特開 2025-8522 液晶光学素子

(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】P2025008522

(43)【公開日】2025-01-20

(54)【発明の名称】液晶光学素子

(51)【国際特許分類】

   G02B 5/30 20060101AFI20250109BHJP

   G02B 5/18 20060101ALI20250109BHJP

   G02B 5/32 20060101ALI20250109BHJP

【ＦＩ】

G02B5/30

G02B5/18

G02B5/32

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023110760

(22)【出願日】2023-07-05

(71)【出願人】

【識別番号】502356528

【氏名又は名称】株式会社ジャパンディスプレイ

(74)【代理人】

【識別番号】110001737

【氏名又は名称】弁理士法人スズエ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】樋口 絢香

(72)【発明者】

【氏名】岡 真一郎

(72)【発明者】

【氏名】井桁 幸一

(72)【発明者】

【氏名】小橋 淳二

【テーマコード（参考）】

2H149

2H249

【Ｆターム（参考）】

2H149AB01

2H149BA03

2H149BA22

2H149FA27W

2H149FD46

2H149FD48

2H249AA04

2H249AA18

2H249AA26

2H249AA64

2H249CA05

(57)【要約】

【課題】導光損失を抑制することが可能な液晶光学素子を提供する。
【解決手段】一本実施形態によれば、液晶光学素子は、第１主面を有する透明基板と、前記第１主面に配置され、複数の凸状体を有する配向制御層と、前記配向制御層の上に配置され、コレステリック液晶を有する液晶層と、を備え、前記配向制御層は、前記複数の凸状体が第１周期で並んだ第１配向領域と、前記複数の凸状体が第２周期で並んだ第２配向領域と、を有し、前記第２周期は、第１周期より小さく、前記液晶層は、前記第１配向領域に重なり前記第１主面に対して第１角度で傾斜した第１反射面を有する第１液晶領域と、前記第２配向領域に重なり前記第１主面に対して第２角度で傾斜した第２反射面を有する第２液晶領域と、を有し、前記第２角度は、前記第１角度より大きい。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１主面を有する透明基板と、
前記第１主面に配置され、複数の凸状体を有する配向制御層と、
前記配向制御層の上に配置され、コレステリック液晶を有する液晶層と、を備え、
前記配向制御層は、前記複数の凸状体が第１周期で並んだ第１配向領域と、前記複数の凸状体が第２周期で並んだ第２配向領域と、を有し、
前記第２周期は、第１周期より小さく、
前記液晶層は、前記第１配向領域に重なり前記第１主面に対して第１角度で傾斜した第１反射面を有する第１液晶領域と、前記第２配向領域に重なり前記第１主面に対して第２角度で傾斜した第２反射面を有する第２液晶領域と、を有し、
前記第２角度は、前記第１角度より大きい、
液晶光学素子。

【請求項2】

平面視において、前記複数の凸状体の各々は、湾曲した形状を有している、
請求項１に記載の液晶光学素子。

【請求項3】

前記凸状体の高さは、前記凸状体の幅より大きい、
請求項１に記載の液晶光学素子。

【請求項4】

前記第１液晶領域に含まれる前記コレステリック液晶の螺旋ピッチは、前記第２液晶領域に含まれる前記コレステリック液晶の螺旋ピッチと同等である、
請求項１に記載の液晶光学素子。

【請求項5】

前記第２配向領域の幅は、前記第１配向領域の幅と同等、または、前記第１配向領域の幅より大きい、
請求項１に記載の液晶光学素子。

【請求項6】

前記第１配向領域の幅は、以下の式で定義される長さＬ１の２倍以下であり、
Ｌ１＝２*ｄ／ｔａｎ（π／２－２*α１）
（但し、前記第１角度をα１とし、前記透明基板の厚さをｄとする）
前記第２配向領域の幅は、以下の式で定義される長さＬ２の２倍以下である、
Ｌ２＝２*ｄ／ｔａｎ（π／２－２*α２）
（但し、前記第２角度をα２とする）
請求項１に記載の液晶光学素子。

【請求項7】

第１主面を有する透明基板と、
前記第１主面に配置された配向制御層と、
前記配向制御層の上に配置され、コレステリック液晶を有する液晶層と、を備え、
前記液晶層は、前記第１主面に対して第１角度で傾斜した第１反射面を有する第１液晶領域と、前記第１主面に対して第２角度で傾斜した第２反射面を有する第２液晶領域と、を有し、
前記第１液晶領域に含まれる前記コレステリック液晶の螺旋ピッチは、前記第２液晶領域に含まれる前記コレステリック液晶の螺旋ピッチと同等であり、
前記第２角度は、前記第１角度とは異なる、
液晶光学素子。

【請求項8】

前記配向制御層は、複数の凸状体を有し、
前記透明基板と前記第１液晶領域との間において、前記複数の凸状体は、第１周期で並び、
前記透明基板と前記第２液晶領域との間において、前記複数の凸状体は、第２周期で並び、
前記第２周期は、第１周期とは異なる、
請求項７に記載の液晶光学素子。

【請求項9】

前記第２周期は、第１周期より小さく、
前記第２角度は、前記第１角度より大きい、
請求項８に記載の液晶光学素子。

【請求項10】

前記配向制御層は、光配向膜である、
請求項７に記載の液晶光学素子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、液晶光学素子に関する。

【背景技術】

【0002】

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では、所望の光学性能を実現する上で、格子周期、液晶層の屈折率異方性（液晶層の異常光に対する屈折率ｎｅと常光に対する屈折率ｎｏとの差分）、及び、液晶層の厚さといった各種パラメータが調整される。
透明基板の内部で全反射を繰り返しながら導光する液晶光学素子においては、光が外部に漏れ出す導光損失を抑制することが要望されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特表２０１７－５２２６０１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

実施形態の目的は、導光損失を抑制することが可能な液晶光学素子を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0005】

一実施形態によれば、液晶光学素子は、
第１主面を有する透明基板と、前記第１主面に配置され、複数の凸状体を有する配向制御層と、前記配向制御層の上に配置され、コレステリック液晶を有する液晶層と、を備え、前記配向制御層は、前記複数の凸状体が第１周期で並んだ第１配向領域と、前記複数の凸状体が第２周期で並んだ第２配向領域と、を有し、前記第２周期は、第１周期より小さく、前記液晶層は、前記第１配向領域に重なり前記第１主面に対して第１角度で傾斜した第１反射面を有する第１液晶領域と、前記第２配向領域に重なり前記第１主面に対して第２角度で傾斜した第２反射面を有する第２液晶領域と、を有し、前記第２角度は、前記第１角度より大きい。

【0006】

一実施形態によれば、液晶光学素子は、
第１主面を有する透明基板と、前記第１主面に配置された配向制御層と、前記配向制御層の上に配置され、コレステリック液晶を有する液晶層と、を備え、前記液晶層は、前記第１主面に対して第１角度で傾斜した第１反射面を有する第１液晶領域と、前記第１主面に対して第２角度で傾斜した第２反射面を有する第２液晶領域と、を有し、前記第１液晶領域に含まれる前記コレステリック液晶の螺旋ピッチは、前記第２液晶領域に含まれる前記コレステリック液晶の螺旋ピッチと同等であり、前記第２角度は、前記第１角度とは異なる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】図１は、液晶光学素子１００の一構成例を模式的に示す断面図である。

【図2】図２は、図１に示した配向制御層２の一例を示す平面図である。

【図3】図３は、凸状体２０の形状の一例を示す図である。

【図4】図４は、液晶層３に含まれるコレステリック液晶ＣＬの一例を説明するための図である。

【図5】図５は、液晶層３における液晶分子の配向パターンを模式的に示す平面図である。

【図6】図６は、幅Ｌ２１及び幅Ｌ２２の最適な範囲を説明するための図である。

【図7】図７は、比較例を示す図である。

【図8】図８は、凸状体の変形例１を示す平面図である。

【図9】図９は、凸状体の変形例２を示す平面図である。

【図10】図１０は、凸状体の変形例３を示す平面図である。

【図11】図１１は、凸状体の変形例４を示す平面図である。

【図12】図１２は、凸状体の変形例５を示す平面図である。

【図13】図１３は、凸状体の変形例６を示す平面図である。

【図14】図１４は、液晶光学素子１００の他の構成例を模式的に示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

以下、本実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、開示はあくまで一例に過ぎず、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、実際の態様に比べて、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一又は類似した機能を発揮する構成要素には同一の参照符号を付し、重複する詳細な説明を適宜省略することがある。

【0009】

なお、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軸に沿った方向を第１方向Ｘと称し、Ｙ軸に沿った方向を第２方向Ｙと称し、Ｚ軸に沿った方向を第３方向Ｚ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平面と称し、Ｙ軸及びＺ軸によって規定される面をＹ－Ｚ平面と称する。

【0010】

図１は、液晶光学素子１００の一構成例を模式的に示す断面図である。

【0011】

液晶光学素子１００は、透明基板１と、配向制御層２と、液晶層３と、を備えている。

【0012】

透明基板１は、例えば、透明なガラス板または透明な合成樹脂板によって構成されている。透明基板１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。透明基板１は、任意の形状を取り得る。例えば、透明基板１は、湾曲していてもよい。

【0013】

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３５０ｎｍ以上４００ｎｍ以下であり、可視光域の上限の波長は７００ｎｍ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。

【0014】

透明基板１は、Ｘ－Ｙ平面に沿った平板状に形成され、第１主面（内面）Ｆ１と、第２主面（外面）Ｆ２と、を有している。第１主面Ｆ１及び第２主面Ｆ２は、Ｘ－Ｙ平面に略平行な面であり、第３方向Ｚにおいて、互いに対向している。

【0015】

配向制御層２は、第１主面Ｆ１に配置されている。配向制御層２は、複数の微小な凸状体２０を有している。凸状体２０の各々は、第１主面Ｆ１から第３方向Ｚに沿って延出している。このような複数の凸状体２０は、後に詳述するが、液晶層３に含まれる液晶分子の配向方向を規定する機能を有するものである。

【0016】

配向制御層２は、複数の凸状体２０が第１周期Λ１で第１方向Ｘに並んだ第１配向領域２１と、複数の凸状体２０が第２周期Λ２で第１方向Ｘに並んだ第２配向領域２２と、を有している。第１配向領域２１及び第２配向領域２２は、第１方向Ｘに沿って交互に並んでいる。第１周期Λ１及び第２周期Λ２は互いに異なり、図示した例では、第２周期Λ２は第１周期Λ１より小さい。

【0017】

液晶層３は、第３方向Ｚにおいて、配向制御層２の上に配置され、凸状体２０の各々を覆っている。液晶層３は、拡大して模式的に示すように、第１旋回方向に旋回したコレステリック液晶ＣＬを有している。コレステリック液晶ＣＬは、第３方向Ｚにほぼ平行な螺旋軸ＡＸを有し、また、第３方向Ｚに沿った螺旋ピッチＰを有している。螺旋ピッチＰは、螺旋の１周期（液晶分子が３６０度回転するのに要する螺旋軸ＡＸに沿った層厚）を示す。

【0018】

液晶層３は、第１配向領域２１に重なる第１液晶領域３１と、第２配向領域２２に重なる第２液晶領域３２と、を有している。第１液晶領域３１及び第２液晶領域３２は、第１方向Ｘに沿って交互に並んでいる。第１液晶領域３１は、第１主面Ｆ１に対して第１角度α１で傾斜した第１反射面３１Ｒを有している。第２液晶領域３２は、第１主面Ｆ１に対して第２角度α２で傾斜した第２反射面３２Ｒを有している。第１角度α１及び第２角度α２は互いに異なり、図示した例では、第２角度α２は第１角度α１より大きい。

【0019】

第１反射面３１Ｒ及び第２反射面３２Ｒでは、液晶層３への入射光のうち、コレステリック液晶ＣＬの螺旋ピッチＰ及び液晶層３の屈折率異方性Δｎに応じて決定される選択反射帯域の円偏光が反射される。選択反射帯域は、可視光の特定の波長であってもよいし、紫外線や赤外線などの不可視光であってもよい。

【0020】

例えば、第１旋回方向が右回りの場合、右回りの円偏光が第１反射面３１Ｒ及び第２反射面３２Ｒで反射され、第１旋回方向が左回りの場合、左回りの円偏光が第１反射面３１Ｒ及び第２反射面３２Ｒで反射される。なお、本明細書において、液晶層３における「反射」とは、液晶層３の内部における回折を伴うものである。また、本明細書において、円偏光は、厳密な円偏光であってもよいし、楕円偏光に近似した円偏光であってもよい。

【0021】

このような液晶光学素子１００は、例えば透明基板１の側から入射した光の一部を液晶層３の第１反射面３１Ｒ及び第２反射面３２Ｒで透明基板１に向けて反射するように構成されている。第１反射面３１Ｒ及び第２反射面３２Ｒで反射された光は、透明基板１と空気層との界面、及び、液晶層３と空気層との界面において、反射を繰り返しながら、第２方向Ｙに沿って伝搬される。このような液晶光学素子１００は、選択反射帯域の光に対する導光素子として機能する。

【0022】

なお、液晶光学素子１００において、図１に示した液晶層３に、他のコレステリック液晶を有する液晶層が積層されていてもよい。他のコレステリック液晶とは、例えば、図示した螺旋ピッチＰとは異なる螺旋ピッチを有するコレステリック液晶や、第１旋回方向とは逆回りの第２旋回方向に旋回したコレステリック液晶などである。

【0023】

図２は、図１に示した配向制御層２の一例を示す平面図である。

【0024】

第１配向領域２１において、凸状体２０の各々は、平面視において、同様に湾曲したアーチ状に形成されている。複数の凸状体２０は、第１方向Ｘ及び第２方向Ｙにそれぞれ配列されている。第１方向Ｘに隣接する凸状体２０の第１周期Λ１は、第２方向Ｙに隣接する凸状体２０のピッチＰ２０とは異なる。一例では、第１周期Λ１は、ピッチＰ２０より大きい。第１配向領域２１の第１方向Ｘに沿った幅Ｌ２１は、第１周期Λ１の整数倍である。

【0025】

第２配向領域２２において、凸状体２０の各々は、平面視において、同様に湾曲したアーチ状に形成されている。但し、第２配向領域２２の凸状体２０の形状は、第１配向領域２１の凸状体２０の形状とは異なる。複数の凸状体２０は、第１方向Ｘ及び第２方向Ｙにそれぞれ配列されている。第１方向Ｘに隣接する凸状体２０の第２周期Λ２は、第２方向Ｙに隣接する凸状体２０のピッチＰ２０とは異なる。一例では、第２周期Λ２は、ピッチＰ２０より大きい。なお、図示した例では、第１配向領域２１のピッチＰ２０及び第２配向領域２２のピッチＰ２０は、同等であるが、互いに異なっていてもよい。第２配向領域２２の第１方向Ｘに沿った幅Ｌ２２は、第２周期Λ２の整数倍である。幅Ｌ２２は、幅Ｌ２１と同等、または、幅Ｌ２１より大きい。

【0026】

図３は、凸状体２０の形状の一例を示す図である。

【0027】

凸状体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。凸状体２０の屈折率は、透明基板１の屈折率と同等である。このため、透明基板１と凸状体２０との界面に到達した光は、ほとんど屈折されない。

【0028】

凸状体２０の各々は、第３方向Ｚに沿ってほぼ一定の高さＨ２０を有している。高さＨ２０は、凸状体２０の幅Ｗ２０より大きい。液晶分子の配向方向を規定する観点では、高さＨ２０は大きいことが望ましい。高さＨ２０は、例えば、幅Ｗ２０の４倍以上である。一例では、幅Ｗ２０は１００ｎｍであり、高さＨ２０は４００ｎｍである。

【0029】

図４は、液晶層３に含まれるコレステリック液晶ＣＬの一例を説明するための図である。

【0030】

なお、図４では、液晶層３を第３方向Ｚに拡大して図示している。また、簡略化のため、コレステリック液晶ＣＬを構成する液晶分子ＬＭ１として、Ｘ－Ｙ平面に平行な同一平面に位置する複数の液晶分子のうちの１つの液晶分子ＬＭ１を図示している。図示した液晶分子ＬＭ１の配向方向は、同一平面に位置する複数の液晶分子の平均的な配向方向に相当する。

【0031】

第１液晶領域３１の第１方向Ｘに沿った幅Ｌ３１は、図２に示した第１配向領域２１の幅Ｌ２１と同等である。第２液晶領域３２の第１方向Ｘに沿った幅Ｌ３２は、図２に示した第２配向領域２２の幅Ｌ２２と同等である。

【0032】

第１液晶領域３１に含まれるコレステリック液晶ＣＬ、及び、第２液晶領域３２に含まれるコレステリック液晶ＣＬは、いずれも同一方向に旋回し、しかも、同等の螺旋ピッチＰを有している。

【0033】

点線で囲んだ１つのコレステリック液晶ＣＬに着目すると、コレステリック液晶ＣＬは、旋回しながら第３方向Ｚに沿って螺旋状に積み重ねられた複数の液晶分子ＬＭ１によって構成されている。複数の液晶分子ＬＭ１は、コレステリック液晶ＣＬの一端側の液晶分子ＬＭ１１を有している。

【0034】

液晶層３において、第１方向Ｘに沿って隣接する複数のコレステリック液晶ＣＬの配向方向は、互いに異なっている。また、第１方向Ｘに沿って隣接するコレステリック液晶ＣＬの空間位相は、互いに異なっている。

【0035】

第１方向Ｘに沿って隣接する複数の液晶分子ＬＭ１１の配向方向は、互いに異なっている。また、複数の液晶分子ＬＭ１１の配向方向は、第１方向Ｘに沿って連続的に変化している。液晶分子ＬＭ１１の配向方向については、後述する。

【0036】

第１反射面３１Ｒ及び第２反射面３２Ｒは、Ｘ－Ｙ平面に対して傾斜している。ここでの第１反射面３１Ｒ及び第２反射面３２Ｒは、液晶分子ＬＭ１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。

【0037】

このような液晶層３は、液晶分子ＬＭ１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ＬＭ１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１００は、液晶層３に電界を形成するための電極を備えていない。

【0038】

一般的に、コレステリック液晶ＣＬを有する液晶層３において、垂直入射した光に対する選択反射帯域Δλは、コレステリック液晶ＣＬの螺旋ピッチＰ、液晶層３の屈折率異方性Δｎ（異常光に対する屈折率ｎｅと常光に対する屈折率ｎｏとの差分）に基づいて、次の式（１）で示される。
Δλ＝Δｎ＊Ｐ…（１）
選択反射帯域Δλの具体的な波長範囲は、（ｎｏ＊Ｐ）以上、（ｎｅ＊Ｐ）以下の範囲である。

【0039】

選択反射帯域Δλの中心波長λｍは、コレステリック液晶ＣＬの螺旋ピッチＰ、液晶層３の平均屈折率ｎａｖ（＝（ｎｅ＋ｎｏ）／２）に基づいて、次の式（２）で示される。
λｍ＝ｎａｖ＊Ｐ…（２）

【0040】

図５は、液晶層３における液晶分子の配向パターンを模式的に示す平面図である。

【0041】

ここでは、コレステリック液晶ＣＬに含まれる液晶分子ＬＭ１のうち、その一端側の液晶分子ＬＭ１１の配向パターンを示している。

【0042】

第１方向Ｘに沿って並んだ液晶分子ＬＭ１１の配向方向は、互いに異なる。一方、第２方向Ｙに沿って並んだ液晶分子ＬＭ１１の配向方向は、略一致している。

【0043】

ここで、第１方向Ｘに並んだ液晶分子ＬＭ１１に着目すると、各液晶分子ＬＭ１１の配向方向は、一定角度ずつ異なっている。つまり、第１方向Ｘに沿って並んだ複数の液晶分子ＬＭ１１の配向方向は、線形に変化している。したがって、第１方向Ｘに沿って並んだ複数のコレステリック液晶ＣＬの空間位相は、第１方向Ｘに沿って線形に変化している。その結果、図４に示した液晶層３のように、Ｘ－Ｙ平面に対して傾斜する第１反射面３１Ｒ及び第２反射面３２Ｒが形成される。ここでの「線形に変化」は、例えば、液晶分子ＬＭ１１の配向方向の変化量が１次関数で表されることを示す。なお、ここでの液晶分子ＬＭ１１の配向方向とは、Ｘ－Ｙ平面における液晶分子ＬＭ１１の長軸方向に相当する。このような液晶分子ＬＭ１１の配向方向は、配向制御層２の凸状体２０によって制御することができる。

【0044】

一平面内において、第１方向Ｘに沿って液晶分子ＬＭ１１の配向方向が１８０度だけ変化するときの２つの液晶分子ＬＭ１１の第１方向Ｘに沿った間隔を周期Λと定義する。例えば、第１液晶領域３１においては、図の左側から右側に向かって、液晶分子ＬＭ１１の配向方向は、反時計回りに一定角度ずつ変化している。第１液晶領域３１の周期Λ１は、図２に示した第１配向領域２１の第１周期Λ１に一致している。第２液晶領域３２の周期Λ２は、図２に示した第２配向領域２２の第２周期Λ２に一致している。

【0045】

図１に示した第１液晶領域３１の第１反射面３１Ｒの第１角度α１は、第１周期Λ１及び螺旋ピッチＰに応じて設定される。同様に、図１に示した第２液晶領域３２の第２反射面３２Ｒの第２角度α２は、第２周期Λ２及び螺旋ピッチＰに応じて設定される。

【0046】

上記の液晶光学素子１００は、例えば、以下のような手法で形成される。

【0047】

まず、透明基板１の上に紫外線硬化型の樹脂材料を塗布する。その後、予め凸状体２０の形状に応じた凹部が形成された金型を用意し、金型を樹脂材料に重ね合わせ、加圧しながら紫外線を照射する。これにより、樹脂材料が金型の凹部に応じた形状に硬化し、凸状体２０が形成される。

【0048】

続いて、配向制御層２の上に液晶材料（コレステリック液晶ＣＬを形成するためのモノマー材料を含む溶液）を塗布する。その後、チャンバ内を減圧することで溶媒を除去し、塗布した液晶材料を乾燥し、さらに、液晶材料をベークする。これにより、液晶材料に含まれる液晶分子は、凸状体２０の形状に応じて所定の方向に配向する。例えば、液晶分子ＬＭ１のうち、第１主面Ｆ１の近傍の液晶分子ＬＭ１１は、隣接する凸状体２０の間において、Ｘ－Ｙ平面に沿うように水平配向するとともに、その長軸が凸状体２０の接線に沿うように配向する。液晶分子ＬＭ１１の直上に位置する他の液晶分子ＬＭ１は、液晶分子ＬＭ１１を起点として旋回しながら第３方向Ｚに沿って螺旋状に重なる。このように、液晶分子ＬＭ１１の配向方向に応じて、液晶分子ＬＭ１の配向方向が固定される。

【0049】

その後、液晶材料を室温程度まで冷却し、液晶材料に紫外線を照射して液晶材料を硬化する。これにより、コレステリック液晶ＣＬを有する液晶層３が形成される。

【0050】

次に、第１配向領域２１の幅Ｌ２１、及び、第２配向領域２２の幅Ｌ２２の最適な範囲について検討する。

【0051】

図６は、幅Ｌ２１及び幅Ｌ２２の最適な範囲を説明するための図である。

【0052】

透明基板１は、第３方向Ｚに沿った厚さｄを有し、屈折率ｎｗを有するものとする。配向制御層２においては、詳述しないが凸状体が周期Λで並んでいるものとする。液晶層３は屈折率ｎＣＬＣを有し、コレステリック液晶ＣＬは螺旋ピッチＰを有し、反射面３Ｒは角度αで傾斜しているものとする。

【0053】

ここでは、円偏光である光ＬＴｉが透明基板１の法線に沿って入射した場合を想定する。光ＬＴｉは、透明基板１及び配向制御層２を透過した後に、液晶層３に入射し、反射面３Ｒで反射・回折される。反射面３Ｒで反射された光ＬＴｒは、再び透明基板１に入射し、透明基板１と空気層との界面に到達する。界面に到達する光ＬＴｒの入射角は、臨界角βより大きい。このため、界面において、光ＬＴｒは、全反射される。

【0054】

このとき、光ＬＴｉと光ＬＴｒとのなす角度を、光の回折角θＣＬＣと定義する。回折角θＣＬＣは、角度αの２倍に相当する。

【0055】

角度αは、図中の関係式（１１）で示すように、臨界角βの１／２より大きく、限界傾斜角α´より小さい範囲に設定される。

【0056】

限界傾斜角α´は、図中の式（１２）で定義する。すなわち、反射面３Ｒにおいて回折角θＣＬＣ（＝２＊α´）で反射された光ＬＴｒが液晶層３から透明基板１に向かって進行する際に、光ＬＴｒが液晶層３と透明基板１との界面で全反射される条件に基づき、α´について解くと、式（１２）が得られる。なお、ここでは、配向制御層２の存在を無視している。
要するに、反射面３Ｒで反射された光ＬＴｒが液晶層３と透明基板１との界面で全反射されることなく透明基板１に入射するためには、角度αは、限界傾斜角α´より小さい範囲に設定すればよい。

【0057】

周期Λは、図中の式（１３）で示される。

【0058】

光ＬＴｉの入射位置と、光ＬＴｒが透明基板１と空気層との界面で全反射される位置との第１方向Ｘに沿った距離Ｌは、図中の式（１４）で示される。

【0059】

図中の角度αは、上記の第１角度α１及び第２角度α２に置換することができる。また、周期Λは、上記の第１周期Λ１及び第２周期Λ２に置換することができる。

【0060】

ここで、第１配向領域２１及び第１液晶領域３１について検討する。
第１反射面３１Ｒの第１角度α１は、関係式（１１）に基づき、臨界角βの１／２より大きく、限界傾斜角α´より小さい範囲に設定される。
第１周期Λ１は、式（１３）に基づき、Ｐ／（２＊ｔａｎα１）として示される。
第１配向領域２１の幅Ｌ２１及び第１液晶領域３１の幅Ｌ３１は、式（１４）に基づき、以下の式で定義される長さＬ１の２倍以下に設定される。
Ｌ１＝２*ｄ／ｔａｎ（π／２－２*α１）

【0061】

次に、第２配向領域２２及び第２液晶領域３２について検討する。
第２反射面３２Ｒの第２角度α２は、関係式（１１）に基づき、臨界角βの１／２より大きく、限界傾斜角α´より小さい範囲に設定される。
第２周期Λ２は、式（１３）に基づき、Ｐ／（２＊ｔａｎα２）として示される。
第２配向領域２２の幅Ｌ２２及び第２液晶領域３２の幅Ｌ３２は、式（１４）に基づき、以下の式で定義される長さＬ２の２倍以下に設定される。
Ｌ２＝２*ｄ／ｔａｎ（π／２－２*α２）

【0062】

ここで、幅Ｌ２１及び幅Ｌ３１を長さＬ１の２倍以下に設定し、幅Ｌ２２及び幅Ｌ３２を長さＬ２の２倍以下に設定する根拠について図７の比較例を参照しながら説明する。

【0063】

比較例では、液晶層３は、一様に傾斜した反射面３Ｒを有している。なお、ここでは、配向制御層の図示を省略している。

【0064】

透明基板１に入射する光ＬＴｉは、例えば左回りの円偏光である。光ＬＴｉは、反射面３Ｒで反射され、偏光状態を維持し、光ＬＴｒ１として透明基板１に入射する。光ＬＴｒ１は、透明基板１と空気層との界面で反射され、右回りの円偏光に変換され、光ＬＴｒ２として再び液晶層３に入射する。光ＬＴｒ２は、光ＬＴｉとは逆回りの円偏光であるため、液晶層３で反射されることなく、液晶層３と空気層との界面で反射される。界面で反射された光ＬＴｒ３は、左回りの円偏光である。このため、光ＬＴｒ３は、反射面３Ｒで反射される。このとき、反射面３Ｒで反射された光ＬＴｒ４が臨界角より小さい入射角で液晶層３と空気層との界面に到達すると、光ＬＴｒ４は、液晶光学素子１００の外部に漏れ出してしまう。このような光漏れは、導光損失の一因となる。

【0065】

光ＬＴｉが透明基板１に入射する位置から、透明基板１と空気層との界面で反射された光ＬＴｒ２が再び液晶層３に入射する位置までの第１方向Ｘに沿った距離は、２＊Ｌに相当する。

【0066】

上記の実施形態によれば、第１反射面３１Ｒを有する第１液晶領域３１の幅Ｌ３１は長さＬ１の２倍以下であり、第２反射面３２Ｒを有する第２液晶領域３２の幅Ｌ３２は長さＬ２の２倍以下である。

【0067】

このため、光ＬＴｉが第１液晶領域３１の第１反射面３１Ｒで反射された場合、透明基板１と空気層との界面で反射された光ＬＴｒ２は、第２液晶領域３２に入射する。第２液晶領域３２では、第２反射面３２Ｒは、第１反射面３１Ｒとは異なる角度で傾斜している。このため、光ＬＴｒ３が第２反射面３２Ｒで反射された場合に、光ＬＴｒ４の入射角が全反射条件から外れる確率を低減することができ、光の漏れ出しを抑制することができる。

【0068】

同様に、光ＬＴｉが第２液晶領域３２の第２反射面３２Ｒで反射された場合、透明基板１と空気層との界面で反射された光ＬＴｒ２は、第１液晶領域３１に入射する。第１液晶領域３１では、光ＬＴｒ３が第１反射面３１Ｒで反射された場合に、光ＬＴｒ４の入射角が全反射条件から外れる確率を低減することができ、光の漏れ出しを抑制することができる。

【0069】

したがって、導光損失を抑制することができる。

【0070】

《実施例》
透明基板１の屈折率ｎｗが１．５であり、液晶層３の屈折率ｎＣＬＣが約１．７であり、螺旋ピッチＰが約５７０ｎｍである場合、限界傾斜角α´は約２９°である。空気に対する臨界角βは約４２°である。このため、第１角度α１及び第２角度α２は、図６に示した関係式（１１）及び式（１２）に基づき、２１°より大きく、２９°より小さい範囲に設定される。

【0071】

第１角度α１及び第２角度α２がこのような範囲の場合、図６に示した式（１３）に基づき、第１周期Λ１及び第２周期Λ２は、約５１０ｎｍ以上、約７５０ｎｍ以下の範囲に設定される。例えば、第１角度α１を２１°に設定するためには、第１周期Λ１は７５０ｎｍに設定される。また、第２角度α２を２９°に設定するためには、第２周期Λ２は５１０ｎｍに設定される。

【0072】

透明基板１の厚さｄが１０ｍｍである場合、第１配向領域２１の幅Ｌ２１及び第１液晶領域３１の幅Ｌ３１は３６ｍｍ以下に設定され、また、第２配向領域２２の幅Ｌ２２及び第２液晶領域３２の幅Ｌ３２は６４ｍｍ以下に設定される。なお、幅Ｌ２１及び幅Ｌ３１は（２＊Ｌ１）以下であればよく、幅Ｌ２２及び幅Ｌ３２は（２＊Ｌ２）以下であればよい。このため、幅Ｌ２１、幅Ｌ３１、幅Ｌ２２、及び、幅Ｌ３２がいずれも等しく、例えば、３５ｍｍに設定されてもよい。

【0073】

以下に、第１配向領域２１及び第２配向領域２２における凸状体のレイアウトについて、いくつかの変形例について説明する。

【0074】

図８は、凸状体の変形例１を示す平面図である。
変形例１では、図２に示したアーチ状の凸状体２０に加えて、第２方向Ｙに沿って直線状に延出した凸状体２０Ｌが追加されている。凸状体２０Ｌは、第１方向Ｘに隣接する凸状体２０の間に位置している。

【0075】

図９は、凸状体の変形例２を示す平面図である。
変形例２では、図２に示したアーチ状の凸状体２０に加えて、凸状体２０よりも全長が短い凸状体２０Ａが追加されている。凸状体２０Ａは、アーチ状に形成されている。凸状体２０及び凸状体２０Ａは、第２方向Ｙに交互に並んでいる。

【0076】

図１０は、凸状体の変形例３を示す平面図である。
変形例３では、図９に示した凸状体２０及び凸状体２０Ａに加えて、第２方向Ｙに沿って直線状に延出した凸状体２０Ｌが追加されている。凸状体２０Ｌは、第１方向Ｘに隣接する凸状体２０の間に位置している。

【0077】

図１１は、凸状体の変形例４を示す平面図である。
変形例４では、互いに異なる形状の凸状体２０１及び凸状体２０２が第２方向Ｙに交互に並んでいる。凸状体２０１及び凸状体２０２の各々は、アーチ状に形成されているが、図において、左右非対称の形状を有している。但し、凸状体２０１の形状は、第２方向Ｙに平行な軸Ｏに対して、凸状体２０２の形状と線対称である。
凸状体２０１においては、軸Ｏと交差するピーク２０１Ｐの位置を中心として、図の右側の長さが図の左側の長さよりも短い。凸状体２０２においては、軸Ｏと交差するピーク２０２Ｐの位置を中心として、図の右側の長さが図の左側の長さよりも長い。

【0078】

図１２は、凸状体の変形例５を示す平面図である。
変形例５では、図１１に示した凸状体２０１及び凸状体２０２に加えて、第２方向Ｙに沿って直線状に延出した凸状体２０Ｌが追加されている。凸状体２０Ｌは、第１方向Ｘに隣接する凸状体２０１と凸状体２０２との間に位置している。但し、凸状体２０Ｌは、凸状体２０１及び凸状体２０２から離間している。

【0079】

図１３は、凸状体の変形例６を示す平面図である。
変形例６では、図１２に示した凸状体２０１、凸状体２０２、及び、凸状体２０Ｌが一体化されている。

【0080】

図８乃至図１３に示した変形例が適用された場合であっても、上記したのと同様の効果が得られる。

【0081】

図１４は、液晶光学素子１００の他の構成例を模式的に示す断面図である。
図１４に示す構成例は、図１に示した構成例と比較して、配向制御層２が光照射によって配向処理される光配向膜である点で相違している。液晶光学素子１００は、透明基板１と液晶層３との間に微小な凸状体を備えていない。

【0082】

このような配向制御層２は、例えば、以下の手法で形成することができる。
まず、透明基板１の上に、配向膜用の溶液を塗布し、薄膜を形成する。その後、薄膜に対して配向軸のパターンを形成するための配向処理を行う。配向処理では、互いに逆回りの円偏光で干渉縞を形成し、この干渉縞のパターンを有する干渉光で薄膜の第１領域を露光する。これにより、第１配向領域２１が形成される。その後、異なる干渉縞のパターンを有する干渉光で薄膜の第２領域を露光する。これにより、第２配向領域２２が形成される。その後、薄膜をベークすることで、配向軸が固定される。このような手法により、所定の配向軸のパターンを有する配向制御層２が形成される。

【0083】

配向制御層２として、光配向膜が適用された場合であっても、上記したのと同様の効果が得られる。

【0084】

以上説明したように、本実施形態によれば、導光損失を抑制することが可能な液晶光学素子を提供することができる。

【0085】

なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、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。これら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。これら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。

【符号の説明】

【0086】

１００…液晶光学素子
１…透明基板 Ｆ１…第１主面 Ｆ２…第２主面
２…配向制御層 ２０…凸状体 ２１…第１配向領域 ２２…第２配向領域
３…液晶層 ３１…第１液晶領域 ３２…第２液晶領域
ＣＬ…コレステリック液晶

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】