DE112020001674T5

DE112020001674T5 - Variabel-Phasenvorrichtung

Info

Publication number: DE112020001674T5
Application number: DE112020001674.9T
Authority: DE
Inventors: Soh UENOYAMA; Yoshitaka Kurosaka; Kazuyoshi Hirose
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2019-03-29
Filing date: 2020-03-27
Publication date: 2021-12-16
Also published as: JP7246995B2; CN113631994A; JP2020166113A; WO2020203856A1; US20220187636A1

Abstract

Die vorliegende Ausführungsform bezieht sich auf eine Variabel-Phasenvorrichtung, die eine neue Vorrichtungsstruktur beinhaltet, die verschiedene Probleme lösen kann. Die Variabel-Phasenvorrichtung beinhaltet M Pixel (wobei M eine Ganzzahl von 2 oder mehr ist), die eindimensional oder zweidimensional angeordnet sind, wobei die M Pixel alle Licht emittieren oder Licht modulieren. Der Anordnungsabstand der M Pixel ist kleiner als die Wellenlänge von Einfallslicht und entlang einer vorbestimmten Richtung konstant. Jedes der M Pixel beinhaltet N Unterpixel (wobei N eine Ganzzahl von 2 oder mehr ist), die alle eine Struktur aufweisen, welche der Phase von austretendem Licht gestattet, zu variieren. In Bezug auf jedes der M Pixel werden aus den N Unterpixeln ausgegebene N partielle Lichtstrahlen zu Licht kombiniert, das im Fernfeld eine einzelne Phase aufweist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Variabel-Phasenvorrichtung.
Hintergrund
Patentdokument 1 offenbart einen phasenmodulierten Raumlicht-Modulator mit einer Vielzahl von zweidimensional angeordneten Pixeln. Nicht-Dokumente 1 und 2 offenbaren gattereinstellbare Meta-Oberflächen.
Zitateliste
Patentliteratur
Patentdokument 1: Japanische Patentanmeldung, Veröffentlichungs-Nr. JP 2008-250220
Nicht-Patentliteratur
Nicht-Patentdokument 1: Yao-Wei Huang et al., „Gate-Tunable Conducting Oxide Metasurfaces", Nano Letters, 2016, 16 (9), S. 5319-5325
Nicht-Patentdokument 2: Ghazaleh Kafaie Shirmanesh et al., „Dual-Gated Active Metasurface at 1550 nm with Wide (>300°) Phase Tunability", Nano Letters, 2018, 18 (5), S. 2957-2963
Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
Als ein Ergebnis des Studiums des oben erwähnten Stands der Technik haben die vorliegenden Erfinder die folgenden Probleme gefunden. Optische Vorrichtungen zum räumlichen Modulieren der Phase von Licht sind konventionell verwendet worden. Solche optische Vorrichtungen, die zur Phasenmodulation in der Lage sind, weisen eine Vielzahl von Pixeln auf, die eindimensional oder zweidimensional angeordnet sind, und führen räumliche Phasenmodulation durch, indem Phasen, die sich von Pixeln gegenüber Licht unterscheiden, Modulation gegeben wird. Jedoch können in einigen Strukturen der Vorrichtung technische Probleme auftreten, wie etwa beispielsweise ein begrenzter Bereich variabler Phasen aufgrund struktureller Beschränkungen oder dergleichen oder von Variationen bei der Lichtintensität zwischen Pixeln, die durch die Phasen verursacht werden. Eine neue Vorrichtungsstruktur, welche solche verschiedenen Probleme lösen kann, wird verlangt.
Eine Aufgabe einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es, eine variable Phasenvorrichtung mit einer neuen Vorrichtungsstruktur bereitzustellen, die verschiedene Probleme konventioneller optischer Vorrichtungen lösen kann, die zur Phasenmodulation in der Lage sind.
Problemlösung
Um die oben beschriebenen Probleme zu lösen, beinhaltet eine Variabel-Phasenvorrichtung gemäß einem Beispiel der vorliegenden Ausführungsform M Pixel (wobei M eine Ganzzahl von zwei oder mehr ist). Jedes der M Pixel ist zur Lichtemission oder Licht-Modulation in der Lage und die M Pixel sind eindimensional entlang einer ersten Richtung auf einer Referenzebene angeordnet oder zweidimensional entlang der ersten Richtung und einer zweiten Richtung, welche die erste Richtung schneidet, angeordnet. Der Anordnungsabstand (array pitch), welcher durch eine Distanz zwischen Zentren angrenzender Pixel entlang zumindest der ersten Richtung von den M Pixeln definiert ist, ist kleiner als die Wellenlänge des Einfallslichtes und entlang der ersten Richtung konstant. Zusätzlich beinhaltet jedes der M Pixel N Unterpixel (wobei N eine Ganzzahl von zwei oder mehr ist), die alle eine Struktur aufweisen, die in der Lage ist, die Phase des Einfallslichts zu verändern. Weiterhin werden in Bezug auf jedes der M Pixel N partielle Lichtstrahlen, die aus den N Unterpixeln ausgegeben werden, zu Licht mit einer Einzelphase im Fernfeld kombiniert.
Vorteilhafte Effekte der Erfindung
Gemäß einem Beispiel der vorliegenden Erfindung kann eine Variabel-Phasenvorrichtung mit einer neuen Vorrichtungsstruktur, die verschiedene Probleme konventioneller optischer Vorrichtungen, die zur Phasenmodulation in der Lage sind, lösen können, bereitgestellt werden.
Figurenliste

1 ist eine Aufsicht, die eine Meta-Oberfläche 1A als eine Variabel-Phasenvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist eine vergrößerte Aufsicht eines Pixels 10.
3 ist eine Querschnittsansicht längs Linie III-III in 2, die eine Querschnittsstruktur jedes in der Meta-Oberfläche 1A enthaltenen Pixels 10 zeigt.
4 ist ein Schaltungsdiagramm, welches eine Konfiguration einer Antriebsschaltung 2 illustriert.
5 ist eine Querschnittsansicht, die eine Struktur zeigt, in welcher die Meta-Oberfläche 1A die Antriebsschaltung 2 beinhaltet.
6A bis 6D sind Diagramme zum Erläutern von Operationen der Antriebsschaltung 2 im Pixel 10 auf der m-ten Spalte.
7 ist eine Aufsicht, die eine Struktur der Antriebsschaltung 2 in jedem Pixel 10 zeigt.
8 ist eine Querschnittsansicht längs Linie VIII-VIII in 7, die eine Querschnittsstruktur der Antriebsschaltung 2 in jedem Pixel 10 zeigt.
9A bis 9D sind Querschnittsansichten, die individuelle Schritte in einem Beispiel eines Verfahrens zum Herstellen der Meta-Oberfläche 1A, welche die Antriebsschaltung 2 beinhaltet, zeigt.
10 ist ein Graph, der eine Komplexebene zeigt, die Phasen und Intensitäten des austretenden Lichts angibt.
11 ist ein Graph, der durch Simulieren eines Zustands erhalten wird, in welchem zwei partielle Lichtstrahlen, die aus zwei Unterpixeln 10a und 10b ausgegeben werden, kombiniert werden, und zeigt einen Fall, bei dem die Phasendifferenz zwischen den partiellen Lichtstrahlen aus den Unterpixeln 10a und 10b Pixel π/2 (rad) ist.
12 ist ein Graph, welcher durch Simulieren eines Zustands erhalten wird, in welchem zwei partielle Lichtstrahlen, die aus zwei Unterpixeln 10a und 10b ausgegeben werden, kombiniert werden, einen Fall zeigend, bei dem die Phasendifferenz zwischen den partiellen Lichtstrahlen aus den Unterpixeln 10a und 10b 0 (rad) ist.
13, die ein Vergleichsbeispiel zeigt, ist ein Graph, der durch Simulieren eines Zustands erhalten wird, in welchem die Phasendifferenz zwischen partiellen Lichtstrahlen aus Unterpixeln 10a und 10b 0 (rad) in einem Fall ist, bei dem der Anordnungsabstand des Pixels 10 ausreichend größer als die Wellenlänge von Einfallslicht ist.
14 ist eine Aufsicht, die einen Fall zeigt, bei dem die Anzahl N von Unterpixeln, die in einem Pixel 10 enthalten ist, drei beträgt.
15 ist eine Querschnittsansicht längs Linie XV-XV, die in 14 gezeigt ist,
16 ist ein Graph, der eine Komplexebene zeigt, die Phasen und Intensitäten austretenden Lichts angibt.
17 ist eine Aufsicht, die einen Fall zeigt, bei dem die Breiten Wa und Wb von partiellen Filmen 11a und 11b zueinander gleich sind.
18 ist eine Querschnittsansicht längs Linie XVIII-XVIII, gezeigt in 17.
19 ist eine Aufsicht, die das Pixel 10 zeigt, in welchem N₁ Unterpixel, die einen Metallfilm 11 beinhalten, der partielle Filme beinhaltet, deren Breiten sich voneinander unterscheiden, wiederholt in N₂ Zyklen angeordnet sind, wobei N₁ und N₂ beide eine Ganzzahl von 2 oder größer sind).
20 ist ein Diagramm, das eine Querschnittsstruktur eines Pixels 10A gemäß einer vierten Modifikation illustriert.
21 ist eine Aufsicht, welche die Form des Metallfilms 11 als eine fünfte Modifikation zeigt.
22 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht von zwei Unterpixeln 10d und 10e, die aneinander angrenzen.
23 ist eine Aufsicht, die eine Meta-Oberfläche 1B als eine sechste Modifikation zeigen.
24 ist eine vergrößerte Aufsicht eines Pixels 20.
25 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration einer Antriebsschaltung 2A illustriert.
26 ist eine vergrößerte Aufsicht, die ein Pixel 30 zeigt, das in einer Variabel-Phasenvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthalten ist.
27 ist eine Querschnittsansicht längs der in 26 gezeigten Linie XXVII-XXVII.
28 ist ein Diagramm, das eine Querschnittsstruktur eines Pixels 40 illustriert, das in einer Variabel-Phasenvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthalten ist.
29 ist ein schematisches Diagramm, das eine vergrößerte Ansicht eines Pixels 10 aus einer Vielzahl von Pixeln 10, die längs einer Richtung D1 angeordnet sind, zeigt.
30 ist ein Graph, der durch Simulieren eines Zustands erhalten wird, in welchem zwei partielle Lichtstrahlen, die aus den Unterpixeln 10a und 10b ausgegeben werden, kombiniert werden, in einem Fall, bei dem der Abstand T 1000 nm beträgt.
31 ist ein Graph, der durch Simulieren eines Zustands erhalten wird, in welchem zwei partielle Lichtstrahlen, die aus den Unterpixeln 10a und 10b ausgegeben werden, kombiniert werden, in einem Fall, bei dem der Abstand T 1600 nm beträgt.
32 ist ein Diagramm, welches schematisch vier Pixel 10 illustriert, die entlang der Richtung D1 angeordnet sind.
33 ist ein Graph, der durch Simulieren eines Zustands erhalten wird, in welchem Licht aus vier Pixeln 10 ausgegeben wird, in einem Fall, bei dem die Breite U eines Spalts 50 0 nm beträgt.
34 ist ein Graph, der durch Simulieren eines Zustands erhalten wird, in welchem Licht aus vier Pixeln 10 ausgegeben wird, in einem Fall, bei dem die Breite U des Spalts 50 100 nm beträgt.
35 ist ein Graph, welcher durch Simulieren eines Zustands erhalten wird, in welchem Licht aus vier Pixeln 10 ausgegeben wird, in einem Fall, bei dem die Breite U des Spalts 50 200 nm beträgt.
36 ist ein Graph, der durch Simulieren eines Zustands erhalten wird, in welchem Licht aus vier Pixeln 10 ausgegeben wird, in einem Fall, bei dem die Breite U des Speichers 50 300 nm beträgt.

Beschreibung von Ausführungsformen
[Beschreibung von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung]
Zuerst werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung individuell aufgelistet und im Detail beschrieben.

(1) Als ein Aspekt beinhaltet eine Variabel-Phasenvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform M Pixel (wobei M eine Ganzzahl von 2 oder mehr ist). Jedes der M Pixel ist in der Lage zur Lichtemission oder Licht-Modulation und die M Pixel sind eindimensional entlang einer ersten Richtung auf einer Referenzebene angeordnet oder zweidimensional entlang sowohl der ersten Richtung als auch einer zweiten Richtung, welche die erste Richtung schneidet, angeordnet. Der Anordnungsabstand, welcher durch eine Distanz zwischen Zentren angrenzender Pixel entlang zumindest der ersten Richtung von den M Pixeln definiert ist, ist kleiner als die Wellenlänge von Einfallslicht und ist entlang der ersten Richtung konstant. Zusätzlich beinhaltet jedes der M Pixel N Unterpixel (wobei N eine Ganzzahl von zwei oder mehr ist), die alle eine Struktur aufweisen, die zum Ändern der Phase von Einfallslicht in der Lage ist. Weiterhin werden in Bezug auf jedes der M Pixel N partielle Lichtstrahlen, die aus den N Unterpixeln ausgegeben werden, zu Licht kombiniert, das eine einzelne Phase im Fernfeld aufweist. In der Variabel-Phasenvorrichtung mit der oben beschriebenen Struktur ist der Anordnungsabstand (Pitch) der M Pixel kleiner als die Wellenlänge und entlang einer spezifischen Richtung konstant. Gemäß neuen, durch die Erfinder gemachten Entdeckungen, werden in einer solchen Konfiguration, wenn N partielle Lichtstrahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen aus N Unterpixeln, die in einem Pixel enthalten sind, ausgegeben werden, diese partiellen Lichtstrahlen miteinander zu Licht (ein Lichtstrahl) kombiniert, der eine einzelne Phase und gleichförmige Intensität im Fernfeld aufweist (beispielsweise bei einer Distanz von etwa einer Wellenlänge oder mehreren Wellenlängen ab einer Pixeloberfläche). Die Einzelphase und die gleichförmige Intensität sind nicht einfach ein Durchschnitt von N Werten, sondern repräsentieren einen Wert, der durch Vektor-Komposition der Phasen oder der Intensitäten der individuellen N partiellen Lichtstrahlen erhalten wird. Daher wird es ermöglicht, einen gewünschten Phasenwert durch angemessenes Steuern der Phasen von partiellen Lichtstrahlen zu erzielen, die aus den N Unterpixeln ausgegeben werden, selbst falls beispielsweise der gewünschte Phasenwert nicht durch konventionelle Pixel-Strukturen erhalten werden kann, aufgrund von verschiedenen Beschränkungen. Zusätzlich, Obwohl eine konventionelle Pixel-Struktur verschiedene Licht-Intensitäten abhängig von den Pixeln verursachen kann, könne die Licht-Intensitäten M Pixel nahe an einen gleichförmigen Wert gebracht werden, durch angemessenes Kombinieren der Phasen der N Unterpixel, weil Licht-Intensitäten der Unterpixel sich verschiedentlich mit Änderung bei der Phase ändern. Auf diese Weise ermöglicht es die Variabel-Phasenvorrichtung, eine Variabel-Phasenvorrichtung bereitzustellen, die eine neue Vorrichtungsstruktur aufweist, die verschiedene Probleme lösen kann.
(2) Als ein Aspekt der vorliegenden Ausführungsformen können sich Anfangsphasen von N Unterpixeln in jedem von M Pixel voneinander unterscheiden. Beispielsweise ermöglicht es eine solche Konfiguration, den Bereich von variablen Phasen jedes Pixels zu expandieren. Weiterhin wird es als ein Aspekt der vorliegenden Ausführungsform bevorzugt, dass die Anfangsphasen von N Unterpixeln voneinander um 2π/N (rad) verschoben sind. Falls die Anfangsphasen von N Unterpixeln voneinander von 2π/N (rad) verschoben sind, wird es ermöglicht, eine signifikante Phasenänderung in jedem Pixel zu erzielen, während die Anfangsphasen-Differenz zwischen Unterpixeln maximiert und der Bereich von Phasen-Variation in jedem Unterpixel reduziert wird.
(3) Als ein Aspekt der vorliegenden Ausführungsform kann die Variabel-Phasenvorrichtung weiter eine Stapelstruktur, einen ersten Metallfilm, einen zweiten Metallfilm und eine Antriebsschaltung beinhalten. Die Stapelstruktur beinhaltet eine erste Oberfläche, welche mit der Referenzebene koinzidiert, und eine zweite Oberfläche entgegengesetzt zur ersten Oberfläche, und beinhaltet weiter eine transparente leitfähige Schicht und eine dielektrische Schicht. Der erste Metallfilm ist auf der ersten Oberflächenseite der Stapelstruktur angeordnet. Der zweite Metallfilm ist auf der zweiten Oberflächenseite der Stapelstruktur angeordnet und reflektiert das Einfallslicht, das in die Stapelstruktur über die erste Oberfläche aufgenommen ist, zur ersten Oberfläche. Die Antriebsschaltung steuert eine zwischen dem ersten Metallfilm und dem zweiten Metallfilm angelegte Spannung. Insbesondere beinhaltet der erste Metallfilm eine Vielzahl von partiellen Filmen, die auf N Unterpixeln angeordnet und voneinander getrennt sind. Jedes der N Unterpixel beinhaltet seinen entsprechenden partiellen Film aus der Vielzahl von partiellen Filmen und beinhaltet ein Paar von Bereichen. Das Paar von Bereichen wird von dem ersten Metallfilm aus exponiert, um so den entsprechenden partiellen Filter zu sandwichen, bei Sicht aus der Stapelrichtung von der ersten Oberfläche zur zweiten Oberfläche. Die Antriebsschaltung kann die Phase jedes von aus den N Unterpixeln ausgegebenen N partiellen Lichtstrahlen modulieren. In diesem Fall steuert die Antriebsschaltung individuell das Potential jedes der Vielzahl von partiellen Filmen des ersten Metallfilms. In der Variabel-Phasenvorrichtung beinhaltet jedes von N Unterpixeln auf der ersten Oberfläche der Stapelstruktur, welche durch M Pixel definiert ist, ein Paar von Bereichen,(ein Paar von exponierten Bereichen). Das Paar von Bereichen, das exponiert wird aus dem ersten Metallfilm, wird so angeordnet, dass es den partiellen Film sandwiched, der im ersten Metallfilm enthalten ist, bei Sicht aus der Stapelrichtung der Stapelstruktur (der Richtung von der ersten Oberfläche zur zweiten Oberfläche). Das eine der Paare von Bereichen erreichende Einfallslicht wird durch den zweiten Metallfilm reflektiert und zur Außenseite aus dem anderen des Paars von Bereichen ausgegeben. Falls die Breite des ersten Metallfilms und die Dicke der Stapelstruktur ausreichend kleiner als die Wellenlänge von Einfallslicht sind, wenn eine Antriebsspannung zwischen dem ersten Metallfilm und dem zweiten Metallfilm angelegt wird, werden induzierte Ströme in entgegengesetzten Richtungen, die der Spaltoberflächen-Plasmonenmodus genannt werden, auf sowohl dem ersten Metallfilm als auch dem zweiten Metallfilm erzeugt. Das heißt, dass starke Magnetresonanz (PlasmonenResonanz) in der Stapelstruktur auftritt. Die Phase von Einfallslicht (modulierendes Licht), welches zwischen dem ersten Metallfilm und dem zweiten Metallfilm passiert, wird durch die Magnetresonanz moduliert. Hier, wenn eine Antriebsspannung zwischen dem ersten Metallfilm und dem zweiten Metallfilm angelegt wird, steigt die Elektronendichte nahe der Schnittstelle zwischen der transparenten leitfähigen Schicht und der dielektrischen Schicht an. Als Ergebnis wird ein Bereich der transparenten leitfähigen Schicht nahe der Schnittstelle metallisiert und ändert sich der effektive Brechungsindex der Stapelstruktur. Der Betrag der oben erwähnten Phasenmodulation ist abhängig von dem effektiven Brechungsindex der Stapelstruktur. Daher, indem die Antriebsspannung verändert wird, ist es möglich, den effektiven Brechindex zu steuern und somit die Phase des austretenden Lichts zu steuern (das Einfallslicht, welches durch den zweiten Metallfilm reflektiert und nach Phasenmodulation ausgegeben wird). Es ist anzumerken, dass eine solche Struktur ein Typ von dynamischer Meta-Oberfläche ist und eine gattereinstellbare Meta-Oberfläche genannt wird. In der Variabel-Phasenvorrichtung beinhaltet die Stapelstruktur das oben beschriebene Paar von Bereichen in jedem von N Unterpixeln. Weiterhin beinhaltet der erste Metallfilm eine Vielzahl von partiellen Filmen, die auf jedem von Unterpixeln angeordnet und voneinander getrennt sind. Die Antriebsschaltung steuert individuell das Potential jedes der Vielzahl von partiellen Filmen, wodurch unabhängige Phasenmodulation für jedes Unterpixel erhalten wird. Daher erzielt die Variabel-Phasenvorrichtung angemessen Unterpixel, die alle eine Struktur aufweisen, die zum Ändern der Phase von Einfallslicht in der Lage sind.
(4) Als ein Aspekt der vorliegenden Ausführungsform kann die Variabel-Phasenvorrichtung weiter eine Stapelstruktur, einen ersten Metallfilm, einen zweiten Metallfilm und eine Antriebsschaltung beinhalten. Die Stapelstruktur beinhaltet eine erste Oberfläche, welche mit der Referenzebene koinzidiert, wobei die erste Oberfläche eine Oberfläche ist, die Einfallslicht erreicht, und eine zweite Oberfläche, die entgegengesetzt zur ersten Oberfläche ist, und die Stapelstruktur beinhaltet weiter eine transparente leitfähige Schicht und eine dielektrische Schicht. Der erste Metallfilm ist auf der Seite der ersten Oberfläche der Stapelstruktur angeordnet. Der zweite Metallfilm ist auf der Seite der zweiten Oberfläche der Stapelstruktur angeordnet. Zusätzlich reflektiert der zweite Metallfilm das in die Stapelstruktur über die erste Oberfläche aufgenommene Einfallslicht zur ersten Oberfläche hin. Die Antriebsschaltung steuert eine zwischen dem ersten Metallfilm und dem zweiten Metallfilm angelegte Spannung. Insbesondere beinhaltet der erste Metallfilm eine Vielzahl von partiellen Filmen, die auf jedem der N Unterpixel angeordnet und voneinander getrennt sind. Jedes der N Unterpixel beinhaltet seinen korrespondierenden partiellen Film aus der Vielzahl von partiellen Filmen und ein Paar von Bereichen, die vom ersten Metallfilm exponiert sind, und so den entsprechenden partiellen Film zu sandwichen, bei Sicht aus der Stapelrichtung von der ersten Oberfläche zur zweiten Oberfläche. Damit die Anfangsphasen der N Unterpixel sich voneinander unterscheiden, unterscheiden sich die Breiten der Vielzahl von partiellen Filmen, die auf jedem der N Unterpixel angeordnet sind, voneinander, wobei die Breiten entlang der ersten Richtung definiert sind. Weiterhin kann die Antriebsschaltung die Phase jedes der N partiellen Lichtstrahlen, die aus den N Unterpixeln ausgegeben sind, modulieren. In diesem Fall steuert die Antriebsschaltung individuell oder kollektiv das Potential jedes der Vielzahl von partiellen Filmen des ersten Metallfilms. In einer solchen Konfiguration weist jedes Unterpixel die oben erwähnte gattereinstellbare Meta-Oberflächenstruktur auf. Daher können Phasen für jedes Unterpixel gesteuert werden. Weiterhin unterscheiden sich in der Variabel-Phasenvorrichtung Anfangsphasen von N Unterpixeln voneinander und die Antriebsschaltung steuert individuell oder kollektiv eine Spannung zwischen jedem der Vielzahl von partiellen Filmen und dem zweiten Metallfilm. Beispielsweise ermöglicht es eine solche Konfiguration, den Bereich von variablen Phasen jedes Pixels zu expandieren. Weiterhin, als ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung, können die Anfangsphasen von N Unterpixeln voneinander um 2π/N (rad) verschoben sein. In diesem Fall wird es ermöglicht, eine signifikante Phasenänderung in jedem Pixel zu erzielen, während die Anfangs-Phasendifferenz zwischen Unterpixeln maximiert und der Bereich von Phasenvariationen in jedem Unterpixel reduziert wird.
(5) Als ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung kann die Variabel-Phasenvorrichtung weiter eine Refraktionsindex-Modulationsschicht, einen Si-Film, einen Metallfilm und eine Antriebsschaltung beinhalten. Die Refraktionsindex-Modulationsschicht beinhaltet eine erste Oberfläche, welche mit der Referenzebene übereinstimmt, und eine zweite Oberfläche entgegengesetzt zur ersten Oberfläche und die Refraktionsindex-Modulationsschicht beinhaltet weiter ein dielektrisches Material. Der Si-Film ist auf der ersten Oberflächenseite der Refraktionsindex-Modulationsschicht angeordnet. Der Metallfilm ist auf der zweiten Oberflächenseite der Refraktionsindex-Modulationsschicht angeordnet. Zusätzlich reflektiert der Metallfilm das in die Refraktionsindex-Modulationsschicht aufgenommene Einfallslicht über die erste Oberfläche zur ersten Oberfläche hin. Die Antriebsschaltung steuert eine zwischen dem Si-Film und dem Metallfilm angelegte Spannung. Insbesondere beinhaltet der Si-Film eine Vielzahl von partiellen Filmen, die auf jedem der N Unterpixel angeordnet und voneinander getrennt sind. Die Antriebsschaltung kann die Phase jedes von N partiellen Lichtstrahlen modulieren, die aus den N Unterpixeln ausgegeben sind. In diesem Fall steuert die Antriebsschaltung individuell das Potential jeder der Vielzahl von partiellen Filmen die Si-Films. Beispielsweise ermöglicht eine solche Struktur auch, dass Phasen unabhängig für jedes Unterpixel gesteuert werden.
(6) Als ein Aspekt der vorliegenden Ausführungsform kann die Variabel-Phasenvorrichtung weiter eine elektro-optische Kristallschicht, einen ersten transparenten Elektrodenfilm, eine Licht-Reflektionsoberfläche, einen zweiten transparenten Elektrodenfilm und eine Antriebsschaltung beinhalten. Die elektro-optische Kristallschicht beinhaltet eine erste Oberfläche, welche mit der Referenzebene koinzidiert, und eine zweite Oberfläche, die gegenüberliegend der ersten Oberfläche ist. Der erste transparente Elektrodenfilm ist auf einer ersten Oberflächenseite der elektro-optischen Kristallschicht angeordnet. Die Licht-Reflektionsoberfläche ist auf der zweiten Oberflächenseite der elektro-optischen Kristallschicht angeordnet. Zusätzlich reflektiert die Licht-Reflektionsoberfläche das in die elektro-optische Kristallschicht aufgenommene Einfallslicht über die erste Oberfläche zur ersten Oberfläche hin. Der zweite transparente Elektrodenfilm ist zwischen der Licht reflektierenden Oberfläche und der zweiten Oberfläche der elektro-optischen Kristallschicht angeordnet. Die Antriebsschaltung steuert eine Spannung, welche zwischen dem ersten transparenten Elektrodenfilm und dem zweiten transparenten Elektrodenfilm angelegt wird. Insbesondere beinhaltet der erste transparente Elektrodenfilm oder/und der zweite transparente Elektrodenfilm eine Vielzahl von partiellen Filmen, die auf jedem von N Unterpixeln angeordnet und voneinander getrennt sind. Die Antriebsschaltung kann die Phase jeder der N partiellen Lichtstrahlen, die aus den N Unterpixeln ausgegeben werden, modulieren. In diesem Fall steuert die Antriebsschaltung individuell das Potential jeder der Vielzahl von partiellen Filmen, die in dem zumindest ersten transparenten Elektrodenfilm und dem zweiten transparenten Elektrodenfilm enthalten sind. Beispielsweise ermöglicht eine solche Struktur auch, dass Phasen unabhängig für jedes Unterpixel gesteuert werden.
(7) Als ein Aspekt der vorliegenden Ausführungsform kann die Variabel-Phasenvorrichtung weiter beinhalten eine elektro-optische Kristallschicht, einen ersten transparenten Elektrodenfilm, eine Licht-reflektierende Oberfläche, einen zweiten transparenten Elektrodenfilm und eine Antriebsschaltung. Die elektro-optische Kristallschicht beinhaltet eine erste Oberfläche, welche mit der Referenzebene koinzidiert, und eine zweite Oberfläche gegenüberliegend zur ersten Oberfläche. Der erste transparente Elektrodenfilm ist auf der ersten Oberflächenseite der elektro-optischen Kristallschicht angeordnet. Die Licht reflektierende Oberfläche ist auf der zweiten Oberflächenseite der elektro-optischen Kristallschicht angeordnet. Zusätzlich reflektiert die Licht reflektierende Oberfläche das in die elektro-optische Kristallschicht aufgenommene Einfallslicht über die erste Oberfläche zur ersten Oberfläche hin. Der zweite transparente Elektrodenfilm ist zwischen der Licht reflektierenden Oberfläche und der zweiten Oberfläche der elektro-optischen Kristallschicht angeordnet. Die Antriebsschaltung steuert eine zwischen dem ersten transparenten Elektrodenfilm und dem zweiten transparenten Elektrodenfilm angelegte Spannung. Insbesondere beinhaltet der erste transparente Elektrodenfilm oder/und der zweite transparente Elektrodenfilm eine Vielzahl von partiellen Filmen, die auf jedem von N Unterpixeln angeordnet und voneinander getrennt sind. Damit Anfangsphasen von N Unterpixeln sich voneinander unterscheiden, ist die obere Distanz zwischen dem zweiten transparenten Elektrodenfilm und der Licht reflektierenden Oberfläche anders als zwischen den N Unterpixeln. Die Antriebsschaltung kann die Phase jedes von aus den N Unterpixeln ausgegebenen N partiellen Lichtstrahlen modulieren. In diesem Fall steuert die Antriebsschaltung individuell oder kollektiv das Potential der Vielzahl von partiellen Filmen, die in dem ersten transparenten Elektrodenfilm oder/und dem zweiten transparenten Elektrodenfilm enthalten sind. Beispielsweise ermöglicht eine solche Struktur auch, dass Phasen unabhängig für jedes Unterpixel gesteuert werden. Weiterhin unterscheidet sich in der Variabel-Phasenvorrichtung die optische Distanz zwischen dem zweiten transparenten Elektrodenfilm und der Licht reflektierenden Oberfläche zwischen N partiellen Filmen (entsprechend den N Unterpixeln auf einer Eins-zu-Eins-Basis) in jedem Pixel, und somit unterscheiden sich die Anfangsphasen der N Unterpixel voneinander. Dann steuert die Antriebsschaltung individuell oder kollektiv Spannungen der Vielzahl von partiellen Filmen. Beispielsweise ermöglicht es eine solche Konfiguration, den Bereich von variablen Phasen jedes Pixels zu expandieren.

Zusätzlich, als ein Aspekt der vorliegenden Ausführungsform, wird es bevorzugt, dass die Anfangsphasen von N Unterpixeln voneinander um 2π/N (rad) verschoben sind. In diesem Fall wird es ermöglicht, eine signifikante Phasenänderung in jedem Pixel zu erzielen, während die Anfangsphasendifferenz zwischen Unterpixeln maximiert und der Bereich von Phasen-Variation in jedem Unterpixel reduziert wird.
Jeder der in dem [Beschreibung der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung]-Abschnitt aufgelisteten Aspekte oben kann auf jeden von allen der verbleibenden Aspekte oder auf jede Kombination der verbleibenden Aspekte angewendet werden.
Details von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Spezifische Strukturen der Variabel-Phasevorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform werden nunmehr im Detail unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es ist anzumerken, dass die vorliegende Erfindung nicht auf diese Beispiele beschränkt ist, aber durch die Ansprüche definiert ist, und es ist beabsichtigt, dass sie jede Modifikation beinhaltet innerhalb von Bedeutung und Schutzumfang äquivalent zu den Ansprüchen. In der Beschreibung der Zeichnungen werden identische Bezugszeichen an identische Elemente gegeben und werden wiederholte Beschreibungen weggelassen.
(Erste Ausführungsform)
1 ist eine Aufsicht, die eine Meta-Oberfläche 1A als eine Variabel-Phasenvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Die Meta-Oberfläche 1A der vorliegenden Ausführungsform wird eine „Gatter-regelbare Meta-Oberfläche“ genannt. Die „Meta-Oberfläche“ beinhaltet eine Vielzahl von Einheitsstrukturen, die alle ausreichend kleiner als die Wellenlänge von Einfallslicht sind und auf einer flachen Oberfläche angeordnet sind, wobei die Phase, Intensität oder der Polarisierungszustand des Einfallslichts für jede Einheitsstruktur geändert wird. Es gibt verschiedene Strukturen einer Meta-Oberfläche. Die Meta-Oberfläche 1A der vorliegenden Ausführungsform weist eine Struktur auf, die ein Spaltplasmon-Typ genannt wird, welches eine dieser Strukturen ist. Die Meta-Oberfläche 1A ist eine flache plattenartige Vorrichtung, die sich längs Richtungen D1 und D2, die einander (z.B. orthogonal) schneiden, erstreckt und die Dickenrichtung (oder Stapelrichtung) der Vorrichtung ist eine Richtung, die beide Richtungen D1 und D2 schneidet (beispielsweise orthogonal).
Auf einer Hauptoberfläche 1A der Meta-Oberfläche 1A sind M Pixel 10 gebildet (wobei M eine Ganzzahl von 2 oder mehr ist). Die M Pixel 10 sind eindimensional längs der Richtung D1 (eine erste Richtung) angeordnet. Der Anordnungsabstand (die Distanz zwischen Zentren angrenzender Pixel 10 definiert entlang der Richtung D1) W1 der M Pixel 10 ist kleiner als die Wellenlänge von Einfallslicht und ist entlang der Richtung D1 konstant. Es ist anzumerken, dass der Anordnungsabstand W1 50% oder weniger der Wellenlänge von Einfallslicht sein kann. Die Wellenlänge von Einfallslicht fällt innerhalb des Bereichs von beispielsweise 400 bis 3000 nm, und ist in einem Beispiel 1550 nm. Der Anordnungsabstand W1 für eine solche Wellenlänge von Einfallslicht fällt innerhalb des Bereichs von beispielsweise 200 bis 1500 nm und ist in einem Beispiel 400 nm. Die Planarform jedes Pixels 10 ist rechteckig (beispielsweise eine Rechteckform, deren Längsrichtung längs der Richtung D2 ist, die sich mit der Richtung D1 schneidet, welche die Anordnungsrichtung ist). Die Breite L1 jedes Pixels 10 in Bezug auf die Richtung D1 (die Distanz zwischen Kanten jedes Pixels definiert entlang der Richtung D1) fällt innerhalb des Bereichs von beispielsweise 200 bis 400 nm. Die Meta-Oberfläche 1A wird für verschiedene Zwecke einschließlich Linsenanwendungen und Hologramm-Bildung durch individuelles Modulieren der Phase von Einfallslicht, welches die Hauptoberfläche 1A für jedes Pixel 10 erreicht, verwendet.
2 ist eine vergrößerte Aufsicht eines Pixels 10. Wie in 2 illustriert, beinhaltet dieses Pixel 10 N Unterpixel 10a, 10b (wobei N eine Ganzzahl von 2 oder mehr ist; die Figur zeigt den Fall von N = 2). Es ist anzumerken, dass die Anzahl N von Unterpixeln die gleiche sein kann oder eine andere als die Anzahl M von Pixeln 10. Jedes der Unterpixel 10, 10a ist äquivalent zur oben beschriebenen Einheitsstruktur und weist eine Struktur auf, die zum Ändern der Phase von Einfallslicht in der Lage ist. Die N Unterpixel 10a, 10b sind in einer Linie entlang der Anordnungsrichtung der M Pixel 10 (der Richtung D1 in der vorliegenden Ausführungsform) angeordnet. Die Anordnungsrichtung der Unterpixel 10a, 10b kann die Anordnungsrichtung der M Pixel 10 schneiden. Die Breiten der Unterpixel 10a, 10b, die entlang der Anordnungsrichtung definiert sind, sind zueinander gleich. In einem Fall, bei dem N drei oder mehr ist, ist der Anordnungsabstand der Unterpixel (die Distanz zwischen Zentren von angrenzenden Unterpixeln entlang der Richtung D1) konstant entlang der Anordnungsrichtung der N Unterpixel.
3 ist eine Querschnittsansicht längs Linie III-III in 2, die eine Querschnittsstruktur jedes Pixels 10 zeigt, das in der Meta-Oberfläche 1A enthalten ist. Wie in 3 illustriert, beinhaltet die Meta-Oberfläche 1A einen Metallfilm 5, eine Stapelstruktur 7, die auf dem Metallfilm 5 gestapelt ist, und einen Metallfilm 11, der auf der Stapelstruktur 7 angeordnet ist. Das heißt, dass die Stapelstruktur 7 zwischen dem Metallfilm 5 und dem Metallfilm 11 angeordnet ist.
Die Stapelstruktur 7 ist ein flacher Film, der sich entlang der Richtungen D1 und D2 erstreckt. Die Stapelstruktur 7 weist eine Hauptoberfläche 7a und eine Rückoberfläche 7b auf. An die Hauptoberfläche 7a wird zu modulierendes Licht L (das nach Phasenmodulation als austretendes Licht auszugebendes Einfallslicht) eingegeben. Das zu modulierende Licht L kann beispielsweise Laserlicht sein und beinhaltet linear polarisiertes Licht. Die Hauptoberfläche 7a und die Rückoberfläche 7b sind zueinander in Bezug auf die Dickenrichtung der Stapelstruktur 7 gegenüberliegend. Die Distanz zwischen der Hauptoberfläche 7a und der Rückoberfläche 7b (das heißt die Dicke der Stapelstruktur 7) wird eingestellt, ausreichend kleiner als die Wellenlänge des zu modulierenden Lichts L zu sein. Die Dicke der Stapelstruktur 7 fällt innerhalb des Bereichs von beispielsweise 10 bis 100 nm. Die Stapelstruktur 7 beinhaltet eine Halbleiterschicht 3 und eine Dielektrikschicht 4, die in der Dickenrichtung der Stapelstruktur 7 gestapelt sind.
Die Halbleiterschicht 3 ist ein anorganischer Film (transparente leitfähige Schicht) mit optischer Transparenz und Leitfähigkeit. Die optische Transparenz bezieht sich auf die Eigenschaft, ein extrem niedriges Niveau an Lichtabsorption aufzuweisen (beispielsweise Lichtabsorptionsrate von 20% oder weniger) in Bezug auf die Wellenlänge des zu modulierenden Lichts L. Die Leitfähigkeit bezieht sich auf die Eigenschaft, einen extern niedrigen elektrischen Widerstand aufzuweisen (beispielsweise Widerstand 10^-6 Ω·m oder weniger). Die Halbleiterschicht 3 der vorliegenden Ausführungsform enthält zumindest eines von Indiumoxid (In₂O_a) und Zinkoxid (Zn₂O₃) , dessen Widerstand durch ein Dotiermittel reduziert wird. Das Dotiermittel 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 Halbleiterschicht 3 fällt innerhalb des Bereichs von beispielsweise 5 bis 30 nm und ist in einem Beispiel 20 nm.
Die Dielektrikschicht 4 ist ein anorganischer Film mit optischer Transparenz und Isolations-Eigenschaften. Die Isolations-Eigenschaften beziehen sich auf die Eigenschaft, einen extrem hohen elektrischen Widerstand aufzuweisen (beispielsweise Widerstand von 10^-6 Ω·m oder mehr) . Die Dielektrikschicht 4 enthält beispielsweise zumindest eines von Aluminiumoxid (Al₂O₃) , Siliziumoxid (SiO₂), Siliziumnitrid (Si₃N₄) und Hafniumoxid (HfO₂) . Die Dicke der Dielektrikschicht 4 fällt innerhalb des Bereichs von beispielsweise 3 bis 10 nm und ist in einem Beispiel 5 nm. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Dielektrikschicht 4 auf der Seite der Hauptoberfläche 7a relativ zur Halbleiterschicht 3 lokalisiert.
Es ist anzumerken, dass in der vorliegenden Ausführungsform die Halbleiterschicht 3 auf der Seite der Rückoberfläche 7b angeordnet ist und die Dielektrikschicht 4 auf der Seite der Hauptoberfläche 7a angeordnet ist; jedoch kann die Halbleiterschicht 3 auf der Seite der Hauptoberfläche 7a angeordnet sein und kann die Dielektrikschicht 4 auf der Seite der Rückoberfläche 7b angeordnet sein. Zusätzlich bildet in der vorliegenden Ausführungsform die Halbleiterschicht 3 die Rückoberfläche 7b und bildet die Dielektrikschicht 4 die Hauptoberfläche 7a; jedoch kann eine weiter andere Schicht zwischen Schichten der Halbleiterschicht 3 und der Dielektrikschicht 4 und der Hauptoberfläche 7a und/oder der Rückoberfläche 7b angeordnet sein. Weiterhin kann eine andere Schicht zwischen der Halbleiterschicht 3 und der Dielektrikschicht 4 weiter angeordnet sein.
Der Metallfilm 11, der ein Beispiel eines ersten Metallfilms in der vorliegenden Ausführungsform ist, weist Leitfähigkeit und Lichtabschirm-Eigenschaften und Funktionen als eine Nano-Antenne in der Meta-Oberflächenstruktur auf. Der Metallfilm 11 ist auf der Seite der Hauptoberfläche 7a der Stapelstruktur 7 angeordnet. Der Metallfilm 11 ist ein Film, der aus einem Metall, wie etwa Gold (Au) aufgebaut ist. Die Filmdicke des Metallfilms 11 fällt innerhalb des Bereichs von beispielsweise 30 bis 100 nm und ist in einem Beispiel 50 nm. Der Metallfilm 11 beinhaltet einen partiellen Film 11a, der auf der Stapelstruktur 7 des Unterpixels 10a angeordnet ist, und einen partiellen Film 11b, der auf der Stapelstruktur 7 des Unterpixels 10b angeordnet ist. Wie in 2 illustriert, sind die partiellen Filme 11a und 11b entlang der Richtung D1 angeordnet und voneinander getrennt. Die Zentrumspositionen der partiellen Filme 11a und 11b in Bezug auf die Richtung D1 koinzidieren mit den Zentrumspositionen der Unterpixel 10a bzw. 10b in Bezug auf dieselbe Richtung. Die Breiten Wa und Wb der partiellen Filme 11a und 11b in Bezug auf die Richtung D1 werden eingestellt, kleiner als die Breite der Unterpixel 10a und 10b in Bezug auf dieselbe Richtung zu sein, und ausreichend kleiner als die Wellenlänge des zu modulierenden Lichts L zu sein. Zusätzlich unterscheiden sich die Breiten Wa und Wb voneinander. Der Anordnungsabstand der partiellen Filme 11a und 11b fällt innerhalb des Bereichs von beispielsweise 100 bis 500 nm und das Verhältnis (Lastverhältnis) der Breiten Wa und Wb zu der Dicke fällt innerhalb des Bereichs von beispielsweise 0,1 bis 0,9.
Wie oben beschrieben, sind die Breiten Wa und Wb der partiellen Filme 11a und 11b kleiner als die Breiten der Unterpixel 10a bzw. 10b. Zusätzlich werden die partiellen Filme 11a und 11b im Wesentlichen in den Zentren der Unterpixel 10a bzw. 10b platziert, in Bezug auf die Richtung D1. Entsprechend, wie in 2 und 3 gezeigt, beinhaltet die Stapelstruktur 7 ein Paar von Bereichen 71 und 72 in jedem der Unterpixel 10a und 10b. Das Paar von Bereichen 71 und 72 sind an einem Paar von Positionen angeordnet, die den partiellen Film 11a (oder 11b) aus Sicht aus der Dickenrichtung der Stapelstruktur 7 sandwichen und sind vom Metallfilm 11 aus exponiert. Die Anordnungsrichtung (das heißt die Richtung D1) des Paars von Bereichen 71 und 72 koinzidiert mit der Polarisationsrichtung des zu modulierenden Lichts L.
Der Metallfilm 5 ist ein Beispiel eines zweiten Metallfilms in der vorliegenden Ausführungsform. Der Metallfilm 5 ist auf der Seite der Rückoberfläche 7b der Stapelstruktur 7 angeordnet. In einem Beispiel ist der Metallfilm 5 in Kontakt mit der Rückoberfläche 7b. Der Metallfilm 5 reflektiert das zu modulierende Licht L, das an der Stapelstruktur 7 eingegeben wird, zur Hauptoberfläche 7a. Der Metallfilm 5 besteht aus einem Metall, wie etwa Gold (Au). Die Filmdicke des Metallfilms 5 ist größer als die Dicke des Metallfilms 11, fällt innerhalb des Bereichs von beispielsweise 80 bis 200 nm und ist in einem Beispiel 150 nm. Der Metallfilm 5 ist in jedem der m Pixel 10 angeordnet und ist innerhalb jedes Pixels 10 lokalisiert. Die Metallfilme 5 in angrenzenden Pixeln 10 sind voneinander getrennt. Die planare Form des Metallfilms 5 ist im Wesentlichen die gleiche wie die planare Form des Pixels 10 und in einer Ausführungsform ist die planare Form des Metallfilms 5 rechteckig (beispielsweise eine Rechteckform, deren Längsrichtung entlang der Richtung D2 ist).
4 ist ein Schaltungsdiagramm, welches eine Konfiguration einer Antriebsschaltung 2 illustriert. Die Antriebsschaltung 2 steuert eine zwischen dem Metallfilm 11 und dem Metallfilm 5 unabhängig für jedes Pixels 10 angelegte Spannung. Die Antriebsschaltung 2 der vorliegenden Ausführungsform stellt die Potentiale der partiellen Filme 11a und 11b auf ein gemeinsames Referenzpotential (GND-Potential) ein und steuert die Spannung des Metallfilms 5 individuell für jedes Pixel 10 unter Verwendung eines Transistors 25. Es ist anzumerken, dass 4 partiell die Antriebsschaltung 2 für zwei Pixel 10 illustriert und die Konfiguration der Antriebsschaltung 2 für die anderen Pixel 10 gilt.
Die Antriebsschaltung 2 beinhaltet eine Gatter-Antriebsleitung 23 und M Spannungszufuhrleitungen 24. Die Gatter-Antriebsleitung 23 erstreckt sich entlang der Anordnungsrichtung (Richtung D1) der M Pixel 10. Die M Spannungszufuhrleitungen 24 erstrecken sich alle entlang der Richtung (Richtung D2), welche die Anordnungsrichtung der M Pixel 10 schneidet, und sind entlang der Richtung D1 angeordnet. Die Gatter-Antriebsleitung 23 ist mit einem Steueranschluss (einem Gatter) des in jedem Pixel 10 vorgesehenen Transistors 25 verbunden. Die Spannungszufuhrleitung 24 der m-ten Spalte (wobei m = 1, 2, ..., M) ist elektrisch mit einem der Stromanschlüsse (beispielsweise einer Quelle) des Transistors 25 verbunden, der im Pixel 10 vorgesehen ist, das in der m-ten Spalte lokalisiert ist. Ein anderer der Stromanschlüsse (beispielsweise ein Drain) des Transistors 25 ist elektrisch mit dem Metallfilm 5 des Pixels 10 über Verdrahtung im Pixel 10 verbunden.
Die Antriebsschaltung 2 beinhaltet weiter eine Vielzahl von Kondensatoren 26, die in jedem Pixel 10 angeordnet sind. Der Kondensator 26, der ein Beispiel einer Spannungshalteeinheit in der vorliegenden Ausführungsform ist, hält eine am Metallfilm 5 in jedem Pixel 10 für jeden individuellen Metallfilm 5 angelegte Spannung. Als die Spannungshalteeinheit kann jegliche von verschiedenen Konfigurationen, die zum Halten einer anderen Spannung als Kondensatoren in der Lage sind, auch eingesetzt werden. Der Kondensator 26 ist beispielsweise ein Parallelplatten-Kondensator. Eine Elektrode des Kondensators 26 ist mit dem Metallfilm 5 verbunden und die andere Elektrode ist mit einer Konstantpotentialregion (beispielsweise der Referenzpotentialregion) verbunden. Der Metallfilm 5 kann als eine Elektrode des Kondensators 26 dienen.
5 ist eine Querschnittsansicht, die eine Struktur zeigt, in welcher die Meta-Oberfläche 1A die Antriebsschaltung 2 beinhaltet. In diesem Fall kann die Antriebsschaltung 2 zu einem substratartigen Bauteil gebildet sein, das eine Vielzahl von Transistoren 25 beinhaltet. Die Antriebsschaltung 2 ist auf der Seite der Rückoberfläche 7b der Stapelstruktur 7 lokalisiert. Jeder der Transistoren 25 ist so angeordnet, dass er jedem Pixel 10 entspricht und ist innerhalb jedes Pixels 10 bei Sicht aus der Dickenrichtung der Stapelstruktur 7 lokalisiert. Der Transistor 25 ist beispielsweise ein Dünnfilm-Transistor, der auf einem Substrat, das ein dielektrisches Material beinhaltet, angeordnet ist. Der Metallfilm 5 ist über jedem Transistor 25 über einen Isolierfilm angeordnet.
6A bis 6D sind Diagramme zum Erläutern von Operationen der Antriebsschaltung 2 im Pixel 10 auf der m-ten Spalte. In 6A bis 6D gibt eine unterbrochene Linie einen Bereich mit einem signifikanten Spannungswert an. Zuerst wird in dem in 6A gezeigten Zustand keine Spannung an der Gatter-Antriebsleitung 23 oder der Spannungszufuhrleitungen 24 in der m-ten Spalte angelegt und somit befindet sich der Transistor 25 in dem nicht leitenden Zustand. Als Nächstes, wie in 6B gezeigt, wenn eine vorbestimmte Gatterspannung Vg an der Gatter-Antriebsleitung 23 angelegt wird, geht der Transistor 25 in den leitfähigen Zustand und sind die Spannungszufuhrleitungen 24 auf der n-ten Spalte und der Metallfilm 5 miteinander über den Transistor 25 verbunden. Nachfolgend, sie in 6C gezeigt, wird eine Antriebsspannung Vd an die Spannungszufuhrleitung 24 in der m-ten Spalte angelegt. Der Spannungswert der Antriebsspannung Vd wird unabhängig für jedes der Pixel 10 auf Basis des gewünschten Phasenmodulationsmusters, das in der Meta-Oberfläche 1A repräsentiert ist, eingestellt. Somit wird die Antriebsspannung Vd an den Metallfilm 5 über den Transistor 25 angelegt und wird gleichzeitig die Antriebsspannung Vd durch den Kondensator 26 gehalten. Dann, wie in 6D gezeigt, führt die Gatter-Antriebsleitung 23 nicht mehr die Gatterspannung Vg und stoppt die Spannungszufuhrleitung 24 in der m-ten Spalte die Zufuhr der Antriebsspannung Vd. Gleichzeitig geht der Transistor 25 wieder in den nicht leitenden Zustand, aber der Kondensator 26 hält die Antriebsspannung Vd auf dem Metallfilm 5. Eine solche Operation wird sequentiell oder simultan an allen Pixeln 10 durchgeführt, und die Antriebsschaltung 2 steuert individuell die Antriebsspannungen Vd auf einer Vielzahl von Metallfilmen 5, wodurch ein gewünschtes Phasen-Modulationsmuster der Meta-Oberfläche 1A präsentiert wird und die Phase des zu modulierenden Lichts L für jedes Pixel 10 moduliert wird.
7 ist eine Aufsicht, die eine Struktur der Antriebsschaltung 2 in jedem Pixel 10 zeigt. 8 ist eine Querschnittsansicht längs Linie VIII-VIII in 7, die eine Querschnittsstruktur der Antriebsschaltung 2 in jedem Pixel 10 zeigt. Wie in 8 illustriert, beinhaltet die Antriebsschaltung 2 eine Halbleiterschicht 21 eines ersten Leitfähigkeitstyps (beispielsweise p-Typ) und Isolationsschichten 27 und 28, die auf der Halbleiterschicht 21 angeordnet sind. Die Halbleiterschicht 21 kann ein Halbleitersubstrat selbst sein oder kann ein Halbleiterfilm (ein monokristalliner Film, ein polykristalliner Film oder ein amorpher Film) sein, der auf einm heterogenen Substrat gebildet ist. Der Transistor 25 ist auf der Frontoberfläche 21c (das heißt der Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats oder der Hauptoberfläche des substratartigen Bauteils, das ein heterogenes Substrat und einen Halbleiterfilm beinhaltet) der Halbleiterschicht 21 angeordnet. In einem Fall, bei dem die Halbleiterschicht 21 ein auf einem heterogenen Substrat gebildeter Halbleiterfilm ist, wird der Transistor 25 ein Dünnfilm-Transistor genannt. Das Halbleitersubstrat, welches die Halbleiterschicht 21 oder das heterogene Substrat bildet, und der Halbleiterfilm, der das Halbleiterschicht 21 bildet, sind integral mit der Stapelstruktur 7 ausgeführt, während die Frontoberfläche 21c und die Rückoberfläche 7b der Stapelstruktur 7 (siehe 3) zueinander gegenüberliegend sind.
In einem Beispiel beinhaltet die Halbleiterschicht 21 hauptsächlich Si mit einem Dotiermittel für den obigen Leitfähigkeitstyp (beispielsweise p-Typ), die damit dotiert ist. In der Halbleiterschicht 21 sind Halbleiterregionen 21a und 21b eines zweiten Leitfähigkeitstyps (beispielsweise n-Typ) gebildet. Die Halbleiterregionen 21a und 21b beinhalten hauptsächlich Si mit einem Dotiermittel für den damit dotierten zweiten Leitfähigkeitstyp. Die Halbleiterregionen 21a und 21b sind voneinander beabstandet und auf der Frontoberfläche 21c der Halbleiterschicht 21 exponiert. Die Halbleiterregion 21a ist in Ohm'schen Kontakt mit der Drainelektrode 25b des auf der Frontoberfläche 21c angeordneten Transistor 25. Die Quellelektrode 25b und die Drainelektrode 25c sind voneinander beabstandet und Seite an Seite auf der Frontoberfläche 21c angeordnet.
Die Region auf der Frontoberfläche 21c außer der Quellelektrode 25b und der Drainelektrode 25c ist mit der Isolationsschicht 27 abgedeckt. Es ist anzumerken, dass 7 nur notwendige Bereiche der Isolierschicht 27 für das einfache Verständnis zeigt. Die Isolierschicht 27 beinhaltet hauptsächlich eine isolierende Siliziumverbindung, wie etwa SiO₂. Auf der Isolierschicht 27 sind eine Gatterelektrode 25a und der Transistor 25 angeordnet. Die Gatterelektrode 25a ist, über die Isolierschicht 27 hinweg, einer Region gegenüberliegend, die zwischen der Halbleiterregion 21a und der Halbleiterregion 21b in der Halbleiterschicht 21 lokalisiert ist. Die Gatterelektrode 25a ist mit der Isolierschicht 28, die auf der Isolationsschicht 27 vorgesehen ist, abgedeckt. Wie in 8 illustriert, ist die Isolierschicht 28 ein Schutzfilm, der die gesamte Antriebsschaltung 2 schützt. Die Isolierschicht 28 beinhaltet hauptsächlich SiO₂. Auf der Isolierschicht 28 ist der Metallfilm 5 des entsprechenden Pixels 10 vorgesehen.
Wie in 7 illustriert, ist die Quellelektrode 25b mit der Spannungszufuhrleitung 24, die auf der Frontoberfläche 21c angeordnet ist, verbunden. Die Gatterelektrode 25a ist mit der Gatter-Antriebsleitung 23 über eine in der Isolierschicht 27 vorgesehene Verdrahtung verbunden. Wie in 8 illustriert, ist die Drainelektrode 25c mit dem Metallfilm 5 über eine, die Isolierschichten 27 und 28 passierende Verdrahtung 25d verbunden.
Der Kondensator 26 beinhaltet einen Teil des Metallfilms 5, die Halbleiterschicht 21, die direkt unter dem Metallfilm 5 lokalisiert ist und die dielektrische Schicht 29, die dazwischen eingefügt ist. Es ist anzumerken, dass die Halbleiterschicht 21 auf ein Konstantpotential (beispielsweise das Referenzpotential) reguliert wird. In diesem Fall dient der Metallfilm 5 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 angeordnet, dass sie die Öffnungen, die in den Isolationsschichten 27 und 28 gebildet werden, auffüllen. Die Bodenoberfläche der dielektrischen Schicht 29 steht in Kontakt mit der Halbleiterschicht 21 und die obere Oberfläche der dielektrischen Schicht 29 steht in Kontakt mit dem Metallfilm 5. Die dielektrische Schicht 29 beinhaltet hauptsächlich z.B. SiO₂.
9A bis 9D sind Querschnittsansichten, welche individuelle Schritte in einem Beispiel eines Verfahrens zum Herstellen der Meta-Oberfläche 1A einschließlich der Antriebsschaltung 2 zeigen. Es ist anzumerken, dass 9A bis 9D ein Pixel 10 als ein Repräsentatives illustrieren, und die anderen Pixel 10 parallel zum Pixel 10 in einer ähnlichen Weise hergestellt werden können. Zuerst, wie in 9A illustriert, wird eine Antriebsschaltung 2 im ersten Schritt vorbereitet. Die Antriebsschaltung 2 wird durch ein bekanntes Verfahren zum Ausbilden einer Verdrahtungsschicht auf einem Substrat mit einem Transistor hergestellt. In diesem Schritt wird der Metallfilm 5 auf der Verdrahtungsschicht der Antriebsschaltung 2 durch beispielsweise ein physikalische Schichtablagerungs-(PLD)-Verfahren gebildet.
Als Nächstes, wie in 9b illustriert, wird die Halbleiterschicht 3 auf dem Metallfilm 5 unter Verwendung eines physikalischen Dampfabscheidungsverfahrens, wie etwa einem Zerstäubungsverfahren oder einem Atomschicht-Ablagerungs-(ALD)-Verfahren gebildet. Im Falle eines Zerstäubungsverfahrens wird ein, das Material der Halbleiterschicht 3 beinhaltendes Ziel in einer Vakuumkammer platziert, wird ein durch eine Hochspannung ionisiertes Inertgas veranlasst, mit dem Ziel zu kollidieren und wird das Material der Halbleiterschicht 3 zerstäubt, wodurch ein Film gebildet wird. Falls die Halbleiterschicht 3 aus ITO aufgebaut ist, ist das Material der Dielektrikschicht 4 beispielsweise SiO₂, Al₂O₃ oder/und HfO₂.
Nachfolgend, wie in 9C illustriert, wird die Dielektrikschicht 4 auf der Halbleiterschicht 3 unter Verwendung beispielsweise eines ALD-Verfahrens gebildet. Spezifisch wird ein Rohmaterialgas eingeführt in und eliminiert aus der filmbildenden Einrichtung für jedes Element, das in der Dielektrikschicht 4 enthalten ist, wodurch wiederholt ein Film gebildet wird, der beispielsweise eine Dicke in der Größenordnung von mehreren Angstrom aufweist. Falls die Dielektrikschicht 4 aus SiO₂ aufgebaut ist, ist das ALD-Material beispielsweise TDMAS und Sauerstoffplasma.
Nachfolgend, wie in 9D illustriert, wird der die partiellen Filme 11a und 11b bildende Metallfilm 11 auf der Dielektrikschicht 4 unter Verwendung beispielsweise eines Abhebverfahrens gebildet. Spezifisch wird zuerst ein Resist auf die Dielektrikschicht 4 aufgetragen und wird eine Vielzahl von Öffnungen entsprechend den partiellen Filmen 11a und 11b durch Elektronenstrahl-Lithographie gebildet. Als Nächstes wird ein Metallfilm (beispielsweise ein Au-Film) auf der gesamten Oberfläche der Dielektrikschicht 4 einschließlich der Vielzahl von Öffnungen im Resist aufgedampft. Dann wird der auf dem Resist abgelagerte Metallfilm durch Entfernen des Resists entfernt. In den oben beschriebenen Schritten wird die Meta-Oberfläche 1A der vorliegenden Ausführungsform erzeugt.
Durch die oben beschriebene Meta-Oberfläche 1A der vorliegenden Offenbarung bereitgestellte Effekte werden unten beschrieben. Die Meta-Oberfläche 1A weist eine MIM-Struktur auf, in welcher der Metallfilm 5, der als ein Licht-Reflektionsfilm dient, die Stapelstruktur 7, welche die Halbleiterschicht 3 und die Dielektrikschicht 4 enthält, und der Metallfilm 11, welcher die partiellen Filme 11a und 11b in finiten Breiten Wa und Wb beinhaltet, in der erwähnten Reihenfolge gestartet werden. In diesem Fall, wie in 2 und 3 illustriert, beinhaltet die Stapelstruktur 7 in jedem Unterpixel 10a, 10b ein Paar von Bereichen 71 und 72. Das Paar von Bereichen 71 und 72 sind an einem Paar von Positionen, die den partiellen Film 11a, 11b sandwichen, bei Sicht aus der Stapelrichtung, angeordnet und sind aus dem Metallfilm 11 exponiert. Das zu modulierende Licht L wird aus der Außenseite der Meta-Oberfläche 1A zu einem Bereich 71 (oder 72) jedes Unterpixels 10a, 10b eingegeben und wird durch den Metallfilm 5 reflektiert und aus dem anderen Bereich 72 (oder 71) jedes Unterpixels 10a, 10b nach außerhalb der Meta-Oberfläche 1A ausgegeben. Gleichzeitig, wenn eine Antriebsspannung Vd zwischen dem partiellen Film 11a, 11b und dem Metallfilm 5 angelegt wird, werden induzierte Ströme in entgegengesetzten Richtungen, die der Spaltoberflächenplasmonenmodus genannt werden, auf beiden partiellen Filmen 11a, 11b und dem Metallfilm 5 erzeugt und wird eine starke Magnet-Resonanz (Plasmonenresonanz) in der Stapelstruktur 7 erzeugt. Mit dieser magnetischen Resonanz werden die Phase des zu modellierenden Lichts L, welches zwischen dem partiellen Film 11a und dem Metallfilm 5 passiert, und die Phase des Lichts L, das zu modulieren ist, das zwischen dem partiellen Film 11b und dem Metallfilm 5 passiert, individuell moduliert.
Hier repräsentiert die folgende Formel (1) die Beziehung zwischen dem Betrag an Phasenmodulation φ des zu modulierenden Lichts L, verursacht durch Magnetresonanz, der Breite w (Wa oder Wb) des partiellen Films 11a oder 11b, der Einlassluft λ des zu modulierenden Lichts L und dem effektiven Brechungsindex N_gsp der Stapelstruktur 7. Es ist anzumerken, dass k eine Ganzzahl ist. $w \frac{2 π}{λ} N_{g s p} = k π - φ$
Wie aus der obigen Formel (1) offensichtlich, hängt die Menge an Phasenmodulation φ vom effektiven Brechungsindex N_gsp der Stapelstruktur 7 ab. Der Effektiv-Brechungsindex N_gsp kann durch Ändern der zwischen dem partiellen Film 11a, 11b und dem Metallfilm 5 angelegten Antriebsspannung Vd gesteuert werden. Gründe dafür sind wie folgt. Wenn eine Antriebspannung Vd zwischen dem partiellen Film 11a, 11b und dem Metallfilm 5 angelegt wird, wird die Elektronendichte nahe der Schnittstelle zwischen der Halbleiterschicht 3 und der Dielektrikschicht 4 durch das elektrische Feld zwischen dem partiellen Film 11a, 11b und dem Metallfilm 5 erhöht. Als Ergebnis wird ein geschichteter Bereich der Halbleiterschicht 3 nahe der Schnittstelle metallisiert. Da die metallisierte Schicht mit dem zu modulierenden Licht L reagiert, wird der Effektiv-Brechungsindex N_gsp der Stapelstruktur 7 geändert. Weiterhin wird in der Meta-Oberfläche 1A der vorliegenden Ausführungsform jeder der Metallfilme 5 für jedes Pixel 10 angeordnet und sie sind voneinander getrennt, und steuert die Antriebsschaltung 2 individuell die Antriebsspannung Vd des Metallfilms 5 für jedes Pixel 10. Als Ergebnis kann die Dicke der metallisierten Schicht in der Halbleiterschicht 3 unabhängig für jedes Pixel 10 gesteuert werden und somit kann die Phase unabhängig für jedes Pixel 10 moduliert werden. Das heißt, dass die Meta-Oberfläche 1A der vorliegenden Ausführungsform ermöglicht, die Phase für jedes der eindimensional angeordneten M Pixel 10 zu modulieren.
Zusätzlich, wie aus der obigen Formel (1) offensichtlich, hängt der Betrag an Phasenmodulation φ auch von der Breite W des partiellen Films 11a, 11b ab. Daher, indem die Breiten Wa und Wb in den Unterpixeln 10a und 10b voneinander unterschiedlich gemacht werden, kann jegliche AnfangsphasenDifferenz eingestellt werden zwischen der Phase eines aus dem Unterpixel 10a ausgegebenen Lichtstrahls und der Phase eines aus dem Unterpixel 10b ausgegebenen partiellen Lichtstrahls. Es ist anzumerken, dass sich die Anfangsphase auf die Phase austretenden Lichts (der partielle Lichtstrahl, der aus jedem Unterpixel ausgegeben wird) in einem Fall bezieht, in dem die Antriebsspannung Vd auf dem Metallfilm 5 auf einem gewissen Anfangsanregungswert (beispielsweise 0 V) eingestellt wird.
10 ist ein Graph, der eine Komplexebene zeigt, die Phasen und Intensitäten austretenden Lichts angibt. In 10 repräsentiert die vertikale Achse eine Imaginärachse und repräsentiert die horizontale Achse eine reale Achse. Eine Vielzahl von Vektoren V1 bis V15 sind in der Figur gezeigt. Die Länge jedes Vektors repräsentiert die Licht-Intensität des austretenden Lichts und der Winkel um den Ursprung repräsentiert die Phase des austretenden Lichts. Der Vektor V11 zeigt beispielsweise einen Anfangszustand des Unterpixels 10a, der austretendes Licht mit einer Phase von 0 (rad) repräsentiert. Der Vektor V12 zeigt beispielsweise einen Anfangszustand des Unterpixels 10b, der austretendes Licht mit einer Phase von π/2 (rad) repräsentiert. Wenn eine Spannung an den Metallfilm 5 angelegt wird, ändert sich die Phase des Unterpixels 10a gemäß der Größe der Spannung (vom Vektor V11 zum Vektor V13) und ändert sich gleichzeitig die Phase des Unterpixels 10b (vom Vektor V12 zum Vektor V14). Gleichzeitig ändert sich die Größenordnung des Vektors, das heißt die Intensität des austretenden Lichtes auch.
Es ist hier anzumerken, dass der Vektor V15 ein kombinierter Vektor des Vektors V13 und des Vektors V14 ist. Gemäß den Erkenntnissen der vorliegenden Erfinder, in einem Fall, bei dem der Anordnungsabstand W1 des Pixels 10, das N Unterpixel enthält, kleiner als die Wellenlänge von Einfallslicht ist und entlang der Anordnungsrichtung der N Unterpixel konstant ist, werden N partielle Lichtstrahlen (die alle austretendes Licht sind), die aus den N Unterpixeln ausgegeben werden, in Licht (einen Lichtstrahl) kombiniert, der eine einzelne Phase und eine gleichförmige Intensität im Fernfeld aufweist. Die einzelne Phase und die gleichförmige Intensität sind nicht einfach ein Durchschnitt von N Werten, sondern repräsentieren einen Wert, der durch Vektor-Komposition der Phasen oder der Intensitäten der individuellen N partiellen Lichtstrahlen erhalten wird. In diesem Beispiel werden zwei partielle Lichtstrahlen aus zwei Unterpixeln 10a und 10b im Licht kombiniert, das eine Einzelphase und eine gleichförmige Intensität im Fernfeld aufweist. Seine Phase und Intensität werden durch den Vektor V15 repräsentiert.
11 und 12 sind Graphen, welche durch Simulieren eines Zustands erhalten werden, in welchem zwei partielle Lichtstrahlen aus zwei Unterpixeln 10a und 10b kombiniert werden. In diesen Figuren gibt die vertikale Achse eine Position y (Einheit: µm) entlang der Normalrichtung in Bezug auf die Oberfläche des Unterpixels 10a, 10b an, und gibt die horizontale Achse eine Position x (Einheit: µm) entlang der Richtung D1 an. Zusätzlich werden Phasen von austretendem Licht durch Farbschattierungen ausgedrückt. 11 illustriert einen Fall, bei dem die Phasendifferenz des aus den Unterpixeln 10a und 10b ausgegebenen Lichts π/2 (rad) ist, und 12 illustriert einen Fall, bei dem die Phasendifferenz des aus den Unterpixeln 10a bzw. 10b ausgegebenen Lichts 0 (rad) ist. Detaillierte Simulationsbedingungen sind wie folgt.
Wellenlänge von Einfallslicht: 1,55 µm
Anordnungsabstand von Pixel 10: 800 nm
Anordnungsabstand von Unterpixeln 10a, 10b: 400 nm
Lichtquellengröße: 200 nm
Grenzbedingungen: Richtung D1 ... Grenzbedingung von Abstand, Normalrichtung zu Pixeloberfläche ... Grenzbedingung von PML (perfekt abgepasste Schicht).
Wie in 12 gezeigt, wenn die aus den Unterpixel 10a und 10b ausgegebenen partiellen Lichtstrahlen in derselben Phase sind, propagiert selbstverständlich kombiniertes Licht einer einzelnen Phase im Fernfeld. Andererseits, wie in 11 gezeigt, wenn die aus den Unterpixeln 10a und 10b ausgegebenen partiellen Lichtstrahlen in unterschiedlichen Phasen sind, weisen die partiellen Lichtstrahlen im Nahfeld unterschiedliche Phase auf, werden aber in ein kombiniertes Licht mit einer einzelnen Phase im Fernfeld umgewandelt. Es ist anzumerken, dass sich ihr Fernfeld auf beispielsweise eine Distanz bezieht, die von etwa der Wellenlänge bis mehreren Wellenlängen der Pixel-Oberfläche reicht. Solche Entdeckungen sind durch die vorliegenden Erfinder selbst gemacht worden.
13, die ein Vergleichsbeispiel zeigt, ist ein Graph, der durch Simulieren eines Zustands ermittelt wird, in welchem die Phasendifferenz zwischen dem aus den Unterpixeln 10a und 10b ausgegebenen partiellen Lichtstrahlen 0 (rad) in einem Fall, bei dem der Anordnungsabstand des Pixels 10 ausreichend größer als die Wellenlänge von Einfallslicht ist. Detaillierte Simulationsbedingungen sind wie folgt. Wie in 13 gezeigt, weist in diesem Fall selbst im Fernfeld das Licht nicht eine einzelne Phase auf, nur um gebrochenes Licht zu erzeugen, weil partielle Lichtstrahlen, die aus den Unterpixeln 10a und 10b ausgegeben werden, miteinander interferieren.
Wellenlänge von Einfallslicht: 1,55 µm
Anordnungsabstand von Pixel 10: 3200 nm
Anordnungsabstand von Unterpixeln 10a und 10b: 1600 nm
Lichtquellengröße: 200 nm
Grenzbedingungen: Richtung D1 ... Grenzbedingung von Abstand, Normalrichtung zu Pixeloberfläche ... Grenzbedingung von PML.
Wie oben beschrieben, wird es gemäß der vorliegenden Ausführungsform ermöglicht, einen gewünschten Phasenwert durch angemessenes Steuern der Phasen der Unterpixel 10a und 10b zu erzielen, selbst falls der gewünschte Phasenwert nicht durch konventionelle Pixelstrukturen erhalten werden kann, aufgrund verschiedener Beschränkungen. Falls beispielsweise der Phasenmodulationsbereich individueller Pixel 10 2π (rad) beträgt, wird Phasenwerten keine Beschränkung auferlegt, und kann Rauschlicht, das in dem austretenden Licht von der Meta-Oberfläche 1A enthalten ist, reduziert werden. Zusätzlich, obwohl eine konventionelle Pixel-Struktur verschiedene Licht-Intensitäten abhängig von Pixeln verursachen kann, können die Licht-Intensitäten von M Pixeln 10 nahe an einen gleichförmigen Wert gebracht werden, durch angemessenes Kombinieren der Phasen der Unterpixel 10a und 10b, weil Licht-Intensitäten der Unterpixel 10a und 10b sich verschiedentlich mit der Änderung bei der Phase ändern. Auf diese Weise ermöglicht es die Meta-Oberfläche 1A der vorliegenden Ausführungsform, eine Variabel-Phasenvorrichtung bereitzustellen, die eine neue Vorrichtungsstruktur aufweist, die verschiedene Probleme lösen kann. Es ist anzumerken, dass solche Effekte auch in einem Fall bereitgestellt werden können, bei dem die Anzahl N von Unterpixeln drei oder mehr beträgt.
Wie in der vorliegenden Ausführungsform können in jedem Pixel 10 die Breiten Wa und Wb der partiellen Filme 11a bzw. 11b verschieden sein, so dass die Anfangsphasen der Unterpixel 10a und 10b verschieden sein können. Beispielsweise ermöglicht es eine solche Konfiguration, den Bereich variabler Phasen jedes Pixels 10 zu expandieren. Spezifisch, selbst falls beispielsweise der Phasenbereich, der durch eine Pixeleinheit (oder ein Pixel im Falle einer konventionellen Meta-Oberfläche) moduliert werden kann, auf - π/2 (rad) bis π/2 (rad) beispielsweise durch einen strukturellen Faktor oder dergleichen beschränkt werden kann, wird eine Phasenmodulation, die von -π/2 (rad) bis π (rad) reicht, das heißt Phasenmodulation einer π/2 (rad) Breite durch Verschieben der Anfangsphasen der Unterpixel 10a und 10b um π (rad) erzielt. Daher kann der Freiheitsgrad von Phasenmodulation zu einem äußerten Limit in verschiedenen Anwendungen wie etwa Linsen-Anwendungen und Hologramm-Bildung gesteigert werden. Es ist anzumerken, dass solche Effekte auch in einem Fall bereitgestellt werden können, bei dem die Anzahl N von Unterpixeln drei oder mehr beträgt. Insbesondere, falls die Anfangsphasen von N Unterpixeln gegeneinander um 2π/N (rad) verschoben sind, wird es ermöglicht, eine signifikante Phasenänderung in jedem Pixel 10 zu erzielen, während die Anfangsphasen-Differenz zwischen Unterpixeln maximiert und der Bereich von Phasenvariation bei jedem Unterpixel reduziert wird.
In der vorliegenden Ausführungsform werden die Spannung zwischen dem partiellen Film 11a des Unterpixels 10a und dem Metallfilm 5 und die Spannung zwischen dem partiellen Film 11b des Unterpixels 10b und dem Metallfilm 5 gemeinsam (auf dieselbe Spannung) in jedem Pixel 10 gesteuert. Jedoch können dieses Spannungen unabhängig (getrennt) voneinander gesteuert werden, indem die Spannungszufuhrleitung 24 und der Transistor 25 in jedem der Unterpixel 10a und 10b angeordnet wird. In diesem Fall kann der Freiheitsgrad der Variation bei der Phase und Intensität des jedes Pixel 10 verlassenden Lichts weiter gesteigert werden.
(Erste Modifikation)
14 ist eine Aufsicht, die einen Fall zeigt, bei dem die Anzahl N von in einem Pixel 10 enthaltenen Unterpixeln drei beträgt. 15 ist eine Querschnittsansicht längs Linie XV-XV, die in 14 gezeigt ist. Das in diesen Figuren gezeigte Pixel 10 beinhaltet drei Unterpixel 10a bis 10c. Jedes der Unterpixel 10a bis 10c weist eine Struktur zum Ändern der Phase von Einfallslicht auf. Die Unterpixel 10a bis 10c sind in einer Linie entlang der Anordnungsrichtung der Pixel 10 (Richtung D1) angeordnet. Die Breiten der Unterpixel 10a bis 10c, die entlang der Anordnungsrichtung definiert sind, sind zueinander gleich. Der Anordnungsabstand des Unterpixels 10a bis 10c ist konstant.
Der Metallfilm 11 beinhaltet einen partiellen Film 11a, der auf der Stapelstruktur 7 des Unterpixels 10a angeordnet ist, einen partiellen Film 11b, der auf der Stapelstruktur 7 des Unterpixels 10b angeordnet ist und einen partiellen Film 11c, der auf der Stapelstruktur 7 des Unterpixels 10c angeordnet ist. Wie in 14 illustriert, sind die partiellen Filme 11a bis 11c entlang der Richtung D1 angeordnet und voneinander getrennt. Die Zentrumspositionen der partiellen Filme 11a bis 11c in Bezug auf die Richtung D1 koinzidieren mit den Zentrumspositionen der Unterpixel 10a bis 10c, in Bezug auf dieselbe Richtung. Die Breiten Wa bis Wc der partiellen Filme 11a bis 11c in Bezug auf die Richtung D1 werden eingestellt, kleiner als die Breite der Unterpixel 10a bis 10c in Bezug auf dieselbe Richtung zu sein, und ausreichend kleiner als die Wellenlänge des zu modulierenden Lichts L zu sein. Zusätzlich sind die Breiten Wa bis Wc verschieden. Im illustrierten Beispiel ist die Breite Wa des partiellen Films 11a des Unterpixels 10a, das an einem Ende in Bezug auf die Richtung D1 lokalisiert ist, am kleinsten, und wird die Breite des partiellen Films größer hin zum Unterpixel 10c, das am anderen Ende in Bezug auf die Richtung D1 lokalisiert ist. Die Breiten Wa bis Wc der partiellen Filme 11a bis 11c fallen innerhalb des Bereichs von 100 bis 300 nm und in einem Beispiel Wa gleich 220 nm, Wb = 240 nm und Wc = 260 nm.
Wie oben beschrieben, sind die Breiten Wa bis Wc der partiellen Filme 11a bis 11c kleiner als die Breiten jeweils der Unterpixel 10a bis 10c. Zusätzlich sind die partiellen Filme 11a bis 11c im Wesentlichen an den Zentren der Unterpixel 10a bis 10c jeweils platziert, in Bezug auf die Richtung D1. Entsprechend, wie in 14 und 15 gezeigt, beinhaltet die Stapelstruktur 7 ein Paar von Bereichen 71 und 72 in jedem der Unterpixel 10a bis 10c. Das Paar von Bereichen 71 und 72 sind an einem Paar von Positionen angeordnet, welche den partiellen Film 11a (11b oder 11c) bei Licht aus der Dickenrichtung der Stapelstruktur 7 sandwichen, und sind vom Metallfilm 11 exponiert. Die Anordnungsrichtung (das heißt die Richtung D1) des Paars von Bereichen 71 und 72 koinzidiert mit der Polarisationsrichtung des zu modulierenden Lichts L.
16 ist ein Graph, der eine komplexe Ebene zeigt, die Phasen und Intensitäten austretenden Lichts angibt. Eine Vielzahl von Vektoren V21 bis V25 sind in der Figur gezeigt. Wie in der oben beschriebenen 10, ist die Länge jedes Vektors äquivalent zur Licht-Intensität des austretenden Lichts und ist der Winkel um den Ursprung herum äquivalent zur Phase des austretenden Lichts. Der Vektor V21 zeigt als Beispiel einen Anfangszustand des Unterpixels 10a, welches austretendes Licht mit einer Phase von 0 (rad) repräsentiert. Der Vektor V22 zeigt beispielsweise einen Anfangszustand des Unterpixels 10b, der austretendes Licht mit einer Phase von 2π/3 (rad) repräsentiert. Der Vektor V23 zeigt beispielsweise einen Anfangszustand des Unterpixels 10c, der austretendes Licht mit eine Phase von 4π/3 (rad) repräsentiert. Wenn eine Spannung am Metallfilm 5 angelegt wird, ändern sich die Phasen der Unterpixel 10a bis 10c gemäß der Größe der Spannung. Das heißt, dass sich der Vektor V21 zu Vektor V24 verändert, der Vektor V22 zum Vektor V25 verändert, und der Vektor V23 zum Vektor V26 verändert.
Es ist hier anzumerken, dass der Vektor V27 ein kombinierter Vektor der Vektoren V24 bis V26 ist. Wie in der Ausführungsform oben beschrieben, in einem Fall, bei dem der Anordnungsabstand des Pixels 10 einschließlich der Unterpixel 10a bis 10c kleiner als die Wellenlänge von Einfallslicht ist und entlang der Anordnungsrichtung der Unterpixel 10a bis 10c konstant ist, werden drei partielle Lichtstrahlen aus den Unterpixel 10a bis 10c zu Licht (ein Lichtstrahl) mit einer Einzelphase und einer gleichförmigen Intensität im Fernfeld kombiniert. Daher wird es auch gemäß der vorliegenden Modifikation ermöglicht, einen gewünschten Phasenwert zu erzielen, durch angemessenes Steuern der Phasen der Unterpixel 10a bis 10c, selbst falls der gewünschte Phasenwert nicht durch konventionelle Pixel-Strukturen aufgrund verschiedener Beschränkungen erreicht werden kann. Zusätzlich können die Licht-Intensitäten der M Pixel 10 nahe an einen gleichförmigen Wert gebracht werden, durch angemessenes Kombinieren der Phasen der Unterpixel 10a bis 10c, weil Licht-Intensitäten der Unterpixel 10a bis 10c sich verschiedentlich mit der Änderung bei der Phase ändern.
Wie in der vorliegenden Modifikation mögen in jedem Pixel 10 die Breiten Wa bis Wc der partiellen Filme 11a bis 11c jeweils voneinander unterschiedlich sein, so dass die Anfangsphasen der Unterpixel 10a bis 10c sich voneinander unterscheiden können. Beispielsweise ermöglicht es eine solche Konfiguration, den Bereich variabler Phasen jedes Pixels 10 zu expandieren. Spezifisch, selbst falls beispielsweise der Bereich von Phasen, der durch eine Pixeleinheit moduliert werden kann (oder ein Pixel im Falle einer konventionellen Meta-Oberfläche) auf -π/3 (rad) bis π/3 (rad) beschränkt wird, beispielsweise durch eine strukturellen Faktor oder dergleichen, wird Phasenmodulation im Bereich von -π/3 (rad) bis π(rad), das heißt Phasenmodulation einer 2π (rad)-Breite durch Verschieben der Anfangsphasen der Unterpixel 10a bis 10c voneinander um 2π/3 (rad) erzielt. Daher kann der Freiheitsgrad von Phasenmodulation auf eine äußerte Grenze bei verschiedenen Anwendungen (wie etwa Linsenanwendungen und Hologrammbildung) gesteigert werden. Weiterhin, in diesem Fall, falls die Anfangsphasen der Unterpixel 10a bis 10c voneinander um 2π/3 (rad) verschoben sind, wird es ermöglicht, eine signifikante Phasenänderung in jedem Pixel 10 zu erzielen, während die Anfangsphasen-Differenz zwischen den Unterpixel 10a bis 10c maximiert und der Bereich von Phasenvariation in jedem der Unterpixel 10a bis 10c reduziert wird.
(Zweite Modifikation)
17 ist eine Aufsicht, die einen Fall zeigt, bei dem die Breiten Wa und Wb der partiellen Filme 11a und 11b der obigen Ausführungsform gleich zueinander sind. 18 ist eine Querschnittsansicht längs Linie XVIII-XVIII, gezeigt in 17. Selbst wenn die Breiten Wa und Wb zueinander gleich sind, wie in den Figuren gezeigt, können die Phasen der individuell aus den Unterpixel 10a bis 10c ausgegebenen partiellen Lichtstrahlen zueinander unterschiedlich gemacht werden, indem eine Steuerung so durchgeführt wird, dass die Spannungen an den partiellen Filmen 11a und 11b von unterschiedlichen Werten sind. Daher, wie in der obigen Ausführungsform, wird es ermöglicht, einen gewünschten Phasenwert durch angemessenes Steuern der Phasen der Unterpixel 10a und 10b zu erzielen, selbst falls der gewünschte Phasenwert nicht durch konventionelle Pixel-Strukturen aufgrund verschiedener Beschränkungen erhalten werden kann. Zusätzlich können die Licht-Intensitäten der M Pixel 10, durch angemessenes Kombinieren der Phasen der Unterpixel 10a und 10b nahe an einen gleichförmigen Wert gebracht werden. Dasselbe gilt in einem Fall, bei dem die Anzahl N von Unterpixeln drei oder mehr beträgt.
(Dritte Modifikation)
19 ist eine Aufsicht, die das Pixel 10 zeigt, in welchem N₁ Unterpixel, die einen Metallfilm 11 beinhalten, der partielle Filme enthält, deren Breiten sich voneinander unterscheiden, in N₂ Zyklen (wobei N₁ und N₂ beide Ganzzahlen von 2 oder mehr sind) wiederholt angeordnet werden. In diesem Fall beinhaltet das Pixel 10 (N₁ × N₂) Unterpixel. 19 illustriert den Fall, bei dem drei Unterpixel 10a bis 10c, die partielle Filme 11a bis 11c beinhalten, deren Breiten sich voneinander unterscheiden, in drei Zyklen angeordnet sind, das heißt der Fall, bei dem N₁ = 3 und N₂ = 3. Im Fall dieses Beispiels können immer noch ähnliche Effekte wie jene der obigen Ausführungsform bereitgestellt werden.
(Vierte Modifikation)
20 ist ein Diagramm, das eine Querschnittsstruktur eines Pixels 10A gemäß einer vierten Modifikation der obigen Ausführungsform zeigt. Die vorliegende Modifikation unterscheidet sich von der obigen Ausführungsform in der Konfiguration der Stapelstruktur. Während die Stapelstruktur 7 der obigen Ausführungsform eine einzelne Halbleiterschicht 3 und eine einzelne Dielektrikschicht 4 enthält, weist die Stapelstruktur 7A der vorliegenden Modifikation eine Konfiguration auf, in welcher zwei Halbleiterschichten 3 und zwei Dielektrikschichten 4 abwechselnd gestapelt sind. Spezifisch ist die Halbleiterschicht 3 auf dem Metallfilm 5 angeordnet, ist die Dielektrikschicht 4 auf der Halbleiterschicht 3 angeordnet, ist eine andere Halbleiterschicht 3 auf der Dielektrikschicht 4 angeordnet und ist eine andere Dielektrikschicht 4 auf der anderen Halbleiterschicht 3 angeordnet. Der Metallfilm 11 ist auf solch einer anderen Dielektrikschicht 4 angeordnet.
Wie in der vorliegenden Modifikation, kann in der Stapelstruktur eine Vielzahl von Paaren von Halbleiterschicht 3 und Dielektrikschicht 4 wiederholt gestapelt werden. In diesem Fall, während der Phasen-Modulationsbereich der individuellen Unterpixel 10a und 10b durch ein einzelnes Paar beschränkt sein kann, kann der Phasen-Modulationsbereich der individuellen Unterpixel 10b und 10b durch Stapeln einer Vielzahl von Paaren expandiert werden. Gemäß Entdeckungen, die durch die vorliegenden Erfinder gemacht worden sind, ist der Phasen-Modulationsbereich auf 5/3π durch ein einzelnes Paar beschränkt, aber kann der Phasen-Modulationsbereich auf 2π (rad) durch Stapeln einer Vielzahl von Paaren expandiert werden.
(Fünfte Modifikation)
21 ist eine Aufsicht, welche die Form des Metallfilms 11 als eine fünfte Modifikation der obigen Ausführungsform zeigt. In der vorliegenden Modifikation sind sechs Unterpixel 10d bis 10i in jedem Pixel 10A vorgesehen. 22 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht von zwei Unterpixeln 10d und 10e angrenzend aneinander. Die Unterpixel 10d bis 10i sind in der erwähnten Reihenfolge längs der Richtung D1 angeordnet und jedes der Unterpixel erstreckt sich entlang seiner longitudinalen Richtung, welche mit der Richtung D2 koinzidiert. Jedes der Unterpixel 10d bis 10i ist mit den individuellen partiellen Filmen 11d bis 11i des Metallfilms 11A versehen. Die Wellenlänge des zu modulierenden Lichts L beträgt beispielsweise 1550 nm. In diesem Fall ist die Breite jedes der Unterpixel 10d bis 10i in Bezug auf die Richtung D1 kleiner als die Wellenlänge des zu modulierenden Lichts L und kann beispielsweise 800 nm betragen. Ein Raum X ist zwischen angrenzenden Pixeln 10A vorgesehen.
Der Metallfilm 11A ist ein erster Metallfilm, der auf der Stapelstruktur 7 angeordnet ist. Der Metallfilm 11A weist dieselbe Konfiguration wie die Konfiguration des oben beschriebenen Metallfilms 11 auf, außer bezüglich der folgenden Besonderheiten. Der Metallfilm 11A der vorliegenden Modifikation beinhaltet nämlich weiter ein Paar von partiellen Filmen 11j und 11k und Kissenbereichen 11m und 11n. Der partielle Film 11j ist auf einer Seite der Unterpixel 10d bis 10i in Bezug auf die Richtung d2 angeordnet, erstreckt sich entlang der Richtung D1 und ist integral mit dem partiellen Film 11d, 11f und 11h verbunden. Der Kissenbereich 11m ist auf dem partiellen Bereich 11j auf der Seite entgegengesetzt zu den Unterpixeln 10b bis 10i angeordnet, ist integral mit dem partiellen Film 11j verbunden und ist elektrisch mit der Antriebsschaltung 2 über beispielsweise einen Bondierdraht verbunden. Daher wird eine übliche variable Spannung V1 (siehe 2) an die partiellen Filme 11d, 11f und 11h angelegt.
Der partielle Film 11k ist auf der anderen Seite der Unterpixel 10d bis 10i in Bezug auf die Richtung D2 angeordnet, erstreckt sich entlang der Richtung D1 und ist integral mit den partiellen Filmen 11e, 11g und 11i verbunden. Der Kissenbereich 11n ist auf dem partiellen Film 11k auf der Seite entgegengesetzt zu den Unterpixeln 10b bis 10i angeordnet, ist integral mit dem partiellen Film 11k verbunden und ist elektrisch mit der Antriebsschaltung 2 über beispielsweise einen Bondierdraht verbunden. Daher wird eine gemeinsame variable Spannung V2 (siehe 2) an die partiellen Filme 11e, 11g und 11i angelegt.
Die längs der Richtung D1 definierten Breiten der partialen Filme 11d, 11f und 11h sind zueinander gleich. Gleichermaßen sind die längs der Richtung d1 definierten Breiten der partiellen Filme 11e, 11g und 11i auch zueinander gleich. Die Breite jedes der partiellen Filme 11d, 11f und 11h unterscheidet sich von der Breite jedes der partiellen Filme 11e, 11g und 11i. Im illustrierten Beispiel ist die Breite jedes der partiellen Filme 11e, 11g und 11i größer als die Breite jedes der partiellen Filme 11d, 11f und 11h. Die Distanz zwischen Zentren angrenzender partiellen Filme beträgt 1/2 der Breite des Unterpixels. Falls die Breite jedes der Unterpixel 10d bis 10i 800 nm beträgt, ist die Distanz zwischen Zentren der angrenzenden partiellen Filme 400 nm.
Wie in der vorliegenden Modifikation kann eine gemeinsame Spannung V1 an die partiellen Filme 11d, 11f und 11h einiger einer Vielzahl von Unterpixeln 10d bis 10i, die in einem Pixel 10A enthalten sind, angelegt werden, nämlich die Unterpixel 10d, 10f und 10h, während eine andere gemeinsame Spannung V2 an die partiellen Filme 11e, 11g und 11i der anderen Unterpixel 10e, 10g und 10i angelegt werden kann. In diesem Fall können immer noch die Effekte, die jenen der obigen Ausführungsform ähneln, bereitgestellt werden. Insbesondere, wie in der vorliegenden Modifikation, können die partiellen Filme 11d, 11f und 11h, an welche die Spannung V1 angelegt wird, und die partiellen Filme 11e, 11g und 11i, an welche die Spannung V2 angelegt wird, abwechselnd angeordnet sein.
(Sechste Modifikation)
23 ist eine Aufsicht, die eine Meta-Oberfläche 1B als eine sechste Modifikation der obigen Ausführungsform zeigt. Auf der Hauptoberfläche 1A der Meta-Oberfläche 1B sind M piezoelektrisch 20 statt der M Pixel 10 in der obigen Ausführungsform gebildet. Die M Pixel 20 sind zweidimensional in M₁ Reihen × M₂ Spalten aufgereiht, wobei die Reihenrichtung entlang der Richtung D1 ist und die Spaltenrichtung entlang der Richtung D2 ist. Es ist anzumerken, dass M₁ und M₂ beides eine Ganzzahl von 2 oder mehr sind und M₁ × M₂ = M. Die planare Form jedes Pixels 20 ist rechteckig (beispielsweise quadratisch). Die Länge einer Seite jedes Pixels 20 fällt innerhalb eines Bereichs von beispielsweise 200 bis 400 nm.
Der Anordnungsabstand (die Distanz zwischen Zentren angrenzender Pixel 20, definiert längs der Richtung D1) W2 der Pixel 20 entlang der Spaltenrichtung ist kleiner als die Wellenlänge von Einfallslicht und ist konstant entlang der Anordnungsrichtung der M₂ Pixel 20. Gleichermaßen ist der Anordnungsabstand (die Distanz zwischen Zentren angrenzender Pixel 20, definiert entlang der Richtung D2) W3 der Pixel 20 entlang der Reihenrichtung kleiner als die Wellenlänge von Einfallslicht und ist konstant entlang der Anordnungsrichtung der M₁ Pixel 20. Es ist anzumerken, dass spezifische Werte der Wellenlänge von Einfallslicht und der Anordnungsabstände W2 und W3 ähnlich sind zu Werten der Wellenlänge von Einfallslicht und dem Anordnungsabstand W1 der obigen Ausführungsform. Die Meta-Oberfläche 1B wird für verschiedene Zwecke einschließlich Linsenanwendungen und Hologrammbildung verwendet, durch individuelles Modulieren, für jedes Pixel 20, der Phase des Lichts, das an der Hauptoberfläche 1a eingegeben wird (das zu modulierende Licht, das Einfallslicht ist) .
24 ist eine vergrößerte Aufsicht eines einzelnen Pixels 20. Wie in 24 illustriert, beinhaltet jedes Pixel 20 N Unterpixel 20a bis 20c (wobei N eine Ganzzahl von 2 oder mehr ist, die Figur zeigt den Fall von N = 3). Wie in der obigen Beschreibung, kann die Anzahl N von Unterpixeln die gleiche sein wie oder anders als die Anzahl M von Pixeln 20 in der vorliegenden Modifikation. Jedes der Unterpixel 20a bis 20c weist eine Struktur zum Ändern der Phase von Einfallslicht auf. Die Unterpixel 20a bis 20c sind in einer Linie entlang einer der Anordnungsrichtungen der Pixel 20 (der Richtung D1 in der vorliegenden Ausführungsform) angeordnet. Die Breiten der Unterpixel 20a bis 20c, die entlang der Anordnungsrichtung definiert sind, sind zueinander gleich. Der Anordnungsabstand der Unterpixel 20a bis 20c (die Distanz zwischen Zentren angrenzender Unterpixel entlang der Richtung D1) ist entlang der Anordnungsrichtung der Unterpixel 20a bis 20c konstant.
Der Metallfilm 11 der vorliegenden Modifikation beinhaltet einen auf der Stapelstruktur 7 des Unterpixels 20a angeordneten partiellen Film 11d, einen auf der Stapelstruktur 7 des Unterpixels 20b angeordneten partiellen Film 11e, und einen auf der Stapelstruktur 7 des Unterpixels 20c angeordneten partiellen Film 11f. Die partiellen Filme 11d bis 11f sind entlang der Richtung D1 angeordnet und voneinander getrennt. Die Zentrumspositionen der partiellen Filme 11d bis 11f, wie entlang der Richtungen D1 und D2 lokalisiert, koinzidieren mit den Zentrumspositionen der Unterpixel 20a bis 20c, die auch entlang der Richtungen D1 und D2 lokalisiert sind. Die Breite Wg jedes der partiellen Filme 11d bis 11f, die entlang der Richtung D1 definiert ist, wird eingestellt, kleiner als die Breite jedes der Unterpixel 20a bis 20c, definiert entlang derselben Richtung D1 zu sein, und ausreichend kleiner als die Wellenlänge des zu modulierenden Lichts L. Gleichermaßen werden die längs der Richtung D2 definierten Breiten Wd bis Wf der partiellen Filme 11d bis 11f kleiner eingestellt als die Breite jedes der Unterpixel 20a bis 20c definiert entlang derselben Richtung D2, und ausreichend kleiner als die Wellenlänge des zu modulierenden Lichts L zu sein. Zusätzlich unterscheiden sich die Breiten Wd bis Wf voneinander. In dem illustrierten Beispiel ist die Breite Wd des partiellen Films 11d des an einem Ende in Bezug auf die Richtung D1 lokalisierten Unterpixels 20a am kleinsten und wird die Breite des partiellen Films kleiner hin zum am anderen Ende in Bezug auf die Richtung D1 lokalisierten Unterpixel 20c. Die Breiten Wd bis Wf der partiellen Filme 11d bis 11f fallen innerhalb des Bereichs von 50 bis 400 nm, und in einem Beispiel, Wd = 160 nm, We = 240 nm und Wf = 320 nm.
Wie oben beschrieben, sind die entlang der Richtung D2 definierten Breiten Wd bis Wf der partiellen Filme 11d bis 11f kleiner als die entlang der Richtung D2 definierten Breiten der Unterpixel 20a bis 20c. Zusätzlich werden die partiellen Filme 11d bis 11f im Wesentlichen in den Zentren jeweils der Unterpixel 20a bis 20c platziert, wie entlang der Richtung D2 lokalisiert. Entsprechend beinhaltet die Stapelstruktur 7 ein Paar von Bereichen 71 und 72 in jedem der Unterpixel 20a bis 20c. Das Paar von Bereichen 71 und 72 ist an einem Paar von Positionen angeordnet, welche den partiellen Film 11d (11e oder 11f) bei Sicht aus der Dickenrichtung der Stapelstruktur 7 sandwichen, und sind vom Metallfilm 11 aus exponiert. Die Anordnungsrichtung (das heißt die Richtung D2) des Paars von Bereichen 21 und 22 koinzidiert mit der Polarisationsrichtung des zu modulierenden Lichts L.
Es ist anzumerken, dass die Querschnittsstruktur der Meta-Oberfläche 1B der vorliegenden Modifikation der Querschnittsstruktur der Meta-Oberfläche 1A der obigen Ausführungsform ähnelt (siehe 3). Wie in der obigen Ausführungsform ist der Metallfilm 5 in jedem der M Pixel 20 angeordnet und ist in jedem Pixel 20 in der vorliegenden Modifikation lokalisiert. Die Metallfilme 5 in angrenzenden Pixeln 20 sind voneinander getrennt. Die Planarform des Metallfilms 5 ist im Wesentlichen die gleiche wie die Planarform des Pixels 20 und in einem Beispiel ist die Planarform des Metallfilms 5 rechteckig.
25 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration einer Antriebsschaltung 2A illustriert. Die Meta-Oberfläche 1B beinhaltet eine Antriebsschaltung 2A anstelle der Antriebsschaltung 2 der obigen Ausführungsform. Die Halbleiterumschaltschaltung 2a der vorliegenden Modifikation beinhaltet M₁ Gatterantriebsleitungen 23 und M₂ Spannungszufuhrleitungen 24. Die M₁ Gatteranriebsleitungen 23 erstrecken sich alle entlang der Reihenrichtung (das heißt der Richtung D1) und sind entlang der Spaltenrichtung ausgerichtet (das heißt der Richtung D2). Die M₂ Spannungszufuhrleitungen 24 erstrecken sich alle entlang der Spaltenrichtung (das heißt der Richtung d2) und sind entlang der Reihenrichtung (das heißt der Richtung D1) angeordnet. Die Gatter-Antriebsleitung 23 auf der m₁-ten Reihe (wobei m₁ = 1,2, ... M₁) ist elektrisch mit einem Steueranschluss (Gatter) des Transistors 25 verbunden, der für jedes der auf der m₁-ten Reihe lokalisierten Pixel 20 vorgesehen ist. Die Spannungszufuhrleitung 24 in der m₂-ten Spalte (wobei m₂ = 1,2, ..., M₂) ist elektrisch mit einem von Stromanschlüssen (beispielsweise einer Source) des Transistors 25 verbunden, der in jedem der in der m₂-ten Spalte lokalisierten Pixeln 20 vorgesehen ist. Ein anderer der Stromanschlüsse (beispielsweise ein Drain) des Transistors 25 ist elektrisch mit dem Metallfilm 5 des Pixels 20 über Verdrahtungen im Pixel 20 verbunden.
Die Antriebsschaltung 2A beinhaltet weiter eine Vielzahl von Kondensatoren 26, die in jedem der Pixel 20 angeordnet sind. Der Kondensator 26, der ein Beispiel einer Spannungshalteeinheit in der vorliegenden Modifikation ist, hält eine an den Metallfilm 5 im Pixel 20 für jeden individuellen Metallfilm 5 angelegte Spannung. Die spezifische Konfiguration des Kondensators 26 ist wie in der obigen Ausführungsform beschrieben.
Wie in der vorliegenden Modifikation können die M Pixel zweidimensional angeordnet sein. In diesem Fall können immer noch die Effekte ähnlich der obigen Ausführungsformen bereitgestellt werden.
(Zweite Ausführungsform)
26 ist eine vergrößerte Aufsicht, die ein Pixel 30 zeigt, das in einer Variabel-Phasen-Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthalten ist. 27 ist eine Querschnittsansicht längs in 26 gezeigten Linie XXVII-XXVII. Die Variabel-Phasenvorrichtung der vorliegenden Ausführungsform weist eine Konfiguration auf, in welche M Pixel 30 eindimensional, wie in 1 gezeigt, oder zweidimensional, wie in 23 gezeigt, angeordnet sind. Der Anordnungsabstand der M Pixel 30 ist weniger als die Wellenlänge von Einfallslicht und ist längs der Anordnungsrichtung der M Pixel 30 konstant.
Jedes Pixel 30 beinhaltet N Unterpixel 30a, 30b (wobei N eine Ganzzahl von 2 oder mehr ist; die Figur zeigt im Falle von N = 2). Jedes der Unterpixel 30a, 30b weist eine Struktur zum Ändern der Phase von Einfallslicht auf. Die Unterpixel 30a, 30b sind in einer Linie entlang der Anordnungsrichtung der Pixel 30 (der Richtung D1 in der vorliegenden Ausführungsform) angeordnet. Die Breiten der Unterpixel 30a, 30b, die entlang der Anordnungsrichtung definiert sind, sind zueinander gleich. In einem Fall, bei dem N 3 oder mehr ist, ist der Anordnungsabstand der Unterpixel (die Distanz zwischen Zentren angrenzender Unterpixel entlang der Richtung D1) konstant entlang der Anordnungsrichtung der N Unterpixel.
Ein Hauptunterschied zwischen der ersten Ausführungsform und der zweiten Ausführungsform ist, dass in der zweiten Ausführungsform ein Substrat 13 und eine Brechungsindex-Modulationsschicht 14 statt der Stapelstruktur 7 angeordnet sind, und dass ein Si-Film 12 statt des Metallfilms 11 angeordnet ist. Außer hinsichtlich einer solchen Differenz ist die Struktur der zweiten Ausführungsform die gleiche wie die Struktur der ersten Ausführungsform. Die Variabel-Phasenvorrichtung der zweiten Ausführungsform weist einen sogenannten Hochkontrastraster (HCG, high contrast grating) Struktur auf und moduliert die Phase des zu modulierenden Lichts L für jedes Pixel 30 durch Ändern des Brechungsindex der Brechungsindex-Modulationsschicht 14.
Das Substrat 13 beinhaltet beispielsweise GaAs oder Si und weist eine flache Hauptoberfläche 13a und eine Rückoberfläche 13b auf. Die Dicke des Substrats 100 bis 2000 µm. Die Brechungsindex-Modulationsschicht 14 ist eine anorganische dielektrische Schicht, die auf der Hauptoberfläche 13a des Leck-Inspektionsschritt S13 angeordnet ist. Die Brechungsindex-Modulationsschicht 14 besteht aus einem Material, dessen Brechungsindex sich gemäß der Größe des elektrischen Felds ändert, wie etwa KTN (ein Oxidkristall, das K, Nb und Ta beinhaltet), LN (ein Oxidkristall, das Nb, Li und O₂ beinhaltet) oder ein elektro-optisches Polymer und weist eine Dicke auf, die in den Bereich von beispielsweise 50 nm bis 1000 µm fällt.
Der Si-Film 12 ist auf einer Seite von Oberfläche 14a der Brechungsindex-Modulationsschicht 14 (der Seite entgegengesetzt zum Substrat 13) angeordnet. In einem Beispiel ist der Si-Film 12 auf der Oberfläche 14a der Brechungsindex-Modulationsschicht 14 so angeordnet, dass er in Kontakt mit der Oberfläche 14a steht. Der Si-Film 12 weist eine Leitfähigkeit und Funktionen als eines von einem Paar von Elektroden zum Anlegen eines elektrischen Feldes an die Brechungsindex-Modulationsschicht 14 auf. Die Filmdicke des Si-Films 12 fällt innerhalb des Bereichs von beispielsweise 100 bis 1000 nm, und 850 nm ist ein Beispiel. Der Si-Film 12 beinhaltet einen partiellen Film 12a, der auf der Brechungsindex-Modulationsschicht 14 des Unterpixels 30a angeordnet ist, und einen partiellen Film 12b, der auf der Brechungsindex-Modulationsschicht 14 des Unterpixels 30b angeordnet ist. Wie in 26 illustriert, sind die partiellen Filme 12a und 12b entlang der Richtung D1 angeordnet und voneinander getrennt. Die Zentrumsposition der partiellen Filme 12a und 12b sind wie entlang der Richtung D1 lokalisiert, koinzidieren mit den Zentrumspositionen der Unterpixel 30a und 30b, auch entlang der Richtung D1 lokalisiert sind. Die Breiten Wa und Wb der partiellen Filme 12a und 12, die entlang der Richtung D1 definiert sind, werden eingestellt, kleiner als die Breiten der Unterpixel 30a und 30b zu sein, die auch entlang der Richtung D1 definiert sind und werden eingestellt, ausreichend kleiner als die Wellenlänge des zu modulierenden Lichts L zu sein. Die Breiten Wa und Wb sind zueinander gleich. Die Breiten Wa und Wb der partiellen Filme 12a und 12b fallen innerhalb des Bereichs von beispielsweise 100 bis 360 nm und in einem Beispiel beträgt sie 240 nm. Die Distanz zwischen Zentren der partiellen Filme 12a und 12b (das heißt der Anordnungsabstand der Unterpixel 30a und 30b) fällt innerhalb des Bereichs von beispielsweise 100 bis 2000 nm, und 400 nm ist ein Beispiel.
Der Metallfilm 5 ist auf der anderen Oberflächen-14b-Seite der Brechungsindex-Modulationsschicht 14 angeordnet. In der vorliegenden Ausführungsform ist der Metallfilm 5 auf der Rückoberfläche 13b des Substrats 13 angeordnet, um in Kontakt mit der Rückoberfläche 13b zu stehen. Der Metallfilm 5 reflektiert das zu modulierende Licht L, das an der Brechungsindex-Modulationsschicht 14 eingegeben wird, zur Oberfläche 14a. Es ist anzumerken, dass die spezifische Konfiguration des Metallfilms 5 der Konfiguration der obigen Ausführungsform ähnelt.
Die Variabel-Phasenvorrichtung der vorliegenden Ausführungsform beinhaltet weiter eine (nicht illustrierte) Antriebsschaltung. Die Antriebsschaltung steuert zwischen den partiellen Filmen 12a, 12b des Si-Films 12 und dem Metallfilm 5 angelegte Spannungen individuell für jeden der partiellen Filme 12a und 12b. Die Konfiguration der Antriebsschaltung ähnelt der Konfiguration, die in 4 oder 25 illustriert ist. Es ist anzumerken, dass jedoch der Transistor 25 in jedem der Unterpixel 30a und 30b angeordnet ist und die Stromanschlüsse dieser Transistoren 25 elektrisch mit den partiellen Filmen 12a bzw. 12b verbunden sind.
Wenn eine Spannung zwischen den partiellen Filmen 12a (oder 12b) und dem Metallfilm 5 angelegt wird, ändert der Brechungsindex der Brechungsindex-Modulationsschicht 14 sich anhand der Größe des durch die Spannung erzeugten elektrischen Felds. Entsprechend variiert die optische Distanz von der Oberfläche 14a der Brechungsindex-Modulationsschicht 14 (Lichteinfallsebene) zur Oberfläche des Metallfilms 5 (Licht-Reflektionsoberfläche), und somit ist die Phase eines partiellen Lichtstrahls (austretendes Licht), der aus der Oberfläche 14a nach Reflektion durch den Metallfilm 5 ausgegeben wird, abhängig von der Größe der Spannung. Da die zwischen den partiellen Filmen 12a und 12b des Si-Films 12 und dem Metallfilm 5 angelegten Spannungen individuell für jeden der partiellen Filme 12a und 12b gesteuert werden, wird die Phase des zu modulierenden Lichts für jedes der Unterpixel 30a, 30b moduliert. Mit anderen Worten, wie in der oben beschriebenen Ausführungsform, ermöglicht es die Konfiguration der vorliegenden Ausführungsform, unabhängig Phasen für jedes der Unterpixel 30a, 30b zu steuern.
(Dritte Ausführungsform)
28 ist ein Diagramm, das eine Querschnittsstruktur eines Pixels 40 illustriert, das in einer Variabel-Phasenvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthalten ist. Die Variabel-Phasenvorrichtung der vorliegenden Ausführungsform weist eine Konfiguration auf, in welcher M Pixel 40 eindimensional angeordnet sind, wie in 1 gezeigt, oder zweidimensional, wie in 23 gezeigt. Ein Anordnungsabstand der M Pixel 40 ist weniger als die Wellenlänge von Einfallslicht und ist entlang der Anordnungsrichtung der M Pixel 40 konstant.
Jedes Pixel 40 beinhaltet N Unterpixel 40a, 40b (wobei N eine Ganzzahl von 2 oder mehr ist; die Figur zeigt den Fall von N = 2). Jedes der Unterpixel 40a, 40b weist eine Struktur zum Ändern der Phase von Einfallslicht auf. Die Unterpixel 40a, 40b sind in einer Linie entlang der Anordnungsrichtung der Pixel 40 angeordnet (der Richtung D1 in der vorliegenden Ausführungsform). Die entlang der Anordnungsrichtung definierten Breiten der Unterpixel 40a, 40b sind zueinander gleich. In einem Fall, bei dem N 3 oder mehr ist, ist der Anordnungsabstand der Unterpixel (die Distanz zwischen Zentren angrenzender Unterpixel entlang der Richtung D1) entlang der Anordnungsrichtung der N Unterpixel konstant.
Die Struktur der Variabel-Phasenvorrichtung ähnelt der Struktur der Variabel-Phasenvorrichtung der oben beschriebenen ersten Ausführungsform, außer dass die Variabel-Phasenvorrichtung eine elektro-optische Kristallschicht 41 statt der Stapelstruktur 7 der oben beschriebenen ersten Ausführungsform beinhaltet. Die elektro-optische Kristallschicht 41 beinhaltet hauptsächlich ein Material mit einem elektro-optischen Effekt (dem Pockels-Effekt oder dem Kerr-Effekt) (beispielsweise KTN (ein Oxidkristall, das K, Nb, und Ta), LN (ein Oxidkristall, das Nb, Li und O₂) oder dergleichen beinhaltet), und weist eine flache Hauptoberfläche 41a und eine Rückoberfläche 41b auf. Die Dicke der elektro-optischen Kristallschicht 41 fällt innerhalb des Bereichs von beispielsweise 10 bis 1000 nm. Die Variabel-Phasenvorrichtung beinhaltet weiter einen transparenten Elektrodenfilm 42 (einen ersten transparenten Elektrodenfilm), der auf der Seite der Hauptoberfläche 41a der elektro-optischen Kristallschicht 41 angeordnet ist, und einen transparenten Elektrodenfilm 43 (einen zweiten transparenten Elektrodenfilm), der auf der Seite der Rückoberfläche 41b angeordnet ist. Der transparente Elektrodenfilm 42 ist über die Hauptoberfläche 41a angeordnet und steht in einem Beispiel in Kontakt mit der Hauptoberfläche 41a. Der transparente Elektrodenfilm 43 ist über der Rückoberfläche 41b angeordnet und ist in einem Beispiel in Kontakt mit der Rückoberfläche 41b. Die transparenten Elektrodenfilme 42 und 43 weisen Leitfähigkeit auf und beinhalten hauptsächlich ein Material, welches das zu modulierende Licht durchlässt (beispielsweise ITO, AZO, GZO, und dergleichen). Die Dicke der transparenten Elektrodenfilme 42 und 43 fällt innerhalb des Bereichs von beispielsweise 10 bis 1000 nm.
Der transparente Elektrodenfilm 42 fungiert als ein Paar von Elektroden zum Anlegen eines elektrischen Felds an die elektro-optische Metallschicht 41. Der transparente Elektrodenfilm 42 beinhaltet einen partiellen Film 42a, der auf der elektro-optischen Kristallschicht 41 des Unterpixels 40a angeordnet ist, und einen partiellen Film 42b, der auf der elektro-optischen Kristallschicht 41 des Unterpixels 40b angeordnet ist. Die partiellen Filme 42a und 42b sind entlang der Richtung D1 angeordnet und voneinander getrennt. Der transparente Elektrodenfilm 43 fungiert als der eine des Paars von Elektroden zum Anlegen eines elektrischen Felds an die elektro-optische Kristallschicht 41. Der transparente Elektrodenfilm 43 beinhaltet einen auf der elektro-optischen Kristallschicht 41 des Unterpixels 40a angeordneten partiellen Film 43a und einen auf der elektro-optischen Kristallschicht 41 des Unterpixels 40b angeordneten partiellen Film 43b. Die partiellen Filme 43a und 43b sind entlang der Richtung D1 angeordnet und voneinander getrennt.
Die Variabel-Phasenvorrichtung beinhaltet weiter einen Lichtreflektionsfilm 45, der eine Licht reflektierende Oberfläche 45a aufweist. Der Lichtreflektionsfilm 45 ist in jedem der Unterpixel 40a und 40b vorgesehen und die Licht reflektierende Oberfläche 45a ist zur Rückoberfläche 41b der elektro-optischen Kristallschicht 41 entgegengesetzt. Die Licht reflektierende Oberfläche 45a reflektiert das zu modulierende Licht, das an der elektro-optischen Kristallschicht 41 eingegeben wird, zur Hauptoberfläche 41a. Der Lichtreflektionsfilm 45 ist beispielsweise ein Metallfilm, der auf dem transparenten Elektrodenfilm 43 gebildet ist, und beinhaltet ein Material, wie etwa Au oder Al. Die Dicke des Lichtreflektionsfilms 45 fällt innerhalb des Bereichs von beispielsweise 30 bis 100 nm. Es ist anzumerken, dass der transparente Elektrodenfilm 43 zwischen der Licht reflektierenden Oberfläche 45a und der elektro-optischen Kristallschicht 41 angeordnet ist.
In der vorliegenden Ausführungsform unterscheiden sich die Unterpixel 40a und 40b voneinander in der optischen Distanz zwischen dem transparenten Elektrodenfilm 43 und der Licht reflektierenden Oberfläche 45a. Spezifisch, während das Unterpixel 40b eine licht-transmissive Schicht 44 beinhaltet, die zwischen dem partiellen Film 43b des transparenten Elektrodenfilms 43 und der Licht reflektierenden Oberfläche 45a angeordnet ist, beinhaltet das Unterpixel 40a die licht-transmissive Schicht 44 zwischen dem partiellen Film 43a des transparenten Elektrodenfilms 43 und der Licht reflektierenden Oberfläche 45a nicht. Die licht-transmissive Schicht 44 beinhaltet beispielsweise SiO₂, Si₃N₄, Luft oder ein Halbleitersubstrat (beispielsweise GaAs oder Si).
Die Variabel-Phasenvorrichtung der vorliegenden Ausführungsform beinhaltet weiter eine (nicht illustrierte) Antriebsschaltung. Die Antriebsschaltung steuert individuell zwischen den partiellen Filmen 42a und 42b des transparenten Elektrodenfilms 42 und den partiellen Filmen 43a und 43b des transparenten Elektrodenfilms 43 angelegte Spannungen für jeden partiellen Film. Die Konfiguration der Antriebsschaltung ähnelt der in 4 oder 25 illustrierten Konfiguration. Es ist jedoch anzumerken, dass der Transistor 25 in jedem der Unterpixel 40a und 40b angeordnet ist und die Stromanschlüsse dieser Transistoren 25 elektrisch mit den partiellen Filmen 42a und 42b oder den partiellen Filme 43a bzw. 43b verbunden sind.
Wenn eine Spannung zwischen dem partiellen Film 42a und dem partiellen Film 43a angelegt wird, ändert sich der Brechungsindex der elektro-optischen Kristallschicht 41 im Unterpixel 40a gemäß der Größe des durch die Spannung erzeugten elektrischen Felds. Entsprechend variiert die optische Distanz von der Hauptoberfläche 41a der elektro-optischen Kristallschicht 41 (Lichteinfallsebene) zur Rückoberfläche 41b, und somit hängt die Phase eines aus der Hauptoberfläche 41a nach Reflektion durch die Licht reflektierende Oberfläche 45a ausgegebenen partiellen Lichtstrahls (austretendes Licht) von der Größe der Spannung ab. Dasselbe gilt für das Unterpixel 40b. zusätzlich, da die zwischen dem transparenten Elektrodenfilm 42 und dem transparenten Elektrodenfilm 43 angelegten Spannungen individuell für jeden der partiellen Filme gesteuert werden, wird die Phase des zu modulierenden Lichts für jedes der Unterpixel 40a und 40b moduliert. Mit anderen Worten, wie in der oben beschriebenen Ausführungsform, ermöglicht es die Konfiguration der vorliegenden Ausführungsform, unabhängig Phasen für jedes der Unterpixel 40a und 40b zu steuern.
Zusätzlich unterscheiden sich in der vorliegenden Ausführungsform die Unterpixel 40a und 40b voneinander in der optischen Distanz zwischen dem transparenten Elektrodenfilm 43 und der Licht reflektierenden Oberfläche 45a abhängig davon, ob die licht-transmissive Schicht 44 vorhanden ist. Als ein Ergebnis kann die Anfangsphase des austretenden Lichts zwischen den Unterpixeln 40a und 40b unterschiedlich gemacht werden, und daher kann der Bereich variabler Phase in jedem Pixel 40 expandiert werden. Solche Effekte können auch in einem Fall bereitgestellt werden, bei dem die Anzahl N von Unterpixeln drei oder mehr beträgt. Insbesondere, falls die Anfangsphasen von N Unterpixeln voneinander um 2π/N (rad) verschoben sind, wird es ermöglicht, eine signifikante Phasenänderung in jedem Pixel 40 zu erzielen, während die Anfangsphasen-Differenz zwischen Unterpixeln maximiert und der Bereich von Phasenvariation in jedem Unterpixel reduziert wird.
Es ist anzumerken, dass in der vorliegenden Ausführungsform in jedem Pixel 40 die Spannung zwischen dem partiellen Film 42a und dem partiellen Film 43a des Unterpixels 40a und die Spannung zwischen dem partiellen Film 42b und dem partiellen Film 43b des Unterpixels 40b unabhängig (getrennt) voneinander gesteuert werden. Jedoch, in einem Fall, bei dem die optische Distanz zwischen dem transparenten Elektrodenfilm 43 und der Licht reflektierenden Oberfläche 45a sich zwischen den Unterpixeln 40a und 40b unterscheidet, können diese Spannungen gemeinsam gesteuert werden (auf dieselbe Spannung).
(Spezifische Beispiele)
Nunmehr diskutiert das Nachfolgende ein Modell, in welchem Pixel voneinander durch Bereitstellen eines Spalts dazwischen für den Zweck des Reduzierens von Schnittstelle zwischen angrenzenden Pixeln getrennt werden. 29 ist ein schematisches Diagramm, das eine vergrößerte Ansicht eines Pixels 10 aus einer Vielzahl von Pixeln 10, die entlang der Richtung D1 angeordnet sind, zeigt. Das Pixel 10 beinhaltet zwei Unterpixel 10a und 10b, die entlang der Richtung D1 angeordnet sind. Zusätzlich ist ein Spalt 50 zwischen dem Pixel 10 und dem Pixel 10, die aneinander angrenzen, vorgesehen. Der Spalt 50 fungiert nicht als ein Pixel.
Zuerst diskutiert das Nachfolgende ein Modell, in welchem die Wellenlänge von Einfallslicht 1550 nm und der Abstand T 1000 nm beträgt. In einem Fall, bei dem die Breite U des Spalts 50, der entlang der Richtung D1 definiert ist, 200 nm beträgt, ist die Breite L1 des Pixels 10 800 nm, und ist die Breite S1 jedes der Unterpixel 10a und 10b 400 nm. Es wird angenommen, dass das Intensitätsverhältnis zwischen dem Unterpixel 10a und dem Unterpixel 10a 1:1 ist und die Phasen der Unterpixeln 10a und 10b π/2 (rad) bzw. 0 (rad) in der Meta-Oberfläche sind. Wenn Licht mit einer Gauss'schen Funktions-Lichtintensitäts-Verteilung (Lichtquellengröße: 200 nm) einfallend ist, werden zwei aus den Unterpixeln 10a und 10b emittierte, partielle Lichtstrahlen miteinander wie in 30 gezeigt kombiniert. Es ist anzumerken, dass, wie bei 11, 30 ein Graph ist, welcher durch Simulieren eines Zustands erhalten wird, in welchem zwei aus den Unterpixeln 10a und 10b ausgegebene partielle Lichtstrahlen kombiniert werden. Wie oben zu sehen, solange wie der Abstand T kleiner als die Wellenlänge von Einfallslicht ist, können aus den Unterpixeln 10a und 10b ausgegebene partielle Lichtstrahlen geeignet kombiniert werden, selbst falls der Spalt 50 zwischen den Pixeln 10 vorgesehen ist.
Als Nächstes diskutiert das Nachfolgende ein Modell, in welchem die Wellenlänge von Einfallslicht 1550 nm beträgt und der Abstand T 1600 nm ist. Es wird angenommen, dass die Breite L1 des Pixels 10 und die Breite S1 der Unterpixel 10a und 10b die gleichen sind wie im obigen Beispiel, außer dass die Breite U des Spalts 50 zu 800 m verändert wird. Es wird angenommen, dass das Intensitätsverhältnis zwischen dem Unterpixel 10b und dem Unterpixel 10a 1:1 beträgt und die Phasen der Unterpixel 10a und 10b π/2 (rad) bzw. 0 (rad) in der Meta-Oberfläche sind. Wenn Licht mit einer Gauss'schen Funktionslichtintensitäts-Verteilung (Lichtquellengröße: 200 nm) einfällt, werden zwei aus den Unterpixeln 10a und 10b ausgegebene partielle Lichtstrahlen nicht miteinander kombiniert und kollabiert die Wellenfront wie in 31 gezeigt. Wie oben zu sehen, trotz der Tatsache, dass die Breite L1 des Pixels 10 kleiner als die Wellenlänge von Einfallslicht ist, wenn der Abstand T größer als die Wellenlänge von Einfallslicht ist, werden aus den Unterpixeln 10a und 10b ausgegebene partielle Lichtstrahlen nicht kombiniert, um nur Interferenzen zu verursachen.
Die vorliegenden Erfinder haben weiter eine geeignete Größe des Spalts 50 untersucht. 32 ist ein Diagramm, welches schematisch vier Pixel 10 illustriert, die entlang der Richtung D1 angeordnet sind. Jedes der Pixel 10 beinhaltet zwei Unterpixel 10a und 10b. Während die Breite L1 des Pixels 10 auf 800 nm (fixiert) eingestellt ist, wird die Breite U des Spalts 50 auf vier verschiedene Werte eingestellt: 0 nm, 100 nm, 200 nm, und 300 nm. Es wird angenommen, dass das Intensitätsverhältnis zwischen dem Unterpixel 10b und dem Unterpixel 10a 1:1 in jedem Pixel 10 ist. Es wird weiter angenommen, dass die kombinierten Phasen jedes Pixels 0 (rad), π/2 (rad), π (rad) und 3π/2 (rad) von links nach rechts sind. Spezifisch wird angenommen, dass die Phasen der Unterpixel 10a und 10b des linkesten Pixels 10 5π/6 (rad) bzw. 3π/2 (rad) sind, die Phasen der Unterpixel 10a und 10b des zweiten Pixels ab links 0 (rad) bzw. 4π/3 (rad) sind, die Phasen der Unterpixel 10a und 10b des dritten Pixels 10 von links π/2 (rad) bzw. 11π/6 (rad) sind, und die Phasen der Unterpixeln 10a und 10b des rechtesten Pixels 10 π (rad) bzw. π/3 (rad) sind.
33 bis 36 sind Graphen, welche durch Simulieren eines Zustands erhalten werden, in welchem Licht aus den vier Pixeln 10 ausgegeben wird. 33 zeigt den Fall, bei dem die Breite U des Spalts 50 0 nm beträgt, 34 zeigt den Fall, bei dem die Breite U 100 nm beträgt, 35 zeigt den Fall, bei dem die Breite U 200 nm beträgt, und 36 zeigt den Fall, bei dem die Breite U 300 nm beträgt. Repräsentationen der vertikalen Achse, der horizontalen Achse, und dergleichen sind ähnlich zu jenen in 11. Die Wellenlänge von Einfallslicht beträgt 1550 nm.
Unter Bezugnahme auf 34 bis 36, die Fälle zeigen, bei denen der Spalt 50 bereitgestellt ist, wird Interferenz (Übersprechen) zwischen Pixeln wahrgenommen, reduziert zu sein, im Vergleich zu 33, welche den Fall zeigt, bei dem der Spalt 50 nicht bereitgestellt wird. Insbesondere in dem Fall, bei dem die Breite U des Spalts 50 200 nm beträgt (das heißt das Verhältnis der Breite U zum Abstand T ist 20%), wird die Interferenz (Übersprechen) beachtlich reduziert. Die Bereitstellung des Spalts 50 auf diese Weise kann Interferenz zwischen Pixeln unterdrücken, um eine bessere Wellenfront zu bilden. Es ist anzumerken, dass beispielsweise die Breite U vorzugsweise größer als 0% und gleich oder kleiner als 20% des Abstands T der Pixel ist.
Die Variabel-Phasenvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist nicht auf die Beispiele der oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern wird durch die Ansprüche angegeben und es ist beabsichtigt, dass jede Modifikation innerhalb von Bedeutung und Schutzumfang äquivalent zu den Ansprüchen enthalten sei. Beispielsweise können die oben beschriebenen Ausführungsformen und deren Modifikationen in jeglicher Weise kombiniert werden, gemäß einem notwendigen Zweck und Effekt. In den obigen Ausführungsformen und Modifikationen derselben sind Beschreibungen über eine Konfiguration gegeben worden, in welchen die Antriebsschaltung mit der Stapelstruktur, der Brechungsindex-Modulationsschicht oder der elektro-optischen Kristallschicht integriert ist. Jedoch kann in einer Konfiguration gemäß der vorliegenden Erfindung die Antriebsschaltung von der Stapelstruktur, der Brechungsindex-Modulationsschicht oder der elektro-optischen Kristallschicht getrennt sein.
Zusätzlich, in den obigen Ausführungsformen und deren Modifikationen, sind Beschreibungen zu Beispielen gegeben worden, in welchen die vorliegende Erfindung auf eine Vorrichtung angewendet wird, welche Phasen des eingegebenen zu modulierenden Lichts für jeden Pixel moduliert. Jedoch kann die vorliegende Erfindung auch auf eine Vorrichtung angewendet werden, die Licht für jedes individuelle Pixel emittiert. Mit anderen Worten kann die Variabel-Phasenvorrichtung M Pixel enthalten, die eindimensional oder zweidimensional angeordnet sind und Licht emittieren, kann der Anordnungsabstand der M Pixel kleiner als die EmissionsWellenlänge und konstant sein, und kann jedes der M Pixel N Unterpixel enthalten, die alle eine Struktur aufweisen, in welchen die Phase des austretenden Lichts variabel ist. In diesem Fall werden in Bezug auf jedes der M Pixel aus den N Unterpixeln ausgegebene N partielle Lichtstrahlen auch zu Licht kombiniert (ein einzelner Lichtstrahl), das eine Einzelphase im Fernfeld aufweist. Daher können Effekte ähnlich zu jenen der obigen Ausführungsformen und Modifikationen davon immer noch bereitgestellt werden.
Bezugszeichenliste

1A, 1B: Meta-Oberfläche
1a: Hauptoberfläche
2, 2A: Antriebsschaltung
3: Halbleiterschicht (transparente leitfähige Schicht)
4: Dielektrikschicht
5: Metallfilm
7, 7A: Stapelstruktur
7a: Hauptoberfläche
7b: Rückoberfläche
10, 10A: Pixel
10a, 10b, 10c: Unterpixel
11: Metallfilm
11a bis 11f: Partieller Film
12: Si-Film
12a, 12b: Partieller Film
13: Substrat
13a: Hauptoberfläche
13b: Rückoberfläche
14: Brechungsindex-Modulationsschicht
20: Pixel
20a, 20b, 20c: Unterpixel
21: Halbleiterschicht
21a, 21b: Halbleiterregion
21c: Frontoberfläche
23: Gatter-Antriebsleitung
24: Spannungszufuhrleitung
25: Transistor
25a: Gatterelektrode
25b: Quellelektrode
25c: Drain-Elektrode
25d: Verdrahtung
26: Kondensator
27, 28: Isolationsschicht
29: Dielektrische Schicht
30, 40: Pixel
30a, 30b, 40a, 40b: Unterpixel
41: Elektro-optische Kristallschicht
41a: Hauptoberfläche
41b: Rückoberfläche
42, 43: Transparenter Elektrodenfilm
42a, 42b, 43a, 43b: Partieller Film
44: Lichttransmissive Schicht
45: Lichtreflektionsfilm
45a: Licht reflektierende Oberfläche
50: Spalt
71, 72: Bereich
D1, D2: Richtung
L: Zu modulierendes Licht
Vd: Antriebsspannung
Vg: Gatterspannung
W1, W2: Anordnungsabstand

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 Patentliteratur

JP 2008250220 [0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Yao-Wei Huang et al., „Gate-Tunable Conducting Oxide Metasurfaces“, Nano Letters, 2016, 16 (9), S. 5319-5325 [0004]
Ghazaleh Kafaie Shirmanesh et al., „Dual-Gated Active Metasurface at 1550 nm with Wide (>300°) Phase Tunability“, Nano Letters, 2018, 18 (5), S. 2957-2963 [0005]

Claims

Variabel-Phasenvorrichtung, umfassend: M Pixel, wobei M eine Ganzzahl von zwei oder mehr ist, die eindimensional entlang einer ersten Richtung auf einer Referenzebene ausgerichtet sind, oder zweidimensional entlang der ersten Richtung und einer die erste Richtung schneidenden zweiten Richtung angeordnet sind, wobei jedes der M Pixel Licht emittiert, oder Licht moduliert, wobei ein Anordnungsabstand, welcher durch eine Distanz zwischen Zentren von Pixeln, die entlang zumindest der ersten Richtung aneinander angrenzend sind, von den M Pixeln definiert ist, kleiner ist als eine Wellenlänge von Einfallslicht und konstant entlang der ersten Richtung, wobei jedes der M Pixel N Unterpixel, wobei N eine Ganzzahl von 2 oder mehr ist, beinhaltet, die alle eine Struktur aufweisen, die in der Lage ist, eine Phase des Einfallslichts zu verändern, und in jedem der M Pixel, N partielle Lichtstrahlen, die aus den N Unterpixeln ausgegeben werden, zu Licht kombiniert werden, das im Fernfeld eine einzelne Phase aufweist.
Variabel-Phasenvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei in jedem der M Pixel Anfangsphasen der N Unterpixel sich voneinander unterscheiden.
Variabel-Phasenvorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei die Anfangsphasen der N Unterpixel voneinander um 2π/N (rad) verschoben sind.
Variabel-Phasenvorrichtung gemäß Anspruch 1, weiter umfassend: eine Stapelstruktur, die eine transparente leitfähige Schicht und eine dielektrische Schicht beinhaltet, und eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche aufweist, wobei die erste Oberfläche mit der Referenzebene koinzidiert und eine Oberfläche ist, die das Einfallslicht zu erreichen hat, und die zweite Oberfläche der ersten Oberfläche gegenüberliegend ist; einen auf der ersten Oberflächenseite der Stapelstruktur angeordneten, ersten Metallfilm; einen auf der zweiten Oberflächenseite der Stapelstruktur angeordneten zweiten Metallfilm, wobei der zweite Metallfilm das in die Stapelstruktur über die erste Oberfläche aufgenommene Einfallslicht zur zweiten Oberfläche reflektiert; und eine Antriebsschaltung, die konfiguriert ist, eine zwischen dem ersten Metallfilm und dem zweiten Metallfilm angelegte Spannung zu steuern, wobei der erste Metallfilm eine Vielzahl von partiellen Filmen beinhaltet, die auf jedem der N Unterpixel angeordnet und voneinander getrennt sind; jedes der N Unterpixel einen partiellen Film und ein Paar von Bereichen beinhaltet, wobei der partielle Film jedem der N Unterpixel aus der Vielzahl von partiellen Filmen entspricht, und das Paar von Bereichen aus dem ersten Metallfilm so exponiert ist, dass es den entsprechenden partiellen Film bei Sicht aus einer Stapelrichtung von der ersten Oberfläche zur zweiten Oberfläche sandwiched, und die Antriebsschaltung individuell ein Potential jedes der Vielzahl von partiellen Filmen des ersten Metallfilms steuert, um die Phase jedes der aus den N Unterpixeln ausgegebenen N partiellen Lichtstrahlen zu modulieren.
Variabel-Phasenvorrichtung gemäß Anspruch 1, weiter umfassend: eine Stapelstruktur, die eine transparente leitfähige Schicht und eine Dielektrikschicht beinhaltet und eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche aufweist, wobei die erste Oberfläche mit der Referenzebene koinzidiert und eine Oberfläche ist, die das Einfallslicht zu erreichen hat, und die zweite Oberfläche der ersten Oberfläche gegenüberliegt; einen ersten Metallfilm, der auf der Seite der ersten Oberfläche der Stapelstruktur angeordnet ist; einen zweiten Metallfilm, der auf der Seite der zweiten Oberfläche der Stapelstruktur angeordnet ist, wobei der zweite Metallfilm das in die Stapelstruktur über die erste Oberfläche aufgenommene Einfallslicht zur ersten Oberfläche reflektiert; und eine Antriebsschaltung, die konfiguriert ist, eine zwischen dem ersten Metallfilm und dem zweiten Metallfilm angelegte Spannung zu steuern, wobei der erste Metallfilm eine Vielzahl von partiellen Filmen beinhaltet, die auf jedem der N Unterpixel angeordnet und voneinander getrennt sind, wobei jedes der N Unterpixel einen partiellen Film und ein Paar von Bereichen beinhaltet, wobei der partielle Film jeden der M Unterpixel aus der Vielzahl von partiellen Filmen entspricht und das Paar von Bereichen aus dem ersten Metallfilm heraus exponiert ist, um so den entsprechenden partiellen Film bei Sicht aus einer Stapelrichtung von der ersten Oberfläche zur zweiten Oberfläche zu sandwichen, Breiten der Vielzahl von partiellen Filmen, die auf jedem der M Unterpixel angeordnet sind, sich voneinander unterscheiden, wobei die Breiten entlang der ersten Richtung definiert sind, so dass Anfangsphasen der M Unterpixel sich voneinander unterscheiden, und die Antriebsschaltung individuell oder kollektiv ein Potential jedes der Vielzahl von partiellen Filmen des ersten Metallfilms steuert, um die Phase jedes der aus den N Unterpixeln ausgegebenen N partiellen Lichtstrahlen zu modulieren.
Variabel-Phasenvorrichtung gemäß Anspruch 5, wobei die Anfangsphasen der N Unterpixel voneinander um 2π/N (rad) verschoben sind.
Variabel-Phasenvorrichtung gemäß Anspruch 1, weiter umfassend: eine Brechungsindex-Modulationsschicht mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche, wobei die erste Oberfläche mit der Referenzebene koinzidiert, und die zweite Oberfläche der ersten Oberfläche gegenüberliegend ist, wobei die Brechungsindex-Modulationsschicht ein Dielektrikum umfasst; einen Si-Film, der auf der ersten Oberflächenseite der Brechungsindex-Modulationsschicht angeordnet ist; einen Metallfilm, der auf der zweiten Oberflächenseite der Brechungsindex-Modulationsschicht angeordnet ist, wobei der Metallfilm das in die Brechungsindex-Modulationsschicht über die erste Oberfläche aufgenommene Einfallslicht zur ersten Oberfläche reflektiert; und eine Antriebsschaltung, die konfiguriert ist, eine zwischen dem Si-Film und dem Metallfilm angelegte Spannung zu steuern, wobei der Si-Film eine Vielzahl von partiellen Filmen beinhaltet, die auf jedem der N Unterpixel angeordnet und voneinander getrennt sind, und die Antriebsschaltung individuell ein Potential jedes der Vielzahl von partiellen Filmen in dem Si-Film steuert, um die Phase jedes der N partiellen Lichtstrahlen, die aus den N Unterpixeln ausgegeben sind, zu modulieren.
Variabel-Phasenvorrichtung gemäß Anspruch 1, weiter umfassend: eine elektro-optische Kristallschicht mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche, wobei die erste Oberfläche mit der Referenzebene koinzidiert, und die zweite Oberfläche zur ersten Oberfläche gegenüberliegend ist; einen ersten transparenten Elektrodenfilm, welcher auf Seite der ersten Oberfläche der elektro-optischen Kristallschicht angeordnet ist; eine Lichtreflektionsoberfläche, welche auf der zweiten Oberflächenseite der elektro-optischen Kristallschicht angeordnet ist, wobei die Lichtreflektionsoberfläche das in die elektro-optische Kristallschicht über die erste Oberfläche aufgenommene Einfallslicht zur ersten Oberfläche reflektiert; einen zweiten transparenten Elektrodenfilm, der zwischen der Lichtreflektionsoberfläche und der zweiten Oberfläche der elektro-optischen Kristallschicht angeordnet ist; und eine Antriebsschaltung, welche konfiguriert ist, eine zwischen dem ersten transparenten Elektrodenfilm und dem zweiten transparenten Elektrodenfilm angelegte Spannung zu steuern, wobei der erste transparente Elektrodenfilm oder/und der zweite transparente Elektrodenfilm eine Vielzahl von partiellen Filmen beinhaltet, die auf jedem der N Unterpixel angeordnet und voneinander getrennt sind, und die Antriebsschaltung individuell ein Potential jedes der Vielzahl von partiellen Filmen steuert, die in dem ersten transparenten Elektrodenfilm oder/und dem zweiten transparenten Elektrodenfilm enthalten sind, um die Phase jedes der aus den N Unterpixeln ausgegebenen N partiellen Lichtstrahlen zu modulieren.
Variabel-Phasenvorrichtung gemäß Anspruch 1, weiter umfassend: eine elektro-optische Kristallschicht mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche, wobei die erste Oberfläche mit der Referenzebene koinzidiert, und die zweite Oberfläche zur ersten Oberfläche gegenüberliegend ist; einen ersten transparenten Elektrodenfilm, welcher auf der ersten Oberflächenseite der elektro-optischen Kristallschicht angeordnet ist; eine Lichtreflektions-Oberfläche, die auf der zweiten Oberflächenseite der elektro-optischen Kristallschicht angeordnet ist, wobei die Lichtreflektions-Oberfläche das in die elektro-optische Kristallschicht über die erste Oberfläche aufgenommene Einfallslicht zur zweiten Oberfläche reflektiert; einen zweiten transparenten Elektrodenfilm, der zwischen der Licht-Reflektionsoberfläche und der zweiten Oberfläche der elektro-optischen Kristallschicht angeordnet ist; und eine Antriebsschaltung, welche konfiguriert ist, eine zwischen dem ersten transparenten Elektrodenfilm und dem zweiten transparenten Elektrodenfilm angelegte Spannung zu steuern, wobei der erste transparente Elektrodenfilm oder/und der zweite transparente Elektrodenfilm eine Vielzahl von partiellen Filmen beinhaltet, die auf jedem der N Unterpixel angeordnet und voneinander getrennt sind, eine optische Distanz zwischen dem zweiten transparenten Elektrodenfilm und der Lichtreflektionsoberfläche sich zwischen den N Unterpixeln so unterscheidet, dass Anfangsphasen der N Unterpixel sich voneinander unterscheiden, und die Antriebsschaltung individuell oder kollektiv Potentiale der Vielzahl von partiellen Filmen steuert, die in dem ersten transparenten Elektrodenfilm oder/und dem zweiten transparenten Elektrodenfilm enthalten sind, um die Phase jedes der aus den N Unterpixeln ausgegebenen N partiellen Lichtstrahlen zu modulieren.
Variabel-Phasenvorrichtung gemäß Anspruch 9, wobei die Anfangsphasen der N Unterpixel voneinander um 2π/N (rad) verschoben sind.