JP5306323B2 - 多層アクロマティク液晶偏光回折格子および関連する作製方法 - Google Patents

Description

［優先権の主張］
本出願は、２００７年４月１６日に出願された「多層アクロマティク液晶偏光回折格子および関連する作製方法」という表題の米国仮特許出願第６０／９１２，０３９号の優先権を主張するものであり、その開示内容は、引用することによって本明細書の一部をなすものとする。

［発明の分野］
本発明は、偏光回折格子および関連する作製方法に関するものである。

液晶は、分子の規則正しい配向が存在する流動体の形態を取ることができる。典型的には、液晶（ＬＣ）分子は、異方性であり、細長の（棒状）形状または平坦な（円板）形状のいずれかを有している。異方性分子が規則的に配向することによって、バルクＬＣは、多くの場合、その物理的特性の異方性、例えば、機械的性質、電気的性質、磁気的性質、および／または光学的性質の異方性を呈することになる。

棒状または円板状の性質によって、ＬＣ分子の配向分布は、光学的な用途、例えば、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）において、重要な役割を果たすことができる。これらの用途では、ＬＣ配向は、配向表面によって影響されることになる。配向表面は、ＬＣが予測可能かつ制御可能に表面に対して配向するように、処理されるとよい。多くの場合、配向表面は、単一ドメインをＬＣ装置の全体に至らせることを確実なものとする。処理された配向表面が存在していないと、ＬＣは、多くのドメインおよび／または多くの配向不連続性を有することになる。光学的な用途では、これらのドメインおよび不連続性は、光の散乱を生じさせ、その結果、ディスプレイの性能が劣化することになる。

偏光回折格子は、（従来の回折格子におけるように位相または振幅に影響を与えるのと対照的に）、通過する光の局所的な偏光状態に周期的に影響を与えるために、用いられるとよい。例えば、切換え可能な液晶偏光回折格子（ＬＣＰＧ）を用いて、非偏光で操作可能な強度変調器を実現することができる。さらに具体的には、このような切換え可能なＬＣＰＧは、例えば、プロジェクションディスプレイおよび光シャッターを含む用途において、（レーザのような）比較的狭帯域幅の非偏光の比較的高コントラスト変調を達成するために、用いることができる。例えば、いくつかの従来のＬＣＰＧは、中心波長の＜７％の帯域幅を有する光に対して、０次光では約２００：１よりも大きいコントラスト比を有する無色光を変調することができる。しかし、従来のＬＣＰＧのコントラスト変調は、多くの用途において重要である（一部のＬＥＤのような）広帯域の光を変調するのに用いられたときに低下することがある。

本発明のいくつかの実施形態によれば、多層偏光回折格子は、第１の偏光回折格子層と、第１の偏光回折格子層上の第２の偏光回折格子層と、第３の偏光回折格子であって、第２の偏光回折格子層が第１の偏光回折格子層と第３の偏光回折格子層との間にある、第３の偏光回折格子層とを備えている。第２の偏光回折格子層は、第１の偏光回折格子層と第２の偏光回折格子層との間の界面に沿って第１の偏光回折格子層の第１の周期的分子構造に対してオフセットされている第２の周期的分子構造を有している。

いくつかの実施形態では、第３の偏光回折格子層は、第２の偏光回折格子層と第３の偏光回折格子層との間の界面に沿って第２の偏光回折格子層の第２の周期的分子構造に対してオフセットされている第３の周期的分子構造を有していてもよい。第１の偏光回折格子層および第２の偏光回折格子層のそれぞれの周期的分子構造は、第１の相対的角度ずれだけ位相が異なっていてもよく、第２の偏光回折格子層および第３の偏光回折格子層のそれぞれの周期的分子構造は、第２の相対的角度ずれだけ位相が異なっていてもよい。例えば、第２の偏光回折格子層の局部的ネマチックダイレクタ配向は、第１の偏光回折格子層の局部的ネマチックダイレクタ配向に対する第１の角度ずれを有していてもよく、第３の偏光回折格子層の局部的ネマチックダイレクタ配向は、第２の偏光回折格子層の局部的ネマチックダイレクタ配向に対する第２の角度ずれを有していてもよい。

他の実施形態では、第３の周期的分子構造は、第２の偏光回折格子層と第３の偏光回折格子層との間の界面に沿って、第２の周期的分子構造に対して逆方向にオフセットされていてもよい。例えば、第２の角度ずれは、第１の周期的分子構造および第３の周期的分子構造が同じ位相になるように、第１の角度ずれと逆方向の角度になっていてもよい。第１の角度ずれは、０°よりも大きく、１８０°よりも小さくなっていてもよい。例えば、第１の角度ずれは、約＋５５°から約＋５６°の範囲内にあってもよく、第２の角度ずれは、約−５５°から約−５６°の範囲内にあってもよい。他の実施形態では、第３の偏光回折格子層の第３の周期的分子構造は、第１の偏光回折格子層の第１の周期的分子構造に対して、位相が異なっていてもよい。

いくつかの実施形態では、多層偏光回折格子は、第１の偏光回折格子層と第２の偏光回折格子層との間で第１の偏光回折格子層上に位置する第１のキラル重合性液晶層をさらに備えていてもよい。第１のキラル重合性液晶層は、第２の偏光回折格子層の第２の周期的分子構造を第１の偏光回折格子層の第１の周期的分子構造に対して第１の角度ずれだけシフトするように、構成されていてもよい。

他の実施形態では、多層偏光回折格子は、第３の偏光回折格子層と第２の偏光回折格子層との間で第３の偏光回折格子層上に位置する第２のキラル重合性液晶層をさらに備えていてもよい。第１のキラル重合性液晶層および第２のキラル重合性液晶層は、それぞれ、キラル分子を含んでいてもよい。第２のキラル重合性液晶層のキラル分子は、第１のキラル重合性液晶層のキラル分子と逆の旋回性を有していてもよく、これによって、第２のキラル重合性液晶層は、第３の偏光回折格子層の第３の周期的分子構造を第２の偏光回折格子層の第２の周期的分子構造に対して第２の角度ずれだけ逆方向にシフトするように、構成されることが可能になる。

いくつかの実施形態では、第１のキラル重合性液晶層は、その対向面間の厚みの全体にわたって約＋５５°の捩じれを有していてもよく、第２のキラル重合性液晶層は、その対向面間の厚みの全体にわたって約−５５°の捩じれを有していてもよい。

他の実施形態では、多層偏光回折格子は、第１の偏光回折格子層上の第１の電極を備える第１の基板と、第３の偏光回折格子層上の第２の電極を備える第２の基板と、をさらに備えていてもよい。第２の偏光回折格子層は、非反応性液晶層から構成されていてもよい。例えば、第２の偏光回折格子層は、ネマチック液晶層から構成されていてもよい。

いくつかの実施形態では、第２の偏光回折格子層は、重合性液晶層から構成されていてもよい。

本発明のさらに他の実施形態によれば、多層偏光回折格子を作製する方法は、第１の偏光回折格子を形成することと、第１の偏光回折格子層上に第２の偏光回折格子層を形成することと、第２の偏光回折格子層上に第３の偏光回折格子層を、第２の偏光回折格子層が第１の偏光回折格子層と第３の偏光回折格子層との間にあるように、形成することと、を含んでいる。第２の偏光回折格子層は、第１の偏光回折格子層と第２の偏光回折格子層との間の界面に沿って第１の偏光回折格子層の第１の周期的分子構造に対してオフセットされている第２の周期的分子構造を有している。

いくつかの実施形態では、第３の偏光回折格子層は、第２の偏光回折格子層と第３の偏光回折格子層との間の界面に沿って第２の周期的分子構造に対してオフセットされている第３の周期的分子構造を有していてもよい。第２の偏光回折格子層は、第１の偏光回折格子層および第２の偏光回折格子層のそれぞれの周期的分子構造が第１の相対的角度ずれだけ位相が異なるように、形成されてもよい。第３の偏光回折格子層は、第２の偏光回折格子層および第３の偏光回折格子層のそれぞれの周期的分子構造が第２の相対的角度ずれだけ位相が異なるように、形成されてもよい。例えば、第２の偏光回折格子層の局部的ネマチックダイレクタ配向が、第１の偏光回折格子層の局部的ネマチックダイレクタ配向に対する第１の角度ずれを有していてもよく、第３の偏光回折格子層の局部的ネマチックダイレクタ配向が、第２の偏光回折格子層の局部的ネマチックダイレクタ配向に対する第２の角度ずれを有していてもよい。

他の実施形態では、第３の偏光回折格子層は、第３の周期的分子構造が第２の偏光回折格子層と第３の偏光回折格子層との間の界面に沿って第２の周期的分子構造に対して逆方向にオフセットされるように、第２の偏光回折格子層上に形成されてもよい。例えば、第２の角度ずれは、第１の周期的分子構造および第３の周期的分子構造が同じ位相になるように、第１の角度ずれと逆方向の角度になっていてもよい。第１の角度ずれは、０°よりも小さく、１８０°よりも大きくなっていてもよい。例えば、第１の角度ずれは、約＋５５°から約＋５６°の範囲内にあってもよく、第２の角度ずれは、約−５５°から約−５６°の範囲内にあってもよい。他の実施形態では、第３の偏光回折格子層は、第３の周期的分子構造が第１の偏光回折格子層の第１の周期的分子構造に対して位相が異なるように、形成されてもよい。

いくつかの実施形態では、第２の偏光回折格子層を第１の偏光回折格子層上に形成する前に、第１のキラル重合性液晶層が、第１の偏光回折格子層上に形成されてもよい。第１のキラル重合性液晶層は、第２の偏光回折格子層の第２の周期的分子構造を第１の偏光回折格子層の第１の周期的分子構造に対して第１の角度ずれだけシフトするように、構成されていてもよい。

他の実施形態では、第２のキラル重合性液晶層が、第３の偏光回折格子層上に形成されてもよい。第１のキラル重合性液晶層および第２のキラル重合性液晶層は、それぞれ、キラル分子を含んでいてもよい。第２のキラル重合性液晶層のキラル分子は、第２のキラル重合性液晶が第３の偏光回折格子層の第３の周期的分子構造を第２の偏光回折格子層の第２の周期的分子構造に対して第２の角度ずれだけ逆方向にシフトするように構成され得るように、第１のキラル重合性液晶層のキラル分子と逆方向の旋回性を有していてもよい。例えば、第１のキラル重合性液晶層は、その対向面間の厚みにわたって約＋５５°の捩じれを有していてもよく、第２のキラル重合性液晶は、その対向面間の厚みの全体にわたって約−５５°を有していてもよい。

いくつかの実施形態では、第２のキラル重合性液晶が第２の偏光回折格子層上に形成され、次いで、第３の偏光回折格子層が、第２のキラル重合性液晶層上に形成されるようになっていてもよい。第２の偏光回折格子層は、反応性メソゲン層であってもよい。

他の実施形態では、第２の偏光回折格子層を形成する前に、第２のキラル重合性液晶層が、第３の偏光回折格子層上に形成されてもよい。第２のキラル重合性液晶層を含む第３の偏光回折格子層が、第１のキラル重合性液晶層と第２のキラル重合性液晶層との間にギャップを画定するように、第１のキラル重合性液晶層を含む第１の偏光回折格子層に隣接して組み合わされてもよい。第２の偏光回折格子層は、非反応性液晶であってもよく、第１のキラル重合性液晶層と第２のキラル重合性液晶層との間のギャップ内に、第２の偏光回折格子層の第２の周期的分子構造を第１の周期的分子構造に対して第１の角度ずれだけシフトし、かつ第３の周期的分子構造に対して第２の角度ずれだけシフトするように、形成されてもよい。例えば、第２の偏光回折格子は、ネマチック液晶層から構成されていてもよい。

いくつかの実施形態では、第１の偏光層は、第１の電極を備える第１の基板上に形成されてもよく、第３の偏光層は、第２の電極を備える第２の基板上に形成されてもよい。第１の基板は、第１のキラル重合性液晶層と第２のキラル重合性液晶層との間にギャップを画定するように、第２の基板に隣接して組み合わされてもよい。第１のキラル重合性液晶層と第２のキラル重合性液晶層との間のギャップは、約半波長リタデーション厚みになっていてもよい。

いくつかの実施形態による他の装置および／または作製方法は、以下の図面および詳細な説明を再検討すれば、当業者には明らかになるであろう。このような付加的な方法および／または装置の全ては、本明細書に含まれ、本発明の範囲内に包含され、かつ添付の請求項によって保護されることが意図されている。

本発明のいくつかの実施形態による多層偏光回折格子を示す透視図である。 本発明のいくつかの実施形態による多層偏光回折格子のｘ−ｙ面におけるネマチックダイレクタのプロフィルを示す俯瞰図である。 従来の単一偏光回折格子の使用可能な帯域幅を示すグラフである。 本発明のいくつかの実施形態による多層偏光回折格子の使用可能な帯域幅を示すグラフである。 本発明のいくつかの実施形態による多層偏光回折格子の作動特性を示すグラフである。 本発明のいくつかの実施形態による多層偏光回折格子の作動特性を示すグラフである。 本発明のいくつかの実施形態による多層偏光回折格子の作動特性を示すグラフである。 図５Ａ〜図５Ｅは、本発明のいくつかの実施形態による多層偏光回折格子を作製する方法を示す断面図である。 図６Ａ〜図６Ｃは、本発明のさらに他の実施形態による多層偏光回折格子を作製する方法を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態が示されている添付の図面を参照して、本発明をさらに充分に説明する。しかし、本発明は、多くの異なる形態で実施されてもよく、ここに記載されている実施形態に限定されると解釈されるべきではない。むしろ、これらの実施形態は、この開示が、十分かつ完全であって、本発明の範囲を当業者に十分に知らしめるために、提供されている。図面において、寸法および層および領域の相対的な大きさは、明瞭にするために、誇張されている場合がある。全体を通して、同様の番号は、同様の要素を指すものとする。

「第１の（first）」、「第２の（second）」、「第３の（third）」などという用語が、種々の要素、構成部品、領域、層および／または区域を記述するために、ここに用いられていることがあるが、これらの要素、構成部品、領域、層、および／または区域は、これらの用語に限定されるべきではないことを理解されたい。これらの用語は、１つの要素、構成部品、領域、層または区域を他の領域、層、または区域から区別するために、用いられているにすぎない。従って、以下に述べる第１の要素、構成部品、領域、層、または区域は、本発明の示唆から逸脱することなく、第２の要素、構成部品、領域、層、または区域と呼ばれることもある。

「〜の真下に (beneath)」、「〜の下方に（below）」、「〜の下側の（lower）」、「〜の下に（under）」、「〜の上方に（above）」、「〜の上側の（upper）」などの空間に関連する用語が、ここでは、図面に示されている１つの要素または特徴部と１つまたは複数の他の要素または特徴部との関係を説明するための記述を容易にするために、用いられていることがある。空間に関連する用語は、図面に描かれている方位に加え、使用時または操作時における装置の別の方位も含むことが意図されていることを理解されたい。例えば、もし図面における装置が反転した場合、他の要素または特徴部の「下方に」、「真下に」、または「下に」あると記述されている要素は、他の要素または特徴部の「上方に」配向されることになる。従って、「〜の下方に」または「〜の下に」という例示的な用語は、上方の方位と下方の方位の両方を含んでいることになる。装置は、これ以外に配向されることもあり、（すなわち、９０°または他の方位に回転されることもあり）、この場合、ここに用いられている空間に関連する記述用語も、これに応じて、解釈されるとよい。加えて、ある層が２つの層の「間」にあると記述されているとき、この層は、これらの２つの層の間の唯一の層であってもよいし、または１つまたは複数の介在層が存在していてもよいことも理解されたい。

ここに用いられている専門用語は、特定の実施形態を説明することのみを目的とし、本発明を限定することを意図するものではない。ここに用いられている単数形の「a」、「an」および「the」は、文脈が明らかに別のことを示さない限り、複数形も含むことが意図されている。「〜を備える（comprise）」および／または「〜を備えている（comprising）」という用語は、本明細書において用いられる場合、記述されている特徴、完全体、工程、操作、要素、および／または構成部品の存在を特定することになるが、１つまたは複数の他の特徴、完全体、工程、操作、要素、構成部品、および／またはそれらの群の存在または追加を排除するものではないことをさらに理解されたい。ここに用いられている「および／または」という用語は、１つ以上の関連して列挙されている項目のどのような組合せも含んでいる。

ある要素または層が、他の要素または層の「上に位置している」または他の要素または層に「接続されている」、「結合されている」、または「隣接している」と記述されているときは、他の要素または層の上に直接位置するかまたは他の要素または層に直接接続、直接結合、または直接隣接するようになっていてもよいし、または介在する要素または層が存在していてもよいことを理解されたい。対照的に、ある要素が、他の要素または層の「上に直接位置している」または他の要素または層に「直接接続されている」、「直接結合されている」、または「直接隣接している」と記述されているときは、介在する要素または層が存在していないことになる。

ここでは、本発明の理想的な実施形態（および中間的な構造）の概略図である断面図を参照して、本発明の実施形態を説明することになる。従って、例えば、製造技術および／または許容誤差の結果として、図面の形状との違いが生じることが見込まれている。従って、本発明の実施形態は、ここに図示されている領域の特定の形状に限定されると解釈されるべきではなく、例えば、製造によって生じる形状の寸法誤差を含むべきである。すなわち、図面に示されている領域は、本質的に概略図であり、それらの形状は、装置の領域の実際の形状を示すことを意図したものではないし、本発明の範囲を限定することを意図したものでもない。

特段の規定がない限り、ここに用いられている（技術用語および科学用語を含む）全ての用語は、本発明が属する技術分野における当業者によって普通に理解されるのと同じ意味を有している。また、一般的に用いられる辞書に定義されているような用語は、関連技術および／または本明細書の文脈における意味と一致している意味を有するものと解釈されるべきであり、ここに明示的に規定されていない限り、理想化された意味または過度に形式的な意味に解釈されてはならないことをさらに理解されたい。

ここに用いられる「透過」または「透明」基板は、入射光の少なくとも一部を透過させるものであることは、当業者によって理解されるだろう。従って、透明基板は、いくつかの実施形態では、ガラス基板であってもよい。対照的に、ここに記載されている「反射」基板は、入射光の少なくとも一部を反射するものである。また、「重合性液晶」は、重合可能な比較的低分子量の液晶材料を指し、ここでは「反応性メソゲン」と記述されることもある。対照的に、「非反応性液晶」は、重合されない比較的低分子量の液晶材料を指している。

ここでは、液晶（ＬＣ）材料およびそれらの材料から構成される偏光回折格子を参照して、本発明の実施形態を説明することになる。ここに用いられる液晶は、ネマティク相、キラルネマティク相、スメクチック相、および／または強磁性相を有している。加えて、多数の光重合性ポリマーが、ここに記載される偏光回折格子を作り出す配向層として用いられてもよい。光重合性に加えて、これらの材料は、ＬＣに対して不活性であるとよく、ＬＣ装置の操作温度の範囲（例えば、約−５０℃から約１００℃の範囲）の全体にわたって安定した配向をもたらす必要があり、かつここに記載される作製方法に適合している必要がある。光重合性ポリマーのいくつかの例として、ポリイミド（例えば、JSR Micro社（カルフォニア州、サンバレー）から市販されているＡＬ１２５４およびBrewer Science社（ミズリー州、ローラ）から市販されているNissanＲＮ−１１９９）、およびケイ皮酸エステル（例えば、M. Schadtら：“線状重合された感光性ポリマーによる液晶の表面誘起平行配向”、Jpn. J. Appl. Phys., Vol 31. (1992), pp. 2155-2164に記載されているポリビニル４−メトキシ−ケイ皮酸エステル）が挙げられる。光重合性ポリマーの他の例は、Vantico社（カルフォルニア州、ロスアンジェルス）から市販されているStaralign. TM.である。さらに他の例として、カルコン−エポキシ材料（例えば、Dong Hoon Choiら：“直線偏光ＵＶの照射による光化学的２官能性カルコン−エポキシフィルム上の低分子量ネマティク液晶の光配向”、Bull. Korean Chem. Soc., Vol. 23, No. 4587 (2002) に記載されているもの）、およびクマリン側鎖ポリイミド（例えば、M. Reeら：“光感受性ポリマーの薄膜上の液晶の配向挙動−光反応性基およびＵＶ露光の影響”、Synth. Met., Vol. 117 (1-3), pp. 273-5 (2001)（これらの材料では、ＬＣは、偏光の方向とほぼ直交して配向する）に開示されているもの）が挙げられる。また、液晶配向の方法のさらに他の例が、Crawfordらに付与された米国特許第７，１９６，７５８号明細書において検討されている。さらに、ここに記載されているいくつかの構造は、スピンコーティング法と液晶材料とのバランスによる精緻な作製法と関連している。本発明のいくつかの実施形態と共に用いられるさらに他の構造および／または方法が、Escutiらに付与された国際公開第２００６／０９２７５８号パンフレットにおいて検討されている。この開示内容は、引用することによって、本明細書の一部をなすものとする。

本発明のいくつかの実施形態は、偏光回折格子を用いて、アクロマティク（広帯域）の高コントラスト回折を達成することができる方法および装置を提供するものである。さらに具体的には、本発明のいくつかの実施形態では、３つの偏光回折格子が、それらの間に所定の位相ずれをもたらすように、互いに積層されるようになっている。例えば、第１の非反応性液晶層が、２つの反応性メソゲン層間に、液晶層の周期的分子配向が２つの反応性メソゲン層の周期的分子配向に対して約５５°から約５６°の範囲内の角度ずれだけオフセットされるように、積層されているとよい。０°よりも大きく、１８０°よりも小さい範囲内の他の角度ずれが用いられてもよい。また、いくつかの実施形態では、第１の偏光回折格子層と第２の偏光回折格子層との間の角度ずれは、第２の偏光回折格子層と第３の偏光回折格子層との間の角度ずれと異なっていてもよい。このようにして、この回折格子は、切換え可能とされ、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）に用いられるのに適する空間光変調器をもたらすことができる。対照的に、単一層偏光回折格子は、非偏光を変調することは可能であるが、その高コントラスト作動は、極めて狭帯域の入力光に制限されることになる。従って、広帯域光は、多くの用途において用いられているが、そのような用途において、本発明のいくつかの実施形態は、既存の技術と比較して、極めて高コントラストおよび／または極めて高輝度を得るために、用いられることが可能である。

図１Ａは、本発明のいくつかの実施形態による多層偏光回折格子を示している。図１Ａに示されているように、第１の偏光回折格子層ＰＧ１１０１、第２の偏光回折格子層ＰＧ２１０２、および第３の偏光回折格子層ＰＧ３１０３が、互いに積層され、多層構造１０５を形成している。第２の偏光回折格子層ＰＧ２１０２は、第１の偏光回折格子層ＰＧ１１０１と第３の偏光回折格子層ＰＧ３１０３との間に位置しているが、第２の偏光回折格子層ＰＧ２１０２の周期的分子構造は、回折格子ベクトルに沿って、偏光回折格子層ＰＧ１１０１および／またはＰＧ３１０３の周期的分子構造に対して横方向にオフセットまたは「シフト」されている。さらに具体的には、第１の回折格子層ＰＧ１１０１および／または第３の回折格子層ＰＧ３１０３に対する第２の回折格子層ＰＧ２１０２の空間的な差異は、これらの偏光回折格子層間の界面によって画定された面に沿って、局部的ネマティクダイレクタ配向の角度ずれψをもたらしている。換言すると、中央の偏光回折格子層ＰＧ２１０２の周期的分子構造は、互いに平行に配列されている外側の偏光回折格子層ＰＧ１１０１，ＰＧ３１０３の少なくとも１つの周期的分子構造に対して、位相が異なるようにずらされている。図１Ｂに示されているように、第２の偏光回折格子層ＰＧ２１０２のネマティクダイレクタ配向の位相ずれまたは角度ずれψは、ｘ−ｙ平面において約５５°である。角度ずれψは、多層構造１０５によって変調される光の帯域幅を広げるように、偏光回折格子層ＰＧ１１０１，ＰＧ２１０２，ＰＧ３１０３間の相対的な空間的差異に基づいて、調整されることが可能である。各偏光回折格子１０１、１０２、および／または１０３の回折格子ピッチは、約１０μｍであるとよく、従って、角度ずれψを制御するのは、いくらか困難な場合がある。（数１０ｎｍのオーダの）偏光回折格子層ＰＧ１１０１，ＰＧ２１０２，ＰＧ３１０３間のギャップが、多層偏光回折構造１０５の使用可能な帯域幅および／または効率に影響を与えることにも留意されたい。

図２Ａおよび図２Ｂは、従来の単一偏光回折格子設計（図２Ａ）と本発明のいくつかの実施形態による多層偏光回折格子（図２Ｂ）との間の使用可能な帯域幅の差を示すシミュレーション結果の例である。図２Ａおよび図２Ｂのシミュレーション結果は、光学回折をモデル化するために、２×２伝達行列の計算を行うジョーンズ法を用いて、および有限差分時間−ドメイン（ＦＤＴＤ）技術を用いて、計算されたものである。図２Ｂに示されているように、本発明のいくつかの実施形態による多層偏光回折格子の使用可能な帯域幅は、図２Ａの従来の単一偏光回折格子と比較して、約１２００％の拡大をもたらすことができる。さらに具体的には、図２Ａの単一偏光回折格子は、斜線部２０５によって示されているように、約６３３ｎｍの所望の波長、すなわち、中心波長λ_０に対して約５７５ｎｍから約６１８ｎｍの波長域にわたって、高コントラスト（例えば、９８％よりも大きい効率のコントラスト）の光変調をもたらしている。しかし、図２Ｂの多層偏光回折格子は、斜線部２１０によって示されているように、約６３３ｎｍの同一波長λ_０に対して極めて広い波長域、すなわち、約４３２ｎｍから約９８５ｎｍの波長域にわたって、高コントラストの光変調をもたらしている。従って、本発明のいくつかの実施形態による多層偏光回折格子は、従来の偏光回折格子よりも高い帯域幅をもたらすことができる。

図３Ａは、本発明のいくつかの実施形態による多層偏光回折格子の種々の角度ずれに対するスペクトル応答を示している。さらに具体的には、図３Ａは、（波形３１０によって表わされている）従来の単一層偏光回折格子の回折効率に対する、（波形３０１，３０２，３０３，３０４，３０５によって、それぞれ、表わされている）０°，２２．５°、４５°，６７．５°，９０°の角度ずれψを有する５つの異なる多層偏光回折格子の回折効率を示している。図３Ａに示されているように、（波形３０１，３０２によって示されている）約４５°未満の角度ずれψの場合、対応する多層偏光回折格子のスペクトル応答は、（波形３１０によって示されている）単一層偏光回折格子のスペクトル応答よりも大きく変動し、その結果、その使用可能な帯域幅が、単一層偏光回折格子の使用可能帯域幅よりも劣ることになる。しかし、（波形３０３，３０４によって示されている）約４５°から約９０°の間の角度ずれψの場合、対応する多層偏光回折格子のスペクトル応答は、波形３１０によって示されている単一層偏光回折格子のスペクトル応答よりも著しく広くなっている。従って、約４５°から約９０°の間の角度ずれψを有する多層偏光回折格子は、単一偏光回折格子よりも大きい回折効率をもたらすことができる。

図３Ｂは、本発明のいくつかの実施形態による多層偏光回折格子における角度ずれψと（中心波長λ_０に対する百分率として表わされている）使用可能な帯域幅との関係を示している。スペクトル範囲Δλ（単位：波長）は、全一次回折Σ_η−１が≧９９．５％である波長の範囲を示している。正規化帯域幅Δλ／λ_０（単位：％）は、中心波長λ_０に対するスペクトル範囲の比として定義されている。図３Ｂに示されているように、中心波長λ_０の約９０％である最大帯域幅Δλ_max３２５は、約５５°の角度ずれψにおいて生じている。対照的に、従来の単一偏光回折格子の場合の最大帯域幅Δ_SinglePG ３３０は、波長λ_０の約６．８％である。

図４は、従来の単一偏光回折格子に対する本発明のいくつかの実施形態による約５５°の角度ずれψを有する多層偏光回折格子のスペクトル応答の差を示している。さらに具体的には、図４に示されているように、（波形４０５によって示されている）約５５°の角度ずれψを有する多層偏光回折格子の一次回折効率η_−１は、広いスペクトル応答によって明らかなように、（波形４１０によって示されている）単一偏光格子回折の一次回折効率η_−１よりも著しく広くなっている。しかし、いくつかの実施形態では、例えば、異なる液晶材料および／または異なる複屈折値の使用に基づいて、角度ずれψは、変化し得ることを理解されたい。例えば、いくつかの実施形態では、角度ずれψは、０°よりも大きく、１８０°よりも小さくなっていればよい。従って、本発明のいくつかの実施形態による多層偏光回折格子は、従来の単一偏光回折格子と比較して、使用可能な帯域幅を著しく改良することができる。

図５Ａ〜図５Ｅは、本発明のいくつかの実施形態による多層偏光回折格子を作製する方法を示す断面図である。図５Ａを参照すると、第１の偏光回折格子ＰＧ１５０１が基板５００上に形成されている。例えば、第１の偏光回折格子ＰＧ１５０１は、ホログラフィ技術を用いて、透過基板または透明基板５００上に形成されているとよい。第１の偏光回折格子ＰＧ１５０１は、重合性液晶ＰＧ層であるとよい。図５Ｂに示されているように、比較的薄いキラル重合性液晶層Ｃ１５１５が、第１の偏光回折格子ＰＧ１５０１上に形成されている。例えば、いくつかの実施形態では、層Ｃ１５１５は、約＋５５°の捩じれを有する薄いキラル重合性液晶層であるとよい。換言すれば、層Ｃ１５１５には、（図５Ｅに示されているように）、層Ｃ１５１５の分子の配向が層Ｃ１５１５の対向面間の厚みｄ_１の全体にわたって約５５°の角度ψだけ「twist（捩じられる）」ように、キラル分子（すなわち、異なる左旋回形状および右旋回形状を有する非対称分子）がドープされているとよい。図５Ｃに示されているように、第２の偏光回折格子ＰＧ２５０２が、キラル重合性液晶層Ｃ１５１５上に組み合わされている。従って、第２の偏光回折格子ＰＧ２５０２は、層Ｃ１５１５のキラルの捩じれの量に基づいて、第１の偏光回折格子ＰＧ１５０１に対して位相がずらされていることになる。相対的な角度ずれψの大きさは、第１の偏光回折格子ＰＧ１５０１と第２の偏光回折格子ＰＧ２５０２との間の距離にも依存している、すなわち、層Ｃ１５１５の厚みにも基づいている。図５Ｄに示されているように、層Ｃ１５１５の旋回性と逆の旋回性を有する比較的薄いキラル重合性液晶層Ｃ２５２５が、第２の偏光回折格子ＰＧ２５０２上に形成されている。例えば、いくつかの実施形態では、層Ｃ２５２５は、層Ｃ２５２５の対向面間の厚みｄ_２の全体にわたって−５５°の捩じれを有する薄いキラル重合性液晶層であるとよい。図５Ｅに示されているように、第３の偏光回折格子ＰＧ３５０３が、キラル重合性液晶層Ｃ２５２５上に組み合わされ、層Ｃ２５２５のキラルの捩じれの量に基づいて、第２の偏光回折格子ＰＧ２５０２に対して、前述したのと同様に、しかし、反対方向に、位相がずれている。従って、第１の偏光回折格子ＰＧ１５０１および第３の偏光回折格子ＰＧ３５０３のそれぞれの周期的分子配向は、同一の位相になっている。従って、本発明のいくつかの実施形態では、重合性液晶材料および単一基板によって、多層偏光回折格子を完全に形成することができる。しかし、他の実施形態では、互いに異なる材料および／または互いに異なる基板が用いられてもよい。例えば、いくつかの他の実施形態では、層Ｃ１５１５，Ｃ２５２５の厚みｄ_１，ｄ_２は、互いに異なっていてもよく、これによって、第１の偏光回折格子ＰＧ１５０１および第３の偏光回折格子ＰＧ３５０３のそれぞれの周期的分子配向は、その位相が異なっていてもよい。

図６Ａ〜図６Ｃは、本発明のさらに他の実施形態による多層偏光回折格子を作製する方法を示す断面図である。図６Ａを参照すると、第１の偏光回折格子ＰＧ１６０１および第２の偏光回折格子ＰＧ２６０３が、それぞれ、第１の基板６００および第２の基板６１０上に形成されている。例えば、第１の偏光回折格子ＰＧ１６０１および／または第２の偏光回折格子ＰＧ２６０３は、ここではさらには述べない周知のホログラフィ技術を用いて、形成されているとよい。各基板は、インジウム−錫−酸化物（ＩＴＯ）電極のような透明導電電極（図示せず）を備えていてもよい。図６Ｂに示されているように、互いに逆の旋回性を有する第１のキラル重合性液晶層Ｃ１６１５および第２のキラル重合性液晶層Ｃ２６２５が、それぞれ、第１の偏光回折格子ＰＧ１６０１および第２の偏光回折格子ＰＧ２６０２上に形成されている。例えば、第１の層Ｃ１６１５は、約＋５５°の捩じれを有する薄いキラル重合性液晶層であるとよく、第２の層Ｃ２６２５は、約―５５°の捩じれを有する薄いキラル重合性液晶層であるとよい。図６Ｃに示されているように、第１の基板６００および第２の基板６１０は、それらの基板間に実質的に均一のセルギャップをもたらすように、組み合わされ、次いで、液晶材料によって充填され、これによって、切換え可能な液晶層６０２が形成されることになる。セルギャップ６２１は、多層偏光回折格子の作動に用いられる光に対して半波長リタデーション（位相遅れ）厚み、例えば、約２μｍよりも大きくなっているとよい。しかし、他の実施形態では、セルギャップ６２１は、半波長リタデーション厚み以下であってもよい。これによって、液晶層の分子は、層Ｃ１６１５，Ｃ２６２５のキラルの捩じれに従って配向され、偏光回折格子ＰＧ１６０１，ＰＧ２６０３の分子配向に対して角度ずれψをもたらすことになる。従って、本発明のいくつかの実施形態は、切換え可能なピクセル構造に広帯域の高コントラストおよび高アクロマティック作動をもたらすことができる。

従って、本発明のいくつかの実施形態によれば、一定および／または可変の角度ずれを層間にもたらすように構成された３層偏光回折格子によって、液晶偏光回折格子のアクロマティク（広帯域）回折を達成することが可能である。このような多層偏光回折格子は、周知の薄膜技術および／または周知の液晶材料を用いて、作製することができ、これによって、例えば、携帯プロジェクションディスプレイ、消費者ＴＶ、リアルタイムホログラフィ、などのような偏光無依存性マイクロディスプレイに用いられる改良された空間光変調器を作り出すことができる。さらに、場合によっては、本発明のいくつかの実施形態による多層偏光回折格子は、所望の中心波長の約９０％に至る波長域にわたって、高コントラスト変調を高めることができ、これによって、従来の単一偏光回折格子と比較して、１２００％の改良がもたらされることになる。従って、ディスプレイ用途において、画像品質を著しく改良することができる。

前述の説明は、本発明の単なる例示にすぎず、本発明を限定すると解釈されるべきではない。本発明のいくつかの例示的な実施形態を説明したが、当業者であれば、本発明の新規の示唆および利点から実質的に逸脱することなく、例示的な実施形態に多くの修正を施すことが可能であることを容易に理解するだろう。例えば、前述の説明は、主に、第１の偏光回折格子層および第３の偏光回折格子層のそれぞれの周期的分子構造に対してオフセットされた周期的分子構造を含む第２の偏光回折格子層に基づいているが、第１の偏光回折格子層および第３の偏光回折格子層のそれぞれの周期的分子構造が互いにオフセットされてもよい。さらに、ここに述べた基板は、例えば、基板上の透明なインジウム−錫−酸化物（ＩＴＯ）によってもたらされる１つまたは複数の電極を表面上に備えていてもよい。従って、このような修正の全ては、本発明の範囲内に含まれることが意図されている。それ故、前述の説明は、本発明の単なる例示にすぎず、開示されている特定の実施形態に限定されると解釈されるべきではないこと、かつ開示されている実施形態の修正および他の実施形態は、本発明の範囲内に含まれることが意図されていることを理解されたい。

Claims (30)

1. 第１の周期的分子構造を含む第１の偏光回折格子層と、
   前記第１の偏光回折格子層上の第２の偏光回折格子層であって、前記第２の偏光回折格子層は、第２の周期的分子構造を備えており、前記第１の偏光回折格子層と前記第２の偏光回折格子層との間の第１の界面で、前記第１の周期的分子構造と前記第２の周期的分子構造とは、前記第１の界面と平行の方向にオフセットされている、第２の偏光回折格子層と、
   第３の偏光回折格子層であって、前記第３の偏光回折格子層は、前記第２の偏光回折格子層が前記第１の偏光回折格子層と前記第３の偏光回折格子層との間にあるように、前記第２の偏光回折格子層上に位置し、第３の周期的分子構造を有しており、前記第２の偏光回折格子層と前記第３の偏光回折格子層との間の第２の界面で、前記第２の周期的分子構造と前記第３の周期的分子構造とは、前記第２の界面に平行の方向にオフセットされている、第３の偏光回折格子層と、
   を備えてなることを特徴とする多層偏光回折格子。
2. 前記第２の周期的分子構造は、前記第１の周期的分子構造および前記第２の周期的分子構造が第１の相対的角度ずれだけ位相が異なるように、前記第１の周期的分子構造に対してオフセットされており、前記第３の周期的分子構造は、前記第２の周期的分子構造および前記第３の周期的分子構造が第２の相対的角度ずれだけ位相が異なるように、前記第２の周期的分子構造に対してオフセットされていることを特徴とする請求項１に記載の多層偏光回折格子。
3. 前記第２の偏光回折格子層の局部的ネマチックダイレクタ配向は、前記第１の偏光回折格子層の局部的ネマチックダイレクタ配向に対して、前記第１の角度ずれを有しており、前記第３の偏光回折格子層の局部的ネマチックダイレクタ配向は、前記第２の偏光回折格子層の前記局部的ネマチックダイレクタ配向に対して、前記第２の角度ずれを有しており、前記第２の角度ずれは、前記第１の角度ずれと異なっていることを特徴とする請求項２に記載の多層偏光回折格子。
4. 前記第３の周期的分子構造は、前記第２の周期的分子構造が前記第１の周期的分子構造に対してオフセットされているのと逆方向に、前記第２の周期的分子構造に対してオフセットされていることを特徴とする請求項２に記載の多層偏光回折格子。
5. 前記第２の角度ずれは、前記第１の周期的分子構造および前記第３の周期的分子構造が同じ位相になるように、前記第１の角度ずれと逆方向の角度になっていることを特徴とする請求項４に記載の多層偏光回折格子。
6. 前記第１の角度ずれは、０°よりも大きく、１８０°よりも小さくなっていることを特徴とする請求項５に記載の多層偏光回折格子。
7. 前記第１の角度ずれは、＋５５°から＋５６°の範囲内にあり、前記第２の角度ずれは、−５５°から−５６°の範囲内にあることを特徴とする請求項５に記載の多層偏光回折格子。
8. 前記第３の偏光回折格子層の前記第３の周期的分子構造は、前記第１の偏光回折格子層の前記第１の周期的分子構造に対して、位相が異なっていることを特徴とする請求項４に記載の多層偏光回折格子。
9. 前記第１の偏光回折格子層と前記第２の偏光回折格子層との間にあり、前記第１の偏光回折格子層上に位置する第１のキラル重合性液晶層をさらに備えていることを特徴とする請求項２に記載の多層偏光回折格子。
10. 前記第３の偏光回折格子層と前記第２の偏光回折格子層との間にあり、前記第３の偏光回折格子層上に位置する第２のキラル重合性液晶層をさらに備えており、
    前記第１のキラル重合性液晶層および前記第２のキラル重合性液晶層は、キラル分子をそれぞれ含んでおり、前記第２のキラル重合性液晶層の前記キラル分子は、前記第１のキラル重合性液晶層の前記キラル分子と逆の旋回性を有していることを特徴とする請求項９に記載の多層偏光回折格子。
11. 前記第１のキラル重合性液晶層は、その対向面間の厚みの全体にわたって＋５５°の捩じれを含んでおり、前記第２のキラル重合性液晶層は、その対向面間の厚みの全体にわたって−５５°の捩じれを含んでいることを特徴とする請求項１０に記載の多層偏光回折格子。
12. 前記第１の偏光回折格子層上の第１の電極を備える第１の基板と、
    前記第３の偏光回折格子層上の第２の電極を備える第２の基板と
    をさらに備えており、
    前記第２の偏光回折格子層は、非反応性液晶層から構成されていることを特徴とする請求項１に記載の多層偏光回折格子。
13. 前記第２の偏光回折格子層は、ネマチック液晶層から構成されていることを特徴とする請求項１２に記載の多層偏光回折格子。
14. 前記第２の偏光回折格子層は、重合性液晶層から構成されていることを特徴とする請求項１に記載の多層偏光回折格子。
15. 第１の周期的分子構造を含む第１の偏光回折格子を形成するステップと、
    前記第１の偏光回折格子層上に第２の偏光回折格子層を形成するステップであって、前記第２の偏光回折格子層は、第２の周期的分子構造を含んでおり、前記第１の偏光回折格子層と前記第２の偏光回折格子層との間の第１の界面で、前記第１の周期的分子構造と前記第２の周期的分子構造とは、前記第１の界面と平行の方向にオフセットされる、ステップと、
    前記第２の偏光回折格子層が前記第１の偏光回折格子層と第３の偏光回折格子層との間にあるように、前記第２の偏光回折格子層上に前記第３の偏光回折格子層を形成するステップであって、第３の偏光回折格子は、第３の周期的分子構造を含んでおり、前記第２の偏光回折格子層と前記第３の偏光回折格子層との間の第２の界面で、前記第２の周期的分子構造と前記第３の周期的分子構造とは、前記第２の界面と平行の方向にオフセットされる、ステップと
    を含んでなることを特徴とする、多層偏光回折格子を作製する方法。
16. 前記第２の偏光回折格子層および第３の偏光回折格子層を形成するステップは、
    前記第２の偏光回折格子を前記第１の偏光回折格子層上に、前記第１の周期的分子構造および前記第２の周期的分子構造が第１の相対的角度ずれだけ位相が異なるように、形成することと、
    前記第３の偏光回折格子層を前記第２の偏光回折格子層上に、前記第２の周期的分子構造および前記第３の周期的分子構造が第２の相対的角度ずれだけ位相が異なるように、形成することと
    を含んでいることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
17. 前記第２の偏光回折格子層および前記第３の偏光回折格子層を形成するステップは、
    前記第２の偏光回折格子層を前記第１の偏光回折格子層上に、前記第２の偏光回折格子層の局部的ネマチックダイレクタ配向が前記第１の偏光回折格子層の局部的ネマチックダイレクタ配向に対する角度ずれを有するように、形成することと、
    前記第３の偏光回折格子層を前記第２の偏光回折格子層上に、前記第３の偏光回折格子層の局部的ネマチックダイレクタ配向が前記第２の偏光回折格子層の前記局部的ネマチックダイレクタ配向に対する第２の角度ずれを有するように、形成することと
    をさらに含んでおり、
    前記第２の角度ずれは、前記第１の角度ずれと異なっていることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
18. 前記第３の偏光回折格子を形成するステップは、
    前記第３の周期的分子構造が、前記第２の周期的分子構造が前記第１の周期的分子構造に対してオフセットされるのと逆方向に、前記第２の周期的分子構造に対してオフセットされるように、前記第３の偏光回折格子層を前記第２の偏光回折格子層上に形成することをさらに含んでいることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
19. 前記第２の角度ずれは、前記第１の周期的分子構造と前記第３の周期的分子構造とが同じ位相になるように、前記第１の角度ずれと逆方向の角度になっていることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
20. 前記第１の角度ずれは、０°よりも小さく、１８０°よりも大きくなっていることを特徴とする請求項１９に記載の方法。
21. 前記第１の角度ずれは、＋５５°から＋５６°の範囲内にあり、前記第２の角度ずれは、−５５°から−５６°の範囲内にあることを特徴とする請求項１９に記載の方法。
22. 前記第３の偏光回折格子層を形成するステップは、
    前記第３の周期的分子構造が前記第１の周期的分子構造に対して位相が異なるように、前記第３の偏光回折格子層を形成することを含んでいることを特徴とする請求項１８に記載の方法。
23. 前記第２の偏光回折格子層を前記第１の偏光格子層上に形成する前に、前記第１の偏光回折格子層上に第１のキラル重合性液晶層を形成することをさらに含んでいることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
24. 前記第３の偏光回折格子層上に第２のキラル重合性液晶層を形成するステップをさらに含んでおり、
    前記第１のキラル重合性液晶層および前記第２のキラル重合性液晶層は、キラル分子をそれぞれ含んでおり、前記第２のキラル重合性液晶層の前記キラル分子は、前記第１のキラル重合性液晶層の前記キラル分子と逆方向の旋回性を有していることを特徴とする請求項２３に記載の方法。
25. 前記第１のキラル重合性液晶層は、その対向面間の厚みの全体にわたって＋５５°の捩じれを含んでおり、前記第２のキラル重合性液晶は、その対向面間の厚みの全体にわたって−５５°の捩じれを含んでいることを特徴とする請求項２４に記載の方法。
26. 前記第２のキラル重合性液晶層を形成するステップは、
    前記第２のキラル重合性液晶層を前記第２の偏光回折格子層上に形成することと、
    前記第３の偏光回折格子層を前記第２のキラル重合性液晶層上に形成することと
    を含んでおり、
    前記第２の偏光回折格子層は、反応性メソゲン層から構成されていることを特徴とする請求項２４に記載の方法。
27. 前記第２のキラル重合性液晶層を形成するステップは、
    前記第２の偏光回折格子層を形成する前に、前記第２のキラル重合性液晶層を前記第３の偏光回折格子層上に形成することと、
    前記第２のキラル重合性液晶層を備える前記第３の偏光回折格子層を、前記第１のキラル重合性液晶層と前記第２のキラル重合性液晶層との間にギャップを画定するように、前記第１のキラル重合性液晶層を備える前記第１の偏光層に隣接して組み合わせることと
    を含んでおり、
    前記第２の偏光回折格子層を形成することは、非反応性液晶層を前記第１のキラル重合性液晶層と前記第２のキラル重合性液晶層との間のギャップに、前記第２の偏光回折格子層の前記第２の周期的分子構造が前記第１の周期的分子構造に対して前記第１の角度ずれだけシフトされ、かつ前記第３の周期的分子構造に対して前記第２の角度ずれだけシフトされるように、形成することを含んでいることを特徴とする請求項２４に記載の方法。
28. 前記第２の偏光回折格子層は、ネマチック液晶層から構成されていることを特徴とする請求項２７に記載の方法。
29. 前記第１の偏光回折格子層および前記第３の偏光回折格子層を形成することは、
    前記第１の偏光回折格子層を第１の電極を含む第１の基板上に形成することと、
    前記第３の偏光回折格子層を第２の電極を備える第２の基板上に形成することと
    を含んでおり、
    前記第３の偏光層を前記第１の偏光層に隣接して組み合わせることは、前記第１のキラル重合性液晶層と前記第２のキラル重合性液晶層との間にギャップを画定するように、前記第１の基板を前記第２の基板に隣接して組み合わせることを含んでいることを特徴とする請求項２７に記載の方法。
30. 前記第１のキラル重合性液晶層と前記第２のキラル重合性液晶層との間の前記ギャップは、約半波長リタデーション厚みになっていることを特徴とする請求項２７に記載の方法。

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