JP2020071468A - 電気的に調整可能な光位相変調素子 - Google Patents

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Abstract

【課題】電極と電極との間のギャップが不連続な屈折率の分布により生ずる回折効果を低下させる。【解決手段】電気的に調整可能な光位相変調素子１００は、第一の基板１１０、第二の基板１２０、液晶層１３０、透明層１４０’及び第一の補償層１５０’を含む。第二の基板１２０は第一の基板１１０に対向するように設置される。液晶層１３０は、第一の基板１１０と第二の基板１２０との間に位置する。透明層１４０’は第一の基板１１０と液晶層１３０との間に位置する。透明層１４０’は第一の部分及び第二の部分を有する。第一の補償層１５０’は透明層１４０’の第一の部分と第二の部分との間に位置する。第一の補償層１５０’は液晶層１３０に近接する平坦表面を有する。【選択図】図１

Description

本発明は電気的に調整可能な光位相変調素子に関する。
電気的に調整可能な光位相変調器はオプトエレクトロニクス材料層（例えば、液晶材料）を含み、オプトエレクトロニクス材料層は電界に応じて調整可能な屈折率を有する。電極の形状を適切に設計することにより、電極に所定の電圧が印加された場合、オプトエレクトロニクス材料層の位相差の分布が各種の光学効果を十分に実現させる。例えば、オプトエレクトロニクス材料層は、光学素子、例えば、レンズ、光学格子及びスイッチをエミュレートできる。
しかし、現在の電界を生じさせるための電極の設計では、電極と電極との間のギャップが不連続な屈折率の分布を招くため、回折効果を有する。回折効果は、光変調器の光学効率を低下させてしまう。さらに、電極は不平坦な表面トポグラフィーを有することにより、この不平坦な表面に設置されるオプトエレクトロニクス材料層が局所的な回折の変化を有し、オプトエレクトロニクス材料層全体で屈折率の差を引き起こし、これにより回折効果を増強させるおそれがある。そのため、現在の光変調器には回折効果を低下させる必要がある。
本発明の一部の実施形態によれば、電気的に調整可能な光位相変調素子は、第一の基板、第二の基板、液晶層、透明層及び第一の補償層を含む。第二の基板は第一の基板に対向するように設置される。液晶層は第一の基板と第二の基板との間に位置する。透明層は第一の基板と液晶層との間に位置する。透明層は第一の部分及び第二の部分を有する。第一の補償層は透明層の第一の部分と第二の部分との間に位置する。第一の補償層は前記液晶層に近接する平坦表面を有する。
本発明の一部の実施形態において、第一の補償層の平坦表面と透明層の液晶層に近接する表面とはコプレーナである。
本発明の一部の実施形態において、電気的に調整可能な光位相変調素子は、第一の補償層及び透明層の上に位置する第二の補償層をさらに含む。
本発明の一部の実施形態において、第一の補償層は第二の補償層に近接する層を有し、第一の補償層の層は第二の補償層と異なる材料で製造されたものである。
本発明の一部の実施形態において、第一の補償層は第二の補償層に近接する層を有し、第一の補償層の層は第二の補償層と同じ材料で製造されたものである。
本発明の一部の実施形態において、第一の補償層と第二の補償層との間に界面があり、前記界面と前記透明層の液晶層に近接する表面とはコプレーナである。
本発明の一部の実施形態において、透明層の第一の部分の表面と透明層の第二の部分の表面とはコプレーナである。
本発明の一部の実施形態において、第一の補償層は複數個層を含み、第一の補償層の層の少なくとも２つは異なる屈折率を有する。
本発明の一部の実施形態において、透明層は導電材料で製造されたものである。
本発明の一部の実施形態において、適用される波長範囲内で、第一の補償層と透明層との屈折率の差は０．１未満である。
本発明の一部の実施形態において、第一の基板は第一の領域及び第二の領域を有し、透明層は第一の領域に位置し、かつ第二の領域に位置せず、電気的に調整可能な光位相変調素子の第一の領域での反射率と電気的に調整可能な光位相変調素子の第二の領域での反射率との差は０．１未満である。
本発明の一部の実施形態において、電気的に調整可能な光位相変調素子は、透明層と第一の基板との間に位置するパターニングされた透明導電層をさらに含み、パターニングされた透明導電層が第一の電極及び第二の電極を有し、第一の電極と第二の電極がギャップで隔てられ、かつ透明層の第一の部分と第二の部分がそれぞれパターニングされた透明導電層の第一の電極及び第二の電極の上に位置するものである。
本発明の一部の実施形態において、適用される波長範囲内で、第一の補償層とパターニングされた透明導電層との屈折率の差は０．１未満である。
本発明の一部の実施形態において、第一の基板は第一の領域及び第二の領域を有し、パターニングされた透明導電層は第一の領域に位置し、かつ第二の領域に位置せず、電気的に調整可能な光位相変調素子の第一の領域での反射率と電気的に調整可能な光位相変調素子の第二の領域での反射率との差は０．１未満である。
本発明の一部の実施形態において、電気的に調整可能な光位相変調素子は、液晶層と第一の基板との間に位置するモザイク防止層をさらに含む。
本発明の一部の実施形態において、電気的に調整可能な光位相変調素子は、前記第二の基板と前記液晶層との間に位置する対向透明導電層をさらに含む。
以上の討論に基づいて、異なる位置の屈折率の差を減少させることにより、回折効果を減少させる。液晶層に近接する表面を平坦にすることにより、回折効果をさらに低下させる。
理解されるべきなのは、前記概略的な記述及び以下の詳細な記述は例示的であり、かつ特許請求の範囲の開示の更なる説明を提供することを意図しているものである。
本開示の第一の実施形態にかかる電気的に調整可能な光位相変調素子の断面模式図である。 図２Ａ〜図２Ｃは複数の実施形態にかかるパターニングされた透明導電層を示す上面図である。 本開示の一部の実施形態にかかる電気的に調整可能な光位相変調素子の製作方法の各段階における断面模式図である。 本開示の一部の実施形態にかかる電気的に調整可能な光位相変調素子の製作方法の各段階における断面模式図である。 本開示の一部の実施形態にかかる電気的に調整可能な光位相変調素子の製作方法の各段階における断面模式図である。 本開示の一部の実施形態にかかる電気的に調整可能な光位相変調素子の製作方法の各段階における断面模式図である。 本開示の一部の実施形態にかかる電気的に調整可能な光位相変調素子の製作方法の各段階における断面模式図である。 本開示の一部の実施形態にかかる電気的に調整可能な光位相変調素子の製作方法の各段階における断面模式図である。 本開示の一部の実施形態にかかる電気的に調整可能な光位相変調素子の製作方法の各段階における断面模式図である。 本開示の第二の実施形態にかかる電気的に調整可能な光位相変調素子の断面模式図である。 本開示の第三の実施形態にかかる電気的に調整可能な光位相変調素子の断面模式図である。 本開示の第四の実施形態にかかる電気的に調整可能な光位相変調素子の断面模式図である。 本開示の第五の実施形態にかかる電気的に調整可能な光位相変調素子の断面模式図である。 本開示の第六の実施形態にかかる電気的に調整可能な光位相変調素子の断面模式図である。 本開示の第七の実施形態にかかる電気的に調整可能な光位相変調素子の断面模式図である。 本開示の第八の実施形態にかかる電気的に調整可能な光位相変調素子の断面模式図である。
以下、図面で本発明の複数の実施形態を開示し、明確に説明するために、実務上の細部を下記で併せて説明する。ただし、理解すべきなのは、これらの実務上の細部は、本発明を制限するためのものではない。つまり、本発明の一部の実施形態において、これらの実務上の細部は必要ではない。また、図面を簡略化するために、いくつかの周知の慣用の構造及び要素は図面において簡単に例示的に示される。
図１は本開示の第一の実施形態にかかる電気的に調整可能な光位相変調素子１００の断面模式図である。電気的に調整可能な光位相変調素子１００は、第一の基板１１０、第二の基板１２０、液晶層１３０、透明層１４０’、補償層１５０’、補償層１６０及び制御器１７０（図２Ａ〜２Ｃ参照）を含む。
第一の基板１１０と第二の基板１２０は対向するように設置される。第一の基板１１０と第二の基板１２０は剛性及び／又は可撓性の基板であってもよい。例えば、第一の基板１１０と第二の基板１２０は、適宜な透明絶縁材料、例えば、ガラス、石英又はポリマー材料で製造されたものである。液晶層１３０は第一の基板１１０と第二の基板１２０との間に位置する。本開示の一部の実施形態において、液晶層１３０の材料は、コレステリック液晶（ｃｈｏｌｅｓｔｅｒｉｃ ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌｓ）、高分子分散液晶（ｐｏｌｙｍｅｒ−ｄｉｓｐｅｒｓｅｄ ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌｓ）、ブルー相液晶（ｂｌｕｅ−ｐｈａｓｅ ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌｓ）又はネマチック液晶（ｎｅｍａｔｉｃ ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌｓ）を含む。ただし、本開示はこれに限定されず、他の適宜な液晶材料を用いてもよい。
透明層１４０’は第一の基板１１０と液晶層１３０との間に位置する。この第一の実施形態において、透明層１４０’はパターニングされた透明導電層１４０’と呼ばれてもよい。パターニングされた透明導電層１４０’は、適宜な透明導電材料、例えば、インジウムスズ酸化物（ｉｎｄｉｕｍ ｔｉｎ ｏｘｉｄｅ； ＩＴＯ）又はアンチモンスズ酸化物（ａｎｔｉｍｏｎｙ ｔｉｎ ｏｘｉｄｅ； ＡＴＯ）により製造されてもよい。詳しくいうと、本実施形態において、パターニングされた透明導電層１４０’の透過率は６０％よりも大きいように、より好ましく８０％よりも大きいように設計される。あるいは、他の実施形態において、パターニングされた透明導電層１４０’は半透明の電極により製造されてもよい。パターニングされた透明導電層１４０’は複数の部分（例えば、電極１４１〜１４４）を有してもよく、それらは例えば、ギャップＧＡによって互いに隔てられてもよい。一部の実施形態において、電極１４１〜１４４の表面同士はコプレーナであり、表面１４０ＴＳと呼ばれる。
補償層１５０’はパターニングされた透明導電層１４０’の隣接する２つの部分（例えば、電極１４１〜１４４）の間に位置する。例えば、補償層１５０’は、電極１４１と１４２との間のギャップＧＡ、電極１４２と１４３との間のギャップＧＡ及び電極１４３と１４４との間のギャップＧＡの少なくとも１つを十分に埋める。補償層１５０’は、補償層１５０’の適用される波長範囲内での屈折率とパターニングされた透明導電層１４０’の適用される波長範囲内での屈折率との差が０．１未満であるように、設計される。この設計により、電極１４１から電極１４４までの屈折率は実質的に同じであるように保持される。言い換えると、複数の異なる位置に、パターニングされた透明導電層１４０’と補償層１５０’との組み合わせは実質的に同じ有効屈折率（ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ ｉｎｄｅｘ）を有する。この設計により、電極１４１〜１４４とギャップＧＡとの屈折率の差による回折効果を低下させ又は解消することができる。
例えば、電気的に調整可能な光位相変調素子１００が５９０ｎｍ（ナノメーター）の波長帯で作動した場合、パターニングされた透明導電層１４０’の屈折率はおおよそ１．９であり、補償層１５０’の屈折率は５９０ｎｍの波長帯において１．８〜２の範囲内であるように設計される。一部の実施形態において、実際の適用によるが、この適用される波長範囲は、３００ｎｍ〜１５７０ｎｍであってもよい。例えば、この電気的に調整可能な光位相変調素子１００がヒトの目に対して使用された場合、例えば、ディスプレイ又は液晶レンズに用いられた場合、この適用される波長範囲は、可視光線波長帯（例えば、４００ｎｍ〜７００ｎｍ）であってもよい。あるいは、この電気的に調整可能な光位相変調素子１００が光ファイバとともに使用された場合、この適用される波長範囲は光通信波長帯（例えば、８５０ｎｍ〜１５５０ｎｍ）であってもよい。
さらに、補償層１５０’は液晶層１３０に近接する平坦表面１５０ＴＳを有する。補償層１５０’の平坦表面１５０ＴＳとパターニングされた透明導電層１４０’の表面１４０ＴＳとはコプレーナである。一部の実施形態において、選択的に補償層１５０’の平坦表面１５０ＴＳ及びパターニングされた透明導電層１４０’の表面１４０ＴＳの上に補償層１６０が形成されることで、平坦表面１６０ＴＳを有するようにしてもよい。これらの平坦表面の設置により、液晶層１３０の分子の分布がパターニングされた透明導電層１４０’の表面トポグラフィーに影響されることを避けることで、液晶層１３０の屈折率はパターニングされた透明導電層１４０’の表面トポグラフィーにより局所的に変化することがない。そのため、回折効果はパターニングされた透明導電層１４０’の表面トポグラフィーからの影響で増強されることがない。
本文で使用される「コプレーナ」という用語は、液晶素子の適用について対応する意味を有する。例えば、液晶素子は５ｎｍの段差の高さを許容できるものであれば、コプレーナである。例えば、第一の表面（例えば、平坦表面１５０ＴＳ）と第二の表面（例えば、表面１４０ＴＳ）との間の高さの差は５ｎｍ未満であれば、第一の表面と第二の表面（例えば、表面１４０ＴＳと１５０ＴＳ）とはコプレーナである。「コプレーナ」という用語は、さらに、第一の表面（例えば、平坦表面１５０ＴＳ）から第二の表面（例えば、表面１４０ＴＳ）までが実質的にスムーズに変化し、角々しい段差形状がないことを意味してもよい。このスムーズの変化は、鋭角のない表面として概略的に定義され、液晶素子の信頼性を向上させる。
補償層１５０’及び１６０は、適宜な透明誘電材料、例えば、Ｔａ２Ｏ５、ＴｉＯ２及び ＳｉＯ２により形成されてもよい。補償層１５０’及び１６０の材料は、同じ又は異なるものであってもよい。本実施形態において、補償層１５０’及び１６０の透過率は６０％よりも大きいように、より好ましく８０％よりも大きいように設計される。一部の実施形態において、補償層１６０は、補償層１５０’と異なり、均一の厚さを有し、かつ補償層１６０の屈折率は、電極１４１〜１４４の屈折率に関わらずに設計されてもよい。補償層１６０の屈折率は電極１４１〜１４４と液晶層１３０との屈折率の不一致について設計されてもよく、適用される波長範囲内で、この補償層１６０の屈折率と電極１４１〜１４４の屈折率との差は０．１よりも大きくてもよい。
本実施形態において、パターニングされた透明導電層１４０’及び液晶層１３０は、液晶層１３０の異なる各位置での有効屈折率が、パターニングされた透明導電層１４０’に印加された電圧によって変化するように、設計される。本開示の一部の実施形態において、制御器１７０（図２Ａ〜２Ｃ参照）はパターニングされた透明導電層１４０’の電極１４１〜１４４の少なくとも１つに電気的に接続する。制御器１７０（図２Ａ〜２Ｃ参照）は、電極１４１〜１４４に適宜な電圧を提供することができ、電界の分布を制御することにより、光学アクティブ領域内に所望の効果、例えば、レンズ効果又は回折光学格子效果を有するように、液晶層１３０を操作することができる。
図２Ａ〜図２Ｃは複数の実施形態にかかるパターニングされた透明導電層１４０’を示す上面図である。同時に図１と図２Ａ〜図２Ｃを参照すること。例えば、図２Ａと図２Ｂに示されるように、電極１４１〜１４４は、ストリップ状のものであってもよい。ストリップ状の電極１４１〜１４４は、位相遅延を制御し、プリズム又は柱状のレンズを実現するために用いられてもよい。図２Ａに示されるように、ストリップ状の電極１４１〜１４４は、制御器１７０が電極１４１〜１４４のそれぞれに好適な電圧を提供するように、互いに離れてもよい。一部の他の実施形態において、図２Ｂに示されるように、ストリップ状の電極１４１〜１４４のうち少なくとも２つは、制御器１７０が電極１４１〜１４４に同じ電圧を提供するように、メイン電極１４５によって制御器１７０に接続される。
一部の実施例において、図２Ｃに示されるように、電極１４１〜１４４は、円形のものであることで、レンズ効果を提供し液晶レンズを実現する。図２Ｃに示されるように、電極１４１と１４４は相互接続しているものであり、電極１４２と１４３は相互接続しているものであり、かつ電極１４１及び１４４は電極１４２及び１４３に接続していない。一部の実施例において、制御器１７０は接続線ＣＬにより電極１４１と１４４に第一の電圧を提供し、電極１４２と１４３に第二の電圧を提供し、第二の電圧が第一の電圧よりも大きく、これにより、不均一の電界を生じさせることができ、液晶層１３０の位相差の分布はレンズの位相差の分布をエミュレートすることができる。
注意すべきなのは、図面に示されるパターニングされた透明導電層１４０’のパターン又は電極１４１〜１４４の設置は本開示の範囲を制限するものではなく、パターニングされた透明導電層１４０’は実際の需要に応じて設計されてもよいことである。
一部の実施形態において、制御器１７０は適宜なソフトウエア又はハードウエアであってもよい。例えば、制御器１７０は、特定用途向け集積回路（ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ−ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ； ＡＳＩＣ）、アドバンスド縮小命令セット計算機（ａｄｖａｎｃｅｄ ＲＩＳＣ ｍａｃｈｉｎｅ；ＡＲＭ）、中央処理装置（ｃｅｎｔｒａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｕｎｉｔ； ＣＰＵ）、単一の集積回路装置又は他の計算もしくは命令実行に適する装置であってもよい。これらの挙げられた装置は、本開示の範囲を制限するものではない。
再び図１に戻す。電気的に調整可能な光位相変調素子１００は、第二の基板１２０と液晶層１３０との間に位置する対向透明導電層１８０を選択的に含んでもよい。対向透明導電層１８０は、パターニングされた透明導電層１４０’と同じ材料により製造されてもよい。対向透明導電層１８０は、適宜な透明導電材料、例えば、インジウムスズ酸化物又はアンチモンスズ酸化物により製造されてもよい。一部の他の実施形態において、対向透明導電層１８０は省略されてもよい。
一部の実施形態において、第一の基板１１０は第一の領域Ａ１及び第二の領域Ａ２を有し、透明層１４０’は第一の領域Ａ１に位置し、かつ第二の領域Ａ２に位置せず、第一の領域Ａ１及び第二の領域Ａ２はいずれも電気的に調整可能な光位相変調素子１００の光学アクティブ領域内にある。一部の実施形態において、電気的に調整可能な光位相変調素子１００の第一の領域Ａ１での反射率と電気的に調整可能な光位相変調素子１００の第二の領域Ａ２での反射率との差は０．１未満である。例えば、本実施形態において、基板１１０と１２０、液晶層１３０、透明層１４０’、補償層１５０’、補償層１６０、対向透明導電層１８０及び他の層（例えば、配向層）の組み合わせの異なる位置（例えば、領域Ａ１とＡ２）での反射率の差は０．１未満である。
図３Ａ〜図３Ｇは本開示の一部の実施形態にかかる電気的に調整可能な光位相変調素子の製作方法の各段階における断面模式図である。
図３Ａを参照して、透明導電層１４０は第一の基板１１０の上に設置される。前記のように、透明導電層１４０は好適な透明導電材料、例えば、インジウムスズ酸化物又はアンチモンスズ酸化物で製成されたものである。その後、透明導電層１４０の上にフォトレジスト層ＰＬを塗布する。フォトレジスト層ＰＬは、ポジティブ型フォトレジスト又はネガティブ型フォトレジストを含んでもよい。例えば、フォトレジスト層ＰＬは感光性有機材料、例えば、ポリマーにより製造されてもよい。
図３Ｂを参照して、次いで、フォトレジスト層ＰＬの上又は上方にパターニングされたマスクＰＭを形成して、フォトレジスト層ＰＬの一部（例えば、遮蔽領域ＰＬ２）を遮蔽する。フォトレジスト層ＰＬの配置により、フォトレジスト層ＰＬの未遮蔽領域ＰＬ１は光に暴露されるが、フォトレジスト層ＰＬの遮蔽領域ＰＬ２は光によって照射されない。
図３Ｃを参照して、その後現像剤をフォトレジスト層ＰＬの上に加える。ポジティブ型フォトレジストの場合、フォトレジスト層ＰＬは光によって分解され、かつ現像剤でフォトレジスト層ＰＬの未遮蔽領域ＰＬ１（図３Ｂ参照）が溶解され、フォトレジスト層ＰＬの遮蔽領域ＰＬ２（図３Ｂ参照）が残される。残りのフォトレジスト層ＰＬ（即ち、図３Ｂにおけるフォトレジスト層ＰＬの遮蔽領域ＰＬ２）は開口ＰＬＯを有し、透明導電層１４０の部分が露出される。
図３Ｄを参照して、エッチング剤を加えることで透明導電層１４０の露出部分（図３Ｃ参照）をエッチングすることにより、透明導電層１４０（図３Ｃ参照）がパターニングされてパターニングされた透明導電層１４０’となる。パターニングされた透明導電層１４０’は、残留部分１４１〜１４４を含み、かつギャップＧＡが部分１４１〜１４４の間に形成される。フォトレジスト層ＰＬのエッチング剤に対する耐エッチング性は透明導電層１４０’の耐エッチング性よりも高い。フォトレジスト層ＰＬの保護のため、パターニングされた透明導電層１４０’（即ち、部分１４１〜１４４）はそのまま保持される。注意すべきなのは、フォトレジスト層ＰＬもパターニングされた透明導電層１４０’の上に保持され、パターニングされた透明導電層１４０’のギャップＧＡ及びフォトレジスト層ＰＬの開口ＰＬＯは第一の基板１１０の部分が露出されることである。
図３Ｅを参照して、図３Ｄに示される構造の上にコンフォーマルに補償層１５０が形成される。ここで、パターニングされた透明導電層１４０’の存在のため、その上に補償層１５０が形成される表面はスムーズなものではない。そのため、補償層１５０はフォトレジスト層ＰＬのそれぞれに第一の部分１５０Ａ及び第二の部分１５０Ｂを有し、第一の部分１５０ＡはそれぞれギャップＧＡに位置し、第二の部分１５０Ｂはフォトレジスト層ＰＬの上に位置する。
一部の実施形態において、補償層１５０の厚さはギャップＧＡの深さに実質的に等しいように調整されることにより、補償層１５０の第一の部分１５０Ａの表面１５０ＴＳとパターニングされた透明導電層１４０’の表面１４０ＴＳとはコプレーナになる。ただし、本開示の範囲はこれに制限されるものではなく、一部の他の実施例において、補償層１５０の厚さは、補償層１５０がギャップＧＡからはみ出す又はギャップＧＡを十分に埋めないように、ギャップＧＡの深さと異なってもよい。
図３Ｆを参照して、パターニングされた透明導電層１４０’からフォトレジスト層ＰＬが剥離されるので、その上の補償層１５０の第二の部分１５０Ｂも除去される。補償層１５０の第一の部分１５０Ａはそのまま保持され、下記でも補償層１５０’と呼ばれる。
補償層１５０の厚さがギャップＧＡの深さに実質的に等しいように精度よく調整された一部の実施形態にいて、補償層１５０’の表面１５０ＴＳとパターニングされた透明導電層１４０’の表面１４０ＴＳとはコプレーナである。
補償層１５０の厚さがギャップＧＡの深さと異なる一部の他の実施形態において、化学的機械研磨（ｃｈｅｍｉｃａｌ−ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｏｌｉｓｈ ；ＣＭＰ）のプロセスを選択的に行うことにより、補償層１５０’の表面１５０ＴＳとパターニングされた透明導電層１４０’の表面１４０ＴＳを平坦化することができる。
図３Ｇを参照して、補償層１６０は図３Ｆに示される構造の上にコンフォーマルに形成されてもよい。補償層１５０’及び１６０は重畳の関係である。一部の実施形態において、補償層１５０’の表面１５０ＴＳとパターニングされた透明導電層１４０の表面１４０ＴＳとはコプレーナであるため、その上に形成された補償層１６０も平坦表面１６０ＴＳを有する。
各々の補償層１５０’及び１６０には、一つ又は複数の層が含まれてもよく、かつ補償層１５０’及び１６０の各層は、同じ又は異なる材料を含んでもよい。例えば、補償層１５０’及び１６０の層材料はＴａ２Ｏ５、ＴｉＯ２及びＳｉＯ２であってもよい。一部の実施形態において、補償層１５０’及び１６０は同じ材料で製造されたものである。一部の他の実施形態において、補償層１５０’及び１６０は異なる材料で製造されたものである。
一部の実施形態において、補償層１５０’及び１６０は異なる工程で形成されたものであるため、補償層１５０’と１６０との間には界面Ｓ１が存在してもよい。界面Ｓ１とパターニングされた透明導電層１４０’の表面とはコプレーナであってもよい。補償層１５０’及び１６０が同じ材料で製造された一部の実施形態において、これらの間の界面を視認しにくい場合がある。補償層１５０’及び１６０が異なる材料で製造された一部の実施形態において、これらの間の界面Ｓ１を容易に視認することができる。注意すべきなのは、補償層１６０の配置が必要ではなく、かつ一部の他の実施形態において、補償層１６０は省略されてもよいことである。
図４は本開示の第二の実施形態にかかる電気的に調整可能な光位相変調素子１００の断面模式図である。第二の実施形態は図１の第一の実施形態に類似しており、第二の実施形態と図１の第一の実施形態との相違点は、第二の実施形態の補償層１５０’は複数の層１５２〜１５６を含むことにある。より良く説明するために、本文において、パターニングされた透明導電層１４０の屈折率はｎｉｔｏと呼ばれてもよい。ここで、層１５２〜１５６の適用される波長範囲内での有効屈折率はｎｉｔｏに実質的に等しく、許容の偏差は０．１である。更なる実施形態において、許容の偏差は０．１未満、例えば、０．０８或いは０．０５であってもよい。つまり、層１５２〜１５６の適用される波長範囲内での有効屈折率は（ｎｉｔｏ−０．１）から（ｎｉｔｏ＋０．１）の範囲内である。一部の他の実施形態において、適用される波長範囲内で各々の層１５２〜１５６の屈折率は（ｎｉｔｏ−０．１）から（ｎｉｔｏ＋０．１）の範囲内である。
一部の実施形態において、屈折率を一致させるために、層１５２〜１５６及び補償層１６０は異なる材料により製造されてもよい。一部の実施形態において、層１５２〜１５６及び補償層１６０の屈折率は、第一の基板１１０から液晶層１３０に向かって徐々に減少してもよい。あるいは、一部の実施形態において、層１５２〜１５６及び補償層１６０の屈折率が第一の基板１１０から液晶層１３０に向かって徐々に増大してもよい。一部の他の実施形態において、補償層１５０’の層１５２〜１５６のうち少なくとも１つは補償層１６０の材料と同じ材料を有してもよい。一部の実施形態において、補償層１５０’の補償層１６０に近接する層（例えば、層１５６）は補償層１６０と同じ材料で製造されたものであり、その界面Ｓ１は視認しにくい場合がある。一部の実施形態において、補償層１５０’の補償層１６０に近接する層（例えば、層１５６）は補償層１６０と異なる材料で製造されたものであり、これらの間の界面Ｓ１は容易に視認できる。本実施形態の他の細部は上記実施形態と類似するため、ここでは説明を省略する。
図５は本開示の第三の実施形態にかかる電気的に調整可能な光位相変調素子１００の断面模式図である。第三の実施形態は図１の第一の実施形態に類似しており、図１の第三の実施形態と第一の実施形態との相違点は、第三の実施形態において、対向透明導電層１８０はパターニングされたものであり、対向透明導電層１８０’と呼ばれ、かつ電気的に調整可能な光位相変調素子１００は、基板１２０の上に別の補償層１５０’’をさらに含むことにある。
詳しくいうと、パターニングされた透明導電層１８０’は互いに間隔てられた部分（即ち、電極１８１〜１８４）を有してもよい。補償層１５０’’はパターニングされた透明導電層１８０’の２つの隣接する部分（即ち、電極１８１〜１８４）の間に位置する。補償層１５０’の構造と同様に、補償層１５０’’は、電極１８１〜１８４の表面１８０ＴＳコプレーナである表面１５０ＴＳを有し、平坦の表面トポグラフィーが提供される。一部の実施形態において、補償層１５０’’の平坦表面１５０ＴＳ及びパターニングされた透明導電層１８０’の表面１８０ＴＳの上に別の補償層１６０が選択的に形成されてもよいため、平坦表面１６０ＴＳを有する。基板１２０の上の要素（例えば、補償層１５０’’及び補償層１６０）の構造及び材料の配置と基板１１０の上の要素（例えば、補償層１５０’ 及び補償層１６０）の構造及び材料の配置は実質的に同じであるため、ここでは省略する。第三の実施例の他の細部は前記のものに似たものであり、ここでは省略する。
図６は本開示の第四の実施形態にかかる電気的に調整可能な光位相変調素子１００の断面模式図である。第四の実施形態は図１の第一の実施形態に類似しており、第四の実施形態と図１の第一の実施形態との相違点は、第四の実施形態において、補償層１６０は省略され、かつ補償層１５０’の表面１５０ＴＳは平坦なものであり、且つパターニングされた透明導電層１４０の液晶層１３０に近接する表面１４０ＴＳとコプレーナであることにある。第三の実施形態の他の細部は上記のものに似たものであり、ここでは省略する。
図７は本開示の第五の実施形態にかかる電気的に調整可能な光位相変調素子１００の断面模式図である。第五の実施形態は図１の第一の実施形態に類似しており、第五の実施形態と図１の第一の実施形態との相違点は、第五の実施形態において、電気的に調整可能な光位相変調素子１００は、誘電体又は半導体材料で製造されたモザイク防止層１９２をさらに含むことにある。例えば、モザイク防止層１９２は、金属含有化合物、例えば、チタン、亜鉛、スズ又はインジウムの酸化物を含んでもよい。モザイク防止層１９２は液晶層１３０と補償層１５０’との間に位置する。モザイク防止層１９２は電極１４１〜１４４による電界を平滑化させ、より良い性能、例えば、より良いレンズ効果を実現することができる。
本実施形態において、モザイク防止層１９２は光学アクティブ領域を完全に被覆する単層である。ただし、本開示はこれに限定されず、一部の他の実施形態において、電極１４１〜１４４のパターンに応じてモザイク防止層１９２をパターニングすることができる。例えば、モザイク防止層１９２は縞状又は円形状にパターニングされてもよい。本実施形態の他の細部は上記のものに似たものであり、ここでは省略する。
図８は本開示の第六の実施形態にかかる電気的に調整可能な光位相変調素子１００の断面模式図である。第六の実施形態は図１の第一の実施形態に類似しており、第六の実施形態と図１の第一の実施形態との相違点は、第六の実施形態において、電気的に調整可能な光位相変調素子１００は、モザイク防止層１９２をさらに含むことにある。モザイク防止層１９２は第一の基板１１０と補償層１５０’との間に位置する。モザイク防止層１９２の材料及び機能は前記の四つの実施形態と同様であってもよい。本実施形態の他の細部は前記のものに似たものであり、ここでは省略する。
図９は本開示の第七の実施形態にかかる電気的に調整可能な光位相変調素子２００の断面模式図である。電気的に調整可能な光位相変調素子１００は、第一の基板２１０、第二の基板２２０、液晶層２３０、パターニングされた透明導電層２４０、透明層２５０、補償層２６０及び制御器（図示しない）を含む。第一の実施形態に述べたように、第一の基板２１０及び第二の基板１２０は互いに対向する。液晶層２３０は第一の基板２１０と第二の基板２２０との間に位置する。パターニングされた透明導電層２４０は液晶層２３０と第一の基板２１０との間に位置する。電界の分布を制御することにより、光学アクティブ領域内に所望の効果、例えば、レンズ効果又は回折光学格子效果を有するように、液晶層２３０を操作することができる。
本実施形態において、透明層２５０は液晶層２３０とパターニングされた透明導電層２４０との間に位置する。透明層２５０の透過率は６０％よりも大きいように、より好ましく８０％よりも大きいように設計されてもよい。透明層２５０は、パターニングされた透明導電層２４０の表面トポグラフィーに対応する表面トポグラフィーを有してもよい。例えば、パターニングされた透明導電層２４０が電極２４１〜２４４を有する場合、透明層２５０は、電極２４１〜２４４に対応する部分２５４ｂを有する。一部の実施形態において、電極２４１〜２４４の表面同士はコプレーナであり、かつ表面２４０ＴＳと呼ばれ、部分２５４ｂの表面同士はコプレーナであり、かつ表面２５４ＴＳと呼ばれる。ここで、透明層２５０は、電極２４１〜２４４の間のギャップＧＢが部分２５４ｂの間のギャップＲ１の深さと同じの深さを有するように、パターニングされた透明導電層２４０の上にコンフォーマルに形成されてもよい。ただし、一部の他の実施形態において、透明層２５０はコンフォーマルに形成されたものでなくてもよいため、ギャップＧＢ及びギャップＲ１は、異なる深さを有してもよい。
補償層２６０は透明層２５０の２つの隣接する部分（即ち、部分２５４ｂ）の間に位置する。例えば、補償層２６０は部分２５４ｂの間のギャップＲ１のうち少なくとも１つを十分に埋める。補償層２６０は、補償層２６０の適用される波長範囲内での屈折率とパターニングされた透明導電層２４０の適用される波長範囲内での屈折率との差が０．１未満であるように、設計される。この設計により、電極２４１から電極２４４までの屈折率は実質的に同じであるように保持される。言い換えると、複数の異なる位置に、パターニングされた透明導電層２４０と透明層２５０と補償層２６０との組み合わせは実質的に同じ有効屈折率を有する。当該配置により、電極２４１〜２４４とギャップＧBとの屈折率の差による回折効果を減少させ又は解消することができる。
さらに、補償層２６０は液晶層２３０に近接する平坦表面２６０ＴＳを有する。平坦表面２６０ＴＳと透明層２５０の部分２５４ｂの液晶層２３０に近接する表面２５４ＴＳとはコプレーナである。この配置により、液晶層２３０の分子の分布がパターニングされた透明導電層２４０の表面トポグラフィーに影響されることを避けることで、液晶層２３０の屈折率はパターニングされた透明導電層２４０の表面トポグラフィーにより局所的に変化することがない。そのため、パターニングされた透明導電層２４０の表面トポグラフィーは回折効果を増強しない。
前記のように、第一の表面（例えば、平坦表面２５４ＴＳ）と第二の表面（例えば、表面２６０ＴＳ）との高さの差は５ｎｍ未満であると、第一の表面及び第二の表面（例えば、表面２５４ＴＳ及び２６０ＴＳ）はコプレーナである。
一部の実施形態において、透明層２５０は、同じ又は異なる材料により製造される複数の層を含んでもよい。例えば、ここで、透明層２５０は、パターニングされた透明導電層２４０の上にコンフォーマルに形成される中間層２５２及び２５４を有する。詳しくいうと、中間層２５２は、電極２４１〜２４４の間に位置する第一の部分２５２ａ及び電極２４１〜２４４の上に位置する第二の部分２５２ｂを有する。第一の部分２５２ａは２つの隣接する第二の部分２５２ｂ同士を接続し、かつ第一の部分２５２ａ及び第二の部分２５２ｂは相同の厚さを有してもよい。中間層２５４は、中間層２５２の上にコンフォーマルに形成され、第二の部分２５２ｂの間に位置する第一の部分２５４ａ及び第二の部分２５２ｂの上方に位置する第二の部分２５４ｂを有する。第一の部分２５４ａは２つの隣接する第二の部分２５４ｂ同士を接続し、かつ第一の部分２５４ａ及び第二の部分２５４ｂは相同の厚さを有してもよい。中間層２５２及び２５４は好適な透明誘電材料、例えば、Ｔａ２Ｏ５、ＴｉＯ２及びＳｉＯ２により製造されてもよい。一部の実施形態において、各々の中間層２５２及び２５４の透過率は、６０％よりも大きいように、好ましくは８０％よりも大きいように設計される。
一部の実施形態において、電気的に調整可能な光位相変調素子２００は、表面２６０ＴＳ及び表面２５４ＴＳ上にある補償層２７０を含むため、液晶層２３０に近接する平坦表面２７０ＴＳを有する。各々の補償層２６０及び２７０は、一つ又は複数の層を含んでもよく、かつ補償層２６０及び２７０の各層は、同じ又は異なる材料を含んでもよい。一部の実施形態において、補償層２６０及び２７０は同じ材料で製造されたものである。一部の実施形態において、補償層２６０及び２７０は異なる材料で製造されたものである。例えば、補償層２６０は、異なる材料で製造された層２６２〜２６６を含んでもよい。
本実施形態において、補償層２６０及び２７０並びに中間層２５２及び２５４は化学気相成長（ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；ＣＶＤ）、物理気相成長（ｐｈｙｓｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；ＰＶＤ）、塗布又は他の好適な堆積プロセスにより形成されてもよい。中間層２５２及び２５４は前記好適な誘電材料により製造されてもよい。中間層２５２及び２５４は同じ又は異なる材料により製造されてもよい。補償層２６０及び２７０を形成する方法は図３Ａ〜３Ｇに示される方法に類似するものであり、ここでは省略する。
第一の基板２１０、第二の基板２２０、液晶層２３０及びパターニングされた透明導電層２４０の構造及び材料は図１の第一の実施形態における第一の基板１１０、第二の基板１２０、液晶層１３０及びパターニングされた透明導電層１４０と同じであり、ここでは省略する。補償層２６０及び２７０の材料は図１の第一の実施形態における補償層１５０’及び１６０と同じであり、ここでは省略する。
一部の実施形態において、第一の基板２１０は第一の領域Ａ１及び第二の領域Ａ２を有し、パターニングされた透明導電層２４０は第一の領域Ａ１に位置し、第二の領域Ａ２では透明導電層２４０がパターニングされておらず、第一の領域Ａ１と第二の領域Ａ２はいずれも電気的に調整可能な光位相変調素子１００の光学アクティブ領域内である。一部の実施形態において、電気的に調整可能な光位相変調素子１００の第一の領域Ａ１での反射率と電気的に調整可能な光位相変調素子１００の第二の領域Ａ２での反射率との差は０．１未満である。例えば、本実施形態において、基板２１０及び２２０、液晶層２３０、パターニングされた透明導電層２４０、透明層２５０、補償層２６０、補償層２７０、対向透明導電層２８０及び他の層（例えば、配向層）の組み合わせの異なる位置（例えば、領域Ａ１及びＡ２）での反射率の変化量は０．１未満である。本実施形態の他の細部は上記のものに似たものであり、ここでは省略する。
図１０は本開示の第八の実施形態にかかる電気的に調整可能な光位相変調素子２００の断面模式図である。第八の実施形態は図９の第七の実施形態に類似しており、第八の実施形態と図９の７つの実施形態との相違点は、第八の実施形態において、対向透明導電層２８０はパターニングされたものであり、かつ電気的に調整可能な光位相変調素子２００は、基板２２０上の透明層２５０’及び補償層２６０’をさらに含むことにある。
詳しくいうと、パターニングされた透明導電層２８０は互いに隔てられた部分（即ち、電極２８１〜２８４）を有してもよい。透明層２５０’は電極２８１〜２８４に対応する部分２５４ｂを有する。補償層２６０’は透明層２５０の２つの隣接する部分（即ち、部分２５４ｂ）の間に位置する。補償層２６０’の平坦表面２６０ＴＳと透明層２５０の部分２５４ｂの液晶層２３０に近接する表面２５４ＴＳとはコプレーナである。一部の実施形態において、補償層２６０’の平坦表面２６０ＴＳ及び透明層２５０’の表面２５４ＴＳの上に別の補償層２７０が選択的に形成されてもよいため、平坦表面２７０ＴＳを有する。基板２２０の上の要素（例えば、透明層２５０’、補償層２６０’及び補償層２７０）の構造及び材料の配置と基板２１０の上の要素（例えば、透明層２５０、補償層２６０及び補償層２７０）の構造及び材料の配置は実質的に同じであり、ここでは省略する。本実施形態の他の細部は前記のものに似たものであり、ここでは省略する。
以上の討論に基づいて、本開示は液晶装置の多くの利点を提供したことがわかった。ただし、理解すべきなのは、他の実施形態は追加の利点を提供することができ、かつ全ての利点はここで開示される必要なものではなく、全ての実施形態は特定の利点を必要とされるものではない。本願の利点の一つは、異なる位置の有効屈折率の差を減少させることにより、回折効果を減少させることである。本願の別の利点は、液晶層に近接する表面を平坦にすることにより、回折効果をさらに低下させることである。
本開示の一部の実施形態において、本開示は上記のように複数の実施形態により開示されたが、それらの実施形態は本発明を限定するためのものではなく、当業者は、本開示の要旨及び範囲を逸脱しない限り、各種の変更及び修飾を行うことができるため、本開示の保護範囲は添付の特許請求の範囲によって定められたものを基準とする。
１００：電気的に調整可能な光位相変調素子
１１０：第一の基板
１２０：第二の基板
１３０：液晶層
１４０：透明導電層
１４０’：透明層、透明導電層
１４１〜１４４：部分、電極
１４０ＴＳ：表面
１５０：補償層
１５０’：補償層
１５０’’：補償層
１５０Ａ：第一の部分
１５０Ｂ：第二の部分
１５０ＴＳ：表面
１５２〜１５６：層
１６０：補償層
１６０ＴＳ：表面
１７０：制御器
１８０、１８０’：透明導電層
１８０ＴＳ：表面
１８１〜１８４：電極
１９２：モザイク防止層
２００：電気的に調整可能な光位相変調素子
２１０：第一の基板
２２０：第二の基板
２３０：液晶層
２４０：透明導電層
２４１〜２４４：電極
２４０ＴＳ：表面
２５０、２５０’：透明層
２５２：中間層
２５２ａ、２５２ｂ：部分
２５４：中間層
２５４ａ、２５４ｂ：部分
２５４ＴＳ：表面
２６０、２６０’：補償層
２６０ＴＳ：表面
２６２〜２６６：層
２７０：補償層
２７０ＴＳ：表面
２８０：透明導電層
２８１〜２８４：電極
ＧＡ、ＧＢ：ギャップ
Ｒ１：ギャップ
Ａ１、Ａ２：領域
ＰＬ：フォトレジスト層
ＰＬ１：未遮蔽領域
ＰＬ２：遮蔽領域
ＰＬＯ：開口
ＰＭ：パターニングされたマスク
Ｓ１：界面
ＣＬ：接続線

Claims (16)

  1. 第一の基板と、
    第一の基板に対向するように設置される第二の基板と、
    前記第一の基板と前記第二の基板との間に位置する液晶層と、
    前記第一の基板と前記液晶層との間に位置する、第一の部分及び第二の部分を有する透明層と、
    前記透明層の前記第一の部分と前記第二の部分との間に位置する、前記液晶層に近接する平坦表面を有する第一の補償層と
    を含む、電気的に調整可能な光位相変調素子。
  2. 前記第一の補償層の前記平坦表面と前記透明層の前記液晶層に近接する表面とはコプレーナである、請求項１に記載の電気的に調整可能な光位相変調素子。
  3. 前記第一の補償層及び前記透明層の上に位置する第二の補償層をさらに含む、請求項１に記載の電気的に調整可能な光位相変調素子。
  4. 前記第一の補償層は前記第二の補償層に近接する層を有し、前記第一の補償層の前記層は前記第二の補償層と異なる材料で製造されたものである、請求項３に記載の電気的に調整可能な光位相変調素子。
  5. 前記第一の補償層は前記第二の補償層に近接する層を有し、前記第一の補償層の前記層は前記第二の補償層と同じ材料で製造されたものである、請求項３に記載の電気的に調整可能な光位相変調素子。
  6. 前記第一の補償層と前記第二の補償層との間に界面があり、前記界面と前記透明層の前記液晶層に近接する表面とはコプレーナである、請求項３に記載の電気的に調整可能な光位相変調素子。
  7. 前記透明層の前記第一の部分の表面と前記透明層の前記第二の部分の表面とはコプレーナである、請求項１に記載の電気的に調整可能な光位相変調素子。
  8. 前記第一の補償層は複数の層を含み、前記第一の補償層のそれらの層の少なくとも２つは異なる屈折率を有する、請求項１に記載の電気的に調整可能な光位相変調素子。
  9. 前記透明層は導電材料で製造されたものである、請求項１に記載の電気的に調整可能な光位相変調素子。
  10. 適用される波長範囲内で、前記第一の補償層と前記透明層との屈折率の差は０．１未満である、請求項９に記載の電気的に調整可能な光位相変調素子。
  11. 前記第一の基板は第一の領域及び第二の領域を有し、前記透明層は前記第一の領域に位置し、かつ前記第二の領域に位置せず、前記電気的に調整可能な光位相変調素子の前記第一の領域での反射率と前記電気的に調整可能な光位相変調素子の前記第二の領域での反射率との差は０．１未満である、請求項９に記載の電気的に調整可能な光位相変調素子。
  12. 前記透明層と前記第一の基板との間に位置するパターニングされた透明導電層をさらに含み、前記パターニングされた透明導電層が第一の電極及び第二の電極を有し、前記第一の電極と前記第二の電極がギャップで隔てられ、かつ前記透明層の前記第一の部分と前記第二の部分がそれぞれ前記パターニングされた透明導電層の前記第一の電極及び前記第二の電極の上に位置する、請求項１に記載の電気的に調整可能な光位相変調素子。
  13. 適用される波長範囲内で、前記第一の補償層と前記パターニングされた透明導電層との屈折率の差は０．１未満である、請求項１２に記載の電気的に調整可能な光位相変調素子。
  14. 前記第一の基板は第一の領域及び第二の領域を有し、前記パターニングされた透明導電層は前記第一の領域に位置し、かつ前記第二の領域に位置せず、前記電気的に調整可能な光位相変調素子の前記第一の領域での反射率と前記電気的に調整可能な光位相変調素子の前記第二の領域での反射率との差は０．１未満である、請求項１２に記載の電気的に調整可能な光位相変調素子。
  15. 前記液晶層と前記第一の基板との間に位置するモザイク防止層をさらに含む、請求項１に記載の電気的に調整可能な光位相変調素子。
  16. 前記第二の基板と前記液晶層との間に位置する対向透明導電層をさらに含む、請求項１に記載の電気的に調整可能な光位相変調素子。
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