ポリマー分散液晶型の偏光選択性ホログラム素子及びその製造方法
【課題】 露光前から露光後までにおいてＰＤＬＣ混合物とガラス基板との界面での屈折率差を極めて小さくして反射光量を減らし、高効率な回折効率を得る。
【解決手段】 誘電異方性を有する非重合性液晶と、重合性モノマーあるいはプレポリマーと、光重合開始剤とからなる混合物５４を一対の基板５３ａ、５３ｂ間に保持し、誘電異方性を有する非重合性液晶の常光と異常光屈折率をそれぞれｎｏ、ｎｅ、重合性モノマーあるいはプレポリマーの屈折率をｎ２とし、非重合性液晶と、重合性モノマーあるいはプレポリマーの体積比をα：（１−α）（ただし、０＜α＜１）としたとき、一対の透明基板の原板から遠いほうの基板屈折率ｎは、ｍｉｎ（ｎｏ，ｎ２）≦ｎ＜α・（２ｎｏ＋ｎｅ）／３＋（１−α）・ｎ２（ただし、ｍｉｎ（ｎｏ，ｎ２）はｎｏとｎ２のうち小さいほうの値）を満たし、ポリマーから成る層と非重合性液晶から成る層との周期的な相分離構造を形成する。
【解決手段】 誘電異方性を有する非重合性液晶と、重合性モノマーあるいはプレポリマーと、光重合開始剤とからなる混合物５４を一対の基板５３ａ、５３ｂ間に保持し、誘電異方性を有する非重合性液晶の常光と異常光屈折率をそれぞれｎｏ、ｎｅ、重合性モノマーあるいはプレポリマーの屈折率をｎ２とし、非重合性液晶と、重合性モノマーあるいはプレポリマーの体積比をα：（１−α）（ただし、０＜α＜１）としたとき、一対の透明基板の原板から遠いほうの基板屈折率ｎは、ｍｉｎ（ｎｏ，ｎ２）≦ｎ＜α・（２ｎｏ＋ｎｅ）／３＋（１−α）・ｎ２（ただし、ｍｉｎ（ｎｏ，ｎ２）はｎｏとｎ２のうち小さいほうの値）を満たし、ポリマーから成る層と非重合性液晶から成る層との周期的な相分離構造を形成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ポリマー分散液晶型の偏光選択性ホログラム素子およびその製造方法に関し、入射偏光によって回折もしくは透過する回折格子で、偏光分離素子として利用できるものである。
【背景技術】
【０００２】
光重合相分離を用いたホログラフィック高分子型液晶素子（Holographic Polymer Dispersed Liquid Crystals ：以下ＨＰＤＬＣという。）を応用したホログラム回折格子を偏光分離素子として用いることが提案されている。
【０００３】
このＨＰＤＬＣは、非重合性液晶と等方相しか示さない光重合性モノマーとの混合相からなるホログラム記録材料層に、ホログラム回折格子を露光記録することにより形成される。
【０００４】
このＨＰＤＬＣを作成する方法として、液晶と光重合性モノマーの混合物を光干渉露光によって作成する方法が提案されている（特許文献１参照）。
【０００５】
ＨＰＤＬＣは、一対の透明基板に上記したホログラム記録材料層となる混合物が保持されている。この透明基板としては、ガラス基板が用いられている。従来、ガラス基板は、重合性モノマー（あるいはプレポリマー）または非重合性液晶の常光屈折率に近い値のものを使用してきた。
【０００６】
ＨＰＤＬＣは、その特性上、露光開始前、露光中、露光後で屈折率が変化する。このため、露光前の混合物中の平均屈折率とガラス基板の屈折率が一致していたとしても露光中にポリマー層と液晶層が分離、形成し始めるとどちらの層もガラスとの屈折率がわずかに異なる。したがって、露光中にガラスとポリマー層、または、ガラスと液晶層との面で反射光が発生する。
【０００７】
この反射光で特に問題となるのは一対のガラス基板のうち、露光側と反対側のガラスとの界面反射である。
【０００８】
反射光の問題点につき、図１０を参照して説明する。図１０は、誘電異方性を有する非重合性液晶と、重合性モノマーあるいはプレポリマーと、光重合開始剤とからなる混合物１０３を２枚のガラス基板１０１、１０２で挟んだセルを１つのレーザ光を二分して所定の角度で基板に入射させた二光束Ｂ１、Ｂ２による露光中を図示したものである。
【０００９】
理想はＢ１、Ｂ２による干渉露光であるが、混合物１０３とガラス基板１０２の界面で反射が起こった場合、Ｂ１とＢ２の反射光をそれぞれＢ３、Ｂ４とするとＢ１とＢ３による干渉をはじめ、Ｂ２とＢ３、Ｂ１とＢ４、Ｂ２とＢ４による不要干渉縞が両基板１０１、１０２間に発生する。ポリマー層と液晶層が完全に形成される前にこれらの不要干渉縞が発生すると、高い回折効率を得ることが困難になる。
【特許文献１】特開２００３−１２１６５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記したように、ガラス基板と混合物との界面で反射が起こると、不要干渉縞が発生し、高い回折効率が得られなくなるという問題がある。
【００１１】
また、上記した特許文献１においては、液晶と光重合性モノマーの混合物を光干渉露光によってＨＰＤＬＣを作製することは記載されているが、混合物を挟持する透明基板の屈折率についての記載は無く、透明基板との界面の反射による回折効率低下には言及されていない。
【００１２】
そこで、本発明、露光前から露光後までにおいてＰＤＬＣ（Polymer Dispersed Liquid Crystals ）混合物とガラス基板との界面での屈折率差を極めて小さくして反射光量を減らし、高効率な回折効率を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この発明のポリマー分散液晶型の偏光選択性ホログラム素子は、少なくとも、誘電異方性を有する非重合性液晶と、重合性モノマーあるいはプレポリマーと、光重合開始剤とからなる混合物を一対の透明基板間に保持し、誘電異方性を有する非重合性液晶の常光と異常光屈折率をそれぞれｎｏ、ｎｅ、重合性モノマーあるいはプレポリマーの屈折率をｎ２とし、前記非重合性液晶と、重合性モノマーあるいはプレポリマーの体積比をα：（１−α）（ただし、０＜α＜１）としたとき、前記一対の透明基板の少なくとも原板から遠いほうの基板屈折率ｎは、
ｍｉｎ（ｎｏ，ｎ２）≦ｎ＜α・（２ｎｏ＋ｎｅ）／３＋（１−α）・ｎ２
（ただし、ｍｉｎ（ｎｏ，ｎ２）はｎｏとｎ２のうち小さいほうの値）
を満たし、主にポリマーから成る層と主に非重合性液晶から成る層との周期的な相分離構造を形成することを特徴とする。
【００１４】
また、この発明のポリマー分散液晶型の偏光選択性ホログラム素子の製造方法は、少なくとも、誘電異方性を有する非重合性液晶と、重合性モノマーあるいはプレポリマーと、光重合開始剤とからなる混合物を一対の透明基板間に保持し、誘電異方性を有する非重合性液晶の常光と異常光屈折率をそれぞれｎｏ、ｎｅ、重合性モノマーあるいはプレポリマーの屈折率をｎ２とし、前記非重合性液晶と、重合性モノマーあるいはプレポリマーの体積比をα：（１−α）（ただし、０＜α＜１）としたとき、
前記一対の透明基板の少なくとも原板から遠いほうの基板屈折率ｎは、
ｍｉｎ（ｎｏ，ｎ２）≦ｎ＜α・（２ｎｏ＋ｎｅ）／３＋（１−α）・ｎ２
（ただし、ｍｉｎ（ｎｏ，ｎ２）はｎｏとｎ２のうち小さいほうの値）
を満たし、前記混合物を周期的に遮蔽部と透過部とが形成されたマスクを介して露光することにより、主にポリマーから成る層と主に非重合性液晶から成る層との周期的な相分離構造を形成することを特徴とする。
【００１５】
また、この発明のポリマー分散液晶型の偏光選択性ホログラム素子の製造方法は、少なくとも、誘電異方性を有する非重合性液晶と、重合性モノマーあるいはプレポリマーと、光重合開始剤とからなる混合物を一対の透明基板間に保持し、誘電異方性を有する非重合性液晶の常光と異常光屈折率をそれぞれｎｏ、ｎｅ、重合性モノマーあるいはプレポリマーの屈折率をｎ２とし、前記非重合性液晶と、重合性モノマーあるいはプレポリマーの体積比をα：（１−α）（ただし、０＜α＜１）としたとき、
前記一対の透明基板の少なくとも原板から遠いほうの基板屈折率ｎは、
ｍｉｎ（ｎｏ， ｎ２）≦ｎ＜α・（２ｎｏ ＋ ｎｅ）／３＋（１−α）・ｎ２
（ただし、ｍｉｎ（ｎｏ， ｎ２）はｎｏとｎ２のうち小さいほうの値）
を満たし、前記混合物を干渉露光することにより、主にポリマーから成る層と主に非重合性液晶から成る層との周期的な相分離構造を形成することを特徴とする。
【００１６】
上記の構成において、少なくとも２つの異なる次数の回折光を発生させるホログラム原板を用いて、前記干渉露光を行い前記相分離構造を形成するように構成できる。
【００１７】
また、上記の構成において、前記原板からの回折光は実質的に０次光と＋１次光または−１次光のどちらか一方を利用するように構成できる。
【００１８】
また、上記の構成において、前記原板からの回折光は実質的に−１次光と＋１次光を利用するように構成できる。
【発明の効果】
【００１９】
この発明は、非重合性液晶と重合性モノマー（プレポリマー）との混合物の屈折率とこれを挟む透明基板との屈折率差を小さくすることで、不要反射光が低減され、回折効率の高い偏光選択性ホログラムを作製することができる。
【００２０】
また、非重合性液晶と重合性モノマー（プレポリマー）との混合物の屈折率とこれを挟む透明基板との屈折率差を小さくすることで、干渉露光によって作製するために微細な格子ピッチでも作製することができる。
【００２１】
また、ホログラム原板を用いた干渉露光で作製することで、作製がきわめて容易となる。
【００２２】
さらに、±1次光を生成するホログラム原板を用いるため、不要な干渉縞が無い露光でＨＰＤＬＣを作製できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付し、説明の重複を避けるためにその説明は繰返さない。
【００２４】
まず、ホログラムＰＤＬＣ（ＨＰＤＬＣ）の作製と動作について図１から図４を用いて説明する。
【００２５】
図１に示すように、非重合性液晶分子１３と重合性モノマー（あるいはプレポリマー）１４と図示しない光重合開始剤とを均一に混合した混合物２０を二枚の透明基板１１、１２間に挟む。混合物２０の厚みは基板間隔を制御するスペーサー部材１５によって制御できる。この混合物２０は感光性を有するため、素子作製工程において感度を有する波長域の光を遮断した環境下で取り扱うことが好ましい。
【００２６】
非重合性液晶１３としては、屈折率異方性を有する液晶ならば一般的なものを使用できる。液晶材料を選択する時は、あるオーダーパラメーターの配向状態において、重合性モノマーあるいはプレポリマーの硬化層の屈折率と等しい屈折率となる液晶材料を選択してもよく、また、液晶材料を選択してから、その液晶のあるオーダーパラメーターの配向状態での屈折率と同じ屈折率になるように重合性モノマー(あるいはプレポリマー）１４を選択してもよい。また重合性モノマーまたはそのプレポリマーとしては、重合による硬化収縮が大きいものを用いることが好ましい。光重合開始剤としては、公知の材料を用いることができ、光重合開始剤の添加量が少なすぎる場合にはポリマーと液晶の相分離が起こり難くなり、必要な露光時間が長くなってしまう。逆に、光重合開始剤が多すぎる場合にはポリマーと液晶の相分離が不十分な状態で硬化してしまうため、ポリマー中に多くの液晶分子が取り込まれ、偏光選択性が小さくなるという問題がある。スペーサー部材１５としては、液晶表示装置に用いられるような球形スペーサー、ファイバースペーサー、フィルムなどを用いることが出来る。また、フォトリソグラフィーとエッチングあるいは成型技術などによって基板表面に突起形状を加工しても良い。スペーサー部材１５はホログラムの有効領域外に形成することが好ましい。
【００２７】
スペーサー部材１５の高さは数μｍから数十μｍ範囲が好ましく、回折光の波長とポリマー部と液晶部の屈折率差に応じて所望のホログラム層厚みとなるように適宜設定される。
【００２８】
ところで、透過型回折格子の回折効率ηは、次式で現される。
【００２９】
η＝sin2ψ
ψ＝πｄn1／（λcosθ）
ここで、ｄは記録層の厚さ（すなわち、スペーサ部材１５の厚さ）、n1は屈折率変調量、λは再生波長、θはブラッグ条件を満たす角度からの差で表される。
【００３０】
θが0のとき、ｄ＝λ／２／n1を選ぶと、回折効率は１００％となる。
【００３１】
上記の関係からスペーサー部材１５の高さを選択する。
【００３２】
透明基板１１、１２としては、液晶表示装置に用いられるようなガラス、プラスチックなどを用いることが出来る。
【００３３】
次に、相分離によるホログラム形成過程について図２、図３を参照して説明する。図２に示すよに、図示しない所望の波長のレーザー光源（Ｂ１）（Ｂ２）による二光束干渉露光系を用いて、混合物２０中に露光を行う。二光束干渉露光により干渉縞が形成される。図３は、図２の丸で囲んだ部分の拡大図である。
【００３４】
この二光束干渉露光により、図３に示すように干渉縞の明部において重合性モノマー（あるいはプレポリマー）１４の光重合反応が始まる。この時、硬化収縮が起こって密度差が生じ、隣接する重合性モノマー（あるいはプレポリマー）１４が明部に移動し更に重合が進行する。それと同時に明部に存在していた非重合性液晶１３が暗部に向かって追い出されることで相分離が起こる。このとき液晶分子１３が移動して行く際にモノマーやポリマー鎖との相互作用で液晶分子長軸を移動方向に配向させようとする力が働くと考えられる。すなわち、相分離過程において干渉縞の間隔方向に液晶分子を配向させようとする力が働くと考えられる。最終的には、図４に示すように、干渉縞の明暗のピッチに対応してポリマー層１４ａと非重合性液晶層１３ａの周期構造が形成され、液晶層１３ａの配向ベクトルが干渉縞の間隔方向を向いた状態が得られると考えられる。この干渉露光および相分離過程において、試料を適当な温度に加熱保持しておくことが好ましい。温度によって相分離の速度が変化し、液晶分子１３の配向性に影響を及ぼすと考えられる。最適な加熱温度は使用する材料によって異なるが４０℃から１００℃程度が好ましい。
【００３５】
液晶部全体の常光屈折率ｎｏとポリマー部の屈折率ｎｐがほぼ一致するように液晶の種類とポリマーの種類の組合せを適宜設定することで、ｓ偏光の入射光に対しては液晶層１３ａ全体の常光屈折率ｎｏとポリマー層１４ａの屈折率ｎｐの差を感じないため回折せず、ｐ偏光の入射光に対しては液晶層１３ａ全体の異常光屈折率ｎｅとポリマー層１４ａの屈折差を感じて回折するような偏光選択性ホログラムが得られる。ここで、体積ホログラムの回折効率は屈折率変調量Δｎと厚みｄの積Δｎ・ｄに依存するので、屈折率差Δｎを大きく出来るとホログラムの厚みｄを薄く出来る。体積ホログラムの厚みを薄くすると回折効率の角度依存性が小さくなり、入射角変動に対する光利用効率低下が改善する。したがって、偏光選択性が大きく入射角度依存性が比較的少ない高効率な偏光選択性ホログラムが得られる。
【００３６】
この発明は、上記したＨＰＤＬＣにおいて、露光前から露光後までにおけるＰＤＬＣ（Polymer Dispersed Liquid Crystals ）混合物と基板との界面での屈折率差を極めて小さくして反射光量を減らし、高効率な回折効率を得るものである。以下、具体的実施形態につき説明する。
【００３７】
図５及び図６は、この発明の第１の実施形態を示し、図５は、概略断面図、図６は要部断面図である。
【００３８】
非重合性液晶分子と重合性モノマー（あるいはプレポリマー）と光重合開始剤とを均一に混合した混合物５４を二枚の透明基板５３ａ、５３ｂ間に挟み、保持させてセル５２を形成する。５３ａは露光側の透明基板、５３ｂは反対側の透明基板である。混合物５４の厚みは基板間隔を制御するスペーサー部材によって制御する。この混合物５４に用いられる非重合性液晶分子は、ネマチック、コレステリック、スメクチックのいずれのタイプでも良く、従来公知のビフェニル、ターフェニル、フェニルシクロヘキサン、ビフェニルシクロヘキサン、安息香酸フェニルエステル、シクロヘキサンカルボン酸フェニルエステル、フェニルピリミジン、フェニルジオキサン、トラン、１−フェニル−２−シクロヘキシルエタン、１−フェニル−２−ビフェニルエタン、１−シクロヘキシル−２−ビフェニルエタン、ビフェニルカルボン酸フェニルエステル、４−シクロヘキシル安息香酸フェニルエステルなどを骨格とし、アルキル基、アルコキシ基や誘電異方性を付与するための極性付与基としてのシアノ基、ハロゲン基などを置換基として有する液晶などを用いることができる。
【００３９】
この混合物５４に用いられる重合性モノマー（あるいはプレポリマー）は、重合による硬化収縮が大きいものを用いることが好ましく、このような重合性モノマーとしては、エチレン性不飽和結合を有する光重合可能な化合物であって、１分子中に少なくともエチレン性不飽和二重結合を１個有する光重合、光架橋可能なモノマー、オリゴマー、プレポリマー及びそれらの混合物を挙げることができ、モノマー及びその共重合体の例としては、不飽和カルボン酸及びその塩、不飽和カルボン酸と脂肪族多価アルコール化合物とのエステル、不飽和カルボン酸と脂肪族多価アミン化合物とのアミド等を挙げることができるが、特に２官能以上の多官能性モノマーは硬化収縮が大きく、好適に使用できる。
【００４０】
不飽和カルボン酸のモノマーとしてはアクリル酸、メタクリル酸、イタコン酸、クロトン酸、イソクロトン酸、マレイン酸、及びそれらのハロゲン置換不飽和カルボン酸、例えば塩素化不飽和カルボン酸、臭素化不飽和カルボン酸、弗素化不飽和カルボン酸等を挙げることができる。不飽和カルボン酸の塩としては前述の酸のナトリウム塩及びカリウム塩等を挙げることができる。また、ウレタンアクリレート類、ポリエステルアクリレート類、エポキシ樹脂と（メタ）アクリル酸等の多官能性のアクリレートやメタクリレートを挙げることができる。上記の他、熱重合禁止剤、可塑剤等が添加されても良い。
【００４１】
非重合性液晶材料は「重合性モノマーあるいはプレポリマーの合計量１００重量部に対して２０重量部〜５００重量部の割合で使用される」ことが好ましい。
【００４２】
更に、光重合反応のために光重合開始剤を「液晶とモノマーの混合用液」に添加することが望ましい。光重合開始剤としては、ビアセチル、アセトフェノン、ベンゾフェノン、ミヒラーケトン、ベンジル、ベンゾインアルキルエーテル、ベンジルジメチルケタール、１−ヒドロキシ−２−メチル−１−フェニルプロパン−１−オン、２−クロロチオキサントン、メチルベンゾイルフォーメート、１−（４−イソプロピルフェニル）−２−ヒドロキシ−２−メチルプロパン−１−オン、ジエトキシアセトフェノン、１−ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン、２，２−ジメトキシ−１，２−ジフェニルエタン−１−オン、α−アミノアルキルフェノン、ビスアシルフォスフィンオキサイド、メタロセンなどを例示することができ、特にビスアシルフォスフィンオキサイド系のものは好適である。
【００４３】
上記のように形成されたセル５２上に遮蔽部５１ａと透過部５１ｂが周期的に形成されたフォトマスク５１を近接させる。そして、露光ビーム５５をフォトマスク５１に照射する。
【００４４】
図６に示すように、フォトマスク５１の透過部５１ｂからの光は回折広がりのため、セルの混合物５４の場所では広がっている。透過部５１ｂの大きさと波長によって回折広がり角６１が決まる。たとえば、透過部５１ｂが１０μｍで、露光ビーム５５が波長０．５μｍとすると、広がり角は０．５／１０＝０．０５［ｒａｄ］＝３°程度となる。ところが透過部５１ｂが５μｍになると、広がり角６１は６°になる。混合物５４を透過してガラス界面で反射が起こると反射角６°でさらにビームは広がる（例えば、光線６２）。
【００４５】
このため、フォトマスク５１の透過部５１ｂとは異なる大きさで露光され、かつ、透過部５１ｂからの光が図６の下側のガラス基板５３ｂとの界面で反射して不要干渉縞が発生するために回折効率の低下につながる。しかし、混合物５４の屈折率とガラス基板５３ｂの屈折率の差を減らすことでこの反射光量を減らすことができる。
【００４６】
ここで、非重合性液晶の常光と異常光屈折率をそれぞれｎｏ、ｎｅとし、重合性モノマー（あるいはプレポリマー）の屈折率をｎ２とし、非重合性液晶と重合性モノマー（あるいはプレポリマー）のα：（１−α） ただし、０＜α＜１ とし、透明基板の屈折率ｎを下記（１）式を満たすガラス材料を選ぶ。
ｍｉｎ（ｎｏ，ｎｅ）≦ｎ≦α・（２ｎｏ ＋ ｎｅ）／３＋（１−α）・ｎ２…（１）
ただし、ｍｉｎ（ｎｏ， ｎ２）はｎｏとｎ２のうち小さいほうの値である。
【００４７】
例えば、ｎｏ＝１．５３、ｎｅ＝１．７８、ｎ２＝１．５５で、α＝０．３とすると混合物５４の平均屈折率は１．６１３となる。この平均屈折率は、露光開始後から減少し始める。ポリマー形成部ではポリマー屈折率１．５５に近づき、液晶部分では露光ビームがｓ偏光で液晶分子が配向されていくに従って１．５３に近づいていく。このため、基板５３ｂとの混合物５４の屈折率差は露光開始前から露光完了までの間に必ず０以外の値となる。しかし、露光開始直後の屈折率差を０に近づければ格子作製で最も重要な時間帯で不要反射光（もしくは不要干渉縞）を最小にすることができる。さらに、基板屈折率の下限値は液晶の常光屈折率とモノマーの屈折率の小さいほうの値である。この範囲に該当するガラス基板５３ａ、５３ｂを選ぶことによって不要反射光量を減らし不要干渉縞を低減することができ、結果的に、フォトマスク５１の透過部５１ｂと遮蔽部５１ａの比率に近い液晶層とポリマー層を形成することができ回折効率も高くなる。
【００４８】
上記したのデータの場合、基板５３ａ、５３ｂの屈折率は１．５３≦ｎ≦１．５６９の範囲で選べばよいことになる。波長０．５μｍでこの屈折率範囲のガラス材料は、例えば、ドイツ・ショット社製の製品で選ぶと、ＰＫ３（屈折率１．５３０）や、Ｎ−ＢＡＫ２（同１．５４５）や、Ｎ−ＰＳＫ３（同１．５５７）や、Ｎ−ＳＫ１１（同１．５６９）がある。特に、露光開始直後の屈折率差を無くしたい場合にはＮ−ＳＫ１１やこの屈折率に近いガラス種を選ぶことが望ましい。
【００４９】
なお、上限と下限値はその値を少しでも超えると回折格子の特性が全く損なわれてしまうものではなく、特に上限値は＋２％程度、すなわち、屈折率１．６００でもほぼ同様の特性を得ることができる。
【００５０】
次に、この発明の第２の実施形態につき図７を参照して説明する。図７は、この発明の第２の実施形態の露光系として用いる２光束干渉露光を示す構成図である。この第２の実施形態は、２光束干渉露光により、ＨＰＤＬＣを作成するものである。
【００５１】
図７に示すように、２光束干渉露光は、レーザ７１からの出射光をミラー７３ａでハーフミラー７２に案内し、ハーフミラー７２で出射光を２分して、ミラー７３ｂ，７３ｃをへて所定の角度でセル５２に両ビームを入射させる。二光束干渉露光により干渉縞が形成される。前述したように、干渉縞の明暗のピッチに対応してポリマー層と非重合性液晶層の周期構造が形成される。
【００５２】
前述のように、図７の光学系は２光束干渉露光の光学系であり、この光学系を用いるとセル５２内に発生させる干渉縞のピッチを例えば１μｍや、１μｍ未満に設定することができる。
【００５３】
また、上記した式（１）に示す屈折率条件に合致するように、非重合性液晶、重合性モノマー（もしくはプレポリマー）、セル５２に用いるガラス基板５３ａ、５３ｂを選ぶことによって不要干渉縞を低減することができ、高い回折効率のＨＰＤＬＣを作製することができる。
【００５４】
なお、２光束干渉露光系で、ビームの空間的な品質を高めるために対物レンズとピンホールを組み合わせたスペイシャルフィルタ（図示せず）をレーザ７１からミラー７３ｂ、７３ｃまでの間に配置しても良い。スペイシャルフィルタの後に所定の焦点距離のレンズを配置して平行光にもどすと所望のビーム径で干渉露光することができる。
【００５５】
次に、この発明の第３の実施形態につき図８を参照して説明する。図８は、この発明の第３の実施形態を示し、（ａ）露光時、（ｂ）は再生時を示す構成図である。この第３の実施形態は、ホログラム原板を用いて露光し、ＨＰＤＬＣを作成するものである。
【００５６】
図８に示すように、セル５２上にホログラム原板８１を載置し、露光ビーム８２により露光する。ホログラム原板８１は露光ビーム８２が入射されると０次光８３と回折１次光８４を生成する。ホログラム原板８１の記録材料としてはフォトポリマーを用いることができる。ホログラム原板からの０次光と１次光の重なった領域では光干渉縞が発生し、この位置に上記までに記載の混合物を封入したセル５２を設置するとＨＰＤＬＣを作製することができる。再生時にはｐ偏光の入射光８５をセルに照射すると、効率良く回折１次光８６が発生する。
【００５７】
この第３の実施形態のように、ホログラム原板８１を用いることによって格子ピッチの小さなＨＰＤＬＣを容易に複製露光することができる。また、この第３の実施形態では、図７に示す２光束干渉露光系に比べてビームを２分してから干渉縞を発生させるまでの距離が極めて短いため、振動などの外乱に強い。また、ガラス基板５３ａ、５３ｂと混合物５４の屈折率差を小さくすることによって回折効率の高いＨＰＤＬＣを形成することができる。
【００５８】
なお、第３の実施形態でホログラム原板から発生する回折光の次数が０次と+１次であったが、これはほんの一例で、０次と−１次でも良い。
【００５９】
次に、この発明の第４の実施形態につき図９を参照して説明する。図９は、この発明の第４の実施形態を示し、（ａ）露光時、（ｂ）は再生時を示す構成図である。この第４の実施形態は、ホログラム原板を用いて露光し、ＨＰＤＬＣを作成するものである。
【００６０】
図９に示すように、ホログラム原板９１に露光ビーム９２が入射すると＋１次光と−１次光の回折光が発生する。このホログラム原板９１は透明基板にＥＢ描画などの工法を使って２値のバイナリホログラム構造を作製することによって得られる。具体的には、ホログラム原板９１の凹凸による位相差をπ［ｒａｄ］となるように溝深さを設定すると、０次光を含む偶数の次数の回折光が発生しない。３次以上の奇数次回折光は極めて光量が小さいため、実質、±１次光のみとなる。
【００６１】
図９に示す実施形態では、ホログラム原板から０次と１次光を発生するものを用いるが、０次光と＋１次光以外にもわずかながら、−１次光や＋２次光が発生している場合が多い。これらの不要回折光が原板から発生すると、このビームとそれ以外のビームによる干渉縞が発生するために、再生時の回折効率が低下することになる。それに比べて図９では０次光を含む偶数次回折光が原理的に発生しないため、不要な回折光発生を抑えたホログラム原板が作りやすい。
【００６２】
また、ガラス基板と混合物の屈折率差を小さくすることによって回折効率の高いＨＰＤＬＣを形成することができる。
【００６３】
なお、上記した実施形態においては、非重合性液晶と重合性モノマーあるい非重合性液晶とプレポリマーの２種と光る重合開始材の混合液でＨＰＤＬＣを製造したが、非重合性液晶と重合性モノマーとプレポリマーの３種と、光重合開始剤の混合溶液でもＨＰＤＬＣの作製は可能と考えられる。
【００６４】
ところで、上記したこの発明により作成されたＨＰＤＬＣは、レーザプリンタ光学系に応用することができる。レーザプリンタの光学系で2つのレーザーダイオード（LD）光を偏光ビームスプリッタで所定の角度差で合成し、ポリゴンミラーに導く光学系が提案されている。この偏光ビームスプリッタとして、この発明のＨＰＤＬＣを適用することができる。
【００６５】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】この発明のポリマー分散液晶型の偏光選択性ホログラム素子を示す露光前の概略断面図である。
【図２】この発明のポリマー分散液晶型の偏光選択性ホログラム素子を示す露光状態の概略断面図である
【図３】この発明のポリマー分散液晶型の偏光選択性ホログラム素子を示す露光状態の要部を示す図である
【図４】この発明のポリマー分散液晶型の偏光選択性ホログラム素子を示す露光後の概略断面図である
【図５】この発明の第１の実施形態を示す概略断面図である。
【図６】この発明の第１の実施形態を示す要部断面図である。
【図７】この発明の第２の実施形態の露光系として用いる２光束干渉露光を示す構成図である。
【図８】この発明の第３の実施形態を示し、（ａ）露光時、（ｂ）は再生時を示す構成図である。
【図９】この発明の第４の実施形態を示し、（ａ）露光時、（ｂ）は再生時を示す構成図である。
【図１０】誘電異方性を有する非重合性液晶と、重合性モノマーあるいはプレポリマーと、光重合開始剤とからなる混合物を２枚のガラス基板で挟んだセルを二光束露光を行っている状態を示す構成図である。
【符号の説明】
【００６７】
１１、１２ 透明基板、１３ 非重合性液晶分子、１４ 重合性モノマー（あるいはプレポリマー）、２０ 混合物、５１ フォトマスク、５１ａ 遮蔽部、５１ｂ 透過部、５２ セル、５３ａ、５３ｂ ガラス基板、５４ 混合物、５５ 露光ビーム、８１、９１ ホログラム原板。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ポリマー分散液晶型の偏光選択性ホログラム素子およびその製造方法に関し、入射偏光によって回折もしくは透過する回折格子で、偏光分離素子として利用できるものである。
【背景技術】
【０００２】
光重合相分離を用いたホログラフィック高分子型液晶素子（Holographic Polymer Dispersed Liquid Crystals ：以下ＨＰＤＬＣという。）を応用したホログラム回折格子を偏光分離素子として用いることが提案されている。
【０００３】
このＨＰＤＬＣは、非重合性液晶と等方相しか示さない光重合性モノマーとの混合相からなるホログラム記録材料層に、ホログラム回折格子を露光記録することにより形成される。
【０００４】
このＨＰＤＬＣを作成する方法として、液晶と光重合性モノマーの混合物を光干渉露光によって作成する方法が提案されている（特許文献１参照）。
【０００５】
ＨＰＤＬＣは、一対の透明基板に上記したホログラム記録材料層となる混合物が保持されている。この透明基板としては、ガラス基板が用いられている。従来、ガラス基板は、重合性モノマー（あるいはプレポリマー）または非重合性液晶の常光屈折率に近い値のものを使用してきた。
【０００６】
ＨＰＤＬＣは、その特性上、露光開始前、露光中、露光後で屈折率が変化する。このため、露光前の混合物中の平均屈折率とガラス基板の屈折率が一致していたとしても露光中にポリマー層と液晶層が分離、形成し始めるとどちらの層もガラスとの屈折率がわずかに異なる。したがって、露光中にガラスとポリマー層、または、ガラスと液晶層との面で反射光が発生する。
【０００７】
この反射光で特に問題となるのは一対のガラス基板のうち、露光側と反対側のガラスとの界面反射である。
【０００８】
反射光の問題点につき、図１０を参照して説明する。図１０は、誘電異方性を有する非重合性液晶と、重合性モノマーあるいはプレポリマーと、光重合開始剤とからなる混合物１０３を２枚のガラス基板１０１、１０２で挟んだセルを１つのレーザ光を二分して所定の角度で基板に入射させた二光束Ｂ１、Ｂ２による露光中を図示したものである。
【０００９】
理想はＢ１、Ｂ２による干渉露光であるが、混合物１０３とガラス基板１０２の界面で反射が起こった場合、Ｂ１とＢ２の反射光をそれぞれＢ３、Ｂ４とするとＢ１とＢ３による干渉をはじめ、Ｂ２とＢ３、Ｂ１とＢ４、Ｂ２とＢ４による不要干渉縞が両基板１０１、１０２間に発生する。ポリマー層と液晶層が完全に形成される前にこれらの不要干渉縞が発生すると、高い回折効率を得ることが困難になる。
【特許文献１】特開２００３−１２１６５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記したように、ガラス基板と混合物との界面で反射が起こると、不要干渉縞が発生し、高い回折効率が得られなくなるという問題がある。
【００１１】
また、上記した特許文献１においては、液晶と光重合性モノマーの混合物を光干渉露光によってＨＰＤＬＣを作製することは記載されているが、混合物を挟持する透明基板の屈折率についての記載は無く、透明基板との界面の反射による回折効率低下には言及されていない。
【００１２】
そこで、本発明、露光前から露光後までにおいてＰＤＬＣ（Polymer Dispersed Liquid Crystals ）混合物とガラス基板との界面での屈折率差を極めて小さくして反射光量を減らし、高効率な回折効率を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この発明のポリマー分散液晶型の偏光選択性ホログラム素子は、少なくとも、誘電異方性を有する非重合性液晶と、重合性モノマーあるいはプレポリマーと、光重合開始剤とからなる混合物を一対の透明基板間に保持し、誘電異方性を有する非重合性液晶の常光と異常光屈折率をそれぞれｎｏ、ｎｅ、重合性モノマーあるいはプレポリマーの屈折率をｎ２とし、前記非重合性液晶と、重合性モノマーあるいはプレポリマーの体積比をα：（１−α）（ただし、０＜α＜１）としたとき、前記一対の透明基板の少なくとも原板から遠いほうの基板屈折率ｎは、
ｍｉｎ（ｎｏ，ｎ２）≦ｎ＜α・（２ｎｏ＋ｎｅ）／３＋（１−α）・ｎ２
（ただし、ｍｉｎ（ｎｏ，ｎ２）はｎｏとｎ２のうち小さいほうの値）
を満たし、主にポリマーから成る層と主に非重合性液晶から成る層との周期的な相分離構造を形成することを特徴とする。
【００１４】
また、この発明のポリマー分散液晶型の偏光選択性ホログラム素子の製造方法は、少なくとも、誘電異方性を有する非重合性液晶と、重合性モノマーあるいはプレポリマーと、光重合開始剤とからなる混合物を一対の透明基板間に保持し、誘電異方性を有する非重合性液晶の常光と異常光屈折率をそれぞれｎｏ、ｎｅ、重合性モノマーあるいはプレポリマーの屈折率をｎ２とし、前記非重合性液晶と、重合性モノマーあるいはプレポリマーの体積比をα：（１−α）（ただし、０＜α＜１）としたとき、
前記一対の透明基板の少なくとも原板から遠いほうの基板屈折率ｎは、
ｍｉｎ（ｎｏ，ｎ２）≦ｎ＜α・（２ｎｏ＋ｎｅ）／３＋（１−α）・ｎ２
（ただし、ｍｉｎ（ｎｏ，ｎ２）はｎｏとｎ２のうち小さいほうの値）
を満たし、前記混合物を周期的に遮蔽部と透過部とが形成されたマスクを介して露光することにより、主にポリマーから成る層と主に非重合性液晶から成る層との周期的な相分離構造を形成することを特徴とする。
【００１５】
また、この発明のポリマー分散液晶型の偏光選択性ホログラム素子の製造方法は、少なくとも、誘電異方性を有する非重合性液晶と、重合性モノマーあるいはプレポリマーと、光重合開始剤とからなる混合物を一対の透明基板間に保持し、誘電異方性を有する非重合性液晶の常光と異常光屈折率をそれぞれｎｏ、ｎｅ、重合性モノマーあるいはプレポリマーの屈折率をｎ２とし、前記非重合性液晶と、重合性モノマーあるいはプレポリマーの体積比をα：（１−α）（ただし、０＜α＜１）としたとき、
前記一対の透明基板の少なくとも原板から遠いほうの基板屈折率ｎは、
ｍｉｎ（ｎｏ， ｎ２）≦ｎ＜α・（２ｎｏ ＋ ｎｅ）／３＋（１−α）・ｎ２
（ただし、ｍｉｎ（ｎｏ， ｎ２）はｎｏとｎ２のうち小さいほうの値）
を満たし、前記混合物を干渉露光することにより、主にポリマーから成る層と主に非重合性液晶から成る層との周期的な相分離構造を形成することを特徴とする。
【００１６】
上記の構成において、少なくとも２つの異なる次数の回折光を発生させるホログラム原板を用いて、前記干渉露光を行い前記相分離構造を形成するように構成できる。
【００１７】
また、上記の構成において、前記原板からの回折光は実質的に０次光と＋１次光または−１次光のどちらか一方を利用するように構成できる。
【００１８】
また、上記の構成において、前記原板からの回折光は実質的に−１次光と＋１次光を利用するように構成できる。
【発明の効果】
【００１９】
この発明は、非重合性液晶と重合性モノマー（プレポリマー）との混合物の屈折率とこれを挟む透明基板との屈折率差を小さくすることで、不要反射光が低減され、回折効率の高い偏光選択性ホログラムを作製することができる。
【００２０】
また、非重合性液晶と重合性モノマー（プレポリマー）との混合物の屈折率とこれを挟む透明基板との屈折率差を小さくすることで、干渉露光によって作製するために微細な格子ピッチでも作製することができる。
【００２１】
また、ホログラム原板を用いた干渉露光で作製することで、作製がきわめて容易となる。
【００２２】
さらに、±1次光を生成するホログラム原板を用いるため、不要な干渉縞が無い露光でＨＰＤＬＣを作製できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付し、説明の重複を避けるためにその説明は繰返さない。
【００２４】
まず、ホログラムＰＤＬＣ（ＨＰＤＬＣ）の作製と動作について図１から図４を用いて説明する。
【００２５】
図１に示すように、非重合性液晶分子１３と重合性モノマー（あるいはプレポリマー）１４と図示しない光重合開始剤とを均一に混合した混合物２０を二枚の透明基板１１、１２間に挟む。混合物２０の厚みは基板間隔を制御するスペーサー部材１５によって制御できる。この混合物２０は感光性を有するため、素子作製工程において感度を有する波長域の光を遮断した環境下で取り扱うことが好ましい。
【００２６】
非重合性液晶１３としては、屈折率異方性を有する液晶ならば一般的なものを使用できる。液晶材料を選択する時は、あるオーダーパラメーターの配向状態において、重合性モノマーあるいはプレポリマーの硬化層の屈折率と等しい屈折率となる液晶材料を選択してもよく、また、液晶材料を選択してから、その液晶のあるオーダーパラメーターの配向状態での屈折率と同じ屈折率になるように重合性モノマー(あるいはプレポリマー）１４を選択してもよい。また重合性モノマーまたはそのプレポリマーとしては、重合による硬化収縮が大きいものを用いることが好ましい。光重合開始剤としては、公知の材料を用いることができ、光重合開始剤の添加量が少なすぎる場合にはポリマーと液晶の相分離が起こり難くなり、必要な露光時間が長くなってしまう。逆に、光重合開始剤が多すぎる場合にはポリマーと液晶の相分離が不十分な状態で硬化してしまうため、ポリマー中に多くの液晶分子が取り込まれ、偏光選択性が小さくなるという問題がある。スペーサー部材１５としては、液晶表示装置に用いられるような球形スペーサー、ファイバースペーサー、フィルムなどを用いることが出来る。また、フォトリソグラフィーとエッチングあるいは成型技術などによって基板表面に突起形状を加工しても良い。スペーサー部材１５はホログラムの有効領域外に形成することが好ましい。
【００２７】
スペーサー部材１５の高さは数μｍから数十μｍ範囲が好ましく、回折光の波長とポリマー部と液晶部の屈折率差に応じて所望のホログラム層厚みとなるように適宜設定される。
【００２８】
ところで、透過型回折格子の回折効率ηは、次式で現される。
【００２９】
η＝sin2ψ
ψ＝πｄn1／（λcosθ）
ここで、ｄは記録層の厚さ（すなわち、スペーサ部材１５の厚さ）、n1は屈折率変調量、λは再生波長、θはブラッグ条件を満たす角度からの差で表される。
【００３０】
θが0のとき、ｄ＝λ／２／n1を選ぶと、回折効率は１００％となる。
【００３１】
上記の関係からスペーサー部材１５の高さを選択する。
【００３２】
透明基板１１、１２としては、液晶表示装置に用いられるようなガラス、プラスチックなどを用いることが出来る。
【００３３】
次に、相分離によるホログラム形成過程について図２、図３を参照して説明する。図２に示すよに、図示しない所望の波長のレーザー光源（Ｂ１）（Ｂ２）による二光束干渉露光系を用いて、混合物２０中に露光を行う。二光束干渉露光により干渉縞が形成される。図３は、図２の丸で囲んだ部分の拡大図である。
【００３４】
この二光束干渉露光により、図３に示すように干渉縞の明部において重合性モノマー（あるいはプレポリマー）１４の光重合反応が始まる。この時、硬化収縮が起こって密度差が生じ、隣接する重合性モノマー（あるいはプレポリマー）１４が明部に移動し更に重合が進行する。それと同時に明部に存在していた非重合性液晶１３が暗部に向かって追い出されることで相分離が起こる。このとき液晶分子１３が移動して行く際にモノマーやポリマー鎖との相互作用で液晶分子長軸を移動方向に配向させようとする力が働くと考えられる。すなわち、相分離過程において干渉縞の間隔方向に液晶分子を配向させようとする力が働くと考えられる。最終的には、図４に示すように、干渉縞の明暗のピッチに対応してポリマー層１４ａと非重合性液晶層１３ａの周期構造が形成され、液晶層１３ａの配向ベクトルが干渉縞の間隔方向を向いた状態が得られると考えられる。この干渉露光および相分離過程において、試料を適当な温度に加熱保持しておくことが好ましい。温度によって相分離の速度が変化し、液晶分子１３の配向性に影響を及ぼすと考えられる。最適な加熱温度は使用する材料によって異なるが４０℃から１００℃程度が好ましい。
【００３５】
液晶部全体の常光屈折率ｎｏとポリマー部の屈折率ｎｐがほぼ一致するように液晶の種類とポリマーの種類の組合せを適宜設定することで、ｓ偏光の入射光に対しては液晶層１３ａ全体の常光屈折率ｎｏとポリマー層１４ａの屈折率ｎｐの差を感じないため回折せず、ｐ偏光の入射光に対しては液晶層１３ａ全体の異常光屈折率ｎｅとポリマー層１４ａの屈折差を感じて回折するような偏光選択性ホログラムが得られる。ここで、体積ホログラムの回折効率は屈折率変調量Δｎと厚みｄの積Δｎ・ｄに依存するので、屈折率差Δｎを大きく出来るとホログラムの厚みｄを薄く出来る。体積ホログラムの厚みを薄くすると回折効率の角度依存性が小さくなり、入射角変動に対する光利用効率低下が改善する。したがって、偏光選択性が大きく入射角度依存性が比較的少ない高効率な偏光選択性ホログラムが得られる。
【００３６】
この発明は、上記したＨＰＤＬＣにおいて、露光前から露光後までにおけるＰＤＬＣ（Polymer Dispersed Liquid Crystals ）混合物と基板との界面での屈折率差を極めて小さくして反射光量を減らし、高効率な回折効率を得るものである。以下、具体的実施形態につき説明する。
【００３７】
図５及び図６は、この発明の第１の実施形態を示し、図５は、概略断面図、図６は要部断面図である。
【００３８】
非重合性液晶分子と重合性モノマー（あるいはプレポリマー）と光重合開始剤とを均一に混合した混合物５４を二枚の透明基板５３ａ、５３ｂ間に挟み、保持させてセル５２を形成する。５３ａは露光側の透明基板、５３ｂは反対側の透明基板である。混合物５４の厚みは基板間隔を制御するスペーサー部材によって制御する。この混合物５４に用いられる非重合性液晶分子は、ネマチック、コレステリック、スメクチックのいずれのタイプでも良く、従来公知のビフェニル、ターフェニル、フェニルシクロヘキサン、ビフェニルシクロヘキサン、安息香酸フェニルエステル、シクロヘキサンカルボン酸フェニルエステル、フェニルピリミジン、フェニルジオキサン、トラン、１−フェニル−２−シクロヘキシルエタン、１−フェニル−２−ビフェニルエタン、１−シクロヘキシル−２−ビフェニルエタン、ビフェニルカルボン酸フェニルエステル、４−シクロヘキシル安息香酸フェニルエステルなどを骨格とし、アルキル基、アルコキシ基や誘電異方性を付与するための極性付与基としてのシアノ基、ハロゲン基などを置換基として有する液晶などを用いることができる。
【００３９】
この混合物５４に用いられる重合性モノマー（あるいはプレポリマー）は、重合による硬化収縮が大きいものを用いることが好ましく、このような重合性モノマーとしては、エチレン性不飽和結合を有する光重合可能な化合物であって、１分子中に少なくともエチレン性不飽和二重結合を１個有する光重合、光架橋可能なモノマー、オリゴマー、プレポリマー及びそれらの混合物を挙げることができ、モノマー及びその共重合体の例としては、不飽和カルボン酸及びその塩、不飽和カルボン酸と脂肪族多価アルコール化合物とのエステル、不飽和カルボン酸と脂肪族多価アミン化合物とのアミド等を挙げることができるが、特に２官能以上の多官能性モノマーは硬化収縮が大きく、好適に使用できる。
【００４０】
不飽和カルボン酸のモノマーとしてはアクリル酸、メタクリル酸、イタコン酸、クロトン酸、イソクロトン酸、マレイン酸、及びそれらのハロゲン置換不飽和カルボン酸、例えば塩素化不飽和カルボン酸、臭素化不飽和カルボン酸、弗素化不飽和カルボン酸等を挙げることができる。不飽和カルボン酸の塩としては前述の酸のナトリウム塩及びカリウム塩等を挙げることができる。また、ウレタンアクリレート類、ポリエステルアクリレート類、エポキシ樹脂と（メタ）アクリル酸等の多官能性のアクリレートやメタクリレートを挙げることができる。上記の他、熱重合禁止剤、可塑剤等が添加されても良い。
【００４１】
非重合性液晶材料は「重合性モノマーあるいはプレポリマーの合計量１００重量部に対して２０重量部〜５００重量部の割合で使用される」ことが好ましい。
【００４２】
更に、光重合反応のために光重合開始剤を「液晶とモノマーの混合用液」に添加することが望ましい。光重合開始剤としては、ビアセチル、アセトフェノン、ベンゾフェノン、ミヒラーケトン、ベンジル、ベンゾインアルキルエーテル、ベンジルジメチルケタール、１−ヒドロキシ−２−メチル−１−フェニルプロパン−１−オン、２−クロロチオキサントン、メチルベンゾイルフォーメート、１−（４−イソプロピルフェニル）−２−ヒドロキシ−２−メチルプロパン−１−オン、ジエトキシアセトフェノン、１−ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン、２，２−ジメトキシ−１，２−ジフェニルエタン−１−オン、α−アミノアルキルフェノン、ビスアシルフォスフィンオキサイド、メタロセンなどを例示することができ、特にビスアシルフォスフィンオキサイド系のものは好適である。
【００４３】
上記のように形成されたセル５２上に遮蔽部５１ａと透過部５１ｂが周期的に形成されたフォトマスク５１を近接させる。そして、露光ビーム５５をフォトマスク５１に照射する。
【００４４】
図６に示すように、フォトマスク５１の透過部５１ｂからの光は回折広がりのため、セルの混合物５４の場所では広がっている。透過部５１ｂの大きさと波長によって回折広がり角６１が決まる。たとえば、透過部５１ｂが１０μｍで、露光ビーム５５が波長０．５μｍとすると、広がり角は０．５／１０＝０．０５［ｒａｄ］＝３°程度となる。ところが透過部５１ｂが５μｍになると、広がり角６１は６°になる。混合物５４を透過してガラス界面で反射が起こると反射角６°でさらにビームは広がる（例えば、光線６２）。
【００４５】
このため、フォトマスク５１の透過部５１ｂとは異なる大きさで露光され、かつ、透過部５１ｂからの光が図６の下側のガラス基板５３ｂとの界面で反射して不要干渉縞が発生するために回折効率の低下につながる。しかし、混合物５４の屈折率とガラス基板５３ｂの屈折率の差を減らすことでこの反射光量を減らすことができる。
【００４６】
ここで、非重合性液晶の常光と異常光屈折率をそれぞれｎｏ、ｎｅとし、重合性モノマー（あるいはプレポリマー）の屈折率をｎ２とし、非重合性液晶と重合性モノマー（あるいはプレポリマー）のα：（１−α） ただし、０＜α＜１ とし、透明基板の屈折率ｎを下記（１）式を満たすガラス材料を選ぶ。
ｍｉｎ（ｎｏ，ｎｅ）≦ｎ≦α・（２ｎｏ ＋ ｎｅ）／３＋（１−α）・ｎ２…（１）
ただし、ｍｉｎ（ｎｏ， ｎ２）はｎｏとｎ２のうち小さいほうの値である。
【００４７】
例えば、ｎｏ＝１．５３、ｎｅ＝１．７８、ｎ２＝１．５５で、α＝０．３とすると混合物５４の平均屈折率は１．６１３となる。この平均屈折率は、露光開始後から減少し始める。ポリマー形成部ではポリマー屈折率１．５５に近づき、液晶部分では露光ビームがｓ偏光で液晶分子が配向されていくに従って１．５３に近づいていく。このため、基板５３ｂとの混合物５４の屈折率差は露光開始前から露光完了までの間に必ず０以外の値となる。しかし、露光開始直後の屈折率差を０に近づければ格子作製で最も重要な時間帯で不要反射光（もしくは不要干渉縞）を最小にすることができる。さらに、基板屈折率の下限値は液晶の常光屈折率とモノマーの屈折率の小さいほうの値である。この範囲に該当するガラス基板５３ａ、５３ｂを選ぶことによって不要反射光量を減らし不要干渉縞を低減することができ、結果的に、フォトマスク５１の透過部５１ｂと遮蔽部５１ａの比率に近い液晶層とポリマー層を形成することができ回折効率も高くなる。
【００４８】
上記したのデータの場合、基板５３ａ、５３ｂの屈折率は１．５３≦ｎ≦１．５６９の範囲で選べばよいことになる。波長０．５μｍでこの屈折率範囲のガラス材料は、例えば、ドイツ・ショット社製の製品で選ぶと、ＰＫ３（屈折率１．５３０）や、Ｎ−ＢＡＫ２（同１．５４５）や、Ｎ−ＰＳＫ３（同１．５５７）や、Ｎ−ＳＫ１１（同１．５６９）がある。特に、露光開始直後の屈折率差を無くしたい場合にはＮ−ＳＫ１１やこの屈折率に近いガラス種を選ぶことが望ましい。
【００４９】
なお、上限と下限値はその値を少しでも超えると回折格子の特性が全く損なわれてしまうものではなく、特に上限値は＋２％程度、すなわち、屈折率１．６００でもほぼ同様の特性を得ることができる。
【００５０】
次に、この発明の第２の実施形態につき図７を参照して説明する。図７は、この発明の第２の実施形態の露光系として用いる２光束干渉露光を示す構成図である。この第２の実施形態は、２光束干渉露光により、ＨＰＤＬＣを作成するものである。
【００５１】
図７に示すように、２光束干渉露光は、レーザ７１からの出射光をミラー７３ａでハーフミラー７２に案内し、ハーフミラー７２で出射光を２分して、ミラー７３ｂ，７３ｃをへて所定の角度でセル５２に両ビームを入射させる。二光束干渉露光により干渉縞が形成される。前述したように、干渉縞の明暗のピッチに対応してポリマー層と非重合性液晶層の周期構造が形成される。
【００５２】
前述のように、図７の光学系は２光束干渉露光の光学系であり、この光学系を用いるとセル５２内に発生させる干渉縞のピッチを例えば１μｍや、１μｍ未満に設定することができる。
【００５３】
また、上記した式（１）に示す屈折率条件に合致するように、非重合性液晶、重合性モノマー（もしくはプレポリマー）、セル５２に用いるガラス基板５３ａ、５３ｂを選ぶことによって不要干渉縞を低減することができ、高い回折効率のＨＰＤＬＣを作製することができる。
【００５４】
なお、２光束干渉露光系で、ビームの空間的な品質を高めるために対物レンズとピンホールを組み合わせたスペイシャルフィルタ（図示せず）をレーザ７１からミラー７３ｂ、７３ｃまでの間に配置しても良い。スペイシャルフィルタの後に所定の焦点距離のレンズを配置して平行光にもどすと所望のビーム径で干渉露光することができる。
【００５５】
次に、この発明の第３の実施形態につき図８を参照して説明する。図８は、この発明の第３の実施形態を示し、（ａ）露光時、（ｂ）は再生時を示す構成図である。この第３の実施形態は、ホログラム原板を用いて露光し、ＨＰＤＬＣを作成するものである。
【００５６】
図８に示すように、セル５２上にホログラム原板８１を載置し、露光ビーム８２により露光する。ホログラム原板８１は露光ビーム８２が入射されると０次光８３と回折１次光８４を生成する。ホログラム原板８１の記録材料としてはフォトポリマーを用いることができる。ホログラム原板からの０次光と１次光の重なった領域では光干渉縞が発生し、この位置に上記までに記載の混合物を封入したセル５２を設置するとＨＰＤＬＣを作製することができる。再生時にはｐ偏光の入射光８５をセルに照射すると、効率良く回折１次光８６が発生する。
【００５７】
この第３の実施形態のように、ホログラム原板８１を用いることによって格子ピッチの小さなＨＰＤＬＣを容易に複製露光することができる。また、この第３の実施形態では、図７に示す２光束干渉露光系に比べてビームを２分してから干渉縞を発生させるまでの距離が極めて短いため、振動などの外乱に強い。また、ガラス基板５３ａ、５３ｂと混合物５４の屈折率差を小さくすることによって回折効率の高いＨＰＤＬＣを形成することができる。
【００５８】
なお、第３の実施形態でホログラム原板から発生する回折光の次数が０次と+１次であったが、これはほんの一例で、０次と−１次でも良い。
【００５９】
次に、この発明の第４の実施形態につき図９を参照して説明する。図９は、この発明の第４の実施形態を示し、（ａ）露光時、（ｂ）は再生時を示す構成図である。この第４の実施形態は、ホログラム原板を用いて露光し、ＨＰＤＬＣを作成するものである。
【００６０】
図９に示すように、ホログラム原板９１に露光ビーム９２が入射すると＋１次光と−１次光の回折光が発生する。このホログラム原板９１は透明基板にＥＢ描画などの工法を使って２値のバイナリホログラム構造を作製することによって得られる。具体的には、ホログラム原板９１の凹凸による位相差をπ［ｒａｄ］となるように溝深さを設定すると、０次光を含む偶数の次数の回折光が発生しない。３次以上の奇数次回折光は極めて光量が小さいため、実質、±１次光のみとなる。
【００６１】
図９に示す実施形態では、ホログラム原板から０次と１次光を発生するものを用いるが、０次光と＋１次光以外にもわずかながら、−１次光や＋２次光が発生している場合が多い。これらの不要回折光が原板から発生すると、このビームとそれ以外のビームによる干渉縞が発生するために、再生時の回折効率が低下することになる。それに比べて図９では０次光を含む偶数次回折光が原理的に発生しないため、不要な回折光発生を抑えたホログラム原板が作りやすい。
【００６２】
また、ガラス基板と混合物の屈折率差を小さくすることによって回折効率の高いＨＰＤＬＣを形成することができる。
【００６３】
なお、上記した実施形態においては、非重合性液晶と重合性モノマーあるい非重合性液晶とプレポリマーの２種と光る重合開始材の混合液でＨＰＤＬＣを製造したが、非重合性液晶と重合性モノマーとプレポリマーの３種と、光重合開始剤の混合溶液でもＨＰＤＬＣの作製は可能と考えられる。
【００６４】
ところで、上記したこの発明により作成されたＨＰＤＬＣは、レーザプリンタ光学系に応用することができる。レーザプリンタの光学系で2つのレーザーダイオード（LD）光を偏光ビームスプリッタで所定の角度差で合成し、ポリゴンミラーに導く光学系が提案されている。この偏光ビームスプリッタとして、この発明のＨＰＤＬＣを適用することができる。
【００６５】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】この発明のポリマー分散液晶型の偏光選択性ホログラム素子を示す露光前の概略断面図である。
【図２】この発明のポリマー分散液晶型の偏光選択性ホログラム素子を示す露光状態の概略断面図である
【図３】この発明のポリマー分散液晶型の偏光選択性ホログラム素子を示す露光状態の要部を示す図である
【図４】この発明のポリマー分散液晶型の偏光選択性ホログラム素子を示す露光後の概略断面図である
【図５】この発明の第１の実施形態を示す概略断面図である。
【図６】この発明の第１の実施形態を示す要部断面図である。
【図７】この発明の第２の実施形態の露光系として用いる２光束干渉露光を示す構成図である。
【図８】この発明の第３の実施形態を示し、（ａ）露光時、（ｂ）は再生時を示す構成図である。
【図９】この発明の第４の実施形態を示し、（ａ）露光時、（ｂ）は再生時を示す構成図である。
【図１０】誘電異方性を有する非重合性液晶と、重合性モノマーあるいはプレポリマーと、光重合開始剤とからなる混合物を２枚のガラス基板で挟んだセルを二光束露光を行っている状態を示す構成図である。
【符号の説明】
【００６７】
１１、１２ 透明基板、１３ 非重合性液晶分子、１４ 重合性モノマー（あるいはプレポリマー）、２０ 混合物、５１ フォトマスク、５１ａ 遮蔽部、５１ｂ 透過部、５２ セル、５３ａ、５３ｂ ガラス基板、５４ 混合物、５５ 露光ビーム、８１、９１ ホログラム原板。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも、誘電異方性を有する非重合性液晶と、重合性モノマーあるいはプレポリマーと、光重合開始剤とからなる混合物を一対の透明基板間に保持し、
誘電異方性を有する非重合性液晶の常光と異常光屈折率をそれぞれｎｏ、ｎｅ、
重合性モノマーあるいはプレポリマーの屈折率をｎ２とし、
前記非重合性液晶と、重合性モノマーあるいはプレポリマーの体積比をα：（１−α）（ただし、０＜α＜１）としたとき、
前記一対の透明基板の少なくとも原板から遠いほうの基板屈折率ｎは、
ｍｉｎ（ｎｏ，ｎ２）≦ｎ＜α・（２ｎｏ＋ｎｅ）／３＋（１−α）・ｎ２
（ただし、ｍｉｎ（ｎｏ，ｎ２）はｎｏとｎ２のうち小さいほうの値）
を満たし、主にポリマーから成る層と主に非重合性液晶から成る層との周期的な相分離構造を形成することを特徴としたポリマー分散液晶型の偏光選択性ホログラム素子。
【請求項２】
少なくとも、誘電異方性を有する非重合性液晶と、重合性モノマーあるいはプレポリマーと、光重合開始剤とからなる混合物を一対の透明基板間に保持し、
誘電異方性を有する非重合性液晶の常光と異常光屈折率をそれぞれｎｏ、ｎｅ、
重合性モノマーあるいはプレポリマーの屈折率をｎ２とし、
前記非重合性液晶と、重合性モノマーあるいはプレポリマーの体積比をα：（１−α）（ただし、０＜α＜１）としたとき、
前記一対の透明基板の少なくとも原板から遠いほうの基板屈折率ｎは、
ｍｉｎ（ｎｏ，ｎ２）≦ｎ＜α・（２ｎｏ＋ｎｅ）／３＋（１−α）・ｎ２
（ただし、ｍｉｎ（ｎｏ，ｎ２）はｎｏとｎ２のうち小さいほうの値）
を満たし、前記混合物を周期的に遮蔽部と透過部とが形成されたマスクを介して露光することにより、主にポリマーから成る層と主に非重合性液晶から成る層との周期的な相分離構造を形成することを特徴としたポリマー分散液晶型の偏光選択性ホログラム素子の製造方法。
【請求項３】
少なくとも、誘電異方性を有する非重合性液晶と、重合性モノマーあるいはプレポリマーと、光重合開始剤とからなる混合物を一対の透明基板間に保持し、
誘電異方性を有する非重合性液晶の常光と異常光屈折率をそれぞれｎｏ、ｎｅ、
重合性モノマーあるいはプレポリマーの屈折率をｎ２とし、
前記非重合性液晶と、重合性モノマーあるいはプレポリマーの体積比をα：（１−α）（ただし、０＜α＜１）としたとき、
前記一対の透明基板の少なくとも原板から遠いほうの基板屈折率ｎは、
ｍｉｎ（ｎｏ， ｎ２）≦ｎ＜α・（２ｎｏ ＋ ｎｅ）／３＋（１−α）・ｎ２
（ただし、ｍｉｎ（ｎｏ， ｎ２）はｎｏとｎ２のうち小さいほうの値）
を満たし、前記混合物を干渉露光することにより、主にポリマーから成る層と主に非重合性液晶から成る層との周期的な相分離構造を形成することを特徴としたポリマー分散液晶型の偏光選択性ホログラム素子の製造方法。
【請求項４】
少なくとも２つの異なる次数の回折光を発生させるホログラム原板を用いて、前記干渉露光を行い前記相分離構造を形成することを特徴した請求項３に記載のポリマー分散液晶型の偏光選択性ホログラム素子の製造方法。
【請求項５】
前記原板からの回折光は実質的に０次光と＋１次光または−１次光のどちらか一方を利用することを特徴とした請求項４に記載のポリマー分散液晶型の偏光選択性ホログラム素子の製造方法。
【請求項６】
前記原板からの回折光は実質的に−１次光と＋１次光を利用することを特徴とした請求項４に記載のポリマー分散液晶型の偏光選択性ホログラム素子の製造方法。
【請求項１】
少なくとも、誘電異方性を有する非重合性液晶と、重合性モノマーあるいはプレポリマーと、光重合開始剤とからなる混合物を一対の透明基板間に保持し、
誘電異方性を有する非重合性液晶の常光と異常光屈折率をそれぞれｎｏ、ｎｅ、
重合性モノマーあるいはプレポリマーの屈折率をｎ２とし、
前記非重合性液晶と、重合性モノマーあるいはプレポリマーの体積比をα：（１−α）（ただし、０＜α＜１）としたとき、
前記一対の透明基板の少なくとも原板から遠いほうの基板屈折率ｎは、
ｍｉｎ（ｎｏ，ｎ２）≦ｎ＜α・（２ｎｏ＋ｎｅ）／３＋（１−α）・ｎ２
（ただし、ｍｉｎ（ｎｏ，ｎ２）はｎｏとｎ２のうち小さいほうの値）
を満たし、主にポリマーから成る層と主に非重合性液晶から成る層との周期的な相分離構造を形成することを特徴としたポリマー分散液晶型の偏光選択性ホログラム素子。
【請求項２】
少なくとも、誘電異方性を有する非重合性液晶と、重合性モノマーあるいはプレポリマーと、光重合開始剤とからなる混合物を一対の透明基板間に保持し、
誘電異方性を有する非重合性液晶の常光と異常光屈折率をそれぞれｎｏ、ｎｅ、
重合性モノマーあるいはプレポリマーの屈折率をｎ２とし、
前記非重合性液晶と、重合性モノマーあるいはプレポリマーの体積比をα：（１−α）（ただし、０＜α＜１）としたとき、
前記一対の透明基板の少なくとも原板から遠いほうの基板屈折率ｎは、
ｍｉｎ（ｎｏ，ｎ２）≦ｎ＜α・（２ｎｏ＋ｎｅ）／３＋（１−α）・ｎ２
（ただし、ｍｉｎ（ｎｏ，ｎ２）はｎｏとｎ２のうち小さいほうの値）
を満たし、前記混合物を周期的に遮蔽部と透過部とが形成されたマスクを介して露光することにより、主にポリマーから成る層と主に非重合性液晶から成る層との周期的な相分離構造を形成することを特徴としたポリマー分散液晶型の偏光選択性ホログラム素子の製造方法。
【請求項３】
少なくとも、誘電異方性を有する非重合性液晶と、重合性モノマーあるいはプレポリマーと、光重合開始剤とからなる混合物を一対の透明基板間に保持し、
誘電異方性を有する非重合性液晶の常光と異常光屈折率をそれぞれｎｏ、ｎｅ、
重合性モノマーあるいはプレポリマーの屈折率をｎ２とし、
前記非重合性液晶と、重合性モノマーあるいはプレポリマーの体積比をα：（１−α）（ただし、０＜α＜１）としたとき、
前記一対の透明基板の少なくとも原板から遠いほうの基板屈折率ｎは、
ｍｉｎ（ｎｏ， ｎ２）≦ｎ＜α・（２ｎｏ ＋ ｎｅ）／３＋（１−α）・ｎ２
（ただし、ｍｉｎ（ｎｏ， ｎ２）はｎｏとｎ２のうち小さいほうの値）
を満たし、前記混合物を干渉露光することにより、主にポリマーから成る層と主に非重合性液晶から成る層との周期的な相分離構造を形成することを特徴としたポリマー分散液晶型の偏光選択性ホログラム素子の製造方法。
【請求項４】
少なくとも２つの異なる次数の回折光を発生させるホログラム原板を用いて、前記干渉露光を行い前記相分離構造を形成することを特徴した請求項３に記載のポリマー分散液晶型の偏光選択性ホログラム素子の製造方法。
【請求項５】
前記原板からの回折光は実質的に０次光と＋１次光または−１次光のどちらか一方を利用することを特徴とした請求項４に記載のポリマー分散液晶型の偏光選択性ホログラム素子の製造方法。
【請求項６】
前記原板からの回折光は実質的に−１次光と＋１次光を利用することを特徴とした請求項４に記載のポリマー分散液晶型の偏光選択性ホログラム素子の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００８−１４５６１９（Ｐ２００８−１４５６１９Ａ）
【公開日】平成２０年６月２６日（２００８．６．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３３１２８４（Ｐ２００６−３３１２８４）
【出願日】平成１８年１２月８日（２００６．１２．８）
【出願人】（０００００６７４７）株式会社リコー (37,907)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年６月２６日（２００８．６．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１２月８日（２００６．１２．８）
【出願人】（０００００６７４７）株式会社リコー (37,907)
【Ｆターム（参考）】
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