DE112019002470T5 - Reflektive dynamische Metaoberfläche - Google Patents

Abstract

Eine reflektive dynamische Meta-Oberfläche einer Ausführungsform umfasst eine Struktur, welche Phasenmodulation in jedem von Pixeln, die zumindest ein eindimensionales Feld aufbauen, ermöglicht. Die Meta-Oberfläche beinhaltet: einen laminierten Strukturkörper, der eine transparente leitfähige Schicht und eine dielektrische Schicht aufweist; einen ersten Metallfilm auf einer Oberfläche des laminierten Strukturkörpers; einen zweiten Metallfilm auf der anderen Oberfläche des laminierten Strukturkörpers; und eine Antriebsschaltung, welche eine zwischen dem ersten und zweiten Metallfilm angelegte Spannung steuert. Die ersten und zweiten Metallfilme sind angeordnet, die Pixel zu sandwichen. Der erste Metallfilm ist angeordnet, ein Paar von Fensterregionen in einem Pixel zu exponieren und der zweite Metallfilm beinhaltet partielle Metallfilme, welche die Form jedes Pixels definieren und voneinander getrennt sind. Die Antriebsschaltung steuert individuell das Potential dieses partiellen Metallfilms, wodurch die Phase des Eingangslichts für jedes Pixel moduliert wird.

Description

• Technisches Gebiet
• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine reflektive dynamische Meta-Oberfläche.
• Hintergrund
• In den letzten Jahren haben Meta-Oberflächen die Aufmerksamkeit als eine Struktur auf sich gezogen, die in der Lage ist, die Farbe, Intensität oder Polarisation von Licht beliebig zu steuern. Anders als ein optisches Element wie etwa eine konventionelle Linse kann die Meta-Oberfläche die Phase von Eingangslicht und dergleichen durch eine auf einer flachen Oberfläche ausgebildete, extrem dünne Oberflächenstruktur steuern. Beispielsweise offenbart Nicht-Patentliteratur 1 eine Technologie, die sich auf eine reflektive Meta-Oberfläche bezieht, und die Meta-Oberfläche beinhaltet eine Spiegelschicht, die aus Gold (Au) hergestellt ist, eine ITO-Schicht, die auf der Spiegelschicht bereitgestellt ist, eine Al₂O₃-Schicht, die auf der ITO-Schicht bereitgestellt ist, und eine Nano-Antenne, die aus Gold (Au) hergestellt ist, die auf der Al₂O₃-Schicht vorgesehen ist. Dann beschreibt Nicht-Patentliteratur 1, dass durch Einstellen einer Vorspannung zwischen der Spiegelschicht und der Nano-Antenne die Phase von Eingangslicht anhand des Einstellmusters (optischer Phase) diese Vorspannung moduliert werden kann.
• ZITATELISTE
• NICHT-PATENTLITERATUR
• Nicht-Patentliteratur 1: Yao-Wie, Huan et al.: „Gate-tunable conducting oxide metasurfaces", Nano Letters, Bd.16, Seite 5319-5325 (2016).
• Zusammenfassung der Erfindung
• Technisches Problem
• Die Erfinder haben die nachfolgenden Probleme als Ergebnis des Untersuchens der oben beschriebenen konventionellen Technologie gefunden. Eine Metall-Isolator-Metall-(MIM)-Meta-Oberfläche beinhaltet nämlich einen unteren Metallfilm als einen reflektiven Film, eine auf dem unteren Metallfilm bereitgestellte dielektrische Schicht und einen auf der dielektrischen Schicht bereitgestellten oberen Metallfilm. Die Breite des oberen Metallfilms und die Dicke der dielektrischen Schicht sind ausreichend kleiner als die Wellenlänge von Eingangslicht. Licht wird in die dielektrische Schicht aus exponierten Regionen eingegeben, die auf beiden Seiten des oberen Metallfilms der Oberfläche der dielektrischen Schicht lokalisiert sind. Das an der dielektrischen Schicht eingegebene Licht wird auf dem unteren Metallfilm reflektiert und dann von der Oberfläche der dielektrischen Schicht nach außerhalb der Meta-Oberfläche ausgegeben. Zu dieser Zeit ändert sich die Phase des Eingangslichts entsprechend der Breite des oberen Metallfilms. Eine solche Struktur wird eine statische Meta-Oberfläche genannt.
• Andererseits weist die Meta-Oberfläche in Nicht-Patentliteratur 1 eine Struktur auf, in welcher die Breite des oberen Metallfilms eingestellt wird, konstant zu sein, und eine Transportleitschicht, wie etwa ITO zur oben beschriebenen Struktur hinzugefügt wird, und eine Vorspannung zwischen dem unteren Metallfilm und dem oberen Metallfilm eingestellt wird. In einem Zustand, bei dem die Vorspannung eingestellt wird, tritt Metallisierung (Zustand, bei dem die Elektronendichte konzentrativ hoch nahe der Schnittstelle zwischen der dielektrischen Schicht und der transparenten Leitschicht wird) eines Teils der transparenten leitfähigen Schicht aufgrund eines elektrischen Felds zwischen dem unteren Metallfilm und dem oberen Metallfilm auf. Zu dieser Zeit ändert sich der effektive Brechungsindex zwischen dem unteren Metallfilm und dem oberen Metallfilm gemäß der Dicke der metallisierten Schicht (Dicke des Teils, wo die Elektronendichte konzentrativ hoch wird). Zu dieser Zeit ändert sich die Phase des Eingangslichts entsprechend der Dicke der metallisierten Schicht. Die Meta-Oberfläche von oben beschriebener Nicht-Patentliteratur 1 kann die Lichtphase durch beliebiges Ändern der angelegten Spannung steuern. Eine solche Struktur wird eine dynamische Meta-Oberfläche genannt.
• Jedoch hat die oben beschriebene konventionelle Technologie kein Konzept von „Pixel“ (zu steuernder Minimaleinheit) für Phasenmodulation, und eine präzise Phasenjustierung, wie etwa beispielsweise lokale Justierung in einer beliebigen Region in einem zweidimensionalen Pixelfeld ist schwierig gewesen.
• Die vorliegende Offenbarung ist gemacht worden, um die obigen Probleme zu lösen und eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung ist es, eine reflektive dynamische Meta-Oberfläche bereitzustellen, die eine Struktur zum Sicherstellen des Freiheitsgrads von Anordnungs-Design einer Vielzahl von Pixeln ist, die ein eindimensionales Feld (Array) oder ein zweidimensionales Feld als eine Struktur zum Ermöglichen verschiedener Applikationen bildet, und um die Steuerung der Phasenmodulation individuell in jedem der Vielzahl von Pixeln zu steuern.
• Problemlösung
• Die reflektive dynamische Meta-Oberfläche gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung umfasst, als ein Aspekt derselben, einen laminierten Strukturkörper, einen ersten Metallfilm, einen zweiten Metallfilm und eine Antriebsschaltung. Der laminierte Strukturkörper beinhaltet eine erste Oberfläche, eine zweite Oberfläche, eine transparente leitfähige Schicht und eine dielektrische Schicht. Die erste Oberfläche ist eine Oberfläche, welche Licht einer vorbestimmten Wellenlänge in beiden Richtungen passieren kann. Die zweite Oberfläche ist eine Oberfläche entgegengesetzt der ersten Oberfläche. Die transparente leitfähige Schicht weist eine Transmittivität gegenüber Licht auf und ist zwischen der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche angeordnet. Die dielektrische Schicht weist eine Transmittivität gegenüber Licht auf und ist zwischen der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche angeordnet. Eine Pixelregion wird in dem laminierten Strukturkörper eingestellt, eine Pixelregion, die zumindest eine Vielzahl von Pixeln enthält, die eine eindimensionalen Matrix bildet, wenn die erste Oberfläche entlang eine Laminierungsrichtung von der ersten Oberfläche zur zweiten Oberfläche betrachtet wird, wird eingestellt. Der erste Metallfilm ist auf der ersten Oberfläche des laminierten Strukturkörpers angeordnet. Der zweite Metallfilm ist auf der zweiten Oberfläche des laminierten Strukturkörpers so angeordnet, dass er die Vielzahl von Pixeln zusammen mit dem ersten Metallfilm sandwicht. Der zweite Metallfilm reflektiert zur ersten Oberfläche das die erste Oberfläche passierende Licht. Die Antriebsschaltung steuert die zwischen dem ersten Metallfilm und dem zweiten Metallfilm angelegte Spannung.
• Der erste Metallfilm ist auf der ersten Oberfläche so angeordnet, dass ein Paar von Fensterregionen in jedem der Vielzahl von Pixeln exponiert sind, wenn die erste Oberfläche längs der Laminierungsrichtung betrachtet wird. Es ist anzumerken, dass das Paar von Fensterregionen in einem Zustand angeordnet ist, bei dem sie voneinander in einem Zustand des Sandwichens mindestens eines Teils des ersten Metallfilms getrennt sind. Zumindest der zweite Metallfilm beinhaltet eine Vielzahl von partiellen Metallfilmen, die auf der zweiten Oberfläche angeordnet sind. Jeder der Vielzahl von partiellen Metallfilmen definiert die baryzentrische Position und Form des assoziierten Pixels der Vielzahl von Pixeln auf der zweiten Oberfläche. Die Vielzahl von partiellen Metallfilmen, die auf der zweiten Oberfläche angeordnet sind, sind voneinander um eine vorbestimmte Distanz getrennt und sind voneinander elektrisch getrennt. Die Antriebsschaltung weist zumindest eine Struktur auf, in welcher die Potentiale der Vielzahl von partiellen Metallfilmen entsprechend 1:1 der Vielzahl von Pixeln individuell gesteuert werden. Dies gestattet, dass die Phase des Lichts für jedes der Vielzahl von Pixeln moduliert wird.
• Vorteilhafte Effekte der Erfindung
• Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist es möglich, eine reflektive dynamische Meta-Oberfläche bereitzustellen, die zur Phasenmodulation in jedem einer Vielzahl von Pixeln in der Lage ist, die ein eindimensionales Feld oder ein zweidimensionales Feld aufbauen. Daher kann eine Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung eine Struktur extrem dünner als beispielsweise ein konventionelles diffraktives optisches Element (DOE) realisieren und zur Miniaturisierung der Vorrichtung beitragen. Eine Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung hat Vorteile, wie etwa Exzellenz bei hoher Geschwindigkeit (Betrieb in der Größenordnung von MHz) im Vergleich mit beispielsweise einem konventionellen Flüssigkristalltyp-Raumlichtmodulator (SLM).
• Figurenliste
• 1 ist eine Aufsicht, die eine Meta-Oberfläche 1A gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt.
• 2 ist eine Querschnittsansicht längs einer in 1 gezeigten Linie II-II.
• 3A ist eine Ansicht, die eine planare Form eines Metallfilms 6 zeigt, und 3B ist eine Ansicht, die eine planare Form eines Metallfilms 5 zeigt.
• 4 ist eine Ansicht, die eine Schaltungskonfiguration einer Antriebsschaltung entsprechend jedem Pixel 10 zeigt.
• 5A bis 5D sind Ansichten zum Erläutern eines Betriebs der Antriebsschaltung 2 im Pixel 10 einer m-ten Reihe und einer n-ten Spalte.
• 6 ist eine Aufsicht, die eine Struktur der Antriebsschaltung 2 in jedem Pixel 10 zeigt.
• 7 ist eine Querschnittssicht längs einer Linie VII-VII, gezeigt in 6.
• 8A bis 8D sind Querschnittsansichten, die jeden Schritt in einem Beispiel eines Produktionsverfahrens der Meta-Oberfläche 1A zeigen.
• 9 ist eine Ansicht, die einen Zustand zeigt, in welchem eine metallisierte Schicht 3a auf einer transparenten leitfähigen Schicht 3 durch ein elektrisches Feld zwischen einem partiellen Metallfilm 6a und dem Metallfilm 5 gebildet wird.
• 10A ist eine Ansicht, die konzeptionell Strahllenkung zeigt, die einen Austrittswinkel von Ausgangslicht variieren kann, als ein Verwendungsbeispiel der Meta-Oberfläche 1A, und 10B ist eine Querschnittsansicht, welche die Form einer LichtReflektionsoberfläche 101 eines diffraktiven optischen Elements (DOE) 100 zeigt, das eine Struktur zur Strahllenkung aufweist.
• 11 ist eine Aufsicht, die eine Meta-Oberfläche 1B gemäß einer ersten Variation zeigt.
• 12A ist eine Ansicht, die eine planare Form des Metallfilms 6 zeigt, und 12B ist eine Ansicht, die eine planare Form eines Metallfilms 5A zeigt.
• 13 ist eine Ansicht, die eine Konfiguration einer Antriebsschaltung 2A zeigt.
• 14 ist eine Ansicht, die eine Querschnittsstruktur einer Meta-Oberfläche 1C gemäß einer zweiten Variation zeigt.
• 15 ist eine Ansicht, die eine Querschnittsstruktur einer Meta-Oberfläche 1D gemäß noch einer anderen Variation zeigt.
• 16 ist eine Querschnittsansicht, die eine Konfiguration einer Lichtemissionseinrichtung 30 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt.
• Beschreibung von Ausführungsformen
• [Beschreibung von Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung]
• Zuerst werden Inhalte der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung individuell aufgelistet und beschrieben.
• (1) Die reflektive dynamische Meta-Oberfläche gemäß der vorliegenden Offenbarung umfasst als ein Aspekt derselben einen laminierten Strukturkörper, einen ersten Metallfilm, einen zweiten Metallfilm und eine Antriebsschaltung. Der laminierte Strukturkörper beinhaltet eine erste Oberfläche, eine zweite Oberfläche, eine transparente leitfähige Schicht und eine dielektrische Schicht. Die erste Oberfläche ist eine Oberfläche, welche Licht einer vorbestimmten Wellenlänge in beiden Richtungen passieren kann. Die zweite Oberfläche ist eine Oberfläche entgegengesetzt der ersten Oberfläche. Die transparente leitfähige Schicht weist eine Transmittivität gegenüber Licht auf und ist zwischen der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche angeordnet. Die elektrische Schicht weist Transmittivität gegenüber Licht auf und ist zwischen der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche angeordnet. Eine Pixelregion ist in dem laminierten Strukturkörper eingestellt, wobei die Pixelreihe zumindest eine Vielzahl von Pixeln enthält, die ein eindimensionales Feld bilden, wenn die erste Oberfläche längs einer Laminierungsrichtung von der ersten Oberfläche zur zweiten Oberfläche betrachtet wird. Der erste Metallfilm ist auf der ersten Oberfläche des laminierten Strukturkörpers angeordnet. Der zweite Metallfilm ist auf der zweiten Oberfläche des laminierten Strukturkörpers angeordnet, so dass er die Vielzahl von Pixeln zusammen mit dem ersten Metallfilm sandwicht. Der zweite Metallfilm reflektiert das die erste Oberfläche passierende Licht zur ersten Oberfläche. Die Antriebsschaltung steuert die zwischen dem ersten Metallfilm und dem zweiten Metallfilm angelegte Spannung.
• Der erste Metallfilm ist auf der ersten Oberfläche so angeordnet, dass ein Paar von Fensterregionen in jedem der Vielzahl von Pixeln exponiert ist, wenn die erste Oberfläche längs der Laminationsrichtung betrachtet wird. Es ist anzumerken, dass das Paar von Fensterregionen in einem Zustand angeordnet ist, bei dem sie voneinander in einem Zustand des Sandwichens zumindest eines Teils des ersten Metallfilms getrennt sind. Zumindest der zweite Metallfilm beinhaltet eine Vielzahl von partiellen Metallfilmen, die auf der zweiten Oberfläche angeordnet sind. Jeder der Vielzahl von partiellen Metallfilmen definiert die baryzentrische Position und Form des assoziierten Pixels der Vielzahl von Pixeln auf der zweiten Oberfläche. Die Vielzahl von partiellen Metallfilmen, die auf der zweiten Oberfläche angeordnet sind, werden voneinander um eine vorbestimmte Distanz getrennt und sind voneinander elektrisch getrennt. Die Antriebsschaltung weist eine Struktur auf, in welcher die Potentiale zumindest der Vielzahl von partiellen Metallfilmen entsprechend 1:1 der Vielzahl von Pixeln individuell gesteuert werden. Dies gestattet, dass die Phase des Lichts für jedes der Vielzahl von Pixeln moduliert wird. Insbesondere wird es möglich, dass die Antriebsschaltung sequentiell die Spannung für jedes Pixel einstellt, durch Einsetzen eines aktiven Matrixverfahrens, was sowohl Spannungshalten als auch Umschalten für jedes Pixel ermöglicht. Weiterhin wird es möglich, einen begrenzten Steuerzustand für eine beliebig ausgewählte Pixelgruppe zu einem beliebigen Zeitpunkt einzustellen.
• Die „Pixelregion“, die in dem laminierten Strukturkörper eingestellt ist, bedeutet eine Region, in der eine Vielzahl von Pixeln eingestellt sind oder eingestellt werden können und die Vielzahl von in der Pixelregion eingestellten Pixeln kann in einer Matrix angeordnet sein, wenn der laminierte Strukturkörper entlang der oben beschriebenen Laminationsrichtung betrachtet wird. In diesem Fall bildet das eindimensionale Feld (Feld gebildet mit einer Vielzahl von Pixeln) einen Teil eines Matrixfelds (zweidimensionales Feld).
• Ein Paar von Fensterregionen wird für jedes Pixel in den laminierten Strukturkörper in der reflektiven dynamischen Meta-Oberfläche eingestellt. Das Paar von Fensterregionen ist so lokalisiert, dass es zumindest einen Teil des ersten Metallfilms sandwicht, bei Sicht aus der Laminationsrichtung. In diesem Fall wird das an einer Seite des Paars von Fensterregionen eingegebene Licht auf dem zweiten Metallfilm reflektiert und aus dem anderen des Paars von Fensterregionen zur Außenseite der reflektiven dynamischen Meta-Oberfläche ausgegeben. In dem Fall, in dem die Breite des ersten Metallfilms und die Dicke des laminierten Strukturkörpers ausreichend kleiner als die Wellenlänge von Licht sind, tritt ein Spaltoberflächen-Plasmonmodus (lokalisierte Plasmon-Anregung) in dem laminierten Strukturkörper auf, wenn eine Antriebsspannung zwischen dem ersten Metallfilm und dem zweiten Metallfilm angelegt wird. Der Spaltoberflächen-Plasmonmodus ist ein elektromagnetischer Wellenmodus, in welchem das elektromagnetische Feld in einem Spalt zwischen Substanzen stark lokalisiert ist, wodurch induzierte Spannungen in entgegengesetzten Orientierungen zueinander in sowohl dem ersten Metallfilm als auch dem zweiten Metallfilm verursacht werden. Die Erzeugung von induzierten Spannungen in entgegengesetzten Orientierungen zueinander in sowohl dem ersten Metallfilm als auch dem zweiten Metallfilm verursacht starke magnetische Resonanz (Plasmon-Resonanz) im laminierten Strukturkörper. Aufgrund von magnetischer Resonanz wird die Phase des Lichts, das zwischen dem ersten Metallfilm und dem zweiten Metallfilm passiert, moduliert. Hier, wenn eine Antriebsspannung zwischen dem ersten Metallfilm und dem zweiten Metallfilm angelegt wird, steigt die Elektronendichte nahe der Schnittstelle der transparenten leitfähigen Schicht zur dielektrischen Schicht an. Der Zustand, in welchem die Elektronendichte somit hoch wird, wird hierin als „Metallisierung“ beschrieben. Aufgrund von Metallisierung eines Bereichs der transparenten leitfähigen Schicht nahe der Schnittstelle ändert sich der effektive Brechungsindex des laminierten Strukturkörpers. Die Modulationsmenge in der oben beschriebenen Phasenmodulation hängt von dem effektiven Brechungsindex des laminierten Strukturkörpers ab. Daher, indem die Antriebsspannung verändert wird, wird der effektive Brechungsindex gesteuert, und als Ergebnis kann die Phase des Ausgangslichts gesteuert werden.
• In der reflektiven dynamischen Meta-Oberfläche weist die Antriebsschaltung die Struktur auf, in welcher die Potentiale zumindest der Vielzahl von partiellen Metallfilmen entsprechend 1:1 der Vielzahl von Pixeln individuell gesteuert wird. Es ist anzumerken, dass „individuelle Steuerung“ in Bezug auf den in dem zweiten Metallfilm enthaltenen partiellen Metallfilm die Steuerung des Abgleichens des Potentials aller partiellen Metallfilme, die im zweiten Metallfilm enthalten sind, als ein Ergebnis beinhaltet, oder die Potentiale einer oder mehrerer beliebig ausgewählter partieller Metallfilme. Verschiedene Potentialeinstellzustände werden als abhängig von der Struktur des ersten Metallfilms angenommen. Beispielsweise, als ein erster Potential-Einstellzustand, in einer Konfiguration, in welcher der erste Metallfilm an einer Vielzahl von Pixeln angeordnet ist, indem der erste Metallfilm auf das Referenzpotential eingestellt wird, passen die ersten Oberflächenseiten-Potentiale der Vielzahl von Pixeln zueinander. Andererseits, indem die Potentiale der in dem zweiten Metallfilm enthaltenen partiellen Metallfilme individuell gesteuert werden, können die zweiten Oberflächenseiten-Potentiale der Vielzahl von Pixeln für jedes Pixel auf unterschiedliche Potentiale eingestellt werden. Als ein zweiter Potentialeinstellzustand, selbst falls der erste Metallfilm konfiguriert ist, partielle Metallfilme entsprechend 1:1 der Vielzahl von Pixeln zu enthalten, wenn die Potentiale der in dem ersten Metallfilm enthaltenen partiellen Metallfilme individuell auf das Referenzpotential eingestellt werden, werden die ersten Oberflächenseiten-Potentiale der Vielzahl von Pixeln in einen Passungszustand gebracht. Zu dieser Zeit, indem die Potentiale der in dem zweiten Metallfilm enthaltenen partiellen Metallfilme individuell gesteuert werden, können die zweiten Oberflächenseiten-Potentiale der Vielzahl von Pixeln auf unterschiedliche Potentiale für jedes Pixel eingestellt werden. Als ein dritter Potentialeinstellzustand können in einer Konfiguration, in welcher der erste Metallfilm partielle Metallfilme entsprechend 1:1 der Vielzahl von Pixeln enthält, indem die Potentiale der partiellen Metallfilme, die in dem ersten Metallfilm enthalten sind, individuell eingestellt werden, die ersten Oberflächenseiten-Potentiale der Vielzahl von Pixeln auf unterschiedliche Potentiale für jedes Pixel eingestellt werden. Ähnlich, indem auch die Potentiale der in dem zweiten Metallfilm enthaltenen partiellen Metallfilme individuell gesteuert werden, können die zweiten Oberflächenseiten-Potentiale der Vielzahl von Pixeln für jedes Pixel auf unterschiedliche Potentiale eingestellt werden. Als ein vierter Potentialeinstellzustand können in einer Konfiguration, in welcher der erste Metallfilm partielle Metallfilme enthält, entsprechend 1:1 der Vielzahl von Pixeln, durch individuelles Einstellen der Potentiale der partiellen Metallfilme, die im ersten Metallfilm enthalten sind, die ersten Oberflächenseiten-Potentiale der Vielzahl von Pixeln auf unterschiedliche Potentiale für jedes Pixel eingestellt werden. Andererseits, indem die Potentiale der in dem zweiten Metallfilm enthaltenen partiellen Metallfilme individuell gesteuert werden, so dass die Potentiale zum Referenzpotential werden, können die zweiten Oberflächenseiten-Potentiale auf das Referenzpotential in allen der Vielzahl von Pixeln eingestellt werden. In jeglichem der Potentialeinstellzustände, die oben beschrieben sind, wird eine Phasenmodulation unabhängig für jedes Pixel möglich. Daher wird es gemäß der reflektiven dynamischen Meta-Oberfläche möglich, die Phase von Licht, welches für jedes der Vielzahl von Pixeln, die ein eindimensionales Feld oder ein zweidimensionales Feld aufbauen, eingegeben wird, zu modulieren.
• (2) Als ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung beinhaltet die Antriebsschaltung vorzugsweise eine Vielzahl von Spannungshaltebereichen, die so angeordnet sind, dass sie 1:1 der Vielzahl von partiellen Metallfilmen entsprechen. Die Vielzahl von Spannungshaltebereichen halten alle die Spannung zum Einstellungspotential des assoziierten partiellen Metallfilms der Vielzahl von partiellen Metallfilmen. Weiterhin kann, als ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung, die Antriebsschaltung eine Vielzahl von Transistoren enthalten, die so angeordnet sind, so dass sie 1:1 der Vielzahl von Pixeln entsprechen. In diesem Fall wird die sequentielle Spannungseinstellung für jeden partiellen Metallfilm mit einer vereinfachten Schaltungskonfiguration (aktives Matrixverfahren) möglich. Weiterhin wird es auch möglich, eine begrenzte Spannung für ein oder mehrere beliebig angewendete partielle Metallfilme zu einem beliebigen Zeitpunkt einzustellen. Als ein Aspekt der vorliegenden Ausführungsform beinhaltet jeder der Vielzahl von Spannungshaltebereichen vorzugsweise einen Kondensator, in welchem eine Elektrode mit einem assoziierten partiellen Metallfilm der Vielzahl von partiellen Metallfilmen aufgebaut ist. In diesem Fall kann der Spannungshaltebereich durch eine einfache Konfiguration realisiert werden.
• (3) Als ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann der laminierte Strukturkörper einen Spalt oder einen Isolationsbereich aufweisen, der zwischen aneinander angrenzenden Pixeln der Vielzahl von Pixeln angeordnet ist. Der Spalt oder der Isolationsbereich trennen voneinander elektrisch angrenzende Bereiche, die alle einen Teil der transparenten leitfähigen Schicht aufbauen und alle einen Teil des angrenzenden Pixels aufbauen.
• In diesem Fall ist es möglich, Übersprechen zwischen aneinander angrenzenden Pixeln zu reduzieren.
• (4) Als ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung koinzidiert die Feldrichtung des Paars von Fensterregionen auf den ersten Oberflächen vorzugsweise mit der Polarisationsrichtung des einzugebenden Lichts. In diesem Fall ist es möglich, effektiv die Phase des einzugebenden Lichts zu steuern.
• (5) Als ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist die dielektrische Schicht vorzugsweise zwischen der ersten Oberfläche und der transparenten leitfähigen Schicht lokalisiert.
• (6) Als ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung beinhaltet die reflektive dynamische Meta-Oberfläche weiter ein Substrat, das eine Hauptoberfläche aufweist, auf welcher die Antriebsschaltung angeordnet ist, und das Substrat mit dem laminierten Strukturkörper in einem Zustand integriert ist, bei dem die Hauptoberfläche und die zweite Oberfläche des laminierten Strukturkörpers zueinander hinweisen. In diesem Fall kann eine klein bemessene reflektive dynamische Meta-Oberfläche mit einer inkorporierten Antriebsschaltung bereitgestellt werden.
• (7) Als ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann die Antriebsschaltung den ersten Metallfilm auf das Referenzpotential einstellen und kann der erste Metallfilm eine Struktur des Erweiterns über zwei oder mehr Pixel aufweisen, die Seite an Seite längs einer Richtung angeordnet sind, welche die Feldrichtung des Paars von Fensterregionen schneidet. In diesem Fall kann das Referenzpotential leicht dem ersten Metallfilm bereitgestellt werden.
• (8) Als ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung enthält die dielektrische Schicht vorzugsweise Aluminiumoxid, Siliziumoxid oder/und Magnesiumfluorid. In diesem Fall kann die oben beschriebene dielektrische Schicht vorzugsweise realisiert werden.
• (9) Als ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung beinhaltet die transparente leitfähige Schicht vorzugsweise Indiumoxid oder/und Zinkoxid als ein Oxid, dessen Widerstand durch ein Dotiermittel reduziert wird. In diesem Fall kann der Betrieb der oben beschriebenen transparenten leitfähigen Schicht vorzugsweise realisiert werden.
• Somit ist jeder in dieser Beschreibung von Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung aufgelistete Aspekt auf jeden aller verbleibenden Aspekte oder auf alle Kombinationen dieser verbleibenden Aspekte anwendbar.
• [Details von Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung]
• Nachfolgend wird eine spezifische Struktur der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung im Detail unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es ist anzumerken, dass die vorliegende Erfindung nicht auf diese Beispiele beschränkt ist, sondern durch die Ansprüche gezeigt ist, und es ist beabsichtigt, alle Variationen innerhalb von Bedeutung und Schutzumfang äquivalent zu den Ansprüchen zu beinhalten. Zusätzlich werden in der Beschreibung der Zeichnungen identischen Elementen identische Bezugszeichen gegeben und eine redundante Beschreibung wird weggelassen.
• (Erste Ausführungsform)
• 1 ist eine Aufsicht, die eine reflektive dynamische Meta-Oberfläche (nachfolgend einfach als „Meta-Oberfläche“ bezeichnet) 1A gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt. Die „Meta-Oberfläche“ ist eine Vorrichtung, welche die Farbe, Intensität oder Polarisation von Einfallslicht für jede Einheitsstruktur ändert, durch Ausbilden einer Vielzahl von Einheitsstrukturen ausreichend kleiner als die Wellenlänge von Licht auf einer flachen Oberfläche. Es gibt verschiedene Strukturen von Meta-Oberflächen und die Meta-Oberfläche gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung weist eine Struktur auf, die ein Spaltplasmontyp genannt wird. Eine Meta-Oberfläche 1A ist eine flache, plattenförmige Vorrichtung, die sich längs Richtungen D1 und D2, die einander (zum Beispiel orthogonal) schneiden, erstreckt, und eine Richtung D3, die beide Richtungen D1 und D2 in einer Dickenrichtung schneidet (zum Beispiel orthogonal). Eine Vielzahl von Pixeln 10 werden auf einer Hauptoberfläche 1A der Meta-Oberfläche 1A eingestellt. Die Vielzahl von Pixeln 10 bilden eine Matrix in M Zeilen und N Spalten (M und N sind Ganzzahlen gleich oder größer als 2), wobei die Richtung D1 als die Zeilenrichtung und die Richtung D2 als die Spaltenrichtung dient (zweidimensionales Feld). Die planare Form jedes Pixels 10 ist quadrilateral (zum Beispiel Quadrat). Eine Länge L einer Seite jedes Pixels 10 fällt innerhalb des Bereichs von beispielsweise 200 bis 400 nm. Die Meta-Oberfläche 1A wird für verschiedene Zwecke wie etwa Linsenanwendung und Hologrammbildung verwendet, durch individuelles Modulieren der Phase des Lichts, welches an der Hauptoberfläche 1A für jedes Pixel 10 eingegeben wird.
• 2 ist eine Querschnittsansicht längs einer Linie II-II, gezeigt in 1 und zeigt eine Querschnittsstruktur der Meta-Oberfläche 1A. Wie in 2 gezeigt, beinhaltet die Meta-Oberfläche 1A eine Antriebsschaltung 2, einen Metallfilm (zweiter Metallfilm) 5, der auf der Oberfläche der Antriebsschaltung 2 vorgesehen ist, und einen laminierten Strukturkörper 7, der auf dem Metallfilm 5 laminiert ist, und einen Metallfilm (erster Metallfilm) 6, der auf dem laminierten Strukturkörper 7 bereitgestellt wird. Das heißt, dass der laminierte Strukturkörper 7 zwischen dem Metallfilm 5 und dem Metallfilm 6 vorgesehen ist.
• Der laminierte Strukturkörper 7 ist ein flacher Film und erstreckt sich entlang sowohl der Richtung D1 als auch D2 über die Vielzahl von Pixeln 10. Der laminierte Strukturkörper 7 weist eine Hauptoberfläche (erste Oberfläche) 7a und eine Rückoberfläche (zweite Oberfläche) 7b auf. Moduliertes Licht P wird an der Hauptoberfläche 7a eingegeben. Das modulierte Licht P ist beispielsweise Laserlicht, das Licht mit linearer Polarisationseigenschaft aufweist. Eine Wellenlänge λ des modulierten Lichts P fällt innerhalb des Bereichs von 400 bis 1600 nm und ist in einem Beispiel 850 nm. Die Hauptoberfläche 7a und die Rückoberfläche 7b weisen zueinander hin längs der Richtung D3. Die Distanz zwischen der Hauptoberfläche 7a und der Rückoberfläche 7b (das heißt der Dicke des laminierten Strukturkörpers 7 längs der Richtung D3) wird ausreichend kleiner als die Wellenlängen λ des modulierten Lichtleiters P eingestellt. Die Dicke des laminierten Strukturkörpers 7 fällt beispielsweise innerhalb des Bereichs von 10 bis 100 nm. Der laminierte Strukturkörper 7 weist eine transparente leitfähige Schicht 3 und eine dielektrische Schicht 4 laminiert auf, mit der Richtung D3 als der Laminationsrichtung.
• Die transparente leitfähige Schicht 3 ist ein anorganischer Film mit Transmittivität (Licht-Transmittivität) in Bezug auf Eingangslicht und weist auch hohe Leitfähigkeit auf. Die „Licht-Transmittivität“ bezieht sich auf eine Eigenschaft, bei der eine Absorption in Bezug auf eine Wellenlänge von Licht, das an der Meta-Oberfläche 1A eingegeben wird, extrem niedrig ist (zum Beispiel Licht-Absorption gleich oder weniger 20%). Zusätzlich bezieht sich die „Konduktivität“ auf eine Eigenschaft, in welcher der elektrische Widerstand extrem niedrig ist (zum Beispiel Eigenschaft, in welcher der Widerstand gleich oder kleiner 10^-6 Ω·m beträgt). Die transparente leitfähige Schicht 3 der vorliegenden Ausführungsform beinhaltet zumindest eines von Indiumoxid (In₂O₃) und Zinkoxid (Zn₂O₃), deren Widerstand durch einen Dotierstoff reduziert wird. Der Dotierstoff für Indiumoxid ist beispielsweise Sn. Indiumoxid, das mit Sn dotiert ist, wird ITO genannt. Das Dotiermittel für Zinkoxid ist beispielsweise Al oder Ga. Mit Al dotiertes Zinkoxid wird AZO genannt. Mit Ga dotiertes Zinkoxid wird GZO genannt. Die Dicke der transparenten leitfähigen Schicht 3 fällt in einem Beispiel innerhalb des Bereichs von 3 bis 50 nm beispielsweise und 20 nm.
• Die dielektrische Schicht 4 ist ein anorganischer Film mit einer Transmittivität (Licht-Transmittivität) in Bezug auf Eingangslicht und weist auch eine Isolierungseigenschaft auf. Die „Isolierungseigenschaft“ bezieht sich auf eine Eigenschaft, in welcher der elektrische Widerstand extrem hoch ist (zum Beispiel Eigenschaft, in der die Resistivität gleich oder größer als 10^-6 Ω·m beträgt). Die dielektrische Schicht 4 enthält zumindest eines von Aluminiumoxid (Al₂O₃), Siliziumoxid (SiO₂) und Magnesiumfluorid (MgF₂) beispielsweise. Die Dicke der dielektrischen Schicht 4 fällt beispielsweise in den Bereich von 1 bis 20 nm und beträgt in einem Beispiel 5 nm. In der vorliegenden Ausführungsform ist die dielektrische Schicht 4 auf der Seite der Hauptoberfläche 7a in Bezug auf die transparente leitfähige Schicht 3 lokalisiert.
• Es ist anzumerken, dass, während in der vorliegenden Ausführungsform die transparente leitfähige Schicht 3 auf der Seite der Rückoberfläche 7b bereitgestellt ist und die dielektrische Schicht 4 auf der Seite der Hauptoberfläche 7a bereitgestellt ist, die transparente leitfähige Schicht 3 auf Seite der Hauptoberfläche 7a bereitgestellt werden kann, und die dielektrische Schicht 4 auf der Seite der Rückoberfläche 7b bereitgestellt werden kann. Während in der vorliegenden Ausführungsform eine Oberfläche der transparenten leitfähigen Schicht 3 die Rückoberfläche 7b bildet und eine Oberfläche der dielektrischen Schicht 4 die Hauptoberfläche 7a bildet, kann eine andere Schicht des Weiteren zumindest einer von zwischen der Hauptoberfläche 7a und einer Filmstruktur, welche die transparente leitfähige Schicht 3 und die dielektrische Schicht 4 umfasst, zwischen der Filmstruktur und der Rückoberfläche 7b und zwischen der transparenten leitfähigen Schicht 3 und der dielektrischen Schicht 4 bereitgestellt werden.
• Der Metallfilm 6 ist der erste Metallfilm in der vorliegenden Ausführungsform und er weist eine Funktion als eine Nano-Antenne in der Meta-Oberflächenstruktur auf. Der Metallfilm 6 ist auf der Hauptoberfläche 7a der laminierten Strukturkörpers 7 vorgesehen. Der Metallfilm 6 ist ein Film, der aus einem Metall wie etwa Gold (Au) hergestellt ist. Die Filmdicke des Metallfilms 6 fällt innerhalb des Bereichs von beispielsweise 30 bis 100 nm und in einem Beispiel 50 nm. Der Metallfilm 6 beinhaltet eine Vielzahl von partiellen Metallfilmen 6a. 3A zeigt eine Ansicht, welche die planare Form des Metallfilms 6 zeigt. Wie in 3A gezeigt, sind die Vielzahl von partiellen Metallfilmen 6a Seite an Seite längs der Richtung D1 angeordnet und sind voneinander getrennt. Jeder partielle Metallfilm 6a ist für jede Spalte der Pixel 10 vorgesehen und erstreckt sich über 2 oder mehr Pixel 10 (M Pixel 10 in der vorliegenden Ausführungsform, die Seite an Seite längs der Richtung D2 angeordnet sind. Eine Breite W1 des längs der Richtung D1 definierten partiellen Metallfilms 6a wird auf kleiner als die Länge L des längs der Richtung D1 definierten Pixels 10 eingestellt und wird ausreichend kleiner als die Wellenlänge λ des modulierten Lichts P eingestellt. In einem Beispiel fällt die Breite W1 des partiellen Metallfilms 6a innerhalb des Bereichs von 40 bis 360 nm, und beträgt in einem Beispiel 250 nm. Die Distanz zwischen den angrenzenden partiellen Metallfilmen 6a fällt innerhalb des Bereichs von 40 bis 360 nm und beträgt in einem Beispiel 150 nm. Das Verhältnis (W1/λ) zwischen der Breite W1 des partiellen Metallfilms 6a und der Wellenlänge λ des modulierten Lichts P fällt innerhalb eines Bereichs von 0,02 bis 1. Weiterhin fällt das Verhältnis (W1/1) zwischen der Breite W1 des partiellen Metallfilms 6a und der Länge L einer Seite des Pixels 10 innerhalb des Bereichs von 0,1 bis 0,9.
• Wie oben beschrieben, ist die Breite W1 des partiellen Metallfilms 6a kleiner als die Länge L des Pixels 10. Dann ist der partielle Metallfilm 6a am wesentlichen Zentralbereich des Pixels 10 längs der Richtung D1 angeordnet. Daher, wie in 2a und 3 gezeigt, beinhaltet der laminierte Strukturkörper 7 ein Paar von Fensterregionen 71 und 72 in jedem Pixel 10. Das Paar von Fensterregionen 71 und 72 sind alle so exponiert, dass sie einen Teil des partiellen Metallfilms 6a sandwichen, wenn die Hauptoberfläche 5a längs der Richtung D3 betrachtet wird. Wie in 2 gezeigt, koinzidiert die Feldrichtung (d.h. die Richtung D1) des Paars von Fensterregion 71 und 72 mit der Polarisationsrichtung P1 des modulierten Lichts P.
• Der Metallfilm 5 ist der zweite Metallfilm in der vorliegenden Ausführungsform. Der Metallfilm 5 ist auf der Rückoberfläche 7b des laminierten Strukturkörpers 7 vorgesehen. In einem Beispiel ist der Metallfilm 5 in Kontakt mit der Rückoberfläche 7b. Der Metallfilm 5 reflektiert zur Hauptoberfläche 7a das an dem laminierten Strukturkörper 7 eingegebene, modulierte Licht P. Der Metallfilm 5 ist aus einem solchen Metall wie etwa Gold (Au) hergestellt. Die Filmdicke des Metallfilms 5 fällt beispielsweise innerhalb des Bereichs von 100 bis 200 nm, und in einem Beispiel 150 nm. Der Metallfilm 5 beinhaltet eine Vielzahl von partiellen Metallfilmen 5a. 3B ist eine Ansicht, welche die planare Form des Metallfilms 5 zeigt. Die Vielzahl von partiellen Metallfilmen 5a sind in einer Matrix von M Reihen und N Spalten angeordnet (zweidimensionales Feld), in welchem die Richtung D1 die Reihenrichtung und die Richtung D2 die Spaltenrichtung ist, und sind voneinander getrennt. Jeder partielle Metallfilm 5a ist für jedes Pixel 10 bereitgestellt und definiert die baryzentrische Position und Form jedes Pixels 10. In einem Beispiel ist die planare Form jedes partiellen Metallfilms 5a ein Quadrilaterales (zum Beispiel Quadrat) und ist im Pixel 10 lokalisiert. In einem Beispiel fällt eine Länge W2 einer Seite des partiellen Metallfilms 5a innerhalb des Bereichs von 40 bis 360 nm. Weiterhin fällt das Verhältnis (W2/L) zwischen der Länge W2 der einen Seite des partiellen Metallfilms 5a und der Länge L einer Seite des Pixels 10 innerhalb des Bereichs von 0,1 bis 0,9.
• Die Antriebsschaltung 2 beinhaltet ein Substrat mit einer Vielzahl von Transistoren 25. Die Antriebsschaltung 2 steuert die zwischen dem Metallfilm 5 und dem Metallfilm 6 angelegte Spannung von außerhalb der Meta-Oberfläche 1A. Spezifischer stellt die Antriebsschaltung 2 die Potentiale der Vielzahl von partiellen Metallfilmen 6a auf ein gemeinsames Referenzpotential (GND-Potential) ein und steuert individuell die Spannung der Vielzahl von partiellen Metallfilmen 5a unter Verwendung der Transistoren 25. Die Antriebsschaltung 2 ist auf der Seite der Rückoberfläche 7b in Bezug auf den laminierten Strukturkörper 7 lokalisiert. Jeder Transistor 25 ist so vorgesehen, dass er 1:1 jedem Pixel 10 entspricht und ist in jedem Pixel 10 lokalisiert, wenn die Hauptoberfläche 7a längs Richtung D3 betrachtet wird. Der Transistor 25 ist ein Dünnfilm-Transistor, der auf einem beispielsweise aus einem Dielektrikum hergestellten Substrat vorgesehen ist. Der partielle Metallfilm 5a ist auf jedem Transistor 25 über einen Isolationsfilm vorgesehen.
• 4 ist eine Ansicht, welche die Schaltungskonfiguration einer Antriebsschaltung 2 entsprechend jedem Pixel 10 zeigt. Wie in 4 gezeigt, weist die Antriebsschaltung 2 weiter M Gatter-Antriebsverdrahtungen 23 und N Spannungszufuhrverdrahtungen 24 auf. Die M Gatter-Antriebsverdrahtung 23 erstrecken sich alle längs der Reihenrichtung (das heißt der Richtung D1) und sind Seite an Seite längs der Spaltenrichtung (das heißt der Richtung D2) zueinander angeordnet. Die N Spannungsversorgungsverdrahtungen 24 erstrecken sich alle längs der Spaltenrichtung (das heißt der Richtung D2) und sind Seite an Seite längs der Reihenrichtung (das heißt der Richtung D1) zueinander angeordnet. Die Gatter-Antriebsverdrahtung 23 der m-ten Reihe (M = 1, 2, ..., M) ist elektrisch mit einem Steueranschluss (Gatter) des Transistors 25, der für jeden Pixel 10 vorgesehen ist, das in der m-ten Reihe lokalisiert ist, verbunden. Die Spannungsversorgungsverdrahtung 24 der n-ten Spalte (n = 1, 2, ..., N) ist elektrisch mit einem Stromanschluss (zum Beispiel Quelle) des für jedes in der n-ten Spalt lokalisierten Pixel 10 vorgesehenen Transistors 25 verbunden. Der andere Stromanschluss (zum Beispiel Drain) des Transistors 25 ist elektrisch mit dem partiellen Metallfilm 5a des Pixels 10 über die Verdrahtung im Pixel 10 verbunden.
• Die Antriebsschaltung 2 der vorliegenden Ausführungsform weist weiter eine Vielzahl von Kondensatoren 26, vorgesehen für jedes Pixel 10, auf. Der Kondensator 26 ist ein Beispiel eines Spannungshaltebereichs in der vorliegenden Ausführungsform und hält für jeden partiellen Metallfilm 5a eine an den partiellen Metallfilm 5a des Pixels 10 angelegte Spannung. Es ist anzumerken, dass als der Spannungshaltebereich verschiedene Konfigurationen, die zum Halten einer anderen Spannung in der Lage sind, als der Kondensator angewendet werden können. Der Kondensator 26 ist ein Parallelplatten-Kondensator, der beispielsweise innerhalb der Antriebsschaltung 2 gebildet ist. Eine Elektrode des Kondensators 26 ist mit dem partiellen Metallfilm 5a verbunden und die andere Elektrode ist mit einer Konstantpotentialregion (zum Beispiel Referenzpotentialregion) verbunden. Es ist anzumerken, dass, wie später beschrieben wird, der partielle Metallfilm 5a auch als eine Elektrode des Kondensators 26 dienen kann.
• 5A bis 5D sind Ansichten zum Erläutern des Betriebs der Antriebsschaltung 2 im Pixel 10 einer m-ten Reihe und einer n-ten Spalte. In 5A bis 5D werden Bereiche mit signifikanten Spannungswerten durch unterbrochene Linien angegeben. Zuerst wird im in 5A gezeigten Zustand, keine Spannung an eine von der Gatter-Antriebsverdrahtung 23 in der m-ten Reihe und der Spannungsversorgungsverdrahtung 24 in der n-ten Spalte angelegt, und befindet sich der Transistor 25 in einem nicht leitfähigen Zustand. Als Nächstes, wie in 5B gezeigt, wenn eine vorbestimmte Gatterspannung Vg an die Gatter-Antriebsverdrahtung 23 der m-ten Reihe angelegt wird, wird der Transistor 25 in einen leitfähigen Zustand gebracht. Zu dieser Zeit sind die Spannungsversorgungsverdrahtung 24 der n-ten Spalt und der partielle Metallfilm 5a miteinander über den Transistor 25 verbunden. Nachfolgend, wie in 5C gezeigt, wird eine Antriebsspannung Vd an die Spannungsversorgungsverdrahtung 24 der n-ten Spalte angelegt. Die Antriebsspannung Vd ist unabhängig für jedes Pixel 10 auf Basis eines gewünschten Phasen-Modulationsmusters, das auf der Meta-Oberfläche 1A zu präsentieren ist, eingestellt. Somit wird die Antriebsspannung Vd an den partiellen Metallfilm 5a über den Transistor 25 angelegt und wird gleichzeitig die Antriebsspannung Vd durch den Kondensator 26 gehalten. Danach, wie in 5D gezeigt, wird die Gatterspannung Vg nicht aus der Gatter-Antriebsverdrahtung 23 der m-ten Reihe angelegt, und wird die Zufuhr der Antriebsspannung Vd aus der Spannungsversorgungsverdrahtung 24 der n-ten Spalte gestoppt. Zu dieser Zeit wird der Transistor 25 wieder in einen nicht-leitfähigen Zustand gebracht, aber die Spannung des am partiellen Metallfilms 5a wird durch die Antriebsspannung Vd durch den Kondensator 26 gehalten. Ein solcher Betrieb wird sequentiell für alle Pixel 10 durchgeführt und die Antriebsschaltung 2 steuert individuell die Potentiale der Vielzahl von partiellen Metallfilmen 5a, wodurch ein gewünschtes Phasen-Modulationsmuster auf der Meta-Oberfläche 1A präsentiert wird und die Phase des modulierten Lichts P für jedes Pixel 10 moduliert wird. Es ist anzumerken, dass es auch möglich ist, zu einem beliebigen Zeitpunkt eine beliebige Pixelgruppe auszuwählen und individuelle Potential-Einstellung durchzuführen.
• 6 ist eine Aufsicht, welche die Struktur der Antriebsschaltung 2 in jedem Pixel 10 zeigt. 7 ist eine Querschnittsansicht längs einer in 6 gezeigten Linie VII-VII und zeigt eine Querschnittsstruktur der Antriebsschaltung 2 in jedem Pixel 10. Wie in 6 und 7 gezeigt, weist die Antriebsschaltung 2 eine Halbleiterschicht 21 von einem ersten Leitfähigkeitstyp (zum Beispiel p-Typ) und auf der Halbleiterspeicher 21 vorgesehene Isolationsschichten 27 und 28 auf. Die Halbleiterschicht 21 kann ein Halbleitersubstrat selbst sein oder kann ein Halbleiterfilm (ein Einkristallfilm, ein polykristalliner Film oder ein amorpher Film) sein, der in einem unähnlichen Substrat gebildet wird. Eine Oberfläche 21c der Halbleiterschicht 21 (das heißt der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats oder die Hauptoberfläche des aus einem unähnlichen Substrat und einem Halbleiterfilm aufgebauten substratartigen Bauteils) ist mit dem Transistor 25 versehen. Wenn die Halbleiterschicht 21 ein Halbleiterfilm ist, der auf einem unähnlichen Substrat ausgebildet ist, wird der Transistor 25 ein Dünnfilm-Transistor genannt. Das die Halbleiterschicht 21 bildende Halbleitersubstrat oder das die Halbleiterschicht 21 aufbauende und aus dem unähnlichen Substrat und dem Halbleiterfilm aufgebaute substratartige Bauteil wird mit dem laminierten Strukturkörper 7 integriert, während die Oberfläche 21c und die Rückoberfläche 7b des laminierten Strukturkörpers 7 (siehe 2) veranlasst werden, zueinander hinzuweisen.
• Als ein Beispiel wird die Halbleiterschicht 21 hauptsächlich aus Si, welches mit einer Verunreinigung eines ersten Leitfähigkeitstyps (zum Beispiel p-Typ) dotiert ist, hergestellt. In der Halbleiterschicht 21 sind Halbleiterregionen 21a und 2ab eines zweiten Leistungsfähigkeitstyps (zum Beispiel n-Typ) ausgebildet. Die Halbleiterregionen 21a und 21b sind hauptsächlich aus mit einer Verunreinigung vom zweiten Leitfähigkeitstyp dotiertem Si hergestellt. Die Halbleiterregionen 21a und 21b werden mit einem Intervall voneinander angeordnet und auf der Oberfläche 21c der Halbleiterschicht 21 exponiert. Die Halbleiterregion 21a ist in Ohm'schen Zustand mit der Quellelektrode 25b des Transistors 25 auf der Oberfläche 21c vorgesehen. Die Halbleiterregion 21b ist im Ohm'schen Kontakt mit der Drain-Elektrode 25c des auf der Oberfläche 21c vorgesehenen Transistors 25. Die Quellelektrode 25b und die Drain-Elektrode 25c sind Seite an Seite mit einem Intervall auf der Oberfläche 21c angeordnet.
• Eine Region auf der Oberfläche 21c, außer der Quellelektrode 25b und der Drain-Elektrode 25c, ist mit der Isolationsschicht 27 abgedeckt. Es ist anzumerken, dass für leichtes Verständnis in 6 nur notwendige Bereiche der Isolationsschicht 27 gezeigt sind. Die Isolationsschicht 27 enthält hauptsächlich eine isolierende Siliziumverbindung, wie etwa SiO₂. Eine Gatterelektrode 25a des Transistors 25 ist auf der Isolationsschicht 27 vorgesehen. Die Gatterelektrode 25a ist über die Isolationsschicht 27 hinweg entgegengelegen zu einer Region der Halbleiterschicht 21, die zwischen der Halbleiterregion 21a und der Halbleiterregion 21b lokalisiert ist. Die Gatterelektrode 25a ist mit der Isolationsschicht 28 bedeckt, die auf der Isolationsschicht 27 vorgesehen ist. Wie in 7 gezeigt, ist die Isolationsschicht 28 ein Schutzfilm, der die gesamte Antriebsschaltung 2 schützt. Die Isolationsschicht 28 enthält beispielsweise hauptsächlich SiO₂. Der partielle Metallfilm 5a des Pixels 10 ist auf der Isolationsschicht 28 vorgesehen.
• Wie in 6 gezeigt, ist die Quellelektrode 25b mit der auf der Oberfläche 21c vorgesehenen Spannungsversorgungsverdrahtung 24 verbunden. Die Gatterelektrode 25a ist mit der Gatter-Antriebsverdrahtung 23 über eine auf der Isolationsschicht 27 vorgesehene Verdrahtung verbunden. Wie in 7 gezeigt, ist die Drain-Elektrode 25c mit dem partiellen Metallfilm 5a über eine Verdrahtung 25d verbunden, welche die Isolationsschichten 27 und 28 penetriert.
• Der Kondensator 26 besteht aus einem Teil des partiellen Metallfilms 5a, der Halbleiterschicht 21 unmittelbar unter dem partiellen Metallfilm 5a und einer dielektrischen Schicht 29, die dazwischen eingefügt ist. Es ist anzumerken, dass die Halbleiterschicht 21 auf ein Konstantpotential (zum Beispiel Referenzpotential) eingestellt ist. In diesem Fall dient der partielle Metallfilm 5a auch als eine Elektrode des Kondensators 26 und dient die Halbleiterschicht 21 auch als die andere Elektrode des Kondensators 26. Die dielektrische Schicht 29 ist so vorgesehen, dass sie die in den Isolationsschichten 27 und 28 ausgebildeten Öffnungen einbettet. Die untere Oberfläche der dielektrischen Schicht 29 steht in Kontakt mit der Halbleiterschicht 21 und die obere Oberfläche der dielektrischen Schicht 29 steht in Kontakt mit dem partiellen Metallfilm 5a. Die dielektrische Schicht 29 enthält beispielsweise hauptsächlich SiO₂.
• 8A bis 8D sind Querschnittsansichten, die jeden Schritt in einem Beispiel des Herstellverfahrens der Meta-Oberfläche 1A zeigen. Es ist anzumerken, dass, während 8A bis 8D ein Pixel 10 als einen Repräsentanten zeigen, auch die anderen Pixel 10 durch dasselbe Verfahren parallel mit dem Pixel 10 hergestellt werden. Zuerst, wie in 8A gezeigt, wird die Antriebsschaltung 2 als erster Schritt vorbereitet. Die Antriebsschaltung 2 wird durch ein bekanntes Verfahren des Bildens einer Verdrahtungsschicht auf einem Substrat, das einen Transistor aufweist, hergestellt. Zu dieser Zeit wird der die Vielzahl von partiellen Metallfilmen 5a beinhaltende Metallfilm 5 auf der Verdrahtungsschicht der Antriebsschaltung 2 gebildet. Als Nächstes, wie in 8B gezeigt, wird die transparente leitfähige Schicht 3 auf dem Metallfilm 5 durch ein physikalisches Dampfabscheidungsverfahren, wie etwa ein Zerstäubungsverfahren, ausgebildet. Spezifisch wird ein aus einem Material der transparenten leitfähigen Schicht 3 hergestelltes Ziel (Target) in einer Vakuumkammer installiert und wird ein bei einer hohen Spannung ionisiertes Inertgas dazu gebracht, mit dem Ziel zu kollidieren, wodurch das Material der transparenten leitfähigen Schicht 3 zerstäubt wird (Filmbildung). Wenn die transparente leitfähige Schicht 3 aus ITO gebildet wird, ist das Material der dielektrischen Schicht 4 beispielsweise zumindest eines von SiO₂, Al₂O₃-und HfO₂. Nachfolgend, wie in 8C gezeigt, wird die dielektrische Schicht 4 auf der transparenten leitfähigen Schicht 3 unter Verwendung beispielsweise eines Atomschicht-Depositions-(ALD)-Verfahrens ausgebildet. Spezifisch, für jedes die dielektrische Schicht 4 bildende Element, wird Quellgas eingeführt und aus einer Filmbildungseinrichtung gereinigt und wird die Formation eines Films mit beispielsweise einer Dicke mehrerer Angstrom wiederholt. Wenn die dielektrische Schicht 4 aus SiO₂ hergestellt wird, ist das Material von ALD beispielsweise TDMAS und Sauerstoff-Plasma. Nachfolgend, wie in 8D gezeigt, wird der die Vielzahl von partiellen Metallfilmen 6a beinhaltende Metallfilm 6 auf der dielektrischen Schicht 4 beispielsweise unter Verwendung eines Abhebverfahrens gebildet. Spezifisch wird zuerst Resist auf die dielektrische Schicht 4 aufgebracht und dann werden eine Vielzahl von Öffnungen entsprechend der Vielzahl von partiellen Metallfilmen 6A ausgebildet. Als Nächstes wird ein Metallfilm (zum Beispiel ein Au-Film) auf der gesamten Oberfläche der dielektrischen Schicht 4 einschließlich der Vielzahl von Öffnungen des Resists aufgedampft. Dann, indem der Resist entfernt wird, wird der auf dem Resist deponierter Metallfilm entfernt. Durch die obigen Schritte wird die Meta-Oberfläche 1A der vorliegenden Ausführungsform hergestellt.
• Als Nächstes werden die Effekte der Meta-Oberfläche 1A der vorliegenden Ausführungsform, welche durch die obigen Produktionsschritte erhalten wird, beschrieben. Die Meta-Oberfläche 1A beinhaltet eine MIM-Struktur, in welcher der Metallfilm 5 als ein Lichtreflektionsfilm, der die transparente leitfähige Schicht 3 und die dielektrische Schicht 4 enthaltene laminierte Strukturkörper 7 und der auf der Vielzahl von partiellen Metallfilmen 6a aufgebaute Metallfilm 6 mit der finiten Breite W1 in der präsentierten Reihenfolge laminiert. In diesem Fall, wie in 2, 3A und 3B gezeigt, beinhaltet der laminierte Strukturkörper 7 das Paar von Fensterregionen 71 und 72. Das Paar von Fensterregionen 71 und 72 sind alle so vorgesehen (exponiert), dass sie den partiellen Metallfilm 6a sandwichen, wenn die Hauptoberfläche 7a von der Laminierungsrichtung (Richtung D3) betrachtet wird. Das von außerhalb der Meta-Oberfläche 1A an einer Fensterregion 71 (oder 72) des laminierten Strukturkörpers 7 eingegebene modulierte Licht P wird auf dem Metallfilm 5 reflektiert und aus der anderen Fensterregion 72 (oder 71) des laminierten Strukturkörpers 7 nach außerhalb der Meta-Oberfläche 1A ausgegeben. Zu dieser Zeit, wenn die Betriebsspannung Vd zwischen dem partiellen Metallfilm 6a und dem Metallfilm 5 angelegt wird, werden induzierte Ströme in entgegengesetzter Richtung zueinander, was ein Spaltoberflächen-Plasmonmodus genannt wird, in sowohl dem partiellen Metallfilm 6a als auch dem Metallfilm 5 erzeugt und wird eine starke Magnet-Resonanz (Plasmon-Resonanz) im laminierten Strukturkörper 7 erzeugt. Aufgrund dieser magnetischen Resonanz wird die Phase des zwischen dem partiellen Metallfilm 6a und den Metallfilm 5 passierende modellierte Licht P moduliert.
• Hier drückt der folgende Ausdruck (1) die Beziehung eines Phasenmodulationsbetrags φ des modulierten Lichts P durch Magnetresonanz, eine Breite w (= W1) des partiellen Metallfilms 6a, die Wellenlänge λ des modulierten Lichts P und einen effektiven Brechungsindex N_gsp des laminierten Strukturkörpers 7 aus. Es ist anzumerken, dass m eine Ganzzahl ist. $$\omega \frac{2\pi }{\lambda }{N}_{gsp}=m\pi -\phi$$

  
• Wie aus Ausdruck 1 klar ist, hängt der Phasenmodulationsbetrag φ von dem effektiven Brechungsindex N_gsp des laminierten Strukturkörpers 7 ab. Dann wird die Steuerung des effektiven Brechungsindex N_gsp ermöglicht, indem die zwischen dem partiellen Metallfilm 6a und dem Metallfilm 5 angelegte Betriebsspannung Vd verändert wird. Der Grund ist wie folgt. Wenn die Betriebsspannung Vd zwischen dem partiellen Metallfilm 6a und dem Metallfilm 5 angelegt wird, wie in 9 gezeigt, steigert das elektrische Feld zwischen dem partiellen Metallfilm 6a und dem Metallfilm 5 die Elektronendichte nahe der Schnittstelle der transparenten leitfähigen Schicht zu der dielektrischen Schicht 4. Als Ergebnis ändert sich ein Bereich der transparenten leitfähigen Schicht 3 nahe der Schnittstelle zu einer metallisierten Schicht 3a. Da diese Schicht 3a mit dem modulierten Licht P reagiert, ändert sich der effektive Brechungsindex N_gsp des laminierten Strukturkörpers 7.
• Weiterhin beinhaltet in der Meta-Oberfläche 1A der vorliegenden Ausführungsform der Metallfilm 5 die Vielzahl von partiellen Metallfilmen 5a, die für jedes Pixel 10 vorgesehen und voneinander getrennt sind, und steuert die Antriebsschaltung 2 individuell die Betriebsspannungen Vd der Vielzahl von partiellen Metallfilmen 5a. Aufgrund dem kann, wie in 9 gezeigt, die Dicke der metallisierten Schicht 3a in der transparenten leitfähigen Schicht 3 unabhängig für jedes Pixel 10 gesteuert werden und daher wird eine Phasenmodulation unabhängig für jedes Pixel 10 möglich, das heißt, dass gemäß der Meta-Oberfläche 1A der vorliegenden Ausführungsform eine Phasenmodulation in jedem der Vielzahl von zweidimensionalen angeordneten Pixeln 10 durchgeführt werden kann.
• 10A ist eine Ansicht, welche konzeptionell eine Strahllenkung, die den Austrittswinkel von Ausgabelicht variieren kann, als ein Verwendungsbeispiel der Meta-Oberfläche 1A zeigt. Im Beispiel von 10A, indem der Phasenmodulationsbetrag φ um einen Konstantbetrag für jedes Pixel 10 längs der Richtung D1 (oder Richtung D2) geändert wird, wird eine Wellenfront Pa des Ausgangslichts in Bezug auf die Oberfläche der Meta-Oberfläche 1A gekippt. Zu dieser Zeit wird ein durch die normale Linie der Wellenfront Pa und der Normal-Linie der Oberfläche der Meta-Oberfläche 1A gebildeter Winkel θ (das heißt Austrittswinkel des Ausgangslichts) anhand des Änderungsbetrags des Phasenmodulationsbetrags φ für jedes Pixel 10 bestimmt. Je größer der Änderungsbetrag ist, desto größer wird ein Austrittswinkel θ des Ausgangslichts und je kleiner der Änderungsbetrag ist, desto kleiner wird der Austrittswinkel θ des Ausgangslichts. Daher kann der Austrittswinkel θ des Ausgangslichts auf einen beliebigen Winkel eingestellt werden, indem der Änderungsbetrag des Phasenmodulationsbetrags φ für jedes Pixel 10 gesteuert wird.
• 10B ist eine Querschnittsansicht, welche die Form einer Lichtreflektionsoberfläche 101 eines diffraktiven, optischen Elements (DOE) 100 mit einer Struktur zur Strahllenkung zeigt. Im diffraktiven optischen Element 100 ist die Lichtreflektionsoberfläche 101 mit periodischer Unebenheit versehen und wird eine gekippte Oberfläche 102 auf einem Vorsprungsbereich ausgebildet, wodurch es ermöglicht wird, dass der Austrittswinkel des Ausgabelichts (reflektiertes Licht) gesteuert wird. Jedoch weist in einer solchen Konfiguration die unebene Struktur der Lichtreflektionsoberfläche 101 beispielsweise eine Dicke t₂ von 200 µm auf. Andererseits weist die Meta-Oberfläche 1A der vorliegenden Ausführungsform beispielsweise eine Dicke t₁ von 50 nm auf und kann konfiguriert sein, im Vergleich mit dem diffraktiven optischen Element 100 extrem dünn zu sein. Daher kann die vorliegende Ausführungsform zu einer Miniaturisierung einer Einrichtung, welche die Meta-Oberfläche 1A enthält, beitragen.
• Wie in der vorliegenden Ausführungsform, kann die Antriebsschaltung 2 eine Vielzahl von Spannungshaltebereichen (Kondensatoren 26) aufweisen, welche Spannung für jeden partiellen Metallfilm 5a halten. Dies ermöglicht die sequentielle Spannungseinstellung für jeden partiellen Metallfilm 5a mit einer vereinfachten Schaltungskonfiguration. Es ist zu einem beliebigen Zeitpunkt möglich, die Spannung auch für einen oder mehrere beliebig ausgewählte partielle Metallfilme einzustellen. In diesem Fall können die Vielzahl von Spannungshaltebereichen Kondensatoren 26 mit dem Metallfilm 5 als einer Elektrode sein. Dies gestattet, dass der Spannungshaltebereich durch eine einfache Konfiguration realisiert wird.
• Wie in der vorliegenden Ausführungsform, kann eine Feldrichtung des Paars von Fensterregionen 71 und 72 (Mit anderen Worten die Breitenrichtung des partiellen Metallfilms 6a) mit der Polarisierungsrichtung P1 des Modellen Lichts P koinzidieren. Dies gestattet, dass vorzugsweise Oberflächen-Plasmon angeregt wird und die Phase des Ausgabelichts effektiv gesteuert wird.
• Wie in der vorliegenden Ausführungsform kann die dielektrische Schicht 4 auf der Seite der Hauptoberfläche 7a in Bezug auf die transparente leitfähige Schicht 3 lokalisiert sein. Dies verursacht, dass die, die Form der auf der oberen Seite bereitgestellten Metallstruktur reflektierende akkumulierte Schicht gebildet wird, und daher wird erwartet, dass die Elektronenkonzentration ansteigt.
• Wie in der vorliegenden Ausführungsform kann die Antriebsschaltung 2 die Vielzahl von Transistoren 25, die für jedes Pixel vorgesehen sind, beinhalten, kann die Meta-Oberfläche 1A das Substrat mit der Vielzahl von Transistoren 25 auf seiner Hauptoberfläche aufweisen und kann das Substrat mit dem laminierten Strukturkörper 7 integriert sein, während seine Hauptoberfläche und die Rückoberfläche 7b veranlasst werden, zueinander hinzuweisen. Dies ermöglicht es, eine kleindimensionierte reflektive dynamische Meta-Oberfläche mit einer inkorporierten Antriebsschaltung bereitzustellen.
• Wie in der vorliegenden Ausführungsform kann die Antriebsschaltung 2 den Metallfilm 6 auf das Referenzpotential einstellen und kann der Metallfilm 6 sich über zwei oder mehr Pixel 10 erstrecken, die Seite an Seite in einer Richtung angeordnet sind, welche die Feldrichtung des Paars von Fensterregionen 71 und 72 schneidet. Dies ermöglicht es, leicht den Metallfilm 6 mit dem Referenzpotential zu versehen, während die Verdeckung der Pfade des modulierten Lichts P und des Ausgangslichts für die Verdrahtung zum bereitstellen des Metallfilms 6 mit dem Referenzpotential reduziert wird. Daher ist es möglich, dass die einfache Struktur die Reduktion der Ausgabe-Effizienz der Meta-Oberfläche 1A verringert.
• Wie in der vorliegenden Ausführungsform, kann die dielektrische Schicht 4 Aluminiumoxid, Siliziumoxid oder/und Magnesiumfluorid enthalten. Dies ermöglicht es, dass vorzugsweise die oben beschriebene dielektrische Schicht 4 realisiert wird.
• Wie in der vorliegenden Ausführungsform, kann die transparente leitfähige Schicht 3 zumindest eines von Indiumoxid und Zinkoxid enthalten, deren Widerstand durch ein Dotiermittel reduziert wird. Dies gestattet, dass vorzugsweise der Betrieb der oben beschriebenen transparenten leitfähigen Schicht 3 erzielt wird.
• (Erste Variation)
• 11 ist eine Aufsicht, die eine Meta-Oberfläche 1B gemäß der ersten Variation der ersten Ausführungsform zeigt. Anstelle der Vielzahl von Pixeln 10 der oben beschriebenen Ausführungsform sind eine Vielzahl (N) von Pixeln 20 auf der Hauptoberfläche 1a der Meta-Oberfläche 1B ausgebildet. Die Vielzahl von Pixeln 20 bilden ein eindimensionales Feld längs der Richtung D1. Die planare Form jedes Pixels 20 ist ein Viereck (zum Beispiel ein Rechteck, in welchem die, die Feldrichtung schneidende Richtung D2 die Längsrichtung ist). Eine Breite L jedes Pixels 20, welches längs der Richtung D1 definiert ist, ist die gleiche wie die Länge L einer Seite des Pixels 10 der oben beschriebenen Ausführungsform. Es ist anzumerken, dass die Struktur des II-II Querschnitts der Meta-Oberfläche 1B die gleiche wie diejenige der oben beschriebenen Ausführungsform ist (siehe 2).
• 12A ist eine Ansicht, welche die planare Form des Metallfilms 6 zeigt. Der Metallfilm 6 ist auf der Hauptoberfläche 7a des laminierten Strukturkörpers 7 vorgesehen, und beinhaltet ähnlich zur oben beschriebenen Ausführungsform die Vielzahl von partiellen Metallfilmen 6a. Die Vielzahl von partiellen Metallfilmen 6a ist Seite an Seite längs der Richtung D1 angeordnet und voneinander getrennt. Die planare Form jedes partiellen Metallfilms 6a ist ein Viereck (zum Beispiel Rechteck, in welchem die Richtung D2 die Längenrichtung ist). Jedoch ist in der vorliegenden Ausführungsform, da das Pixel 20 auch ein Rechteck ist, dessen Längenrichtung die Richtung D2 ist, jeder partielle Metallfilm 6a für jedes Pixel 20 vorgesehen und ist in jedem Pixel 20 lokalisiert. Die Breite W1 des partiellen Metallfilms 6a, definiert längs der Richtung D1, ist die gleiche wie diejenige der oben beschriebenen Ausführungsform. Auch in der vorliegenden Variation ist die Breite W1 des partiellen Metallfilms 6a kleiner als die Länge L des Pixels 10. Dann wird der partielle Metallfilm 6a am substanziellen Zentrum des Pixels 20 längs der Richtung D1 angeordnet. Daher beinhaltet der laminierte Strukturkörper 7 das Paar von Fensterregionen 71 und 72 in jedem Pixel 20.
• 12B ist eine Ansicht, welche die planare Form eines Metallfilms 5A zeigt. Die Meta-Oberfläche 1B beinhaltet den Metallfilm 5A anstelle des Metallfilms 5 der oben beschriebenen Ausführungsform. Der Metallfilm 5A ist der zweite Metallfilm in der vorliegenden Variation. Die Konfiguration des Metallfilms 5A ist die gleiche wie diejenige des Metallfilms 5 der oben beschriebenen Ausführungsform, außer bei den folgenden Punkten. Der Metallfilm 5A der vorliegenden Variation beinhaltet nämlich eine Vielzahl von partiellen Metallfilmen 5B. Die Vielzahl von partiellen Metallfilmen 5B sind Seite an Seite längs der Richtung D3 angeordnet und voneinander getrennt. Die planare Form jedes partiellen Metallfilms 5B ist ein Viereck (zum Beispiel ein Rechteck, in welchem die Richtung D2 die Längenrichtung ist). Jeder partielle Metallfilm 5b ist für jedes Pixel 20 vorgesehen und ist in jedem Pixel 20 lokalisiert. Es ist anzumerken, dass eine Breite W3 jedes partiellen Metallfilms 5B, definiert längs der Richtung D1 (kurze Richtung) die gleiche wie die Länge W2 einer Seite des partiellen Metallfilms 5A der oben beschriebenen Ausführungsform ist.
• 13 ist eine Ansicht, welche die Konfiguration der Antriebsschaltung 2A zeigt. Die Meta-Oberfläche 1B beinhaltet die Antriebsschaltung 2A anstelle der Antriebsschaltung 2 der oben beschriebenen Ausführungsform. Die Antriebsschaltung 2A der vorliegenden Variation hat eine Gatter-Antriebsverdrahtung 23 und N Spannungsversorgungsverdrahtungen 24. Die Gatter-Antriebsverdrahtung 23 erstreckt sich längs der Ausrichtungsrichtung (Richtung D1) der Pixel 20. Die N Spannungsversorgungsverdrahtungen 24 erstrecken sich alle längs einer Richtung (Richtung D2), welche die Anordnungsrichtung der Pixel 20 schneidet und sind Seite an Seite längs der Richtung D1 angeordnet. Die Gatter-Antriebsverdrahtung 23 ist elektrisch mit einem Steueranschluss (Gatter) des Transistors 25 verbunden, der für jedes Pixel 20 vorgesehen ist. Die Spannungsversorgungsverdrahtung 24 der n-ten Spalte (n = 1, 2, ..., N) ist elektrisch mit einem Stromanschluss (zum Beispiel Quelle) des auf dem Pixel 20, lokalisiert in der n-ten Spalte, bereitgestellten Transistor 25 verbunden. Der andere Stromanschluss (zum Beispiel Drain) des Transistors 25 ist elektrisch mit dem partiellen Metallfilm 5b des Pixels 20 über die Verdrahtung im Pixel 20 verbunden.
• Die Antriebsschaltung 2A weist weiter die Vielzahl von Kondensatoren 26 auf, die für jedes Pixel 20 vorgesehen sind. Der Kondensator 26 ist ein Beispiel eines Spannungshaltebereichs in der vorliegenden Variation und hält für jeden partiellen Metallfilm 5b eine an den partiellen Metallfilm 5b des Pixels 20 angelegte Spannung. Es ist anzumerken, dass die spezifische Konfiguration des Kondensators 26 die gleiche wie diejenige der oben beschriebenen Ausführungsform ist.
• Wie in der vorliegenden Variation kann die Vielzahl von Pixeln ein eindimensionales Feld aufbauen. Selbst in einem solchen Fall können dieselben Effekte wie jene der oben beschriebenen Ausführungsform erzeugt werden.
• (Zweite Variation)
• 14 ist eine Ansicht, welche die Querschnittsstruktur der Meta-Oberfläche 1C gemäß der zweiten Variation der ersten Ausführungsform zeigt. In der vorliegenden Variation ist ein Spalt 8 zwischen den laminierten Strukturkörpern 7 der Pixel 10 (oder Pixel 20) angrenzend aneinander vorgesehen und trennt der Spalt 8 räumlich die laminierten Strukturkörper 7 der Pixel 10 (oder Pixel 20) voneinander. Der Spalt 8 ist zum elektrischen Trennen der transparenten leitfähigen Schichten 3 in den aneinander angrenzenden Pixeln 10 (oder Pixeln 20) vorgesehen. Somit, wenn die Betriebsspannung Vd zwischen dem partiellen Metallfilm 5a (5b) und dem Metallfilm 6 in einem gewissen Pixel 10 (oder Pixel 20) angelegt wird, ist es möglich, zu verhindern, dass Elektronen zur transparenten leitfähigen Schicht 3 im angrenzenden Pixel 10 (oder Pixel 20) lecken und daher ist es möglich, ein Übersprechen zwischen den Pixeln 10 (oder Pixeln 20), die aneinander angrenzen, zu reduzieren. Es ist anzumerken, dass, wenn der Spalt 8 ausgebildet wird, es bevorzugt wird, dass eine Maske mit einer Öffnung entsprechend dem Spalt 8 auf dem laminierten Strukturkörper 7 gebildet wird und der laminierte Strukturkörper 7 durch die Maske geätzt wird.
• 15 ist eine Ansicht, welche die Querschnittsstruktur der Meta-Oberfläche 1D gemäß noch einer anderen Variation zeigt. In diesem Beispiel, anstelle des oben beschriebenen Spalts 8, wird ein Isolationsbereich 9 zwischen den laminierten Strukturkörpern 7 in den aneinander angrenzenden Pixeln 10 (oder Pixeln 20) vorgesehen. Der Isolationsbereich 9 enthält hauptsächlich ein isolierendes Material wie etwa SiO₂ und Si₃N₄. Selbst bei einer solchen Konfiguration ist es möglich, Übersprechen zwischen den Pixeln 10 (oder den Pixeln 20), die aneinander angrenzen, effektiv zu reduzieren. Es ist anzumerken, dass, nachdem der oben beschriebene Spalt 8 in dem laminierten Strukturkörper 7 gebildet ist, der Isolationsbereich 9 vorzugsweise gebildet wird durch Einbetten des Spalts 8 in das isolierende Material.
• (Zweite Ausführungsform)
• 16 ist eine Querschnittsansicht, welche die Konfiguration einer Lichtemissionseinrichtung 30 gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Die Lichtemissionseinrichtung 30 der vorliegenden Ausführungsform beinhaltet die Meta-Oberfläche 1A der ersten Ausführungsform, die Lichtführungsschicht 31 und ein Oberflächen-Emissionselement 32. Das Oberflächen-Emissionselement 32 ist ein Oberflächen-Emissionstyp-Halbleiterlicht-Emissionselement, wie etwa ein vertikaler Hohlraumoberflächen-Emissionslaser (VCSEL, vertical cavity surface emitting laser), oder ein Photonenkristalloberflächen emittierender Laser (PCSEL, photonic crystal surface emitting laser). Das Oberflächen-Emissionselement 32 weist eine Lichtemissionsoberfläche 32a auf, die Licht ausgibt, und ist auf der Meta-Oberfläche 1A so angeordnet, dass die Lichtemissionsoberfläche 32a und die Hauptoberfläche 7a des laminierten Strukturkörpers 7 zueinander hinweisen.
• Die Lichtführungsschicht 31 ist zwischen der Meta-Oberfläche 1A und dem Oberflächen-Emissionselement 32 vorgesehen und reduziert optischen Verlust zwischen der Meta-Oberfläche 1A und dem Oberflächen-Emissionselement 32. Die Lichtführungsschicht 31 weist eine Oberfläche 31a auf Seite der Meta-Oberfläche 1A und eine Oberfläche 31B auf Seite des Oberflächen-Emissionselements 32 auf. Die Oberfläche 31a steht in Kontakt mit der Hauptoberfläche 7a des laminierten Strukturkörpers 7 und die Oberfläche 31b steht in Kontakt mit der Lichtemissionsoberfläche 32a des Oberflächen-Emissionselements 32. Die Vielzahl von partiellen Metallfilmen 6a des auf der Hauptoberfläche 7a vorgesehenen Metallfilms 6 sind in die Lichtführungsschicht 31 eingebettet. Der Brechungsindex der Lichtführungsschicht 31 ist der gleiche oder kleiner als der Brechungsindex der Schicht (dielektrische Schicht 4 in der vorliegenden Ausführungsform), welche die Hauptoberfläche 7a des laminierten Strukturkörpers 7 aufbaut. Aufgrund dem wird das aus der Lichtemissionsoberfläche 32a ausgegebene Licht P aus der Lichtführungsschicht 31 an dem laminierten Strukturkörper 7 mit niedrigem Verlust eingegeben. Die Lichtführungsschicht 31 besteht beispielsweise aus einem Dielektrikum. Wenn die dielektrische Schicht 4 hauptsächlich Al₂O₃ enthält, enthält die Lichtführungsschicht 31 hauptsächlich zumindest eines von beispielsweise Al₂O₃, SiO₂, MgF₂, und CaF₂. Wenn die dielektrische Schicht 4 hauptsächlich SiO₂ enthält, enthält die Lichtführungsschicht 31 hauptsächlich SiO₂, MgF₂, oder/und CaF₂. Wenn die dielektrische Schicht hauptsächlich MgF₂ enthält, enthält die Lichtführungsschicht 31 hauptsächlich MgF₂ oder/und CaF₂.
• In der vorliegenden Ausführungsform, wenn das Licht P aus der Lichtemissionsoberfläche 32a des Oberflächen-Emissionselements 32 ausgegeben wird, passiert das Licht P die Lichtführungsschicht 31 und wird an der Hauptoberfläche 7a des laminierten Strukturkörpers 7 eingegeben. Dann, aufgrund desselben Betriebs wie demjenigen der ersten Ausführungsform, moduliert die Meta-Oberfläche 1A die Phase des Lichts P für jedes Pixel. Das modulierte Licht P passiert die Lichtführungsschicht 31 wieder und kehrt zu dem Oberflächen-Emissionselement 32 zurück und wird zur Außenseite der Lichtemissionseinrichtung 30 aus einer Oberfläche des Oberflächen-Emissionselements 32 entgegengesetzt zur Lichtemissionsoberfläche 32a ausgegeben.
• Gemäß der Lichtemissionseinrichtung 30 der vorliegenden Ausführungsform können dieselben Effekte wie diejenigen der ersten Ausführungsform erzielt werden, indem die Meta-Oberfläche 1A der ersten Ausführungsform eingeschlossen wird. Zusätzlich, da die Meta-Oberfläche 1A und das Oberflächen-Emissionselement 32 integral konfiguriert sind, ist es möglich, ein optisches System wie etwa eine Linse im Vergleich mit dem Fall, bei dem die Meta-Oberfläche 1A und das Oberflächen-Emissionselement 32 getrennt konfiguriert sind, wegzulassen. Daher ist es möglich, die Konfiguration der Lichtemissionseinrichtung zu vereinfachen und die Arbeit des Justierens des optischen Systems wegzulassen.
• Die reflektive dynamische Meta-Oberfläche gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt und es können verschiedene andere Variationen vorgenommen werden. Beispielsweise weisen die oben beschriebenen Ausführungsformen und Variationen eine Konfiguration auf, in welcher die Antriebsschaltung, der laminierte Strukturkörper und der erste Metallfilm und der zweite Metallfilm integriert sind. Jedoch können in der vorliegenden Offenbarung die Antriebsschaltung, der laminierte Strukturkörper, und der erste Metallfilm und der zweite Metallfilm getrennt voneinander konfiguriert werden. In den oben beschriebenen Ausführungsformen und Variationen weist die auf der Oberfläche entgegengesetzten Oberfläche, an welcher das modulierte Licht eingegeben wird, bereitgestellte zweite Metallfilm eine Vielzahl von partiellen Metallfilmen auf, die für jedes Pixel vorgesehen sind und voneinander getrennt sind. Jedoch kann der auf der Oberfläche, an welcher das modulierte Licht eingegeben wird, bereitgestellte erste Metallfilm eine Vielzahl von partiellen Metallfilmen aufweisen, die für jedes Pixel vorgesehen sind und voneinander getrennt sind. Alternativ können sowohl der erste Metallfilm als auch der zweite Metallfilm eine Vielzahl von partiellen Metallfilmen aufweisen, die für jedes Pixel vorgesehen und voneinander getrennt sind. Mit jeglicher Konfiguration können dieselben Effekte wie jene der oben beschriebenen Ausführungsformen und Variationen erzielt werden.
• Bezugszeichenliste

1A, 1B, 1C, 1D

Meta-Oberfläche

1a

Hauptoberfläche

2, 2A

Antriebsschaltung

3

Transparente leitfähige Schicht

3a

Metallisierte Schicht

4

Dielektrische Schicht

5, 5A, 6

Metallfilm

5a, 5b, 6a

Partieller Metallfilm

7

Laminierter Strukturkörper

7a

Hauptoberfläche

7b

Rückoberfläche

8

Spalt

9

Isolationsbereich

10, 20

Pixel

21

Halbleiterschicht

23

Gatter-Antriebsverdrahtung

24

Spannungsversorgungsverdrahtung

25

Transistor

25a

Gatterelektrode

25b

Quellelektrode

25c

Drahtelektrode

25d

Verdrahtung

25

Kondensator

27, 28

Isolationsschicht

29

Dielektrische Schicht

30

Lichtemissionseinrichtung

31

Lichtführungsschicht

32

Oberflächen-Emissionselement

32a

Lichtemissionsoberfläche

71, 72

Fensterregion

P

Moduliertes Licht

P1

Polarisationsrichtung

Pa

Wellenfront

Vd

Betriebsspannung

Vg

Gatterspannung

θ

Austrittswinkel

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Nicht-Patentliteratur
• ao-Wie, Huan et al.: „Gate-tunable conducting oxide metasurfaces“, Nano Letters, Bd.16, Seite 5319-5325 (2016) [0003]

Claims (11)

1. Reflektive dynamische Meta-Oberfläche, umfassend: einen laminierten Strukturkörper, der beinhaltet eine erste Oberfläche, welche Licht einer vorbestimmten Wellenlänge in beiden Richtungen passieren kann, eine zweite Oberfläche entgegengesetzt der ersten Oberfläche, eine transparente leitfähige Schicht, die Transmittivität gegenüber Licht aufweist und zwischen der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche angeordnet ist, und eine dielektrische Schicht, die Transmittivität gegenüber Licht aufweist und zwischen der ersten Oberfläche und der zweiten Oberfläche angeordnet ist, wobei der laminierte Strukturkörper, in dem eine Pixelregion eingestellt ist, wobei die Pixelregion zumindest eine Vielzahl von Pixeln enthält, die ein eindimensionales Feld bilden, wenn die erste Oberfläche längs einer Laminierungsrichtung von der ersten Oberfläche zur zweiten Oberfläche betrachtet wird, einen ersten Metallfilm, der auf der ersten Oberfläche des laminierten Strukturkörpers angeordnet ist; einen zweiten Metallfilm, der auf der zweiten Oberfläche des laminierten Strukturkörpers angeordnet ist, so dass er die Vielzahl von Pixeln zusammen mit dem ersten Metallfilm sandwicht, wobei der zweite Metallfilm das die erste Oberfläche passierende Licht zur ersten Oberfläche reflektiert; und eine Antriebsschaltung, die konfiguriert ist, zwischen dem ersten Metallfilm und dem zweiten Metallfilm angelegte Spannung zu steuern, wobei der erste Metallfilm auf der ersten Oberfläche so angeordnet ist, dass ein Paar von Fensterregionen, die voneinander in einem Zustand des Sandwichens zumindest eines Teils des ersten Metallfilms getrennt sind, in jedem der Vielzahl von Pixeln exponiert sind, wenn die erste Oberfläche längs der Laminierungsrichtung betrachtet wird, zumindest der zweite Metallfilm eine Vielzahl von partiellen Metallfilmen beinhaltet, die jeder eine baryzentrische Position und eine Form des assoziierten Pixels der Vielzahl von Pixeln auf der zweiten Oberfläche definiert, die Vielzahl von partiellen Metallfilmen auf der zweiten Oberfläche in einem Zustand angeordnet sind, bei dem sie voneinander um eine vorbestimmte Distanz getrennt und voneinander elektrisch getrennt sind, und die Antriebsschaltung eine Struktur aufweist, in welcher Potentiale zumindest der Vielzahl von partiellen Metallfilmen entsprechend 1:1 der Vielzahl von Pixeln individuell gesteuert werden, um eine Phase des Lichts für jedes der Vielzahl von Pixeln zu modulieren.
2. Reflektive dynamische Meta-Oberfläche gemäß Anspruch 1, wobei die Antriebsschaltung eine Vielzahl von Spannungshaltebereichen beinhaltet, die so angeordnet sind, dass sie 1:1 der Vielzahl von partiellen Metallfilmen entsprechen, wobei die Vielzahl von Spannungshaltebereichen alle die Spannung zum Einstellungspotential des assoziierten partiellen Metallfilms der Vielzahl von partiellen Metallfilmen halten.
3. Reflektive dynamische Meta-Oberfläche gemäß Anspruch 2, wobei jeder der Vielzahl von Spannungshaltebereichen einen Kondensator, in welchem eine Elektrode mit einem assoziierten partiellen Metallfilm der Vielzahl von partiellen Metallfilmen aufgebaut ist, beinhaltet.
4. Reflektive dynamische Meta-Oberfläche gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Antriebsschaltung eine Vielzahl von Transistoren aufweist, die so angeordnet sind, dass sie 1:1 der Vielzahl von partiellen Metallfilmen entsprechen.
5. Reflektive dynamische Meta-Oberfläche gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der laminierte Strukturkörper einen Spalt oder einen Isolationsbereich aufweist, der zwischen aneinander angrenzenden Pixeln der Vielzahl von Pixeln angeordnet ist, wobei der Spalt oder der Isolationsbereich angrenzende Bereiche voneinander elektrisch trennen, die alle einen Teil der transparenten leitfähigen Schicht aufbauen und alle einen Teil des angrenzenden Pixels aufbauen.
6. Reflektive dynamische Meta-Oberfläche gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Feldrichtung des Paars von Fensterregionen auf der ersten Oberfläche mit der Polarisationsrichtung des Lichts koinzidiert.
7. Reflektive dynamische Meta-Oberfläche gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die dielektrische Schicht zwischen der ersten Oberfläche und der transparenten leitfähigen Schicht lokalisiert ist.
8. Reflektive dynamische Meta-Oberfläche gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, weiter umfassend ein Substrat, das eine Hauptoberfläche aufweist, auf welcher die Antriebsschaltung angeordnet ist, wobei das Substrat mit dem laminierten Strukturkörper in einem Zustand integriert ist, bei dem die Hauptoberfläche und die zweite Oberfläche des laminierten Strukturkörpers zueinander hinweisen.
9. Reflektive dynamische Meta-Oberfläche gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Antriebsschaltung den ersten Metallfilm auf das Referenzpotential einstellt, und der erste Metallfilm sich über zwei oder mehr Pixel erstreckt, die Seite an Seite längs einer Richtung angeordnet sind, welche eine Feldrichtung des Paars von Fensterregionen schneidet.
10. Reflektive dynamische Meta-Oberfläche gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die dielektrische Schicht Aluminiumoxid, Siliziumoxid oder/und Magnesiumfluorid enthält.
11. Reflektive dynamische Meta-Oberfläche gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die transparente leitfähige Schicht Indiumoxid oder/und Zinkoxid als ein Oxid, dessen Widerstand durch ein Dotiermittel reduziert wird, beinhaltet. leitfähigen Schicht vorzugsweise realisiert werden.

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