光衍射元件及光学低通滤波器的制造方法

光衍射元件及光学低通滤波器的制造方法
【专利摘要】本发明提供一种光衍射元件，其具有透明的基板和第1取向层，所述第1取向层形成于基板的一个面上，且在沿基板的主面的第1方向上周期性地排列有取向方向的第1图案；第1图案是由第1取向层所包含的高分子的取向方向相互不同的3个以上的小区域在第1方向上排列而形成的，通过透过3个以上的小区域的光的相互干涉而产生衍射光。
【专利说明】光衍射元件及光学低通滤波器
【技术领域】
[0001]本发明涉及光衍射元件及使用该光衍射元件的光学低通滤波器。
【背景技术】
[0002]在使用摄像元件的数码相机或数字电影中，光学低通滤波器被用于防止由于具有比摄像元件的像素间距还高的空间频率的光学图像入射而发生的莫尔条纹。作为光学低通滤波器使用利用材料的双折射性的水晶板(参照专利文献I)。
[0003]专利文献I国际公开第2008/004570号小册子。
[0004]然而,使用水晶板的光衍射元件的厚度变大,而难以小型化。而且,水晶板存在价格高，容易带电而造成尘埃附着的问题。

【发明内容】

[0005]发明要解决的问题
[0006]因此，本发明的I个方面的目的在于提供一种可以解决上述课题的光衍射元件及光学低通滤波器。该目的通过权利要求书的独立权利要求记载的特征组合而达成。另外，从属权利要求规定本发明更有利的具体例。
_7] 用于解决问题的方案
[0008]根据本发明的第I方式，提供一种光衍射元件，其具有:透明的基板以及第I取向层，所述第I取向层形成于基板的一个面上，在沿着基板的主面的第I方向上周期性地排列有取向方向的第I图案，且包含具有各向异性的高分子；第I图案是由第I取向层所包含的高分子的取向方向相互不同的3个以上的小区域在第I方向上排列而形成的，通过透过3个以上的小区域的光的相互干渉而产生衍射光。
[0009]另外，根据本发明的第2方式，提供一种光衍射元件，其具有:透明的基板以及第I取向层，所述第I取向层形成于基板的一个面上，在沿着基板的主面的第I方向上周期性地排列有取向方向的第I图案，且包含具有各向异性的高分子；第I图案是由取向方向沿着所述第I方向变化而形成的，通过透过第I图案的光的相互干涉而产生衍射光。
[0010]进一步，根据本发明的第3方式，提供使用了上述光衍射元件的光学低通滤波器。
[0011]另外，上述发明的概要并未列举出本发明的全部必要技术特征，这些特征群的子组合也能构成本发明。
【专利附图】

【附图说明】
[0012]【图1】示意性地表示摄像装置。
[0013]【图2】是第I实施方式的光衍射元件的示意图。
[0014]【图3】是图2的区域A的放大图。
[0015]【图4】是第2实施方式的光衍射元件涉及的区域A的放大图。
[0016]【图5】是第3实施方式的光衍射元件的示意图。[0017]【图6】是图5的区域A的放大图的示意图。
[0018]【图7】是第4实施方式的光衍射元件的示意图。
[0019]【图8】表示入射到图7的光衍射元件的光的衍射的概要。
[0020]【图9】表示入射到第I液晶层及第2液晶层的光的偏振状态与衍射方向的关系。
[0021]【图10】是表示光衍射元件的制造方法的图。
[0022]【图11】是表示光衍射元件的制造方法的图。
[0023]【图12】是第5实施方式的光衍射元件的示意图。
[0024]【图13】 表示入射到第I液晶层及第2液晶层的光的偏振状态和衍射方向的关系。
[0025]【图14】表示入射到图12的光衍射元件304的光的衍射的概要。
[0026]【图15】是说明小区域的宽度的图。
[0027]【图16】是表示改变图15的宽度a的条件后的结果的图表。
[0028]【图17】是表示以10个小区域分割第I图案时的衍射光强度的图表。
[0029]【图18】是表示以6个小区域分割第I图案时的衍射光强度的图表。
[0030]【图19】是表示以4个小区域分割第I图案时的衍射光强度的图表。
[0031]【图20】是表示以3个小区域分割第I图案时的衍射光强度的图表。
[0032]【图21】是表示第I图案分割数与I次衍射效率的关系的图表。
[0033]【图22】是表示使圆偏振光入射至图7的光衍射元件时的衍射光强度的图。
【具体实施方式】
[0034]以下，通过发明的实施方式说明本发明的一个侧面，不过，以下的实施方式并不限定权利要求书所涉及的发明，另外，在实施方式中说明的特征的组合并非全部都是发明的解决手段所必需的。
[0035]图1示意性地表示数字照相机等摄像装置。该摄像装置具备:将来自物点100的光成像的光学系统102，以及将由该光学系统102成像所得的图像光变换成电信号后输出的摄像兀件106。在摄像兀件106中二维地周期性排列有多个图像传感器。在摄像兀件106和光学系统102之间，配置有作为低通滤波器的一个例子的光衍射元件104。
[0036]图2是表示光衍射元件104的第I实施方式的示意图。光衍射元件104具有:透明的基板200，配置在该基板200的一个面的第I取向层202，以及配置在第I取向层202的上表面的第I液晶层204。
[0037]基板200在整个面上具有大体均一的厚度。譬如，基板200形成为2mm~5mmX 2mm~5mm的四边形状。作为基板200,可使用可见光的波长的透射率高的透明的玻璃板。另外，也可以由树脂制的板、树脂制的薄膜或包含玻璃纤维的树脂材料等透明材料构成基板200。
[0038]第I取向层202由各向异性的高分子形成。在第I取向层202中，以该高分子的取向图案即第I图案212作为单元，在沿着基板200的主面的±x方向上周期性地配置多个该第I图案。各第I图案212中的±x方向的宽度可以任意设定，使得对入射光产生预先确定的衍射光，譬如，能设定为0.5 μ m~1000 μ m。另外，在这里，所谓的各向异性，包括光学的折射率具有各向异性，以及光学的吸收率具有各向异性等情况。
[0039]图3表示图2的区域A中的第I图案212的高分子的取向状态。如果关注I个第I图案212，则第I图案212被划分成沿着±x方向配置的3个小区域214。由于3个小区域214的排列方向和第I图案212的排列方向一样，高分子的取向方向周期性地改变的多个小区域214沿着±x方向周期性地重复。在图3中，小区域214的沿着±x方向的宽度dl, d2, d3 相等。
[0040]在小区域214内，高分子沿固定的取向方向220取向，并且，在邻接的小区域214彼此之间，高分子的取向方向220不同。在图3所示的例子中，邻接的小区域214彼此之间的取向方向各差60度。
[0041]小区域214的高分子只要是可控制取向的材料即可，无特别限制，譬如，可使用能通过偏振光控制取向的光分解型、光二量子化型、光异构化型等的光取向性化合物及光反应性液晶化合物。也可以在使这些化合物沿预先确定的方向取向之后，利用光或热固定化，固定其取向方向。另外，小区域214的高分子既可以第I取向层202整体采用同样的材料，也可以每个小区域214采用不同的高分子。
[0042]上述小区域214上的第I液晶层204沿着该小区域214的取向方向220进行取向。SP，第I液晶层204仿效存在于其正下方的第I取向层202的取向方向取向。由此，第I液晶层204具有与第I取向层202的取向状态相对应而周期性地排列有双折射的慢轴方向的图案。第I液晶层204通过使慢轴的方向根据场所周期性地改变，从而作为相位型衍射光栅发挥作用。第I液晶层204譬如使用通过热或光进行聚合的聚合性液晶等。第I液晶层204譬如有约0.01 μπι?Ιμπι的厚度。另外，液晶可以是第I液晶层204整体采用同样的材料，也可以每个对应小区域214的区域使用不同的液晶。
[0043]还有，第I取向层202的延迟和第I液晶层204的延迟的合计，譬如是1/2波长。
[0044]在上述光衍射元件104中，从图2的+ζ方向入射的入射光400通过该光衍射元件104而产生相对于土ζ方向在±χ方向上具有角度的I次衍射光404。另外,在图2中只表示出了 I次衍射光，不过不排除产生O次衍射光及2次以上的高次衍射光的方式。
[0045]如上所述,光衍射兀件104由于第I取向层202具有取向方向互不相同的小区域214，并且第I液晶层204具有与该小区域214相对应的区域，因此，通过透过多个小区域214的光的互相干涉，从而产生衍射光。另外，在第I取向层202中，重复配置有包含该小区域214的第I图案212，并且，第I液晶层204具有与该第I图案212的重复区域对应的区域，因此，可以提高衍射光的强度。进而，由于各邻接的小区域214的取向方向220的角度差相同，由此能提高I次衍射光的强度比。进而，如果对每个第I图案212，在基板200的主面内使该取向方向220旋转I周或大体上I周，则能提高I次衍射光的强度比。另外，通过使各小区域214的宽度dl，d2，d3相等，能提高I次衍射光的强度比。
[0046]另外，只利用第I取向层202便能产生衍射光时,也可不设置第I液晶层204。该情况下，通过小区域214内的高分子的慢轴或吸收轴在小区域214内沿固定的方向取向，而表现出面内的折射率各向异性或厚度方向的折射率各向异性。此外，在图2的例子中，第I取向层202的膜厚为纳米级，因此，第I取向层202本身不表现各向异性，或者即使表现也很小，不过，通过加大第I取向层202的膜厚，能使之表现出各向异性。由此，其慢轴或吸收轴的取向方向根据场所周期性地改变，从而可使第I取向层202本身作为衍射光栅而发挥作用。
[0047]另外，在图3中，小区域214的形状是矩形，不过不限定于此。作为其他例，可以为三角形、六边形等。在图3中，在第I图案212内，多个小区域214具有彼此同样的宽度，不过也可以各自具有不同的宽度。
[0048]其中，通过使图3中的小区域214的高分子的取向方向220在基板200的主面内旋转，从而使小区域214的每个区域的取向方向变化，不过也可以改变小区域214的每个区域的厚度。进而，作为其他的例子，也可以使每个小区域214的高分子的倾斜角发生变化。作为其他的例子，也可以对每个区域改变小区域214上所形成的第I液晶层204的厚度，或者使每个区域的液晶分子的倾斜角发生变化。
[0049]根据上述实施方式，光衍射元件104因为使用第I取向层202及第I液晶层204，所以能小型化。并且，因为不需要在基板200等上形成凹凸，能提高光衍射元件104的平坦性。其结果，光衍射元件104不用设置盖玻璃等就能获得充分的透过波像差。此外，因为不需要在基板200上形成凹凸，所以能够减少由尘埃等尘土造成的影响。其结果，光衍射元件104的维护变得容易而且作业性提高，同时，能够抑制由于尘埃等导致的光学性能的劣化。
[0050]图4表示光衍射元件104的第2实施方式。在该实施方式中，除了第I图案212的取向图案以外，与第I实施方式相同。对于与第I实施方式同样的组成赋予同样的参考符号而省略说明。
[0051]图4表示出了沿着±x方向配置有2个第I图案212的区域A。如果着眼于I个第I图案212的话，则以高分子的取向方向沿着±x方向连续地不同的方式设置第I取向层202。使沿着与±x方向在主面内正交的土y方向的位置的高分子的取向方向沿大致相同的方向取向。
[0052]高分子的取向方向改变的方向是和第I图案212的排列方向一样的±x方向。并且，该取向方向在第I图案彼此之间的边界平滑地连接。本实施方式的光衍射元件104整体上，高分子的取向方向沿着± X方向周期性地连续改变。
[0053]高分子的取向方向在I个第I图案212内旋转180°。通过在每I个第I图案，使高分子的取向方向在基板200的主面内旋转180°，能提高I次衍射光的强度比。这是因为能够通过光的干涉效应高效率地导出I次衍射光的缘故。
[0054]此外，在本实施方式中，通过使图4上的第I图案212的高分子的取向方向在基板200的主面内旋转，从而使取向方向在第I图案212内改变，不过也可以在第I图案212内改变厚度。作为其他的例子，也可以在第I图案212内使高分子的倾斜角改变。
[0055]在本实施方式中，第I取向层202的延迟和第I液晶层204的延迟的合计譬如是1/2波长。
[0056]图5是表不光衍射兀件104的第3实施方式的不意图。光衍射兀件104具有:透明的基板200，配置在该基板200的一面的第I取向层202，和配置在第I取向层202的上表面的第I液晶层204。图5的光衍射兀件104与图1至图3的光衍射兀件104不同的是第I取向层202及第I液晶层204的取向图案不相同，其他的组成同样，因此省略说明。
[0057]图5中的第I取向层202及第I液晶层204的取向图案沿着沿基板的主面的±x方向及土y方向周期性地配置有多个。±χ方向和±7方向只要不是同一方向则不受限制。该情况下，入射光400变为分割成4个方向以上的I次衍射光404。
[0058]图6表示图5的区域A中的第I取向层202的第I图案212的高分子取向的状态。在图6中，在±χ方向及土y方向2X2地配置第I图案212。如果着眼于I个第I图案212，则第I图案212被划分成沿着±x方向及土y方向配置的2X2的4个小区域214。由于该4个小区域214沿着与第I图案212的排列方向一样的±x方向及土y方向排列，因此，本实施方式的光衍射元件104在整体上，多个小区域214的高分子的取向方向沿着±x方向及土y方向周期性地重复。
[0059]在I个第I图案212中，邻接的每个小区域214的取向方向220都不同。譬如，I个第I图案212内包括的4个小区域214彼此被配置成取向方向220旋转I周。图6的例子中，4个小区域214的取向方向220沿着顺时针方向(或逆时针旋转)方向每次旋转45°，在第I图案212内旋转180°。取向方向220沿着基板200的主面方向。
[0060]通过使取向方向220在土y方向顺时针旋转或逆时针旋转地以邻接的每个小区域214的角度差相同的方式发生改变，可提高I次衍射光的强度比。
[0061]第I液晶层204仿效存在于其正下方的第I取向层202的取向方向取向。即，第I液晶层204所包括的液晶分子对应于第I取向层202的第I图案212，在每个被配置成矩阵图案状的区域进行取向。
[0062]在上述光衍射元件104中，从图5的+ζ方向入射的入射光400通过透过该光衍射元件104而产生沿4个方向分离的I次衍射光404，即产生相对于土ζ方向在±x方向上具有角度的I次衍射光404和相对于±z方向在土y方向上具有角度的I次衍射光404。其中，图5中虽然只表示出了 I次衍射光，不过并不排除产生O次衍射光及2次以上的高次衍射光的方式。还有，在只利用第I取向层202就能产生衍射光的情况下，也可不设置第I液晶层204。
[0063]在图6的例子中，I个第I图案212各配置了 4个具有4种取向的小区域214，不过也可以配置具有3种或5种以上的取向的小区域214。还有，可以适宜地变更小区域214的大小及形状，这与图3的光衍射元件104情况同样。
[0064]另外，在图6中，通过使取向方向220在基板200的主面内旋转，使小区域214的每个区域的面内双折射率发生变化，不过，也可以是使小区域214的每个区域在厚度方向具有各向异性的方式。
[0065]根据上述实施方式，光衍射元件104使用了在±x方向及土y方向上周期性地改变取向方向的第I取向层202以及第I液晶层204，因而光衍射元件104的整体的厚度变小，不仅可以小型化，而且能够输出在基板200的面内向互相正交的方向分离的衍射光。
[0066]图7的左侧是表示光衍射元件104的第4实施方式的示意图。在图7的右侧，为了便于说明，表示出了将左侧所示的光衍射元件104的各部件按层分开表示的示意图。
[0067]图7的光衍射元件104与图2以及图3的光衍射元件104同样，具有透明的基板200、配置在该基板200的一个面上的第I取向层202、和配置在第I取向层202的上表面的第I液晶层204。图7的光衍射元件104中，在第I液晶层204的上表面配置有相位差层206，在相位差层206的上表面配置有第2取向层208，进而在第2取向层208的上表面配置有第2液晶层210。相位差层206也可以不是单层，而是包含取向膜等的多个层。
[0068]第I取向层202包含具有各向异性的高分子。在第2取向层208中含有与第I取向层202所包含的高分子相同或不同的、具有各向异性的高分子。该具有各向异性的高分子在第I取向层202及第2取向层208中，取向成周期性的图案状。与第I至第3实施方式同样，在第I取向层202上形成有由规定该取向图案的最小单位区域的多个小区域构成的第I图案212，且沿着作为沿基板200的主面的第I方向的±x方向周期性地配置有多个该第I图案212。在第2取向层208中，沿着作为与第I方向交差、且沿基板的主面的第2方向的土y方向，周期性地形成有多个由规定该取向图案的最小单位区域的多个小区域构成的第2图案216。
[0069]±x方向和土y方向只要不是同一方向即无限定，例如，能够使它们正交。通过使±χ方向和土y方向正交，能将I次衍射光分离成4点方向以上。
[0070]第I取向层202的第I图案及第2取向层208的第2图案可以和在上述第I到第3实施方式中已经说明的第I图案212为同一构成。关于第2图案，可以采用在上述说明的实施方式I至3中的第I图案中将第I方向和第2方向反过来的构成。
[0071]第I液晶层204仿照存在于其正下方的第I取向层202的取向方向进行取向。第I液晶层204与第I取向层202的第I图案对应地取向成图案状。另外，第I取向层202的延迟和第I液晶层204的延迟的合计例如是1/2波长。
[0072]相位差层206使从第2图案216射出的圆偏振光衍射光变换成线偏振光。作为相位差层206，例如能够使用1/4波长相位差层。1/4波长板将线偏振光变换成圆偏振光，并且将圆偏振光变换成线偏振光。为了降低因为颜色造成的衍射光强度分布的影响，1/4波长板优选具有正波长分散性。例如，通过层叠多个光学轴及相位差不同的层，能够构成具有正波长分散性(逆分散性)的相位差层206。相位差层206例如可以具有约0.01 μ m?5 μ m的厚度。
[0073]相位差层206可通过使各种液晶朝规定方向取向而形成。例如，可以通过预先采用基于摩擦或光取向的方法形成取向膜后，涂覆具有双折射性的液晶(例如在上述第I液晶层的说明中列举的材料)来形成液晶层，从而作为相位差层206。在液晶是利用聚合性液晶的情况下，可以通过热或光进行聚合反应，将液晶固定化。
[0074]另外，也可将预先准备的片状的1/4波长板通过层压等方法转印到第I取向层或设置在其上的液晶上并粘贴，从而作为相位差层。
[0075]第2液晶层210仿效存在于其正下方的第2取向层208的取向方向进行取向。第2液晶层210与第2取向层208的第2图案相对应地取向成图案状。另外，第2取向层208的延迟和第2液晶层210的延迟的合计是譬如1/2波长。存在于不同的第I图案212上的第I液晶层204，或存在于不同的第2图案216上的第2液晶层210，可包含只有取向方向不同的相同组成的液晶。
[0076]图8的(a)?(d)表示入射到图7的光衍射元件104中的光的衍射的概要。另外，图9分别表示第I液晶层204以及第2液晶层210具有1/2波长的延迟时，入射到第I液晶层204以及第2液晶层210的光的偏振状态与衍射方向的关系。
[0077]图8的(a)表示对图7的光衍射元件104，从+ζ方向(纸面靠近读者方向)朝_ζ方向(纸面向里方向)入射的入射光400。入射光400例如是具有土y方向的偏振方向的线偏振光，是单一的光束。入射光400也可以为在xy平面内具有其他的偏振方向的线偏振光。入射光400入射至光衍射元件104的第2液晶层210及第2取向层208。
[0078]图8的(b)表不入射光400通过第2液晶层210及第2取向层208之后的光。入射到第2液晶层210的线偏振光的光束如图9所示，变换成偏振光的旋转方向相互不同的圆偏振光，并在图案的反复方向即图中的土y方向分离成2个。被分离成2点的圆偏振光入射到光衍射元件104的相位差层206中。
[0079]图8的(C)表不被分离成2点的圆偏振光通过相位差层206后的光。1/4波长相位差板将圆偏振光变换成线偏振光。从而，入射到相位差层206的光，2点的圆偏振光变换成2点的线偏振光。
[0080]图8的(d)表示2点的线偏振光通过第I液晶层204及第I取向层202之后的光。入射到第I液晶层204的线偏振光如图9所示，被分离成偏振光的旋转方向相互不同的圆偏振光。因此，入射到第I液晶层204及第I取向层202的2点的线偏振光变为在图案的反复方向即图中的±x方向分别被分离的4点的圆偏振光。被分离成4点的圆偏振光从基板200射出。
[0081]像这样，发挥入射光400通过透过第2液晶层210、第2取向层208、相位差层206、第I液晶层204、第I取向层202而在±x方向和土y方向上产生衍射光的光衍射兀件的功能。另外，在图7至图9中仅表示出了 I次衍射光，不过不排除产生O次衍射光及2次以上的高次衍射光的方式。只利用第I取向层202就能够产生衍射光时，可以不设置第I液晶层204。另外，只利用第2取向层208就能够产生衍射光时，可以不设置第2液晶层210。
[0082]在本实施方式中，第I液晶层204的第I图案212的沿第I方向的宽度和第2液晶层210的第2图案216的沿第2方向的宽度相等。第I图案及第2图案的宽度与I次衍射光相互之间分离的距离大致呈反比例关系，所以光衍射元件104可射出以位于大致正方形的各顶点的形式分离的衍射光。
[0083]其中，当光衍射元件104中不设置相位差层206的情况下，通过第2液晶层210和第2取向层208的圆偏振光衍射光在第I液晶层204和第I取向层202中未被充分分离而主要射出被分离成2点的衍射光，不过即使是这样的方式也作为光衍射元件发挥作用。
[0084]图7到图9所示的方式中，说明了入射光400从图中的+ζ方向照射到第2取向层208、射出光402从第I取向层202向-ζ方向射出的情况，不过，即使入射光400和射出光402的方向相反也起到同样的效果。另外，在上述的说明中，依次在基板200上层叠第I取向层202、第I液晶层204、相位差层206、第2取向层208、第2液晶层210，不过，也可以在基板200的一侧设置第I取向层202和第I液晶层204，在另一侧分别形成第2取向层208和第2液晶层210。此时，相位差层206可以以存在于第I取向层202和第2取向层208之间的方式在基板200的任意面上形成。
[0085]根据上述实施方式，能够以简便的构成得到与图5所示的方式同样的效果。由于进一步在第I液晶层204和第2取向层208之间设置了相位差层206，所以能够射出以大致均一的强度被分离成4点的I次衍射光。另外，在上述图2至图7所示的实施方式中，虽然以±χ方向为第I方向、以与±χ方向正交的±y方向为第2方向，但是第I方向和第2方向也可以不正交。
[0086]图10是说明图7的光衍射元件104的制造工序的示意图。首先，在基板200的一面，通过棍涂机、旋涂机、缝模涂布机(slit die coater)等涂覆光取向性化合物,适度干燥，形成第I取向层202。在图10的(a)中，表示出了如此得到的基板200和形成于基板200上的第I取向层202。
[0087]其次，用紫外线偏振光曝光机，使用掩模以接近方式将适度干燥后的第I取向层202进行曝光。如图10的(b)所示，使用掩模500，以在土y方向具有偏振方向的偏振光502，对多个第I图案212内的小区域214中的特定小区域214进行曝光，所述掩模500以固定的间距在±7方向上配置有沿±x方向延伸的开口。小区域214的光取向性化合物中，经过曝光的部分取向成与偏振方向平行的状态。
[0088]其次，将掩模500在+y方向移动小区域214的宽度，对多个第I图案212中与之前刚曝光的小区域214相邻的小区域214，利用偏振方向相对于图10的(b)在xy平面内旋转了 60°的偏振光502进行曝光。同样，将掩模500在+y方向移动小区域214的宽度，利用偏振方向相对于图10的(b)在xy平面内旋转了 120°的偏振方向的偏振光502进行曝光。如图10的(c)所示，通过这样曝光，得到邻接的小区域214在每次旋转60°的方向上具有液晶约束力的取向膜周期性地形成为条纹状的相位型衍射光栅。
[0089]如图10的(d)所示，在形成有该第I取向层202的基板200上，用辊涂机、旋涂机、缝模涂布机等公知的涂覆手段涂覆光聚合性液晶组合物。该光聚合性液晶组合物所包含的液晶分子按照第I取向层202的约束力，在每个小区域214沿规定方向排列。其后用紫外线使光聚合性液晶组合物固化，形成了第I液晶层204。
[0090]如图11的(e)所示，采用和第I取向层202相同的方法，将光取向性化合物涂覆在第I液晶层204上。再用规定的线偏振光将涂覆面整面曝光，得到具有一样的取向方向的取向膜205。其后，在该取向膜205上涂覆光聚合性液晶组合物，沿取向膜205的取向使液晶取向。其后，通过紫外线将液晶固化，形成由取向膜205以及沿着该取向膜205的取向的液晶层207构成的相位差层206。
[0091]如图11的(f)所示，用辊涂机、旋涂机、缝模涂布机等公知的涂覆手段将光取向性化合物涂覆在相位差层206的一面上。其后，使涂布面适度干燥，在相位差层206上形成第2取向层208。
[0092]使第2取向层208适度干燥，用紫外线偏振光曝光机，使用掩模以接近方式进行曝光。该情况下，使用在±y方向延伸的开口以固定的间距配置在±χ方向上的掩模500,用在土 y方向具有偏振方向的偏振光，将多个第2图案内的小区域中的特定的小区域曝光。小区域的光取向性化合物之中，被曝光的部分以与偏振方向平行的方式取向。
[0093]其次，与图10的(c)的情况相同，将偏振方向在xy平面内每次旋转60°，将多个第2图案中的其他2个小区域曝光。由此，邻接的小区域在每次旋转60°的方向上具有液晶约束力的第2取向层208周期性地形成为条纹状。
[0094]进一步，如图11的(g)所示，用辊涂机、旋涂机、缝模涂布机等公知的涂覆手段将光聚合性液晶组合物涂覆在第2取向层208上。该光聚合性液晶组合物所包含的液晶分子按照第2取向层208的约束力，在每个小区域沿规定方向排列。其后用紫外线使光聚合性液晶组合物固化，形成第2液晶层210。
[0095]由此，制造出能够将入射光2维分离成4点的光衍射元件104。在第2液晶层210上，还可以形成防反射膜及保护膜等。这样，可以防止内部反射，透过率提高。还可以进一步设置反射波长SOOnm以上的近红外线的近红外线反射膜及能反射400nm以下的波长的短波长反射膜。
[0096]在上述光衍射元件104的制造方法中，将作为取向膜发挥作用的第I取向层202及第2取向层208、作为衍射元件发挥作用的第I液晶层204及第2液晶层210及作为1/4波长板发挥作用的相位差层206形成在相同基板200上。这样，与将1/4波长板和衍射光栅作为不同的部件制造出来之后进行组装的情况比较，能够使通过涂覆形成的各层的厚度降低。由此，可以使光衍射元件薄型化。另外，由于不需要第I液晶层204及第2液晶层210的组装工序以及定位工序，因此可以使制造工序简化。
[0097]图12的左侧是表示光衍射元件304的第5实施方式的示意图。在图12的右侧，为便于说明，示出了将左侧所示的光衍射元件304的各部件按层分开表示的示意图。光衍射元件304具有基板200、第I取向层202、第I液晶层306、第2取向层308、及第2液晶层310。
[0098]这样，第5实施方式涉及的光衍射元件304不设置在第4实施方式的光衍射元件104中配置于第I液晶层204和第2取向层208之间的相位差层206，第2取向层308的第2图案316相对于第I图案312倾斜地配置。关于基板200及第I取向层202，因为与第4实施方式涉及的光衍射元件104大致一样，所以省略说明。
[0099]第I液晶层306仿照存在于其正下方的第I取向层202的取向方向取向。第I液晶层306取向成与第I取向层202的第I图案312对应的图案。在作为第I方向的±x方向上周期性地配列有第I液晶层306的图案。另外，第I取向层202的延迟和第I液晶层306的延迟的合计是例如1/4波长。
[0100]第2取向层308设在第I液晶层306上，使第2液晶层310的液晶取向。第2取向层308中，包含与第I取向层202所包含的高分子相同或不同的、具有各向异性的高分子。该具有各向异性的高分子在第2取向层308中取向成周期性的图案状。
[0101]第2取向层308中，沿着沿基板主面的第2方向，周期性地形成有多个由规定该取向图案的最小单位区域的多个小区域构成的第2图案。图12所示的方式中第2方向是在xy平面内相对±X方向为45°的方向。因此，第I方向和第2方向构成的角度为45°。也可以替代该方式，第I方向与第2方向形成比0°大比90°小的其他角度。
[0102]第2图案316与第I取向层202的第I图案312同样，被划分为多个小区域。第2图案316内的多个小区域沿第2方向排列。多个小区域的排列方向与第2图案316的排列方向相同，所以高分子的取向方向周期性变化的多个小区域沿第2方向周期性地反复。例如，第2图案316可以是使图3所述的第I图案212在xy平面内逆时针旋转45°而成的图案。
[0103]另外，第2图案316与第2实施方式的第I图案212同样，可以是取向方向沿第2方向变化的图案。此时，第2图案316是使图4所述的第I图案212在xy平面内逆时针旋转45°而成的图案。
[0104]第2液晶层310仿效存在于其正下方的第2取向层308的取向方向而取向。第2液晶层310被取向成与第2取向层308的第2图案对应的图案。第2取向层308的延迟与第2液晶层310的延迟的合计例如是1/2波长。
[0105]图13的(a)以及图13的(b)分别表示在第I液晶层306具有1/4波长的延迟的情况下，入射到第I液晶层306的光的偏振状态与衍射方向的关系。如图13的(a)所示，入射到第I液晶层306的左圆偏振光被分离成偏振光的旋转方向不变且主光线的方向不变地透过的左圆偏振光和只沿上述第I方向的一方(图中为-X方向)衍射的右圆偏振光。另夕卜，入射到第I液晶层306的右圆偏振光如图13的(b)所示被分离成偏振光的旋转方向不变且主光线的方向不变地透过的右圆偏振光以及与左圆偏振光的衍射方向相反的只沿一方向(图中为+X方向)衍射的左圆偏振光。
[0106]图14的(a)?(C)表示入射到图12的光衍射元件304的光的衍射的概要。图14的(a)表示对图12的光衍射元件304，从+ζ方向(纸面靠近读者方向)向_z方向(纸面向里方向)入射的入射光400。入射光400例如是具有土y方向的偏振方向的线偏振光,是单一的光束。入射光400也可以为在xy平面内具有其他的偏振方向的线偏振光。入射光400入射至光衍射元件304的第2液晶层310及第2取向层308。
[0107]图14的(b)表示入射光400通过第2液晶层310及第2取向层308之后的光。入射到具有1/2波长的相位差的第2液晶层310的光根据与图9相同的光学性质变换成偏振光的旋转方向相互不同的圆偏振光，在相对于上述第2方向即xy平面内的±x方向成45°的方向分离。因此，通过第2液晶层210及第2取向层208的入射光400成为在第2方向分离的2点的圆偏振光。被分离成2点的圆偏振光入射到第一液晶层306中。
[0108]图14的(C)表不2点的圆偏振光通过第I液晶层306及第I取向层202后的光。入射到第I液晶层306的左圆偏振光如上述图13的(a)所示，被分离成主光线的方向不变地透过的左圆偏振光和只沿上述第I方向的一方(图中为-X方向)衍射的右圆偏振光。另夕卜，入射到第I液晶层306的右圆偏振光如上述图13的(b)所示，被分离成主光线的方向不变地透过的右圆偏振光和只沿与左圆偏振光的衍射方向相反的一方向(图中为+X方向)衍射的左圆偏振光。
[0109]因而，入射到第I液晶层306的左旋的圆偏振光被分离成原样直线前进的左旋的圆偏振光和沿下侧衍射的右旋的圆偏振光。另外，入射到第I液晶层306的右旋的圆偏振光被分离成原样直线前进的右旋的圆偏振光和沿上侧衍射的左旋的圆偏振光。因此，入射到第I液晶层306及第I取向层202的2点的圆偏振光变为在上述第I方向即±x方向分别分离的4点的圆偏振光。被分离成4点的圆偏振光从基板200射出。
[0110]在本实施方式中，在设第I液晶层306的图案排列方向即第I方向与第2液晶层310的图案排列方向即第2方向形成的角度为Θ时，可以将第2图案的沿第2方向的宽度设为第I图案的沿第I方向的宽度的2cos Θ倍。第I图案及第2图案的宽度与I次衍射光彼此分离的距离大致为反比例关系，因此，此时，光衍射元件304能够射出以位于接近长方形的各顶点的方式分离的衍射光。
[0111]譬如，在本实施方式中，因为Θ是45°，因此第2图案的小区域的沿着第2方向的宽度为第I图案的小区域的沿着第I方向的宽度的2V2倍即可。这样，
[0112]光衍射元件304能使衍射光以分离成正方形的各顶点的方式射出。
[0113]像这样，作为入射光400通过透过第2液晶层310、第2取向层308、第I液晶层306、第I取向层202而在±x方向和土y方向上产生衍射光的光衍射兀件而发挥作用。其中，在图12中只表示出了 I次衍射光，不过，也不排除产生O次衍射光及2次以上的高次衍射光的方式。在只利用第I取向层202及第2取向层308就能产生衍射光的情况下，也可以不设置第I液晶层306及第2液晶层310。还有，在只利用第2取向层208就能产生衍射光的情况下，也可以不设置第2液晶层310。
[0114]需要说明的是，也可以代替本实施方式，使第I取向层的延迟和第I液晶层的延迟的合计为1/2波长，使第2取向层的延迟和第2液晶层的延迟的合计为1/4波长。
[0115](实验例I)[0116]以下，示出对第I图案内的邻接小区域彼此的沿着第I方向的宽度和光衍射元件的I次衍射光效率的关系进行考察的实验例。
[0117]在本实验中，对图7所示的方式的光衍射元件进行了考察。也就是，这个例子中的光衍射元件至少包含基板200、第I取向层202、相位差层206、第2取向层208。
[0118]图15中记载了该例中的第I图案212。图15的I个第I图案212交替配置有3个小的小区域222、及3个大的小区域224。各个小区域的取向方向如箭头及数值所示在相邻的每个区域中每次向左旋转30°。小区域222的第I方向的宽度a与小区域224的沿着第I方向的宽度(ΙΟ-a)的合计为固定(10)。
[0119]第2图案216包括的小区域的宽度也与图15同样地，设为以a和10_a之比表示的形状。第2图案和第I图案为同样的图案。另外，第I取向层202及第2取向层208具有1/2波长的延迟，相位差层206有着1/4波长的延迟。
[0120]根据以上的条件进行了实验，结果，小区域的宽度a和该光衍射元件的I次衍射光效率(分离为4点的I次衍射光的合计占元件整体的射出光的比例)成为图16所示的结果。在这里，I次衍射光效率用分离成4点的I次衍射光的合计占元件整体的射出光的比例来表示。
[0121]根据图16，I次衍射光效率在宽度a的值为5前后时，即邻接的小区域的宽度相等时达到最大，是0.85左右。此时，第I图案的小区域的沿着第I方向的宽度的长度彼此相等，且第2图案的小区域的沿着第2方向的宽度的长度彼此相等。该结果表明，要想将光衍射元件作为实用的低通滤波器使用，譬如希望I次衍射光效率是0.7以上，为此，理想的是a的值满足2.5〈a〈7.5。
[0122](实验例2)
[0123]以下，图17至图21表示对I个第I图案内所设置的小区域的数量和光衍射元件的I次衍射光效率的关系进行考察的实验例。
[0124]本实验中，对于图7所示的方式的光衍射元件进行了考察。即，本例中的光衍射元件至少包含:基板200，第I取向层202，相位差层206，第2取向层208。
[0125]这里，设第I取向层202内的各小区域具有同样长度的宽度，邻接的区域的高分子的取向方向之差为均一。第2取向层208为与第I取向层202具有相同的图案的取向层。另外，第I取向层202及第2取向层208具有1/2波长的延迟，相位差层206具有1/4波长的延迟。
[0126]在图17中，表示了将I个第I图案分割成10个小区域时的例子，即，小区域内的高分子的取向的方向分别为 18° >36°、54。、72。、90。,108° ,126° ,144° ,162° ,180°。
[0127]根据以上条件进行了实验，结果，该光衍射元件的I次衍射光效率为0.93。该结果在图17中示出。
[0128](实验例3)
[0129]除了将I个第I图案分割成6个小区域之外，与实验例2同样地设定条件。S卩，小区域内的高分子的取向的方向分别为30°、60°、90°、120°、150°、180°。
[0130]根据以上条件进行了实验，结果，该光衍射元件的I次衍射光效率(分离成4点的I次衍射光的合计占元件整体的射出光的比例)变为0.83。该结果在图18中给出。
[0131](实验例4)[0132]除了将I个第I图案分割成4个小区域之外，与实验例2同样地设定条件。即，小区域内的高分子的取向的方向分别为45°、90°、135°、180°。
[0133]根据以上条件进行了实验，结果，该光衍射元件的I次衍射光效率(分离成4点的I次衍射光的合计占元件整体的射出光的比例)为0.66。该结果在图19中给出。
[0134](实验例5)
[0135]除了将I个第I图案分割成3个小区域之外，与实验例2同样地设定条件。即，小区域内的高分子的取向的方向分别为60°、120°、180°。
[0136]根据以上条件进行了实验，结果，该光衍射元件的I次衍射光效率(分离成4点的I次衍射光的合计占元件整体的射出光的比例)为0.47。该结果在图20中给出。
[0137]图21表示光衍射元件的I次衍射效率与第I图案的分割数的关系。为了将光衍射元件作为实用的低通滤波器使用，希望例如I次衍射光效率在0.7以上。为此，从本结果可知，理想的是，将I个第I图案分割成5个以上具有相等的宽度的小区域。
[0138](实验例6)
[0139]其次，图22表示圆偏振光入射到光衍射元件的实验例。
[0140]在本实验中，对于图7所示的方式的光衍射元件进行了考察。即，该例中的光衍射元件至少包含基板200、第I取向层202、相位差层206、第2取向层208。
[0141]在这里，第I取向层202内的各小区域具有同样长度的宽度，邻接的区域的高分子的取向方向之差为均一。第2取向层208具有与第I取向层202相同的图案。另外，第I取向层202及第2取向层208具有1/2`波长的延迟，相位差层206具有1/4波长的延迟。另外，与实验例4同样，第I图案被分割成4个，小区域每次向相邻小区域移动则取向方向每次旋转45°。
[0142]如图22所示，对入射了圆偏振光的光衍射元件而言，4点的I次衍射光中，2点的强度减少，2点的强度增加。其原因被认为是，入射至第I图案的圆偏振光并非以均等的强度沿第I方向射出2束一次衍射光，而是高强度射出任一束的I次衍射光。
[0143]以上，通过实施方式说明了本发明，不过，本发明的保护范围不受以上的实施方式记载的范围所限定。本领域技术人员清楚，能够对上述实施例加以多种多样的改良和变更。根据权利要求书的记载可以明确，实施了这样的变更和改良的实施方式也包含在本发明的保护范围之内。
[0144]应留意的是，对于权利要求书、说明书以及附图中所示的装置、系统、程序以及方法中的动作、流程、步骤以及阶段等各处理的执行顺序，只要未特别明示为“在……之前”、“先于……”等，且只要未将前处理的输出用于后处理中，则任意顺序均可实现。关于权利要求书、说明书以及附图中的动作流程，即使为方便起见而使用“首先”、“接着”等字样进行说明，但并非意味着必须按该顺序实施。
[0145]附图标记说明
[0146]100物点、102光学系统、104光衍射元件、106摄像元件、200基板、202第I取向层、204第I液晶层、205取向膜、206相位差层、207液晶层、208第2取向层、210第2液晶层、212第I图案、214小区域、216第2图案、220取向方向、222小区域、224小区域、304光衍射元件、306第I液晶层、308第2取向层、310第2液晶层、312第I图案、316第2图案、400入射光、402射出光、4041次衍射光、500掩模、502偏振光
【权利要求】
1.一种光衍射兀件，其具有: 透明的基板，以及 第I取向层，其形成于所述基板的一个面上，在沿着所述基板的主面的第I方向上周期性地排列有取向方向的第I图案，且包含具有各向异性的高分子； 所述第I图案是由所述第I取向层所包含的高分子的取向方向相互不同的3个以上的小区域在所述第I方向上排列而形成的，通过透过所述3个以上的小区域的光的相互干渉而产生衍射光。
2.根据权利要求1所述的光衍射元件，其中， 所述第I取向层是液晶； 所述第I图案由在所述基板的主面的面内的所述液晶的取向方向彼此不同的小区域组成。
3.根据权利要求1所述的光衍射元件，其中， 所述第I取向层是被固定化了的光取向性化合物， 所述第I图案由在所述基板的主面的面内的所述光取向性化合物的取向方向互不相同的小区域组成。
4.根据权利要求3所述的光衍射元件，其中， 在所述第I取向层上具有第I液晶层，该第I液晶层包含仿效所述第I取向层的取向方向周期性地取向了的液晶； 通过透过所述第I液晶层的光的相互干涉而产生衍射光。
5.根据权利要求1所述的光衍射元件，其中， 所述第I图案的所述小区域的沿着所述第I方向的宽度的长度彼此相等。
6.根据权利要求1所述的光衍射元件，其中， 所述第I图案包含在所述第I方向上配置有矩形形状的所述小区域的条纹图案。
7.根据权利要求1所述的光衍射元件，其中， 所述第I取向层具有多个所述第I图案，所述多个所述第I图案在所述第I方向及与所述第I方向交叉且沿着所述基板的主面的第2方向上周期性地配置成矩阵状； 所述第I图案包含如下的矩阵图案:所述第I取向层所含的高分子的取向方向互不相同的所述3个以上的小区域在所述第I方向及所述第2方向上排列成矩阵状。
8.根据权利要求1所述的光衍射元件，其中， 所述3个以上小区域的所述基板的主面内的取向方向在每个沿着所述第I方向邻接的所述小区域逐渐旋转。
9.根据权利要求8所述的光衍射元件，其中， 沿着所述第I方向邻接的所述小区域的、所述主面内的取向方向的角度差相同。
10.根据权利要求1所述的光衍射元件，其中，其具有: 第I液晶层，其设置在所述第I取向层上，包含仿效所述第I取向层的取向方向而周期性地取向的液晶； 第2取向层，其形成在所述第I液晶层的上表面，在沿着所述基板的主面的第2方向上周期性地排列有取向方向的第2图案，且包含具有各向异性的高分子； 第2液晶层，其设置在所述第2取向层上，包含仿效所述第2取向层的取向方向而周期性地取向的液晶； 所述第2图案是由所述第2取向层所含的高分子的取向方向互不相同的3个以上的小区域在所述第2方向上排列而形成的； 所述第I方向和所述第2方向交叉； 通过透过所述第I取向层及所述第I液晶层的光的相互干涉，使入射光沿着所述第I方向衍射； 通过透过所述第2取向层及所述第2液晶层的光的相互干涉，使入射光沿着所述第2方向衍射。
11.根据权利要求1所述的光衍射元件，其中，其具有: 第I液晶层，其设置在所述第I取向层上，包含仿效所述第I取向层的取向方向而周期性地取向的液晶； 第2取向层，其形成在所述第I液晶层的上表面，在沿着所述基板的主面的第2方向上周期性地排列有 取向方向的第2图案，且包含具有各向异性的高分子； 第2液晶层，其设置在所述第2取向层上，包含仿效所述第2取向层的取向方向而周期性地取向的液晶； 所述第2图案是由取向的方向沿着所述第2方向改变而形成的； 所述第I方向和所述第2方向交叉； 通过透过所述第I取向层及所述第I液晶层的光的相互干涉，使入射光沿着所述第I方向衍射； 通过透过所述第2取向层及所述第2液晶层的光的相互干涉，使入射光沿着所述第2方向衍射。
12.根据权利要求10所述的光衍射元件，其中， 具有设置在所述第I液晶层和所述第2取向层之间的1/4波长相位差层。
13.根据权利要求12所述的光衍射元件，其中， 所述第I取向层的延迟和所述第I液晶层的延迟的合计是1/2波长； 所述第2取向层的延迟和所述第2液晶层的延迟的合计是1/2波长。
14.根据权利要求12所述的光衍射元件，其中， 所述第I方向和所述第2方向正交。
15.根据权利要求12所述的光衍射元件，其中， 所述第I图案的沿着所述第I方向的宽度与所述第2图案的沿着所述第2方向的宽度相等。
16.根据权利要求10所述的光衍射元件，其中， 所述第I取向层的延迟与所述第I液晶层的延迟的合计是1/4波长， 所述第2取向层的延迟与所述第2液晶层的延迟的合计是1/2波长。
17.根据权利要求16所述的光衍射元件，其中， 所述第I方向和所述第2方向形成的角度是45°。
18.根据权利要求17所述的光衍射元件，其中， 所述第2图案的沿着所述第2方向的宽度是所述第I图案的沿着所述第I方向的宽度的21/2倍。
19.根据权利要求10所述的光衍射元件，其中， 所述第I取向层的延迟和所述第I液晶层的延迟的合计是1/2波长， 所述第2取向层的延迟和所述第2液晶层的延迟的合计是1/4波长。
20.根据权利要求10所述的光衍射元件，其中， 所述第2取向层是被固定化了的光取向性化合物。
21.根据权利要求10所述的光衍射元件，其中， 所述第2图案的所述小区域的沿着所述第2方向的宽度的长度互相相等。
22.根据权利要求10所述的光衍射元件，其中， 所述第2图案包含在所述第2方向上配置有所述小区域的条纹图案。
23.一种光衍射元件，其具有: 透明的基板，以及 第I取向层，其形成于所述基板的一个面上，在沿着所述基板的主面的第I方向上周期性地排列有取向方向的第I图案，且包含具有各向异性的高分子； 所述第I图案是由取向的方向沿着所述第I方向改变而形成的，通过透过所述第I图案的光的相互干涉而产生衍射光。
24.根据权利要求23 所述的光衍射元件，其中， 在所述第I取向层上具有第I液晶层，该第I液晶层包含仿效所述第I取向层的取向方向而周期性地取向的液晶； 通过透过所述第I液晶层的光的相互干涉而产生衍射光。
25.根据权利要求23所述的光衍射元件，其中，其具有: 第I液晶层，其设置在所述第I取向层上，包含仿效所述第I取向层的取向方向而周期性地取向的液晶， 第2取向层，其形成于所述第I液晶层的上表面，在沿着所述基板的主面的第2方向上周期性地排列有取向方向的第2图案，且包含具有各向异性的高分子， 第2液晶层，其设置在所述第2取向层上，包含仿效所述第2取向层的取向方向而周期性地取向的液晶； 所述第2图案是由取向的方向沿着所述第2方向改变而形成的； 所述第I方向和所述第2方向交叉； 通过透过所述第I取向层及所述第I液晶层的光的相互干涉，使入射光沿着所述第I方向衍射； 通过透过所述第2取向层及所述第2液晶层的光的相互干涉，使入射光沿着所述第2方向衍射。
26.根据权利要求25所述的光衍射元件，其中， 具有设置在所述第I液晶层和所述第2取向层之间的1/4波长相位差层。
27.根据权利要求26所述的光衍射元件，其中， 所述第I取向层的延迟和所述第I液晶层的延迟的合计是1/2波长， 所述第2取向层的延迟和所述第2液晶层的延迟的合计是1/2波长。
28.根据权利要求25所述的光衍射元件，其中， 所述第I方向和所述第2方向正交。
29.根据权利要求26所述的光衍射元件，其中， 所述第I图案的沿着所述第I方向的宽度与所述第2图案的沿着所述第2方向的宽度相等。
30.根据权利要求25所述的光衍射元件，其中， 所述第I取向层的延迟和所述第I液晶层的延迟的合计是1/4波长； 所述第2取向层的延迟和所述第2液晶层的延迟的合计是1/2波长。
31.根据权利要求30所述的光衍射元件，其中， 所述第I方向和所述第2方向形成的角度是45°。
32.根据权利要求31所述的光衍射元件，其中， 所述第2图案的沿着所述第2方向的宽度是所述第I图案的沿着所述第I方向的宽度的21/2倍。
33.根据权利要求25所述的 光衍射元件，其中， 所述第I取向层的延迟与所述第I液晶层的延迟的合计是1/2波长， 所述第2取向层的延迟与所述第2液晶层的延迟的合计是1/4波长。
34.根据权利要求25所述的光衍射元件，其中， 所述第2取向层是被固定化了的光取向性化合物。
35.一种光学低通滤波器，其采用了权利要求1至34的任一项所述的光衍射元件。
【文档编号】G02F1/1335GK103460083SQ201280015266
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2012年2月13日 优先权日:2011年3月25日
【发明者】角张祐一, 梅泽康昭, 渡部贤一 申请人:株式会社有泽制作所