JP2022147451A - 液晶光学素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 量産化が可能な液晶光学素子を提供する。【解決手段】 液晶光学素子１は、基板１０と、複数の構造体２０と、配向方向が固定された複数の液晶分子を有する第１液晶層ＬＣ１と、配向方向が固定された複数の液晶分子を有する第２液晶層ＬＣ２と、を備える。溝ｇに重なった領域において、第１液晶層ＬＣ１の第１ダイレクタは、溝ｇに沿っており、第２液晶層ＬＣ２の第２ダイレクタは、第３面Ｓ３側において第２面Ｓ２側の第１ダイレクタと揃っており、平面視において旋回している。【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、液晶光学素子に関する。

例えば、液晶材料を用いた液晶偏光格子が提案されている。このような液晶偏光格子は、波長λの光が入射した際に、入射光を０次回折光及び１次回折光に分割するものである。このような液晶偏光格子を実現する場合、生産性を上げることが要望されている。

特開２０１８－８４６７９号公報 特表２０１７－５２２６０１号公報 特開平８－２６２４４５号公報

本実施形態は、量産化が可能な液晶光学素子を提供する。

一実施形態に係る液晶光学素子は、
主面を有する基板と、それぞれ前記主面と対向する底面と、前記底面とは反対側の上面と、を有し、間隔を置いて並べられた複数の構造体と、前記主面と対向する第１面と、前記第１面とは反対側の第２面と、配向方向が固定された複数の液晶分子と、を有し、前記複数の構造体の間に設けられ、硬化した第１液晶層と、前記上面と対向し前記第２面に接している第３面と、前記第３面とは反対側の第４面と、配向方向が固定された複数の液晶分子と、を有し、硬化した第２液晶層と、を備え、前記複数の構造体のうち隣合う一対の構造体は、それらの間に溝を形成し、前記溝に重なった領域において、前記第１液晶層の第１ダイレクタは、前記溝に沿っており、前記第２液晶層の第２ダイレクタは、前記第３面側において前記第２面側の前記第１ダイレクタと揃っており、平面視において旋回している。

図１は、一実施形態に係る液晶光学素子の第１液晶層の複数の液晶分子の配向方向を説明するための平面図である。 図２は、図１の線ＩＩ－ＩＩに沿って液晶光学素子を示す断面図である。 図３は、上記液晶光学素子の製造方法を説明するための断面図であり、基板の上に構造体材料が塗布された状態を示す図である。 図４は、図３に続き、上記液晶光学素子の製造方法を説明するための断面図であり、構造体材料の上方から基板に向けて金型を加圧している状態を示す図である。 図５は、図４に続き、上記液晶光学素子の製造方法を説明するための断面図であり、基板及び複数の構造体の上に第１液晶層が形成されている状態を示す図である。 図６は、図５に続き、上記液晶光学素子の製造方法を説明するための断面図であり、第１液晶層の上に第２液晶層が形成されている状態を示す図である。 図７は、図１の線ＶＩＩ－ＶＩＩに沿って液晶光学素子を示す断面図である。 図８は、上記第１液晶層における配向パターンを示す平面図である。 図９は、上記複数の構造体の第１レイアウトを示す平面図である。 図１０は、上記複数の構造体の第２レイアウトを示す平面図である。 図１１は、上記複数の構造体の第３レイアウトを示す平面図である。 図１２は、上記実施形態の変形例に係る液晶光学素子を示す断面図である。

以下に、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、開示はあくまで一例にすぎず、当業者において、発明の主旨を保っての適宜変更について容易に想到し得るものについては、当然に本発明の範囲に含有されるものである。また、図面は説明をより明確にするため、実際の態様に比べ、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。また、本明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して、詳細な説明を適宜省略することがある。

図面には、必要に応じて理解を容易にするために、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸を記載する。Ｘ軸に沿った方向をＸ方向又は第１方向と称し、Ｙ軸に沿った方向をＹ方向、第２方向、又はＸ方向と交差する方向と称し、Ｚ軸に沿った方向をＺ方向又は第３方向と称する。Ｘ軸及びＹ軸によって規定される面をＸ－Ｙ平面と称し、Ｘ軸及びＺ軸によって規定される面をＸ－Ｚ平面と称する。Ｘ－Ｙ平面を見ることを平面視という。

図１は、一実施形態に係る液晶光学素子１の第１液晶層ＬＣ１の複数の液晶分子ＬＭの配向方向を説明するための平面図である。図２は、図１の線ＩＩ－ＩＩに沿って液晶光学素子１を示す断面図である。
図２に示すように、液晶光学素子１は、基板１０と、複数の構造体２０と、第１液晶層ＬＣ１と、第２液晶層ＬＣ２と、を備えている。なお、図２は、構造体２０と構造体２０の接線（Ｙ方向の仮想の直線）との交点を通る断面図である。

基板１０は、光を透過する透明基板であり、例えば、透明なガラス板又は透明な合成樹脂板によって構成されている。基板１０は、例えば、可撓性を有する透明な合成樹脂板によって構成されていてもよい。基板１０は、任意の形状を取り得る。例えば、基板１０は、湾曲していてもよい。基板１０の屈折率は、例えば、空気の屈折率よりも大きい。

本明細書において、『光』は、可視光及び不可視光を含むものである。例えば、可視光域の下限の波長は３６０ｎｍ以上４００ｎｍ以下であり、可視光域の上限の波長は７６０ｎｍ以上８３０ｎｍ以下である。可視光は、第１波長帯（例えば４００ｎｍ～５００ｎｍ）の第１成分（青成分）、第２波長帯（例えば５００ｎｍ～６００ｎｍ）の第２成分（緑成分）、及び、第３波長帯（例えば６００ｎｍ～７００ｎｍ）の第３成分（赤成分）を含んでいる。不可視光は、第１波長帯より短波長帯の紫外線、及び、第３波長帯より長波長帯の赤外線を含んでいる。
本明細書において、『透明』は、無色透明であることが好ましい。ただし、『透明』は、半透明又は有色透明であってもよい。

基板１０は、Ｘ－Ｙ平面に沿った平板状に形成され、主面Ｆ１と、主面Ｆ１とは反対側の主面Ｆ２と、を有している。主面Ｆ１及び主面Ｆ２は、Ｘ－Ｙ平面に略平行な面であり、Ｚ方向において、互いに対向している。主面Ｆ２は、例えば空気に接しているが、他の薄膜で覆われていてもよい。

複数の構造体２０は、主面Ｆ１の上方に配置されている。本実施形態において、複数の構造体２０は、主面Ｆ１の上に配置されている。構造体２０の各々は、主面Ｆ１に接しているが、構造体２０と主面Ｆ１との間に絶縁膜等の薄膜が介在していてもよい。構造体２０は、例えば、有機材料によって形成されているが、無機材料によって形成されてもよい。

複数の構造体２０は、所定の第１ピッチｐ１でＸ方向に間隔を置いて並んでいる。ここでの構造体２０とは、主面Ｆ１からＺ方向に延びた凸状体である。このような複数の構造体２０は、後に詳述するが、第１液晶層ＬＣ１に含まれる液晶分子ＬＭの配向方向を規定する機能を有するものである。

構造体２０は、Ｘ－Ｚ平面において、Ｚ方向に沿って先細る断面形状を有している。つまり、構造体２０は、主面Ｆ１と対向する底面２０Ｂと、底面２０Ｂとは反対側の上面２０Ｔと、を有している。本実施形態において、底面２０Ｂは主面Ｆ１に接している。一対の構造体２０が隣合う方向（Ｘ方向）において、底面２０Ｂの幅ＷＢは、上面２０Ｔの幅ＷＴより大きい。

図１に示す例では、隣合う底面２０Ｂの間で主面Ｆ１が露出している。但し、隣合う底面２０Ｂの間の主面Ｆ１が薄膜で覆われていてもよい。
また、構造体２０は、底面２０Ｂと上面２０Ｔとの間に側面２０Ｓを有している。構造体２０の側面２０Ｓと隣の構造体２０の側面２０Ｓとは、Ｘ方向において、互いに対向している。側面２０Ｓの各々は、Ｚ方向に対して傾斜した傾斜面である。

構造体２０が基板１０に接している構成例では、構造体２０の屈折率は、基板１０の屈折率と実質的に同一である。このため、基板１０と構造体２０との界面に到達した光は、ほとんど屈折しない。

構造体２０の各々は、ほぼ一定の高さＴ２０を有している。高さＴ２０は、Ｚ方向における底面２０Ｂから上面２０Ｔまでの距離に相当している。構造体２０の高さＴ２０は、底面２０Ｂの幅ＷＢを超えている。一例では、高さＴ２０は、１００～２０００ｎｍであり、望ましくは、３００～１０００ｎｍである。上記のように、高さＴ２０は１μｍ以下である方が望ましく、第１液晶層ＬＣ１の位相差は小さい方が望ましい。

幅ＷＢは、例えば、５０～１５００ｎｍであり、望ましくは、１００～１０００ｎｍである。幅ＷＢと高さＴ２０との比（ＷＢ／Ｔ２０）は、１より小さく、０．１より大きい。

構造体２０の側面２０Ｓと底面２０Ｂとのなす角度θは、９０°より小さいことが望ましい。一例では、角度θは、６５°～８８°であり、望ましくは、７５°～８５°である。複数の構造体２０のうち隣合う一対の構造体２０は、それらの間に溝ｇを形成している。

第１液晶層ＬＣ１は、複数の構造体２０の間に設けられ、各々の構造体２０を囲んでいる。第１液晶層ＬＣ１は、主面Ｆ１と対向する第１面Ｓ１と、第１面Ｓ１とは反対側の第２面Ｓ２と、を有している。本実施形態において、上面２０Ｔは、第１液晶層ＬＣ１で覆われ、主面Ｆ１と第２面Ｓ２との間に位置している。

第１面Ｓ１は、凹凸面であり、上面２０Ｔ及び側面２０Ｓに接している。しかも、図１に示す例では、第１面Ｓ１は、隣合う構造体２０の間において主面Ｆ１に接している。なお、基板１０及び複数の構造体２０を含む下地と、第１液晶層ＬＣ１との間に水平配向膜が介在してもよい。上記水平配向膜を用いる場合、水平配向膜に配向処理を施さなくともよい。

第１液晶層ＬＣ１は、厚みＤＬＣ１を有している。厚みＤＬＣ１は、構造体２０から外れた領域において、Ｚ方向における第１面Ｓ１から第２面Ｓ２までの距離に相当している。本実施形態において、厚みＤＬＣ１は、高さＴ２０を超えている。

また、Ｘ方向に隣合う一対の構造体２０の底面２０Ｂの間の距離Ｌは、高さＴ２０と実質的に同一、あるいは、高さＴ２０未満である。一例では、距離Ｌと高さＴ２０との比（Ｌ／Ｔ２０）は、１以下であり、０．３を超えている。距離Ｌは、５０～１５００ｎｍであり、望ましくは、１００～１０００ｎｍである。

本実施形態において、幅ＷＢは、距離Ｌ未満であり、高さＴ２０未満である。また、本実施形態において、ＷＢ＝１３０ｎｍであり、Ｌ＝２８０ｎｍであり、Ｔ２０＝４５０ｎｍである。

なお、液晶分子ＬＭの配向方向を規定する観点では、距離Ｌは短い方が望ましく、また、高さＴ２０は大きい方が望ましい。但し、後述する金型を用いた製造方法で構造体２０を形成する場合の生産性を考慮すると、距離Ｌは大きい方が望ましく、また、高さＴ２０は小さい方が望ましい。

第１液晶層ＬＣ１の複数の液晶分子ＬＭは、隣合う構造体２０の間に位置し、構造体２０の上方にも位置している。第１液晶層ＬＣ１の複数の液晶分子ＬＭの配向方向は、隣接する構造体２０によって規定される。配向方向と構造体２０との関係については、後に図１を参照しながら説明する。

第１液晶層ＬＣ１において、Ｚ方向に連続する複数の液晶分子ＬＭの配向方向は揃っている。言い換えると、第１液晶層ＬＣ１のダイレクタは、Ｚ方向に連続する全域にわたって揃っている。第１液晶層ＬＣ１の複数の液晶分子ＬＭは、排除体積効果によって配向している。溝ｇにおいて、第１液晶層ＬＣ１のダイレクタは溝ｇに沿って延びている。これにより、複数の液晶分子ＬＭは、それぞれＸ－Ｙ平面において所定の方向に配向している。

第１液晶層ＬＣ１は、ネマティック液晶を有している。第１液晶層ＬＣ１は、紫外線硬化型のネマティック液晶で形成されている。そのため、Ｚ方向に連続する複数の液晶分子ＬＭは捩れていない。

ここで、第１液晶層ＬＣ１が紫外線硬化型のコレステリック液晶で形成される場合を仮定する。コレステリック液晶の場合、Ｚ方向に連続する複数の液晶分子ＬＭは捩れることとなる。なぜなら、コレステリック液晶の液晶分子ＬＭの大きさは数ｎｍであり、幾何学的な観点から、液晶分子ＬＭは溝ｇに沿って配向しないためである。

ネマティック液晶を利用した第１液晶層ＬＣ１は、液晶分子ＬＭの配向方向が固定された状態で硬化している。つまり、液晶分子ＬＭの配向方向は、電界に応じて制御されるものではない。このような第１液晶層ＬＣ１は、例えば、モノマーに光などのエネルギーを与えて重合させることで形成される。第１液晶層ＬＣ１は、配向膜として機能している。

第２液晶層ＬＣ２は、上面２０Ｔと対向し第２面Ｓ２に接している第３面Ｓ３と、第３面Ｓ３とは反対側の第４面Ｓ４と、を有している。本実施形態において、第３面Ｓ３は、上面２０Ｔに接していない。第２液晶層ＬＣ２は、厚みＤＬＣ２を有している。厚みＤＬＣ２は、Ｚ方向における第３面Ｓ３から第４面Ｓ４までの距離に相当している。一例では、厚みＤＬＣ２は、１０００～１４０００ｎｍであり、望ましくは、５０００～１２０００ｎｍである。

図２に示す例では、Ｚ方向において、第２液晶層ＬＣ２の上には他の薄膜や基板は重なっていない。つまり、第２液晶層ＬＣ２において、第４面Ｓ４は空気に接する表面である。なお、第４面Ｓ４は、水平配向膜、保護膜等の他の薄膜で覆われる場合があり得る。

第２液晶層ＬＣ２は、複数の液晶構造体ＬＭＳを有している。液晶構造体ＬＭＳは、第２液晶層ＬＣ２の一端側に位置する第１液晶分子ＬＭ１と、第２液晶層ＬＣ２の他端側に位置する第２液晶分子ＬＭ２と、を有している。第１液晶分子ＬＭ１は第３面Ｓ３に近接し、第２液晶分子ＬＭ２は第４面Ｓ４に近接している。

第２液晶層ＬＣ２のダイレクタは、第３面Ｓ３側において、第１液晶層ＬＣ１の第２面Ｓ２側のダイレクタと揃っている。例えば、溝ｇに重なった領域において、第２液晶層ＬＣ２のダイレクタは、第３面Ｓ３側において、第１液晶層ＬＣ１の第２面Ｓ２側のダイレクタと揃っている。図２の断面において、第２液晶層ＬＣ２の第３面Ｓ３側のダイレクタと、第１液晶層ＬＣ１の第２面Ｓ２側のダイレクタとは、Ｙ方向に平行である。平面視において、第２液晶層ＬＣ２のダイレクタは、旋回している。

第１液晶分子ＬＭ１の配向方向は、配向膜として機能する第１液晶層ＬＣ１による配向規制力によって規定される。各液晶構造体ＬＭＳは、第１液晶分子ＬＭ１及び第２液晶分子ＬＭ２を含む複数の液晶分子がＺ方向に並んだ連続体としてみなすことができる。このため、第１液晶分子ＬＭ１の配向方向が規定されることにより、第２液晶分子ＬＭ２を含むＺ方向に並んだ複数の液晶分子の配向方向は、第１液晶分子ＬＭ１の配向方向に応じて規定される。これにより、各液晶構造体ＬＭＳにおける第１液晶分子ＬＭ１及び第２液晶分子ＬＭ２を含む複数の液晶分子は、それぞれＸ－Ｙ平面において所定の方向に配向する。

第２液晶層ＬＣ２は、コレステリック液晶を有している。第２液晶層ＬＣ２は、紫外線硬化型のコレステリック液晶で形成されている。第２液晶層ＬＣ２は、第１液晶分子ＬＭ１及び第２液晶分子ＬＭ２を含む液晶分子ＬＭの配向方向が固定された状態で硬化している。つまり、液晶分子ＬＭの配向方向は、電界に応じて制御されるものではない。このような第２液晶層ＬＣ２は、例えば、モノマーに光などのエネルギーを与えて重合させることで形成される。第２液晶層ＬＣ２は、光学層として機能している。

第１液晶層ＬＣ１及び第２液晶層ＬＣ２において、複数の液晶分子ＬＭの配向方向は、電界に応じて制御されるものではない。このため、液晶光学素子１は、配向制御のための電極を備えていない。

図１に示すように、複数の構造体２０は、平面視において、略同一形状を有するように形成され、それぞれ湾曲している。平面視において、各々の溝ｇも湾曲している。複数の構造体２０は、Ｘ方向に間隔を置いて並んでいる。

Ｘ方向に隣合う一対の構造体２０の間の第１液晶層ＬＣ１の液晶分子ＬＭは、その長軸ＬＸが構造体２０の接線ＴＬに沿うように配向した状態で、硬化している。ここでの接線ＴＬは、例えば、構造体２０のうち底面２０Ｂの外縁に接する接線である。言い換えると、溝ｇに重なった領域において、第１液晶層ＬＣ１のダイレクタは、溝ｇに沿っている。

図３、図４、図５、及び図６は、液晶光学素子１の製造方法の一例を説明するための図である。
図３に示すように、液晶光学素子１の製造が開始されると、まず、ステップＳＴ１において、基板１０を用意し、基板１０の主面Ｆ１に透明な構造体材料２０Ｍを塗布し、溶媒を除去して構造体材料２０Ｍが仮硬化した状態を形成する。ここでは、構造体材料２０Ｍとして紫外線硬化性樹脂が適用可能である。

図４に示すように、続いて、ステップＳＴ２に移行すると、予め構造体２０の形状に応じた凹部が形成された金型ＭＤを用意し、金型ＭＤを構造体材料２０Ｍに重ね合わせ、加圧しながら紫外線を照射する。これにより、構造体材料２０Ｍが金型ＭＤの凹部に応じた形状に硬化し、構造体２０が形成される。その後、金型ＭＤを除去する。

図４に示す例では、金型ＭＤの凸部ＣＶが主面Ｆ１に接した状態で、紫外線を照射している。このため、形成された構造体２０は互いに離れ、構造体２０の間の主面Ｆ１が露出する。
なお、金型ＭＤが加圧された際に、凸部ＣＶと主面Ｆ１との間に構造体材料２０Ｍが介在した状態で紫外線が照射されてもよい。この場合、構造体２０の間の主面Ｆ１は、構造体２０と同一材料の薄膜で覆われる。

図５に示すように、次いで、ステップＳＴ３に移行すると、基板１０及び構造体２０の上に第１液晶層ＬＣ１を形成する。第１液晶層ＬＣ１は、例えば以下のようにして形成される。まず、主面Ｆ１及び構造体２０に接するように紫外線硬化型のネマティック液晶を塗布する。そして、紫外線等の光を照射して紫外線硬化型のネマティック液晶を硬化させ、第１液晶層ＬＣ１を形成する。

但し、ネマティック液晶を硬化させる以前の段階では、ネマティック液晶に含まれる液晶分子ＬＭの配向方向は、以下のようにして固定される。すなわち、溝ｇに重なった領域において、第１液晶層ＬＣ１の複数の液晶分子ＬＭは溝ｇに沿って配向し、Ｘ－Ｙ平面に沿うように水平配向し、液晶分子ＬＭの長軸は構造体２０の接線に沿うように配向する。Ｚ方向に並ぶ複数の液晶分子ＬＭの配向方向は、実質的に一致している。構造体２０の上方に位置する液晶分子ＬＭは、その周辺の液晶分子ＬＭに追従して配向する。
このように、複数の液晶分子ＬＭの配向方向が固定された後に、ネマティック液晶の硬化処理が行われる。

図５に示すように、その後、ステップＳＴ４に移行すると、第１液晶層ＬＣ１の上に第２液晶層ＬＣ２を形成する。第２液晶層ＬＣ２は、例えば以下のようにして形成される。まず、第２面Ｓ２に接するように紫外線硬化型のコレステリック液晶を塗布する。そして、紫外線等の光を照射して紫外線硬化型のコレステリック液晶を硬化させ、第２液晶層ＬＣ２を形成する。

但し、コレステリック液晶を硬化させる以前の段階では、コレステリック液晶に含まれる液晶分子の配向方向は、以下のようにして固定される。すなわち、第１液晶層ＬＣ１に近接する第１液晶分子ＬＭ１は、第１液晶層ＬＣ１の液晶分子ＬＭに沿うように配向する。第１液晶分子ＬＭ１に対してＺ方向に重なる液晶分子（第２液晶分子ＬＭ２を含む）ＬＭの配向方向は、第１液晶分子ＬＭ１の配向方向に応じて決定される。コレステリック液晶は、ネマティック液晶にカイラル剤が添加されたカイラルネマティック液晶である。第２液晶層ＬＣ２の複数の液晶分子ＬＭは、第１液晶分子ＬＭ１を起点として旋回しながらＺ方向に重なる。

このように、第１液晶分子ＬＭ１の配向方向に応じて、各液晶分子ＬＭの配向方向が固定された後に、コレステリック液晶の硬化処理が行われる。
上述した工程を経ることで、液晶光学素子１の製造が終了する。

上記のように構成された液晶光学素子１によれば、ナノインプリント技術を活用し、構造体２０が形成されている。光の波長オーダーの微小な凹凸を有する金型ＭＤを用いて、微小な構造体２０を容易に形成することができる。このような構造体２０は、ネマティック液晶が塗布された際に、ネマティック液晶に含まれる液晶分子ＬＭの配向方向を規定する機能を有している。ネマティック液晶自体も、Ｚ方向にわたって複数の液晶分子ＬＭの配向方向を揃える性質を有している。

構造体２０のパターンは、液晶分子ＬＭが所望の配向パターンを形成するように形成されている。このため、ネマティック液晶は、各液晶分子の配向方向が所定の方向に固定された状態で硬化しており、第１液晶層ＬＣ１が形成されている。コレステリック液晶も、各液晶分子の配向方向が所定の方向に固定された状態で硬化しており、第２液晶層ＬＣ２が形成されている。所定のリタデーションを有する第２液晶層ＬＣ２が形成される。
したがって、所望の光学特性を有する液晶光学素子１を得ることができる。また、量産化が可能な液晶光学素子１を得ることができる。

なお、構造体２０を形成する替わりに、配向のパターニングによって配向処理を施すことも考えられる。配向のパターニングは、マスク露光や干渉や直接描画によって実現できること推測されるが量産性が低いことが課題となる。また、ナノインプリント技術を採用することにより、干渉や直線描画では困難である大型化に対応することも可能である。

次に、本実施形態に係る液晶光学素子１の具体的な構成例について説明する。図７は、図１の線ＶＩＩ－ＶＩＩに沿って液晶光学素子１を示す断面図である。液晶光学素子１は反射型の回折格子として機能するものである。

図７に示すように、第２液晶層ＬＣ２は、コレステリック液晶を有している。なお、図７では、図面の簡略化のため、１つの液晶分子ＬＭは、Ｘ－Ｙ平面内に位置する複数の液晶分子のうち、平均的配向方向を向いている液晶分子を代表して示している。すなわち、各々の液晶分子ＬＭの向きはダイレクタと等しい。第１液晶層ＬＣ１の第２面Ｓ２に沿って並んだ複数の第１液晶分子ＬＭ１の配向方向は、Ｙ方向に連続的に変化している。

１つの液晶構造体ＬＭＳに注目すると、複数の液晶分子ＬＭは、旋回しながらＺ方向に螺旋状に積み重ねられている。第１液晶分子ＬＭ１の配向方向及び第２液晶分子ＬＭ２の配向方向は、実質的に同一である。液晶構造体ＬＭＳは、螺旋ピッチｐＬＣ２を有している。螺旋ピッチｐＬＣ２は、螺旋の１周期(３６０°）を示す。

第２液晶層ＬＣ２は、一点鎖線で示すような複数の反射面１３を有している。一例では、複数の反射面１３は、互いに略平行である。反射面１３は、第２面Ｓ２に対して傾斜しており、一定方向に延びる略平面形状を有している。反射面１３は、ブラッグの法則に従って、入射光ＬＴｉのうち一部の光ＬＴｒを選択反射し、他の光ＬＴｔを透過する。反射面１３は、第２面Ｓ２に対する反射面１３の傾斜角度φに応じて光ＬＴｒを反射する。

図７に示す例では、螺旋ピッチｐＬＣ２は、第１液晶分子ＬＭ１と第２液晶分子ＬＭ２との間のＺ方向の距離として示されているが、反射面１３での反射率を向上する観点では、第２液晶層ＬＣ２の厚みＤＬＣ２は、螺旋ピッチｐＬＣ２の５倍以上であることが望ましい。

コレステリック液晶で形成された第２液晶層ＬＣ２は、光を選択的に反射する。第２液晶層ＬＣ２での反射効率は、厚みＤＬＣ２と螺旋ピッチｐＬＣ２との関係で変化する。なお、厚みＤＬＣ２は、螺旋ピッチｐＬＣ２等の第２液晶層ＬＣ２のパラメータに左右されるものである。

上述したように、反射効率の観点から、厚みＤＬＣ２は、螺旋ピッチｐＬＣ２の５倍以上である方が望ましい。なお、厚みＤＬＣ２が螺旋ピッチｐＬＣ２の４倍以上であっても所望の反射効率が得られる場合がある。厚みＤＬＣ２が螺旋ピッチｐＬＣ２の４．５倍くらいになると、反射効率が飽和する傾向にある。

厚みＤＬＣ２が螺旋ピッチｐＬＣ２の３倍程度であると、所望の反射効率を得ることが困難となる。厚みＤＬＣ２が小さすぎると、反射効率が下がってしまうためである。
一方、厚みＤＬＣ２が大きくなりすぎると、反射効率に影響はないが、液晶を塗布するのが困難となる。また、第４面Ｓ４と対向する側から、第２液晶層ＬＣ２の第４面Ｓ４側の液晶分子ＬＭに配向規制力を作用させることはできないため、第２液晶層ＬＣ２の第４面Ｓ４側の液晶分子ＬＭを配向させるのが困難となる。

ここでの反射面１３は、液晶分子ＬＭの配向方向が揃った面、あるいは、空間位相が揃った面（等位相面）に相当する。なお、反射面１３の形状は、平面形状に限らず、凹状や凸状の曲面形状であってもよく、特に限定されるものではない。また、反射面１３の一部に凸凹を有していたり、反射面１３の傾斜角度φが均一でなかったり、複数の反射面１３が、規則的に整列していなかったりしてもよい。液晶構造体ＬＭＳの空間位相分布に応じて、任意の形状の反射面１３を構成することができる。

液晶構造体ＬＭＳであるコレステリック液晶は、選択反射帯域Δλに含まれる所定波長λの光のうち、コレステリック液晶の旋回方向と同じ旋回方向の円偏光を反射する。例えば、コレステリック液晶の旋回方向が右回りの場合、所定波長λの光のうち、右回りの円偏光を反射し、左回りの円偏光を透過する。同様に、コレステリック液晶の旋回方向が左回りの場合、所定波長λの光のうち、左回りの円偏光を反射し、右回りの円偏光を透過する。

コレステリック液晶の螺旋ピッチをｐＬＣ２、液晶分子の異常光に対する屈折率をｎｅ、液晶分子の常光に対する屈折率をｎｏと記載すると、一般的に、垂直入射した光に対するコレステリック液晶の選択反射帯域Δλは、「ｎｏ＊ｐＬＣ２～ｎｅ＊ｐＬＣ２」で示される。なお、詳細には、コレステリック液晶の選択反射帯域Δλは、「ｎｏ＊ｐＬＣ２～ｎｅ＊ｐＬＣ２」の範囲に対して、反射面１３の傾斜角度φや、入射角θｉなどに応じて変化する。

反射型の回折格子として機能する液晶光学素子１において、第２液晶層ＬＣ２のコレステリック液晶は、反射面１３を持つなど周期性を持っている。第２液晶層ＬＣ２は、特定の波長の光のみ反射回折することが可能である。

（配向パターン例）
次に、第１液晶層ＬＣ１における配向パターンの一例について説明する。図８は、第１液晶層ＬＣ１における配向パターンを示す平面図である。図８において、構造体２０の図示を省略している。

図８に示すように、Ｙ方向に並んだ液晶分子ＬＭの配向方向は、互いに異なる。つまり、Ｘ－Ｙ平面における空間位相は、Ｙ方向に沿って異なる。例えば、液晶分子ＬＭの各々の配向方向は、Ｙ方向に沿って（図の左から右に向かって）、一定角度ずつ変化している。ここでは、液晶分子ＬＭの配向方向の変化量は、Ｙ方向に沿って一定であるが、徐々に増大したり、徐々に減少したりしてもよい。

ここで、図８に示すように、Ｙ方向に沿って第１液晶分子ＬＭ１の配向方向が１８０°だけ変化するときの２つの液晶分子ＬＭの間隔を配向ピッチαと定義する。
一方、Ｘ方向に並んだ液晶分子ＬＭの配向方向は実質的に同一である。つまり、Ｘ－Ｙ平面における空間位相は、Ｘ方向において実質的に一致する。

次に、図８に示した配向パターンを実現するための構造体２０のレイアウト例についていくつか説明する。

（第１レイアウト）
図９は、複数の構造体２０の第１レイアウトを示す平面図である。図９に示すように、第１レイアウトは、複数の構造体２０が１種類の構造体（第１構造体）２１を有する例に相当する。構造体２１の各々は、平面視において、同様に湾曲している。

複数の構造体２１は、Ｘ方向及びＹ方向にそれぞれ配列されている。複数の構造体２１は、Ｘ方向に第１ピッチｐ１で並んでいる。また、複数の構造体２１は、Ｙ方向に第１ピッチｐ１とは異なる第２ピッチｐ２で並んでいる。一例では、第２ピッチｐ２は、第１ピッチｐ１より大きい。第２ピッチｐ２は、図８に示した配向ピッチαと同等である。溝ｇを形成する一対の構造体２０は、複数の構造体２１のうちＸ方向に隣合う一対の構造体２１である。

このような第１レイアウトによれば、溝ｇの液晶分子は、構造体２１の接線に沿うように配向する。溝ｇの液晶分子は、溝ｇに沿って配向する。Ｙ方向に並んだ液晶分子の配向方向は、連続的に変化している。Ｙ方向に隣合う構造体２１の間の液晶分子は、Ｘ方向に配向する。

（第２レイアウト）
図１０は、複数の構造体２０の第２レイアウトを示す平面図である。図１０に示すように、第２レイアウトは、複数の構造体２０が複数種類の構造体（第１構造体）２１及び構造体（第２構造体）２２を有する例に相当する。つまり、第２レイアウトは、第１レイアウトと比較して、構造体２２が追加された点で相違している。構造体２２の各々は、平面視において、構造体２１とは異なる形状を有し、湾曲している。

ここでの異なる形状とは、構造体２２の全長が構造体２１の全長とは異なる場合や、構造体２２の曲率が構造体２１の曲率と異なる場合などを含むものである。図１０に示す例では、構造体２２の全長は構造体２１の全長より短いが、構造体２２の曲率は構造体２１の曲率と実質的に同一である。

複数の構造体２２は、Ｘ方向及びＹ方向にそれぞれ配列されている。Ｘ方向において、構造体２１及び構造体２２は、交互に並んでいる。１つの構造体２２に注目すると、構造体２２は、Ｘ方向に隣合う一対の構造体２１の間に配置されている。また、１つの構造体２２は、一対の構造体２１のほぼ中間地点に配置されている。なお、一対の構造体２１の間に、複数の構造体２２が配置されてもよい。

複数の構造体２２は、Ｘ方向にピッチｐ１１で並んでいる。また、複数の構造体２２は、Ｙ方向にピッチｐ１１とは異なるピッチｐ１２で並んでいる。一例では、ピッチｐ１１は第１ピッチｐ１と同等であり、ピッチｐ１２は第２ピッチｐ２と同等であり、ピッチｐ１２は配向ピッチαと同等である。

このような第２レイアウトによれば、Ｘ方向に隣合う構造体２１と構造体２２との間の液晶分子は、構造体２１及び構造体２２のそれぞれの接線に沿うように配向する。構造体２１と構造体２２とはそれらの間に溝ｇａを形成し、液晶分子は、溝ｇａにおいて溝ｇａに沿って配向している。Ｙ方向に並んだ液晶分子の配向方向は、連続的に変化している。Ｙ方向に隣合う構造体２１の間の液晶分子は、Ｘ方向に配向する。

（第３レイアウト）
図１１は、複数の構造体２０の第３レイアウトを示す平面図である。図１１に示すように、第３レイアウトは、複数の構造体２０が複数種類の構造体（第１構造体）２１及び構造体（第３構造体）２３を有する例に相当する。つまり、第３レイアウトは、第１レイアウトと比較して、構造体２３が追加された点で相違している。なお、第３レイアウトでは、図１０に示した第２レイアウトのように、構造体２２をさらに追加してもよい。

複数の構造体２１は、各々のグループＧｒに属しＸ方向に並べられた複数の第１構造体２１を有している。例えば、第１グループＧｒ１に属する複数の第１構造体２１と、第２グループＧｒ２に属する複数の第１構造体２１とは、Ｙ方向に隣合っている。

構造体２３の各々は、平面視において、構造体２１とは異なる形状を有し、Ｘ方向に直線状に延出している。構造体２３は、Ｙ方向において隣接する構造体２１の間に配置されている。例えば、構造体２３は、第１グループＧｒ１と第２グループＧｒ２との間に位置している。複数の構造体２３は、Ｙ方向にピッチｐ２２で並んでいる。一例では、ピッチｐ２２は第２ピッチｐ２と同等であり、ピッチｐ２２は配向ピッチαと同等である。

このような第３レイアウトによれば、Ｘ方向に隣合う構造体２１の間の液晶分子は、構造体２１の接線に沿うように配向し、Ｙ方向に並んだ液晶分子の配向方向は、連続的に変化している。Ｙ方向に隣合う構造体２１の間の液晶分子は、構造体２３に沿って配向する。

以上説明したように、本実施形態によれば、量産化が可能な液晶光学素子１を得ることができる。

本発明の実施形態を説明したが、上記の実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。上記の新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。上記の実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

例えば、図１２に示すように、第１液晶層ＬＣ１の第２面Ｓ２は、構造体２０の上面２０Ｔと同一平面上に位置してもよい。第２液晶層ＬＣ２の第３面Ｓ３は、第２面Ｓ２及び複数の上面２０Ｔに接している。第２液晶層ＬＣ２において、構造体２０の直上の第１液晶分子ＬＭ１の配向方向も規制されている。構造体２０の直上において、第１液晶分子ＬＭ１は、第１液晶層ＬＣ１からの配向規制力を直に受けていないが、Ｘ方向又はＹ方向に隣合う第１液晶層ＬＣ１間で配向規制力が作用するためである。

上述した液晶光学素子１は、反射型の回折格子への適用に限定されるものではない。液晶配向のパターニングによって、液晶光学素子１は、反射型レンズ、ホログラム等の光学素子への応用も可能である。

１…液晶光学素子、１０…基板、Ｆ１…主面、２０，２１，２２，２３…構造体、
２０Ｂ…底面、２０Ｓ…側面、２０Ｔ…上面、Ｇｒ，Ｇｒ１，Ｇｒ２…グループ、
ｇ，ｇａ…溝、ＬＣ１…第１液晶層、Ｓ１…第１面、Ｓ２…第２面、
ＬＣ２…第２液晶層、Ｓ３…第３面、Ｓ４…第４面、ＬＭ，ＬＭ１，ＬＭ２…液晶分子、
ＬＭＳ…液晶構造体、ＷＢ，ＷＴ…幅、Ｔ２０…高さ、Ｌ…距離、ｐ１…第１ピッチ、
ｐ２…第２ピッチ、ＤＬＣ１，ＤＬＣ２…厚み。ｐＬＣ２…螺旋ピッチ。

Claims (11)

1. 主面を有する基板と、
   それぞれ前記主面と対向する底面と、前記底面とは反対側の上面と、を有し、間隔を置いて並べられた複数の構造体と、
   前記主面と対向する第１面と、前記第１面とは反対側の第２面と、配向方向が固定された複数の液晶分子と、を有し、前記複数の構造体の間に設けられ、硬化した第１液晶層と、
   前記上面と対向し前記第２面に接している第３面と、前記第３面とは反対側の第４面と、配向方向が固定された複数の液晶分子と、を有し、硬化した第２液晶層と、を備え、
   前記複数の構造体のうち隣合う一対の構造体は、それらの間に溝を形成し、
   前記溝に重なった領域において、
   前記第１液晶層の第１ダイレクタは、前記溝に沿っており、
   前記第２液晶層の第２ダイレクタは、前記第３面側において前記第２面側の前記第１ダイレクタと揃っており、平面視において旋回している、
   液晶光学素子。
2. 前記第２面は、前記上面と同一平面上に位置している、又は
   前記上面は、前記第１液晶層で覆われ、前記主面と前記第２面との間に位置している、
   請求項１に記載の液晶光学素子。
3. 各々の前記構造体は、透明な有機材料によって形成され、
   前記一対の構造体が隣合う方向において、前記底面の幅は、前記上面の幅より大きい、
   請求項１に記載の液晶光学素子。
4. 各々の前記構造体の屈折率は、前記基板の屈折率と実質的に同一である、
   請求項３に記載の液晶光学素子。
5. 各々の前記構造体の高さは、前記底面の前記幅を超える、
   請求項３に記載の液晶光学素子。
6. 前記一対の構造体が隣合う方向における前記一対の構造体の前記底面の間の距離は、各々の前記構造体の高さと実質的に同一、又は前記高さ未満である、
   請求項１に記載の液晶光学素子。
7. 平面視において、各々の前記一対の構造体及び前記溝は、それぞれ湾曲している、
   請求項１に記載の液晶光学素子。
8. 前記複数の構造体は、湾曲した複数の第１構造体を有し、
   前記複数の第１構造体は、第１方向に第１ピッチで並び、前記第１方向と交差する第２方向に前記第１ピッチとは異なる第２ピッチで並べられ、
   前記一対の構造体は、前記複数の第１構造体のうち前記第１方向に隣合う一対の第１構造体である、
   請求項１に記載の液晶光学素子。
9. 前記複数の構造体は、前記一対の第１構造体の間に配置された第２構造体をさらに有し、
   前記第２構造体は、前記第１構造体とは異なる形状を有し、湾曲している、
   請求項８に記載の液晶光学素子。
10. 前記複数の第１構造体は、
    第１グループに属し前記第１方向に並べられた複数の第１構造体と、
    前記第２方向に前記第１グループに隣合う第２グループに属し前記第１方向に並べられた複数の第１構造体と、を含み、
    前記複数の構造体は、前記第１グループと前記第２グループとの間に位置し前記第１方向に直線状に延出した第３構造体をさらに有する、
    請求項８に記載の液晶光学素子。
11. 前記第１液晶層は、ネマティック液晶を有し、
    前記第２液晶層は、コレステリック液晶を有する、
    請求項１に記載の液晶光学素子。

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