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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024099334
(43)【公開日】2024-07-25
(54)【発明の名称】光学素子、光学素子の製造方法、及び、マスク群
(51)【国際特許分類】
G02B 5/30 20060101AFI20240718BHJP
G02B 5/18 20060101ALI20240718BHJP
【ＦＩ】
G02B5/30
G02B5/18
【審査請求】未請求
【請求項の数】16
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023003199
(22)【出願日】2023-01-12
(71)【出願人】
【識別番号】520487808
【氏名又は名称】シャープディスプレイテクノロジー株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110000914
【氏名又は名称】弁理士法人ＷｉｓｅＰｌｕｓ
(72)【発明者】
【氏名】三枝 良輔
(72)【発明者】
【氏名】川平 雄一
(72)【発明者】
【氏名】坂井 彰
【テーマコード（参考）】
2H149
2H249
【Ｆターム（参考）】
2H149AA01
2H149AB01
2H149AB26
2H149DA06
2H149DB06
2H149FA24Y
2H149FC09
2H249AA04
2H249AA14
2H249AA33
2H249AA53
2H249AA60
2H249AA64
(57)【要約】
【課題】 高い回折効率を有し、簡便に製造することができる光学素子、当該光学素子の製造方法、及び、当該光学素子の製造に用いられるマスク群を提供する。
【解決手段】 本発明の光学素子は、異方性分子を含む光学異方性層を備え、上記光学異方性層は、上記異方性分子が上記光学異方性層の膜厚方向に沿って捩れ配向していない領域である第１の領域と、上記異方性分子が上記光学異方性層の膜厚方向に沿って捩れ配向している領域である第２の領域と、を備える。
【選択図】 図４Ａ
【解決手段】 本発明の光学素子は、異方性分子を含む光学異方性層を備え、上記光学異方性層は、上記異方性分子が上記光学異方性層の膜厚方向に沿って捩れ配向していない領域である第１の領域と、上記異方性分子が上記光学異方性層の膜厚方向に沿って捩れ配向している領域である第２の領域と、を備える。
【選択図】 図４Ａ
【特許請求の範囲】
【請求項1】
異方性分子を含む光学異方性層を備え、
前記光学異方性層は、前記異方性分子が前記光学異方性層の膜厚方向に沿って捩れ配向していない領域である第１の領域と、前記異方性分子が前記光学異方性層の膜厚方向に沿って捩れ配向している領域である第２の領域と、を備えることを特徴とする光学素子。
前記光学異方性層は、前記異方性分子が前記光学異方性層の膜厚方向に沿って捩れ配向していない領域である第１の領域と、前記異方性分子が前記光学異方性層の膜厚方向に沿って捩れ配向している領域である第２の領域と、を備えることを特徴とする光学素子。
【請求項2】
前記光学異方性層は、前記第１の領域及び前記第２の領域に加えて、更に、前記異方性分子が前記光学異方性層の膜厚方向に沿って捩れ配向していない領域である第３の領域を有し、
平面視において、前記光学異方性層の中心部から端部に向かって、前記第１の領域、前記第２の領域及び前記第３の領域の順に配置されることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
平面視において、前記光学異方性層の中心部から端部に向かって、前記第１の領域、前記第２の領域及び前記第３の領域の順に配置されることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項3】
前記光学異方性層は、前記第１の領域及び前記第２の領域に加えて、更に、第３の領域～第Ｎの領域を有し、
前記第１の領域～前記第Ｎの領域は、平面視において、前記光学異方性層の中心部から端部に向かってこの順に配置され、
前記第１の領域～前記第Ｎの領域のうち第ｐの領域は、前記異方性分子が前記光学異方性層の膜厚方向に沿って捩れ配向していない領域であり、
第（ｐ＋１）の領域は、前記異方性分子が前記光学異方性層の膜厚方向に沿って捩れ配向している領域であり、
Ｎは、４以上の整数であり、
ｐは、１以上、（Ｎ－１）以下の整数であることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
前記第１の領域～前記第Ｎの領域は、平面視において、前記光学異方性層の中心部から端部に向かってこの順に配置され、
前記第１の領域～前記第Ｎの領域のうち第ｐの領域は、前記異方性分子が前記光学異方性層の膜厚方向に沿って捩れ配向していない領域であり、
第（ｐ＋１）の領域は、前記異方性分子が前記光学異方性層の膜厚方向に沿って捩れ配向している領域であり、
Ｎは、４以上の整数であり、
ｐは、１以上、（Ｎ－１）以下の整数であることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項4】
前記捩れ配向していない領域は、前記光学異方性層の表側の分子配向と裏側の分子配向との差が、０°以上、０．１°未満である領域であり、
前記捩れ配向している領域は、前記光学異方性層の表側の分子配向と裏側の分子配向との差が０．１°以上である領域であることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
前記捩れ配向している領域は、前記光学異方性層の表側の分子配向と裏側の分子配向との差が０．１°以上である領域であることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項5】
前記第１の領域及び前記第２の領域は、環状に配置されることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項6】
前記光学素子は、パンチャラトナムベリー位相光学素子であることを特徴とする請求項１～５のいずれかに記載の光学素子。
【請求項7】
異方性分子を含む光学異方性層を備え、
前記光学異方性層は、消偏性を有する領域である第１の領域と、前記第１の領域よりも高い消偏性を有する領域である第２の領域と、を備えることを特徴とする光学素子。
前記光学異方性層は、消偏性を有する領域である第１の領域と、前記第１の領域よりも高い消偏性を有する領域である第２の領域と、を備えることを特徴とする光学素子。
【請求項8】
前記光学異方性層は、前記第１の領域及び前記第２の領域に加えて、更に、前記第２の領域よりも低い消偏性を有する第３の領域を有し、
平面視において、前記光学異方性層の中心部から端部に向かって、前記第１の領域、前記第２の領域及び前記第３の領域の順に配置されることを特徴とする請求項７に記載の光学素子。
平面視において、前記光学異方性層の中心部から端部に向かって、前記第１の領域、前記第２の領域及び前記第３の領域の順に配置されることを特徴とする請求項７に記載の光学素子。
【請求項9】
前記光学異方性層は、前記第１の領域及び前記第２の領域に加えて、更に、第３の領域～第Ｎの領域を有し、
前記第１の領域～前記第Ｎの領域は、平面視において、前記光学異方性層の中心部から端部に向かってこの順に配置され、
前記第１の領域～前記第Ｎの領域のうち第ｐの領域は、第１の消偏性を有する領域であり、
第（ｐ＋１）の領域は、前記第１の消偏性よりも高い第２の消偏性を有する領域であり、
Ｎ、は４以上の整数であり、
ｐは、１以上、（Ｎ－１）以下の整数であることを特徴とする請求項７に記載の光学素子。
前記第１の領域～前記第Ｎの領域は、平面視において、前記光学異方性層の中心部から端部に向かってこの順に配置され、
前記第１の領域～前記第Ｎの領域のうち第ｐの領域は、第１の消偏性を有する領域であり、
第（ｐ＋１）の領域は、前記第１の消偏性よりも高い第２の消偏性を有する領域であり、
Ｎ、は４以上の整数であり、
ｐは、１以上、（Ｎ－１）以下の整数であることを特徴とする請求項７に記載の光学素子。
【請求項10】
前記第１の領域及び前記第２の領域は、環状に配置されることを特徴とする請求項７に記載の光学素子。
【請求項11】
前記光学素子は、パンチャラトナムベリー位相光学素子であることを特徴とする請求項７～１０のいずれかに記載の光学素子。
【請求項12】
支持基板上の配向膜を露光して配向処理する露光工程と、
露光後の前記配向膜上に重合性液晶材料を配置し硬化させる液晶層形成工程と、
を備え、
前記露光工程は、前記配向膜の第１の露光領域を、第１の偏光軸を有する第１の偏光で露光する第１の露光工程と、前記第１の露光領域の一部のみと重畳する前記配向膜の第２の露光領域を、前記第１の偏光軸とは角度が異なる第２の偏光軸を有する第２の偏光で露光する第２の露光工程と、を順に備えることを特徴とする光学素子の製造方法。
露光後の前記配向膜上に重合性液晶材料を配置し硬化させる液晶層形成工程と、
を備え、
前記露光工程は、前記配向膜の第１の露光領域を、第１の偏光軸を有する第１の偏光で露光する第１の露光工程と、前記第１の露光領域の一部のみと重畳する前記配向膜の第２の露光領域を、前記第１の偏光軸とは角度が異なる第２の偏光軸を有する第２の偏光で露光する第２の露光工程と、を順に備えることを特徴とする光学素子の製造方法。
【請求項13】
前記露光工程は、前記第１の露光工程、及び、前記第２の露光工程～第Ｍの露光工程を順に備え、
前記第１の露光工程～前記第Ｍの露光工程は、それぞれ、前記配向膜の前記第１の露光領域～第Ｍの露光領域を、前記第１の偏光軸～第Ｍの偏光軸を有する前記第１の偏光～第Ｍの偏光で露光する工程であり、
前記第１の偏光軸～前記第Ｍの偏光軸の角度は互いに異なり、
前記第１の露光領域～前記第Ｍの露光領域のうち第ｒの露光領域の一部分は第（ｒ－１）の露光領域と重畳し、前記第ｒの露光領域の他の部分は前記第（ｒ－１）の露光領域と重畳せず、
前記第１の露光領域～前記第Ｍの露光領域のうち前記第（ｒ－１）の露光領域の一部分は前記第ｒの露光領域と重畳し、前記第（ｒ－１）の露光領域の他の部分は前記第ｒの露光領域と重畳せず、
前記第ｒの露光領域は、前記第１の露光領域～第（ｒ－２）の露光領域とは重畳せず、
Ｍは、３以上の整数であり、
ｒは、３以上、Ｍ以下の整数であることを特徴とする請求項１２に記載の光学素子の製造方法。
前記第１の露光工程～前記第Ｍの露光工程は、それぞれ、前記配向膜の前記第１の露光領域～第Ｍの露光領域を、前記第１の偏光軸～第Ｍの偏光軸を有する前記第１の偏光～第Ｍの偏光で露光する工程であり、
前記第１の偏光軸～前記第Ｍの偏光軸の角度は互いに異なり、
前記第１の露光領域～前記第Ｍの露光領域のうち第ｒの露光領域の一部分は第（ｒ－１）の露光領域と重畳し、前記第ｒの露光領域の他の部分は前記第（ｒ－１）の露光領域と重畳せず、
前記第１の露光領域～前記第Ｍの露光領域のうち前記第（ｒ－１）の露光領域の一部分は前記第ｒの露光領域と重畳し、前記第（ｒ－１）の露光領域の他の部分は前記第ｒの露光領域と重畳せず、
前記第ｒの露光領域は、前記第１の露光領域～第（ｒ－２）の露光領域とは重畳せず、
Ｍは、３以上の整数であり、
ｒは、３以上、Ｍ以下の整数であることを特徴とする請求項１２に記載の光学素子の製造方法。
【請求項14】
前記光学素子の製造方法は、パンチャラトナムベリー位相光学素子の製造方法であることを特徴とする請求項１２又は１３に記載の光学素子の製造方法。
【請求項15】
第１の透光部及び第１の遮光部が設けられた第１のマスクと、
第２の透光部及び第２の遮光部が設けられた第２のマスクと、を有し、
前記第１のマスクの中心と前記第２のマスクの中心とが重畳するよう前記第１のマスク及び前記第２のマスクを重ね合わせたとき、
前記第１の透光部は、前記第２の透光部の一部及び前記第２の遮光部の一部と重畳し、
前記第２の透光部は、前記第１の透光部の一部及び前記第１の遮光部の一部と重畳することを特徴とするマスク群。
第２の透光部及び第２の遮光部が設けられた第２のマスクと、を有し、
前記第１のマスクの中心と前記第２のマスクの中心とが重畳するよう前記第１のマスク及び前記第２のマスクを重ね合わせたとき、
前記第１の透光部は、前記第２の透光部の一部及び前記第２の遮光部の一部と重畳し、
前記第２の透光部は、前記第１の透光部の一部及び前記第１の遮光部の一部と重畳することを特徴とするマスク群。
【請求項16】
前記マスク群は、パンチャラトナムベリー位相光学素子の製造に用いられることを特徴とする請求項１５に記載のマスク群。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、光学素子、光学素子の製造方法、及び、マスク群に関する。より具体的には、光学素子、当該光学素子の製造方法、及び、当該光学素子の製造に用いられるマスク群に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、ヘッドマウントディスプレイ等の表示装置向けに、パンチャラトナムベリー位相光学素子（ＰＢＯＥ：Ｐａｎｃｈａｒａｔｎａｍ－Ｂｅｒｒｙ ｐｈａｓｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔｓ）等の光学素子を用いた光学システムが提案されている。ＰＢＯＥは、例えば、液晶分子を含む液晶組成物を用いて形成された光学異方性層を備える。
【0003】
ＰＢＯＥとして、特許文献１には、同心円状に分布し液晶が配置される複数の領域を有し、各領域における液晶の配向状態が中心領域から周辺領域に向かって周期的に変化し、さらにその変化の周期が中心から周囲に向かって変化している液晶セルからなる光変調素子が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開平９－１９７３６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
高い回折効率を実現するためには、ＰＢＯＥが面内において周期的で連続した分子配向パターンを有することが重要である。ＰＢＯＥをマスク露光で作成する場合、面内において周期的なパターンは実現できる一方で、通常は面内において連続配向を実現できず、離散的な配向となるため、光学性能が悪化する。
【0006】
図４３は、比較形態のＰＢＯＥの回折効率の測定方法を示す模式図である。図４４は、比較形態のＰＢＯＥの分子配向の種類と回折効率との関係を示すグラフである。ここで、回折効率とは、透過光に対する主要光の割合を表す。図４５は、８種類の分子配向を有する比較形態のＰＢＯＥの偏光顕微鏡観察写真、及び、当該ＰＢＯＥの作製に必要なマスクの断面模式図を示す図である。
【0007】
図４３及び図４４に示すように、比較形態のＰＢＯＥ１０Ｒを離散的な分子配向パターンで作製する場合、分子の配向方向の種類が多いほどレンズの性能は上がる。マスク露光で実現する分子配向は離散的であるため、通常、分子配向の種類はマスクの枚数と同数となる。例えば、分子配向を８種類有する比較形態のＰＢＯＥ１０Ｒを作製するには、図４５に示すように、８枚のマスクで、８種類の偏光ＵＶを照射する必要がある。そのため、通常はマスクの枚数を増やすことで、分子配向の種類を増やし、面内の離散的な配向を連続配向に近づけていく。しかしながら、当該方法ではマスクの枚数が増えるため、コスト、生産工程の増加といったデメリットが生じる。
【0008】
図４６は、特許文献１の光学素子の平面模式図である。上記特許文献１では、光変調素子の製造において、まず、２枚のガラス基板の表面に酸化インジウム錫（ＩＴＯ）でベタ状電極を形成する。次いで、当該ベタ状電極の上にポリイミド膜を形成する。更に、マスクラビング法により、図４６の領域Ｒ１、Ｒ２及びＲ３示すように、ガラス基板の中心領域から周辺領域に向かって０°、４５°、９０°の配向方向角の周期的な分布が得られるようラビング処理する。更に、２枚のガラス基板を重ね合わせ液晶を真空注入する。特許文献１の方法により回折効率の高い光学素子を得るためには、ラビングの回数を増やす必要があり、例えば、製造コストが増大する。特許文献１の方法により回折効率の高い光学素子を簡便に製造することは困難である。
【0009】
本発明は、上記現状に鑑みてなされたものであり、高い回折効率を有し、簡便に製造することができる光学素子、当該光学素子の製造方法、及び、当該光学素子の製造に用いられるマスク群を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【0010】
（１）本発明の一実施形態は、異方性分子を含む光学異方性層を備え、上記光学異方性層は、上記異方性分子が上記光学異方性層の膜厚方向に沿って捩れ配向していない領域である第１の領域と、上記異方性分子が上記光学異方性層の膜厚方向に沿って捩れ配向している領域である第２の領域と、を備える光学素子。
【0011】
（２）また、本発明のある実施形態は、上記（１）の構成に加え、上記光学異方性層は、上記第１の領域及び上記第２の領域に加えて、更に、上記異方性分子が上記光学異方性層の膜厚方向に沿って捩れ配向していない領域である第３の領域を有し、平面視において、上記光学異方性層の中心部から端部に向かって、上記第１の領域、上記第２の領域及び上記第３の領域の順に配置される光学素子。
【0012】
（３）また、本発明のある実施形態は、上記（１）の構成に加え、上記光学異方性層は、上記第１の領域及び上記第２の領域に加えて、更に、第３の領域～第Ｎの領域を有し、上記第１の領域～上記第Ｎの領域は、平面視において、上記光学異方性層の中心部から端部に向かってこの順に配置され、上記第１の領域～上記第Ｎの領域のうち第ｐの領域は、上記異方性分子が上記光学異方性層の膜厚方向に沿って捩れ配向していない領域であり、第（ｐ＋１）の領域は、上記異方性分子が上記光学異方性層の膜厚方向に沿って捩れ配向している領域であり、Ｎは、４以上の整数であり、ｐは、１以上、（Ｎ－１）以下の整数である光学素子。
【0013】
（４）また、本発明のある実施形態は、上記（１）、上記（２）又は上記（３）の構成に加え、上記捩れ配向していない領域は、上記光学異方性層の表側の分子配向と裏側の分子配向との差が、０°以上、０．１°未満である領域であり、上記捩れ配向している領域は、上記光学異方性層の表側の分子配向と裏側の分子配向との差が０．１°以上である領域である光学素子。
【0014】
（５）また、本発明のある実施形態は、上記（１）、上記（２）、上記（３）又は上記（４）の構成に加え、上記第１の領域及び上記第２の領域は、環状に配置される光学素子。
【0015】
（６）また、本発明のある実施形態は、上記（１）、上記（２）、上記（３）、上記（４）又は上記（５）の構成に加え、上記光学素子は、パンチャラトナムベリー位相光学素子である光学素子。
【0016】
（７）また、本発明の他の一実施形態は、異方性分子を含む光学異方性層を備え、上記光学異方性層は、消偏性を有する領域である第１の領域と、上記第１の領域よりも高い消偏性を有する領域である第２の領域と、を備える光学素子。
【0017】
（８）また、本発明のある実施形態は、上記（７）の構成に加え、上記光学異方性層は、上記第１の領域及び上記第２の領域に加えて、更に、上記第２の領域よりも低い消偏性を有する第３の領域を有し、平面視において、上記光学異方性層の中心部から端部に向かって、上記第１の領域、上記第２の領域及び上記第３の領域の順に配置される光学素子。
【0018】
（９）また、本発明のある実施形態は、上記（７）の構成に加え、上記光学異方性層は、上記第１の領域及び上記第２の領域に加えて、更に、第３の領域～第Ｎの領域を有し、上記第１の領域～上記第Ｎの領域は、平面視において、上記光学異方性層の中心部から端部に向かってこの順に配置され、上記第１の領域～上記第Ｎの領域のうち第ｐの領域は、第１の消偏性を有する領域であり、第（ｐ＋１）の領域は、上記第１の消偏性よりも高い第２の消偏性を有する領域であり、Ｎ、は４以上の整数であり、ｐは、１以上、（Ｎ－１）以下の整数である光学素子。
【0019】
（１０）また、本発明のある実施形態は、上記（７）、上記（８）又は上記（９）の構成に加え、上記第１の領域及び上記第２の領域は、環状に配置される光学素子。
【0020】
（１１）また、本発明のある実施形態は、上記（７）、上記（８）、上記（９）又は上記（１０）の構成に加え、上記光学素子は、パンチャラトナムベリー位相光学素子である光学素子。
【0021】
（１２）また、本発明の他の一実施形態は、支持基板上の配向膜を露光して配向処理する露光工程と、露光後の上記配向膜上に重合性液晶材料を配置し硬化させる液晶層形成工程と、を備え、上記露光工程は、上記配向膜の第１の露光領域を、第１の偏光軸を有する第１の偏光で露光する第１の露光工程と、上記第１の露光領域の一部のみと重畳する上記配向膜の第２の露光領域を、上記第１の偏光軸とは角度が異なる第２の偏光軸を有する第２の偏光で露光する第２の露光工程と、を順に備える光学素子の製造方法。
【0022】
（１３）また、本発明のある実施形態は、上記（１２）の構成に加え、上記露光工程は、上記第１の露光工程、及び、上記第２の露光工程～第Ｍの露光工程を順に備え、上記第１の露光工程～上記第Ｍの露光工程は、それぞれ、上記配向膜の上記第１の露光領域～第Ｍの露光領域を、上記第１の偏光軸～第Ｍの偏光軸を有する上記第１の偏光～第Ｍの偏光で露光する工程であり、上記第１の偏光軸～上記第Ｍの偏光軸の角度は互いに異なり、上記第１の露光領域～上記第Ｍの露光領域のうち第ｒの露光領域の一部分は第（ｒ－１）の露光領域と重畳し、前記第ｒの露光領域の他の部分は上記第（ｒ－１）の露光領域と重畳せず、上記第１の露光領域～上記第Ｍの露光領域のうち上記第（ｒ－１）の露光領域の一部分は上記第ｒの露光領域と重畳し、上記第（ｒ－１）の露光領域の他の部分は上記第ｒの露光領域と重畳せず、上記第ｒの露光領域は、上記第１の露光領域～第（ｒ－２）の露光領域とは重畳せず、Ｍは、３以上の整数であり、ｒは、３以上、Ｍ以下の整数である光学素子の製造方法。
【0023】
（１４）また、本発明のある実施形態は、上記（１２）又は上記（１３）の構成に加え、上記光学素子の製造方法は、パンチャラトナムベリー位相光学素子の製造方法である光学素子の製造方法。
【0024】
（１５）また、本発明の他の一実施形態は、第１の透光部及び第１の遮光部が設けられた第１のマスクと、第２の透光部及び第２の遮光部が設けられた第２のマスクと、を有し、上記第１のマスクの中心と上記第２のマスクの中心とが重畳するよう上記第１のマスク及び上記第２のマスクを重ね合わせたとき、上記第１の透光部は、上記第２の透光部の一部及び上記第２の遮光部の一部と重畳し、上記第２の透光部は、上記第１の透光部の一部及び上記第１の遮光部の一部と重畳するマスク群。
【0025】
（１６）また、本発明のある実施形態は、上記（１５）の構成に加え、上記マスク群は、パンチャラトナムベリー位相光学素子の製造に用いられるマスク群。
【発明の効果】
【0026】
本発明によれば、高い回折効率を有し、簡便に製造することができる光学素子、当該光学素子の製造方法、及び、当該光学素子の製造に用いられるマスク群を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0027】
【図1】実施形態１の光学素子の平面模式図である。
【図4A】実施形態１の光学素子の一例を示す偏光顕微鏡観察写真、及び、当該光学素子の作製に必要なマスクの断面模式図を示す図である。
【図5】実施形態１の光学素子の一例を示す平面模式図である。
【図6】実施形態１の光学素子の製造方法における第１の露光工程を示す模式図である。
【図7】実施形態１の光学素子の製造方法における第２の露光工程を示す模式図である。
【図8】実施形態１の光学素子の製造方法における第１の露光工程及び第２の露光工程後を示す模式図である。
【図9】実施形態１の光学素子の製造に用いられるマスク群の一例を示す平面模式図である。
【図10】通常のマスク群の一例を示す平面模式図である。
【図11】実施形態２の光学素子の平面模式図である。
【図12】実施形態１の光学素子の一例を示す平面模式図である。
【図13】実施形態２の光学素子の製造方法における第１の露光工程を示す模式図である。
【図14】実施形態２の光学素子の製造方法における第２の露光工程を示す模式図である。
【図15】実施形態２の光学素子の製造方法における第１の露光工程及び第２の露光工程後を示す模式図である。
【図16】実施例１の光学素子の製造方法を示す断面模式図、及び、実施例１の光学素子の偏光顕微鏡観察写真である。
【図17】実施例１の光学素子の製造において、偏光軸０°の偏光ＵＶを照射する際に用いられた第１のマスクの模式図である。
【図18】実施例１の光学素子の製造において、偏光軸４５°の偏光ＵＶを照射する際に用いられた第２のマスクの模式図である。
【図19】実施例１の光学素子の製造において、偏光軸９０°の偏光ＵＶを照射する際に用いられた第３のマスクの模式図である。
【図20】実施例１の光学素子の製造において、偏光軸１３５°の偏光ＵＶを照射する際に用いられた第４のマスクの模式図である。
【図21】光学異方性層の表側の分子配向の測定方法について説明する断面模式図である。
【図22】光学異方性層の裏側の分子配向の測定方法について説明する断面模式図である。
【図23】実施例１の光学素子の中心部が最も暗くなったときの、実施例１の光学素子の偏光顕微鏡観察写真である。
【図25】第１の偏光板及び第２の偏光板のクロスニコル配置を維持した状態で、重ね露光されていない領域Ａが最も暗くなるよう第１の偏光板及び第２の偏光板を回転させたときの、実施例１の光学素子の偏光顕微鏡観察写真である。
【図26】実施例１の光学素子の、重ね露光した領域を示す顕微鏡観察写真である。
【図27】実施例１の光学素子の重ね露光していない領域Ａ及びＢ、並びに、重ね露光した領域Ｃ、Ｄ及びＥにおける、表側の分子配向と裏側の分子配向との差を示すグラフである。
【図28】実施例１の光学素子の、重ね露光していない領域を示す断面模式図である。
【図29】実施例１の光学素子の中心部の「暗の強度」の測定方法について説明する偏光顕微鏡観察写真である。
【図30】実施例１の光学素子の中心部の「明の強度」の測定方法について説明する偏光顕微鏡観察写真である。
【図31】実施例１の光学素子の重ね露光した領域Ｃの「暗の強度」の測定方法について説明する偏光顕微鏡観察写真である。
【図32】実施例１の光学素子の重ね露光した領域Ｃの「明の強度」の測定方法について説明する偏光顕微鏡観察写真である。
【図33】実施例１の光学素子の重ね露光していない領域Ａ及びＢ、並びに、重ね露光した領域Ｃ、Ｄ及びＥにおける消偏性を示すグラフである。
【図34】重ね露光と配向規制力との関係を説明する模式図である。
【図35】実施例１の光学素子の偏光顕微鏡観察写真、及び、実施例１の光学素子の作製に用いたなマスクの断面模式図を示す図である。
【図36】回折効率の測定方法を示す模式図である。
【図37】参考例の光学素子の回折効率を計算する際に用いた分子配向を示す図である。
【図38】２種類の分子配向を有する実施例２の光学素子の分子配向を示す図である。
【図39】３種類の分子配向を有する実施例３の光学素子の分子配向を示す図である。
【図40】４種類の分子配向を有する実施例４の光学素子の分子配向を示す図である。
【図41】６種類の分子配向を有する実施例５の光学素子の分子配向を示す図である。
【図42】実施例１～実施例５の光学素子の回折効率を示すグラフである。
【図43】比較形態のＰＢＯＥの回折効率の測定方法を示す模式図である。
【図44】比較形態のＰＢＯＥの分子配向の種類と回折効率との関係を示すグラフである。
【図45】８種類の分子配向を有する比較形態のＰＢＯＥの偏光顕微鏡観察写真、及び、当該ＰＢＯＥの作製に必要なマスクの断面模式図を示す図である。
【図46】特許文献１の光学素子の平面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【0028】
以下、本発明の実施形態について説明する。本発明は、以下の実施形態に記載された内容に限定されるものではなく、本発明の構成を充足する範囲内で、適宜設計変更を行うことが可能である。なお、以下の説明において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して適宜用い、その繰り返しの説明は適宜省略する。本発明の各態様は、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜組み合わされてもよい。
【0029】
（実施形態１）
図１は、実施形態１の光学素子の平面模式図である。図２は、図１において破線で囲まれた領域における実施形態１の光学素子の平面模式図である。図３は、図２中のＡ１－Ａ２線に沿った、実施形態１の光学素子の断面模式図である。
図１は、実施形態１の光学素子の平面模式図である。図２は、図１において破線で囲まれた領域における実施形態１の光学素子の平面模式図である。図３は、図２中のＡ１－Ａ２線に沿った、実施形態１の光学素子の断面模式図である。
【0030】
図１～図３に示す本実施形態の光学素子１０は、異方性分子３１０を含む光学異方性層３００を備え、光学異方性層３００は、異方性分子３１０が光学異方性層３００の膜厚方向に沿って捩れ配向していない領域である第１の領域３０１と、異方性分子３１０が光学異方性層３００の膜厚方向に沿って捩れ配向している領域である第２の領域３０２と、を備える。このような態様とすることにより、面内において連続的で周期的なパターンで異方性分子３１０が配列し得るため、高い回折効率を実現することができる。また、このような構成の光学素子１０は、例えば、後述するように、マスクの枚数を増やすことなく製造することが可能であるため、簡便に製造することができる。
【0031】
干渉露光を用いることにより、異方性分子を連続的で周期的なパターンで配列させることは可能であるが、量産が困難であり、光学素子を簡便に製造することができない。一方、マスク露光で異方性分子を配向させる場合、配向パターンが離散的になる。そのため、連続的で周期的な配向パターンと、マスク露光で実現できる配向パターンとの間に差が生じてしまい、回折効率（光学性能）が低下してしまう。
【0032】
また、上記特許文献１に開示された方法を用いて、連続的で周期的なパターンで異方性分子を配向させるためには、ラビング処理の回数を増やす必要がある。そのため、特許文献１により、回折効率の高い光学素子を簡便に製造することはできない。
【0033】
一方、本実施形態の光学素子１０は、マスクの枚数を増やすことなく、異方性分子の離散的な配向を連続配向に近づけ、光学性能を向上させることができる。
【0034】
本実施形態では、図２及び図３に示すように、光配向膜の同じ領域に異なる偏光ＵＶ（ＰＵＶともいう。）を重ねて照射することで、偏光方向とは異なる方向に配向規制力が働くことに注目した。当該現象を利用することにより、図４Ａ及び図４Ｂに示すように、「（分子の配向方向の種類）＞（マスクの枚数）」を実現することができる。これにより、より性能の高い（より回折効率の高い）光学素子１０（ＰＢＯＥ）を、従来よりも少ないマスクで作製することができる。本実施形態の重ね照射を用いて、図４Ａ及び図４Ｂでは、４枚のマスクで８種類の分子配向を実現している。図４Ａは、実施形態１の光学素子の一例を示す偏光顕微鏡観察写真、及び、当該光学素子の作製に必要なマスクの断面模式図を示す図である。図４Ｂは、図４Ａに示すマスクの断面模式図の横軸を拡大した拡大断面模式図である。
【0035】
例えば、図４Ａ及び図４Ｂに示す第１のマスクを用いて光配向膜に偏光軸０°の偏光ＵＶを照射する第１の露光工程、第２のマスクを用いて光配向膜に偏光軸４５°の偏光ＵＶを照射する第２の露光工程、第３のマスクを用いて光配向膜に偏光軸９０°の偏光ＵＶを照射する第３の露光工程、及び、第４のマスクを用いて光配向膜に偏光軸１３５°の偏光ＵＶを照射する第４の露光工程、を順に行う。このような態様とすることにより、平面視において、第１のマスクの透光部であって、かつ、他のマスクの透光部ではない１つ目の開口に対応する領域において、分子配向は０°に設定される。また、平面視において、第１のマスクの透光部であって、かつ、第２のマスクの透光部である２つ目の開口に対応する領域において、分子配向は２２．５°に設定される。また、平面視において、第２のマスクの透光部であって、かつ、他のマスクの透光部ではない３つ目の開口に対応する領域において、分子配向は４５°に設定される。また、平面視において、第２のマスクの透光部であって、かつ、第３のマスクの透光部である４つ目の開口に対応する領域において、分子配向は６７．５°に設定される。また、平面視において、第３のマスクの透光部であって、かつ、他のマスクの透光部ではない５つ目の開口に対応する領域において、分子配向は９０°に設定される。また、平面視において、第３のマスクの透光部であって、かつ、第４のマスクの透光部である６つ目の開口に対応する領域において、分子配向は１１２．５°に設定される。また、平面視において、第４のマスクの透光部であって、かつ、他のマスクの透光部ではない７つ目の開口に対応する領域において、分子配向は１３５°に設定される。また、平面視において、第４のマスクの透光部であって、かつ、第１のマスクの透光部である８つ目の開口に対応する領域において、分子配向は１５７．５°に設定される。
【0036】
異方性分子３１０が光学異方性層３００の膜厚方向に沿って捩れ配向していない領域は、例えば、光学異方性層３００の表側の分子配向（配向角）と裏側の分子配向との差が、０°以上、０．１°未満である領域である。また、異方性分子３１０が光学異方性層３００の膜厚方向に沿って捩れ配向している領域は、例えば、光学異方性層３００の表側の分子配向（配向角）と裏側の分子配向との差が０．１°以上である領域である。異方性分子３１０が光学異方性層３００の膜厚方向に沿って捩れ配向している領域における、光学異方性層３００の表側の分子配向（配向角）と裏側の分子配向との差の上限は特に限定されないが、例えば、光学異方性層３００の表側の分子配向（配向角）と裏側の分子配向との差は、０．１°以上、５°以下であり、０．１°以上、１°以下であることが好ましい。
【0037】
以下、本実施形態の光学素子１０について詳細に説明する。
【0038】
図１～図３に示す本実施形態の光学素子１０は、支持基板１００と、配向膜２００と、光学異方性層３００と、を順に備える。図１に示すように、第１の領域３０１及び第２の領域３０２は、環状に配置される。より具体的には、第１の領域３０１及び第２の領域３０２は、平面視において、環状に配置される。本実施形態の光学素子１０は、パンチャラトナムベリー位相光学素子である。パンチャラトナムベリー位相光学素子は、円偏光を集光及び発散させる機能を有する。
【0039】
支持基板１００としては、例えば、ガラス基板、プラスチック基板等の基板が挙げられる。ガラス基板の材料としては、例えば、フロートガラス、ソーダガラス等のガラスが挙げられる。プラスチック基板の材料としては、例えば、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエーテルスルホン、ポリカーボネート、脂環式ポリオレフィン等のプラスチックが挙げられる。
【0040】
配向膜２００は、光学異方性層３００における異方性分子３１０の配向を制御する機能を有する。配向膜２００の材料としては、ポリイミドを主鎖に有するポリマー、ポリアミック酸を主鎖に有するポリマー、ポリシロキサンを主鎖に有するポリマー等の液晶パネルの分野で一般的な材料を用いることができる。配向膜２００は配向膜材料を塗布することによって形成することができ、上記塗布方法は特に限定されず、例えば、フレキソ印刷、インクジェット塗布等を用いることができる。
【0041】
配向膜２００は、光配向膜であることが好ましい。光配向膜は、例えば、光官能基を有する光配向性ポリマーを含む配向膜材料を基板上に成膜することにより得られる。配向膜２００には、配向処理が施される。例えば、光配向性ポリマーを含む配向膜２００に偏光紫外線を照射し、配向膜２００の表面に異方性を発生させることにより配向処理が施される。
【0042】
上記光配向性ポリマーとしては、例えば、シクロブタン基、アゾベンゼン基、カルコン基、シンナメート基、クマリン基、スチルベン基、フェノールエステル基及びフェニルベンゾエート基から選択される少なくとも一種の光官能基を有する光配向性ポリマー等が挙げられる。光配向層に含まれる光配向性ポリマーは、一種であっても、二種以上であってもよい。光配向性ポリマーが有する光官能基は、ポリマーの主鎖に存在してもよいし、ポリマーの側鎖に存在してもよいし、ポリマーの主鎖及び側鎖の両方に存在してもよい。
【0043】
上記光配向性ポリマーの光反応の型も特に限定されないが、光分解型ポリマー、光転位型ポリマー（好ましくは光フリース転位型ポリマー）、光異性化型ポリマー、光二量化型ポリマー及び光架橋型ポリマーを好適な例として挙げることができる。これらは何れかを単独で用いることもでき、二種以上を併用することもできる。なかでも、配向安定性の観点からは、２５４ｎｍ付近を反応波長（主感度波長）とする光分解型ポリマー、及び、２５４ｎｍ付近を反応波長（主感度波長）とする光転位型ポリマーが特に好ましい。側鎖に光官能基を有する光異性化型ポリマー及び光二量化型ポリマーもまた好ましい。
【0044】
上記光配向性ポリマーの主鎖構造は特に限定されないが、ポリアミック酸構造、ポリイミド構造、ポリ（メタ）アクリル酸構造及びポリシロキサン構造、ポリエチレン構造、ポリスチレン構造、ポリビニル構造を好適な例として挙げることができる。
【0045】
配向膜２００は、異方性分子３１０を膜面に対して略水平に配向させる水平配向膜であってもよいし、異方性分子３１０を膜面に対して略垂直に配向させる垂直配向膜であってもよい。水平配向膜は、電圧無印加状態において、光学異方性層３００中の異方性分子３１０を水平配向膜の表面に対して水平方向に配向させる機能を有する。ここで、異方性分子が水平配向膜の表面に対して水平方向に配向するとは、異方性分子のプレチルト角が、水平配向膜の表面に対して０～５°であることを意味し、好ましくは０～２°、より好ましくは０～１°であることを意味する。また、垂直配向膜は、電圧無印加状態において、光学異方性層３００中の異方性分子３１０を垂直配向膜の表面に対して垂直方向に配向させる機能を有する。ここで、異方性分子が垂直配向膜の表面に対して垂直方向に配向するとは、異方性分子のプレチルト角が、垂直配向膜の表面に対して８６～９０°であることを意味し、好ましくは８７～８９°、より好ましくは８７．５～８９°であることを意味する。異方性分子のプレチルト角は、電圧無印加状態において、液晶分子の長軸が各基板の主面に対して傾斜する角度を意味する。
【0046】
光学異方性層３００は、異方性分子３１０を含有する。光学異方性層３００は、異方性分子３１０が光学異方性層３００の膜厚方向に沿って捩れ配向していない領域である第１の領域３０１と、異方性分子３１０が光学異方性層３００の膜厚方向に沿って捩れ配向している領域である第２の領域３０２と、を備える。
【0047】
光学異方性層３００としては、例えば、重合性液晶材料（「リアクティブメソゲン」ともいう）の硬化物が好適に用いられる。この場合、重合した重合性液晶材料及び重合していない重合性液晶材料の少なくとも一方が、異方性分子３１０に相当する。重合性液晶材料は、光が照射されることにより硬化する光重合性液晶材料であることが好ましい。
【0048】
光学異方性層３００は、例えば、重合性液晶材料（リアクティブメソゲン）を塗布し、硬化することにより形成される。重合性液晶材料としては、光反応性基を有する液晶高分子（液晶性ポリマー）が用いられる。重合性液晶材料としては、例えば、ビフェニル基、ターフェニル基、ナフタレン基、フェニルベンゾエート基、アゾベンゼン基、これらの誘導体などの置換基（メソゲン基）と、シンナモイル基、カルコン基、シンナミリデン基、β－（２－フェニル）アクリロイル基、桂皮酸基、これらの誘導体などの光反応性基を併せ有する構造の側鎖を有し、アクリレート、メタクリレート、マレイミド、Ｎ－フェニルマレイミド、シロキサンなどの構造を主鎖に有するポリマーを挙げることができる。かかるポリマーは、単一の繰り返し単位からなるホモポリマーであってもよく、側鎖の構造の異なる２以上の繰り返し単位からなるコポリマーであってもよい。かかるコポリマーとしては、交互型、ランダム型、クラフト型などのいずれをも含む。また、かかるコポリマーにおいては、少なくとも一の繰り返し単位に係る側鎖が、上記の如きメソゲン基と光反応性基を併せ有する構造の側鎖であり、他の繰り返し単位に係る側鎖が、かかるメソゲン基や光反応性基を有さないものであってよい。
【0049】
また、重合性液晶材料は、光重合開始剤等の添加物を含んでいてもよい。光重合開始剤としては特に限定されず、従来公知のものを使用することができる。
【0050】
重合性液晶材料の塗布に用いられる溶媒としては、例えば、トルエン、エチルベンゼン、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールジメチルエーテル、プロピレングリコールメチルエーテル、ジブチルエーテル、アセトン、メチルエチルケトン、エタノール、プロパノール、シクロヘキサン、シクロペンタノン、メチルシクロヘキサン、テトラヒドロフラン、ジオキサン、シクロヘキサノン、ｎ－ヘキサン、酢酸エチル、酢酸ブチル、プロピレングリコールメチルエーテルアセテート、メトキシブチルアセテート、Ｎ－メチルピロリドン、ジメチルアセトアミドなどが挙げられる。これらは何れかを単独で用いることもでき、２種以上を併用することもできる。
【0051】
図２に示すように、光学異方性層３００は、第１の領域３０１において第１の方向Ｄ１に沿った分子配向を有し、第２の領域３０２において、第１の方向Ｄ１とは異なる第２の方向Ｄ２に沿った分子配向を有することが好ましい。このような態様とすることにより、面内においてより連続的で周期的なパターンで異方性分子３１０が配列し得るため、より高い回折効率を実現することができる。なお、分子配向は、光学異方性層の表側の分子配向を意味する。
【0052】
図２に示すように、光学異方性層３００は、第１の領域３０１及び第２の領域３０２に加えて、更に、異方性分子３１０が光学異方性層３００の膜厚方向に沿って捩れ配向していない領域である第３の領域３０３を有し、平面視において、光学異方性層３００の中心部から端部に向かって、第１の領域３０１、第２の領域３０２及び第３の領域３０３の順に配置されることが好ましい。このような態様とすることにより、面内においてより連続的で周期的なパターンで異方性分子３１０が配列し得るため、より高い回折効率を実現することができる。
【0053】
光学異方性層３００は、第３の領域３０３において第３の方向Ｄ３に沿った分子配向を有し、第１の方向Ｄ１、第２の方向Ｄ２及び第３の方向Ｄ３は、互いに異なることが好ましい。このような態様とすることにより、より高い回折効率を実現することができる。
【0054】
図５は、実施形態１の光学素子の一例を示す平面模式図である。図５に示すように、光学異方性層３００は、第１の領域３０１及び第２の領域３０２に加えて、更に、第３の領域３０３～第Ｎの領域３０Ｎを有し、第１の領域３０１～第Ｎの領域３０Ｎは、平面視において、光学異方性層３００の中心部から端部に向かってこの順に配置され、第１の領域３０１～第Ｎの領域３０Ｎのうち第ｐの領域３０ｐは、異方性分子３１０が光学異方性層３００の膜厚方向に沿って捩れ配向していない領域であり、第（ｐ＋１）の領域３０ｐ＋１は、異方性分子３１０が光学異方性層３００の膜厚方向に沿って捩れ配向している領域であることも好ましい。ここで、Ｎは４以上の整数であり、ｐは、１以上、（Ｎ－１）以下の整数である。このような態様とすることにより、面内においてより連続的で周期的なパターンで異方性分子３１０が配列し得るため、より高い回折効率を実現することができる。
【0055】
Ｎは、６以上の整数であることが好ましい。このような態様とすることにより、より効果的に回折効率を高めることができる。Ｎは、８以上の整数であることがより好ましい。
【0056】
Ｎは、１０以下の整数であることが好ましい。このような態様とすることにより、より簡便に光学素子１０を製造することができる。
【0057】
Ｎは、４以上、１０以下の整数であることが好ましく、６以上、１０以下の整数であることがより好ましく、８以上、１０以下の整数であることが更に好ましい。
【0058】
光学異方性層３００は、第１の領域３０１～第Ｎの領域３０Ｎにおいて、それぞれ、第１の方向Ｄ１～第Ｎの方向ＤＮに沿った分子配向を有し、第１の方向Ｄ１～第Ｎの方向ＤＮは、互いに異なることが好ましい。このような態様とすることにより、より高い回折効率を実現することができる。
【0059】
光学異方性層３００が捩れ配向していない領域を複数有する場合、表側の分子配向と裏側の分子配向との差は、複数の捩れ配向していない領域において同一であっても、互いに異なっていてもよい。また、光学異方性層３００が捩れ配向している領域を複数有する場合、表側の分子配向と裏側の分子配向との差は、複数の捩れ配向している領域において同一であっても、互いに異なっていてもよい。
【0060】
次に、本実施形態の光学素子１０の製造方法について説明する。
【0061】
本実施形態の光学素子１０の製造方法は、支持基板１００上の配向膜２００を露光して配向処理する露光工程と、露光後の配向膜２００上に重合性液晶材料を配置し硬化させる液晶層形成工程と、を備え、上記露光工程は、配向膜２００の第１の露光領域を、第１の偏光軸を有する第１の偏光で露光する第１の露光工程と、上記第１の露光領域の一部のみと重畳する配向膜２００の第２の露光領域を、上記第１の偏光軸とは角度が異なる第２の偏光軸を有する第２の偏光で露光する第２の露光工程と、を順に備える。
【0062】
このような態様とすることにより、第１の露光領域のうち第２の露光領域と重畳しない部分に第１の偏光のみを露光し、第２の露光領域のうち第１の露光領域と重畳しない部分に第２の偏光のみを露光し、第１の露光領域のうち第２の露光領域と重畳する部分に第１の偏光及び第２の偏光を重ねて露光することが可能となる。図６～図８に示すように、重ね露光された領域では分子配向が２回の露光の平均化される。したがって、第１の露光領域のうち第２の露光領域と重畳しない部分、第２の露光領域のうち第１の露光領域と重畳しない部分、及び、第１の露光領域のうち第２の露光領域と重畳する部分との間で、配向膜２００の配向方向を互いに異ならせることが可能となる。すなわち、配向膜２００に対して２回の露光を行うことにより３種の配向方向を付与することが可能となる。その結果、より少ない露光回数で、異方性分子３１０の配列パターンを増加させることが可能となり、高い回折効率を有する光学素子１０をより簡便に製造することができる。例えば、マスクの枚数を増やすことなく、高い回折効率を有する光学素子１０を製造することができる。図６は、実施形態１の光学素子の製造方法における第１の露光工程を示す模式図である。図７は、実施形態１の光学素子の製造方法における第２の露光工程を示す模式図である。図８は、実施形態１の光学素子の製造方法における第１の露光工程及び第２の露光工程後を示す模式図である。
【0063】
例えば、第１の露光領域のうち第２の露光領域と重畳しない部分が第１の領域３０１に相当し、第２の露光領域のうち第１の露光領域と重畳しない部分が第３の領域３０３に相当し、第１の露光領域のうち第２の露光領域と重畳する部分、すなわち、重ね露光された領域が第２の領域３０２に相当する。
【0064】
上記特許文献１はラビングにより配向処理を行うことにより光変調素子を製造している。一方、本実施形態では、複数回露光を行うことにより光学素子１０を製造しており、特許文献１とは異なる方法が用いられる。
【0065】
本実施形態の光学素子１０の製造方法は、上記露光工程の前に、光官能基を有する光配向性ポリマーを含む配向膜材料を支持基板１００上に塗布して配向膜２００を形成する配向膜形成工程を備えていてもよい。配向膜形成工程において、配向膜材料の塗布には、スリットコーターやスピンコーターなどの塗布装置が好適に使用できる。また、配向膜材料を均一な厚さで塗布した後、例えば、７０～１００℃程度の温度で１～１０分間、仮焼成を行ってもよい。
【0066】
上記露光工程は、支持基板１００上の配向膜２００を露光して配向処理する工程である。露光工程は、例えば、波長３１３～３６５ｎｍの光（紫外線）を照射する露光装置を用いて行われる。
【0067】
露光工程は、配向膜２００の第１の露光領域を、第１の偏光軸を有する第１の偏光で露光する第１の露光工程と、上記第１の露光領域の一部のみと重畳する配向膜２００の第２の露光領域を、上記第１の偏光軸とは角度が異なる第２の偏光軸を有する第２の偏光で露光する第２の露光工程と、を順に備える。
【0068】
第１の露光領域の一部分は第２の露光領域と重畳し、第１の露光領域の他の部分は第２の露光領域と重畳せず、第２の露光領域の一部分は第１の露光領域と重畳し、第２の露光領域の他の部分は第１の露光領域と重畳しないことが好ましい。このような態様とすることにより、より効果的に少ない露光回数で、異方性分子３１０の配列パターンを増加させることが可能となり、高い回折効率を有する光学素子１０をより簡便に製造することができる。
【0069】
第２の偏光軸の角度は、第１の偏光軸の角度よりも１０°以上、６０°以下大きいことが好ましく、２０°以上、５０°以下大きいことがより好ましく、３０°以上、４５°以下大きいことが更に好ましい。このような態様とすることにより、異方性分子３１０の配列パターンをより連続的に変化させることが可能となり、より高い回折効率を有する光学素子１０を製造することができる。ここで、軸の角度は、反時計回りを正の角度とする。
【0070】
露光工程は、上記第１の露光工程、及び、上記第２の露光工程～第Ｍの露光工程を順に備えてもよい。上記第１の露光工程～上記第Ｍの露光工程は、それぞれ、配向膜２００の上記第１の露光領域～第Ｍの露光領域を、上記第１の偏光軸～第Ｍの偏光軸を有する上記第１の偏光～第Ｍの偏光で露光する工程である。上記第１の偏光軸～上記第Ｍの偏光軸の角度は互いに異なる。上記第１の露光領域～上記第Ｍの露光領域のうち第ｒの露光領域の一部分は第（ｒ－１）の露光領域と重畳し、上記第ｒの露光領域の他の部分は上記第（ｒ－１）の露光領域と重畳せず、上記第１の露光領域～上記第Ｍの露光領域のうち上記第（ｒ－１）の露光領域の一部分は上記第ｒの露光領域と重畳し、上記第（ｒ－１）の露光領域の他の部分は上記第ｒの露光領域と重畳せず、上記第ｒの露光領域は、上記第１の露光領域～第（ｒ－２）の露光領域とは重畳しない。ここで、Ｍは３以上の整数である。ｒは、３以上、Ｍ以下の整数である。このような態様とすることにより、簡便に異方性分子３１０の配列パターンを増加させることが可能となり、高い回折効率を有する光学素子１０をより簡便に製造することができる。
【0071】
Ｍは、３以上の整数であり、４以上の整数であることが好ましい。Ｍは、７以下の整数であることが好ましく、６以下の整数であることがより好ましい。Ｍは、３以上、７以下の整数であることが好ましく、４以上、６以下の整数であることがより好ましい。
【0072】
第ｒの偏光軸の角度は、第（ｒ－１）の偏光軸の角度よりも１０°以上、６０°以下大きいことが好ましく、２０°以上、５０°以下大きいことがより好ましく、３０°以上、４５°以下大きいことが更に好ましい。このような態様とすることにより、異方性分子３１０の配列パターンをより連続的に変化させることが可能となり、より高い回折効率を有する光学素子１０を製造することができる。
【0073】
具体的には、Ｍが３である場合、露光工程は、上記第２の露光工程の後、更に、第３の露光工程を備える。第３の露光工程は、配向膜２００の第３の露光領域を、第３の偏光軸を有する第３の偏光で露光する工程である。第１の偏光軸～第３の偏光軸の角度は互いに異なる。第３の露光領域の一部分は第２露光領域と重畳し、第３の露光領域の他の部分は第２の露光領域と重畳せず、第２の露光領域の一部分は第３の露光領域と重畳し、第２の露光領域の他の部分は第３の露光領域と重畳せず、第３の露光領域は、第１の露光領域とは重畳しない。
【0074】
第３の偏光軸の角度は、第２の偏光軸の角度よりも１０°以上、６０°以下大きいことが好ましく、２０°以上、５０°以下大きいことがより好ましく、３０°以上、４５°以下大きいことが更に好ましい。このような態様とすることにより、異方性分子３１０の配列パターンをより連続的に変化させることが可能となり、より高い回折効率を有する光学素子１０を製造することができる。ここで、軸の角度は、反時計回りを正の角度とする。
【0075】
Ｍが４である場合、露光工程は、上記第２の露光工程の後、更に、第３の露光工程及び第４の露光工程を備えていてもよい。第３の露光工程及び第４の露光工程は、それぞれ、配向膜２００の第３の露光領域及び第４の露光領域を、第３の偏光軸及び第４の偏光軸を有する第３の偏光及び第４の偏光で露光する工程である。第１の偏光軸～第４の偏光軸の角度は互いに異なる。第３の露光領域の一部分は第２露光領域と重畳し、第３の露光領域の他の部分は第２の露光領域と重畳せず、第２の露光領域の一部分は第３の露光領域と重畳し、第２の露光領域の他の部分は第３の露光領域と重畳せず、第３の露光領域は、第１の露光領域とは重畳しない。第４の露光領域の一部分は第３露光領域と重畳し、第４の露光領域の他の部分は第３の露光領域と重畳せず、第３の露光領域の一部分は第４の露光領域と重畳し、第３の露光領域の他の部分は第４の露光領域と重畳せず、第４の露光領域は、第１の露光領域及び第２の露光領域とは重畳しない。
【0076】
第４の偏光軸の角度は、第３の偏光軸の角度よりも１０°以上、６０°以下大きいことが好ましく、２０°以上、５０°以下大きいことがより好ましく、３０°以上、４５°以下大きいことが更に好ましい。このような態様とすることにより、異方性分子３１０の配列パターンをより連続的に変化させることが可能となり、より高い回折効率を有する光学素子１０を製造することができる。ここで、軸の角度は、反時計回りを正の角度とする。
【0077】
上記液晶層形成工程は、露光後の配向膜２００上に重合性液晶材料を配置し硬化させる工程である。液晶層形成工程において、重合性液晶材料は、例えば、塗布により配向膜２００上に配置される。塗布には、スリットコーターやスピンコーターなどの塗布装置が好適に使用できる。重合性液晶材料の硬化は、例えば、波長３１３～３６５ｎｍの光（紫外線）を照射する露光装置を用いて行われる。
【0078】
図９は、実施形態１の光学素子の製造に用いられるマスク群の一例を示す平面模式図である。本実施形態の光学素子１０は、図４Ａ、図４Ｂ及び図９に示すマスク群２０を用いて作製することができる。マスク群２０は、第１の透光部（開口部）２０Ａ１及び第１の遮光部２０Ｂ１が設けられた第１のマスク２０１と、第２の透光部２０Ａ２及び第２の遮光部２０Ｂ２が設けられた第２のマスク２０２と、を有する。第１のマスク２０１の中心と第２のマスク２０２の中心とが重畳するよう第１のマスク２０１及び第２のマスク２０２を重ね合わせたとき、第１の透光部２０Ａ１は、第２の透光部２０Ａ２の一部及び第２の遮光部２０Ｂ２の一部と重畳し、第２の透光部２０Ａ２は、第１の透光部２０Ａ１の一部及び第１の遮光部２０Ｂ１の一部と重畳する。このような態様とすることにより、上記製造工程における第１の露光工程で第１のマスク２０１を用い、第２の露光工程で第２のマスク２０２を用いて、光学素子１０を作製することができる。
【0079】
一方、複数枚のマスクを用いて露光する場合は、通常、例えば図１０に示すマスク群２０Ｒが用いられる。図１０は、通常のマスク群の一例を示す平面模式図である。図１０に示すように、通常のマスク群２０Ｒは、透光部２０ＲＡ１及び遮光部２０ＲＢ１を有する第１のマスク２０Ｒ１と、透光部２０ＲＡ２及び遮光部２０ＲＢ２を有する第２のマスク２０Ｒ２と、透光部２０ＲＡ３及び遮光部２０ＲＢ３を有する第３のマスク２０Ｒ３と、透光部２０ＲＡ４及び遮光部２０ＲＢ４を有する第４のマスク２０Ｒ４と、を備える。第１のマスク２０Ｒ１～第４のマスク２０Ｒ４の中心が重畳するよう第１のマスク２０Ｒ１～第４のマスク２０Ｒ４を重ね合わせたとき、各マスクの透光部は重畳しない。
【0080】
上述のように、本実施形態の光学素子１０は、光配向性ポリマーを含む配向膜２００に複数の所定パターンを露光し、各パターンの重ね合わせにより所望のパターンをパターニングする光パターニングを行うことにより作製できる。第１の透光部２０Ａ１、第１の遮光部２０Ｂ１、第２の透光部２０Ａ２及び第２の遮光部２０Ｂ２は、それぞれ、所定の幅を有する同心円状のパターンであり、第１のマスク２０１及び第２のマスク２０２には互いに異なるパターンが形成されている。
【0081】
図９に示すように、マスク群２０は、第１のマスク２０１、及び、第２のマスク２０２から第Ｍのマスク２０Ｍを有していてもよい。第１のマスク２０１から第Ｍのマスク２０Ｍのうち、第ｒのマスク２０ｒには、第ｒの透光部２０Ａｒ及び第ｒの遮光部２０Ｂｒが設けられており、第（ｒ－１）のマスク２０ｒ－１には、第（ｒ－１）の透光部２０Ａｒ－１及び第（ｒ－１）の遮光部２０Ｂｒ－１が設けられており、第（ｒ－２）のマスク２０ｒ－２には、第（ｒ－２）の透光部２０Ａｒ－２及び第（ｒ－２）の遮光部２０Ｂｒ－２が設けられている。第ｒのマスク２０ｒの中心部と第（ｒ－１）のマスク２０ｒ―１の中心部とを重ね合わせたとき、第（ｒ－１）の透光部２０Ａｒ－１は、第ｒの透光部２０Ａｒ及び第ｒの遮光部２０Ｂｒの一部と重畳し、第ｒの透光部２０Ａｒは、第（ｒ－１）の透光部２０Ａｒ－１及び第（ｒ－１）の遮光部２０Ｂｒ－１の一部と重畳し、第（ｒ－２）の透光部２０Ａｒ－２と重畳しない。ここで、Ｍは３以上の整数である。ｒは、３以上、Ｍ以下の整数である。このような態様とすることにより、簡便に異方性分子３１０の配列パターンを増加させることが可能となり、高い回折効率を有する光学素子１０をより簡便に製造することができる。
【0082】
具体的には、Ｍが３である場合、マスク群２０は、第１のマスク２０１及び第２のマスク２０２に加えて、更に、第３のマスク２０３を有する。第３のマスク２０３には、第３の透光部２０Ａ３及び第３の遮光部２０Ｂ３が設けられている。第３のマスク２０３の中心部と第２のマスク２０２の中心部とを重ね合わせたとき、第２の透光部２０Ａ２は、第３の透光部２０Ａ３及び第３の遮光部２０Ｂ３の一部と重畳し、第３の透光部２０Ａ３は、第２の透光部２０Ａ２及び第２の遮光部２０Ｂ２の一部と重畳し、第１の透光部２０Ａ１と重畳しない。このような態様とすることにより、上記製造工程における第３の露光工程で第３のマスク２０３を用いて、光学素子１０を作製することができる。
【0083】
具体的には、Ｍが４である場合、マスク群２０は、第１のマスク２０１及び第２のマスク２０２に加えて、更に、第３のマスク２０３及び第４のマスク２０４を有する。第４のマスク２０４には、第４の透光部２０Ａ４及び第４の遮光部２０Ｂ４が設けられている。第４のマスク２０４の中心部と第３のマスク２０３の中心部とを重ね合わせたとき、第３の透光部２０Ａ３は、第４の透光部２０Ａ４及び第４の遮光部２０Ｂ４の一部と重畳し、第４の透光部２０Ａ４は、第３の透光部２０Ａ３及び第３の遮光部２０Ｂ３の一部と重畳し、第１の透光部２０Ａ１及び第２の透光部２０Ａ２と重畳しない。このような態様とすることにより、上記製造工程における第３の露光工程で第３のマスク２０３を用い、第４の露光工程で第４のマスク２０４を用いて、光学素子１０を作製することができる。
【0084】
マスク群２０が備える各マスクには、同心円状の透光部及び遮光部が設けられている。透光部は、光を透過する部分であり、例えば、８０％以上、１００％以下の透過率を有する。遮光部は、光を透過しない部分であり、例えば、０％以上、１０％以下の透過率を有する。
【0085】
（実施形態２）
本実施形態では、本実施形態に特有の特徴について主に説明し、上記実施形態１と重複する内容については説明を省略する。
本実施形態では、本実施形態に特有の特徴について主に説明し、上記実施形態１と重複する内容については説明を省略する。
【0086】
図１１は、実施形態２の光学素子の平面模式図である。図１１に示す本実施形態の光学素子１０は、異方性分子３１０を含む光学異方性層３００を備え、光学異方性層３００は、消偏性を有する領域である第１の領域３１１と、第１の領域３１１よりも高い消偏性を有する領域である第２の領域３１２と、を備える。このような態様とすることにより、実施形態１と同様に、面内において連続的で周期的なパターンで異方性分子３１０が配列し得るため、高い回折効率を実現することができる。また、このような構成の光学素子１０は、例えば、マスクの枚数を増やすことなく製造することが可能であるため、簡便に製造することができる。
【0087】
ここで、消偏性とは、対象となる領域のコントラストと光学異方性層３００の中心部のコントラストとの差である。すなわち、第１の領域３１１の消偏性は、第１の領域３１１のコントラストと光学異方性層３００の中心部のコントラストとの差である。第２の領域３１２の消偏性は、第２の領域３１２のコントラストと光学異方性層３００の中心部のコントラストとの差である。コントラストの差は絶対値である。
【0088】
コントラストは、クロスニコルに配置した一対の偏光板間に光学異方性層３００を配置して測定される最も明るい輝度を最も暗い輝度で除した値である。例えば、第１の領域３１１のコントラストは、クロスニコルに配置した一対の偏光板間に光学異方性層３００を配置して測定される第１の領域３１１の最も明るい輝度を最も暗い輝度で除した値である。第２の領域３１２のコントラストは、クロスニコルに配置した一対の偏光板間に光学異方性層３００を配置して測定される第２の領域３１２の最も明るい輝度を最も暗い輝度で除した値である。光学異方性層３００の中心部のコントラストは、クロスニコルに配置した一対の偏光板間に光学異方性層３００を配置して測定される光学異方性層３００の中心部の最も明るい輝度を最も暗い輝度で除した値である。
【0089】
第１の領域３１１及び第２の領域３１２は、環状に配置される。より具体的には、第１の領域３１１及び第２の領域３１２は、平面視において、環状に配置される。本実施形態の光学素子１０は、パンチャラトナムベリー位相光学素子である。
【0090】
第１の領域３１１は、例えば、消偏性が０以上、１未満の領域であり、第２の領域３１２は、例えば、消偏性が１以上、１０以下の領域である。
【0091】
図１１に示すように、光学異方性層３００は、第１の領域３１１及び第２の領域３１２に加えて、更に、第２の領域３１２よりも低い消偏性を有する第３の領域３１３を有し、平面視において、光学異方性層３００の中心部から端部に向かって、第１の領域３１１、第２の領域３１２及び第３の領域３１３の順に配置されることが好ましい。このような態様とすることにより、面内においてより連続的で周期的なパターンで異方性分子３１０が配列し得るため、より高い回折効率を実現することができる。
【0092】
図１２は、実施形態１の光学素子の一例を示す平面模式図である。図１２に示すように、光学異方性層３００は、第１の領域３１１及び第２の領域３１２に加えて、更に、第３の領域３１３～第Ｎの領域３１Ｎを有していてもよい。第１の領域３１１～第Ｎの領域３１Ｎは、平面視において、光学異方性層３００の中心部から端部に向かってこの順に配置される。第１の領域３１１～第Ｎの領域３１Ｎのうち第ｐの領域３１ｐは、第１の消偏性を有する領域であり、第（ｐ＋１）の領域３１ｐ＋１は、第１の消偏性よりも高い第２の消偏性を有する領域であることが好ましい。ここで、Ｎは４以上の整数であり、ｐは、１以上、（Ｎ－１）以下の整数である。このような態様とすることにより、面内においてより連続的で周期的なパターンで異方性分子３１０が配列し得るため、より高い回折効率を実現することができる。
【0093】
第１の消偏性は、例えば、０以上、１未満であり、第２の消偏性は、例えば、１以上、１０以下である。
【0094】
実施形態２の光学素子１０は、実施形態１と同様の方法により製造することができる。光配向膜に照射する偏光ＵＶの条件が、重ね露光をするかどうかで異なるために、配向膜の配向規制力に差が生じ、重ね露光をした領域と重ね露光していない領域との間で、消偏性に差が生じる。その結果、本実施形態の光学素子１０は、消偏性の互いに異なる第１の領域３１１及び第２の領域３１２を有する。
【0095】
図１３～図１５に示すように、重ね露光された領域では分子配向が２回の露光の平均化される。したがって、第１の露光領域のうち第２の露光領域と重畳しない部分、第２の露光領域のうち第１の露光領域と重畳しない部分、及び、第１の露光領域のうち第２の露光領域と重畳する部分との間で、配向膜２００の配向方向を互いに異ならせることが可能となる。すなわち、配向膜２００に対して２回の露光を行うことにより３種の配向方向を付与することが可能となる。その結果、より少ない露光回数で、異方性分子３１０の配列パターンを増加させることが可能となり、高い回折効率を有する光学素子１０をより簡便に製造することができる。例えば、マスクの枚数を増やすことなく、高い回折効率を有する光学素子１０を製造することができる。図１３は、実施形態２の光学素子の製造方法における第１の露光工程を示す模式図である。図１４は、実施形態２の光学素子の製造方法における第２の露光工程を示す模式図である。図１５は、実施形態２の光学素子の製造方法における第１の露光工程及び第２の露光工程後を示す模式図である。
【0096】
例えば、第１の露光領域のうち第２の露光領域と重畳しない部分が第１の領域３１１に相当し、第２の露光領域のうち第１の露光領域と重畳しない部分が第３の領域３１３に相当し、第１の露光領域のうち第２の露光領域と重畳する部分が第２の領域３１２に相当する。
【実施例0097】
以下に、実施例及び比較例を挙げて本発明の効果を説明するが、本発明はこれらの例によって限定されるものではない。
【0098】
（実施例１）
図１６は、実施例１の光学素子の製造方法を示す断面模式図、及び、実施例１の光学素子の偏光顕微鏡観察写真である。図１７は、実施例１の光学素子の製造において、偏光軸０°の偏光ＵＶを照射する際に用いられた第１のマスクの模式図である。図１８は、実施例１の光学素子の製造において、偏光軸４５°の偏光ＵＶを照射する際に用いられた第２のマスクの模式図である。図１９は、実施例１の光学素子の製造において、偏光軸９０°の偏光ＵＶを照射する際に用いられた第３のマスクの模式図である。図２０は、実施例１の光学素子の製造において、偏光軸１３５°の偏光ＵＶを照射する際に用いられた第４のマスクの模式図である。
図１６は、実施例１の光学素子の製造方法を示す断面模式図、及び、実施例１の光学素子の偏光顕微鏡観察写真である。図１７は、実施例１の光学素子の製造において、偏光軸０°の偏光ＵＶを照射する際に用いられた第１のマスクの模式図である。図１８は、実施例１の光学素子の製造において、偏光軸４５°の偏光ＵＶを照射する際に用いられた第２のマスクの模式図である。図１９は、実施例１の光学素子の製造において、偏光軸９０°の偏光ＵＶを照射する際に用いられた第３のマスクの模式図である。図２０は、実施例１の光学素子の製造において、偏光軸１３５°の偏光ＵＶを照射する際に用いられた第４のマスクの模式図である。
【0099】
図１６に示す方法により、実施形態１の光学素子１０に対応する実施例１の光学素子を作製した。まず、配向膜形成工程において、支持基板１００としてのガラス基板上に、光異性化型の光官能基を有する光配向性ポリマーを含む配向膜材料を塗布し、配向膜２００を形成した。
【0100】
次に、露光工程において、マスク群２０を用いて配向膜２００を露光した。マスク群２０は、透光部と遮光部とが繰り返される円環型マスク４枚（第１のマスク２０１、第２のマスク２０２、第３のマスク２０３及び第４のマスク２０４）から構成されており、当該４枚のマスクは、各マスクの中心が重畳するよう重ねたときに、透光部が重なる領域と重ならない領域とが交互に配置されるよう設計されていた。
【0101】
第１の露光工程では、図１７に示す第１のマスク２０１用いて、偏光軸０°の偏光ＵＶを配向膜２００に照射した。第２の露光工程では、図１８に示す第２のマスク２０２用いて、偏光軸４５°の偏光ＵＶを配向膜２００に照射した。第３の露光工程では、図１９に示す第３のマスク２０３用いて、偏光軸９０°の偏光ＵＶを配向膜２００に照射した。第４の露光工程では、図２０に示す第４のマスク２０４用いて、偏光軸１３５°の偏光ＵＶを配向膜２００に照射した。第１のマスク２０１、第２のマスク２０２、第３のマスク２０３及び第４のマスク２０４は、具体的には、図４Ａ及び図４Ｂに示すように配置されていた。第１の露光工程～第４の露光工程では、いずれも、１００ｍＪ／ｃｍ２（３６５ｎｍ）の偏光ＵＶを照射した。
【0102】
第４の露光工程の後、配向膜２００を１６０℃のオーブンで２０分焼成した。
【0103】
次に、液晶層形成工程において、配向膜２００上に重合性液晶材料（異方性分子３１０）を塗布した。重合性液晶材料は、１０００ｒｐｍで回転するスピンコーターで塗布した。膜厚は、５３２ｎｍの光に対して位相差がλ／２となるように設定した。
【0104】
次に、硬化工程において、塗布した重合性液晶材料に２００ｍＪ（３６５ｎｍ）の無偏光ＵＶを露光し、重合性液晶材料を硬化し、実施例１の光学素子１０を得た。図１６に示すように、偏光顕微鏡観察により、重合性液晶材料（異方性分子３１０）が正常に配列していることを確認した。
【0105】
＜重ね露光していない領域Ａ及びＢの分子配向（配向角）の測定＞
図２１は、光学異方性層の表側の分子配向の測定方法について説明する断面模式図である。図２２は、光学異方性層の裏側の分子配向の測定方法について説明する断面模式図である。図２３は、実施例１の光学素子の中心部が最も暗くなったときの、実施例１の光学素子の偏光顕微鏡観察写真である。図２４は、第１の偏光板及び第２の偏光板のクロスニコル配置を維持した状態で、第１の偏光板及び第２の偏光板を図２３から２０°回転させたときの、実施例１の光学素子の偏光顕微鏡観察写真である。図２５は、第１の偏光板及び第２の偏光板のクロスニコル配置を維持した状態で、重ね露光されていない領域Ａが最も暗くなるよう第１の偏光板及び第２の偏光板を回転させたときの、実施例１の光学素子の偏光顕微鏡観察写真である。図２３～図２５では、重ね露光していない領域Ａ及びＢを示す。
図２１は、光学異方性層の表側の分子配向の測定方法について説明する断面模式図である。図２２は、光学異方性層の裏側の分子配向の測定方法について説明する断面模式図である。図２３は、実施例１の光学素子の中心部が最も暗くなったときの、実施例１の光学素子の偏光顕微鏡観察写真である。図２４は、第１の偏光板及び第２の偏光板のクロスニコル配置を維持した状態で、第１の偏光板及び第２の偏光板を図２３から２０°回転させたときの、実施例１の光学素子の偏光顕微鏡観察写真である。図２５は、第１の偏光板及び第２の偏光板のクロスニコル配置を維持した状態で、重ね露光されていない領域Ａが最も暗くなるよう第１の偏光板及び第２の偏光板を回転させたときの、実施例１の光学素子の偏光顕微鏡観察写真である。図２３～図２５では、重ね露光していない領域Ａ及びＢを示す。
【0106】
図２１及び図２２に示すように、光源１、第１の偏光板２、第２の偏光板３、及び、カメラ４を備える偏光顕微鏡の、第１の偏光板２と第２の偏光板３との間に実施例１の光学素子１０を配置して、光学素子１０の分子配向（配向角）を評価した。ここで、第１の偏光板２の吸収軸と第２の偏光板３の吸収軸とのなす角度は９０°に設定した。すなわち、第１の偏光板２と第２の偏光板３とはクロスニコルに配置した。
【0107】
配向角は、具体的には次のように測定した。まず、光学異方性層３００の中心部の分子配向を０°と定義した。また、偏光顕微鏡の第１の偏光板２及び第２の偏光板３のクロスニコル配置を維持したまま第１の偏光板２及び第２の偏光板３の偏光軸（吸収軸）を回転させ、図２３に示すように、光学異方性層３００の中心部（重ね露光していない領域）の輝度が最も低くなったときの第１の偏光板２の吸収軸の角度を０°とした。
【0108】
次に、図２４及び図２５に示すように、偏光顕微鏡の第１の偏光板２及び第２の偏光板３のクロスニコル配置を維持したまま第１の偏光板２及び第２の偏光板３の偏光軸（吸収軸）を回転させ、図２５に示すように、領域Ａの輝度が最も低くなったときの第１の偏光板２の吸収軸の角度を、領域Ａの配向角とした。領域Ｂについても同様に測定した。
【0109】
図２３～図２５に示す重ね露光していない領域Ａ及びＢのそれぞれについて、光学異方性層３００の表側の分子配向及び裏側の分子配向を測定した。表側の分子配向は、図２１に示すように、カメラ４側から光源１側に向かって順に、光学異方性層３００、配向膜２００及び支持基板１００が並ぶよう光学素子１０を配置して測定した。裏側の分子配向は、図２２に示すように、カメラ４側から光源１側に向かって順に、支持基板１００、配向膜２００及び光学異方性層３００が並ぶよう光学素子１０を配置して測定した。すなわち、光学異方性層３００側から観察したときの分子の配向角を表側の配向角とし、支持基板１１０側から観察したときの分子の配向角を裏側の配向角とした。
【0110】
＜重ね露光した領域Ｃ、Ｄ及びＥの分子配向（配向角）の測定＞
図２６は、実施例１の光学素子の、重ね露光した領域を示す顕微鏡観察写真である。図２６に示す重ね露光した領域Ｃ、Ｄ及びＥのそれぞれの領域について、重ね露光していない領域Ａ及びＢと同様に、表側の分子配向及び裏側の分子配向を測定した。
図２６は、実施例１の光学素子の、重ね露光した領域を示す顕微鏡観察写真である。図２６に示す重ね露光した領域Ｃ、Ｄ及びＥのそれぞれの領域について、重ね露光していない領域Ａ及びＢと同様に、表側の分子配向及び裏側の分子配向を測定した。
【0111】
＜分子配向（配向角）の測定結果＞
重ね露光していない領域Ａ及びＢ、並びに、重ね露光した領域Ｃ、Ｄ及びＥのそれぞれについて、表側の分子配向、裏側の分子配向、及び、表側の分子配向と裏側の分子配向との差を下記表１及び図２７に示す。図２７は、実施例１の光学素子の重ね露光していない領域Ａ及びＢ、並びに、重ね露光した領域Ｃ、Ｄ及びＥにおける、表側の分子配向と裏側の分子配向との差を示すグラフである。
重ね露光していない領域Ａ及びＢ、並びに、重ね露光した領域Ｃ、Ｄ及びＥのそれぞれについて、表側の分子配向、裏側の分子配向、及び、表側の分子配向と裏側の分子配向との差を下記表１及び図２７に示す。図２７は、実施例１の光学素子の重ね露光していない領域Ａ及びＢ、並びに、重ね露光した領域Ｃ、Ｄ及びＥにおける、表側の分子配向と裏側の分子配向との差を示すグラフである。
【0112】
【表1】
【0113】
表１及び図２７に示すように、重ね露光をしていない領域Ａ及びＢでは、いずれも、表側の分子配向と裏側の分子配向との差が０．１０°未満と小さかった。すなわち、重ね露光をしていない領域では、図２８に示すように、重合性液晶材料（異方性分子３１０）が光学異方性層３００の膜厚方向に一様に配列していることが分かった。図２８は、実施例１の光学素子の、重ね露光していない領域を示す断面模式図である。なお、表側の分子配向と裏側の分子配向との差が０．１０°以上となる場合、重合性液晶材料（異方性分子３１０）は、光学異方性層３００の膜厚方向に一様配向ではなく、一部捩れ配向していると判断することができる。
【0114】
表１及び図２７に示すように、重ね露光した領域Ｃ、Ｄ及びＥでは、重ね露光していない領域Ａ及びＢと異なり、表側の分子配向と裏側の分子配向との差が０．１°以上となることが分かった。この現象は、異方性分子３１０が光学異方性層３００の膜厚方向に一様に配向していないために起こると考えられる。すなわち、重ね露光した領域Ｃ、Ｄ及びＥでは、異方性分子３１０が光学異方性層３００の膜厚方向に一部捩れ配向していると考えられる。
【0115】
図２３～図２７より、実施例１の光学素子１０が備える光学異方性層３００は、異方性分子３１０が光学異方性層３００の膜厚方向に沿って捩れ配向していない領域（重ね露光していない領域Ａ及びＢ）及び異方性分子３１０が光学異方性層３００の膜厚方向に沿って捩れ配向している領域（重ね露光した領域Ｃ、Ｄ及びＥ）を交互に備えることが分かった。
【0116】
＜重ね露光していない領域Ａ及びＢの消偏性の評価＞
図２９は、実施例１の光学素子の中心部の「暗の強度」の測定方法について説明する偏光顕微鏡観察写真である。図３０は、実施例１の光学素子の中心部の「明の強度」の測定方法について説明する偏光顕微鏡観察写真である。図３０は、第１の偏光板及び第２の偏光板のクロスニコル配置を維持した状態で、第１の偏光板及び第２の偏光板を図２９から４５°回転させたときの、実施例１の光学素子１０の偏光顕微鏡観察写真である。
図２９は、実施例１の光学素子の中心部の「暗の強度」の測定方法について説明する偏光顕微鏡観察写真である。図３０は、実施例１の光学素子の中心部の「明の強度」の測定方法について説明する偏光顕微鏡観察写真である。図３０は、第１の偏光板及び第２の偏光板のクロスニコル配置を維持した状態で、第１の偏光板及び第２の偏光板を図２９から４５°回転させたときの、実施例１の光学素子１０の偏光顕微鏡観察写真である。
【0117】
重ね露光していない領域Ａ及びＢのそれぞれについて消偏性を評価した。具体的には、光学異方性層３００の中心部（重ね露光していない領域）、重ね露光していない領域Ａ及び領域Ｂにおけるコントラストを測定し、重ね露光していない領域Ａのコントラストと光学異方性層３００の中心部のコントラストとの差から領域Ａの消偏性を評価した。同様に、重ね露光していない領域Ｂのコントラストと光学異方性層３００の中心部のコントラストとの差から領域Ｂの消偏性を評価した。
【0118】
光学素子１０の中心部のコントラストの測定は、次のように行った。図２１に示す並び、すなわち、光学異方性層３００の表側の分子配向を測定する並びとなるように光学素子１０を偏光顕微鏡に配置した。偏光顕微鏡で実施例１の光学素子１０の中心部を観察し、第１の偏光板２及び第２の偏光板３のクロスニコル配置を維持しながら、第１の偏光板２及び第２の偏光板３の吸収軸を回転させ、図２９に示すように最も暗くなったときの光の強度を「暗の強度」として測定し、図３０に示すように最も明るくなったときの光の強度を「明の強度」として測定した。更に、中心部の「明の強度」を「暗の強度」で除することにより、中心部のコントラストを求めた。
【0119】
ここで、偏光板の吸収軸と光学異方性層３００の遅相軸とが直交する、又は、平行であるとき、クロスニコルに配置された第１の偏光板２及び第２の偏光板３を透過する光は図２９に示すように最も暗くなった。また、偏光板の吸収軸と光学異方性層３００の遅相軸とが４５°の角度をなすとき、クロスニコルに配置された第１の偏光板２及び第２の偏光板３を透過する光は図３０に示すように最も明るくなった。図２９における第１の偏光板２の吸収軸は０°、図３０における第１の偏光板２の吸収軸は４５°であった。
【0120】
中心部と同様に、重ね露光していない領域Ａ及びＢについても、それぞれ、「暗の強度」及び「明の強度」を測定し、コントラストを求めた。
【0121】
中心部（重ね露光していない領域）のコントラストをリファレンスとして、重ね露光していない領域Ａのコントラストと中心部のコントラストの差、及び、重ね露光していない領域Ｂのコントラストと中心部のコントラストの差を求めて、重ね露光していない領域の消偏性を評価した。
【0122】
＜重ね露光した領域Ｃ、Ｄ及びＥの消偏性の評価＞
図３１は、実施例１の光学素子の重ね露光した領域Ｃの「暗の強度」の測定方法について説明する偏光顕微鏡観察写真である。図３２は、実施例１の光学素子の重ね露光した領域Ｃの「明の強度」の測定方法について説明する偏光顕微鏡観察写真である。図３２は、第１の偏光板及び第２の偏光板のクロスニコル配置を維持した状態で、第１の偏光板及び第２の偏光板を図２１から４５°回転させたときの、実施例１の光学素子１０の偏光顕微鏡観察写真である。
図３１は、実施例１の光学素子の重ね露光した領域Ｃの「暗の強度」の測定方法について説明する偏光顕微鏡観察写真である。図３２は、実施例１の光学素子の重ね露光した領域Ｃの「明の強度」の測定方法について説明する偏光顕微鏡観察写真である。図３２は、第１の偏光板及び第２の偏光板のクロスニコル配置を維持した状態で、第１の偏光板及び第２の偏光板を図２１から４５°回転させたときの、実施例１の光学素子１０の偏光顕微鏡観察写真である。
【0123】
重ね露光していない領域Ａ及びＢと同様に、重ね露光した領域Ｃ、Ｄ及びＥのそれぞれについて消偏性を評価した。具体的には、偏光顕微鏡で実施例１の光学素子１０の重ね露光した領域Ｃを観察し、第１の偏光板２及び第２の偏光板３のクロスニコル配置を維持しながら、第１の偏光板２及び第２の偏光板３の吸収軸を回転させ、図３１に示すように最も暗くなったときの光の強度を「暗の強度」として測定し、図３２に示すように最も明るくなったときの光の強度を「明の強度」として測定した。
【0124】
更に、重ね露光した領域Ｃの「明の強度」を「暗の強度」で除することにより、重ね露光した領域Ｃのコントラストを求めた。重ね露光した領域Ｄ及びＥについても同様にコントラストを求めた。
【0125】
中心部（重ね露光していない領域）のコントラストをリファレンスとして、重ね露光した領域Ｃのコントラストと中心部のコントラストの差、重ね露光した領域Ｄのコントラストと中心部のコントラストの差、及び、重ね露光していない領域Ｅのコントラストと中心部のコントラストの差を求めて、重ね露光した領域の消偏性を評価した。
【0126】
＜消偏性の評価結果＞
重ね露光していない領域Ａ及びＢ、並びに、重ね露光した領域Ｃ、Ｄ及びＥの消偏性を下記表２及び図３３に示す。図３３は、実施例１の光学素子の重ね露光していない領域Ａ及びＢ、並びに、重ね露光した領域Ｃ、Ｄ及びＥにおける消偏性を示すグラフである。
重ね露光していない領域Ａ及びＢ、並びに、重ね露光した領域Ｃ、Ｄ及びＥの消偏性を下記表２及び図３３に示す。図３３は、実施例１の光学素子の重ね露光していない領域Ａ及びＢ、並びに、重ね露光した領域Ｃ、Ｄ及びＥにおける消偏性を示すグラフである。
【0127】
【表2】
【0128】
重ね露光していない領域Ａ及びＢでは、光学素子１０の中心部のコントラストとの差が０．４程度と小さく、消偏性にバラツキはなかった。一方、重ね露光した領域Ｃ、Ｄ及びＥでは、重ね露光していない領域Ａ及びＢと比較して、光学素子１０の中心部のコントラストとの差が大きいことが分かった。この結果より、重ね露光をした領域と重ね露光していない領域との間で、消偏性に差が生じることが分かった。これは、図３４に示すように、光配向膜に照射する偏光ＵＶの条件が、重ね露光をするかどうかで異なるために、配向膜の配向規制力に差が生じるためであると考えられる。よって、消偏性の異なる領域を有することが、重ね露光で作製した光学素子（ＰＢＯＥ）のと特徴であることが分かった。図３４は、重ね露光と配向規制力との関係を説明する模式図である。
【0129】
【0130】
＜回折効率の測定（実測）＞
図３５は、実施例１の光学素子の偏光顕微鏡観察写真、及び、実施例１の光学素子の作製に用いたなマスクの断面模式図を示す図である。図３６は、回折効率の測定方法を示す模式図である。
図３５は、実施例１の光学素子の偏光顕微鏡観察写真、及び、実施例１の光学素子の作製に用いたなマスクの断面模式図を示す図である。図３６は、回折効率の測定方法を示す模式図である。
【0131】
図３５に示す実施例１の光学素子１０について、回折効率を測定した。回折効率の測定は、図３６に示す構成で行い、波長５３２ｎｍのレーザー光源を使用した。ここで、回折効率の測定では、レーザー光源から発せられた光は、まず、円偏光板を通過して円偏光となり光学素子１０へと出射される。光学素子１０の外周部を透過した光のうち、主要光は焦点に向かっていく。一方、０次光などの不要光は主要光とは異なる方向に回折する。回折効率は、下記（式１）により定義される。
【0132】
【数1】
【0133】
そこで、図３６に示す第１の測定点及び第２の測定点で光強度を測定し、第１の測定点での光強度を全透過光強度、第２の測定点での光強度を主要光強度とし、当該測定値から上記（式１）を用いて回折効率を算出した。その結果、図３５に示すように分子配向の種類が８種類である実施例１の光学素子１０の回折効率（実測値）は９５％であった。
【0134】
＜回折効率の計算＞
図３７は、参考例の光学素子の回折効率を計算する際に用いた分子配向を示す図である。実施例１の光学素子１０の８種類の分子配向は、図３７に示す参考例のようにモデル化することができる。そこで、図３７に示す分子配向に基づいて、参考例の光学素子の回折効率をシミュレーションにより求めた。シミュレーションに用いた光学素子は、図３７に示すように、０°、２２．５°、４５°、６７．５°、９０°、１１２．５°、１３５°及び１５７．５°の８種類の分子配向を有する１次元回折格子であった。
図３７は、参考例の光学素子の回折効率を計算する際に用いた分子配向を示す図である。実施例１の光学素子１０の８種類の分子配向は、図３７に示す参考例のようにモデル化することができる。そこで、図３７に示す分子配向に基づいて、参考例の光学素子の回折効率をシミュレーションにより求めた。シミュレーションに用いた光学素子は、図３７に示すように、０°、２２．５°、４５°、６７．５°、９０°、１１２．５°、１３５°及び１５７．５°の８種類の分子配向を有する１次元回折格子であった。
【0135】
光学素子（ＰＢＯＥ）の回折効率は分子配向が決まれば、フラウンフォーファー回折を利用して計算することができる。回折効率ηの計算式は下記（式２）である。下記（式２）におけるΛはｘ軸上の周期、Φ（ｘ）は図３７の分子配向を示す。ここで、光学素子であるＰＢＯＥはｘ軸方向に周期的な分子配向をもつ。この周期をΛ［ｍ］とする。Λは回折角に影響するが回折効率に影響しないため、本件の計算では適当な値に定めた。
【0136】
【数2】
【0137】
上記（式２）により求めた参考例の光学素子の回折効率（計算値）は、９５％であった。
【0138】
＜回折効率の実測値及び計算値の評価＞
実施例１の光学素子の回折効率の実測値及び参考例の光学素子の回折効率の計算値を下記表３に示す。
実施例１の光学素子の回折効率の実測値及び参考例の光学素子の回折効率の計算値を下記表３に示す。
【0139】
【表3】
【0140】
表３より、８種類の分子配向を有する実施例１の光学素子１０の回折効率の実測値は、参考例の光学素子の回折効率の計算値と一致することが確認された。実施例１のような８種類の分子配向を有する光学素子１０の作製には、本来８枚のマスクが必要であるが、実施例１では４枚のマスクで同等の性能を実現できることが分かった。
【0141】
（実施例２～５）
図３８は、２種類の分子配向を有する実施例２の光学素子の分子配向を示す図である。図３９は、３種類の分子配向を有する実施例３の光学素子の分子配向を示す図である。図４０は、４種類の分子配向を有する実施例４の光学素子の分子配向を示す図である。図４１は、６種類の分子配向を有する実施例５の光学素子の分子配向を示す図である。図４２は、実施例１～実施例５の光学素子の回折効率を示すグラフである。
図３８は、２種類の分子配向を有する実施例２の光学素子の分子配向を示す図である。図３９は、３種類の分子配向を有する実施例３の光学素子の分子配向を示す図である。図４０は、４種類の分子配向を有する実施例４の光学素子の分子配向を示す図である。図４１は、６種類の分子配向を有する実施例５の光学素子の分子配向を示す図である。図４２は、実施例１～実施例５の光学素子の回折効率を示すグラフである。
【0142】
実施例１の回折効率の計算と同様の方法を用いて、図３８～図４１に示す実施例２～５の光学素子の回折効率を計算し、分子配向の種類と回折効率（計算値）との関係を検討した。図３８に示す実施例２の光学素子は、０°及び９０°の２種類の分子配向を有していた。図３９に示す実施例３の光学素子は、０°、６０°及び１２０°の３種類の分子配向を有していた。図４０に示す実施例４の光学素子は、０°、４５°、９０°及び１３５°の４種類の分子配向を有していた。図４１に示す実施例５の光学素子は、０°、３０°、６０°、９０°、１２０°及び１５０°の６種類の分子配向を有していた。実施例２～５の光学素子の回折効率の計算結果を、下記表４及び図４２に示す。
【0143】
【表4】
【0144】
上記表４及び図４２に示すように、分子配向の種類が４種類以上である場合、８０％以上の特に高い回折効率を実現することができた。
【符号の説明】
【0145】
１：光源
２、３：偏光板
４：カメラ
１０：光学素子
１０Ｒ：ＰＢＯＥ（パンチャラトナムベリー位相光学素子）
２０、２０Ｒ：マスク群
２０１、２０２、２０３、２０４、２０Ｍ、２０ｒ、２０ｒ－１、２０ｒ－２、２０Ｒ１、２０Ｒ２、２０Ｒ３、２０Ｒ４：マスク
２０Ａ１、２０Ａ２、２０Ａ３、２０Ａ４、２０Ａｒ、２０Ａｒ－１、２０Ａｒ－２、２０ＲＡ１、２０ＲＡ２、２０ＲＡ３、２０ＲＡ４：透光部（開口部）
２０Ｂ１、２０Ｂ２、２０Ｂ３、２０Ｂ４、２０Ｂｒ、２０Ｂｒ－１、２０Ｂｒ－２、２０ＲＢ１、２０ＲＢ２、２０ＲＢ３、２０ＲＢ４：遮光部
３０１、３０２、３０３、３０Ｎ、３０ｐ、３０ｐ＋１、３１１、３１２、３１３、３１Ｎ、３１ｐ、３１ｐ＋１、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３：領域
１００：支持基板
２００：配向膜
３００：光学異方性層
３１０：異方性分子
Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、ＤＮ：方向
２、３：偏光板
４：カメラ
１０：光学素子
１０Ｒ：ＰＢＯＥ（パンチャラトナムベリー位相光学素子）
２０、２０Ｒ：マスク群
２０１、２０２、２０３、２０４、２０Ｍ、２０ｒ、２０ｒ－１、２０ｒ－２、２０Ｒ１、２０Ｒ２、２０Ｒ３、２０Ｒ４：マスク
２０Ａ１、２０Ａ２、２０Ａ３、２０Ａ４、２０Ａｒ、２０Ａｒ－１、２０Ａｒ－２、２０ＲＡ１、２０ＲＡ２、２０ＲＡ３、２０ＲＡ４：透光部（開口部）
２０Ｂ１、２０Ｂ２、２０Ｂ３、２０Ｂ４、２０Ｂｒ、２０Ｂｒ－１、２０Ｂｒ－２、２０ＲＢ１、２０ＲＢ２、２０ＲＢ３、２０ＲＢ４：遮光部
３０１、３０２、３０３、３０Ｎ、３０ｐ、３０ｐ＋１、３１１、３１２、３１３、３１Ｎ、３１ｐ、３１ｐ＋１、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３：領域
１００：支持基板
２００：配向膜
３００：光学異方性層
３１０：異方性分子
Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、ＤＮ：方向
【図1】
【図2】
【図3】
【図4A】
【図4B】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図28】
【図29】
【図30】
【図31】
【図32】
【図33】
【図34】
【図35】
【図36】
【図37】
【図38】
【図39】
【図40】
【図41】
【図42】
【図43】
【図44】
【図45】
【図46】