WO2021235416A1 - 透過型液晶回折素子 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a transmissive liquid crystal diffraction element that diffracts incident light.
- Diffraction elements are used in many optical devices or systems as optical elements that bend light to control the traveling direction of light.
- a liquid crystal diffraction element using a liquid crystal compound has been proposed.
- Patent Document 1 describes a first polarized diffractive lattice layer in which the molecules of the first polarized diffractive lattice layer are relative to each other over a first thickness defined between both sides of the first polarized diffractive lattice layer.
- the first polarized diffraction grid layer and the first polarizing diffraction grid layer containing a molecular structure twisted according to the first twist so that the orientation rotates at the first twist angle.
- the relative orientation of each of the molecules of the second polarized diffraction grid layer over the second thickness defined between both sides of the second polarizing diffraction grid layer is the second twist angle.
- a polarizing diffraction grid comprising a second polarizing diffraction grid layer comprising a molecular structure twisted according to a second twisting property opposite to that of the first twisting property so as to rotate in. Has been done.
- the bending direction differs depending on the polarization. Specifically, the right-handed circularly polarized light and the left-handed circularly polarized light incident on the polarizing diffraction element are bent in the opposite direction and separated. Therefore, the light could not be diffracted in a predetermined direction regardless of the polarization.
- An object of the present invention is to provide a transmissive liquid crystal diffraction element capable of diffracting different polarized light in the same direction.
- a first optically anisotropic layer and a second optically anisotropic layer each having a liquid crystal alignment pattern in which the orientation of an optical axis derived from a liquid crystal compound changes while continuously rotating along at least one direction in a plane. It has an optically anisotropic layer and The rotation direction of the optical axis in the liquid crystal alignment pattern of the first optically anisotropic layer and the rotation direction of the optical axis in the liquid crystal alignment pattern of the second optically anisotropic layer are opposite to each other.
- one cycle of the liquid crystal alignment pattern of the first optically anisotropic layer and the second optical difference A transmissive liquid crystal diffractive element having the same cycle as one cycle of the liquid crystal orientation pattern of the anisotropic layer.
- the twist angle of the twist orientation is less than 360 ° and
- At least one of the first optically anisotropic layer and the second optically anisotropic layer is a rod-shaped liquid crystal layer in which a rod-shaped liquid crystal compound is oriented in a liquid crystal alignment pattern and a disk-shaped liquid crystal compound is oriented in a liquid crystal alignment pattern.
- the transmissive liquid crystal diffusing element according to any one of [1] to [3], which has a structure in which the disk-shaped liquid crystal layers are alternately laminated.
- At least one of the first optically anisotropic layer and the second optically anisotropic layer is formed by laminating a plurality of liquid crystal layers in which liquid crystal compounds are twisted and oriented in the thickness direction. The twist angle of the twist orientation in each liquid crystal layer is less than 360 °.
- At least one of the liquid crystal layers has a structure in which a rod-shaped liquid crystal layer in which a rod-shaped liquid crystal compound is oriented in a liquid crystal orientation pattern and a disk-shaped liquid crystal layer in which a disc-shaped liquid crystal compound is oriented in a liquid crystal alignment pattern are alternately laminated [6].
- the transmissive liquid crystal diffraction element according to [7], wherein the Nz value of the retardation layer is 0.1 to 1.1. [9] At least on the side of the first optically anisotropic layer opposite to the second optically anisotropic layer and on the side opposite to the first optically anisotropic layer of the second optically anisotropic layer.
- the transmissive liquid crystal diffraction element according to any one of [1] to [8], which has a ⁇ / 4 plate arranged on one side.
- FIG. 1 It is a figure which conceptually shows an example of the transmission type liquid crystal diffraction element of this invention. It is a figure which conceptually shows the optically anisotropic layer which the transmission type liquid crystal diffraction element shown in FIG. 1 has. It is a front view of the optically anisotropic layer shown in FIG. It is a conceptual diagram of an example of the exposure apparatus which exposes the alignment film of the optically anisotropic layer shown in FIG. 2. It is a conceptual diagram for demonstrating the operation of an optically anisotropic layer. It is a conceptual diagram for demonstrating the operation of an optically anisotropic layer. It is a conceptual diagram for demonstrating the operation of an optically anisotropic layer. It is a conceptual diagram for demonstrating the operation of the transmission type liquid crystal diffraction element shown in FIG.
- the numerical range represented by using “-” in the present specification means a range including the numerical values before and after “-” as the lower limit value and the upper limit value.
- (meth) acrylate is used to mean “either or both of acrylate and methacrylate”.
- “same”, “equal”, etc. shall include an error range generally accepted in the technical field.
- the liquid crystal diffraction element of the present invention is A first optically anisotropic layer and a second optically anisotropic layer having a liquid crystal alignment pattern in which the orientation of the optical axis derived from the liquid crystal compound changes while continuously rotating along at least one direction in the plane.
- the rotation direction of the optical axis in the liquid crystal alignment pattern of the first optically anisotropic layer and the rotation direction of the optical axis in the liquid crystal alignment pattern of the second optically anisotropic layer are opposite to each other.
- one cycle of the liquid crystal alignment pattern of the first optically anisotropic layer and the second optical difference It is a transmissive liquid crystal diffractometer having the same cycle as one cycle of the liquid crystal orientation pattern of the anisotropic layer.
- FIG. 1 conceptually shows an example of the transmissive liquid crystal diffraction element of the present invention.
- the transmissive liquid crystal diffraction element 10 shown in FIG. 1 has a first optically anisotropic layer 36a and a second optically anisotropic layer 36b laminated in the thickness direction.
- the first optically anisotropic layer 36a and the second optically anisotropic layer 36b are on the surface. Only the liquid crystal compound 40 (the molecule of the liquid crystal compound) is conceptually shown.
- the first optically anisotropic layer 36a and the second optically anisotropic layer 36b have a structure in which the liquid crystal compounds 40 are stacked in the thickness direction, as conceptually shown in FIG. It has a structure in which the optical axes of the liquid crystal compounds 40 stacked in the thickness direction are oriented in the same direction.
- the first optically anisotropic layer 36a and the second optically anisotropic layer 36b are laminated in the thickness direction.
- the first optically anisotropic layer 36a and the second optically anisotropic layer 36b are liquid crystals in which the orientation of the optical axis derived from the liquid crystal compound changes while continuously rotating along at least one direction in the plane. It has an orientation pattern.
- the transmitted light can be diffracted.
- the diffraction angle at that time is 1 when the length in which the direction of the optical axis derived from the liquid crystal compound rotates 180 ° in the plane is one cycle (hereinafter, also referred to as one cycle of the liquid crystal alignment pattern) in the liquid crystal alignment pattern. It depends on the length of the cycle. Therefore, the diffraction angle can be adjusted by adjusting one cycle of the liquid crystal alignment pattern.
- the rotation direction of the optical axis in the liquid crystal alignment pattern of the first optically anisotropic layer 36a and the rotation direction of the optical axis in the liquid crystal alignment pattern of the second optically anisotropic layer are opposite to each other. be. Further, one cycle of the liquid crystal alignment pattern of the first optically anisotropic layer 36a and one cycle of the liquid crystal alignment pattern of the second optically anisotropic layer 36b are the same.
- the transmissive liquid crystal diffraction element of the present invention having the above configuration diffracts while transmitting light incident on the main surface from an oblique direction. At that time, the right-handed circularly polarized light and the left-handed circularly polarized light can be diffracted in the same direction.
- the transmissive liquid crystal diffraction element of the present invention can diffract different polarizations in the same direction, and can realize a transmissive liquid crystal diffraction element having high diffraction efficiency. Such an action will be described in detail later.
- the first optically anisotropic layer 36a and the second optically anisotropic layer 36b will be described with reference to FIGS. 2 and 3. Since the first optically anisotropic layer 36a and the second optically anisotropic layer 36b have the same configuration except that the rotation directions of the optical axes in the liquid crystal alignment pattern are opposite to each other, the first optical difference is obtained. When it is not necessary to distinguish between the rectangular layer 36a and the second optically anisotropic layer 36b, the description will be collectively referred to as the optically anisotropic layer 36.
- the liquid crystal phase in which the liquid crystal compound is oriented is fixed, and the orientation of the optical axis derived from the liquid crystal compound changes while continuously rotating along at least one direction in the plane. It is an optically anisotropic layer having a liquid crystal alignment pattern.
- the optically anisotropic layer in the examples shown in FIGS. 2 and 3 has the same rotation direction of the optical axis as the first optically anisotropic layer 36a in FIG. 1 in the liquid crystal alignment pattern.
- the optically anisotropic layer 36 is laminated on the alignment film 32 laminated on the support 30.
- the optically anisotropic layer is formed. It may be laminated in a state of being laminated on the support 30 and the alignment film 32.
- the optically anisotropic layer may be laminated, for example, in a state where only the alignment film 32 and the optically anisotropic layer from which the support 30 has been peeled off are laminated.
- the optically anisotropic layer may be laminated in a state of only the optically anisotropic layer from which the support 30 and the alignment film 32 have been peeled off, for example.
- the support 30 supports the alignment film 32 and the optically anisotropic layer 36.
- various sheet-like materials films, plate-like materials
- the support 30 preferably has a transmittance of 50% or more, more preferably 70% or more, and further preferably 85% or more with respect to the diffracted light.
- the thickness of the support 30 is not limited, and the thickness capable of holding the alignment film 32 and the optically anisotropic layer 36 may be appropriately set according to the application of the transmissive liquid crystal diffraction element, the forming material of the support 30, and the like. , Just set it.
- the thickness of the support 30 is preferably 1 to 1000 ⁇ m, more preferably 3 to 250 ⁇ m, still more preferably 5 to 150 ⁇ m.
- the support 30 may be single-layered or multi-layered.
- Examples of the support 30 in the case of a single layer include a support 30 made of glass, triacetyl cellulose (TAC), polyethylene terephthalate (PET), polycarbonate, polyvinyl chloride, acrylic, polyolefin and the like.
- Examples of the support 30 in the case of a multi-layer structure include one including any of the above-mentioned single-layer supports as a substrate and another layer provided on the surface of the substrate.
- the alignment film 32 is an alignment film for orienting the liquid crystal compound 40 in a predetermined liquid crystal alignment pattern when forming the optically anisotropic layer 36.
- the orientation of the optical axis 40A (see FIG. 3) derived from the liquid crystal compound 40 changes while continuously rotating along one direction in the plane. It has a liquid crystal orientation pattern. Therefore, the alignment film 32 is formed so that the optically anisotropic layer 36 can form this liquid crystal alignment pattern.
- “the direction of the optic axis 40A rotates” is also simply referred to as "the optical axis 40A rotates”.
- a rubbing-treated film made of an organic compound such as a polymer, an oblique vapor-deposited film of an inorganic compound, a film having a microgroove, and Langmuir of an organic compound such as ⁇ -tricosanoic acid, dioctadecylmethylammonium chloride and methyl stearylate examples thereof include a membrane obtained by accumulating LB (Langmuir-Blodgett) membranes produced by the Brodget method.
- the alignment film 32 by the rubbing treatment can be formed by rubbing the surface of the polymer layer with paper or cloth several times in a certain direction.
- Materials used for the alignment film 32 include polyimide, polyvinyl alcohol, polymers having a polymerizable group described in JP-A-9-152509, JP-A-2005-97377, JP-A-2005-99228, and JP-A-2005-99228. , JP-A-2005-128503, the material used for forming the alignment film 32 and the like described in JP-A-2005-128503 is preferable.
- a so-called photo-alignment film 32 is preferably used as the alignment film 32, which is obtained by irradiating a photo-alignable material with polarized light or non-polarized light to form the alignment film 32. That is, in the optically anisotropic layer, as the alignment film 32, a photoalignment film formed by applying a photoalignment material on the support 30 is preferably used. Polarized light irradiation can be performed from a vertical direction or an oblique direction with respect to the light alignment film, and non-polarized light irradiation can be performed from an oblique direction with respect to the light alignment film.
- Examples of the photo-alignment material used for the alignment film that can be used in the present invention include JP-A-2006-285197, JP-A-2007-76839, JP-A-2007-138138, and JP-A-2007-94071. , JP-A-2007-121721, JP-A-2007-140465, JP-A-2007-156439, JP-A-2007-133184, JP-A-2009-109831, Patent No. 3883848 and Patent No. 4151746.
- Preferred examples thereof include photodimerizable compounds described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 177561 and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2014-12823, particularly cinnamate compounds, chalcone compounds and coumarin compounds.
- an azo compound, a photocrosslinkable polyimide, a photocrosslinkable polyamide, a photocrosslinkable polyester, a cinnamate compound, and a chalcone compound are preferably used.
- the thickness of the alignment film 32 is not limited, and the thickness at which the required alignment function can be obtained may be appropriately set according to the material for forming the alignment film 32.
- the thickness of the alignment film 32 is preferably 0.01 to 5 ⁇ m, more preferably 0.05 to 2 ⁇ m.
- the method for forming the alignment film 32 there is no limitation on the method for forming the alignment film 32, and various known methods depending on the material for forming the alignment film 32 can be used. As an example, a method of applying the alignment film 32 to the surface of the support 30 and drying the alignment film 32 and then exposing the alignment film 32 with a laser beam to form an alignment pattern is exemplified.
- FIG. 4 conceptually shows an example of an exposure apparatus that exposes the alignment film 32 to form an alignment pattern.
- the exposure apparatus 60 shown in FIG. 4 uses a light source 64 provided with a laser 62, a ⁇ / 2 plate 65 for changing the polarization direction of the laser beam M emitted by the laser 62, and a laser beam M emitted by the laser 62 as a beam MA and a beam M. It includes a polarizing beam splitter 68 that separates into two MBs, mirrors 70A and 70B arranged on the optical paths of the two separated rays MA and MB, respectively, and ⁇ / 4 plates 72A and 72B.
- the light source 64 emits linearly polarized light P 0 .
- lambda / 4 plate 72A is linearly polarized light P 0 (the ray MA) to the right circularly polarized light P R
- lambda / 4 plate 72B is linearly polarized light P 0 (the rays MB) to the left circularly polarized light P L, converts respectively.
- a support 30 having an alignment film 32 before the alignment pattern is formed is arranged in the exposed portion, and two light rays MA and light rays MB are crossed and interfered with each other on the alignment film 32, and the interference light is made to interfere with the alignment film 32. Is exposed to light. Due to the interference at this time, the polarization state of the light applied to the alignment film 32 periodically changes in the form of interference fringes. As a result, an alignment film having an alignment pattern in which the alignment state changes periodically (hereinafter, also referred to as a pattern alignment film) can be obtained.
- the period of the orientation pattern can be adjusted by changing the intersection angle ⁇ of the two rays MA and MB.
- the optical axis 40A rotates in one direction.
- the length of one cycle in which the optic axis 40A rotates 180 ° can be adjusted.
- the optical axis 40A derived from the liquid crystal compound 40 is unidirectionally oriented as described later.
- the optically anisotropic layer 36 having a liquid crystal alignment pattern that rotates continuously along the line can be formed. Further, the rotation direction of the optical shaft 40A can be reversed by rotating the optical axes of the ⁇ / 4 plates 72A and 72B by 90 °, respectively.
- the orientation of the optical axis of the liquid crystal compound in the optically anisotropic layer formed on the pattern alignment film changes while continuously rotating along at least one direction in the plane. It has an orientation pattern that orients the liquid crystal compound so that the liquid crystal alignment pattern is the same.
- the pattern alignment film has an axis along the direction in which the liquid crystal compound is oriented as the alignment axis
- the pattern alignment film changes while the orientation of the alignment axis continuously rotates along at least one direction in the plane. It can be said that it has an orientation pattern.
- the alignment axis of the pattern alignment film can be detected by measuring the absorption anisotropy. For example, when the pattern alignment film is irradiated while rotating linearly polarized light and the amount of light transmitted through the pattern alignment film is measured, the direction in which the amount of light is maximum or minimum is gradually along one direction in the plane. It changes and is observed.
- the alignment film 32 is provided as a preferred embodiment and is not an essential constituent requirement.
- the optically anisotropic layer is derived from the liquid crystal compound 40 by forming an orientation pattern on the support 30 by a method of rubbing the support 30, a method of processing the support 30 with a laser beam, or the like. It is also possible to have a liquid crystal orientation pattern in which the orientation of the optical axis 40A changes while continuously rotating along at least one direction in the plane. That is, in the present invention, the support 30 may act as an alignment film.
- optically anisotropic layer 36 is formed on the surface of the alignment film 32.
- the optically anisotropic layer 36 is an optically anisotropic layer formed by fixing the liquid crystal phase in which the liquid crystal compound is oriented, and the orientation of the optical axis derived from the liquid crystal compound is at least one direction in the plane. It is an optically anisotropic layer having a liquid crystal alignment pattern that changes while continuously rotating along the line.
- the liquid crystal compound 40 is not spirally twisted and rotated in the thickness direction, and the liquid crystal compound 40 at the same position in the plane direction is the optical axis 40A thereof. Are oriented so that they are oriented in the same direction.
- the optically anisotropic layer is formed by fixing a liquid crystal phase oriented in a liquid crystal orientation pattern in which the orientation of the optical axis derived from the liquid crystal compound changes while continuously rotating along at least one direction in the plane.
- the structure in which the liquid crystal phase is fixed may be a structure in which the orientation of the liquid crystal compound that is the liquid crystal phase is maintained, and typically, the polymerizable liquid crystal compound is placed in an oriented state along the liquid crystal alignment pattern. Therefore, it is preferable that the structure is polymerized and cured by irradiation with ultraviolet rays, heating, etc.
- the structure is changed to a state in which the orientation form is not changed by an external field or an external force.
- the liquid crystal phase In the structure in which the liquid crystal phase is fixed, it is sufficient that the optical properties of the liquid crystal phase are maintained, and the liquid crystal compound 40 does not have to exhibit liquid crystal properties in the optically anisotropic layer.
- the polymerizable liquid crystal compound may lose its liquid crystal property by increasing its molecular weight by a curing reaction.
- a liquid crystal composition containing a liquid crystal compound can be mentioned as a material used for forming an optically anisotropic layer in which a liquid crystal phase is fixed.
- the liquid crystal compound is preferably a polymerizable liquid crystal compound.
- the liquid crystal composition used for forming the optically anisotropic layer may further contain a surfactant, a polymerization initiator and the like.
- the polymerizable liquid crystal compound may be a rod-shaped liquid crystal compound or a disk-shaped liquid crystal compound.
- the rod-shaped polymerizable liquid crystal compound forming the optically anisotropic layer include a rod-shaped nematic liquid crystal compound.
- rod-shaped nematic liquid crystal compound examples include azomethines, azoxys, cyanobiphenyls, cyanophenyl esters, benzoic acid esters, cyclohexanecarboxylic acid phenyl esters, cyanophenylcyclohexanes, cyano-substituted phenylpyrimidins, and alkoxy-substituted phenylpyrimidins.
- Phenyldioxans, trans, alkenylcyclohexylbenzonitriles and the like are preferably used. Not only low molecular weight liquid crystal compounds but also high molecular weight liquid crystal compounds can be used.
- the polymerizable liquid crystal compound is obtained by introducing a polymerizable group into the liquid crystal compound.
- the polymerizable group include an unsaturated polymerizable group, an epoxy group, and an aziridinyl group, and an unsaturated polymerizable group is preferable, and an ethylenically unsaturated polymerizable group is more preferable.
- the polymerizable group can be introduced into the molecule of the liquid crystal compound by various methods.
- the number of polymerizable groups contained in the polymerizable liquid crystal compound is preferably 1 to 6, more preferably 1 to 3.
- Examples of polymerizable liquid crystal compounds include Makromol. Chem. , 190, 2255 (1989), Advanced Materials 5, 107 (1993), US Pat. No.
- a cyclic organopolysiloxane compound having a cholesteric phase as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 57-165480 can be used.
- a polymer liquid crystal compound a polymer having a mesogen group exhibiting liquid crystal introduced at the main chain, a side chain, or both the main chain and the side chain, and a polymer cholesteric having a cholesteryl group introduced into the side chain.
- a liquid crystal, a liquid crystal polymer as disclosed in JP-A-9-133810, a liquid crystal polymer as disclosed in JP-A-11-293252, and the like can be used.
- disk-shaped liquid crystal compound As the disk-shaped liquid crystal compound, for example, those described in JP-A-2007-108732 and JP-A-2010-244033 can be preferably used.
- the amount of the polymerizable liquid crystal compound added to the liquid crystal composition is preferably 75 to 99.9% by mass, preferably 80 to 99%, based on the solid content mass (mass excluding the solvent) of the liquid crystal composition. It is more preferably by mass, and even more preferably 85 to 90% by mass.
- the liquid crystal composition used for forming the optically anisotropic layer may contain a surfactant.
- the surfactant is preferably a compound that can function as an orientation control agent that contributes to the orientation of the liquid crystal compound stably or rapidly.
- examples of the surfactant include a silicone-based surfactant and a fluorine-based surfactant, and a fluorine-based surfactant is preferably exemplified.
- the surfactant include the compounds described in paragraphs [2002] to [0090] of JP-A-2014-119605, and the compounds described in paragraphs [0031]-[0034] of JP-A-2012-203237. , The compounds exemplified in paragraphs [0092] and [093] of JP-A-2005-99248, paragraphs [0076] to [0078] and paragraphs [0087] to [985] of JP-A-2002-129162. Examples thereof include the compounds exemplified in the above, and the fluorine (meth) acrylate-based polymers described in paragraphs [0018] to [0043] of JP-A-2007-272185.
- the surfactant one type may be used alone, or two or more types may be used in combination.
- the fluorine-based surfactant the compounds described in paragraphs [2002] to [0090] of JP-A-2014-119605 are preferable.
- the amount of the surfactant added to the liquid crystal composition is preferably 0.01 to 10% by mass, more preferably 0.01 to 5% by mass, and 0.02 to 1% by mass with respect to the total mass of the liquid crystal compound. Is even more preferable.
- the liquid crystal composition contains a polymerizable compound, it preferably contains a polymerization initiator.
- the polymerization initiator used is preferably a photopolymerization initiator capable of initiating the polymerization reaction by irradiation with ultraviolet rays.
- photopolymerization initiators include ⁇ -carbonyl compounds (described in US Pat. No. 2,376,661 and US Pat. No. 2,376,670), acidoin ethers (described in US Pat. No. 2,448,828), and ⁇ -hydrogen.
- Substituent aromatic acidoine compound described in US Pat. No.
- the content of the photopolymerization initiator in the liquid crystal composition is preferably 0.1 to 20% by mass, more preferably 0.5 to 12% by mass, based on the content of the liquid crystal compound.
- the liquid crystal composition may optionally contain a cross-linking agent in order to improve the film strength and durability after curing.
- a cross-linking agent those that are cured by ultraviolet rays, heat, moisture and the like can be preferably used.
- the cross-linking agent is not particularly limited and may be appropriately selected depending on the intended purpose. For example, a polyfunctional acrylate compound such as trimethylolpropane tri (meth) acrylate and pentaerythritol tri (meth) acrylate; glycidyl (meth) acrylate.
- epoxy compounds such as ethylene glycol diglycidyl ether; aziridine compounds such as 2,2-bishydroxymethylbutanol-tris [3- (1-aziridinyl) propionate] and 4,4-bis (ethyleneiminocarbonylamino) diphenylmethane; hexa Isocyanate compounds such as methylenediisocyanate and biuret-type isocyanate; polyoxazoline compounds having an oxazoline group in the side chain; and alkoxysilane compounds such as vinyltrimethoxysilane and N- (2-aminoethyl) 3-aminopropyltrimethoxysilane. Can be mentioned.
- a known catalyst can be used depending on the reactivity of the cross-linking agent, and the productivity can be improved in addition to the improvement of the film strength and the durability. These may be used alone or in combination of two or more.
- the content of the cross-linking agent is preferably 3 to 20% by mass, more preferably 5 to 15% by mass, based on the solid content mass of the liquid crystal composition. When the content of the cross-linking agent is within the above range, the effect of improving the cross-linking density can be easily obtained, and the stability of the liquid crystal phase is further improved.
- a polymerization inhibitor an antioxidant, an ultraviolet absorber, a light stabilizer, a coloring material, metal oxide fine particles, etc. are added to the liquid crystal composition within a range that does not deteriorate the optical performance and the like. Can be added with.
- the liquid crystal composition is preferably used as a liquid when forming an optically anisotropic layer.
- the liquid crystal composition may contain a solvent.
- the solvent is not limited and may be appropriately selected depending on the intended purpose, but an organic solvent is preferable.
- the organic solvent is not limited and may be appropriately selected depending on the intended purpose.
- a liquid crystal composition is applied to the forming surface of the optically anisotropic layer to orient the liquid crystal compound in a state of a liquid crystal phase oriented in a predetermined liquid crystal orientation pattern, and then the liquid crystal compound is oriented. It is preferable to cure the liquid crystal compound to form an optically anisotropic layer. That is, when an optically anisotropic layer is formed on the alignment film 32, the liquid crystal composition is applied to the alignment film 32, the liquid crystal compound is oriented in a predetermined liquid crystal alignment pattern, and then the liquid crystal compound is cured. It is preferable to form an optically anisotropic layer in which the liquid crystal phase is fixed.
- printing methods such as inkjet and scroll printing, and known methods such as spin coating, bar coating and spray coating that can uniformly apply the liquid to a sheet-like material can be used.
- the applied liquid crystal composition is dried and / or heated as needed and then cured to form an optically anisotropic layer.
- the liquid crystal compound in the liquid crystal composition may be oriented in a predetermined liquid crystal orientation pattern.
- the heating temperature is preferably 200 ° C. or lower, more preferably 130 ° C. or lower.
- the oriented liquid crystal compound is further polymerized, if necessary.
- the polymerization may be either thermal polymerization or photopolymerization by light irradiation, but photopolymerization is preferable.
- the irradiation energy is preferably 20mJ / cm 2 ⁇ 50J / cm 2, 50mJ / cm 2 ⁇ 1500mJ / cm 2 is more preferable.
- light irradiation may be carried out under heating conditions or a nitrogen atmosphere.
- the wavelength of the ultraviolet rays to be irradiated is preferably 250 to 430 nm.
- the polymerized liquid crystal composition may be further activated to orient the liquid crystal layer in a laminated manner.
- the activation treatment corona treatment or plasma treatment can be adopted. This makes it possible to improve the wettability of the surface state before applying the liquid crystal, and also has the effect of improving the horizontal orientation of the liquid crystal molecules.
- the amount of discharge in the corona treatment is preferably 10 to 500 W / m 2 / min.
- the manufacturing apparatus the apparatus described in Japanese Patent No. WO14 / 054437 can be preferably used.
- a discharge method in normal pressure air using a corona processing machine manufactured by Kasuga Electric Co., Ltd. can be used.
- the plasma treatment for example, a method of discharging in atmospheric pressure air or in an atmosphere of an inert gas such as nitrogen or argon can be used by a plasma discharger manufactured by Sekisui Chemical Co., Ltd.
- the thickness of the optically anisotropic layer is not limited, and depends on the application of the optically anisotropic layer, the light reflectance required for the optically anisotropic layer, the material for forming the optically anisotropic layer, and the like. Therefore, the thickness at which the required reflectance of light can be obtained may be appropriately set.
- the optically anisotropic layer has a liquid crystal alignment pattern in which the orientation of the optical axis 40A derived from the liquid crystal compound 40 changes while continuously rotating in one direction in the plane of the optically anisotropic layer.
- the optical axis 40A derived from the liquid crystal compound 40 is a so-called slow-phase axis having the highest refractive index in the liquid crystal compound 40.
- the optic axis 40A is along the long axis direction of the rod shape.
- the optical axis 40A derived from the liquid crystal compound 40 is also referred to as "optical axis 40A of liquid crystal compound 40" or "optical axis 40A".
- FIG. 3 conceptually shows a plan view of the optically anisotropic layer 36.
- the liquid crystal compound 40 on the surface of the alignment film 32 is shown as the liquid crystal compound 40.
- the liquid crystal compound 40 constituting the optically anisotropic layer 36 is a surface of the optically anisotropic layer according to the alignment pattern formed on the lower alignment film 32. Inside, it has a liquid crystal alignment pattern in which the direction of the optical axis 40A changes while continuously rotating along a predetermined direction indicated by an arrow D (hereinafter referred to as an arrangement axis D).
- the optical axis 40A of the liquid crystal compound 40 has a liquid crystal orientation pattern that changes while continuously rotating clockwise along the arrangement axis D direction.
- the liquid crystal compound 40 constituting the optically anisotropic layer 36 is in a state of being two-dimensionally arranged in the arrangement axis D and the direction orthogonal to this one direction (arrangement axis D direction).
- the direction orthogonal to the array axis D direction is conveniently referred to as the Y direction. That is, the arrow Y direction is a direction in which the direction of the optical axis 40A of the liquid crystal compound 40 is orthogonal to one direction in which the optical axis 40A changes while continuously rotating in the plane of the optically anisotropic layer. Therefore, in FIGS. 1 and 2 and FIGS. 5 and 6 described later, the Y direction is a direction orthogonal to the paper surface.
- the fact that the direction of the optical axis 40A of the liquid crystal compound 40 changes while continuously rotating in the arrangement axis D direction (predetermined one direction) is specifically arranged along the arrangement axis D direction.
- the angle formed by the optical axis 40A of the liquid crystal compound 40 and the arrangement axis D direction differs depending on the position in the arrangement axis D direction, and the angle formed by the optical axis 40A and the arrangement axis D direction along the arrangement axis D direction.
- the difference in the angles of the optical axes 40A of the liquid crystal compounds 40 adjacent to each other in the arrangement axis D direction is preferably 45 ° or less, more preferably 15 ° or less, and further preferably a smaller angle. preferable.
- the liquid crystal compound is rotated in the direction in which the angle formed by the optical axes 40A of the liquid crystal compounds 40 adjacent to each other in the arrangement axis D direction becomes smaller. Therefore, in the optically anisotropic layer shown in FIGS. 2 and 3, the optical axis 40A of the liquid crystal compound 40 rotates clockwise (clockwise) along the direction of the arrow of the arrangement axis D.
- the liquid crystal compound 40 forming the optically anisotropic layer 36 has the optical axis 40A in the Y direction orthogonal to the D direction of the arrangement axis, that is, in the Y direction orthogonal to one direction in which the optical axis 40A continuously rotates.
- the directions are equal.
- the liquid crystal compound 40 forming the optically anisotropic layer 36 has the same angle formed by the optical axis 40A of the liquid crystal compound 40 and the arrangement axis D direction in the Y direction.
- the liquid crystal compounds 40 arranged in the Y direction have the same angle formed by the optical axis 40A and the arrangement axis D direction (one direction in which the direction of the optical axis of the liquid crystal compound 40 rotates).
- the region in which the liquid crystal compound 40 having the same angle formed by the optical axis 40A and the arrangement axis D direction is arranged in the Y direction is defined as a region R.
- the value of the in-plane retardation (Re) in each region R is substantially half a wavelength, that is, ⁇ / 2.
- the refractive index difference ⁇ n due to the refractive index anisotropy of the region R is the refractive index of the liquid crystal compound 40 in the direction of the optical axis 40A and the liquid crystal compound 40 in the plane of the region R in the direction perpendicular to the optical axis 40A.
- the refractive index difference ⁇ n is equal to the refractive index difference of the liquid crystal compound 40.
- the optical axis 40A of the liquid crystal compound 40 changes in the direction of the arrangement axis D in which the optical axis 40A continuously rotates and changes in the plane.
- the length (distance) rotated by 180 ° is defined as the length ⁇ of one cycle in the liquid crystal alignment pattern. That is, the distance between the centers of the two liquid crystal compounds 40 having the same angle with respect to the array axis D direction in the array axis D direction is defined as the length ⁇ of one cycle.
- the distance between the centers of the two liquid crystal compounds 40 in which the direction of the arrangement axis D and the direction of the optical axis 40A coincide with each other in the direction of the arrangement axis D is the length ⁇ of one cycle. And. In the following description, the length ⁇ of this one cycle is also referred to as "one cycle ⁇ ".
- the liquid crystal alignment pattern of the optically anisotropic layer 36 repeats this one cycle ⁇ in the direction of the array axis D, that is, in one direction in which the direction of the optical axis 40A continuously rotates and changes.
- the incident light L 1 which is polarized light
- the incident light L 1 is given a phase difference of 180 ° by passing through the optically anisotropic layer 36, and the transmitted light L 2 is converted into right circular polarization.
- the liquid crystal alignment pattern formed on the optically anisotropic layer 36 is a periodic pattern in the arrangement axis D direction
- the transmitted light L 2 travels in a direction different from the traveling direction of the incident light L 1. ..
- the incident light L 1 with left circularly polarized light is converted into transmitted light L 2 with right circularly polarized light tilted by a certain angle in the direction of the array axis D with respect to the incident direction.
- the transmitted light L 2 is diffracted so as to travel in the lower right direction.
- the optically anisotropic layer 36 when the value of the product of the difference in the refractive index of the liquid crystal compound of the optically anisotropic layer 36 and the thickness of the optically anisotropic layer is ⁇ / 2, the optically anisotropic layer 36 is on the right.
- the incident light L 4 passes through the optically anisotropic layer 36, is given a phase difference of 180 °, and is converted into the left circularly polarized transmitted light L 5.
- the liquid crystal alignment pattern formed on the optically anisotropic layer 36 is a periodic pattern in the arrangement axis D direction, the transmitted light L 5 travels in a direction different from the traveling direction of the incident light L 4. ..
- the transmitted light L 5 travels in a direction different from that of the transmitted light L 2 , that is, in the direction opposite to the arrow direction of the array axis D with respect to the incident direction.
- the incident light L 4 is converted into the transmitted light L 5 of left circularly polarized light tilted by a certain angle in the direction opposite to the direction of the array axis D with respect to the incident direction.
- the transmitted light L 5 is diffracted so as to travel in the lower left direction.
- the optically anisotropic layer 36 can adjust the angle of refraction of the transmitted lights L 2 and L 5 by the length of one cycle ⁇ of the formed liquid crystal alignment pattern. Specifically, in the optically anisotropic layer 36, the shorter the one cycle ⁇ of the liquid crystal alignment pattern, the stronger the light that has passed through the liquid crystal compounds 40 adjacent to each other interferes with each other, so that the transmitted light L 2 and L 5 are increased. Can be refracted.
- the rotation direction of the optical axis 40A of the liquid crystal compound 40 which rotates along the arrangement axis D direction, the opposite direction
- the refraction direction of the transmitted light can be made in the opposite direction. That is, in the examples shown in FIGS. 5 and 6, the rotation direction of the optical axis 40A toward the arrangement axis D direction is clockwise, but by making this rotation direction counterclockwise, the refraction direction of the transmitted light can be changed. , Can be done in the opposite direction.
- FIGS. 5 and 6 the rotation direction of the optical axis 40A toward the arrangement axis D direction is clockwise, but by making this rotation direction counterclockwise, the refraction direction of the transmitted light can be changed. , Can be done in the opposite direction. Specifically, in FIGS.
- the left circularly polarized light incident on the optically anisotropic layer 36 from the upper side in the figure is By passing through the optically anisotropic layer 36, the transmitted light is converted into right-handed circularly polarized light and is diffracted so as to travel in the lower left direction in the figure. Further, the right circularly polarized light incident on the optically anisotropic layer 36 from the upper side in the figure is converted into left circularly polarized light by passing through the optically anisotropic layer 36, and travels in the lower right direction in the figure. It is diffracted to do.
- a first optically anisotropic layer and a second optically anisotropic layer having a liquid crystal orientation pattern are laminated, and the liquid crystal of each optically anisotropic layer is laminated.
- the direction of rotation of the optical axis in the orientation pattern is opposite.
- the rotation direction of the optical axis in the liquid crystal alignment pattern of the first optically anisotropic layer 36a is clockwise (rightward), and the rotation direction of the optical axis in the second optically anisotropic layer 36b is opposite. It is clockwise (counterclockwise).
- the direction of the arrangement axis D of the liquid crystal alignment pattern in the first optically anisotropic layer 36a coincides with the direction of the arrangement axis D of the liquid crystal alignment pattern in the second optically anisotropic layer 36b.
- the direction of the array axis D is the left direction in the figure.
- the length of one cycle ⁇ of the liquid crystal alignment pattern in the first optically anisotropic layer 36a is the same as the length of one cycle ⁇ of the liquid crystal alignment pattern in the second optically anisotropic layer 36b.
- a transmission type liquid crystal diffraction element having such a configuration the right circularly polarized light from the first optical anisotropic layer 36a side I R and left-circular polarization I L will be described as an example the case where the incident.
- right circularly polarized light I R and left-circular polarization I L is incident from an oblique direction with respect to the main surface of the first optically anisotropic layer 36a.
- the right circularly polarized light I R and left-circular polarization I L along the array axis D, the first optically anisotropic layer at the same incident angle to proceed to the lower right direction from the upper left direction in FIG. 7 It is incident on 36a.
- the optically anisotropic layer diffracts the opposite direction along the right circularly polarized light I R and left-circular polarization I L in SEQ axis D.
- the first optically anisotropic layer 36a is a right circularly polarized light I R which is incident to the traveling direction of the right circularly polarized light I R which is incident, in FIG. 7 along the array axis D Diffract in the direction of travel in the lower left direction. Further, as described above, the diffracted light is converted into the left circularly polarized light IL1.
- the first optically anisotropic layer 36a is left circularly polarized light I L that has entered, the traveling direction of the left-handed circularly polarized light I L incident to the array axis D Along the same, it tries to diffract to the right in FIG. 7.
- the first optically anisotropic layer 36a is transmitted in the lower right direction in the figure.
- First and left-handed circularly polarized light I L1 transmitted through the optically anisotropic layer 36a of the left circularly polarized light I L is incident on the second optical anisotropic layer 36b.
- the second optically anisotropic layer 36b has an optical axis rotation direction opposite to that of the first optically anisotropic layer 36a in the liquid crystal alignment pattern. Therefore, the second optically anisotropic layer 36b diffracts the incident circularly polarized light in the direction opposite to that of the first optically anisotropic layer 36a. That is, the left circularly polarized light is diffracted to the left along the array axis D.
- the left circularly polarized light IL1 is incident on the second optically anisotropic layer 36b so as to travel from the upper right direction to the lower left direction.
- the second optically anisotropic layer 36b is a left-handed circularly polarized light I L1 incident, with respect to the traveling direction of the left-handed circularly polarized light I L1 incident, array axis D Attempts to diffract to the left in FIG. 7 along the line.
- the second optically anisotropic layer 36b is a left-handed circularly polarized light I L traveling from the upper left to the lower right direction, with respect to the traveling direction of the left-handed circularly polarized light I L incident along the array axis D Figure 7 Diffract in the direction of traveling in the lower left direction of the center. Further, as described above, the diffracted light is converted into right-handed circularly polarized light IR1.
- right circularly polarized light I R and left-circular polarization I L incident from an oblique direction to the first optically anisotropic layer 36a and the second optically anisotropic layer 36b is left circular polarized light I It becomes L1 and right-handed circularly polarized light I R1, and is diffracted in the same direction and emitted.
- the polarized light diffracting element using the liquid crystal compound bends in different directions depending on the polarization
- the incident right circularly polarized light and the left circularly polarized light are bent and separated in the opposite direction. It was not possible to diffract light in a predetermined direction regardless of the polarization.
- the transmissive liquid crystal diffraction element of the present invention can diffract right-handed circularly polarized light and left-handed circularly polarized light incident from an oblique direction in the same direction and emit them, as described above.
- the incident angle of light on the transmissive liquid crystal diffraction element is preferably 10 ° to 80 °, preferably 20 °. -70 ° is more preferable, and 40 ° to 50 ° is even more preferable.
- the diffraction angles of the first optically anisotropic layer 36a and the second optically anisotropic layer 36b respectively. Is preferably 50 ° to 130 °, more preferably 60 ° to 120 °, and even more preferably 70 ° to 110 °.
- the diffraction angle represents the angle formed by the incident light and the diffracted light.
- ⁇ 1 And ⁇ 2 may be appropriately set according to the angle to be diffracted and the like.
- the ratio of ⁇ 1 to ⁇ 2 is preferably about 0.2 to 5. If you want to match the angle between the diffracted light and the diffraction grating surface with the incident angle, you can set the ratio of ⁇ 1 to ⁇ 2 to 1.
- the 0th-order light and the 1st-order light are used. It is preferable that the angle difference of light is large.
- 0th-order light represents light that is not diffracted by the diffraction grid and does not change its direction as it is
- primary light is light incident on the diffraction grid in the direction of +1st-order or -1st-order diffraction conditions. Represents light that has been diffracted and changed direction.
- the ratio of the wavelength ⁇ corresponding to the diffraction angle of light to the liquid crystal pattern pitch ⁇ , ⁇ / ⁇ is preferably in the range of 0.1 to 1.9, and preferably in the range of 0.2 to 1.8. It is more preferably present, and further preferably in the range of 0.3 to 1.7.
- the transmissive liquid crystal diffraction element is not limited to a configuration having only the first optically anisotropic layer 36a and the second optically anisotropic layer 36b.
- the first optically anisotropic layer 36a and / or the second optically anisotropic layer 36b of the transmissive liquid crystal diffraction element may be in a state of being laminated with the support 30 and the alignment film 32. However, it may be in a state of being laminated with the alignment film 32.
- the first optical anisotropy layer 36a and the second optical anisotropy are shown as in the example shown in FIG.
- the liquid crystal compounds 40 stacked in the thickness direction of each of the layers 36b have a structure in which their optical axes are oriented in the same direction.
- the optical axes of the liquid crystal compounds 40 existing at the same positions in the plane direction are oriented in the same direction. That is, it is preferable that the liquid crystal compound 40 is not twist-oriented in the thickness direction of the first optically anisotropic layer 36a and the second optically anisotropic layer 36b, respectively.
- the liquid crystal compound 40 is twist-oriented in each of the first optically anisotropic layer 36a and the second optically anisotropic layer 36b. Diffraction efficiency can be improved by adopting a configuration that does not have.
- the first optically anisotropic layer 37a and the second optically anisotropic layer are different from each other as shown in the example shown in FIG. It is preferable that the liquid crystal compound is twist-oriented in each of the sex layers 37b in the thickness direction.
- the twist orientation of the first optically anisotropic layer 37a and the second optically anisotropic layer 37b has a twist angle of less than 360 ° in the thickness direction. That is, it is twist-oriented to the extent that it is not cholesteric oriented.
- the twisting direction of the liquid crystal compound 40 in the first optically anisotropic layer 37a is opposite to the twisting direction of the liquid crystal compound 40 in the second optically anisotropic layer 37b.
- the liquid crystal compound 40 in the first optically anisotropic layer 37a in the first optically anisotropic layer 37a, the liquid crystal compound 40 is twisted clockwise from the upper side to the lower side in the figure.
- the second optically anisotropic layer 37b the liquid crystal compound 40 is twisted counterclockwise from the upper side to the lower side in the figure.
- the rotation direction of the optical axis in the liquid crystal alignment pattern of the first optically anisotropic layer 37a and the rotation direction of the optical axis in the liquid crystal alignment pattern of the second optically anisotropic layer 37b. Is the opposite.
- the first optically anisotropic layer 37a and the second optically anisotropic layer 37b have opposite rotation directions of the optical axes in the liquid crystal alignment pattern, and the twist direction of the liquid crystal compound twist-oriented in the thickness direction. Since it has the same configuration except that the above is the opposite, when it is not necessary to distinguish between the first optically anisotropic layer 37a and the second optically anisotropic layer 37b, the optically anisotropic layer 37 is collectively used. It will be explained as.
- FIG. 9 shows a diagram conceptually representing the optically anisotropic layer 37.
- the optically anisotropic layer 37 shown in FIG. 9 has the same structure as the optically anisotropic layer 36 shown in FIG. 2, except that the liquid crystal compound is twisted or oriented in the thickness direction. That is, when the optically anisotropic layer 37 shown in FIG. 9 is viewed from the thickness direction, the optical axis 40A is shown in the plane of the optically anisotropic layer 37 along the arrangement axis D, as in the example shown in FIG. It has a liquid crystal orientation pattern in which the orientation of the optics changes while continuously rotating.
- the optically anisotropic layer 37 shown in FIG. 9 has a twisted structure in which the liquid crystal compound 40 is swirled in the thickness direction and stacked, and is formed from the liquid crystal compound 40 existing on one main surface side of the optically anisotropic layer 37.
- the total rotation angle up to the liquid crystal compound 40 present on the other main surface side is less than 360 °.
- the optically anisotropic layer 37 has a liquid crystal orientation pattern in which the direction of the optical axis 40A changes while continuously rotating along the line segment D in the plane, and the liquid crystal compound 40 is formed. If it has a twisted structure in the thickness direction, a line segment connecting the liquid crystal compounds 40 facing in the same direction in the thickness direction in a cross section parallel to the arrangement axis D (line segments shown by H 1 and H 2 in FIG. 8). ) Is inclined with respect to the main surface of the optically anisotropic layer 37.
- the diffraction efficiency is increased when the incident angle and the emission angle of the light with respect to the transmissive liquid crystal diffraction element 10 are different.
- the line segments H 1 and H 2 are preferably parallel, and the incident angle and the exit angle of the light are preferably approximately intermediate angles with respect to the line segments H 1 and H 2.
- the line segment H 1 and the line segment H 2 are parallel to each other. Therefore, it is preferable that the twisting direction of the liquid crystal compound 40 in the first optically anisotropic layer 37a is opposite to the twisting direction of the liquid crystal compound 40 in the second optically anisotropic layer 37b, and the twisting angles are the same.
- the liquid crystal composition for forming the optically anisotropic layer must contain a chiral agent. Just do it.
- the chiral agent (optically active compound) has a function of inducing a helical structure of a liquid crystal phase. Since the chiral agent has a different spiral twisting direction and spiral-inducing force (HTP) depending on the compound, it may be selected according to the purpose.
- the chiral agent is not particularly limited, and is a chiral agent for known compounds (for example, LCD Device Handbook, Chapter 3, Section 4-3, TN (twisted nematic), STN (Super Twisted Nematic), p. 199, Japan Academic Promotion. (Described in 1989, edited by the 142nd Committee of the Society), isosorbide, isomannide derivatives and the like can be used.
- the chiral agent generally contains an asymmetric carbon atom, but an axial asymmetric compound or a surface asymmetric compound that does not contain an asymmetric carbon atom can also be used as the chiral agent.
- axial or asymmetric compounds 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, the repeating unit derived from the polymerizable liquid crystal compound and the repeating unit derived from the chiral agent are derived by the polymerization reaction between the polymerizable chiral agent and the polymerizable liquid crystal compound. Polymers with repeating units can be formed.
- the polymerizable group of the polymerizable chiral agent is preferably a group of the same type as the polymerizable group of the polymerizable liquid crystal compound. Therefore, the polymerizable group of the chiral agent is preferably an unsaturated polymerizable group, an epoxy group or an aziridinyl group, more preferably an unsaturated polymerizable group, and preferably an ethylenically unsaturated polymerizable group. More preferred. Moreover, the chiral agent may be a liquid crystal compound.
- the chiral auxiliary has a photoisomerizing group
- a desired torsional orientation corresponding to the emission wavelength can be formed by irradiation with a photomask such as active light after coating and orientation.
- a photomask such as active light after coating and orientation.
- an isomerization site of a compound exhibiting photochromic properties, an azo group, an azoxy group, or a cinnamoyl group is preferable.
- Specific compounds include JP-A-2002-80478, JP-A-2002-80851, JP-A-2002-179668, JP-A-2002-179669, JP-A-2002-179670, and JP-A-2002.
- the content of the chiral agent in the liquid crystal composition is preferably 0.01 to 200 mol%, more preferably 1 to 30 mol%, based on the molar content of the liquid crystal compound.
- the transmissive liquid crystal diffraction element may have another layer.
- the retardation layer 38 may be provided between the first optically anisotropic layer 36a and the second optically anisotropic layer 36b.
- the optically anisotropic layer 36 converts the incident circularly polarized light into circularly polarized light whose turning direction is opposite to that of the circularly polarized light. However, it may not be completely converted to circularly polarized light in the opposite direction, but may become elliptically polarized light.
- the transmissive liquid crystal diffractive element when the light converted by the first optically anisotropic layer 36a becomes elliptically polarized light, the action of the second optically anisotropic layer 36b cannot be properly obtained and diffraction is performed. Efficiency may decrease.
- the retardation layer 38 between the first optically anisotropic layer 36a and the second optically anisotropic layer 36b, the light is emitted from the first optically anisotropic layer 36a.
- a phase difference can be given to the elliptically polarized light to obtain circularly polarized light, whereby the action on the second optically anisotropic layer 36b can be appropriately obtained, and the diffraction efficiency can be increased.
- the first optically anisotropic layer 36a and the second optically anisotropic layer are different.
- the light travels to and from the sex layer 36b, it only passes through the retardation layer 38 and does not affect the diffraction, so that the same diffraction effect as the example shown in FIG. 7 can be obtained.
- the retardation layer it suffices to give a retardation to the elliptically polarized light emitted from the first optically anisotropic layer 36a, and a C plate and an A plate can be appropriately used.
- the elliptically polarized light emitted from the first optically anisotropic layer 36a is converted to circularly polarized light according to the incident angle of light, the configuration of the first optically anisotropic layer 36a, and the like. It may be set appropriately so that it can be converted.
- Nz Rth / Re + 0.5 can be used.
- Rth is the retardation in the thickness direction
- Re is the retardation in the in-plane direction.
- Nz is preferably 0.1 to 1.1, more preferably 0.8 to 0.2, and even more preferably 0.7 to 0.3.
- the optically anisotropic layer 36 shown in FIG. 2 and the optically anisotropic layer 37 shown in FIG. 9 show a structure in which the optical axis of the liquid crystal compound is parallel to the main surface of the optically anisotropic layer.
- the optical axis of the liquid crystal compound may be inclined to the main surface of the optically anisotropic layer.
- the optical axis 40A of the liquid crystal compound 40 in the liquid crystal alignment pattern of the optically anisotropic layer shown in FIG. 3 continuously rotates only along the arrangement axis D direction.
- the present invention is not limited to this, and various configurations can be used as long as the optical axis 40A of the liquid crystal compound 40 continuously rotates along one direction in the optically anisotropic layer. be.
- At least one of the first optically anisotropic layer and the second optically anisotropic layer is oriented with the rod-shaped liquid crystal layer in which the rod-shaped liquid crystal compound is oriented in the liquid crystal alignment pattern and the disk-shaped liquid crystal compound in the liquid crystal alignment pattern. It is preferable to have a structure in which the disk-shaped liquid crystal layers are alternately laminated. It is more preferable that both the first optically anisotropic layer and the second optically anisotropic layer have a structure in which rod-shaped liquid crystal layers and disk-shaped liquid crystal layers are alternately laminated.
- FIG. 11 is a diagram conceptually representing another example of the optically anisotropic layer included in the transmissive liquid crystal diffraction element of the present invention.
- the optically anisotropic layer 36c shown in FIG. 11 is a liquid crystal layer 42 formed by using a rod-shaped liquid crystal compound 40c (hereinafter referred to as a rod-shaped liquid crystal layer) 42 and a liquid crystal layer formed by using a disk-shaped liquid crystal compound 40d (hereinafter referred to as a disk-shaped liquid crystal layer 40d).
- , 44 referred to as a disk-shaped liquid crystal layer
- FIG. 11 is a diagram conceptually representing another example of the optically anisotropic layer included in the transmissive liquid crystal diffraction element of the present invention.
- the optically anisotropic layer 36c shown in FIG. 11 is a liquid crystal layer 42 formed by using a rod-shaped liquid crystal compound 40c (hereinafter referred to as a rod-shaped liquid crystal layer) 42 and a liquid crystal layer formed by using
- the rod-shaped liquid crystal layer 42 and the disk-shaped liquid crystal layer 44 conceptually show only the liquid crystal compound on the surface. ..
- the rod-shaped liquid crystal layer 42 and the disk-shaped liquid crystal layer 44 have a structure in which liquid crystal compounds are stacked in the thickness direction, and the optical axes of the stacked liquid crystal compounds in the thickness direction are oriented in the same direction. Has.
- the rod-shaped liquid crystal layer 42 is a liquid crystal display in which the direction of the optical axis of the rod-shaped liquid crystal compound 40c is continuously rotated along at least one direction in the plane, as in the examples shown in FIGS. 2 and 3. It is a layer oriented by an orientation pattern. Further, the disk-shaped liquid crystal layer 44 changes the direction of the optical axis of the disk-shaped liquid crystal compound 40d while continuously rotating along at least one direction in the plane, as in the examples shown in FIGS. 2 and 3. It is a layer oriented by the liquid crystal alignment pattern. As described above, the direction of the optical axis of the rod-shaped liquid crystal compound 40c is along the direction of the long axis.
- the direction of the optical axis of the disk-shaped liquid crystal compound 40d is along the direction perpendicular to the disk surface. Therefore, in the disk-shaped liquid crystal layer 44, the disk-shaped liquid crystal compound 40d is oriented so that the disk surface is perpendicular to the interface of the disk-shaped liquid crystal layer 44.
- each rod-shaped liquid crystal layer 42 and the disk-shaped liquid crystal layer 44 have the same cycle of the liquid crystal alignment pattern, and the rotation direction of the optical axis in the liquid crystal alignment pattern is the same. Therefore, in the example shown in FIG. 11, the two-layer rod-shaped liquid crystal layer 42 and the two-layer disc-shaped liquid crystal 44 exhibit the above-mentioned optical anisotropic layer 36 as one optically anisotropic layer 36c. ..
- the thickness direction retardation Rth of the optically anisotropic layer can be brought close to zero.
- the change in the in-plane retardation Re when light is incident on the optically anisotropic layer from an oblique direction becomes small. Therefore, it is possible to improve the incident angle dependence of the diffraction performance such as the diffraction efficiency.
- Rth is close to zero at any location in the thickness direction of the layer that causes diffraction, and the layer that causes diffraction.
- Rth is offset at each location in the thickness direction. Therefore, it is preferable that the Rth of the adjacent layers of the rod-shaped liquid crystal layer and the disk-shaped liquid crystal layer stacked alternately has a positive / negative relationship, and the absolute value of the Rth of each layer is about 10 to 200 nm.
- the thickness of each of the rod-shaped liquid crystal layer 42 and the disk-shaped liquid crystal layer 44 is preferably 0.1 ⁇ m to 5 ⁇ m, more preferably 0.1 ⁇ m to 2 ⁇ m, and even more preferably 0.1 ⁇ m to 0.5 ⁇ m. Further, it is preferable that the thickness of the rod-shaped liquid crystal layer 42 and the disk-shaped liquid crystal layer 44 combined is not too large with respect to the wavelength of the incident light.
- the configuration has two layers of a rod-shaped liquid crystal layer 42 and two layers of a disk-shaped liquid crystal layer 44, but the present invention is not limited to this, and the rod-shaped liquid crystal layer 42 and the disk-shaped liquid crystal layer 44 are not limited thereto. It may have one layer at a time, or it may have three or more layers of a rod-shaped liquid crystal layer 42 and a disk-shaped liquid crystal layer 44, respectively.
- a plurality of rod-shaped liquid crystal layers 42 and disc-shaped liquid crystal layers 44 are laminated, and the retardation ⁇ n ⁇ d of the rod-shaped liquid crystal layer 42 and the disc-shaped liquid crystal layer 44 ( ⁇ n is the difference in refractive index of the liquid crystal compound, d is the thickness of the liquid crystal layer).
- the Rth value can be set between the case where all the rod-shaped liquid crystal layers and the case where all the disk-shaped liquid crystal layers are Can be precisely controlled.
- the rod-shaped liquid crystal compound 40c is oriented so that the optical axis (director) is parallel to the interface of the rod-shaped liquid crystal layer 42, and the disk-shaped liquid crystal compound 40d has the disk surface at the interface of the disk-shaped liquid crystal layer 44. It is preferable to orient the liquid crystal in a state of being oriented perpendicular to the liquid crystal display. By doing so, the refractive index in the thickness direction is averaged between the disc-shaped liquid crystal compound and the rod-shaped liquid crystal compound in the plane while continuously maintaining the change in the thickness direction of the slow phase axis. The refractive index Rth in the thickness direction approaches zero, and the dependence on the angle of incidence is further improved.
- the transmissive liquid crystal diffractive element of the present invention at least one of the first optically anisotropic layer and the second optically anisotropic layer is laminated with a plurality of liquid crystal layers in which the liquid crystal compound is twisted and oriented in the thickness direction. Therefore, it is preferable that the twist angle of each liquid crystal layer is less than 360 °, and the twist directions of the liquid crystal compounds alternate in the stacking direction of the plurality of liquid crystal layers.
- FIG. 12 is a diagram conceptually representing another example of the transmissive liquid crystal diffraction element of the present invention.
- the transmissive liquid crystal diffractive element shown in FIG. 12 has a first optically anisotropic layer 37c having a liquid crystal layer 46a and a liquid crystal layer 46b, and a second optically anisotropic layer having a liquid crystal layer 48a and a liquid crystal layer 48b. It has 37d and.
- the direction of the optical axis of the liquid crystal compound 40 continuously rotates along at least one direction in the plane, as in the example shown in FIG. It is a layer having a changing liquid crystal orientation pattern. Further, the liquid crystal layer 46a and the liquid crystal layer 46b have the same one cycle of the liquid crystal alignment pattern, and the rotation direction of the optical axis in the liquid crystal alignment pattern is the same.
- the liquid crystal compound 40 is twisted or oriented in the thickness direction, but the twisting direction of the liquid crystal compound 40 in the liquid crystal layer 46a and the twisting direction of the liquid crystal compound 40 in the liquid crystal layer 46b. Is the opposite.
- the twisting direction of the liquid crystal compound 40 in the liquid crystal layer 46a is a direction of rotating counterclockwise from the top to the bottom in the figure.
- the twisting direction of the liquid crystal compound 40 in the liquid crystal layer 46b is a direction of rotating clockwise from the top to the bottom in the figure.
- the first optically anisotropic layer 37c has a liquid crystal layer in which the twisting direction of the liquid crystal compound 40 in the thickness direction is different.
- the orientation of the optical axis of the liquid crystal compound 40 is continuous along at least one direction in the plane, as in the example shown in FIG. It is a layer having a liquid crystal orientation pattern that changes while rotating. Further, the liquid crystal layer 48a and the liquid crystal layer 48b have the same cycle of the liquid crystal alignment pattern, and the rotation direction of the optical axis in the liquid crystal alignment pattern is the same.
- the rotation direction of the optical axis in the liquid crystal orientation pattern of the liquid crystal layer 48a and the liquid crystal layer 48b of the second optically anisotropic layer 37d is the liquid crystal of the liquid crystal layer 46a and the liquid crystal layer 46b of the first optically anisotropic layer 37c. It is opposite to the direction of rotation of the optical axis in the orientation pattern.
- the liquid crystal compound 40 is twisted or oriented in the thickness direction, but the twisting direction of the liquid crystal compound 40 in the liquid crystal layer 48a and the twisting direction of the liquid crystal compound 40 in the liquid crystal layer 48b. Is the opposite.
- the twisting direction of the liquid crystal compound 40 in the liquid crystal layer 48a is a direction of rotating counterclockwise from the top to the bottom in the figure.
- the twisting direction of the liquid crystal compound 40 in the liquid crystal layer 48b is a direction of rotating clockwise from the top to the bottom in the figure.
- the second optically anisotropic layer 37d has a liquid crystal layer in which the twisting direction of the liquid crystal compound 40 in the thickness direction is different.
- the optically anisotropic layer has a liquid crystal layer having a different twisting direction of the liquid crystal compound 40 in the thickness direction, so that the angle dependence and the wavelength dependence of the diffraction efficiency are improved.
- the optimum values of the twist angle (total twist angle in the thickness direction) and the retardation ⁇ n ⁇ d of each liquid crystal layer change depending on the refractive index difference ⁇ n of the liquid crystal compound. Therefore, the twist angle may be optimized according to each liquid crystal layer.
- the twist angle is preferably 30 to 180 °. Twist orientation can be achieved by adding the commonly used chiral agents described above.
- the ⁇ n of the liquid crystal compound is large because the angle dependence and the wavelength dependence are further improved.
- the optically anisotropic layer has a two-layer structure in which liquid crystal layers having different twisting directions are laminated, but the present invention is not limited to this.
- the optically anisotropic layer may have three or more liquid crystal layers having different twisting directions.
- the optically anisotropic layer may have a liquid crystal layer in which the liquid crystal compound is not twisted in the thickness direction between two liquid crystal layers having different twist directions. This further improves the angle dependence and wavelength dependence of the diffraction efficiency.
- the direction of the optical axis of the liquid crystal compound is the direction of the optical axis of the liquid crystal compound at the interface of the adjacent twisted liquid crystal layer at each place in the plane.
- the LCD is continuously connected (facing the same direction).
- Such a configuration in which the directions of the optical axes of the liquid crystal compounds are continuously connected between the adjacent liquid crystal layers can be produced by laminating and coating the upper liquid crystal layer on the lower liquid crystal layer.
- the twisting angle per unit length in the thickness direction of each liquid crystal layer is symmetric in diffraction performance. It is preferable that they are the same from the viewpoint of sex. On the other hand, when increasing the diffraction performance at a certain angle, the twist angle per unit length in the thickness direction of each liquid crystal layer may be different.
- each liquid crystal layer is preferably 0.1 ⁇ m to 5 ⁇ m, more preferably 0.1 ⁇ m to 2 ⁇ m, and even more preferably 0.1 ⁇ m to 0.5 ⁇ m. Similar to the above, in the rod-shaped liquid crystal layer and the disk-shaped liquid crystal layer stacked alternately, the Rth of the adjacent layers has a positive / negative relationship, and the absolute value of the Rth of each layer is about 10 to 200 nm. preferable.
- the optically anisotropic layer has a liquid crystal layer in which the twisting direction of the liquid crystal compound 40 in the thickness direction is different
- at least one of the liquid crystal layers is a liquid crystal display of a rod-shaped liquid crystal compound. It is preferable to have a configuration in which rod-shaped liquid crystal layers oriented in an orientation pattern and disk-shaped liquid crystal layers oriented in a liquid crystal alignment pattern are alternately laminated.
- FIG. 13 is a diagram conceptually representing another example of the liquid crystal layer included in the optically anisotropic layer of the transmissive liquid crystal diffraction element of the present invention.
- the liquid crystal layer 47 shown in FIG. 13 has a total of four layers, that is, a rod-shaped liquid crystal layer 42b formed by using the rod-shaped liquid crystal compound 40c and a disk-shaped liquid crystal layer 44b formed by using the disk-shaped liquid crystal compound 40d.
- the rod-shaped liquid crystal layer 42b and the disk-shaped liquid crystal layer 44b conceptually show only the liquid crystal compound on the surface.
- the rod-shaped liquid crystal layer 42b and the disk-shaped liquid crystal layer 44b have a structure in which liquid crystal compounds are stacked in the thickness direction.
- the rod-shaped liquid crystal layer 42d has a liquid crystal orientation pattern in which the direction of the optical axis of the rod-shaped liquid crystal compound 40c is changed while continuously rotating along at least one direction in the plane, as in the example shown in FIG. It is an oriented layer. Further, the disk-shaped liquid crystal layer 44d changes the direction of the optical axis of the disk-shaped liquid crystal compound 40d while continuously rotating along at least one direction in the plane, as in the example shown in FIG. It is a layer oriented by a liquid crystal alignment pattern.
- each of the rod-shaped liquid crystal layer 42b and the disk-shaped liquid crystal layer 44b has the same cycle of the liquid crystal alignment pattern, and the rotation direction of the optical axis in the liquid crystal alignment pattern is the same.
- the longitudinal direction of the liquid crystal compound in the layer is integrally in the thickness direction from the rod-shaped liquid crystal layer 42b on the lower side in the figure toward the disk-shaped liquid crystal layer 44b on the upper side in the figure. It is twisted and oriented.
- the two-layer rod-shaped liquid crystal layer 42b and the two-layer disc-shaped liquid crystal layer 44b serve as one liquid crystal layer 47, and exhibit the same function as the liquid crystal layer shown in FIG.
- the longitudinal direction of the liquid crystal compound in the disk-shaped liquid crystal layer 44b is the longitudinal direction of the shape in which the disk-shaped liquid crystal compound is projected onto the surface (interface) of the disk-shaped liquid crystal layer.
- the optically anisotropic layer has a liquid crystal layer in which the twisting direction of the liquid crystal compound 40 in the thickness direction is different
- at least one of the liquid crystal layers is a rod-shaped liquid crystal layer and a disk-shaped liquid crystal layer.
- the laminated configuration can further improve the incident angle dependence of diffraction performance such as diffraction efficiency.
- the thickness and the like of the rod-shaped liquid crystal layer 42b and the disk-shaped liquid crystal layer 44b are the same as those of the rod-shaped liquid crystal layer 42 and the disk-shaped liquid crystal layer 44 described above.
- the transmissive liquid crystal diffraction element of the present invention has a side opposite to the second optically anisotropic layer of the first optically anisotropic layer and a first optical difference of the second optically anisotropic layer. It is preferable to have a ⁇ / 4 plate arranged on at least one of the opposite sides of the anisotropic layer.
- FIG. 14 is a diagram conceptually representing another example of the transmissive liquid crystal diffraction element of the present invention.
- the transmissive liquid crystal diffraction element shown in FIG. 14 includes a first ⁇ / 4 plate 50, a first optically anisotropic layer 36a, a second optically anisotropic layer 36b, and a second ⁇ / 4 plate. 50 and 50 in this order. That is, the transmissive liquid crystal diffraction element shown in FIG. 14 has a configuration in which the first optically anisotropic layer 36a and the second optically anisotropic layer 36b are sandwiched between ⁇ / 4 plates 50.
- the first optically anisotropic layer 36a and the second optically anisotropic layer 36b have the same configuration as the first optically anisotropic layer 36a and the second optically anisotropic layer 36b shown in FIG. Therefore, the description thereof will be omitted.
- the first ⁇ / 4 plate 50 and the second ⁇ / 4 plate 50 are conventionally known ⁇ / 4 plates.
- the circularly polarized light incident on the ⁇ / 4 plate is converted into linearly polarized light
- the linearly polarized light incident on the ⁇ / 4 plate is converted into circularly polarized light.
- the slow phase axis of the ⁇ / 4 plate 50 is 45 degrees or 45 degrees with respect to the direction (arrangement axis D direction) in which the optic axis derived from the liquid crystal compound changes while continuously rotating along one direction in the plane. It is arranged so that it is -45 degrees.
- linearly polarized light whose vibration directions incident on the transmissive liquid crystal diffraction element are orthogonal to each other can be bent in the same direction.
- s-polarized light and p-polarized light are incident on the transmissive liquid crystal diffraction element from the same direction.
- s-polarized light and p-polarized light are incident on the transmissive liquid crystal diffraction element, they are converted into right-handed circularly polarized light and left-handed circularly polarized light by the first ⁇ / 4 plate 50, respectively.
- the converted right-handed circularly polarized light and left-handed circularly polarized light pass through the first optically anisotropic layer 36a and the second optically anisotropic layer 36b in this order.
- the light passing through the second optically anisotropic layer 36b is bent in the same direction in the state of left circularly polarized light and right circularly polarized light.
- the bent left-circularly polarized light and right-handed circularly polarized light are incident on the second ⁇ / 4 plate 50 and converted into s-polarized light and p-polarized light.
- the s-polarized light and the p-polarized light are emitted in the same direction.
- the transmissive liquid crystal diffraction element has a configuration having a ⁇ / 4 plate, so that it can be bent in the same direction without mixing linearly polarized light whose vibration directions are orthogonal to each other.
- the configuration has two ⁇ / 4 plates 50 sandwiching the first optically anisotropic layer 36a and the second optically anisotropic layer 36b, but the configuration is not limited to this.
- the transmissive liquid crystal diffractive element is configured to have only the first ⁇ / 4 plate 50 on the first optically anisotropic layer 36a side, so that the incident right-handed circularly polarized light and left-handed circularly polarized light are transmitted in the vibration direction. Can be bent in the same direction as linearly polarized light that is orthogonal to each other.
- the transmissive liquid crystal diffractive element is configured to have only the second ⁇ / 4 plate 50 on the second optically anisotropic layer 36b side, so that the incident vibration directions are orthogonal to each other for linearly polarized light on the right. It can be converted to circularly polarized light and left circularly polarized light and bent in the same direction.
- ⁇ / 4 board there are no restrictions on the ⁇ / 4 board, and various known boards having a ⁇ / 4 function can be used. Specific examples of the ⁇ / 4 plate include those described in US Patent Application Publication No. 2015/0277006.
- the ⁇ / 4 plate 26 has a single-layer structure, specifically, a stretched polymer film, a retardation film in which an optically anisotropic layer having a ⁇ / 4 function is provided on a support, and the like. Can be mentioned.
- the ⁇ / 4 plate has a multi-layer structure, specifically, a wideband ⁇ / 4 plate formed by laminating a ⁇ / 4 plate and a ⁇ / 2 wave plate can be mentioned.
- the thickness of the ⁇ / 4 plate is not particularly limited, but is preferably 1 to 500 ⁇ m, more preferably 1 to 50 ⁇ m, and even more preferably 1 to 5 ⁇ m.
- the ⁇ / 4 plate used in the present invention preferably has a reverse wavelength dispersibility. Since the ⁇ / 4 plate has a reverse wavelength dispersibility, the wavelength dependence can be improved.
- a ⁇ / 4 plate having a reverse wavelength dispersibility can be realized, for example, by manufacturing using a reverse dispersion liquid crystal material.
- the ⁇ / 4 plate is preferably a wide viewing angle ⁇ / 4 plate from the viewpoint of improving the dependence on the incident angle.
- the wide viewing angle ⁇ / 4 plate means that the retardation in the thickness direction is close to zero.
- Such a wide viewing angle ⁇ / 4 plate can be realized, for example, by laminating a positive A plate and a positive C plate.
- 15 and 16 are diagrams conceptually representing another example of the transmissive liquid crystal diffraction grating of the present invention. In FIGS. 15 and 16, the right-handed twist layer and the left-handed twisted layer are continuously laminated in both the first liquid crystal layer and the second liquid crystal layer, and the film thicknesses of the right-handed twisted layer and the left-handed twisted layer are different.
- the absolute values of the twist angles of the twist layer and the left twist layer are different. By doing so, it is possible to widen the wavelength range in which high diffraction efficiency can be obtained.
- the length and angle of the two lines extending diagonally to the left and right are different from the lower interface of the first optically anisotropic layer. A bright and dark line in the shape of a V-shaped horizontal line is observed.
- the second optically anisotropic layer bright and dark lines having a V-shaped horizontal shape are observed.
- This terminator has a structure in which two liquid crystal layers in which liquid crystal compounds are oriented so that the twisting direction in the thickness direction differs between right and left are laminated in the thickness direction, and the thickness of the right-handed twisting layer and the left-handed twisting layer and It is observed because the absolute values of the twist angles are different.
- the transmissive liquid crystal diffraction element of FIG. 15 may be manufactured by similarly manufacturing a first liquid crystal layer and a second liquid crystal layer, and laminating the first liquid crystal layer and the second liquid crystal layer upside down. good. On the other hand, the transmissive liquid crystal diffraction element of FIG.
- FIG. 16 may be manufactured by manufacturing the first liquid crystal layer and the second liquid crystal layer so that the right-handed twist layer and the left-handed twisted layer are symmetrical and laminated. good.
- FIG. 15 shows a stacking method in which the twisted layers in the same direction in the first liquid crystal layer and the second liquid crystal layer face each other, and the laterally asymmetric V-shaped sharpened directions are the same. Is.
- FIG. 16 shows a stacking method in which the twisted layers in different directions in the first liquid crystal layer and the second liquid crystal layer face each other, and the laterally asymmetric V-shaped sharp directions are opposite to each other. Is. Regardless of which method is used, the wavelength range in which high diffraction efficiency can be obtained can be widened.
- transmissive liquid crystal diffraction grating of the present invention has been described in detail above, the present invention is not limited to the above-mentioned example, and various improvements and changes may be made without departing from the gist of the present invention. Of course.
- Example 1 ⁇ Manufacturing of transmissive liquid crystal diffraction element> (Formation of alignment film) A glass substrate was prepared as a support. The following coating liquid for forming an alignment film was applied onto the support by spin coating. The support on which the coating film of the coating film for forming the alignment film was formed was dried on a hot plate at 60 ° C. for 60 seconds to form the alignment film P-2.
- Coating liquid for forming an alignment film ⁇ ⁇ The following materials for optical orientation 1.00 parts by mass ⁇ 16.00 parts by mass of water ⁇ 42.00 parts by mass of butoxyethanol ⁇ Propylene glycol monomethyl ether 42.00 parts by mass ⁇ ⁇
- the alignment film P-2 was exposed by irradiating the obtained alignment film P-2 with polarized ultraviolet rays (50 mJ / cm 2 , using an ultrahigh pressure mercury lamp).
- the alignment film was exposed using the exposure apparatus shown in FIG. 4 to form an alignment film P-2 having an alignment pattern.
- a laser that emits a laser beam having a wavelength (325 nm) was used.
- the exposure amount due to the interference light was set to 300 mJ / cm 2 .
- the intersection angle (intersection angle ⁇ ) of the two lights is 1.05 ⁇ m so that one cycle ⁇ (length of rotation of the optic axis by 180 °) of the orientation pattern formed by the interference of the two laser lights is 1.05 ⁇ m.
- the intersection angle (intersection angle ⁇ ) of the two lights is 1.05 ⁇ m so that one cycle ⁇ (length of rotation of the optic axis by 180 °) of the orientation pattern formed by the interference of the two laser lights is 1.05 ⁇ m.
- composition B-1 (Formation of the first optically anisotropic layer)
- the following composition B-1 was prepared as the liquid crystal composition forming the liquid crystal layer.
- Composition B-1 • Rod-shaped liquid crystal compound L-1 by 100.00 parts by mass ⁇ Polymerization initiator (manufactured by BASF, Irgacure (registered trademark) 907) 3.00 parts by mass, photosensitizer (manufactured by Nippon Kayaku, KAYACURE DETX-S) 1.00 parts by mass, leveling agent T-1 0.08 parts by mass, methyl ethyl ketone 2000.00 parts by mass ⁇ ⁇
- Polymerization initiator manufactured by BASF, Irgacure (registered trademark) 907
- photosensitizer manufactured by Nippon Kayaku, KAYACURE DETX-S
- leveling agent T-1 0.08 parts by mass
- Rod-shaped liquid crystal compound L-1 (including the following structure by mass ratio shown on the right)
- the first optically anisotropic layer was formed by applying the composition B-1 in multiple layers on the alignment film P-2. First, the composition B-1 of the first layer is applied on the alignment film, heated and cooled, and then UV-cured to prepare a liquid crystal-immobilized layer, and then the second and subsequent layers are overcoated on the liquid crystal-immobilized layer. After coating, heating and cooling were repeated in the same manner, followed by UV curing.
- the following composition B-1 is applied on the alignment film P-2, the coating film is heated to 80 ° C. on a hot plate, and then at 80 ° C., a high-pressure mercury lamp under a nitrogen atmosphere.
- the orientation of the liquid crystal compound was fixed by irradiating the coating film with an ultraviolet ray having a wavelength of 365 nm at an irradiation amount of 300 mJ / cm 2.
- the second and subsequent layers were overcoated on this liquid crystal immobilization layer, heated under the same conditions as above, cooled, and then cured by ultraviolet rays to prepare a liquid crystal immobilization layer. In this way, recoating was repeated until the total thickness reached a desired film thickness to form the first optically anisotropic layer.
- the refractive index difference ⁇ n of the cured layer of the liquid crystal composition B-1 is applied on a separately prepared support with an alignment film for retardation measurement, and the director of the liquid crystal compound is used as a base material.
- the retardation Re ( ⁇ ) and the film thickness of the liquid crystal immobilization layer obtained by immobilizing the liquid crystal immobilization layer by irradiating it with ultraviolet rays after orienting it so as to be horizontal were measured and obtained.
- ⁇ n ⁇ can be calculated by dividing the retardation Re ( ⁇ ) by the film thickness.
- the retardation Re ( ⁇ ) was measured at the target wavelength using Axoscan of Axometrix, and the film thickness was measured using SEM.
- ⁇ is the wavelength of the incident light. In the following, the wavelength ⁇ of the incident light is set to 1550 nm.
- the second optically anisotropic layer was transferred and bonded with an adhesive so as to be laminated on the first optically anisotropic layer.
- the rotation direction of the optical axis derived from the liquid crystal compound which changes while continuously rotating along one in-plane direction, is opposite to that of the first optically anisotropic layer, and is in-plane unidirectional.
- the second optically anisotropic layer was rotated 180 degrees with respect to the axis perpendicular to the main surface and bonded so that the direction of rotation (arrangement axis D) was parallel to each other.
- a transmission type liquid crystal diffraction element (bending diffraction element) in which the first optically anisotropic layer and the second optically anisotropic layer are laminated was produced.
- Example 2 In the formation of the first optically anisotropic layer of Example 1, the composition B-1 was changed to the following composition B-2, and in the formation of the second optically anisotropic layer, the composition B-1 was changed.
- a transmissive liquid crystal diffraction element was produced in the same manner as in Example 1 except that the composition was changed to B-3 below.
- Composition B-2 • Rod-shaped liquid crystal compound L-1 100.00 parts by mass ⁇ Chiral agent Ch-A 0.14 parts by mass ⁇ Polymerization initiator (BASF, Irgacure (registered trademark) 907) 3.00 parts by mass, photosensitizer (manufactured by Nippon Kayaku, KAYACURE DETX-S) 1.00 parts by mass, leveling agent T-1 0.08 parts by mass, methyl ethyl ketone 2000.00 parts by mass ⁇ ⁇
- Composition B-3 • Rod-shaped liquid crystal compound L-1 100.00 parts by mass ⁇ Chiral agent Ch-B 0.24 parts by mass ⁇ Polymerization initiator (BASF, Irgacure (registered trademark) 907) 3.00 parts by mass, photosensitizer (manufactured by Nippon Kayaku, KAYACURE DETX-S) 1.00 parts by mass, leveling agent T-1 0.08 parts by mass, methyl ethyl ketone 2000.00 parts by mass ⁇ ⁇
- the second optically anisotropic layer was transferred to the first optically anisotropic layer so that the rotation direction of the optical axis in the liquid crystal alignment pattern was opposite to that of the first optically anisotropic layer.
- the diagonal light and dark lines of the first optically anisotropic layer and the diagonal bright and dark lines of the second optically anisotropic layer are parallel.
- Example 3 A transmissive liquid crystal diffraction element was produced in the same manner as in Example 1 except that a C plate having a positive refractive index anisotropy was arranged between the first optically anisotropy layer and the second optically anisotropic layer. ..
- the positive C plate was formed by vertically aligning the rod-shaped liquid crystal compound L-1 and curing it with ultraviolet rays. At this time, the retardation (Rth) in the thickness direction of the positive C plate was -390 nm.
- the positive C plate was adhered to the first optically anisotropic layer with an adhesive.
- Example 1 A transmissive liquid crystal diffraction element having only the first optically anisotropic layer of Example 1 was produced.
- the azimuth angle is the orientation (arrangement axis D direction) in which the optical axis derived from the liquid crystal compound changes while continuously rotating along one direction in the plane, and the transmissive liquid crystal.
- a laser beam having a wavelength of 1550 nm is incident at an incident angle ⁇ i from the normal direction of the main surface of the diffractive element, and the emission angle ⁇ o of the refracted light refracted in the direction opposite to the incident direction of the light in the direction of the incident light.
- the intensity (diffraction efficiency) and the emission angle ⁇ p and intensity (diffraction efficiency) of the refracted light refracted in the same direction as the incident direction of the light were measured with a power meter.
- the incident laser light was unpolarized.
- the criteria for intensity (diffraction efficiency) are as follows.
- ⁇ S Intensity (diffraction efficiency) is 95% or more ⁇ A: Intensity (diffraction efficiency) is 92% or more ⁇ B: Intensity (diffraction efficiency) is 90% or more ⁇ C: Intensity (diffraction efficiency) is 80% or more ⁇ D : Intensity (diffraction efficiency) is 50% or more ⁇ E: Intensity (diffraction efficiency) is less than 50%
- Table 1 Table 1 below.
- the embodiment of the present invention can greatly bend the angle of the incident light.
- no refracted light is observed that is refracted in the same direction as the incident direction of the light (angle of ⁇ p), and the intensity (diffraction efficiency) of the refracted light that is refracted in the direction opposite to the incident direction of the light (angle of ⁇ o). Since it is 50% or more, it can be seen that both the right circular polarization component and the left circular polarization component of the incident light can be diffracted in the same direction (angle of ⁇ o).
- Example 4 The formation of the alignment film and the exposure of the alignment film were the same as in Example 1, and the formation of the first and second optically anisotropic layers was performed as follows.
- compositions C-1, C-2, D-1, and D-2 were prepared as the liquid crystal composition forming the liquid crystal layer.
- the reference numeral C is a compound whose main component of the liquid crystal compound is a rod
- D is a compound whose main component of the liquid crystal compound is a disk-shaped compound
- 1 is a right-handed twist
- 2 is a left-handed twist.
- the composition C-1 is a liquid crystal composition containing a rod-shaped liquid crystal compound as a main component and twisting to the right
- the composition C-2 is a liquid crystal composition containing a rod-shaped liquid crystal compound as a main component and twisting to the left.
- the composition D-1 is a liquid crystal composition having a disk-shaped liquid crystal compound as a main component and having a right-handed twist
- the composition D-2 is a liquid crystal composition having a disk-shaped liquid crystal compound as a main component and having a left-handed twist. It is a thing.
- Composition C-1 • Rod-shaped liquid crystal compound L-1 by 100.00 parts by mass ⁇ Chiral agent Ch-A 0.058 parts by mass ⁇ Polymerization initiator (BASF, Irgacure (registered trademark) 907) 3.00 parts by mass, photosensitizer (manufactured by Nippon Kayaku, KAYACURE DETX-S) 1.00 parts by mass, leveling agent T-1 0.08 parts by mass, methyl ethyl ketone 2000.00 parts by mass ⁇ ⁇
- BASF Irgacure (registered trademark) 907
- photosensitizer manufactured by Nippon Kayaku, KAYACURE DETX-S
- leveling agent T-1 0.08 parts by mass
- Composition C-2 • Rod-shaped liquid crystal compound L-1 100.00 parts by mass ⁇ Chiral agent Ch-B 0.099 parts by mass ⁇ Polymerization initiator (BASF, Irgacure (registered trademark) 907) 3.00 parts by mass, photosensitizer (manufactured by Nippon Kayaku, KAYACURE DETX-S) 1.00 parts by mass, leveling agent T-1 0.08 parts by mass, methyl ethyl ketone 2000.00 parts by mass ⁇ ⁇
- BASF Irgacure (registered trademark) 907
- photosensitizer manufactured by Nippon Kayaku, KAYACURE DETX-S
- leveling agent T-1 0.08 parts by mass
- the first optically anisotropic layer was formed by applying the composition C-1 in multiple layers on the alignment film P-2 and then applying the composition C-2 in multiple layers. First, the composition C-1 of the first layer is applied on the alignment film, heated and cooled, and then UV-cured to prepare a liquid crystal-immobilized layer, and then the second and subsequent layers are overcoated on the liquid crystal-immobilized layer.
- the liquid crystal layer C-1 was formed by repeating coating and curing with ultraviolet rays after heating and cooling in the same manner. The process from coating to UV curing is the same as in Example 1.
- the coating thickness at the time of each recoating was such that the thickness of the liquid crystal layer C-1 was about 0.4 ⁇ m so that a good orientation state could be obtained.
- the composition C-2 was similarly applied in multiple layers on the composition to form a liquid crystal layer C-2.
- a first optically anisotropic layer having a structure in which the liquid crystal layer C-1 and the liquid crystal layer C-2 were overlapped was produced.
- the twist angle of the liquid crystal layer C-1 portion of the first optically anisotropic layer in the thickness direction was 60 °
- the twist angle of the liquid crystal layer C-2 portion in the thickness direction was ⁇ 60 °.
- a bright and dark line having a V shape was observed with respect to the lower interface (interface with the glass substrate) of the first optically anisotropic layer. This terminator is observed in a configuration in which liquid crystal compounds oriented in twisting directions in different thickness directions on the left and right are stacked in the thickness direction.
- An optically anisotropic layer was formed in the same manner as the first optically anisotropic layer, and this was used as a second optically anisotropic layer.
- the second optically anisotropic layer was transferred and bonded with an adhesive so as to be laminated on the first optically anisotropic layer.
- the rotation direction of the optical axis derived from the liquid crystal compound which changes while continuously rotating along one in-plane direction, is opposite to that of the first optically anisotropic layer, and is in-plane unidirectional.
- the second optically anisotropic layer was rotated 180 degrees with respect to the axis perpendicular to the main surface and bonded so that the direction of rotation (arrangement axis D) was parallel to each other.
- a transmissive liquid crystal diffraction element in which the first optically anisotropic layer and the second optically anisotropic layer are laminated was produced (see FIG. 17).
- Example 5 The formation of the alignment film and the exposure of the alignment film were the same as in Example 1, and the first and second optically anisotropic layers were formed as follows.
- the composition C-1 and the composition D-1 are alternately coated on the alignment film P-2 in multiple layers, and the composition C-2 and the composition D-2 are applied thereto. It was formed by alternately applying multiple layers. First, the composition C-1 of the first layer is applied onto the alignment film, heated and cooled, and then ultraviolet-cured to prepare a rod-shaped liquid crystal layer C-1, and then the second layer is formed on the rod-shaped liquid crystal layer C-1. The composition D-1 was overcoated and applied, and similarly heated and cooled, and then subjected to ultraviolet curing to form a disk-shaped liquid crystal layer D-1.
- the rod-shaped liquid crystal layer C-1 and the disk-shaped liquid crystal layer D-1 were alternately and repeatedly formed.
- the process from coating to UV curing is the same as in Example 1.
- the coating thickness at the time of each recoating was set so that the thickness of the liquid crystal layer was about 0.4 ⁇ m so that a good orientation state could be obtained.
- the orientation direction of the liquid crystal compound of the rod-shaped liquid crystal layer C-1 (direction of the long axis of the rod-shaped liquid crystal compound) and the orientation direction of the liquid crystal compound of the disk-shaped liquid crystal layer D-1 (direction on the long side of the disk-shaped liquid crystal compound) are Since they are oriented in parallel during layered coating, the retardation in the thickness direction has offsetting optical characteristics.
- ⁇ n 1550 is the birefringence in the in-plane direction.
- the composition C-2 and the composition D-2 were alternately applied in multiple layers on the composition. In this way, a liquid crystal layer having a plurality of rod-shaped liquid crystal layers C-2 and disk-shaped liquid crystal layers D-2 alternately was formed.
- the first optically anisotropic layer was prepared. As a result of checking with a microscope, it was confirmed that the orientation was periodic.
- the twist angle in the thickness direction of the liquid crystal layer portion in which the rod-shaped liquid crystal layer C-1 and the disk-shaped liquid crystal layer D-1 of the first optically anisotropic layer are alternately laminated is 60 °, and the rod-shaped liquid crystal layer C-2.
- the twist angle in the thickness direction of the liquid crystal layer portion in which the disk-shaped liquid crystal layers D-2 were alternately laminated was ⁇ 60 °.
- a bright and dark line having a V shape was observed with respect to the lower interface (interface with the glass substrate) of the first optically anisotropic layer. This terminator is observed in a configuration in which liquid crystal compounds oriented in twisting directions in different thickness directions, positive and negative, are stacked in the thickness direction.
- the second optically anisotropic layer was rotated 180 degrees with respect to the axis perpendicular to the main surface and bonded so that the direction of rotation (arrangement axis D) was parallel to each other.
- a transmissive liquid crystal diffraction element in which the first optically anisotropic layer and the second optically anisotropic layer are laminated was produced (see FIG. 18).
- Example 6 A ⁇ / 4 plate was attached to both sides of the transmissive liquid crystal diffraction grating of Example 5 with an adhesive material to obtain a transmissive liquid crystal diffractive element of Example 6 (see FIG. 19).
- the slow axis of the ⁇ / 4 plates on both sides has an azimuth that changes while the optical axis derived from the liquid crystal compound continuously rotates along one direction in the plane (arrangement axis D direction). They were pasted together so as to be 45 degrees and -45 degrees.
- the ⁇ / 4 plate was manufactured by the method described in the example of WO13 / 137464, and had a structure in which a positive type A plate and a positive type C plate were laminated.
- the in-plane retardation was set to 388 nm for Re (1550), and the retardation in the thickness direction was set to 0 nm for Rth (1550).
- Example 7 Of the transmissive liquid crystal diffraction gratings of Example 6, the first and second optically anisotropic layers are formed as follows, and the others are the same as in Example 6, and the transmissive liquid crystal diffraction of Example 7 is performed. The element was manufactured.
- compositions C-3, C-4, D-3, and D-4 were prepared as the liquid crystal composition forming the liquid crystal layer.
- Reference numeral C is a compound whose main component of the liquid crystal compound is a rod-like compound
- D is a compound whose main component of the liquid crystal compound is a disk-shaped compound
- 3 is a right-handed twist
- 4 is a left-handed twist. That is, the composition C-3 is a liquid crystal composition containing a rod-shaped liquid crystal compound as a main component and twisting to the right
- the composition C-4 is a liquid crystal composition containing a rod-shaped liquid crystal compound as a main component and twisting to the left.
- the composition D-3 is a liquid crystal composition having a disk-shaped liquid crystal compound as a main component and having a right-handed twist
- the composition D-4 is a liquid crystal composition having a disk-shaped liquid crystal compound as a main component and having a left-handed twist. It is a thing.
- Composition C-3 • Rod-shaped liquid crystal compound L-1 100.00 parts by mass ⁇ Chiral agent Ch-2 0.0338 parts by mass ⁇ Polymerization initiator (BASF, Irgacure (registered trademark) 907) 1.25 parts by mass, leveling agent T-1 0.32 parts by mass, leveling agent T-2 0.04 parts by mass, methyl ethyl ketone 2000.00 parts by mass ⁇ ⁇
- Composition C-4 • Rod-shaped liquid crystal compound L-1 100.00 parts by mass ⁇ Chiral agent Ch-3 0.0325 parts by mass ⁇ Polymerization initiator (BASF, Irgacure (registered trademark) 907) 1.25 parts by mass, leveling agent T-1 0.32 parts by mass, leveling agent T-2 0.04 parts by mass, methyl ethyl ketone 2000.00 parts by mass ⁇ ⁇
- the composition C-3 and the composition D-3 are alternately coated on the alignment film P-2 in multiple layers, and the composition C-4 and the composition D-4 are applied thereto. It was formed by alternately applying multiple layers.
- the composition C-3 of the first layer is applied on the alignment film, heated at 80 ° C., cooled, and then cured with ultraviolet rays at 800 mJ / cm 2 to prepare a rod-shaped liquid crystal layer C-3, and then 75 W on the surface thereof.
- Corona treatment is performed at / m 2 / min, the second layer is coated with the composition D-3 overlaid on the rod-shaped liquid crystal layer C-3, heated at 110 ° C., cooled, and then ultraviolet rays at 800 mJ / cm 2. Curing was performed to form a disk-shaped liquid crystal layer D-3. Then, the surface was subjected to corona treatment at 75 W / m 2 / min and further heat-treated at 120 ° C. After that, the rod-shaped liquid crystal layer C-3 and the disk-shaped liquid crystal layer D-3 were alternately and repeatedly formed. At this time, the coating thickness at the time of each recoating was set so that the thickness of the liquid crystal layer was about 0.1 ⁇ m so that a good orientation state could be obtained.
- the orientation direction of the liquid crystal compound of the rod-shaped liquid crystal layer C-3 (direction of the long axis of the rod-shaped liquid crystal compound) and the orientation direction of the liquid crystal compound of the disk-shaped liquid crystal layer D-3 (direction on the long side of the disk-shaped liquid crystal compound) are Since they are oriented in parallel during layered coating, the retardation in the thickness direction has offsetting optical characteristics.
- ⁇ n 1550 is the birefringence in the in-plane direction.
- the composition C-4 and the composition D-4 were alternately applied in multiple layers on the composition. In this way, a liquid crystal layer having a plurality of rod-shaped liquid crystal layers C-4 and disk-shaped liquid crystal layers D-4 alternately was formed.
- the first optically anisotropic layer was prepared. As a result of checking with a microscope, it was confirmed that the orientation was periodic.
- the twist angle in the thickness direction of the liquid crystal layer portion in which the rod-shaped liquid crystal layer C-3 and the disk-shaped liquid crystal layer D-3 of the first optically anisotropic layer are alternately laminated is 60 °, and the rod-shaped liquid crystal layer C-4.
- the twist angle in the thickness direction of the liquid crystal layer portion in which the disk-shaped liquid crystal layers D-4 were alternately laminated was ⁇ 60 °.
- a bright and dark line having a V shape was observed with respect to the lower interface (interface with the glass substrate) of the first optically anisotropic layer. This terminator is observed in a configuration in which liquid crystal compounds oriented in twisting directions in different thickness directions, positive and negative, are stacked in the thickness direction.
- the second optically anisotropic layer was rotated 180 degrees with respect to the axis perpendicular to the main surface and bonded so that the direction of rotation (arrangement axis D) was parallel to each other.
- a transmissive liquid crystal diffraction element in which the first optically anisotropic layer and the second optically anisotropic layer are laminated was produced.
- Example 8 Among the preparations of the transmissive liquid crystal diffraction element of Example 7, the following plasma treatment was performed instead of the corona treatment, and the other transmissive liquid crystal diffraction elements were produced in the same manner as in Example 7.
- a Plasma Cleaner PDC-32G manufactured by Harrick Plasma was used, and plasma treatment on the sample surface was performed for 10 seconds under the conditions of output MED and reduced pressure. In this way, the transmissive liquid crystal diffraction element was manufactured.
- the azimuth angle is the orientation (arrangement axis D direction) in which the optical axis derived from the liquid crystal compound changes while continuously rotating along one direction in the plane, and the transmissive liquid crystal.
- a laser beam having a wavelength of 1550 nm is incident at an incident angle ⁇ i from the normal direction of the main surface of the diffractive element, and the emission angle ⁇ o of the refracted light refracted in the direction opposite to the incident direction of the light in the direction of the incident light.
- the intensity (diffraction efficiency) and the emission angle ⁇ p and intensity (diffraction efficiency) of the refracted light refracted in the same direction as the incident direction of the light were measured with a power meter.
- the laser beam incidents right-handed circularly polarized light and left-handed circularly polarized light, respectively.
- S-polarized light and P-polarized light were incident respectively.
- the intensity value was used to evaluate the average value of the intensity of right-handed circularly polarized light and the intensity of left-handed circularly polarized light, or the average value of the intensity of S-polarized light and the intensity of P-polarized light. The criteria are as follows.
- ⁇ SS Intensity (diffraction efficiency) is 97% or more ⁇ S: Intensity (diffraction efficiency) is 95% or more ⁇ A: Intensity (diffraction efficiency) is 92% or more ⁇ B: Intensity (diffraction efficiency) is 90% or more ⁇ C : Intensity (diffraction efficiency) is 80% or more ⁇ D: Intensity (diffraction efficiency) is 50% or more ⁇ E: Intensity (diffraction efficiency) is less than 50%
- polarization maintenance characteristics were evaluated according to the following criteria. -A: Right-handed circularly polarized light and left-handed circularly polarized light, or S-polarized light and P-polarized light are diffracted without mixing. B: Right-handed circularly polarized light and left-handed circularly polarized light, or S-polarized light and P-polarized light are diffracted without being mixed. C: Right-handed circularly polarized light and left-handed circularly polarized light, or S-polarized light and P-polarized light are mixed and diffracted. The results are shown in Table 2 below.
- Examples 4 and 5 when the incident polarized light is right circularly polarized light, the diffracted light becomes left circularly polarized light, and when the incident polarized light is left circularly polarized light, the diffracted light becomes right circularly polarized light, and can be diffracted without mixing. ing.
- Example 6 when the incident polarization is S-polarized light, the diffracted light becomes S-polarized light, and when the incident-polarized light is P-polarized light, the diffracted light becomes P-polarized light, and the diffracted light can be diffracted without mixing.
- Examples 5 and 6 are realized to a high degree of effectiveness.
- Example 71 Based on Example 7, the following Examples were prepared and evaluated in order to confirm the effect of the present invention when the wavelength of the incident light was changed.
- a transmissive liquid crystal diffraction element was produced in the same manner as in Example 7, and the wavelength of the incident light was changed as shown in the table below for evaluation.
- Example 72 Based on Example 7, the following Examples were prepared and evaluated in order to confirm the effect of the present invention when the wavelength of the incident light was changed.
- ⁇ 0.887 ⁇ m
- ⁇ n 1310 ⁇ thickness Re (1310) of the entire liquid crystal layer in which a plurality of rod-shaped liquid crystal layers C-3 and a disk-shaped liquid crystal layer D-3 are laminated.
- the twist angle in the thickness direction of the liquid crystal layer portion in which the rod-shaped liquid crystal layer C-3 and the disk-shaped liquid crystal layer D-3 are alternately laminated is 60 °, and the rod-shaped liquid crystal layer C-4 and the disk-shaped liquid crystal layer D-4 are formed.
- the concentration of the chiral agent in each layer was adjusted so that the twist angle in the thickness direction of the alternately laminated liquid crystal layer portions was ⁇ 60 °.
- a transmissive liquid crystal diffraction element was manufactured in this way, and the wavelength of the incident light was changed as shown in the table below for evaluation.
- Example 9 The alignment film is formed in the same manner as in Example 1, and the alignment pattern formed by the interference of the two laser beams has a cycle ⁇ (length in which the optic axis rotates 180 °) is 1.0 ⁇ m.
- the alignment film was exposed in the same manner except that the crossing angle (crossing angle ⁇ ) of the two lights was adjusted.
- the formation of the first and second optically anisotropic layers was performed as follows.
- the first optically anisotropic layer is formed in the same manner as in the first optically anisotropic layer formation (composition B-1) of Example 1 except that the film thickness is adjusted. Formed.
- An optically anisotropic layer was formed in the same manner as the first optically anisotropic layer, and this was used as a second optically anisotropic layer.
- the second optically anisotropic layer was transferred and bonded with an adhesive so as to be laminated on the first optically anisotropic layer.
- the rotation direction of the optical axis derived from the liquid crystal compound which changes while continuously rotating along one in-plane direction, is opposite to that of the first optically anisotropic layer, and is in-plane unidirectional.
- the second optically anisotropic layer was rotated 180 degrees with respect to the axis perpendicular to the main surface and bonded so that the direction of rotation (arrangement axis D) was parallel to each other.
- a transmissive liquid crystal diffraction element in which the first optically anisotropic layer and the second optically anisotropic layer are laminated was produced.
- the values of ⁇ / ⁇ in this diffractive element are 0.45 for light with an incident wavelength of ⁇ 450 nm, 0.53 for light with an incident wavelength of ⁇ 532 nm, and 0.65 for light with an incident wavelength of ⁇ 650 nm, respectively.
- ⁇ 1.0 ⁇ m.
- the azimuth angle is the orientation (arrangement axis D direction) in which the optical axis derived from the liquid crystal compound changes while continuously rotating along one direction in the plane, and the transmissive liquid crystal.
- a laser beam having a wavelength of 450 nm, 532 nm, or 650 nm is incident at an incident angle ⁇ i from the normal direction of the main surface of the diffractive element, and the refracted light refracted in the direction opposite to the incident direction of the light.
- the emission angle ⁇ o and intensity (diffraction efficiency), as well as the emission angle ⁇ p and intensity (diffraction efficiency) of the light emitted in the same direction as the incident direction of the light were measured with a power meter.
- the incident laser light was incident with right-handed circularly polarized light and left-handed circularly polarized light, and the average value was taken as the intensity (diffraction efficiency).
- the criteria for intensity (diffraction efficiency) are as follows. The intensity (diffraction efficiency) was evaluated using the average value of the intensity (diffraction efficiency) of the refracted light at wavelengths of 450 nm, 532 nm, and 650 nm.
- ⁇ S Intensity (diffraction efficiency) is 80% or more ⁇ A: Intensity (diffraction efficiency) is 75% or more ⁇ B: Intensity (diffraction efficiency) is 70% or more ⁇ C: Intensity (diffraction efficiency) is 60% or more ⁇ D : Intensity (diffraction efficiency) is 50% or more ⁇ E: Intensity (diffraction efficiency) is less than 50%
- Table 5 The results are shown in Table 5 below.
- the embodiment of the present invention can obtain high light intensity (diffraction efficiency) with respect to incident light having different wavelengths. Further, all the polarized light components (right-handed circularly polarized light and left-handed circularly polarized light) of the incident light are diffracted in the same direction (angle of ⁇ o), and high diffraction efficiency is obtained. Further, the emission angle ⁇ p bends the light at different emission angles with respect to the wavelengths of 450 nm, 532 nm, and 650 nm. That is, it can be seen that the embodiment of the present invention functions as a spectroscopic element having high diffraction efficiency.
- Example 10 An alignment film was formed in the same manner as in Example 9, and the alignment film was exposed. The formation of the first and second optically anisotropic layers was performed as follows.
- the first optically anisotropic layer was formed by applying the following composition B-4 on the alignment film P-2 in multiple layers.
- the production conditions for heating, cooling, and UV curing are the same as in Example 1.
- the following composition B-5 was applied in multiple layers on the liquid crystal layer of the composition B-4.
- the first optically anisotropic layer was formed.
- a V-shape with different lengths and angles of two lines extending diagonally to the left and right with respect to the lower interface (interface with the glass substrate) of the first optically anisotropic layer is laid down. Light and dark lines of shape were observed.
- This terminator is a structure in which liquid crystal compounds oriented in twisting directions in different thickness directions on the left and right are stacked in the thickness direction, and the thickness and twist angle absolute value of the right-handed twist layer and the left-handed twisted layer. Is observed because of the difference.
- Composition B-4 • Rod-shaped liquid crystal compound L-1 100.00 parts by mass ⁇ Chiral agent Ch-A 0.38 parts by mass ⁇ Polymerization initiator (BASF, Irgacure (registered trademark) 907) 3.00 parts by mass, photosensitizer (manufactured by Nippon Kayaku, KAYACURE DETX-S) 1.00 parts by mass, leveling agent T-1 0.08 parts by mass, methyl ethyl ketone 2000.00 parts by mass ⁇ ⁇
- Composition B-5 • Rod-shaped liquid crystal compound L-1 100.00 parts by mass ⁇ Chiral agent Ch-B 0.166 parts by mass ⁇ Polymerization initiator (BASF, Irgacure (registered trademark) 907) 3.00 parts by mass, photosensitizer (manufactured by Nippon Kayaku, KAYACURE DETX-S) 1.00 parts by mass, leveling agent T-1 0.08 parts by mass, methyl ethyl ketone 2000.00 parts by mass ⁇ ⁇
- the second optically anisotropic layer was rotated 180 degrees with respect to the axis perpendicular to the main surface and bonded so that the direction of rotation (arrangement axis D) was parallel to each other.
- a transmissive liquid crystal diffraction element in which the first optically anisotropic layer and the second optically anisotropic layer are laminated was produced.
- the azimuth angle is the orientation (arrangement axis D direction) in which the optical axis derived from the liquid crystal compound changes while continuously rotating along one direction in the plane, and the transmissive liquid crystal.
- the light emission angle ⁇ o and the intensity (diffraction efficiency), and the light emission angle ⁇ p and the intensity (diffraction efficiency) emitted in the same direction as the incident direction of the light were measured with a power meter.
- the incident laser light was incident with right-handed circularly polarized light and left-handed circularly polarized light, and the average value was taken as the intensity (diffraction efficiency).
- the criteria for intensity (diffraction efficiency) are as follows. The intensity (diffraction efficiency) was evaluated using the average value of the intensity (diffraction efficiency) of the refracted light at wavelengths of 450 nm, 532 nm, 650 nm, and 980 nm.
- ⁇ S Intensity (diffraction efficiency) is 70% or more ⁇ A: Intensity (diffraction efficiency) is 65% or more ⁇ B: Intensity (diffraction efficiency) is 60% or more ⁇ C: Intensity (diffraction efficiency) is 50% or more ⁇ D : Intensity (diffraction efficiency) is 40% or more ⁇ E: Intensity (diffraction efficiency) is less than 40%
- Table 6 The results are shown in Table 6 below.
- the embodiment of the present invention can obtain high light intensity (diffraction efficiency) with respect to incident light having different wavelengths. Further, all the polarized light components (right-handed circularly polarized light and left-handed circularly polarized light) of the incident light are diffracted in the same direction (angle of ⁇ o), and high diffraction efficiency is obtained. From this, it can be seen that the spectroscopic element has high diffraction efficiency from visible light to infrared rays for wavelengths of 450 nm, 532 nm, 650 nm, and 980 nm.
- Example 11 In Example 10, the alignment film was exposed in the same manner except that the intersection angle (intersection angle ⁇ ) of the two lights was adjusted so that one cycle ⁇ of the alignment pattern was 2.375 ⁇ m. Further, the composition B-6 was prepared by adding 0.16 parts by mass of the chiral agent Ch-A of the composition B-4. Further, the composition B-7 was prepared by adding 0.07 parts by mass of the chiral agent Ch-B of the composition B-5. The first optically anisotropic layer was formed by applying the following composition B-6 on the alignment film P-2 in multiple layers. The production conditions for heating, cooling, and UV curing are the same as in Example 1.
- This terminator is a structure in which liquid crystal compounds oriented in twisting directions in different thickness directions on the left and right are stacked in the thickness direction, and the thickness and twist angle absolute value of the right-handed twist layer and the left-handed twisted layer. Is observed because of the difference.
- the second optically anisotropic layer was rotated 180 degrees with respect to the axis perpendicular to the main surface and bonded so that the direction of rotation (arrangement axis D) was parallel to each other.
- a transmissive liquid crystal diffraction element in which the first optically anisotropic layer and the second optically anisotropic layer are laminated was produced.
- the azimuth angle is the orientation (arrangement axis D direction) in which the optical axis derived from the liquid crystal compound changes while continuously rotating along one direction in the plane, and the transmissive liquid crystal.
- the emission angle ⁇ o and intensity (diffraction efficiency) of the refracted light refracted in the direction opposite to the incident direction of the light having a wavelength of 950 nm, 1400 nm, and 2500 nm at the incident angle ⁇ i from the normal direction of the main surface of the diffractive element, and the light.
- the emission angle ⁇ p and the intensity (diffraction efficiency) of the light emitted in the same direction as the incident direction were measured.
- the intensity was taken as the average value of the diffraction efficiencies of the right-handed circularly polarized light and the left-handed circularly polarized light with respect to the incident light.
- the criteria for intensity (diffraction efficiency) are as follows. ⁇ S: Intensity (diffraction efficiency) is 60% or more ⁇ A: Intensity (diffraction efficiency) is 55% or more ⁇ B: Intensity (diffraction efficiency) is 50% or more ⁇ C: Intensity (diffraction efficiency) is 40% or more ⁇ D : Intensity (diffraction efficiency) is 30% or more ⁇ E: Intensity (diffraction efficiency) is less than 30% The results are shown in Table 7 below.
- the embodiment of the present invention can obtain high light intensity (diffraction efficiency) with respect to incident light having different wavelengths. Further, all the polarized light components (right-handed circularly polarized light and left-handed circularly polarized light) of the incident light are diffracted in the same direction (angle of ⁇ o), and high diffraction efficiency is obtained. From this, it can be seen that the spectroscopic element has a high diffraction efficiency at infrared rays having a wavelength of 950 to 2500 nm. From the above results, the effect of the present invention is clear.
- Reflective members such as mirrors used for bending light change the traveling direction of light in the opposite direction in the direction perpendicular to the reflecting surface, and do not change in the direction parallel to the reflecting surface.
- the transmissive liquid crystal diffraction element of the present invention does not change the traveling direction of light in the direction perpendicular to the main surface, but changes the traveling direction of light in the direction parallel to the main surface in the opposite direction. .. Therefore, if the same light bending action is obtained between the transmissive liquid crystal diffraction element of the present invention and the reflective member, the orientation of the surface on which the light is incident differs by 90 °.
- the transmissive liquid crystal diffraction element of the present invention may be easily arranged at a position where it is difficult to arrange the reflective member.
- it can be suitably used for various purposes of splitting light in a hyperspectral camera or the like.
- a spectroscopic element such as a diffraction element used for the purpose of splitting light bends light in a wide wavelength range, and high diffraction efficiency is required.
- the transmissive liquid crystal diffraction element of the present invention can disperse incident light in a wide wavelength range with high diffraction efficiency, and can detect light with high sensitivity in a hyperspectral camera or the like.
- Transmissive liquid crystal diffractive element 30 Support 32 Alignment film 36, 37, 36c Optically anisotropic layer 36a, 37a, 37c First optically anisotropic layer 36b, 37b, 37d Second optically anisotropic layer 38th Phase difference layer 40 Liquid crystal compound 40c Bar-shaped liquid crystal compound 40d Disc-shaped liquid crystal compound 40A Optical shaft 42, 42b Rod-shaped liquid crystal layer 44, 44b Disc-shaped liquid crystal layer 46a, 46b, 47, 48a, 48b Liquid crystal layer 50 ⁇ / 4 plate 60 Exposure device 62 laser 64 light source 65 lambda / 2 plate 68 a polarizing beam splitter 70A, 70B mirrors 72A, 72B ⁇ / 4 plate I R, I R1 right circularly polarized light I L, I L1 left circularly polarized light D array axis R region lambda 1 cycle M laser beam MA, MB light P O linearly polarized light P R right circularly polarized light P L left
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Abstract
異なる偏光を同じ方向に回折でき、高い回折効率を有する透過型液晶回折素子を提供する。透過型液晶回折素子は、液晶化合物由来の光学軸の向きが面内の少なくとも一方向に沿って連続的に回転しながら変化している液晶配向パターンをそれぞれ有する、第1の光学異方性層および第2の光学異方性層を有し、第1の光学異方性層の液晶配向パターンにおける光学軸の回転方向と、第2の光学異方性層の液晶配向パターンにおける光学軸の回転方向とが逆であり、液晶配向パターンにおける液晶化合物由来の光学軸の向きが面内で180°回転する長さを1周期とすると、第1の光学異方性層の液晶配向パターンの1周期と、第2の光学異方性層の液晶配向パターンの1周期とが同じである。
Description
本発明は、入射した光を回折する透過型液晶回折素子に関する。
光を屈曲させて光の進行方向を制御する光学素子として回折素子は多くの光学デバイスあるいは光学システムで利用されている。
このような回折素子として、液晶化合物を用いた液晶回折素子が提案されている。
このような回折素子として、液晶化合物を用いた液晶回折素子が提案されている。
例えば、特許文献1には、第1の偏光回折格子層であって、第1の偏光回折格子層の両面間に定められる第1の厚みにわたって第1の偏光回折格子層の分子のそれぞれの相対的配向が第1の捩じれ角で回転するように、第1の捩じれ性に従って捩じられている分子構造を含んでいる、第1の偏光回折格子層と、第1の偏光回折格子層上の第2の偏光回折格子層であって、第2の偏光回折格子層の両面間に定められる第2の厚みにわたって第2の偏光回折格子層の分子のそれぞれの相対的配向が第2の捩じれ角で回転するように、第1の捩じれ性と逆の第2の捩じれ性に従って捩じられている分子構造を含んでいる、第2の偏光回折格子層と、を備えてなる偏光回折格子が記載されている。
液晶化合物を用いた偏光回折素子においては、偏光によって屈曲する方向が異なる。具体的には、偏光回折素子に入射した右円偏光と左円偏光とは、逆方向に屈曲され分離される。そのため、偏光によらず所定の方向に光を回折することができなかった。
本発明の課題は、異なる偏光を同じ方向に回折できる透過型液晶回折素子を提供することにある。
この課題を解決するために、本発明は、以下の構成を有する。
[1] 液晶化合物由来の光学軸の向きが面内の少なくとも一方向に沿って連続的に回転しながら変化している液晶配向パターンをそれぞれ有する、第1の光学異方性層および第2の光学異方性層を有し、
第1の光学異方性層の液晶配向パターンにおける光学軸の回転方向と、第2の光学異方性層の液晶配向パターンにおける光学軸の回転方向とが逆であり、
液晶配向パターンにおける液晶化合物由来の光学軸の向きが面内で180°回転する長さを1周期とすると、第1の光学異方性層の液晶配向パターンの1周期と、第2の光学異方性層の液晶配向パターンの1周期とが同じである透過型液晶回折素子。
[2] 第1の光学異方性層および第2の光学異方性層は、厚さ方向において、液晶化合物がねじれ配向しており、
ねじれ配向のねじれ角が360°未満であり、
第1の光学異方性層における液晶化合物のねじれ方向と、第2の光学異方性層における液晶化合物のねじれ方向とが逆である[1]に記載の透過型液晶回折素子。
[3] 液晶化合物が棒状液晶化合物または円盤状液晶化合物である[1]または[2]に記載の透過型液晶回折素子。
[4] 第1の光学異方性層および第2の光学異方性層の少なくとも一方が、棒状液晶化合物を液晶配向パターンで配向した棒状液晶層と、円盤状液晶化合物を液晶配向パターンで配向した円盤状液晶層とを交互に積層した構成を有する[1]~[3]のいずれかに記載の透過型液晶回折素子。
[5] 第1の光学異方性層および第2の光学異方性層の少なくとも一方が、厚さ方向に液晶化合物がねじれ配向した液晶層を複数積層してなり、
各液晶層におけるねじれ配向のねじれ角が360°未満であり、
複数の液晶層は積層方向において、液晶化合物のねじれ方向が交互である[1]に記載の透過型液晶回折素子。
[6] 液晶層の少なくとも1つが、棒状液晶化合物を液晶配向パターンで配向した棒状液晶層と、円盤状液晶化合物を液晶配向パターンで配向した円盤状液晶層とを交互に積層した構成を有する[5]に記載の透過型液晶回折素子。
[7] 第1の光学異方性層と、第2の光学異方性層との間に配置される位相差層を有する[1]~[6]のいずれかに記載の透過型液晶回折素子。
[8] 位相差層のNz値が0.1~1.1である[7]に記載の透過型液晶回折素子。
[9] 第1の光学異方性層の第2の光学異方性層とは反対側、および、第2の光学異方性層の第1の光学異方性層とは反対側の少なくとも一方に配置されるλ/4板を有する[1]~[8]のいずれかに記載の透過型液晶回折素子。
[1] 液晶化合物由来の光学軸の向きが面内の少なくとも一方向に沿って連続的に回転しながら変化している液晶配向パターンをそれぞれ有する、第1の光学異方性層および第2の光学異方性層を有し、
第1の光学異方性層の液晶配向パターンにおける光学軸の回転方向と、第2の光学異方性層の液晶配向パターンにおける光学軸の回転方向とが逆であり、
液晶配向パターンにおける液晶化合物由来の光学軸の向きが面内で180°回転する長さを1周期とすると、第1の光学異方性層の液晶配向パターンの1周期と、第2の光学異方性層の液晶配向パターンの1周期とが同じである透過型液晶回折素子。
[2] 第1の光学異方性層および第2の光学異方性層は、厚さ方向において、液晶化合物がねじれ配向しており、
ねじれ配向のねじれ角が360°未満であり、
第1の光学異方性層における液晶化合物のねじれ方向と、第2の光学異方性層における液晶化合物のねじれ方向とが逆である[1]に記載の透過型液晶回折素子。
[3] 液晶化合物が棒状液晶化合物または円盤状液晶化合物である[1]または[2]に記載の透過型液晶回折素子。
[4] 第1の光学異方性層および第2の光学異方性層の少なくとも一方が、棒状液晶化合物を液晶配向パターンで配向した棒状液晶層と、円盤状液晶化合物を液晶配向パターンで配向した円盤状液晶層とを交互に積層した構成を有する[1]~[3]のいずれかに記載の透過型液晶回折素子。
[5] 第1の光学異方性層および第2の光学異方性層の少なくとも一方が、厚さ方向に液晶化合物がねじれ配向した液晶層を複数積層してなり、
各液晶層におけるねじれ配向のねじれ角が360°未満であり、
複数の液晶層は積層方向において、液晶化合物のねじれ方向が交互である[1]に記載の透過型液晶回折素子。
[6] 液晶層の少なくとも1つが、棒状液晶化合物を液晶配向パターンで配向した棒状液晶層と、円盤状液晶化合物を液晶配向パターンで配向した円盤状液晶層とを交互に積層した構成を有する[5]に記載の透過型液晶回折素子。
[7] 第1の光学異方性層と、第2の光学異方性層との間に配置される位相差層を有する[1]~[6]のいずれかに記載の透過型液晶回折素子。
[8] 位相差層のNz値が0.1~1.1である[7]に記載の透過型液晶回折素子。
[9] 第1の光学異方性層の第2の光学異方性層とは反対側、および、第2の光学異方性層の第1の光学異方性層とは反対側の少なくとも一方に配置されるλ/4板を有する[1]~[8]のいずれかに記載の透過型液晶回折素子。
本発明によれば、異なる偏光を同じ方向に回折でき、高い回折効率を有する透過型液晶回折素子を提供することができる。
以下、本発明の透過型液晶回折素子について、添付の図面に示される好適実施例を基に詳細に説明する。
本明細書において「~」を用いて表される数値範囲は、「~」の前後に記載される数値を下限値および上限値として含む範囲を意味する。
本明細書において、「(メタ)アクリレート」は、「アクリレートおよびメタクリレートのいずれか一方または双方」の意味で使用される。
本明細書において、「同じ」、「等しい」等は、技術分野で一般的に許容される誤差範囲を含むものとする。
本明細書において、「(メタ)アクリレート」は、「アクリレートおよびメタクリレートのいずれか一方または双方」の意味で使用される。
本明細書において、「同じ」、「等しい」等は、技術分野で一般的に許容される誤差範囲を含むものとする。
[透過型液晶回折素子]
本発明の液晶回折素子は、
液晶化合物由来の光学軸の向きが面内の少なくとも一方向に沿って連続的に回転しながら変化している液晶配向パターンを有する第1の光学異方性層および第2の光学異方性層を有し、
第1の光学異方性層の液晶配向パターンにおける光学軸の回転方向と、第2の光学異方性層の液晶配向パターンにおける光学軸の回転方向とが逆であり、
液晶配向パターンにおける液晶化合物由来の光学軸の向きが面内で180°回転する長さを1周期とすると、第1の光学異方性層の液晶配向パターンの1周期と、第2の光学異方性層の液晶配向パターンの1周期とが同じである透過型液晶回折素子である。
本発明の液晶回折素子は、
液晶化合物由来の光学軸の向きが面内の少なくとも一方向に沿って連続的に回転しながら変化している液晶配向パターンを有する第1の光学異方性層および第2の光学異方性層を有し、
第1の光学異方性層の液晶配向パターンにおける光学軸の回転方向と、第2の光学異方性層の液晶配向パターンにおける光学軸の回転方向とが逆であり、
液晶配向パターンにおける液晶化合物由来の光学軸の向きが面内で180°回転する長さを1周期とすると、第1の光学異方性層の液晶配向パターンの1周期と、第2の光学異方性層の液晶配向パターンの1周期とが同じである透過型液晶回折素子である。
図1に、本発明の透過型液晶回折素子の一例を概念的に示す。
図1に示す透過型液晶回折素子10は、厚さ方向に積層された第1の光学異方性層36aと第2の光学異方性層36bとを有する。なお、図1においては、図面を簡略化して透過型液晶回折素子10の構成を明確に示すために、第1の光学異方性層36aおよび第2の光学異方性層36bは、表面の液晶化合物40(液晶化合物の分子)のみを概念的に示している。しかしながら、第1の光学異方性層36aおよび第2の光学異方性層36bは、図2に概念的に示すように、厚さ方向において、液晶化合物40が積み重ねられた構造を有し、厚さ方向に積み重ねられた液晶化合物40の光学軸が同じ方向を向いている構造を有する。
図1に示すように、第1の光学異方性層36aと第2の光学異方性層36bとは厚さ方向に積層されている。
第1の光学異方性層36aおよび第2の光学異方性層36bは、液晶化合物由来の光学軸の向きが面内の少なくとも一方向に沿って連続的に回転しながら変化している液晶配向パターンを有する。
第1の光学異方性層36aおよび第2の光学異方性層36bが、上記液晶配向パターンを有することによって、透過する光を回折することができる。その際の回折角度は、液晶配向パターンにおいて、液晶化合物由来の光学軸の向きが面内で180°回転する長さを1周期(以下、液晶配向パターンの1周期ともいう)とすると、この1周期の長さに依存する。そのため、液晶配向パターンの1周期を調節することによって、回折角度を調節することができる。
第1の光学異方性層36aおよび第2の光学異方性層36bが、上記液晶配向パターンを有することによって、透過する光を回折することができる。その際の回折角度は、液晶配向パターンにおいて、液晶化合物由来の光学軸の向きが面内で180°回転する長さを1周期(以下、液晶配向パターンの1周期ともいう)とすると、この1周期の長さに依存する。そのため、液晶配向パターンの1周期を調節することによって、回折角度を調節することができる。
ここで、本発明において、第1の光学異方性層36aの液晶配向パターンにおける光学軸の回転方向と、第2の光学異方性層の液晶配向パターンにおける光学軸の回転方向とが逆である。また、第1の光学異方性層36aの液晶配向パターンの1周期と、第2の光学異方性層36bの液晶配向パターンの1周期とは同じである。以上の構成を有する本発明の透過型液晶回折素子は、主面に斜め方向から入射した光を透過しつつ回折する。その際、右円偏光および左円偏光を同じ方向に回折することができる。すなわち、本発明の透過型液晶回折素子は、異なる偏光を同じ方向に回折でき、高い回折効率を有する透過型液晶回折素子を実現できる。このような作用については後に詳述する。
(光学異方性層)
第1の光学異方性層36aおよび第2の光学異方性層36bについて図2および図3を用いて説明する。なお、第1の光学異方性層36aおよび第2の光学異方性層36bは、液晶配向パターンにおける光学軸の回転方向が逆である以外は同様の構成を有するので、第1の光学異方性層36aと第2の光学異方性層36bとを区別する必要がない場合にはまとめて光学異方性層36として説明を行う。
第1の光学異方性層36aおよび第2の光学異方性層36bについて図2および図3を用いて説明する。なお、第1の光学異方性層36aおよび第2の光学異方性層36bは、液晶配向パターンにおける光学軸の回転方向が逆である以外は同様の構成を有するので、第1の光学異方性層36aと第2の光学異方性層36bとを区別する必要がない場合にはまとめて光学異方性層36として説明を行う。
図2および図3に示す例は、液晶化合物を配向させた液晶相を固定してなり、液晶化合物由来の光学軸の向きが面内の少なくとも一方向に沿って連続的に回転しながら変化している液晶配向パターンを有する光学異方性層である。図2および図3に示す例における光学異方性層は、液晶配向パターンにおける光学軸の回転方向が、図1の第1の光学異方性層36aと同じである。
図2に示す例では、光学異方性層36は、支持体30の上に積層された配向膜32上に積層されている。
なお、第1の光学異方性層および第2の光学異方性層が透過型液晶回折素子として、積層される際には、図2に示す例のように、光学異方性層は、支持体30および配向膜32の上に積層された状態で積層されてもよい。あるいは、光学異方性層は、例えば、支持体30を剥離した、配向膜32および光学異方性層のみが積層された状態で積層されてもよい。または、光学異方性層は、例えば、支持体30および配向膜32を剥離した、光学異方性層のみの状態で積層されてもよい。
なお、第1の光学異方性層および第2の光学異方性層が透過型液晶回折素子として、積層される際には、図2に示す例のように、光学異方性層は、支持体30および配向膜32の上に積層された状態で積層されてもよい。あるいは、光学異方性層は、例えば、支持体30を剥離した、配向膜32および光学異方性層のみが積層された状態で積層されてもよい。または、光学異方性層は、例えば、支持体30および配向膜32を剥離した、光学異方性層のみの状態で積層されてもよい。
<支持体>
支持体30は、配向膜32、および、光学異方性層36を支持するものである。
支持体30は、配向膜32、光学異方性層36を支持できるものであれば、各種のシート状物(フィルム、板状物)が利用可能である。
なお、支持体30は、回折する光に対する透過率が50%以上であることが好ましく、70%以上であることがより好ましく、85%以上であることがさらに好ましい。
支持体30は、配向膜32、および、光学異方性層36を支持するものである。
支持体30は、配向膜32、光学異方性層36を支持できるものであれば、各種のシート状物(フィルム、板状物)が利用可能である。
なお、支持体30は、回折する光に対する透過率が50%以上であることが好ましく、70%以上であることがより好ましく、85%以上であることがさらに好ましい。
支持体30の厚さには、制限はなく、透過型液晶回折素子の用途および支持体30の形成材料等に応じて、配向膜32、光学異方性層36を保持できる厚さを、適宜、設定すればよい。
支持体30の厚さは、1~1000μmが好ましく、3~250μmがより好ましく、5~150μmがさらに好ましい。
支持体30の厚さは、1~1000μmが好ましく、3~250μmがより好ましく、5~150μmがさらに好ましい。
支持体30は単層であっても、多層であってもよい。
単層である場合の支持体30としては、ガラス、トリアセチルセルロース(TAC)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリカーボネート、ポリ塩化ビニル、アクリル、および、ポリオレフィン等からなる支持体30が例示される。多層である場合の支持体30の例としては、前述の単層の支持体のいずれかなどを基板として含み、この基板の表面に他の層を設けたもの等が例示される。
単層である場合の支持体30としては、ガラス、トリアセチルセルロース(TAC)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリカーボネート、ポリ塩化ビニル、アクリル、および、ポリオレフィン等からなる支持体30が例示される。多層である場合の支持体30の例としては、前述の単層の支持体のいずれかなどを基板として含み、この基板の表面に他の層を設けたもの等が例示される。
<配向膜>
支持体30の表面には配向膜32が形成される。
配向膜32は、光学異方性層36を形成する際に、液晶化合物40を所定の液晶配向パターンに配向するための配向膜である。
後述するが、本発明において、光学異方性層36は、液晶化合物40に由来する光学軸40A(図3参照)の向きが、面内の一方向に沿って連続的に回転しながら変化している液晶配向パターンを有する。従って、配向膜32は、光学異方性層36が、この液晶配向パターンを形成できるように、形成される。
以下の説明では、『光学軸40Aの向きが回転』を単に『光学軸40Aが回転』とも言う。
支持体30の表面には配向膜32が形成される。
配向膜32は、光学異方性層36を形成する際に、液晶化合物40を所定の液晶配向パターンに配向するための配向膜である。
後述するが、本発明において、光学異方性層36は、液晶化合物40に由来する光学軸40A(図3参照)の向きが、面内の一方向に沿って連続的に回転しながら変化している液晶配向パターンを有する。従って、配向膜32は、光学異方性層36が、この液晶配向パターンを形成できるように、形成される。
以下の説明では、『光学軸40Aの向きが回転』を単に『光学軸40Aが回転』とも言う。
配向膜32は、公知の各種のものが利用可能である。
例えば、ポリマーなどの有機化合物からなるラビング処理膜、無機化合物の斜方蒸着膜、マイクログルーブを有する膜、ならびに、ω-トリコサン酸、ジオクタデシルメチルアンモニウムクロライドおよびステアリル酸メチルなどの有機化合物のラングミュア・ブロジェット法によるLB(Langmuir-Blodgett:ラングミュア・ブロジェット)膜を累積させた膜、等が例示される。
例えば、ポリマーなどの有機化合物からなるラビング処理膜、無機化合物の斜方蒸着膜、マイクログルーブを有する膜、ならびに、ω-トリコサン酸、ジオクタデシルメチルアンモニウムクロライドおよびステアリル酸メチルなどの有機化合物のラングミュア・ブロジェット法によるLB(Langmuir-Blodgett:ラングミュア・ブロジェット)膜を累積させた膜、等が例示される。
ラビング処理による配向膜32は、ポリマー層の表面を紙または布で一定方向に数回こすることにより形成できる。
配向膜32に使用する材料としては、ポリイミド、ポリビニルアルコール、特開平9-152509号公報に記載された重合性基を有するポリマー、特開2005-97377号公報、特開2005-99228号公報、および、特開2005-128503号公報記載の配向膜32等の形成に用いられる材料が好ましい。
配向膜32に使用する材料としては、ポリイミド、ポリビニルアルコール、特開平9-152509号公報に記載された重合性基を有するポリマー、特開2005-97377号公報、特開2005-99228号公報、および、特開2005-128503号公報記載の配向膜32等の形成に用いられる材料が好ましい。
光学異方性層においては、配向膜32は、光配向性の素材に偏光または非偏光を照射して配向膜32とした、いわゆる光配向膜が好適に利用される。すなわち、光学異方性層においては、配向膜32として、支持体30上に、光配向材料を塗布して形成した光配向膜が、好適に利用される。
偏光の照射は、光配向膜に対して、垂直方向または斜め方向から行うことができ、非偏光の照射は、光配向膜に対して、斜め方向から行うことができる。
偏光の照射は、光配向膜に対して、垂直方向または斜め方向から行うことができ、非偏光の照射は、光配向膜に対して、斜め方向から行うことができる。
本発明に利用可能な配向膜に用いられる光配向材料としては、例えば、特開2006-285197号公報、特開2007-76839号公報、特開2007-138138号公報、特開2007-94071号公報、特開2007-121721号公報、特開2007-140465号公報、特開2007-156439号公報、特開2007-133184号公報、特開2009-109831号公報、特許第3883848号公報および特許第4151746号公報に記載のアゾ化合物、特開2002-229039号公報に記載の芳香族エステル化合物、特開2002-265541号公報および特開2002-317013号公報に記載の光配向性単位を有するマレイミドおよび/またはアルケニル置換ナジイミド化合物、特許第4205195号および特許第4205198号に記載の光架橋性シラン誘導体、特表2003-520878号公報、特表2004-529220号公報および特許第4162850号に記載の光架橋性ポリイミド、光架橋性ポリアミドおよび光架橋性ポリエステル、ならびに、特開平9-118717号公報、特表平10-506420号公報、特表2003-505561号公報、国際公開第2010/150748号、特開2013-177561号公報および特開2014-12823号公報に記載の光二量化可能な化合物、特にシンナメート化合物、カルコン化合物およびクマリン化合物等が、好ましい例として例示される。
中でも、アゾ化合物、光架橋性ポリイミド、光架橋性ポリアミド、光架橋性ポリエステル、シンナメート化合物、および、カルコン化合物は、好適に利用される。
中でも、アゾ化合物、光架橋性ポリイミド、光架橋性ポリアミド、光架橋性ポリエステル、シンナメート化合物、および、カルコン化合物は、好適に利用される。
配向膜32の厚さには、制限はなく、配向膜32の形成材料に応じて、必要な配向機能を得られる厚さを、適宜、設定すればよい。
配向膜32の厚さは、0.01~5μmが好ましく、0.05~2μmがより好ましい。
配向膜32の厚さは、0.01~5μmが好ましく、0.05~2μmがより好ましい。
配向膜32の形成方法には、制限はなく、配向膜32の形成材料に応じた公知の方法が、各種、利用可能である。一例として、配向膜32を支持体30の表面に塗布して乾燥させた後、配向膜32をレーザ光によって露光して、配向パターンを形成する方法が例示される。
図4に、配向膜32を露光して、配向パターンを形成する露光装置の一例を概念的に示す。
図4に示す露光装置60は、レーザ62を備えた光源64と、レーザ62が出射したレーザ光Mの偏光方向を変えるλ/2板65と、レーザ62が出射したレーザ光Mを光線MAおよびMBの2つに分離する偏光ビームスプリッター68と、分離された2つの光線MAおよびMBの光路上にそれぞれ配置されたミラー70Aおよび70Bと、λ/4板72Aおよび72Bと、を備える。
なお、光源64は直線偏光P0を出射する。λ/4板72Aは、直線偏光P0(光線MA)を右円偏光PRに、λ/4板72Bは直線偏光P0(光線MB)を左円偏光PLに、それぞれ変換する。
図4に示す露光装置60は、レーザ62を備えた光源64と、レーザ62が出射したレーザ光Mの偏光方向を変えるλ/2板65と、レーザ62が出射したレーザ光Mを光線MAおよびMBの2つに分離する偏光ビームスプリッター68と、分離された2つの光線MAおよびMBの光路上にそれぞれ配置されたミラー70Aおよび70Bと、λ/4板72Aおよび72Bと、を備える。
なお、光源64は直線偏光P0を出射する。λ/4板72Aは、直線偏光P0(光線MA)を右円偏光PRに、λ/4板72Bは直線偏光P0(光線MB)を左円偏光PLに、それぞれ変換する。
配向パターンを形成される前の配向膜32を有する支持体30が露光部に配置され、2つの光線MAと光線MBとを配向膜32上において交差させて干渉させ、その干渉光を配向膜32に照射して露光する。
この際の干渉により、配向膜32に照射される光の偏光状態が干渉縞状に周期的に変化するものとなる。これにより、配向状態が周期的に変化する配向パターンを有する配向膜(以下、パターン配向膜ともいう)が得られる。
露光装置60においては、2つの光線MAおよびMBの交差角αを変化させることにより、配向パターンの周期を調節できる。すなわち、露光装置60においては、交差角αを調節することにより、液晶化合物40に由来する光学軸40Aが一方向に沿って連続的に回転する配向パターンにおいて、光学軸40Aが回転する1方向における、光学軸40Aが180°回転する1周期の長さを調節できる。
このような配向状態が周期的に変化した配向パターンを有する配向膜32上に、光学異方性層を形成することにより、後述するように、液晶化合物40に由来する光学軸40Aが一方向に沿って連続的に回転する液晶配向パターンを有する、光学異方性層36を形成できる。
また、λ/4板72Aおよび72Bの光学軸を、それぞれ、90°回転することにより、光学軸40Aの回転方向を逆にすることができる。
この際の干渉により、配向膜32に照射される光の偏光状態が干渉縞状に周期的に変化するものとなる。これにより、配向状態が周期的に変化する配向パターンを有する配向膜(以下、パターン配向膜ともいう)が得られる。
露光装置60においては、2つの光線MAおよびMBの交差角αを変化させることにより、配向パターンの周期を調節できる。すなわち、露光装置60においては、交差角αを調節することにより、液晶化合物40に由来する光学軸40Aが一方向に沿って連続的に回転する配向パターンにおいて、光学軸40Aが回転する1方向における、光学軸40Aが180°回転する1周期の長さを調節できる。
このような配向状態が周期的に変化した配向パターンを有する配向膜32上に、光学異方性層を形成することにより、後述するように、液晶化合物40に由来する光学軸40Aが一方向に沿って連続的に回転する液晶配向パターンを有する、光学異方性層36を形成できる。
また、λ/4板72Aおよび72Bの光学軸を、それぞれ、90°回転することにより、光学軸40Aの回転方向を逆にすることができる。
上述のとおり、パターン配向膜は、パターン配向膜の上に形成される光学異方性層中の液晶化合物の光学軸の向きが面内の少なくとも一方向に沿って連続的に回転しながら変化している液晶配向パターンとなるように、液晶化合物を配向させる配向パターンを有する。パターン配向膜が、液晶化合物を配向させる向きに沿った軸を配向軸とすると、パターン配向膜は、配向軸の向きが面内の少なくとも一方向に沿って連続的に回転しながら変化している配向パターンを有するといえる。パターン配向膜の配向軸は、吸収異方性を測定することで検出することができる。例えば、パターン配向膜に直線偏光を回転させながら照射して、パターン配向膜を透過する光の光量を測定した際に、光量が最大または最小となる向きが、面内の一方向に沿って漸次変化して観測される。
なお、本発明において、配向膜32は、好ましい態様として設けられるものであり、必須の構成要件ではない。
例えば、支持体30をラビング処理する方法、支持体30をレーザ光などで加工する方法等によって、支持体30に配向パターンを形成することにより、光学異方性層が、液晶化合物40に由来する光学軸40Aの向きが面内の少なくとも一方向に沿って連続的に回転しながら変化している液晶配向パターンを有する構成とすることも、可能である。すなわち、本発明においては、支持体30を配向膜として作用させてもよい。
例えば、支持体30をラビング処理する方法、支持体30をレーザ光などで加工する方法等によって、支持体30に配向パターンを形成することにより、光学異方性層が、液晶化合物40に由来する光学軸40Aの向きが面内の少なくとも一方向に沿って連続的に回転しながら変化している液晶配向パターンを有する構成とすることも、可能である。すなわち、本発明においては、支持体30を配向膜として作用させてもよい。
<光学異方性層>
光学異方性層36は、配向膜32の表面に形成される。
上述したように、光学異方性層36は、液晶化合物を配向した液晶相を固定してなる、光学異方性層であり、液晶化合物由来の光学軸の向きが面内の少なくとも一方向に沿って連続的に回転しながら変化している液晶配向パターンを有する光学異方性層である。
光学異方性層36は、配向膜32の表面に形成される。
上述したように、光学異方性層36は、液晶化合物を配向した液晶相を固定してなる、光学異方性層であり、液晶化合物由来の光学軸の向きが面内の少なくとも一方向に沿って連続的に回転しながら変化している液晶配向パターンを有する光学異方性層である。
光学異方性層36は、図2に概念的に示すように、液晶化合物40が厚さ方向に螺旋状に捩じれ回転しておらず、面方向の同じ位置の液晶化合物40はその光学軸40Aの向きが同じ向きになるように配向されている。
<<光学異方性層の形成方法>>
光学異方性層は、液晶化合物由来の光学軸の向きが面内の少なくとも一方向に沿って連続的に回転しながら変化している液晶配向パターンに配向した液晶相を層状に固定して形成できる。
液晶相を固定した構造は、液晶相となっている液晶化合物の配向が保持されている構造であればよく、典型的には、重合性液晶化合物を液晶配向パターンに沿った配向状態としたうえで、紫外線照射、加熱等によって重合、硬化し、流動性が無い層を形成して、同時に、外場または外力によって配向形態に変化を生じさせることない状態に変化した構造が好ましい。
なお、液晶相を固定した構造においては、液晶相の光学的性質が保持されていれば十分であり、光学異方性層において、液晶化合物40は液晶性を示さなくてもよい。例えば、重合性液晶化合物は、硬化反応により高分子量化して、液晶性を失っていてもよい。
光学異方性層は、液晶化合物由来の光学軸の向きが面内の少なくとも一方向に沿って連続的に回転しながら変化している液晶配向パターンに配向した液晶相を層状に固定して形成できる。
液晶相を固定した構造は、液晶相となっている液晶化合物の配向が保持されている構造であればよく、典型的には、重合性液晶化合物を液晶配向パターンに沿った配向状態としたうえで、紫外線照射、加熱等によって重合、硬化し、流動性が無い層を形成して、同時に、外場または外力によって配向形態に変化を生じさせることない状態に変化した構造が好ましい。
なお、液晶相を固定した構造においては、液晶相の光学的性質が保持されていれば十分であり、光学異方性層において、液晶化合物40は液晶性を示さなくてもよい。例えば、重合性液晶化合物は、硬化反応により高分子量化して、液晶性を失っていてもよい。
液晶相を固定してなる光学異方性層の形成に用いる材料としては、一例として、液晶化合物を含む液晶組成物が挙げられる。液晶化合物は重合性液晶化合物であることが好ましい。
また、光学異方性層の形成に用いる液晶組成物は、さらに界面活性剤、重合開始剤等を含んでいてもよい。
また、光学異方性層の形成に用いる液晶組成物は、さらに界面活性剤、重合開始剤等を含んでいてもよい。
--重合性液晶化合物--
重合性液晶化合物は、棒状液晶化合物であっても、円盤状液晶化合物であってもよい。
光学異方性層を形成する棒状の重合性液晶化合物の例としては、棒状ネマチック液晶化合物が挙げられる。棒状ネマチック液晶化合物としては、アゾメチン類、アゾキシ類、シアノビフェニル類、シアノフェニルエステル類、安息香酸エステル類、シクロヘキサンカルボン酸フェニルエステル類、シアノフェニルシクロヘキサン類、シアノ置換フェニルピリミジン類、アルコキシ置換フェニルピリミジン類、フェニルジオキサン類、トラン類、および、アルケニルシクロヘキシルベンゾニトリル類等が好ましく用いられる。低分子液晶化合物だけではなく、高分子液晶化合物も用いることができる。
重合性液晶化合物は、棒状液晶化合物であっても、円盤状液晶化合物であってもよい。
光学異方性層を形成する棒状の重合性液晶化合物の例としては、棒状ネマチック液晶化合物が挙げられる。棒状ネマチック液晶化合物としては、アゾメチン類、アゾキシ類、シアノビフェニル類、シアノフェニルエステル類、安息香酸エステル類、シクロヘキサンカルボン酸フェニルエステル類、シアノフェニルシクロヘキサン類、シアノ置換フェニルピリミジン類、アルコキシ置換フェニルピリミジン類、フェニルジオキサン類、トラン類、および、アルケニルシクロヘキシルベンゾニトリル類等が好ましく用いられる。低分子液晶化合物だけではなく、高分子液晶化合物も用いることができる。
重合性液晶化合物は、重合性基を液晶化合物に導入することで得られる。重合性基の例には、不飽和重合性基、エポキシ基、およびアジリジニル基が含まれ、不飽和重合性基が好ましく、エチレン性不飽和重合性基がより好ましい。重合性基は種々の方法で、液晶化合物の分子中に導入できる。重合性液晶化合物が有する重合性基の個数は、好ましくは1~6個、より好ましくは1~3個である。
重合性液晶化合物の例は、Makromol.Chem.,190巻、2255頁(1989年)、Advanced Materials 5巻、107頁(1993年)、米国特許第4683327号明細書、米国特許第5622648号明細書、米国特許第5770107号明細書、国際公開第95/22586号、国際公開第95/24455号、国際公開第97/00600号、国際公開第98/23580号、国際公開第98/52905号、特開平1-272551号公報、特開平6-16616号公報、特開平7-110469号公報、特開平11-80081号公報、および、特開2001-328973号公報等に記載の化合物が含まれる。2種類以上の重合性液晶化合物を併用してもよい。2種類以上の重合性液晶化合物を併用すると、配向温度を低下させることができる。
重合性液晶化合物の例は、Makromol.Chem.,190巻、2255頁(1989年)、Advanced Materials 5巻、107頁(1993年)、米国特許第4683327号明細書、米国特許第5622648号明細書、米国特許第5770107号明細書、国際公開第95/22586号、国際公開第95/24455号、国際公開第97/00600号、国際公開第98/23580号、国際公開第98/52905号、特開平1-272551号公報、特開平6-16616号公報、特開平7-110469号公報、特開平11-80081号公報、および、特開2001-328973号公報等に記載の化合物が含まれる。2種類以上の重合性液晶化合物を併用してもよい。2種類以上の重合性液晶化合物を併用すると、配向温度を低下させることができる。
また、上記以外の重合性液晶化合物としては、特開昭57-165480号公報に開示されているようなコレステリック相を有する環式オルガノポリシロキサン化合物等を用いることができる。さらに、前述の高分子液晶化合物としては、液晶を呈するメソゲン基を主鎖、側鎖、あるいは主鎖および側鎖の両方の位置に導入した高分子、コレステリル基を側鎖に導入した高分子コレステリック液晶、特開平9-133810号公報に開示されているような液晶性高分子、および、特開平11-293252号公報に開示されているような液晶性高分子等を用いることができる。
--円盤状液晶化合物--
円盤状液晶化合物としては、例えば、特開2007-108732号公報や特開2010-244038号公報に記載のものを好ましく用いることができる。
円盤状液晶化合物としては、例えば、特開2007-108732号公報や特開2010-244038号公報に記載のものを好ましく用いることができる。
また、液晶組成物中の重合性液晶化合物の添加量は、液晶組成物の固形分質量(溶媒を除いた質量)に対して、75~99.9質量%であることが好ましく、80~99質量%であることがより好ましく、85~90質量%であることがさらに好ましい。
--界面活性剤--
光学異方性層を形成する際に用いる液晶組成物は、界面活性剤を含有してもよい。
界面活性剤は、安定的に、または迅速に、液晶化合物の配向に寄与する配向制御剤として機能できる化合物が好ましい。界面活性剤としては、例えば、シリコ-ン系界面活性剤およびフッ素系界面活性剤が挙げられ、フッ素系界面活性剤が好ましく例示される。
光学異方性層を形成する際に用いる液晶組成物は、界面活性剤を含有してもよい。
界面活性剤は、安定的に、または迅速に、液晶化合物の配向に寄与する配向制御剤として機能できる化合物が好ましい。界面活性剤としては、例えば、シリコ-ン系界面活性剤およびフッ素系界面活性剤が挙げられ、フッ素系界面活性剤が好ましく例示される。
界面活性剤の具体例としては、特開2014-119605号公報の段落[0082]~[0090]に記載の化合物、特開2012-203237号公報の段落[0031]~[0034]に記載の化合物、特開2005-99248号公報の段落[0092]および[0093]中に例示されている化合物、特開2002-129162号公報の段落[0076]~[0078]および段落[0082]~[0085]中に例示されている化合物、ならびに、特開2007-272185号公報の段落[0018]~[0043]等に記載のフッ素(メタ)アクリレート系ポリマー、などが挙げられる。
なお、界面活性剤は、1種を単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。
フッ素系界面活性剤として、特開2014-119605号公報の段落[0082]~[0090]に記載の化合物が好ましい。
なお、界面活性剤は、1種を単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。
フッ素系界面活性剤として、特開2014-119605号公報の段落[0082]~[0090]に記載の化合物が好ましい。
液晶組成物中における、界面活性剤の添加量は、液晶化合物の全質量に対して0.01~10質量%が好ましく、0.01~5質量%がより好ましく、0.02~1質量%がさらに好ましい。
--重合開始剤--
液晶組成物が重合性化合物を含む場合は、重合開始剤を含有していることが好ましい。紫外線照射により重合反応を進行させる態様では、使用する重合開始剤は、紫外線照射によって重合反応を開始可能な光重合開始剤が好ましい。
光重合開始剤の例には、α-カルボニル化合物(米国特許第2367661号、米国特許第2367670号の各明細書記載)、アシロインエーテル(米国特許第2448828号明細書記載)、α-炭化水素置換芳香族アシロイン化合物(米国特許第2722512号明細書記載)、多核キノン化合物(米国特許第3046127号、米国特許第2951758号の各明細書記載)、トリアリールイミダゾールダイマーとp-アミノフェニルケトンとの組み合わせ(米国特許第3549367号明細書記載)、アクリジンおよびフェナジン化合物(特開昭60-105667号公報、米国特許第4239850号明細書記載)、ならびに、オキサジアゾール化合物(米国特許第4212970号明細書記載)等が挙げられる。
液晶組成物中の光重合開始剤の含有量は、液晶化合物の含有量に対して0.1~20質量%であることが好ましく、0.5~12質量%であることがさらに好ましい。
液晶組成物が重合性化合物を含む場合は、重合開始剤を含有していることが好ましい。紫外線照射により重合反応を進行させる態様では、使用する重合開始剤は、紫外線照射によって重合反応を開始可能な光重合開始剤が好ましい。
光重合開始剤の例には、α-カルボニル化合物(米国特許第2367661号、米国特許第2367670号の各明細書記載)、アシロインエーテル(米国特許第2448828号明細書記載)、α-炭化水素置換芳香族アシロイン化合物(米国特許第2722512号明細書記載)、多核キノン化合物(米国特許第3046127号、米国特許第2951758号の各明細書記載)、トリアリールイミダゾールダイマーとp-アミノフェニルケトンとの組み合わせ(米国特許第3549367号明細書記載)、アクリジンおよびフェナジン化合物(特開昭60-105667号公報、米国特許第4239850号明細書記載)、ならびに、オキサジアゾール化合物(米国特許第4212970号明細書記載)等が挙げられる。
液晶組成物中の光重合開始剤の含有量は、液晶化合物の含有量に対して0.1~20質量%であることが好ましく、0.5~12質量%であることがさらに好ましい。
--架橋剤--
液晶組成物は、硬化後の膜強度向上、耐久性向上のため、任意に架橋剤を含有していてもよい。架橋剤としては、紫外線、熱、および、湿気等で硬化するものが好適に使用できる。
架橋剤としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えばトリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレートおよびペンタエリスリトールトリ(メタ)アクリレート等の多官能アクリレート化合物;グリシジル(メタ)アクリレートおよびエチレングリコールジグリシジルエーテル等のエポキシ化合物;2,2-ビスヒドロキシメチルブタノール-トリス[3-(1-アジリジニル)プロピオネート]および4,4-ビス(エチレンイミノカルボニルアミノ)ジフェニルメタン等のアジリジン化合物;ヘキサメチレンジイソシアネートおよびビウレット型イソシアネート等のイソシアネート化合物;オキサゾリン基を側鎖に有するポリオキサゾリン化合物;ならびに、ビニルトリメトキシシラン、N-(2-アミノエチル)3-アミノプロピルトリメトキシシラン等のアルコキシシラン化合物などが挙げられる。また、架橋剤の反応性に応じて公知の触媒を用いることができ、膜強度および耐久性向上に加えて生産性を向上させることができる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
架橋剤の含有量は、液晶組成物の固形分質量に対して、3~20質量%が好ましく、5~15質量%がより好ましい。架橋剤の含有量が上記範囲内であれば、架橋密度向上の効果が得られやすく、液晶相の安定性がより向上する。
液晶組成物は、硬化後の膜強度向上、耐久性向上のため、任意に架橋剤を含有していてもよい。架橋剤としては、紫外線、熱、および、湿気等で硬化するものが好適に使用できる。
架橋剤としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えばトリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレートおよびペンタエリスリトールトリ(メタ)アクリレート等の多官能アクリレート化合物;グリシジル(メタ)アクリレートおよびエチレングリコールジグリシジルエーテル等のエポキシ化合物;2,2-ビスヒドロキシメチルブタノール-トリス[3-(1-アジリジニル)プロピオネート]および4,4-ビス(エチレンイミノカルボニルアミノ)ジフェニルメタン等のアジリジン化合物;ヘキサメチレンジイソシアネートおよびビウレット型イソシアネート等のイソシアネート化合物;オキサゾリン基を側鎖に有するポリオキサゾリン化合物;ならびに、ビニルトリメトキシシラン、N-(2-アミノエチル)3-アミノプロピルトリメトキシシラン等のアルコキシシラン化合物などが挙げられる。また、架橋剤の反応性に応じて公知の触媒を用いることができ、膜強度および耐久性向上に加えて生産性を向上させることができる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
架橋剤の含有量は、液晶組成物の固形分質量に対して、3~20質量%が好ましく、5~15質量%がより好ましい。架橋剤の含有量が上記範囲内であれば、架橋密度向上の効果が得られやすく、液晶相の安定性がより向上する。
--その他の添加剤--
液晶組成物中には、必要に応じて、さらに重合禁止剤、酸化防止剤、紫外線吸収剤、光安定化剤、色材、および、金属酸化物微粒子等を、光学的性能等を低下させない範囲で添加することができる。
液晶組成物中には、必要に応じて、さらに重合禁止剤、酸化防止剤、紫外線吸収剤、光安定化剤、色材、および、金属酸化物微粒子等を、光学的性能等を低下させない範囲で添加することができる。
液晶組成物は、光学異方性層を形成する際には、液体として用いられることが好ましい。
液晶組成物は溶媒を含んでいてもよい。溶媒には、制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、有機溶媒が好ましい。
有機溶媒には、制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ケトン類、アルキルハライド類、アミド類、スルホキシド類、ヘテロ環化合物、炭化水素類、エステル類、および、エーテル類などが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、環境への負荷を考慮した場合にはケトン類が好ましい。
液晶組成物は溶媒を含んでいてもよい。溶媒には、制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、有機溶媒が好ましい。
有機溶媒には、制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ケトン類、アルキルハライド類、アミド類、スルホキシド類、ヘテロ環化合物、炭化水素類、エステル類、および、エーテル類などが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、環境への負荷を考慮した場合にはケトン類が好ましい。
光学異方性層を形成する際には、光学異方性層の形成面に液晶組成物を塗布して、液晶化合物を所定の液晶配向パターンに配向された液晶相の状態に配向した後、液晶化合物を硬化して、光学異方性層とすることが好ましい。
すなわち、配向膜32上に光学異方性層を形成する場合には、配向膜32に液晶組成物を塗布して、液晶化合物を所定の液晶配向パターンに配向した後、液晶化合物を硬化して、液晶相を固定してなる光学異方性層を形成することが好ましい。
液晶組成物の塗布は、インクジェットおよびスクロール印刷等の印刷法、ならびに、スピンコート、バーコートおよびスプレー塗布等のシート状物に液体を一様に塗布できる公知の方法が全て利用可能である。
すなわち、配向膜32上に光学異方性層を形成する場合には、配向膜32に液晶組成物を塗布して、液晶化合物を所定の液晶配向パターンに配向した後、液晶化合物を硬化して、液晶相を固定してなる光学異方性層を形成することが好ましい。
液晶組成物の塗布は、インクジェットおよびスクロール印刷等の印刷法、ならびに、スピンコート、バーコートおよびスプレー塗布等のシート状物に液体を一様に塗布できる公知の方法が全て利用可能である。
塗布された液晶組成物は、必要に応じて乾燥および/または加熱され、その後、硬化され、光学異方性層を形成する。この乾燥および/または加熱の工程で、液晶組成物中の液晶化合物が所定の液晶配向パターンに配向すればよい。加熱を行う場合、加熱温度は、200℃以下が好ましく、130℃以下がより好ましい。
配向させた液晶化合物は、必要に応じて、さらに重合される。重合は、熱重合、および、光照射による光重合のいずれでもよいが、光重合が好ましい。光照射は、紫外線を用いることが好ましい。照射エネルギーは、20mJ/cm2~50J/cm2が好ましく、50mJ/cm2~1500mJ/cm2がより好ましい。光重合反応を促進するため、加熱条件下または窒素雰囲気下で光照射を実施してもよい。照射する紫外線の波長は250~430nmが好ましい。
重合された液晶組成物は、必要に応じて、さらに液晶層を積層配向するために活性化処理してもよい。活性化処理は、コロナ処理またはプラズマ処理を採用することができる。これにより液晶を塗布する前の表面状態の濡れ性を良くすることができ、また液晶分子の水平配向の配向性を良くする効果がある。コロナ処理における放電量は10~500W/m2/minであることが好ましい。製造装置としては、再公表特許WO14/054437号公報に記載された装置を好適に利用できる。例えば、春日電機社製のコロナ処理機による常圧空気中の放電方式を用いることができる。プラズマ処理は、例えば、積水化学社製のプラズマ放電機により常圧空気中または窒素、アルゴン等の不活性ガス雰囲気中で放電する方式を用いることができる。
重合された液晶組成物は、必要に応じて、さらに液晶層を積層配向するために活性化処理してもよい。活性化処理は、コロナ処理またはプラズマ処理を採用することができる。これにより液晶を塗布する前の表面状態の濡れ性を良くすることができ、また液晶分子の水平配向の配向性を良くする効果がある。コロナ処理における放電量は10~500W/m2/minであることが好ましい。製造装置としては、再公表特許WO14/054437号公報に記載された装置を好適に利用できる。例えば、春日電機社製のコロナ処理機による常圧空気中の放電方式を用いることができる。プラズマ処理は、例えば、積水化学社製のプラズマ放電機により常圧空気中または窒素、アルゴン等の不活性ガス雰囲気中で放電する方式を用いることができる。
光学異方性層の厚さには、制限はなく、光学異方性層の用途、光学異方性層に要求される光の反射率、および、光学異方性層の形成材料等に応じて、必要な光の反射率が得られる厚さを、適宜、設定すればよい。
<<光学異方性層の液晶配向パターン>>
前述のように、光学異方性層は、液晶化合物40に由来する光学軸40Aの向きが、光学異方性層の面内において、一方向に連続的に回転しながら変化する液晶配向パターンを有する。
なお、液晶化合物40に由来する光学軸40Aとは、液晶化合物40において屈折率が最も高くなる軸、いわゆる遅相軸である。例えば、液晶化合物40が棒状液晶化合物である場合には、光学軸40Aは、棒形状の長軸方向に沿っている。以下の説明では、液晶化合物40に由来する光学軸40Aを、『液晶化合物40の光学軸40A』または『光学軸40A』ともいう。
前述のように、光学異方性層は、液晶化合物40に由来する光学軸40Aの向きが、光学異方性層の面内において、一方向に連続的に回転しながら変化する液晶配向パターンを有する。
なお、液晶化合物40に由来する光学軸40Aとは、液晶化合物40において屈折率が最も高くなる軸、いわゆる遅相軸である。例えば、液晶化合物40が棒状液晶化合物である場合には、光学軸40Aは、棒形状の長軸方向に沿っている。以下の説明では、液晶化合物40に由来する光学軸40Aを、『液晶化合物40の光学軸40A』または『光学軸40A』ともいう。
図3に、光学異方性層36の平面図を概念的に示す。
なお、平面図とは、図2において光学異方性層を上方から見た図であり、すなわち、光学異方性層を厚さ方向(=各層(膜)の積層方向)から見た図である。
また、図3では、光学異方性層(光学異方性層36)の構成を分かりやすくするため、液晶化合物40は配向膜32の表面の液晶化合物40のみを示している。
なお、平面図とは、図2において光学異方性層を上方から見た図であり、すなわち、光学異方性層を厚さ方向(=各層(膜)の積層方向)から見た図である。
また、図3では、光学異方性層(光学異方性層36)の構成を分かりやすくするため、液晶化合物40は配向膜32の表面の液晶化合物40のみを示している。
図3に示すように、配向膜32の表面において、光学異方性層36を構成する液晶化合物40は、下層の配向膜32に形成された配向パターンに応じて、光学異方性層の面内において、矢印D(以下、配列軸Dという)で示す所定の一方向に沿って、光学軸40Aの向きが連続的に回転しながら変化する液晶配向パターンを有する。図示例においては、液晶化合物40の光学軸40Aが、配列軸D方向に沿って、時計方向に連続的に回転しながら変化する、液晶配向パターンを有する。
光学異方性層36を構成する液晶化合物40は、配列軸D、および、この一方向(配列軸D方向)と直交する方向に、二次元的に配列された状態になっている。
以下の説明では、配列軸D方向と直交する方向を、便宜的にY方向とする。すなわち、矢印Y方向とは、液晶化合物40の光学軸40Aの向きが、光学異方性層の面内において、連続的に回転しながら変化する一方向と直交する方向である。従って、図1、図2および後述する図5、図6では、Y方向は、紙面に直交する方向となる。
光学異方性層36を構成する液晶化合物40は、配列軸D、および、この一方向(配列軸D方向)と直交する方向に、二次元的に配列された状態になっている。
以下の説明では、配列軸D方向と直交する方向を、便宜的にY方向とする。すなわち、矢印Y方向とは、液晶化合物40の光学軸40Aの向きが、光学異方性層の面内において、連続的に回転しながら変化する一方向と直交する方向である。従って、図1、図2および後述する図5、図6では、Y方向は、紙面に直交する方向となる。
液晶化合物40の光学軸40Aの向きが配列軸D方向(所定の一方向)に連続的に回転しながら変化しているとは、具体的には、配列軸D方向に沿って配列されている液晶化合物40の光学軸40Aと、配列軸D方向とが成す角度が、配列軸D方向の位置によって異なっており、配列軸D方向に沿って、光学軸40Aと配列軸D方向とが成す角度がθからθ+180°あるいはθ-180°まで、順次、変化していることを意味する。
なお、配列軸D方向に互いに隣接する液晶化合物40の光学軸40Aの角度の差は、45°以下であることが好ましく、15°以下であることがより好ましく、より小さい角度であることがさらに好ましい。
なお、配列軸D方向に互いに隣接する液晶化合物40の光学軸40Aの角度の差は、45°以下であることが好ましく、15°以下であることがより好ましく、より小さい角度であることがさらに好ましい。
また、本発明において、配列軸D方向に互いに隣接する液晶化合物40の光学軸40Aがなす角度が小さくなる向きに液晶化合物が回転しているものとする。従って、図2および図3に示す光学異方性層においては、液晶化合物40の光学軸40Aは、配列軸Dの矢印の方向に沿って、右回り(時計回り)に回転している。
一方、光学異方性層36を形成する液晶化合物40は、配列軸D方向と直交するY方向、すなわち、光学軸40Aが連続的に回転する一方向と直交するY方向では、光学軸40Aの向きが等しい。
言い換えれば、光学異方性層36を形成する液晶化合物40は、Y方向では、液晶化合物40の光学軸40Aと配列軸D方向とが成す角度が等しい。
言い換えれば、光学異方性層36を形成する液晶化合物40は、Y方向では、液晶化合物40の光学軸40Aと配列軸D方向とが成す角度が等しい。
光学異方性層36において、Y方向に配列される液晶化合物40は、光学軸40Aと配列軸D方向(液晶化合物40の光学軸の向きが回転する1方向)とが成す角度が等しい。この光学軸40Aと配列軸D方向とが成す角度が等しい液晶化合物40が、Y方向に配置された領域を、領域Rとする。
この場合に、それぞれの領域Rにおける面内レタデーション(Re)の値は、実質的に半波長すなわちλ/2であることが好ましい。これは、右円偏光は左円偏光に、左円偏光は右円偏光に変換される条件である。これらの面内レタデーションは、領域Rの屈折率異方性に伴う屈折率差Δnと光学異方性層の厚さとの積により算出される。ここで、光学異方性層における領域Rの屈折率異方性に伴う屈折率差とは、領域Rの面内における遅相軸の方向の屈折率と、遅相軸の方向に直交する方向の屈折率との差により定義される屈折率差である。すなわち、領域Rの屈折率異方性に伴う屈折率差Δnは、光学軸40Aの方向の液晶化合物40の屈折率と、領域Rの面内において光学軸40Aに垂直な方向の液晶化合物40の屈折率との差に等しい。つまり、屈折率差Δnは、液晶化合物40の屈折率差に等しい。
この場合に、それぞれの領域Rにおける面内レタデーション(Re)の値は、実質的に半波長すなわちλ/2であることが好ましい。これは、右円偏光は左円偏光に、左円偏光は右円偏光に変換される条件である。これらの面内レタデーションは、領域Rの屈折率異方性に伴う屈折率差Δnと光学異方性層の厚さとの積により算出される。ここで、光学異方性層における領域Rの屈折率異方性に伴う屈折率差とは、領域Rの面内における遅相軸の方向の屈折率と、遅相軸の方向に直交する方向の屈折率との差により定義される屈折率差である。すなわち、領域Rの屈折率異方性に伴う屈折率差Δnは、光学軸40Aの方向の液晶化合物40の屈折率と、領域Rの面内において光学軸40Aに垂直な方向の液晶化合物40の屈折率との差に等しい。つまり、屈折率差Δnは、液晶化合物40の屈折率差に等しい。
光学異方性層36においては、このような液晶化合物40の液晶配向パターンにおいて、面内で光学軸40Aが連続的に回転して変化する配列軸D方向において、液晶化合物40の光学軸40Aが180°回転する長さ(距離)を、液晶配向パターンにおける1周期の長さΛとする。
すなわち、配列軸D方向に対する角度が等しい2つの液晶化合物40の、配列軸D方向の中心間の距離を、1周期の長さΛとする。具体的には、図3に示すように、配列軸D方向と光学軸40Aの方向とが一致する2つの液晶化合物40の、配列軸D方向の中心間の距離を、1周期の長さΛとする。以下の説明では、この1周期の長さΛを『1周期Λ』とも言う。
光学異方性層36の液晶配向パターンは、この1周期Λを、配列軸D方向すなわち光学軸40Aの向きが連続的に回転して変化する一方向に繰り返す。
すなわち、配列軸D方向に対する角度が等しい2つの液晶化合物40の、配列軸D方向の中心間の距離を、1周期の長さΛとする。具体的には、図3に示すように、配列軸D方向と光学軸40Aの方向とが一致する2つの液晶化合物40の、配列軸D方向の中心間の距離を、1周期の長さΛとする。以下の説明では、この1周期の長さΛを『1周期Λ』とも言う。
光学異方性層36の液晶配向パターンは、この1周期Λを、配列軸D方向すなわち光学軸40Aの向きが連続的に回転して変化する一方向に繰り返す。
このような光学異方性層36に円偏光が入射すると、光は、屈折され、かつ、円偏光の方向が変換される。
この作用を、図5および図6に概念的に示す。なお、光学異方性層36は、液晶化合物の屈折率差と光学異方性層の厚さとの積の値がλ/2であるとする。
図5に示すように、光学異方性層36の液晶化合物の屈折率差と光学異方性層の厚さとの積の値がλ/2の場合に、光学異方性層36に左円偏光である入射光L1が入射すると、入射光L1は、光学異方性層36を通過することにより180°の位相差が与えられて、透過光L2は、右円偏光に変換される。
また、光学異方性層36に形成された液晶配向パターンは、配列軸D方向に周期的なパターンであるため、透過光L2は、入射光L1の進行方向とは異なる方向に進行する。このように、左円偏光の入射光L1は、入射方向に対して配列軸D方向に一定の角度だけ傾いた、右円偏光の透過光L2に変換される。図5に示す例では、透過光L2は、右下方向に進行するように回折されている。
この作用を、図5および図6に概念的に示す。なお、光学異方性層36は、液晶化合物の屈折率差と光学異方性層の厚さとの積の値がλ/2であるとする。
図5に示すように、光学異方性層36の液晶化合物の屈折率差と光学異方性層の厚さとの積の値がλ/2の場合に、光学異方性層36に左円偏光である入射光L1が入射すると、入射光L1は、光学異方性層36を通過することにより180°の位相差が与えられて、透過光L2は、右円偏光に変換される。
また、光学異方性層36に形成された液晶配向パターンは、配列軸D方向に周期的なパターンであるため、透過光L2は、入射光L1の進行方向とは異なる方向に進行する。このように、左円偏光の入射光L1は、入射方向に対して配列軸D方向に一定の角度だけ傾いた、右円偏光の透過光L2に変換される。図5に示す例では、透過光L2は、右下方向に進行するように回折されている。
一方、図6に示すように、光学異方性層36の液晶化合物の屈折率差と光学異方性層の厚さとの積の値がλ/2のとき、光学異方性層36に右円偏光の入射光L4が入射すると、入射光L4は、光学異方性層36を通過することにより、180°の位相差が与えられて、左円偏光の透過光L5に変換される。
また、光学異方性層36に形成された液晶配向パターンは、配列軸D方向に周期的なパターンであるため、透過光L5は、入射光L4の進行方向とは異なる方向に進行する。このとき、透過光L5は透過光L2と異なる方向、つまり、入射方向に対して配列軸Dの矢印方向とは逆の方向に進行する。このように、入射光L4は、入射方向に対して配列軸D方向とは逆の方向に一定の角度だけ傾いた左円偏光の透過光L5に変換される。図6に示す例では、透過光L5は、左下方向に進行するように回折されている。
また、光学異方性層36に形成された液晶配向パターンは、配列軸D方向に周期的なパターンであるため、透過光L5は、入射光L4の進行方向とは異なる方向に進行する。このとき、透過光L5は透過光L2と異なる方向、つまり、入射方向に対して配列軸Dの矢印方向とは逆の方向に進行する。このように、入射光L4は、入射方向に対して配列軸D方向とは逆の方向に一定の角度だけ傾いた左円偏光の透過光L5に変換される。図6に示す例では、透過光L5は、左下方向に進行するように回折されている。
前述のとおり、光学異方性層36は、形成された液晶配向パターンの1周期Λの長さによって、透過光L2およびL5の屈折の角度を調節できる。具体的には、光学異方性層36は、液晶配向パターンの1周期Λが短いほど、互いに隣接した液晶化合物40を通過した光同士が強く干渉するため、透過光L2およびL5を大きく屈折させることができる。
また、配列軸D方向に沿って回転する、液晶化合物40の光学軸40Aの回転方向を逆方向にすることにより、透過光の屈折の方向を、逆方向にできる。すなわち、図5および図6に示す例では、配列軸D方向に向かう光学軸40Aの回転方向は時計回りであるが、この回転方向を反時計回りにすることで、透過光の屈折の方向を、逆方向にできる。具体的には、図5および図6において、配列軸D方向に向かう光学軸40Aの回転方向が反時計回りの場合には、光学異方性層36に図中上側から入射する左円偏光は、光学異方性層36を通過することにより透過光は右円偏光に変換され、かつ、図中左下方向に進行するように回折される。また、光学異方性層36に図中上側から入射する右円偏光は、光学異方性層36を通過することにより透過光は左円偏光に変換され、かつ、図中右下方向に進行するように回折される。
(透過型液晶回折素子の作用)
次に、このような液晶配向パターンを有する光学異方性層を2層積層した構成を有する本発明の透過型液晶回折素子の作用について、図7を用いて説明する。なお、図7においては、説明のため、第1の光学異方性層36aと第2の光学異方性層36bとを離間して示している。
次に、このような液晶配向パターンを有する光学異方性層を2層積層した構成を有する本発明の透過型液晶回折素子の作用について、図7を用いて説明する。なお、図7においては、説明のため、第1の光学異方性層36aと第2の光学異方性層36bとを離間して示している。
前述のとおり、本発明の透過型液晶回折素子は、液晶配向パターンを有する第1の光学異方性層および第2の光学異方性層が積層されており、各光学異方性層の液晶配向パターンにおける光学軸の回転方向が逆である。図7では、第1の光学異方性層36aの液晶配向パターンにおける光学軸の回転方向が時計回り(右回り)であり、第2の光学異方性層36bにおける光学軸の回転方向が反時計回り(左回り)である。
また、第1の光学異方性層36aにおける液晶配向パターンの配列軸Dの方向と、第2の光学異方性層36bにおける液晶配向パターンの配列軸Dの方向とは一致している。図7に示す例では、配列軸Dの方向は図中左方向である。
また、第1の光学異方性層36aにおける液晶配向パターンの1周期Λの長さと、第2の光学異方性層36bにおける液晶配向パターンの1周期Λの長さは同じである。
また、第1の光学異方性層36aにおける液晶配向パターンの1周期Λの長さと、第2の光学異方性層36bにおける液晶配向パターンの1周期Λの長さは同じである。
このような構成の透過型液晶回折素子に、第1の光学異方性層36a側から右円偏光IRおよび左円偏光ILが入射した場合を例に説明する。
図7に示すように、右円偏光IRおよび左円偏光ILは、第1の光学異方性層36aの主面に対して斜め方向から入射する。図示例においては、右円偏光IRおよび左円偏光ILは配列軸Dに沿って、図7中左上方向から右下方向に進行するように同じ入射角度で第1の光学異方性層36aに入射している。
図7に示すように、右円偏光IRおよび左円偏光ILは、第1の光学異方性層36aの主面に対して斜め方向から入射する。図示例においては、右円偏光IRおよび左円偏光ILは配列軸Dに沿って、図7中左上方向から右下方向に進行するように同じ入射角度で第1の光学異方性層36aに入射している。
前述のとおり、光学異方性層は、右円偏光IRおよび左円偏光ILを配列軸Dに沿って逆方向に回折させる。図7に示す例では、第1の光学異方性層36aは、入射した右円偏光IRを、入射した右円偏光IRの進行方向に対して、配列軸Dに沿って図7中左下方向に進行する方向に回折する。また、前述のとおり、回折された光は、左円偏光IL1に変換される。
一方、左円偏光ILに対しては、第1の光学異方性層36aは、入射した左円偏光ILを、入射した左円偏光ILの進行方向に対して、配列軸Dに沿って図7中右方向に回折しようとする。しかしながら、光学異方性層による回折効率の角度依存性があり、この方向への回折は、回折効率が低くなるため、入射した左円偏光ILはほとんど回折されずに、左円偏光ILのまま第1の光学異方性層36aを図中右下方向に透過する。
第1の光学異方性層36aを透過した左円偏光IL1および左円偏光ILは、第2の光学異方性層36bに入射する。前述のとおり、第2の光学異方性層36bは、液晶配向パターンにおける光学軸の回転方向が、第1の光学異方性層36aとは逆である。そのため、第2の光学異方性層36bは、入射した円偏光を第1の光学異方性層36aとは逆方向に回折する。すなわち、左円偏光を配列軸Dに沿って左方向に回折する。
図7に示すとおり、左円偏光IL1は、第2の光学異方性層36bに対して、右上方向から左下方向に進行するように入射する。ここで、左円偏光IL1に対しては、第2の光学異方性層36bは、入射した左円偏光IL1を、入射した左円偏光IL1の進行方向に対して、配列軸Dに沿って図7中左方向に回折しようとする。しかしながら、光学異方性層による回折効率の角度依存性があり、この方向への回折は、回折効率が低くなるため、入射した左円偏光IL1はほとんど回折されずに、左円偏光IL1のまま第2の光学異方性層36bを左下方向に透過する。
一方、第2の光学異方性層36bは、左上方向から右下方向に進行する左円偏光ILを、入射した左円偏光ILの進行方向に対して、配列軸Dに沿って図7中左下方向に進行する方向に回折する。また、前述のとおり、回折された光は、右円偏光IR1に変換される。
従って、図7に示すとおり、第1の光学異方性層36aおよび第2の光学異方性層36bに斜め方向から入射した右円偏光IRおよび左円偏光ILは、左円偏光IL1および右円偏光IR1となって、同じ方向に回折されて出射される。
前述のとおり、液晶化合物を用いた偏光回折素子は、偏光によって屈曲する方向が異なるため、従来の偏光回折素子では、入射した右円偏光と左円偏光とは、逆方向に屈曲され分離され、偏光によらず所定の方向に光を回折することができなかった。
これに対して、本発明の透過型液晶回折素子は、上述のとおり、斜め方向から入射した右円偏光および左円偏光を、同じ方向に回折して出射することができる。
ここで、斜め方向から入射した右円偏光および左円偏光を同じ方向に回折する作用を発揮するために、透過型液晶回折素子に対する光の入射角は、10°~80°が好ましく、20°~70°がより好ましく、40°~50°がさらに好ましい。
また、斜め方向から入射した右円偏光および左円偏光を同じ方向に回折する作用を発揮するために、第1の光学異方性層36aおよび第2の光学異方性層36bそれぞれによる回折角度は、50°~130°が好ましく、60°~120°がより好ましく、70°~110°がさらに好ましい。ここで回折角とは、入射光と回折光とがなす角度を表す。
第1の光学異方性層36aの液晶配向パターンの1周期の長さをΛ1、第2の光学異方性層36bの液晶配向パターンの1周期の長さをΛ2とすると、Λ1とΛ2とは、回折したい角度等に応じて適宜設定すればよい。Λ1とΛ2との比は概ね0.2~5程度であることが好ましい。回折光と回折格子面とがなす角度を、入射角と合わせたいときには、Λ1とΛ2との比を1に設定すればよい。
また、この発明の効果を発揮するため、入射光を大きな角度で回折して、0次光と1次光を角度で分離して回折効率の違いを利用するために、0次光と1次光の角度差が大きいことが好ましい。ここで、「0次光」とは回折格子で回折せずそのまま方向を変えない光を表し、「1次光」とは回折格子で+1次または-1次の回折条件の方向に入射光が回折して方向を変えた光を表す。一方、0次光と1次光の角度差を大きくしすぎると1次光の回折条件から外れてしまう。光の回折角に対応する波長λと、液晶パターンピッチΛとの比であるλ/Λは、0.1~1.9の範囲であることが好ましく、0.2~1.8の範囲であることがより好ましく、0.3~1.7の範囲であることが更に好ましい。
また、この発明の効果を発揮するため、入射光を大きな角度で回折して、0次光と1次光を角度で分離して回折効率の違いを利用するために、0次光と1次光の角度差が大きいことが好ましい。ここで、「0次光」とは回折格子で回折せずそのまま方向を変えない光を表し、「1次光」とは回折格子で+1次または-1次の回折条件の方向に入射光が回折して方向を変えた光を表す。一方、0次光と1次光の角度差を大きくしすぎると1次光の回折条件から外れてしまう。光の回折角に対応する波長λと、液晶パターンピッチΛとの比であるλ/Λは、0.1~1.9の範囲であることが好ましく、0.2~1.8の範囲であることがより好ましく、0.3~1.7の範囲であることが更に好ましい。
また、透過型液晶回折素子は、第1の光学異方性層36aおよび第2の光学異方性層36bのみを有する構成に限定はされない。前述のとおり、透過型液晶回折素子の第1の光学異方性層36aおよび/または第2の光学異方性層36bは、支持体30および配向膜32と積層された状態であってもよいし、配向膜32と積層された状態であってもよい。
ここで、透過型液晶回折素子10に対する光の入射角と出射角とが等しい場合には、図2に示す例のように、第1の光学異方性層36aおよび第2の光学異方性層36bはそれぞれ、厚さ方向に積み重ねられた液晶化合物40は、その光学軸が同じ方向を向いている構造を有することが好ましい。言い換えると、面方向の同じ位置に存在する液晶化合物40の光学軸は、同じ方向を向いていることが好ましい。すなわち、第1の光学異方性層36aおよび第2の光学異方性層36bはそれぞれ、厚さ方向において、液晶化合物40がねじれ配向されていないことが好ましい。透過型液晶回折素子10に対する光の入射角と出射角とが等しい場合には、第1の光学異方性層36aおよび第2の光学異方性層36bをそれぞれ、液晶化合物40がねじれ配向されていない構成とすることで回折効率を向上できる。
一方、透過型液晶回折素子10に対する光の入射角と出射角とが異なっている場合には、図8に示す例のように、第1の光学異方性層37aおよび第2の光学異方性層37bはそれぞれ、厚さ方向において、液晶化合物がねじれ配向していることが好ましい。第1の光学異方性層37aおよび第2の光学異方性層37bにおけるねじれ配向は、厚さ方向でのねじれ角が360°未満である。すなわち、コレステリック配向されない程度にねじれ配向されたものである。
また、第1の光学異方性層37aにおける液晶化合物40のねじれ方向と、第2の光学異方性層37bにおける液晶化合物40のねじれ方向とは逆である。図8に示す例では、第1の光学異方性層37aにおいては、図中上側から下側に向かって、液晶化合物40が時計回りにねじれている。一方、第2の光学異方性層37bにおいては、図中上側から下側に向かって、液晶化合物40が反時計回りにねじれている。
また、第1の光学異方性層37aにおける液晶化合物40のねじれ方向と、第2の光学異方性層37bにおける液晶化合物40のねじれ方向とは逆である。図8に示す例では、第1の光学異方性層37aにおいては、図中上側から下側に向かって、液晶化合物40が時計回りにねじれている。一方、第2の光学異方性層37bにおいては、図中上側から下側に向かって、液晶化合物40が反時計回りにねじれている。
また、図1の例と同様に、第1の光学異方性層37aの液晶配向パターンにおける光学軸の回転方向と、第2の光学異方性層37bの液晶配向パターンにおける光学軸の回転方向とは逆である。なお、第1の光学異方性層37aと第2の光学異方性層37bとは、液晶配向パターンにおける光学軸の回転方向が逆であり、厚さ方向においてねじれ配向する液晶化合物のねじれ方向が逆である以外は同様の構成を有するので、第1の光学異方性層37aと第2の光学異方性層37bとを区別する必要がない場合にはまとめて光学異方性層37として説明を行う。
図9に、光学異方性層37を概念的に表す図を示す。図9に示す光学異方性層37は、厚さ方向において、液晶化合物がねじれ配向している以外は、図2に示す光学異方性層36と同様の構成を有する。すなわち、図9に示す光学異方性層37を厚さ方向からみると、図3に示す例と同様に、光学異方性層37の面内において、配列軸Dに沿って、光学軸40Aの向きが連続的に回転しながら変化する液晶配向パターンを有する。
図9に示す光学異方性層37は、液晶化合物40が厚み方向に旋回して積み重ねられたねじれ構造を有し、光学異方性層37の一方の主面側に存在する液晶化合物40から他方の主面側に存在する液晶化合物40までの合計の回転角が360°未満である。
このように、光学異方性層37が、面内において、配列軸Dに沿って、光学軸40Aの向きが連続的に回転しながら変化する液晶配向パターンを有し、かつ、液晶化合物40が厚み方向にねじれ構造を有すると、配列軸Dに平行な断面において、同じ方向を向いている液晶化合物40を厚さ方向に結んだ線分(図8中、H1およびH2で示す線分)が、光学異方性層37の主面に対して傾斜した構成となる。この線分H1およびH2に対する光の入射角および出射角を適宜調整することで、透過型液晶回折素子10に対する光の入射角と出射角とが異なっている場合の回折効率を高くすることができる。具体的には、線分H1およびH2は平行であることが好ましく、また光の入射角および出射角は、線分H1およびH2に対しておよそ中間の角度であることが好ましい。
ここで、回折効率の観点から、線分H1と線分H2とは平行にすることが好ましい。従って、第1の光学異方性層37aにおける液晶化合物40のねじれ方向と、第2の光学異方性層37bにおける液晶化合物40のねじれ方向とは逆であり、ねじれ角が等しいことが好ましい。
このように、光学異方性層を、厚さ方向において液晶化合物がねじれ配向している構成とするためには、光学異方性層を形成するための液晶組成物にキラル剤を含有させればよい。
--キラル剤(光学活性化合物)--
キラル剤(光学活性化合物)は液晶相の螺旋構造を誘起する機能を有する。キラル剤は、化合物によって誘起する螺旋の捩れ方向および螺旋誘起力(Helical twisting power:HTP)が異なるため、目的に応じて選択すればよい。
キラル剤としては、特に制限はなく、公知の化合物(例えば、液晶デバイスハンドブック、第3章4-3項、TN(twisted nematic)、STN(Super Twisted Nematic)用キラル剤、199頁、日本学術振興会第142委員会編、1989に記載)、イソソルビド、および、イソマンニド誘導体等を用いることができる。
キラル剤は、一般に不斉炭素原子を含むが、不斉炭素原子を含まない軸性不斉化合物または面性不斉化合物もキラル剤として用いることができる。軸性不斉化合物または面性不斉化合物の例には、ビナフチル、ヘリセン、パラシクロファン、および、これらの誘導体が含まれる。キラル剤は、重合性基を有していてもよい。キラル剤と液晶化合物とがいずれも重合性基を有する場合は、重合性キラル剤と重合性液晶化合物との重合反応により、重合性液晶化合物から誘導される繰り返し単位と、キラル剤から誘導される繰り返し単位とを有するポリマーを形成することができる。この態様では、重合性キラル剤が有する重合性基は、重合性液晶化合物が有する重合性基と、同種の基であることが好ましい。従って、キラル剤の重合性基も、不飽和重合性基、エポキシ基またはアジリジニル基であることが好ましく、不飽和重合性基であることがより好ましく、エチレン性不飽和重合性基であることがさらに好ましい。
また、キラル剤は、液晶化合物であってもよい。
キラル剤(光学活性化合物)は液晶相の螺旋構造を誘起する機能を有する。キラル剤は、化合物によって誘起する螺旋の捩れ方向および螺旋誘起力(Helical twisting power:HTP)が異なるため、目的に応じて選択すればよい。
キラル剤としては、特に制限はなく、公知の化合物(例えば、液晶デバイスハンドブック、第3章4-3項、TN(twisted nematic)、STN(Super Twisted Nematic)用キラル剤、199頁、日本学術振興会第142委員会編、1989に記載)、イソソルビド、および、イソマンニド誘導体等を用いることができる。
キラル剤は、一般に不斉炭素原子を含むが、不斉炭素原子を含まない軸性不斉化合物または面性不斉化合物もキラル剤として用いることができる。軸性不斉化合物または面性不斉化合物の例には、ビナフチル、ヘリセン、パラシクロファン、および、これらの誘導体が含まれる。キラル剤は、重合性基を有していてもよい。キラル剤と液晶化合物とがいずれも重合性基を有する場合は、重合性キラル剤と重合性液晶化合物との重合反応により、重合性液晶化合物から誘導される繰り返し単位と、キラル剤から誘導される繰り返し単位とを有するポリマーを形成することができる。この態様では、重合性キラル剤が有する重合性基は、重合性液晶化合物が有する重合性基と、同種の基であることが好ましい。従って、キラル剤の重合性基も、不飽和重合性基、エポキシ基またはアジリジニル基であることが好ましく、不飽和重合性基であることがより好ましく、エチレン性不飽和重合性基であることがさらに好ましい。
また、キラル剤は、液晶化合物であってもよい。
キラル剤が光異性化基を有する場合には、塗布、配向後に活性光線などのフォトマスク照射によって、発光波長に対応した所望のねじれ配向を形成することができるので好ましい。光異性化基としては、フォトクロッミック性を示す化合物の異性化部位、アゾ基、アゾキシ基、または、シンナモイル基が好ましい。具体的な化合物として、特開2002-80478号公報、特開2002-80851号公報、特開2002-179668号公報、特開2002-179669号公報、特開2002-179670号公報、特開2002-179681号公報、特開2002-179682号公報、特開2002-338575号公報、特開2002-338668号公報、特開2003-313189号公報、および、特開2003-313292号公報等に記載の化合物を用いることができる。
液晶組成物における、キラル剤の含有量は、液晶化合物の含有モル量に対して0.01~200モル%が好ましく、1~30モル%がより好ましい。
また、透過型液晶回折素子は、他の層を有していてもよい。例えば、図10に示す例のように、第1の光学異方性層36aと第2の光学異方性層36bとの間に位相差層38を有していてもよい。
前述のとおり、光学異方性層36は、入射した円偏光を旋回方向が逆向きの円偏光に変換する。しかしながら、完全に逆向きの円偏光に変換されず、楕円偏光となる場合がある。透過型液晶回折素子において、第1の光学異方性層36aで変換された光が楕円偏光となった場合には、第2の光学異方性層36bでの作用が適正に得られず回折効率が低下するおそれがある。
そこで、第1の光学異方性層36aと第2の光学異方性層36bとの間に位相差層38を有する構成とすることで、第1の光学異方性層36aから出射される楕円偏光に位相差を与えて円偏光にすることができ、これにより、第2の光学異方性層36bでの作用が適正に得られ、回折効率を高くすることができる。
なお、第1の光学異方性層36aと第2の光学異方性層36bとの間に位相差層を設けた場合でも、第1の光学異方性層36aと第2の光学異方性層36bとの間で光が進行する際に位相差層38内を通過するのみで回折に影響は与えないため、図7に示す例と同様の回折の作用を得ることができる。
なお、第1の光学異方性層36aと第2の光学異方性層36bとの間に位相差層を設けた場合でも、第1の光学異方性層36aと第2の光学異方性層36bとの間で光が進行する際に位相差層38内を通過するのみで回折に影響は与えないため、図7に示す例と同様の回折の作用を得ることができる。
位相差層としては、第1の光学異方性層36aから出射される楕円偏光に位相差を与えることができればよく、CプレートおよびAプレートが適宜利用可能である。
位相差層の厚さ方向レタデーションは、光の入射角、第1の光学異方性層36aの構成等に応じて、第1の光学異方性層36aから出射される楕円偏光を円偏光に変換できるように適宜設定すればよい。その指標として、Nz=Rth/Re+0.5を用いることができる。ここで、Rthは厚さ方向のレタデーション、Reは面内方向のレタデーションである。Nzは、0.1~1.1が好ましく、0.8~0.2がより好ましく、0.7~0.3がさらに好ましい。
ここで、図2に示す光学異方性層36および図9に示す光学異方性層37は、液晶化合物の光学軸が光学異方性層の主面に平行な構成を示したがこれに限定はされない。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主面に傾斜していてもよい。
また、図3に示す光学異方性層の液晶配向パターンにおける液晶化合物40の光学軸40Aは、配列軸D方向のみに沿って、連続して回転している。
しかしながら、本発明は、これに制限はされず、光学異方性層において、液晶化合物40の光学軸40Aが一方向に沿って連続して回転するものであれば、各種の構成が利用可能である。
しかしながら、本発明は、これに制限はされず、光学異方性層において、液晶化合物40の光学軸40Aが一方向に沿って連続して回転するものであれば、各種の構成が利用可能である。
ここで、第1の光学異方性層および第2の光学異方性層の少なくとも一方が、棒状液晶化合物を液晶配向パターンで配向した棒状液晶層と、円盤状液晶化合物を液晶配向パターンで配向した円盤状液晶層とを交互に積層した構成を有することが好ましい。第1の光学異方性層および第2の光学異方性層の両方が、棒状液晶層と、円盤状液晶層とを交互に積層した構成を有することがより好ましい。
図11は、本発明の透過型液晶回折素子が有する光学異方性層の他の一例を概念的に表す図である。
図11に示す光学異方性層36cは、棒状液晶化合物40cを用いて形成された液晶層(以下、棒状液晶層という)42と、円盤状液晶化合物40dを用いて形成された液晶層(以下、円盤状液晶層という)44とを交互に計4層有する。なお、図11において、図面を簡略化して光学異方性層36cの構成を明確に示すために、棒状液晶層42および円盤状液晶層44は、表面の液晶化合物のみを概念的に示している。しかしながら、棒状液晶層42および円盤状液晶層44は、厚さ方向において、液晶化合物が積み重ねられた構造を有し、厚さ方向に積み重ねられた液晶化合物の光学軸が同じ方向を向いている構造を有する。
図11に示す光学異方性層36cは、棒状液晶化合物40cを用いて形成された液晶層(以下、棒状液晶層という)42と、円盤状液晶化合物40dを用いて形成された液晶層(以下、円盤状液晶層という)44とを交互に計4層有する。なお、図11において、図面を簡略化して光学異方性層36cの構成を明確に示すために、棒状液晶層42および円盤状液晶層44は、表面の液晶化合物のみを概念的に示している。しかしながら、棒状液晶層42および円盤状液晶層44は、厚さ方向において、液晶化合物が積み重ねられた構造を有し、厚さ方向に積み重ねられた液晶化合物の光学軸が同じ方向を向いている構造を有する。
棒状液晶層42は、棒状液晶化合物40cを、図2および図3に示す例と同様に、その光学軸の向きが面内の少なくとも一方向に沿って連続的に回転しながら変化している液晶配向パターンで配向した層である。また、円盤状液晶層44は、円盤状液晶化合物40dを、図2および図3に示す例と同様に、その光学軸の向きが面内の少なくとも一方向に沿って連続的に回転しながら変化している液晶配向パターンで配向した層である。なお、前述のとおり、棒状液晶化合物40cの光学軸の方向は、長軸の方向に沿っている。一方、円盤状液晶化合物40dの光学軸の方向は、円盤面に垂直な方向に沿っている。従って、円盤状液晶層44において、円盤状液晶化合物40dは、円盤面が円盤状液晶層44の界面に垂直になるように配向される。
1つの光学異方性層36cにおいて、各棒状液晶層42および円盤状液晶層44は、液晶配向パターンの1周期が同じであり、かつ、液晶配向パターンにおける光学軸の回転方向が同じである。従って、図11に示す例において、2層の棒状液晶層42と2層の円盤状液晶44とが、1つの光学異方性層36cとして、上述した光学異方性層36の作用を発揮する。
光学異方性層を棒状液晶層42と円盤状液晶44とを交互に積層した構成とすることで、光学異方性層の厚さ方向レタデーションRthをゼロに近づけることができる。これにより、光学異方性層に斜め方向から光が入射した際の面内レタデーションReの変化が小さくなる。そのため、回折効率などの回折性能の入射角依存性を向上できる。
また、回折光は回折を生じさせる層の厚さ方向の様々な場所で生じるため、回折を生じさせる層の厚さ方向のどの場所でもRthがゼロに近いことが好ましく、回折を生じさせる層の厚さ方向のそれぞれの場所でRthが相殺されることが好ましい。よって、交互に積層した棒状液晶層および円盤状液晶層は隣り合う層のRthが正負の関係であり、かつそれぞれの層のRthの絶対値が10~200nm程度であることが好ましい。
このような光学異方性層を有することで、透過型液晶回折素子の回折効率をより高くすることができる。
また、回折光は回折を生じさせる層の厚さ方向の様々な場所で生じるため、回折を生じさせる層の厚さ方向のどの場所でもRthがゼロに近いことが好ましく、回折を生じさせる層の厚さ方向のそれぞれの場所でRthが相殺されることが好ましい。よって、交互に積層した棒状液晶層および円盤状液晶層は隣り合う層のRthが正負の関係であり、かつそれぞれの層のRthの絶対値が10~200nm程度であることが好ましい。
このような光学異方性層を有することで、透過型液晶回折素子の回折効率をより高くすることができる。
ここで、各棒状液晶層42および円盤状液晶層44の厚さはそれぞれ、0.1μm~5μmが好ましく、0.1μm~2μmがより好ましく、0.1μm~0.5μmがさらに好ましい。また、棒状液晶層42と円盤状液晶層44とを合わせた厚みが、入射する光の波長に対して大きすぎないことが好ましい。
なお、図11に示す例では、2層の棒状液晶層42と2層の円盤状液晶層44とを有する構成としたが、これに限定はされず、棒状液晶層42および円盤状液晶層44を1層ずつ有する構成でもよく、あるいは、棒状液晶層42および円盤状液晶層44をそれぞれ3層以上有していてもよい。
棒状液晶層42および円盤状液晶層44をそれぞれ複数層積層し、また、棒状液晶層42および円盤状液晶層44のレタデーションΔn×d(Δnは液晶化合物の屈折率差、dは液晶層の厚さ)の大きさを合わせておくことで、光学異方性層の厚さ方向レタデーションRthをよりゼロに近づけることができるため好ましい。
また棒状液晶層と円盤状液晶層のΔnおよび厚さdの値を変えることによって、光学異方性層のRthの値を精密に制御することができる。本構成ではRth=((ne+no)/2-no)×d=(ne-no)/2×dであるが、棒状液晶層はne>noなのでRth>0、円盤状液晶層はne<noなのでRth<0となる。本発明では、棒状液晶層と円盤状液晶層を交互に積層しその割合も変えることができるため、Rthの値を、全て棒状液晶層の場合、および、全て円盤状液晶層である場合の間に精密に制御することができる。
棒状液晶層42および円盤状液晶層44をそれぞれ複数層積層し、また、棒状液晶層42および円盤状液晶層44のレタデーションΔn×d(Δnは液晶化合物の屈折率差、dは液晶層の厚さ)の大きさを合わせておくことで、光学異方性層の厚さ方向レタデーションRthをよりゼロに近づけることができるため好ましい。
また棒状液晶層と円盤状液晶層のΔnおよび厚さdの値を変えることによって、光学異方性層のRthの値を精密に制御することができる。本構成ではRth=((ne+no)/2-no)×d=(ne-no)/2×dであるが、棒状液晶層はne>noなのでRth>0、円盤状液晶層はne<noなのでRth<0となる。本発明では、棒状液晶層と円盤状液晶層を交互に積層しその割合も変えることができるため、Rthの値を、全て棒状液晶層の場合、および、全て円盤状液晶層である場合の間に精密に制御することができる。
図11に示すように、棒状液晶化合物40cは、光学軸(ダイレクタ)が棒状液晶層42の界面に平行な状態で配向させ、円盤状液晶化合物40dは、円盤面を円盤状液晶層44の界面に垂直に配向させた状態で配向させることが好ましい。このようにすることで面内において、遅相軸の厚さ方向の変化を連続的に保ったまま、厚さ方向の屈折率が円盤状液晶化合物と棒状液晶化合物とで平均化されることにより厚さ方向リタデーションRthがゼロに近づき、入射角依存性がより向上する。
また、本発明の透過型液晶回折素子は、第1の光学異方性層および第2の光学異方性層の少なくとも一方が、厚さ方向に液晶化合物がねじれ配向した液晶層を複数積層してなり、各液晶層におけるねじれ角が360°未満であり、複数の液晶層は積層方向において、液晶化合物のねじれ方向が交互であることが好ましい。
図12は、本発明の透過型液晶回折素子の他の一例を概念的に表す図である。
図12に示す透過型液晶回折素子は、液晶層46aと液晶層46bとを有する第1の光学異方性層37cと、液晶層48aと液晶層48bとを有する第2の光学異方性層37dとを有する。
図12に示す透過型液晶回折素子は、液晶層46aと液晶層46bとを有する第1の光学異方性層37cと、液晶層48aと液晶層48bとを有する第2の光学異方性層37dとを有する。
第1の光学異方性層37aの液晶層46aおよび液晶層46bは、図3に示す例と同様に、液晶化合物40の光学軸の向きが面内の少なくとも一方向に沿って連続的に回転しながら変化している液晶配向パターンを有する層である。また、液晶層46aおよび液晶層46bは、液晶配向パターンの1周期が同じであり、かつ、液晶配向パターンにおける光学軸の回転方向が同じである。
ここで、液晶層46aおよび液晶層46bは、厚さ方向に液晶化合物40がねじれ配向しているが、液晶層46aにおける液晶化合物40のねじれ方向と、液晶層46bにおける液晶化合物40のねじれ方向とは逆である。
図12に示す例においては、液晶層46aにおける液晶化合物40のねじれ方向は、図中上から下に向かって反時計回りに回転する方向である。一方、液晶層46bにおける液晶化合物40のねじれ方向は、図中上から下に向かって時計回りに回転する方向である。
図12に示す例においては、液晶層46aにおける液晶化合物40のねじれ方向は、図中上から下に向かって反時計回りに回転する方向である。一方、液晶層46bにおける液晶化合物40のねじれ方向は、図中上から下に向かって時計回りに回転する方向である。
すなわち、第1の光学異方性層37cは、厚さ方向における液晶化合物40のねじれ方向が異なる液晶層を有する。
同様に、第2の光学異方性層37dの液晶層48aおよび液晶層48bは、図3に示す例と同様に、液晶化合物40の光学軸の向きが面内の少なくとも一方向に沿って連続的に回転しながら変化している液晶配向パターンを有する層である。また、液晶層48aおよび液晶層48bは、液晶配向パターンの1周期が同じであり、かつ、液晶配向パターンにおける光学軸の回転方向が同じである。
また、第2の光学異方性層37dの液晶層48aおよび液晶層48bの液晶配向パターンにおける光学軸の回転方向は、第1の光学異方性層37cの液晶層46aおよび液晶層46bの液晶配向パターンにおける光学軸の回転方向とは逆である。
また、第2の光学異方性層37dの液晶層48aおよび液晶層48bの液晶配向パターンにおける光学軸の回転方向は、第1の光学異方性層37cの液晶層46aおよび液晶層46bの液晶配向パターンにおける光学軸の回転方向とは逆である。
ここで、液晶層48aおよび液晶層48bは、厚さ方向に液晶化合物40がねじれ配向しているが、液晶層48aにおける液晶化合物40のねじれ方向と、液晶層48bにおける液晶化合物40のねじれ方向とは逆である。
図12に示す例においては、液晶層48aにおける液晶化合物40のねじれ方向は、図中上から下に向かって反時計回りに回転する方向である。一方、液晶層48bにおける液晶化合物40のねじれ方向は、図中上から下に向かって時計回りに回転する方向である。
図12に示す例においては、液晶層48aにおける液晶化合物40のねじれ方向は、図中上から下に向かって反時計回りに回転する方向である。一方、液晶層48bにおける液晶化合物40のねじれ方向は、図中上から下に向かって時計回りに回転する方向である。
すなわち、第2の光学異方性層37dは、厚さ方向における液晶化合物40のねじれ方向が異なる液晶層を有する。
このように、光学異方性層が、厚さ方向における液晶化合物40のねじれ方向が異なる液晶層を有する構成とすることにより、回折効率の角度依存性および波長依存性が向上する。この際、各液晶層のツイスト角(厚さ方向の総ねじれ角)とレタデーションΔn×dは液晶化合物の屈折率差Δnに依存して最適値が変化する。そのため、各液晶層に合わせてツイスト角を最適化すればよい。ツイスト角は、30~180°のものが好ましい。ねじれ配向は、上述した通常用いられるキラル剤の添加で実現できる。
また、液晶化合物のΔnが大きいと角度依存性および波長依存性がより改善するので好ましい。
また、図12に示す例では、光学異方性層はねじれ方向が異なる液晶層を積層した2層構成としたが、これに限定はされない。光学異方性層は、ねじれ方向が異なる液晶層を3層以上有していてもよい。あるいは、光学異方性層は、ねじれ方向が異なる2層の液晶層の間に、厚さ方向に液晶化合物がねじれていない液晶層を有していてもよい。これにより、回折効率の角度依存性および波長依存性がより向上する。
ねじれ配向した液晶層の間の非ねじれ配向の液晶層は、液晶化合物の光学軸の方向が、面内のそれぞれの場所において、隣接するねじれ配向した液晶層の界面における液晶化合物の光学軸の方向と連続的に繋がっている(同じ向きを向いている)ことが好ましい。このように隣接する液晶層間で液晶化合物の光学軸の向きが連続的に繋がっている構成は、下層の液晶層に上層の液晶層を積層塗布することによって作製することができる。
ねじれ配向した液晶層の間の非ねじれ配向の液晶層は、液晶化合物の光学軸の方向が、面内のそれぞれの場所において、隣接するねじれ配向した液晶層の界面における液晶化合物の光学軸の方向と連続的に繋がっている(同じ向きを向いている)ことが好ましい。このように隣接する液晶層間で液晶化合物の光学軸の向きが連続的に繋がっている構成は、下層の液晶層に上層の液晶層を積層塗布することによって作製することができる。
光学異方性層が、厚さ方向における液晶化合物40のねじれ方向が異なる液晶層を有する構成の場合には、各液晶層の厚さ方向における単位長さ当たりのねじれ角は、回折性能の対称性の観点では同じであることが好ましい。一方、ある角度での回折性能を高くする場合には、各液晶層の厚さ方向における単位長さ当たりのねじれ角は異なっていてもよい。
各液晶層の厚さは、0.1μm~5μmが好ましく、0.1μm~2μmがより好ましく、0.1μm~0.5μmがさらに好ましい。
前述したのと同様に、交互に積層した棒状液晶層および円盤状液晶層は隣り合う層のRthが正負の関係であり、かつそれぞれの層のRthの絶対値が10~200nm程度であることが好ましい。
前述したのと同様に、交互に積層した棒状液晶層および円盤状液晶層は隣り合う層のRthが正負の関係であり、かつそれぞれの層のRthの絶対値が10~200nm程度であることが好ましい。
ここで、図12に示すように、光学異方性層が、厚さ方向における液晶化合物40のねじれ方向が異なる液晶層を有する構成の場合において、液晶層の少なくとも1つが、棒状液晶化合物を液晶配向パターンで配向した棒状液晶層と、円盤状液晶化合物を液晶配向パターンで配向した円盤状液晶層とを交互に積層した構成を有することが好ましい。
図13は、本発明の透過型液晶回折素子の光学異方性層が有する液晶層の他の一例を概念的に表す図である。
図13に示す液晶層47は、棒状液晶化合物40cを用いて形成された棒状液晶層42bと、円盤状液晶化合物40dを用いて形成された円盤状液晶層44bとを交互に計4層有する。なお、図13において、図面を簡略化して液晶層47の構成を明確に示すために、棒状液晶層42bおよび円盤状液晶層44bは、表面の液晶化合物のみを概念的に示している。しかしながら、棒状液晶層42bおよび円盤状液晶層44bは、厚さ方向において、液晶化合物が積み重ねられた構造を有する。
図13に示す液晶層47は、棒状液晶化合物40cを用いて形成された棒状液晶層42bと、円盤状液晶化合物40dを用いて形成された円盤状液晶層44bとを交互に計4層有する。なお、図13において、図面を簡略化して液晶層47の構成を明確に示すために、棒状液晶層42bおよび円盤状液晶層44bは、表面の液晶化合物のみを概念的に示している。しかしながら、棒状液晶層42bおよび円盤状液晶層44bは、厚さ方向において、液晶化合物が積み重ねられた構造を有する。
棒状液晶層42dは、棒状液晶化合物40cを、図3に示す例と同様に、その光学軸の向きが面内の少なくとも一方向に沿って連続的に回転しながら変化している液晶配向パターンで配向した層である。また、円盤状液晶層44dは、円盤状液晶化合物40dを、図3に示す例と同様に、その光学軸の向きが面内の少なくとも一方向に沿って連続的に回転しながら変化している液晶配向パターンで配向した層である。
1つの液晶層47において、各棒状液晶層42bおよび円盤状液晶層44bは、液晶配向パターンの1周期が同じであり、かつ、液晶配向パターンにおける光学軸の回転方向が同じである。
ここで、図13に示す例においては、図中下側の棒状液晶層42bから図中上側の円盤状液晶層44bにむかって一体的に、層内の液晶化合物の長手方向が、厚さ方向にねじれ配向している。これにより、2層の棒状液晶層42bと2層の円盤状液晶層44bとが1つの液晶層47として、図12に示す液晶層と同様の作用を発揮する。なお、円盤状液晶層44bにおける液晶化合物の長手方向とは、円盤状液晶化合物を円盤状液晶層の表面(界面)に投影した形状の長手方向である。
このように、光学異方性層が、厚さ方向における液晶化合物40のねじれ方向が異なる液晶層を有する構成の場合に、液晶層の少なくとも1つを、棒状液晶層と円盤状液晶層とを積層した構成とすることで、回折効率などの回折性能の入射角依存性をより向上できる。
このように、光学異方性層が、厚さ方向における液晶化合物40のねじれ方向が異なる液晶層を有する構成の場合に、液晶層の少なくとも1つを、棒状液晶層と円盤状液晶層とを積層した構成とすることで、回折効率などの回折性能の入射角依存性をより向上できる。
棒状液晶層42bおよび円盤状液晶層44bの厚さ等は、上述の棒状液晶層42および円盤状液晶層44と同様である。
また、本発明の透過型液晶回折素子は、第1の光学異方性層の第2の光学異方性層とは反対側、および、第2の光学異方性層の第1の光学異方性層とは反対側の少なくとも一方に配置されるλ/4板を有することが好ましい。
図14は、本発明の透過型液晶回折素子の他の一例を概念的に表す図である。
図14に示す透過型液晶回折素子は、第1のλ/4板50と、第1の光学異方性層36aと、第2の光学異方性層36bと、第2のλ/4板50とを、この順に有する。すなわち、図14に示す透過型液晶回折素子は、第1の光学異方性層36aおよび第2の光学異方性層36bをλ/4板50で挟んだ構成を有する。
なお、第1の光学異方性層36aおよび第2の光学異方性層36bは、図1に示す第1の光学異方性層36aおよび第2の光学異方性層36bと同様の構成を有するため、その説明は省略する。
図14に示す透過型液晶回折素子は、第1のλ/4板50と、第1の光学異方性層36aと、第2の光学異方性層36bと、第2のλ/4板50とを、この順に有する。すなわち、図14に示す透過型液晶回折素子は、第1の光学異方性層36aおよび第2の光学異方性層36bをλ/4板50で挟んだ構成を有する。
なお、第1の光学異方性層36aおよび第2の光学異方性層36bは、図1に示す第1の光学異方性層36aおよび第2の光学異方性層36bと同様の構成を有するため、その説明は省略する。
第1のλ/4板50および第2のλ/4板50は、従来公知のλ/4板である。周知のとおり、λ/4板に入射した円偏光は直線偏光に変換され、また、λ/4板に入射した直線偏光は円偏光に変換される。λ/4板50は、その遅相軸が、液晶化合物由来の光学軸が面内一方向に沿って連続的に回転しながら変化している方位(配列軸D方向)に対し、45度または-45度となるように配置される。
従って、図14に示す例では、透過型液晶回折素子に入射した振動方向が互いに直交する直線偏光を同じ向きに屈曲させることができる。
具体的には、s偏光およびp偏光が同じ方向から透過型液晶回折素子に入射した例を考える。まず、s偏光およびp偏光が透過型液晶回折素子に入射すると、第1のλ/4板50によってそれぞれ右円偏光および左円偏光に変換される。変換された右円偏光および左円偏光は、第1の光学異方性層36aおよび第2の光学異方性層36bの順に通過する。その際、図1の透過型液晶回折素子と同様に、第2の光学異方性層36bを通過した光は、左円偏光および右円偏光の状態で同じ方向に屈曲される。屈曲された左円偏光および右円偏光は、第2のλ/4板50に入射して、s偏光およびp偏光に変換される。その際、s偏光およびp偏光は、同じ方向に出射される。
具体的には、s偏光およびp偏光が同じ方向から透過型液晶回折素子に入射した例を考える。まず、s偏光およびp偏光が透過型液晶回折素子に入射すると、第1のλ/4板50によってそれぞれ右円偏光および左円偏光に変換される。変換された右円偏光および左円偏光は、第1の光学異方性層36aおよび第2の光学異方性層36bの順に通過する。その際、図1の透過型液晶回折素子と同様に、第2の光学異方性層36bを通過した光は、左円偏光および右円偏光の状態で同じ方向に屈曲される。屈曲された左円偏光および右円偏光は、第2のλ/4板50に入射して、s偏光およびp偏光に変換される。その際、s偏光およびp偏光は、同じ方向に出射される。
このように、透過型液晶回折素子が、λ/4板を有する構成とすることで、振動方向が互いに直交する直線偏光を混合することなく、同じ方向に屈曲することができる。
なお、図14に示す例においては、第1の光学異方性層36aおよび第2の光学異方性層36bを挟む2つのλ/4板50を有する構成としたがこれに限定はされない。例えば、透過型液晶回折素子が、第1の光学異方性層36a側の第1のλ/4板50のみを有する構成とすることで、入射した右円偏光および左円偏光を、振動方向が互いに直交する直線偏光として、同じ方向に屈曲することができる。また、透過型液晶回折素子が、第2の光学異方性層36b側の第2のλ/4板50のみを有する構成とすることで、入射した振動方向が互いに直交する直線偏光を、右円偏光および左円偏光に変換して、同じ方向に屈曲することができる。
λ/4板としては、制限はなく、公知のλ/4機能を有する板が、各種、利用可能である。λ/4板の具体例としては、例えば米国特許出願公開2015/0277006号に記載のものなどが挙げられる。
例えば、λ/4板26が単層構造である態様としては、具体的には、延伸ポリマーフィルム、および、支持体上にλ/4機能を有する光学異方性層を設けた位相差フィルム等が挙げられる。また、λ/4板が複層構造である態様としては、具体的には、λ/4板とλ/2波長板とを積層してなる広帯域λ/4板が挙げられる。
λ/4板の厚さは特に制限はないが、1~500μmが好ましく、1~50μmがより好ましく、1~5μmがさらに好ましい。
本発明に用いられるλ/4板は、逆波長分散性を有することが好ましい。λ/4板が逆波長分散性を有することで、波長依存性を向上することができる。逆波長分散性を有するλ/4板は、例えば、逆分散液晶材料を用いて作製することで実現することができる。
また、λ/4板は入射角依存性を向上する観点から、広視野角λ/4板であることが好ましい。広視野角λ/4板とは、厚さ方向のリタデーションがゼロに近いものである。このような広視野角λ/4板は、例えば、正のAプレートと正のCプレートの積層によって実現できる。
図15および図16は、本発明の透過型液晶回折素子の他の一例を概念的に表す図である。
図15および図16では、第1の液晶層および第2の液晶層とも、右ねじれ層および左ねじれ層が連続して積層され、右ねじれ層および左ねじれ層の膜厚は異なっており、右ねじれ層および左ねじれ層のねじれ角の絶対値は異なっている。このようにすると、高い回折効率が得られる波長範囲を広くすることができる。この場合、SEMによる第1の光学異方性層の断面像において、第1の光学異方性層の下界面に対し、斜め左右方向に伸びた2本の線の長さと角度が異なる左右非対称のVの字を横にした形状の明暗線が観察される。第2の光学異方性層においても同様にVの字を横にした形状の明暗線が観察される。この明暗線は、厚さ方向におけるねじれ方向が右左で異なるように液晶化合物が配向した2つの液晶層が、厚さ方向に積層した構成で、かつ右ねじれ層と左ねじれ層の、厚さおよびねじれ角の絶対値が異なっていることにより観察されるものである。
図15の透過型液晶回折素子は、第1の液晶層および第2の液晶層を同様に作製し、第1の液晶層および第2の液晶層を上下反転させて積層して作製してもよい。一方、図16の透過型液晶回折素子は、第1の液晶層および第2の液晶層を、右ねじれ層と左ねじれ層とが左右対称になるように作製し、積層して作製してもよい。
図15は、第1の液晶層および第2の液晶層における同じ方向のねじれ層が対面しており、横向きになった、それぞれ左右非対称のVの字の尖っている方向が同じである重ね方である。図16は、第1の液晶層および第2の液晶層における異なる方向のねじれ層が対面しており、横向きになった、それぞれ左右非対称のVの字の尖っている方向が反対である重ね方である。どちらの重ね方をしても、高い回折効率が得られる波長範囲を広げることができる。
図15および図16は、本発明の透過型液晶回折素子の他の一例を概念的に表す図である。
図15および図16では、第1の液晶層および第2の液晶層とも、右ねじれ層および左ねじれ層が連続して積層され、右ねじれ層および左ねじれ層の膜厚は異なっており、右ねじれ層および左ねじれ層のねじれ角の絶対値は異なっている。このようにすると、高い回折効率が得られる波長範囲を広くすることができる。この場合、SEMによる第1の光学異方性層の断面像において、第1の光学異方性層の下界面に対し、斜め左右方向に伸びた2本の線の長さと角度が異なる左右非対称のVの字を横にした形状の明暗線が観察される。第2の光学異方性層においても同様にVの字を横にした形状の明暗線が観察される。この明暗線は、厚さ方向におけるねじれ方向が右左で異なるように液晶化合物が配向した2つの液晶層が、厚さ方向に積層した構成で、かつ右ねじれ層と左ねじれ層の、厚さおよびねじれ角の絶対値が異なっていることにより観察されるものである。
図15の透過型液晶回折素子は、第1の液晶層および第2の液晶層を同様に作製し、第1の液晶層および第2の液晶層を上下反転させて積層して作製してもよい。一方、図16の透過型液晶回折素子は、第1の液晶層および第2の液晶層を、右ねじれ層と左ねじれ層とが左右対称になるように作製し、積層して作製してもよい。
図15は、第1の液晶層および第2の液晶層における同じ方向のねじれ層が対面しており、横向きになった、それぞれ左右非対称のVの字の尖っている方向が同じである重ね方である。図16は、第1の液晶層および第2の液晶層における異なる方向のねじれ層が対面しており、横向きになった、それぞれ左右非対称のVの字の尖っている方向が反対である重ね方である。どちらの重ね方をしても、高い回折効率が得られる波長範囲を広げることができる。
以上、本発明の透過型液晶回折素子について詳細に説明したが、本発明は上述の例に限定はされず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変更を行ってもよいのは、もちろんである。
以下に実施例を挙げて本発明の特徴をさらに具体的に説明する。以下の実施例に示す材料、試薬、使用量、物質量、割合、処理内容、および、処理手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更することができる。したがって、本発明の範囲は以下に示す具体例により限定的に解釈されるべきものではない。
[実施例1]
<透過型液晶回折素子の作製>
(配向膜の形成)
支持体としてガラス基板を用意した。支持体上に、下記の配向膜形成用塗布液をスピンコートで塗布した。この配向膜形成用塗布液の塗膜が形成された支持体を60℃のホットプレート上で60秒間乾燥し、配向膜P-2を形成した。
<透過型液晶回折素子の作製>
(配向膜の形成)
支持体としてガラス基板を用意した。支持体上に、下記の配向膜形成用塗布液をスピンコートで塗布した。この配向膜形成用塗布液の塗膜が形成された支持体を60℃のホットプレート上で60秒間乾燥し、配向膜P-2を形成した。
配向膜形成用塗布液
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・下記光配向用素材 1.00質量部
・水 16.00質量部
・ブトキシエタノール 42.00質量部
・プロピレングリコールモノメチルエーテル 42.00質量部―――――――――――――――――――――――――――――――――
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・下記光配向用素材 1.00質量部
・水 16.00質量部
・ブトキシエタノール 42.00質量部
・プロピレングリコールモノメチルエーテル 42.00質量部―――――――――――――――――――――――――――――――――
(配向膜の露光)
得られた配向膜P-2に偏光紫外線を照射(50mJ/cm2、超高圧水銀ランプ使用)することで、配向膜P-2の露光を行った。
図4に示す露光装置を用いて配向膜を露光して、配向パターンを有する配向膜P-2を形成した。露光装置において、レーザとして波長(325nm)のレーザ光を出射するものを用いた。干渉光による露光量を300mJ/cm2とした。なお、2つのレーザー光の干渉により形成される配向パターンの1周期Λ(光学軸が180°回転する長さ)が、1.05μmとなるように、2つの光の交差角(交差角α)を調節した。
得られた配向膜P-2に偏光紫外線を照射(50mJ/cm2、超高圧水銀ランプ使用)することで、配向膜P-2の露光を行った。
図4に示す露光装置を用いて配向膜を露光して、配向パターンを有する配向膜P-2を形成した。露光装置において、レーザとして波長(325nm)のレーザ光を出射するものを用いた。干渉光による露光量を300mJ/cm2とした。なお、2つのレーザー光の干渉により形成される配向パターンの1周期Λ(光学軸が180°回転する長さ)が、1.05μmとなるように、2つの光の交差角(交差角α)を調節した。
(第1の光学異方性層の形成)
液晶層を形成する液晶組成物として、下記の組成物B-1を調製した。
液晶層を形成する液晶組成物として、下記の組成物B-1を調製した。
組成物B-1
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・棒状液晶化合物L-1 100.00質量部
・重合開始剤(BASF製、Irgacure(登録商標)907)
3.00質量部
・光増感剤(日本化薬製、KAYACURE DETX-S)
1.00質量部
・レベリング剤T-1 0.08質量部
・メチルエチルケトン 2000.00質量部――――――――――――――――――――――――――――――――――
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・棒状液晶化合物L-1 100.00質量部
・重合開始剤(BASF製、Irgacure(登録商標)907)
3.00質量部
・光増感剤(日本化薬製、KAYACURE DETX-S)
1.00質量部
・レベリング剤T-1 0.08質量部
・メチルエチルケトン 2000.00質量部――――――――――――――――――――――――――――――――――
第1の光学異方性層は、組成物B-1を配向膜P-2上に多層塗布することにより形成した。先ず配向膜の上に1層目の組成物B-1を塗布、加熱、冷却後に紫外線硬化を行って液晶固定化層を作製した後、2層目以降はその液晶固定化層に重ね塗りして塗布を行い、同様に加熱、冷却後に紫外線硬化を行うことを繰り返した。
先ず1層目は、配向膜P-2上に下記の組成物B-1を塗布して、塗膜をホットプレート上で80℃に加熱し、その後、80℃において、窒素雰囲気下で高圧水銀灯を用いて波長365nmの紫外線を300mJ/cm2の照射量で塗膜に照射することにより、液晶化合物の配向を固定化した。
2層目以降は、この液晶固定化層に重ね塗りして、上と同じ条件で加熱、冷却後に紫外線硬化を行って液晶固定化層を作製した。このようにして、総厚が所望の膜厚になるまで重ね塗りを繰り返し、第1の光学異方性層を形成した。
なお、液晶組成物B-1の硬化層の屈折率差Δnは、液晶組成物B-1を別途に用意したレタデーション測定用の配向膜付き支持体上に塗布し、液晶化合物のダイレクタが基材に水平となるよう配向させた後に紫外線照射して固定化して得た液晶固定化層のレタデーションRe(λ)および膜厚を測定して求めた。レタデーションRe(λ)を膜厚で除算することによりΔnλを算出できる。レタデーションRe(λ)はAxometrix 社のAxoscanを用いて目的の波長で測定し、膜厚はSEMを用いて測定した。Re(λ)の表記においてλは入射光の波長である。以下において、入射光の波長λは1550nmとした。
第1の光学異方性層は、最終的に液晶のΔn1550×厚さ=Re(1550)が775nmになり、かつ、周期的な配向になっていることを偏光顕微鏡で確認した。また、第1の光学異方性層の厚さ方向の捩れ角は0°であった。また、SEMによる断面像において、第1の光学異方性層の下界面(ガラス基板との界面)に対し、垂直の明暗線が観察された。この明暗線は、同じ向きに配向している液晶化合物が厚さ方向に積み重ねられた構成により観察されるものである。
(第2の光学異方性層の形成)
第1の光学異方性層と同じ様に光学異方性層を形成し、これを第2の光学異方性層とした。第1の光学異方性層と同様に、最終的に液晶のΔn1550×厚さ=Re(1550)が775nmになり、かつ、周期的な配向になっていることを偏光顕微鏡で確認した。また、第2の光学異方性層の厚さ方向の捩れ角は0°であった。また、SEMによる断面像において、第2の光学異方性層の下界面(ガラス基板との界面)に対し、垂直の明暗線が観察された。
この第2の光学異方性層を転写して第1の光学異方性層に積層するように粘着剤で貼合した。このとき、面内一方向に沿って連続的に回転しながら変化している液晶化合物由来の光学軸の回転方向が第1の光学異方性層と逆回転になるよう、かつ面内一方向の回転方向の向き(配列軸D)が平行になるように、主面に垂直な軸に対して第2の光学異方性層を180度回転させて貼合した。このようにして、第1の光学異方性層と第2の光学異方性層が積層した透過型液晶回折素子(屈曲回折素子)を作製した。
この回折素子におけるλ/Λの値は、入射波長λ1550nmの光に対し、1.48であり、すなわちΛ=1.05μmであった。
この回折素子におけるλ/Λの値は、入射波長λ1550nmの光に対し、1.48であり、すなわちΛ=1.05μmであった。
[実施例2]
実施例1の第1の光学異方性層の形成において、組成物B-1を下記組成物B-2に変更し、第2の光学異方性層の形成において、組成物B-1を下記組成物B-3に変更した以外は実施例1と同様にして透過型液晶回折素子を作製した。
実施例1の第1の光学異方性層の形成において、組成物B-1を下記組成物B-2に変更し、第2の光学異方性層の形成において、組成物B-1を下記組成物B-3に変更した以外は実施例1と同様にして透過型液晶回折素子を作製した。
組成物B-2
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・棒状液晶化合物L-1 100.00質量部
・キラル剤Ch-A 0.14質量部
・重合開始剤(BASF製、Irgacure(登録商標)907)
3.00質量部
・光増感剤(日本化薬製、KAYACURE DETX-S)
1.00質量部
・レベリング剤T-1 0.08質量部
・メチルエチルケトン 2000.00質量部――――――――――――――――――――――――――――――――――
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・棒状液晶化合物L-1 100.00質量部
・キラル剤Ch-A 0.14質量部
・重合開始剤(BASF製、Irgacure(登録商標)907)
3.00質量部
・光増感剤(日本化薬製、KAYACURE DETX-S)
1.00質量部
・レベリング剤T-1 0.08質量部
・メチルエチルケトン 2000.00質量部――――――――――――――――――――――――――――――――――
組成物B-3
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・棒状液晶化合物L-1 100.00質量部
・キラル剤Ch-B 0.24質量部
・重合開始剤(BASF製、Irgacure(登録商標)907)
3.00質量部
・光増感剤(日本化薬製、KAYACURE DETX-S)
1.00質量部
・レベリング剤T-1 0.08質量部
・メチルエチルケトン 2000.00質量部――――――――――――――――――――――――――――――――――
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・棒状液晶化合物L-1 100.00質量部
・キラル剤Ch-B 0.24質量部
・重合開始剤(BASF製、Irgacure(登録商標)907)
3.00質量部
・光増感剤(日本化薬製、KAYACURE DETX-S)
1.00質量部
・レベリング剤T-1 0.08質量部
・メチルエチルケトン 2000.00質量部――――――――――――――――――――――――――――――――――
第1の光学異方性層は、最終的に液晶のΔn1550×厚さ=Re(1550)が775nmになり、かつ、周期的な配向になっていることを偏光顕微鏡で確認した。また、第1の光学異方性層の厚さ方向の捩れ角は120°(右ねじれ)であった。また、SEMによる断面像において、第1の光学異方性層の下界面(ガラス基板との界面)に対し、斜めの明暗線が観察された。
第2の光学異方性層は、最終的に液晶のΔn1550×厚さ=Re(1550)が775nmになり、かつ、周期的な配向になっていることを偏光顕微鏡で確認した。また、第2の光学異方性層の厚さ方向の捩れ角は-120°(左ねじれ)であった。また、SEMによる断面像において、第2の光学異方性層の下界面(ガラス基板との界面)に対し、斜めの明暗線が観察された。この時の斜めの角度は第1の光学異方性層の角度と絶対値は同じで、傾き方向が反対であった。
実施例1と同様に、この第2の光学異方性層を第1の光学異方性層に対して、液晶配向パターンにおける光学軸の回転方向が逆になるように転写した。この場合、第1の光学異方性層の斜めの明暗線と第2の光学異方性層の斜めの明暗線とは平行となる。
この回折素子におけるλ/Λの値は、入射波長λ1550nmの光に対し、1.48であり、すなわちΛ=1.05μmであった。
この回折素子におけるλ/Λの値は、入射波長λ1550nmの光に対し、1.48であり、すなわちΛ=1.05μmであった。
[実施例3]
第1の光学異方性層と第2の光学異方性層の間に屈折率異方性が正のCプレートを配置した以外は実施例1と同様にして透過型液晶回折素子を作製した。
正のCプレートは、棒状液晶化合物L-1を垂直配向させ紫外線硬化することにより形成した。この時、正のCプレートの厚さ方向のレタデーション(Rth)は-390nmであった。正のCプレートは、第1の光学異方性層に粘着剤で貼合した。
この回折素子におけるλ/Λの値は、入射波長λ1550nmの光に対し、1.48であり、すなわちΛ=1.05μmであった。
第1の光学異方性層と第2の光学異方性層の間に屈折率異方性が正のCプレートを配置した以外は実施例1と同様にして透過型液晶回折素子を作製した。
正のCプレートは、棒状液晶化合物L-1を垂直配向させ紫外線硬化することにより形成した。この時、正のCプレートの厚さ方向のレタデーション(Rth)は-390nmであった。正のCプレートは、第1の光学異方性層に粘着剤で貼合した。
この回折素子におけるλ/Λの値は、入射波長λ1550nmの光に対し、1.48であり、すなわちΛ=1.05μmであった。
[比較例1]
実施例1の第1の光学異方性層のみを有する透過型液晶回折素子を作製した。
実施例1の第1の光学異方性層のみを有する透過型液晶回折素子を作製した。
[評価]
作製した透過型液晶回折素子に、方位角は液晶化合物由来の光学軸が面内一方向に沿って連続的に回転しながら変化している方位(配列軸D方向)で、かつ、透過型液晶回折素子の主面の法線方向からの入射角θiで波長1550nmのレーザー光を入射し、光を入射した方位方向において、光の入射方向と逆方向に屈折された屈折光の出射角度θoと強度(回折効率)、ならびに、光の入射方向と同方向に屈折された屈折光の出射角度θpと強度(回折効率)をパワーメーターで測定した。入射したレーザー光は、無偏光にした。強度(回折効率)の基準は以下の通りである。
・S:強度(回折効率)が95%以上
・A:強度(回折効率)が92%以上
・B:強度(回折効率)が90%以上
・C:強度(回折効率)が80%以上
・D:強度(回折効率)が50%以上
・E:強度(回折効率)が50%未満
結果を下記の表1に示す。
作製した透過型液晶回折素子に、方位角は液晶化合物由来の光学軸が面内一方向に沿って連続的に回転しながら変化している方位(配列軸D方向)で、かつ、透過型液晶回折素子の主面の法線方向からの入射角θiで波長1550nmのレーザー光を入射し、光を入射した方位方向において、光の入射方向と逆方向に屈折された屈折光の出射角度θoと強度(回折効率)、ならびに、光の入射方向と同方向に屈折された屈折光の出射角度θpと強度(回折効率)をパワーメーターで測定した。入射したレーザー光は、無偏光にした。強度(回折効率)の基準は以下の通りである。
・S:強度(回折効率)が95%以上
・A:強度(回折効率)が92%以上
・B:強度(回折効率)が90%以上
・C:強度(回折効率)が80%以上
・D:強度(回折効率)が50%以上
・E:強度(回折効率)が50%未満
結果を下記の表1に示す。
表1から、本発明の実施例は入射光の角度を大きく屈曲できることがわかる。また、光の入射方向と同方向(θpの角度)に屈折される屈折光が観測されず、光の入射方向と逆方向(θoの角度)に屈折される屈折光の強度(回折効率)が50%以上であることから、入射光の右円偏光成分と左円偏光成分の両方を同じ向き(θoの角度)に回折できていることがわかる。
[実施例4]
実施例1と配向膜の形成および配向膜の露光は同じにし、第1および第2の光学異方性層の形成は下記のように行った。
実施例1と配向膜の形成および配向膜の露光は同じにし、第1および第2の光学異方性層の形成は下記のように行った。
(液晶組成物の調製)
液晶層を形成する液晶組成物として、下記の組成物C-1、C-2、D-1、D-2を調製した。なお、符号のCは液晶化合物の主成分が棒性の化合物で、Dは液晶化合物の主成分が円盤状の化合物を表し、また、1は右ねじれ、2は左ねじれを表している。すなわち、組成物C-1は、棒状液晶化合物を主成分とし、右ねじれとなる液晶組成物であり、組成物C-2は、棒状液晶化合物を主成分とし、左ねじれとなる液晶組成物であり、組成物D-1は、円盤状液晶化合物を主成分とし、右ねじれとなる液晶組成物であり、組成物D-2は、円盤状液晶化合物を主成分とし、左ねじれとなる液晶組成物である。
液晶層を形成する液晶組成物として、下記の組成物C-1、C-2、D-1、D-2を調製した。なお、符号のCは液晶化合物の主成分が棒性の化合物で、Dは液晶化合物の主成分が円盤状の化合物を表し、また、1は右ねじれ、2は左ねじれを表している。すなわち、組成物C-1は、棒状液晶化合物を主成分とし、右ねじれとなる液晶組成物であり、組成物C-2は、棒状液晶化合物を主成分とし、左ねじれとなる液晶組成物であり、組成物D-1は、円盤状液晶化合物を主成分とし、右ねじれとなる液晶組成物であり、組成物D-2は、円盤状液晶化合物を主成分とし、左ねじれとなる液晶組成物である。
組成物C-1
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・棒状液晶化合物L-1 100.00質量部
・キラル剤Ch-A 0.058質量部
・重合開始剤(BASF製、Irgacure(登録商標)907)
3.00質量部
・光増感剤(日本化薬製、KAYACURE DETX-S)
1.00質量部
・レベリング剤T-1 0.08質量部
・メチルエチルケトン 2000.00質量部――――――――――――――――――――――――――――――――――
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・棒状液晶化合物L-1 100.00質量部
・キラル剤Ch-A 0.058質量部
・重合開始剤(BASF製、Irgacure(登録商標)907)
3.00質量部
・光増感剤(日本化薬製、KAYACURE DETX-S)
1.00質量部
・レベリング剤T-1 0.08質量部
・メチルエチルケトン 2000.00質量部――――――――――――――――――――――――――――――――――
組成物C-2
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・棒状液晶化合物L-1 100.00質量部
・キラル剤Ch-B 0.099質量部
・重合開始剤(BASF製、Irgacure(登録商標)907)
3.00質量部
・光増感剤(日本化薬製、KAYACURE DETX-S)
1.00質量部
・レベリング剤T-1 0.08質量部
・メチルエチルケトン 2000.00質量部――――――――――――――――――――――――――――――――――
――――――――――――――――――――――――――――――――――
・棒状液晶化合物L-1 100.00質量部
・キラル剤Ch-B 0.099質量部
・重合開始剤(BASF製、Irgacure(登録商標)907)
3.00質量部
・光増感剤(日本化薬製、KAYACURE DETX-S)
1.00質量部
・レベリング剤T-1 0.08質量部
・メチルエチルケトン 2000.00質量部――――――――――――――――――――――――――――――――――
組成物D-1
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・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
・キラル剤Ch-2 0.033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 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
・キラル剤Ch-2 0.033質量部
・メチルエチルケトン 300.00質量部――――――――――――――――――――――――――――――――――
組成物D-2
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・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
・キラル剤Ch-3 0.033質量部
・メチルエチルケトン 300.00質量部――――――――――――――――――――――――――――――――――
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・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
・キラル剤Ch-3 0.033質量部
・メチルエチルケトン 300.00質量部――――――――――――――――――――――――――――――――――
(第1の光学異方性層の形成)
第1の光学異方性層は、組成物C-1を配向膜P-2上に多層塗布し、その上に組成物C-2を多層塗布することにより形成した。先ず配向膜の上に1層目の組成物C-1を塗布、加熱、冷却後に紫外線硬化を行って液晶固定化層を作製した後、2層目以降はその液晶固定化層に重ね塗りして塗布を行い、同様に加熱、冷却後に紫外線硬化を行うことを繰り返し液晶層C-1を形成した。塗布から紫外線硬化までの工程は実施例1と同じである。この際、各回の重ね塗り時の塗布厚は液晶層C-1の厚みが約0.4μm程度になるようにして良好な配向状態が得られるようにした。これにより、液晶層C-1のΔn1550×厚さ=Re(1550)が930nmになるようにした。
その上に、組成物C-2を同様に多層塗布し、液晶層C-2を形成した。これにより、液晶層C-2のΔn1550×厚さ=Re(1550)が930nmになるようにした。これにより、液晶層C-1と液晶層C-2が重なった構造の第1の光学異方性層を作製した。顕微鏡で確認した結果、周期的な配向になっていることを確認した。また、第1の光学異方性層の液晶層C-1部分の厚さ方向の捩れ角は60°、液晶層C-2部分の厚さ方向の捩れ角は-60°であった。また、SEMによる断面像において、第1の光学異方性層の下界面(ガラス基板との界面)に対し、Vの字を横にした形状の明暗線が観察された。この明暗線は、右左の異なった厚さ方向のねじれ方向を配向している液晶化合物が厚さ方向に積み重ねられた構成により観察されるものである。
第1の光学異方性層は、組成物C-1を配向膜P-2上に多層塗布し、その上に組成物C-2を多層塗布することにより形成した。先ず配向膜の上に1層目の組成物C-1を塗布、加熱、冷却後に紫外線硬化を行って液晶固定化層を作製した後、2層目以降はその液晶固定化層に重ね塗りして塗布を行い、同様に加熱、冷却後に紫外線硬化を行うことを繰り返し液晶層C-1を形成した。塗布から紫外線硬化までの工程は実施例1と同じである。この際、各回の重ね塗り時の塗布厚は液晶層C-1の厚みが約0.4μm程度になるようにして良好な配向状態が得られるようにした。これにより、液晶層C-1のΔn1550×厚さ=Re(1550)が930nmになるようにした。
その上に、組成物C-2を同様に多層塗布し、液晶層C-2を形成した。これにより、液晶層C-2のΔn1550×厚さ=Re(1550)が930nmになるようにした。これにより、液晶層C-1と液晶層C-2が重なった構造の第1の光学異方性層を作製した。顕微鏡で確認した結果、周期的な配向になっていることを確認した。また、第1の光学異方性層の液晶層C-1部分の厚さ方向の捩れ角は60°、液晶層C-2部分の厚さ方向の捩れ角は-60°であった。また、SEMによる断面像において、第1の光学異方性層の下界面(ガラス基板との界面)に対し、Vの字を横にした形状の明暗線が観察された。この明暗線は、右左の異なった厚さ方向のねじれ方向を配向している液晶化合物が厚さ方向に積み重ねられた構成により観察されるものである。
(第2の光学異方性層の形成と透過型液晶回折素子の作製)
第1の光学異方性層と同じ様に光学異方性層を形成し、これを第2の光学異方性層とした。この第2の光学異方性層を転写して第1の光学異方性層に積層するように粘着剤で貼合した。このとき、面内一方向に沿って連続的に回転しながら変化している液晶化合物由来の光学軸の回転方向が第1の光学異方性層と逆回転になるよう、かつ面内一方向の回転方向の向き(配列軸D)が平行になるように、主面に垂直な軸に対して第2の光学異方性層を180度回転させて貼合した。このようにして、第1の光学異方性層と第2の光学異方性層が積層した透過型液晶回折素子を作製した(図17参照)。
この回折素子におけるλ/Λの値は、入射波長λ1550nmの光に対し、1.48であり、すなわちΛ=1.05μmであった。
この回折素子におけるλ/Λの値は、入射波長λ1550nmの光に対し、1.48であり、すなわちΛ=1.05μmであった。
[実施例5]
実施例1と配向膜の形成および配向膜の露光は同じにし、第1および第2の光学異方性層の形成を下記のように行った。
実施例1と配向膜の形成および配向膜の露光は同じにし、第1および第2の光学異方性層の形成を下記のように行った。
(第1の光学異方性層の形成)
第1の光学異方性層は、組成物C-1と組成物D-1を配向膜P-2上に交互に多層塗布し、その上に組成物C-2と組成物D-2を交互に多層塗布することにより形成した。先ず配向膜の上に1層目の組成物C-1を塗布、加熱、冷却後に紫外線硬化を行って棒状液晶層C-1を作製した後、2層目はその棒状液晶層C-1に組成物D-1を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い、円盤状液晶層D-1を形成した。その後、棒状液晶層C-1と円盤状液晶層D-1とを交互に繰り返し形成した。塗布から紫外線硬化までの工程は実施例1と同じである。この際、各回の重ね塗り時の塗布厚は液晶層の厚みが約0.4μm程度になるようにして良好な配向状態が得られるようにした。また、棒状液晶層C-1の液晶化合物の配向方向(棒状液晶化合物の長軸の方向)と円盤状液晶層D-1の液晶化合物の配向方向(円盤状液晶化合物の長い側の方向)は積層塗布時に平行に配向するため、厚さ方向のリタデーションは相殺する光学特性になる。このようにして複数の棒状液晶層C-1と円盤状液晶層D-1を積層した液晶層の全体のΔn1550×厚さ=Re(1550)が930nmになるようにした。この場合のΔn1550は面内方向の複屈折率である。
第1の光学異方性層は、組成物C-1と組成物D-1を配向膜P-2上に交互に多層塗布し、その上に組成物C-2と組成物D-2を交互に多層塗布することにより形成した。先ず配向膜の上に1層目の組成物C-1を塗布、加熱、冷却後に紫外線硬化を行って棒状液晶層C-1を作製した後、2層目はその棒状液晶層C-1に組成物D-1を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い、円盤状液晶層D-1を形成した。その後、棒状液晶層C-1と円盤状液晶層D-1とを交互に繰り返し形成した。塗布から紫外線硬化までの工程は実施例1と同じである。この際、各回の重ね塗り時の塗布厚は液晶層の厚みが約0.4μm程度になるようにして良好な配向状態が得られるようにした。また、棒状液晶層C-1の液晶化合物の配向方向(棒状液晶化合物の長軸の方向)と円盤状液晶層D-1の液晶化合物の配向方向(円盤状液晶化合物の長い側の方向)は積層塗布時に平行に配向するため、厚さ方向のリタデーションは相殺する光学特性になる。このようにして複数の棒状液晶層C-1と円盤状液晶層D-1を積層した液晶層の全体のΔn1550×厚さ=Re(1550)が930nmになるようにした。この場合のΔn1550は面内方向の複屈折率である。
その上に組成物C-2と組成物D-2を交互に多層塗布した。このようにして棒状液晶層C-2と円盤状液晶層D-2とを交互に複数有する液晶層を形成した。液晶層の全体のΔn1550×厚さ=Re(1550)が930nmになるようにした。このようにして、棒状液晶層C-1と円盤状液晶層D-1が交互積層した液晶層に、棒状液晶層C-2と円盤状液晶層D-2が交互積層した液晶層が重なった第1の光学異方性層を作製した。顕微鏡で確認した結果、周期的な配向になってることを確認した。また、第1の光学異方性層の棒状液晶層C-1および円盤状液晶層D-1が交互に積層した液晶層部分の厚さ方向のねじれ角は60°、棒状液晶層C-2および円盤状液晶層D-2が交互に積層した液晶層部分の厚さ方向のねじれ角は-60°であった。
また、SEMによる断面像において、第1の光学異方性層の下界面(ガラス基板との界面)に対し、Vの字を横にした形状の明暗線が観察された。この明暗線は、正負の異なった厚さ方向のねじれ方向を配向している液晶化合物が厚さ方向に積み重ねられた構成により観察されるものである。
また、SEMによる断面像において、第1の光学異方性層の下界面(ガラス基板との界面)に対し、Vの字を横にした形状の明暗線が観察された。この明暗線は、正負の異なった厚さ方向のねじれ方向を配向している液晶化合物が厚さ方向に積み重ねられた構成により観察されるものである。
(第2の光学異方性層の形成と透過型液晶回折素子の作製)
第1の光学異方性層と同じ様に光学異方性層を形成し、これを第2の光学異方性層とした。この第2の光学異方性層を転写して第1の光学異方性層に積層するように粘着剤で貼合した。このとき、面内一方向に沿って連続的に回転しながら変化している液晶化合物由来の光学軸の回転方向が第1の光学異方性層と逆回転になるよう、かつ面内一方向の回転方向の向き(配列軸D)が平行になるように、主面に垂直な軸に対して第2の光学異方性層を180度回転させて貼合した。このようにして、第1の光学異方性層と第2の光学異方性層が積層した透過型液晶回折素子を作製した(図18参照)。
この回折素子におけるλ/Λの値は、入射波長λ1550nmの光に対し、1.48であり、すなわちΛ=1.05μmであった。
第1の光学異方性層と同じ様に光学異方性層を形成し、これを第2の光学異方性層とした。この第2の光学異方性層を転写して第1の光学異方性層に積層するように粘着剤で貼合した。このとき、面内一方向に沿って連続的に回転しながら変化している液晶化合物由来の光学軸の回転方向が第1の光学異方性層と逆回転になるよう、かつ面内一方向の回転方向の向き(配列軸D)が平行になるように、主面に垂直な軸に対して第2の光学異方性層を180度回転させて貼合した。このようにして、第1の光学異方性層と第2の光学異方性層が積層した透過型液晶回折素子を作製した(図18参照)。
この回折素子におけるλ/Λの値は、入射波長λ1550nmの光に対し、1.48であり、すなわちΛ=1.05μmであった。
[実施例6]
実施例5の透過型液晶回折素子の両側にλ/4板を粘着材で貼合し、実施例6の透過型液晶回折素子とした(図19参照)。両側のλ/4板の遅相軸は、方位角は液晶化合物由来の光学軸が面内一方向に沿って連続的に回転しながら変化している方位(配列軸D方向)に対し、それぞれ45度、-45度となるように貼合した。なお、λ/4板は、WO13/137464の実施例に記載の方法で作製し、ポジ型Aプレートとポジ型Cプレートを積層させる構造とした。このときの面内リタデーションはRe(1550)が388nm、厚さ方向のリタデーションはRth(1550)が0nmにした。
この回折素子におけるλ/Λの値は、入射波長λ1550nmの光に対し、1.48であり、すなわちΛ=1.05μmであった。
実施例5の透過型液晶回折素子の両側にλ/4板を粘着材で貼合し、実施例6の透過型液晶回折素子とした(図19参照)。両側のλ/4板の遅相軸は、方位角は液晶化合物由来の光学軸が面内一方向に沿って連続的に回転しながら変化している方位(配列軸D方向)に対し、それぞれ45度、-45度となるように貼合した。なお、λ/4板は、WO13/137464の実施例に記載の方法で作製し、ポジ型Aプレートとポジ型Cプレートを積層させる構造とした。このときの面内リタデーションはRe(1550)が388nm、厚さ方向のリタデーションはRth(1550)が0nmにした。
この回折素子におけるλ/Λの値は、入射波長λ1550nmの光に対し、1.48であり、すなわちΛ=1.05μmであった。
[実施例7]
実施例6の透過型液晶回折素子のうち、第1および第2の光学異方性層の形成を下記のように行い、その他は実施例6と同様にして、実施例7の透過型液晶回折素子を作製した。
実施例6の透過型液晶回折素子のうち、第1および第2の光学異方性層の形成を下記のように行い、その他は実施例6と同様にして、実施例7の透過型液晶回折素子を作製した。
(液晶組成物の調製)
液晶層を形成する液晶組成物として、下記の組成物C-3、C-4、D-3、D-4を調製した。なお、符号のCは液晶化合物の主成分が棒性の化合物で、Dは液晶化合物の主成分が円盤状の化合物を表し、また、3は右ねじれ、4は左ねじれを表している。すなわち、組成物C-3は、棒状液晶化合物を主成分とし、右ねじれとなる液晶組成物であり、組成物C-4は、棒状液晶化合物を主成分とし、左ねじれとなる液晶組成物であり、組成物D-3は、円盤状液晶化合物を主成分とし、右ねじれとなる液晶組成物であり、組成物D-4は、円盤状液晶化合物を主成分とし、左ねじれとなる液晶組成物である。
液晶層を形成する液晶組成物として、下記の組成物C-3、C-4、D-3、D-4を調製した。なお、符号のCは液晶化合物の主成分が棒性の化合物で、Dは液晶化合物の主成分が円盤状の化合物を表し、また、3は右ねじれ、4は左ねじれを表している。すなわち、組成物C-3は、棒状液晶化合物を主成分とし、右ねじれとなる液晶組成物であり、組成物C-4は、棒状液晶化合物を主成分とし、左ねじれとなる液晶組成物であり、組成物D-3は、円盤状液晶化合物を主成分とし、右ねじれとなる液晶組成物であり、組成物D-4は、円盤状液晶化合物を主成分とし、左ねじれとなる液晶組成物である。
組成物C-3
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・棒状液晶化合物L-1 100.00質量部
・キラル剤Ch-2 0.0338質量部
・重合開始剤(BASF製、Irgacure(登録商標)907)
1.25質量部
・レベリング剤T-1 0.32質量部
・レベリング剤T-2 0.04質量部
・メチルエチルケトン 2000.00質量部――――――――――――――――――――――――――――――――――
――――――――――――――――――――――――――――――――――
・棒状液晶化合物L-1 100.00質量部
・キラル剤Ch-2 0.0338質量部
・重合開始剤(BASF製、Irgacure(登録商標)907)
1.25質量部
・レベリング剤T-1 0.32質量部
・レベリング剤T-2 0.04質量部
・メチルエチルケトン 2000.00質量部――――――――――――――――――――――――――――――――――
組成物C-4
――――――――――――――――――――――――――――――――――
・棒状液晶化合物L-1 100.00質量部
・キラル剤Ch-3 0.0325質量部
・重合開始剤(BASF製、Irgacure(登録商標)907)
1.25質量部
・レベリング剤T-1 0.32質量部
・レベリング剤T-2 0.04質量部
・メチルエチルケトン 2000.00質量部――――――――――――――――――――――――――――――――――
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・棒状液晶化合物L-1 100.00質量部
・キラル剤Ch-3 0.0325質量部
・重合開始剤(BASF製、Irgacure(登録商標)907)
1.25質量部
・レベリング剤T-1 0.32質量部
・レベリング剤T-2 0.04質量部
・メチルエチルケトン 2000.00質量部――――――――――――――――――――――――――――――――――
組成物D-3
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・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
・配向助剤J-1 0.05質量部
・キラル剤Ch-2 0.0305質量部
・配向助剤J-2 5.00質量部
・重合開始剤I-1 3.00質量部
・レベリング剤T-3 0.10質量部
・レベリング剤T-4 0.10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 80.00質量部
・円盤状液晶化合物L-3 20.00質量部
・配向助剤J-1 0.05質量部
・キラル剤Ch-2 0.0305質量部
・配向助剤J-2 5.00質量部
・重合開始剤I-1 3.00質量部
・レベリング剤T-3 0.10質量部
・レベリング剤T-4 0.10質量部
・メチルエチルケトン 300.00質量部――――――――――――――――――――――――――――――――――
組成物D-4
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・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
・配向助剤J-1 0.05質量部
・キラル剤Ch-3 0.0280質量部
・配向助剤J-2 5.00質量部
・重合開始剤I-1 3.00質量部
・レベリング剤T-3 0.10質量部
・レベリング剤T-4 0.10質量部
・メチルエチルケトン 300.00質量部――――――――――――――――――――――――――――――――――
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・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
・配向助剤J-1 0.05質量部
・キラル剤Ch-3 0.0280質量部
・配向助剤J-2 5.00質量部
・重合開始剤I-1 3.00質量部
・レベリング剤T-3 0.10質量部
・レベリング剤T-4 0.10質量部
・メチルエチルケトン 300.00質量部――――――――――――――――――――――――――――――――――
(第1の光学異方性層の形成)
第1の光学異方性層は、組成物C-3と組成物D-3を配向膜P-2上に交互に多層塗布し、その上に組成物C-4と組成物D-4を交互に多層塗布することにより形成した。先ず配向膜の上に1層目の組成物C-3を塗布、80℃で加熱、冷却後に800mJ/cm2で紫外線硬化を行って棒状液晶層C-3を作製した後、その表面に75W/m2/minでコロナ処理を行い、2層目をその棒状液晶層C-3に組成物D-3を重ね塗りして塗布を行い、110℃で加熱、冷却後に800mJ/cm2で紫外線硬化を行い、円盤状液晶層D-3を形成した。その後、その表面に75W/m2/minでコロナ処理を行い、さらに120℃で熱処理を行った。その後、棒状液晶層C-3と円盤状液晶層D-3とを交互に繰り返し形成した。この際、各回の重ね塗り時の塗布厚は液晶層の厚みが約0.1μm程度になるようにして良好な配向状態が得られるようにした。また、棒状液晶層C-3の液晶化合物の配向方向(棒状液晶化合物の長軸の方向)と円盤状液晶層D-3の液晶化合物の配向方向(円盤状液晶化合物の長い側の方向)は積層塗布時に平行に配向するため、厚さ方向のリタデーションは相殺する光学特性になる。このようにして複数の棒状液晶層C-3と円盤状液晶層D-3を積層した液晶層の全体のΔn1550×厚さ=Re(1550)が930nmになるようにした。この場合のΔn1550は面内方向の複屈折率である。
第1の光学異方性層は、組成物C-3と組成物D-3を配向膜P-2上に交互に多層塗布し、その上に組成物C-4と組成物D-4を交互に多層塗布することにより形成した。先ず配向膜の上に1層目の組成物C-3を塗布、80℃で加熱、冷却後に800mJ/cm2で紫外線硬化を行って棒状液晶層C-3を作製した後、その表面に75W/m2/minでコロナ処理を行い、2層目をその棒状液晶層C-3に組成物D-3を重ね塗りして塗布を行い、110℃で加熱、冷却後に800mJ/cm2で紫外線硬化を行い、円盤状液晶層D-3を形成した。その後、その表面に75W/m2/minでコロナ処理を行い、さらに120℃で熱処理を行った。その後、棒状液晶層C-3と円盤状液晶層D-3とを交互に繰り返し形成した。この際、各回の重ね塗り時の塗布厚は液晶層の厚みが約0.1μm程度になるようにして良好な配向状態が得られるようにした。また、棒状液晶層C-3の液晶化合物の配向方向(棒状液晶化合物の長軸の方向)と円盤状液晶層D-3の液晶化合物の配向方向(円盤状液晶化合物の長い側の方向)は積層塗布時に平行に配向するため、厚さ方向のリタデーションは相殺する光学特性になる。このようにして複数の棒状液晶層C-3と円盤状液晶層D-3を積層した液晶層の全体のΔn1550×厚さ=Re(1550)が930nmになるようにした。この場合のΔn1550は面内方向の複屈折率である。
その上に組成物C-4と組成物D-4を交互に多層塗布した。このようにして棒状液晶層C-4と円盤状液晶層D-4とを交互に複数有する液晶層を形成した。液晶層の全体のΔn1550×厚さ=Re(1550)が930nmになるようにした。このようにして、棒状液晶層C-3と円盤状液晶層D-3が交互積層した液晶層に、棒状液晶層C-4と円盤状液晶層D-4が交互積層した液晶層が重なった第1の光学異方性層を作製した。顕微鏡で確認した結果、周期的な配向になってることを確認した。また、第1の光学異方性層の棒状液晶層C-3および円盤状液晶層D-3が交互に積層した液晶層部分の厚さ方向のねじれ角は60°、棒状液晶層C-4および円盤状液晶層D-4が交互に積層した液晶層部分の厚さ方向のねじれ角は-60°であった。
また、SEMによる断面像において、第1の光学異方性層の下界面(ガラス基板との界面)に対し、Vの字を横にした形状の明暗線が観察された。この明暗線は、正負の異なった厚さ方向のねじれ方向を配向している液晶化合物が厚さ方向に積み重ねられた構成により観察されるものである。
また、SEMによる断面像において、第1の光学異方性層の下界面(ガラス基板との界面)に対し、Vの字を横にした形状の明暗線が観察された。この明暗線は、正負の異なった厚さ方向のねじれ方向を配向している液晶化合物が厚さ方向に積み重ねられた構成により観察されるものである。
(第2の光学異方性層の形成と透過型液晶回折素子の作製)
第1の光学異方性層と同じ様に光学異方性層を形成し、これを第2の光学異方性層とした。この第2の光学異方性層を転写して第1の光学異方性層に積層するように粘着剤で貼合した。このとき、面内一方向に沿って連続的に回転しながら変化している液晶化合物由来の光学軸の回転方向が第1の光学異方性層と逆回転になるよう、かつ面内一方向の回転方向の向き(配列軸D)が平行になるように、主面に垂直な軸に対して第2の光学異方性層を180度回転させて貼合した。このようにして、第1の光学異方性層と第2の光学異方性層が積層した透過型液晶回折素子を作製した。
この回折素子におけるλ/Λの値は、入射波長λ1550nmの光に対し、1.48であり、すなわちΛ=1.05μmであった。
第1の光学異方性層と同じ様に光学異方性層を形成し、これを第2の光学異方性層とした。この第2の光学異方性層を転写して第1の光学異方性層に積層するように粘着剤で貼合した。このとき、面内一方向に沿って連続的に回転しながら変化している液晶化合物由来の光学軸の回転方向が第1の光学異方性層と逆回転になるよう、かつ面内一方向の回転方向の向き(配列軸D)が平行になるように、主面に垂直な軸に対して第2の光学異方性層を180度回転させて貼合した。このようにして、第1の光学異方性層と第2の光学異方性層が積層した透過型液晶回折素子を作製した。
この回折素子におけるλ/Λの値は、入射波長λ1550nmの光に対し、1.48であり、すなわちΛ=1.05μmであった。
[実施例8]
実施例7の透過型液晶回折素子の作製のうち、コロナ処理の代わりに下記のプラズマ処理を行い、その他は実施例7と同様にして、透過型液晶回折素子を作製した。プラズマ処理は、Harrick Plasma社製 Plasma Cleaner PDC-32Gを用い、出力MEDおよび減圧の条件下で、試料表面へのプラズマ処理を10秒間行った。このようにして、透過型液晶回折素子を作製した。
この回折素子におけるλ/Λの値は、入射波長λ1550nmの光に対し、1.48であり、すなわちΛ=1.05μmであった。
実施例7の透過型液晶回折素子の作製のうち、コロナ処理の代わりに下記のプラズマ処理を行い、その他は実施例7と同様にして、透過型液晶回折素子を作製した。プラズマ処理は、Harrick Plasma社製 Plasma Cleaner PDC-32Gを用い、出力MEDおよび減圧の条件下で、試料表面へのプラズマ処理を10秒間行った。このようにして、透過型液晶回折素子を作製した。
この回折素子におけるλ/Λの値は、入射波長λ1550nmの光に対し、1.48であり、すなわちΛ=1.05μmであった。
[評価]
作製した透過型液晶回折素子に、方位角は液晶化合物由来の光学軸が面内一方向に沿って連続的に回転しながら変化している方位(配列軸D方向)で、かつ、透過型液晶回折素子の主面の法線方向からの入射角θiで波長1550nmのレーザー光を入射し、光を入射した方位方向において、光の入射方向と逆方向に屈折された屈折光の出射角度θoと強度(回折効率)、ならびに、光の入射方向と同方向に屈折された屈折光の出射角度θpと強度(回折効率)をパワーメーターで測定した。なお、実施例11および12では、レーザー光は右円偏光および左円偏光をそれぞれ入射した。また、実施例13では、S偏光およびP偏光をそれぞれ入射した。また、右円偏光の強度と左円偏光の強度の平均値、または、S偏光の強度とP偏光の強度の平均値を評価する強度値とした。基準は以下の通りである。
・SS:強度(回折効率)が97%以上
・S:強度(回折効率)が95%以上
・A:強度(回折効率)が92%以上
・B:強度(回折効率)が90%以上
・C:強度(回折効率)が80%以上
・D:強度(回折効率)が50%以上
・E:強度(回折効率)が50%未満
作製した透過型液晶回折素子に、方位角は液晶化合物由来の光学軸が面内一方向に沿って連続的に回転しながら変化している方位(配列軸D方向)で、かつ、透過型液晶回折素子の主面の法線方向からの入射角θiで波長1550nmのレーザー光を入射し、光を入射した方位方向において、光の入射方向と逆方向に屈折された屈折光の出射角度θoと強度(回折効率)、ならびに、光の入射方向と同方向に屈折された屈折光の出射角度θpと強度(回折効率)をパワーメーターで測定した。なお、実施例11および12では、レーザー光は右円偏光および左円偏光をそれぞれ入射した。また、実施例13では、S偏光およびP偏光をそれぞれ入射した。また、右円偏光の強度と左円偏光の強度の平均値、または、S偏光の強度とP偏光の強度の平均値を評価する強度値とした。基準は以下の通りである。
・SS:強度(回折効率)が97%以上
・S:強度(回折効率)が95%以上
・A:強度(回折効率)が92%以上
・B:強度(回折効率)が90%以上
・C:強度(回折効率)が80%以上
・D:強度(回折効率)が50%以上
・E:強度(回折効率)が50%未満
また、偏光維持特性を以下の基準で評価した。
・A:右円偏光と左円偏光、あるいは、S偏光とP偏光とが、混合せずに回折する。
・B:右円偏光と左円偏光、あるいは、S偏光とP偏光とが、おおよそ混合せずに回折する。
・C:右円偏光と左円偏光、あるいは、S偏光とP偏光とが、混合して回折する。
結果を下記の表2に示す。
・A:右円偏光と左円偏光、あるいは、S偏光とP偏光とが、混合せずに回折する。
・B:右円偏光と左円偏光、あるいは、S偏光とP偏光とが、おおよそ混合せずに回折する。
・C:右円偏光と左円偏光、あるいは、S偏光とP偏光とが、混合して回折する。
結果を下記の表2に示す。
表2から、本発明の実施例は、入射光の入射角が中心から変動しても(42.6±5度)、回折効率が低下せず、入射光の角度を大きく屈曲できることがわかる。また、光の入射方向と同方向(θpの角度)に屈折される屈折光が観測されず、入射光の全ての偏光成分(右円偏光と左円偏光、または、S偏光とP偏光)を同じ向き(θoの角度)に回折できていることがわかる。また、入射光の偏光状態を維持したまま回折できている。すなわち、実施例4と5は、入射偏光が右円偏光のときは回折光は左円偏光に、入射偏光が左円偏光のときは回折光は右円偏光になり、それぞれ混合しないで回折できている。同様に実施例6は入射偏光がS偏光のときは回折光はS偏光に、入射偏光がP偏光のときは回折光はP偏光になり、それぞれ混合しないで回折できている。特に、特に実施例5と6はその効果が高い程度で実現されている。
[実施例71]
実施例7を元に、入射光の波長が変わった場合の本発明の効果を確認するために、下記実施例を作製し評価を行った。実施例7と同様に、透過型液晶回折素子を作製し、入射光の波長を下記表のように変えて評価した。
この回折素子におけるλ/Λの値は、入射波長λ1520nmの光に対し1.45、入射波長λ1550nmの光に対し1.48、および入射波長λ1580nmの光に対し1.5であり、すなわちΛ=1.05μmであった。
表3の結果から、本発明の実施例は、入射光の波長が変わっても(1520~1580nm)、高回折効率で入射光の全ての偏光成分を大きく屈曲し、入射光の偏光状態を維持したまま回折できていることがわかる。また、入射光の波長によって出射角が異なることから、高効率で高い偏光維持特性を持った分光素子として機能していることがわかる。
実施例7を元に、入射光の波長が変わった場合の本発明の効果を確認するために、下記実施例を作製し評価を行った。実施例7と同様に、透過型液晶回折素子を作製し、入射光の波長を下記表のように変えて評価した。
表3の結果から、本発明の実施例は、入射光の波長が変わっても(1520~1580nm)、高回折効率で入射光の全ての偏光成分を大きく屈曲し、入射光の偏光状態を維持したまま回折できていることがわかる。また、入射光の波長によって出射角が異なることから、高効率で高い偏光維持特性を持った分光素子として機能していることがわかる。
[実施例72]
実施例7を元に、入射光の波長が変わった場合の本発明の効果を確認するために、下記実施例を作製し評価を行った。実施例7のうち、Λ=0.887μmとし、また、複数の棒状液晶層C-3と円盤状液晶層D-3を積層した液晶層の全体のΔn1310×厚さ=Re(1310)を786nm、複数の棒状液晶層C-4と円盤状液晶層D-4を積層した液晶層の全体のΔn1310×厚さ=Re(1310)を786nmに設定した。また、棒状液晶層C-3および円盤状液晶層D-3が交互に積層した液晶層部分の厚さ方向のねじれ角は60°、棒状液晶層C-4および円盤状液晶層D-4が交互に積層した液晶層部分の厚さ方向のねじれ角は-60°となるようそれぞれの層のキラル剤の濃度を調整した。このようにして透過型液晶回折素子を作製し、入射光の波長を下記表のように変えて評価を行った。
この回折素子におけるλ/Λの値は、入射波長λ1285nmの光に対し1.45、入射波長λ1310nmの光に対し1.48、および入射波長λ1335nmの光に対し1.51であり、すなわちΛ=0.887μmであった。
表4から、本発明の実施例は、入射光の波長が変わっても(1285~1335nm)、高回折効率で入射光の全ての偏光成分を大きく屈曲し、入射光の偏光状態を維持したまま回折できていることがわかる。また、入射光の波長によって出射角が異なることから、高効率で高い偏光維持特性を持った分光素子として機能していることがわかる。
実施例7を元に、入射光の波長が変わった場合の本発明の効果を確認するために、下記実施例を作製し評価を行った。実施例7のうち、Λ=0.887μmとし、また、複数の棒状液晶層C-3と円盤状液晶層D-3を積層した液晶層の全体のΔn1310×厚さ=Re(1310)を786nm、複数の棒状液晶層C-4と円盤状液晶層D-4を積層した液晶層の全体のΔn1310×厚さ=Re(1310)を786nmに設定した。また、棒状液晶層C-3および円盤状液晶層D-3が交互に積層した液晶層部分の厚さ方向のねじれ角は60°、棒状液晶層C-4および円盤状液晶層D-4が交互に積層した液晶層部分の厚さ方向のねじれ角は-60°となるようそれぞれの層のキラル剤の濃度を調整した。このようにして透過型液晶回折素子を作製し、入射光の波長を下記表のように変えて評価を行った。
表4から、本発明の実施例は、入射光の波長が変わっても(1285~1335nm)、高回折効率で入射光の全ての偏光成分を大きく屈曲し、入射光の偏光状態を維持したまま回折できていることがわかる。また、入射光の波長によって出射角が異なることから、高効率で高い偏光維持特性を持った分光素子として機能していることがわかる。
[実施例9]
実施例1と同様に配向膜を形成し、2つのレーザー光の干渉により形成される配向パターンの1周期Λ(光学軸が180°回転する長さ)が、1.0μmとなるように、2つの光の交差角(交差角α)を調節した以外は同様にして配向膜の露光を行った。第1および第2の光学異方性層の形成は下記のように行った。
実施例1と同様に配向膜を形成し、2つのレーザー光の干渉により形成される配向パターンの1周期Λ(光学軸が180°回転する長さ)が、1.0μmとなるように、2つの光の交差角(交差角α)を調節した以外は同様にして配向膜の露光を行った。第1および第2の光学異方性層の形成は下記のように行った。
(第1の光学異方性層の形成)
液晶層を形成する液晶組成物として、実施例1の第1の光学異方性層形成(組成物B-1)において、膜厚を調整した以外は同様にして第1の光学異方性層を形成した。
液晶層を形成する液晶組成物として、実施例1の第1の光学異方性層形成(組成物B-1)において、膜厚を調整した以外は同様にして第1の光学異方性層を形成した。
第1の光学異方性層は、最終的に液晶のΔn550×厚さ=Re(550)が280nmになり、かつ、周期的な配向になっていることを偏光顕微鏡で確認した。また、第1の光学異方性層の厚さ方向の捩れ角は0°であった。また、SEMによる断面像において、第1の光学異方性層の下界面(ガラス基板との界面)に対し、垂直の明暗線が観察された。
第1の光学異方性層と同じ様に光学異方性層を形成し、これを第2の光学異方性層とした。この第2の光学異方性層を転写して第1の光学異方性層に積層するように粘着剤で貼合した。このとき、面内一方向に沿って連続的に回転しながら変化している液晶化合物由来の光学軸の回転方向が第1の光学異方性層と逆回転になるよう、かつ面内一方向の回転方向の向き(配列軸D)が平行になるように、主面に垂直な軸に対して第2の光学異方性層を180度回転させて貼合した。このようにして、第1の光学異方性層と第2の光学異方性層が積層した透過型液晶回折素子を作製した。
この回折素子におけるλ/Λの値は、それぞれ、入射波長λ450nmの光に対し0.45、入射波長λ532nmの光に対し0.53、および入射波長λ650nmの光に対し0.65であり、すなわちΛ=1.0μmであった。
この回折素子におけるλ/Λの値は、それぞれ、入射波長λ450nmの光に対し0.45、入射波長λ532nmの光に対し0.53、および入射波長λ650nmの光に対し0.65であり、すなわちΛ=1.0μmであった。
[比較例2]
実施例9の第1の光学異方性層のみを有する透過型液晶回折素子を作製した。
実施例9の第1の光学異方性層のみを有する透過型液晶回折素子を作製した。
[評価]
作製した透過型液晶回折素子に、方位角は液晶化合物由来の光学軸が面内一方向に沿って連続的に回転しながら変化している方位(配列軸D方向)で、かつ、透過型液晶回折素子の主面の法線方向からの入射角θiで波長450nm、532nm、650nmのレーザー光を入射し、光を入射した方位方向において、光の入射方向と逆方向に屈折された屈折光の出射角度θoと強度(回折効率)、ならびに、光の入射方向と同方向に出射された光の出射角度θpと強度(回折効率)をパワーメーターで測定した。入射したレーザー光は、右円偏光と左円偏光をそれぞれ入射し、その平均値を強度(回折効率)とした。強度(回折効率)の基準は以下の通りである。なお、強度(回折効率)の評価は、波長450nm、532nm、650nmでの屈折光の強度(回折効率)の平均値を用いて行った。
・S:強度(回折効率)が80%以上
・A:強度(回折効率)が75%以上
・B:強度(回折効率)が70%以上
・C:強度(回折効率)が60%以上
・D:強度(回折効率)が50%以上
・E:強度(回折効率)が50%未満
結果を下記の表5に示す。
作製した透過型液晶回折素子に、方位角は液晶化合物由来の光学軸が面内一方向に沿って連続的に回転しながら変化している方位(配列軸D方向)で、かつ、透過型液晶回折素子の主面の法線方向からの入射角θiで波長450nm、532nm、650nmのレーザー光を入射し、光を入射した方位方向において、光の入射方向と逆方向に屈折された屈折光の出射角度θoと強度(回折効率)、ならびに、光の入射方向と同方向に出射された光の出射角度θpと強度(回折効率)をパワーメーターで測定した。入射したレーザー光は、右円偏光と左円偏光をそれぞれ入射し、その平均値を強度(回折効率)とした。強度(回折効率)の基準は以下の通りである。なお、強度(回折効率)の評価は、波長450nm、532nm、650nmでの屈折光の強度(回折効率)の平均値を用いて行った。
・S:強度(回折効率)が80%以上
・A:強度(回折効率)が75%以上
・B:強度(回折効率)が70%以上
・C:強度(回折効率)が60%以上
・D:強度(回折効率)が50%以上
・E:強度(回折効率)が50%未満
結果を下記の表5に示す。
表5から、本発明の実施例は、異なる波長の入射光に対し、高い光の強度(回折効率)を得られることがわかる。また、入射光の全ての偏光成分(右円偏光と左円偏光)を同じ向き(θoの角度)に回折し、高い回折効率が得られている。さらに、波長450nm、532nm、650nmに対し、出射角度θpは異なる出射角度で光を屈曲している。すなわち、本発明の実施例は、高い回折効率を有する分光素子として機能していることがわかる。
[実施例10]
実施例9同様に配向膜を形成し、配向膜の露光を行った。第1および第2の光学異方性層の形成は下記のように行った。
実施例9同様に配向膜を形成し、配向膜の露光を行った。第1および第2の光学異方性層の形成は下記のように行った。
(第1の光学異方性層の形成)
第1の光学異方性層は、下記組成物B-4を配向膜P-2上に多層塗布することにより形成した。加熱、冷却、紫外線硬化の作製条件は実施例1と同様である。この多層層形成により、組成物B-4による液晶層のΔn600×厚さ=Re(600)が214nm、ねじれ角が90度となった。さらに、この組成物B-4による液晶層の上に、下記組成物B-5を多層塗布した。この多層層形成により、組成物B-5による液晶層のΔn600×厚さ=Re(600)が305nm、かつねじれ角が-33度となった。この様にして、第1の光学異方性層を形成した。SEMによる断面像において、第1の光学異方性層の下界面(ガラス基板との界面)に対し、斜め左右に伸びた2本の線の長さと角度が異なるVの字を、横にした形状の明暗線が観察された。この明暗線は、右左の異なった厚さ方向のねじれ方向を配向している液晶化合物が厚さ方向に積み重ねられた構成で、かつ右ねじれ層と左ねじれ層の、厚さおよびねじれ角絶対値が異なっていることにより観察されるものである。
第1の光学異方性層は、下記組成物B-4を配向膜P-2上に多層塗布することにより形成した。加熱、冷却、紫外線硬化の作製条件は実施例1と同様である。この多層層形成により、組成物B-4による液晶層のΔn600×厚さ=Re(600)が214nm、ねじれ角が90度となった。さらに、この組成物B-4による液晶層の上に、下記組成物B-5を多層塗布した。この多層層形成により、組成物B-5による液晶層のΔn600×厚さ=Re(600)が305nm、かつねじれ角が-33度となった。この様にして、第1の光学異方性層を形成した。SEMによる断面像において、第1の光学異方性層の下界面(ガラス基板との界面)に対し、斜め左右に伸びた2本の線の長さと角度が異なるVの字を、横にした形状の明暗線が観察された。この明暗線は、右左の異なった厚さ方向のねじれ方向を配向している液晶化合物が厚さ方向に積み重ねられた構成で、かつ右ねじれ層と左ねじれ層の、厚さおよびねじれ角絶対値が異なっていることにより観察されるものである。
組成物B-4
――――――――――――――――――――――――――――――――――
・棒状液晶化合物L-1 100.00質量部
・キラル剤Ch-A 0.38質量部
・重合開始剤(BASF製、Irgacure(登録商標)907)
3.00質量部
・光増感剤(日本化薬製、KAYACURE DETX-S)
1.00質量部
・レベリング剤T-1 0.08質量部
・メチルエチルケトン 2000.00質量部――――――――――――――――――――――――――――――――――
――――――――――――――――――――――――――――――――――
・棒状液晶化合物L-1 100.00質量部
・キラル剤Ch-A 0.38質量部
・重合開始剤(BASF製、Irgacure(登録商標)907)
3.00質量部
・光増感剤(日本化薬製、KAYACURE DETX-S)
1.00質量部
・レベリング剤T-1 0.08質量部
・メチルエチルケトン 2000.00質量部――――――――――――――――――――――――――――――――――
組成物B-5
――――――――――――――――――――――――――――――――――
・棒状液晶化合物L-1 100.00質量部
・キラル剤Ch-B 0.166質量部
・重合開始剤(BASF製、Irgacure(登録商標)907)
3.00質量部
・光増感剤(日本化薬製、KAYACURE DETX-S)
1.00質量部
・レベリング剤T-1 0.08質量部
・メチルエチルケトン 2000.00質量部―――――――――――――――――――――――――――――――――
――――――――――――――――――――――――――――――――――
・棒状液晶化合物L-1 100.00質量部
・キラル剤Ch-B 0.166質量部
・重合開始剤(BASF製、Irgacure(登録商標)907)
3.00質量部
・光増感剤(日本化薬製、KAYACURE DETX-S)
1.00質量部
・レベリング剤T-1 0.08質量部
・メチルエチルケトン 2000.00質量部―――――――――――――――――――――――――――――――――
(第2の光学異方性層の形成と透過型液晶回折素子の作製)
第1の光学異方性層と同じ様に光学異方性層を形成し、これを第2の光学異方性層とした。この第2の光学異方性層を転写して第1の光学異方性層に積層するように粘着剤で貼合した。このとき、面内一方向に沿って連続的に回転しながら変化している液晶化合物由来の光学軸の回転方向が第1の光学異方性層と逆回転になるよう、かつ面内一方向の回転方向の向き(配列軸D)が平行になるように、主面に垂直な軸に対して第2の光学異方性層を180度回転させて貼合した。このようにして、第1の光学異方性層と第2の光学異方性層が積層した透過型液晶回折素子を作製した。
この回折素子におけるλ/Λの値は、それぞれ、入射波長λ450nmの光に対し0.45、入射波長λ532nmの光に対し0.53、入射波長λ650nmの光に対し0.65、および入射波長λ980nmの光に対し0.98であり、すなわちΛ=1.0μmであった。
第1の光学異方性層と同じ様に光学異方性層を形成し、これを第2の光学異方性層とした。この第2の光学異方性層を転写して第1の光学異方性層に積層するように粘着剤で貼合した。このとき、面内一方向に沿って連続的に回転しながら変化している液晶化合物由来の光学軸の回転方向が第1の光学異方性層と逆回転になるよう、かつ面内一方向の回転方向の向き(配列軸D)が平行になるように、主面に垂直な軸に対して第2の光学異方性層を180度回転させて貼合した。このようにして、第1の光学異方性層と第2の光学異方性層が積層した透過型液晶回折素子を作製した。
この回折素子におけるλ/Λの値は、それぞれ、入射波長λ450nmの光に対し0.45、入射波長λ532nmの光に対し0.53、入射波長λ650nmの光に対し0.65、および入射波長λ980nmの光に対し0.98であり、すなわちΛ=1.0μmであった。
[評価]
作製した透過型液晶回折素子に、方位角は液晶化合物由来の光学軸が面内一方向に沿って連続的に回転しながら変化している方位(配列軸D方向)で、かつ、透過型液晶回折素子の主面の法線方向からの入射角θiで波長450nm、532nm、650nm、980nmのレーザー光を入射し、光を入射した方位方向において、光の入射方向と逆方向に屈折された屈折光の出射角度θoと強度(回折効率)、ならびに、光の入射方向と同方向に出射された光の出射角度θpと強度(回折効率)をパワーメーターで測定した。入射したレーザー光は、右円偏光と左円偏光をそれぞれ入射し、その平均値を強度(回折効率)とした。強度(回折効率)の基準は以下の通りである。なお、強度(回折効率)の評価は、波長450nm、532nm、650nm、980nmでの屈折光の強度(回折効率)の平均値を用いて行った。
・S:強度(回折効率)が70%以上
・A:強度(回折効率)が65%以上
・B:強度(回折効率)が60%以上
・C:強度(回折効率)が50%以上
・D:強度(回折効率)が40%以上
・E:強度(回折効率)が40%未満
結果を下記の表6に示す。
作製した透過型液晶回折素子に、方位角は液晶化合物由来の光学軸が面内一方向に沿って連続的に回転しながら変化している方位(配列軸D方向)で、かつ、透過型液晶回折素子の主面の法線方向からの入射角θiで波長450nm、532nm、650nm、980nmのレーザー光を入射し、光を入射した方位方向において、光の入射方向と逆方向に屈折された屈折光の出射角度θoと強度(回折効率)、ならびに、光の入射方向と同方向に出射された光の出射角度θpと強度(回折効率)をパワーメーターで測定した。入射したレーザー光は、右円偏光と左円偏光をそれぞれ入射し、その平均値を強度(回折効率)とした。強度(回折効率)の基準は以下の通りである。なお、強度(回折効率)の評価は、波長450nm、532nm、650nm、980nmでの屈折光の強度(回折効率)の平均値を用いて行った。
・S:強度(回折効率)が70%以上
・A:強度(回折効率)が65%以上
・B:強度(回折効率)が60%以上
・C:強度(回折効率)が50%以上
・D:強度(回折効率)が40%以上
・E:強度(回折効率)が40%未満
結果を下記の表6に示す。
表6から、本発明の実施例は、異なる波長の入射光に対し、高い光の強度(回折効率)を得られることがわかる。また、入射光の全ての偏光成分(右円偏光と左円偏光)を同じ向き(θoの角度)に回折し、高い回折効率が得られている。これより、波長450nm、532nm、650nm、980nmに対し、可視光から赤外線に渡って高い回折効率を有する分光素子として機能していることがわかる。
[実施例11]
実施例10のうち、配向パターンの1周期Λが、2.375μmとなるように、2つの光の交差角(交差角α)を調節した以外は同様にして配向膜の露光を行った。
また、組成物B-4のキラル剤Ch-Aを0.16質量部にしたものを組成物B-6とした。また、組成物B-5のキラル剤Ch-Bを0.07質量部にしたものを組成物B-7とした。第1の光学異方性層は、下記組成物B-6を配向膜P-2上に多層塗布することにより形成した。加熱、冷却、紫外線硬化の作製条件は実施例1と同様である。この多層層形成により、組成物B-6による液晶層のΔn1400×厚さ=Re(1400)が508nm、ねじれ角が90度となった。さらに、この組成物B-6による液晶層の上に、下記組成物B-7を多層塗布した。この多層層形成により、組成物B-7による液晶層のΔn1400×厚さ=Re(1400)が724nm、ねじれ角が-33度となった。この様にして、第1の光学異方性層を形成した。SEMによる断面像において、第1の光学異方性層の下界面(ガラス基板との界面)に対し、斜め左右に伸びた2本の線の長さがと角度が異なるVの字を横にした形状の明暗線が観察された。この明暗線は、右左の異なった厚さ方向のねじれ方向を配向している液晶化合物が厚さ方向に積み重ねられた構成で、かつ右ねじれ層と左ねじれ層の、厚さおよびねじれ角絶対値が異なっていることにより観察されるものである。
実施例10のうち、配向パターンの1周期Λが、2.375μmとなるように、2つの光の交差角(交差角α)を調節した以外は同様にして配向膜の露光を行った。
また、組成物B-4のキラル剤Ch-Aを0.16質量部にしたものを組成物B-6とした。また、組成物B-5のキラル剤Ch-Bを0.07質量部にしたものを組成物B-7とした。第1の光学異方性層は、下記組成物B-6を配向膜P-2上に多層塗布することにより形成した。加熱、冷却、紫外線硬化の作製条件は実施例1と同様である。この多層層形成により、組成物B-6による液晶層のΔn1400×厚さ=Re(1400)が508nm、ねじれ角が90度となった。さらに、この組成物B-6による液晶層の上に、下記組成物B-7を多層塗布した。この多層層形成により、組成物B-7による液晶層のΔn1400×厚さ=Re(1400)が724nm、ねじれ角が-33度となった。この様にして、第1の光学異方性層を形成した。SEMによる断面像において、第1の光学異方性層の下界面(ガラス基板との界面)に対し、斜め左右に伸びた2本の線の長さがと角度が異なるVの字を横にした形状の明暗線が観察された。この明暗線は、右左の異なった厚さ方向のねじれ方向を配向している液晶化合物が厚さ方向に積み重ねられた構成で、かつ右ねじれ層と左ねじれ層の、厚さおよびねじれ角絶対値が異なっていることにより観察されるものである。
(第2の光学異方性層の形成と透過型液晶回折素子の作製)
第1の光学異方性層と同じ様に光学異方性層を形成し、これを第2の光学異方性層とした。この第2の光学異方性層を転写して第1の光学異方性層に積層するように粘着剤で貼合した。このとき、面内一方向に沿って連続的に回転しながら変化している液晶化合物由来の光学軸の回転方向が第1の光学異方性層と逆回転になるよう、かつ面内一方向の回転方向の向き(配列軸D)が平行になるように、主面に垂直な軸に対して第2の光学異方性層を180度回転させて貼合した。このようにして、第1の光学異方性層と第2の光学異方性層が積層した透過型液晶回折素子を作製した。
この回折素子におけるλ/Λの値は、入射波長λ950nmの光に対し0.40、入射波長λ1400nmの光に対し0.59、および入射波長λ2500nmの光に対し1.05であり、すなわちΛ=2.375μmであった。
第1の光学異方性層と同じ様に光学異方性層を形成し、これを第2の光学異方性層とした。この第2の光学異方性層を転写して第1の光学異方性層に積層するように粘着剤で貼合した。このとき、面内一方向に沿って連続的に回転しながら変化している液晶化合物由来の光学軸の回転方向が第1の光学異方性層と逆回転になるよう、かつ面内一方向の回転方向の向き(配列軸D)が平行になるように、主面に垂直な軸に対して第2の光学異方性層を180度回転させて貼合した。このようにして、第1の光学異方性層と第2の光学異方性層が積層した透過型液晶回折素子を作製した。
この回折素子におけるλ/Λの値は、入射波長λ950nmの光に対し0.40、入射波長λ1400nmの光に対し0.59、および入射波長λ2500nmの光に対し1.05であり、すなわちΛ=2.375μmであった。
[評価]
作製した透過型液晶回折素子に、方位角は液晶化合物由来の光学軸が面内一方向に沿って連続的に回転しながら変化している方位(配列軸D方向)で、かつ、透過型液晶回折素子の主面の法線方向からの入射角θiで波長950nm、1400nm、2500nmの光の入射方向と逆方向に屈折された屈折光の出射角度θoと強度(回折効率)、ならびに、光の入射方向と同方向に出射された光の出射角度θpと強度(回折効率)を測定した。強度は、右円偏光と左円偏光の入射光に対する回折効率の平均値とした。強度(回折効率)の基準は以下である。
・S:強度(回折効率)が60%以上
・A:強度(回折効率)が55%以上
・B:強度(回折効率)が50%以上
・C:強度(回折効率)が40%以上
・D:強度(回折効率)が30%以上
・E:強度(回折効率)が30%未満
結果を下記の表7に示す。
作製した透過型液晶回折素子に、方位角は液晶化合物由来の光学軸が面内一方向に沿って連続的に回転しながら変化している方位(配列軸D方向)で、かつ、透過型液晶回折素子の主面の法線方向からの入射角θiで波長950nm、1400nm、2500nmの光の入射方向と逆方向に屈折された屈折光の出射角度θoと強度(回折効率)、ならびに、光の入射方向と同方向に出射された光の出射角度θpと強度(回折効率)を測定した。強度は、右円偏光と左円偏光の入射光に対する回折効率の平均値とした。強度(回折効率)の基準は以下である。
・S:強度(回折効率)が60%以上
・A:強度(回折効率)が55%以上
・B:強度(回折効率)が50%以上
・C:強度(回折効率)が40%以上
・D:強度(回折効率)が30%以上
・E:強度(回折効率)が30%未満
結果を下記の表7に示す。
表7から、本発明の実施例は、異なる波長の入射光に対し、高い光の強度(回折効率)を得られることがわかる。また、入射光の全ての偏光成分(右円偏光と左円偏光)を同じ向き(θoの角度)に回折し、高い回折効率が得られている。これより、波長950から2500nmの赤外線で高い回折効率を有する分光素子として機能していることがわかる。
以上の結果より、本発明の効果は明らかである。
以上の結果より、本発明の効果は明らかである。
光通信などにおいて、光を屈曲させる各種の用途に好適に利用可能である。光を屈曲させる用途に用いられるミラー等の反射部材は、反射面に垂直な方向において、光の進行方向を逆向きに変えて、反射面に平行な方向には変化させない。これに対して、本発明の透過型液晶回折素子は、主面に垂直な方向においては、光の進行方向を変えずに、主面に平行な方向において、光の進行方向を逆向きに変える。そのため、本発明の透過型液晶回折素子と、反射部材とでは、同じ光の屈曲作用を得るようにすると、光が入射する面の向きが90°異なる。従って、光通信などにおいて、小型化薄型化等によって設置スペースが限られる場合に、反射部材を配置しにくい位置にも本発明の透過型液晶回折素子を容易に配置することができる場合がある。
また、ハイパースペクトルカメラなどにおいて、光を分光させる各種の用途に好適に利用可能である。光を分光させる用途に用いられる回折素子等の分光素子は、広い波長範囲において、光を屈曲し、高い回折効率が必要とされる。本発明の透過型液晶回折素子は、広い波長範囲の入射光を、高い回折効率で分光でき、ハイパースペクトルカメラなどにおいて、高い感度で光を検出することができる。
また、ハイパースペクトルカメラなどにおいて、光を分光させる各種の用途に好適に利用可能である。光を分光させる用途に用いられる回折素子等の分光素子は、広い波長範囲において、光を屈曲し、高い回折効率が必要とされる。本発明の透過型液晶回折素子は、広い波長範囲の入射光を、高い回折効率で分光でき、ハイパースペクトルカメラなどにおいて、高い感度で光を検出することができる。
10 透過型液晶回折素子
30 支持体
32 配向膜
36、37、36c 光学異方性層
36a、37a、37c 第1の光学異方性層
36b、37b、37d 第2の光学異方性層
38 位相差層
40 液晶化合物
40c 棒状液晶化合物
40d 円盤状液晶化合物
40A 光学軸
42、42b 棒状液晶層
44、44b 円盤状液晶層
46a、46b、47、48a、48b 液晶層
50 λ/4板
60 露光装置
62 レーザ
64 光源
65 λ/2板
68 偏光ビームスプリッター
70A,70B ミラー
72A,72B λ/4板
IR、IR1 右円偏光
IL、IL1 左円偏光
D 配列軸
R 領域
Λ 1周期
M レーザ光
MA,MB 光線
PO 直線偏光
PR 右円偏光
PL 左円偏光
α 角度
L1,L2,L4,L5 光
30 支持体
32 配向膜
36、37、36c 光学異方性層
36a、37a、37c 第1の光学異方性層
36b、37b、37d 第2の光学異方性層
38 位相差層
40 液晶化合物
40c 棒状液晶化合物
40d 円盤状液晶化合物
40A 光学軸
42、42b 棒状液晶層
44、44b 円盤状液晶層
46a、46b、47、48a、48b 液晶層
50 λ/4板
60 露光装置
62 レーザ
64 光源
65 λ/2板
68 偏光ビームスプリッター
70A,70B ミラー
72A,72B λ/4板
IR、IR1 右円偏光
IL、IL1 左円偏光
D 配列軸
R 領域
Λ 1周期
M レーザ光
MA,MB 光線
PO 直線偏光
PR 右円偏光
PL 左円偏光
α 角度
L1,L2,L4,L5 光
Claims (9)
- 液晶化合物由来の光学軸の向きが面内の少なくとも一方向に沿って連続的に回転しながら変化している液晶配向パターンをそれぞれ有する、第1の光学異方性層および第2の光学異方性層を有し、
前記第1の光学異方性層の液晶配向パターンにおける光学軸の回転方向と、前記第2の光学異方性層の液晶配向パターンにおける光学軸の回転方向とが逆であり、
前記液晶配向パターンにおける前記液晶化合物由来の光学軸の向きが面内で180°回転する長さを1周期とすると、前記第1の光学異方性層の前記液晶配向パターンの1周期と、前記第2の光学異方性層の前記液晶配向パターンの1周期とが同じである透過型液晶回折素子。 - 前記第1の光学異方性層および前記第2の光学異方性層は、厚さ方向において、前記液晶化合物がねじれ配向しており、
前記ねじれ配向のねじれ角が360°未満であり、
前記第1の光学異方性層における前記液晶化合物のねじれ方向と、前記第2の光学異方性層における前記液晶化合物のねじれ方向とが逆である請求項1に記載の透過型液晶回折素子。 - 前記液晶化合物が棒状液晶化合物または円盤状液晶化合物である請求項1または2に記載の透過型液晶回折素子。
- 前記第1の光学異方性層および前記第2の光学異方性層の少なくとも一方が、棒状液晶化合物を前記液晶配向パターンで配向した棒状液晶層と、円盤状液晶化合物を前記液晶配向パターンで配向した円盤状液晶層とを交互に積層した構成を有する請求項1~3のいずれか一項に記載の透過型液晶回折素子。
- 前記第1の光学異方性層および前記第2の光学異方性層の少なくとも一方が、厚さ方向に前記液晶化合物がねじれ配向した液晶層を複数積層してなり、
各前記液晶層における前記ねじれ配向のねじれ角が360°未満であり、
複数の前記液晶層は積層方向において、液晶化合物のねじれ方向が交互である請求項1に記載の透過型液晶回折素子。 - 前記液晶層の少なくとも1つが、棒状液晶化合物を前記液晶配向パターンで配向した棒状液晶層と、円盤状液晶化合物を前記液晶配向パターンで配向した円盤状液晶層とを交互に積層した構成を有する請求項5に記載の透過型液晶回折素子。
- 前記第1の光学異方性層と、前記第2の光学異方性層との間に配置される位相差層を有する請求項1~6のいずれか一項に記載の透過型液晶回折素子。
- 前記位相差層のNz値が0.1~1.1である請求項7に記載の透過型液晶回折素子。
- 前記第1の光学異方性層の前記第2の光学異方性層とは反対側、および、前記第2の光学異方性層の前記第1の光学異方性層とは反対側の少なくとも一方に配置されるλ/4板を有する請求項1~8のいずれか一項に記載の透過型液晶回折素子。
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- 2021-05-18 WO PCT/JP2021/018693 patent/WO2021235416A1/ja active Application Filing
- 2021-05-18 JP JP2022524481A patent/JP7492001B2/ja active Active
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