(57)【要約】  光学素子および光偏光装置は、液晶化合物に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た面内配向パターンを有する光学異方性層を厚さ方向に複数備え、光学異方性層は、一方向において光学軸の向きが１８０°回転するまでの長さが互いに異なる領域を有し、複数の光学異方性層の少なくとも１層は、一方向に沿って厚さ方向に切断した断面を走査型電子顕微鏡で観察した断面像において、光学軸の向きに由来した明線および暗線の対が一方向に沿って複数あり、明線および暗線の対が光学異方性層の界面の法線に対して互いに異なる傾き角度で傾いた領域を有する傾斜光学異方性層である。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液晶化合物に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た面内配向パターンを有する光学異方性層を厚さ方向に複数備え、
前記光学異方性層は、前記一方向において前記光学軸の向きが１８０°回転するまでの長さが互いに異なる領域を有し、
前記複数の光学異方性層の少なくとも１層は、前記一方向に沿って前記厚さ方向に切断した断面を走査型電子顕微鏡で観察した断面像において、前記光学軸の向きに由来した明線および暗線の対が前記一方向に沿って複数あり、前記明線および暗線の対が前記光学異方性層の界面の法線に対して互いに異なる傾き角度で傾いた領域を有する傾斜光学異方性層である光学素子。
【請求項２】
前記傾斜光学異方性層を２層備え、
前記断面像において、前記２層の傾斜光学異方性層の少なくとも一部の対向領域の、一方の傾斜光学異方性層における前記明線および暗線の対と、他方の傾斜光学異方性層における前記明線および暗線の対との、前記傾き角度が互いに異なっている請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
前記傾斜光学異方性層を２層備え、
前記断面像において、前記２層の傾斜光学異方性層が少なくとも一部の対向領域の、一方の傾斜光学異方性層における前記明線および暗線の対と、他方の傾斜光学異方性層における前記明線および暗線の対との、前記法線に対する傾き方向が異なる請求項１または２のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項４】
前記傾斜光学異方性層を２層備え、
前記断面像において、前記２層の傾斜光学異方性層が少なくとも一部の対向領域の、一方の傾斜光学異方性層における前記明線および暗線の対と、他方の傾斜光学異方性層における前記明線および暗線の対との、前記法線に対する傾き方向が同じである請求項１から３のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項５】
前記傾斜光学異方性層は、前記光学軸が厚さ方向に捩れ配向した領域を有する請求項１から４のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項６】
入射した光を回折して透過する機能を有する請求項１から５のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項７】
前記傾斜光学異方性層において、前記液晶化合物がコレステリック配向している請求項１から５のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項８】
入射した光を回折して反射する機能を有する請求項７に記載の光学素子。
【請求項９】
前記光学異方性層の前記面内配向パターンが、前記一方向において前記光学軸の向きが１８０°回転するまでの長さが、該一方向において徐々に変化するパターンである請求項１から８のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項１０】
前記光学異方性層の前記面内配向パターンが、前記一方向を、内側から外側に向かう放射状に有するパターンである請求項１から９のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項１１】
前記光学異方性層の前記面内配向パターンにおいて、前記一方向において前記光学軸の向きが１８０°回転するまでの長さが１０μｍ以下である領域を有する請求項１から１０のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項１２】
入射された光を偏向して出射する光偏向素子と、
前記光偏向素子を駆動する駆動手段と、
前記光偏向素子の光出射側に配置された、請求項１から１１のいずれか１項に記載の光学素子とを備えた光偏向装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、光学素子および光学素子を備えた光偏向装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの光学デバイスあるいはシステムにおいて、偏光が利用されており、偏光の反射、集光および発散などの制御を行うための光学素子の開発が進められている。【０００３】
特開２０１４−１６６３２号公報（以下において、特許文献１）、および特開２０１０−５２５３９４号公報（以下において、特許文献２）等には、光学的異方性を有する液晶化合物をパターン配向させることによって形成された偏光回折素子が開示されている。【０００４】
また、特開２０１６−５１９３２７号公報（以下において、特許文献３）には表面に沿って少なくとも１つの次元で非線形に変化する局所的な光学軸方向を備えた光学異方性を有する幾何学的位相素子を用いた偏光変換システムが開示されている。ここでも、液晶化合物のパターン配向が利用されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１、２は、入射位置によって光の回折角度を異なる方向に出射させる技術ではなく、そのような記載もない。
特許文献３のような１つの次元で非線形に変化する局所的な光学軸方向を備えた光学異方性を有する層に対して、光を入射させると、入射位置によって回折度合いが異なることが本発明者らの検討により明らかになった。このような素子において、領域によって異なる入射角で光を入射させ、出射させる場合、面内の回折効率が領域によって異なり、回折効率が低下する領域が生じることがあった。【０００６】
本開示は、上記事情に鑑み、面内における回折効率の平均化を図り、平均的な回折効率を向上させた光学素子および光偏向装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本開示の技術には、以下の態様が含まれる。
＜１＞  液晶化合物に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た面内配向パターンを有する光学異方性層を厚さ方向に複数備え、
上記光学異方性層は、上記一方向において上記光学軸の向きが１８０°回転するまでの長さが互いに異なる領域を有し、
上記複数の光学異方性層の少なくとも１層は、上記一方向に沿って上記厚さ方向に切断した断面を走査型電子顕微鏡で観察した断面像において、上記光学軸の向きに由来した明線および暗線の対が上記一方向に沿って複数あり、上記明線および暗線の対が上記光学異方性層の界面の法線に対して互いに異なる傾き角度で傾いた領域を有する傾斜光学異方性層である光学素子。
＜２＞  上記傾斜光学異方性層を２層備え、上記断面像において、上記２層の傾斜光学異方性層の少なくとも一部の対向領域の、一方の傾斜光学異方性層における上記明線および暗線の対と、他方の傾斜光学異方性層における上記明線および暗線の対との、上記傾き角度が互いに異なっている＜１＞に記載の光学素子。
＜３＞  上記傾斜光学異方性層を２層備え、上記断面像において、上記２層の傾斜光学異方性層が少なくとも一部の対向領域の、一方の傾斜光学異方性層における上記明線および暗線の対と、他方の傾斜光学異方性層における上記明線および暗線の対との、上記法線に対する傾き方向が異なる＜１＞または＜２＞のいずれかに記載の光学素子。
＜４＞  上記傾斜光学異方性層を２層備え、上記断面像において、上記２層の傾斜光学異方性層が少なくとも一部の対向領域の、一方の傾斜光学異方性層における上記明線および暗線の対と、他方の傾斜光学異方性層における上記明線および暗線の対との、上記法線に対する傾き方向が同じである＜１＞から＜３＞のいずれかに記載の光学素子。
＜５＞  上記傾斜光学異方性層は、上記光学軸が厚さ方向に捩れ配向した領域を有する＜１＞から＜４＞のいずれかに記載の光学素子。
＜６＞  入射した光を回折して透過する機能を有する＜１＞から＜５＞のいずれかに記載の光学素子。
＜７＞  上記傾斜光学異方性層において、上記液晶化合物がコレステリック配向している＜１＞から＜５＞のいずれかに記載の光学素子。
＜８＞  入射した光を回折して反射する機能を有する＜７＞に記載の光学素子。
＜９＞  上記光学異方性層の上記面内配向パターンが、上記一方向において上記光学軸の向きが１８０°回転するまでの長さが、該一方向において徐々に変化するパターンである＜１＞から＜８＞のいずれかに記載の光学素子。
＜１０＞  上記光学異方性層の上記面内配向パターンが、上記一方向を、内側から外側に向かう放射状に有するパターンである。
＜１＞から＜９＞のいずれかに記載の光学素子。
＜１１＞  上記光学異方性層の上記面内配向パターンにおいて、上記一方向において上記光学軸の向きが１８０°回転するまでの長さが１０μｍ以下である領域を有する＜１＞から＜１０＞のいずれかに記載の光学素子。
＜１２＞  入射された光を偏向して出射する光偏向素子と、上記光偏向素子を駆動する駆動手段と、上記光偏向素子の光出射側に配置された、＜１＞から＜１１＞のいずれかに記載の光学素子とを備えた光偏向装置。
【発明の効果】
【０００８】
本開示によれば、光学素子および光偏向装置において、面内における回折効率の平均化を図り、平均的な回折効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１の実施形態の光学素子の表面の一部における光学軸の配向パターンを模式的に示す平面図である。
【図２】図１に示す光学素子についての走査型顕微鏡で得られる断面像の模式図である。
【図３】図１に示す光学素子の厚み方向（ｚ方向）および水平方向（ｘ方向）の液晶配向パターンを模式的に示す図である。
【図４】水平回転配向パターンを有する光学異方性層の作用を示す概念図である。
【図５】第２の実施形態の光学素子についての走査型顕微鏡で得られる断面像の模式図である。
【図６】第３の実施形態の光学素子についての走査型顕微鏡で得られる断面像の模式図である。
【図７】第４の実施形態の光学素子の断面を模式的に示す図である。
【図８】設計変更例の光学素子の表面における光学軸の配向パターンを模式的に示す平面図である。
【図９】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図である。
【図１０】光偏向装置の一例の概略構成を示す図である。
【図１１】比較例１の光学素子の層構成を示す図である。
【図１２】実施例１の光学素子の層構成を示す図である。
【図１３】実施例２の光学素子の層構成を示す図である。
【図１４】実施例３の光学素子の層構成を示す図である。
【図１５】実施例４の光学素子の層構成を示す図である。
【図１６】実施例５の光学素子の層構成を示す図である。
【図１７】透過光強度の測定方法を示す概念図である。
【図１８】比較例１１の光学素子の層構成を示す図である。
【図１９】実施例１１の光学素子の層構成を示す図である。
【図２０】反射光強度の測定方法を示す概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の光学素子の実施形態について図面を参照して説明する。なお、各図面においては、視認しやすくするため、構成要素の縮尺は実際のものとは適宜異ならせてある。なお、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。また、角度について「直交」および「平行」とは、厳密な角度±１０°の範囲を意味するものとする。
【００１１】
［光学素子］
図１は、第１の実施形態の光学素子１の表面の一部を模式的に示す平面図であり、図２は光学素子１の断面を、走査型顕微鏡（ＳＥＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）で観察して得られる断面像の模式図である。なお、以下の図面においては、シート状の光学素子のシート面をｘｙ面、厚み方向をｚ方向と定義している。
【００１２】
光学素子１は、厚さ方向に積層された２層の光学異方性層１０、２０を備えている。光学異方性層１０、２０は、液晶化合物を含む組成物の硬化層からなる。なお、光学素子１は、支持体および配向膜を備え配向膜上に光学異方性層が備えられた構成であってもよい。本開示の光学素子としては、光学異方性層を厚さ方向に複数備えていればよく、２層構造には限らず、３層以上備えていてもよい。
【００１３】
光学異方性層１０、２０は、液晶化合物由来の光学軸３０Ａの向きが面内の少なくとも一方向Ａに沿って連続的に回転しながら変化する面内配向パターン（面内における液晶配向パターン）を有する。図１には、光学異方性層２０の表面における液晶化合物由来の光学軸３０Ａの面内配向パターンを模式的に示している。
【００１４】
なお、液晶化合物に由来する光学軸３０Ａとは、棒状液晶化合物である場合には、棒形状の長軸方向（遅相軸）であり、円盤状液晶化合物である場合には、円盤面に垂直な方向（進相軸）である。以下の説明では、液晶化合物に由来する光学軸３０Ａを、液晶化合物の光学軸３０Ａ、または単に、光学軸３０Ａとも言う。
【００１５】
光学軸３０Ａの向きが一方向Ａに連続的に回転しながら変化する面内配向パターンとは、一方向Ａ（以下、軸Ａともいう。）に沿って配列されている液晶化合物の光学軸３０Ａと、軸Ａとのなす角度が、軸Ａ方向の位置によって異なっており、軸Ａに沿って、光学軸３０Ａと軸Ａとがなす角度がφからφ＋１８０°あるいはφ−１８０°まで、徐々に変化するように配向され固定化されたパターンである。以下において、図１に示すような、光学異方性層において、液晶化合物の光学軸が光学異方性層の面に平行であり、かつ光学軸の向きが一定である局所領域（単位領域）が、一方向に配列されている複数の局所領域間で光学軸の向きが一方向に連続的に回転変化するように配置されている面内配向パターンを水平回転配向パターンと称する。
【００１６】
なお、「光学軸３０Ａと軸Ａとがなす角度が徐々に変化する」とは、光学軸の向きが単位領域間で所定の角度ずつ変化するものであってもよいし、一定の角度間隔ではなく、不均一な角度間隔で変化するものであってもよく、さらには、連続的に変化するものであってもよい。但し、ｘ方向に互いに隣接する単位領域間での光学軸３０Ａの角度差は、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。
【００１７】
光学素子１では、このような液晶化合物３０の水平回転配向パターンにおいて、液晶化合物３０の光学軸３０Ａが１８０°回転する長さ（距離）を、水平回転配向における１周期の長さΛとする。言い換えれば、水平回転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と軸Ａとのなす角度φからφ＋１８０°となるまでの距離である。以下の説明では、この１周期の長さΛを「１周期Λ」あるいは単に「周期Λ」とも言う。
【００１８】
光学素子１における光学異方性層１０、２０は、軸Ａ方向において１周期の長さΛが互いに異なる領域を含む。図１に示す例では、軸Ａ方向において、１周期の長さが、それぞれΛＡ１，ΛＡ２，ΛＡ３…（ここで、ΛＡ１＜ΛＡ２＜ΛＡ３）と異なる領域Ａ１，Ａ２，Ａ３…を含む。本例においては紙面右から左へと周期が徐々に短くなる液晶配向パターンを有するが、本開示の光学素子としては、１周期の長さが互いに異なる２以上の領域を有していればよい。但し、後述する光偏向装置に適用する場合には、本例で示すように、１周期の長さが徐々に変化する液晶配向パターンが好ましい。周期Λが１０μｍ以下の領域を含むことが好ましい。
【００１９】
なお、複数の光学異方性層間において、対向する領域における１周期の長さはずれていてもよいが、±１０％以内の範囲で一致していることが好ましい。
このような構成は、１層目の光学異方性層を先に形成した上に、塗布などで２層目の光学異方性層を形成する順で複数の光学異方性層を形成することで、周期を一致させることが可能となる。
【００２０】
図１に示すように、光学軸の配向パターンに対して、直交する２つの偏光子の間に光学異方性層を備えた光学素子１を挟んだ状態で光学顕微鏡により観察すると、明部４２と暗部４４が交互に観察される。明暗の周期（すなわち、明部の周期または暗部の周期）は光学軸の水平回転配向パターンの周期Λの半分である。
【００２１】
２層の光学異方性層１０、２０のうち、少なくとも１層、本例では第１の光学異方性層１０が傾斜光学異方性層である。以下において、第１の光学異方性層を傾斜光学異方性層１０ともいう。ここで、傾斜光学異方性層とは、一方向に沿って厚さ方向に切断した断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）で観察された断面像（以下において、断面ＳＥＭ像という。）において、光学軸の向きに由来した明線および暗線の対（明暗線）が一方向に沿って複数あり、明暗線がその層の界面の法線ｎに対して互いに異なる傾き角度で傾いた領域を有する層である。「光学軸の向きに由来した明線および暗線」とは、光学異方性層の厚さ方向における液晶化合物の配向状態に応じて観察される明暗線である。
【００２２】
図２は、光学軸が回転する一方向に沿って、厚さ方向に切断した断面をＳＥＭで観察した場合の断面像の模式図である。図２に示すように、断面像において、傾斜光学異方性層１０の界面の法線ｎに対して斜めに傾いた明線および暗線の対が交互に複数存在している。
明暗線の界面の法線ｎに対する傾きは、ｘ方向位置によって異なり、本例ではｘ軸方向に徐々に傾き角度が大きくなっている（α１＜α２＜α３…）。なお、ここで明暗線の傾き角度は、明暗線が法線ｎとなす角度のうち９０°より小さい鋭角の角度で定義する。
【００２３】
傾斜光学異方性層１０においては、例えば、水平回転配向に加えて厚さ方向における捩れ配向を備えていることによって、上述の断面像に明暗線が観察される。
【００２４】
図３に、図１および図２に示す光学素子１の断面における液晶配向パターンを模式的に示す。ここでは、液晶化合物は棒状液晶化合物３０である。なお、図３中において断面をＳＥＭで観察した場合に観察される明暗線を重ねて示している。
【００２５】
図３に示すように、傾斜光学異方性層１０は、ｘ方向には棒状液晶化合物３０（以下において単に液晶化合物３０という。）が水平回転配向し、かつ厚さ方向に捩れ配向した液晶配向パターンを有する。
【００２６】
「光学軸が厚さ方向に捩れ配向した」とは、光学異方性層１０の一方の面から他方の面に向かう厚さ方向に配列されている光学軸の向きが相対的に変化し一方向に捩れて配向し、固定された状態をいう。捩れ性には、右捩れ性および左捩れ性があるが、回折させたい方向に応じて適用すればよい。なお、厚さ方向における光学軸の捩れは１回転未満、すなわち捩れ角は３６０°未満である。例えば、図３の例では、厚み方向（ｚ方向）において、一方の面側から他方の面側までの間に液晶化合物３０の光学軸は略１４０°回転している。厚み方向における液晶化合物３０の捩れ角は１０°から２００°程度が好ましく、４５°から１８０°程度がより好ましい。後述するコレステリック配向の場合には、捩れ角が３６０°以上であり特定の波長域の特定の円偏光を反射する選択反射性を有するものとなる。本明細書における「捩れ配向」にはコレステリック配向を含まず、捩れ配向を有する光学異方性層において選択反射性は生じない。
【００２７】
このような液晶配向パターンを有する傾斜光学異方性層について断面をＳＥＭで観察すると、図２に示した明暗線が観察される。図３において明暗線を重ねて示すように、この明暗線の周期は、水平回転配向の周期と一致する。
【００２８】
一方、断面像において、第２の光学異方性層２０についても明暗線が交互に複数存在しているが、第２の光学異方性層２０の明暗線は光学異方性層２０の界面の法線ｎに沿っており、傾きを有していない。第２の光学異方性層２０においては、厚さ方向における光学軸の向きは一様である。
【００２９】
また、本光学素子１においては、図２に示すように、第１の光学異方性層１０における水平回転配向の周期ΛＡ１、ΛＡ２…と第２の光学異方性層２０における水平回転配向の周期ΛＢ１、ΛＢ２…は対向領域において一致している。すなわち、ΛＡ１＝ΛＢ１、ΛＡ２＝ΛＢ２…である。
【００３０】
光学素子１は、入射した光を回折して透過する。例えば、所定の円偏光の入射光Ｌｉｎを入射させた場合、入射光Ｌｉｎは、光学異方性層２０により屈折力を受け、屈曲した方向に光を出射する。屈折力は、水平回転配向の周期によって異なり、周期が小さいほど大きな回折角が得られる。光学異方性層１０、２０において水平回転配向の周期が異なる領域に同一の入射角で所定の円偏光の入射光Ｌｉｎを入射した場合、周期が相対的に大きい領域における出射光Ｌｏｕｔ１よりも周期が相対的に小さい領域における出射光Ｌｏｕｔ２の回折角が大きい。
【００３１】
ここで、水平回転配向パターンを有する光学異方性層が、透過型の回折素子として機能する原理について図４を参照して簡単に説明する。
なお、透過型の回折素子として機能させる場合、光学異方性層は、波長λに対する面内リタデーションＲｅ（λ）（＝Δｎλ×ｄ）が０．３λ〜０．７λであることが好ましい。リタデーションＲｅは０．４λ〜０．６λが好ましく、０．４５λ〜０．５５λがより好ましく、０．５λであることが特に好ましい。Δｎλは波長λにおける光学異方性層の複屈折率、ｄは光学異方性層の厚みである。例えば、９４０ｎｍの光を入射光として想定する場合には、９４０ｎｍの光に対するリタデーションＲｅが２８２ｎｍ〜６５８ｎｍの範囲であればよく、４７０ｎｍであることが特に好ましい。このようなリタデーションＲｅを有する場合、光学異方性層は一般的なλ／２板としての機能、すなわち、入射光の直交する直線偏光成分の間に１８０°（＝π＝λ／２）の位相差を与える機能を呈する。なお、リタデーションは、λ／２に近いほど回折効率が向上して好ましいが、リタデーションは上記範囲に限定されるものではない。
光学異方性層が略λ／２のリタデーションを有している場合、入射光に対してλ／２の位相差を与え、所定の円偏光を有する入射光を逆向きの円偏光に変換して出射する。
【００３２】
図４に、水平回転配向パターンを有する光学異方性層１１に対して、入射光Ｌ１として波長λの右円偏光ＰＲを用いた場合における光学異方性層１１による作用を概念的に示す。波長λの右円偏光の入射光Ｌ１を光学異方性層１１に入射した場合、右円偏光ＰＲである入射光Ｌ１は、光学異方性層１１を通過することにより、λ／２の位相差が与えられて左円偏光ＰＬに変換される。また、入射光Ｌ１は、水平回転配向パターン中の個々の単位領域（局所領域）における液晶化合物３０の光学軸３０Ａにより、絶対位相が変化する。ここで、光学異方性層においては、液晶化合物３０の光学軸３０Ａの向きが、軸Ａに沿って回転して変化しているため、入射光が入射する光学異方性層１１の軸Ａの位置における液晶化合物３０の光学軸３０Ａの向きに応じて絶対位相の変化量が異なる。図４中の破線で示す領域には、その絶対位相Ｑの変化量がｘ座標によって異なる様子を模式的に示している。
【００３３】
図４に示すように、光学異方性層１１を通過する際の絶対位相Ｑのずれにより、光学異方性層１１の面に対して角度を有する絶対位相の等位相面Ｅが形成される。これによって、法線方向から入射した入射光Ｌ１に対して、等位相面Ｅに垂直な方向に屈曲力が与えられ、入射光Ｌ１の進行方向が変化する。すなわち、右円偏光ＰＲである入射光Ｌ１は、光学異方性層１１を通過した後には左円偏光ＰＬとなり、かつ、法線方向と所定の角度をなす方向に進行する出射光Ｌ２として光学異方性層１１から出射される。
【００３４】
なお、光学異方性層１１に左円偏光を入射光として入射させた場合には、入射光は光学異方性層１１において右円偏光に変換されると共に図とは逆向きの屈曲力を受けて進行方向が変化される。また、液晶化合物３０の光学軸３０Ａの水平回転配向の回転方向が逆である場合には、光学異方性層による光の屈折方向は、上記と逆になる。
【００３５】
光学異方性層中の面内配向パターンにおける１周期が短いほど入射光に大きな屈曲力を与えることができるので、回折角を大きくすることができる。
【００３６】
また、光学異方性層１１により回折作用を生じさせる光の波長λは、紫外から可視光、赤外、さらには、電磁波レベルであってもよい。同一の周期であれば、入射光の波長が大きいほど回折角が大きく、入射光の波長が小さいほど回折角が小さくなる。したがって、対象波長および所望の回折角に応じて周期を設定すればよい。
【００３７】
なお、上記では法線方向から入射した光に対して屈曲力が与えられる場合について説明したが、斜め入射の光に対しても同様の原理で屈曲力が与えられ、入射角とは異なる角度の出射角の出射光を得ることができる。
【００３８】
本構成の光学素子１は、第１および第２の光学異方性層１０、２０は、それぞれの面内に水平回転配向パターンの周期が異なる領域を備えているので、同一の入射角に対して、異なる出射角の光を出射させることができる。第２の光学異方性層２０のように、厚さ方向に捩れ配向していない場合、法線方向に入射した光に対する回折効率は高いが、斜め入射した光に対する回折効率は低いという問題がある。他方、傾斜光学異方性層１０では、斜め入射した光に対する回折効率を向上させることができる。
【００３９】
光学素子１は、２層以上の光学異方性層の積層構造を有し、そのうち、少なくとも１層が傾斜光学異方性層であるので、領域によって入射角を変化させて入射した場合における平均的な回折効率を向上させることができ、出射光の強度差を抑制して出射強度を平均化することができる。
【００４０】
光学異方性層は、本例においては２層構造であるが、３層以上であってもよい。また、傾斜光学異方性層は１層であってもよいが、２層以上備えていることがより好ましい。
【００４１】
第２および第３の実施形態の光学素子２、３として、図５、６に、傾斜光学異方性層を２層備えた構成例を示す。図５および図６は、それぞれの光学素子２、３の断面像の模式図である。断面像は、上記と同様に、水平回転配向している一方向に沿って厚さ方向に切断した断面を観察したＳＥＭ像である。
【００４２】
２層の傾斜光学異方性層は、図５に示すように、断面像において、その２層の対向領域の、一方の傾斜光学異方性層１０おける明暗線の法線ｎに対する傾き方向と、他方の傾斜光学異方性層２２における明暗線の法線ｎに対する傾き方向とが異なっていてもよい。法線ｎに対する傾き方向が異なるとは、一方の傾斜光学異方性層１０の明暗線の法線ｎに対する傾き方向がｘ軸の負側（紙面左側）であるのに対して、他方の傾斜光学異方性層２２の明暗線の法線ｎに対する傾き方向はｘ軸の正側（紙面右側）である。２層の傾斜光学異方性層の法線ｎに対する傾き角度は、対向領域において、同一であってもよい（αｎ＝βｎ）し、異なっていても（αｎ≠βｎ）よい。なお、２層の傾斜光学異方性層を備えている場合、互いの明暗線の傾き方向が異なる向きである対向領域は、全域に亘っていてもよいし、一部であってもよい。本明細書において、２層の傾斜光学異方性層の対向領域とは、同一のｘｙ領域で、厚さ方向から視認した場合に重なっている領域である。
【００４３】
一方の傾斜光学異方性層１０と、他方の傾斜光学異方性層２２とにおける厚さ方向の捩れ配向の捩れ性を逆向きにすることで、互いの明暗線の法線に対する傾きを逆にすることができる。
【００４４】
２層の傾斜光学異方性層は、図６に示すように、断面像において、その２層の対向領域の、一方の傾斜光学異方性層１０における明暗線の界面の法線ｎに対する傾き方向と、他方の傾斜光学異方性層２４における明暗線の界面の法線ｎに対する傾き方向とが同じ方向であってもよい。但し、ここでは、対向領域における一方の傾斜光学異方性層１０における明暗線の傾き角度αｎと、他方の傾斜光学異方性層２４における明暗線の傾き角度γｎとが互いに異なっている。なお、２層の傾斜光学異方性層を備えている場合、互いの明暗線の傾き方向が同一である対向領域は、全域に亘っていてもよいし、一部であってもよい。
【００４５】
一方の傾斜光学異方性層１０と、他方の傾斜光学異方性層２２とにおける厚さ方向の捩れ配向の捩れのピッチを異ならせることで、互いの明暗線の法線に対する傾きを異ならせることができる。捩れのピッチが異なるとは、光学軸が同一の捩れ角まで捩れるまでの厚さが異なっていることをいう。
【００４６】
なお、１つの光学素子に備えられる２層の傾斜光学異方性層において、傾き方向が同一である対向領域と、傾き方向が異なる対向領域とを同時に含んでいてもよい。
【００４７】
上記においては、透過型の回折素子として機能する光学素子について説明したが、本開示の光学素子は、反射型の回折素子として機能するものとすることもできる。
【００４８】
図７に、反射型の回折素子として機能する第４の実施形態の光学素子５の断面図を示す。図７には、断面ＳＥＭ像における明暗線を模式的に重ねて示している。
【００４９】
光学素子５は、２層の傾斜光学異方性層１２、１４を備えている。２層の傾斜光学異方性層１２、１４は、いずれも水平回転配向しており、かつ、厚さ方向にコレステリック配向している。２層の傾斜光学異方性層１２、１４は、水平回転配向における光学軸の回転の向きが互いに逆であり、コレステリック配向の旋回の向きも逆向きである。
【００５０】
傾斜光学異方性層１２、１４は、コレステリック配向を有しているので、特定の円偏光の特定の選択波長域の光のみを選択的に反射する。選択的に反射される光の中心波長はコレステリックの螺旋ピッチおよび膜厚により定められ、いずれの円偏光を反射するかは、螺旋の回転方向により定められる。
【００５１】
水平回転配向かつ、コレステリック配向を有する液晶配向パターンであるため、断面像においては、既述の実施形態と同様に法線方向に傾きを有し、その傾き角度が異なっている明暗線が観察される（図７参照）。
【００５２】
傾斜光学異方性層１２、１４の面内方向における光学軸３０Ａの配向パターンは先の態様と同様に水平回転配向であるため、光学素子１と同様の作用を生じる。すなわち、入射した光の絶対位相を変化させて所定の方向に屈曲させる作用を奏する。従って、光学素子５は、入射光を入射方向とは異なる方向に屈曲させる作用と上記コレステリック配向による作用とを併せ持ち、鏡面反射の反射方向に対して所定方向に角度を有して光を反射する。また、面内方向においては、水平回転配向の周期が異なる領域を有しているので、同一入射角に対して異なる反射角で光を反射させることができる。
また、領域によって入射角を変化させて入射した場合における平均的な回折効率を向上させることができ、反射光の強度差を抑制することができる。
【００５３】
上記各実施形態においては、水平回転配向の１周期がｘ方向に徐々に長くなるパターンを示している。光学素子としては、光学異方性層が面内において、１軸方向の中心から一端および他端に向かって１周期が徐々に短くなる面内配向パターンを有していることも好ましい。
【００５４】
また、さらに、図８に示すように、水平回転配向する一方向を、内側から外側に向かう放射状に設定した面内配向パターンを有することも好ましい。図８は、設計変更例の光学素子の光学異方性層の平面模式図である。図８において、面内配向パターンを液晶化合物の光学軸３０Ａによって示している。光学異方性層は、光学軸の向きが同一である領域が同心円状に設けられ、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が、光学異方性層１５の中心から放射状に設けられた面内配向パターンを有する。
【００５５】
光学異方性層１５では、光学軸３０Ａの向きは、光学異方性層１５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。それぞれの軸方向に沿って回転する光学軸の回転の向きは中心に対して回転対称になっている。
【００５６】
直交する２つの偏光子の間に、図８に示す面内配向パターンを有する光学異方性層を備えた光学素子１を挟んだ状態で光学顕微鏡により観察すると、同心円状に明部と暗部とが交互に観察される。同心円状の周期的な配向表面における明暗の周期（すなわち、暗部の周期または明部の周期）は水平回転配向パターンの周期Λの半分である。周期は外側に向かって徐々に短くなっているので、同心円の直径は外側ほど、隣接する同心円の直径との差が小さくなる。
【００５７】
この面内配向パターンを有する光学異方性層１５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。
【００５８】
前述のように、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、面内配向パターンにおける１周期Λを、光学異方性層１５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、徐々に短くすることにより、光学異方性層１５による光の集束力あるいは発散力を、より向上できる。
【００５９】
なお、逆に、同心円状の液晶配向パターンにおける１周期Λを、光学異方性層１５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、徐々に長くしてもよい。
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、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、徐々に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。
【００６０】
次に、本開示の光学素子に備えられる構成要素材料および形成方法について説明する。
【００６１】
＜光学異方性層＞
光学異方性層を形成するための、液晶化合物を含む液晶組成物は、液晶化合物の他に、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。支持体上に配向膜を形成し、その配向膜上に液晶組成物を塗布、硬化することにより、液晶組成物の硬化層からなる、所定の液晶配向パターンが固定化された光学異方性層を得ることができる。
【００６２】
−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。
【００６３】
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、特開２００１−３２８９７３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。
【００６４】
−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。
【００６５】
−その他の成分−
なお、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については、いずれも公知の材料を利用することができる。なお、厚み方向に捩れ配向を有する光学異方性層あるいは、厚み方向にコレステリック配向を有する光学異方性層を得るためにはカイラル剤を添加する。
【００６６】
−−カイラル剤（光学活性化合物）−−
カイラル剤はコレステリック液晶相の螺旋構造を誘起する機能を有する。カイラル剤は、化合物によって誘起する螺旋の捩れ方向または螺旋ピッチが異なるため、目的に応じて選択すればよい。
カイラル剤としては、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。
カイラル剤は、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カイ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。カイラル剤は、重合性基を有していてもよい。カイ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、重合性カイ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、カイ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、重合性カイ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、カイ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、カイラル剤は、液晶化合物であってもよい。
【００６７】
カイ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。
【００６８】
−溶媒−
液晶組成物の溶媒としては、有機溶媒が好ましく用いられる。有機溶媒の例には、アミド（例、Ｎ、Ｎ−ジメチルホルムアミド）、スルホキシド（例、ジメチルスルホキシド）、ヘテロ環化合物（例、ピリジン）、炭化水素（例、ベンゼン、ヘキサン）、アルキルハライド（例、クロロホルム、ジクロロメタン）、エステル（例、酢酸メチル、酢酸ブチル）、ケトン（例、アセトン、メチルエチルケトン、シクロヘキサノン）、エーテル（例、テトラヒドロフラン、１、２−ジメトキシエタン）が含まれる。アルキルハライドおよびケトンが好ましい。二種類以上の有機溶媒を併用してもよい。
【００６９】
＜光学異方性層の形成＞
光学異方性層は、例えば、配向膜上に液晶組成物を多層塗布することにより形成することができる。多層塗布とは、配向膜の上に液晶組成物を塗布し、加熱し、さらに冷却した後に紫外線硬化を行って１層目の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、同様に加熱し、冷却後に紫外線硬化を行うことを繰り返すことをいう。
【００７０】
＜支持体＞
支持体は、光学異方性層あるいは光学異方性層および配向膜を支持するものである。支持体は光学素子の必須の構成要素ではない。光学異方性層を形成する際に用い、その後、剥離されてもよい。
【００７１】
支持体は、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（例えば、商品名「アートン」、ＪＳＲ社製、商品名「ゼオノア」、日本ゼオン社製）、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。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。
【００７２】
支持体の厚さには、制限はなく、光学素子の用途および支持体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。
【００７３】
＜配向膜＞
配向膜は光学異方性層を形成する際に、液晶化合物を所定の液晶配向パターンに配向するために設けられる。
【００７４】
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。
【００７５】
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こす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。
【００７６】
本開示の光学素子においては、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、本開示の光学素子においては、配向膜として、支持体上に、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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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挙げられる。
【００８０】
図９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。露光装置は、レーザ光を出射するレーザ光源８１と、レーザ光源８１から出射されたレーザ光Ｌのビーム径を拡大するビームエクスパンダ８２と、レーザ光Ｌの光路上に配置されたλ／２板８３と、レンズ８４および配向膜９０が設置される駆動ステージ８６とを備えている。λ／２板８３は図示しない回転式マウントに取り付けられており可変偏光ローテータとして機能する。
【００８１】
レーザ光源８１から出射されたレーザ光Ｌのビーム径をビームエクスパンダ８２で拡大し、λ／２板８３の回転によって任意の偏光方向に調整され、レンズ８４によって光配向膜上に集光され、駆動ステージ８６を駆動させて光配向膜をスキャン露光してパターニングする。これによって、所望のパターンのパターン化配向膜を形成することができる。
【００８２】
なお、本開示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、支持体をラビング処理する方法、支持体をレーザ光等で加工する方法等によって、支持体に配向パターンを形成することにより、水平回転配向パターンを有する光学異方性層を形成することも、可能である。
【００８３】
なお、上記の各光学素子においては、基本的に単波長の入射光を想定した構成について説明したが、多波長の入射光に対して同様の効果を奏する構成とすることもできる。各波長に応じた液晶配向パターンを備えた光学異方性層を積層した構造の光学素子とすれば、多波長の入射光を用いることができる。
【００８４】
［光偏向装置］
図１０に、一実施形態の光偏向装置の一例の概略構成図を示す。
光偏向装置１３０は、光（光ビーム）の進行方向の上流側から、集光レンズ１３１と、λ／４板１１１と、光偏向素子１３２と、本発明の一態様の光学素子１２０とを有する。以下の説明では、上流および下流とは、光の進行方向の上流および下流とする。
【００８５】
集光レンズ１３１は、公知の集光レンズであって、図示しない光源からの光（光ビーム）を若干、集光させた状態で光偏向素子１３２に入射するために備えられる。集光レンズ１３１は、好ましい態様として設けられるものであり、必須構成要素ではない。但し、集光レンズ１３１を備えることにより、光偏向装置１３０から出射する光（光ビーム）を、適正な平行光にして、直進性を向上できる。
なお、集光レンズ１３１に制限されず、光（光ビーム）を集光可能な公知の集光素子が、全て、利用可能である。
【００８６】
λ／４板１１１は、外部に光源から出射された直線偏光を円偏光にする、公知のλ／４板（１／４位相差板）である。λ／４板１１１としては、公知のものを制限なく用いることができる。従って、λ／４板１１１は、ポリマー由来のものであってもよいし、液晶由来のものであってもよい。なお、λ／４板１１１は、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ）偏向素子１３２と光学素子１２０との間に配置されていてもよい。しかしながら、λ／４板１１１を小型化できる等の点で、ＭＥＭＳ光偏向素子１３２よりも上流に設けるのが好ましい。ＭＥＭＳ光偏向素子１３２を用いる光偏向装置１３０に、円偏光の光が入射される場合には、λ／４板１１１を設けなくてよい。
【００８７】
光偏向素子１３２は光を２次元スキャンするＭＥＭＳ光偏向素子である。ＭＥＭＳ光偏向素子としては、特に制限はなく、特開２０１２−２０８３５２号公報に記載されるＭＥＭＳ光偏向素子、特開２０１４−１３４６４２号公報に記載されるＭＥＭＳ光偏向素子、および、特開２０１５−２２０６４号公報に記載されるＭＥＭＳ光偏向素子等、圧電アクチュエータ等を用いてミラー（鏡）を揺動させることにより、光を偏向（偏向走査）する、公知のＭＥＭＳ光偏向素子（ＭＥＭＳ（光）スキャナ、ＭＥＭＳ光偏向器、ＭＥＭＳミラー、あるいはＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ  Ｄｅｖｉｃｅ））を適宜利用することができる。
【００８８】
光偏向素子１３２には、ミラーを回転駆動するための駆動装置１３４が接続されている。駆動装置１３４は、ＭＥＭＳ光偏向素子１３２の構成等に応じた、公知のものを用いればよい。
【００８９】
光学素子１２０は、図８に示した、中心から放射状に設けられた軸に沿って光学軸が水平回転配向し、その周期が外側ほど小さくなる面内の液晶配向パターンを有する光学異方性層を２層備えている。図１０に示すように、光学素子１２０の中心領域の周期Λ１と比較して外側に向かうほど周期が小さく（Λ１＞Λ２＞Λ３＞Λ４…）なっている。ここでは、一方の光学異方性層１２１が傾斜光学異方性層であり、他方の光学異方性層１２２が厚み方向に捩れ性を有さず、厚み方向に一様なパターンを有する光学異方性層である。光学素子１２０は中心が光偏向素子１３２の偏向の中心と一致するように配置されている。光学素子１２０の断面ＳＥＭ像における明暗線の法線に対する傾きは中心程大きく外側ほど小さな傾きとなっている。
【００９０】
光偏向装置１３０は、図示しない光源から出射された、光学素子１２０の出射面１２０ｂに対してＰ偏光の光は、集光レンズ１３１によって、若干、集光され、次いで、λ／４板１１１によって、例えば、右円偏光に変換される。
【００９１】
λ／４板１１１によって円偏光に変換された光は、ＭＥＭＳ光偏向素子１３２によって偏向され、光学素子１２０の入射面１２０ａに入射される。光学素子１２０入射した光は回折され、光学素子１２０の出射面１２０ｂから、すなわち光偏向装置１３０から出射される。
【００９２】
光学素子１２０の中心が光偏向素子１３２の偏向の中心と一致するように配置されているので、光偏向素子１３２によって走査される光は光学素子１２０の一面に対してその一面の中心から離れるにつれて大きな入射角で入射される。水平回転配向の周期は中心から離れるにつれて短くなるように構成されており、外側程屈曲力が強い。従って、光学素子１２０は垂直に入射した光に対してはほとんど屈曲力を生じさせず、そのまま透過させ、光学素子１２０の外側ほどに大きく屈曲させて出射させる。光学素子１２０に対して、光学異方性層１２１、１２２の水平回転配向によって、中心から外側に向かって屈曲力が与えられる偏光を入射光として入射させることで、光偏向素子１３２のスキャン角度θｍａｘよりも大きなスキャン角度θｍａｘｏｕｔを得ることができる。
【００９３】
ここで、光学素子１２０の入射面１２０ａへ入射する光の入射角をθ１、入射側の媒質の屈折率をｎ１、光学素子１２０の出射面１２０ｂから出射する光の出射角をθ２、出射側の媒質の屈折率をｎ２、光の波長をλ、液晶回折素子の周期構造ピッチをΛ、回折次数をｍ、とすると、以下の式（１）によって、これらの値は関係づけられる。
ｎ１・ｓｉｎθ１−ｎ２・ｓｉｎθ２＝ｍ・λ／Λ      （１）
【００９４】
既述の通り、光学素子１２０の光学異方性層における水平回転配向パターンの周期Λを変えることによって、光学素子１２０からの出射光の角度を変えることができる。
スネル則を考慮すると、最終的に空気に出射されるときの角度は絶対値８０°程度まで可能であるため、非常に大きな角度まで出射角を拡大することが可能である。また、光学素子１２０の光学異方性層における水平回転配向パターンの周期を、面内で連続的に変化させることによって、連続的に任意の方向に光を出射できる。
【００９５】
以上の説明から明らかなように、本開示の光偏向装置は、光偏向素子の有するスキャン角度（画角）よりも広いスキャン角度で光走査を行うことを可能とする。なお、図１０においては、ｘ方向のスキャン角度が広がる様子を示しているが、水平回転配向パターンが放射状に設けられているので、ｙ方向においても同様の原理でスキャン角度を拡げることができる。したがって光偏向素子１３２からの偏向光（走査光）を、光学素子１２０で回折させ走査させることにより、光偏向素子１３２によって２次元スキャン可能な走査範囲よりも大幅に走査範囲を広げることが可能となる。
【００９６】
このような光偏向装置１３０に適用される光学素子１２０が、傾斜光学異方性層１２１を備えていない場合であっても、スキャン角度の拡大という効果を得ることができる。しかしながら、傾斜光学異方性層１２１を備えておらず、光学異方性層１２２のみを備えた光学素子を適用した場合、入射角の小さい中心近傍と入射角が大きく、かつ回折角が大きくなる外周部の領域とで、回折効率に大きな差が生じ、全体としての回折効率（平均回折効率）が低いという問題があった。傾斜光学異方性層１２１を備えることによって、入射角が大きくなる素子外周部の回折効率を向上させることができ、入射位置および入射角による回折効率の差を抑制し、出射光の光量ばらつきを抑制することができる。また、２層以上の光学異方性層を備えることによって、平均回折効率も向上させることができる。
【００９７】
なお、光偏向装置においては、上記光学素子１２０に限らず、例えば、図１に示したようなｘ軸方向に周期が一方から他方に向かって徐々に小さくなる水平回転配向パターンを有する光学異方性層を備えた光学素子を用いてもよい。また、ｘ軸方向において、素子の中心から外側に向かって周期が徐々に小さくなる水平回転配向パターンを有し、中心を挟んで両側の水平回転配向パターンの光学軸の回転方向が逆向きである光学異方性層を備えた光学素子を用いてもよい。
【実施例】
【００９８】
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。以下の実施例および比較例においては、対象波長９４０ｎｍの赤外光を入射光として想定して液晶配向パターンを設計した。【００９９】
［比較例１］
断面ＳＥＭ像において明暗線が傾いていない非傾斜光学異方性層２１１を第１光学異方性層として備えた光学素子を比較例１として作製した（図１１参照）。【０１００】
＜光学素子の作製＞
（配向膜の形成）
ガラス基板上に、下記の配向膜形成用塗布液をスピンコートで塗布した。この配向膜形成用塗布液の塗膜が形成された支持体を６０℃のホットプレート上で６０秒間乾燥し、配向膜を形成した。【０１０１】
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
――――――――――――――――――――――――――――――――【０１０２】
−光配向用素材Ａ−
【化１】
2020066429.tif 000003
【０１０３】
（配向膜の露光）
図９に示した、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露光装置を用いて配向膜を露光して、配向パターンを有する配向膜Ｐ−１を形成した。露光装置において、レーザとして波長（３２５ｎｍ）のレーザ光を出射するものを用いた。なお、同心円状の配向パターンとし、その配向パターンの１周期が、中心から外方向に向かって、徐々に短くなるようにした。【０１０４】
（第１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。【０１０５】
組成物Ａ−１
―――――――――――――――――――――――――――――――――
液晶化合物Ｌ−１                              １００．００質量部
重合開始剤（ＢＡＳＦ製、Ｉｒｇａｃｕｒｅ（登録商標）９０７）
３．００質量部
光増感剤（日本化薬製、ＫＡＹＡＣＵＲＥ  ＤＥＴＸ−Ｓ）
１．００質量部
レベリング剤Ｔ−１                                ０．０８質量部
メチルエチルケトン                          ２８４０．００質量部
―――――――――――――――――――――――――――――――――【０１０６】
液晶化合物Ｌ−１
【化２】
2020066429.tif 000004
【０１０７】
レベリング剤Ｔ−１
【化３】
2020066429.tif 000005
【０１０８】
第１光学異方性層は、組成物Ａ−１を配向膜Ｐ−１上に多層塗布することにより形成した。先ず配向膜の上に１層目の組成物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した。【０１０９】
先ず１層目は、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、窒素雰囲気下で高圧水銀灯を用いて波長３６５ｎｍの紫外線を３００ｍＪ／ｃｍ２の照射量で塗膜に照射することにより、液晶化合物の配向を固定化した。この時の１層目の液晶層の膜厚は０．２μｍであった。【０１１０】
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、第１光学異方性層を形成した。【０１１１】
以上の工程により比較例１の光学素子を作製した。【０１１２】
なお、液晶組成物Ａ１の硬化層の複素屈折率Δｎは、液晶組成物Ａ１を別途に用意したリタデーション測定用の配向膜付き支持体上に塗布し、液晶化合物のダイレクタが基材に水平となるよう配向させた後に紫外線照射して固定化して得た液晶固定化層（硬化層）のリタデーションＲｅ（λ）および膜厚を測定して求めた。リタデーションＲｅ（λ）を膜厚で除算することによりΔｎλを算出できる。リタデーションＲｅ（λ）はＷｏｏｌｌａｍ社の分光エリプソメーターを用いて目的の波長で測定し、膜厚はＳＥＭを用いて測定した。Ｒｅ（λ）の表記においてλは入射光の波長である。以下において、入射光の波長λは９４０ｎｍとした。【０１１３】
第１光学異方性層は、最終的に液晶のΔｎ９４０×厚さ＝Ｒｅ（９４０）が４７０ｎｍになり、かつ、図８に示すような同心円状の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。同心円状の周期的な配向表面は、水平回転配向の軸が中心から放射状に配置された面内配向パターンであることを意味する。なお、この第１光学異方性層の水平回転配向パターンにおいて、１周期は、中心部で非常に大きく（周期の逆数が０と見なせる）、中心から１．０ｍｍの距離で９．０μｍ、中心から２．５ｍｍの距離で４．５μｍ、中心から４．０ｍｍの距離で３．０μｍであり、外方向に向かって周期が短くなっていた。また、第１光学異方性層の厚さ方向の捩れ角は、０°であった。以下、特に記載が無い場合には、『Δｎ９４０×厚さ』等の測定は、同様に行った。また、ＳＥＭによる断面像において、光学異方性層の下界面（ガラス基板との界面）に対し、垂直方向、すなわち法線に沿って延びる明暗線が観察された。明暗線の繰り返しパターンにおいては中心から外側に向かって周期が短くなる様子が観察された。【０１１４】
［実施例１］
２層の光学異方性層を備え、第１の光学異方性層が、断面ＳＥＭ像において明暗線が界面の法線に傾いた傾斜光学異方性層２１２であり、第２の光学異方性層が非傾斜光学異方性層２１１である光学素子を実施例１として作製した（図１２参照）。【０１１５】
（第１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−２を調製した。【０１１６】
組成物Ａ−２
――――――――――――――――――――――――――――――――
液晶化合物Ｌ−１                            １００．００質量部
カイラル剤Ａ                                    ０．２１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                        ２８４０．００質量部
――――――――――――――――――――――――――――――――【０１１７】
カイラル剤Ａ
【化４】
2020066429.tif 000006
【０１１８】
組成物Ａ−２を用いた以外は比較例１と同様にして、配向膜Ｐ−１上に第１光学異方性層を形成した。【０１１９】
（第２光学異方性層の形成）
実施例１の第２光学異方性層は、比較例１の第１光学異方性層と同様であり、組成物Ａ−１を用い、比較例１の第１光学異方性層と同様にして、第１光学異方性層上に第２光学異方性層を形成し、実施例１の光学素子を作製した。【０１２０】
第１光学異方性層および第２光学異方性層は、最終的に液晶のΔｎ９４０×厚さ＝Ｒｅ（９４０）が４７０ｎｍになり、かつ、図８に示すような同心円状の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光学異方性層の水平回転配向パターンにおいて、１周期は、中心部で非常に大きく（周期の逆数が０と見なせる）、中心から１．０ｍｍの距離で９．０μｍ、中心から２．５ｍｍの距離で４．５μｍ、中心から４．０ｍｍの距離で３．０μｍであり、外方向に向かって周期が短くなっていた。なお、第２光学異方性層は、第１光学異方性層上に塗布形成されているので、その周期は第１光学異方性層の周期と同一である。後記においても第１光学異方性層上に塗布によって形成された他の層は同一の周期である。また、第１光学異方性層の厚さ方向の捩れ角は、右捩れ１４０°であった。第２光学異方性層の厚さ方向の捩れ角は、０°であった。また、ＳＥＭによる断面像において、第１光学異方性層では光学異方性層下界面（ガラス基板との界面）の法線に対し、斜めに傾斜した明暗線が観察され、第２光学異方性層では法線方向に延びる明暗線が観察された。第１光学異方性層は中心から外側に向かって明暗線の法線に対する傾斜角度が小さくなっていた。明暗線のパターンは第１光学異方性層、第２光学異方性層ともに中心から外側に向かって周期が短くなる様子が観察された。【０１２１】
［実施例２］
２層の光学異方性層を備え、第１の光学異方性層が非傾斜光学異方性層２１１であり、第２の光学異方性層が傾斜光学異方性層２１２である光学素子を実施例２として作製した（図１３参照）。すなわち、実施例２は、実施例１の第１の光学異方性層と第２の光学異方性層とを逆に構成した構成を有する。【０１２２】
組成物Ａ−１を用い第１光学異方性層を形成し、組成物Ａ−２を用い第２光学異方性層を形成した以外は実施例１と同様にして実施例２の光学素子を作製した。【０１２３】
第１光学異方性層および第２光学異方性層は、最終的に液晶のΔｎ９４０×厚さ（Ｒｅ（９４０））が４７０ｎｍになり、かつ、図８に示すような同心円状の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光学異方性層の水平回転配向パターンにおいて、１周期は、中心部で非常に大きく（周期の逆数が０と見なせる）、中心から１．０ｍｍの距離で９．０μｍ、中心から２．５ｍｍの距離で４．５μｍ、中心から４．０ｍｍの距離で３．０μｍであり、外方向に向かって周期が短くなっていた。また、第１光学異方性層の厚さ方向の捩れ角は、０°であった。第２光学異方性層の厚さ方向の捩れ角は、右捩れ１４０°であった。また、ＳＥＭによる断面像において、第１光学異方性層では、光学異方性層下界面（ガラス基板との界面）の法線方向に延びる明暗線が観察され、第２光学異方性層では、法線に対して斜めに傾斜した明暗線が観察された。第２光学異方性層は中心から外側に向かって明暗線の法線に対する傾斜角度が小さくなっていた。明暗線のパターンは第１光学異方性層、第２光学異方性層ともに中心から外側に向かって周期が短くなる様子が観察された。【０１２４】
［比較例２］
断面ＳＥＭ像において明暗線が界面の法線に対し傾いた傾斜光学異方性層２１２を第１光学異方性層として備えた光学素子を比較例２として作製した。【０１２５】
（第１光学異方性層の形成）
比較例２の第１光学異方性層は、実施例１の第１光学異方性層と同様であり、組成物Ａ−２を用い、実施例１の第１光学異方性層と同様にして、配向膜Ｐ−１上に第１光学異方性層を形成し、比較例２の光学素子を作製した。すなわち、比較例２の光学素子は光学異方性層として、１層の傾斜光学異方性層のみを備えた構成である。【０１２６】
第１光学異方性層は、最終的に液晶のΔｎ９４０×厚さ＝Ｒｅ（９４０）が４７０ｎｍになり、かつ、図８に示すような同心円状の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光学異方性層の水平回転配向パターンにおいて、１周期は、中心部で非常に大きく（周期の逆数が０と見なせる）、中心から１．０ｍｍの距離で９．０μｍ、中心から２．５ｍｍの距離で４．５μｍ、中心から４．０ｍｍの距離で３．０μｍであり、外方向に向かって周期が短くなっていた。また、第１光学異方性層の厚さ方向の捩れ角は、右捩れ１４０°であった。また、ＳＥＭによる断面像において、第１光学異方性層では光学異方性層下界面（ガラス基板との界面）の法線に対し、斜めに傾斜した明暗線が観察された。第１光学異方性層は中心から外側に向かって明暗線の法線に対する傾斜角度が小さくなっていた。明暗線のパターンは中心から外側に向かって周期が短くなる様子が観察された。【０１２７】
［実施例３］
２層の光学異方性層を備え、第１の光学異方性層および第２の光学異方性層が、断面ＳＥＭ像において明暗線が界面の法線に傾いた傾斜光学異方性層２１３、２１４である光学素子を実施例３として作製した（図１４参照）。第１の光学異方性層と第２の光学異方性層とでは、断面ＳＥＭ像における明暗線の傾きの方向は同一とし、傾き角度を異ならせた。【０１２８】
（第１光学異方性層の形成）
第１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−３を調製した。【０１２９】
組成物Ａ−３
――――――――――――――――――――――――――――――――
液晶化合物Ｌ−１                            １００．００質量部
カイラル剤Ａ                                    ０．２４質量部
重合開始剤（ＢＡＳＦ製、Ｉｒｇａｃｕｒｅ（登録商標）９０７）
３．００質量部
光増感剤（日本化薬製、ＫＡＹＡＣＵＲＥ  ＤＥＴＸ−Ｓ）
１．００質量部
レベリング剤Ｔ−１                              ０．０８質量部
メチルエチルケトン                        ２８４０．００質量部
――――――――――――――――――――――――――――――――【０１３０】
組成物Ａ−３を用いた以外は実施例１と同様にして、配向膜Ｐ−１上に第１光学異方性層を形成した。【０１３１】
（第２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−４を調製した。【０１３２】
組成物Ａ−４
――――――――――――――――――――――――――――――――
液晶化合物Ｌ−１                            １００．００質量部
カイラル剤Ａ                                    ０．０３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                        ２８４０．００質量部
――――――――――――――――――――――――――――――――【０１３３】
組成物Ａ−４を用いた以外は実施例１と同様にして、第１光学異方性層上に第２光学異方性層を形成し、実施例３の光学素子を作製した。【０１３４】
第１光学異方性層および第２光学異方性層は、最終的に液晶のΔｎ９４０×厚さ＝Ｒｅ（９４０）が４７０ｎｍになり、かつ、図８に示すような同心円状の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光学異方性層の水平回転配向パターンにおいて、１周期は、中心部で非常に大きく（周期の逆数が０と見なせる）、中心から１．０ｍｍの距離で９．０μｍ、中心から２．５ｍｍの距離で４．５μｍ、中心から４．０ｍｍの距離で３．０μｍであり、外方向に向かって周期が短くなっていた。また、第１光学異方性層の厚さ方向の捩れ角は、右捩れ１６０°であった。第２光学異方性層の厚さ方向の捩れ角は、右捩れ２０°であった。第１光学異方性層と第２光学異方性層の捩れの方向は同じであった。また、ＳＥＭによる断面像において、第１光学異方性層および第２光学異方性層共に光学異方性層下界面の法線に対し、斜めに傾斜した明暗線が観察された。さらに、中心から外側に向かって明暗線の法線に対する傾斜角度が小さくなっており、第１光学異方性層と第２光学異方性層との明暗線の法線からの傾き方向は同じであった。明暗線のパターンは第１光学異方性層および第２光学異方性層ともに中心から外側に向かって周期が短くなる様子が観察された。【０１３５】
［実施例４］
２層の光学異方性層を備え、第１の光学異方性層および第２の光学異方性層が、断面ＳＥＭ像において明暗線が界面の法線に傾いた傾斜光学異方性層２１５、２１６である光学素子を実施例４として作製した（図１５参照）。第１の光学異方性層と第２の光学異方性層とでは、断面ＳＥＭ像における明暗線の傾きの方向を異ならせた。【０１３６】
（第１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−５を調製した。【０１３７】
組成物Ａ−５
――――――――――――――――――――――――――――――――
液晶化合物Ｌ−１                            １００．００質量部
カイラル剤Ａ                                    ０．１３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                        ２８４０．００質量部
――――――――――――――――――――――――――――――――【０１３８】
組成物Ａ−５を用いた以外は実施例１と同様にして、配向膜Ｐ−１上に第１光学異方性層を形成した。【０１３９】
（第２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−６を調製した。【０１４０】
組成物Ａ−６
――――――――――――――――――――――――――――――――
液晶化合物Ｌ−１                            １００．００質量部
カイラル剤Ｂ                                    ０．２２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                        ２８４０．００質量部
――――――――――――――――――――――――――――――――【０１４１】
カイラル剤Ｂ
【化５】
2020066429.tif 000007
【０１４２】
組成物Ａ−６を用いた以外は実施例１と同様にして、第１光学異方性層上に第２光学異方性層を形成し、実施例４の光学素子を作製した。【０１４３】
第１光学異方性層および第２光学異方性層は、最終的に液晶のΔｎ９４０×厚さ＝Ｒｅ（９４０）が４７０ｎｍになり、かつ、図８に示すような同心円状の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光学異方性層の水平回転配向パターンにおいて、１周期は、中心部で非常に大きく（周期の逆数が０と見なせる）、中心から１．０ｍｍの距離で９．０μｍ、中心から２．５ｍｍの距離で４．５μｍ、中心から４．０ｍｍの距離で３．０μｍであり、外方向に向かって周期が短くなっていた。また、第１光学異方性層の厚さ方向の捩れ角は、右捩れ８０°であった。第２光学異方性層の厚さ方向の捩れ角は、左捩れ８０°であった。第１光学異方性層と第２光学異方性層の捩れの方向は逆であった。また、ＳＥＭによる断面像において、第１光学異方性層および第２光学異方性層はともに明暗線が光学異方性層下界面の法線に対し、斜めに傾斜した様子が観察された。さらに中心から外側に向かって明暗線の法線に対する傾斜角度が小さくなっており、第１光学異方性層と第２光学異方性層との明暗線の法線からの傾き方向は逆であった。明暗線のパターンは第１光学異方性層および第２光学異方性層ともに中心から外側に向かって周期が短くなる様子が観察された。【０１４４】
［実施例５］
３層の光学異方性層を備え、第１光学異方性層および第３光学異方性層が、断面ＳＥＭ像において明暗線が界面の法線に傾いた傾斜光学異方性層２１７、２１８であり、第１および第３光学異方性層の間に配置された第２光学異方性層２１９が非傾斜光学異方性層である光学素子を実施例５として作製した（図１６参照）。第１の光学異方性層と第３の光学異方性層とでは、断面ＳＥＭ像における明暗線の傾きの方向を異ならせた。【０１４５】
（第１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−７を調製した。【０１４６】
組成物Ａ−７
――――――――――――――――――――――――――――――――
液晶化合物Ｌ−１                            １００．００質量部
カイラル剤Ａ                                    ０．１９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                        ２８４０．００質量部
――――――――――――――――――――――――――――――――【０１４７】
組成物Ａ−７を用いた以外は実施例１と同様にして、配向膜Ｐ−１上に第１光学異方性層を形成した。【０１４８】
（第２光学異方性層の形成）
組成物Ａ−１を用い、膜厚を変更した以外は、比較例１の第１光学異方性層と同様にして、第１の光学異方性層上に第２光学異方性層を形成した。【０１４９】
（第３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−８を調製した。【０１５０】
組成物Ａ−８
――――――――――――――――――――――――――――――――
液晶化合物Ｌ−１                            １００．００質量部
カイラル剤Ｂ                                    ０．３２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                        ２８４０．００質量部
――――――――――――――――――――――――――――――――【０１５１】
組成物Ａ−８を用いた以外は実施例１と同様にして、第２光学異方性層上に第３光学異方性層を形成し、実施例５の光学素子を作製した。【０１５２】
第１光学異方性層および第３光学異方性層は、最終的に液晶のΔｎ９４０×厚さ＝Ｒｅ（９４０）が４７０ｎｍであり、第２光学異方性層はΔｎ９４０×厚さ（Ｒｅ（９４０））が５６４ｎｍであった。また、図８に示すような同心円状の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光学異方性層の水平回転配向パターンにおいて、１周期は、中心部で非常に大きく（周期の逆数が０と見なせる）、中心から１．０ｍｍの距離で９．０μｍ、中心から２．５ｍｍの距離で４．５μｍ、中心から４．０ｍｍの距離で３．０μｍであり、外方向に向かって周期が短くなっていた。また、第１光学異方性層の厚さ方向の捩れ角は、右捩れ１３０°であった。第２光学異方性層の厚さ方向の捩れ角は、０°であり、第３光学異方性層の厚さ方向の捩れ角は、左捩れ１３０°であった。第１光学異方性層と第３光学異方性層の捩れの方向は逆であった。また、ＳＥＭによる断面像において、第１光学異方性層および第３光学異方性層では、光学異方性層下界面の法線に対し、斜めに傾斜した明暗線が観察され、第２光学異方性層では、法線に沿って延びる明暗線が観察された。第１および第３の光学異方性層において、中心から外側に向かって明暗線の法線に対する傾斜角度は小さくなっており、第１光学異方性層と第３光学異方性層との法線に対する明暗線の傾き方向は逆であった。明暗線のパターンは第１光学異方性層、第２光学異方性層および第３光学異方性層ともに中心から外側に向かって周期が短くなる様子が観察された。【０１５３】
［評価］
比較例１および実施例１〜５の光学素子は透過型の回折素子として機能する。各光学素子について、光を入射した際における、光学素子の法線方向に対する透過回折光の角度を測定し、比較例１の素子に対する光強度増加率を評価した。具体的な測定方法は以下の通りである。【０１５４】
まず、レーザ光を光学素子の表面の所定位置に所定の入射角で入射させ、透過光を、光学素子の法線方向３０ｃｍの距離に配置したスクリーンに投影し、赤外カメラで撮影した画像から透過回折光の角度を算出した。光源には波長９４０ｎｍのレーザーダイオードを用いた。【０１５５】
次いで、図１７に示すように、レーザ光源２５１から出射した波長９４０ｎｍのレーザ光を、直線偏光子２５２およびλ／４板２５４を透過させて右円偏光の光Ｌｉとした。この光Ｌｉを光学素子Ｓの表面の所定の位置に所定の入射角で入射させた。光学素子Ｓにより回折された透過回折光Ｌｄの光強度を光検出器２５６で測定した。そして、回折光Ｌｄの光強度と光Ｌｉの光強度との比をとり、回折光Ｌｄの入射光に対する相対光強度値を求めた。また、入射角を変えて同様に相対光強度値を求めた。異なる入射角に対する相対光強度値の平均値で比較例１に対する実施例の光強度増加率を以下の基準で評価した。【０１５６】
Ａ：光強度増加率が２０％以上
Ｂ：光強度増加率が１０％以上、２０％未満
Ｃ：光強度増加率が５％以上、１０％未満
Ｄ：光強度増加率が５％未満【０１５７】
なお、比較例１および比較例２と実施例１〜３との比較では中心から１．０ｍｍの距離（１周期９．０μｍ）での入射角を１０°、中心から２．５ｍｍの距離（１周期４．５μｍ）での入射角を２０°、中心から４．０ｍｍの距離（１周期３．０μｍ）での入射角を３０°として評価を行った。
また、比較例１および比較例２と実施例４および実施例５との比較では中心から１．０ｍｍの距離（１周期９．０μｍ）での入射角を±１０°、中心から２．５ｍｍの距離（１周期４．５μｍ）での入射角を±２０°、中心から４．０ｍｍの距離（１周期３．０μｍ）での入射角を±３０°として評価を行った。【０１５８】
結果を表１に示す。
【表１】
2020066429.tif 000008
【０１５９】
実施例１〜３は入射角１０〜３０°の範囲で、実施例４および５は入射角−３０〜＋３０°の範囲で、いずれも比較例１よりも高い平均回折効率が得られた。断面ＳＥＭ像における明暗線傾きが逆の傾斜光学異方性層を組み合わせることで、より広い入射角範囲に亘って回折効率を増加させることができた。なお、１層の傾斜光学異方性層のみを備えた比較例２の光学素子では平均回折効率を高める効果が得られなかった。【０１６０】
［比較例１１］
周期が徐々に変化する水平回転配向パターンを有し、かつ厚み方向にコレステリック配向した第１光学異方性層２２１を備えた光学素子を比較例１１として作製した（図１８参照）。図１８において、厚み方向についてはコレステリック配向の一部を模式的に示している。【０１６１】
（第１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Ｃ−１を調製した。この組成物Ｃ−１は、選択反射中心波長が９４０ｎｍで、右円偏光を反射するコレステリック液晶層を形成する、液晶組成物である。【０１６２】
組成物Ｃ−１
――――――――――――――――――――――――――――――――
液晶化合物Ｌ−１                            １００．００質量部
カイラル剤Ａ                                    ３．１１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                        ２８４０．００質量部
――――――――――――――――――――――――――――――――【０１６３】
組成物Ｃ−１を用い、膜厚を変更した以外は実施例１と同様にして、配向膜Ｐ−１上に第１光学異方性層を形成し、比較例１１の光学素子を作製した。【０１６４】
第１光学異方性層は、塗布層の断面を査型電子顕微鏡で確認したところ、コレステリック液晶相は８ピッチであり、かつ、図８に示すような同心円状の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光学異方性層の水平回転配向パターンにおいて、１周期は、中心部で非常に大きく（周期の逆数が０と見なせる）、中心から１．０ｍｍの距離で９．０μｍ、中心から２．５ｍｍの距離で４．５μｍ、中心から４．０ｍｍの距離で３．０μｍであり、外方向に向かって周期が短くなっていた。また、ＳＥＭによる断面像において、第１光学異方性層では明暗線が光学異方性層下界面の法線に対し、斜めに傾斜していた。第１光学異方性層は中心から外側に向かって明暗線の傾斜角度が大きくなっていた。第１光学異方性層の明暗線のパターンは、中心から外側に向かって周期が短くなる様子が観察された。【０１６５】
［実施例１１］
周期が徐々に変化する水平回転配向パターンを有し、かつ厚み方向にコレステリック配向した第１光学異方性層２２２および第２光学異方性層２２３を備えた光学素子を実施例１１として作製した（図１９参照）。図１９において、厚み方向についてはコレステリック配向の一部を模式的に示している。【０１６６】
（第１光学異方性層の形成）
組成物Ｃ−１を用い、比較例１１と同様にして、配向膜Ｐ−１上に第１光学異方性層を形成した。【０１６７】
第１光学異方性層は、塗布層の断面を査型電子顕微鏡で確認したところ、コレステリック液晶相は８ピッチであり、かつ、図８に示すような同心円状（放射状）の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光学異方性層の水平回転配向パターンにおいて、１周期は、中心部で非常に大きく（周期の逆数が０と見なせる）、中心から１．０ｍｍの距離で９．０μｍ、中心から２．５ｍｍの距離で４．５μｍ、中心から４．０ｍｍの距離で３．０μｍであり、外方向に向かって周期が短くなっていた。【０１６８】
（第２光学異方性層の形成）
第２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−２を調製した。この組成物Ｃ−２は、選択反射中心波長が９４０ｎｍで、左円偏光を反射するコレステリック液晶層を形成する、液晶組成物である。【０１６９】
＜組成物Ｃ−２＞
――――――――――――――――――――――――――――――――
液晶化合物Ｌ−１                            １００．００質量部
カイラル剤Ｂ                                    ４．４２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                        ２８４０．００質量部
――――――――――――――――――――――――――――――――【０１７０】
比較例１１と同様にして、配向膜Ｐ−１上に第２光学異方性層を形成した。【０１７１】
第１光学異方性層は、塗布層の断面を査型電子顕微鏡で確認したところ、コレステリック液晶相は８ピッチであり、かつ、図８に示すような同心円状の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光学異方性層の水平回転配向パターンにおいて、１周期は、中心部で非常に大きく（周期の逆数が０と見なせる）、中心から１．０ｍｍの距離で９．０μｍ、中心から２．５ｍｍの距離で４．５μｍ、中心から４．０ｍｍの距離で３．０μｍであり、外方向に向かって周期が短くなっていた。【０１７２】
第１光学異方性層と第２光学異方性層を貼合して、実施例１１の光学素子を作製した。なお、第１光学異方性層と第２光学異方性層を積層する際には、液晶配向パターンにおける光学軸の向きの連続的な回転方向が、互いに異なるように貼合した。【０１７３】
ＳＥＭによる断面像において、第１光学異方性層、第２光学異方性層ともに明暗線が光学異方性層下界面の法線に対し、斜めに傾斜した様子が観察された。さらに中心から外側に向かって明暗線の傾斜角度が小さくなっており、第１光学異方性層および第２光学異方性層の法線に対する明暗線の傾きの方向は同じであった。明暗線のパターンは第１光学異方性層および第２光学異方性層ともに中心から外側に向かって周期が短くなる様子が観察された。【０１７４】
［評価］
比較例１１および実施例１１の光学素子は反射型の回折素子として機能する。各素子について、光を入射した際における、光学素子の法線方向に対する反射回折光の角度を測定し、光強度増加率を評価した。具体的な測定方法以下の通りである。【０１７５】
レーザ光を光学素子の表面の所定位置に所定の入射角で入射させ、反射光を光学素子の法線方向３０ｃｍの距離に配置したスクリーンに投影し、赤外カメラで撮影した画像から反射回折光の角度を算出した。光源には波長９４０ｎｍのレーザーダイオードを用いた。【０１７６】
次いで、図２０に示すように、レーザ光源２５１から出射した波長９４０ｎｍのレーザ光を、直線偏光子２５２を透過させて直線偏光の光Ｌｉｒとした。この光Ｌｉｒを光学素子Ｓの表面の所定の位置に所定の入射角で入射させた。光学素子Ｓにより回折された反射回折光Ｌｄｒの光強度を光検出器２５６で測定した。そして、回折光Ｌｄｒの光強度と光Ｌｉｒの光強度との比をとり、回折光Ｌｄｒの入射光に対する相対光強度値を求めた。また、入射角を変えて同様に相対光強度値を求めた。異なる入射角に対する相対光強度値の平均値について、比較例に対する実施例の光強度増加率を以下の基準で評価した。【０１７７】
Ａ：光強度増加率が２０％以上
Ｂ：光強度増加率が１０％以上、２０％未満
Ｃ：光強度増加率が５％以上、１０％未満
Ｄ：光強度増加率が５％未満【０１７８】
なお、比較例１１と実施例１１の比較では中心から１．０ｍｍの距離（１周期９．０μｍ）での入射角を１０°、中心から２．５ｍｍの距離（１周期４．５μｍ）での入射角を２０°、中心から４．０ｍｍの距離（１周期３．０μｍ）での入射角を３０°として評価を行った。【０１７９】
結果を表２に示す。
【表２】
2020066429.tif 000009
【０１８０】
実施例１１は入射角１０〜３０°の範囲で、比較例１１よりも高い平均回折効率が得られた。【０１８１】
２０１８年９月２８日に出願された日本出願特願２０１８−１８５５８４の開示はその全体が参照により本明細書に取り込まれる。
本明細書に記載された全ての文献、特許出願、および技術規格は、個々の文献、特許出願、および技術規格が参照により取り込まれることが具体的かつ個々に記された場合と同程度に、本明細書中に参照により取り込まれる。
【図１】
2020066429.tif 000010
【図２】
2020066429.tif 000011
【図３】
2020066429.tif 000012
【図４】
2020066429.tif 000013
【図５】
2020066429.tif 000014
【図６】
2020066429.tif 000015
【図７】
2020066429.tif 000016
【図８】
2020066429.tif 000017
【図９】
2020066429.tif 000018
【図１０】
2020066429.tif 000019
【図１１】
2020066429.tif 000020
【図１２】
2020066429.tif 000021
【図１３】
2020066429.tif 000022
【図１４】
2020066429.tif 000023
【図１５】
2020066429.tif 000024
【図１６】
2020066429.tif 000025
【図１７】
2020066429.tif 000026
【図１８】
2020066429.tif 000027
【図１９】
2020066429.tif 000028
【図２０】
2020066429.tif 000029
【国際調査報告】
2020066429.tif 000030
2020066429.tif 000031
2020066429.tif 000032
2020066429.tif 000033