(57)【要約】  偏光に敏感な光配向層（２）と、前記の光配向層上に配置された液晶組成物（３）とを備えた偏光回折格子が提供される。ホログラムの偏光パターンに対応する配向パターンが光配向層内に記録され、液晶組成物は光配向層上で配向させられる。液晶組成物の配向の源は光配向層内に記録された偏光ホログラムであるので、この方法により基本的に欠陥の無いパターンを得ることができる。
2008532085.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
偏光に敏感な光配向層（２）と、前記光配向層（２）の上に配置された液晶組成物（３）とを含む偏光回折格子であって、偏光ホログラムに対応する異方性配向パターンが前記光配向層内に配置され、前記液晶組成物（３）は前記配向パターンに配向させられることを特徴とする、偏光回折格子。
【請求項２】
前記異方性配向パターンの配向方向は、前記配向層の平面内の少なくとも１つの直線に沿って周期的であることを特徴とする、請求項１に記載の偏光回折格子。
【請求項３】
前記配向方向は周期的な変化を示し、その１周期にわたる変化はポアンカレ球上の円に沿った偏光方向の変化に対応することを特徴とする、請求項２に記載の偏光回折格子。
【請求項４】
前記配向方向の変化は、直線偏光の偏光方向の変化に対応することを特徴とする、請求項２又は請求項３に記載の偏光回折格子。
【請求項５】
前記重合性液晶組成物は重合性メソゲンを含むことを特徴とする、前記請求項のいずれか１項に記載の偏光回折格子。
【請求項６】
前記重合性液晶組成物は少なくとも部分的に重合することを特徴とする、前記請求項のいずれか１項に記載の偏光回折格子。
【請求項７】
少なくとも第１（３）及び第２（１３）の液晶組成物を含み、前記第１の液晶組成物（３）は前記配向層（２）上に配置されてそれによって配向させられ、そして部分的に重合させられ、前記第２の液晶組成物（１３）は前記第１の液晶組成物（３）上に配置されてそれによって配向させられることを特徴とする、前記請求項のいずれか１項に記載の偏光回折格子。
【請求項８】
化学結合の異方性配向パターンを与えられた２つの光配向層（２、１２）を含み、該光配向層は前記液晶組成物（３）を挟んでそれを配向させることを特徴とする、前記請求項のいずれか１項に記載の偏光回折格子。
【請求項９】
前記液晶組成物は、吸収性色素、蛍光性色素、エレクトロミネッセンス色素、異方性形状及び／又はスペクトル特性を有するナノ及びマイクロ粒子、並びにそれらの任意の組合せ、から成る群から選択される機能性化合物をさらに含むことを特徴とする、前記請求項のいずれか１項に記載の偏光回折格子。
【請求項１０】
電場及び／又は磁場を前記液晶組成物内に設定するための手段をさらに含むことを特徴とする、前記請求項のいずれか１項に記載の偏光回折格子。
【請求項１１】
第１の偏光回折格子（７１，７３）と、前記第１の偏光回折格子上に配置された第２の偏光回折格子（７２，７５）とを含む偏光回折格子であって、前記第１の偏光回折格子は第１の光軸パターンを示し、前記第２の偏光回折格子は第２の光軸パターンを示し、前記第２の光軸パターンは、前記回折格子の平面内において、前記第１の光軸パターンに対して３０°から６０°までの範囲内の角度で回転していることを特徴とする偏光回折格子。
【請求項１２】
前記第１及び前記第２の偏光回折格子のうちの少なくとも１つは、請求項１から請求項１０までのいずれか１項に記載の偏光回折格子であることを特徴とする、請求項１１に記載の偏光回折格子。
【請求項１３】
コレステリック液晶組成物（７４）が前記第１の液晶組成物（７３）と前記第２の液晶組成物（７５）との間に配置され、前記コレステリック液晶組成物は３０°から６０°までの範囲内の捩れを示すことを特徴とする、請求項７に記載の偏光回折格子。
【請求項１４】
光源（１１５）と、請求項８に記載の偏光回折格子と、前記偏光回折格子内に電場を印加するための電極手段（１０４、１１４）と、を備えることを特徴とする表示デバイス。
【請求項１５】
前記電極手段（１０４、１１４）は複数のドメイン（１０５、１０６）にパターン付けされ、各々のドメインは独立にアドレス可能であることを特徴とする、請求項１４に記載の表示デバイス。
【請求項１６】
前記光源と前記偏光回折格子の間に配置されたカラー・フィルター（１０７）を備えることを特徴とする、請求項１４又は請求項１５に記載の表示デバイス。
【請求項１７】
前記偏光回折格子によって、ゼロ次の回折次数以外の回折次数に回折される光を遮蔽するための手段を備えることを特徴とする、請求項１４から請求項１６までのいずれか１項に記載の表示デバイス。
【請求項１８】
入射光を第１の偏光及び第１の方向の第１の回折光ビームと、第２の偏光及び第２の方向の第２の回折光ビームとに回折するように配置された偏光回折格子（１２１、１２５）と、
前記第２のビームの偏光を前記第１のビームの偏光に変換する手段と、
前記第１及び前記第２の光ビームをコリメートする手段と、
を備えることを特徴とする偏光子。
【請求項１９】
前記偏光回折格子（１２１、１２５）は、請求項１から請求項１０までのいずれか１項に記載の偏光回折格子であることを特徴とする、請求項１８に記載の偏光子。
【請求項２０】
前記第２のビームの偏光を前記第１のビームの偏光に変換する前記手段と、前記第１及び第２の光ビームをコリメートする前記手段とは、前記第２の回折光ビームの少なくとも一部分を前記第１の回折光ビームの方向に平行な方向に反射するように配置された鏡面（１２３）を含むことを特徴とする、請求項１８又は請求項１９に記載の偏光子。
【請求項２１】
前記第１及び前記第２の光ビームをコリメートする前記手段は、偏光回折格子（１２２）をさらに含むことを特徴とする、請求項２０に記載の偏光子。
【請求項２２】
前記第２のビームの偏光を前記第１のビームの偏光に変換する前記手段は、遅延素子を含み、前記第１および前記第２の光ビームをコリメートする前記手段は、少なくとも１つのプリズム（１２７）を含むことを特徴とする、請求項１８又は請求項１９に記載の偏光子。
【請求項２３】
少なくとも第１の偏光回折格子（１３１）と、前記第１の偏光回折格子の上に配置された第２の偏光回折格子（１３２）とを備え、前記第１の偏光回折格子は第１の掌性の第１の光軸パターンを示し、前記第２の偏光回折格子は第２の掌性の第２の光軸パターンを示し、前記第２の掌性は前記第１の掌性の逆であることを特徴とする、ビーム・スプリッタ。
【請求項２４】
前記第１及び第２の偏光回折格子のうちの少なくとも１つは、請求項１から請求項１０までのいずれか１項に記載の偏光回折格子であることを特徴とする、請求項２３に記載のビーム・スプリッタ。
【請求項２５】
少なくとも第１のドメイン（１４１、１５１）と第２のドメイン（１４３、１５３）とを含み、少なくとも前記第１のドメイン（１４１、１５１）は第１の光軸パターンの偏光回折格子を含むことを特徴とする、透明フィルム。
【請求項２６】
前記第２のドメイン（１４３、１５３）は第２の光軸パターンの第２の偏光回折格子を含むことを特徴とする、請求項２５に記載の透明フィルム。
【請求項２７】
前記第１及び第２の偏光回折格子のうちの少なくとも１つは、請求項１から請求項１０までのいずれか１項に記載の偏光回折格子であることを特徴とする、請求項２５又は請求項２６に記載の透明フィルム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は新規な偏光回折格子、及びこの新規な偏光回折格子の応用分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
通常の回折格子は、内部を伝搬する光の位相又は振幅を周期的に変調することによって機能し、入射光を複数の回折次数に分割する可能性を有する。
【０００３】
内部を伝搬する光の偏光状態を周期的に変調する偏光回折格子は、より一般的な場合の偏光ホログラムに関する初めの論文がソビエトのジャーナルに現れた１９７０年代以来、知られている。
【０００４】
通常の回折格子に対して偏光回折格子が有する最も注目すべき利点は、回折次数の偏光状態を制御し、同時に各次数における効率を入射光の偏光に依存させる可能性にあることが、間もなく認識された。偏光回折格子の理論を実践に移した初めの成功は、ホログラフィを用いたフォトクロミック塩化銀（ＡｇＣｌ）ガラスにおいて現れた。この方法においては、２つのほぼ直交的に偏光したコヒーレントなレーザー・ビームをほぼ平行な伝搬により重ね合わせ、一定強度を維持しながら偏光状態の周期的な変調を有する定在光波を生成する。直線偏光の光はＷｅｉｇｅｒｔ効果により物質中に相当な光学的異方性（線形複屈折）を引き起こすので、偏光が直線偏光から円偏光に変わりそして戻る場合の周期性パターンが偏光回折格子として捉えられた。
【０００５】
このホログラフィの方法は結局、アゾベンゼン部分を含む有機材料がこれらの偏光ホログラムを比較的強い複屈折として記録できることが示されたときに、実質的に発展した。これらの材料内では、アゾベンゼン基は可逆のトランス⇒シス⇒トランス異性化過程及び付随する発色団の配向の再分布を受ける。研究によれば、様々なアゾ基含有ポリマー及び分散を用いることもできることが分かった。
【０００６】
これらのポリマーの多くにおいて、照射中に表面レリーフ回折格子も形成される。表面生成プロセスの根本的な理由はよく理解されてはいないが、幾つかの理論で既存の現象の説明が試みられ、表面レリーフは質量拡散機構の結果として現れることが認められている。この表面レリーフ構造体は、有用ではあり得るが、位相回折格子として回折し、内部を伝搬する光の偏光状態の変調はもたらさない。実際に、この表面レリーフ回折格子は、偏光回折格子の独特な回折特性を劣化させることが多く、その理由は両方の特性が重ね合わされるからである。アゾ基含有材料は可視領域で着色しているので適用可能な波長領域が限定される。さらに、長時間安定性は通常、特に、回折格子が材料の吸収帯の光に露光されるか又はＬＣＤ製造などの用途において一般的な高温熱処理を受けるときに、制限される。
【０００７】
その他の材料もまた、代替の偏光ホログラム材料として研究されており、それにはバクテリオロドプシン、ホログラフィ・ポリマーに分散された液晶、及び、アゾベンゼン液晶分子を吸収した多孔質ガラス系が含まれる。波長以下の金属ストライプ構造体のリソグラフィ加工もまた、空間周期的な異方性吸収を引き起こすことにより偏光回折格子を首尾よく形成することが示されている。この方法においては、基板上の導電層が波長以下のピッチをもつ平行線にパターン付けされ（直線偏光子の作成）、これらの線の配向が偏光子の透過／吸収軸を決定する。この配向は、波長より大きなピッチにおけるリソグラフィにより周期的に変化させられて、偏光回折格子を形成する。
【０００８】
この型の回折格子は赤外波長で動作するが、その原理は可視波長でも有効である（しかし、寸法が実質的により小さくなるので、製造はより困難である）。良好な光学的品質は達成できるが、それは吸収性光学素子（典型的には入射光の５０％が吸収される）であり、製造工程は、半導体ウェハに対して用いられるような実質的なフォトリソグラフィ加工（クリーン・ルーム環境、高価なシャドー・マスク、フォトレジスト現像、無機導電層の湿式化学エッチングなど）を必要とする。
【０００９】
液晶に基づいた偏光回折格子を作成する１つの最近の方法は、Ｅａｋｉｎｓ他による「周期的に配列した液晶におけるゼロ電圧フレデリック（Ｆｒｅｅｄｅｒｉｃｋｓｚ）遷移」（Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  ８５巻，ｎｏ  １０、ｐｐ１６７１−１６７３、２００４年）に記載されており、その方法では、ホログラフィ照射を用いて偏光に敏感な配列層を光重合させ、その上に液晶組成物を配列させた。
【００１０】
しかしながら、製造が容易で、温度安定性を有し、実際的用途に有用な、新規の高品質の偏光回折格子の必要性がなお残されている。
【発明の開示】
【００１１】
本発明の１つの目的は、従来技術の上記の問題を克服して、製造が容易で、高い回折効率、可視／ＩＲ波長における透明性、中程度から大きな使用可能面積、穏和な温度及び可視光に曝されたときの安定性、及び順応性のある設計特徴を示す、偏光回折格子を提供することである。
【００１２】
本発明者は、意外にも、この目的を満たす偏光回折格子は、偏光ホログラムを用い、その偏光パターンを光配向フィルム内に記録し、そしてこの光配向フィルム上で液晶組成物を配向させることによって作成できることを発見した。
【００１３】
従って、第１の態様において、本発明は、例えば基板上に配置された偏光に敏感な光配向膜と、前記の光配向膜上に配置された統合型液晶組成物とを含む偏光回折格子を提供する。ホログラムの偏光パターンに対応するパターンが、光配向層内に、例えば化学結合の異方性パターンの形式で配置（記録）される。液晶組成物は配向層上に配置され、その結果、配向層に隣接する液晶組成物の局所的なメソゲンのディレクタは異方性パターンに従う、即ち、メソゲンのディレクタ、それゆえ局所的な光軸は、ホログラムの偏光パターンに従うことになる。液晶材料の特性により、配向層の表面に隣接するメソゲンの配向は液晶組成物の厚さを通して伝わり、パターン付けされた高い異方性及び複屈折を有する透明な膜を生ずることになる。
【００１４】
パターン付けされた複屈折の源は光配向層に記録された偏光ホログラムであるので、この方法により基本的に無欠陥のパターンを得ることができる。複屈折のパターン付けされた配向は、偏光回折格子として非常に強い回折を生ずる。
【００１５】
本発明の実施形態においては、異方性配向パターンの配向方向は、配向層の面内の少なくとも１本の線に沿って周期的となる。
本発明の実施形態においては、配向方向は、１つの周期を越える変化がポアンカレ球上の円にそった偏光方向の変化に対応する周期的な変化を示す。
【００１６】
異方性パターンは一定強度及び周期的に変化する偏光プロフィルを有するホログラムに対応するので、このパターンは非常に都合良くポアンカレ球上に写像される。本発明の遂行中における１つの驚くべき発見は、ポアンカレ球上の任意の円に対応する配向パターンがホログラフィ法によって作成することができ、光を、直線、円及び／又は楕円偏光を含む直交的な偏光の任意の所望の組に回折する偏光回折格子を作成することが可能となることである。
【００１７】
本発明の実施形態においては、液晶組成物は、例えば、重合性メソゲン又は重合性非メソゲン化合物などの重合性化合物を含むことができる。
本発明の実施形態において、重合性液晶組成物は、少なくとも部分的に重合して液晶組成物の固体フィルムを形成することができる。本発明の実施形態において、偏光回折格子は、２つの配向層の間に挟まれて配向させられた、上記の液晶組成物を含むことができる。他の実施形態においては、偏光回折格子は、配向層上に配置された第１の液晶組成物と、第１の液晶組成物によって配向させられるように配置された第２の液晶組成物とを含むことができる。さらに、第３の液晶組成物を第２の液晶組成物の上に配置させることなどが可能である。
【００１８】
本発明の実施形態において、液晶組成物は、異方性の形状及び／又はスペクトル特性を有する異なる種類の色素又は粒子のような、付加的な機能性化合物を含むことができる。これらの化合物は、メソゲンによって組成物中で配向することができ、従って、例えば光学的な付加的特性を偏光回折格子に付与することができる。
【００１９】
本発明の実施形態において、偏光回折格子は、前記の液晶組成物中に電場及び／又は磁場を確立するための、電極などの手段を含むことができる。メソゲンの配向はそれらの場によって影響され得るので、光学特性もまた影響されて切替え可能な回折格子をもたらすことができる。
【００２０】
本発明はまた、高効率透過のより幅広い波長間隔を有する広帯域の偏光回折格子に関する。そのような広帯域偏光回折格子は、普通の偏光回折格子の魅力的な代替物となる可能性がある。
【００２１】
本発明はまた、本発明の偏光回折格子を光スイッチとして含む表示デバイスに関する。この型のスイッチは非偏光に対して動作可能であり、偏光子の使用を回避して非常に高い全体としての光学効率を可能にする。
【００２２】
本発明はまた、小さな回折格子ピッチを必要とせずに大きな回折角が得られる、偏光回折格子に基づいたビーム・スプリッタに関する。
本発明はまた、本発明の偏光回折格子を含んだ新規の偏光子に関する。これらの偏光子は、非偏光を５０％より顕著に高い効率で偏光に変換する機能を有する。
本発明はまた、偏光回折格子を含んだセキュリティ配置に関する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
これより、本発明は、以下の好ましい実施形態により添付の図面を参照しながらさらに説明される。
本発明の偏光回折格子の１つの実施形態が図３ａに示される。この実施形態の偏光回折格子は、上に偏光に敏感な光配向層が配置された基板１を含む。
光配向層内において、偏光ホログラムに対応する異方性パターンが、光配向層を構成するポリマー内の化学結合の異方性パターンとして記録される（例えば図１ａ及び図１ｂを参照）。
【００２４】
光配向層２の上に液晶組成物３が配置される。光配向層の表面に隣接するメソゲンは、それら自体で、光配向層内の異方性パターンに沿って配向することになる。
従って、光配向層２の表面に隣接した液晶メソゲンのディレクタは偏光ホログラムの各位置における偏光方向に配向することになる。
【００２５】
液晶組成物３の特性により、パターン付けされたディレクタ配置は、組成物中を伝搬してパターン付けされた異方性及び複屈折を有する透明フィルムを形成し、その結果偏光回折格子の光学特性を与える。
【００２６】
本明細書において用語「メソゲン」及び「液晶」は、１つ又はそれ以上のメソゲン基、例えば、（半）剛性の棒状、バナナ形状、板状又は円盤状のメソゲン基、即ち液晶相挙動を誘起する機能をもつ基、を含む材料又は化合物を示すのに用いられる。棒状又は板状の基を有する液晶化合物はまた、当技術分野では「カラミティック」液晶として知られている。円盤状の基を有する液晶化合物はまた、当技術分野では「ディスコティック」液晶として知られている。メソゲン基を含む化合物又は材料は、必ずしもそれら自体で液晶相を示す必要はない。それらはまた、他の化合物との混合物においてだけ、或いは、メソゲン化合物若しくは材料又はそれらの混合物が重合したときにだけ、液晶の相挙動を示すことが可能である。
【００２７】
本明細書で用いられる用語「液晶組成物」は、メソゲンを含み液晶相挙動を示す組成物を指す。
【００２８】
上に光配向層２が配置される基板１は、任意の剛性又は可撓性の基板とすることができる。適切な基板の例としては、ガラス、透明セラミック、溶融シリカ、熱硬化性又は熱可塑性及び（半）結晶性又はアモルファスとすることができる透明ポリマー、例えば、ＰＣ（ポリカーボネート）、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタラート）、ＰＶＣ（ポリ塩化ビニル）、ＰＳ（ポリスチレン）、ＣＯＣ（環状オレフィン・コポリマー）、ＰＥＳ（ポリエーテルスルフォン）及び架橋アクリレート、エポキシ、ウレタン及びシリコンゴムなどが挙げられるが、これらに限定はされない。
【００２９】
その他の適切な基板材料には、例えば銀及びアルミニウムなどの金属基板、シリコンなどの半導体基板のような反射性基板が含まれる。付加的な基板材料は当業者には明白となる。
【００３０】
配向層２は、スピン・コーティング、ドクターブレード・コーティング、キャスティングなどの既知の方法によって基板１の上に配置されて基板上に薄いフィルムを形成することができる。
【００３１】
偏光に敏感な光配向層材料は、当技術分野では周知であり、例えば、Ｒｏｌｉｃ、Ｖａｎｔｉｎｏ  ａｎｄ  Ｈｕｎｔｓｍａｎから市販されている線形光重合性ポリマー、及びＪＳＲ  ａｎｄ  ＬＧ  Ｃａｂｌｅから入手可能な類似の材料を含む。
【００３２】
或いは、前述のようなアゾ含有材料を配向層として用いることができるが、その理由は、これらは偏光パターンを記録すること、及びメソゲンを偏光パターンに配向させることの両方ができるからである。
【００３３】
光配向層内に異方性配向パターンを得るためには、２つ又はそれ以上のコヒーレントな直交的に偏光したレーザー・ビーム（直線、楕円又は円偏光）を配向層上で重ね合わせて、光の偏光に空間的な周期的変化を生じさせる。
このための基礎理論は、例えば、Ｎｉｋｏｌｏｖａ他による論文（Ｏｐｔｉｃａ  Ａｃｔａ、３１巻、５７９（１９８４））によって理解される。
【００３４】
２つの直交的な円偏光の重ね合わせられたビームの場合は、１次元空間的に広がった周期的な、直線偏光の回転するパターンを生ずるが、ここで各周期における偏光パターンは、ポアンカレ球の赤道周辺の大円（S３＝０）で表される（図１ａ参照）。
【００３５】
２つの直交的な直線偏光の重ね合わせられたビームの場合は、直線、円及び楕円を含む種々の偏光からなる１次元の周期的な空間パターンを生ずるが、ここで各周期における偏光パターンは、２つの重ね合わされたビームの偏光を表す棒及び点を通して移動する、ポアンカレ球の周りの大円（S１＝０）によって表される（図１ｂ参照）。
【００３６】
２つの直交的な楕円偏光の重ね合わせられたビームの一般的な場合は、ポアンカレ球上の任意の円に対応するように一般的に選択することができる種々の偏光から構成される、１次元の空間的周期パターンを生ずる。２つのビームが同じ強度をもつとき、ホログラムは球上の「大円」に写像される。２つのビームが等しくない強度をもつときは、ホログラムは球上の任意の円に写像される。
【００３７】
液晶組成物が配向層の上に配置されるとき、組成物中のメソゲンは配向パターンに配向することになり、配向層に近い光軸、即ち配向層に隣接したメソゲンのディレクタが配向パターンに従う、複屈折回折格子を形成する。ディレクタのパターンは、用いられた液晶組成物に特有の仕方で、層の中を伝搬する。例えば、コレステリック液晶組成物においては、ディレクタ・パターンは配向層からの距離とともに捩れることになり、配向層からの如何なる距離においてもディレクタ・パターンはなお存在するが、液晶組成物のピッチによって規定される角度だけ捩れて存在する。
【００３８】
一般に、そのような回折格子の回折特性は、回折次数がホログラムを形成する直交ビームと同じ偏光に偏光されることである。
この偏光パターンの周期は、次式
Λ＝λ／（２＊ｓｉｎ（φ／２））    （Ｉ）
に従って、レーザー・ビームの波長（λ）と、コヒーレントな重ね合わされるビームを分離する角度（φ）によって決定される。
【００３９】
２次元（２Ｄ）偏光パターン、即ち、平面の両方の次元において周期的な空間的回転パターンを示す偏光パターンは、「一段階」法及び「逐次」法を含む、幾つかの異なる方法で形成することができる。どちらの場合でも、回折次数がホログラムを形成するビームによって偏光されるので（ちょうど上記の１次元の場合と同様に）、この型の回折格子は興味深く有用である。
【００４０】
最も直感的で従来技術において既知であるので、初めに逐次形成法を説明し、その後で、発明者等の知る限り従来技術にはない「一段階」形成法を説明する。
逐次法においては、１次元（１Ｄ）回折格子が上述のように（２つの直交的な偏光のコヒーレントなビームを干渉させることによって）形成され、その後基板が選択された角度（例えば９０°）だけ回転される。次に、第２の露光が（同じ又は異なる２つの直交的な偏光のコヒーレントなビームを用いて）実行されて、第１の回折格子に重ね合わされる第２の１Ｄ回折格子が形成される。この操作は所望する回数だけ繰り返すことができる（Ｈ．Ｏｎｏ他、Ｏｐｔ．  Ｅｘｐ．１１巻、２３７９−２３８４（２００３））。
【００４１】
この方法の１つの利点は、１Ｄ偏光回折格子を作成したのと同じセットアップを、２Ｄ偏光回折格子を作成するのに使用できることである。しかし、この方法では、多くの興味深い２Ｄ偏光パターンを形成することができず、また多くの場合、後の記録が前の記録の質を低下させる。さらに、幾つかの場合には（Ｒ．Ｃ．Ｇａｕｔｈｉｅｒ  ａｎｄ  Ａ．Ｉｖａｎｏｖ、Ｏｐｔ．  Ｅｘｐｒ．１２巻、９９０−１００３（２００４））、回転段階が極めて厳格な位置決め／回転要件を必要とする。
【００４２】
２Ｄ偏光回折格子を生ずるための代替の方法は、単一ステップ形成によるものである。この方法は、一定又は殆ど一定の強度パターンが生ずるように選択された伝搬及び偏光パラメータを有する３つ又はそれ以上のコヒーレントなレーザー・ビームを重ね合わせることによって遂行される。例えば、３つの重ね合わされたコヒーレント・ビームからの干渉パターンは次式、
Ｉ（ｘ，ｙ）＝１＋Ｖ１２＊ｃｏｓ（Ｇ12X＊ｘ＋Ｇ12Y＊ｙ）    （ＩＩ）
＋Ｖ２３＊ｃｏｓ（Ｇ23X＊ｘ＋Ｇ23Y＊ｙ）
＋Ｖ３１＊ｃｏｓ（Ｇ31X＊ｘ＋Ｇ31Y＊ｙ）
によって表すことができ、ここで、定数Ｇ##X及びＧ##Yはコヒーレント・ビームの伝搬ベクトルに関連し、定数Ｖ＃＃は偏光及び伝搬パラメータによって決定される。この２Ｄ回折格子の強度に対する式の詳細は、Ｍ．Ｊ．Ｅｓｃｕｔｉ  ａｎｄ  Ｇ．Ｐ．Ｃｒａｗｆｏｒｄによる文献（Ｏｐｔ．  Ｅｎｇ．４３巻、１９７３−１９８７（２００４））に見られる。２Ｄ偏光回折格子に対する条件は、Ｉ（ｘ，ｙ）が定数であることである。この条件は、この関数の微分がゼロ、
ｄＩ（ｘ，ｙ）／ｄｘ＝ｄＩ（ｘ，ｙ）／ｄｙ＝０    （ＩＩＩ）
であるときに生ずる。
この条件下で、２Ｄ偏光パターンが生じる。代表的な例は図２に示されるが、これは、
入射角＝〜３５．３°及び全ビームが横方向磁気（ＴＭ）偏光を有する、という条件で決定されたものである。
【００４３】
重ね合わされたビームは光配向層内で重合を引き起こし、光の偏光は架橋結合の方向を決定し、従ってパターンの偏光特徴は異方性化学構造体の配置内に獲得される。この構造体の配置は、その上に配置された液晶混合物を配向させることができる。
【００４４】
偏光パターンのピッチ即ち周期（Λ）は、例えば、０．４μｍから２５μｍまで（１ｍｍ当たり４０から２５００周期）のように、０．２μｍから１００μｍまで（１ｍｍ当たり１０から５０００周期）の範囲とすることができる。
一般に、偏光パターンを配向層内に記録するのに任意の波長のレーザー・ビームを用いることができるが、波長（λ）は１５７ｎｍから１０６４ｎｍまでの範囲にあることが好ましい。
【００４５】
式（Ｉ）より、コヒーレントな重ね合わされるビームの入射角を分離する角度（φ）は所望のピッチ（Λ）及び波長（λ）に依存することは明らかである。所望のピッチを生ずるには、事実上０°＜φ＜１８０°の任意の角度を用いることができる。
【００４６】
液晶組成物３が光配向層２の上に配置される。本発明に用いるのに適切なメソゲンの例には、スメクチック、ネマチック、キラル・ネマチック及び強誘電性メソゲンが含まれる。
メソゲンは反応性メソゲン又は非反応性メソゲンとすることができる。
【００４７】
適切な非反応性メソゲンの例には、Ｍｅｒｃｋ社から入手可能なメソゲン、例えば、非反応性メソゲンに関する内容が引用により本明細書に組み入れられる、同社の製品フォルダーＬｉｃｒｉｓｔａｌ（登録商標）Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｍｉｘｔｕｒｅｓ  ｆｏｒ  Ｅｌｃｔｒｏ−Ｏｐｔｉｃ  Ｄｉｓｐｌａｙｓ（２００２年５月）に記載されているものが含まれる。実例としては、例えば、ＴＬ２０５（Ｍｅｒｃｋ，Ｄａｒｍｓｔａｄｔ）などのハロゲン化メソゲン、又はＥ７（Ｍｅｒｃｋ，Ｄａｒｍｓｔａｄｔ）などのシアノビフェニルが挙げられる。さらに、２つ又はそれ以上の非反応性メソゲンの混合物を用いることができる。
【００４８】
適切な反応性メソゲンの例には、例えば、アクリレート、メタアクリレート、エポキシ、オキセタン、ビニルエーテル、スチレン及びチオール‐エン基を含むメソゲンが含まれる。適切な実例は、例えば、反応性メソゲンに関する内容が引用により本明細書に組み入れられるＷＯ０４／０２５３３７に記載されており、重合性メソゲン化合物及び重合性液晶材料として言及されている。実例にはＣ３Ｍ，ＲＭＭ３４（Ｍｅｒｃｋ）が含まれる。さらに、２つ又はそれ以上の反応性メソゲンの混合物を用いることができる（Ｍｅｒｃｋ  Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｍｅｓｏｇｅｎｓ，Ｂｒｉｇｈｔｅｒ  ｃｌｅａｒｅｒ  ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）．
【００４９】
さらに、反応性及び非反応性メソゲンの混合物を用いることができる。
混合物の場合には、用いられる全てのメソゲンが最終層において一つ配向状態となることが好ましい。
さらに、液晶組成物はまた、メソゲン‐空気界面又は組成物と配向層の間の表面エネルギーを低くするために、適切な界面活性剤を含むことができる。
【００５０】
液晶組成物は、偏光回折格子に付加的な機能を付与するために、吸収性、蛍光性エレクトロル・ミネッセンス色素、及び、異方性形状及び／又はスペクトル特性を有するナノ／マイクロ粒子をさらに含むことができる。特に、液晶組成物は、二色性であり且つ液晶組成物中の配向方向に配向する色素を含むことができる。
異方性吸収係数を有する二色性色素分子、例えばＧ２０５（下図参照）が液晶混合物に添加されるとき、それらの配向はディレクタのパターンに従うことになる。
【化１】
2008532085.tif 000003
【００５１】
微視的レベルでは、二色性色素は直線偏光子として機能して、一方の直線偏光を透過させ、他方の直線偏光を吸収する。巨視的レベルにおいては、偏光回折格子（例えば、直交的な円偏光ビームによって形成される）内において二色性色素分子は、ラセン状のネマチック・ディレクタ配置に従う。少なくとも色素の強い異方性吸収の帯域幅内に生じるフィルムは、Ｆ．Ｇｏｒｉによって提案され理論的に解析されたストークス・パラメータ・センサ（上記）の一実施形態である。従って、本発明はまた、本発明の偏光回折格子を含むストークス・パラメータ・センサに関する。
【００５２】
ほぼ同一の光学的効果は、同じく二色性でありネマチック・ディレクタに従うナノ／マイクロ粒子から予想される。例えば、吸収性色素の代りにカーボン・ナノチューブを液晶混合物に添加することができる。この場合には、結果として得られるストークス・パラメータ・センサは、ナノチューブが遥かにより広い吸収帯（事実上ＵＶからＩＲの波長まで）を有するので、遥かにより広い検出帯域幅を有することになる。液晶組成物中に蛍光分子を添加することは、さらなる機能性、即ちレーザー作用を可能にする。
【００５３】
しかし、液晶の偏光回折格子は、液晶の性質により温度に敏感である。液晶組成物の透明温度より高い温度においては、配向及び位置の規則性は崩壊し、組成物は偏光特性が失われる等方相に移行する。
従って、この理由及び他の理由により、上記の液晶偏光回折格子の偏光特性を有する固体フィルムを得ることが望ましいことがある。
【００５４】
固体フィルムの偏光回折格子を形成するために、液晶組成物は、メソゲンの配向を固定するように重合することが可能な重合性化合物をさらに含むことができる。重合性化合物は重合性メソゲンで構成することができるが、別個の重合性非メソゲン化合物とすることもできる。
【００５５】
反応性メソゲンを含む液晶組成物はまた、重合開始剤、例えば、感光性又は感熱性とすることができる、即ち、それぞれ光又は熱によって活性化される、フリーラジカル開始剤又は陽イオン開始剤を含むことができる。１つ又はそれ以上の重合開始剤の混合物を用いることができる。
幾つかの異なるそのような重合開始剤は当業者には既知であり、開始剤の選択は重合性化合物の選択に依存することになる。
従って、本発明のある実施形態においては、液晶組成物は、光によって又は熱によって重合又は部分的に重合されて固体フィルムを形成する。
【００５６】
本発明の第２の実施形態においては、図４に示されるように、回折格子は、内部に異方性配向パターンを有する偏光に敏感な光配向層２、１２を備え付けた２つの基板１、１１を備えたセルを含む。光配向層は、液晶組成物３を挟んで配向させて偏光回折格子を形成する。
【００５７】
そのようなアセンブリを作成するために、２つの偏光に敏感な光配向層２、１２がそれぞれ１つの基板１、１１の上に備え付けられる。標準的なＬＣＤ法を用いて、２つの配向層は互いに平行に、セル・ギャップを制御するための随意的なスペーサ、及び少なくとも１つの開口部を有する接着剤シールを伴って配置される。基板は、配向層が互いに向き合うように配置される。
【００５８】
偏光ホログラムは、配向層２，１２の両方を同時に同じ偏光ホログラムに、底部の配向層は上部の配向層を通して、露光することによって両方の配向層内に記録される。
ホログラフィ・パターンを乱す可能性のある、セル内部での偏光ホログラムの反射を避けるために、セルはこのステップにおいては、配向層の屈折率に適合した屈折率を有する、等方性組成物、例えば液体、例えばシクロヘキサンのような有機溶媒、又は等方性液晶組成物で充填されていることが有利である。
【００５９】
偏光ホログラムを記録した後、等方性組成物は、例えば蒸発によりセルから除去され、セルは配向層の異方性パターンに配向する液晶組成物で充填される。
さらに、本発明のこの実施形態においては、次に液晶組成物は少なくとも部分的に重合させることができる。
【００６０】
液晶材料に内在する１つの限界は、配向層から遠く離れたメソゲンは、配向層に近いメソゲンよりも配向層の効果をより小さく受ける傾向があることである。この配向の喪失の広がりは、多くのこと、例えば、パターン及び化学組成などの配向層の特性に依存し、同様に、弾性定数及び粘性などの液晶組成物の特性に依存する。このために、単一の配向フィルムを用いるときは、高品質の偏光パターンを維持しながら小さなピッチを有する比較的厚いホログラフィ回折格子を作成することは一般に困難である。
【００６１】
発明者等の実験において、発明者等は、この種の用途のために、配向層上に配置される単一の液晶層の最大の厚さは、次の近似的な経験則式、
ｄmax≦Λ／２    （ＩＶ）
によって決定され、ここで、ｄは層の厚さであり、Λは回折格子のピッチである。これは厳密な式ではないが、光学的品質の大きな劣化なしに単一の基板上に付けられる単一層の厚さの近似的な限界を示す。幾つかの実施形態の設計においては、特定の光学的効果を達成するためにこの限界を超える必要がある。
【００６２】
この限界を克服した本発明のさらに進んだ実施形態は、図５ａに示され、幾つかの液晶組成物を含む。第１の液晶組成物３は、基板１の上に配置された配向フィルム２の上に配置させ、その中の配向パターン（前述のような）によって配向させ、次いで部分的に重合させる。この第１の組成物３の上に、第２の液晶組成物１３を配置させる。第２の組成物１３は、今度は第１の液晶組成物３によって配向させることになる。本発明者は驚いたことに、この原理を１２層を超えて適用して高い光学的品質を得た。
【００６３】
このようにして、配向層から遠く離れたメソゲンはなくなり、このことが、多数の比較的薄い層により、ｄtotal＞Λ／２の場合にも、比較的小さなピッチを有する比較的厚い偏光回折格子の製造を可能にする。
【００６４】
上述の実施形態は例証のためだけであり、当業者にはこれらの実施形態の幾つかの変形及び修正が、添付の特許請求の範囲内で可能であることが明らかとなる。例えば、電極などの手段を、液晶組成物内に電場及び／又は磁場を設定するために準備することができる。重合により位置を固定されない限り、メソゲンはそれら自体で、組成物に渡って印加された電場又は磁場に向く。このことは、光学的性質を場の印加によって制御できる切替え可能な偏光回折格子を可能にする。例えば、一対のパターン付けされた電極を、上記の本発明の２基板回折格子内の基板の中又は上に配置することができる。
【００６５】
さらに、本発明の２つ又はそれ以上の偏光回折格子を互いの上に配置することができる。
【００６６】
本発明の偏光回折格子の１つの例示的な用途は、広帯域偏光回折格子に関する。
広帯域偏光回折格子は、広い波長領域にわたって高い回折効率を有する回折格子である。これの別の名称は「色消し偏光回折格子」であるが、その理由はこの光学素子の機能が波長変化に対してあまり敏感ではないためである。このことを理解するには、２つの直交的な円偏光ビームによって形成される基本的な偏光回折格子（図１ａ）の回折効率は次式（式は本来は既知の文献からのものであるが、Ｓ３／Ｓ０依存性は本発明において特定された）で与えられることに注意されたい。
Ｅｆｆ（０th  ｏｒｄｅｒ）＝ｃｏｓ2（Γ／２）    （ＩＶａ）
Ｅｆｆ（±１st  ｏｒｄｅｒ）＝（１／２）＊ｓｉｎ2（Γ／２）＊［１±Ｓ３／Ｓ０］    （ＩＶｂ）
Ｅｆｆ（ａｌｌ  ｏｔｈｅｒ  ｏｒｄｅｒｓ）＝０    （ＩＶｃ）
ここで、位相遅延はΓ＝２πΔｎＬ／λであり、入射光の楕円率は規格化されたストークス・パラメータＳ３／Ｓ０で記述される。
【００６７】
１次の回折効率は、位相遅延が半波長、言い換えれば、ｐを整数としてΓ＝π±２πｐであるとき、最高となる。これは特定の波長に関しては容易に適合させることができるが、位相遅延は波長の逆数に依存する。さらに、液晶層自体の複屈折Δｎは波長に依存する（分散として知られている）ことが示されている。例えば、反応性メソゲン混合物ＲＭＳ０３−００１（Ｍｅｒｃｋ）は、
Δｎ（λ）＝０．１２＋（１１０／λ）2    （Ｖ）
のように測定された複屈折を有する（λはｎｍ単位）。
【００６８】
この材料の層を用いて形成される標準的な偏光回折格子は、図６（標準ＰＧ）に示されるような回折効率を示すことになる。この図において及び広帯域偏光回折格子に関する以下の議論を通して、全ての遅延及び回折は赤橙色の円偏光入射光（λ＝０．６μｍ）に対して最適化されている。この図中の標準的な偏光回折格子は、±２０ｎｍの範囲、即ち４０ｎｍの帯域幅において高い回折効率（＞９９．５％）を有する。
【００６９】
しかし、多くの場合、この高い回折効率の帯域幅を広げることが望ましい。
１つの方法においては、広帯域効果を達成するのに２つの偏光回折格子を組み合せることができる。動作帯域幅を広げるために、１つではなく２つの用いられる単軸性異方性板を、広帯域遅延板を形成するように配置することができることは、一般光学により知られている（例えば、Ｓ．Ｐａｎｃｈａｒａｔｎａｍ，Ｐｒｏｃ．  Ｉｎｄｉａｎ  Ａｃａｄ．  ｏｆ  Ｓｃｉ．  Ａ４１巻、１３０（１９５５）．）。この１つの例は、複屈折Δｎ（λ）を有する上記の例示的な材料ＲＭＳ０３−００１を用いて形成される２つの半波長板である。これらが光軸間角度４５°（例えば、ある任意の軸に対して第１の軸は２２．５°、第２の軸は６６．５°で）で配置されるとき、一つだけが用いられた場合よりも広い範囲にわたって半波長遅延を示す。
【００７０】
この着想を偏光回折格子に適用すると、λ＝０．６μｍにおいて最高の回折効率に最適化された、二つの同一の偏光回折格子（この実施例においてはＲＭＳ０３−００１）が必要になる。それらを互いに張り合わせて、局所的なネマチック・ディレクタの間に４５度の差が存在するように、オフセットさせるとき、高い回折効率が生じる。その結果は図６（広帯域ＰＧ）に示される。結果として得られる偏光回折格子は、５１０ｎｍから７５０ｎｍまでの範囲、即ち２４０ｎｍの帯域幅で高い回折効率（＞９９．５％）を有する。単層偏光回折格子に比べてこの６倍の改善は、この種の広帯域回折格子を種々様々な用途に用いることを可能にする。
【００７１】
本発明の広帯域偏光回折格子の第１の実施形態は、図７ａに示される。２つの別々の単層偏光回折格子７１、７２、例えば、対応する、例えば同一のネマチック配向パターンを有するものを、平行に配列させ、しかし、Λを両方の偏光回折格子に対して共通の回折格子周期とするΛ／４のオフセット（重ね合わせられるネマチック・ディレクタ間に角度４５°を与える）において、互いに張り合わせる。これは、図７ｃに示される同一面内で重ね合わせられたネマチック・ディレクタのプロフィルを生ずる。
【００７２】
本発明の広帯域偏光回折格子の第２の実施形態は、図７ｂに示される。第１のメソゲン組成物７３を、内部に記録された所望の異方性偏光パターンを有する配向層の上で配向させる。この第１の層を次に重合させ、その上に第２の薄い、〜４５°の捩れを示す密なピッチを有するキラルなメソゲン組成物７４を配置して下にある第１のメソゲン組成物７３によって配向させる。さらに、この第２の薄いキラルなメソゲン組成物を次に重合させる。キラルなメソゲン層７４の上に、第３のメソゲン組成物７５、例えば第１のメソゲン組成物７３に用いられたのと同じ材料、を配置して第２のキラルなメソゲン組成物７４によって配向させ、その後また第３のメソゲン層７５を重合させる。これにより、単一基板の十分に重合した回折格子が形成され、ここで第３のメソゲン組成物のネマチック・ディレクタのプロフィルは、キラル層内の捩れのために、第１のメソゲン層のネマチック・ディレクタのプロフィルに比べて、角度４５°だけオフセットされる。
【００７３】
本発明の広帯域偏光回折格子内の２つの偏光回折格子の間のオフセット値は、有用な波長領域の最大の広がりが４５°で得られるので、４５°（又はΛ／４）であることが好ましい。しかし、領域拡大の効果は、３０°と６０°の間の範囲のような、４５°より大きな又は小さなオフセットにおいても見られる。
【００７４】
本発明の偏光回折格子の別の例示的な用途は、例えば、直視型ディスプレイ及び投写型ディスプレイなどのＬＣＤディスプレイに用いられる光スイッチである。
この型の光スイッチは、図４に示される前述の実施形態の本発明の非重合型偏光回折格子と、メソゲン層のネマチック・ディレクタの傾きを操作するためにメソゲン層に電場を印加する手段とを備える。
【００７５】
このような光スイッチの理解のために、用いられる液晶偏光回折格子の基本的なスイッチング特性を理解することが重要である。０次の透過率が近似的にゼロであり、全ての光（偏光又は非偏光）が２つの１次（±１）に回折されることを意味する、λ＝０．６１０μｍにおける３／２波長遅延に最適化された、ラセン型のネマチック・ディレクタ・パターンの繰返しを有する切替え可能な偏光回折格子を考える。前述の式（ＩＶａ−ｃ）を用いて、この場合に対する０Ｖ透過率スペクトルが、代表的な液晶Ｅ７（Ｍｅｒｃｋ，Δｎ〜０．２２１７＠０．６１０μｍ）に関して図８に示されるが、この場合６１０ｎｍにおいて３／２波長遅延を達成するにはＬ＝２．０６μｍの厚さが必要である。
【００７６】
このメソゲン層に電圧Ｖ＞０が印加されるとき、局所的な遅延は減少する、即ち、Δｎ（Ｖ）＊Ｌ＜Δｎ（０Ｖ）＊Ｌとなる。
その結果、図８に示されるように透過スペクトルが変化し、ゼロ及び完全透過の波長を全可視領域にわたって電気的に制御することが可能になる。これは、電圧印加が透過スペクトルのプロフィルを変えずに単に回折効率だけを減少させる大部分のＬＳＤ設計とは対照的である。
【００７７】
ここでこの効果の１つの用途が説明され、図９ａ−ｃに示される。任意の特定の波長に対して、ここでは青色（４３６ｎｍ）、緑色（５４６ｎｍ）及び赤色（６１０ｎｍ）の色で例示されるが、電圧Ｖは、ゼロ次透過が最大で１次回折が最小（ＯＮ値）であるか、又はゼロ次透過が最小で１次回折が最大（ＯＦＦ値）であるように選択することができる。
各々の色に対して、ＯＮ状態は理想的には非偏光の１００％通過を可能にし、ＯＦＦ状態は理想的には光の〜０％通過を可能にする。これらの計算値に関して、０Ｖ＜Ｖ１＜Ｖ２＜Ｖ３＜Ｖ４＜Ｖ５であること、及び｛Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４，Ｖ５｝は遅延値｛０．８６，０．６６，０．５８，０．５７，０．３８｝＊Δｎ（Ｖ）＊Ｌを生ずる電圧であることに注意されたい。
従って、電圧を適切に選択することによって、回折格子を通過する光が垂直方向（０次の透過率が最大）又は１次回折方向（±１次の透過率が最大）のどちらに抜け出るかを決定することが可能になる。
【００７８】
この電気光学効果は、例えばＬＣＤディスプレイに利用することができる。
ＬＣＤ素子の第１の実施形態は図１０に示され、それぞれが基板１０１、１１１の上に配置され、且つ、内部に記録された偏光ホログラムに対応する異方性パターンを有する一対の光配向層１０２、１１２の間に挟まれ、それらによって配向させられた非重合型メソゲン層を含んだ偏光回折格子を備える。さらに、複数の独立にアドレス可能なドメイン１０５、１０６の内部にパターン付けされた一対の電極１０４、１１４が、メソゲン層全域に電場をドメイン位置で印加することが可能なように配置される。
【００７９】
入射光がメソゲン層に入る前に、入射光を、独立にアドレス可能なドメインの各々に対して別々の色（例えば、赤色、緑色又は青色）に分離するカラー・フィルター１０７もまた備え付けられる。
全ドメイン（Ｒ，Ｇ，Ｂ）は同じ偏光回折格子パターン及び同じ厚さを有することができる。
ドメイン１０５、１０６の各々への電圧を適切に選択することにより、それらドメインの各々に対して、そのドメインを通過する光が回折格子をどの方向に抜け出るかを制御することが可能になる。
垂直軸から外れた角度に出る光を遮蔽する手段を備え付けることにより、基本的に０次透過光だけがユーザに見えるようにすることができる。
【００８０】
本発明の１つの実施形態は、光源として標準的なバックライトと上述の切替え可能な偏光回折格子とを備えた直視透過型ディスプレイに向けられる。垂直軸から外れた角度で回折格子を抜け出る光がユーザに達するのを阻止するために、表示デバイスはまた、凡そ１５°より大きな入射角をもつ光を効果的に遮蔽する、例えば現金引き出し機（ＡＴＭ）に普通に用いられているような「プライバシー・フィルム」を含むことができる。
【００８１】
本発明の別の実施形態は、光源と、上述の切替え可能な偏光回折格子と、映写レンズ・システムとを備えた投写型ディスプレイ（データ・プロジェクタなど）である。垂直軸から外れた角度で回折格子を抜け出る光がユーザに達するのを阻止するために、レンズ・システムは、０次光だけが透過し、１次回折光はレンズ・システムの入口に達しないように偏光回折格子から離して配置される。
【００８２】
この型の切替え可能な偏光回折格子に基づく表示デバイスの１つの利点は、それらが、例えば普通の液晶表示・デバイスとは対照的に、非偏光に直接作用することができることである。これは、付加的な偏光子を何も必要としないので、有意に増加した光効率をもたらす。
【００８３】
実験データに基づいて、発明者等は通常のＬＣＤ駆動電圧（１Ｖ−３Ｖ）はこれらの表示デバイスの動作には十分すぎること、及び、スイッチング時間（ＯＮ＋ＯＦＦ時間）は通常のメソゲン組成物を用いるときには１０ｍｓほどにも短くできることを予想する。隋意に強誘電性又は他の液晶を用いることができる。
【００８４】
本発明の偏光回折格子のさらに別の例示的な用途は、少なくとも波長の狭い帯域において、非偏光を受け取って５０％より高い効率で偏光に変換することのできる偏光子である。
偏光子の１つの実施形態は図１１に示されており、２つの直交的な円偏光の重ね合わされたビームによって記録された周期的な光軸パターンを有する第１の偏光回折格子１２１を備えるが、それは、入射する非偏光を、それぞれ凡そ５０％の効率で２つの直交的な円偏光ビームに回折するために用いられる。
【００８５】
第１のビームは透明媒体中を通過して、第１の偏光回折格子に比べて逆のネマチック・ディレクタ・パターンを有する第２の偏光回折格子１２２に達する。第２のビームは、鏡面、例えば回折格子の法線に垂直な法線を有する平面鏡１２３で反射する。反射により、第２のビームの方向と偏光が、それぞれ第１のビームの方向と偏光に変化する。反射後、第２のビームもまた第２の偏光回折格子に達する。
２つの回折格子１２１、１２２の間の間隔は、２つのビームの回折角度に依存するが、第１の回折格子からのビームの１つだけが、鏡で反射することなしに第２の回折格子に達するのに十分に大きいことが好ましい。さらに、第２の回折格子は第１の回折格子によって回折された全ビームを集光するのに十分に大きいことが好ましい。
【００８６】
２つのビームは、ここで同じ方向と偏光を有し、第２の偏光回折格子によって円偏光に回折され、第２の回折格子を法線方向に抜け出る。光束は変化しないが、ビーム面積が広がる。しかし、これはレンズ・システムを用いて再び集束させることができる。４分の１波長板を用いて、第２の回折格子を抜け出るコリメートされた円偏光は、高い効率で直線偏光に変換することができる。
【００８７】
偏光子の別の実施形態が図１２に示される。直線偏光のラセン状光軸パターンを有する偏光回折格子１２５は、入射非偏光を、それぞれ凡そ５０％の効率で２つの直交的な円偏光にするために用いられる。
大きく傾いた単軸性複屈折層１２６（傾いた遅延素子）は２つのビームの光路内に配置され、１つのビームの偏光掌性を反転させ、その結果、両方のビームは傾いた遅延素子を通過した後、同じ偏光であるが分岐する方向を有する。
【００８８】
次に、２つのビームの各々はプリズム１２７によって再び偏光回折格子の法線方向に逸らされ、広がったビーム面積を有する円偏光ビームのコリメートされたビームを形成する。また本実施形態においては、レンズ・システムを用いて偏光子を抜け出るビームを集光し集束することができる。
ビームを逸らすために用いられるプリズムは、図１２に示されるように対称的なプリズムのシートに含めることができる。
【００８９】
本発明の偏光回折格子のさらに別の例示的な用途は、ビーム・スプリッタに関し、特に、小さな回折格子ピッチを必要とせずに、＞４５°のような大きな回折角度を得るための１つより多くの偏光回折格子のアセンブリを含んだビーム・スプリッタに関する。
【００９０】
この場合に単一の回折格子が用いられるならば、回折格子の式（１次及び空気中の回折格子に対する）、
Ｓｉｎ（θIN）＋Ｓｉｎ（θOUT）＝λ／Λ    （ＶＩ）
によれば、１μｍより小さなピッチが必要となる。
２つの別々の回折格子（回折格子ピッチΛ1及びΛ2を有する）が組み合わされて光が垂直に入射する場合、全体としての回折格子の式は
Ｓｉｎ（θＯＵＴ）＝λ＊（１／Λ1＋１／Λ2）    （ＶＩＩ）
となる。
このように、右辺の項は単に２つ又はそれ以上の回折格子を積重ねることによって（ピッチを減少させることによってではなく）大きくすることができる。
【００９１】
ビーム・スプリッタの１つの実施形態は図１３に示され、第１の偏光回折格子１３１と、第１の偏光回折格子の上に配置された第２の偏光回折格子１３２とを備えるが、ここで両方の回折格子は、２つの直交的な円偏光の重ね合わされたビームによって記録された周期的な光軸パターンを有する。しかし、光線の逸れを達成するには、第１の偏光回折格子１３１の掌性は第２の偏光回折格子の掌性１３２と逆となる。
【００９２】
第１の回折格子１３１は入射する非偏光を、第１の左旋性円偏光成分（＋１次回折）と、第２の右旋性円偏光成分（−１次回折）とに、式（ＶＩ）で定義される角度（それぞれ、正及び負）において回折する。
第２の回折格子１３２は、逆の掌性を有し、第１の回折格子からの第１の左旋性成分を右旋性成分に回折し、第２の右旋性成分を式（ＶＩ）で定義される角度における左旋性成分に回折する。２つの回折格子の組合せは非常に大きな全体としての回折角を与える。
この実施形態によるビーム・スプリッタは、交互の掌性を有する偏光回折格子の積層体を形成するために、追加の偏光回折格子を備えることができる。
さらに、１つ又はそれ以上の偏光回折格子は、上述の切替え可能な偏光回折格子とすることができて、ビーム・スプリッタを、所望の色の光の回折に対してオン及びオフする、又は調節することが可能になる。
【００９３】
本発明の偏光回折格子のさらに別の例示的な用途は、セキュリティ・デバイスの分野においてである。
偏光回折格子は多くの仕方でセキュリティ・デバイスに用いることができる。本発明の偏光回折格子それ自体を、その新規な偏光依存の回折特性によりセキュリティ・デバイスとして単に埋め込むことの他に、セキュリティの少なくとも３つの「レベル」を有するセキュリティ・デバイスを形成する少なくとも２つの方法がある。
【００９４】
そのようなセキュリティ・デバイスの第１の実施形態において、伝搬され回折される画像は、例えば、バイオメトリック画像、ロゴ、又は英数字情報を表すバイナリ形式でパターン付けすることができる。この実施形態のセキュリティ・デバイス及び基本的な動作は図１４に示される。透明フィルム１４１は、種々のドメイン内にパターン付けされ、少なくとも１つのドメイン１４２が所望の、図１４においてはテキスト「ＴＵ／ｅ」で表される画像を形成する。
そのフィルムのドメインは、第１の偏光回折格子、例えば、２つの直交的な円偏光の重ね合わされたビームによって直線偏光で記録された周期的な光軸を有する偏光回折格子を含んだ画像を形成する。
【００９５】
そのフィルムが白色光又は単色光で照射されるとき、埋め込まれたパターン（この実施形態においては「ＴＵ／ｅ」）が０次、＋１次及び−１次の回折方向に異なる仕方で現れることになる。この実施形態において、文字は直交的な円偏光ビームによって形成された本発明の偏光回折格子を有するドメイン１４２に対応する。これらの領域は入射光を±１次に強く回折し、０次には暗いレタリングを生ずる。この暗いレタリングは、偏光回折格子の遅延に従って、様々な色に設計することができる。画像を形成しないドメイン１４３は、一様に配向されたＬＣ配向（回折格子なし）によって形成されて、全く回折しない領域に対応する。
【００９６】
この実施形態は、従って、バイナリ（ハーフトーン）画像でパターン付けできるセキュリティ・デバイスを形成する。次の特徴、（ａ）最大で３つの回折画像が可能であること、及び（ｂ）全ての次数が、偏光回折格子の特性に従って非常に独特で且つ制御可能な仕方で偏光されることが、この実施形態をセキュリティ構造部に関する以前の回折格子設計とは異なるものにする。
【００９７】
３つの主要なセキュリティ「レベル」の全てがこの技術に適用できる。セキュリティ構造部が裸眼及び通常の光により見ることができる（「レベル１」）、偏光レーザー光により見て偏光状態を探査することができる（「レベル２」）、及び全体のスペクトル特性を分光計で測定することができる（「レベル３」）。さらにもっと複雑な方法も可能である。
【００９８】
セキュリティ・デバイスの第２の実施形態においては、回折画像の局所的な偏光状態をパターン付けすることができる。この第２の実施形態によるセキュリティ・デバイスとしての偏光回折格子の動作は図１５に概略が示めされている。
また、この実施形態の透明フィルム１５１において、背景、即ち、画像を形成しないフィルムのドメイン１５３は、異なる光軸パターンを有する偏光回折格子である。例えば、非画像形成ドメイン１５３は、２つの直交的な円偏光ビームによる記録によって形成される光軸パターンを有する偏光回折格子とすることができ、そして画像形成ドメイン１５２は、２つの直交的な直線偏光ビームによる記録によって形成される光軸パターンを有する偏光回折格子とすることができる。
【００９９】
フィルムが白色光又は単色光で照射されると、埋め込まれたパターン（「ＴＵ／ｅ」）は初めに＋１次及び−１次の回折画像中に微かに現れることになる（図１５ａ）。一旦偏光子が回折画像内に置かれると、高コントラストの画像が現れる（図１５ｂ）。
この実施形態において、各領域内の偏光回折格子の選択により回折画像をグレースケールにすることができる。またこの特徴をより高次（≧第２の回折次数）に対して設計する可能性もある。
【０１００】
この実施形態において、文字は直交的な直線偏光ビームで形成された偏光回折格子を有する領域に対応する。この領域は入射光を適度に±１次に回折する。文字なしの背景は、直交的な円偏光ビームにより形成され、入射光をレタリング領域より強く回折する領域に対応する。両方の領域は、０次光には同じように影響して０次光の偏光状態には影響しないので、この画像は一様なグレーとして現れることになる。
【０１０１】
セキュリティ構造部のこの第２の実施形態は、グレースケールの画像にパターン付けすることができ、そこでは、（ａ）３つ又はそれ以上の回折画像が可能であること、及び（ｂ）全ての次数が、記録装置の特性に従って非常に独特で且つ制御可能な仕方で偏光されること、を含む上記の実施形態におけると同じ特徴が、この実施形態を全ての現行のセキュリティ構造部とは異なるものとしている。
【０１０２】
３つの主要なセキュリティ「レベル」の全てがこの技術に適用できる。セキュリティ構造部が裸眼及び通常の光により見ることができる（「レベル１」）、偏光レーザー光により見て偏光状態を探査することができる（「レベル２」）、及び全体のスペクトル特性を分光計で測定することができる（「レベル３」）。
ここで本発明は以下の非限定的な実施例においてさらに説明される。
【実施例１】
【０１０３】
単層偏光回折格子の製造
偏光回折格子を得るために、光配向材料Ｖａｎｔｉｃｏ  Ｓｔａｒ−Ａｌｉｇｎ  ２１１０をホウ珪酸ガラス基板上にスピンキャストして〜５０ｎｍの薄いフィルムを形成した。
ガラス基板をＵＶ吸収体、即ち、ポリカーボネート・シート及び屈折率適合流体フィルムの上に置いて裏面反射を最小にした。
次いで光配向フィルムを、標準的なホログラフィ装置内で、〜９Ｊ／ｃｍ2において３５１ｎｍの２つの重ね合わされたレーザー・ビームで露光したが、その２つのビームの一つは右旋性円偏光でもう１つは左旋性円偏光であり、２つのビームを分離するように、それぞれの入射角は１．１８°および２．３６°とした。このようにして、このホログラフィ装置内で形成された偏光ホログラムは光配向フィルム内に記録された。
光配向層上に、重合性液晶組成物（ＲＭＭ３４共晶混合物，Ｍｅｒｃｋ）をスピン・コーティングして（Ｃｏｎｖａｃ  Ｓｐｉｎｎｅｒ，６０ｓ  ａｔ  ２５００ｒｐｍ）、厚さ約１．４μｍの層を作成した。液晶組成物を配向パターンに配向させるために、組成物を有する基板を３０秒間７０℃においてホットプレート上でアニールした。その後、液晶組成物は窒素雰囲気下でＵＶ光により重合させ（室温で２分間次いで９０℃で２分間、２．５Ｗ／ｍ2においてＯｒｉｅｌランプにより露光した）て厚さ１．８７μｍの固体フィルムを形成したが、そこでメソゲンの光軸、即ちネマチック・ディレクタは周期的に繰返す「ラセン」パターンを示す。
結果として得られた偏光回折格子は２つの交差した偏光子の間に置き、この写真は図３ｂに示される。目盛は１０μｍであり、回折格子の周期Λは〜８．１μｍと計測されている。
【実施例２】
【０１０４】
二重層偏光回折格子の製造
偏光回折格子は実施例１と同様に製造したが、２つのビームを分離する角度は６．７０°とした。
光配向層上で、重合性メソゲン組成物（実施例１と同様にＲＭＭ３４）を配向させ重合させて、光軸が繰返しのラセン・パターンを示す厚さ１μｍの固体フィルムを形成した。
第１のメソゲン組成物の重合後、第２のメソゲン組成物（上と同様にＲＭＭ３４）を第１の上にコーティングしたが、その際第２のメソゲン組成物は第１の組成物の繰返しラセン光軸パターンに配向させ重合させて、厚さ１．２μｍの固体層を形成した。
結果として得られた二重層フィルムは交差した偏光子の間に置き、この写真は図５ｂに示されるが、ここで目盛は１０μｍであり、回折格子の周期Λは〜３μｍである。
形成された偏光回折格子の全体の厚さは２．２μｍであり、従ってこのフィルムは、ｄ＜Λ／２の近似的な限界を大きく超えている。
この実験は、２０を超える液晶組成物を互いの上に配置させて発展させ、光学的に高品質の回折格子を得た。
【実施例３】
【０１０５】
切替え可能な偏光回折格子
２つのホウ珪酸ガラス基板を、実施例１におけると同様に光配向フィルムでコーティングし、配向フィルムが互いに向き合う密閉型のセル構造体に配置した。セル間隔は５．１μｍであった。セルをシクロヘキサンで充填し、次いで標準的なホログラフィ装置内で、〜１０Ｊ／ｃｍ2において３５１ｎｍの２つの重ね合わされたレーザー・ビームで露光したが、その２つのビームの一つは右旋性円偏光でもう１つは左旋性円偏光であり、２．２８°の角度で２つのビームを分離した。
このようにして、このホログラフィ装置内で形成された偏光ホログラムは両方の光配向フィルム内に記録された。シクロヘキサンをセルから蒸発させ、次いでセルを液晶組成物（Ｅ７，Ｍｅｒｃｋ）で充填し、これが両方の配向フィルムによって配向させられた。
透明電極を各基板の外側に配置して、６３３ｎｍの光をセルを通して通過させた。１次回折の効率をセルの印加電圧の関数として測定した。０Ｖと１２Ｖの間の特定の電圧に対する結果を図１６に示すが、示されるように、１次回折の効率は〜０％と〜１００％の間で容易に制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１０６】
【図１】直交的に偏光され、重ね合わされたビームの２つの異なる設定と、結果として得られる偏光パターンを示す。図１ａは、左及び右円偏光ビームを示し、図１ｂは、垂直及び水平の直線偏光を示す。
【図２】２次元においてラセンを描いて繰り返す異方性偏光パターンを示す。
【図３】図３ａは本発明による偏光回折格子の一実施形態の概略を示す。図３ｂは、交差した偏光子の間にある、図３ａに示された偏光回折格子の写真を示す。
【図４】本発明による偏光回折格子の別の実施形態を概略的に示す。
【図５】図５ａは本発明による偏光回折格子の別の実施形態の概略を示す。図５bは、公差した偏光子の間にある、図５ａに示された偏光回折格子の写真を示す。
【図６】標準的な偏光回折格子と広帯域偏光回折格子の透過率曲線を示す。
【図７】図７ａは広帯域偏光回折格子の第１の実施形態を示す。図７ｂは広帯域偏光回折格子の第２の実施形態を示す。図７ｃは広帯域偏光回折格子の異方性ディレクタのパターンを示す。
【図８】印加電圧に対する偏光回折格子の透過率曲線を示す。
【図９】それぞれ、赤色（図９ａ）、緑色（図９ｂ）及び青色（図９ｃ）に対して最適化された偏光回折格子の透過率曲線を示す。
【図１０】本発明の偏光回折格子を備えた表示デバイスを示す。
【図１１】偏光回折格子を備えた偏光子の一実施形態を示す。
【図１２】偏光回折格子を備えた偏光子の別の実施形態を示す。
【図１３】２つの偏光回折格子を備えたビーム・スプリッタを示す。
【図１４】偏光回折格子を備えたセキュリティ・デバイスの一実施形態を示す。
【図１５】偏光回折格子を備えたセキュリティ・デバイスの別の実施形態を示す。
【図１６】偏光回折格子に関する、電圧に対する一次回折効率を示す。
【図１ａ】
2008532085.tif 000004
【図１ｂ】
2008532085.tif 000005
【図２】
2008532085.tif 000006
【図３ａ】
2008532085.tif 000007
【図３ｂ】
2008532085.tif 000008
【図４】
2008532085.tif 000009
【図５ａ】
2008532085.tif 000010
【図５ｂ】
2008532085.tif 000011
【図６】
2008532085.tif 000012
【図７ａ】
2008532085.tif 000013
【図７ｂ】
2008532085.tif 000014
【図７ｃ】
2008532085.tif 000015
【図８】
2008532085.tif 000016
【図９ａ】
2008532085.tif 000017
【図９ｂ】
2008532085.tif 000018
【図９ｃ】
2008532085.tif 000019
【図１０】
2008532085.tif 000020
【図１１】
2008532085.tif 000021
【図１２】
2008532085.tif 000022
【図１３】
2008532085.tif 000023
【図１４】
2008532085.tif 000024
【図１５ａ】
2008532085.tif 000025
【図１５ｂ】
2008532085.tif 000026
【図１６】
2008532085.tif 000027
【手続補正書】
【提出日】平成19年9月4日(2007.9.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
偏光に敏感な光配向層（２）と、前記光配向層（２）の上に配置された液晶組成物（３）とを含む偏光回折格子であって、偏光ホログラムに対応する異方性配向パターンが前記光配向層内に配置され、前記液晶組成物（３）は前記配向パターンに配向させられ、前記液晶組成物は、ｄを層の厚さ、Λを前記偏光回折格子のピッチとして次式、
ｄ≦ｄｍａｘ＝Λ／２
によって決定される層の厚さｄを有することを特徴とする、偏光回折格子。
【請求項２】
前記異方性配向パターンの配向方向は、前記配向層の平面内の少なくとも１つの直線に沿って周期的であることを特徴とする、請求項１に記載の偏光回折格子。
【請求項３】
前記配向方向は周期的な変化を示し、その１周期にわたる変化はポアンカレ球上の円に沿った偏光方向の変化に対応することを特徴とする、請求項２に記載の偏光回折格子。
【請求項４】
前記配向方向の変化は、直線偏光の偏光方向の変化に対応することを特徴とする、請求項２又は請求項３に記載の偏光回折格子。
【請求項５】
前記液晶組成物は重合性メソゲンを含むことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の偏光回折格子。
【請求項６】
前記液晶組成物は少なくとも部分的に重合することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の偏光回折格子。
【請求項７】
少なくとも第１（３）及び第２（１３）の液晶組成物を含み、前記第１の液晶組成物（３）は前記配向層（２）上に配置されてそれによって配向させられ、そして部分的に重合させられ、前記第２の液晶組成物（１３）は前記第１の液晶組成物（３）上に配置されてそれによって配向させられ、前記両方の液晶組成物は、ｄを層の厚さ、Λを前記偏光回折格子のピッチとして次式、
ｄ≦ｄｍａｘ＝Λ／２
によって決定される層の厚さｄを有することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の偏光回折格子。
【請求項８】
化学結合の異方性配向パターンを与えられた２つの光配向層（２、１２）を含み、該光配向層は前記液晶組成物（３）及び／又は（１３）を挟んでそれを配向させることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の偏光回折格子。
【請求項９】
前記液晶組成物（３）及び／又は（１３）は、吸収性色素、蛍光性色素、エレクトロミネッセンス色素、異方性形状及び／又はスペクトル特性を有するナノ及びマイクロ粒子、並びにそれらの任意の組合せ、から成る群から選択される機能性化合物をさらに含むことを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の偏光回折格子。
【請求項１０】
電場及び／又は磁場を前記液晶組成物（３）及び／又は（１３）の内に設定するための手段をさらに含むことを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載の偏光回折格子。
【請求項１１】
第１の偏光回折格子（７１，７３）と、前記第１の偏光回折格子上に配置された第２の偏光回折格子（７２，７５）とを含む偏光回折格子であって、前記第１の偏光回折格子は第１の光軸パターンを示し、前記第２の偏光回折格子は第２の光軸パターンを示し、前記第２の光軸パターンは、前記回折格子の平面内において、前記第１の光軸パターンに対して３０°から６０°までの範囲内の角度で回転しており、前記第１及び前記第２の偏光回折格子の少なくとも１つは、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の偏光回折格子であることを特徴とする偏光回折格子。
【請求項１２】
コレステリック液晶組成物が前記第１の液晶組成物（３）と前記第２の液晶組成物（１３）との間に配置され、前記コレステリック液晶組成物は３０°から６０°までの範囲内の捩れを示すことを特徴とする、請求項７に記載の偏光回折格子。
【請求項１３】
光源（１１５）と、請求項８に記載の偏光回折格子と、前記偏光回折格子内に電場を印加するための電極手段（１０４、１１４）と、を備えることを特徴とする表示デバイス。
【請求項１４】
前記電極手段（１０４、１１４）は複数のドメイン（１０５、１０６）にパターン付けされ、各々のドメインは独立にアドレス可能であることを特徴とする、請求項１３に記載の表示デバイス。
【請求項１５】
前記光源と前記偏光回折格子の間に配置されたカラー・フィルター（１０７）を備えることを特徴とする、請求項１３又は請求項１４に記載の表示デバイス。
【請求項１６】
前記偏光回折格子によって、ゼロ次の回折次数以外の回折次数に回折される光を遮蔽するための手段を備えることを特徴とする、請求項１３〜１５のいずれか１項に記載の表示デバイス。
【請求項１７】
入射光を第１の偏光及び第１の方向の第１の回折光ビームと、第２の偏光及び第２の方向の第２の回折光ビームとに回折するように配置された、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の偏光回折格子（１２１、１２５）と、
前記第２のビームの偏光を前記第１のビームの偏光に変換する手段と、
前記第１及び前記第２の光ビームをコリメートする手段と、
を備えることを特徴とする偏光子。
【請求項１８】
前記第２のビームの偏光を前記第１のビームの偏光に変換する前記手段と、前記第１及び前記第２の光ビームをコリメートする前記手段とは、前記第２の回折光ビームの少なくとも一部分を前記第１の回折光ビームの方向に平行な方向に反射するように配置された鏡面（１２３）を含むことを特徴とする、請求項１７に記載の偏光子。
【請求項１９】
前記第１及び前記第２の光ビームをコリメートする前記手段は、偏光回折格子（１２２）をさらに含むことを特徴とする、請求項１８に記載の偏光子。
【請求項２０】
前記第２のビームの偏光を前記第１のビームの偏光に変換する前記手段は、遅延素子を含み、前記第１および前記第２の光ビームをコリメートする前記手段は、少なくとも１つのプリズム（１２７）を含むことを特徴とする、請求項１７に記載の偏光子。
【請求項２１】
少なくとも第１の偏光回折格子（１３１）と、前記第１の偏光回折格子の上に配置された第２の偏光回折格子（１３２）とを備え、前記第１の偏光回折格子は第１の掌性の第１の光軸パターンを示し、前記第２の偏光回折格子は第２の掌性の第２の光軸パターンを示し、前記第２の掌性は前記第１の掌性の逆であり、前記第１及び第２の偏光回折格子のうちの少なくとも１つは、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の偏光回折格子であることを特徴とする、ビーム・スプリッタ。
【請求項２２】
少なくとも第１のドメイン（１４１、１５１）と第２のドメイン（１４３、１５３）とを含み、少なくとも前記第１のドメイン（１４１、１５１）は第１の光軸パターンの偏光回折格子を含み、前記第１及び第２の偏光回折格子のうちの少なくとも１つは、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の偏光回折格子であることを特徴とする、透明フィルム。
【請求項２３】
前記第２のドメイン（１４３、１５３）は第２の光軸パターンの第２の偏光回折格子を含むことを特徴とする、請求項２２に記載の透明フィルム。
【国際調査報告】
2008532085.tif 000028
2008532085.tif 000029
2008532085.tif 000030
2008532085.tif 000031
2008532085.tif 000032