JP2010066765A - 光渦リターダ・マイクロアレイ - Google Patents

Abstract

【課題】光渦リターダのマイクロアレイが、異なる方向を有する複数の別個の配向パッチを有する配向層を形成することによって提供される。
【解決手段】液晶および液晶ポリマー前駆体材料のうちの１つを含む複屈折材料の層が、配向層に隣接して設けられる。複数の別個の配向パッチ中の各別個の配向パッチの配向方向および位置は、複屈折材料の層に、配向層の実質的無方向性領域に隣接した少なくとも１つの光渦リターダを形成させるように選択される。
【選択図】図５

Description

本出願は、一般に、光渦リターダに関し、具体的には、光渦リターダのマイクロアレイ、およびそれを作製する方法に関する。

波長板は、偏光の光の場の２つの直交偏光成分の間に予め決められた位相シフトを追加することによって偏光の光を変える。従来から、追加の位相シフトは、波長板リターダンスと呼ばれており、垂直な入射光についての波長の数分の１で測定される。例えば、直交偏光の間にπの位相シフトを追加する波長板は１／２波長板と呼ばれており、一方、π／２の位相シフトを追加する波長板は１／４波長板と呼ばれている。

波長板は、伝統的に一軸複屈折材料を用いて製造されてきた。一軸複屈折材料は、２つの主屈折率、すなわち常屈折率ｎ_ｏおよび異常屈折率ｎ_ｅを有し、ここで複屈折は、Δｎ＝ｎ_ｅ−ｎ_ｏとして定義される。波長板において、低屈折率を有する軸は、速軸と称され、一方、より高い屈折率を有する軸は、遅軸と称されると共に速軸に直角である。例えば、ｎ_ｅ＞ｎ_ｏである正の一軸複屈折材料については、異常軸は遅軸であるのに対して、常軸は速軸である。異常軸は光学軸でもあり、この光学軸は、その偏光状態に関わらず直線偏光の光が同じ速度で媒体を通って伝搬する向きであると理解される。必要な位相シフトをもたらすために、典型的には、従来の波長板の製造に用いられる一軸複屈折材料の光学軸は、波長板の面に垂直でない角度に向けられている。例えば、波長板はしばしば、波長板の面に平行なその光学軸を有する一軸複屈折材料（すなわち、Ａプレートと称される）、または基板の平面に対し斜角にその光学軸を有する一軸複屈折材料（すなわち、Ｏプレートと称される）から製造される。代替として、波長板は、そのリターダンスが入射角（ＡＯＩ）に伴い増大するように、波長板の面に垂直なその光学軸を有する一軸複屈折材料から製造できる（すなわち、Ｃプレートと称される）。

波長板の重要な用途の１つは、波長板を通過する偏光の偏光状態を変えることである。例えば、１／２波長板は、直線偏光の方向を回転させるために使用でき、一方、１／４波長板は、直線偏光の光を円偏光の光に変換するために使用できる。前者に関しては、入射光の偏光の向きが波長板の面内の光学軸に対してθに向けられるとき、回転角は、２θである。後者に関しては、典型的には、入射光の偏光の向きは、波長板の面内の光学軸に対して４５度に向けられる。いずれの場合も、入射の偏光状態がその断面にわたっても均一であるとすれば、均一な偏光ビーム（すなわち、偏光がビームの断面にわたって変化しない偏光した光放射のビーム）をもたらすために、波長板の光学軸が空間的に均一である（すなわち、波長板の表面全体が同じ光学軸方向を有するように波長板の表面にわたって変化しない）ことが好ましい。

より最近になり、空間的な偏光の変化を均一偏光ビームにわたって誘起することは、極めて有益な波面整形ツールであることが認識されている。実際には、空間可変偏光を伴うそうしたビームが直線偏光子を用いて解析される場合、正味の効果は、パンチャラトナム・ベリー位相（Ｐａｎｃｈａｒａｔｎａｍ−Ｂｅｒｒｙ ｐｈａｓｅ）として知られている、ビームの断面にわたっての空間的可変位相シフトの追加である。空間的に変化する直線偏光を有する光ビームのいくつかの例は、半径方向に偏光した光ビーム、および方位角方向に偏光した（すなわち、接線方向に偏光した）光ビームであり、ここで偏光の局所軸は、半径方向、すなわち局所点と中心点を結ぶ線に平行であり、または接線方向、すなわちこの線に垂直である。これらビームの偏光パターンは図１に示されており、ここで矢印はビームの偏光の局所的な方向を概略的に示している。

このビームが半径方向に偏光していようと方位角方向に偏光していようと、その偏光の向きは、ある特定の空間位置の方位角度に依存し、中心点からの半径方向距離に依存しない。これらのタイプの偏光ビームは、円柱ベクトル・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」なる用語は、「光渦（ｏｐｔｉｃａｌ ｖｏｒｔｅｘ）」なる用語に関連している。光渦は、位相異常を示すビームの断面内の点であり、したがってビーム放射の電場は、その点周りに描かれる任意の閉路内でπの倍数によって展開する。同様に、偏光渦は、直線偏光状態であり、この状態において偏光の向きは、ビーム軸周りにπの倍数によって展開する。そのようなビームに注目すると、そのようなビームは、（例えば、渦がビーム内に中心を置く場合には、ビームの軸に沿って）中心点でゼロ強度をとる。偏光渦ビームは、粒子捕獲（光ピンセット）、顕微鏡の分解能向上、およびフォトリソグラフィなどの様々な実際の用途に用いられると有利であり得るいくつかの特有の性質を有する。

偏光渦ビームを得る一方法は、均一に偏光した光学ビームを光渦リターダに貫通させることである。光渦リターダは、本明細書では単に渦リターダと呼ばれてもいるが、ある点周りに回転する空間的に変化する速軸を有する波長板の類に関する。より詳細には、速軸の方位角度は、ある点周りに回転する。光リターダが色消しリターダ（例えば、２つ以上のリターダが光リターダを色消しにさせるためにスタックまたはラミネートされている多層設計）である場合は、空間的に変化する速軸が、有効速軸（すなわち、多層リターダを複屈折材料からなる単一層と仮定するならば速軸であるように見える方向）である。「方位角度」なる語は、光リターダの平面に投影される軸の方位角方向に言及するものであり、ある任意の基準点に対して測定される。渦リターダの速軸の方位角度は、ある点周りに回転するが、速軸の極角は典型的には、リターダの表面にわたって一定である（すなわち、渦リターダは典型的には、空間的に均一なリターダンスを有する）ことに留意されたい。「極角」なる語は、速軸のプレート外傾斜（ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｔｅ ｔｉｌｔ）に言及するものである。

概して、渦リターダの空間的に変化する速軸の方位角は、予め決められた関係で渦リターダ上の方位角位置に伴って変化することになる。例えば、図２を参照すると、典型的には、空間的に変化する速軸の方位角θは、以下の式に従って方位角位置φに伴って変化する。
θ（φ）＝αφ＋θ（０） （１）
ここでαは、方位角位置に対する速軸の方位角の変化の割合に等しい定数である。速軸の方位角θと方位角位置φは共に、（例えばｘ軸として示されている）予め決められた基準点に対して測定されることに留意されたい。この基準点での速軸の方位角はθ（０）である。図３Ａに示すようにθ（０）＝９０度のときには、速軸は、接線方向に配向されると考えられている。図３Ｂに示すように、θ（０）＝０度であるときには、速軸は、半径方向に配向されると考えられている。

再び式（１）を参照すると、α＝ｍ／２の場合は、空間的に変化する速軸θは、すべてのφでひたすら連続となり、ここでｍは、渦リターダのモードと呼ばれている整数である。実際には、渦リターダはしばしば、渦リターダのモードによって特徴付けられる（例えば、ｍ＝２α）。例えば、図３Ａおよび図３Ｂに示す渦リターダは、ｍ＝２の渦リターダである。とりわけ、ｍ＝２の渦リターダ（例えば、そこではα＝１）は、方位角位置における１度の反時計回りが、速軸の方位角方向における１度の増加量に対応する特別な場合に相当する。対照的に、ｍ＝−２の渦リターダ（例えば、そこではα＝−１）においては、方位角位置における１度の反時計回りは、速軸の方位角方向における１度の減少量に対応する。図４は、１、−１、２および−２に等しいモードを有する渦リターダの例を示す。

渦リターダは、一連の複屈折結晶、応力誘起複屈折、ナノ構造、液晶（ＬＣ）、および液晶ポリマー（ＬＣＰ）を用いて製造されてきた。結果として生じる渦リターダは可視波長範囲内で有用であると共に連続的に変化する速軸を有するので、渦リターダを製造するためにＬＣおよびＬＣＰを使用することは、有利である。また、ＬＣ材料とＬＣＰ材料は共に、直線偏光紫外（ＬＰＵＶ：ｌｉｎｅａｒｌｙ ｐｏｌａｒｉｚｅｄ ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ）光に対して感光性である直線光重合可能ポリマー（ＬＰＰ：ｌｉｎｅａｒ ｐｈｏｔｏｐｏｌｙｍｅｒｉｚａｂｌｅ ｐｏｌｙｍｅｒ）層を用いて配向できる。より詳細には、ＬＰＰ層は、ＬＰＵＶ光に平行な向きに選択的に重合されている。したがって、渦リターダは、ＬＰＰ層を支持する基板およびＬＰＵＶ光の方向のうちの少なくとも１つを回転させることによって製造することができる。例えば、ＬＣＰを用いた渦リターダの製造は、Ｓ．Ｃ．ＭｃＥｌｄｏｗｎｅｙ、Ｄ．Ｍ．Ｓｈｅｍｏ、Ｒ．Ａ．Ｃｈｉｐｍａｎ、およびＰ．Ｋ．Ｓｍｉｔｈ、「Ｃｒｅａｔｉｎｇ ｖｏｒｔｅｘ ｒｅｔａｒｄｅｒｓ ｕｓｉｎｇ ｐｈｏｔｏａｌｉｇｎｅｄ ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｐｏｌｙｍｅｒｓ」、Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．Ｖｏｌ．３３、１３４〜１３６頁（２００８年）、ならびにＳｃｏｔｔ Ｃ．ＭｃＥｌｄｏｗｎｅｙｌ、Ｄａｖｉｄ Ｍ．Ｓｈｅｍｏ、およびＲｕｓｓｅｌｌ Ａ．Ｃｈｉｐｍａｎ、「Ｖｏｒｔｅｘ ｒｅｔａｒｄｅｒｓ ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｆｒｏｍ ｐｈｏｔｏ−ａｌｉｇｎｅｄ ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｐｏｌｙｍｅｒｓ」、Ｖｏｌ．１６、７２９５〜７３０８頁、２００８年に記載されており、それらの両者は、参照により本明細書に組み込まれる。

改良された渦リターダを提供するために、ＬＰＰ層を照射しながら基板および／またはＬＰＵＶ光の方向を回転させることが示されているが、この方法は、単一渦リターダ（ｓｉｎｇｌｅ ｖｏｒｔｅｘ ｒｅｔａｒｄｅｒ）の作製に限定される。

Ｊ．Ｎ．ＥａｋｉｎおよびＧ．Ｐ．Ｃｒａｗｆｏｒｄ、「Ｓｉｎｇｌｅ ｓｔｅｐ ｓｕｒｆａｃｅ ａｌｉｇｎｍｅｎｔ ｐａｔｔｅｒｎｉｎｇ ｉｎ ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌｓ ｕｓｉｎｇ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｈｏｌｏｇｒａｐｈｙ ｅｘｐｏｓｕｒｅ」、ＳＩＤ ０６、８７５頁においては、ホログラフィック露光技術を使用して、複数の比較的小さい渦リターダであって、各渦リターダが、異なる点周りに回転する空間的に変化する速軸を有する複数の比較的小さい渦リターダを生成する。より具体的には、２次元アレイとして構成されるこの複数の比較的小さい渦リターダは、ホログラフィック露光によって発生する干渉縞を用いてＬＰＰ層をパターニングすることによって生成される。ＬＰＰ層の２次元パターニングは、単一ステップで行われるのが好都合であるが、そのパターンニングはあいにく、同一平面にない４つのコヒーレント・レーザ・ビームの干渉に頼っている比較的複雑な手順である。加えて、この干渉縞を用いて２次元パターニングをもたらすので、このプロセス、具体的には、レーザのスポット・サイズおよび光学的特性によって制限されるアレイのサイズを制御および最適化することが難しい。また、２次元パターニングをもたらすために干渉縞を使用することにより、空間的に変化する速軸の空間的に均一な面外傾斜に悪影響を与え得る強度変調が導入される。

Ｓ．Ｃ．ＭｃＥｌｄｏｗｎｅｙ、Ｄ．Ｍ．Ｓｈｅｍｏ、Ｒ．Ａ．Ｃｈｉｐｍａｎ、およびＰ．Ｋ．Ｓｍｉｔｈ、「Ｃｒｅａｔｉｎｇ ｖｏｒｔｅｘ ｒｅｔａｒｄｅｒｓ ｕｓｉｎｇ ｐｈｏｔｏａｌｉｇｎｅｄ ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｐｏｌｙｍｅｒｓ」、Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．Ｖｏｌ．３３、１３４〜１３６頁（２００８年） Ｓｃｏｔｔ Ｃ．ＭｃＥｌｄｏｗｎｅｙｌ、Ｄａｖｉｄ Ｍ．Ｓｈｅｍｏ、およびＲｕｓｓｅｌｌ Ａ．Ｃｈｉｐｍａｎ、「Ｖｏｒｔｅｘ ｒｅｔａｒｄｅｒｓ ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｆｒｏｍ ｐｈｏｔｏ−ａｌｉｇｎｅｄ ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｐｏｌｙｍｅｒｓ」、Ｖｏｌ．１６、７２９５〜７３０８頁、２００８年 Ｊ．Ｎ．ＥａｋｉｎおよびＧ．Ｐ．Ｃｒａｗｆｏｒｄ、「Ｓｉｎｇｌｅ ｓｔｅｐ ｓｕｒｆａｃｅ ａｌｉｇｎｍｅｎｔ ｐａｔｔｅｒｎｉｎｇ ｉｎ ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌｓ ｕｓｉｎｇ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｈｏｌｏｇｒａｐｈｙ ｅｘｐｏｓｕｒｅ」、ＳＩＤ ０６、８７５頁

本発明は、光渦リターダのマイクロアレイ、およびそれを作製する方法に関するものであり、この光渦リターダは、実質的無配向エリア内に点在している複数の別個の配向領域（例えば、パッチ）を有する配向層を用いて形成される。別個の配向エリアすなわちパッチのそれぞれは、隣接したＬＣ層またはＬＣＰ層に光渦リターダの周期的配列の形成を起こさせるように、戦略的に向けられ、所定の大きさに作製され、成形され、および／または配置される。各光渦リターダは、別個の配向パッチ間の格子間領域の隣のＬＣ層またはＬＣＰ層に形成される。

本発明の一態様によれば、光渦リターダを作製する方法であって、第１の複数の別個の配向パッチを有する配向層を形成するステップを備え、この第１の複数の別個の配向パッチが第１の配向方向を有する第１の配向パッチおよび第２の他の配向方向を有する第２の配向パッチを含むものであり、および配向層に隣接した複屈折材料の層を設けるステップを備え、この複屈折材料の層が液晶および液晶ポリマー前駆体材料のうちの１つを含むものであり、第１の複数の別個の配向パッチ中の各別個の配向パッチの配向方向および位置が、複屈折材料の層に、配向層の実質的無方向性領域に隣接した少なくとも１つの光渦リターダを形成させるように選択される方法が提供される。

本発明の別の態様によれば、光渦リターダ・アレイであって、配向層に隣接して配置される複屈折材料の層を備え、この複屈折材料が、液晶および液晶ポリマー前駆体材料のうちの１つを含み、配向層が複数の別個の配向パッチを有し、複数の別個の配向パッチが第１の配向方向を有する第１の配向パッチおよび第２の他の配向方向を有する第２の配向パッチを含むものであり、複数の別個の配向パッチ中の各別個の配向パッチの配向方向および位置が、複屈折材料の層に、光渦リターダ・アレイを形成させるように選択される光渦リターダ・アレイが提供される。

本発明の一態様によれば、光渦リターダのマイクロアレイを作製する方法であって、ａ）基板を用意するステップと、ｂ）配向層をこの基板上に配置するステップと、ｃ）配向層に配向パッチのアレイをパターニングするステップと、ｄ）液晶層を、アレイの配向パッチを含む配向層上に配置するステップとを備え、アレイ中の各配向パッチは、上に重なっている液晶層の液晶配向子（ｄｉｒｅｃｔｏｒ）を局所的に向ける傾向がある予め決められた配向の向きを有し、配向パッチのアレイが、配向層の実質的無方向性領域内に点在し、局所方向性液晶配向子が、液晶層に、配向層の実質的無方向性領域の上方に渦リターダのマイクロアレイの形成を起こさせるように選択される周期性で配向パッチのアレイが配置されている方法が提供される。

本発明のさらなる特徴および利点は、添付図面を併用すると以下の詳細な説明から明らかになろう。

放射方向偏光の光ビーム（左）および方位角方向偏光の光ビーム（右）を示す概略図である。 ある方位角位置φでの光渦リターダの速軸の方位角方向θを示す概略図である。 図３Ａは接線方向に配向した速軸を有する光渦リターダの概略図である。図３Ｂは半径方向に配向した速軸を有する光渦リターダの概略図である。 １、２、−１および−２に等しいモードを有する光渦リターダの例を示す図である。 図５Ａは各パッチの方向がパッチ内に描かれた線によって示されている、ｍ＝＋／−１の渦のアレイを製作するための配向パターンの一実施形態を示す図である。図５Ｂは「ベクトル線」が複屈折材料（例えば、ＬＣ層またはＬＣＰ層）の軸（すなわち、速軸または遅軸）を表すと共に、基礎をなす配向パターンが参考のために示されている、図５Ａに示す配向パターンを用いてＬＣ層またはＬＣＰ層に形成されるｍ＝＋／−１の光渦リターダのアレイのある実施形態を示す図である。 図６Ａは各パッチの方向がパッチ内に描かれた線によって示されている、ｍ＝＋／−２の渦のアレイを製作するための配向パターンの一実施形態を示す図である。図６Ｂは「ベクトル線」が複屈折材料（例えば、ＬＣ層またはＬＣＰ層）の軸（すなわち、速軸または遅軸）を表すと共に、基礎をなす配向パターンが参考のために示されている、図６Ａに示す配向パターンを用いてＬＣ層またはＬＣＰ層に形成されるｍ＝＋／−２の光渦リターダのアレイのある実施形態を示す図である。 図７Ａは各パッチの方向がパッチ内に描かれた線によって示されている、配向パッチの２次のセットを含むｍ＝＋／−２の渦のアレイを製作するための配向パターンの一実施形態を示す図である。図７Ｂは「ベクトル線」が複屈折材料（例えば、ＬＣ層またはＬＣＰ層）の軸（すなわち、速軸または遅軸）を表すと共に、基礎をなす配向パターンが参考のために示されている、図７Ａに示す配向パターンを用いてＬＣ層またはＬＣＰ層に形成されるｍ＝＋／−２の光渦リターダのアレイのある実施形態を示す図である。 図８Ａは各パッチの方向がパッチ内に描かれた線によって示されている、配向パッチの２次のセットを含むｍ＝＋／−３の渦のアレイを製作するための配向パターンの一実施形態を示す図である。図８Ｂは「ベクトル線」が複屈折材料（例えば、ＬＣ層またはＬＣＰ層）の軸（すなわち、速軸または遅軸）を表すと共に、基礎をなす配向パターンが参考のために示されている、図８Ａに示す配向パターンを用いてＬＣ層またはＬＣＰ層に形成されるｍ＝＋／−３の光渦リターダのアレイのある実施形態を示す図である。 図９Ａは各パッチの方向がパッチ内に描かれた線によって示されている、配向パッチの２次のセットを含むｍ＝＋／−４の渦のアレイを製作するための配向パターンの一実施形態を示す図である。図９Ｂは「ベクトル線」が複屈折材料（例えば、ＬＣ層またはＬＣＰ層）の軸（すなわち、速軸または遅軸）を表すと共に、基礎をなす配向パターンが参考のために示されている、図９Ａに示す配向パターンを用いてＬＣ層またはＬＣＰ層に形成されるｍ＝＋／−４の光渦リターダのアレイのある実施形態を示す図である。 図１０Ａは図５Ａに示す、向けられた配向パッチの配列の単位セルを示す図である。図１０Ｂは図５Ａおよび図５Ｂにそれぞれ示す配向層および隣接するＬＣ層またはＬＣＰ層の断面図である。 ５〜２０ミクロンにわたるＬＣＰ材料の４５度の変化を示す図である。 混成のｍ＝＋／−２の光渦リターダの２つの異なる実施形態を示す図である。 混成のｍ＝＋／−４の光渦リターダの２つの異なる実施形態を示す図である。 図１０Ａに示す単位セルの３×３アレイのモデル化された渦の配向を示す図である。

添付図面すべてにわたって、同様の特徴は、同様の参照符号によって識別されることに留意されたい。

図５Ａを参照すると、本発明の一実施形態による隣接したＬＣ層またはＬＣＰ層内に光渦リターダのアレイを生成するための配向層の概略図が示されている。配向層１１０は、実質的無方向性領域１３０内に点在している複数の別個の配向エリアすなわちパッチ１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃ、１２０Ｄを含む。各配向パッチ１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃ、１２０Ｄは、１つまたは複数の他の配向パッチの一定の配向方向とは異なる一定の配向方向を有する。具体的には、複数の別個の配向パッチ１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃ、１２０Ｄは、４つの異なる配向方向を含む。例えば、配向パッチ１２０Ａは、一定の配向方向を有しその方向は０度であり、一方、配向パッチ１２０Ｃは、９０度の一定の配向方向を有しており、それぞれはｘ軸に対して測定されている。複数の別個の配向パッチ１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃ、１２０Ｄは、一定の配向方向がある周期状に交互になるように予め決められた微細ピッチの２Ｄパターンで配列される。例えば、別個の配向パッチ１２０Ｂおよび１２０Ｄを参照すると、一定の配向方向は、ｘ軸に平行な向きに直交する方向の間で交互になっている。とりわけ、格子間領域１４０を含む別個の配向パッチ同士の間のエリア（例えば、実質的無方向性領域１３０）は、好ましい配向方向を有さない。

図５Ｂも参照すると、別個の配向パッチ１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃ、１２０Ｄのそれぞれは、配向層１１０の上方に配置されたＬＣまたはＬＣＰ前駆体層１５０に光渦リターダのアレイを生成させるように、戦略的に向けられ、所定の大きさに作製され、成形され、および／または配置される。具体的には、各別個の配向パッチ１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃ、１２０Ｄを使用して、上に重なっている／隣接したＬＣまたはＬＣＰ前駆体層１５０の配向を局所的に固定し、無方向性格子間領域１４０に隣接したＬＣまたはＬＣＰ材料に渦リターダ１６０の形成を起こさせる。各配向パッチ１２０Ａ、１２０Ｂ、１２０Ｃ、１２０Ｄの上のＬＣまたはＬＣＰ材料１５０は、基礎をなす配向パッチと同じ方向を概して有するが、パッチの境界で滑らかな速軸の変化があるように、多少の逸脱がパッチの縁部近くで予想される。とりわけ、配向パッチのこのパターンは、ｍ＝１およびｍ＝−１の光渦リターダのアレイを生成するために示されている。例えば、光渦リターダ１６０は、ｍ＝−１の渦リターダであり、一方、光渦リターダ１７０は、ｍ＝１の光渦リターダである。

図６Ａを参照すると、本発明の別の実施形態による隣接したＬＣ層またはＬＣＰ層内に光渦リターダのアレイを生成するための配向層の概略図が示されている。配向層２１０は、実質的無方向性領域２３０内に点在している複数の別個の配向エリアすなわちパッチ２２０Ａ、２２０Ｂ、２２０Ｃ、２２０Ｄを含む。各配向パッチ２２０Ａ、２２０Ｂ、２２０Ｃ、２２０Ｄは、１つまたは複数の他の配向パッチの一定の配向方向とは異なる一定の配向方向を有する。具体的には、複数の別個の配向パッチ２２０Ａ、２２０Ｂ、２２０Ｃ、２２０Ｄは、２つの異なる配向方向を含む。例えば、配向パッチ２２０Ａは、一定の配向方向を有しこの方向は０度であり、一方、配向パッチ２２０Ｂは、９０度の一定の配向方向を有する。複数の別個の配向パッチ２２０Ａ、２２０Ｂ、２２０Ｃ、２２０Ｄは、一定の配向方向がある周期状に交互になるように予め決められた微細ピッチの２Ｄパターンで配列される。具体的には、一定の配向方向は、市松模様状に交互になる。とりわけ、格子間領域２４０を含む別個の配向パターン同士の間のエリア（例えば、実質的無方向性領域２３０）は、好ましい配向方向を有さない。

図６Ｂも参照すると、別個の配向パッチ２２０Ａ、２２０Ｂ、２２０Ｃ、２２０Ｄのそれぞれは、配向層２１０の上方に配置されたＬＣまたはＬＣＰ前駆体層２５０に光渦リターダのアレイを生成させるように、戦略的に向けられ、所定の大きさに作製され、成形され、および／または配置される。例えば、別個の配向パッチ２２０Ａ、２２０Ｂ、２２０Ｃ、２２０Ｄのそれぞれを使用して、格子間領域２４０の上の／に隣接したＬＣまたはＬＣＰ材料の方向が渦リターダ２６０の生成を強いられるように、上に重なっている／隣接したＬＣまたはＬＣＰ前駆体層２５０の配向を局所的に固定する。各配向パッチ２２０Ａ、２２０Ｂ、２２０Ｃ、２２０Ｄ上のＬＣまたはＬＣＰ材料２５０は、基礎をなす配向パッチと同じ方向を概して有するが、パッチの境界で滑らかな速軸の変化があるように、多少の逸脱がパッチの縁部近くで予想される。とりわけ、配向パッチのこのパターンは、ｍ＝２およびｍ＝−２の光渦リターダのアレイを生成するために示されている。例えば、光渦リターダ２６０は、ｍ＝−２の渦リターダであり、一方、光渦リターダ２７０は、ｍ＝２の光渦リターダである。

図７Ａを参照すると、本発明のさらに別の実施形態のよる隣接したＬＣ層またはＬＣＰ層内に光渦リターダのアレイを生成するための配向層の概略図が示されている。上記の第１の複数の別個の配向エリアすなわちパッチ２２０Ａ、２２０Ｂ、２２０Ｃ、２２０Ｄに加えて、配向層２１０は、第２の複数の別個の配向エリアすなわちパッチ２２５Ａ、２２５Ｂ、２２５Ｃ、２２５Ｄをさらに含んでおり、この第２の複数の別個の配向エリアすなわちパッチ２２５Ａ、２２５Ｂ、２２５Ｃ、２２５Ｄは、第１の複数の２２０Ａ、２２０Ｂ、２２０Ｃ、２２０Ｄより小さいと共に、実質的無方向性領域２３０内にやはり点在している。

図７Ｂも参照すると、別個の配向パッチ２２０Ａ、２２０Ｂ、２２０Ｃ、２２０Ｄ、２２５Ａ、２２５Ｂ、２２５Ｃ、２２５Ｄのそれぞれは、配向層２１０の上方に／配向層２１０に隣接して配置されたＬＣまたはＬＣＰ前駆体層２５０にｍ＝２、ｍ＝−２の光渦リターダのアレイを生成させるように、戦略的に向けられ、所定の大きさに作製され、成形され、および／または配置される。具体的には、第２の複数の別個の配向エリアすなわちパッチ２２５Ａ、２２５Ｂ、２２５Ｃ、２２５Ｄは、各渦リターダ内の配向の回転の正しい向きを起こさせるように配置され、このようにしてアレイ内のフラストレーションを防ぐ（例えば、そこでは速軸の回転の向きが、渦リターダの部分内で反対にされる）。

図８Ａを参照すると、本発明の別の実施形態による隣接したＬＣ層またはＬＣＰ層内に光渦リターダのアレイを生成するための配向層の概略図が示されている。配向層３１０は、第１の複数の別個の配向エリアすなわちパッチ３２０Ａ、３２０Ｂ、３２０Ｃ、３２０Ｄと、第２の複数の別個の配向エリアすなわちパッチ３２５Ａ、３２５Ｂ、３２５Ｃ、３２５Ｄとを含み、それらのそれぞれは、実質的無方向性領域３３０内に点在している。各配向パッチは、１つまたは複数の他の配向パッチの一定の配向方向とは異なる一定の配向方向を有する。具体的には、第１の複数の別個の配向パッチ３２０Ａ、３２０Ｂ、３２０Ｃ、３２０Ｄは、４つの相違した配向方向を含み、一方、第２の複数の別個の配向パッチ３２５Ａ、３２５Ｂ、３２５Ｃ、３２５Ｄは、４つのより相違した配向方向を含む。とりわけ、別個の配向パッチ同士の間の格子間領域３４０を含む別個の配向パターン同士の間のエリア（例えば、実質的無方向性領域３３０）は、好ましい配向方向を有さない。

図８Ｂも参照すると、別個の配向パッチ３２０Ａ、３２０Ｂ、３２０Ｃ、３２０Ｄ、３２５Ａ、３２５Ｂ、３２５Ｃ、３２５Ｄのそれぞれは、配向層３１０の上方に配置されたＬＣまたはＬＣＰ前駆体層３５０に光渦リターダのアレイを生成させるように、戦略的に向けられ、所定の大きさに作製され、成形され、および／または配置される。例えば、別個の配向パッチ３２０Ａ、３２０Ｂ、３２０Ｃ、３２０Ｄのそれぞれを使用して、上に重なっている／隣接したＬＣまたはＬＣＰ前駆体層３５０の配向を局所的に固定し、無方向性格子間領域３４０の上方の／に隣接したＬＣまたはＬＣＰ材料に渦リターダ３６０を形成させる。各配向パッチ３２０Ａ、３２０Ｂ、３２０Ｃ、３２０Ｄ上のＬＣまたはＬＣＰ材料３５０は、基礎をなす配向パッチと同じ方向を概して有するが、パッチ同士の境界で滑らかな速軸の変化があるように、多少の逸脱がパッチの縁部近くで予想される。第２の複数の別個の配向エリアすなわちパッチ３２５Ａ、３２５Ｂ、３２５Ｃ、３２５Ｄは、各渦リターダ内の配向の回転の正しい向きを起こさせるのに役立ち、このようにしてアレイ内のフラストレーションを防ぐ（例えばそこでは速軸の回転の向きが、渦リターダの部分内で反対にされる）。とりわけ、配向パッチのこのパターンは、ｍ＝３およびｍ＝−３の光渦リターダのアレイを生成するために示されている。例えば、光渦リターダ３６０は、ｍ＝−３の光渦リターダであり、一方、光渦リターダ３７０は、ｍ＝３の光渦リターダである。

図９Ａを参照すると、本発明の別の実施形態による隣接したＬＣ層またはＬＣＰ層内に光渦リターダのアレイを生成するための配向層の概略図が示されている。配向層４１０は、第１の複数の別個の配向エリアすなわちパッチ４２０と、第２の複数のより小さい別個の配向エリアすなわちパッチ４２５とを含み、それらの両方は、実質的無方向性領域４３０内に点在している。第１の４２０および第２の４２５の複数の各配向パッチは、１つまたは複数の他の配向パッチの一定の配向方向とは異なる一定の配向方向を有する。第１の複数の別個の配向パッチ同士の間の格子間領域を含む別個の配向パターン同士の間のエリア（例えば、実質的無方向性領域４３０）は、好ましい配向方向を有さない。

図９Ｂも参照すると、第１の４２０および第２の４２５の複数の別個の配向パッチのそれぞれは、配向層４１０に対して上方に／隣接して配置されたＬＣまたはＬＣＰ前駆体層４５０に光渦リターダのアレイを生成させるように、戦略的に向けられ、所定の大きさに作製され、成形され、および／または配置される。具体的には、第１の複数の別個の配向パッチ４２０内の別個の配向パッチのそれぞれを使用して、上に重なっている／隣接したＬＣまたはＬＣＰ前駆体層４５０の配向を局所的に固定し、第１の複数の別個の配向パッチの間の無方向性格子間領域の上方の／に隣接したＬＣまたはＬＣＰ材料に渦リターダ４６０の形成を起こさせる。第２の複数の別個の配向エリア４２５内の別個の配向パッチのそれぞれは、各渦リターダ内の配向の回転の正しい向きを起こさせるのに役立ち、このようにしてアレイ内のフラストレーションを防ぐ（例えば、そこでは向きまたは回転が、渦リターダの部分内で反対にされる）。とりわけ、配向パッチのこのパターンは、ｍ＝４およびｍ＝−４の光渦リターダのアレイを生成するために示されている。例えば、光渦リターダ４６０はｍ＝−４の渦リターダであり、一方、光渦リターダ４７０は、ｍ＝４の光渦リターダである。

２次の配向パッチ３２５Ａおよび４２５は、上記の各実施形態においてアレイ中のフラストレーションを低減させるのに役立ち得るが、マイクロアレイ内またはマイクロアレイの周囲に不規則な配向、ランダムな配向、均一な配向、欠陥、食い違い（ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ）、等方性のＬＣ相、またはＬＣ材料の欠如を示すエリアが存在し得ることに留意されたい。

有利には、図５Ｂ、図６Ｂ、図７Ｂ、図８Ｂおよび図９Ｂに示す光渦リターダ・アレイのそれぞれは、別個の配向パッチの方向を単に変更することによって容易に制御および最適化される設計を含む。言い換えれば、光渦リターダのアレイを生成するこの方法は、アレイの設計／モードに関わらず制御および最適化が容易である。

さらに有利には、図５Ｂ、図６Ｂ、図７Ｂ、図８Ｂおよび図９Ｂに示す光渦リターダ・アレイは、交互の＋／−モードの渦を含む。例えば、図５Ｂは、交互の＋１／−１のモードの光渦リターダを示し、一方、図６Ｂは、交互の＋２／−２のモードの光渦リターダを示す。＋／−モードの中立の維持は、配向のコンフリクトおよび／またはフラストレーションのない安定した渦アレイをもたらすと考えられている。

とりわけ、図５Ａ、図６Ａ、図７Ａ、図８Ａおよび図９Ａに示す配向パターンは、光渦リターダ・アレイの性質を利用する。例えば、これらの配向パターンは、各別個の配向パッチを使用して４つの異なる渦の生成を助けるように設計される（例えば、各パッチの位置で、４つの近接する渦は、共通の配向方向へ向かう傾向がある）。加えて、速軸の方向が実質的に不定である各渦リターダの特異点は、各格子間領域の中心に（例えば、各格子間の点に）中心があるのが好都合である。

図５Ａに示す配向パターンのより大きいエリアを示す図１０Ａを参照すると、複数の別個の配向パッチ１２０がグリッドに沿って配置されていることが明らかである。より詳細には、複数の別個の配向パッチ１２０は、各別個の配向パッチが最も近い４つの隣り合ったものによって囲まれるように正方格子の格子点に対応する周期的な間隔で配置されている。加えて、複数の別個の配向パッチ１２０の方向も、予め決められたパターンを有することが図１０Ａから明らかである。この２Ｄパターンの単位セル１８０は、０°、９０°、−４５°（または１３５°）、および４５°の間の配向方向で交互になる正方形状パッチの配列を含む。上記の通り、方向の向きがパッチ内のハッチ線によって示されているこの２Ｄパターンは、続いて堆積されるＬＣ層またはＬＣＰ層が、格子間の点１９０に中心がある交互のｍ＝−１およびｍ＝＋１の渦リターダのアレイを生成するための境界条件をもたらすように選択された。より詳細には、このパターンは、（明色の点１９０Ａに中心がある）ｍ＝−１の渦が、（薄暗色の点１９０Ｂに中心がある）ｍ＝１の渦と市松模様状に交互となる交互の渦の配列をもたらす。

光渦リターダのアレイの特色は、単位セル１８０の幾何学的形状によって少なくとも部分的に決定されることになる。最も近い４つの正方形配向パッチの角によって境界付けられる円形の格子間領域１４０の直径が渦の直径Ｖと称され、各正方形配向パッチの寸法（すなわち、長さおよび幅）がＰであり、各正方形配向パッチの対角線寸法がＤであり、および各単位セルの寸法（すなわち、長さおよび幅）がＵである場合には、単位セルの幾何学的形状は、以下のように定めることができる。
Ｄ＝３＊（（Ｖ／２）／（ｃｏｓ（４５＊π／１８０））−（Ｖ／２）） （２）
Ｕ＝３＊Ｖ＋２＊Ｄ （３）
Ｐ＝Ｄ／√２ （４）

例えば、２０ミクロンの直径Ｖを有する渦リターダが所望される場合は、各配向パッチの対角線寸法Ｄは、典型的には約８．２ミクロンであり、単位セルの長さおよび幅Ｕは、典型的には約５６．６ミクロンとなり、各配向パッチの長さおよび幅Ｐは、典型的には約５．８ミクロンとなる。

概して、格子間領域のサイズ、Ｖ、したがって渦リターダのサイズは、やや制限されることになる。格子間領域が大きすぎる場合、配向パッチは、ＬＣまたはＬＣＰを所望の配向に強いることはできない。例えば、この場合、ＬＣまたはＬＣＰ材料は、所望の渦の配向から逸脱する自由を有することになり、場合により不規則に配向する、または隙間ごとに２つ以上の渦を形成する。格子間領域が小さすぎる場合、ＬＣまたはＬＣＰは方向の急な変化を行うことができないので、ＬＣは、強いられるように試みている配向パターンに従うことができない可能性がある。

渦リターダのあり得るサイズの正確な範囲は、使用されるＬＣまたはＬＣＰ材料のタイプを含む様々なパラメータに依存することになる。例えば、（例えば、図１１に示すように）５〜２０ミクロンにわたって配向の向きが４５度だけ異なっている２つの隣り合う配向領域の間で変化するＬＣＰ材料に基づく渦リターダ・アレイは、（Ｖ＋Ｄ）／２によって定められるパラメータを約５ミクロン〜約２０ミクロンの範囲で有するようにモデル化されている。実験的には、各渦リターダが約１５ミクロン〜約３０ミクロンの直径を有する同じＬＣＰ材料に基づいた渦リターダの１Ｄアレイが観察されている。

加えて、渦リターダのサイズは、ＬＣ材料の粘性および層の厚さに依存することになる。層の厚さが大きすぎる場合、ＬＣ配向は、垂直の向きの理想から逸脱する可能性がある。粘性が低すぎる場合、パッチ同士の間のＬＣは、所望の配向の挙動からより自由に逸脱することになる。粘性が高すぎる場合、ＬＣは、それぞれの位置で好ましい向きに組織化するのを動力学的に妨げられる可能性がある。概して、層の厚さは、光渦リターダが必要なリターダンス（例えば、Γ＝Δｎｄ、ここでｄは層の厚さである）をもたらすように選択されることになる。例えば、一実施形態では、光渦リターダのアレイは、光波長５４０ｎｍで１／２波長板として構成される。

とりわけ、上記の実施形態における１次の配向パッチ（すなわち、１２０Ａ〜Ｄ、２２０Ａ〜Ｄ、３２０Ａ〜Ｄ、および４２０を含むより大きい正方形）は、正方格子の格子点に対応する周期的な間隔で配置されていることが示されたが、これら別個の配向パッチを別の２Ｄ格子タイプに対応する周期的な間隔で配置することも本発明の範囲内である。例えば、一実施形態では、１次の配向パッチは、六方格子の格子点に対応する周期的な間隔で配置されている。この実施形態では、各光渦リターダは、格子点にやはり中心があり、その結果各光渦リターダは、等距離の６つの別個の配向パッチによって囲まれている。実際には、配向パッチが、正方グリッド（例えば、市松模様）、三角グリッド、六角グリッド、または２つ以上のタイプの正多角形（すなわち正方形および八角形）をタイルのように並べることで構成されたグリッドを中心としている様々な実施形態が想像される。

加えて、１次の配向パッチ（すなわち、１２０Ａ〜Ｄ、２２０Ａ〜Ｄ、３２０Ａ〜Ｄ、および４２０を含むより大きい正方形）が、正方形状を有するものとして示されてきたが、１次の配向パッチが他の形状で設計されることも本発明の範囲内である。例えば、他の実施形態では、１次の配向パッチは、十字形、円形、４つ尖った星形、またはそれらの組合せとして設計される。当業者には、単位セルの寸法、パッチの寸法、および格子間領域に関する幾何学的関係は、選択したパッチの形状およびＬＣまたはＬＣＰ材料に基づいて再評価されてよいことが理解されよう。

また、反対向きで同じモードの渦の交互の列（例えば、ｍ＝１の渦の列と交互となるｍ＝−１の渦の列）を有する図５Ｂ、図６Ｂ、図７Ｂ、図８Ｂおよび図９Ｂに示す光渦リターダのマイクロアレイを示してきたが、他の組合せを与えることも本発明の範囲内である。例えば、一実施形態では、光渦リターダのマイクロアレイは、ｍ＝−１の渦、ｍ＝＋１の渦、および混成のｍ＝＋／−１の渦を含む。混成のｍ＝＋／−１の渦は、４つの象限のうちの２つの象限においてｍ＝＋１であると共に、他の２つの象限においてｍ＝−１である渦リターダとして定められる。

図１２および図１３を参照すると、混成のｍ＝＋／−２およびｍ＝＋／−４の光渦リターダの実施形態がそれぞれ示されており、そこで描かれた矢印は、複屈折材料の軸（例えば、速軸または遅軸）を表す。図１２の上半分に示す本実施形態では、渦リターダの上半分はｍ＝＋２であり、一方、渦リターダの下半分はｍ＝−２である。図１２の下半分に示す本実施形態では、混成の渦リターダの４つの象限は、ｍ＝＋２とｍ＝−２の間で交互になる。同様に、図１３の上半分に示す本実施形態では、渦リターダの上半分はｍ＝＋４であり、一方、渦リターダの下半分はｍ＝−４である。図１３の下半分に示す本実施形態では、混成の渦リターダの４つの象限は、ｍ＝＋４とｍ＝−４の間で交互になる。

有利には、上記の図５Ａ、図６Ａ、図７Ａ、図８Ａ、図９Ａおよび図１０に示す２Ｄパターンは、光渦リターダの比較的大きいアレイをもたらすことができる。例えば、図１４を参照すると、図１０Ａに示す単位セル１８０の３×３アレイが示されている。これらの大きく比較的複雑なパターンは、比較的簡単な製造プロセスを用いて形成されることが注目される。具体的には、複数の別個の配向パッチは、配向層内に直線状の配向をもたらす簡単だが正確な方法を用いて製造される。より複雑な光渦リターダは、これら直線配向パッチを用いて、配向層上に配置されたＬＣまたはＬＣＰ材料が、別個の配向パッチによっておよび／またはそこから結果として生じる任意の方向によって影響を受ける方向をとることを可能にすることよって製造される（例えば、無方向性領域の上の／に隣接したＬＣまたはＬＣＰ材料の方向は、横方向に近接するＬＣまたはＬＣＰ材料の方向によって影響を受けることになる）。したがって、比較的複雑なパターンは、比較的簡単な製造プロセスを用いてもたらされる。

上記配向層を作成する一方法は、フォトリソグラフィ光配向技術（ｐｈｏｔｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｉｃ ｐｈｏｔｏａｌｉｇｎｍｅｎｔ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）を使用することである。例えば、一実施形態では、配向層は、以下の通り作成される。

まず、直線重合可能フォトポリマー（ＬＰＰ：ｌｉｎｅａｒｌｙ ｐｏｌｙｍｅｒｉｚａｂｌｅ ｐｈｏｔｏｐｏｌｙｍｅｒ）の層が、透明基板（例えば、２×２インチのガラス基板）上にコーティングされる。例えば、一実施形態では、ＬＰＰ層は、シクロペンタノン中ＬＰＰ２重量％溶液をガラス基板上に（例えば、３０００回転／分（ＲＰＭ）で６０秒間）スピン・コーティングすることによって形成され、それによって５０ｎｍの厚さの配向層を得る。他の実施形態では、ＬＰＰ層は、ワイヤ・コーティング、グラビア・コーティング（ｇｒａｖｕｒ−ｃｏａｔｉｎｇ）、スロット・コーティング等などの別のコーティング法を用いて形成される。このＬＰＰは、直線偏光紫外（ＬＰＵＶ）光に露光されると、ポリマーの分子配向が入射偏光に平行である（すなわち、分子配向が入射光の方向によって決定される一様な向きに設定される）ように重合する材料である。ケイ皮酸誘導体および／またはフェルラ酸誘導体をしばしば含むＬＰＰ層が、当技術分野でよく知れられている。適したＬＰＰの一例は、ＲＯＬＩＣ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社から入手可能なＲＯＬＩＣ ＬＰＰ ＲＯＰ１０８／２ＣＰである。ＬＰＰ材料の別な例は、ポリビニル４−メトキシ−シンナマート（「ＰＶＭＣ：ＰｏｌｙＶｉｎｙｌ ４−Ｍｅｔｈｏｘｙ−Ｃｉｎｎａｍａｔｅ」）である。ＬＰＰがコーティングされた基板は適宜、温度摂氏１５０度〜２００度で数分間焼かれて（すなわち、アニールされて）ＬＰＰ層を安定させ、および／または余分な溶剤をスピン・コーティング・プロセスから除去する。適宜、シラン・カップリング剤などの接着促進剤が、ＬＰＰが基板上にコーティングされる前に基板に施される。さらに適宜、ＬＰＰ層を支持する透明基板は、その背面上に広帯域の反射防止（ＡＲ）膜を含むことになる。

次に、ＬＰＰがコーティングされた基板は、ＬＰＰ層を選択的に重合するのに適した波長で（例えば、ＬＰＰが、ＲＯＬＩＣ ＬＰＰ ＲＯＰ１０８／２ＣＰである場合には、波長２８０〜３６５ｎｍで）ＬＰＵＶを用いて固定したフォトマスクを通して照射される。例えば、一実施形態では、５０ｎｍの厚さのＲＯＬＩＣ ＬＰＰ ＲＯＰ１０８／２ＣＰ層でコーティングされた基板は、ＬＰＵＶ光を約３００〜３４０ｎｍで、垂直入射で、エネルギ密度１２ｍＪ／ｃｍ^２で１０秒間用いて照射される。概して、フォトマスクは、グリッド・パターンに配列された複数の開口を有することになり、各開口の形状は、所望の別個の配向パッチの形状（例えば、図５Ａに示すパターンについては正方形）を与えるように選択される。例えば、一実施形態では、フォトマスクは、複数の正方形の切り抜きを含む固体金属板である。別の実施形態では、フォトマスクは、複数の開口を設けるために、その上にコーティング／スパッタされ、エッチングによって予め決められたパターンにパターン化されたクロムなどの不透明層を有する透明基板を含む。ＬＰＰ層がフォトマスクを通して照射される際に、配向層の小さいパッチは、そこに設定される方向を有することになり、一方、露光しないエリア（すなわち、マスクしたエリア）は、無方向性のままである。異なる方向を有する配向層の小さいパッチを得るために、照射したＬＰＰがコーティングされた基板は、異なる偏光方向を有するＬＰＵＶ光を用いて別の照射段階に受ける。第２の照射段階は、異なるフォトマスクを通して、または（例えば、直線状の平行移動を与えるために）フォトマスクが横方向へシフトされた後に同じフォトマスクを通して行われる。例えば、一実施形態では、ＬＰＰがコーティングされた基板は、フォトマスクを通して第１の偏光を有するＬＰＵＶ光を用いて照射され、このマスクは、複数の開口の位置が予め決められた量だけオフセットされるように動かされ、次いでＬＰＰ層が、第２の偏光方向を有するＬＰＵＶ光で照射される（例えば、このマスクは、露光と露光の間にＸの向きおよびＹの向きに予め決められたマイクロメートルだけオフセットされる）。所望の配向パターンに応じて、ＬＰＵＶ光の偏光を回転させる段階およびフォトマスクをシフトする段階は、何度も繰り返されることになる。例えば、図５Ａに示す配向パターンを与えるためには、フォトマスクが４回シフトされると共に、ＬＰＵＶ光の方向が（例えば、波長板および／または偏光子を用いて）４回回転される必要がある。対照的に、図６Ａに示す配向パターンを与えるためには、ＬＰＵＶ光の方向およびフォトマスクの位置のそれぞれは、２回スイッチされさえすればよい。代替として、異なる方向を有する配向層の小さいパッチは、照射段階と照射段階の間に基板が回転されると共に、固定したマスクおよびＬＵＶＰ光源を用いて得られる（例えば、図６Ａに示す２Ｄパターンを形成するためには、ただ１回、基板を９０度回転させることが必要となる）。

複数の別個の配向パッチを有する配向層を作成する別の方法は、直接レーザ書き込み（ＤＬＷ：ｄｉｒｅｃｔ ｌａｓｅｒ ｗｒｉｔｉｎｇ）技術を使用することである。例えば、一実施形態では、ＬＰＰ層は、上記の通り透明基板上にコーティングされるが、フォトマスクを通してそれを照射するのではなく、ＬＰＰ層は、偏光ＵＶレーザ・ビームがＬＰＰ層を適当な偏光の向きで各パッチの位置で選択的に露光するために使用されるマスクレス直接レーザ書き込み技術を受ける。

複数の別個の配向パッチを有する配向層を作成するさらに別の方法は、ラビング技術を使用することである。機械的に擦られるときにラビングの向きに向く配向材料の一例は、ポリイミドである。ポリイミド配向層は、当技術分野でよく知られており、スピン・コーティング、ワイヤ・コーティング、グラビア・コーティング、スロット・コーティングなどによって堆積されてよい。適宜、ポリイミド層は、機械的ラビングの前に（例えば、摂氏１８０〜２２０度で約１時間）焼かれる。一実施形態では、複数の別個の配向パッチが、マイクロラビング技術を用いて形成され、配向パッチは、小さいラビング・ツールを用いて個々に擦られる。別の実施形態では、複数の別個の配向パッチは、予め決められた２Ｄパターンで配置されている複数の開口を有するレジスト層を配向層の上部に形成し、合成フェルト布を用いてレジストで覆った配向層を擦り、レジスト層を除去することによって生成される。

複数の別個の配向パッチを有する配向層が形成されたら、次いで配向層は、所望のリターダンスを得るためにある特定の厚さまでＬＣまたはＬＣＰ前駆体材料でコーティングされる。非ポリマーＬＣ材料が用いられる場合は、典型的には、カウンタ基板（ｃｏｕｎｔｅｒ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）を使用してＬＣセルを形成することになる。例えば、一実施形態では、このカウンタ基板は、第１の基板のものを反映する別個の配向パッチの２Ｄパターンを有する配向層も含む。液晶性モノマー、オリゴマー、または架橋性基を有するポリマーを含み得るＬＣＰ前駆体材料が用いられる場合は、典型的には単一基板が使用されることになる。加えて、ＬＣＰ前駆体が用いられる場合は、さらなる処理段階は、アニーリング、ＵＶ（紫外線）硬化、ベーキング、積層、および／または追加の層のコーティングを含んでよい。ＬＣ前駆体材料およびＬＣＰ前駆体材料は共に、当技術分野で知られており、ネマチック相、スメクチック相、またはコレステリック相を示し得る。例えば、ＬＣＰ材料の架橋性液晶材料は、ネマチック相、スメクチック相、またはコレステリック相を示し得る。適したＬＣＰ前駆体材料の一例には、架橋性ジアクリレート・ネマチック液晶性化合物が含まれ、この化合物は、熱的におよび／またはＵＶ照射で重合および／または架橋される（必ずしも偏光されない）。ＲＯＬＩＣ ＬＰＰ ＲＯＰ１０８／２ＣＰを用いて形成されるＬＰＰ層を用いての使用に特によく適しているＬＣＰ前駆体の１つは、やはりＲｏｌｉｃ社から入手可能なＲＯＦ５１５１であり、これをＵＶ光で硬化してＬＣＰ前駆体を架橋し、ＬＣＰ層を形成する（すなわち、ＬＣＰ渦アレイの方向を固定する）。

Δｎが面内複屈折であるとするときに、ＬＣまたはＬＣＰ材料が、対象となっている波長λでΔｎ＊ｄの積が０．５であるように厚さｄで施される場合、アレイ中の各渦リターダは、１／２波長渦リターダである。この場合、ＬＣまたはＬＣＰ材料は、Ａプレートとして構成される。もちろん、Ｏプレート型ＬＣ材料を用いることも本発明の範囲内である。

上記の光渦リターダ・マイクロアレイは、マイクロリソグラフィ、マイクロオプトメカニカル・ポンプの駆動、および量子情報の処理に用いられる可能性を有する。例えば、渦のネットワークは、回転角、小さい直線変位の測定において、および超分解能顕微鏡法、３Ｄ走査干渉法において有用であると期待される。加えて、渦リターダ・アレイによってもたらされる構造光のポテンシャル・エネルギ・ランドスケープ（ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ ｌｉｇｈｔ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｅｎｅｒｇｙ ｌａｎｄｓｃａｐｅ）は、新規なタイプの光トラップを提供できる。

渦リターダのある特に有用な用途は、光ビームの軌道角運動量状態の情報を符号化することであり、この符号化は、所与のオーダ（ｏｒｄｅｒ）の偏光渦を生成し、次いでビームを伝播させることによってなされる。ビームのオーダは、かなりの伝搬距離にわたって維持することができ、容易に復元される。渦リターダの周期的アレイについてのアレイの場合には、情報は、各渦リターダの位置において符号化できる。これは、２つのオーダ（例えば＋１および−１）を有する周期的アレイに役立ち得る。複数のオーダが生成できる場合については、単一ビームで伝播できる情報量が、指数的に増大する。

光渦リターダ・アレイの別の用途には、小粒子の操作が含まれる。光渦が角運動量を生成することはよく知られている。したがって、光渦のアレイは、それが正確に設計されると、小粒子を輸送するために使用できる。一例は、光トラップのアレイに基づいた微小流体ポンプの作成であり、この微小流体ポンプでは、それぞれの渦は、高開口数レンズと組み合わされ、微視的に流体を輸送できるトラップ領域を生成する。

もちろん、上記の実施形態および用途は、単に例として与えられたものである。様々な変更例、代替の構成、および／または均等物が、本発明の精神および範囲から逸脱することなく用いられることが当業者によって理解されよう。例えば、様々な周期的な２Ｄパターンおよび規則的な２Ｄパターンを示してきたが、非規則的なパターンを使用することも本発明の範囲内である。加えて、上記の渦リターダは、光渦リターダの２Ｄアレイの一部であったが、１Ｄアレイを形成すること、または単一のマイクロサイズの渦リターダを形成することさえもやはり本発明の範囲内である。よって、本発明の範囲は、したがって添付の特許請求の範囲によってもっぱら限定されるものである。

１１０ 配向層
１２０ 複数の別個の配向パッチ
１２０Ａ 配向パッチ
１２０Ｂ 配向パッチ
１２０Ｃ 配向パッチ
１２０Ｄ 配向パッチ
１３０ 実質的無方向性領域
１４０ 格子間領域
１５０ ＬＣまたはＬＣＰ前駆体層
１６０ 光渦リターダ
１７０ 光渦リターダ
１８０ 単位セル
１９０ 格子間の点
１９０Ａ 明色の点
１９０Ｂ 薄暗色の点

Claims (15)

1. 光渦リターダを作製する方法であって、
   第１の複数の別個の配向パッチを有する配向層を形成するステップを備え、前記第１の複数の別個の配向パッチが第１の配向方向を有する第１の配向パッチおよび第２の他の配向方向を有する第２の配向パッチを含むものであり、および
   前記配向層に隣接した複屈折材料の層を設けるステップを備え、前記複屈折材料の層が液晶および液晶ポリマー前駆体材料のうちの１つを含むものであり、
   前記第１の複数の別個の配向パッチ中の各別個の配向パッチの配向方向および位置が、前記複屈折材料の層に、前記配向層の実質的無方向性領域に隣接した少なくとも１つの光渦リターダを形成させるように選択される、方法。
2. 前記第１の複数の別個の配向パッチ中の各別個の配向パッチの位置は、各別個の配向パッチが２次元格子の格子点に配置されるように選択され、
   前記第１の複数の別個の配向パッチ中の各別個の配向パッチの配向方向は、前記複屈折材料の層の速軸が前記２次元格子の格子間の点の少なくとも１つの周りに前記点周りに描かれる格子間領域内の閉路のために回転するように選択される、請求項１に記載の方法。
3. 前記少なくとも１つの光渦リターダが、光渦リターダの２次元アレイを含む、請求項２に記載の方法。
4. 前記光渦リターダの２次元アレイが、反対向きで同じモードの光渦リターダの交互の列を含む、請求項３に記載の方法。
5. 前記２次元格子が正方格子であり、各光渦リターダが、前記第１の複数の配向パッチ中の４つの別個の配向パッチの間に中心がある前記配向層の実質的無方向性領域に隣接して配置され、前記４つの別個の配向パッチのそれぞれが、４つの異なる配向の向きのうちの１つを有する、請求項３に記載の方法。
6. 前記２次元格子が正方格子であり、各光渦リターダが、前記第１の複数の配向パッチ中の４つの別個の配向パッチの間に中心がある前記配向層の実質的無方向性領域に隣接して配置され、前記４つの別個の配向パッチのそれぞれが、２つの異なる配向の向きのうちの１つを有する、請求項３に記載の方法。
7. 前記複屈折材料が液晶ポリマー前駆体であり、液晶ポリマー層を形成するために前記配向層に隣接した前記複屈折材料に紫外光を照射するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
8. 前記少なくとも１つの渦リターダが、約５ミクロン〜約３０ミクロンである直径を有する渦リターダを含む、請求項１に記載の方法。
9. 前記少なくとも１つの渦リターダが、混成の渦リターダを含む、請求項１に記載の方法。
10. 前記配向層において第２の複数の別個の配向パッチを形成するステップをさらに含み、前記第２の複数の別個の配向パッチのそれぞれが、前記少なくとも１つの光渦リターダに正しい回転を起こすように選択される配向方向および位置を有する、請求項１に記載の方法。
11. 前記第１の複数の別個の配向パッチ中の各別個の配向パッチの配向方向および位置が、マイクロリソグラフィ、顕微鏡法、粒子捕獲／操作、マイクロオプトメカニカル・ポンプの駆動、回転角の測定、小さい直線変位の測定、超分解能顕微鏡法、および３次元走査干渉法のうちの少なくとも１つに用いられる光渦リターダのアレイを形成するように選択される、請求項１から１０のいずれかに記載の方法。
12. 前記第１の複数の別個の配向パッチを有する配向層を形成するステップが、
    前記第１の配向方向を有する第１の配向パッチを設けるために、複数の開口を有するフォトマスクを通して直線重合可能フォトポリマー材料に第１の偏光を有する直線偏光の光を照射するステップと、
    前記フォトマスクを、前記直線重合可能フォトポリマー材料を支持する基板に対して動かすステップと、
    前記第２の配向方向を有する第２の配向パッチを設けるために、前記フォトマスクおよび複数の開口を有する異なるフォトマスクのうちの１つを通して前記直線重合可能フォトポリマー材料に第２の他の偏光を有する直線偏光の光を照射するステップと
    を備えた、請求項１から１０のいずれかに記載の方法。
13. 前記第１の複数の別個の配向パッチを有する配向層を形成するステップが、
    前記第１の複数の別個の配向パッチを設けるようにポリイミド層を擦るステップを含む、請求項１から１０のいずれかに記載の方法。
14. 前記第１の配向パッチが、前記配向層の実質的無方向性領域によって前記第２の配向パッチから空間的に分離されており、第１の配向の向きが、第２の配向の向きに垂直である、請求項１から１０のいずれかに記載の方法。
15. 光渦リターダ・アレイであって、
    配向層に隣接して配置される複屈折材料の層を備え、前記複屈折材料が、液晶および液晶ポリマー前駆体材料のうちの１つを含み、前記配向層が複数の別個の配向パッチを有し、前記複数の別個の配向パッチが第１の配向方向を有する第１の配向パッチおよび第２の他の配向方向を有する第２の配向パッチを含むものであり、
    前記複数の別個の配向パッチ中の各別個の配向パッチの配向方向および位置が、前記複屈折材料の層に、光渦リターダ・アレイを形成させるように選択される、光渦リターダ・アレイ。

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