(57)【要約】【課題】液晶と高分子材料を利用して異方性領域と等方性領域を交互に積み重ねた構造において、液晶の選択、各種モノマの組み合わせ、光重合開始材と色素の組み合わせや、各種材料の配合比を特定し最適化して、回折効率を高くし、偏光分離度を大きくし、更に、材料の光重合に伴う収縮応力の緩和し、また、材料の熱及び光の劣化を防ぐ。【解決手段】一対の光学基板１、２間に、官能基を１つ以上持つ光重合性モノマの少なくとも１種類と液晶とから構成された混合物により所定の厚みの層を形成し、この層に対してホログラフィック露光を行って形成され、光学基板上に、応力緩衝層１０を設ける。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の光学基板間に、官能基を１つ以上持つ光重合性モノマの少なくとも１種類と液晶とから構成された混合物により所定の厚みの層を形成し、この層に対してホログラフィック露光を行って形成された偏光選択性ホログラム光学素子であって、
上記光学基板上には、応力緩衝層が設けられていることを特徴とする偏光選択性ホログラム光学素子。
【請求項２】
応力緩衝層は、有機膜により形成されていることを特徴とする請求項１記載の偏光選択性ホログラム光学素子。
【請求項３】
光重合モノマは、光重合性多官能基モノマ、光重合性２官能基モノマ及び光重合性単官能基モノマの混合物から構成されていることを特徴とする請求項１記載の偏光選択性ホログラム光学素子。
【請求項４】
光重合性２官能基モノマは、ヒドロキシピバリン酸ネオペンチルグリコールジアクリレート、もしくは、その付加化合物であることを特徴とする請求項３記載の偏光選択性ホログラム光学素子。
【請求項５】
光重合性２官能基モノマに、ε−カプロラクトン変性ヒドロキシピバリン酸ネオペンチルグリコールジアクリレートを用いたことを特徴とする請求項３記載の偏光選択性ホログラム光学素子。
【請求項６】
光重合性単官能基モノマに、２−ヒドロキシ−３−フェノキシプロピルアクリレートを用いたことを特徴とする請求項３記載の偏光選択性ホログラム光学素子。
【請求項７】
光重合性単官能基モノマに、Ｎ−ビニル−ピロリジノンを用いたことを特徴とする請求項３記載の偏光選択性ホログラム光学素子。
【請求項８】
光重合性多官能基モノマに、トリメチロールプロパントリアクリレートを用いたことを特徴とする請求項３記載の偏光選択性ホログラム光学素子。
【請求項９】
単官能基モノマの混合比が混合物全体の５ｗｔ％乃至２０ｗｔ％となっていることを特徴とする請求項３記載の偏光選択性ホログラム光学素子。
【請求項１０】
２官能基モノマの混合比が混合物全体の１０ｗｔ％乃至４０ｗｔ％となっていることを特徴とする請求項３記載の偏光選択性ホログラム光学素子。
【請求項１１】
多官能基モノマの混合比が混合物全体の２０ｗｔ％乃至４０ｗｔ％となっていることを特徴とする請求項３記載の偏光選択性ホログラム光学素子。
【請求項１２】
液晶にシアノビフェニル系液晶を用いたことを特徴とする請求項１記載の偏光選択性ホログラム光学素子。
【請求項１３】
液晶の混合比が混合物全体の３０ｗｔ％乃至５０ｗｔ％となっていることを特徴とする請求項１記載の偏光選択性ホログラム光学素子。
【請求項１４】
液晶材料は、配向規制手段により配向制御されていることを特徴とする請求項１記載の偏光選択性ホログラム光学素子。
【請求項１５】
２枚の光学基板は、透明電極を有し、これら透明電極への印加電圧により液晶方位を可変制御することを特徴とする請求項１記載の偏光選択性ホログラム光学素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、投射型画像表示装置において使用される偏光選択性ホログラムを利用した偏光選択性ホログラム光学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ホログラム技術の偏光分離素子や色分離素子への応用が種々提案されている。偏光選択性ホログラム光学素子は、これら両方の光学素子へのベースとなるものである。一般的なアプリケーションとしては、色分離素子及び偏光変換素子が挙げられる。ホログラム光学素子による色分離素子、いわゆる「カラーフィルタ」への応用としては、例えば、特許文献１及び特許文献２に記載されている。また、偏光変換素子としては、偏光選択性ホログラム光学素子と波長板とを組み合わせた構成のものが、特許文献３に記載されている。その他に、特許文献４の明細書には、調光素子に利用することの記載もある。
【０００３】
以下、このようなホログラム光学素子の材料に関する従来の技術について説明する。ホログラム材料として広く使用されているものとして、フォトポリマがある。フォトポリマは、光重合性高分子材料を用いた等方性材料である。特許文献５には、等方性材料にて構成される厚いホログラムを利用し回折効率の入射偏光依存性を利用したものが記載されている。このようなホログラム光学素子における現象は、理論的には、カップルド−ウェイブ−セオリ（ｃｏｕｐｌｅｄ−ｗａｖｅ  ｔｈｅｏｒｙ）の厳密解を解くことにより証明される。しかし、フォトポリマを用いた場合、偏光分離特性が低い。これは、フォトポリマにおいては、異方性材料を用いたホログラム光学素子と異なり、Ｐ、Ｓどちらの偏光成分にとっても屈折率の変調された見かけの干渉縞が常に存在しているためである。通常のフォトポリマの光重合性高分子材料では、屈折率変調度Δｎを０．０５以上とすることは非常に離しい。屈折率変調度は、ホログラムの回折効率を決定する重要なパラメータであり、通常、この値が大きいほど回折効率も高くなる。
【０００４】
また、従来、特許文献６に記載されているように、偏光分離素子として光硬化型液晶と非硬化型液晶との屈折率異方性を利用したホログラム光学素子がある。このホログラム光学素子の優位性は、非重合性液晶の液晶方位を電界印加によりスイッチングして回折の有無を制御する際、図１１に示すように、光硬化型液晶１０１及び非硬化型液晶１０２における常光線屈折率と異常光線屈折率とを等しくすれば、理論上、入射方位、入射偏光に関わらず、回折しない状態を作ることができることである。これは、回折がゼロの状態では、光硬化型液晶１０１と非硬化型液晶１０２とが、その液晶方位を同じ方向に配向させるため、見かけ上、干渉縞は生じないためである。
【０００５】
そして、図１２に示すように、電圧を印加した状態では、非硬化液晶１０２が基板１０３に垂直な状態となり、光硬化型液晶１０１との間で干渉縞が形成される。しかし、この状態においては、光線入射方位によっては、見かけの屈折率変調度が大きく変化し、大きな入射角度でホログラムに入射する光線に対する回折効率がほとんど得られないという問題がある。
【０００６】
さらに、異方性材料と等方性材料とを交互に配列させた構造をもつホログラム光学素子も提案されている。このようなホログラム光学素子については、高分子分散型液晶（「ＰＤＬＣ」）の研究から派生した技術として、光重合を起こすモノマ材料と液晶分子とを混合したものに対してホログラフィックな手法を用いて干渉縞を形成するホログラフィック高分子分散型液晶（Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃａｌｌｙ−  ｆｏｒｍｅｄｐｏｌｙｍｅｒ  ｄｉｓｐｅｒｓｅｄ  ｌｉｑｕｉｄ  ｃｒｙｓｔａｌｓ、以下「Ｈ−ＰＤＬＣ」という。）として研究が行われている。
【０００７】
このような「Ｈ−ＰＤＬＣ」の構成と製造方法について、以下、図１、図２及び図３を用いて説明する。まず、図１に示すように、プレポリマ（モノマの混合物）、液晶及び光重合開始剤の混合物をガラス基板１，２間に充填する。この混合物は、プレポリマが約５０％乃至７０％、液晶が約５０％乃至３０％、光重合開始剤及び増感色素が数％以下という組成比で構成される。「Ｈ−ＰＤＬＣ」のセルギャップ、すなわち、ガラス基板１，２間の空隙間隔は、３μｍ乃至１５μｍの範囲で、偏光選択性ホログラム光学素子の所望の特性にあわせて最適な値を選ぶ。
【０００８】
次に、この「Ｈ−ＰＤＬＣ」のセル３に干渉縞を露光するため、レーザ光源からの物体光４及び参照光５を「Ｈ−ＰＤＬＣ」パネルに照射し、図２に示すように、これら２光束の干渉光による光の強弱を発生させる。このとき、干渉縞の明部では、その光エネルギーにより、「Ｈ−ＰＤＬＣ」内のプレポリマ部分の重合が起こりポリマ化する。干渉縞の明部においてプレポリマの重合が進むと、干渉縞の暗部から干渉縞の明部にプレポリマが移動するとともに、干渉縞の明部において混合している液晶が溶解していることができなくなって干渉縞の暗部に移動する。この反応が進むことにより、干渉縞に合わせてポリマ領域と液晶領域とが形成される。このとき、液晶分子は、図３に示すように、干渉縞に対して垂直に配列する場合がある。そして、紫外線照射を行なうことにより、未硬化部の硬化を行なう。
【０００９】
以上のようなプロセスによって作製されたホログラム光学素子は、ポリマ層の屈折率と液晶層の常光線屈折率とがほぼ等しく、かつ、ポリマ層の屈折率と液晶層の異常光線屈折率とが異なるため、偏光選択性ホログラムとして形成される。
【００１０】
上述の説明では、物体光４及び参照光５が、「Ｈ−ＰＤＬＣ」パネルの同一の側から照射されているため、透過型の偏光選択型ホログラムが形成されるが、物体光４及び参照光６を「Ｈ−ＰＤＬＣ」パネルに対する反対側から照射することにより、反射型の偏光選択型ホログラムを形成することができる。
【００１１】
「Ｈ−ＰＤＬＣ」においては、材料の選択の仕方及び混合比の選び方により、回折効率、偏光選択性、散乱、液晶の配向度などの性質が大きく異なる。例えば、特許文献７の記載においては、光重合性材料として「ジペンタエリスリトールヒドロキシペンタアクリレート（ＤＰＨＰＡ）」を、バインダーモノマとして「Ｎ−ビニル−ピロリジノン」を、液晶にシアノビフェニル系液晶の「Ｅ７」（メルク社製）を、光重合開始剤に「Ｎ−フェニルグリシン」を、増感色素に「ローズベンガル」をそれぞれ用いてホログラム光学素子を作製している。この材料の組み合わせを、以下、「従来例１」という。
【００１２】
この「従来例１」の材料系を用いて、「Ｈ−ＰＤＬＣ」セルを作製した。すなわち、「シアノビフェニル系液晶」を約４０ｗｔ％、光重合性多官能基モノマとして、「ジペンタエリスリトールシペンタアクリレート（ＤＰＨＡ）」を約５０ｗｔ％、光重合性モノマとして、「Ｎ−ビニル−ピロリジノン」を約１０ｗｔ％、光重合開始剤として「Ｎ−フェニルグリシン」を約１．０ｗｔ％、増感色素として「ローズベンガル」を約１．０ｗｔ％秤量し、混合を行なった。そして、この混合物を、約５μｍのギャップを介して対向させたガラス基板の間に充填する。次に、波長５３２ｎｍのＳＨＧレーザを用いて、２光束ホログラフィック露光を行ない、干渉縞の形成を行なった。レーザ露光を行なったサンプルには、さらに高圧水銀灯を光源とした紫外線を照射し、高分子の未重合部分を硬化させた。
【００１３】
以上の工程により、セル内部で屈折率が周期的に変化している「ホログラフィックＰＤＬＣ」を得た。そして、図４に示すように、測定光学系において、波長６３３ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザ１１からのレーザ光を用いて、回折効率の測定を行なった。回折効率は、回折光の強度が最も高い角度で測定を行ない、回折効率の値は、次式によって計算した。
〔回折効率〕＝（〔回折光の強度Ｉｄ〕／〔入射光の強度Ｉｉ〕）×１００（％）
測定結果は、Ｐ偏光の回折効率が約８０％、Ｓ偏光の回折効率が約１．４％であった。Ｐ偏光の回折効率としては高い値が得られた。しかし、Ｐ偏光の回折効率とＳ偏光の回折効率との比で与えられる偏光分離度は、６０未満であり、低い値であった。
【００１４】
特許文献８には、ハロゲン系液晶「ＴＬ２０５」（メルク社製）を用い、光重合性アクリル系オリゴマーとして、「アロニックスＭ−６１００」（２官能基ポリエステルアクリレート、東亞合成（株）社製）を、光重合性アクリル系モノマとして、「ＫＡＹＡＲＡＤ  ＤＣＰ−Ａ（ジメチロールトリシクロデカンジアクリレート、日本化薬（株）社製）を、光重合開始剤として、「ＴＡＺ−１０１」（みどり化学（株）製）を、増感色素として「ＢＣ」（みどり化学（株）製）をそれぞれ用いた材料が記載されている。なお、光重合性アクリル系モノマとして「ビスフェノールＡ」を用いても有効であるとされている。この材料の組み合わせを、以下、「従来例２」という。
【００１５】
この「従来例２」の材料系を用いて、「Ｈ−ＰＤＬＣ」セルを作製した。ハロゲン系液晶「ＴＬ２０５」を約５０ｗｔ％、光重合性アクリル系オリゴマーとして「アロニックスＭ−６１００」を約１０ｗｔ％、光重合性アクリル系モノマとして「ＫＡＹＡＲＡＤ  ＤＣＰ−Ａ」を約４０ｗｔ％、光重合開始剤として「Ｎ−フェニルグリシン」を約０．５ｗｔ％、増感色素として「ローズベンガル」を約０．５ｗｔ％を秤量し、混合を行なった。そして、この混合物を約５μｍのギャップを介して対向させたガラス基板の間に充填する。次に、波長５３２ｎｍのＳＨＧレーザを用いて、２光束ホログラフィック露光を行ない、干渉縞の形成を行なった。レーザ露光を行なったサンプルは、さらに、高圧水銀灯を光源とした紫外線を照射して、高分子の未重合部分を硬化させた。
【００１６】
以上の工程により、セル内部で屈折率が周期的に変化している「ホログラフィックＰＤＬＣ」を得た。そして、図４に示す測定光学系において、波長６３３ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザ光を用いて、回折効率の測定を行なった。回折効率は、回折光の強度が最も高い角度で測定を行ない、回折効率の値は、次式によって計算した。
〔回折効率〕＝（〔回折光の強度Ｉｄ〕／〔入射光の強度Ｉｉ〕）×１００（％）
測定結果は、Ｐ偏光の回折効率が約５６％、Ｓ偏光の回折効率が約１．７％であった。Ｐ偏光の回折効率とＳ偏光の回折効率との比で与えられる偏光分離度は、３３程度と、低い値であった。同様に、光重合開始剤として「ＴＡＺ−１０１」を約０．２ｗｔ％、増感色素として「ＢＣ」を約０．５ｗｔ％混合し、波長４５７ｎｍのＳＨＧレーザで露光を行なったサンプルも作製したが、回折効率は先に示したサンプルより低いものであった。
【００１７】
「Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｖｏｌ．３６（１９９７）ｐｐ．６３８８」には、ポリエステル系アクリル酸の多官能基オリゴマーと２官能基オリゴマーとを用い、液晶として「ハロゲン系液晶ＴＬ２１６」（メルク社製）及び「シアノビフェニル系の液晶」を用いて、光重合性単官能基モノマの種類を変えたときの「Ｈ−ＰＤＬＣ」の特性の差についての発表がなされている。この発表においては、多官能基及び２官能基のオリゴマーの材料については言及されていない。単官能基モノマとして「Ｎ−ビニル−ピロリジノン」や「２−ヒドロキシ−３−フェノキシプロピルアクリレート」を含めて５種類を使用して実験を行った結果が発表されている。この発表によると、１０μｍのセルギャップで、回折効率が高くなるという実験結果が示されているが、セルギャップを５μｍとした場合に充分な回折効率が得られるかは疑問である。
【００１８】
【特許文献１】特開平９−１７１１１０号公報
【特許文献２】特開平９−１８９８０９号公報
【特許文献３】特開平８−２３４１４３号公報
【特許文献４】特許第３０７６１０６号公報
【特許文献５】特開平９−１８９８０９号公報
【特許文献６】特開平１１−２７１５３６号公報
【特許文献７】米国特許第５９４２１５７号明細書
【特許文献８】特開平１１−１１９２０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
ところで、上述のような偏光選択性ホログラム光学素子において、等方性材料を用いたフォトポリマでは、偏光分離特性が低い。これは、等方性材料を用いた場合には、異方性材料を用いたホログラム光学素子と異なり、Ｐ、Ｓどちらの偏光成分にとっても、屈折率の変調された見かけの干渉縞が常に存在しているためである。そして、通常のフォトポリマの光重合性高分子材料では、屈折率変調度Δｎを０．０５以上とすることは非常に難しい。
【００２０】
一方、光硬化型液晶と非硬化型液晶の屈折率異方性を利用したホログラム材料では、光線入射方位によって、見かけの屈折率変調度が大きく変化し、大きな入射角度でホログラムに入射する光線については回折効率がほとんど取れないという問題がある。
【００２１】
そして、液晶と高分子材料を利用した異方性領域と等方性領域を交互に積み重ねた構造をもつホログラム光学素子においては、液晶の選択、各種モノマの組み合わせ、光重合開始材と色素の組み合わせや、さらに、各種材料の配合比が重要であるが、高い回折効率を持つ材料の組み合わせ、偏光分離度を大きくする材料の組み合わせは、いまだ見つけられていない。
【００２２】
そこで、本発明は、上述の実情に鑑みて提案されるものであって、液晶と高分子材料を利用して異方性領域と等方性領域を交互に積み重ねた構造をもつホログラム光学素子であって、液晶の選択、各種モノマの組み合わせ、光重合開始材と色素の組み合わせや、各種材料の配合比が特定され最適化されて、回折効率が高く、偏光分離度が大きくなされ、更に、材料の光重合に伴う収縮応力の緩和を実現し、材料の熱及び光の劣化を防ぐことができる偏光選択性ホログラム光学素子を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
上述した目的を達成する本発明に係る偏光選択性ホログラム光学素子は、一対の光学基板間に、官能基を１つ以上持つ光重合性モノマの少なくとも１種類と液晶とから構成された混合物により所定の厚みの層を形成し、この層に対してホログラフィック露光を行って形成された偏光選択性ホログラム光学素子であって、光学基板上には、応力緩衝層が設けられていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
上述のように、本発明に係る偏光選択性ホログラム光学素子においては、光重合性多官能基モノマ、光重合性２官能基モノマ、光重合性単官能基モノマ、液晶、光重合開始剤及び増感色素の混合物から構成された偏光選択性ホログラムにおいて、２官能基モノマに、ヒドロキシピバリン酸ネオペンチルグリコールジアクリレート、または、その付加化合物を用い、さらに、光重合性モノマ材料の組み合わせ、液晶の選択、および配合比の最適化を図ることにより、偏光選択性を向上させることができる。
【００２５】
また、本発明に係る偏光選択性ホログラム光学素子においては、入射光のＰ偏光成分に対する回折効率を高くし、Ｓ偏光成分に対する回折効率を限りなく０に近づけることが可能である。
【００２６】
さらに、本発明に係る偏光選択性ホログラム光学素子においては、このような材料の組み合わせより、材料による光の吸収を小さくし、デバイスの熱による劣化を少なくすることが可能となった。また、光の散乱を小さくすることが可能であり、このことにより、デバイスの光利用効率を向上させることが可能となる。
【００２７】
すなわち、本発明は、液晶と高分子材料を利用して異方性領域と等方性領域を交互に積み重ねた構造をもつホログラム光学素子であって、液晶の選択、各種モノマの組み合わせ、光重合開始材と色素の組み合わせや、各種材料の配合比が特定され最適化されて、回折効率が高く、偏光分離度が大きくなされた偏光選択性ホログラム光学素子を提供することができる。
【００２８】
また、本発明に係る偏光選択性ホログラム光学素子では、光学基板上に、応力緩衝層を設けることによって、材料の光重合に伴う収縮応力を緩和することができ、また、材料の熱及び光の劣化も防ぐことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明を適用した偏光選択性ホログラム光学素子について説明する。まず、本発明に係る偏光選択性ホログラム光学素子に用いる偏光選択性ホログラムとして、高分子分散型液晶（「ＰＤＬＣ」）の材料をベースとしたホログラフィックＰＤＬＣ（「Ｈ−ＰＤＬＣ」）素子の基本構造及び作製方法について説明する。
【００３０】
この「Ｈ−ＰＤＬＣ」において、重合が開始する前の材料の混合物（プレポリマ）は、多官能基モノマ、２官能基モノマ、単官能基モノマから構成され、それぞれのモノマの作用はその材料により異なる。一般的には、単官能基モノマは、他の材料との親和性を良くするため用いられ、バインダーモノマと呼ばれることもある。２官能基以上の多官能基モノマは、重合性が良好なため、ポリマを形成する上での骨格として機能する。
【００３１】
一般的に、このような重合性モノマは、エチレン性不飽和結合を有する光重合可能な化合物であって、１分子中に、少なくともエチレン性不飽和二重結合を１個有し、光重合及び光架橋可能なモノマ、オリゴマ、プレポリマ及びこれらの混合物である。
【００３２】
これらの例としては、不飽和カルボン酸及びその塩、不飽和カルボン酸と脂肪族多価アルコール化合物とのエステル、不飽和カルボン酸と脂肪族多価アミン化合物とのアミド等が挙げられる。
【００３３】
本発明において使用されている多くの重合性モノマは、不飽和カルボン酸と脂肪族多価アルコール化合物とのエステルである。本発明では、多官能基モノマとして、トリメチロールプロパントリアクリレート（ＴＭＰＴＡ）、ペンタエリストールトリアクリレート（ＰＥＴＡ）、ジペンタエリスリトールヒドロキシペンタアクリレート（ＤＰＨＰＡ）、ジペンタエリスリトールヘキサアクリレート（ＤＰＨＡ）などを使用することができる。２官能基モノマとしては、ヒドロキシピバリン酸ネオペンチルグリコールジアクリレートの付加化合物を用いる。ヒドロキシピバリン酸ネオペンチルグリコールジアクリレートの付加化合物は、ヒドロキシピバリン酸ネオペンチルグリコールジアクリレートの単体に、例えば、以下の付加物により変性された化合物である。
ε−カプロラクトン付加物（−（ＯＣ５Ｈ１０ＣＯ）ｍ−）
エチレンオキシド付加物（−（ＯＣ２Ｈ４）ｍ−）
プロピレンオキシド付加物（−（ＯＣ３Ｈ６）ｍ−）
【００３４】
これらの付加化合物は、ヒドロキシピバリン酸ネオペンチルグリコールジアクリレート単体の性質を失うことなく、低皮膚刺激性、耐候性、柔軟性及び低収縮性などの性質改善がなされている。
【００３５】
なお、光重合性モノマの組み合わせについては、材料の屈析率、物質拡散に関係する粘度、硬化速度を考慮した上で選ばなければいけない。
【００３６】
液晶としては、シアノビフェニル系液晶、ハロゲン系液晶、トラン系液晶、シアノエステル系液晶など、一般に用いられている液晶を用いることができるが、本発明において使用される液晶材料は、屈折率の異方性Δｎが、０．１５以上あることが望ましい。これは、本発明においては、位相変調型のホログラムを使用しているため、Δｎが直接回折効率に大きく影響するからである。また、本発明においては、特に屈折率異方性の大きいシアノビフェニル系の液晶を用いることにより、偏光選択性のよいホログラム光学素子を作製することが可能となる。
【００３７】
光重合開始剤は、紫外線（ＵＶ光）に対して感度を特ち、モノマの光重合開始剤として機能するものである。光重合開始剤としては、一般的にチオキサントン系、ベンゾフェノン系、ジケトン系、アセトフェノン系のものを使用することができる。
【００３８】
増感色素としては、キサンテン系、クマリン系、ローダミン系、カルボシアニン系などのものを使用することができる。増感色素は、ＵＶ（紫外線）光でしか励起されない重合開始剤を、可視光において励起させる機能がある。すなわち、増感色素は、可視光レーザによる光重合過程を経ていることにより、可視光を吸収し、そのエネルギーを光重合開始剤に伝達する機能を有している。この機能から、増感色素の許容エネルギーレベル及び光重合開始剤の許容エネルギーレベルには、厳密な整合性が必要となり、使用する光重合開始剤と増感色素との組み合わせは重要である。
【００３９】
本発明においては、緑色レーザに対しては、光重合開始剤にＮ−フェニルグリシン（下記、〔化１〕）及び増感色素に口ーズベンガル（下記、〔化２〕）の組み合わせをメインに用いた。また、青色のレーザに対しては、光重合開始剤にＴＡＺ−１０１（下記、〔化３〕）及び増感色素にＢＣ（下記、〔化４〕）の組み合わせ、もしくは、Ｎ−フェニルグリシンとＢＣの組合わせを用いた。
【００４０】
【化１】
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【００４１】
【化２】
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【００４２】
【化３】
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【００４３】
【化４】
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【００４４】
まず、以上のような、多官能基モノマ、２官能基モノマ、単官能基モノマ、液晶、光重合開始剤及び増感色素の混合物を、図１に示すように、互いに対向されたガラス基板１，２の間に充填する。
【００４５】
この混合物の組成比は、多官能基モノマと２官能基モノマを合わせて４０ｗｔ％乃至６０ｗｔ％、単官能基モノマを５ｗｔ％乃至２０ｗｔ％、液晶を３０ｗｔ％乃至５０ｗｔ％、光重合開始剤と増感色素を数ｗｔ％以下とする。「Ｈ−ＰＤＬＣ」のセルギャップ、すなわち、ガラス基板１，２の間の距離は、３μｍ乃至１５μｍの範囲で所望の偏光選択ホログラムにあわせて最適な値を選ぶ。
【００４６】
ここで、光学ガラス基板１，２上に、それぞれ応力緩衝層１０の形成を行う。これら応力緩衝層１０は、光学ガラス基板１，２と「Ｈ−ＰＤＬＣ」材料との間に形成され、「Ｈ−ＰＤＬＣ」材料の光重合に伴う収縮応力の緩和を実現し、また、「Ｈ−ＰＤＬＣ」材料のガラス基板１，２の界面からの剥がれを防止するとともに、「Ｈ−ＰＤＬＣ」材料の熱及び光による劣化を防ぐ。
【００４７】
この応力緩衝層１０は、ポリイミド等、有機膜の材料からなるものを用いることができる。作製方法としては、ポリイミドを適当な希釈溶媒で薄め、スピンコート法によって塗布を行い、所定の温度で焼成することによって、ポリイミド膜を形成する。この応力緩衝層１０の厚さは、１０ｎｍ乃至５０ｎｍとした。
【００４８】
次に、この「Ｈ−ＰＤＬＣ」のセル３に干渉縞を露光するため、図１に示すように、レーザ光源からの物体光４及び参照光５を「Ｈ−ＰＤＬＣ」パネルに照射し、図２に示すように、２光束の干渉光による光の強弱を発生させる。
【００４９】
このとき、干渉縞の明部では、そのエネルギーにより、「Ｈ−ＰＤＬＣ」パネル内のプレポリマ部分の重合が起こり、ポリマ化する。干渉縞の明部でのプレポリマの重合が進むと、干渉縞の暗部のプレポリマが該暗部から干渉縞の明部に移動するとともに、干渉縞の明部にプレポリマとともに混合している液晶が溶解していることができなくなり、干渉縞の暗部に移動する。このような反応が進むことにより、図３に示すように、干渉縞に対応したポリマ領域７と液晶領域８とが形成される。
【００５０】
この説明では、物体光４及び参照光５は、「Ｈ−ＰＤＬＣ」パネルの同じ側から照射されるため、透過型の偏光選択型ホログラムが形成される。しかし、物体光４及び参照光６を「Ｈ−ＰＤＬＣ」パネルに対し互いに反対側から照射することにより、反射型の偏光選択型ホログラムを形成することができる。
【００５１】
このようにして形成された「Ｈ−ＰＤＬＣ」において、ポリマ領域７は、屈折率ｎｐに関して等方的である。それに対して、液晶領域８は、屈折率に関して異方性を特つ。液晶は、一般に屈折率楕円体を用いて記述される。屈折率楕円体の短軸側の屈折率を常光線屈折率ｎｏ、長軸側の屈折率を異常光線屈折率ｎｅとして表現している。液晶領域８においては、図５及び図６に示すように、液晶の分子の長軸方向が、ポリマ領域７との境界面に対して垂直になるように配向している場合と、図７に示すように、液晶の分子の長軸方向が、ポリマ領域７との境界面に対して平行に配向している場合を考えることができる。どちらの場合においても、液晶領域８では、屈折率が入射偏光方位依存性を有している。
【００５２】
（Ａ）液晶分子の長軸方向がポリマ領域との境界面に対して垂直な場合
この場合に、「Ｈ−ＰＤＬＣ」パネル３に入射する光線を考える。図６に示すように、入射光は、Ｐ偏光成分の光とＳ偏光線分の光に分けることができる。ここで、Ｓ偏光成分について考える。Ｓ偏光光に対する液晶領域８の屈折率は、常光線屈折率ｎｏであり、ポリマ領域７における屈折率は、等方性の屈折率ｎｐである。そして、この液晶領域８の常光線屈折率ｎｏをポリマ領域７の屈折率ｎｐにほぼ等しくすれば、入射光のＳ偏光成分に対する屈折率変調が極めて小さくなり、Ｓ偏光成分は、回折を起こさない。
【００５３】
一方、液晶は、常光線屈折率ｎｏと異常光線屈折率ｎｅとの差が、０．１から０．２程度ある。そのため、入射方向が同じ光線であっても、Ｐ偏光成分にとっては、液晶領域８とポリマ領域７において屈折率差があり、回折する。すなわち、この場合、「Ｈ−ＰＤＬＣ」は、位相変調ホログラムとして機能する。これが「Ｈ−ＰＤＬＣ」の偏光選択性ホログラムの動作原理である。
【００５４】
（Ｂ）液晶分子の長軸方向がポリマ領域との境界面に対して平行な場合
この場合は、液晶分子の長軸方向がポリマ領域７との境界面に対して垂直な場合と比較し、液晶の配向方向が９０°異なる。すると、Ｐ偏光成分に対する液晶領域の屈折率ｎｏとポリマ領域７の屈折率ｎｐがほぼ等しくなり、回折効率が０に近づく。一方、Ｓ偏光については、液晶領域８とポリマ領域７とで屈折率に差が生じ、回折が生じる。
【００５５】
液晶分子を配向させる技術としては、ポリイミドなどの配向膜を２枚のガラス基板１，２上にスピンコートなどの手法により塗布し、加熱、焼成を行い、ローラなどを用いて一定方向にラビング処理を行い、配向させる方法が一般的に使用されている。また、ガラス基板１，２上に透明電極を形成し「Ｈ−ＰＤＬＣ」セルに電界を印加することによる配向方法もある。その他にも、「Ｈ−ＰＤＬＣ」セルの外部から非常に大きい外部電界や外部磁界をかけることによって液晶の配向を行う方法がある。本発明では、高分子材料及び液晶の選択と配合比の最適化を行うことにより、特別な配向処理を行うことなく、液晶分子を干渉縞に対して垂直な方向に配列させることができる。
【実施例】
【００５６】
〔実施例１〕
以下、具体的な実施例を示す。なお、「Ｈ−ＰＤＬＣ」材料の混合物は、可視光の中で重合反応を始めないように、暗室中で材料の混合を行なった。
【００５７】
チッソ（株）社製、シアノビフェニル系液晶「ＳＹ１０１８ＸＸ」（商品名）を約４０ｗｔ％、光重合性３官能基モノマとして、束亜合成（株）社製「アロニックスＭ−３０９」（商品名）（化学名：トリメチロールプロパントリアクリレート）（下記〔化５〕）を約２２ｗｔ％、光重合性２官能基モノマとして、日本化薬（株）社製「ＫＡＹＡＲＡＤ  ＨＸ−２２０」（商品名）（化学名：ε−カプロラクトン変性ヒドロキシピバリン酸ネオペンチルグリコールジアクリレート）（下記〔化６〕）を約２２ｗｔ％、光重合性単官能基モノマとして日本化薬（株）社製「ＫＡＹＡＲＡＤ  Ｒ−１２８Ｈ」（商品名）（化学名：２−ヒドロキシ−３−フェノキシプロピルアクリレート）（下記〔化７〕）を約１６ｗｔ％、光重合開始剤としてＮ−フェニルグリシン（上記〔化１〕）を約０．５ｗｔ％、増感色素としてローズベンガル（上記〔化２〕）を約０．５ｗｔ％を秤量し、混合を行なった。
【００５８】
【化５】
2008209932.tif 000007
【００５９】
【化６】
2008209932.tif 000008
【００６０】
【化７】
2008209932.tif 000009
【００６１】
これらの混合には、撹絆機及び超音波を用いて行なった。この混合物を、約５μｍのギャップをもって対向させたガラス基板の間に充填した。ギャップの維持には、ガラス、または、プラスチックからなるスペーサビーズを用いた。ガラス基板上には、応力緩衝層として、ポリイミド膜を膜厚３０ｎｍにて形成した。
【００６２】
そして、波長５３２ｎｍのＳＨＧレーザを用いて、ガラス基板の同じ面方向から、２光束ホログラフィック露光を行ない、干渉縞の形成を行なった。ホログラフィック露光は、振動による揺らぎを防ぐために、レーザの強度を強くして、できるだけ短時間で露光を行った。
【００６３】
レーザ露光を行なったサンプルには、高圧水銀灯を光源として紫外線を照射し、高分子の未重合部分を硬化させた。以上の工程により、セル内部で屈折率が周期的に変化する「Ｈ−ＰＤＬＣ」を得た。
【００６４】
光重合性２官能基モノマは、「ＨＸ−２２０」の代わりに、日本化薬（株）社製「ＫＡＹＡＲＡＤ  ＭＡＮＤＡ」（商品名）（化学名：ヒドロキシピバリン酸ネオペンチルグリコールジアクリレート）（下記〔化８〕）を用いてもよい。
【００６５】
【化８】
2008209932.tif 000010
【００６６】
次に、図４に示した測定光学系において、波長６３３ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザ１１を用いて回折効率の測定を行なった。回折効率は、回折光の強度が最も高い角度で測定を行ない、回折効率の値は、次式によって計算した。
〔回折効率〕＝（〔回折光の強度Ｉｄ〕／〔入射光の強度Ｉｉ〕）×１００（％）
測定結果は、Ｐ偏光の回折効率が約８０％、Ｓ偏光の回折効率が０．２％であった。偏光分離度は、Ｐ偏光回折効率とＳ偏光の回折効率の比であるから、４００以上となっていることがわかる。
【００６７】
さらに、ポリイミドを塗布してラビングを行なったガラス基板に、混合した材料を充填して「Ｈ−ＰＤＬＣ」を作成することにより、液晶の配向を制御することができ、偏光分離度を高めることができた。
【００６８】
〔実施例２〕
次に、チッソ（株）社製「シアノビフェニル系液晶ＳＹ１０１８ＸＸ」（商品名）を約４０ｗｔ％、光重合性３官能基モノマとして、東亜合成株式会社アロニックス「Ｍ−３０９」（商品名）（化学名：トリメチロールプロパントリアクリレート）を約２５ｗｔ％、光重合性２官能基モノマとして、日本化薬（株）社製「ＫＡＹＡＲＡＤ  ＨＸ−２２０」（商品名）（化学名：ε−カプロラクトン変性ヒドロキシピバリン酸ネオペンチルグリコールジアクリレート）を約２５ｗｔ％、光重合性単官能基モノマとして「Ｎ−ビニル−ピロリジノン」（下記〔化９〕）を約１０ｗｔ％、光重合開始剤としてＮ−フェニルグリシンを約０．５ｗｔ％、増感色素としてローズベンガルを約０．５ｗｔ％を秤量し、混合を行なった。
【００６９】
【化９】
2008209932.tif 000011
【００７０】
これらの混合には、撹絆機及び超音波を用いて行なった。この混合物を、約５μｍのギャップをもって対向させたガラス基板の間に充填した。ギャップの維持には、ガラス、または、プラスチックからなるスペーサビーズを用いた。ガラス基板上には、応力緩衝層として、ポリイミド膜を膜厚３０ｎｍにて形成した。
【００７１】
そして、波長５３２ｎｍのＳＨＧレーザを用いて、ガラス基板の同じ面方向から、２光束ホログラフィック露光を行ない、干渉縞の形成を行なった。ホログラフィック露光は、振動による揺らぎを防ぐために、レーザの強度を強くして、できるだけ短時間で露光を行った。
【００７２】
レーザ露光を行なったサンプルには、高圧水銀灯を光源として紫外線を照射し、高分子の未重合部分を硬化させた。以上の工程により、セル内部で屈折率が周期的に変化する「Ｈ−ＰＤＬＣ」を得た。
【００７３】
光重合性２官能基モノマは、「ＨＸ−２２０」の代わりに、日本化薬（株）社製「ＫＡＹＡＲＡＤ  ＭＡＮＤＡ」（商品名）（化学名：ヒドロキシピバリン酸ネオペンチルグリコールジアクリレート）（上記〔化８〕）を用いてもよい。
【００７４】
光重合開始材及び増感色素の組み合わせは、ローズベンガル及びＮ−フェニルグリシンの組み合わせに限らず、露光を行なう波長に適した材料の組み合わせを使用することができる。例えば、波長４５７ｎｍのＳＨＧレーザ光を露光に使用する場合には、光重合開始剤としては、Ｎ−フェニルグリシン、または、みどり化学（株）社製「ＴＡＺ−１０１」（商品名）（化学名：２，４，６トリス（トリクロロメチル）−Ｓ−トリアジン（上記〔化３〕）、増感色素としては、みどり化学（株）社製「ＢＣ」（商品名）（化学名：３，３´−カルボニル−ビス（７−ジエチルアミノクマリン（上記〔化４〕））の組み合わせを使用した。
【００７５】
次に、図４に示した測定光学系において、波長６３３ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザ１１を用いて回折効率の測定を行なった。回折効率は、回折光の強度が最も高い角度で測定を行ない、回折効率の値は、次式によって計算した。
〔回折効率〕＝（〔回折光の強度Ｉｄ〕／〔入射光の強度Ｉｉ〕）×１００（％）
測定結果は、Ｐ偏光の回折効率が約７０％、Ｓ偏光の回折効率が０．３％であった。偏光分離度は、Ｐ偏光回折効率とＳ偏光の回折効率の比であるから、２００以上となっていることがわかる。
【００７６】
さらに、ポリイミドを塗布してラビングを行なったガラス基板に、混合した材料を充填して「Ｈ−ＰＤＬＣ」を作成することにより、液晶の配向を制御することができ、偏光分離度を高めることができた。
【００７７】
〔実施例３〕
上述の実施例１及び実施例２で作製した「Ｈ−ＰＤＬＣ」パネルと反射型空間光変調素子を用いて、図８に示すように、反射型画像表示装置を構成することができる。すなわち、この反射型画像表示装置においては、実施例１及び実施例２と同様の方法で作製された「Ｈ−ＰＤＬＣ」パネル３に、反射型空間光変調素子として反射型液晶パネル２３が、「Ｈ−ＰＤＬＣ」パネルとの界面２２において、光学的に密着されている。この実施例における「Ｈ−ＰＤＬＣ」パネルは、図８に示すように、この「Ｈ−ＰＤＬＣ」パネルの同じ側より入射する物体光３１（入射角０°）及び参照光３２（入射角θ１）の露光によって製造されている。
【００７８】
この反射型画像表示装置において、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分との両方を含む再生光３２が、入射角θ１で「Ｈ−ＰＤＬＣ」パネル３のガラス基板１より入射する。ここで、屈折された入射光は、続いてホログラム層に入射角θ２にて入射する。このとき、前述のように、本構成の場合Ｐ偏光成分の光が回折され、反射型液晶パネル２３に対して、該垂直に入射光３３として入射する。
【００７９】
反射型液晶パネル２３に入射した光は、画像表示装置の信号に応じて、液晶層で変調を受け、アルミ反射面２４で反射されて、ホログラム層に再度入射する。液晶層で変調されたＳ偏光成分の変調光は、アルミ反射面２４で反射されてホログラム層に再度入射したときに、ホログラム層にて回折されることなく、射出光３５として「Ｈ−ＰＤＬＣ」パネル３から略々垂直に射出する。液晶層で変調を受けなかったＰ偏光成分の光は、アルミ反射面２４で反射され、ホログラム層に再度入射したときに、再び「Ｈ−ＰＤＬＣ」パネル３で回折され、射出光３４として、再生光３２の逆方向に戻る。
【００８０】
実際の画像表示においては、反射型液晶パネルの画素ごとに光の変調が行なわれることにより、パネル全体として画像表示が可能となる。
【００８１】
一方、再生光３１のＳ偏光成分は、「Ｈ−ＰＤＬＣ」パネル３のホログラム層において回折されることなく、そのままθ２の入射角にて反射型液晶パネル２３に入射する。
【００８２】
このとき、再生光３１のＳ偏光成分は、反射型液晶パネル２３の液晶層を通過することによって偏光状態の変調を受ける。しかし、アルミ反射面２４で反射された反射光３６は、ホログラム層が厚いホログラムであるため、回折条件に合致せず、Ｓ偏光成分はもちろんＰ偏光成分もほとんど回折されることなく、「Ｈ−ＰＤＬＣ」パネル３を透過する。たとえＰ偏光成分の一部が回折されたとしても、射出光３５との射出方向が十分に異なるので、これらは容易に分離することができる。
【００８３】
〔実施例４〕
実施例１及び実施例２で作製した「Ｈ−ＰＤＬＣ」を用いて、図９及び図１０に示すように、透過型偏光選択性ホログラムカラースイッチと反射型空間光変調素子とからなる反射型画像表示装置を構成することができる。
【００８４】
すなわち、まず、実施例１及び実施例２で使用した材料を、透明電極４４を有するガラス基板４３によって所定の厚さとなして挟み込むことにより「Ｈ−ＰＤＬＣ」パネルを作製する。この「Ｈ−ＰＤＬＣ」パネルにおいて、液晶領域８の液晶分子４６は、ポリマ領域７との境界面に対して、垂直に配向されている。この場合、前記の説明のように、Ｓ偏光成分の光はほとんど回折されず、Ｐ偏光成分は回折される。この状態は、ガラス基板の透明電極４４，４４間の電圧をオフ（０Ｖ）にした状態と同等である。
【００８５】
次に、透明電極４４を介して、「Ｈ−ＰＤＬＣ」パネルに電圧を印加した状態の動作原理を説明する。パネル内部に電界が印加されると、誘電率異方性を有する液晶分子４６は、印加された電圧に応じた角度だけ、光軸を電界方向に揃える方向に向く。このため、液晶分子４６の光軸方向を揃えることにより、入射光４７の偏光方向に関わらず、この入射光４７が回折を起さないように制御することが可能である。
【００８６】
以上の原理により、入射光の一方の偏光を回折させる、または、入射光の全方向の偏光を回折させない、という２つの状態への切り替え動作を可能となる。このような「Ｈ−ＰＤＬＣ」パネルを、赤色回折用４１Ｒ、緑色回折用４１Ｇ、青色回折用４１Ｂとして３枚構成し、これらを積層させることにより、ホログラムカラースイッチとして動作させることができる。これら赤色回折用、緑色回折用及び青色回折用の「Ｈ−ＰＤＬＣ」パネル４１Ｒ、４１Ｇ、４１Ｂは、それぞれ光学的に接合されて積層されている。
【００８７】
入射光４７は、透過型偏光選択性ホログラムとなる「Ｈ−ＰＤＬＣ」パネル４１Ｒ、４１Ｇ、４１Ｂに入射し、Ｐ偏光成分のみが回折されて、反射型液晶パネル４２に入射する。Ｓ偏光成分は、「Ｈ−ＰＤＬＣ」パネル内を回折を生じずに直進して、空気層に出る際に全反射される。この光は、光吸収層を設けることによって吸収する。
【００８８】
反射型液晶パネル４２に入射した入射光のＰ偏光成分は、画像信号に従って変調されて反射される。反射された光のうちのＰ偏光成分は、「Ｈ−ＰＤＬＣ」パネルで再び回折され、入射光４７の方向へ戻る。そして、反射型液晶パネル４２によってＳ偏光成分に変調された光は、「Ｈ−ＰＤＬＣ」パネルで回折を生じずに直進する。このように直進した光は、プロジェクターレンズなどを経て、スクリーンに投影され、画像を表示する。
【００８９】
これら「Ｈ−ＰＤＬＣ」パネル４１Ｒ、４１Ｇ、４１Ｂにおいては、ホログラムカラースイッチ駆動回路４５によって、順次電圧を印加されることにより、入射光４７に含まれる、赤色光、緑色光、青色光を時分割で回折させることができる。また、反射型液晶パネル４２は、各色に対応して時分割で光を変調する。ホログラムカラースイッチとなる各「Ｈ−ＰＤＬＣ」パネル４１Ｒ、４１Ｇ、４１Ｂと、反射型液晶パネル４２とが、スイッチングされる色について同期することにより、カラー画像の生成を行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】本発明に係る偏光選択性ホログラム光学素子の製造方法（第１の工程）を示す縦断面図である。
【図２】上記偏光選択性ホログラム光学素子の製造方法（第２の工程）を示す縦断面図である。
【図３】上記偏光選択性ホログラム光学素子の構成を示す縦断面図である。
【図４】上記偏光選択性ホログラム光学素子についての回折効率の測定方法を示す側面図である。
【図５】上記偏光選択性ホログラム光学素子の動作原理（液晶分子が境界面に垂直な場合）を示す平面図である。
【図６】上記偏光選択性ホログラム光学素子の動作原理（液晶分子が境界面に垂直な場合）を示す縦断面図である。
【図７】上記偏光選択性ホログラム光学素子の動作原理（液晶分子が境界面に平行な場合）を示す平面図である。
【図８】本発明に係る反射型画像表示装置の構成を示す縦断面図である。
【図９】本発明に係る反射型画像表示装置の他の例を構成する偏光選択性ホログラム光学素子を示す縦断面図である。
【図１０】本発明に係る反射型画像表示装置の他の例を示す縦断面図である。
【図１１】従来の偏光選択性ホログラム光学素子の構成（電圧印加なし）を示す縦断面図である。
【図１２】従来の偏光選択性ホログラム光学素子の構成（電圧印加時）を示す縦断面図である。
【符号の説明】
【００９１】
１，２，４３  ガラス基板、３，４１Ｒ，４１Ｇ，４１Ｂ  「Ｈ−ＰＤＬＣ」パネル、７  ポリマ領域、８  液晶領域、１０  応力緩衝層
【図１】
2008209932.tif 000012
【図２】
2008209932.tif 000013
【図３】
2008209932.tif 000014
【図４】
2008209932.tif 000015
【図５】
2008209932.tif 000016
【図６】
2008209932.tif 000017
【図７】
2008209932.tif 000018
【図８】
2008209932.tif 000019
【図９】
2008209932.tif 000020
【図１０】
2008209932.tif 000021
【図１１】
2008209932.tif 000022
【図１２】
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