JP2008522208A - 動的な液晶ゲルホログラム - Google Patents

Abstract

切り替え可能な動的なホログラム（２）が、異方性の液晶（ＬＣ）ゲル材料（１０）に形成されるが、ここで、異方性は、そのＬＣの巨視的な整列から結果として生じる。電場（８）を印加することによって、それら液晶の部分の配向を、変えることができると共に、そのホログラムを、スイッチを入れる及び切ることができる。ＬＣゲルを使用することは、そのホログラムが、電場の印加（Ｖ≠０）の間にのみ現れるように、電圧オフの状態（Ｖ＝０）で回折の無いホログラフィー素子を可能にする。また、それら異方性のＬＣゲルは、偏光依存性を維持する。それら動的なホログラムは、例．動的なホログラフィーの光学構成部品において、適切なものであるが、それによって、光学的な機能を、導入する又は取り除く素子無しに、ビームの経路に含める／排除することができる。

Description

本発明は、液晶材料に形成された動的なホログラムに関係する。電場を印加することによって、それら液晶の部分の配向を変えることができると共に、そのホログラムを、スイッチを入れる及び切ることができる。本発明は、例．動的なホログラフィーの光学構成部品に適切なものであるが、それによって、光学的な機能を、導入する又は取り除く素子無しに、ビームの経路に含める／排除することができる。

文献において知られた従来のホログラムは、静的なホログラムである。一度ホログラムが、作られると、それの光学特性を、変化させることができない。電気的に制御することができるホログラムが、体積ホログラフィーの格子と液晶の利点を組み合わせることによって、作られてきたとこである。最初に、ホログラフィーの透過格子が、その材料の内側に干渉パターンを形成するための従来の二つのビームの装置で、光重合性の材料を露出させることによって、形成される。露出の後に、その材料は、最も大きい露出の領域に空隙を生じるように、加工されると共に、それら空隙は、液晶が注ぎ込まれる。残念ながら、これらの材料は、製造することが複雑なものであると共に、液晶のドメインの大きさ、形状、密度、又は秩序化にわたる現場での制御について柔軟性を提示するものではない。

また、切り替え可能な液晶ホログラムが、重合体に分散させられた液晶（polymer
dispersed liquid crystal）（ＰＤＬＣ）の材料に製作されてきたところである。米国特許第５，９４２，１５７号明細書（特許文献１）は、光開始剤、共開始剤（coinitiator）及び架橋剤との組み合わせで、ネマチック液晶及び多官能性のペンタアクリラート単量体の均質な混合物を含むＰＤＬＣ材料を開示する。そのＰＤＬＣ材料は、その材料の内側に干渉パターンを生じるように、コヒーレントな光に対して露出させられる。そのＰＤＬＣ材料の光重合は、明らかに分離された液晶のドメイン及び硬化させられた重合体のドメインのホログラムを生じる。
米国特許第５，９４２，１５７号明細書

仮に、単純な製作、簡易な動作、高い透明度、オフ状態における低い回折、オン状態における高い回折効率、及び、良好に定義された複屈折の性質を有する改善された動的なホログラフィー素子を提供することが、可能であるとすれば、好都合なものであるであろう。

先行技術において切り替え可能なホログラフィー素子に適用されたＰＤＬＣ材料は、巨視的な整列の無い等方性の系である。ＰＤＬＣの溶液が、ＬＣ成分を含むとはいえ、その混合物は、他の成分が、ＬＣの特性を乱すと共にそれら分子を無作為に配向させたものにするので、ＬＣではない。

ＰＤＬＣ材料とは対照的に、ＬＣゲル材料は、重合の前には、異方性の液晶の相にある。本テキストにおいては、重合の前におけるＬＣゲル材料は、また、ＬＣプレゲル混合物と称されることになる。ＬＣゲルの系は、重合体で安定化された、異方性の液晶の相であるが、それにおいて、構成要素のいずれも、重合の前におけるそれらの濃度及び状態において、その相の（屈折率）異方性又は液晶の状態を乱す能力を有したものはない。

本発明の発明者は、等方性のプレＰＤＬＣ混合物の代わりに異方性のＬＣプレゲル混合物を使用することによって、ホログラフィーのＰＤＬＣ素子とは異なって行うホログラフィーのＬＣゲルの素子を生産することができることを、見出してきたところである。その生産は、二つのステップの照明の工程を伴うが、その工程は、そのホログラフィー素子の新しい及び驚くべき特性に帰着する。

それに応じて、本発明の第一の態様は、異方性のＬＣプレゲル材料の内側に重合させる光の干渉パターンを露出させること、及び、その後に、そのバルクのＬＣプレゲル材料を投光照明の重合させる光へ露出させることによって、形成されたホログラムを提供する。

ＬＣプレゲル混合物は、以下に続く成分、
− その混合物の重合の際に重合をうけない非反応性のＬＣホスト；
− 重合の際に直鎖の重合体を形成する、単官能性の反応性の（重合性の）単量体；
− （また、架橋剤とも称された）非官能性の反応性の混合物と共重合させると共に重合の際に架橋を形成することができる多官能性の反応性の単量体；及び
− 光開始剤
を含む。

それら個々の成分は、それらが、重合の前又は後において全体的な混合物の液晶の秩序化を乱すものではない限りは、液晶の相にあることを、必要とするものではない。ＬＣホストは、いずれの商業的に入手可能なＬＣ混合物でもあることができる。様々なタイプの官能基が、それら単量体の重合のために選ばれることもある。その単官能性の重合性の重合体は、例．モノアクリラート、モノエポキシ、モノビニルエーテルであることもある。架橋のための多官能性の重合体は、例．ジ又はトリ（マルチ）アクリラート、エポキシ、又はビニルエーテルであることもある。また、三つの反応性の基よりも高い官能性を備えたチオールエン（thioleene）の系は、使用されることもある。好適な実施形態においては、反応性の分子は、液晶の相を形成する傾向を示すメソゲンの分子として選ばれる。その光開始剤は、光への露出の際にフリーラジカル、カチオン／アニオン重合を開始する、いずれの分子であることもある。

ＬＣプレゲルの混合物は、重合させる放射、典型的には紫外の（ultraviolet）（ＵＶ）光で材料を照明することによって、光重合されたものであることができる。重合の間に、架橋された重合体の鎖のネットワークが、形成されるが、それらネットワークは、外部の電場において整列させるためのＬＣ分子の傾向を低減する。本事情においては、動詞としての重合させることは、重合をうける、又は、重合にかけられることを意味すると共に、形容詞としては、重合性の媒体において重合を引き起こす又は誘起する能力を意味する。

第二の態様に従って、本発明は、動的なホログラフィー素子を形成するための方法を提供するが、その方法は、
− 非反応性のＬＣホスト；
− 単官能性の重合性の重合体；
− 多官能性の反応性の単量体；及び
− 光開始剤
− ：を含む異方性のＬＣプレゲル混合物を提供すること、
− そのＬＣプレゲル混合物において高い強度の領域及び低い強度の領域又は強度の無い領域を形成する重合させる光の干渉パターンとのそのＬＣプレゲル混合物の部分を照明すること、並びに
− 異方性のＬＣゲルを形成するために、重合させる光でそのＬＣプレゲル混合物を照明すること
：のステップを含む。

第一の照明のステップ、そのＬＣゲルの相における高い及び低い強度の領域の形成の間に、数個の工程が、開始される。第一に、その光開始剤の分子は、入射する放射によって、ラジカルへ分割させられる。この反応は、それら高い強度の領域において、より高い速度を有する。これは、それら単量体とそれら架橋する分子との間における重合反応を開始する。この反応は、その光開始剤の反応の結果として、また、それら高い強度の領域において、より高い速度を有すると共に、それら高い強度の領域における単量体及び／又はそれら架橋する分子の徐々の消耗が、開始される。それら重合させる成分の一つが、他のものよりも、実質的により豊富でないものであるとすれば、この成分の濃度のみが、顕著に影響を及ぼされるものである。重ねて、これは、フィック（Ｆｉｃｋ）の法則に従って、それら低い強度の領域からそれら高い強度の領域までの、あまり豊富なものではない重合する成分の正味の拡散に帰着する。

その第一の照明ステップの間に、その初期に均質なＬＣ混合物は、その高い強度の領域において、より大きい濃度の重合する成分と共に不均質なものになる。そのＬＣゲルの相の組成及びその干渉パターンの縞における強度の変動の尺度は、好ましくは、その低い強度の領域又は強度の無い領域からその高い強度の領域までの、重合する成分の効率的な拡散を可能にするために、適合させられる。また、その第一のステップ照明する光は、好ましくは、その低い強度の領域又は強度の無い領域からその高い強度の領域までの、重合する成分の効率的な拡散を可能にする平均の強度及び持続時間と共に、適用される。適当なパラメーターは、そのＬＣゲルの与えられた構成要素に依存する、典型的なパラメーターは、約３５０−４５０ｎｍ、典型的には３６０ｎｍの重合の波長、１μＷ−１０ｍＷ／ｃｍ^２、典型的には０．１ｍＷの強度、及び、１−３０分、典型的には１０分の重合の時間である。その弱い平均強度のおかげで、上に記載された重合は、遅いものであると共に完結したものではない。

その第二の照明ステップにおいては、そのプレゲル混合物を含有するセルは、高い平均強度の投光照明の放射で照明される。ここで、その重合は、全ての領域において完結させられる。その第一のステップにおいて作り出された不均質性のおかげで、それらＬＣの結果として生じる重合体の安定化は、その第一のステップの高い及び低い強度の領域において異なるものであるが、その高い及び低い強度の領域は、それによって、それぞれ、高い重合体のネットワーク密度を備えたＬＣゲルの領域及び低い重合体のネットワーク密度を備えたＬＣゲルの領域を形成する。この本文のいたるところで、これらの領域が、単純に高い／低いネットワーク密度の領域と称されることになる。

その重合させる光の強度及びその多官能性の反応性の単量体の濃度のようなパラメーターは、その場のオフの状態における透明なゲル及びその場のオンの状態における高い回折効率を得るために重要なものである。単官能性の単量体の好適な濃度の範囲は、０−５０％であると共に多官能性のものは、０−３％の範囲にある。最も典型的な実施形態において、単官能性のものは、１０−３０％の範囲にあると共に、多官能性のものは、０．５−１％の範囲にある。

好適な実施形態において、そのＬＣ相は、その重合させる光の非線形の吸収を有する非線形の光吸収体を、典型的にはＵＶ吸収体又は色素を、さらに含む。その非線形の吸収の成分は、非線形の吸収の挙動示すと共に、ある一定の強度より上で、吸収が減少する。それによって、最も理想的な場合には、その非線形の吸収の成分は、その高い強度の領域を、影響を受けてない状態にしておく一方で、それら低い強度の領域において光開始剤に当たる放射の量を低減させる。これは、低度に及び高度に照明された領域の間で有効な強度のコントラストを増加させることになると共に、その系における高い回折効率を提供する。その非線形の光吸収体は、例．光互変性の又は光退色する色素であることもある。このような色素の例を、図１９ＡからＦまでに見出すことができる；また、サリチリデン−アニリン類（Ａ）、スチルベン類（Ｂ）、アゾ化合物（Ｃ）、及び、スピロピラン類（Ｄ）、フルギド類（Ｅ）、ジアリールエテン類（Ｆ）のような他の光互変性の材料が、安定なものである。これらの図において、それら色素の一般的な構造が、示される。Ｒは、置換を表す。

第三の態様においては、本発明は、動的なホログラムの製作についての異方性の液晶ゲルの材料の使用を提供する。

ＬＣゲルの素子においては、それにおいては、そのバルクの相が重合させられてしまっているが、そのゲルは、その秩序化された分子の整列のおかげで、高度に透明なものである。委印加された電圧が、閾値の電圧を超過するとき、その電場から発揮されたトルクは、その重合体のネットワークによる抵抗を超過する。結果として、ＬＣ分子は、その印加された電場の方向に再配向することを開始する。一軸性に配向させられた系の閾値の電圧（Ｖ_ｃ）は、以下の等式によって与えられる。

Ｖ_ｃ＝π（Ｋ_１／ε_０Δε）^０．５ （１）
ここでは、Ｋ_１は、斜角の弾性定数であり、ε_０は、自由空間の誘電率であると共に、Δεは、その材料の誘電性の異方性である。

本発明に従った動的なホログラフィー素子においては、秩序化された構造を形成する領域が、最初に照明されると共に、その後で、そのバルクの相が、照明される。結果として生じる相は、異なる架橋の密度及びそれによって異なる弾性定数を備えた重合体のネットワークの領域並びにそれらＬＣの分子を再配向させるための閾値の電圧を含有する。

よって、第一の及び第二の態様において、重合させられた異方性のＬＣゲル材料は、好ましくは、低いネットワーク密度のＬＣゲルの領域及び高いネットワーク密度のＬＣゲルの領域を含むが、その高いネットワーク密度のＬＣゲルの領域は、その高いネットワーク密度のＬＣゲルの領域が、その低いネットワーク密度のＬＣゲルの領域に秩序化された構造を形成するように、そのＬＣゲル材料の内側にその干渉パターンを露出させることによって、形成される。

また、第四の実施形態においては、本発明は、異方性の液晶（liquid crystal）（ＬＣ）ゲルの相を保持するセルを含む動的なホログラフィー素子を提供するが、そのセルは、そのＬＣゲルの相にわたって電場を与えるためのそのセルの対向する側に位置決めされた第一の及び第二の電極の上部に位置決めされたプレゲルの混合物の巨視的な整列を誘起するための配向層を含むと共に、そのＬＣゲルの相は、低いネットワーク密度のＬＣゲルの領域及び高いネットワーク密度のＬＣゲルの領域を含むが、
− それにおいては、それら高いネットワーク密度のＬＣゲルの領域は、それら低いネットワーク密度のＬＣゲルの領域よりも大きい閾値の切り替え電圧を有すると共に、
− それにおいては、それら高いネットワーク密度のＬＣゲルの領域は、それら低いネットワーク密度のＬＣゲルの領域において秩序化された構造を形成する。

その閾値の電圧は、それらＬＣ分子の再整列を誘起するために、第一の及び第二の電極へ印加するものでなければならない電圧である。そのＬＣゲルにおけるネットワーク密度は、外部の力によって影響されたとき整列を変化させるためのそれらの能力に影響すると共に、従って、その閾値の電圧に密接に関係付けられる。

その異方性のＬＣゲルの相にあたって加えられた電場が無いとき、それら低いネットワーク密度の及び高いネットワークのＬＣゲルの領域のＬＣ分子は、少なくとも実質的に同じ配向を有する。電圧が、それら電極へ印加されるとき、その電場は、それらＬＣ分子の整列における変化を引き起こすことになるが、その変化は、それら高いネットワーク密度の領域についてよりも、それら低いネットワーク密度の領域について、より大きいものである。その印加された電圧が、高いネットワーク密度の領域の閾値の電圧よりも低いものであるが、しかし、低いネットワーク密度の領域の閾値の電圧よりも高いとすれば、それら分子の整列における変化は、低いネットワーク密度の領域においてのみ起こる。

これは、ＰＤＬＣ素子における異なる領域と対照的に、見られることである。ＰＤＬＣでは、その重合体の相は、等方的なものであると共に、その系内のＬＣ分子は、ゼロの電場で相互に関して巨視的に整列させられない。先に述べたように、そのプレＰＤＬＣの溶液は、それら加えられた成分のおかげで、重合より先にＬＣ状態にはなかった。これは、それらＬＣホスト分子が、等方的な重合体の基材に至る重合の際に無作為に配向させられたことを意味する。その重合が、干渉パターンと共に行われたとすれば、ＬＣホストの小滴は、それら等方的な重合体の豊富な領域の間に形成される。電場を加える際に、それらＬＣの小滴は、整列すると共に、それら整列させられた小滴とその等方的な重合体の基材との間の回折のコントラストに至る。

手短に言えば、本発明のＬＣゲルの素子において、すでに巨視的に整列させられた（及び、それによって、異方性の）ＬＣの異なる領域は、電場の印加の際に、異なって整列を変化させる。その先行技術のＰＤＬＣ素子において、整列されないＬＣの領域（小滴）は、電場の印加の際に、整列することを、他の領域（等方的な重合体の豊富な基材）がそうでないことになるのに対して、開始することになる。

その秩序化された構造は、好ましくは、ある物体又はある構成部品によって、あるパターン又は光の反射、屈折、又は透過を表すある格子を形成する。その構造は、それら低い又は高いネットワーク密度の領域が、そのＬＣゲルの相のいたるところで無作為に分布させられないように、秩序化される。

好ましくは、それら高いネットワーク密度のＬＣゲルの領域の秩序化された構造は、そのＬＣゲルの内側に干渉パターンを露出させるによって、形成されてきたものである。その高いネットワーク密度のＬＣゲルの領域の秩序化された構造は、それら低いネットワーク密度のＬＣゲルの領域に回折パターン又は格子を形成するために、配置されることもある。高いネットワーク密度のＬＣゲルの領域の秩序化された構造は、それら低いネットワーク密度のＬＣゲルの領域に光学構成部品のホログラムを形成することもある。

また、その第一の及び第二の電極は、各々、電場をそのＬＣゲルの相の選択された体積へ印加することができるように、多くの個々にアドレス指定可能な電極の部分を含むこともある。

第五の態様において、本発明は、その第四の態様に従った動的なホログラフィー素子及び一つ又はより多くの光源から放出されるものである光が、その動的なホログラフィー素子によって透過させられることになるように位置決めされた一つ以上の第一の光源を含む、動的な光を放出するセットアップを提供する。

その第一の光源は、ビームを放出すると共に、そのビームを整形するための反射体又はレンズのような受動的な光学部品を含むこともある。好適な実施形態において、第一の光源は、第一の原色を有する発光ダイオード（light emitting diode）（ＬＥＤ）である。

また、その光を放出するセットアップは、他の原色を放出するより多くの発光ダイオードを含有することもあると共に、それらの強度を、個々に制御することができる。この方式では、その光源の色及び／又は色温度を、色を混合することによって、変化させることができる。このような動的なホログラフィー素子が、このような光源と組み合わせられるとき、ビームの制御のみならず色を備えたセットアップが、得られる。

ＰＤＬＣと上に概略が述べられたＬＣゲルとの間の基本的な差異は、その先行技術を超える本発明の多くの利点を起こす。本発明のこれらの利点は、本発明の発明者等によって実現された、先行技術の溶液の多くの不都合を解決する。

重合より先の異方性のおかげで、全ての領域は、本発明のＬＣゲルの素子において電場のオフ状態において整列させられる。電場の印加の際に、異なる領域は、異なって配向を変化させる。これは、その素子が、その電場にかかわらず、全ての状態における全ての時間に偏光依存性又は複屈折性を示すことになるという利点を提供する。これは、しばしば、光学的なセットアップにおける要件である。

その先行技術のＰＤＬＣ素子において、その重合体の基材が、等方的なもののままであることになるのに対して、整列されてないＬＣの小滴は、電場の印加の際に整列することを開始することになる。従って、ＰＤＬＣに基づいたホログラムは、巨視的に整列されないと共に偏光依存性を示すものではない。偏光依存性の動作が、要求されるとすれば、これは、それらを不適当なものにする。

本発明は、ＬＣゲルにおける構造を生じさせるために、ホログラフィーの使用を提案する。ホログラフィーの照明の間に、ＬＣゲルの混合物の様々なエリアを、別の強度で照明すると共に、そのプレゲル混合物における異なる架橋密度を備えた領域の形成に至ることになる。そのプレゲル混合物における架橋密度は、重合を完結させた後に、対応する高い／低いネットワーク密度のＬＣゲルの領域の閾値の電圧（Ｖ_ｃ）を決定する。

本発明に従った素子の高い及び低いネットワーク密度のＬＣゲルの領域は、異なる濃度の重合させられた成分を有する。このように、それら高い及び低いネットワークのＬＣゲルの領域は、本質的に同じ相の異なる領域であると共に、いずれの与えられた軸に沿っても少なくとも実質的に同じ屈折率を有する。これは、そのホログラムが、電場の印加の間にのみ現れるように、その素子をゼロの電場の状態において透明なものにすることが、可能であることを意味する。

ＰＤＬＣの素子において、それらＬＣの小滴及びその重合体の基材は、異なる屈折率を備えた本質的に異なる相である。このような素子において、ホログラムは、ゼロの電場の状態において可視のものである。従って、主要な不都合と考慮されたことであるが、電場を使用することが、常に必要であるように、最適なオン状態及び最適なオフ状態の両方に到達するために、電圧を印加することは、必要である。さらに、このようなホログラムは、そのホログラムの異なる領域の間における屈折率の差が、制御することが困難なものであると、ほとんど最適な状態にはないものである。例．その最適な温度が、変化させられるとすれば、その場のオフ及び場のオンの状態におけるバイアス電圧が、変えられることを必要とすることになる。

本発明のこれらの及び他の態様は、以後に記載された実施形態から明らかであると共にそれらを参照して解明されると思われる。

図は、本発明の理解を容易にするためには、好ましくは、概略的に起草される。従って、同じ概略的な方式で起草することができるであろう、他の設計は、暗黙のうちにまた、この文書に開示される。

図１は、本発明に従ったホログラフィーの液晶素子に使用されたセル２の一般的なレイアウトを示す。その素子は、透明な陰極４及び透明な陽極６を含むが、それら陰極及び陽極は、これらの間に電場を作り出すための電力供給源８へ電気的に接続されたものである。それら電極は、透明な基板５及び７によって保持されると共に、ＬＣゲルの相又はＬＣプレゲルの混合物１０を包含する。そのプレゲルの混合物内の巨視的な配向は、配向層１及び３によって誘起される。これらの層は、通常、平面的な配向のためのポリイミドのような一軸性のラビングされた重合体で作られる。表面に関して分子の垂直な配向を誘起するためには、それら配向層を、界面活性物質であるように、選ぶことができる。様々な種類の適用可能な層が、当業者によって知られる。

図２は、ホログラフィー素子を形成するための単純なレイアウトを図示する。ここで、第一のステップにおいて、レーザー１１からのビームは、偏光ビームスプリッター１２によって、分割されると共に、次に、干渉するように寄せ集められ、ＬＣプレゲルの混合物を含有するセル２の内側に縞を形成する。ＵＶにおいて又はＵＶ付近で放出するレーザーは、非常に適切なものである。その分解組立図に示された干渉縞は、その混合物の正弦的な変動する照明を与えると共に、それら反応性の単量体は、重合体のネットワークを形成することを開始するために、高い強度を備えたエリアへ拡散する傾向がある。第一の照明の後に、そのセルは、空間的な変動の無い、より強烈な投光照明へ露出させられると共に、それによって、そのバルクの混合物は、重合させられる。その第一の照明ステップが、拡散によって限定されると、その第二の照明ステップが、より高い強度であるのに対して、その第一のステップは、より長い時間にわたって低い強度を伴う。結果として、それぞれ、高い及び低い重合体のネットワーク密度を備えた領域１４及び１５が、形成されると共に、高い密度の領域は、低い密度の領域よりも大いに高い電圧で切り替わる。電場オフの状態における回折を回避するためには、それら領域の屈折率ｎ_Ｈ及びｎ_Ｌにおいて大きい差異を有するのでないことは、重要なことである。そのＬＣゲルが、異方性のものであると、例．それら電極の表面のコーティング又は電圧のバイアスによって、その照明ステップの間に、その配向を制御することは、従って、また、重要なことである。

さらには、高い回折効率を有することは、重要なことである。このような格子から高い回折効率を獲得するためには、そのデューティ比は、５０％である（即ち、ｘ_１＝ｘ_２）べきであると共に、その位相の差は、波の半分であること（即ち、ｄ＊［ｎ_Ｈ−ｎ_Ｌ］＝λ／２）を必要とする。

図３Ａ及びＢは、交差した偏光フィルターの間に観察された、異なる印加された電圧で結果として生じる素子の光学写真を示す。その第一のステップの間に照明されたエリアは、高い閾値の電圧でそのゲル内の領域を与えた。これは、電場が、そのゲルにわたって印加されたとき、これらのエリアが、切り替わるのではないと共に第二の段階の放射においてのみ照射されたエリアのみが、切り替わることを開始するのはなぜかを説明する。図３Ａ及びＢは、それぞれ、オフ（Ｖ＝０）及びオン（Ｖ≠０）の状態における結果として生じるホログラフィーの格子の素子を示す。

図４においては、その閾値の電圧Ｖ_Ｃは、異なる単官能性の単量体（ＣＢ６）の濃度を有する三つの異なるゲルについて架橋剤（Ｃ６Ｍ）の濃度の関数としてプロットされる。よって、そのグラフの三つの曲線は、各々の曲線における変動が、与えられた系の重合の程度に関係付けられるのに対して、異なる量の単官能性の単量体を重合させることによって形成されたゲルを表す。最大量の単量体を備えた系は、より少数の単量体を備えた系よりも速く、高いネットワークの密度（即ち、高いＶ_Ｃ）を形成する。

ここで、その架橋剤は、Ｃ６Ｍ、図５に示されたジアクリラートであると共に、その単官能性の単量体は、ＣＢ６、図５にまた示されたモノアクリラートである。図５は、また、別のキラルなモノアクリラートＣＣＢ６の構造を示す。その混合物における光開始剤の濃度は、０．５％であったと共に、そのＵＶ光の強度は、１ｍＷ／ｃｍ^２であった。

その閾値の電圧が、ある一定の架橋剤の濃度まで、一定のままであったと共に、その濃度より上では、その閾値の電圧は、急速に増加することは、また、理解することができることである。その閾値の電圧が、臨界的な濃度より上で増加を示すという事実は、その閾値の電圧についての表式（１）における弾性定数が、その系のゲル点に対応する、この濃度より上で、増加を示すことを示唆する。この濃度では、三次元のネットワークが、それらジアクリラートの分子によって架橋されたモノアクリラートの分子によって形成された側鎖の重合体によって、作り出される。そのゲル点に到達するために必要な単量体及び架橋剤の濃度の間には逆数の関係があることは、図４から理解することができることである。さらには、高い単量体の濃度を備えたゲルについて、そのゲル点より上でのＶ_Ｃにおける増加は、より低い単量体の濃度を備えたゲルについてのものよりも、大いに速いものである。

以下に続くものにおいて、我々は、ホログラフィーの記録を研究するために使用された二つの異なる異方性のゲルの系を記載する。それら系の一方は、正の複屈折性を備えた一軸性に配向させられたゲル“ゲル１”である。他方の系は、負の複屈折性を備えたゲル“ゲル２”である。ゲル２は、光の波長のものに匹敵する非常に短いピッチを備えたキラルな系を使用することで、得られる。このようなねじれた構成は、その系に負の複屈折性を与える。さらには、このような負の複屈折性の系は、そのセルに対して垂直に届く光について偏光方向の依存性を示さないという性質を有する。

そのゲル１の系は、
− 光開始剤 ｉｒｇａｃｕｒｅ ６５１（０．５％）
− ジアクリラート Ｃ６Ｍ（可変なもの）
− モノアクリラート ＣＢ６（２０％）
− 非反応性の液晶 Ｅ７（８０％）
を含む。

そのゲル２の系は、
− 光開始剤 ｉｒｇａｃｕｒｅ ６５１（０．５％）
− ジアクリラート Ｃ６Ｍ（可変なもの）
− キラルなモノアクリラート Ｃ６Ｍ（２０％）
− キラルなＣＢ１５（３５％）
− 非反応性の液晶 ＢＬ９８（４５％）
を含む。

我々は、図２に示されたホログラフィーのセットアップを使用することで格子を生産したが、そこでは、それら縞の周期は、１０μｍであった。我々は、そのゼロ次のピーク強度Ｉ_０を測定することによって、その格子の効率を見積もった。そのゲル１の系については、Ｉ_０は、架橋剤（Ｃ６Ｍ）の濃度の関数として測定されたと共に、その結果が、図６のグラフにプロットされる。図６から、そのゼロ次の強度が、０．５％の架橋剤の濃度のあたりで急速な減少を示すことは、理解することができることである。この点は、効率的な回折の発現を決定すると共に、相対的な架橋剤及び単量体の濃度に決定的に依存するものである。

良好な回折効率の発現に到達するために、ある系について与えられたモノアクリラート（単量体）の濃度で、どのくらいの量でアクリラート（架橋剤）が、必要であったかという一連の測定が、行われた。図７は、単量体の濃度Ｃ_ｍの関数としての逆数の架橋剤の濃度１／Ｃ_ｃｌのグラフにおける結果を示す。図７から、効率的な回折の発現に到達するために必要な単量体及び架橋剤に濃度の間に逆数の関係があることは、決定することができることである。

図７の曲線の直線回帰は、
Ｃ^−１ _{ｃｒｏｓｓ ｌｉｎｋ} ＝ ０．０８・Ｃ_{ｍｏｎｏｍｅｒ} ＋ ０．１３ （２）
の関係を与えるが、その関係は、架橋剤及び単量体の適当な相対的な量を決定するための指針として使用されることもある。

その系には、そのＬＣプレゲルの混合物にける、非線形の光吸収体、例．色素が提供されたとき、格子からのゼロ次のピークの強度を、さらに減少させることができたことは、また、決定されることであった。図８は、以下に続く混合物：
− ｉｒｇａｃｕｒｅ ６５１（０．５％）
− ジアクリラート Ｃ６Ｍ（０．８）
− キラルなモノアクリラート ＣＣＢ６（２０％）
− キラルなＣＢ１５（３５％）
− 非反応性のＬＣ ＢＬ９８（４５％）
− 色素の分子１１６４６（可変なもの、Ｃ_ｄ）
のホログラフィーの照明によって形成された格子についてゼロ次のピーク強度Ｉ_０対色素の濃度Ｃ_ｄのグラフを示す。

理解することができるように、色素の追加は、相当に回折効率を増加させる；ゼロの色素の濃度におけるＩ_０＝８．５から０．２％の色素の濃度におけるＩ_０＝３．５まで。

より多くの色素をゆっくりと追加することは、その系においてより多くの散乱を導入することによって、最もありそうに、ゼロ次の消滅を劣化させる。最適な色素の濃度が、少なくとも色素の分子１１６４６については、０＜Ｃｄ≦０．２％の区間にあるように見える。別の色素の分子４５７は、また、有効に働くものであることが、見出された。これらの色素の構造は、図１９Ｆ及びＧに示される。

その非線形の吸収の成分の効果は、低い強度でのそれの強い吸収及び高い強度での弱い吸収に帰するものとされる。それによって、図２に示された縞のパターンにおいて、その非線形の吸収は、主として低い強度の領域１５において、放射を吸収すると共に、それによって、その光開始剤の照明を、及び、それによって、これらの領域における重合を、低減する。これは、高度に及び程度に照明された領域１４及び１５の間の有効な強度のコントラストを、並びに、それによって、その系の回折効率を、増加させることになる。

図９は、図２のセットアップに類似してセットアップを示す。ここで、ＬＣプレゲルの混合物を含有するセル２は、レンズ１７の干渉パターンによって、照明される。そのパターンは、二つのコヒーレントなビームを部分的に重ね合わせることによって、発生させられるが、それらビームの一方は、レンズ１７の像平面である。このセットアップは、セル２におけるレンズの機能を記録するために、使用された。結果として生じるホログラムは、その場のオフ状態において透明なものであると共に、図１０Ａ及びＢは、電圧のオフ／オンの状態におけるその素子を示す。図１１Ａ及びＢは、ロゴの像を形成する際における製作された動的なホログラムの使用を示す。そのレンズのホログラムは、カメラとそのロゴとの間に保持されたと共に、図１１Ａ及びＢは、それぞれ、Ｖ＝０及びＶ≠０で取得された。

多数の分子があるが、それら分子を、ＬＣプレゲルの混合物におけるその液晶のホストとして使用することができる。非排他的な列挙の適用可能なＬＣの分子の構造は、図１２に示される。図１２における構造の可変な基Ｘ、Ｍ、及びＮについての自由選択肢は、図１３−１５に示される。図１４及び１５における構造の可変な基Ｒ及び

についての自由選択肢は、図１６及び１７に示される。

上の記載において、格子及びレンズの動的なＬＣゲルのホログラフィー素子の製作が、示される。いずれの他の光学的な構成要素を表す動的なＬＣゲルのホログラフィー素子を生産することは、当業者には、可能なことである。

このような光学素子を、ビームを整形する光学部品有りの又は無しの光源との組み合わせで、使用することができる。その光ビームの形状又は方向を動的に変えるためには、そのホログラフィー素子を、このような系に置くことができる。

図１８Ａは、光源１８との組み合わせで光を放出するセットアップ２５の動的なホログラフィー素子２０を概略的に示す。その光源は、ホログラフィー素子２０に入射するコリメートされたビーム２１を形成するための受動的な光学部品１９を含む。ホログラフィー素子２０が、オフ（Ｖ＝０）であるとき、それは、図１８Ａに示されたような入射のビーム２１を偏向させるものではない。好適な光源は、ＬＥＤである。

電圧源を使用することで（Ｖ≠０）にホログラフィー素子２０を切り替える際に、そのホログラムの秩序化された構造は、図１８Ｂに示されたように、その入射のビームが発散することを引き起こす。理解することができるように、ホログラフィー素子２０は、発散レンズ又はレンズアレイの機能を有すると共に、構成部品１７の代わりに発散レンズ又はレンズアレイと共に図９に示されたもののようなセットアップを使用することで製作されることができる。

図１８Ｃは、別の機能を有する別のホログラフィー素子２２を備えた同じセットアップを示す。ここで、ホログラフィー素子２２が、格子の機能を有すると、その素子を、図２に示されたもののようなセットアップに従って製作することができるのであるが、ビーム２１は、偏向させられる。

その光源は、白色光を放出することもある。しかしながら、それは、また、異なる原色を放出する複数の光源、典型的には発光ダイオード、からなることもある。それら異なる色を放出する光源の強度を、個々に制御することができるとすれば、そのとき、その光の色及び／又は色温度をもまた、調節することができる。このような光源が、動的なホログラムと組み合わせられるとき、色及びビームの制御を備えた動的な光源を、得ることができる。

上の記載において、用語“を含む”は、他の要素又はステップを排除するものではないと共に、不定冠詞“ある”は、複数を排除するものではない。さらには、用語“を含む”及び“を含有する”は、他の要素又はステップを排除するものではない。

図１は、ホログラフィーのＬＣ素子の断面図である。 図２は、本発明に従ったホログラフィーの格子の素子を形成するためのセットアップを図示する。 図３Ａ及びＢは、それぞれ、オフ（Ｖ＝０）及びオン（Ｖ≠０）の状態におけるホログラフィーの格子の素子を示す。 図４は、様々なＬＣゲルについての架橋剤の濃度の関数としての閾値の電圧を示すグラフである。 図５は、本発明において適用可能ないくつかの単及び多官能性の単量体の構造を示す。 図６は、架橋剤の濃度の関数としての格子のゼロ次のピーク強度を示すグラフである。 図７は、相対的な架橋剤及び濃度を示すグラフである。 図８は、色素の濃度の関数としての格子のゼロ次のピーク強度を示すグラフである。 図９は、本発明に従ったホログラフィーのレンズ素子を形成するためのセットアップを図示する。 図１０Ａ及びＢは、それぞれ、オフ（Ｖ＝０）及びオン（Ｖ≠０）の状態におけるホログラフィーのレンズ素子を示す。 図１１Ａ及びＢは、それぞれ、オフ（Ｖ＝０）及びオン（Ｖ≠０）の状態におけるホログラフィーのレンズ素子の性能を示す。 図１２は、本発明に適用可能ないくつかの液晶の分子の構造を示す。 図１３は、本発明に適用可能ないくつかの液晶の分子の構造を示す。 図１４は、本発明に適用可能ないくつかの液晶の分子の構造を示す。 図１５は、本発明に適用可能ないくつかの液晶の分子の構造を示す。 図１６は、本発明に適用可能ないくつかの液晶の分子の構造を示す。 図１７は、本発明に適用可能ないくつかの液晶の分子の構造を示す。 図１８Ａ−Ｃは、光源との組み合わせで本発明に従った動的なホログラフィー素子の概略的な表現を示す。 図１９Ａ−Ｇは、本発明に適用可能ないくつかの非線形の吸収体の構造を示す。

Claims (18)

1. 異方性のＬＣプレゲル混合物の内側に、重合させる光の干渉パターンを露出させること、及びその後に、該重合させる光に対してバルクの混合物を露出させることによって形成されたホログラム。
2. 重合させられた異方性のＬＣゲル混合物は、低いネットワークのＬＣゲルの領域、及び、高いネットワーク密度のＬＣゲルの領域を含むと共に、該高いネットワーク密度のＬＣゲルの領域は、該高いネットワーク密度のＬＣゲルの領域が、該低いネットワーク密度のＬＣゲルの領域において秩序化された構造を形成するように、該ＬＣゲル混合物の内側に前記干渉パターンを露出させることによって形成されたものである、請求項１に記載のホログラム。
3. 動的なホログラムの製作のための異方性の液晶プレゲル混合物の使用。
4. 異方性の液晶（ＬＣ）ゲルの相を含有するセルを含む動的なホログラフィー素子であって、
   該セルは、該ＬＣゲルの相に電場を与える、該セルの対向する側に位置決めされた第一の及び第二の電極の上部に位置決めされた配向層を含み、
   該ＬＣゲルの相は、高いネットワーク密度のＬＣゲルの領域及び低いネットワーク密度のＬＣゲルの領域を含み、
   − 該高いネットワーク密度のゲルの領域は、該低いネットワーク密度のＬＣゲルの領域よりも大きい閾値の切り替え電圧を有すると共に、
   − 該高いネットワーク密度のＬＣゲルの領域は、該低いネットワーク密度のＬＣゲルの領域において秩序化された構造を形成する、動的なホログラフィー素子。
5. 前記高いネットワーク密度のＬＣゲルの領域の秩序化された構造は、ＬＣプレゲル混合物の内側に干渉パターンを露出させることによって形成されたホログラフィーである、請求項４に記載の動的なホログラフィー素子。
6. 前記高いネットワーク密度及び低いネットワーク密度のＬＣゲルの領域の秩序化された構造は、回折パターン又は格子を形成する、請求項４に記載の動的なホログラフィー素子。
7. 前記高いネットワーク密度及び低いネットワーク密度のＬＣゲルの領域の秩序化された構造は、光学構成部品のホログラムを形成する、請求項４に記載の動的なホログラフィー素子。
8. 前記高い及び低いネットワーク密度のＬＣゲルの領域は、ゼロの電場で少なくとも実質的に同じ屈折率を有する、請求項４に記載の動的なホログラフィー素子。
9. 前記高い及び低いネットワーク密度のＬＣゲルの領域は、巨視的に整列させられる、請求項４に記載の動的なホログラフィー素子。
10. 当該素子は、前記ＬＣゲルの相に電場が無いとき、透明なものであることを特徴とする、請求項４に記載の動的なホログラフィー素子。
11. 請求項４に記載の動的なホログラフィー素子及び一つ以上の光源から放出される光が、該動的なホログラフィー素子によって透過させられることになるように位置決めされた一つ以上の第一の光源を含む光を放出するセットアップ。
12. 第一の光源は、第一の原色を有する発光ダイオードである、請求項１１に記載の光を放出するセットアップ。
13. 前記第一の原色と異なる第二の原色を有する発光ダイオードである第二の光源をさらに含むと共に、該第一の及び第二の光源の強度は、個々に調節可能である、請求項１２に記載の光を放出するセットアップ。
14. 動的なホログラフィー素子を形成する方法であって、
    当該方法は、
    − 非反応性のＬＣホスト；
    − 単官能性の重合性の単量体；
    − 多官能性の反応性の単量体；及び
    − 光開始剤
    − ：を含む異方性のＬＣプレゲル混合物を提供すること、
    − 該ＬＣプレゲル混合物において高い強度の領域及び低い強度の領域又は強度の無い領域を形成する重合させる光の干渉パターンで該ＬＣプレゲル混合物の部分を照明すること、並びに、
    − 異方性のＬＣゲルを形成するように、重合させる光で該ＬＣプレゲル混合物を照明すること
    ：のステップを含む、方法。
15. 前記重合性のＬＣ単量体は、アクリラート、エポキシ、ビニルエーテル、又はチオールエンの系の単量体を含む、請求項１４に記載の方法。
16. 前記ＬＣプレゲル混合物は、非線形の光吸収体をさらに含む、請求項１４に記載の方法。
17. 前記ＬＣの相の部分を照明するステップは、前記高い強度の領域における重合及び前記低い強度の領域又は強度の無い領域から前記高い強度の領域までの重合させる成分の拡散を開始させることを含む、請求項１４に記載の方法。
18. 前記干渉パターンの縞における強度の変動の尺度は、与えられた時間の尺度で記低い強度の領域又は強度の無い領域から前記高い強度の領域までの重合する成分の効率的な拡散を可能にするように、適合させられる、請求項１４に記載の方法。
    

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