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JP7561763B2 - 画像表示装置 - Google Patents

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Description

本発明は、光を伝搬する光学部材、および、この光学部材を用いる画像表示装置に関する。
近年、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。
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、入射回折素子を用いて、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、導光板内で光を全反射して伝播させる。導光板を伝播した光は、導光板の他方の端部において出射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。
US2016/0231568A1
このような導光板と回折素子とを有する導光素子を用いたARグラスにおいて、ディスプレイからの光を使用者による観察位置に出射する際に、観察位置の方向とは反対方向に迷光が漏れて、使用者以外の者に視認されるという問題があった。
本発明の課題は、このような従来技術の問題点を解決することにあり、迷光が外部に出射されるのを抑制できる光学部材および画像表示装置を提供することにある。
この課題を解決するために、本発明は、以下の構成を有する。
[1] 導光板と、導光板の主面に配置される入射回折素子、および、出射回折素子と、を有する導光素子と、
出射回折素子の出射側とは反対側に漏れる光の透過を阻止する偏光素子と、を有し、
出射回折素子が、偏光回折素子であり、
偏光素子は、出射回折素子に対して出射側とは反対側に配置されており、
偏光素子は、導光板の主面の面方向において、出射回折素子と重複する位置に配置されている光学部材。
[2] 出射回折素子が、反射型の回折素子であり、
偏光素子は、出射回折素子の、導光板側とは反対側に配置される[1]に記載の光学部材。
[3] 偏光素子は、導光素子とは離間している[1]または[2]に記載の光学部材。
[4] 偏光素子が、楕円偏光板である[1]~[3]のいずれかに記載の光学部材。
[5] 偏光素子が、円偏光板である[1]~[4]のいずれかに記載の光学部材。
[6] 偏光素子が、直線偏光子と位相差板とからなる[1]~[5]のいずれかに記載の光学部材。
[7] 位相差板がλ/4板である[6]に記載の光学部材。
[8] 位相差板が逆波長分散性を有する[6]または[7]に記載の光学部材。
[9] 偏光回折素子が、液晶化合物を含む組成物を用いて形成され、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、液晶回折素子である[1]~[8]のいずれかに記載の光学部材。
[10] 液晶回折素子が、液晶化合物の光学軸の向きが厚さ方向で捩じれ回転している領域を有する[9]に記載の光学部材。
[11] 液晶回折素子が、コレステリック液晶相を固定してなるコレステリック液晶層を有する[9]または[10]に記載の光学部材。
[12] 偏光回折素子の回折構造の周期が0.1μm以上、10μm以下である[1]~[11]のいずれかに記載の光学部材。
[13] [1]~[12]のいずれかに記載の光学部材と、
光学部材の入射回折素子に画像を照射する表示素子と、を有する画像表示装置。
本発明によれば、迷光が外部に出射されるのを抑制できる光学部材および画像表示装置を提供することができる。
本発明の光学部材を用いる画像表示装置の一例を概念的に示す上面図である。 本発明の光学部材を用いる画像表示装置の他の一例を概念的に示す上面図である。 図2に示す画像表示装置を概念的に示す正面図である。 図2に示す画像表示装置を概念的に示す側面図である。 本発明の光学部材を用いる画像表示装置の他の一例を概念的に示す上面図である。 本発明の画像表示装置の他の一例を概念的に示す上面図である。 回折素子として用いられる液晶層を概念的に示す平面図である。 図7に示す液晶層の概念図である。 図7に示す液晶層の断面SEM画像を概念的に示す図である。 図7に示す液晶層の作用を説明するための概念図である。 回折素子として用いられる液晶層の他の例を概念的に示す図である。 回折素子として用いられる液晶層の他の例を概念的に示す図である。 配向膜を露光する露光装置の一例の概念図である。 回折素子に用いられる液晶層の別の例を概念的に示す図である。 図14に示す液晶層の平面図である。 図14に示す液晶層の作用を説明するための概念図である。 図14に示す液晶層の作用を説明するための概念図である。
以下、本発明の光学部材および画像表示装置について、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。
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、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。
[光学部材および画像表示装置]
本発明の光学部材は、
導光板と、導光板の主面に配置される入射回折素子、および、出射回折素子と、を有する導光素子と、
出射回折素子の出射側とは反対側に漏れる光の透過を阻止する偏光素子と、を有し、
出射回折素子が、偏光回折素子であり、
偏光素子は、出射回折素子に対して出射側とは反対側に配置されており、
偏光素子は、導光板の主面の面方向において、出射回折素子と重複する位置に配置されている光学部材である。
本発明の画像表示装置は、
上述の光学部材と、
光学部材の入射回折素子に画像を照射する表示素子と、を有する画像表示装置である。
図1に、本発明の光学部材を用いる本発明の画像表示装置の一例を概念的に示す。
図1に示す画像表示装置10は、好適な一例として、ARグラスとして利用されるものである。なお、本発明の光学部材は、ARグラス以外にも、透明スクリーン、照明装置(液晶ディスプレイのバックライトなどを含む)、および、センサー等の光学素子にも利用可能である。また、本発明の画像表示装置は、これらの光学素子を用いる画像表示装置にも利用可能である。
図1に示す画像表示装置10は、表示素子12と、導光板16、導光板16の主面に配置される、入射回折素子18および出射回折素子24を有する導光素子14、ならびに、偏光素子26を有する光学部材13と、を有する。
図1に示す画像表示装置10において、入射回折素子18、および、出射回折素子24は、導光板16の主面の面方向の異なる位置に配置されている。図1に示す例においては、出射回折素子24は、入射回折素子18の左側に配置されている。なお、主面とは、シート状物(板状物、フィルム等)の最大面である。
また、表示素子12は、導光板16の主面の面方向の入射回折素子18と重複する位置で、導光板16の入射回折素子18が配置される側とは反対側の面に対面して配置されている。
図1に示す例では、入射回折素子18および出射回折素子24は、光を反射しつつ回折する反射型の回折素子である。また、出射回折素子24は、所定の偏光状態の光を選択的に回折する偏光回折素子である。
画像表示装置10において、表示素子12が表示した画像(画像に対応する光)は、導光板16に主面に垂直な方向から入射して入射回折素子18に入射する。入射回折素子18に入射した光は入射回折素子18によって回折されて、導光板16に入射する。その際、入射回折素子18は、光を導光板16内で全反射する角度に回折し、また、回折された光の進行方向が出射回折素子24に向かう方向となるように光を回折する。図1に示す例では、入射回折素子18は、入射した光を図1中左方向に向けて回折する。
入射回折素子18による回折光は、導光板16内を全反射して伝搬し、出射回折素子24に入射する。出射回折素子24は、入射した光を、導光板16内を全反射する角度から外れるように回折する。図1に示す例では、出射回折素子24は、入射した光を図1中下側に向けて回折する。すなわち、図1に示すように、出射回折素子24は、入射した光を導光板の主面に略垂直な方向に向けて回折する。
出射回折素子24によって回折された光は、導光板16から出射されて、使用者Uに向けて出射される。これにより、画像表示装置10は、表示素子12が照射した画像を表示することができる。
ここで、光学部材13は、偏光素子26を有している。図1に示す例においては、偏光素子26は、出射回折素子24の、導光板16側とは反対側に配置されている。すなわち、偏光素子26は、出射回折素子24に対して出射側とは反対側に配置されている。また、偏光素子26は、導光板16の主面の面方向において、出射回折素子24と重複する位置に配置されている。
図1に示す例では、偏光素子26は、位相差層27と直線偏光子28からなる。
前述のとおり、導光板と回折素子とを有する導光素子を用いて、表示素子が照射する画像を導光し、出射回折素子を用いて画像を出射する際に、出射回折素子による出射側とは逆側に光(迷光Lx)が漏れるという問題があった。出射側とは逆側に光が漏れると、使用者以外の者に画像が視認されてしまう。
本発明者らの検討によれば、この迷光は出射回折素子が選択的に回折する偏光状態の光であることがわかった。すなわち、迷光は、導光板内を導光され、出射回折素子によって、出射側に向けて回折されるべき光の一部であると考えられる。
これに対して、本発明の光学部材は、出射回折素子に対して出射側とは反対側に配置され、導光板の主面の面方向において、出射回折素子と重複する位置に配置される偏光素子を有している。
偏光素子は、出射回折素子が選択的に回折する偏光状態の光を吸収または反射する偏光素子である。このような偏光素子を、出射回折素子に対して出射側とは反対側で、導光板の主面の面方向において、出射回折素子と重複する位置に配置することで、出射回折素子の出射側とは反対側に漏れる光の透過を阻止することができる。これにより、迷光が外部に出射されるのを抑制できる。また、迷光によって使用者以外の者に画像が視認されることを抑制することができる。なお、偏光素子は、出射回折素子が選択的に回折する偏光状態の光を吸収する偏光素子であるのが好ましい。
例えば、出射回折素子が選択的に回折する光が右円偏光の場合には、偏光素子として、左円偏光を透過し、右円偏光を吸収(または反射)する左円偏光板が用いられる。左円偏光板を、出射回折素子に対して出射側とは反対側で、導光板の主面の面方向において、出射回折素子と重複する位置に配置することで、出射回折素子の出射側とは反対側に漏れる右円偏光を吸収(または反射)して透過を阻止することができる。
また、偏光素子は所定の偏光状態の光を吸収または反射し、他の偏光状態の光を透過する。そのため、光学部材の裏面側(出射側とは反対側)の背景の光の一部は偏光素子を透過し、使用者側に到達する。従って、使用者には、背景と表示素子が照射した画像とが重畳して視認される。
偏光素子としては、出射回折素子が円偏光を選択的に回折する場合には、円偏光板を用いればよい。また、出射回折素子が楕円偏光を選択的に回折する場合には、楕円偏光板を用いればよい。また、出射回折素子が直線偏光を選択的に回折する場合には、直線偏光板を用いればよい。
また、例えば、出射回折素子が円偏光を選択的に回折する場合であっても、円偏光が導光板内を導光される間に偏光状態が崩れて楕円偏光になる場合がある。そのため、出射回折素子が円偏光を選択的に回折する場合に、楕円偏光板を用いてもよい。
また、偏光素子は、導光板の主面に垂直な方向から見た際に、出射回折素子の少なくとも一部に重複して配置されていればよいが、図1に示すように全面を覆うように配置されるのが好ましい。
ここで、図1に示す例では、偏光素子26は、導光素子14とは離間して配置される構成としたが、これに限定はされず、偏光素子26が導光素子14と接していてもよい。表示される画像の明るさの観点から、偏光素子26が導光素子14とは離間して配置されるのが好ましい。
一般に、偏光素子26の屈折率は空気よりも高く、導光素子14の屈折率に近い。そのため、偏光素子26と導光素子14とが接していている場合、導光板16内を導光された光の一部が、出射回折素子24に入射する前に直接、あるいは、出射回折素子24に入射しても回折されずに偏光素子26との界面に到達した際に、光が偏光素子26との界面で全反射されずに偏光素子26に入射し吸収されてしまう。そのため、出射回折素子24によって回折されて出射される光量が少なくなり、表示される画像が暗くなる。これに対して、偏光素子26と導光素子14とが離間している場合には、出射回折素子24によって回折されていない光が空気との界面に到達した際に、光が空気との界面で全反射されて導光板16内を導光されていずれ出射回折素子24によって回折される。そのため、出射回折素子24によって回折されて出射される光量を多くすることができ、表示される画像を明るくすることができる。
ここで、図1に示す例では、光学部材の導光素子が、入射回折素子と、出射回折素子とを有する構成としたが、これに限定はされず、さらに、中間回折素子を有する構成としてもよい。
図2~図4に、本発明の光学部材を用いる本発明の画像表示装置の他の一例を概念的に示す。なお、図2は上面図であり、画像表示装置10bを図3の紙面の上方向から見た図である。図3は正面図であり、画像表示装置10bを使用者Uによる観察側の面から見た図である。図4は側面図であり、画像表示装置10bを図3の紙面右手側から見た図である。
図2~図4に示す画像表示装置10bは、表示素子12と、導光板16、導光板16の主面に配置される、入射回折素子18、中間回折素子20、および、出射回折素子24を有する導光素子14b、ならびに、偏光素子26を有する光学部材13bと、を有する。なお、図3において表示素子12の図示を省略している。
図2~図4に示す画像表示装置10bにおいて、入射回折素子18、中間回折素子20、および、出射回折素子24は、導光板16の主面の面方向の異なる位置に配置されている。図3に示す例においては、中間回折素子20は、入射回折素子18の図3中左側に配置され、出射回折素子24は、中間回折素子20の図3中下側に配置されている。
また、表示素子12は、導光板16の主面の面方向の入射回折素子18と重複する位置で、導光板16の入射回折素子18が配置される側とは反対側の面に対面して配置されている。
画像表示装置10bにおいて、表示素子12が表示した画像は、導光板16に主面に垂直な方向から入射して入射回折素子18に入射する。入射回折素子18に入射した光は入射回折素子18によって回折されて、導光板16に入射する。その際、入射回折素子18は、光を導光板16内で全反射する角度に回折し、また、回折された光の進行方向が中間回折素子20に向かう方向となるように光を回折する。図3に示す例では、入射回折素子18は、入射した光を図3中左方向に向けて回折する。
入射回折素子18による回折光は、導光板16内を全反射して伝搬し、中間回折素子20に入射する。中間回折素子20は、入射した光の進行方向が出射回折素子24に向かうように光を回折する。図3に示す例では、中間回折素子20は、入射した光を図3中下方向に向けて回折する。
中間回折素子20により回折された光は、導光板16内を全反射して伝搬し、出射回折素子24に入射する。出射回折素子24は、入射した光を、導光板16内を全反射する角度から外れるように回折する。図3に示す例では、出射回折素子24は、入射した光を図3中紙面に垂直な方向に向けて回折する。すなわち、図2に示すように、出射回折素子24は、入射した光を導光板の主面に略垂直な方向に向けて回折する。
出射回折素子24によって回折された光は、導光板16から出射されて、使用者Uに向けて出射される。これにより、画像表示装置10bは、表示素子12が照射した画像を表示することができる。
ここで、導光素子14bは、中間回折素子20を有するため、中間回折素子20によって光を回折する際に、中間回折素子の複数個所で光の一部を回折することで射出瞳拡大をすることができる。
ここで、光学部材13bは、図1に示す光学部材13と同様に、偏光素子26を有している。図2に示す例においては、偏光素子26は、出射回折素子24の、導光板16側とは反対側に配置されている。すなわち、偏光素子26は、出射回折素子24に対して出射側とは反対側に配置されている。また、偏光素子26は、導光板16の主面の面方向において、出射回折素子24と重複する位置に配置されている。
これにより、出射回折素子24の出射側とは反対側に漏れる光Lxの透過を阻止することができ、迷光Lxが外部に出射されるのを抑制できる。また、迷光によって使用者以外の者に画像が視認されることを抑制することができる。
ここで、図1に示す例では、出射回折素子24および入射回折素子18として、反射型の回折素子を用いるものとしたが、これに限定はされず、透過型の回折素子を用いてもよい。
図5に本発明の光学部材を用いる画像表示装置の他の一例を概念的に示す。
図5に示す画像表示装置10cは、表示素子12と、導光板16、導光板16の主面に配置される、入射回折素子18cおよび出射回折素子24cを有する導光素子14c、ならびに、偏光素子26を有する光学部材13cと、を有する。
図5に示す画像表示装置10cにおいて、入射回折素子18c、および、出射回折素子24cは、導光板16の主面の面方向の異なる位置に配置されている。図5に示す例においては、出射回折素子24cは、入射回折素子18cの左側に配置されている。
また、表示素子12は、導光板16の主面の面方向の入射回折素子18と重複する位置で、入射回折素子18に対面して配置されている。
図5に示す例では、入射回折素子18cおよび出射回折素子24cは、光を透過しつつ回折する透過型の回折素子である。また、出射回折素子24cは、所定の偏光状態の光を選択的に回折する偏光回折素子である。
画像表示装置10cにおいて、表示素子12が表示した画像は、導光板16の主面に垂直な方向から入射回折素子18に入射する。入射回折素子18cは入射した光を回折して、導光板16に入射させる。その際、入射回折素子18cは、光を導光板16内で全反射する角度に回折し、また、回折された光の進行方向が出射回折素子24cに向かう方向となるように光を回折する。図5に示す例では、入射回折素子18cは、入射した光を図5中左方向に向けて回折する。
入射回折素子18cによる回折光は、導光板16内を全反射して伝搬し、出射回折素子24cに入射する。出射回折素子24cは、入射した光を、導光板16内を全反射する角度から外れるように回折する。図5に示す例では、出射回折素子24cは、入射した光を図5中下側に向けて回折する。すなわち、図5に示すように、出射回折素子24cは、入射した光を導光板の主面に略垂直な方向に向けて回折する。
出射回折素子24cによって回折された光は、導光板16から出射されて、使用者Uに向けて出射される。これにより、画像表示装置10cは、表示素子12が照射した画像を表示することができる。
ここで、光学部材13cは、偏光素子26を有している。図5に示す例においては、偏光素子26は、導光板16の出射回折素子24c側とは反対側に配置されている。すなわち、偏光素子26は、出射回折素子24cに対して出射側とは反対側に配置されている。また、偏光素子26は、導光板16の主面の面方向において、出射回折素子24cと重複する位置に配置されている。
これにより、出射回折素子24cの出射側とは反対側に漏れる光Lxの透過を阻止することができ、迷光Lxが外部に出射されるのを抑制できる。また、迷光によって使用者以外の者に画像が視認されることを抑制することができる。
ここで、入射回折素子、中間回折素子および出射回折素子は、後述する、波長選択性を有する液晶層を有する構成であってもよい。すなわち、入射回折素子、中間回折素子および出射回折素子が波長選択性を有していてもよい。この場合、各回折素子は、波長選択性を有する液晶層を1層有する構成であってもよいし、2層以上有する構成であってもよい。
例えば、回折素子は、赤色光を選択的に反射する液晶層と緑色光を選択的に反射する液晶層との2層の液晶層を有するものでもよく、赤色光を選択的に反射する液晶層と、緑色光を選択的に反射する液晶層と、青色光を選択的に反射する液晶層との3層の液晶層を有するものでもよい。
回折素子が複数の液晶層を有する構成の場合には、例えば、各液晶層が赤色光、緑色光および青色光の3色の光をそれぞれ反射する構成とすることで、導光素子は、カラー画像を導光することができる。
また、例えば、回折素子は、選択反射中心波長が異なる3層の液晶層を有し、赤色光、緑色光および青色光等の可視光から選択される1色または2色と、赤外線および/または紫外線を反射する構成でもよく、可視光以外の光のみを反射する構成でもよい。
あるいは、回折素子は、選択反射中心波長が異なる液晶層を2層または4層以上、有するものであってもよい。また、回折素子は、赤色光、緑色光および青色光等の可視光に加えて、赤外線および/または紫外線等の可視光以外の光を反射する構成でもよく、あるいは、各液晶層が、赤外線および/または紫外線等の可視光以外の光を反射する構成でもよい。
また、画像表示装置において、本発明の光学部材は、導光素子を2つ以上有する構成も利用可能である。
一例として、図6に概念的に示すように、2つの導光素子14dおよび14eを有する光学部材13eを有する構成の画像表示装置10dが例示される。この構成では、一例として、光学部材13eが、導光板16d、導光板16dの主面に配置される入射回折素子18dおよび出射回折素子24dを有する導光素子14dと、導光板16e、導光板16eの主面に配置される入射回折素子18eおよび出射回折素子24eを有する導光素子14eと、偏光素子26eと、をこの順に有する。導光素子14dと導光素子14eは、光の出射面側が同じ方向を向くように配置される。また、偏光素子26eは、導光素子の出射側とは反対側の面側に配置される。
例えば、画像表示装置10dにおいて、導光素子14dが緑色光を反射する回折素子を有し、導光素子14eが青色光を反射する回折素子を有する構成とする。このような構成とすることで、画像表示装置10dは、緑色光および青色光をそれぞれ導光することができる。その際、導光素子14dおよび導光素子14eそれぞれの出射回折素子による出射側とは逆側に漏れる迷光Lxは、偏光素子26eによって吸収(または反射)される。これにより、迷光が外部に出射されるのを抑制できる。
また、図6に示す例では、緑色光および青色光をそれぞれ導光する2つの光学部材を有する構成としたが、3つ以上の光学部材を有する構成としてもよい。例えば、赤色光、緑色光および青色光をそれぞれ導光する3つの光学部材を有する構成としてもよい。
あるいは、複数の光学部材を有し、少なくとも1つの光学部材が2色以上の光を導光する構成であってもよい。例えば、2つの光学部材を有し、1つの光学部材が赤色光、緑色光および青色光から選択される2色を導光し、他の1つの光学部材が、残りの1色を導光する構成であってもよい。
また、光学部材は、可視光以外の光(赤外線または紫外線)を導光する構成でもよい。
また、図示は省略するが、入射回折素子、中間回折素子および出射回折素子はそれぞれ、貼合層によって導光板に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層が利用可能である。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、および、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層を用いればよい。
あるいは、貼合層で貼り合わせるのではなく、入射回折素子、中間回折素子および出射回折素子と導光板とを積層して、枠体または治具等で保持して、本発明の導光素子を構成してもよい。
さらに、導光板上に直接、入射回折素子、中間回折素子および出射回折素子を形成してもよい。
以下、各構成要素について説明する。
[表示素子]
表示素子12は、使用者Uが観察する画像(映像)を表示して、画像を入射回折素子に照射するものである。従って、表示素子12は照射する画像が入射回折素子に入射するように配置される。
本発明の画像表示装置において、表示素子12には制限はなく、ARグラス等に用いられる公知の表示素子(表示装置、プロジェクター)が、各種、利用可能である。表示素子12としては、一例として、ディスプレイと投映レンズとを有する表示素子が例示される。
本発明の画像表示装置において、ディスプレイには、制限はなく、例えば、ARグラス等に用いられる公知のディスプレイが、各種、利用可能である。
ディスプレイとしては、一例として、液晶ディスプレイ(LCOS:Liquid Crystal On Siliconなどを含む)、有機エレクトロルミネッセンスディスプレイ、および、DLP(Digital Light Processing)、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)ミラーを用いたスキャニング方式ディスプレイ等が例示される。
なお、画像表示装置が多色画像を表示する構成の場合には、ディスプレイは、多色画像を表示するディスプレイが用いられる。
例えば、図6に示すように、複数の光学部材を有する場合には、各光学部材の各回折素子が回折する波長の光を用いて多色画像を表示するディスプレイが用いられる。
本発明の画像表示装置に用いられる表示素子12おいて、投映レンズも、ARグラス等に用いられる公知の投映レンズ(コリメートレンズ)である。
ここで、本発明の画像表示装置においては、表示素子12による表示画像すなわち表示素子12が照射する光には、制限はないが、無偏光(自然光)または円偏光が好ましい。
表示素子12が円偏光を照射する際に、ディスプレイが無偏光の画像を照射する場合には、表示素子12は、例えば直線偏光子とλ/4板とからなる円偏光板を有するのが好ましい。また、ディスプレイが直線偏光の画像を照射する場合には、表示素子12は、例えばλ/4板を有するのが好ましい。
なお、表示素子12が照射する光は、他の偏光(例えば直線偏光等)であってもよい。
[導光板]
導光素子14において、導光板16は、内部に入射した光を反射して導光(伝搬)する、公知の導光板である。
導光板16には、制限はなく、ARグラスおよび液晶ディスプレイのバックライトユイット等で用いられている公知の導光板が、各種、利用可能である。
[回折素子]
入射回折素子、中間回折素子、および、出射回折素子としては、偏光回折素子を用いることができる。なお、以下の説明において、これらの回折素子を区別する必要がない場合には、まとめて回折素子ともいう。また、入射回折素子および中間回折素子としては、偏光回折素子以外の公知の回折素子を用いることもできる。
〔偏光回折素子〕
偏光回折素子としては公知の偏光回折素子を用いることができる。偏光回折素子は微細領域で偏光状態を制御することによって、入射する光の偏光状態に応じて出射光の回折方向や偏光状態、回折光強度を制御する回折素子である。偏光回折素子として、例えば、「Erez Hasman et al., Polarization dependent focusing lens by useof quantized Pancharatnm-Berry phase diffractive optics, Applied Physics Letters, Volume 82, Number 3 pp.328-330」に記載の構造複屈折を用いて回折構造を形成した偏光回折素子、特許第5276847号に記載の複屈折材料を用いて回折構造を形成した偏光回折素子等が例示される。
偏光回折素子としては、液晶化合物を含む組成物を用いて形成され、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、液晶回折素子が例示される。また、液晶回折素子としては、コレステリック液晶相を固定してなるコレステリック液晶層を有することも好ましい。
(液晶回折素子A)
液晶回折素子の一例について図7~図9を用いて説明する。
図7は、液晶回折素子が有する液晶層34の主面の面内における液晶化合物の配向状態を示す模式図である。また、図8は、主面に垂直な断面における液晶相の状態を示す断面模式図である。以下においては、液晶層34の主面をX-Y面とし、このX-Y面に対して垂直な断面をX-Z面として説明する。つまり、図7は、液晶層34のX-Y面の模式図に相当し、図8は、液晶層34のX-Z面の模式図に相当する。
図7~図8に示す液晶層は、液晶化合物がコレステリック配向されたコレステリック液晶層の例である。また、液晶化合物が棒状液晶化合物の場合の例である。コレステリック液晶層は、選択反射波長の一方の円偏光を反射し、他の波長域の光および他方の円偏光を透過するものである。したがって、コレステリック液晶層を有する液晶回折素子は、反射型の液晶回折素子である。
図8に示す例では、液晶回折素子は、支持体30と、配向膜32と、液晶層34と、を有する。
なお、図8に示す例の液晶回折素子は、支持体30と、配向膜32と、液晶層34とを有するが、本発明は、これに制限はされない。液晶回折素子は、例えば、導光板16に貼り合わせた後に、支持体30を剥離した、配向膜32および液晶層34のみを有するものでもよい。または、液晶回折素子は、例えば、導光板16に貼り合わせた後に、支持体30および配向膜32を剥離した、液晶層34のみを有するものでもよい。
<支持体>
支持体30は、配向膜32、および、液晶層34を支持するものである。
支持体30は、配向膜32、液晶層34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。
なお、支持体30は、対応する光に対する透過率が50%以上であるのが好ましく、70%以上であるのがより好ましく、85%以上であるのがさらに好ましい。
支持体30の厚さには、制限はなく、液晶回折素子の用途および支持体30の形成材料等に応じて、配向膜32、液晶層34を保持できる厚さを、適宜、設定すればよい。
支持体30の厚さは、1~2000μmが好ましく、3~500μmがより好ましく、5~250μmがさらに好ましい。
支持体30は単層であっても、多層であってもよい。
単層である場合の支持体30としては、ガラス、トリアセチルセルロース(TAC)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリカーボネート、ポリ塩化ビニル、アクリル、および、ポリオレフィン等からなる支持体30が例示される。多層である場合の支持体30の例としては、前述の単層の支持体のいずれかなどを基板として含み、この基板の表面に他の層を設けたもの等が例示される。
<配向膜>
液晶回折素子において、支持体30の表面には配向膜32が形成される。
配向膜32は、液晶層34を形成する際に、液晶化合物40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。
後述するが、本発明において、液晶層34は、液晶化合物40に由来する光学軸40A(図7参照)の向きが、面内の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。従って、配向膜32は、液晶層34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。
以下の説明では、『光学軸40Aの向きが回転』を単に『光学軸40Aが回転』とも言う。
配向膜32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。
ラビング処理による配向膜32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32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32等の形成に用いられる材料が好ましい。
液晶回折素子においては、配向膜32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32とした、いわゆる光配向膜が好適に利用される。すなわち、液晶回折素子においては、配向膜32として、支持体30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。
本発明に利用可能な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ポリエステル、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、光架橋性ポリエステル、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。
配向膜32の厚さには、制限はなく、配向膜32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32の厚さは、0.01~5μmが好ましく、0.05~2μmがより好ましい。
配向膜32の形成方法には、制限はなく、配向膜32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32を支持体30の表面に塗布して乾燥させた後、配向膜32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。
図13に、配向膜32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13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の偏光方向を変えるλ/2板65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つに分離する偏光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、光源64は直線偏光P0を出射する。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。
配向パターンを形成される前の配向膜32を有する支持体30が露光部に配置され、2つの光線MAと光線MBとを配向膜32上において交差させて干渉させ、その干渉光を配向膜32に照射して露光する。
この際の干渉により、配向膜32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、配向状態が周期的に変化する配向パターンを有する配向膜(以下、パターン配向膜ともいう)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40に由来する光学軸40Aが一方向に沿って連続的に回転する配向パターンにおいて、光学軸40Aが回転する1方向における、光学軸40Aが180°回転する1周期の長さを調節できる。
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32上に、コレステリック液晶層を形成することにより、後述するように、液晶化合物40に由来する光学軸40A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する、液晶層34を形成できる。
また、λ/4板72Aおよび72Bの光学軸を、それぞれ、90°回転することにより、光学軸40Aの回転方向を逆にすることができる。
上述のとおり、パターン配向膜は、パターン配向膜の上に形成される液晶層中の液晶化合物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となるように、液晶化合物を配向させる配向パターンを有する。パターン配向膜が、液晶化合物を配向させる向きに沿った軸を配向軸とすると、パターン配向膜は、配向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配向パターンを有するといえる。パターン配向膜の配向軸は、吸収異方性を測定することで検出することができる。例えば、パターン配向膜に直線偏光を回転させながら照射して、パターン配向膜を透過する光の光量を測定した際に、光量が最大または最小となる向きが、面内の一方向に沿って漸次変化して観測される。
なお、本発明において、配向膜32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30をラビング処理する方法、支持体30をレーザ光などで加工する方法等によって、支持体30に配向パターンを形成することにより、液晶層が、液晶化合物40に由来する光学軸40A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。すなわち、本発明においては、支持体30を配向膜として作用させてもよい。
<液晶層>
液晶回折素子において、配向膜32の表面には、液晶層34が形成される。
上述したように、液晶層は、コレステリック液晶相を固定してなる、コレステリック液晶層であり、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コレステリック液晶層である。
液晶層34は、図8に概念的に示すように、通常のコレステリック液晶相を固定してなるコレステリック液晶層と同様に、液晶化合物40が螺旋状に旋回して積み重ねられた螺旋構造を有し、液晶化合物40が螺旋状に1回転(360°回転)して積み重ねられた構成を螺旋1ピッチとして、螺旋状に旋回する液晶化合物40が、複数ピッチ、積層された構造を有する。
周知のように、コレステリック液晶相を固定してなるコレステリック液晶層は、波長選択反射性を有する。
後に詳述するが、コレステリック液晶層の選択的な反射波長域は、上述した螺旋1ピッチの長さ(図9に示すピッチP)に依存する。
従って、このような液晶層を有する回折素子は、波長選択性を有し、所定の波長の光を回折するものである。従って、回折素子が反射(回折)する光の波長は、液晶層の螺旋ピッチPを調整して、液晶層の選択的な反射波長域を適宜設定すればよい。
図7に示すように、液晶層34のX-Y面において、液晶化合物40は、X-Y面内の互いに平行な複数の配列軸Dに沿って配列しており、それぞれの配列軸D上において、液晶化合物40の光学軸40Aの向きは、配列軸Dに沿った面内の一方向に連続的に回転しながら変化している。ここで、説明のため、配列軸DがX方向に向いているとする。また、Y方向においては、光学軸40Aの向きが等しい液晶化合物40が等間隔で配向している。
なお、「液晶化合物40の光学軸40Aの向きが配列軸Dに沿った面内の一方向に連続的に回転しながら変化している」とは、液晶化合物40の光学軸40Aと配列軸Dとのなす角度が、配列軸D方向の位置により異なっており、配列軸Dに沿って光学軸40Aと配列軸Dとのなす角度がθからθ+180°あるいはθ-180°まで徐々に変化していることを意味する。つまり、配列軸Dに沿って配列する複数の液晶化合物40は、図7に示すように、光学軸40Aが配列軸Dに沿って一定の角度ずつ回転しながら変化する。
なお、配列軸D方向に互いに隣接する液晶化合物40の光学軸40A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。
また、本明細書において、液晶化合物40が棒状液晶化合物である場合、液晶化合物40の光学軸40Aは、棒状液晶化合物の分子長軸を意図する。一方、液晶化合物40が円盤状液晶化合物である場合、液晶化合物40の光学軸40Aは、円盤状液晶化合物の円盤面に対する法線方向に平行な軸を意図する。
液晶層34においては、このような液晶化合物40の液晶配向パターンにおいて、面内で光学軸40Aが連続的に回転して変化する配列軸D方向において、液晶化合物40の光学軸40A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。
すなわち、配列軸D方向に対する角度が等しい2つの液晶化合物40の、配列軸D方向の中心間の距離を、1周期の長さΛとする。具体的には、図7に示すように、配列軸D方向と光学軸40Aの方向とが一致する2つの液晶化合物40の、配列軸D方向の中心間の距離を、1周期の長さΛとする。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。
液晶層34の液晶配向パターンは、この1周期Λを、配列軸D方向すなわち光学軸40Aの向きが連続的に回転して変化する一方向に繰り返す。
一方、液晶層34を形成する液晶化合物40は、配列軸D方向と直交する方向(図7においてはY方向)、すなわち、光学軸40A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40Aの向きが等しい。
言い換えれば、液晶層34を形成する液晶化合物40は、Y方向では、液晶化合物40の光学軸40Aと配列軸D方向とが成す角度が等しい。
図8に示す液晶層34のX-Z面をSEM(走査型電子顕微鏡)にて観察すると、図9に示すような明部42と暗部44とが交互に配列された配列方向が、主面(X-Y面)に対して所定角度で傾斜している縞模様が観察される。このようなSEM断面において、隣接する明部42から明部42、または、暗部44から暗部44の、明部42または暗部44が成す線の法線方向における間隔が1/2ピッチに相当する。すなわち、図9中にPで示すように、明部42が2つと暗部44が2つで螺旋1ピッチ分(螺旋の巻き数1回分)に相当する。
以下、液晶層による回折の作用について説明する。
従来のコレステリック液晶層において、コレステリック液晶相由来の螺旋軸は、主面(X-Y面)に対して垂直であり、その反射面は主面(X-Y面)と平行な面である。また、液晶化合物の光学軸は、主面(X-Y面)に対して傾斜していない。言い換えると、光学軸は主面(X-Y面)に対して平行である。したがって、従来のコレステリック液晶層のX-Z面をSEMにて観察すると、明部と暗部とが交互に配列された配列方向は主面(X-Y面)と垂直となる。
コレステリック液晶相は鏡面反射性であるため、例えば、コレステリック液晶層に法線方向から光が入射される場合、法線方向に光が反射される。
これに対して、液晶層34は、入射した光を、鏡面反射に対して配列軸D方向に傾けて反射する。液晶層34は、面内において、配列軸D方向(所定の一方向)に沿って光学軸40Aが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ものである。以下、図10を参照して説明する。
一例として、液晶層34は、赤色光の右円偏光RRを選択的に反射するコレステリック液晶層であるとする。従って、液晶層34に光が入射すると、液晶層34は、赤色光の右円偏光RRのみを反射し、それ以外の光を透過する。
液晶層34では、液晶化合物40の光学軸40Aが配列軸D方向(一方向)に沿って回転しながら変化している。液晶層34に形成された液晶配向パターンは、配列軸D方向に周期的なパターンである。そのため、液晶層34に入射した赤色光の右円偏光RRには、図10に概念的に示すように、液晶配向パターンの周期に応じた方向に反射(回折)され、反射された赤色光の右円偏光RRは、XY面(コレステリック液晶層の主面)に対して配列軸D方向に傾いた方向に反射(回折)される。
この結果として、液晶層34を導光素子等に適用した場合、導光板の主面に垂直な方向から入射した光を導光板内を全反射する角度に反射(回折)することができ、また、導光板内を全反射して導光された光を、導光板の主面に垂直な方向に反射(回折)することができる回折素子として用いることができる。
液晶層34において、光学軸40Aが回転する一方向である配列軸D方向を、適宜、設定することで、光の反射方向(回折角度)を調節できる。
また、同じ波長で、同じ旋回方向の円偏光を反射する場合に、配列軸D方向に向かう液晶化合物40の光学軸40Aの回転方向を逆にすることで、円偏光の反射方向を逆にできる。
例えば、図7および図8においては、配列軸D方向に向かう光学軸40Aの回転方向は時計回りで、ある円偏光が配列軸D方向に傾けて反射されるが、これを反時計回りとすることで、ある円偏光が配列軸D方向とは逆方向に傾けて反射される。
さらに、同じ液晶配向パターンを有する液晶層では、液晶化合物40の螺旋の旋回方向すなわち反射する円偏光の旋回方向によって、反射方向が逆になる。
例えば、螺旋の旋回方向が右捩じれの場合、右円偏光を選択的に反射するものであり、配列軸D方向に沿って光学軸40Aが時計回りに回転する液晶配向パターンを有することにより、右円偏光を配列軸D方向に傾けて反射する。
また、例えば、螺旋の旋回方向が左捩じれの場合、左円偏光を選択的に反射するものであり、配列軸D方向に沿って光学軸40Aが時計回りに回転する液晶配向パターンを有する液晶層は、左円偏光を配列軸D方向と逆方向に傾けて反射する。
液晶層において、液晶化合物の液晶配向パターンにおいて、液晶化合物の光学軸が180°回転する長さが回折構造の1周期Λであり、液晶化合物の光学軸が回転しながら変化している一方向(配列軸D方向)が回折構造の周期方向である。
液晶配向パターンを有する液晶層では、1周期Λが短いほど、入射光に対する反射光の角度が大きくなる。すなわち、1周期Λが短いほど、入射光に対して、反射光を大きく傾けて反射できる。従って、各回折素子が有する液晶層における液晶配向パターンの1周期は、各回折素子の回折角度、配置等に応じて適宜設定すればよい。
これらの回折素子の回折構造の周期(1周期Λ)は0.1μm~10μmが好ましく、0.1μm~1μmがより好ましく、0.1μm~0.8μmがさらに好ましく、導光板16を全反射で伝播させる観点から、入射する光の波長λ以下がさらに好ましい。
また、同じ波長の光を回折する入射回折素子の液晶層と中間回折素子の液晶層と出射回折素子の液晶層とは、コレステリック液晶相の螺旋捩れの回転方向が同じである。一方、同じ波長の光を回折する液晶層同士においては、コレステリック液晶相の螺旋捩れの回転方向が同じであっても異なっていてもよい。すなわち、例えば、図6に示す例のように、異なる色を導光する2つの光学部材を有する場合には、一方の光学部材13dが有する回折素子の液晶層の螺旋捩れの回転方向と、他方の光学部材13eが有する回折素子の液晶層の螺旋捩れの回転方向とは同じであっても異なっていてもよい。
ここで、図8に示す例では、液晶層34のX-Z面において、液晶化合物40が、主面(X-Y面)に対して、その光学軸40Aが平行に配向している構成としたがこれに限定はされない。例えば、図11に示すように、液晶層34のX-Z面において、液晶化合物40が、主面(X-Y面)に対して、その光学軸40Aが傾斜して配向している構成であってもよい。
また、図11に示す例では、液晶層34のX-Z面において、液晶化合物40の主面(X-Y面)に対する傾斜角度(チルト角)は厚さ方向(Z方向)に一様としたが、これに限定はされない。液晶層34において、液晶化合物40のチルト角が厚さ方向で異なっている領域を有していてもよい。
例えば、図12に示す例は、液晶層の、配向膜32側の界面において液晶化合物40の光学軸40Aが主面に平行であり(プレチルト角が0であり)、配向膜32側の界面から厚さ方向に離間するにしたがって、液晶化合物40のチルト角が大きくなって、その後、他方の界面(空気界面)側まで一定のチルト角で液晶化合物が配向されている構成である。
このように、液晶層においては、上下界面の一方の界面において、液晶化合物の光学軸がプレチルト角を有している構成であってもよく、両方の界面でプレチルト角を有する構成であってもよい。また、両界面でプレチルト角が異なっていてもよい。
このように液晶化合物がチルト角を有して(傾斜して)いることにより、光が回折する際に実効的な液晶化合物の複屈折率が高くなり、回折効率を高めることができる。
液晶化合物40の光学軸40Aと主面(X-Y面)とのなす平均角度(平均チルト角)は、5~80°が好ましく、10~50°がより好ましい。なお、平均チルト角は、液晶層34のX-Z面を偏光顕微鏡観察することにより測定できる。なかでも、液晶層34のX-Z面において、液晶化合物40は、主面(X-Y面)に対して、その光学軸40Aが同一の方向に傾斜配向することが好ましい。
なお、上記チルト角は、コレステリック液晶層断面の偏光顕微鏡観察において、液晶化合物40の光学軸40Aと主面とのなす角度を任意の5か所以上で測定して、それらを算術平均した値である。
回折素子(液晶層)に垂直に入射した光は、液晶層内において斜め方向に、屈曲力が加わり斜めに進む。液晶層内において光が進むと、本来垂直入射に対して所望の回折角が得られるように設定されている回折周期等の条件とのずれが生じるために、回折ロスが生じる。
液晶化合物をチルトさせた場合、チルトさせない場合と比較して、光が回折する方位に対してより高い複屈折率が生じる方位が存在する。この方向では実効的な異常光屈折率が大きくなるため、異常光屈折率と常光屈折率の差である複屈折率が高くなる。
狙った回折する方位に合わせて、チルト角の方位を設定することによって、その方位での本来の回折条件とのずれを抑制することができ、結果としてチルト角を持たせた液晶化合物を用いた場合の方が、より高い回折効率を得ることができると考えられる。
また、チルト角は液晶層の界面の処理によって制御されることが望ましい。支持体側の界面においては、配向膜にプレチルト処理をおこなうことにより液晶化合物のチルト角を制御することが出来る。例えば、配向膜の形成の際に配向膜に紫外線を正面から露光した後に斜めから露光することにより、配向膜上に形成する液晶層中の液晶化合物にプレチルト角を生じさせることが出来る。この場合には、2回目の照射方向に対して液晶化合物の単軸側が見える方向にプレチルトする。但し2回目の照射方向に対して垂直方向の方位の液晶化合物はプレチルトしないため、面内でプレチルトする領域とプレチルトしない領域が存在する。このことは、狙った方位に光を回折させるときにその方向に最も複屈折を高めることに寄与するので回折効率を高めるのに適している。
さらに、液晶層中または配向膜中にプレチルト角を助長する添加剤を加えることも出来る。この場合、回折効率を更に高める因子として添加剤を利用できる。
この添加剤は空気側の界面のプレチルト角の制御にも利用できる。
ここで、液晶層は、SEMで観察した断面において、コレステリック液晶相に由来する明部および暗部が、主面に対して傾斜している。液晶層は、法線方向および法線に対して傾斜した方向から面内レタデーションReを測定した際に、遅相軸面内および進相軸面内のいずれかにおいて、面内レタデーションReが最小となる方向が法線方向から傾斜しているのが好ましい。具体的には、面内レタデーションReが最小となる方向が法線と成す測定角の絶対値が5°以上であることが好ましい。言い換えると、液晶層の液晶化合物が主面に対して傾斜し、かつ、傾斜方向が液晶層の明部および暗部に略一致していることが好ましい。なお、法線方向とは、主面に対して直交する方向である。
液晶層がこのような構成を有することにより、液晶化合物が主面に平行である液晶層に比して、高い回折効率で円偏光を回折できる。
液晶層の液晶化合物が主面に対して傾斜し、かつ、傾斜方向が明部および暗部に略一致している構成では、反射面に相当する明部および暗部と、液晶化合物の光学軸とが一致している。そのため、光の反射(回折)に対する液晶化合物の作用が大きくなり、回折効率を向上できる。その結果、入射光に対する反射光の光量をより向上できる。
液晶層の進相軸面または遅相軸面において、液晶層の光学軸傾斜角の絶対値は5°以上が好ましく、15°以上がより好ましく、20°以上がさらに好ましい。
光学軸傾斜角の絶対値を15°以上とすることにより、より好適に、液晶化合物の方向を明部および暗部に一致させ、回折効率を向上できる点で好ましい。
<<液晶層の形成方法>>
液晶層は、液晶化合物が所定の配向状態に配向されてなる液晶相を層状に固定して形成できる。例えば、コレステリック液晶層の場合には、コレステリック液晶相を層状に固定して形成できる。
液晶相を固定した構造は、液晶相となっている液晶化合物の配向が保持されている構造であればよく、典型的には、重合性液晶化合物を所定の液晶相の配向状態としたうえで、紫外線照射、加熱等によって重合、硬化し、流動性が無い層を形成して、同時に、外場または外力によって配向形態に変化を生じさせることない状態に変化した構造が好ましい。
なお、液晶相を固定した構造においては、液晶相の光学的性質が保持されていれば十分であり、液晶層において、液晶化合物40は液晶性を示さなくてもよい。例えば、重合性液晶化合物は、硬化反応により高分子量化して、液晶性を失っていてもよい。
液晶層の形成に用いる材料としては、一例として、液晶化合物を含む液晶組成物が挙げられる。液晶化合物は重合性液晶化合物であるのが好ましい。
また、液晶層の形成に用いる液晶組成物は、さらに界面活性剤およびキラル剤を含んでいてもよい。
--重合性液晶化合物--
重合性液晶化合物は、棒状液晶化合物であっても、円盤状液晶化合物であってもよい。
棒状の重合性液晶化合物の例としては、棒状ネマチック液晶化合物が挙げられる。棒状ネマチック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等が好ましく用いられる。低分子液晶化合物だけではなく、高分子液晶化合物も用いることができる。
重合性液晶化合物は、重合性基を液晶化合物に導入することで得られる。重合性基の例には、不飽和重合性基、エポキシ基、およびアジリジニル基が含まれ、不飽和重合性基が好ましく、エチレン性不飽和重合性基がより好ましい。重合性基は種々の方法で、液晶化合物の分子中に導入できる。重合性液晶化合物が有する重合性基の個数は、好ましくは1~6個、より好ましくは1~3個である。
重合性液晶化合物の例は、Makromol.Chem.,190巻、2255頁(1989年)、Advanced Materials 5巻、107頁(1993年)、米国特許第4683327号明細書、米国特許第5622648号明細書、米国特許第5770107号明細書、国際公開第95/22586号、国際公開第95/24455号、国際公開第97/00600号、国際公開第98/23580号、国際公開第98/52905号、特開平1-272551号公報、特開平6-16616号公報、特開平7-110469号公報、特開平11-80081号公報、および、特開2001-328973号公報等に記載の化合物が含まれる。2種類以上の重合性液晶化合物を併用してもよい。2種類以上の重合性液晶化合物を併用すると、配向温度を低下させることができる。
また、上記以外の重合性液晶化合物としては、特開昭57-165480号公報に開示されているようなコレステリック相を有する環式オルガノポリシロキサン化合物等を用いることができる。さらに、前述の高分子液晶化合物としては、液晶を呈するメソゲン基を主鎖、側鎖、あるいは主鎖および側鎖の両方の位置に導入した高分子、コレステリル基を側鎖に導入した高分子コレステリック液晶、特開平9-133810号公報に開示されているような液晶性高分子、および、特開平11-293252号公報に開示されているような液晶性高分子等を用いることができる。
--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号公報や特開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。
また、液晶組成物中の重合性液晶化合物の添加量は、液晶組成物の固形分質量(溶媒を除いた質量)に対して、75~99.9質量%であるのが好ましく、80~99質量%であるのがより好ましく、85~90質量%であるのがさらに好ましい。
--界面活性剤--
液晶層を形成する際に用いる液晶組成物は、界面活性剤を含有してもよい。
界面活性剤は、安定的に、または迅速に、コレステリック液晶相の配向に寄与する配向制御剤として機能できる化合物が好ましい。界面活性剤としては、例えば、シリコ-ン系界面活性剤およびフッ素系界面活性剤が挙げられ、フッ素系界面活性剤が好ましく例示される。
界面活性剤の具体例としては、特開2014-119605号公報の段落[0082]~[0090]に記載の化合物、特開2012-203237号公報の段落[0031]~[0034]に記載の化合物、特開2005-99248号公報の段落[0092]および[0093]中に例示されている化合物、特開2002-129162号公報の段落[0076]~[0078]および段落[0082]~[0085]中に例示されている化合物、ならびに、特開2007-272185号公報の段落[0018]~[0043]等に記載のフッ素(メタ)アクリレート系ポリマー、などが挙げられる。
なお、界面活性剤は、1種を単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。
フッ素系界面活性剤として、特開2014-119605号公報の段落[0082]~[0090]に記載の化合物が好ましい。
液晶組成物中における、界面活性剤の添加量は、液晶化合物の全質量に対して0.01~10質量%が好ましく、0.01~5質量%がより好ましく、0.02~1質量%がさらに好ましい。
--キラル剤(光学活性化合物)--
キラル剤(キラル剤)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。キラル剤は、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。
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)用キラル剤、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。
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。
液晶組成物における、キラル剤の含有量は、液晶化合物の含有モル量に対して0.01~200モル%が好ましく、1~30モル%がより好ましい。
--重合開始剤--
液晶組成物が重合性化合物を含む場合は、重合開始剤を含有しているのが好ましい。紫外線照射により重合反応を進行させる態様では、使用する重合開始剤は、紫外線照射によって重合反応を開始可能な光重合開始剤であるのが好ましい。
光重合開始剤の例には、α-カルボニル化合物(米国特許第2367661号、米国特許第2367670号の各明細書記載)、アシロインエーテル(米国特許第2448828号明細書記載)、α-炭化水素置換芳香族アシロイン化合物(米国特許第2722512号明細書記載)、多核キノン化合物(米国特許第3046127号、米国特許第2951758号の各明細書記載)、トリアリールイミダゾールダイマーとp-アミノフェニルケトンとの組み合わせ(米国特許第3549367号明細書記載)、アクリジンおよびフェナジン化合物(特開昭60-105667号公報、米国特許第4239850号明細書記載)、ならびに、オキサジアゾール化合物(米国特許第4212970号明細書記載)等が挙げられる。
液晶組成物中の光重合開始剤の含有量は、液晶化合物の含有量に対して0.1~20質量%であるのが好ましく、0.5~12質量%であるのがさらに好ましい。
--架橋剤--
液晶組成物は、硬化後の膜強度向上、耐久性向上のため、任意に架橋剤を含有していてもよい。架橋剤としては、紫外線、熱、および、湿気等で硬化するものが好適に使用できる。
架橋剤としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えばトリメチロールプロパントリ(メタ)アクリレートおよびペンタエリスリトールトリ(メタ)アクリレート等の多官能アクリレート化合物;グリシジル(メタ)アクリレートおよびエチレングリコールジグリシジルエーテル等のエポキシ化合物;2,2-ビスヒドロキシメチルブタノール-トリス[3-(1-アジリジニル)プロピオネート]および4,4-ビス(エチレンイミノカルボニルアミノ)ジフェニルメタン等のアジリジン化合物;ヘキサメチレンジイソシアネートおよびビウレット型イソシアネート等のイソシアネート化合物;オキサゾリン基を側鎖に有するポリオキサゾリン化合物;ならびに、ビニルトリメトキシシラン、N-(2-アミノエチル)3-アミノプロピルトリメトキシシラン等のアルコキシシラン化合物などが挙げられる。また、架橋剤の反応性に応じて公知の触媒を用いることができ、膜強度および耐久性向上に加えて生産性を向上させることができる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
架橋剤の含有量は、液晶組成物の固形分質量に対して、3~20質量%が好ましく、5~15質量%がより好ましい。架橋剤の含有量が上記範囲内であれば、架橋密度向上の効果が得られやすく、液晶相の安定性がより向上する。
--その他の添加剤--
液晶組成物中には、必要に応じて、さらに重合禁止剤、酸化防止剤、紫外線吸収剤、光安定化剤、色材、および、金属酸化物微粒子等を、光学的性能等を低下させない範囲で添加することができる。
液晶組成物は、液晶層を形成する際には、液体として用いられるのが好ましい。
液晶組成物は溶媒を含んでいてもよい。溶媒には、制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、有機溶媒が好ましい。
有機溶媒には、制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ケトン類、アルキルハライド類、アミド類、スルホキシド類、ヘテロ環化合物、炭化水素類、エステル類、および、エーテル類などが挙げられる。これらは、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。これらの中でも、環境への負荷を考慮した場合にはケトン類が好ましい。
液晶層を形成する際には、液晶層の形成面に液晶組成物を塗布して、液晶化合物を所望の液晶相の状態に配向した後、液晶化合物を硬化して、液晶層とするのが好ましい。
すなわち、配向膜32上にコレステリック液晶層を形成する場合には、配向膜32に液晶組成物を塗布して、液晶化合物をコレステリック液晶相の状態に配向した後、液晶化合物を硬化して、コレステリック液晶相を固定してなる液晶層を形成するのが好ましい。
液晶組成物の塗布は、インクジェットおよびスクロール印刷等の印刷法、ならびに、スピンコート、バーコートおよびスプレー塗布等のシート状物に液体を一様に塗布できる公知の方法が全て利用可能である。
塗布された液晶組成物は、必要に応じて乾燥および/または加熱され、その後、硬化され、液晶層を形成する。この乾燥および/または加熱の工程で、液晶組成物中の液晶化合物がコレステリック液晶相に配向すればよい。加熱を行う場合、加熱温度は、200℃以下が好ましく、130℃以下がより好ましい。
配向させた液晶化合物は、必要に応じて、さらに重合される。重合は、熱重合、および、光照射による光重合のいずれでもよいが、光重合が好ましい。光照射は、紫外線を用いるのが好ましい。照射エネルギーは、20mJ/cm2~50J/cm2が好ましく、50~1500mJ/cm2がより好ましい。光重合反応を促進するため、加熱条件下または窒素雰囲気下で光照射を実施してもよい。照射する紫外線の波長は250~430nmが好ましい。
液晶層の厚さには、制限はなく、回折素子の用途、液晶層に要求される光の反射率、および、液晶層の形成材料等に応じて、必要な光の反射率が得られる厚さを、適宜、設定すればよい。
(液晶回折素子B)
以上の例は、液晶回折素子として液晶化合物がコレステリック配向された液晶層を用いているが、本発明に用いる液晶回折素子は、液晶化合物40に由来する光学軸40Aが、面内の少ないとも1方向に沿って連続的に回転している液晶配向パターンを有するものであれば、各種の液晶回折素子が利用可能である。
本発明においては、面内の少なくとも1方向に沿って連続的に回転している液晶配向パターンを有し、かつ、厚さ方向には液晶化合物がコレステリック液晶相を形成していない液晶回折素子も、利用可能である。なお、液晶回折素子において、液晶化合物がコレステリック液晶相とはならない程度に厚さ方向に捩じれ回転した構成を有していてもよい。
図14および図15に、他の液晶回折素子を例示して、その一例を説明する。
図14および図15に示す液晶回折素子は、支持体30と、配向膜32と、液晶層36とを有する。
図15に示す液晶回折素子の液晶層36も、液晶層34と同様、液晶化合物40の光学軸40Aが、配列軸D方向に沿って連続的に回転する液晶配向パターンを有する。なお、図15も、上述した図7と同様、配向膜32の表面の液晶化合物のみを示している。
図14に示す液晶回折素子では、液晶層36を形成する液晶化合物40が厚さ方向に螺旋状に捩じれ回転しておらず、光学軸40Aは、面方向の同じ場所に位置する。このような液晶層は、上述した液晶層の形成において、液晶組成物にキラル剤を添加しないことで形成できる。
上述したように、液晶層36は、面内において、液晶化合物40に由来する光学軸40Aの向きが、配列軸D方向すなわち矢印Dで示す一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。
一方、液晶層36を形成する液晶化合物40は、配列軸D方向と直交するY方向、すなわち光学軸40A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40Aの向きが等しい液晶化合物40が等間隔で配列されている。
言い換えれば、液晶層36を形成する液晶化合物40において、Y方向に配列される液晶化合物40同士では、光学軸40Aの向きと配列軸D方向とが成す角度が等しい。
液晶層36において、Y方向に配列される液晶化合物は、光学軸40Aと配列軸D方向(液晶化合物40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40Aと配列軸D方向とが成す角度が等しい液晶化合物40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40Aの方向の液晶化合物40の屈折率と、領域Rの面内において光学軸40Aに垂直な方向の液晶化合物40の屈折率との差に等しい。つまり、屈折率差Δnは、液晶化合物40の屈折率差に等しい。
このような液晶層36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。
この作用を、図16および図17に概念的に示す。なお、液晶層36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。
図16に示すように、液晶層36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、液晶層36に左円偏光である入射光L1が入射すると、入射光L1は、液晶層36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、液晶層36に形成された液晶配向パターンは、配列軸D方向に周期的なパターンであるため、透過光L2は、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、入射方向に対して配列軸D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。
一方、図17に示すように、液晶層36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、液晶層36に右円偏光の入射光L4が入射すると、入射光L4は、液晶層36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、液晶層36に形成された液晶配向パターンは、配列軸D方向に周期的なパターンであるため、透過光L5は、入射光L4の進行方向とは異なる方向に進行する。このとき、透過光L5は透過光L2と異なる方向、つまり、入射方向に対して矢印X方向とは逆の方向に進行する。このように、入射光L4は、入射方向に対して配列軸D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。
液晶層34と同様、液晶層36も、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、液晶層36も、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40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、配列軸D1方向に沿って回転する、液晶化合物40の光学軸40A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。すなわち、図14~図17に示す例では、配列軸D方向に向かう光学軸40Aの回転方向は時計回りであるが、この回転方向を反時計回りにすることで、透過光の屈折の方向を、逆方向にできる。
なお、回折効率の観点から、このような、入射光を透過回折する液晶回折素子を用いる場合も、液晶化合物が捩れて回転(捩れ角が360°未満)している領域を有する液晶回折素子を用いるのが好ましい。特に、導光板内を全反射する角度に光を回折する場合、回折効率の観点から、液晶化合物が捩れて回転する領域を有する液晶回折素子を好適に用いることができる。また、液晶化合物が捩れて回転する角度が異なる液晶回折素子を積層して用いることや、液晶化合物が捩れて回転する方向が異なる液晶回折素子を積層して用いることは、回折効率の観点から好ましい。
また、このような、液晶化合物がコレステリック配向されておらず、捩れて回転(捩れ角が360°未満)している領域を有する液晶回折素子を反射型の回折素子として用いることもできる。このような液晶回折素子では、回折された光が液晶回折素子の界面で反射して光の入射側から出射されて、光を反射しつつ回折するため反射型の回折素子として機能させることもできる。
本発明の導光素子において、各回折素子として異なる種類の回折素子を組み合わせて用いてもよい。例えば、入射回折素子として透過型の液晶回折素子を用い、中間回折素子および出射回折素子として反射型の液晶回折素子を用いてもよい。
[偏光素子]
偏光素子は、出射回折素子が選択的に回折する偏光状態の光の少なくとも一部を吸収または反射する偏光素子である。したがって、偏光素子が吸収または反射する偏光は、出射回折素子の構成に応じて適宜設定される。
偏光素子としては、従来公知の円偏光板、楕円偏光板、および、直線偏光板等が用いられる。
円偏光板あるいは楕円偏光板としては、位相差板と直線偏光子との組み合わせが例示される。例えば、円偏光板の場合には、位相差板としてλ/4板を用い、λ/4板の遅相軸と直線偏光子の吸収軸とが45°となるように積層して構成される。
位相差板は逆波長分散性を有するのが好ましい。これにより、位相差層は広帯域の波長の光に対応できる。なお、逆波長分散性とは長波長になるほど位相差の絶対値が大きくなる性質を意味し、順分散性とは短波長になるほど位相差の絶対値が大きくなる性質を意味する。
本発明の光学部材および画像表示装置は、視認の改善のため、射出瞳を拡大する回折光学方法を用いてもよい。
具体的には複数個の回折要素(回折素子)を使用する光学的方法、すなわち内結合、中間および外結合回折要素を備えた回折光学方法を用いることができる。本方法は特表2008-546020号公報に詳しく記載がある。
以上、本発明の導光素子および画像表示装置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。
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。
[実施例1-1]
<入射回折素子Bの作製>
(配向膜の形成)
支持体としてガラス基板を用意した。支持体上に、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。
配向膜形成用塗布液
――――――――――――――――――――――――――――――――――
下記光配向用素材 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
――――――――――――――――――――――――――――――――――
-光配向用素材-
(配向膜の露光)
図13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。干渉光による露光量を1000mJ/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(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。
(液晶層の形成)
入射回折素子B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。この組成物A-1は、右円偏光を反射するコレステリック液晶層(コレステリック液晶相)を形成する、液晶組成物である。
組成物A-1
―――――――――――――――――――――――――――――――――
棒状液晶化合物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
キラル剤Ch-1 6.10質量部
メチルエチルケトン 204.00質量部
―――――――――――――――――――――――――――――――――
棒状液晶化合物L-1
キラル剤Ch-1
配向膜P-1上に上記の組成物A-1を塗布して、塗膜をホットプレート上で80℃に加熱し、その後、80℃にて、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、入射回折素子Bの液晶層を形成した。
塗布層の断面を走査型電子顕微鏡(SEM(Scanning Electron Microscope))で確認したところ、主面に対する法線方向(厚さ方向)のピッチ数は8ピッチであった。また、主面に対する明部および暗部の傾いている面のピッチPは0.31μmであった。ここで言う明部および暗部とは、コレステリック液晶層の断面をSEMで観察した際に見られる、コレステリック液晶相に由来する明部および暗部である。
入射回折素子Bの液晶層は、図7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、塗布層の断面をSEMで確認したところ、入射回折素子Bの液晶層の液晶配向パターンにおいて、液晶化合物の光学軸が180°回転する1周期Λは、0.32μmであった。
(出射回折素子Bの作製)
出射回折素子Bは、膜厚を調整した以外は、入射回折素子Bと同様にして作製した。
液晶層のピッチ数は2ピッチであった。
(λ/4板の作製)
(配向膜の形成)
実施例1と同様にして配向膜を形成した。
(配向膜の露光)
得られた配向膜P-Q1に偏光紫外線を照射(50mJ/cm2、超高圧水銀ランプ使用)することで、配向膜P-Q1の露光を行った。
(λ/4板の形成)
λ/4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
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
――――――――――――――――――――――――――――――――――
-液晶化合物L-2-
-液晶化合物L-3-
-液晶化合物L-4-
-重合開始剤PI-1-
-レベリング剤G-1-
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C-1を配向膜P-Q1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、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(530)は133nmであった。
(偏光素子の作製)
上記作製したλ/4板と直線偏光子とを粘着層を用いて方向を調整して貼合して、円偏光板を作製し、偏光素子として用いた。
(導光素子の作製)
導光板として、大きさ60mm×70mm、厚み1mm、材質:ガラスの導光板を用いた。
入射回折素子Bは、直径6mmの大きさに切り出して用いた。出射回折素子Bは、20mm×25mmの大きさに切り出して用いた。
なお、各回折素子を切り出す際には、各回折素子を導光板上に配置した際に回折構造の周期方向が所定の方向となるように、切り出す方向と回折構造の周期方向とを調整して切り出した。
導光板の一方の主面に、作製した各回折素子を接着剤を用いて貼り合わせた。
各回折素子の配置は、図1に示すような配置とした。入射回折素子Bと出射回折素子Bとは左右方向に8mm離間して配置した。
以上により、導光素子を作製した。
(光学部材の作製)
作製した導光素子の、面方向の出射回折素子と重複する位置の、導光板側とは反対側に、偏光素子を離間して配置し、光学部材を作製した。
偏光素子は、20mm×25mmの大きさに切り出して用いた。導光素子と偏光素子との距離は2mmとした。
[実施例1-2]
偏光素子を導光素子に接するように配置した以外は実施例1-1と同様にして光学部材を作製した。
[実施例1-3]
偏光素子として直線偏光子を用いた以外は実施例1-1と同様にして光学部材を作製した。
[比較例1]
偏光素子を有さない以外は実施例1-1と同様にして光学部材を作製した。
[実施例2-1~2-3、比較例2]
入射回折素子Bに代えて下記の入射回折素子Gを用い、出射回折素子Bに代えて下記の出射回折素子Gを用いた以外はそれぞれ、実施例1-1~1-3、比較例1と同様にして光学部材を作製した。
(入射回折素子Gの作製)
配向膜の露光において、2つの光の交差角(交差角α)を変えて配向膜に形成される配向パターンの1周期を異なるものとし、液晶層を形成する組成物におけるキラル剤の量を5.27質量部に変更し、膜厚を調整した以外は、入射回折素子Bと同様にして入射回折素子Gを作製した。
入射回折素子Gの液晶層の厚み方向のピッチ数は8ピッチ、液晶配向パターンにおいて、液晶化合物の光学軸が180°回転する1周期Λは、0.39μmであった。液晶層のピッチPは0.36μmであった。
(出射回折素子Gの作製)
出射回折素子Gは、膜厚を調整した以外は、入射回折素子Gと同様にして作製した。
液晶層のピッチ数は2ピッチであった。
[実施例3-1~3-3、比較例3]
入射回折素子Bに代えて下記の入射回折素子Rを用い、出射回折素子Bに代えて下記の出射回折素子Rを用いた以外はそれぞれ、実施例1-1~1-3、比較例1と同様にして光学部材を作製した。
(入射回折素子Rの作製)
配向膜の露光において、2つの光の交差角(交差角α)を変えて配向膜に形成される配向パターンの1周期を異なるものとし、液晶層を形成する組成物におけるキラル剤の量を4.42質量部に変更し、膜厚を調整した以外は、入射回折素子Bと同様にして入射回折素子Rを作製した。
入射回折素子Rの液晶層の厚み方向のピッチ数は8ピッチ、液晶配向パターンにおいて、液晶化合物の光学軸が180°回転する1周期Λは、0.45μmであった。液晶層のピッチPは0.43μmであった。
(出射回折素子Rの作製)
出射回折素子Rは、膜厚を調整した以外は、入射回折素子Rと同様にして作製した。
液晶層のピッチ数は2ピッチであった。
[実施例4-1]
(中間回折素子Bの作製)
配向膜の露光において、液晶層を形成する組成物におけるキラル剤の量を5.57質量部に変更し、膜厚を調整した以外は、入射回折素子Bと同様にして中間回折素子Bを作製した。
中間回折素子Bの液晶層の厚み方向のピッチ数は2ピッチ、液晶層のピッチPは0.34μmであった。また、液晶配向パターンにおいて、液晶化合物の光学軸が180°回転する1周期Λは、0.23μmであった。
(導光素子の作製)
導光板として、大きさ60mm×70mm、厚み1mm、材質:ガラスの導光板を用いた。
入射回折素子Bは、直径6mmの大きさに切り出して用いた。中間回折素子Bは、15mm(最大)×25mmの大きさに切り出して用いた。出射回折素子Bは、20mm×25mmの大きさに切り出して用いた。
なお、各回折素子を切り出す際には、各回折素子を導光板上に配置した際に回折構造の周期方向が所定の方向となるように、切り出す方向と回折構造の周期方向とを調整して切り出した。
導光板の一方の主面に、作製した各回折素子を接着剤を用いて貼り合わせた。
各回折素子の配置は、図3に示すような配置とした。中間回折素子Bと入射回折素子Bとは左右方向に1mm離間して配置した。また、出射回折素子Bと中間回折素子Bとは上下方向に8mm離間して配置した。
以上により、導光素子を作製した。
(光学部材の作製)
作製した導光素子の、面方向の出射回折素子と重複する位置の、導光板側とは反対側に、偏光素子を離間して配置し、光学部材を作製した。
偏光素子は、20mm×25mmの大きさに切り出して用いた。導光素子と偏光素子との距離は2mmとした。
[実施例4-2]
偏光素子を導光素子に接するように配置した以外は実施例4-1と同様にして光学部材を作製した。
[実施例4-3]
偏光素子として直線偏光子を用いた以外は実施例4-1と同様にして光学部材を作製した。
[比較例4]
偏光素子を有さない以外は実施例4-1と同様にして光学部材を作製した。
[実施例5-1~5-3、比較例5]
入射回折素子Bに代えて入射回折素子Gを用い、中間回折素子Bに代えて下記の中間回折素子Gを用い、出射回折素子Bに代えて出射回折素子Gを用いた以外はそれぞれ、実施例4-1~4-3、比較例4と同様にして光学部材を作製した。
(中間回折素子Gの作製)
配向膜の露光において、2つの光の交差角(交差角α)を変えて配向膜に形成される配向パターンの1周期を異なるものとし、液晶層を形成する組成物におけるキラル剤の量を4.64質量部に変更し、膜厚を調整した以外は、入射回折素子Gと同様にして中間回折素子Gを作製した。
液晶層の厚み方向のピッチ数は2ピッチ、液晶配向パターンにおいて、液晶化合物の光学軸が180°回転する1周期Λは、0.28μmであった。液晶層のピッチPは0.41μmであった。
[実施例6-1~6-3、比較例6]
入射回折素子Bに代えて入射回折素子Rを用い、中間回折素子Bに代えて下記の中間回折素子Rを用い、出射回折素子Bに代えて出射回折素子Rを用いた以外はそれぞれ、実施例4-1~4-3、比較例4と同様にして光学部材を作製した。
(中間回折素子Rの作製)
配向膜の露光において、2つの光の交差角(交差角α)を変えて配向膜に形成される配向パターンの1周期を異なるものとし、液晶層を形成する組成物におけるキラル剤の量を3.94質量部に変更し、膜厚を調整した以外は、入射回折素子Rと同様にして中間回折素子Rを作製した。
液晶層の厚み方向のピッチ数は2ピッチ、液晶配向パターンにおいて、液晶化合物の光学軸が180°回転する1周期Λは、0.32μmであった。液晶層のピッチPは0.48μmであった。
[評価]
作製した各導光素子について、以下の方法で、迷光および表示される画像の明るさを評価した。なお、実施例1-1~1-3、4-1~4~3および比較例1、4については、波長450nmの光を用いて評価した。実施例2-1~2-3、5-1~5~3および比較例2、5については、波長532nmの光を用いて評価した。実施例3-1~3-3、6-1~6-3および比較例3、6については、波長635nmの光を用いて評価した。
(迷光)
LCOS(Liquid crystal on silicon)に投射光源と凸レンズとを組み合わせたプロジェクションディスプレイを用意した。プロジェクションディスプレイを、入射回折素子に向けて画像を照射するように配置して画像表示装置を作製した。なお、プロジェクションディスプレイと入射回折素子間に円偏光板を配置し、入射回折素子に対して右円偏光の画像を投影した。なお、各プロジェクションディスプレイは、対応する入射回折素子に応じた色(波長)の画像を照射するものとした。
作製した画像表示装置を用いて画像を表示して、迷光を以下の基準で評価した。
・A:迷光の発生が軽微であった
・B:迷光の発生が弱く視認されるが、許容内であった
・C:迷光の発生が視認され、目立っていた
(表示画像の明るさ)
光源から出射した光を直線偏光子およびλ/4板を透過させて円偏光の光とした。この光を導光素子の入射回折素子に入射させて出射回折素子から出射した光の光量をパワーメータで測定した。なお、測定箇所は出射回折素子の上端から10mm、左右中央の位置および中央から左右に±6mmの位置からの出射光を測定した。また、導光板主面に対する法線方向を0°としたときに、入射回折素子への光の入射角は0°から20°まで10°刻みで変化させた。パワーメータの有効口径が2mmΦとなるようにピンホールを配置し、出射光がピンホールの中心を透過するようにして光量を測定し、各位置および各入射角度の測定値を平均した光量で評価を行った。
・A:対応する比較例に対し、光量が8割以上
・B:対応する比較例に対し、光量が8割未満
結果を下記の表1および2に示す。
表1および表2から、本発明の実施例1-1~6-3は、それぞれ対応する比較例に比べて、迷光を抑制できることがわかる。
また、実施例1-1と実施例1-2との対比、実施例2-1と実施例2-2との対比、実施例3-1と実施例3-2との対比、実施例4-1と実施例4-2との対比、実施例5-1と実施例5-2との対比、実施例6-1と実施例6-2との対比から、偏光素子を導光素子と離間して配置することで、表示画像が暗くなることを抑制できることがわかる。
また、実施例1-1と実施例1-3との対比、実施例2-1と実施例2-3との対比、実施例3-1と実施例3-3との対比、実施例4-1と実施例4-3との対比、実施例5-1と実施例5-3との対比、実施例6-1と実施例6-3との対比から、偏光素子として位相差層と直線偏光子とからなる円偏光板を用いることで、迷光をより好適に抑制できることがわかる。
以上の結果より、本発明の効果は明らかである。
ARグラスなど、導光を利用する各種の光学装置に好適に利用可能である。
10、10b~10d 画像表示装置
12 表示素子
14、14a~14e 導光素子
16、16d~16e 導光板
18、18c~18e 入射回折素子
20 中間回折素子
24、24c~24e 出射回折素子
30 支持体
32 配向膜
34、36 液晶層
40 液晶化合物
40A 光学軸
42 明部
44 暗部
60 露光装置
62 レーザ
64 光源
65 λ/2板
68 偏光ビームスプリッター
70A,70B ミラー
72A,72B λ/4板
R 赤色の右円偏光
M レーザ光
MA,MB 光線
O 直線偏光
R 右円偏光
L 左円偏光
α 交差角
Q 絶対位相
E,E1,E2 等位相面
U 使用者
D 配列軸
Λ 1周期
P ピッチ

Claims (12)

  1. 導光板と、前記導光板の主面に配置される入射回折素子、および、出射回折素子と、を有する導光素子と、
    前記入射回折素子に画像を照射する表示素子と、
    前記表示素子が照射した光であって、前記入射回折素子で回折されて前記導光板に入射し、前記導光板内を導光されて前記出射回折素子に到達した光のうち、前記出射回折素子の出射側とは反対側に漏れる光の透過を阻止する偏光素子と、を有し、
    前記出射回折素子が、偏光回折素子であり、
    前記偏光素子は、前記出射回折素子に対して出射側とは反対側に配置されており、
    前記偏光素子は、前記導光板の主面の面方向において、前記出射回折素子と重複する位置に配置されており、
    前記偏光素子は、一方の偏光状態の光を吸収または反射し、他の偏光状態の光を透過するものであり、
    前記出射回折素子が、反射型の回折素子であり、
    前記偏光素子は、前記出射回折素子の、前記導光板側とは反対側に配置される、画像表示装置
  2. 導光板と、前記導光板の主面に配置される入射回折素子、および、出射回折素子と、を有する導光素子と、
    前記入射回折素子に画像を照射する表示素子と、
    前記表示素子が照射した光であって、前記入射回折素子で回折されて前記導光板に入射し、前記導光板内を導光されて前記出射回折素子に到達した光のうち、前記出射回折素子の出射側とは反対側に漏れる光の透過を阻止する偏光素子と、を有し、
    前記出射回折素子が、偏光回折素子であり、
    前記偏光素子は、前記出射回折素子に対して出射側とは反対側に配置されており、
    前記偏光素子は、前記導光板の主面の面方向において、前記出射回折素子と重複する位置に配置されており、
    前記偏光素子は、前記出射回折素子が選択的に回折する偏光状態の光を吸収または反射するものであり、
    前記出射回折素子が、反射型の回折素子であり、
    前記偏光素子は、前記出射回折素子の、前記導光板側とは反対側に配置される、画像表示装置
  3. 前記偏光素子は、前記導光素子とは離間している請求項1または2に記載の画像表示装置
  4. 前記偏光素子が、楕円偏光板である請求項1~のいずれか一項に記載の画像表示装置
  5. 前記偏光素子が、円偏光板である請求項1~のいずれか一項に記載の画像表示装置
  6. 前記偏光素子が、直線偏光子と位相差板とからなる請求項1~のいずれか一項に記載の画像表示装置
  7. 前記位相差板がλ/4板である請求項に記載の画像表示装置
  8. 前記位相差板が逆波長分散性を有する請求項またはに記載の画像表示装置
  9. 前記偏光回折素子が、液晶化合物を含む組成物を用いて形成され、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、液晶回折素子である請求項1~のいずれか一項に記載の画像表示装置
  10. 前記液晶回折素子が、前記液晶化合物の光学軸の向きが厚さ方向で捩じれ回転している領域を有する請求項に記載の画像表示装置
  11. 前記液晶回折素子が、コレステリック液晶相を固定してなるコレステリック液晶層を有する請求項9または10に記載の画像表示装置
  12. 前記偏光回折素子の回折構造の周期が0.1μm以上、10μm以下である請求項1~11のいずれか一項に記載の画像表示装置
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