R 22 is preferably an alkenyl group when emphasis is placed on reducing the viscosity of the liquid crystal layer.
上記一般式（２）で表わされる分子内に存在するハロゲン原子は、０、１、２又は３個が好ましく、０又は１個が好ましく、他の液晶分子との相溶性を重視する場合には１個が好ましい。 The number of halogen atoms present in the molecule represented by the general formula (2) is preferably 0, 1, 2 or 3, preferably 0 or 1, and when compatibility with other liquid crystal molecules is emphasized. One is preferred.
Ｒ21及びＲ22は、それが結合する環構造がフェニル基（芳香族）である場合には、直鎖状の炭素原子数１～５のアルキル基、直鎖状の炭素原子数１～４のアルコキシ基及び炭素原子数４～５のアルケニル基が好ましく、それが結合する環構造がシクロヘキサン、ピラン及びジオキサンなどの飽和した環構造の場合には、直鎖状の炭素原子数１～５のアルキル基、直鎖状の炭素原子数１～４のアルコキシ基及び直鎖状の炭素原子数２～５のアルケニル基が好ましい。ネマチック相を安定化させるためには炭素原子及び存在する場合酸素原子の合計が５以下であることが好ましく、直鎖状であることが好ましい。
When the ring structure to which R 21 and R 22 are bonded is a phenyl group (aromatic),
本明細書におけるアルケニル基としては、以下の式（Ｒ１）から式（Ｒ５）のいずれかで表される基から選ばれることが好ましい。（各式中の黒点は環構造中の炭素原子を表す。） The alkenyl group in the present specification is preferably selected from groups represented by any one of the following formulas (R1) to (R5). (The black dots in each formula represent carbon atoms in the ring structure.)
液晶層のΔｎを大きくすることが求められる場合には、Ｍ21、Ｍ22及びＭ23は芳香族であることが好ましい。液晶層の応答速度を改善するためには、Ｍ21、Ｍ22及びＭ23は脂肪族であることが好ましい。Ｍ21、Ｍ22及びＭ23は、それぞれ独立して、トランス－１，４－シクロへキシレン基、１，４－フェニレン基、２－フルオロ－１，４－フェニレン基、３－フルオロ－１，４－フェニレン基、３，５－ジフルオロ－１，４－フェニレン基、１，４－シクロヘキセニレン基、１，４－ビシクロ［２．２．２］オクチレン基、ピペリジン－１，４－ジイル基、ナフタレン－２，６－ジイル基、デカヒドロナフタレン－２，６－ジイル基又は１，２，３，４－テトラヒドロナフタレン－２，６－ジイル基を表すことが好ましく、下記の構造を表すことがより好ましい。 M 21 , M 22 and M 23 are preferably aromatic when it is desired to increase the Δn of the liquid crystal layer. M 21 , M 22 and M 23 are preferably aliphatic in order to improve the response speed of the liquid crystal layer. M 21 , M 22 and M 23 each independently represent trans-1,4-cyclohexylene group, 1,4-phenylene group, 2-fluoro-1,4-phenylene group, 3-fluoro-1, 4-phenylene group, 3,5-difluoro-1,4-phenylene group, 1,4-cyclohexenylene group, 1,4-bicyclo[2.2.2]octylene group, piperidine-1,4-diyl group , naphthalene-2,6-diyl group, decahydronaphthalene-2,6-diyl group or 1,2,3,4-tetrahydronaphthalene-2,6-diyl group, and the following structure is more preferred.
トランス－１，４－シクロへキシレン基又は１，４－フェニレン基を表すことがさらに好ましい。
More preferably, it represents a trans-1,4-cyclohexylene group or a 1,4-phenylene group.
ｏ21は０、１又は２が好ましく、０又は１がより好ましい。 o 21 is preferably 0, 1 or 2, more preferably 0 or 1.
Ｌ21及びＬ22はそれぞれ独立して、単結合、－ＣＨ2ＣＨ2－、－（ＣＨ2）4－、－ＯＣＨ2－、－ＣＨ2Ｏ－、－ＯＣＦ2－、－ＣＦ2Ｏ－、－ＣＨ＝ＣＨ－、－ＣＨ＝Ｎ－Ｎ＝ＣＨ－又は－Ｃ≡Ｃ－が好ましく、単結合、－ＣＨ2ＣＨ2－、－（ＣＨ2）4－、－ＯＣＨ2－又は－ＣＨ2Ｏ－がより好ましく、単結合又は－ＣＨ2ＣＨ2－が更に好ましい。 L 21 and L 22 are each independently a single bond, -CH 2 CH 2 -, -(CH 2 ) 4 -, -OCH 2 -, -CH 2 O-, -OCF 2 -, -CF 2 O- , -CH=CH-, -CH=N-N=CH- or -C≡C-, and a single bond, -CH 2 CH 2 -, -(CH 2 ) 4 -, -OCH 2 - or -CH 2 O-- is more preferred, and a single bond or --CH 2 CH 2 -- is even more preferred.
本発明に係る液晶組成物において、一般式（２）で表される液晶化合物の含有量は、低温での溶解性、転移温度、電気的な信頼性、複屈折率、プロセス適合性、滴下痕、焼き付き、誘電率異方性などの求められる性能に応じて適宜調整する必要がある。 In the liquid crystal composition according to the present invention, the content of the liquid crystal compound represented by the general formula (2) includes solubility at low temperature, transition temperature, electrical reliability, birefringence, process suitability, drip marks , image sticking, dielectric anisotropy, etc., should be adjusted as appropriate.
本発明の液晶層に含まれる非重合性液晶化合物の総量に対する、式（２）で表される化合物の、好ましい含有量の下限値は１質量％であり、上限値は８５質量％である。より好ましい含有量の下限値は３質量％であり、上限値は６５質量％である。 The preferable lower limit of the content of the compound represented by formula (2) is 1% by mass, and the preferable upper limit is 85% by mass with respect to the total amount of non-polymerizable liquid crystal compounds contained in the liquid crystal layer of the present invention. A more preferable lower limit of the content is 3% by mass, and the upper limit is 65% by mass.
該組成物の粘度を低く保ち、応答速度が速い組成物が必要な場合は上記の下限値が高く上限値が高いことが好ましい。さらに、本発明に係る組成物のＴN2を高く保ち、温度安定性の良い組成物が必要な場合は上記の下限値が高く上限値が高いことが好ましい。また、駆動電圧を低く保つために誘電率異方性を大きくしたいときは、上記の下限値を低く上限値が低いことが好ましい。 When the viscosity of the composition is kept low and a composition having a high response speed is required, it is preferable that the above lower limit is high and the upper limit is high. Furthermore, it is preferred that the above lower limit is high and the upper limit is high if a composition according to the invention needs to have a high T N2 and good temperature stability. Further, when it is desired to increase the dielectric anisotropy in order to keep the drive voltage low, it is preferable that the lower limit value and the upper limit value are low.
本発明の液晶層を構成する液晶組成物は、一般式（２）で表される化合物を少なくとも１種を含有することが好ましく、１種～１０種含有することが好ましく、２種～８種含有することが特に好ましい。 The liquid crystal composition constituting the liquid crystal layer of the present invention preferably contains at least one compound represented by the general formula (2), preferably 1 to 10 kinds, preferably 2 to 8 kinds. Containing is particularly preferred.
＜＜誘電率異方性（Δε）が－２以下の液晶化合物＞＞
上記誘電率異方性（Δε）が－２以下の液晶化合物は、以下の一般式（３ａ）、一般式（３ｂ）又は一般式（３ｃ）で表わされることが好ましい。
<<Liquid crystal compound with dielectric anisotropy (Δε) of −2 or less>>
The liquid crystal compound having a dielectric anisotropy (Δε) of −2 or less is preferably represented by the following general formula (3a), general formula (3b), or general formula (3c).
Ｍ31、Ｍ32、Ｍ33、Ｍ34、Ｍ35、Ｍ36、Ｍ37、Ｍ38及びＭ39はそれぞれ独立して、
（ｄ） トランス－１，４－シクロへキシレン基（この基中に存在する１個のメチレン基又は相互に隣接していない２個以上のメチレン基は－Ｏ－又は－Ｓ－に置き換えられてもよい）、
（ｇ） １，４－フェニレン基（この基中に存在する１個の－ＣＨ＝又は相互に隣接していない２個以上の－ＣＨ＝は窒素原子に置き換えられてもよい）、２－フルオロ－１，４－フェニレン基、３－フルオロ－１，４－フェニレン基、２，３－ジフルオロ－１，４－フェニレン基、並びに
（ｈ） １，４－シクロヘキセニレン基、１，４－ビシクロ［２．２．２］オクチレン基、ピペリジン－２，５－ジイル基、ナフタレン－２，６－ジイル基、１，２，３，４－テトラヒドロナフタレン－２，６－ジイル基及びデカヒドロナフタレン－２，６－ジイル基
からなる群より選ばれる基を表し、
上記の基（ｄ）、基（ｇ）又は基（ｈ）に含まれる水素原子はそれぞれシアノ基、フッ素原子、トリフルオロメチル基、トリフルオロメトキシ基又は塩素原子で置換されていてもよく、
Ｌ31、Ｌ32、Ｌ33、Ｌ34、Ｌ35、Ｌ36、Ｌ37、Ｌ38及びＬ39はそれぞれ独立して、単結合、－ＣＯＯ－、－ＯＣＯ－、－ＣＨ2ＣＨ2－、－（ＣＨ2）4－、－ＯＣＨ2－、－ＣＨ2Ｏ－、－ＯＣＦ2－、－ＣＦ2Ｏ－又は－Ｃ≡Ｃ－を表し、Ｍ32、Ｍ33、Ｍ35、Ｍ36、Ｍ38、Ｍ39、Ｌ31、Ｌ33、Ｌ34、Ｌ36、Ｌ37及び／又はＬ39が複数存在する場合は、それらは同一でも、あるいは異なっていてもよく、
Ｘ31、Ｘ32、Ｘ33、Ｘ34、Ｘ35、Ｘ36、Ｘ37及びＸ38はそれぞれ独立して、水素原子、トリフルオロメチル基、トリフルオロメトキシ基又はフッ素原子を表すが、Ｘ31及びＸ32の何れか一つはフッ素原子を表し、Ｘ33、Ｘ34及びＸ35の何れか一つはフッ素原子を表し、Ｘ36、Ｘ37及びＸ38の何れか一つはフッ素原子を表すが、Ｘ36及びＸ37は同時にフッ素原子を表すことはなく、Ｘ36及びＸ38は同時にフッ素原子を表すことはなく、Ｇはメチレン基又は－Ｏ－を表し、
ｕ、ｖ、ｗ、ｘ、ｙ及びｚはそれぞれ独立して、０、１又は２を表すが、ｕ＋ｖ、ｗ＋ｘ及びｙ＋ｚは２以下である。）
M 31 , M 32 , M 33 , M 34 , M 35 , M 36 , M 37 , M 38 and M 39 are each independently
(d) a trans-1,4-cyclohexylene group (one methylene group present in this group or two or more methylene groups not adjacent to each other are replaced with -O- or -S- can also be used),
(g) a 1,4-phenylene group (one -CH= or two or more -CH= not adjacent to each other present in this group may be replaced by a nitrogen atom), 2-fluoro -1,4-phenylene group, 3-fluoro-1,4-phenylene group, 2,3-difluoro-1,4-phenylene group, and (h) 1,4-cyclohexenylene group, 1,4-bicyclo [2.2.2] Octylene group, piperidine-2,5-diyl group, naphthalene-2,6-diyl group, 1,2,3,4-tetrahydronaphthalene-2,6-diyl group and decahydronaphthalene- represents a group selected from the group consisting of 2,6-diyl groups,
Each hydrogen atom contained in the above group (d), group (g) or group (h) may be substituted with a cyano group, a fluorine atom, a trifluoromethyl group, a trifluoromethoxy group or a chlorine atom,
L 31 , L 32 , L 33 , L 34 , L 35 , L 36 , L 37 , L 38 and L 39 are each independently a single bond, -COO-, -OCO-, -CH 2 CH 2 -, —(CH 2 ) 4 —, —OCH 2 —, —CH 2 O—, —OCF 2 —, —CF 2 O— or —C≡C—, M 32 , M 33 , M 35 , M 36 , When there are multiple M 38 , M 39 , L 31 , L 33 , L 34 , L 36 , L 37 and/or L 39 , they may be the same or different,
X 31 , X 32 , X 33 , X 34 , X 35 , X 36 , X 37 and X 38 each independently represent a hydrogen atom, a trifluoromethyl group, a trifluoromethoxy group or a fluorine atom, but X 31 and X 32 represents a fluorine atom, any one of X 33 , X 34 and X 35 represents a fluorine atom, and any one of X 36 , X 37 and X 38 represents a fluorine atom However, X 36 and X 37 do not simultaneously represent a fluorine atom, X 36 and X 38 do not simultaneously represent a fluorine atom, G represents a methylene group or -O-,
u, v, w, x, y and z each independently represent 0, 1 or 2, and u+v, w+x and y+z are 2 or less. )
上記一般式（３ａ）で表される化合物を単独で含有してもよく、あるいは一般式（３ａ）、一般式（３ｂ）及び一般式（３ｃ）から選択される少なくとも１種又は２種以上の化合物を任意に組み合わせてもよい。 The compound represented by the general formula (3a) may be contained alone, or at least one or two or more selected from general formula (3a), general formula (3b) and general formula (3c) Any combination of compounds may be used.
本発明の液晶層に含まれる非重合性液晶化合物の総量に対する、一般式（３ａ）～（３ｃ）で表される液晶化合物の好ましいそれぞれの含有量の下限値は、３０質量％であり、上限値は９５質量％である。より好ましい含有量の下限値は４５％であり、上限値は８０質量％である。 The preferred lower limit of the content of each of the liquid crystal compounds represented by general formulas (3a) to (3c) with respect to the total amount of non-polymerizable liquid crystal compounds contained in the liquid crystal layer of the present invention is 30% by mass, and the upper limit is 30% by mass. The value is 95% by weight. A more preferable lower limit of the content is 45%, and the upper limit is 80% by mass.
上記一般式（３ａ）、一般式（３ｂ）及び一般式（３ｃ）で表される化合物において、Ｒ31、Ｒ32、Ｒ33、Ｒ34、Ｒ35及び、Ｒ36はそれぞれ独立して、炭素原子数１～１０のアルキル基又は炭素原子数２～１０のアルケニル基、炭素数１～１５の直鎖状アルキル基又は炭素数２～１５のアルケニル基（これらの基中に存在する１個のメチレン基又は相互に隣接していない２個以上のメチレン基は－Ｏ－又は－Ｓ－に置換されているもの、またこれらの基中に存在する１個又は２個以上の水素原子はフッ素原子又は塩素原子に置換されているものも含む。）が好ましく、炭素数１～１０の直鎖状アルキル基、炭素数１～１０の直鎖状アルコキシ基又は炭素数２～１０アルケニル基がより好ましく、炭素数１～８の直鎖状アルキル基又は炭素数１～８のアルコキシ基が特に好ましい。Ｍ31～Ｍ39はそれぞれ独立して、トランス－１，４－シクロへキシレン基（この基中に存在する１個のメチレン基又は相互に隣接していない２個以上のメチレン基は－Ｏ－又は－Ｓ－に置き換えられているものも含む。）、１，４－フェニレン基（この基中に存在する１個の－ＣＨ＝又は相互に隣接していない２個以上の－ＣＨ＝は－Ｎ＝に置き換えられているものも含む）、１，４－シクロヘキセニレン基、１，４－ビシクロ［２．２．２］オクチレン基、ピペリジン－２，５－ジイル基、ナフタレン－２，６－ジイル基、１，２，３，４－テトラヒドロナフタレン－２，６－ジイル基及びデカヒドロナフタレン－２，６－ジイル基で表す基（各々の基に含まれる水素原子がそれぞれシアノ基、フッ素原子、トリフルオロメチル基、トリフルオロメトキシ基又は塩素原子で置換されているものも含む。）が好ましく、トランス－１，４－シクロへキシレン基、１，４－フェニレン基、３－フルオロ－１，４－フェニレン基又は２，３－ジフルオロ－１，４－フェニレン基がより好ましく、トランス－１，４－シクロへキシレン基又は１，４－フェニレン基が更に好ましく、トランス－１，４－シクロへキシレン基が特に好ましい。Ｌ31～Ｌ39はそれぞれ独立して、単結合、－ＣＨ2ＣＨ2－、－（ＣＨ2）4－、－ＯＣＯ－、－ＣＯＯ－、－ＯＣＨ2－、－ＣＨ2Ｏ－、－ＯＣＦ2－、－ＣＦ2Ｏ－又は－Ｃ≡Ｃ－が好ましく、単結合、－ＣＨ2ＣＨ2－、－ＯＣＨ2－又は－ＣＨ2Ｏ－がより好ましい。Ｘ31～Ｘ38はそれぞれ独立して、水素原子又はフッ素原子を表し、Ｇはメチレン基又は－Ｏ－を表し、ｕ、ｖ、ｗ、ｘ、ｙ及びｚはそれぞれ独立して、０、１又は２を表すが、ｕ＋ｖ、ｗ＋ｘ及びｙ＋ｚは２以下で表す。 In the compounds represented by general formula (3a), general formula (3b) and general formula (3c), R 31 , R 32 , R 33 , R 34 , R 35 and R 36 are each independently carbon Alkyl groups having 1 to 10 atoms or alkenyl groups having 2 to 10 carbon atoms, linear alkyl groups having 1 to 15 carbon atoms or alkenyl groups having 2 to 15 carbon atoms (one A methylene group or two or more methylene groups that are not adjacent to each other are substituted with -O- or -S-, and one or more hydrogen atoms present in these groups are fluorine atoms or those substituted with a chlorine atom.), more preferably a linear alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, a linear alkoxy group having 1 to 10 carbon atoms or an alkenyl group having 2 to 10 carbon atoms. , a linear alkyl group having 1 to 8 carbon atoms or an alkoxy group having 1 to 8 carbon atoms are particularly preferred. Each of M 31 to M 39 is independently a trans-1,4-cyclohexylene group (one methylene group present in this group or two or more methylene groups that are not adjacent to each other are -O- or -S-.), 1,4-phenylene group (one -CH= present in this group or two or more -CH= that are not adjacent N=), 1,4-cyclohexenylene group, 1,4-bicyclo[2.2.2]octylene group, piperidine-2,5-diyl group, naphthalene-2,6 -diyl group, 1,2,3,4-tetrahydronaphthalene-2,6-diyl group and decahydronaphthalene-2,6-diyl group (the hydrogen atoms contained in each group are cyano group, fluorine atom, trifluoromethyl group, trifluoromethoxy group or chlorine atom.) are preferred, trans-1,4-cyclohexylene group, 1,4-phenylene group, 3-fluoro-1 ,4-phenylene group or 2,3-difluoro-1,4-phenylene group is more preferable, trans-1,4-cyclohexylene group or 1,4-phenylene group is more preferable, and trans-1,4-cyclo A hexylene group is particularly preferred. L 31 to L 39 are each independently a single bond, -CH 2 CH 2 -, -(CH 2 ) 4 -, -OCO-, -COO-, -OCH 2 -, -CH 2 O-, -OCF 2 -, -CF 2 O- or -C≡C- is preferred, and a single bond, -CH 2 CH 2 -, -OCH 2 - or -CH 2 O- is more preferred. X 31 to X 38 each independently represent a hydrogen atom or a fluorine atom, G represents a methylene group or -O-, u, v, w, x, y and z each independently represent 0, 1 or 2, but u+v, w+x and y+z are 2 or less.
一般式（３ａ）で表される化合物において、具体的には以下の一般式（３ａ－１）で示される構造を表すことが好ましい。 Specifically, the compound represented by the general formula (3a) preferably has a structure represented by the following general formula (3a-1).
＜＜誘電率異方性（Δε）が２以上の液晶化合物＞＞
上記誘電率異方性（Δε）が２以上の液晶化合物は、以下の一般式（４ａ）、一般式（４ｂ）又は一般式（４ｃ）で表わされることが好ましい。
<<Liquid crystal compound having dielectric anisotropy (Δε) of 2 or more>>
The liquid crystal compound having a dielectric anisotropy (Δε) of 2 or more is preferably represented by the following general formula (4a), general formula (4b), or general formula (4c).
Ｒ41、Ｒ42及びＲ43は、それぞれ独立して、炭素原子数１～１０のアルキル基又は炭素原子数２～１０のアルケニル基を表し、これらの基中に存在する１個のメチレン基又は相互に隣接していない２個以上のメチレン基は、－Ｏ－又は－Ｓ－に置換されてもよく、またこれらの基中に存在する１個又は２個以上の水素原子は、フッ素原子又は塩素原子に置換されてもよく、
Ｍ41、Ｍ42、Ｍ43、Ｍ44、Ｍ45、Ｍ46、Ｍ47及びＭ48はそれぞれ独立して、下記の基（ａ）、基（ｂ）、又は基（ｃ）のいずれか１種を表わし、
（ｄ） トランス－１，４－シクロへキシレン基（この基中に存在する１個のメチレン基又は相互に隣接していない２個以上のメチレン基は－Ｏ－又は－Ｓ－に置き換えられてもよい）、
（ｉ） １，４－フェニレン基（この基中に存在する１個の－ＣＨ＝又は相互に隣接していない２個以上の－ＣＨ＝は－Ｎ＝に置き換えられてもよい）、３－フルオロ－１，４－フェニレン基、又は３，５－ジフルオロ－１，４－フェニレン基、並びに
（ｊ） １，４－シクロヘキセニレン基、１，４－ビシクロ［２．２．２］オクチレン基、ピペリジン－２，５－ジイル基、ナフタレン－２，６－ジイル基、１，２，３，４－テトラヒドロナフタレン－２，６－ジイル基、又はデカヒドロナフタレン－２，６－ジイル基、
上記の基（ｄ）、基（ｉ）又は基（ｊ）に含まれる水素原子はそれぞれシアノ基、フッ素原子、塩素原子、トリフルオロメチル基又はトリフルオロメトキシ基で置換されていてもよく、
Ｌ41、Ｌ42、Ｌ43、Ｌ44、Ｌ45、Ｌ46、Ｌ47及びＬ48は、それぞれ独立して、単結合、－ＣＯＯ－、－ＯＣＯ－、－ＣＨ2ＣＨ2－、－（ＣＨ2）4－、－ＯＣＨ2－、－ＣＨ2Ｏ－、－ＯＣＦ2－、－ＣＦ2Ｏ－又は－Ｃ≡Ｃ－を表し、
ｐ、ｑ、ｒ、ｓ及びｔは、それぞれ独立して、０、１又は２を表すが、ｑ＋ｒ及びｓ＋ｔは２以下であり、
Ｍ42、Ｍ44、Ｍ45、Ｍ47、Ｍ48、Ｌ41、Ｌ43、Ｌ45、Ｌ46及び／又はＬ48がそれぞれ複数存在する場合は、それらは同一でもよく異なっていてもよく、
Ｘ41、Ｘ42、Ｘ43、Ｘ44、Ｘ45、Ｘ46及びＸ47は、それぞれ独立して、水素原子又はフッ素原子を表し、
Ｙ41、Ｙ42及びＹ43は、それぞれ独立して、フッ素原子、塩素原子、シアノ基、チオシアナト基、トリフルオロメトキシ基、トリフルオロメチル基、２，２，２－トリフルオロエチル基、又はジフルオロメトキシ基を表す。）
本発明の液晶層を構成する液晶組成物は、一般式（４ａ）、一般式（４ｂ）及び一般式（４ｃ）で表される化合物からなる群から選ばれる化合物を少なくとも１種を含有することが好ましい。前記液晶組成物が一般式（４ａ）、一般式（４ｂ）及び一般式（４ｃ）で表される化合物からなる群から選ばれる化合物を少なくとも１種を含有する場合、１種～１０種含有することが好ましく、２種～８種含有することが特に好ましい。本発明の液晶層を構成する液晶組成物全体の総量に対する、一般式（４ａ）、一般式（４ｂ）及び一般式（４ｃ）で表される化合物からなる群から選択される化合物の含有量の下限値は、５質量％であることが好ましく、１０質量％であることがより好ましく、２０質量％であることが好ましい。前記含有量の上限値は８０質量％が好ましく、７０質量％が好ましく、６０質量％が好ましく、５０質量％が更に好ましい。
R 41 , R 42 and R 43 each independently represent an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms or an alkenyl group having 2 to 10 carbon atoms, and one methylene group or Two or more methylene groups that are not adjacent to each other may be substituted with -O- or -S-, and one or more hydrogen atoms present in these groups are fluorine atoms or optionally substituted by a chlorine atom,
M 41 , M 42 , M 43 , M 44 , M 45 , M 46 , M 47 and M 48 are each independently any one of the following group (a), group (b) or group (c) represents the seed,
(d) a trans-1,4-cyclohexylene group (one methylene group present in this group or two or more methylene groups not adjacent to each other are replaced with -O- or -S- can also be used),
(i) a 1,4-phenylene group (one -CH= or two or more -CH= not adjacent to each other present in this group may be replaced with -N=), 3- fluoro-1,4-phenylene group or 3,5-difluoro-1,4-phenylene group, and (j) 1,4-cyclohexenylene group, 1,4-bicyclo[2.2.2]octylene group , piperidine-2,5-diyl group, naphthalene-2,6-diyl group, 1,2,3,4-tetrahydronaphthalene-2,6-diyl group, or decahydronaphthalene-2,6-diyl group,
Each hydrogen atom contained in the above group (d), group (i) or group (j) may be substituted with a cyano group, a fluorine atom, a chlorine atom, a trifluoromethyl group or a trifluoromethoxy group,
L 41 , L 42 , L 43 , L 44 , L 45 , L 46 , L 47 and L 48 are each independently a single bond, -COO-, -OCO-, -CH 2 CH 2 -, -( CH 2 ) 4 -, -OCH 2 -, -CH 2 O-, -OCF 2 -, -CF 2 O- or -C≡C-,
p, q, r, s and t each independently represent 0, 1 or 2, but q+r and s+t are 2 or less;
When there are multiple M42 , M44 , M45 , M47 , M48 , L41 , L43 , L45 , L46 and/or L48 , they may be the same or different,
X41 , X42 , X43 , X44 , X45 , X46 and X47 each independently represent a hydrogen atom or a fluorine atom,
Y 41 , Y 42 and Y 43 each independently represent a fluorine atom, a chlorine atom, a cyano group, a thiocyanato group, a trifluoromethoxy group, a trifluoromethyl group, a 2,2,2-trifluoroethyl group, or a difluoro represents a methoxy group. )
The liquid crystal composition constituting the liquid crystal layer of the present invention contains at least one compound selected from the group consisting of compounds represented by general formula (4a), general formula (4b) and general formula (4c). is preferred. When the liquid crystal composition contains at least one compound selected from the group consisting of compounds represented by general formula (4a), general formula (4b) and general formula (4c), it contains 1 to 10 kinds. is preferred, and it is particularly preferred to contain 2 to 8 kinds. Content of a compound selected from the group consisting of compounds represented by general formula (4a), general formula (4b) and general formula (4c) with respect to the total amount of the entire liquid crystal composition constituting the liquid crystal layer of the present invention The lower limit is preferably 5% by mass, more preferably 10% by mass, and preferably 20% by mass. The upper limit of the content is preferably 80% by mass, preferably 70% by mass, preferably 60% by mass, and more preferably 50% by mass.
上記の一般式（１）、（２）、（３ａ）～（３ｃ）及び（４ａ）～（４ｃ）において、選択肢の組み合わせにより形成される構造のうち、－ＣＨ＝ＣＨ－ＣＨ＝ＣＨ－、－Ｃ≡Ｃ－Ｃ≡Ｃ－及び－ＣＨ＝ＣＨ－Ｃ≡Ｃ－は化学的な安定性から好ましくない。またこれら構造中の水素原子がフッ素原子に置き換わったものも同様に好ましくない。また酸素同士が結合する構造、硫黄原子同士が結合する構造及び硫黄原子と酸素原子が結合する構造となることも同様に好ましくない。また窒素原子同士が結合する構造、窒素原子と酸素原子が結合する構造及び窒素原子と硫黄原子が結合する構造も同様に好ましくない。 In the above general formulas (1), (2), (3a) to (3c) and (4a) to (4c), among the structures formed by combinations of options, -CH=CH-CH=CH-, -C≡CC≡C- and -CH=CH-C≡C- are not preferable from the viewpoint of chemical stability. Also, those in which hydrogen atoms in these structures are replaced with fluorine atoms are similarly unfavorable. Similarly, a structure in which oxygen atoms are bonded together, a structure in which sulfur atoms are bonded together, and a structure in which sulfur atoms and oxygen atoms are bonded are similarly undesirable. Structures in which nitrogen atoms are bonded together, structures in which a nitrogen atom and an oxygen atom are bonded, and structures in which a nitrogen atom and a sulfur atom are bonded are likewise unfavorable.
本発明の液晶層を構成する液晶組成物は、一般式（３ａ）、一般式（３ｂ）及び一般式（３ｃ）で表される化合物からなる群から選ばれる化合物、又は一般式（４ａ）、一般式（４ｂ）及び一般式（４ｃ）で表される化合物からなる群から選ばれる化合物を少なくとも１種を含有することが好ましい。前記液晶組成物が、一般式（３ａ）、一般式（３ｂ）及び一般式（３ｃ）で表される化合物からなる群から選ばれる化合物、又は一般式（４ａ）、一般式（４ｂ）及び一般式（４ｃ）で表される化合物からなる群から選ばれる化合物を含有する場合、２種～１０種含有することが好ましく、２種～８種含有することが特に好ましい。本発明の液晶層を構成する液晶組成物全体の総量に対する、一般式（３ａ）、一般式（３ｂ）及び一般式（３ｃ）で表される化合物からなる群から選ばれる化合物、又は一般式（４ａ）、一般式（４ｂ）及び一般式（４ｃ）で表される化合物からなる群から選ばれる化合物の含有量の下限値は、５質量％であることが好ましく、１０質量％であることがより好ましく、２０質量％であることがより好ましい。前記含有量の上限値は、８０質量％であることが好ましく、７０質量％であることが好ましく、６０質量％であることが好ましく、５０質量％であることが好ましい。 The liquid crystal composition constituting the liquid crystal layer of the present invention is a compound selected from the group consisting of compounds represented by general formula (3a), general formula (3b) and general formula (3c), or general formula (4a), It is preferable to contain at least one compound selected from the group consisting of compounds represented by general formula (4b) and general formula (4c). The liquid crystal composition is a compound selected from the group consisting of compounds represented by general formula (3a), general formula (3b) and general formula (3c), or general formula (4a), general formula (4b) and general When the compound selected from the group consisting of the compounds represented by the formula (4c) is contained, it preferably contains 2 to 10 types, particularly preferably 2 to 8 types. A compound selected from the group consisting of compounds represented by general formula (3a), general formula (3b) and general formula (3c), or general formula ( 4a), the lower limit of the content of the compound selected from the group consisting of the compounds represented by the general formula (4b) and the general formula (4c) is preferably 5% by mass, more preferably 10% by mass. More preferably, it is 20% by mass. The upper limit of the content is preferably 80% by mass, preferably 70% by mass, preferably 60% by mass, and preferably 50% by mass.
本発明の液晶組成物において、Δｎは０．０８～０．２５の範囲であることが好ましい。 In the liquid crystal composition of the present invention, Δn is preferably in the range of 0.08 to 0.25.
本発明の液晶組成物に含まれる非重合性液晶化合物の総量に対しての、一般式（３ａ）、一般式（３ｂ）、一般式（３ｃ）及び一般式（２）で表される化合物の合計の、好ましい含有量の下限値は５０質量％であり、上限値は９５質量％である。より好ましい含有量の下限値は７０質量％であり、上限値は９０質量％である。 of compounds represented by general formula (3a), general formula (3b), general formula (3c) and general formula (2) with respect to the total amount of non-polymerizable liquid crystal compounds contained in the liquid crystal composition of the present invention The lower limit of the total preferred content is 50% by mass, and the upper limit is 95% by mass. A more preferable lower limit of the content is 70% by mass, and an upper limit thereof is 90% by mass.
本発明の液晶組成物に含まれる非重合性液晶化合物の総量に対しての、一般式（３ａ）及び一般式（２）で表される化合物の合計の、好ましい含有量の下限値は５０質量％であり、上限値は９５質量％である。より好ましい含有量の下限値は７０質量％であり、上限値は９０質量％である。 The lower limit of the preferable content of the total amount of the compounds represented by general formula (3a) and general formula (2) with respect to the total amount of non-polymerizable liquid crystal compounds contained in the liquid crystal composition of the present invention is 50 mass. %, and the upper limit is 95% by mass. A more preferable lower limit of the content is 70% by mass, and an upper limit thereof is 90% by mass.
本発明に係る液晶組成物は、分子内に過酸（－ＣＯ－ＯＯ－）構造等の酸素原子同士が結合した構造を持つ化合物を含有しないことが好ましい。 The liquid crystal composition according to the present invention preferably does not contain a compound having a structure in which oxygen atoms are bonded to each other, such as a peracid (--CO--OO--) structure.
液晶組成物の信頼性及び長期安定性を重視する場合にはカルボニル基を有する化合物の含有量を前記組成物の総質量に対して５質量％以下とすることが好ましく、３質量％以下とすることがより好ましく、１質量％以下とすることが更に好ましく、実質的に含有しないことが最も好ましい。 When the reliability and long-term stability of the liquid crystal composition are emphasized, the content of the compound having a carbonyl group is preferably 5% by mass or less, and 3% by mass or less, relative to the total mass of the composition. more preferably 1% by mass or less, and most preferably not substantially contained.
ＵＶ照射による安定性を重視する場合、塩素原子が置換している化合物の含有量を前記組成物の総質量に対して１５質量％以下とすることが好ましく、１０質量％以下とすることが好ましく、８質量％以下とすることが好ましく、５質量％以下とすることがより好ましく、３質量％以下とすることが好ましく、実質的に含有しないことが更に好ましい。 When the stability against UV irradiation is emphasized, the content of the compound substituted with chlorine atoms is preferably 15% by mass or less, preferably 10% by mass or less, relative to the total mass of the composition. , preferably 8% by mass or less, more preferably 5% by mass or less, preferably 3% by mass or less, and further preferably not substantially contained.
［重合性液晶化合物］
少なくとも１つ以上の重合性官能基を有する液晶化合物は、以下の一般式（５）で表わされることが好ましい。
A liquid crystal compound having at least one or more polymerizable functional groups is preferably represented by the following general formula (5).
上記一般式（５）において、Ｓｐ１及びＳｐ２がそれぞれ独立して、アルキレン基を表し、（該アルキレン基は１つ以上のハロゲン原子又はＣＮにより置換されていてもよく、この基中に存在する１つのＣＨ2基又は相互に隣接していない２つ以上のＣＨ2基はそれぞれ相互に独立して、酸素原子が相互に直接結合しない形で、－Ｏ－、－Ｓ－、－ＮＨ－、－Ｎ（ＣＨ3）－、－ＣＯ－、－ＣＯＯ－、－ＯＣＯ－、－ＯＣＯＯ－、－ＳＣＯ－、－ＣＯＳ－又は－Ｃ≡Ｃ－により置き換えられていても良い。）） In the above general formula (5), Sp1 and Sp2 each independently represent an alkylene group (the alkylene group may be substituted with one or more halogen atoms or CN, and 1 One CH 2 group or two or more CH 2 groups that are not adjacent to each other are independently of each other -O-, -S-, -NH-, -, in such a way that the oxygen atoms are not directly bonded to each other. N(CH 3 )-, -CO-, -COO-, -OCO-, -OCOO-, -SCO-, -COS- or -C≡C- may be substituted.))
上記一般式ＭＧは、一般式（５－ｂ）で表されることがより好ましい。
重合性官能基Ｐ51及びＰ52は、それぞれ独立して、以下の一般式（Ｐ－１）～（Ｐ－７）から選択される基が好ましい。
より具体的には、少なくとも１つ以上の重合性官能基を有する液晶化合物は、以下の一般式（６）で表わされる化合物が好ましい。
本発明に用いられる、重合性官能基を１つ以上有する非液晶化合物は、重合性官能基を有する液晶化合物の配向性を乱さない限りにおいては特に限定はなく、公知慣用のものを用いることができる。 The non-liquid crystal compound having one or more polymerizable functional groups used in the present invention is not particularly limited as long as it does not disturb the orientation of the liquid crystal compound having a polymerizable functional group, and known and commonly used compounds can be used. can.
例えば、ＵＶ硬化技術入門（加藤清視、中原正二著、高分子刊行会発行、１９８４年）、光・放射線硬化技術（大成社編集部編、大成社発行、１９８５年）、ＵＶ／ＥＢ硬化ハンドブック（加藤清視著、高分子刊行会発行、１９８５年）、紫外線硬化システム（加藤清視著、総合技術センター発行、１９８９年）、最新ＵＶ硬化技術（高簿一弘著、技術情報協会発行、１９９１年）、ＵＶ硬化技術の進歩（加藤清視監修、総合技術センター発行、１９９３年）新化学インデックス（化学工業日報社発行、２０１０年）、光硬化技術データブック（テクノネット社発行、２０００年）、光硬化技術実用ガイド－ＵＶ／ＥＢ硬化技術の応用展開－（市村國宏、角岡正弘監修、テクノネット社発行、２００２年）、最新ＵＶ硬化実用便覧（技術情報協会発行、２００５年）、あるいは、独立行政法人物質・材料研究機構高分子データベース（ＰｏｌｙＩｎｆｏ）（http://mits.mins.go.jp）に記載されているような重合性化合物が挙げられる。 For example, an introduction to UV curing technology (written by Kiyomi Kato and Shoji Nakahara, published by Kobunshi Publishing Association, 1984), light and radiation curing technology (edited by Taiseisha editorial department, published by Taiseisha, 1985), UV/EB curing handbook (written by Kiyomi Kato, published by Kobunshi Publishing Association, 1985), UV curing system (written by Kiyomi Kato, published by General Technical Center, 1989), latest UV curing technology (written by Kazuhiro Takabo, published by Technical Information Association, 1991) 1993), Advances in UV Curing Technology (supervised by Kiyomi Kato, published by Sogo Gijutsu Center, 1993) New Chemical Index (published by The Chemical Daily, 2010), Light Curing Technology Data Book (published by Technonet, 2000) , Light Curing Technology Practical Guide - Application Development of UV / EB Curing Technology - (Kunihiro Ichimura, Masahiro Kadooka supervised, published by Technonet, 2002), Latest UV Curing Practical Handbook (Published by Technical Information Association, 2005), Alternatively, polymerizable compounds such as those described in the National Institute for Materials Science polymer database (PolyInfo) (http://mits.mins.go.jp) can be used.
重合性官能基を１つ以上有する非液晶化合物としては、一般式（７）
さらには、一般式（７）において、重合性官能基Ｐ71が一般式（７－ａ）、一般式（７－ｂ）、一般式（７－ｃ）及び一般式（７－ｄ）
一般式（７）で表される化合物は、単独で使用することもできるし、２種類以上混合して使用することもできる。 The compounds represented by general formula (7) can be used singly or in combination of two or more.
一般式（７）の含有量は本発明の液晶層を構成する液晶組成物（の総量１００質量％）に対して、０．１～５０質量％が好ましく、１～３０質量％がより好ましい。また、一般式（５）のＳｐ１のアルキル基の長さとＳｐ２のアルキル基の長さは、同じ程度であるとリオトロピック液晶様性質が得られるため、好ましい。 The content of general formula (7) is preferably 0.1 to 50% by mass, more preferably 1 to 30% by mass, relative to (the total amount of 100% by mass) of the liquid crystal composition constituting the liquid crystal layer of the present invention. Further, it is preferable that the length of the alkyl group of Sp1 and the length of the alkyl group of Sp2 in the general formula (5) are about the same, since a lyotropic liquid crystal-like property can be obtained.
本発明において、重合性官能基を有する液晶化合物を重合させるために重合開始剤を用いることもできる。重合を光照射によって行う場合に使用する光重合開始剤としては公知慣用のものが使用でき、重合を熱によって行う場合に使用する熱重合開始剤としては公知慣用のものが使用できるが、これら重合開始剤は液晶組成物中に溶解するものが好ましい。これら重合開始剤の使用量は液晶組成物の総量１００質量％に対して０～１０質量％が好ましく、０．１～７．５質量％がより好ましく、０．５～５質量％が特に好ましい。これら重合開始剤は、単独で使用することもできるし、２種以上混合して使用することもできる。 In the present invention, a polymerization initiator can also be used to polymerize the liquid crystal compound having a polymerizable functional group. As the photopolymerization initiator used when the polymerization is carried out by light irradiation, a known and commonly used one can be used, and as the thermal polymerization initiator used when the polymerization is carried out by heat, a known and commonly used one can be used. It is preferable that the initiator dissolves in the liquid crystal composition. The amount of these polymerization initiators used is preferably 0 to 10% by mass, more preferably 0.1 to 7.5% by mass, and particularly preferably 0.5 to 5% by mass, relative to 100% by mass of the total amount of the liquid crystal composition. . These polymerization initiators can be used alone or in combination of two or more.
本発明において、重合禁止剤を使用してもよい。当該重合禁止剤としては、フェノール系化合物、キノン系化合物、アミン系化合物、チオエーテル系化合物、ニトロソ化合物、等が挙げられる。 A polymerization inhibitor may be used in the present invention. Examples of the polymerization inhibitor include phenol compounds, quinone compounds, amine compounds, thioether compounds, nitroso compounds, and the like.
本発明において、汎用の添加剤を使用してもよい。例えば、レベリング剤、チキソ剤、界面活性剤、紫外線吸収剤、赤外線吸収剤、抗酸化剤、表面処理剤等の添加剤を液晶の配向能を著しく低下させない程度添加することができる。 In the present invention, general-purpose additives may be used. For example, additives such as leveling agents, thixotropic agents, surfactants, ultraviolet absorbers, infrared absorbers, antioxidants, and surface treatment agents can be added to such an extent that the liquid crystal alignment ability is not significantly reduced.
本発明に係る実施形態について、諸図面及び実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形又は修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形又は修正は本開示の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各構成部又は各ステップなどに含まれる機能などは論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の構成部又はステップなどを１つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。本開示において「第１」及び「第２」等の記載は、当該構成を区別するための識別子である。本開示における「第１」及び「第２」等の記載で区別された構成は、当該構成における番号を交換することができる。本開示において、ｘ方向、ｙ方向、及びｚ方向は、説明の便宜上設けられたものであり、互いに入れ替えられてよい。 Although the embodiments of the present invention have been described with reference to the drawings and examples, it should be noted that a person skilled in the art can easily make various changes or modifications based on the present disclosure. Therefore, it should be noted that these variations or modifications are included within the scope of this disclosure. For example, functions included in each component or each step can be rearranged so as not to be logically inconsistent, and multiple components or steps can be combined into one or divided. is. Descriptions such as “first” and “second” in the present disclosure are identifiers for distinguishing the configurations. Configurations that are differentiated in descriptions such as "first" and "second" in this disclosure may interchange the numbers in that configuration. In the present disclosure, x-direction, y-direction, and z-direction are provided for convenience of explanation and may be interchanged with each other.
本願の実施形態に示した液晶層に対する磁界及び電界の印加方法、配向膜の構成等は、例示に過ぎない。所望の液晶分子の配列を得るために、磁界形成部の配置、及び、透明電極の形状、配向膜の配向方向等は、種々の変形、変更が可能である。例えば、本願の実施形態において、磁界形成部は、第１及び第２の基板の一方の側のみに配置されていた。しかし、磁界形成部は第１及び第２の基板の一方の側のみではなく、液晶セルを挟んで第１の基板側と第２の基板側の双方に、それぞれ配置してよい。 The method of applying a magnetic field and an electric field to the liquid crystal layer, the configuration of the alignment film, and the like shown in the embodiments of the present application are merely examples. In order to obtain the desired alignment of the liquid crystal molecules, the arrangement of the magnetic field generator, the shape of the transparent electrode, the alignment direction of the alignment film, etc. can be modified and changed in various ways. For example, in the embodiments of the present application, the magnetic field generators were arranged on only one side of the first and second substrates. However, the magnetic field generators may be arranged not only on one side of the first and second substrates, but also on both the first substrate side and the second substrate side with the liquid crystal cell interposed therebetween.
本発明は、例えば、光学素子及びその製造方法として利用することができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used, for example, as an optical element and its manufacturing method.
１０，１１０，１３０，２１０，２３０ 光学素子
１１，１１１，２１１ 液晶層
１２，１１２，２１２ 第１の基板
１３,１１３，２１３ 第２の基板
１４，１１４，２１４ 第１の透明電極
１５，１１５，２１５ 第２の透明電極
１６，１１６，２１６ 第１の配向膜
１７，１１７，２１７ 第２の配向膜
１８，１１８，２１８ 電圧印加部
１９，１１９，２１９ 磁界形成部
２０，１２０，２２０ 液晶分子
２１，１２１，２２１ 電圧源
２２，１２２，２２２ スイッチ
２３，２２３ 磁界
２４，１２４，２２４ 電圧制御部
１２６ 入射光
１２７ 出射光
１３０ 光学素子
１３１，２３１ 液晶重合体層
10,110,130,210,230 optical element 11,111,211 liquid crystal layer 12,112,212 first substrate 13,113,213 second substrate 14,114,214 first transparent electrode 15,115, 215 second
Claims (16)
前記磁界を印加した状態で、前記第１の透明電極と前記第２の透明電極との間に電圧を印加する工程と、
を含み、前記液晶層は、前記第１の透明電極側及び前記第２の透明電極側で、それぞれ垂直配向膜に接する光学素子の製造方法。 A flat first transparent electrode, a flat second transparent electrode facing the first transparent electrode, and a liquid crystal layer provided between the first transparent electrode and the second transparent electrode applying a magnetic field in which lines of magnetic force intersect with the first transparent electrode and the second transparent electrode to the liquid crystal cell;
applying a voltage between the first transparent electrode and the second transparent electrode while applying the magnetic field;
wherein the liquid crystal layer is in contact with vertical alignment films on the first transparent electrode side and the second transparent electrode side, respectively .
前記第１の透明電極に対向する平坦な第２の透明電極と、
前記第１の透明電極と前記第２の透明電極との間に設けられた液晶層と、
前記第１の透明電極及び前記第２の透明電極に対して磁力線が交差する磁界を形成する磁界形成部と、
電圧を前記第１の透明電極と前記第２の透明電極との間に印加する電圧印加部と、
を備え、前記液晶層の前記第１の透明電極側及び前記第２の透明電極側に、それぞれ垂直配向膜を備える光学素子。 a planar first transparent electrode;
a flat second transparent electrode facing the first transparent electrode;
a liquid crystal layer provided between the first transparent electrode and the second transparent electrode;
a magnetic field generator that forms a magnetic field in which lines of magnetic force intersect with the first transparent electrode and the second transparent electrode;
a voltage applying unit that applies a voltage between the first transparent electrode and the second transparent electrode;
and vertical alignment films on the first transparent electrode side and the second transparent electrode side of the liquid crystal layer, respectively .
前記第１の透明電極に対向する平坦な第２の透明電極と、
前記第１の透明電極と前記第２の透明電極との間に設けられた、液晶分子が配向した状態で重合した液晶重合体層と、
前記液晶重合体層の前記第１の透明電極側及び前記第２の透明電極側にそれぞれ配置された垂直配向膜と
を備え、前記液晶重合体層は、前記液晶分子が少なくとも部分的に前記第１の透明電極及び前記第２の透明電極に対して垂直方向以外の方向に配向しており、
前記液晶重合体層は、前記第１の透明電極及び前記第２の透明電極に沿う位置に依存して、前記液晶分子の配向方向が異なる光学素子。 a planar first transparent electrode;
a flat second transparent electrode facing the first transparent electrode;
a liquid crystal polymer layer provided between the first transparent electrode and the second transparent electrode, the liquid crystal polymer layer being polymerized with the liquid crystal molecules aligned;
vertical alignment films respectively disposed on the first transparent electrode side and the second transparent electrode side of the liquid crystal polymer layer, the liquid crystal polymer layer having the liquid crystal molecules at least partially aligned with the second transparent electrode; oriented in a direction other than perpendicular to the first transparent electrode and the second transparent electrode ;
The liquid crystal polymer layer is an optical element in which the orientation directions of the liquid crystal molecules are different depending on positions along the first transparent electrode and the second transparent electrode.
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