WO2019221294A1 - 光学素子 - Google Patents

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anisotropic layer
optical
light
optically anisotropic
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齊藤　之人
佐藤　寛
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富士フイルム株式会社
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    • G02F2413/10—Indexing scheme related to G02F1/13363, i.e. to birefringent elements, e.g. for optical compensation, characterised by the number, position, orientation or value of the compensation plates with refractive index ellipsoid inclined, or tilted, relative to the LC-layer surface O plate
    • G02F2413/105—Indexing scheme related to G02F1/13363, i.e. to birefringent elements, e.g. for optical compensation, characterised by the number, position, orientation or value of the compensation plates with refractive index ellipsoid inclined, or tilted, relative to the LC-layer surface O plate with varying inclination in thickness direction, e.g. hybrid oriented discotic LC

Definitions

  • This disclosure relates to an optical element capable of controlling the reflection direction of incident light.
  • polarized light In many optical devices or systems, polarized light is used, and an optical element for controlling reflection, condensing, and divergence of polarized light is required.
  • Patent Document 1 JP-T-2016-519327 discloses a polarization conversion system using a geometric phase difference hologram having an anisotropic alignment pattern.
  • Patent Document 2 JP-T-2017-522601 discloses a diffractive optical element in which a liquid crystal alignment pattern is changed in the plane of a thin film having optical anisotropy.
  • Non-Patent Document 1 the phase of the light reflected by the cholesteric liquid crystal changes depending on the phase of the helical structure.
  • the wavefront of the reflected light can be arbitrarily designed by spatially controlling the phase of the helical structure.
  • a liquid crystal diffraction grating An element that diffracts light by changing a liquid crystal alignment pattern within a plane as described in Patent Document 2 (hereinafter referred to as a liquid crystal diffraction grating) is an optical member such as a beam steering that bends light in an arbitrary direction. Application as is expected.
  • the method using the liquid crystal alignment pattern has a problem that birefringence inherent to the liquid crystal material occurs with respect to light other than the wavelength that diffracts the beam light. More specifically, as shown in FIG. 20, in the liquid crystal diffraction grating 1 that beam steers the visible light Lv, a sensor 2 is installed on the visible light incident surface side of the liquid crystal diffraction grating 1 so as to pass through the liquid crystal diffraction grating 1.
  • the infrared light L Ir passes through the liquid crystal diffraction grating 1 obliquely to cause retardation, which differs from the polarization direction of the infrared light before entering the liquid crystal diffraction grating 1, for example, linearly polarized light. It changes to the polarization state. Therefore, when the sensing light has a polarization component and the detection sensitivity of the sensor has a polarization characteristic, the intensity of the sensed light changes depending on the incident angle to the liquid crystal diffraction grating, and a sensing error occurs. There was a problem.
  • An object of the present disclosure is to provide an optical element capable of obtaining diffracted light and transmitting light having a wavelength different from the wavelength band of the diffracted light without affecting birefringence.
  • An optical element of the present disclosure includes a first optical anisotropic layer that is a cured layer of a liquid crystal composition including a rod-like liquid crystal compound, and a liquid crystal that includes a discotic liquid crystal compound laminated on the first optical anisotropic layer.
  • a second optically anisotropic layer that is a cured layer of the composition, The optical axis of the rod-like liquid crystal compound is parallel to the surface of the first optical anisotropic layer, and the optical anisotropic layer is along at least one direction in the plane of the first optical anisotropic layer.
  • An aligned liquid crystal alignment pattern wherein the orientation of the optical axis of the rod-shaped liquid crystal compound is continuously rotated and changed, and the orientation of the optical axis of the rod-shaped liquid crystal compound is in a cycle of 0.5 ⁇ m to 5 ⁇ m.
  • Rotated 180 ° The optical axis of the discotic liquid crystal compound is parallel to the surface of the second optical anisotropic layer, and the second optical anisotropic layer is at least one in the plane of the second optical anisotropic layer.
  • the optical element is rotated 180 ° with a period of 5 ⁇ m to 5 ⁇ m.
  • the retardation in the thickness direction of the first optical anisotropic layer with respect to the light having the first wavelength ⁇ 1 may be 0.36 ⁇ 1 to 0.64 ⁇ 1 .
  • the in-plane retardation of the second optical anisotropic layer with respect to the light with the second wavelength ⁇ 2 may be 0.36 ⁇ 2 to 0.64 ⁇ 2 .
  • the in-plane retardation with respect to light having a wavelength ⁇ of the optically anisotropic layer having a laminated structure may be 0.36 ⁇ to 0.64 ⁇ .
  • the rod-like liquid crystal compound in the first optical anisotropic layer, it is preferable that the rod-like liquid crystal compound is twisted and aligned in the thickness direction of the first optical anisotropic layer according to the first twist.
  • the discotic liquid crystal compound in the second optical anisotropic layer, it is preferable that the discotic liquid crystal compound is twisted and aligned in the thickness direction of the second optical anisotropic layer according to the second twist.
  • the discotic liquid crystal compound in the second optical anisotropic layer, is twisted and aligned in accordance with the second twist in the thickness direction of the second optical anisotropic layer.
  • the first twist and the second twist are in the same direction.
  • the twist orientation of the optical axis of the rod-like liquid crystal compound and the disc shape The twisted orientation of the optical axis of the liquid crystal compound may be a continuous twisted orientation.
  • the discotic liquid crystal compound in the second optical anisotropic layer, is twisted and aligned in accordance with the second twist in the thickness direction of the second optical anisotropic layer.
  • the first twistability and the second twistability may be reversed.
  • the rod-like liquid crystal compound in the first optical anisotropic layer and the discotic liquid crystal compound in the second optical anisotropic layer are continuously cholesterically aligned in the thickness direction. Also good.
  • the rod-like liquid crystal compound in the first optical anisotropic layer, is first cholesterically aligned in the thickness direction,
  • the discotic liquid crystal compound in the second optically anisotropic layer, may be secondly cholesterically aligned in the thickness direction.
  • diffracted light can be obtained, and light having a wavelength different from the wavelength band of the diffracted light can be transmitted without being affected by birefringence.
  • FIG. 5 is a schematic plan view showing a horizontal rotation orientation pattern in still another design modification example of the optical element.
  • It is a side surface schematic diagram of the optical element of 2nd Embodiment.
  • It is a side surface schematic diagram which shows the liquid crystal aligning pattern in the optically anisotropic layer of the optical element of 3rd Embodiment.
  • a numerical range represented by using “to” means a range including numerical values described before and after “to” as a lower limit value and an upper limit value.
  • “orthogonal” and “parallel” with respect to the angle mean a range of a strict angle ⁇ 10 °.
  • FIG. 1 is a schematic side view showing a liquid crystal alignment pattern in the optical element 10 of the first embodiment
  • FIG. 2 is a liquid crystal alignment pattern of the first optical anisotropic layer 13 of the optical element 10 shown in FIG. It is a plane schematic diagram which shows.
  • FIG. 3 is a schematic plan view showing a liquid crystal alignment pattern of the second optical anisotropic layer 14 of the optical element 10.
  • the sheet surface of the sheet-like optical element 10 is defined as the xy plane and the thickness direction is defined as the z direction.
  • the optical element 10 includes a first optical anisotropic layer 13 that is a cured layer of a liquid crystal composition including a rod-shaped liquid crystal compound 40 and a second optical anisotropic layer that is a cured layer of a liquid crystal composition including a discotic liquid crystal compound 20. And an adhesive layer 14. That is, the optical element 10 includes an optical anisotropic layer 16 having a laminated structure of a first optical anisotropic layer 13 and a second optical anisotropic layer 14.
  • the optical axis 42 of the rod-shaped liquid crystal compound 40 is parallel to the surface of the first optical anisotropic layer 13, and the first optical anisotropic layer 13
  • the liquid crystal pattern is arranged along at least one direction in the plane of the optically anisotropic layer 13 and has a first liquid crystal alignment pattern in which the direction of the optical axis 42 of the rod-like liquid crystal compound 40 is rotationally changed.
  • the direction of the optical axis 42 of the rod-like liquid crystal compound 40 constituting the first liquid crystal alignment pattern is rotated by 180 ° with a period of 0.5 ⁇ m to 5 ⁇ m.
  • the optical axis 22 of the discotic liquid crystal compound 20 is parallel to the surface of the second optically anisotropic layer 14, and the second A liquid crystal pattern arranged along at least one direction in the plane of the optically anisotropic layer 14, wherein the orientation of the optical axis 22 of the discotic liquid crystal compound 20 has a second liquid crystal alignment pattern in which the rotation is changed.
  • the direction of the optical axis 22 of the discotic liquid crystal compound 20 constituting the liquid crystal alignment pattern is rotated by 180 ° with a period of 0.5 ⁇ m to 5 ⁇ m.
  • the optical axis 42 in the rod-like liquid crystal compound 40 is a slow axis
  • the optical axis 22 in the discotic liquid crystal compound 20 is a fast axis.
  • the in-plane slow axis of the rod-like liquid crystal compound 40 and the in-plane slow axis of the discotic liquid crystal compound 20 are parallel to each other.
  • the in-plane retardation R is preferably 0.4 ⁇ to 0.6 ⁇ , more preferably 0.45 ⁇ to 0.55 ⁇ , and particularly preferably 0.5 ⁇ .
  • ⁇ n is the birefringence of the optically anisotropic layer 16
  • d is the thickness of the optically anisotropic layer 16.
  • the in-plane retardation is preferably closer to ⁇ / 2 because the diffraction efficiency is improved, but the in-plane retardation is not limited to the above range.
  • the optical element 10 functions as a transmissive diffraction grating. The principle of functioning as a diffraction grating will be described.
  • the liquid crystal alignment in which the rod-like liquid crystal compound 40 is continuously rotated and changed in one direction (the direction along the axis A in FIG. 2). It is fixed with a pattern. That is, the long axis of the rod-shaped liquid crystal compound 40 defined as the optical axis 42 of the rod-shaped liquid crystal compound 40 is aligned parallel to the plane and is aligned along the axis A, and the optical axis 42 of the rod-shaped liquid crystal compound 40 is aligned.
  • the rod-shaped liquid crystal compound 40 is aligned so that the angle formed with the axis A of the shaft changes rotationally.
  • the discotic liquid crystal compound 20 has a disc surface in a direction perpendicular to the surface of the optically anisotropic layer 14 (z-axis direction).
  • the liquid crystal alignment pattern is continuously fixed and rotated in one direction (the direction along the axis A in FIG. 2). That is, the short axis (axis of extraordinary light: director) of the discotic liquid crystal compound 20 defined as the optical axis 22 of the discotic liquid crystal compound 20 is aligned parallel to the plane and arranged along the axis A.
  • the discotic liquid crystal compound 20 is oriented so that the angle formed by the axis A of the optical axis 22 of the discotic liquid crystal compound 20 is changed.
  • the angle between the optical axis 42 and the axis A of the rod-like liquid crystal compound 40 arranged along the axis A differs from the liquid crystal alignment pattern in which the direction of the optical axis 42 is rotated and changed depending on the position in the axis A direction.
  • the pattern is oriented and fixed so that the angle formed between the optical axis 42 and the axis A along the axis A gradually changes from ⁇ to ⁇ + 180 ° or ⁇ 180 °.
  • the liquid crystal alignment pattern in which the orientation of the optical axis 22 is rotationally changed means that the angle formed by the optical axis 22 and the axis A of the discotic liquid crystal compound 20 arranged along the axis A is the position in the axis A direction.
  • the pattern is oriented and fixed so that the angle formed by the optical axis 22 and the axis A along the axis A gradually changes from ⁇ to ⁇ + 180 ° or ⁇ 180 °.
  • a local region unit: optical axis of the liquid crystal compound is parallel to the surface of the optically anisotropic layer and the direction of the optical axis is constant.
  • a pattern in which the direction of the optical axis continuously rotates and changes in one direction between a plurality of local areas arranged in one direction is referred to as horizontal rotation orientation.
  • the distance at which the angle between the optical axis 22 and the A-axis changes from ⁇ to ⁇ + 180 ° or ⁇ 180 ° (that is, return to the original) is 180 ° rotation period p (hereinafter referred to as rotation period p). .)
  • the rotation period p in the direction of the optical axis is 0.5 ⁇ m to 5 ⁇ m as described above.
  • the rotation period p may be determined according to the wavelength of light incident on the optical element and a desired emission angle.
  • the rotation period of the horizontal rotational orientation in the first optical anisotropic layer 13 and the rotational period of the horizontal rotational orientation in the second optical anisotropic layer 14 are substantially the same. The rotation period of both may be different.
  • the optical element 10 gives a phase difference of ⁇ / 2 to the incident light, and enters the incident light with an incident angle of 0 °, that is, vertically incident light. 2 is emitted. That is, as shown in FIG. 1, (along the normal of the surface) perpendicular to the one surface of the optically anisotropic layer 16 in the right circularly polarized of light P R light L 1 (hereinafter, referred to as the incident light L 1.
  • emission light L 2 light L 2 of left circularly polarized light P L (hereinafter referred to as emission light L 2 ) is emitted from the other surface of the optically anisotropic layer 16 in a direction that forms an angle ⁇ 2 with the normal direction. Is done.
  • the optical element 10 when light with a predetermined wavelength is incident, the smaller the rotation period p in the optical anisotropic layer 16, the larger the emission angle of the outgoing light L 2 .
  • FIG. 4 is a diagram schematically showing the principle that the incident light L 1 perpendicularly incident on the optical element 10 is emitted at a predetermined emission angle ⁇ 2 .
  • ⁇ 2 a predetermined emission angle
  • the incident light L 1 is a right circularly polarized light P R, by passing through the optically anisotropic layer 16, a phase difference of lambda / 2 is converted given to left-handed circularly polarized light P L.
  • the incident light L 1 has its absolute phase changed by the optical axis 42 of the rod-like liquid crystal compound 40 and the optical axis 22 of the disk-like liquid crystal compound 20 in each in-plane region.
  • the surface of the optical anisotropic layer 16 on which incident light is incident ( The amount of change in the absolute phase varies depending on the direction of the optical axes 42 and 22 in the x coordinate of the (xy plane).
  • a region indicated by a broken line in FIG. 4 schematically shows how the amount of change in the absolute phase varies depending on the x coordinate.
  • an absolute phase equiphase surface 24 having an angle with respect to the surface of the optically anisotropic layer is formed by the absolute phase shift when passing through the optically anisotropic layer 16.
  • the traveling direction of the incident light L 1 is changed. That is, the incident light L 1 is a right circularly polarized light P R, the after passing through the optically anisotropic layer 16 left-handed circularly polarized light P L becomes and proceeds to a direction forming a normal direction at a predetermined angle theta 2 It is emitted from the optically anisotropic layer 16 as an outgoing light L 2.
  • the incident light L 1 incident along the normal direction perpendicular to the surface of the optical element 10 is emitted as outgoing light L 2 in a direction different from the normal direction. Is done.
  • the inclination of the emission angle can be changed by changing the rotation period p in the direction of the optical axis in the liquid crystal alignment pattern in the optically anisotropic layer 16. As the rotation period p is decreased, a larger bending force can be applied to the incident light, so that the inclination can be increased.
  • the wavefront of the incident light can be changed by changing the amount of change in the absolute phase by the liquid crystal alignment pattern in the optically anisotropic layer 16.
  • the conversion of the incident light L 1 to the emitted light L 2 based on the above principle is as transmission diffraction.
  • Optically anisotropic layer 16 with respect to the incident light L 1 acts as a transmission grating, the incident light L 1 which is perpendicularly incident on the optically anisotropic layer 16 is transmitted as transmitted diffraction light L 2 having a predetermined diffraction angle theta 2 Diffracted.
  • equation (1) which is a general light diffraction equation, is satisfied.
  • n 1 is the refractive index of the medium 1 on the incident surface side of the diffraction grating (here, optically anisotropic layer), ⁇ 1 is the incident angle, and n 2 is the exit of the diffraction grating (here, optically anisotropic layer).
  • the refractive index of the medium 2 on the surface side, ⁇ 2 is the diffraction angle (emission angle), ⁇ is the wavelength, p is the rotation period, and m is the order of diffraction.
  • FIG. 5 is a diagram schematically showing the diffraction phenomenon represented by the equation (2).
  • An optical anisotropic layer 16 as a diffraction grating is disposed between the medium n 1 and the medium n 2 .
  • Light L 1 incident on the optically anisotropic layer 16 from the normal direction from the medium 1 side is a refractive index n 1 is diffracted by the diffraction effect of the optically anisotropic layer 16, the refractive index n 2 medium 2 Emitted to the side.
  • the emitted light L 2 emitted by the emission angle theta 2 time can be rephrased as transmitted diffraction light L 2 of the diffraction angle theta 2.
  • the optically anisotropic layer 16 functions as a diffraction grating.
  • the first optical anisotropic layer 13 and the second optical anisotropic layer 14 each function alone as a diffraction grating.
  • the optically anisotropic layer 16 can be replaced with the first optically anisotropic layer 13 or the second optically anisotropic layer 14.
  • the inventors of the present invention have described the first optical anisotropic layer 13 in which the rod-like liquid crystal compound 40 is fixed by horizontal rotation orientation and the optical anisotropic layer in which the disc-like liquid crystal compound 20 is fixed by horizontal rotation orientation.
  • the optical element 10 having the optically anisotropic layer 16 formed by laminating 14 is a diffraction grating that uses only an optically anisotropic layer in which a conventional rod-like liquid crystal compound is horizontally rotated and fixed, and a disc shape.
  • the birefringence is affected for wavelengths different from those of diffracted light while maintaining diffraction efficiency. It was found that the light can be transmitted without any problems.
  • the optical element 10 is an optically anisotropic material in which a conventional rod-like liquid crystal compound is fixed by horizontal rotation alignment and a diffraction grating using only one optically anisotropic layer and a disk-shaped liquid crystal compound is fixed by horizontal rotation alignment.
  • the reason why a characteristic having no influence of birefringence can be obtained for a wavelength different from that of the diffracted light as compared with the diffraction grating using only the single layer of the property layer is as follows.
  • diffracted light When light having a wavelength band different from the wavelength band of light to be diffracted (hereinafter referred to as diffracted light) is incident on the liquid crystal diffraction grating, the light travels straight without being affected by diffraction.
  • a liquid crystal diffraction grating designed to diffract with visible light does not affect diffraction with infrared light. Therefore, when a wavelength different from that of the diffracted light is incident from an oblique direction, the light travels straight through the liquid crystal diffraction grating obliquely.
  • the optical element 10 is formed by stacking a diffraction grating constituted by horizontal rotation orientation of a rod-like liquid crystal compound and a diffraction grating constituted by horizontal rotation orientation of a disk-like liquid crystal compound, approximately negative and positive C It is considered that the plates compensate each other to eliminate the retardation in the oblique direction. Thus, it is possible to provide an optical element that can be transmitted without affecting birefringence at a wavelength different from that of the diffracted light. If such an optical element is used, as shown in FIG. 1, when the light incident obliquely from the side of the optical element 10 that emits the diffracted light, for example, the diffracted light is visible light, the wavelength band of the diffracted light is used.
  • Infrared light L Ir which is light in a wavelength band different from, passes through the optical element 10 without being influenced by diffraction and without being influenced by birefringence. Therefore, the infrared light L Ir can be detected with a small detection error by the detection sensor 2 arranged on one surface side of the optical element 10.
  • first optically anisotropic layer and the second optically anisotropic layer can compensate each other so as not to cause retardation with respect to obliquely incident light
  • first optically anisotropic layer and the second optically anisotropic layer Each optically anisotropic layer is not limited to one layer.
  • the layer 17 may be used.
  • a plurality of first optical anisotropic layers and second optical anisotropic layers may be alternately laminated.
  • the wavelength ⁇ of the light that causes the diffractive action by the optical element of the present disclosure may be from ultraviolet to infrared, and further to an electromagnetic wave level.
  • the diffraction angle increases as the wavelength of incident light increases, and the diffraction angle decreases as the wavelength of incident light decreases.
  • the rotation period p ( ⁇ m) is in the range of 0.5 ⁇ p ⁇ 1, and high diffraction efficiency can be obtained as compared with the rod-like liquid crystal compound.
  • the rotation period p ( ⁇ m) is in the range of 2 ⁇ p ⁇ 5, and higher diffraction efficiency can be obtained as compared with the rod-like liquid crystal compound.
  • the first-order diffraction efficiency becomes maximum at 1.0 ⁇ . In the wavelength region of .5 ⁇ or more or 0.6 ⁇ or less, the diffraction effect is small.
  • the optical element 10 randomly polarized light (i.e., non-polarized light) when light is incident L 21 of the incident light L 21, right circularly polarized light P R by a liquid crystal orientation pattern the traveling direction changed by receiving bending force, is emitted as the first transmitted diffracted light L 22 passes through the optically anisotropic layer.
  • the right circularly polarized light P R is emitted is converted into left-handed circularly polarized light P L passes through the optically anisotropic layer 16.
  • the left circularly polarized light P L of the incident light L 21 receives the bending force opposite to that of the light converted from the right circularly polarized light to the left circularly polarized light, and changes the traveling direction in the optical anisotropic layer 16.
  • the light is transmitted and emitted as the second transmitted diffracted light L 23 from the opposite surface of the optical element 10.
  • the left-handed circularly polarized light P L is emitted is converted into right circularly polarized light P R in the optically anisotropic layer 16. If the period of horizontal rotational orientation in the first optical anisotropic layer and the second optical anisotropic layer is the same, the traveling directions of the first transmission diffracted light L 22 and the second transmission diffracted light L 23 are The relationship is substantially line symmetric with respect to the normal.
  • the optical element 10 can be configured to include an alignment film 12a on a support 12 and an optical anisotropic layer 16 thereon.
  • the 180 ° rotation period in the optically anisotropic layer need not be uniform over the entire surface. Further, it is only necessary to have a liquid crystal alignment pattern in which the direction of the optical axis rotates in at least one direction (axis A) in the plane of the optical anisotropic layer, and the direction of the optical axis is constant. May be provided.
  • the rotation period may be designed so as to obtain a desired diffraction angle ⁇ 2 so as to satisfy the above formula (1) in consideration of the incident angle ⁇ 1 .
  • the direction in which the optical axis rotates is not limited to one direction, and may be two directions or a plurality of directions. Incident light can be reflected in a desired direction by using the optical anisotropic layer 16 having a liquid crystal alignment pattern corresponding to the direction of the desired reflected light.
  • FIG. 9 is a schematic plan view of the optically anisotropic layer 34 in a design change example of the optical element.
  • the liquid crystal alignment pattern in the optically anisotropic layer 34 is different from the liquid crystal alignment pattern in the optically anisotropic layer 16 of the above embodiment.
  • the optically anisotropic layer 34 in FIG. 9 is a liquid crystal in which the orientation of the optical axis 22 is changed by gradually rotating along multiple directions from the center side to the outer side, for example, the axes A 1 , A 2 , A 3 . It has an orientation pattern. With the liquid crystal alignment pattern shown in FIG.
  • the absolute phase of the incident light changes with different amounts of change between the local regions where the directions of the optical axes 22 are different. If a liquid crystal alignment pattern whose optical axis is rotationally changed radially as shown in FIG. 9 is provided, it can be reflected as diverging light or focused light. That is, a function as a concave lens or a convex lens can be realized by the liquid crystal alignment pattern in the optically anisotropic layer.
  • the first optical anisotropic layer and the second optical anisotropic layer may be designed to function as a diffraction grating for different wavelengths ⁇ 1 and ⁇ 2 . In such a case, the in-plane retardation in the first optical anisotropic layer and the in-plane retardation in the second optical anisotropic layer are set independently.
  • FIG. 10 is a schematic side view of the optical element 210 according to the second embodiment.
  • the optical element 210 includes a first optical anisotropic layer 213 composed of a cured layer of a liquid crystal composition containing the rod-shaped liquid crystal compound 40 and a second optical anisotropic material composed of a cured layer of the liquid crystal composition containing the discotic liquid crystal compound 20.
  • the optically anisotropic layer 216 has a laminated structure in which the conductive layer 214 is laminated.
  • the first optical anisotropic layer 213 and the second optical anisotropic layer 214 are the first optical anisotropic layer 13 and the second optical anisotropic layer in the optical element 10 of the first embodiment. 14 has a liquid crystal alignment pattern of horizontal rotation alignment similar to 14. However, the first optical anisotropic layer 213 and the second optical anisotropic layer 214 each function as a diffraction grating for different wavelengths ⁇ 1 and ⁇ 2 .
  • the retardation R is preferably 0.4 ⁇ 1 ⁇ 0.6 ⁇ 1 surface, more preferably 0.45 ⁇ 1 ⁇ 0.55 ⁇ 1, particularly preferably 0.5 [lambda 1.
  • ⁇ n 1 is the birefringence of the first optical anisotropic layer 213, and d 1 is the thickness of the first optical anisotropic layer 213.
  • the retardation R is preferably 0.4 ⁇ 2 ⁇ 0.6 ⁇ 2 surface, more preferably 0.45 ⁇ 2 ⁇ 0.55 ⁇ 2, and particularly preferably 0.5 [lambda 2.
  • ⁇ n 2 is the birefringence of the second optical anisotropic layer 214
  • d 2 is the thickness of the second optical anisotropic layer 214.
  • the rotation period of the horizontal rotation alignment pattern in the first optical anisotropic layer 213 and the rotation period of the horizontal rotation alignment pattern in the second optical anisotropic layer 214 are the wavelengths ⁇ 1 and ⁇ 2 , respectively. May be determined in accordance with the angle at which it is desired to diffract.
  • FIG. 11 is a schematic side view showing the configuration of the optical element 310 according to the third embodiment of the present invention.
  • the optical element 310 according to the third embodiment includes a first optical anisotropic layer 313 that is a cured layer of a liquid crystal composition including the rod-shaped liquid crystal compound 40 and a cured layer of a liquid crystal composition that includes the discotic liquid crystal compound 20.
  • the optical element 310 of this embodiment may also have a configuration in which an optically anisotropic layer is formed on an alignment film formed on a support.
  • the in-plane liquid crystal alignment pattern of the first optical anisotropic layer 313 and the second optical anisotropic layer 314 of the optical element 310 of the third embodiment is the optical anisotropic layer of the first embodiment. 13 and 14 are the same as those of the first embodiment shown in FIGS. 2 and 3, respectively.
  • the optical element 310 differs from the optically anisotropic layers 13 and 14 of the first embodiment in the liquid crystal alignment pattern in the thickness direction of the optically anisotropic layers 313 and 314.
  • the rod-like liquid crystal compound 40 and the disk-like liquid crystal compound 20 are twisted in the thickness direction according to the first twist and the second twist, respectively.
  • the rod-like liquid crystal compound 40 is twisted in the thickness direction means that the direction of the optical axis is between the plurality of rod-like liquid crystal compounds 40 arranged in the thickness direction from one surface of the optically anisotropic layer 313 to the other surface. Changes relative to each other and twists in one direction.
  • the torsional properties include right-handed twisting and left-handed twisting, and may be applied according to the polarization of light to be diffracted.
  • An optical element 510 is cholesterically oriented in the thickness direction, and functions as a reflective diffraction grating that selectively reflects only light in a specific selected wavelength region of a specific circularly polarized light.
  • the cholesteric alignment is a spiral alignment in which the disc-shaped liquid crystal compound 20 or the rod-shaped liquid crystal compound 40 is rotated in the thickness direction, and is rotated one or more times in the thickness direction.
  • the twist of the disc-shaped liquid crystal compound or the rod-shaped liquid crystal compound in the thickness direction is less than one rotation, that is, the twist angle is less than 360 °. For example, in the example of FIG.
  • the optical axes of the rod-shaped liquid crystal compound 40 and the disc-shaped liquid crystal compound 20 are rotated by approximately 60 ° from one surface side to the other surface side. .
  • the twist angle of the rod-like liquid crystal compound 40 and the disk-like liquid crystal compound 20 in the thickness direction is preferably about 45 ° to 90 °.
  • specific circularly polarized light in a specific wavelength range is reflected, but in the case of twisted alignment, reflectivity does not occur.
  • the rod-like liquid crystal compound 40 and the disc-like liquid crystal compound 20 are twisted in the thickness direction from the light incident side to the light exit side, that is, from the bottom to the top in the paper surface. It is oriented so that In this configuration, in the first optical anisotropic layer 313 to the second optical anisotropic layer 314, the rotation of the optical axis of each liquid crystal compound is continuous. Since the disk-like liquid crystal compound 20 and the rod-like liquid crystal compound 40 are horizontally rotated and aligned in the plane and are twisted in the thickness direction, the direction of the optical axis is equivalent in the direction indicated by the broken line arrow in FIG. Has an alignment pattern.
  • the in-plane retardation R is preferably 0.4 ⁇ to 0.6 ⁇ , more preferably 0.45 ⁇ to 0.55 ⁇ , and particularly preferably 0.5 ⁇ .
  • ⁇ n 3 is the birefringence of the optically anisotropic layer 316
  • d 3 is the thickness of the optically anisotropic layer 316. That is, as in the case of the optically anisotropic layer 16 of the first embodiment, it functions as a ⁇ / 2 plate.
  • the optical element 310 in which the twist of the discotic liquid crystal compound in the thickness direction is less than one rotation functions as a transmission type diffraction grating, like the optical element 10 of the first embodiment. That is, the optical element 310 bends light incident from one surface obliquely and emits it as diffracted light from the other surface.
  • the incident light L 31 light L 31 of one surface to the right circularly polarized light P R of the optical element 310 when incident, the incident light L 31 is a discotic liquid crystal compound
  • the light is bent in one direction by the action of the horizontal rotational orientation, and the light L 32 of the left circularly polarized light P L is emitted from the other face by the action of the ⁇ / 2 plate.
  • the incident light L 31 that is bent in an oblique direction absolute phase It passes through the places where the amount of change is different.
  • Shift a portion of the incident light L 31 is the original absolute phase of the variation between different variation passing in the traveling direction of the light to its becomes diffraction loss occurs.
  • the optically anisotropic layer 316 there is a region in which the direction of the optical axis of the discotic liquid crystal compound is the same in the direction indicated by the dashed arrow. Then, the traveling direction in the direction of the optical axis of the bending has been incident light L 71 is that there are equal areas, to reduce diffraction loss, it is possible to increase the diffraction efficiency.
  • the direction shown by the broken-line arrow and the traveling direction of the bent incident light L 71 coincide. However, the directions of the two do not need to be completely the same. If the direction in which the region having the same absolute phase is present is inclined from the thickness direction and is closer to the light traveling direction than the thickness direction, the effect of improving the diffraction efficiency can be obtained.
  • the optical element 310 if the light is incident random polarized light, among the incident light, right-handed circularly polarized light P R is the traveling direction changed by receiving bending force by the liquid crystal orientation pattern, optically anisotropic The light passes through the layer 316 and is emitted as the first transmitted diffracted light. At this time, it is converted in the optical anisotropic layer 316 to the left circularly polarized light P L.
  • left circularly polarized light P L of the incident light has a horizontal rotational orientation in the plane direction by the orientation twisted in the thickness direction, the bending force is canceled, the left circularly polarized light P L, the discotic liquid crystal compound The light travels straight without being affected by the orientation pattern and is emitted as the outgoing light L 83 .
  • the optically anisotropic layer does not produce the effect of ⁇ / 2, and is emitted as it is as the left circularly polarized light P L. That is, the optical element 310 acts as a diffraction grating and lambda / 2 plate only for the right circularly polarized light P R.
  • FIG. 12 is a schematic side view showing the configuration of the optical element 410 according to the fourth embodiment of the present invention.
  • the optical element 410 of the fourth embodiment is a first optical anisotropic layer 413 that is a cured layer of a liquid crystal composition containing a rod-like liquid crystal compound, and a cured layer of a liquid crystal composition that contains a discotic liquid crystal compound. 2 optically anisotropic layers 414.
  • the optical element 410 includes an optical anisotropic layer 416 in which a first optical anisotropic layer 413 and a second optical anisotropic layer 414 are stacked.
  • the first optical anisotropic layer 413 and the second optical anisotropic layer 414 are the first optical anisotropic layer 13 and the second optical anisotropic layer in the optical element 10 of the first embodiment. 14 has a liquid crystal alignment pattern of horizontal rotational alignment.
  • the first optical anisotropic layer 413 and the second optical anisotropic layer 414 have a twisted orientation in the thickness direction, similar to the optical anisotropic layers 313 and 314 of the optical element 310 of the third embodiment. doing.
  • the first optically anisotropic layer 413 the first discotic liquid crystal compound is twisted and aligned in the thickness direction according to the first twistability.
  • the second optically anisotropic layer 414 the second discotic liquid crystal compound is twisted and oriented in the thickness direction according to the second twistability.
  • the second twisting property in the second optical anisotropic layer 414 is opposite to the first twisting property in the first optical anisotropic layer 413.
  • the retardation R is preferably 0.4 ⁇ 1 ⁇ 0.6 ⁇ 1 surface, more preferably 0.45 ⁇ 1 ⁇ 0.55 ⁇ 1, particularly preferably 0.5 [lambda 1.
  • ⁇ n 4 is the birefringence of the first optical anisotropic layer 413
  • d 4 is the thickness of the first optical anisotropic layer 413.
  • the retardation R is preferably 0.4 ⁇ 2 ⁇ 0.6 ⁇ 2 surface, more preferably 0.45 ⁇ 2 ⁇ 0.55 ⁇ 2, and particularly preferably 0.5 [lambda 2.
  • ⁇ n 5 is the birefringence of the second optical anisotropic layer 414
  • d 5 is the thickness of the second optical anisotropic layer 414.
  • the first wavelength ⁇ 1 and the second wavelength ⁇ 2 may be different or the same. In this example, they are the same and each function as a ⁇ / 2 plate. In this case, each of the first optical anisotropic layer 413 and the second optical anisotropic layer 414 independently acts on the same wavelength ⁇ as a polarization diffraction grating.
  • First optically anisotropic layer 413 with respect to the incident light is left circularly polarized light P L, functions as a diffraction grating, and functions as a lambda / 2 plate.
  • right circularly polarized light P R does not function as a diffraction grating and lambda / 2 plate.
  • the second optically anisotropic layer 414 with respect to the incident light is right circularly polarized light P R, and functions as a diffraction grating, and functions as a lambda / 2 plate.
  • P R right circularly polarized light
  • P L left circularly polarized light
  • P L left circularly polarized light
  • the optically anisotropic layer 416 is a laminate of the first optically anisotropic layer 413 and the second optically anisotropic layer 414, and has both characteristics.
  • the first optically anisotropic layer 413 is applied
  • the second optically anisotropic layer 414 is applied. Therefore, the incident light of the right circularly polarized light P R which is perpendicularly incident from one surface of the optically anisotropic layer 416 is diffracted to the right diagonally, and is emitted as a left circularly polarized light P L from the other surface. Incident light on one left circularly polarized light P L from the surface and normal incidence of the optically anisotropic layer 416 is emitted as the right circularly polarized light P R is diffracted to the left diagonally.
  • the left circularly polarized light P L component of the incident light L 41 receives a bending force in the second optical anisotropic layer 413 and changes its traveling direction from the second optical anisotropic layer 414.
  • the light is emitted, passes through the second optical anisotropic layer 414 while maintaining its diffraction state, and is emitted from the other surface of the optical anisotropic layer 416 as the second transmitted diffracted light L 43 .
  • the left circularly polarized light P L component is converted into right circularly polarized light P R in the first optically anisotropic layer 413, a second optical anisotropic while maintaining the state of the incident light L 41 Outgoing through layer 414.
  • the first optically anisotropic layer 413 and the second optically anisotropic layer 414 have opposite twisting properties in the thickness direction, but have the same orientation pitch in the horizontal rotational orientation. Therefore, the traveling directions of the first transmitted diffracted light L 42 and the second transmitted diffracted light L 43 are substantially line-symmetric with respect to the normal line.
  • the rod-like liquid crystal in the first optical anisotropic layer 413 is used.
  • the 180 ° rotation period of the horizontal rotation orientation of the compound and the 180 ° rotation period of the horizontal rotation orientation of the discotic liquid crystal compound in the second optical anisotropic layer 414 may be the same or different. May be.
  • the rotation periods of the horizontal rotational orientations of the two optical anisotropic layers are different, diffracted light having different diffraction angles can be obtained for the left circularly polarized light and the right circularly polarized light.
  • the wavelength of incident light that can be diffracted can be broadened. it can.
  • the optically anisotropic layer In addition to providing an optically anisotropic layer having a twisted orientation in the thickness direction, widening the bandwidth is also realized by configuring the optically anisotropic layer using a liquid crystal material whose birefringence index is inversely dispersed. can do. Therefore, the optically anisotropic layer is preferably configured using a liquid crystal material whose birefringence index is inversely dispersed. It is also preferable that the optically anisotropic layer has a substantially wide band with respect to the wavelength of incident light by stacking different retardation layers.
  • FIG. 13 is a schematic side view showing the configuration of the optical element 510 according to the fifth embodiment of the present invention.
  • the schematic plan view of the liquid crystal alignment pattern in the optically anisotropic layer of the optical element of the second embodiment is the same as that of the first embodiment shown in FIG.
  • the optical element 510 of the fifth embodiment includes a first optical anisotropic layer 513 composed of a cured layer of a liquid crystal composition including the rod-shaped liquid crystal compound 40 and a cured layer of a liquid crystal composition including the discotic liquid crystal compound 20.
  • a second optically anisotropic layer 514 That is, the optical element 510 includes an optical anisotropic layer 516 having a laminated structure of a first optical anisotropic layer 513 and a second optical anisotropic layer 514.
  • the optical element 510 of this embodiment may also have a configuration in which an optically anisotropic layer is formed on an alignment film formed on a support.
  • the in-plane liquid crystal alignment pattern of the first optical anisotropic layer 513 and the second optical anisotropic layer 514 of the optical element 510 of the fifth embodiment is the optical anisotropic layer of the first embodiment. 13 and 14 have the same horizontal rotational orientation, and the schematic plan views thereof are the same as those of the first embodiment shown in FIGS. 2 and 3, respectively.
  • the optical element 510 is different from the optical anisotropic layers 13 and 14 of the first embodiment in the liquid crystal alignment pattern in the thickness direction of the optical anisotropic layers 513 and 514.
  • the rod-like liquid crystal compound 40 and the disc-like liquid crystal compound 20 are cholesterically aligned in the thickness direction.
  • the first optical anisotropic layer 513 and the second optical anisotropic layer 514 form one continuous cholesteric orientation in the thickness direction.
  • the optically anisotropic layer 516 has a function of selectively reflecting only light in a predetermined selection wavelength region of specific circularly polarized light (right circularly polarized light or left circularly polarized light). Center wavelength of selectively reflected light is determined by the helical pitch and the thickness d 6 of the cholesteric, is either reflects any circularly polarized light is determined by the rotation direction of the spiral.
  • the optical element 510 Since the change in the in-plane direction of the optical axis in the present optical element 510 is equivalent to that in the optical element 10 of the first embodiment shown in FIGS. 2 and 3, the same action as the optical element 10 occurs. Therefore, like the optical element 10 of the first embodiment, the optical element 510 has an effect of bending obliquely by changing the absolute phase with respect to the incident light. At the same time, since it has a cholesteric phase in the thickness direction, it selectively reflects light in a selected wavelength region of specific circularly polarized light out of light incident on the optically anisotropic layer.
  • the cholesteric phase is designed to reflect right circularly polarized light having a predetermined center wavelength. Therefore, as shown in FIG. 13, perpendicular to the one surface of the optically anisotropic layer 516 of the optical element 510, i.e. the light L 51 having a predetermined center wavelength is right circularly polarized light P R along the normal When incident, reflected light L 52 traveling in a direction having an inclination with respect to the normal direction is generated. That is, the optically anisotropic layer 516 functions as a reflective diffraction grating for the light L 51 . Note that light outside the predetermined wavelength range and left circularly polarized light are transmitted through the optically anisotropic layer 516.
  • the first optical anisotropic layer approximately acts as a negative C plate, and the second optical anisotropy.
  • the layer acts approximately as a positive C plate and can suppress retardation in an oblique direction. Therefore, it is possible to provide an optical element that can transmit light without giving birefringence to a wavelength different from that of diffracted light.
  • a plurality of optically anisotropic layers of cholesteric phases having different selected wavelength regions may be provided in combination.
  • FIG. 15 is a schematic side view showing the configuration of the optical element 610 according to the sixth embodiment of the present invention.
  • the optical element 610 of the sixth embodiment includes a first optical anisotropic layer 613 composed of a cured layer of a liquid crystal composition including the rod-shaped liquid crystal compound 40 and a cured layer of a liquid crystal composition including the discotic liquid crystal compound 20.
  • a second optically anisotropic layer 614 that is, the optical element 610 includes an optical anisotropic layer 616 having a laminated structure of a first optical anisotropic layer 613 and a second optical anisotropic layer 614.
  • the liquid crystal alignment patterns in the planes of the first optical anisotropic layer 613 and the second optical anisotropic layer 614 of the optical element 610 of the sixth embodiment are the same as the optical anisotropic layer 13 of the first embodiment and 14 has the same horizontal rotational orientation as that of FIG. 14, and the schematic plan views thereof are the same as those of the first embodiment shown in FIG. 2 and FIG.
  • the rod-like liquid crystal compound 40 is aligned in the thickness direction in the first first cholesteric orientation
  • the second optically anisotropic layer 614 the discotic liquid crystal compound 20 is in the thickness direction.
  • the first optical anisotropic layer 613 and the second optical anisotropic layer 614 are independently cholesteric-oriented, and the first optical anisotropic layer 613 and the second optical anisotropic layer 614.
  • Each independently has a function of selectively reflecting only light in a predetermined selection wavelength range of specific circularly polarized light (right circularly polarized light or left circularly polarized light).
  • the pitch of the cholesteric orientation and the film thickness d 7 are adjusted so that the first optical anisotropic layer 613 reflects light in the first wavelength band (for example, blue light), and the second optically anisotropic layer 614 is a second wavelength band of light (e.g., green light) to reflect, pitch and thickness d 8 of the cholesteric orientation is adjusted.
  • first wavelength band for example, blue light
  • second optically anisotropic layer 614 is a second wavelength band of light (e.g., green light) to reflect
  • the optical element 610 for example, when the incident white light L 71 of randomly polarized light to one surface of the optically anisotropic layer 616, a light of a first wavelength band of which particular circle Polarized light, here right-circularly polarized light L 72 ( ⁇ 1 ) and light in the second wavelength range, and right-circularly polarized light L 72 ( ⁇ 2 ) is reflected as reflected diffracted light.
  • the left circularly polarized light L 73 and the right circularly polarized light other than the selected wavelength pass through the optical element 610.
  • the first optical anisotropic layer approximately acts as a negative C plate and the second optical anisotropy.
  • the layer acts approximately as a positive C plate and can suppress retardation in an oblique direction. Therefore, it is possible to provide an optical element that can transmit light without giving birefringence to a wavelength different from that of diffracted light.
  • the first optical anisotropic layer composed of a cured layer of a liquid crystal composition containing a rod-shaped liquid crystal compound and the second optical material composed of a cured layer of a liquid crystal composition containing a discotic liquid crystal compound.
  • the liquid crystal composition containing a discotic liquid crystal compound for forming an optically anisotropic layer contains other components such as a leveling agent, an alignment controller, a polymerization initiator and an alignment aid in addition to the discotic liquid crystal compound. You may contain.
  • An optically anisotropic layer in which a predetermined liquid crystal alignment pattern is fixed, comprising a cured layer of a liquid crystal composition by forming an alignment film on a support and applying and curing the liquid crystal composition on the alignment film Can be obtained.
  • rod-like liquid crystal compounds examples 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.
  • 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 JP-A No. 2001-328973 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.
  • discotic liquid crystal compounds for example, those described in JP-A-2007-108732 and JP-A-2010-244038 can be preferably used.
  • a chiral agent is added.
  • a chiral agent is also added to obtain a cholesteric liquid crystal phase in the thickness direction.
  • the chiral agent has a function of inducing a helical structure of a cholesteric liquid crystal phase.
  • the chiral agent may be selected according to the purpose because the twist direction or the spiral pitch of the spiral 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 3-4-3, TN (twisted nematic), STN (Super Twisted Nematic) chiral agent, 199 pages, Japan Science Foundation. 142th Committee, edited by 1989), isosorbide, isomannide derivatives, and the like can be used.
  • the chiral agent generally contains an asymmetric carbon atom, but an axially asymmetric compound or a planar asymmetric compound containing no 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, a repeating unit derived from the polymerizable liquid crystal compound and a chiral agent are derived from the polymerization reaction of 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. Therefore, 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 irradiation with a photomask such as actinic rays after coating and orientation.
  • a photomask 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.
  • organic solvent As the solvent for the liquid crystal composition, an organic solvent is preferably used.
  • organic solvents include amides (eg N, N-dimethylformamide), sulfoxides (eg dimethyl sulfoxide), heterocyclic compounds (eg pyridine), hydrocarbons (eg benzene, hexane), alkyl halides (eg , Chloroform, dichloromethane), esters (eg, methyl acetate, butyl acetate), ketones (eg, acetone, methyl ethyl ketone, cyclohexanone), ethers (eg, tetrahydrofuran, 1,2-dimethoxyethane). Alkyl halides and ketones are preferred. Two or more organic solvents may be used in combination.
  • a transparent support is preferable, a polyacrylic resin film such as polymethyl methacrylate, a cellulose resin film such as cellulose triacetate, and a cycloolefin polymer film [for example, trade name “ARTON”, manufactured by JSR Corporation, Trade name “Zeonoa”, 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 alignment film for forming the optically anisotropic layer examples include a rubbing treatment film made of an organic compound such as a polymer, an oblique deposition film of an inorganic compound, a film having a microgroove, or ⁇ -tricosanoic acid, dioctadecylmethylammonium.
  • Examples thereof include films obtained by accumulating LB films of organic compounds such as chloride and methyl stearylate by the Langmuir-Blodgett method.
  • the alignment film is preferably formed by rubbing the surface of the polymer layer.
  • the rubbing treatment is performed by rubbing the surface of the polymer layer several times in a certain direction with paper or cloth.
  • the types of polymers used for the alignment film are polyimide, polyvinyl alcohol, polymers having a polymerizable group described in JP-A-9-152509, JP-A-2005-97377, JP-A-2005-99228, and An orthogonal alignment film described in JP-A-2005-128503 can be preferably used.
  • the term “orthogonal alignment film” means an alignment film that aligns the major axis of the polymerizable rod-like liquid crystal compound molecules so as to be substantially orthogonal to the rubbing direction of the orthogonal alignment film.
  • the thickness of the alignment film does not need to be large as long as it can provide an alignment function, and is preferably 0.01 to 5 ⁇ m, and more preferably 0.05 to 2 ⁇ m.
  • a so-called photo-alignment film in which a photo-alignment material is irradiated with polarized light or non-polarized light to form an alignment film can also be used. That is, a photo-alignment film may be produced by applying a light distribution material on a support. 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 for the photo-alignment film that can be used in the optical element of the present disclosure include, for example, JP-A-2006-285197, JP-A-2007-76839, JP-A-2007-138138, JP-A-2007. No. -94071, JP 2007-121721, JP 2007-140465, JP 2007-156439, JP 2007-133184, JP 2009-109831, JP 3883848, An azo compound described in Japanese Patent No. 4151746, an aromatic ester compound described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-229039, and a maleimide having a photo-alignment unit described in Japanese Patent Application Laid-Open No.
  • FIG. 1 A schematic diagram of an alignment film exposure apparatus is shown in FIG.
  • the exposure apparatus 50 is disposed on the optical path of the light source 54 including the semiconductor laser 52, the beam splitter 56 that separates the laser light 70 from the semiconductor laser 52 into two, and the two separated light beams 72A and 72B.
  • lambda / 4 plate 60A and 60B is provided with an optical axes perpendicular to one another, lambda / 4 plate 60A is linearly polarized light P 0 on the right circularly polarized light P R, lambda / 4 plate 60B is left circularly linearly polarized light P 0 converting the polarization P L.
  • a support 80 provided with an alignment film 82 is disposed in the exposure section, and the two light beams 72A and 72B cross on the alignment film 82 to interfere with each other, and the interference light is irradiated to the alignment film 82 for exposure. Due to the interference at this time, the polarization state of the light applied to the alignment film 82 periodically changes in the form of interference fringes. Thereby, an alignment pattern in which the alignment state changes periodically can be obtained.
  • the period of the alignment pattern can be changed by changing the crossing angle ⁇ of the two lights 72A and 72B.
  • An optically anisotropic layer having a liquid crystal alignment pattern corresponding to this period can be formed by forming an optically anisotropic layer described later on an alignment film having an alignment pattern in which the alignment state is periodically changed. it can.
  • the optically anisotropic layer can be formed by applying a liquid crystal composition on the alignment film.
  • a liquid crystal composition is applied on an alignment film, heated, cooled, and then cured with ultraviolet rays to produce a first liquid crystal immobilization layer. It refers to repeating coating by coating on the chemical layer, heating in the same manner, and performing UV curing after cooling.
  • the same formation method can be employed only in the liquid crystal composition of the optically anisotropic layer of the first embodiment and the optically anisotropic layer of the second embodiment.
  • FIG. 17 is a diagram illustrating a main configuration of a head mounted display 90 which is an example of an optical device.
  • the head mounted display 90 includes a liquid crystal display device 92 that is an embodiment of a light source, and a light guide member 94 that guides light output from the liquid crystal display device 92.
  • a part of the member 94 includes optical elements 510A and 510B according to the fifth embodiment of the present invention.
  • the liquid crystal display device 92 and the light guide member 94 are arranged so that the light from the liquid crystal display device 92 is perpendicularly incident on the light guide member 94, and the optical element 510 ⁇ / b> A is incident on the light guide member 94. Is arranged at a position where it is perpendicularly incident on the surface of the optical element 510A. On the other hand, the optical element 510B is disposed at a position where the light guided by being totally reflected in the light guide member 94 is incident.
  • the optical element 510A includes an optically anisotropic layer 516A, and is configured to reflect a specific circularly polarized light having a predetermined center wavelength incident perpendicularly to the optically anisotropic layer 516A in an oblique direction.
  • the optical element 510B includes an optically anisotropic layer 516B, and is configured to reflect a specific circularly polarized light having a predetermined center wavelength incident on the optically anisotropic layer 516B from an oblique direction in the vertical direction.
  • the reflection direction of incident light can be set to a desired direction, and there is no need to separately provide a reflection element and an element for changing the optical path. Can be achieved.
  • the optical element of the present disclosure is not limited to application to the head mounted display 90 as described above, but can also be applied to an AR projector as a light reflecting element that reflects light in a direction different from the incident angle. Further, the present invention can be applied to a condensing mirror for a sensor or a reflection screen for diffusing light as a micromirror or a microlens that collects or diverges light. Further, the optical element of the present disclosure can be used as a beam steering optical member, and at that time, can be used in combination with a sensor that detects light in a wavelength region different from that of diffracted light via the optical element. . Since the optical element of the present disclosure suppresses the influence of birefringence on light in a wavelength region different from that of diffracted light, when combined with the above sensor, light detection can be performed with a smaller detection error than conventional optical elements. Is possible.
  • Example 1 and Comparative Example 1 of the optical element of the first embodiment functioning as a transmission type diffraction grating, and Example 2 and Comparative Example 2 of the optical element of the third embodiment will be described.
  • Comparative Example 1 An alignment layer is formed on the support, and an optically anisotropic layer A-1 composed of a cured layer of the liquid crystal composition D1 containing a rod-like liquid crystal compound is formed on the alignment layer, thereby producing an optical element of Comparative Example 1. did.
  • the optically anisotropic layer A-1 was a liquid crystal alignment pattern in which rod-like liquid crystal compounds were horizontally rotated and aligned.
  • undercoat layer-forming coating solution was continuously coated on the support subjected to the alkali saponification treatment 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.
  • the alignment film was exposed using the exposure apparatus 50 shown in FIG.
  • a semiconductor laser 52 that emits laser light having a wavelength (405 nm) is used.
  • the exposure amount by interference light was set to 100 mJ / cm 2 .
  • the 180 ° rotation period of the pattern formed by the interference of the two laser beams was controlled by changing the crossing angle ⁇ of the two beams.
  • liquid crystal composition D1 was prepared.
  • the complex refractive index ⁇ n of the cured layer of the liquid crystal composition D1 was 0.15.
  • the complex refractive index ⁇ n is applied to a support having a retardation measurement alignment film prepared separately for the liquid crystal composition D1, and aligned with the optical axis of the rod-shaped liquid crystal compound being horizontal to the substrate, and then irradiated with ultraviolet rays.
  • the retardation value and film thickness of the liquid crystal immobilization layer (cured layer) obtained by immobilization were measured and determined.
  • ⁇ n can be calculated by dividing the retardation value by the film thickness.
  • the retardation value was measured with an Axoscan from Axometrix at a wavelength of 550 nm, and the film thickness was measured using a scanning electron microscope (Scanning Electron Microscope, SEM).
  • the optically anisotropic layer A-1 was formed by applying a multilayer liquid crystal composition D1 on the alignment film P-1.
  • the multilayer coating first, the first layer of the liquid crystal composition D1 is applied on the alignment film, heated and cooled, and then UV-cured to prepare a liquid crystal fixing layer, and then the second and subsequent layers are the liquid crystal fixing layer. It refers to repeating the application of UV coating after repeated heating and cooling.
  • the alignment direction of the alignment film is reflected from the lower surface to the upper surface of the liquid crystal layer even when the total thickness of the liquid crystal layer is increased.
  • a coating film obtained by applying the following liquid crystal composition D1 on the alignment film P-1 is heated to 110 ° C. on a hot plate, then cooled to 60 ° C., and then a high-pressure mercury lamp in a nitrogen atmosphere.
  • a high-pressure mercury lamp in a nitrogen atmosphere.
  • the film thickness of the fixed liquid crystal layer (one liquid crystal fixed layer) at this time was 0.2 ⁇ m.
  • Comparative Example 2 In contrast to Comparative Example 1, an optical element including an optically anisotropic layer A-2 composed of a cured layer of a liquid crystal composition E1 containing a disc liquid crystal compound instead of a rod-like liquid crystal compound was obtained. That is, the optical element of Comparative Example 2 has a liquid crystal alignment pattern in which a discotic liquid crystal compound is horizontally rotated and aligned.
  • a liquid crystal composition E1 having the following composition was prepared.
  • the complex refractive index ⁇ n of the cured layer of the liquid crystal composition E1 was 0.15.
  • the complex refractive index ⁇ n was determined by the same method as that for the liquid crystal composition D1.
  • the coating film obtained by coating the liquid crystal composition E1 on the alignment film P-1 is heated to 110 ° C. on a hot plate, then cooled to 60 ° C., and then a high-pressure mercury lamp is used in a nitrogen atmosphere.
  • the alignment of the liquid crystal compound was fixed by irradiating the coating film with ultraviolet rays having a wavelength of 365 nm at a dose of 100 mJ / cm 2 .
  • the film thickness of the fixed liquid crystal layer (one liquid crystal fixed layer) at this time was 0.2 ⁇ m.
  • an optically anisotropic layer A-1 (hereinafter referred to as a first optically anisotropic layer) comprising a cured layer of a liquid crystal composition D1 comprising an alignment film formed on a support and a rod-like liquid crystal compound on the alignment film. A-1) was formed. Thereafter, an optically anisotropic layer A-2 (hereinafter referred to as a second optically anisotropic layer A-2) composed of a cured layer of the liquid phase composition E1 containing a discotic liquid crystal compound was formed to An optical element was produced.
  • the first layer is a first optically anisotropic layer A-1 composed of a cured layer of a liquid crystal composition D1 containing a rod-like liquid crystal compound
  • the second layer is made of a cured layer of a liquid crystal composition E1 containing a discotic liquid crystal compound.
  • a two-layer structure of the second optically anisotropic layer A-2 was obtained.
  • ⁇ n 1 is the birefringence of the first optical anisotropic layer
  • d 1 is the thickness of the first optical anisotropic layer
  • ⁇ n 2 is the birefringence of the second optical anisotropic layer
  • d 2 is the thickness of the second optically anisotropic layer. Note that ⁇ n 1 and ⁇ n 2 were both 0.15.
  • the complex refractive index ⁇ n was determined by the same method as that for the liquid crystal composition D1.
  • the first optically anisotropic layer of the first layer is an alignment of rod-like liquid crystal compounds
  • the second optically anisotropic layer of the second layer is a disc-like liquid crystal. It was confirmed that the compound was oriented.
  • Example 2 Similarly to Example 1, an optical element having a two-layer structure of a first optical anisotropic layer and a second optical anisotropic layer was obtained. Similar to the stacking order of Example 1, the support and the alignment film are stacked in this order, and the first optical anisotropic layer is stacked thereon, and the second optical anisotropic layer is stacked thereon. It has become.
  • the first layer is a first optical anisotropic layer composed of a cured layer of a liquid crystal composition D21 containing a rod-shaped liquid crystal compound, and the second layer is a second optical layer composed of a cured layer of a liquid crystal composition E21 containing a discotic liquid crystal compound.
  • a two-layer structure of anisotropic layers was formed.
  • Each of the first optical anisotropic layer and the second optical anisotropic layer has a liquid crystal alignment pattern having twist properties opposite to each other in the thickness direction.
  • a chiral agent Ch-2 is added to the liquid crystal composition D1 used in Example 1.
  • a chiral agent Ch-3 is added to the liquid crystal composition E1 used in Example 1. The chiral agents Ch-2 and Ch-3 impart twisting properties opposite to each other in the thickness direction.
  • the coating amount was set so that the in-plane retardations ⁇ n 1 d 1 and ⁇ n 2 d 2 of the first optical anisotropic layer and the second optical anisotropic layer were 275 nm, respectively.
  • the other adjustments were made in the same manner as in Example 1.
  • Discotic liquid crystal compound L-2 80.00 parts by mass Discotic liquid crystal compound L-3 20.00 parts by mass Polymerization initiator (manufactured by BASF, Irgacure (registered trademark) 907) 5.00 parts by mass Megafac F444 (manufactured by DIC) 0.50 parts by mass Chiral agent Ch-3 0.14 parts by mass Methyl ethyl ketone 300.00 parts by mass ⁇ ⁇
  • the first optically anisotropic layer of the first layer is an alignment of rod-like liquid crystal compounds
  • the second optically anisotropic layer of the second layer is a disc-like liquid crystal. It was confirmed that the compound was oriented.
  • the in-plane retardation ⁇ n 1 d 1 275 nm of the first optical anisotropic layer
  • the twist angle is 75 degrees
  • the in-plane retardation ⁇ n 2 d 2 of the second optical anisotropic layer. 275 nm
  • twist angle was -75 degrees.
  • the optical element 10S of the example and the comparative example includes an optically anisotropic layer 16S having a single layer or a double layer structure on the alignment film 12aS provided on the surface of the support 12S.
  • a second sample 18 having the same refractive index as that of the support 12S is adhered to the other surface facing the alignment film 12aS side, which is one surface of the optically anisotropic layer 16S. It was.
  • the light L of the right circularly polarized light P R and the semiconductor laser light having a wavelength of 550nm emitted from the semiconductor laser 30 is transmitted through the linear polarizer 31 and lambda / 4 plate 32,.
  • the light L was perpendicularly incident on the support 12.
  • the diffracted light L t having the diffraction angle ⁇ 2 is output from the other surface of the optical anisotropic layer 14 due to the diffraction action by the optical anisotropic layer 14.
  • the diffracted light Lt travels through the second support 18 connected to the other surface of the optically anisotropic layer 14, and is emitted from the surface of the sample into the atmosphere.
  • the light intensity of the emitted light L t1 was measured with the photodetector 35.
  • the diffracted light Lt is bent, and the emitted light L t1 emitted at the emission angle ⁇ 22 and the reflected light L t2 reflected inside the second support 18 are generated. Arise.
  • the light intensity detected by the photodetector 35 and the light intensity of the light L t2 internally reflected from the Fresnel law were obtained, and the light intensity of the diffracted light L t was calculated. Then, the ratio of the light intensity of the diffracted light L t to the light intensity of the light L was taken to obtain the relative light intensity value of the diffracted light L t with respect to the incident light.
  • the relative light intensity value obtained as described above was evaluated according to the following criteria.
  • the transmittance was measured by the following method.
  • the optical element was sandwiched between polarizing plates arranged in parallel, and the transmittance of infrared light (wavelength 940 nm) at a polar angle of 60 ° at a 45 ° azimuth from the direction of the polarization axis was measured.
  • infrared light having a wavelength of 940 nm was used. The greater the infrared light transmittance, the smaller the influence of oblique retardation by the optical element, which is desirable.
  • the transmittance of wavelengths other than the diffracted light obtained as described above was evaluated according to the following criteria.
  • Table 1 summarizes the configurations and evaluation results of the optical elements of Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3.
  • an example having a laminated structure of a first optically anisotropic layer containing a rod-like liquid crystal compound and a second optically anisotropic layer containing a discotic liquid crystal compound is a discotic liquid crystal compound. It was confirmed that the transmittance of wavelengths other than the diffracted light was high while maintaining the diffracted light intensity as compared with the comparative example of only the optically anisotropic layer containing or only the optically anisotropic layer containing the rod-like liquid crystal compound.
  • Example 11 and Comparative Examples 11 to 12 of the optical element of the third embodiment functioning as a reflective diffraction grating will be described.
  • Comparative Example 11 An alignment film was formed on the support, and an optically anisotropic layer A-3 composed of a cured layer of the liquid crystal composition D2 containing a rod-like liquid crystal compound was formed on the alignment film, thereby producing an optical element of Comparative Example 11. .
  • the optically anisotropic layer was a liquid crystal alignment pattern in which a discotic liquid crystal compound was horizontally rotated and has a cholesteric phase in the thickness direction.
  • Example 11 An optical element of Example 11 was produced in the same manner as in Comparative Example 1 except that the liquid crystal composition D1 was used as the liquid crystal composition D2 to form an optically anisotropic layer having a liquid crystal alignment pattern having a cholesteric phase. It was confirmed from a cross-sectional SEM of the optical element that the liquid crystal alignment pattern had a cholesteric phase, and the liquid crystal alignment pattern was confirmed to be an alignment of a discotic liquid crystal compound by measurement with Axoscan from Axometrix.
  • optically anisotropic layer A-3 was formed by applying the liquid crystal composition D2 on the alignment film P-1 in multiple layers.
  • a coating film obtained by applying the following liquid crystal composition D2 on the alignment film P-1 is heated to 95 ° C. on a hot plate, then cooled to 25 ° C., and then a high-pressure mercury lamp in a nitrogen atmosphere.
  • a high-pressure mercury lamp in a nitrogen atmosphere.
  • the film thickness of the fixed liquid crystal layer (one liquid crystal fixed layer) at this time was 0.2 ⁇ m.
  • the liquid crystal fixed layers after the second layer were formed by applying the liquid crystal composition D2 over the previously formed liquid crystal fixed layer, heating and cooling under the same conditions as above, and then performing UV curing.
  • the optically anisotropic layer A-3 was obtained by repeated overcoating until the total thickness reached a desired film thickness (here, 4.5 ⁇ m).
  • a desired film thickness here, 4.5 ⁇ m.
  • Comparative Example 12 In contrast to Comparative Example 11, an optical element including an optically anisotropic layer A-4 composed of a cured layer of a liquid crystal composition E2 containing a discotic liquid crystal compound instead of a rod-like liquid crystal compound was obtained. That is, in the optical element of Comparative Example 12, the optically anisotropic layer was a liquid crystal alignment pattern in which the discotic liquid crystal compound was horizontally rotated and aligned and had a cholesteric phase in the thickness direction.
  • a liquid crystal composition E2 having the following composition was prepared.
  • optically anisotropic layer A-4> The optically anisotropic layer was formed by applying the liquid crystal composition E2 on the alignment film P-1 in multilayer instead of using the liquid crystal composition D2 in Comparative Example 11.
  • a coating film obtained by applying the following liquid crystal composition E2 on the alignment film P-1 is heated to 95 ° C. on a hot plate, then cooled to 25 ° C., and then a high-pressure mercury lamp in a nitrogen atmosphere.
  • a high-pressure mercury lamp in a nitrogen atmosphere.
  • the film thickness of the fixed liquid crystal layer (one liquid crystal fixed layer) at this time was 0.2 ⁇ m.
  • the liquid crystal immobilization layers after the second layer were formed by applying the liquid crystal composition E2 over the previously formed liquid crystal immobilization layer and heating and cooling under the same conditions as above, followed by UV curing.
  • the optically anisotropic layer A-4 was obtained by repeated overcoating until the total thickness reached a desired thickness (here, 4.5 ⁇ m).
  • a desired thickness here, 4.5 ⁇ m.
  • Example 11 An optically anisotropic layer A-3 (hereinafter referred to as a first optically anisotropic layer A-) comprising an alignment film formed on a support and a cured layer of a liquid crystal composition D2 containing a rod-like liquid crystal compound on the alignment film. 3) to form an optically anisotropic layer A-4 (hereinafter referred to as a second optically anisotropic layer A-4) composed of a cured layer of the liquid phase composition E2 containing a discotic liquid crystal compound.
  • the optical element of Example 11 was produced.
  • the first layer is a first optically anisotropic layer A-3 composed of a cured layer of a liquid crystal composition containing a rod-shaped liquid crystal compound
  • the second layer is a second layer composed of a cured layer of a liquid crystal composition containing a discotic liquid crystal compound.
  • Two optically anisotropic layers A-4 were used.
  • the alignment film was formed on the support and the optically anisotropic layer A-3 was formed on the alignment film in the same manner as in Comparative Example 11, and then on the alignment film in Comparative Example 12.
  • the optically anisotropic layer A-4 was formed on the optically anisotropic layer A-3 in the same manner as the optically anisotropic layer A-4.
  • the film thicknesses of the respective optically anisotropic layers A-3 and A-4 were each 2.25 ⁇ m so that the entire film thickness was the same as the film thickness of the optically anisotropic layer of Comparative Example 12.
  • the coating amount was adjusted so that the two layers were combined to 4.5 ⁇ m, and other than that, it was fabricated in the same manner as Comparative Example 11 and Comparative Example 12.
  • one continuous cholesteric alignment was formed in two layers of the first optical anisotropic layer A-3 and the second optical anisotropic layer A-4 in the thickness direction. Become.
  • the cholesteric orientation was designed so that the selective reflection center wavelength was 550 nm. In addition, it was confirmed with a polarizing microscope and SEM that the surface was periodically oriented.
  • the optical element 110S of the example and the comparative example includes an optically anisotropic layer 116S having a one-layer or two-layer structure on the alignment film 112aS provided on the surface of the support 112S.
  • the light L of the right circularly polarized light P R and the semiconductor laser light having a wavelength of 550nm emitted from the semiconductor laser 30 is transmitted through the linear polarizer 31 and lambda / 4 plate 32,. This light L was perpendicularly incident on the surface of the optically anisotropic layer 116S.
  • the light intensity of the diffracted light Lr reflected and diffracted at the diffraction angle ⁇ 2 by the diffraction action and selective reflection action by the optical anisotropic layer 116S was measured by the photodetector 35. Then, the ratio of the light intensity of the diffracted light Lr and the light intensity of the incident light L was taken to obtain the relative light intensity value of the diffracted light Lr with respect to the incident light L.
  • the relative light intensity value obtained as described above was evaluated according to the following criteria.
  • Table 2 summarizes the configurations and evaluation results of the optical elements of Example 11 and Comparative Examples 11 to 12.
  • the reflective optical element also has an example of a laminated structure of a first optical anisotropic layer containing a rod-like liquid crystal compound and a second optical anisotropic layer containing a discotic liquid crystal compound.
  • the transmittance of wavelengths other than diffracted light is high while maintaining the diffracted light intensity, as compared with the comparative example of only the optically anisotropic layer containing a discotic liquid crystal compound or only the optically anisotropic layer containing a rod-like liquid crystal compound.

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Abstract

回折光の強度を保ちつつ、回折光と異なる波長に対しても複屈折の影響がなく検出誤差の小さい光学素子を提供する。　棒状液晶化合物を含む液晶組成物の硬化層である第１の光学異方性層と、第１の光学異方性層に積層された、円盤状液晶化合物を含む液晶組成物の硬化層である第２の光学異方性層とを含み、第１の光学異方性層および第２の光学異方性層において、それぞれ棒状液晶化合物の光学軸および円盤状液晶化合物の光学軸が、光学異方性層の面に平行であり、かつ、面内の少なくとも一方向に沿って配列された液晶配向パターンであって光学軸の向きが、連続的に回転変化した液晶配向パターンを有し、光学軸の向きが０．５μｍ～５μｍの周期で１８０°回転している。

Description

光学素子
　本開示は、入射光の反射方向を制御可能な光学素子に関する。
　多くの光学デバイスあるいはシステムにおいて、偏光が利用されており、偏光の反射、集光および発散などの制御を行うための光学素子が求められている。
　特表２０１６－５１９３２７号公報（以下において、特許文献１という。）には、異方性配向パターンを備えた幾何学的位相差ホログラムを用いる偏光変換システムが開示されている。
　特表２０１７－５２２６０１号公報（以下において、特許文献２という。）には、光学的異方性を有する薄膜の面内で液晶配向パターンを変化させた回折光学素子が開示されている。
　Kobayashi et al "Planar optics with patterned chiral liquid crystal" Nature Photonics, 2016.66(2016)（以下において、非特許文献１という。）においては、コレステリック液晶により反射される光の位相が螺旋構造の位相によって変化すること、螺旋構造の位相を空間的に制御することによって、反射光の波面を任意に設計できることが示されている。
　特許文献２に記載されているような面内で液晶配向パターンを変化させて光を回折させる素子（以下において液晶回折格子という。）は、ビーム光を任意の方向に曲げるビームステアリングなどの光学部材としての適用が期待される。しかしながら、液晶配向パターンを用いる方式では、ビーム光を回折させる波長以外の光に対して、液晶材料固有の複屈折が発生してしまう問題があった。より具体的には、図２０に示すように、可視光Ｌｖをビームステアリングする液晶回折格子１においてその液晶回折格子１の可視光入射面側にセンサ２を設置して、液晶回折格子１越しに赤外線光のセンシングを行う場合、赤外線光ＬＩｒが液晶回折格子１に対して斜めに通過することによりリタデーションを生じ、液晶回折格子１に入射する前の赤外線光の偏光方向、例えば直線偏光から異なる偏光状態に変化してしまう。そのために、センシングする光に偏光成分があり、またセンサの検出感度に偏光特性がある場合に、センシングされる光の強度が、液晶回折格子への入射角によって変化し、センシングの誤差が発生する問題があった。
　本開示は、回折光を得ることができると同時に回折光の波長帯域と異なる波長の光を、複屈折の影響を与えることなく透過させることができる光学素子を提供することを目的とする。
　本開示の光学素子は、棒状液晶化合物を含む液晶組成物の硬化層である第１の光学異方性層と、第１の光学異方性層に積層された、円盤状液晶化合物を含む液晶組成物の硬化層である第２の光学異方性層とを含み、
　棒状液晶化合物の光学軸が、第１の光学異方性層の面に平行であり、かつ、光学異方性層が、第１の光学異方性層の面内の少なくとも一方向に沿って配列された液晶配向パターンであって、棒状液晶化合物の光学軸の向きが、連続的に回転変化した液晶配向パターンを有し、棒状液晶化合物の光学軸の向きが０．５μｍ～５μｍの周期で１８０°回転しており、
　円盤状液晶化合物の光学軸が、第２の光学異方性層の面に平行であり、かつ、第２の光学異方性層が、第２の光学異方性層の面内の少なくとも一方向に沿って配列された液晶配向パターンであって、円盤状液晶化合物の光学軸の向きが、連続的に回転変化した液晶配向パターンを有し、円盤状液晶化合物の光学軸の向きが０．５μｍ～５μｍの周期で１８０°回転している光学素子である。
　本開示の光学素子においては、第１の光学異方性層の、第１の波長λ１の光に対する厚み方向のリタデーションが、０．３６λ１～０．６４λ１であってもよい。
　本開示の光学素子においては、第２の光学異方性層の、第２の波長λ２の光に対する面内リタデーションが、０．３６λ２～０．６４λ２であってもよい。
　本開示の光学素子においては、積層構造の光学異方性層の、波長λの光に対する面内リタデーションが、０．３６λ～０．６４λであってもよい。
　本開示の光学素子においては、第１の光学異方性層において、第１の光学異方性層の厚み方向に棒状液晶化合物が第１の捩れ性に従って捩れ配向していることが好ましい。
　本開示の光学素子においては、第２の光学異方性層において、第２の光学異方性層の厚み方向に円盤状液晶化合物が第２の捩れ性に従って捩れ配向していることが好ましい。
　本開示の光学素子においては、第２の光学異方性層において、第２の光学異方性層の厚み方向に円盤状液晶化合物が第２の捩れ性に従って捩れ配向しており、
　第１の捩れ性と第２の捩れ性とが同一の向きであり、第１の光学異方性層と第２の光学異方性層において、棒状液晶化合物の光学軸の捩れ配向と円盤状液晶化合物の光学軸の捩れ配向とが連続的な捩れ配向であってもよい。
　本開示の光学素子においては、第２の光学異方性層において、第２の光学異方性層の厚み方向に円盤状液晶化合物が第２の捩れ性に従って捩れ配向しており、
　第１の捩れ性と第２の捩れ性とが逆向きであってもよい。
　あるいは、本開示の光学素子においては、第１の光学異方性層における棒状液晶化合物と、第２の光学異方性層における円盤状液晶化合物とが厚み方向に連続的にコレステリック配向していてもよい。
　また、本開示の光学素子においては、第１の光学異方性層において、棒状液晶化合物が厚み方向に第１のコレステリック配向し、
　第２の光学異方性層において、円盤状液晶化合物が厚み方向に第２のコレステリック配向していてもよい。
本開示の光学素子によれば、回折光を得ることができ、かつ、回折光の波長帯域とは異なる波長の光を、複屈折の影響を与えることなく透過させることができる。
第１の実施形態の光学素子の光学異方性層における液晶配向パターンを示す側面模式図である。 第１の実施形態の光学素子の第１の光学異方性層における液晶配向パターンを示す平面模式図である。 第１の実施形態の光学素子の第２の光学異方性層における液晶配向パターンを示す平面模式図である。 光学異方性層が回折格子として機能する原理を説明するための図である。 回折格子における回折現象を模式的に示した図である。 第１の実施形態の光学素子の設計変更例の積層構造を示す側面模式図である。 第１の実施形態の光学素子にランダム偏光の入射光が入射した場合の出射光を示す図である。 第１の実施形態の光学素子の他の設計変更例の積層構造を示す側面模式図である 光学素子のさらに他の設計変更例における水平回転配向パターンを示す平面模式図で 第２の実施形態の光学素子の側面模式図である。 第３の実施形態の光学素子の光学異方性層における液晶配向パターンを示す側面模式図である。 第４の実施形態の光学素子の光学異方性層における液晶配向パターンを示す側面模式図である。 第５の実施形態の光学素子の光学異方性層における液晶配向パターンを示す側面模式図である。 第５の実施形態の光学素子にランダム偏光の入射光が入射した場合の反射光および透過光を示す図である。 第６の実施形態の光学素子の光学異方性層における液晶配向パターンを示す側面模式図である。 配向膜に対して干渉光を照射する露光装置の概略構成図である。 光学装置の一例であるヘッドマウントディスプレイの概略構成図である。 透過型光学素子についての光強度の測定方法を説明するための図である。 反射型光学素子についての光強度の測定方法を説明するための図である。 従来の液晶回折格子の問題点を説明するための図である。
　以下、本発明の光学素子の実施形態について図面を参照して説明する。なお、各図面においては、視認しやすくするため、構成要素の縮尺は実際のものとは適宜異ならせてある。なお、本明細書において「～」を用いて表される数値範囲は、「～」の前後に記載される数値を下限値および上限値として含む範囲を意味する。また、角度について「直交」および「平行」とは、厳密な角度±１０°の範囲を意味するものとする。
　図１は、第１の実施形態の光学素子１０における液晶配向パターンを示す側面模式図であり、図２は、図１に示す光学素子１０の第１の光学異方性層１３の液晶配向パターンを示す平面模式図である。また、図３は、光学素子１０の第２の光学異方性層１４の液晶配向パターンを示す平面模式図である。なお、図においては、シート状の光学素子１０のシート面をｘ－ｙ面、厚み方向をｚ方向として定義している。
　光学素子１０は、棒状液晶化合物４０を含む液晶組成物の硬化層である第１の光学異方性層１３と円盤状液晶化合物２０を含む液晶組成物の硬化層である第２の光学異方性層１４とを備えている。すなわち、光学素子１０は、第１の光学異方性層１３と第２の光学異方性層１４との積層構造の光学異方性層１６を備えている。
　図２に示すように、第１の光学異方性層１３においては、棒状液晶化合物４０の光学軸４２が、第１の光学異方性層１３の面に平行であり、かつ、第１の光学異方性層１３の面内の少なくとも一方向に沿って配列された液晶パターンであって、棒状液晶化合物４０の光学軸４２の向きが、回転変化した第１の液晶配向パターンを有する。そして、第１の液晶配向パターンを構成する棒状液晶化合物４０の光学軸４２の向きは０．５μｍ～５μｍの周期で１８０°回転している。
　図３に示すように、第２の光学異方性層１４においては、円盤状液晶化合物２０の光学軸２２が、第２の光学異方性層１４の面に平行であり、かつ、第２の光学異方性層１４の面内の少なくとも一方向に沿って配列された液晶パターンであって、円盤状液晶化合物２０の光学軸２２の向きが、回転変化した第２の液晶配向パターンを有する。そして、液晶配向パターンを構成する円盤状液晶化合物２０の光学軸２２の向きは、０．５μｍ～５μｍの周期で１８０°回転している。
　棒状液晶化合物４０における光学軸４２は遅相軸であり、円盤状液晶化合物２０における光学軸２２は進相軸である。光学素子１０においては、棒状液晶化合物４０の面内遅相軸と円盤状液晶化合物２０の面内遅相軸とは平行になっている。
　本実施形態の光学素子１０は、波長λの光に対する、積層構造の光学異方性層１６の面内のリタデーションＲ（＝Δｎ・ｄ）が、０．３６λ～０．６４λであることが好ましい。面内リタデーションＲは０．４λ～０．６λが好ましく、０．４５λ～０．５５λがより好ましく、０．５λであることが特に好ましい。Δｎは光学異方性層１６の複屈折率、ｄは光学異方性層１６の厚みである。例えば、５５０ｎｍの光を入射光として想定する場合には、５５０ｎｍの光に対する面内リタデーションＲが１９８ｎｍ～３５２ｎｍの範囲であればよく、２７５ｎｍであることが特に好ましい。このようなリタデーションＲを有するので、光学異方性層１６は、一般的なλ／２板としての機能、すなわち、入射光の直交する直線偏光成分の間に１８０°（＝π＝λ／２）の位相差を与える機能を呈する。なお、面内リタデーションは、λ／２に近いほど回折効率が向上して好ましいが、面内リタデーションは上記範囲に限定されるものではない。
　本光学素子１０は、透過型の回折格子として機能する。回折格子として機能する原理について説明する。
　図１および図２に示すように、第１の光学異方性層１３において、棒状液晶化合物４０が、一方向（図２中の軸Ａに沿った方向）に連続的に回転変化した液晶配向パターンで固定化されている。すなわち、棒状液晶化合物４０の光学軸４２として定義される棒状液晶化合物４０の長軸が、面に平行に配向されており、かつ軸Ａに沿って配列されている棒状液晶化合物４０の光学軸４２の軸Ａとなす角度が回転変化するように棒状液晶化合物４０が配向されている。
　図１および図３に示すように、第２の光学異方性層１４において、円盤状液晶化合物２０が、その円盤面が光学異方性層１４の面に垂直な方向（ｚ軸方向）に立ち上がった状態で、一方向（図２中の軸Ａに沿った方向）に連続的に回転変化した液晶配向パターンで固定化されている。すなわち、円盤状液晶化合物２０の光学軸２２として定義される円盤状液晶化合物２０の短軸（異常光の軸：ダイレクタ）が、面に平行に配向されており、かつ軸Ａに沿って配列されている円盤状液晶化合物２０の光学軸２２の軸Ａとなす角度が回転変化するように円盤状液晶化合物２０が配向されている。
　光学軸４２の向きが回転変化した液晶配向パターンとは、軸Ａに沿って配置されている棒状液晶化合物４０の光学軸４２と軸Ａとのなす角度が、軸Ａ方向の位置によって異なっており、軸Ａに沿って光学軸４２と軸Ａとのなす角度がφからφ＋１８０°あるいはφ－１８０°まで徐々に変化するように配向され固定化されたパターンである。
　同様に、光学軸２２の向きが回転変化した液晶配向パターンとは、軸Ａに沿って配置されている円盤状液晶化合物２０の光学軸２２と軸Ａとのなす角度が、軸Ａ方向の位置によって異なっており、軸Ａに沿って光学軸２２と軸Ａとのなす角度がφからφ＋１８０°あるいはφ－１８０°まで徐々に変化するように配向され固定化されたパターンである。以下において、図２、３に示すような、光学異方性層において、液晶化合物の光学軸が光学異方性層の面に平行であり、かつ光学軸の向きが一定である局所領域（単位領域）が、一方向に配列されている複数の局所領域間で光学軸の向きが一方向に連続的に回転変化するように配置されているパターンを水平回転配向と称する。
　なお、連続的に回転変化するとは、図１～図３に示す通り、３０°刻みなどの一定の角度の領域が隣接して０°から１８０°（＝０°）まで回転するものであってもよい。単位範囲の光学軸の向きの平均値が一定の割合で線形に変化していれば徐々に変化していることになる。ただし、軸Ａ方向に隣接して異なる傾きを有する領域の光学軸の傾きの変化は４５°以下とする。隣接する領域の傾きの変化は、より小さいことが好ましい。
　Ａ軸方向において、光学軸２２のＡ軸となす角度がφからφ＋１８０°あるいはφ－１８０°（すなわち、元に戻る）まで変化する距離が１８０°回転の周期ｐ（以下において、回転周期ｐという。）である。この光学軸の向きの回転周期ｐは、既述の通り０．５μｍ～５μｍである。なお、この回転周期ｐは、光学素子への入射光の波長および所望の出射角に応じて定めればよい。
　図１に示す光学素子１０においては、第１の光学異方性層１３における水平回転配向の回転周期と第２の光学異方性層１４における水平回転配向の回転周期とはほぼ同一であるが、両者の回転周期は異なっていてもよい。
　本光学素子１０は、上記の光学異方性層１６の構成により、入射光に対してλ／２の位相差を与え、入射角０°で入射した、すなわち垂直入射した入射光を出射角θ２で出射させる。すなわち、図１に示すように、光学異方性層１６の一方の面に垂直に（面の法線に沿って）右円偏光ＰＲの光Ｌ１（以下において、入射光Ｌ１という。）を入射させると、光学異方性層１６の他方の面から法線方向と角度θ２をなす方向に左円偏光ＰＬの光Ｌ２（以下において、出射光Ｌ２という。）が出射される。光学素子１０は、所定の波長の光を入射させる場合、光学異方性層１６における回転周期ｐが小さいほど、出射光Ｌ２の出射角が大きくなる。
　図４は、光学素子１０に垂直入射した入射光Ｌ１が、所定の出射角θ２で出射される原理を模式的に示す図である。以下、図４を参照して説明する。
　まず、入射光Ｌ１として、波長λの右円偏光ＰＲを用いた場合について説明する。
　右円偏光ＰＲである入射光Ｌ１は、光学異方性層１６を通過することにより、λ／２の位相差が与えられて左円偏光ＰＬに変換される。また光学異方性層１６中において、入射光Ｌ１は、面内の個々の領域における棒状液晶化合物４０の光学軸４２および円盤状液晶化合物２０の光学軸２２により絶対位相が変化する。ここで、光学軸４２および光学軸４２，２２の向きがＡ軸方向（本例ではｘ軸方向）に回転して変化しているため、入射光が入射する光学異方性層１６の面（ｘ－ｙ面）のｘ座標における光学軸４２，２２の向きに応じて絶対位相の変化量が異なる。図４中の破線で示す領域には、その絶対位相の変化量がｘ座標によって異なる様子を模式的に示している。図４に示すように光学異方性層１６を通過する際の絶対位相のずれにより、光学異方性層の面に対して角度を有する絶対位相の等位相面２４が形成される。これによって、法線方向から入射した入射光Ｌ１に対して、等位相面２４に垂直な方向に屈曲力が与えられ、入射光Ｌ１の進行方向が変化する。すなわち、右円偏光ＰＲである入射光Ｌ１は、光学異方性層１６を通過した後には左円偏光ＰＬとなり、かつ、法線方向と所定の角度θ２をなす方向に進行する出射光Ｌ２として光学異方性層１６から出射される。
　以上のようにして、光学素子１０においては、光学素子１０の面に対して垂直に法線方向に沿って入射した入射光Ｌ１は、法線方向とは異なる方向に出射光Ｌ２として出射される。
　光学異方性層１６中の液晶配向パターンにおける光学軸の向きの回転周期ｐを変化させることにより、出射角の傾きを変化させることができる。回転周期ｐを小さくするほど入射光に大きな屈曲力を与えることができるので、傾きを大きくすることができる。
　このように、光学異方性層１６における液晶配向パターンによって、絶対位相の変化量を変化させて入射光の波面を変化させることができる。
　光学素子１０が、一方向のみに一様な回転周期ｐの液晶配向パターンを有している場合、上記のような原理に基づく入射光Ｌ１の出射光Ｌ２への変換は、透過回折として説明できる。入射光Ｌ１に対し光学異方性層１６は透過回折格子として機能し、光学異方性層１６に垂直入射した入射光Ｌ１は、所定の回折角θ２の透過回折光Ｌ２として透過回折される。この場合、一般的な光の回折の式である下記式（１）を満たす。
　ｎ２ｓｉｎθ２－ｎ１ｓｉｎθ１＝ｍλ／ｐ　　　　式（１）
　ここで、ｎ１は回折格子（ここでは光学異方性層）の入射面側の媒質１の屈折率、θ１は入射角、ｎ２は回折格子（ここでは光学異方性層）の出射面側の媒質２の屈折率、θ２は回折角（出射角）、λは波長、ｐは回転周期、ｍは回折の次数である。ここでは、ｍ＝１で最大の回折効率が得られるように設定する。また、ここで、入射角θ１＝０°であるので、式（１）は、
　ｎ２ｓｉｎθ２＝λ／ｐ　　　　式（２）
となる。
　図５は、式（２）で示される回折現象を模式的に示す図である。
　媒質ｎ１と媒質ｎ２との間に回折格子としての光学異方性層１６が配置されている。屈折率ｎ１である媒質１側から光学異方性層１６に法線方向から入射した光Ｌ１は、光学異方性層１６による回折作用により回折されて、屈折率ｎ２である媒質２側に出射される。このとき出射角θ２で出射される出射光Ｌ２は、回折角θ２の透過回折光Ｌ２と言い換えることができる。
　このように、光学異方性層１６は回折格子として機能する。一方、第１の光学異方性層１３および第２の光学異方性層１４は、それぞれ単独でも回折格子として機能する。上記説明において、光学異方性層１６を第１の光学異方性層１３あるいは第２の光学異方性層１４と置き換えることができる。
　本発明者らは、棒状液晶化合物４０が水平回転配向して固定化された第１の光学異方性層１３および円盤状液晶化合物２０が水平回転配向して固定化された光学異方性層１４が積層されてなる光学異方性層１６を備えた光学素子１０は、従来の棒状液晶化合物が水平回転配向して固定化された光学異方性層のみを用いた回折格子、および円盤状液晶化合物が水平回転配向して固定化された光学異方性層のみを用いた回折格子と比較して、回折効率を保ったまま、回折光と異なる波長に対しては複屈折の影響を与えることなく透過させることができることを見出した。
　光学素子１０が、従来の棒状液晶化合物が水平回転配向して固定化された光学異方性層一層のみを用いた回折格子および円盤状液晶化合物が水平回転配向して固定化された光学異方性層一層のみを用いた回折格子と比較して、回折光と異なる波長に対しても複屈折の影響がない特性が得られる理由は、以下の通りと推測される。
　回折対象とする光（以下において、回折光という。）の波長域とは異なる波長帯域の光が液晶回折格子に入射した場合、回折の影響を受けず直進して透過する。例えば可視光で回折するように設計した液晶回折格子は赤外光に対しては回折の影響を与えない。そのため、回折光と異なる波長が斜め方位からの入射するときには液晶回折格子を斜めに直進して透過する。しかし、棒状液晶化合物の水平回転配向によって構成される回折格子は面内で遅相軸が回転しているので、面内の屈折率が厚さ方向の屈折に比べて大きくなる。よって近似的に負のＣプレート（ｎｘ＝ｎｙ＞ｎｚ）として作用する。したがって、斜めの光はリタデーションを受けることになる。同様に、円盤状液晶化合物の水平回転配向によって構成される回折格子は面内で進相軸が回転しているので、面内の屈折率が厚さ方向の屈折に比べて小さくなる。よって近似的に正のＣプレート（ｎｘ＝ｎｙ＜ｎｚ）として作用する。したがって、斜めの光はリタデーションを受けることになる。
　しかし、光学素子１０は、棒状液晶化合物の水平回転配向によって構成される回折格子と円盤状液晶化合物の水平回転配向によって構成される回折格子を積層しているので、近似的に負と正のＣプレートが相互補償して、斜め方向のリタデーションを解消すると考えられる。これによって、回折光と異なる波長に複屈折の影響を与えることなく、透過させることができる光学素子を提供できる。このような光学素子を用いれば、図１に示すように、光学素子１０の回折光を出射する面側から斜め入射する光、例えば、回折光が可視光である場合、その回折光の波長帯域とは異なる波長帯域の光である赤外光ＬＩｒは、光学素子１０で回折の影響を受けず、かつ複屈折の影響を受けず透過する。したがって、光学素子１０の一方の面側に配置された検出センサ２によって、赤外光ＬＩｒを小さい検出誤差で検出することができる。
　なお、第１の光学異方性層と第２の光学異方性層とにより斜め入射光に対するリタデーションが生じないように相互補償できていれば、第１の光学異方性層と第２の光学異方性層とはそれぞれ１層ずつに限らない。例えば、図６に設計変更例の光学素子１１として示すように、２層の第１の光学異方性層１３ａ、１３ｂで第２の光学異方性層１４を挟む積層構造の光学異方性層１７としてもよい。さらに、第１の光学異方性層と第２の光学異方性層が交互に複数層ずつ積層されていてもよい。
　本開示の光学素子により回折作用を生じさせる光の波長λは、紫外から赤外、さらには、電磁波レベルであってもよい。同一の回転周期ｐに対し、入射光の波長が大きいほど回折角が大きく、入射光の波長が小さいほど回折角が小さくなる。波長λが３８０ｎｍである場合、回転周期ｐ（μｍ）は０．５＜ｐ＜１の範囲で棒状液晶化合物と比べて高い回折効率を得ることができる。また、波長λが１１００ｎｍである場合、回転周期ｐ（μｍ）は２＜ｐ＜５の範囲で棒状液晶化合物と比べて高い回折効率を得ることができる。
　なお、回折作用を生じる光の波長帯域と異なる波長帯域としては、回折作用を生じる光の中心波長をλとした場合、１．０λのときに１次の回折効率が最大になり、例えば、１．５λ以上、あるいは０．６λ以下の波長域であれば、回折作用が小さくなる。
　既述の通り、図１に示すように、光学素子１０の表面の法線に沿って右円偏光ＰＲの光Ｌ１を入射させると、法線方向と角度θ２をなす方向に左円偏光ＰＬの光Ｌ２が出射される。一方、光学素子１０に左円偏光を入射光として入射させた場合には、入射光は光学異方性層１６において右円偏光に変換されると共に図１とは逆向きの屈曲力を受けて進行方向が変化される。
　図７に示すように、光学素子１０に対して、ランダム偏光（すなわち、非偏光）の入射光Ｌ２１を入射させた場合、入射光Ｌ２１のうち、右円偏光ＰＲは液晶配向パターンによって屈曲力を受けて進行方向が変化し、光学異方性層を透過して第１の透過回折光Ｌ２２として出射される。この右円偏光ＰＲは光学異方性層１６を通過することにより左円偏光ＰＬに変換されて出射される。入射光Ｌ２１のうちの左円偏光ＰＬは、右円偏光から左円偏光に変換された光とは逆向きの屈曲力を受けて進行方向が変化した状態で光学異方性層１６を透過して光学素子１０の反対の面から第２の透過回折光Ｌ２３として出射される。この左円偏光ＰＬは光学異方性層１６で右円偏光ＰＲに変換されて出射される。第１の光学異方性層と第２の光学異方性層における水平回転配向の周期が同一であれば、第１の透過回折光Ｌ２２と第２の透過回折光Ｌ２３の進行方向は法線に対して略線対称の関係となる。
　なお、図８に示すように、光学素子１０は、支持体１２上に配向膜１２ａを備え、その上に光学異方性層１６を備えた構成とすることができる。
　本開示の光学素子においては、光学異方性層における上記１８０°回転周期は全面に亘って一様である必要はない。また、光学異方性層の面内の少なくとも一方向（軸Ａ）に光学軸の向きが回転している液晶配向パターンを一部に有していればよく、光学軸の向きが一定の部分を備えていてもよい。
　上記説明では入射光を光学異方性層に対して垂直に入射する例を示したが、入射光が斜めになった場合も同様に透過回折の効果が得られる。斜め入射の場合には、入射角θ１を考慮に入れて上記式（１）を満たすように、所望の回折角θ２を得られるように回転周期の設計をすればよい。
　図１から図３に示した光学素子１０の光学異方性層１６のように、面に平行な光学軸が面内の一方向に一定の１８０°回転周期で回転変化している液晶配向パターンを面内に一様に備えている場合には、出射方向が一方向に定まる。
　一方、液晶配向パターンにおいて、光学軸が回転変化する方向は一方向に限らず、二方向あるいは複数の方向であってもよい。所望の反射光の向きに応じた液晶配向パターンを備えた光学異方性層１６を用いることにより、入射光を所望の方向に反射させることができる。
　図９は、光学素子の設計変更例における光学異方性層３４の平面模式図である。光学異方性層３４における液晶配向パターンは、上記実施形態の光学異方性層１６における液晶配向パターンと異なる。図９においては、光学軸２２のみを示している。図９の光学異方性層３４は、光学軸２２の向きが中心側から外側の多方向、例えば、軸Ａ１、Ａ２、Ａ３…に沿って徐々に回転して変化している液晶配向パターンを有している。図９に示す液晶配向パターンによって、入射光は光学軸２２の向きが異なる局所領域間では、異なる変化量で絶対位相が変化する。図９に示すような放射状に光学軸が回転変化する液晶配向パターンを備えれば、発散光もしくは集束光として反射させることができる。すなわち、光学異方性層中の液晶配向パターンによって凹レンズあるいは凸レンズとしての機能を実現できる。
　上記第１の実施形態においては、第１の光学異方性層と第２の光学異方性層とが積層された光学異方性層の全体として面内リタデーションＲ（＝Δｎ・ｄ）が、０．３６λ～０．６４λであることが好ましいと述べた。しかしながら、第１の光学異方性層と第２の光学異方性層は、互いに異なる波長λ１、λ２に対して回折格子として機能するように設計されていてもよい。そのような場合には、第１の光学異方性層における面内リタデーションと第２の光学異方性層における面内リタデーションとは独立に設定される。
　図１０は、第２の実施形態の光学素子２１０の側面模式図である。
　光学素子２１０は、棒状液晶化合物４０を含む液晶組成物の硬化層からなる第１の光学異方性層２１３と円盤状液晶化合物２０を含む液晶組成物の硬化層からなる第２の光学異方性層２１４とが積層された積層構造の光学異方性層２１６を備えている。
　第１の光学異方性層２１３および第２の光学異方性層２１４は、上記第１の実施形態の光学素子１０における第１の光学異方性層１３および第２の光学異方性層１４と同様の水平回転配向の液晶配向パターンを有している。但し、第１の光学異方性層２１３と第２の光学異方性層２１４とは、それぞれが異なる波長λ１、λ２に対して回折格子として機能する。
　第１の光学異方性層２１３は、第１の波長λ１の光に対する面内のリタデーションＲ（＝Δｎ１・ｄ１）が、０．３６λ１～０．６４λ１であってもよい。面内リタデーションＲは０．４λ１～０．６λ１が好ましく、０．４５λ１～０．５５λ１がより好ましく、０．５λ１であることが特に好ましい。Δｎ１は第１の光学異方性層２１３の複屈折率、ｄ１は第１の光学異方性層２１３の厚みである。例えば、５５０ｎｍの光を入射光として想定する場合には、５５０ｎｍの光に対する面内リタデーションＲが１９８ｎｍ～３５２ｎｍの範囲であればよく、２７５ｎｍであることが特に好ましい。このようなリタデーションＲを有するので、第１の光学異方性層２１３は、一般的なλ／２板としての機能、すなわち、入射光の直交する直線偏光成分の間に１８０°（＝π＝λ／２）の位相差を与える機能を呈する。
　第２の光学異方性層２１４は、第２の波長λ２の光に対する面内のリタデーションＲ（＝Δｎ２・ｄ２）が、０．３６λ２～０．６４λ２であることが好ましい。面内リタデーションＲは０．４λ２～０．６λ２が好ましく、０．４５λ２～０．５５λ２がより好ましく、０．５λ２であることが特に好ましい。Δｎ２は第２の光学異方性層２１４の複屈折率、ｄ２は第２の光学異方性層２１４の厚みである。例えば、５５０ｎｍの光を入射光として想定する場合には、５５０ｎｍの光に対する面内リタデーションＲが１９８ｎｍ～３５２ｎｍの範囲であればよく、２７５ｎｍであることが特に好ましい。このようなリタデーションＲを有するので、第２の光学異方性層２１４は、一般的なλ／２板としての機能、すなわち、入射光の直交する直線偏光成分の間に１８０°（＝π＝λ／２）の位相差を与える機能を呈する。
　なお、この際、第１の光学異方性層２１３における水平回転配向パターンの回転周期、および第２の光学異方性層２１４における水平回転配向パターンの回転周期はそれぞれ、波長λ１、λ２に対して回折させたい角度に応じて定めればよい。
　図１１は、本発明の第３の実施形態の光学素子３１０の構成を示す側面模式図である。
　第３の実施形態の光学素子３１０は、棒状液晶化合物４０を含む液晶組成物の硬化層である第１の光学異方性層３１３と、円盤状液晶化合物２０を含む液晶組成物の硬化層である第２の光学異方性層３１４とを備えている。すなわち、光学素子３１０は、第１の光学異方性層３１３と第２の光学異方性層３１４との積層構造の光学異方性層３１６を備えている。
　本実施形態の光学素子３１０についても、支持体上に形成された配向膜上に光学異方性層が形成される構成を有していてもよい。なお、第３の実施形態の光学素子３１０の第１の光学異方性層３１３および第２の光学異方性層３１４の面内における液晶配向パターンは第１の実施形態の光学異方性層１３および１４と略同じであり、それぞれの平面模式図はそれぞれ図２および図３に示した第１の実施形態のものと同様である。
　光学素子３１０は、光学異方性層３１３、３１４における厚み方向の液晶配向パターンが第１の実施形態の光学異方性層１３、１４と異なる。光学異方性層３１３、３１４は、厚み方向に棒状液晶化合物４０および円盤状液晶化合物２０がそれぞれ第１の捩れ性および第２の捩れ性に従って捩れ配向している。「厚み方向に棒状液晶化合物４０が捩れ配向している」とは、光学異方性層３１３の一面から他面に向かう厚み方向に配列されている複数の棒状液晶化合物４０間で光学軸の向きが相対的に変化し一方向に捩れて配向している状態をいう。「厚み方向に円盤状液晶化合物２０が捩れ配向している」とは、光学異方性層３１４の一面から他面に向かう厚み方向に配列されている複数の円盤状液晶化合物２０の光学軸の向きが相対的に変化し一方向に捩れて配向している状態をいう。捩れ性には、右捩れ性および左捩れ性があるが、回折させたい光の偏光に応じて適用すればよい。
　後述の第５の実施形態の光学素子５１０は、厚み方向にコレステリック配向しており、特定の円偏光の特定の選択波長域の光のみを選択的に反射する反射型の回折格子として機能する。コレステリック配向は、円盤状液晶化合物２０もしくは棒状液晶化合物４０が厚み方向に回転した螺旋配向であり、厚み方向に１回転以上回転している。これに対し、光学異方性層３１３、３１４において、厚み方向における円盤状液晶化合物あるいは棒状液晶化合物の捩れは１回転未満、すなわち捩れ角は３６０°未満である。例えば、図１１の例では、厚み方向（ｚ方向）において、一方の面側から他方の面側までの間に棒状液晶化合物４０、円盤状液晶化合物２０の光学軸は略６０°回転している。厚み方向における棒状液晶化合物４０、円盤状液晶化合物２０の捩れ角は４５°から９０°程度が好ましい。コレステリック配向の場合には、特定の波長域の特定の円偏光を反射するものとなるが、捩れ配向の場合は、反射性は生じない。
　図１１に示す例の光学異方性層３１３および３１４では、棒状液晶化合物４０および円盤状液晶化合物２０が厚み方向に光の入射側から出射側、すなわち、紙面において下から上に向かって左捩れとなるように配向されている。本構成では、第１の光学異方性層３１３から第２の光学異方性層３１４において、それぞれの液晶化合物の光学軸の回転が連続的なものとなっている。円盤状液晶化合物２０および棒状液晶化合物４０が面内で水平回転配向し、かつ、厚み方向に左捩れ配向していることから、図１１に破線矢印で示す方向に光学軸の向きが同等の領域が存在する配向パターンを有する。
　波長λに対する光学異方性層３１６の面内のリタデーションがＲ（＝Δｎ３・ｄ３）が、０．３６λ～０．６４λであることが好ましい。面内リタデーションＲは０．４λ～０．６λが好ましく、０．４５λ～０．５５λがより好ましく、０．５λであることが特に好ましい。Δｎ３は光学異方性層３１６の複屈折率、ｄ３は光学異方性層３１６の厚みである。すなわち、第１の実施形態の光学異方性層１６の場合と同様に、λ／２板として機能する。
　厚み方向における円盤状液晶化合物の捩れが１回転未満である光学素子３１０は、第１の実施形態の光学素子１０と同様に、透過型の回折格子として機能する。すなわち、光学素子３１０は、一面からの入射した光を斜めに屈曲させ、他面から回折光として出射させる。
　図１１に示すように、光学素子３１０の一方の面に右円偏光ＰＲの光Ｌ３１（以下において、入射光Ｌ３１という。）を入射した場合、入射光Ｌ３１は円盤状液晶化合物の水平回転配向の作用により一方の方向に屈曲され、また、λ／２板の作用により、他方の面から左円偏光ＰＬの光Ｌ３２が出射される。この際、第１の実施形態の光学異方性層１６のように、液晶化合物の光学軸の向きが厚み方向には変化していない場合、斜め方向に屈曲された入射光Ｌ３１は絶対位相の変化量が異なる箇所を通過することになる。入射光Ｌ３１が当初の絶対位相の変化量と異なる変化量となる箇所を通過そのために光の進行方向にずれが生じて回折ロスとなる。一方、本光学異方性層３１６においては、破線矢印で示す方向に円盤状液晶化合物の光学軸の向きが同等である領域が存在する。そして、屈曲された入射光Ｌ７１の進行方向に光学軸の向きが同等な領域が存在することで、回折ロスを低減し、回折効率をより高めることが可能となる。なお、破線矢印で示す方向と、屈曲された入射光Ｌ７１の進行方向が一致していることが好ましい。しかしながら、両者の方向は完全に一致している必要はない。同等の絶対位相の領域が存在する方向が、厚み方向から傾きを有し、厚み方向よりも屈曲した光の進行方向に近い方向であれば回折効率向上の効果を奏する。
　なお、光学素子３１０に対して、ランダム偏光の入射光を入射させた場合、入射光のうち、右円偏光ＰＲは液晶配向パターンによって屈曲力を受けて進行方向が変化し、光学異方性層３１６を透過して第１の透過回折光として出射される。またこの際、光学異方性層３１６において左円偏光ＰＬに変換される。他方、入射光のうちの左円偏光ＰＬは、面内方向における水平回転配向と、厚み方向における捩れ配向とにより、屈曲力が相殺されて、左円偏光ＰＬは、円盤状液晶化合物の配向パターンによる影響を受けず直進して出射光Ｌ８３として出射される。また、左円偏光ＰＬに対しては、光学異方性層はλ／２の作用を生じず、そのまま左円偏光ＰＬとして出射する。すなわち、光学素子３１０は、右円偏光ＰＲに対してのみ回折格子およびλ／２板として作用する。
　なお、図１１の光学異方性層３１６における捩れ性とは逆の右捩れ性を有する光学異方性層の場合、左斜め上方向に液晶化合物の光学軸の向きが同等な領域が存在する配向パターンが形成される。そのため、光学素子３１０とは逆に、左円偏光ＰＬが入射された場合には、入射光は屈曲されて紙面において左斜め上方向に進行し、λ／２板の作用を受けて、右円偏光ＰＲの透過回折光として出射される。また、この場合、右円偏光ＰＲが入射された場合には、回折およびλ／２の作用を受けることなく、右円偏光ＰＲのまま直進して出射される。
　図１２は、本発明の第４の実施形態の光学素子４１０の構成を示す側面模式図である。
　第４の実施形態の光学素子４１０は、棒状液晶化合物を含む液晶組成物の硬化層である第１の光学異方性層４１３と、円盤状液晶化合物を含む液晶組成物の硬化層である第２の光学異方性層４１４とを備えている。すなわち、光学素子４１０は、第１の光学異方性層４１３と第２の光学異方性層４１４とが積層されてなる光学異方性層４１６を備えている。第１の光学異方性層４１３および第２の光学異方性層４１４は、上記第１の実施形態の光学素子１０における第１の光学異方性層１３および第２の光学異方性層１４と同様に、水平回転配向の液晶配向パターンを有している。
　第１の光学異方性層４１３、第２の光学異方性層４１４は、第３の実施形態の光学素子３１０の光学異方性層３１３，３１４と同様に、厚み方向の捩れ配向を有している。第１の光学異方性層４１３は、その厚み方向に第１の円盤状液晶化合物が第１の捩れ性に従って捩れ配向している。第２の光学異方性層４１４は、その厚み方向に第２の円盤状液晶化合物が第２の捩れ性に従って捩れ配向している。第２の光学異方性層４１４における第２の捩れ性は第１の光学異方性層４１３における第１の捩れ性と逆向きである。
　第１の光学異方性層４１３は、第１の波長λ１の光に対する面内のリタデーションＲ（＝Δｎ４・ｄ４）が、０．３６λ１～０．６４λ１であってもよい。面内リタデーションＲは０．４λ１～０．６λ１が好ましく、０．４５λ１～０．５５λ１がより好ましく、０．５λ１であることが特に好ましい。Δｎ４は第１の光学異方性層４１３の複屈折率、ｄ４は第１の光学異方性層４１３の厚みである。
　第２の光学異方性層４１４は、第２の波長λ２の光に対する面内のリタデーションＲ（＝Δｎ５・ｄ５）が、０．３６λ２～０．６４λ２であることが好ましい。面内リタデーションＲは０．４λ２～０．６λ２が好ましく、０．４５λ２～０．５５λ２がより好ましく、０．５λ２であることが特に好ましい。Δｎ５は第２の光学異方性層４１４の複屈折率、ｄ５は第２の光学異方性層４１４の厚みである。
　第１の波長λ１と第２の波長λ２とは異なっていてもよいし、同一であってもよい。本例においては、同一であり、それぞれλ／２板として機能するものとする。この場合、第１の光学異方性層４１３、第２の光学異方性層４１４はそれぞれ単独で偏光回折格子として同一波長λに対して作用する。
　第１の光学異方性層４１３は、左円偏光ＰＬである入射光に対しては、回折格子として機能し、かつλ／２板として機能する。他方、右円偏光ＰＲである入射光に対しては、回折格子およびλ／２板として機能しない。
　第２の光学異方性層４１４は、右円偏光ＰＲである入射光に対しては、回折格子として機能し、かつλ／２板として機能する。他方、左円偏光ＰＬである入射光に対しては、回折格子およびλ／２板として機能しない。
　光学異方性層４１６は、上記第１の光学異方性層４１３および第２の光学異方性層４１４の積層であり、両者の特性を備えている。したがって、右円偏光ＰＲに対しては、第１の光学異方性層４１３が作用し、左円偏光ＰＬに対しては、第２の光学異方性層４１４が作用する。そのため、光学異方性層４１６の一方の面から垂直入射した右円偏光ＰＲの入射光は右斜めに回折され、他方の面から左円偏光ＰＬとして出射される。光学異方性層４１６の一方の面から垂直入射した左円偏光ＰＬの入射光は左斜めに回折されて右円偏光ＰＲとして出射される。
　図１２に示すように、光学異方性層４１６の一方の面に対して垂直にランダム偏光の入射光Ｌ４１を入射させて場合について説明する。この場合、入射光Ｌ４１のうちの右円偏光ＰＲ成分は、第１の光学異方性層４１３を通過し、その後、第２の光学異方性層４１４において屈曲力を受けて進行方向が変化され、光学異方性層４１６の他方の面から第１の透過回折光Ｌ４２として出射される。なお、入射光Ｌ４１のうちの右円偏光ＰＲ成分は第２の光学異方性層４１４を通過することにより左円偏光ＰＬに変換されて出射される。
　他方、入射光Ｌ４１のうちの左円偏光ＰＬ成分は、第２の光学異方性層４１３において屈曲力を受けて進行方向が変化された状態で第２の光学異方性層４１４から出射し、その回折状態を保ったまま第２の光学異方性層４１４を通過して光学異方性層４１６の他方の面から第２の透過回折光Ｌ４３として出射される。なお、入射光Ｌ４１のうちの左円偏光ＰＬ成分は第１の光学異方性層４１３で右円偏光ＰＲに変換されており、その状態を保ったまま第２の光学異方性層４１４を通過して出射される。本例においては、第１の光学異方性層４１３と第２の光学異方性層４１４とは、厚み方向における捩れ性が互いに逆であるが、水平回転配向の配向ピッチが同等であることから、第１の透過回折光Ｌ４２と第２の透過回折光Ｌ４３の進行方向は法線に対して略線対称の関係となる。
　このように、互いの膜厚方向における捩れ性が逆向きである第１の光学異方性層と第２の光学異方性層とを備えることにより、右円偏光ＰＲおよび左円偏光ＰＬのいずれをも高い回折効率で回折させることが可能である。
　第４の実施形態の光学素子４１０のように、第１の光学異方性層４１３と第２の光学異方性層４１４を備える場合には、第１の光学異方性層４１３における棒状液晶化合物の水平回転配向の１８０°回転の周期と、第２の光学異方性層４１４における円盤状液晶化合物の水平回転配向の１８０°回転の周期とは、同一であってもよいし、異なっていてもよい。両光学異方性層の水平回転配向の回転周期が異なる場合、左円偏光と右円偏光とで異なる回折角の回折光を得ることができる。
　なお、第２の実施形態および第３の実施形態の光学素子のように、厚み方向における捩れ配向を有する光学異方性層を備えることにより、回折可能な入射光の波長を広帯域化させることができる。
　なお、広帯域化は、厚み方向に捩れ配向を有する光学異方性層とすること以外にも、光学異方性層を、複屈折率が逆分散となる液晶材料を用いて構成することでも実現することができる。したがって、光学異方性層は、複屈折率が逆分散となる液晶材料を用いて構成されていることが好ましい。また、異なる位相差層を積層することにより、入射光の波長に対して光学異方性層を実質的に広帯域にすることも好ましい。
　図１３は、本発明の第５の実施形態の光学素子５１０の構成を示す側面模式図である。なお、第２の実施形態の光学素子の光学異方性層における液晶配向パターンの平面模式図は図２に示した第１の実施形態のものと同様である。
　第５の実施形態の光学素子５１０は、棒状液晶化合物４０を含む液晶組成物の硬化層からなる第１の光学異方性層５１３と円盤状液晶化合物２０を含む液晶組成物の硬化層からなる第２の光学異方性層５１４とを備えている。すなわち、光学素子５１０は、第１の光学異方性層５１３と第２の光学異方性層５１４との積層構造の光学異方性層５１６を備えている。
　本実施形態の光学素子５１０についても、支持体上に形成された配向膜上に光学異方性層が形成される構成を有していてもよい。なお、第５の実施形態の光学素子５１０の第１の光学異方性層５１３および第２の光学異方性層５１４の面内における液晶配向パターンは第１の実施形態の光学異方性層１３および１４と同様の水平回転配向を有し、平面模式図はそれぞれ図２および図３に示した第１の実施形態のものと同様である。
　光学素子５１０は、光学異方性層５１３、５１４における厚み方向の液晶配向パターンが第１の実施形態の光学異方性層１３、１４と異なる。光学異方性層５１３、５１４は、厚み方向において、棒状液晶化合物４０および円盤状液晶化合物２０がコレステリック配向している。第１の光学異方性層５１３と第２の光学異方性層５１４とで、厚み方向において、連続的な１つのコレステリック配向を形成している。
　光学異方性層５１６は、特定の円偏光（右円偏光もしくは左円偏光）の所定の選択波長域の光のみを選択的に反射する機能を奏する。選択的に反射される光の中心波長はコレステリックの螺旋ピッチおよび膜厚ｄ６により定められ、いずれの円偏光を反射するかは、螺旋の回転方向により定められる。
　本光学素子５１０における光学軸の面内方向における変化は図２および図３に示した第１の実施形態の光学素子１０の場合と同等であるため、光学素子１０と同様の作用を生じる。従って、光学素子５１０は、第１の実施形態の光学素子１０と同様に、入射した光に対して絶対位相を変化させて斜めに屈曲させる作用を生じる。また、同時に、厚み方向にコレステリック相を有するので、光学異方性層に入射する光のうち、特定の円偏光の選択波長域の光を選択的に反射する。
　光学異方性層５１６においてコレステリック相は所定の中心波長を有する右円偏光を反射するよう設計されている。そのため、図１３に示すように、本光学素子５１０の光学異方性層５１６の一方の面に垂直に、すなわち法線に沿って右円偏光ＰＲである所定の中心波長の光Ｌ５１を入射させると、法線方向に対して傾きを有する方向に進行する反射光Ｌ５２が生じる。すなわち、光学異方性層５１６は、光Ｌ５１に対して反射型回折格子として機能する。
　なお、所定の選択波長域以外の光、および左円偏光は光学異方性層５１６を透過する。
　従って、図１４に示すように、所定の中心波長を有するランダム偏光Ｌ６１を光学異方性層５１６に垂直入射させた場合、右円偏光Ｌ６２のみが反射回折され、左円偏光Ｌ６３は、光学異方性層５１６を透過する。
　本実施形態の光学素子５１０についても、第１の実施形態の光学素子１０と同様に、第１の光学異方性層が近似的に負のＣプレートとして作用し、第２の光学異方性層が近似的に正のＣプレートとして作用して、斜め方向のリタデーションを抑制することができる。したがって、回折光と異なる波長に与える複屈折を与えることなく、透過させることができる光学素子を提供することができる。
　なお、光学素子において、異なる選択波長領域のコレステリック相の複数の光学異方性層を組み合わせて備えてもよい。
　図１５は、本発明の第６の実施形態の光学素子６１０の構成を示す側面模式図である。
　第６の実施形態の光学素子６１０は、棒状液晶化合物４０を含む液晶組成物の硬化層からなる第１の光学異方性層６１３と円盤状液晶化合物２０を含む液晶組成物の硬化層からなる第２の光学異方性層６１４とを備えている。すなわち、光学素子６１０は、第１の光学異方性層６１３と第２の光学異方性層６１４との積層構造の光学異方性層６１６を備えている。
　第６の実施形態の光学素子６１０の第１の光学異方性層６１３および第２の光学異方性層６１４の面内における液晶配向パターンは第１の実施形態の光学異方性層１３および１４と同様の水平回転配向を有し、平面模式図はそれぞれ図２および図３に示した第１の実施形態のものと同様である。
　一方、第１の光学異方性層６１３において、棒状液晶化合物４０が厚み方向に第１の第１のコレステリック配向し、第２の光学異方性層６１４において、円盤状液晶化合物２０が厚み方向に第２のコレステリック配向している。すなわち、第１の光学異方性層６１３と第２の光学異方性層６１４は、独立にコレステリック配向しており、第１の光学異方性層６１３と第２の光学異方性層６１４は、それぞれ単独で特定の円偏光（右円偏光もしくは左円偏光）の所定の選択波長域の光のみを選択的に反射する機能を奏する。
　例えば、第１の光学異方性層６１３が第１の波長域の光（たとえば、青色光）を反射するように、そのコレステリック配向のピッチおよび膜厚ｄ７が調整されており、第２の光学異方性層６１４が第２の波長域の光（たとえば、緑色光）を反射するように、そのコレステリック配向のピッチおよび膜厚ｄ８が調整されている。
　これにより、光学素子６１０においては、例えば、ランダム偏光の白色光Ｌ７１を光学異方性層６１６の一方の面に入射した場合、そのうちの第１の波長域の光であって、特定の円偏光、ここでは右円偏光の光Ｌ７２（λ１）および第２の波長域の光であって、右円偏光の光Ｌ７２（λ２）が反射回折光として反射される。なお、この場合、左円偏光の光Ｌ７３、および選択波長以外の右円偏光は光学素子６１０を透過する。
　本実施形態の光学素子６１０についても、第１の実施形態の光学素子１０と同様に、第１の光学異方性層が近似的に負のＣプレートとして作用し、第２の光学異方性層が近似的に正のＣプレートとして作用して、斜め方向のリタデーションを抑制することができる。したがって、回折光と異なる波長に与える複屈折を与えることなく、透過させることができる光学素子を提供することができる。
　なお、上記した各実施形態において、棒状液晶化合物を含む液晶組成物の硬化層からなる第１の光学異方性層と、円盤状液晶化合物を含む液晶組成物の硬化層からなる第２の光学異方性層とは、両層を積層することにより、いずれか一方の光学異方性層を単独で用いた場合よりも斜め方向のリタデーションを抑制することができればよい。光学素子における斜め方向のリタデーションを抑制することにより、回折光の波長域とは異なる波長域の光が光学素子を透過する際の強度低下を抑制することができる。両層を積層することにより、斜め方向のリタデーションを相互補償して完全にキャンセルすることが特に好ましい。
　以下、本発明の光学素子の構成要素の詳細について説明する。
＜光学異方性層＞
　光学異方性層を形成するための、円盤状液晶化合物を含む液晶組成物は、円盤状液晶化合物の他に、レベリング剤、配向制御剤、重合開始剤および配向助剤などのその他の成分を含有していてもよい。支持体上に配向膜を形成し、その配向膜上に液晶組成物を塗布、硬化することにより、液晶組成物の硬化層からなる、所定の液晶配向パターンが固定化された光学異方性層を得ることができる。
－棒状液晶化合物－
　棒状液晶化合物としては、アゾメチン類、アゾキシ類、シアノビフェニル類、シアノフェニルエステル類、安息香酸エステル類、シクロヘキサンカルボン酸フェニルエステル類、シアノフェニルシクロヘキサン類、シアノ置換フェニルピリミジン類、アルコキシ置換フェニルピリミジン類、フェニルジオキサン類、トラン類およびアルケニルシクロヘキシルベンゾニトリル類が好ましく用いられる。以上のような低分子液晶性分子だけではなく、高分子液晶性分子も用いることができる。
　棒状液晶化合物を重合によって配向を固定することがより好ましく、重合性棒状液晶化合物としては、Ｍａｋｒｏｍｏｌ．　Ｃｈｅｍ．，　１９０巻、２２５５頁（１９８９年）、Ａｄｖａｎｃｅｄ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　５巻、１０７頁（１９９３年）、米国特許４６８３３２７号明細書、同５６２２６４８号明細書、同５７７０１０７号明細書、国際公開第９５／２２５８６号、同９５／２４４５５号、同９７／００６００号、同９８／２３５８０号、同９８／５２９０５号、特開平１－２７２５５１号公報、同６－１６６１６号公報、同７－１１０４６９号公報、同１１－８００８１号公報、および、特開２００１－３２８９７３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。
－その他の成分－
　なお、配向制御剤、重合開始剤、および配向助剤などのその他の成分については、いずれも公知の材料を利用することができる。なお、第３および第４の実施形態の光学異方性層、すなわち厚み方向に捩れ配向を形成する場合には、カイラル剤を添加する。また、第５および第６の実施形態の光学異方性層を形成するためには、厚み方向にコレステリック液晶相を得るためにもカイラル剤を添加する。
－－カイラル剤（光学活性化合物）－－
　カイラル剤はコレステリック液晶相の螺旋構造を誘起する機能を有する。カイラル剤は、化合物によって誘起する螺旋の捩れ方向または螺旋ピッチが異なるため、目的に応じて選択すればよい。
　カイラル剤としては、特に制限はなく、公知の化合物（例えば、液晶デバイスハンドブック、第３章４－３項、ＴＮ（ｔｗｉｓｔｅｄ　ｎｅｍａｔｉｃ）、ＳＴＮ（Ｓｕｐｅｒ　Ｔｗｉｓｔｅｄ　Ｎｅｍａｔｉｃ）用カイラル剤、１９９頁、日本学術振興会第１４２委員会編、１９８９に記載）、イソソルビド、および、イソマンニド誘導体等を用いることができる。
　カイラル剤は、一般に不斉炭素原子を含むが、不斉炭素原子を含まない軸性不斉化合物または面性不斉化合物もカイラル剤として用いることができる。軸性不斉化合物または面性不斉化合物の例には、ビナフチル、ヘリセン、パラシクロファン、および、これらの誘導体が含まれる。カイラル剤は、重合性基を有していてもよい。カイラル剤と液晶化合物とがいずれも重合性基を有する場合は、重合性カイラル剤と重合性液晶化合物との重合反応により、重合性液晶化合物から誘導される繰り返し単位と、カイラル剤から誘導される繰り返し単位とを有するポリマーを形成することができる。この態様では、重合性カイラル剤が有する重合性基は、重合性液晶化合物が有する重合性基と、同種の基であるのが好ましい。従って、カイラル剤の重合性基も、不飽和重合性基、エポキシ基またはアジリジニル基であるのが好ましく、不飽和重合性基であるのがより好ましく、エチレン性不飽和重合性基であるのがさらに好ましい。
　また、カイラル剤は、液晶化合物であってもよい。
　カイラル剤が光異性化基を有する場合には、塗布、配向後に活性光線などのフォトマスク照射によって、発光波長に対応した所望の反射波長のパターンを形成することができるので好ましい。光異性化基としては、フォトクロッミック性を示す化合物の異性化部位、アゾ基、アゾキシ基、または、シンナモイル基が好ましい。具体的な化合物として、特開２００２－８０４７８号公報、特開２００２－８０８５１号公報、特開２００２－１７９６６８号公報、特開２００２－１７９６６９号公報、特開２００２－１７９６７０号公報、特開２００２－１７９６８１号公報、特開２００２－１７９６８２号公報、特開２００２－３３８５７５号公報、特開２００２－３３８６６８号公報、特開２００３－３１３１８９号公報、および、特開２００３－３１３２９２号公報等に記載の化合物を用いることができる。
－溶媒－
　液晶組成物の溶媒としては、有機溶媒が好ましく用いられる。有機溶媒の例には、アミド（例、Ｎ、Ｎ－ジメチルホルムアミド）、スルホキシド（例、ジメチルスルホキシド）、ヘテロ環化合物（例、ピリジン）、炭化水素（例、ベンゼン、ヘキサン）、アルキルハライド（例、クロロホルム、ジクロロメタン）、エステル（例、酢酸メチル、酢酸ブチル）、ケトン（例、アセトン、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン）、エーテル（例、テトラヒドロフラン、１、２－ジメトキシエタン）が含まれる。アルキルハライドおよびケトンが好ましい。二種類以上の有機溶媒を併用してもよい。
＜支持体＞
　支持体としては、透明支持体が好ましく、ポリメチルメタクリレート等のポリアクリル系樹脂フィルム、セルローストリアセテート等のセルロース系樹脂フィルム、およびシクロオレフィンポリマー系フィルム［例えば、商品名「アートン」、ＪＳＲ社製、商品名「ゼオノア」、日本ゼオン社製］等を挙げることができる。支持体は、可撓性のフィルムに限らず、ガラス基板等の非可撓性の基板であってもよい。
＜光学異方性層形成用の配向膜＞
　光学異方性層形成用の配向膜としては、例えば、ポリマー等の有機化合物からなるラビング処理膜あるいは無機化合物の斜方蒸着膜、マイクログルーブを有する膜、あるいはω－トリコサン酸、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の如き有機化合物のラングミュア・ブロジェット法によるＬＢ膜を累積させた膜などがあげられる。配向膜としては、ポリマー層の表面をラビング処理して形成されたものが好ましい。ラビング処理は、ポリマー層の表面を紙や布で一定方向に数回こすることにより実施される。配向膜に使用するポリマーの種類は、ポリイミド、ポリビニルアルコール、特開平９－１５２５０９号公報に記載された重合性基を有するポリマー、特開２００５－９７３７７号公報、特開２００５－９９２２８号公報、および特開２００５－１２８５０３号公報記載の直交配向膜等を好ましく使用することができる。なお、直交配向膜とは、重合性棒状液晶化合物の分子の長軸を、直交配向膜のラビング方向と実質的に直交するように配向させる配向膜を意味する。配向膜の厚さは配向機能を提供できれば厚い必要はなく、０．０１～５μｍであることが好ましく、０．０５～２μｍであることがさらに好ましい。
　また、光配向性の素材に偏光又は非偏光を照射して配向膜とした、いわゆる光配向膜も用いることもできる。即ち、支持体上に、光配光材料を塗布して光配向膜を作製してもよい。偏光の照射は、光配向膜に対して、垂直方向又は斜め方向から行うことができ、非偏光の照射は、光配向膜に対して、斜め方向から行うことができる。
　本開示の光学素子に利用可能な光配向膜に用いられる光配向材料としては、例えば、特開２００６－２８５１９７号公報、特開２００７－７６８３９号公報、特開２００７－１３８１３８号公報、特開２００７－９４０７１号公報、特開２００７－１２１７２１号公報、特開２００７－１４０４６５号公報、特開２００７－１５６４３９号公報、特開２００７－１３３１８４号公報、特開２００９－１０９８３１号公報、特許第３８８３８４８号、特許第４１５１７４６号に記載のアゾ化合物、特開２００２－２２９０３９号公報に記載の芳香族エステル化合物、特開２００２－２６５５４１号公報、特開２００２－３１７０１３号公報に記載の光配向性単位を有するマレイミドおよび／又はアルケニル置換ナジイミド化合物、特許第４２０５１９５号、特許第４２０５１９８号に記載の光架橋性シラン誘導体、特表２００３－５２０８７８号公報、特表２００４－５２９２２０号公報、特許第４１６２８５０号に記載の光架橋性ポリイミド、ポリアミド、又はエステル、特開平９－１１８７１７号公報、特表平１０－５０６４２０号公報、特表２００３－５０５５６１号公報、ＷＯ２０１０／１５０７４８号公報、特開２０１３－１７７５６１号公報、特開２０１４－１２８２３号公報に記載の光二量化可能な化合物、特にシンナメート化合物、カルコン化合物、クマリン化合物が好ましい例として挙げられる。特に好ましくは、アゾ化合物、光架橋性ポリイミド、ポリアミド、エステル、シンナメート化合物、カルコン化合物である。
　本開示の光学素子においては、光配向膜を用いることが好ましい。
　配向膜を支持体上に塗布して乾燥させた後、配向膜をレーザ露光して配向パターンを形成する。配向膜の露光装置の模式図を図１６に示す。露光装置５０は、半導体レーザ５２を備えた光源５４と、半導体レーザ５２からのレーザ光７０を２つに分離するビームスプリッター５６と、分離された２つの光線７２Ａ、７２Ｂの光路上にそれぞれ配置されたミラー５８Ａ、５８Ｂおよびλ／４板６０Ａ、６０Ｂを備える。λ／４板６０Ａおよび６０Ｂは互いに直交する光学軸を備えており、λ／４板６０Ａは、直線偏光Ｐ０を右円偏光ＰＲに、λ／４板６０Ｂは直線偏光Ｐ０を左円偏光ＰＬに変換する。
　配向膜８２を備えた支持体８０が露光部に配置され、２つの光線７２Ａ、７２Ｂを配向膜８２上で交差させて干渉させ、その干渉光を配向膜８２に照射して露光する。この際の干渉により、配向膜８２に照射される光の偏光状態が干渉縞状に周期的に変化するものとなる。これによって、配向状態が周期的に変化する配向パターンが得られる。露光装置５０において、２つの光７２Ａおよび７２Ｂの交差角βを変化させることにより、配向パターンの周期を変化させることができる。配向状態が周期的に変化した配向パターンを有する配向膜上に後述の光学異方性層を形成することにより、この周期に応じた液晶配向パターンを備えた光学異方性層を形成することができる。
＜光学異方性層の形成＞
　光学異方性層は、配向膜上に液晶組成物を多層塗布することにより形成することができる。多層塗布とは、配向膜の上に液晶組成物を塗布し、加熱し、さらに冷却した後に紫外線硬化を行って１層目の液晶固定化層を作製した後、２層目以降はその液晶固定化層に重ね塗りして塗布を行い、同様に加熱し、冷却後に紫外線硬化を行うことを繰り返すことをいう。光学異方性層を上記のように多層塗布して形成することにより、光学異方性層の総厚が厚くなった場合でも配向膜の配向方向を、光学異方性層の下面から上面にわたって反映させることができる。
　第１の実施形態の光学異方性層と第２の実施形態の光学異方性層とでは液晶組成物が異なるだけで、同様の形成方法を採用することができる。
　次に、本開示の光学素子を備えた光学装置の一例を説明する。図１７は光学装置の一例であるヘッドマウントディスプレイ９０の要部構成を示す図である。
　図１７に示すように、ヘッドマウントディスプレイ９０は、光源の一態様である液晶表示装置９２と、液晶表示装置９２から出力された光を導光する導光部材９４とを備えており、導光部材９４の一部に、本発明の第５の実施形態の光学素子５１０Ａ，５１０Ｂが備えられている。液晶表示装置９２と導光部材９４とは、液晶表示装置９２からの光が導光部材９４に対して垂直に入射するように配置されており、光学素子５１０Ａが導光部材９４に入射した光が光学素子５１０Ａの表面に垂直に入射する位置に配置されている。他方、光学素子５１０Ｂは、導光部材９４中を全反射して導光された光が入射される位置に配置されている。
　光学素子５１０Ａは光学異方性層５１６Ａを備え、光学異方性層５１６Ａに垂直に入射する所定の中心波長の特定の円偏光を斜め方向に反射するように構成されている。光学素子５１０Ｂは光学異方性層５１６Ｂを備え、光学異方性層５１６Ｂに斜め方向から入射する所定の中心波長の特定の円偏光を垂直方向に反射するように構成されている。
　このように、本開示の光学素子を用いれば、入射光の反射方向を所望の方向とすることができ、反射素子と光路変更のための素子を別途に設ける必要がないため、光学装置の小型化を図ることができる。
　本開示の光学素子は、上記のようなヘッドマウントディスプレイ９０への適用に限らず、光を入射角とは異なる方向に反射させる光反射素子として、ＡＲ投影装置へも適用可能である。また、光を集光また発散するマイクロミラー、あるいはマイクロレンズとして、センサ用集光ミラーあるいは、光を拡散させる反射スクリーン等への適用が可能である。また、本開示の光学素子は、ビームステアリング光学部材として用いることができ、その際に、光学素子を介して、回折光とは異なる波長域の光を検出するセンサと組み合わせて利用することができる。本開示の光学素子は、回折光とは異なる波長域の光に対する複屈折による影響を抑制したものであるので、上記のセンサと組み合わせた場合、従来の光学素子よりも小さい検出誤差で光検出が可能である。
　以下、本発明の光学素子の実施例および比較例について説明する。
　まず、透過型回折格子として機能する第１の実施形態の光学素子の実施例１および比較例１、第３の実施形態の光学素子の実施例２および比較例２について説明する。
「比較例１」
　支持体上に配向膜を形成し、配向膜上に棒状状液晶化合物を含む液晶組成物Ｄ１の硬化層からなる光学異方性層Ａ－１を形成して、比較例１の光学素子を作製した。光学異方性層Ａ－１は、棒状液晶化合物が水平回転配向された液晶配向パターンとした。
［比較例１の光学素子の作製］
　支持体として、市販されているトリアセチルセルロースフィルム「Ｚ－ＴＡＣ」（富士フイルム社製）を用いた。
（支持体の鹸化）
　支持体を、温度６０℃の誘電式加熱ロールを通過させて、支持体表面温度を４０℃に昇温した。その後、支持体の片面に、バーコーターを用いて下記に示すアルカリ溶液を塗布量１４ｍＬ／ｍ２で塗布し、支持体を１１０℃に加熱し、さらに、（株）ノリタケカンパニーリミテド製のスチーム式遠赤外ヒーターの下を、１０秒間搬送した。続いて、同じくバーコーターを用いて、支持体表面上に純水を３ｍＬ／ｍ２塗布した。次いで、ファウンテンコーターによる水洗およびエアナイフによる水切りを３回繰り返した後に、７０℃の乾燥ゾーンを１０秒間搬送して支持体を乾燥させ、アルカリ鹸化処理した支持体を得た。
＜アルカリ溶液＞
　水酸化カリウム　　　　　　　　　　　　　　　　　　４．７０質量部
　水　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　１５．８０質量部
　イソプロパノール　　　　　　　　　　　　　　　　６３．７０質量部
　界面活性剤
　　ＳＦ－１：Ｃ１４Ｈ２９Ｏ（ＣＨ２ＣＨ２Ｏ）２ＯＨ　　　１．０　質量部
　プロピレングリコール　　　　　　　　　　　　　　１４．８　質量部
（下塗り層の形成）
　下記の下塗り層形成用塗布液を＃８のワイヤーバーで連続的に上記アルカリ鹸化処理した支持体上に塗布した。塗膜が形成された支持体を６０℃の温風で６０秒間、さらに１００℃の温風で１２０秒間乾燥し、下塗り層を形成した。
＜塗り層形成用塗布液＞
　下記変性ポリビニルアルコール　　　　　　　　　　　２．４０質量部
　イソプロピルアルコール　　　　　　　　　　　　　　１．６０質量部
　メタノール　　　　　　　　　　　　　　　　　　　３６．００質量部
　水　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　６０．００質量部
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000001
 
（配向膜Ｐ－１の形成）
　上記の下塗り層を形成した支持体上に下記の配向膜Ｐ－１形成用塗布液を＃２のワイヤーバーで連続的に塗布した。この配向膜Ｐ－１形成用塗布液の塗膜が形成された支持体を６０℃の温風で６０秒間乾燥し、配向膜Ｐ－１を形成した。
＜配向膜Ｐ－１形成用塗布液＞
　下記光配向用素材　　　　　　　　　　　　　　　　　１．００質量部
　水　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　１６．００質量部
　ブトキシエタノール　　　　　　　　　　　　　　　４２．００質量部
　プロピレングリコールモノメチルエーテル　　　　　４２．００質量部
－光配向用素材－
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000002
 
（配向膜Ｐ－１の露光）
　図１６に示した露光装置５０を用いて配向膜を露光した。露光装置５０において、半導体レーザ５２として波長（４０５ｎｍ）のレーザ光を出射するものを用いた。干渉光による露光量を１００ｍＪ／ｃｍ２とした。なお、２つのレーザ光の干渉により形成されるパターンの１８０°回転周期は２つの光の交差角βを変化させることによって制御した。
（光学異方性層Ａ－１の形成）
　まず、下記の液晶組成物Ｄ１を準備した。
＜液晶組成物Ｄ１＞
―――――――――――――――――――――――――――――――――
棒状液晶化合物Ｌ－１　　　　　　　　　　　　　　１００．００質量部
重合開始剤（ＢＡＳＦ製、Ｉｒｇａｃｕｒｅ（登録商標）９０７）
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　３．００質量部
光増感剤（日本化薬製、ＫＡＹＡＣＵＲＥ　ＤＥＴＸ－Ｓ）
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　１．００質量部
レベリング剤Ｔ－１　　　　　　　　　　　　　　　　　０．０８質量部
メチルエチルケトン　　　　　　　　　　　　　　　２９６．５０質量部
―――――――――――――――――――――――――――――――――
棒状液晶化合物Ｌ－１
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000003
 
－レベリング剤Ｔ－１－
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000004
 
　なお、液晶組成物Ｄ１の硬化層の複素屈折率Δｎは、０．１５であった。複素屈折率Δｎは、液晶組成物Ｄ１を別途に用意したリタデーション測定用の配向膜付き支持体上に塗布し、棒状液晶化合物の光学軸が基材に水平となるよう配向させた後に紫外線照射して固定化して得た液晶固定化層（硬化層）のリタデーション値および膜厚を測定して求めた。リタデーション値を膜厚で除算することによりΔｎを算出できる。リタデーション値はＡｘｏｍｅｔｒｉｘ　社のＡｘｏｓｃａｎで５５０ｎｍの波長で測定し、膜厚は走査型電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ、ＳＥＭ）を用いて測定した。
＜光学異方性層Ａ－１の塗布形成＞
　光学異方性層Ａ－１は、液晶組成物Ｄ１を配向膜Ｐ－１上に多層塗布することにより形成した。多層塗布とは、先ず配向膜の上に１層目の液晶組成物Ｄ１を塗布、加熱、冷却後に紫外線硬化を行って液晶固定化層を作製した後、２層目以降はその液晶固定化層に重ね塗りして塗布を行い、同様に加熱、冷却後に紫外線硬化を行うことを繰り返すことを指す。多層塗布により形成することにより、液晶層の総厚が厚くなった時でも配向膜の配向方向が液晶層の下面から上面にわたって反映される。
　先ず１層目は、配向膜Ｐ－１上に下記の液晶組成物Ｄ１を塗布した塗膜をホットプレート上で１１０℃に加熱し、その後、６０℃に冷却した後、窒素雰囲気下で高圧水銀灯を用いて波長３６５ｎｍの紫外線を１００ｍＪ／ｃｍ２の照射量で塗膜に照射することにより、液晶化合物の配向を固定化した。この時の固定化された液晶層（１層の液晶固定化層）の膜厚は０．２μｍであった。
　２層目以降の液晶固定化層は、先に形成された液晶固定化層に液晶組成物Ｄ１を重ね塗りして、上と同じ条件で加熱、冷却後に紫外線硬化を行って形成した。このようにして、総厚が所望の膜厚になるまで重ね塗りを繰り返し光学異方性層Ａ－１を得た。最終的に液晶の複屈折率が２７５ｎｍ（＝λ／２）になり、かつ周期的な配向表面になっていることを偏光顕微鏡で確認した。
「比較例２」
　比較例１に対し、棒状液晶化合物に代えて円盤液晶化合物を含む液晶組成物Ｅ１の硬化層からなる光学異方性層Ａ－２を備えた光学素子とした。すなわち、比較例２の光学素子は円盤状液晶化合物が水平回転配向された液晶配向パターンを有する。
（光学異方性層Ａ－２の形成）
　下記の組成物の液晶組成物Ｅ１を準備した。
＜液晶組成物Ｅ１＞
―――――――――――――――――――――――――――――――――
円盤状液晶化合物Ｌ－２　　　　　　　　　　　　　　８０．００質量部
円盤状液晶化合物Ｌ－３　　　　　　　　　　　　　　２０．００質量部
重合開始剤（ＢＡＳＦ製、Ｉｒｇａｃｕｒｅ（登録商標）９０７）
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　５．００質量部
メガファックＦ４４４（ＤＩＣ製）　　　　　　　　　　０．５０質量部
メチルエチルケトン　　　　　　　　　　　　　　　３００．００質量部
―――――――――――――――――――――――――――――――――
円盤状液晶化合物Ｌ－２
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000005
 
円盤状液晶化合物Ｌ－３
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000006
 
　なお、液晶組成物Ｅ１の硬化層の複素屈折率Δｎは、０．１５であった。複素屈折率Δｎは、液晶組成物Ｄ１の場合と同様の方法で求めた。
＜光学異方性層Ａ－２の塗布形成＞　
　先ず１層目は、配向膜Ｐ－１上に上記液晶組成物Ｅ１を塗布した塗膜をホットプレート上で１１０℃に加熱し、その後、６０℃に冷却した後、窒素雰囲気下で高圧水銀灯を用いて波長３６５ｎｍの紫外線を１００ｍＪ／ｃｍ２の照射量で塗膜に照射することにより、液晶化合物の配向を固定化した。この時の固定化された液晶層（１層の液晶固定化層）の膜厚は０．２μｍであった。
　２層目以降の液晶固定化層は、先に形成された液晶固定化層に液晶組成物Ｅ１を重ね塗りして、上と同じ条件で加熱、冷却後に紫外線硬化を行って形成した。このようにして、総厚が所望の膜厚になるまで重ね塗りを繰り返し光学異方性層Ａ－２を得た。最終的に液晶の複屈折率が２７５ｎｍ（＝λ／２）になり、かつ周期的な配向表面になっていることを偏光顕微鏡で確認した。
「実施例１」
　まず、支持体上に配向膜を形成し、配向膜上に棒状液晶化合物を含む液晶組成物Ｄ１の硬化層からなる光学異方性層Ａ－１（以下において、第１の光学異方性層Ａ－１）を形成した。その後、円盤状液晶化合物を含む液相組成物Ｅ１の硬化層からなる光学異方性層Ａ－２（以下において、第２の光学異方性層Ａ－２）を形成して実施例１の光学素子を作製した。
　すなわち、１層目は棒状液晶化合物を含む液晶組成物Ｄ１の硬化層からなる第１の光学異方性層Ａ－１、２層目は円盤状液晶化合物を含む液晶組成物Ｅ１の硬化層からなる第２の光学異方性層Ａ－２の２層構造とした。
　実施例１の光学素子は、比較例１と同様にして、支持体上に配向膜を形成し、配向膜上に第１の光学異方性層Ａ－１を形成した後、比較例２において配向膜上に形成した光学異方性層Ａ－２と同様にして、光学異方性層Ａ－１の上に光学異方性層Ａ－２を形成した。この際、各々の光学異方性層Ａ－１、Ａ－２を、それらの積層構造全体での面内レタデーションΔｎｄ（＝Δｎ１ｄ１＋Δｎ２ｄ２）が２７５ｎｍになるよう塗布量を調整し、それ以外は比較例１および比較例２と同様にして作製した。ここで、Δｎ１は第１の光学異方性層の複屈折率、ｄ１は第１の光学異方性層の厚み、Δｎ２は第２の光学異方性層の複屈折率、ｄ２は第２の光学異方性層の厚みである。
　なお、Δｎ１、Δｎ２は、いずれも０．１５であった。複素屈折率Δｎは、液晶組成物Ｄ１の場合と同様の方法で求めた。
　実施例１の光学素子の断面ＳＥＭから水平回転配向を有する液晶配向パターンが２層重なっていることを確認した。また、Ａｘｏｍｅｔｒｉｘ　社のＡｘｏｓｃａｎでの測定により、１層目の第１の光学異方性層は棒状液晶化合物が配向したものであり、２層目の第２の光学異方性層は円盤状液晶化合物が配向したものであることを確認した。作製した光学素子は２層重なった構成であり、第１の光学異方性層面内レタデーションΔｎ１ｄ１＝１３８ｎｍ、捩れ角は０度で、第２の光学異方性層の面内レタデーションΔｎ２ｄ２＝１３７ｎｍ、捩れ角は０度であった。
「実施例２」
　実施例１と同様に、第１の光学異方性層と第２の光学異方性層との２層構造の光学素子とした。実施例１の積層順と同様に、支持体、配向膜の順で積層し、その上に第１の光学異方性層、その上に第２の光学異方性層が積層された構造になっている。１層目は棒状液晶化合物を含む液晶組成物Ｄ２１の硬化層からなる第１の光学異方性層、２層目は円盤状液晶化合物を含む液晶組成物Ｅ２１の硬化層からなる第２の光学異方性層の２層構造とした。第１の光学異方性層と第２の光学異方性層とは、それぞれ厚み方向において、互いに逆向きの捩れ性を有する液晶配向パターンを有するものとした。
　液晶組成物Ｄ２１は、実施例１で用いた液晶組成物Ｄ１に対してカイラル剤Ｃｈ－２が添加されている。液晶組成物Ｅ２１は、実施例１で用いた液晶組成物Ｅ１に対してカイラル剤Ｃｈ－３が添加されている。カイラル剤Ｃｈ－２と、Ｃｈ－３とは厚み方向において、互いに逆向きの捩れ性を付与するものである。
　実施例２の光学素子は、第１の光学異方性層と第２の光学異方性層との、各々面内レタデーションΔｎ１ｄ１およびΔｎ２ｄ２がそれぞれ２７５ｎｍになるよう塗布量を調整し、それ以外は実施例１と同様に作製した。
＜液晶組成物Ｄ２１＞
―――――――――――――――――――――――――――――――――
棒状液晶化合物Ｌ－１　　　　　　　　　　　　　　１００．００質量部
重合開始剤（ＢＡＳＦ製、Ｉｒｇａｃｕｒｅ（登録商標）９０７）
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　３．００質量部
光増感剤（日本化薬製、ＫＡＹＡＣＵＲＥ　ＤＥＴＸ－Ｓ）
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　１．００質量部
レベリング剤Ｔ－１　　　　　　　　　　　　　　　　　０．０８質量部
カイラル剤Ｃｈ－２　　　　　　　　　　　　　　　　　０．１２質量部
メチルエチルケトン　　　　　　　　　　　　　　　２９６．５０質量部
―――――――――――――――――――――――――――――――――
－カイラル剤Ｃｈ－２－
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000007
 
 
＜液晶組成物Ｅ２１＞
―――――――――――――――――――――――――――――――――
円盤状液晶化合物Ｌ－２　　　　　　　　　　　　　　８０．００質量部
円盤状液晶化合物Ｌ－３　　　　　　　　　　　　　　２０．００質量部
重合開始剤（ＢＡＳＦ製、Ｉｒｇａｃｕｒｅ（登録商標）９０７）
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　５．００質量部
メガファックＦ４４４（ＤＩＣ製）　　　　　　　　　　０．５０質量部
カイラル剤Ｃｈ－３　　　　　　　　　　　　　　　　　０．１４質量部
メチルエチルケトン　　　　　　　　　　　　　　　３００．００質量部
―――――――――――――――――――――――――――――――――
－カイラル剤Ｃｈ－３－
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000008
 
 
　実施例２の光学素子の断面ＳＥＭから水平回転配向を有し、かつ厚み方向に互いに逆向きの捩れを有する液晶配向パターンが２層重なっていることを確認した。また、Ａｘｏｍｅｔｒｉｘ　社のＡｘｏｓｃａｎでの測定により、１層目の第１の光学異方性層は棒状液晶化合物が配向したものであり、２層目の第２の光学異方性層は円盤状液晶化合物が配向したものであることを確認した。実施例２の光学素子において第１の光学異方性層の面内レタデーションΔｎ１ｄ１＝２７５ｎｍ、捩れ角は７５度であり、第２の光学異方性層の面内レタデーションΔｎ２ｄ２＝２７５ｎｍ、捩れ角は－７５度であった。
［評価］
－回折角の測定－
　実施例１、２および比較例１、２の各光学素子について、光学素子の支持体を通して光学異方層の表面に垂直に光を入射させ、その透過回折光の回折角を測定した。具体的には、５５０ｎｍに出力の中心波長をもつ右円偏光としたレーザ光を、光学素子の一方の面に、法線方向に５０ｃｍの離れた位置から垂直入射させ、透過回折光のスポットを光学素子の他方の面から５０ｃｍの距離に配置したスクリーンで捉えて、回折角を算出した。
－光強度の測定－
　光強度の測定方法を、図１８を参照して説明する。実施例および比較例の光学素子１０Ｓは、支持体１２Ｓの表面に備えられた配向膜１２ａＳ上に１層もしくは２層構造の光学異方性層１６Ｓを備えている。この光学異方性層１６Ｓの一方の面である配向膜１２ａＳ側の面と対向する他方の面に、支持体１２Ｓとほぼ同一の屈折率の第２の支持体１８を接着させて測定用試料とした。
　半導体レーザ３０から出射した波長５５０ｎｍの半導体レーザ光を直線偏光子３１、およびλ／４板３２を透過させて右円偏光ＰＲの光Ｌとした。この光Ｌを支持体１２に垂直入射させることにより、光Ｌを光学異方性層１４の一方の面に垂直入射させた。この場合、光学異方性層１４による回折作用により回折角θ２の回折光Ｌｔが光学異方性層１４の他方の面から出力される。この回折光Ｌｔは、光学異方性層１４の他方の面に接続されている第２の支持体１８中を進行し、試料の表面から大気中に出射される。この出射光Ｌｔ１の光強度を光検出器３５で測定した。なお、試料と大気との界面において、屈折率差があるため回折光Ｌｔは屈曲されて出射角θ２２で出射する出射光Ｌｔ１と第２の支持体１８内部に反射する反射光Ｌｔ２が生じる。光検出器３５で検出した光強度と、フレネル則から内部反射した光Ｌｔ２の光強度を求め、回折光Ｌｔの光強度を算出した。
　そして、回折光Ｌｔの光強度と光Ｌの光強度との比をとり、回折光Ｌｔの入射光に対する相対光強度値を求めた。
　上記のようにして求めた相対光強度値について、下記の基準で評価した。
　Ａ：比較例１に対する向上率が１５％以上
　Ｂ：比較例１に対する向上率が２％以上、１５％未満
　Ｃ：比較例１に対する向上率が２％未満
－回折光以外の波長の透過率の測定－
　回折光以外の波長に対する液晶回折素子の影響を評価するために以下の方法で透過率を測定した。光学素子を平行配置の偏光板で挟み、偏光軸の方位から４５°方位で極角６０°における赤外光（波長９４０ｎｍ）の透過率を測定した。回折光以外の波長を有する光の一例として、波長９４０ｎｍの赤外光を用いた。この赤外光の透過率が大きいほど光学素子による斜めリタデーションの影響が小さく望ましい。
　上記のようにして求めた、回折光以外の波長の透過率について、下記の基準で評価した。
　Ａ：比較例１に対する向上率が２０％以上
　Ｂ：比較例１に対する向上率が１０％以上、２０％未満
　Ｃ：比較例１に対する向上率が５％以上、１０％未満
　Ｄ：比較例１に対する向上率が５％未満
　表１に実施例１～３および比較例１～３の光学素子の構成および評価結果を纏めて示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000009
 
　表１に示すように、棒状液晶化合物を含む第１の光学異方性層と円盤状液晶化合物を含む第２の光学異方性層との積層構造を有する実施例が、円盤状液晶化合物を含む光学異方性層のみまたは棒状液晶化合物を含む光学異方性層のみの比較例に比べて、回折光強度を保ちつつ回折光以外の波長の透過率が高いことが確認できた。
　次に、反射型回折格子として機能する第３の実施形態の光学素子の実施例１１および比較例１１～１２について説明する。
「比較例１１」
　支持体上に配向膜を形成し、配向膜上に棒状液晶化合物を含む液晶組成物Ｄ２の硬化層からなる光学異方性層Ａ－３を形成して、比較例１１の光学素子を作製した。光学異方性層は、円盤状液晶化合物が水平回転配向され、かつ厚み方向にコレステリック相を有する液晶配向パターンとした。
［比較例１１の光学素子の作製］
　液晶組成物Ｄ１を液晶組成物Ｄ２としてコレステリック相を有する液晶配向パターンを持つ光学異方性層を形成した以外は、比較例１と同様にして、実施例１１の光学素子を作製した。光学素子の断面ＳＥＭからコレステリック相を有する液晶配向パターンであることを確認し、また、Ａｘｏｍｅｔｒｉｘ　社のＡｘｏｓｃａｎでの測定により、液晶配向パターンは円盤状液晶化合物が配向したものであることを確認した。
＜液晶組成物Ｄ２＞
―――――――――――――――――――――――――――――――――
棒状液晶化合物Ｌ－１　　　　　　　　　　　　　　１００．００質量部
重合開始剤（ＢＡＳＦ製、Ｉｒｇａｃｕｒｅ（登録商標）９０７）
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　３．００質量部
光増感剤（日本化薬製、ＫＡＹＡＣＵＲＥ　ＤＥＴＸ－Ｓ）
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　１．００質量部
カイラル剤Ｃｈ－１　　　　　　　　　　　　　　　　　５．４５質量部
レベリング剤Ｔ－１　　　　　　　　　　　　　　　　　０．０８質量部
メチルエチルケトン　　　　　　　　　　　　　　　２６８．２０質量部
―――――――――――――――――――――――――――――――――
－カイラル剤Ｃｈ－１－
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000010
 
（光学異方性層Ａ－３の形成）
　光学異方性層Ａ－３は、液晶組成物Ｄ２を配向膜Ｐ－１上に多層塗布することにより形成した。
　先ず１層目は、配向膜Ｐ－１上に下記の液晶組成物Ｄ２を塗布した塗膜をホットプレート上で９５℃に加熱し、その後、２５℃に冷却した後、窒素雰囲気下で高圧水銀灯を用いて波長３６５ｎｍの紫外線を１００ｍＪ／ｃｍ２の照射量で塗膜に照射することにより、液晶化合物の配向を固定化した。この時の固定化された液晶層（１層の液晶固定化層）の膜厚は０．２μｍであった。
　２層目以降の液晶固定化層は、先に形成された液晶固定化層に液晶組成物Ｄ２を重ね塗りして、上と同じ条件で加熱、冷却後に紫外線硬化を行って形成した。このようにして、総厚が所望の膜厚（ここでは、４．５μｍ）になるまで重ね塗りを繰り返し光学異方性層Ａ－３を得た。また、周期的な配向表面になっていることを偏光顕微鏡およびＳＥＭで確認した。
「比較例１２」
　比較例１１対し棒状液晶化合物に代えて円盤状液晶化合物を含む液晶組成物Ｅ２の硬化層からなる光学異方性層Ａ－４を備えた光学素子とした。すなわち、比較例１２の光学素子において、光学異方性層は、円盤状液晶化合物が水平回転配向され、かつ厚み方向にコレステリック相を有する液晶配向パターンとした。
［比較例１２の光学素子の作製］
　液晶組成物Ｄ２を液晶組成物Ｅ２として光学異方性層Ａ－４を形成した以外は、実施例１と同様にして、比較例１２の光学素子を作製した。
（光学異方性層Ａ－４の形成）
　下記の組成物の液晶組成物Ｅ２を準備した。
＜液晶組成物Ｅ２＞
―――――――――――――――――――――――――――――――――
円盤状液晶化合物Ｌ－２　　　　　　　　　　　　　　８０．００質量部
円盤状液晶化合物Ｌ－３　　　　　　　　　　　　　　２０．００質量部
重合開始剤（ＢＡＳＦ製、Ｉｒｇａｃｕｒｅ（登録商標）９０７）
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　５．００質量部
カイラル剤Ｃｈ－２　　　　　　　　　　　　　　　　　３．７９質量部
メガファックＦ４４４（ＤＩＣ製）　　　　　　　　　　０．５０質量部
メチルエチルケトン　　　　　　　　　　　　　　　２５５．００質量部
―――――――――――――――――――――――――――――――――
＜光学異方性層Ａ－４の塗布形成＞
　光学異方性層は、比較例１１において、液晶組成物Ｄ２を用いるかわりに液晶組成物Ｅ２を配向膜Ｐ－１上に多層塗布することにより形成した。
　先ず１層目は、配向膜Ｐ－１上に下記の液晶組成物Ｅ２を塗布した塗膜をホットプレート上で９５℃に加熱し、その後、２５℃に冷却した後、窒素雰囲気下で高圧水銀灯を用いて波長３６５ｎｍの紫外線を１００ｍＪ／ｃｍ２の照射量で塗膜に照射することにより、液晶化合物の配向を固定化した。この時の固定化された液晶層（１層の液晶固定化層）の膜厚は０．２μｍであった。
　２層目以降の液晶固定化層は、先に形成された液晶固定化層に液晶組成物Ｅ２を重ね塗りして、上と同じ条件で加熱、冷却後に紫外線硬化を行って形成した。このようにして、総厚が所望の膜厚（ここでは、４．５μｍ）になるまで重ね塗りを繰り返し光学異方性層Ａ－４を得た。また、周期的な配向表面になっていることを偏光顕微鏡およびＳＥＭで確認した。
「実施例１１」
　支持体上に配向膜を形成し、配向膜上に棒状液晶化合物を含む液晶組成物Ｄ２の硬化層からなる光学異方性層Ａ－３（以下において、第１の光学異方性層Ａ－３）を形成し、円盤状液晶化合物を含む液相組成物Ｅ２の硬化層からなる光学異方性層Ａ－４（以下において、第２の光学異方性層Ａ－４）を形成して実施例１１の光学素子を作製した。
　すなわち、１層目は棒状液晶化合物を含む液晶組成物の硬化層からなる第１の光学異方性層Ａ－３、２層目は円盤状液晶化合物を含む液晶組成物の硬化層からなる第２の光学異方性層Ａ－４の２層構造とした。
　実施例１１の光学素子は、比較例１１と同様にして、支持体上に配向膜を形成し、配向膜上に光学異方性層Ａ－３を形成した後、比較例１２において配向膜上に形成した光学異方性層Ａ－４と同様にして、光学異方性層Ａ－３上に光学異方性層Ａ－４を形成した。この際、全体の膜厚が比較例１２の光学異方性層の膜厚と同じになるよう、各々の光学異方性層Ａ－３、Ａ－４の膜厚をそれぞれ２．２５μｍとし、２層合せて４．５μｍになるよう塗布量を調整し、それ以外は比較例１１および比較例１２と同様にして作製した。実施例１１の光学素子は、厚み方向において、第１の光学異方性層Ａ－３と第２の光学異方性層Ａ－４の２層で連続的な１つのコレステリック配向が形成されてなる。コレステリック配向は選択反射中心波長が５５０ｎｍとなるように設計した。また、周期的な配向表面になっていることを偏光顕微鏡およびＳＥＭで確認した。
［評価］
－回折角の測定－
　実施例１１および比較例１１、１２の各光学素子について、光学素子の支持体を通して光学異方層の表面の垂直に光を入射させ、その反射回折光の回折角を測定した。具体的には、５５０ｎｍに出力の中心波長をもつ右円偏光としたレーザ光を、光学素子の一方の面、すなわち光学異方性層の一方の面に、法線方向に５０ｃｍの離れた位置から垂直入射させ、反射回折光のスポットを光学素子の一面から５０ｃｍの距離に配置したスクリーンで捉えて、回折角を算出した。
－光強度の測定－
　光強度の測定方法を、図１９を参照して説明する。実施例および比較例の光学素子１１０Ｓは、支持体１１２Ｓの表面に備えられた配向膜１１２ａＳ上に１層もしくは２層構造の光学異方性層１１６Ｓを備えている。
　半導体レーザ３０から出射した波長５５０ｎｍの半導体レーザ光を直線偏光子３１、およびλ／４板３２を透過させて右円偏光ＰＲの光Ｌとした。この光Ｌを光学異方性層１１６Ｓの表面に垂直入射させた。この場合、光学異方性層１１６Ｓによる回折作用および選択反射作用により、回折角θ２で反射回折された回折光Ｌｒの光強度を光検出器３５で測定した。そして、回折光Ｌｒの光強度と入射光Ｌの光強度との比をとり、回折光Ｌｒの入射光Ｌに対する相対光強度値を求めた。
　上記のようにして求めた相対光強度値について、下記の基準で評価した。
　Ａ：比較例１１に対する向上率が１５％以上
　Ｂ：比較例１１に対する向上率が２％以上、１５％未満
　Ｃ：比較例１１に対する向上率が２％未満
－回折光以外の波長の透過率の測定－
　回折光以外の波長の透過率の測定は実施例１と同様の方法で行った。但し、評価は、比較例１に代えて比較例１１を基準とした。
　表２に実施例１１および比較例１１～１２の光学素子の構成および評価結果を纏めて示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000011
 
　表２に示すように、反射型光学素子についても、棒状液晶化合物を含む第１の光学異方性層と円盤状液晶化合物を含む第２の光学異方性層との積層構造を有する実施例が、円盤状液晶化合物を含む光学異方性層のみまたは棒状液晶化合物を含む光学異方性層のみの比較例に比べて、回折光強度を保ちつつ回折光以外の波長の透過率が高いことが確認できた。
　２０１８年５月１８日に出願された日本国特許出願２０１８－０９６５６９号の開示はその全体が参照により本明細書に取り込まれる。
　本明細書に記載された全ての文献、特許出願、および技術規格は、個々の文献、特許出願、および技術規格が参照により取り込まれることが具体的かつ個々に記された場合と同程度に、本明細書中に参照により取り込まれる。

Claims (10)

  1. 　棒状液晶化合物を含む液晶組成物の硬化層である第１の光学異方性層と、該第１の光学異方性層に積層された、円盤状液晶化合物を含む液晶組成物の硬化層である第２の光学異方性層とが積層された積層構造の光学異方性層を備え、
    　前記棒状液晶化合物の光学軸が、前記第１の光学異方性層の面に平行であり、かつ、前記第１の光学異方性層が、該第１の光学異方性層の面内の少なくとも一方向に沿って配列された液晶配向パターンであって、前記棒状液晶化合物の光学軸の向きが、連続的に回転変化した第１の液晶配向パターンを有し、前記棒状液晶化合物の前記光学軸の向きが０．５μｍ～５μｍの周期で１８０°回転しており、
    　前記円盤状液晶化合物の光学軸が、前記第２の光学異方性層の面に平行であり、かつ、該第２の光学異方性層が、該第２の光学異方性層の面内の少なくとも一方向に沿って配列された液晶配向パターンであって、前記円盤状液晶化合物の前記光学軸の向きが、連続的に回転変化した第２の液晶配向パターンを有し、前記円盤状液晶化合物の前記光学軸の向きが０．５μｍ～５μｍの周期で１８０°回転している光学素子。
  2. 　前記第１の光学異方性層の、第１の波長λ１の光に対する面内リタデーションが、０．３６λ１～０．６４λ１である請求項１に記載の光学素子。
  3. 　前記第２の光学異方性層の、第２の波長λ２の光に対する面内リタデーションが、０．３６λ２～０．６４λ２である請求項１または２に記載の光学素子。
  4. 　前記積層構造の光学異方性層の、波長λの光に対する面内リタデーションが、０．３６λ～０．６４λである請求項１に記載の光学素子。
  5. 　前記第１の光学異方性層において、該第１の光学異方性層の厚み方向に前記棒状液晶化合物が第１の捩れ性に従って捩れ配向している請求項１から４のいずれか１項に記載の光学素子。
  6. 　前記第２の光学異方性層において、該第２の光学異方性層の厚み方向に前記円盤状液晶化合物が第２の捩れ性に従って捩れ配向している請求項１から４のいずれか１項に記載の光学素子。
  7. 　前記第２の光学異方性層において、該第２の光学異方性層の厚み方向に前記円盤状液晶化合物が第２の捩れ性に従って捩れ配向しており、
    　前記第１の捩れ性と前記第２の捩れ性とが同一の向きであり、前記第１の光学異方性層と前記第２の光学異方性層において、前記棒状液晶化合物の光学軸の捩れ配向と前記円盤状液晶化合物の光学軸の捩れ配向とが連続的な捩れ配向である請求項５に記載の光学素子。
  8. 　前記第２の光学異方性層において、該第２の光学異方性層の厚み方向に前記円盤状液晶化合物が第２の捩れ性に従って捩れ配向しており、
    　前記第１の捩れ性と前記第２の捩れ性とが逆向きである請求項５に記載の光学素子。
  9. 　前記第１の光学異方性層における前記棒状液晶化合物と、前記第２の光学異方性層における前記円盤状液晶化合物とが厚み方向に連続的にコレステリック配向している請求項１に記載の光学素子。
  10. 　前記第１の光学異方性層において、前記棒状液晶化合物が厚み方向に第１のコレステリック配向し、
    　前記第２の光学異方性層において、前記円盤状液晶化合物が厚み方向に第２のコレステリック配向している請求項１に記載の光学素子。
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