图像显示单元及头戴式显示器

技术领域

本发明涉及一种用于VR(virtual reality：虚拟现实)用头戴式显示器的图像显示单元及头戴式显示器。

背景技术

存在如下头戴式显示器，其具有为了体验不会使现实世界的外光通过的所谓的沉浸式虚拟现实(VR)，使用户佩戴而将图像引导到用户的眼睛的图像显示单元。在这种头戴式显示器所使用的图像显示单元中，需要从图像显示装置出射的光在使用者的眼镜的位置聚光的透镜。在头戴式显示器所使用的头像显示单元中，通过使图像显示装置与透镜的距离接近透镜的焦点距离，能够使使用者将图像显示装置显示的图像作为远方的虚像进行视觉辨认。

在用于头戴式显示器的图像显示单元中，为了薄型化及轻型化，通常使用菲涅耳透镜作为透镜。然而，在使用菲涅耳透镜的情况下，在缩短焦点距离方面存在限制。因此，难以减小图像显示单元(头戴式显示器)整体的厚度。

相对于此，作为使图像显示单元薄型化的结构，提出了使从图像显示装置出射的光被反射起偏器等反射一次之后，使用反射镜等再次使其反射以引导到用户的眼睛的结构。由此，能够获得从图像显示装置到用户的眼睛的光路长度，并且能够使图像显示单元整体薄型化。

例如，在专利文献1中记载了一种头戴式显示器，其从图像显示装置侧依次具有直线起偏器、1/4波片、半反射镜、1/4波片、反射起偏器，所述头戴式显示器能够用作VR用光学装置。在该光学元件中，使光在半反射镜与反射起偏器之间往复运动以延长光路长度。

以往技术文献

专利文献

专利文献1：日本特表2019-526075号公报

发明内容

发明要解决的技术课题

如上所述，在使用半反射镜及反射起偏器使光在半反射镜与反射起偏器之间往复而延长光路长度的图像显示单元中，半反射镜透过入射的光的约50％，进而，半反射镜反射透过半反射镜且反射起偏器反射的光的约50％，该光从图像显示单元出射。因此，存在相对于由图像显示装置出射的图像的光量的光的利用效率低至约25％的问题。

并且，在使用菲涅耳透镜的图像显示单元中，若缩短焦点距离，则存在产生由菲涅耳透镜的槽结构引起的散射或者视觉辨认到由槽结构引起的光的条纹的问题，并存在画质降低的问题。

本发明的课题在于提供一种小型、光利用效率高、画质降低少的图像显示单元及头戴式显示器。

用于解决技术课题的手段

为了解决该课题，本发明具有以下结构。

[1]一种图像显示单元，其具有：

图像显示装置；

偏振光衍射元件，其衍射从图像显示装置出射的光；及

偏振片，其透射由偏振光衍射元件衍射的偏振光，并吸收未由偏振光衍射元件衍射的光，

偏振光衍射元件为具有透镜功能的偏振光衍射透镜，

将偏振光衍射透镜的焦点距离设为f，将图像显示装置与偏振光衍射透镜的距离设为d时，满足d≤f。

[2]根据[1]所述的图像显示单元，其中，

偏振光衍射透镜的焦点距离f小于40mm。

[3]根据[1]或[2]所述的图像显示单元，其中，

偏振光衍射元件衍射圆偏振光，

偏振片为圆偏振片。

[4]根据[3]所述的图像显示单元，其中，

图像显示装置出射直线偏振光，

在图像显示装置与偏振光衍射元件之间具有相位差片。

[5]根据[4]所述的图像显示单元，其中，

相位差片为λ/4板。

[6]根据[3]所述的图像显示单元，其中，

图像显示装置出射无偏振光，

在图像显示装置与偏振光衍射元件之间具有圆偏振片。

[7]根据[3]至[6]中任一项所述的图像显示单元，其中，

圆偏振片由直线偏振片和相位差片构成。

[8]根据[7]所述的图像显示单元，其中，

相位差片为λ/4板。

[9]根据[1]至[8]中任一项所述的图像显示单元，其中，

偏振光衍射元件为具有包含液晶化合物的液晶层的液晶衍射元件，

液晶层具有源自液晶化合物的光学轴的朝向沿面内的至少一个方向连续旋转的同时发生变化的液晶取向图案，

若将液晶取向图案中的源自液晶化合物的光学轴的朝向沿面内方向旋转180°的长度设为1个周期，则液晶层在面内具有1个周期的长度不同的区域。

[10]根据[9]所述的图像显示单元，其中，

液晶层的1个周期从液晶取向图案中的一个方向的一侧朝向另一侧逐渐缩短。

[11]根据[9]或[10]所述的图像显示单元，其中，

液晶层以从内侧朝向外侧的同心圆状具有液晶取向图案的一个方向。

[12]根据[9]至[11]中任一项所述的图像显示单元，其中，

液晶层在用扫描型电子显微镜观察沿一个方向在厚度方向上切断而得的剖面的剖面图像中具有源自液晶相的亮部及暗部相对于液晶层的主表面倾斜的区域。

[13]根据[12]所述的图像显示单元，其中，

液晶衍射元件具有2层以上的液晶层，

至少2层的液晶层在用扫描型电子显微镜观察沿一个方向在厚度方向上切断而得的剖面的剖面图像中，观察到源自光学轴的朝向的亮部及暗部，

在至少2层的液晶层中，亮部及暗部相对于液晶层的主表面的倾斜角度彼此不同。

[14]根据[9]至[13]中任一项所述的图像显示单元，其中，

液晶层在用扫描型电子显微镜观察沿一个方向在厚度方向上切断而得的剖面的剖面图像中，具有从一个表面延伸到另一表面的亮部及暗部，暗部具有2个以上的角度的拐点，

在厚度方上具有暗部的倾斜方向不同的区域。

[15]根据[14]所述的图像显示单元，其中，

液晶层中的暗部的倾斜方向被折回的拐点的数量为奇数个。

[16]根据[12]至[15]中任一项所述的图像显示单元，其中，

液晶层中的暗部的平均倾斜角沿一个方向逐渐变化。

[17]根据[12]至[16]中任一项所述的图像显示单元，其中，

液晶层具有亮部及暗部的形状相对于液晶层的厚度方向的中心线不对称的区域。

[18]根据[9]至[17]中任一项所述的图像显示单元，其中，

伴随液晶层的折射率各向异性的折射率差Δn

[19]一种头戴式显示器，其具有[1]至[18]中任一项所述的图像显示单元。

发明效果

根据本发明，能够提供一种小型、光利用效率高、画质降低少的图像显示单元及头戴式显示器。

附图说明

图1是概念性地表示本发明的图像显示单元的一例的图。

图2是放大图1的图像显示单元的一部分的图。

图3是用于说明图1的图像显示单元的作用的概念图。

图4是概念性地表示本发明的图像显示单元的其他一例的局部放大图。

图5是概念性地表示液晶衍射元件的液晶层的一例的平面图。

图6是概念性地表示图5所示的液晶衍射元件的液晶层的图。

图7是放大表示图5所示的液晶衍射元件的液晶层的一部分的平面图。

图8是概念性地表示对形成图5所示的液晶层的取向膜进行曝光的曝光装置的一例的图。

图9是用于说明液晶层的作用的概念图。

图10是用于说明液晶层的作用的概念图。

图11是表示图5所示的液晶衍射元件的作用的概念图。

图12是概念性地表示液晶层的SEM剖面的一例的图。

图13是表示液晶层的另一例的概念图。

图14是表示液晶层的另一例的概念图。

具体实施方式

以下，对本发明进行详细说明。以下所记载的构成要件的说明是根据本发明的代表性实施方式而完成的，但是本发明并不限定于这种实施方式。另外，在本说明书中，使用“～”表示的数值范围是指将记载于“～”前后的数值作为下限值及上限值而包含的范围。并且，关于角度“正交”及“平行”是指严格的角度±10°的范围，以及，关于角度“相同”及“不同”能够以其差是否小于5°作为基准来进行判断。

本说明书中，“慢轴”是指在面内折射率最大的方向。

在本说明书中，逆波长分散性是指波长越变得长，面内延迟的绝对值越变大的性质，具体而言，是指在波长450nm处测定而得的面内延迟值即Re(450)、在波长550nm处测定而得的面内延迟值即Re(550)、在波长650nm处测定而得的面内延迟的值即Re(650)满足Re(450)≤Re(550)≤Re(650)的关系。

[图像显示单元]

本发明的图像显示单元具有：

图像显示装置；

偏振光衍射元件，其衍射从图像显示装置出射的光；及

偏振片，其透射由偏振光衍射元件衍射的偏振光，并吸收未由偏振光衍射元件衍射的光，

偏振光衍射元件为具有透镜功能的偏振光衍射透镜，

将偏振光衍射透镜的焦点距离设为f，将图像显示装置与偏振光衍射透镜之间的距离设为d时，满足d≤f。

图1是概念性地表示本发明的图像显示单元的一例的图。图2是放大图1所示的图像显示单元的一部分(被虚线包围的部位)的图，并且是用于说明图像显示单元的作用的图。

图1及图2所示的图像显示单元10具有图像显示装置52、第1圆偏振片16、偏振光衍射元件20及第2圆偏振片26。第1圆偏振片16具有第1直线偏振片12及第1相位差片14。并且，第2圆偏振片26具有第2直线偏振片24及第2相位差片22。第2圆偏振片26为本发明中的偏振片。

在图1所示的例子中，图像显示装置52作为图像出射无偏振光的光。并且，第1圆偏振片16使规定的旋转方向的圆偏振光透过并遮蔽另一圆偏振光。在图1所示的例子中，第1圆偏振片16通过第1直线偏振片12使入射的光中的规定的直线偏振光成分透过，并通过第1相位差片14使透过第1直线偏振片12的直线偏振光转换为圆偏振光，从而使规定的旋转方向的圆偏振光透过。并且，偏振光衍射元件20衍射透过第1圆偏振片16的圆偏振光。此时，偏振光衍射元件20在转换圆偏振光时转换成相反的旋转方向的圆偏振光。并且，偏振光衍射元件20是具有通过衍射圆偏振光而汇聚光的透镜功能的偏振光衍射透镜。第2圆偏振片26使被偏振光衍射元件20衍射的光透过，并吸收未被衍射的光。在图1所示的例子中，第2圆偏振片26利用第2相位差片22将由偏振光衍射元件20衍射的圆偏振光转换为直线偏振光，利用第2直线偏振片24使由第2相位差片22转换的直线偏振光透过，并吸收其他直线偏振光成分，从而使由偏振光衍射元件20衍射的偏振光透过，并吸收未被衍射的光。

并且，如图3所示，将偏振光衍射元件(偏振光衍射透镜)20的焦点距离设为f，将图像显示装置52与偏振光衍射元件20的距离设为d时，偏振光衍射元件20和图像显示装置52配置成满足d≤f。

在图像显示单元10中，若由图像显示装置52出射光(图像)，则光通过第1圆偏振片16、偏振光衍射元件20及第2圆偏振片26朝向使用者U出射。此时，从图像显示装置52出射的光通过偏振光衍射元件20聚光到使用者U的眼睛的位置。如图3所示，若偏振光衍射元件20与图像显示装置52的距离d为偏振光衍射元件20的焦点距离f以下，则图像显示单元10使使用者U将图像作为远处的虚像VI来视觉辨认。

以下，利用图2具体说明各部件的作用。如图2所示，从图像显示装置52出射的无偏振光通过第1直线偏振片12只透射规定的直线偏振光成分。作为一例，在图2所示的例子中，第1直线偏振片12透射与图2的纸面垂直的直线偏振光成分。透射第1直线偏振片12的直线偏振光入射到第1相位差片14并转换为右旋圆偏振光。通过第1相位差片14转换的右旋圆偏振光入射到偏振光衍射元件20并被衍射。并且，右旋圆偏振光在衍射时被转换为左旋圆偏振光。由偏振光衍射元件20衍射的左旋圆偏振光通过第2相位差片22转换为图中上下方向的直线偏振光。通过第2相位差片22转换的直线偏振光透射第2直线偏振片24后出射。

在此，由于难以将基于偏振光衍射元件20的衍射效率设为100％，因此，如图2中由虚线的箭头所示，入射到偏振光衍射元件20的右旋圆偏振光的一部分不被衍射而透射偏振光衍射元件20。在没有第2圆偏振片26的情况下，未被偏振光衍射元件20衍射的右旋圆偏振光从图像显示单元10出射并被使用者U视觉辨认。由于基于该右旋圆偏振光的图像未被聚光，因此作为实像被视觉辨认。因此，由于使用者U视觉辨认到实像叠加于虚像上，因此，导致应显示的虚像的画质降低。

相对于此，本发明的图像显示单元10具有第2圆偏振片26。此时，如图2所示，未被偏振光衍射元件20衍射的右旋圆偏振光(即，零级光)入射到第2圆偏振片26的第2相位差片22并转换为与图2的纸面垂直的方向的直线偏振光，入射到第2直线偏振片24并被吸收。即，未被偏振光衍射元件20衍射的右旋圆偏振光被第2圆偏振片26吸收。因此，使用者U仅可视觉辨认到基于左旋圆偏振光的虚像，而无法视觉辨认到未被衍射的右旋圆偏振光。因此，能够抑制由图像显示单元10显示的虚像的画质降低。

并且，如上所述，在使用菲涅耳透镜的图像显示单元中，若缩短焦点距离，则存在产生由菲涅耳透镜的槽结构引起的散射或者视觉辨认到由槽结构引起的光的条纹的问题。

相对于此，本发明的图像显示单元10使用衍射偏振光的偏振光衍射元件20作为透镜。因此，由于偏振光衍射元件20不具有槽结构，因此不会产生由槽结构引起的散射及光的条纹等，也不会产生由此引起的画质降低。

并且，如上所述，在使用半反射镜及反射起偏器使光在半反射镜与反射起偏器之间往复而延长光路长度的图像显示单元中，半反射镜透过入射的光的约50％，进而，半反射镜反射透过半反射镜且反射起偏器反射的光的约50％，该光从图像显示单元出射。因此，作为图像显示单元，存在相对于由图像显示装置出射的图像的光量的光的利用效率低至约25％的问题。

相对于此，本发明的图像显示单元10使用衍射偏振光的偏振光衍射元件20作为透镜。因此，能够进一步提高相对于由图像显示装置52出射的图像的光量的光的利用效率。

在此，在图1所示的例子中，设为图像显示装置52出射无偏振光，在图像显示装置52与偏振光衍射元件20之间具有第1圆偏振片16的结构，但并不限定于此。

图3是概念性地表示本发明的图像显示单元的其他一例的图局部放大图。

图3所示的图像显示单元10b具有图像显示装置52b、第1相位差片14、偏振光衍射元件20及第2圆偏振片26。第2圆偏振片26具有第2直线偏振片24及第2相位差片22。第2圆偏振片26为本发明中的偏振片。

在图3所示的例子中，图像显示装置52b作为图像出射直线偏振光的光。并且，第1相位差片14将由图像显示装置52b出射的直线偏振光转换为圆偏振光。偏振光衍射元件20及第2圆偏振片26具有与图1所示的图像显示单元10的偏振光衍射元件20及第2圆偏振片26相同的结构。并且，偏振光衍射元件20和图像显示装置52配置成满足d≤f。

在图像显示单元10b中，若由图像显示装置52b出射直线偏振光(图像)，则光通过第1相位差片14、偏振光衍射元件20及第2圆偏振片26朝向使用者U出射。此时，从图像显示装置52b出射的光通过偏振光衍射元件20聚光到使用者U的眼睛的位置。由于偏振光衍射元件20与图像显示装置52b的距离d为偏振光衍射元件20的焦点距离f以下，因此图像显示单元10b使使用者U将图像作为远处的虚像来视觉辨认。

作为一例，在图3所示的例子中，图像显示装置52b出射与图3的纸面垂直的方向的直线偏振光。从图像显示装置52b出射的直线偏振光入射到第1相位差片14并转换为右旋圆偏振光。通过第1相位差片14转换的右旋圆偏振光入射到偏振光衍射元件20并被衍射。并且，右旋圆偏振光在衍射时被转换为左旋圆偏振光。由偏振光衍射元件20衍射的左旋圆偏振光通过第2相位差片22转换为图中上下方向的直线偏振光。通过第2相位差片22转换的直线偏振光透射第2直线偏振片24后出射。

并且，未被偏振光衍射元件20衍射的右旋圆偏振光(即，零级光)入射到第2圆偏振片26的第2相位差片22并转换为与图4的纸面垂直的方向的直线偏振光，入射到第2直线偏振片24并被吸收。即，未被偏振光衍射元件20衍射的右旋圆偏振光被第2圆偏振片26吸收。因此，使用者U仅可视觉辨认到基于左旋圆偏振光的虚像，而无法视觉辨认到未被衍射的右旋圆偏振光。因此，能够抑制由图像显示单元10显示的虚像的画质降低。

在此，在图2及图4所示的例子中，偏振光衍射元件20衍射圆偏振光，但并不限定于此。例如，偏振光衍射元件可以为衍射直线偏振光的偏振光衍射透镜。在偏振光衍射元件为衍射直线偏振光的偏振光衍射透镜的情况下，代替第2圆偏振片26，配置使由偏振光衍射元件衍射的直线偏振光透射并吸收偏振光衍射元件没有衍射的直线偏振光的直线偏振片即可。在这种结构中，该直线偏振片相当于本发明中的偏振片。

并且，在偏振光衍射元件为衍射直线偏振光的偏振光衍射透镜的情况下，只要图像显示装置出射无偏振光，则在图像显示装置与偏振光衍射元件之间配置直线偏振片即可，只要图像显示装置出射直线偏振光，则在图像显示装置与偏振光衍射元件之间可以不配置直线偏振片及相位差片等。

并且，在图2及图4所示的例子中，从将入射的直线偏振光转换为圆偏振光的观点考虑，第1相位差片14优选为λ/4板。由于图像显示装置基本上出射可见光的光，因此，第1相位差片14相对于可见光区域的波长成为λ/4板即可。并且，在入射到第1相位差片14的光为椭圆偏振光的情况等中，作为第1相位差片14，具有将入射的光转换为圆偏振光的位相差即可。

并且，在图2及图4所示的例子中，从将入射的圆偏振光转换为直线偏振光的观点考虑，第2相位差片22优选为λ/4板。第2相位差片22相对于可见光区域的波长成为λ/4板即可。

并且，从图像显示单元的薄型化、视角等的观点考虑，偏振光衍射元件(偏振光衍射透镜)的焦点距离f优选小于40mm，更优选为1mm以上且30mm以下，进一步优选为3mm以上且15mm以下。

并且，从显示虚像的观点等考虑，图像显示系统与偏振光衍射元件的距离d只要为偏振光衍射元件的焦点距离f以下即可，从在远处显示虚像的观点考虑，距离d与焦点距离f的比d/f优选为0.8～1的范围，更优选为0.9～1的范围，进一步优选为0.95～1的范围。

以下，对图像显示系统所具有的部件进行说明。

＜图像显示装置＞

图像显示装置照射由图像显示系统显示的图像(静止图像或动态图像)。

图像显示装置并无限制，例如能够利用各种头戴式显示器等中所使用的公知的显示器。

作为显示器，作为一例，可以例示出液晶显示器(包括LCOS：Liquid Crystal OnSilicon(硅基液晶)等)、有机电致发光显示器及使用了DLP(Digital Light Processing：数字光处理)、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems：微机电系统)反射镜的扫面方式显示器等。

另外，图像显示装置可以为显示单色图像的显示器，也可以为显示多色图像的显示器。

如上所述，在本发明的图像显示单元中，图像显示装置照射的光可以为无偏振光，也可以为直线偏振光。

＜偏振片＞

第1及第2直线偏振片只要是具有透射一个偏振方向的直线偏振光并吸收另一偏振方向的直线偏振光的功能的直线偏振片，则并无特别限定，能够利用以往公知的直线偏振片。直线偏振片可以为吸收型直线偏振片，也可以为反射型直线偏振片。

作为吸收型直线偏振片，可使用作为吸收型起偏器的碘系起偏器、利用了二色性染料的染料系起偏器及多烯系起偏器等。碘系起偏器及染料系起偏器有涂布型起偏器和拉伸型起偏器，并且能够应用任一个。其中，优选通过在聚乙烯醇上吸附碘或二色性染料并对其进行拉伸而制作的起偏器。

并且，作为在基材上形成有聚乙烯醇层的层叠薄膜的状态下实施拉伸及染色而得到起偏器的方法，能够举出日本专利第5048120号公报、日本专利第5143918号公报、日本专利第4691205号公报、日本专利第4751481号公报及日本专利第4751486号公报，且还能够优选利用与这些起偏器有关的公知的技术。

作为吸收型起偏器，尤其优选为不进行拉伸而利用液晶的取向性而使二色性色素取向的起偏器。所述起偏器具有如下许多优点：能够极其薄层化为厚度为0.1μm～5μm左右；如日本特开2019-194685号公报中所记载，弯曲时不易产生裂纹，热变形小；如日本专利6483486号公报中所记载，超过50％这样的透射率高的偏振片的耐久性也优异，并且加热成型性优异等。

利用这些优点，能够用于如下用途：要求高亮度或小型轻量的用途、微细的光学系统用途、成型为具有曲面的部位的用途、柔性部位中的用途。并且，也能够剥离支撑体并转印起偏器而使用。

但也优选在平视显示器等车载显示器光学系统、AR眼镜、VR眼镜等光学系统或LiDAR、面部认证系统、偏振成像仪等光学传感器等中，以抑制杂散光为目的组装吸收型偏振器。

作为反射型直线偏振片，如日本特开2011-053705中所记载，能够使用将包含2种聚合物的层拉伸而成的薄膜、线栅起偏器等。从亮度的观点考虑，优选为将包含聚合物的层拉伸而成的薄膜。作为市售品，能够适当使用3MCompany制的反射型起偏器(商品名称APF)、Asahi Kasei Corporation制线栅起偏器(商品名称WGF)等。或者，也可以使用将胆甾醇型液晶膜与λ/4板组合而成的反射型直线偏振片。

用于本发明的偏振片优选表面平滑。尤其，在将偏振片应用于透镜等的情况下，由于透镜的像放大效果，微小的表面凹凸有时会导致像的失真，因此期望表面没有凹凸。具体而言，表面的平均算术粗糙度Ra优选为50nm以下，更进一步优选为30nm以下，进一步优选为10nm以下，最优选为5nm以下。并且，在偏振片的表面上，1平方毫米的范围内的表面凹凸的高低差优选为100nm以下，进一步优选为50nm以下，最优选为20nm以下。

能够使用粗度计或干涉仪来测定表面的凹凸及平均算术粗糙度。例如，能够使用Mitsubishi Chemical Systems,Inc.制的干涉仪“vertscan”来测定。

(相位差片)

第1及第2相位差片是转换入射的偏振的相位的相位差片。相位差片根据是将入射的偏振光转换为接近直线偏振光，还是转换为接近圆偏振光来调整慢轴的方向来配置。具体而言，相位差片配置成慢轴相对于相邻配置的直线偏振片的透射轴成为+45°或-45°。

本发明中使用的相位差片可以是由光学各向异性层1层构成的单层型，也可以是由分别具有多个不同的慢轴的2层以上的光学各向异性层的层叠构成的多层型。作为多层型相位差片的例子，可以举出WO13/137464号公报、WO2016/158300号公报、日本特开2014-209219号公报、日本特开2014-209220号公报、WO14/157079号公报、日本特开2019-215416号公报、WO2019/160044号公报，但并不限定于此。

从将直线偏振光转换为圆偏振光或将圆偏振光转换为直线偏振光的观点考虑，相位差片优选为λ/4板。

对λ/4板并无限制，能够利用各种公知的具有λ/4功能的板。作为λ/4板的具体例，例如可以举出美国专利申请公开2015/0277006号中所记载的λ/4板等。

例如，作为λ/4板为单层结构的方式，具体而言，可以举出拉伸聚合物薄膜及支撑体上设置有具有λ/4功能的光学各向异性层的相位差膜等。并且，作为λ/4板为多层结构的方式，具体而言，可以举出将λ/4板和λ/2波片层叠而成的宽频带λ/4板。

λ/4板的厚度并无特别限制，优选为1～500μm，更优选为1～50μm，进一步优选为1～5μm。

用于本发明的相位差片优选具有逆波长分散性。通过具有逆波长分散性，相位差片上的相位变化变得理想，直线偏振光与圆偏振光之间的转换变得理想。

＜偏振光衍射元件＞

偏振光衍射元件为具有衍射偏振光并汇聚衍射的偏振光的透镜功能的偏振光衍射透镜。如上所述，偏振光衍射元件可以为衍射直线偏振光的元件，也可以为衍射圆偏振光的元件。

作为衍射直线偏振光的偏振光衍射元件，可以举出体积全息图型衍射元件等。并且，由于偏振光衍射元件设为汇聚由该衍射结构衍射的偏振光的结构，因此，例如构成为衍射角度从偏振光衍射元件的中心朝向外侧变大。

(液晶衍射元件)

作为衍射圆偏振光的偏振光衍射元件，可以举出液晶衍射元件。

作为一例，图5中示出使用液晶衍射元件的正透镜的概念图。图5是概念性地表示液晶衍射元件所具有的液晶层的平面图。

液晶衍射元件具有使用包含液晶化合物的组合物形成的、具有使来自于液晶化合物的光学轴旋转的规定的液晶取向图案的液晶层。图5所示的例子中，液晶层36的液晶取向图案是使液晶化合物40的光学轴的朝向连续旋转的同时发生变化的一个方向从内侧朝向外侧呈同心圆状的同心圆状图案。所谓同心圆状图案是连接光学轴朝向相同方向的液晶化合物而成的线为圆形，且圆形的线段为同心圆状的图案。换言之，图5所示的液晶层36的液晶取向图案是液晶化合物40的光学轴的朝向连续旋转的同时发生变化的一个方向从液晶层36的中心以放射状设置的液晶取向图案。

在图5所示的液晶层36中，液晶化合物40的光学轴(省略图示)为液晶化合物40的长边方向。

在液晶层36中，液晶化合物40的光学轴的朝向沿从液晶层36的中心朝向外侧的多个方向、例如，由箭头A

并且，液晶衍射元件所具有的液晶层36具有液晶取向图案的1个周期Λ在面内不同的区域。在此，所谓液晶取向图案的1个周期Λ是指在液晶取向图案的在面内光学轴的朝向连续旋转而变化的一个方向上，液晶化合物40的光学轴旋转180°的长度(距离)。

具体而言，在图5所示的例子中，具有如下结构：在液晶化合物40的光学轴的朝向一边连续旋转一边改变的各方向上，随着从中心朝向外侧，1个周期Λ逐渐变短。

在后面进行详细说明，基于液晶衍射元件的衍射角度依赖于液晶取向图案的1个周期Λ，1个周期Λ越短，衍射角度越大。

液晶层36具有液晶取向图案从液晶层36的中心以放射状设置液晶化合物40的光学轴的朝向一边连续旋转一边发生变化的一个方向，并在各方向上，随着从中心朝向外侧，液晶取向图案的1个周期Λ逐渐变短的结构，则入射到具有该液晶取向图案的液晶层36的圆偏振光在液晶化合物40的光学轴的朝向不同的各局部区域中，绝对相位分别变化。此时，各绝对相位的变化量根据圆偏振光入射的液晶化合物40的光学轴的朝向而不同。并且，各衍射角度根据圆偏振光入射的区域中的1个周期而不同。液晶层36能够根据液晶化合物40的光学轴的旋转方向及入射的圆偏振光的方向将入射光作为会聚光而透射，该液晶层36具有同心圆状的液晶取向图案，即，光学轴连续旋转并以放射状发生变化的液晶取向图案。

即，通过将液晶层的液晶取向图案设为同心圆状，液晶衍射元件例如作为凸透镜而表达功能。

以下，对液晶衍射元件的液晶层进行详细说明。

图6是局部观察沿液晶层36的液晶化合物40的光学轴40A的朝向一边连续旋转一边改变的一个方向的剖面的概念图。图7为图6的平面图。

图6所示的液晶衍射元件具有支撑体30、取向膜32及液晶层(以下，也称为光学各向异性层)36。

如上所述，液晶衍射元件具有使用包含液晶化合物的组合物形成的、具有使来自于液晶化合物的光学轴旋转的规定的液晶取向图案的液晶层。并且，如后述，液晶层具有液晶取向图案的1个周期Λ在面内不同的区域。

并且，图6所示的液晶衍射元件具有支撑体30，但是也可以不设置支撑体30。

例如，本发明的光学元件也可以根据上述结构，剥离支撑体30而仅由取向膜及液晶层构成本发明的光学元件或取向膜也剥离而仅由液晶层构成本发明的光学元件。

即，液晶衍射元件只要是液晶层具有来自于液晶化合物的光学轴的朝向向一个方向旋转的液晶取向图案的元件，则能够利用各种层结构。

＜＜支撑体＞＞

在液晶衍射元件中，支撑体30支撑取向膜32以及液晶层36。

只要能够支撑取向膜及液晶层，则支撑体30能够利用各种片状物(膜、板状物)。

作为支撑体30，优选为透明支撑体，可以举出聚甲基丙烯酸甲酯等的聚丙烯酸类树脂薄膜、三乙酸纤维素等纤维素系树脂薄膜、环烯烃聚合物系薄膜(例如，商品名称“ARTON”、JSR公司制、商品名称“ZEONOR”、Zeon Corporation制)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚碳酸酯及聚氯乙烯等。支撑体并不限于挠性薄膜，可以为玻璃基板等非挠性基板。

并且，支撑体30可以为多层的支撑体，作为多层的支撑体，包括上述支撑体中的任一个等作为基板，并且在该基板的表面上设置其他层的支撑体等。

支撑体30的厚度并无限制，只要根据液晶衍射元件的用途及支撑体30的形成材料等适当设定能够保持取向膜及液晶层的厚度即可。

支撑体30的厚度优选为1～1000μm，更优选为3～500μm，进一步优选为5～250μm。

＜＜取向膜＞＞

在液晶衍射元件中，在支撑体30的表面上形成取向膜32。

取向膜32为在形成液晶衍射元件的液晶层36时用于将液晶化合物40取向为规定的液晶取向图案的取向膜。

如后述，在液晶衍射元件中，液晶层具有源自液晶化合物40的光学轴40A(参考图7)的朝向沿面内的一个方向(后述排列轴D方向)连续旋转的同时发生变化的液晶取向图案。因此，液晶衍射元件的取向膜形成为液晶层能够形成该液晶取向图案。

并且，在液晶取向图案中的、光学轴40A的朝向连续地旋转的同时发生变化的一个方向上，将光学轴40A的朝向旋转180°的长度设为1个周期Λ(光学轴的旋转周期)。

在以下说明中，也将“光学轴40A的朝向旋转”简称为“光学轴40A旋转”。

取向膜能够利用公知的各种取向膜。

例如，可以例示出由聚合物等有机化合物形成的摩擦处理膜、无机化合物的倾斜蒸镀膜、具有微槽的膜以及使ω-二十三烷酸、双十八烷基甲基氯化铵及硬脂酸甲酯等有机化合物的基于朗缪尔-布洛杰特法的LB(Langmuir-Blodgett：朗缪尔-布洛杰特)膜累积而成的膜等。

基于摩擦处理的取向膜能够通过用纸或布向规定方向摩擦多次聚合物层的表面而形成。作为取向膜中所使用的材料，优选例示聚酰亚胺、聚乙烯醇、日本特开平9-152509号公报中所记载的具有聚合性基团的聚合物、日本特开2005-97377号公报、日本特开2005-99228号公报及日本特开2005-128503号公报中所记载的取向膜等的形成中所使用的材料。

在液晶衍射元件中，取向膜优选利用向光取向性的原材料照射偏振光或非偏振光而形成取向膜的所谓的光取向膜。即，在液晶衍射元件中，作为取向膜，优选利用在支撑体30上涂布光取向材料而形成的光取向膜。

关于偏振光的照射，能够从相对于光取向膜的垂直方向或倾斜方向进行，关于非偏振光的照射，能够从相对于光取向膜的倾斜方向进行。

作为能够用于本发明的光取向膜中所使用的光取向材料，例如可以例示出日本特开2006-285197号公报、日本特开2007-76839号公报、日本特开2007-138138号公报、日本特开2007-94071号公报、日本特开2007-121721号公报、日本特开2007-140465号公报、日本特开2007-156439号公报、日本特开2007-133184号公报、日本特开2009-109831号公报、日本专利第3883848号公报及日本专利第4151746号公报中所记载的偶氮化合物、日本特开2002-229039号公报中所记载的芳香族酯化合物、日本特开2002-265541号公报及日本特开2002-317013号公报中所记载的具有光取向性单元的马来酰亚胺和/或经烯基取代的纳迪克酰亚胺化合物、日本专利第4205195号及日本专利第4205198号中所记载的光交联性硅烷衍生物、日本特表2003-520878号公报、日本特表2004-529220号公报及日本专利第4162850号中所记载的光交联性聚酰亚胺、光交联性聚酰胺及光交联性酯以及日本特开平9-118717号公报、日本特表平10-506420号公报、日本特表2003-505561号公报、国际公开第2010/150748号、日本特开2013-177561号公报及日本特开2014-12823号公报中所记载的能够光二聚化的化合物、尤其肉桂酸酯化合物、查耳酮化合物及香豆素化合物等作为优选例。

其中，优选利用偶氮化合物、光交联性聚酰亚胺、光交联性聚酰胺、光交联性酯、肉桂酸酯化合物及查耳酮化合物。

取向膜的厚度并无限制，只要根据取向膜的形成材料适当设定可以获得所需要的取向功能的厚度即可。

取向膜的厚度优选为0.01～5μm，更优选为0.05～2μm。

取向膜的形成方法并无限制，能够利用各种与取向膜的形成材料对应的公知的方法。作为一例，可以例示出将取向膜涂布于支撑体30的表面上并使其干燥之后，通过激光束曝光取向膜而形成取向图案的方法。

图8中概念性地表示取向膜上形成同心圆状的取向图案的曝光装置的一例。

曝光装置80具有具备激光器82的光源84、将来自激光器82的激光束M分割为S偏振MS和P偏振MP的偏振光束分离器86、配置于P偏振MP的光路的反射镜90A及配置于S偏振MS的光路的反射镜90B、配置于S偏振MS的光路的透镜92、偏振光束分离器94、及λ/4板96。

由偏振光束分离器86分割的P偏振MP被反射镜90A反射，并入射到偏振光束分离器94。另一方面，被偏振光束分离器86分割的S偏振MS被反射镜90B反射，被透镜92会聚而入射到偏振光束分离器94。

P偏振MP及S偏振MS被偏振光束分离器94合波，通过λ/4板96成为与偏振方向相对应的右旋圆偏振光及左旋圆偏振光，并入射到支撑体30上的取向膜32。

在此，通过右旋圆偏振光和左旋圆偏振光的干涉，照射到取向膜上的光的偏振状态以干涉条纹状周期性地发生变化。由于左旋圆偏振光与右旋圆偏振光的交叉角随着从同心圆的内侧朝向外侧而发生变化，因此可获得节距从内侧朝向外侧发生变化的曝光图案。由此，在取向膜中，可获得取向状态周期性地发生变化的同心圆状取向图案。

在该曝光装置80中，液晶化合物40的光学轴沿一个方向连续旋转180°的液晶取向图案的1个周期Λ能够通过改变透镜92的折射力(透镜92的F值)透镜92的焦点距离及透镜92与取向膜32的距离等来控制。

并且，通过调节透镜92的折射力(透镜92的F值)，在光学轴连续旋转的一个方向上能够改变液晶取向图案的1个周期的长度Λ。

具体而言，通过与平行光干涉的、由透镜92扩展的光的扩展角，能够在光学轴连续旋转的一个方向上改变液晶取向图案的1个周期的长度Λ。更具体而言，若减弱透镜92的折射力，则接近平行光，因此液晶取向图案的1个周期的长度Λ从内侧朝向外侧逐渐缩短，F值变大。相反，增强透镜92的折射力时，液晶取向图案的1个周期的长度Λ从内侧朝向外侧突然变短，F值变小。

如上所述，形成有经曝光的图案的取向膜(以下，也称为图案取向膜)具有取向图案，所述取向图案使液晶化合物取向，以成为形成于图案取向膜上的液晶层中的液晶化合物的光学轴的朝向沿面内的至少一个方向连续旋转的同时发生变化的液晶取向图案。若将图案取向膜沿使液晶化合物取向的朝向的轴设为取向轴，则可以说图案取向膜具有取向轴的朝向沿面内的至少一个方向连续旋转的同时发生变化的取向图案。图案取向膜的取向轴能够通过测定吸收各向异性来检测。例如，在使直线偏振光旋转的同时照射到图案取向膜上并测定了透射图案取向膜的光的光量时，观察到光量成为最大或最小的朝向沿面内的一个方向逐渐变化。

另外，在液晶衍射元件中，取向膜以优选的方式设置，并不是必须的构成要件。

例如，能够通过对支撑体30进行摩擦处理的方法、用激光束等对支撑体30进行加工的方法等在支撑体30上形成取向图案，从而也能够设为液晶层36等具有源自液晶化合物40的光学轴40A的朝向沿面内的至少一个方向连续旋转的同时发生变化的液晶取向图案的结构。

＜＜液晶层＞＞

在液晶衍射元件中，在取向膜32的表面上形成液晶层36。

在后述图9及图10中，液晶层36仅示出取向膜的表面的液晶化合物40(液晶化合物分子)，以简化附图并清楚地示出液晶衍射元件的结构。然而，如在图6中例示并概念性地表示液晶层36，液晶层36具有以与使用含有通常的液晶化合物的组合物而形成的液晶层相同的方式沿厚度方向堆叠取向的液晶化合物40而成的结构。

如上所述，在液晶衍射元件中，液晶层36使用包含液晶化合物的组合物而形成。

在将面内延迟的值设定为λ/2时，液晶层具有作为一般的λ/2板的功能，即，对入射到液晶层的光中所包含的彼此正交的2个直线偏振光成分赋予半波长即180°的相位差的功能。

在此，由于液晶化合物在面方向上旋转并取向，因此液晶层使入射的圆偏振光向光学轴的朝向连续地旋转的方向折射(衍射)而透射。此时，衍射的方向根据入射的圆偏振光的旋转方向而不同。

即，液晶层透射圆偏振光且衍射该透射光。

并且，液晶层将透射的圆偏振光的旋转方向改变为相反方向。

液晶层具有来自于液晶化合物的光学轴的朝向在液晶层的面内沿由排列轴D表示的一个方向连续旋转的同时发生变化的液晶取向图案。

另外，源自液晶化合物40的光学轴40A为在液晶化合物40中折射率最高的轴，所谓的慢轴。例如，在液晶化合物40为棒状液晶化合物的情况下，光学轴40A沿棒形状的长轴方向。

在以下的说明中，将“由排列轴D表示的一个方向”也简称为“排列轴D方向”。并且，在以下说明中，也将源自液晶化合物40的光学轴40A称为“液晶化合物40的光学轴40A”或“光学轴40A”。

在液晶层中，液晶化合物40分别在液晶层中向与排列轴D方向和与该排列轴D方向正交的Y方向平行的面内二维取向。另外，在图6、后述图9～图13中，Y方向成为与纸面垂直的方向。

图7中概念性地表示液晶层36的平面图。

平面图在图6中是从上方观察液晶衍射元件的图，即，从厚度方向(＝各层(膜)的层叠方向)观察液晶衍射元件的图。换言之，是从与主表面正交的方向观察液晶层36的图。

并且，在图7中，液晶化合物40仅示出取向膜32的表面的液晶化合物40，以清楚地示出液晶衍射元件的结构。然而，如图6所示，液晶层36在厚度方向上具有从该取向膜32的表面的液晶化合物40层叠液晶化合物40而成的结构，如上所述。

另外，在图6及图7中，以液晶层36的面内的一部分作为代表例进行说明，但是在液晶层的各区域中，除了液晶取向图案的1个周期的长度(1个周期Λ)不同以外，基本上具有相同的结构及作用效果。

液晶层36具有来自于液晶化合物40的光学轴40A的朝向在液晶层36的面内沿排列轴D方向连续旋转的同时发生变化的液晶取向图案。

液晶化合物40的光学轴40A的朝向沿排列轴D方向(规定的一个方向)连续旋转的同时发生变化具体而言是指，沿排列轴D方向排列的液晶化合物40的光学轴40A与排列轴D方向所成的角度根据排列轴D方向的位置而不同，沿排列轴D方向，光学轴40A与排列轴D方向所成的角度从θ依次变化至θ+180°或θ-180°。

另外，在排列轴D方向彼此相邻的液晶化合物40的光学轴40A的角度之差优选为45°以下，更优选为15°以下，进一步优选为更小的角度。

另一方面，在形成液晶层36的液晶化合物40中，光学轴40A的朝向相等的液晶化合物40在与排列轴D方向正交的Y方向即与光学轴40A连续旋转的一个方向正交的Y方向上以等间隔排列。

换言之，在形成液晶层36的液晶化合物40中，在Y方向上排列的液晶化合物40彼此之间，光学轴40A的朝向与排列轴D方向所形成的角度相等。

在液晶衍射元件中，在这种液晶化合物40的液晶取向图案中，在面内光学轴40A的朝向连续旋转而发生变化的排列轴D方向上，将液晶化合物40的光学轴40A旋转180°的长度(距离)设为液晶取向图案中的一个周期的长度Λ。换言之，液晶取向图案中的1个周期的长度由液晶化合物40的光学轴40A和排列轴D方向所成的角度达到θ至θ+180°为止的距离来定义。

即，将相对于排列轴D方向的角度相等的2个液晶化合物40的排列轴D方向的中心之间的距离设为一个周期的长度Λ。具体而言，如图7所示，将排列轴D方向与光学轴40A的方向一致的2个液晶化合物40的排列轴D方向的中心之间的距离设为一个周期的长度Λ。在以下说明中，也将该一个周期的长度Λ称为“一个周期Λ”。

在液晶衍射元件中，液晶层的液晶取向图案在排列轴D方向即光学轴40A的朝向连续旋转而发生变化的一个方向上重复该一个周期Λ。

如上所述，在液晶层中，在Y方向上排列的液晶化合物中，光学轴40A与排列轴D方向(液晶化合物40的光学轴的朝向所旋转的一个方向)所形成的角度相等。将该光学轴40A与排列轴D方向所形成的角度相等的液晶化合物40配置于Y方向上的区域设为区域R。

在这种情况下，优选各自的区域R中的面内延迟(Re)的值为半波长即λ/2。关于这些面内延迟，通过区域R的折射率各向异性所伴随的折射率差Δn与液晶层的厚度之积来计算。其中，液晶层中的区域R的折射率各向异性所伴随的折射率差为通过区域R的面内的慢轴的方向的折射率与和慢轴的方向正交的方向的折射率之差来定义的折射率差。即，区域R的折射率各向异性所伴随的折射率差Δn等于光学轴40A的方向的液晶化合物40的折射率与在区域R的面内和光学轴40A垂直的方向的液晶化合物40的折射率之差。即，上述折射率差Δn等于液晶化合物的折射率差。

若圆偏振光入射到这种液晶层36上，则光被折射，并且圆偏振光的方向被转换。

在图9及图10中概念性地表示该作用。另外，液晶层36的液晶化合物的折射率差与液晶层36的厚度之积的值为λ/2。

如图9所示，在液晶层36的液晶化合物的折射率差与液晶层36的厚度之积的值为λ/2的情况下，若作为左旋圆偏振光的入射光L

并且，形成于液晶层36上的液晶取向图案为沿排列轴D方向周期性的图案，因此透射光L

另一方面，如图10所示，在液晶层36的液晶化合物的折射率差与液晶层36的厚度之积的值为λ/2时，若右旋圆偏振光的入射光L

并且，形成于液晶层36上的液晶取向图案为沿排列轴D方向周期性的图案，因此透射光L

液晶层36通过改变所形成的液晶取向图案的一个周期Λ，能够调节透射光L

并且，通过将沿排列轴D方向旋转的液晶化合物40的光学轴40A的旋转方向设为相反的方向，能够将透射光的折射的方向设为相反的方向。即，在图9～图10所示的例中，朝向排列轴D方向的光学轴40A的旋转方向为顺时针方向，但是通过将该旋转方向设为逆时针方向，能够将透射光的折射的方向设为相反的方向。

在液晶层36中，多个区域R的面内延迟的值优选为半波长，但是优选相对于波长为550nm的入射光的液晶层36的多个区域R的面内延迟Re(550)＝Δn

200nm≤Δn

即，如果液晶层36的多个区域R的面内延迟Re(550)＝Δn

上述式(1)是相对于波长550nm的入射光的范围，相对于波长为λnm的入射光的液晶层的多个区域R的面内延迟Re(λ)＝Δn

0.7×(λ/2)nm≤Δn

此外，相对于波长为450nm的入射光的液晶层36的区域R的各面内延迟Re(450)＝Δn

(Δn

式(2)表示液晶层36中所包含的液晶化合物40具有逆分散性。即，通过满足式(2)，液晶层36能够对应于宽频带的波长的入射光。

液晶层由包含棒状液晶化合物或圆盘状液晶化合物的液晶组合物的固化层构成，并具有棒状液晶化合物的光学轴或圆盘状液晶化合物的光学轴如上述取向的液晶取向图案。

通过在支撑体上形成取向膜，并在取向膜上涂布液晶组合物并使其固化，从而能够获得由液晶组合物的固化层构成的液晶层。另外，作为所谓的λ/2板发挥功能的是液晶层，但是本发明包括一体具备支撑体及取向膜的层叠体作为λ/2板发挥功能的方式。

并且，用于形成液晶层的液晶组合物含有棒状液晶化合物或圆盘状液晶化合物，进而可以含有流平剂、取向控制剂、聚合引发剂及取向助剂等其他成分。

并且，液晶层相对于入射光的波长优选为宽频带，优选使用双折射率为逆分散的液晶材料构成。并且，还优选通过对液晶组合物赋予扭曲成分，并且，层叠不同的相位差层，使液晶层相对于入射光的波长实质上成为宽频带。例如，在液晶层中，通过层叠扭曲方向不同的2层液晶来实现宽频带的图案化的λ/2板的方法示于日本特开2014-089476号公报等中，在本发明中能够优选使用。

-棒状液晶化合物-

作为棒状液晶化合物，优选使用甲亚胺类、氧化偶氮类、氰基联苯类、氰基苯酯类、苯甲酸酯类、环己烷羧酸苯酯类、氰基苯基环己烷类、氰基取代苯基嘧啶类、烷氧基取代苯基嘧啶类、苯基二噁烷类、二苯乙炔类及链烯基环己基苯甲腈类。不仅能够使用如上低分子液晶性分子，还能够使用高分子液晶性分子。

更优选将棒状液晶化合物通过聚合来固定取向，作为聚合性棒状液晶化合物，能够使用Makromol.Chem.，190卷、2255页(1989年)、Advanced Materials 5卷、107页(1993年)、美国专利4683327号说明书、美国专利5622648号说明书、美国专利5770107号说明书、国际公开第95/22586号、国际公开第95/24455号、国际公开第97/00600号、国际公开第98/23580号、国际公开第98/52905号、日本特开平1-272551号公报、日本特开平6-16616号公报、日本特开平7-110469号公报、日本特开平11-80081号公报及日本专利申请2001-64627号公报等中所记载的化合物。此外，作为棒状液晶化合物，例如还能够优选使用日本特表平11-513019号公报及日本特开2007-279688号公报中所记载的化合物。

-圆盘状液晶化合物-

作为圆盘状液晶化合物，例如能够优选使用日本特开2007-108732号公报及日本特开2010-244038号公报中所记载的圆盘状液晶化合物。

另外，在对液晶层使用圆盘状液晶化合物时，在液晶层中，液晶化合物40在厚度方向上升，来自于液晶化合物的光学轴40A被定义为与圆盘面垂直的轴，所谓的快轴。

作为液晶化合物，为了获得高衍射效率，能够优选使用折射率各向异性Δn高的液晶化合物。通过提高折射率各向异性，能够较高地维持入射角度改变时的衍射效率。作为折射率各向异性Δn高的液晶化合物，并无特别限定，能够优选使用WO2019/182129A1中例示的化合物、由下述通式(I)表示的化合物。

[化学式1]

通式(I)中，

P

Sp

Z

X

k表示2～4的整数。

m及n分别独立地表示0～3的整数。存在多个的m可以相同，也可以不同。

A

[化学式2]

通式(B-1)～(B-7)中，

W

Y

G

M

*表示键合位置。

取代基L为碳原子数1～10的烷基、碳原子数1～10的烷氧基、碳原子数1～10的烷基氨基、碳原子数1～10的烷硫基、碳原子数1～10的烷酰基、碳原子数1～10的烷酰氧基、碳原子数1～10的烷酰氨基、碳原子数1～10的烷酰硫基、碳原子数2～10的烷氧基羰基、碳原子数2～10的烷基氨基羰基、碳原子数2～10的烷硫基羰基、羟基、氨基、巯基、羧基、磺基、酰胺基、氰基、硝基、卤原子或聚合性基团。其中，在作为取代基L记载的上述基团具有-CH

为了较高地维持入射角度变化时的衍射效率，液晶化合物的折射率各向异性Δn

＜液晶衍射元件的作用＞

如上所述，使用包含液晶化合物的组合物而形成的、具有光学轴40A的方向沿排列轴D方向旋转的液晶取向图案的液晶层折射圆偏振光，但是液晶取向图案的1个周期Λ越小，折射的角度越大。

因此，在面内的不同区域以液晶取向图案的1个周期Λ不同的方式形成图案时，入射到面内的不同区域的光折射成不同的角度。

以下，参考图11的概念图，详细说明液晶衍射元件的作用。图11是表示沿液晶层36的液晶化合物40的光学轴40A的朝向一边连续旋转一边改变的一个方向的剖面的该一个方向的一部分的概念图。

在液晶衍射元件中，表达光学作用的基本上只有液晶层。因此，在图11中，液晶衍射元件仅示出液晶层36，以简化附图并清楚地示出结构及作用效果。

如上所述，液晶衍射元件具有液晶层36。

液晶衍射元件作为一例以圆偏振光为对象使入射光向规定的方向折射并透射。在图11中，将入射光设为左旋圆偏振光。

在图11所示的部分中，液晶层36从图11中左侧开始具有3个区域A0、A1、A2，在各区域中1个周期的长度Λ不同。具体而言，1个周期的长度Λ以区域A0、A1、A2的顺序缩短。并且，区域A1及A2具有光学轴在液晶层的厚度方向上扭转并旋转的结构(以下，也称为扭转结构)。各区域的扭转角可以相同，也可以不同，能够根据需要的性能来适当设定。图11是区域A1的厚度方向的扭转角小于区域A2的厚度方向的扭转角，区域A0为不具有扭转结构的区域(即，扭转角为0°)的一例。

扭转角为整个厚度方向上的扭转角。

在液晶层具有扭转结构的情况下，如图12所示，成为在用SEM(Scanning ElectronMicroscope：扫描电子显微镜)观察的剖面中，亮部42及暗部44相对于液晶层36的主表面倾斜的结构。

在液晶衍射元件中，左旋圆偏振光LC1入射到液晶层36的面内的区域A1时，如上所述，相对于入射方向，沿排列轴D方向，即，液晶化合物的光学轴的朝向连续旋转的同时发生变化的一个方向以规定角度折射并透射。同样地，左旋圆偏振光LC2入射到液晶层36的面内的区域A2时，相对于入射方向，沿排列轴D方向以规定角度折射并透射。同样地，左旋圆偏振光LC0入射到液晶层36的面内的区域A0时，相对于入射方向，沿排列轴D方向以规定角度折射并透射。

在此，关于基于液晶层36的折射的角度，区域A2的液晶取向图案的1个周期Λ

通过从液晶衍射元件的中央侧朝向端部侧缩短区域的液晶取向图案Λ，能够使入射到更端部侧的光比入射到液晶衍射元件的中央附近的光较大地折射，并且能够作为会聚光的正透镜而发挥功能。

在此，在具有面内液晶化合物的光学轴的朝向连续旋转的同时发生变化的液晶取向图案的液晶层的光的衍射中，衍射角度增大，衍射效率可能降低。

因此，在将液晶层设为具有液晶化合物的光学轴的朝向在面内旋转180°的1个周期的长度不同的区域的结构的情况下，由于衍射角度根据光的入射位置而不同，因此根据面内的入射位置，衍射光的光量可能产生差异。即，根据面内的入射位置，可能会产生透射、衍射的光变暗的区域。

相对于此，当液晶衍射元件具有液晶层在厚度方向上扭转并旋转的区域时，能够抑制折射的光的衍射效率的降低。因此，液晶衍射元件具有液晶层在厚度方向上扭转并旋转的区域，优选具有厚度方向的扭转角的大小不同的区域。

具体而言，越是液晶取向图案的1个周期Λ短的区域，越增加厚度方向的扭转角，从而无论面内的入射位置如何，都能够使透射的光的光量变得均匀。

并且，在液晶衍射元件中，优选具有厚度方向的扭转角的大小为10°～360°的区域。

在液晶衍射元件中，厚度方向的扭转角根据面内的液晶取向图案的1个周期Λ适当地设定即可。

在此，在图6所示的例子中，液晶衍射元件设为具有1层液晶层的结构，但并不限定于此，也可以具有2层以上的液晶层。

并且，在液晶衍射元件中，具有2层以上的液晶层时，可以进一步具有在厚度方向上扭转并旋转的方向(扭转角的朝向)彼此不同的液晶层。

例如，可以层叠使用如下液晶层：具有来自于液晶化合物的光学轴的朝向向一个方向旋转的液晶取向图案，进而具有光学轴在液晶层的厚度方向上扭转并旋转的区域，并且具有旋转的扭转角在面内不同的区域的液晶层，且在厚度方向上扭转并旋转的方向彼此不同的液晶层。

这样，通过进一步具有在厚度方向上扭转并旋转的方向不同的液晶层，在厚度方向具有扭转角的区域中，相对于各种偏振状态的入射光能够有效地折射透射光。

在此，当具有在厚度方向上扭转并旋转的方向彼此不同的液晶层时，优选厚度方向的扭转角在面内的每个区域相同。

然而，本发明并不限定于此，在液晶衍射元件中，对于厚度方向的扭转角也没有限制，根据光学元件的用途等适当地设定即可。

并且，在厚度方向上扭转并旋转的方向彼此不同的液晶层中，相对于波长为λnm的入射光的液晶层的多个区域R的面内延迟Re(λ)＝Δn

然而，本发明并不限定于此，在液晶衍射元件中，对于相对于波长为λnm的入射光的液晶层的多个区域R的面内延迟Re(λ)＝Δn

在液晶衍射元件中，对液晶层的取向图案中的1个周期Λ也没有限制，根据光学元件的用途等适当地设定即可。

(扭转结构的扭转角不同的区域的形成方法)

在液晶层中，具有扭转结构的扭转角不同的区域的结构能够通过如下方法来形成：使用通过照射光产生反向异构化、二聚化、以及异构化及二聚化等而螺旋扭转力(HTP：Helical Twisting Power)发生变化的手性试剂，在形成液晶层的液晶组合物的固化前或固化液晶组合物时，通过改变每个区域的照射量来照射改变手性试剂的HTP的波长的光。

例如，通过使用通过光的照射而HTP变小的手性试剂，手性试剂的HTP通过光的照射而减少。在此，通过改变每个区域的光的照射量，例如，在照射量多的区域中，HTP大幅降低，螺旋的感应变小，因此扭转结构的扭转角变小。另一方面，在照射量少的区域中，HTP的降低少，因此扭转结构的扭转角变大。

改变每个区域的光的照射量的方法并无特别限定，能够利用通过渐变掩模照射光的方法、改变每个区域的照射时间的方法、或者改变每个区域的照射强度的方法等。

渐变掩模是相对于照射光的透射率在面内发生变化的掩模。

在此，在本发明中，在将液晶衍射元件作为凸透镜发挥作用时，优选满足下述式。

Φ(r)＝(π/λ)[(r

在此，r是距同心圆的中心的距离，由式r＝(x

另外，在本发明中，例如，当要对透射光设置光量分布时等，根据液晶衍射元件的用途，也能够利用不是朝向光学轴连续旋转的1个方向逐渐改变1个周期Λ而是在光学轴连续旋转的1个方向上部分地具有1个周期Λ不同的区域的结构。例如，作为局部改变1个周期Λ的方法，能够利用任意改变聚光的激光束的偏振方向的同时对光取向膜进行扫描曝光来图案化的方法等。

此外，液晶衍射元件可以具有1个周期Λ完全均匀的液晶层和具有1个周期Λ不同的区域的液晶层。

在此，在图5所示的例子中，液晶层的液晶取向图案设为从液晶层的中心以放射状设置液晶化合物的光学轴的朝向一边连续旋转一边发生变化的方向的同心圆状图案，但是只要能够汇聚入射的偏振光，则并不限定于此。

例如，液晶层的液晶取向图案可以为液晶化合物的光学轴的朝向一边连续旋转一边发生变化的方向为椭圆的同心圆状图案。即，也可以为将光学轴朝向相同方向的液晶化合物连接而成的线成为椭圆形的同心圆状图案。或者，只要能够汇聚入射的偏振光，则也可以为同心圆状图案变形的图案。

如上所述，液晶衍射元件可以具有2层以上的液晶层。此时，至少2层的液晶层在用扫描型电子显微镜扫描沿液晶化合物的光学轴的朝向一边连续旋转一边发生变化的一个方向在厚度方向上切断而得的剖面的剖面图像上，观察到来源于光学轴的朝向的亮部及暗部，在至少2层的液晶层中，亮部及暗部相对于液晶层的主表面的倾斜角度优选彼此不同。并且，亮部及暗部的倾斜方向优选彼此不同。

在图13中示出这种液晶衍射元件的一例。

图13所示的液晶衍射元件具有依次层叠第1液晶层217、第2液晶层219及第3液晶层218而成的结构。

第1液晶层217及第3液晶层218具有源自液晶化合物的光学轴的朝向沿面内的至少一个方向连续旋转的同时发生变化的液晶取向图案，并且，沿厚度方向扭转取向。

“光学轴沿厚度方向扭转取向”是指沿从液晶层的一个主表面朝向另一主表面的厚度方向排列的光学轴的朝向相对改变并向一个方向扭转取向的状态。扭转性具有右扭转性及左扭转性，但只要根据想要衍射的方向应用即可。另外，厚度方向中的光学轴的扭转小于1圈，即扭转角小于360°。厚度方向上的液晶化合物的扭转角优选为10°至200°左右，更优选为20°至180°左右。在胆甾醇型取向的情况下，具有反射扭转角为360°以上且特定波长区域的特定圆偏振光的选择反射性。本说明书中的“扭转取向”不包括胆甾醇型取向，在具有扭转取向的液晶层中不产生选择反射性。

对于具有这种液晶取向图案的液晶层用SEM观察剖面时，观察到图13所示的明线及暗线。如图13中重叠明线及暗线来显示，该明线及暗线的周期与液晶取向图案的周期一致。

如图13所示，第1液晶层217及第3液晶层218中，明线及暗线相对于液晶层的主表面的倾斜角度相同，倾斜方向彼此不同。因此，第1液晶层217及第3液晶层218中，明线及暗线上下对称(相对于厚度方向的中心线对称)。

并且，配置于第1液晶层217与第3液晶层218之间的第2液晶层219具有源自液晶化合物的光学轴的朝向沿面内的至少一个方向连续旋转的同时发生变化的液晶取向图案，并且，不沿厚度方向扭转取向。因此，第2液晶层219的明线及暗线沿着第2液晶层219的界面的法线，不具有倾斜。

第1液晶层217、第2液晶层219及第3液晶层218的液晶取向图案中的1个周期分别在面内的每个区域不同，但是面内的相同位置中的第1液晶层217、第2液晶层219及第3液晶层218的液晶取向图案中的1个周期相等。

因此，具有第1液晶层217、第2液晶层219及第3液晶层218的液晶衍射元件中，明线及暗线上下对称。

在如第2液晶层219那样，沿厚度方向不扭转取向的情况下，对于从法线方向入射的光的衍射效率高，但是对于倾斜方向入射的光的衍射效率低。另一方面，在第1液晶层217及第3液晶层218中，能够提高对于从倾斜方向入射的光的衍射效率。

因此，层叠这些液晶层而成的液晶衍射元件能够减少因入射角引起的衍射效率的变化，并且能够提高平均衍射效率。

另外，在图13所示的例子中，液晶衍射元件设为明线及暗线上下对称的结构，但并不限定于此。

例如，在第1液晶层217、第2液晶层219及第3液晶层218中，通过使沿来自于液晶化合物的光学轴的朝向发生变化的一个方向变化的厚度方向的扭转角的变化不同，可以设为在液晶衍射元件的中心侧，亮部及暗部上下对称，在液晶衍射元件的中心侧，亮部及暗部上下不对称的结构。

并且，如图14所示的例子，也可以设为第1液晶层37a、第2液晶层37b及第3液晶层37c的亮部及暗部彼此倾斜，彼此的倾斜角度不同的上下不对称的结构。

在此，在本发明中，如图13及图14所示，液晶层能够优选使用在SEM图像中具有从一个表面延伸到另一表面的亮部及暗部，暗部具有2个以上的角度的拐点，在厚度方向上具有暗部的倾斜方向不同的区域的液晶衍射元件。

在图13及图14所示的例子中，液晶层具有亮部及暗部的条纹图案，1个暗部分别在厚度方向的2个位置，相对于表面的倾斜角度改变。即，各暗部分别具有2个拐点。并且，在任一暗部中，图中上侧的区域中的倾斜方向与图中下侧的区域中的倾斜方向彼此相反。即，各暗部具有倾斜方向不同的区域。

并且，液晶层中的暗部的倾斜方向被折回的拐点的数量优选为奇数个。在图14所示的例子中，暗部的倾斜方向被折回的拐点的数量为1个。

液晶层中的、暗部的平均倾斜角优选沿一个方向逐渐变化。暗部的平均倾斜角是连接1个暗部的一个表面上的点与另一表面上的点而成的线段相对于液晶层的主表面的角度。

并且，伴随液晶层的折射率各向异性的折射率差Δn

作为液晶衍射元件具有2层以上的液晶层且至少2层的液晶层的亮部及暗部的倾斜角度彼此不同的结构的另一例，记载于国际公开第2020/066429号。

以上说明的本发明的图像显示单元能够优选用作头戴式显示器的图像显示单元。

实施例

以下列举实施例和比较例进一步具体地说明本发明的特征。只要不脱离本发明的宗旨，则能够适当地变更以下实施例中示出的材料、使用量、比例、处理内容、处理步骤等。因此，本发明的范围不应被以下所示的具体例做限定性解释。

[实施例1]

＜偏振光衍射元件的制作＞

(支撑体)

作为支撑体，准备了玻璃。

(取向膜的形成)

通过旋涂将下述取向膜形成用涂布液连续涂布于支撑体上。将形成有该取向膜形成用涂布液的涂膜的支撑体在60℃的热板上干燥60秒钟，从而形成了取向膜。

取向膜形成用涂布液

-光取向用原材料A-

[化学式3]

(取向膜的曝光)

使用图8所示的曝光装置对取向膜进行曝光，从而形成了具有取向图案的取向膜P-1。

在曝光装置中，使用出射波长(325nm)的激光束的装置作为激光器。将基于干涉光的曝光量设为1000mJ/cm

(液晶层的形成)

作为形成第1液晶层的液晶组合物，制备了下述组合物A-1。

组合物A-1

液晶化合物L-1

[化学式4]

/>

手性试剂M-1

[化学式5]

流平剂T-1

[化学式6]

液晶层通过将组合物A-1多层涂布于取向膜P-1上而形成。多层涂布是指，首先重复进行如下处理：在取向膜上涂布第1层组合物A-1，进行加热、冷却后进行紫外线固化而制作液晶固定化层之后，第2层以后对该液晶固定化层进行重叠涂布而进行涂布，并且相同地进行加热、冷却后进行紫外线固化。通过多层涂布形成，即使当液晶层的总厚变厚时，取向膜的取向方向从液晶层的下面向上面反映。

首先，第1层中，在取向膜P-1上涂布下述组合物A-1，将涂膜在热板上加热至80℃，然后，在氮气环境下使用高压汞灯以300mJ/cm

第2层以后，对该液晶层进行重叠涂布，在与上述相同的条件下进行加热、冷却后进行紫外线固化，从而制作了液晶固定化层。这样，反复进行重叠涂布直至总厚达到所期望的膜厚位为止，从而形成了第1液晶层。

液晶组合物A1的固化层的双折射率Δn通过测定通过将液晶组合物A1涂布于单独准备的延迟测定用带取向膜的支撑体上，液晶化合物的指向失在基材上呈水平地取向后照射紫外线而使其固定化而获得的液晶固定化层(固化层)的延迟值及膜厚来求出。能够通过将延迟值除以膜厚来计算Δn。延迟值使用Axometrix公司的Axoscan在目标波长处测定，膜厚使用扫描型电子显微镜(Scanning Electron Microscope、SEM)来测定。

在第1液晶层中，使用偏振显微镜确认了液晶的Δn

作为形成第2液晶层的液晶组合物，制备了下述组合物A-2。

组合物A-2

/>

除了使用组合物A-2调整液晶层的膜厚以外，以与第1液晶层相同的方式在第1液晶层上形成了第2液晶层。

在第2液晶层中，使用偏振显微镜确认了液晶的Δn

作为形成第3液晶层的液晶组合物，制备了下述组合物A-3。

组合物A-3

手性试剂H-1

[化学式7]

除了使用组合物A-3调整液晶层的膜厚以外，以与第1液晶层相同的方式在第2液晶层上形成了第3液晶层。

在第3液晶层中，使用偏振显微镜确认了液晶的Δn

将平行光入射到具有第1～第3液晶层的液晶衍射元件，并测量了所汇聚的出射光的焦点距离。焦点距离为30mm。

＜相位差片的制作＞

通过与日本特开2019-215416号公报的0102段至0126段中所记载的正A板相同的方法，获得了纤维素酰化物薄膜、取向膜及具有光学各向异性层C的薄膜。

光学各向异性层C为正A板(相位差片)，控制正A板的厚度以使Re(550)成为138nm。

＜图像显示单元的制作＞

使用第1直线偏振片、第1相位差片(λ/4板)、液晶衍射元件、第2相位差片(λ/4板)及直线偏振片制作了图像显示单元(参考图1)。将作为市售的头戴式显示器的Oculus公司的Oculus Rift S分解，使用其中的显示器作为图像显示装置，并使用了贴合于其表面的直线偏振片作为第1直线偏振片及第2直线偏振片。在图像显示装置侧以使第1直线偏振片的吸收轴的角度成为90°的方式配置。第1相位差片以使慢轴成为45°的方式配置。第2相位差片以使慢轴成为-45°的方式配置。第2直线偏振片以吸收轴的角度成为0°的方式配置。另外，记载的轴角度以头戴式显示器的水平方向为基准(0°)，从视觉辨认侧观察图像显示单元时将顺时针方向设为正。

并且，将图像显示装置与液晶衍射元件的距离设为30mm。

[实施例2]

在液晶衍射元件的制作中，变更形成为取向膜P-1的取向图案，将焦点距离设为15mm，将图像显示装置与液晶衍射元件的距离设为15mm，除此以外，以与实施例1相同的方式制作了图像显示单元。

[实施例3]

在液晶衍射元件的制作中，变更形成为取向膜P-1的取向图案，将焦点距离设为10mm，将图像显示装置与液晶衍射元件的距离设为10mm，除此以外，以与实施例1相同的方式制作了图像显示单元。

[比较例1]

在图像显示装置的表示面侧配置菲涅耳透镜而制作了图像显示单元。菲涅耳透镜的焦点距离为40mm。将图像显示装置与菲涅耳透镜的距离设为40mm。

菲涅耳透镜使用Oculus Rift S附带的透镜。

[比较例2]

使用第1吸收型直线偏振片、第1相位差片(λ/4板)、部分反射镜、第2相位差片(λ/4板)、反射型直线偏振片、第2吸收型直线偏振片制作光学元件，并制作了作为头戴式显示器的图像显示单元。将作为市售的头戴式显示器的Oculus公司的Oculus Rift S分解，使用其中的显示器及贴合于其表面的吸收型直线偏振片，配置成第1吸收型直线偏振片的吸收轴角度成为90°。作为部分反射镜，通过向直径5cm、曲率半径10cm的透镜的凸面进行溅射而形成了铝膜，以使透射率成为50％、反射率成为50％。即，部分反射镜为弯曲形状。作为第2反射型直线偏振片使用3M Company的DBEF，配置成透射轴角度成为90°。在第2反射型直线偏振片的视觉辨认侧，以吸收轴角度成为0°的方式配置了第2吸收型直线偏振片。并且，第1相位差片及第2相位差片分别配置成慢轴为45°及-45°。

将部分反射镜的点距离设为20mm。将图像显示装置与部分反射镜的距离设为20mm。

[比较例3]

除了不具有第2相位差片及第2直线偏振片以外，以与实施例1相同的方式制作了图像显示单元。

[评价]

＜图像显示单元的光利用效率的评价＞

取下图像显示单元中的显示器，配置了评价用光源。作为评价用光源，使用了激光指示器(波长532nm)。使用激光指示器，从第1直线偏振片侧入射光(入射光)，用功率计测定了出射光的强度。求出与入射光的强度的强度比并以以下基准进行了评价。

A：强度比为0.7以上

B：强度比为0.5以上且小于0.7

C：强度比小于0.5

＜画质评价1＞

与上述光利用效率的评价同样地，使用激光指示器，从第1直线偏振片侧入射光，在焦点距离的位置配置纸观察显示在纸上的光，根据以下基准进行了评价。

A：在一个焦点处观察到光的点。

B：在焦点以外的位置也观察到光。

＜画质评价2＞

在图像显示单元中点亮显示器，观察所显示的图像，根据以下基准进行了评价。

A：未观察到光的条纹。

B：观察到光的条纹。

将结果示于表1。

[表1]

由表1可知，本发明的实施例1～3与比较例相比，光的利用效率高，所显示的图像的画质也高。

比较例1中，在显示图像中可见由菲涅耳透镜的槽结构引起的光的条纹的画质差。

比较例2的光利用效率低。

比较例3中，由于出射未被液晶衍射元件衍射的光，因此导致画质降低。

[实施例1-A2]

在实施例1中，将液晶化合物L-1变更为液晶化合物L-2，调整手性试剂M-1、手性试剂H-1的添加量，并调整液晶层的膜厚，除此以外，以相同的方式制作液晶衍射元件，并制作了实施例1-A2的图像显示单元。

液晶化合物L-2

[化学式8]

在第1液晶层中，使用偏振显微镜确认了液晶的Δn

在第2液晶层中，使用偏振显微镜确认了液晶的Δn

在第3液晶层中，使用偏振显微镜确认了液晶的Δn

将平行光入射到具有第1～第3液晶层的液晶衍射元件，并测量了所汇聚的出射光的焦点距离。焦点距离为30mm。

[实施例2-A2]

在液晶衍射元件的制作中，变更形成为取向膜P-1的取向图案，将焦点距离设为15mm，将图像显示装置与液晶衍射元件的距离设为15mm，除此以外，以与实施例1-A2相同的方式制作了图像显示单元。

[实施例3-A2]

在液晶衍射元件的制作中，变更形成为取向膜P-1的取向图案，将焦点距离设为10mm，将图像显示装置与液晶衍射元件的距离设为10mm，除此以外，以与实施例1-A2相同的方式制作了图像显示单元。

[实施例1-A3]

在实施例1中，将液晶化合物L-1变更为液晶化合物L-3，调整手性试剂M-1、手性试剂H-1的添加量，并将形成液晶层时的涂膜的加热温度变更为55℃，并调整了液晶层的膜厚，除此以外，以相同的方式制造液晶衍射元件，并制作了实施例1-A3的图像显示单元。

液晶化合物L-3

[化学式9]

在第1液晶层中，使用偏振显微镜确认了液晶的Δn

在第2液晶层中，使用偏振显微镜确认了液晶的Δn

在第3液晶层中，使用偏振显微镜确认了液晶的Δn

将平行光入射到具有第1～第3液晶层的液晶衍射元件，并测量了所汇聚的出射光的焦点距离。焦点距离为30mm。

[实施例2-A3]

在液晶衍射元件的制作中，变更形成为取向膜P-1的取向图案，将焦点距离设为15mm，将图像显示装置与液晶衍射元件的距离设为15mm，除此以外，以与实施例1-A3相同的方式制作了图像显示单元。

[实施例3-A3]

在液晶衍射元件的制作中，变更形成为取向膜P-1的取向图案，将焦点距离设为10mm，将图像显示装置与液晶衍射元件的距离设为10mm，除此以外，以与实施例1-A3相同的方式制作了图像显示单元。

另外，实施例1～实施例3的液晶层(液晶化合物)的Δn

[评价]

＜图像显示单元的光利用效率的评价＞

取下图像显示单元中的显示器，配置了评价用光源。作为评价用光源，使用了激光指示器(波长532nm)。使用激光指示器，从第1直线偏振片侧入射光(入射光)，用功率计测定了出射光的强度。求出与入射光的强度的强度比。

在距离所制作的液晶衍射元件的同心圆的中心5mm、15mm的位置上，从液晶衍射元件的法线方向(0°)以±40°(10°刻度)改变入射角度进行了测定。

计算以不同的入射角度进行测定的强度比(光的利用效率)的平均值，进行了实施例1～实施例3、实施例1-A2～实施例3-A2及实施例1-A3～实施例3-A3的比较。

评价结果为，相对于实施例1，实施例1-A2的光的利用效率(平均值)提高，实施例1-A3的光的利用效率(平均值)进一步提高。

同样，相对于实施例2，实施例2-A2的光的利用效率(平均值)提高，实施例2-A3的光的利用效率(平均值)进一步提高。

相对于实施例3，实施例3-A2的光的利用效率(平均值)提高，实施例3-A3的光的利用效率(平均值)进一步提高。

由上可知，液晶衍射元件的液晶层的折射率差Δn

[实施例1-B1]

(液晶层的形成)

作为形成第1液晶层的液晶组合物，制备了下述组合物B-1。

组合物B-1

手性试剂C-3

[化学式10]

手性试剂C-4

[化学式11]

作为形成第2液晶层的液晶组合物，在实施例1-B1的组合物B-1中，将手性试剂C-3变更为0.54质量份，将手性试剂C-4变更为0.62质量份，从而制备了组合物B-2。

作为形成第3液晶层的液晶组合物，在实施例1-B1的组合物B-1中，将手性试剂C-3变更为0.48质量份，将手性试剂C-4变更为不添加，从而制备了组合物B-3。

首先，通过将组合物B-1多层涂布于取向膜P-1上而形成了第1液晶层。

首先，对于第1层，在取向膜P-1上涂布上述组合物B-1，将涂膜在热板上加热至80℃，然后，将LED-UV曝光机的波长365nm的紫外线照射到涂膜上。此时，在面内改变紫外线的照射量并照射到涂膜上。具体而言，以照射量从中心部朝向端部增加的方式在面内使照射量改变，对涂膜进行了照射。然后，将在热板上加热至80℃的涂膜在氮气环境下使用高压汞灯以300mJ/cm

第2层以后，重叠涂布于该液晶固定化层上，在与上述相同的条件下制作了液晶固定化层。这样，反复进行重叠涂布直至总厚达到所期望的膜厚位为止，从而形成了液晶层的第1液晶层。

在第1液晶层中，使用偏振显微镜确认了液晶的Δn

如上所述，形成了在面内扭转角发生变化的液晶层。

接着，通过将组合物B-2多层涂布于第1液晶层上而形成了第2液晶层。

在第1液晶层上涂布组合物B-2而制作实施例1-B1的第1液晶层中，变更从中心部朝向端部照射到涂膜的紫外线的照射量(从中心部朝向端部增加照射量)，总厚变更为所期望的膜厚，除此以外，以相同的方式形成了液晶层。

第2层以后，重叠涂布于该液晶固定化层上，在与上述相同的条件下制作了液晶固定化层。这样，反复进行重叠涂布直至总厚达到所期望的膜厚位为止，从而形成了第2液晶层。

该第2液晶层中，使用偏振显微镜确认了液晶的Δn

如上所述，形成了在面内扭转角发生变化的液晶层。

接着，通过将组合物B-3多层涂布于第2液晶层上而形成了第3液晶层。

在第2液晶层上涂布组合物B-3而制作实施例1-B1的第1液晶层中，变更从中心部朝向端部照射到涂膜的紫外线的照射量(从中心部朝向端部增加照射量)，总厚变更为所期望的膜厚，除此以外，以相同的方式形成了液晶层。

第2层以后，重叠涂布于该液晶固定化层上，在与上述相同的条件下制作了液晶固定化层。这样，反复进行重叠涂布直至总厚达到所期望的膜厚位为止，从而形成了第3液晶层。

该第3液晶层中，使用偏振显微镜确认了液晶的Δn

如上所述，从第1液晶层形成了具有第3液晶层的液晶层。

用SEM观察所制作的光学各向异性层的剖面的结果，亮部及暗部的形状中，暗部具有2个拐点，平均倾斜角从中心朝向外方向变大。

并且，将平行光入射到具有第1～第3液晶层的液晶衍射元件，并测量了所汇聚的出射光的焦点距离。焦点距离为30mm。

[实施例2-B1]

在液晶衍射元件的制作中，变更形成为取向膜P-1的取向图案，将焦点距离设为15mm，将图像显示装置与液晶衍射元件的距离设为15mm，除此以外，以与实施例1-B1相同的方式制作了图像显示单元。

[实施例3-B1]

在液晶衍射元件的制作中，变更形成为取向膜P-1的取向图案，将焦点距离设为10mm，将图像显示装置与液晶衍射元件的距离设为10mm，除此以外，以与实施例1-B1相同的方式制作了图像显示单元。

[实施例1-B2]

在实施例1-B1中，将液晶化合物L-1变更为液晶化合物L-2，调整手性试剂C-3、手性试剂C-4的添加量，在液晶层的制作中，调整从中心部朝向端部照射到涂膜的紫外线的照射量，并调整液晶层的膜厚，除此以外，以相同的方式，制作液晶衍射元件，并制作了实施例1-B2的图像显示单元。

在第1液晶层中，使用偏振显微镜确认了液晶的Δn

如上所述，形成了在面内扭转角发生变化的液晶层。

在第2液晶层中，使用偏振显微镜确认了液晶的Δn

如上所述，形成了在面内扭转角发生变化的液晶层。

在第3液晶层中，使用偏振显微镜确认了液晶的Δn

如上所述，从第1液晶层形成了具有第3液晶层的液晶层。

用SEM观察所制作的光学各向异性层的剖面的结果，亮部及暗部的形状中，暗部具有2个拐点，平均倾斜角从中心朝向外方向变大。

并且，将平行光入射到具有第1～第3液晶层的液晶衍射元件，并测量了所汇聚的出射光的焦点距离。焦点距离为30mm。

[实施例2-B2]

在液晶衍射元件的制作中，变更形成为取向膜P-1的取向图案，将焦点距离设为15mm，将图像显示装置与液晶衍射元件的距离设为15mm，除此以外，以与实施例1-B2相同的方式制作了图像显示单元。

[实施例3-B2]

在液晶衍射元件的制作中，变更形成为取向膜P-1的取向图案，将焦点距离设为10mm，将图像显示装置与液晶衍射元件的距离设为10mm，除此以外，以与实施例1-B2相同的方式制作了图像显示单元。

[实施例1-B3]

在实施例1-B1中，将液晶化合物L-1变更为液晶化合物L-3，调整手性试剂C-3、手性试剂C-4的添加量，在液晶层的制作中，调整从中心部朝向端部照射到涂膜的紫外线的照射量，将形成液晶层时的涂膜的加热温度变更为55℃，并调整液晶层的膜厚，除此以外，以相同的方式，制作液晶衍射元件，并制作了实施例1-B2的图像显示单元。

在第1液晶层中，使用偏振显微镜确认了液晶的Δn

如上所述，形成了在面内扭转角发生变化的液晶层。

在第2液晶层中，使用偏振显微镜确认了液晶的Δn

如上所述，形成了在面内扭转角发生变化的液晶层。

在第3液晶层中，使用偏振显微镜确认了液晶的Δn

如上所述，从第1液晶层形成了具有第3液晶层的液晶层。

用SEM观察所制作的光学各向异性层的剖面的结果，亮部及暗部的形状中，暗部具有2个拐点，平均倾斜角从中心朝向外方向变大。

并且，将平行光入射到具有第1～第3液晶层的液晶衍射元件，并测量了所汇聚的出射光的焦点距离。焦点距离为30mm。

[实施例2-B3]

在液晶衍射元件的制作中，变更形成为取向膜P-1的取向图案，将焦点距离设为15mm，将图像显示装置与液晶衍射元件的距离设为15mm，除此以外，以与实施例1-B3相同的方式制作了图像显示单元。

[实施例3-B3]

在液晶衍射元件的制作中，变更形成为取向膜P-1的取向图案，将焦点距离设为10mm，将图像显示装置与液晶衍射元件的距离设为10mm，除此以外，以与实施例1-B3相同的方式制作了图像显示单元。

[评价]

＜图像显示单元的光利用效率的评价＞

取下图像显示单元中的显示器，配置了评价用光源。作为评价用光源，使用了激光指示器(波长532nm)。使用激光指示器，从第1直线偏振片侧入射光(入射光)，用功率计测定了出射光的强度。求出与入射光的强度的强度比。

在距离所制作的液晶衍射元件的同心圆的中心5mm、15mm的位置上，从液晶衍射元件的法线方向(0°)进行了测定。

使用测定的强度比(光的利用效率)，进行了实施例1～实施例3、实施例1-B1～实施例3-B1的比较。

评价结果，相对于实施例1，实施例1-B1的光的利用效率在距离液晶衍射元件的同心圆的中心5mm的位置处相同，在15mm的位置处，利用率提高。

同样，相对于实施例2，实施例2-B1的光的利用效率在距离液晶衍射元件的同心圆的中心5mm的位置处相同，在15mm的位置处，利用率提高。

相对于实施例3，实施例3-B1的光的利用效率在距离液晶衍射元件的同心圆的中心5mm的位置处相同，在15mm的位置处，利用率提高。

由上可知，液晶衍射元件的液晶层具有厚度方向的扭转角的大小不同的区域，液晶取向图案的1个周期Λ越短的区域，通过增大液晶层的厚度方向的扭转角(增大暗部的平均倾斜角)，在衍射角变大的区域(上述情况下，15mm的位置)，光的利用效率提高。

[评价]

＜图像显示单元的光利用效率的评价＞

取下图像显示单元中的显示器，配置了评价用光源。作为评价用光源，使用了激光指示器(波长532nm)。使用激光指示器，从第1直线偏振片侧入射光(入射光)，用功率计测定了出射光的强度。求出与入射光的强度的强度比。

在距离所制作的液晶衍射元件的同心圆的中心5mm、15mm的位置上，从液晶衍射元件的法线方向(0°)以±40°(10°刻度)改变入射角度进行了测定。

计算以不同的入射角度进行测定的强度比(光的利用效率)的平均值，进行了实施例1-B1～实施例3-B1、实施例1-B2～实施例3-B2及实施例1-B3～实施例3-B3的比较。

评价结果为，相对于实施例1-B1，实施例1-B2的光的利用效率(平均值)提高，实施例1-B3的光的利用效率(平均值)进一步提高。

同样，相对于实施例2-B1，实施例2-B2的光的利用效率(平均值)提高，实施例2-B3的光的利用效率(平均值)进一步提高。

相对于实施例3-B1，实施例3-B2的光的利用效率(平均值)提高，实施例3-B3的光的利用效率(平均值)进一步提高。

由上可知，液晶衍射元件的液晶层的折射率差Δn

[实施例4～6]

在实施例1～3的图像单元制作中，将直线偏振片(聚乙烯醇层型)变更为如后述那样制作的吸收型偏振片，除此以外，以同样的方式制作了图像单元。

[吸收型起偏器的制作]

＜透明支撑体1的制作＞

用线棒将后述取向层形成用涂布液PA1连续涂布于纤维素酰化物薄膜(厚度40μm的TAC基材；TG40 FUJIFILM Corporation)上。通过用140℃的暖风将形成有涂膜的支撑体干燥120秒钟，接着，对涂膜进行偏振光紫外线照射(10mJ/cm

膜厚为0.3μm。

聚合物PA-1

[化学式12]

产酸剂PAG-1

[化学式13]

产酸剂CPI-110F

[化学式14]

＜光吸收各向异性层P1的形成＞

在所获得的取向层PA1上用线棒连续涂布下述光吸收各向异性层形成用组合物P1，从而形成了涂布层P1。

接着，在140℃下将涂布层P1加热30秒钟，并将涂布层P1冷却至变为室温(23℃)。

接着，在90℃下加热60秒钟，并再次冷却至变为室温。

然后，使用LED灯(中心波长365nm)在照度200mW/cm

膜厚为1.6μm。

将其作为层叠体1B。

D-1

[化学式15]

D-2

[化学式16]

D-3

[化学式17]

高分子液晶性化合物P-1[化学式18]

低分子液晶性化合物M-1[化学式19]

表面活性剂F-1

[化学式20]

＜UV粘结剂的制作＞

制备了下述UV粘结剂组合物。

CPI-100P

[化学式21]

＜吸收型偏振膜的制作＞

使用上述UV粘结剂，作为树脂基材S1将TECHNOLLOY S001G(甲基丙烯酸树脂50μm厚、tanδ峰值温度128℃、SUMIKA ACRYL CO.,LTD.)贴合于层叠体1B的光吸收各向异性层表面。然后，仅剥离纤维素酰化物薄膜1，制作了依次配置有树脂基材/粘结层/光吸收各向异性层/取向层的吸收型偏振膜。UV粘结层的厚度为2μm。

所获得的吸收型偏振膜的平均算术粗糙度Ra为10nm以下。另一方面，直线偏振片(聚乙烯醇层型)的平均算术粗糙度Ra为20nm以上。

由此，所制作的吸收型偏振膜能够抑制所显示的图像的失真。

另外，利用Mitsubishi Chemical Systems,Inc.制的干涉仪“vertscan”来测定了平均算术粗糙度Ra。

[评价]

进行图像显示单元的光利用效率的评价、画质评价1、画质评价2，评价均为A。

根据以上，可以明确本发明的效果。

符号说明

10a、10b-图像显示单元，12-第1直线偏振片，14-第1相位差片，16-第1圆偏振片，20-偏振光衍射元件(偏振光衍射透镜)，22-第2相位差，24-第2直线偏振片，26-第2圆偏振片，30-支撑体，32-取向膜，36-液晶层，40-液晶化合物，40A-光学轴，42-亮部，44-暗部，52、52b-图像显示装置，80-曝光装置，82-激光器，84-光源，86、94-偏振光束分离器，90A、90B-反射镜，96-λ/4板，92-透镜，D、A