JP2008233903A - 空間変形液晶波長板 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、渦光学軸パターンを有する空間変形液晶（ＬＣ）光配列波長板、ならびにこのような波長板を製造するための装置および方法を提供する。
【解決手段】本発明の好ましい実施形態における方法には、露光領域が基板の中心点の周りを、定義済み次数の渦配列パターンが形成されるように選択された角速度で完全に１回転するよう、開口、基板およびＵＶ光の偏光のうちの２つを回転させている間、ＬＰＰなどの光配列可能材料がコーティングされた基板をくさび形開口を介して直線偏光ＵＶ放射に露光するステップが含まれている。次に、基板の上に、光配列可能材料と直接接触してＬＣ材料が付着され、それにより、光誘導された渦配列パターンに従ってＬＣディレクタが配列する。この方法によれば、任意の定義済み渦次数の渦波長板を製造することができる。
【選択図】図２Ａ

Description

本発明は一般に光学軸の配向が空間によって変化する波長板に関し、詳細には光配列空間変形（ｓｐａｃｅ−ｖａｒｉａｎｔ）液晶波長板およびその製造方法に関する。

波長板すなわち光リターダは、入射光フィールドの２つの直交偏光成分の間に所定の位相シフトを追加することによって入射光の偏光状態を変える光デバイスである。従来、追加される位相シフトは、波長板リターダンスと呼ばれており、波長の分数で測定されている。したがって、直交偏光間にπの位相シフトを加える波長板は、２分の１波長板と呼ばれており、また、π／２の位相シフトを加える波長板は、４分の１波長板と呼ばれている。

波長板は、波長板の平面内にその光学軸を有するように厚さが選択された複屈折材料から構築することができ、このような波長板は、ａ−プレートとも呼ばれている。複屈折特性を有する材料は、異なる方向、一般的には直交方向に偏光される光に対して、異なる屈折率および光伝送速度を有している。複屈折材料には、すべて、光学軸と呼ばれる少なくとも１つの軸が存在しており、材料中のその軸の方向に伝搬する光は、その偏光状態に無関係に同じ速度を有している。光のビームが複屈折材料をその光学軸に対して直角に通過し、光学軸に対して一定の角度で直線偏光されると、複屈折材料は、その光を常光線および異常光線に分解する。これらの常光線および異常光線は、互いに直角の方向に直線偏光され、異なる速度で材料中を移動し、その結果、これらの光線の間に位相シフトが生成される。波長板に入射した光は、波長板の光学軸に沿って直線偏光されるか、あるいは光学軸に対して９０度で直線偏光される。つまり、波長板に入射した光は、波長板の光学軸に平行または直角の電界ベクトルを有している。光の偏光は、波長板の固有偏光であり、波長板によって変化することはない。その偏光状態が波長板の固有偏光ではない２分の１波長板に入射する直線偏光は、その直線偏光の配向とリターダの光学軸との間の角度の２倍の量だけ回転することになる。

従来の用途には、通常、一様に偏光されたビーム、つまり、その偏光状態がそのビームの断面全体にわたって変化しない偏光光放射のビームを得るために、空間的に一様な波長板が利用されている。しかしながら、最近、一様に偏光されたビーム全体にわたる空間偏光の変化の導入は、非常に価値の高い波面整形ツールであることが認識されている。実際、直線偏光子を使用して、偏光が空間変化するこのようなビームを解析すると、正味の効果は、ビームの断面全体にわたる、Ｐａｎｃｈａｒａｔｎａｍ−Ｂｅｒｒｙ位相として知られている空間変形位相シフトの追加である。この正味の効果により、ビームの波面の特定の整形が得られる。したがって、空間変形波長板は、それらを使用して、偏光配向つまりビーム放射の電界ベクトルの方向がビームの断面全体にわたって変化する直線偏光光ビームを形成することができるため、かなりの関心を集めている。これについては、たとえば、Ｍ．ＳｔａｌｄｅｒおよびＭ．Ｓｃｈａｄｔによる「Ｌｉｎｅａｒｌｙ ｐｏｌａｒｉｚｅｄ ｌｉｇｈｔ ｗｉｔｈ ａｘｉａｌ ｓｙｍｍｅｔｒｙ ｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｂｙ ｌｉｑｕｉｄ−ｃｒｙｓｔａｌ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ」という名称の論文（Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔｓ．、第２１巻、第２３号、１９４８〜１９５０頁、１９９６年１２月１日）を参照されたい。

空間変形直線偏光のこのようなビームの典型的な例は、それぞれ単に放射状ビームおよび接線ビームとも呼ばれることがある、半径方向および接線方向に偏光されたビームである。また、接線方向に偏光されたビームは、方位偏光ビームと呼ぶことも可能である。図１Ａおよび１Ｂは、これらのビームの偏光パターンを示したもので、矢印は、ビーム偏光の局部配向を概略的に示している。いずれの場合においても、偏光方向は、特定の空間位置の方位角φによってのみ決まり、ビーム軸からの半径方向の距離ｒには無関係である。これらのタイプの偏光ビームは、当分野では、円筒状ベクトル・ビームまたは偏光渦ビームと呼ばれることもある。「偏光渦」という用語は、偏光状態がビーム軸の周りを回転しており、このようなビームの軸部分には画定されず、したがってビームの軸部分におけるビームの強度はゼロであることを意味している。このような偏光渦ビームは、粒子トラッピング（レーザ・ピンセット）、顕微鏡の解像度の改善、自由空間通信およびリソグラフィ用などの様々な実用用途に使用することができる独自の特性を有している。

図１Ａ、Ｂに示すような接線ビームおよび放射状ビームは、偏光渦ビームの２つの例である。「偏光渦ビーム」という用語は、本明細書においては、閉ループ、たとえば円形経路を移動する際に、ビームの軸の周りを２πラジアンまたはその倍数の方位回転を介して偏光方向が連続的に変化する空間変形偏光の光ビームを意味するべく使用されている。光の渦は、位相異常を示すビーム断面中の一点であり、したがってビーム放射の電界は、その点の周りで追跡される任意の円形経路内を２πの倍数で展開する。偏光渦は、偏光の方向が同様にビーム軸の周りを２πの倍数で展開する直線偏光状態である。

また、ジョーンズ・ベクトルと呼ばれている二次元複素ベクトルにより偏光平面波を記述することができることも十分に確立されている。極座標における直線偏光渦のジョーンズ・ベクトルは、次の式（１）で与えられる。

ここで、ｍは渦の偏光次数である。また、ｍは、方位回転当たりの電界配向の回転の数を表している。φ_１は方位角である。θ_１０は、放射状ビームの場合は０に等しく定数パラメータ、接線ビームの場合はπ／２ラジアンに等しい定数パラメータである。通常、式（１）で記述される渦ビームは、ｍ番目の次数の偏光渦ビームと呼ばれている。

その光がビームの断面全体にわたって変化する光ビームは、一様に直線偏光された光を、板全体にπラジアンの一様なリタデーションを有し、かつ、ビームが伝搬する方向に直角の波長板の平面内で変化する光学軸を有する空間変形２分の１波長板を通過させることによって形成することができる。当分野では、このような空間変形波長板を形成するためにいくつかの手法が使用されている。Ｅｒｅｚの名前の米国特許第６，９７２，９０６号、米国特許第７，１９０，５２１号および米国特許出願第２００６／０１２６１８３号に、入射光ビームの偏光依存型幾何学的位相を空間的に操作するための空間変形偏光光要素が記載されている。この要素は、動作波長で光学的に透過型である基板の中に形成された、配向が連続的に変化するサブ波長偏光回折格子の複数のゾーンを備えている。この手法の欠点の１つは、可視波長領域および近赤外線波長領域のサブ波長フィーチャを備えた回折格子の製造が困難であることであり、Ｅｒｅｚが記述している実験は、回折格子フィーチャの構築が実際的である遠赤外線波長（１０．６μｍ）で実施されている。

ＳｐｉｌｍａｎおよびＢｒｏｗｎの米国特許出願第２００７／０１１５５５１号に、偏光変換のための空間変形波長板が開示されており、この開示によれば、ガラス板に外部から圧力を加えることによって光学軸の配向の空間変化が導入されている。この方法は、実際に、光学軸の配向が連続的に変化する波長板を提供しているが、生成することができるのは、πリターダンスが達成される極めて微小な環形にすぎず、また、場合によっては熱誘導圧力に敏感であり、そのためにその用途が著しく制限されている。

空間変形波長板を製造するための魅力的な手法は、よく発達した液晶（ＬＣ）技術を利用することである。Ｃｈｅｎ等は、「Ｒａｄｉａｌｌｙ ａｎ ａｚｉｍｕｔｈａｌｌｙ ｏｒｉｅｎｔｅｄ ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ ａｌｉｇｎｅｍｅｎｔ ｐａｔｔｅｒｎｓ ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ ｂｙ ｌｉｎｅａｒｌｙ ｐｏｌａｒｉｚｅｄ ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ ｌｉｇｈｔ」という名称の論文（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６８（７）、１９９６年２月１２日、８８５〜８８７頁）の中で、また、Ｓｔａｄｌｅｒ等は、上で参照した論文の中で、偏光ＵＶ光への光露光（Ｃｈｅｎ）および基板摩擦（Ｓｔａｌｄｅｒ）によって製造することができる接線パターンまたは放射状配列パターンによって画定される空間変形光学軸を有するねじれネマチック（ＴＮ）ＬＣ要素に基づく偏光変換器を開示している。

これらの手法には、ｍ＝２より大きい偏光渦次数の渦ビームを生成することができない、あるいは複数の光要素を生成しなければならないという共通の欠点がある。もう１つの欠点は、波長板にＴＮ ＬＣ材料が使用されており、波長板毎に２つの配列済み基板が必要であることである。さらに、ＴＮモードＬＣは、光パワー処理能力に限界があることが知られている。
Ｍ．ＳｔａｌｄｅｒおよびＭ．Ｓｃｈａｄｔ、「Ｌｉｎｅａｒｌｙ ｐｏｌａｒｉｚｅｄ ｌｉｇｈｔ ｗｉｔｈ ａｘｉａｌ ｓｙｍｍｅｔｒｙ ｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｂｙ ｌｉｑｕｉｄ−ｃｒｙｓｔａｌ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ」、Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔｓ．、第２１巻、第２３号、１９４８〜１９５０頁、１９９６年１２月１日 米国特許第６，９７２，９０６号 米国特許第７，１９０，５２１号 米国特許出願第２００６／０１２６１８３号 米国特許出願第２００７／０１１５５５１号 Ｃｈｅｎ等、「Ｒａｄｉａｌｌｙ ａｎ ａｚｉｍｕｔｈａｌｌｙ ｏｒｉｅｎｔｅｄ ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ ａｌｉｇｎｅｍｅｎｔ ｐａｔｔｅｒｎｓ ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ ｂｙ ｌｉｎｅａｒｌｙ ｐｏｌａｒｉｚｅｄ ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ ｌｉｇｈｔ」、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６８（７）、１９９６年２月１２日、８８５〜８８７頁

本発明の目的は、一様に直線偏光された光を任意の定義済み次数の偏光渦ビームに変換することができる安定した液晶ベース空間変形波長板を製造するための比較的単純で、かつ、安価な方法およびシステムを提供することによって従来技術の欠点を克服することである。

本発明の他の目的は、一様に直線偏光された光を任意の定義済み次数の偏光渦ビームに変換することができる安定した光配列空間変形液晶波長板を提供することである。

本発明の他の目的は、基板の上に空間変形液晶波長板を形成するために、基板と偏光を配列させるための比較的単純で、かつ、安価な方法およびシステムを提供することである。

本発明によれば、空間変形波長板を製造する方法であって、ａ）光配列可能材料の第１の配列層を提供するステップと、ｂ）配列層上の中心点から放射状に展開する露光領域を形成するために、第１の配列層の一部を、開口を介して、配列層に配列を誘導するために適した波長を有する偏光放射で照射するステップと、ｃ）露光領域が中心点の周りを少なくとも１回転し、配列層上の方位位置に対する光配列可能材料の空間的に変化する配列を提供するよう、第１の配列層、開口および偏光放射の偏光配向のうちの少なくとも２つを選択された角速度で回転させるステップと、ｄ）第１の配列層の上に液晶材料の波長板層を形成するステップであって、波長板層が、空間的に変化する配列に従って波長板層の平面内で変化する光学軸を有し、それにより、前記角速度の比率で決まる光学軸の所定の配向パターンを提供するステップとを含む方法が提供される。配列層は、動作波長領域の光放射に対して実質的に透明であるか、または反射性であることが好ましい基板の上に形成することができる。

本発明の一態様によれば、開口は、頂端部を備えたくさび形部分を有しており、該頂端部は、ステップ（ｃ）で開口を回転させる場合は開口の回転軸上に配置され、またはステップ（ｃ）で配列層を回転させる場合は配列層の回転軸上に配置される。

本発明の他の態様によれば、ステップ（ｃ）は、開口の頂端部が基板の回転軸上に位置した静止状態で開口を維持し、かつ、ｎが整数である第２の角速度ω_２＝（１−ｎ／２）・ω_１で偏光放射の偏光配向を回転させている間、基板を第１の角速度ω_１で少なくとも１回完全に回転させるステップを含むことができ、もしくはステップ（ｃ）は、基板を静止状態に維持し、かつ、ｎが整数である第４の角速度ω_４＝（ｎ／２−１）・ω_３で偏光放射の偏光配向を回転させている間、開口を第３の角速度ω_３で開口の頂端部の周りを少なくとも１回転させるステップを含むことができ、あるいは、開口が基板に対して少なくとも１回完全に回転し、第１の配列層の異なる部分が開口を介して異なる時間経過過程で偏光放射に露光されるよう、偏光放射の偏光配向を静止状態に維持し、かつ、ｎが整数である第６の角速度ω_６＝（１−２／ｎ）・ω_５で基板を回転させている間、開口を第５の角速度ω_５で回転させるステップを含むことができる。

本発明の他の特徴によれば、光配列可能材料の第１の配列層と、第１の配列層の上に配置された液晶（ＬＣ）材料の波長板層とを備えた空間変形偏光波長板が提供される。波長板層は、空間的に変化する光学軸を有しており、空間的に変化する光学軸の配向角θは配列層によって画定され、θ＝φ・ｎ／２＋θ_０の関係に従って波長板層の平面内で変化する。φは波長板層上の個々の位置の方位角であり、θ_０は定数パラメータ、ｍは非ゼロ整数である。

本発明のもう１つの特徴によれば、基板の配列層に空間変形配列パターンを生成するための光露光システムが提供される。光露光システムは、配列層に配列を誘導するために適した偏光放射源と、偏光放射源と配列層の間の偏光放射の光路に配置された、中心点から放射状に展開する露光領域を配列層の上に形成するように形状化された開口と、露光領域が中心点の周りを１回または複数回にわたって回転するよう、偏光放射の偏光配向、開口および配列層のうちの少なくとも２つを選択された角速度で回転させるための回転手段と、選択される角速度の比率を制御し、空間変形配列パターンを配列層に生成するための制御手段の各要素を備えている。

以下、本発明について、本発明の好ましい実施形態を示す添付の図面を参照してより詳細に説明する。図において、同様の構成要素は、同様の参照ラベルを使用して示されている。

最初に図２Ａを参照すると、本発明によれば、実質的にすべての定義済み渦次数ｍの偏光渦ビームを形成することができる空間変形光配列ＬＣ（ＳＶＬＣ）波長板１０を製造するための装置および方法が提供される。図２Ａに示す実施形態では、ＳＶＬＣ波長板１０には、線状光重合可能重合体（ＬＰＰ）などの光配列可能材料の配列層２０の上に配置された、液晶重合体（ＬＰＣ）などのＬＣ材料のＬＣ層２５が利用されている。配列層２０は、平らな基板１５の上に配置されている。ポリビニル４−メトキシ−シンナマート（「ＰＶＭＣ」）は、ＬＰＰの一例である。ＬＰＰの分子配向は、直線偏光紫外（ＬＰＵＶ）光への露光によって、波長板層２５の光学軸（ＯＡ）の所望の空間パターンをもたらすＬＣ材料のＬＣ配列パターンを形成することによって設定される。本明細書のコンテキストにおいては、「光学軸の空間パターン」または「空間ＯＡパターン」という語は、波長板層２０の平面、たとえばその表面などの重要な平面に画定される極座標系（ｒ，φ）における方位角φに対するＯＡ配向の依存性を意味するべく使用されている。ＳＶＬＣ波長板１０の光学軸（ＯＡ）の方位変化は、ＬＰＵＶ露光の同期回転および配列層２０に対するその偏光によって達成することができる。ＬＰＵＶ露光の後、所望のリターダンスのＬＣＰ膜を得るために、ＬＰＰ層２０がＬＣＰで特定の厚さまでコーティングされる。ＬＰＵＶ光の配向は、ＬＰＰ層２０に配列パターンを形成している間、変化し、また、ＬＣＰ膜によって形成される波長板の光学軸の配向は、ＬＰＰ層中の光誘導配列パターンによって画定される。

本発明の方法によれば、次の式（２）によってＳＶＬＣ波長板１０上の個々の位置に一意的に画定される空間変形ＯＡを有する光配列波長板を製造することができる。
θ＝α×φ＋θ_０ （２）

式（２）では、φは、波長板と結合した極座標系（ｒ，φ）における個々の位置の方位角であり、θは、方位角φに対応する位置における光学軸（ＯＡ）の配向を画定している配向角である。αは、方位角φに対するＯＡ配向の角変化率であり、θ_０は、ゼロ方位φ＝０に対応する位置におけるＯＡ配向角である。

図２Ｂおよび２Ｃは、α＝１に対応する、本発明による空間変形波長板１０の２つの特定の実施形態を示したもので、ＳＶＬＣ波長板１０の概要が平面図、つまり波長板層２５から見た図で示されている。矢印３３は、ＳＶＬＣ波長板１０の中心１８からの距離ｒにおけるいくつかの例示的位置における光学軸配向を示している。図２Ｃに示す波長板は、θ_０＝０に対応する放射状配列ＯＡを有しており、一方、図２Ｂに示す波長板は、θ_０＝π／２ラジアンに対応する接線配列ＯＡを有している。角度φおよびθは、波長板上の特定の位置「ａ」に対して図２Ｂ、Ｃに示すように、波長板の面と結合した直交（ｘ，ｙ）座標系のｘ軸に対して画定されている。ｘ軸およびｙ軸は、ＳＶＬＣ波長板１０の平面に適切に画定することができ、したがって（ｘ，ｙ）平面は、基板／配列層界面に平行である。

ＯＡ配向角θは、ｎが整数であるα＝ｎ／２の場合にのみ、すべてのφで連続している。本明細書のコンテキストにおいては、式（２）によって、α＝ｎ／２の場合に画定される二次元配向パターンは、次数ｎ／２の渦パターンと呼ぶことができ、係数αすなわちｎ／２は、そのパターンの渦次数と呼ぶことができる。また、本明細書においては、式（２）によって、α＝ｎ／２の場合に画定される空間変形ＯＡを有する波長板も、渦次数ｎ／２の渦波長板、ｎ／２渦波長板または単に渦波長板として参照されており、係数αすなわちｎ／２は、前記波長板の渦次数として参照されている。一様に直線偏光されたビームが、πリターダンスを有するｎ／２渦波長板を通過すると、次数ｍ＝ｎの偏光渦ビームが形成される。図３は、ＳＶＬＣ波長板１０のＯＡの可能渦配向パターンの例を示したもので、両矢印は、次数１．５、１．０、０．５、０、−０．５、−１．０および−１．５の渦パターンに対応する局部ＯＡ配向を表している。

一実施形態では、本発明による方法は、ＲＯＬＩＣ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓから入手することができるＲＯＬＩＣ ＬＰＰ ＲＯＰ１０８／２ＣＰなどのＬＰＰ材料を利用して配列層２０を形成しており、したがって、この実施形態では、以下、この配列層２０も同じくＬＰＰ層２０と呼ぶ。基板１５は、ＳＶＬＣ波長板１０が動作する波長領域で光学的に透明な材料であることが好ましい。一例として、ＳＶＬＣ波長板１０は、他の波長領域も等しく選択することができるが、５４０〜５５０ｎｍの範囲で動作するように設計することができる。以下で説明するように、選択する動作波長領域によってＬＣ層の必要な厚さが決まる。一例として、基板１５はガラス基板であり、より詳細には、裏面に広帯域無反射（ＡＲ）コーティングが施された２平方インチのＣｏｒｎｉｎｇ １７３７Ｆガラスである。

基板１５は、最初に、適切なシラン結合剤などの任意選択の接着促進剤をスピン塗布することができる。次に、たとえば液体形態でスピン塗布または当業者に知られている他の任意の適切な方法で、ＬＰＰ材料を接着促進剤の上に、あるいは基板１５の上に直接加えることによって配列層２０が形成される。次に、このようにして得られた、以下ではＬＰＰコート基板１５／２０として一般的に参照されている構造に、１５０と２００Ｃの間の温度で、数分間の間、熱焼きなまし、すなわちベークが施され、あるいはそうすることが適切であると判断された場合は適宜溶媒を蒸発し、ＬＰＰ層２０を安定化する。ベーク後のＬＰＰ層２０の典型的な厚さは、場合によっては１ｎｍと１００ｎｍの間であり、たとえば４０ｎｍである。

次のステップで、ＬＰＰコート基板１５／２０が本発明による光露光装置へ移され、所望の配向パターンをＬＰＰ層２０に形成するべく、配列層２０にＬＰＵＶ露光が施される。

図４Ａは、本発明によるＬＰＵＶ露光装置の一実施形態の概要を示したものであり、図４Ｂは、装置１００内におけるＬＰＰコート基板１５／２０の開口１２５および偏光子１１５に対する横方向の配列、すなわちＳＶＬＣ波長板１０の平面内における配列を示したものである。

最初に図４Ａを参照すると、ＬＰＵＶ露光装置１００は、２８０ｎｍから４００ｎｍの範囲の波長の非偏光ＵＶ光１１０を提供するＵＶ源１０５を備えている。このＵＶ光１１０は、第１の回転ステージ１３０の透明開口内に取り付けられた、Ｍｏｘｔｅｋワイヤ・グリッド偏光子（ＷＧＰ）などの偏光子１１５を通過し、ＬＰＵＶ光１１１が偏光子１１５から射出する。一例として、図に示すＵＶ源１０５は、１ｋＷ Ｈｇアーク燈などのＵＶランプ１０３、およびＵＶランプ１０３のＵＶ放射を集光するための楕円または放物線反射器１０１を備えている。ＵＶ ＬＥＤ、アルゴン・レーザなどのＵＶレーザ、蛍光ＵＶランプおよび融解ＵＶランプは、ＵＶ源１０５の代わりに露光システム１００に使用することができるいくつかの他の可能オプションである。

配列層２０でコーティングされた基板１５は、ＬＰＰ配列層２０の一部が直線偏光ＵＶ光１１１に露光されるよう、第２の回転ステージ１５０の上に取り付けられている。ＵＥ４１ＰＰなどのステッパ電動機を備え、かつ、２インチおよび３．５インチの透明開口を有するＮｅｗｐｏｒｔ ＵＲＭ１００ＰＰ、ＵＲＳ１００ＢＰＰおよびＵＲＳ１５０ＢＰＰ回転ステージは、露光装置１００に使用することができる第１および第２の回転ステージの非排他的例である。

透明開口１２５を備えた開口板１２０は、ＬＰＵＶ光１１１の光路内のＬＰＰ配列層２０の隣の静止位置に配置されている。開口板１２０は、基板１５に平行に、また基板１５に隣接して取り付けられることが好ましく、たとえば１〜３ｍｍの間隔を隔てて取り付けられることが好ましい。図４Ｂは、ＬＰＰ層２０、偏光子１１５および開口板１２０のくさび形開口１２５の配列を平面図で示したものである。好ましい実施形態では、開口１２５または配列層２０に隣接する開口１２５の少なくとも一部はくさび形であり、平面図では配列層２０の回転の中心点１３７ａに一致することができる頂端部１２８を有している。一例として、くさび形開口の頂角は５度であるが、他の実施形態では、１度未満から９０度の間の範囲にすることができ、１０度未満であることが好ましい。適切な頂角の下限は、たとえば開口の製造能力、ＵＶ源の明るさおよびＬＰＵＶ露光時間制限によって画定することができる。

第１および第２の回転ステージ１３０、１５０は、制御リンク１３８によって作動コントローラ・ユニット１３２に電気接続されている。作動コントローラ・ユニット１３２は、通信リンクによってプロセッサ・ユニット１９０に接続されている。作動コントローラ・ユニット１３２は、プロセッサ・ユニット１９０から提供されるパラメータに従って第１および第２の回転ステージの回転を制御し、かつ、それらの角速度を設定するようにプログラムされている。これらのパラメータには、基板ステージ１５０および偏光子ステージ１３０の初期位置を設定するパラメータ、基板ステージの終了位置または回転角度を設定するパラメータ、基板ステージの回転速度／方向を設定するパラメータ、および基板ステージに対する偏光子ステージの角速度の比率を設定するパラメータが含まれている。いくつかの実施形態では、ＵＶ光１１０の光路に、露光プロセスの開始および終了を制御するための光シャッタ１０７を提供することができる。その場合、この光シャッタ１０７の開閉は、コントローラ１３２によって、プロセッサ・ユニット１９０からの制御信号に応答してトリガすることができる。一例として、Ｎｅｗｐｏｒｔ Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｍｏｔｉｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ＥＳＰ７０００をコントローラ１３２として使用することができ、また、汎用コンピュータをプロセッサ・ユニット１９０として使用、それらの間にＵＳＢリンクを使用することができる。

動作中、ＬＰＰ層２０を備えた基板１５が、上で説明したように第２の回転ステージ１５０に取り付けられ、第１および第２の回転ステージ１３０および１５０がそれぞれ初期位置に設定される。回転ステージのこれらの初期位置は、式（２）のゼロ方位ＯＡ配向角θ_０の値を画定することになる、ＬＰＰ層２０に対する偏光子１１５の所望の初期配向が提供されるように選択される。

偏光子１１５およびステージ１３０、１５０の初期位置が設定されると、第２の回転ステージ１５０は、回転軸１２６の周りを第１の角速度ω_１で１回または複数回にわたって基板１５を完全に回転させる。ＵＶ源１０５からのＬＰＵＶ放射１１１によって配列層２０の一部が開口１２５を介して照射され、それにより、配列層２０上の中心点１３７ａから放射状に展開する露光領域が形成される。図５はこれを示したもので、配列層２０の照射表面および中心点１２８から展開している露光領域１７０が示されている。中心点１３７ａは、配列層２０の幾何学上の中心と一致していても、あるいは一致していなくてもよいことに留意されたい。偏光ＵＶ光によって照射されると、ＬＰＰ材料は、たとえば両矢印１６６で示す方向に配向された入射偏光に平行の方向に選択的に重合化する。波長板層２５のＬＣ材料を次にＬＰＰ層２０に直接接触させると、ＬＣ材料は、ＬＰＰ層２０中の重合体連鎖の方向に平行の平均ＬＣディレクタと配列する。このプロセスは、ＬＣＰを５０〜５５℃に加熱することによって促進することができる。つまり、ＬＰＵＶ露光によって、ＬＣ波長板層２５の分子を固定することができる分子配列パターンが配列層２０に誘導され、それにより、配列層２０をＬＰＵＶに露光している間、結果として得られるＬＣ波長板１０の個々の位置における局部ＯＡ配向がＬＰＵＶ光の偏光に平行に設定される。このプロセスは、当分野では、光誘導ＬＣ配列として知られており、ＬＣＤの製造および他の光配列偏光要素の製造に使用されている。たとえば米国特許第５，６０２，６６１号（Ｓｃｈａｄｔ等）および米国特許第５，３８９，６８９号（Ｃｈｉｇｒｉｎｏｖ等）に、線状光重合重合体ネットワーク（ＬＰＰ）の配向層と接触しているＬＣＰの異方性膜を備えた層構造が記載されている。たとえば米国特許第５，５３９，０７４号、第６，２０１，０８７号および第６，１０７，４２７号に、適切なＬＰＰ材料が開示されており、ケイ皮酸誘導体およびフェルラ酸誘導体がある。本発明の場合、このプロセスを利用して、ＬＰＰ層２０にほぼあらゆる定義済み渦次数の渦配列パターンを形成し、次にこのパターンをＬＣ波長板層２５中の実質的に全く同じ渦ＯＡ配向パターンに移すことによって定義済み渦次数の渦波長板を形成している。

ＬＰＰコート基板１５／２０が開口１２５に対して回転すると、あるいは他の実施形態の場合、開口１２５が基板１５／２０に対して回転すると、曲線矢印１７２で概略的に示すように、露光領域１７０も同じく中心点１３７ａの周りを回転し、後の時間経過過程で、配列層２０の異なる部分、たとえば一例として１７０ａで示す部分へ露光領域が移動する。露光領域１７０が中心点１３７ａの周りを完全に１回転すると、ディスク形領域１６５が、それぞれその異なる部分が異なる時間経過過程でＬＰＵＶ放射１１１に露光される。この時点で、ＵＶランプ１０５を消して露光プロセスを停止することができ、あるいは所望の放射線量に到達するまで露光プロセスを継続することができる。

ＵＶ放射の強度に応じて、回転ステージ１５０、ひいては露光領域１７０を複数回にわたって完全に回転させ、それによりＬＰＰ配列に適した放射線量を得ることができる。任意選択で、コントローラ１３２は、露光プロセスの開始時に開き、かつ、露光プロセスの終了時に閉じるようにＵＶランプのシャッタ１０７をトリガすることができる。ＬＰＰ層２０の一様な露光を保証するためには、くさび形開口１２５の頂端部１２８は、ＬＰＰコート基板１５／２０がその周りを回転する第２の回転ステージ１５０の回転軸１３７上に配置され、中心点１３７ａは、回転軸１３７と配列層２０の露光表面の交点に対応していることが好ましい。基板の回転軸に対する開口頂点位置の正確な調整を容易にするために、ｘ−ｙマイクロメータ・ステージ（図示せず）の上に開口板１２０を取り付けることができる。

一例として、開口１２５の開口角１２３は５度であり、基板の回転の角速度ω_１は０．２ｒｐｍ、また、露光プロセスの継続時間は、ＬＰＰコート基板１５／２０の完全な１回転に対応する３００秒であり、したがってＬＰＰ層２０のすべての方位位置がＬＰＵＶ放射１１１に一様に露光される。３００〜３４０の波長領域で放出し、かつ、直径約１００ｍｍの露光面積を提供する１ｋＷ Ｈｇアーク燈を使用することにより、ＬＰＰ層２０の個々の露光位置が３００〜３４０ｎｍスペクトル波長領域で約４０ｍＪ／ｃｍ^２の線量のＵＶ放射を受け取り、本出願人らは、これは、必要な配列をＬＰＰ層に誘導するためには適切であることを見出した。配列層２０の特定の光配列可能材料の要求に応じて、ＵＶ放射をもっと強烈にするか、あるいは基板の回転速度をもっと遅くすることにより、より高いＵＶ線量が提供される。

第２の回転ステージ１５０による基板の回転と同時に、第２の角速度ω_２で偏光子１１５を回転させることも可能である。その結果、露光領域１７０におけるＵＶ偏光方向は、通常、図５の両矢印１６６および１６７で示すように、露光領域１７０におけるＵＶ偏光方向が異なることになり、したがって異なるＬＰＰ材料配列配向がこれらの領域に光誘導される。第１の角速度に対する所定の比率Ｒになるように、つまり次の式（３）
ω_２＝Ｒ・ω_１ （３）
を満足するように第２の角速度ω_２を選択することにより、ＬＰＵＶ放射によって配列層２０に定義済み空間変形配列パターンを誘導することができる。ｎが整数である角速度比率
Ｒ＝１−ｎ／２ （４）
を選択することにより、ｎ／２渦波長板を製造するために必要な配列パターンがＬＰＰ層２０に生成される。正のＲは同じ方向の回転に対応し、負の値のＲは、基板および偏光子の逆方向の回転に対応していることに留意されたい。有利には、上で説明したＬＰＵＶ露光プロセスによって提供され、また、図８Ａ、Ｂを参照して以下で説明するように処理することによって提供される渦配列パターンは、実質的に連続している。つまり、ＯＡ配向の変化が中断することなく、空間的に滑らかである。図６は、一例として、上で説明した、角速度の比率がＲ＝２．５の場合のプロセス、つまり偏光子１１５を基板ステージ１５０より２．５倍速く回転させることによって配列層２０に形成された渦配列パターン１９５を示したものである。

上で説明したＵＶ露光プロセスによってＬＰＰ層２０に空間変形配列パターンが光誘導されると、ＬＰＰ配列層２０を備えた基板１５が露光装置１００から取り出され、適切なＬＣＰ前駆体材料がＬＰＰ配列層２０の上にスピン塗布されるか、あるいは他の適用可能な方法で付着、コーティングまたは印刷される。ＬＰＰ層２０は、装置１００内でのＬＰＵＶ光への露光によってＬＰＰ層２０に誘導された空間変形配列パターンに従って、ＬＣＰ前駆体材料をこれと共にその光学軸に配列させる。得られた構造は、最初に高められた温度で焼きなましすることができ、次に、交差結合させるべく適切な波長の非偏光ＵＶ光への露光によってＬＣＰ前駆体層が硬化され、それによりＬＰＰ前駆体材料がＬＣＰに重合化し、図２Ａに示すＬＣ波長板２５が形成される。プロセスは、ポストベーク・ステップで終了する。ＲＯＬＩＣ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓから入手することができるＲＯＦ−５１５１ ＬＣＰは、適切なＬＣＰ材料の一例である。図７に示す表は、本発明による空間変形光配列波長板の例示的製造プロセスを要約したものである。

ＬＣ層２５の厚さｄは、ＬＰＰ層２０の上にコーティングされるＬＣＰ前駆体材料の量で決まり、重要な動作波長λでＳＶＬＣ波長板１０の所望のリターダンスΓが提供されるよう、次の式（５）に従って選択される。
ｄ＝（λ／Δｎ）（Ｎ＋Γ／２π） （５）
上式で、Δｎは、複屈折、つまり、波長λにおけるＬＣ波長板層２５の常光線屈折率と異常光線屈折率の差であり、Ｎは、波長板次数として知られている正の整数である。したがって、ゼロ次数２分の１波長板のＬＣ層の厚さは、ｄ＝λ／Δｎ（Ｎ＋１／２）である。例示的ＬＣＰ材料が使用される場合、Δｎは、λ＝５５０ｎｍにおいて約０．１０３であり、したがって波長板層２５の物理的な厚さは、動作波長λ＝５５０ｎｍにおけるリターダンスが２７５ｎｍの場合、約２．７ミクロンである。

上で説明した製造プロセスにより、光誘導空間変形ＬＣ波長板が製造される。好ましい実施形態では、コントローラ１３２は、単独であれ、あるいはプロセッサ１２８との協同であれ、第１および第２の回転ステージ１３０、１５０を制御して、第１および第２の角速度の比率Ｒ＝ω_１／ω_２が所定の値を維持するようにプログラムされている。この比率は、
Ｒ＝（１−ｎ／２） （６）
になるように制御されることがさらに好ましい。上式で、ｎは、特定の波長板の必要に応じて任意の整数にすることができ、０であっても、正または負であってもよい。条件（６）を満足している場合、上で説明した露光プロセスによって製造されるＳＶＬＣ波長板１０は、ｎ／２渦波長板である。ｎ＝０の選択は、偏光子１１５およびＬＰＰコート基板１５／２０の同じ角速度での同じ方向の回転に対応し、単一方向のＯＡ配向の波長板が製造されることに留意されたい。

ＵＶ露光の間、偏光子１１５が静止状態を維持している場合、つまり、Ｒ＝０およびｎ＝２である場合、ＬＰＰ層２０に誘導される配列パターンおよびＯＡ配向パターンは、いずれも、図２Ｂおよび２Ｃに示すような円対称であり、第２次数偏光渦ビームの生成に適している。有利には、偏光子１１５およびＬＰＰコート基板１５／２０の両方を同時に回転させることにより、ｎが２以外の次数であるｎ／２の空間変形渦波長板を製造することができる。

上で説明した光露光装置１００には、ＬＰＰ配列層２０およびＬＰＰ配列層２０に入射するＵＶ光１１１の偏光の両方が同時に回転している状態での、静止した狭いくさび形開口を介したＬＰＰ配列層２０のＵＶ露光が利用されており、したがって、配列層の異なる部分が異なる時間経過過程で偏光ＵＶ光に露光され、特定の方位位置におけるＬＰＵＶ露光の偏光配向は、個々の角速度の比率Ｒで決まる。次の表１は、一例として、角速度の比率Ｒ、得られた波長板の渦次数α＝ｄθ／ｄφ、および得られた空間変形波長板を通過させることによって一様に偏光されたビームから得ることができる偏光渦ビームの渦次数ｍの間の相応関係を示したものである。

本発明においては、ＬＰＵＶ露光プロセスの間、開口１１５を静止状態に維持することは、必ずしも必要条件ではない。本出願人らは、第１の配列層２０、開口１１５およびＬＰＵＶ放射１１１の偏光配向のうちの任意の２つを選択された角速度で回転させることにより、装置１００に類似した露光装置内で任意の渦次数の空間変形渦配列パターンを生成することができることを見出した。したがって、ＬＰＵＶ露光装置の他の実施形態は、基板１５および偏光子１１５のうちの一方を静止状態に保持しながらあるいはＬＰＵＶ露光の間、偏光子１１５、開口１２５および基板１５の３つのすべてが選択された相対角速度で回転する際に開口を回転させる手段を備えることができる。

図８Ａは、本発明によるＬＰＵＶ露光装置の第２の実施形態２００を示したものである。図８Ｂは、図４Ｂと同様、図８Ａに示すＵＶ源１０５から見た配列層２０、偏光子１１５および開口板１２０の瞬時相対位置を平面図で示したものである。説明を分かり易くするために、図４Ａ、４Ｂおよび８Ａ、８Ｂでは、同様の構成要素には同様の参照数表示を使用してラベルが振られていることに留意されたい。露光装置１００と２００の相違の１つは、装置２００では、開口ステージ１３１とも呼ばれている第３の回転ステージ１３１の透明開口内に開口板１２０が取り付けられていることである。動作中、開口ステージ１３１は、露光プロセスの間、くさび形開口１２５が第３の角速度ω_３で回転軸１４１の周りを回転するよう、作動コントローラ１３２によって制御される。図８Ｂの曲線矢印１５１は、この回転を示したものである。

この場合、ＬＰＵＶ露光プロセスの間、開口１１５が回転するため、ＵＶ源１０５からのＵＶ放射２１０は、配列層２０に対する開口２５のあらゆる方位位置に存在しなければならない。図８Ａに示す実施形態では、これは、ＵＶ源２０５によって放出される平行ＵＶビーム２１０の直径を、図４Ａに示す装置１００のＵＶ源１０５のＵＶビーム１１０に対してかなり大きくすることによって保証されている。別法としては、回転している間、開口が常に照射されるよう、偏光子１１５を備えたＵＶ源２０５を開口回転ステージ１３１上の、開口１２５に対して固定された位置に取り付けることも可能である。他の実施形態では、開口の回転と同期したビーム走査技法を実施することができる。

ＬＰＵＶ露光プロセスの一実施形態は、開口１２５を回転させ、かつ、基板１５ひいてはＬＰＰ層２０を静止状態に維持することにより、露光装置２００内で配列層２０の異なる部分を露光するステップを含むことができる。露光プロセスの間、偏光子１１５が同じく静止状態に維持される場合、ＬＰＵＶパワー、開口の角速度および開口角面積が、ＬＰＰ層が適切なＵＶ線量を受け取るように選択されることを条件として、開口１２５を完全に１回転させることにより、ＬＰＰ層２０に円対称配列パターンが形成される。開口を１回転させることによって提供されるＬＰＵＶ放射の線量が不十分である場合、必要に応じて複数回にわたって開口を回転させることができる。

開口１２５を回転させ、それと同時に偏光子１１５または基板１５のいずれかを回転させることにより、完全な円対称を有していない配列パターンを生成することができる。この方法の一実施形態では、偏光子１１５を、ｎが整数である次の条件
ω_４＝（ｎ／２−１）・ω_３ （７）
を満足する第４の角速度ω_４で回転させることによってＬＰＵＶ放射２１１の偏光配向を回転させている間、第１の配列層の異なる部分を開口を介して異なる時間経過過程で偏光放射に露光するために、ＬＰＵＶ露光プロセスには、開口１２５を第３の角速度ω_３で開口１２５の頂端部１２８の周りを少なくとも１回完全に回転させるステップが含まれている。この方法のこの実施形態では、基板が静止状態に維持され、したがって第２の回転ステージ１５０は任意選択であり、基板ホルダと取り替えることができる。引き続いてＬＣ波長板層２５が配列層２０の頂部に形成されると、ＬＰＵＶ露光によってＬＰＰ層２０に誘導された配列パターンによってＬＣ波長板層２５のＯＡが固定され、それにより、ｎ／２渦波長板、つまりα＝ｎ／２の場合の式（２）を満足する空間変形ＯＡパターンを特徴とする構造が得られる。

他の実施形態では、露光装置２００を使用したＬＰＵＶ露光プロセスには、偏光子１１５ひいては偏光ＵＶ放射２１１の偏光配向を静止状態に維持しつつ、開口１２５を第５の角速度ω_５で回転させるステップ、およびｎが整数である次の条件
ω_６＝（１−２／ｎ）・ω_５ （８）
を満足する第６の角速度で基板１５を回転させるステップが含まれている。この実施形態では、開口１２５が基板に対して少なくとも１回完全に回転するまで、つまり、図５に示す露光領域１７０が中心点１３７ａの周りを完全に回転し、それにより第１の配列層２０の異なる部分が異なる時間経過過程で露光されて配列層２０のすべての方位位置がＬＰＵＶ放射に露光されるまで、基板および開口が回転する。偏光子１１５が静止状態に維持されるため、したがってこの実施形態では第１の回転ステージ１３０は任意選択である。

当業者には理解されるように、本発明による光露光システムの実施形態１００および２００は、本明細書においては単に一例として説明されているにすぎず、図４Ａ、Ｂおよび８Ａ、Ｂは、それらの概要を示したものであり、本発明を理解し、実践するために必要な構成要素を示したものにすぎない。当業者は、それらの特定の要求事項に応じて、図に示す実施形態を修正することが可能であり、また、このような多くの修正は、本発明の範囲内で可能である。たとえば、上で説明した光露光システム１００および２００には、アーク燈などの非偏光放射のＵＶ源１０５と偏光子１１５の組合せが利用されている。しかしながら、ＵＶレーザなどの直線偏光ＵＶ放射源を代わりに使用することも可能であり、したがって偏光子１１５を省略することができる。その場合、ＬＰＵＶ放射の偏光配向は、放射源自体を回転させることによって、あるいは偏光子１１５の代わりに偏光回転子を使用することによって回転させることができる。さらに、図４Ａおよび８Ａには、アーク燈１０５および２０５の概要しか示されていないが、ＵＶミラー、ホモジナイザ（インテグレータ）、開口、コリメーティング光学系、電源、シャッタ・タイマなどの追加要素を備えることができる。

上で説明した実施形態では、開口、基板および偏光子のうちの２つを回転させ、かつ、前記要素のうちの第３の要素を静止状態に維持することによって渦配列パターンが生成されているが、式（２）を満足する配列パターンが誘導されるように選択された角速度比率でこれらの３つのすべてを同時に回転させることによって所望の渦配列パターンを配列層２０に生成することも可能である。また、図に示す実施形態では、ＬＰＵＶ光は、９０度で配列層２０に衝突しているが、他の実施形態では、たとえば、Ｏ−プレート・リターダンス成分またはＣ−プレート・リターダンス成分がＳＶＬＣ波長板１０に望ましい場合、配列層２０に入射するＬＰＵＶ光の角度を９０度以外の角度にすることができる。Ｏ−プレート・リターダンスを生成する場合、配列層２０および波長板層２５用には、このようなリターダンスの生成に適したＬＰＰ材料およびＬＣ材料を選択しなければならない。Ｏ−プレートＬＣ材料は、通常、基板の表面に対して一定の角度で傾斜したＯＡを有しており、それにより平面内（Ａ−プレート）リターダンス成分および平面外（Ｃ−プレート）リターダンス成分をもたらしている。

上で言及したように、好ましい実施形態では、開口１２５は、ＬＰＵＶ露光プロセスで開口を回転させる場合は、その頂端部が開口の回転軸１４１上に配置され、あるいはＬＰＵＶ露光プロセスで配列層１０を回転させる場合は、その頂端部が配列層２０の回転軸１３７上に配置されるくさびの形を有している。開口１２５はくさび形であることが好ましいが、他の開口形状を使用することも可能であり、たとえば、幅が長さよりはるかに狭く、一方の末端が開口および基板の相対回転軸またはその近傍に配置された細いスリットなどを使用することができる。しかしながら、このような開口は、式（２）によって画定される真の渦パターンから逸脱した配列パターンを生成することがあり、この逸脱は、渦の中心部分で比較的より大きく、また、スリットの幅が広いほど大きくなる。

図９を参照すると、ＳＶＬＣ波長板１０などの空間変形波長板を製造するための本発明による方法には、以下の全体ステップが含まれている。

第１のステップ３１０で、光配列可能材料の配列層２０が基板１５の上に提供される。基板１５は、得られる波長板を透過型で動作させる場合、少なくともその波長板の目標動作波長領域で光学的に透明であることが好ましいが、他の実施形態では、得られる波長板を反射型で動作させる場合、光学的に反射型にすることも可能である。

次のステップ３２０で、配列層２０の一部が開口１２５を介してＬＰＵＶ放射によって照射され、それにより、配列層２０上の中心点から放射状に展開する露光領域１７０が形成される。ＬＰＵＶ放射は、配列層２０に配列を誘導するために適した波長および強度を有している。

ステップ３３０で、配列層２０の一部を開口を介してＬＰＵＶ放射に連続的に露光している間、配列層２０、開口１２５およびＬＰＵＶ放射の偏光のうちの少なくとも２つが回転し、それにより、露光領域１７０が中心点の周りを少なくとも１回転し、配列層２０のディスク形領域１６５がＬＰＵＶ放射に露光される。好ましい実施形態では、この回転は、式（４）、（７）または（８）に従ってその比率が設定される角速度で実行され、それにより配列層２０に渦配列パターンが誘導される。

次のステップ３４０で、液晶材料が配列層２０の光誘導渦配列パターンに従って配列するよう、ＬＣ材料の波長板層２５が配列層の上に形成される。

上で説明した、波長板層のＬＣ材料がＬＣＰである実施形態の場合、ステップ３４０で本発明による空間変形波長板１０の製造を完了することができる。

しかしながら、ＬＣＤ産業で使用されているような非重合体ＬＣ材料を、配列層２０に使用されている適切な光配列可能材料と共に波長板層２５に利用することも可能である。たとえば、このような代替実施形態の１つでは、波長板層２５は、ネマチックＬＣ材料またはねじれネマチック（ＴＮ）ＬＣ材料で形成され、第１の配列層２０と、第２の基板３５の上に形成された第２の配列層３０の間に挿入されており、図１０に概略的に示すＳＶＬＣ波長板１０ａをもたらしている。したがって、この実施形態の場合、波長板層２５を形成するステップ３４０は、第１の配列層２０と第２の配列層３０の間に形成される空胴にＬＣ材料を提供するステップを含むことができる。第２および第１の配列層は、上で説明した配列パターンなどの実質的に全く同じ配列パターンを有することができる。別法としては、第２の配列層３０は、単一方向の配列パターンを有することができ、それにより第２の配列層３０を縁取りしている一様なＬＣ分子配向の波長板層２５が得られる。

また、当分野では、ポリイミドがその一例であるが、ＬＰＰ以外の光配列可能材料もＬＣデバイスのＬＣ分子配列に有用であることが知られており、これらの材料を本発明に使用して配列層２０を形成することも可能であることに留意されたい。

次に図１１を参照すると、一例として、本発明による空間変形波長板１０を利用した単純な光システム４００が示されている。このシステムでは、空間変形波長板１０は、直線偏光放射の平行ビーム４０１の光路に配置されており、平行ビーム４０１を偏光渦ビームに変換している。空間変形波長板１０の後段にはコリメーティング・レンズ４１０が配置されており、このコリメーティング・レンズ４１０の後段には偏光子４２０を配置することができる。レンズ４２０から焦点距離の位置に配置することができるスクリーン４３０またはカメラ４４０の出力部に、直線偏光された集束ビーム４１１が形成され、したがって光システム４００の点像分布関数（ＰＳＦ）を視覚化することができる。本明細書においては、ＰＳＦは、点光源対象が得られる、光システムの焦点面における光強度分布として理解されたい。

有利には、空間変形波長板１０と偏光子４２０を組み合わせることにより、ビーム４０１に空間変形Ｐａｎｃｈａｒａｔｎａｍ−Ｂｅｒｒｙ位相が追加され、それ以外では達成が困難であると思われる方法でシステム４００のＰＳＦを整形することができる。

光システム４００のコリメーティング・レンズ４１０は、アキシコン・レンズ５１０に置き換えることができ、それにより図１２に示すシステム５００が得られる。このシステムは、直線偏光ビーム４１０をＢｅｓｓｅｌビーム５１１、すなわちビーム断面の強度プロファイルをＢｅｓｓｅｌ関数で記述することができるビームに変換する。このビームは、非回折ビーム、つまりビームの強度プロファイルがビームの伝搬に伴って変化しないビームであることが知られている。ビーム５１１のこの特性は、粒子の光トラッピングに有利に使用することができる。つまり、ビーム５１１は、レーザ・ピンセットとして使用することができる。

図１３は、一例として、本発明による３つの異なる空間変形波長板を光システム４００に使用して得られた９つのＰＳＦを示したものである。一番上の行の画像は、渦次数０．５の空間変形ＬＣ波長板１０を使用して生成された第１の次数ｍ＝１の偏光渦ビームに対応している。真中の行の画像は、第１の渦次数の空間変形ＬＣ波長板１０を使用して生成された第２の次数ｍ＝２の偏光渦ビームに対応している。一番下の行の画像は、渦次数１．５の空間変形ＬＣ波長板１０を使用して生成された第３の次数ｍ＝３の偏光渦ビームに対応している。左側、真中および右側の列は、偏光子４２０の効果を示したもので、それぞれ、偏光子がない場合、水平偏光子配向および垂直偏光子配向に対応している。

また、この図は、それぞれ上に挙げた波長板をシステム５００に使用した場合に得られるＢｅｓｓｅｌビームの強度プロファイルを定性的に示している。このようなビームをレーザ・ピンセットとして使用すると、図１３の左下隅の画像で見ることができる明るい高強度スポット間の暗い領域に粒子をトラッピングし、かつ、偏光子４２０を回転させることによって操作することができる。渦ビームの次数が高いほど、より多くの数の粒子を同時にトラッピングし、かつ、操作することができる。有利には、本発明による方法および装置は、任意の渦次数の空間変形波長板を提供することができ、したがって、単一のこのような波長板を使用して、ｍ≧３の高渦次数の偏光渦ビームを生成することができる。

上で説明した本発明の特定の実施形態は、単なる一例にすぎず、当業者には明らかであるように、本発明の特定の用途には、多くの構成要素およびステップの代替実施形態を使用することができることに留意されたい。

当然、本発明の精神および範囲を逸脱することなく他の多くの実施形態を想定することができる。

図１Ａは放射状偏光ビームを示す従来技術の線図である。図１Ｂは接線偏光ビームを示す従来技術の線図である。 本発明による空間変形液晶波長板の側面図を示す略図である。 接線光学軸パターンを有する、図２Ａに示す空間変形液晶波長板の一実施形態の平面図である。 放射状光学軸パターンを有する、図２Ａに示す空間変形液晶波長板の他の実施形態の平面図である。 本発明による空間変形液晶波長板の光学軸配向パターンの実施例を示す図である。 連続する空間変形配列を空間変形液晶波長板の配列層に誘導するための光露光装置の一実施形態の略側面図である。 図４Ａに示す装置内における波長板基板の横方向の配列を示す略図である。 図４Ａに示す装置内における配列層上の露光領域を示す線図である。 本発明による方法に従って配列層に形成された渦次数−１．５の渦配列パターンの略図である。 本発明の一実施形態による例示的波長板製造プロセスを要約した表である。 連続する空間変形配列を空間変形液晶波長板の配列層に誘導するための光露光装置の第２の実施形態の略側面図である。 図８Ａに示す装置内における波長板基板の横方向の配列を示す略図である。 本発明による空間変形液晶波長板を製造する方法の全体ステップを示す流れ図である。 ネマチックＬＣを利用した本発明による空間変形液晶波長板の他の実施形態の側面図を示す略図である。 空間変形液晶波長板を利用した第１の光システムの略図である。 空間変形液晶波長板を利用した第２の光システムの略図である。 次数１／２、１および３／２の渦光学軸パターンを有する、本発明による空間変形波長板を使用して得られた点像分布関数を示す図である。

符号の説明

１０、１０ａ 空間変形光配列ＬＣ（ＳＶＬＣ）波長板（空間変形波長板）
１５ 基板
１８ 波長板の中心
２０ 配列層（波長板層、ＬＰＰ層、第１の配列層）
２５ ＬＣ層（波長板層）
３０ 第２の配列層
３３ ＳＶＬＣ波長板の中心からの距離ｒにおけるいくつかの例示的位置における光学軸配向を示す矢印
３５ 第２の基板
１００、２００ ＬＰＵＶ露光装置
１０１ 反射器
１０３ ＵＶランプ
１０５ ＵＶ源
１０７ 光シャッタ
１１０ ＵＶ光（ＵＶビーム）
１１１、２１１ ＬＰＵＶ光（ＬＰＵＶ放射）
１１５、４２０ 偏光子（レンズ）
１２０ 開口板
１２３ 開口の開口角
１２５ 開口
１２６ 第２の回転ステージの回転軸
１２８ くさび形開口の頂端部（中心点）
１３０ 第１の回転ステージ（偏光子ステージ）
１３１ 第３の回転ステージ（開口ステージ、開口回転ステージ）
１３２ 作動コントローラ・ユニット
１３７ 第２の回転ステージの回転軸（配列層の回転軸）
１３７ａ 配列層の回転の中心点（配列層上の中心点）
１３８ 制御リンク
１４１ くさび形開口の回転軸
１５０ 第２の回転ステージ（基板ステージ）
１５１ くさび形開口の回転を示す矢印
１６５ ディスク形領域
１６６、１６７ 入射偏光の配向方向を示す矢印
１７０ 露光領域
１７０ａ 露光領域が移動する配列層の異なる部分
１７２ 露光領域の回転を示す矢印
１９０ プロセッサ・ユニット
１９５ 渦配列パターン
２１０ ＵＶ放射（平行ＵＶビーム）
４００、５００ 光システム
４０１ 直線偏光放射の平行ビーム
４１０ コリメーティング・レンズ
４１１ 集束ビーム
４３０ スクリーン
４４０ カメラ
５１０ アキシコン・レンズ
５１１ Ｂｅｓｓｅｌビーム

Claims (21)

1. 空間変形波長板を製造する方法であって、
   ａ）光配列可能材料の第１の配列層を提供するステップと、
   ｂ）前記配列層上の中心点から放射状に展開する露光領域を形成するために、前記第１の配列層の一部を、開口を介して、前記配列層に配列を誘導するために適した波長を有する偏光放射で照射するステップと、
   ｃ）前記露光領域が前記中心点の周りを少なくとも１回転し、前記配列層上の方位位置に対する前記光配列可能材料の空間的に変化する配列を提供するよう、前記第１の配列層、前記開口および前記偏光放射の偏光配向のうちの少なくとも２つを選択された角速度で回転させるステップと、
   ｄ）前記第１の配列層の上に液晶材料の波長板層を形成するステップであって、前記波長板層が、前記空間的に変化する配列に従って前記波長板層の平面内で変化する光学軸を有し、それにより、前記角速度の比率で決まる前記光学軸の所定の配向パターンを提供するステップと
   を含む方法。
2. ステップ（ａ）が、動作波長領域の光放射に対して実質的に透明または反射性の基板の上に前記第１の配列層を形成するステップを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記開口が、頂端部を備えたくさび形部分を有し、前記頂端部が、ステップ（ｃ）で前記開口を回転させる場合は前記開口の回転軸上に配置され、またはステップ（ｃ）で前記配列層を回転させる場合は前記配列層の回転軸上に配置される、請求項１に記載の方法。
4. ステップ（ｃ）が、ｎが整数である（１−ｎ／２）・ω_１に等しい第２の角速度ω_２で前記偏光放射の前記偏光配向を回転させ、かつ、前記開口の前記頂端部が前記基板の回転軸上に位置した静止状態で前記開口を維持している間、前記第１の配列層の異なる部分を前記開口を介して異なる時間経過過程で前記偏光放射に露光するために、前記基板を第１の角速度ω_１で少なくとも１回転させるステップを含む、請求項３に記載の方法。
5. ステップ（ｃ）が、ｎが整数である（ｎ／２−１）・ω_３に等しい第４の角速度ω_４で前記偏光放射の前記偏光配向を回転させている間、前記第１の配列層の異なる部分を前記開口を介して異なる時間経過過程で前記偏光放射に露光するために、前記開口を第３の角速度ω_３で前記開口の前記頂端部の周りを少なくとも１回転させるステップを含む、請求項３に記載の方法。
6. ステップ（ｃ）が、前記開口が前記基板に対して少なくとも１回完全に回転し、前記第１の配列層の異なる部分が前記開口を介して異なる時間経過過程で前記偏光放射に露光されるよう、前記偏光放射の前記偏光配向を静止状態に維持し、かつ、ｎが整数である（１−２／ｎ）・ω_５に等しい第６の角速度ω_６で前記基板を回転させている間、前記開口を第５の角速度ω_５で回転させるステップを含む、請求項３に記載の方法。
7. ステップ（ｂ）が、ＵＶ放射を偏光子を通過させることによって前記偏光放射を形成するステップを含み、ステップ（ｃ）が前記偏光子を回転させるステップを含む、請求項４に記載の方法。
8. ステップ（ｂ）が、ＵＶ放射を偏光子を通過させることによって前記偏光放射を形成するステップを含み、ステップ（ｃ）が前記偏光子を回転させるステップを含む、請求項５に記載の方法。
9. 前記光配列可能材料が線状光重合可能重合体（ＬＰＰ）からなり、前記偏光放射が直線偏光ＵＶ光である、請求項２に記載の方法。
10. 前記ＬＣ材料がＬＣ重合体からなる、請求項２に記載の方法。
11. ステップ（ｄ）が、
    前記配列層の上にＬＣＰ前駆体材料を付着させるステップと、
    前記波長板層を形成するために、ＵＶ光への露光によって前記ＬＣＰ前駆体材料を重合化させるステップと
    を含む、請求項１０に記載の方法。
12. 前記ＬＣ材料がネマチックＬＣからなる、請求項１に記載の方法。
13. ステップ（ｄ）が、第２の配列層を提供するステップを含み、それにより前記波長板層が前記第１の配列層と第２の配列層の間に挿入される、請求項１２に記載の方法。
14. 前記ＬＣ材料がねじれネマチック（ＴＮ）ＬＣを含み、前記第２の配列層が、前記第２の配列層の平面内で変化しない単一方向配列配向により特徴づけられる請求項１３に記載の方法。
15. 空間変形偏光波長板であって、
    光配列可能材料の第１の配列層を備え、
    前記第１の配列層の上に配置された液晶（ＬＣ）材料の波長板層を備え、前記波長板層が空間的に変化する光学軸を有し、前記空間的に変化する光学軸の配向角θが、前記配列層によって画定され、かつ、φが前記波長板層上の個々の位置の方位角であり、θ_０が定数パラメータ、ｍが非ゼロ整数である、θ＝φ・ｎ／２＋θ_０の関係に従って前記波長板層の平面内で変化する、空間変形偏光波長板。
16. 前記ＬＣ材料がＬＣ重合体を含む、請求項１５に記載の空間変形偏光波長板。
17. 前記ＬＣ材料がネマチックＬＣを含む、請求項１５に記載の空間変形偏光波長板。
18. 前記波長板層の上に配置された第２の配列層をさらに備えた、請求項１５に記載の空間変形偏光波長板。
19. 前記第２の配列層が、前記層の平面内で変化しない単一方向配列配向を有する、請求項１８に記載の空間変形偏光波長板。
20. 偏光渦ビームを形成するための、請求項１５に記載の空間変形偏光波長板を備えた光システム。
21. 基板の配列層に空間変形配列パターンを生成するための光露光システムであって、
    前記配列層に配列を誘導するために適した偏光放射源と、
    前記偏光放射源と前記配列層の間の偏光放射の光路に配置された、中心点から放射状に展開する露光領域を前記配列層の上に形成するための開口と、
    前記開口の頂端部が前記開口と前記配列層の相対回転軸上に位置するよう、前記偏光放射の偏光配向、前記開口および前記配列層のうちの少なくとも２つを選択された角速度で回転させるための回転手段と、
    選択される角速度の比率を制御するための制御手段と
    を備えた光露光システム。

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