JP3705989B2

JP3705989B2 - 円偏光抽出光学素子

Info

Publication number: JP3705989B2
Application number: JP2000081444A
Authority: JP
Inventors: 啓二鹿島; 幸広豊田; 雅規梅谷; 真理子後藤
Original assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Current assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Priority date: 1999-04-20
Filing date: 2000-03-23
Publication date: 2005-10-12
Anticipated expiration: 2020-03-23
Also published as: JP2001004843A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、円偏光抽出光学素子に係り、特に、右旋又は左旋円偏光成分の一方を、反射光及び透過光の両方から抽出するようにした円偏光抽出光学素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
上記右旋又は左旋円偏光の一方を抽出する光学素子としては、例えば偏光ビームスプリッタ、あるいは偏光フィルタがある。
【０００３】
偏光フィルタの一種としては、例えば特開昭６０−１９１２０３号公報、特開昭６２−１３６６０２号公報あるいは特開平２−１８６３０１号公報に開示されたようなものがある。
【０００４】
これらは、いずれもコレステリック液晶を用いて、特定波長の光の、右旋又は左旋円偏光成分の一方を反射し、他方を透過するようにしたものである。
【０００５】
又、透過光の波長バンド幅を広帯域にする方法として、例えば特開平６−２８１８１４号公報のように、コレステリック液晶分子のヘリカルピッチを変化させるようにしたもの、あるいは例えば特開平９−３０４７７０号公報に開示されるように、ヘリカルピッチが異なるコレステリック液晶層を数層重ねるようにしたものがある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前記のような、コレステリック液晶を用いた光学素子は、いずれの場合も、特定波長域の光の、右旋又は左旋円偏光成分の一方を反射し、この特定波長域の他方の円偏光成分を透過させていて、光学素子に入射する光から、反射光として特定波長域の右旋又は左旋円偏光成分を取り出すことができるが、透過光からは取り出すことができないという問題点がある。
【０００７】
この発明は上記従来の問題点に鑑みてなされたものであって、反射光及び透過光の両方から、特定波長域の左旋又は右旋円偏光の一方を取り出すことができるようにした、円偏光抽出光学素子を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、請求項１のように、光透過性基材上に、コレステリック規則性を有する複数の液晶層を、各液晶層における液晶分子の旋回方向が同一で、分子螺旋軸が前記液晶層を厚さ方向に横断するように積層した積層体を設けてなり、前記各液晶層は、相互に分子螺旋の１ピッチ当たりの距離が異なり、又、各液晶層の厚さを、入射する対応波長光の右旋又は左旋円偏光成分の一方を反射及び透過し、且つ、右旋又は左旋円偏光成分の他方を透過するようにし、前記各液晶層の分子螺旋のピッチ数が実質的に同一であるようにしたことを特徴とする円偏光抽出光学素子により上記目的を達成するものである。
【０００９】
更に、前記円偏光抽出光学素子において、前記各液晶層の分子螺旋のピッチ数を８ピッチ未満としてもよい。
【００１０】
更に、前記円偏光抽出光学素子において、前記各液晶層における選択反射波長が可視光領域の場合、各液晶層の厚さが、相互に異なり、且つ、それぞれ５μｍ未満、好ましくは、１〜４μｍとしてもよい。
【００１１】
更に又、前記液晶層は、赤、緑、青の各色の波長に対応して少なくとも３層設けてもよい。
又、前記複数の液晶層の少なくとも一方は、重合により硬化された液晶材料からなるようにしてもよい。
更に、前記重合は紫外線照射によりなされているようにしてもよい。
【００１２】
この発明においては、コレステリック規則性を有する複数の液晶層を、各液晶層において分子螺旋の１ピッチ当たりの距離が異なるように積層した積層体により、この積層体の一方から入射する光に対して反射光として幅広い波長領域の、右旋又は左旋円偏光を取出し、又反対方向から入射する光の透過光として、前記反射光と同一側に、反射光と同一旋回方向且つ同一波長領域の円偏光を取り出すことができる。
【００１３】
本発明の円偏光抽出光学素子を用いて、例えば、コレステリックカラー液晶により、自然光では見えない情報をパターニングして印刷した証券、クレジットカード等の真贋を判定する際に、自然光から円偏光を抽出し、これをクレジットカード等に照射したり、照明ランプ光を本発明の円偏光抽出光学素子で反射させて、反射円偏光をクレジットカード等に照射する場合等に用いられる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態の例を、図面を参照して詳細に説明する。
【００１５】
図１に示されるように、本発明の実施の形態の例に係る円偏光抽出光学素子１０は、光透過性基材１２と、この光透過性基材１２上に形成された積層体１４とから構成されている。
【００１６】
この積層体１４は、例えばコレステリック液晶等のコレステリック規則性を有する複数の液晶層１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ，・・・を、各液晶層における液晶分子の旋回方向が同一で、分子螺旋軸が前記液晶層を厚さ方向に横断するように積層したものである。
【００１７】
前記各液晶層１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ，・・・は、その分子螺旋の１ピッチ（ヘリカルピッチ）当たりの距離が相互に異なり、又、各液晶層１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ，・・・の厚さは、入射する対応波長光の右旋又は左旋円偏光成分の一方を最大反射率で反射するための必要厚さよりも薄くされ、該一方の円偏光成分を最大反射率よりも小さい反射率で反射し、且つ、右旋又は左旋円偏光成分の他方を透過するようにされている。
【００１８】
ここで言う１ピッチ当たりの距離とは、図２に示されるように、各液晶層の液晶分子の配列（ダイレクタ）方向Ｄが、１回転するのに必要な厚さ方向の距離ｐを言う。
【００１９】
前記コレステリック液晶層は、一般的に、フィジカルな分子配列に基づいて、一方向の旋光成分と、これと逆廻りの旋光成分とを分離する旋光選択特性を発現するが、プレーナ配列のヘリカル軸に入射した光は右旋光光と左旋光光の２つの円偏光光に分かれ、一方は透過し他方は反射される。
【００２０】
この現象は、円偏光２色性として知られ、円偏光の旋光方向を入射光に対して適宜選択すると、コレステリック液晶のヘルカル軸方向と同一の旋光方向を持つ円偏光が選択的に反射される。
【００２１】
この場合の最大旋光光散乱は、次の（１）式の波長λ0で生じる。
【００２２】
λ0＝ｎａｖ・ｐ …（１）
【００２３】
ここで、ｐはヘリカルピッチ、ｎａｖはヘリカル軸に直交する平面内の平均屈折率である。
【００２４】
このときの反射光の波長バンド幅Δλは、次の（２）式で示される。
【００２５】
Δλ＝Δｎ・ｐ …（２）
【００２６】
ここで、Δｎは複屈折値である。
【００２７】
コレステリック液晶の材料としては、シッフ塩基、アゾ系、エステル系、ビフェニル系等のネマチック液晶化合物の末端基に光学活性の２−メチルブチル基、２−メチルブトキシ基、４−メチルヘキチル基を結合したカイラルネマチック液晶化合物、又は特開平７−２５８６３８号公報で開示されているようなキラル反応性液晶化合物、特開昭５７−１６５４８０で開示されているようなコレステリック相を有する環式オルガノポリシロキサン化合物、特表平１０−５０８８８２号公報で開示されているような重合可能なモノマー及びキラル化合物の混合物、等が望ましい。
【００２８】
又、一般に高分子液晶は、液晶を呈するメソゲン基を主鎖、側鎖、あるいは主鎖及び側鎖の位置に導入した高分子であるが、高分子コレステリック液晶も、例えばコレステリル基を側鎖に導入することで得られる。
【００２９】
高分子液晶を用いる場合のコレステリック液晶の材料としては、例えば、特開平９−１３３８１０号公報で開示されているような液晶性高分子、特開平１１−２９３２５２号公報で開示されているような液晶性高分子、等が望ましい。
【００３０】
前記光透過性基材１２は、ポリメタアクリル酸メチル、ポリアクリル酸メチル等のアクリル酸エステル又はメタアクリル酸エステルの単独若しくは共重合体、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート等のポリエステル、ポリカーボネート、ポリエチレン等の透明な樹脂、透明なガラス、透明なセラミクス等の透光性材料からなる平面形状をしたシート状又は板状の部材から構成される。
【００３１】
コレステリック液晶による偏光分離作用は、コレステリック液晶で、前記波長λ0を中心とした波長バンド幅Δλの範囲の光の右旋又は左旋の円偏光成分の一方が反射され、他方の円偏光成分及び他の波長領域の光が透過される。反射の際、右（左）旋円偏光又は右（左）旋円偏光はそのまま反射される。
【００３２】
前記コレステリック液晶の場合、一般的に、右旋又は左旋円偏光成分の一方を最大反射率（通常９５〜９９％）で反射し、他方を透過するようにするためには、そのピッチ数が少なくとも８ピッチ必要である。
【００３３】
これに対して、本発明における前記コレステリック液晶からなる各液晶層１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ，・・・の各層のピッチ数は６．４ピッチと、前記必要ピッチ数よりも少なくされている。
【００３４】
従って、前記Δλの範囲では右旋又は左旋円偏光成分の一方の反射光量を８０％、透過光量を２０％とすることができる。なお、他方の円偏光成分については、コレステリック液晶のピッチ数が８ピッチのときと比較して、透過率が向上し、１００％近くになる。
【００３５】
又、例えば、前記液晶層１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ，・・・の各層のピッチ数を、例えば、５．６ピッチとすれば、各液晶層１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ，・・・における右旋又は左旋円偏光成分の一方の反射光量を７０％、同様に透過光量を３０％とすることができる。即ち、液晶層の各層のピッチ数によって最大反射率に対する任意の反射率及び透過率を得ることができる。
【００３６】
又、前記コレステリック液晶の場合、一般的に、右旋又は左旋円偏光成分の一方を最大反射率（通常９５〜９９％）で反射し、他方を透過するようにするためには、可視光領域において、その厚さが波長３８０ｎｍの光に対しては少なくとも１．６μｍ、波長７８０ｎｍの光に対しては少なくとも３．３μｍ必要である。
【００３７】
これに対して、本発明における前記コレステリック液晶からなる各液晶層１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ，・・・の各層の厚さは、可視光領域においては例えば１．２μｍ（３８０ｎｍ光）〜２．６μｍ（７８０ｎｍ光）であり、各層の厚さは各コレステリック液晶層の選択反射波長に対してリニアに変化させるとして、いずれも前記必要厚さよりも薄くされている。
【００３８】
従って、例えば、前記液晶層１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ，・・・の各層の厚さを、例えば１．１μｍ（３８０ｎｍ光）〜２．３μｍ（７８０ｎｍ光）の範囲で、各層の厚さは各コレステリック液晶層の選択反射波長に対してリニアに変化させるとすれば、各液晶層１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ，・・・における右旋又は左旋円偏光成分の一方の反射光量を７０％、同様に透過光量を３０％とすることができる。即ち、液晶層の各層の厚さによって最大反射率に対する任意の反射率及び透過率を得ることができる。
【００３９】
従って、例えば前記液晶層１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ，・・・の液晶分子の螺旋ピッチを、少なくとも赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、及び、青（Ｂ）の各色の波長光を反射するように構成すれば、例えば、前述のように、紙幣、株券、クレジットカード等に円偏光素子によって書き込まれているカラー情報を読み取る場合に好都合である。
【００４０】
更に、前記円偏光抽出光学素子１０は、各液晶層１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ，・・・が右旋又は左旋円偏光成分の一方を最大反射率で反射する場合よりも、薄く構成されているので、前記反射光を形成するための入射光と反対側から入射する透過光によっても、反射光と同様の円偏光成分を得ることができる。従って、円偏光抽出光学素子１０の透過光によっても、前述のような円偏光素子によって書き込まれた情報を読み出すことができる。
【００４１】
又、情報読み出しの際に、円偏光抽出光学素子１０を介して読み出すことも可能である。
【００４２】
図１中、符号Ｒ、Ｌは、それぞれ右旋円偏光、左旋円偏光を示している。
【００４３】
なお、上記液晶層１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ，・・・は、コレステリック液晶から構成されているが、本発明はこれに限定されるものでなく、分子螺旋軸廻りに螺旋構造をとるコレステリック規則性を有する液晶であればよい。従って、カイラルネマチック液晶を用いてもよい。その場合、３次元架橋（重合）させておけば取り扱いが容易になる。
【００４４】
次に、上記液晶層１８Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ，・・・を形成する工程について、図３を参照して説明する。
【００４５】
図３に示される方法は、一対の基板２４Ａ、２４Ｂ間にコレステリック液晶又はカイラルネマチック液晶を注入する際に、予め目的とする液晶層の厚さと等しい直径のビーズ２６をスペーサとして分散させることによって、基板２４Ａ、２４Ｂ間の隙間を目的の厚さとするものである。基板２４Ａに代えて光透過性基材１２を用いてもよい。
【００４６】
ここにおいて、ビーズ２６の屈折率とコレステリック液晶層の屈折率に差があると、光を入射させたときにビーズとコレステリック液晶層の界面が輝点になってしまうので、ビーズ２６とコレステリック液晶層の屈折率差を小さくしておくとよい。
【００４７】
なお、前記基板２４Ａ、２４Ｂの少なくとも一方の液晶側面は、予め配向膜（図示省略）を形成しておき、これによって、両者間に注入された液晶の分子螺旋軸が液晶層を厚さ方向に横断するように配向させる。
【００４８】
液晶分子を配向させる手段として、延伸ＰＥＴを前記配向膜の代わりに用いても良い。
【００４９】
前記基板２４Ａ、２４Ｂ間の液晶が例えば、紫外線照射によって硬化した後、一方の基板を配向膜を残して、あるいは配向膜と共に除去して、第１層である液晶層１５Ａを完成させる。
【００５０】
又、第２の液晶層１５Ｂは、前記硬化形成された液晶層１５Ａを一方の基板として、前記と同様の手順で形成し、これを順次繰り返して全部の液晶層１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ・・・を積層し、積層体１４を完成させる。なお、必要であれば、露出した積層体１４を保護膜（図示省略）によってカバーする。
【００５１】
【発明の効果】
本発明は上記のように構成したので、反射光及び透過光のいずれによっても所定の旋回方向の円偏光を得ることができるという優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の例に係る円偏光抽出光学素子を示す略示断面図
【図２】コレステリック液晶分子のダイレクタとピッチとの関係を拡大して模式的に示す斜視図
【図３】同円偏光抽出光学素子の製造工程を示す略示断面図
【符号の説明】
１０…円偏光抽出光学素子
１２…光透過性基材
１４…積層体
１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃ…液晶層
２４Ａ、２４Ｂ…基板
２６…ビーズ

Claims

光透過性基材上に、コレステリック規則性を有する複数の液晶層を、各液晶層における液晶分子の旋回方向が同一で、分子螺旋軸が前記液晶層を厚さ方向に横断するように積層した積層体を設けてなり、前記各液晶層は、相互に分子螺旋の１ピッチ当たりの距離が異なり、又、各液晶層の厚さを、入射する対応波長光の右旋又は左旋円偏光成分の一方を反射及び透過し、且つ、右旋又は左旋円偏光成分の他方を透過するようにし、前記各液晶層の分子螺旋のピッチ数が実質的に同一であるようにしたことを特徴とする円偏光抽出光学素子。
請求項１において、前記各液晶層の分子螺旋のピッチ数を８ピッチ未満としたことを特徴とする円偏光抽出光学素子。
請求項１又は２において、前記各液晶層における選択反射波長が可視光領域の場合、各液晶層の厚さが、相互に異なり、且つ、それぞれ５μｍ未満、好ましくは、１〜４μｍとしたことを特徴とする円偏光抽出光学素子。
請求項１〜３のいずれかにおいて、前記液晶層は、赤、緑、青の各色の波長に対応して少なくとも３層設けられたことを特徴とする円偏光抽出光学素子。
請求項１乃至４のいずれかにおいて、前記複数の液晶層の少なくとも一方は、重合により硬化された液晶材料からなることを特徴とする円偏光抽出光学素子。
請求項５において、前記重合は紫外線照射によりなされていることを特徴とする円偏光抽出光学素子。