JP2006201388A

JP2006201388A - 光回折液晶素子

Info

Publication number: JP2006201388A
Application number: JP2005011937A
Authority: JP
Inventors: Koji Ono; 浩司小野; Tomoyuki Sasaki; 友之佐々木; Yoshihiro Kawatsuki; 喜弘川月; Masaomi Kuwabara; 将臣桑原
Original assignee: Nagaoka University of Technology NUC
Current assignee: Nagaoka University of Technology NUC
Priority date: 2005-01-19
Filing date: 2005-01-19
Publication date: 2006-08-03

Abstract

【課題】偏光変換可能な高効率光回折素子、さらには、電界駆動可能な偏光変換回折素子を提供する。
【解決手段】高い耐熱性と精度の高い制御性を有する光反応性高分子液晶に光学設計された分子配向処理を施し、さらに、低分子液晶によって光学的位相差を増強することによって、偏光変換可能な高効率光回折素子を実現する。また、電極構造と組み合わせて、電界駆動可能な偏光変換回折素子を提供する。
【選択図】図２

Description

本発明は、光の伝播方向あるいは偏光状態、もしくはその両方を制御できる光回折液晶素子、あるいは、電界によって光回折機能を制御できる光液晶回折素子に関するものである。

回折素子は、光波の分岐、伝播方向の変換、集光分散、などが可能な素子として、光記録、光情報伝送などの光エレクトロニクス分野の受動素子として広範に使用されている。これまで、回折素子の作成には、様々な高分子材料の利用が検討されてきた。代表的な作成方法としては、半導体集積回路などの作成に用いるフォトレジストを用いる方法である。フォトレジストを塗布した基板に、フォトマスクや干渉法によって周期的に強度変調された紫外線によって露光し、表面に凹凸を有する回折格子を形成し、これから金型を作成して複製することができる。このようにして作成された回折素子は、光学的異方性を有しないか、制御された周期的な光学的異方性を形成することが困難であるため、本発明で提案するような偏光状態の制御はできない。偏光の制御を行うためには、光学的異方性を高度に制御し、周期性を持たせた構造を有することが必要である。このような目的を達成するためには、例えば光化学反応によって屈折率変化を生じさせる際に同時に光学的異方性を生じさせることが考えられる。このようなことが可能な材料として例えば、ネガ型のフォトレジストであるポリビニルシンナメート（ＰＶＣｉ）が知られている。ポリビニルシンナメートフィルムに直線偏光紫外光を照射すると、ケイ皮酸部の−Ｃ＝Ｃ−結合が偏光の電界方向に平行方向となる場合に光を選択的に吸収して２量化し、その部分の屈折率は低下する。このことを利用すれば、光学的異方性を周期的に制御することが可能であるが、誘起される屈折率異方性は０．０１以下と非常に小さいため実用性に乏しい。また、その他の代表的な材料として、アゾベンゼンを含む高分子材料を用いることが検討されている。アゾベンゼン分子は光や熱のような外部からの刺激によってシス体とトランス体の間で異性化反応が起こり、このことを利用して分子配向を制御することができ周期的な分子配向制御も光照射によって行うことが可能である。しかしながら、従来検討されてきた、アゾベンゼンを含む高分子材料では、光学的異方性の発現性があまり大きくないだけでなく、熱や光などの外場の影響によって特性が変化する、あるいは可視領域での光吸収があるなど、高い安定性を要求される受動型の光デバイスへの応用が困難であった。このような問題点を解決するために、特願２００３−１３４３５５では、液晶高分子を用いた偏光変換回折素子の技術が開示されているが、液晶高分子を単層で用いた回折素子は、フィルムの厚さを厚くすることが困難であり、大きな光学異方性を得ることができるにもかかわらず、回折効率は数％に留まっていた。

従来から使用されてきた、回折素子は、フォトポリマー等を使用し、屈折率の周期的変調や表面レリーフ構造を形成するか、金型を用いてプラスチック材料から大量に複製したものを用い、光波の伝播方向を制御するものであった。これらの回折素子は、光ディスク用ヘッドの光学素子や、デジタルカメラ用CCD素子用の光学的ローパスフィルターなどとして用いられているが、光回折時に偏光の制御を行うためには、波長レベル程度以下の微細な周期構造を作る必要がある。また、これとは別に有機材料の光学的異方性を応用して偏光を制御できる回折素子の原理が提案されており、アゾベンゼンの光異性化反応を利用したり、光反応性液晶高分子の軸選択的光架橋反応を利用したりする方法が提案されているが、素子の安定性や回折効率に問題があり、高い回折効率を有し、さらに電界によって回折特性を制御できる偏光制御型の回折素子の実現が期待されている。

添付図面を参照して本発明の要旨を説明する。

本発明は、周期的に変化した固定化された分子配向構造を有する重合層と低分子液晶層とを含む構成としたことを特徴とする光回折液晶素子に係るものである。

また、前記重合層がメソゲンを含む高分子層からなりそのメソゲンが周期的に分子配向した構造を有していることを特徴とする請求項１記載の光回折液晶素子に係るものである。

また、前記重合層が側鎖に光架橋性の液晶性メソゲンを有する高分子液晶であって、そのメソゲン末端に光反応性基を有する請求項１、２のいずれか１項に記載の光回折液晶素子に係るものである。

また、前記重合層を透明基板上に塗布したものを、偏光あるいは強度もしくはその両方が周期的に変調している光波によって露光したものを少なくとも一方の基板として用いることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光回折液晶素子に係るものである。

また、前記重合層と透明基板の間に、重合層の配列構造を制御する配向膜層を有したものを少なくとも一方の基板として用いることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光回折液晶素子に係るものである。

また、前記重合層の分子配向構造が図１記載の（a）〜（g）の周期構造のうちのいずれかを少なくとも１種以上含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の光回折液晶素子に係るものである。

また、前記重合層及び低分子液晶層のほかに、電極を有し、電界駆動を可能とした請求項１〜６のいずれか１項に記載の光回折液晶素子に係るものである。

本発明は、上述のように構成したから、光反応性高分子液晶の分子配向を空間的に制御固定した高分子層と低分子液晶を組み合わせることで、偏光変換機能を有する高効率回折素子さらには電極構造と組み合わせた電界駆動型回折素子を作ることができる。

好適と考える本発明の実施形態（発明をどのように実施するか）を図面を用いて本発明の作用を示して簡単に説明する。

本発明による光回折液晶素子は、周期的に固定化された分子配向構造を有する重合層及び低分子液晶層を含んでいる。使用目的に応じた偏光変換特性を有する光回折素子を作成するためには、光学計算によって設計された複屈折の分布を形成することが必要である。

複屈折の空間分布を有する媒体が光波に及ぼす影響は一般的に下式（１）で与えられる。

一般的に、複屈折としては、直線偏光複屈折（S偏光とP偏光に対する屈折差）と円偏光複屈折（右回りと左回り円偏光の屈折率差）からなり、（１）式を具体的に下式（２）のように書くことができる。

ここで、

である。

ここで、Λは分子配列構造の周期ピッチ、ｘは格子ベクトル方向の座標を表している。

このような複屈折率分布を持つ媒体を透過する場合の透過型ジョーンズ行列は下式（４）で与えられる。

ただし、

である。

実際に高分子層を透過して得られる光波の偏光状態は下式（７）によって決まる。

これらの式を用いて、直線偏光複屈折と円偏光複屈折の空間分布を設計することで要求される偏光変換特性を有する偏光変換回折素子を形成できる。

上記設計による偏光変換回折素子は、例えば偏光照射することによって光学的異方性が発現する材料を用いることによって達成できる。さらに実用的な回折効率を得るためには、請求項１に記載しているように、低分子液晶を分子配向した材料と積層させ、同様の分子配向構造を持った層を厚くして、光学的位相差を増大させることが有効である。このような性質を示す高分子材料としては、光学的透明性と充分な分子配向と光学的異方性を発現するものであれば良いが、請求項２に記載するような側鎖にメソゲンを有する高分子液晶を用いることによって、材料の液晶性を利用して、高度に配向した状態を形成できる。

また、円偏光複屈折を生ずる物質としてはコレステリック液晶が知られているが、そのような材料と組み合わせても良い。また、低分子液晶としては、液晶表示素子などに用いられているネマチック液晶や強誘電性液晶などをそのまま用いることができる。

設計された分子配向構造を精度良く形成するためには、光波を用いた分子配向構造を利用することが有効である。このためには、請求項３に示すような光架橋性のメソゲンを有する高分子液晶を用いることが望ましい。メソゲン末端に光架橋性反応基を有することによって、偏光を用いた分子配向プロセスによって微細な周期配向構造を形成できるだけでなく、架橋構造をとることによって光学機能フィルムとして応用する際に必要な耐熱性を確保することができる。このような高分子液晶としては、例えば、液晶７巻４号３３２−３４１ページ２００３年に列記されている材料を用いることができる。

周期的な分子配向構造の形成方法としては、上記の光反応性高分子液晶を溶媒に溶解した液を透明基板上に薄く塗布した後に乾燥し、特定の偏光あるいは強度もしくはその両方が周期的に変調している光波によって露光硬化し、その後熱処理による再配向を行う方法や、上記の薄く塗布した層に熱を加えながら特定の偏光あるいは強度もしくはその両方が周期的に変調している光波によって露光硬化させる方法が考えられるが、露光後に熱処理を行う方法が、装置構造が簡略であるなどの点で好ましい。

上記の光反応性高分子液晶を溶解する溶媒、濃度及び溶解方法は特に限定されず、用いる基板や乾燥時間などによって適宜選択される。溶液を均一に塗布する方法としては、スピンコート法、グラビアコート法、コンマコート法などが考えられるが、特に限定されるものではなく、必要とされる面積、基板形状、精度などによって適宜選択される。基板は透明基板であれば特に限定されるものではなく、回折素子が使われるシステムなどに適した基板を用いることができる。このような基板としては、各種ガラス、石英、などの無機材料、ポリメチルメタクリレート、ポリカーボネイト、ノルボルネンなどの脂環式系高分子、セルロース系高分子、ポリエステル系高分子、などの有機材料を例示できる。基板の形状は特に限定するものではなく、回折素子が用いられるシステムに合わせて自由に選ぶことができる。

露光後の熱処理の条件は、高分子層によって最適な条件が適宜選択されるが、室温での熱的安定性が確保されるように５０℃以上の温度で熱処理するような材料を選択することが好ましく、多くの高分子材料の分解が始まる２００℃を超えないことが望ましい。

高分子重合層の厚さは得に限定するものではないが、低分子液晶層の液晶分子を高分子重合層の分子配向構造及び反対側基板の配向処理に応じて周期的に配向させる必要があり、通常は、５ナノメーターから１０マイクロメーター程度の厚さが好ましい。

光反応性液晶高分子を用いる場合には、素子作成時の光散乱を防ぐ目的で、露光前の状態はアモルファス状態であることが望ましいが、ポリイミドやポリビニルアルコールなどの配向膜を用いて一軸配向状態を作り、その後光照射によって分子配向させてもかまわない。

本発明による光回折液晶素子の通常の形態は、図２に示されているように、基板を２枚用いて、低分子液晶を内部に充填した液晶セル構造である。高分子重合層は基板の片側もしくは両側につけることができる。片側の基板に特に配向膜等を用いない場合には、図２（a）に示すように、高分子重合の分子配向構造がそのまま低分子液晶の配向構造となると考えられる。また、片側の基板に配向膜を塗布し、ラビング法等通常の配向処理を施し、低分子液晶の配列方向が逐次変化するいわゆるツイストネマチック構造等をとらせることも可能である（図２（ｂ））。

さらに、本発明における光回折液晶素子においては、両側の基板に光学的に透明な電極を付与し、電界を印加することによって回折特性を制御する動的な素子を形成しても良い。

以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの例によって限定されるものではない。

本発明の具体的な実施例１について図面を用いて説明する。

先ず本発明の比較例１について説明する。

この化学構造式を有し、光反応性基がメソゲンに直接結合している光反応性高分子液晶〔液晶温度領域：１１６℃から３００℃以上まで（約３００℃で分解）〕をクロロホルムに１重量％の濃度で溶解し、ガラス基板上にスピンコーターを用いて約０．３μｍの厚みとなるように塗布した。この塗布面に、Ｈｅ−Ｃｄレーザー（波長：３２５ｎｍ）の光をビームスプリッターにより２つに分け、偏光状態を一方は光学台に対して垂直、もう一方は水平として干渉させた光波（干渉縞間隔２μｍ）を９５ｍＪ／ｃｍ^２照射した後、１５０℃で１５分間熱処理を行って周期的分子配向構造を作成した。作成された分子配向構造を偏光顕微鏡で観察したところ図１（a）の状態になっていることがわかった。作成された分子配向構造は１３０℃で一週間以上にわたり放置しても変化は見られず実用上充分な安定性を有していた。作成された回折素子をＨｅ−Ｎｅレーザー（波長：６３３ｎｍ）の光をプローブとして入射して回折光の観察を行った。プローブ光を直線偏光とすると±１次光では偏光方向が９０度回転していることが確認された。また、同様の書き込み光を用いてプローブ光を右回り円偏光とした場合には、±１次光は左回り円偏光となることが確認され、設計どおりの偏光変換機能を有する回折素子が形成されていることがわかったが、回折効率は４％程度と低かった。

実施例１について具体的に説明する。

比較例１で示した光反応性高分子液晶を比較例１で示したのと同様の方法でガラス基板上にフィルム形成した。この塗布面に、Ｈｅ−Ｃｄレーザー（波長：３２５ｎｍ）の光をビームスプリッターにより２つに分け、偏光状態を一方は光学台に対して垂直、もう一方は水平として干渉させた光波（干渉縞間隔２μｍ）を９５ｍＪ／ｃｍ^２照射した後、１５０℃で１５分間熱処理を行って周期的分子配向構造を作成した。作成した高分子重合層を有するフィルムを有する基板と無処理のガラス基板を５０μｍのポリエステルフィルムを介して対面させたセルを作成した後、

の構造からなる低分子液晶を注入した。作成されたセルの分子配向構造を偏光顕微鏡等で観察した結果、図２（ａ）の状態になっていることがわかった。作成された回折素子をＨｅ−Ｎｅレーザー（波長：６３３ｎｍ）の光をプローブとして入射して回折光の観察を行った。プローブ光を直線偏光とすると±１次光では偏光方向が９０度回転していることが確認された。

また、プローブ光を右回り円偏光とした場合には、±１次光は左回り円偏光となることが確認され、設計どおりの偏光変換機能を有する回折素子が形成されていることがわかった。また、回折効率も最大で２５％に達し、比較例１に比べて大きく改善されていることがわかった。

本発明の具体的な実施例２について図面を用いて説明する。

比較例１で用いた光反応性高分子液晶を、比較例１と同様の方法で形成したフィルムにＨｅ−Ｃｄレーザー（波長：３２５ｎｍ）の光をビームスプリッターにより２つに分け、偏光状態を一方は右回り円偏光、もう一方は左回り円偏光として干渉させた光波（干渉縞間隔２μｍ）を９５ｍＪ／ｃｍ^２照射した後、１５０℃で１５分間熱処理を行って周期的分子配向構造を作成した。この周期的分子配向構造を偏光顕微鏡で観察した所、図１（ｄ）の状態になっていることが確認された。作成された分子配向構造は１３０℃で一週間以上にわたり放置しても変化は見られず実用上充分な安定性を有していた。作成した高分子重合層を有するフィルムを有する基板と無処理のガラス基板を５０μｍのポリエステルフィルムを介して対面させたセルを作成した後、

の構造からなる低分子混合液晶を注入した。作成されたセルの分子配向構造を偏光顕微鏡等で観察した結果、図２（ａ）の状態になっていることがわかった。作成された回折素子をＨｅ−Ｎｅレーザー（波長：６３３ｎｍ）の光をプローブとして入射して回折光の観察を行った。プローブ光を直線偏光とすると±1次光では右回りと左回り円偏光におのの変換されていることが確認された。また、プローブ光の偏光状態を円偏光とすると、回折光は＋あるいは−のいずれかのみが観察され、円偏光の回転方向が反転した状態で観察され、設計どおりの偏光変換機能を有する回折素子が形成されていることがわかった。また、回折効率も最大で５０％に達し、比較例１に比べて大きく改善されていることがわかった。

本発明の具体的な実施例３について図面を用いて説明する。

比較例１で示した光反応性高分子液晶を比較例１で示したのと同様の方法でガラス基板上にフィルム形成した。この塗布面に、Ｈｅ−Ｃｄレーザー（波長：３２５ｎｍ）の光をビームスプリッターにより２つに分け、偏光状態を一方は光学台に対して垂直、もう一方は水平として干渉させた光波（干渉縞間隔２μｍ）を９５ｍＪ／ｃｍ^２照射した後、１５０℃で１５分間熱処理を行って周期的分子配向構造を作成した。また、これとは別のガラス基板にポリイミド系の液晶配向膜を塗布し、焼成したのちラビング処理したものを用意した。高分子重合層を有するフィルムを有する基板と配向膜を有するガラス基板を５０μｍのポリエステルフィルムを介して対面させたセルを作成した後、実施例１で示した低分子液晶を注入した。作成されたセルの分子配向構造を偏光顕微鏡等で観察した結果、図２（ｂ）の状態になっていることがわかった。作成された回折素子をＨｅ−Ｎｅレーザー（波長：６３３ｎｍ）の光をプローブとして入射して回折光の観察を行った。プローブ光を直線偏光とすると±１次光では偏光方向が４５度回転していることが確認され、実施例１とは異なる偏光変換特性を有する回折素子が形成できていることがわかった。また、回折効率も最大で２５％に達し、比較例１に比べて大きく改善されていることがわかった。

本発明の具体的な実施例４について図面を用いて説明する。

の化学構造式を有し、光反応性基がメソゲンに直接結合している光反応性高分子液晶〔液晶温度領域：１００℃から２７２℃〕を塩化メチレンに１重量％の濃度で溶解し、ポリメチルメタクリレート性の基板上にポリビニルアルコールからなる配向膜層を形成したものの上にスピンコーターを用いて約０．３μｍの厚みとなるように塗布した。このフイルム全体に１５０ｍＪの直線偏光紫外線を照射し、つづいて60ミクロンピッチ（３０μの透過部と３０μの非透過部）のフォトマスクを通して格子方向が偏光電界に対して４５°になるように１５００ｍＪ照射した。つづいて１６０℃で５分間熱処理を行った。この場合露光量が少ない場合には、偏光電界に垂直方向に分子配向、露光量が多い場合には平行方向となり、図１（ｆ）の周期的分子配向構造が作成された。作成した高分子重合層を有するフィルムを有する基板と無処理のポリメチルメタクリレート基板を５０μｍのポリエステルフィルムを介して対面させたセルを作成した後実施例１で示した構造からなる低分子液晶を注入した。作成されたセルの分子配向構造を偏光顕微鏡等で観察した結果、図２（ａ）の状態になっていることがわかった。作成された回折素子をＨｅ−Ｎｅレーザー（波長：６３３ｎｍ）の光をプローブとして入射して回折光の観察を行った。プローブ光を直線偏光とすると±１次光では偏光方向が９０度回転していることが確認された。また、プローブ光を右回り円偏光とした場合には、±１次光は左回り円偏光となることが確認され、設計どおりの偏光変換機能を有する回折素子が形成されていることがわかった。また、回折効率も最大で２５％に達し、比較例１に比べて大きく改善されていることがわかった。

本発明の具体的な実施例５について図面を用いて説明する。

比較例１で示した光反応性高分子液晶を比較例１で示したのと同様の方法でIndiumTin Oxcide（ＩＴＯ）からなる透明電極付ガラス基板上にフィルム形成した。この塗布面に、Ｈｅ−Ｃｄレーザー（波長：３２５ｎｍ）の光をビームスプリッターにより２つに分け、偏光状態を一方は光学台に対して垂直、もう一方は水平として干渉させた光波（干渉縞間隔２μｍ）を９５ｍＪ／ｃｍ^２照射した後、１５０℃で１５分間熱処理を行って周期的分子配向構造を作成した。作成した高分子重合層を有するフィルムを有する基板と無処理の透明電極付ガラス基板を５０μｍのポリエステルフィルムを介して対面させたセルを作成した後、実施例１に示した構造からなる低分子液晶を注入した。作成されたセルの分子配向構造を偏光顕微鏡等で観察した結果、図２（ａ）の状態になっていることがわかった。作成された回折素子をＨｅ−Ｎｅレーザー（波長：６３３ｎｍ）の光をプローブとして入射して回折光の観察を行った。プローブ光を直線偏光とすると±１次光では偏光方向が９０度回転していることが確認された。また、プローブ光を右回り円偏光とした場合には、±１次光は左回り円偏光となることが確認され、設計どおりの偏光変換機能を有する回折素子が形成されていることがわかった。また、回折効率も最大で２５％に達し、比較例１に比べて大きく改善されていることがわかった。また、電極間に１０Ｖの電圧を印加したところ、回折光は消去され、電界駆動可能な回折素子となっていることが確認された。

尚、本発明は、実施例１〜５に限定されるものではなく、各構成要件の具体的構成は適宜設計し得るものである。

本発明の重合層の分子配向分布例の概略図である。重合層と低分子液晶を組み合わせた本発明の光回折液晶素子の構成例である。

Claims

周期的に変化した固定化された分子配向構造を有する重合層と低分子液晶層とを含む構成としたことを特徴とする光回折液晶素子。
前記重合層がメソゲンを含む高分子層からなりそのメソゲンが周期的に分子配向した構造を有していることを特徴とする請求項１記載の光回折液晶素子。
前記重合層が側鎖に光架橋性の液晶性メソゲンを有する高分子液晶であって、そのメソゲン末端に光反応性基を有する請求項１，２のいずれか１項に記載の光回折液晶素子。
前記重合層を透明基板上に塗布したものを、偏光あるいは強度もしくはその両方が周期的に変調している光波によって露光したものを少なくとも一方の基板として用いることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光回折液晶素子。
前記重合層と透明基板の間に、重合層の配列構造を制御する配向膜層を有したものを少なくとも一方の基板として用いることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光回折液晶素子。
前記重合層の分子配向構造が図１記載の（a）〜（g）の周期構造のうちのいずれかを少なくとも１種以上含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の光回折液晶素子。
前記重合層及び低分子液晶層のほかに、電極を有し、電界駆動を可能とした請求項１〜６のいずれか１項に記載の光回折液晶素子。