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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-10-13
(45)【発行日】2023-10-23
(54)【発明の名称】光走査装置
(51)【国際特許分類】
G02B 26/10 20060101AFI20231016BHJP
G02B 5/18 20060101ALI20231016BHJP
【ＦＩ】
G02B26/10 104Z
G02B5/18
【請求項の数】
3
(21)【出願番号】P 2021567713
(86)(22)【出願日】2020-12-25
(86)【国際出願番号】 JP2020048962
(87)【国際公開番号】W WO2021132646
(87)【国際公開日】2021-07-01
【審査請求日】2022-06-21
(31)【優先権主張番号】P 2019236320
(32)【優先日】2019-12-26
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】306037311
【氏名又は名称】富士フイルム株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100152984
【弁理士】
【氏名又は名称】伊東 秀明
(74)【代理人】
【識別番号】100148080
【弁理士】
【氏名又は名称】三橋 史生
(72)【発明者】
【氏名】齊藤 之人
(72)【発明者】
【氏名】佐藤 寛
【審査官】鈴木 俊光
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２０１９／１８９６７５（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０００－００２８４７（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２００８／０２９２３５８（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２００２－１１６３１４（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０２Ｂ ２６／０８ － ２６／１２
Ｇ０２Ｂ ５／１８
Ｇ０２Ｂ ５／３２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
光源と、光偏向器と、回折素子と、を備えた光走査装置であって、前記回折素子は、
支持体と、前記支持体に支持される、液晶組成物の硬化層である光学異方性層とを含み、
前記液晶組成物に含まれる液晶化合物の光学軸が、前記光学異方性層の面に平行であり、かつ、前記光学異方性層が、該光学異方性層の面内の少なくとも一方向に沿って配列された液晶配向パターンであって、前記液晶化合物の光学軸の向きが、連続的に回転変化した液晶配向パターンを有しており、
前記支持体が、以下の条件式（１）を満足することを特徴とする光走査装置。
（１）｜ｄλ／（ｄｔ×λ０）－α｜＜２×１０-4
ここで、
λ０：２５℃における光源の中心波長（ｎｍ）
ｄλ：温度上昇（室温２５℃→６５℃）による光源の中心波長の増分（ｎｍ）
ｄｔ：温度の増分（℃：室温２５℃→６５℃）
α：支持体の線膨張係数（１／℃）
【請求項2】
前記光学異方性層は、前記液晶化合物の前記光学軸の向きが０．１～５μｍの周期で１８０°回転している、請求項１に記載の光走査装置。
【請求項3】
前記回折素子は、前記光学異方性層を複数有する、請求項１または２に記載の光走査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ＬｉＤＡＲ等に代表されるビームステアリング型３ＤセンシングデバイスおよびＡＲグラスの表示等に用いられる光走査装置に関するものであり、特に半導体レーザビームを光源とし、液晶回折素子を用いた偏向素子を備えた光走査装置に関するものである。
【背景技術】
【0002】
光走査装置は、光源からの光束を光偏向素子で偏向させ、光走査を行なう。このような光走査装置においては、近年、精度上の要求とともに小型化の要求が強くなっている。そのために、光偏向素子に回折の原理を用いて光を偏向させる回折素子を用いることができる。例えば、特開平１０－０６８９０３号公報記載の光走査装置は、ＤＯＥ（Diffractive Optical Elements）の回折素子を用いている。また、回折素子の中でも液晶を用いた液晶回折素子はその厚さが薄いことや回折効率が高いという優れた性能から好適に用いることができる。
例えば、ＵＳ２０１２１８８４６７に記載の光走査装置は液晶回折素子の光学系を用いている。
例えば、ＵＳ２０１２１８８４６７に記載の光走査装置は液晶回折素子の光学系を用いている。
【0003】
一方で、光走査装置の光源として用いられる半導体レーザーは、温度上昇により発振波長が長波長側にシフトする特性を有する。変化の度合いは、４０℃の上昇で＋８ｎｍ程度である。ここで、回折素子による回折角度は波長によって変化する。そのため、光源の発振波長が変化すると、走査方向が変化してしまうという問題があった。
【0004】
温度変動に伴う走査方向の変化に対して、結像光学系、アナモフィックレンズ、またはコリメートレンズに回折光学素子を用いて補正することが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【文献】特開平１０－０６８９０３号公報
【文献】ＵＳ２０１２／１８８４６７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
これらの文献に記載の方法を、液晶回折素子を用いる走査系に対して用いることは、光学系の補正に対して高精度の光学部品を用いないと補正が安定しないという点で困難であった。
【0007】
本発明はこのような事情に鑑みなされたもので、液晶回折素子の支持体の線膨張係数の特性を利用した所定の液晶回折素子を備えることにより、半導体レーザの温度変動に対応して走査方向が安定な光走査装置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】
【0008】
上記目的を達成するために、本発明は、以下の構成を有する。
（１） 光源と、光偏向素子を備えた光走査装置であって、
光偏向素子は、支持体と、液晶組成物の硬化層である光学異方性層とを含み、
液晶組成物に含まれる液晶化合物の光学軸が、光学異方性層の面に平行であり、かつ、光学異方性層が、光学異方性層の面内の少なくとも一方向に沿って配列された液晶配向パターンであって、液晶化合物の光学軸の向きが、連続的に回転変化した液晶配向パターンを有しており、
支持体が、以下の条件式（１）を満足することを特徴とする光走査装置。
（１）｜ｄλ／（ｄｔ×λ０）－α｜＜２×１０-4
ここで、
λ０：２５℃における光源の中心波長（ｎｍ）
ｄλ：温度上昇（室温２５℃→６５℃）による光源の中心波長の増分（ｎｍ）
ｄｔ：温度の増分（℃：室温２５℃→６５℃）
α：支持体膨張の線膨張係数（１／℃）
（２） 光学異方性層は、液晶化合物の光学軸の向きが０．１～５μｍの周期で１８０°回転している、（１）に記載の光走査装置。
（３） 光偏向素子に含まれる光学異方性層を複数する、（１）または（２）に記載の光走査装置。
（４） 光偏向素子は、支持体および光学異方性層とを有する回折素子と、光偏向器と、を有する（１）～（３）のいずれかに記載の光走査装置。
（１） 光源と、光偏向素子を備えた光走査装置であって、
光偏向素子は、支持体と、液晶組成物の硬化層である光学異方性層とを含み、
液晶組成物に含まれる液晶化合物の光学軸が、光学異方性層の面に平行であり、かつ、光学異方性層が、光学異方性層の面内の少なくとも一方向に沿って配列された液晶配向パターンであって、液晶化合物の光学軸の向きが、連続的に回転変化した液晶配向パターンを有しており、
支持体が、以下の条件式（１）を満足することを特徴とする光走査装置。
（１）｜ｄλ／（ｄｔ×λ０）－α｜＜２×１０-4
ここで、
λ０：２５℃における光源の中心波長（ｎｍ）
ｄλ：温度上昇（室温２５℃→６５℃）による光源の中心波長の増分（ｎｍ）
ｄｔ：温度の増分（℃：室温２５℃→６５℃）
α：支持体膨張の線膨張係数（１／℃）
（２） 光学異方性層は、液晶化合物の光学軸の向きが０．１～５μｍの周期で１８０°回転している、（１）に記載の光走査装置。
（３） 光偏向素子に含まれる光学異方性層を複数する、（１）または（２）に記載の光走査装置。
（４） 光偏向素子は、支持体および光学異方性層とを有する回折素子と、光偏向器と、を有する（１）～（３）のいずれかに記載の光走査装置。
【発明の効果】
【0009】
本発明によれば、液晶回折素子の支持体の線膨張係数の特性を利用した所定の液晶回折素子を備えることにより、半導体レーザの温度変動に対応して走査方向が安定な光走査装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】本発明の光走査装置の一例を概念的に示す図である。
【図2】本発明の光走査装置の他の一例を概念的に示す図である。
【図3】本発明の光走査装置の作用を説明するための概念図である。
【図4】液晶回折素子の一例を概念的に示す図である。
【図6】液晶回折素子の作用を説明するための概念図である。
【図7】液晶回折素子の別の例の平面図である。
【図8】配向膜を露光する露光装置の一例を概念的に示す図である。
【図9】配向膜を露光する露光装置の別の例を概念的に示す図である。
【図10】本発明の光走査装置の別の例を概念的に示す図である。
【発明の実施の形態】
【0011】
以下、本発明の実施形態１について図面を用いて説明する。
【0012】
ここで、図１は本発明の実施形態１の光走査装置の基本構成を示す。
【0013】
本実施形態１に係る光走査装置は、半導体レーザよりなる光源１５１と、支持体１３１および支持体１３１の少なくとも一方の面に配置される液晶回折素子１２１で構成される回折素子１６１と、光源から射出された光束を偏向する光偏向器１０１とを備えている。回折素子１６１および光偏向器１０１は、本発明における光偏向素子に相当する。また、液晶回折素子１２１は、本発明における光学異方性層に相当する。
【0014】
図１に示す例は、光偏向器１０１として、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems、微小機器電気システム）光偏向器を用いる光走査装置の一例である。
【0015】
液晶回折素子１２１は、液晶組成物の硬化層であり、液晶組成物に含まれる液晶化合物の光学軸が、液晶回折素子の主面に平行であり、かつ、液晶回折素子が、その面内の少なくとも一方向に沿って配列された液晶配向パターンであって、液晶化合物の光学軸の向きが、連続的に回転変化した液晶配向パターンを有している。液晶回折素子は、液晶配向パターンを有することで、入射した光を回折する。
後に詳述するが、液晶回折素子による光の回折角度は、液晶配向パターンにおいて、液晶化合物の光学軸の向きが、１８０°回転する１周期ｐの長さ（以下、単に「１周期ｐ」ともいう）に依存し、１周期ｐが短いほど回折角度が大きくなる。
後に詳述するが、液晶回折素子による光の回折角度は、液晶配向パターンにおいて、液晶化合物の光学軸の向きが、１８０°回転する１周期ｐの長さ（以下、単に「１周期ｐ」ともいう）に依存し、１周期ｐが短いほど回折角度が大きくなる。
【0016】
図１に示すように、この光走査装置によれば、光源１５１から発せられたレーザビームは、光偏向器１０１によって回折素子１６１の方向に光の方向を偏向される。偏向された光が回折素子１６１のいずれかの場所に入射し、回折素子１６１によって光の偏向角を拡大するなど所望の方向に回折されることによって、光走査装置１００として機能する。光偏向器１０１は制御器１４１によって回折素子に入射する偏向角を制御する。これ以外にも、図示されない反射ミラーや集光レンズや偏向子や位相差板などが光路中に適宜挿入されていてもよい。
【0017】
光走査装置１００は、光源１５１が出射した光を光偏向器１０１によって所定の角度偏向する。光偏向器１０１による偏光角度は制御器１４１によって適宜変更され、光の進行方向が変えられ光を用いた走査を行う。
光偏向器１０１によって偏向された光は、回折素子１６１によって回折されて、例えば、図示例のように偏向角度を拡大される。従って、走査範囲が拡大される。
光偏向器１０１によって偏向された光は、回折素子１６１によって回折されて、例えば、図示例のように偏向角度を拡大される。従って、走査範囲が拡大される。
【0018】
図１において、光源に主に用いられるレーザビームの波長には温度依存性があり、一般に温度上昇により発振波長が長波長側にシフトする特性を有する。変化の度合いは、４０℃の上昇で＋８ｎｍ程度である。すなわち、９４０ｎｍのレーザーを用いた場合に、光源の温度が４０℃上昇すると、光源の発振波長は９４８ｎｍ程度になる。一方で、回折素子による回折角度は、光の波長によって変化する。この波長増分による偏向角度の影響を調べると、例えば回折素子に３０°で入射したときの走査角度（回折素子から出射される光の角度）が６０°の場合、温度上昇により波長増分したときには走査角度が６０．４と変化してしまう。これを防ぐには、支持体の線膨張係数がある関係にある場合に有効であることを見出した。ここで液晶回折素子の屈折率温度依存性や膨張係数温度依存性が有効なのではなく、支持体の温度膨張が有効である点が本発明の特徴である。
【0019】
前述のとおり、液晶回折素子による光の回折角度は、液晶配向パターンの１周期ｐに依存する。そのため、温度上昇によって液晶回折素子が面方向に膨張すると、１周期ｐが長くなり、回折角度が小さくなる。そのため、光源の発振波長の増加による偏向角度の増加を、液晶回折素子の膨張による回折角度の減少で相殺して偏向角度を温度によらず一定にすることが考えられる。
ここで、液晶回折素子は液晶性化合物を重合して形成するがその厚さは数ミクロンから数十ミクロンである。一方で、液晶回折素子を少なくとも１面に有する支持体は数百ミクロン以上であり、また液晶性化合物の重合による液晶回折素子よりも弾性率が大きい。そのため、温度変動に伴って液晶回折素子および支持体が伸縮する場合には、液晶回折素子の伸縮は支持体によって規制されてしまい、液晶回折素子の状態は支持体の伸縮に主に支配される。
そのため、温度変動に伴う回折素子としての回折角度は液晶回折素子の熱特性そのものではなく、液晶回折素子が追随する支持体の熱特性に主に支配される。その結果、支持体の線膨張係数が下記の条件式（１）の関係のときに、光源の波長増分による影響を抑えることができることを見出した。
（１）｜ｄλ／（ｄｔ×λ０）－α｜＜２×１０-4
ここで、
λ０：２５℃における光源の中心波長（ｎｍ）
ｄλ：温度上昇（室温２５℃→６５℃）による光源の中心波長の増分（ｎｍ）
ｄｔ：温度の増分（℃：室温２５℃→６５℃）
α：支持体の線膨張係数（１／℃）
ここで、液晶回折素子は液晶性化合物を重合して形成するがその厚さは数ミクロンから数十ミクロンである。一方で、液晶回折素子を少なくとも１面に有する支持体は数百ミクロン以上であり、また液晶性化合物の重合による液晶回折素子よりも弾性率が大きい。そのため、温度変動に伴って液晶回折素子および支持体が伸縮する場合には、液晶回折素子の伸縮は支持体によって規制されてしまい、液晶回折素子の状態は支持体の伸縮に主に支配される。
そのため、温度変動に伴う回折素子としての回折角度は液晶回折素子の熱特性そのものではなく、液晶回折素子が追随する支持体の熱特性に主に支配される。その結果、支持体の線膨張係数が下記の条件式（１）の関係のときに、光源の波長増分による影響を抑えることができることを見出した。
（１）｜ｄλ／（ｄｔ×λ０）－α｜＜２×１０-4
ここで、
λ０：２５℃における光源の中心波長（ｎｍ）
ｄλ：温度上昇（室温２５℃→６５℃）による光源の中心波長の増分（ｎｍ）
ｄｔ：温度の増分（℃：室温２５℃→６５℃）
α：支持体の線膨張係数（１／℃）
【0020】
この条件式（１）は、走査角度のずれが０．３°未満になるように規定している。支持体がこの条件式（１）を満足することにより、温度変動による走査角度ずれを小さくすることができる。
【0021】
例えば、具体的な数値をあげて走査角度ずれについて述べる。
温度が室温（２５℃）から４０℃増えたときに、レーザーの中心波長が９４０ｎｍ→９４８ｎｍになる場合、支持体の線膨張係数が小さい、例えばゼロの場合には、入射角３０°に対する出射角は６０°→６０．４°になり、走査角度ずれは０．４°になる。支持体の線膨張係数がゼロの場合には、条件式（１）の左辺は約２．１×１０-4となり、条件式（１）を満たさない。
これに対して、支持体の線膨張係数が５０ｐｐｍ／℃の場合には走査角度ずれは０．３°以下となり、線膨張係数が１００ｐｐｍ／℃の場合には走査角度ずれは０．２°以下となり、線膨張係数が２００ｐｐｍ／℃の場合には走査角度ずれは略０となる。これによって、温度変動に強い光走査装置を実現可能になる。支持体の線膨張係数が５０ｐｐｍ／℃の場合には、条件式（１）の左辺は約１．６×１０-4となり、条件式（１）を満たす。支持体の線膨張係数が１００ｐｐｍ／℃の場合には、条件式（１）の左辺は約１．１×１０-4となり、条件式（１）を満たす。支持体の線膨張係数が２００ｐｐｍ／℃の場合には、条件式（１）の左辺は約０．１×１０-4となり、条件式（１）を満たす。
温度が室温（２５℃）から４０℃増えたときに、レーザーの中心波長が９４０ｎｍ→９４８ｎｍになる場合、支持体の線膨張係数が小さい、例えばゼロの場合には、入射角３０°に対する出射角は６０°→６０．４°になり、走査角度ずれは０．４°になる。支持体の線膨張係数がゼロの場合には、条件式（１）の左辺は約２．１×１０-4となり、条件式（１）を満たさない。
これに対して、支持体の線膨張係数が５０ｐｐｍ／℃の場合には走査角度ずれは０．３°以下となり、線膨張係数が１００ｐｐｍ／℃の場合には走査角度ずれは０．２°以下となり、線膨張係数が２００ｐｐｍ／℃の場合には走査角度ずれは略０となる。これによって、温度変動に強い光走査装置を実現可能になる。支持体の線膨張係数が５０ｐｐｍ／℃の場合には、条件式（１）の左辺は約１．６×１０-4となり、条件式（１）を満たす。支持体の線膨張係数が１００ｐｐｍ／℃の場合には、条件式（１）の左辺は約１．１×１０-4となり、条件式（１）を満たす。支持体の線膨張係数が２００ｐｐｍ／℃の場合には、条件式（１）の左辺は約０．１×１０-4となり、条件式（１）を満たす。
【0022】
ここで、図１に示す例では、光偏向器１０１としてＭＥＭＳ光偏向器を有する構成としたが、これに限定はされず、光偏向器１０１は、入射する光を所定の角度偏向し、偏向角度を変更できるものであればよい。例えば、図２に示す例では、光偏向器１０１として液晶光位相変調素子を有してる。図２においては、光走査装置１００は、図中、光偏向器１０１の左側に配置される図示しない光源と、光偏向器１０１と、回折素子１６１と、制御器１４１と、を有する。
【0023】
液晶光位相変調素子は、液晶層に電圧を印加して液晶層内の液晶の配向を制御することで、入射する光の偏向方向を制御するものである。
【0024】
図３は、図２に示す光走査装置１００の作用を説明するための概念図である。
図３に示すように、液晶光位相変調素子１０１は、図示しない光源から出射された光を所定の角度だけ偏向する（実線の矢印参照）。液晶光位相変調素子１０１による偏光角度は、制御器１４１によって変更される。すなわち、図３中破線の矢印で示すように、液晶光位相変調素子１０１による偏光角度は、制御器１４１によって適宜変更され光の進行方向が変えられる。これにより、光の進行方向が変えられ、光走査装置１００は、光を用いた走査を行う。
図３に示すように、液晶光位相変調素子１０１は、図示しない光源から出射された光を所定の角度だけ偏向する（実線の矢印参照）。液晶光位相変調素子１０１による偏光角度は、制御器１４１によって変更される。すなわち、図３中破線の矢印で示すように、液晶光位相変調素子１０１による偏光角度は、制御器１４１によって適宜変更され光の進行方向が変えられる。これにより、光の進行方向が変えられ、光走査装置１００は、光を用いた走査を行う。
【0025】
光偏向器１０１によって偏向された光は、回折素子１６１によって回折されて、例えば、図示例のように偏向角度を拡大される。従って、走査範囲が拡大される。
【0026】
ここで、図３に示す例では、回折素子１６１の液晶回折素子１２０は、面内で液晶配向パターンの１周期が異なる領域（１２０ａ～１２０ｅ）を有している。前述のとおり、液晶回折素子１２０においては、液晶配向パターンの１周期が小さいほど、回折角度が大きくなる。また、光走査装置１００においては、出射光の偏向角度を大きくするために、光偏向器１０１による偏向の中心から外側（両端部）に向かって、漸次、液晶回折素子１２０の回折角度を大きくする。
このことは、図３において、液晶回折素子１２０の領域である１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃのそれぞれの１周期ｐをｐａ、ｐｂ、ｐｃとすると、ｐａ＜ｐｂ＜ｐｃ、の関係があることを意味する。同様に、１２０ｄ、１２０ｅのそれぞれの１周期ｐをｐｄ、ｐｅとすると、ｐｅ＜ｐｄ＜ｐｃの関係があることを意味する。
このことは、図３において、液晶回折素子１２０の領域である１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃのそれぞれの１周期ｐをｐａ、ｐｂ、ｐｃとすると、ｐａ＜ｐｂ＜ｐｃ、の関係があることを意味する。同様に、１２０ｄ、１２０ｅのそれぞれの１周期ｐをｐｄ、ｐｅとすると、ｐｅ＜ｐｄ＜ｐｃの関係があることを意味する。
【0027】
以下に構成要素について詳細に説明する。
［回折素子］
図４に、回折素子１６１の一例を概念的に示す。
図４は、回折素子１６１を、図１～図３と同方向に見た図であり、回折素子１６１の側面図である。回折素子１６１は、シート状のものであって、支持体１３１と、配向膜１３と、光学異方性層（液晶回折素子）１２１と、を有する。
図示例では、液晶回折素子１２１は、光偏向器１０１が偏向した光を、光偏向素子による偏向方向に回折することにより、光偏向器１０１が偏向した光を、さらに偏向するものである。光走査装置１００は、光偏向器１０１に、このような液晶回折素子１２１を組み合わせるにより、光偏向器１０１の最大偏向角θｍａｘよりも遥かに大きい、最大の出射角度θｍａｘｏｕｔの偏向角による光の偏向を可能にしている。
なお、液晶回折素子１２１のシート面方向をｘ－ｙ方向、厚さ方向をｚ方向として定義している。図４においては、図中横方向が液晶化合物由来の光学軸が一方向に向かって回転する方向（後述する軸Ａ方向）であり、この方向をｘ方向とする。従って、ｙ方向は、図４の紙面と直交する方向になる。
［回折素子］
図４に、回折素子１６１の一例を概念的に示す。
図４は、回折素子１６１を、図１～図３と同方向に見た図であり、回折素子１６１の側面図である。回折素子１６１は、シート状のものであって、支持体１３１と、配向膜１３と、光学異方性層（液晶回折素子）１２１と、を有する。
図示例では、液晶回折素子１２１は、光偏向器１０１が偏向した光を、光偏向素子による偏向方向に回折することにより、光偏向器１０１が偏向した光を、さらに偏向するものである。光走査装置１００は、光偏向器１０１に、このような液晶回折素子１２１を組み合わせるにより、光偏向器１０１の最大偏向角θｍａｘよりも遥かに大きい、最大の出射角度θｍａｘｏｕｔの偏向角による光の偏向を可能にしている。
なお、液晶回折素子１２１のシート面方向をｘ－ｙ方向、厚さ方向をｚ方向として定義している。図４においては、図中横方向が液晶化合物由来の光学軸が一方向に向かって回転する方向（後述する軸Ａ方向）であり、この方向をｘ方向とする。従って、ｙ方向は、図４の紙面と直交する方向になる。
【0028】
液晶回折素子１２１は、平面状であるが、液晶回折素子１２１は、平面状に制限はされず、曲面状でもよい。
【0029】
＜支持体＞
支持体１３１は、熱膨張率が所定の条件を満たし、配向膜および光学異方性層を支持できるものであれば、各種のシート状物（フィルム、板状物）が利用可能である。
支持体１３１としては、透明支持体が好ましく、ポリメチルメタクリレート等のポリアクリル系樹脂フィルム、セルローストリアセテート等のセルロース系樹脂フィルム、およびシクロオレフィンポリマー系フィルム等を挙げることができる。シクロオレフィンポリマー系フィルムとしては、例えば、ＪＳＲ社製の商品名「アートン」、および、日本ゼオン社製の商品名「ゼオノア」等が例示される。
支持体１３１の線膨張係数は式（１）の関係になるものを選択するのが好適である。線膨張係数は材料固有の定数であるとともに、複数の材料を混合させたり積層構造にすることによって、その複合材として線膨張係数の値を調整することができる。
支持体１３１は、熱膨張率が所定の条件を満たし、配向膜および光学異方性層を支持できるものであれば、各種のシート状物（フィルム、板状物）が利用可能である。
支持体１３１としては、透明支持体が好ましく、ポリメチルメタクリレート等のポリアクリル系樹脂フィルム、セルローストリアセテート等のセルロース系樹脂フィルム、およびシクロオレフィンポリマー系フィルム等を挙げることができる。シクロオレフィンポリマー系フィルムとしては、例えば、ＪＳＲ社製の商品名「アートン」、および、日本ゼオン社製の商品名「ゼオノア」等が例示される。
支持体１３１の線膨張係数は式（１）の関係になるものを選択するのが好適である。線膨張係数は材料固有の定数であるとともに、複数の材料を混合させたり積層構造にすることによって、その複合材として線膨張係数の値を調整することができる。
【0030】
また、支持体１３１の熱膨張方向に異方性がある場合には、回折素子の周期方向と平行または垂直にすることが望ましい。線膨張係数は支持体が延伸されている場合には延伸方向の線膨張係数が高いことがあり、その場合は延伸方向と回折素子の周期方向を平行にすることが望ましい。逆の場合には延伸方向と回折素子の周期方向を直交にすることが望ましい。
【0031】
＜配向膜＞
回折素子１６１において、支持体１３１の表面には配向膜１３が形成される。
配向膜１３は、光学異方性層１２１を形成する際に、液晶化合物２０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。
回折素子１６１において、支持体１３１の表面には配向膜１３が形成される。
配向膜１３は、光学異方性層１２１を形成する際に、液晶化合物２０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。
【0032】
後述するが、回折素子１６１において、光学異方性層１２１は、液晶化合物２０に由来する光学軸２２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１３は、光学異方性層１２１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。
光学異方性層１２１においては、液晶配向パターンにおける、光学軸２２の向きが連続的に回転しながら変化する一方向（後述する軸Ａに沿う方向）において、光学軸２２の向きが１８０°回転する長さを１周期（光学軸２２の回転周期ｐ）とする。本発明の光走査装置１００において、光学異方性層１２１は、光偏向器１０１による偏向（偏向方位（偏向方向））の中心から外側に向かって、１周期が、漸次、短くなる。
また、液晶化合物２０の光学軸の回転方向は、軸Ａに沿う方向（矢印ｘ方向）に向かって、光偏向器１０１による偏向の中心で逆転する。従って、配向膜１３は、光学異方性層１２１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。
光学異方性層１２１においては、液晶配向パターンにおける、光学軸２２の向きが連続的に回転しながら変化する一方向（後述する軸Ａに沿う方向）において、光学軸２２の向きが１８０°回転する長さを１周期（光学軸２２の回転周期ｐ）とする。本発明の光走査装置１００において、光学異方性層１２１は、光偏向器１０１による偏向（偏向方位（偏向方向））の中心から外側に向かって、１周期が、漸次、短くなる。
また、液晶化合物２０の光学軸の回転方向は、軸Ａに沿う方向（矢印ｘ方向）に向かって、光偏向器１０１による偏向の中心で逆転する。従って、配向膜１３は、光学異方性層１２１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。
【0033】
配向膜１３は、公知の各種のものが利用可能である。
配向膜１３としては、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、等があげられる。
配向膜１３としては、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、等があげられる。
【0034】
配向膜１３としては、ポリマー層の表面をラビング処理して形成されたものが例示される。ラビング処理は、ポリマー層の表面を紙や布で一定方向に数回こすることにより実施される。配向膜に使用するポリマーの種類は、ポリイミド、ポリビニルアルコール、特開平９－１５２５０９号公報に記載された重合性基を有するポリマー、特開２００５－９７３７７号公報、特開２００５－９９２２８号公報、および、特開２００５－１２８５０３号公報記載の配向膜等を好ましく使用することができる。
【0035】
なお、本発明で言う直交配向膜とは、重合性棒状液晶化合物の分子の長軸を、直交配向膜のラビング方向と実質的に直交するように配向させる配向膜を意味する。配向膜の厚さは配向機能を提供できれば厚い必要はなく、０．０１～５μｍであることが好ましく、０．０５～２μｍであることがさらに好ましい。
【0036】
配向膜１３としては、光配向性の素材に偏光または非偏光を照射して配向膜とした、いわゆる光配向膜も利用可能である。すなわち、支持体１３１上に、光配光材料を塗布して光配向膜を作製してもよい。
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。
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。
【0037】
本発明に利用可能な光配向膜に用いられる光配向材料としては、例えば、特開２００６－２８５１９７号公報、特開２００７－７６８３９号公報、特開２００７－１３８１３８号公報、特開２００７－９４０７１号公報、特開２００７－１２１７２１号公報、特開２００７－１４０４６５号公報、特開２００７－１５６４３９号公報、特開２００７－１３３１８４号公報、特開２００９－１０９８３１号公報、特許第３８８３８４８号、特許第４１５１７４６号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、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、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、特許第４１６２８５０号に記載の光架橋性ポリイミド、ポリアミド、またはエステル、特開平９－１１８７１７号公報、特表平１０－５０６４２０号公報、特表２００３－５０５５６１号公報、ＷＯ２０１０／１５０７４８号公報、特開２０１３－１７７５６１号公報、ならびに、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が好ましい例として挙げられる。特に好ましくは、アゾ化合物、光架橋性ポリイミド、ポリアミド、エステル、および、シンナメート化合物、カルコン化合物である。
本発明においては、光配向膜を用いるのが好ましい。
本発明においては、光配向膜を用いるのが好ましい。
【0038】
光配向材料を支持体１３１上に塗布して乾燥させた後、配向膜を露光して配向パターンを形成する、配向膜の露光装置の模式図を図８に示す。
露光装置５０は、レーザ５２を備えた光源５４と、レーザ５２からのレーザ光７０を２つに分離する偏光ビームスプリッター５６と、分離された２つの光線７２Ａ、７２Ｂの光路上にそれぞれ配置されたミラー５８Ａ、５８Ｂおよびλ／４板６０Ａ、６０Ｂを備える。
なお、光源５４は直線偏光Ｐ0を出射する。λ／４板６０Ａは、直線偏光Ｐ0を右円偏光ＰRに、λ／４板６０Ｂは直線偏光Ｐ0を左円偏光ＰLに変換する。
露光装置５０は、レーザ５２を備えた光源５４と、レーザ５２からのレーザ光７０を２つに分離する偏光ビームスプリッター５６と、分離された２つの光線７２Ａ、７２Ｂの光路上にそれぞれ配置されたミラー５８Ａ、５８Ｂおよびλ／４板６０Ａ、６０Ｂを備える。
なお、光源５４は直線偏光Ｐ0を出射する。λ／４板６０Ａは、直線偏光Ｐ0を右円偏光ＰRに、λ／４板６０Ｂは直線偏光Ｐ0を左円偏光ＰLに変換する。
【0039】
配向パターンを形成される前の配向膜１３を備えた支持体１３１が露光部に配置され、２つの光線７２Ａ、７２Ｂを配向膜１３上で交差させて干渉させ、その干渉光を配向膜１３に照射して露光する。この際の干渉により、配向膜１３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。これによって、配向状態が周期的に変化する配向パターンが得られる。
露光装置５０において、２つの光線７２Ａおよび７２Ｂの交差角βを変化させることにより、配向パターンの周期を変化させることができる。すなわち、露光装置５０においては、交差角βを調節することにより、液晶化合物２０に由来する光学軸２２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２２が回転する１方向における、光学軸２２が１８０°回転する１周期の長さ（回転周期ｐ＝周期ｐ）を調節できる。
このように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１３上に、後述する光学異方性層１２１を形成することにより、この周期に応じた液晶配向パターンを備えた光学異方性層１２１を形成することができる。
また、λ／４板６０Ａおよびλ／４板６０Ｂの光学軸を各々９０°回転することにより、光学軸２２の回転方向を逆にすることができる。
露光装置５０において、２つの光線７２Ａおよび７２Ｂの交差角βを変化させることにより、配向パターンの周期を変化させることができる。すなわち、露光装置５０においては、交差角βを調節することにより、液晶化合物２０に由来する光学軸２２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２２が回転する１方向における、光学軸２２が１８０°回転する１周期の長さ（回転周期ｐ＝周期ｐ）を調節できる。
このように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１３上に、後述する光学異方性層１２１を形成することにより、この周期に応じた液晶配向パターンを備えた光学異方性層１２１を形成することができる。
また、λ／４板６０Ａおよびλ／４板６０Ｂの光学軸を各々９０°回転することにより、光学軸２２の回転方向を逆にすることができる。
【0040】
また、配向膜１３の露光には、図９に概念的に示す露光装置８０も、好適に利用される。図９に示す露光装置８０は、図７に示すような、同心円状の液晶配向パターンを形成する場合にも用いられる露光装置である。
露光装置８０は、レーザ８２を備えた光源８４と、レーザ８２からのレーザ光ＭをＳ偏光ＭＳとＰ偏光ＭＰとに分割する偏光ビームスプリッター８６と、Ｐ偏光ＭＰの光路に配置されたミラー９０ＡおよびＳ偏光ＭＳの光路に配置されたミラー９０Ｂと、Ｓ偏光ＭＳの光路に配置されたレンズ９２（凸レンズ）と、偏光ビームスプリッター９４と、λ／４板９６と、を有する。
露光装置８０は、レーザ８２を備えた光源８４と、レーザ８２からのレーザ光ＭをＳ偏光ＭＳとＰ偏光ＭＰとに分割する偏光ビームスプリッター８６と、Ｐ偏光ＭＰの光路に配置されたミラー９０ＡおよびＳ偏光ＭＳの光路に配置されたミラー９０Ｂと、Ｓ偏光ＭＳの光路に配置されたレンズ９２（凸レンズ）と、偏光ビームスプリッター９４と、λ／４板９６と、を有する。
【0041】
偏光ビームスプリッター８６で分割されたＰ偏光ＭＰは、ミラー９０Ａによって反射されて、偏光ビームスプリッター９４に入射する。他方、偏光ビームスプリッター８６で分割されたＳ偏光ＭＳは、ミラー９０Ｂによって反射され、レンズ９２によって集光されて偏光ビームスプリッター９４に入射する。
Ｐ偏光ＭＰおよびＳ偏光ＭＳは、偏光ビームスプリッター９４で合波されて、λ／４板９６によって偏光方向に応じた右円偏光および左円偏光となって、支持体１３１の上の配向膜１３に入射する。
ここで、右円偏光と左円偏光との干渉により、配向膜１３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。同心円の内側から外側に向かうにしたがい、左円偏光と右円偏光の交差角が変化するため、内側から外側に向かってピッチが変化する露光パターンが得られる。これにより、配向膜１３において、配向状態が周期的に変化する同心円状の配向パターンが得られる。
Ｐ偏光ＭＰおよびＳ偏光ＭＳは、偏光ビームスプリッター９４で合波されて、λ／４板９６によって偏光方向に応じた右円偏光および左円偏光となって、支持体１３１の上の配向膜１３に入射する。
ここで、右円偏光と左円偏光との干渉により、配向膜１３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。同心円の内側から外側に向かうにしたがい、左円偏光と右円偏光の交差角が変化するため、内側から外側に向かってピッチが変化する露光パターンが得られる。これにより、配向膜１３において、配向状態が周期的に変化する同心円状の配向パターンが得られる。
【0042】
この露光装置８０において、液晶化合物２０の光学軸２２が一方向に沿って連続的に１８０°回転する１周期の長さ（回転周期ｐ）は、レンズ９２の屈折力（レンズ９２のＦナンバー）レンズ９２の焦点距離、および、レンズ９２と配向膜１３との距離等を変化させることで、制御できる。
【0043】
また、レンズ９２の屈折力（レンズ９２のＦナンバー）を調節することによって、光学軸２２が連続的に回転する一方向において、光学軸２２が１８０°回転する１周期の長さを変更できる。具体的には、平行光と干渉させる、レンズ９２を透過した光の集光の程度によって、光学軸２２が１８０°回転する１周期の長さ変えることができる。より具体的には、レンズ９２の屈折力を弱くすると、平行光に近づくため、光学軸２２が１８０°回転する１周期の長さは、内側から外側に向かって緩やかに短くなり、Ｆナンバーは大きくなる。逆に、レンズ９２の屈折力を強めると、光学軸２２が１８０°回転する１周期の長さは、内側から外側に向かって急に短くなり、Ｆナンバーは小さくなる。
【0044】
このように、光学軸２２が連続的に回転する１方向において、光学軸２２が１８０°回転する１周期（回転周期ｐ）を変更する構成は、矢印Ｘ方向の一方向のみに液晶化合物２０の光学軸２２が連続的に回転して変化する構成でも、利用可能である。
例えば、光学軸２２が１８０°回転する１周期を、矢印Ｘ方向に向かって、漸次、短くすることにより、集光するように光を透過する光学素子を得ることができる。また、液晶配向パターンにおいて、光学軸２２が１８０°回転する方向を逆にすることにより、矢印Ｘ方向にのみ拡散するように光を透過する光学素子を得ることができる。なお、入射する円偏光の旋回方向を逆にすることでも、矢印のＸ方向にのみ拡散するように光を透過する光学素子を得ることができる。
例えば、光学軸２２が１８０°回転する１周期を、矢印Ｘ方向に向かって、漸次、短くすることにより、集光するように光を透過する光学素子を得ることができる。また、液晶配向パターンにおいて、光学軸２２が１８０°回転する方向を逆にすることにより、矢印Ｘ方向にのみ拡散するように光を透過する光学素子を得ることができる。なお、入射する円偏光の旋回方向を逆にすることでも、矢印のＸ方向にのみ拡散するように光を透過する光学素子を得ることができる。
【0045】
さらに、例えば透過光に光量分布を設けたい場合など、光学素子の用途によって、矢印Ｘ方向に向かって、光学軸２２が１８０°回転する１周期を漸次、変更するのではなく、矢印Ｘ方向において、部分的に光学軸２２が１８０°回転する１周期が異なる領域を有する構成も利用可能である。例えば、部分的に光学軸２２が１８０°回転する１周期を変更する方法として、集光したレーザー光の偏光方向を任意に変えながら、光配向膜をスキャン露光してパターニングする方法等を利用することができる。
【0046】
なお、回折素子１６１において、配向膜１３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１３１をラビング処理する方法、支持体１３１をレーザ光等で加工する方法等によって、支持体１３１に配向パターンを形成することにより、光学異方性層１２１が、液晶化合物２０に由来する光学軸２２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。
例えば、支持体１３１をラビング処理する方法、支持体１３１をレーザ光等で加工する方法等によって、支持体１３１に配向パターンを形成することにより、光学異方性層１２１が、液晶化合物２０に由来する光学軸２２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。
【0047】
＜光学異方性層＞
回折素子１６１において、配向膜１３の表面には、液晶化合物２０を含む液晶組成物の硬化層である光学異方性層（液晶回折素子）１２１を備えている。
光学異方性層１２１においては、液晶化合物の光学軸（遅相軸）が、光学異方性層の面内の少なくとも一方向に沿って配列された液晶パターンであって、液晶化合物２０の光学軸２２の向きが、一方向に向かって回転変化した液晶配向パターンを有する。
回折素子１６１において、配向膜１３の表面には、液晶化合物２０を含む液晶組成物の硬化層である光学異方性層（液晶回折素子）１２１を備えている。
光学異方性層１２１においては、液晶化合物の光学軸（遅相軸）が、光学異方性層の面内の少なくとも一方向に沿って配列された液晶パターンであって、液晶化合物２０の光学軸２２の向きが、一方向に向かって回転変化した液晶配向パターンを有する。
【0048】
本実施形態の液晶回折素子１２１は、波長λの光に対する光学異方性層１２１の厚さ方向（図中ｚ方向）のリターデーションＲ（＝Δｎ・ｄ１）が、０．３６λ～０．６４λである。リターデーションＲは０．４λ～０．６λが好ましく、０．４５λ～０．５５λがより好ましく、０．５λであることが特に好ましい。Δｎは光学異方性層１２１の複屈折率、ｄ１は厚さである。例えば、９４０ｎｍの光を入射光として想定する場合には、９４０ｎｍの光に対するリターデーションＲが３３８～６０２ｎｍの範囲であればよく、４７０ｎｍであることが特に好ましい。
このようなリターデーションＲを有するので、光学異方性層１２１は、一般的なλ／２板としての機能、すなわち、入射光の直交する直線偏光成分の間に１８０°（＝π＝λ／２）の位相差を与える機能を発現する。
このようなリターデーションＲを有するので、光学異方性層１２１は、一般的なλ／２板としての機能、すなわち、入射光の直交する直線偏光成分の間に１８０°（＝π＝λ／２）の位相差を与える機能を発現する。
【0049】
液晶回折素子１２１は、透過型の回折格子として機能する。回折格子として機能する原理について、図４～図６を参照して説明する。
なお、図５は、光学異方性層１２１の概略平面図であり、すなわち、図４を、図中上方からみた図である。
なお、図５は、光学異方性層１２１の概略平面図であり、すなわち、図４を、図中上方からみた図である。
【0050】
図４および図５に示すように、光学異方性層１２１においては、液晶化合物２０が、一方向に連続的に光学軸２２が回転変化した液晶配向パターンで固定化されている。図示例では、矢印ｘ方向に一致する、図５中の軸Ａに沿った方向に、光学軸２２が連続的に回転変化している。すなわち、光学軸２２として定義される液晶化合物２０の長軸（異常光の軸：ダイレクタ）の面内成分と、軸Ａとが成す角度が、回転変化するように液晶化合物２０が配向されている。
なお、図５に示すように、光学異方性層１２１において、液晶化合物２０の光学軸２２の方向は、軸Ａと直交する方向すなわち矢印ｙ方向に配列される液晶化合物２０では、一致している。光学異方性層１２１は、このｙ方向の液晶化合物２０の光学軸２２の方向が一致する領域毎に、上述のような一般的なλ／２板としての機能を発現する。
なお、図５に示すように、光学異方性層１２１において、液晶化合物２０の光学軸２２の方向は、軸Ａと直交する方向すなわち矢印ｙ方向に配列される液晶化合物２０では、一致している。光学異方性層１２１は、このｙ方向の液晶化合物２０の光学軸２２の方向が一致する領域毎に、上述のような一般的なλ／２板としての機能を発現する。
【0051】
光学軸２２の向きが回転変化した液晶配向パターンとは、軸Ａに沿って配列されている液晶化合物２０の光学軸２２と軸Ａとのなす角度が、軸Ａ方向の位置によって異なっており、軸Ａに沿って光学軸２２と軸Ａとのなす角度がφからφ＋１８０°あるいはφ－１８０°まで徐々に変化するように配向され固定化されたパターンである。
以下において、図５に示すような、光学異方性層１２１において、液晶化合物２０の光学軸２２が光学異方性層１２１の面に平行であり、さらに、光学軸２２の向きが一定である局所領域（単位領域）すなわち液晶化合物２０が矢印ｙ方向に配列される領域が、矢印ｙ方向と直交するｘ方向に配列されており、かつ、矢印ｘ方向に配列される複数の局所領域間において、光学軸２２の向きが一方向（軸Ａに沿う方向）に向かって連続的に回転変化するように配向されている液晶配向パターンを、水平回転配向と称する。
以下において、図５に示すような、光学異方性層１２１において、液晶化合物２０の光学軸２２が光学異方性層１２１の面に平行であり、さらに、光学軸２２の向きが一定である局所領域（単位領域）すなわち液晶化合物２０が矢印ｙ方向に配列される領域が、矢印ｙ方向と直交するｘ方向に配列されており、かつ、矢印ｘ方向に配列される複数の局所領域間において、光学軸２２の向きが一方向（軸Ａに沿う方向）に向かって連続的に回転変化するように配向されている液晶配向パターンを、水平回転配向と称する。
【0052】
なお、連続的に回転変化するとは、図４および図５に示す通り、３０°刻みなどの一定の角度の領域が隣接して０°から１８０°（＝０°）まで回転するものであってもよい。または、軸Ａ方向に向かう光学軸２２の角度変化は、一定の角度間隔ではなく、不均一な角度間隔で回転する物であってもよい。本発明においては、単位領域の光学軸２２の向きの平均値が一定の割合で線形に変化していれば徐々に変化していることになる。ただし、軸Ａ方向に隣接する、光学軸２２が異なる傾きを有する単位領域同士における光学軸の傾きの変化は、４５°以下とするのが好ましい。隣接する単位領域の傾きの変化は、より小さい方が好ましい。
【0053】
光学異方性層１２１において、軸Ａ方向に向かって光学軸２２と軸Ａとがなす角度がφからφ＋１８０°（元に戻る）まで変化する距離、すなわち、光学軸２２が１８０°回転する周期を、回転周期（１周期）ｐとする。この回転周期ｐは、０．１～５μｍであるのが好ましい。回転周期ｐが短いほど、光学異方性層１２１すなわち液晶回折素子１２１による回折角が大きくなる。従って、回転周期ｐは、液晶回折素子１２１への入射光の波長および所望の出射角に応じて定めればよい。
【0054】
回折素子１６１は、上述した光学異方性層１２１の構成により、入射光に対してλ／２の位相差を与える共に、入射角０°で入射した、すなわち垂直入射した入射光を出射角θ2で出射させる。
すなわち、図６に示すように、光学異方性層１２１の面に垂直に右円偏光ＰRの光Ｌ1を入射させると、法線方向と角度θ2をなす方向に左円偏光ＰLの光Ｌ2が出射される。なお、光学異方性層１２１の面に垂直に光を入射するとは、言い換えれば、面の法線に沿って光を入射する、ということである。また、以下の説明では、光学異方性層１２１に入射する右円偏光ＰRの光Ｌ1を『入射光Ｌ1』ともいう。さらに、以下の説明では、光学異方性層から出射する左円偏光ＰLの光Ｌ2を『出射光Ｌ2』ともいう。
すなわち、図６に示すように、光学異方性層１２１の面に垂直に右円偏光ＰRの光Ｌ1を入射させると、法線方向と角度θ2をなす方向に左円偏光ＰLの光Ｌ2が出射される。なお、光学異方性層１２１の面に垂直に光を入射するとは、言い換えれば、面の法線に沿って光を入射する、ということである。また、以下の説明では、光学異方性層１２１に入射する右円偏光ＰRの光Ｌ1を『入射光Ｌ1』ともいう。さらに、以下の説明では、光学異方性層から出射する左円偏光ＰLの光Ｌ2を『出射光Ｌ2』ともいう。
【0055】
回折素子１６１は、所定の波長の光を入射させる場合、光学異方性層１２１における回転周期ｐが小さいほど、回折角すなわち出射光Ｌ2の出射角が大きくなる。出射光Ｌ2の出射角とは、光学異方性層１２１の法線方向と出射光Ｌ2とが成す角度である。
【0056】
なお、液晶回折素子１２１は右円偏光と左円偏光とは回折する方位が異なるので、液晶回折素子１２１からの出射光Ｌ2の回折方向は、液晶回折素子１２１に入射する光の円偏光の状態を制御して入射する。すなわち、図示例のように、入射光が直線偏光の場合は、λ／４板を挿入して、左右どちらかの円偏光に変換してから入射することで、光の回折の方位をどちらかのみにすることができる。
【0057】
液晶回折素子（光学異方性層）１２１により回折作用を生じさせる光の波長λは、紫外から可視光、赤外、さらには、電磁波レベルであってもよい。
同一の回転周期ｐに対し、入射光の波長が大きいほど回折角が大きく、入射光の波長が小さいほど回折角が小さくなる。
なお、液晶化合物２０としては、棒状液晶化合物および円盤状液晶化合物が利用可能である。
同一の回転周期ｐに対し、入射光の波長が大きいほど回折角が大きく、入射光の波長が小さいほど回折角が小さくなる。
なお、液晶化合物２０としては、棒状液晶化合物および円盤状液晶化合物が利用可能である。
【0058】
図６に示すように、液晶回折素子１２１の表面の法線に沿って右円偏光ＰRの入射光Ｌ1を入射させると、法線方向と角度θ2をなす方向に左円偏光ＰLの出射光Ｌ2が出射される。
一方、液晶回折素子１２１に左円偏光を入射光として入射させた場合には、入射光は光学異方性層１２１において右円偏光に変換されると共に図６とは逆向き（図中左方向）に進行方向が変化される。
一方、液晶回折素子１２１に左円偏光を入射光として入射させた場合には、入射光は光学異方性層１２１において右円偏光に変換されると共に図６とは逆向き（図中左方向）に進行方向が変化される。
【0059】
上記説明では入射光を光学異方性層に対して垂直に入射する例を示したが、入射光が斜めになった場合も同様に透過回折の効果が得られる。
斜め入射の場合には、入射角θ1を考慮に入れて上記式（１）を満たすように、所望の回折角θ2を得られるように回転周期の設計をすればよい。
斜め入射の場合には、入射角θ1を考慮に入れて上記式（１）を満たすように、所望の回折角θ2を得られるように回転周期の設計をすればよい。
【0060】
上述したように、本発明の光走査装置１００は、光偏向器１０１が偏向した光を、回折素子１６１（光学異方性層１２１）によって回折することで、光偏向器１０１の最大偏向角θmaxよりも遥かに大きい、最大の出射角度θmaxoutの偏向角による光の偏向を可能にしている。
【0061】
光学異方性層１２１による光の回折角は、液晶化合物２０の光学軸２２が１８０°回転する１周期すなわち回転周期ｐが短いほど、大きくなる。
【0062】
また、入射する円偏光の偏向方向（旋回方向）が同じ場合には、光学異方性層１２１による光の回折方向は、液晶化合物２０の光学軸２２の回転方向によって、逆になる。
すなわち、入射光Ｌ1が右円偏光ＰRである場合に、出射面側から見て、光学軸２２の回転方向が、図４～図６に示すように軸Ａ方向（矢印ｘ方向）に向かって時計回りである場合には、出射光Ｌ2は、例えば、軸Ａ方向に回折される。
これに対して、入射光Ｌ1が右円偏光ＰRである場合に、出射面側から見て、光学軸２２の回転方向が、軸Ａ方向に向かって反時計回りである場合には、出射光Ｌ2は、軸Ａ方向（矢印の方向）とは逆方向に回折される。
すなわち、入射光Ｌ1が右円偏光ＰRである場合に、出射面側から見て、光学軸２２の回転方向が、図４～図６に示すように軸Ａ方向（矢印ｘ方向）に向かって時計回りである場合には、出射光Ｌ2は、例えば、軸Ａ方向に回折される。
これに対して、入射光Ｌ1が右円偏光ＰRである場合に、出射面側から見て、光学軸２２の回転方向が、軸Ａ方向に向かって反時計回りである場合には、出射光Ｌ2は、軸Ａ方向（矢印の方向）とは逆方向に回折される。
【0063】
これに応じて、本発明の光走査装置１００においては、光学異方性層１２１は、軸Ａ方向に向かう液晶化合物２０の光学軸２２の回転周期ｐを、光偏向器１０１による偏向（偏向方位）の中心から外側に向かって、漸次、短くする。すなわち、光学異方性層１２１による光の回折角は、偏向方向の外側に向かうにしたがって、大きくなる。
加えて、本発明の光走査装置１００においては、光学異方性層１２１は、軸Ａ方向に向かう液晶化合物２０の光学軸２２の回転方向を、光偏向器１０１による偏向の中心において、逆転する。例えば、図示例であれば、軸Ａ方向に向かって、軸Ａ方向の上流側から、偏向方向の中心までは、軸Ａ方向に向かう光学軸２２の回転方向を反時計回りとし、偏向の中心で光学軸２２の回転方向を逆転して、偏向の中心から軸Ａ方向の下流に向かっては、軸Ａ方向に向かう光学軸２２の回転方向を時計回りとする。
本発明の光走査装置１００は、このような構成を有することにより、光偏向器１０１の最大偏向角θmaxよりも遥かに大きい、最大の出射角度θmaxoutの偏向角による光の偏向を可能にしている。
加えて、本発明の光走査装置１００においては、光学異方性層１２１は、軸Ａ方向に向かう液晶化合物２０の光学軸２２の回転方向を、光偏向器１０１による偏向の中心において、逆転する。例えば、図示例であれば、軸Ａ方向に向かって、軸Ａ方向の上流側から、偏向方向の中心までは、軸Ａ方向に向かう光学軸２２の回転方向を反時計回りとし、偏向の中心で光学軸２２の回転方向を逆転して、偏向の中心から軸Ａ方向の下流に向かっては、軸Ａ方向に向かう光学軸２２の回転方向を時計回りとする。
本発明の光走査装置１００は、このような構成を有することにより、光偏向器１０１の最大偏向角θmaxよりも遥かに大きい、最大の出射角度θmaxoutの偏向角による光の偏向を可能にしている。
【0064】
なお、光学軸２２の回転方向を逆転するのは、通常、光学異方性層１２１における、軸Ａ方向（矢印ｘ方向）すなわち光学軸２２が回転する一方向の中心である。すなわち、光走査装置１００においては、通常、光偏向器１０１における偏向の中心と、光学異方性層１２１における軸Ａ方向の中心とを、一致させる。
【0065】
なお、本発明において、回転周期ｐは、偏向の中心から外側に向かって、連続的に短くなってもよく、または、段階的に短くなってもよい。
【0066】
＜光学異方性層の形成＞
光学異方性層１２１は、一例として、液晶化合物を含む液晶組成物によって形成する。
光学異方性層１２１を形成するための、液晶化合物を含む液晶組成物は、液晶化合物の他に、レベリング剤、配向制御剤、重合開始剤および配向助剤などのその他の成分を含有していてもよい。支持体上に配向膜を形成し、その配向膜上に液晶組成物を塗布、硬化することにより、液晶組成物の硬化層からなる、所定の液晶配向パターンが固定化された光学異方性層を得ることができる。
次に、液晶組成物の各構成成分について詳述する。
光学異方性層１２１は、一例として、液晶化合物を含む液晶組成物によって形成する。
光学異方性層１２１を形成するための、液晶化合物を含む液晶組成物は、液晶化合物の他に、レベリング剤、配向制御剤、重合開始剤および配向助剤などのその他の成分を含有していてもよい。支持体上に配向膜を形成し、その配向膜上に液晶組成物を塗布、硬化することにより、液晶組成物の硬化層からなる、所定の液晶配向パターンが固定化された光学異方性層を得ることができる。
次に、液晶組成物の各構成成分について詳述する。
【0067】
光学異方性層１２１は、棒状液晶化合物または円盤状液晶化合物を含む液晶組成物の硬化層からなり、棒状液晶化合物の光学軸または円盤状液晶化合物の光学軸が、上記のように配向された液晶配向パターンを有している。
支持体１３１上に配向膜を形成し、配向膜上に液晶組成物を塗布、硬化することにより、液晶組成物の硬化層からなる光学異方性層を得ることができる。なお、いわゆるλ／２板として機能するのは光学異方性層であるが、本発明は、支持体１３１および配向膜を一体的に備えた積層体がλ／２板として機能する態様を含む。
また、光学異方性層を形成するための液晶組成物は、棒状液晶化合物または円盤状液晶化合物を含有し、さらに、レベリング剤、配向制御剤、重合開始剤および配向助剤などのその他の成分を含有していてもよい。
支持体１３１上に配向膜を形成し、配向膜上に液晶組成物を塗布、硬化することにより、液晶組成物の硬化層からなる光学異方性層を得ることができる。なお、いわゆるλ／２板として機能するのは光学異方性層であるが、本発明は、支持体１３１および配向膜を一体的に備えた積層体がλ／２板として機能する態様を含む。
また、光学異方性層を形成するための液晶組成物は、棒状液晶化合物または円盤状液晶化合物を含有し、さらに、レベリング剤、配向制御剤、重合開始剤および配向助剤などのその他の成分を含有していてもよい。
【0068】
また、光学異方性層は、入射光の波長に対して広帯域であるのが望ましく、複屈折率が逆分散となる液晶材料を用いて構成されているのが好ましい。
さらに、液晶組成物に捩れ成分を付与することにより、また、異なる位相差層を積層することにより、入射光の波長に対して光学異方性層を実質的に広帯域にすることも好ましい。例えば、光学異方性層において、捩れ方向が異なる２層の液晶を積層することによって広帯域のパターン化されたλ／２板を実現する方法が特開２０１４－０８９４７６号公報等に示されており、本発明において好ましく使用することができる。
さらに、液晶組成物に捩れ成分を付与することにより、また、異なる位相差層を積層することにより、入射光の波長に対して光学異方性層を実質的に広帯域にすることも好ましい。例えば、光学異方性層において、捩れ方向が異なる２層の液晶を積層することによって広帯域のパターン化されたλ／２板を実現する方法が特開２０１４－０８９４７６号公報等に示されており、本発明において好ましく使用することができる。
【0069】
―棒状液晶化合物―
棒状液晶化合物としては、アゾメチン類、アゾキシ類、シアノビフェニル類、シアノフェニルエステル類、安息香酸エステル類、シクロヘキサンカルボン酸フェニルエステル類、シアノフェニルシクロヘキサン類、シアノ置換フェニルピリミジン類、アルコキシ置換フェニルピリミジン類、フェニルジオキサン類、トラン類、および、アルケニルシクロヘキシルベンゾニトリル類が好ましく用いられる。以上のような低分子液晶性分子だけではなく、高分子液晶性分子も用いることができる。
棒状液晶化合物としては、アゾメチン類、アゾキシ類、シアノビフェニル類、シアノフェニルエステル類、安息香酸エステル類、シクロヘキサンカルボン酸フェニルエステル類、シアノフェニルシクロヘキサン類、シアノ置換フェニルピリミジン類、アルコキシ置換フェニルピリミジン類、フェニルジオキサン類、トラン類、および、アルケニルシクロヘキシルベンゾニトリル類が好ましく用いられる。以上のような低分子液晶性分子だけではなく、高分子液晶性分子も用いることができる。
【0070】
棒状液晶化合物を重合によって配向を固定することがより好ましく、重合性棒状液晶化合物としては、Makromol. Chem.,１９０巻、２２５５頁（１９８９年）、Advanced Materials ５巻、１０７頁（１９９３年）、米国特許４６８３３２７号明細書、同５６２２６４８号明細書、同５７７０１０７号明細書、国際公開第９５／２２５８６号、同９５／２４４５５号、同９７／００６００号、同９８／２３５８０号、同９８／５２９０５号、特開平１－２７２５５１号公報、同６－１６６１６号公報、同７－１１０４６９号公報、同１１－８００８１号公報、および、特願２００１－６４６２７号公報などに記載の化合物を用いることができる。さらに棒状液晶化合物としては、例えば、特表平１１－５１３０１９号公報および特開２００７－２７９６８８号公報に記載のものも好ましく用いることができる。
【0071】
―円盤状液晶化合物―
円盤状液晶化合物としては、例えば、特開２００７－１０８７３２号公報および特開２０１０－２４４０３８号公報に記載のものを好ましく用いることができる。
なお、光学異方性層に円盤状液晶化合物を用いた場合には、光学異方性層において、液晶化合物２０は厚さ方向に立ち上がっており、液晶化合物に由来する光学軸２２は、円盤面に垂直な軸、いわゆる進相軸として定義される。
円盤状液晶化合物としては、例えば、特開２００７－１０８７３２号公報および特開２０１０－２４４０３８号公報に記載のものを好ましく用いることができる。
なお、光学異方性層に円盤状液晶化合物を用いた場合には、光学異方性層において、液晶化合物２０は厚さ方向に立ち上がっており、液晶化合物に由来する光学軸２２は、円盤面に垂直な軸、いわゆる進相軸として定義される。
【0072】
光学異方性層１２１は、配向膜１３上に液晶組成物を多層塗布することにより形成することができる。
多層塗布とは、配向膜の上に液晶組成物を塗布し、加熱し、さらに冷却した後に紫外線硬化を行って１層目の液晶固定化層を作製した後、２層目以降はその液晶固定化層に重ね塗りして塗布を行い、同様に加熱し、冷却後に紫外線硬化を行うことを繰り返すことをいう。光学異方性層１２１を上記のように多層塗布して形成することにより、光学異方性層１２１の総厚が厚くなった場合でも、配向膜１３の配向方向を、光学異方性層１２１の下面から上面にわたって反映させることができる。
多層塗布とは、配向膜の上に液晶組成物を塗布し、加熱し、さらに冷却した後に紫外線硬化を行って１層目の液晶固定化層を作製した後、２層目以降はその液晶固定化層に重ね塗りして塗布を行い、同様に加熱し、冷却後に紫外線硬化を行うことを繰り返すことをいう。光学異方性層１２１を上記のように多層塗布して形成することにより、光学異方性層１２１の総厚が厚くなった場合でも、配向膜１３の配向方向を、光学異方性層１２１の下面から上面にわたって反映させることができる。
【0073】
図７は、液晶回折素子の設計変更例における光学異方性層の平面模式図である。
図７に示す光学異方性層１２２における液晶配向パターンは、上述した光学異方性層１２１における液晶配向パターンと異なる。図７においては、光学軸２２のみを示している。図７の光学異方性層１２２は、光学軸２２の向きが中心側から外側の多方向、例えば、軸Ａ1、Ａ2、Ａ3…に沿って徐々に回転して変化している液晶配向パターンを有している。
すなわち、図７に示す光学異方性層１２２の液晶配向パターンは、放射状に光学軸２２が回転する液晶配向パターンである。言い換えれば、図７に示す光学異方性層１２２の液晶配向パターンは、光学軸の向きが連続的に回転しながら変化する一方向を、内側から外側に向かう同心円状に有する、同心円状のパターンである。
図７に示す液晶配向パターンによって、入射光は光学軸２２の向きが異なる局所領域間では、異なる変化量で絶対位相が変化する。図７に示すような放射状に光学軸が回転変化する液晶配向パターンを備えれば、入射した光を、発散光または集光光として透過させることができる。すなわち、光学異方性層１２１中の液晶配向パターンによって凹レンズまたは凸レンズとしての機能を実現できる。
図７に示す光学異方性層１２２における液晶配向パターンは、上述した光学異方性層１２１における液晶配向パターンと異なる。図７においては、光学軸２２のみを示している。図７の光学異方性層１２２は、光学軸２２の向きが中心側から外側の多方向、例えば、軸Ａ1、Ａ2、Ａ3…に沿って徐々に回転して変化している液晶配向パターンを有している。
すなわち、図７に示す光学異方性層１２２の液晶配向パターンは、放射状に光学軸２２が回転する液晶配向パターンである。言い換えれば、図７に示す光学異方性層１２２の液晶配向パターンは、光学軸の向きが連続的に回転しながら変化する一方向を、内側から外側に向かう同心円状に有する、同心円状のパターンである。
図７に示す液晶配向パターンによって、入射光は光学軸２２の向きが異なる局所領域間では、異なる変化量で絶対位相が変化する。図７に示すような放射状に光学軸が回転変化する液晶配向パターンを備えれば、入射した光を、発散光または集光光として透過させることができる。すなわち、光学異方性層１２１中の液晶配向パターンによって凹レンズまたは凸レンズとしての機能を実現できる。
【0074】
本発明の光走査装置の好ましい態様としては、図７に示す光学異方性層１２２の凹レンズの機能を回折素子１６１に用いる。このときに、レンズの中心を光偏向器１０１の出射光の中心に合わせると、光偏向器１０１から出射した最大偏向角θmaxの角度を最も効率的に光を広げることができる。
なお、液晶回折素子の分割領域（１２０ａ～１２０ｅに例示）の大きさは小さいほど滑らかに変化するので好ましいが、照射するレーザ光のビーム径によっては実用上問題ない程度に有限の値であってもよい。たとえば、１０～数百μｍ程度であってもよい。
なお、液晶回折素子の分割領域（１２０ａ～１２０ｅに例示）の大きさは小さいほど滑らかに変化するので好ましいが、照射するレーザ光のビーム径によっては実用上問題ない程度に有限の値であってもよい。たとえば、１０～数百μｍ程度であってもよい。
【0075】
以上の例では、液晶回折素子の液晶化合物は、厚さ方向には一方向を向いているが、本発明は、これに制限はされない。液晶回折素子を構成する光学異方性層は、厚さ方向に沿って伸びる螺旋軸に沿って捩れ配向した液晶化合物を有するものであってもよい。また、捻れ配向方向が異なる複数の液晶層の積層であってもよい。この場合、光の入射角度と波長に対する許容度が広くなる。
【0076】
図７に示す光学異方性層１２２の凹レンズの機能を回折素子１６１に用いることにより、中心から放射状に拡散するように、光を偏向させることができる。
例えば、本発明の光走査装置において、図１０に概念的に示すように、凹レンズとして機能する光学異方性層１２２を有する回折素子１６２と、光偏向器として、放射状に光を偏向する光偏向器１０２とを用いる。光偏向器１０２は、例えば、方位３６０°、極角０～３５°で、光を偏向する。
これにより、図１０に示すように、光偏向器１０２で放射状に偏向した光Ｌを、液晶回折素子１２２によって回折させることで、偏向角すなわち光偏向器１０２による方位角を拡大して、広い範囲に放射状に光を偏向できる。
また、図１０に示すように、光走査装置は、集光素子としての集光レンズ１１０と、λ／４板１１１と、集光レンズ１１２と、を好適に有してもよい。集光レンズ１１０は、公知の集光レンズであって、液晶回折素子に入射する光を、若干、集光するものである。集光レンズ１１０を有することにより、光走査装置１００（液晶回折素子１２２）から出射する光（光ビーム）を、適正な平行光にして、直進性を向上できる。
例えば、本発明の光走査装置において、図１０に概念的に示すように、凹レンズとして機能する光学異方性層１２２を有する回折素子１６２と、光偏向器として、放射状に光を偏向する光偏向器１０２とを用いる。光偏向器１０２は、例えば、方位３６０°、極角０～３５°で、光を偏向する。
これにより、図１０に示すように、光偏向器１０２で放射状に偏向した光Ｌを、液晶回折素子１２２によって回折させることで、偏向角すなわち光偏向器１０２による方位角を拡大して、広い範囲に放射状に光を偏向できる。
また、図１０に示すように、光走査装置は、集光素子としての集光レンズ１１０と、λ／４板１１１と、集光レンズ１１２と、を好適に有してもよい。集光レンズ１１０は、公知の集光レンズであって、液晶回折素子に入射する光を、若干、集光するものである。集光レンズ１１０を有することにより、光走査装置１００（液晶回折素子１２２）から出射する光（光ビーム）を、適正な平行光にして、直進性を向上できる。
【0077】
なお、このように放射状に光を偏向する光偏向器１０２としては、一例として、２０１２－２０８３５２号公報に記載されるＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems、微小機器電気システム）光偏向器、特開２０１４－１３４６４２号公報に記載されるＭＥＭＳ光偏向器、および、特開２０１５－２２０６４号公報に記載されるＭＥＭＳ光偏向器等、圧電アクチュエータ等を用いてミラー（鏡）を揺動させることにより、光を偏向（偏向走査）する、公知のＭＥＭＳ光偏向器（ＭＥＭＳ（光）スキャナー、ＭＥＭＳ光偏向器、ＭＥＭＳミラー、および、ＤＭＤ（Digital MicromirrorDevice））等が例示される。また、本発明の光走査装置は、単純構造、単純駆動で、大きな角度偏向可能なため、軽量小型化が望まれる光をスキャンするあらゆる用途に応用が可能である。例えば、ビームスキャンを用いた描画装置、ビームスキャン型プロジェクションディスプレイ、ビームスキャン型ヘッドアップディスプレイ、ビームスキャン型ＡＲグラス等である。この場合、可視光をはじめ広い波長域で光を光偏向させる装置として応用することができる。
【0078】
本発明の光走査装置において、光偏向器としては、上述したＭＥＭＳ光偏向器、液晶光位相変調素子に制限はされず、ガルバノミラー、ポリゴンミラー、および、光フェーズドアレー偏向素子（光位相変調素子）等、公知の光偏向器が、各種、利用可能である。
中でも、機械的な可動部が小さく、かつ、機械的な可動部が少ないという点で、光偏向器としては、上述したＭＥＭＳ光偏向素子および光フェーズドアレー偏向素子が、好適に利用される。
中でも、機械的な可動部が小さく、かつ、機械的な可動部が少ないという点で、光偏向器としては、上述したＭＥＭＳ光偏向素子および光フェーズドアレー偏向素子が、好適に利用される。
【実施例】
【0079】
以下、本発明の実施例について具体的に説明する。
【0080】
以下の比較例および実施例の光走査装置は、上記実施形態１に係るものである。
【0081】
［比較例１］
＜液晶回折素子の作製＞
支持体として、市販のガラス基板（コーニング社ＥＡＧＬＥ）を用意した。この支持体の線膨張係数は３ｐｐｍ／℃であった。
この支持体をプラズマ処理で表面処理し溶液塗布性を改良した後、下記の配向膜形成用塗布液をスピンコートした後、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。
＜液晶回折素子の作製＞
支持体として、市販のガラス基板（コーニング社ＥＡＧＬＥ）を用意した。この支持体の線膨張係数は３ｐｐｍ／℃であった。
この支持体をプラズマ処理で表面処理し溶液塗布性を改良した後、下記の配向膜形成用塗布液をスピンコートした後、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。
【0082】
配向膜形成用塗布液
―――――――――――――――――――――――――――――――――
光配向用素材Ａ １．００質量部
水 １６．００質量部
ブトキシエタノール ４２．００質量部
プロピレングリコールモノメチルエーテル ４２．００質量部
―――――――――――――――――――――――――――――――――
―――――――――――――――――――――――――――――――――
光配向用素材Ａ １．００質量部
水 １６．００質量部
ブトキシエタノール ４２．００質量部
プロピレングリコールモノメチルエーテル ４２．００質量部
―――――――――――――――――――――――――――――――――
【0083】
－光配向用素材Ａ－
【化1】
【0084】
（配向膜の露光）
図９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（４０５ｎｍ）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１００ｍＪ／ｃｍ2とした。
なお、レンズ（凸レンズ）の屈折力を調節して、その後の光学異方性層の形成時に、中心から外側に向かって、光学異方性層における液晶化合物の光学軸の回転の周期が、漸次、短くなるようにした。
図９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（４０５ｎｍ）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１００ｍＪ／ｃｍ2とした。
なお、レンズ（凸レンズ）の屈折力を調節して、その後の光学異方性層の形成時に、中心から外側に向かって、光学異方性層における液晶化合物の光学軸の回転の周期が、漸次、短くなるようにした。
【0085】
（光学異方性層の形成）
光学異方性層を形成する液晶組成物として、下記の組成物Ａ－１を調製した。
組成物Ａ－１
――――――――――――――――――――――――――――――――――
液晶化合物Ｌ－１ １００．００質量部
重合開始剤（ＢＡＳＦ製、Ｉｒｇａｃｕｒｅ（登録商標）９０７）
３．００質量部
光増感剤（日本化薬社製、ＫＡＹＡＣＵＲＥ ＤＥＴＸ－Ｓ）
１．００質量部
レベリング剤Ｔ－１ ０．０８質量部
メチルエチルケトン ３１３．００質量部
――――――――――――――――――――――――――――――――――
光学異方性層を形成する液晶組成物として、下記の組成物Ａ－１を調製した。
組成物Ａ－１
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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（日本化薬社製、ＫＡＹＡＣＵＲＥ ＤＥＴＸ－Ｓ）
１．００質量部
レベリング剤Ｔ－１ ０．０８質量部
メチルエチルケトン ３１３．００質量部
――――――――――――――――――――――――――――――――――
【0086】
液晶化合物Ｌ－１
【化2】
【0087】
レベリング剤Ｔ－１
【化3】
【0088】
光学異方性層は、組成物Ａ－１を配向膜Ｐ－１上に多層塗布することにより形成した。多層塗布とは、先ず配向膜の上に１層目の組成物Ａ－１を塗布、加熱、冷却後に紫外線硬化を行って液晶固定化層を作製した後、２層目以降はその液晶固定化層に重ね塗りして塗布を行い、同様に加熱、冷却後に紫外線硬化を行うことを繰り返すことを指す。多層塗布により形成することにより、光学異方性層の総厚が厚くなった時でも配向膜の配向方向が光学異方性層の下面から上面にわたって反映される。
【0089】
先ず１層目は、配向膜Ｐ－１上に組成物Ａ－１を塗布して、塗膜をホットプレート上で７０℃に加熱し、その後、２５℃に冷却した後、窒素雰囲気下で高圧水銀灯を用いて波長３６５ｎｍの紫外線を１００ｍＪ／ｃｍ2の照射量で塗膜に照射することにより、液晶化合物の配向を固定化した。この時の１層目の液晶固定化層の膜厚は０．２μｍであった。
【0090】
２層目以降は、この液晶固定化層に重ね塗りして、上と同じ条件で加熱、冷却後に紫外線硬化を行って液晶固定化層を作製した。このようにして、総厚が所望の膜厚になるまで重ね塗りを繰り返して、光学異方性層を形成することで、支持体、配向膜、および、光学異方性層を有する、回折素子を作製した。
光学異方性層は、最終的に液晶のΔｎ９４０×厚さ（Ｒｅ（９４０））が４７０ｎｍになり、かつ、光学軸が回転する一方向において、中心から外側に向かって、光学異方性層における液晶化合物の光学軸の回転周期が、漸次、短くなっていること、および、中心で光学軸の回転方向が逆転していることを、偏光顕微鏡で確認した。
なお、この光学異方性層の液晶配向パターンにおいて、液晶化合物の光軸が１８０°回転する回転周期（１周期）は、中心部の回転周期が非常に大きく（回転周期の逆数が０）、中心から２．５ｍｍの距離での回転周期が１０．６μｍ、中心から５．０ｍｍの距離での回転周期が５．３μｍであり、中心から外方向に向かって、回転周期が、漸次、短くなる液晶配向パターンであった。
光学異方性層は、最終的に液晶のΔｎ９４０×厚さ（Ｒｅ（９４０））が４７０ｎｍになり、かつ、光学軸が回転する一方向において、中心から外側に向かって、光学異方性層における液晶化合物の光学軸の回転周期が、漸次、短くなっていること、および、中心で光学軸の回転方向が逆転していることを、偏光顕微鏡で確認した。
なお、この光学異方性層の液晶配向パターンにおいて、液晶化合物の光軸が１８０°回転する回転周期（１周期）は、中心部の回転周期が非常に大きく（回転周期の逆数が０）、中心から２．５ｍｍの距離での回転周期が１０．６μｍ、中心から５．０ｍｍの距離での回転周期が５．３μｍであり、中心から外方向に向かって、回転周期が、漸次、短くなる液晶配向パターンであった。
【0091】
光源のレーザーとして９４０ｎｍの半導体レーザーを用意した。またレーザーの直線偏光を円偏光に変換して液晶回折素子に入射するために、λ／４板（円偏光板、Ｅｄｍｕｎｄ社）を準備した。Δｎ９４０×ｄ（Ｒｅ（９４０））は４７０ｎｍであった。
また、特開２０１４－１３４６４２号公報に記載される方法でマイクロミラーデバイスを作製した。ミラー部の直径は４ｍｍ、偏向角度は±３５°であった。
これらを図１になるように構成し、光走査装置を作製した。この際に、レーザー光の偏光方位とλ／４板の面内遅相軸とを４５°で交差させ、円偏光に変換されるようにした。また、光偏向器によって偏向した光の直進性を良くするために光源と光偏向器との間に集光レンズ（凸レンズ）を配置した。
その他、各光学部品の特性値は以下の通りである。
レーザー光の光径は３ｍｍ、集光レンズの焦点距離は３５ｍｍ、集光レンズとＭＥＭＳの距離は１６ｍｍ、ＭＥＭＳと液晶回折素子の距離は７ｍｍとした。
ＭＥＭＳによる出射光の偏向角度の範囲は±３５°であった。
液晶回折素子の直径は２０ｍｍである。液晶回折素子は、中心部の回転周期が非常に大きく（回転周期の逆数が０）で、半径５ｍｍの位置での回転周期が４．８μｍ、半径１０ｍｍの位置での回転周期が２．６μｍであり、中心から外方向に向かって、回転周期が、漸次、短くなる液晶配向パターンであった。
また、特開２０１４－１３４６４２号公報に記載される方法でマイクロミラーデバイスを作製した。ミラー部の直径は４ｍｍ、偏向角度は±３５°であった。
これらを図１になるように構成し、光走査装置を作製した。この際に、レーザー光の偏光方位とλ／４板の面内遅相軸とを４５°で交差させ、円偏光に変換されるようにした。また、光偏向器によって偏向した光の直進性を良くするために光源と光偏向器との間に集光レンズ（凸レンズ）を配置した。
その他、各光学部品の特性値は以下の通りである。
レーザー光の光径は３ｍｍ、集光レンズの焦点距離は３５ｍｍ、集光レンズとＭＥＭＳの距離は１６ｍｍ、ＭＥＭＳと液晶回折素子の距離は７ｍｍとした。
ＭＥＭＳによる出射光の偏向角度の範囲は±３５°であった。
液晶回折素子の直径は２０ｍｍである。液晶回折素子は、中心部の回転周期が非常に大きく（回転周期の逆数が０）で、半径５ｍｍの位置での回転周期が４．８μｍ、半径１０ｍｍの位置での回転周期が２．６μｍであり、中心から外方向に向かって、回転周期が、漸次、短くなる液晶配向パターンであった。
【0092】
光源の２５℃における中心波長λ０は、９４０ｎｍであり、４０℃温度上昇した場合の中心波長の増分ｄλは、８ｎｍである。
支持体の線膨張係数は３ｐｐｍ／℃であるため、条件式（１）の左辺は、２．０７×１０-4となり、条件式（１）を満たさない。
支持体の線膨張係数は３ｐｐｍ／℃であるため、条件式（１）の左辺は、２．０７×１０-4となり、条件式（１）を満たさない。
【0093】
［実施例１］
比較例１の支持体を、ＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル樹脂）である、住化アクリル販売社製、テクノロイＳ００１Ｇに変えた以外は比較例１と同じ条件で実施例１の液晶回折素子を作製し、光走査装置を作製した。なおＰＭＭＡの熱膨張係数は７０ｐｐｍ／℃であった。
実施例１の構成では、条件式（１）の左辺は、１．４×１０-4となり、条件式（１）を満たす。
比較例１の支持体を、ＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル樹脂）である、住化アクリル販売社製、テクノロイＳ００１Ｇに変えた以外は比較例１と同じ条件で実施例１の液晶回折素子を作製し、光走査装置を作製した。なおＰＭＭＡの熱膨張係数は７０ｐｐｍ／℃であった。
実施例１の構成では、条件式（１）の左辺は、１．４×１０-4となり、条件式（１）を満たす。
【0094】
［実施例２］
実施例１の支持体を、シクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ）である、日本ゼオン社製、ＺＦ－４に変えた以外は実施例１と同じ条件で実施例２の液晶回折素子を作製し、光走査装置を作製した。なおＣＯＰの熱膨張係数は７０ｐｐｍ／℃であった。
実施例２の構成では、条件式（１）の左辺は、１．４×１０-4となり、条件式（１）を満たす。
実施例１の支持体を、シクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ）である、日本ゼオン社製、ＺＦ－４に変えた以外は実施例１と同じ条件で実施例２の液晶回折素子を作製し、光走査装置を作製した。なおＣＯＰの熱膨張係数は７０ｐｐｍ／℃であった。
実施例２の構成では、条件式（１）の左辺は、１．４×１０-4となり、条件式（１）を満たす。
【0095】
［実施例３］
実施例１の支持体を、低密度ポリエチレンである、タマポリ社製、Ｖ－１に変えた以外は実施例１と同じ条件で実施例３の液晶回折素子を作製し、光走査装置を作製した。なお低密度ポリエチレンの熱膨張係数は１８０ｐｐｍ／℃であった。
実施例３の構成では、条件式（１）の左辺は、０．３×１０-4となり、条件式（１）を満たす。
実施例１の支持体を、低密度ポリエチレンである、タマポリ社製、Ｖ－１に変えた以外は実施例１と同じ条件で実施例３の液晶回折素子を作製し、光走査装置を作製した。なお低密度ポリエチレンの熱膨張係数は１８０ｐｐｍ／℃であった。
実施例３の構成では、条件式（１）の左辺は、０．３×１０-4となり、条件式（１）を満たす。
【0096】
［評価］
マイクロミラーデバイスによる偏向角は回折素子への入射角－３０°～＋３０°の範囲とし、回折素子に入射した光は、入射角－３０～＋３０°の範囲から液晶回折素子で大きく拡大され、±６０°の偏向角で光が出射されることを確認した。また、このデバイスの回折素子の線膨張係数を室温２５°と６５°における長さを測定することにより求めた値を下記表に示す。このデバイスの温度変動による影響を確認するため、入射角３０°における出射角度６０°の変化を温度を変えて評価した。
温度は室温２５°と６５°を比較した。
Ａ：温度変動での角度変化が０．１°以内（許容）
Ｂ：温度変動での角度変化が０．１～０．３°（許容）
Ｘ：温度変動での角度変化が０．３°以上（不許容）
評価結果を下記表１に示す。
マイクロミラーデバイスによる偏向角は回折素子への入射角－３０°～＋３０°の範囲とし、回折素子に入射した光は、入射角－３０～＋３０°の範囲から液晶回折素子で大きく拡大され、±６０°の偏向角で光が出射されることを確認した。また、このデバイスの回折素子の線膨張係数を室温２５°と６５°における長さを測定することにより求めた値を下記表に示す。このデバイスの温度変動による影響を確認するため、入射角３０°における出射角度６０°の変化を温度を変えて評価した。
温度は室温２５°と６５°を比較した。
Ａ：温度変動での角度変化が０．１°以内（許容）
Ｂ：温度変動での角度変化が０．１～０．３°（許容）
Ｘ：温度変動での角度変化が０．３°以上（不許容）
評価結果を下記表１に示す。
【0097】
【表1】
【0098】
これにより、式１の値を満たすの場合に温度変動による影響が小さいことは明らかである。
【符号の説明】
【0099】
１３ 配向膜
５０、８０ 露光装置
５２、８２ レーザ
５４、８４ 光源
５６、８６、９４ 偏光ビームスプリッター
５８Ａ、５８Ｂ、９０Ａ、９０Ｂ ミラー
６０Ａ、６０Ｂ、９６ λ／４板
７０ レーザ光
７２Ａ、７２Ｂ 光線
９２ レンズ
１００ 光走査装置
１０１、１０２ 光偏向器
１１０ 集光レンズ
１１１ λ／４板
１２０、１２１、１２２ 液晶回折素子（光学異方性層）
１２０ａ～１２０ｅ 領域
１３１ 支持体
１４１ 制御器
１５１ 光源
１６１、１６２ 回折素子
β 交差角
Ｐ0 直線偏光
ＰR 右円偏光
ＰL 左円偏光
Ｍ レーザ光
ＭＳ Ｓ偏光
ＭＰ Ｐ偏光
５０、８０ 露光装置
５２、８２ レーザ
５４、８４ 光源
５６、８６、９４ 偏光ビームスプリッター
５８Ａ、５８Ｂ、９０Ａ、９０Ｂ ミラー
６０Ａ、６０Ｂ、９６ λ／４板
７０ レーザ光
７２Ａ、７２Ｂ 光線
９２ レンズ
１００ 光走査装置
１０１、１０２ 光偏向器
１１０ 集光レンズ
１１１ λ／４板
１２０、１２１、１２２ 液晶回折素子（光学異方性層）
１２０ａ～１２０ｅ 領域
１３１ 支持体
１４１ 制御器
１５１ 光源
１６１、１６２ 回折素子
β 交差角
Ｐ0 直線偏光
ＰR 右円偏光
ＰL 左円偏光
Ｍ レーザ光
ＭＳ Ｓ偏光
ＭＰ Ｐ偏光
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
