(57)【要約】【課題】光学的な異方性を有し、得られる反射光の反射波長幅を増大し得る体積ホログラム光学素子、及びその製造方法を提供する。【解決手段】本発明の体積ホログラム光学素子は、基板１・２間にて、感光性物質が硬化してなる高分子層４を有し、高分子層４を介して、液晶分子３を含んでなる液晶層が積層されている。液晶層の厚さは一定であり、液晶層の平均屈折率は、基板１・２上のラビング方向に対して平行な偏波面を有する偏光に対して、液晶層の積層方向に連続的に変化し、ラビング方向に対して垂直な偏波面を有する偏光に対して、一定となっている。【選択図】　図１
2004021071.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
屈折率異方性物質を含んでなる異方性物質層が、感光性物質が硬化してなる高分子層を介して積層されてなる体積ホログラム光学素子において、
上記異方性物質層の平均屈折率は、所定の偏波面を有する偏光に対して、異方性物質層の積層方向に連続的に変化し、上記偏波面に直交する偏波面を有する他の偏光に対して、一定であることを特徴とする体積ホログラム光学素子。
【請求項２】
上記感光性物質は、屈折率異方性を有していることを特徴とする請求項１記載の体積ホログラム光学素子。
【請求項３】
一対の基板間にて、液晶分子を含んでなる液晶層が、感光性物質が硬化してなる高分子層を介して積層されてなる体積ホログラム光学素子において、
上記液晶層の平均屈折率は、所定の偏波面を有する偏光に対して、液晶層の積層方向に連続的に変化し、上記偏波面に直交する偏波面を有する他の偏光に対して、一定であることを特徴とする体積ホログラム光学素子。
【請求項４】
上記感光性物質は、液晶性モノマーであることを特徴とする請求項３記載の体積ホログラム光学素子。
【請求項５】
上記液晶層は、一定の厚さにて積層され、
各液晶層に含まれる液晶分子の配向方向は、液晶層の積層方向に対して、連続的に変化していることを特徴とする請求項３記載の体積ホログラム光学素子。
【請求項６】
一対の基板間に、感光性物質と屈折率異方性物質とを含んでなる混合物を注入するとともに、上記一対の基板間にて、上記屈折率異方性物質を配向方向が連続的に変化するように配列させ、
次いで、上記混合物に対して、上記一対の基板間にて上記屈折率異方性物質の屈折率が連続的に変化しない偏波面の偏光を照射し、屈折率異方性物質を含んでなる異方性物質層が、上記感光性物質を硬化させてなる高分子層を介して積層されることを特徴とする体積ホログラム光学素子の製造方法。
【請求項７】
上記一対の基板の対向面にそれぞれ配向膜を形成し、屈折率異方性物質として液晶分子を用いたことを特徴とする請求項６記載の体積ホログラム光学素子の製造方法。
【請求項８】
上記感光性物質は、液晶性モノマーであることを特徴とする請求項７記載の体積ホログラム光学素子の製造方法。
【請求項９】
上記一対の基板にて、一方の基板の対向面に形成された配向膜と、他方の基板の対向面に形成された配向膜とは、互いに異なる配向性を有していることを特徴とする請求項７記載の体積ホログラム光学素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、体積ホログラム光学素子及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
反射型液晶表示装置等のカラー反射板として利用されている体積ホログラム光学素子は、内部に屈折率の異なる２つの層が交互に積層した多層構造を有し、この屈折率の違いによって生じる干渉を利用して、光を反射し、あるいは光を回折している。このような体積ホログラム光学素子は、一般に、感光性物質等の高分子化合物を含んでなり、この感光性物質を干渉露光により硬化させることによって、屈折率の異なる層が積層した多層構造を形成している。つまり、体積ホログラム光学素子は、後述するように、感光性物質が干渉露光時の干渉縞の間隔にて硬化し、干渉縞の明部にて硬化した感光性物質（以下、高屈折率層と記載する）の間に、干渉縞の暗部にて硬化した感光性物質やその他の未反応化合物（以下、低屈折率層と記載する）が存在する。言い換えれば、体積ホログラム光学素子は、低屈折率層からなる複数の層が、高屈折率層を介して積層した多層構造を有している。それゆえ、高屈折率層の屈折率と、低屈折率層の平均屈折率との違いにより、干渉フィルタの原理に基づいて、特定の波長の光を反射する、又は回折することができる。なお、上記では、干渉縞の明部を高屈折率層とし、干渉縞の暗部を低屈折率層としたが、この逆であってもよい。
【０００３】
上記体積ホログラム光学素子が反射する又は回折する光（以下、再生光と記載する）の波長は、体積ホログラム光学素子の内部構造に依存する。すなわち、体積ホログラム光学素子では、上記高屈折率層間の距離である低屈折率層の厚さや、低屈折率層の平均屈折率によって、再生光の波長が決定される。そのため、上記体積ホログラム光学素子を作製する際に、各層の厚さを調整する、あるいは、用いる感光性物質を適宜選択して多層構造を形成することにより、得られる再生光の波長を制御することができる。
【０００４】
上記の多層構造を形成するために、一般的には、感光性物質に対して、２方向からレーザ光を照射する２光束干渉露光（以下、干渉露光と記載する）が行われる。つまり、この干渉露光により、感光性物質には、光強度が強くなった明部と、光強度が弱い暗部とが交互に発現し、干渉縞が生じる。そして、上記明部にて、感光性物質が優先的に硬化する。これにより、明部には高屈折率層が形成され、暗部には低屈折率層が形成されることになる。つまり、上記の手法によれば、干渉露光によって生じた干渉縞の間隔に応じて、高屈折率層と低屈折率層とが積層した多層構造を得ることができる。
【０００５】
上記干渉縞の間隔は、２光束干渉露光にて照射するレーザ光の波長や、レーザ光の入射角度を適宜変化させることによって制御することができる。これにより、干渉縞の間隔を制御して、形成される多層構造の層間隔を変化させ、任意の波長の再生光を有する体積ホログラム光学素子を作製することができる。
【０００６】
具体的には、特表平８−５０５７１６号公報では、上記体積ホログラム光学素子を、ＲＧＢ等の各画素領域にピクセル化し、反射型液晶表示装置のカラー反射板として用いている。上記特表平８−５０５７１６号公報に開示されている体積ホログラム光学素子は、感光性物質としての感光膜に対し、レーザ光を照射して干渉露光を行い、この照射によって得られた干渉縞に基づいて多層構造を形成している。感光膜内での屈折率は一定であるため、上記干渉露光によって生じる干渉縞の間隔は一定となる。それゆえ、多層構造は、上記高屈折率層に相当する干渉縞の明部にて硬化した感光膜と、上記低屈折率層に相当する干渉縞の暗部にて硬化した感光膜とが積層し、上記各層が均一な厚さを有する構造となる。
【０００７】
従って、上記特表平８−５０５７１６号公報に記載の体積ホログラム光学素子では、高屈折率層の屈折率と低屈折率層の屈折率とが周期的に繰り返されているので、特定波長の光のみが選択的に反射されることになる。それゆえ、上記体積ホログラム光学素子から得られる再生光は、色純度は高いが、特定波長の光のみを反射するので、再生光の帯域（反射波長幅）が狭くなる。このような体積ホログラム光学素子を反射型液晶表示装置のカラー反射板として用いた場合、単色性には優れているものの、明るい表示は困難となってしまう。
【０００８】
そこで、特表平９−５０６４４１号公報には、再生光の帯域を増大する手法が開示されている。この体積ホログラム光学素子を作製するために、まず、上記と同様にして、感光膜に対して干渉露光を行い、多層構造を形成しておく。次いで、上記感光膜の表面から内部へ、光硬化性モノマーを拡散させ、感光膜全体を露光する。これにより、感光膜内へ拡散させた光硬化性モノマーを固定する。このとき、用いる光硬化性モノマーの量、光硬化性モノマーを拡散させる時間や温度を調整することによって、上記感光膜内には、任意の濃度勾配にて光硬化性モノマーが拡散される。
【０００９】
そして、この光硬化性モノマーの濃度勾配に応じて膨潤が生じ、感光膜内の各層の平均屈折率が、各層ごとに異なる多層構造が形成される。つまり、特表平９−５０６４４１号公報の体積ホログラム光学素子では、種々の屈折率を有する層が積層された構造であるため、種々の波長を有する光が反射され、得られる再生光の帯域が広くなる。このような手法は、体積ホログラム光学素子として、フィルム状の感光膜を用いる場合に有効である。
【００１０】
一方、低屈折率層として液晶を用いた高分子分散型（ＰＤＬＣ）の体積ホログラム光学素子がある。このＰＤＬＣの体積ホログラム光学素子を作製する場合には、上記特表平９−５０６４４１号公報に記載のように、干渉露光後に、光硬化性モノマーを拡散させて多層構造を形成することは困難である。従って、ＰＤＬＣの体積ホログラム光学素子にて、再生光の帯域を増大するためには、例えば、特開平１０−３１２１７号公報に開示されている手法を用いればよい。
【００１１】
特開平１０−３１２１７号公報に記載の体積ホログラム光学素子では、液晶と光硬化性物質とを含んでなる混合物を用いている。具体的には、２種類の基板を平行に配置し、該基板間に上記混合物を挟み込んでなるセルを作製する。次いで、該セルに対して干渉露光を行って、ＰＤＬＣの体積ホログラム光学素子を作製する。
【００１２】
ここで、セルを構成する上記２種類の基板のうち、一方の基板上には、該基板に対して平行（水平）に液晶を配向させるように配向膜を形成し、さらに、他方の基板上には、該基板に対して垂直に液晶を配向させるように配向膜を形成しておく。これにより、セル内の液晶は、基板上の配向膜の配向規制力を受けて配列する。そして、セル内では、液晶の複屈折性によって、一方の基板側から他方の基板側へと連続的に屈折率が変化する。
【００１３】
それゆえ、このように液晶が配列した状態にて、上記干渉露光を行えば、セル内に形成された干渉縞の間隔が連続的に変化することになる。つまり、この干渉縞に基づいて、光硬化性物質が硬化した上記高屈折率層に相当する高分子層と、液晶分子及び未反応の光硬化性物質を含む上記低屈折率層に相当する液晶層とを含む多層構造が形成される。このとき形成される多層構造は、液晶層の厚さが連続的に変化することになる。なお、高分子層及び液晶層の屈折率の大小関係は、上記の逆であってもよい。
【００１４】
但し、この段階では、多層構造の層の厚さの変化とともに、液晶層の平均屈折率も連続的に変化しているため、得られる再生光の帯域を増大することはできない。この理由は、上記したように、再生光の波長が多層構造の液晶層の厚さ、及び、液晶層（低屈折率層）の平均屈折率にて決定されるためである。つまり、上記干渉露光によって得られた多層構造では、液晶層の厚さ変化に反比例するように、液晶層の平均屈折率が変化する。そのため、各液晶層の厚さと各液晶層の平均屈折率との積にて決定される光の光路長は、両者が反比例の関係にあるために実質的に変化せず、再生光の帯域の増加には寄与しない。
【００１５】
そこで、上記特開平１０−３１２１７号公報では、上記干渉露光後に、基板上に形成された配向膜を液晶中に溶融することによって、配向規制力を除去し、多層構造の各液晶層における液晶の配向方向をランダムにしている。これにより、多層構造の各液晶層の平均屈折率を一定に保ち、液晶層の厚さを連続的に変化させることができるので、光路長を連続的に変化させることができる。その結果、ＰＤＬＣの体積ホログラム光学素子にて、再生光の帯域を増大することができる。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特開平１０−３１２１７号公報に記載のＰＤＬＣの体積ホログラム光学素子では、光学的な異方性が失われてしまうという問題を有している。つまり、上記特開平１０−３１２１７号公報の体積ホログラム光学素子では、液晶層の厚さを連続的に変化させることによって、再生光の広帯域化を図っている。そのため、液晶層の厚さの連続的な変化を形成するために基板上に形成されていた配向膜を除去し、各液晶層内の液晶の配向方向をランダムにして、各液晶層の平均屈折率を同一としている。それゆえ、各液晶層内では、配向膜による配向規制力を受けて配列していた液晶の配向方向がランダムとなる。その結果、液晶の配列によって生じ得る上記体積ホログラム光学素子の光学的な異方性が失われる。
【００１７】
光学的異方性を有する体積ホログラム光学素子は、所定の偏波面を持つ偏光のみを反射・回折する偏光分離素子として用いることができる。そのため、上記体積ホログラム光学素子の光学的な異方性を失うことなく、多層構造を形成することが求められる。
【００１８】
本発明は、上記従来の問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、光学的な異方性を有し、得られる再生光の帯域を増大し得る体積ホログラム光学素子、及びその製造方法を提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明の体積ホログラム光学素子は、屈折率異方性物質を含んでなる感光性物質を用いて、屈折率の異なる層として高屈折率層と低屈折率層とを形成し、所定の偏波面を有する偏光に対して、上記高屈折率層及び低屈折率層のうちの少なくとも一方の平均屈折率が、層の積層方向において連続的に変化することによって、光学的異方性を備えている。
【００２０】
すなわち、本発明の体積ホログラム光学素子は、上記課題を解決するために、屈折率異方性物質を含んでなる異方性物質層が、感光性物質が硬化してなる高分子層を介して積層されてなる体積ホログラム光学素子において、上記異方性物質層の平均屈折率は、所定の偏波面を有する偏光に対して、異方性物質層の積層方向に連続的に変化し、上記偏波面に直交する偏波面を有する他の偏光に対して、一定であることを特徴としている。
【００２１】
上記感光性物質は、光照射により硬化する物質をさす。このような感光性物質として、例えば、光重合性モノマーを挙げることができる。また、上記屈折率異方性物質は、方向によって屈折率が異なる物質を指す。さらに、上記平均屈折率とは、異方性物質層に含まれるすべての物質の平均屈折率を指す。すなわち、異方性物質層に含まれる上記屈折率異方性物質及び、該屈折率異方性物質以外の物質に対する平均屈折率である。
【００２２】
上記の構成によれば、所定の偏波面を有する偏光に対して、積層された異方性物質層の平均屈折率が連続的に変化する。言い換えれば、上記異方性物質層の平均屈折率は、各異方性物質層によって異なり、上記異方性物質層の積層方向に対して段階的に変化することになる。
【００２３】
これに対し、上記偏光面に直交する偏波面を有する他の偏光に対しては、いずれの異方性物質層においても平均屈折率は同じとなっている。後述するように、平均屈折率が一定となる偏波面を有する上記他の偏光を用いて、本発明の体積ホログラム光学素子を作製すれば、高分子層に挟まれるように形成されている異方性物質層の厚さを一定に形成することができる。
【００２４】
従って、所定の偏波面を有する上記偏光を上記体積ホログラム素子に照射すれば、各異方性物質層の平均屈折率が異なり、また、各異方性物質層の厚さは一定であるので、各異方性物質層を通る光の光路長が、異方性物質層の積層方向に対して段階的に変化することになる。それゆえ、上記体積ホログラム光学素子は、種々の波長を有する光を反射することが可能になる。その結果、上記体積ホログラム光学素子が反射する反射光（再生光）の反射波長幅（帯域）が増大する。
【００２５】
つまり、本発明の体積ホログラム光学素子は、用いる光の偏光方向に応じて、光学的性質が異なる光学的異方性を有しているので、本発明の体積ホログラム光学素子を反射型表示装置として使用する場合に、好適に用いることができる。すなわち、本発明の体積ホログラム光学素子では、広い反射波長幅にて反射光が得られるので、表示色を明るくすることができる。さらに、光学的異方性を有しているので、偏光反射膜としての機能も付与することができる。
【００２６】
また、本発明の体積ホログラム光学素子は、上記の体積ホログラム光学素子において、上記感光性物質は、屈折率異方性を有していることを特徴としている。
【００２７】
上記の構成によれば、上記異方性物質層には、上記屈折率異方性物質以外の物質として、屈折率異方性を有する感光性物質が含まれているので、上記各異方性物質層における屈折率異方性が高められる。その結果、光学的異方性に優れた体積ホログラム光学素子を提供することが可能になる。つまり、感光性物質が屈折率異方性を有していない場合に比べて、上記異方性物質層の平均屈折率の変化の範囲が広がるので、反射波長幅の広い体積ホログラム光学素子を提供することができる。
【００２８】
また、本発明の体積ホログラム光学素子は、一対の基板間にて、液晶分子を含んでなる液晶層が、感光性物質が硬化してなる高分子層を介して積層されてなる体積ホログラム光学素子において、上記液晶層の平均屈折率は、所定の偏波面を有する偏光に対して、液晶層の積層方向に連続的に変化し、上記偏波面に直交する偏波面を有する他の偏光に対して、一定であることを特徴としている。
【００２９】
上記の構成によれば、上記液晶分子は屈折率異方性を有しているので、所定の偏波面を有する偏光に対して、上記液晶層の平均屈折率が液晶層の積層方向に段階的に変化する。そのため、本発明の体積ホログラム光学素子が反射する反射光の反射波長幅を増大することができる。
【００３０】
また、上記液晶層の平均屈折率は、上記偏波面に直交する偏波面を有する他の偏光に対して一定となっている。それゆえ、上記の構成によれば、光学的異方性を有し、かつ、広い反射波長幅を有する体積ホログラム光学素子を提供することができる。これにより、本発明の体積ホログラム光学素子を反射型液晶表示装置として使用する場合に、広い反射波長幅にて反射光が得られるので、表示色を明るくすることができる。さらに、上記体積ホログラム光学素子は、光学的異方性を有するので、偏光反射板としての機能も付与することができる。
【００３１】
また、本発明の体積ホログラム光学素子は、上記の体積ホログラム光学素子において、上記感光性物質は、液晶性モノマーであることを特徴としている。
【００３２】
上記の構成によれば、感光性物質が液晶性モノマーであるので、感光性物質も屈折率異方性を有していることになる。従って、液晶性モノマーを用いた場合、屈折率異方性を有していない感光性物質と液晶分子とを用いる場合に比べて、光学的異方性に優れ、反射波長幅が増大した体積ホログラム光学素子を提供することができる。
【００３３】
また、本発明の体積ホログラム光学素子は、上記の体積ホログラム光学素子において、上記液晶層は、一定の厚さにて積層され、各液晶層に含まれる液晶分子の配向方向は、液晶層の積層方向に対して、連続的に変化していることを特徴としている。
【００３４】
上記の構成によれば、各液晶層の厚さは均一であり、各液晶層に含まれる液晶分子の配向方向がランダムではなく、所定方向に配列し、かつ積層方向に対して連続的に変化している。体積ホログラム光学素子内部の平均屈折率は、一般に、各液晶層における光路長の変化に対応し、光路長は液晶層の厚さと液晶層の屈折率によって決定される。そのため、上記の構成によれば、液晶層の液晶分子の配向方向が連続的に変化するように、一定の厚さを有する液晶層が積層されているので、各液晶層における光路長が、液晶層の平均屈折率の変化とともに変化する。従って、本発明の体積ホログラム光学素子では、液晶層の平均屈折率が上記層の積層方向に対して連続的に変化することになるので、種々の波長を有する光を反射することができ、反射波長幅を増大させることができる。
【００３５】
また、本発明の体積ホログラム光学素子は、各液晶層にて配列している液晶分子が屈折率異方性を示すことから、光学的異方性を有している。すなわち、液晶層の液晶分子の配向方向が連続的に変化するように各液晶層が積層されているので、所定の偏波面を有する偏光に対して、各液晶層の平均屈折率が連続的に変化する。また、上記偏波面に直交する偏波面を有する他の偏光に対して、各液晶層の平均屈折率は一定となる。従って、光学的異方性を有する偏光分離素子としても適用可能であり、かつ、反射波長幅の広い体積ホログラム光学素子を提供することができる。
【００３６】
また、本発明の体積ホログラム光学素子の製造方法は、一対の基板間に、感光性物質と屈折率異方性物質とを含んでなる混合物を注入するとともに、上記一対の基板間にて、上記屈折率異方性物質を配向方向が連続的に変化するように配列させ、次いで、上記混合物に対して、上記一対の基板間にて上記屈折率異方性物質の屈折率が連続的に変化しない偏波面の偏光を照射し、屈折率異方性物質を含んでなる異方性物質層が、上記感光性物質を硬化させてなる高分子層を介して積層されることを特徴としている。
【００３７】
上記の方法によれば、上記屈折率異方性物質の屈折率が一方の基板から他方の基板へと連続的に変化しない偏波面の偏光を照射している。そのため、該偏光による干渉露光により、上記感光性物質が所定の間隔にて硬化し、高分子層が形成される。これにより、屈折率異方性物質を含んでなる均一な厚さを有する異方性物質層が、上記高分子層を介して積層された構造となる。なお、上記異方性物質層には、屈折率異方性物質の他、未反応の感光性物質等も含まれている。
【００３８】
これに対し、上記屈折率異方性物質は、一対の基板間にて、一方の基板から他方の基板へと配向方向が連続的に変化するように配向している。そのため、上記偏光とは異なる偏波面を有する偏光を照射した場合、各異方性物質層の平均屈折率は、一対の基板間にて、一方の基板から他方の基板へと連続的に変化する。このように、上記の方法によれば、光学的異方性を備えた体積ホログラム光学素子を製造することができるとともに、反射波長幅の広い体積ホログラム光学素子を製造することができる。
【００３９】
また、本発明の体積ホログラム光学素子の製造方法は、上記の体積ホログラム光学素子の製造方法において、上記一対の基板の対向面に配向膜を形成し、屈折率異方性物質として液晶分子を用いたことを特徴としている。
【００４０】
上記の方法によれば、液晶分子を用いた体積ホログラム光学素子を容易に製造することができる。すなわち、上記基板の対向面に配向膜を形成しているので、該配向膜の配向規制力により、基板付近では上記液晶分子を規則立てて配列させることができる。また、基板上の配向膜の配向規制力は、基板から離れるに従って弱くなるので、基板から離れた位置にある液晶分子の配列は徐々に乱れる。それゆえ、上記の方法によれば、一対の基板間にて、上記液晶分子を、一方の基板から他方の基板へと配向方向が連続的に変化するように配向させることができる。
【００４１】
液晶分子は、偏光方向の異なる偏光に対して異なる屈折率を示す屈折率異方性を示すため、上記のように、液晶分子の配向方向が連続的に変化するように秩序立てて配列させることにより、照射する光の偏光方向に応じて、上記液晶分子を含んでなる液晶層の平均屈折率を、一方の基板から他方の基板へと連続的に変化させる、あるいは一定にすることができる。これにより、光学的異方性を備え、かつ、反射波長幅の広い体積ホログラム光学素子を製造することができる。
【００４２】
さらに、本発明の体積ホログラム光学素子では、前記した特開平１０−３１２１７号公報に記載のように、上記基板に形成された配向膜を除去する必要がないので、製造工程を簡略化することができる。
【００４３】
また、本発明の体積ホログラム光学素子の製造方法は、上記の体積ホログラム光学素子の製造方法において、上記感光性物質は、液晶性モノマーであることを特徴としている。
【００４４】
上記の方法によれば、感光性物質として液晶性モノマーを用いているので、感光性物質も屈折率異方性を有することになる。それゆえ、上記液晶層に屈折率異方性を有していない感光性物質と液晶分子とを含んでいる場合に比べ、光学的異方性に優れ、反射波長幅の広い体積ホログラム光学素子を提供することができる。
【００４５】
また、本発明の体積ホログラム光学素子の製造方法は、上記の体積ホログラム光学素子の製造方法において、上記一対の基板にて、一方の基板の対向面に形成された配向膜と、他方の基板の対向面に形成された配向膜とは、互いに異なる配向性を有していることを特徴としている。
【００４６】
上記の方法によれば、基板上の上記液晶分子及び液晶性モノマーのプレチルト角が、一方の基板側と他方の基板側とで異なるように、上記一対の基板間にて、液晶分子及び液晶性モノマーを配列させることができる。例えば、一方の基板側の配向膜として、液晶分子及び液晶性モノマーの長軸が基板に水平となるような水平配向膜を用い、他方の基板側の配向膜として、液晶分子及び液晶性モノマーの長軸が基板に垂直となるような垂直配向膜を用いれば、ハイブリッド配向にて、液晶分子及び液晶性モノマーを配列させることができる。
【００４７】
これにより、上記液晶層の平均屈折率を一方の基板から他方の基板へと連続的に増大又は減少するように、平均屈折率を変化させることができる。それゆえ、上記一対の基板間での平均屈折率の変化を大きくすることができるので、より一層、反射波長幅の広い体積ホログラム光学素子を提供することができる。
【００４８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の一形態について図１ないし図３に基づいて説明すれば、以下の通りである。
【００４９】
本実施の形態の体積ホログラム光学素子として、液晶分子を用いた高分子分散型（ＰＤＬＣ）の体積ホログラム光学素子を例に挙げて説明する。
【００５０】
本実施の形態の体積ホログラム光学素子は、図１に示すように、平行な一対の基板１・２間に、該基板１・２に平行な高分子層４が一定の間隔にて形成され、該高分子層４間には、屈折率異方性物質である液晶分子３からなる液晶層（異方性物質層）が形成されている。
【００５１】
上記基板１・２の対向面には、図示しないＩＴＯ等の透明電極が形成され、さらに、該透明電極上に図示しない配向膜が形成されている。上記基板１に形成されている配向膜は、液晶分子３の長軸を基板１に対して垂直に配向させる垂直配向膜である。垂直配向膜としては、特に限定されず、例えば、ステアリン酸やポリイミド系化合物等を上記透明電極上に塗布すればよい。また、上記基板２に形成されている配向膜は、液晶分子３の長軸を基板２に対して平行に配向させる水平配向膜である。水平配向膜としては、特に限定されず、例えば、カーボンやポリイミド系化合物等を上記透明電極上に塗布すればよい。
【００５２】
これら基板１・２に形成されている各配向膜はラビング処理を施され、基板１・２のラビング方向が反平行となるように、基板１・２を平行に対向させて配置している。
【００５３】
また、上記基板１・２間には、感光性物質が硬化してなる高分子層４が形成され、高分子層４間には、液晶分子３からなる液晶層が設けられている。この高分子層４の層間隔は一定である。言い換えれば、液晶分子３が形成している各液晶層の厚さはすべて一定となっている。
【００５４】
これら基板１・２間の各液晶層では、基板１・２上に形成された配向膜の配向規制力を受けて、液晶分子３が秩序立って配列している。すなわち、図１に示すように、基板１側の液晶層では、液晶分子３は、垂直配向膜の配向規制力を受けて、液晶分子３の長軸が基板１に対して垂直となるように配向している。また、基板２側の液晶層では、平行配向膜の配向規制力を受けて、液晶分子３の長軸が基板２に対して平行となるように、液晶分子３が配向している。なお、基板１側では液晶分子３の短軸が、また、基板２側では液晶分子３の長軸が、配向膜上の上記ラビング方向に平行となるように、各液晶分子３が配向している。
【００５５】
そして、基板１と基板２との間の中間の位置では、図１に示すように、液晶分子３の長軸が基板１・２に対して斜めになるように配向している。このような配向が見られるのは、基板１・２から離れるに従って、液晶分子３に及ぼされる各配向膜からの配向規制力が低下するためである。従って、基板１・２間では、図１に示すように、液晶分子３の配向方向が基板１側から基板２側へ連続的に変化することになる。
【００５６】
そのため、図１に示す体積ホログラム光学素子にて、上記ラビング方向に対して垂直な偏光方向を有する偏光（以下、垂直偏波面の偏光と記載）を照射した場合と、上記ラビング方向に対して平行な偏光方向を有する偏光（以下、平行偏波面の偏光と記載）を照射した場合とでは、基板１・２間での各液晶層の平均屈折率は異なったものとなる。つまり、ラビング方向に対して垂直な垂直偏波面の偏光（図１中、ｎｏ方向（液晶分子の短軸方向）として記載）が、基板１・２に垂直な方向から入射した場合、基板１・２間の各液晶分子３の屈折率はすべて同じとなり、基板１・２間の各液晶層の平均屈折率はすべて同じとなる。
【００５７】
これに対し、ラビング方向に対して平行な平行偏波面の偏光（図１中、ｎｅ方向（液晶分子の長軸方向）として記載）が、基板１・２に垂直な方向から入射した場合、基板１側の液晶層の平均屈折率と基板２側の液晶層の平均屈折率とは異なったものとなる。すなわち、図１にて、基板１側から基板２側に向けてのモノクロのグラデーションにて示すように、液晶分子３の屈折率は連続的に変化する。具体的には、基板１側から基板２側へと屈折率が増加するように、連続的に変化する（図中、黒色が濃くなる方向に変化する）。従って、図１に示す体積ホログラム光学素子の液晶層が有する平均屈折率も、基板１側から基板２側へと増加するように連続的に変化する。それゆえ、本実施の形態の体積ホログラム光学素子では、平行偏波面の偏光を照射することによって得られる反射光の反射波長が、連続的な屈折率の変化に伴ってシフトするので、広い反射波長幅の反射光を得ることができる。
【００５８】
このように、液晶分子３は、複屈折性を有しているので、垂直偏波面の偏光、又は平行偏波面の偏光を照射することによって、上記のような光学的な異方性を示す。その結果、光学的異方性を備え、かつ広い反射波長幅を有する体積ホログラム光学素子を提供することができる。
【００５９】
次に、本実施の形態の体積ホログラム光学素子の製造方法について、図１ないし図３に基づいて説明する。
【００６０】
まず、ガラス等の透明部材からなる基板１・２の対向面上に、ＩＴＯ等の透明電極を所定パターンにて形成する。そして、基板１上の透明電極上には、配向膜として垂直配向膜を形成し、基板２上の透明電極上には、水平配向膜を形成する。そして、これらの配向膜にラビング処理を施し、基板１・２上の透明電極及び配向膜が対向するように、図示しないスペーサにて基板１・２間を５μｍ程度に保持する。
【００６１】
次いで、上記基板１・２間に、液晶分子３と感光性物質との混合物を注入する。また、この混合物の注入と同時に、感光性物質を光重合させるための光重合開始剤を添加してもよい。
【００６２】
このとき、基板１・２間にて、図２に示すように、液晶分子３の配向方向が連続的に変化する。具体的には、基板１側では、液晶分子３の長軸が基板１に垂直となるように配向し、基板２側では、液晶分子３の長軸が基板２に平行となるように配向する。そして、基板１と基板２との中間の位置では、液晶分子３の長軸が基板１・２に対して、斜めになるように配向する。このように、液晶分子３は、基板１・２間にてハイブリッド配向し、基板１・２間にて液晶分子３の配向方向が連続的に変化する。なお、基板１側では、液晶分子３の短軸がラビング方向に平行となるように液晶分子３が配向され、基板２側では、液晶分子３の長軸がラビング方向に平行となるように配向される。
【００６３】
次に、基板１・２間にて、図２に示すように、液晶分子３のハイブリッド配向を保ったまま、基板１・２に垂直な方向からレーザ光を照射して干渉露光を行う。干渉露光は、従来公知の手法によって行えばよい。例えば、基板２の対向面とは反対側にミラーを配置して、基板１側からレーザ光を照射し、該レーザ光とミラーにて反射した光とが干渉することを利用して、干渉露光を行えばよい。あるいは、基板１側、基板２側からそれぞれレーザ光を照射し、干渉露光を行ってもよい。
【００６４】
いずれにせよ、上記レーザ光照射によって形成される干渉パターンの明部にて、上記感光性物質が優先的に硬化して、図１に示す高分子層４が形成される。これに対し、干渉パターンの暗部は、液晶分子３の他、未反応の感光性物質等を含んでなる液晶層となる。なお、上記の干渉露光後に、干渉パターンの暗部に存在する未硬化の感光性物質を硬化させるために、紫外線照射や加熱等の処理を施してもよい。
【００６５】
本実施の形態では、上記干渉露光を行う際に、干渉露光に用いるレーザ光の偏光方向を選択する必要がある。つまり、液晶分子３は複屈折性を有しているため、レーザ光の偏光方向に応じて屈折率が異なる。そのため、図２に示すように、基板１・２間にて、液晶分子３が秩序立って配列している場合、照射するレーザ光の偏光方向に応じて、液晶分子３の屈折率が異なることになる。
【００６６】
具体的には、図３に示すように、ラビング方向に垂直な垂直偏波面の偏光（図３中、ｎｏ方向）を照射した場合、液晶分子３の屈折率は、基板１・２間にて一定である。一方、ラビング方向に対して平行な平行偏波面の偏光（図３中、ｎｅ方向）を照射した場合、基板１側から基板２側へと液晶分子３の屈折率が連続的に変化する。より詳細には、基板１側から基板２側へと屈折率が増加するように、連続的に変化する。なお、図３では、屈折率が小さい領域を白色にて、屈折率が大きい領域を黒色にて示し、黒色が濃くなるに従って屈折率が増加していることを示している。
【００６７】
そこで、本実施の形態では、上記干渉露光を行う際に、基板１・２間にて液晶分子３の屈折率が変化しない偏光を用いる。つまり、ラビング方向に垂直な垂直偏波面の偏光（ｎｏ方向）を照射して干渉露光を行い、図１に示すように、一定間隔にて高分子層４を形成する。これにより、高分子層４間の間隔である液晶層の厚さが均一である体積ホログラム光学素子が得られる。なお、このとき形成された液晶層の配向方向は、基板１・２間における液晶分子３の配向方向の連続的な変化に対応して、連続的に変化している。
【００６８】
そのため、上記体積ホログラム光学素子に対して、ラビング方向に平行な平行偏波面の偏光（ｎｅ方向）を照射した場合には、液晶分子３の複屈折性により、液晶層の屈折率が基板１側から基板２側へと連続的に変化することになる。
【００６９】
なお、本実施の形態においては、基板１上に垂直配向膜を形成し、基板２上に水平配向膜を形成しているが、この逆であってもよい。また、基板１・２上に形成する配向膜は、必ずしもこれに限定されず、基板１・２間にて、液晶分子３の配向方向を連続的に変化させることができればよい。
【００７０】
さらに、より広い反射波長幅を得るためには、屈折率変化が大きくすることが好ましい。そのため、より大きな屈折率変化を得るためには、一方の基板に垂直配向膜を用い、他方の基板に水平配向膜を用いて、液晶分子３をハイブリッド配向とすることが好ましい。
【００７１】
また、本実施の形態では、屈折率異方性物質として、液晶分子を用いたが、屈折率異方性を有する物質であれば特に限定されるものではない。また、後述する実施例にて示すように、感光性物質として、屈折率異方性を有する物質を用いてもよい。感光性物質として屈折率異方性を有する物質を用いた場合、上記液晶分子３と同様に、配向膜の影響を受けて基板１・２間にて配向するので、液晶分子３等の屈折率異方性物質の秩序立った配列を実現することができる。これにより、体積ホログラム光学素子の光学的異方性を向上することができる。
【００７２】
【実施例】
〔実施例〕
本発明の一実施例について、液晶分子からなる液晶層の平均屈折率が連続的に変化している場合の体積ホログラム光学素子について説明すれば、以下のとおりである。
【００７３】
ＩＴＯ付きの一対の基板を用い、一方の基板のＩＴＯ上には水平配向膜として、ポリイミド系化合物であるＳＥ−１５０（日産化学社製）を塗布し、他方の基板のＩＴＯ上には垂直配向膜として、ポリイミド系化合物であるＪＡＬＳ９５５（ＪＳＲ社製）を塗布した。上記水平配向膜及び垂直配向膜に対して、それぞれラビング処理を施した。次いで、スペーサとしてビーズを用い、上記基板間を５μｍに保持して、上記水平配向膜及び垂直配向膜上のラビング方向が反平行となるように、基板を貼り合わせ、セルを作製した。
【００７４】
上記セルに、屈折率異方性を有する感光性物質である光重合性モノマーとして、液晶性モノマーであるＵＣＬ−００１（ＤＩＣ社製）と、屈折率異方性物質である液晶分子としてＴＬ２１３（メルク社製）とを、２：８の比率にて混合物を注入した。また、カンファーキノンとジエチルアミノエチルメタクリレートとを混合してなる光重合開始剤を、上記光重合性モノマーに対して５重量％にて添加した。
【００７５】
次いで、上記セルを形成している一方の基板のＩＴＯを形成していない側に、マッチングオイルを用いて誘電体ミラーを密着させ、上記ラビング方向に対して垂直な偏光方向を有するレーザ光を、誘電体ミラーを密着していない基板側から、該基板に対して垂直に入射させ、干渉露光を行った。用いたレーザ光は、Ａｒレーザから出射され、波長は４８８ｎｍである。これにより、光重合性モノマーが硬化して、高分子層の層間隔が均一であり、基板間にて液晶分子がハイブリッド配向した体積ホログラム光学素子が得られた。
【００７６】
上記にて得られた体積ホログラム光学素子に、６０Ｈｚ、１５０Ｖの電圧を印加し、ラビング方向に平行な偏光方向を有するレーザ光を入射し、反射スペクトルを測定した。その結果、反射スペクトルの半値幅は、約５０ｎｍであり、広い反射波長幅を有する体積ホログラム光学素子が得られたことがわかった。
【００７７】
ここで、上記にて得られた体積ホログラム光学素子が有する反射波長幅を、屈折率変化から簡単に算出するために、屈折率変化と反射波長幅との関係を計算により求めた。計算は、以下のように行った。
【００７８】
体積ホログラム光学素子の反射スペクトルのピーク波長λは、上記液晶分子を含んでなる液晶層の平均屈折率ｎと、該液晶層の厚さｄとの間に、λ＝２ｎｄの関係を有している。そこで、ｄ＝１５０ｎｍと仮定し、液晶層の平均屈折率が１．５から１．８まで連続的に変化した場合の反射スペクトルのピークを算出した。なお、反射スペクトルの半値幅（ＦＷＨＭ）は、２０ｎｍとして計算を行った。その結果を表１に示す。
【００７９】
【表１】
2004021071.tif 000003
【００８０】
表１には、ラビング方向に平行な偏光方向を有するレーザ光を照射した場合の液晶層の平均屈折率、反射スペクトルのピーク波長、ＦＷＨＭ２０ｎｍ時の短波長側及び長波長側における波長を示している。上記表１からも分かるように、液晶層の平均屈折率が１．５から１．８まで連続的に変化したとき、観測される反射光の波長は４４０ｎｍ〜５５０ｎｍであり、反射波長幅は１１０ｎｍとなることを示す。
【００８１】
従って、上記にて得られた体積ホログラム光学素子では、液晶分子のハイブリッド配向により、平均屈折率が１．５０から１．６２まで連続的に変化しているので、上記表１によれば、反射光の波長は４４０ｎｍ〜４９６ｎｍであり、反射波長幅は５６ｎｍであることがわかる。これは、上記の反射スペクトルの半値幅の結果とほぼ一致している。
【００８２】
〔比較例〕
液晶分子からなる液晶層の平均屈折率が、すべての液晶層にて同一である場合の体積ホログラム光学素子について説明すれば、以下のとおりである。
【００８３】
前記実施例にて、一対の基板の両方に、水平配向膜（ＳＥ−１５０（日産化学社製））を形成した以外は、実施例１と同様に操作手順にて、各液晶層の厚さが均一であり、各液晶層の平均屈折率が同一である体積ホログラム光学素子を得た。
【００８４】
上記にて得られた体積ホログラム光学素子に、６０Ｈｚ、１５０Ｖの電圧を印加し、ラビング方向に平行な偏光方向を有するレーザ光を入射し、反射スペクトルを測定した。その結果、反射スペクトルの半値幅は、約２０ｎｍであった。このことから、液晶層の厚さがすべて同じであり、液晶層の平均屈折率が積層方向に対して連続的に変化していない場合、反射波長幅を増大させることはできないことがわかった。
【００８５】
【発明の効果】
本発明の体積ホログラム光学素子は、以上のように、異方性物質層の平均屈折率は、所定の偏波面を有する偏光に対して、異方性物質層の積層方向に連続的に変化し、上記偏波面に直交する偏波面を有する他の偏光に対して、一定であるものである。
【００８６】
それゆえ、本発明の体積ホログラム光学素子は、光学的異方性を有することができるという効果を奏する。また、上記偏光を照射した場合、上記層の平均屈折率が変化しているので、反射する反射光の反射波長幅（帯域）を増大することができるという効果を奏する。
【００８７】
これにより、本発明の体積ホログラム光学素子を反射型表示装置として使用する場合に、好適に用いることができるという効果を奏する。すなわち、本発明の体積ホログラム光学素子では、広い反射波長幅にて反射光が得られるので、表示色を明るくすることができる。さらに、光学的異方性を有しているので、偏光反射膜としての機能を付与することができるという効果を奏する。
【００８８】
また、本発明の体積ホログラム光学素子は、上記の体積ホログラム光学素子において、上記感光性物質は、屈折率異方性を有しているものである。
【００８９】
それゆえ、上記各層における屈折率異方性を高めることができるという効果を奏する。その結果、光学的異方性に優れ、反射波長幅が増大した体積ホログラム光学素子を提供することが可能になるという効果を奏する。
【００９０】
また、本発明の体積ホログラム光学素子は、液晶層の平均屈折率は、所定の偏波面を有する偏光に対して、液晶層の積層方向に連続的に変化し、上記偏波面に直交する偏波面を有する他の偏光に対して、一定であるものである。
【００９１】
それゆえ、所定の偏波面を有する偏光に対して、上記液晶層の平均屈折率が液晶層の積層方向に段階的に変化するので、反射光の反射波長幅を増大することができるという効果を奏する。また、上記液晶層の平均屈折率は、上記偏波面に直交する偏波面を有する他の偏光に対して一定となっている。従って、光学的異方性を備えた体積ホログラム光学素子を提供することができるという効果を奏する。
【００９２】
これにより、本発明の体積ホログラム光学素子を反射型液晶表示装置として使用する場合に、広い反射波長幅にて反射光が得られるので、表示色を明るくすることができるという効果を奏する。
【００９３】
また、本発明の体積ホログラム光学素子は、上記の体積ホログラム光学素子において、上記感光性物質は、液晶性モノマーであるものである。
【００９４】
それゆえ、上記各液晶層における屈折率異方性を高めることができるので、光学的異方性に優れ、反射波長幅が増大した体積ホログラム光学素子を提供することができるという効果を奏する。
【００９５】
また、本発明の体積ホログラム光学素子は、上記の体積ホログラム光学素子において、上記液晶層は、一定の厚さにて積層され、各液晶層に含まれる液晶分子の配向方向は、液晶層の積層方向に対して、連続的に変化しているものである。
【００９６】
それゆえ、液晶層の液晶分子の配向方向が連続的に変化するように、一定の厚さを有する液晶層が積層されているので、所定の偏波面を有する上記偏光によって得られる各液晶層の光路長が、液晶層の平均屈折率の変化とともに変化するという効果を奏する。従って、本発明の体積ホログラム光学素子では、液晶層の平均屈折率が上記層の積層方向に対して連続的に変化し、種々の波長を有する光を反射することができ、反射波長幅を増大させることができるという効果を奏する。
【００９７】
また、本発明の体積ホログラム光学素子の製造方法は、一対の基板間に、感光性物質と屈折率異方性物質とを含んでなる混合物を注入するとともに、上記一対の基板間にて、上記屈折率異方性物質を配向方向が連続的に変化するように配列させ、次いで、上記混合物に対して、上記一対の基板間にて上記屈折率異方性物質の屈折率が連続的に変化しない偏波面の偏光を照射し、屈折率異方性物質を含んでなる異方性物質層が、上記感光性物質を硬化させてなる高分子層を介して積層される方法である。
【００９８】
それゆえ、干渉露光により、屈折率異方性物質を含んでなる均一な厚さを有する異方性物質層が、上記高分子層を介して積層された構造を形成することができるという効果を奏する。これに対し、上記屈折率異方性物質は、一対の基板間にて、一方の基板から他方の基板へと配向方向が連続的に変化するように配向しているため、各層の平均屈折率は、一対の基板間にて、一方の基板から他方の基板へと連続的に変化する。これにより、光学的異方性を備えた体積ホログラム光学素子を製造することができるとともに、反射波長幅の広い体積ホログラム光学素子を製造することができるという効果を奏する。
【００９９】
また、本発明の体積ホログラム光学素子の製造方法は、上記の体積ホログラム光学素子の製造方法において、上記一対の基板の対向面に配向膜を形成し、屈折率異方性物質として液晶分子を用いた方法である。
【０１００】
それゆえ、液晶分子を用いた体積ホログラム光学素子を容易に製造することができるという効果を奏する。つまり、基板上の配向膜の配向規制力により、一対の基板間にて、上記液晶分子を、一方の基板から他方の基板へと配向方向が連続的に変化するように配向させることができるという効果を奏する。これにより、照射する光の偏光方向に応じて、上記液晶分子を含んでなる液晶層の平均屈折率を、一方の基板から他方の基板へと連続的に変化させる、あるいは一定にすることができるという効果を奏する。さらに、上記基板に形成された配向膜を除去する必要がないので、製造工程を簡略化することができるという効果を奏する。
【０１０１】
また、本発明の体積ホログラム光学素子の製造方法は、上記の体積ホログラム光学素子の製造方法において、上記感光性物質は、液晶性モノマーである方法である。
【０１０２】
それゆえ、光学的異方性に優れ、反射波長幅の広い体積ホログラム光学素子を提供することができるという効果を奏する。
【０１０３】
また、本発明の体積ホログラム光学素子の製造方法は、上記の体積ホログラム光学素子の製造方法において、上記一対の基板にて、一方の基板の対向面に形成された配向膜と、他方の基板の対向面に形成された配向膜とは、互いに異なる配向性を有している方法である。
【０１０４】
それゆえ、基板上の上記液晶分子及び液晶性モノマーのプレチルト角が、一方の基板側と他方の基板側とで異なるように、液晶分子及び液晶性モノマーを配列させることができるという効果を奏する。これにより、上記液晶層の平均屈折率を、一対の基板間にて大きく変化させることができるので、より一層、反射波長幅の広い体積ホログラム光学素子を提供することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における体積ホログラム光学素子の実施の一形態の概念を説明する断面図である。
【図２】上記体積ホログラム光学素子に用いられる液晶分子の配列状態の概念を説明する断面図である。
【図３】上記体積ホログラム光学素子に用いられる液晶分子の屈折率変化の概念を説明する断面図である。
【符号の説明】
１　　基板
２　　基板
３　　液晶分子（屈折率異方性物質）
４　　高分子層
【図１】
2004021071.tif 000004
【図２】
2004021071.tif 000005
【図３】
2004021071.tif 000006