(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液晶化合物を含む組成物を用いて形成された、前記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を、少なくとも１層、有する、複数の光学異方性部材と、
前記複数の光学異方性部材の少なくとも一対の間に配置される、特定の波長域の円偏光を逆の旋回方向の円偏光に変換するし、前記特定の波長域の円偏光以外の光をそのまま透過させる波長選択性位相差層と、を有し、かつ、
波長がλｎｍである入射光に対する前記光学異方性部材の面内レタデーションＲｅ（λ）は、Ｒｅ（λ）＝λ／２であり、
前記隣接する２枚の前記光学異方性部材における前記光軸の向きの回転方向は逆方向であり、
前記波長選択性位相差層は、隣接する２つの波長域の円偏光のうち、波長域が高い方の円偏光を逆の旋回方向の円偏光に変換し、波長域が低い方の円偏光をそのまま透過させ、
前記液晶配向パターンにおいて、前記光学軸の向きが連続的に回転しながら変化する前記一方向における、前記光学軸の向きが１８０°回転する長さを１周期とした際に、少なくとも１つの前記光学異方性部材の前記光学異方性層は、他の前記光学異方性部材の前記光学異方性層と前記１周期の長さが異なり、さらに、
前記光学異方性層は、前記液晶化合物が、厚さ方向に捩れ配向されたものであり、
前記光学異方性部材の少なくとも１つは、前記面内の前記液晶配向パターンが等しく、かつ、前記液晶化合物の捩れ配向の捩れ方向が互いに逆である、２層の前記光学異方性層を有することを特徴とする光学素子。
【請求項２】
前記光学異方性部材の配列方向の一方の端に位置する前記光学異方性部材は、前記光学異方性層を１層のみ有する、請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
前記光学異方性部材が、全て、前記２層の光学異方性層を有する、請求項１に記載の光学素子。
【請求項４】
複数対の前記隣接する２枚の前記光学異方性部材の間に、前記波長選択性位相差層を有し、かつ、前記波長選択性位相差層が円偏光を変換する特定の波長域が、前記光学異方性部材の配列方向に、漸次、短くなる、請求項１〜３のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項５】
前記光学異方性層の前記液晶配向パターンにおける前記１周期の長さが、全ての前記光学異方性部材で異なる、請求項１〜４のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項６】
前記光学異方性部材と前記波長選択性位相差層とが、交互に配置される、請求項１〜５のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項７】
前記光学異方性部材の配列方向の一方の端に位置する前記光学異方性部材の前記光学異方性層が、前記液晶配向パターンにおける前記１周期の長さが最も短い、請求項１〜６のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項８】
少なくとも１つの前記光学異方性部材の前記光学異方性層が、面内に、前記液晶配向パターンにおける前記１周期の長さが異なる領域を有する、請求項１〜７のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項９】
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連続的に回転しながら変化する前記一方向に向かって、前記液晶配向パターンの前記１周期が、漸次、短くなる、請求項８に記載の光学素子。
【請求項１０】
前記光学異方性層の前記液晶配向パターンが、前記液晶化合物由来の光学軸の向きが連続的に回転しながら変化する前記一方向を、内側から外側に向かう同心円状に有する、同心円状のパターンである、請求項１〜９のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項１１】
３つ以上の前記光学異方性部材と、２層以上の前記波長選択性位相差層と、を有する、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項１２】
前記波長選択性位相差層の１層が、赤色光の円偏光を逆の旋回方向の円偏光に変換し、前記波長選択性位相差層の他の１層が、緑色光の円偏光を逆の旋回方向の円偏光に変換する、請求項１１に記載の光学素子。
【請求項１３】
前記波長選択性位相差層が複数の位相差層からなり、前記位相差層の少なくとも１層は他の位相差層と面内の遅相軸方位が異なる、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項１４】
前記波長選択性位相差層における前記位相差層の少なくとも１層がλ／４板である、請求項１３に記載の光学素子。
【請求項１５】
前記波長選択性位相差層におけるλ／４板が逆波長分散性を有し、他の位相差層の少なくとも１層は順波長分散性を有する、請求項１４に記載の光学素子。
【請求項１６】
請求項１〜１５のいずれか１項に記載の光学素子と、導光板と、を有する、導光素子。
【請求項１７】
離間する２つの前記光学素子が、前記導光板に設けられる、請求項１６に記載の導光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、透過した光を屈折させる光学素子、および、この光学素子を用いる導光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、非特許文献１に記載されるような、実際に見ている光景に、仮想の映像および各種の情報等を重ねて表示する、ＡＲ（Augmented Reality（拡張現実））グラスが実用化されている。ＡＲグラスは、スマートグラス、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ（Head Mounted Display））、および、ＡＲメガネ等とも呼ばれている。【０００３】
非特許文献１に示されるように、ＡＲグラスは、一例として、ディスプレイ（光学エンジン）が表示した映像を、導光板の一端に入射して伝播し、他端から出射することにより、使用者が実際に見ている光景に、仮想の映像を重ねて表示する。
ＡＲグラスでは、回折素子を用いて、ディスプレイからの光（投影光）を回折（屈折）させて導光板の一方の端部に入射する。これにより、角度を付けて導光板に光を導入して、導光板内で光を伝播させる。導光板を伝播した光は、導光板の他方の端部において同じく回折素子によって回折されて、導光板から、使用者による観察位置に出射される。【０００４】
ＡＲグラスに用いられる導光板としては、一例として、特許文献１に記載される導光板（導波路）が知られている。
この導光板は、光を反射して導波する前面および後面を有し、前面または後面に設けられる第１の部分、および、前面または後面に設けられる第２の部分を有する。第１の部分は、第１の部分からの反射によって、第１の量だけ光の位相を変化させる構造を有する。また、同じ表面の第２の部分は、第２の部分からの反射によって、第１の量とは異なる第２の量だけ光の位相を変化させる、第１の部分とは異なる構造を有する。さらに、この導光板において、第１の部分は、第２の量と第１の量との差に実質的に一致する距離だけ、第２の部分とオフセットされる構成を有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第２０１６／０２３１５６８号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Bernard C. Kress et al., Towards the Ultimate Mixed Reality Experience: HoloLens Display Architecture Choices, SID 2017 DIGEST, pp.127-131
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、特許文献１にも記載されるように、回折素子による光の回折の角度は、光の波長に依存する。すなわち、回折素子によって回折される光の進行方向は、光の波長によって異なる。
従って、波長の異なる光を１つの回折素子によって回折させて導光板に導入し、かつ、導光板から出射させると、例えば、赤色画像、緑色画像および青色画像からなるカラー画像であれば、赤色画像、緑色画像および青色画像の位置が異なってしまう、いわゆる色ズレが生じてしまう。【０００８】
この問題を解決するために、非特許文献１に記載されるＡＲグラスでは、赤色画像、緑色画像および青色画像の、それぞれに対応して、両端に回折素子（表面レリーフ格子（Surface Relief Grating（ＳＲＧ）））を設けた長尺な導光板を作製して、回折素子を設けた導光板を、３枚、積層して、それぞれの導光板で、ディスプレイが表示した各色の投影像を使用者による観察位置まで導波して、カラー画像を表示している。
ＡＲグラスでは、これにより、赤色画像、緑色画像および青色画像の位置を一致させて、色ズレの無いカラー画像を表示している。【０００９】
このように、従来のＡＲグラスでは、ディスプレイが表示した画像を使用者による観察位置まで導波するために、回折素子を設けた導光板を、３枚、積層した構成とする必要があるので、全体として導光板が厚く、かつ、重くなってしまい、さらに、装置の構成も複雑になってしまう。【００１０】
本発明の目的は、このような従来技術の問題点を解決することにあり、透過する光の角度の波長依存性が小さく、例えば、同じ方向から入射した赤色光、緑色光および青色光を、ほとんど同じ方向に屈折して透過でき、さらに、透過光の光量も多い光学素子、および、この光学素子を用いる導光素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この課題を解決するために、本発明の光学素子は、以下の構成を有する。
［１］  液晶化合物を含む組成物を用いて形成された、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を、少なくとも１層、有する、複数の光学異方性部材と、
複数の光学異方性部材の少なくとも一対の間に配置される、特定の波長域の円偏光を逆の旋回方向の円偏光に変換する波長選択性位相差層と、を有し、かつ、
液晶配向パターンにおいて、光学軸の向きが連続的に回転しながら変化する一方向における、光学軸の向きが１８０°回転する長さを１周期とした際に、少なくとも１つの光学異方性部材の光学異方性層は、他の光学異方性部材の光学異方性層と１周期の長さが異なり、さらに、
光学異方性層は、液晶化合物が、厚さ方向に捩れ配向されたものであり、
光学異方性部材の少なくとも１つは、面内の液晶配向パターンが等しく、かつ、液晶化合物の捩れ配向の捩れ方向が互いに逆である、２層の光学異方性層を有することを特徴とする光学素子。
［２］  光学異方性部材の配列方向の一方の端に位置する光学異方性部材は、光学異方性層を１層のみ有する、［１］に記載の光学素子。
［３］  光学異方性部材が、全て、２層の光学異方性層を有する、［１］に記載の光学素子。
［４］  複数対の隣接する２枚の光学異方性部材の間に、波長選択性位相差層を有し、かつ、波長選択性位相差層が円偏光を変換する特定の波長域が、光学異方性部材の配列方向に、漸次、短くなる、［１］〜［３］のいずれかに記載の光学素子。
［５］  光学異方性層の液晶配向パターンにおける１周期の長さが、全ての光学異方性部材で異なる、［１］〜［４］のいずれかに記載の光学素子。
［６］  光学異方性部材と波長選択性位相差層とが、交互に配置される、［１］〜［５］のいずれかに記載の光学素子。
［７］  光学異方性部材の配列方向の一方の端に位置する光学異方性部材の光学異方性層が、液晶配向パターンにおける１周期の長さが最も短い、［１］〜［６］のいずれかに記載の光学素子。
［８］  少なくとも１つの光学異方性部材の光学異方性層が、面内に、液晶配向パターンにおける１周期の長さが異なる領域を有する、［１］〜［７］のいずれか記載の光学素子。
［９］  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連続的に回転しながら変化する一方向に向かって、液晶配向パターンの１周期が、漸次、短くなる、［８］に記載の光学素子。
［１０］  光学異方性層の液晶配向パターンが、液晶化合物由来の光学軸の向きが連続的に回転しながら変化する一方向を、内側から外側に向かう同心円状に有する、同心円状のパターンである、［１］〜［９］のいずれかに記載の光学素子。
［１１］  ３つ以上の光学異方性部材と、２層以上の波長選択性位相差層と、を有する、［１］〜［１０］のいずれかに記載の光学素子。
［１２］  波長選択性位相差層の１層が、赤色光の円偏光を逆の旋回方向の円偏光に変換し、波長選択性位相差層の他の１層が、緑色光の円偏光を逆の旋回方向の円偏光に変換する、［１１］に記載の光学素子。
［１３］  波長選択性位相差層が複数の位相差層からなり、位相差層の少なくとも１層は他の位相差層と面内の遅相軸方位が異なる、［１］〜［１２］のいずれかに記載の光学素子。
［１４］  波長選択性位相差層における位相差層の少なくとも１層がλ／４板である、［１３］に記載の光学素子。
［１５］  波長選択性位相差層におけるλ／４板が逆波長分散性を有し、他の位相差層の少なくとも１層は順波長分散性を有する、［１４］に記載の光学素子。
［１６］  ［１］〜［１５］のいずれかに記載の光学素子と、導光板と、を有する、導光素子。
［１７］  離間する２つの光学素子が、導光板に設けられる、［１６］に記載の導光素子。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の光学素子および導光素子は、屈折角度の波長依存性が小さく、例えば、同じ方向から入射した赤色光、緑色光および青色光を、ほとんど同じ方向に屈折して出射でき、しかも、透過光（出射光）の光量も多い。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、本発明の光学素子の一例を概念的に示す図である。
【図２】図２は、図１に示す光学素子の光学異方性層を概念的に示す図である。
【図３】図３は、図１に示す光学素子の光学異方性層の平面図である。
【図４】図４は、図１に示す光学素子の光学異方性層を説明するための概念図である。
【図５】図５は、図１に示す光学素子の光学異方性層を説明するための概念図である。
【図６】図６は、光学異方性層の作用を説明するための概念図である。
【図７】図７は、光学異方性層の作用を説明するための概念図である。
【図８】図８は、光学異方性層の作用を説明するための概念図である。
【図９】図９は、図１に示す光学素子の作用を説明するための概念図である。
【図１０】図１０は、図１に示す光学素子の作用を説明するための概念図である。
【図１１】図１１は、本発明の光学素子の別の例を概念的に示す図である。
【図１２】図１２は、図１１に示す光学素子の作用を説明するための概念図である。
【図１３】図１３は、図１１に示す光学素子の作用を説明するための概念図である。
【図１４】図１４は、本発明の光学素子の光学異方性層の別の例を概念的に示す図である。
【図１５】図１５は、図１に示す光学素子の配向膜を露光する露光装置の一例を概念的に示す図である。
【図１６】図１６は、本発明の光学素子の光学異方性層の別の例の平面図である。
【図１７】図１７は、図１６に示す光学異方性層を形成する配向膜を露光する露光装置の一例を概念的に示す図である。
【図１８】図１８は、本発明の導光素子の一例を用いるＡＲグラスの一例を概念的に示す図である。
【図１９】図１９は、本発明の光学素子に利用可能な円盤状液晶化合物を説明するための概念図である。
【図２０】図２０は、光強度の測定方法を説明するための概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の光学素子および導光素子について、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。
【００１５】
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、「同一」および「等しい」とは、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。また、本明細書において、「全部」、「いずれも」および「全面」などというとき、１００％である場合のほか、技術分野で一般的に許容される誤差範囲を含み、例えば９９％以上、９５％以上、または９０％以上である場合を含むものとする。
【００１６】
本明細書において、可視光は、電磁波のうち、ヒトの目で見える波長の光であり、３８０〜７８０ｎｍの波長域の光を示す。非可視光は、３８０ｎｍ未満の波長域および７８０ｎｍを超える波長域の光である。
またこれに限定されるものではないが、可視光のうち、４２０〜４９０ｎｍの波長域の光は青色光であり、４９５〜５７０ｎｍの波長域の光は緑色光であり、６２０〜７５０ｎｍの波長域の光は赤色光である。
【００１７】
本明細書において、Ｒｅ（λ）は、波長λにおける面内のレタデーションを表す。特に記載がないときは、波長λは、５５０ｎｍとする。
本明細書において、Ｒｅ（λ）は、ＡｘｏＳｃａｎ（Ａｘｏｍｅｔｒｉｃｓ社製）において、波長λで測定した値である。ＡｘｏＳｃａｎにて平均屈折率（（ｎｘ＋ｎｙ＋ｎｚ）／３）と膜厚（ｄ（μｍ））を入力することにより、
遅相軸方向（°）
Ｒｅ（λ）＝Ｒ０（λ）
が算出される。
なお、Ｒ０（λ）は、ＡｘｏＳｃａｎで算出される数値として表示されるものであるが、Ｒｅ（λ）を意味している。
【００１８】
本発明の光学素子は、液晶化合物を含む組成物を用いて形成された、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を少なくとも１層有する、複数の光学異方性部材と、少なくとも一対の、配列方向に隣接する２枚の光学異方性部材の間に配置される波長選択性位相差層と、を有する。
ここで、波長選択性位相差層とは、特定の波長域の円偏光を逆の旋回方向の円偏光に変換し、それ以外の光は、そのまま透過（素通し）させるものである。波長選択性位相差層が、赤色光の円偏光を逆の旋回方向の円偏光に変換するものである場合には、赤色光のみ、右円偏光は左円偏光に、左円偏光は右円偏光に変換し、それ以外の緑色光および青色光は、円偏光の旋回方向等によらず、そのまま透過する。
また、本発明の光学素子は、１つの光学異方性部材に含まれる光学異方性層は、面内における液晶配向パターンが等しい。加えて、光学異方性層の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連続的に回転しながら変化する一方向における、液晶化合物由来の光学軸の向きが１８０°回転する長さを１周期とした際に、１つの光学異方性部材に含まれる光学異方性層は、他の光学異方性部材の光学異方性層と１周期の長さが異なる。
さらに、本発明の光学素子において、光学異方性層は、液晶化合物が厚さ方向に捩れ配向されたものであり、少なくとも１つの光学異方性部材は、面内の液晶配向パターンが等しく、かつ、液晶化合物の捩れ配向の捩れ方向が互いに逆である、２層の光学異方性層を有する。
後に詳述するが、本発明の光学素子は、このような構成を有することにより、入射して透過する光の屈折角度の波長依存性が小さく、同じ方向から入射した異なる波長の光を、ほとんど同じ方向に出射できると共に、透過光（出射光）の光量も多くできる。
【００１９】
［光学素子の第１の態様］
図１に、本発明の光学素子の一例を概念的に示す。
図示例の光学素子１０は、第１光学異方性部材１２および第２光学異方性部材１４、ならびに、第１光学異方性部材１２と第２光学異方性部材１４との間に配置される波長選択性位相差層１８Ｇ、を有する。
【００２０】
上述のように、本発明の光学素子は、液晶化合物を含む組成物を用いて形成された、面内において、液晶化合物由来の光学軸が回転する所定の液晶配向パターンを有する光学異方性層を有する光学異方性部材を、厚さ方向に配列したものである。さらに、光学異方性層は、面内の液晶配向パターンに加え、液晶化合物が、厚さ方向に捩れ配向されたものである。
第１光学異方性部材１２は、支持体２０、配向膜２４Ａ、右捩れ光学異方性層２６Ａｐおよび左捩れ光学異方性層２６Ａｍを有する。また、第２光学異方性部材１４は、支持体２０、配向膜２４Ｂ、右捩れ光学異方性層２６Ｂｐおよび左捩れ光学異方性層２６Ｂｍを有する。
【００２１】
右捩れ光学異方性層２６Ａｐおよび左捩れ光学異方性層２６Ａｍ、ならびに、右捩れ光学異方性層２６Ｂｐおよび左捩れ光学異方性層２６Ｂｍは、いずれも、液晶化合物が、厚さ方向に捩れ配向（ツイスト配向）されている（図２参照）。
右捩れ光学異方性層２６Ａｐおよび右捩れ光学異方性層２６Ｂｐは、厚さ方向における液晶化合物の捩れ配向の捩れ方向が、図中上側（光入射側）から見た際に、右方向（ツイスト角が＋φ）である。他方、左捩れ光学異方性層２６Ａｍおよび左捩れ光学異方性層２６Ｂｍは、厚さ方向における液晶化合物の捩れ配向の捩れ方向が、図中上側から見た際に、左方向（ツイスト角が−φ）である。
以下の説明では、『厚さ方向における液晶化合物の捩れ配向の捩れ方向』を、単に『液晶化合物の捩れ方向』とも言う。また、本発明において、液晶化合物の捩れ方向は、光学素子１０の光入射方向から見た際の捩れ方向である。
【００２２】
また、本発明の光学素子において、波長選択性位相差層は、上述のように、特定の波長域の円偏光を逆の旋回方向の円偏光に変換し、それ以外の光は、そのまま透過（素抜け）するものである。
図示例の光学素子１０において、波長選択性位相差層１８Ｇは、緑色光の円偏光の旋回方向を逆の旋回方向に変換し、それ以外の光は、旋回方向を変換しないで、そのままの円偏光で透過する。
【００２３】
図示は省略するが、第１光学異方性部材１２と波長選択性位相差層１８Ｇ、および、波長選択性位相差層１８Ｇと第２光学異方性部材１４とは、層間に設けられた貼合層によって貼り合わされている。
本発明において、貼合層は、貼り合わせの対象となる物同士を貼り合わせられる層であれば、公知の各種の材料からなるものが利用可能である。貼合層としては、貼り合わせる際には流動性を有し、その後、固体になる、接着剤からなる層でも、貼り合わせる際にゲル状（ゴム状）の柔らかい固体で、その後もゲル状の状態が変化しない、粘着剤からなる層でも、接着剤と粘着剤との両方の特徴を持った材料からなる層でもよい。従って、貼合層は、光学透明接着剤（ＯＣＡ（Optical Clear Adhesive））、光学透明両面テープ、ならびに、紫外線硬化型樹脂等の、光学装置および光学素子等でシート状物の貼り合わせに用いられる公知のものを用いればよい。
あるいは、貼合層で貼り合わせるのではなく、第１光学異方性部材１２、波長選択性位相差層１８Ｇ、および、第２光学異方性部材１４を積層して、枠体または治具等で保持して、本発明の光学素子を構成してもよい。
なお、本発明の光学素子は、図示例のように第１光学異方性部材１２、波長選択性位相差層１８Ｇ、および、第２光学異方性部材１４を密着して積層した構成に制限はされず、これらの部材の１以上を、離間した状態で配列した構成も、利用可能である。
【００２４】
また、図示例の光学素子１０は、各光学異方性部材に支持体２０を有しているが、本発明の光学素子は、光学異方性部材毎に支持体２０を設けなくてもよい。
例えば、本発明の光学素子は、第２光学異方性部材１４（右捩れ光学異方性層２６Ｂｐ）の表面に波長選択性位相差層１８Ｇを形成し、その上に配向膜２４Ａを形成し、その上に第１光学異方性部材１２（右捩れ光学異方性層２６Ａｐおよび左捩れ光学異方性層２６Ａｍ）を形成した構成でもよい。
あるいは、上記構成から、第２光学異方性部材１４の支持体２０を剥離して、波長選択性位相差層、配向膜および光学異方性層のみで、本発明の光学素子を構成してもよく、または、さらに配向膜も剥離して、波長選択性位相差層および光学異方性層のみで、本発明の光学素子を構成してもよい。
【００２５】
すなわち、本発明の光学素子は、複数の光学異方性部材を配列し、配列される光学異方性部材の、隣接する２枚の光学異方性部材のうちの少なくとも１対の間に波長選択性位相差層を有し、かつ、光学異方性層が、面内において液晶化合物由来の光学軸の向きが一方向に向かって回転する液晶配向パターンを有し、さらに、少なくとも１つの光学異方性部材の光学異方性層の液晶配向パターンが、後述する１周期が異なり、かつ、光学異方性層は、液晶化合物が厚さ方向に捩れ配向されたもので、少なくとも１つの光学異方性部材は、面内の液晶配向パターンが等しく、かつ、液晶化合物の捩れ配向の捩れ方向が互いに逆である、２層の光学異方性層を有する構成であれば、各種の層構成が利用可能である。
【００２６】
＜光学異方性部材＞
本発明の光学素子１０は、第１光学異方性部材１２と第２光学異方性部材１４との間に、波長選択性位相差層１８Ｇを設けたものである。
上述のように、第１光学異方性部材１２は、支持体２０、配向膜２４Ａ、右捩れ光学異方性層２６Ａｐおよび左捩れ光学異方性層２６Ａｍを有する。また、第２光学異方性部材１４は、支持体２０、配向膜２４Ｂ、右捩れ光学異方性層２６Ｂｐおよび左捩れ光学異方性層２６Ｂｍを有する。
【００２７】
＜＜支持体＞＞
第１光学異方性部材１２および第２光学異方性部材１４において、支持体２０は、配向膜、および、光学異方性層を支持するものである。
以下の説明では、配向膜２４Ａと配向膜２４Ｂとを区別する必要がない場合には、配向膜２４Ａおよび配向膜２４Ｂをまとめて『配向膜』とも言う。また、以下の説明では、右捩れ光学異方性層２６Ａｐ、左捩れ光学異方性層２６Ａｍ、右捩れ光学異方性層２６Ｂｐおよび左捩れ光学異方性層２６Ｂｍを区別する必要がない場合には、これらの光学異方性層をまとめて『光学異方性層』とも言う。
【００２８】
支持体２０は、配向膜および光学異方性層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。
支持体２０としては、透明支持体が好ましく、ポリメチルメタクリレート等のポリアクリル系樹脂フィルム、セルローストリアセテート等のセルロース系樹脂フィルム、シクロオレフィンポリマー系フィルム、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリカーボネート、および、ポリ塩化ビニル等を挙げることができる。シクロオレフィンポリマー系フィルムとしては、例えば、ＪＳＲ社製の商品名「アートン」、および、日本ゼオン社製の商品名「ゼオノア」が例示される。支持体は、可撓性のフィルムに限らず、ガラス基板等の非可撓性の基板であってもよい。
【００２９】
支持体２０の厚さには、制限はなく、光学素子１０の用途および支持体２０の形成材料等に応じて、配向膜および光学異方性層を保持できる厚さを、適宜、設定すればよい。
支持体２０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。
【００３０】
＜＜配向膜＞＞
第１光学異方性部材１２において、支持体２０の表面には配向膜２４Ａが形成される。配向膜２４Ａは、右捩れ光学異方性層２６Ａｐおよび左捩れ光学異方性層２６Ａｍを形成する際に、光学異方性層の面内において液晶化合物３０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。
他方、第２光学異方性部材１４において、支持体２０の表面には配向膜２４Ｂが形成される。配向膜２４Ｂは、右捩れ光学異方性層２６Ｂｐおよび左捩れ光学異方性層２６Ｂｍを形成する際に、光学異方性層の面内において液晶化合物３０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。
【００３１】
なお、各光学異方性層において、液晶化合物３０は、面内の液晶配向パターンに加え、厚さ方向にも、厚さ方向に捩れ配向されているのは、上述のとおりである。この厚さ方向の液晶化合物３０の捩れ配向は、光学異方性層に含有されるキラル剤の作用によるものである。
【００３２】
後述するが、本発明の光学素子１０において、光学異方性層は、液晶化合物３０に由来する光学軸３０Ａ（図３参照）の向きが、面内の一方向（後述する矢印Ｘ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、各光学異方性部材の配向膜は、光学異方性層が、この液晶配向パターンを形成できるように形成される。
また、本発明の光学素子では、液晶配向パターンにおける、光学軸３０Ａの向きが連続的に回転しながら変化する一方向において、光学軸３０Ａの向きが１８０°回転する長さを１周期（光学軸の回転周期）とした際に、少なくとも１つの光学異方性部材の光学異方性層は、他の光学異方性部材の光学異方性層と、液晶配向パターンの１周期の長さが異なる。
図１に示す光学素子１０では、右捩れ光学異方性層２６Ａｐおよび左捩れ光学異方性層２６Ａｍにおける液晶配向パターンの１周期（１周期ΛA）は、右捩れ光学異方性層２６Ｂｐおよび左捩れ光学異方性層２６Ｂｍにおける液晶配向パターンの１周期（１周期ΛB）よりも短い。
【００３３】
以下の説明では、『光学軸３０Ａの向きが回転』を単に『光学軸３０Ａが回転』とも言う。
【００３４】
配向膜は、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。
【００３５】
ラビング処理による配向膜は、ポリマー層の表面を紙または布で一定方向に、数回、擦ることにより形成できる。
配向膜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号公報に記載の配向膜等の形成に用いられる材料が好ましく例示される。
【００３６】
本発明の光学素子１０においては、配向膜は、光配向性の素材に偏光または非偏光を照射して配向膜とした、いわゆる光配向膜が好適に利用される。すなわち、本発明の光学素子１０においては、配向膜として、支持体２０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。
【００３７】
本発明に利用可能な光配向膜に用いられる光配向材料としては、例えば、特開２００６−２８５１９７号公報、特開２００７−７６８３９号公報、特開２００７−１３８１３８号公報、特開２００７−９４０７１号公報、特開２００７−１２１７２１号公報、特開２００７−１４０４６５号公報、特開２００７−１５６４３９号公報、特開２００７−１３３１８４号公報、特開２００９−１０９８３１号公報、特許第３８８３８４８号公報および特許第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。
【００３８】
配向膜の厚さには制限はなく、配向膜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。
配向膜の厚さは、０．０１〜５μｍが好ましく、０．０５〜２μｍがより好ましい。
【００３９】
配向膜の形成方法には、制限はなく、配向膜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、配向膜を支持体２０の表面に塗布して乾燥させた後、配向膜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。
【００４０】
図１５に、配向膜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。なお、図１５に示す例では、一例として、第１光学異方性部材１２の配向膜２４Ａの露光を例示しているが、第２光学異方性部材１４の配向膜２４Ｂも、同じ露光装置で同様に配向パターンを形成できる。
【００４１】
図１５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を光線ＭＡおよびＭＢの２つに分離する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、図示は省略するが、光源６４は偏光板を備え、直線偏光Ｐ0を出射する。λ／４板７２Ａおよび７２Ｂは、互いに直交する光学軸を備えている。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。
【００４２】
配向パターンを形成される前の配向膜２４Ａを有する支持体２０が露光部に配置され、２つの光線ＭＡと光線ＭＢとを配向膜２４Ａ上において交差させて干渉させ、その干渉光を配向膜２４Ａに照射して露光する。
この際の干渉により、配向膜２４Ａ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、配向膜２４Ａにおいて、配向状態が周期的に変化する配向パターンが得られる。
露光装置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３０に由来する光学軸３０Ａが一方向に沿って連続的に回転する液晶配向パターンにおいて、光学軸３０Ａが回転する１方向における、光学軸３０Ａが１８０°回転する１周期の長さ（１周期Λ）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３０に由来する光学軸３０Ａが一方向に向かって連続的に回転する液晶配向パターンを有する、右捩れ光学異方性層２６Ａｐおよび左捩れ光学異方性層２６Ａｍを形成できる。
また、λ／４板７２Ａおよび７２Ｂの光学軸を各々９０°回転することにより、光学軸３０Ａの回転方向を逆にすることができる。
【００４３】
上述のように、本発明の光学素子は、１つの光学異方性部材に含まれる光学異方性層は、面内において同じ液晶配向パターンを有する。従って、右捩れ光学異方性層２６Ａｐと左捩れ光学異方性層２６Ａｍとは、面内において同じ液晶配向パターンを有する。さらに、第２光学異方性部材１４の右捩れ光学異方性層２６Ｂｐと左捩れ光学異方性層２６Ｂｍとも、面内において同じ液晶配向パターンを有する。
ここで、図１に示される光学素子１０では、右捩れ光学異方性層２６Ａｐの下層および右捩れ光学異方性層２６Ｂｐの下層のみに、配向膜が形成されている。
液晶化合物を含む組成物を用いて形成される光学異方性層は、下層すなわち形成面（成膜面）が面内において液晶配向パターンを有する場合には、配向膜がなくても、面内における液晶配向パターンは、下層の面内における液晶配向パターンを踏襲する。従って、左捩れ光学異方性層２６Ａｍの下層に配向膜がなくても、左捩れ光学異方性層２６Ａｍの面内における液晶配向パターンは、右捩れ光学異方性層２６Ａｐと等しくなる。さらに、左捩れ光学異方性層２６Ｂｍの下層に配向膜がなくても、左捩れ光学異方性層２６Ｂｍの面内における液晶配向パターンは、右捩れ光学異方性層２６Ｂｐと等しくなる。
しかしながら、本発明は、これに制限はされない。すなわち、必要に応じて、左捩れ光学異方性層２６Ａｍおよび／または左捩れ光学異方性層２６Ｂｍの下層に、配向膜を設けてもよい。ただし、本発明においては、同じ光学異方性部材に含まれる光学異方性層は、面内において同じ液晶配向パターンを有するので、同じ光学異方性部材に含まれる配向膜は、全て、同じ配向パターンとなる。
【００４４】
なお、本発明の光学素子において、配向膜は、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２０をラビング処理する方法、支持体２０をレーザ光等で加工する方法等によって、支持体２０に配向パターンを形成することにより、右捩れ光学異方性層２６Ａｐ等が、液晶化合物３０に由来する光学軸３０Ａ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。
【００４５】
＜＜光学異方性層＞＞
第１光学異方性部材１２において、配向膜２４Ａの表面には、右捩れ光学異方性層２６Ａｐが形成され、右捩れ光学異方性層２６Ａｐの表面には、左捩れ光学異方性層２６Ａｍが形成される。また、第２光学異方性部材１４において、配向膜２４Ｂの表面には、右捩れ光学異方性層２６Ｂｐが形成され、右捩れ光学異方性層２６Ｂｐの表面には、左捩れ光学異方性層２６Ｂｍが形成される。
なお、図１においては、図面を簡略化して光学素子１０の構成を明確に示すために、右捩れ光学異方性層２６Ａｐ、左捩れ光学異方性層２６Ａｍ、右捩れ光学異方性層２６Ｂｐおよび左捩れ光学異方性層２６Ｂｍは、共に、配向膜の表面の液晶化合物３０（液晶化合物分子）のみを示している。この点に関しては、後述する図９、図１１、図１２および図１４等も同様である。
しかしながら、右捩れ光学異方性層２６Ａｐ、左捩れ光学異方性層２６Ａｍ、右捩れ光学異方性層２６Ｂｐ、および、左捩れ光学異方性層２６Ｂｍは、いずれも、図２に第１光学異方性部材１２を例示して概念的に示すように、複数の液晶化合物３０が、厚さ方向に配列され、かつ、厚さ方向に捩れ配向されている。
【００４６】
上述のように、本発明の光学素子１０において、光学異方性層（右捩れ光学異方性層２６Ａｐ、左捩れ光学異方性層２６Ａｍ、右捩れ光学異方性層２６Ｂｐ、および、左捩れ光学異方性層２６Ｂｍ）は、液晶化合物を含む組成物を用いて形成されたものである。
光学異方性層は、面内レタデーションの値をλ／２に設定した場合に、一般的なλ／２板としての機能、すなわち、光学異方性層に入射した光に含まれる互いに直交する２つの直線偏光成分に半波長すなわち１８０°の位相差を与える機能を有している。
【００４７】
光学異方性層は、光学異方性層の面内において、液晶化合物に由来する光学軸の向きが、矢印Ｘで示す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３０に由来する光学軸３０Ａとは、液晶化合物３０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３０が棒状液晶化合物である場合には、光学軸３０Ａは、棒形状の長軸方向に沿っている。
以下の説明では、『矢印Ｘで示す一方向』を単に『矢印Ｘ方向』とも言う。また、以下の説明では、液晶化合物３０に由来する光学軸３０Ａを、『液晶化合物３０の光学軸３０Ａ』または『光学軸３０Ａ』とも言う。
光学異方性層において、液晶化合物３０は、それぞれ、光学異方性層において、矢印Ｘ方向と、この矢印Ｘ方向と直交するＹ方向とに平行な面内に二次元的に配向している。なお、図１、図２、ならびに、後述する図４、図５および図９等では、Ｙ方向は、紙面に直交する方向となる。
【００４８】
上述のように、第１光学異方性部材１２において、右捩れ光学異方性層２６Ａｐと左捩れ光学異方性層２６Ａｍとは、面内における液晶配向パターンが等しい。また、第２光学異方性部材において、右捩れ光学異方性層２６Ｂｐと左捩れ光学異方性層２６Ｂｍとは、面内における液晶配向パターンが等しい。
なお、本発明において、光学異方性層の面内における液晶配向パターンが等しいとは、具体的には、面内において液晶化合物に由来する光学軸の向きが連続的に回転しながら変化する方向、面内における液晶化合物に由来する光学軸の向きの連続的な回転方向、および、液晶配向パターンおいて光学軸３０Ａの向きが１８０°回転する１周期の長さ（１周期Λ）が、全て、等しいことを示す。なお、面内において液晶化合物に由来する光学軸の向きが連続的に回転しながら変化する方向は、図示例では矢印Ｘ方向である。また、面内における液晶化合物に由来する光学軸の向きの連続的な回転方向は、図示例では矢印Ｘ方向に時計回りである。
ただし、右捩れ光学異方性層２６Ａｐと左捩れ光学異方性層２６Ａｍとでは、厚さ方向に捩れ配向される液晶化合物３０の捩れ方向が逆である。同様に、右捩れ光学異方性層２６Ｂｐと左捩れ光学異方性層２６Ｂｍとでは、厚さ方向に捩れ配向される液晶化合物３０の捩れ方向が逆である。
【００４９】
図３に、右捩れ光学異方性層２６Ａｐの平面図を概念的に示す。
なお、平面図とは、図１において、光学素子１０を上方から見た図であり、すなわち、光学素子１０を厚さ方向から見た図である。言い換えれば、右捩れ光学異方性層２６Ａｐを主面と直交する方向（法線方向）から見た図である。主面とは、シート状物（板状物、フィルム）の最大面である。厚さ方向とは、すなわち、各層（膜）の積層方向である。
また、図３では、本発明の光学素子１０の構成を明確に示すために、図１と同様、液晶化合物３０は配向膜２４Ａの表面の液晶化合物３０のみを示している。しかしながら、右捩れ光学異方性層２６Ａｐは、厚さ方向には、図２に示されるように、この配向膜２４Ａの表面の液晶化合物３０から、液晶化合物３０が厚さ方向に捩れ配向して積み重ねられた構造を有するのは、上述のとおりである。
【００５０】
光学異方性層において、面内における、液晶化合物に由来する光学軸の向きが、矢印Ｘで示す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は、光学異方性層を透過する光の屈折に寄与する。
なお、図３では、右捩れ光学異方性層２６Ａｐを代表例として説明するが、右捩れ光学異方性層２６Ａｐも、同様の作用効果を示す。また、右捩れ光学異方性層２６Ｂｐおよび左捩れ光学異方性層２６Ｂｍも、後述する液晶配向パターンの１周期の長さ（１周期Λ）が異なる以外は、基本的に、同様の構成および作用効果を有する。
光学素子１０において、光学軸３０Ａの向きの回転方向は、第１光学異方性部材１２の光学異方性層と、第２光学異方性部材１４の光学異方性層とで、逆である。すなわち、第１光学異方性部材１２の光学異方性層における光学軸３０Ａの向きの回転が矢印Ｘ方向に向かって時計回りである場合には、第２光学異方性部材１４の光学異方性層における光学軸３０Ａの向きの回転は矢印Ｘ方行に向かって反時計回りである。
【００５１】
右捩れ光学異方性層２６Ａｐは、面内において、液晶化合物３０に由来する光学軸３０Ａの向きが、矢印Ｘ方向に沿って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。
液晶化合物３０の光学軸３０Ａの向きが矢印Ｘ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、矢印Ｘ方向に沿って配列されている液晶化合物３０の光学軸３０Ａと、矢印Ｘ方向とが成す角度が、矢印Ｘ方向の位置によって異なっており、かつ、矢印Ｘ方向に沿って、光学軸３０Ａと矢印Ｘ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、矢印Ｘ方向に互いに隣接する液晶化合物３０の光学軸３０Ａの角度の差は、４５°以下であるのが好ましく、１５°以下であるのがより好ましく、より小さい角度であるのがさらに好ましい。
【００５２】
一方、右捩れ光学異方性層２６Ａｐを形成する液晶化合物３０は、矢印Ｘ方向と直交するＹ方向、すなわち光学軸３０Ａ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３０Ａの向きが等しい液晶化合物３０が等間隔で配列されている。
言い換えれば、右捩れ光学異方性層２６Ａｐを形成する液晶化合物３０において、Ｙ方向に配列される液晶化合物３０同士では、光学軸３０Ａの向きと矢印Ｘ方向とが成す角度が等しい。
【００５３】
本発明の光学素子１０においては、このような液晶化合物３０の液晶配向パターンにおいて、面内で光学軸３０Ａの向きが連続的に回転して変化する矢印Ｘ方向において、液晶化合物３０の光学軸３０Ａ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。言い換えれば、液晶配向パターンにおける１周期の長さは、液晶化合物３０の光学軸３０Ａと矢印Ｘ方向とのなす角度がθからθ＋１８０°となるまでの距離により定義される。
すなわち、光学異方性層における１周期の長さΛとは、言い換えれば、矢印Ｘ方向に対する角度が等しい２つの液晶化合物３０の、矢印Ｘ方向の中心間の距離である。具体的には、図３に示すように、矢印Ｘ方向と光学軸３０Ａの方向とが一致する２つの液晶化合物３０の、矢印Ｘ方向の中心間の距離が、１周期の長さΛである。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。
また、以下の説明では、各光学異方性層における１周期Λを識別するために、右捩れ光学異方性層２６Ａｐにおける１周期Λを『ΛA』、右捩れ光学異方性層２６Ｂｐにおける１周期Λを『ΛB』とも言う。なお、上述のように、同じ光学異方性部材に含まれる光学異方性層は、１周期Λが等しい。従って、左捩れ光学異方性層２６Ａｍにおける１周期Λも『ΛA』であり、左捩れ光学異方性層２６Ｂｍにおける１周期Λも『ΛB』である。
本発明の光学素子１０において、光学異方性層の液晶配向パターンは、この１周期Λを、矢印Ｘ方向、すなわち、光学軸３０Ａの向きが連続的に回転して変化する一方向に繰り返す。
【００５４】
上述のように、光学異方性層において、Ｙ方向に配列される液晶化合物は、光学軸３０Ａと矢印Ｘ方向（液晶化合物３０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３０Ａと矢印Ｘ方向とが成す角度が等しい液晶化合物３０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、半波長すなわちλ／２であるのが好ましい。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３０Ａの方向の液晶化合物３０の屈折率と、領域Ｒの面内において光学軸３０Ａに垂直な方向の液晶化合物３０の屈折率との差に等しい。つまり、上記屈折率差Δｎは、液晶化合物の屈折率差に等しい。
【００５５】
右捩れ光学異方性層２６Ａｐ（左捩れ光学異方性層２６Ａｍ、右捩れ光学異方性層２６Ｂｐおよび左捩れ光学異方性層２６Ｂｍ）のように、面内において、光学軸３０Ａの向きが連続的に回転して変化する液晶配向パターンを有する光学異方性層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。
この面内における液晶配向パターンの作用を、図４および図５に、液晶化合物３０が厚さ方向に捩れ配向されていない光学異方性層２６を例示して示す。すなわち、光学異方性層２６においては、厚さ方向では、液晶化合物３０の光学軸３０Ａの方向は均一である。
なお、光学異方性層２６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。
【００５６】
図４に示すように、光学異方性層２６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２６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２６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、入射光Ｌ1は、光学異方性層２６を通過する際に、それぞれの液晶化合物３０の光学軸３０Ａの向きに応じて絶対位相が変化する。このとき、光学軸３０Ａの向きは、矢印Ｘ方向に沿って回転しながら変化しているため、光学軸３０Ａの向きに応じて、入射光Ｌ1の絶対位相の変化量が異なる。さらに、光学異方性層２６に形成された液晶配向パターンは、矢印Ｘ方向に周期的なパターンであるため、光学異方性層２６を通過した入射光Ｌ1には、図４に示すように、それぞれの光学軸３０Ａの向きに対応した矢印Ｘ方向に周期的な絶対位相Ｑ１が与えられる。これにより、矢印Ｘ方向に対して逆の方向に傾いた等位相面Ｅ１が形成される。
そのため、透過光Ｌ2は、等位相面Ｅ１に対して垂直な方向に向かって傾くように屈折され、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、入射方向に対して矢印Ｘ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。
【００５７】
一方、図５に概念的に示すように、光学異方性層２６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２６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２６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、入射光Ｌ4は、光学異方性層２６を通過する際に、それぞれの液晶化合物３０の光学軸３０Ａの向きに応じて絶対位相が変化する。このとき、光学軸３０Ａの向きは、矢印Ｘ方向に沿って回転しながら変化しているため、光学軸３０Ａの向きに応じて、入射光Ｌ4の絶対位相の変化量が異なる。さらに、光学異方性層２６に形成された液晶配向パターンは、矢印Ｘ方向に周期的なパターンであるため、光学異方性層２６を通過した入射光Ｌ4は、図５に示すように、それぞれの光学軸３０Ａの向きに対応した矢印Ｘ方向に周期的な絶対位相Ｑ２が与えられる。
ここで、入射光Ｌ4は、右円偏光であるので、光学軸３０Ａの向きに対応した矢印Ｘ方向に周期的な絶対位相Ｑ２は、左円偏光である入射光Ｌ1とは逆になる。その結果、入射光Ｌ4では、入射光Ｌ1とは逆に矢印Ｘ方向に傾斜した等位相面Ｅ２が形成される。
そのため、入射光Ｌ4は、等位相面Ｅ２に対して垂直な方向に向かって傾くように屈折され、入射光Ｌ4の進行方向とは異なる方向に進行する。このように、入射光Ｌ4は、入射方向に対して矢印Ｘ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。
【００５８】
面内において、光学軸３０Ａの向きが連続的に回転して変化する、同じ液晶配向パターンを有し、かつ、液晶化合物３０が、厚さ方向に捩れ配向され、かつ、液晶化合物３０の捩れ方向が逆である２層の光学異方性層の積層体は、この２層を１つの光学異方性層と考えると、図４および図５に示す光学異方性層２６と同様の作用を発現する。
すなわち、右捩れ光学異方性層２６Ａｐと左捩れ光学異方性層２６Ａｍとの積層体、および、右捩れ光学異方性層２６Ｂｐと左捩れ光学異方性層２６Ｂｍとの積層体は、図４および図５に示す光学異方性層２６と同様の作用を発現する。
この作用に関しては、Applied Optics, Vol.54, No.34, pp10035-10043(2015)に詳述されている。
従って、右捩れ光学異方性層２６Ａｐと左捩れ光学異方性層２６Ａｍとの積層体を有する第１光学異方性部材１２、および、右捩れ光学異方性層２６Ｂｐと左捩れ光学異方性層２６Ｂｍとの積層体を有する第２光学異方性部材１４は、図４および図５に示す光学異方性層２６と同様の作用を発現する。この作用については、後に詳述する。
【００５９】
光学異方性層において、複数の領域Ｒの面内レタデーションの値は、半波長であるのが好ましいが、波長が５５０ｎｍである入射光に対する光学異方性層の複数の領域Ｒの面内レタデーションＲｅ（５５０）＝Δｎ550×ｄが下記式（１）に規定される範囲内であるのが好ましい。光学異方性層は、図示例では、右捩れ光学異方性層２６Ａｐ、左捩れ光学異方性層２６Ａｍ、右捩れ光学異方性層２６Ｂｐおよび左捩れ光学異方性層２６Ｂｍ等である。
ここで、Δｎ550は、入射光の波長が５５０ｎｍである場合の、領域Ｒの屈折率異方性に伴う屈折率差であり、ｄは、光学異方性層の厚さである。
２００ｎｍ≦Δｎ550×ｄ≦３５０ｎｍ・・・（１）
すなわち、光学異方性層の複数の領域Ｒの面内レタデーションＲｅ（５５０）＝Δｎ550×ｄが式（１）を満たしていれば、光学異方性層に入射した光の十分な量の円偏光成分を、矢印Ｘ方向に対して順方向または逆方向に傾いた方向に進行する円偏光に変換することができる。面内レタデーションＲｅ（５５０）＝Δｎ550×ｄは、２２５ｎｍ≦Δｎ550×ｄ≦３４０ｎｍがより好ましく、２５０ｎｍ≦Δｎ550×ｄ≦３３０ｎｍがさらに好ましい。
なお、上記式（１）は波長５５０ｎｍである入射光に対する範囲であるが、波長がλｎｍである入射光に対する光学異方性層の複数の領域Ｒの面内レタデーションＲｅ（λ）＝Δｎλ×ｄは下記式（１−２）に規定される範囲内であるのが好ましく、適宜設定することができる。
０．７λｎｍ≦Δｎλ×ｄ≦１．３λｎｍ・・・（１−２）
【００６０】
また、光学異方性層における、複数の領域Ｒの面内レタデーションの値は、上記式（１）の範囲外で用いることもできる。具体的には、Δｎ550×ｄ＜２００ｎｍまたは３５０ｎｍ＜Δｎ550×ｄとすることで、入射光の進行方向と同一の方向に進行する光と、入射光の進行方向とは異なる方向に進行する光に分けることができる。Δｎ550×ｄが０ｎｍまたは５５０ｎｍに近づくと入射光の進行方向と同一の方向に進行する光の成分は増加し、入射光の進行方向とは異なる方向に進行する光の成分は減少する。
【００６１】
さらに、波長が４５０ｎｍの入射光に対する光学異方性層の領域Ｒのそれぞれの面内レタデーションＲｅ（４５０）＝Δｎ450×ｄと、波長が５５０ｎｍの入射光に対する光学異方性層の領域Ｒのそれぞれの面内レタデーションＲｅ（５５０）＝Δｎ550×ｄは、下記式（２）を満たすのが好ましい。ここで、Δｎ450は、入射光の波長が４５０ｎｍである場合の、領域Ｒの屈折率異方性に伴う屈折率差である。
（Δｎ450×ｄ）／（Δｎ550×ｄ）＜１．０・・・（２）
式（２）は、光学異方性層に含まれる液晶化合物３０が逆分散性を有していることを表している。すなわち、式（２）が満たされることにより、光学異方性層は、広帯域の波長の入射光に対応できる。
【００６２】
ここで、光学軸３０Ａが一方向に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は、液晶配向パターンの１周期Λを変化させることにより、透過光の屈折の角度を調節できる。すなわち、光学異方性層に形成された液晶配向パターンの１周期Λを変化させることにより、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、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３０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、入射光Ｌ1およびＬ4に対する透過光Ｌ2およびＬ5の屈折の角度は、入射光Ｌ1およびＬ4（透過光Ｌ2およびＬ5）の波長によって異なる。具体的には、入射光の波長が長いほど、透過光は大きく屈折する。すなわち、入射光が赤色光、緑色光および青色光である場合には、赤色光が最も大きく屈折し、青色光の屈折が最も小さい。
さらに、矢印Ｘ方向に沿って回転する、液晶化合物３０の光学軸３０Ａ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。
【００６３】
さらに、本発明の光学素子１０において、光学異方性層は、図２に第１光学異方性部材１２の右捩れ光学異方性層２６Ａｐおよび左捩れ光学異方性層２６Ａｍを例示して示すように、液晶化合物３０が、厚さ方向に捩れ配向されている。以下の説明では、液晶化合物３０が厚さ方向に捩れ配向されている状態を、液晶化合物３０が『捩れ配向されている』ともいう。
上述のように、液晶化合物３０の光学軸が面内で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し、かつ、液晶化合物３０が捩れ配向されている、液晶化合物３０の捩れ方向が互いに逆である光学異方性層を、２層、積層した積層体は、上述した図４および図５に示す、液晶化合物３０が捩れ配向されていない光学異方性層２６と同様の作用を発現する。
【００６４】
ここで、上述した液晶配向パターンを有し、かつ、液晶化合物３０の捩れ方向が互いに逆である光学異方性層を、２層、積層した積層体は、Applied Optics, Vol.54, No.34, pp10035-10043(2015)に詳述されているように、液晶化合物３０が捩れ配向されていない光学異方性層２６に比して、光学異方性層内を伝播する光を効果的に入射した円偏光と逆の円偏光に変換できるため、透過光（出射光）の光量を向上できる。特に、屈折する光の角度が大きい場合には、液晶化合物３０が捩れ配向されていない光学異方性層２６に比して、液晶化合物３０の捩れ方向が互いに逆である光学異方性層を、２層、積層した積層体は、透過光（出射光）の光量を向上できる。
６に概念的に示すように、液晶化合物３０が捩れ配向されていない光学異方性層２６に垂直入射した右円偏光が光学異方性層内を斜めに伝播するとき、伝播する光の進行方向に対して液晶化合物３０が捩れているため、入射した右円偏光は液晶化合物３０の捩れの影響で、光学異方性層を透過したときに十分に左円偏光に変換されないので、透過光の光量が低下すると考えられる。
これに対して、図７に概念的に示すように、液晶化合物３０が厚さ方向に捩れて配向している右捩れ光学異方性層２６Ａｐは、垂直入射した右円偏光が光学異方性層内を斜めに伝播するとき、伝播する光の進行方向に対して液晶の捩れは非常に小さいため、入射した右円偏光は光学異方性層を透過したときに左円偏光に変換され、透過光の光量の低下を抑制することができる。
また、図８に概念的に示すように、液晶化合物３０が厚さ方向に捩れて配向している右捩れ光学異方性層２６Ａｐに左円偏光が垂直入射する場合、伝播する光は非常に強い液晶の捩れの影響を受けるため、光学異方性層を透過した光は、ほぼ左円偏光のままとなるので、大部分の光は入射光と同一の進行方向に透過する。このため、図示は省略するが、液晶化合物３０の捩れ方向が互いに逆である光学異方性層を、２層、積層した積層体とすることで、上述した図４および図５に示す、液晶化合物３０が捩れ配向されていない光学異方性層２６と同様の作用を発現し、かつ、透過光（出射光）の光量を向上できる。図示例において、２層、積層した積層体とは、右捩れ光学異方性層２６Ａｐと左捩れ光学異方性層２６Ａｍとの積層体である。
そのため、本発明の光学素子１０は、液晶化合物３０を厚さ方向に捩れ配向せずに、面内のみで光学軸３０Ａを回転させただけの液晶配向パターンを有する光学異方性層２６を用いる光学素子に比して、透過光の光量を向上して、透過光を明るくできる。
【００６５】
本発明において、光学異方性層における、捩れ配向する液晶化合物３０の捩れ角には、制限は無い。すなわち、図示例においては、右捩れ光学異方性層２６Ａｐ、左捩れ光学異方性層２６Ａｍ、右捩れ光学異方性層２６Ｂｐおよび左捩れ光学異方性層２６Ｂｍにおける、捩れ配向する液晶化合物３０の捩れ角には、制限は無い。
ただし、液晶化合物３０の捩れ角によって、光学異方性層内を伝播する光の偏光状態が異なる。具体的には、液晶配向パターンの１周期Λによって、光学異方性層内を伝播する光の方向が異なるため、入射した円偏光を効果的に逆の円偏光に変換する捩れ角が異なる。従って、液晶化合物３０の捩れ角は、液晶配向パターンの１周期Λと共に、目的とする透過光の出射方向に応じて、適宜、設定するのが好ましい。
液晶化合物３０の捩れ方向が右捩れか左捩れか（時計回りか反時回りか）によらず、液晶化合物３０の捩れ角の絶対値は、透過光の光量を好適に向上させる点で、５〜３６０°が好ましく、１０〜３２０°がより好ましく、２０〜２８０°がさらに好ましく、３０〜２５０°が特に好ましい。
なお、液晶化合物３０の捩れ角とは、光学異方性層において、厚さ方向に捩れ配向された液晶化合物３０の、下面から上面に到るまでの捩れの角度である。
【００６６】
後述するが、液晶化合物３０が厚さ方向に捩れ配向している光学異方性層は、液晶化合物およびキラル剤を含む液晶組成物によって形成する。
光学異方性層における液晶化合物３０の捩れ方向は、光学異方性層を形成する液晶化合物３０の種類および／または添加されるキラル剤の種類によって調節できる。
また、光学異方性層における液晶化合物３０の捩れ角は、添加されるキラル剤の種類および／またはキラル剤の添加量で調節できる。
【００６７】
光学異方性層は、棒状液晶化合物または円盤状液晶化合物およびキラル剤を含む液晶組成物の硬化層からなり、棒状液晶化合物の光学軸または円盤状液晶化合物の光学軸が上述のように面内において配向された液晶配向パターンを有し、かつ、棒状液晶化合物または円盤状液晶化合物が厚さ方向に捩れ配向している。
支持体２０上に配向膜を形成し、かつ、配向膜上にキラル剤を含む液晶組成物を塗布、硬化することにより、液晶化合物が上述のように面内において配向された配向パターンを有し、かつ、液晶化合物が厚さ方向に捩れ配向された、液晶組成物の硬化層からなる光学異方性層を得ることができる。なお、いわゆるλ／２板として機能するのは光学異方性層であるが、本発明は、支持体２０および配向膜を一体的に備えた積層体がλ／２板として機能する態様を含む。
また、光学異方性層を形成するための液晶組成物は、棒状液晶化合物または円盤状液晶化合物を含有し、さらに、レベリング剤、配向制御剤、重合開始剤および配向助剤などのその他の成分を含有していてもよい。
【００６８】
−−棒状液晶化合物−−
棒状液晶化合物としては、アゾメチン類、アゾキシ類、シアノビフェニル類、シアノフェニルエステル類、安息香酸エステル類、シクロヘキサンカルボン酸フェニルエステル類、シアノフェニルシクロヘキサン類、シアノ置換フェニルピリミジン類、アルコキシ置換フェニルピリミジン類、フェニルジオキサン類、トラン類、および、アルケニルシクロヘキシルベンゾニトリル類が好ましく用いられる。以上のような低分子液晶性分子だけではなく、高分子液晶性分子も用いることができる。
【００６９】
棒状液晶化合物を重合によって配向を固定することがより好ましく、重合性棒状液晶化合物としては、Ｍａｋｒｏｍｏｌ．  Ｃｈｅｍ．，  １９０巻、２２５５頁（１９８９年）、Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  ５巻、１０７頁（１９９３年）、米国特許４６８３３２７号明細書、同５６２２６４８号明細書、同５７７０１０７号明細書、国際公開第９５／２２５８６号、同９５／２４４５５号、同９７／００６００号、同９８／２３５８０号、同９８／５２９０５号、特開平１−２７２５５１号公報、同６−１６６１６号公報、同７−１１０４６９号公報、同１１−８００８１号公報、および、特願２００１−６４６２７号公報などに記載の化合物を用いることができる。さらに棒状液晶化合物としては、例えば、特表平１１−５１３０１９号公報および特開２００７−２７９６８８号公報に記載のものも好ましく用いることができる。
【００７０】
−−円盤状液晶化合物−−
円盤状液晶化合物としては、例えば、特開２００７−１０８７３２号公報および特開２０１０−２４４０３８号公報に記載のものを好ましく用いることができる。
なお、光学異方性層に円盤状液晶化合物を用いた場合には、光学異方性層において、液晶化合物３０は厚さ方向に立ち上がっており、液晶化合物に由来する光学軸３０Ａは、円盤面に垂直な軸、いわゆる進相軸として定義される（図１９参照）。
【００７１】
−−キラル剤（光学活性化合物）−−
キラル剤（カイラル剤）は光学異方性層における液晶化合物３０の捩れ配向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捩れ方向または捩れのピッチが異なるため、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）用カイラル剤、１９９頁、日本学術振興会第１４２委員会編、１９８９に記載）、イソソルビド、および、イソマンニド誘導体等を用いることができる。
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、同種の基であるのが好ましい。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のが好ましく、不飽和重合性基であるのがより好ましく、エチレン性不飽和重合性基であるのがさらに好ましい。
また、キラル剤は、液晶化合物であってもよい。
【００７２】
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反射波長のパターンを形成することができるので好ましい。光異性化基としては、フォトクロッミック性を示す化合物の異性化部位、アゾ基、アゾキシ基、または、シンナモイル基が好ましい。具体的な化合物として、特開２００２−８０４７８号公報、特開２００２−８０８５１号公報、特開２００２−１７９６６８号公報、特開２００２−１７９６６９号公報、特開２００２−１７９６７０号公報、特開２００２−１７９６８１号公報、特開２００２−１７９６８２号公報、特開２００２−３３８５７５号公報、特開２００２−３３８６６８号公報、特開２００３−３１３１８９号公報、および、特開２００３−３１３２９２号公報等に記載の化合物を用いることができる。
【００７３】
＜波長選択性位相差層＞
本発明の光学素子１０は、第１光学異方性部材１２と第２光学異方性部材１４との間に、波長選択性位相差層１８Ｇを設けたものである。
本発明の光学素子において、波長選択性位相差層とは、特定の波長域の円偏光を、逆の旋回方向の円偏光に変換する部材である。
図示例の光学素子において、波長選択性位相差層１８Ｇは、緑色光の円偏光を選択的に逆の旋回方向の円偏光に変換するものであり、緑色光の右円偏光を緑色光の左円偏光に変換し、また、緑色光の左円偏光を緑色光の右円偏光に変換する。
また、波長選択性位相差層１８Ｇは、緑色光の円偏光以外の光は、そのまま透過（素抜け）する。従って、緑色光の円偏光以外の円偏光は、旋回方向を保って透過する。
【００７４】
言い換えれば、本発明において、波長選択性位相差層とは、特定の波長域のみ位相をπずらすものである。このような波長選択性位相差層は、例えば、特定の波長域のみに作用するλ／２板と言うこともできる。
【００７５】
このような波長選択性位相差層は、例えば、位相差が異なる複数の位相差板を積層することによって作製できる。
一例として、波長選択性位相差層は、特表２０００−５１０９６１号公報およびSID 99 DIGEST, pp.1072-1075等に記載される波長選択性位相差層を用いることができる。
この波長選択性位相差層は、複数の位相差板（位相差層）を異なる遅相軸角度（遅相軸方位）で積層することにより、特定の波長域の直線偏光を、逆の直線偏光に変換するものである。なお、複数の位相差板は、全ての遅相軸の角度が互いに異なる構成に制限はされず、少なくとも１層の遅相軸角度が、他の位相差板と異なっていればよい。
位相差板は、少なくとも１層は、順分散性を有しているのが好ましい。少なくとも１層の位相差板が順分散性を有していることにより、複数の位相差板を異なる遅相軸角度で積層することで、特定の波長域のみに作用するλ／２板を実現することができる。
一方、特表２０００−５１０９６１号公報およびSID 99 DIGEST, pp.1072-1075に記載される波長選択性位相差層は、直線偏光を選択的に逆の直線偏光に変換する。
本発明において波長選択性位相差層は、特定の波長域の円偏光を、逆の旋回方向の円偏光に変換するものである。そのため、特表２０００−５１０９６１号公報およびSID 99 DIGEST, pp.1072-1075などに記載されている波長選択性位相差層の両面にλ／４板を付与して用いるのが好ましい。
λ／４板としてはポリマー、液晶化合物の硬化層、および、構造複屈折層等、種々の位相差板を用いることができる。
λ／４板は、逆分散性を有するのが好ましい。λ／４板が逆分散性を有していることにより、広帯域の波長の入射光に対応できる。
λ／４板は複数の位相差板を積層し、実効的にλ／４として機能する位相差層を用いるのも好ましい。例えば、国際公開第２０１３／１３７４６４号に記載される、λ／２板とλ／４板とを組み合わせて広帯域化したλ／４板は、広帯域の波長の入射光に対応でき、好ましく用いることができる。
【００７６】
＜光学素子の作用＞
上述のように、液晶化合物を含む組成物を用いて形成された、光学軸３０Ａの方向が矢印Ｘ方向に沿って回転する液晶配向パターンを有する光学異方性層は、円偏光を屈折させる。ここで、屈折の角度は、光の波長によって異なる。具体的には、長波長の光ほど、屈折の角度が大きい。従って、例えば、入射光が赤色光、緑色光および青色光である場合には、赤色光が最も大きく屈折し、青色光の屈折が最も小さい。
そのため、例えば、ＡＲグラスの導光板において、導光板への光の入射および出射のための回折素子として、光学軸３０Ａの向きが回転する上述の液晶配向パターンを有する光学異方性層による光学素子を用いた場合には、フルカラー画像では、赤色光と緑色光と青色光とで透過方向が異なってしまい、赤色画像と緑色画像と青色画像とが一致しない、いわゆる色ズレを有する画像が観察されてしまう。
非特許文献１に記載されるように、赤色画像、緑色画像および青色画像のそれぞれに対応して導光板を設け、３枚の導光板を積層した構成とすることで、色ズレは解消できる。しかしながら、この構成では、全体として導光板が厚く、かつ、重くなってしまい、さらに、構成も複雑になってしまう。
【００７７】
これに対し、本発明の光学素子は、１層以上の光学異方性層を有する光学異方性部材を配列し、配列される光学異方性部材の内の、隣接する２つの光学異方性部材の少なくとも１対の間に波長選択性位相差層を有し、さらに、光学異方性部材の光学異方性層が、液晶化合物由来の光学軸の向きが一方向に向かって回転する液晶配向パターンを有し、かつ、少なくとも１つの光学異方性部材の光学異方性層の液晶配向パターンの１周期が、他の光学異方性部材の光学異方性層とは異なる。
さらに、本発明の光学素子は、光学異方性層を構成する液晶化合物が、厚さ方向に捩れ配向されており、かつ、光学異方性部材は、面内における液晶配向パターンが等しく、捩れ方向が互いに異なる２層の光学異方性層を積層している。
このような本発明の光学素子によれば、光の屈折角度の波長依存性を大幅に低減して、波長が異なる高光量の光を、ほぼ同じ方向に屈折して透過・出射できる。
そのため、本発明の光学素子（一例として後述する光学素子３２）を、例えば、ＡＲグラスにおいて、導光板に光を入射させる回折素子および／または導光板から光を出射させる回折素子として用いることにより、高光量の光を、１枚の導光板で、色ズレを生じることなく、赤色画像、緑色画像および青色画像を伝播して、明るく適正な画像を使用者に表示できる。
【００７８】
以下、図９および図１０の概念図を参照して、光学素子１０の作用を詳細に説明する。
なお、本発明の光学素子において、光学的な作用を発現するのは、基本的に、光学異方性層および波長選択性位相差層のみである。そのため、図面を簡略化して、構成および作用効果を明確に示すために、図９では、第１光学異方性部材１２は、右捩れ光学異方性層２６Ａｐおよび左捩れ光学異方性層２６Ａｍのみを示し、第２光学異方性部材１４は、右捩れ光学異方性層２６Ｂｐおよび左捩れ光学異方性層２６Ｂｍのみを示し、かつ、図示した部材は配列方向に離間して示す。この点に関しては、後述する図１２も同様である。
【００７９】
上述のように、光学素子１０は、右捩れ光学異方性層２６Ａｐおよび左捩れ光学異方性層２６Ａｍを有する第１光学異方性部材１２と、右捩れ光学異方性層２６Ｂｐおよび左捩れ光学異方性層２６Ｂｍを有する第２光学異方性部材１４との間に、緑色光の円偏光の旋回方向を逆方向に変換する波長選択性位相差層１８Ｇを設けたものである。
光学素子１０は、一例として、青色光の円偏光および緑色光の円偏光を対象として、入射光を所定の方向に屈折して透過させる。なお、図９では、入射光を右円偏光としているが、入射光が左円偏光でも、屈折の方向が逆になるだけで、作用効果は同じである。
【００８０】
光学素子１０において、緑色光の右円偏光ＧRおよび青色光の右円偏光ＢRは、まず、第１光学異方性部材１２の右捩れ光学異方性層２６Ａｐと左捩れ光学異方性層２６Ａｍとの積層体に入射する（図５の入射光Ｌ4参照）。
上述のように、面内において、光学軸３０Ａの向きが連続的に回転して変化する、同じ液晶配向パターンを有し、かつ、液晶化合物３０が、厚さ方向に捩れ配向され、かつ、液晶化合物３０の捩れ方向が逆である２層の光学異方性層の積層体は、図４および図５に示す、面内で同様の液晶配向パターンを有し、かつ、液晶化合物が捩れ配向されていない光学異方性層２６と、同様の作用を発現する。
従って、第１光学異方性部材１２に入射した緑色光の右円偏光ＧRおよび青色光の右円偏光ＢRは、右捩れ光学異方性層２６Ａｐおよび左捩れ光学異方性層２６Ａｍによって、入射方向に対して矢印Ｘ方向とは逆方向に所定角度、屈折され、かつ、緑色光の左円偏光Ｇ1Lおよび青色光の左円偏光Ｂ1Lに変換される（図５の透過光Ｌ5参照）。
ここで、上述のように、光学軸３０Ａの向きが連続的に回転して変化する液晶配向パターンを有する光学異方性層による屈折の角度は、波長の長い緑色光の方が大きい。そのため、図１０に示すように、入射光に対する屈折の角度は、緑色光（Ｇ）の角度θG1の方が青色光（Ｂ）の角度θB1よりも大きい。
【００８１】
左捩れ光学異方性層２６Ａｍを透過した緑色光の左円偏光Ｇ1Lおよび青色光の左円偏光Ｂ1Lは、次いで、波長選択性位相差層１８Ｇに入射する。
上述のように、波長選択性位相差層１８Ｇは、緑色光の円偏光のみ、逆の旋回方向の円偏光に変換して、他の円偏光は、旋回方向を保って透過（素抜け）するものである。
従って、緑色光の左円偏光Ｇ1Lおよび青色光の左円偏光Ｂ1Lが、波長選択性位相差層１８Ｇに入射して、透過すると、青色光の左円偏光Ｂ1Lは、そのまま透過する。これに対して、緑色光の左円偏光Ｇ1Lは、緑色光の右円偏光Ｇ1Rに変換される。
【００８２】
波長選択性位相差層１８Ｇを透過した緑色光の右円偏光Ｇ1Rおよび青色光の左円偏光Ｂ1Lは、次いで、第２光学異方性部材１４の左捩れ光学異方性層２６Ｂｍと右捩れ光学異方性層２６Ｂｐとの積層体に入射する。
第１光学異方性部材１２の左捩れ光学異方性層２６Ａｍと右捩れ光学異方性層２６Ａｐとの積層体と同様、第２光学異方性部材１４の左捩れ光学異方性層２６Ｂｍと右捩れ光学異方性層２６Ｂｐとの積層体も、図４および図５に示す光学異方性層２６と同様の作用を発現する。
従って、第２光学異方性部材１４の左捩れ光学異方性層２６Ｂｍと右捩れ光学異方性層２６Ｂｐとの積層体に入射した緑色光の右円偏光Ｇ1Rおよび青色光の左円偏光Ｂ1Lは、同様に、屈折され、また、円偏光を逆の旋回方向の円偏光に変換され、緑色光の左円偏光Ｇ2Lおよび青色光の右円偏光Ｂ2Rとなって、出射される。
【００８３】
ここで、第２光学異方性部材１４に入射する緑色光の右円偏光Ｇ1Rと青色光の左円偏光Ｂ1Lとは、円偏光の旋回方向が逆である。また、第１光学異方性部材１２と第２光学異方性部材１４とは、上述のように、光学異方性層における液晶化合物３０の光学軸３０Ａの回転方向は逆である。
そのため、青色光の左円偏光Ｂ2Lは、さらに矢印Ｘ方向とは逆方向に屈折され、図１０の左側に示すように、入射光（青色光の右円偏光ＢR）に対して、角度θB2で出射される（図５の透過光Ｌ5参照）。
これに対し、緑色光の右円偏光Ｇ1Rは、青色光とは円偏光の旋回方向が逆である。そのため図１０の右側に示すように、緑色光の右円偏光Ｇ1Rは、第２光学異方性部材１４では、第１光学異方性部材１２とは逆に、屈折を戻されるように矢印Ｘに方向に屈折される（図４の透過光Ｌ2参照）。
また、各光学異方性層の１周期Λは、第１光学異方性部材１２の１周期ΛAよりも第２光学異方性部材１４の１周期ΛBの方が長いので、円偏光の屈折の角度は、第１光学異方性部材１２を透過した際よりも小さい。
その結果、第２光学異方性部材１４を透過した緑色光の左円偏光Ｇ2Lの角度θG2は、入射光（緑色光の右円偏光ＧR）に対して、先の第１光学異方性部材１２を透過した緑色光の左円偏光Ｇ1L（右円偏光Ｇ1R）の角度θG1よも小さく、青色光の左円偏光Ｂ2Lの角度θB2と、殆ど同じ角度θG2で出射される。
【００８４】
このように、本発明の光学素子１０では、波長が長く、光学異方性層による屈折が大きい緑色光は、第１光学異方性部材１２で矢印Ｘ方向と逆方向に屈折させた後、第２光学異方性部材１４によって、屈折を戻すように矢印Ｘ方行に屈折させる。詳細には、本発明の光学素子１０では、波長が長く、光学異方性層による屈折が大きい緑色光は、左捩れ光学異方性層２６Ａｍと右捩れ光学異方性層２６Ａｐとの積層体によって、矢印Ｘ方向と逆方向に屈折させた後、左捩れ光学異方性層２６Ｂｍと右捩れ光学異方性層２６Ｂｐとの積層体によって、屈折を戻すように矢印Ｘ方行に屈折させる。
これに対して、波長が短く、光学異方性層による屈折が小さい青色光は、第１光学異方性部材１２および第２光学異方性部材１４によって、共に矢印Ｘ方向と逆方向に屈折させる。
すなわち、光学素子１０では、波長に起因する光学異方性層による屈折の大きさに応じて、屈折が大きい長波長の光は、最初に屈折させた後に、２回目では、逆方向に屈折させて屈折を戻す。これに対して、屈折が小さい短波長の光は、２回目も、１回目と同方向に屈折させる。これにより、入射光に対する、緑色光の屈折の角度θG2と、青色光の屈折の角度θB2とを、極めて近い角度にできる。
そのため、本発明の光学素子１０によれば、入射した青色光と緑色光とを、ほぼ同様の角度で屈折して、ほぼ同じ方向に出射できる。しかも、光学異方性層は、液晶化合物が捩れ配向されたものであり、光学異方性部材は、捩れ方向が異なる２層の光学異方性層を積層したものであるので、出射する光（透過光）の光量も多い。
【００８５】
上述のように、光学異方性層による屈折の光の角度は、光の波長が長いほど大きい。図示例において光学異方性層は、左捩れ光学異方性層２６Ａｍ、右捩れ光学異方性層２６Ａｐ、左捩れ光学異方性層２６Ｂｍおよび右捩れ光学異方性層２６Ｂｐである。
また、光学異方性層による屈折の光の角度は、液晶配向パターンにおいて矢印Ｘ方向に沿って光学軸３０Ａの向きが１８０°回転する１周期Λが短いほど大きい。光学素子１０では、一例として、図１にも示すように、第１光学異方性部材１２の光学異方性層における液晶配向パターンの１周期ΛAが、第２光学異方性部材１４の光学異方性層における液晶配向パターンの１周期ΛBよりも短い。すなわち、光入射側の第１光学異方性部材１２の方が、大きく光を屈折させる。
従って、対象とする光の波長に対して、液晶配向パターンの１周期Λを調節することで、好適に、異なる波長の光の出射方向を同一方向にできる。
【００８６】
図示例の光学素子１０のように、２種の波長域の光を対象にする場合には、長波長の光の設計波長をλａ、短波長の光の設計波長をλｂとし（λａ＞λｂ）、１つ目の光学異方性部材の光学異方性層における液晶配向パターンの１周期をΛ1、２つ目の光学異方性部材の光学異方性層における液晶配向パターンの１周期をΛ2とした場合に、下記の式
Λ2＝［（λａ＋λｂ）／（λａ−λｂ）］Λ1
を満たす場合に、２種の波長域の光の出射方向を、ほぼ同方向にできる。なお、この式においては、第１光学異方性部材１２および第２光学異方性部材１４の、いずれを１つ目の光学異方性部材にしてもよい。
この点を考慮すると、本発明においては、２種の波長（波長域）の光を対象とする光学素子１０においては、下記の式を満たすのが好ましい。
０．６＊｛［（λａ＋λｂ）／（λａ−λｂ）］Λ1｝≦Λ2
≦３．０＊｛［（λａ＋λｂ）／（λａ−λｂ）］Λ1｝
これにより、屈折の波長依存性を極めて小さくして、２種の波長域の光の出射方向を、ほぼ同方向にできる。
また、本発明において、２種の波長（波長域）の光を対象とする光学素子１０は、下記の式を満たすのがより好ましく、
０．７＊｛［（λａ＋λｂ）／（λａ−λｂ）］Λ1｝≦Λ2
≦１．８＊｛［（λａ＋λｂ）／（λａ−λｂ）］Λ1｝
下記の式を満たすのがさらに好ましく、
０．８＊｛［（λａ＋λｂ）／（λａ−λｂ）］Λ1｝≦Λ2
≦１．３＊｛［（λａ＋λｂ）／（λａ−λｂ）］Λ1｝
下記の式を満たすのが特に好ましい。
０．９＊｛［（λａ＋λｂ）／（λａ−λｂ）］Λ1｝≦Λ2
≦１．１５＊｛［（λａ＋λｂ）／（λａ−λｂ）］Λ1｝
【００８７】
［光学素子の第２の態様］
以上の光学素子１０は、緑色光および青色光という２種の波長域（設計波長）の光を対象とするものであるが、本発明の光学素子は、これに限定はされず、３種あるいはそれ以上の種類の波長域の光を対象として、入射光を屈折させて出射してもよい。
【００８８】
図１１に、その一例を示す。
なお、図１１に示す光学素子３２は、図１に示す光学素子１０と同じ部材を多用するので、同じ部材には同じ符号を付し、以下の説明は、異なる部位を主に行う。
図１１に示す光学素子３２は、上述の光学素子１０の第１光学異方性部材１２、第２光学異方性部材１４および波長選択性位相差層１８Ｇに加え、第３光学異方性部材１６および波長選択性位相差層１８Ｒを有する。
【００８９】
第３光学異方性部材１６は、第１光学異方性部材１２等と同様の構成を有するものであり、支持体２０と、配向膜２４Ｃと、右捩れ光学異方性層２６Ｃｐおよび左捩れ光学異方性層２６Ｃｍとを有する。
配向膜２４Ｃ、ならびに、右捩れ光学異方性層２６Ｃｐおよび左捩れ光学異方性層２６Ｃｍは、１周期Λが異なる以外は、上述の配向膜２４Ａ、ならびに、右捩れ光学異方性層２６Ａｐおよび左捩れ光学異方性層２６Ａｍと、同様のものである。従って、右捩れ光学異方性層２６Ｃｐと左捩れ光学異方性層２６Ｃｍとは、矢印Ｘ方向に沿って光学軸３０Ａが回転する液晶配向パターンは等しく、かつ、液晶化合物３０の捩れ方向は、互いに逆である。
また、波長選択性位相差層１８Ｒは、赤色光の円偏光を選択的に逆の旋回方向の円偏光に変換するものであり、赤色光の右円偏光を赤色光の左円偏光に変換し、また、赤色光の左円偏光を赤色光の右円偏光に変換し、それ以外の光は、そのまま透過させる。
【００９０】
光学素子３２においては、第１光学異方性部材１２の光学異方性層と、第３光学異方性部材１６の光学異方性層とが、矢印Ｘ方向に沿った液晶化合物３０の光学軸３０Ａの回転方向が等しく、第２光学異方性部材１４の光学異方性層は、矢印Ｘ方向に沿った液晶化合物３０の光学軸３０Ａの回転方向が他の２層の光学異方性層とは逆である。
図示例において、第１光学異方性部材１２の光学異方性層は、右捩れ光学異方性層２６Ａｐおよび左捩れ光学異方性層２６Ａｍである。また、第３光学異方性部材１６の光学異方性層は、右捩れ光学異方性層２６Ｃｐおよび左捩れ光学異方性層２６Ｃｍである。さらに、第２光学異方性部材１４の光学異方性層は、右捩れ光学異方性層２６Ｂｐおよび左捩れ光学異方性層２６Ｂｍである。
また、光学素子３２は、液晶配向パターンにおいて液晶化合物３０の光学軸３０Ａが１８０°回転する矢印Ｘ方向の長さ１周期Λが、第１光学異方性部材１２の光学異方性層の１周期ΛAが最も短く、第２光学異方性部材１４の光学異方性層の１周期ΛBが最も長い。光学素子３２は、第１光学異方性部材１２側を、光入射側にする。すなわち、光学素子３２においては、光入射側の第１光学異方性部材１２の光学異方性層（積層体）が、最も、大きく光を屈折させる。
さらに、光学素子３２は、第１光学異方性部材１２と第２光学異方性部材１４との間に、赤色光の円偏光の旋回方向を選択的に変換する波長選択性位相差層１８Ｒを配置する。また、光学素子３２は、第２光学異方性部材１４と第３光学異方性部材１６との間に、緑色光の円偏光の旋回方向を選択的に変換する波長選択性位相差層１８Ｇを配置する。
【００９１】
以下、図１２および図１３を参照して、光学素子３２の作用を詳細に説明する。
光学素子１０は、一例として、赤色光の円偏光、緑色光の円偏光および青色光の円偏光を対象として、入射光を所定の方向に屈折して透過させる。なお、上述の図９と同様、図１２では、入射光を右円偏光としているが、入射光が左円偏光でも、屈折の方向が逆になるだけで、作用効果は同じである。
【００９２】
光学素子１０において、赤色光の右円偏光ＲR、緑色光の右円偏光ＧRおよび青色光の右円偏光ＢR（図５の入射光Ｌ4参照）が、第１光学異方性部材１２の右捩れ光学異方性層２６Ａｐと左捩れ光学異方性層２６Ａｍとの積層体に入射する。
上述のように、面内において、光学軸３０Ａの向きが連続的に回転して変化する、同じ液晶配向パターンを有し、かつ、液晶化合物３０が、厚さ方向に捩れ配向され、かつ、液晶化合物３０の捩れ方向が逆である２層の光学異方性層の積層体は、図４および図５に示す光学異方性層２６と同様の作用を発現する。
従って、赤色光の右円偏光ＲR、緑色光の右円偏光ＧRおよび青色光の右円偏光ＢRが第１光学異方性部材１２に入射すると、上述のように、入射方向に対して矢印Ｘ方向とは逆方向に、所定角度、屈折され、かつ、旋回方向が逆の、赤色光の左円偏光Ｒ1L、緑色光の左円偏光Ｇ1Lおよび青色光の左円偏光Ｂ1L（図５の透過光Ｌ5参照）に変換される。
ここで、上述のように、光学異方性層による屈折の角度は、波長が最も長い赤色光が最も大きく、波長が最も短い青色光が最も小さい。従って、入射光に対する屈折の角度は、図１３に示すように、赤色光（Ｒ）の角度θR1が最も大きく、緑色光（Ｇ）の角度θG1が中間で、青色光（Ｂ）の角度θB1が最も小さい。なお、光学異方性層の１周期Λは、第１光学異方性部材１２の光学異方性層の１周期ΛAが最も短いので、各光の屈折の角度は、第１光学異方性部材１２を透過した際が最も大きい。
【００９３】
第１光学異方性部材１２を透過した赤色光の左円偏光Ｒ1L、緑色光の左円偏光Ｇ1Lおよび青色光の左円偏光Ｂ1Lは、次いで、波長選択性位相差層１８Ｒに入射する。
上述のように、波長選択性位相差層１８Ｒは、赤色光の円偏光のみ、逆の旋回方向の円偏光に変換して、他の光は、そのまま透過するものである。
従って、赤色光の左円偏光Ｒ1L、緑色光の左円偏光Ｇ1Lおよび青色光の左円偏光Ｂ1Lが、波長選択性位相差層１８Ｒに入射して、透過すると、緑色光の左円偏光Ｇ1Lおよび青色光の左円偏光Ｂ1Lは、そのまま透過する。これに対して、赤色光の左円偏光Ｒ1Lは、赤色光の右円偏光Ｒ1Rに変換される。
【００９４】
波長選択性位相差層１８Ｒを透過した赤色光の右円偏光Ｒ1R、緑色光の左円偏光Ｇ1Lおよび青色光の左円偏光Ｂ1Lは、次いで、第２光学異方性部材１４の右捩れ光学異方性層２６Ｂｐと左捩れ光学異方性層２６Ｂｍとの積層体に入射する。
第２光学異方性部材１４に入射した赤色光の右円偏光Ｒ1R、緑色光の左円偏光Ｇ1Lおよび青色光の左円偏光Ｂ1Lは、同様に、屈折され、また、逆の旋回方向の円偏光に変換され、赤色光の左円偏光Ｒ2L、緑色光の右円偏光Ｇ2Rおよび青色光の右円偏光Ｂ2Rとなって、出射される。
【００９５】
ここで、第２光学異方性部材１４に入射する緑色光および青色光は、共に、左円偏光である。これに対して、第２光学異方性部材１４に入射する赤色光は、波長選択性位相差層１８Ｒによって円偏光の方向を変換された、緑色光および青色光とは旋回の方向が異なる右円偏光である。
また、第１光学異方性部材１２の光学異方性層と、第２光学異方性部材１４の光学異方性層とは、上述のように、液晶化合物３０の光学軸３０Ａの回転方向が逆である。
そのため、右捩れ光学異方性層２６Ｂｐに入射した緑色光の左円偏光Ｇ2Lおよび青色光の左円偏光Ｂ2Lは、さらに、矢印Ｘ方向とは逆方向に屈折され、図１３に示すように、入射光（緑色光の右円偏光ＧRおよび青色光の右円偏光ＢR）に対して、角度θG2および角度θB2で出射される（図５の透過光Ｌ5参照）。
これに対し、第２光学異方性部材１４に入射した旋回方向が逆の赤色光の右円偏光Ｒ1Rは、図１３の右側に示すように、第１光学異方性部材１２とは逆に、屈折を戻されるように矢印Ｘ方向に屈折される（図４の透過光Ｌ2参照）。その結果、第２光学異方性部材１４から出射される赤色光の左円偏光Ｒ2Lは、入射光（赤色光の右円偏光ＲR）に対して、角度θR1よりも角度が小さい、角度θR2で出射される。
なお、光学異方性層の１周期Λは、第２光学異方性部材１４の光学異方性層の１周期ΛBが最も長いので、各光の屈折の角度は、第２光学異方性部材１４を透過した際が最も小さい。
【００９６】
第２光学異方性部材１４を透過した赤色光の左円偏光Ｒ2L、緑色光の右円偏光Ｇ2Rおよび青色光の右円偏光Ｂ2Rは、次いで、波長選択性位相差層１８Ｇに入射する。
上述のように、波長選択性位相差層１８Ｇは、緑色光の円偏光のみ、逆の旋回方向の円偏光に変換して、他の光は、そのまま透過するものである。
従って、赤色光の左円偏光Ｒ2L、緑色光の右円偏光Ｇ2Rおよび青色光の右円偏光Ｂ2Rが，波長選択性位相差層１８Ｇに入射して、透過すると、赤色光の左円偏光Ｒ2Lおよび青色光の右円偏光Ｂ2Rは、そのまま透過する。これに対して、緑色光の右円偏光Ｇ2Rは、旋回方向が逆の緑色光の左円偏光Ｇ2Lに変換される。
【００９７】
波長選択性位相差層１８Ｇを透過した赤色光の左円偏光Ｒ2L、緑色光の左円偏光Ｇ2Lおよび青色光の右円偏光Ｂ2Rは、次いで、第３光学異方性部材１６の右捩れ光学異方性層２６Ｃｐと左捩れ光学異方性層２６Ｃｍとの積層体に入射する。
第３光学異方性部材１６に入射した赤色光の左円偏光Ｒ2L、緑色光の左円偏光Ｇ2Lおよび青色光の右円偏光Ｂ2Rは、同様に、屈折され、また、円偏光を逆の旋回方向の円偏光に変換され、赤色光の右円偏光Ｒ3R、緑色光の右円偏光Ｇ3Rおよび青色光の左円偏光Ｂ3Lとなって、出射される。
【００９８】
ここで、第３光学異方性部材１６に入射する青色光は、青色光の右円偏光Ｂ2Rである。また、赤色光は、先に波長選択性位相差層１８Ｒで円偏光の方向を変換されているので、第３光学異方性部材１６に入射する赤色光は、青色光とは円偏光の方向が異なる赤色光の左円偏光Ｒ2Lである。さらに、第３光学異方性部材１６に入射する緑色光は、波長選択性位相差層１８Ｇによって円偏光の方向を変換された緑色光の左円偏光Ｇ2Lである。
すなわち、第３光学異方性部材１６に入射するのは、青色光が右円偏光で、赤色光および緑色光が、波長選択性位相差層によって旋回方向が変換された左円偏光である。
また、第２光学異方性部材１４の光学異方性層と、第３光学異方性部材１６の光学異方性層とは、上述のように、液晶化合物３０の光学軸３０Ａの回転方向は逆である。
【００９９】
そのため、図１２および図１３に示すように、第３光学異方性層２６Ｃに入射した青色光の右円偏光Ｂ2Rは、さらに、矢印Ｘ方向とは逆方向に屈折され、図１３に示すように、入射光（青色光の右円偏光ＢR）に対して、角度θB3で出射される。
これに対し、円偏光の方向が逆の赤色光の左円偏光Ｒ2Lは、第３光学異方性部材１６に入射すると、さらに、矢印Ｘ方向に戻されるように屈折される。その結果、第３光学異方性部材１６から出射される赤色光の右円偏光Ｒ3Rは、入射光（赤色光の右円偏光ＲR）に対して、先の角度θR2よりも角度が小さい、角度θR3で出射される。
同様に、青色光とは円偏光が逆の緑色光の左円偏光Ｇ2Lは、第３光学異方性部材１６に入射すると、図１０の中央に示すように、今までとは逆に、矢印Ｘに戻されるように屈折される。その結果、第３光学異方性部材１６から出射される緑色光の右円偏光Ｇ3Rは、入射光（緑色光の右円偏光ＧR）に対して、角度θG2よりも角度が小さい、角度θG3で出射される。
なお、光学異方性層の１周期Λは、第３光学異方性部材１６の光学異方性層の１周期ΛCは、他の光学異方性部材の間なので、第３光学異方性部材１６を透過する光の屈折の角度は、第１光学異方性部材１２と第２光学異方性部材１４との間の角度となる。
【０１００】
すなわち、光学素子３２においては、最も長波長で、光学異方性層による屈折が大きい赤色光は、まず、第１光学異方性部材１２（左捩れ光学異方性層２６Ａｍおよび右捩れ光学異方性層２６Ａｐ）よって矢印Ｘ方向とは逆の方向に屈折される。赤色光は、その後、第２光学異方性部材１４（左捩れ光学異方性層２６Ｂｍおよび右捩れ光学異方性層２６Ｂｐ）および第３光学異方性部材１６（左捩れ光学異方性層２６Ｃｍおよび右捩れ光学異方性層２６Ｃｐ）によって、２回、逆の矢印Ｘ方向に屈折される。
また、２番目に長波長で、光学異方性層による屈折が２番目に大きい緑色光は、第１光学異方性部材１２および第２光学異方性部材１４によって矢印Ｘ方向とは逆の方向に屈折された後、第３光学異方性部材１６によって、１回、逆の矢印Ｘ方向に屈折される。
さらに、最も短波長で、光学異方性層による屈折が最も小さい青色光は、第１光学異方性部材１２、第２光学異方性部材１４および第３光学異方性部材１６によって、３回、矢印Ｘ方向とは逆の方向に屈折される。
このように、本発明の光学素子３２は、好ましい態様として、最初に、全ての光を同じ方向に大きく屈折させた後、再度、１以上の光学異方性部材によって光を屈折させると共に、波長に応じた光学異方性層による屈折の大きさに応じて、最も長波長の光は、最も多くの回数、最初の屈折とは逆方向に戻すように屈折させ、波長が短くなるに応じて、最初の屈折とは逆方向に戻す屈折の回数を低減し、最も短波長の光は、最初の屈折とは逆方向に戻す屈折の回数を最も少なくする。これにより、入射光に対する、赤色光の屈折の角度θR3と、緑色光の屈折の角度θG3と、青色光の屈折の角度θB3とを、極めて近い角度にできる。
そのため、本発明の光学素子３２によれば、入射した赤色光、青色光および緑色光を、ほぼ同様の角度で屈折して、ほぼ同じ方向に出射できる。しかも、光学異方性層は、液晶化合物が捩れ配向されたものであり、光学異方性部材は、捩れ方向が異なる２層の光学異方性層を積層したものであるので、出射する光（透過光）の光量も多い。
【０１０１】
図示例の光学素子３２のように、３種の波長域の光を対象にする場合には、最も長波長の光の設計波長をλａ、中間の波長の光の設計波長をλｂ、最も短波長の光の設計波長をλｃとし（λａ＞λｂ＞λｃ）、１つ目の光学異方性部材の光学異方性層における液晶配向パターンの１周期をΛ1、２つ目の光学異方性部材における光学異方性層の液晶配向パターンの１周期をΛ2、３つ目の光学異方性部材における光学異方性層における液晶配向パターン１周期をΛ3とした場合に、下記の２つの式
Λ2＝［（λａ＋λｃ）λｂ／（λａ−λｂ）λｃ］Λ1、
Λ3＝［（λａ＋λｃ）λｂ／（λｂ−λｃ）λａ］Λ1
を満たす場合に、２種の波長域の光の出射方向を、ほぼ同方向にできる。なお、この式においては、第１光学異方性部材１２および第３光学異方性部材１６の、いずれを１つ目にしてもよい。
この点を考慮すると、本発明においては、３種の波長（波長域）の光を対象とする光学素子３２においては、下記の２式の少なくとも一方を満たすのが好ましく、両方を満たすのがより好ましい。
０．６＊｛［（λａ＋λｃ）λｂ／（λａ−λｂ）λｃ］Λ1｝≦Λ2
≦３．０＊｛［（λａ＋λｃ）λｂ／（λａ−λｂ）λｃ］Λ1｝
０．６＊｛［（λａ＋λｃ）λｂ／（λｂ−λｃ）λａ］Λ1｝≦Λ3
≦３．０＊｛［（λａ＋λｃ）λｂ／（λｂ−λｃ）λａ］Λ1｝
これにより、屈折の波長依存性を極めて小さくして、２種の波長域の光の出射方向を、ほぼ同方向にできる。
また、本発明においては、３種の波長（波長域）の光を対象とする光学素子３２は、下記の２式を満たすのがより好ましく、
０．７＊｛［（λａ＋λｃ）λｂ／（λａ−λｂ）λｃ］Λ1｝≦Λ2
≦１．８＊｛［（λａ＋λｃ）λｂ／（λａ−λｂ）λｃ］Λ1｝
０．７＊｛［（λａ＋λｃ）λｂ／（λｂ−λｃ）λａ］Λ1｝≦Λ3
≦１．８＊｛［（λａ＋λｃ）λｂ／（λｂ−λｃ）λａ］Λ1｝
下記の２式を満たすのがさらに好ましく、
０．８＊｛［（λａ＋λｃ）λｂ／（λａ−λｂ）λｃ］Λ1｝≦Λ2
≦１．３＊｛［（λａ＋λｃ）λｂ／（λａ−λｂ）λｃ］Λ1｝
０．８＊｛［（λａ＋λｃ）λｂ／（λｂ−λｃ）λａ］Λ1｝≦Λ3
≦１．３＊｛［（λａ＋λｃ）λｂ／（λｂ−λｃ）λａ］Λ1｝
下記の２式を満たすのが特に好ましい。
０．９＊｛［（λａ＋λｃ）λｂ／（λａ−λｂ）λｃ］Λ1｝≦Λ2
≦１．１５＊｛［（λａ＋λｃ）λｂ／（λａ−λｂ）λｃ］Λ1｝
０．９＊｛［（λａ＋λｃ）λｂ／（λｂ−λｃ）λａ］Λ1｝≦Λ3
≦１．１５＊｛［（λａ＋λｃ）λｂ／（λｂ−λｃ）λａ］Λ1｝
【０１０２】
本発明の光学素子においては、上述のように、複数の光学異方性部材を配列して、光の波長に応じて、長波長で光学異方性層による屈折の大きい光ほど、多くの回数、最初の光学異方性部材とは逆方向に屈折させることで、波長の異なる光を、ほぼ同じ角度で屈折させて、ほぼ同じ方向に出射することを可能にしている。
そのため、本発明の光学素子が、複数の波長選択性位相差層を有する場合には、図１１および図１２に示す光学素子３２と同様、波長選択性位相差層は、光学異方性部材の配列方向に、漸次、円偏光を逆の旋回方向に変換する光の波長域が短くなるのが好ましい。
【０１０３】
また、本発明の光学素子では、最初の光学異方性部材の光学異方性層による屈折を大きくして、それ以降は、徐々に同方向に屈折させ、また、徐々に逆方向に屈折を戻した方が、各光の屈折を制御し易く、各光の屈折を均一にし易い。この点を考慮すると、図１１および図１２に示される光学素子３２と同様、配列方向の最も端に位置する光学異方性部材の光学異方性層の液晶配向パターンの１周期Λをもっとも短くするのが好ましい。すなわち、配列方向の最も端に位置する光学異方性部材による屈折を、最も大きくするのが好ましい。
なお、本発明の光学素子において、光学異方性部材における光学異方性層の液晶配向パターンの１周期Λは、光学異方性部材の配列方向に、漸次、大きくなる構成でもよい。あるいは、図１１および図１２に示す光学素子３２のように、光学異方性層の液晶配向パターンの１周期Λが最も大きい光学異方性部材と、光学異方性層の液晶配向パターンの１周期Λが最も小さい光学異方性部材との間に、光学異方性層の液晶配向パターンの１周期Λが中間の光学異方性部材を設ける構成など、光学異方性部材の光学異方性層の液晶配向パターンの１周期Λの変化が、光学異方性部材の配列方向に不規則であってもよい。すなわち、本発明の光学素子において、各光学異方性部材の光学異方性層の液晶配向パターンの１周期Λは、光の波長、および、光学異方性部材（光学異方性層）による屈折率に応じて、適宜、設定すればよい。
【０１０４】
本発明の光学素子においては、複数の波長選択性位相差層を有する場合には、基本的に、図１１および図１２に示す光学素子３２と同様に、光学異方性部材と波長選択性位相差層とは、交互に配列される。この際においては、波長選択性位相差層の層数は、光学異方性部材の層数よりも、１層、少ないのが好ましい。
しかしながら、本発明は、これに制限はされず、例えば、光学異方性層を、複数枚、連続的に配列させて、複数の光学異方性層で連続して屈折させた光を、波長選択性位相差層に入射するようにしてもよい。
また、２枚の光学異方性部材の間に、複数枚の波長選択性位相差層を配置してもよい。しかしながら、２枚の光学異方性部材の間に同じ波長域の円偏光を逆の旋回方向の円偏光に変換する波長選択性位相差層を、複数枚、配置する場合には、その数は、奇数枚とするのが好ましい。
【０１０５】
本発明の光学素子においては、光学異方性層の液晶配向パターンの１周期Λが等しい光学異方性部材が存在してもよい。
しかしながら、複数の波長域の光の屈折すなわち出射角度を均一にし易い等の点で、全ての光学異方性部材で、互いに、光学異方性層の液晶配向パターンの１周期Λが異なるのが好ましい。
【０１０６】
本発明の光学素子において、光学異方性部材を構成する光学異方性層における液晶化合物の配向パターンにおける１周期Λにも、制限はなく、光学素子の用途等に応じて、適宜、設定すればよい。
【０１０７】
本発明の光学素子においては、最も短波長の設計波長の円偏光を選択的に逆の旋回方向の円偏光に変換する波長選択性位相差層を有していてもよい。例えば、第３光学異方性部材１６の後に青色光の円偏光を選択的に逆の旋回方向に変換する第３の波長選択性位相差層を配置してもよい。第３光学異方性部材１６の後とは、光の進行方向の下流側である。
上述のように、第３の波長選択性位相差層は、青色光の円偏光のみ、逆の旋回方向の円偏光に変換して、他の光は、そのまま透過するものである。
従って、赤色光の右円偏光Ｒ3R、緑色光の右円偏光Ｇ3Rおよび青色光の左円偏光Ｂ3Lが、第３の波長選択性位相差層Ｂに入射して、透過すると、赤色光の右円偏光Ｒ3Rおよび緑色光の右円偏光Ｇ3Rは、そのまま透過する。これに対して、青色光の左円偏光Ｂ3Lは、青色光の右円偏光Ｂ3Rに変換される。
これにより、光学素子から出射する青色光、緑色光、赤色光の円偏光を同一の旋回方向の円偏光にすることができる。
【０１０８】
ここで、本発明の光学素子は、一例として、ＡＲグラスにおいて、ディスプレイが表示した光を屈折して導光板に導入する回折素子、および、導光板を伝播した光を屈折して導光板から使用者による観察位置に出射させる回折素子に、好適に利用される。特に、フルカラー画像に対応可能な光学素子３２は、ＡＲグラスにおける回折素子として好適に利用可能である。
この際においては、導光板で光を全反射させるためには、入射光に対して、ある程度の大きな角度で光を屈折させて導光板に導入する必要がある。また、導光板を伝播してきた光を確実に出射させるためにも、入射光に対して、ある程度の大きな角度で光を屈折させる必要がある。
また、上述のように、光学異方性層による光の透過角度は、液晶配向パターンにおける１周期Λを短くすることで、入射光に対する透過光の角度を大きくできる。
【０１０９】
加えて、上述のように、面内で光学軸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し、さらに、液晶化合物が捩れ配向され、かつ捩れ方向が逆の光学異方性層を２層、積層した光学異方性部材は、同様の液晶配向パターンを有し、かつ、液晶化合物３０が捩れ配向されていない光学異方性層２６を用いた場合に比して、光学異方性部材の透過光（出射光）の光量を向上できる。
特に、液晶化合物が捩れ配向されていない光学異方性層２６は、入射光に対する透過光の屈折角度が、ある程度の角度以上になると、透過光の光量低下が大きくなる。これに対して、捩れ方向が逆の光学異方性層を２層、積層した光学異方性部材は、透過光の屈折角度が大きくなっても、光量の低下が非常に少ない。すなわち、光量の向上効果は、入射光に対する透過光の屈折角度が、ある程度の角度以上になると、大きくなる。従って、本発明の光学素子における光量向上効果は、光学異方性層における液晶化合物の配向パターンにおける１周期Λが、短い方が、大きい。
【０１１０】
この点を考慮すると、光学異方性部材を構成する光学異方性層の少なくとも１層は、液晶配向パターンにおける１周期Λが、１０μｍ以下であるのが好ましく、５μｍ以下であるのがより好ましく、３μｍ以下であるのがさらに好ましい。
なお、液晶配向パターンの精度等を考慮すると、光学異方性層の液晶配向パターンにおける１周期Λは、０．１μｍ以上とするのが好ましい。
【０１１１】
また、同様の理由で、本発明の光学素子を構成する光学異方性部材は、入射光に対する透過光の透過角度が１０°以上であるのが好ましく、１５°以上であるのがより好ましく、２０°以上であるのがさらに好ましい。
【０１１２】
上述のように、面内において、光学軸３０Ａの向きが連続的に回転して変化する、同じ液晶配向パターンを有し、かつ、液晶化合物３０が、厚さ方向に捩れ配向され、かつ、液晶化合物３０の捩れ方向が逆である２層の光学異方性層の積層体は、この積層体は、図４および図５に示す光学異方性層２６と同様の作用を発現する。
すなわち、右捩れ光学異方性層２６Ａｐと左捩れ光学異方性層２６Ａｍとの積層体、右捩れ光学異方性層２６Ｂｐと左捩れ光学異方性層２６Ｂｍとの積層体、および、右捩れ光学異方性層２６Ｃｐと左捩れ光学異方性層２６Ｃｍとの積層体は、図４および図５に示す光学異方性層２６と同様の作用を発現する。
【０１１３】
これに対し、面内において、光学軸３０Ａの向きが連続的に回転して変化する、同じ液晶配向パターンを有し、かつ、液晶化合物３０が、厚さ方向に捩れ配向された光学異方性層は、単層では、垂直に入射した光を、液晶化合物３０の捩れ方向に応じて、捩れ方向と一致している旋回方向の円偏光成分のみを同様に屈折させ、それ以外の円偏光成分は、そのまま透過する。
例えば、第１光学異方性部材１２であれば、液晶化合物３０の捩れ方向が右方向（ツイスト角が＋φ）である右捩れ光学異方性層２６Ａｐは、単層の場合には、右円偏光のみを上述のように屈折させ、左円偏光は、そのまま透過する。逆に、液晶化合物３０の捩れ方向が左方向（ツイスト角が−φ）である左捩れ光学異方性層２６Ａｍは、単層の場合には、左円偏光のみを上述のように屈折させ、右円偏光は、そのまま透過する。
【０１１４】
従って、入射する光の円偏光の旋回方向が一方向で決まっている場合には、最も光入射側に位置する光学異方性部材、すなわち、配列方向（積層方向）の端部に位置する光学異方性部材は、液晶化合物３０の捩れ方向が互いに逆の２層の光学異方性層ではなく、入射する円偏光の旋回方向に応じた、１層の光学異方性層のみを有してもよい。
例えば、図１１および図１２に示す光学素子３２のように、赤色光の右円偏光ＲR、緑色光の右円偏光ＧRおよび青色光の右円偏光ＢRが入射する場合には、図１４に示す光学素子３２Ａのように、第１光学異方性部材１２Ａが、液晶化合物３０の捩れ方向が右方向である右捩れ光学異方性層２６Ａｐを１層のみを有する構成でもよい。
同様に、図１および図９に示す光学素子１０のように、緑色光の右円偏光ＧRおよび青色光の右円偏光ＢRが入射する場合には、図１および図９に示す光学素子１０において、第１光学異方性部材１２が、液晶化合物３０の捩れ方向が左方向である左捩れ光学異方性層２６Ａｍを有さず、液晶化合物３０の捩れ方向が右方向である右捩れ光学異方性層２６Ａｐを１層のみを有する構成でもよい。
逆に、光学素子に左円偏光を入射する場合には、光入射側の第１光学異方性部材１２が、液晶化合物３０の捩れ方向が右方向である右捩れ光学異方性層２６Ａｐを有さず、液晶化合物３０の捩れ方向が左方向である左捩れ光学異方性層２６Ａｍを１層のみを有する構成とすればよい。
【０１１５】
さらに、本発明の光学素子は、図４および図５に示すような、面内において、光学軸３０Ａの向きが連続的に回転して変化する液晶配向パターンを有し、かつ、液晶化合物３０が、厚さ方向に捩れ配向されていない光学異方性層２６も、利用可能である。
すなわち、上述のように、右捩れ光学異方性層２６Ａｐと左捩れ光学異方性層２６Ａｍとの積層体、右捩れ光学異方性層２６Ｂｐと左捩れ光学異方性層２６Ｂｍとの積層体、および、右捩れ光学異方性層２６Ｃｐと左捩れ光学異方性層２６Ｃｍとの積層体は、図４および図５に示す、光学異方性層２６と同様の作用を発現する。
従って、例えば、図１および図９に示す光学素子１０において、第１光学異方性部材１２および第２光学異方性部材１４のいずれかを、図４および図５に示す光学異方性層２６に置き換えてもよい。また、図１１および図１２に示す光学素子３２において、第１光学異方性部材１２、第２光学異方性部材１４および第３光学異方性部材１６の１つまたは２つを、図４および図５に示す光学異方性層２６に置き換えてもよい。
また、図１４に示す光学素子３２Ａにおいて、第２光学異方性部材１４および第３光学異方性部材１６のいずれかを、図４および図５に示す光学異方性層２６に置き換えてもよい。さらに、図１および図９に示す光学素子１０が第１光学異方性部材１２が右捩れ光学異方性層２６Ａｐを１層のみを有する構成において、第２光学異方性部材１４を図４および図５に示す光学異方性層２６に置き換えてもよい。
【０１１６】
このように、光学異方性層２６を用いる態様によれば、透過光の光量の点では、若干、不利であるが、上述の例と同様に、波長の異なる光を、ほぼ同じ角度で屈折させて、ほぼ同じ方向に出射できる。
ここで、前述のように、本発明においては、光が最初に入射する第１光学異方性部材において、光を最も大きく屈折させるのが好ましい。また、前述のように、光学異方性層２６は、入射光に対する透過光の屈折角度が大きくなると、光量が大きく低下する。この点を考慮すると、光が最初に入射する部材、すなわち、配列方向の一方の端に位置する部材は、液晶化合物が捩れ配向されていない光学異方性層２６ではなく、図１、図１１および図１４等に示すように、液晶化合物が捩れ配向された１層の光学異方性層または捩れ方向が互いに異なる２層の光学異方性層を積層した光学異方性部材であるのが好ましい。
なお、第１光学異方性部材１２〜第３光学異方性部材１６を光学異方性層２６に置き換えた本発明の光学素子において、光学異方性層２６の液晶配向パターンの１周期Λは、上述した第１光学異方性部材１２〜第３光学異方性部材１６の光学異方性層の１周期Λと同様である。
【０１１７】
図１〜図１６に示す光学素子は、光学異方性層の液晶配向パターンにおける液晶化合物３０の光学軸３０Ａは、矢印Ｘ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３０の光学軸３０Ａ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。
【０１１８】
一例として、図１６に平面図で概念的に示すような、液晶配向パターンが、液晶化合物３０の光学軸の向きが連続的に回転しながら変化する一方向を、内側から外側に向かう同心円状に有する、同心円状のパターンである、光学異方性層３４が例示される。言い換えれば、図１６に示す光学異方性層３４の液晶配向パターンは、液晶化合物３０の光学軸の向きが連続的に回転しながら変化する一方向が、光学異方性層３４の中心から放射状に設けられた液晶配向パターンである。
【０１１９】
なお、図３と同様、図１６の光学異方性層３４においても、配向膜の表面の液晶化合物３０のみを示すが、光学異方性層３４も、上述した右捩れおよび左捩れ光学異方性層と同様、図２に示されるように、この配向膜の表面の液晶化合物３０から、液晶化合物３０が厚さ方向に積み重ねられ、かつ、厚さ方向に捩れ配向されているのは、上述の例と同様である。
また、図１６に示す光学異方性層３４も、液晶化合物３０の捩れ配向の捩れ方向が互いに異なる右捩れ光学異方性層と左捩れ光学異方性層とが積層されて、光学異方性部材が構成され、あるいは、右捩れ光学異方性層または左捩れ光学異方性層を１層のみ有して光学異方性部材が構成される。
さらに、図１６では、光学異方性層３４のみ示すが、本発明の光学素子は、１層または２層の光学異方性層を有する光学異方性部材を、複数、有し、少なくとも１対の２つの光学異方性部材の間に波長選択性位相差層を有するのは、上述のとおりである。従って、このような同心円状の液晶配向パターンを有する光学異方性層３４を用いる場合でも、一例として図１１に示す光学素子３２のように、第１光学異方性部材と、赤色光の円偏光を変換する波長選択性位相差層と、第２光学異方性部材と、緑色光の円偏光を変換する波長選択性位相差層と、第３光学異方性部材とを、この順番で配列した構成を有する。
【０１２０】
図１６に示す光学異方性層３４において、液晶化合物３０の光学軸（図示省略）は、液晶化合物３０の長手方向である。
光学異方性層３４では、液晶化合物３０の光学軸の向きは、光学異方性層３４の中心から外側に向かう多数の方向、例えば、矢印Ａ１で示す方向、矢印Ａ２で示す方向、矢印Ａ３で示す方向…に沿って、連続的に回転しながら変化している。
この液晶配向パターンを有する光学異方性層３４に入射した円偏光は、液晶化合物３０の光学軸の向きが異なる個々の局所的な領域において、それぞれ、絶対位相が変化する。この際に、それぞれの絶対位相の変化量は、円偏光が入射した液晶化合物３０の光学軸の向きに応じて異なる。
【０１２１】
このような、同心円状の液晶配向パターン、すなわち、放射状に光学軸が連続的に回転して変化する液晶配向パターンを有する光学異方性層３４は、液晶化合物３０の光学軸の回転方向および入射する円偏光の方向に応じて、入射光を、発散光または集束光として透過できる。
すなわち、光学異方性層の液晶配向パターンを同心円状とすることにより、本発明の光学素子は、例えば、凸レンズまたは凹レンズとして機能を発現する。
【０１２２】
ここで、光学異方性層の液晶配向パターンを同心円状として、光学素子を凸レンズとして作用させる場合には、液晶配向パターンにおいて光学軸が１８０°回転する１周期Λを、光学異方性層３４の中心から、光学軸が連続的に回転する１方向の外方向に向かって、漸次、短くするのが好ましい。
上述のように、入射方向に対する光の屈折の角度は、液晶配向パターンにおける１周期Λが短いほど、大きくなる。従って、液晶配向パターンにおける１周期Λを、光学異方性層３４の中心から、光学軸が連続的に回転する１方向の外方向に向かって、漸次、短くすることにより、光学異方性層３４による光の集束力を、より向上でき、凸レンズとしての性能を、向上できる。
【０１２３】
なお、本発明においては、例えば凹レンズとする場合など、光学素子の用途によっては、液晶配向パターンにおいて光学軸が１８０°回転する１周期Λを、光学異方性層３４の中心から、１方向の外方向に向かって、漸次、短くするのが好ましい。
上述のように、入射方向に対する光の屈折の角度は、液晶配向パターンにおける１周期Λが短いほど、大きくなる。従って、液晶配向パターンにおける１周期Λを、光学異方性層３４の中心から、光学軸が連続的に回転する１方向の外方向に向かって、漸次、短くすることにより、光学異方性層３４による光の発散力を、より向上でき、凹レンズとしての性能を、向上できる。
【０１２４】
なお、前述のように、一方向に沿って液晶化合物に由来する光学軸が回転する液晶配向パターンを有する光学異方性層では、光学軸の回転方向（時計回りか、反時計回りか）、および、入射する円偏光の旋回方向によって、光の屈折方向が逆になる。すなわち、本発明の光学素子に用いられる光学異方性層では、光学軸の回転方向、および、入射する円偏光の旋回方向によって、入射した光の屈折方向が、光学軸が回転する一方向、および、光学軸が回転する一方向とは逆方向の、いずれかの方向になる。
従って、図１６に示すような、同心円状の液晶配向パターンを有する光学異方性層を用いる光学素子では、光学素子が凹レンズおよび凸レンズのいずれとして作用するかは、光学軸の回転方向と、入射する円偏光の旋回方向との組み合わせによって決まる。言い換えれば、入射する円偏光の旋回方向を選択することで、光学素子を、凹レンズとして作用させるか、凸レンズとして作用させるかを、選択できる。
この点に関しては、図１に示すような、矢印Ｘ方向の一方向のみに液晶化合物３０の光学軸３０Ａが連続的に回転する光学異方性層でも、同様であり、入射する円偏光の旋回方向を選択することで、透過光の進行方向を、矢印Ｘ方向および矢印Ｘ方向と逆方向の、いずれの方向にするかを選択できる。
【０１２５】
本発明において、光学素子を凸レンズまたは凹レンズとして作用させる場合には、下記の式を満たすのが好ましい。
Φ（ｒ）＝（π／λ）［（ｒ2＋ｆ2）1/2−ｆ］
ここで、ｒは同心円の中心からの距離で次式ｒ＝（ｘ2＋ｙ2）1/2で表わされる。ｘ、ｙは面内の位置を表し、（ｘ、ｙ）＝（０、０）は同心円の中心を表す。Φ（ｒ）は中心からの距離ｒにおける光学軸の角度、λは波長、ｆは設計の焦点距離を表わす。
【０１２６】
なお、本発明においては、例えば透過光に光量分布を設けたい場合など、光学素子の用途によって、光学軸が連続的に回転する１方向に向かって、１周期Λを、漸次、変更するのではなく、光学軸が連続的に回転する１方向において、部分的に１周期Λが異なる領域を有する構成も利用可能である。
加えて、本発明の光学素子は、１周期Λが全面的に均一な光学異方性層と、１周期Λが異なる領域を有する光学異方性層とを有してもよい。この点に関しては、図１に示すような、一方向のみに光学軸が連続的に回転する構成でも、同様である。
【０１２７】
図１７に、配向膜２４に、このような同心円状の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。配向膜２４とは、例えば、配向膜２４Ａ、配向膜２４Ｂおよび配向膜２４Ｃである。
露光装置８０は、レーザ８２を備えた光源８４と、レーザ８２からのレーザ光ＭをＳ偏光ＭＳとＰ偏光ＭＰとに分割する偏光ビームスプリッター８６と、Ｐ偏光ＭＰの光路に配置されたミラー９０ＡおよびＳ偏光ＭＳの光路に配置されたミラー９０Ｂと、Ｓ偏光ＭＳの光路に配置されたレンズ９２と、偏光ビームスプリッター９４と、λ／４板９６とを有する。
【０１２８】
偏光ビームスプリッター８６で分割されたＰ偏光ＭＰは、ミラー９０Ａによって反射されて、偏光ビームスプリッター９４に入射する。他方、偏光ビームスプリッター８６で分割されたＳ偏光ＭＳは、ミラー９０Ｂによって反射され、レンズ９２によって集光されて偏光ビームスプリッター９４に入射する。
Ｐ偏光ＭＰおよびＳ偏光ＭＳは、偏光ビームスプリッター９４で合波されて、λ／４板９６によって偏光方向に応じた右円偏光および左円偏光となって、支持体２０の上の配向膜２４に入射する。
ここで、右円偏光と左円偏光の干渉により、配向膜２４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。同心円の内側から外側に向かうにしたがい、左円偏光と右円偏光の交差角が変化するため、内側から外側に向かってピッチが変化する露光パターンが得られる。これにより、配向膜２４において、配向状態が周期的に変化する同心円状の配向パターンが得られる。
【０１２９】
この露光装置８０において、液晶化合物３０の光学軸が一方向に沿って連続的に１８０°回転する液晶配向パターンの１周期Λは、レンズ９２の屈折力（レンズ９２のＦナンバー）レンズ９２の焦点距離、および、レンズ９２と配向膜２４との距離等を変化させることで、制御できる。
また、レンズ９２の屈折力を調節することによって、液晶化合物３０の光学軸が連続的に回転する一方向において、液晶配向パターンの１周期Λの長さを変更できる。
具体的には、平行光と干渉させる、レンズ９２で広げる光の広がり角によって、液晶化合物３０の光学軸が連続的に回転する一方向において、液晶配向パターンの１周期Λの長さを変えることができる。より具体的には、レンズ９２の屈折力を弱くすると、平行光に近づくため、液晶配向パターンの１周期Λの長さは、内側から外側に向かって緩やかに短くなり、Ｆナンバーは大きくなる。逆に、レンズ９２の屈折力を強めると、液晶配向パターンの１周期Λの長さは、内側から外側に向かって急に短くなり、Ｆナンバーは小さくなる。
【０１３０】
このように、光学軸が連続的に回転する１方向において、光学軸が１８０°回転する１周期Λを変更する構成は、図１、図１１および図１４等に示す、矢印Ｘ方向の一方向のみに液晶化合物３０の光学軸３０Ａが連続的に回転して変化する構成でも、利用可能である。
例えば、液晶配向パターンの１周期Λを、矢印Ｘ方向に向かって、漸次、短くすることにより、集光するように光を透過する光学素子を得ることができる。また、液晶配向パターンにおいて、光学軸が１８０°回転する方向を逆にすることにより、矢印Ｘ方向にのみ拡散するように光を透過する光学素子を得ることができる。なお、入射する円偏光の旋回方向を逆にすることでも、矢印のＸ方向にのみ拡散するように光を透過する光学素子を得ることができる。
さらに、例えば透過光に光量分布を設けたい場合など、光学素子の用途によって、矢印Ｘ方向に向かって、１周期Λを漸次、変更するのではなく、矢印Ｘ方向において、部分的に１周期Λが異なる領域を有する構成も利用可能である。例えば、部分的に１周期Λを変更する方法として、集光したレーザ光の偏光方向を任意に変えながら、光配向膜をスキャン露光してパターニングする方法等を利用することができる。
【０１３１】
本発明の光学素子は、光学装置における光路変更部材、光集光素子、所定方向への光拡散素子、および、回折素子等、入射方向とは異なる方向に光を透過する、各種の用途に利用可能である。
【０１３２】
好ましい一例として、図１８に概念的に示すように、本発明の光学素子を、導光板４２に離間して設けることで、上述したＡＲグラスにおいて、ディスプレイ４０が照射した光（投影像）を、全反射に十分な角度で導光板４２に導入し、導光板４２を伝播した光を、導光板４２からＡＲグラスの使用者Ｕによる観察位置に出射する、回折素子として用いることが例示される。すなわち、図１８に示すのは、本発明の光学素子を用いる、本発明の導光素子である。なお、図１８では、フルカラー画像に対応して図１１に示す光学素子３２を例示しているが、例えば、ＡＲグラスで２色画像を表示する場合であれば、図１に示す光学素子１０も好適に利用可能である。
上述のように、本発明の光学素子は、透過の際の屈折角度の波長依存性が小さいので、ディスプレイ４０が照射した赤色光、緑色光および青色光を同じ方向に屈折できる。そのため、１枚の導光板４２で、赤色画像、緑色画像および青色画像を伝播しても、色ズレのないフルカラー画像を、導光板からＡＲグラスの使用者Ｕによる観察位置に出射できる。従って、本発明の光学素子を用いる本発明の導光素子によれば、ＡＲグラスの導光板を、全体的に薄く、軽くして、ＡＲグラスの構成を簡略化できる。しかも、上述のように、本発明の光学素子は、透過光の光量が多いので、明るいフルカラー画像を表示することができる。
なお、本発明の導光素子は、図１８に示すように、導光板４２に、互いに離間する２つの本発明の光学素子を設ける構成に制限はされず、導光板４２への光の導入のため、または、導光板４２からの光の取り出しのため、導光板に本発明の光学素子を１つのみ、設けた構成であってもよい。
【０１３３】
以上の例は、本発明の光学素子を、２つまたは３つの光学異方性部材を有する、緑色光および青色光の２色、または、赤色光、緑色光および青色光の３色の光を透過して屈折する光学素子に利用したものであるが、本発明は、これに限定はされず、各種の構成は利用可能である。
例えば、本発明の光学素子は、図１１と同様に３つの光学異方性部材と２層の波長選択性位相差層とを有し、赤色光、緑色光および青色光から選択される２色と、赤外線または紫外線を透過して屈折する構成でもよい。あるいは、本発明の光学素子は、４つまたは５つ（または６つ以上）の光学異方性部材と、３層または４層（光学異方性層の層数マイナス１層）の波長選択性位相差層とを有し、赤色光、緑色光および青色光に加え、赤外線および／または紫外線を透過して屈折する構成でもよい。あるいは、本発明の光学素子は、図１と同様に２つの光学異方性部材と１層の波長選択性位相差層とを有し、赤色光および青色光、または、赤色光および緑色光を透過して屈折する構成、または、赤色光、緑色光および青色光から選択される１色と、赤外線または紫外線とを屈折して透過する構成でもよい。または、赤外線または／および紫外線を屈折して透過する構成でもよい。
【０１３４】
以上、本発明の光学素子および導光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。
【実施例】
【０１３５】
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。【０１３６】
［実施例１］
＜第１光学異方性部材の作製＞
（支持体、および、支持体の鹸化処理）
支持体として、市販されているトリアセチルセルロースフィルム（富士フイルム社製、Ｚ−ＴＡＣ）を用意した。
支持体を、温度６０℃の誘電式加熱ロールを通過させて、支持体の表面温度を４０℃に昇温した。
その後、支持体の片面に、バーコーターを用いて下記に示すアルカリ溶液を塗布量１４ｍＬ（リットル）／ｍ2で塗布し、支持体を１１０℃に加熱し、さらに、スチーム式遠赤外ヒーター（ノリタケカンパニーリミテド社製）の下を、１０秒間搬送した。
続いて、同じくバーコーターを用いて、支持体のアルカリ溶液塗布面に、純水を３ｍＬ／ｍ2塗布した。次いで、ファウンテンコーターによる水洗およびエアナイフによる水切りを３回繰り返した後に、７０℃の乾燥ゾーンを１０秒間搬送して乾燥させ、支持体の表面をアルカリ鹸化処理した。【０１３７】
アルカリ溶液
―――――――――――――――――――――――――――――――――
水酸化カリウム                                    ４．７０質量部
水                                              １５．８０質量部
イソプロパノール                                ６３．７０質量部
界面活性剤
ＳＦ−１：Ｃ14Ｈ29Ｏ（ＣＨ2ＣＨ2Ｏ）2ＯＨ      １．０  質量部
プロピレングリコール                            １４．８  質量部
―――――――――――――――――――――――――――――――――【０１３８】
（下塗り層の形成）
支持体のアルカリけん化処理面に、下記の下塗り層形成用塗布液を＃８のワイヤーバーで連続的に塗布した。塗膜が形成された支持体を６０℃の温風で６０秒間、さらに１００℃の温風で１２０秒間乾燥し、下塗り層を形成した。【０１３９】
下塗り層形成用塗布液
―――――――――――――――――――――――――――――――――
下記変性ポリビニルアルコール                      ２．４０質量部
イソプロピルアルコール                            １．６０質量部
メタノール                                      ３６．００質量部
水                                              ６０．００質量部
―――――――――――――――――――――――――――――――――【０１４０】
【化１】
0006975321.tif 000002
【０１４１】
（配向膜の形成）
下塗り層を形成した支持体上に、下記の配向膜形成用塗布液を＃２のワイヤーバーで連続的に塗布した。この配向膜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、配向膜を形成した。【０１４２】
配向膜形成用塗布液
―――――――――――――――――――――――――――――――――
光配向用素材Ａ                                    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
―――――――――――――――――――――――――――――――――【０１４３】
−光配向用素材Ａ−
【化２】
0006975321.tif 000003
【０１４４】
（配向膜の露光）
図１５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パターン配向膜Ｐ−１を形成した。
露光装置において、半導体レーザとして波長（４０５ｎｍ）のレーザ光を出射するものを用いた。干渉光による露光量を１００ｍＪ／ｃｍ2とした。なお、２つのレーザ光およびの干渉により形成される配向パターンの１周期（液晶化合物由来の光学軸が１８０°回転する長さ）は、２つの光の交差角（交差角α）を変化させることによって制御した。【０１４５】
（右捩れ光学異方性層の形成）
光学異方性層を形成する液晶組成物として、下記の組成物Ａ−１を調製した。
組成物Ａ−１
―――――――――――――――――――――――――――――――――
液晶化合物Ｌ−１                              １００．００質量部
キラル剤Ｃｈ１                                    ０．１２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                            ３１３．００質量部
―――――――――――――――――――――――――――――――――【０１４６】
液晶化合物Ｌ−１
【化３】
0006975321.tif 000004
【０１４７】
キラル剤Ｃｈ１
【化４】
0006975321.tif 000005
【０１４８】
レベリング剤Ｔ−１
【化５】
0006975321.tif 000006
【０１４９】
右捩れ光学異方性層は、組成物Ａ−１をパターン配向膜Ｐ−１上に多層塗布することにより形成した。多層塗布とは、先ず配向膜の上に１層目の組成物Ａ−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すことを指す。多層塗布により形成することにより、液晶層の総厚が厚くなった時でも配向膜の配向方向が液晶層の下面から上面にわたって反映される。【０１５０】
先ず１層目は、パターン配向膜Ｐ−１上に下記の組成物Ａ−１を塗布して、塗膜をホットプレート上で７０℃に加熱し、その後、２５℃に冷却した後、窒素雰囲気下でＬＥＤ光源を用いて波長３６５ｎｍの紫外線（ｉ線）のみを４０ｍＪ／ｃｍ2の照射量で塗膜に照射した。その後、再び塗膜をホットプレート上で７０℃に加熱し、さらに、２５℃に冷却した後、窒素雰囲気下で高圧水銀灯を用いて波長３５０ｎｍ以下の波長を有する混合紫外線の照射を行い、液晶化合物の配向を固定化した。この時の１層目の液晶層の膜厚は０．２μｍであった。【０１５１】
２層目以降は、この液晶層に重ね塗りして、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、右捩れ光学異方性層を形成した。
右捩れ光学異方性層は、最終的に液晶のΔｎ550×厚さ（Ｒｅ（５５０））が２８５ｎｍになり、かつ、図３に示すような周期的な配向表面になっていることを偏光顕微鏡で確認した。なお、この第１光学異方性層の液晶配向パターンにおいて、液晶化合物由来の光学軸が１８０°回転する１周期は、１．１μｍであった。以下、特に記載が無い場合には、『Δｎ550×ｄ』等の測定は、同様に行った。【０１５２】
また、光学異方性層の断面を走査型電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope、ＳＥＭ）で観察し、右捩れ光学異方性層における液晶化合物の捩れ角を求めた。その結果、右捩れ光学異方性層における液晶化合物の捩れ角は＋６５°であった。
なお、本例において、液晶化合物の捩れ角は、光の入射方向から見た際に、右方向に捩じれている場合を『＋』、逆の左方向に捩じれている場合を『−』とする。【０１５３】
（左捩れ光学異方性層の形成）
キラル剤Ｃｈ１を、キラル剤Ｃｈ２に変更した以外は、同様に光学異方性層を形成するための組成物を調製した。このキラル剤は、液晶化合物を、上述したキラル剤Ｃｈ１とは逆の捩れ方向に捩れ配向するキラル剤である。
この組成物を用いた以外は、右捩れ光学異方性層と同様に、右捩れ光学異方性層上に直接、左捩れ光学異方性層を形成して、図１に示す構成の第１光学異方性部材を作製した。
右捩れ光学異方性層と同様に測定したところ、左捩れ光学異方性層における液晶化合物の捩れ角は−６５°であった。【０１５４】
キラル剤Ｃｈ２
【化６】
0006975321.tif 000007
【０１５５】
＜第２光学異方性部材の作製＞
図１５に示す露光装置によって配向膜を露光する際の２つの光の交差角を変更した以外は、パターン配向膜Ｐ−１と同様にして、配向パターンを有するパターン配向膜Ｐ−２を形成した。
このパターン配向膜Ｐ−２上に、第１光学異方性部材と同じ組成物を用い、第１光学異方性部材と同様に右捩れ光学異方性層および左捩れ光学異方性層を形成して、第２光学異方性部材を作製した。
形成した光学異方性層は、最終的に液晶のΔｎ550×厚さ（Ｒｅ（５５０））が２８５ｎｍになり、かつ、図３に示すような周期的な配向表面になっていることを、第１光学異方性層と同様にして確認した。なお、この第２光学異方性部材を構成する光学異方性層において、液晶化合物由来の光学軸が１８０°回転する１周期は、１２．８μｍであった。
第１光学異方性部材と同様に確認したところ、第２光学異方性部材の右捩れ光学異方性層における液晶化合物の捩れ角は＋６５°、左捩れ光学異方性層における液晶化合物の捩れ角は−６５°であった。【０１５６】
＜第３光学異方性部材の作製＞
図１５に示す露光装置によって配向膜を露光する際の２つの光の交差角を変更した以外は、パターン配向膜Ｐ−１と同様にして、配向パターンを有するパターン配向膜Ｐ−３を形成した。
このパターン配向膜Ｐ−２上に、第１光学異方性部材と同様の組成物を用いて、ＬＥＤ光源を用いた波長３６５ｎｍの紫外線（ｉ線）のみの照射量を４５ｍＪ／ｃｍ2に変更した以外は、第１光学異方性部材と同様に、右捩れ光学異方性層および左捩れ光学異方性層を形成して、第３光学異方性部材を作製した。
形成した光学異方性層は、最終的に液晶のΔｎ550×厚さ（Ｒｅ（５５０））が２８５ｎｍになり、かつ、図３に示すような周期的な配向表面になっていることを、第１光学異方性層と同様にして確認した。なお、この光学異方性層の液晶配向パターンにおいて、液晶化合物由来の光学軸が１８０°回転する１周期は、１１．９μｍであった。
第１光学異方性部材と同様に確認したところ、第３光学異方性部材の右捩れ光学異方性層における液晶化合物の捩れ角は＋６０°、左捩れ光学異方性層における液晶化合物の捩れ角は−６０°であった。【０１５７】
＜波長選択性位相差層の作製＞
（配向膜Ｐ−３の形成）
第１光学異方性部材と同様にして配向膜Ｐ−３を形成した。【０１５８】
（配向膜Ｐ−３の露光）
得られた配向膜Ｐ−３を偏光紫外線照射（５０ｍＪ／ｃｍ2、超高圧水銀ランプ使用）することで、配向膜の露光を行った。【０１５９】
（λ／４板の作製）
λ／４板を形成する液晶組成物として、下記の組成物Ｄ−１を調製した。
組成物Ｄ−１
―――――――――――――――――――――――――――――――――
液晶化合物Ｌ−２                                ４２．００質量部
液晶化合物Ｌ−３                                ４２．００質量部
液晶化合物Ｌ−４                                １６．００質量部
重合開始剤ＰＩ−１                                ０．５０質量部
レベリング剤Ｇ−１                                ０．２０質量部
メチルエチルケトン                            １７６．００質量部
シクロペンタノン                                ４４．００質量部
―――――――――――――――――――――――――――――――――【０１６０】
−液晶化合物Ｌ−２−
【化７】
0006975321.tif 000008
【０１６１】
−液晶化合物Ｌ−３−
【化８】
0006975321.tif 000009
【０１６２】
−液晶化合物Ｌ−４−
【化９】
0006975321.tif 000010
【０１６３】
−重合開始剤ＰＩ−１−
【化１０】
0006975321.tif 000011
【０１６４】
−レベリング剤Ｇ−１−
【化１１】
0006975321.tif 000012
【０１６５】
λ／４板として、逆分散液晶化合物からなる層を形成した。
λ／４板は、上記の組成物Ｄ−１を配向膜Ｐ−３上に塗布することにより形成した。塗布した塗膜をホットプレート上で１００℃に加熱し、その後、６５℃に冷却した後、窒素雰囲気下で高圧水銀灯を用いて波長３６５ｎｍの紫外線を５００ｍＪ／ｃｍ2の照射量で塗膜に照射することにより、液晶化合物の配向を固定化した。
これにより、λ／４板を得た。得られたλ／４板のＲｅ（５５０）は１２８ｎｍ、Ｒｅ（４５０）／Ｒｅ（５５０）＝０．８６であった。【０１６６】
（λ＝４９０ｎｍにおけるλ板の作製）
λ板を形成する液晶組成物として、下記の組成物Ｄ−２を調製した。
組成物Ｄ−２
―――――――――――――――――――――――――――――――――
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Ｇ−１                                ０．２０質量部
メチルエチルケトン                            ２４３．００質量部
―――――――――――――――――――――――――――――――――【０１６７】
λ板は、上記の組成物Ｄ−２を別途準備した配向膜Ｐ−３上に塗布することにより形成した。塗布した塗膜をホットプレート上で７０℃に加熱し、その後、２５℃に冷却した後、窒素雰囲気下で高圧水銀灯を用いて波長３６５ｎｍの紫外線を５００ｍＪ／ｃｍ2の照射量で塗膜に照射することにより、液晶化合物の配向を固定化した。これにより、λ板を得た。
得られたλ板の波長λ＝４９０ｎｍにおけるＲｅ（４９０）は４９０ｎｍであった。【０１６８】
（λ＝４９０ｎｍにおける２λ板の作製）
λ板の作製において、液晶化合物の塗膜の膜厚を変更した以外は同様にして、２λ板を得た。
得られた２λ板の波長λ＝４９０ｎｍにおけるＲｅ（４９０）は９８０ｎｍであった。【０１６９】
下記の表１に記載の層構成になるようにλ／４板、λ板、および、２λ板を積層した。なお、表１における層数の値が小さい方が、第１光学異方性部材側になるように順次積層した。また、積層時は、支持体および配向膜を剥離してから、順次積層した。これにより、赤色光の円偏光を逆の旋回方向の円偏光に変換し、それ以外の光を透過する、第１の波長選択性位相差層を作製した。
【表１】
0006975321.tif 000013
【０１７０】
表２に記載のＲｅ（λ）、および、遅相軸方位に変更した以外は同様にして、緑色光の円偏光を逆の旋回方向の円偏光に変換し、それ以外の光を透過する、第２の波長選択性位相差層を作製した。
【表２】
0006975321.tif 000014
【０１７１】
＜光学素子の作製＞
作製した第１光学異方性部材、第１の波長選択性位相差層、第２光学異方性部材、第２の波長選択性位相差層、および、第３光学異方性部材を、この順番で、接着剤によって貼り合わせることにより、光学素子を作製した。
なお、貼り合わせ時には、各光学異方性層および各波長選択性位相差層から支持体および配向膜を剥離してから、次の層を貼り合わせた。この構成は、図１１に示す概念図から、支持体２０ならびに配向膜２４Ａ、２４Ｂおよび２４Ｃを除いた態様に相当する。【０１７２】
［実施例２］
＜第１光学異方性部材の作製＞
光学異方性層を形成する液晶組成物として、下記の組成物Ｃ−１を調製した。
組成物Ｃ−１
―――――――――――――――――――――――――――――――――
液晶化合物Ｌ−２                                ４２．００質量部
液晶化合物Ｌ−３                                ４２．００質量部
液晶化合物Ｌ−４                                １６．００質量部
キラル剤Ｃｈ１                                    ０．０６質量部
重合開始剤ＰＩ−１                                ０．５０質量部
レベリング剤Ｔ−１                                ０．１０質量部
メチルエチルケトン                            １７６．００質量部
シクロペンタノン                                ４４．００質量部
―――――――――――――――――――――――――――――――――【０１７３】
−液晶化合物Ｌ−２−
【化１２】
0006975321.tif 000015
【０１７４】
−液晶化合物Ｌ−３−
【化１３】
0006975321.tif 000016
【０１７５】
−液晶化合物Ｌ−４−
【化１４】
0006975321.tif 000017
【０１７６】
−重合開始剤ＰＩ−１−
【化１５】
0006975321.tif 000018
【０１７７】
上述の組成物Ｃ−１において、キラル剤Ｃｈ１をキラル剤Ｃｈ２に変更した以外は、同様にして、光学異方性層を形成するための組成物を調製した。【０１７８】
右捩れ光学異方性層の形成に組成物Ｃ−１を用い、左捩れ光学異方性層の形成に組成物Ｃ−１からキラル剤を変更した組成物を用い、かつ、ホットプレート上で１００℃に加熱し、その後、８０℃に冷却した後、窒素雰囲気下でＬＥＤ光源を用いて波長３６５ｎｍの紫外線（ｉ線）のみを１５ｍＪ／ｃｍ2の照射量で塗膜に照射を行い、その後、再び塗膜をホットプレート上で１００℃に加熱し、さらに、８０℃に冷却した後、窒素雰囲気下で高圧水銀灯を用いて波長３５０ｎｍ以下の波長を有する混合紫外線の照射を行った以外は、実施例１と同様にして光学異方性層を形成して、第１光学異方性部材、第２光学異方性部材および第３光学異方性部材を作製した。なお、第３の光学異方性部材のみ、ＬＥＤ光源を用いた紫外線（ｉ線）のみの照射量を１８ｍＪ／ｃｍ2に変更して行った。
形成した光学異方性層は、いずれも、最終的に液晶のΔｎ550×厚さ（Ｒｅ（５５０））が２７５ｎｍになり、かつ、図３に示すような周期的な配向表面になっていることを、実施例１と同様にして確認した。
なお、第１光学異方性部材の光学異方性層の液晶配向パターンおける、液晶化合物由来の光学軸が１８０°回転する１周期は１．１μｍ、
第２光学異方性部材の光学異方性層の液晶配向パターンにおける、液晶化合物由来の光学軸が１８０°回転する１周期は１２．８μｍ、
第３光学異方性部材の光学異方性層の液晶配向パターンにおける、液晶化合物由来の光学軸が１８０°回転する１周期は、１１．９μｍ、であった。【０１７９】
また、実施例１と同様に、液晶化合物の捩れ角を確認した。
その結果、第１光学異方性部材は、右捩れ光学異方性層における液晶化合物の捩れ角は＋１００°、左捩れ光学異方性層における液晶化合物の捩れ角は−１００°であった。
また、第２光学異方性部材は、右捩れ光学異方性層における液晶化合物の捩れ角は＋１００°、左捩れ光学異方性層における液晶化合物の捩れ角は−１００°であった。
さらに、第３光学異方性部材は、右捩れ光学異方性層における液晶化合物の捩れ角は＋９０°、左捩れ光学異方性層における液晶化合物の捩れ角は−９０°であった。【０１８０】
＜波長選択性位相差層＞
実施例１と同じ第１の波長選択性位相差層および第２の波長選択性位相差層を用いた。【０１８１】
＜光学素子の作製＞
この第１光学異方性部材、第２光学異方性部材および第３光学異方性部材、ならびに、第１の波長選択性位相差層および第２の波長選択性位相差層を用いて、実施例１と同様にして、光学素子を作製した。【０１８２】
［実施例３］
第１光学異方性部材が、左捩れ光学異方性層を有さない以外は、実施例１と同様に光学素子を作製した。【０１８３】
［比較例１］
実施例１の第１光学異方性部材を、光学素子とした。
［比較例２］
第１の波長選択性位相差層および第２の波長選択性位相差層を用いない以外は、実施例１と同様に光学素子を作製した。【０１８４】
［比較例３］
右捩れ光学異方性層を形成する組成物Ａ−１においてキラル剤を除いた以外は、同様にして、光学異方性層を形成するための組成物を調製した。
この組成物を用い、かつ、塗膜をホットプレート上で７０℃に加熱し、その後、２５℃に冷却した後、窒素雰囲気下で高圧水銀灯を用いて波長３６５ｎｍの紫外線を１００ｍＪ／ｃｍ2の照射量で塗膜に照射することにより、液晶化合物の配向を固定化した以外は、実施例１の右捩れ光学異方性層と同様に光学異方性層を形成し、また、左捩れ光学異方性層を形成しなかった以外は、実施例１と同様に第１光学異方性部材、第２光学異方性部材および第３光学異方性部材を形成した。
この光学異方性部材を用いて、実施例１と同様に光学素子を作製した。【０１８５】
［比較例４］
実施例２の第１光学異方性部材を、光学素子とした。【０１８６】
［実施例４〜実施例１３］
＜光学異方性部材の作製＞
図１５に示す露光装置によって配向膜を露光する際の２つの光の交差角を、種々、変更した以外は、実施例１と同様にして、下記の表３に示す液晶配向パターンにおける液晶化合物の光軸が１８０°回転する１周期を有する、各種の第１光学異方性部材、第２光学異方性部材および第３光学異方性部材を作製した。
なお、各光学異方性部材における、液晶配向パターンおける液晶化合物の光軸が１８０°回転する１周期は、実施例１と同様に確認した。液晶配向パターンおける、液晶化合物由来の光軸が１８０°回転する１周期は、表３に示す。【０１８７】
＜波長選択性位相差層＞
実施例１と同じ第１の波長選択性位相差層および第２の波長選択性位相差層を用いた。【０１８８】
＜光学素子の作製＞
この第１光学異方性部材、第２光学異方性部材および第３光学異方性部材、ならびに、第１の波長選択性位相差層および第２の波長選択性位相差層を用いて、実施例１と同様にして、光学素子を作製した。【０１８９】
＜円偏光板の作製＞
後述する『透過の波長依存性の評価』および『明るさの評価』を行うために、下記のようにして、円偏光板Ｂ、円偏光板Ｇおよび円偏光板Ｒを作製した。
最初に、円偏光板Ｇを作製した。
まず、実施例１と同様にして下塗り層を形成した支持体を用意した。【０１９０】
（パターン配向膜Ｐ−０の形成）
下塗り層を形成した支持体上に、下記のパターン配向膜Ｐ−０形成用塗布液を＃２.４のワイヤーバーで連続的に塗布した。このパターン配向膜Ｐ−０形成用塗布液の塗膜が形成された支持体を８０℃のホットプレート上で５分間乾燥し、パターン配向膜Ｐ−０を形成した。【０１９１】
パターン配向膜Ｐ−０形成用塗布液
―――――――――――――――――――――――――――――――――
光配向用素材  重合体Ａ２                          ４．３５質量部
低分子化合物Ｂ２                                  ０．８０質量部
架橋剤Ｃ１                                        ２．２０質量部
化合物Ｄ１                                        ０．４８質量部
化合物Ｄ２                                        １．１５質量部
酢酸ブチル                                    １００．００質量部
―――――――――――――――――――――――――――――――――【０１９２】
（（重合体Ａ２の合成））
撹拌機、温度計、滴下漏斗および還流冷却管を備えた反応容器に、２−（３，４−エポキシシクロヘキシル）エチルトリメトキシシラン１００質量部、メチルイソブチルケトン５００質量部、および、トリエチルアミン１０質量部を仕込み、室温で混合した。次いで、脱イオン水１００質量部を滴下漏斗より３０分かけて滴下した後、還流下で混合しつつ、８０℃で６時間反応させた。反応終了後、有機相を取り出し、０．２質量％硝酸アンモニウム水溶液により洗浄後の水が中性になるまで洗浄した後、減圧下で溶媒および水を留去することにより、エポキシ含有ポリオルガノシロキサンを粘調な透明液体として得た。
このエポキシ含有ポリオルガノシロキサンについて、1Ｈ−ＮＭＲ（Ｎｕｃｌｅａｒ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）分析を行ったところ、化学シフト（δ）＝３．２ｐｐｍ付近にオキシラニル基に基づくピークが理論強度どおりに得られ、反応中にエポキシ基の副反応が起こっていないことが確認された。このエポキシ含有ポリオルガノシロキサンの重量平均分子量Ｍｗは２，２００、エポキシ当量は１８６ｇ／モルであった。
次に、１００ｍＬの三口フラスコに、上記で得たエポキシ含有ポリオルガノシロキサン１０．１質量部、アクリル基含有カルボン酸（東亜合成社製、アロニックスＭ−５３００、アクリル酸ω−カルボキシポリカプロラクトン（重合度ｎ≒２））０．５質量部、酢酸ブチル２０質量部、特開２０１５−２６０５０号公報の合成例１の方法で得られた桂皮酸誘導体１．５質量部、および、テトラブチルアンモニウムブロミド０．３質量部を仕込み、９０℃で１２時間撹拌した。反応終了後、反応溶液と等量（質量）の酢酸ブチルで希釈し、３回水洗した。
この溶液を濃縮し、酢酸ブチルで希釈する操作を２回繰り返し、最終的に、光配向性基を有するポリオルガノシロキサン（下記重合体Ａ２）を含む溶液を得た。この重合体Ａ２の重量平均分子量Ｍｗは９，０００であった。また、1Ｈ−ＮＭＲ分析の結果、重合体Ａ２中のシンナメート基を有する成分は２３．７質量％であった。【０１９３】
−重合体Ａ２−
【化１６】
0006975321.tif 000019
【０１９４】
−低分子化合物Ｂ２−
下記式で表される低分子化合物Ｂ２（日清オリイオ社、ノムコートＴＡＢ）を用いた。
【化１７】
0006975321.tif 000020
【０１９５】
−架橋剤Ｃ１−
下記式で表わされる架橋剤Ｃ１（ナガセケムテックス社製、デナコールＥＸ４１１）を用いた。
【化１８】
0006975321.tif 000021
【０１９６】
−化合物Ｄ１−
下記式で表わされる化合物Ｄ１（川研ファインケミカル社製、アルミキレートＡ（Ｗ））を用いた。
【化１９】
0006975321.tif 000022
【０１９７】
−化合物Ｄ２−
下記式で表わされる化合物Ｄ２（東洋サイエンス社製、トリフェニルシラノール）を用いた。
【化２０】
0006975321.tif 000023
【０１９８】
（パターン配向膜Ｐ−０の露光）
得られたパターン配向膜Ｐ−０に偏光紫外線を照射（２０ｍＪ／ｃｍ2、超高圧水銀ランプ使用）することで、パターン配向膜Ｐ−０の露光を行った。【０１９９】
＜＜λ／４板の作製＞＞
λ／４板（光学異方性層）は、組成物Ｃ−１をパターン配向膜Ｐ−０上に塗布することにより形成した。塗布した塗膜をホットプレート上で１１０℃に加熱し、その後、６０℃に冷却した後、窒素雰囲気下で高圧水銀灯を用いて波長３６５ｎｍの紫外線を５００ｍＪ／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て、光学異方性層を作製した。
得られたλ／４板のΔｎ530×ｄ（Ｒｅ（５３０））は１３２．５ｎｍであった。【０２００】
＜＜円偏光板Ｇの作製＞＞
λ／４板のトリアセチルセルロースフィルム側に、粘着剤を介して偏光板を貼り合わせて円偏光板Ｇを得た。【０２０１】
＜＜円偏光板Ｂおよび円偏光板Ｒの作製＞＞
上述の円偏光板Ｇの作製において、λ／４板（光学異方性層）の膜厚を変更し、Δｎ450×ｄ（Ｒｅ（４５０））を１１２．５ｎｍ、および、Δｎ635×ｄ（Ｒｅ（６３５））を１５８．８ｎｍにした以外は、円偏光板Ｇと同様にして、円偏光板Ｂおよび円偏光板Ｒを作製した。【０２０２】
［透過の波長依存性の評価］
作製した光学素子に正面（法線に対する角度０°の方向）から光を入射した際における、赤色光、緑色光および青色光の、入射光に対する透過光の角度を測定した。透過光の角度は、入射光を０°とした際における、入射光に対する透過光の角度である。
具体的には、赤色光（６３５ｎｍ）、緑色光（５３０ｎｍ）および青色光（４５０ｎｍ）に出力の中心波長を持つレーザ光を、作製した光学素子に法線方向に１０ｃｍ離れた位置から垂直入射させ、透過光を１００ｃｍの距離に配置したスクリーンで捉えて、透過角度を算出した。すなわち、本例においては、最も長波長の光の設計波長λａは６３５ｎｍ、中間の波長の光の設計波長λｂは５３０ｎｍ、最も短波長の光の設計波長λｃは４５０ｎｍとしている。
なお、レーザ光を各波長に対応する円偏光板Ｂ、円偏光板Ｇおよび円偏光板Ｒに垂直入射させて、円偏光にした後、作製した光学素子に入射し、評価を行った。
赤色光、緑色光および青色光の平均透過角度θaveと、赤色光、緑色光および青色光のうちの最大透過角度θmaxおよび最小透過角度θminとから、下記の式によって、透過光の屈折の波長依存性ＰＥ［％］を算出した。ＰＥが小さいほど、透過光の屈折の波長依存性が低い。
ＰＥ［％］＝［（θmax−θmin）／θave］×１００
ＰＥが５％以下の場合をＡＡ、
ＰＥが５％超１０％以下の場合をＡ、
ＰＥが１０％超２０％以下の場合をＢ、
ＰＥが２０％超３０％以下の場合をＣ、
ＰＥが３０％超の場合をＤ、と評価した。
結果を表３に示す。【０２０３】
［明るさの評価］
図２０に示す方法で、作製した光学素子に正面（法線に対する角度０°の方向）から光を入射した際における、透過光の、入射光に対する相対光強度を測定した。
具体的には、赤色光（６３５ｎｍ）、緑色光（５３０ｎｍ）および青色光（４５０ｎｍ）に出力中心波長を持つレーザ光Ｌを、光源１００から、作製した光学素子Ｓに垂直入射させて、透過角θで透過された透過光Ｌｔの光強度を光検出器１０２で測定した。
そして、透過光Ｌｔの光強度とレーザ光Ｌの光強度との比をとり、透過光Ｌｔの入射光（レーザ光Ｌ）に対する相対光強度値を求めた（透過光Ｌｔ／レーザ光Ｌ）。赤色光、緑色光および青色光の平均相対光強度値（相対光強度）を算出し、評価を行った。透過角θは、先に測定した赤色光、緑色光および青色光の各色での透過角度とした。
なお、評価は、レーザ光を各波長に対応する円偏光板Ｂ、円偏光板Ｇおよび円偏光板Ｒに垂直入射させて、円偏光にした後、作製した光学素子に入射して、行った。
結果は、後述する。【０２０４】
以下の表３に、各光学素子の構成、ならびに、平均透過角度［°］およびＰＥ（透過の波長依存性）の評価結果を示す。
なお、各光学異方性部材において、光学素子の光学特性に影響が有るのは光学異方性層で、また、光学異方性層以外の部材は、基本的に、均一あるので、表３には、光学異方性層の特性のみを記している。
また、左捩れ光学異方性層は、液晶化合物の捩れ角以外は、基本的に、右捩れ光学異方性層と同様であるので、表３において、左捩れ光学異方性層に関しては、液晶化合物の捩れ角のみを示す。【０２０５】
【表３】
0006975321.tif 000024
【０２０６】
表３には記載していないが、明るさの評価において、実施例１および実施例３は比較例１〜３に対し、相対光強度が５％以上向上していた。また、実施例２は比較例４に対し、相対光強度が５％以上向上していた。実施例４〜１３は比較例１〜３に対し、いずれも相対光強度が５％以上向上していた。【０２０７】
上記表に示されるように、液晶化合物由来の光学軸が一方向に沿って回転する液晶配向パターンを有し、かつ、液晶化合物が厚さ方向に捩れ配向された光学異方性層を含む光学異方性部材を、複数、有し、かつ、少なくとも１層の光学異方性層の液晶配向パターンの１周期が他の光学異方性層とは異なり、さらに、隣接する光学異方性層の間に波長選択性位相差層を有する本発明の光学素子は、透過光の出射角度の波長依存性が小さく、透過した赤色光、緑色光および青色光を、殆ど同じ方向に出射でき、しかも、上述のように、透過光の光量も多い。【０２０８】
また、液晶配向パターンにおける液晶化合物の光軸が１８０°回転する１周期Λと、設計波長λａ、λｂおよびλｃとの関係が、より好ましい範囲である『０．７＊｛［（λａ＋λｃ）λｂ／（λａ−λｂ）λｃ］Λ1｝≦Λ2≦１．８＊｛［（λａ＋λｃ）λｂ／（λａ−λｂ）λｃ］Λ1｝』および『０．７＊｛［（λａ＋λｃ）λｂ／（λｂ−λｃ）λａ］Λ1｝≦Λ3≦１．８＊｛［（λａ＋λｃ）λｂ／（λｂ−λｃ）λａ］Λ1｝』に入る実施例８および実施例９の光学素子は、透過光の出射角度の波長依存性が、より小さい（ＰＥの評価Ｂ）。
液晶配向パターンにおける液晶化合物の光軸が１８０°回転する１周期Λと、設計波長λａ、λｂおよびλｃとの関係が、さらに好ましい範囲である『０．８＊｛［（λａ＋λｃ）λｂ／（λａ−λｂ）λｃ］Λ1｝≦Λ2≦１．３＊｛［（λａ＋λｃ）λｂ／（λａ−λｂ）λｃ］Λ1｝』および『０．８＊｛［（λａ＋λｃ）λｂ／（λｂ−λｃ）λａ］Λ1｝≦Λ3≦１．３＊｛［（λａ＋λｃ）λｂ／（λｂ−λｃ）λａ］Λ1｝』に入る実施例６および実施例７の光学素子は、透過光の出射角度の波長依存性が、さらに小さい（ＰＥの評価Ａ）。
中でも、液晶配向パターンにおける液晶化合物の光軸が１８０°回転する１周期Λと、設計波長λａ、λｂおよびλｃとの関係が、特に好ましい範囲である『０．９＊｛［（λａ＋λｃ）λｂ／（λａ−λｂ）λｃ］Λ1｝≦Λ2≦１．１５＊｛［（λａ＋λｃ）λｂ／（λａ−λｂ）λｃ］Λ1｝』および『０．９＊｛［（λａ＋λｃ）λｂ／（λｂ−λｃ）λａ］Λ1｝≦Λ3≦１．１５＊｛［（λａ＋λｃ）λｂ／（λｂ−λｃ）λａ］Λ1｝』に入る実施例１〜５の光学素子は、透過光の出射角度の波長依存性が、特に小さい（ＰＥの評価ＡＡ）。
また、実施例６および実施例７に対して、液晶配向パターンにおける液晶化合物の光軸が１８０°回転する１周期Λと、設計波長λａ、λｂおよびλｃとの関係が、一方の式のみを満たす実施例１２および実施例１３は、実施例６および実施例７よりも透過光の出射角度の波長依存性が大きいものの、透過光の出射角度の波長依存性は十分に小さい。【０２０９】
これに対し、１つの光学異方性部材のみで構成される比較例１および比較例４、ならびに、波長選択性位相差層を有さない比較例２は、透過光の出射角度の波長依存性が大きく、透過した赤色光、緑色光および青色光が異なる方向に出射され、しかも、上述のように、透過光の光量も少ない。また、光学異方性層が捩れ配向されていない、すなわち、液晶化合物の捩れ角が『０°』である比較例３は、上述のように、透過光の光量が少ない。
以上の結果より、本発明の効果は明らかである。
【産業上の利用可能性】
【０２１０】
ＡＲグラスの導光板に光を入射および出射させる回折素子など、光学装置において光を屈折させる各種の用途に好適に利用可能である。
【符号の説明】
【０２１１】
１０，３２  光学素子
１２  第１光学異方性部材
１４  第２光学異方性部材
１６  第３光学異方性部材
１８Ｇ，１８Ｒ  波長選択性位相差層
２０  支持体
２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃ  配向膜
２６  光学異方性層
２６Ａｐ，２６Ｂｐ，２６Ｃｐ  右捩れ光学異方性層
２６Ａｍ，２６Ｂｍ，２６Ｃｍ  左捩れ光学異方性層
３０  液晶化合物
３０Ａ  光学軸
３４  光学異方性層
４０  ディスプレイ
４２  導光板
６０，８０  露光装置
６２，８２  レーザ
６４，８４  光源
６８  ビームスプリッター
７０Ａ，７０Ｂ，９０Ａ，９０Ｂ  ミラー
７２Ａ，７２Ｂ，９６  λ／４板
８６．９４  偏光ビームスプリッター
９２  レンズ
ＢR，Ｂ2R  青色光の右円偏光
ＧR，Ｇ1R，Ｇ2R，Ｇ3R  緑色光の右円偏光
ＲR，Ｒ1R，Ｒ3R  赤色光の右円偏光
Ｂ1L，Ｂ3L  青色光の左円偏光
Ｇ1L，Ｇ2L  緑色光の左円偏光
Ｒ1L，Ｒ2L  赤色光の左円偏光
Ｍ  レーザ光
ＭＡ，ＭＢ  光線
ＭＰ  Ｐ偏光
ＭＳ  Ｓ偏光
ＰO  直線偏光
ＰR  右円偏光
ＰL  左円偏光
Ｑ１，Ｑ２  絶対位相
Ｅ１，Ｅ２  等位相面
Ｕ  使用者
【図１】
0006975321.tif 000025
【図２】
0006975321.tif 000026
【図３】
0006975321.tif 000027
【図４】
0006975321.tif 000028
【図５】
0006975321.tif 000029
【図６】
0006975321.tif 000030
【図７】
0006975321.tif 000031
【図８】
0006975321.tif 000032
【図９】
0006975321.tif 000033
【図１０】
0006975321.tif 000034
【図１１】
0006975321.tif 000035
【図１２】
0006975321.tif 000036
【図１３】
0006975321.tif 000037
【図１４】
0006975321.tif 000038
【図１５】
0006975321.tif 000039
【図１６】
0006975321.tif 000040
【図１７】
0006975321.tif 000041
【図１８】
0006975321.tif 000042
【図１９】
0006975321.tif 000043
【図２０】
0006975321.tif 000044