WO2019093228A1 - 光学素子 - Google Patents

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anisotropic layer
optically anisotropic
light
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齊藤　之人
佐藤　寛
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富士フイルム株式会社
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Definitions

  • the present disclosure relates to an optical element capable of controlling the reflection direction of incident light.
  • Polarization is used in many optical devices or systems, and optical elements for controlling polarization reflection, focusing and divergence are required.
  • JP-T-2017-522601 discloses a diffractive optical element formed by patterning a thin film containing a rod-like liquid crystal compound and having optical anisotropy.
  • JP-T-2017-522601 An element that diffracts light by changing the alignment pattern of a rod-like liquid crystal compound as described in JP-T-2017-522601 is an optical member such as an augmented reality (AR) image projection apparatus or the like. Application of is expected. However, there is a problem that the diffraction efficiency decreases as the diffraction angle increases, that is, the intensity of the diffracted light decreases. In JP-A-2017-522601, a method is proposed which uses a complex layer structure in which liquid crystal is multilayered.
  • AR augmented reality
  • An object of the present disclosure is to provide an optical element capable of obtaining diffracted light with high diffraction efficiency with a simple configuration.
  • the optical element of the present disclosure comprises a first optically anisotropic layer which is a cured layer of a liquid crystal composition containing a first discotic liquid crystal compound,
  • the optical axis of the first discotic liquid crystal compound is parallel to the plane of the first optically anisotropic layer, and the first optically anisotropic layer is in the plane of the first optically anisotropic layer.
  • the in-plane retardation of the first optically anisotropic layer with respect to light of wavelength ⁇ may be 0.36 ⁇ to 0.64 ⁇ .
  • the first discotic liquid crystal compound is twisted in the thickness direction of the optically anisotropic layer according to the first twistability. Good. Child.
  • a second cured layer of a liquid crystal composition containing a second discotic liquid crystal compound An optically anisotropic layer, wherein the optical axis of the second discotic liquid crystal compound is parallel to the surface of the second optically anisotropic layer, and the second optically anisotropic layer is the second optically anisotropic layer.
  • Liquid crystal alignment pattern arranged along at least one direction in the plane of the optically anisotropic layer, wherein the orientation of the optical axis of the second discotic liquid crystal compound is continuously rotated.
  • a second optically anisotropic layer in which the direction of the optical axis is rotated 180 ° in a cycle of 0.5 ⁇ m to 5 ⁇ m, and in the second optically anisotropic layer, the second optical anisotropy
  • the second discotic liquid crystal compound is twist-oriented in the thickness direction of the layer according to the second twistability, and the first twistability and the second twist It is preferable bets are opposite.
  • the in-plane retardation of the second optically anisotropic layer with respect to light of wavelength ⁇ is preferably 0.36 ⁇ to 0.64 ⁇ . .
  • the first optically anisotropic layer and the second optically anisotropic layer are provided, the first optically anisotropic layer and the second optically anisotropic layer are stacked. Is preferred.
  • the first discotic liquid crystal compound may be cholesterically aligned in the thickness direction in the first optically anisotropic layer.
  • the optical element of the present disclosure includes a first optically anisotropic layer which is a cured layer of a liquid crystal composition containing a first discotic liquid crystal compound, and the optical axis of the first discotic liquid crystal compound is a first optical It is a liquid crystal alignment pattern parallel to the plane of the anisotropic layer and arranged along at least one direction in the plane of the first optically anisotropic layer, which is the optical system of the first discotic liquid crystal compound
  • the direction of the axis has a liquid crystal alignment pattern in which the rotation is continuously changed, and the period of the 180 ° rotation of the direction of the optical axis is 0.5 ⁇ m to 5 ⁇ m.
  • FIG. 1 is a schematic side view showing a liquid crystal alignment pattern in the optical element 10 according to the first embodiment
  • FIG. 2 is a schematic plan view showing a liquid crystal alignment pattern of the optical element 10 shown in FIG.
  • the sheet surface of the sheet-like optical element 10 is defined as the xy plane
  • the thickness direction is defined as the z direction.
  • the optical element 10 includes an optically anisotropic layer 14 which is a cured layer of a liquid crystal composition containing a discotic liquid crystal compound.
  • the optical axis (fast axis) of the discotic liquid crystal compound is parallel to the plane of the optically anisotropic layer, and in at least one direction in the plane of the optically anisotropic layer. It is a liquid crystal pattern arranged along, and the direction of the optical axis of the discotic liquid crystal compound has a liquid crystal alignment pattern in which the rotation is changed.
  • the direction of the optical axis of the discotic liquid crystal compound constituting the liquid crystal alignment pattern is rotated by 180 ° in a cycle of 0.5 ⁇ m to 5 ⁇ m.
  • the retardation R is preferably 0.4 ⁇ to 0.6 ⁇ , more preferably 0.45 ⁇ to 0.55 ⁇ , and particularly preferably 0.5 ⁇ .
  • ⁇ n is the birefringence of the optically anisotropic layer 14
  • d 1 is the thickness of the optically anisotropic layer 14.
  • the retardation R for light of 550 nm may be in the range of 198 nm to 352 nm, and it is particularly preferable that it is 275 nm.
  • the in-plane retardation is preferably as close to ⁇ / 2 as the diffraction efficiency is improved, but the in-plane retardation is not limited to the above range.
  • the present optical element 10 functions as a transmission type diffraction grating. The principle of functioning as a diffraction grating will be described.
  • the discotic liquid crystal compound 20 has its disc face rising in the direction (z-axis direction) perpendicular to the plane of the optically anisotropic layer 14.
  • the liquid crystal alignment pattern is continuously fixed in one direction (direction along the axis A in FIG. 2). That is, the short axis (axis of extraordinary light: director) of the discotic liquid crystal compound 20 defined as the optical axis 22 of the discotic liquid crystal compound 20 is aligned parallel to the plane and is aligned along the axis A
  • the discotic liquid crystal compound 20 is oriented such that the angle formed with the axis A of the optical axis 22 of the discotic liquid crystal compound 20 rotates.
  • the angle between the optical axis 22 of the discotic liquid crystal compound 20 disposed along the axis A and the axis A differs depending on the position in the axis A direction.
  • the pattern is oriented and fixed so that the angle between the optical axis 22 and the axis A along the axis A gradually changes from ⁇ to ⁇ + 180 ° or ⁇ -180 °.
  • the optically anisotropic layer as shown in FIG.
  • a local region (unit region) in which the optical axis of the liquid crystal is parallel to the surface of the optically anisotropic layer and the direction of the optical axis is constant A pattern in which the orientation of the optical axis is continuously rotated in one direction among a plurality of local regions arranged in one direction is referred to as horizontal rotational orientation.
  • the distance between the optical axis 22 and the A axis of the optical axis 22 changing from ⁇ to ⁇ + 180 ° or ⁇ -180 ° (returning to the original) is a cycle p of 180 ° rotation (hereinafter referred to as a rotation period p) It is.
  • the rotation period p in the direction of the optical axis is 0.5 ⁇ m to 5 ⁇ m as described above.
  • the rotation period p may be determined according to the wavelength of incident light to the optical element and the desired outgoing angle.
  • the optical element 10 provides the phase difference of ⁇ / 2 to the incident light by the above-described configuration of the optical anisotropic layer 14 and emits the incident light at the incident angle of 0 °, that is, the incident angle of the vertically incident light. It emits at ⁇ 2 . That is, as shown in FIG. 1, light L 1 of right circularly polarized light P R (hereinafter referred to as incident light L 1 ) is perpendicular to the surface of the optically anisotropic layer 14 (along the normal to the surface). when the incident, (hereinafter, referred to as the outgoing light L 2.) light L 2 of the left circular polarization P L in the direction forming an normal direction and the angle theta 2 is emitted.
  • the optical element 10 is, in the case of incident light of a predetermined wavelength, as the rotation period p in the optically anisotropic layer 14 is small, the emission angle theta 2 of the emitted light L 2 is increased.
  • the incident light L 1 which is perpendicularly incident on the optical element 10 is a diagram schematically illustrating a principle that is emitted at a predetermined output angle theta 2.
  • description will be made with reference to FIG.
  • the incident light L 1 is a right circularly polarized light P R, by passing through the optically anisotropic layer 14, a phase difference of lambda / 2 is converted given to left-handed circularly polarized light P L. Further, in the optically anisotropic layer 14, the incident light L 1 changes its absolute phase due to the optical axis 22 of the discotic liquid crystal compound 20 in each area in the plane.
  • the direction of the optical axis 22 of the discotic liquid crystal compound 20 is rotated and changed in the A-axis direction (in this example, the x-axis direction), the surface of the optically anisotropic layer 14 on which incident light is incident ( The amount of change in absolute phase differs depending on the orientation of the optical axis 22 of the discotic liquid crystal compound 20 at the x coordinate of the xy plane).
  • the region indicated by the broken line in FIG. 3 schematically shows how the change amount of the absolute phase differs depending on the x-coordinate. As shown in FIG.
  • the incident light L 1 incident along the normal direction perpendicular to the plane of the optical element 10 is emitted as output light L 2 in a direction different from the normal direction Be done.
  • the inclination of the emission angle can be changed. Since a larger bending force can be given to incident light as the rotation period p becomes smaller, the inclination can be made larger.
  • liquid crystal alignment pattern in the optically anisotropic layer 14 it is possible to change the amount of change of the absolute phase to change the wavefront of the incident light.
  • Optical element 10 if only one direction has a liquid crystal orientation pattern of uniform rotation period p, converted into the outgoing light L 2 of the incident light L 1 based on the principle as described above, as a transmission diffraction I can explain.
  • Optically anisotropic layer 14 with respect to the incident light L 1 acts as a transmission grating, the incident light L 1 which is perpendicularly incident on the optically anisotropic layer 14 is transmitted as transmitted diffraction light L 2 having a predetermined diffraction angle theta 2 It is diffracted.
  • the following formula (1) which is a general light diffraction formula, is satisfied.
  • n 1 is the refractive index of the medium 1 on the incident surface side of the diffraction grating (here, the optically anisotropic layer), ⁇ 1 is the incident angle, and n 2 is the emission of the diffraction grating (here, the optically anisotropic layer)
  • the refractive index of the medium 2 on the surface side ⁇ 2 is the diffraction angle (emission angle)
  • ⁇ is the wavelength
  • p is the rotation period
  • m is the order of diffraction.
  • FIG. 4 is a view schematically showing the diffraction phenomenon represented by the equation (2).
  • Optical anisotropic layer 14 as a diffraction grating is disposed between the medium n 1 and the medium n 2.
  • Light L 1 incident on the optically anisotropic layer 14 from the normal direction from the medium 1 side is a refractive index n 1 is diffracted by the diffraction effect of the optically anisotropic layer 14, the refractive index n 2 medium 2 It is emitted to the side.
  • the emitted light L 2 emitted by the emission angle theta 2 time can be rephrased as transmitted diffraction light L 2 of the diffraction angle theta 2.
  • the optically anisotropic layer 14 in which the discotic liquid crystal compound 20 is fixed by horizontal rotational alignment functions as a diffraction grating.
  • optically anisotropic layer 14 in which the discotic liquid crystal compound 20 is immobilized by horizontal rotational alignment is an optical anisotropy in which a conventional rod-like liquid crystal compound is immobilized by horizontal rotational alignment. It has been found that high diffraction efficiency can be obtained as compared to a diffraction grating using an active layer.
  • horizontal rotational orientation of the rod-like liquid crystal compound as used herein means an orientation in which the optical axis (long axis) of the rod-like liquid crystal compound is parallel to the surface and the optical axis undergoes rotational change in at least one direction.
  • the refractive index in the thickness direction of the optically anisotropic layer is as follows.
  • the refractive index of the thickness direction of the optically anisotropic layer fixed by rotating the optical axis horizontally and fixed is the refractive index no of ordinary light
  • the refractive index in the in-plane direction is the refractive index no of ordinary light and the refractive index of extraordinary light It becomes the average value of the rate ne.
  • the refractive index in the thickness direction is larger than the refractive index in the in-plane direction.
  • a rod-like liquid crystal compound since no ⁇ ne, the refractive index in the thickness direction is smaller than the refractive index in the in-plane direction.
  • the refractive index felt when diffracted light travels in the liquid crystal medium is larger than that in the case of the rod-like liquid crystal compound, and considering Snell's law, it is better than in the case of the rod-like liquid crystal compound.
  • the wavelength ⁇ of the light that causes the diffractive action by the optical element of the present disclosure may be from ultraviolet to infrared, or even at the electromagnetic wave level.
  • the larger the wavelength of the incident light the larger the diffraction angle, and the smaller the wavelength of the incident light, the smaller the diffraction angle.
  • the wavelength ⁇ is 380 nm, higher diffraction efficiency can be obtained in the range of 0.5 ⁇ p ⁇ 1 in the rotation period p ( ⁇ m) as compared to a rod-like liquid crystal compound.
  • the wavelength ⁇ is 1100 nm
  • higher diffraction efficiency can be obtained in the range of 2 ⁇ p ⁇ 5 in the rotation period p ( ⁇ m) compared to the rod-like liquid crystal compound.
  • the optical element 10 randomly polarized light (i.e., non-polarized light) when light is incident L 41 of the incident light L 41, right circularly polarized light P R by a liquid crystal orientation pattern the traveling direction changed by receiving bending force, is emitted as the first transmitted diffracted light L 42 passes through the optically anisotropic layer.
  • the right circularly polarized light P R is converted into left circularly polarized light P L by passing through the optically anisotropic layer 14 and emitted.
  • the left circularly polarized light P L of the incident light L 41 receives the bending force in the opposite direction to the light converted from the right circularly polarized light to the left circularly polarized light and the optically anisotropic layer 14 is The light is transmitted and emitted as the second transmission diffracted light L 43 from the opposite surface of the optical element 10.
  • the left-handed circularly polarized light P L is emitted is converted into right circularly polarized light P R in the optically anisotropic layer 14.
  • the traveling directions of the first transmission diffracted light L 42 and the second transmission diffracted light L 43 are substantially linearly symmetric with respect to the normal.
  • the optical element 10 can be configured to include the alignment film 13 on the support 12 and the optically anisotropic layer 14 on the alignment film 13.
  • the 180 ° rotation period in the optically anisotropic layer does not have to be uniform over the entire surface.
  • the incident light is perpendicularly incident on the optically anisotropic layer
  • the effect of transmission diffraction can be similarly obtained when the incident light is oblique.
  • the incidence angle theta 1 may be the rotation period of the design so as to obtain a desired diffraction angle theta 2.
  • a liquid crystal alignment pattern in which an optical axis parallel to the surface is rotationally changed in one in-plane direction at a constant 180 ° rotation period.
  • the emission direction is determined in one direction.
  • the rotation direction of the optical axis is not limited to one direction, but may be two directions or a plurality of directions.
  • FIG. 7 is a schematic plan view of the optically anisotropic layer 34 in a modified example of the design of the optical element.
  • the liquid crystal alignment pattern in the optically anisotropic layer 34 is different from the liquid crystal alignment pattern in the optically anisotropic layer 14 of the above embodiment.
  • FIG. 7 only the optical axis 22 is shown.
  • the incident light changes its absolute phase by different amounts between local regions where the directions of the optical axis 22 are different.
  • liquid crystal alignment pattern in which the optical axis is rotated and changes radially as shown in FIG. 7 it can be reflected as diverging light or focusing light. That is, the liquid crystal alignment pattern in the optically anisotropic layer 14 can realize the function as a concave lens or a convex lens.
  • FIG. 8 is a schematic side view showing the configuration of the optical element 110 according to the second embodiment of the present invention.
  • the schematic plan view of the liquid crystal alignment pattern in the plane of the optically anisotropic layer of the optical element of the second embodiment is the same as that of the first embodiment shown in FIG.
  • the optical element 110 of the second embodiment includes an optically anisotropic layer 114.
  • the optical element 110 of the present embodiment may also have a configuration in which the optically anisotropic layer is formed on the alignment film formed on the support.
  • the optical element 110 differs from the optically anisotropic layer 14 of the first embodiment in the liquid crystal alignment pattern in the thickness direction of the optically anisotropic layer 114. It differs from the optically anisotropic layer 14 in that the discotic liquid crystal compound 20 is cholesterically aligned in the thickness direction.
  • the optically anisotropic layer 114 has a function of selectively reflecting only light of a predetermined selected wavelength range of specific circularly polarized light (right circularly polarized light or left circularly polarized light). Center wavelength of selectively reflected light is determined by the cholesteric spiral pitch and thickness d 2, will either reflect left or right circularly polarized light is determined by the rotation direction of the spiral.
  • the change in the in-plane direction of the optical axis 22 in the present optical element 110 is equivalent to that of the optical element 10 of the first embodiment shown in FIG. Therefore, like the optical element 10 according to the first embodiment, the optical element 110 produces an effect of changing the absolute phase of incident light and bending it obliquely.
  • the optical element 110 since a cholesteric phase is provided in the thickness direction, light of a selected wavelength range of specific circularly polarized light is selectively reflected among light incident on the optically anisotropic layer.
  • the optically anisotropic layer 114 it is assumed that the cholesteric phase is designed to reflect right circularly polarized light having a predetermined center wavelength.
  • the optically anisotropic layer 114 functions as a reflective diffraction grating for the light 51 . Note that light outside the predetermined wavelength range and left circularly polarized light pass through the optically anisotropic layer 114.
  • optical element 110 of the present embodiment compared to the case where a liquid crystal alignment pattern having a cholesteric phase in the horizontal rotational alignment and thickness direction is formed by a rod-like liquid crystal compound. And the diffraction efficiency can be improved.
  • a plurality of optically anisotropic layers of cholesteric phase in different selected wavelength regions may be provided in combination.
  • FIG. 10 is a schematic side view showing the configuration of the optical element 210 according to the third embodiment of the present invention.
  • the optical element 210 of the third embodiment includes the optically anisotropic layer 214.
  • the optical element 210 of the present embodiment may also have a configuration in which an optically anisotropic layer is formed on the alignment film formed on the support.
  • the liquid crystal alignment pattern in the plane of the optically anisotropic layer 214 of the optical element 210 of the third embodiment is substantially the same as that of the optically anisotropic layer 14 of the first embodiment, and a schematic plan view is shown in FIG. It is the same as that of the first embodiment shown in FIG.
  • the optical element 210 differs from the optically anisotropic layer 14 of the first embodiment in the liquid crystal alignment pattern in the thickness direction of the optically anisotropic layer 214.
  • the optically anisotropic layer 214 differs from the optically anisotropic layer 14 in that the discotic liquid crystal compound 20 is twisted and oriented according to the first twisting property in the thickness direction.
  • “The discotic liquid crystal compound 20 is twisted in the thickness direction” means the direction of the optical axis of the plurality of disc liquid crystal compounds 20 arranged in the thickness direction from one surface to the other surface of the optically anisotropic layer 214. Is relatively changed and twisted in one direction. Twistability includes right twistability and left twistability, and may be applied according to the polarization of light to be diffracted.
  • the optical element 110 is cholesterically oriented in the thickness direction, and is a reflective diffraction grating that selectively reflects only light of a specific selected wavelength range of specific circularly polarized light.
  • the cholesteric alignment is a helical alignment in which the discotic liquid crystal compound 20 is rotated in the thickness direction, and the discotic liquid crystal compound 20 is rotated by one or more rotations in the thickness direction.
  • the twist of the disk liquid crystal compound in the thickness direction is less than one rotation, that is, the twist angle is less than 360 °. For example, in the example of FIG.
  • the optical axis of the discotic liquid crystal compound 20 rotates approximately 60 ° from one surface side to the other surface side.
  • the twist angle of the discotic liquid crystal compound 20 in the thickness direction is preferably about 45 ° to 90 °.
  • specific circularly polarized light in a specific wavelength range is reflected, but in the case of the twisted alignment, no reflectivity occurs.
  • the discotic liquid crystal compound 20 is oriented in the thickness direction so as to be left twisted from the bottom to the top in the drawing, that is, from the light incident side to the light emission side. There is. Since the discotic liquid crystal compound 20 is horizontally rotationally aligned in the plane and is left twist oriented in the thickness direction, the optical axis of the discotic liquid crystal compound 20 has the same direction in the direction indicated by the dashed arrow in FIG. It has an orientation pattern in which regions exist.
  • the retardation R is preferably 0.4 ⁇ to 0.6 ⁇ , more preferably 0.45 ⁇ to 0.55 ⁇ , and particularly preferably 0.5 ⁇ . That is, as in the case of the optically anisotropic layer 14 of the first embodiment, it functions as a ⁇ / 2 plate.
  • the optical element 210 in which the twist of the discotic liquid crystal compound in the thickness direction is less than one rotation functions as a transmissive diffraction grating, as in the optical element 10 of the first embodiment. That is, the optical element 210 causes light incident from one surface to be bent obliquely and to be emitted as diffracted light from the other surface.
  • the incident light L 71 is a discotic liquid crystal compound. It is bent in one direction by the action of the horizontal rotational orientation, also, by the action of lambda / 2 plate, the light L 72 that is left circular polarized P L is emitted from the other surface.
  • the incident light L 71 bent in the oblique direction is absolutely It passes through the place where the amount of change of phase differs.
  • the incident light L 71 passes through a portion where the amount of change is different from the amount of change of the initial absolute phase, and hence a shift occurs in the light traveling direction, resulting in diffraction loss.
  • the present optically anisotropic layer 214 there is a region in which the direction of the optical axis of the discotic liquid crystal compound is equal to the direction shown by the broken line arrow. Then, by the presence of the region in which the direction of the optical axis is equal to the traveling direction of the bent incident light L 71 , the diffraction loss can be reduced, and the diffraction efficiency can be further enhanced.
  • the traveling direction of the bent incident light L 71 coincides with the direction indicated by the broken line arrow.
  • the directions of the two do not have to be completely coincident. If the direction in which the regions of the same absolute phase exist has a tilt from the thickness direction and is closer to the traveling direction of the light bent than the thickness direction, the effect of improving the diffraction efficiency is achieved.
  • the right circularly polarized light P R of the incident light L 81 receives a bending force by the liquid crystal alignment pattern and travels The direction changes, and the light passes through the optically anisotropic layer 214 and is emitted as the first transmission diffracted light L 82 . At this time, it is converted in the optical anisotropic layer 214 to the left circularly polarized light P L.
  • left circularly polarized light P L of the incident light L 81 has a horizontal rotational orientation in the plane direction by the orientation twisted in the thickness direction, the bending force is canceled, the left circularly polarized light P L, discotic liquid It goes straight and is emitted as an emitted light L 83 without being affected by the alignment pattern of the compound.
  • the optically anisotropic layer does not occur the effect of lambda / 2, as it is emitted as a left circularly polarized light P L. That is, the optical element 210 acts as a diffraction grating and a ⁇ / 2 plate only on the right circularly polarized light P R.
  • FIG. 12 is a schematic side view showing the configuration of the optical element 220 according to the fourth embodiment of the present invention.
  • the optical element 220 according to the fourth embodiment includes a first optically anisotropic layer 224, which is a cured layer of a liquid crystal composition containing a first discotic liquid crystal compound, and a liquid crystal composition containing a second discotic liquid crystal compound. And a second optically anisotropic layer 225 which is a hardened layer of the object.
  • the optical axis of the first discotic liquid crystal compound 20 is parallel to the plane of the first optically anisotropic layer 224, and the first optically anisotropic layer is formed. It is a liquid crystal alignment pattern arranged along at least one direction in the plane of 224, and has a liquid crystal alignment pattern in which the direction of the optical axis of the first discotic liquid crystal compound 20 is continuously rotated. The direction of the optical axis is rotated 180 ° in a cycle of 0.5 ⁇ m to 5 ⁇ m. Then, in the first optically anisotropic layer 224, the first discotic liquid crystal compound 20 is twisted and oriented according to the first twisting property in the thickness direction.
  • the optical axis of the second discotic liquid crystal compound 21 is parallel to the surface of the second optically anisotropic layer 225, and the second optically anisotropic layer is formed. It is a liquid crystal alignment pattern arranged along at least one direction in the plane 225, and has a liquid crystal alignment pattern in which the direction of the optical axis of the second discotic liquid crystal compound 21 is continuously rotated. The direction of the optical axis is rotated 180 ° in a cycle of 0.5 ⁇ m to 5 ⁇ m. Then, in the second optically anisotropic layer 225, the second discotic liquid crystal compound 21 is twisted and oriented in the thickness direction in accordance with the second twisting property. The second twisting property of the second optically anisotropic layer 225 is opposite to the first twisting property of the first optically anisotropic layer 224.
  • the optical element 220 includes an optically anisotropic layer 226 formed by laminating a first optically anisotropic layer 224 and a second optically anisotropic layer 225.
  • the retardation R in the plane with respect to the first wavelength lambda 1 of the light may be 0.36 ⁇ 1 ⁇ 0.64 ⁇ 1.
  • the retardation R is preferably 0.4 ⁇ 1 ⁇ 0.6 ⁇ 1 surface, more preferably 0.45 ⁇ 1 ⁇ 0.55 ⁇ 1, particularly preferably 0.5 [lambda 1.
  • ⁇ n 4 is the birefringence of the first optically anisotropic layer 224
  • d 4 is the thickness of the first optically anisotropic layer 224.
  • the retardation R is preferably 0.4 ⁇ 2 ⁇ 0.6 ⁇ 2 surface, more preferably 0.45 ⁇ 2 ⁇ 0.55 ⁇ 2, and particularly preferably 0.5 [lambda 2.
  • ⁇ n 5 is the birefringence of the second optically anisotropic layer 225
  • d 5 is the thickness of the second optically anisotropic layer 225.
  • the first wavelength lambda 1 and the second wavelength lambda 2 may be different or may be the same. In this example, they are identical and function as ⁇ / 2 plates. In this case, the first optically anisotropic layer 224 and the second optically anisotropic layer 225 each act on the same wavelength ⁇ as a polarization diffraction grating alone.
  • the first optically anisotropic layer 224 functions as a diffraction grating and functions as a ⁇ / 2 plate for incident light that is right circularly polarized light P R. On the other hand, with respect to the incident light is left circularly polarized light P L, it does not function as a diffraction grating and lambda / 2 plate.
  • the second optically anisotropic layer 225 has a twisting property opposite to that of the first optically anisotropic layer 224 in the thickness direction, and here, the discotic liquid crystal compound 20 is twisted rightward in the thickness direction. It has an oriented orientation pattern. Therefore, the second optically anisotropic layer 225 functions as a diffraction grating for incident light that is left circularly polarized light P L and functions as a ⁇ / 2 plate. On the other hand, for incident light that is right circularly polarized light P R , it does not function as a diffraction grating and ⁇ / 2 plate.
  • the optically anisotropic layer 226 is a lamination of the first optically anisotropic layer 224 and the second optically anisotropic layer 225, and has the characteristics of both.
  • the first optically anisotropic layer 224 is applied
  • the second optically anisotropic layer 225 is applied. Therefore, incident light of right circularly polarized light P R vertically incident from one surface of the optically anisotropic layer 226 is diffracted obliquely right and emitted as left circularly polarized light P L from the other surface. Incident light that is left circular polarized P L which is perpendicularly incident from one surface of the optically anisotropic layer 226 is emitted as the right circularly polarized light P R is diffracted to the left diagonally.
  • the incident light L 91 of random polarization is made incident perpendicularly to one surface of the optically anisotropic layer 226.
  • the right circularly polarized light P R component of the incident light L 91 passes through the second optically anisotropic layer 225 and then receives a bending force in the first optically anisotropic layer 224 to travel in the traveling direction Is changed and emitted from the other surface of the optically anisotropic layer 226 as a first transmitted diffracted light L 92 .
  • Right circularly polarized light P R component of the incident light L 91 is emitted is converted into left-handed circularly polarized light P L passes through the first optically anisotropic layer 224.
  • left circularly polarized light P L component of the incident light L 91 from the second optically anisotropic layer 225 in a state where the traveling direction by receiving the bending forces in the second optically anisotropic layer 225 was varied The light is emitted, passes through the first optically anisotropic layer 224 while maintaining its diffraction state, and is emitted as the second transmission diffracted light L 93 from the other surface of the optically anisotropic layer 226.
  • the left circularly polarized light P L component of the incident light L 91 is converted into right circularly polarized light P R by the second optically anisotropic layer 225, and the first optically anisotropic layer 224 is maintained while maintaining that state. It is emitted after passing through.
  • the first optically anisotropic layer 224 and the second optically anisotropic layer 225 have the same configuration except that the twisting properties in the thickness direction are opposite to each other.
  • the traveling directions of the transmitted diffracted light L 92 and the second transmitted diffracted light L 93 are substantially line symmetric with respect to the normal.
  • the first discotic liquid crystal compound and the second disc are used.
  • the liquid crystal compound may be the same as or different from the liquid crystal compound.
  • the period of 180 ° rotation of the horizontal rotational alignment of the first discotic liquid crystal compound in the first optically anisotropic layer 224 and the horizontality of the second discotic liquid crystal compound in the second optically anisotropic layer 225 The period of the 180 ° rotation of the rotational orientation may be the same or different.
  • the wavelength of the incident light which can be diffracted can be broadened by laminating
  • the wide band can be realized also by forming the optical anisotropic layer by using a liquid crystal material whose birefringence is reverse dispersion. Can. Therefore, it is preferable that the optically anisotropic layer be configured using a liquid crystal material whose birefringence is reversely dispersed. In addition, it is also preferable to make the optically anisotropic layer substantially broadband with respect to the wavelength of incident light by laminating different retardation layers.
  • a liquid crystal composition containing a discotic liquid crystal compound for forming an optically anisotropic layer includes, in addition to the discotic liquid crystal compound, other components such as a leveling agent, an alignment control agent, a polymerization initiator and an alignment aid. You may contain.
  • discotic liquid crystal compound for example, those described in JP-A-2007-108732 and JP-A-2010-244038 can be preferably used.
  • a chiral agent is added to form the optically anisotropic layer of the second embodiment.
  • the chiral agent is also added to the optically anisotropic layer of the third or fourth embodiment, that is, in the case of forming a twisted orientation in the thickness direction.
  • the chiral agent has the function of inducing the helical structure of the cholesteric liquid crystal phase.
  • the chiral agent may be selected according to the purpose because the helical direction or helical pitch induced by the compound is different.
  • the chiral agent is not particularly limited, and known compounds (for example, Liquid Crystal Device Handbook, Chapter 3 4-3, TN (twisted nematic), STN (Super Twisted Nematic) chiral agent, page 199, Japan Science Promotion) 142, Committee, Ed. 1989), isosorbide, and isomannide derivatives etc. can be used.
  • the chiral agent generally contains an asymmetric carbon atom, but an axial asymmetric compound or a planar asymmetric compound not containing an asymmetric carbon atom can also be used as the chiral agent.
  • Examples of axial asymmetric compounds or planar asymmetric compounds include binaphthyl, helicene, paracyclophane and their derivatives.
  • the chiral agent may have a polymerizable group. When both the chiral agent and the liquid crystal compound have a polymerizable group, they are derived from the repeating unit derived from the polymerizable liquid crystal compound and the chiral agent by the polymerization reaction of the polymerizable chiral agent and the polymerizable liquid crystal compound. Polymers having repeating units can be formed.
  • the polymerizable group contained in the polymerizable chiral agent is preferably the same group as the polymerizable group contained in the polymerizable liquid crystal compound.
  • the polymerizable group of the chiral agent is also preferably an unsaturated polymerizable group, an epoxy group or an aziridinyl group, more preferably an unsaturated polymerizable group, and an ethylenically unsaturated polymerizable group. More preferable.
  • the chiral agent may be a liquid crystal compound.
  • the chiral agent has a photoisomerizable group
  • a photoisomerization group the isomerization site
  • JP-A-2002-179682 JP-A-2002-338575, JP-A-2002-338668, JP-A-2003-313189, and JP-A-2003-331292 and the like Can be used.
  • organic solvent As a solvent for the liquid crystal composition, an organic solvent is preferably used.
  • organic solvents include amides (eg, N, N-dimethylformamide), sulfoxides (eg, dimethyl sulfoxide), heterocyclic compounds (eg, pyridine), hydrocarbons (eg, benzene, hexane), alkyl halides (eg, Chloroform, dichloromethane), esters (eg, methyl acetate, butyl acetate), ketones (eg, acetone, methyl ethyl ketone, cyclohexanone), ethers (eg, tetrahydrofuran, 1,2-dimethoxyethane). Alkyl halides and ketones are preferred. Two or more organic solvents may be used in combination.
  • a transparent support is preferable, and a polyacrylic resin film such as polymethyl methacrylate, a cellulose resin film such as cellulose triacetate, and a cycloolefin polymer film [for example, trade name “Arton”, manufactured by JSR Corporation, Trade name “Zeonor”, manufactured by Nippon Zeon Co., Ltd.] and the like can be mentioned.
  • the support is not limited to a flexible film, and may be a non-flexible substrate such as a glass substrate.
  • an alignment film for forming an optically anisotropic layer for example, a rubbed film made of an organic compound such as a polymer, an oblique deposition film of an inorganic compound, a film having microgrooves, or ⁇ -trichosanic acid or dioctadecylmethylammonium Examples thereof include films obtained by accumulating LB films by Langmuir-Blodgett method of organic compounds such as chloride and methyl stearylate.
  • the alignment film is preferably formed by rubbing the surface of the polymer layer. The rubbing treatment is carried out by rubbing the surface of the polymer layer with paper or cloth several times in a certain direction.
  • the alignment film is polyimide, polyvinyl alcohol, polymers having a polymerizable group described in JP-A-9-152509, JP-A-2005-97377, JP-A-2005-99228, and The orthogonal alignment film described in JP-A-2005-128503 can preferably be used.
  • the orthogonal alignment film means an alignment film in which the major axes of the molecules of the polymerizable rod-like liquid crystal compound are aligned substantially orthogonal to the rubbing direction of the orthogonal alignment film.
  • the thickness of the alignment film is not required to be thick as long as it can provide an alignment function, and is preferably 0.01 to 5 ⁇ m, and more preferably 0.05 to 2 ⁇ m.
  • a so-called photo alignment film which is an alignment film by irradiating a light alignment material with polarized light or non-polarized light, can also be used. That is, a light distribution material may be coated on a support to produce a photoalignment film. The irradiation of polarized light can be performed from the perpendicular direction or an oblique direction to the photo alignment film, and the irradiation of non-polarized light can be performed from an oblique direction to the photo alignment film.
  • Unexamined-Japanese-Patent No. 2006-285197, 2007-76839, 2007-138138, 2007 can be mentioned, for example. -94071, JP 2007-217217, JP 2007-140465, JP 2007-156439, JP 2007-133184, JP 2009-109831, JP 3883848, Japanese Patent No. 4151746 Azo compound, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-229039, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-265541, Japanese Patent Application Laid-Open No.
  • FIG. 1 A schematic view of an alignment film exposure apparatus is shown in FIG.
  • the exposure apparatus 50 is disposed on the light path of the light source 54 provided with the semiconductor laser 52, the beam splitter 56 for splitting the laser beam 70 from the semiconductor laser 52 into two, and the two separated light beams 72A and 72B.
  • the ⁇ / 4 plates 60A and 60B have optical axes orthogonal to each other, and the ⁇ / 4 plate 60A converts the linearly polarized light P 0 into a right circularly polarized light P R , and the ⁇ / 4 plate 60 B converts the linearly polarized light P 0 into a left circle. converting the polarization P L.
  • a support 80 provided with an alignment film 82 is disposed in the exposure portion, and two light beams 72A and 72B are made to intersect and interfere on the alignment film 82, and the interference light is irradiated to the alignment film 82 for exposure.
  • the interference at this time causes the polarization state of the light irradiated to the alignment film 82 to periodically change in the form of interference fringes. Thereby, an orientation pattern in which the orientation state changes periodically is obtained.
  • the period of the alignment pattern can be changed by changing the crossing angle ⁇ of the two lights 72A and 72B. Forming an optically anisotropic layer provided with a liquid crystal alignment pattern according to this period by forming an optical anisotropic layer described later on an alignment film having an alignment pattern in which the alignment state changes periodically it can.
  • the optically anisotropic layer can be formed by applying a liquid crystal composition in multiple layers on the alignment film.
  • a liquid crystal composition is coated on an alignment film, heated, cooled, and then cured by ultraviolet light to produce a first liquid crystal fixing layer, and then the liquid crystal is fixed in the second and subsequent layers. It is to repeat the process of ultraviolet curing after repeated application and coating in the same manner as above.
  • the same formation method can be adopted except that the liquid crystal composition is different between the optically anisotropic layer of the first embodiment and the optically anisotropic layer of the second embodiment.
  • FIG. 14 is a view showing the main configuration of a head mounted display 90 which is an example of the optical device.
  • the head mount display 90 includes a liquid crystal display device 92 which is an aspect of a light source, and a light guide member 94 for guiding light output from the liquid crystal display device 92.
  • a part of the member 94 is provided with optical elements 110A and 110B which function as reflective diffraction gratings as the optical element of the second embodiment of the present invention.
  • the liquid crystal display device 92 and the light guide member 94 are arranged such that the light from the liquid crystal display device 92 is perpendicularly incident on the light guide member 94, and the light that the optical element 110 A enters the light guide member 94 Are vertically incident on the surface of the optical element 110A.
  • the optical element 110 ⁇ / b> B is disposed at a position where the light totally reflected in the light guide member 94 and guided is incident.
  • the optical element 110A includes an optically anisotropic layer 114A on a support 112A, and is configured to obliquely reflect a specific circularly polarized light of a predetermined center wavelength vertically incident on the optically anisotropic layer 114A.
  • the optical element 110B includes an optically anisotropic layer 114B on a support 112B, and is configured to vertically reflect a specific circularly polarized light of a predetermined center wavelength obliquely incident on the optically anisotropic layer 114B. There is.
  • the reflection direction of incident light can be set to a desired direction, and there is no need to separately provide a reflection element and an element for changing an optical path. Can be implemented.
  • the optical element of the present invention is not limited to the application to the head mounted display 90 as described above, and is also applicable to an AR projector as a light reflecting element that reflects light in a direction different from the incident angle. Further, the present invention can be applied to a micromirror for condensing or diverging light, or a microlens as a sensor condensing mirror, a reflective screen for diffusing light, or the like.
  • Examples of the optical element of the present invention and comparative examples will be described below. First, Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3 of the optical element according to the first embodiment which functions as a transmission type diffraction grating will be described.
  • Examples 1 to 3 An alignment layer is formed on a support, and an optical anisotropic layer A-1 composed of a cured layer of a liquid crystal composition D1 containing a discotic liquid crystal compound is formed on the alignment layer to obtain the optical elements of Examples 1 to 3.
  • the optically anisotropic layer A-1 was a liquid crystal alignment pattern in which the discotic liquid crystal compound was horizontally rotated and aligned. In Examples 1 to 3, the rotation period p of the liquid crystal alignment pattern in the optically anisotropic layer is different from each other.
  • the support was passed through a dielectric heating roll at a temperature of 60.degree. C. to raise the surface temperature of the support to 40.degree. Thereafter, an alkaline solution shown below is coated at a coating amount of 14 mL / m 2 on one side of the support using a bar coater, the support is heated to 110 ° C., and the steam type manufactured by Noritake Co., Ltd. It carried under the far-infrared heater for 10 seconds. Subsequently, 3 mL / m 2 of pure water was applied onto the surface of the support using the same bar coater. Subsequently, after water washing with a fountain coater and water drainage with an air knife were repeated three times, the drying zone at 70 ° C. was conveyed for 10 seconds to dry the support to obtain an alkali saponified support.
  • undercoat layer-forming coating solution was continuously coated on the alkali saponified support with a # 8 wire bar.
  • the coated substrate was dried with warm air of 60 ° C. for 60 seconds, and further with warm air of 100 ° C. for 120 seconds to form a subbing layer.
  • the alignment film was exposed using the exposure apparatus 50 shown in FIG.
  • a semiconductor laser 52 that emits laser light of a wavelength (405 nm) was used.
  • the exposure amount by the interference light was 100 mJ / cm 2 .
  • the 180 ° rotation period of the pattern formed by the interference of the two laser beams was controlled by changing the crossing angle ⁇ of the two beams.
  • liquid crystal composition D1 (Formation of Optically Anisotropic Layer A-1) First, the following liquid crystal composition D1 was prepared. ⁇ Liquid crystal composition D1> ⁇ Disc-like liquid crystal compound L-2 80.00 parts by mass Disc-like liquid crystal compound L-3 20.00 parts by mass Polymerization initiator (manufactured by BASF, Irgacure (registered trademark) 907) 5.00 parts by mass Megafuck F 444 (manufactured by DIC) 0.50 parts by mass methyl ethyl ketone 300.00 parts by mass--------------------------------- ⁇
  • the complex refractive index ⁇ n of the cured layer of the liquid crystal composition D1 was 0.15.
  • the complex refractive index ⁇ n is coated on a separately prepared support with an alignment film for retardation measurement, and the liquid crystal composition D1 is oriented so that the director of the discotic liquid crystal compound is horizontal to the substrate and then irradiated with ultraviolet light.
  • the retardation value and the film thickness of the liquid crystal fixing layer (hardened layer) obtained by fixation were determined by measurement. ⁇ n can be calculated by dividing the retardation value by the film thickness.
  • the retardation value was measured at a wavelength of 550 nm with an Axoscan from Axometrix, and the film thickness was measured using a scanning electron microscope (SEM).
  • the optically anisotropic layer A-1 was formed by applying the liquid crystal composition D1 in multiple layers on the alignment film P-1.
  • the multi-layer coating first, the first liquid crystal composition D1 is coated on the alignment film, heated and cooled, and then ultraviolet curing is performed to prepare a liquid crystal fixing layer, and then the liquid crystal fixing layer is used for the second and subsequent layers. It is meant that the coating is repeated, the coating is repeated, and the ultraviolet curing is similarly repeated after heating and cooling.
  • the alignment direction of the alignment film is reflected from the lower surface to the upper surface of the liquid crystal layer even when the total thickness of the liquid crystal layer is increased.
  • a coating obtained by applying the following liquid crystal composition D1 on the alignment film P-1 is heated to 110 ° C. on a hot plate and then cooled to 60 ° C., and then a high pressure mercury lamp under nitrogen atmosphere
  • the alignment of the liquid crystal compound was fixed by irradiating the coating film with an ultraviolet ray with a wavelength of 365 nm at an irradiation amount of 100 mJ / cm 2 using.
  • the film thickness of the liquid crystal layer (liquid crystal fixing layer of one layer) fixed at this time was 0.2 ⁇ m.
  • Comparative Examples 1 to 3 For Examples 1 to 3, an optical element was provided with an optically anisotropic layer A-2 made of a cured layer of a liquid crystal composition E1 containing a rod-like liquid crystal compound instead of the discotic liquid crystal compound. That is, in the optical elements of Comparative Examples 1 to 3, the optically anisotropic layer was a liquid crystal alignment pattern in which the rod-like liquid crystal was horizontally rotated and aligned.
  • a liquid crystal composition E1 having the following composition was prepared.
  • the complex refractive index ⁇ n of the cured layer of the liquid crystal composition E1 was 0.15.
  • the complex refractive index ⁇ n was determined by the same method as in the case of the liquid crystal composition D1.
  • the coating film obtained by applying the liquid crystal composition E1 on the alignment film P-1 is heated to 110 ° C. on a hot plate, and then cooled to 60 ° C., and then a high pressure mercury lamp is used under a nitrogen atmosphere.
  • the alignment of the liquid crystal compound was fixed by irradiating the coating film with ultraviolet light having a wavelength of 365 nm at an irradiation amount of 100 mJ / cm 2 .
  • the film thickness of the liquid crystal layer (liquid crystal fixing layer of one layer) fixed at this time was 0.2 ⁇ m.
  • the optical element 10S of the embodiment and the comparative example includes the optically anisotropic layer 14S on the alignment film 13S provided on the surface of the support 12S.
  • a second support 18 having a refractive index substantially the same as that of the support 12S is adhered to the other surface opposite to the surface on the alignment film 13S side, which is one surface of the optically anisotropic layer 14S, and a measurement sample And And the light L of the right circularly polarized light P R and the semiconductor laser light having a wavelength of 550nm emitted from the semiconductor laser 30 is transmitted through the linear polarizer 31 and lambda / 4 plate 32,.
  • the light L vertically incident on the support 12S By making the light L vertically incident on the support 12S, the light L vertically incident on one surface of the optically anisotropic layer 14S.
  • diffracted light L t of the diffraction angle theta 2 is output from the other surface of the optically anisotropic layer 14S by the diffraction effect of the optically anisotropic layer 14S.
  • the diffracted light Lt travels through the second support 18 connected to the other surface of the optically anisotropic layer 14S, and is emitted from the surface of the sample to the atmosphere.
  • the light intensity of the emitted light L t1 was measured by the light detector 35.
  • the reflected light L t2 diffracted light Lt reflected and emitted light L t1 emitted at the emission angle theta 22 is bent inside the second support 18 because of the refractive index difference It occurs.
  • the light intensity detected by the photodetector 35, the light intensity of the light L t2 which is internally reflected from the Fresnel law determined to calculate the light intensity of the diffracted light L t. Then, taking the ratio between the light intensity of the light intensity and the light L of the diffracted light L t, it was determined relative light intensity values for the incident light of the diffracted light L t.
  • Table 1 summarizes the structures and the evaluation results of the optical elements of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3.
  • Examples 11 to 13 An alignment layer is formed on a support, and an optical anisotropic layer A-3 composed of a cured layer of a liquid crystal composition D2 containing a discotic liquid crystal compound is formed on the alignment layer to obtain an optical element of Examples 11 to 13.
  • the optically anisotropic layer was a liquid crystal alignment pattern in which a discotic liquid crystal compound is horizontally rotationally aligned and has a cholesteric phase in the thickness direction. In Examples 11 to 13, the rotation period p of the liquid crystal alignment pattern in the optically anisotropic layer is different from each other.
  • Examples 1 to 3 were the same as Examples 1 to 3, except that the liquid crystal composition D1 was changed to the liquid crystal composition D2 to form an optically anisotropic layer having a liquid crystal alignment pattern having a cholesteric phase. Eleven to thirteen optical elements were produced. It confirmed that it was a liquid crystal orientation pattern which has a cholesteric phase from cross-sectional SEM of an optical element, and confirmed that it was based on the orientation of a discotic liquid crystal compound by the measurement by Axoscan of Axometrix.
  • Disc-like liquid crystal compound L-2 80.00 parts by mass Disc-like liquid crystal compound L-3 20.00 parts by mass Polymerization initiator (manufactured by BASF, Irgacure (registered trademark) 907) 5.00 parts by mass Chiral agent Ch-2 3.79 parts by mass Megafac F 444 (manufactured by DIC) 0.50 parts by mass methyl ethyl ketone 255.00 parts by mass------------------ ⁇
  • the optically anisotropic layer A-3 was formed by applying the liquid crystal composition D2 in multiple layers on the alignment film P-1.
  • a coating film obtained by applying the following liquid crystal composition D2 on the alignment film P-1 is heated to 95 ° C. on a hot plate and then cooled to 25 ° C.
  • the alignment of the liquid crystal compound was fixed by irradiating the coating film with an ultraviolet ray with a wavelength of 365 nm at an irradiation amount of 100 mJ / cm 2 using.
  • the film thickness of the liquid crystal layer (liquid crystal fixing layer of one layer) fixed at this time was 0.2 ⁇ m.
  • the liquid crystal fixing layer formed in the second and subsequent layers was formed by overlapping the liquid crystal fixing layer formed previously with the liquid crystal composition D2, heating and cooling under the same conditions as above, and then performing ultraviolet curing. In this manner, repeated application was repeated until the total thickness reached the desired thickness, to obtain an optically anisotropic layer A-3. Moreover, it confirmed that it was a periodic orientation surface with a polarization microscope and SEM.
  • optically anisotropic layer A-4 made of a cured layer of a liquid crystal composition E2 containing a rod-like liquid crystal compound instead of the discotic liquid crystal compound. That is, in the optical elements of Comparative Examples 11 to 13, the optically anisotropic layer is a liquid crystal alignment pattern in which the rod-like liquid crystal compound is horizontally rotationally aligned and has a cholesteric phase in the thickness direction.
  • optically anisotropic layer A-4 The optically anisotropic layer was formed by multilayer coating of the liquid crystal composition E2 on the alignment film P-1 instead of using the liquid crystal composition D2 in Example 11.
  • a coating obtained by applying the following liquid crystal composition E2 on the alignment film P-1 is heated to 95 ° C. on a hot plate and then cooled to 25 ° C., and then a high pressure mercury lamp under a nitrogen atmosphere.
  • the alignment of the liquid crystal compound was fixed by irradiating the coating film with an ultraviolet ray with a wavelength of 365 nm at an irradiation amount of 100 mJ / cm 2 using.
  • the film thickness of the liquid crystal layer (liquid crystal fixing layer of one layer) fixed at this time was 0.2 ⁇ m.
  • the liquid crystal fixing layer formed in the second and subsequent layers was formed by overlapping the liquid crystal fixing layer previously formed with the liquid crystal composition E2, heating and cooling under the same conditions as above, and then performing ultraviolet curing. In this manner, repeated application was repeated until the total thickness reached the desired thickness, to obtain an optically anisotropic layer A-4. Moreover, it confirmed that it was a periodic orientation surface with a polarization microscope and SEM.
  • the method of measuring the light intensity will be described with reference to FIG. And the light L of the right circularly polarized light P R and the semiconductor laser light having a wavelength of 550nm emitted from the semiconductor laser 30 is transmitted through the linear polarizer 31 and lambda / 4 plate 32,.
  • the light L was vertically incident on the surface of the optically anisotropic layer 114S provided on the support 112S via the alignment film 113A.
  • the diffraction effect and the selective reflection effect of the optically anisotropic layer 114S, and the light intensity of the diffracted light Lr reflected diffracted by the diffraction angle theta 2 is measured by a photodetector 35.
  • the ratio of the light intensity of the diffracted light Lr to the light intensity of the light L was taken, and the relative light intensity value for the incident light of the diffracted light Lr was determined.
  • Table 2 summarizes the configurations and the evaluation results of the optical elements of Examples 11 to 13 and Comparative Examples 11 to 13.
  • Example 21 is the same as Example 2 except that a liquid crystal composition D1 is changed to the liquid crystal composition D21 and an optically anisotropic layer having a liquid crystal alignment pattern having twistability in the thickness direction is formed.
  • Disc-like liquid crystal compound L-2 80.00 parts by mass Disc-like liquid crystal compound L-3 20.00 parts by mass Polymerization initiator (manufactured by BASF, Irgacure (registered trademark) 907) 5.00 parts by mass Megafac F 444 (manufactured by DIC) 0.50 parts by mass Chiral agent Ch-2 0.14 parts by mass methyl ethyl ketone 300.00 parts by mass--------------- ⁇
  • Example 22 The following liquid crystal composition is formed after forming a first optically anisotropic layer (first region) having a liquid crystal alignment pattern having a twisting property in the thickness direction using the same liquid crystal composition D21 as in Example 21.
  • D22 is overlapped and applied to form a second optically anisotropic layer (second region), and a first optically anisotropic layer of liquid crystal composition D21 and a second optically anisotropic layer of D22 are formed.
  • An optically anisotropic layer formed by lamination was formed.
  • the liquid crystal composition D22 is a liquid crystal composition forming a second optically anisotropic layer having a liquid crystal alignment pattern having a positive twist on the left and right with respect to the liquid crystal composition D21.
  • the optical element of Example 22 was produced.
  • Example 21 and Example 22 As the evaluation of Example 21 and Example 22, measurement of the diffraction angle and measurement of the light intensity were performed by the same method as in Examples 1 to 3. In addition, the measurement of the diffraction angle and the light intensity was performed in the case where the left circularly polarized laser light was used as the measurement light.
  • Table 3 summarizes the structures of the optical elements of Examples 21 to 22 and the evaluation results.
  • Examples 21 and 22 are each an optically anisotropic layer having a horizontal rotational alignment pattern of a discotic liquid crystal compound as in Example 2, and the horizontal rotational alignment pattern of a rod-like liquid crystal compound
  • the rate of increase in light intensity was found to be higher than that in Comparative Example 2 having. Further, in Examples 21 and 22, the light intensity increase rate with respect to Comparative Example 2 was significantly improved as compared with Example 2 in which the twist alignment pattern was not provided in the thickness direction.
  • Example 21 diffracted light is not obtained in Example 21.
  • diffracted light of -33 ° symmetrical to the right circularly polarized laser light is normal. It was obtained.
  • the intensity of the diffracted light was substantially the same in the case of right circularly polarized light and in the case of left circularly polarized light.

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Abstract

簡単な構成で高い回折効率を得ることができる光学素子を提供する。　第１の円盤状液晶化合物を含む液晶組成物の硬化層である第１の光学異方性層を備え、第１の円盤状液晶化合物の光学軸が、第１の光学異方性層の面に平行であり、かつ、第１の光学異方性層が、第１の光学異方性層の面内の少なくとも一方向に沿って配列された液晶配向パターンであって、第１の円盤状液晶化合物の光学軸の向きが、連続的に回転変化した液晶配向パターンを有し、光学軸の向きが０．５μｍ～５μｍの周期で１８０°回転している光学素子とする。

Description

光学素子
　本開示は、入射光の反射方向を制御可能な光学素子に関する。
　多くの光学デバイスあるいはシステムにおいて、偏光が利用されており、偏光の反射、集光および発散などの制御を行うための光学素子が求められている。
　特表２０１６－５１９３２７号公報には、異方性配向パターンを備えた幾何学的位相差ホログラムを用いる偏光変換システムが開示されている。
　特表２０１７－５２２６０１号公報には、棒状液晶化合物を含み光学的異方性を有する薄膜をパターニングすることによって形成される回折光学素子が開示されている。
 Kobayashi et al "Planar optics with patterned chiral liquid crystal" Nature Photonics, 2016.66(2016)においては、コレステリック液晶により反射される光の位相が螺旋構造の位相によって変化すること、螺旋構造の位相を空間的に制御することによって、反射光の波面を任意に設計できることが示されている。
　特表２０１７－５２２６０１号公報に記載されているような面内で棒状液晶化合物の配向パターンを変化させて光を回折させる素子は、仮想現実（Augmented Reality：ＡＲ）映像投影装置などの光学部材としての適用が期待される。しかしながら、回折角度が大きくなると回折効率が低下する、すなわち回折光の強度が弱くなるという問題がある。特表２０１７－５２２６０１号公報においては、液晶を多層化した複雑な層構成を用いる方法が提案されている。
　本開示は、簡単な構成で回折効率の高い回折光を得ることができる光学素子を提供することを目的とする。
　本開示の光学素子は、第１の円盤状液晶化合物を含む液晶組成物の硬化層である第１の光学異方性層を備え、
　第１の円盤状液晶化合物の光学軸が、第１の光学異方性層の面に平行であり、かつ、第１の光学異方性層が、第１の光学異方性層の面内の少なくとも一方向に沿って配列された液晶配向パターンであって、第１の円盤状液晶化合物の光学軸の向きが、連続的に回転変化した液晶配向パターンを有し、
　光学軸の向きが０．５μｍ～５μｍの周期で１８０°回転している光学素子である。
　本開示の光学素子は、波長λの光に対する第１の光学異方性層の面内リタデーションが、０．３６λ～０．６４λであってもよい。
　本開示の光学素においては、第１の光学異方性層において、その光学異方性層の厚み方向に第１の円盤状液晶化合物が第１の捩れ性に従った捩れ配向していてもよい。
子。
　本開示の光学素子において、第１の光学異方性層が第１の捩れ性に従った捩れ配向を有する場合、第２の円盤状液晶化合物を含む液晶組成物の硬化層である第２の光学異方性層であって、第２の円盤状液晶化合物の光学軸が、第２の光学異方性層の面に平行であり、かつ、第２の光学異方性層が、第２の光学異方性層の面内の少なくとも一方向に沿って配列された液晶配向パターンであって、第２の円盤状液晶化合物の光学軸の向きが、連続的に回転変化した液晶配向パターンを有し、光学軸の向きが０．５μｍ～５μｍの周期で１８０°回転している第２の光学異方性層を備え、第２の光学異方性層において、第２の光学異方性層の厚み方向に第２の円盤状液晶化合物が第２の捩れ性に従って捩れ配向しており、第１の捩れ性と第２の捩れ性とが逆向きであることが好ましい。
　本開示の光学素子において、第２の光学異方性層を備える場合、波長λの光に対する第２の光学異方性層の面内リタデーションが、０．３６λ～０．６４λであることが好ましい。
　本開示の光学素子において、第１の光学異方性層と第２の光学異方性層とを備える場合、第１の光学異方性層と第２の光学異方性層とが積層配置されていることが好ましい。
　あるいは、本開示の光学素子においては、第１の光学異方性層において第１の円盤状液晶化合物が厚み方向にコレステリック配向していてもよい。
　本開示の光学素子は、第１の円盤状液晶化合物を含む液晶組成物の硬化層である第１の光学異方性層を備え、第１の円盤状液晶化合物の光学軸が第１の光学異方性層の面に平行であり、かつ、第１の光学異方性層の面内の少なくとも一方向に沿って配列された液晶配向パターンであって、第１の円盤状液晶化合物の光学軸の向きが、連続的に回転変化した液晶配向パターンを有し、光学軸の向きの１８０°回転の周期が０．５μｍ～５μｍである。係る構成により、本開示の光学素子は、回折効率の高い回折光を得ることができる。
第１の実施形態の光学素子の光学異方性層における液晶配向パターンを示す側面模式図である。 第１の実施形態の光学素子の光学異方性層における液晶配向パターンを示す平面模式図である。 光学異方性層が回折格子として機能する原理を説明するための図である。 回折格子における回折現象を模式的に示した図である。 第１の実施形態の光学素子にランダム偏光が入射した場合の出射光を説明するための図である。 第１の実施形態の光学素子の設計変更例の積層構造を示す側面模式図である。 光学素子の他の設計変更例における水平回転配向パターンを示す平面模式図である。 第２の実施形態の光学素子の光学異方性層における液晶配向パターンを示す側面模式図である。 第２の実施形態の光学素子にランダム偏光の入射光が入射した場合の反射光および透過光を示す図である。 第３の実施形態の光学素子の光学異方性層における液晶配向パターンを示す側面模式図である。 第３の実施形態の光学素子にランダム偏光の入射光が入射した場合の出射光を示す図である。 第４の実施形態の光学素子の光学異方性層における液晶配向パターンを示す側面模式図である。 配向膜に対して干渉光を照射する露光装置の概略構成図である。 光学装置の一例であるヘッドマウントディスプレイの概略構成図である。 透過型光学素子についての光強度の測定方法を説明するための図である。 反射型光学素子についての光強度の測定方法を説明するための図である。
　以下、本発明の光学素子の実施形態について図面を参照して説明する。なお、各図面においては、視認しやすくするため、構成要素の縮尺は実際のものとは適宜異ならせてある。なお、本明細書において「～」を用いて表される数値範囲は、「～」の前後に記載される数値を下限値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する。
　図１は、第１の実施形態の光学素子１０における液晶配向パターンを示す側面模式図であり、図２は、図１に示す光学素子１０の液晶配向パターンを示す平面模式図である。なお、図においては、シート状の光学素子１０のシート面をｘ－ｙ面、厚み方向をｚ方向として定義している。
　光学素子１０は、円盤状液晶化合物を含む液晶組成物の硬化層である光学異方性層１４を備えている。光学異方性層１４においては、円盤状液晶化合物の光学軸（進相軸）が、光学異方性層の面に平行であり、かつ、光学異方性層の面内の少なくとも一方向に沿って配列された液晶パターンであって、円盤状液晶化合物の光学軸の向きが、回転変化した液晶配向パターンを有する。そして、液晶配向パターンを構成する円盤状液晶化合物の光学軸の向きが０．５μｍ～５μｍの周期で１８０°回転している。
　本実施形態の光学素子１０は、波長λの光に対する光学異方性層１４の面内リタデーションＲ（＝Δｎ・ｄ１）が、０．３６λ～０．６４λである。リタデーションＲは０．４λ～０．６λが好ましく、０．４５λ～０．５５λがより好ましく、０．５λであることが特に好ましい。Δｎは光学異方性層１４の複屈折率、ｄ１は光学異方性層１４の厚みである。例えば、５５０ｎｍの光を入射光として想定する場合には、５５０ｎｍの光に対するリタデーションＲが１９８ｎｍ～３５２ｎｍの範囲であればよく、２７５ｎｍであることが特に好ましい。このようなリタデーションＲを有するので、光学異方性層１４は、一般的なλ／２板としての機能、すなわち、入射光の直交する直線偏光成分の間に１８０°（＝π＝λ／２）の位相差を与える機能を呈する。なお、面内リタデーションは、λ／２に近いほど回折効率が向上して好ましいが、面内リタデーションは上記範囲に限定されるものではない。
　本光学素子１０は、透過型の回折格子として機能する。回折格子として機能する原理について説明する。
　図１および図２に示すように、光学異方性層１４において、円盤状液晶化合物２０が、その円盤面が光学異方性層１４の面に垂直な方向（ｚ軸方向）に立ち上がった状態で、一方向（図２中の軸Ａに沿った方向）に連続的に回転変化した液晶配向パターンで固定化されている。すなわち、円盤状液晶化合物２０の光学軸２２として定義される円盤状液晶化合物２０の短軸（異常光の軸：ダイレクタ）が、面に平行に配向されており、かつ軸Ａに沿って配列されている円盤状液晶化合物２０の光学軸２２の軸Ａとなす角度が回転変化するように円盤状液晶化合物２０が配向されている。
　光学軸２２の向きが回転変化した液晶配向パターンとは、軸Ａに沿って配置されている円盤状液晶化合物２０の光学軸２２と軸Ａとのなす角度が、軸Ａ方向の位置によって異なっており、軸Ａに沿って光学軸２２と軸Ａとのなす角度がφからφ＋１８０°あるいはφ－１８０°まで徐々に変化するように配向され固定化されたパターンである。以下において、図２に示すような、光学異方性層において、液晶の光学軸が光学異方性層の面に平行であり、かつ光学軸の向きが一定である局所領域（単位領域）が、一方向に配列されている複数の局所領域間で光学軸の向きが一方向に連続的に回転変化するように配置されているパターンを水平回転配向と称する。
　なお、連続的に回転変化するとは、図１、２に示す通り、３０°刻みなどの一定の角度の領域が隣接して０°から１８０°（＝０°）まで回転するものであってもよい。単位範囲の光学軸の向きの平均値が一定の割合で線形に変化していれば徐々に変化していることになる。ただし、軸Ａ方向に隣接して異なる傾きを有する領域の光学軸の傾きの変化は４５°以下とする。隣接する領域の傾きの変化は、より小さいことが好ましい。
　Ａ軸方向において、光学軸２２のＡ軸となす角度がφからφ＋１８０°もしくはφ－１８０°（元に戻る）まで変化する距離が１８０°回転の周期ｐ（以下において、回転周期ｐという。）である。この光学軸の向きの回転周期ｐは、既述の通り０．５μｍ～５μｍである。なお、この回転周期ｐは、光学素子への入射光の波長および所望の出射角に応じて定めればよい。
　本光学素子１０は、上記の光学異方性層１４の構成により、入射光に対してλ／２の位相差を与える共に、入射角０°で入射した、すなわち垂直入射した入射光を出射角θ２で出射させる。すなわち、図１に示すように、光学異方性層１４の面に垂直に（面の法線に沿って）右円偏光ＰＲの光Ｌ１（以下において、入射光Ｌ１という。）を入射させると、法線方向と角度θ２をなす方向に左円偏光ＰＬの光Ｌ２（以下において、出射光Ｌ２という。）が出射される。光学素子１０は、所定の波長の光を入射させる場合、光学異方性層１４における回転周期ｐが小さいほど、出射光Ｌ２の出射角θ２が大きくなる。
　図３は、光学素子１０に垂直入射した入射光Ｌ１が、所定の出射角θ２で出射される原理を模式的に示す図である。以下、図３を参照して説明する。
　まず、入射光Ｌ１として、波長λの右円偏光ＰＲを用いた場合について説明する。
　右円偏光ＰＲである入射光Ｌ１は、光学異方性層１４を通過することにより、λ／２の位相差が与えられて左円偏光ＰＬに変換される。また光学異方性層１４中において、入射光Ｌ１は、面内の個々の領域における円盤状液晶化合物２０の光学軸２２により絶対位相が変化する。ここで、円盤状液晶化合物２０の光学軸２２の向きがＡ軸方向（本例ではｘ軸方向）に回転して変化しているため、入射光が入射する光学異方性層１４の面（ｘ－ｙ面）のｘ座標における円盤状液晶化合物２０の光学軸２２の向きに応じて絶対位相の変化量が異なる。図３中の破線で示す領域には、その絶対位相の変化量がｘ座標によって異なる様子を模式的に示している。図３に示すように光学異方性層１４を通過する際の絶対位相のずれにより、光学異方性層の面に対して角度を有する絶対位相の等位相面２４が形成される。これによって、法線方向から入射した入射光Ｌ１に対して、等位相面２４に垂直な方向に屈曲力が与えられ、入射光Ｌ１の進行方向が変化する。すなわち、右円偏光ＰＲである入射光Ｌ１は、光学異方性層１４を通過した後には左円偏光ＰＬとなり、かつ、法線方向と所定の角度θ２をなす方向に進行する出射光Ｌ２として光学異方性層１４から出射される。
　以上のようにして、光学素子１０においては、光学素子１０の面に対して垂直に法線方向に沿って入射した入射光Ｌ１は、法線方向とは異なる方向に出射光Ｌ２として出射される。
　光学異方性層１４中の液晶配向パターンにおける光学軸の向きの回転周期ｐを変化させることにより、出射角の傾きを変化させることができる。回転周期ｐを小さくするほど入射光に大きな屈曲力を与えることができるので、傾きを大きくすることができる。
　このように、光学異方性層１４における液晶配向パターンによって、絶対位相の変化量を変化させて入射光の波面を変化させることができる。
　光学素子１０が、一方向のみに一様な回転周期ｐの液晶配向パターンを有している場合、上記のような原理に基づく入射光Ｌ１の出射光Ｌ２への変換は、透過回折として説明できる。入射光Ｌ１に対し光学異方性層１４は透過回折格子として機能し、光学異方性層１４に垂直入射した入射光Ｌ１は、所定の回折角θ２の透過回折光Ｌ２として透過回折される。この場合、一般的な光の回折の式である下記式（１）を満たす。
　ｎ２ｓｉｎθ２－ｎ１ｓｉｎθ１＝ｍλ／ｐ　　　　式（１）
　ここで、ｎ１は回折格子（ここでは光学異方性層）の入射面側の媒質１の屈折率、θ１は入射角、ｎ２は回折格子（ここでは光学異方性層）の出射面側の媒質２の屈折率、θ２は回折角（出射角）、λは波長、ｐは回転周期、ｍは回折の次数である。ここでは、ｍ＝１で最大の回折効率が得られるように設定する。また、ここで、入射角θ１＝０°であるので、式（１）は、
　ｎ２ｓｉｎθ２＝λ／ｐ　　　　式（２）
となる。
　図４は、式（２）で示される回折現象を模式的に示す図である。
　媒質ｎ１と媒質ｎ２との間に回折格子としての光学異方性層１４が配置されている。屈折率ｎ１である媒質１側から光学異方性層１４に法線方向から入射した光Ｌ１は、光学異方性層１４による回折作用により回折されて、屈折率ｎ２である媒質２側に出射される。このとき出射角θ２で出射される出射光Ｌ２は、回折角θ２の透過回折光Ｌ２と言い換えることができる。
　このように、円盤状液晶化合物２０が水平回転配向して固定化された光学異方性層１４が回折格子として機能する。
　本発明者らは、このような円盤状液晶化合物２０が水平回転配向して固定化された光学異方性層１４は、従来の棒状液晶化合物が水平回転配向して固定化された光学異方性層を用いた回折格子と比較して高い回折効率を得ることができることを見出した。ここで棒状液晶化合物が水平回転配向するとは、棒状液晶化合物の光学軸（長軸）が面に平行かつ光学軸が少なくとも一方向に回転変化する配向をいう。
　円盤状液晶化合物２０を用いることにより棒状液晶化合物の場合と比較して高い回折効率が得られる理由は、以下の通りと推測される。
　図３で示したように、光学異方性層に垂直に入射した光は、光学異方性層内において斜め方向に、屈曲力が加わり斜めに進む。光学異方性層内において光が進むと、本来垂直入射に対して所望の回折角が得られるように設定されている回折周期等の条件とのずれが生じるために、回折ロスが生じる。
　ここで、光学異方性層の厚さ方向の屈折率は以下のようになる。
　光学軸が水平回転配向して固定化された光学異方性層の厚さ方向の屈折率は常光の屈折率ｎｏであり、面内方向の屈折率は常光の屈折率ｎｏと異常光の屈折率ｎｅの平均値になる。
　円盤状液晶化合物を用いた場合、ｎｏ＞ｎｅなので、厚さ方向の屈折率は面内方向の屈折率より大きい。一方、棒状液晶化合物を用いた場合、ｎｏ＜ｎｅなので、厚さ方向の屈折率は面内方向の屈折率より小さい。
　円盤状液晶化合物の場合には、回折光が斜めに液晶媒質中を進むときに感じる屈折率が棒状液晶化合物の場合と比較して大きくなり、スネルの法則を考えると、棒状液晶化合物の場合より浅い角度で液晶媒質中を光が伝播する。すなわち、同一の回転周期を有する円盤状液晶化合物の水平回転配向と棒状液晶化合物の水平回転配向と場合では、棒状液晶化合物よりも円盤状液晶化合物の方が光学異方性層内において光の進行方向の傾きが小さくなる。そのため、本来の回折条件とのずれを抑制することができ、結果として円盤状液晶化合物を用いた場合の方が、より高い回折効率を得ることができると考えられる。
　本開示の光学素子により回折作用を生じさせる光の波長λは、紫外から赤外、さらには、電磁波レベルであってもよい。同一の回転周期ｐに対し、入射光の波長が大きいほど回折角が大きく、入射光の波長が小さいほど回折角が小さくなる。波長λが３８０ｎｍである場合、回転周期ｐ（μｍ）は０．５＜ｐ＜１の範囲で棒状液晶化合物と比べて高い回折効率を得ることができる。また、波長λが１１００ｎｍである場合、回転周期ｐ（μｍ）は２＜ｐ＜５の範囲で棒状液晶化合物と比べて高い回折効率を得ることができる。
　既述の通り、図１に示すように、光学素子１０の表面の法線に沿って右円偏光ＰＲの光Ｌ１を入射させると、法線方向と角度θ２をなす方向に左円偏光ＰＬの光Ｌ２が出射される。一方、光学素子１０に左円偏光を入射光として入射させた場合には、入射光は光学異方性層１４において右円偏光に変換されると共に図１とは逆向きの屈曲力を受けて進行方向が変化される。
　図５に示すように、光学素子１０に対して、ランダム偏光（すなわち、非偏光）の入射光Ｌ４１を入射させた場合、入射光Ｌ４１のうち、右円偏光ＰＲは液晶配向パターンによって屈曲力を受けて進行方向が変化し、光学異方性層を透過して第１の透過回折光Ｌ４２として出射される。この右円偏光ＰＲは光学異方性層１４を通過することにより左円偏光ＰＬに変換されて出射される。入射光Ｌ４１のうちの左円偏光ＰＬは、右円偏光から左円偏光に変換された光とは逆向きの屈曲力を受けて進行方向が変化した状態で光学異方性層１４を透過して光学素子１０の反対の面から第２の透過回折光Ｌ４３として出射される。この左円偏光ＰＬは光学異方性層１４で右円偏光ＰＲに変換されて出射される。なお、第１の透過回折光Ｌ４２と第２の透過回折光Ｌ４３の進行方向は法線に対して略線対称の関係となる。
　なお、図６に示すように、光学素子１０は、支持体１２上に配向膜１３を備え、その上に光学異方性層１４を備えた構成とすることができる。
　本開示の光学素子においては、光学異方性層における上記１８０°回転周期は全面に亘って一様である必要はない。また、光学異方性層の面内の少なくとも一方向（軸Ａ）に光学軸の向きが回転している液晶配向パターンを一部に有していればよく、光学軸の向きが一定の部分を備えていてもよい。
　上記説明では入射光を光学異方性層に対して垂直に入射する例を示したが、入射光が斜めになった場合も同様に透過回折の効果が得られる。斜め入射の場合には、入射角θ１を考慮に入れて上記式（１）を満たすように、所望の回折角θ２を得られるように回転周期の設計をすればよい。
　図１および図２に示した光学素子１０の光学異方性層１４のように、面に平行な光学軸が面内の一方向に一定の１８０°回転周期で回転変化している液晶配向パターンを面内に一様に備えている場合には、出射方向が一方向に定まる。
　一方、液晶配向パターンにおいて、光学軸が回転変化する方向は一方向に限らず、二方向あるいは複数の方向であってもよい。所望の反射光の向きに応じた液晶配向パターンを備えた光学異方性層１４を用いることにより、入射光を所望の方向に反射させることができる。
　図７は、光学素子の設計変更例における光学異方性層３４の平面模式図である。光学異方性層３４における液晶配向パターンは、上記実施形態の光学異方性層１４における液晶配向パターンと異なる。図７においては、光学軸２２のみを示している。図７の光学異方性層３４は、光学軸２２の向きが中心側から外側の多方向、例えば、軸Ａ１、Ａ２、Ａ３…に沿って徐々に回転して変化している液晶配向パターンを有している。図７に示す液晶配向パターンによって、入射光は光学軸２２の向きが異なる局所領域間では、異なる変化量で絶対位相が変化する。図７に示すような放射状に光学軸が回転変化する液晶配向パターンを備えれば、発散光もしくは集束光として反射させることができる。すなわち、光学異方性層１４中の液晶配向パターンによって凹レンズあるいは凸レンズとしての機能を実現できる。
　図８は、本発明の第２の実施形態の光学素子１１０の構成を示す側面模式図である。なお、第２の実施形態の光学素子の光学異方性層における面内における液晶配向パターンの平面模式図は図２に示した第１の実施形態のものと同様である。
　第２の実施形態の光学素子１１０は、光学異方性層１１４を備えている。本実施形態の光学素子１１０についても、支持体上に形成された配向膜上に光学異方性層が形成される構成を有していてもよい。
　光学素子１１０は、光学異方性層１１４の厚み方向における液晶配向パターンが第１の実施形態の光学異方性層１４と異なる。厚み方向において、円盤状液晶化合物２０がコレステリック配向している点で光学異方性層１４と異なる。
　光学異方性層１１４は、特定の円偏光（右円偏光もしくは左円偏光）の所定の選択波長域の光のみを選択的に反射する機能を奏する。選択的に反射される光の中心波長はコレステリックの螺旋ピッチおよび膜厚ｄ２により定められ、左右いずれの円偏光を反射するかは、螺旋の回転方向により定められる。
　本光学素子１１０における光学軸２２の面内方向における変化は図２に示した第１の実施形態の光学素子１０の場合と同等であるため、光学素子１０と同様の作用を生じる。従って、光学素子１１０は、第１の実施形態の光学素子１０と同様に、入射した光に対して絶対位相を変化させて斜めに屈曲させる作用を生じる。また、同時に、厚み方向にコレステリック相を有するので、光学異方性層に入射する光のうち、特定の円偏光の選択波長域の光を選択的に反射する。
　ここで、光学異方性層１１４においてコレステリック相が所定の中心波長を有する右円偏光を反射するよう設計されているものとする。この場合、図８に示すように、本光学素子１１０の光学異方性層１１４の面に垂直に、すなわち法線に沿って右円偏光である所定の中心波長の光Ｌ５１を入射させると、法線方向に対して傾きを有する方向に進行する反射光Ｌ５２が生じる。すなわち、光学異方性層１１４は、光５１に対して反射型回折格子として機能する。
　なお、所定の選択波長域以外の光、および左円偏光は光学異方性層１１４を透過する。
　従って、図９に示すように、所定の中心波長を有するランダム偏光Ｌ６１を光学異方性層１１４に垂直入射させた場合、右円偏光Ｌ６２のみが反射回折され、左円偏光Ｌ６３は、光学異方性層１１４を透過する。
　本実施形態の光学素子１１０についても、第１の実施形態の光学素子１０と同様に、棒状液晶化合物によって、水平回転配向かつ厚み方向にコレステリック相を有する液晶配向パターンを形成した場合と比較して、回折効率を向上させることができる。
　なお、光学素子において、異なる選択波長領域のコレステリック相の複数の光学異方性層を組み合わせて備えてもよい。
　図１０は、本発明の第３の実施形態の光学素子２１０の構成を示す側面模式図である。
　第３の実施形態の光学素子２１０は、光学異方性層２１４を備えている。本実施形態の光学素子２１０についても、支持体上に形成された配向膜上に光学異方性層が形成される構成を有していてもよい。なお、第３の実施形態の光学素子２１０の光学異方性層２１４の面内における液晶配向パターンは第１の実施形態の光学異方性層１４と略同じであり、平面模式図は図２に示した第１の実施形態のものと同様である。
　光学素子２１０は、光学異方性層２１４の厚み方向における液晶配向パターンが第１の実施形態の光学異方性層１４と異なる。光学異方性層２１４では、厚み方向に円盤状液晶化合物２０が第１の捩れ性にしたがって捩れ配向している点で光学異方性層１４と異なる。「厚み方向に円盤状液晶化合物２０が捩れ配向している」とは、光学異方性層２１４の一面から他面に向かう厚み方向に配列されている複数の円盤液晶化合物２０の光学軸の向きが相対的に変化し一方向に捩れて配向している状態をいう。捩れ性には、右捩れ性および左捩れ性があるが、回折させたい光の偏光に応じて適用すればよい。
　既述の通り、第２の実施形態の光学素子１１０は、厚み方向にコレステリック配向しており、特定の円偏光の特定の選択波長域の光のみを選択的に反射する反射型の回折格子として機能する。コレステリック配向は、円盤状液晶化合物２０が厚み方向に回転した螺旋配向であり、円盤状液晶化合物２０が厚み方向に１回転以上回転している。これに対し、光学異方性層２１４において、厚み方向における円盤液晶化合物の捩れは１回転未満、すなわち捩れ角は３６０°未満である。例えば、図１０の例では、厚み方向（ｚ方向）において、一方の面側から他方の面側までの間に円盤状液晶化合物２０の光学軸は略６０°回転している。厚み方向における円盤状液晶化合物２０の捩れ角は４５°から９０°程度が好ましい。コレステリック配向の場合には、特定の波長域の特定の円偏光を反射するものとなるが、捩れ配向の場合は、反射性は生じない。
　図１０に示す例の光学異方性層２１４では、円盤状液晶化合物２０が厚み方向に光の入射側から出射側、すなわち、紙面において下から上に向かって左捩れとなるように配向されている。円盤状液晶化合物２０が面内で水平回転配向し、かつ、厚み方向に左捩れ配向していることから、図１０に破線矢印で示す方向に円盤状液晶化合物２０の光学軸の向きが同等の領域が存在する配向パターンを有する。
　光学異方性層２１４の厚みｄ３は、Δｎを光学異方性層２１４の複屈折率とした場合に、面内リタデーションＲ（＝Δｎ・ｄ３）が、０．３６λ～０．６４λである。リタデーションＲは０．４λ～０．６λが好ましく、０．４５λ～０．５５λがより好ましく、０．５λであることが特に好ましい。すなわち、第１の実施形態の光学異方性層１４の場合と同様に、λ／２板として機能する。
　厚み方向における円盤状液晶化合物の捩れが１回転未満である光学素子２１０は、第１の実施形態の光学素子１０と同様に、透過型の回折格子として機能する。すなわち、光学素子２１０は、一面からの入射した光を斜めに屈曲させ、他面から回折光として出射させる。
　図１０に示すように、光学素子２１０の一方の面に右円偏光ＰＲの光Ｌ７１（以下において、入射光Ｌ７１という。）を入射した場合、入射光Ｌ７１は円盤状液晶化合物の水平回転配向の作用により一方の方向に屈曲され、また、λ／２板の作用により、他方の面から左円偏光ＰＬの光Ｌ７２が出射される。この際、第１の実施形態の光学異方性層１４のように、円盤状液晶化合物の光学軸の向きが厚み方向に変化していない場合、斜め方向に屈曲された入射光Ｌ７１は絶対位相の変化量が異なる箇所を通過することになる。入射光Ｌ７１が当初の絶対位相の変化量と異なる変化量となる箇所を通過そのために光の進行方向にずれが生じて回折ロスとなる。一方、本光学異方性層２１４においては、破線矢印で示す方向に円盤状液晶化合物の光学軸の向きが同等である領域が存在する。そして、屈曲された入射光Ｌ７１の進行方向に光学軸の向きが同等な領域が存在することで、回折ロスを低減し、回折効率をより高めることが可能となる。なお、破線矢印で示す方向と、屈曲された入射光Ｌ７１の進行方向が一致していることが好ましい。しかしながら、両者の方向は完全に一致している必要はない。同等の絶対位相の領域が存在する方向が、厚み方向から傾きを有し、厚み方向よりも屈曲した光の進行方向に近い方向であれば回折効率向上の効果を奏する。
　図１１に示すように、光学素子２１０に対して、ランダム偏光の入射光Ｌ８１を入射させた場合、入射光Ｌ８１のうち、右円偏光ＰＲは液晶配向パターンによって屈曲力を受けて進行方向が変化し、光学異方性層２１４を透過して第１の透過回折光Ｌ８２として出射される。またこの際、光学異方性層２１４において左円偏光ＰＬに変換される。他方、入射光Ｌ８１のうちの左円偏光ＰＬは、面内方向における水平回転配向と、厚み方向における捩れ配向とにより、屈曲力が相殺されて、左円偏光ＰＬは、円盤状液晶化合物の配向パターンによる影響を受けず直進して出射光Ｌ８３として出射される。また、左円偏光ＰＬに対しては、光学異方性層はλ／２の作用を生じず、そのまま左円偏光ＰＬとして出射する。すなわち、光学素子２１０は、右円偏光ＰＲに対してのみ回折格子およびλ／２板として作用する。
　なお、図１０および図１１に示した光学異方性層２１４における円盤状液晶化合物２０の厚み方向の捩れ性とは逆の右捩れ性を有する光学異方性層の場合、左斜め上方向に円盤状液晶化合物２０の光学軸の向きが同等な領域が存在する配向パターンが形成される。そのため、光学素子２１０とは逆に、左円偏光ＰＬが入射された場合には、入射光は屈曲されて紙面において左斜め上方向に進行し、λ／２板の作用を受けて、右円偏光ＰＲの透過回折光として出射される。また、この場合、右円偏光ＰＲが入射された場合には、回折およびλ／２の作用を受けることなく、右円偏光ＰＲのまま直進して出射される。
　図１２は、本発明の第４の実施形態の光学素子２２０の構成を示す側面模式図である。
　第４の実施形態の光学素子２２０は、第１の円盤状液晶化合物を含む液晶組成物の硬化層である第１の光学異方性層２２４と、第２の円盤状液晶化合物を含む液晶組成物の硬化層である第２の光学異方性層２２５とを備えている。
　第１の光学異方性層２２４は、第１の円盤状液晶化合物２０の光学軸が、第１の光学異方性層２２４の面に平行であり、かつ、第１の光学異方性層２２４の面内の少なくとも一方向に沿って配列された液晶配向パターンであって、第１の円盤状液晶化合物２０の光学軸の向きが、連続的に回転変化した液晶配向パターンを有する。この光学軸の向きが０．５μｍ～５μｍの周期で１８０°回転している。そして、第１の光学異方性層２２４は、その厚み方向に第１の円盤状液晶化合物２０が第１の捩れ性に従って捩れ配向している。
　第２の光学異方性層２２５は、第２の円盤状液晶化合物２１の光学軸が、第２の光学異方性層２２５の面に平行であり、かつ、第２の光学異方性層２２５の面内の少なくとも一方向に沿って配列された液晶配向パターンであって、第２の円盤状液晶化合物２１の光学軸の向きが、連続的に回転変化した液晶配向パターンを有する。この光学軸の向きが０．５μｍ～５μｍの周期で１８０°回転している。そして、第２の光学異方性層２２５は、その厚み方向に第２の円盤状液晶化合物２１が第２の捩れ性に従って捩れ配向している。なお、第２の光学異方性層２２５における第２の捩れ性は第１の光学異方性層２２４における第１の捩れ性と逆向きである。
　光学素子２２０は、第１の光学異方性層２２４と第２の光学異方性層２２５とが積層されてなる光学異方性層２２６を備えている。
　第１の光学異方性層２２４は、第１の波長λ１の光に対する面内のリタデーションＲ（＝Δｎ４・ｄ４）が、０．３６λ１～０．６４λ１であってもよい。面内リタデーションＲは０．４λ１～０．６λ１が好ましく、０．４５λ１～０．５５λ１がより好ましく、０．５λ１であることが特に好ましい。Δｎ４は第１の光学異方性層２２４の複屈折率、ｄ４は第１の光学異方性層２２４の厚みである。
　第２の光学異方性層２２５は、第２の波長λ２の光に対する面内のリタデーションＲ（＝Δｎ５・ｄ５）が、０．３６λ２～０．６４λ２であることが好ましい。面内リタデーションＲは０．４λ２～０．６λ２が好ましく、０．４５λ２～０．５５λ２がより好ましく、０．５λ２であることが特に好ましい。Δｎ５は第２の光学異方性層２２５の複屈折率、ｄ５は第２の光学異方性層２２５の厚みである。
　第１の波長λ１と第２の波長λ２とは異なっていてもよいし、同一であってもよい。本例においては、同一であり、それぞれλ／２板として機能するものとする。この場合、第１の光学異方性層２２４、第２の光学異方性層２２５はそれぞれ単独で偏光回折格子として同一波長λに対して作用する。
　第１の光学異方性層２２４は、右円偏光ＰＲである入射光に対しては、回折格子として機能し、かつλ／２板として機能する。他方、左円偏光ＰＬである入射光に対しては、回折格子およびλ／２板として機能しない。
　第２の光学異方性層２２５は、第１の光学異方性層２２４における厚み方向の捩れ性とは逆の捩れ性を有し、ここでは、円盤状液晶化合物２０が厚み方向に右捩れ配向した配向パターンを備える。従って、第２の光学異方性層２２５は、左円偏光ＰＬである入射光に対しては、回折格子として機能し、かつλ／２板として機能する。他方、右円偏光ＰＲである入射光に対しては、回折格子およびλ／２板として機能しない。
　光学異方性層２２６は、上記第１の光学異方性層２２４および第２の光学異方性層２２５の積層であり、両者の特性を備えている。したがって、右円偏光ＰＲに対しては、第１の光学異方性層２２４が作用し、左円偏光ＰＬに対しては、第２の光学異方性層２２５が作用する。そのため、光学異方性層２２６の一方の面から垂直入射した右円偏光ＰＲの入射光は右斜めに回折され、他方の面から左円偏光ＰＬとして出射される。光学異方性層２２６の一方の面から垂直入射した左円偏光ＰＬの入射光は左斜めに回折されて右円偏光ＰＲとして出射される。
　図１２に示すように、光学異方性層２２６の一方の面に対して垂直にランダム偏光の入射光Ｌ９１を入射させて場合について説明する。この場合、入射光Ｌ９１のうちの右円偏光ＰＲ成分は、第２の光学異方性層２２５を通過し、その後、第１の光学異方性層２２４において屈曲力を受けて進行方向が変化され、光学異方性層２２６の他方の面から第１の透過回折光Ｌ９２として出射される。入射光Ｌ９１のうちの右円偏光ＰＲ成分は第１の光学異方性層２２４を通過することにより左円偏光ＰＬに変換されて出射される。他方、入射光Ｌ９１のうちの左円偏光ＰＬ成分は、第２の光学異方性層２２５において屈曲力を受けて進行方向が変化された状態で第２の光学異方性層２２５から出射し、その回折状態を保ったまま第１の光学異方性層２２４を通過して光学異方性層２２６の他方の面から第２の透過回折光Ｌ９３として出射される。入射光Ｌ９１のうちの左円偏光ＰＬ成分は第２の光学異方性層２２５で右円偏光ＰＲに変換されており、その状態を保ったまま第１の光学異方性層２２４を通過して出射される。本例においては、第１の光学異方性層２２４と第２の光学異方性層２２５とは、厚み方向における捩れ性が互いに逆であること以外は同一の構成であることから、第１の透過回折光Ｌ９２と第２の透過回折光Ｌ９３の進行方向は法線に対して略線対称の関係となる。
　このように、互いの膜厚方向における捩れ性が逆向きである第１の光学異方性層と第２の光学異方性層とを備えることにより、右円偏光ＰＲおよび左円偏光ＰＬのいずれをも高い回折効率で回折させることが可能である。
　第４の実施形態の光学素子２２０のように、第１の光学異方性層２２４と第２の光学異方性層２２５を備える場合には、第１の円盤状液晶化合物と第２の円盤状液晶化合物とは同一であってもよいし、異なる化合物であってもよい。また、第１の光学異方性層２２４における第１の円盤状液晶化合物の水平回転配向の１８０°回転の周期と、第２の光学異方性層２２５における第２の円盤状液晶化合物の水平回転配向の１８０°回転の周期とは、同一であってもよいし、異なっていてもよい。両光学異方性層の水平回転配向の回転周期が異なる場合、左円偏光と右円偏光とで異なる回折角の回折光を得ることができる。
　なお、厚み方向における円盤状液晶化合物の捩れ配向を有する光学異方性層を積層することにより、回折可能な入射光の波長を広帯域化させることができる。
　広帯域化は、膜厚方向に捩れ配向を有する光学異方性層とする以外にも、光学異方性層を、複屈折率が逆分散となる液晶材料を用いて構成することでも実現することができる。したがって、光学異方性層は、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、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光学異方性層を実質的に広帯域にすることも好ましい。
　以下、本開示の光学素子の構成要素の詳細について説明する。
＜光学異方性層＞
　光学異方性層を形成するための、円盤状液晶化合物を含む液晶組成物は、円盤状液晶化合物の他に、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。支持体上に配向膜を形成し、その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、所定の液晶配向パターンが固定化された光学異方性層を得ることができる。
－円盤状液晶化合物－
　円盤状液晶化合物としては、例えば、特開２００７－１０８７３２号公報や特開２０１０－２４４０３８号公報に記載のものを好ましく用いることができる。
－その他の成分－
　なお、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については、いずれも公知の材料を利用することができる。なお、第２の実施形態の光学異方性層を形成するためには、厚み方向にコレステリック液晶相を得るためカイラル剤を添加する。また、第３あるいは第４の実施形態の光学異方性層、すなわち厚み方向に捩れ配向を形成する場合にも、カイラル剤を添加する。
－－カイラル剤（光学活性化合物）－－
　カイラル剤はコレステリック液晶相の螺旋構造を誘起する機能を有する。カイラル剤は、化合物によって誘起する螺旋の捩れ方向または螺旋ピッチが異なるため、目的に応じて選択すればよい。
　カイラル剤としては、特に制限はなく、公知の化合物（例えば、液晶デバイスハンドブック、第３章４－３項、ＴＮ（twisted nematic）、ＳＴＮ（Super Twisted Nematic）用カイラル剤、１９９頁、日本学術振興会第１４２委員会編、１９８９に記載）、イソソルビド、および、イソマンニド誘導体等を用いることができる。
　カイラル剤は、一般に不斉炭素原子を含むが、不斉炭素原子を含まない軸性不斉化合物または面性不斉化合物もカイラル剤として用いることができる。軸性不斉化合物または面性不斉化合物の例には、ビナフチル、ヘリセン、パラシクロファン、および、これらの誘導体が含まれる。カイラル剤は、重合性基を有していてもよい。カイラル剤と液晶化合物とがいずれも重合性基を有する場合は、重合性カイラル剤と重合性液晶化合物との重合反応により、重合性液晶化合物から誘導される繰り返し単位と、カイラル剤から誘導される繰り返し単位とを有するポリマーを形成することができる。この態様では、重合性カイラル剤が有する重合性基は、重合性液晶化合物が有する重合性基と、同種の基であるのが好ましい。従って、カイラル剤の重合性基も、不飽和重合性基、エポキシ基またはアジリジニル基であるのが好ましく、不飽和重合性基であるのがより好ましく、エチレン性不飽和重合性基であるのがさらに好ましい。
　また、カイラル剤は、液晶化合物であってもよい。
　カイラル剤が光異性化基を有する場合には、塗布、配向後に活性光線などのフォトマスク照射によって、発光波長に対応した所望の反射波長のパターンを形成することができるので好ましい。光異性化基としては、フォトクロッミック性を示す化合物の異性化部位、アゾ基、アゾキシ基、または、シンナモイル基が好ましい。具体的な化合物として、特開２００２－８０４７８号公報、特開２００２－８０８５１号公報、特開２００２－１７９６６８号公報、特開２００２－１７９６６９号公報、特開２００２－１７９６７０号公報、特開２００２－１７９６８１号公報、特開２００２－１７９６８２号公報、特開２００２－３３８５７５号公報、特開２００２－３３８６６８号公報、特開２００３－３１３１８９号公報、および、特開２００３－３１３２９２号公報等に記載の化合物を用いることができる。
－溶媒－
　液晶組成物の溶媒としては、有機溶媒が好ましく用いられる。有機溶媒の例には、アミド（例、Ｎ、Ｎ－ジメチルホルムアミド）、スルホキシド（例、ジメチルスルホキシド）、ヘテロ環化合物（例、ピリジン）、炭化水素（例、ベンゼン、ヘキサン）、アルキルハライド（例、クロロホルム、ジクロロメタン）、エステル（例、酢酸メチル、酢酸ブチル）、ケトン（例、アセトン、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン）、エーテル（例、テトラヒドロフラン、１、２－ジメトキシエタン）が含まれる。アルキルハライドおよびケトンが好ましい。二種類以上の有機溶媒を併用してもよい。
＜支持体＞
　支持体としては、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、および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］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。
＜光学異方性層形成用の配向膜＞
　光学異方性層形成用の配向膜としては、例えば、ポリマー等の有機化合物からなるラビング処理膜や無機化合物の斜方蒸着膜、マイクログルーブを有する膜、あるいはω－トリコサン酸やジオクタデシルメチルアンモニウムクロライド、ステアリル酸メチルの如き有機化合物のラングミュア・ブロジェット法によるＬＢ膜を累積させた膜などがあげられる。配向膜としては、ポリマー層の表面をラビング処理して形成されたものが好ましい。ラビング処理は、ポリマー層の表面を紙や布で一定方向に数回こすることにより実施される。配向膜に使用するポリマーの種類は、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号公報記載の直交配向膜等を好ましく使用することができる。なお、ここで、直交配向膜とは、重合性棒状液晶化合物の分子の長軸を、直交配向膜のラビング方向と実質的に直交するように配向させる配向膜を意味する。配向膜の厚さは配向機能を提供できれば厚い必要はなく、０．０１～５μｍであることが好ましく、０．０５～２μｍであることがさらに好ましい。
　また、光配向性の素材に偏光又は非偏光を照射して配向膜とした、いわゆる光配向膜も用いることもできる。即ち、支持体上に、光配光材料を塗布して光配向膜を作製してもよい。偏光の照射は、光配向膜に対して、垂直方向又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。
　本開示の光学素子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、特許第４１５１７４６号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、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／又はアルケニル置換ナジイミド化合物、特許第４２０５１９５号、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、特許第４１６２８５０号に記載の光架橋性ポリイミド、ポリアミド、又はエステル、特開平９－１１８７１７号公報、特表平１０－５０６４２０号公報、特表２００３－５０５５６１号公報、ＷＯ２０１０／１５０７４８号公報、特開２０１３－１７７５６１号公報、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、クマリン化合物が好ましい例として挙げられる。特に好ましくは、アゾ化合物、光架橋性ポリイミド、ポリアミド、エステル、シンナメート化合物、カルコン化合物である。
　本開示の光学素子においては、光配向膜を用いることが好ましい。
　配向膜を支持体上に塗布して乾燥させた後、配向膜をレーザ露光して配向パターンを形成する。配向膜の露光装置の模式図を図１３に示す。露光装置５０は、半導体レーザ５２を備えた光源５４と、半導体レーザ５２からのレーザ光７０を２つに分離するビームスプリッター５６と、分離された２つの光線７２Ａ、７２Ｂの光路上にそれぞれ配置されたミラー５８Ａ、５８Ｂおよびλ／４板６０Ａ、６０Ｂを備える。λ／４板６０Ａおよび６０Ｂは互いに直交する光学軸を備えており、λ／４板６０Ａは、直線偏光Ｐ０を右円偏光ＰＲに、λ／４板６０Ｂは直線偏光Ｐ０を左円偏光ＰＬに変換する。
　配向膜８２を備えた支持体８０が露光部に配置され、２つの光線７２Ａ、７２Ｂを配向膜８２上で交差させて干渉させ、その干渉光を配向膜８２に照射して露光する。この際の干渉により、配向膜８２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。これによって、配向状態が周期的に変化する配向パターンが得られる。露光装置５０において、２つの光７２Ａおよび７２Ｂの交差角βを変化させることにより、配向パターンの周期を変化させることができる。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上に後述の光学異方性層を形成することにより、この周期に応じた液晶配向パターンを備えた光学異方性層を形成することができる。
＜光学異方性層の形成＞
　光学異方性層は、配向膜上に液晶組成物を多層塗布することにより形成することができる。多層塗布とは、配向膜の上に液晶組成物を塗布し、加熱し、さらに冷却した後に紫外線硬化を行って１層目の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、同様に加熱し、冷却後に紫外線硬化を行うことを繰り返すことをいう。光学異方性層を上記のように多層塗布して形成することにより、光学異方性層の総厚が厚くなった場合でも配向膜の配向方向を、光学異方性層の下面から上面にわたって反映させることができる。
　第１の実施形態の光学異方性層と第２の実施形態の光学異方性層とでは液晶組成物が異なるだけで、同様の形成方法を採用することができる。
　次に、本開示の光学素子を備えた光学装置の一例を説明する。図１４は光学装置の一例であるヘッドマウントディスプレイ９０の要部構成を示す図である。
　図１４に示すように、ヘッドマウントディスプレイ９０は、光源の一態様である液晶表示装置９２と、液晶表示装置９２から出力された光を導光する導光部材９４とを備えており、導光部材９４の一部に、本発明の第２の実施形態の光学素子と同様に反射型回折格子として機能する光学素子１１０Ａ，１１０Ｂが備えられている。液晶表示装置９２と導光部材９４とは、液晶表示装置９２からの光が導光部材９４に対して垂直に入射するように配置されており、光学素子１１０Ａが導光部材９４に入射した光が光学素子１１０Ａの表面に垂直に入射する位置に配置されている。他方、光学素子１１０Ｂは、導光部材９４中を全反射して導光された光が入射される位置に配置されている。
　光学素子１１０Ａは支持体１１２Ａ上に光学異方性層１１４Ａを備え、光学異方性層１１４Ａに垂直に入射する所定の中心波長の特定の円偏光を斜め方向に反射するように構成されている。光学素子１１０Ｂは支持体１１２Ｂ上に光学異方性層１１４Ｂを備え、光学異方性層１１４Ｂに斜め方向から入射する所定の中心波長の特定の円偏光を垂直方向に反射するように構成されている。
　このように、本開示の光学素子を用いれば、入射光の反射方向を所望の方向とすることができ、反射素子と光路変更のための素子を別途に設ける必要がないため、光学装置の小型化を図ることができる。
　本発明の光学素子は、上記のようなヘッドマウントディスプレイ９０への適用に限らず、光を入射角とは異なる方向に反射させる光反射素子として、ＡＲ投影装置へも適用可能である。また、光を集光また発散するマイクロミラー、あるいはマイクロレンズとして、センサ用集光ミラーあるいは、光を拡散させる反射スクリーン等への適用が可能である。
　以下、本発明の光学素子の実施例および比較例について説明する。
　まず、透過型回折格子として機能する第１の実施形態の光学素子の実施例１～３および比較例１～３について説明する。
「実施例１～３」
　支持体上に配向膜を形成し、配向膜上に円盤状液晶化合物を含む液晶組成物Ｄ１の硬化層からなる光学異方性層Ａ－１を形成して、実施例１～３の光学素子を作製した。光学異方性層Ａ－１は、円盤状液晶化合物が水平回転配向された液晶配向パターンとした。実施例１～３は、光学異方性層における液晶配向パターンの回転周期ｐが互いに異なる。
［実施例１～３の光学素子の作製］
　支持体として、市販されているトリアセチルセルロースフィルム「Ｚ－ＴＡＣ」（富士フイルム社製）を用いた。
（支持体の鹸化）
　支持体を、温度６０℃の誘電式加熱ロールを通過させて、支持体表面温度を４０℃に昇温した。その後、支持体の片面に、バーコーターを用いて下記に示すアルカリ溶液を塗布量１４ｍＬ／ｍ２で塗布し、支持体を１１０℃に加熱し、さらに、（株）ノリタケカンパニーリミテド製のスチーム式遠赤外ヒーターの下を、１０秒間搬送した。続いて、同じくバーコーターを用いて、支持体表面上に純水を３ｍＬ／ｍ２塗布した。次いで、ファウンテンコーターによる水洗およびエアナイフによる水切りを３回繰り返した後に、７０℃の乾燥ゾーンを１０秒間搬送して支持体を乾燥させ、アルカリ鹸化処理した支持体を得た。
＜アルカリ溶液＞
　水酸化カリウム　　　　　　　　　　　　　　　　　　４．７０質量部
　水　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　１５．８０質量部
　イソプロパノール　　　　　　　　　　　　　　　　６３．７０質量部
　界面活性剤
　　ＳＦ－１：Ｃ１４Ｈ２９Ｏ（ＣＨ２ＣＨ２Ｏ）２ＯＨ　　　１．０　質量部
　プロピレングリコール　　　　　　　　　　　　　　１４．８　質量部
（下塗り層の形成）
　下記の下塗り層形成用塗布液を＃８のワイヤーバーで連続的に上記アルカリ鹸化処理した支持体上に塗布した。塗膜が形成された支持体を６０℃の温風で６０秒間、さらに１００℃の温風で１２０秒間乾燥し、下塗り層を形成した。
＜塗り層形成用塗布液＞
　下記変性ポリビニルアルコール　　　　　　　　　　　２．４０質量部
　イソプロピルアルコール　　　　　　　　　　　　　　１．６０質量部
　メタノール　　　　　　　　　　　　　　　　　　　３６．００質量部
　水　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　６０．００質量部
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000001
 
（配向膜Ｐ－１の形成）
　上記の下塗り層を形成した支持体上に下記の配向膜Ｐ－１形成用塗布液を＃２のワイヤーバーで連続的に塗布した。この配向膜Ｐ－１形成用塗布液の塗膜が形成された支持体を６０℃の温風で６０秒間乾燥し、配向膜Ｐ－１を形成した。
＜配向膜Ｐ－１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－
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000002
 
（配向膜Ｐ－１の露光）
　図１３に示した露光装置５０を用いて配向膜を露光した。露光装置５０において、半導体レーザ５２として波長（４０５ｎｍ）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１００ｍＪ／ｃｍ２とした。なお、２つのレーザ光の干渉により形成されるパターンの１８０°回転周期は２つの光の交差角βを変化させることによって制御した。
（光学異方性層Ａ－１の形成）
　まず、下記の液晶組成物Ｄ１を準備した。
＜液晶組成物Ｄ１＞
――――――――――――――――――――――――――――――――――
円盤状液晶化合物Ｌ－２　　　　　　　　　　　　　　　８０．００質量部
円盤状液晶化合物Ｌ－３　　　　　　　　　　　　　　　２０．００質量部
重合開始剤（ＢＡＳＦ製、Ｉｒｇａｃｕｒｅ（登録商標）９０７）
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　５．００質量部
メガファックＦ４４４（ＤＩＣ製）　　　　　　　　　　　０．５０質量部
メチルエチルケトン　　　　　　　　　　　　　　　　３００．００質量部
――――――――――――――――――――――――――――――――――
円盤状液晶化合物Ｌ－２
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000003
 
円盤状液晶化合物Ｌ－３
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000004
 
　なお、液晶組成物Ｄ１の硬化層の複素屈折率Δｎは、０．１５であった。複素屈折率Δｎは、液晶組成物Ｄ１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、円盤状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）のリタデーション値および膜厚を測定して求めた。リタデーション値を膜厚で除算することによりΔｎを算出できる。リタデーション値はＡｘｏｍｅｔｒｉｘ　社のＡｘｏｓｃａｎで５５０ｎｍの波長で測定し、膜厚は走査型電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ、ＳＥＭ）を用いて測定した。
＜光学異方性層Ａ－１の塗布形成＞
　光学異方性層Ａ－１は、液晶組成物Ｄ１を配向膜Ｐ－１上に多層塗布することにより形成した。多層塗布とは、先ず配向膜の上に１層目の液晶組成物Ｄ１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すことを指す。多層塗布により形成することにより、液晶層の総厚が厚くなった時でも配向膜の配向方向が液晶層の下面から上面にわたって反映される。
　先ず１層目は、配向膜Ｐ－１上に下記の液晶組成物Ｄ１を塗布した塗膜をホットプレート上で１１０℃に加熱し、その後、６０℃に冷却した後、窒素雰囲気下で高圧水銀灯を用いて波長３６５ｎｍの紫外線を１００ｍＪ／ｃｍ２の照射量で塗膜に照射することにより、液晶化合物の配向を固定化した。この時の固定化された液晶層（１層の液晶固定化層）の膜厚は０．２μｍであった。
　２層目以降の液晶固定化層は、先に形成された液晶固定化層に液晶組成物Ｄ１を重ね塗りして、上と同じ条件で加熱、冷却後に紫外線硬化を行って形成した。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光学異方性層Ａ－１を得た。最終的に液晶の複屈折率が２７５ｎｍ（＝λ／２）になり、かつ周期的な配向表面になっていることを偏光顕微鏡で確認した。
「比較例１～３」
　実施例１～３に対し、円盤状液晶化合物に代えて棒状液晶化合物を含む液晶組成物Ｅ１の硬化層からなる光学異方性層Ａ－２を備えた光学素子とした。すなわち、比較例１～３の光学素子において、光学異方性層は、棒状液晶が水平回転配向された液晶配向パターンとした。
［比較例１～３の光学素子の作製］
　実施例１～３に対し、液晶組成物Ｄ１を液晶組成物Ｅ１として光学異方性層Ａ－２を形成した以外は、実施例１～３と同様にして、比較例１～３の光学素子を作製した。
（光学異方性層Ａ－２の形成）
　下記の組成物の液晶組成物Ｅ１を準備した。
＜液晶組成物Ｅ１＞
――――――――――――――――――――――――――――――――――
棒状液晶化合物Ｌ－１　　　　　　　　　　　　　　　１００．００質量部
重合開始剤（ＢＡＳＦ製、Ｉｒｇａｃｕｒｅ（登録商標）９０７）
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　３．００質量部
光増感剤（日本化薬製、ＫＡＹＡＣＵＲＥ　ＤＥＴＸ－Ｓ）１．００質量部
レベリング剤Ｔ－１　　　　　　　　　　　　　　　　　　０．０８質量部
メチルエチルケトン　　　　　　　　　　　　　　　　２９６．５０質量部
――――――――――――――――――――――――――――――――――
棒状液晶化合物Ｌ－１
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000005
 
－レベリング剤Ｔ－１－
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000006
 
　なお、液晶組成物Ｅ１の硬化層の複素屈折率Δｎは、０．１５であった。複素屈折率Δｎは、液晶組成物Ｄ１の場合と同様の方法で求めた。
＜光学異方性層Ａ－２の塗布形成＞
先ず１層目は、配向膜Ｐ－１上に上記液晶組成物Ｅ１を塗布した塗膜をホットプレート上で１１０℃に加熱し、その後、６０℃に冷却した後、窒素雰囲気下で高圧水銀灯を用いて波長３６５ｎｍの紫外線を１００ｍＪ／ｃｍ２の照射量で塗膜に照射することにより、液晶化合物の配向を固定化した。この時の固定化された液晶層（１層の液晶固定化層）の膜厚は０．２μｍであった。
　２層目以降の液晶固定化層は、先に形成された液晶固定化層に液晶組成物Ｅ１を重ね塗りして、上と同じ条件で加熱、冷却後に紫外線硬化を行って形成した。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光学異方性層Ａ－２を得た。最終的に液晶の複屈折率が２７５ｎｍ（＝λ／２）になり、かつ周期的な配向表面になっていることを偏光顕微鏡で確認した。
［評価］
－回折角の測定－
　実施例１～３および比較例１～３の各光学素子について、光学素子の支持体を通して光学異方層の表面に垂直に光を入射させ、その透過回折光の回折角を測定した。具体的には、５５０ｎｍに出力の中心波長をもつ右円偏光としたレーザ光を、光学素子の一方の面、すなわち光学異方性層の一方の面に、法線方向に５０ｃｍの離れた位置から垂直入射させ、透過回折光のスポットを光学素子の他方の面から５０ｃｍの距離に配置したスクリーンで捉えて、回折角を算出した。
－光強度の測定－
　光強度の測定方法を、図１５を参照して説明する。実施例および比較例の光学素子１０Ｓは、支持体１２Ｓの表面に備えられた配向膜１３Ｓ上に光学異方性層１４Ｓを備えている。この光学異方性層１４Ｓの一方の面である配向膜１３Ｓ側の面と対向する他方の面に、支持体１２Ｓとほぼ同一の屈折率の第２の支持体１８を接着させて測定用試料とした。
　半導体レーザ３０から出射した波長５５０ｎｍの半導体レーザ光を直線偏光子３１、およびλ／４板３２を透過させて右円偏光ＰＲの光Ｌとした。この光Ｌを支持体１２Ｓに垂直入射させることにより、光Ｌを光学異方性層１４Ｓの一方の面に垂直入射させた。この場合、光学異方性層１４Ｓによる回折作用により回折角θ２の回折光Ｌｔが光学異方性層１４Ｓの他方の面から出力される。この回折光Ｌｔは、光学異方性層１４Ｓの他方の面に接続されている第２の支持体１８中を進行し、試料の表面から大気中に出射される。この出射光Ｌｔ１の光強度を光検出器３５で測定した。なお、試料と大気との界面において、屈折率差があるため回折光Ｌｔは屈曲されて出射角θ２２で出射する出射光Ｌｔ１と第２の支持体１８内部に反射する反射光Ｌｔ２が生じる。光検出器３５で検出した光強度と、フレネル則から内部反射した光Ｌｔ２の光強度を求め、回折光Ｌｔの光強度を算出した。
　そして、回折光Ｌｔの光強度と光Ｌの光強度との比をとり、回折光Ｌｔの入射光に対する相対光強度値を求めた。
　表１に実施例１～３および比較例１～３の光学素子の構成および評価結果を纏めて示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000007
 
　表１に示すように、回転周期ｐが同一であれば、棒状液晶化合物であっても、円盤状液晶化合物であっても水平回転配向パターンによる回折角は同一であった。しかし、相対光強度値は、円盤状液晶化合物の水平回転配向パターンを有する光学異方性層を備えた実施例が比較例より大きかった。この効果は回折角が大きくなるほど顕著であった。
　次に、反射型回折格子として機能する第２の実施形態の光学素子の実施例１１～１３および比較例１１～１３について説明する。
「実施例１１～１３」
　支持体上に配向膜を形成し、配向膜上に円盤状液晶化合物を含む液晶組成物Ｄ２の硬化層からなる光学異方性層Ａ－３を形成して、実施例１１～１３の光学素子を作製した。光学異方性層は、円盤状液晶化合物が水平回転配向され、かつ厚み方向にコレステリック相を有する液晶配向パターンとした。実施例１１～１３は、光学異方性層における液晶配向パターンの回転周期ｐが互いに異なる。
［実施例１１～１３の光学素子の作製］
　実施例１～３に対し、液晶組成物Ｄ１を液晶組成物Ｄ２としてコレステリック相を有する液晶配向パターンを持つ光学異方性層を形成した以外は、実施例１～３と同様にして、実施例１１～１３の光学素子を作製した。光学素子の断面ＳＥＭからコレステリック相を有する液晶配向パターンであることを確認し、また、Ａｘｏｍｅｔｒｉｘ　社のＡｘｏｓｃａｎでの測定により、円盤状液晶化合物の配向によることを確認した。
＜液晶組成物Ｄ２＞
―――――――――――――――――――――――――――――――――
円盤状液晶化合物Ｌ－２　　　　　　　　　　　　　　８０．００質量部
円盤状液晶化合物Ｌ－３　　　　　　　　　　　　　　２０．００質量部
重合開始剤（ＢＡＳＦ製、Ｉｒｇａｃｕｒｅ（登録商標）９０７）
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　５．００質量部
カイラル剤Ｃｈ－２　　　　　　　　　　　　　　　　　３．７９質量部
メガファックＦ４４４（ＤＩＣ製）　　　　　　　　　　０．５０質量部
メチルエチルケトン　　　　　　　　　　　　　　　２５５．００質量部
―――――――――――――――――――――――――――――――――
－カイラル剤Ｃｈ－２－
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000008
 
（光学異方性層Ａ－３の形成）
　光学異方性層Ａ－３は、液晶組成物Ｄ２を配向膜Ｐ－１上に多層塗布することにより形成した。
　先ず１層目は、配向膜Ｐ－１上に下記の液晶組成物Ｄ２を塗布した塗膜をホットプレート上で９５℃に加熱し、その後、２５℃に冷却した後、窒素雰囲気下で高圧水銀灯を用いて波長３６５ｎｍの紫外線を１００ｍＪ／ｃｍ２の照射量で塗膜に照射することにより、液晶化合物の配向を固定化した。この時の固定化された液晶層（１層の液晶固定化層）の膜厚は０．２μｍであった。
２層目以降の液晶固定化層は、先に形成された液晶固定化層に液晶組成物Ｄ２を重ね塗りして、上と同じ条件で加熱、冷却後に紫外線硬化を行って形成した。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光学異方性層Ａ－３を得た。また、周期的な配向表面になっていることを偏光顕微鏡およびＳＥＭで確認した。
「比較例１１～１３」
　実施例１１～１３に対し円盤状液晶化合物に代えて棒状液晶化合物を含む液晶組成物Ｅ２の硬化層からなる光学異方性層Ａ－４を備えた光学素子とした。すなわち、比較例１１～１３の光学素子において、光学異方性層は、棒状液晶化合物が水平回転配向され、かつ厚み方向にコレステリック相を有する液晶配向パターンとした。
［比較例１１～１３の光学素子の作製］
　実施例１１～１３に対し、液晶組成物Ｄ２を液晶組成物Ｅ２として光学異方性層Ａ－４を形成した以外は、実施例１１～１３と同様にして、比較例１１～１３の光学素子を作製した。
（光学異方性層Ａ－４の形成）
　下記の組成物の液晶組成物Ｅ２を準備した。
＜液晶組成物Ｅ２＞
――――――――――――――――――――――――――――――――――
棒状液晶化合物Ｌ－１　　　　　　　　　　　　　　　１００．００質量部
重合開始剤（ＢＡＳＦ製、Ｉｒｇａｃｕｒｅ（登録商標）９０７）
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　３．００質量部
光増感剤（日本化薬製、ＫＡＹＡＣＵＲＥ　ＤＥＴＸ－Ｓ）１．００質量部
カイラル剤Ｃｈ－１　　　　　　　　　　　　　　　　　　５．４５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　　　　　　　　　　　　　　　　２６８．２０質量部
――――――――――――――――――――――――――――――――――
－カイラル剤Ｃｈ－１－
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000009
 
＜光学異方性層Ａ－４の塗布形成＞
　光学異方性層は、実施例１１において、液晶組成物Ｄ２を用いるかわりに液晶組成物Ｅ２を配向膜Ｐ－１上に多層塗布することにより形成した。
　先ず１層目は、配向膜Ｐ－１上に下記の液晶組成物Ｅ２を塗布した塗膜をホットプレート上で９５℃に加熱し、その後、２５℃に冷却した後、窒素雰囲気下で高圧水銀灯を用いて波長３６５ｎｍの紫外線を１００ｍＪ／ｃｍ２の照射量で塗膜に照射することにより、液晶化合物の配向を固定化した。この時の固定化された液晶層（１層の液晶固定化層）の膜厚は０．２μｍであった。
２層目以降の液晶固定化層は、先に形成された液晶固定化層に液晶組成物Ｅ２を重ね塗りして、上と同じ条件で加熱、冷却後に紫外線硬化を行って形成した。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光学異方性層Ａ－４を得た。また、周期的な配向表面になっていることを偏光顕微鏡およびＳＥＭで確認した。
［評価］
－回折角の測定－
　実施例１１～１３および比較例１１～１３の各光学素子について、光学素子の支持体を通して光学異方層の表面の垂直に光を入射させ、その反射回折光の回折角を測定した。具体的には、５５０ｎｍに出力の中心波長をもつ右円偏光としたレーザ光を、光学素子の一方の面、すなわち光学異方性層の一方の面に、法線方向に５０ｃｍの離れた位置から垂直入射させ、反射回折光のスポットを光学素子の一面から５０ｃｍの距離に配置したスクリーンで捉えて、回折角を算出した。
－光強度の測定－
　光強度の測定方法を、図１６を参照して説明する。
　半導体レーザ３０から出射した波長５５０ｎｍの半導体レーザ光を直線偏光子３１、およびλ／４板３２を透過させて右円偏光ＰＲの光Ｌとした。この光Ｌを支持体１１２Ｓ上に配向膜１１３Ａを介して備えられた光学異方性層１１４Ｓの表面に垂直入射させた。この場合、光学異方性層１１４Ｓによる回折作用および選択反射作用により、回折角θ２で反射回折された回折光Ｌｒの光強度を光検出器３５で測定した。そして、回折光Ｌｒの光強度と光Ｌの光強度との比をとり、回折光Ｌｒの入射光に対する相対光強度値を求めた。
　表２に実施例１１～１３および比較例１１～１３の光学素子の構成および評価結果を纏めて示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000010
 
　表２に示すように、回転周期ｐが同一であれば、棒状液晶化合物であっても、円盤状液晶化合物であっても水平回転配向パターンによる回折角は同一であった。しかし、相対光強度値は、円盤状液晶化合物の水平回転配向パターンを有する光学異方性層を備えた実施例が比較例より大きかった。回折角が大きいほど、円盤状液晶化合物を用いたことにより効果が高かった。
「実施例２１」
　実施例２に対し、液晶組成物Ｄ１を液晶組成物Ｄ２１として厚み方向に捩れ性を有する液晶配向パターンを持つ光学異方性層を形成した以外は、実施例２と同様にして、実施例２１の光学素子を作製した。
＜液晶組成物Ｄ２１＞
――――――――――――――――――――――――――――――――――
円盤状液晶化合物Ｌ－２　　　　　　　　　　　　　　　８０．００質量部
円盤状液晶化合物Ｌ－３　　　　　　　　　　　　　　　２０．００質量部
重合開始剤（ＢＡＳＦ製、Ｉｒｇａｃｕｒｅ（登録商標）９０７）
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　５．００質量部
メガファックＦ４４４（ＤＩＣ製）　　　　　　　　　　　０．５０質量部
カイラル剤Ｃｈ－２　　　　　　　　　　　　　　　　　　０．１４質量部
メチルエチルケトン　　　　　　　　　　　　　　　　３００．００質量部
――――――――――――――――――――――――――――――――――
　光学素子の断面ＳＥＭから捩れを有する液晶配向パターンであることを確認し、また、Ａｘｏｍｅｔｒｉｘ　社のＡｘｏｓｃａｎでの測定により、その液晶配向パターンが円盤状液晶化合物の配向によることを確認した。作製した光学素子のΔｎｄ＝２７５ｎｍ、厚み方向における捩れ配向の捩れ角は７５度であった。
 
「実施例２２」
　実施例２１と同様の液晶組成物Ｄ２１を用いて厚み方向に捩れ性を有する液晶配向パターンを持つ第１の光学異方性層（第１の領域）を形成した後で、以下の液晶組成物Ｄ２２を重ねて塗布して第２の光学異方性層（第２の領域）を形成し、液晶組成物Ｄ２１による第１の光学異方性層とＤ２２による第２の光学異方性層を積層してなる光学異方性層を形成した。液晶組成物Ｄ２２は液晶組成物Ｄ２１に対し左右逆の捩れ正を有する液晶配向パターン持つ第２の光学異方性層を形成する液晶組成物である。この様にして、実施例２２の光学素子を作製した。
＜液晶組成物Ｄ２２＞
――――――――――――――――――――――――――――――――――
円盤状液晶化合物Ｌ－２　　　　　　　　　　　　　　　８０．００質量部
円盤状液晶化合物Ｌ－３　　　　　　　　　　　　　　　２０．００質量部
重合開始剤（ＢＡＳＦ製、Ｉｒｇａｃｕｒｅ（登録商標）９０７）
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　５．００質量部
メガファックＦ４４４（ＤＩＣ製）　　　　　　　　　　　０．５０質量部
カイラル剤Ｃｈ－３　　　　　　　　　　　　　　　　　　０．１４質量部
メチルエチルケトン　　　　　　　　　　　　　　　　３００．００質量部
――――――――――――――――――――――――――――――――――
－カイラル剤Ｃｈ－３－
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000011
 
　光学素子の断面ＳＥＭから捩れを有する液晶配向パターンが２層重なっていることを確認した。また、Ａｘｏｍｅｔｒｉｘ　社のＡｘｏｓｃａｎでの測定により、それらの液晶配向パターンが円盤状液晶化合物の配向によることを確認した。作製した光学素子は２層重なった構成であり、１層目のΔｎｄ＝２７５ｎｍ、捩れ角は７５度で、２層目のΔｎｄ＝２７５ｎｍ、捩れ角は－７５度であった。
　実施例２１および実施例２２についての評価として、実施例１～３と同様の手法により回折角の測定および光強度の測定を行った。加えて、測定光として左円偏光のレーザ光を用いた場合について回折角および光強度の測定を行った。
　表３に実施例２１～２２の光学素子の構成および評価結果を纏めて示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000012
 
　表３に示すように、実施例２１および２２は、実施例２と同様に、いずれも円盤状液晶化合物の水平回転配向パターンを有する光学異方性層であり、棒状液晶化合物の水平回転配向パターンを有する比較例２に対して光強度の増加率が高いことがわかった。また、実施例２１および２２は、厚み方向に捩れ配向パターンを有していない実施例２と比較して、比較例２に対する光強度増加率が大幅に向上した。なお、左円偏光のレーザ光を用いた場合には、実施例２１では回折光が得られず、実施例２２では、右円偏光のレーザ光と法線に対称な－３３°の回折光が得られた。また、実施例２２において、回折光の強度は、右円偏光の場合と左円偏光の場合とで同程度であった。
　２０１７年１１月１３日に出願された日本国特許出願特願２０１７－２１８５１３および２０１８年５月１８日に出願された日本国特許出願特願２０１８－０９６５７０の開示はその全体が参照により本明細書に取り込まれる。
　本明細書に記載された全ての文献、特許出願および技術規格は、個々の文献、特許出願、および技術規格が参照により取り込まれることが具体的かつ個々に記された場合と同程度に、本明細書中に参照により取り込まれる。

Claims (7)

  1. 　第１の円盤状液晶化合物を含む液晶組成物の硬化層である第１の光学異方性層を備え、
    　前記第１の円盤状液晶化合物の光学軸が、前記第１の光学異方性層の面に平行であり、かつ、該第１の光学異方性層が、該第１の光学異方性層の面内の少なくとも一方向に沿って配列された液晶配向パターンであって、前記第１の円盤状液晶化合物の前記光学軸の向きが、連続的に回転変化した液晶配向パターンを有し、
    　前記光学軸の向きが０．５μｍ～５μｍの周期で１８０°回転している光学素子。
  2. 　波長λの光に対する前記第１の光学異方性層の面内リタデーションが、０．３６λ～０．６４λである請求項１に記載の光学素子。
  3. 　前記第１の光学異方性層において、該第１の光学異方性層の厚み方向に前記第１の円盤状液晶化合物が第１の捩れ性に従って捩れ配向している請求項１または２に記載の光学素子。
  4. 　第２の円盤状液晶化合物を含む液晶組成物の硬化層である第２の光学異方性層であって、
    　前記第２の円盤状液晶化合物の光学軸が、前記第２の光学異方性層の面に平行であり、かつ、該第２の光学異方性層が、該第２の光学異方性層の面内の少なくとも一方向に沿って配列された液晶配向パターンであって、前記第２の円盤状液晶化合物の前記光学軸の向きが、連続的に回転変化した液晶配向パターンを有し、
    　前記光学軸の向きが０．５μｍ～５μｍの周期で１８０°回転している第２の光学異方性層を備え、
    　該第２の光学異方性層において、該第２の光学異方性層の厚み方向に前記第２の円盤状液晶化合物が第２の捩れ性に従って捩れ配向しており、前記第１の捩れ性と前記第２の捩れ性とが逆向きである請求項３に記載の光学素子。
  5. 　波長λの光に対する前記第２の光学異方性層の面内リタデーションが、０．３６λ～０．６４λである請求項４に記載の光学素子。
  6. 　前記第１の光学異方性層と前記第２の光学異方性層とが積層配置されている請求項４または５に記載の光学素子。
  7. 　前記第１の光学異方性層において、前記第１の円盤状液晶化合物が厚み方向にコレステリック配向している請求項１に記載の光学素子。
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