WO2019194291A1 - 光学素子および導光素子 - Google Patents
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- G02B6/0011—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being planar or of plate-like form
- G02B6/0033—Means for improving the coupling-out of light from the light guide
- G02B6/0056—Means for improving the coupling-out of light from the light guide for producing polarisation effects, e.g. by a surface with polarizing properties or by an additional polarizing elements
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour
- G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
- G02F1/133—Constructional arrangements; Operation of liquid crystal cells; Circuit arrangements
- G02F1/1333—Constructional arrangements; Manufacturing methods
- G02F1/1335—Structural association of cells with optical devices, e.g. polarisers or reflectors
- G02F1/13363—Birefringent elements, e.g. for optical compensation
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- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
- G02B27/01—Head-up displays
- G02B27/017—Head mounted
- G02B2027/0178—Eyeglass type
Definitions
- the present invention relates to an optical element that refracts transmitted light and a light guide element using the optical element.
- AR Augmented Reality
- HMD Head Mounted Display
- the AR glass has an image displayed on the display (optical engine) incident on one end of the light guide plate, propagates, and exits from the other end. A virtual image is superimposed on the actual scene being viewed.
- the light (projection light) from the display is diffracted (refracted) using a diffraction element, and is incident on one end of the light guide plate. Accordingly, light is introduced into the light guide plate at an angle, and the light is propagated in the light guide plate. The light propagated through the light guide plate is also diffracted by the diffraction element at the other end of the light guide plate, and emitted from the light guide plate to the observation position by the user.
- a light guide plate (waveguide) described in Patent Document 1 As an example of a light guide plate used for AR glass, a light guide plate (waveguide) described in Patent Document 1 is known.
- the light guide plate has a front surface and a rear surface that reflect and guide light, and has a first portion provided on the front surface or the rear surface, and a second portion provided on the front surface or the rear surface.
- the first portion has a structure that changes the phase of light by a first amount by reflection from the first portion.
- the second portion of the same surface has a structure different from the first portion that changes the phase of light by a second amount different from the first amount by reflection from the second portion.
- the first portion has a configuration that is offset from the second portion by a distance that substantially matches the difference between the second amount and the first amount.
- the angle of light diffraction by the diffraction element depends on the wavelength of light. That is, the traveling direction of the light diffracted by the diffraction element differs depending on the wavelength of the light. Therefore, when light having different wavelengths is diffracted by one diffraction element, introduced into the light guide plate, and emitted from the light guide plate, for example, if the color image is a red image, a green image, and a blue image, a red image In other words, a so-called color shift occurs in which the positions of the green image and the blue image are different.
- Non-Patent Document 1 diffraction elements (Surface Relief Grating (SRG A long light guide plate provided with))) is prepared, and three light guide plates provided with diffraction elements are stacked, and the projection image of each color displayed on the display by each light guide plate is determined by the user. A color image is displayed while being guided to the observation position. In the AR glass, the position of the red image, the green image, and the blue image is thereby matched to display a color image without color misregistration.
- SRG A long light guide plate provided with SRG A long light guide plate provided with
- the conventional AR glass in order to guide the image displayed on the display to the observation position by the user, it is necessary to have a configuration in which three light guide plates provided with diffraction elements are stacked. As a whole, the light guide plate becomes thick and heavy, and the configuration of the apparatus becomes complicated.
- An object of the present invention is to solve such a problem of the prior art, and the wavelength dependency of the angle of transmitted light is small. For example, red light, green light and blue light incident from the same direction are reduced.
- An object of the present invention is to provide an optical element that can be refracted and transmitted in almost the same direction and has a large amount of transmitted light, and a light guide element using the optical element.
- the optical element of the present invention has the following configuration.
- a plurality of optically anisotropic members having at least one anisotropic layer;
- a wavelength-selective retardation layer that is arranged between at least a pair of a plurality of optically anisotropic members and converts circularly polarized light in a specific wavelength range into circularly polarized light in the reverse swiveling direction; and
- at least one optical anisotropic member of the optically anisotropic member is obtained when the length in which the direction of the optical axis rotates 180 ° in one direction in which the direction of the optical axis changes while continuously rotating is one cycle.
- the optically anisotropic layer is different from the optically anisotropic layer of other optically anisotropic members in one cycle length,
- the optically anisotropic layer is a liquid crystal compound twisted in the thickness direction, At least one of the optically anisotropic members has two optically anisotropic layers in which in-plane liquid crystal alignment patterns are equal and the twist directions of the liquid crystal compound are opposite to each other.
- Optical element [2] The optical element according to [1], wherein the optically anisotropic member located at one end in the arrangement direction of the optically anisotropic member has only one optically anisotropic layer.
- a specific wavelength region having a wavelength-selective retardation layer between a plurality of pairs of two adjacent optically anisotropic members, and in which the wavelength-selective retardation layer converts circularly polarized light The optical element according to any one of [1] to [3], which gradually becomes shorter in the arrangement direction of the optically anisotropic member.
- the optically anisotropic layer of the optically anisotropic member located at one end in the arrangement direction of the optically anisotropic member has the shortest length of one period in the liquid crystal alignment pattern.
- the optical element in any one of. [8]
- the optically anisotropic layer of at least one optically anisotropic member has in the plane a region having a different length of one period in the liquid crystal alignment pattern, according to any one of [1] to [7] Optical element.
- One layer of the wavelength-selective retardation layer converts circularly polarized light of red light into circularly polarized light in the reverse rotation direction, and the other layer of wavelength-selective retardation layer converts circularly polarized light of green light.
- the wavelength-selective retardation layer includes a plurality of retardation layers, and at least one of the retardation layers has an in-plane slow axis orientation different from that of the other retardation layers, according to [1] to [12] The optical element in any one.
- the optical element according to [13], wherein at least one of the retardation layers in the wavelength selective retardation layer is a ⁇ / 4 plate.
- a light guide element comprising the optical element according to any one of [1] to [15] and a light guide plate.
- the optical element and the light guide element of the present invention have a small wavelength dependency of the refraction angle. For example, red light, green light and blue light incident from the same direction can be refracted and emitted in almost the same direction, and transmitted. There is also a large amount of light (emitted light).
- FIG. 1 is a diagram conceptually illustrating an example of the optical element of the present invention.
- FIG. 2 is a diagram conceptually showing the optically anisotropic layer of the optical element shown in FIG.
- FIG. 3 is a plan view of the optically anisotropic layer of the optical element shown in FIG.
- FIG. 4 is a conceptual diagram for explaining the optical anisotropic layer of the optical element shown in FIG.
- FIG. 5 is a conceptual diagram for explaining the optically anisotropic layer of the optical element shown in FIG.
- FIG. 6 is a conceptual diagram for explaining the action of the optically anisotropic layer.
- FIG. 7 is a conceptual diagram for explaining the action of the optically anisotropic layer.
- FIG. 8 is a conceptual diagram for explaining the action of the optically anisotropic layer.
- FIG. 1 is a diagram conceptually illustrating an example of the optical element of the present invention.
- FIG. 2 is a diagram conceptually showing the optically anisotropic layer of the optical element shown in
- FIG. 9 is a conceptual diagram for explaining the operation of the optical element shown in FIG.
- FIG. 10 is a conceptual diagram for explaining the operation of the optical element shown in FIG.
- FIG. 11 is a diagram conceptually showing another example of the optical element of the present invention.
- FIG. 12 is a conceptual diagram for explaining the operation of the optical element shown in FIG.
- FIG. 13 is a conceptual diagram for explaining the operation of the optical element shown in FIG.
- FIG. 14 is a diagram conceptually showing another example of the optically anisotropic layer of the optical element of the present invention.
- FIG. 15 is a diagram conceptually showing an example of an exposure apparatus that exposes the alignment film of the optical element shown in FIG.
- FIG. 16 is a plan view of another example of the optically anisotropic layer of the optical element of the present invention.
- FIG. 17 is a diagram conceptually showing an example of an exposure apparatus that exposes the alignment film forming the optically anisotropic layer shown in FIG.
- FIG. 18 is a diagram conceptually illustrating an example of AR glass using an example of the light guide element of the present invention.
- FIG. 19 is a conceptual diagram for explaining a discotic liquid crystal compound that can be used in the optical element of the present invention.
- FIG. 20 is a conceptual diagram for explaining a light intensity measurement method.
- a numerical range represented using “to” means a range including numerical values described before and after “to” as a lower limit value and an upper limit value.
- (meth) acrylate is used to mean “one or both of acrylate and methacrylate”.
- “same” and “equal” include an error range generally allowed in the technical field.
- “all”, “any”, “entire surface”, and the like include an error range generally allowed in the technical field in addition to the case of 100%, for example, 99% or more, The case of 95% or more, or 90% or more is included.
- visible light is light having a wavelength that can be seen by human eyes among electromagnetic waves, and indicates light having a wavelength range of 380 to 780 nm.
- Invisible light is light having a wavelength range of less than 380 nm and a wavelength range of more than 780 nm.
- light in the wavelength range of 420 to 490 nm is blue light
- light in the wavelength range of 495 to 570 nm is green light
- wavelength range of 620 to 750 nm The light is red light.
- the optical element of the present invention is a liquid crystal alignment formed by using a composition containing a liquid crystal compound, wherein the orientation of the optical axis derived from the liquid crystal compound changes while continuously rotating along at least one in-plane direction.
- Wavelength selective position disposed between a plurality of optically anisotropic members having at least one optically anisotropic layer having a pattern and at least a pair of two optically anisotropic members adjacent in the arrangement direction And a phase difference layer.
- the wavelength-selective retardation layer converts circularly polarized light in a specific wavelength region into circularly polarized light in the reverse turning direction, and transmits other light as it is (passed through).
- the wavelength-selective retardation layer converts circularly polarized light of red light into circularly polarized light in the reverse rotation direction, only red light, right circularly polarized light becomes left circularly polarized light, and left circularly polarized light becomes right circular
- the green light and the blue light other than those converted into polarized light are transmitted as they are regardless of the direction of circularly polarized light.
- the optically anisotropic layer included in one optically anisotropic member has the same in-plane liquid crystal alignment pattern.
- the optical anisotropic layer included in one optical anisotropic member is different in length of one cycle from the optical anisotropic layer of the other optical anisotropic member.
- the optically anisotropic layer is a liquid crystal compound twisted and aligned in the thickness direction, and the at least one optically anisotropic member has an in-plane liquid crystal alignment pattern equal,
- the liquid crystal compound has two optically anisotropic layers in which the twist directions of the twist alignment are opposite to each other.
- the optical element of the present invention has such a configuration, so that the wavelength dependency of the refraction angle of incident and transmitted light is small, and almost all light having different wavelengths incident from the same direction is received. The light can be emitted in the same direction, and the amount of transmitted light (emitted light) can be increased.
- FIG. 1 conceptually shows an example of the optical element of the present invention.
- the optical element 10 in the illustrated example is disposed between the first optical anisotropic member 12 and the second optical anisotropic member 14, and between the first optical anisotropic member 12 and the second optical anisotropic member 14.
- the optical element of the present invention is an optically anisotropic layer having a predetermined liquid crystal alignment pattern in which an optical axis derived from a liquid crystal compound rotates in a plane, which is formed using a composition containing a liquid crystal compound. Are arranged in the thickness direction. Further, the optically anisotropic layer is obtained by twisting and aligning the liquid crystal compound in the thickness direction in addition to the in-plane liquid crystal alignment pattern.
- the first optical anisotropic member 12 includes a support 20, an alignment film 24A, a right twist optical anisotropic layer 26Ap, and a left twist optical anisotropic layer 26Am.
- the second optical anisotropic member 14 includes a support 20, an alignment film 24B, a right twist optical anisotropic layer 26Bp, and a left twist optical anisotropic layer 26Bm.
- the right twist optically anisotropic layer 26Ap and the left twist optically anisotropic layer 26Am, and the right twist optically anisotropic layer 26Bp and the left twist optically anisotropic layer 26Bm all have liquid crystal compounds in the thickness direction. It is twisted (twisted) (see FIG. 2).
- the right twist optically anisotropic layer 26Ap and the right twist optically anisotropic layer 26Bp when the twist direction of the twist orientation of the liquid crystal compound in the thickness direction is viewed from the upper side (light incident side) in the figure, the right direction ( Twist angle is + ⁇ ).
- the twist direction of the twist orientation of the liquid crystal compound in the thickness direction is the left direction (twist angle is - ⁇ ).
- the twist direction of the twisted orientation of the liquid crystal compound in the thickness direction is also simply referred to as “the twist direction of the liquid crystal compound”.
- the twist direction of the liquid crystal compound is the twist direction when viewed from the light incident direction of the optical element 10.
- the wavelength-selective retardation layer converts circularly polarized light in a specific wavelength region into circularly polarized light in the reverse turning direction, and transmits other light as it is ( It is something that will be missed.
- the wavelength-selective retardation layer 18G converts the turning direction of the circularly polarized light of green light into the reverse turning direction, and other light does not change the turning direction and remains as it is. Transmits with polarized light.
- the first optically anisotropic member 12 and the wavelength-selective retardation layer 18G, and the wavelength-selective retardation layer 18G and the second optically anisotropic member 14 are affixed between the layers. It is pasted by the layer.
- the bonding layer may be made of various known materials as long as it can bond the objects to be bonded together. As a bonding layer, it has fluidity when bonded, and then becomes a solid, adhesive layer, or a gel-like (rubber-like) soft solid when bonded. It may be a layer made of a pressure-sensitive adhesive whose state does not change, or a layer made of a material having characteristics of both an adhesive and a pressure-sensitive adhesive.
- the bonding layer is used for bonding a sheet-like material with an optical device and an optical element such as an optical transparent adhesive (OCA (Optical Clear Adhesive)), an optical transparent double-sided tape, and an ultraviolet curable resin.
- OCA optical Clear Adhesive
- a known one may be used.
- the first optically anisotropic member 12, the wavelength selective retardation layer 18G, and the second optically anisotropic member 14 are laminated to form a frame or a jig instead of being bonded with a bonding layer.
- the optical element of the present invention may be configured by holding.
- the optical element of the present invention is limited to a configuration in which the first optical anisotropic member 12, the wavelength selective phase difference layer 18G, and the second optical anisotropic member 14 are in close contact and stacked as shown in the illustrated example.
- a configuration in which one or more of these members are arranged apart from each other can also be used.
- the optical element 10 of the example of illustration has the support body 20 in each optically anisotropic member
- the optical element of this invention does not need to provide the support body 20 for every optically anisotropic member.
- the wavelength selective retardation layer 18G is formed on the surface of the second optical anisotropic member 14 (right twisted optical anisotropic layer 26Bp), and the alignment film 24A is formed thereon.
- the first optically anisotropic member 12 (right twisted optical anisotropic layer 26Ap and left twisted optical anisotropic layer 26Am) may be formed thereon.
- the support 20 of the second optically anisotropic member 14 is peeled off, and the optical element of the present invention is configured by only the wavelength selective retardation layer, the alignment film, and the optically anisotropic layer.
- the alignment film may be further peeled off, and the optical element of the present invention may be composed of only the wavelength selective retardation layer and the optically anisotropic layer.
- a plurality of optical anisotropic members are arranged, and the wavelength between at least one pair of two adjacent optical anisotropic members of the arranged optical anisotropic members is arranged.
- the optical retardation layer has a selective retardation layer
- the optically anisotropic layer has a liquid crystal alignment pattern in which the direction of the optical axis derived from the liquid crystal compound rotates in one direction, and at least one optical layer
- the liquid crystal alignment pattern of the optically anisotropic layer of the anisotropic member is different in one cycle, which will be described later, and the optically anisotropic layer is formed by twisting and aligning the liquid crystal compound in the thickness direction.
- the anisotropic member has various layer configurations as long as it has two optically anisotropic layers in which in-plane liquid crystal alignment patterns are equal and the twist directions of the liquid crystal compound are opposite to each other. Is available.
- a wavelength-selective retardation layer 18G is provided between the first optical anisotropic member 12 and the second optical anisotropic member 14.
- the first optical anisotropic member 12 includes the support 20, the alignment film 24A, the right twist optical anisotropic layer 26Ap, and the left twist optical anisotropic layer 26Am.
- the second optical anisotropic member 14 includes a support 20, an alignment film 24B, a right twist optical anisotropic layer 26Bp, and a left twist optical anisotropic layer 26Bm.
- the support 20 supports the alignment film and the optical anisotropic layer.
- the alignment film 24A and the alignment film 24B are collectively referred to as an “alignment film”.
- the right twist optical anisotropic layer 26Ap when it is not necessary to distinguish the right twist optical anisotropic layer 26Ap, the left twist optical anisotropic layer 26Am, the right twist optical anisotropic layer 26Bp, and the left twist optical anisotropic layer 26Bm. Are collectively referred to as “optically anisotropic layer”.
- the support 20 can support the alignment film and the optically anisotropic layer, various sheet-like materials (films and plate-like materials) can be used.
- the support 20 is preferably a transparent support, a polyacrylic resin film such as polymethyl methacrylate, a cellulose resin film such as cellulose triacetate, a cycloolefin polymer film, polyethylene terephthalate (PET), polycarbonate, and polychlorinated. Vinyl etc. can be mentioned.
- the cycloolefin polymer-based film include a trade name “Arton” manufactured by JSR Corporation and a trade name “ZEONOR” manufactured by Nippon Zeon Co., Ltd.
- the support is not limited to a flexible film but may be a non-flexible substrate such as a glass substrate.
- the thickness of the support 20 is not limited, and if the thickness capable of holding the alignment film and the optical anisotropic layer is appropriately set according to the use of the optical element 10 and the forming material of the support 20. Good.
- the thickness of the support 20 is preferably 1 to 1000 ⁇ m, more preferably 3 to 250 ⁇ m, and even more preferably 5 to 150 ⁇ m.
- an alignment film 24 ⁇ / b> A is formed on the surface of the support 20.
- the alignment film 24A aligns the liquid crystal compound 30 in a predetermined liquid crystal alignment pattern in the plane of the optically anisotropic layer when forming the right-handed optically anisotropic layer 26Ap and the left-handed optically anisotropic layer 26Am. This is an alignment film.
- an alignment film 24 ⁇ / b> B is formed on the surface of the support 20.
- the alignment film 24B aligns the liquid crystal compound 30 in a predetermined liquid crystal alignment pattern in the plane of the optically anisotropic layer when forming the right twisted optically anisotropic layer 26Bp and the left twisted optically anisotropic layer 26Bm. This is an alignment film.
- the liquid crystal compound 30 is twisted and aligned in the thickness direction in addition to the in-plane liquid crystal alignment pattern as described above. This twisted orientation of the liquid crystal compound 30 in the thickness direction is due to the action of the chiral agent contained in the optically anisotropic layer.
- the direction of the optical axis 30A derived from the liquid crystal compound 30 is in one direction in the plane (the arrow X direction described later). It has a liquid crystal alignment pattern which is changing while continuously rotating along. Therefore, the alignment film of each optically anisotropic member is formed so that the optically anisotropic layer can form this liquid crystal alignment pattern.
- the length in which the direction of the optical axis 30A rotates by 180 ° is one period (optical axis).
- optically anisotropic layer of at least one optically anisotropic member is equal to the optically anisotropic layer of the other optically anisotropic member and the length of one cycle of the liquid crystal alignment pattern.
- one period (one period ⁇ A ) of the liquid crystal alignment pattern in the right twist optical anisotropic layer 26Ap and the left twist optical anisotropic layer 26Am is the right twist optical anisotropic layer 26Bp and It is shorter than one period (one period ⁇ B ) of the liquid crystal alignment pattern in the left twist optically anisotropic layer 26Bm.
- the direction of the optical axis 30A is rotated is also simply referred to as “the optical axis 30A is rotated”.
- the alignment film by rubbing treatment can be formed by rubbing the surface of the polymer layer several times in a certain direction with paper or cloth.
- the material used for the alignment film include polyimide, polyvinyl alcohol, a polymer having a polymerizable group described in JP-A-9-152509, JP-A-2005-97377, JP-A-2005-99228, and Preferred examples include materials used for forming alignment films and the like described in JP-A-2005-128503.
- a so-called photo-alignment film is preferably used as the alignment film. That is, in the optical element 10 of the present invention, a photo-alignment film formed by applying a photo-alignment material on the support 20 is suitably used as the alignment film. Irradiation with polarized light can be performed in a vertical direction or an oblique direction with respect to the photo-alignment film, and irradiation with non-polarized light can be performed in an oblique direction with respect to the photo-alignment film.
- Examples of the photo-alignment material used in the photo-alignment film that can be used in the present invention include, for example, JP-A-2006-285197, JP-A-2007-76839, JP-A-2007-138138, and JP-A-2007-94071.
- JP-A-2013-177561, and JP-A-2014 Preferred examples include compounds capable of photodimerization, particularly cinnamate compounds, chalcone compounds, and coumarin compounds described in Japanese Patent Publication No. 12823.
- azo compounds, photocrosslinkable polyimides, photocrosslinkable polyamides, photocrosslinkable esters, cinnamate compounds, and chalcone compounds are preferably used.
- the thickness of the alignment film is preferably 0.01 to 5 ⁇ m, more preferably 0.05 to 2 ⁇ m.
- alignment film there is no restriction
- limiting in the formation method of alignment film Various well-known methods according to the formation material of alignment film can be utilized. As an example, a method of forming an alignment pattern by applying an alignment film to the surface of the support 20 and drying it, and then exposing the alignment film with a laser beam is exemplified.
- FIG. 15 conceptually shows an example of an exposure apparatus that exposes an alignment film to form an alignment pattern.
- the exposure of the alignment film 24 ⁇ / b> A of the first optical anisotropic member 12 is illustrated as an example, but the alignment film 24 ⁇ / b> B of the second optical anisotropic member 14 is also the same exposure apparatus.
- an alignment pattern can be formed.
- An exposure apparatus 60 shown in FIG. 15 includes a light source 64 including a laser 62, a beam splitter 68 that separates a laser beam M emitted from the laser 62 into two beams MA and MB, and two separated beams MA and Mirrors 70A and 70B respectively disposed on the MB optical path and ⁇ / 4 plates 72A and 72B are provided.
- the light source 64 includes a polarizing plate and emits linearly polarized light P 0 .
- the ⁇ / 4 plates 72A and 72B have optical axes that are orthogonal to each other.
- lambda / 4 plate 72A is linearly polarized light P 0 (the ray MA) to the right circularly polarized light P R
- lambda / 4 plate 72B is linearly polarized light P 0 (the rays MB) to the left circularly polarized light P L, it converts respectively.
- the support 20 having the alignment film 24A before the alignment pattern is formed is disposed in the exposure portion, and the two light beams MA and MB cross on the alignment film 24A to interfere with each other, and the interference light is aligned with the alignment film 24A.
- the polarization state of the light applied to the alignment film 24A periodically changes in the form of interference fringes.
- the period of the alignment pattern can be adjusted by changing the crossing angle ⁇ between the two light beams MA and MB.
- the one direction in which the optical axis 30A rotates by adjusting the crossing angle ⁇ , in the liquid crystal alignment pattern in which the optical axis 30A derived from the liquid crystal compound 30 continuously rotates along one direction, the one direction in which the optical axis 30A rotates.
- the length of one period (one period ⁇ ) in which the optical axis 30A rotates 180 ° can be adjusted.
- the optical axis 30A derived from the liquid crystal compound 30 is directed in one direction.
- the right-twisted optically anisotropic layer 26Ap and the left-twisted optically anisotropic layer 26Am having a liquid crystal alignment pattern that continuously rotates can be formed.
- the rotation direction of the optical axis 30A can be reversed by rotating the optical axes of the ⁇ / 4 plates 72A and 72B by 90 °.
- the optically anisotropic layer included in one optically anisotropic member has the same liquid crystal alignment pattern in the plane. Therefore, the right twist optically anisotropic layer 26Ap and the left twist optically anisotropic layer 26Am have the same liquid crystal alignment pattern in the plane. Furthermore, the right twist optically anisotropic layer 26Bp and the left twist optically anisotropic layer 26Bm of the second optical anisotropic member 14 have the same liquid crystal alignment pattern in the plane.
- the alignment film is formed only on the lower layer of the right twist optically anisotropic layer 26Ap and the lower layer of the right twist optically anisotropic layer 26Bp.
- An optically anisotropic layer formed using a composition containing a liquid crystal compound has a liquid crystal alignment pattern in the lower layer, that is, the formation surface (film formation surface).
- the liquid crystal alignment pattern in follows the liquid crystal alignment pattern in the plane of the lower layer. Therefore, even if there is no alignment film below the left twist optically anisotropic layer 26Am, the liquid crystal alignment pattern in the plane of the left twist optically anisotropic layer 26Am is equal to the right twist optically anisotropic layer 26Ap. Further, even if there is no alignment film below the left twist optically anisotropic layer 26Bm, the liquid crystal alignment pattern in the plane of the left twist optically anisotropic layer 26Bm is equal to the right twist optically anisotropic layer 26Bp.
- an alignment film may be provided under the left twist optically anisotropic layer 26Am and / or the left twist optically anisotropic layer 26Bm.
- the alignment films included in the same optically anisotropic member are all the same. It becomes an orientation pattern.
- the alignment film is provided as a preferred embodiment and is not an essential constituent requirement.
- the right twist optically anisotropic layer 26Ap or the like is converted into a liquid crystal compound. It is also possible to have a configuration having a liquid crystal alignment pattern in which the orientation of the optical axis 30A derived from 30 changes while continuously rotating along at least one in-plane direction.
- Optically anisotropic layer >>
- a right-handed optically anisotropic layer 26Ap is formed on the surface of the alignment film 24A, and a left-handedly optically anisotropic layer is formed on the surface of the right-handed optically anisotropic layer 26Ap.
- 26 Am is formed.
- a right-twisted optically anisotropic layer 26Bp is formed on the surface of the alignment film 24B, and a left-twisted optically anisotropic layer is formed on the surface of the right-twisted optically anisotropic layer 26Bp.
- the conductive layer 26Bm is formed.
- the right twist optical anisotropic layer 26Ap the left twist optical anisotropic layer 26Am, and the right twist optical anisotropic layer 26Bp.
- Both the left twist optically anisotropic layer 26Bm show only the liquid crystal compound 30 (liquid crystal compound molecule) on the surface of the alignment film.
- the right twist optically anisotropic layer 26Ap, the left twist optically anisotropic layer 26Am, the right twist optically anisotropic layer 26Bp, and the left twist optically anisotropic layer 26Bm are all shown in FIG.
- a plurality of liquid crystal compounds 30 are arranged in the thickness direction and twisted and aligned in the thickness direction.
- the optical anisotropic layer (the right twist optical anisotropic layer 26Ap, the left twist optical anisotropic layer 26Am, the right twist optical anisotropic layer 26Bp, and the left twist)
- the optically anisotropic layer 26Bm is formed using a composition containing a liquid crystal compound.
- the optically anisotropic layer functions as a general ⁇ / 2 plate, that is, is orthogonal to each other included in the light incident on the optically anisotropic layer. It has a function of giving a half-wavelength, that is, a phase difference of 180 ° to the two linearly polarized light components.
- the optically anisotropic 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 in one direction indicated by an arrow X within the plane of the optically anisotropic layer.
- the optical axis 30A derived from the liquid crystal compound 30 is an axis at which the refractive index is 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 rod shape.
- “one direction indicated by arrow X” is also simply referred to as “arrow X direction”.
- the optical axis 30A derived from the liquid crystal compound 30 is also referred to as “the optical axis 30A of the liquid crystal compound 30” or “the optical axis 30A”.
- the liquid crystal compound 30 is two-dimensionally aligned in the plane parallel to the arrow X direction and the Y direction perpendicular to the arrow X direction in the optically anisotropic layer.
- the Y direction is a direction orthogonal to the paper surface.
- the right twist optical anisotropic layer 26Ap and the left twist optical anisotropic layer 26Am have the same liquid crystal alignment pattern in the plane.
- the right-handed optically anisotropic layer 26Bp and the left-handed optically anisotropic layer 26Bm have the same in-plane liquid crystal alignment pattern.
- the liquid crystal alignment patterns in the plane of the optically anisotropic layer are equal, specifically, the direction in which the direction of the optical axis derived from the liquid crystal compound continuously changes in the plane.
- the continuous rotation direction of the direction of the optical axis derived from the liquid crystal compound in the plane and the length of one period (one period ⁇ ) in which the direction of the optical axis 30A rotates 180 ° in the liquid crystal alignment pattern are all , Indicating equality.
- the direction in which the direction of the optical axis derived from the liquid crystal compound changes in the plane while continuously rotating is the direction of the arrow X in the illustrated example.
- the continuous rotation direction of the direction of the optical axis derived from the liquid crystal compound in the plane is clockwise in the arrow X direction in the illustrated example.
- the twist direction of the liquid crystal compound 30 that is twist-oriented in the thickness direction is opposite.
- the twist direction of the liquid crystal compound 30 that is twist-oriented in the thickness direction is opposite.
- FIG. 3 conceptually shows a plan view of the right twist optically anisotropic layer 26Ap.
- a top view is the figure which looked at the optical element 10 from upper direction in FIG. 1, ie, the figure which looked at the optical element 10 from the thickness direction.
- the right-handed twisted optically anisotropic layer 26Ap is viewed from a direction (normal direction) perpendicular to the main surface.
- the main surface is the maximum surface of the sheet-like material (plate-like material, film).
- the thickness direction is the stacking direction of each layer (film).
- the liquid crystal compound 30 shows only the liquid crystal compound 30 on the surface of the alignment film 24A as in FIG.
- the right twist optically anisotropic layer 26Ap is formed by twisting and aligning the liquid crystal compound 30 in the thickness direction from the liquid crystal compound 30 on the surface of the alignment film 24A, as shown in FIG. As described above, it has a stacked structure.
- the liquid crystal alignment pattern in which the orientation of the optical axis derived from the liquid crystal compound in the plane changes while continuously rotating in one direction indicated by the arrow X is transmitted through the optically anisotropic layer. Contributes to the refraction of light.
- the right twist optically anisotropic layer 26Ap is described as a representative example, but the right twist optically anisotropic layer 26Ap also exhibits the same function and effect.
- the right twist optically anisotropic layer 26Bp and the left twist optically anisotropic layer 26Bm basically have the same configuration and the same except that the length of one period (one period ⁇ ) of the liquid crystal alignment pattern described later is different. Has a working effect.
- the rotation direction of the direction of the optical axis 30 ⁇ / b> A is opposite between the optical anisotropic layer of the first optical anisotropic member 12 and the optical anisotropic layer of the second optical anisotropic member 14. is there. That is, when the rotation of the optical axis 30A in the optical anisotropic layer of the first optical anisotropic member 12 is clockwise in the direction of the arrow X, the optical aberration of the second optical anisotropic member 14 is increased. The rotation in the direction of the optical axis 30A in the isotropic layer is counterclockwise toward the arrow X direction.
- the right-twisted optically anisotropic layer 26Ap has a liquid crystal alignment pattern in which the direction of the optical axis 30A derived from the liquid crystal compound 30 changes in the plane while continuously rotating along the arrow X direction.
- the direction of the optical axis 30A of the liquid crystal compound 30 is changing while continuously rotating in the arrow X direction (predetermined one direction).
- the angle formed by the 30 optical axes 30A 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.
- the difference in angle between the optical axes 30A of the liquid crystal compounds 30 adjacent to each other in the direction of the arrow X is preferably 45 ° or less, more preferably 15 ° or less, and even more preferably a smaller angle. .
- the liquid crystal compound 30 forming the right twist optically anisotropic layer 26Ap has the optical axis 30A in the Y direction orthogonal to the arrow X direction, that is, the Y direction orthogonal to one direction in which the optical axis 30A continuously rotates.
- the liquid crystal compounds 30 having the same direction are arranged at equal intervals.
- the angle formed by the direction of the optical axis 30A and the arrow X direction is equal among the liquid crystal compounds 30 arranged in the Y direction.
- the optical axis 30A of the liquid crystal compound 30 is in the direction of the arrow X in which the direction of the optical axis 30A continuously changes in the plane.
- the length of one period in the liquid crystal alignment pattern is defined by the distance from the angle ⁇ between the optical axis 30A of the liquid crystal compound 30 and the arrow X direction to ⁇ + 180 °.
- the one-cycle length ⁇ in the optically anisotropic layer is, in other words, the distance between the centers of the two liquid crystal compounds 30 having the same angle with respect to the arrow X direction.
- 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 in the direction of the arrow X is one cycle length ⁇ .
- the length ⁇ of one cycle is also referred to as “one cycle ⁇ ”.
- one period ⁇ in right-twisted optically anisotropic layer 26Ap is “ ⁇ A ” and right-twisted optically anisotropic layer 26Bp has One period ⁇ is also referred to as “ ⁇ B ”.
- the optically anisotropic layers included in the same optically anisotropic member have the same one period ⁇ . Therefore, one period ⁇ in the left twist optically anisotropic layer 26Am is also “ ⁇ A ”, and one period ⁇ in the left twist optically anisotropic layer 26Bm is also “ ⁇ B ”.
- the liquid crystal alignment pattern of the optically anisotropic layer repeats this one period ⁇ in the direction of the arrow X, that is, one direction in which the direction of the optical axis 30A continuously changes.
- the liquid crystal compounds arranged in the Y direction have the same angle formed by the optical axis 30A and the arrow X direction (one direction in which the direction of the optical axis of the liquid crystal compound 30 rotates).
- a region where the liquid crystal compound 30 having the same angle formed by the optical axis 30A and the direction of the arrow X is arranged in the Y direction is referred to as a region R.
- the value of the in-plane retardation (Re) in each region R is preferably a half wavelength, that is, ⁇ / 2.
- the refractive index difference ⁇ n accompanying the refractive index anisotropy of the region R and the thickness of the optically anisotropic layer is the direction in which the refractive index in the direction of the slow axis in the plane of the region R is orthogonal to the direction of the slow axis.
- the refractive index difference defined by the difference from the refractive index.
- the refractive index difference ⁇ n accompanying the refractive index anisotropy of the region R is the refractive index of the liquid crystal compound 30 in the direction of the optical axis 30A and the liquid crystal compound 30 in the direction perpendicular to the optical axis 30A in the plane of the region R. It is equal to the difference from the refractive index. That is, the refractive index difference ⁇ n is equal to the refractive index difference of the liquid crystal compound.
- the orientation of the optical axis 30A is in the plane.
- the optically anisotropic layer having a liquid crystal alignment pattern that continuously rotates and changes the light is refracted and the direction of the circularly polarized light is changed.
- the action of the liquid crystal alignment pattern in this plane is shown in FIGS. 4 and 5 by illustrating the optically anisotropic layer 26 in which the liquid crystal compound 30 is not twisted and aligned in the thickness direction.
- the direction of the optical axis 30A of the liquid crystal compound 30 is uniform in the thickness direction.
- the product of the difference in refractive index of the liquid crystal compound and the thickness of the optical anisotropic layer is ⁇ / 2.
- the optically anisotropic layer 26 has a left circle.
- the incident light L 1 that is polarized light enters, the incident light L 1 is given a phase difference of 180 ° by passing through the optical anisotropic layer 26, and the transmitted light L 2 is converted to right circularly polarized light.
- the incident light L 1 passes through the optical anisotropic layer 26, the absolute phase changes according to the direction of the optical axis 30 ⁇ / b> A of each liquid crystal compound 30.
- the amount of change in the absolute phase of the incident light L 1 differs depending on the direction of the optical axis 30A.
- the liquid crystal alignment pattern formed in the optically anisotropic layer 26 is a periodic pattern in the direction of the arrow X
- the incident light L 1 that has passed through the optically anisotropic layer 26 is shown in FIG.
- a periodic absolute phase Q1 is given in the direction of the arrow X corresponding to the direction of each optical axis 30A.
- an equiphase surface E1 inclined in the direction opposite to the arrow X direction is formed.
- the transmitted light L 2 is refracted so as to be inclined in a direction perpendicular to the equiphase surface E1, and travels in a direction different from the traveling direction of the incident light L 1 .
- the left circularly polarized incident light L 1 is converted into right circularly polarized transmitted light L 2 that is inclined by a certain angle in the arrow X direction with respect to the incident direction.
- the optical anisotropic layer when the product of the refractive index difference of the liquid crystal compound of the optical anisotropic layer 26 and the thickness of the optical anisotropic layer is ⁇ / 2, the optical anisotropic layer When 26 right circularly polarized incident light L 4 of the is incident, the incident light L 4 are, by passing through the optically anisotropic layer 26, given a phase difference of 180 °, the transmitted light L 5 of the left circularly polarized light Is converted to Further, when the incident light L 4 passes through the optical anisotropic layer 26, the absolute phase changes according to the direction of the optical axis 30 ⁇ / b> A of each liquid crystal compound 30.
- the amount of change in the absolute phase of the incident light L 4 differs depending on the direction of the optical axis 30A. Furthermore, since the liquid crystal alignment pattern formed in the optical anisotropic layer 26 is a periodic pattern in the direction of the arrow X, the incident light L 4 that has passed through the optical anisotropic layer 26 is as shown in FIG. A periodic absolute phase Q2 is given in the direction of the arrow X corresponding to the direction of each optical axis 30A.
- the incident light L 4 is right circularly polarized light
- the periodic absolute phase Q2 in the arrow X direction corresponding to the direction of the optical axis 30A is opposite to the incident light L 1 that is left circularly polarized light.
- an equiphase surface E 2 inclined in the direction of the arrow X is formed opposite to the incident light L 1 . Therefore, the incident light L 4 is refracted so as to be inclined in a direction perpendicular to the equiphase surface E2, and travels in a direction different from the traveling direction of the incident light L 4 . In this way, the incident light L 4 is converted into left circularly polarized transmitted light L 5 that is inclined by a certain angle in the direction opposite to the arrow X direction with respect to the incident direction.
- the liquid crystal compound 30 has the same liquid crystal alignment pattern in which the direction of the optical axis 30 ⁇ / b> A continuously rotates and changes in the plane, the liquid crystal compound 30 is twisted and aligned in the thickness direction, and the twist direction of the liquid crystal compound 30 is
- the two layers of optically anisotropic layers having the opposite are considered to be one optically anisotropic layer, the same operation as that of the optically anisotropic layer 26 shown in FIGS. 4 and 5 is achieved.
- the second optical anisotropic member 14 having a laminate with the conductive layer 26Bm exhibits the same function as the optical anisotropic layer 26 shown in FIGS. This effect will be described in detail later.
- the in-plane retardation value of the plurality of regions R is preferably a half wavelength, but the in-plane retardation of the plurality of regions R of the optically anisotropic layer with respect to incident light having a wavelength of 550 nm.
- Re (550) ⁇ n 550 ⁇ d is preferably within the range defined by the following formula (1).
- the optically anisotropic layer is a right-handed optically anisotropic layer 26Ap, a left-handed optically anisotropic layer 26Am, a right-handed optically anisotropic layer 26Bp, a left-handed optically anisotropic layer 26Bm, or the like.
- ⁇ n 550 is a refractive index difference accompanying the refractive index anisotropy of the region R when the wavelength of incident light is 550 nm
- the circularly polarized light component can be converted into circularly polarized light that travels in a direction inclined forward or backward with respect to the arrow X direction.
- In-plane retardation Re (550) ⁇ n 550 ⁇ d is more preferably 225 nm ⁇ ⁇ n 550 ⁇ d ⁇ 340 nm, and further preferably 250 nm ⁇ ⁇ n 550 ⁇ d ⁇ 330 nm.
- the above formula (1) is in the range with respect to the incident light is a wavelength 550 nm
- the value of the in-plane retardation of the plurality of regions R in the optically anisotropic layer can be used outside the range of the above formula (1).
- ⁇ n 550 ⁇ d ⁇ 200 nm or 350 nm ⁇ n 550 ⁇ d
- the light traveling in the same direction as the traveling direction of the incident light travels in a direction different from the traveling direction of the incident light.
- ⁇ n 550 ⁇ d approaches 0 nm or 550 nm, the component of light traveling in the same direction as the traveling direction of incident light increases, and the component of light traveling in a direction different from the traveling direction of incident light decreases.
- the in-plane retardation Re (450) ⁇ n 450 ⁇ d of the optically anisotropic layer region R with respect to incident light having a wavelength of 450 nm, and the optically anisotropic layer region R with respect to incident light having a wavelength of 550 nm.
- Each in-plane retardation Re (550) ⁇ n 550 ⁇ d preferably satisfies the following formula (2).
- ⁇ n 450 is a refractive index difference accompanying the refractive index anisotropy of the region R when the wavelength of incident light is 450 nm.
- Formula (2) represents that the liquid crystal compound 30 contained in the optically anisotropic layer has reverse dispersion. That is, when the expression (2) is satisfied, the optically anisotropic layer can cope with incident light having a broadband wavelength.
- the optically anisotropic layer having the liquid crystal alignment pattern in which the optical axis 30A continuously rotates in one direction can adjust the refraction angle of the transmitted light by changing one period ⁇ of the liquid crystal alignment pattern. That is, the angle of refraction of the transmitted light L 2 and L 5 can be adjusted by changing one period ⁇ of the liquid crystal alignment pattern formed in the optically anisotropic layer. Specifically, the shorter the one period ⁇ of the liquid crystal alignment pattern, the stronger the light that has passed through the liquid crystal compounds 30 adjacent to each other, so that the transmitted light L 2 and L 5 can be refracted greatly.
- the refractive angle of the transmitted light L 2 and L 5 with respect to the incident light L 1 and L 4 are different depending on the wavelength of the incident light L 1 and L 4 (transmitted light L 2 and L 5). Specifically, the longer the wavelength of the incident light, the more the transmitted light is refracted. That is, when the incident light is red light, green light, and blue light, the red light is refracted the most and the refraction of the blue light is the smallest. Furthermore, the direction of refraction of transmitted light can be reversed by reversing the rotation direction of the optical axis 30A of the liquid crystal compound 30 that rotates along the arrow X direction.
- the optically anisotropic layer is exemplified by the right-twisted optically anisotropic layer 26Ap and the left-twisted optically anisotropic layer 26Am of the first optically anisotropic member 12 shown in FIG.
- the liquid crystal compound 30 is twisted and aligned in the thickness direction.
- the state in which the liquid crystal compound 30 is twisted in the thickness direction is also referred to as “twisted alignment”.
- the laminated body in which two optically anisotropic layers having opposite polarities are stacked has the same action as the optically anisotropic layer 26 in which the liquid crystal compound 30 is not twisted and oriented as shown in FIGS. 4 and 5 described above. Is expressed.
- the two-layer laminated body can improve the amount of transmitted light (emitted light).
- the right circularly polarized light perpendicularly incident on the optically anisotropic layer 26 in which the liquid crystal compound 30 is not twisted is propagated obliquely in the optically anisotropic layer, the propagation of the propagating light Since the liquid crystal compound 30 is twisted with respect to the direction, the incident right-handed circularly polarized light is not sufficiently converted to left-handed circularly polarized light when transmitted through the optically anisotropic layer due to the twisted liquid crystal compound 30, and thus transmitted light It is considered that the amount of light decreases.
- FIG. 6 As conceptually shown in FIG. 6, when the right circularly polarized light perpendicularly incident on the optically anisotropic layer 26 in which the liquid crystal compound 30 is not twisted is propagated obliquely in the optically anisotropic layer, the propagation of the propagating light Since the liquid crystal compound 30 is twisted with respect to the direction, the incident right-handed circularly
- the right-handed optically anisotropic layer 26Ap in which the liquid crystal compound 30 is twisted and oriented in the thickness direction has the right-handed right circularly polarized light having optical anisotropy.
- the twist of the liquid crystal is very small with respect to the traveling direction of the propagating light, so that the incident right circularly polarized light is converted to left circularly polarized light when transmitted through the optically anisotropic layer, A decrease in the amount of transmitted light can be suppressed.
- the liquid crystal compound 30 shown in FIGS. 4 and 5 described above is formed by stacking two optically anisotropic layers in which the twisting directions of the liquid crystal compound 30 are opposite to each other.
- the compound 30 can exhibit the same action as the optically anisotropic layer 26 in which the twisted orientation is not applied, and can improve the amount of transmitted light (emitted light).
- a laminated body having two layers is a laminated body of a right-handed optically anisotropic layer 26Ap and a left-handed optically anisotropic layer 26Am. Therefore, the optical element 10 of the present invention uses the optically anisotropic layer 26 having a liquid crystal alignment pattern in which the optical axis 30A is rotated only in the plane without twisting the liquid crystal compound 30 in the thickness direction. Compared with an optical element, the amount of transmitted light can be improved and the transmitted light can be brightened.
- the twist angle of the liquid crystal compound 30 that twist-aligns in the optically anisotropic layer is not limited. That is, in the illustrated example, the liquid crystal compound 30 that is twist-oriented in the right twist optical anisotropic layer 26Ap, the left twist optical anisotropic layer 26Am, the right twist optical anisotropic layer 26Bp, and the left twist optical anisotropic layer 26Bm. There is no limit to the twist angle. However, the polarization state of light propagating in the optically anisotropic layer differs depending on the twist angle of the liquid crystal compound 30.
- the twist angle of the liquid crystal compound 30 is preferably set as appropriate according to the target transmitted light emission direction together with one period ⁇ of the liquid crystal alignment pattern. Regardless of whether the twist direction of the liquid crystal compound 30 is right-handed or left-handed (clockwise or counterclockwise), the absolute value of the twist angle of the liquid crystal compound 30 is 5 in terms of suitably improving the amount of transmitted light.
- the twist angle of the liquid crystal compound 30 is the twist angle from the lower surface to the upper surface of the liquid crystal compound 30 that is twist-oriented in the thickness direction in the optically anisotropic layer.
- the optically anisotropic layer in which the liquid crystal compound 30 is twisted and aligned in the thickness direction is formed by a liquid crystal composition containing a liquid crystal compound and a chiral agent.
- the twist direction of the liquid crystal compound 30 in the optically anisotropic layer can be adjusted by the kind of the liquid crystal compound 30 forming the optically anisotropic layer and / or the kind of added chiral agent.
- the twist angle of the liquid crystal compound 30 in the optically anisotropic layer can be adjusted by the kind of the chiral agent to be added and / or the addition amount of the chiral agent.
- the optically anisotropic layer is composed of a hardened layer of a liquid crystal composition containing a rod-like liquid crystal compound or a discotic liquid crystal compound and a chiral agent, and the optical axis of the rod-like liquid crystal compound or the optical axis of the discotic liquid crystal compound is in-plane as described above.
- the rod-like liquid crystal compound or the disk-like liquid crystal compound is twisted and oriented in the thickness direction.
- an optically anisotropic layer composed of a cured layer of a liquid crystal composition in which the liquid crystal compound is twisted and aligned in the thickness direction can be obtained.
- the optically anisotropic layer functions as a so-called ⁇ / 2 plate
- the present invention includes a mode in which a laminated body integrally including the support 20 and the alignment film functions as a ⁇ / 2 plate.
- the liquid crystal composition for forming the optically anisotropic layer contains a rod-like liquid crystal compound or a disk-like liquid crystal compound, and other components such as a leveling agent, an alignment controller, a polymerization initiator, and an alignment aid. May be contained.
- Bar-shaped liquid crystal compounds-- Examples of the rod-like liquid crystal compound include azomethines, azoxys, cyanobiphenyls, cyanophenyl esters, benzoic acid esters, cyclohexanecarboxylic acid phenyl esters, cyanophenylcyclohexanes, cyano-substituted phenylpyrimidines, alkoxy-substituted phenylpyrimidines, Phenyldioxanes, tolanes, and alkenylcyclohexylbenzonitriles are preferably used. In addition to the above low-molecular liquid crystalline molecules, high-molecular liquid crystalline molecules can also be used.
- the polymerizable rod-like liquid crystal compound examples include those described in Makromol. Chem. 190, 2255 (1989), Advanced Materials, 5, 107 (1993), US Pat. No. 4,683,327, US Pat. No. 5,622,648, US Pat. No. 5,770,107, International Publication No. 95/22586, 95/24455, 97/00600, 98/23580, 98/52905, JP-A-1-272551, 6-16616, 7-110469, 11-80081 And the compounds described in Japanese Patent Application No. 2001-64627 and the like can be used. Further, as the rod-like liquid crystal compound, for example, those described in JP-A-11-513019 and JP-A-2007-279688 can be preferably used.
- Disc liquid crystal compound-- As the discotic liquid crystal compound, for example, those described in JP-A-2007-108732 and JP-A-2010-244038 can be preferably used.
- the liquid crystal compound 30 rises in the thickness direction, and the optical axis 30A derived from the liquid crystal compound is a disc surface. It is defined as an axis perpendicular to the so-called fast axis (see FIG. 19).
- the chiral agent has a function of inducing twisted alignment of the liquid crystal compound 30 in the optically anisotropic layer.
- the chiral agent may be selected according to the purpose because the twist direction or the twist pitch induced by the compound is different.
- the chiral agent is not particularly limited, and is a known compound (for example, liquid crystal device handbook, Chapter 3-4, chiral agent for TN (twisted nematic), STN (Super Twisted Nematic), 199 pages, Japan Science Foundation) In the 142nd Committee of Japan Society, described in 1989), isosorbide, isomannide derivatives, and the like can be used.
- a chiral agent generally contains an asymmetric carbon atom, but an axially asymmetric compound or a planar asymmetric compound that does not contain an asymmetric carbon atom can also be used as the chiral agent.
- the axial asymmetric compound or the planar asymmetric compound include binaphthyl, helicene, paracyclophane, and derivatives thereof.
- 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 a polymerization reaction between the polymerizable chiral agent and the polymerizable liquid crystal compound.
- the polymerizable group possessed by the polymerizable chiral agent is preferably the same group as the polymerizable group possessed by 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. Further preferred.
- the chiral agent may be a liquid crystal compound.
- the chiral agent has a photoisomerizable group because a pattern having a desired reflection wavelength corresponding to the emission wavelength can be formed by photomask irradiation such as actinic rays after coating and orientation.
- the photoisomerization group an isomerization site, azo group, azoxy group, or cinnamoyl group of a compound exhibiting photochromic properties is preferable.
- Specific examples of the compound include JP2002-80478, JP200280851, JP2002-179668, JP2002-179669, JP2002-179670, and JP2002.
- Compounds described in JP-A No. 179681, JP-A No. 2002-179682, JP-A No. 2002-338575, JP-A No. 2002-338668, JP-A No. 2003-313189, JP-A No. 2003-313292, etc. Can be used.
- a wavelength-selective retardation layer 18G is provided between the first optical anisotropic member 12 and the second optical anisotropic member 14.
- the wavelength-selective retardation layer is a member that converts circularly polarized light in a specific wavelength region into circularly polarized light in the reverse turning direction.
- the wavelength-selective retardation layer 18G selectively converts the circularly polarized light of green light into circularly polarized light in the reverse rotation direction, and converts the right circularly polarized light of green light to the left of the green light.
- the wavelength-selective retardation layer 18G transmits (ie, removes) green light other than circularly polarized light as it is. Accordingly, the circularly polarized light other than the circularly polarized light of green light is transmitted while maintaining the turning direction.
- the wavelength-selective retardation layer is a layer that shifts the phase by ⁇ only in a specific wavelength region.
- a wavelength-selective retardation layer can also be said to be a ⁇ / 2 plate that acts only in a specific wavelength range, for example.
- Such a wavelength-selective retardation layer can be produced, for example, by laminating a plurality of retardation plates having different retardations.
- the wavelength-selective retardation layer described in JP-T 2000-510961 and SID 99 DIGEST, pp. 1072-1075 can be used as the wavelength-selective retardation layer.
- This wavelength-selective retardation layer is formed by laminating a plurality of retardation plates (retardation layers) with different slow axis angles (slow axis orientations) to convert linearly polarized light in a specific wavelength region into reverse linearly polarized light. Is to be converted.
- the plurality of retardation plates are not limited to the configuration in which all the slow axis angles are different from each other, and it is sufficient that the slow axis angle of at least one layer is different from the other retardation plates. It is preferable that at least one layer of the retardation plate has forward dispersion.
- a ⁇ / 2 plate that works only in a specific wavelength range is realized by laminating a plurality of retardation plates at different slow axis angles because at least one retardation plate has forward dispersion. can do.
- the wavelength-selective retardation layer described in JP 2000-510961 A and SID 99 DIGEST, pp. 1072-1075 selectively converts linearly polarized light into reverse linearly polarized light.
- the wavelength-selective retardation layer converts circularly polarized light in a specific wavelength region into circularly polarized light in the reverse turning direction. Therefore, it is preferable to use a ⁇ / 4 plate provided on both sides of the wavelength selective phase difference layer described in JP 2000-510961 A and SID 99 DIGEST, pp. 1072-1075.
- a ⁇ / 4 plate various retardation plates such as a polymer, a cured layer of a liquid crystal compound, and a structural birefringence layer can be used.
- the ⁇ / 4 plate preferably has reverse dispersibility. Since the ⁇ / 4 plate has inverse dispersion, it can cope with incident light having a wide wavelength range.
- a retardation layer that functions as ⁇ / 4 by laminating a plurality of retardation plates as the ⁇ / 4 plate.
- a ⁇ / 4 plate described in International Publication No. 2013/137464 which has a wide band by combining a ⁇ / 2 plate and a ⁇ / 4 plate, can handle incident light with a wide wavelength, and is preferably used. it can.
- the optically anisotropic layer having a liquid crystal alignment pattern in which the direction of the optical axis 30A rotates along the arrow X direction formed using a composition containing a liquid crystal compound refracts circularly polarized light.
- the angle of refraction varies depending on the wavelength of light. Specifically, the longer the light, the greater the angle of refraction. Therefore, for example, when the incident light is red light, green light, and blue light, the red light is refracted the most and the refraction of the blue light is the smallest.
- an optical element using an optical anisotropic layer having the above-mentioned liquid crystal alignment pattern in which the direction of the optical axis 30A rotates is used as a diffraction element for entering and exiting light from the light guide plate.
- the transmission directions of red light, green light, and blue light are different, and an image having a so-called color shift in which the red image, the green image, and the blue image do not match is observed. End up.
- color misregistration can be eliminated by providing a light guide plate corresponding to each of a red image, a green image, and a blue image and laminating three light guide plates.
- the light guide plate is thick and heavy as a whole, and the configuration is also complicated.
- an optically anisotropic member having one or more optically anisotropic layers is arranged, and two adjacent optical anisotropic members among the arranged optically anisotropic members are arranged.
- a wavelength-selective retardation layer between at least one pair of conductive members, and the optically anisotropic layer of the optically anisotropic member rotates in the direction of the optical axis derived from the liquid crystal compound in one direction.
- One period of the liquid crystal alignment pattern of the optically anisotropic layer of at least one optically anisotropic member having a liquid crystal alignment pattern is different from that of other optically anisotropic members.
- the liquid crystal compound constituting the optically anisotropic layer is twisted and aligned in the thickness direction, and the optically anisotropic member has the same in-plane liquid crystal alignment pattern and is twisted.
- Two optically anisotropic layers having different directions are stacked. According to such an optical element of the present invention, the wavelength dependency of the refraction angle of light can be greatly reduced, and a high amount of light having a different wavelength can be refracted and transmitted and emitted in substantially the same direction.
- a light guide plate can propagate a red image, a green image, and a blue image with a single light guide plate without causing color shift, and a bright and appropriate image can be displayed to the user.
- the optical element 10 is basically only the optically anisotropic layer and the wavelength-selective retardation layer that exhibit an optical action. Therefore, in order to simplify the drawing and clearly show the configuration and operational effects, in FIG. 9, the first optical anisotropic member 12 includes the right twist optical anisotropic layer 26Ap and the left twist optical anisotropic layer 26Am.
- the second optically anisotropic member 14 shows only the right twist optically anisotropic layer 26Bp and the left twist optically anisotropic layer 26Bm, and the illustrated members are separated from each other in the arrangement direction. This also applies to FIG. 12 described later.
- the optical element 10 includes the first optical anisotropic member 12 having the right twist optical anisotropic layer 26Ap and the left twist optical anisotropic layer 26Am, the right twist optical anisotropic layer 26Bp, and the left twist.
- a wavelength selective phase difference layer 18G for converting the turning direction of the circularly polarized light of green light to the reverse direction is provided.
- the optical element 10 refracts and transmits incident light in a predetermined direction for circularly polarized light of blue light and circularly polarized light of green light. In FIG. 9, the incident light is right circularly polarized light. However, even if the incident light is left circularly polarized light, the operational effect is the same as long as the direction of refraction is reversed.
- the right circularly polarized light G R and right circularly polarized light B R of the blue light of the green light first, the right twist optically anisotropic layer 26Ap and left twist the optical anisotropy of the first optically anisotropic member 12 enters the stack of the layers 26am (see incident light L 4 in FIG. 5).
- the liquid crystal compound 30 has the same liquid crystal alignment pattern in which the orientation of the optical axis 30A continuously changes in the plane, the liquid crystal compound 30 is twisted and aligned in the thickness direction, and the liquid crystal The laminated body of the two optically anisotropic layers in which the twist direction of the compound 30 is opposite has the same liquid crystal alignment pattern in the plane shown in FIGS.
- the liquid crystal compound is twist-aligned.
- the same effect as that of the optically anisotropic layer 26 that is not formed is exhibited. Therefore, the right circularly polarized light G R and right circularly polarized light B R of the blue light of the green light incident on the first optical anisotropic member 12, the right twist optically anisotropic layer 26Ap and left twist optically anisotropic layer 26Am
- the light is refracted by a predetermined angle in the direction opposite to the arrow X direction with respect to the incident direction, and is converted into left circularly polarized light G 1L of green light and left circularly polarized light B 1L of blue light (transmitted light L in FIG. 5). 5 ).
- the angle of refraction by the optically anisotropic layer having the liquid crystal alignment pattern in which the direction of the optical axis 30A is continuously rotated and changed is larger for green light having a longer wavelength. Therefore, as shown in FIG. 10, the angle of refraction with respect to the incident light is larger at the angle ⁇ G1 of the green light (G) than at the angle ⁇ B1 of the blue light (B).
- the green light left circularly polarized light G 1L and the blue light left circularly polarized light B 1L transmitted through the left twisted optically anisotropic layer 26Am are incident on the wavelength selective retardation layer 18G.
- the wavelength-selective retardation layer 18G converts only the circularly polarized light of green light into the circularly polarized light in the reverse turning direction, and the other circularly polarized light is transmitted (empty) while maintaining the turning direction. Is. Therefore, when the left circularly polarized light G 1L of green light and the left circularly polarized light B 1L of blue light are incident on the wavelength selective phase difference layer 18G and transmitted, the left circularly polarized light B 1L of blue light is transmitted as it is. On the other hand, green light left circularly polarized light G 1L is converted to green light right circularly polarized light G 1R .
- the green light right circularly polarized light G 1R and the blue light left circularly polarized light B 1L transmitted through the wavelength-selective retardation layer 18G are then transferred to the left twisted optical anisotropic layer 26Bm of the second optical anisotropic member 14 and to the right.
- the light enters the laminated body with the twisted optically anisotropic layer 26Bp.
- the left twist optical anisotropic layer 26Bm of the second optical anisotropic member 14 is used.
- the right-twisted optically anisotropic layer 26Bp also exhibit the same function as the optically anisotropic layer 26 shown in FIGS. Accordingly, the right circularly polarized light G 1R of green light and the left circularly polarized light of blue light incident on the laminate of the left twisted optical anisotropic layer 26Bm and the right twist optically anisotropic layer 26Bp of the second optical anisotropic member 14. Similarly, B 1L is refracted, and circularly polarized light is converted into circularly polarized light in the reverse turning direction, and is emitted as green light left circularly polarized light G 2L and blue light right circularly polarized light B 2R. .
- the right-hand circularly polarized light G 1R of green light and the left-hand circularly polarized light B 1L of blue light incident on the second optically anisotropic member 14 have opposite directions of circularly polarized light.
- the rotation direction of the optical axis 30A of the liquid crystal compound 30 in the optical anisotropic layer is opposite between the first optical anisotropic member 12 and the second optical anisotropic member 14. Therefore, the left circularly polarized light B 2L of the blue light is further refracted in the direction opposite to the direction of the arrow X, and has an angle with respect to the incident light (the right circularly polarized light B R of the blue light) as shown on the left side of FIG.
- the right circularly polarized light G 1R of green light is opposite to the rotation direction of circularly polarized light from that of blue light. Therefore, as shown on the right side of FIG. 10, the right circularly polarized light G 1R of green light has an arrow so that the second optical anisotropic member 14 can be refracted in the opposite direction to the first optical anisotropic member 12. It is refracted in the direction X (see the transmitted light L 2 in FIG. 4).
- each optical anisotropic layer is longer in one period ⁇ B of the second optical anisotropic member 14 than in one period ⁇ A of the first optical anisotropic member 12, circular polarization The angle of refraction of is smaller than that when passing through the first optical anisotropic member 12.
- the angle ⁇ G2 of the green light left circularly polarized light G 2L transmitted through the second optical anisotropic member 14 is different from the first optical difference with respect to the incident light (green light right circularly polarized light G R ).
- the angle ⁇ G1 of the green light left circularly polarized light G 1L (right circularly polarized light G 1R ) transmitted through the isotropic member 12 is smaller than the angle ⁇ G1 , and the angle ⁇ B2 of the blue light left circularly polarized light B 2L is almost the same angle ⁇ G2 . Emitted.
- the green light having a long wavelength and large refraction by the optical anisotropic layer is refracted in the direction opposite to the arrow X direction by the first optical anisotropic member 12,
- the second optical anisotropic member 14 refracts in the arrow X direction so as to return the refraction.
- green light having a long wavelength and large refraction by the optically anisotropic layer is a laminate of the left-handed optically anisotropic layer 26Am and the right-handed optically anisotropic layer 26Ap.
- the optical element 10 of the present invention the incident blue light and green light can be refracted at substantially the same angle and emitted in substantially the same direction.
- the optically anisotropic layer is a liquid crystal compound that is twisted and oriented, and the optically anisotropic member is a laminate of two optically anisotropic layers having different twist directions. There is also a large amount of (transmitted light).
- the angle of light refracted by the optically anisotropic layer increases as the wavelength of light increases.
- the optically anisotropic layers are a left-handed optically anisotropic layer 26Am, a right-handed optically anisotropic layer 26Ap, a left-handed optically anisotropic layer 26Bm, and a right-handed optically anisotropic layer 26Bp.
- the angle of light refracted by the optically anisotropic layer is larger as one period ⁇ in which the direction of the optical axis 30A rotates 180 ° along the arrow X direction in the liquid crystal alignment pattern is shorter.
- the optical element 10 as an example, as shown in FIG.
- one period ⁇ A of the liquid crystal alignment pattern in the optical anisotropic layer of the first optical anisotropic member 12 is equal to that of the second optical anisotropic member 14. It is shorter than one period ⁇ B of the liquid crystal alignment pattern in the optically anisotropic layer. That is, the light incident side first optically anisotropic member 12 refracts light more. Therefore, by adjusting one period ⁇ of the liquid crystal alignment pattern with respect to the wavelength of the target light, the emission directions of the light of different wavelengths can be preferably made the same direction.
- the design wavelength of the long wavelength light is ⁇ a
- the design wavelength of the short wavelength light is ⁇ b ( ⁇ a> ⁇ b).
- ⁇ 1 represents one period of the liquid crystal alignment pattern in the optical anisotropic layer of the first optical anisotropic member, and 1 period of the liquid crystal alignment pattern in the optical anisotropic layer of the second optical anisotropic member.
- the light emission directions of the two wavelength regions can be made substantially the same direction.
- any one of the first optical anisotropic member 12 and the second optical anisotropic member 14 may be the first optical anisotropic member.
- the following expression is satisfied in the optical element 10 for light of two types of wavelengths (wavelength ranges). 0.6 * ⁇ [( ⁇ a + ⁇ b) / ( ⁇ a ⁇ b)] ⁇ 1 ⁇ ⁇ ⁇ 2 ⁇ 3.0 * ⁇ [( ⁇ a + ⁇ b) / ( ⁇ a ⁇ b)] ⁇ 1 ⁇
- the wavelength dependence of refraction is made extremely small, and the light emission directions of the two wavelength ranges can be made substantially the same.
- the optical element 10 that targets two types of wavelengths satisfy the following formula: 0.7 * ⁇ [( ⁇ a + ⁇ b) / ( ⁇ a ⁇ b)] ⁇ 1 ⁇ ⁇ ⁇ 2 ⁇ 1.8 * ⁇ [( ⁇ a + ⁇ b) / ( ⁇ a ⁇ b)] ⁇ 1 ⁇ More preferably, the following formula is satisfied: 0.8 * ⁇ [( ⁇ a + ⁇ b) / ( ⁇ a ⁇ b)] ⁇ 1 ⁇ ⁇ ⁇ 2 ⁇ 1.3 * ⁇ [( ⁇ a + ⁇ b) / ( ⁇ a ⁇ b)] ⁇ 1 ⁇ It is particularly preferable that the following formula is satisfied. 0.9 * ⁇ [( ⁇ a + ⁇ b) / ( ⁇ a ⁇ b)] ⁇ 1 ⁇ ⁇ ⁇ 2 ⁇ 1.15 * ⁇ [( ⁇ a + ⁇ b) / ( ⁇ a ⁇ b)] ⁇ 1 ⁇
- the optical element 10 described above is intended for light of two types of wavelength regions (design wavelengths), green light and blue light, but the optical element of the present invention is not limited to this, and three or Incident light may be refracted and emitted for light of a wavelength range of more than that.
- An example is shown in FIG.
- the optical member 32 shown in FIG. 11 uses many the same members as the optical device 10 shown in FIG. 1, the same code
- An optical element 32 shown in FIG. 11 includes a third optical anisotropic member in addition to the first optical anisotropic member 12, the second optical anisotropic member 14, and the wavelength selective retardation layer 18G of the optical element 10 described above. 16 and a wavelength selective retardation layer 18R.
- the third optical anisotropic member 16 has the same configuration as the first optical anisotropic member 12 and the like, and includes the support 20, the alignment film 24C, the right twist optical anisotropic layer 26Cp, and the left twist. And an optically anisotropic layer 26Cm.
- the alignment film 24C, the right twist optically anisotropic layer 26Cp, and the left twist optical anisotropic layer 26Cm are the same as the alignment film 24A and the right twist optical anisotropic layer 26Ap described above except that one period ⁇ is different.
- the right twist optically anisotropic layer 26Cp and the left twist optically anisotropic layer 26Cm have the same liquid crystal alignment pattern in which the optical axis 30A rotates along the arrow X direction, and the twist direction of the liquid crystal compound 30 is The opposite is true.
- the wavelength-selective retardation layer 18R selectively converts circularly polarized light of red light into circularly polarized light in the reverse rotation direction, and converts right-handed circularly polarized light of red light into left-handed circularly polarized light of red light. Also, the left circularly polarized light of red light is converted to the right circularly polarized light of red light, and other light is transmitted as it is.
- the optically anisotropic layer of the first optically anisotropic member 12 and the optically anisotropic layer of the third optically anisotropic member 16 are optical elements of the liquid crystal compound 30 along the arrow X direction.
- the rotation direction of the axis 30A is equal, and the optical anisotropy layer of the second optical anisotropic member 14 is such that the rotation direction of the optical axis 30A of the liquid crystal compound 30 along the arrow X direction is the other two layers. It is the opposite of layer.
- the optically anisotropic layers of the first optically anisotropic member 12 are a right-handed optically anisotropic layer 26Ap and a left-handed optically anisotropic layer 26Am.
- the optically anisotropic layers of the third optically anisotropic member 16 are a right-handed twisted optically anisotropic layer 26Cp and a left-handed twisted optically anisotropic layer 26Cm. Furthermore, the optically anisotropic layers of the second optically anisotropic member 14 are a right-handed twisted optically anisotropic layer 26Bp and a left-handed twisted optically anisotropic layer 26Bm. Further, in the optical element 32, the length 1 period ⁇ in the arrow X direction in which the optical axis 30A of the liquid crystal compound 30 rotates 180 ° in the liquid crystal alignment pattern is 1 of the optical anisotropic layer of the first optical anisotropic member 12.
- the period ⁇ A is the shortest, and the one period ⁇ B of the optically anisotropic layer of the second optical anisotropic member 14 is the longest.
- the optical element 32 sets the first optical anisotropic member 12 side to the light incident side. That is, in the optical element 32, the optically anisotropic layer (laminate) of the first optically anisotropic member 12 on the light incident side most refracts light. Furthermore, the optical element 32 selectively converts the rotational direction of the circularly polarized light of the red light between the first optically anisotropic member 12 and the second optically anisotropic member 14, and the wavelength-selective retardation layer 18R. Place. In addition, the optical element 32 includes a wavelength-selective retardation layer 18G that selectively converts the turning direction of the circularly polarized light of green light between the second optical anisotropic member 14 and the third optical anisotropic member 16. Place.
- the optical element 10 refracts incident light in a predetermined direction and transmits red light circularly polarized light, green light circularly polarized light, and blue light circularly polarized light.
- the incident light is right circularly polarized light.
- the incident light is left circularly polarized light, only the refraction direction is reversed and the operational effects are the same.
- the right circularly polarized light R R of the red light, green light of the right circularly polarized light G R and the blue light that is right circular polarized light B R is, the first optically anisotropic member Twelve right-handed optically anisotropic layers 26Ap and left-handed optically anisotropic layers 26Am are incident on a laminate.
- the liquid crystal compound 30 has the same liquid crystal alignment pattern in which the orientation of the optical axis 30A continuously changes in the plane, the liquid crystal compound 30 is twisted and aligned in the thickness direction, and the liquid crystal
- the laminated body of the two optically anisotropic layers in which the twist direction of the compound 30 is reversed exhibits the same action as the optically anisotropic layer 26 shown in FIGS.
- the right circularly polarized light R R of the red light, the right circularly polarized light G R and right circularly polarized light B R of the blue light of the green light is incident on the first optical anisotropic member 12, as described above, the incident direction
- the left circularly polarized light R 1L of red light, the left circularly polarized light G 1L of green light, and the left circularly polarized light B 1L of blue light which are refracted by a predetermined angle in a direction opposite to the arrow X direction and whose turning direction is reverse, (See transmitted light L 5 in FIG. 5).
- the angle of refraction by the optically anisotropic layer is the largest for red light having the longest wavelength and the smallest for blue light having the shortest wavelength. Therefore, as shown in FIG. 13, the angle of refraction with respect to the incident light is the largest for the angle ⁇ R1 of the red light (R), the angle ⁇ G1 for the green light (G), and the angle of the blue light (B). ⁇ B1 is the smallest. Note that one period lambda of the optically anisotropic layer, since one period lambda A of the optically anisotropic layer of the first optical anisotropic member 12 shortest, the refractive angle of the light, first optical anisotropic It is the largest when it passes through the sex member 12.
- the left circularly polarized light R 1L of red light, the left circularly polarized light G 1L of green light, and the left circularly polarized light B 1L of blue light transmitted through the first optically anisotropic member 12 are then incident on the wavelength selective retardation layer 18R.
- the wavelength-selective retardation layer 18R converts only the circularly polarized light of red light into circularly polarized light in the reverse turning direction, and transmits other light as it is.
- the left circularly polarized light R 1L of red light, the left circularly polarized light G 1L of green light, and the left circularly polarized light B 1L of blue light are incident on the wavelength selective phase difference layer 18R and transmitted, the left circular of green light is transmitted.
- the polarized light G 1L and the blue light left circularly polarized light B 1L are transmitted as they are.
- the left circularly polarized light R 1L of red light is converted to the right circularly polarized light R 1R of red light.
- the right circular polarized light R 1R of red light, the left circular polarized light G 1L of green light, and the left circular polarized light B 1L of blue light transmitted through the wavelength selective phase difference layer 18R are then right of the second optical anisotropic member 14.
- the light enters the laminated body of the twisted optically anisotropic layer 26Bp and the left twisted optically anisotropic layer 26Bm.
- the right circularly polarized light R 1R of red light, the left circularly polarized light G 1L of green light, and the left circularly polarized light B 1L of blue light incident on the second optical anisotropic member 14 are similarly refracted and reversely rotated.
- both the green light and the blue light incident on the second optical anisotropic member 14 are left circularly polarized light.
- the red light incident on the second optically anisotropic member 14 has the direction of circular polarization changed by the wavelength-selective phase difference layer 18R, and the right direction is different from that of the green light and the blue light. Circularly polarized light.
- the optically anisotropic layer of the first optically anisotropic member 12 and the optically anisotropic layer of the second optically anisotropic member 14 are rotated in the rotational direction of the optical axis 30A of the liquid crystal compound 30 as described above. Is the opposite.
- the left circularly polarized light G 2L of green light and the left circularly polarized light B 2L of blue light incident on the right twist optically anisotropic layer 26Bp are further refracted in the direction opposite to the arrow X direction, as shown in FIG. to, with respect to the incident light (right-handed circularly polarized light B R of the green light right circularly polarized light G R and blue light) is emitted at an angle theta G2 and the angle theta B2 (see the transmitted light L 5 in FIG. 5).
- the right circularly polarized light R 1R of the red light having the reverse turning direction incident on the second optical anisotropic member 14 is opposite to the first optical anisotropic member 12 as shown on the right side of FIG. to be refracted in the direction of arrow X to be returned refraction (see the transmitted light L 2 in FIG. 4).
- the left circularly polarized light R 2L of the red light emitted from the second optical anisotropic member 14 has an angle smaller than the angle ⁇ R1 with respect to the incident light (the right circularly polarized light R R of the red light). It is emitted at an angle ⁇ R2 .
- one period lambda of the optically anisotropic layer since one period lambda B of the optically anisotropic layer of the second optical anisotropic member 14 is the longest, the refractive angle of the light, second optical anisotropic It is the smallest when it passes through the sex member 14.
- the red light left circularly polarized light R 2L , the green light right circularly polarized light G 2R, and the blue light right circularly polarized light B 2R transmitted through the second optical anisotropic member 14 are then incident on the wavelength selective phase difference layer 18G.
- the wavelength-selective retardation layer 18G converts only the circularly polarized light of green light into circularly polarized light in the reverse turning direction, and transmits other light as it is. Therefore, when the left circularly polarized light R 2L of red light, the right circularly polarized light G 2R of green light, and the right circularly polarized light B 2R of blue light are incident on the wavelength selective phase difference layer 18G and transmitted, the left circular of red light is transmitted.
- the polarized light R 2L and the blue light right circularly polarized light B 2R are transmitted as they are.
- the green light right circularly polarized light G 2R is converted into green light left circularly polarized light G 2L having a reverse turning direction.
- the left circularly polarized light R 2L of red light, the left circularly polarized light G 2L of green light, and the right circularly polarized light B 2R of blue light that have passed through the wavelength selective phase difference layer 18G are then transferred to the right of the third optical anisotropic member 16.
- the light enters the laminated body of the twisted optically anisotropic layer 26Cp and the left twisted optically anisotropic layer 26Cm.
- the red light left circular polarization R 2L , the green light left circular polarization G 2L and the blue light right circular polarization B 2R incident on the third optical anisotropic member 16 are similarly refracted and circularly polarized.
- the light is converted into circularly polarized light in the reverse turning direction, and is emitted as red light right circularly polarized light R 3R , green light right circularly polarized light G 3R, and blue light left circularly polarized light B 3L .
- the blue light incident on the third optical anisotropic member 16 is blue light right circularly polarized light B 2R .
- red light incident on the third optical anisotropic member 16 is circularly polarized with respect to blue light.
- the left circularly polarized light R 2L of red light is converted by the wavelength selective phase difference layer 18G.
- the light incident on the third optically anisotropic member 16 is blue light with right circular polarization, and red light and green light with left circular polarization whose rotation direction is converted by the wavelength selective phase difference layer. Further, the optically anisotropic layer of the second optically anisotropic member 14 and the optically anisotropic layer of the third optically anisotropic member 16 are rotated in the rotational direction of the optical axis 30A of the liquid crystal compound 30 as described above. Is the opposite.
- the right circularly polarized light B 2R of the blue light incident on the third optical anisotropic layer 26C is further refracted in the direction opposite to the arrow X direction, as shown in FIG.
- it is emitted at an angle ⁇ B3 with respect to incident light (blue light right circularly polarized light B R ).
- the left circularly polarized light R 2L of the red light having the opposite direction of the circularly polarized light is incident on the third optical anisotropic member 16, it is further refracted so as to be returned in the arrow X direction.
- the right-hand circularly polarized light R 3R of the red light emitted from the third optical anisotropic member 16 has an angle with respect to the incident light (the right-hand circularly polarized light R R of the red light) with respect to the previous angle ⁇ R2.
- the light is emitted at a small angle ⁇ R3 .
- the left circularly polarized light G 2L of green light whose circular polarization is opposite to that of blue light is incident on the third optical anisotropic member 16, as shown in the center of FIG. It is refracted to return to the arrow X.
- the right circular polarized light G 3R of green light emitted from the third optical anisotropic member 16 has an angle smaller than the angle ⁇ G2 with respect to the incident light (green light right circular polarized light G R ).
- the light is emitted at an angle ⁇ G3 . Since one period ⁇ C of the optical anisotropic layer is between the other optical anisotropic members, one period ⁇ C of the optical anisotropic layer of the third optical anisotropic member 16 is the third optical anisotropic.
- the angle of refraction of the light transmitted through the conductive member 16 is an angle between the first optical anisotropic member 12 and the second optical anisotropic member 14.
- the red light having the longest wavelength and the large refraction by the optically anisotropic layer is first changed to the first optically anisotropic member 12 (the left twisted optically anisotropic layer 26Am and the right twisted optically different member). Refracted in the direction opposite to the arrow X direction by the isotropic layer 26Ap). Then, the red light is emitted from the second optically anisotropic member 14 (left twisted optical anisotropic layer 26Bm and right twisted optical anisotropic layer 26Bp) and third optical anisotropic member 16 (left twisted optical anisotropic layer).
- 26Cm and the right twist optically anisotropic layer 26Cp) are refracted twice in the opposite arrow X direction.
- Green light having the second longest wavelength and the second largest refraction by the optical anisotropic layer is opposite to the arrow X direction by the first optical anisotropic member 12 and the second optical anisotropic member 14. After being refracted in the direction, it is refracted once by the third optical anisotropic member 16 in the reverse arrow X direction. Further, the blue light having the shortest wavelength and the smallest refraction by the optically anisotropic layer is reflected by the first optically anisotropic member 12, the second optically anisotropic member 14, and the third optically anisotropic member 16.
- the optical element 32 of the present invention first refracts all light largely in the same direction and then refracts the light again by one or more optically anisotropic members, and the wavelength.
- the light with the longest wavelength is refracted the most times, returning in the opposite direction to the first refraction, and as the wavelength becomes shorter.
- the number of refractions returned in the direction opposite to the first refraction is reduced, and the light having the shortest wavelength reduces the number of refractions returned in the direction opposite to the first refraction.
- the refraction angle ⁇ R3 of the red light, the refraction angle ⁇ G3 of the green light, and the refraction angle ⁇ B3 of the blue light with respect to the incident light can be made extremely close to each other. Therefore, according to the optical element 32 of the present invention, the incident red light, blue light and green light can be refracted at substantially the same angle and emitted in substantially the same direction.
- the optically anisotropic layer is a liquid crystal compound that is twisted and oriented, and the optically anisotropic member is a laminate of two optically anisotropic layers having different twist directions. There is also a large amount of (transmitted light).
- the design wavelength of the longest wavelength light is ⁇ a
- the design wavelength of the intermediate wavelength light is ⁇ b
- the shortest wavelength ⁇ c is the design wavelength of light ( ⁇ a> ⁇ b> ⁇ c)
- 1 period of the liquid crystal alignment pattern in the optical anisotropic layer of the first optical anisotropic member is ⁇ 1
- ⁇ 3 [( ⁇ a + ⁇ c) ⁇ b / ( ⁇ b ⁇ c) ⁇ a] ⁇ 1
- the light emission directions [( ⁇ a + ⁇ c) ⁇ b / ( ⁇ b ⁇ c) ⁇ a]
- either the first optical anisotropic member 12 or the third optical anisotropic member 16 may be the first one.
- the optical element 32 that targets light of three kinds of wavelengths (wavelength regions) it is preferable to satisfy at least one of the following two formulas, and it is more preferable to satisfy both preferable.
- the optical element 32 targeting light of three types of wavelengths (wavelength regions) satisfies the following two formulas: 0.7 * ⁇ [( ⁇ a + ⁇ c) ⁇ b / ( ⁇ a ⁇ b) ⁇ c] ⁇ 1 ⁇ ⁇ ⁇ 2 ⁇ 1.8 * ⁇ [( ⁇ a + ⁇ c) ⁇ b / ( ⁇ a ⁇ b) ⁇ c] ⁇ 1 ⁇ 0.7 * ⁇ [( ⁇ a + ⁇ c) ⁇ b / ( ⁇ b ⁇ c) ⁇ a] ⁇ 1 ⁇ ⁇ ⁇ 3 ⁇ 1.8 * ⁇ [( ⁇ a + ⁇ c) ⁇ b / ( ⁇ b ⁇ c) ⁇ a] ⁇ 1 ⁇ It is more preferable to satisfy the following two formulas: 0.8 * ⁇ [( ⁇ a + ⁇ c) ⁇ b / ( ⁇ a ⁇ b) ⁇ c] ⁇ 1 ⁇ ⁇ ⁇ 2 ⁇ 1.3 * ⁇ [( ⁇ a + ⁇ [( ⁇ a + ⁇ c)
- the wavelength-selective retardation layer is an optically anisotropic member as in the optical element 32 shown in FIGS. In the arrangement direction, it is preferable that the wavelength range of light for gradually converting the circularly polarized light into the reverse turning direction becomes shorter.
- the refraction by the optically anisotropic layer of the first optically anisotropic member is increased, and thereafter, the light is gradually refracted in the same direction, and gradually refracted in the opposite direction. Returning makes it easier to control the refraction of each light and to make the refraction of each light uniform.
- one period ⁇ of the liquid crystal alignment pattern of the optical anisotropic layer of the optical anisotropic member located at the extreme end in the arrangement direction is minimized. It is preferable to do this. That is, it is preferable that the refraction by the optically anisotropic member located at the extreme end in the arrangement direction is maximized.
- one period ⁇ of the liquid crystal alignment pattern of the optically anisotropic layer in the optically anisotropic member may gradually increase in the arrangement direction of the optically anisotropic member.
- the optically anisotropic member having the largest one period ⁇ of the liquid crystal alignment pattern of the optical anisotropic layer and the liquid crystal alignment pattern of the optical anisotropic layer 1
- Optical anisotropy of an optically anisotropic member such as a configuration in which an optically anisotropic member having an intermediate period ⁇ of the liquid crystal alignment pattern of the optically anisotropic layer is provided between the optically anisotropic member having the smallest period ⁇
- the change in one period ⁇ of the liquid crystal alignment pattern of the conductive layer may be irregular in the arrangement direction of the optically anisotropic member.
- one period ⁇ of the liquid crystal alignment pattern of the optical anisotropic layer of each optical anisotropic member depends on the wavelength of light and the optical anisotropic member (optical anisotropic layer). What is necessary is just to set suitably according to a refractive index.
- the optically anisotropic member and the wavelength-selective position are similar to the optical element 32 shown in FIGS.
- the phase difference layers are arranged alternately.
- the number of wavelength-selective retardation layers is preferably one, less than the number of optically anisotropic members.
- the present invention is not limited to this.
- a plurality of optically anisotropic layers are continuously arranged, and light refracted continuously by the plurality of optically anisotropic layers is converted into a wavelength. You may make it inject into a selective phase difference layer.
- a plurality of wavelength selective phase difference layers may be disposed between the two optical anisotropic members.
- the number is The odd number is preferable.
- the optical element of the present invention there may be an optically anisotropic member having the same one period ⁇ of the liquid crystal alignment pattern of the optically anisotropic layer.
- the one period ⁇ of the liquid crystal alignment pattern of the optically anisotropic layer is different from that of all the optically anisotropic members in that light is easily refracted, that is, the emission angle is easily uniform. preferable.
- the one period ⁇ in the alignment pattern of the liquid crystal compound in the optically anisotropic layer constituting the optically anisotropic member is not limited, and may be appropriately set according to the use of the optical element. That's fine.
- the optical element of the present invention may have a wavelength-selective retardation layer that selectively converts circularly polarized light having the shortest design wavelength into circularly polarized light in the reverse turning direction.
- a third wavelength-selective retardation layer that selectively converts circularly polarized light of blue light into the reverse turning direction may be disposed after the third optically anisotropic member 16. After the third optical anisotropic member 16 is the downstream side in the light traveling direction.
- the third wavelength-selective retardation layer converts only the circularly polarized light of blue light into circularly polarized light in the reverse turning direction, and transmits other light as it is.
- the right circularly polarized light R 3R of red light, the right circularly polarized light G 3R of green light, and the left circularly polarized light B 3L of blue light are incident on the third wavelength selective phase difference layer B and transmitted, red light is transmitted.
- Right circularly polarized light R 3R and green light right circularly polarized light G 3R are transmitted as they are.
- the blue light left circularly polarized light B 3L is converted into blue light right circularly polarized light B 3R .
- the circularly polarized light of blue light, green light, and red light emitted from the optical element can be made into circularly polarized light in the same turning direction.
- the optical element of the present invention is used in AR glass, a diffractive element that refracts the light displayed on the display and introduces it into the light guide plate, and refracts the light propagated through the light guide plate and uses it from the light guide plate. It is suitably used for a diffraction element that emits light to an observation position by a person.
- the optical element 32 capable of handling a full-color image can be suitably used as a diffraction element in AR glass. In this case, in order to totally reflect the light by the light guide plate, it is necessary to refract the light at a certain large angle with respect to the incident light and introduce it into the light guide plate.
- the light transmission angle of the optically anisotropic layer can be increased by shortening one period ⁇ in the liquid crystal alignment pattern.
- an optical anisotropy having a liquid crystal alignment pattern in which the optical axis continuously rotates in one direction in the plane, the liquid crystal compound is twisted and the twist direction is reversed.
- the optically anisotropic member in which two layers are laminated has a similar liquid crystal alignment pattern, and the optically anisotropic member 26 is optically compared with the case where the optically anisotropic layer 26 in which the liquid crystal compound 30 is not twisted and aligned is used.
- the amount of transmitted light (emitted light) of the anisotropic member can be improved.
- the light amount of the transmitted light is greatly reduced.
- an optically anisotropic member in which two optically anisotropic layers having opposite twist directions are laminated has a very small decrease in the amount of light even when the refraction angle of transmitted light is increased. That is, the effect of improving the amount of light increases when the refraction angle of the transmitted light with respect to the incident light exceeds a certain angle. Therefore, the light quantity improvement effect in the optical element of the present invention is larger when one period ⁇ in the alignment pattern of the liquid crystal compound in the optical anisotropic layer is shorter.
- At least one of the optically anisotropic layers constituting the optically anisotropic member preferably has one period ⁇ in the liquid crystal alignment pattern of 10 ⁇ m or less, more preferably 5 ⁇ m or less. More preferably, it is 3 micrometers or less. In consideration of the accuracy of the liquid crystal alignment pattern, etc., one period ⁇ in the liquid crystal alignment pattern of the optically anisotropic layer is preferably 0.1 ⁇ m or more.
- the optical anisotropic member constituting the optical element of the present invention preferably has a transmission angle of transmitted light with respect to incident light of 10 ° or more, more preferably 15 ° or more, More preferably, it is 20 ° or more.
- the liquid crystal compound 30 has the same liquid crystal alignment pattern in which the orientation of the optical axis 30A continuously changes in the plane, the liquid crystal compound 30 is twisted in the thickness direction, and the liquid crystal
- the laminated body of the two optically anisotropic layers in which the twist direction of the compound 30 is reversed exhibits the same action as the optically anisotropic layer 26 shown in FIGS. 4 and 5.
- the laminated body of the optically anisotropic layer 26Cp and the left twisted optically anisotropic layer 26Cm exhibits the same action as the optically anisotropic layer 26 shown in FIGS.
- the optical anisotropy has the same liquid crystal alignment pattern in which the direction of the optical axis 30A continuously rotates and the liquid crystal compound 30 is twisted and aligned in the thickness direction.
- the twist direction of the liquid crystal compound 30 only the circularly polarized light component in the turning direction that coincides with the twist direction is refracted in the same manner, and the other circularly polarized light components are used. Is transmitted as it is.
- the left twist optically anisotropic layer 26Am in which the twist direction of the liquid crystal compound 30 is the left direction (twist angle is ⁇ ) in the case of a single layer, refracts only the left circularly polarized light as described above, Right circularly polarized light is transmitted as it is.
- the optically anisotropic member positioned closest to the light incident side, that is, the optical positioned at the end in the arrangement direction (stacking direction)
- the anisotropic member is not a two-layer optically anisotropic layer in which the twist direction of the liquid crystal compound 30 is opposite to each other, but has only one optically anisotropic layer corresponding to the turning direction of the incident circularly polarized light. May be.
- the first optical anisotropic member 12 ⁇ / b> A may have only one right-twisted optically anisotropic layer 26 ⁇ / b> Ap in which the twist direction of the liquid crystal compound 30 is the right direction.
- the optical element 10 shown in FIGS. 1 and 9 when the right-handed circularly polarized light G R and right circularly polarized light B R of the blue light of the green light is incident, the optical element shown in FIG. 1 and FIG.
- the first optically anisotropic member 12 does not have the left twisted optical anisotropic layer 26Am in which the twist direction of the liquid crystal compound 30 is the left direction, and the right twist is in which the twist direction of the liquid crystal compound 30 is the right direction.
- the optically anisotropic layer 26Ap may have only one layer.
- the first optical anisotropic member 12 on the light incident side is provided with the right twist optically anisotropic layer 26Ap in which the twist direction of the liquid crystal compound 30 is the right direction.
- the left twisted optically anisotropic layer 26Am in which the twist direction of the liquid crystal compound 30 is the left direction may be configured to have only one layer.
- the optical element of the present invention has a liquid crystal alignment pattern in which the orientation of the optical axis 30A continuously changes in the plane as shown in FIGS.
- An optically anisotropic layer 26 that is not twisted in the thickness direction can also be used. That is, as described above, a laminate of the right twist optically anisotropic layer 26Ap and the left twist optically anisotropic layer 26Am, and a laminate of the right twist optically anisotropic layer 26Bp and the left twist optically anisotropic layer 26Bm. And the laminated body of right twist optically anisotropic layer 26Cp and left twist optically anisotropic layer 26Cm expresses the same operation as optical anisotropic layer 26 shown in FIGS.
- one of the first optical anisotropic member 12 and the second optical anisotropic member 14 is replaced with the optical anisotropic layer shown in FIGS. 26 may be substituted.
- the optical element 32 shown in FIGS. 11 and 12 one or two of the first optical anisotropic member 12, the second optical anisotropic member 14, and the third optical anisotropic member 16 are formed as shown in FIG. Further, the optically anisotropic layer 26 shown in FIG. Further, in the optical element 32A shown in FIG. 14, either the second optical anisotropic member 14 or the third optical anisotropic member 16 may be replaced with the optical anisotropic layer 26 shown in FIGS. Good.
- the optical element 10 shown in FIGS. 1 and 9 has the first optical anisotropic member 12 having only one right-twisted optical anisotropic layer 26Ap
- the second optical anisotropic member 14 is shown in FIG.
- the optically anisotropic layer 26 although it is slightly disadvantageous in terms of the amount of transmitted light, light having different wavelengths is refracted at substantially the same angle as in the above example. The light can be emitted in almost the same direction.
- the light is refracted to the greatest extent in the first optical anisotropic member on which the light first enters. Further, as described above, the amount of light in the optically anisotropic layer 26 is greatly reduced when the refraction angle of the transmitted light with respect to the incident light is increased.
- the member on which light is first incident that is, the member located at one end in the arrangement direction is not the optically anisotropic layer 26 in which the liquid crystal compound is not twisted and aligned, but is not illustrated in FIGS.
- the optically anisotropic member is formed by laminating one optically anisotropic layer in which a liquid crystal compound is twisted and aligned or two optically anisotropic layers having different twist directions. preferable.
- one period ⁇ of the liquid crystal alignment pattern of the optically anisotropic layer 26 is used. Is the same as one period ⁇ of the optically anisotropic layers of the first optically anisotropic member 12 to the third optically anisotropic member 16 described above.
- the optical axis 30A of the liquid crystal compound 30 in the liquid crystal alignment pattern of the optically anisotropic layer is continuously rotated along only the arrow X direction.
- the present invention is not limited to this, and various configurations can be used as long as the optical axis 30A of the liquid crystal compound 30 is continuously rotated along one direction in the optically anisotropic layer. is there.
- the liquid crystal alignment pattern has a concentric circle shape that changes from one side to the other side while changing the direction of the optical axis of the liquid crystal compound 30 while continuously rotating.
- An optically anisotropic layer 34 having a concentric pattern is exemplified.
- one direction in which the direction of the optical axis of the liquid crystal compound 30 changes while continuously rotating is radial from the center of the optically anisotropic layer 34. It is a liquid crystal alignment pattern provided in.
- the optically anisotropic layer 34 in FIG. 16 also shows only the liquid crystal compound 30 on the surface of the alignment film, but the optically anisotropic layer 34 also has the above-described right-handed and left-handed optical anisotropics.
- the liquid crystal compound 30 is stacked in the thickness direction from the liquid crystal compound 30 on the surface of the alignment film and twisted in the thickness direction as described above, as shown in FIG. 2. This is the same as the example.
- the optically anisotropic layer 34 shown in FIG. 16 is also formed by laminating a right-twisted optically anisotropic layer and a left-twisted optically anisotropic layer in which the twist directions of the liquid crystal compound 30 are different from each other.
- an optically anisotropic member having only one right-handed optically anisotropic layer or left-handed optically anisotropic layer having only one right-handed optically anisotropic layer or left-handed optically anisotropic layer.
- the optical element of the present invention has a plurality of optically anisotropic members having one or two optically anisotropic layers, and at least 1 As described above, the wavelength-selective retardation layer is provided between the two optically anisotropic members of the pair. Accordingly, even when the optically anisotropic layer 34 having such a concentric liquid crystal alignment pattern is used, the first optically anisotropic member, the red light circle, and the optical element 32 shown in FIG.
- 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 is in many directions from the center of the optically anisotropic layer 34 to the outside, for example, the direction indicated by the arrow A1, the direction indicated by the arrow A2, and the arrow A3. It changes while rotating continuously along the direction indicated by.
- the circularly polarized light incident on the optically anisotropic layer 34 having this liquid crystal alignment pattern changes in absolute phase in each local region where 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 varies depending on the direction of the optical axis of the liquid crystal compound 30 on which the circularly polarized light is incident.
- the optically anisotropic layer 34 having such a concentric liquid crystal alignment pattern that is, a liquid crystal alignment pattern in which the optical axis is continuously rotated in a radial manner, has a rotational direction and an incident direction of the optical axis of the liquid crystal compound 30.
- the incident light can be transmitted as divergent light or focused light. That is, by making the liquid crystal alignment pattern of the optical anisotropic layer concentric, the optical element of the present invention exhibits a function as, for example, a convex lens or a concave lens.
- one period ⁇ in which the optical axis rotates by 180 ° in the liquid crystal alignment pattern is defined as the optically anisotropic layer 34. It is preferable to gradually shorten from the center to the outward direction in one direction in which the optical axis continuously rotates. As described above, the angle of refraction of light with respect to the incident direction increases as one period ⁇ in the liquid crystal alignment pattern is shorter.
- the optical anisotropic layer 34 by gradually shortening one period ⁇ in the liquid crystal alignment pattern from the center of the optical anisotropic layer 34 toward the outer direction in one direction in which the optical axis continuously rotates, the optical anisotropic layer
- the light converging power by 34 can be further improved, and the performance as a convex lens can be improved.
- one period ⁇ in which the optical axis rotates 180 ° in the liquid crystal alignment pattern is set in one direction from the center of the optical anisotropic layer 34. It is preferable to make it gradually shorter toward the outside. As described above, the angle of refraction of light with respect to the incident direction increases as one period ⁇ in the liquid crystal alignment pattern is shorter.
- the optical anisotropic layer 34 by gradually shortening one period ⁇ in the liquid crystal alignment pattern from the center of the optical anisotropic layer 34 toward the outer direction in one direction in which the optical axis continuously rotates, the optical anisotropic layer
- the light divergence by 34 can be further improved, and the performance as a concave lens can be improved.
- the rotation direction of the optical axis (clockwise or counterclockwise)
- the direction of light refraction is reversed depending on the direction of rotation of the incident circularly polarized light. That is, in the optically anisotropic layer used in the optical element of the present invention, the direction of refraction of incident light depends on the direction of rotation of the optical axis and the direction of rotation of incident circularly polarized light, and the direction in which the optical axis rotates, In addition, the direction is one direction opposite to the one direction in which the optical axis rotates.
- an optical element using an optically anisotropic layer having a concentric liquid crystal alignment pattern as shown in FIG. 16 whether the optical element functions as a concave lens or a convex lens depends on the rotation direction of the optical axis and the incidence. It depends on the combination with the direction of rotation of circularly polarized light. In other words, by selecting the turning direction of the incident circularly polarized light, it is possible to select whether the optical element acts as a concave lens or a convex lens. Regarding this point, the same applies to the optically anisotropic layer in which the optical axis 30A of the liquid crystal compound 30 continuously rotates in only one direction of the arrow X as shown in FIG. By selecting the direction, it is possible to select the direction in which the transmitted light travels is the arrow X direction or the direction opposite to the arrow X direction.
- ⁇ (r) ( ⁇ / ⁇ ) [(r 2 + f 2 ) 1/2 ⁇ f]
- ⁇ (r) is the angle of the optical axis at a distance r from the center, ⁇ is the wavelength, and f is the focal length of the design.
- one period ⁇ may be gradually changed toward one direction in which the optical axis continuously rotates.
- the optical element of the present invention may include an optically anisotropic layer having a uniform one period ⁇ and an optically anisotropic layer having regions having different one period ⁇ . This is the same in the configuration in which the optical axis is continuously rotated only in one direction as shown in FIG.
- FIG. 17 conceptually shows an example of an exposure apparatus for forming such a concentric alignment pattern on the alignment film 24.
- the alignment film 24 is, for example, an alignment film 24A, an alignment film 24B, and an alignment film 24C.
- the exposure apparatus 80 includes a light source 84 including a laser 82, a polarization beam splitter 86 that splits the laser light M from the laser 82 into S-polarized MS and P-polarized MP, and a mirror 90A disposed in the optical path of the P-polarized MP. And a mirror 90B disposed in the optical path of S-polarized MS, a lens 92 disposed in the optical path of S-polarized MS, a polarization beam splitter 94, and a ⁇ / 4 plate 96.
- the P-polarized light MP divided by the polarization beam splitter 86 is reflected by the mirror 90A and enters the polarization beam splitter 94.
- the S-polarized light MS divided by the polarization beam splitter 86 is reflected by the mirror 90B, collected by the lens 92, and incident on the polarization beam splitter 94.
- the P-polarized light MP and the S-polarized light MS are combined by the polarization beam splitter 94 to become right circularly polarized light and left circularly polarized light according to the polarization direction by the ⁇ / 4 plate 96, and the alignment film 24 on the support 20. Is incident on.
- the polarization state of the light applied to the alignment film 24 periodically changes in the form of interference fringes.
- the crossing angle of the left circularly polarized light and the right circularly polarized light changes, so that an exposure pattern whose pitch changes from the inside to the outside can be obtained.
- the alignment film 24 a concentric alignment pattern in which the alignment state changes periodically is obtained.
- one period ⁇ of the liquid crystal alignment pattern in which the optical axis of the liquid crystal compound 30 is continuously rotated by 180 ° along one direction is the refractive power of the lens 92 (F number of the lens 92). It can be controlled by changing the distance, the distance between the lens 92 and the alignment film 24, and 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 of the liquid crystal compound 30 continuously rotates.
- the length of one period ⁇ of the liquid crystal alignment pattern is changed in one direction in which the optical axis of the liquid crystal compound 30 continuously rotates according to the spread angle of the light spread by the lens 92 that interferes with the parallel light. Can do. More specifically, when the refractive power of the lens 92 is weakened, it approaches parallel light, so that the length of one period ⁇ of the liquid crystal alignment pattern gradually decreases from the inside toward the outside, and the F number increases. Conversely, when the refractive power of the lens 92 is increased, the length of one period ⁇ of the liquid crystal alignment pattern is abruptly shortened from the inside toward the outside, and the F-number is reduced.
- the configuration for changing one period ⁇ in which the optical axis rotates 180 ° is one direction in the direction of the arrow X shown in FIG. 1, FIG. 11, FIG.
- Only the configuration in which the optical axis 30A of the liquid crystal compound 30 continuously rotates and can be used can be used.
- an optical element that transmits light so as to be condensed can be obtained.
- an optical element that transmits light so as to diffuse only in the arrow X direction can be obtained.
- An optical element that transmits light so as to diffuse only in the X direction of the arrow can also be obtained by reversing the turning direction of the incident circularly polarized light.
- one period ⁇ is partially changed in the direction of the arrow X instead of gradually changing the one period ⁇ in the direction of the arrow X depending on the use of the optical element.
- the optical element of the present invention is used for various applications that transmit light in a direction different from the incident direction, such as an optical path changing member, a light condensing element, a light diffusing element in a predetermined direction, and a diffractive element in an optical device. Is possible.
- FIG. 18 shows the light guide element of the present invention using the optical element of the present invention.
- 18 illustrates the optical element 32 shown in FIG. 11 corresponding to the full-color image.
- the optical element 10 shown in FIG. 11 illustrates the optical element 32 shown in FIG. 11 corresponding to the full-color image.
- the optical element of the present invention since the optical element of the present invention has a small wavelength dependency of the refraction angle at the time of transmission, the red light, the green light and the blue light irradiated by the display 40 can be refracted in the same direction. Therefore, even if a single light guide plate 42 propagates a red image, a green image, and a blue image, a full color image without color misregistration can be emitted from the light guide plate to an observation position by the AR glass user U. Therefore, according to the light guide element of the present invention using the optical element of the present invention, the AR glass light guide plate can be made thinner and lighter overall to simplify the configuration of the AR glass.
- the light guide element of the present invention is not limited to the configuration in which the light guide plate 42 is provided with two optical elements of the present invention that are separated from each other, and light introduction into the light guide plate 42 is not limited. For this reason, in order to extract light from the light guide plate 42, only one optical element of the present invention may be provided on the light guide plate.
- the optical element according to the present invention has two colors of green light and blue light, or three colors of light of red light, green light and blue light having two or three optical anisotropic members.
- the present invention is used for an optical element that transmits and refracts, but the present invention is not limited to this, and various configurations can be used.
- the optical element of the present invention has three optically anisotropic members and two wavelength-selective retardation layers as in FIG. 11, and two colors selected from red light, green light, and blue light.
- a configuration in which infrared rays or ultraviolet rays are transmitted and refracted may be used.
- the optical element of the present invention has four or five (or six or more) optical anisotropic members and three or four layers (number of optical anisotropic layers minus one layer) wavelength selectivity. It may have a phase difference layer, and may be configured to transmit and refract infrared rays and / or ultraviolet rays in addition to red light, green light, and blue light.
- the optical element of the present invention has two optically anisotropic members and one wavelength-selective retardation layer as in FIG. 1, and emits red light and blue light, or red light and green light.
- a configuration in which light is transmitted and refracted, or a configuration in which one color selected from red light, green light, and blue light and infrared light or ultraviolet light are refracted and transmitted may be used.
- a configuration in which infrared rays and / or ultraviolet rays are refracted and transmitted may be used.
- Example 1 ⁇ Production of first optically anisotropic member> (Support and saponification treatment of support)
- a commercially available triacetyl cellulose film manufactured by Fuji Film, Z-TAC was prepared as a support.
- the support was passed through a dielectric heating roll having a temperature of 60 ° C. to raise the surface temperature of the support to 40 ° C.
- an alkaline solution shown below was applied to one side of the support using a bar coater at a coating amount of 14 mL (liter) / m 2 , the support was heated to 110 ° C., and a steam far infrared heater ( Under the Noritake Company Limited), it was conveyed for 10 seconds.
- undercoat layer (Formation of undercoat layer) The following undercoat layer forming coating solution was continuously applied to the alkali saponification surface of the support with a # 8 wire bar. The support on which the coating film was formed was dried with warm air at 60 ° C. for 60 seconds and further with warm air at 100 ° C. for 120 seconds to form an undercoat layer.
- Coating solution for undercoat layer formation ⁇ Modified polyvinyl alcohol below 2.40 parts by mass Isopropyl alcohol 1.60 parts by mass Methanol 36.00 parts by mass Water 60.00 parts by mass ⁇ ⁇
- Photoalignment material A 1.00 parts by mass Water 16.00 parts by mass Butoxyethanol 42.00 parts by mass Propylene glycol monomethyl ether 42.00 parts by mass ⁇ ⁇
- the alignment film was exposed using the exposure apparatus shown in FIG. 15 to form a pattern alignment film P-1 having an alignment pattern.
- a semiconductor laser that emits laser light having a wavelength (405 nm) was used.
- the exposure amount by interference light was set to 100 mJ / cm 2 . Note that one period of the alignment pattern formed by interference between the two laser beams (the length by which the optical axis derived from the liquid crystal compound rotates by 180 °) changes the crossing angle (crossing angle ⁇ ) of the two lights. Controlled by.
- composition A-1 (Formation of right twisted optically anisotropic layer)
- composition A-1 was prepared as a liquid crystal composition for forming the optically anisotropic layer.
- Composition A-1 Liquid crystal compound L-1 100.00 parts by mass Chiral agent Ch1 0.12 parts by mass Polymerization initiator (manufactured by BASF, Irgacure (registered trademark) 907) 3.00 parts by mass Photosensitizer (manufactured by Nippon Kayaku, KAYACURE DETX-S) 1.00 parts by mass Leveling agent T-1 0.08 parts by mass Methyl ethyl ketone 313.00 parts by mass ⁇ ⁇
- the right twist optically anisotropic layer was formed by applying the composition A-1 on the pattern alignment film P-1 in multiple layers.
- multilayer coating first, the first layer of composition A-1 is coated on the alignment film, heated and cooled, and then cured with ultraviolet rays to prepare a liquid crystal fixed layer. It refers to the repeated application of the layer to the layer, repeated application of ultraviolet rays 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 composition A-1 was applied on the pattern alignment film P-1, the coating film was heated to 70 ° C. on a hot plate, then cooled to 25 ° C., and then a nitrogen atmosphere Below, the ultraviolet-ray (i line
- this liquid crystal layer was overcoated, and heated and cooled under the same conditions as above, followed by UV curing to prepare a liquid crystal immobilization layer. In this way, overcoating was repeated until the total thickness reached the desired thickness, and a right-handed optically anisotropic layer was formed.
- the right-twisted optically anisotropic layer finally has a liquid crystal ⁇ n 550 ⁇ thickness (Re (550)) of 285 nm and has a periodically oriented surface as shown in FIG. Confirmed with a microscope.
- Re (550) liquid crystal ⁇ n 550 ⁇ thickness
- the cross section of the optically anisotropic layer was observed with a scanning electron microscope (SEM), and the twist angle of the liquid crystal compound in the right twisted optically anisotropic layer was determined.
- the twist angle of the liquid crystal compound in the right twist optically anisotropic layer was + 65 °.
- the twist angle of the liquid crystal compound is “+” when twisted in the right direction and “ ⁇ ” when twisted in the opposite left direction when viewed from the incident direction of light. .
- a composition for forming an optically anisotropic layer was prepared in the same manner except that the chiral agent Ch1 was changed to the chiral agent Ch2.
- This chiral agent is a chiral agent that twists and aligns a liquid crystal compound in a twist direction opposite to that of the chiral agent Ch1 described above. Except for using this composition, a left-twisted optically anisotropic layer was formed directly on the right-twisted optically anisotropic layer in the same manner as the right-twisted optically anisotropic layer. 1
- An optically anisotropic member was produced. When measured in the same manner as the right twist optically anisotropic layer, the twist angle of the liquid crystal compound in the left twist optically anisotropic layer was ⁇ 65 °.
- a pattern alignment film P-2 having an alignment pattern was formed in the same manner as the pattern alignment film P-1, except that the crossing angle of the two lights when the alignment film was exposed by the exposure apparatus shown in FIG. 15 was changed. .
- the same composition as the first optical anisotropic member is used, and the right twist optically anisotropic layer and the left twist optical anisotropic layer are formed as in the first optical anisotropic member.
- a second optically anisotropic member was produced.
- the formed optically anisotropic layer finally has a liquid crystal ⁇ n 550 ⁇ thickness (Re (550)) of 285 nm and a periodically oriented surface as shown in FIG.
- the twist angle of the liquid crystal compound in the right twist optically anisotropic layer of the second optical anisotropic member was + 65 °
- the liquid crystal compound in the left twist optically anisotropic layer was The twist angle was ⁇ 65 °.
- a pattern alignment film P-3 having an alignment pattern was formed in the same manner as the pattern alignment film P-1, except that the crossing angle of the two lights when the alignment film was exposed by the exposure apparatus shown in FIG. 15 was changed. .
- the irradiation amount of only ultraviolet rays (i-line) with a wavelength of 365 nm using an LED light source was changed to 45 mJ / cm 2 .
- a third optically anisotropic member was produced by forming a right-handed optically anisotropic layer and a left-handed optically anisotropic layer in the same manner as the first optically anisotropic member.
- the formed optically anisotropic layer finally has a liquid crystal ⁇ n 550 ⁇ thickness (Re (550)) of 285 nm and a periodically oriented surface as shown in FIG. It confirmed like the 1st optically anisotropic layer.
- Re (550) liquid crystal ⁇ n 550 ⁇ thickness
- the twist angle of the liquid crystal compound in the right-handed optically anisotropic layer of the third optically anisotropic member was + 60 °
- the liquid crystal compound in the left-handed optically anisotropic layer was The twist angle was ⁇ 60 °.
- the alignment film P-3 thus obtained was irradiated with polarized ultraviolet light (50 mJ / cm 2 , using an ultra-high pressure mercury lamp) to expose the alignment film.
- composition D-1 was prepared as a liquid crystal composition for forming a ⁇ / 4 plate.
- Composition D-1 ⁇ Liquid crystal compound L-2 42.00 parts by mass Liquid crystal compound L-3 42.00 parts by mass Liquid crystal compound L-4 16.00 parts by mass Polymerization initiator PI-1 0.50 parts by mass Leveling agent G-1 0.20 parts by mass Methyl ethyl ketone 176.00 parts by mass Cyclopentanone 44.00 parts by mass ⁇
- ⁇ / 4 plate a layer made of a reverse dispersion liquid crystal compound was formed.
- the ⁇ / 4 plate was formed by applying the composition D-1 on the alignment film P-3.
- the applied coating film is heated to 100 ° C. on a hot plate and then cooled to 65 ° C., and then the coating film is irradiated with ultraviolet light having a wavelength of 365 nm at a dose of 500 mJ / cm 2 using a high-pressure mercury lamp in a nitrogen atmosphere. By doing so, the alignment of the liquid crystal compound was fixed. Thereby, a ⁇ / 4 plate was obtained.
- composition D-2 was prepared as a liquid crystal composition for forming a ⁇ plate.
- Composition D-2 ⁇ Liquid crystalline compound L-1 100.00 parts by mass Polymerization initiator (Irgacure (registered trademark) 907, manufactured by BASF) 3.00 parts by mass Photosensitizer (manufactured by Nippon Kayaku, KAYACURE DETX-S) 1.00 parts by mass Leveling agent G-1 0.20 parts by mass Methyl ethyl ketone 243.00 parts by mass ⁇ ⁇
- the ⁇ plate was formed by applying the composition D-2 on the alignment film P-3 prepared separately.
- a ⁇ / 4 plate, a ⁇ plate, and a 2 ⁇ plate were laminated so as to have the layer configuration shown in Table 1 below.
- stacking after peeling a support body and alignment film, it laminated
- a first wavelength-selective retardation layer that converts the circularly polarized light of red light into circularly polarized light in the reverse turning direction and transmits other light was produced.
- optical element The produced first optical anisotropic member, first wavelength selective retardation layer, second optical anisotropic member, second wavelength selective retardation layer, and third optical anisotropic member,
- the optical element was produced by bonding together with an adhesive.
- the support and the alignment film were peeled from each optically anisotropic layer and each wavelength-selective retardation layer, and then the next layer was bonded.
- This configuration corresponds to an aspect in which the support 20 and the alignment films 24A, 24B, and 24C are removed from the conceptual diagram shown in FIG.
- composition C-1 was prepared as a liquid crystal composition for forming the optically anisotropic layer.
- Composition C-1 ⁇ Liquid crystal compound L-2 42.00 parts by mass Liquid crystal compound L-3 42.00 parts by mass Liquid crystal compound L-4 16.00 parts by mass Chiral agent Ch1 0.06 parts by mass Polymerization initiator PI-1 0.50 parts by mass Leveling Agent T-1 0.10 parts by mass Methyl ethyl ketone 176.00 parts by mass Cyclopentanone 44.00 parts by mass ⁇ ⁇
- a composition for forming an optically anisotropic layer was prepared in the same manner except that the chiral agent Ch1 was changed to the chiral agent Ch2 in the composition C-1.
- the composition C-1 was used for forming the right-handed optically anisotropic layer, the composition obtained by changing the chiral agent from the composition C-1 was used for forming the left-handed optically anisotropic layer, and on the hot plate After heating to 100 ° C. and then cooling to 80 ° C., the UV light (i-line) with a wavelength of 365 nm is irradiated to the coating film at a dose of 15 mJ / cm 2 using an LED light source in a nitrogen atmosphere, and then The coating film was heated again to 100 ° C.
- Example 2 An optically anisotropic layer was formed in the same manner as in Example 1 to produce a first optically anisotropic member, a second optically anisotropic member, and a third optically anisotropic member.
- only the 3rd optical anisotropic member changed the irradiation amount of only the ultraviolet-ray (i line
- Each of the formed optically anisotropic layers finally has a liquid crystal ⁇ n 550 ⁇ thickness (Re (550)) of 275 nm, and has a periodically oriented surface as shown in FIG. This was confirmed in the same manner as in Example 1.
- the liquid crystal alignment pattern of the optical anisotropic layer of the first optical anisotropic member one cycle in which the optical axis derived from the liquid crystal compound rotates 180 ° is 1.1 ⁇ m
- the liquid crystal alignment pattern of the optical anisotropic layer of the second optical anisotropic member one cycle in which the optical axis derived from the liquid crystal compound rotates by 180 ° is 12.8 ⁇ m
- the optical anisotropic layer of the third optical anisotropic member one cycle in which the optical axis derived from the liquid crystal compound rotates by 180 ° was 11.9 ⁇ m.
- Example 1 the twist angle of the liquid crystal compound was confirmed.
- the twist angle of the liquid crystal compound in the right twist optically anisotropic layer was + 100 °
- the twist angle of the liquid crystal compound in the left twist optically anisotropic layer was ⁇ 100 °
- the twist angle of the liquid crystal compound in the right twist optically anisotropic layer was + 100 °
- the twist angle of the liquid crystal compound in the left twist optically anisotropic layer was ⁇ 100 °.
- the twist angle of the liquid crystal compound in the right twist optically anisotropic layer was + 90 °
- the twist angle of the liquid crystal compound in the left twist optically anisotropic layer was ⁇ 90 °.
- ⁇ Wavelength selective retardation layer> The same first wavelength-selective retardation layer and second wavelength-selective retardation layer as in Example 1 were used.
- Example 3 An optical element was produced in the same manner as in Example 1 except that the first optically anisotropic member did not have a left twisted optically anisotropic layer.
- Example 1 The first optical anisotropic member of Example 1 was an optical element.
- Comparative Example 2 An optical element was produced in the same manner as in Example 1 except that the first wavelength selective retardation layer and the second wavelength selective retardation layer were not used.
- composition for forming an optically anisotropic layer was prepared in the same manner except that the chiral agent was removed from the composition A-1 for forming a right-handed optically anisotropic layer.
- the coating film was heated to 70 ° C. on a hot plate, then cooled to 25 ° C., and then irradiated with ultraviolet light having a wavelength of 365 nm at 100 mJ / cm 2 using a high-pressure mercury lamp in a nitrogen atmosphere.
- an optically anisotropic layer was formed in the same manner as the right-handed optically anisotropic layer of Example 1, and A first optical anisotropic member, a second optical anisotropic member, and a third optical anisotropic member were formed in the same manner as in Example 1 except that the isotropic layer was not formed. Using this optically anisotropic member, an optical element was fabricated in the same manner as in Example 1.
- Example 4 The first optical anisotropic member of Example 2 was an optical element.
- Example 4 to 13 ⁇ Production of optically anisotropic member>
- the liquid crystal compound in the liquid crystal alignment pattern shown in Table 3 below was changed in the same manner as in Example 1 except that the crossing angle of the two lights when the alignment film was exposed by the exposure apparatus shown in FIG.
- Various first optical anisotropic members, second optical anisotropic members, and third optical anisotropic members having one cycle in which the optical axis rotates by 180 ° were produced.
- the 1 period in which the optical axis of the liquid crystal compound in the liquid crystal alignment pattern in each optical anisotropic member rotates 180 ° was confirmed in the same manner as in Example 1.
- Table 3 shows one period in which the optical axis derived from the liquid crystal compound rotates 180 ° in the liquid crystal alignment pattern.
- ⁇ Wavelength selective retardation layer> The same first wavelength-selective retardation layer and second wavelength-selective retardation layer as in Example 1 were used.
- a circularly polarizing plate B, a circularly polarizing plate G, and a circularly polarizing plate R were prepared as follows. First, a circularly polarizing plate G was produced. First, a support having an undercoat layer formed in the same manner as in Example 1 was prepared.
- Coating liquid for pattern alignment film P-0 formation Material for photo-alignment Polymer A2 4.35 parts by mass Low molecular weight compound B2 0.80 parts by mass Crosslinking agent C1 2.20 parts by mass Compound D1 0.48 parts by mass Compound D2 1.15 parts by mass Butyl acetate 100.00 parts by mass ⁇
- the epoxy-containing polyorganosiloxane had a weight average molecular weight Mw of 2,200 and an epoxy equivalent of 186 g / mol.
- 10.1 parts by mass of the epoxy-containing polyorganosiloxane obtained above and acrylic group-containing carboxylic acid (Aronix M-5300, manufactured by Toagosei Co., Ltd., acrylic acid ⁇ -carboxypolycaprolactone (polymerization degree) were added to a 100 mL three-necked flask.
- cross-linking agent C1- A cross-linking agent C1 represented by the following formula (Nagase Chemtex, Denacol EX411) was used.
- Compound D1- Compound D1 represented by the following formula Aligninum Chelate A (W), manufactured by Kawaken Fine Chemical Co., Ltd. was used.
- Compound D2- Compound D2 represented by the following formula (Toyo Science Co., Ltd., triphenylsilanol) was used.
- the pattern alignment film P-0 was exposed by irradiating polarized ultraviolet rays (20 mJ / cm 2 , using an ultrahigh pressure mercury lamp) to the obtained pattern alignment film P-0.
- the ⁇ / 4 plate (optically anisotropic layer) was formed by applying the composition C-1 onto the pattern alignment film P-0.
- the coated film was heated to 110 ° C. on a hot plate, then cooled to 60 ° C., and then irradiated with UV light having a wavelength of 365 nm at a dose of 500 mJ / cm 2 using a high-pressure mercury lamp in a nitrogen atmosphere. By doing so, the orientation of the liquid crystal compound was fixed and the optically anisotropic layer was produced.
- ⁇ n 530 ⁇ d (Re (530)) of the obtained ⁇ / 4 plate was 132.5 nm.
- a circularly polarizing plate G was obtained by laminating a polarizing plate on the triacetylcellulose film side of the ⁇ / 4 plate via an adhesive.
- the angle of transmitted light with respect to incident light of red light, green light, and blue light when light was incident on the manufactured optical element from the front was measured.
- the angle of the transmitted light is an angle of the transmitted light with respect to the incident light when the incident light is set to 0 °.
- laser light having an output center wavelength for red light (635 nm), green light (530 nm), and blue light (450 nm) is vertically incident on the manufactured optical element from a position 10 cm away from the normal direction.
- the transmission angle was calculated by capturing the transmitted light with a screen arranged at a distance of 100 cm.
- the design wavelength ⁇ a of the longest light is 635 nm
- the design wavelength ⁇ b of the intermediate light is 530 nm
- the design wavelength ⁇ c of the shortest light is 450 nm.
- the laser light was perpendicularly incident on the circularly polarizing plate B, the circularly polarizing plate G, and the circularly polarizing plate R corresponding to each wavelength to form circularly polarized light, and then incident on the manufactured optical element for evaluation. From the average transmission angle ⁇ ave of red light, green light, and blue light, and the maximum transmission angle ⁇ max and minimum transmission angle ⁇ min of red light, green light, and blue light, The wavelength-dependent PE [%] of was calculated.
- PE [%] [( ⁇ max ⁇ min ) / ⁇ ave ] ⁇ 100 AA when PE is 5% or less, A when PE is more than 5% and 10% or less, When PE is more than 10% and 20% or less, C when PE is more than 20% and 30% or less, The case where PE was more than 30% was evaluated as D.
- Table 3 The results are shown in Table 3.
- the ratio of the light intensity of the transmitted light Lt and the light intensity of the laser light L was taken to obtain a relative light intensity value with respect to the incident light (laser light L) of the transmitted light Lt (transmitted light Lt / laser light L).
- An average relative light intensity value (relative light intensity) of red light, green light and blue light was calculated and evaluated.
- the transmission angle ⁇ was the transmission angle for each color of red light, green light, and blue light measured previously.
- the evaluation was performed by making the laser beam perpendicularly incident on the circularly polarizing plate B, the circularly polarizing plate G, and the circularly polarizing plate R corresponding to each wavelength so as to be circularly polarized, and then entering the manufactured optical element. . The result will be described later.
- Table 3 below shows the configuration of each optical element and the evaluation results of the average transmission angle [°] and PE (transmission wavelength dependence).
- the optical characteristics of the optical element have an influence on the optically anisotropic layer, and members other than the optically anisotropic layer are basically uniform. Shows only the characteristics of the optically anisotropic layer.
- the left twist optically anisotropic layer is basically the same as the right twist optical anisotropic layer except for the twist angle of the liquid crystal compound. Only the twist angle of the liquid crystal compound is shown.
- the optical system includes an optically anisotropic layer having a liquid crystal alignment pattern in which an optical axis derived from a liquid crystal compound rotates along one direction and the liquid crystal compound is twisted and aligned in the thickness direction.
- a plurality of anisotropic members, and one period of the liquid crystal alignment pattern of at least one optically anisotropic layer is different from that of other optically anisotropic layers.
- the optical element of the present invention having a wavelength-selective retardation layer in between has a small wavelength dependency of the outgoing angle of transmitted light, and can transmit transmitted red light, green light and blue light in almost the same direction. As described above, the amount of transmitted light is large.
- the relationship between one period ⁇ in which the optical axis of the liquid crystal compound in the liquid crystal alignment pattern rotates 180 ° and the design wavelengths ⁇ a, ⁇ b, and ⁇ c is a more preferable range of “0.7 * ⁇ [( ⁇ a + ⁇ c) ⁇ b / ( ⁇ a ⁇ b) ⁇ c] ⁇ 1 ⁇ ⁇ ⁇ 2 ⁇ 1.8 * ⁇ [( ⁇ a + ⁇ c) ⁇ b / ( ⁇ a ⁇ b) ⁇ c] ⁇ 1 ⁇ ”and“ 0.7 * ⁇ [( ⁇ a + ⁇ c) ⁇ b / ( ⁇ b ⁇ c) ⁇ a] ⁇ 1 ⁇ ⁇ ⁇ 3 ⁇ 1.8 * ⁇ [( ⁇ a + ⁇ c) ⁇ b / ( ⁇ b ⁇ c) ⁇ a] ⁇ 1 ⁇ ”]
- the optical elements of Examples 8 and 9 are transmissive The wavelength dependence of the light emission angle is smaller (PE evaluation B).
- the relationship between one period ⁇ in which the optical axis of the liquid crystal compound in the liquid crystal alignment pattern rotates 180 ° and the design wavelengths ⁇ a, ⁇ b, and ⁇ c is a more preferable range of “0.8 * ⁇ [( ⁇ a + ⁇ c) ⁇ b / ( ⁇ a ⁇ b) ⁇ c] ⁇ 1 ⁇ ⁇ ⁇ 2 ⁇ 1.3 * ⁇ [( ⁇ a + ⁇ c) ⁇ b / ( ⁇ a ⁇ b) ⁇ c] ⁇ 1 ⁇ ”and“ 0.8 * ⁇ [( ⁇ a + ⁇ c) ⁇ b / ( ⁇ b ⁇ ⁇ c) ⁇ a] ⁇ 1 ⁇ ⁇ ⁇ 3 ⁇ 1.3 * ⁇ [( ⁇ a + ⁇ c) ⁇ b / ( ⁇ b ⁇ c) ⁇ a] ⁇ 1 ⁇ ”]
- the optical elements of Example 6 and Example 7 The wavelength dependence of the emission angle is even smaller (PE evaluation A).
- the relationship between one period ⁇ in which the optical axis of the liquid crystal compound in the liquid crystal alignment pattern rotates 180 ° and the design wavelengths ⁇ a, ⁇ b, and ⁇ c is a particularly preferable range of “0.9 * ⁇ [( ⁇ a + ⁇ c) ⁇ b / ( ⁇ a ⁇ b) ⁇ c] ⁇ 1 ⁇ ⁇ ⁇ 2 ⁇ 1.15 * ⁇ [( ⁇ a + ⁇ c) ⁇ b / ( ⁇ a ⁇ b) ⁇ c] ⁇ 1 ⁇ ”and“ 0.9 * ⁇ [( ⁇ a + ⁇ c) ⁇ b / ( ⁇ b ⁇ c) ⁇ a] ⁇ 1 ⁇ ⁇ ⁇ 3 ⁇ 1.15 * ⁇ [( ⁇ a + ⁇ c) ⁇ b / ( ⁇ b ⁇ c) ⁇ a] ⁇ 1 ⁇ ”]
- the optical elements of Examples 1 to 5 The wavelength dependency of the emission angle is particularly small (PE evaluation AA).
- Example 6 and Example 7 the relationship between one period ⁇ in which the optical axis of the liquid crystal compound in the liquid crystal alignment pattern rotates 180 ° and the design wavelengths ⁇ a, ⁇ b, and ⁇ c satisfy only one equation.
- the wavelength dependence of the outgoing angle of transmitted light is larger than those in Examples 6 and 7, the wavelength dependence of the outgoing angle of transmitted light is sufficiently small.
- Comparative Example 1 and Comparative Example 4 configured by only one optical anisotropic member, and Comparative Example 2 having no wavelength-selective retardation layer have wavelength dependency of the outgoing angle of transmitted light.
- the transmitted red light, green light and blue light are emitted in different directions, and the amount of transmitted light is small as described above.
- Comparative Example 3 in which the optically anisotropic layer is not twisted-aligned, that is, the twist angle of the liquid crystal compound is “0 °” has a small amount of transmitted light. From the above results, the effects of the present invention are clear.
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Abstract
透過光の屈折の波長依存性が少ない光学素子、および、この光学素子を用いる導光素子の提供を課題とする。液晶化合物を用いて形成された、光学軸が一方向に沿って回転する液晶配向パターンを有する光学異方性層を含む光学異方性部材と、2つの光学異方性部材の間に配置される、特定波長の円偏光を逆に変換する波長選択性位相差層とを有し、1つの光学異方性部材の光学異方性層は液晶配向パターンが等しく、光学軸の向きが180°回転する長さを1周期とした際に、1以上の光学異方性部材は他の物と1周期の長さが異なり、光学異方性層は、液晶化合物が捩れ配向され、少なくとも1つは、液晶化合物の捩れ方向が互いに逆である2層の光学異方性層を有することにより、課題を解決する。
Description
本発明は、透過した光を屈折させる光学素子、および、この光学素子を用いる導光素子に関する。
近年、非特許文献1に記載されるような、実際に見ている光景に、仮想の映像および各種の情報等を重ねて表示する、AR(Augmented Reality(拡張現実))グラスが実用化されている。ARグラスは、スマートグラス、ヘッドマウントディスプレイ(HMD(Head Mounted Display))、および、ARメガネ等とも呼ばれている。
非特許文献1に示されるように、ARグラスは、一例として、ディスプレイ(光学エンジン)が表示した映像を、導光板の一端に入射して伝播し、他端から出射することにより、使用者が実際に見ている光景に、仮想の映像を重ねて表示する。
ARグラスでは、回折素子を用いて、ディスプレイからの光(投影光)を回折(屈折)させて導光板の一方の端部に入射する。これにより、角度を付けて導光板に光を導入して、導光板内で光を伝播させる。導光板を伝播した光は、導光板の他方の端部において同じく回折素子によって回折されて、導光板から、使用者による観察位置に出射される。
ARグラスでは、回折素子を用いて、ディスプレイからの光(投影光)を回折(屈折)させて導光板の一方の端部に入射する。これにより、角度を付けて導光板に光を導入して、導光板内で光を伝播させる。導光板を伝播した光は、導光板の他方の端部において同じく回折素子によって回折されて、導光板から、使用者による観察位置に出射される。
ARグラスに用いられる導光板としては、一例として、特許文献1に記載される導光板(導波路)が知られている。
この導光板は、光を反射して導波する前面および後面を有し、前面または後面に設けられる第1の部分、および、前面または後面に設けられる第2の部分を有する。第1の部分は、第1の部分からの反射によって、第1の量だけ光の位相を変化させる構造を有する。また、同じ表面の第2の部分は、第2の部分からの反射によって、第1の量とは異なる第2の量だけ光の位相を変化させる、第1の部分とは異なる構造を有する。さらに、この導光板において、第1の部分は、第2の量と第1の量との差に実質的に一致する距離だけ、第2の部分とオフセットされる構成を有する。
この導光板は、光を反射して導波する前面および後面を有し、前面または後面に設けられる第1の部分、および、前面または後面に設けられる第2の部分を有する。第1の部分は、第1の部分からの反射によって、第1の量だけ光の位相を変化させる構造を有する。また、同じ表面の第2の部分は、第2の部分からの反射によって、第1の量とは異なる第2の量だけ光の位相を変化させる、第1の部分とは異なる構造を有する。さらに、この導光板において、第1の部分は、第2の量と第1の量との差に実質的に一致する距離だけ、第2の部分とオフセットされる構成を有する。
Bernard C. Kress et al., Towards the Ultimate Mixed Reality Experience: HoloLens Display Architecture Choices, SID 2017 DIGEST, pp.127-131
ところで、特許文献1にも記載されるように、回折素子による光の回折の角度は、光の波長に依存する。すなわち、回折素子によって回折される光の進行方向は、光の波長によって異なる。
従って、波長の異なる光を1つの回折素子によって回折させて導光板に導入し、かつ、導光板から出射させると、例えば、赤色画像、緑色画像および青色画像からなるカラー画像であれば、赤色画像、緑色画像および青色画像の位置が異なってしまう、いわゆる色ズレが生じてしまう。
従って、波長の異なる光を1つの回折素子によって回折させて導光板に導入し、かつ、導光板から出射させると、例えば、赤色画像、緑色画像および青色画像からなるカラー画像であれば、赤色画像、緑色画像および青色画像の位置が異なってしまう、いわゆる色ズレが生じてしまう。
この問題を解決するために、非特許文献1に記載されるARグラスでは、赤色画像、緑色画像および青色画像の、それぞれに対応して、両端に回折素子(表面レリーフ格子(Surface Relief Grating(SRG)))を設けた長尺な導光板を作製して、回折素子を設けた導光板を、3枚、積層して、それぞれの導光板で、ディスプレイが表示した各色の投影像を使用者による観察位置まで導波して、カラー画像を表示している。
ARグラスでは、これにより、赤色画像、緑色画像および青色画像の位置を一致させて、色ズレの無いカラー画像を表示している。
ARグラスでは、これにより、赤色画像、緑色画像および青色画像の位置を一致させて、色ズレの無いカラー画像を表示している。
このように、従来のARグラスでは、ディスプレイが表示した画像を使用者による観察位置まで導波するために、回折素子を設けた導光板を、3枚、積層した構成とする必要があるので、全体として導光板が厚く、かつ、重くなってしまい、さらに、装置の構成も複雑になってしまう。
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、透過する光の角度の波長依存性が小さく、例えば、同じ方向から入射した赤色光、緑色光および青色光を、ほとんど同じ方向に屈折して透過でき、さらに、透過光の光量も多い光学素子、および、この光学素子を用いる導光素子を提供することにある。
この課題を解決するために、本発明の光学素子は、以下の構成を有する。
[1] 液晶化合物を含む組成物を用いて形成された、液晶化合物由来の光学軸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光学異方性層を、少なくとも1層、有する、複数の光学異方性部材と、
複数の光学異方性部材の少なくとも一対の間に配置される、特定の波長域の円偏光を逆の旋回方向の円偏光に変換する波長選択性位相差層と、を有し、かつ、
液晶配向パターンにおいて、光学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、光学軸の向きが180°回転する長さを1周期とした際に、少なくとも1つの光学異方性部材の光学異方性層は、他の光学異方性部材の光学異方性層と1周期の長さが異なり、さらに、
光学異方性層は、液晶化合物が、厚さ方向に捩れ配向されたものであり、
光学異方性部材の少なくとも1つは、面内の液晶配向パターンが等しく、かつ、液晶化合物の捩れ配向の捩れ方向が互いに逆である、2層の光学異方性層を有することを特徴とする光学素子。
[2] 光学異方性部材の配列方向の一方の端に位置する光学異方性部材は、光学異方性層を1層のみ有する、[1]に記載の光学素子。
[3] 光学異方性部材が、全て、2層の光学異方性層を有する、[1]に記載の光学素子。
[4] 複数対の隣接する2枚の光学異方性部材の間に、波長選択性位相差層を有し、かつ、波長選択性位相差層が円偏光を変換する特定の波長域が、光学異方性部材の配列方向に、漸次、短くなる、[1]~[3]のいずれかに記載の光学素子。
[5] 光学異方性層の液晶配向パターンにおける1周期の長さが、全ての光学異方性部材で異なる、[1]~[4]のいずれかに記載の光学素子。
[6] 光学異方性部材と波長選択性位相差層とが、交互に配置される、[1]~[5]のいずれかに記載の光学素子。
[7] 光学異方性部材の配列方向の一方の端に位置する光学異方性部材の光学異方性層が、液晶配向パターンにおける1周期の長さが最も短い、[1]~[6]のいずれかに記載の光学素子。
[8] 少なくとも1つの光学異方性部材の光学異方性層が、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、[1]~[7]のいずれか記載の光学素子。
[9] 液晶配向パターンにおける液晶化合物由来の光学軸の向きが連続的に回転しながら変化する一方向に向かって、液晶配向パターンの1周期が、漸次、短くなる、[8]に記載の光学素子。
[10] 光学異方性層の液晶配向パターンが、液晶化合物由来の光学軸の向きが連続的に回転しながら変化する一方向を、内側から外側に向かう同心円状に有する、同心円状のパターンである、[1]~[9]のいずれかに記載の光学素子。
[11] 3つ以上の光学異方性部材と、2層以上の波長選択性位相差層と、を有する、[1]~[10]のいずれかに記載の光学素子。
[12] 波長選択性位相差層の1層が、赤色光の円偏光を逆の旋回方向の円偏光に変換し、波長選択性位相差層の他の1層が、緑色光の円偏光を逆の旋回方向の円偏光に変換する、[11]に記載の光学素子。
[13] 波長選択性位相差層が複数の位相差層からなり、位相差層の少なくとも1層は他の位相差層と面内の遅相軸方位が異なる、[1]~[12]のいずれかに記載の光学素子。
[14] 波長選択性位相差層における位相差層の少なくとも1層がλ/4板である、[13]に記載の光学素子。
[15] 波長選択性位相差層におけるλ/4板が逆波長分散性を有し、他の位相差層の少なくとも1層は順波長分散性を有する、[14]に記載の光学素子。
[16] [1]~[15]のいずれかに記載の光学素子と、導光板と、を有する、導光素子。
[17] 離間する2つの光学素子が、導光板に設けられる、[16]に記載の導光素子。
[1] 液晶化合物を含む組成物を用いて形成された、液晶化合物由来の光学軸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光学異方性層を、少なくとも1層、有する、複数の光学異方性部材と、
複数の光学異方性部材の少なくとも一対の間に配置される、特定の波長域の円偏光を逆の旋回方向の円偏光に変換する波長選択性位相差層と、を有し、かつ、
液晶配向パターンにおいて、光学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、光学軸の向きが180°回転する長さを1周期とした際に、少なくとも1つの光学異方性部材の光学異方性層は、他の光学異方性部材の光学異方性層と1周期の長さが異なり、さらに、
光学異方性層は、液晶化合物が、厚さ方向に捩れ配向されたものであり、
光学異方性部材の少なくとも1つは、面内の液晶配向パターンが等しく、かつ、液晶化合物の捩れ配向の捩れ方向が互いに逆である、2層の光学異方性層を有することを特徴とする光学素子。
[2] 光学異方性部材の配列方向の一方の端に位置する光学異方性部材は、光学異方性層を1層のみ有する、[1]に記載の光学素子。
[3] 光学異方性部材が、全て、2層の光学異方性層を有する、[1]に記載の光学素子。
[4] 複数対の隣接する2枚の光学異方性部材の間に、波長選択性位相差層を有し、かつ、波長選択性位相差層が円偏光を変換する特定の波長域が、光学異方性部材の配列方向に、漸次、短くなる、[1]~[3]のいずれかに記載の光学素子。
[5] 光学異方性層の液晶配向パターンにおける1周期の長さが、全ての光学異方性部材で異なる、[1]~[4]のいずれかに記載の光学素子。
[6] 光学異方性部材と波長選択性位相差層とが、交互に配置される、[1]~[5]のいずれかに記載の光学素子。
[7] 光学異方性部材の配列方向の一方の端に位置する光学異方性部材の光学異方性層が、液晶配向パターンにおける1周期の長さが最も短い、[1]~[6]のいずれかに記載の光学素子。
[8] 少なくとも1つの光学異方性部材の光学異方性層が、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、[1]~[7]のいずれか記載の光学素子。
[9] 液晶配向パターンにおける液晶化合物由来の光学軸の向きが連続的に回転しながら変化する一方向に向かって、液晶配向パターンの1周期が、漸次、短くなる、[8]に記載の光学素子。
[10] 光学異方性層の液晶配向パターンが、液晶化合物由来の光学軸の向きが連続的に回転しながら変化する一方向を、内側から外側に向かう同心円状に有する、同心円状のパターンである、[1]~[9]のいずれかに記載の光学素子。
[11] 3つ以上の光学異方性部材と、2層以上の波長選択性位相差層と、を有する、[1]~[10]のいずれかに記載の光学素子。
[12] 波長選択性位相差層の1層が、赤色光の円偏光を逆の旋回方向の円偏光に変換し、波長選択性位相差層の他の1層が、緑色光の円偏光を逆の旋回方向の円偏光に変換する、[11]に記載の光学素子。
[13] 波長選択性位相差層が複数の位相差層からなり、位相差層の少なくとも1層は他の位相差層と面内の遅相軸方位が異なる、[1]~[12]のいずれかに記載の光学素子。
[14] 波長選択性位相差層における位相差層の少なくとも1層がλ/4板である、[13]に記載の光学素子。
[15] 波長選択性位相差層におけるλ/4板が逆波長分散性を有し、他の位相差層の少なくとも1層は順波長分散性を有する、[14]に記載の光学素子。
[16] [1]~[15]のいずれかに記載の光学素子と、導光板と、を有する、導光素子。
[17] 離間する2つの光学素子が、導光板に設けられる、[16]に記載の導光素子。
本発明の光学素子および導光素子は、屈折角度の波長依存性が小さく、例えば、同じ方向から入射した赤色光、緑色光および青色光を、ほとんど同じ方向に屈折して出射でき、しかも、透過光(出射光)の光量も多い。
以下、本発明の光学素子および導光素子について、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」および「等しい」とは、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」および「等しい」とは、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。
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。
本明細書において、Re(λ)は、波長λにおける面内のレタデーションを表す。特に記載がないときは、波長λは、550nmとする。
本明細書において、Re(λ)は、AxoScan(Axometrics社製)において、波長λで測定した値である。AxoScanにて平均屈折率((nx+ny+nz)/3)と膜厚(d(μm))を入力することにより、
遅相軸方向(°)
Re(λ)=R0(λ)
が算出される。
なお、R0(λ)は、AxoScanで算出される数値として表示されるものであるが、Re(λ)を意味している。
本明細書において、Re(λ)は、AxoScan(Axometrics社製)において、波長λで測定した値である。AxoScanにて平均屈折率((nx+ny+nz)/3)と膜厚(d(μm))を入力することにより、
遅相軸方向(°)
Re(λ)=R0(λ)
が算出される。
なお、R0(λ)は、AxoScanで算出される数値として表示されるものであるが、Re(λ)を意味している。
本発明の光学素子は、液晶化合物を含む組成物を用いて形成された、液晶化合物由来の光学軸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光学異方性層を少なくとも1層有する、複数の光学異方性部材と、少なくとも一対の、配列方向に隣接する2枚の光学異方性部材の間に配置される波長選択性位相差層と、を有する。
ここで、波長選択性位相差層とは、特定の波長域の円偏光を逆の旋回方向の円偏光に変換し、それ以外の光は、そのまま透過(素通し)させるものである。波長選択性位相差層が、赤色光の円偏光を逆の旋回方向の円偏光に変換するものである場合には、赤色光のみ、右円偏光は左円偏光に、左円偏光は右円偏光に変換し、それ以外の緑色光および青色光は、円偏光の旋回方向等によらず、そのまま透過する。
また、本発明の光学素子は、1つの光学異方性部材に含まれる光学異方性層は、面内における液晶配向パターンが等しい。加えて、光学異方性層の液晶配向パターンにおいて、液晶化合物由来の光学軸の向きが連続的に回転しながら変化する一方向における、液晶化合物由来の光学軸の向きが180°回転する長さを1周期とした際に、1つの光学異方性部材に含まれる光学異方性層は、他の光学異方性部材の光学異方性層と1周期の長さが異なる。
さらに、本発明の光学素子において、光学異方性層は、液晶化合物が厚さ方向に捩れ配向されたものであり、少なくとも1つの光学異方性部材は、面内の液晶配向パターンが等しく、かつ、液晶化合物の捩れ配向の捩れ方向が互いに逆である、2層の光学異方性層を有する。
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、入射して透過する光の屈折角度の波長依存性が小さく、同じ方向から入射した異なる波長の光を、ほとんど同じ方向に出射できると共に、透過光(出射光)の光量も多くできる。
ここで、波長選択性位相差層とは、特定の波長域の円偏光を逆の旋回方向の円偏光に変換し、それ以外の光は、そのまま透過(素通し)させるものである。波長選択性位相差層が、赤色光の円偏光を逆の旋回方向の円偏光に変換するものである場合には、赤色光のみ、右円偏光は左円偏光に、左円偏光は右円偏光に変換し、それ以外の緑色光および青色光は、円偏光の旋回方向等によらず、そのまま透過する。
また、本発明の光学素子は、1つの光学異方性部材に含まれる光学異方性層は、面内における液晶配向パターンが等しい。加えて、光学異方性層の液晶配向パターンにおいて、液晶化合物由来の光学軸の向きが連続的に回転しながら変化する一方向における、液晶化合物由来の光学軸の向きが180°回転する長さを1周期とした際に、1つの光学異方性部材に含まれる光学異方性層は、他の光学異方性部材の光学異方性層と1周期の長さが異なる。
さらに、本発明の光学素子において、光学異方性層は、液晶化合物が厚さ方向に捩れ配向されたものであり、少なくとも1つの光学異方性部材は、面内の液晶配向パターンが等しく、かつ、液晶化合物の捩れ配向の捩れ方向が互いに逆である、2層の光学異方性層を有する。
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、入射して透過する光の屈折角度の波長依存性が小さく、同じ方向から入射した異なる波長の光を、ほとんど同じ方向に出射できると共に、透過光(出射光)の光量も多くできる。
[光学素子の第1の態様]
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、第1光学異方性部材12および第2光学異方性部材14、ならびに、第1光学異方性部材12と第2光学異方性部材14との間に配置される波長選択性位相差層18G、を有する。
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、第1光学異方性部材12および第2光学異方性部材14、ならびに、第1光学異方性部材12と第2光学異方性部材14との間に配置される波長選択性位相差層18G、を有する。
上述のように、本発明の光学素子は、液晶化合物を含む組成物を用いて形成された、面内において、液晶化合物由来の光学軸が回転する所定の液晶配向パターンを有する光学異方性層を有する光学異方性部材を、厚さ方向に配列したものである。さらに、光学異方性層は、面内の液晶配向パターンに加え、液晶化合物が、厚さ方向に捩れ配向されたものである。
第1光学異方性部材12は、支持体20、配向膜24A、右捩れ光学異方性層26Apおよび左捩れ光学異方性層26Amを有する。また、第2光学異方性部材14は、支持体20、配向膜24B、右捩れ光学異方性層26Bpおよび左捩れ光学異方性層26Bmを有する。
第1光学異方性部材12は、支持体20、配向膜24A、右捩れ光学異方性層26Apおよび左捩れ光学異方性層26Amを有する。また、第2光学異方性部材14は、支持体20、配向膜24B、右捩れ光学異方性層26Bpおよび左捩れ光学異方性層26Bmを有する。
右捩れ光学異方性層26Apおよび左捩れ光学異方性層26Am、ならびに、右捩れ光学異方性層26Bpおよび左捩れ光学異方性層26Bmは、いずれも、液晶化合物が、厚さ方向に捩れ配向(ツイスト配向)されている(図2参照)。
右捩れ光学異方性層26Apおよび右捩れ光学異方性層26Bpは、厚さ方向における液晶化合物の捩れ配向の捩れ方向が、図中上側(光入射側)から見た際に、右方向(ツイスト角が+φ)である。他方、左捩れ光学異方性層26Amおよび左捩れ光学異方性層26Bmは、厚さ方向における液晶化合物の捩れ配向の捩れ方向が、図中上側から見た際に、左方向(ツイスト角が-φ)である。
以下の説明では、『厚さ方向における液晶化合物の捩れ配向の捩れ方向』を、単に『液晶化合物の捩れ方向』とも言う。また、本発明において、液晶化合物の捩れ方向は、光学素子10の光入射方向から見た際の捩れ方向である。
右捩れ光学異方性層26Apおよび右捩れ光学異方性層26Bpは、厚さ方向における液晶化合物の捩れ配向の捩れ方向が、図中上側(光入射側)から見た際に、右方向(ツイスト角が+φ)である。他方、左捩れ光学異方性層26Amおよび左捩れ光学異方性層26Bmは、厚さ方向における液晶化合物の捩れ配向の捩れ方向が、図中上側から見た際に、左方向(ツイスト角が-φ)である。
以下の説明では、『厚さ方向における液晶化合物の捩れ配向の捩れ方向』を、単に『液晶化合物の捩れ方向』とも言う。また、本発明において、液晶化合物の捩れ方向は、光学素子10の光入射方向から見た際の捩れ方向である。
また、本発明の光学素子において、波長選択性位相差層は、上述のように、特定の波長域の円偏光を逆の旋回方向の円偏光に変換し、それ以外の光は、そのまま透過(素抜け)するものである。
図示例の光学素子10において、波長選択性位相差層18Gは、緑色光の円偏光の旋回方向を逆の旋回方向に変換し、それ以外の光は、旋回方向を変換しないで、そのままの円偏光で透過する。
図示例の光学素子10において、波長選択性位相差層18Gは、緑色光の円偏光の旋回方向を逆の旋回方向に変換し、それ以外の光は、旋回方向を変換しないで、そのままの円偏光で透過する。
図示は省略するが、第1光学異方性部材12と波長選択性位相差層18G、および、波長選択性位相差層18Gと第2光学異方性部材14とは、層間に設けられた貼合層によって貼り合わされている。
本発明において、貼合層は、貼り合わせの対象となる物同士を貼り合わせられる層であれば、公知の各種の材料からなるものが利用可能である。貼合層としては、貼り合わせる際には流動性を有し、その後、固体になる、接着剤からなる層でも、貼り合わせる際にゲル状(ゴム状)の柔らかい固体で、その後もゲル状の状態が変化しない、粘着剤からなる層でも、接着剤と粘着剤との両方の特徴を持った材料からなる層でもよい。従って、貼合層は、光学透明接着剤(OCA(Optical Clear Adhesive))、光学透明両面テープ、ならびに、紫外線硬化型樹脂等の、光学装置および光学素子等でシート状物の貼り合わせに用いられる公知のものを用いればよい。
あるいは、貼合層で貼り合わせるのではなく、第1光学異方性部材12、波長選択性位相差層18G、および、第2光学異方性部材14を積層して、枠体または治具等で保持して、本発明の光学素子を構成してもよい。
なお、本発明の光学素子は、図示例のように第1光学異方性部材12、波長選択性位相差層18G、および、第2光学異方性部材14を密着して積層した構成に制限はされず、これらの部材の1以上を、離間した状態で配列した構成も、利用可能である。
本発明において、貼合層は、貼り合わせの対象となる物同士を貼り合わせられる層であれば、公知の各種の材料からなるものが利用可能である。貼合層としては、貼り合わせる際には流動性を有し、その後、固体になる、接着剤からなる層でも、貼り合わせる際にゲル状(ゴム状)の柔らかい固体で、その後もゲル状の状態が変化しない、粘着剤からなる層でも、接着剤と粘着剤との両方の特徴を持った材料からなる層でもよい。従って、貼合層は、光学透明接着剤(OCA(Optical Clear Adhesive))、光学透明両面テープ、ならびに、紫外線硬化型樹脂等の、光学装置および光学素子等でシート状物の貼り合わせに用いられる公知のものを用いればよい。
あるいは、貼合層で貼り合わせるのではなく、第1光学異方性部材12、波長選択性位相差層18G、および、第2光学異方性部材14を積層して、枠体または治具等で保持して、本発明の光学素子を構成してもよい。
なお、本発明の光学素子は、図示例のように第1光学異方性部材12、波長選択性位相差層18G、および、第2光学異方性部材14を密着して積層した構成に制限はされず、これらの部材の1以上を、離間した状態で配列した構成も、利用可能である。
また、図示例の光学素子10は、各光学異方性部材に支持体20を有しているが、本発明の光学素子は、光学異方性部材毎に支持体20を設けなくてもよい。
例えば、本発明の光学素子は、第2光学異方性部材14(右捩れ光学異方性層26Bp)の表面に波長選択性位相差層18Gを形成し、その上に配向膜24Aを形成し、その上に第1光学異方性部材12(右捩れ光学異方性層26Apおよび左捩れ光学異方性層26Am)を形成した構成でもよい。
あるいは、上記構成から、第2光学異方性部材14の支持体20を剥離して、波長選択性位相差層、配向膜および光学異方性層のみで、本発明の光学素子を構成してもよく、または、さらに配向膜も剥離して、波長選択性位相差層および光学異方性層のみで、本発明の光学素子を構成してもよい。
例えば、本発明の光学素子は、第2光学異方性部材14(右捩れ光学異方性層26Bp)の表面に波長選択性位相差層18Gを形成し、その上に配向膜24Aを形成し、その上に第1光学異方性部材12(右捩れ光学異方性層26Apおよび左捩れ光学異方性層26Am)を形成した構成でもよい。
あるいは、上記構成から、第2光学異方性部材14の支持体20を剥離して、波長選択性位相差層、配向膜および光学異方性層のみで、本発明の光学素子を構成してもよく、または、さらに配向膜も剥離して、波長選択性位相差層および光学異方性層のみで、本発明の光学素子を構成してもよい。
すなわち、本発明の光学素子は、複数の光学異方性部材を配列し、配列される光学異方性部材の、隣接する2枚の光学異方性部材のうちの少なくとも1対の間に波長選択性位相差層を有し、かつ、光学異方性層が、面内において液晶化合物由来の光学軸の向きが一方向に向かって回転する液晶配向パターンを有し、さらに、少なくとも1つの光学異方性部材の光学異方性層の液晶配向パターンが、後述する1周期が異なり、かつ、光学異方性層は、液晶化合物が厚さ方向に捩れ配向されたもので、少なくとも1つの光学異方性部材は、面内の液晶配向パターンが等しく、かつ、液晶化合物の捩れ配向の捩れ方向が互いに逆である、2層の光学異方性層を有する構成であれば、各種の層構成が利用可能である。
<光学異方性部材>
本発明の光学素子10は、第1光学異方性部材12と第2光学異方性部材14との間に、波長選択性位相差層18Gを設けたものである。
上述のように、第1光学異方性部材12は、支持体20、配向膜24A、右捩れ光学異方性層26Apおよび左捩れ光学異方性層26Amを有する。また、第2光学異方性部材14は、支持体20、配向膜24B、右捩れ光学異方性層26Bpおよび左捩れ光学異方性層26Bmを有する。
本発明の光学素子10は、第1光学異方性部材12と第2光学異方性部材14との間に、波長選択性位相差層18Gを設けたものである。
上述のように、第1光学異方性部材12は、支持体20、配向膜24A、右捩れ光学異方性層26Apおよび左捩れ光学異方性層26Amを有する。また、第2光学異方性部材14は、支持体20、配向膜24B、右捩れ光学異方性層26Bpおよび左捩れ光学異方性層26Bmを有する。
<<支持体>>
第1光学異方性部材12および第2光学異方性部材14において、支持体20は、配向膜、および、光学異方性層を支持するものである。
以下の説明では、配向膜24Aと配向膜24Bとを区別する必要がない場合には、配向膜24Aおよび配向膜24Bをまとめて『配向膜』とも言う。また、以下の説明では、右捩れ光学異方性層26Ap、左捩れ光学異方性層26Am、右捩れ光学異方性層26Bpおよび左捩れ光学異方性層26Bmを区別する必要がない場合には、これらの光学異方性層をまとめて『光学異方性層』とも言う。
第1光学異方性部材12および第2光学異方性部材14において、支持体20は、配向膜、および、光学異方性層を支持するものである。
以下の説明では、配向膜24Aと配向膜24Bとを区別する必要がない場合には、配向膜24Aおよび配向膜24Bをまとめて『配向膜』とも言う。また、以下の説明では、右捩れ光学異方性層26Ap、左捩れ光学異方性層26Am、右捩れ光学異方性層26Bpおよび左捩れ光学異方性層26Bmを区別する必要がない場合には、これらの光学異方性層をまとめて『光学異方性層』とも言う。
支持体20は、配向膜および光学異方性層を支持できるものであれば、各種のシート状物(フィルム、板状物)が利用可能である。
支持体20としては、透明支持体が好ましく、ポリメチルメタクリレート等のポリアクリル系樹脂フィルム、セルローストリアセテート等のセルロース系樹脂フィルム、シクロオレフィンポリマー系フィルム、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリカーボネート、および、ポリ塩化ビニル等を挙げることができる。シクロオレフィンポリマー系フィルムとしては、例えば、JSR社製の商品名「アートン」、および、日本ゼオン社製の商品名「ゼオノア」が例示される。支持体は、可撓性のフィルムに限らず、ガラス基板等の非可撓性の基板であってもよい。
支持体20としては、透明支持体が好ましく、ポリメチルメタクリレート等のポリアクリル系樹脂フィルム、セルローストリアセテート等のセルロース系樹脂フィルム、シクロオレフィンポリマー系フィルム、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリカーボネート、および、ポリ塩化ビニル等を挙げることができる。シクロオレフィンポリマー系フィルムとしては、例えば、JSR社製の商品名「アートン」、および、日本ゼオン社製の商品名「ゼオノア」が例示される。支持体は、可撓性のフィルムに限らず、ガラス基板等の非可撓性の基板であってもよい。
支持体20の厚さには、制限はなく、光学素子10の用途および支持体20の形成材料等に応じて、配向膜および光学異方性層を保持できる厚さを、適宜、設定すればよい。
支持体20の厚さは、1~1000μmが好ましく、3~250μmがより好ましく、5~150μmがさらに好ましい。
支持体20の厚さは、1~1000μmが好ましく、3~250μmがより好ましく、5~150μmがさらに好ましい。
<<配向膜>>
第1光学異方性部材12において、支持体20の表面には配向膜24Aが形成される。配向膜24Aは、右捩れ光学異方性層26Apおよび左捩れ光学異方性層26Amを形成する際に、光学異方性層の面内において液晶化合物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。
他方、第2光学異方性部材14において、支持体20の表面には配向膜24Bが形成される。配向膜24Bは、右捩れ光学異方性層26Bpおよび左捩れ光学異方性層26Bmを形成する際に、光学異方性層の面内において液晶化合物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。
第1光学異方性部材12において、支持体20の表面には配向膜24Aが形成される。配向膜24Aは、右捩れ光学異方性層26Apおよび左捩れ光学異方性層26Amを形成する際に、光学異方性層の面内において液晶化合物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。
他方、第2光学異方性部材14において、支持体20の表面には配向膜24Bが形成される。配向膜24Bは、右捩れ光学異方性層26Bpおよび左捩れ光学異方性層26Bmを形成する際に、光学異方性層の面内において液晶化合物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。
なお、各光学異方性層において、液晶化合物30は、面内の液晶配向パターンに加え、厚さ方向にも、厚さ方向に捩れ配向されているのは、上述のとおりである。この厚さ方向の液晶化合物30の捩れ配向は、光学異方性層に含有されるキラル剤の作用によるものである。
後述するが、本発明の光学素子10において、光学異方性層は、液晶化合物30に由来する光学軸30A(図3参照)の向きが、面内の一方向(後述する矢印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。従って、各光学異方性部材の配向膜は、光学異方性層が、この液晶配向パターンを形成できるように形成される。
また、本発明の光学素子では、液晶配向パターンにおける、光学軸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、光学軸30Aの向きが180°回転する長さを1周期(光学軸の回転周期)とした際に、少なくとも1つの光学異方性部材の光学異方性層は、他の光学異方性部材の光学異方性層と、液晶配向パターンの1周期の長さが異なる。
図1に示す光学素子10では、右捩れ光学異方性層26Apおよび左捩れ光学異方性層26Amにおける液晶配向パターンの1周期(1周期ΛA)は、右捩れ光学異方性層26Bpおよび左捩れ光学異方性層26Bmにおける液晶配向パターンの1周期(1周期ΛB)よりも短い。
また、本発明の光学素子では、液晶配向パターンにおける、光学軸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、光学軸30Aの向きが180°回転する長さを1周期(光学軸の回転周期)とした際に、少なくとも1つの光学異方性部材の光学異方性層は、他の光学異方性部材の光学異方性層と、液晶配向パターンの1周期の長さが異なる。
図1に示す光学素子10では、右捩れ光学異方性層26Apおよび左捩れ光学異方性層26Amにおける液晶配向パターンの1周期(1周期ΛA)は、右捩れ光学異方性層26Bpおよび左捩れ光学異方性層26Bmにおける液晶配向パターンの1周期(1周期ΛB)よりも短い。
以下の説明では、『光学軸30Aの向きが回転』を単に『光学軸30Aが回転』とも言う。
配向膜は、公知の各種のものが利用可能である。
例えば、ポリマーなどの有機化合物からなるラビング処理膜、無機化合物の斜方蒸着膜、マイクログルーブを有する膜、ならびに、ω-トリコサン酸、ジオクタデシルメチルアンモニウムクロライドおよびステアリル酸メチルなどの有機化合物のラングミュア・ブロジェット法によるLB(Langmuir-Blodgett:ラングミュア・ブロジェット)膜を累積させた膜、等が例示される。
例えば、ポリマーなどの有機化合物からなるラビング処理膜、無機化合物の斜方蒸着膜、マイクログルーブを有する膜、ならびに、ω-トリコサン酸、ジオクタデシルメチルアンモニウムクロライドおよびステアリル酸メチルなどの有機化合物のラングミュア・ブロジェット法によるLB(Langmuir-Blodgett:ラングミュア・ブロジェット)膜を累積させた膜、等が例示される。
ラビング処理による配向膜は、ポリマー層の表面を紙または布で一定方向に、数回、擦ることにより形成できる。
配向膜に使用する材料としては、ポリイミド、ポリビニルアルコール、特開平9-152509号公報に記載された重合性基を有するポリマー、特開2005-97377号公報、特開2005-99228号公報、および、特開2005-128503号公報に記載の配向膜等の形成に用いられる材料が好ましく例示される。
配向膜に使用する材料としては、ポリイミド、ポリビニルアルコール、特開平9-152509号公報に記載された重合性基を有するポリマー、特開2005-97377号公報、特開2005-99228号公報、および、特開2005-128503号公報に記載の配向膜等の形成に用いられる材料が好ましく例示される。
本発明の光学素子10においては、配向膜は、光配向性の素材に偏光または非偏光を照射して配向膜とした、いわゆる光配向膜が好適に利用される。すなわち、本発明の光学素子10においては、配向膜として、支持体20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エステル、ならびに、特開平9-118717号公報、特表平10-506420号公報、特表2003-505561号公報、国際公開第2010/150748号、特開2013-177561号公報および特開2014-12823号公報に記載の光二量化可能な化合物、特にシンナメート化合物、カルコン化合物およびクマリン化合物等が、好ましい例として例示される。
中でも、アゾ化合物、光架橋性ポリイミド、光架橋性ポリアミド、光架橋性エステル、シンナメート化合物、および、カルコン化合物は、好適に利用される。
中でも、アゾ化合物、光架橋性ポリイミド、光架橋性ポリアミド、光架橋性エステル、シンナメート化合物、および、カルコン化合物は、好適に利用される。
配向膜の厚さには制限はなく、配向膜の形成材料に応じて、必要な配向機能を得られる厚さを、適宜、設定すればよい。
配向膜の厚さは、0.01~5μmが好ましく、0.05~2μmがより好ましい。
配向膜の厚さは、0.01~5μmが好ましく、0.05~2μmがより好ましい。
配向膜の形成方法には、制限はなく、配向膜の形成材料に応じた公知の方法が、各種、利用可能である。一例として、配向膜を支持体20の表面に塗布して乾燥させた後、配向膜をレーザ光によって露光して、配向パターンを形成する方法が例示される。
図15に、配向膜を露光して配向パターンを形成する露光装置の一例を概念的に示す。なお、図15に示す例では、一例として、第1光学異方性部材12の配向膜24Aの露光を例示しているが、第2光学異方性部材14の配向膜24Bも、同じ露光装置で同様に配向パターンを形成できる。
図15に示す露光装置60は、レーザ62を備えた光源64と、レーザ62が出射したレーザ光M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。
配向パターンを形成される前の配向膜24Aを有する支持体20が露光部に配置され、2つの光線MAと光線MBとを配向膜24A上において交差させて干渉させ、その干渉光を配向膜24Aに照射して露光する。
この際の干渉により、配向膜24A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24A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。
露光装置60においては、2つの光線MAおよびMBの交差角αを変化させることにより、配向パターンの周期を調節できる。すなわち、露光装置60においては、交差角αを調節することにより、液晶化合物30に由来する光学軸30Aが一方向に沿って連続的に回転する液晶配向パターンにおいて、光学軸30Aが回転する1方向における、光学軸30Aが180°回転する1周期の長さ(1周期Λ)を調節できる。
このような配向状態が周期的に変化した配向パターンを有する配向膜上に、光学異方性層を形成することにより、後述するように、液晶化合物30に由来する光学軸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、右捩れ光学異方性層26Apおよび左捩れ光学異方性層26Amを形成できる。
また、λ/4板72Aおよび72Bの光学軸を各々90°回転することにより、光学軸30Aの回転方向を逆にすることができる。
この際の干渉により、配向膜24A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24A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。
露光装置60においては、2つの光線MAおよびMBの交差角αを変化させることにより、配向パターンの周期を調節できる。すなわち、露光装置60においては、交差角αを調節することにより、液晶化合物30に由来する光学軸30Aが一方向に沿って連続的に回転する液晶配向パターンにおいて、光学軸30Aが回転する1方向における、光学軸30Aが180°回転する1周期の長さ(1周期Λ)を調節できる。
このような配向状態が周期的に変化した配向パターンを有する配向膜上に、光学異方性層を形成することにより、後述するように、液晶化合物30に由来する光学軸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、右捩れ光学異方性層26Apおよび左捩れ光学異方性層26Amを形成できる。
また、λ/4板72Aおよび72Bの光学軸を各々90°回転することにより、光学軸30Aの回転方向を逆にすることができる。
上述のように、本発明の光学素子は、1つの光学異方性部材に含まれる光学異方性層は、面内において同じ液晶配向パターンを有する。従って、右捩れ光学異方性層26Apと左捩れ光学異方性層26Amとは、面内において同じ液晶配向パターンを有する。さらに、第2光学異方性部材14の右捩れ光学異方性層26Bpと左捩れ光学異方性層26Bmとも、面内において同じ液晶配向パターンを有する。
ここで、図1に示される光学素子10では、右捩れ光学異方性層26Apの下層および右捩れ光学異方性層26Bpの下層のみに、配向膜が形成されている。
液晶化合物を含む組成物を用いて形成される光学異方性層は、下層すなわち形成面(成膜面)が面内において液晶配向パターンを有する場合には、配向膜がなくても、面内における液晶配向パターンは、下層の面内における液晶配向パターンを踏襲する。従って、左捩れ光学異方性層26Amの下層に配向膜がなくても、左捩れ光学異方性層26Amの面内における液晶配向パターンは、右捩れ光学異方性層26Apと等しくなる。さらに、左捩れ光学異方性層26Bmの下層に配向膜がなくても、左捩れ光学異方性層26Bmの面内における液晶配向パターンは、右捩れ光学異方性層26Bpと等しくなる。
しかしながら、本発明は、これに制限はされない。すなわち、必要に応じて、左捩れ光学異方性層26Amおよび/または左捩れ光学異方性層26Bmの下層に、配向膜を設けてもよい。ただし、本発明においては、同じ光学異方性部材に含まれる光学異方性層は、面内において同じ液晶配向パターンを有するので、同じ光学異方性部材に含まれる配向膜は、全て、同じ配向パターンとなる。
ここで、図1に示される光学素子10では、右捩れ光学異方性層26Apの下層および右捩れ光学異方性層26Bpの下層のみに、配向膜が形成されている。
液晶化合物を含む組成物を用いて形成される光学異方性層は、下層すなわち形成面(成膜面)が面内において液晶配向パターンを有する場合には、配向膜がなくても、面内における液晶配向パターンは、下層の面内における液晶配向パターンを踏襲する。従って、左捩れ光学異方性層26Amの下層に配向膜がなくても、左捩れ光学異方性層26Amの面内における液晶配向パターンは、右捩れ光学異方性層26Apと等しくなる。さらに、左捩れ光学異方性層26Bmの下層に配向膜がなくても、左捩れ光学異方性層26Bmの面内における液晶配向パターンは、右捩れ光学異方性層26Bpと等しくなる。
しかしながら、本発明は、これに制限はされない。すなわち、必要に応じて、左捩れ光学異方性層26Amおよび/または左捩れ光学異方性層26Bmの下層に、配向膜を設けてもよい。ただし、本発明においては、同じ光学異方性部材に含まれる光学異方性層は、面内において同じ液晶配向パターンを有するので、同じ光学異方性部材に含まれる配向膜は、全て、同じ配向パターンとなる。
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20をラビング処理する方法、支持体20をレーザ光等で加工する方法等によって、支持体20に配向パターンを形成することにより、右捩れ光学異方性層26Ap等が、液晶化合物30に由来する光学軸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20をラビング処理する方法、支持体20をレーザ光等で加工する方法等によって、支持体20に配向パターンを形成することにより、右捩れ光学異方性層26Ap等が、液晶化合物30に由来する光学軸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。
<<光学異方性層>>
第1光学異方性部材12において、配向膜24Aの表面には、右捩れ光学異方性層26Apが形成され、右捩れ光学異方性層26Apの表面には、左捩れ光学異方性層26Amが形成される。また、第2光学異方性部材14において、配向膜24Bの表面には、右捩れ光学異方性層26Bpが形成され、右捩れ光学異方性層26Bpの表面には、左捩れ光学異方性層26Bm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、右捩れ光学異方性層26Ap、左捩れ光学異方性層26Am、右捩れ光学異方性層26Bpおよび左捩れ光学異方性層26Bmは、共に、配向膜の表面の液晶化合物30(液晶化合物分子)のみを示している。この点に関しては、後述する図9、図11、図12および図14等も同様である。
しかしながら、右捩れ光学異方性層26Ap、左捩れ光学異方性層26Am、右捩れ光学異方性層26Bp、および、左捩れ光学異方性層26Bmは、いずれも、図2に第1光学異方性部材12を例示して概念的に示すように、複数の液晶化合物30が、厚さ方向に配列され、かつ、厚さ方向に捩れ配向されている。
第1光学異方性部材12において、配向膜24Aの表面には、右捩れ光学異方性層26Apが形成され、右捩れ光学異方性層26Apの表面には、左捩れ光学異方性層26Amが形成される。また、第2光学異方性部材14において、配向膜24Bの表面には、右捩れ光学異方性層26Bpが形成され、右捩れ光学異方性層26Bpの表面には、左捩れ光学異方性層26Bm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、右捩れ光学異方性層26Ap、左捩れ光学異方性層26Am、右捩れ光学異方性層26Bpおよび左捩れ光学異方性層26Bmは、共に、配向膜の表面の液晶化合物30(液晶化合物分子)のみを示している。この点に関しては、後述する図9、図11、図12および図14等も同様である。
しかしながら、右捩れ光学異方性層26Ap、左捩れ光学異方性層26Am、右捩れ光学異方性層26Bp、および、左捩れ光学異方性層26Bmは、いずれも、図2に第1光学異方性部材12を例示して概念的に示すように、複数の液晶化合物30が、厚さ方向に配列され、かつ、厚さ方向に捩れ配向されている。
上述のように、本発明の光学素子10において、光学異方性層(右捩れ光学異方性層26Ap、左捩れ光学異方性層26Am、右捩れ光学異方性層26Bp、および、左捩れ光学異方性層26Bm)は、液晶化合物を含む組成物を用いて形成されたものである。
光学異方性層は、面内レタデーションの値をλ/2に設定した場合に、一般的なλ/2板としての機能、すなわち、光学異方性層に入射した光に含まれる互いに直交する2つの直線偏光成分に半波長すなわち180°の位相差を与える機能を有している。
光学異方性層は、面内レタデーションの値をλ/2に設定した場合に、一般的なλ/2板としての機能、すなわち、光学異方性層に入射した光に含まれる互いに直交する2つの直線偏光成分に半波長すなわち180°の位相差を与える機能を有している。
光学異方性層は、光学異方性層の面内において、液晶化合物に由来する光学軸の向きが、矢印Xで示す一方向に連続的に回転しながら変化する液晶配向パターンを有する。
なお、液晶化合物30に由来する光学軸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、光学軸30Aは、棒形状の長軸方向に沿っている。
以下の説明では、『矢印Xで示す一方向』を単に『矢印X方向』とも言う。また、以下の説明では、液晶化合物30に由来する光学軸30Aを、『液晶化合物30の光学軸30A』または『光学軸30A』とも言う。
光学異方性層において、液晶化合物30は、それぞれ、光学異方性層において、矢印X方向と、この矢印X方向と直交するY方向とに平行な面内に二次元的に配向している。なお、図1、図2、ならびに、後述する図4、図5および図9等では、Y方向は、紙面に直交する方向となる。
なお、液晶化合物30に由来する光学軸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、光学軸30Aは、棒形状の長軸方向に沿っている。
以下の説明では、『矢印Xで示す一方向』を単に『矢印X方向』とも言う。また、以下の説明では、液晶化合物30に由来する光学軸30Aを、『液晶化合物30の光学軸30A』または『光学軸30A』とも言う。
光学異方性層において、液晶化合物30は、それぞれ、光学異方性層において、矢印X方向と、この矢印X方向と直交するY方向とに平行な面内に二次元的に配向している。なお、図1、図2、ならびに、後述する図4、図5および図9等では、Y方向は、紙面に直交する方向となる。
上述のように、第1光学異方性部材12において、右捩れ光学異方性層26Apと左捩れ光学異方性層26Amとは、面内における液晶配向パターンが等しい。また、第2光学異方性部材において、右捩れ光学異方性層26Bpと左捩れ光学異方性層26Bmとは、面内における液晶配向パターンが等しい。
なお、本発明において、光学異方性層の面内における液晶配向パターンが等しいとは、具体的には、面内において液晶化合物に由来する光学軸の向きが連続的に回転しながら変化する方向、面内における液晶化合物に由来する光学軸の向きの連続的な回転方向、および、液晶配向パターンおいて光学軸30Aの向きが180°回転する1周期の長さ(1周期Λ)が、全て、等しいことを示す。なお、面内において液晶化合物に由来する光学軸の向きが連続的に回転しながら変化する方向は、図示例では矢印X方向である。また、面内における液晶化合物に由来する光学軸の向きの連続的な回転方向は、図示例では矢印X方向に時計回りである。
ただし、右捩れ光学異方性層26Apと左捩れ光学異方性層26Amとでは、厚さ方向に捩れ配向される液晶化合物30の捩れ方向が逆である。同様に、右捩れ光学異方性層26Bpと左捩れ光学異方性層26Bmとでは、厚さ方向に捩れ配向される液晶化合物30の捩れ方向が逆である。
なお、本発明において、光学異方性層の面内における液晶配向パターンが等しいとは、具体的には、面内において液晶化合物に由来する光学軸の向きが連続的に回転しながら変化する方向、面内における液晶化合物に由来する光学軸の向きの連続的な回転方向、および、液晶配向パターンおいて光学軸30Aの向きが180°回転する1周期の長さ(1周期Λ)が、全て、等しいことを示す。なお、面内において液晶化合物に由来する光学軸の向きが連続的に回転しながら変化する方向は、図示例では矢印X方向である。また、面内における液晶化合物に由来する光学軸の向きの連続的な回転方向は、図示例では矢印X方向に時計回りである。
ただし、右捩れ光学異方性層26Apと左捩れ光学異方性層26Amとでは、厚さ方向に捩れ配向される液晶化合物30の捩れ方向が逆である。同様に、右捩れ光学異方性層26Bpと左捩れ光学異方性層26Bmとでは、厚さ方向に捩れ配向される液晶化合物30の捩れ方向が逆である。
図3に、右捩れ光学異方性層26Ap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を厚さ方向から見た図である。言い換えれば、右捩れ光学異方性層26Apを主面と直交する方向(法線方向)から見た図である。主面とは、シート状物(板状物、フィルム)の最大面である。厚さ方向とは、すなわち、各層(膜)の積層方向である。
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24Aの表面の液晶化合物30のみを示している。しかしながら、右捩れ光学異方性層26Apは、厚さ方向には、図2に示されるように、この配向膜24Aの表面の液晶化合物30から、液晶化合物30が厚さ方向に捩れ配向して積み重ねられた構造を有するのは、上述のとおりである。
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を厚さ方向から見た図である。言い換えれば、右捩れ光学異方性層26Apを主面と直交する方向(法線方向)から見た図である。主面とは、シート状物(板状物、フィルム)の最大面である。厚さ方向とは、すなわち、各層(膜)の積層方向である。
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24Aの表面の液晶化合物30のみを示している。しかしながら、右捩れ光学異方性層26Apは、厚さ方向には、図2に示されるように、この配向膜24Aの表面の液晶化合物30から、液晶化合物30が厚さ方向に捩れ配向して積み重ねられた構造を有するのは、上述のとおりである。
光学異方性層において、面内における、液晶化合物に由来する光学軸の向きが、矢印Xで示す一方向に連続的に回転しながら変化する液晶配向パターンは、光学異方性層を透過する光の屈折に寄与する。
なお、図3では、右捩れ光学異方性層26Apを代表例として説明するが、右捩れ光学異方性層26Apも、同様の作用効果を示す。また、右捩れ光学異方性層26Bpおよび左捩れ光学異方性層26Bmも、後述する液晶配向パターンの1周期の長さ(1周期Λ)が異なる以外は、基本的に、同様の構成および作用効果を有する。
光学素子10において、光学軸30Aの向きの回転方向は、第1光学異方性部材12の光学異方性層と、第2光学異方性部材14の光学異方性層とで、逆である。すなわち、第1光学異方性部材12の光学異方性層における光学軸30Aの向きの回転が矢印X方向に向かって時計回りである場合には、第2光学異方性部材14の光学異方性層における光学軸30Aの向きの回転は矢印X方行に向かって反時計回りである。
なお、図3では、右捩れ光学異方性層26Apを代表例として説明するが、右捩れ光学異方性層26Apも、同様の作用効果を示す。また、右捩れ光学異方性層26Bpおよび左捩れ光学異方性層26Bmも、後述する液晶配向パターンの1周期の長さ(1周期Λ)が異なる以外は、基本的に、同様の構成および作用効果を有する。
光学素子10において、光学軸30Aの向きの回転方向は、第1光学異方性部材12の光学異方性層と、第2光学異方性部材14の光学異方性層とで、逆である。すなわち、第1光学異方性部材12の光学異方性層における光学軸30Aの向きの回転が矢印X方向に向かって時計回りである場合には、第2光学異方性部材14の光学異方性層における光学軸30Aの向きの回転は矢印X方行に向かって反時計回りである。
右捩れ光学異方性層26Apは、面内において、液晶化合物30に由来する光学軸30Aの向きが、矢印X方向に沿って連続的に回転しながら変化する液晶配向パターンを有する。
液晶化合物30の光学軸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の光学軸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、かつ、矢印X方向に沿って、光学軸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の光学軸30Aの角度の差は、45°以下であるのが好ましく、15°以下であるのがより好ましく、より小さい角度であるのがさらに好ましい。
液晶化合物30の光学軸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の光学軸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、かつ、矢印X方向に沿って、光学軸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の光学軸30Aの角度の差は、45°以下であるのが好ましく、15°以下であるのがより好ましく、より小さい角度であるのがさらに好ましい。
一方、右捩れ光学異方性層26Ap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、すなわち光学軸30Aが連続的に回転する一方向と直交するY方向では、光学軸30Aの向きが等しい液晶化合物30が等間隔で配列されている。
言い換えれば、右捩れ光学異方性層26Apを形成する液晶化合物30において、Y方向に配列される液晶化合物30同士では、光学軸30Aの向きと矢印X方向とが成す角度が等しい。
言い換えれば、右捩れ光学異方性層26Apを形成する液晶化合物30において、Y方向に配列される液晶化合物30同士では、光学軸30Aの向きと矢印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、面内で光学軸30Aの向き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の光学軸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。言い換えれば、液晶配向パターンにおける1周期の長さは、液晶化合物30の光学軸30Aと矢印X方向とのなす角度がθからθ+180°となるまでの距離により定義される。
すなわち、光学異方性層における1周期の長さΛとは、言い換えれば、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である。具体的には、図3に示すように、矢印X方向と光学軸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が、1周期の長さΛである。以下の説明では、この1周期の長さΛを『1周期Λ』とも言う。
また、以下の説明では、各光学異方性層における1周期Λを識別するために、右捩れ光学異方性層26Apにおける1周期Λを『ΛA』、右捩れ光学異方性層26Bpにおける1周期Λを『ΛB』とも言う。なお、上述のように、同じ光学異方性部材に含まれる光学異方性層は、1周期Λが等しい。従って、左捩れ光学異方性層26Amにおける1周期Λも『ΛA』であり、左捩れ光学異方性層26Bmにおける1周期Λも『ΛB』である。
本発明の光学素子10において、光学異方性層の液晶配向パターンは、この1周期Λを、矢印X方向、すなわち、光学軸30Aの向きが連続的に回転して変化する一方向に繰り返す。
すなわち、光学異方性層における1周期の長さΛとは、言い換えれば、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である。具体的には、図3に示すように、矢印X方向と光学軸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が、1周期の長さΛである。以下の説明では、この1周期の長さΛを『1周期Λ』とも言う。
また、以下の説明では、各光学異方性層における1周期Λを識別するために、右捩れ光学異方性層26Apにおける1周期Λを『ΛA』、右捩れ光学異方性層26Bpにおける1周期Λを『ΛB』とも言う。なお、上述のように、同じ光学異方性部材に含まれる光学異方性層は、1周期Λが等しい。従って、左捩れ光学異方性層26Amにおける1周期Λも『ΛA』であり、左捩れ光学異方性層26Bmにおける1周期Λも『ΛB』である。
本発明の光学素子10において、光学異方性層の液晶配向パターンは、この1周期Λを、矢印X方向、すなわち、光学軸30Aの向きが連続的に回転して変化する一方向に繰り返す。
上述のように、光学異方性層において、Y方向に配列される液晶化合物は、光学軸30Aと矢印X方向(液晶化合物30の光学軸の向きが回転する1方向)とが成す角度が等しい。この光学軸30Aと矢印X方向とが成す角度が等しい液晶化合物30が、Y方向に配置された領域を、領域Rとする。
この場合に、それぞれの領域Rにおける面内レタデーション(Re)の値は、半波長すなわちλ/2であるのが好ましい。これらの面内レタデーションは、領域Rの屈折率異方性に伴う屈折率差Δnと光学異方性層の厚さとの積により算出される。ここで、光学異方性層における領域Rの屈折率異方性に伴う屈折率差とは、領域Rの面内における遅相軸の方向の屈折率と、遅相軸の方向に直交する方向の屈折率との差により定義される屈折率差である。すなわち、領域Rの屈折率異方性に伴う屈折率差Δnは、光学軸30Aの方向の液晶化合物30の屈折率と、領域Rの面内において光学軸30Aに垂直な方向の液晶化合物30の屈折率との差に等しい。つまり、上記屈折率差Δnは、液晶化合物の屈折率差に等しい。
この場合に、それぞれの領域Rにおける面内レタデーション(Re)の値は、半波長すなわちλ/2であるのが好ましい。これらの面内レタデーションは、領域Rの屈折率異方性に伴う屈折率差Δnと光学異方性層の厚さとの積により算出される。ここで、光学異方性層における領域Rの屈折率異方性に伴う屈折率差とは、領域Rの面内における遅相軸の方向の屈折率と、遅相軸の方向に直交する方向の屈折率との差により定義される屈折率差である。すなわち、領域Rの屈折率異方性に伴う屈折率差Δnは、光学軸30Aの方向の液晶化合物30の屈折率と、領域Rの面内において光学軸30Aに垂直な方向の液晶化合物30の屈折率との差に等しい。つまり、上記屈折率差Δnは、液晶化合物の屈折率差に等しい。
右捩れ光学異方性層26Ap(左捩れ光学異方性層26Am、右捩れ光学異方性層26Bpおよび左捩れ光学異方性層26Bm)のように、面内において、光学軸30Aの向き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光学異方性層に円偏光が入射すると、光は、屈折され、かつ、円偏光の方向が変換される。
この面内における液晶配向パターンの作用を、図4および図5に、液晶化合物30が厚さ方向に捩れ配向されていない光学異方性層26を例示して示す。すなわち、光学異方性層26においては、厚さ方向では、液晶化合物30の光学軸30Aの方向は均一である。
なお、光学異方性層26は、液晶化合物の屈折率差と光学異方性層の厚さとの積の値がλ/2であるとする。
この面内における液晶配向パターンの作用を、図4および図5に、液晶化合物30が厚さ方向に捩れ配向されていない光学異方性層26を例示して示す。すなわち、光学異方性層26においては、厚さ方向では、液晶化合物30の光学軸30Aの方向は均一である。
なお、光学異方性層26は、液晶化合物の屈折率差と光学異方性層の厚さとの積の値がλ/2であるとする。
図4に示すように、光学異方性層26の液晶化合物の屈折率差と光学異方性層の厚さとの積の値がλ/2の場合に、光学異方性層26に左円偏光である入射光L1が入射すると、入射光L1は、光学異方性層26を通過することにより180°の位相差が与えられて、透過光L2は、右円偏光に変換される。
また、入射光L1は、光学異方性層26を通過する際に、それぞれの液晶化合物30の光学軸30Aの向きに応じて絶対位相が変化する。このとき、光学軸30Aの向きは、矢印X方向に沿って回転しながら変化しているため、光学軸30Aの向きに応じて、入射光L1の絶対位相の変化量が異なる。さらに、光学異方性層26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ため、光学異方性層26を通過した入射光L1には、図4に示すように、それぞれの光学軸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。これにより、矢印X方向に対して逆の方向に傾いた等位相面E1が形成される。
そのため、透過光L2は、等位相面E1に対して垂直な方向に向かって傾くように屈折され、入射光L1の進行方向とは異なる方向に進行する。このように、左円偏光の入射光L1は、入射方向に対して矢印X方向に一定の角度だけ傾いた、右円偏光の透過光L2に変換される。
また、入射光L1は、光学異方性層26を通過する際に、それぞれの液晶化合物30の光学軸30Aの向きに応じて絶対位相が変化する。このとき、光学軸30Aの向きは、矢印X方向に沿って回転しながら変化しているため、光学軸30Aの向きに応じて、入射光L1の絶対位相の変化量が異なる。さらに、光学異方性層26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ため、光学異方性層26を通過した入射光L1には、図4に示すように、それぞれの光学軸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。これにより、矢印X方向に対して逆の方向に傾いた等位相面E1が形成される。
そのため、透過光L2は、等位相面E1に対して垂直な方向に向かって傾くように屈折され、入射光L1の進行方向とは異なる方向に進行する。このように、左円偏光の入射光L1は、入射方向に対して矢印X方向に一定の角度だけ傾いた、右円偏光の透過光L2に変換される。
一方、図5に概念的に示すように、光学異方性層26の液晶化合物の屈折率差と光学異方性層の厚さとの積の値がλ/2のとき、光学異方性層26に右円偏光の入射光L4が入射すると、入射光L4は、光学異方性層26を通過することにより、180°の位相差が与えられて、左円偏光の透過光L5に変換される。
また、入射光L4は、光学異方性層26を通過する際に、それぞれの液晶化合物30の光学軸30Aの向きに応じて絶対位相が変化する。このとき、光学軸30Aの向きは、矢印X方向に沿って回転しながら変化しているため、光学軸30Aの向きに応じて、入射光L4の絶対位相の変化量が異なる。さらに、光学異方性層26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ため、光学異方性層26を通過した入射光L4は、図5に示すように、それぞれの光学軸30Aの向きに対応した矢印X方向に周期的な絶対位相Q2が与えられる。
ここで、入射光L4は、右円偏光であるので、光学軸30Aの向きに対応した矢印X方向に周期的な絶対位相Q2は、左円偏光である入射光L1とは逆になる。その結果、入射光L4では、入射光L1とは逆に矢印X方向に傾斜した等位相面E2が形成される。
そのため、入射光L4は、等位相面E2に対して垂直な方向に向かって傾くように屈折され、入射光L4の進行方向とは異なる方向に進行する。このように、入射光L4は、入射方向に対して矢印X方向とは逆の方向に一定の角度だけ傾いた左円偏光の透過光L5に変換される。
また、入射光L4は、光学異方性層26を通過する際に、それぞれの液晶化合物30の光学軸30Aの向きに応じて絶対位相が変化する。このとき、光学軸30Aの向きは、矢印X方向に沿って回転しながら変化しているため、光学軸30Aの向きに応じて、入射光L4の絶対位相の変化量が異なる。さらに、光学異方性層26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ため、光学異方性層26を通過した入射光L4は、図5に示すように、それぞれの光学軸30Aの向きに対応した矢印X方向に周期的な絶対位相Q2が与えられる。
ここで、入射光L4は、右円偏光であるので、光学軸30Aの向きに対応した矢印X方向に周期的な絶対位相Q2は、左円偏光である入射光L1とは逆になる。その結果、入射光L4では、入射光L1とは逆に矢印X方向に傾斜した等位相面E2が形成される。
そのため、入射光L4は、等位相面E2に対して垂直な方向に向かって傾くように屈折され、入射光L4の進行方向とは異なる方向に進行する。このように、入射光L4は、入射方向に対して矢印X方向とは逆の方向に一定の角度だけ傾いた左円偏光の透過光L5に変換される。
面内において、光学軸30Aの向きが連続的に回転して変化する、同じ液晶配向パターンを有し、かつ、液晶化合物30が、厚さ方向に捩れ配向され、かつ、液晶化合物30の捩れ方向が逆である2層の光学異方性層の積層体は、この2層を1つの光学異方性層と考えると、図4および図5に示す光学異方性層26と同様の作用を発現する。
すなわち、右捩れ光学異方性層26Apと左捩れ光学異方性層26Amとの積層体、および、右捩れ光学異方性層26Bpと左捩れ光学異方性層26Bmとの積層体は、図4および図5に示す光学異方性層26と同様の作用を発現する。
この作用に関しては、Applied Optics, Vol.54, No.34, pp10035-10043(2015)に詳述されている。
従って、右捩れ光学異方性層26Apと左捩れ光学異方性層26Amとの積層体を有する第1光学異方性部材12、および、右捩れ光学異方性層26Bpと左捩れ光学異方性層26Bmとの積層体を有する第2光学異方性部材14は、図4および図5に示す光学異方性層26と同様の作用を発現する。この作用については、後に詳述する。
すなわち、右捩れ光学異方性層26Apと左捩れ光学異方性層26Amとの積層体、および、右捩れ光学異方性層26Bpと左捩れ光学異方性層26Bmとの積層体は、図4および図5に示す光学異方性層26と同様の作用を発現する。
この作用に関しては、Applied Optics, Vol.54, No.34, pp10035-10043(2015)に詳述されている。
従って、右捩れ光学異方性層26Apと左捩れ光学異方性層26Amとの積層体を有する第1光学異方性部材12、および、右捩れ光学異方性層26Bpと左捩れ光学異方性層26Bmとの積層体を有する第2光学異方性部材14は、図4および図5に示す光学異方性層26と同様の作用を発現する。この作用については、後に詳述する。
光学異方性層において、複数の領域Rの面内レタデーションの値は、半波長であるのが好ましいが、波長が550nmである入射光に対する光学異方性層の複数の領域Rの面内レタデーションRe(550)=Δn550×dが下記式(1)に規定される範囲内であるのが好ましい。光学異方性層は、図示例では、右捩れ光学異方性層26Ap、左捩れ光学異方性層26Am、右捩れ光学異方性層26Bpおよび左捩れ光学異方性層26Bm等である。
ここで、Δn550は、入射光の波長が550nmである場合の、領域Rの屈折率異方性に伴う屈折率差であり、dは、光学異方性層の厚さである。
200nm≦Δn550×d≦350nm・・・(1)
すなわち、光学異方性層の複数の領域Rの面内レタデーションRe(550)=Δn550×dが式(1)を満たしていれば、光学異方性層に入射した光の十分な量の円偏光成分を、矢印X方向に対して順方向または逆方向に傾いた方向に進行する円偏光に変換することができる。面内レタデーションRe(550)=Δn550×dは、225nm≦Δn550×d≦340nmがより好ましく、250nm≦Δn550×d≦330nmがさらに好ましい。
なお、上記式(1)は波長550nmである入射光に対する範囲であるが、波長がλnmである入射光に対する光学異方性層の複数の領域Rの面内レタデーションRe(λ)=Δnλ×dは下記式(1-2)に規定される範囲内であるのが好ましく、適宜設定することができる。
0.7λnm≦Δnλ×d≦1.3λnm・・・(1-2)
ここで、Δn550は、入射光の波長が550nmである場合の、領域Rの屈折率異方性に伴う屈折率差であり、dは、光学異方性層の厚さである。
200nm≦Δn550×d≦350nm・・・(1)
すなわち、光学異方性層の複数の領域Rの面内レタデーションRe(550)=Δn550×dが式(1)を満たしていれば、光学異方性層に入射した光の十分な量の円偏光成分を、矢印X方向に対して順方向または逆方向に傾いた方向に進行する円偏光に変換することができる。面内レタデーションRe(550)=Δn550×dは、225nm≦Δn550×d≦340nmがより好ましく、250nm≦Δn550×d≦330nmがさらに好ましい。
なお、上記式(1)は波長550nmである入射光に対する範囲であるが、波長がλnmである入射光に対する光学異方性層の複数の領域Rの面内レタデーションRe(λ)=Δnλ×dは下記式(1-2)に規定される範囲内であるのが好ましく、適宜設定することができる。
0.7λnm≦Δnλ×d≦1.3λnm・・・(1-2)
また、光学異方性層における、複数の領域Rの面内レタデーションの値は、上記式(1)の範囲外で用いることもできる。具体的には、Δn550×d<200nmまたは350nm<Δn550×dとすることで、入射光の進行方向と同一の方向に進行する光と、入射光の進行方向とは異なる方向に進行する光に分けることができる。Δn550×dが0nmまたは550nmに近づくと入射光の進行方向と同一の方向に進行する光の成分は増加し、入射光の進行方向とは異なる方向に進行する光の成分は減少する。
さらに、波長が450nmの入射光に対する光学異方性層の領域Rのそれぞれの面内レタデーションRe(450)=Δn450×dと、波長が550nmの入射光に対する光学異方性層の領域Rのそれぞれの面内レタデーションRe(550)=Δn550×dは、下記式(2)を満たすのが好ましい。ここで、Δn450は、入射光の波長が450nmである場合の、領域Rの屈折率異方性に伴う屈折率差である。
(Δn450×d)/(Δn550×d)<1.0・・・(2)
式(2)は、光学異方性層に含まれる液晶化合物30が逆分散性を有していることを表している。すなわち、式(2)が満たされることにより、光学異方性層は、広帯域の波長の入射光に対応できる。
(Δn450×d)/(Δn550×d)<1.0・・・(2)
式(2)は、光学異方性層に含まれる液晶化合物30が逆分散性を有していることを表している。すなわち、式(2)が満たされることにより、光学異方性層は、広帯域の波長の入射光に対応できる。
ここで、光学軸30Aが一方向に連続的に回転する液晶配向パターンを有する光学異方性層は、液晶配向パターンの1周期Λを変化させることにより、透過光の屈折の角度を調節できる。すなわち、光学異方性層に形成された液晶配向パターンの1周期Λを変化させることにより、透過光L2およびL5の屈折の角度を調節できる。
具体的には、液晶配向パターンの1周期Λが短いほど、互いに隣接した液晶化合物30を通過した光同士が強く干渉するため、透過光L2およびL5を大きく屈折させることができる。
また、入射光L1およびL4に対する透過光L2およびL5の屈折の角度は、入射光L1およびL4(透過光L2およびL5)の波長によって異なる。具体的には、入射光の波長が長いほど、透過光は大きく屈折する。すなわち、入射光が赤色光、緑色光および青色光である場合には、赤色光が最も大きく屈折し、青色光の屈折が最も小さい。
さらに、矢印X方向に沿って回転する、液晶化合物30の光学軸30Aの回転方向を逆方向にすることにより、透過光の屈折の方向を、逆方向にできる。
具体的には、液晶配向パターンの1周期Λが短いほど、互いに隣接した液晶化合物30を通過した光同士が強く干渉するため、透過光L2およびL5を大きく屈折させることができる。
また、入射光L1およびL4に対する透過光L2およびL5の屈折の角度は、入射光L1およびL4(透過光L2およびL5)の波長によって異なる。具体的には、入射光の波長が長いほど、透過光は大きく屈折する。すなわち、入射光が赤色光、緑色光および青色光である場合には、赤色光が最も大きく屈折し、青色光の屈折が最も小さい。
さらに、矢印X方向に沿って回転する、液晶化合物30の光学軸30Aの回転方向を逆方向にすることにより、透過光の屈折の方向を、逆方向にできる。
さらに、本発明の光学素子10において、光学異方性層は、図2に第1光学異方性部材12の右捩れ光学異方性層26Apおよび左捩れ光学異方性層26Amを例示して示すように、液晶化合物30が、厚さ方向に捩れ配向されている。以下の説明では、液晶化合物30が厚さ方向に捩れ配向されている状態を、液晶化合物30が『捩れ配向されている』ともいう。
上述のように、液晶化合物30の光学軸が面内で一方向に沿って連続的に回転する液晶配向パターンを有し、かつ、液晶化合物30が捩れ配向されている、液晶化合物30の捩れ方向が互いに逆である光学異方性層を、2層、積層した積層体は、上述した図4および図5に示す、液晶化合物30が捩れ配向されていない光学異方性層26と同様の作用を発現する。
上述のように、液晶化合物30の光学軸が面内で一方向に沿って連続的に回転する液晶配向パターンを有し、かつ、液晶化合物30が捩れ配向されている、液晶化合物30の捩れ方向が互いに逆である光学異方性層を、2層、積層した積層体は、上述した図4および図5に示す、液晶化合物30が捩れ配向されていない光学異方性層26と同様の作用を発現する。
ここで、上述した液晶配向パターンを有し、かつ、液晶化合物30の捩れ方向が互いに逆である光学異方性層を、2層、積層した積層体は、Applied Optics, Vol.54, No.34, pp10035-10043(2015)に詳述されているように、液晶化合物30が捩れ配向されていない光学異方性層26に比して、光学異方性層内を伝播する光を効果的に入射した円偏光と逆の円偏光に変換できるため、透過光(出射光)の光量を向上できる。特に、屈折する光の角度が大きい場合には、液晶化合物30が捩れ配向されていない光学異方性層26に比して、液晶化合物30の捩れ方向が互いに逆である光学異方性層を、2層、積層した積層体は、透過光(出射光)の光量を向上できる。
6に概念的に示すように、液晶化合物30が捩れ配向されていない光学異方性層26に垂直入射した右円偏光が光学異方性層内を斜めに伝播するとき、伝播する光の進行方向に対して液晶化合物30が捩れているため、入射した右円偏光は液晶化合物30の捩れの影響で、光学異方性層を透過したときに十分に左円偏光に変換されないので、透過光の光量が低下すると考えられる。
これに対して、図7に概念的に示すように、液晶化合物30が厚さ方向に捩れて配向している右捩れ光学異方性層26Apは、垂直入射した右円偏光が光学異方性層内を斜めに伝播するとき、伝播する光の進行方向に対して液晶の捩れは非常に小さいため、入射した右円偏光は光学異方性層を透過したときに左円偏光に変換され、透過光の光量の低下を抑制することができる。
また、図8に概念的に示すように、液晶化合物30が厚さ方向に捩れて配向している右捩れ光学異方性層26Apに左円偏光が垂直入射する場合、伝播する光は非常に強い液晶の捩れの影響を受けるため、光学異方性層を透過した光は、ほぼ左円偏光のままとなるので、大部分の光は入射光と同一の進行方向に透過する。このため、図示は省略するが、液晶化合物30の捩れ方向が互いに逆である光学異方性層を、2層、積層した積層体とすることで、上述した図4および図5に示す、液晶化合物30が捩れ配向されていない光学異方性層26と同様の作用を発現し、かつ、透過光(出射光)の光量を向上できる。図示例において、2層、積層した積層体とは、右捩れ光学異方性層26Apと左捩れ光学異方性層26Amとの積層体である。
そのため、本発明の光学素子10は、液晶化合物30を厚さ方向に捩れ配向せずに、面内のみで光学軸30Aを回転させただけの液晶配向パターンを有する光学異方性層26を用いる光学素子に比して、透過光の光量を向上して、透過光を明るくできる。
6に概念的に示すように、液晶化合物30が捩れ配向されていない光学異方性層26に垂直入射した右円偏光が光学異方性層内を斜めに伝播するとき、伝播する光の進行方向に対して液晶化合物30が捩れているため、入射した右円偏光は液晶化合物30の捩れの影響で、光学異方性層を透過したときに十分に左円偏光に変換されないので、透過光の光量が低下すると考えられる。
これに対して、図7に概念的に示すように、液晶化合物30が厚さ方向に捩れて配向している右捩れ光学異方性層26Apは、垂直入射した右円偏光が光学異方性層内を斜めに伝播するとき、伝播する光の進行方向に対して液晶の捩れは非常に小さいため、入射した右円偏光は光学異方性層を透過したときに左円偏光に変換され、透過光の光量の低下を抑制することができる。
また、図8に概念的に示すように、液晶化合物30が厚さ方向に捩れて配向している右捩れ光学異方性層26Apに左円偏光が垂直入射する場合、伝播する光は非常に強い液晶の捩れの影響を受けるため、光学異方性層を透過した光は、ほぼ左円偏光のままとなるので、大部分の光は入射光と同一の進行方向に透過する。このため、図示は省略するが、液晶化合物30の捩れ方向が互いに逆である光学異方性層を、2層、積層した積層体とすることで、上述した図4および図5に示す、液晶化合物30が捩れ配向されていない光学異方性層26と同様の作用を発現し、かつ、透過光(出射光)の光量を向上できる。図示例において、2層、積層した積層体とは、右捩れ光学異方性層26Apと左捩れ光学異方性層26Amとの積層体である。
そのため、本発明の光学素子10は、液晶化合物30を厚さ方向に捩れ配向せずに、面内のみで光学軸30Aを回転させただけの液晶配向パターンを有する光学異方性層26を用いる光学素子に比して、透過光の光量を向上して、透過光を明るくできる。
本発明において、光学異方性層における、捩れ配向する液晶化合物30の捩れ角には、制限は無い。すなわち、図示例においては、右捩れ光学異方性層26Ap、左捩れ光学異方性層26Am、右捩れ光学異方性層26Bpおよび左捩れ光学異方性層26Bmにおける、捩れ配向する液晶化合物30の捩れ角には、制限は無い。
ただし、液晶化合物30の捩れ角によって、光学異方性層内を伝播する光の偏光状態が異なる。具体的には、液晶配向パターンの1周期Λによって、光学異方性層内を伝播する光の方向が異なるため、入射した円偏光を効果的に逆の円偏光に変換する捩れ角が異なる。従って、液晶化合物30の捩れ角は、液晶配向パターンの1周期Λと共に、目的とする透過光の出射方向に応じて、適宜、設定するのが好ましい。
液晶化合物30の捩れ方向が右捩れか左捩れか(時計回りか反時回りか)によらず、液晶化合物30の捩れ角の絶対値は、透過光の光量を好適に向上させる点で、5~360°が好ましく、10~320°がより好ましく、20~280°がさらに好ましく、30~250°が特に好ましい。
なお、液晶化合物30の捩れ角とは、光学異方性層において、厚さ方向に捩れ配向された液晶化合物30の、下面から上面に到るまでの捩れの角度である。
ただし、液晶化合物30の捩れ角によって、光学異方性層内を伝播する光の偏光状態が異なる。具体的には、液晶配向パターンの1周期Λによって、光学異方性層内を伝播する光の方向が異なるため、入射した円偏光を効果的に逆の円偏光に変換する捩れ角が異なる。従って、液晶化合物30の捩れ角は、液晶配向パターンの1周期Λと共に、目的とする透過光の出射方向に応じて、適宜、設定するのが好ましい。
液晶化合物30の捩れ方向が右捩れか左捩れか(時計回りか反時回りか)によらず、液晶化合物30の捩れ角の絶対値は、透過光の光量を好適に向上させる点で、5~360°が好ましく、10~320°がより好ましく、20~280°がさらに好ましく、30~250°が特に好ましい。
なお、液晶化合物30の捩れ角とは、光学異方性層において、厚さ方向に捩れ配向された液晶化合物30の、下面から上面に到るまでの捩れの角度である。
後述するが、液晶化合物30が厚さ方向に捩れ配向している光学異方性層は、液晶化合物およびキラル剤を含む液晶組成物によって形成する。
光学異方性層における液晶化合物30の捩れ方向は、光学異方性層を形成する液晶化合物30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、光学異方性層における液晶化合物30の捩れ角は、添加されるキラル剤の種類および/またはキラル剤の添加量で調節できる。
光学異方性層における液晶化合物30の捩れ方向は、光学異方性層を形成する液晶化合物30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、光学異方性層における液晶化合物30の捩れ角は、添加されるキラル剤の種類および/またはキラル剤の添加量で調節できる。
光学異方性層は、棒状液晶化合物または円盤状液晶化合物およびキラル剤を含む液晶組成物の硬化層からなり、棒状液晶化合物の光学軸または円盤状液晶化合物の光学軸が上述のように面内において配向された液晶配向パターンを有し、かつ、棒状液晶化合物または円盤状液晶化合物が厚さ方向に捩れ配向している。
支持体20上に配向膜を形成し、かつ、配向膜上にキラル剤を含む液晶組成物を塗布、硬化することにより、液晶化合物が上述のように面内において配向された配向パターンを有し、かつ、液晶化合物が厚さ方向に捩れ配向された、液晶組成物の硬化層からなる光学異方性層を得ることができる。なお、いわゆるλ/2板として機能するのは光学異方性層であるが、本発明は、支持体20および配向膜を一体的に備えた積層体がλ/2板として機能する態様を含む。
また、光学異方性層を形成するための液晶組成物は、棒状液晶化合物または円盤状液晶化合物を含有し、さらに、レベリング剤、配向制御剤、重合開始剤および配向助剤などのその他の成分を含有していてもよい。
支持体20上に配向膜を形成し、かつ、配向膜上にキラル剤を含む液晶組成物を塗布、硬化することにより、液晶化合物が上述のように面内において配向された配向パターンを有し、かつ、液晶化合物が厚さ方向に捩れ配向された、液晶組成物の硬化層からなる光学異方性層を得ることができる。なお、いわゆるλ/2板として機能するのは光学異方性層であるが、本発明は、支持体20および配向膜を一体的に備えた積層体がλ/2板として機能する態様を含む。
また、光学異方性層を形成するための液晶組成物は、棒状液晶化合物または円盤状液晶化合物を含有し、さらに、レベリング剤、配向制御剤、重合開始剤および配向助剤などのその他の成分を含有していてもよい。
--棒状液晶化合物--
棒状液晶化合物としては、アゾメチン類、アゾキシ類、シアノビフェニル類、シアノフェニルエステル類、安息香酸エステル類、シクロヘキサンカルボン酸フェニルエステル類、シアノフェニルシクロヘキサン類、シアノ置換フェニルピリミジン類、アルコキシ置換フェニルピリミジン類、フェニルジオキサン類、トラン類、および、アルケニルシクロヘキシルベンゾニトリル類が好ましく用いられる。以上のような低分子液晶性分子だけではなく、高分子液晶性分子も用いることができる。
棒状液晶化合物としては、アゾメチン類、アゾキシ類、シアノビフェニル類、シアノフェニルエステル類、安息香酸エステル類、シクロヘキサンカルボン酸フェニルエステル類、シアノフェニルシクロヘキサン類、シアノ置換フェニルピリミジン類、アルコキシ置換フェニルピリミジン類、フェニルジオキサン類、トラン類、および、アルケニルシクロヘキシルベンゾニトリル類が好ましく用いられる。以上のような低分子液晶性分子だけではなく、高分子液晶性分子も用いることができる。
棒状液晶化合物を重合によって配向を固定することがより好ましく、重合性棒状液晶化合物としては、Makromol. Chem., 190巻、2255頁(1989年)、Advanced Materials 5巻、107頁(1993年)、米国特許4683327号明細書、同5622648号明細書、同5770107号明細書、国際公開第95/22586号、同95/24455号、同97/00600号、同98/23580号、同98/52905号、特開平1-272551号公報、同6-16616号公報、同7-110469号公報、同11-80081号公報、および、特願2001-64627号公報などに記載の化合物を用いることができる。さらに棒状液晶化合物としては、例えば、特表平11-513019号公報および特開2007-279688号公報に記載のものも好ましく用いることができる。
--円盤状液晶化合物--
円盤状液晶化合物としては、例えば、特開2007-108732号公報および特開2010-244038号公報に記載のものを好ましく用いることができる。
なお、光学異方性層に円盤状液晶化合物を用いた場合には、光学異方性層において、液晶化合物30は厚さ方向に立ち上がっており、液晶化合物に由来する光学軸30Aは、円盤面に垂直な軸、いわゆる進相軸として定義される(図19参照)。
円盤状液晶化合物としては、例えば、特開2007-108732号公報および特開2010-244038号公報に記載のものを好ましく用いることができる。
なお、光学異方性層に円盤状液晶化合物を用いた場合には、光学異方性層において、液晶化合物30は厚さ方向に立ち上がっており、液晶化合物に由来する光学軸30Aは、円盤面に垂直な軸、いわゆる進相軸として定義される(図19参照)。
--キラル剤(光学活性化合物)--
キラル剤(カイラル剤)は光学異方性層における液晶化合物30の捩れ配向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捩れ方向または捩れの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)は光学異方性層における液晶化合物30の捩れ配向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捩れ方向または捩れの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。
<波長選択性位相差層>
本発明の光学素子10は、第1光学異方性部材12と第2光学異方性部材14との間に、波長選択性位相差層18Gを設けたものである。
本発明の光学素子において、波長選択性位相差層とは、特定の波長域の円偏光を、逆の旋回方向の円偏光に変換する部材である。
図示例の光学素子において、波長選択性位相差層18Gは、緑色光の円偏光を選択的に逆の旋回方向の円偏光に変換するものであり、緑色光の右円偏光を緑色光の左円偏光に変換し、また、緑色光の左円偏光を緑色光の右円偏光に変換する。
また、波長選択性位相差層18Gは、緑色光の円偏光以外の光は、そのまま透過(素抜け)する。従って、緑色光の円偏光以外の円偏光は、旋回方向を保って透過する。
本発明の光学素子10は、第1光学異方性部材12と第2光学異方性部材14との間に、波長選択性位相差層18Gを設けたものである。
本発明の光学素子において、波長選択性位相差層とは、特定の波長域の円偏光を、逆の旋回方向の円偏光に変換する部材である。
図示例の光学素子において、波長選択性位相差層18Gは、緑色光の円偏光を選択的に逆の旋回方向の円偏光に変換するものであり、緑色光の右円偏光を緑色光の左円偏光に変換し、また、緑色光の左円偏光を緑色光の右円偏光に変換する。
また、波長選択性位相差層18Gは、緑色光の円偏光以外の光は、そのまま透過(素抜け)する。従って、緑色光の円偏光以外の円偏光は、旋回方向を保って透過する。
言い換えれば、本発明において、波長選択性位相差層とは、特定の波長域のみ位相をπずらすものである。このような波長選択性位相差層は、例えば、特定の波長域のみに作用するλ/2板と言うこともできる。
このような波長選択性位相差層は、例えば、位相差が異なる複数の位相差板を積層することによって作製できる。
一例として、波長選択性位相差層は、特表2000-510961号公報およびSID 99 DIGEST, pp.1072-1075等に記載される波長選択性位相差層を用いることができる。
この波長選択性位相差層は、複数の位相差板(位相差層)を異なる遅相軸角度(遅相軸方位)で積層することにより、特定の波長域の直線偏光を、逆の直線偏光に変換するものである。なお、複数の位相差板は、全ての遅相軸の角度が互いに異なる構成に制限はされず、少なくとも1層の遅相軸角度が、他の位相差板と異なっていればよい。
位相差板は、少なくとも1層は、順分散性を有しているのが好ましい。少なくとも1層の位相差板が順分散性を有していることにより、複数の位相差板を異なる遅相軸角度で積層することで、特定の波長域のみに作用するλ/2板を実現することができる。
一方、特表2000-510961号公報およびSID 99 DIGEST, pp.1072-1075に記載される波長選択性位相差層は、直線偏光を選択的に逆の直線偏光に変換する。
本発明において波長選択性位相差層は、特定の波長域の円偏光を、逆の旋回方向の円偏光に変換するものである。そのため、特表2000-510961号公報およびSID 99 DIGEST, pp.1072-1075などに記載されている波長選択性位相差層の両面にλ/4板を付与して用いるのが好ましい。
λ/4板としてはポリマー、液晶化合物の硬化層、および、構造複屈折層等、種々の位相差板を用いることができる。
λ/4板は、逆分散性を有するのが好ましい。λ/4板が逆分散性を有していることにより、広帯域の波長の入射光に対応できる。
λ/4板は複数の位相差板を積層し、実効的にλ/4として機能する位相差層を用いるのも好ましい。例えば、国際公開第2013/137464号に記載される、λ/2板とλ/4板とを組み合わせて広帯域化したλ/4板は、広帯域の波長の入射光に対応でき、好ましく用いることができる。
一例として、波長選択性位相差層は、特表2000-510961号公報およびSID 99 DIGEST, pp.1072-1075等に記載される波長選択性位相差層を用いることができる。
この波長選択性位相差層は、複数の位相差板(位相差層)を異なる遅相軸角度(遅相軸方位)で積層することにより、特定の波長域の直線偏光を、逆の直線偏光に変換するものである。なお、複数の位相差板は、全ての遅相軸の角度が互いに異なる構成に制限はされず、少なくとも1層の遅相軸角度が、他の位相差板と異なっていればよい。
位相差板は、少なくとも1層は、順分散性を有しているのが好ましい。少なくとも1層の位相差板が順分散性を有していることにより、複数の位相差板を異なる遅相軸角度で積層することで、特定の波長域のみに作用するλ/2板を実現することができる。
一方、特表2000-510961号公報およびSID 99 DIGEST, pp.1072-1075に記載される波長選択性位相差層は、直線偏光を選択的に逆の直線偏光に変換する。
本発明において波長選択性位相差層は、特定の波長域の円偏光を、逆の旋回方向の円偏光に変換するものである。そのため、特表2000-510961号公報およびSID 99 DIGEST, pp.1072-1075などに記載されている波長選択性位相差層の両面にλ/4板を付与して用いるのが好ましい。
λ/4板としてはポリマー、液晶化合物の硬化層、および、構造複屈折層等、種々の位相差板を用いることができる。
λ/4板は、逆分散性を有するのが好ましい。λ/4板が逆分散性を有していることにより、広帯域の波長の入射光に対応できる。
λ/4板は複数の位相差板を積層し、実効的にλ/4として機能する位相差層を用いるのも好ましい。例えば、国際公開第2013/137464号に記載される、λ/2板とλ/4板とを組み合わせて広帯域化したλ/4板は、広帯域の波長の入射光に対応でき、好ましく用いることができる。
<光学素子の作用>
上述のように、液晶化合物を含む組成物を用いて形成された、光学軸30Aの方向が矢印X方向に沿って回転する液晶配向パターンを有する光学異方性層は、円偏光を屈折させる。ここで、屈折の角度は、光の波長によって異なる。具体的には、長波長の光ほど、屈折の角度が大きい。従って、例えば、入射光が赤色光、緑色光および青色光である場合には、赤色光が最も大きく屈折し、青色光の屈折が最も小さい。
そのため、例えば、ARグラスの導光板において、導光板への光の入射および出射のための回折素子として、光学軸30Aの向きが回転する上述の液晶配向パターンを有する光学異方性層による光学素子を用いた場合には、フルカラー画像では、赤色光と緑色光と青色光とで透過方向が異なってしまい、赤色画像と緑色画像と青色画像とが一致しない、いわゆる色ズレを有する画像が観察されてしまう。
非特許文献1に記載されるように、赤色画像、緑色画像および青色画像のそれぞれに対応して導光板を設け、3枚の導光板を積層した構成とすることで、色ズレは解消できる。しかしながら、この構成では、全体として導光板が厚く、かつ、重くなってしまい、さらに、構成も複雑になってしまう。
上述のように、液晶化合物を含む組成物を用いて形成された、光学軸30Aの方向が矢印X方向に沿って回転する液晶配向パターンを有する光学異方性層は、円偏光を屈折させる。ここで、屈折の角度は、光の波長によって異なる。具体的には、長波長の光ほど、屈折の角度が大きい。従って、例えば、入射光が赤色光、緑色光および青色光である場合には、赤色光が最も大きく屈折し、青色光の屈折が最も小さい。
そのため、例えば、ARグラスの導光板において、導光板への光の入射および出射のための回折素子として、光学軸30Aの向きが回転する上述の液晶配向パターンを有する光学異方性層による光学素子を用いた場合には、フルカラー画像では、赤色光と緑色光と青色光とで透過方向が異なってしまい、赤色画像と緑色画像と青色画像とが一致しない、いわゆる色ズレを有する画像が観察されてしまう。
非特許文献1に記載されるように、赤色画像、緑色画像および青色画像のそれぞれに対応して導光板を設け、3枚の導光板を積層した構成とすることで、色ズレは解消できる。しかしながら、この構成では、全体として導光板が厚く、かつ、重くなってしまい、さらに、構成も複雑になってしまう。
これに対し、本発明の光学素子は、1層以上の光学異方性層を有する光学異方性部材を配列し、配列される光学異方性部材の内の、隣接する2つの光学異方性部材の少なくとも1対の間に波長選択性位相差層を有し、さらに、光学異方性部材の光学異方性層が、液晶化合物由来の光学軸の向きが一方向に向かって回転する液晶配向パターンを有し、かつ、少なくとも1つの光学異方性部材の光学異方性層の液晶配向パターンの1周期が、他の光学異方性部材の光学異方性層とは異なる。
さらに、本発明の光学素子は、光学異方性層を構成する液晶化合物が、厚さ方向に捩れ配向されており、かつ、光学異方性部材は、面内における液晶配向パターンが等しく、捩れ方向が互いに異なる2層の光学異方性層を積層している。
このような本発明の光学素子によれば、光の屈折角度の波長依存性を大幅に低減して、波長が異なる高光量の光を、ほぼ同じ方向に屈折して透過・出射できる。
そのため、本発明の光学素子(一例として後述する光学素子32)を、例えば、ARグラスにおいて、導光板に光を入射させる回折素子および/または導光板から光を出射させる回折素子として用いることにより、高光量の光を、1枚の導光板で、色ズレを生じることなく、赤色画像、緑色画像および青色画像を伝播して、明るく適正な画像を使用者に表示できる。
さらに、本発明の光学素子は、光学異方性層を構成する液晶化合物が、厚さ方向に捩れ配向されており、かつ、光学異方性部材は、面内における液晶配向パターンが等しく、捩れ方向が互いに異なる2層の光学異方性層を積層している。
このような本発明の光学素子によれば、光の屈折角度の波長依存性を大幅に低減して、波長が異なる高光量の光を、ほぼ同じ方向に屈折して透過・出射できる。
そのため、本発明の光学素子(一例として後述する光学素子32)を、例えば、ARグラスにおいて、導光板に光を入射させる回折素子および/または導光板から光を出射させる回折素子として用いることにより、高光量の光を、1枚の導光板で、色ズレを生じることなく、赤色画像、緑色画像および青色画像を伝播して、明るく適正な画像を使用者に表示できる。
以下、図9および図10の概念図を参照して、光学素子10の作用を詳細に説明する。
なお、本発明の光学素子において、光学的な作用を発現するのは、基本的に、光学異方性層および波長選択性位相差層のみである。そのため、図面を簡略化して、構成および作用効果を明確に示すために、図9では、第1光学異方性部材12は、右捩れ光学異方性層26Apおよび左捩れ光学異方性層26Amのみを示し、第2光学異方性部材14は、右捩れ光学異方性層26Bpおよび左捩れ光学異方性層26Bmのみを示し、かつ、図示した部材は配列方向に離間して示す。この点に関しては、後述する図12も同様である。
なお、本発明の光学素子において、光学的な作用を発現するのは、基本的に、光学異方性層および波長選択性位相差層のみである。そのため、図面を簡略化して、構成および作用効果を明確に示すために、図9では、第1光学異方性部材12は、右捩れ光学異方性層26Apおよび左捩れ光学異方性層26Amのみを示し、第2光学異方性部材14は、右捩れ光学異方性層26Bpおよび左捩れ光学異方性層26Bmのみを示し、かつ、図示した部材は配列方向に離間して示す。この点に関しては、後述する図12も同様である。
上述のように、光学素子10は、右捩れ光学異方性層26Apおよび左捩れ光学異方性層26Amを有する第1光学異方性部材12と、右捩れ光学異方性層26Bpおよび左捩れ光学異方性層26Bmを有する第2光学異方性部材14との間に、緑色光の円偏光の旋回方向を逆方向に変換する波長選択性位相差層18Gを設けたものである。
光学素子10は、一例として、青色光の円偏光および緑色光の円偏光を対象として、入射光を所定の方向に屈折して透過させる。なお、図9では、入射光を右円偏光としているが、入射光が左円偏光でも、屈折の方向が逆になるだけで、作用効果は同じである。
光学素子10は、一例として、青色光の円偏光および緑色光の円偏光を対象として、入射光を所定の方向に屈折して透過させる。なお、図9では、入射光を右円偏光としているが、入射光が左円偏光でも、屈折の方向が逆になるだけで、作用効果は同じである。
光学素子10において、緑色光の右円偏光GRおよび青色光の右円偏光BRは、まず、第1光学異方性部材12の右捩れ光学異方性層26Apと左捩れ光学異方性層26Amとの積層体に入射する(図5の入射光L4参照)。
上述のように、面内において、光学軸30Aの向きが連続的に回転して変化する、同じ液晶配向パターンを有し、かつ、液晶化合物30が、厚さ方向に捩れ配向され、かつ、液晶化合物30の捩れ方向が逆である2層の光学異方性層の積層体は、図4および図5に示す、面内で同様の液晶配向パターンを有し、かつ、液晶化合物が捩れ配向されていない光学異方性層26と、同様の作用を発現する。
従って、第1光学異方性部材12に入射した緑色光の右円偏光GRおよび青色光の右円偏光BRは、右捩れ光学異方性層26Apおよび左捩れ光学異方性層26Amによって、入射方向に対して矢印X方向とは逆方向に所定角度、屈折され、かつ、緑色光の左円偏光G1Lおよび青色光の左円偏光B1Lに変換される(図5の透過光L5参照)。
ここで、上述のように、光学軸30Aの向き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光学異方性層による屈折の角度は、波長の長い緑色光の方が大きい。そのため、図10に示すように、入射光に対する屈折の角度は、緑色光(G)の角度θG1の方が青色光(B)の角度θB1よりも大きい。
上述のように、面内において、光学軸30Aの向きが連続的に回転して変化する、同じ液晶配向パターンを有し、かつ、液晶化合物30が、厚さ方向に捩れ配向され、かつ、液晶化合物30の捩れ方向が逆である2層の光学異方性層の積層体は、図4および図5に示す、面内で同様の液晶配向パターンを有し、かつ、液晶化合物が捩れ配向されていない光学異方性層26と、同様の作用を発現する。
従って、第1光学異方性部材12に入射した緑色光の右円偏光GRおよび青色光の右円偏光BRは、右捩れ光学異方性層26Apおよび左捩れ光学異方性層26Amによって、入射方向に対して矢印X方向とは逆方向に所定角度、屈折され、かつ、緑色光の左円偏光G1Lおよび青色光の左円偏光B1Lに変換される(図5の透過光L5参照)。
ここで、上述のように、光学軸30Aの向き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光学異方性層による屈折の角度は、波長の長い緑色光の方が大きい。そのため、図10に示すように、入射光に対する屈折の角度は、緑色光(G)の角度θG1の方が青色光(B)の角度θB1よりも大きい。
左捩れ光学異方性層26Amを透過した緑色光の左円偏光G1Lおよび青色光の左円偏光B1Lは、次いで、波長選択性位相差層18Gに入射する。
上述のように、波長選択性位相差層18Gは、緑色光の円偏光のみ、逆の旋回方向の円偏光に変換して、他の円偏光は、旋回方向を保って透過(素抜け)するものである。
従って、緑色光の左円偏光G1Lおよび青色光の左円偏光B1Lが、波長選択性位相差層18Gに入射して、透過すると、青色光の左円偏光B1Lは、そのまま透過する。これに対して、緑色光の左円偏光G1Lは、緑色光の右円偏光G1Rに変換される。
上述のように、波長選択性位相差層18Gは、緑色光の円偏光のみ、逆の旋回方向の円偏光に変換して、他の円偏光は、旋回方向を保って透過(素抜け)するものである。
従って、緑色光の左円偏光G1Lおよび青色光の左円偏光B1Lが、波長選択性位相差層18Gに入射して、透過すると、青色光の左円偏光B1Lは、そのまま透過する。これに対して、緑色光の左円偏光G1Lは、緑色光の右円偏光G1Rに変換される。
波長選択性位相差層18Gを透過した緑色光の右円偏光G1Rおよび青色光の左円偏光B1Lは、次いで、第2光学異方性部材14の左捩れ光学異方性層26Bmと右捩れ光学異方性層26Bpとの積層体に入射する。
第1光学異方性部材12の左捩れ光学異方性層26Amと右捩れ光学異方性層26Apとの積層体と同様、第2光学異方性部材14の左捩れ光学異方性層26Bmと右捩れ光学異方性層26Bpとの積層体も、図4および図5に示す光学異方性層26と同様の作用を発現する。
従って、第2光学異方性部材14の左捩れ光学異方性層26Bmと右捩れ光学異方性層26Bpとの積層体に入射した緑色光の右円偏光G1Rおよび青色光の左円偏光B1Lは、同様に、屈折され、また、円偏光を逆の旋回方向の円偏光に変換され、緑色光の左円偏光G2Lおよび青色光の右円偏光B2Rとなって、出射される。
第1光学異方性部材12の左捩れ光学異方性層26Amと右捩れ光学異方性層26Apとの積層体と同様、第2光学異方性部材14の左捩れ光学異方性層26Bmと右捩れ光学異方性層26Bpとの積層体も、図4および図5に示す光学異方性層26と同様の作用を発現する。
従って、第2光学異方性部材14の左捩れ光学異方性層26Bmと右捩れ光学異方性層26Bpとの積層体に入射した緑色光の右円偏光G1Rおよび青色光の左円偏光B1Lは、同様に、屈折され、また、円偏光を逆の旋回方向の円偏光に変換され、緑色光の左円偏光G2Lおよび青色光の右円偏光B2Rとなって、出射される。
ここで、第2光学異方性部材14に入射する緑色光の右円偏光G1Rと青色光の左円偏光B1Lとは、円偏光の旋回方向が逆である。また、第1光学異方性部材12と第2光学異方性部材14とは、上述のように、光学異方性層における液晶化合物30の光学軸30Aの回転方向は逆である。
そのため、青色光の左円偏光B2Lは、さらに矢印X方向とは逆方向に屈折され、図10の左側に示すように、入射光(青色光の右円偏光BR)に対して、角度θB2で出射される(図5の透過光L5参照)。
これに対し、緑色光の右円偏光G1Rは、青色光とは円偏光の旋回方向が逆である。そのため図10の右側に示すように、緑色光の右円偏光G1Rは、第2光学異方性部材14では、第1光学異方性部材12とは逆に、屈折を戻されるように矢印Xに方向に屈折される(図4の透過光L2参照)。
また、各光学異方性層の1周期Λは、第1光学異方性部材12の1周期ΛAよりも第2光学異方性部材14の1周期ΛBの方が長いので、円偏光の屈折の角度は、第1光学異方性部材12を透過した際よりも小さい。
その結果、第2光学異方性部材14を透過した緑色光の左円偏光G2Lの角度θG2は、入射光(緑色光の右円偏光GR)に対して、先の第1光学異方性部材12を透過した緑色光の左円偏光G1L(右円偏光G1R)の角度θG1よも小さく、青色光の左円偏光B2Lの角度θB2と、殆ど同じ角度θG2で出射される。
そのため、青色光の左円偏光B2Lは、さらに矢印X方向とは逆方向に屈折され、図10の左側に示すように、入射光(青色光の右円偏光BR)に対して、角度θB2で出射される(図5の透過光L5参照)。
これに対し、緑色光の右円偏光G1Rは、青色光とは円偏光の旋回方向が逆である。そのため図10の右側に示すように、緑色光の右円偏光G1Rは、第2光学異方性部材14では、第1光学異方性部材12とは逆に、屈折を戻されるように矢印Xに方向に屈折される(図4の透過光L2参照)。
また、各光学異方性層の1周期Λは、第1光学異方性部材12の1周期ΛAよりも第2光学異方性部材14の1周期ΛBの方が長いので、円偏光の屈折の角度は、第1光学異方性部材12を透過した際よりも小さい。
その結果、第2光学異方性部材14を透過した緑色光の左円偏光G2Lの角度θG2は、入射光(緑色光の右円偏光GR)に対して、先の第1光学異方性部材12を透過した緑色光の左円偏光G1L(右円偏光G1R)の角度θG1よも小さく、青色光の左円偏光B2Lの角度θB2と、殆ど同じ角度θG2で出射される。
このように、本発明の光学素子10では、波長が長く、光学異方性層による屈折が大きい緑色光は、第1光学異方性部材12で矢印X方向と逆方向に屈折させた後、第2光学異方性部材14によって、屈折を戻すように矢印X方行に屈折させる。詳細には、本発明の光学素子10では、波長が長く、光学異方性層による屈折が大きい緑色光は、左捩れ光学異方性層26Amと右捩れ光学異方性層26Apとの積層体によって、矢印X方向と逆方向に屈折させた後、左捩れ光学異方性層26Bmと右捩れ光学異方性層26Bpとの積層体によって、屈折を戻すように矢印X方行に屈折させる。
これに対して、波長が短く、光学異方性層による屈折が小さい青色光は、第1光学異方性部材12および第2光学異方性部材14によって、共に矢印X方向と逆方向に屈折させる。
すなわち、光学素子10では、波長に起因する光学異方性層による屈折の大きさに応じて、屈折が大きい長波長の光は、最初に屈折させた後に、2回目では、逆方向に屈折させて屈折を戻す。これに対して、屈折が小さい短波長の光は、2回目も、1回目と同方向に屈折させる。これにより、入射光に対する、緑色光の屈折の角度θG2と、青色光の屈折の角度θB2とを、極めて近い角度にできる。
そのため、本発明の光学素子10によれば、入射した青色光と緑色光とを、ほぼ同様の角度で屈折して、ほぼ同じ方向に出射できる。しかも、光学異方性層は、液晶化合物が捩れ配向されたものであり、光学異方性部材は、捩れ方向が異なる2層の光学異方性層を積層したものであるので、出射する光(透過光)の光量も多い。
これに対して、波長が短く、光学異方性層による屈折が小さい青色光は、第1光学異方性部材12および第2光学異方性部材14によって、共に矢印X方向と逆方向に屈折させる。
すなわち、光学素子10では、波長に起因する光学異方性層による屈折の大きさに応じて、屈折が大きい長波長の光は、最初に屈折させた後に、2回目では、逆方向に屈折させて屈折を戻す。これに対して、屈折が小さい短波長の光は、2回目も、1回目と同方向に屈折させる。これにより、入射光に対する、緑色光の屈折の角度θG2と、青色光の屈折の角度θB2とを、極めて近い角度にできる。
そのため、本発明の光学素子10によれば、入射した青色光と緑色光とを、ほぼ同様の角度で屈折して、ほぼ同じ方向に出射できる。しかも、光学異方性層は、液晶化合物が捩れ配向されたものであり、光学異方性部材は、捩れ方向が異なる2層の光学異方性層を積層したものであるので、出射する光(透過光)の光量も多い。
上述のように、光学異方性層による屈折の光の角度は、光の波長が長いほど大きい。図示例において光学異方性層は、左捩れ光学異方性層26Am、右捩れ光学異方性層26Ap、左捩れ光学異方性層26Bmおよび右捩れ光学異方性層26Bpである。
また、光学異方性層による屈折の光の角度は、液晶配向パターンにおいて矢印X方向に沿って光学軸30Aの向きが180°回転する1周期Λが短いほど大きい。光学素子10では、一例として、図1にも示すように、第1光学異方性部材12の光学異方性層における液晶配向パターンの1周期ΛAが、第2光学異方性部材14の光学異方性層における液晶配向パターンの1周期ΛBよりも短い。すなわち、光入射側の第1光学異方性部材12の方が、大きく光を屈折させる。
従って、対象とする光の波長に対して、液晶配向パターンの1周期Λを調節することで、好適に、異なる波長の光の出射方向を同一方向にできる。
また、光学異方性層による屈折の光の角度は、液晶配向パターンにおいて矢印X方向に沿って光学軸30Aの向きが180°回転する1周期Λが短いほど大きい。光学素子10では、一例として、図1にも示すように、第1光学異方性部材12の光学異方性層における液晶配向パターンの1周期ΛAが、第2光学異方性部材14の光学異方性層における液晶配向パターンの1周期ΛBよりも短い。すなわち、光入射側の第1光学異方性部材12の方が、大きく光を屈折させる。
従って、対象とする光の波長に対して、液晶配向パターンの1周期Λを調節することで、好適に、異なる波長の光の出射方向を同一方向にできる。
図示例の光学素子10のように、2種の波長域の光を対象にする場合には、長波長の光の設計波長をλa、短波長の光の設計波長をλbとし(λa>λb)、1つ目の光学異方性部材の光学異方性層における液晶配向パターンの1周期をΛ1、2つ目の光学異方性部材の光学異方性層における液晶配向パターンの1周期をΛ2とした場合に、下記の式
Λ2=[(λa+λb)/(λa-λb)]Λ1
を満たす場合に、2種の波長域の光の出射方向を、ほぼ同方向にできる。なお、この式においては、第1光学異方性部材12および第2光学異方性部材14の、いずれを1つ目の光学異方性部材にしてもよい。
この点を考慮すると、本発明においては、2種の波長(波長域)の光を対象とする光学素子10においては、下記の式を満たすのが好ましい。
0.6*{[(λa+λb)/(λa-λb)]Λ1}≦Λ2
≦3.0*{[(λa+λb)/(λa-λb)]Λ1}
これにより、屈折の波長依存性を極めて小さくして、2種の波長域の光の出射方向を、ほぼ同方向にできる。
また、本発明において、2種の波長(波長域)の光を対象とする光学素子10は、下記の式を満たすのがより好ましく、
0.7*{[(λa+λb)/(λa-λb)]Λ1}≦Λ2
≦1.8*{[(λa+λb)/(λa-λb)]Λ1}
下記の式を満たすのがさらに好ましく、
0.8*{[(λa+λb)/(λa-λb)]Λ1}≦Λ2
≦1.3*{[(λa+λb)/(λa-λb)]Λ1}
下記の式を満たすのが特に好ましい。
0.9*{[(λa+λb)/(λa-λb)]Λ1}≦Λ2
≦1.15*{[(λa+λb)/(λa-λb)]Λ1}
Λ2=[(λa+λb)/(λa-λb)]Λ1
を満たす場合に、2種の波長域の光の出射方向を、ほぼ同方向にできる。なお、この式においては、第1光学異方性部材12および第2光学異方性部材14の、いずれを1つ目の光学異方性部材にしてもよい。
この点を考慮すると、本発明においては、2種の波長(波長域)の光を対象とする光学素子10においては、下記の式を満たすのが好ましい。
0.6*{[(λa+λb)/(λa-λb)]Λ1}≦Λ2
≦3.0*{[(λa+λb)/(λa-λb)]Λ1}
これにより、屈折の波長依存性を極めて小さくして、2種の波長域の光の出射方向を、ほぼ同方向にできる。
また、本発明において、2種の波長(波長域)の光を対象とする光学素子10は、下記の式を満たすのがより好ましく、
0.7*{[(λa+λb)/(λa-λb)]Λ1}≦Λ2
≦1.8*{[(λa+λb)/(λa-λb)]Λ1}
下記の式を満たすのがさらに好ましく、
0.8*{[(λa+λb)/(λa-λb)]Λ1}≦Λ2
≦1.3*{[(λa+λb)/(λa-λb)]Λ1}
下記の式を満たすのが特に好ましい。
0.9*{[(λa+λb)/(λa-λb)]Λ1}≦Λ2
≦1.15*{[(λa+λb)/(λa-λb)]Λ1}
[光学素子の第2の態様]
以上の光学素子10は、緑色光および青色光という2種の波長域(設計波長)の光を対象とするものであるが、本発明の光学素子は、これに限定はされず、3種あるいはそれ以上の種類の波長域の光を対象として、入射光を屈折させて出射してもよい。
以上の光学素子10は、緑色光および青色光という2種の波長域(設計波長)の光を対象とするものであるが、本発明の光学素子は、これに限定はされず、3種あるいはそれ以上の種類の波長域の光を対象として、入射光を屈折させて出射してもよい。
図11に、その一例を示す。
なお、図11に示す光学素子32は、図1に示す光学素子10と同じ部材を多用するので、同じ部材には同じ符号を付し、以下の説明は、異なる部位を主に行う。
図11に示す光学素子32は、上述の光学素子10の第1光学異方性部材12、第2光学異方性部材14および波長選択性位相差層18Gに加え、第3光学異方性部材16および波長選択性位相差層18Rを有する。
なお、図11に示す光学素子32は、図1に示す光学素子10と同じ部材を多用するので、同じ部材には同じ符号を付し、以下の説明は、異なる部位を主に行う。
図11に示す光学素子32は、上述の光学素子10の第1光学異方性部材12、第2光学異方性部材14および波長選択性位相差層18Gに加え、第3光学異方性部材16および波長選択性位相差層18Rを有する。
第3光学異方性部材16は、第1光学異方性部材12等と同様の構成を有するものであり、支持体20と、配向膜24Cと、右捩れ光学異方性層26Cpおよび左捩れ光学異方性層26Cmとを有する。
配向膜24C、ならびに、右捩れ光学異方性層26Cpおよび左捩れ光学異方性層26Cmは、1周期Λが異なる以外は、上述の配向膜24A、ならびに、右捩れ光学異方性層26Apおよび左捩れ光学異方性層26Amと、同様のものである。従って、右捩れ光学異方性層26Cpと左捩れ光学異方性層26Cmとは、矢印X方向に沿って光学軸30Aが回転する液晶配向パターンは等しく、かつ、液晶化合物30の捩れ方向は、互いに逆である。
また、波長選択性位相差層18Rは、赤色光の円偏光を選択的に逆の旋回方向の円偏光に変換するものであり、赤色光の右円偏光を赤色光の左円偏光に変換し、また、赤色光の左円偏光を赤色光の右円偏光に変換し、それ以外の光は、そのまま透過させる。
配向膜24C、ならびに、右捩れ光学異方性層26Cpおよび左捩れ光学異方性層26Cmは、1周期Λが異なる以外は、上述の配向膜24A、ならびに、右捩れ光学異方性層26Apおよび左捩れ光学異方性層26Amと、同様のものである。従って、右捩れ光学異方性層26Cpと左捩れ光学異方性層26Cmとは、矢印X方向に沿って光学軸30Aが回転する液晶配向パターンは等しく、かつ、液晶化合物30の捩れ方向は、互いに逆である。
また、波長選択性位相差層18Rは、赤色光の円偏光を選択的に逆の旋回方向の円偏光に変換するものであり、赤色光の右円偏光を赤色光の左円偏光に変換し、また、赤色光の左円偏光を赤色光の右円偏光に変換し、それ以外の光は、そのまま透過させる。
光学素子32においては、第1光学異方性部材12の光学異方性層と、第3光学異方性部材16の光学異方性層とが、矢印X方向に沿った液晶化合物30の光学軸30Aの回転方向が等しく、第2光学異方性部材14の光学異方性層は、矢印X方向に沿った液晶化合物30の光学軸30Aの回転方向が他の2層の光学異方性層とは逆である。
図示例において、第1光学異方性部材12の光学異方性層は、右捩れ光学異方性層26Apおよび左捩れ光学異方性層26Amである。また、第3光学異方性部材16の光学異方性層は、右捩れ光学異方性層26Cpおよび左捩れ光学異方性層26Cmである。さらに、第2光学異方性部材14の光学異方性層は、右捩れ光学異方性層26Bpおよび左捩れ光学異方性層26Bmである。
また、光学素子32は、液晶配向パターンにおいて液晶化合物30の光学軸30Aが180°回転する矢印X方向の長さ1周期Λが、第1光学異方性部材12の光学異方性層の1周期ΛAが最も短く、第2光学異方性部材14の光学異方性層の1周期ΛBが最も長い。光学素子32は、第1光学異方性部材12側を、光入射側にする。すなわち、光学素子32においては、光入射側の第1光学異方性部材12の光学異方性層(積層体)が、最も、大きく光を屈折させる。
さらに、光学素子32は、第1光学異方性部材12と第2光学異方性部材14との間に、赤色光の円偏光の旋回方向を選択的に変換する波長選択性位相差層18Rを配置する。また、光学素子32は、第2光学異方性部材14と第3光学異方性部材16との間に、緑色光の円偏光の旋回方向を選択的に変換する波長選択性位相差層18Gを配置する。
図示例において、第1光学異方性部材12の光学異方性層は、右捩れ光学異方性層26Apおよび左捩れ光学異方性層26Amである。また、第3光学異方性部材16の光学異方性層は、右捩れ光学異方性層26Cpおよび左捩れ光学異方性層26Cmである。さらに、第2光学異方性部材14の光学異方性層は、右捩れ光学異方性層26Bpおよび左捩れ光学異方性層26Bmである。
また、光学素子32は、液晶配向パターンにおいて液晶化合物30の光学軸30Aが180°回転する矢印X方向の長さ1周期Λが、第1光学異方性部材12の光学異方性層の1周期ΛAが最も短く、第2光学異方性部材14の光学異方性層の1周期ΛBが最も長い。光学素子32は、第1光学異方性部材12側を、光入射側にする。すなわち、光学素子32においては、光入射側の第1光学異方性部材12の光学異方性層(積層体)が、最も、大きく光を屈折させる。
さらに、光学素子32は、第1光学異方性部材12と第2光学異方性部材14との間に、赤色光の円偏光の旋回方向を選択的に変換する波長選択性位相差層18Rを配置する。また、光学素子32は、第2光学異方性部材14と第3光学異方性部材16との間に、緑色光の円偏光の旋回方向を選択的に変換する波長選択性位相差層18Gを配置する。
以下、図12および図13を参照して、光学素子32の作用を詳細に説明する。
光学素子10は、一例として、赤色光の円偏光、緑色光の円偏光および青色光の円偏光を対象として、入射光を所定の方向に屈折して透過させる。なお、上述の図9と同様、図12では、入射光を右円偏光としているが、入射光が左円偏光でも、屈折の方向が逆になるだけで、作用効果は同じである。
光学素子10は、一例として、赤色光の円偏光、緑色光の円偏光および青色光の円偏光を対象として、入射光を所定の方向に屈折して透過させる。なお、上述の図9と同様、図12では、入射光を右円偏光としているが、入射光が左円偏光でも、屈折の方向が逆になるだけで、作用効果は同じである。
光学素子10において、赤色光の右円偏光RR、緑色光の右円偏光GRおよび青色光の右円偏光BR(図5の入射光L4参照)が、第1光学異方性部材12の右捩れ光学異方性層26Apと左捩れ光学異方性層26Amとの積層体に入射する。
上述のように、面内において、光学軸30Aの向きが連続的に回転して変化する、同じ液晶配向パターンを有し、かつ、液晶化合物30が、厚さ方向に捩れ配向され、かつ、液晶化合物30の捩れ方向が逆である2層の光学異方性層の積層体は、図4および図5に示す光学異方性層26と同様の作用を発現する。
従って、赤色光の右円偏光RR、緑色光の右円偏光GRおよび青色光の右円偏光BRが第1光学異方性部材12に入射すると、上述のように、入射方向に対して矢印X方向とは逆方向に、所定角度、屈折され、かつ、旋回方向が逆の、赤色光の左円偏光R1L、緑色光の左円偏光G1Lおよび青色光の左円偏光B1L(図5の透過光L5参照)に変換される。
ここで、上述のように、光学異方性層による屈折の角度は、波長が最も長い赤色光が最も大きく、波長が最も短い青色光が最も小さい。従って、入射光に対する屈折の角度は、図13に示すように、赤色光(R)の角度θR1が最も大きく、緑色光(G)の角度θG1が中間で、青色光(B)の角度θB1が最も小さい。なお、光学異方性層の1周期Λは、第1光学異方性部材12の光学異方性層の1周期ΛAが最も短いので、各光の屈折の角度は、第1光学異方性部材12を透過した際が最も大きい。
上述のように、面内において、光学軸30Aの向きが連続的に回転して変化する、同じ液晶配向パターンを有し、かつ、液晶化合物30が、厚さ方向に捩れ配向され、かつ、液晶化合物30の捩れ方向が逆である2層の光学異方性層の積層体は、図4および図5に示す光学異方性層26と同様の作用を発現する。
従って、赤色光の右円偏光RR、緑色光の右円偏光GRおよび青色光の右円偏光BRが第1光学異方性部材12に入射すると、上述のように、入射方向に対して矢印X方向とは逆方向に、所定角度、屈折され、かつ、旋回方向が逆の、赤色光の左円偏光R1L、緑色光の左円偏光G1Lおよび青色光の左円偏光B1L(図5の透過光L5参照)に変換される。
ここで、上述のように、光学異方性層による屈折の角度は、波長が最も長い赤色光が最も大きく、波長が最も短い青色光が最も小さい。従って、入射光に対する屈折の角度は、図13に示すように、赤色光(R)の角度θR1が最も大きく、緑色光(G)の角度θG1が中間で、青色光(B)の角度θB1が最も小さい。なお、光学異方性層の1周期Λは、第1光学異方性部材12の光学異方性層の1周期ΛAが最も短いので、各光の屈折の角度は、第1光学異方性部材12を透過した際が最も大きい。
第1光学異方性部材12を透過した赤色光の左円偏光R1L、緑色光の左円偏光G1Lおよび青色光の左円偏光B1Lは、次いで、波長選択性位相差層18Rに入射する。
上述のように、波長選択性位相差層18Rは、赤色光の円偏光のみ、逆の旋回方向の円偏光に変換して、他の光は、そのまま透過するものである。
従って、赤色光の左円偏光R1L、緑色光の左円偏光G1Lおよび青色光の左円偏光B1Lが、波長選択性位相差層18Rに入射して、透過すると、緑色光の左円偏光G1Lおよび青色光の左円偏光B1Lは、そのまま透過する。これに対して、赤色光の左円偏光R1Lは、赤色光の右円偏光R1Rに変換される。
上述のように、波長選択性位相差層18Rは、赤色光の円偏光のみ、逆の旋回方向の円偏光に変換して、他の光は、そのまま透過するものである。
従って、赤色光の左円偏光R1L、緑色光の左円偏光G1Lおよび青色光の左円偏光B1Lが、波長選択性位相差層18Rに入射して、透過すると、緑色光の左円偏光G1Lおよび青色光の左円偏光B1Lは、そのまま透過する。これに対して、赤色光の左円偏光R1Lは、赤色光の右円偏光R1Rに変換される。
波長選択性位相差層18Rを透過した赤色光の右円偏光R1R、緑色光の左円偏光G1Lおよび青色光の左円偏光B1Lは、次いで、第2光学異方性部材14の右捩れ光学異方性層26Bpと左捩れ光学異方性層26Bmとの積層体に入射する。
第2光学異方性部材14に入射した赤色光の右円偏光R1R、緑色光の左円偏光G1Lおよび青色光の左円偏光B1Lは、同様に、屈折され、また、逆の旋回方向の円偏光に変換され、赤色光の左円偏光R2L、緑色光の右円偏光G2Rおよび青色光の右円偏光B2Rとなって、出射される。
第2光学異方性部材14に入射した赤色光の右円偏光R1R、緑色光の左円偏光G1Lおよび青色光の左円偏光B1Lは、同様に、屈折され、また、逆の旋回方向の円偏光に変換され、赤色光の左円偏光R2L、緑色光の右円偏光G2Rおよび青色光の右円偏光B2Rとなって、出射される。
ここで、第2光学異方性部材14に入射する緑色光および青色光は、共に、左円偏光である。これに対して、第2光学異方性部材14に入射する赤色光は、波長選択性位相差層18Rによって円偏光の方向を変換された、緑色光および青色光とは旋回の方向が異なる右円偏光である。
また、第1光学異方性部材12の光学異方性層と、第2光学異方性部材14の光学異方性層とは、上述のように、液晶化合物30の光学軸30Aの回転方向が逆である。
そのため、右捩れ光学異方性層26Bpに入射した緑色光の左円偏光G2Lおよび青色光の左円偏光B2Lは、さらに、矢印X方向とは逆方向に屈折され、図13に示すように、入射光(緑色光の右円偏光GRおよび青色光の右円偏光BR)に対して、角度θG2および角度θB2で出射される(図5の透過光L5参照)。
これに対し、第2光学異方性部材14に入射した旋回方向が逆の赤色光の右円偏光R1Rは、図13の右側に示すように、第1光学異方性部材12とは逆に、屈折を戻されるように矢印X方向に屈折される(図4の透過光L2参照)。その結果、第2光学異方性部材14から出射される赤色光の左円偏光R2Lは、入射光(赤色光の右円偏光RR)に対して、角度θR1よりも角度が小さい、角度θR2で出射される。
なお、光学異方性層の1周期Λは、第2光学異方性部材14の光学異方性層の1周期ΛBが最も長いので、各光の屈折の角度は、第2光学異方性部材14を透過した際が最も小さい。
また、第1光学異方性部材12の光学異方性層と、第2光学異方性部材14の光学異方性層とは、上述のように、液晶化合物30の光学軸30Aの回転方向が逆である。
そのため、右捩れ光学異方性層26Bpに入射した緑色光の左円偏光G2Lおよび青色光の左円偏光B2Lは、さらに、矢印X方向とは逆方向に屈折され、図13に示すように、入射光(緑色光の右円偏光GRおよび青色光の右円偏光BR)に対して、角度θG2および角度θB2で出射される(図5の透過光L5参照)。
これに対し、第2光学異方性部材14に入射した旋回方向が逆の赤色光の右円偏光R1Rは、図13の右側に示すように、第1光学異方性部材12とは逆に、屈折を戻されるように矢印X方向に屈折される(図4の透過光L2参照)。その結果、第2光学異方性部材14から出射される赤色光の左円偏光R2Lは、入射光(赤色光の右円偏光RR)に対して、角度θR1よりも角度が小さい、角度θR2で出射される。
なお、光学異方性層の1周期Λは、第2光学異方性部材14の光学異方性層の1周期ΛBが最も長いので、各光の屈折の角度は、第2光学異方性部材14を透過した際が最も小さい。
第2光学異方性部材14を透過した赤色光の左円偏光R2L、緑色光の右円偏光G2Rおよび青色光の右円偏光B2Rは、次いで、波長選択性位相差層18Gに入射する。
上述のように、波長選択性位相差層18Gは、緑色光の円偏光のみ、逆の旋回方向の円偏光に変換して、他の光は、そのまま透過するものである。
従って、赤色光の左円偏光R2L、緑色光の右円偏光G2Rおよび青色光の右円偏光B2Rが,波長選択性位相差層18Gに入射して、透過すると、赤色光の左円偏光R2Lおよび青色光の右円偏光B2Rは、そのまま透過する。これに対して、緑色光の右円偏光G2Rは、旋回方向が逆の緑色光の左円偏光G2Lに変換される。
上述のように、波長選択性位相差層18Gは、緑色光の円偏光のみ、逆の旋回方向の円偏光に変換して、他の光は、そのまま透過するものである。
従って、赤色光の左円偏光R2L、緑色光の右円偏光G2Rおよび青色光の右円偏光B2Rが,波長選択性位相差層18Gに入射して、透過すると、赤色光の左円偏光R2Lおよび青色光の右円偏光B2Rは、そのまま透過する。これに対して、緑色光の右円偏光G2Rは、旋回方向が逆の緑色光の左円偏光G2Lに変換される。
波長選択性位相差層18Gを透過した赤色光の左円偏光R2L、緑色光の左円偏光G2Lおよび青色光の右円偏光B2Rは、次いで、第3光学異方性部材16の右捩れ光学異方性層26Cpと左捩れ光学異方性層26Cmとの積層体に入射する。
第3光学異方性部材16に入射した赤色光の左円偏光R2L、緑色光の左円偏光G2Lおよび青色光の右円偏光B2Rは、同様に、屈折され、また、円偏光を逆の旋回方向の円偏光に変換され、赤色光の右円偏光R3R、緑色光の右円偏光G3Rおよび青色光の左円偏光B3Lとなって、出射される。
第3光学異方性部材16に入射した赤色光の左円偏光R2L、緑色光の左円偏光G2Lおよび青色光の右円偏光B2Rは、同様に、屈折され、また、円偏光を逆の旋回方向の円偏光に変換され、赤色光の右円偏光R3R、緑色光の右円偏光G3Rおよび青色光の左円偏光B3Lとなって、出射される。
ここで、第3光学異方性部材16に入射する青色光は、青色光の右円偏光B2Rである。また、赤色光は、先に波長選択性位相差層18Rで円偏光の方向を変換されているので、第3光学異方性部材16に入射する赤色光は、青色光とは円偏光の方向が異なる赤色光の左円偏光R2Lである。さらに、第3光学異方性部材16に入射する緑色光は、波長選択性位相差層18Gによって円偏光の方向を変換された緑色光の左円偏光G2Lである。
すなわち、第3光学異方性部材16に入射するのは、青色光が右円偏光で、赤色光および緑色光が、波長選択性位相差層によって旋回方向が変換された左円偏光である。
また、第2光学異方性部材14の光学異方性層と、第3光学異方性部材16の光学異方性層とは、上述のように、液晶化合物30の光学軸30Aの回転方向は逆である。
すなわち、第3光学異方性部材16に入射するのは、青色光が右円偏光で、赤色光および緑色光が、波長選択性位相差層によって旋回方向が変換された左円偏光である。
また、第2光学異方性部材14の光学異方性層と、第3光学異方性部材16の光学異方性層とは、上述のように、液晶化合物30の光学軸30Aの回転方向は逆である。
そのため、図12および図13に示すように、第3光学異方性層26Cに入射した青色光の右円偏光B2Rは、さらに、矢印X方向とは逆方向に屈折され、図13に示すように、入射光(青色光の右円偏光BR)に対して、角度θB3で出射される。
これに対し、円偏光の方向が逆の赤色光の左円偏光R2Lは、第3光学異方性部材16に入射すると、さらに、矢印X方向に戻されるように屈折される。その結果、第3光学異方性部材16から出射される赤色光の右円偏光R3Rは、入射光(赤色光の右円偏光RR)に対して、先の角度θR2よりも角度が小さい、角度θR3で出射される。
同様に、青色光とは円偏光が逆の緑色光の左円偏光G2Lは、第3光学異方性部材16に入射すると、図10の中央に示すように、今までとは逆に、矢印Xに戻されるように屈折される。その結果、第3光学異方性部材16から出射される緑色光の右円偏光G3Rは、入射光(緑色光の右円偏光GR)に対して、角度θG2よりも角度が小さい、角度θG3で出射される。
なお、光学異方性層の1周期Λは、第3光学異方性部材16の光学異方性層の1周期ΛCは、他の光学異方性部材の間なので、第3光学異方性部材16を透過する光の屈折の角度は、第1光学異方性部材12と第2光学異方性部材14との間の角度となる。
これに対し、円偏光の方向が逆の赤色光の左円偏光R2Lは、第3光学異方性部材16に入射すると、さらに、矢印X方向に戻されるように屈折される。その結果、第3光学異方性部材16から出射される赤色光の右円偏光R3Rは、入射光(赤色光の右円偏光RR)に対して、先の角度θR2よりも角度が小さい、角度θR3で出射される。
同様に、青色光とは円偏光が逆の緑色光の左円偏光G2Lは、第3光学異方性部材16に入射すると、図10の中央に示すように、今までとは逆に、矢印Xに戻されるように屈折される。その結果、第3光学異方性部材16から出射される緑色光の右円偏光G3Rは、入射光(緑色光の右円偏光GR)に対して、角度θG2よりも角度が小さい、角度θG3で出射される。
なお、光学異方性層の1周期Λは、第3光学異方性部材16の光学異方性層の1周期ΛCは、他の光学異方性部材の間なので、第3光学異方性部材16を透過する光の屈折の角度は、第1光学異方性部材12と第2光学異方性部材14との間の角度となる。
すなわち、光学素子32においては、最も長波長で、光学異方性層による屈折が大きい赤色光は、まず、第1光学異方性部材12(左捩れ光学異方性層26Amおよび右捩れ光学異方性層26Ap)よって矢印X方向とは逆の方向に屈折される。赤色光は、その後、第2光学異方性部材14(左捩れ光学異方性層26Bmおよび右捩れ光学異方性層26Bp)および第3光学異方性部材16(左捩れ光学異方性層26Cmおよび右捩れ光学異方性層26Cp)によって、2回、逆の矢印X方向に屈折される。
また、2番目に長波長で、光学異方性層による屈折が2番目に大きい緑色光は、第1光学異方性部材12および第2光学異方性部材14によって矢印X方向とは逆の方向に屈折された後、第3光学異方性部材16によって、1回、逆の矢印X方向に屈折される。
さらに、最も短波長で、光学異方性層による屈折が最も小さい青色光は、第1光学異方性部材12、第2光学異方性部材14および第3光学異方性部材16によって、3回、矢印X方向とは逆の方向に屈折される。
このように、本発明の光学素子32は、好ましい態様として、最初に、全ての光を同じ方向に大きく屈折させた後、再度、1以上の光学異方性部材によって光を屈折させると共に、波長に応じた光学異方性層による屈折の大きさに応じて、最も長波長の光は、最も多くの回数、最初の屈折とは逆方向に戻すように屈折させ、波長が短くなるに応じて、最初の屈折とは逆方向に戻す屈折の回数を低減し、最も短波長の光は、最初の屈折とは逆方向に戻す屈折の回数を最も少なくする。これにより、入射光に対する、赤色光の屈折の角度θR3と、緑色光の屈折の角度θG3と、青色光の屈折の角度θB3とを、極めて近い角度にできる。
そのため、本発明の光学素子32によれば、入射した赤色光、青色光および緑色光を、ほぼ同様の角度で屈折して、ほぼ同じ方向に出射できる。しかも、光学異方性層は、液晶化合物が捩れ配向されたものであり、光学異方性部材は、捩れ方向が異なる2層の光学異方性層を積層したものであるので、出射する光(透過光)の光量も多い。
また、2番目に長波長で、光学異方性層による屈折が2番目に大きい緑色光は、第1光学異方性部材12および第2光学異方性部材14によって矢印X方向とは逆の方向に屈折された後、第3光学異方性部材16によって、1回、逆の矢印X方向に屈折される。
さらに、最も短波長で、光学異方性層による屈折が最も小さい青色光は、第1光学異方性部材12、第2光学異方性部材14および第3光学異方性部材16によって、3回、矢印X方向とは逆の方向に屈折される。
このように、本発明の光学素子32は、好ましい態様として、最初に、全ての光を同じ方向に大きく屈折させた後、再度、1以上の光学異方性部材によって光を屈折させると共に、波長に応じた光学異方性層による屈折の大きさに応じて、最も長波長の光は、最も多くの回数、最初の屈折とは逆方向に戻すように屈折させ、波長が短くなるに応じて、最初の屈折とは逆方向に戻す屈折の回数を低減し、最も短波長の光は、最初の屈折とは逆方向に戻す屈折の回数を最も少なくする。これにより、入射光に対する、赤色光の屈折の角度θR3と、緑色光の屈折の角度θG3と、青色光の屈折の角度θB3とを、極めて近い角度にできる。
そのため、本発明の光学素子32によれば、入射した赤色光、青色光および緑色光を、ほぼ同様の角度で屈折して、ほぼ同じ方向に出射できる。しかも、光学異方性層は、液晶化合物が捩れ配向されたものであり、光学異方性部材は、捩れ方向が異なる2層の光学異方性層を積層したものであるので、出射する光(透過光)の光量も多い。
図示例の光学素子32のように、3種の波長域の光を対象にする場合には、最も長波長の光の設計波長をλa、中間の波長の光の設計波長をλb、最も短波長の光の設計波長をλcとし(λa>λb>λc)、1つ目の光学異方性部材の光学異方性層における液晶配向パターンの1周期をΛ1、2つ目の光学異方性部材における光学異方性層の液晶配向パターンの1周期をΛ2、3つ目の光学異方性部材における光学異方性層における液晶配向パターン1周期をΛ3とした場合に、下記の2つの式
Λ2=[(λa+λc)λb/(λa-λb)λc]Λ1、
Λ3=[(λa+λc)λb/(λb-λc)λa]Λ1
を満たす場合に、2種の波長域の光の出射方向を、ほぼ同方向にできる。なお、この式においては、第1光学異方性部材12および第3光学異方性部材16の、いずれを1つ目にしてもよい。
この点を考慮すると、本発明においては、3種の波長(波長域)の光を対象とする光学素子32においては、下記の2式の少なくとも一方を満たすのが好ましく、両方を満たすのがより好ましい。
0.6*{[(λa+λc)λb/(λa-λb)λc]Λ1}≦Λ2
≦3.0*{[(λa+λc)λb/(λa-λb)λc]Λ1}
0.6*{[(λa+λc)λb/(λb-λc)λa]Λ1}≦Λ3
≦3.0*{[(λa+λc)λb/(λb-λc)λa]Λ1}
これにより、屈折の波長依存性を極めて小さくして、2種の波長域の光の出射方向を、ほぼ同方向にできる。
また、本発明においては、3種の波長(波長域)の光を対象とする光学素子32は、下記の2式を満たすのがより好ましく、
0.7*{[(λa+λc)λb/(λa-λb)λc]Λ1}≦Λ2
≦1.8*{[(λa+λc)λb/(λa-λb)λc]Λ1}
0.7*{[(λa+λc)λb/(λb-λc)λa]Λ1}≦Λ3
≦1.8*{[(λa+λc)λb/(λb-λc)λa]Λ1}
下記の2式を満たすのがさらに好ましく、
0.8*{[(λa+λc)λb/(λa-λb)λc]Λ1}≦Λ2
≦1.3*{[(λa+λc)λb/(λa-λb)λc]Λ1}
0.8*{[(λa+λc)λb/(λb-λc)λa]Λ1}≦Λ3
≦1.3*{[(λa+λc)λb/(λb-λc)λa]Λ1}
下記の2式を満たすのが特に好ましい。
0.9*{[(λa+λc)λb/(λa-λb)λc]Λ1}≦Λ2
≦1.15*{[(λa+λc)λb/(λa-λb)λc]Λ1}
0.9*{[(λa+λc)λb/(λb-λc)λa]Λ1}≦Λ3
≦1.15*{[(λa+λc)λb/(λb-λc)λa]Λ1}
Λ2=[(λa+λc)λb/(λa-λb)λc]Λ1、
Λ3=[(λa+λc)λb/(λb-λc)λa]Λ1
を満たす場合に、2種の波長域の光の出射方向を、ほぼ同方向にできる。なお、この式においては、第1光学異方性部材12および第3光学異方性部材16の、いずれを1つ目にしてもよい。
この点を考慮すると、本発明においては、3種の波長(波長域)の光を対象とする光学素子32においては、下記の2式の少なくとも一方を満たすのが好ましく、両方を満たすのがより好ましい。
0.6*{[(λa+λc)λb/(λa-λb)λc]Λ1}≦Λ2
≦3.0*{[(λa+λc)λb/(λa-λb)λc]Λ1}
0.6*{[(λa+λc)λb/(λb-λc)λa]Λ1}≦Λ3
≦3.0*{[(λa+λc)λb/(λb-λc)λa]Λ1}
これにより、屈折の波長依存性を極めて小さくして、2種の波長域の光の出射方向を、ほぼ同方向にできる。
また、本発明においては、3種の波長(波長域)の光を対象とする光学素子32は、下記の2式を満たすのがより好ましく、
0.7*{[(λa+λc)λb/(λa-λb)λc]Λ1}≦Λ2
≦1.8*{[(λa+λc)λb/(λa-λb)λc]Λ1}
0.7*{[(λa+λc)λb/(λb-λc)λa]Λ1}≦Λ3
≦1.8*{[(λa+λc)λb/(λb-λc)λa]Λ1}
下記の2式を満たすのがさらに好ましく、
0.8*{[(λa+λc)λb/(λa-λb)λc]Λ1}≦Λ2
≦1.3*{[(λa+λc)λb/(λa-λb)λc]Λ1}
0.8*{[(λa+λc)λb/(λb-λc)λa]Λ1}≦Λ3
≦1.3*{[(λa+λc)λb/(λb-λc)λa]Λ1}
下記の2式を満たすのが特に好ましい。
0.9*{[(λa+λc)λb/(λa-λb)λc]Λ1}≦Λ2
≦1.15*{[(λa+λc)λb/(λa-λb)λc]Λ1}
0.9*{[(λa+λc)λb/(λb-λc)λa]Λ1}≦Λ3
≦1.15*{[(λa+λc)λb/(λb-λc)λa]Λ1}
本発明の光学素子においては、上述のように、複数の光学異方性部材を配列して、光の波長に応じて、長波長で光学異方性層による屈折の大きい光ほど、多くの回数、最初の光学異方性部材とは逆方向に屈折させることで、波長の異なる光を、ほぼ同じ角度で屈折させて、ほぼ同じ方向に出射することを可能にしている。
そのため、本発明の光学素子が、複数の波長選択性位相差層を有する場合には、図11および図12に示す光学素子32と同様、波長選択性位相差層は、光学異方性部材の配列方向に、漸次、円偏光を逆の旋回方向に変換する光の波長域が短くなるのが好ましい。
そのため、本発明の光学素子が、複数の波長選択性位相差層を有する場合には、図11および図12に示す光学素子32と同様、波長選択性位相差層は、光学異方性部材の配列方向に、漸次、円偏光を逆の旋回方向に変換する光の波長域が短くなるのが好ましい。
また、本発明の光学素子では、最初の光学異方性部材の光学異方性層による屈折を大きくして、それ以降は、徐々に同方向に屈折させ、また、徐々に逆方向に屈折を戻した方が、各光の屈折を制御し易く、各光の屈折を均一にし易い。この点を考慮すると、図11および図12に示される光学素子32と同様、配列方向の最も端に位置する光学異方性部材の光学異方性層の液晶配向パターンの1周期Λをもっとも短くするのが好ましい。すなわち、配列方向の最も端に位置する光学異方性部材による屈折を、最も大きくするのが好ましい。
なお、本発明の光学素子において、光学異方性部材における光学異方性層の液晶配向パターンの1周期Λは、光学異方性部材の配列方向に、漸次、大きくなる構成でもよい。あるいは、図11および図12に示す光学素子32のように、光学異方性層の液晶配向パターンの1周期Λが最も大きい光学異方性部材と、光学異方性層の液晶配向パターンの1周期Λが最も小さい光学異方性部材との間に、光学異方性層の液晶配向パターンの1周期Λが中間の光学異方性部材を設ける構成など、光学異方性部材の光学異方性層の液晶配向パターンの1周期Λの変化が、光学異方性部材の配列方向に不規則であってもよい。すなわち、本発明の光学素子において、各光学異方性部材の光学異方性層の液晶配向パターンの1周期Λは、光の波長、および、光学異方性部材(光学異方性層)による屈折率に応じて、適宜、設定すればよい。
なお、本発明の光学素子において、光学異方性部材における光学異方性層の液晶配向パターンの1周期Λは、光学異方性部材の配列方向に、漸次、大きくなる構成でもよい。あるいは、図11および図12に示す光学素子32のように、光学異方性層の液晶配向パターンの1周期Λが最も大きい光学異方性部材と、光学異方性層の液晶配向パターンの1周期Λが最も小さい光学異方性部材との間に、光学異方性層の液晶配向パターンの1周期Λが中間の光学異方性部材を設ける構成など、光学異方性部材の光学異方性層の液晶配向パターンの1周期Λの変化が、光学異方性部材の配列方向に不規則であってもよい。すなわち、本発明の光学素子において、各光学異方性部材の光学異方性層の液晶配向パターンの1周期Λは、光の波長、および、光学異方性部材(光学異方性層)による屈折率に応じて、適宜、設定すればよい。
本発明の光学素子においては、複数の波長選択性位相差層を有する場合には、基本的に、図11および図12に示す光学素子32と同様に、光学異方性部材と波長選択性位相差層とは、交互に配列される。この際においては、波長選択性位相差層の層数は、光学異方性部材の層数よりも、1層、少ないのが好ましい。
しかしながら、本発明は、これに制限はされず、例えば、光学異方性層を、複数枚、連続的に配列させて、複数の光学異方性層で連続して屈折させた光を、波長選択性位相差層に入射するようにしてもよい。
また、2枚の光学異方性部材の間に、複数枚の波長選択性位相差層を配置してもよい。しかしながら、2枚の光学異方性部材の間に同じ波長域の円偏光を逆の旋回方向の円偏光に変換する波長選択性位相差層を、複数枚、配置する場合には、その数は、奇数枚とするのが好ましい。
しかしながら、本発明は、これに制限はされず、例えば、光学異方性層を、複数枚、連続的に配列させて、複数の光学異方性層で連続して屈折させた光を、波長選択性位相差層に入射するようにしてもよい。
また、2枚の光学異方性部材の間に、複数枚の波長選択性位相差層を配置してもよい。しかしながら、2枚の光学異方性部材の間に同じ波長域の円偏光を逆の旋回方向の円偏光に変換する波長選択性位相差層を、複数枚、配置する場合には、その数は、奇数枚とするのが好ましい。
本発明の光学素子においては、光学異方性層の液晶配向パターンの1周期Λが等しい光学異方性部材が存在してもよい。
しかしながら、複数の波長域の光の屈折すなわち出射角度を均一にし易い等の点で、全ての光学異方性部材で、互いに、光学異方性層の液晶配向パターンの1周期Λが異なるのが好ましい。
しかしながら、複数の波長域の光の屈折すなわち出射角度を均一にし易い等の点で、全ての光学異方性部材で、互いに、光学異方性層の液晶配向パターンの1周期Λが異なるのが好ましい。
本発明の光学素子において、光学異方性部材を構成する光学異方性層における液晶化合物の配向パターンにおける1周期Λにも、制限はなく、光学素子の用途等に応じて、適宜、設定すればよい。
本発明の光学素子においては、最も短波長の設計波長の円偏光を選択的に逆の旋回方向の円偏光に変換する波長選択性位相差層を有していてもよい。例えば、第3光学異方性部材16の後に青色光の円偏光を選択的に逆の旋回方向に変換する第3の波長選択性位相差層を配置してもよい。第3光学異方性部材16の後とは、光の進行方向の下流側である。
上述のように、第3の波長選択性位相差層は、青色光の円偏光のみ、逆の旋回方向の円偏光に変換して、他の光は、そのまま透過するものである。
従って、赤色光の右円偏光R3R、緑色光の右円偏光G3Rおよび青色光の左円偏光B3Lが、第3の波長選択性位相差層Bに入射して、透過すると、赤色光の右円偏光R3Rおよび緑色光の右円偏光G3Rは、そのまま透過する。これに対して、青色光の左円偏光B3Lは、青色光の右円偏光B3Rに変換される。
これにより、光学素子から出射する青色光、緑色光、赤色光の円偏光を同一の旋回方向の円偏光にすることができる。
上述のように、第3の波長選択性位相差層は、青色光の円偏光のみ、逆の旋回方向の円偏光に変換して、他の光は、そのまま透過するものである。
従って、赤色光の右円偏光R3R、緑色光の右円偏光G3Rおよび青色光の左円偏光B3Lが、第3の波長選択性位相差層Bに入射して、透過すると、赤色光の右円偏光R3Rおよび緑色光の右円偏光G3Rは、そのまま透過する。これに対して、青色光の左円偏光B3Lは、青色光の右円偏光B3Rに変換される。
これにより、光学素子から出射する青色光、緑色光、赤色光の円偏光を同一の旋回方向の円偏光にすることができる。
ここで、本発明の光学素子は、一例として、ARグラスにおいて、ディスプレイが表示した光を屈折して導光板に導入する回折素子、および、導光板を伝播した光を屈折して導光板から使用者による観察位置に出射させる回折素子に、好適に利用される。特に、フルカラー画像に対応可能な光学素子32は、ARグラスにおける回折素子として好適に利用可能である。
この際においては、導光板で光を全反射させるためには、入射光に対して、ある程度の大きな角度で光を屈折させて導光板に導入する必要がある。また、導光板を伝播してきた光を確実に出射させるためにも、入射光に対して、ある程度の大きな角度で光を屈折させる必要がある。
また、上述のように、光学異方性層による光の透過角度は、液晶配向パターンにおける1周期Λを短くすることで、入射光に対する透過光の角度を大きくできる。
この際においては、導光板で光を全反射させるためには、入射光に対して、ある程度の大きな角度で光を屈折させて導光板に導入する必要がある。また、導光板を伝播してきた光を確実に出射させるためにも、入射光に対して、ある程度の大きな角度で光を屈折させる必要がある。
また、上述のように、光学異方性層による光の透過角度は、液晶配向パターンにおける1周期Λを短くすることで、入射光に対する透過光の角度を大きくできる。
加えて、上述のように、面内で光学軸が一方向に沿って連続的に回転する液晶配向パターンを有し、さらに、液晶化合物が捩れ配向され、かつ捩れ方向が逆の光学異方性層を2層、積層した光学異方性部材は、同様の液晶配向パターンを有し、かつ、液晶化合物30が捩れ配向されていない光学異方性層26を用いた場合に比して、光学異方性部材の透過光(出射光)の光量を向上できる。
特に、液晶化合物が捩れ配向されていない光学異方性層26は、入射光に対する透過光の屈折角度が、ある程度の角度以上になると、透過光の光量低下が大きくなる。これに対して、捩れ方向が逆の光学異方性層を2層、積層した光学異方性部材は、透過光の屈折角度が大きくなっても、光量の低下が非常に少ない。すなわち、光量の向上効果は、入射光に対する透過光の屈折角度が、ある程度の角度以上になると、大きくなる。従って、本発明の光学素子における光量向上効果は、光学異方性層における液晶化合物の配向パターンにおける1周期Λが、短い方が、大きい。
特に、液晶化合物が捩れ配向されていない光学異方性層26は、入射光に対する透過光の屈折角度が、ある程度の角度以上になると、透過光の光量低下が大きくなる。これに対して、捩れ方向が逆の光学異方性層を2層、積層した光学異方性部材は、透過光の屈折角度が大きくなっても、光量の低下が非常に少ない。すなわち、光量の向上効果は、入射光に対する透過光の屈折角度が、ある程度の角度以上になると、大きくなる。従って、本発明の光学素子における光量向上効果は、光学異方性層における液晶化合物の配向パターンにおける1周期Λが、短い方が、大きい。
この点を考慮すると、光学異方性部材を構成する光学異方性層の少なくとも1層は、液晶配向パターンにおける1周期Λが、10μm以下であるのが好ましく、5μm以下であるのがより好ましく、3μm以下であるのがさらに好ましい。
なお、液晶配向パターンの精度等を考慮すると、光学異方性層の液晶配向パターンにおける1周期Λは、0.1μm以上とするのが好ましい。
なお、液晶配向パターンの精度等を考慮すると、光学異方性層の液晶配向パターンにおける1周期Λは、0.1μm以上とするのが好ましい。
また、同様の理由で、本発明の光学素子を構成する光学異方性部材は、入射光に対する透過光の透過角度が10°以上であるのが好ましく、15°以上であるのがより好ましく、20°以上であるのがさらに好ましい。
上述のように、面内において、光学軸30Aの向きが連続的に回転して変化する、同じ液晶配向パターンを有し、かつ、液晶化合物30が、厚さ方向に捩れ配向され、かつ、液晶化合物30の捩れ方向が逆である2層の光学異方性層の積層体は、この積層体は、図4および図5に示す光学異方性層26と同様の作用を発現する。
すなわち、右捩れ光学異方性層26Apと左捩れ光学異方性層26Amとの積層体、右捩れ光学異方性層26Bpと左捩れ光学異方性層26Bmとの積層体、および、右捩れ光学異方性層26Cpと左捩れ光学異方性層26Cmとの積層体は、図4および図5に示す光学異方性層26と同様の作用を発現する。
すなわち、右捩れ光学異方性層26Apと左捩れ光学異方性層26Amとの積層体、右捩れ光学異方性層26Bpと左捩れ光学異方性層26Bmとの積層体、および、右捩れ光学異方性層26Cpと左捩れ光学異方性層26Cmとの積層体は、図4および図5に示す光学異方性層26と同様の作用を発現する。
これに対し、面内において、光学軸30Aの向きが連続的に回転して変化する、同じ液晶配向パターンを有し、かつ、液晶化合物30が、厚さ方向に捩れ配向された光学異方性層は、単層では、垂直に入射した光を、液晶化合物30の捩れ方向に応じて、捩れ方向と一致している旋回方向の円偏光成分のみを同様に屈折させ、それ以外の円偏光成分は、そのまま透過する。
例えば、第1光学異方性部材12であれば、液晶化合物30の捩れ方向が右方向(ツイスト角が+φ)である右捩れ光学異方性層26Apは、単層の場合には、右円偏光のみを上述のように屈折させ、左円偏光は、そのまま透過する。逆に、液晶化合物30の捩れ方向が左方向(ツイスト角が-φ)である左捩れ光学異方性層26Amは、単層の場合には、左円偏光のみを上述のように屈折させ、右円偏光は、そのまま透過する。
例えば、第1光学異方性部材12であれば、液晶化合物30の捩れ方向が右方向(ツイスト角が+φ)である右捩れ光学異方性層26Apは、単層の場合には、右円偏光のみを上述のように屈折させ、左円偏光は、そのまま透過する。逆に、液晶化合物30の捩れ方向が左方向(ツイスト角が-φ)である左捩れ光学異方性層26Amは、単層の場合には、左円偏光のみを上述のように屈折させ、右円偏光は、そのまま透過する。
従って、入射する光の円偏光の旋回方向が一方向で決まっている場合には、最も光入射側に位置する光学異方性部材、すなわち、配列方向(積層方向)の端部に位置する光学異方性部材は、液晶化合物30の捩れ方向が互いに逆の2層の光学異方性層ではなく、入射する円偏光の旋回方向に応じた、1層の光学異方性層のみを有してもよい。
例えば、図11および図12に示す光学素子32のように、赤色光の右円偏光RR、緑色光の右円偏光GRおよび青色光の右円偏光BRが入射する場合には、図14に示す光学素子32Aのように、第1光学異方性部材12Aが、液晶化合物30の捩れ方向が右方向である右捩れ光学異方性層26Apを1層のみを有する構成でもよい。
同様に、図1および図9に示す光学素子10のように、緑色光の右円偏光GRおよび青色光の右円偏光BRが入射する場合には、図1および図9に示す光学素子10において、第1光学異方性部材12が、液晶化合物30の捩れ方向が左方向である左捩れ光学異方性層26Amを有さず、液晶化合物30の捩れ方向が右方向である右捩れ光学異方性層26Apを1層のみを有する構成でもよい。
逆に、光学素子に左円偏光を入射する場合には、光入射側の第1光学異方性部材12が、液晶化合物30の捩れ方向が右方向である右捩れ光学異方性層26Apを有さず、液晶化合物30の捩れ方向が左方向である左捩れ光学異方性層26Amを1層のみを有する構成とすればよい。
例えば、図11および図12に示す光学素子32のように、赤色光の右円偏光RR、緑色光の右円偏光GRおよび青色光の右円偏光BRが入射する場合には、図14に示す光学素子32Aのように、第1光学異方性部材12Aが、液晶化合物30の捩れ方向が右方向である右捩れ光学異方性層26Apを1層のみを有する構成でもよい。
同様に、図1および図9に示す光学素子10のように、緑色光の右円偏光GRおよび青色光の右円偏光BRが入射する場合には、図1および図9に示す光学素子10において、第1光学異方性部材12が、液晶化合物30の捩れ方向が左方向である左捩れ光学異方性層26Amを有さず、液晶化合物30の捩れ方向が右方向である右捩れ光学異方性層26Apを1層のみを有する構成でもよい。
逆に、光学素子に左円偏光を入射する場合には、光入射側の第1光学異方性部材12が、液晶化合物30の捩れ方向が右方向である右捩れ光学異方性層26Apを有さず、液晶化合物30の捩れ方向が左方向である左捩れ光学異方性層26Amを1層のみを有する構成とすればよい。
さらに、本発明の光学素子は、図4および図5に示すような、面内において、光学軸30Aの向きが連続的に回転して変化する液晶配向パターンを有し、かつ、液晶化合物30が、厚さ方向に捩れ配向されていない光学異方性層26も、利用可能である。
すなわち、上述のように、右捩れ光学異方性層26Apと左捩れ光学異方性層26Amとの積層体、右捩れ光学異方性層26Bpと左捩れ光学異方性層26Bmとの積層体、および、右捩れ光学異方性層26Cpと左捩れ光学異方性層26Cmとの積層体は、図4および図5に示す、光学異方性層26と同様の作用を発現する。
従って、例えば、図1および図9に示す光学素子10において、第1光学異方性部材12および第2光学異方性部材14のいずれかを、図4および図5に示す光学異方性層26に置き換えてもよい。また、図11および図12に示す光学素子32において、第1光学異方性部材12、第2光学異方性部材14および第3光学異方性部材16の1つまたは2つを、図4および図5に示す光学異方性層26に置き換えてもよい。
また、図14に示す光学素子32Aにおいて、第2光学異方性部材14および第3光学異方性部材16のいずれかを、図4および図5に示す光学異方性層26に置き換えてもよい。さらに、図1および図9に示す光学素子10が第1光学異方性部材12が右捩れ光学異方性層26Apを1層のみを有する構成において、第2光学異方性部材14を図4および図5に示す光学異方性層26に置き換えてもよい。
すなわち、上述のように、右捩れ光学異方性層26Apと左捩れ光学異方性層26Amとの積層体、右捩れ光学異方性層26Bpと左捩れ光学異方性層26Bmとの積層体、および、右捩れ光学異方性層26Cpと左捩れ光学異方性層26Cmとの積層体は、図4および図5に示す、光学異方性層26と同様の作用を発現する。
従って、例えば、図1および図9に示す光学素子10において、第1光学異方性部材12および第2光学異方性部材14のいずれかを、図4および図5に示す光学異方性層26に置き換えてもよい。また、図11および図12に示す光学素子32において、第1光学異方性部材12、第2光学異方性部材14および第3光学異方性部材16の1つまたは2つを、図4および図5に示す光学異方性層26に置き換えてもよい。
また、図14に示す光学素子32Aにおいて、第2光学異方性部材14および第3光学異方性部材16のいずれかを、図4および図5に示す光学異方性層26に置き換えてもよい。さらに、図1および図9に示す光学素子10が第1光学異方性部材12が右捩れ光学異方性層26Apを1層のみを有する構成において、第2光学異方性部材14を図4および図5に示す光学異方性層26に置き換えてもよい。
このように、光学異方性層26を用いる態様によれば、透過光の光量の点では、若干、不利であるが、上述の例と同様に、波長の異なる光を、ほぼ同じ角度で屈折させて、ほぼ同じ方向に出射できる。
ここで、前述のように、本発明においては、光が最初に入射する第1光学異方性部材において、光を最も大きく屈折させるのが好ましい。また、前述のように、光学異方性層26は、入射光に対する透過光の屈折角度が大きくなると、光量が大きく低下する。この点を考慮すると、光が最初に入射する部材、すなわち、配列方向の一方の端に位置する部材は、液晶化合物が捩れ配向されていない光学異方性層26ではなく、図1、図11および図14等に示すように、液晶化合物が捩れ配向された1層の光学異方性層または捩れ方向が互いに異なる2層の光学異方性層を積層した光学異方性部材であるのが好ましい。
なお、第1光学異方性部材12~第3光学異方性部材16を光学異方性層26に置き換えた本発明の光学素子において、光学異方性層26の液晶配向パターンの1周期Λは、上述した第1光学異方性部材12~第3光学異方性部材16の光学異方性層の1周期Λと同様である。
ここで、前述のように、本発明においては、光が最初に入射する第1光学異方性部材において、光を最も大きく屈折させるのが好ましい。また、前述のように、光学異方性層26は、入射光に対する透過光の屈折角度が大きくなると、光量が大きく低下する。この点を考慮すると、光が最初に入射する部材、すなわち、配列方向の一方の端に位置する部材は、液晶化合物が捩れ配向されていない光学異方性層26ではなく、図1、図11および図14等に示すように、液晶化合物が捩れ配向された1層の光学異方性層または捩れ方向が互いに異なる2層の光学異方性層を積層した光学異方性部材であるのが好ましい。
なお、第1光学異方性部材12~第3光学異方性部材16を光学異方性層26に置き換えた本発明の光学素子において、光学異方性層26の液晶配向パターンの1周期Λは、上述した第1光学異方性部材12~第3光学異方性部材16の光学異方性層の1周期Λと同様である。
図1~図16に示す光学素子は、光学異方性層の液晶配向パターンにおける液晶化合物30の光学軸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、光学異方性層において、液晶化合物30の光学軸30Aが一方向に沿って連続して回転するものであれば、各種の構成が利用可能である。
しかしながら、本発明は、これに制限はされず、光学異方性層において、液晶化合物30の光学軸30Aが一方向に沿って連続して回転するものであれば、各種の構成が利用可能である。
一例として、図16に平面図で概念的に示すような、液晶配向パターンが、液晶化合物30の光学軸の向きが連続的に回転しながら変化する一方向を、内側から外側に向かう同心円状に有する、同心円状のパターンである、光学異方性層34が例示される。言い換えれば、図16に示す光学異方性層34の液晶配向パターンは、液晶化合物30の光学軸の向きが連続的に回転しながら変化する一方向が、光学異方性層34の中心から放射状に設けられた液晶配向パターンである。
なお、図3と同様、図16の光学異方性層34においても、配向膜の表面の液晶化合物30のみを示すが、光学異方性層34も、上述した右捩れおよび左捩れ光学異方性層と同様、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が厚さ方向に積み重ねられ、かつ、厚さ方向に捩れ配向されているのは、上述の例と同様である。
また、図16に示す光学異方性層34も、液晶化合物30の捩れ配向の捩れ方向が互いに異なる右捩れ光学異方性層と左捩れ光学異方性層とが積層されて、光学異方性部材が構成され、あるいは、右捩れ光学異方性層または左捩れ光学異方性層を1層のみ有して光学異方性部材が構成される。
さらに、図16では、光学異方性層34のみ示すが、本発明の光学素子は、1層または2層の光学異方性層を有する光学異方性部材を、複数、有し、少なくとも1対の2つの光学異方性部材の間に波長選択性位相差層を有するのは、上述のとおりである。従って、このような同心円状の液晶配向パターンを有する光学異方性層34を用いる場合でも、一例として図11に示す光学素子32のように、第1光学異方性部材と、赤色光の円偏光を変換する波長選択性位相差層と、第2光学異方性部材と、緑色光の円偏光を変換する波長選択性位相差層と、第3光学異方性部材とを、この順番で配列した構成を有する。
また、図16に示す光学異方性層34も、液晶化合物30の捩れ配向の捩れ方向が互いに異なる右捩れ光学異方性層と左捩れ光学異方性層とが積層されて、光学異方性部材が構成され、あるいは、右捩れ光学異方性層または左捩れ光学異方性層を1層のみ有して光学異方性部材が構成される。
さらに、図16では、光学異方性層34のみ示すが、本発明の光学素子は、1層または2層の光学異方性層を有する光学異方性部材を、複数、有し、少なくとも1対の2つの光学異方性部材の間に波長選択性位相差層を有するのは、上述のとおりである。従って、このような同心円状の液晶配向パターンを有する光学異方性層34を用いる場合でも、一例として図11に示す光学素子32のように、第1光学異方性部材と、赤色光の円偏光を変換する波長選択性位相差層と、第2光学異方性部材と、緑色光の円偏光を変換する波長選択性位相差層と、第3光学異方性部材とを、この順番で配列した構成を有する。
図16に示す光学異方性層34において、液晶化合物30の光学軸(図示省略)は、液晶化合物30の長手方向である。
光学異方性層34では、液晶化合物30の光学軸の向きは、光学異方性層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。
この液晶配向パターンを有する光学異方性層34に入射した円偏光は、液晶化合物30の光学軸の向きが異なる個々の局所的な領域において、それぞれ、絶対位相が変化する。この際に、それぞれの絶対位相の変化量は、円偏光が入射した液晶化合物30の光学軸の向きに応じて異なる。
光学異方性層34では、液晶化合物30の光学軸の向きは、光学異方性層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。
この液晶配向パターンを有する光学異方性層34に入射した円偏光は、液晶化合物30の光学軸の向きが異なる個々の局所的な領域において、それぞれ、絶対位相が変化する。この際に、それぞれの絶対位相の変化量は、円偏光が入射した液晶化合物30の光学軸の向きに応じて異なる。
このような、同心円状の液晶配向パターン、すなわち、放射状に光学軸が連続的に回転して変化する液晶配向パターンを有する光学異方性層34は、液晶化合物30の光学軸の回転方向および入射する円偏光の方向に応じて、入射光を、発散光または集束光として透過できる。
すなわち、光学異方性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、凸レンズまたは凹レンズとして機能を発現する。
すなわち、光学異方性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、凸レンズまたは凹レンズとして機能を発現する。
ここで、光学異方性層の液晶配向パターンを同心円状として、光学素子を凸レンズとして作用させる場合には、液晶配向パターンにおいて光学軸が180°回転する1周期Λを、光学異方性層34の中心から、光学軸が連続的に回転する1方向の外方向に向かって、漸次、短くするのが好ましい。
上述のように、入射方向に対する光の屈折の角度は、液晶配向パターンにおける1周期Λが短いほど、大きくなる。従って、液晶配向パターンにおける1周期Λを、光学異方性層34の中心から、光学軸が連続的に回転する1方向の外方向に向かって、漸次、短くすることにより、光学異方性層34による光の集束力を、より向上でき、凸レンズとしての性能を、向上できる。
上述のように、入射方向に対する光の屈折の角度は、液晶配向パターンにおける1周期Λが短いほど、大きくなる。従って、液晶配向パターンにおける1周期Λを、光学異方性層34の中心から、光学軸が連続的に回転する1方向の外方向に向かって、漸次、短くすることにより、光学異方性層34による光の集束力を、より向上でき、凸レンズとしての性能を、向上できる。
なお、本発明においては、例えば凹レンズとする場合など、光学素子の用途によっては、液晶配向パターンにおいて光学軸が180°回転する1周期Λを、光学異方性層34の中心から、1方向の外方向に向かって、漸次、短くするのが好ましい。
上述のように、入射方向に対する光の屈折の角度は、液晶配向パターンにおける1周期Λが短いほど、大きくなる。従って、液晶配向パターンにおける1周期Λを、光学異方性層34の中心から、光学軸が連続的に回転する1方向の外方向に向かって、漸次、短くすることにより、光学異方性層34による光の発散力を、より向上でき、凹レンズとしての性能を、向上できる。
上述のように、入射方向に対する光の屈折の角度は、液晶配向パターンにおける1周期Λが短いほど、大きくなる。従って、液晶配向パターンにおける1周期Λを、光学異方性層34の中心から、光学軸が連続的に回転する1方向の外方向に向かって、漸次、短くすることにより、光学異方性層34による光の発散力を、より向上でき、凹レンズとしての性能を、向上できる。
なお、前述のように、一方向に沿って液晶化合物に由来する光学軸が回転する液晶配向パターンを有する光学異方性層では、光学軸の回転方向(時計回りか、反時計回りか)、および、入射する円偏光の旋回方向によって、光の屈折方向が逆になる。すなわち、本発明の光学素子に用いられる光学異方性層では、光学軸の回転方向、および、入射する円偏光の旋回方向によって、入射した光の屈折方向が、光学軸が回転する一方向、および、光学軸が回転する一方向とは逆方向の、いずれかの方向になる。
従って、図16に示すような、同心円状の液晶配向パターンを有する光学異方性層を用いる光学素子では、光学素子が凹レンズおよび凸レンズのいずれとして作用するかは、光学軸の回転方向と、入射する円偏光の旋回方向との組み合わせによって決まる。言い換えれば、入射する円偏光の旋回方向を選択することで、光学素子を、凹レンズとして作用させるか、凸レンズとして作用させるかを、選択できる。
この点に関しては、図1に示すような、矢印X方向の一方向のみに液晶化合物30の光学軸30Aが連続的に回転する光学異方性層でも、同様であり、入射する円偏光の旋回方向を選択することで、透過光の進行方向を、矢印X方向および矢印X方向と逆方向の、いずれの方向にするかを選択できる。
従って、図16に示すような、同心円状の液晶配向パターンを有する光学異方性層を用いる光学素子では、光学素子が凹レンズおよび凸レンズのいずれとして作用するかは、光学軸の回転方向と、入射する円偏光の旋回方向との組み合わせによって決まる。言い換えれば、入射する円偏光の旋回方向を選択することで、光学素子を、凹レンズとして作用させるか、凸レンズとして作用させるかを、選択できる。
この点に関しては、図1に示すような、矢印X方向の一方向のみに液晶化合物30の光学軸30Aが連続的に回転する光学異方性層でも、同様であり、入射する円偏光の旋回方向を選択することで、透過光の進行方向を、矢印X方向および矢印X方向と逆方向の、いずれの方向にするかを選択できる。
本発明において、光学素子を凸レンズまたは凹レンズとして作用させる場合には、下記の式を満たすのが好ましい。
Φ(r)=(π/λ)[(r2+f2)1/2-f]
ここで、rは同心円の中心からの距離で次式r=(x2+y2)1/2で表わされる。x、yは面内の位置を表し、(x、y)=(0、0)は同心円の中心を表す。Φ(r)は中心からの距離rにおける光学軸の角度、λは波長、fは設計の焦点距離を表わす。
Φ(r)=(π/λ)[(r2+f2)1/2-f]
ここで、rは同心円の中心からの距離で次式r=(x2+y2)1/2で表わされる。x、yは面内の位置を表し、(x、y)=(0、0)は同心円の中心を表す。Φ(r)は中心からの距離rにおける光学軸の角度、λは波長、fは設計の焦点距離を表わす。
なお、本発明においては、例えば透過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、光学軸が連続的に回転する1方向に向かって、1周期Λを、漸次、変更するのではなく、光学軸が連続的に回転する1方向において、部分的に1周期Λが異なる領域を有する構成も利用可能である。
加えて、本発明の光学素子は、1周期Λが全面的に均一な光学異方性層と、1周期Λが異なる領域を有する光学異方性層とを有してもよい。この点に関しては、図1に示すような、一方向のみに光学軸が連続的に回転する構成でも、同様である。
加えて、本発明の光学素子は、1周期Λが全面的に均一な光学異方性層と、1周期Λが異なる領域を有する光学異方性層とを有してもよい。この点に関しては、図1に示すような、一方向のみに光学軸が連続的に回転する構成でも、同様である。
図17に、配向膜24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。配向膜24とは、例えば、配向膜24A、配向膜24Bおよび配向膜24Cである。
露光装置80は、レーザ82を備えた光源84と、レーザ82からのレーザ光MをS偏光MSとP偏光MPとに分割する偏光ビームスプリッター86と、P偏光MPの光路に配置されたミラー90AおよびS偏光MSの光路に配置されたミラー90Bと、S偏光MSの光路に配置されたレンズ92と、偏光ビームスプリッター94と、λ/4板96とを有する。
露光装置80は、レーザ82を備えた光源84と、レーザ82からのレーザ光MをS偏光MSとP偏光MPとに分割する偏光ビームスプリッター86と、P偏光MPの光路に配置されたミラー90AおよびS偏光MSの光路に配置されたミラー90Bと、S偏光MSの光路に配置されたレンズ92と、偏光ビームスプリッター94と、λ/4板96とを有する。
偏光ビームスプリッター86で分割されたP偏光MPは、ミラー90Aによって反射されて、偏光ビームスプリッター94に入射する。他方、偏光ビームスプリッター86で分割されたS偏光MSは、ミラー90Bによって反射され、レンズ92によって集光されて偏光ビームスプリッター94に入射する。
P偏光MPおよびS偏光MSは、偏光ビームスプリッター94で合波されて、λ/4板96によって偏光方向に応じた右円偏光および左円偏光となって、支持体20の上の配向膜24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24に照射される光の偏光状態が干渉縞状に周期的に変化するものとなる。同心円の内側から外側に向かうにしたがい、左円偏光と右円偏光の交差角が変化するため、内側から外側に向かってピッチが変化する露光パターンが得られる。これにより、配向膜24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20の上の配向膜24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24に照射される光の偏光状態が干渉縞状に周期的に変化するものとなる。同心円の内側から外側に向かうにしたがい、左円偏光と右円偏光の交差角が変化するため、内側から外側に向かってピッチが変化する露光パターンが得られる。これにより、配向膜24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の光学軸が一方向に沿って連続的に180°回転する液晶配向パターンの1周期Λは、レンズ92の屈折力(レンズ92のFナンバー)レンズ92の焦点距離、および、レンズ92と配向膜24との距離等を変化させることで、制御できる。
また、レンズ92の屈折力を調節することによって、液晶化合物30の光学軸が連続的に回転する一方向において、液晶配向パターンの1周期Λの長さを変更できる。
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、液晶化合物30の光学軸が連続的に回転する一方向において、液晶配向パターンの1周期Λの長さ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Λの長さは、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Λの長さは、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、液晶化合物30の光学軸が連続的に回転する一方向において、液晶配向パターンの1周期Λの長さを変更できる。
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、液晶化合物30の光学軸が連続的に回転する一方向において、液晶配向パターンの1周期Λの長さ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Λの長さは、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Λの長さは、内側から外側に向かって急に短くなり、Fナンバーは小さくなる。
このように、光学軸が連続的に回転する1方向において、光学軸が180°回転する1周期Λを変更する構成は、図1、図11および図14等に示す、矢印X方向の一方向のみに液晶化合物30の光学軸30Aが連続的に回転して変化する構成でも、利用可能である。
例えば、液晶配向パターンの1周期Λを、矢印X方向に向かって、漸次、短くすることにより、集光するように光を透過する光学素子を得ることができる。また、液晶配向パターンにおいて、光学軸が180°回転する方向を逆にすることにより、矢印X方向にのみ拡散するように光を透過する光学素子を得ることができる。なお、入射する円偏光の旋回方向を逆にすることでも、矢印のX方向にのみ拡散するように光を透過する光学素子を得ることができる。
さらに、例えば透過光に光量分布を設けたい場合など、光学素子の用途によって、矢印X方向に向かって、1周期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Λが異なる領域を有する構成も利用可能である。例えば、部分的に1周期Λを変更する方法として、集光したレーザ光の偏光方向を任意に変えながら、光配向膜をスキャン露光してパターニングする方法等を利用することができる。
例えば、液晶配向パターンの1周期Λを、矢印X方向に向かって、漸次、短くすることにより、集光するように光を透過する光学素子を得ることができる。また、液晶配向パターンにおいて、光学軸が180°回転する方向を逆にすることにより、矢印X方向にのみ拡散するように光を透過する光学素子を得ることができる。なお、入射する円偏光の旋回方向を逆にすることでも、矢印のX方向にのみ拡散するように光を透過する光学素子を得ることができる。
さらに、例えば透過光に光量分布を設けたい場合など、光学素子の用途によって、矢印X方向に向かって、1周期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Λが異なる領域を有する構成も利用可能である。例えば、部分的に1周期Λを変更する方法として、集光したレーザ光の偏光方向を任意に変えながら、光配向膜をスキャン露光してパターニングする方法等を利用することができる。
本発明の光学素子は、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、入射方向とは異なる方向に光を透過する、各種の用途に利用可能である。
好ましい一例として、図18に概念的に示すように、本発明の光学素子を、導光板42に離間して設けることで、上述したARグラスにおいて、ディスプレイ40が照射した光(投影像)を、全反射に十分な角度で導光板42に導入し、導光板42を伝播した光を、導光板42からARグラスの使用者Uによる観察位置に出射する、回折素子として用いることが例示される。すなわち、図18に示すのは、本発明の光学素子を用いる、本発明の導光素子である。なお、図18では、フルカラー画像に対応して図11に示す光学素子32を例示しているが、例えば、ARグラスで2色画像を表示する場合であれば、図1に示す光学素子10も好適に利用可能である。
上述のように、本発明の光学素子は、透過の際の屈折角度の波長依存性が小さいので、ディスプレイ40が照射した赤色光、緑色光および青色光を同じ方向に屈折できる。そのため、1枚の導光板42で、赤色画像、緑色画像および青色画像を伝播しても、色ズレのないフルカラー画像を、導光板からARグラスの使用者Uによる観察位置に出射できる。従って、本発明の光学素子を用いる本発明の導光素子によれば、ARグラスの導光板を、全体的に薄く、軽くして、ARグラスの構成を簡略化できる。しかも、上述のように、本発明の光学素子は、透過光の光量が多いので、明るいフルカラー画像を表示することができる。
なお、本発明の導光素子は、図18に示すように、導光板42に、互いに離間する2つの本発明の光学素子を設ける構成に制限はされず、導光板42への光の導入のため、または、導光板42からの光の取り出しのため、導光板に本発明の光学素子を1つのみ、設けた構成であってもよい。
上述のように、本発明の光学素子は、透過の際の屈折角度の波長依存性が小さいので、ディスプレイ40が照射した赤色光、緑色光および青色光を同じ方向に屈折できる。そのため、1枚の導光板42で、赤色画像、緑色画像および青色画像を伝播しても、色ズレのないフルカラー画像を、導光板からARグラスの使用者Uによる観察位置に出射できる。従って、本発明の光学素子を用いる本発明の導光素子によれば、ARグラスの導光板を、全体的に薄く、軽くして、ARグラスの構成を簡略化できる。しかも、上述のように、本発明の光学素子は、透過光の光量が多いので、明るいフルカラー画像を表示することができる。
なお、本発明の導光素子は、図18に示すように、導光板42に、互いに離間する2つの本発明の光学素子を設ける構成に制限はされず、導光板42への光の導入のため、または、導光板42からの光の取り出しのため、導光板に本発明の光学素子を1つのみ、設けた構成であってもよい。
以上の例は、本発明の光学素子を、2つまたは3つの光学異方性部材を有する、緑色光および青色光の2色、または、赤色光、緑色光および青色光の3色の光を透過して屈折する光学素子に利用したものであるが、本発明は、これに限定はされず、各種の構成は利用可能である。
例えば、本発明の光学素子は、図11と同様に3つの光学異方性部材と2層の波長選択性位相差層とを有し、赤色光、緑色光および青色光から選択される2色と、赤外線または紫外線を透過して屈折する構成でもよい。あるいは、本発明の光学素子は、4つまたは5つ(または6つ以上)の光学異方性部材と、3層または4層(光学異方性層の層数マイナス1層)の波長選択性位相差層とを有し、赤色光、緑色光および青色光に加え、赤外線および/または紫外線を透過して屈折する構成でもよい。あるいは、本発明の光学素子は、図1と同様に2つの光学異方性部材と1層の波長選択性位相差層とを有し、赤色光および青色光、または、赤色光および緑色光を透過して屈折する構成、または、赤色光、緑色光および青色光から選択される1色と、赤外線または紫外線とを屈折して透過する構成でもよい。または、赤外線または/および紫外線を屈折して透過する構成でもよい。
例えば、本発明の光学素子は、図11と同様に3つの光学異方性部材と2層の波長選択性位相差層とを有し、赤色光、緑色光および青色光から選択される2色と、赤外線または紫外線を透過して屈折する構成でもよい。あるいは、本発明の光学素子は、4つまたは5つ(または6つ以上)の光学異方性部材と、3層または4層(光学異方性層の層数マイナス1層)の波長選択性位相差層とを有し、赤色光、緑色光および青色光に加え、赤外線および/または紫外線を透過して屈折する構成でもよい。あるいは、本発明の光学素子は、図1と同様に2つの光学異方性部材と1層の波長選択性位相差層とを有し、赤色光および青色光、または、赤色光および緑色光を透過して屈折する構成、または、赤色光、緑色光および青色光から選択される1色と、赤外線または紫外線とを屈折して透過する構成でもよい。または、赤外線または/および紫外線を屈折して透過する構成でもよい。
以上、本発明の光学素子および導光素子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]
<第1光学異方性部材の作製>
(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。
<第1光学異方性部材の作製>
(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 1.0 質量部
プロピレングリコール 14.8 質量部
―――――――――――――――――――――――――――――――――
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水酸化カリウム 4.70質量部
水 15.80質量部
イソプロパノール 63.70質量部
界面活性剤
SF-1:C14H29O(CH2CH2O)2OH 1.0 質量部
プロピレングリコール 14.8 質量部
―――――――――――――――――――――――――――――――――
(下塗り層の形成)
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
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(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
―――――――――――――――――――――――――――――――――
光配向用素材A 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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光配向用素材A 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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(配向膜の露光)
図15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パターン配向膜P-1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。なお、2つのレーザ光およびの干渉により形成される配向パターンの1周期(液晶化合物由来の光学軸が180°回転する長さ)は、2つの光の交差角(交差角α)を変化させることによって制御した。
図15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パターン配向膜P-1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。なお、2つのレーザ光およびの干渉により形成される配向パターンの1周期(液晶化合物由来の光学軸が180°回転する長さ)は、2つの光の交差角(交差角α)を変化させることによって制御した。
(右捩れ光学異方性層の形成)
光学異方性層を形成する液晶組成物として、下記の組成物A-1を調製した。
組成物A-1
―――――――――――――――――――――――――――――――――
液晶化合物L-1 100.00質量部
キラル剤Ch1 0.12質量部
重合開始剤(BASF製、Irgacure(登録商標)907)
3.00質量部
光増感剤(日本化薬製、KAYACURE DETX-S)
1.00質量部
レベリング剤T-1 0.08質量部
メチルエチルケトン 313.00質量部
―――――――――――――――――――――――――――――――――
光学異方性層を形成する液晶組成物として、下記の組成物A-1を調製した。
組成物A-1
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液晶化合物L-1 100.00質量部
キラル剤Ch1 0.12質量部
重合開始剤(BASF製、Irgacure(登録商標)907)
3.00質量部
光増感剤(日本化薬製、KAYACURE DETX-S)
1.00質量部
レベリング剤T-1 0.08質量部
メチルエチルケトン 313.00質量部
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右捩れ光学異方性層は、組成物A-1をパターン配向膜P-1上に多層塗布することにより形成した。多層塗布とは、先ず配向膜の上に1層目の組成物A-1を塗布、加熱、冷却後に紫外線硬化を行って液晶固定化層を作製した後、2層目以降はその液晶固定化層に重ね塗りして塗布を行い、同様に加熱、冷却後に紫外線硬化を行うことを繰り返すことを指す。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、パターン配向膜P-1上に下記の組成物A-1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LED光源を用いて波長365nmの紫外線(i線)のみを40mJ/cm2の照射量で塗膜に照射した。その後、再び塗膜をホットプレート上で70℃に加熱し、さらに、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350nm以下の波長を有する混合紫外線の照射を行い、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、右捩れ光学異方性層を形成した。
右捩れ光学異方性層は、最終的に液晶のΔn550×厚さ(Re(550))が285nmになり、かつ、図3に示すような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。なお、この第1光学異方性層の液晶配向パターンにおいて、液晶化合物由来の光学軸が180°回転する1周期は、1.1μmであった。以下、特に記載が無い場合には、『Δn550×d』等の測定は、同様に行った。
右捩れ光学異方性層は、最終的に液晶のΔn550×厚さ(Re(550))が285nmになり、かつ、図3に示すような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。なお、この第1光学異方性層の液晶配向パターンにおいて、液晶化合物由来の光学軸が180°回転する1周期は、1.1μmであった。以下、特に記載が無い場合には、『Δn550×d』等の測定は、同様に行った。
また、光学異方性層の断面を走査型電子顕微鏡(Scanning Electron Microscope、SEM)で観察し、右捩れ光学異方性層における液晶化合物の捩れ角を求めた。その結果、右捩れ光学異方性層における液晶化合物の捩れ角は+65°であった。
なお、本例において、液晶化合物の捩れ角は、光の入射方向から見た際に、右方向に捩じれている場合を『+』、逆の左方向に捩じれている場合を『-』とする。
なお、本例において、液晶化合物の捩れ角は、光の入射方向から見た際に、右方向に捩じれている場合を『+』、逆の左方向に捩じれている場合を『-』とする。
(左捩れ光学異方性層の形成)
キラル剤Ch1を、キラル剤Ch2に変更した以外は、同様に光学異方性層を形成するための組成物を調製した。このキラル剤は、液晶化合物を、上述したキラル剤Ch1とは逆の捩れ方向に捩れ配向するキラル剤である。
この組成物を用いた以外は、右捩れ光学異方性層と同様に、右捩れ光学異方性層上に直接、左捩れ光学異方性層を形成して、図1に示す構成の第1光学異方性部材を作製した。
右捩れ光学異方性層と同様に測定したところ、左捩れ光学異方性層における液晶化合物の捩れ角は-65°であった。
キラル剤Ch1を、キラル剤Ch2に変更した以外は、同様に光学異方性層を形成するための組成物を調製した。このキラル剤は、液晶化合物を、上述したキラル剤Ch1とは逆の捩れ方向に捩れ配向するキラル剤である。
この組成物を用いた以外は、右捩れ光学異方性層と同様に、右捩れ光学異方性層上に直接、左捩れ光学異方性層を形成して、図1に示す構成の第1光学異方性部材を作製した。
右捩れ光学異方性層と同様に測定したところ、左捩れ光学異方性層における液晶化合物の捩れ角は-65°であった。
<第2光学異方性部材の作製>
図15に示す露光装置によって配向膜を露光する際の2つの光の交差角を変更した以外は、パターン配向膜P-1と同様にして、配向パターンを有するパターン配向膜P-2を形成した。
このパターン配向膜P-2上に、第1光学異方性部材と同じ組成物を用い、第1光学異方性部材と同様に右捩れ光学異方性層および左捩れ光学異方性層を形成して、第2光学異方性部材を作製した。
形成した光学異方性層は、最終的に液晶のΔn550×厚さ(Re(550))が285nmになり、かつ、図3に示すような周期的な配向表面になっていることを、第1光学異方性層と同様にして確認した。なお、この第2光学異方性部材を構成する光学異方性層において、液晶化合物由来の光学軸が180°回転する1周期は、12.8μmであった。
第1光学異方性部材と同様に確認したところ、第2光学異方性部材の右捩れ光学異方性層における液晶化合物の捩れ角は+65°、左捩れ光学異方性層における液晶化合物の捩れ角は-65°であった。
図15に示す露光装置によって配向膜を露光する際の2つの光の交差角を変更した以外は、パターン配向膜P-1と同様にして、配向パターンを有するパターン配向膜P-2を形成した。
このパターン配向膜P-2上に、第1光学異方性部材と同じ組成物を用い、第1光学異方性部材と同様に右捩れ光学異方性層および左捩れ光学異方性層を形成して、第2光学異方性部材を作製した。
形成した光学異方性層は、最終的に液晶のΔn550×厚さ(Re(550))が285nmになり、かつ、図3に示すような周期的な配向表面になっていることを、第1光学異方性層と同様にして確認した。なお、この第2光学異方性部材を構成する光学異方性層において、液晶化合物由来の光学軸が180°回転する1周期は、12.8μmであった。
第1光学異方性部材と同様に確認したところ、第2光学異方性部材の右捩れ光学異方性層における液晶化合物の捩れ角は+65°、左捩れ光学異方性層における液晶化合物の捩れ角は-65°であった。
<第3光学異方性部材の作製>
図15に示す露光装置によって配向膜を露光する際の2つの光の交差角を変更した以外は、パターン配向膜P-1と同様にして、配向パターンを有するパターン配向膜P-3を形成した。
このパターン配向膜P-2上に、第1光学異方性部材と同様の組成物を用いて、LED光源を用いた波長365nmの紫外線(i線)のみの照射量を45mJ/cm2に変更した以外は、第1光学異方性部材と同様に、右捩れ光学異方性層および左捩れ光学異方性層を形成して、第3光学異方性部材を作製した。
形成した光学異方性層は、最終的に液晶のΔn550×厚さ(Re(550))が285nmになり、かつ、図3に示すような周期的な配向表面になっていることを、第1光学異方性層と同様にして確認した。なお、この光学異方性層の液晶配向パターンにおいて、液晶化合物由来の光学軸が180°回転する1周期は、11.9μmであった。
第1光学異方性部材と同様に確認したところ、第3光学異方性部材の右捩れ光学異方性層における液晶化合物の捩れ角は+60°、左捩れ光学異方性層における液晶化合物の捩れ角は-60°であった。
図15に示す露光装置によって配向膜を露光する際の2つの光の交差角を変更した以外は、パターン配向膜P-1と同様にして、配向パターンを有するパターン配向膜P-3を形成した。
このパターン配向膜P-2上に、第1光学異方性部材と同様の組成物を用いて、LED光源を用いた波長365nmの紫外線(i線)のみの照射量を45mJ/cm2に変更した以外は、第1光学異方性部材と同様に、右捩れ光学異方性層および左捩れ光学異方性層を形成して、第3光学異方性部材を作製した。
形成した光学異方性層は、最終的に液晶のΔn550×厚さ(Re(550))が285nmになり、かつ、図3に示すような周期的な配向表面になっていることを、第1光学異方性層と同様にして確認した。なお、この光学異方性層の液晶配向パターンにおいて、液晶化合物由来の光学軸が180°回転する1周期は、11.9μmであった。
第1光学異方性部材と同様に確認したところ、第3光学異方性部材の右捩れ光学異方性層における液晶化合物の捩れ角は+60°、左捩れ光学異方性層における液晶化合物の捩れ角は-60°であった。
<波長選択性位相差層の作製>
(配向膜P-3の形成)
第1光学異方性部材と同様にして配向膜P-3を形成した。
(配向膜P-3の形成)
第1光学異方性部材と同様にして配向膜P-3を形成した。
(配向膜P-3の露光)
得られた配向膜P-3を偏光紫外線照射(50mJ/cm2、超高圧水銀ランプ使用)することで、配向膜の露光を行った。
得られた配向膜P-3を偏光紫外線照射(50mJ/cm2、超高圧水銀ランプ使用)することで、配向膜の露光を行った。
(λ/4板の作製)
λ/4板を形成する液晶組成物として、下記の組成物D-1を調製した。
組成物D-1
―――――――――――――――――――――――――――――――――
液晶化合物L-2 42.00質量部
液晶化合物L-3 42.00質量部
液晶化合物L-4 16.00質量部
重合開始剤PI-1 0.50質量部
レベリング剤G-1 0.20質量部
メチルエチルケトン 176.00質量部
シクロペンタノン 44.00質量部
―――――――――――――――――――――――――――――――――
λ/4板を形成する液晶組成物として、下記の組成物D-1を調製した。
組成物D-1
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液晶化合物L-2 42.00質量部
液晶化合物L-3 42.00質量部
液晶化合物L-4 16.00質量部
重合開始剤PI-1 0.50質量部
レベリング剤G-1 0.20質量部
メチルエチルケトン 176.00質量部
シクロペンタノン 44.00質量部
―――――――――――――――――――――――――――――――――
λ/4板として、逆分散液晶化合物からなる層を形成した。
λ/4板は、上記の組成物D-1を配向膜P-3上に塗布することにより形成した。塗布した塗膜をホットプレート上で100℃に加熱し、その後、65℃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500mJ/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。
これにより、λ/4板を得た。得られたλ/4板のRe(550)は128nm、Re(450)/Re(550)=0.86であった。
λ/4板は、上記の組成物D-1を配向膜P-3上に塗布することにより形成した。塗布した塗膜をホットプレート上で100℃に加熱し、その後、65℃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500mJ/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。
これにより、λ/4板を得た。得られたλ/4板のRe(550)は128nm、Re(450)/Re(550)=0.86であった。
(λ=490nmにおけるλ板の作製)
λ板を形成する液晶組成物として、下記の組成物D-2を調製した。
組成物D-2
―――――――――――――――――――――――――――――――――
液晶化合物L-1 100.00質量部
重合開始剤(BASF製、Irgacure(登録商標)907)
3.00質量部
光増感剤(日本化薬製、KAYACURE DETX-S)
1.00質量部
レベリング剤G-1 0.20質量部
メチルエチルケトン 243.00質量部
―――――――――――――――――――――――――――――――――
λ板を形成する液晶組成物として、下記の組成物D-2を調製した。
組成物D-2
―――――――――――――――――――――――――――――――――
液晶化合物L-1 100.00質量部
重合開始剤(BASF製、Irgacure(登録商標)907)
3.00質量部
光増感剤(日本化薬製、KAYACURE DETX-S)
1.00質量部
レベリング剤G-1 0.20質量部
メチルエチルケトン 243.00質量部
―――――――――――――――――――――――――――――――――
λ板は、上記の組成物D-2を別途準備した配向膜P-3上に塗布することにより形成した。塗布した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500mJ/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。これにより、λ板を得た。
得られたλ板の波長λ=490nmにおけるRe(490)は490nmであった。
得られたλ板の波長λ=490nmにおけるRe(490)は490nmであった。
(λ=490nmにおける2λ板の作製)
λ板の作製において、液晶化合物の塗膜の膜厚を変更した以外は同様にして、2λ板を得た。
得られた2λ板の波長λ=490nmにおけるRe(490)は980nmであった。
λ板の作製において、液晶化合物の塗膜の膜厚を変更した以外は同様にして、2λ板を得た。
得られた2λ板の波長λ=490nmにおけるRe(490)は980nmであった。
下記の表1に記載の層構成になるようにλ/4板、λ板、および、2λ板を積層した。なお、表1における層数の値が小さい方が、第1光学異方性部材側になるように順次積層した。また、積層時は、支持体および配向膜を剥離してから、順次積層した。これにより、赤色光の円偏光を逆の旋回方向の円偏光に変換し、それ以外の光を透過する、第1の波長選択性位相差層を作製した。
<光学素子の作製>
作製した第1光学異方性部材、第1の波長選択性位相差層、第2光学異方性部材、第2の波長選択性位相差層、および、第3光学異方性部材を、この順番で、接着剤によって貼り合わせることにより、光学素子を作製した。
なお、貼り合わせ時には、各光学異方性層および各波長選択性位相差層から支持体および配向膜を剥離してから、次の層を貼り合わせた。この構成は、図11に示す概念図から、支持体20ならびに配向膜24A、24Bおよび24Cを除いた態様に相当する。
作製した第1光学異方性部材、第1の波長選択性位相差層、第2光学異方性部材、第2の波長選択性位相差層、および、第3光学異方性部材を、この順番で、接着剤によって貼り合わせることにより、光学素子を作製した。
なお、貼り合わせ時には、各光学異方性層および各波長選択性位相差層から支持体および配向膜を剥離してから、次の層を貼り合わせた。この構成は、図11に示す概念図から、支持体20ならびに配向膜24A、24Bおよび24Cを除いた態様に相当する。
[実施例2]
<第1光学異方性部材の作製>
光学異方性層を形成する液晶組成物として、下記の組成物C-1を調製した。
組成物C-1
―――――――――――――――――――――――――――――――――
液晶化合物L-2 42.00質量部
液晶化合物L-3 42.00質量部
液晶化合物L-4 16.00質量部
キラル剤Ch1 0.06質量部
重合開始剤PI-1 0.50質量部
レベリング剤T-1 0.10質量部
メチルエチルケトン 176.00質量部
シクロペンタノン 44.00質量部
―――――――――――――――――――――――――――――――――
<第1光学異方性部材の作製>
光学異方性層を形成する液晶組成物として、下記の組成物C-1を調製した。
組成物C-1
―――――――――――――――――――――――――――――――――
液晶化合物L-2 42.00質量部
液晶化合物L-3 42.00質量部
液晶化合物L-4 16.00質量部
キラル剤Ch1 0.06質量部
重合開始剤PI-1 0.50質量部
レベリング剤T-1 0.10質量部
メチルエチルケトン 176.00質量部
シクロペンタノン 44.00質量部
―――――――――――――――――――――――――――――――――
上述の組成物C-1において、キラル剤Ch1をキラル剤Ch2に変更した以外は、同様にして、光学異方性層を形成するための組成物を調製した。
右捩れ光学異方性層の形成に組成物C-1を用い、左捩れ光学異方性層の形成に組成物C-1からキラル剤を変更した組成物を用い、かつ、ホットプレート上で100℃に加熱し、その後、80℃に冷却した後、窒素雰囲気下でLED光源を用いて波長365nmの紫外線(i線)のみを15mJ/cm2の照射量で塗膜に照射を行い、その後、再び塗膜をホットプレート上で100℃に加熱し、さらに、80℃に冷却した後、窒素雰囲気下で高圧水銀灯を用いて波長350nm以下の波長を有する混合紫外線の照射を行った以外は、実施例1と同様にして光学異方性層を形成して、第1光学異方性部材、第2光学異方性部材および第3光学異方性部材を作製した。なお、第3の光学異方性部材のみ、LED光源を用いた紫外線(i線)のみの照射量を18mJ/cm2に変更して行った。
形成した光学異方性層は、いずれも、最終的に液晶のΔn550×厚さ(Re(550))が275nmになり、かつ、図3に示すような周期的な配向表面になっていることを、実施例1と同様にして確認した。
なお、第1光学異方性部材の光学異方性層の液晶配向パターンおける、液晶化合物由来の光学軸が180°回転する1周期は1.1μm、
第2光学異方性部材の光学異方性層の液晶配向パターンにおける、液晶化合物由来の光学軸が180°回転する1周期は12.8μm、
第3光学異方性部材の光学異方性層の液晶配向パターンにおける、液晶化合物由来の光学軸が180°回転する1周期は、11.9μm、であった。
形成した光学異方性層は、いずれも、最終的に液晶のΔn550×厚さ(Re(550))が275nmになり、かつ、図3に示すような周期的な配向表面になっていることを、実施例1と同様にして確認した。
なお、第1光学異方性部材の光学異方性層の液晶配向パターンおける、液晶化合物由来の光学軸が180°回転する1周期は1.1μm、
第2光学異方性部材の光学異方性層の液晶配向パターンにおける、液晶化合物由来の光学軸が180°回転する1周期は12.8μm、
第3光学異方性部材の光学異方性層の液晶配向パターンにおける、液晶化合物由来の光学軸が180°回転する1周期は、11.9μm、であった。
また、実施例1と同様に、液晶化合物の捩れ角を確認した。
その結果、第1光学異方性部材は、右捩れ光学異方性層における液晶化合物の捩れ角は+100°、左捩れ光学異方性層における液晶化合物の捩れ角は-100°であった。
また、第2光学異方性部材は、右捩れ光学異方性層における液晶化合物の捩れ角は+100°、左捩れ光学異方性層における液晶化合物の捩れ角は-100°であった。
さらに、第3光学異方性部材は、右捩れ光学異方性層における液晶化合物の捩れ角は+90°、左捩れ光学異方性層における液晶化合物の捩れ角は-90°であった。
その結果、第1光学異方性部材は、右捩れ光学異方性層における液晶化合物の捩れ角は+100°、左捩れ光学異方性層における液晶化合物の捩れ角は-100°であった。
また、第2光学異方性部材は、右捩れ光学異方性層における液晶化合物の捩れ角は+100°、左捩れ光学異方性層における液晶化合物の捩れ角は-100°であった。
さらに、第3光学異方性部材は、右捩れ光学異方性層における液晶化合物の捩れ角は+90°、左捩れ光学異方性層における液晶化合物の捩れ角は-90°であった。
<波長選択性位相差層>
実施例1と同じ第1の波長選択性位相差層および第2の波長選択性位相差層を用いた。
実施例1と同じ第1の波長選択性位相差層および第2の波長選択性位相差層を用いた。
<光学素子の作製>
この第1光学異方性部材、第2光学異方性部材および第3光学異方性部材、ならびに、第1の波長選択性位相差層および第2の波長選択性位相差層を用いて、実施例1と同様にして、光学素子を作製した。
この第1光学異方性部材、第2光学異方性部材および第3光学異方性部材、ならびに、第1の波長選択性位相差層および第2の波長選択性位相差層を用いて、実施例1と同様にして、光学素子を作製した。
[実施例3]
第1光学異方性部材が、左捩れ光学異方性層を有さない以外は、実施例1と同様に光学素子を作製した。
第1光学異方性部材が、左捩れ光学異方性層を有さない以外は、実施例1と同様に光学素子を作製した。
[比較例1]
実施例1の第1光学異方性部材を、光学素子とした。
[比較例2]
第1の波長選択性位相差層および第2の波長選択性位相差層を用いない以外は、実施例1と同様に光学素子を作製した。
実施例1の第1光学異方性部材を、光学素子とした。
[比較例2]
第1の波長選択性位相差層および第2の波長選択性位相差層を用いない以外は、実施例1と同様に光学素子を作製した。
[比較例3]
右捩れ光学異方性層を形成する組成物A-1においてキラル剤を除いた以外は、同様にして、光学異方性層を形成するための組成物を調製した。
この組成物を用い、かつ、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以外は、実施例1の右捩れ光学異方性層と同様に光学異方性層を形成し、また、左捩れ光学異方性層を形成しなかった以外は、実施例1と同様に第1光学異方性部材、第2光学異方性部材および第3光学異方性部材を形成した。
この光学異方性部材を用いて、実施例1と同様に光学素子を作製した。
右捩れ光学異方性層を形成する組成物A-1においてキラル剤を除いた以外は、同様にして、光学異方性層を形成するための組成物を調製した。
この組成物を用い、かつ、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以外は、実施例1の右捩れ光学異方性層と同様に光学異方性層を形成し、また、左捩れ光学異方性層を形成しなかった以外は、実施例1と同様に第1光学異方性部材、第2光学異方性部材および第3光学異方性部材を形成した。
この光学異方性部材を用いて、実施例1と同様に光学素子を作製した。
[比較例4]
実施例2の第1光学異方性部材を、光学素子とした。
実施例2の第1光学異方性部材を、光学素子とした。
[実施例4~実施例13]
<光学異方性部材の作製>
図15に示す露光装置によって配向膜を露光する際の2つの光の交差角を、種々、変更した以外は、実施例1と同様にして、下記の表3に示す液晶配向パターンにおける液晶化合物の光軸が180°回転する1周期を有する、各種の第1光学異方性部材、第2光学異方性部材および第3光学異方性部材を作製した。
なお、各光学異方性部材における、液晶配向パターンおける液晶化合物の光軸が180°回転する1周期は、実施例1と同様に確認した。液晶配向パターンおける、液晶化合物由来の光軸が180°回転する1周期は、表3に示す。
<光学異方性部材の作製>
図15に示す露光装置によって配向膜を露光する際の2つの光の交差角を、種々、変更した以外は、実施例1と同様にして、下記の表3に示す液晶配向パターンにおける液晶化合物の光軸が180°回転する1周期を有する、各種の第1光学異方性部材、第2光学異方性部材および第3光学異方性部材を作製した。
なお、各光学異方性部材における、液晶配向パターンおける液晶化合物の光軸が180°回転する1周期は、実施例1と同様に確認した。液晶配向パターンおける、液晶化合物由来の光軸が180°回転する1周期は、表3に示す。
<波長選択性位相差層>
実施例1と同じ第1の波長選択性位相差層および第2の波長選択性位相差層を用いた。
実施例1と同じ第1の波長選択性位相差層および第2の波長選択性位相差層を用いた。
<光学素子の作製>
この第1光学異方性部材、第2光学異方性部材および第3光学異方性部材、ならびに、第1の波長選択性位相差層および第2の波長選択性位相差層を用いて、実施例1と同様にして、光学素子を作製した。
この第1光学異方性部材、第2光学異方性部材および第3光学異方性部材、ならびに、第1の波長選択性位相差層および第2の波長選択性位相差層を用いて、実施例1と同様にして、光学素子を作製した。
<円偏光板の作製>
後述する『透過の波長依存性の評価』および『明るさの評価』を行うために、下記のようにして、円偏光板B、円偏光板Gおよび円偏光板Rを作製した。
最初に、円偏光板Gを作製した。
まず、実施例1と同様にして下塗り層を形成した支持体を用意した。
後述する『透過の波長依存性の評価』および『明るさの評価』を行うために、下記のようにして、円偏光板B、円偏光板Gおよび円偏光板Rを作製した。
最初に、円偏光板Gを作製した。
まず、実施例1と同様にして下塗り層を形成した支持体を用意した。
(パターン配向膜P-0の形成)
下塗り層を形成した支持体上に、下記のパターン配向膜P-0形成用塗布液を#2.4のワイヤーバーで連続的に塗布した。このパターン配向膜P-0形成用塗布液の塗膜が形成された支持体を80℃のホットプレート上で5分間乾燥し、パターン配向膜P-0を形成した。
下塗り層を形成した支持体上に、下記のパターン配向膜P-0形成用塗布液を#2.4のワイヤーバーで連続的に塗布した。このパターン配向膜P-0形成用塗布液の塗膜が形成された支持体を80℃のホットプレート上で5分間乾燥し、パターン配向膜P-0を形成した。
パターン配向膜P-0形成用塗布液
―――――――――――――――――――――――――――――――――
光配向用素材 重合体A2 4.35質量部
低分子化合物B2 0.80質量部
架橋剤C1 2.20質量部
化合物D1 0.48質量部
化合物D2 1.15質量部
酢酸ブチル 100.00質量部
―――――――――――――――――――――――――――――――――
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光配向用素材 重合体A2 4.35質量部
低分子化合物B2 0.80質量部
架橋剤C1 2.20質量部
化合物D1 0.48質量部
化合物D2 1.15質量部
酢酸ブチル 100.00質量部
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((重合体A2の合成))
撹拌機、温度計、滴下漏斗および還流冷却管を備えた反応容器に、2-(3,4-エポキシシクロヘキシル)エチルトリメトキシシラン100質量部、メチルイソブチルケトン500質量部、および、トリエチルアミン10質量部を仕込み、室温で混合した。次いで、脱イオン水100質量部を滴下漏斗より30分かけて滴下した後、還流下で混合しつつ、80℃で6時間反応させた。反応終了後、有機相を取り出し、0.2質量%硝酸アンモニウム水溶液により洗浄後の水が中性になるまで洗浄した後、減圧下で溶媒および水を留去することにより、エポキシ含有ポリオルガノシロキサンを粘調な透明液体として得た。
このエポキシ含有ポリオルガノシロキサンについて、1H-NMR(Nuclear Magnetic Resonance)分析を行ったところ、化学シフト(δ)=3.2ppm付近にオキシラニル基に基づくピークが理論強度どおりに得られ、反応中にエポキシ基の副反応が起こっていないことが確認された。このエポキシ含有ポリオルガノシロキサンの重量平均分子量Mwは2,200、エポキシ当量は186g/モルであった。
次に、100mLの三口フラスコに、上記で得たエポキシ含有ポリオルガノシロキサン10.1質量部、アクリル基含有カルボン酸(東亜合成社製、アロニックスM-5300、アクリル酸ω-カルボキシポリカプロラクトン(重合度n≒2))0.5質量部、酢酸ブチル20質量部、特開2015-26050号公報の合成例1の方法で得られた桂皮酸誘導体1.5質量部、および、テトラブチルアンモニウムブロミド0.3質量部を仕込み、90℃で12時間撹拌した。反応終了後、反応溶液と等量(質量)の酢酸ブチルで希釈し、3回水洗した。
この溶液を濃縮し、酢酸ブチルで希釈する操作を2回繰り返し、最終的に、光配向性基を有するポリオルガノシロキサン(下記重合体A2)を含む溶液を得た。この重合体A2の重量平均分子量Mwは9,000であった。また、1H-NMR分析の結果、重合体A2中のシンナメート基を有する成分は23.7質量%であった。
撹拌機、温度計、滴下漏斗および還流冷却管を備えた反応容器に、2-(3,4-エポキシシクロヘキシル)エチルトリメトキシシラン100質量部、メチルイソブチルケトン500質量部、および、トリエチルアミン10質量部を仕込み、室温で混合した。次いで、脱イオン水100質量部を滴下漏斗より30分かけて滴下した後、還流下で混合しつつ、80℃で6時間反応させた。反応終了後、有機相を取り出し、0.2質量%硝酸アンモニウム水溶液により洗浄後の水が中性になるまで洗浄した後、減圧下で溶媒および水を留去することにより、エポキシ含有ポリオルガノシロキサンを粘調な透明液体として得た。
このエポキシ含有ポリオルガノシロキサンについて、1H-NMR(Nuclear Magnetic Resonance)分析を行ったところ、化学シフト(δ)=3.2ppm付近にオキシラニル基に基づくピークが理論強度どおりに得られ、反応中にエポキシ基の副反応が起こっていないことが確認された。このエポキシ含有ポリオルガノシロキサンの重量平均分子量Mwは2,200、エポキシ当量は186g/モルであった。
次に、100mLの三口フラスコに、上記で得たエポキシ含有ポリオルガノシロキサン10.1質量部、アクリル基含有カルボン酸(東亜合成社製、アロニックスM-5300、アクリル酸ω-カルボキシポリカプロラクトン(重合度n≒2))0.5質量部、酢酸ブチル20質量部、特開2015-26050号公報の合成例1の方法で得られた桂皮酸誘導体1.5質量部、および、テトラブチルアンモニウムブロミド0.3質量部を仕込み、90℃で12時間撹拌した。反応終了後、反応溶液と等量(質量)の酢酸ブチルで希釈し、3回水洗した。
この溶液を濃縮し、酢酸ブチルで希釈する操作を2回繰り返し、最終的に、光配向性基を有するポリオルガノシロキサン(下記重合体A2)を含む溶液を得た。この重合体A2の重量平均分子量Mwは9,000であった。また、1H-NMR分析の結果、重合体A2中のシンナメート基を有する成分は23.7質量%であった。
(パターン配向膜P-0の露光)
得られたパターン配向膜P-0に偏光紫外線を照射(20mJ/cm2、超高圧水銀ランプ使用)することで、パターン配向膜P-0の露光を行った。
得られたパターン配向膜P-0に偏光紫外線を照射(20mJ/cm2、超高圧水銀ランプ使用)することで、パターン配向膜P-0の露光を行った。
<<λ/4板の作製>>
λ/4板(光学異方性層)は、組成物C-1をパターン配向膜P-0上に塗布することにより形成した。塗布した塗膜をホットプレート上で110℃に加熱し、その後、60℃に冷却した後、窒素雰囲気下で高圧水銀灯を用いて波長365nmの紫外線を500mJ/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て、光学異方性層を作製した。
得られたλ/4板のΔn530×d(Re(530))は132.5nmであった。
λ/4板(光学異方性層)は、組成物C-1をパターン配向膜P-0上に塗布することにより形成した。塗布した塗膜をホットプレート上で110℃に加熱し、その後、60℃に冷却した後、窒素雰囲気下で高圧水銀灯を用いて波長365nmの紫外線を500mJ/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て、光学異方性層を作製した。
得られたλ/4板のΔn530×d(Re(530))は132.5nmであった。
<<円偏光板Gの作製>>
λ/4板のトリアセチルセルロースフィルム側に、粘着剤を介して偏光板を貼り合わせて円偏光板Gを得た。
λ/4板のトリアセチルセルロースフィルム側に、粘着剤を介して偏光板を貼り合わせて円偏光板Gを得た。
<<円偏光板Bおよび円偏光板Rの作製>>
上述の円偏光板Gの作製において、λ/4板(光学異方性層)の膜厚を変更し、Δn450×d(Re(450))を112.5nm、および、Δn635×d(Re(635))を158.8nmにした以外は、円偏光板Gと同様にして、円偏光板Bおよび円偏光板Rを作製した。
上述の円偏光板Gの作製において、λ/4板(光学異方性層)の膜厚を変更し、Δn450×d(Re(450))を112.5nm、および、Δn635×d(Re(635))を158.8nmにした以外は、円偏光板Gと同様にして、円偏光板Bおよび円偏光板Rを作製した。
[透過の波長依存性の評価]
作製した光学素子に正面(法線に対する角度0°の方向)から光を入射した際における、赤色光、緑色光および青色光の、入射光に対する透過光の角度を測定した。透過光の角度は、入射光を0°とした際における、入射光に対する透過光の角度である。
具体的には、赤色光(635nm)、緑色光(530nm)および青色光(450nm)に出力の中心波長を持つレーザ光を、作製した光学素子に法線方向に10cm離れた位置から垂直入射させ、透過光を100cmの距離に配置したスクリーンで捉えて、透過角度を算出した。すなわち、本例においては、最も長波長の光の設計波長λaは635nm、中間の波長の光の設計波長λbは530nm、最も短波長の光の設計波長λcは450nmとしている。
なお、レーザ光を各波長に対応する円偏光板B、円偏光板Gおよび円偏光板Rに垂直入射させて、円偏光にした後、作製した光学素子に入射し、評価を行った。
赤色光、緑色光および青色光の平均透過角度θaveと、赤色光、緑色光および青色光のうちの最大透過角度θmaxおよび最小透過角度θminとから、下記の式によって、透過光の屈折の波長依存性PE[%]を算出した。PEが小さいほど、透過光の屈折の波長依存性が低い。
PE[%]=[(θmax-θmin)/θave]×100
PEが5%以下の場合をAA、
PEが5%超10%以下の場合をA、
PEが10%超20%以下の場合をB、
PEが20%超30%以下の場合をC、
PEが30%超の場合をD、と評価した。
結果を表3に示す。
作製した光学素子に正面(法線に対する角度0°の方向)から光を入射した際における、赤色光、緑色光および青色光の、入射光に対する透過光の角度を測定した。透過光の角度は、入射光を0°とした際における、入射光に対する透過光の角度である。
具体的には、赤色光(635nm)、緑色光(530nm)および青色光(450nm)に出力の中心波長を持つレーザ光を、作製した光学素子に法線方向に10cm離れた位置から垂直入射させ、透過光を100cmの距離に配置したスクリーンで捉えて、透過角度を算出した。すなわち、本例においては、最も長波長の光の設計波長λaは635nm、中間の波長の光の設計波長λbは530nm、最も短波長の光の設計波長λcは450nmとしている。
なお、レーザ光を各波長に対応する円偏光板B、円偏光板Gおよび円偏光板Rに垂直入射させて、円偏光にした後、作製した光学素子に入射し、評価を行った。
赤色光、緑色光および青色光の平均透過角度θaveと、赤色光、緑色光および青色光のうちの最大透過角度θmaxおよび最小透過角度θminとから、下記の式によって、透過光の屈折の波長依存性PE[%]を算出した。PEが小さいほど、透過光の屈折の波長依存性が低い。
PE[%]=[(θmax-θmin)/θave]×100
PEが5%以下の場合をAA、
PEが5%超10%以下の場合をA、
PEが10%超20%以下の場合をB、
PEが20%超30%以下の場合をC、
PEが30%超の場合をD、と評価した。
結果を表3に示す。
[明るさの評価]
図20に示す方法で、作製した光学素子に正面(法線に対する角度0°の方向)から光を入射した際における、透過光の、入射光に対する相対光強度を測定した。
具体的には、赤色光(635nm)、緑色光(530nm)および青色光(450nm)に出力中心波長を持つレーザ光Lを、光源100から、作製した光学素子Sに垂直入射させて、透過角θで透過された透過光Ltの光強度を光検出器102で測定した。
そして、透過光Ltの光強度とレーザ光Lの光強度との比をとり、透過光Ltの入射光(レーザ光L)に対する相対光強度値を求めた(透過光Lt/レーザ光L)。赤色光、緑色光および青色光の平均相対光強度値(相対光強度)を算出し、評価を行った。透過角θは、先に測定した赤色光、緑色光および青色光の各色での透過角度とした。
なお、評価は、レーザ光を各波長に対応する円偏光板B、円偏光板Gおよび円偏光板Rに垂直入射させて、円偏光にした後、作製した光学素子に入射して、行った。
結果は、後述する。
図20に示す方法で、作製した光学素子に正面(法線に対する角度0°の方向)から光を入射した際における、透過光の、入射光に対する相対光強度を測定した。
具体的には、赤色光(635nm)、緑色光(530nm)および青色光(450nm)に出力中心波長を持つレーザ光Lを、光源100から、作製した光学素子Sに垂直入射させて、透過角θで透過された透過光Ltの光強度を光検出器102で測定した。
そして、透過光Ltの光強度とレーザ光Lの光強度との比をとり、透過光Ltの入射光(レーザ光L)に対する相対光強度値を求めた(透過光Lt/レーザ光L)。赤色光、緑色光および青色光の平均相対光強度値(相対光強度)を算出し、評価を行った。透過角θは、先に測定した赤色光、緑色光および青色光の各色での透過角度とした。
なお、評価は、レーザ光を各波長に対応する円偏光板B、円偏光板Gおよび円偏光板Rに垂直入射させて、円偏光にした後、作製した光学素子に入射して、行った。
結果は、後述する。
以下の表3に、各光学素子の構成、ならびに、平均透過角度[°]およびPE(透過の波長依存性)の評価結果を示す。
なお、各光学異方性部材において、光学素子の光学特性に影響が有るのは光学異方性層で、また、光学異方性層以外の部材は、基本的に、均一あるので、表3には、光学異方性層の特性のみを記している。
また、左捩れ光学異方性層は、液晶化合物の捩れ角以外は、基本的に、右捩れ光学異方性層と同様であるので、表3において、左捩れ光学異方性層に関しては、液晶化合物の捩れ角のみを示す。
なお、各光学異方性部材において、光学素子の光学特性に影響が有るのは光学異方性層で、また、光学異方性層以外の部材は、基本的に、均一あるので、表3には、光学異方性層の特性のみを記している。
また、左捩れ光学異方性層は、液晶化合物の捩れ角以外は、基本的に、右捩れ光学異方性層と同様であるので、表3において、左捩れ光学異方性層に関しては、液晶化合物の捩れ角のみを示す。
表3には記載していないが、明るさの評価において、実施例1および実施例3は比較例1~3に対し、相対光強度が5%以上向上していた。また、実施例2は比較例4に対し、相対光強度が5%以上向上していた。実施例4~13は比較例1~3に対し、いずれも相対光強度が5%以上向上していた。
上記表に示されるように、液晶化合物由来の光学軸が一方向に沿って回転する液晶配向パターンを有し、かつ、液晶化合物が厚さ方向に捩れ配向された光学異方性層を含む光学異方性部材を、複数、有し、かつ、少なくとも1層の光学異方性層の液晶配向パターンの1周期が他の光学異方性層とは異なり、さらに、隣接する光学異方性層の間に波長選択性位相差層を有する本発明の光学素子は、透過光の出射角度の波長依存性が小さく、透過した赤色光、緑色光および青色光を、殆ど同じ方向に出射でき、しかも、上述のように、透過光の光量も多い。
また、液晶配向パターンにおける液晶化合物の光軸が180°回転する1周期Λと、設計波長λa、λbおよびλcとの関係が、より好ましい範囲である『0.7*{[(λa+λc)λb/(λa-λb)λc]Λ1}≦Λ2≦1.8*{[(λa+λc)λb/(λa-λb)λc]Λ1}』および『0.7*{[(λa+λc)λb/(λb-λc)λa]Λ1}≦Λ3≦1.8*{[(λa+λc)λb/(λb-λc)λa]Λ1}』に入る実施例8および実施例9の光学素子は、透過光の出射角度の波長依存性が、より小さい(PEの評価B)。
液晶配向パターンにおける液晶化合物の光軸が180°回転する1周期Λと、設計波長λa、λbおよびλcとの関係が、さらに好ましい範囲である『0.8*{[(λa+λc)λb/(λa-λb)λc]Λ1}≦Λ2≦1.3*{[(λa+λc)λb/(λa-λb)λc]Λ1}』および『0.8*{[(λa+λc)λb/(λb-λc)λa]Λ1}≦Λ3≦1.3*{[(λa+λc)λb/(λb-λc)λa]Λ1}』に入る実施例6および実施例7の光学素子は、透過光の出射角度の波長依存性が、さらに小さい(PEの評価A)。
中でも、液晶配向パターンにおける液晶化合物の光軸が180°回転する1周期Λと、設計波長λa、λbおよびλcとの関係が、特に好ましい範囲である『0.9*{[(λa+λc)λb/(λa-λb)λc]Λ1}≦Λ2≦1.15*{[(λa+λc)λb/(λa-λb)λc]Λ1}』および『0.9*{[(λa+λc)λb/(λb-λc)λa]Λ1}≦Λ3≦1.15*{[(λa+λc)λb/(λb-λc)λa]Λ1}』に入る実施例1~5の光学素子は、透過光の出射角度の波長依存性が、特に小さい(PEの評価AA)。
また、実施例6および実施例7に対して、液晶配向パターンにおける液晶化合物の光軸が180°回転する1周期Λと、設計波長λa、λbおよびλcとの関係が、一方の式のみを満たす実施例12および実施例13は、実施例6および実施例7よりも透過光の出射角度の波長依存性が大きいものの、透過光の出射角度の波長依存性は十分に小さい。
液晶配向パターンにおける液晶化合物の光軸が180°回転する1周期Λと、設計波長λa、λbおよびλcとの関係が、さらに好ましい範囲である『0.8*{[(λa+λc)λb/(λa-λb)λc]Λ1}≦Λ2≦1.3*{[(λa+λc)λb/(λa-λb)λc]Λ1}』および『0.8*{[(λa+λc)λb/(λb-λc)λa]Λ1}≦Λ3≦1.3*{[(λa+λc)λb/(λb-λc)λa]Λ1}』に入る実施例6および実施例7の光学素子は、透過光の出射角度の波長依存性が、さらに小さい(PEの評価A)。
中でも、液晶配向パターンにおける液晶化合物の光軸が180°回転する1周期Λと、設計波長λa、λbおよびλcとの関係が、特に好ましい範囲である『0.9*{[(λa+λc)λb/(λa-λb)λc]Λ1}≦Λ2≦1.15*{[(λa+λc)λb/(λa-λb)λc]Λ1}』および『0.9*{[(λa+λc)λb/(λb-λc)λa]Λ1}≦Λ3≦1.15*{[(λa+λc)λb/(λb-λc)λa]Λ1}』に入る実施例1~5の光学素子は、透過光の出射角度の波長依存性が、特に小さい(PEの評価AA)。
また、実施例6および実施例7に対して、液晶配向パターンにおける液晶化合物の光軸が180°回転する1周期Λと、設計波長λa、λbおよびλcとの関係が、一方の式のみを満たす実施例12および実施例13は、実施例6および実施例7よりも透過光の出射角度の波長依存性が大きいものの、透過光の出射角度の波長依存性は十分に小さい。
これに対し、1つの光学異方性部材のみで構成される比較例1および比較例4、ならびに、波長選択性位相差層を有さない比較例2は、透過光の出射角度の波長依存性が大きく、透過した赤色光、緑色光および青色光が異なる方向に出射され、しかも、上述のように、透過光の光量も少ない。また、光学異方性層が捩れ配向されていない、すなわち、液晶化合物の捩れ角が『0°』である比較例3は、上述のように、透過光の光量が少ない。
以上の結果より、本発明の効果は明らかである。
以上の結果より、本発明の効果は明らかである。
ARグラスの導光板に光を入射および出射させる回折素子など、光学装置において光を屈折させる各種の用途に好適に利用可能である。
10,32 光学素子
12 第1光学異方性部材
14 第2光学異方性部材
16 第3光学異方性部材
18G,18R 波長選択性位相差層
20 支持体
24A,24B,24C 配向膜
26 光学異方性層
26Ap,26Bp,26Cp 右捩れ光学異方性層
26Am,26Bm,26Cm 左捩れ光学異方性層
30 液晶化合物
30A 光学軸
34 光学異方性層
40 ディスプレイ
42 導光板
60,80 露光装置
62,82 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
BR,B2R 青色光の右円偏光
GR,G1R,G2R,G3R 緑色光の右円偏光
RR,R1R,R3R 赤色光の右円偏光
B1L,B3L 青色光の左円偏光
G1L,G2L 緑色光の左円偏光
R1L,R2L 赤色光の左円偏光
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
U 使用者
12 第1光学異方性部材
14 第2光学異方性部材
16 第3光学異方性部材
18G,18R 波長選択性位相差層
20 支持体
24A,24B,24C 配向膜
26 光学異方性層
26Ap,26Bp,26Cp 右捩れ光学異方性層
26Am,26Bm,26Cm 左捩れ光学異方性層
30 液晶化合物
30A 光学軸
34 光学異方性層
40 ディスプレイ
42 導光板
60,80 露光装置
62,82 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
BR,B2R 青色光の右円偏光
GR,G1R,G2R,G3R 緑色光の右円偏光
RR,R1R,R3R 赤色光の右円偏光
B1L,B3L 青色光の左円偏光
G1L,G2L 緑色光の左円偏光
R1L,R2L 赤色光の左円偏光
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
U 使用者
Claims (17)
- 液晶化合物を含む組成物を用いて形成された、前記液晶化合物由来の光学軸の向きが面内の少なくとも一方向に沿って連続的に回転しながら変化している液晶配向パターンを有する光学異方性層を、少なくとも1層、有する、複数の光学異方性部材と、
前記複数の光学異方性部材の少なくとも一対の間に配置される、特定の波長域の円偏光を逆の旋回方向の円偏光に変換する波長選択性位相差層と、を有し、かつ、
前記液晶配向パターンにおいて、前記光学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、前記光学軸の向きが180°回転する長さを1周期とした際に、少なくとも1つの前記光学異方性部材の前記光学異方性層は、他の前記光学異方性部材の前記光学異方性層と前記1周期の長さが異なり、さらに、
前記光学異方性層は、前記液晶化合物が、厚さ方向に捩れ配向されたものであり、
前記光学異方性部材の少なくとも1つは、前記面内の前記液晶配向パターンが等しく、かつ、前記液晶化合物の捩れ配向の捩れ方向が互いに逆である、2層の前記光学異方性層を有することを特徴とする光学素子。 - 前記光学異方性部材の配列方向の一方の端に位置する前記光学異方性部材は、前記光学異方性層を1層のみ有する、請求項1に記載の光学素子。
- 前記光学異方性部材が、全て、前記2層の光学異方性層を有する、請求項1に記載の光学素子。
- 複数対の前記隣接する2枚の前記光学異方性部材の間に、前記波長選択性位相差層を有し、かつ、前記波長選択性位相差層が円偏光を変換する特定の波長域が、前記光学異方性部材の配列方向に、漸次、短くなる、請求項1~3のいずれか1項に記載の光学素子。
- 前記光学異方性層の前記液晶配向パターンにおける前記1周期の長さが、全ての前記光学異方性部材で異なる、請求項1~4のいずれか1項に記載の光学素子。
- 前記光学異方性部材と前記波長選択性位相差層とが、交互に配置される、請求項1~5のいずれか1項に記載の光学素子。
- 前記光学異方性部材の配列方向の一方の端に位置する前記光学異方性部材の前記光学異方性層が、前記液晶配向パターンにおける前記1周期の長さが最も短い、請求項1~6のいずれか1項に記載の光学素子。
- 少なくとも1つの前記光学異方性部材の前記光学異方性層が、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、請求項1~7のいずれか1項に記載の光学素子。
- 前記液晶配向パターンにおける前記液晶化合物由来の光学軸の向きが連続的に回転しながら変化する前記一方向に向かって、前記液晶配向パターンの前記1周期が、漸次、短くなる、請求項8に記載の光学素子。
- 前記光学異方性層の前記液晶配向パターンが、前記液晶化合物由来の光学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1~9のいずれか1項に記載の光学素子。
- 3つ以上の前記光学異方性部材と、2層以上の前記波長選択性位相差層と、を有する、請求項1~10のいずれか1項に記載の光学素子。
- 前記波長選択性位相差層の1層が、赤色光の円偏光を逆の旋回方向の円偏光に変換し、前記波長選択性位相差層の他の1層が、緑色光の円偏光を逆の旋回方向の円偏光に変換する、請求項11に記載の光学素子。
- 前記波長選択性位相差層が複数の位相差層からなり、前記位相差層の少なくとも1層は他の位相差層と面内の遅相軸方位が異なる、請求項1~12のいずれか1項に記載の光学素子。
- 前記波長選択性位相差層における前記位相差層の少なくとも1層がλ/4板である、請求項13に記載の光学素子。
- 前記波長選択性位相差層におけるλ/4板が逆波長分散性を有し、他の位相差層の少なくとも1層は順波長分散性を有する、請求項14に記載の光学素子。
- 請求項1~15のいずれか1項に記載の光学素子と、導光板と、を有する、導光素子。
- 離間する2つの前記光学素子が、前記導光板に設けられる、請求項16に記載の導光素子。
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Legal Events
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NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
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122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 19781499 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |