DE60208008T2

DE60208008T2 - Vorrichtung zur steuerung eines lichtstrahls

Info

Publication number: DE60208008T2
Application number: DE60208008T
Authority: DE
Inventors: Melanie Holmes
Original assignee: Thomas Swan and Co Ltd
Current assignee: Thomas Swan and Co Ltd
Priority date: 2001-03-28
Filing date: 2002-03-27
Publication date: 2006-08-24
Anticipated expiration: 2022-03-28
Also published as: US20040135965A1; WO2002079870A3; US20060209250A1; EP1373977A2; GB0107742D0; EP1373977B1; AU2002242868A1; DE60208008D1; US7417706B2; WO2002079870A2; ATE313103T1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Strahlsteuervorrichtung.
Die Strahlsteuerung kann durch räumliche Lichtmodulatoren (SLMs) mit einem Flüssigkristall auf Silicium bewirkt werden, die aus einem Feld von Pixelelementen bestehen, die jeweils aus einer reflektierenden Rückseitenelektrode, einer Vorderseitenelektrode auf einem Deckglas, die häufig allen Pixeln gemeinsam ist, und zwischen den zwei Elektroden einer Schicht aus Flüssigkristall, an die ein elektrisches Feld unter Verwendung der Vorderseiten- und Rückseitenelektroden angelegt wird, bestehen. Es können sich auch optische Zwischenschichten zwischen dem Flüssigkristall und der Rückseitenelektrode befinden. Die Steuerschaltungen für die Rückseiten- und Vorderseitenelektroden können einen Teil einer darunterliegenden Siliciumrückwandplatine bilden oder auf dieser Rückwandplatine angeordnet sein. Eine Planarisierung mit optischer Qualität, wie es bei der VLSI-Fertigung erforderlich ist, um eine optische Lithographie unter einem Mikrometer zu ermöglichen, kann über den Steuerschaltungskomponenten verwendet werden, so dass die Rückseitenelektroden auf einer Oberfläche mit optischer Qualität abgeschieden werden und daher auch als Spiegel mit hoher Qualität wirken können. In bestimmten SLMs, dem Hauptgegenstand dieser Erfindung, sind einzelne Rückseitenelektroden durch einen "Totraum" elektrisch isoliert, der beispielsweise durch Ätzen zwischen ihnen ausgebildet wird.
Solche SLMs können unter Verwendung eines Siliciumprozesses ausgebildet werden, um einen räumlichen Lichtmodulator mit einem Flüssigkristall auf Silicium bereitzustellen. In einer solchen Vorrichtung liegt die Breite des Totraums typischerweise zwischen ein- und zweimal der minimalen Strukturgröße des CMOS-Prozesses.
SLMs, die Flüssigkristalle verwenden, sind für Signalverarbeitungsanwendungen insofern attraktiv, als sie eine Modulation der Lichtphase und/oder Amplitude und/oder Doppelbrechung ermöglichen. Sowohl eine binäre Phasenmodulation als auch mehrfache (> 2 Pegel) Phasenmodulation kann in einer von der Polarisation unabhängigen Weise implementiert werden, was die Konstruktion von Strahlsteuervorrichtungen für Kommunikationsleitweglenkungsanwendungen ermöglicht. Mehrfach-Phasenmodulations-Felder sind für optische Leitweglenkungsanwendungen besonders attraktiv, da sie verwendet werden können, um den Effekt eines neigbaren Spiegels nachzuahmen und Strahlen zwischen Quelle(n) und Empfänger(n) zu steuern. Strahlsteuervorrichtungen, die SLMs verwenden, zeigen Hologrammmuster auf Feldern von Pixelelementen an, wobei die Pixel separat steuerbar sind, um den Abstand des Hologrammgitters auszuwählen. Unter Verwendung von Mehrphasen-Flüssigkristallen kann die Phasendifferenz von Pixel zu Pixel nach Wunsch gesteuert werden. Kritische Leistungsanforderungen für die optische Leitung sind der Einfügungsverlust, Nebensprechen, die Schalterrekonfigurationszeit und die physikalische Größe, die letztere insbesondere in Großstadtbereich-Anwendungen, bei denen sich Leitweglenkungsknoten häufig in den Räumen des Kunden befinden können.
Kreuzschienenschalter-Entwurfsstudien zeigen, dass die physikalische Länge eines Schalters zum Quadrat des Pixelabstandes proportional ist. Andere Arten von Leitweglenkungsarchitekturen besitzen Längen, die zum Pixelabstand linear proportional sein können. Daher erfordern kompakte optische Schalter SLMs mit sehr kleinen Pixeln. Der Einfügungsverlust ist jedoch auch ein wichtiger Parameter: für Mehrfach-Phasenmodulations-SLMs ist die grundlegende Grenze für den Einfügungsverlust durch die relative Breite des Totraums im Vergleich zum Pixelabstand festgelegt. Dies legt insbesondere eine untere Grenze für den Pixelabstand und daher für die physikalische Schaltergröße fest. Eine Weise zum Beseitigen dieser Grenze besteht darin, einen CMOS-Prozess mit einer kleineren Strukturgröße zu verwenden und daher die Totraumbreite zu verringern, was eine Verringerung des Pixelabstandes für denselben Einfügungsverlustnachteil ermöglicht. Kleinere CMOS-Prozesse sind jedoch mit niedrigeren Betriebsspannungen verbunden und können daher eine dickere Zelle für denselben Bereich der Phasenmodulation erfordern. Dies verlängert die Schalterrekonfigurationszeit. Obwohl dieses Problem durch höhere Versorgungsspannungen und Transistoren mit hoher Spannung angegangen werden kann, nimmt die maximale verfügbare Spannung immer noch mit der Verringerung der Strukturgröße ab. Ein weiteres Probleme beim Totraum ist das, was dem Licht passiert, das hindurchtritt: es kann innerhalb des Substrats abprallen und irgendwo austreten (wobei es durch einen anderen Totraum wieder austritt), was Nebensprechen verursacht.
Ein Dokument mit dem Titel "A diffraction based polarisation independent light valve" (D. Ulrich, C. Tombling, J. Slack, P. Bonnett, B. Henley, M. Robinson und D. Anderson) wurde bei einem Treffen der Institution of Electrical Engineers am 17. März 2000 präsentiert. Dieses Dokument erörtert die Verwendung von Beugungs-LC-Lichtmodulatoren für Projektionsanzeigen und Projektions- und Betrach tungssysteme. In einer Vorrichtung mit Vorderseitenelektroden in Form von mehreren linearen Streifen und mehreren Rückseitenpixelelektroden, die die Pixel definieren, wobei die Vorderseitenelektroden und die Rückseitenelektroden einen Flüssigkristall sandwichartig zwischen sich aufnehmen, ist es bestätigt, dass zum Vorsehen eines hohen Kontrastverhältnisses die Spalte zwischen den Pixeln einen darunterliegenden Spiegel besitzen sollten. Im beschriebenen Lichtmodulator ist die Periode des Gitters als Abstand der Streifen-Vorderseitenelektroden festgelegt. Die Steuerung der Spannung an der Rückseitenelektrode wird verwendet, um ein Gitter mit festen Abstand mit variabler Effizienz zu erzeugen. In der beschriebenen Ausführungsform sind vier Vorderseitenelektroden pro Pixel vorhanden. Wenn diese Vorderseitenelektroden mit +V, –V, +V, –V angesteuert werden, ist zu sehen, dass auf der Seite des Spalts zwischen den Pixeln eine Vorderseitenelektrode auf +V und eine Vorderseitenelektrode auf –V liegt. Es wird behauptet, dass der Effekt der darunterliegenden Spiegelelektroden im Spalt zwischen den Pixeln die Beugung minimieren soll. In dem Dokument wird vorgeschlagen, dass der darunterliegende Spiegel in einer VLSI-Rückwandplatine aufgenommen werden könnte, indem die Lichtabschirmungsprozesse modifiziert werden, die verwendet werden, um die Siliciumvorrichtungen vor einer sichtbaren Strahlung zuschützen.
Eine Ausführungsform des beschriebenen Verfahrens der vorliegenden Erfindung nutzt die Korrelationseffekte zwischen der Richterorientierung von benachbarten Flüssigkristallmolekülen und auch das Potential für mehrere übereinander liegende Schichten der Schaltung in der CMOS-Fertigung des Standes der Technik.
Ausführungsformen der Erfindung schaffen drei signifikante Verbesserungen in der Vorrichtungsleistung, indem der Totraum reflektierend gemacht wird. In einer ersten Ausführungsform wird der Verlustnachteil aufgrund des Totraums signifikant verringert. In einer zweiten Ausführungsform können für einen annehmbaren Verlustnachteil viel kleinere Pixel verwendet werden, was die Herstellung von viel kompakteren optischen Schaltern ermöglicht. In einer dritten Ausführungsform können für einen annehmbaren Verlustnachteil größere CMOS-Prozesse verwendet werden, die die Herstellung von Schaltern mit einer schnelleren Rekonfigurationszeit ermöglichen (siehe vorstehend). Die Ausführungsformen schaffen auch verbessertes Nebensprechen, da das auf den Totraum einfallende Licht wieder nach außen zurückreflektiert wird, anstatt dass es innerhalb des Substrats abprallt.
Gemäß einem ersten allgemeinen Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Steuern eines Lichtstrahls geschaffen, wobei die Vorrichtung ein Feld von Elementen umfasst, wobei der Lichtstrahl auf das Feld von Elementen einfällt, wobei jedes Element eine reflektierende Rückseitenelektrode und eine Vorderseitenelektrode besitzt, wobei die Rück- und die Vorderseitenelektrode hinter bzw. vor einer Flüssigkristallschicht angeordnet sind, wobei die Rückseitenelektroden voneinander beabstandet sind, um das Feld zu definieren, und eine reflektierende Schicht hinter den Rückseitenelektroden angeordnet ist, um Licht, das in die Räume zwischen den Rückseitenelektroden einfällt, im Wesentlichen phasengleich mit dem Licht, das von den Rückseitenelektroden reflektiert wird, zu reflektieren.
Die Strahlsteuervorrichtung der Erfindung ermöglicht, dass eine linear erhöhte Phasenverschiebung, beispielsweise eine stückweise lineare Phasenverteilung über einem Feld von Elementen erzeugt wird, um den auf das Feld einfallenden Lichtstrahl in die gewünschte Richtung zu lenken. Folglich ist die Vorrichtung der Erfindung in der Lage, Lichtstrahlen in auswählbare Richtungen zu leiten, indem eine gewünschte Phasenverteilung über einem Feld von Phasenmodulationselementen eingerichtet wird und indem diese Verteilung über dem Feld verwendet wird, um auf das Feld einfallendes Licht zu steuern. Obwohl die Spannungen zum Erzeugen der Phasenverschiebungen räumlich periodisch sein können, schränkt die physikalische Form der Vorrichtung weder die räumliche Periodizität noch die Phasenverteilung ein, mit Ausnahme der Einschränkung der maximalen verfügbaren Phasenmodulation. Im Zusammenhang mit einer Anzeige ist es erwünscht, ein weißes Pixel auf einem Bildschirm zu erzeugen, indem ein auf eine einzelne Pixelelektrode einfallender Strahl um ein erstes festes Ausmaß abgelenkt wird, und ein schwarzes Pixel auf dem Bildschirm durch Spiegelreflexion dieses Strahls, gefolgt von seiner Absorption, zu erzeugen: dieses Erfordernis kann durch ein festes Beugungsgitter pro Pixel erfüllt werden, das eingeschaltet oder ausgeschaltet werden kann. Es ist für Fachleute zu erkennen, dass, obwohl ein festes Gitter verwendet werden kann, um zwischen zwei Richtungen umzuschalten, es nicht in der Lage ist, zwischen mehreren verschiedenen Richtungen umzuschalten. Für eine Steuerung in mehreren Richtungen ist ein festes Gitter ungeeignet.
In den Ausführungsformen ist die Vorderseitenelektrode dem Feld von Elementen gemeinsam.
In einer Ausführungsform weist die Vorrichtung eine Steuerschaltung auf einem Substrat und eine Planarisierungsschicht, die auf der Steuerschaltung angeordnet ist, auf, die Rückseitenelektroden sind auf der Planarisierungsschicht angeordnet und jeweilige Verdrahtungen verlaufen durch die Planarisierungsschicht von den Rückseitenelektroden zur Steuerschaltung und ein Abschnitt der Steuerschaltung sieht die reflektierende Schicht vor.
In einer weiteren Ausführungsform ist eine Steuerschaltung auf einem Substrat angeordnet und eine Planarisierungsschicht ist auf der Steuerschaltung angeordnet, wobei die Rückseitenelektroden auf der Schicht angeordnet sind, jeweilige Verdrahtungen durch die Planarisierungsschicht von den Rückseitenelektroden zur Steuerschaltung verlaufen, und wobei die reflektierende Schicht innerhalb der Planarisierungsschicht angeordnet ist.
In einer nochmals weiteren Ausführungsform ist eine Steuerschaltung auf einem Substrat angeordnet, eine erste Planarisierungsschicht ist auf der Steuerschaltung angeordnet, wobei die reflektierende Schicht auf der ersten Planarisierungsschicht angeordnet ist und eine zweite Planarisierungsschicht auf der reflektierenden Schicht und der ersten Planarisierungsschicht angeordnet ist, wobei die Rückseitenelektroden auf der zweiten Planarisierungsschicht angeordnet sind, wobei jeweilige Verdrahtungen durch die Planarisierungsschichten von den Rückseitenelektroden zur Steuerschaltung verlaufen.
Vorteilhafterweise ist eine weitere Planarisierungsschicht über den Rückseitenelektroden oder in einer Höhe mit diesen angeordnet.
Eine Wellenplatte ist über den Rückseitenelektroden angeordnet.
Zweckmäßig besteht die reflektierende Schicht aus Metall.
In einer Ausführungsform erstreckt sich die reflektierende Schicht nur, um die Räume zwischen den Rückseitenelektroden im Wesentlichen zu füllen.
In einer anderen Ausführungsform erstreckt sich die reflektierende Schicht unter den Rückseitenelektroden.
In einer nochmals anderen Ausführungsform erstreckt sich die reflektierende Schicht nur teilweise über die Räume.
Zweckmäßig umfasst die Vorrichtung ferner eine Schaltung zum Verbinden zumindest eines Abschnitts der reflektierenden Schicht mit einer ausgewählten Spannung.
Gemäß einem Beispiel wird ein optischer Leitweglenkungsschalter mit mindestens einer Strahlsteuervorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung geschaffen.
Gemäß einem weiteren Beispiel wird ein Verfahren zum Steuern von Licht mit einer ersten Richtung in eine gewünschte zweite Richtung geschaffen, wobei das Verfahren umfasst:
Bewirken, dass der Lichtstrahl auf eine reflektierende Flüssigkristallvorrichtung einfällt;
Auswählen einer gewünschten räumlichen Phasenmodulationskennlinie für die Flüssigkristallvorrichtung, um dadurch eine Ablenkung von der ersten Richtung in die zweite Richtung zu schaffen; und
Vorsehen einer räumlichen Verteilung von Phasenpegeln über der Flüssigkristallvorrichtung, um zumindest an die gewünschte Kennlinie anzunähern;
wobei der Schritt des Vorsehens einer räumlichen Verteilung von Phasenpegeln das Ansteuern des Flüssigkristalls an aufeinanderfolgenden beabstandeten Ansteuerstellen umfasst, um ansteigende diskrete Phasenpegel zu schaffen; und
Glätten von Übergängen in der Phase zwischen den beabstandeten Ansteuerstellen -durch Vorsehen von weiteren. Stellen zwischen den beabstandeten Ansteuerstellen und Reflektieren des Lichts durch den Flüssigkristall an den weiteren Stellen.
Selbst wenn die Phasenpegel diskrete Stufen sind, sind die Übergänge dadurch glatt und dies erhöht den Beugungswirkungsgrad in den Ausführungsformen.
Zweckmäßig umfasst der Schritt des Ansteuerns des Flüssigkristalls das Vorsehen von Elektroden an den diskreten Ansteuerstellen und das Anlegen von Spannungen an aufeinanderfolgende Elektroden, um die ansteigenden Phasenpegel aufgrund des Flüssigkristalls zu bewirken.
Zweckmäßig umfasst der Schritt des Glättens das Vorsehen von Räumen zwi schen den Elektroden an den weiteren Stellen und das Vorsehen von reflektierenden Elementen in den Räumen und hinter den Elektroden.
Indem von den Toträumen zwischen den Elektroden Gebrauch gemacht wird, kann die Leistung des SLM tatsächlich gegenüber einem idealen SLM ohne Toträume zwischen den Elektroden, an den diskrete Spannungen angelegt werden, erhöht werden.
In einem Beispiel sind die Elektroden reflektierend, wodurch die Flüssigkristallvorrichtung reflektierend ist.
In einem weiteren Beispiel ist eine reflektierende Schicht hinter den Elektroden angeordnet, wodurch die Flüssigkristallvorrichtung reflektierend ist.
Der Schritt des Vorsehens von reflektierenden Elementen umfasst vorzugsweise das Anordnen der reflektierenden Elemente in einem Abstand hinter den Elektroden, so dass das dadurch reflektierte Licht die Flüssigkristallvorrichtung im Wesentlichen phasengleich mit dem durch die Elektroden reflektierten Licht verlässt.
Nun werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 die Beziehung des Einfügungsverlusts zum Pixelabstand und zur Totraumbreite zeigt;
2A das Indexellipsoid im Volumen der Zelle zeigt, das von den Einflüssen der Ausrichtungsschichten entfernt und unter feldlosen Bedingungen ist;
2B die Richtung der Neigungsänderung unter Bedingungen eines angelegten Feldes zeigt;
3 eine teilweise schematische Querschnittsansicht durch einen SLM ist, die die veränderliche Ausrichtung mit dem Rückseitenelektrodenpotential pro Pixel zeigt;
4 einen Graph zeigt, der eine ideale Phasenmodulation mit einer 8-Phasenpegel-Modulation vergleicht;
5 den Verlustnachteil für eine eindimensionale Phasenmodulation aufgrund des Totraums zwischen Pixeln zeigt;
6 eine Querschnittsansicht und einen Aufriss einer ersten Ausführungsform einer Strahlsteuervorrichtung mit einem reflektierenden Totraum gemäß der Erfindung zeigt;
7 eine Querschnittsansicht und einen Aufriss einer zweiten Ausführungsform einer Strahlsteuervorrichtung mit einem reflektierenden Totraum gemäß der Erfindung zeigt;
8 eine Querschnittsansicht und einen Aufriss einer dritten Ausführungsform einer Strahlsteuervorrichtung mit einem reflektierenden Totraum gemäß der Erfindung zeigt;
9 eine teilweise Querschnittsansicht durch eine Strahlsteuervorrichtung gemäß der Erfindung zeigt, die die Effekte des Einfalls außerhalb der Senkrechten zeigt; und
10 eine weitere Ausführungsform einer Strahlsteuervorrichtung gemäß der Erfindung zeigt, in der ein Abschnitt der reflektierenden Schicht von anderen Abschnitten isoliert ist und über eine Schaltung mit einem ausgewählten Potential verbunden ist.
In den verschiedenen Fig. beziehen sich die gleichen Bezugszeichen auf gleiche Teile.
In den folgenden Absätzen werden die Einfügungsverlustnachteile und die unteren Grenzen für den Pixelabstand, die durch den Totraum auferlegt werden, wie derzeit hergestellt, beschrieben und quantifiziert.
Die Wirkung des Totraums auf den Beugungswirkungsgrad wird durch Betrachten der Modulation am SLM (eines oder mehrere von Amplitude, Phase und Doppelbrechung) als Produkt der Modulation eines idealen SLM (ohne Totraum) und einer Pixel-"Fenster"-Funktion, die den Wert von 1 über den Rückseitenelektroden und von 0 über dem Totraum hat, analysiert. Zu diesem Produkt wird die Modula tion addiert, die durch den Totraum auf beliebiges Licht angewendet wird, welches auch immer von der optischen Planarisierungsschicht reflektiert wird, die zwischen den Rückseitenelektroden freiliegt. Da diese Planarisierungsschicht Quarz mit einem Brechungsindex nahe jenem des Flüssigkristalls sein kann, kann in einer ersten Näherung angenommen werden, dass nichts von dem Licht, das auf den Totraum einfällt, reflektiert wird. Eine Fourier-Analyse zeigt dann, dass der Beugungswirkungsgrad in die beabsichtigte Strahlsteuerrichtung für ein 2-D-Feld von quadratischen Pixeln um einen Faktor verringert wird, der in Gleichung (1) gegeben ist, wobei d die Breite des Totraums ist und p der Pixelabstand ist. Tatsächlicher 2-D-Wirkungsgrad = (1 – d/p)4. Wirkungsgrad eines idealen SLM (1)
Mit Bezug auf 1 ist der Verringerungsfaktor als Einfügungsverlustnachteil (in dB) als Funktion des Pixelabstandes und für Totraumbreiten von 0,14 μm, 0,26 μm, 0,5 μμm entsprechend zweimal der minimalen Strukturgröße von CMOS-Prozessen mit 70 nm, 0,13 μm bzw. 0,25 μm aufgetragen. Dieser Einfügungsverlustnachteil gilt für einen einzelnen SLM.
In vielen Leitweglenkungsvorrichtungen sind jedoch zwei SLMs vorgesehen und daher wäre der Einfügungsverlustnachteil zweimal der in 1 gezeigte Wert.
Für das Beispiel eines Pixelabstandes von 3 μm wäre der Einfügungsverlustnachteil in einem Kreuzschienen-Leitweglenkungsschalter 6,3 dB für eine Totraumbreite von 0,5 μm, der für Totraumbreiten von 0,26 μm und 0,14 μm auf 3,1 dB bzw. 1,6 dB abnimmt. Die physikalische Länge des Strahlsteuerbereichs innerhalb eines solchen Kreuzschienenschalters ist proportional zum Quadrat des Pixelabstandes und ist daher ein direkter Kompromiss zwischen der Größe und dem Einfügungsverlust.
Für ein 1-D-Feld von (rechteckigen) Pixeln wird der Beugungswirkungsgrad in der beabsichtigten Strahlsteuerrichtung um einen Faktor verringert, der in Gleichung (2) gegeben ist. Tatsächlicher 1-D-Wirkungsgrad = (1 – d/p)2. Wirkungsgrad eines idealen SLM (2)
Daher können die Verlustnachteile für eine 1-D-Phasenmodulation aus 1 durch Halbieren des im Graphen gezeigten Werts erhalten werden.
Das Nächste ist eine Erläuterung der Physik der von der Polarisation unabhängigen Mehrfach-Phasenmodulation und eine Beschreibung dessen, wie sich der Flüssigkristall gewöhnlich in den Bereichen zwischen den Elektroden, d. h. über dem Totraum, verhält, unter der Annahme, dass die Ausrichtung gut ist und der Totraum schmal genug ist, so dass Zufallsdomänen oder Disklinationen in diesem Bereich nicht erscheinen.
Wie in unserer gleichzeitig anhängigen Patentanmeldung WO 01/25840 erörtert, wird die Mehrfach-Phasenmodulation zweckmäßig in einem Flüssigkristall erreicht, indem das Material derart ausgerichtet wird, dass unter einem angelegten Feld der Richter (oder zweckmäßig die uniaxiale Achse) seine Neigung in einer Ebene ändert, die zu den Vorder- und Rückseitenelektroden senkrecht ist. Ein von der Polarisation unabhängiger Betrieb eines Strahlsteuer-SLM für Leitweglenkungsanwendungen wird durch Abscheiden einer Viertelwellenplatte auf den Rückseitenelektroden erreicht, wobei die Orientierung der Viertelwellenplattenachsen derart ist, dass Licht, das in der Ebene der Neigung des Richters polarisiert ist, durch den SLM zurückreflektiert wird, wobei seine Polarisationsebene zur Ebene der Neigung senkrecht ist, und umgekehrt.
Licht, das durch ein kristallines Medium läuft, kann als Überlagerung von zwei Fortpflanzungsmoden betrachtet werden. Diese zwei Moden laufen mit verschiedenen Phasengeschwindigkeiten, die unter Verwendung der geometrischen Konstruktion des Indexellipsoids (Indikatrix) berechnet werden können. Ein uniaxiales Medium ist durch eine Indikatrix gekennzeichnet, die ein Rotationsellipsoid um eine Achse ist, die gewöhnlich zum Richter des Flüssigkristalls parallel ist. Die lange Achse des Ellipsoids weist eine Länge gleich dem außerordentlichen Brechungsindex n_e auf, wohingegen beide kurzen Achsen senkrecht zur langen Achse liegen und dieselbe Länge n_o (ordentlicher Brechungsindex) annehmen, wie in 2A gezeigt. Es soll eine zum Wellenfront-Fortpflanzungsvektor senkrechte Ebene konstruiert werden. Der Schnitt dieser Ebene mit dem Ellipsoid definiert eine Ellipse (Indexellipse). Die Richtungen der Hauptachse und der Nebenachse dieser Ellipse definieren zwei orthogonale Polarisationsmoden, während die Länge dieser zwei Achsen den Brechungsindex definiert, der von der entsprechenden Mode erfahren wird.
Wenn der zu verwendende Flüssigkristallzellentyp eine Zelle mit variabler Doppel brechung ist, ist das, was für die Zellenstruktur erforderlich ist, dass sie zu einer Neigung "außerhalb der Ebene" in der Lage sein sollte, wobei sich Ebene auf die Ebene des Deckglases bezieht, Geeignete Zellenstrukturen sind die planar-homöotrope Freederickz-Zelle, eine π-Zelle und eine HAN-Zelle (nematische Hybridausrichtungszelle). Eine vertikal ausgerichtete Nematik kann auch verwendet werden. Ähnliche Zellen, die eine Verdrehung sowie eine Neigung außerhalb der Ebene verwenden, können geeignet sein. Ein Beispiel einer Verdrehung ist eine verdrehte nematische Zelle, in der die Richtung der uniaxialen Ausrichtung am vorderen Deckglas zu jener am hinteren Deckglas senkrecht ist, obwohl in beiden Fällen die Ausrichtung in einer zum Deckglas parallelen Ebene liegt.
Für die Freederickz-Zelle wird, wenn kein elektrisches Feld angelegt wird, das Indexellipsoid auf die lange Achse parallel zum Deckglas ausgerichtet, indem geeignete Ausrichtungsschichten verwendet werden. Wenn jedoch ein Feld über das Material angelegt wird, neigt sich der Richter von der Ebene des Deckglases weg und in die Richtung des angelegten Feldes. Mit weiterem Bezug auf 2A werden die zwei kurzen Achsen des Indexellipsoids als in der bzw. senkrecht zur Ebene des Deckglases definiert. Die Vektoreinheit y ^ soll zur kurzen Achse in der Ebene des Deckglases parallel sein, der Einheitsvektor z ^ soll zum Deckglas senkrecht sein und der Einheitsvektor x ^ soll so definiert sein, dass x ^, y ^ und z ^ einen orthogonalen rechtsläufigen Satz bilden. Daher liegt die lange Achse des Indexellipsoids immer in der x-z-Ebene.
Mit Bezug nun auf 2B soll die anfängliche Ausrichtungsrichtung der langen Achse des Indexellipsoids in der x ^-Richtung liegen. Beim Anlegen irgendeines elektrischen Feldes in der z ^-Richtung (senkrecht zum Glas) dreht sich die lange Achse in der x-z-Ebene um den Winkel θ. Durch Betrachten des Indexellipsoids ist es klar, dass für Licht, das in der y ^-Richtung polarisiert ist, derselbe effektive Brechungsindex n_o unabhängig von θ erfahren wird. Licht, das in der x ^-Richtung polarisiert ist, erfährt jedoch einen modifizierten Brechungsindex, der von θ abhängt. Das Ändern der Stärke des angelegten Feldes ändert θ und ändert daher den Brechungsindex, der vom Licht erfahren wird, das in der x ^-Richtung polarisiert ist. In dieser Weise wird die Phase von Komponenten von Licht, das entlang der x ^-Richtung läuft, in einer kontinuierlichen (analogen) Weise moduliert.
Es soll linear polarisiertes Licht betrachtet werden, das durch einen solchen Flüssigkristall läuft, hinter dem sich eine Viertelwellenplatte und dann ein Spiegel befindet. Auf dem Weg in Richtung der Viertelwellenplatte und des Spiegels erfährt die Polarisationskomponente, die in der x ^-Richtung polarisiert ist, die Änderung des angewendeten Index (oder Phasenmodulation), die mit n_APP bezeichnet wird, während die Komponente in der y ^-Richtung dies nicht tut und statt dessen einen Brechungsindex n_o erfährt, der vom angelegten Feld unabhängig ist. Die Orientierung der Viertelwellenplatte ist derart, dass diese zwei Polarisationskomponenten ausgetauscht werden. Daher nimmt die eine Komponente die angewendete Phasenmodulation bei der Fortpflanzung in Richtung der Viertelwellenplatte und des Spiegels wahr, während die orthogonale Komponente die (gleiche) angewendete Phasenmodulation nach der Reflexion am Spiegel und nach dem Rücklaufen durch die Viertelwellenplatte wahrnimmt. Daher ist die Phasenmodulation von der Polarisation unabhängig, wie durch Jones-Matrixanalyse bewiesen werden kann. Für eine Flüssigkristallschichtdicke von t nehmen beide Polarisationskomponenten eine Nettophasenmodulation von 2π(n_o + n_APP)t/λ wahr, wobei n_APP eine kontinuierliche Funktion der angelegten Spannung ist.
Mit erneutem Bezug auf 2A sollen die Ebenen der Vorder- und Rückseitenelektroden zur xy-Ebene parallel sein und der Richter soll in der xz-Ebene geneigt sein. In 3 soll nun eine Querschnittsebene durch den Flüssigkristall 3 betrachtet werden, die wieder zur xy-Ebene parallel ist und in einem Abstand Z von den Rückseitenelektroden 2 liegt. Die Rückseitenelektroden 2 sind mit Pixeln versehen. Um einen Strahl zu steuern, der auf eine Fläche des Modulators in einer gewünschten Zielrichtung einfällt, wird eine räumlich variierende Phasenmodulationskennlinie ausgewählt, um die gewünschte Ablenkung zu schaffen, um somit zu bewirken, dass die Vorrichtung einen geneigten Spiegel nachahmt. Dann wird das Feld von Rückseitenelektroden, die die Phasenmodulationselemente dieser Fläche definieren, betätigt, um zu bewirken, dass die durch den darüberliegenden Flüssigkristall angewendete Phasenmodulation die gewünschte Kennlinie annähert. Dies wird durch Anlegen von Stufenspannungen an aufeinanderfolgende Rückseitenelektroden erreicht, wobei die Spannungen schrittweise von einem ausgewählten Minimum bis zu einem Pegel laufen, bei dem der darüberliegende Flüssigkristall eine ausgewählte maximale Phasenverschiebung bereitstellt. Die Stufenspannungen wiederholen sich über das Feld, so dass die Spannungskennlinie typischerweise räumlich periodisch ist. Die Anzahl von Rückseitenelektroden pro räumlicher Periode ist gemäß der gewünschten Kennlinie variabel. Die Anzahl hängt auch von der Auflösung der Vorrichtung ab. Je kleiner die Elektroden sind, desto enger kann die Näherung an der gewünschten Kennlinie liegen.
Ein zweiter Strahl, der auf eine zweite räumlich unterschiedliche Fläche der Vorrichtung einfällt, wird durch Auswählen einer anderen Phasenkennlinie für diese zweite Fläche in eine andere Richtung gesteuert. Diese zweite Fläche weist wahrscheinlich eine andere Verteilung von Spannungen auf. Vor jeder speziellen Rückseitenelektrode weist der Flüssigkristallrichter daher eine Neigung 4A-4C auf, die für das angelegte Feld spezifisch ist. Obwohl sich diese Neigung mit dem Abstand Z von der Rückseitenelektrode ändert, ist die Neigung über irgendein Pixel und bei irgendeinem festen Z im Wesentlichen gleichmäßig. In der Praxis kann es Kanteneffekte geben, so dass die Neigung vor den Kanten von jedem Pixel aufgrund von Korrelationen mit der Neigung vor den benachbarten Pixeln modifiziert wird, wie als nächstes beschrieben wird.
Zusätzlich zu einer Abhängigkeit von einem angelegten elektrischen Feld hängt die Richterorientierung auch von der Orientierung seiner benachbarten Moleküle ab, d. h. die Orientierungen sind aufgrund von elastischen Kräften korreliert, wobei eine typische Korrelationslänge in der Größenordnung eines Mikrometers liegt, was länger ist als der Totraum für typische CMOS-Prozesse unter einem Mikrometer.
Durch den Totraum wird keine Spannung angelegt und daher kann die Richterorientierung über dem Totraum durch die Orientierung des Flüssigkristalls über den aktiven Pixeln auf beiden Seiten des Totraums sowie durch irgendwelche Randfelder von diesen benachbarten Pixeln bestimmt sein. Außerdem nimmt das elektrische Feld innerhalb des Flüssigkristalls über dem Totraum einen gewissen Mittelwert des elektrischen Feldes über den zwei Pixeln auf beiden Seiten an, was die Korrelation verstärkt und die Korrelationslänge für die Richterorientierung erhöht.
Daher kann die Phasenmodulation, die durch den Totraum auferlegt wird, als gewisser gewichteter Mittelwert der Phasenmodulation, die durch die benachbarten Pixel auferlegt wird, betrachtet werden, wobei das Gewicht wahrscheinlich vom Abstand von jedem benachbarten Pixel abhängt. Das einfachste Modell für ein solches Verhalten ist, dass die Phasenmodulation linear über den Totraum variiert, wie durch die durchgezogene Linie in 4 für den Fall einer regulären 8-Pegel-1-D-Phasenmodulation gezeigt.
Mit Bezug nun auf 4 ist eine Phasenmodulationskennlinie für eine periodische Acht-Pixel-Verteilung gezeigt. Die Rückseitenelektrode des ersten Pixels wird mit einer Spannung bezüglich der Vorderseitenelektrode versehen, um eine ausgewählte minimale Phasenverschiebung zu verursachen, und nacheinander benachbarte Pixel werden mit einer zunehmenden Spannungsdifferenz bezüglich der Vorderseitenelektrode bis zum achten Pixel versehen. Am achten Pixel ist die Spannung an der Rückseitenelektrode bezüglich der Vorderseitenelektrode derart, dass fast eine ausgewählte maximale Phasenverschiebung von der Flüssigkristallschicht bereitgestellt wird. Somit kann das gesamte (hier eindimensionale) Feld die gewünschte Kennlinie bereitstellen, das neunte Pixel wird mit denselben Spannungsbedingungen versehen wie das erste Pixel und die Kennlinie wiederholt sich dann bis zum sechzehnten Pixel, bevor sie sich erneut wiederholt.
Die folgenden Absätze beschreiben die Verbesserungen des Einfügungsverlusts, die erhalten werden würden, wenn der Totraum so geändert werden würde, dass er das Licht reflektiert, das auf ihn einfällt. Diese Verbesserung liegt an den Korrelationen in der Molekülorientierung, die durch elastische und elektrische Kräfte verursacht werden.
Wenn der Totraum so geändert werden kann, dass er das auf diesen einfallende Licht reflektiert, so dass das reflektierte Licht mit dem an den aktiven Pixeln reflektierten Licht im Wesentlichen phasengleich ist, dann kann die durch die Richterkorrelationen erzeugte Phasenmodulation den Vorrichtungsbeugungswirkungsgrad verbessern und kann einiges oder das meiste des Einfügungsverlustnachteils aufgrund des Totraums wiedergewinnen. In 4 ist auch die ideale Phasenmodulationsverteilung als gestrichelte Linie gezeigt. Die Linien in der Fig. zeigen, dass die Phasenmodulation über dem Totraum tatsächlich näher an der idealen Verteilung liegt als sie bei Abwesenheit irgendeines Totraums wäre, außer am Ende von jedem Zyklus, wo ein "Rücklauf" vorhanden- ist. Für eine reguläre 1-D-m-Pegel-Phasenmodulation mit einer gleichmäßigen Phasenmodulation über dem aktiven Bereich von jedem Pixel und einer linearen Phasenänderung über dem Totraum, wie in 4 für das Beispiel von m = 8 und eine Periode von 8 Pixeln gezeigt, kann der Beugungswirkungsgrad in der ersten Ordnung unter Verwendung einer Fourierreihenanalyse abgeleitet werden. Die Ergebnisse zeigen, dass abgesehen vom Rücklauf-Totraum der Beugungswirkungsgrad durch den idealen reflektierenden Totraum im Vergleich zu einer Vorrichtung ohne Totraum verbessert wird und dass diese Verbesserung mit dem Wert von d/p zu nimmt. Der Rücklauf verringert jedoch den Beugungswirkungsgrad. Es ist zu beachten, dass, wenn mehr Phasenpegel zur Verfügung stehen, dann Feineinstellungen jedes Pegels verwendet werden könnten, um die Auswirkung des Rücklauftotraums zu minimieren und den Beugungswirkungsgrad zu maximieren. Es ist auch zu beachten, dass, wenn der Rücklauf außerhalb des aktiven Beleuchtungsbereichs liegt, der Wirkungsgradnachteil aufgrund des Rücklaufs entfernt wird.
Unter der Annahme, dass das Licht, das vom Totraum reflektiert wird, mit dem Licht, das von den Rückseitenelektroden reflektiert wird, perfekt phasengleich ist und dass die Reflexionsvermögen der Rückseitenelektroden und des Totraums identisch sind, wurde der restliche Einfügungsverlustnachteil aufgrund des Totraums für die erste (und stärkste) Beugungsordnung berechnet und ist in 5 als Funktion des Pixelabstandes, für Konturen der Anzahl von Phasenpegeln und für eine Totraumbreite von 0,5 μm gezeigt. Die Ergebnisse zeigen, dass der restliche Verlustnachteil mit der Anzahl von Phasenpegeln abnimmt. Dies liegt daran, dass für m Phasenpegel dann ein Bruchteil (m – 1)/m der Toträume zum Verbessern des Beugungswirkungsgrades wirkt, während ein Bruchteil 1/m der Rücklauftotraum ist, der den Beugungswirkungsgrad verringert. 5 zeigt auch den Einfügungsverlustnachteil für einen normalen Totraum und einen 1-D-SLM. Alle Punkte auf dem Graphen wurden unter der Annahme berechnet, dass die Anzahl von Phasenpegeln gleich der Anzahl von Pixeln pro Periode ist.
Die Ergebnisse in der Fig. zeigen deutlich, dass drei signifikante Verbesserungen der Vorrichtungsleistung erreicht werden können; indem der Totraum reflektierend gemacht wird. Erstens wird der Einfügungsverlust aufgrund des Totraums signifikant verringert. Zweitens können für einen annehmbaren Einfügungsverlust viel kleinere Pixel verwendet werden, was die Herstellung von viel kompakteren optischen Kreuzschienenschaltern ermöglicht, da die Länge des Strahlsteuerbereichs zum Quadrat des Pixelabstandes proportional ist. Andere Leitweglenkungsarchitekturen, in denen die physikalische Länge linear proportional zum Pixelabstand ist, können dadurch auch kompakter sein. Drittens sind die Ergebnisse in der Fig. für eine Totraumbreite von 0,5 μm, was einer CMOS-Strukturgröße von 0,25 μm entspricht.
Der Vergleich mit den Ergebnissen in 1, wobei an den Bedarf gedacht wird, die Werte auf dem Graphen zu halbieren, um sie auf die 1-D-Phasenmodulation umzusetzen, zeigt, dass die Totraumverlustnachteile für diese Breite des reflektierenden Totraums auf ein ähnliches Niveau wie jene mit einer viel kleineren Strukturgröße von 70 nm und daher eine viel niedrigere verfügbare Spannung verringert werden. Daher zeigen die Ergebnisse, dass für einen annehmbaren Verlustnachteil größere CMOS-Prozesse verwendet werden können, die die Herstellung von Schaltern mit einer schnelleren Rekonfigurationszeit ermöglichen, wie vorher erläutert. Daher erleichtert ein reflektierender Totraum Verbesserungen im Schaltereinfügungsverlust, in der physikalischen Größe und in der Schaltzeit. Das Nebensprechen wird verbessert, da das auf den Totraum einfallende Licht wieder nach außen reflektiert wird, anstatt dass es innerhalb des Substrats abprallt.
Obwohl die vorstehend beschriebenen Verbesserungen der Leistung für Phasenmodulationspixel spezifisch sind, gibt es andere Arten von SLM für Leitweglenkungsanwendungen, z. B. PDLC-SLMs, bei denen die Pixel die Amplitude und/oder Doppelbrechung und/oder Phase modulieren. Solche Vorrichtungen können auch verbessert werden, indem der Totraum reflektierend gemacht wird.
Die folgenden Absätze beschreiben eine beispielhafte Vorrichtung, bei der eine Schicht einer Schaltung verwendet wird, um das durch den Totraum hindurchtretende Licht zu reflektieren.
CMOS-Fertigungsprozesse ermöglichen mehrere übereinander liegende Schichten einer Schaltung mit Verbindungen zwischen den Schichten, wie erforderlich. Mit Bezug zuerst auf 6 besitzt ein SLM 10 eine Steuerschaltung 30, die der VLSI-Rückwandplatine zugeordnet ist, zum Steuern von Phasenänderungen in jedem Pixel, und eine obere Schicht einer Schaltung 20, d. h. der Schaltung, die vom Substrat am weitesten entfernt ist, die Metall mit optischer Qualität sein kann und die die Rückseitenelektroden und die hinteren Reflektoren bildet. Über und zwischen den Rückseitenelektroden befindet sich eine Flüssigkristallschicht 24 und über der Flüssigkristallschicht befindet sich eine transparente gemeinsame Elektrodenschicht 25, die auf einem Deckglas 26 abgeschieden ist.
Die obere Schicht 20 ist auf einer ersten optischen Planarisierungsschicht 21 abgeschieden, die eine optisch flache Oberfläche auf den Steuerschaltungskomponenten für jedes Pixel erzeugt. Verbindungen sind zwischen den Steuerschaltungen und den Rückseitenelektroden hergestellt. Der reflektierende Totraum wird durch Einführen einer Zwischenschicht 22 einer Schaltung zwischen den Rück seitenelektroden und der Steuerschaltung 30 implementiert. Die Zwischenschicht 22 besteht aus einem Metallnetz, das von optischer Qualität sein kann, so dass, wenn es senkrecht betrachtet wird (in rechten Winkeln zur Ebene der Elektroden), eine kontinuierliche Bedeckung des Substrats mit Metall vorhanden zu sein scheint.
Die Zwischenschicht 22 ist von den Rückseitenelektroden und den Steuerschaltungen durch eine zweite Planarisierungsschicht 23 mit optischer Qualität getrennt. Für optimale Effekte ist der Abstand von den Rückseitenelektroden derart, dass das vom Totraum reflektierte Licht mit jenem, das von den Rückseitenelektroden reflektiert wird, phasengleich ist, wobei die zu verwendende mittlere Wellenlänge und der mittlere Einfallswinkel berücksichtigt werden. Daher ist die Weglängendifferenz zwischen dem vom Totraumnetz reflektierten Licht und dem von den Rückseitenelektroden reflektierten Licht eine ganze Zahl von Wellenlängen n innerhalb der optischen Medien bei der Entwurfswellenlänge und dem Entwurfseinfallswinkel.
In der Praxis werden die Vorrichtungen jedoch für einen Bereich von Wellenlängen verwendet. Das Abändern der tatsächlichen Wellenlänge vom mittleren Entwurfswert ändert die relative Phase zwischen dem vom Totraumnetz reflektierten Licht und dem von den Rückseitenelektroden reflektierten Licht und führt daher zu einer teilweise destruktiven Interferenz, wodurch der Einfügungsverlustnachteil aufgrund des Totraums erhöht wird. Bei einer gegebenen Wellenlängendifferenz vom mittleren Entwurfswert wird dieser Effekt schlechter, wenn die ganze Zahl n zunimmt. Daher sollte diese ganze Zahl n so klein wie möglich sein, um den Wellenlängenbereich der Vorrichtung zu maximieren.
In der Praxis weisen die Rückseitenelektroden 20 eine endliche Tiefe von typischerweise einigen 100 Nanometern auf. Daher wird unvermeidlich eine gewisse zusätzliche Phasenmodulation durch die Tiefe des Flüssigkristalls direkt zwischen und unter der oberen Oberfläche der Rückseitenelektroden angewendet. Dies könnte durch Abscheiden einer sehr dünnen Damaszierungsschicht auf den Rückseitenelektroden vermieden werden, wie in 7 gezeigt. Diese Struktur hat auch den Vorteil, dass sie eine gleichmäßige Oberfläche für das Aufbringen der Flüssigkristallausrichtungsschicht bereitstellt, und sollte daher eine gute Ausrichtung des Flüssigkristalls über den Totraum sicherstellen.
Obwohl 6 und 7 den allgemeinen Fall eines SLM mit einem reflektierenden Totraum darstellen, ist es für einen von der Polarisation unabhängigen Mehrfach-Phasenmodulations-SLM vorteilhaft, eine Viertelwellenplatte 32 zwischen den Rückseitenelektroden und dem Flüssigkristall einzuschließen, wie in 8 gezeigt. Für einen erfolgreichen Betrieb der Viertelwellenplatte und des reflektierenden Totraums kann es wieder vorteilhaft sein, dass auch eine sehr dünne Damaszierungsschicht 31 zwischen den Rückseitenelektroden und der Viertelwellenplatte vorliegt, wie in 8 gezeigt. Wieder würde eine solche Struktur die Qualität der Ausrichtungsschicht verbessern, die in diesem Fall zum Ausrichten der Vierteilwellenplatte verwendet wird.
In der dargestellten Ausführungsform erstreckt sich die Zwischenmetallschicht 22 nur, um den Raum zwischen den Rückseitenelektroden zu füllen, in anderen Ausführungsformen kann sich das Metall weiter erstrecken. Es ist jedoch selbstverständlich, dass, wenn das Schalten der Rückseitenelektroden stattfindet, es unerwünscht oder erwünscht sein kann, dass sich die Metallschicht für Kapazitätseffekte unter den Rückseitenelektroden erstreckt. In noch einer weiteren Ausführungsform erstreckt sich die Metallschicht nicht über den gesamten Abstand zwischen den Rückseitenelektroden, sondern erstreckt sich statt dessen über einen Teil des Abstandes.
In einer weiteren Ausführungsform könnte die reflektierende Schicht durch Anpassen der Lichtabschirmungsprozesse, die verwendet werden können, um die Halbleitervorrichtungen im Substrat vor sichtbarem Licht zu schützen, ausgebildet werden.
In einem Beispiel, das nicht beansprucht wird, besitzt die Strahlsteuervorrichtung mehrere Vorderseitenelektroden pro Pixel-Rückseitenelektrode. Verschiedene Spannungen werden an diese Vorderseitenelektroden angelegt, um die Phasenverschiebung über dem Pixel zu ändern, so dass über jedem Pixel eine Rampe besteht, die aus Aufwärtsstufen (oder Abwärtsstufen) gemäß den Vorderseitenelektroden besteht. Anstatt dass jede Pixelelektrode eine einzelne Stufenänderung im Effekt auf den Flüssigkristall, der über ihr liegt, darstellt, wird der gewünschten Rampe in der Phasenverschiebung daher enger gefolgt. Als Beispiel, in dem drei Vorderseitenelektroden pro Pixelelektrode vorgesehen sind, können die an die Vorderseitenelektroden angelegten Spannungen über jeder Pixelelektrode wiederholt werden und so ausgewählt werden, dass die ganz mittlere Vorderseiten elektrode die Kernspannung für das Pixel darstellt, wobei die Spannungen an den benachbarten Vorderseitenelektroden jeweils über und unter der an die ganz mittlere Elektrode angelegten liegen. Wenn die Pixelelektroden in der Spannung von einer zur nächsten ansteigen, liegt eine Vorderseitenelektrode mit höherer Spannung auf der Seite des Raums zwischen den Pixeln und eine Vorderseitenelektrode mit niedrigerer Spannung liegt auf der anderen Seite des Raums. Die Betrachtung dieses Zustandes zeigt, dass der mittlere Zustand der Flüssigkristallvorrichtung über dem Raum derart ist, dass der Übergang zwischen den Pixeln geglättet wird.
In der beschriebenen Ausführungsform arbeitet die Metallschicht 22 nur als reflektierende Schicht. Um dies zu erreichen, kann sie elektrisch potentialfrei gelassen werden, falls erwünscht, oder sie kann mit einem gewünschten Potential verbunden werden. In einer weiteren Ausführungsform wird die Metallschicht mit einem einzelnen ausgewählten Potential verbunden, um den elektrischen Betrieb zu verbessern. In noch einer weiteren Ausführungsform ist das reflektierende Netz, das die Schicht 22 bildet, unterbrochen und Abschnitte zwischen den Rückseitenelektroden sind gegenseitig isoliert und mit verschiedenen ausgewählten Potentialen verbunden, beispielsweise einem Potential zwischen den Potentialen zwischen den zwei nächsten Rückseitenelektroden. Dies kann sich auf die Kanten auswirken. Diese letztere Ausführungsform ist in 10 gezeigt, in der ein Abschnitt 40 des Netzes von anderen Abschnitten isoliert ist und eine Schaltung 41 mit einer Verdrahtung am Substrat verbindet, die wiederum mit einem ausgewählten Potential verbunden ist.
In noch einer weiteren Ausführungsform ist keine Zwischenschicht vorhanden, sondern statt dessen erstreckt sich die Steuerschaltung in die Räume zwischen den Rückseitenelektroden und weist einen Abschnitt auf, der die reflektierende Schicht bildet.
Bei der Verwendung in einer Leitweglenkungskonfiguration sollte der Einfallswinkel angemessen niedrig gehalten werden. Wie in 9 gezeigt, ist der Effekt eines Einfalls außerhalb der Normalen derart, dass ein Bruchteil des auf das Totraumnetz einfallenden Lichts in das Substrat von der Rückseite der Rückseitenelektroden zurückreflektiert wird. Mit weiterem Bezug auf 9 geht für ein Totraumnetz, das in einem Abstand q hinter der Vorderfläche der Rückseitenelektroden angeordnet ist, und einen Einfallswinkel θ, gemessen innerhalb der Planari sierungsschicht, das über einen Bruchteil 2q tan θ/d des Totraums einfallende Licht in dieser Weise "verloren". Der Effekt auf den Beugungswirkungsgrad kann unter Verwendung einer Fourierreihenanalyse und durch Behandeln dieses Streulichts als äquivalent der Multiplikation des Phasenmodulationshologramms mit einer anderen Pixel-"Fenster"-Funktion mit einer Amplitude von Null über einen Bruchteil 2q tan θ/d des Totraums und einer Amplitude von Eins anderswo berechnet werden. Für die 1-D-Phasenmodulation und bei einer Entwurfswellenlänge besteht der Effekt des Einfallswinkels daher (in erster Ordnung) darin, den Beugungswirkungsgrad mit einem in Gleichung (3) gegebenen Faktor zu multiplizieren: Tatsächlicher 1-D-Wirkungsgrad = (1 – 2·q·tan θ/p)2. Wirkungsgrad bei normalem Einfall (3)
Das Vergrößern des Einfallswinkels verringert daher den Beugungswirkungsgrad. Der Beugungswirkungsgrad nimmt auch mit der Tiefe q der Planarisierungsschicht zwischen dem Totraumnetz und den Rückseitenelektroden ab. Daher ist es wieder vorteilhaft, die ganze Anzahl von Wellenlängen in der Wegdifferenz zwischen dem vom Totraum reflektierten Licht und dem von den Rückseitenelektroden reflektierten so niedrig wie möglich zu halten.
SLMs mit reflektierendem Totraum können auch bei Binärphasenvorrichtungen auf der Basis einer ebeneninternen Neigung verwendet werden, obwohl die Physik der Phasenmodulation über dem Totraum anders ist.
Bei einer alternativen Lösung können die Rückseitenelektroden mit Pixeln versehen sein, aber benachbarte Elektroden können in verschiedenen Ebenen angeordnet sein, um den Totraum im Wesentlichen zu beseitigen.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wurde mit speziellem Bezug auf die dargestellten Beispiele beschrieben. Es ist jedoch zu erkennen, dass Veränderungen und Modifikationen an den beschriebenen Beispielen innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung, wie durch die Ansprüche definiert, vorgenommen werden können.

Claims

Vorrichtung zur Steuerung eines Lichtstrahls, wobei die Vorrichtung ein Feld von Elementen aufweist, wobei der Lichtstrahl auf dieses Feld von Elementen einfällt, wobei jedes Element eine reflektierende Rückseitenelektrode und eine einzelne dem Feld gemeinsame Vorderseitenelektrode aufweist, wobei die Rückseiten- bzw. die Vorderseitenelektrode jeweils hinter bzw. vor einer Flüssigkristallschicht angeordnet sind, wobei die Rückseitenelektroden voneinander beabstandet sind, um das Feld zu bestimmen, wobei eine Wellenplatte angeordnet ist, um eine Polarisierungsunabhängigkeit vorzusehen, und eine reflektierende Schicht hinter den Rückseitenelektroden angeordnet ist, um in die Zwischenräume zwischen den Rückseitenelektroden einfallendes Licht, im Wesentlichen phasengleich mit dem Licht zu reflektieren, das von den Rückelektroden weg reflektiert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, welche eine Steuerschaltung auf einem Substrat und eine auf der Steuerschaltung abgelagerte Planarisierungsschicht aufweist, wobei die Rückseitenelektroden auf der Planarisierungsschicht angeordnet sind und entsprechende Verdrahtungen durch die Planarisierungsschicht von den Rückseitenelektroden zu der Steuerschaltung verlaufen und wobei ein Abschnitt der Steuerschaltung die reflektierende Schicht bereitstellt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, welche eine Steuerschaltung auf einem Substrat und eine auf der Steuerschaltung abgelagerte Planarisierungsschicht aufweist, wobei die Rückseitenelektroden auf der Planarisierungsschicht angeordnet sind und entsprechende Verdrahtungen durch die Planarisierungsschicht von den Rückseitenelektroden zu der Steuerschaltung verlaufen und wobei die reflektierende Schicht innerhalb der Planarisierungsschicht angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die eine Steuerschaltung auf einem Substrat, eine erste auf der Steuerschaltung abgelagerte Planarisierungsschicht, wobei die reflektierende Schicht auf der ersten Planarisierungsschicht angeordnet ist, und eine zweite Planarisierungsschicht aufweist, die auf der Schaltungsschicht und der ersten Planarisierungsschicht angeordnet ist, wobei die Rückseitenelektroden auf der zweiten Planarisierungsschicht angeordnet sind, und wobei entsprechende Verdrahtungen durch die Planarisierungsschicht aus den Rückseitenelektroden zu der Steuerschaltung verlaufen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche eine weitere Planarisierungsschicht aufweist, die über den Rückseitenelektroden angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wellenplatte eine Viertelwellenplatte ist, die über den Rückseitenelektroden angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die reflektierende Schicht aus Metall besteht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die reflektierende Schicht nur erstreckt, um die Zwischenräume zwischen den Rückseitenelektroden im Wesentlichen zu füllen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei sich die reflektierende Schicht unterhalb der Rückseitenelektroden erstreckt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei sich die reflektierende Schicht nur teilweise über die Zwischenräume erstreckt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche ferner eine Schaltung zum Verbinden von mindestens einem Abschnitt der reflektierenden Schicht mit einer ausgewählten Spannung aufweist.