JP2009528552A

JP2009528552A - 効率を調節できる回折格子

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Publication number: JP2009528552A
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Inventors: リュテュ，パシ
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Filing date: 2006-02-27
Publication date: 2009-08-06
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Abstract

明細書と図面は、電子デバイスの中でエレクトロ-ウェッティング（EW）回折格子を用い、電気的制御信号で光強度を変化させるための新しい方法、装置、ソフトウエア製品を提示している。EW回折格子は、電子デバイスの一つの構成要素（例えばディスプレイ）の部品にすることができる。応用としては、カラー・ディスプレイ、投写型ディスプレイ、フロントライト式ディスプレイ、フィールド・シークエンシャル・ディスプレイ、裸眼立体視ディスプレイなどが可能だが、それだけに限定されるわけではない。また、ディスプレイ以外の分野での利用も可能である。

Description

本発明は全体として電子デバイスに関するものであり、より詳細には、電子デバイスの中でエレクトロ-ウェッティング（EW）回折格子を用い、電気制御信号で光強度を変化させること、および／または光路を方向転換することに関する。

光強度、方向転換、位相変調、光スイッチング、光論理などのために使用できる多くの技術が存在している。その中には、電子光学的方法、液晶、音響光学法、非線形光学法、磁気光学法などがあるが、これですべてでなはい。ディスプレイ・パネルの用途（例えば最も典型的なのはLCD（液晶ディスプレイ））で使用するのに適した多くの技術が存在している。N.K. Sheridonによる「電気毛細管式カラー・ディスプレイ・シート」というアメリカ合衆国特許第5,659,330号には、キャピラリー・シートの内部に配置した着色液滴の形状を制御するのにエレクトロ-ウェッティングを利用するディスプレイ用の別の方法が記載されている。このディスプレイでは多数の分離した液滴を生成させ、アレイを形成する際にその液滴をしっかりと保持する必要がある。これは、実際の用途では可能でなかろう。また、上記参考文献（アメリカ合衆国特許第5,659,330号）の光調節メカニズムでは、液滴の形状を巨視的に変化させる必要がある。するとディスプレイで実現できるリフレッシュレートが制限される。

T. Levolaによる「電気的調節が可能な回折格子素子」という別のアメリカ合衆国特許出願公開第2004/0109234号には、変形可能な回折格子構造が記載されている。ここでは、格子のあらかじめ成形された基本的な表面の凹凸は、誘電体と変形可能な粘弾性材料とで構成されており、形状を電気的に調節して格子の回折特性を調節することができる。

本発明の第1の特徴によれば、光学デバイスは、回折格子と、一様な液体層と、電極層とを備えていて、回折格子は、屈折率nの誘電性光学材料からなり、高さがhで周期がdである構造体を有する第1の面と、第2の面とを持ち、その第1の面は、あらかじめ選択された液体に対する回折格子の濡れ性を低下させる疎水性材料で覆われており、一様な液体層は、屈折率kを持っていてそのあらかじめ選択された液体のうちの一つからなり、屈折率nとkは実質的に等しく、その一様な液体層は、回折格子の第1の面の上に配置され、光学デバイスのパラメータは、a）一様な液体層の中に電場が生じていないときには、構造体の頂部よりも下に形成されたエア・ポケット領域にその一様な液体層が入ることはなく、b）一様な液体層の中に生じた所定の電場が存在しているときには、第1の面の増大した濡れ性及び毛細管効果により、構造体の頂部よりも下に形成されたエア・ポケット領域に所定の値だけその一様な液体層が入り、これにより回折格子の回折効率が変化してその回折格子を透過する光線またはその回折格子によって反射される光線の光強度が変化するように選択され、電極層は、電場を発生させるため、第2の面の上に形成された導電性材料からなる。

さらに本発明の第1の側面によれば、その電場またはその所定の電場は、一様な液体層と電極層の間に電圧を印加することによって発生させてもよい。

さらに本発明の第1の側面によれば、光学デバイスは、一様な液体層の上に形成された導電性材料からなる別の電極層をさらに有してもよく、その電場またはその所定の電場は、その別の電極層と電極層の間に電圧を印加することによって発生する。

さらに本発明の第1の側面によれば、光学デバイスのパラメータに、周期dと、一様な液体層に含まれる液体の表面張力と、疎水性材料の濡れ性とを含めてもよい。

さらに本発明の第1の側面によれば、回折格子の周期的な線は、長方形プロファイル、傾斜プロファイル、所定のアルゴリズムに従って滑らかに変化する壁状プロファイルの何れかを有してもよい。

さらに本発明の第1の側面によれば、電極層は光線に対して透明にしてもよい。

さらに本発明の第1の側面によれば、所定の色の光になるように一様な液体層を染料で着色すること、またはカラー・フィルタをその一様な液体層の前に用いて回折格子を所定の色の光線だけが通過するようにしてもよい。

さらに本発明の第1の側面によれば、回折格子のパラメータは、その回折格子を透過した光線の1次と0次の透過回折モードだけをその回折格子がサポートするように選択してもよく、その透過光線の0次の透過回折モード成分が遮蔽され、その透過光線の1次の透過回折モード成分が光学デバイスのユーザーに向かう。さらに、透過光線の1次の透過回折モード成分の光強度は、電場によって回折格子の回折効率を変化させることによって変化するようにできる。

さらに本発明の第1の側面によれば、光線は、回折格子の第1の面で受光してもよい。

さらに本発明の第1の側面によれば、空気がエア・ポケット領域から逃げ出すことができ、一様な液体層の中に生じた電場が閾値電場よりも大きいとき、そのエア・ポケット領域は一様な液体層で完全に満たしてもよい。

さらに本発明の第1の側面によれば、空気がエア・ポケット領域から逃げ出すことができ、一様な液体層の中に生じた電場が閾値電場よりも小さいとき、そのエア・ポケット領域は一様な液体層で所定の値だけ満たしてもよく、回折格子の周期的な線は、所定のアルゴリズムに従って滑らかに変化する壁状プロファイルを有する。

本発明の第1の側面によれば、エア・ポケット領域内の空気がエア・ポケット領域から移動できず、一様な液体層の中に生じた電場が閾値電場よりも大きいとき、そのエア・ポケット領域は一様な液体層で所定の値だけ満たすことができ、その所定の値は、そのエア・ポケットに含まれる空気による圧力を用いた平衡条件によって決まる。

本発明の第2の側面によれば、電子デバイスに含まれる光学デバイスを透過する光線またはその光学デバイスで反射される光線の光強度を変化させる方法は、光学デバイスで光線を受光するステップであって、その光学デバイスは、回折格子と、一様な液体層と、電極層とを有しており、回折格子は、屈折率nの誘電性光学材料からなり、高さがhで周期がdである構造体を有する第1の面と、第2の面とを持ち、その第1の面は、あらかじめ選択された液体に対する回折格子の濡れ性を低下させる疎水性材料で覆われており、電極層は、電場を発生させるため、第2の面の上に形成された導電性材料からなり、一様な液体層は、屈折率kを持っていてあらかじめ選択された液体のうちの一つからなり、屈折率nとkは実質的に等しく、その一様な液体層は、回折格子の第1の面の上に配置され、光学デバイスのパラメータは、a）一様な液体層の中に電場が生じていないときには、構造体の頂部よりも下に形成されたエア・ポケット領域にその一様な液体層が入ることはなく、b）一様な液体層の中に生じた所定の電場が存在しているときには、第1の面の増大した濡れ性及び毛細管効果により、構造体の頂部よりも下に形成されたエア・ポケット領域に所定の値だけその一様な液体層が入り、これにより回折格子の回折効率が変化してその回折格子を透過する光線またはその回折格子により反射される光線の光強度が変化するように選択されている、ステップと、所定の電場を変化させ、そのことによって一様な液体層がエア・ポケットに入る所定の値をさらに変化させて回折格子の回折効率の変化をさらに引き起こすことで、光学デバイスを透過する光線またはその光学デバイスにより反射される光線の光強度を変化させるステップを含んでいる。

さらに本発明の第2の側面によれば、その電場またはその所定の電場を、一様な液体層と電極層の間に電圧を印加することによって発生させる。

さらに本発明の第2の側面によれば、光学デバイスは、一様な液体層の上に形成された導電性材料からなる別の電極層をさらに備えることができ、その電場またはその所定の電場を、その別の電極層と電極層の間に電圧を印加することによって発生させる。

さらに本発明の第2の側面によれば、光学デバイスのパラメータに、周期dと、一様な液体層に含まれる液体の表面張力と、疎水性材料の濡れ性とを含めてもよい。

さらに本発明の第2の側面によれば、回折格子の周期的な線は、長方形プロファイル、傾斜プロファイル、所定のアルゴリズムに従って滑らかに変化する壁状プロファイルのいずれかを有してもよい。

さらに本発明の第2の側面によれば、電極層は光線に対して透明であってもよい。

さらに本発明の第2の側面によれば、所定の色の光になるように一様な液体層を染料で着色するか、またはカラー・フィルタをその一様な液体層の前に用いて回折格子を所定の色の光線だけが通過するようにしてもよい。

さらに本発明の第2の側面によれば、回折格子のパラメータは、その回折格子を透過した光線の1次と0次の透過回折モードだけをその回折格子がサポートするように選択してもよく、その透過光線の0次の透過回折モード成分が遮蔽され、その透過光線の1次の透過回折モード成分が光学デバイスのユーザーに向かう。さらに、透過光線の1次の透過回折モード成分の光強度は、電場によって回折格子の回折効率を変化させることによって変化するようにしてもよい。

さらに本発明の第2の側面によれば、光線は、回折格子の第1の面で受光してもよい。

さらに本発明の第2の側面によれば、空気がエア・ポケット領域から逃げ出すことができ、一様な液体層の中に生じた電場が閾値電場よりも大きいとき、そのエア・ポケット領域は一様な液体層で完全に満たすことができ、回折格子の周期的な線は、所定のアルゴリズムに従って滑らかに変化する壁状プロファイルを有する。

さらに本発明の第2の側面によれば、空気がエア・ポケット領域から逃げ出すことができ、一様な液体層の中に生じた電場が閾値電場よりも小さいとき、そのエア・ポケット領域は一様な液体層で所定の値だけ満たすことができ、回折格子の周期的な線は、所定のアルゴリズムに従う滑らかに変化する壁状プロファイルを有する。

さらに本発明の第2の側面によれば、エア・ポケット領域内の空気がエア・ポケット領域から移動できず、一様な液体層の中に生じた電場が閾値電場よりも大きいとき、そのエア・ポケット領域は一様な液体層で所定の値だけ満たすことができ、その所定の値は、そのエア・ポケットに含まれる空気による圧力を用いた平衡条件によって決まる。

本発明の第3の側面によれば、コンピュータ・プログラム製品は、コンピュータのプロセッサで実行するためのコンピュータ・プログラム・コードを組み込んだコンピュータ可読記憶構造を含んでいて、そのコンピュータ・プログラム・コードは、本発明の第2の側面の方法の各ステップが電子デバイスの何れかの部品によって実施されるように指示する命令を含んでいる。

本発明の第4の側面によれば、電子デバイスは、少なくとも一つの光学デバイスと、その少なくとも一つの光学デバイスを有する構成部品と、少なくとも一つの電圧源とを有していて、光学デバイスは、回折格子と、一様な液体層と、電極層とを有しており、回折格子は、屈折率nの誘電性光学材料からなり、高さがhで周期がdである構造体を有する第1の面と、第2の面とを持ち、その第1の面は、あらかじめ選択された液体に対する回折格子の濡れ性を低下させる疎水性材料で覆われており、電極層は、電場を発生させるため、第2の面の上に形成された導電性材料からなり、一様な液体層は、屈折率kを持っていて上記のあらかじめ選択された液体のうちの一つからなり、屈折率nとkは実質的に等しく、その一様な液体層は、回折格子の第1の面の上に配置され、光学デバイスのパラメータは、a）一様な液体層の中に電場が生じていないときには、構造体の頂部よりも下に形成されたエア・ポケット領域にその一様な液体層が入ることはなく、b）一様な液体層の中に生じた所定の電場が存在しているときには、第1の面の増大した濡れ性及び毛細管効果により、構造体の頂部よりも下に形成されたエア・ポケット領域に所定の値だけその一様な液体層が入り、これにより回折格子の回折効率が変化してその回折格子を透過する光線またはその回折格子により反射される光線の光強度が変化するように選択されており、少なくとも一つの電圧源は、強度選択／調節信号に応答してエレクトロ-ウェッティング制御信号を構成部品の光学デバイスに供給することで、一様な液体層と電極層の間に印加される電場を供給し、そのことによって所定の電場を変化させるとともに、一様な液体層がエア・ポケット領域に入る所定の値も変化させて回折格子の回折効率の変化をさらに引き起こし、そのことによって光学デバイスを透過する光線またはその光学デバイスで反射される光線の光強度を変化させて光強度を望ましいレベルにする。

さらに本発明の第4の側面によれば、その構成部品はディスプレイであり、光学デバイスはそのディスプレイの画素であり、光強度調節信号はビデオ信号であってもよい。

さらに本発明の第4の側面によれば、その構成部品は、投写型ディスプレイ、フロントライト式ディスプレイ、フィールド・シークエンシャル・ディスプレイ、裸眼立体視ディスプレイの何れかであってもよい。

さらに本発明の第4の側面によれば、電子デバイスは、光強度調節／指示信号に応答して、その光強度調節／指示信号に応じた強度選択信号を供給する光強度選択装置／スイッチをさらに有していて、その強度選択信号が、回折格子で反射されるかその回折格子を透過する光強度の望ましいレベルを示している。

さらに本発明の第4の側面によれば、光強度選択装置／スイッチと少なくとも一つの電圧源は一つのブロックにまとめてもよい。

エレクトロ-ウェッティング（EW）回折格子を用いた本発明のさまざまな実施態様の利点として、
・応答時間が短い、
・一様な液体層であり、分離した液滴を生成させるのに特別な操作が不要である、
・画素の強度を調節できる、
・大きな効率
などがあるが、これですべてではない。

電子デバイスの中でエレクトロ-ウェッティング（EW）回折格子を用いて電気制御信号により光強度を変化させるための新しい方法、装置、ソフトウエア製品が提供される。EW回折格子は、電子デバイスの一つの要素（例えばディスプレイ）の構成部品となることができる。本発明の実施態様により、エレクトロ-ウェッティング（EW）を利用して可変効率回折格子を実現する一つの技術的な方法が提供される。

例えば一つの結果は、以下に説明するように応答時間が短くてリフレッシュレートが高いEW回折格子をカラー画素として用いて画素の強度を連続的にチューニングできる直視型カラー・ディスプレイである。他の用途として、投写型ディスプレイ、フロントライト式ディスプレイ、フィールド・シークエンシャル・ディスプレイ、裸眼立体視ディスプレイなどが可能であろう。また、ディスプレイ以外の分野での利用も可能であり、その中には、光線の分割および／または方向転換を利用する分野を含めることができる（が、それだけに限定されない）。そのような一つの用途は、例えば多重化の用途でその効果を利用して導波管の間で光を切り換えることが可能になると考えられる光通信であろう。

図1aと図1bは、表面の濡れ性に関係する表面張力と毛細管効果を示している。表面の濡れ性は、いわゆる接触角（φ）で記述される。親水性表面では、接触角は90°未満である。これは、液体と表面の間の接着力が、その液体の凝集力よりも大きいことを意味する。水滴1aは表面領域が大きくなるために凝集力が十分に強くなってその液体はそれ以上広がらなくなるまで、付着力のために表面に広がる。また、液体は、毛細管の中に引き込まれ、他端が開放されているのであればその中に満たされることになろう（角度φ₁が90°未満である図1aを参照のこと）。

その一方で、表面が撥水性だと、接触角は90°よりも大きい（図1bの角度φ₂）。この場合、液体の凝集力は表面張力よりも大きいために小さな液滴1bが形成される。また、毛細管効果が逆方向に作用して液体に対して外向きの“毛細管圧”が発生し、キャビティに液体が満たされることが阻止されるであろう。

エレクトロ-ウェッティング（EW）格子の動作原理は、可変効率エレクトロ-ウェッティング（EW）回折格子を備える本発明の一実施態様による光学デバイス20の概略を示す一例である図2aと図2bから理解することができる。a）図2aは制御電圧がゼロの場合であり、b）図2bは制御電圧がゼロでない可変値の場合である。

光学デバイス20は、屈折率nの誘電性光学材料からなる回折格子12を備えている。この回折格子12は、高さがhで周期がdである構造体23を有する第1の面21と、第2の面22とを備えている。第1の面21は、疎水性材料13で覆われている。この疎水性材料13は、あらかじめ選択された液体に対する回折格子12の濡れ性を低下させる。導電性材料からなる電極層11が第2の面22の表面に形成される。電極層11は、透光性材料または反射性材料（例えば金属）で作成することができる。最後に、上記のあらかじめ選択された液体のうちの一つからなり、屈折率がkである一様な液体層14（場合によっては導電性である）が、回折格子12の第1の面21の上に配置される。ここに、屈折率nとkは実質的に等しい。すなわちkは、回折格子12の屈折率によく一致するように選択される。屈折率が一致する液体／材料の可能な一つの組み合わせは、水とテフロン（登録商標）である。両方とも屈折率が約1.3であり、テフロン（登録商標）上の水の接触角は90°よりも大きい（典型値は約108°）。別の可能性は、屈折率が一致する誘電材料のうちであらかじめ選択された液体に対して通常は疎水性ではないものを使用し、適切な非湿潤剤でその材料を覆うことである。可能な表面処理剤は、例えば有機シラン化合物またはフッ素化ポリマーである（が、それだけに限定されない）。

図2aに示したように、一様な液体層14と電極層11の間に電場が印加されていないときには、一様な液体層14は、構造体23の頂部よりも下に形成されたエア・ポケット領域10に入らない。これは、光学デバイス20のパラメータを適切に選択することによって容易に実現される。例えばa）回折格子12の格子周期d；b）一様な液体層14に含まれる液体の表面張力；c）抗付着処理による濡れ性の適度な低下（第1の面21は疎水性材料13で覆われている）を適切に選択してバランスさせることにより、図1aに示したように、一様な液体層14の液体がエア・ポケット領域10に入ることが阻止される。実際には、第1の面21の臨界表面張力を一様な液体層14に含まれる液体の表面張力よりも小さくし、反発性毛細管圧がその液体に容易に及ぼされるようにせねばならない。その場合、格子を通過する入射光線17は、回折格子12の屈折率nとエア・ポケット領域10の屈折率（1に等しい）に差があるために位相が変化する。すると光線17はいくつかの回折次数に分割され、反射光線18と透過光線19の両方ともさまざまな方向に伝播する。

所定の回折次数の光強度は、回折格子12の形状と、調節領域（構造体23）の高さhとに依存する。さらに、可能な回折次数の数は回折格子12の周期dに依存しており、0次の回折（直接反射される光線と透過する光線）と1次の回折だけが可能なように選択できる。さらに、回折格子12の格子プロファイルを適切に選択するには（例えば長方形構造または傾斜構造を用いるとか、構造体の高さhを変えるなど）、光線の大半を1次の回折だけに向けることで、鏡面反射されるか直接透過する光線を効果的にオフにすることができる。

エレクトロ-ウェッティング（または静電圧力）を利用してエア・ポケット領域10に含まれる液体の表面の高さを変化させることにより、回折効率を調節すること、すなわち回折の所定の次数に向ける光の量を調節することができる。エレクトロ-ウェッティングの原理はよく知られており、例えば表面上を、または毛細管スペースの中を液滴を移動させるのに利用されている（例えばN.K. Sheridonによる「エレクトロキャピラリー・カラー・ディスプレイ・シート」というアメリカ合衆国特許第5,659,330号を参照のこと）。

本発明の一実施態様によれば、電圧源16が、導電性液体層14と電極層11（用途に応じて透光性にすること、または反射性にすることができる）に接続されている。例えば図2bに示したように電圧源16を用いて所定の電場が一様な液体層14と電極層11に印加されると、一様な液体層14は、毛細管効果と、その所定の電場を印加することによって生じる第1の面21の濡れ性の増大とにより、図2bに示したように、所定の値だけエア・ポケット領域10に入る。このことによって回折格子12の回折効率が変化し、その結果として透過する光線19aおよび／または反射される光線18aの光強度が変化する。

図2bに示したように、十分に高圧（すなわち電圧源16から供給される電場）が印加されたときに静電場によって一様な液体層14に及ぼされる静電圧力が反発性毛細管圧を越えると、すなわちエレクトロ-ウェッティングのために液体と第1の面の間の接触角が90°より小さくなると、液体はエア・ポケット10のより内部へと移動するであろう。エア・ポケット領域10の内部にある空気がこの構造から逃げ出せるのであれば、一様な液体層からエア・ポケット領域の中に移動する液体は、この格子構造を完全に満たすであろう。エア・ポケット10をその液体で満たすのに必要な電圧は、回折格子12の回折周期dと、底部電極11と頂部電極14（導電性液体）の距離と、一様な液体層14に含まれる液体の表面張力と、第1の面21の臨界表面張力とに依存し、これらの変数を調節することによって変化させることができる。

液体の屈折率kは回折格子12の屈折率nによく一致しているため、この構造体は光学的に一様になり、したがって液体で満たされていない格子で得られる光の位相変化が効果的に消えることになる。その後電圧が毛細管圧が静電圧力よりも大きくなる臨界電圧よりも低くなると、すなわち液体と第1の面21の間の接触角が90°よりも大きくなると、正味の反発力が液体に及ぼされ、その液体がエア・ポケット領域から取り除かれる。したがって回折格子を回折状態と非回折状態（一様な状態）の間で容易に切り換えられる。回折格子を切り換える応答時間は短い。なぜなら表面の高さのほんのわずかな変化しか必要でないからである。構造体の高さが1μmで液体前面の速度が10cm/秒である格子では、対応する応答時間は約10μ秒である。

連続的に調節できる回折効率は、格子構造として、エア・ポケット領域10の内部にある空気がその構造の中に捕捉される構造を選択することによって得られる。エア・ポケットは、液体が格子構造を完全には満たさないようにするバネとして機能するため、電圧源16を用いて印加電圧を変化させることにより、エア・ポケット領域10内の液体のレベルを制御することが可能である。液体層14の屈折率kは回折格子12の屈折率nによく一致するため、液体の高さを変えると、光学装置20を通過（透過または反射）した後の光線17の位相変化の量が直接変化する。すると回折格子12の回折効率が変化し、所定の回折次数に向かう光線の強度を変えることが可能になる。

本発明の一実施態様によれば、回折効率を連続的に調節できるようにするために可能な別の一つの方法は、一様な液体層14の表面に垂直な線に対して側壁の角度が変化する回折構造を選択することである（例えば図3参照）。この場合、液体層は、構造体の表面13の接線と一様な液体層との間の角度が、液体の表面張力と、回折格子12および／またはその表面処理に用いられる材料の臨界表面張力とによって決まる接触角と等しくなる深さまでエア・ポケット領域10の中に侵入する。したがって侵入する深さ、つまり回折効率は、エレクトロウェッティングによる接触角の変化を引き起こす、電極11と一様な液体層14の間に電圧を印加することにより調節できる。

図2aと図2bの実施例では、一様な導電性液体層14が使用されている。しかし本発明の別の一実施態様によれば、非導電性液体を使用することもできる。その場合、液体層を（例えば、場合によっては透光性の）別の電極で覆って平行板キャパシタを形成することができる。電圧をプレートに印加すると、液体に作用する力が発生する。なぜなら系の全エネルギーは満たされた溝と満たされていない溝で異なるからである。これは、Pesantらによる「光学的モジュレータ」というアメリカ合衆国特許第4,701,021号で液滴を2つの平行板キャパシタの間で移動させるために利用されているのと同じ効果である。この場合、力は液体の誘電率に依存するため、非導電性液体をEW回折格子で使用する場合には、誘電率ができるだけ大きな液体を選択することが好ましい。

多数の層からなる構造では、間に一つの液体層（例えば回折構造と電極を頂部基板と底部基板の両方の上に用いる）または複数の液体層（例えば液体層14のような液体層）を有する複数のエレクトロ-ウェッティング（EW）回折格子構造（例えば回折格子12と同様のもの）を利用して光強度の調節および／または光線の方向転換ができることに注意されたい。また、空気の代わりに他の何らかの液体をエア・ポケット領域10で代替物として用いることもできる。

本発明の別の実施態様によるいくつかの実際的なケースを以下に説明する。

第1に、空気がエア・ポケット領域から例えば側方に向かって格子の溝の方向に逃げ出せると仮定する。この場合、外部電圧が閾値（閾値電場に等しい）を越えると格子はオフになり（完全に満たされて）、そのときエレクトロ-ウェッティング効果（または電場によって生じる静電圧力）によって接触角が90°よりも小さくなる。

第2に、空気がエア・ポケット領域から逃げ出せて、外部電圧Vが閾値（または閾値電場）よりも小さいと仮定する。すると図3に示したように、（所定のアルゴリズムに従って）側壁の角度が変化する格子構造を用いた可変回折効率を実現できる。所定の電圧では、水のレベルは、表面の接線と水の前面の接線間の角度がエレクトロ-ウェッティングによって決まる接触角に等しい深さまで侵入する。

第3に、空気がエア・ポケット領域から逃げ出すことができず、外部電圧Vが閾値（または閾値電場）よりも小さいと仮定する。この場合、侵入する深さは、内向きの静電圧力と、外向きの毛細管圧と、エア・ポケット内の空気の外向きの空気圧の間の平衡条件によって決まるであろう（図2bの実施例参照）。

図4は、可変効率エレクトロ-ウェッティング（EW）回折格子12を備えた光学デバイス20を用いたバックライト式直視型ディスプレイの画素（例えばグレー・スケール）24を本発明の一実施態様に従って実現する可能な方法の一例を示している。ここではEW格子を通過する入射光線17（例えば照明光）は、0次（光線28）の回折と1次（光線27）の回折に分割される。直接透過する光28は吸収材26によって遮蔽されるため、その光はユーザーには見えない。他方、1次の回折光（光線27）はユーザーに向かうため、見ることができる。画素強度は、本発明の実施態様を用いて上述したようにEW回折格子12が調節可能であることを利用して1次の回折の回折効率を変化させて調節すること、またはいくつかの並置されたサブ画素のオン／オフを独立に切り換えて調節することができる。

図4に示した実施態様の直接的な拡張は、本発明の別の一実施態様による図5に示したカラー・ディスプレイの例である。ここでは、対応する画素24r、24g、24bに含まれる対応する光学デバイス20r、20g、20bのEW回折格子で使用する液体は、染料で適切な色（例えば赤、緑、青）にされているため、それぞれの光学デバイス20r、20g、20bは一つの波長帯だけを通過させる。そのため例えば対応する透過した光線34r、34g、34bを用いて異なる色を表示することができる。あるいはカラー・フィルタを用いて適切な色を選択することができる。

図6a〜図6cは、直視型ディスプレイの用途でエレクトロ-ウェッティング格子を用いてカラー・ディスプレイを実現するための本発明の実施態様によるさまざまなスキームの別の例であり、図6aはレンズ・アレイなしの場合、図6bと図6cはレンズ・アレイありの場合である。

図6aには、図2a、図2b、図3、図4に示したのと同様の構成が示してある。図6aでは、より製造しやすくするため、入射光線17の吸収材（またはブロック吸収材）の位置が図4および図5と比べて異なるように選択されている。色を分離するため、図示してあるようにカラー・フィルタ50r（赤）、50g（緑）、50b（青）を3つの連続した画素で用いる。また、透光性電極11を用いて電気的コンタクトを提供する。

図6bと図6cでは追加のレンズ・アレイが使用される。これらの用途では、（図6aに示した前のケースのように一つの次数だけでなく）回折の多くの次数が許されるより長い周期の格子を用いることが可能である。こうすると、焦点合わせ操作と組み合わせることで、格子が照明光の入射パラメータ（例えば入射角）の影響をより受けにくくなる。図6bのケースでは、格子は、光を正と負の回折次数（主に+1と-1）に対称に分割する2値プロファイルを持つことができる。したがって一つの画素は、電圧が印加されていないときにオンになり、電圧が印加されているときにオフになる。図6cでは状況が逆転している。図6bと図6cの両方とも、カラー・フィルタ50r（赤）、50g（緑）、50b（青）を透光性電極11と組み合わせて用いており、場合によっては透光性ウインドウ52も使用される。

図7は、本発明の一実施態様による電子デバイス40のブロックダイヤグラムの一例であり、ここでは、電子デバイス40の一つの構成要素（例えばディスプレイ）48の中でエレクトロ-ウェッティング（EW）回折格子を用い、電気制御信号で光強度を調節している。

ディスプレイ48の各画素での光強度の望ましい瞬間値に関する情報を含む光強度調節信号50が光強度選択装置42に供給される。あるいはユーザー41が、ディスプレイ48のすべての画素の光強度に関する望ましい値（例えば望ましい平均強度レベル）を含む光強度指示信号50aを供給して望ましいバイアスを与えることができる。

光強度選択装置42は、信号50および／または50aに応答し、ディスプレイ48の各画素で反射されるか各画素を透過する光強度の望ましいレベルを示す強度選択信号52を電圧源44に供給する。すると電圧源44は、信号52に応答し、エレクトロ-ウェッティング制御信号54を、ディスプレイ48に組み込まれた各画素（本発明の実施態様によって上に説明した光学デバイス）に個別に供給することで、一様な液体層（例えば図2bの14）と光学デバイスの電極層11の間に印加される電場を供給して光強度を望ましいレベルにする。

また、望む平均強度レベルになっているかどうかを確認するため、ユーザー41に対するフィードバック信号としての信号56が図7に示してある。本発明の一実施態様によれば、ブロック42と44はまとめることができることに注意されたい。さらに、例えば調節信号と“バイアス”信号を別々に供給するために2つ以上の電圧源が存在できることにも注意されたい。

上に説明したように、本発明により、方法と、その方法の各ステップを実施する機能を提供するさまざまなモジュールからなる対応する装置の両方が提供される。モジュールは、ハードウエアとして実現するか、コンピュータのプロセッサが実行するソフトウエアまたはファームウエアとして実現することができる。特にファームウエアまたはソフトウエアの場合には、本発明をコンピュータ・プログラム製品として提供することができる。その中には、コンピュータのプロセッサが実行するためにコンピュータ・プログラム・コードを具体化したコンピュータ可読記憶構造（すなわちソフトウエアまたはファームウエア）が含まれる。

上に説明した構成は本発明の原理の応用例にすぎないことが理解されよう。当業者であれば、本発明の範囲を逸脱することなく、多数の改変や別の構成を考案することができよう。また、添付の請求項は、そのような改変や構成をカバーしているものとする。

表面の濡れ性に関係する表面張力と毛細管効果を示す概略図である。表面の濡れ性に関係する表面張力と毛細管効果を示す概略図である。可変効率エレクトロ-ウェッティング（EW）回折格子を備える本発明の一実施態様による光デバイスの概略図であって、制御電圧がゼロである場合の図である。可変効率エレクトロ-ウェッティング（EW）回折格子を備える本発明の一実施態様による光デバイスの概略図であって、制御電圧がゼロでない可変値である場合の図である。側壁の角度が変化することを利用した回折構造のための可変効率エレクトロ-ウェッティング（EW）回折格子を備える本発明の一実施態様による光学デバイスの概略図である。本発明の一実施態様による、可変効率エレクトロ-ウェッティング（EW）回折格子を用いたバックライト式直視型ディスプレイの画素の一つの可能な実装態様を示す図である。本発明の一実施態様による、カラー・ディスプレイの一つの画素の実装態様の概略図である。カラー・ディスプレイを本発明の実施態様に従って実現する方法の概略図であり、レンズ・アレイなしの場合を示す図である。カラー・ディスプレイを本発明の実施態様に従って実現する方法の概略図であり、レンズ・アレイありの場合を示す図である。カラー・ディスプレイを本発明の実施態様に従って実現する方法の概略図であり、レンズ・アレイありの場合を示す図である。本発明の一実施態様による、電子デバイスの一つの構成要素（例えばディスプレイ）の中でエレクトロ-ウェッティング（EW）回折格子を用い、電気制御信号で光強度を調節する電子デバイスのブロックダイヤグラムである。

Claims

回折格子（12）と、一様な液体層（14）と、電極層（11）とを有する光学デバイス（20）であって、
前記回折格子（12）は、屈折率nの誘電性光学材料からなり、高さがhで周期がdである構造体（23）を有する第1の面（21）と、第2の面（22）とを持ち、該第1の面（21）は、あらかじめ選択された液体に対する前記回折格子（12）の濡れ性を低下させる疎水性材料（13）で覆われており、
前記一様な液体層（14）は、屈折率kを持っていて前記あらかじめ選択された液体のうちの一つからなり、屈折率nとkは実質的に等しく、前記一様な液体層（14）は、前記回折格子（12）の前記第1の面（21）の上に配置され、前記光学デバイス（20）のパラメータは、
a）前記一様な液体層（14）の中に電場が生じていないときには、前記構造体（23）の頂部よりも下に形成されたエア・ポケット領域（10）に前記一様な液体層（14）が入ることはなく、
b）前記一様な液体層（14）の中に生じた所定の電場が存在しているときには、前記第1の面（21）の増大した濡れ性及び毛細管効果により、前記構造体（23）の頂部よりも下に形成されたエア・ポケット領域（10）に所定の値だけ前記一様な液体層（14）が入り、これにより前記回折格子（12）の回折効率が変化して前記回折格子（12）を透過する光線または前記回折格子（12）により反射される光線の光強度が変化するように選択され、
前記電極層（11）は、前記電場を発生させるため、前記第2の面（22）の上に形成された導電性材料からなる、光学デバイス（20）。
前記電場または前記所定の電場が、前記一様な液体層（14）と前記電極層（11）の間に電圧を印加することによって発生する、請求項１に記載の光学デバイス。
前記一様な液体層（14）の上に形成された導電性材料からなる別の電極層をさらに備えていて、前記電場または前記所定の電場が、該別の電極層と前記電極層（11）の間に電圧を印加することによって発生する、請求項１に記載の光学デバイス。
前記光学デバイスのパラメータに、前記周期dと、前記一様な液体層（14）に含まれる液体の表面張力と、前記疎水性材料の濡れ性とが含まれる、請求項１に記載の光学デバイス。
前記回折格子の周期的な線が、長方形プロファイル、傾斜プロファイル、所定のアルゴリズムに従って滑らかに変化する壁状プロファイルの何れかを有する、請求項１に記載の光学デバイス。
前記電極層が光線（17）に対して透明である、請求項１に記載の光学デバイス。
所定の色の光になるように前記一様な液体層が染料で着色されているか、またはカラー・フィルタが前記一様な液体層の前に用いられていて前記回折格子（12）を前記所定の色の光線（34r、34g、34b）だけが通過する、請求項１に記載の光学デバイス。
前記回折格子のパラメータが、前記回折格子（12）を透過した光線（27、28）の1次と0次の透過回折モードだけを前記回折格子（12）がサポートするように選択されていて、該透過光線の0次の透過回折モード成分（28）が遮蔽され、該透過光線の1次の透過回折モード成分（27）が前記光学デバイスのユーザーへ向かう、請求項１に記載の光学デバイス。
前記透過光線の1次の透過回折モード成分の光強度が、前記電場によって前記回折格子（12）の回折効率を変化させることによって変化する、請求項８に記載の光学デバイス。
前記光線が、前記回折格子（12）の第1の面（21）によって受光される、請求項１に記載の光学デバイス。
空気が前記エア・ポケット領域（10）から逃げ出せるようにされていて、前記一様な液体層（14）の中に生じた電場が閾値電場よりも大きいとき、前記エア・ポケット領域（10）が前記一様な液体層（14）で完全に満たされる、請求項１に記載の光学デバイス。
空気が前記エア・ポケット領域（10）から逃げ出せるようにされていて、前記一様な液体層（14）の中に生じた電場が閾値電場よりも小さいとき、前記エア・ポケット領域（10）が前記一様な液体層（14）で所定の値だけ満たされ、かつ、前記回折格子の周期的な線が、所定のアルゴリズムに従う滑らかに変化する壁状プロファイルを有する、請求項１に記載の光学デバイス。
空気が前記エア・ポケット領域（10）から移動できないようにされていて、前記一様な液体層（14）の中に生じた電場が閾値電場よりも大きいとき、前記エア・ポケット領域（10）は前記一様な液体層（14）で所定の値だけ満たされ、該所定の値は、前記エア・ポケットに含まれる空気による圧力を用いた平衡条件によって決まる、請求項１に記載の光学デバイス。
電子デバイス（40）に含まれる光学デバイス（20）を透過する光線（17）またはその光学デバイス（20）で反射される光線（17）の光強度を変化させる方法であって、
前記光学デバイス（20）で前記光線（17）を受光するステップであって、前記光学デバイス（20）は、回折格子（12）と、一様な液体層（14）と、電極層（11）とを有し、
前記回折格子（12）は、屈折率nの誘電性光学材料からなり、高さがhで周期がdである構造体（23）を有する第1の面（21）と、第2の面（22）とを持ち、該第1の面（21）は、あらかじめ選択された液体に対する前記回折格子（12）の濡れ性を低下させる疎水性材料（13）で覆われており、
前記電極層（11）は、電場を発生させるため、前記第2の面の上に形成された導電性材料からなり、
前記一様な液体層（14）は、屈折率kを持っていて前記あらかじめ選択された液体のうちの一つからなり、屈折率nとkは実質的に等しく、前記一様な液体層（14）は、前記回折格子（12）の前記第1の面（21）の上に配置され、前記光学デバイス（20）のパラメータは、
a）前記一様な液体層（14）の中に電場が生じていないときには、前記構造体（23）の頂部よりも下に形成されたエア・ポケット領域（10）に前記一様な液体層（14）が入ることはなく、
b）前記一様な液体層（14）の中に生じた所定の電場が存在しているときには、前記第1の面（21）の増大した濡れ性及び毛細管効果により、前記構造体（23）の頂部よりも下に形成されたエア・ポケット領域（10）に所定の値だけ前記一様な液体層（14）が入り、これにより前記回折格子（12）の回折効率が変化して前記回折格子（12）を透過する光線または前記回折格子（12）により反射される光線の光強度が変化するように選択されている、ステップと、
前記所定の電場を変化させ、そのことによって前記一様な液体層（14）が前記エア・ポケット（10）に入る前記所定の値をさらに変化させて前記回折格子（12）の回折効率の変化をさらに引き起こすことで、前記光学デバイス（20）を透過する光線（17）または前記光学デバイス（20）により反射される光線（17）の光強度を変化させるステップと、
を含む方法。
前記電場または前記所定の電場を、前記一様な液体層（14）と前記電極層（11）の間に電圧を印加することによって発生させる、請求項１４に記載の方法。
前記一様な液体層（14）の上に形成された導電性材料からなる別の電極層をさらに備えていて、前記電場または前記所定の電場を、その別の電極層と前記電極層（11）の間に電圧を印加することによって発生させる、請求項１に記載の光学デバイス。
コンピュータのプロセッサで実行するためのコンピュータ・プログラム・コードを組み込んだコンピュータ可読記憶構造を含んでいて、該コンピュータ・プログラム・コードが、請求項１４の方法の各ステップが前記電子デバイス（40）の何れかの部品によって実施されるように指示する命令を含むことを特徴とするコンピュータ・プログラム製品。
前記光学デバイスのパラメータに、前記周期dと、前記一様な液体層（14）に含まれる液体の表面張力と、前記疎水性材料の濡れ性とが含まれる、請求項１４に記載の方法。
前記回折格子の周期的な線が、長方形プロファイル、傾斜プロファイル、所定のアルゴリズムに従って滑らかに変化する壁状プロファイルの何れかを有する、請求項１４に記載の方法。
前記電極層が光線（17）に対して透明である、請求項１４に記載の方法。
所定の色の光になるように前記一様な液体層を染料で着色するか、またはカラー・フィルタを前記一様な液体層の前に用いて前記回折格子（12）が所定の色の光線（34r、34g、34b）だけを通過させる、請求項１４に記載の方法。
前記回折格子のパラメータが、前記回折格子（12）を透過した光線（27、28）の1次と0次の透過回折モードだけを前記回折格子（12）がサポートするように選択されていて、該透過光線の0次の透過回折モード成分（28）が遮蔽され、該透過光線の1次の透過回折モード成分（27）が前記光学デバイスのユーザーに向かう、請求項１４に記載の方法。
前記透過光線の1次の透過回折モード成分の光強度を、前記電場によって前記回折格子（12）の回折効率を変化させることによって変化させる、請求項２２に記載の方法。
前記光線を前記回折格子（12）の第1の面（21）によって受光する、請求項１４に記載の方法。
空気が前記エア・ポケット領域（10）から逃げ出せるようにされていて、前記一様な液体層（14）の中に生じた電場が閾値電場よりも大きいとき、前記エア・ポケット領域（10）が前記一様な液体層（14）で完全に満たされる、請求項１４に記載の方法。
空気が前記エア・ポケット領域（10）から逃げ出せるようにされていて、前記一様な液体層（14）の中に生じた電場が閾値電場よりも小さいとき、前記エア・ポケット領域（10）が前記一様な液体層（14）で所定の値だけ満たされ、かつ、前記回折格子の周期的な線が、所定のアルゴリズムに従って滑らかに変化する壁状プロファイルを有する、請求項１４に記載の方法。
空気が前記エア・ポケット領域（10）から移動できないようにされていて、前記一様な液体層（14）の中に生じた電場が閾値電場よりも大きいとき、前記エア・ポケット領域（10）は前記一様な液体層（14）で所定の値だけ満たされ、該所定の値は、前記エア・ポケットに含まれる空気による圧力を用いた平衡条件によって決まる、請求項１４に記載の方法。
少なくとも一つの光学デバイス（20）と、
前記少なくとも一つの光学デバイス（20）を有する構成部品（48）と、
少なくとも一つの電圧源（16、44）とを有する電子デバイス（40）であって、
前記光学デバイス（20）は、回折格子（12）と、電極層（11）と、一様な液体層（14）とを有しており、
前記回折格子（12）は、屈折率nの誘電性光学材料からなり、高さがhで周期がdである構造体（23）を有する第1の面（21）と、第2の面（22）とを持ち、該第1の面（21）は、あらかじめ選択された液体に対する前記回折格子（12）の濡れ性を低下させる疎水性材料（13）で覆われており、
前記電極層（11）は、電場を発生させるため、前記第2の面の上に形成された導電性材料からなり、
前記一様な液体層（14）は、屈折率kを持っていて前記あらかじめ選択された液体のうちの一つからなり、屈折率nとkは実質的に等しく、前記一様な液体層（14）は、前記回折格子（12）の前記第1の面（21）の上に配置され、前記光学デバイス（20）のパラメータは、
a）前記一様な液体層（14）の中に電場が生じていないときには、前記構造体（23）の頂部よりも下に形成されたエア・ポケット領域（10）に前記一様な液体層（14）が入ることはなく、
b）前記一様な液体層（14）の中に生じた所定の電場が存在しているときには、前記第1の面（21）の増大した濡れ性及び毛細管効果により、前記構造体（23）の頂部よりも下に形成されたエア・ポケット領域（10）に所定の値だけ前記一様な液体層（14）が入り、これにより前記回折格子（12）の回折効率が変化して前記回折格子（12）を透過する光線または前記回折格子（12）によって反射される光線の光強度が変化するように選択されており、
前記少なくとも一つの電圧源（16、44）は、強度選択／調節信号（52）に応答してエレクトロ-ウェッティング制御信号（54）を前記構成部品（48）の前記光学デバイス（20）に供給することで、前記一様な液体層（14）と前記電極層（11）の間に印加される電場を供給し、そのことによって前記所定の電場を変化させるとともに、前記一様な液体層が前記エア・ポケット領域（10）に入る前記所定の値も変化させて前記回折格子（12）の回折効率の変化をさらに引き起こし、そのことによって前記光学デバイス（20）を透過する光線（17）または前記光学デバイス（20）によって反射される光線（17）の光強度を変化させて光強度を望ましいレベルにする、
電子デバイス（40）。
前記構成部品がディスプレイであり、前記光学デバイスが該ディスプレイ（48）の画素であり、前記光強度調節信号（50）がビデオ信号である、請求項２８に記載の電子デバイス（40）。
前記構成部品が投写型ディスプレイ、フロントライト式ディスプレイ、フィールド・シークエンシャル・ディスプレイ、裸眼立体視ディスプレイの何れかである、請求項２８に記載の電子デバイス（40）。
光強度調節／指示信号（50、50a）に応答して、該光強度調節／指示信号（50、50a）に応じた前記強度選択信号（52）を供給する光強度選択装置／スイッチ（42）をさらに有していて、前記強度選択信号（52）が、前記回折格子（12）で反射されるかまたは前記回折格子（12）を透過する光強度の望ましいレベルを示している、請求項２８に記載の電子デバイス（40）。
前記光強度選択装置／スイッチ（42）と前記少なくとも一つの電圧源（16、44）が一つのブロックにまとめられている、請求項２８に記載の電子デバイス（40）。