WO2019131950A1 - 光学素子およびセンサー - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to an optical element that reflects light, and to a sensor that uses this optical element.
- a car, a robot, a drone (multicopter, unmanned aerial vehicle), an alarm device and the like are provided with sensors for detecting an object, measuring a distance to the object, and the like.
- sensors for detecting an object, measuring a distance to the object, and the like are provided with sensors for detecting an object, measuring a distance to the object, and the like.
- a sensor uses infrared light as a light source in order to reduce noise due to natural light such as sunlight.
- Patent Document 1 an object such as an obstacle around the vehicle is irradiated with infrared rays (infrared laser light), and infrared rays as parallel rays parallel to the horizontal plane from the object are transmitted to the light transmitting body of the automobile.
- infrared rays infrared laser light
- the hologram lens In the focusing structure of a laser radar distance measuring apparatus for a vehicle that focuses light on a light receiving element (light receiving sensor) by a hologram lens installed, of the two convergence points produced by astigmatism of the hologram lens, the hologram lens A light receiving element is disposed at a distant convergence point, and a plane reflecting mirror disposed on a parallel line parallel to the hologram lens passing through the distant convergence point and a reflected light from the plane reflecting mirror are provided around the light reception element.
- a light collecting structure of a laser radar range finder for a vehicle is described, in which a concave reflecting mirror for converging light receiving elements is disposed.
- a MEMS Micro Electro Mechanical Systems
- a method of scanning infrared light two-dimensionally by scanning light in a direction orthogonal to the direction is known.
- the drive unit is severely degraded, and there is also a problem in vibration resistance and the like.
- it is required to install a sensor in a narrow place, but in this configuration, the device configuration becomes complicated and large, so the sensor installation place is greatly restricted. Be done.
- a surface light source that emits infrared light is used to irradiate the object with light from the surface light source, and a light receiving element (infrared camera) that measures the light reflected to the object with infrared light It is possible to consider a configuration in which light is received.
- the device can be simplified and miniaturized since it is not necessary to scan light.
- the surface light source since the surface light source is used, there is a problem that the light amount of light incident on the light receiving element is insufficient and the signal-to-noise ratio is low.
- a concave reflector it is necessary to increase the curvature of the concave in order to obtain a sufficient condensing power. As a result, the mirror becomes thick, the sensor becomes large again, and installation in a narrow place is difficult.
- a concave mirror or the like that causes light to enter the light receiving element reflects external light such as sunlight that has entered the sensor into the light receiving element as well as infrared light that is measurement light.
- a light receiving element that measures infrared light has sensitivity to visible light other than infrared light. Therefore, when external light is incident, it becomes noise and the SN ratio also decreases.
- filters such as a band pass filter and a high pass filter in the optical path of infrared light, noise due to external light can be reduced, but by providing the filter, the sensor configuration becomes complicated accordingly and large It will
- An object of the present invention is to solve such problems of the prior art, and is an optical element which is thin and can condense and reflect only light of a target wavelength range in a predetermined direction, and An object of the present invention is to provide a sensor using an optical element.
- the present invention has the following configuration.
- It has a cholesteric liquid crystal layer formed by fixing a cholesteric liquid crystal phase
- the cholesteric liquid crystal layer has a liquid crystal alignment pattern in which the orientation of the optical axis derived from the liquid crystal compound changes while continuously rotating along at least one in-plane direction, Furthermore, in the liquid crystal alignment pattern of the cholesteric liquid crystal layer, the direction in which the optical axis derived from the liquid crystal compound rotates 180 ° in one direction in which the direction of the optical axis derived from the liquid crystal compound changes while continuously rotating
- An optical element characterized in that the cholesteric liquid crystal layer has, in a plane, regions having different lengths of one cycle in the liquid crystal alignment pattern.
- the liquid crystal alignment pattern of the cholesteric liquid crystal layer is a concentric pattern in which one direction in which the direction of the optical axis derived from the liquid crystal compound changes while continuously rotating is concentrically from the inside to the outside.
- the cholesteric liquid crystal layers having the same selective reflection center wavelength and different turning directions of reflected circularly polarized light have different continuous rotation directions of the direction of the optical axis derived from the liquid crystal compound in the liquid crystal alignment pattern [, 7].
- a sensor comprising the optical element according to any one of [1] to [8], a light source, and a light receiving element.
- the sensor according to [9] having an absorber that absorbs at least a part of light transmitted through the optical element.
- the optical element of the present invention is thin, and can condense and reflect only light of a target wavelength range such as infrared light in a predetermined direction. Further, the sensor of the present invention using this optical element is a high-performance sensor which is small in size and simple in apparatus configuration, and is also less in noise due to external light and the like.
- FIG. 1 is a view conceptually showing an example of the optical element of the present invention.
- FIG. 2 is a conceptual diagram for explaining a cholesteric liquid crystal layer of the optical element shown in FIG.
- FIG. 3 is a plan view of a cholesteric liquid crystal layer of the optical element shown in FIG.
- FIG. 4 is a conceptual view for explaining the function of the cholesteric liquid crystal layer of the optical element shown in FIG.
- FIG. 5 is a plan view showing another example of the cholesteric liquid crystal layer of the optical element of the present invention.
- FIG. 6 is a schematic view for explaining the function of the cholesteric liquid crystal layer of the optical element shown in FIG.
- FIG. 7 is a view conceptually showing another example of the optical element of the present invention.
- FIG. 1 is a view conceptually showing an example of the optical element of the present invention.
- FIG. 2 is a conceptual diagram for explaining a cholesteric liquid crystal layer of the optical element shown in FIG.
- FIG. 3 is a
- FIG. 8 is a conceptual view of an example of an exposure apparatus for exposing the alignment film of the optical element shown in FIG.
- FIG. 9 is a plan view of another example of the cholesteric liquid crystal layer of the optical element of the present invention.
- FIG. 10 is a conceptual view of another example of the exposure apparatus for exposing the alignment film for forming the cholesteric liquid crystal layer shown in FIG.
- FIG. 11 is a conceptual view of an example of the sensor of the present invention.
- a numerical range represented using “to” means a range including the numerical values described before and after “to” as the lower limit value and the upper limit value.
- (meth) acrylate is used in the meaning of “either or both of acrylate and methacrylate”.
- identical is intended to include an error range generally accepted in the technical field. Further, in the present specification, the terms “all”, “all” and “entire” etc. include 100% as well as an error range generally accepted in the technical field, for example, 99% or more, The case of 95% or more, or 90% or more is included.
- visible light is light of wavelengths visible to human eyes among electromagnetic waves, and represents light in a wavelength range of 380 to 780 nm.
- Nonvisible light is light in a wavelength range of less than 380 nm and in a wavelength range of more than 780 nm.
- the light in the wavelength range of 420 to 490 nm is blue light
- the light in the wavelength range of 495 to 570 nm is green light
- the light in the area is red light.
- ultraviolet light is light of a wavelength range of 200 nm or more and less than 420 nm
- infrared light infrared light
- the half-value transmittance represented by the following equation: T1 / 2 (%) It refers to the average value of the two wavelengths that indicate.
- T1 / 2 100 ⁇ (100 ⁇ Tmin) ⁇ 2
- “equal” in the selective reflection center wavelengths of the plurality of layers does not mean that they are strictly equal, and an error in a range which does not have an optical influence is acceptable.
- “equal" in the selective reflection center wavelengths of a plurality of objects means that the difference between the selective reflection center wavelengths in the respective objects is 20 nm or less, and the difference is 15 nm or less Preferably, it is 10 nm or less.
- the optical element of the present invention is a light reflecting element that reflects incident light, and has a cholesteric liquid crystal layer formed by fixing a cholesteric liquid crystal phase.
- the cholesteric liquid crystal layer has a liquid crystal alignment pattern in which the direction of the optical axis derived from the liquid crystal compound is continuously rotated toward one direction in the plane. Furthermore, in the liquid crystal alignment pattern, when the length in which the direction of the optical axis rotates by 180 ° in one direction in which the direction of the optical axis derived from the liquid crystal compound changes while rotating continuously is one cycle, The liquid crystal layer has regions having different lengths of one period in the liquid crystal alignment pattern in the plane. As will be described in detail later, by having such a configuration, the optical element of the present invention can condense and reflect only light in the target wavelength range in a predetermined direction.
- FIG. 1 conceptually shows an example of the optical element of the present invention.
- the optical element 10 of the illustrated example has a support 12, an alignment film 14, and a cholesteric liquid crystal layer 16.
- the cholesteric liquid crystal layer 16 is a layer formed by fixing a cholesteric liquid crystal phase, and as an example, has a selective reflection center wavelength in the infrared wavelength range. That is, the optical element 10 is a light reflecting element that selectively reflects infrared light and transmits other light.
- the support 12 supports the alignment film 14 and the cholesteric liquid crystal layer 16.
- the support 12 various sheet-like materials (films, plate-like materials) can be used as long as they can support the alignment film 14 and the cholesteric liquid crystal layer 16. Also, the support 12 may be transparent or opaque.
- the thickness of the support 12 is not limited, and the thickness capable of holding the alignment film 14 and the cholesteric liquid crystal layer 16 can be appropriately set according to the application of the optical element 10, the forming material of the support 12, and the like. Good.
- the thickness of the support 12 is preferably 5 to 5000 ⁇ m, more preferably 10 to 1000 ⁇ m, and still more preferably 15 to 500 ⁇ m.
- the support 12 may be a single layer or multiple layers.
- examples of the support 12 include glass, triacetyl cellulose (TAC), polyethylene terephthalate (PET), polycarbonate, polyvinyl chloride, acrylic, polyolefin, and the like.
- TAC triacetyl cellulose
- PET polyethylene terephthalate
- PC polycarbonate
- polyvinyl chloride acrylic, polyolefin, and the like.
- the support 12 in the case of being a multilayer one including any of the aforementioned single layer supports as a substrate and having another layer provided on the surface of the substrate is exemplified.
- an alignment film 14 is formed on the surface of the support 12.
- the alignment film 14 is an alignment film for aligning the liquid crystal compound 30 forming the cholesteric liquid crystal layer 16 in a predetermined liquid crystal alignment pattern when forming the cholesteric liquid crystal layer 16.
- the direction of the optical axis 30A (see FIG. 3) derived from the liquid crystal compound 30 is along one direction in the plane (arrow X direction in the figure). It has a liquid crystal alignment pattern which changes while continuously rotating. Furthermore, in the liquid crystal alignment pattern, the cholesteric liquid crystal layer 16 rotates the direction of the optical axis 30A by 180 ° in one direction in which the direction of the optical axis 30A changes while continuously rotating. When the rotation period) has a length ⁇ , one cycle has a different length ⁇ .
- the length 1 of one cycle gradually increases in the direction opposite to the one direction (the direction of the arrow X described later) in which the direction of the optical axis 30A changes while rotating continuously. It has a liquid crystal alignment pattern which becomes shorter. Therefore, the alignment film 14 is formed such that the cholesteric liquid crystal layer 16 can form this liquid crystal alignment pattern.
- the direction of the optical axis 30A rotates is also simply referred to as “the optical axis 30A rotates”.
- alignment films 14 can be used.
- rubbing-treated films of organic compounds such as polymers, orthorhombic films of inorganic compounds, films having microgrooves, and Langmuir ⁇ organic compounds of organic compounds such as ⁇ -trichosanic acid, dioctadecylmethyl ammonium chloride and methyl stearylate
- LB Liuir-Blodgett: Langmuir-Blodgett
- the alignment film 14 by rubbing can be formed by rubbing the surface of the polymer layer with paper or cloth several times in a certain direction.
- Materials used for the alignment film 14 include polyimide, polyvinyl alcohol, polymers having a polymerizable group described in JP-A-9-152509, JP-A-2005-97377, JP-A-2005-99228, and Materials used for forming orthogonal alignment films described in JP-A-2005-128503 are preferable.
- the term “orthogonal alignment film” as used in the present invention means an alignment film in which the major axes of the molecules of the rod-like liquid crystal compound are aligned substantially orthogonal to the rubbing direction of the orthogonal alignment film.
- a so-called photo alignment film which is an alignment film by irradiating a light alignment material with polarized light or non-polarized light, is suitably used. That is, in the optical element 10 of the present invention, a photoalignment film formed by applying a photoalignment material on the support 12 is suitably used as the alignment film 14.
- 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, 2007-94071 is mentioned, for example.
- the thickness of the alignment film is preferably 0.01 to 5 ⁇ m, and more preferably 0.05 to 2 ⁇ m.
- alignment film 14 There is no restriction
- FIG. 8 conceptually shows an example of an exposure apparatus which exposes the alignment film 14 to form an alignment pattern.
- An exposure apparatus 60 shown in FIG. 8 includes a light source 64 having a semiconductor laser 62, a beam splitter 68 for separating the laser beam M emitted from the semiconductor laser 62 into two beams MA and MB, and two separated beams. It comprises mirrors 70A and 70B and ⁇ / 4 plates 72A and 72B disposed on the light paths of MA and MB, respectively.
- the light source 64 includes a polarizing plate and emits linearly polarized light P 0 .
- the ⁇ / 4 plates 72A and 72B have optical axes orthogonal to each other.
- the ⁇ / 4 plate 72A converts the linearly polarized light P 0 (light beam MA) into right circularly polarized light P R
- the ⁇ / 4 plate 72B converts the linearly polarized light P 0 (light beam MB) into left circularly polarized light P L.
- the support 12 having the alignment film 14 before the liquid crystal alignment pattern is formed is disposed in the exposure portion, and the two light beams MA and the light beam MB cross on the alignment film 14 to interfere with each other. It irradiates to 14 and exposes. The interference at this time causes the polarization state of the light irradiated to the alignment film 14 to periodically change in the form of interference fringes. Thereby, in the alignment film 14, an alignment pattern in which the alignment state changes periodically is obtained.
- the optical axis 30A derived from the liquid crystal compound 30 is continuous in one direction.
- the cholesteric liquid crystal layer 16 can be formed having a liquid crystal alignment pattern that rotates in the same manner. Further, by rotating the polarization direction of the laser beam M emitted by the light source 64 by 90 °, the rotation direction of the optical axis 30A can be reversed.
- the period length ⁇ of the liquid crystal alignment pattern can be adjusted by changing the crossing angle ⁇ of the two light beams MA and MB. That is, in the exposure device 60, by adjusting the crossing angle ⁇ , in the liquid crystal alignment pattern in which the optical axis 30A derived from the liquid crystal compound 30 is continuously rotated in one direction, one direction in which the optical axis 30A rotates. The length ⁇ of one cycle in which the optical axis 30A rotates by 180 ° can be adjusted. Therefore, the cross angle ⁇ is adjusted in accordance with the desired length ⁇ of one cycle, and exposure of the alignment film 14 is repeated by covering the area other than the length ⁇ ⁇ of this one cycle with a mask or the like. Thus, it is possible to form an alignment film 14 having an alignment pattern having different regions of one cycle length ⁇ , that is, a cholesteric liquid crystal layer 16 having a liquid crystal alignment pattern.
- the alignment film is provided as a preferable embodiment, and is not an essential component.
- the cholesteric liquid crystal layer 16 and the like are derived from the liquid crystal compound 30 by forming an alignment pattern on the support 12 by a method of rubbing the support 12 or a method of processing the support 12 with a laser beam or the like. It is also possible to adopt a configuration having a liquid crystal alignment pattern in which the orientation of the optical axis 30A changes while continuously rotating along at least one direction in the plane.
- the cholesteric liquid crystal layer 16 is formed on the surface of the alignment film 14.
- the cholesteric liquid crystal layer 16 only shows the liquid crystal compound 30 (liquid crystal compound molecules) on the surface of the alignment film 14 in order to simplify the drawing and clearly show the configuration of the optical element 10.
- the cholesteric liquid crystal layer 16 has a spiral structure in which the liquid crystal compound 30 is spirally spirally stacked in the same manner as the cholesteric liquid crystal layer formed by fixing a normal cholesteric liquid crystal phase.
- the liquid crystal compound 30 has a structure in which a plurality of pitches of the liquid crystal compound 30 which is spirally swirled are formed, with the structure in which the liquid crystal compound 30 is stacked in one turn (360 ° rotation) in a spiral shape.
- the cholesteric liquid crystal layer 16 has wavelength selective reflectivity.
- the cholesteric liquid crystal layer 16 as an example, and reflects right circularly polarized light IR R infrared, but which transmits other light, having a selective reflection center wavelength in a wavelength range of infrared It is a cholesteric liquid crystal layer.
- the optical element 10 of the present invention as long as when using a sensor using infrared rays, fewer components contained in the sunlight, and reflects right circularly polarized light IR R of 850 nm ⁇ 50 nm, the other light and it reflects right circularly polarized light IR R of the cholesteric liquid crystal layer 16,940nm ⁇ 50nm that transmits, reflects right circularly polarized light IR R of the cholesteric liquid crystal layer 16,1150nm ⁇ 50nm which transmits other light, the other the cholesteric liquid crystal layer 16 transmits light and, reflects the right circularly polarized light IR R of 1400 nm ⁇ 50 nm, the cholesteric liquid crystal layer 16 which transmits light of other wavelengths, are exemplified.
- the cholesteric liquid crystal layer reflects right-circularly polarized light IR R infrared, limited to those that transmits light of other wavelengths is not the sole, and reflects right circularly polarized light of the red light It may be one that transmits other light, or one that reflects right circular polarization of green light and one that transmits other light, reflects right circular polarization of blue light, other light It may be one that transmits, or one that reflects right circularly polarized light of ultraviolet light and transmits other light. Furthermore, in the optical element of the present invention, the cholesteric liquid crystal layer may reflect left circularly polarized light instead of reflecting right circularly polarized light.
- the cholesteric liquid crystal layer 16 is formed by fixing the cholesteric liquid crystal phase. That is, the cholesteric liquid crystal layer 16 is a layer formed of the liquid crystal compound 30 (liquid crystal material) having a cholesteric structure.
- Cholesteric liquid crystal phase Cholesteric liquid crystal phases are known to exhibit selective reflectivity at specific wavelengths.
- the pitch of the cholesteric liquid crystal phase depends on the type of chiral agent used with the liquid crystal compound, or the concentration thereof added when forming the cholesteric liquid crystal layer, so that the desired pitch can be obtained by adjusting these.
- the reflected light of the cholesteric liquid crystal phase is circularly polarized light. That is, in the optical element 10 of the present invention, the cholesteric liquid crystal layer 16 reflects circularly polarized light. Whether the reflected light is right circularly polarized light or left circularly polarized light depends on the twist direction (sense) of the helix of the cholesteric liquid crystal phase.
- the selective reflection of circularly polarized light by the cholesteric liquid crystal phase reflects right circularly polarized light when the helical twist direction of the cholesteric liquid crystal phase is right, and reflects left circularly polarized light when the helical twist direction is left.
- the cholesteric liquid crystal layer 16 is a layer formed by fixing the cholesteric liquid crystal phase of right twist.
- the direction of swirling of the cholesteric liquid crystal phase can be adjusted by the type of liquid crystal compound forming the cholesteric liquid crystal layer 16 and / or the type of chiral agent to be added.
- the ⁇ n can be adjusted by the type of liquid crystal compound forming the cholesteric liquid crystal layer 16 and the mixing ratio thereof, and the temperature at the time of alignment fixation.
- the cholesteric liquid crystal layer 16 can be formed by fixing the cholesteric liquid crystal phase in layers.
- the structure in which the cholesteric liquid crystal phase is fixed may be a structure in which the orientation of the liquid crystal compound in the cholesteric liquid crystal phase is maintained, and typically, the polymerizable liquid crystal compound is in the aligned state of the cholesteric liquid crystal phase. It is preferable to have a structure which is polymerized and cured by ultraviolet irradiation, heating or the like to form a layer having no fluidity, and at the same time, it is changed to a state in which no change in orientation is caused by external field or external force.
- the liquid crystal compound 30 may not exhibit liquid crystallinity in the cholesteric liquid crystal layer.
- the polymerizable liquid crystal compound may have a high molecular weight by the curing reaction to lose liquid crystallinity.
- the liquid-crystal composition containing a liquid crystal compound is mentioned as an example.
- the liquid crystal compound is preferably a polymerizable liquid crystal compound.
- the liquid crystal composition used to form the cholesteric liquid crystal layer may further contain a surfactant and a chiral agent.
- the polymerizable liquid crystal compound may be a rod-like liquid crystal compound or a discotic liquid crystal compound, but is preferably a rod-like liquid crystal compound.
- Examples of rod-like polymerizable liquid crystal compounds that form a cholesteric liquid crystal phase include rod-like nematic liquid crystal compounds.
- the polymerizable liquid crystal compound is obtained by introducing a polymerizable group into the liquid crystal compound.
- the polymerizable group include an unsaturated polymerizable group, an epoxy group, and an aziridinyl group, and the unsaturated polymerizable group is preferable, and the ethylenically unsaturated polymerizable group is more preferable.
- the polymerizable group can be introduced into the molecules of the liquid crystal compound by various methods.
- the number of polymerizable groups contained in the polymerizable liquid crystal compound is preferably 1 to 6, and more preferably 1 to 3.
- An example of the polymerizable liquid crystal compound is Makromol. Chem. 190, 2255 (1989), Advanced Materials 5: 107 (1993), U.S. Pat. No.
- cyclic organopolysiloxane compounds having a cholesteric phase as disclosed in JP-A-57-165480 can be used.
- a polymer in which a mesogenic group exhibiting liquid crystal is introduced into the main chain, a side chain, or both the main chain and the side chain a polymer cholesteric in which a cholesteryl group is introduced into a side chain A liquid crystal, a liquid crystalline polymer as disclosed in JP-A-9-133810, and a liquid crystalline polymer as disclosed in JP-A-11-293252 can be used.
- the addition amount of the polymerizable liquid crystal compound in the liquid crystal composition is preferably 75 to 99.9% by mass with respect to the mass of the solid content (mass excluding the solvent) of the liquid crystal composition, and 80 to 99 It is more preferable that the amount is% by mass, and further preferably 85 to 90% by mass.
- the liquid crystal composition used when forming the cholesteric liquid crystal layer 16 may contain a surfactant.
- the surfactant is preferably a compound capable of functioning as an alignment control agent which contributes to stably or rapidly becoming a cholesteric liquid crystal phase of planar alignment.
- examples of the surfactant include silicone surfactants and fluorosurfactants, and fluorosurfactants are preferably exemplified.
- the surfactant include compounds described in paragraphs [0082] to [0090] of JP-A-2014-119605, and compounds described in paragraphs [0031] to [0034] of JP-A-2012-203237.
- the fluorine (meth) acrylate-based polymers described in paragraphs [0018] to [0043] and the like of JP-A-2007-272185, and the like.
- surfactant may be used individually by 1 type, and may use 2 or more types together.
- fluorine-based surfactant compounds described in paragraphs [0082] to [0090] of JP-A-2014-119605 are preferable.
- the addition amount of the surfactant in the liquid crystal composition is preferably 0.01 to 10% by mass, more preferably 0.01 to 5% by mass, and more preferably 0.02 to 1% by mass with respect to the total mass of the liquid crystal compound. Is more preferred.
- the chiral agent has a 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 a 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. Accordingly, 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 also 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.
- the content of the chiral agent in the liquid crystal composition is preferably 0.01 to 200 mol%, more preferably 1 to 30 mol%, with respect to the molar content of the liquid crystal compound.
- the liquid crystal composition contains a polymerizable compound, it preferably contains a polymerization initiator.
- the polymerization initiator to be used is a photoinitiator which can start a polymerization reaction by ultraviolet irradiation.
- the photopolymerization initiator include an ⁇ -carbonyl compound (described in each specification of US Pat. No. 2,367,661 and US Pat. No. 2,367,670), an acyloin ether (described in US Pat. No.
- the content of the photopolymerization initiator in the liquid crystal composition is preferably 0.1 to 20% by mass, more preferably 0.5 to 12% by mass, with respect to the content of the liquid crystal compound.
- the liquid crystal composition may optionally contain a crosslinking agent in order to improve film strength after curing and improve durability.
- a crosslinking agent those curable by ultraviolet light, heat, moisture and the like can be suitably used.
- multifunctional acrylate compounds such as trimethylol propane tri (meth) acrylate and pentaerythritol tri (meth) acrylate; Glycidyl (meth) acrylate And epoxy compounds such as ethylene glycol diglycidyl ether; aziridine compounds such as 2,2-bishydroxymethylbutanol-tris [3- (1-aziridinyl) propionate] and 4,4-bis (ethyleneiminocarbonylamino) diphenylmethane; hexa Isocyanate compounds such as methylene diisocyanate and biuret type isocyanate; polyoxazo
- a known catalyst can be used according to the reactivity of the crosslinking agent, and in addition to the improvement of the film strength and the durability, the productivity can be improved. These may be used alone or in combination of two or more.
- the content of the crosslinking agent is preferably 3 to 20% by mass, and more preferably 5 to 15% by mass with respect to the solid content mass of the liquid crystal composition. If the content of the crosslinking agent is within the above range, the effect of improving the crosslinking density is easily obtained, and the stability of the cholesteric liquid crystal phase is further improved.
- a polymerization inhibitor In the liquid crystal composition, if necessary, a polymerization inhibitor, an antioxidant, an ultraviolet light absorber, a light stabilizer, a coloring material, a metal oxide fine particle, and the like are in a range not to reduce the optical performance etc. Can be added.
- the liquid crystal composition is preferably used as a liquid when forming the cholesteric liquid crystal layer 16.
- the liquid crystal composition may contain a solvent.
- a solvent There is no restriction
- the organic solvent is not limited and can be appropriately selected according to the purpose. For example, ketones, alkyl halides, amides, sulfoxides, heterocyclic compounds, hydrocarbons, esters, and ethers Etc. These may be used alone or in combination of two or more. Among these, ketones are preferable in consideration of environmental load.
- the liquid crystal composition is applied to the formation surface of the cholesteric liquid crystal layer 16 to align the liquid crystal compound in the cholesteric liquid crystal phase, and then the liquid crystal compound is cured to form the cholesteric liquid crystal layer. It is preferable to set it as 16. That is, when forming the cholesteric liquid crystal layer 16 on the alignment film 14, the liquid crystal composition is applied to the alignment film 14 to align the liquid crystal compound in the cholesteric liquid crystal phase, and then the liquid crystal compound is cured. It is preferable to form a cholesteric liquid crystal layer 16 formed by fixing a cholesteric liquid crystal phase.
- the liquid crystal composition can be applied by printing methods such as ink jet and scroll printing, and known methods capable of uniformly applying a liquid to a sheet such as spin coating, bar coating and spray coating.
- the applied liquid crystal composition is optionally dried and / or heated and then cured to form a cholesteric liquid crystal layer 16.
- the liquid crystal compound in the liquid crystal composition may be aligned in the cholesteric liquid crystal phase.
- heating 200 degrees C or less is preferable and, as for heating temperature, 130 degrees C or less is more preferable.
- the oriented liquid crystal compound is further polymerized, if necessary.
- the polymerization may be either thermal polymerization or photopolymerization by light irradiation, but photopolymerization is preferred.
- the irradiation energy is preferably 20mJ / cm 2 ⁇ 50J / cm 2, more preferably 100 ⁇ 1500mJ / cm 2.
- Light irradiation may be carried out under heating conditions or under a nitrogen atmosphere to promote the photopolymerization reaction.
- the wavelength of the ultraviolet light to be irradiated is preferably 250 to 430 nm.
- the thickness of the cholesteric liquid crystal layer 16 there is no limitation on the thickness of the cholesteric liquid crystal layer 16, and depending on the application of the optical element 10, the reflectance of light required for the cholesteric liquid crystal layer, the material for forming the cholesteric liquid crystal layer, etc.
- the thickness at which the ratio can be obtained may be set as appropriate.
- the direction of the optical axis 30A derived from the liquid crystal compound 30 forming the cholesteric liquid crystal phase is in one direction in the plane of the cholesteric liquid crystal layer 16. It has a liquid crystal alignment pattern which changes while continuously rotating.
- the optical axis 30A derived from the liquid crystal compound 30 is an axis at which the refractive index is the highest in the liquid crystal compound 30, that is, a so-called slow axis.
- the optical axis 30A is along the long axis direction of the bar shape.
- the optical axis 30A derived from the liquid crystal compound 30 is also referred to as "optical axis 30A of the liquid crystal compound 30" or "optical axis 30A".
- FIG. 3 conceptually shows a plan view of the cholesteric liquid crystal layer 16.
- the main surface is the largest surface of the sheet (film, plate).
- the liquid crystal compound 30 has shown only the liquid crystal compound 30 of the surface of the alignment film 14 like FIG.
- the cholesteric liquid crystal layer 16 has a spiral structure in which the liquid crystal compound 30 is spirally swirled and stacked in the thickness direction from the liquid crystal compound 30 on the surface of the alignment film 14. It is as having mentioned above.
- the liquid crystal compound 30 constituting the cholesteric liquid crystal layer 16 is in a predetermined one direction indicated by an arrow X in accordance with the alignment pattern formed in the lower alignment film 14. And, it is in a state of being two-dimensionally arrayed in the direction orthogonal to this one direction (arrow X direction).
- the direction orthogonal to the arrow X direction is taken as the Y direction for convenience. That is, in FIGS. 1 and 2 and FIGS. 4 and 6 to 7 described later, the Y direction is a direction orthogonal to the paper surface.
- the liquid crystal compound 30 forming the cholesteric liquid crystal layer 16 has a liquid crystal alignment pattern in which the direction of the optical axis 30A changes while being continuously rotated along the arrow X direction in the plane of the cholesteric liquid crystal layer 16.
- the optical axis 30A of the liquid crystal compound 30 has a liquid crystal alignment pattern which changes while continuously rotating clockwise along the arrow X direction.
- the liquid crystal compound arranged along the arrow X direction that the direction of the optical axis 30A of the liquid crystal compound 30 changes while being continuously rotated in the arrow X direction (predetermined one direction)
- the angle formed by the optical axis 30A of 30 and the arrow X direction differs depending on the position in the arrow X direction, and the angle formed by the optical axis 30A and the arrow X direction along the arrow X direction is ⁇ to ⁇ + 180 ° It means that it changes sequentially up to ⁇ -180 °.
- the difference between the angles of the optical axes 30A of the liquid crystal compounds 30 adjacent to each other in the arrow X direction is preferably 45 ° or less, and more preferably a smaller angle.
- the optical axis 30A is oriented in the Y direction orthogonal to the arrow X direction, that is, in the Y direction orthogonal to one direction in which the optical axis A rotates in a simultaneous image. equal.
- the liquid crystal compound 30 forming the cholesteric liquid crystal layer 16 has an equal angle between the optical axis 30A of the liquid crystal compound 30 and the arrow X direction.
- the optical axis 30A of the liquid crystal compound 30 is 180 in the arrow X direction in which the optical axis 30A rotates continuously and changes in the plane.
- the rotation length (distance) is defined as the length 1 of one cycle in the liquid crystal alignment pattern. That is, the distance between the centers in the arrow X direction of two liquid crystal compounds 30 having the same angle with the arrow X direction is taken as the length of one cycle ⁇ .
- the distance between the centers of the two liquid crystal compounds 30 in which the direction of the arrow X coincides with the direction of the optical axis 30A is the length of one cycle ⁇ . .
- the cholesteric liquid crystal layer formed by fixing the cholesteric liquid crystal phase usually reflects specularly the incident light (circularly polarized light).
- the cholesteric liquid crystal layer 16 having a liquid crystal alignment pattern which changes while the optical axis 30A rotates continuously along the arrow X direction (predetermined one direction) in the plane, enters the light, The incident light is reflected in a direction having an angle in the arrow X direction.
- the cholesteric liquid crystal layer 16 reflects right circularly polarized light.
- the cholesteric liquid crystal layer reflects left circularly polarized light, the direction of the absolute phase and the inclination direction of the equiphase surface And, the same action is produced except that the reflection direction of light is reversed.
- the cholesteric liquid crystal layer 16 is a cholesteric liquid crystal layer that selectively reflects right-circularly polarized light IR R infrared. Therefore, when light enters the optical element 10, the cholesteric liquid crystal layer 16 reflects only the right circularly polarized light IR R of infrared light and transmits the other light.
- the infrared right-handed circularly polarized light IR R incident on the cholesteric liquid crystal layer 16 changes its absolute phase according to the direction of the optical axis 30 A of each liquid crystal compound 30 when being reflected by the cholesteric liquid crystal layer 16.
- the optical axis 30A of the liquid crystal compound 30 changes while rotating clockwise along the arrow X direction (one direction). Therefore, the amount of change in the absolute phase of the incident right-handed circularly polarized light IR R differs depending on the direction of the optical axis 30A.
- the liquid crystal alignment pattern formed in the cholesteric liquid crystal layer 16 is a pattern that is periodic in the arrow X direction.
- the right circularly polarized light IR R of infrared light is reflected so as to be reflected in the normal direction of the equiphase surface E1, and the right circularly polarized light IR R 1 of the reflected infrared light is inclined in the arrow X direction with respect to the XY plane Are reflected in the same direction. That is, the XY plane is the main surface of the cholesteric liquid crystal layer 16.
- the cholesteric liquid crystal shown schematically in FIG. 5 and FIG. 6 not clockwise as in the cholesteric liquid crystal layer 16 shown in FIG. 1, FIG. 3 and FIG.
- the optical phase 30A is an absolute phase Q2 periodically in the X direction corresponding to the direction of the optical axis 30A.
- the rotation of the optical axis 30A of the liquid crystal compound 30 is counterclockwise, the light axis 30A is inclined in the arrow X direction with respect to the XY plane inclined in the opposite direction to the case where the rotation is clockwise.
- the right circularly polarized light IR R of infrared light incident on the cholesteric liquid crystal layer 16a in which the rotation of the optical axis 30A of the liquid crystal compound 30 is counterclockwise is formed in the normal direction of the equal phase surface E2.
- the reflected right-handed circularly polarized light IR R 2 of the reflected infrared light is reflected in a direction inclined in the direction opposite to the arrow X direction with respect to the XY plane.
- the reflection angle of light by the cholesteric liquid crystal layer 16 in which the optical axis 30A of the liquid crystal compound 30 continuously rotates in the arrow X direction is a liquid crystal alignment pattern in which the optical axis 30A rotates 180 ° in the arrow X direction. It depends on the length of one cycle of ⁇ . Specifically, the shorter the length 1 of one period in the liquid crystal alignment pattern, the larger the angle of the reflected light with respect to the incident light. That is, in the optical element of the present invention, by adjusting the length 1 of one period in the liquid crystal alignment pattern of the cholesteric liquid crystal layer in the plane, for example, the reflection angle of light incident from the normal direction It can be changed for each area in the plane.
- FIG. 1 shows the end of the optical element 10 on the opposite side to the arrow X direction.
- the length 1 of one cycle gradually becomes shorter every two cycles toward the upstream side in the arrow X direction, that is, in the reverse direction to the arrow X direction. That is, the length 1 of one cycle becomes gradually shorter every two cycles from the right side to the left side in the drawing.
- the length ⁇ a of one cycle in the leftmost two cycles is the shortest
- the length ⁇ b of one cycle in the two cycles on the right thereof is second in the figure.
- the length of one cycle ⁇ c in the two cycles on the right side is the third shortest, and so on in the opposite direction to the arrow X direction (to the left in the figure), 1 of the liquid crystal alignment pattern
- the length ⁇ of the cycle becomes progressively shorter. In other words, in the direction of arrow X (rightward in the figure), the length ⁇ of one period of the liquid crystal alignment pattern gradually becomes longer.
- the angle of the reflected light to the incident light of the light reflected by the cholesteric liquid crystal layer 16 is larger as the length ⁇ of one cycle is shorter. Therefore, as shown conceptually in FIG. 1, when light is incident from the normal direction, the light (IR R ) incident on the leftmost two cycles with the shortest length ⁇ a of one cycle is the most The light is reflected at the largest angle with respect to the incident light (IR R 1) while being inclined in the arrow X direction (right direction in the figure).
- the normal direction is a direction orthogonal to the main surface of the cholesteric liquid crystal layer.
- IR R light (IR R ) incident on the right two cycles (third to fourth cycles from the left) whose length ⁇ b of one cycle is the second shortest is inclined in the arrow X direction with the second magnitude. It is reflected at the second largest angle to the incident light (IR R 1). Furthermore, light (IR R ) incident on the right two cycles (5th to 6th cycles from the left) having the third shortest length ⁇ c is inclined in the direction of the arrow X with the third magnitude. It is reflected at the third largest angle to incident light (IR R 1).
- the incident position of light goes to the right (downstream in the direction of arrow X)
- the amount of inclination in the direction of arrow X gradually decreases, that is, the angle of reflected light with respect to incident light decreases. Therefore, according to the optical element 10 shown in FIG. 1, the incident light (IR R ) can be reflected so as to condense in the direction of the arrow X.
- the light reflection direction can be reversed by reversing the rotation direction of the optical axis 30A of the liquid crystal compound 30 forming the cholesteric liquid crystal layer.
- An optical element which condenses light linearly can also be produced using this.
- the region on the upstream side (left side in the figure) of the arrow X direction with respect to the center (dotted line) in the arrow X direction rotates the optical axis 30A of the liquid crystal compound 30.
- the cholesteric liquid crystal layer 16 shown in FIGS. 3 and 4 is such that the direction is clockwise toward the arrow X direction.
- the rotation direction of the optical axis 30A of the liquid crystal compound 30 is counterclockwise in the arrow X direction.
- the cholesteric liquid crystal layer 16 a is shown in FIGS. 5 and 6.
- FIG. 7 shows one cycle each for simplifying the drawing, in the optical element 20, both the cholesteric liquid crystal layer 16 and the cholesteric liquid crystal layer 16a are directed outward from the center of the optical element 20. Gradually, the length 1 of one period of the liquid crystal alignment pattern is shortened.
- both the cholesteric liquid crystal layer 16 and the cholesteric liquid crystal layer 16 a gradually decrease in length ⁇ of one period of the liquid crystal alignment pattern toward the downstream side in the arrow X direction and toward the upstream side in the arrow X direction. It has become.
- the cholesteric liquid crystal layer 16 shown in FIGS. 3 and 4 in which the rotation direction of the optical axis 30A of the liquid crystal compound 30 is clockwise reflects incident light so as to be inclined in the X direction.
- the cholesteric liquid crystal layer 16a shown in FIGS. 5 and 6 in which the rotation direction of the optical axis 30A of the liquid crystal compound 30 is counterclockwise reflects the incident light so as to be inclined in the direction opposite to the X direction.
- the shorter the length ⁇ of one period of the liquid crystal alignment pattern the larger the angle of the reflected light with respect to the incident light. Therefore, the optical element 20 can reflect light (for example, infrared rays (IR)) incident from the normal direction so as to condense light linearly toward the center in the arrow X direction.
- IR infrared rays
- the liquid crystal alignment pattern in each region of the cholesteric liquid crystal layer in the plane of the cholesteric liquid crystal layer By appropriately setting the length ⁇ of one cycle, it is possible to reflect incident light so as to condense light in a target direction. Moreover, since the optical element of the present invention does not have to have a curved light reflecting surface like the concave mirror used in Patent Document 1, sufficient condensing performance can be obtained even if it is thin.
- the cholesteric liquid crystal layer has wavelength selectivity for reflection, it can transmit excess light and reflect only light in the target wavelength range, thus eliminating the need for a band pass filter, high pass filter, etc. Only light in the target wavelength range can be collected. Therefore, by using the optical element of the present invention, it is possible to miniaturize an optical device which needs to reflect and condense light in a target wavelength range in a predetermined direction. For example, by using the optical element of the present invention as a sensor for detecting an object and measuring the distance to the object using infrared light, the sensor can be miniaturized and a narrow installation place in a car, a robot, a drone, etc. Also, it becomes possible to mount the sensor suitably.
- the length 1 of one cycle is gradually shortened every two cycles of the liquid crystal alignment pattern in the outward direction of the cholesteric liquid crystal layer 16.
- the length ⁇ of one cycle is gradually shortened or lengthened for every predetermined number of cycles, for example, every one cycle, every ten cycles, every twenty cycles and every 100 cycles. You may The number of cycles for changing the length ⁇ of one cycle may be appropriately set according to the size of the optical element, the characteristics required for the optical element, the use of the optical element, and the like.
- the length of one period ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ in the liquid crystal alignment pattern of the cholesteric liquid crystal layer 16 is not limited, and the size of the optical element, the characteristics required for the optical element, and the use of the optical element It may be set appropriately in accordance with the etc.
- the optical element 10 shown in FIG. 1 has only one cholesteric liquid crystal layer 16, but the present invention is not limited to this, and the direction of the circularly polarized light that reflects at the same selective reflection center wavelength (approximately the same) That is, it may have two or more cholesteric liquid crystal layers having different senses of the helical structure.
- the optical element 10 of the illustrated example may further include a second cholesteric liquid crystal layer having a selective reflection center wavelength in the wavelength range of infrared light and reflecting left circularly polarized light of infrared light.
- a second cholesteric liquid crystal layer having a selective reflection center wavelength in the wavelength range of infrared light and reflecting left circularly polarized light of infrared light may be improved by having the cholesteric liquid crystal layers having the same selective reflection central wavelength and different directions of reflected circularly polarized light, it is possible to improve the reflectance of light in the target wavelength range, for example, the reflectance of infrared light.
- the rotational direction of the optical axis 30A of the liquid crystal compound 30 in one direction along which the optical axis 30A of the liquid crystal alignment pattern rotates is , Preferably different from each other.
- the rotation direction of the optical axis 30A of the liquid crystal compound 30 in the cholesteric liquid crystal layer 16 that reflects right circularly polarized light of infrared light is clockwise with respect to the arrow X direction as shown in FIG.
- the rotation direction of the optical axis 30A of the liquid crystal compound 30 in the second cholesteric liquid crystal layer that reflects circularly polarized light is preferably counterclockwise with respect to the arrow X direction as shown in FIG.
- the rotation direction of the optical axis 30A is In the same case, the reflection direction of circularly polarized light is reversed between the cholesteric liquid crystal layer that reflects right circularly polarized light and the cholesteric liquid crystal layer that reflects left circularly polarized light. Further, as described above, also when the rotation direction of the optical axis 30A of the liquid crystal compound 30 in the liquid crystal alignment pattern is reversed, the reflection direction of the circularly polarized light is reversed.
- the right circularly polarized light is obtained by mutually reversing the rotation directions of the optical axis 30A of the liquid crystal compound 30 in the liquid crystal alignment pattern.
- the reflection direction of circularly polarized light can be made the same between the cholesteric liquid crystal layer that reflects and the cholesteric liquid crystal layer that reflects left circularly polarized light.
- the optical axis 30A of the liquid crystal alignment pattern rotates along. It is preferable that the two cholesteric liquid crystal layers have the same liquid crystal alignment pattern such as one cycle length ⁇ , except that the rotation direction of the optical axis 30A of the liquid crystal compound 30 in one direction is reversed.
- the optical axis 30A of the liquid crystal compound 30 in the liquid crystal alignment pattern of the cholesteric liquid crystal layer is continuously rotated only along the arrow X direction.
- the present invention is not limited thereto, and in the cholesteric liquid crystal layer, the optical axis 30A of the liquid crystal compound 30 is continuously rotated along one direction, and the optical axis is rotated 180 ° in the liquid crystal alignment pattern. As long as one cycle has a different length ⁇ ⁇ , various configurations can be used.
- the liquid crystal compound 30 has a helical structure which is spirally swirled and stacked.
- the selective reflection center wavelength is the same, the turning direction of the reflected circularly polarized light is different, and preferably the optical axis of the liquid crystal compound 30
- the second cholesteric liquid crystal layer may have different rotational directions.
- the optical axis (not shown) of the liquid crystal compound 30 is the longitudinal direction of the liquid crystal compound 30.
- the direction of the optical axis of the liquid crystal compound 30 a number of outward direction from the center of the cholesteric liquid crystal layer 34, for example, the direction indicated by the arrow A 1, the direction indicated by the arrow A 2, an arrow A 3 It is changing while rotating continuously along the indicated direction.
- the rotational direction of the optical axis along the arrows A 1 , A 2 and A 3 is reversed at the center of the cholesteric liquid crystal layer 34.
- a Sankounisuru arrow A 2 direction the upstream side of the arrow A 2 direction, the rotational direction of the optical axis of the liquid crystal compound 30 in a clockwise direction of rotation reversal of the optical axis as a boundary to the center of the cholesteric liquid crystal layer 34
- the rotational direction of the optical axis is counterclockwise downstream of the center.
- the absolute phase changes in each local region in which the direction of the optical axis of the liquid crystal compound 30 is different. At this time, the amount of change in each absolute phase differs depending on the direction of the optical axis of the liquid crystal compound 30 on which the circularly polarized light is incident.
- Such a concentric liquid crystal alignment pattern that is, the cholesteric liquid crystal layer 34 having a liquid crystal alignment pattern in which the optical axis is continuously rotated and changed in a radial direction, has a rotation direction of the optical axis of the liquid crystal compound 30 and a reflecting circle.
- incident light can be reflected as diverging or focusing light. That is, by making the liquid crystal alignment pattern of the cholesteric liquid crystal layer concentric, the optical element of the present invention exhibits a function as, for example, a concave mirror or a convex mirror.
- the length of one period ⁇ in which the optical axis rotates 180 ° in the liquid crystal alignment pattern is It is preferable to shorten gradually from the center toward the outward direction.
- a Sankounisuru arrow A 2 direction the upstream side of the arrow A 2 direction from the center, in the arrow A 2 direction opposite (upstream side), of one cycle length lambda, progressively shorter, downstream of the arrow a 2 direction from the center, in the arrow a 2 direction (downstream side), of one cycle length lambda, gradually, preferably short.
- the reflection angle of light with respect to the incident direction becomes larger as the length 1 of one period in the liquid crystal alignment pattern becomes shorter. Therefore, by gradually shortening the length ⁇ of one cycle in the liquid crystal alignment pattern outward from the center of the cholesteric liquid crystal layer 34, the light focusing power of the cholesteric liquid crystal layer can be further improved, and a concave mirror Performance can be improved.
- one cycle length ⁇ ⁇ in the concentric liquid crystal alignment pattern is made outward from the center of the cholesteric liquid crystal layer 34 Towards, it may be gradually longer.
- the length ⁇ of one cycle is not gradually changed in one direction in which the optical axis rotates continuously. It is also possible to use a configuration having regions in which the length ⁇ of one cycle partially differs in one direction in which the optical axis rotates continuously.
- FIG. 10 conceptually shows an example of an exposure apparatus for forming such a concentric alignment pattern on the alignment film 14.
- the exposure apparatus 80 includes a light source 84 having a semiconductor laser 82, a polarization beam splitter 86 for dividing the laser beam M from the semiconductor laser 82 into an S-polarization MS and a P-polarization MP, and an optical path of the P-polarization MP.
- the mirror 90A and the mirror 90B disposed in the optical path of the S-polarized MS, the lens 92 disposed in the optical path of the S-polarized MS, the polarization beam splitter 94, and the ⁇ / 4 plate 96 are included.
- the P-polarized light MP split by the polarization beam splitter 86 is reflected by the mirror 90 A and enters the polarization beam splitter 94.
- the S-polarized light MS split by the polarization beam splitter 86 is reflected by the mirror 90 B, condensed by the lens 92, and enters the polarization beam splitter 94.
- the P-polarization MP and the S-polarization MS are combined by the polarization beam splitter 94 into right circular polarization and left circular polarization according to the polarization direction by the ⁇ / 4 plate 96, and the alignment film 14 on the support 12
- the polarization state of the light irradiated to the alignment film 14 changes periodically in the form of interference fringes.
- an exposure pattern in which the alignment state changes periodically from the inside to the outside can be obtained.
- a concentric alignment pattern in which the alignment state changes periodically is obtained.
- the length 1 of one cycle of the liquid crystal alignment pattern in which the optical axis of the liquid crystal compound 30 is rotated 180 ° in a simultaneous image corresponds to the refractive power of the lens 92 (F number of the lens 92) and the focal point of the lens 92.
- the distance can be controlled by changing the distance between the lens 92 and the alignment film 14 or the like. Further, by adjusting the refractive power of the lens 92, the length ⁇ ⁇ of one period of the liquid crystal alignment pattern can be changed in one direction in which the optical axis is continuously rotated.
- the length ⁇ of one period of the liquid crystal alignment pattern can be changed in one direction in which the optical axis is continuously rotated by the spread angle of light spread by the lens 92, which causes interference with parallel light. More specifically, when the refractive power of the lens 92 is weakened, it approaches parallel light, so that the length 1 of one period of the liquid crystal alignment pattern is gradually shortened from the inside to the outside, and the F number is increased. Conversely, when the refractive power of the lens 92 is increased, the length 1 of one period of the liquid crystal alignment pattern is suddenly shortened from the inside to the outside, and the F number is reduced.
- the length ⁇ of one cycle in which the optical axis rotates by 180 ° is not limited to the configuration to be gradually changed, and various configurations can be used.
- the length ⁇ of one cycle toward the arrow X direction instead of gradually changing the length ⁇ of one cycle toward the arrow X direction, one cycle partially in the arrow X direction Configurations having regions of different length ⁇ may also be used.
- the optical element according to the present invention is used in various applications such as a sensor, an optical path changing member in an optical device, a light condensing element, a light diffusing element in a predetermined direction, and a diffractive element to reflect light so as to condense light. It is possible.
- FIG. 11 conceptually shows an example of the sensor of the present invention using the optical element of the present invention.
- a sensor 40 shown in FIG. 11 is configured to include a surface light source 42 for emitting infrared light, an optical element 46 of the present invention, and a light receiving element 48 (infrared camera) for measuring infrared light.
- the sensor 40 shown in FIG. 11 causes the infrared light emitted from the surface light source 42 to be incident on the object O (the measurement target), and the infrared light reflected by the object O to be reflected by the optical element 46 to be incident on the light receiving element 48
- the optical element 46 has a cholesteric liquid crystal layer having a concentric liquid crystal alignment pattern as shown in FIG. 9 and condenses only the right circularly polarized incident infrared light and makes it enter the light receiving element 48. Transmits light.
- the optical element 46 of the present invention can reflect only light in the target wavelength range without using a band pass filter, high pass filter, etc., and has a curved surface like a concave mirror and a convex lens. Even thin optical elements can collect light in the desired direction. Therefore, the sensor using the optical element 46 of the present invention is easy to miniaturize, and can be suitably mounted, for example, in a narrow installation place in a car, a robot, a drone or the like.
- the sensor 40 of the present invention preferably has an absorber that absorbs at least a portion of the light transmitted through the optical element 46 of the present invention, preferably absorbs all light other than the reflected wavelength range of the optical element 46 .
- an absorber that absorbs at least a portion of the light transmitted through the optical element 46 of the present invention, preferably absorbs all light other than the reflected wavelength range of the optical element 46 .
- the absorber is not limited, and various known light absorbers can be used as long as they can absorb light transmitted through the optical element 46, such as a black plate and various light absorption filters.
- the absorber may be provided to face the surface opposite to the light incident surface of the light receiving element 48, or the surface opposite to the light incident surface of the light receiving element 48 by an adhesive or an adhesive. You may stick to
- the surface light source 42 may emit a continuous wave, but preferably emits a pulse wave.
- the pulse light By irradiating the pulse light with the surface light source 42, it is possible to determine whether the infrared light received by the light receiving element 35 is the infrared light emitted by the surface light source 42 or the infrared light due to the external light unnecessarily incident in the sensor 40 Therefore, the detection accuracy of the object O and the distance measurement accuracy can be further improved.
- Example 1 ⁇ Fabrication of optical element> (Saponification treatment of support and support)
- a commercially available triacetyl cellulose film manufactured by Fujifilm, Z-TAC was prepared as a support.
- 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.
- an alkaline solution shown below is coated at a coating amount of 14 mL (liter) / m 2 on one side of the support using a bar coater, and the support is heated to 110 ° C.
- the substrate was transported for 10 seconds under Noritake Co., Limited.
- the following coating solution for forming an undercoat layer was continuously applied to the surface of the support with an alkali saponification treatment using 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 shown in FIG. 10 to form an alignment film having an alignment pattern.
- a semiconductor laser that emits laser light of a wavelength (405 nm) was used.
- the exposure amount by the interference light was 100 mJ / cm 2 .
- the length of one cycle in the alignment pattern was controlled by adjusting the focal length of the lens.
- one cycle of the alignment pattern was made to be gradually shortened outward as the collimated light and the light expanded by the lens were caused to interfere with each other.
- the following liquid crystal composition was prepared as a liquid crystal composition for forming a cholesteric liquid crystal layer.
- This liquid crystal composition is a liquid crystal composition which forms a cholesteric liquid crystal layer (cholesteric liquid crystal phase) having a selective reflection center wavelength of 940 nm and reflecting right circularly polarized light.
- the cholesteric liquid crystal layer was formed by applying a liquid crystal composition in multiple layers on the alignment film.
- the first liquid crystal composition is first coated on the alignment film, heated and cooled, and then ultraviolet curing is performed to form a liquid crystal fixing layer, and then the second and subsequent layers are applied to the liquid crystal fixing layer. It refers to repeated application and coating, as well as repeated ultraviolet curing 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.
- the following liquid crystal composition is coated on the alignment film, the coating film is heated to 70 ° C. on a hot plate, and after cooling to 25 ° C., 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 first liquid crystal layer at this time was 0.2 ⁇ m.
- the second and subsequent layers were overcoated on the liquid crystal layer, heated and cooled under the same conditions as above, and then cured by ultraviolet light to produce a liquid crystal fixed layer.
- repeated application was repeated until the total thickness reached the desired thickness, and a cholesteric liquid crystal layer was formed, to fabricate the optical element of the present invention. It was confirmed by a polarization microscope that the cholesteric liquid crystal layer had a concentric periodic alignment surface as shown in FIG.
- the rotational direction of the optical axis is reversed at the center of the optical element.
- An LED (light emitting diode) surface light source emitting light with a central wavelength of 940 nm and an LED surface light source emitting light with a central wavelength of 650 nm were prepared.
- a white plate is irradiated with light from each surface light source, and the light reflected by the white plate is made incident on the produced optical element, and the light reflected by the optical element is received by a light receiving element (ARTCAM-130MI-BW, manufactured by ARTRAY Co., Ltd.) Measured by -WOM).
- the distance between the optical element and the light receiving element was 100 mm.
- an absorber IR-76, manufactured by Fujifilm Corp. was attached to the surface of the optical element on the opposite side to the incident surface of the reflected light from the white plate.
- the output (8-bit image data) from the light receiving element is 150 when light is emitted from an LED surface light source with a central wavelength of 940 nm, and 10 when light is emitted from an LED surface light source with a central wavelength of 650 nm.
- the ratio (960 nm / 650 nm) was 15.
- Example 2 The photoalignment film described in Example 1 was formed on glass (manufactured by Corning Inc., Eagle Glass) under the same conditions as in Example 1.
- a liquid crystal composition was prepared in the same manner as in Example 1 except that the type and amount of the chiral agent of Example 1 were changed as a liquid crystal composition for forming a cholesteric liquid crystal layer.
- This liquid crystal composition is a liquid crystal composition which forms a cholesteric liquid crystal layer (cholesteric liquid crystal phase) having a selective reflection center wavelength of 940 nm and reflecting left circularly polarized light.
- a cholesteric liquid crystal layer was formed by applying the above-mentioned liquid crystal composition in multiple layers on a photoalignment film formed on glass.
- the cholesteric liquid crystal layer of Example 2 is attached to the air interface side of each of the cholesteric liquid crystal layers via an adhesive (SK adhesive manufactured by Soken Chemical Co., Ltd.). And the cholesteric liquid crystal layer of Example 2 was peeled off from the glass.
- an adhesive SK adhesive manufactured by Soken Chemical Co., Ltd.
- the output from the light receiving element was evaluated. As a result, the output from the light receiving element is 250 when the light is emitted from the LED surface light source with a central wavelength of 940 nm, and 13 when the light is emitted from the LED surface light source with a central wavelength of 650 nm. 650 nm) was 19.
- Comparative Example 1 In place of the optical element of the present invention, light collected by the optical lens was measured using a light receiving element, using a normal optical lens (Canon LENS TV-16 mm 25 mm 1: 1.4 manufactured by Canon Inc.). The distance between the optical lens and the light receiving element was the same as in the example.
- the output from the light receiving element is 150 when light is emitted from an LED surface light source with a center wavelength of 940 nm, 150 when light is emitted from an LED surface light source with a center wavelength of 650 nm, and the ratio (960 nm / 650 nm) of both is It was 1.
- the optical element of the present invention can condense light in the same manner as a general optical lens, and reflects only light of a specific wavelength range (in this example, infrared light) in a predetermined direction. it can.
- a specific wavelength range in this example, infrared light
- the optical element of the present invention can condense light in the same manner as a general optical lens, and reflects only light of a specific wavelength range (in this example, infrared light) in a predetermined direction.
- a specific wavelength range in this example, infrared light
- the optical element of the present invention for a sensor or the like using infrared light, the measurement light reflected by the object can be suitably incident on the light receiving element, and an extra light component other than the measurement light is incident on the light receiving element High-accuracy measurement with high S / N ratio. From the above results, the effects of the present invention are clear.
- an optical device such as a light collecting member in a sensor for detecting an object in front and measuring a distance in an automobile, a robot, a drone or the like
- light in a specific wavelength range is reflected and collected in a predetermined direction It can be suitably used for various applications.
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Abstract
薄く、特定の波長域の光のみを所定の方向に反射できる光学素子、および、この光学素子を用いるセンサーの提供を課題とする。コレステリック液晶層を有し、コレステリック液晶層が、液晶化合物由来の光軸の向きが面内の少なくとも一方向に沿って連続的に回転しながら変化している液晶配向パターンを有し、光軸の向きが連続的に回転しながら変化する一方向における、光軸の向きが180°回転する長さを1周期とした際に、コレステリック液晶層が、面内に、1周期の長さが異なる領域を有する光学素子によって、課題を解決する。
Description
本発明は、光を反射する光学素子、および、この光学素子を用いるセンサーに関する。
自動車、ロボット、ドローン(マルチコプター・無人航空機)および警報装置等には、物体の検出および物体との距離の測定等を行うためのセンサーが設けられている。
このようなセンサーには、太陽光などの自然光によるノイズを軽減するために、赤外線が光源として利用されている。
このようなセンサーには、太陽光などの自然光によるノイズを軽減するために、赤外線が光源として利用されている。
例えば、特許文献1には、自動車から周囲の障害物等の物体に赤外線(赤外レーザ光)を照射し、物体からの水平面に平行な平行光線としての赤外線を、自動車の光透過性体に設置されたホログラムレンズによって受光素子(受光センサ)に集光させる車両用のレーザレーダ測距装置の集光構造において、ホログラムレンズの非点収差で生じた2つの収束点のうちで、ホログラムレンズより遠方の収束点に受光素子を配置すると共に、この受光素子の周囲に、遠方の収束点を通るホログラムレンズと平行な平行線上に配置された平面反射鏡と、この平面反射鏡からの反射光を受光素子に収束させる凹面反射鏡とを配置した、車両用レーザレーダ測距装置の集光構造が記載されている。
このようなセンサーにおいては、物体に赤外線を照射する方法として、光源からの光をポリゴンミラー等の光偏向器によって一方向に走査し、次いで、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)ミラー等によって、この一方向と直交する方向に光を走査することで、二次元的に赤外線を走査する方法が知られている。
しかしながら、この構成では、駆動部の劣化が激しく、また、耐振動性等にも問題がある。さらに、自動車、ロボットおよびドローン等では、狭い場所にセンサーを設置することが要求されるが、この構成では、装置構成が複雑で、かつ、大型になってしまうため、センサーの設置場所が大きく制限される。
しかしながら、この構成では、駆動部の劣化が激しく、また、耐振動性等にも問題がある。さらに、自動車、ロボットおよびドローン等では、狭い場所にセンサーを設置することが要求されるが、この構成では、装置構成が複雑で、かつ、大型になってしまうため、センサーの設置場所が大きく制限される。
一方、このような問題を解決したセンサーとして、赤外線を照射する面光源を用い、面光源からの光を物体に照射して、物体に反射された光を赤外線を測光する受光素子(赤外線カメラ)で受光する構成が考えられる。
面光源を用いる構成によれば、光を走査(スキャン)する必要がないので、装置を簡略化および小型化できる。
しかしながら、この構成では、面光源を利用しているために、受光素子に入射する光の光量が不十分で、SN比(signal-to-noise ratio)が低いという問題がある。
この問題を解決するために、特許文献1にも示されるように凹面反射鏡を用いる方法もある。しかしながら、凹面反射鏡では、十分な集光力を得るためには、凹面の曲率を高くする必要がある。その結果、鏡が厚くなってしまい、やはり、センサーが大きくなり、狭い場所への設置が困難である。
しかしながら、この構成では、面光源を利用しているために、受光素子に入射する光の光量が不十分で、SN比(signal-to-noise ratio)が低いという問題がある。
この問題を解決するために、特許文献1にも示されるように凹面反射鏡を用いる方法もある。しかしながら、凹面反射鏡では、十分な集光力を得るためには、凹面の曲率を高くする必要がある。その結果、鏡が厚くなってしまい、やはり、センサーが大きくなり、狭い場所への設置が困難である。
さらに、受光素子に光を入射させる凹面鏡等は、測定光である赤外線以外に、センサー内に侵入した太陽光などの外光も受光素子に反射して、入射させてしまう。
赤外線を測光する受光素子は、一般的に、赤外線以外の可視光にも感度を有するため、外光が入射すると、ノイズになってしまい、やはり、SN比が低くなってしまう。また、バンドパスフィルタおよびハイパスフィルタ等のフィルタを赤外線の光路中に設けることで、外光によるノイズを低減できるが、フィルタを設けることで、その分、センサーの構成が複雑になり、かつ、大型化してしまう。
赤外線を測光する受光素子は、一般的に、赤外線以外の可視光にも感度を有するため、外光が入射すると、ノイズになってしまい、やはり、SN比が低くなってしまう。また、バンドパスフィルタおよびハイパスフィルタ等のフィルタを赤外線の光路中に設けることで、外光によるノイズを低減できるが、フィルタを設けることで、その分、センサーの構成が複雑になり、かつ、大型化してしまう。
本発明の目的は、このような従来技術の問題点を解決することにあり、薄く、かつ、目的とする波長域の光のみを所定の方向に集光して反射できる光学素子、および、この光学素子を用いるセンサーを提供することにある。
この課題を解決するために、本発明は、以下の構成を有する。
[1] コレステリック液晶相を固定してなるコレステリック液晶層を有し、
コレステリック液晶層は、液晶化合物由来の光軸の向きが面内の少なくとも一方向に沿って連続的に回転しながら変化している液晶配向パターンを有し、
さらに、コレステリック液晶層の液晶配向パターンの、液晶化合物由来の光軸の向きが連続的に回転しながら変化する一方向における、液晶化合物由来の光軸の向きが180°回転する長さを1周期とした際に、コレステリック液晶層は、面内に、液晶配向パターンにおける1周期の長さが異なる領域を有することを特徴とする光学素子。
[2] 液晶化合物由来の光軸の向きが連続的に回転しながら変化する一方向の上流側に向かう方向および下流側に向かう方向の少なくとも一方において、コレステリック液晶層の液晶配向パターンの1周期の長さが、漸次、短くなる、[1]に記載の光学素子。
[3] コレステリック液晶層の外側に向かう方向に、コレステリック液晶層の液晶配向パターンの1周期の長さが、漸次、短くなる、[2]に記載の光学素子。
[4] 液晶化合物由来の光軸の向きが連続的に回転しながら変化する一方向において、液晶化合物由来の光軸の回転方向が互いに逆である領域を有する、[1]~[3]のいずれかに記載の光学素子。
[5] コレステリック液晶層の液晶配向パターンが、液晶化合物由来の光軸の向きが連続的に回転しながら変化する一方向を、内側から外側に向かう同心円状に有する、同心円状のパターンである、[1]~[4]のいずれかに記載の光学素子。
[6] コレステリック液晶層が、赤外線の領域に選択反射中心波長を有する、[1]~[5]のいずれかに記載の光学素子。
[7] 選択反射中心波長が同じで、反射する円偏光の旋回方向が互いに異なるコレステリック液晶層を有する、[1]~[6]のいずれかに記載の光学素子。
[8] 選択反射中心波長が同じで、反射する円偏光の旋回方向が互いに異なるコレステリック液晶層は、液晶配向パターンにおける液晶化合物由来の光軸の向きの連続的な回転方向が、互いに異なる、[7]に記載の光学素子。
[9] [1]~[8]のいずれかに記載の光学素子と、光源と、受光素子と、を有するセンサー。
[10] 光学素子を透過した光の少なくとも一部を吸収する吸収体を有する、[9]に記載のセンサー。
[11] 光源がパルス波を照射する、[9]または[10]に記載のセンサー。
[1] コレステリック液晶相を固定してなるコレステリック液晶層を有し、
コレステリック液晶層は、液晶化合物由来の光軸の向きが面内の少なくとも一方向に沿って連続的に回転しながら変化している液晶配向パターンを有し、
さらに、コレステリック液晶層の液晶配向パターンの、液晶化合物由来の光軸の向きが連続的に回転しながら変化する一方向における、液晶化合物由来の光軸の向きが180°回転する長さを1周期とした際に、コレステリック液晶層は、面内に、液晶配向パターンにおける1周期の長さが異なる領域を有することを特徴とする光学素子。
[2] 液晶化合物由来の光軸の向きが連続的に回転しながら変化する一方向の上流側に向かう方向および下流側に向かう方向の少なくとも一方において、コレステリック液晶層の液晶配向パターンの1周期の長さが、漸次、短くなる、[1]に記載の光学素子。
[3] コレステリック液晶層の外側に向かう方向に、コレステリック液晶層の液晶配向パターンの1周期の長さが、漸次、短くなる、[2]に記載の光学素子。
[4] 液晶化合物由来の光軸の向きが連続的に回転しながら変化する一方向において、液晶化合物由来の光軸の回転方向が互いに逆である領域を有する、[1]~[3]のいずれかに記載の光学素子。
[5] コレステリック液晶層の液晶配向パターンが、液晶化合物由来の光軸の向きが連続的に回転しながら変化する一方向を、内側から外側に向かう同心円状に有する、同心円状のパターンである、[1]~[4]のいずれかに記載の光学素子。
[6] コレステリック液晶層が、赤外線の領域に選択反射中心波長を有する、[1]~[5]のいずれかに記載の光学素子。
[7] 選択反射中心波長が同じで、反射する円偏光の旋回方向が互いに異なるコレステリック液晶層を有する、[1]~[6]のいずれかに記載の光学素子。
[8] 選択反射中心波長が同じで、反射する円偏光の旋回方向が互いに異なるコレステリック液晶層は、液晶配向パターンにおける液晶化合物由来の光軸の向きの連続的な回転方向が、互いに異なる、[7]に記載の光学素子。
[9] [1]~[8]のいずれかに記載の光学素子と、光源と、受光素子と、を有するセンサー。
[10] 光学素子を透過した光の少なくとも一部を吸収する吸収体を有する、[9]に記載のセンサー。
[11] 光源がパルス波を照射する、[9]または[10]に記載のセンサー。
本発明の光学素子は、薄く、かつ、赤外線などの目的とする波長域の光のみを所定の方向に集光して反射できる。また、この光学素子を用いる本発明のセンサーは、小型かつ装置構成が簡易で、さらに、外光等に起因するノイズが少ない、高性能なセンサーである。
以下、本発明の光学素子およびセンサーについて、添付の図面に示される好適実施例を基に詳細に説明する。
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。
本明細書において、「(メタ)アクリレート」は、「アクリレートおよびメタクリレートのいずれか一方または双方」の意味で使用される。
本明細書において、「同一」は、技術分野で一般的に許容される誤差範囲を含むものとする。また、本明細書において、「全部」、「いずれも」および「全面」などというとき、100%である場合のほか、技術分野で一般的に許容される誤差範囲を含み、例えば99%以上、95%以上、または90%以上である場合を含むものとする。
本明細書において、「(メタ)アクリレート」は、「アクリレートおよびメタクリレートのいずれか一方または双方」の意味で使用される。
本明細書において、「同一」は、技術分野で一般的に許容される誤差範囲を含むものとする。また、本明細書において、「全部」、「いずれも」および「全面」などというとき、100%である場合のほか、技術分野で一般的に許容される誤差範囲を含み、例えば99%以上、95%以上、または90%以上である場合を含むものとする。
本明細書において、可視光は、電磁波のうち、ヒトの目で見える波長の光であり、380~780nmの波長域の光を示す。非可視光は、380nm未満の波長域および780nmを超える波長域の光である。
また、これに限定されるものではないが、可視光のうち、420~490nmの波長域の光は青色光であり、495~570nmの波長域の光は緑色光であり、620~750nmの波長域の光は赤色光である。さらに、これに限定されるものではないが、非可視光のうち、紫外線(紫外光)とは、420nm未満で200nm以上の波長域の光であり、赤外線(赤外光)とは780nm超で12000nm以下の波長域の光である。
また、これに限定されるものではないが、可視光のうち、420~490nmの波長域の光は青色光であり、495~570nmの波長域の光は緑色光であり、620~750nmの波長域の光は赤色光である。さらに、これに限定されるものではないが、非可視光のうち、紫外線(紫外光)とは、420nm未満で200nm以上の波長域の光であり、赤外線(赤外光)とは780nm超で12000nm以下の波長域の光である。
本明細書において、選択反射中心波長とは、対象となる物(部材)における透過率の極小値をTmin(%)とした場合、下記の式で表される半値透過率:T1/2(%)を示す2つの波長の平均値のことを言う。
半値透過率を求める式: T1/2=100-(100-Tmin)÷2
また、複数の層の選択反射中心波長が「等しい」とは、厳密に等しいことを意味するものではなく、光学的に影響のない範囲の誤差は許容される。具体的には、複数の物の選択反射中心波長が「等しい」とは、それぞれの物同士における選択反射中心波長の差が20nm以下であることを意図し、この差は15nm以下であることが好ましく、10nm以下であることがより好ましい。
半値透過率を求める式: T1/2=100-(100-Tmin)÷2
また、複数の層の選択反射中心波長が「等しい」とは、厳密に等しいことを意味するものではなく、光学的に影響のない範囲の誤差は許容される。具体的には、複数の物の選択反射中心波長が「等しい」とは、それぞれの物同士における選択反射中心波長の差が20nm以下であることを意図し、この差は15nm以下であることが好ましく、10nm以下であることがより好ましい。
本発明の光学素子は、入射した光を反射する光反射素子であって、コレステリック液晶相を固定してなるコレステリック液晶層を有する。
本発明の光学素子において、コレステリック液晶層は、液晶化合物由来の光軸の向きが、面内の一方向に向かって連続的に回転する液晶配向パターンを有する。さらに、液晶配向パターンにおいて、液晶化合物由来の光軸の向きが連続的に回転しながら変化する一方向における、光軸の向きが180°回転する長さを1周期の長さとした際に、コレステリック液晶層は、面内に、液晶配向パターンにおける1周期の長さが異なる領域を有する。
後に詳述するが、本発明の光学素子は、このような構成を有することにより、目的とする波長域の光のみを、所定の方向に集光して反射できる。
本発明の光学素子において、コレステリック液晶層は、液晶化合物由来の光軸の向きが、面内の一方向に向かって連続的に回転する液晶配向パターンを有する。さらに、液晶配向パターンにおいて、液晶化合物由来の光軸の向きが連続的に回転しながら変化する一方向における、光軸の向きが180°回転する長さを1周期の長さとした際に、コレステリック液晶層は、面内に、液晶配向パターンにおける1周期の長さが異なる領域を有する。
後に詳述するが、本発明の光学素子は、このような構成を有することにより、目的とする波長域の光のみを、所定の方向に集光して反射できる。
図1に、本発明の光学素子の一例を概念的に示す。
図示例の光学素子10は、支持体12と、配向膜14と、コレステリック液晶層16と、を有する。コレステリック液晶層16は、コレステリック液晶相を固定してなる層であり、一例として、赤外線の波長域に選択反射中心波長を有する。すなわち、光学素子10は、赤外線を選択的に反射し、それ以外の光を透過する光反射素子である。
図示例の光学素子10は、支持体12と、配向膜14と、コレステリック液晶層16と、を有する。コレステリック液晶層16は、コレステリック液晶相を固定してなる層であり、一例として、赤外線の波長域に選択反射中心波長を有する。すなわち、光学素子10は、赤外線を選択的に反射し、それ以外の光を透過する光反射素子である。
<支持体>
光学素子10において、支持体12は、配向膜14およびコレステリック液晶層16を支持するものである。
光学素子10において、支持体12は、配向膜14およびコレステリック液晶層16を支持するものである。
支持体12は、配向膜14およびコレステリック液晶層16を支持できるものであれば、各種のシート状物(フィルム、板状物)が利用可能である。
また、支持体12は、透明でも不透明でもよい。
また、支持体12は、透明でも不透明でもよい。
支持体12の厚さには、制限はなく、光学素子10の用途および支持体12の形成材料等に応じて、配向膜14およびコレステリック液晶層16を保持できる厚さを、適宜、設定すればよい。
支持体12の厚さは、5~5000μmが好ましく、10~1000μmがより好ましく、15~500μmがさらに好ましい。
支持体12の厚さは、5~5000μmが好ましく、10~1000μmがより好ましく、15~500μmがさらに好ましい。
支持体12は単層であっても、多層であってもよい。
単層である場合の支持体12としては、ガラス、トリアセチルセルロース(TAC)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリカーボネート、ポリ塩化ビニル、アクリル、および、ポリオレフィン等からなる支持体12が例示される。多層である場合の支持体12の例としては、前述の単層の支持体のいずれかなどを基板として含み、この基板の表面に他の層を設けたもの等が例示される。
単層である場合の支持体12としては、ガラス、トリアセチルセルロース(TAC)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリカーボネート、ポリ塩化ビニル、アクリル、および、ポリオレフィン等からなる支持体12が例示される。多層である場合の支持体12の例としては、前述の単層の支持体のいずれかなどを基板として含み、この基板の表面に他の層を設けたもの等が例示される。
<配向膜>
光学素子10において、支持体12の表面には配向膜14が形成される。
配向膜14は、コレステリック液晶層16を形成する際に、コレステリック液晶層16を形成する液晶化合物30を、所定の液晶配向パターンに配向するための配向膜である。
光学素子10において、支持体12の表面には配向膜14が形成される。
配向膜14は、コレステリック液晶層16を形成する際に、コレステリック液晶層16を形成する液晶化合物30を、所定の液晶配向パターンに配向するための配向膜である。
後述するが、本発明の光学素子10において、コレステリック液晶層16は、液晶化合物30に由来する光軸30A(図3参照)の向きが、面内の一方向(図中矢印X方向)に沿って連続的に回転しながら変化している液晶配向パターンを有する。
さらに、コレステリック液晶層16は、液晶配向パターンにおける、光軸30Aの向きが連続的に回転しながら変化する一方向において、光軸30Aの向きが180°回転する長さを1周期(光軸の回転周期)の長さΛとした際に、1周期の長さΛが異なる領域を有する。図示例の光学素子10においては、光軸30Aの向きが連続的に回転しながら変化する一方向(後述する矢印X方向)とは逆方向に向かって、1周期の長さΛが、漸次、短くなっていく、液晶配向パターンを有する。
従って、配向膜14は、コレステリック液晶層16が、この液晶配向パターンを形成できるように、形成される。
さらに、コレステリック液晶層16は、液晶配向パターンにおける、光軸30Aの向きが連続的に回転しながら変化する一方向において、光軸30Aの向きが180°回転する長さを1周期(光軸の回転周期)の長さΛとした際に、1周期の長さΛが異なる領域を有する。図示例の光学素子10においては、光軸30Aの向きが連続的に回転しながら変化する一方向(後述する矢印X方向)とは逆方向に向かって、1周期の長さΛが、漸次、短くなっていく、液晶配向パターンを有する。
従って、配向膜14は、コレステリック液晶層16が、この液晶配向パターンを形成できるように、形成される。
以下の説明では、『光軸30Aの向きが回転』を単に『光軸30Aが回転』とも言う。
配向膜14は、公知の各種のものが利用可能である。
例えば、ポリマーなどの有機化合物からなるラビング処理膜、無機化合物の斜方蒸着膜、マイクログルーブを有する膜、ならびに、ω-トリコサン酸、ジオクタデシルメチルアンモニウムクロライドおよびステアリル酸メチルなどの有機化合物のラングミュア・ブロジェット法によるLB(Langmuir-Blodgett:ラングミュア・ブロジェット)膜を累積させた膜、等が例示される。
例えば、ポリマーなどの有機化合物からなるラビング処理膜、無機化合物の斜方蒸着膜、マイクログルーブを有する膜、ならびに、ω-トリコサン酸、ジオクタデシルメチルアンモニウムクロライドおよびステアリル酸メチルなどの有機化合物のラングミュア・ブロジェット法によるLB(Langmuir-Blodgett:ラングミュア・ブロジェット)膜を累積させた膜、等が例示される。
ラビング処理による配向膜14は、ポリマー層の表面を紙または布で一定方向に数回こすることにより形成できる。
配向膜14に使用する材料としては、ポリイミド、ポリビニルアルコール、特開平9-152509号公報に記載された重合性基を有するポリマー、特開2005-97377号公報、特開2005-99228号公報、および、特開2005-128503号公報記載の直交配向膜等の形成に用いられる材料が好ましい。なお、本発明で言う直交配向膜とは、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14に使用する材料としては、ポリイミド、ポリビニルアルコール、特開平9-152509号公報に記載された重合性基を有するポリマー、特開2005-97377号公報、特開2005-99228号公報、および、特開2005-128503号公報記載の直交配向膜等の形成に用いられる材料が好ましい。なお、本発明で言う直交配向膜とは、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。
本発明の光学素子10においては、配向膜14は、光配向性の素材に偏光または非偏光を照射して配向膜とした、いわゆる光配向膜が好適に利用される。すなわち、本発明の光学素子10においては、配向膜14として、支持体12上に、光配向材料を塗布して形成した光配向膜が、好適に利用される。
偏光の照射は、光配向膜に対して、垂直方向または斜め方向から行うことができ、非偏光の照射は、光配向膜に対して、斜め方向から行うことができる。
偏光の照射は、光配向膜に対して、垂直方向または斜め方向から行うことができ、非偏光の照射は、光配向膜に対して、斜め方向から行うことができる。
本発明に利用可能な光配向膜に用いられる光配向材料としては、例えば、特開2006-285197号公報、特開2007-76839号公報、特開2007-138138号公報、特開2007-94071号公報、特開2007-121721号公報、特開2007-140465号公報、特開2007-156439号公報、特開2007-133184号公報、特開2009-109831号公報、特許第3883848号公報および特許第4151746号公報に記載のアゾ化合物、特開2002-229039号公報に記載の芳香族エステル化合物、特開2002-265541号公報および特開2002-317013号公報に記載の光配向性単位を有するマレイミドおよび/またはアルケニル置換ナジイミド化合物、特許第4205195号および特許第4205198号に記載の光架橋性シラン誘導体、特表2003-520878号公報、特表2004-529220号公報および特許第4162850号に記載の光架橋性ポリイミド、光架橋性ポリアミドおよび光架橋性ポリエステル、ならびに、特開平9-118717号公報、特表平10-506420号公報、特表2003-505561号公報、国際公開第2010/150748号、特開2013-177561号公報および特開2014-12823号公報に記載の光二量化可能な化合物、特にシンナメート化合物、カルコン化合物およびクマリン化合物等が、好ましい例として例示される。
中でも、アゾ化合物、光架橋性ポリイミド、光架橋性ポリアミド、光架橋性ポリエステル、シンナメート化合物、および、カルコン化合物は、好適に利用される。
中でも、アゾ化合物、光架橋性ポリイミド、光架橋性ポリアミド、光架橋性ポリエステル、シンナメート化合物、および、カルコン化合物は、好適に利用される。
配向膜の厚さには制限はなく、配向膜の形成材料に応じて、必要な配向機能を得られる厚さを、適宜、設定すればよい。
配向膜の厚さは、0.01~5μmが好ましく、0.05~2μmがより好ましい。
配向膜の厚さは、0.01~5μmが好ましく、0.05~2μmがより好ましい。
配向膜14の形成方法には、制限はなく、配向膜14の形成材料に応じた公知の方法が、各種、利用可能である。一例として、配向膜14を支持体12の表面に塗布して乾燥させた後、配向膜14をレーザ光によって露光して、配向パターンを形成する方法が例示される。
図8に、配向膜14を露光して、配向パターンを形成する露光装置の一例を概念的に示す。
図8に示す露光装置60は、半導体レーザ62を備えた光源64と、半導体レーザ62が出射したレーザ光Mを光線MAおよびMBの2つに分離するビームスプリッター68と、分離された2つの光線MAおよびMBの光路上にそれぞれ配置されたミラー70Aおよび70Bと、λ/4板72Aおよび72Bと、を備える。
なお、図示は省略するが、光源64は偏光板を備え、直線偏光P0を出射する。λ/4板72Aおよび72Bは、互いに直交する光学軸を備えている。λ/4板72Aは、直線偏光P0(光線MA)を右円偏光PRに、λ/4板72Bは直線偏光P0(光線MB)を左円偏光PLに、それぞれ変換する。
なお、図示は省略するが、光源64は偏光板を備え、直線偏光P0を出射する。λ/4板72Aおよび72Bは、互いに直交する光学軸を備えている。λ/4板72Aは、直線偏光P0(光線MA)を右円偏光PRに、λ/4板72Bは直線偏光P0(光線MB)を左円偏光PLに、それぞれ変換する。
液晶配向パターンを形成される前の配向膜14を有する支持体12が露光部に配置され、2つの光線MAと光線MBとを配向膜14上において交差させて干渉させ、その干渉光を配向膜14に照射して露光する。
この際の干渉により、配向膜14に照射される光の偏光状態が干渉縞状に周期的に変化するものとなる。これにより、配向膜14において、配向状態が周期的に変化する配向パターンが得られる。
この際の干渉により、配向膜14に照射される光の偏光状態が干渉縞状に周期的に変化するものとなる。これにより、配向膜14において、配向状態が周期的に変化する配向パターンが得られる。
このような配向状態が周期的に変化した配向パターンを有する配向膜上に、コレステリック液晶層を形成することにより、後述するように、液晶化合物30に由来する光軸30Aが一方向に向かって連続的に回転する液晶配向パターンを有する、コレステリック液晶層16を形成できる。
また、光源64が出射するレーザ光Mの偏光方向を90°回転することにより、光軸30Aの回転方向を逆にすることができる。
また、光源64が出射するレーザ光Mの偏光方向を90°回転することにより、光軸30Aの回転方向を逆にすることができる。
ここで、露光装置60においては、2つの光線MAおよびMBの交差角αを変化させることにより、液晶配向パターンの周期の長さΛを調節できる。すなわち、露光装置60においては、交差角αを調節することにより、液晶化合物30に由来する光軸30Aが一方向に向かって連続的に回転する液晶配向パターンにおいて、光軸30Aが回転する1方向における、光軸30Aが180°回転する1周期の長さΛを調節できる。
従って、目的とする1周期の長さΛに応じて交差角αを調節して、この1周期の長さΛとする領域以外をマスク等で覆って配向膜14の露光を行うことを、繰り返すことで、1周期の長さΛの異なる領域を有する配向パターンを有する配向膜14、すなわち、液晶配向パターンを有するコレステリック液晶層16を形成できる。
従って、目的とする1周期の長さΛに応じて交差角αを調節して、この1周期の長さΛとする領域以外をマスク等で覆って配向膜14の露光を行うことを、繰り返すことで、1周期の長さΛの異なる領域を有する配向パターンを有する配向膜14、すなわち、液晶配向パターンを有するコレステリック液晶層16を形成できる。
なお、本発明の光学素子において、配向膜は、好ましい態様として設けられるものであり、必須の構成要件ではない。
例えば、支持体12をラビング処理する方法、支持体12をレーザ光等で加工する方法等によって、支持体12に配向パターンを形成することにより、コレステリック液晶層16等が、液晶化合物30に由来する光軸30Aの向きが面内の少なくとも一方向に沿って連続的に回転しながら変化している液晶配向パターンを有する構成とすることも、可能である。
例えば、支持体12をラビング処理する方法、支持体12をレーザ光等で加工する方法等によって、支持体12に配向パターンを形成することにより、コレステリック液晶層16等が、液晶化合物30に由来する光軸30Aの向きが面内の少なくとも一方向に沿って連続的に回転しながら変化している液晶配向パターンを有する構成とすることも、可能である。
<コレステリック液晶層>
光学素子10において、配向膜14の表面には、コレステリック液晶層16が形成される。
なお、図1においては、図面を簡略化して光学素子10の構成を明確に示すために、コレステリック液晶層16は、配向膜14の表面の液晶化合物30(液晶化合物分子)のみを示している。しかしながら、コレステリック液晶層16は、図2に概念的に示すように、通常のコレステリック液晶相を固定してなるコレステリック液晶層と同様、液晶化合物30が螺旋状に旋回して積み重ねられた螺旋構造を有し、液晶化合物30が螺旋状に1回転(360°回転)して積み重ねられた構成を螺旋1ピッチとして、螺旋状に旋回する液晶化合物30が、複数ピッチ、積層された構造を有する。
光学素子10において、配向膜14の表面には、コレステリック液晶層16が形成される。
なお、図1においては、図面を簡略化して光学素子10の構成を明確に示すために、コレステリック液晶層16は、配向膜14の表面の液晶化合物30(液晶化合物分子)のみを示している。しかしながら、コレステリック液晶層16は、図2に概念的に示すように、通常のコレステリック液晶相を固定してなるコレステリック液晶層と同様、液晶化合物30が螺旋状に旋回して積み重ねられた螺旋構造を有し、液晶化合物30が螺旋状に1回転(360°回転)して積み重ねられた構成を螺旋1ピッチとして、螺旋状に旋回する液晶化合物30が、複数ピッチ、積層された構造を有する。
コレステリック液晶層16は、波長選択反射性を有する。
図示例の光学素子10において、コレステリック液晶層16は、一例として、赤外線の右円偏光IRRを反射して、それ以外の光を透過するもので、赤外線の波長域に選択反射中心波長を有するコレステリック液晶層である。
例えば、本発明の光学素子10を、赤外線を用いるセンサーに利用する場合であれば、太陽光に含まれる成分が少ない、850nm±50nmの右円偏光IRRを反射して、それ以外の光を透過するコレステリック液晶層16、940nm±50nmの右円偏光IRRを反射して、それ以外の光を透過するコレステリック液晶層16、1150nm±50nmの右円偏光IRRを反射して、それ以外の光を透過するコレステリック液晶層16、および、1400nm±50nmの右円偏光IRRを反射して、それ以外の光を透過するコレステリック液晶層16が、例示される。
なお、本発明の光学素子において、コレステリック液晶層は、赤外線の右円偏光IRRを反射して、それ以外の光を透過するものに制限はされず、赤色光の右円偏光を反射して、それ以外の光を透過するものでもよく、緑色光の右円偏光を反射して、それ以外の光を透過するものでもよく、青色光の右円偏光を反射して、それ以外の光を透過するものでもよく、紫外線の右円偏光を反射して、それ以外の光を透過するものでもよい。さらに、本発明の光学素子において、コレステリック液晶層は、右円偏光を反射するのではなく、左円偏光を反射するものでもよい。
図示例の光学素子10において、コレステリック液晶層16は、一例として、赤外線の右円偏光IRRを反射して、それ以外の光を透過するもので、赤外線の波長域に選択反射中心波長を有するコレステリック液晶層である。
例えば、本発明の光学素子10を、赤外線を用いるセンサーに利用する場合であれば、太陽光に含まれる成分が少ない、850nm±50nmの右円偏光IRRを反射して、それ以外の光を透過するコレステリック液晶層16、940nm±50nmの右円偏光IRRを反射して、それ以外の光を透過するコレステリック液晶層16、1150nm±50nmの右円偏光IRRを反射して、それ以外の光を透過するコレステリック液晶層16、および、1400nm±50nmの右円偏光IRRを反射して、それ以外の光を透過するコレステリック液晶層16が、例示される。
なお、本発明の光学素子において、コレステリック液晶層は、赤外線の右円偏光IRRを反射して、それ以外の光を透過するものに制限はされず、赤色光の右円偏光を反射して、それ以外の光を透過するものでもよく、緑色光の右円偏光を反射して、それ以外の光を透過するものでもよく、青色光の右円偏光を反射して、それ以外の光を透過するものでもよく、紫外線の右円偏光を反射して、それ以外の光を透過するものでもよい。さらに、本発明の光学素子において、コレステリック液晶層は、右円偏光を反射するのではなく、左円偏光を反射するものでもよい。
前述のように、コレステリック液晶層16は、コレステリック液晶相を固定してなるものである。
すなわち、コレステリック液晶層16は、コレステリック構造を有する液晶化合物30(液晶材料)からなる層である。
すなわち、コレステリック液晶層16は、コレステリック構造を有する液晶化合物30(液晶材料)からなる層である。
<<コレステリック液晶相>>
コレステリック液晶相は、特定の波長において選択反射性を示すことが知られている。選択反射の中心波長λ(選択反射中心波長λ)は、コレステリック液晶相における螺旋構造のピッチP(=螺旋の周期)に依存し、コレステリック液晶相の平均屈折率nとλ=n×Pの関係に従う。そのため、この螺旋構造のピッチを調節することによって、選択反射中心波長を調節することができる。コレステリック液晶相のピッチは、コレステリック液晶層の形成の際、液晶化合物と共に用いるキラル剤の種類、またはその添加濃度に依存するため、これらを調節することによって所望のピッチを得ることができる。
なお、ピッチの調節については富士フイルム研究報告No.50(2005年)p.60-63に詳細な記載がある。螺旋のセンスおよびピッチの測定法については「液晶化学実験入門」日本液晶学会編 シグマ出版2007年出版、46頁、および、「液晶便覧」液晶便覧編集委員会 丸善 196頁に記載の方法を用いることができる。
コレステリック液晶相は、特定の波長において選択反射性を示すことが知られている。選択反射の中心波長λ(選択反射中心波長λ)は、コレステリック液晶相における螺旋構造のピッチP(=螺旋の周期)に依存し、コレステリック液晶相の平均屈折率nとλ=n×Pの関係に従う。そのため、この螺旋構造のピッチを調節することによって、選択反射中心波長を調節することができる。コレステリック液晶相のピッチは、コレステリック液晶層の形成の際、液晶化合物と共に用いるキラル剤の種類、またはその添加濃度に依存するため、これらを調節することによって所望のピッチを得ることができる。
なお、ピッチの調節については富士フイルム研究報告No.50(2005年)p.60-63に詳細な記載がある。螺旋のセンスおよびピッチの測定法については「液晶化学実験入門」日本液晶学会編 シグマ出版2007年出版、46頁、および、「液晶便覧」液晶便覧編集委員会 丸善 196頁に記載の方法を用いることができる。
なお、コレステリック液晶相の反射光は円偏光である。すなわち、本発明の光学素子10において、コレステリック液晶層16は、円偏光を反射する。反射光が右円偏光であるか左円偏光であるかは、コレステリック液晶相の螺旋の捩れ方向(センス)による。コレステリック液晶相による円偏光の選択反射は、コレステリック液晶相の螺旋の捩れ方向が右の場合は右円偏光を反射し、螺旋の捩れ方向が左の場合は左円偏光を反射する。
従って、図示例の光学素子10においては、コレステリック液晶層16は、右捩れのコレステリック液晶相を固定してなる層である。
なお、コレステリック液晶相の旋回の方向は、コレステリック液晶層16を形成する液晶化合物の種類および/または添加されるキラル剤の種類によって調節できる。
従って、図示例の光学素子10においては、コレステリック液晶層16は、右捩れのコレステリック液晶相を固定してなる層である。
なお、コレステリック液晶相の旋回の方向は、コレステリック液晶層16を形成する液晶化合物の種類および/または添加されるキラル剤の種類によって調節できる。
また、選択反射を示す選択反射帯域(円偏光反射帯域)の半値幅Δλ(nm)は、コレステリック液晶相のΔnと螺旋のピッチPとに依存し、Δλ=Δn×Pの関係に従う。そのため、選択反射帯域の幅の制御は、Δnを調節して行うことができる。Δnは、コレステリック液晶層16を形成する液晶化合物の種類およびその混合比率、ならびに、配向固定時の温度により調節できる。
<<コレステリック液晶層の形成方法>>
コレステリック液晶層16は、コレステリック液晶相を層状に固定して形成できる。
コレステリック液晶相を固定した構造は、コレステリック液晶相となっている液晶化合物の配向が保持されている構造であればよく、典型的には、重合性液晶化合物をコレステリック液晶相の配向状態としたうえで、紫外線照射、加熱等によって重合、硬化し、流動性が無い層を形成して、同時に、外場または外力によって配向形態に変化を生じさせることない状態に変化した構造が好ましい。
なお、コレステリック液晶相を固定した構造においては、コレステリック液晶相の光学的性質が保持されていれば十分であり、コレステリック液晶層において、液晶化合物30は液晶性を示さなくてもよい。例えば、重合性液晶化合物は、硬化反応により高分子量化して、液晶性を失っていてもよい。
コレステリック液晶層16は、コレステリック液晶相を層状に固定して形成できる。
コレステリック液晶相を固定した構造は、コレステリック液晶相となっている液晶化合物の配向が保持されている構造であればよく、典型的には、重合性液晶化合物をコレステリック液晶相の配向状態としたうえで、紫外線照射、加熱等によって重合、硬化し、流動性が無い層を形成して、同時に、外場または外力によって配向形態に変化を生じさせることない状態に変化した構造が好ましい。
なお、コレステリック液晶相を固定した構造においては、コレステリック液晶相の光学的性質が保持されていれば十分であり、コレステリック液晶層において、液晶化合物30は液晶性を示さなくてもよい。例えば、重合性液晶化合物は、硬化反応により高分子量化して、液晶性を失っていてもよい。
コレステリック液晶相を固定してなるコレステリック液晶層16の形成に用いる材料としては、一例として、液晶化合物を含む液晶組成物が挙げられる。液晶化合物は重合性液晶化合物であるのが好ましい。
また、コレステリック液晶層の形成に用いる液晶組成物は、さらに界面活性剤およびキラル剤を含んでいてもよい。
また、コレステリック液晶層の形成に用いる液晶組成物は、さらに界面活性剤およびキラル剤を含んでいてもよい。
--重合性液晶化合物--
重合性液晶化合物は、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よいが、棒状液晶化合物であるのが好ましい。
コレステリック液晶相を形成する棒状の重合性液晶化合物の例としては、棒状ネマチック液晶化合物が挙げられる。棒状ネマチック液晶化合物としては、アゾメチン類、アゾキシ類、シアノビフェニル類、シアノフェニルエステル類、安息香酸エステル類、シクロヘキサンカルボン酸フェニルエステル類、シアノフェニルシクロヘキサン類、シアノ置換フェニルピリミジン類、アルコキシ置換フェニルピリミジン類、フェニルジオキサン類、トラン類、および、アルケニルシクロヘキシルベンゾニトリル類等が好ましく用いられる。低分子液晶化合物だけではなく、高分子液晶化合物も用いることができる。
重合性液晶化合物は、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よいが、棒状液晶化合物であるのが好ましい。
コレステリック液晶相を形成する棒状の重合性液晶化合物の例としては、棒状ネマチック液晶化合物が挙げられる。棒状ネマチック液晶化合物としては、アゾメチン類、アゾキシ類、シアノビフェニル類、シアノフェニルエステル類、安息香酸エステル類、シクロヘキサンカルボン酸フェニルエステル類、シアノフェニルシクロヘキサン類、シアノ置換フェニルピリミジン類、アルコキシ置換フェニルピリミジン類、フェニルジオキサン類、トラン類、および、アルケニルシクロヘキシルベンゾニトリル類等が好ましく用いられる。低分子液晶化合物だけではなく、高分子液晶化合物も用いることができる。
重合性液晶化合物は、重合性基を液晶化合物に導入することで得られる。重合性基の例には、不飽和重合性基、エポキシ基、およびアジリジニル基が含まれ、不飽和重合性基が好ましく、エチレン性不飽和重合性基がより好ましい。重合性基は種々の方法で、液晶化合物の分子中に導入できる。重合性液晶化合物が有する重合性基の個数は、好ましくは1~6個、より好ましくは1~3個である。
重合性液晶化合物の例は、Makromol.Chem.,190巻、2255頁(1989年)、Advanced Materials 5巻、107頁(1993年)、米国特許第4683327号明細書、米国特許第5622648号明細書、米国特許第5770107号明細書、国際公開第95/22586号、国際公開第95/24455号、国際公開第97/00600号、国際公開第98/23580号、国際公開第98/52905号、特開平1-272551号公報、特開平6-16616号公報、特開平7-110469号公報、特開平11-80081号公報、および、特開2001-328973号公報等に記載の化合物が含まれる。2種類以上の重合性液晶化合物を併用してもよい。2種類以上の重合性液晶化合物を併用すると、配向温度を低下させることができる。
重合性液晶化合物の例は、Makromol.Chem.,190巻、2255頁(1989年)、Advanced Materials 5巻、107頁(1993年)、米国特許第4683327号明細書、米国特許第5622648号明細書、米国特許第5770107号明細書、国際公開第95/22586号、国際公開第95/24455号、国際公開第97/00600号、国際公開第98/23580号、国際公開第98/52905号、特開平1-272551号公報、特開平6-16616号公報、特開平7-110469号公報、特開平11-80081号公報、および、特開2001-328973号公報等に記載の化合物が含まれる。2種類以上の重合性液晶化合物を併用してもよい。2種類以上の重合性液晶化合物を併用すると、配向温度を低下させることができる。
また、上記以外の重合性液晶化合物としては、特開昭57-165480号公報に開示されているようなコレステリック相を有する環式オルガノポリシロキサン化合物等を用いることができる。さらに、前述の高分子液晶化合物としては、液晶を呈するメソゲン基を主鎖、側鎖、あるいは主鎖および側鎖の両方の位置に導入した高分子、コレステリル基を側鎖に導入した高分子コレステリック液晶、特開平9-133810号公報に開示されているような液晶性高分子、および、特開平11-293252号公報に開示されているような液晶性高分子等を用いることができる。
また、液晶組成物中の重合性液晶化合物の添加量は、液晶組成物の固形分質量(溶媒を除いた質量)に対して、75~99.9質量%であるのが好ましく、80~99質量%であるのがより好ましく、85~90質量%であるのがさらに好ましい。
--界面活性剤--
コレステリック液晶層16を形成する際に用いる液晶組成物は、界面活性剤を含有してもよい。
界面活性剤は、安定的にまたは迅速にプレーナー配向のコレステリック液晶相とするために寄与する配向制御剤として機能できる化合物が好ましい。界面活性剤としては、例えば、シリコ-ン系界面活性剤およびフッ素系界面活性剤が挙げられ、フッ素系界面活性剤が好ましく例示される。
コレステリック液晶層16を形成する際に用いる液晶組成物は、界面活性剤を含有してもよい。
界面活性剤は、安定的にまたは迅速にプレーナー配向のコレステリック液晶相とするために寄与する配向制御剤として機能できる化合物が好ましい。界面活性剤としては、例えば、シリコ-ン系界面活性剤およびフッ素系界面活性剤が挙げられ、フッ素系界面活性剤が好ましく例示される。
界面活性剤の具体例としては、特開2014-119605号公報の段落[0082]~[0090]に記載の化合物、特開2012-203237号公報の段落[0031]~[0034]に記載の化合物、特開2005-99248号公報の段落[0092]および[0093]中に例示されている化合物、特開2002-129162号公報の段落[0076]~[0078]および段落[0082]~[0085]中に例示されている化合物、ならびに、特開2007-272185号公報の段落[0018]~[0043]等に記載のフッ素(メタ)アクリレート系ポリマー、などが挙げられる。
なお、界面活性剤は、1種を単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。
フッ素系界面活性剤として、特開2014-119605号公報の段落[0082]~[0090]に記載の化合物が好ましい。
なお、界面活性剤は、1種を単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。
フッ素系界面活性剤として、特開2014-119605号公報の段落[0082]~[0090]に記載の化合物が好ましい。
液晶組成物中における、界面活性剤の添加量は、液晶化合物の全質量に対して0.01~10質量%が好ましく、0.01~5質量%がより好ましく、0.02~1質量%がさらに好ましい。
--キラル剤(光学活性化合物)--
キラル剤(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。キラル剤は、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。
キラル剤としては、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。
キラル剤は、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キ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。キラル剤は、重合性基を有していてもよい。キ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、重合性キ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、キ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、重合性キ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、キ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、キラル剤は、液晶化合物であってもよい。
キラル剤(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。キラル剤は、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。
キラル剤としては、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。
キラル剤は、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キ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。キラル剤は、重合性基を有していてもよい。キ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、重合性キ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、キ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、重合性キ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、キ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、キラル剤は、液晶化合物であってもよい。
キ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。
液晶組成物における、キラル剤の含有量は、液晶化合物の含有モル量に対して0.01~200モル%が好ましく、1~30モル%がより好ましい。
--重合開始剤--
液晶組成物が重合性化合物を含む場合は、重合開始剤を含有しているのが好ましい。紫外線照射により重合反応を進行させる態様では、使用する重合開始剤は、紫外線照射によって重合反応を開始可能な光重合開始剤であるのが好ましい。
光重合開始剤の例には、α-カルボニル化合物(米国特許第2367661号、米国特許第2367670号の各明細書記載)、アシロインエーテル(米国特許第2448828号明細書記載)、α-炭化水素置換芳香族アシロイン化合物(米国特許第2722512号明細書記載)、多核キノン化合物(米国特許第3046127号、米国特許第2951758号の各明細書記載)、トリアリールイミダゾールダイマーとp-アミノフェニルケトンとの組み合わせ(米国特許第3549367号明細書記載)、アクリジンおよびフェナジン化合物(特開昭60-105667号公報、米国特許第4239850号明細書記載)、ならびに、オキサジアゾール化合物(米国特許第4212970号明細書記載)等が挙げられる。
液晶組成物中の光重合開始剤の含有量は、液晶化合物の含有量に対して0.1~20質量%であるのが好ましく、0.5~12質量%であるのがより好ましい。
液晶組成物が重合性化合物を含む場合は、重合開始剤を含有しているのが好ましい。紫外線照射により重合反応を進行させる態様では、使用する重合開始剤は、紫外線照射によって重合反応を開始可能な光重合開始剤であるのが好ましい。
光重合開始剤の例には、α-カルボニル化合物(米国特許第2367661号、米国特許第2367670号の各明細書記載)、アシロインエーテル(米国特許第2448828号明細書記載)、α-炭化水素置換芳香族アシロイン化合物(米国特許第2722512号明細書記載)、多核キノン化合物(米国特許第3046127号、米国特許第2951758号の各明細書記載)、トリアリールイミダゾールダイマーとp-アミノフェニルケトンとの組み合わせ(米国特許第3549367号明細書記載)、アクリジンおよびフェナジン化合物(特開昭60-105667号公報、米国特許第4239850号明細書記載)、ならびに、オキサジアゾール化合物(米国特許第4212970号明細書記載)等が挙げられる。
液晶組成物中の光重合開始剤の含有量は、液晶化合物の含有量に対して0.1~20質量%であるのが好ましく、0.5~12質量%であるのがより好ましい。
--架橋剤--
液晶組成物は、硬化後の膜強度向上、耐久性向上のため、任意に架橋剤を含有していてもよい。架橋剤としては、紫外線、熱、および、湿気等で硬化するものが好適に使用できる。
架橋剤としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えばトリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレートおよびペンタエリスリトールトリ(メタ)アクリレート等の多官能アクリレート化合物;グリシジル(メタ)アクリレートおよびエチレングリコールジグリシジルエーテル等のエポキシ化合物;2,2-ビスヒドロキシメチルブタノール-トリス[3-(1-アジリジニル)プロピオネート]および4,4-ビス(エチレンイミノカルボニルアミノ)ジフェニルメタン等のアジリジン化合物;ヘキサメチレンジイソシアネートおよびビウレット型イソシアネート等のイソシアネート化合物;オキサゾリン基を側鎖に有するポリオキサゾリン化合物;ならびに、ビニルトリメトキシシラン、N-(2-アミノエチル)3-アミノプロピルトリメトキシシラン等のアルコキシシラン化合物などが挙げられる。また、架橋剤の反応性に応じて公知の触媒を用いることができ、膜強度および耐久性向上に加えて生産性を向上させることができる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
架橋剤の含有量は、液晶組成物の固形分質量に対して、3~20質量%が好ましく、5~15質量%がより好ましい。架橋剤の含有量が上記範囲内であれば、架橋密度向上の効果が得られやすく、コレステリック液晶相の安定性がより向上する。
液晶組成物は、硬化後の膜強度向上、耐久性向上のため、任意に架橋剤を含有していてもよい。架橋剤としては、紫外線、熱、および、湿気等で硬化するものが好適に使用できる。
架橋剤としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えばトリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレートおよびペンタエリスリトールトリ(メタ)アクリレート等の多官能アクリレート化合物;グリシジル(メタ)アクリレートおよびエチレングリコールジグリシジルエーテル等のエポキシ化合物;2,2-ビスヒドロキシメチルブタノール-トリス[3-(1-アジリジニル)プロピオネート]および4,4-ビス(エチレンイミノカルボニルアミノ)ジフェニルメタン等のアジリジン化合物;ヘキサメチレンジイソシアネートおよびビウレット型イソシアネート等のイソシアネート化合物;オキサゾリン基を側鎖に有するポリオキサゾリン化合物;ならびに、ビニルトリメトキシシラン、N-(2-アミノエチル)3-アミノプロピルトリメトキシシラン等のアルコキシシラン化合物などが挙げられる。また、架橋剤の反応性に応じて公知の触媒を用いることができ、膜強度および耐久性向上に加えて生産性を向上させることができる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
架橋剤の含有量は、液晶組成物の固形分質量に対して、3~20質量%が好ましく、5~15質量%がより好ましい。架橋剤の含有量が上記範囲内であれば、架橋密度向上の効果が得られやすく、コレステリック液晶相の安定性がより向上する。
--その他の添加剤--
液晶組成物中には、必要に応じて、さらに重合禁止剤、酸化防止剤、紫外線吸収剤、光安定化剤、色材、および、金属酸化物微粒子等を、光学的性能等を低下させない範囲で添加することができる。
液晶組成物中には、必要に応じて、さらに重合禁止剤、酸化防止剤、紫外線吸収剤、光安定化剤、色材、および、金属酸化物微粒子等を、光学的性能等を低下させない範囲で添加することができる。
液晶組成物は、コレステリック液晶層16を形成する際には、液体として用いられるのが好ましい。
液晶組成物は溶媒を含んでいてもよい。溶媒には、制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、有機溶媒が好ましい。
有機溶媒には、制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ケトン類、アルキルハライド類、アミド類、スルホキシド類、ヘテロ環化合物、炭化水素類、エステル類、および、エーテル類などが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、環境への負荷を考慮した場合にはケトン類が好ましい。
液晶組成物は溶媒を含んでいてもよい。溶媒には、制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、有機溶媒が好ましい。
有機溶媒には、制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ケトン類、アルキルハライド類、アミド類、スルホキシド類、ヘテロ環化合物、炭化水素類、エステル類、および、エーテル類などが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、環境への負荷を考慮した場合にはケトン類が好ましい。
コレステリック液晶層16を形成する際には、コレステリック液晶層16の形成面に液晶組成物を塗布して、液晶化合物をコレステリック液晶相の状態に配向した後、液晶化合物を硬化して、コレステリック液晶層16とするのが好ましい。
すなわち、配向膜14上にコレステリック液晶層16を形成する場合には、配向膜14に液晶組成物を塗布して、液晶化合物をコレステリック液晶相の状態に配向した後、液晶化合物を硬化して、コレステリック液晶相を固定してなるコレステリック液晶層16を形成するのが好ましい。
液晶組成物の塗布は、インクジェットおよびスクロール印刷等の印刷法、ならびに、スピンコート、バーコートおよびスプレー塗布等のシート状物に液体を一様に塗布できる公知の方法が全て利用可能である。
すなわち、配向膜14上にコレステリック液晶層16を形成する場合には、配向膜14に液晶組成物を塗布して、液晶化合物をコレステリック液晶相の状態に配向した後、液晶化合物を硬化して、コレステリック液晶相を固定してなるコレステリック液晶層16を形成するのが好ましい。
液晶組成物の塗布は、インクジェットおよびスクロール印刷等の印刷法、ならびに、スピンコート、バーコートおよびスプレー塗布等のシート状物に液体を一様に塗布できる公知の方法が全て利用可能である。
塗布された液晶組成物は、必要に応じて乾燥および/または加熱され、その後、硬化され、コレステリック液晶層16を形成する。この乾燥および/または加熱の工程で、液晶組成物中の液晶化合物がコレステリック液晶相に配向すればよい。加熱を行う場合、加熱温度は、200℃以下が好ましく、130℃以下がより好ましい。
配向させた液晶化合物は、必要に応じて、さらに重合される。重合は、熱重合、および、光照射による光重合のいずれでもよいが、光重合が好ましい。光照射は、紫外線を用いるのが好ましい。照射エネルギーは、20mJ/cm2~50J/cm2が好ましく、100~1500mJ/cm2がより好ましい。光重合反応を促進するため、加熱条件下または窒素雰囲気下で光照射を実施してもよい。照射する紫外線の波長は250~430nmが好ましい。
コレステリック液晶層16の厚さには、制限はなく、光学素子10の用途、コレステリック液晶層に要求される光の反射率、および、コレステリック液晶層の形成材料等に応じて、必要な光の反射率が得られる厚さを、適宜、設定すればよい。
<<コレステリック液晶層の液晶配向パターン>>
前述のように、本発明の光学素子10において、コレステリック液晶層16は、コレステリック液晶相を形成する液晶化合物30に由来する光軸30Aの向きが、コレステリック液晶層16の面内において、一方向に連続的に回転しながら変化する液晶配向パターンを有する。
なお、液晶化合物30に由来する光軸30Aとは、液晶化合物30において屈折率が最も高くなる軸、いわゆる遅相軸である。例えば、液晶化合物30が棒状液晶化合物である場合には、光軸30Aは、棒形状の長軸方向に沿っている。以下の説明では、液晶化合物30に由来する光軸30Aを、『液晶化合物30の光軸30A』または『光軸30A』ともいう。
前述のように、本発明の光学素子10において、コレステリック液晶層16は、コレステリック液晶相を形成する液晶化合物30に由来する光軸30Aの向きが、コレステリック液晶層16の面内において、一方向に連続的に回転しながら変化する液晶配向パターンを有する。
なお、液晶化合物30に由来する光軸30Aとは、液晶化合物30において屈折率が最も高くなる軸、いわゆる遅相軸である。例えば、液晶化合物30が棒状液晶化合物である場合には、光軸30Aは、棒形状の長軸方向に沿っている。以下の説明では、液晶化合物30に由来する光軸30Aを、『液晶化合物30の光軸30A』または『光軸30A』ともいう。
図3に、コレステリック液晶層16の平面図を概念的に示す。
なお、平面図とは、図1において、光学素子10を上方から見た図であり、すなわち、光学素子10を厚さ方向(=各層(膜)の積層方向)から見た図である。言い換えれば、コレステリック液晶層16を主面と直交する方向から見た図である。主面とは、シート状物(フィルム、板状物)の最大面である。
また、図3では、本発明の光学素子10の構成を明確に示すために、図1と同様、液晶化合物30は配向膜14の表面の液晶化合物30のみを示している。しかしながら、コレステリック液晶層16は、厚さ方向には、図2に示されるように、この配向膜14の表面の液晶化合物30から、液晶化合物30が螺旋状に旋回して積み重ねられた螺旋構造を有するのは、前述のとおりである。
なお、平面図とは、図1において、光学素子10を上方から見た図であり、すなわち、光学素子10を厚さ方向(=各層(膜)の積層方向)から見た図である。言い換えれば、コレステリック液晶層16を主面と直交する方向から見た図である。主面とは、シート状物(フィルム、板状物)の最大面である。
また、図3では、本発明の光学素子10の構成を明確に示すために、図1と同様、液晶化合物30は配向膜14の表面の液晶化合物30のみを示している。しかしながら、コレステリック液晶層16は、厚さ方向には、図2に示されるように、この配向膜14の表面の液晶化合物30から、液晶化合物30が螺旋状に旋回して積み重ねられた螺旋構造を有するのは、前述のとおりである。
図3に示すように、配向膜14の表面において、コレステリック液晶層16を構成する液晶化合物30は、下層の配向膜14に形成された配向パターンに応じて、矢印Xで示す所定の一方向、および、この一方向(矢印X方向)と直交する方向に、二次元的に配列された状態になっている。
以下の説明では、矢印X方向と直交する方向を、便宜的にY方向とする。すなわち、図1、図2および後述する図4、図6~図7では、Y方向は、紙面に直交する方向となる。
また、コレステリック液晶層16を形成する液晶化合物30は、コレステリック液晶層16の面内において、矢印X方向に沿って、光軸30Aの向きが、連続的に回転しながら変化する、液晶配向パターンを有する。図示例においては、液晶化合物30の光軸30Aが、矢印X方向に沿って、時計回りで連続的に回転しながら変化する、液晶配向パターンを有する。
液晶化合物30の光軸30Aの向きが矢印X方向(所定の一方向)に連続的に回転しながら変化しているとは、具体的には、矢印X方向に沿って配列されている液晶化合物30の光軸30Aと、矢印X方向とが成す角度が、矢印X方向の位置によって異なっており、矢印X方向に沿って、光軸30Aと矢印X方向とが成す角度がθからθ+180°あるいはθ-180°まで、順次、変化していることを意味する。
なお、矢印X方向に互いに隣接する液晶化合物30の光軸30Aの角度の差は、45°以下であるのが好ましく、より小さい角度であるのがさらに好ましい。
以下の説明では、矢印X方向と直交する方向を、便宜的にY方向とする。すなわち、図1、図2および後述する図4、図6~図7では、Y方向は、紙面に直交する方向となる。
また、コレステリック液晶層16を形成する液晶化合物30は、コレステリック液晶層16の面内において、矢印X方向に沿って、光軸30Aの向きが、連続的に回転しながら変化する、液晶配向パターンを有する。図示例においては、液晶化合物30の光軸30Aが、矢印X方向に沿って、時計回りで連続的に回転しながら変化する、液晶配向パターンを有する。
液晶化合物30の光軸30Aの向きが矢印X方向(所定の一方向)に連続的に回転しながら変化しているとは、具体的には、矢印X方向に沿って配列されている液晶化合物30の光軸30Aと、矢印X方向とが成す角度が、矢印X方向の位置によって異なっており、矢印X方向に沿って、光軸30Aと矢印X方向とが成す角度がθからθ+180°あるいはθ-180°まで、順次、変化していることを意味する。
なお、矢印X方向に互いに隣接する液晶化合物30の光軸30Aの角度の差は、45°以下であるのが好ましく、より小さい角度であるのがさらに好ましい。
一方、コレステリック液晶層16を形成する液晶化合物30は、矢印X方向と直交するY方向、すなわち、光軸Aが連像的に回転する一方向と直交するY方向では、光軸30Aの向きが等しい。
言い換えれば、コレステリック液晶層16を形成する液晶化合物30は、Y方向では、液晶化合物30の光軸30Aと矢印X方向とが成す角度が等しい。
言い換えれば、コレステリック液晶層16を形成する液晶化合物30は、Y方向では、液晶化合物30の光軸30Aと矢印X方向とが成す角度が等しい。
本発明の光学素子10においては、このような液晶化合物30の液晶配向パターンにおいて、面内で光軸30Aが連続的に回転して変化する矢印X方向において、液晶化合物30の光軸30Aが180°回転する長さ(距離)を、液晶配向パターンにおける1周期の長さΛとする。
すなわち、矢印X方向に対する角度が等しい2つの液晶化合物30の、矢印X方向の中心間の距離を、1周期の長さΛとする。具体的には、図3に示すように、矢印X方向と光軸30Aの方向とが一致する2つの液晶化合物30の、矢印X方向の中心間の距離を、1周期の長さΛとする。
すなわち、矢印X方向に対する角度が等しい2つの液晶化合物30の、矢印X方向の中心間の距離を、1周期の長さΛとする。具体的には、図3に示すように、矢印X方向と光軸30Aの方向とが一致する2つの液晶化合物30の、矢印X方向の中心間の距離を、1周期の長さΛとする。
コレステリック液晶相を固定してなるコレステリック液晶層は、通常、入射した光(円偏光)を鏡面反射する。
これに対して、面内において、矢印X方向(所定の一方向)に沿って光軸30Aが連続的に回転しながら変化する、液晶配向パターンを有するコレステリック液晶層16は、入射した光を、入射光に対して矢印X方向に角度を有した方向に反射する。以下、図4を参照して説明する。
なお、以下に示す例は、コレステリック液晶層16が右円偏光を反射する場合を例にするが、コレステリック液晶層が左円偏光を反射する場合も、絶対位相の方向、等位相面の傾斜方向、および、光の反射方向等が逆になる以外は、同様の作用を生じる。
これに対して、面内において、矢印X方向(所定の一方向)に沿って光軸30Aが連続的に回転しながら変化する、液晶配向パターンを有するコレステリック液晶層16は、入射した光を、入射光に対して矢印X方向に角度を有した方向に反射する。以下、図4を参照して説明する。
なお、以下に示す例は、コレステリック液晶層16が右円偏光を反射する場合を例にするが、コレステリック液晶層が左円偏光を反射する場合も、絶対位相の方向、等位相面の傾斜方向、および、光の反射方向等が逆になる以外は、同様の作用を生じる。
前述のように、コレステリック液晶層16は、赤外線の右円偏光IRRを選択的に反射するコレステリック液晶層である。従って、光学素子10に光が入射すると、コレステリック液晶層16は、赤外線の右円偏光IRRのみを反射し、それ以外の光を透過する。
コレステリック液晶層16に入射した赤外線の右円偏光IRRは、コレステリック液晶層16によって反射される際に、各液晶化合物30の光軸30Aの向きに応じて絶対位相が変化する。
ここで、コレステリック液晶層16では、液晶化合物30の光軸30Aが矢印X方向(一方向)に沿って時計回りに回転しながら変化している。そのため、光軸30Aの向きによって、入射した赤外線の右円偏光IRRの絶対位相の変化量が異なる。
さらに、コレステリック液晶層16に形成された液晶配向パターンは、矢印X方向に周期的なパターンである。そのため、コレステリック液晶層16に入射した赤外線の右円偏光IRRには、図4に概念的に示すように、それぞれの光軸30Aの向きに対応した矢印X方向に周期的な絶対位相Q1が与えられる。
また、液晶化合物30の光軸30Aの矢印X方向に対する向きは、矢印X方向と直交するY方向の液晶化合物30の配列では、均一である。
これによりコレステリック液晶層16では、赤外線の右円偏光IRRに対して、XY面に対して矢印X方向とは逆に傾いた等位相面E1が形成される。
そのため、赤外線の右円偏光IRRは、等位相面E1の法線方向に反射するように反射され、反射された赤外線の右円偏光IRR1は、XY面に対して矢印X方向に傾いた方向に反射される。XY面とは、すなわち、コレステリック液晶層16の主面である。
ここで、コレステリック液晶層16では、液晶化合物30の光軸30Aが矢印X方向(一方向)に沿って時計回りに回転しながら変化している。そのため、光軸30Aの向きによって、入射した赤外線の右円偏光IRRの絶対位相の変化量が異なる。
さらに、コレステリック液晶層16に形成された液晶配向パターンは、矢印X方向に周期的なパターンである。そのため、コレステリック液晶層16に入射した赤外線の右円偏光IRRには、図4に概念的に示すように、それぞれの光軸30Aの向きに対応した矢印X方向に周期的な絶対位相Q1が与えられる。
また、液晶化合物30の光軸30Aの矢印X方向に対する向きは、矢印X方向と直交するY方向の液晶化合物30の配列では、均一である。
これによりコレステリック液晶層16では、赤外線の右円偏光IRRに対して、XY面に対して矢印X方向とは逆に傾いた等位相面E1が形成される。
そのため、赤外線の右円偏光IRRは、等位相面E1の法線方向に反射するように反射され、反射された赤外線の右円偏光IRR1は、XY面に対して矢印X方向に傾いた方向に反射される。XY面とは、すなわち、コレステリック液晶層16の主面である。
これに対して、液晶化合物30の光軸30Aの回転が、図1、図3および図4に示すコレステリック液晶層16のように時計回りではなく、図5および図6に概念的に示すコレステリック液晶層16aのように矢印X方向に向かって反時計回りである場合には、光軸30Aの向きに対応したX方向に周期的な絶対位相Q2は、図6に示すように、光軸30Aが時計回りである場合とは逆になる。
その結果、液晶化合物30の光軸30Aの回転が反時計回りである場合には、光軸30Aの回転が時計回りである場合とは逆に傾斜した、XY面に対して矢印X方向に傾いた等位相面E2が形成される
そのため、液晶化合物30の光軸30Aの回転が反時計回りであるコレステリック液晶層16aに入射した赤外線の右円偏光IRRは、等位相面E2の法線方向に反射するように反射され、反射された赤外線の右円偏光IRR2は、XY面に対して矢印X方向とは逆方向に傾いた方向に反射される。
その結果、液晶化合物30の光軸30Aの回転が反時計回りである場合には、光軸30Aの回転が時計回りである場合とは逆に傾斜した、XY面に対して矢印X方向に傾いた等位相面E2が形成される
そのため、液晶化合物30の光軸30Aの回転が反時計回りであるコレステリック液晶層16aに入射した赤外線の右円偏光IRRは、等位相面E2の法線方向に反射するように反射され、反射された赤外線の右円偏光IRR2は、XY面に対して矢印X方向とは逆方向に傾いた方向に反射される。
ここで、矢印X方向に向かって、液晶化合物30の光軸30Aが連続的に回転するコレステリック液晶層16による光の反射角度は、矢印X方向において、光軸30Aが180°回転する液晶配向パターンの1周期の長さΛによって異なる。具体的には、液晶配向パターンにおける1周期の長さΛが短いほど、入射光に対する反射光の角度が大きくなる。
すなわち、本発明の光学素子では、コレステリック液晶層の液晶配向パターンにおける1周期の長さΛを、面内において調節することで、例えば法線方向から入射した光の反射角度を、コレステリック液晶層の面内における領域毎に変えることができる。
すなわち、本発明の光学素子では、コレステリック液晶層の液晶配向パターンにおける1周期の長さΛを、面内において調節することで、例えば法線方向から入射した光の反射角度を、コレステリック液晶層の面内における領域毎に変えることができる。
図1は、光学素子10の矢印X方向とは逆側の端部を示している。
光学素子10においては、一例として、矢印X方向の上流側に向かって、すなわち矢印X方向とは逆方向に向かって、2周期毎に、1周期の長さΛが、漸次、短くなる。すなわち、図中右側から、左側に向かって、2周期毎に、1周期の長さΛが、漸次、短くなる。
具体的には、1周期の長さΛは、図中、最も左の2周期における1周期の長さΛaが、最も短く、その右側の2周期における1周期の長さΛbが、2番目に短く、その右側の2周期における1周期の長さΛcが、3番目に短く、……のように、矢印X方向と逆方向に向かって(図中左側に向かって)、液晶配向パターンの1周期の長さΛが、漸次、短くなる。言い換えれば、矢印X方向に向かって(図中右側に向かって)、液晶配向パターンの1周期の長さΛが、漸次、長くなる。
光学素子10においては、一例として、矢印X方向の上流側に向かって、すなわち矢印X方向とは逆方向に向かって、2周期毎に、1周期の長さΛが、漸次、短くなる。すなわち、図中右側から、左側に向かって、2周期毎に、1周期の長さΛが、漸次、短くなる。
具体的には、1周期の長さΛは、図中、最も左の2周期における1周期の長さΛaが、最も短く、その右側の2周期における1周期の長さΛbが、2番目に短く、その右側の2周期における1周期の長さΛcが、3番目に短く、……のように、矢印X方向と逆方向に向かって(図中左側に向かって)、液晶配向パターンの1周期の長さΛが、漸次、短くなる。言い換えれば、矢印X方向に向かって(図中右側に向かって)、液晶配向パターンの1周期の長さΛが、漸次、長くなる。
前述のように、コレステリック液晶層16によって反射される光の、入射光に対する反射光の角度は、1周期の長さΛが短いほど、大きい。
従って、図1に概念的に示すように、法線方向から光が入射した場合には、1周期の長さΛaが最も短い、最も左の2周期に入射した光(IRR)は、最も矢印X方向(図中右方向)に傾斜して、入射光に対して最も大きな角度で反射される(IRR1)。なお、本例において、法線方向とは、コレステリック液晶層の主面と直交する方向である。
また、1周期の長さΛbが2番目に短い、その右側の2周期(左から3~4周期目)に入射した光(IRR)は、2番目の大きさで矢印X方向に傾斜して、入射光に対して2番目に大きな角度で反射される(IRR1)。
さらに、1周期の長さΛcが3番目に短い、その右側の2周期(左から5~6周期目)に入射した光(IRR)は、3番目の大きさで矢印X方向に傾斜して、入射光に対して3番目に大きな角度で反射される(IRR1)。
以下、光の入射位置が右側(矢印X方向の下流側)に行くにしたがって、漸次、矢印X方向への傾斜量すなわち入射光に対する反射光の角度が小さくなる。従って、図1に示す光学素子10によれば、矢印X方向に向かって集光するように、入射した光(IRR)を反射できる。
従って、図1に概念的に示すように、法線方向から光が入射した場合には、1周期の長さΛaが最も短い、最も左の2周期に入射した光(IRR)は、最も矢印X方向(図中右方向)に傾斜して、入射光に対して最も大きな角度で反射される(IRR1)。なお、本例において、法線方向とは、コレステリック液晶層の主面と直交する方向である。
また、1周期の長さΛbが2番目に短い、その右側の2周期(左から3~4周期目)に入射した光(IRR)は、2番目の大きさで矢印X方向に傾斜して、入射光に対して2番目に大きな角度で反射される(IRR1)。
さらに、1周期の長さΛcが3番目に短い、その右側の2周期(左から5~6周期目)に入射した光(IRR)は、3番目の大きさで矢印X方向に傾斜して、入射光に対して3番目に大きな角度で反射される(IRR1)。
以下、光の入射位置が右側(矢印X方向の下流側)に行くにしたがって、漸次、矢印X方向への傾斜量すなわち入射光に対する反射光の角度が小さくなる。従って、図1に示す光学素子10によれば、矢印X方向に向かって集光するように、入射した光(IRR)を反射できる。
また、前述のように、本発明の光学素子においては、コレステリック液晶層を形成する液晶化合物30の光軸30Aの回転方向を反対にすることで、光の反射方向を逆方向にできる。これを利用して、線状に光を集光するような光学素子も作製可能である。
例えば、図7に示す光学素子20のように、矢印X方向の中央(一点鎖線)に対して、矢印X方向の上流側(図中左側)の領域は、液晶化合物30の光軸30Aの回転方向が矢印X方向に向かって時計回りである、図3および図4に示すコレステリック液晶層16とする。他方、矢印X方向の中央に対して、矢印X方向の下流側(図中右側)の領域は、矢印X方向に向かって、液晶化合物30の光軸30Aの回転方向が反時計回りである、図5および図6に示すコレステリック液晶層16aとする。
さらに、図7では、図面を簡略化するために1周期ずつを示しているが、光学素子20では、コレステリック液晶層16およびコレステリック液晶層16aは、共に、光学素子20の中央から外側に向かって、漸次、液晶配向パターンの1周期の長さΛが短くなっている。言い換えれば、コレステリック液晶層16は、矢印X方向の下流側に向かって、コレステリック液晶層16aは矢印X方向の上流側に向かって、共に、漸次、液晶配向パターンの1周期の長さΛが短くなっている。
例えば、図7に示す光学素子20のように、矢印X方向の中央(一点鎖線)に対して、矢印X方向の上流側(図中左側)の領域は、液晶化合物30の光軸30Aの回転方向が矢印X方向に向かって時計回りである、図3および図4に示すコレステリック液晶層16とする。他方、矢印X方向の中央に対して、矢印X方向の下流側(図中右側)の領域は、矢印X方向に向かって、液晶化合物30の光軸30Aの回転方向が反時計回りである、図5および図6に示すコレステリック液晶層16aとする。
さらに、図7では、図面を簡略化するために1周期ずつを示しているが、光学素子20では、コレステリック液晶層16およびコレステリック液晶層16aは、共に、光学素子20の中央から外側に向かって、漸次、液晶配向パターンの1周期の長さΛが短くなっている。言い換えれば、コレステリック液晶層16は、矢印X方向の下流側に向かって、コレステリック液晶層16aは矢印X方向の上流側に向かって、共に、漸次、液晶配向パターンの1周期の長さΛが短くなっている。
上述のように、液晶化合物30の光軸30Aの回転方向が時計回りである図3および図4に示すコレステリック液晶層16は、入射光をX方向に傾斜するように反射する。他方、液晶化合物30の光軸30Aの回転方向が反時計回りである図5および図6に示すコレステリック液晶層16aは、入射光をX方向とは逆方向に傾斜するように反射する。
さらに、液晶配向パターンの1周期の長さΛが短いほど、入射光に対する反射光の角度は大きくなる。
そのため、光学素子20は、法線方向から入射した光(例えば、赤外線(IR))を、矢印X方向の中央に向かうような線状に集光するように反射できる。
さらに、液晶配向パターンの1周期の長さΛが短いほど、入射光に対する反射光の角度は大きくなる。
そのため、光学素子20は、法線方向から入射した光(例えば、赤外線(IR))を、矢印X方向の中央に向かうような線状に集光するように反射できる。
すなわち、コレステリック液晶層が、面内に、1周期の長さΛが異なる領域を有する本発明の光学素子によれば、コレステリック液晶層の面内において、コレステリック液晶層の各領域における液晶配向パターンの1周期の長さΛを、適宜、設定することにより、目的とする方向に集光するように、入射した光を反射できる。しかも、本発明の光学素子は、特許文献1で用いられる凹面鏡のように、光反射面を曲面とする必要もないので、薄くても、十分な集光性能が得られる。
加えて、コレステリック液晶層は、反射に波長選択性を有するので、余分な光を透過させて、目的とする波長域の光のみを反射できるので、バンドパスフィルタおよびハイパスフィルタ等も不要にして、目的とする波長域の光のみを集光できる。
そのため、本発明の光学素子を用いることにより、目的とする波長域の光を所定の方向に反射して集光する必要が有る光学装置を小型化できる。例えば、本発明の光学素子を、赤外線を用いて物体の検出および物体との距離を測定するセンサー等に利用することにより、センサーを小型化して、自動車、ロボットおよびドローン等の中の狭い設置場所にも、好適にセンサーを装着することが可能になる。
加えて、コレステリック液晶層は、反射に波長選択性を有するので、余分な光を透過させて、目的とする波長域の光のみを反射できるので、バンドパスフィルタおよびハイパスフィルタ等も不要にして、目的とする波長域の光のみを集光できる。
そのため、本発明の光学素子を用いることにより、目的とする波長域の光を所定の方向に反射して集光する必要が有る光学装置を小型化できる。例えば、本発明の光学素子を、赤外線を用いて物体の検出および物体との距離を測定するセンサー等に利用することにより、センサーを小型化して、自動車、ロボットおよびドローン等の中の狭い設置場所にも、好適にセンサーを装着することが可能になる。
図1に示す例では、コレステリック液晶層16は、コレステリック液晶層16の外方向に向かって、液晶配向パターンの2周期毎に、漸次、1周期の長さΛが短くなっているが、本発明は、これに制限はされない。
すなわち、本発明の光学素子においては、例えば、1周期毎、10周期毎、20周期毎および100周期毎など、所定の周期数毎に、漸次、1周期の長さΛを短く、あるいは、長くしてもよい。1周期の長さΛを変化させる周期の数は、光学素子の大きさ、光学素子に要求される特性、および、光学素子の用途等に応じて、適宜、設定すればよい。
すなわち、本発明の光学素子においては、例えば、1周期毎、10周期毎、20周期毎および100周期毎など、所定の周期数毎に、漸次、1周期の長さΛを短く、あるいは、長くしてもよい。1周期の長さΛを変化させる周期の数は、光学素子の大きさ、光学素子に要求される特性、および、光学素子の用途等に応じて、適宜、設定すればよい。
本発明の光学素子10において、コレステリック液晶層16の液晶配向パターンにおける1周期の長さΛにも、制限はなく、光学素子の大きさ、光学素子に要求される特性、および、光学素子の用途等に応じて、適宜、設定すればよい。
図1に示す光学素子10は、コレステリック液晶層16を1層のみを有するが、本発明は、これに制限はされず、選択反射中心波長が同じ(略同一)で、反射する円偏光の方向すなわち螺旋構造のセンスが異なる、2層または2層以上のコレステリック液晶層を有してもよい。
例えば、図示例の光学素子10であれば、さらに、赤外線の波長域に選択反射中心波長を有し、赤外線の左円偏光を反射する第2のコレステリック液晶層を有してもよい。
このように、選択反射中心波長が同じで、反射する円偏光の方向が異なるコレステリック液晶層を有することにより、目的とする波長域の光の反射率、例えば、赤外線の反射率を向上できる。
このように、選択反射中心波長が同じで、反射する円偏光の方向が異なるコレステリック液晶層を有することにより、目的とする波長域の光の反射率、例えば、赤外線の反射率を向上できる。
ここで、選択反射中心波長が同じで、反射する円偏光の方向が異なるコレステリック液晶層は、液晶配向パターンの光軸30Aが沿って回転する一方向における液晶化合物30の光軸30Aの回転方向が、互いに異なるのが好ましい。
例えば、赤外線の右円偏光を反射するコレステリック液晶層16における液晶化合物30の光軸30Aの回転方向が、図3に示すように矢印X方向に対して時計回りである場合には、赤外線の左円偏光を反射する第2のコレステリック液晶層における液晶化合物30の光軸30Aの回転方向は、図5に示すように矢印X方向に対して反時計回りであるのが好ましい。
例えば、赤外線の右円偏光を反射するコレステリック液晶層16における液晶化合物30の光軸30Aの回転方向が、図3に示すように矢印X方向に対して時計回りである場合には、赤外線の左円偏光を反射する第2のコレステリック液晶層における液晶化合物30の光軸30Aの回転方向は、図5に示すように矢印X方向に対して反時計回りであるのが好ましい。
液晶化合物30の光軸30Aが矢印X方向(一方向)に沿って連続的に回転するコレステリック液晶層では、前述のように、円偏光の旋回方向が異なる場合に、光軸30Aの回転方向が同じ場合には、右円偏光を反射するコレステリック液晶層と、左円偏光を反射するコレステリック液晶層とで、円偏光の反射方向が逆になる。
また、前述のように、液晶配向パターンにおける液晶化合物30の光軸30Aの回転方向が逆である場合にも、円偏光の反射方向が逆になる。
従って、選択反射中心波長が同じで、反射する円偏光の旋回方向が異なるコレステリック液晶層において、液晶配向パターンにおける液晶化合物30の光軸30Aの回転方向を互いに逆にすることにより、右円偏光を反射するコレステリック液晶層と、左円偏光を反射するコレステリック液晶層とで、円偏光の反射方向を、同一にできる。
また、前述のように、液晶配向パターンにおける液晶化合物30の光軸30Aの回転方向が逆である場合にも、円偏光の反射方向が逆になる。
従って、選択反射中心波長が同じで、反射する円偏光の旋回方向が異なるコレステリック液晶層において、液晶配向パターンにおける液晶化合物30の光軸30Aの回転方向を互いに逆にすることにより、右円偏光を反射するコレステリック液晶層と、左円偏光を反射するコレステリック液晶層とで、円偏光の反射方向を、同一にできる。
また、このように、本発明の光学素子が、選択反射中心波長が同じで、反射する円偏光の方向が異なるコレステリック液晶層を有する場合には、液晶配向パターンの光軸30Aが沿って回転する一方向における液晶化合物30の光軸30Aの回転方向を逆にする以外には、2層のコレステリック液晶層は、1周期の長さΛなど、液晶配向パターンが等しいのが好ましい。
図1~図6に示す光学素子は、コレステリック液晶層の液晶配向パターンにおける液晶化合物30の光軸30Aは、矢印X方向のみに沿って、連続して回転している。
しかしながら、本発明は、これに制限はされず、コレステリック液晶層において、液晶化合物30の光軸30Aが一方向に沿って連続して回転し、かつ、液晶配向パターンにおいて光軸が180°回転する1周期の長さΛが異なる領域を有するものであれば、各種の構成が利用可能である。
しかしながら、本発明は、これに制限はされず、コレステリック液晶層において、液晶化合物30の光軸30Aが一方向に沿って連続して回転し、かつ、液晶配向パターンにおいて光軸が180°回転する1周期の長さΛが異なる領域を有するものであれば、各種の構成が利用可能である。
一例として、図9の平面図に概念的に示すような、液晶配向パターンが、液晶化合物30の光軸の向きが連続的に回転しながら変化する一方向を、内側から外側に向かう同心円状に有する、同心円状のパターンである、コレステリック液晶層34が例示される。
あるいは、図9に示す液晶配向パターンのような同心円状ではなく、液晶化合物30の光軸の向きが連続的に回転しながら変化する一方向が、コレステリック液晶層34の中心から放射状に設けられた液晶配向パターンも利用可能である。
あるいは、図9に示す液晶配向パターンのような同心円状ではなく、液晶化合物30の光軸の向きが連続的に回転しながら変化する一方向が、コレステリック液晶層34の中心から放射状に設けられた液晶配向パターンも利用可能である。
なお、図9においても、図3と同様、配向膜の表面の液晶化合物30のみを示すが、コレステリック液晶層34においては、図2に示されるように、この配向膜の表面の液晶化合物30から、液晶化合物30が螺旋状に旋回して積み重ねられた螺旋構造を有するのは、前述のとおりである。
さらに、図9では、コレステリック液晶層34を1層のみ示すが、この構成においても、選択反射中心波長が同じで、反射する円偏光の旋回方向が異なり、かつ、好ましくは液晶化合物30の光軸の回転方向が異なる、第2のコレステリック液晶層を有してもよい。
さらに、図9では、コレステリック液晶層34を1層のみ示すが、この構成においても、選択反射中心波長が同じで、反射する円偏光の旋回方向が異なり、かつ、好ましくは液晶化合物30の光軸の回転方向が異なる、第2のコレステリック液晶層を有してもよい。
図9に示すコレステリック液晶層34において、液晶化合物30の光軸(図示省略)は、液晶化合物30の長手方向である。
コレステリック液晶層34では、液晶化合物30の光軸の向きは、コレステリック液晶層34の中心から外側に向かう多数の方向、例えば、矢印A1で示す方向、矢印A2で示す方向、矢印A3で示す方向…に沿って、連続的に回転しながら変化している。
また、矢印A1、A2およびA3に沿う光軸の回転方向は、コレステリック液晶層34の中心を境に、逆転している。例えば、矢印A2方向を参考にすると、矢印A2方向の上流側は、液晶化合物30の光軸の回転方向は時計回りで、コレステリック液晶層34の中心を境に光軸の回転方向が逆転して、中心よりも下流側は光軸の回転方向は反時計回りとなる。
この液晶配向パターンを有するコレステリック液晶層34に入射した円偏光は、同様に、液晶化合物30の光軸の向きが異なる個々の局所的な領域において、それぞれ、絶対位相が変化する。この際に、それぞれの絶対位相の変化量は、円偏光が入射した液晶化合物30の光軸の向きに応じて異なる。
コレステリック液晶層34では、液晶化合物30の光軸の向きは、コレステリック液晶層34の中心から外側に向かう多数の方向、例えば、矢印A1で示す方向、矢印A2で示す方向、矢印A3で示す方向…に沿って、連続的に回転しながら変化している。
また、矢印A1、A2およびA3に沿う光軸の回転方向は、コレステリック液晶層34の中心を境に、逆転している。例えば、矢印A2方向を参考にすると、矢印A2方向の上流側は、液晶化合物30の光軸の回転方向は時計回りで、コレステリック液晶層34の中心を境に光軸の回転方向が逆転して、中心よりも下流側は光軸の回転方向は反時計回りとなる。
この液晶配向パターンを有するコレステリック液晶層34に入射した円偏光は、同様に、液晶化合物30の光軸の向きが異なる個々の局所的な領域において、それぞれ、絶対位相が変化する。この際に、それぞれの絶対位相の変化量は、円偏光が入射した液晶化合物30の光軸の向きに応じて異なる。
このような、同心円状の液晶配向パターン、すなわち、放射状に光軸が連続的に回転して変化する液晶配向パターンを有するコレステリック液晶層34は、液晶化合物30の光軸の回転方向および反射する円偏光の方向に応じて、入射光を、発散光または集束光として反射できる。
すなわち、コレステリック液晶層の液晶配向パターンを同心円状とすることにより、本発明の光学素子は、例えば、凹面鏡または凸面鏡として機能を発現する。
すなわち、コレステリック液晶層の液晶配向パターンを同心円状とすることにより、本発明の光学素子は、例えば、凹面鏡または凸面鏡として機能を発現する。
ここで、コレステリック液晶層の液晶配向パターンを同心円状として、光学素子を凹面鏡として作用させる場合には、液晶配向パターンにおいて光軸が180°回転する1周期の長さΛを、コレステリック液晶層34の中心から、外方向に向かって、漸次、短くするのが好ましい。例えば、矢印A2方向を参考にすると、中心より矢印A2方向の上流側は、矢印A2方向と逆方向(上流側)に向かって、1周期の長さΛを、漸次、短くし、中心より矢印A2方向の下流側は、矢印A2方向(下流側)に向かって、1周期の長さΛを、漸次、短くするのが好ましい。
前述のように、入射方向に対する光の反射角度は、液晶配向パターンにおける1周期の長さΛが短いほど、大きくなる。従って、液晶配向パターンにおける1周期の長さΛを、コレステリック液晶層34の中心から、外方向に向かって、漸次、短くすることにより、コレステリック液晶層による光の集束力を、より向上でき、凹面鏡としての性能を、向上できる。
前述のように、入射方向に対する光の反射角度は、液晶配向パターンにおける1周期の長さΛが短いほど、大きくなる。従って、液晶配向パターンにおける1周期の長さΛを、コレステリック液晶層34の中心から、外方向に向かって、漸次、短くすることにより、コレステリック液晶層による光の集束力を、より向上でき、凹面鏡としての性能を、向上できる。
なお、本発明においては、例えば凸面鏡とする場合など、光学素子の用途によっては、逆に、同心円状の液晶配向パターンにおける1周期の長さΛを、コレステリック液晶層34の中心から、外方向に向かって、漸次、長くしてもよい。
さらに、例えば反射光に光量分布を設けたい場合など、光学素子の用途によって、光軸が連続的に回転する1方向に対して、1周期の長さΛを、漸次、変更するのではなく、光軸が連続的に回転する1方向において、部分的に1周期の長さΛが異なる領域を有する構成も利用可能である。
さらに、例えば反射光に光量分布を設けたい場合など、光学素子の用途によって、光軸が連続的に回転する1方向に対して、1周期の長さΛを、漸次、変更するのではなく、光軸が連続的に回転する1方向において、部分的に1周期の長さΛが異なる領域を有する構成も利用可能である。
図10に、配向膜14に、このような同心円状の配向パターンを形成する露光装置の一例を概念的に示す。
露光装置80は、半導体レーザ82を備えた光源84と、半導体レーザ82からのレーザ光MをS偏光MSとP偏光MPとに分割する偏光ビームスプリッター86と、P偏光MPの光路に配置されたミラー90AおよびS偏光MSの光路に配置されたミラー90Bと、S偏光MSの光路に配置されたレンズ92と、偏光ビームスプリッター94と、λ/4板96とを有する。
露光装置80は、半導体レーザ82を備えた光源84と、半導体レーザ82からのレーザ光MをS偏光MSとP偏光MPとに分割する偏光ビームスプリッター86と、P偏光MPの光路に配置されたミラー90AおよびS偏光MSの光路に配置されたミラー90Bと、S偏光MSの光路に配置されたレンズ92と、偏光ビームスプリッター94と、λ/4板96とを有する。
偏光ビームスプリッター86で分割されたP偏光MPは、ミラー90Aによって反射されて、偏光ビームスプリッター94に入射する。他方、偏光ビームスプリッター86で分割されたS偏光MSは、ミラー90Bによって反射され、レンズ92によって集光されて偏光ビームスプリッター94に入射する。
P偏光MPおよびS偏光MSは、偏光ビームスプリッター94で合波されて、λ/4板96によって偏光方向に応じた右円偏光および左円偏光となって、支持体12の上の配向膜14に入射する。
ここで、右円偏光と左円偏光の干渉により、配向膜14に照射される光の偏光状態が干渉縞状に周期的に変化するものとなる。同心円の内側から外側に向かうにしたがい、左円偏光と右円偏光の交差角が変化するため、内側から外側に向かって配向状態が周期的に変化する露光パターンが得られる。これにより、配向膜14において、配向状態が周期的に変化する同心円状の配向パターンが得られる。
P偏光MPおよびS偏光MSは、偏光ビームスプリッター94で合波されて、λ/4板96によって偏光方向に応じた右円偏光および左円偏光となって、支持体12の上の配向膜14に入射する。
ここで、右円偏光と左円偏光の干渉により、配向膜14に照射される光の偏光状態が干渉縞状に周期的に変化するものとなる。同心円の内側から外側に向かうにしたがい、左円偏光と右円偏光の交差角が変化するため、内側から外側に向かって配向状態が周期的に変化する露光パターンが得られる。これにより、配向膜14において、配向状態が周期的に変化する同心円状の配向パターンが得られる。
この露光装置80において、液晶化合物30の光軸が連像的に180°回転する液晶配向パターンの1周期の長さΛは、レンズ92の屈折力(レンズ92のFナンバー)、レンズ92の焦点距離、および、レンズ92と配向膜14との距離等を変化させることで、制御できる。
また、レンズ92の屈折力を調節することによって、光軸が連続的に回転する一方向において、液晶配向パターンの1周期の長さΛを変更できる。具体的には、平行光と干渉させる、レンズ92で広げる光の広がり角によって、光軸が連続的に回転する一方向において、液晶配向パターンの1周期の長さΛを変えることができる。より具体的には、レンズ92の屈折力を弱くすると、平行光に近づくため、液晶配向パターンの1周期の長さΛは、内側から外側に向かって緩やかに短くなり、Fナンバーは大きくなる。逆に、レンズ92の屈折力を強めると、液晶配向パターンの1周期の長さΛは、内側から外側に向かって急に短くなり、Fナンバーは小さくなる。
また、レンズ92の屈折力を調節することによって、光軸が連続的に回転する一方向において、液晶配向パターンの1周期の長さΛを変更できる。具体的には、平行光と干渉させる、レンズ92で広げる光の広がり角によって、光軸が連続的に回転する一方向において、液晶配向パターンの1周期の長さΛを変えることができる。より具体的には、レンズ92の屈折力を弱くすると、平行光に近づくため、液晶配向パターンの1周期の長さΛは、内側から外側に向かって緩やかに短くなり、Fナンバーは大きくなる。逆に、レンズ92の屈折力を強めると、液晶配向パターンの1周期の長さΛは、内側から外側に向かって急に短くなり、Fナンバーは小さくなる。
本発明の光学素子において、光軸が180°回転する1周期の長さΛは、漸次、変更する構成に限定はされず、各種の構成が利用可能である。
例えば反射光に光量分布を設けたい場合など、光学素子の用途によって、矢印X方向に向かって、1周期の長さΛを漸次、変更するのではなく、矢印X方向において、部分的に1周期の長さΛが異なる領域を有する構成も利用可能である。
例えば反射光に光量分布を設けたい場合など、光学素子の用途によって、矢印X方向に向かって、1周期の長さΛを漸次、変更するのではなく、矢印X方向において、部分的に1周期の長さΛが異なる領域を有する構成も利用可能である。
本発明の光学素子は、センサー、光学装置における光路変更部材、光集光素子、所定方向への光拡散素子、および、回折素子等、光を集光するように反射する、各種の用途に利用可能である。
図11に、本発明の光学素子を用いる本発明のセンサーの一例を概念的に示す。
図11に示すセンサー40は、赤外線を照射する面光源42と、本発明の光学素子46と、赤外線を測光する受光素子48(赤外線カメラ)と、を有して構成される。
図11に示すセンサー40は、面光源42から照射した赤外線を、物体O(測定対象)に入射して、物体Oによって反射された赤外線を、光学素子46によって反射して、受光素子48に入射するものである。
光学素子46は、図9に示すような同心円状の液晶配向パターンのコレステリック液晶層を有するものであり、入射した赤外線の右円偏光のみを集光して受光素子48に入射し、それ以外の光を透過する。
図11に示すセンサー40は、赤外線を照射する面光源42と、本発明の光学素子46と、赤外線を測光する受光素子48(赤外線カメラ)と、を有して構成される。
図11に示すセンサー40は、面光源42から照射した赤外線を、物体O(測定対象)に入射して、物体Oによって反射された赤外線を、光学素子46によって反射して、受光素子48に入射するものである。
光学素子46は、図9に示すような同心円状の液晶配向パターンのコレステリック液晶層を有するものであり、入射した赤外線の右円偏光のみを集光して受光素子48に入射し、それ以外の光を透過する。
前述のように、本発明の光学素子46は、バンドパスフィルタおよびハイパスフィルタ等を用いなくても、目的とする波長域の光のみを反射でき、さらに、凹面鏡および凸レンズのように曲面を有さない、薄い光学素子でも、目的とする方向に光を集光できる。
そのため、本発明の光学素子46を用いるセンサーは、小型化が容易であり、例えば、自動車、ロボットおよびドローン等の中の狭い設置場所にも、好適に装着できる。
そのため、本発明の光学素子46を用いるセンサーは、小型化が容易であり、例えば、自動車、ロボットおよびドローン等の中の狭い設置場所にも、好適に装着できる。
本発明のセンサー40は、本発明の光学素子46を透過した光の少なくとも一部を吸収する、好ましくは光学素子46の反射波長域以外の全ての光を吸収する、吸収体を有するのが好ましい。このような吸収体を有することにより、光学素子46を透過した光が、センサー40の内部等で乱反射して、受光素子48に入射して、ノイズとなってしまうことを防止できる。
吸収体には、制限はなく、黒色板および各種の光吸収フィルター等、光学素子46を透過した光を吸収できるものであれば、公知の各種の光吸収体が利用可能である。
また、吸収体は、受光素子48の光入射面とは逆側の面に対面して設けてもよく、あるいは、粘着剤または接着剤によって、受光素子48の光入射面とは逆側の面に貼着してもよい。
吸収体には、制限はなく、黒色板および各種の光吸収フィルター等、光学素子46を透過した光を吸収できるものであれば、公知の各種の光吸収体が利用可能である。
また、吸収体は、受光素子48の光入射面とは逆側の面に対面して設けてもよく、あるいは、粘着剤または接着剤によって、受光素子48の光入射面とは逆側の面に貼着してもよい。
さらに、本発明のセンサー40において、面光源42は、連続波を照射するものでもよいが、パルス波を照射するものであるのが好ましい。
面光源42がパルス波を照射することにより、受光素子35が受光した赤外線が、面光源42が照射した赤外線か、センサー40内に不要に入射した外光による赤外線かを判別することが可能になり、より、物体Oの検出精度および距離測定精度等を向上できる。
面光源42がパルス波を照射することにより、受光素子35が受光した赤外線が、面光源42が照射した赤外線か、センサー40内に不要に入射した外光による赤外線かを判別することが可能になり、より、物体Oの検出精度および距離測定精度等を向上できる。
以上、本発明の光学素子およびセンサーについて詳細に説明したが、本発明は上述の例に限定はされず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変更を行ってもよいのは、もちろんである。
以下に実施例を挙げて本発明の特徴をさらに具体的に説明する。以下の実施例に示す材料、試薬、使用量、物質量、割合、処理内容、および、処理手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更することができる。したがって、本発明の範囲は以下に示す具体例により限定的に解釈されるべきものではない。
[実施例1]
<光学素子の作製>
(支持体、および、支持体の鹸化処理)
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(富士フイルム社製、Z-TAC)を用意した。
支持体を、温度60℃の誘電式加熱ロールを通過させて、支持体の表面温度を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(リットル)/m2で塗布し、支持体を110℃に加熱し、さらに、スチーム式遠赤外ヒーター(ノリタケカンパニーリミテド社製)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、支持体のアルカリ溶液塗布面に、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秒間搬送して乾燥させ、支持体の表面をアルカリ鹸化処理した。
<光学素子の作製>
(支持体、および、支持体の鹸化処理)
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(富士フイルム社製、Z-TAC)を用意した。
支持体を、温度60℃の誘電式加熱ロールを通過させて、支持体の表面温度を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(リットル)/m2で塗布し、支持体を110℃に加熱し、さらに、スチーム式遠赤外ヒーター(ノリタケカンパニーリミテド社製)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、支持体のアルカリ溶液塗布面に、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秒間搬送して乾燥させ、支持体の表面をアルカリ鹸化処理した。
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 1.00質量部
プロピレングリコール 14.80質量部
―――――――――――――――――――――――――――――――――
―――――――――――――――――――――――――――――――――
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 1.00質量部
プロピレングリコール 14.80質量部
―――――――――――――――――――――――――――――――――
(下塗り層の形成)
支持体のアルカリけん化処理面に、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。
支持体のアルカリけん化処理面に、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。
下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
―――――――――――――――――――――――――――――――
―――――――――――――――――――――――――――――――
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
―――――――――――――――――――――――――――――――
(配向膜の形成)
下塗り層を形成した支持体上に、下記の配向膜形成用塗布液を#2のワイヤーバーで連続的に塗布した。この配向膜形成用塗布液の塗膜が形成された支持体を60℃のホットプレート上で60秒間乾燥し、配向膜を形成した。
下塗り層を形成した支持体上に、下記の配向膜形成用塗布液を#2のワイヤーバーで連続的に塗布した。この配向膜形成用塗布液の塗膜が形成された支持体を60℃のホットプレート上で60秒間乾燥し、配向膜を形成した。
配向膜形成用塗布液
――――――――――――――――――――――――――――――――
下記光配向用素材 1.00質量部
水 16.00質量部
ブトキシエタノール 42.00質量部
プロピレングリコールモノメチルエーテル 42.00質量部
――――――――――――――――――――――――――――――――
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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
――――――――――――――――――――――――――――――――
(配向膜の露光)
図10に示す露光装置を用いて配向膜を露光して、配向パターンを有する配向膜を形成した。
露光装置において、半導体レーザとして波長(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。また、配向パターンにおける1周期の長さは、レンズの焦点距離を調節することで制御した。
なお、露光の際には、平行光と、レンズによって拡げた光とを干渉させることによって、配向パターンの1周期が、外方向に向かって、漸次、短くなるようにした。
図10に示す露光装置を用いて配向膜を露光して、配向パターンを有する配向膜を形成した。
露光装置において、半導体レーザとして波長(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。また、配向パターンにおける1周期の長さは、レンズの焦点距離を調節することで制御した。
なお、露光の際には、平行光と、レンズによって拡げた光とを干渉させることによって、配向パターンの1周期が、外方向に向かって、漸次、短くなるようにした。
(コレステリック液晶層の形成)
コレステリック液晶層を形成する液晶組成物として、下記の液晶組成物を調製した。この液晶組成物は、選択反射中心波長が940nmで、右円偏光を反射するコレステリック液晶層(コレステリック液晶相)を形成する、液晶組成物である。
液晶組成物
――――――――――――――――――――――――――――――――
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
キラル剤Ch-1 3.11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
――――――――――――――――――――――――――――――――
コレステリック液晶層を形成する液晶組成物として、下記の液晶組成物を調製した。この液晶組成物は、選択反射中心波長が940nmで、右円偏光を反射するコレステリック液晶層(コレステリック液晶相)を形成する、液晶組成物である。
液晶組成物
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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
キラル剤Ch-1 3.11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
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コレステリック液晶層は、液晶組成物を配向膜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形成した後、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、配向膜上に下記の液晶組成物を塗布して、塗膜をホットプレート上で70℃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1層目の液晶層の膜厚は0.2μmであった。
2層目以降は、この液晶層に重ね塗りして、上と同じ条件で加熱、冷却後に紫外線硬化を行って液晶固定化層を作製した。このようにして、総厚が所望の膜厚になるまで重ね塗りを繰り返し、コレステリック液晶層を形成して、本発明の光学素子を作製した。
コレステリック液晶層は、図9に示すような同心円状の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。また、液晶化合物由来の光軸が連続的に変化する一方向において、光軸の回転方向は、光学素子の中心を境に逆転していた。
なお、このR反射コレステリック液晶層の液晶配向パターンにおいて、液晶化合物由来の光軸が180°回転する1周期は、中心から0.5mm離れた位置では122μm、中心から1mm離れた位置では61μm、中心から5mm離れた位置では12μm、中心から10mm離れた位置では6μm、最も端部となる12.25mm離れた位置は5μmであった。
コレステリック液晶層は、図9に示すような同心円状の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。また、液晶化合物由来の光軸が連続的に変化する一方向において、光軸の回転方向は、光学素子の中心を境に逆転していた。
なお、このR反射コレステリック液晶層の液晶配向パターンにおいて、液晶化合物由来の光軸が180°回転する1周期は、中心から0.5mm離れた位置では122μm、中心から1mm離れた位置では61μm、中心から5mm離れた位置では12μm、中心から10mm離れた位置では6μm、最も端部となる12.25mm離れた位置は5μmであった。
中心波長が940nmの光を照射するLED(light emitting diode)面光源、および、中心波長が650nmの光を照射するLED面光源を用意した。
各面光源から白色板に光を照射して、白色板が反射した光を、作製した光学素子に入射して、光学素子が反射した光を、受光素子(ARTRAY社製、ARTCAM-130MI-BW-WOM)によって測定した。
なお、光学素子と受光素子との距離は、100mmとした。また、光学素子の白色板からの反射光の入射面とは逆側の面には、粘着剤を用いて吸収体(富士フイルム社製、IR-76)を貼着した。
受光素子からの出力(8ビットの画像データ)は、中心波長が940nmのLED面光源から光を照射した場合が150、中心波長が650nmのLED面光源から光を照射した場合が10、両者の比(960nm/650nm)は15、であった。
各面光源から白色板に光を照射して、白色板が反射した光を、作製した光学素子に入射して、光学素子が反射した光を、受光素子(ARTRAY社製、ARTCAM-130MI-BW-WOM)によって測定した。
なお、光学素子と受光素子との距離は、100mmとした。また、光学素子の白色板からの反射光の入射面とは逆側の面には、粘着剤を用いて吸収体(富士フイルム社製、IR-76)を貼着した。
受光素子からの出力(8ビットの画像データ)は、中心波長が940nmのLED面光源から光を照射した場合が150、中心波長が650nmのLED面光源から光を照射した場合が10、両者の比(960nm/650nm)は15、であった。
[実施例2]
実施例1記載の光配向膜を、ガラス(コーニング社製、イーグルガラス)上に、実施例1と同一の条件で形成した。
実施例1記載の光配向膜を、ガラス(コーニング社製、イーグルガラス)上に、実施例1と同一の条件で形成した。
次に、コレステリック液晶層を形成する液晶組成物として、実施例1のキラル剤種と添加量を変えた以外は、実施例1と同様に、液晶組成物を調製した。この液晶組成物は、選択反射中心波長が940nmで、左円偏光を反射するコレステリック液晶層(コレステリック液晶相)を形成する、液晶組成物である。
液晶組成物
――――――――――――――――――――――――――――――――
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
(日本化薬社製、KAYACURE DETX-S) 1.00質量部
キラル剤Ch-2 4.61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
――――――――――――――――――――――――――――――――
液晶組成物
――――――――――――――――――――――――――――――――
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
(日本化薬社製、KAYACURE DETX-S) 1.00質量部
キラル剤Ch-2 4.61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
――――――――――――――――――――――――――――――――
実施例1と同様に、コレステリック液晶層を、ガラスに形成した光配向膜上に、上記液晶組成物を多層塗布することにより形成した。
次に、実施例1で形成したコレステリック液晶層上に、粘着剤(総研化学社製、SK粘着剤)を介して、実施例2のコレステリック液晶層を、それぞれのコレステリック液晶層の空気界面側同士が向き合うように貼合し、さらに実施例2のコレステリック液晶層をガラスから剥がした。
実施例1と同様に、受光素子からの出力を評価した。その結果、受光素子からの出力は、中心波長が940nmのLED面光源から光を照射した場合が250、中心波長が650nmのLED面光源から光を照射した場合が13、両者の比(960nm/650nm)は19、であった。
[比較例1]
本発明の光学素子に変えて、通常の光学レンズ(キヤノン社製、CANON LENS TV-16mm 25mm 1:1.4)を用い、光学レンズで集光した光を、受光素子によって測定した。光学レンズと受光素子との距離は、実施例と同距離にした。
受光素子からの出力は、中心波長が940nmのLED面光源から光を照射した場合が150、中心波長が650nmのLED面光源から光を照射した場合が150、両者の比(960nm/650nm)は1、であった。
本発明の光学素子に変えて、通常の光学レンズ(キヤノン社製、CANON LENS TV-16mm 25mm 1:1.4)を用い、光学レンズで集光した光を、受光素子によって測定した。光学レンズと受光素子との距離は、実施例と同距離にした。
受光素子からの出力は、中心波長が940nmのLED面光源から光を照射した場合が150、中心波長が650nmのLED面光源から光を照射した場合が150、両者の比(960nm/650nm)は1、であった。
下記の表1に、結果をまとめて示す。
上記表に示されるように、本発明の光学素子は、一般的な光学レンズと同等に光を集光できると共に、特定の波長域の光(本例では赤外線)のみを、所定の方向に反射できる。特に、反射する円偏光の方向(螺旋構造のセンス)が異なる、2層のコレステリック液晶層を積層することで、より好適に、特定の波長域の光を、所定の方向に反射できる。
すなわち、本発明の光学素子を赤外線を用いるセンサー等に利用することで、物体で反射された測定光を好適に受光素子に入射できると共に、測定光以外の余分な光成分が受光素子に入射することを防止して、S/N比が高い高精度な測定を行うことができる。
以上の結果より、本発明の効果は、明らかである。
すなわち、本発明の光学素子を赤外線を用いるセンサー等に利用することで、物体で反射された測定光を好適に受光素子に入射できると共に、測定光以外の余分な光成分が受光素子に入射することを防止して、S/N比が高い高精度な測定を行うことができる。
以上の結果より、本発明の効果は、明らかである。
自動車、ロボットおよびドローンなどにおいて、前方の物体を発見して距離を測定するためのセンサ等における集光部材など、光学装置において、特定の波長域の光を所定の方向に反射して集光する各種の用途に好適に利用可能である。
10,20,46 光学素子
12 支持体
14 配向膜
16 コレステリック液晶層
30 液晶化合物
30A 光軸
34 コレステリック液晶層
40 センサー
42 面光源
48 受光素子
60,80 露光装置
62.82 半導体レーザ
64,84 光源
68 ビームスプリッター
70A,70B,90A,90B ミラー
72A,72B,96 λ/4板
86.94 偏光ビームスプリッター
92 レンズ
IRR,IRR1,IRR2 赤外線の右円偏光
M レーザ光
MA,MB 光線
MP P偏光
MS S偏光
PO 直線偏光
PR 右円偏光
PL 左円偏光
Q1.Q2 絶対位相
E1,E2 等位相面
O 物体
12 支持体
14 配向膜
16 コレステリック液晶層
30 液晶化合物
30A 光軸
34 コレステリック液晶層
40 センサー
42 面光源
48 受光素子
60,80 露光装置
62.82 半導体レーザ
64,84 光源
68 ビームスプリッター
70A,70B,90A,90B ミラー
72A,72B,96 λ/4板
86.94 偏光ビームスプリッター
92 レンズ
IRR,IRR1,IRR2 赤外線の右円偏光
M レーザ光
MA,MB 光線
MP P偏光
MS S偏光
PO 直線偏光
PR 右円偏光
PL 左円偏光
Q1.Q2 絶対位相
E1,E2 等位相面
O 物体
Claims (11)
- コレステリック液晶相を固定してなるコレステリック液晶層を有し、
前記コレステリック液晶層は、液晶化合物由来の光軸の向きが面内の少なくとも一方向に沿って連続的に回転しながら変化している液晶配向パターンを有し、
さらに、前記コレステリック液晶層の前記液晶配向パターンの、前記液晶化合物由来の光軸の向きが連続的に回転しながら変化する前記一方向における、前記液晶化合物由来の光軸の向きが180°回転する長さを1周期とした際に、前記コレステリック液晶層は、面内に、前記液晶配向パターンにおける前記1周期の長さが異なる領域を有することを特徴とする光学素子。 - 前記液晶化合物由来の光軸の向きが連続的に回転しながら変化する前記一方向の上流側に向かう方向および下流側に向かう方向の少なくとも一方において、前記コレステリック液晶層の前記液晶配向パターンの前記1周期の長さが、漸次、短くなる、請求項1に記載の光学素子。
- 前記コレステリック液晶層の外側に向かう方向に、前記コレステリック液晶層の前記液晶配向パターンの前記1周期の長さが、漸次、短くなる、請求項2に記載の光学素子。
- 前記液晶化合物由来の光軸の向きが連続的に回転しながら変化する前記一方向において、前記液晶化合物由来の光軸の回転方向が互いに逆である領域を有する、請求項1~3のいずれか1項に記載の光学素子。
- 前記コレステリック液晶層の前記液晶配向パターンが、前記液晶化合物由来の光軸の向きが連続的に回転しながら変化する前記一方向を、内側から外側に向かう同心円状に有する、同心円状のパターンである、請求項1~4のいずれか1項に記載の光学素子。
- 前記コレステリック液晶層が、赤外線の領域に選択反射中心波長を有する、請求項1~5のいずれか1項に記載の光学素子。
- 選択反射中心波長が同じで、反射する円偏光の旋回方向が互いに異なる前記コレステリック液晶層を有する、請求項1~6のいずれか1項に記載の光学素子。
- 前記選択反射中心波長が同じで、反射する円偏光の旋回方向が互いに異なるコレステリック液晶層は、前記液晶配向パターンにおける前記液晶化合物由来の光軸の向きの連続的な回転方向が、互いに異なる、請求項7に記載の光学素子。
- 請求項1~8のいずれか1項に記載の光学素子と、光源と、受光素子と、を有するセンサー。
- 前記光学素子を透過した光の少なくとも一部を吸収する吸収体を有する、請求項9に記載のセンサー。
- 前記光源がパルス波を照射する、請求項9または10に記載のセンサー。
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