JP7427077B2 - 光学素子、画像表示ユニットおよびヘッドマウントディスプレイ - Google Patents

Description

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

現実世界の外光を通さない、いわゆる没入型の仮想現実（ＶＲ）を体験するために、使用者に装着されて、画像を使用者の眼に導く光学装置がある。この光学装置では、画像表示装置から出射された光を１度反射偏光子などで反射させた後、再びミラーなどを用いて反射させ、使用者の眼に導く構造が採用される。これにより、画像表示装置から使用者の眼までの光路長を稼ぐことができ、光学装置全体を薄型化することができる。

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

特表２０１９－５２６０７５号公報

上記のように、ハーフミラーと反射偏光子の間で光を往復させて光路長を長くする光学装置では、ハーフミラーで入射した光の約５０％を透過し、さらに、ハーフミラーで反射格子で反射された光の約５０％を反射する。そのため、画像表示装置が出射した画像の光量に対する光の利用効率が約２５％と低くなってしまうという問題があった。

本発明の課題は、光路長を長くしつつ、光の利用効率を向上できる光学素子、画像表示ユニットおよびヘッドマウントディスプレイを提供することにある。

この課題を解決するために、本発明は、以下の構成を有する。
［１］ 第１の吸収型直線偏光板と、
第１の反射型直線偏光板と、
第１の位相差板と、
入射した光の一部を透過し、一部を反射する部分反射ミラーと、
第２の位相差板と、
第２の反射型直線偏光板と、をこの順で有し、
光が第１の位相差板を通過して第１の反射型直線偏光板へ入射したときに、反射する円偏光の旋回方向と、光が第２の位相差板を通過して第２の反射型直線偏光板へ入射したときに、反射する円偏光の旋回方向とが逆である光学素子。
［２］ 第２の反射型直線偏光板の、第２の位相差板とは反対側に配置される第２の吸収型直線偏光板を有する［１］に記載の光学素子。
［３］ 第１の吸収型直線偏光板と、
第１の位相差板と、
第１の反射型円偏光板と、
入射した光の一部を透過し、一部を反射する部分反射ミラーと、
第２の反射型円偏光板と、
第２の位相差板と、
第２の吸収型直線偏光板と、をこの順で有し、
第１の反射型円偏光板が反射する円偏光の旋回方向と、第２の反射型円偏光板が反射する円偏光の旋回方向とが逆である光学素子。
［４］ 第２の位相差板の、第２の反射型円偏光板とは反対側に配置される第２の吸収型直線偏光板を有する［３］に記載の光学素子。
［５］ 第１の反射型円偏光板および第２の反射型円偏光板の少なくとも一方が、コレステリック液晶相を固定してなるコレステリック液晶層を有する［３］または［４］に記載の光学素子。
［６］ 第１の反射型円偏光板および第２の反射型円偏光板の少なくとも一方は、選択反射中心波長が互いに異なる複数のコレステリック液晶層を有する［５］に記載の光学素子。
［７］ コレステリック液晶層がピッチグラジエント構造を有する［５］または［６］に記載の光学素子。
［８］ 第２の反射型円偏光板と、第２の位相差板との間に、正のレンズを有する［３］～［７］のいずれかに記載の光学素子。
［９］ 第２の反射型直線偏光板と、第２の吸収型直線偏光板との間に、正のレンズを有する［１］または［２］に記載の光学素子。
［１０］ 正のレンズが、回折素子を用いた回折レンズである［８］または［９］に記載の光学素子。
［１１］ 回折レンズが液晶化合物を含む液晶層を有する液晶回折素子であり、
液晶層は、液晶化合物由来の光学軸の向きが面内の少なくとも一方向に沿って連続的に回転しながら変化している液晶配向パターンを有し、
液晶層において、液晶配向パターンにおける液晶化合物由来の光学軸の向きが面内方向に１８０°回転する長さを回折構造の１周期とすると、回折構造の周期が面内で異なる領域を有する［１０］に記載の光学素子。
［１２］ 液晶層は、走査型電子顕微鏡によって観察される液晶層の断面において、液晶相に由来する明部および暗部が、液晶層の主面に対して傾斜している領域を有する［１１］に記載の光学素子。
［１３］ 部分反射ミラーの断面が曲線形状を有する［１］～［１２］のいずれかに記載の光学素子。
［１４］ 第１の位相差板および第２の位相差板が、λ／４板である［１］～［１３］のいずれかに記載の光学素子。
［１５］ ［１］～［１４］のいずれかに記載の光学素子と、
光学素子の、第１の吸収型直線偏光板側に配置される画像表示装置と、を有する画像表示ユニット。
［１６］ ［１５］に記載の画像表示ユニットを有するヘッドマウントディスプレイ。

本発明によれば、光路長を長くしつつ、光の利用効率を向上できる光学素子、画像表示ユニットおよびヘッドマウントディスプレイを提供することができる。

本発明の第１実施形態の光学素子を有する画像表示ユニットの一例を概念的に表す図である。 図１の画像表示ユニットの作用を説明するための部分拡大図である。 従来の画像表示ユニットの作用を説明するための概念図である。 本発明の第１実施形態の光学素子を有する画像表示ユニットの他の一例を概念的に表す図である。 本発明の第１実施形態の光学素子を有する画像表示ユニットの他の一例を概念的に表す図である。 本発明の第２実施形態の光学素子を有する画像表示ユニットの一例を概念的に表す図である。 本発明の第２実施形態の光学素子を有する画像表示ユニットの他の一例を概念的に表す図である。 ピッチグラジエント構造を有するコレステリック液晶層を概念的に表す図である。 液晶回折素子の一例を概念的に示す図である。 図９に示す液晶回折素子の液晶層を概念的に示す図である。 図９に示す液晶回折素子の液晶層の平面図である。 図９に示す液晶回折素子の液晶層の作用を示す概念図である。 図９に示す液晶回折素子の液晶層の作用を示す概念図である。 図９に示す液晶回折素子の作用を示す概念図である。 図９に示す液晶回折素子の配向膜を露光する露光装置の一例を概念的に示す図である。 液晶回折素子の液晶層の別の例の平面図である。 図１６に示す液晶層を形成する配向膜を露光する露光装置の一例を概念的に示す図である。

以下、本発明について詳細に説明する。以下に記載する構成要件の説明は、本発明の代表的な実施態様に基づいてなされることがあるが、本発明はそのような実施態様に限定されるものではない。なお、本明細書において「～」を用いて表される数値範囲は、「～」の前後に記載される数値を下限値および上限値として含む範囲を意味する。また、角度について「直交」および「平行」とは、厳密な角度±１０°の範囲を意味するものとし、並びに角度について「同一」および「異なる」は、その差が５°未満であるか否かを基準に判断できる。

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

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

＜第１実施形態の光学素子＞
本発明の第１実施形態の光学素子は、
第１の吸収型直線偏光板と、
第１の反射型直線偏光板と、
第１の位相差板と、
入射した光の一部を透過し、一部を反射する部分反射ミラーと、
第２の位相差板と、
第２の反射型直線偏光板と、をこの順で有し、
光が第１の位相差板を通過して第１の反射型直線偏光板へ入射したときに、反射する円偏光の旋回方向と、光が第２の位相差板を通過して第２の反射型直線偏光板へ入射したときに、反射する円偏光の旋回方向とが逆である光学素子である。

図１は、本発明の第１実施形態の光学素子を有する画像表示ユニットを概念的に表す図である。図２は、図１に示す画像表示ユニットの一部（破線で囲む部位）を拡大する図であり、画像表示ユニットの作用を説明するための図である。

図１および図２に示す画像表示ユニット５０は、第１の吸収型直線偏光板１２、第１の反射型直線偏光板１４、第１の位相差板１６、部分反射ミラー１８、第２の位相差板２０、第２の反射型直線偏光板２２、および、第２の吸収型直線偏光板２４をこの順で有する光学素子１０ａと、光学素子１０ａの第１の吸収型直線偏光板１２側に配置される画像表示装置５２とを有する。

画像表示ユニット５０において、画像表示装置５２が光（画像）を出射すると、光は、第１の吸収型直線偏光板１２、第１の反射型直線偏光板１４、第１の位相差板１６、部分反射ミラー１８、および、第２の位相差板２０を通過して、第２の反射型直線偏光板２２で反射され、第２の位相差板２０を通過して部分反射ミラー１８で反射されたうえで、第２の位相差板２０、第２の反射型直線偏光板２２、および、第２の吸収型直線偏光板２４を通過して使用者Ｕに向けて出射される。この際、第２の反射型直線偏光板２２と部分反射ミラー１８との間で光が往復することで、限られた空間の中で光路長を稼ぐことができ、光学素子および画像表示ユニットの小型化に寄与している。

ここで、従来の画像表示ユニットの作用を図３を用いて説明する。図３において、各部材の通過した後の光の偏光状態および光量を各部材の近傍に示している。光の偏光状態が直線偏光の場合は、上下方向の矢印または左右方向の矢印で示し、円偏光の場合は、円形の矢印で示している。また、上下方向の矢印が表す直線偏光と左右方向の矢印が表す直線偏光とは、互いに直交する直線偏光である。また、右円偏光は時計回りの矢印で示し、左円偏光は反時計回りの矢印で示している。

図３に示す、従来の画像表示ユニットにおいて、画像表示装置５２が光（画像）を出射すると、光は、第１の吸収型直線偏光板１２を通過して、直線偏光に変換される。第１の吸収型直線偏光板１２通過後の光量を１００％として以下の説明を行う。また、第１の吸収型直線偏光板１２は図中左右方向の矢印で示す直線偏光を透過するものとして説明を行う。

第１の吸収型直線偏光板１２を透過した直線偏光は、第１の位相差板１６によって偏光状態が円偏光又は楕円偏光に変化する。図３の例では、第１の位相差板１６はλ／４板とし、直線偏光が円偏光に変換されるものとして説明を行う。また、図３の例では、第１の位相差板１６は、左右方向の矢印で示す直線偏光を右円偏光に、右円偏光を左右方向の矢印で示す直線偏光に変換するものとして説明を行う。第１の位相差板１６通過後の光量は１００％である。

第１の位相差板１６を通過した光は、部分反射ミラー１８によって一部が反射され、一部が透過する。図３の例では、入射した光の５０％を反射し、５０％を透過するものとして説明を行う。部分反射ミラー１８で反射された光は、反射された際に左円偏光に変わるため、第１の位相差板１６を通過すると、上下方向の矢印で示す直線偏光となり、第１の吸収型直線偏光板１２に入射する。第１の吸収型直線偏光板１２は、左右方向の矢印で示す直線偏光を透過するものであるため、上下方向の矢印で示す直線偏光は吸収される。

一方、部分反射ミラー１８を透過した右円偏光は、光量が５０％となり、第２の位相差板２０に入射する。第２の位相差板２０は、円偏光を直線偏光に変換する。図３の例では、第２の位相差板２０はλ／４板とし、円偏光が直線偏光に、直線偏光が円偏光に変換されるものとして説明を行う。また、図３の例では、第２の位相差板２０は、右円偏光を左右方向の矢印で示す直線偏光に変換するものとして説明を行う。

第２の位相差板２０を通過した直線偏光は、第２の反射型直線偏光板２２で反射される。すなわち、第２の反射型直線偏光板２２は、左右方向の矢印で示す直線偏光を反射し、上下方向の矢印で示す直線偏光を透過するものとする。
第２の反射型直線偏光板２２で反射された直線偏光は、第２の位相差板２０に入射し、右円偏光に変換される。

第２の位相差板２０を通過した右円偏光は、部分反射ミラー１８によって一部が反射され、一部が透過する。部分反射ミラー１８を透過した２５％の光は、第１の位相差板１６を通過すると、左右方向の矢印で示す直線偏光となり、第１の吸収型直線偏光板１２に入射する。第１の吸収型直線偏光板１２は、左右方向の矢印で示す直線偏光を透過するものであるため、この直線偏光は第１の吸収型直線偏光板１２を透過して画像表示装置５２に戻る。

一方、部分反射ミラー１８で反射された右円偏光は、光量が２５％となり、また、反射の際に左円偏光に変わり、第２の位相差板２０に入射する。第２の位相差板２０は、左円偏光を上下方向の矢印で示す直線偏光に変換する。第２の反射型直線偏光板２２は、上下方向の矢印で示す直線偏光を透過するものであるため、第２の位相差板２０を通過した直線偏光はそのまま透過する。第２の反射型直線偏光板２２を透過した直線偏光は、第２の吸収型直線偏光板２４に入射する。第２の吸収型直線偏光板２４は、左右方向の矢印で示す直線偏光を吸収し、上下方向の矢印で示す直線偏光を透過するものであるため、入射した直線偏光はそのまま透過する。したがって、画像表示ユニットからは、光量２５％の直線偏光が出射される。

このように、従来の画像表示ユニットは、部分反射ミラーで、入射した光の約５０％を透過し、さらに、部分反射ミラーで、反射型直線偏光板で反射された光の約５０％を反射する。そのため、画像表示装置が出射した画像の光量に対する光の利用効率が約２５％と低くなってしまう。

これに対して、本発明の光学素子を有する画像表示ユニットの作用を図２を用いて説明する。
図２に示す、画像表示ユニット５０において、画像表示装置５２が光（画像）を出射すると、光は、第１の吸収型直線偏光板１２を通過して、左右方向の矢印で示す直線偏光に変換される。第１の吸収型直線偏光板１２通過後の光量を１００％として以下の説明を行う。

第１の吸収型直線偏光板１２を透過した直線偏光は、第１の反射型直線偏光板１４に入射する。第１の反射型直線偏光板１４は、第１の吸収型直線偏光板と同じ向きの直線偏光、すなわち、左右方向の矢印で示す直線偏光を透過する。
第１の反射型直線偏光板１４を透過した直線偏光は、第１の位相差板１６によって偏光状態が円偏光又は楕円偏光に変化する。図２の例では、第１の位相差板１６はλ／４板とし、直線偏光が円偏光に変換されるものとして説明を行う。また、図２の例では、第１の位相差板１６は、左右方向の矢印で示す直線偏光を右円偏光に変換するものとして説明を行う。第１の位相差板１６通過後の光量は１００％である。

第１の位相差板１６を通過した光は、部分反射ミラー１８によって一部が反射され、一部が透過する。図２の例では、入射した光の半分を反射し、半分を透過するものとして説明を行う。部分反射ミラー１８を透過した５０％の右円偏光は、第２の位相差板２０に入射する。第２の位相差板２０は、円偏光を直線偏光に変換する。図２の例では、第２の位相差板２０はλ／４板とし、円偏光が直線偏光に、直線偏光が円偏光に変換されるものとして説明を行う。また、図２の例では、第２の位相差板２０は、右円偏光を左右方向の矢印で示す直線偏光に変換するものとして説明を行う。

第２の位相差板２０を通過した直線偏光は、第２の反射型直線偏光板２２で反射される。すなわち、第２の反射型直線偏光板２２は、左右方向の矢印で示す直線偏光を反射し、上下方向の矢印で示す直線偏光を透過するものとする。
第２の反射型直線偏光板２２で反射された直線偏光は、第２の位相差板２０に入射し、右円偏光に変換される。

第２の位相差板２０を通過した右円偏光は、部分反射ミラー１８によって一部が反射され、一部が透過する。部分反射ミラー１８を透過した２５％の右円偏光は、第１の位相差板１６を通過すると、左右方向の矢印で示す直線偏光となり、第１の反射型直線偏光板１４に入射する。第１の反射型直線偏光板１４は、左右方向の矢印で示す直線偏光を透過するものであるため、この直線偏光は第１の反射型直線偏光板１４を透過して第１の吸収型直線偏光板１２に入射する。第１の吸収型直線偏光板１２は、左右方向の矢印で示す直線偏光を透過するものであるため、この直線偏光は第１の吸収型直線偏光板１２を透過して画像表示装置５２に戻る。

一方、部分反射ミラー１８で反射された右円偏光は、光量が２５％となり、また、反射の際に左円偏光に変わり、第２の位相差板２０に入射する。第２の位相差板２０は、左円偏光を上下方向の矢印で示す直線偏光に変換する。第２の反射型直線偏光板２２は、上下方向の矢印で示す直線偏光を透過するものであるため、第２の位相差板２０を通過した直線偏光はそのまま透過する。第２の反射型直線偏光板２２を透過した直線偏光は、第２の吸収型直線偏光板２４に入射する。第２の吸収型直線偏光板２４は、左右方向の矢印で示す直線偏光を吸収し、上下方向の矢印で示す直線偏光を透過するものであるため、入射した直線偏光はそのまま透過する。これにより２５％の光が出射される。

ここで、第１の位相差板１６を通過した後、部分反射ミラー１８によって反射された５０％の光は、反射された際に左円偏光に変わるため、第１の位相差板１６を通過すると、上下方向の矢印で示す直線偏光となり、第１の反射型直線偏光板１４に入射する。第１の反射型直線偏光板１４は、左右方向の矢印で示す直線偏光を透過し、上下方向矢印で示す直線偏光を反射するものであるため、上下方向の矢印で示す直線偏光は反射される。

第１の反射型直線偏光板１４によって反射された５０％の直線偏光は、第１の位相差板１６に入射して、左円偏光に変換される。

第１の位相差板１６を通過した左円偏光は、部分反射ミラー１８によって２５％が反射され、２５％が透過する。部分反射ミラー１８を透過した２５％の左円偏光は、第２の位相差層２０に入射して上下方向の矢印で示す直線偏光に変換される。

第２の位相差層２０を通過した直線偏光は、第２の反射型直線偏光板２２に入射する。第２の反射型直線偏光板２２は、上下方向の矢印で示す直線偏光を透過するものであるため、第２の位相差板２０を通過した直線偏光はそのまま透過する。第２の反射型直線偏光板２２を透過した直線偏光は、第２の吸収型直線偏光板２４に入射する。第２の吸収型直線偏光板２４は、左右方向の矢印で示す直線偏光を吸収し、上下方向の矢印で示す直線偏光を透過するものであるため、入射した直線偏光はそのまま透過する。これによりさらに２５％の光が出射される。

このように、本発明の光学素子を有する画像表示ユニット５０では、第２の反射型直線偏光板２２と部分反射ミラー１８とで反射されて出射される成分２５％と、部分反射ミラー１８と第１の反射型直線偏光板１４とで反射されて出射される成分２５％との合計によって、画像表示装置５２が出射した画像の光量に対して、約５０％の光を出射させることができる。これにより、光の利用効率を向上できる。

なお、図１および図２に示す例では、好ましい態様として、第２の反射型直線偏光板２２の、第２の位相差板２０とは反対側に配置される第２の吸収型直線偏光板２４を有する。実際には、波長や入射角度によって第２の位相差板２０によって光に与えられる位相差は理想的な位相差からズレてしまう。そのため、第２の位相差板２０によって変換された直線偏光は、完全な直線偏光に変換されないため、第２の反射型直線偏光板２２で反射すべき光の一部が透過してしまいゴースト像となってしまうおそれがある。これに対して、第２の吸収型直線偏光板２４を有することで、第２の反射型直線偏光板２２で反射されずに透過した光を吸収し、ゴースト像が発生することを抑制できる。

ここで、上述のとおり、第１の位相差板１６を通過して第１の反射型直線偏光板１４へ光が入射した際に反射する円偏光は、左円偏光である。一方、第２の位相差板２０を通過して第２の反射型直線偏光板２２へ光が入射した際に反射する円偏光は、右円偏光である。すなわち、光が第１の位相差板１６を通過して第１の反射型直線偏光板１４へ入射したときに、反射する円偏光の旋回方向と、光が第２の位相差板２０を通過して第２の反射型直線偏光板２２へ入射したときに、反射する円偏光の旋回方向とが逆である。第１の位相差板１６と第１の反射型直線偏光板１４との組み合わせが反射する円偏光の旋回方向と、第２の位相差板２０と第２の反射型直線偏光板２２との組み合わせが反射する円偏光の旋回方向とが逆である構成とすることで、上記のように画像表示装置５２が出射した画像の光量に対して、約５０％の光を出射させることができる。

ここで、図１に示す例では、好ましい態様として、部分反射ミラー１８の断面が曲線形状を有する。すなわち、部分反射ミラー１８は湾曲している。部分反射ミラー１８を湾曲形状とすることで、画像表示装置５２から出射される光の進行方向を調整することができる。具体的には、図１に示す例では、部分反射ミラー１８が、所定の曲率で、画像表示装置５２側に凸に湾曲している。これにより、面方向の位置によって、部分反射ミラー１８で光が反射される際の反射方向を変えることができる。そのため、図１に示す例では、画像表示装置５２の略中央から種々の方向に出射される光を、画像表示装置５２の表示面に略垂直な方向に進行させることができる。図示例においては、部分反射ミラー１８が湾曲していることにより、画像表示装置５２から出射される拡散光を略平行光にしている。なお、画像表示装置５２から出射される光の平行性は、画像をどれくらいの距離の位置に仮想映像として表示するかに応じて調整される。例えば、画像表示装置５２から出射される光が平行光である場合には、使用者には、画像が無限遠に位置するように見える。

また、図１に示す例では、第１の反射型直線偏光板１４および第１の位相差板１６が、部分反射ミラー１８の湾曲形状と略同じ形状に湾曲されている。これにより、第１の反射型直線偏光板１４で反射される光の進行方向を調整することができる。

なお、図１に示す例では、第１の反射型直線偏光板１４、第１の位相差板１６および部分反射ミラー１８が湾曲形状であり、他の部材は平板形状としたが、これに限定はされず、図４に示す画像表示システム５０ｂの光学素子１０ｂのように、第１の反射型直線偏光板１４、第1の位相差板１６および部分反射ミラー１８に加えて、第２の位相差板２０ｂ、第２の反射型直線偏光板２２ｂ、および、第２の吸収型直線偏光板２４ｂも湾曲形状であってもよい。これにより、第２の反射型直線偏光板２２ｂで反射される光の進行方向を調整することができる。

部分反射ミラー１８の湾曲形状は、画像表示装置５２から出射される光の進行方向、および、画像表示システムから出射される光の所望の出射方向等に応じて適宜設定すればよい。

また、図１に示す例では、部分反射ミラー１８を湾曲形状としたが、これに限定はされない。図５に示す例のように、部分反射ミラー１８を平板形状とし、第２の反射型直線偏光板２２と、第２の吸収型直線偏光板２４との間に、正のレンズ２９を有する構成としてもよい。

部分反射ミラー１８等が平板形状の場合には、図５に示すように、画像表示装置５２から、斜め方向に出射された光は、部分反射ミラー１８等で反射された際にも斜め方向に進行するが、正のレンズ２９を有することで、光を集光して、画像表示装置５２から出射される光の進行方向を調整することができる。図示例においては、画像表示装置５２から斜め方向に出射される光を、画像表示装置５２の表示面に略垂直な方向に進行させる。言い換えると、図示例においては、正のレンズ２９は、画像表示装置５２から出射される拡散光を平行光にしている。

また、図５に示す例では、画像表示システムは、部分反射ミラー１８等は平板形状で、正のレンズ２９を有する構成としたが、これに限定はされない。画像表示システムは、部分反射ミラー１８等が湾曲形状で、かつ、正のレンズ２９を有する構成としてもよい。この場合、部分反射ミラー１８等の湾曲形状および正のレンズ２９の効果を重畳して、画像表示装置５２から出射される光の進行方向を調整することができる。

また、各部材間の距離は特に制限はないが、部分反射ミラー１８と第１の反射型直線偏光板１４との間の距離、および、部分反射ミラー１８と第２の反射型直線偏光板２２との間の距離が長いほど光路長を長くすることができる。この観点から、部分反射ミラー１８と第１の反射型直線偏光板１４との間の距離、および、部分反射ミラー１８と第２の反射型直線偏光板２２との間の距離はそれぞれ、０．１ｍｍ～１００ｍｍが好ましく、１ｍｍ～５０ｍｍがより好ましい。

また、部分反射ミラー１８と第１の反射型直線偏光板１４とで反射される光の光路長と、第２の反射型直線偏光板２２と部分反射ミラー１８とで反射される光の光路長とを同じにする観点から、部分反射ミラー１８と第１の反射型直線偏光板１４との間の距離と、第２の反射型直線偏光板２２と部分反射ミラー１８との間の距離とは同じであることが好ましい。

＜第２実施形態の光学素子＞
本発明の第２実施形態の光学素子は、
第１の吸収型直線偏光板と、
第１の位相差板と、
第１の反射型円偏光板と、
入射した光の一部を透過し、一部を反射する部分反射ミラーと、
第２の反射型円偏光板と、
第２の位相差板と、をこの順で有し、
第１の反射型円偏光板が反射する円偏光の旋回方向と、第２の反射型円偏光板が反射する円偏光の旋回方向とが逆である光学素子である。

図６は、本発明の第２実施形態の光学素子を有する画像表示ユニットの一部を拡大する図であり、画像表示ユニットの作用を説明するための図である。

図６に示す画像表示ユニット５１は、第１の吸収型直線偏光板１２、第１の位相差板１６、第１の反射型円偏光板２６、部分反射ミラー１８、第２の反射型円偏光板２８、第２の位相差板２０、および、第２の吸収型直線偏光板２４をこの順で有する光学素子１１と、光学素子１１の第１の吸収型直線偏光板１２側に配置される画像表示装置５２とを有する。

画像表示ユニット５１において、画像表示装置５２が光（画像）を出射すると、光は、第１の吸収型直線偏光板１２、第１の位相差板１６、第１の反射型円偏光板２６、および、部分反射ミラー１８を通過して、第２の反射型円偏光板２８で反射され、部分反射ミラー１８で反射されたうえで、第２の反射型円偏光板２８、第２の位相差板２０、および、第２の吸収型直線偏光板２４を通過して使用者Ｕに向けて出射される。この際、第２の反射型円偏光板２８と部分反射ミラー１８との間で光が往復することで、限られた空間の中で光路長を稼ぐことができ、光学素子および画像表示ユニットの小型化に寄与している。

反射型円偏光板は、一方の旋回方向の円偏光を反射し、他方の旋回方向の円偏光を透過するものである。本発明においては、第１の反射型円偏光板２６が反射する円偏光の旋回方向と、第２の反射型円偏光板２８が反射する円偏光の旋回方向とが逆である。以下の説明では、第１の反射型円偏光板２６は、左円偏光を反射し、右円偏光を透過するものとし、第２の反射型円偏光板２８は、右円偏光を反射し、左円偏光を透過するものとして説明を行う。

図６に示す、画像表示ユニット５１において、画像表示装置５２が光（画像）を出射すると、光は、第１の吸収型直線偏光板１２を通過して、左右方向の矢印で示す直線偏光に変換される。第１の吸収型直線偏光板１２通過後の光量を１００％として以下の説明を行う。

第１の吸収型直線偏光板１２を透過した直線偏光は、第１の位相差板１６に入射する。第１の位相差板１６に入射した直線偏光は、第１の位相差板１６によって偏光状態が円偏光又は楕円偏光に変化する。図６の例では、第１の位相差板１６はλ／４板とし、直線偏光が円偏光に変換されるものとして説明を行う。また、図６の例では、第１の位相差板１６は、左右方向の矢印で示す直線偏光を右円偏光に変換するものとして説明を行う。第１の位相差板１６通過後の光量は１００％である。

第１の位相差板１６を通過した右円偏光は、第１の反射型円偏光板２６に入射する。前述のとおり、第１の反射型円偏光板２６は、右円偏光を透過するため、光量１００％の右円偏光は、第１の反射型円偏光板２６を透過して、部分反射ミラー１８に入射する。

部分反射ミラー１８に入射した光は、部分反射ミラー１８によって一部が反射され、一部が透過する。図６の例では、入射した光の半分を反射し、半分を透過するものとして説明を行う。部分反射ミラー１８を透過した５０％の右円偏光は、第２の反射型円偏光板２８に入射する。前述のとおり、第２の反射型円偏光板２８は、右円偏光を反射するものであるため、第２の反射型円偏光板２８に入射した右円偏光は、反射されて部分反射ミラー１８に入射する。

部分反射ミラーに入射した５０％の右円偏光は、一部が反射され、一部が透過する。部分反射ミラー１８を透過した２５％の右円偏光は、第１の反射型円偏光板２６に入射するが、第１の反射型円偏光板２６は右円偏光を透過するため、そのまま通過し、第１の位相差板１６に入射する。第１の位相差板１６に入射した光は、左右方向の矢印で示す直線偏光となり、第１の吸収型直線偏光板１２に入射する。第１の吸収型直線偏光板１２は、左右方向の矢印で示す直線偏光を透過するものであるため、この直線偏光は第１の吸収型直線偏光板１２を透過して画像表示装置５２に戻る。

一方、部分反射ミラー１８で反射された右円偏光は、光量が２５％となり、また、反射の際に左円偏光に変わり、第２の反射型円偏光板２８に入射する。第２の反射型円偏光板２８は、左円偏光を透過するため、そのまま通過し、第２の位相差板２０に入射する。第２の位相差板２０は、左円偏光を上下方向の矢印で示す直線偏光に変換する。第２の吸収型直線偏光板２４は、上下方向の矢印で示す直線偏光を透過するものであるため、第２の位相差板２０を通過した直線偏光はそのまま透過する。これにより２５％の光が出射される。

ここで、第１の反射型円偏光板２６を通過した後、部分反射ミラー１８によって反射された５０％の光は、反射された際に左円偏光に変わるため、第１の反射型円偏光板２６に入射して反射される。第１の反射型円偏光板２６に反射された５０％の左円偏光は、部分反射ミラー１８によって２５％が反射され、２５％が透過する。部分反射ミラー１８を透過した２５％の左円偏光は、第２の反射型円偏光板２８に入射するが、第２の反射型円偏光板２８は、左円偏光を透過するため、そのまま通過し、第２の位相差板２０に入射する。第２の位相差層２０に入射した左円偏光は、上下方向の矢印で示す直線偏光に変換される。

第２の位相差層２０を通過した直線偏光は、第２の吸収型直線偏光板２４に入射する。第２の吸収型直線偏光板２４は、左右方向の矢印で示す直線偏光を吸収し、上下方向の矢印で示す直線偏光を透過するものであるため、入射した直線偏光はそのまま透過する。これによりさらに２５％の光が出射される。

このように、本発明の光学素子を有する画像表示ユニット５１では、第２の反射型円偏光板２８と部分反射ミラー１８とで反射されて出射される成分２５％と、部分反射ミラー１８と第１の反射型円偏光板２６とで反射されて出射される成分２５％との合計によって、画像表示装置５２が出射した画像の光量に対して、約５０％の光を出射させることができる。これにより、光の利用効率を向上できる。

なお、図６に示す例では、好ましい態様として、第２の位相差板２０の、第２の反射型円偏光板２８とは反対側に配置される第２の吸収型直線偏光板２４を有する。実際には、波長や入射角度によって第２の位相差板２０によって光に与えられる位相差は理想的な位相差からズレてしまう。そのため、第２の位相差板２０によって変換された直線偏光は、完全な直線偏光に変換されないため、ゴースト像となってしまうおそれがある。これに対して、第２の吸収型直線偏光板２４を有することで、より完全に近い直線偏光に変換することができ、ゴースト像が発生することを抑制できる。

ここで、図６に示す例では、図１に示す例と同様に、好ましい態様として、部分反射ミラー１８の断面が曲線形状を有する。すなわち、部分反射ミラー１８は湾曲している。部分反射ミラー１８を湾曲形状とすることで、画像表示装置５２から出射される光の進行方向を調整することができる。具体的には、図６に示す例では、部分反射ミラー１８が、所定の曲率で、画像表示装置５２側に凸に湾曲している。これにより、面方向の位置によって、部分反射ミラー１８で光が反射される際の反射方向を変えることができる。そのため、図６に示す例では、画像表示装置５２の略中央から種々の方向に出射される光を、画像表示装置５２の表示面に略垂直な方向に進行させることができる。図示例においては、部分反射ミラー１８が湾曲形状であることで、画像表示装置５２から出射される拡散光を平行光にしている。

また、図６に示す例では、第１の反射型円偏光板２６、第２の反射型円偏光板２８、第２の位相差板２０および第２の吸収型直線偏光板２４が、部分反射ミラー１８の湾曲形状と略同じ形状に湾曲されている。これにより、第１の反射型円偏光板２６ならびに第２の反射型円偏光板２８で反射される光の進行方向を調整することができる。

また、図６に示す例では、部分反射ミラー１８等を湾曲形状としたが、これに限定はされない。図７に示す例のように、部分反射ミラー１８等の各部材を平板形状とし、第２の反射型円偏光板２８と、第２の位相差板２０との間に、正のレンズ２９を有する構成としてもよい。

部分反射ミラー１８等が平板形状の場合には、図７に示すように、画像表示装置５２から、斜め方向に出射された光は、部分反射ミラー１８および反射型円偏光板で反射された際にも斜め方向に進行するが、正のレンズ２９を有することで、光を集光して、画像表示装置５２から出射される光の進行方向を調整することができる。図示例においては、画像表示装置５２から斜め方向に出射される光を、画像表示装置５２の表示面に略垂直な方向に進行させる。図示例においては、正のレンズ２９は、画像表示装置５２から出射される拡散光を平行光にしている。

また、図７に示す例では、画像表示システムは、部分反射ミラー１８等は平板形状で、正のレンズ２９を有する構成としたが、これに限定はされない。画像表示システムは、部分反射ミラー１８等が湾曲形状で、かつ、正のレンズ２９を有する構成としてもよい。この場合、部分反射ミラー１８等の湾曲形状および正のレンズ２９の効果を重畳して、画像表示装置５２から出射される光の進行方向を調整することができる。

また、各部材間の距離は特に制限はないが、部分反射ミラー１８と第１の反射型円偏光板２６との間の距離、および、部分反射ミラー１８と第２の反射型円偏光板２８との間の距離が長いほど光路長を長くすることができる。この観点から、部分反射ミラー１８と第１の反射型円偏光板２６との間の距離、および、部分反射ミラー１８と第２の反射型円偏光板２８との間の距離はそれぞれ、０．１ｍｍ～１００ｍｍが好ましく、１ｍｍ～５０ｍｍがより好ましい。

また、部分反射ミラー１８と第１の反射型円偏光板２６とで反射される光の光路長と、第２の反射型円偏光板２８と部分反射ミラー１８とで反射される光の光路長とを同じにする観点から、部分反射ミラー１８と第１の反射型円偏光板２６との間の距離と、第２の反射型円偏光板２８と部分反射ミラー１８との間の距離とは同じであることが好ましい。

＜光学素子を構成する部材＞
以下、第１実施形態および第２実施形態の光学素子、ならびに、画像表示システムが有する部材について説明する。

（吸収型直線偏光板）
第１および第２の吸収型直線偏光板は、一方の偏光方向の直線偏光を透過し、他方の偏光方向の直線偏光を吸収する機能を有する吸収型の直線偏光板であれば特に限定されず、従来公知の吸収型の直線偏光板を利用することができる。
吸収型直線偏光板としては、吸収型偏光子であるヨウ素系偏光子、二色性染料を利用した染料系偏光子、およびポリエン系偏光子などが用いられる。ヨウ素系偏光子および染料系偏光子には、塗布型偏光子と延伸型偏光子があり、いずれも適用できる。なかでも、ポリビニルアルコールにヨウ素または二色性染料を吸着させ、延伸して作製される偏光子が好ましい。
また、基材上にポリビニルアルコール層を形成した積層フィルムの状態で延伸および染色を施すことで偏光子を得る方法として、特許第５０４８１２０号公報、特許第５１４３９１８号公報、特許第４６９１２０５号公報、特許第４７５１４８１号公報、および、特許第４７５１４８６号公報を挙げることができ、これらの偏光子に関する公知の技術も好ましく利用することができる。
吸収型偏光子としては、延伸を行わず、液晶の配向性を利用して二色性色素を配向させた偏光子は特に好ましい。前記偏光子は、厚みが０．１μｍ～５μｍ程度と非常に薄層化できること、特開２０１９－１９４６８５号公報に記載されているように折り曲げた時のクラックが入りにくいことや熱変形が小さいこと、特許６４８３４８６号公報に記載されるように５０％を超えるような透過率の高い偏光板でも耐久性に優れること、また加熱成形性に優れる等、多くの長所を有する。また、支持体を剥離して偏光子を転写して使用することも可能である。

（反射型直線偏光板）
第１および第２の反射型直線偏光板は、一方の偏光方向の直線偏光を透過し、他方の偏光方向の直線偏光を反射する機能を有する反射型の直線偏光板であれば特に限定されず、従来公知の反射型の直線偏光板を利用することができる。
反射型の直線偏光板としては、特開２０１１－０５３７０５に記載されているような、２種のポリマーを含む層を延伸したフィルムや、ワイヤーグリッド偏光子等を用いることができる。輝度の観点から、ポリマーを含む層を延伸したフィルムが好ましい。市販品としては、３Ｍ社製の反射型偏光子（商品名ＡＰＦ）や、旭化成株式会社製のワイヤグリッド偏光子（商品名ＷＧＦ）等を、好適に用いることができる。あるいは、コレステリック液晶膜とλ/４板を組み合わせた反射型直線偏光板を用いても良い。

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

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

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

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

例えば、λ／４板２６が単層構造である態様としては、具体的には、延伸ポリマーフィルム、および、支持体上にλ／４機能を有する光学異方性層を設けた位相差フィルム等が挙げられる。また、λ／４板が複層構造である態様としては、具体的には、λ／４板とλ／２波長板とを積層してなる広帯域λ／４板が挙げられる。

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

本発明に用いられる位相差板は、逆波長分散性を有することが好ましい。逆波長分散性を有することで、位相差板における位相変化が理想的になり、直線偏光と円偏光との間の変換が理想的になる。従って、反射型直線偏光板および／または反射型円偏光板で反射する際に、効率よく反射することができるため、光の利用効率が向上する。

（部分反射ミラー）
部分反射ミラーは、入射光の一部を正反射し、残りの光を透過させる、半透過性の光学部材である。部分反射ミラーは、偏光選択性のない半透過性の反射材であってもよいし、偏光選択性を有する反射材であってもよい。偏光選択性を有する反射材である場合、反射および透過する偏光は直線偏光であってもよいし、円偏光であってもよい。

部分反射ミラーとしては、公知の部分反射ミラー（ハーフミラー）が各種利用可能である。

（反射型円偏光板）
反射型円偏光板は、一方の旋回方向の円偏光を反射し、他方の旋回方向の円偏光を透過する円偏光板である。

円偏光の選択反射性を有する反射型円偏光板としては、コレステリック液晶相を固定してなるコレステリック液晶層を有する反射型円偏光板を用いることができる。
コレステリック液晶層は単層でもよく、２層以上の多層構成であってもよい。２層以上を有する場合は、積層塗布、積層貼合、もしくは、積層転写されていてもよく、これらの組み合わせでも良い。

ここで、周知のとおり、コレステリック液晶層は、波長選択反射性を有する。コレステリック液晶層の選択反射中心波長は、画像表示装置５２が出射する光の波長に応じて設定すればよい。また、画像表示装置５２が、例えば、ＲＧＢの光によりカラー表示する場合には、反射型円偏光板は、Ｒ光（赤色光）を選択的に反射するコレステリック液晶層と、Ｇ光（緑色光）を選択的に反射するコレステリック液晶層と、Ｂ光（青色光）を選択的に反射するコレステリック液晶層との３層のコレステリック液晶層を有する構成とすればよい。すなわち、反射型円偏光板は、画像表示装置５２が出射する光の波長に応じて、選択反射中心波長が互いに異なる複数のコレステリック液晶層を有する構成とすることが好ましい。

また、コレステリック液晶層は、ピッチグラジエント構造を有していてもよい。周知のとおり、コレステリック液晶層の選択反射中心波長は、コレステリック液晶相のおける螺旋構造のピッチに応じて定まる。ピッチグラジエント構造は、図８に示すように、膜厚方向で螺旋ピッチが変化している構造である。なお、図８は、コレステリック液晶層の断面をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）にて観察した際に見られる、明部４２と暗部４４とが交互に配列された縞模様を模式的に示した図である。この明部４２の間隔、および、暗部４４の間隔Ｐは螺旋ピッチに対応している。

具体的には、図８において、コレステリック液晶層３４は、コレステリック液晶層３４の一方の主面側から他方の主面側に向かって、螺旋ピッチが漸次、大きく（または、小さく）なるように変化している。コレステリック液晶層３４は、膜厚方向で螺旋ピッチＰが変化することで、選択反射波長を広帯域化することができる。従って、画像表示装置５２が２以上の異なる波長の光を出射する場合に、複数の波長の光を反射することができる。

（正のレンズ）
正レンズは、入射した光を集光するレンズである。正レンズとしては従来公知の凸レンズを用いることができる。
また、正レンズとして、回折構造を、光を集光する構成とした回折素子を用いてもよい。この場合の回折素子としては、上述した表面レリーフ型回折素子、体積ホログラム型回折素子、および、偏光回折素子のいずれかを用いることが好ましい。偏光回折素子としては、液晶回折素子が挙げられる。

一例として、図９に液晶回折素子を用いた正レンズの概念図を示す。
図示例の液晶回折素子は、支持体３０、配向膜３２および液晶層（以下、光学異方性層ともいう）３６、を有する。
液晶回折素子は、液晶化合物を含む組成物を用いて形成された、液晶化合物由来の光学軸が回転する所定の液晶配向パターンを有する液晶層を有するものである。また、図９に示す例においては、後述する液晶配向パターンの１周期Λが、面内において異なる領域を有している。

後述するが、液晶層３６は、円偏光に対して回折する効果を発揮する。ここで、図２に示すように、第２の反射型直線偏光板２２を通過した光の偏光状態は直線偏光である。そのため、液晶層３６を有する液晶回折素子を正のレンズ２９として第２の反射型直線偏光板２２の下流側に配置する場合には、第２の反射型直線偏光板２２と正のレンズ２９との間にλ／４板を配置して、正のレンズ２９（液晶層３６）に入射する光を円偏光に変換する必要がある。また、画像表示ユニットが直線偏光を出射するものとする場合には、正のレンズ２９と第２の吸収型直線偏光板２４との間にλ／４板を配置して、正のレンズ２９を通過した円偏光を直線偏光に変換する構成としてもよい。

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

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

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

支持体３０は、配向膜および液晶層を支持できるものであれば、各種のシート状物（フィルム、板状物）が利用可能である。
支持体３０としては、透明支持体が好ましく、ポリメチルメタクリレート等のポリアクリル系樹脂フィルム、セルローストリアセテート等のセルロース系樹脂フィルム、シクロオレフィンポリマー系フィルム（例えば、商品名「アートン」、ＪＳＲ社製、商品名「ゼオノア」、日本ゼオン社製）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリカーボネート、および、ポリ塩化ビニル等を挙げることができる。支持体は、可撓性のフィルムに限らず、ガラス基板等の非可撓性の基板であってもよい。
また、支持体３０は、多層のものであってもよく、多層の支持体としては、上述した支持体のいずれかなどを基板として含み、この基板の表面に他の層を設けたもの等が例示される。

支持体３０の厚さには、制限はなく、液晶回折素子の用途および支持体３０の形成材料等に応じて、配向膜および液晶層を保持できる厚さを、適宜、設定すればよい。
支持体３０の厚さは、１～１０００μｍが好ましく、３～２５０μｍがより好ましく、５～１５０μｍがさらに好ましい。

＜＜配向膜＞＞
液晶回折素子において、支持体３０の表面には配向膜３２が形成される。
配向膜３２は、液晶回折素子の液晶層３６を形成する際に、液晶化合物３０を所定の液晶配向パターンに配向するための配向膜である。

後述するが、液晶回折素子において、液晶層は、液晶化合物３０に由来する光学軸４０Ａ（図１１参照）の向きが、面内の一方向（後述する配列軸Ｄ方向）に沿って連続的に回転しながら変化している液晶配向パターンを有する。従って、液晶回折素子の配向膜は、液晶層が、この液晶配向パターンを形成できるように、形成される。
また、液晶配向パターンにおける、光学軸４０Ａの向きが連続的に回転しながら変化する一方向において、光学軸４０Ａの向きが１８０°回転する長さを１周期Λ（光学軸の回転周期）とする。

以下の説明では、『光学軸４０Ａの向きが回転』を単に『光学軸４０Ａが回転』とも言う。

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

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

液晶回折素子においては、配向膜は、光配向性の素材に偏光または非偏光を照射して配向膜とした、いわゆる光配向膜が好適に利用される。すなわち、液晶回折素子においては、配向膜として、支持体３０上に、光配向材料を塗布して形成した光配向膜が、好適に利用される。
偏光の照射は、光配向膜に対して、垂直方向または斜め方向から行うことができ、非偏光の照射は、光配向膜に対して、斜め方向から行うことができる。

本発明に利用可能な光配向膜に用いられる光配向材料としては、例えば、特開２００６－２８５１９７号公報、特開２００７－７６８３９号公報、特開２００７－１３８１３８号公報、特開２００７－９４０７１号公報、特開２００７－１２１７２１号公報、特開２００７－１４０４６５号公報、特開２００７－１５６４３９号公報、特開２００７－１３３１８４号公報、特開２００９－１０９８３１号公報、特許第３８８３８４８号公報および特許第４１５１７４６号公報に記載のアゾ化合物、特開２００２－２２９０３９号公報に記載の芳香族エステル化合物、特開２００２－２６５５４１号公報および特開２００２－３１７０１３号公報に記載の光配向性単位を有するマレイミドおよび／またはアルケニル置換ナジイミド化合物、特許第４２０５１９５号および特許第４２０５１９８号に記載の光架橋性シラン誘導体、特表２００３－５２０８７８号公報、特表２００４－５２９２２０号公報および特許第４１６２８５０号に記載の光架橋性ポリイミド、光架橋性ポリアミドおよび光架橋性エステル、ならびに、特開平９－１１８７１７号公報、特表平１０－５０６４２０号公報、特表２００３－５０５５６１号公報、国際公開第２０１０／１５０７４８号、特開２０１３－１７７５６１号公報および特開２０１４－１２８２３号公報に記載の光二量化可能な化合物、特にシンナメート化合物、カルコン化合物およびクマリン化合物等が、好ましい例として例示される。
中でも、アゾ化合物、光架橋性ポリイミド、光架橋性ポリアミド、光架橋性エステル、シンナメート化合物、および、カルコン化合物は、好適に利用される。

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

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

図１５に、配向膜を露光して配向パターンを形成する露光装置の一例を概念的に示す。

図１５に示す露光装置６０は、レーザ６２を備えた光源６４と、レーザ６２が出射したレーザ光Ｍの偏光方向を変えるλ／２板６５と、レーザ６２が出射したレーザ光Ｍを光線ＭＡおよびＭＢの２つに分離する偏光ビームスプリッター６８と、分離された２つの光線ＭＡおよびＭＢの光路上にそれぞれ配置されたミラー７０Ａおよび７０Ｂと、λ／４板７２Ａおよび７２Ｂと、を備える。
なお、光源６４は直線偏光Ｐ₀を出射する。λ／４板７２Ａは、直線偏光Ｐ₀（光線ＭＡ）を右円偏光Ｐ_Rに、λ／４板７２Ｂは直線偏光Ｐ₀（光線ＭＢ）を左円偏光Ｐ_Lに、それぞれ変換する。

配向パターンを形成される前の配向膜３２を有する支持体３０が露光部に配置され、２つの光線ＭＡと光線ＭＢとを配向膜３２上において交差させて干渉させ、その干渉光を配向膜３２に照射して露光する。
この際の干渉により、配向膜３２に照射される光の偏光状態が干渉縞状に周期的に変化するものとなる。これにより、配向状態が周期的に変化する配向パターンを有する配向膜（以下、パターン配向膜ともいう）が得られる。

露光装置６０においては、２つの光線ＭＡおよびＭＢの交差角αを変化させることにより、配向パターンの周期を調節できる。すなわち、露光装置６０においては、交差角αを調節することにより、液晶化合物４０に由来する光学軸４０Ａが一方向に沿って連続的に回転する配向パターンにおいて、光学軸４０Ａが回転する１方向における、光学軸４０Ａが１８０°回転する１周期の長さを調節できる。

このような配向状態が周期的に変化した配向パターンを有する配向膜３２上に、コレステリック液晶層を形成することにより、後述するように、液晶化合物４０に由来する光学軸４０Ａが一方向に沿って連続的に回転する液晶配向パターンを有する、液晶層３６を形成できる。
また、λ／４板７２Ａおよび７２Ｂの光学軸を、それぞれ、９０°回転することにより、光学軸４０Ａの回転方向を逆にすることができる。

上述のとおり、パターン配向膜は、パターン配向膜の上に形成される液晶層中の液晶化合物の光学軸の向きが面内の少なくとも一方向に沿って連続的に回転しながら変化している液晶配向パターンとなるように、液晶化合物を配向させる配向パターンを有する。パターン配向膜が、液晶化合物を配向させる向きに沿った軸を配向軸とすると、パターン配向膜は、配向軸の向きが面内の少なくとも一方向に沿って連続的に回転しながら変化している配向パターンを有するといえる。パターン配向膜の配向軸は、吸収異方性を測定することで検出することができる。例えば、パターン配向膜に直線偏光を回転させながら照射して、パターン配向膜を透過する光の光量を測定した際に、光量が最大または最小となる向きが、面内の一方向に沿って漸次変化して観測される。

なお、液晶回折素子において、配向膜は、好ましい態様として設けられるものであり、必須の構成要件ではない。
例えば、支持体３０をラビング処理する方法、支持体３０をレーザ光等で加工する方法等によって、支持体３０に配向パターンを形成することにより、液晶層３６等が、液晶化合物４０に由来する光学軸４０Ａの向きが面内の少なくとも一方向に沿って連続的に回転しながら変化している液晶配向パターンを有する構成とすることも、可能である。

＜＜液晶層＞＞
液晶回折素子において、配向膜３２の表面には、液晶層３６が形成される。
なお、後述する図１２および図１３においては、図面を簡略化して液晶回折素子の構成を明確に示すために、液晶層３６は、配向膜の表面の液晶化合物３０（液晶化合物分子）のみを示している。しかしながら、液晶層３６は、図１０に液晶層３６を例示して概念的に示すように、通常の液晶化合物を含む組成物を用いて形成された液晶層と同様に、配向された液晶化合物３０が積み重ねられた構造を有する。

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

液晶層は、液晶層の面内において、液晶化合物に由来する光学軸の向きが、配列軸Ｄで示す一方向に連続的に回転しながら変化する液晶配向パターンを有する。
なお、液晶化合物４０に由来する光学軸４０Ａとは、液晶化合物４０において屈折率が最も高くなる軸、いわゆる遅相軸である。例えば、液晶化合物４０が棒状液晶化合物である場合には、光学軸４０Ａは、棒形状の長軸方向に沿っている。
以下の説明では、『配列軸Ｄで示す一方向』を単に『配列軸Ｄ方向』とも言う。また、以下の説明では、液晶化合物４０に由来する光学軸４０Ａを、『液晶化合物４０の光学軸４０Ａ』または『光学軸４０Ａ』とも言う。
液晶層において、液晶化合物４０は、それぞれ、液晶層において、配列軸Ｄ方向と、この配列軸Ｄ方向と直交するＹ方向とに平行な面内に二次元的に配向している。なお、図９、図１０、後述する図１２～図１４では、Ｙ方向は、紙面に垂直な方向となる。

図１１に、液晶層３６の平面図を概念的に示す。
なお、平面図とは、図９において、液晶回折素子を上方から見た図であり、すなわち、液晶回折素子を厚さ方向（＝各層（膜）の積層方向）から見た図である。言い換えれば、液晶層３６を主面と直交する方向から見た図である。
また、図１１では、液晶回折素子の構成を明確に示すために、液晶化合物４０は配向膜３２の表面の液晶化合物４０のみを示している。しかしながら、液晶層３６は、厚さ方向には、図１０に示されるように、この配向膜３２の表面の液晶化合物４０から、液晶化合物４０が積み重ねられた構造を有するのは、前述のとおりである。

なお、図１１では、液晶層３６の面内の一部を代表例として説明するが、後述する液晶層も液晶配向パターンの１周期の長さ（１周期Λ）が異なる以外は、基本的に、同様の構成および作用効果を有する。

液晶層３６は、液晶層３６の面内において、液晶化合物４０に由来する光学軸４０Ａの向きが、配列軸Ｄ方向に沿って連続的に回転しながら変化する液晶配向パターンを有する。
液晶化合物４０の光学軸４０Ａの向きが配列軸Ｄ方向（所定の一方向）に連続的に回転しながら変化しているとは、具体的には、配列軸Ｄ方向に沿って配列されている液晶化合物４０の光学軸４０Ａと、配列軸Ｄ方向とが成す角度が、配列軸Ｄ方向の位置によって異なっており、配列軸Ｄ方向に沿って、光学軸４０Ａと配列軸Ｄ方向とが成す角度がθからθ＋１８０°あるいはθ－１８０°まで、順次、変化していることを意味する。
なお、配列軸Ｄ方向に互いに隣接する液晶化合物４０の光学軸４０Ａの角度の差は、４５°以下であるのが好ましく、１５°以下であるのがより好ましく、より小さい角度であるのがさらに好ましい。

一方、液晶層３６を形成する液晶化合物４０は、配列軸Ｄ方向と直交するＹ方向、すなわち光学軸４０Ａが連続的に回転する一方向と直交するＹ方向では、光学軸４０Ａの向きが等しい液晶化合物４０が等間隔で配列されている。
言い換えれば、液晶層３６を形成する液晶化合物４０において、Ｙ方向に配列される液晶化合物４０同士では、光学軸４０Ａの向きと配列軸Ｄ方向とが成す角度が等しい。

液晶回折素子においては、このような液晶化合物４０の液晶配向パターンにおいて、面内で光学軸４０Ａの向きが連続的に回転して変化する配列軸Ｄ方向において、液晶化合物４０の光学軸４０Ａが１８０°回転する長さ（距離）を、液晶配向パターンにおける１周期の長さΛとする。言い換えれば、液晶配向パターンにおける１周期の長さは、液晶化合物４０の光学軸４０Ａと配列軸Ｄ方向とのなす角度がθからθ＋１８０°となるまでの距離により定義される。
すなわち、配列軸Ｄ方向に対する角度が等しい２つの液晶化合物４０の、配列軸Ｄ方向の中心間の距離を、１周期の長さΛとする。具体的には、図１１に示すように、配列軸Ｄ方向と光学軸４０Ａの方向とが一致する２つの液晶化合物４０の、配列軸Ｄ方向の中心間の距離を、１周期の長さΛとする。以下の説明では、この１周期の長さΛを『１周期Λ』とも言う。
液晶回折素子において、液晶層の液晶配向パターンは、この１周期Λを、配列軸Ｄ方向すなわち光学軸４０Ａの向きが連続的に回転して変化する一方向に繰り返す。

前述のように液晶層において、Ｙ方向に配列される液晶化合物は、光学軸４０Ａと配列軸Ｄ方向（液晶化合物４０の光学軸の向きが回転する１方向）とが成す角度が等しい。この光学軸４０Ａと配列軸Ｄ方向とが成す角度が等しい液晶化合物４０が、Ｙ方向に配置された領域を、領域Ｒとする。
この場合に、それぞれの領域Ｒにおける面内レタデーション（Ｒｅ）の値は、半波長すなわちλ／２であるのが好ましい。これらの面内レタデーションは、領域Ｒの屈折率異方性に伴う屈折率差Δｎと液晶層の厚さとの積により算出される。ここで、液晶層における領域Ｒの屈折率異方性に伴う屈折率差とは、領域Ｒの面内における遅相軸の方向の屈折率と、遅相軸の方向に直交する方向の屈折率との差により定義される屈折率差である。すなわち、領域Ｒの屈折率異方性に伴う屈折率差Δｎは、光学軸４０Ａの方向の液晶化合物４０の屈折率と、領域Ｒの面内において光学軸４０Ａに垂直な方向の液晶化合物４０の屈折率との差に等しい。つまり、上記屈折率差Δｎは、液晶化合物の屈折率差に等しい。

このような液晶層３６に円偏光が入射すると、光は、屈折され、かつ、円偏光の方向が変換される。
この作用を、図１２および図１３に概念的に示す。なお、液晶層３６は、液晶化合物の屈折率差と液晶層３６の厚さとの積の値がλ／２であるとする。
図１２に示すように、液晶層３６の液晶化合物の屈折率差と液晶層３６の厚さとの積の値がλ／２の場合に、液晶層３６に左円偏光である入射光Ｌ₁が入射すると、入射光Ｌ₁は、液晶層３６を通過することにより１８０°の位相差が与えられて、透過光Ｌ₂は、右円偏光に変換される。
また、液晶層３６に形成された液晶配向パターンは、配列軸Ｄ方向に周期的なパターンであるため、透過光Ｌ₂は、入射光Ｌ₁の進行方向とは異なる方向に進行する。このように、左円偏光の入射光Ｌ₁は、入射方向に対して配列軸Ｄ方向に一定の角度だけ傾いた、右円偏光の透過光Ｌ₂に変換される。

一方、図１３に示すように、液晶層３６の液晶化合物の屈折率差と液晶層３６の厚さとの積の値がλ／２のとき、液晶層３６に右円偏光の入射光Ｌ₄が入射すると、入射光Ｌ₄は、液晶層３６を通過することにより、１８０°の位相差が与えられて、左円偏光の透過光Ｌ₅に変換される。
また、液晶層３６に形成された液晶配向パターンは、配列軸Ｄ方向に周期的なパターンであるため、透過光Ｌ₅は、入射光Ｌ₄の進行方向とは異なる方向に進行する。このとき、透過光Ｌ₅は透過光Ｌ₂と異なる方向、つまり、入射方向に対して配列軸Ｄ方向とは逆の方向に進行する。このように、入射光Ｌ₄は、入射方向に対して配列軸Ｄ方向とは逆の方向に一定の角度だけ傾いた左円偏光の透過光Ｌ₅に変換される。

液晶層３６は、形成された液晶配向パターンの１周期Λを変化させることにより、透過光Ｌ₂およびＬ₅の屈折の角度を調節できる。具体的には、液晶層３６は、液晶配向パターンの１周期Λが短いほど、互いに隣接した液晶化合物４０を通過した光同士が強く干渉するため、透過光Ｌ₂およびＬ₅を大きく屈折させることができる。
また、配列軸Ｄ方向に沿って回転する、液晶化合物４０の光学軸４０Ａの回転方向を逆方向にすることにより、透過光の屈折の方向を、逆方向にできる。すなわち、図１２～図１３に示す例では、配列軸Ｄ方向に向かう光学軸４０Ａの回転方向は時計回りであるが、この回転方向を反時計回りにすることで、透過光の屈折の方向を、逆方向にできる。

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

また、液晶層３６における、複数の領域Ｒの面内レタデーションの値は、上記式（１）の範囲外で用いることもできる。具体的には、Δｎ₅₅₀×ｄ＜２００ｎｍまたは３５０ｎｍ＜Δｎ₅₅₀×ｄとすることで、入射光の進行方向と同一の方向に進行する光と、入射光の進行方向とは異なる方向に進行する光に分けることができる。Δｎ₅₅₀×ｄが０ｎｍまたは５５０ｎｍに近づくと入射光の進行方向と同一の方向に進行する光の成分は増加し、入射光の進行方向とは異なる方向に進行する光の成分は減少する。

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

液晶層は、棒状液晶化合物または円盤状液晶化合物を含む液晶組成物の硬化層からなり、棒状液晶化合物の光学軸または円盤状液晶化合物の光学軸が、上述のように配向された液晶配向パターンを有している。
支持体３０上に配向膜を形成し、配向膜上に液晶組成物を塗布、硬化することにより、液晶組成物の硬化層からなる液晶層を得ることができる。なお、いわゆるλ／２板として機能するのは液晶層であるが、本発明は、支持体３０および配向膜を一体的に備えた積層体がλ／２板として機能する態様を含む。
また、液晶層を形成するための液晶組成物は、棒状液晶化合物または円盤状液晶化合物を含有し、さらに、レベリング剤、配向制御剤、重合開始剤および配向助剤などのその他の成分を含有していてもよい。

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

―棒状液晶化合物―
棒状液晶化合物としては、アゾメチン類、アゾキシ類、シアノビフェニル類、シアノフェニルエステル類、安息香酸エステル類、シクロヘキサンカルボン酸フェニルエステル類、シアノフェニルシクロヘキサン類、シアノ置換フェニルピリミジン類、アルコキシ置換フェニルピリミジン類、フェニルジオキサン類、トラン類およびアルケニルシクロヘキシルベンゾニトリル類が好ましく用いられる。以上のような低分子液晶性分子だけではなく、高分子液晶性分子も用いることができる。

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

―円盤状液晶化合物―
円盤状液晶化合物としては、例えば、特開２００７－１０８７３２号公報および特開２０１０－２４４０３８号公報に記載のものを好ましく用いることができる。
なお、液晶層に円盤状液晶化合物を用いた場合には、液晶層において、液晶化合物４０は厚さ方向に立ち上がっており、液晶化合物に由来する光学軸４０Ａは、円盤面に垂直な軸、いわゆる進相軸として定義される。

＜光学素子の作用＞
前述のように、液晶化合物を含む組成物を用いて形成された、光学軸４０Ａの方向が配列軸Ｄ方向に沿って回転する液晶配向パターンを有する液晶層は、円偏光を屈折させるが、液晶配向パターンの１周期Λが小さいほど、屈折の角度が大きい。
そのため、図９に示すように、面内の異なる領域で液晶配向パターンの１周期Λが異なるようにパターンを形成した場合には、面内の異なる領域に入射した光は、異なる角度に屈折される。

以下、図１４の概念図を参照して、液晶回折素子の作用を詳細に説明する。
なお、液晶回折素子において、光学的な作用を発現するのは、基本的に、液晶層のみである。そのため、図面を簡略化して、構成および作用効果を明確に示すために、図１４では、液晶回折素子は、液晶層３６のみを示す。

前述のように、液晶回折素子は、液晶層３６を有する。
液晶回折素子は、一例として、円偏光を対象として、入射光を所定の方向に屈折して透過させる。なお、図１４では、入射光を左円偏光としている。

図１４に示す部分において、液晶層２６Ａは、図１４中左側から３つの領域Ａ０、Ａ１、Ａ２を有し、各領域で１周期の長さΛが異なっている。具体的には、１周期の長さΛは、領域Ａ０、Ａ１、Ａ２の順に短くなっている。また、領域Ａ１およびＡ２は、光学軸が液晶層の厚さ方向でねじれて回転した構造（以下、ねじれ構造ともいう）を有している。領域Ａ１の厚さ方向のねじれ角は、領域Ａ２の厚さ方向のねじれ角よりも小さい。なお、領域Ａ０はねじれ構造を有していない領域である（すなわち、ねじれ角が０°である）。
なお、ねじれ角は、厚さ方向全体でのねじれ角とする。
液晶層が、ねじれ構造を有する場合には、ＳＥＭで観察される断面において、明部および暗部が液晶層の主面に対して傾斜している構成となる。

液晶回折素子において、左円偏光ＬＣ１が液晶層３６の面内の領域Ａ１に入射すると、前述のように、入射方向に対して、配列軸Ｄ方向に、すなわち、液晶化合物の光学軸の向きが連続的に回転しながら変化している一方向に所定角度、屈折されて透過する。同様に左円偏光ＬＣ２が液晶層３６の面内の領域Ａ２に入射すると、入射方向に対して、配列軸Ｄ方向に所定角度、屈折されて透過する。同様に左円偏光ＬＣ０が液晶層３６の面内の領域Ａ０に入射すると、入射方向に対して、配列軸Ｄ方向に所定角度、屈折されて透過する。
ここで、液晶層３６による屈折の角度は、領域Ａ１の液晶配向パターンの１周期Λ_A1よりも、領域Ａ２の液晶配向パターンの１周期Λ_A2が短いため、図１４に示すように、入射光に対する屈折の角度は、領域Ａ２の透過光の角度θ_A2の方が領域Ａ１の透過光の角度θ_A1よりも大きくなる。また、領域Ａ１の液晶配向パターンの１周期Λ_A1よりも、領域Ａ０の液晶配向パターンの１周期Λ_A0が長いため、図１４に示すように、入射光に対する屈折の角度は、領域Ａ０の透過光の角度θ_A0の方が領域Ａ１の透過光の角度θ_A1よりも小さくなる。

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

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

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

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

ここで、図９に示す例では、液晶回折素子は、液晶層を１層有する構成としたが、これに限定はされず、２層以上の液晶層を有していてもよい。
また、液晶回折素子では、液晶層を２層以上有する場合には、厚さ方向でねじれて回転する方向（ねじれ角の向き）が互いに異なる液晶層をさらに有していてもよい。
例えば、液晶化合物由来の光学軸の向きが一方向に向かって回転する液晶配向パターンを有し、さらに、光学軸が液晶層の厚さ方向でねじれて回転する領域を有しており、かつ、回転のねじれ角が面内で異なる領域を有する液晶層であって、厚さ方向でねじれて回転する方向が互いに異なる液晶層を積層して用いてもよい。
このように、厚さ方向でねじれて回転する方向が異なる液晶層をさらに有することにより、厚さ方向でねじれ角を有する領域において、様々な偏光状態の入射光に対し、効率的に透過光を屈折することができる。

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

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

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

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

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

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

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

図９～図１４に示す光学素子は、液晶層の液晶配向パターンにおける液晶化合物４０の光学軸４０Ａは、配列軸Ｄ方向のみに沿って、連続して回転している。
しかしながら、本発明は、これに制限はされず、液晶層において、液晶化合物４０の光学軸４０Ａが一方向に沿って連続して回転するものであれば、各種の構成が利用可能である。

一例として、図１６の平面図に概念的に示すような、液晶配向パターンが、液晶化合物４０の光学軸の向きが連続的に回転しながら変化する一方向を、内側から外側に向かう同心円状に有する、同心円状のパターンである、液晶層３６が例示される。言い換えれば、図１６に示す液晶層３６の液晶配向パターンは、液晶化合物４０の光学軸の向きが連続的に回転しながら変化する一方向が、液晶層３４の中心から放射状に設けられた液晶配向パターンである。

なお、図１６においても、図１２と同様、配向膜の表面の液晶化合物４０のみを示すが、液晶層３６においては、図１０に示される例と同様に、この配向膜の表面の液晶化合物４０から、液晶化合物４０が積み重ねられた構造を有するのは、前述のとおりである。

図１６に示す液晶層３６において、液晶化合物４０の光学軸（図示省略）は、液晶化合物４０の長手方向である。
液晶層３６では、液晶化合物４０の光学軸の向きは、液晶層３６の中心から外側に向かう多数の方向、例えば、矢印Ａ１で示す方向、矢印Ａ２で示す方向、矢印Ａ３で示す方向…に沿って、連続的に回転しながら変化している。
この液晶配向パターンを有する液晶層３６に入射した円偏光は、液晶化合物４０の光学軸の向きが異なる個々の局所的な領域において、それぞれ、絶対位相が変化する。この際に、それぞれの絶対位相の変化量は、円偏光が入射した液晶化合物４０の光学軸の向きに応じて異なる。

このような、同心円状の液晶配向パターン、すなわち、放射状に光学軸が連続的に回転して変化する液晶配向パターンを有する液晶層３４は、液晶化合物４０の光学軸の回転方向および入射する円偏光の方向に応じて、入射光を、発散光または集束光として透過できる。
すなわち、液晶層の液晶配向パターンを同心円状とすることにより、液晶回折素子は、例えば、凸レンズまたは凹レンズとして機能を発現する。

ここで、液晶層の液晶配向パターンを同心円状として、光学素子を凸レンズとして作用させる場合には、液晶配向パターンにおいて光学軸が１８０°回転する１周期Λを、液晶層３４の中心から、光学軸が連続的に回転する１方向の外方向に向かって、漸次、短くするのが好ましい。
前述のように、入射方向に対する光の屈折の角度は、液晶配向パターンにおける１周期Λが短いほど、大きくなる。従って、液晶配向パターンにおける１周期Λを、液晶層３４の中心から、光学軸が連続的に回転する１方向の外方向に向かって、漸次、短くすることにより、液晶層３４による光の集束力を、より向上でき、凸レンズとしての性能を、向上できる。

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

なお、本発明においては、逆に、同心円状の液晶配向パターンにおける１周期Λを、液晶層３６の中心から、光学軸が連続的に回転する１方向の外方向に向かって、漸次、長くしてもよい。
さらに、例えば透過光に光量分布を設けたい場合など、液晶回折素子の用途によって、光学軸が連続的に回転する１方向に向かって、１周期Λを、漸次、変更するのではなく、光学軸が連続的に回転する１方向において、部分的に１周期Λが異なる領域を有する構成も利用可能である。
加えて、液晶回折素子は、１周期Λが全面的に均一な液晶層と、１周期Λが異なる領域を有する液晶層とを有してもよい。この点に関しては、図９に示すような、一方向のみに光学軸が連続的に回転する構成でも、同様である。

図１７に、配向膜に、このような同心円状の配向パターンを形成する露光装置の一例を概念的に示す。
露光装置８０は、レーザ８２を備えた光源８４と、レーザ８２からのレーザ光ＭをＳ偏光ＭＳとＰ偏光ＭＰとに分割する偏光ビームスプリッター８６と、Ｐ偏光ＭＰの光路に配置されたミラー９０ＡおよびＳ偏光ＭＳの光路に配置されたミラー９０Ｂと、Ｓ偏光ＭＳの光路に配置されたレンズ９２と、偏光ビームスプリッター９４と、λ／４板９６とを有する。

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

この露光装置８０において、液晶化合物４０の光学軸が一方向に沿って連続的に１８０°回転する液晶配向パターンの１周期Λは、レンズ９２の屈折力（レンズ９２のＦナンバー）レンズ９２の焦点距離、および、レンズ９２と配向膜２４との距離等を変化させることで、制御できる。
また、レンズ９２の屈折力（レンズ９２のＦナンバー）を調節することによって、光学軸が連続的に回転する一方向において、液晶配向パターンの１周期の長さΛを変更できる。
具体的には、平行光と干渉させる、レンズ９２で広げる光の広がり角によって、光学軸が連続的に回転する一方向において、液晶配向パターンの１周期の長さΛを変えることができる。より具体的には、レンズ９２の屈折力を弱くすると、平行光に近づくため、液晶配向パターンの１周期の長さΛは、内側から外側に向かって緩やかに短くなり、Ｆナンバーは大きくなる。逆に、レンズ９２の屈折力を強めると、液晶配向パターンの１周期の長さΛは、内側から外側に向かって急に短くなり、Ｆナンバーは小さくなる。

このように、光学軸が連続的に回転する１方向において、光学軸が１８０°回転する１周期Λを変更する構成は、図９～１４に示す、配列軸Ｄ方向の一方向のみに液晶化合物４０の光学軸４０Ａが連続的に回転して変化する構成でも、利用可能である。
例えば、液晶配向パターンの１周期Λを、配列軸Ｄ方向に向かって、漸次、短くすることにより、集光するように光を透過する光学素子を得ることができる。
さらに、例えば透過光に光量分布を設けたい場合など、液晶回折素子の用途によって、配列軸Ｄ方向に向かって、１周期Λを漸次、変更するのではなく、配列軸Ｄ方向において、部分的に１周期Λが異なる領域を有する構成も利用可能である。例えば、部分的に１周期Λを変更する方法として、集光したレーザー光の偏光方向を任意に変えながら、光配向膜をスキャン露光してパターニングする方法等を利用することができる。

（接着層）
本発明の光学素子は、各層の間の密着性担保のために、各層の間に接着層を含んでいてもよい。
本明細書において、「接着」は「粘着」も含む概念で用いられる。
接着層は接着剤または粘着剤から形成されるものであればよい。
接着剤としては硬化方式の観点からホットメルトタイプ、熱硬化タイプ、光硬化タイプ、反応硬化タイプ、硬化の不要な感圧接着タイプがあり、それぞれ素材としてアクリレート系、ウレタン系、ウレタンアクリレート系、エポキシ系、エポキシアクリレート系、ポリオレフィン系、変性オレフィン系、ポリプロピレン系、エチレンビニルアルコール系、塩化ビニル系、クロロプレンゴム系、シアノアクリレート系、ポリアミド系、ポリイミド系、ポリスチレン系、ポリビニルブチラール系などの化合物を使用することができる。作業性、生産性の観点から、硬化方式として光硬化タイプが好ましく、光学的な透明性、耐熱性の観点から、素材はアクリレート系、ウレタンアクリレート系、エポキシアクリレート系などを使用することが好ましい。

粘着剤としては、例えば、アクリル系粘着剤や、ポリビニルアルコール系接着剤が挙げられる。
各層の接着は、高透明性接着剤転写テープ（ＯＣＡテープ）を用いて行ってもよい。高透明性接着剤転写テープとしては、画像表示装置用の市販品、特に画像表示装置の画像表示部表面用の市販品を用いればよい。市販品の例としては、パナック株式会社製の粘着シート（ＰＤ－Ｓ１など）、日栄化工株式会社のＭＨＭシリーズの粘着シートなどが挙げられる。

また、各部材は、他の部材に直接積層されて形成されていてもよい。例えば、第１の反射型円偏光板となるコレステリック液晶層を、第１の位相差板を支持体として第１の位相差板の上に形成してもよい。

以上、説明した本発明の光学素子を有する画像表示ユニットは、小型のまま光路長を長くすることができるため、ヘッドマウントディスプレイの画像表示ユニットとして好適に用いることができる。

以下に実施例と比較例を挙げて本発明の特徴をさらに具体的に説明する。以下の実施例に示す材料、使用量、割合、処理内容、処理手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更することができる。したがって、本発明の範囲は以下に示す具体例により限定的に解釈されるべきものではない。

＜第２の反射型円偏光板の作製＞

（配向膜の形成）
支持体としてガラス基板を用意した。支持体上に、下記の配向膜形成用塗布液をスピンコートで塗布した。この配向膜形成用塗布液の塗膜が形成された支持体を６０℃のホットプレート上で６０秒間乾燥し、配向膜を形成した。

配向膜形成用塗布液
―――――――――――――――――――――――――――――――――
下記光配向用素材 １．００質量部
水 １６．００質量部
ブトキシエタノール ４２．００質量部
プロピレングリコールモノメチルエーテル ４２．００質量部
―――――――――――――――――――――――――――――――――

－光配向用素材－

（配向膜の露光）
得られた配向膜Ｐ－１に偏光紫外線を照射（５０ｍＪ／ｃｍ²、超高圧水銀ランプ使用）することで、配向膜Ｐ－１の露光を行った。

（コレステリック液晶層の形成）
コレステリック液晶層する液晶組成物として、下記の組成物Ａ－１を調製した。この組成物Ａ－１は、右円偏光を反射するコレステリック液晶層（コレステリック液晶相）を形成する、液晶組成物である。
組成物Ａ－１
―――――――――――――――――――――――――――――――――
棒状液晶化合物Ｌ－１ １００．００質量部
重合開始剤（日本化薬製、ＫＡＹＡＣＵＲＥ ＤＥＴＸ－Ｓ）
１．００質量部
キラル剤Ｃｈ－１ ４．０質量部
レベリング剤Ｔ－１ ０．０８質量部
メチルエチルケトン １４２．００質量部
―――――――――――――――――――――――――――――――――

棒状液晶化合物Ｌ－１

キラル剤Ｃｈ－１

レベリング剤Ｔ－１

配向膜Ｐ－１上に、上記の組成物Ａ－１を塗布した。組成物Ａ－１の塗膜をホットプレート上で１００℃にて３分間加熱した。その後、１００℃にて、窒素雰囲気下で高圧水銀灯を用いて、３００ｎｍのロングバスフィルタ、および３５０ｎｍのショートパスフィルタを介して、キラル剤のＨＴＰを変化させるための１回目の露光を行った。１回目の露光は、波長３１５ｎｍで測定される光の照射量が９ｍＪ／ｃｍ²となるように行った。
さらに、１００℃にて、窒素雰囲気下で高圧水銀灯を用いて波長３６５ｎｍの紫外線を１０００ｍＪ／ｃｍ²の照射量で塗膜に照射することにより、液晶組成物を硬化するための２回目の露光を行った。これにより、組成物Ａ－３を硬化して液晶化合物の配向を固定化し、コレステリック液晶層を形成した。

コレステリック液晶層の断面をＳＥＭで観察した。
その結果、明部と暗部はコレステリック液晶層の主面に対して平行で、厚さ方向の明部と暗部の間隔すなわち面ピッチは、配向膜側から配向膜と離間する側に向かって、厚さ方向に連続的に増大している様子が観察された。すなわち、コレステリック液晶層は、ピッチグラジエント構造を有するものである。また、面ピッチの平均値は０．４μｍであった。なお、このコレステリック液晶層は、可視域に渡って、右円偏光を反射し、左円偏光を透過することを確認した。また、面ピッチは、明部から明部、または、暗部から暗部の線に対する法線方向の間隔を１／２ピッチとして、測定した。ここで言う明部および暗部とは、上述のように、コレステリック液晶層の断面をＳＥＭで観察した際に見られる、コレステリック液晶相に由来する明部および暗部である。
このようにして第２の反射型円偏光板を作製した。

＜第１の反射型円偏光板の作製＞

上述した第２の反射型円偏光板の作製方法のうち、キラル剤Ｃｈ－１の代わりに、キラル材Ｃｈ－２を４．０質量部を用いた以外は、同様にしてコレステリック液晶を形成して、第１の反射型円偏光板を作製した。

キラル剤Ｃｈ－２

コレステリック液晶層の断面をＳＥＭで観察した結果、明部と暗部はコレステリック液晶層の主面に対して平行で、厚さ方向の明部と暗部の間隔すなわち面ピッチは、配向膜側から配向膜と離間する側に向かって、厚さ方向に連続的に増大している様子が観察された。すなわち、コレステリック液晶層は、ピッチグラジエント構造を有するものである。なお、面ピッチの平均値は０．４μｍであった。なお、このコレステリック液晶層は、可視域に渡って、左円偏光を反射し、右円偏光を透過することを確認した。
このようにして第１の反射型円偏光板を作製した。

［比較例１］
＜ヘッドマウントディスプレイ評価系の作製＞
第１の吸収型直線偏光板、第１の位相差板（λ／４板）、部分反射ミラー、第２の位相差板（λ／４板）、反射型直線偏光板、第２の吸収型直線偏光板を用いて光学素子を作製し、ヘッドマウントディスプレイである画像表示ユニットを作製した（図３参照）。市販のヘッドマウントディスプレイであるＯｃｕｌｕｓ社のＯｃｕｌｕｓ Ｒｉｆｔ Ｓを分解し、その中のディスプレイおよびその表面に貼合されている吸収型直線偏光板を用い、第１の吸収型直線偏光板の吸収軸角度が９０°となるよう配置した。部分反射ミラーＡとしては、透過率５０％、反射率５０％となるように直径５ｃｍ、曲率半径１０ｃｍのレンズの凸面へスパッタによりアルミ膜を形成した。すなわち、部分反射ミラーＡは湾曲形状とした。第２の反射型直線偏光板としては３Ｍ社のＤＢＥＦを用い、透過軸角度が９０°となるよう配置した。第２の反射型直線偏光板の視認側には、第２の吸収型直線偏光板を吸収軸角度が０°となるよう配置した。また、第１の位相差板および第２の位相差板はそれぞれ、遅相軸が４５°および－４５°となるよう配置した。なお、記載の軸角度は、ヘッドマウントディスプレイの水平方向を基準（０°）とし、視認側から画像表示装置を見た際に時計回りの方向を正とした。

［実施例１］
比較例１の構成に対して、第１の吸収型直線偏光板と第１の位相差板との間に第１の反射型直線偏光板を配置した（図２参照）。なお、第２の反射型直線偏光板の透過軸は第１の反射型直線偏光板と平行にした。第１の反射型直線偏光板としては３Ｍ社のＤＢＥＦを用いた。

［実施例２］
実施例１の構成に対して、第１の反射型直線偏光板を除き、第１の位相差板と部分反射ミラーとの間に第１の反射型円偏光板を配置し、さらに、部分反射ミラーと第２の位相差板との間に第２の反射型円偏光板を配置し、第２の反射型直線偏光板を除いた（図６参照）。

［実施例３］
実施例２の構成に対して、部分反射ミラーＡ（誘電体多層膜ハーフミラーと曲率半径１０ｃｍレンズの貼合品）に代えて、部分反射ミラーＢを用いた。部分反射ミラーＢは、透過率５０％、反射率５０％となるように平板ガラス基板にスパッタによりアルミ膜を形成した。さらに、第１の反射型円偏光板と部分反射ミラーＢとの距離と、部分反射ミラーＢと第２の反射型円偏光板との距離を、どちらも５ｍｍと等しくした。さらに、第２の第２の反射型円偏光板と第２の位相差板との間に正のレンズとして、液晶回折素子を挿入した。液晶回折素子は以下のようにして、レンズ特性として焦点距離５ｃｍになるように回折ピッチを調整して作製した。

＜正のレンズ：液晶回折素子の作製＞
実施例２の第２の反射型円偏光板の作製と同様にして配向膜を形成した。

（配向膜の露光）
図１７に示す露光装置を用いて配向膜を露光して、配向パターンを有する配向膜Ｐ－２を形成した。
露光装置において、レーザとして波長（３２５ｎｍ）のレーザ光を出射するものを用いた。干渉光による露光量を３００ｍＪ／ｃｍ²とした。なお、図１７に示す露光装置を用いることによって、配向パターンの１周期が、外方向に向かって、漸次、短くなるようにした。

（第１液晶層の形成）
液晶層を形成する液晶組成物として、下記の組成物Ｂ－１を調製した。

組成物Ｂ－１
――――――――――――――――――――――――――――――――――
液晶化合物Ｌ－１ １００．００質量部
キラル剤Ｃｈ－Ａ ０．２３質量部
重合開始剤（ＢＡＳＦ製、Ｉｒｇａｃｕｒｅ（登録商標）９０７）
３．００質量部
光増感剤（日本化薬製、ＫＡＹＡＣＵＲＥ ＤＥＴＸ－Ｓ）
１．００質量部
レベリング剤Ｔ－１ ０．０８質量部
メチルエチルケトン ２０００．００質量部
――――――――――――――――――――――――――――――――――

キラル剤Ｃｈ－Ａ

第１液晶層は、組成物Ｂ－１を配向膜Ｐ－２上に多層塗布することにより形成した。先ず配向膜の上に１層目の組成物Ｂ－１を塗布、加熱、冷却後に紫外線硬化を行って液晶固定化層を作製した後、２層目以降はその液晶固定化層に重ね塗りして塗布を行い、同様に加熱、冷却後に紫外線硬化を行うことを繰り返した。

先ず１層目は、配向膜Ｐ－２上に下記の組成物Ｂ－１を塗布して、塗膜をホットプレート上で８０℃に加熱し、その後、８０℃において、窒素雰囲気下で高圧水銀灯を用いて波長３６５ｎｍの紫外線を３００ｍＪ／ｃｍ²の照射量で塗膜に照射することにより、液晶化合物の配向を固定化した。

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

なお、液晶組成物Ｂ－１の硬化層の複素屈折率Δｎは、液晶組成物Ｂ－１を別途に用意したリタデーション測定用の配向膜付き支持体上に塗布し、液晶化合物のダイレクタが基材に水平となるよう配向させた後に紫外線照射して固定化して得た液晶固定化層（硬化層）のリタデーションＲｅ（λ）および膜厚を測定して求めた。リタデーションＲｅ（λ）を膜厚で除算することによりΔｎ_λを算出できる。リタデーションＲｅ（λ）はＡｘｏｍｅｔｒｉｘ 社のＡｘｏｓｃａｎを用いて目的の波長で測定し、膜厚はＳＥＭを用いて測定した。Ｒｅ（λ）の表記においてλは入射光の波長である。以下において、入射光の波長λは５５０ｎｍとした。

第１液晶層は、最終的に液晶のΔｎ₅₅₀×厚さ＝Ｒｅ（５５０）が２７５ｎｍになり、かつ、図１６に示すような同心円状の周期的な配向になっていることを偏光顕微鏡で確認した。なお、同心円状のパターンは、中心から外方向に向かって周期が短くなっていた。また、第１液晶層の厚さ方向の捩れ角は、７０°（右ねじれ）であった。以下、特に記載が無い場合には、『Δｎ₅₅₀×厚さ』等の測定は、同様に行った。また、ＳＥＭによる断面像において、液晶層の下界面（ガラス基板との界面）に対し、傾斜した明暗線が観察された。明暗線の繰り返しパターンにおいては中心から外側に向かって周期が短くなる様子が観察された。

（第２液晶層の形成）
液晶層を形成する液晶組成物として、下記の組成物Ｂ－２を調製した。

組成物Ｂ－２
――――――――――――――――――――――――――――――――――
液晶化合物Ｌ－１ １００．００質量部
キラル剤Ｃｈ－Ｂ ０．３９質量部
重合開始剤（ＢＡＳＦ製、Ｉｒｇａｃｕｒｅ（登録商標）９０７）
３．００質量部
光増感剤（日本化薬製、ＫＡＹＡＣＵＲＥ ＤＥＴＸ－Ｓ）
１．００質量部
レベリング剤Ｔ－１ ０．０８質量部
メチルエチルケトン ２０００．００質量部
――――――――――――――――――――――――――――――――――

キラル剤Ｃｈ－Ｂ

組成物Ｂ－２を用いた以外は上記第１液晶層と同様にして、第１液晶層上に第２液晶層を形成し、液晶回折素子を作製した。

第２液晶層は、最終的に液晶のΔｎ₅₅₀×厚さ＝Ｒｅ（５５０）が２７５ｎｍになり、かつ、図１６に示すような同心円状の周期的な配向になっていることを偏光顕微鏡で確認した。なお、同心円状のパターンは、中心から外方向に向かって周期が短くなっていた。また、第１液晶層の厚さ方向の捩れ角は、７０°（左ねじれ）であった。また、ＳＥＭによる断面像において、液晶層の下界面（ガラス基板との界面）に対し、傾斜した明暗線が観察された。第１液晶層と第２液晶層との明暗線の法線からの傾き方向は逆であった。明暗線の繰り返しパターンにおいては中心から外側に向かって周期が短くなる様子が観察された。

＜ヘッドマウントディスプレイの輝度評価＞
本発明の光学素子を有する画像表示ユニットにおけるディスプレイを取り外し、評価用光源を配置した。評価用光源としては、レーザーポインタ（波長５３２ｎｍ）を用いた。レーザーポインタを用いて、光学素子の第１の吸収型直線偏光板側から光を入射し、出射光の強度をパワーメーターで測定した。比較例との強度比を求めて以下の基準で評価した。
Ａ：強度比が１．５以上
Ｂ：強度比が１．２以上１．５未満
Ｃ：強度比が１．０以上１．２未満

評価の結果、実施例１～３は、いずれも評価Ａであった。一方、比較例１は評価Ｃである。すなわち、本発明の実施例は、比較例に比べて、光の利用効率を向上できることがわかる。
以上から本発明の効果は明らかである。

１０ａ、１０ｂ 光学素子
１２ 第１の吸収型直線偏光板
１４ 第１の反射型直線偏光板
１６ 第１の位相差層
１８ 部分反射ミラー
２０ 第２の位相差板
２２、２２ｂ 第２の反射型直線偏光板
２４、２４ｂ 第２の吸収型直線偏光板
２６ 第１の反射型円偏光板
２８ 第２の反射型円偏光板
２９ 正のレンズ
３０、３１ 支持体
３２、３３ 配向膜
３４ コレステリック液晶層
３６ 光学異方性層（液晶層）
４０ 液晶化合物
４０Ａ 光学軸
４２ 明部
４４ 暗部
５０、５０ｂ 画像表示ユニット
５２ 画像表示装置
６０、８０ 露光装置
６２、８２ レーザ
６４、８４ 光源
６５ λ／２板
６８、８６、９４ 偏光ビームスプリッター
７０Ａ、７０Ｂ、９０Ａ、９０Ｂ ミラー
７２Ａ、７２Ｂ、９６ λ／４板
９２ レンズ
Ｄ 配列軸
Λ １周期
Ｐ ピッチ
Ｕ 使用者
Ｍ レーザ光
ＭＡ、ＭＢ 光線
ＭＰ Ｐ偏光
ＭＳ Ｓ偏光
Ｐ₀ 直線偏光
Ｐ_R 右円偏光
Ｐ_L 左円偏光
α 交差角
Ｒ 領域
Ｌ₁ 光
Ｌ₂ 光
Ｌ₄ 光
Ｌ₅ 光

Claims (15)

1. 第１の吸収型直線偏光板と、
   第１の反射型直線偏光板と、
   第１の位相差板と、
   入射した光の一部を透過し、一部を反射する部分反射ミラーと、
   第２の位相差板と、
   第２の反射型直線偏光板と、をこの順で有し、
   光が前記第１の位相差板を通過して前記第１の反射型直線偏光板へ入射したときに、反射する円偏光の旋回方向と、光が前記第２の位相差板を通過して前記第２の反射型直線偏光板へ入射したときに、反射する円偏光の旋回方向とが逆であり、
   前記第２の反射型直線偏光板の、前記第２の位相差板とは反対側に配置される第２の吸収型直線偏光板を有する光学素子。
2. 第１の吸収型直線偏光板と、
   第１の位相差板と、
   第１の反射型円偏光板と、
   入射した光の一部を透過し、一部を反射する部分反射ミラーと、
   第２の反射型円偏光板と、
   第２の位相差板と、をこの順で有し、
   前記第１の反射型円偏光板が反射する円偏光の旋回方向と、前記第２の反射型円偏光板が反射する円偏光の旋回方向とが逆である光学素子。
3. 前記第２の位相差板の、前記第２の反射型円偏光板とは反対側に配置される第２の吸収型直線偏光板を有する請求項２に記載の光学素子。
4. 前記第１の反射型円偏光板および前記第２の反射型円偏光板の少なくとも一方が、コレステリック液晶相を固定してなるコレステリック液晶層を有する請求項２または３に記載の光学素子。
5. 前記第１の反射型円偏光板および前記第２の反射型円偏光板の少なくとも一方は、選択反射中心波長が互いに異なる複数の前記コレステリック液晶層を有する請求項４に記載の光学素子。
6. 前記コレステリック液晶層がピッチグラジエント構造を有する請求項４または５に記載の光学素子。
7. 前記第２の反射型円偏光板と、前記第２の位相差板との間に、正のレンズを有する請求項２～６のいずれか一項に記載の光学素子。
8. 前記第２の反射型直線偏光板と、前記第２の吸収型直線偏光板との間に、正のレンズを有する請求項１に記載の光学素子。
9. 前記正のレンズが、回折素子を用いた回折レンズである請求項７または８に記載の光学素子。
10. 前記回折レンズが液晶化合物を含む液晶層を有する液晶回折素子であり、
    前記液晶層は、前記液晶化合物由来の光学軸の向きが面内の少なくとも一方向に沿って連続的に回転しながら変化している液晶配向パターンを有し、
    前記液晶層において、前記液晶配向パターンにおける前記液晶化合物由来の光学軸の向きが面内方向に１８０°回転する長さを回折構造の１周期とすると、前記回折構造の周期が面内で異なる領域を有する請求項９に記載の光学素子。
11. 前記液晶層は、走査型電子顕微鏡によって観察される前記液晶層の断面において、液晶相に由来する明部および暗部が、前記液晶層の主面に対して傾斜している領域を有する請求項１０に記載の光学素子。
12. 前記部分反射ミラーの断面が曲線形状を有する請求項１～１１のいずれか一項に記載の光学素子。
13. 前記第１の位相差板および前記第２の位相差板が、λ／４板である請求項１～１２のいずれか一項に記載の光学素子。
14. 請求項１～１３のいずれか一項に記載の光学素子と、
    前記光学素子の、前記第１の吸収型直線偏光板側に配置される画像表示装置と、を有する画像表示ユニット。
15. 請求項１４に記載の画像表示ユニットを有するヘッドマウントディスプレイ。