JP2023513660A

JP2023513660A - 共振液晶デバイス

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Publication number: JP2023513660A
Application number: JP2022534176A
Authority: JP
Inventors: アンドリューマイモニ，; インフェイチアン，; エリクシプトン，; オレグヤロシュチュク，; シェーンコルバーン，; クオホアウェイ，; マクスウェルパーソンズ，
Original assignee: Meta Platforms Technologies LLC
Current assignee: Meta Platforms Technologies LLC
Priority date: 2020-02-14
Filing date: 2021-02-11
Publication date: 2023-04-03
Also published as: US11137655B2; CN115087917A; KR20220141278A; EP4104012A1; WO2021163296A1; US20210255490A1

Abstract

チューナブル液晶（ＬＣ）デバイスが、光キャビティを形成する１対の反射器の間のＬＣ層を含む。反射器は、ＬＣ層に電気信号を印加するための導電層を含む。導電層のうちの１つがＬＣ層の有効屈折率の空間的に選択的な制御のための導電性画素の配列を含み得る。ＬＣ層によってもたらされる位相遅延が、光キャビティ内にＬＣ層を配置することによって大幅に増大または拡大可能である。これにより、ＬＣ層の厚さを大幅に薄くすることができ、それによってＬＣ画素のきわめて密なピッチを可能にし、その際、フリンジ電界によって生じるピクセル間クロストークが低減され、スイッチング時間が高速化する。密なピッチの高速ＬＣデバイスは、構成可能ホログラムまたは空間光変調器として使用可能である。【選択図】図４

Description

関連出願の参照
本出願は、２０２０年２月１４日に出願された「ＲＥＳＯＮＡＮＴＬＩＱＵＩＤＣＲＹＳＴＡＬＤＥＶＩＣＥＳ」という名称の米国仮特許出願第６２／９７６，７８８号の優先権を主張し、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。

本開示は、チューナブル光学デバイスに関し、具体的には、チューナブル液晶デバイスと、チューナブル液晶デバイスに基づくディスプレイパネル、空間光変調器、ビームステアリングデバイスなどに関する。

コンテンツ、たとえば仮想現実（ＶＲ）コンテンツ、拡張現実（ＡＲ）コンテンツ、複合現実（ＭＲ）コンテンツなどを表示するために、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）、ヘルメットマウントディスプレイ、ニアアイディスプレイ（ＮＥＤ）、立体ディスプレイ、およびその他の種類のディスプレイが使用される。このようなディスプレイは、いくつか例を挙げると、娯楽、教育、訓練、工学、生物医化学を含む多様な分野に応用されている。表示されるＶＲ／ＡＲ／ＭＲコンテンツは、体験を補強し、仮想オブジェクトをユーザによって観察される現実のオブジェクトと一致させるために３次元（３Ｄ）とすることができる。

多くの用途において、特にヘッドマウントディスプレイ用としては、コンパクトなディスプレイが望まれる。ＨＭＤまたはＮＥＤのディスプレイは通常、ユーザの頭部に装着されるため、大きく、かさばり、バランスの悪い、および／または重いディスプレイデバイスは、ユーザが装着するには装着し難く、着け心地が悪いことがある。ＨＭＤまたはＮＥＤにおける画像生成のために小型液晶パネルを使用することができる。より広範囲のディスプレイ用途を可能にするために、チューナブル液晶セルに基づく液晶パネルおよびその他のデバイスの空間分解能とスイッチング速度を向上させることが望ましい可能性がある。

したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲による、チューナブル液晶（ＬＣ）デバイス、そのＬＣデバイスを含む構成可能ホログラム、およびシステムを対象とする。

一態様では、本発明は、チューナブル液晶（ＬＣ）デバイスであって、第１の基板と、第１の基板の上にあり、第１の電極層を含む第１の反射器と、第１の反射器の上のＬＣ層と、ＬＣ層の上にあり、第２の電極層を含む第２の反射器と、第２の反射器の上の第２の基板とを含み、ＬＣ層が第１または第２の電極層のうちの少なくとも一方に電気信号を印加することによって調節可能である、チューナブル液晶（ＬＣ）デバイスを対象とする。

本発明によるＬＣデバイスの一実施形態では、第１の基板はＬＣ層を調節するために電気信号を供給するための回路を支持するシリコン基板を含み得る。

本発明によるＬＣデバイスの一実施形態では、ＬＣ層は、正の誘電異方性を有するネマティックＬＣをさらに含んでもよく、ＬＣデバイスは、第１の反射器とＬＣ層との間の第１の配向層と、ＬＣ層と第２の反射器との間の第２の配向層とをさらに含んでもよく、第１および第２の配向層はＬＣを１０度未満のプレチルト角に一様に配向するように構成可能である。

本発明によるＬＣデバイスの一実施形態では、ＬＣ層は負の誘電異方性を有するネマティックＬＣを含んでもよく、ＬＣデバイスは第１の反射器とＬＣ層との間の第１の配向層と、ＬＣ層と第２の反射器との間の第２の配向層とをさらに含んでもよく、第１および第２の配向層は、ＬＣ層を８５度より大きいプレチルト角にホメオトロピックに配向するように構成されてもよい。

本発明によるＬＣデバイスの一実施形態では、ＬＣ層は正の誘電異方性を有するネマティックＬＣを含んでもよく、ＬＣデバイスは、第１の反射器とＬＣ層との間の第１の配向層と、ＬＣ層と第２の反射器との間の第２の配向層とをさらに含んでもよく、第１の配向層はＬＣを１０度未満の第１のプレチルト角に配向するように構成されてもよく、第２の配向層は、ＬＣを８５度より大きい第２のプレチルト角に配向するように構成されてもよく、それによってＬＣがハイブリッド配向構成をとるようにする。

本発明によるＬＣデバイスの一実施形態では、ＬＣ層は２マイクロメートル以下の厚さを有し得る。

本発明によるＬＣデバイスの一実施形態では、第１の反射器は完全反射器であってもよく、第２の反射器は、少なくとも６％の反射率を有する部分反射器であってもよい。

本発明によるＬＣデバイスの一実施形態では、第１の反射器は完全反射器であってもよく、第２の反射器は少なくとも６％の反射率を有する部分反射器であってもよく、部分反射器の反射率は完全反射器の反射率から完全反射器と部分反射器とによって形成された光キャビティにおける往復吸収損失を引いた値未満であってもよい。

本発明によるＬＣデバイスの一実施形態では、第１の反射器は完全反射器であってもよく、第２の反射器は６％未満の反射率を有する部分反射器であってもよく、部分反射器は分布ブラッグ反射器を含み得る。

本発明によるＬＣデバイスの一実施形態では、第１の反射器は完全反射器であってもよく、第２の反射器は少なくとも６％の反射率を有する部分反射器であってもよく、部分反射器は高コントラストサブ波長格子を含み得る。

本発明によるＬＣデバイスの一実施形態では、第１の反射器は完全反射器であってもよく、第２の反射器は少なくとも６％の反射率を有する部分反射器であってもよく、部分反射器は誘電体サブ波長構造体または金属サブ波長構造体のうちの少なくとも一方を含むメタサーフェスを含み得る。

本発明によるＬＣデバイスの一実施形態では、第１の反射器は完全反射器であってもよく、第２の反射器は少なくとも６％の反射率を有する部分反射器であってもよく、第１の電極層は導電層区分の配列を含んでもよく、導電層区分の配列のうちの少なくとも一部の導電層区分が、電気信号の印加によって独立して通電可能である。

本発明によるＬＣデバイスの一実施形態では、第１の反射器は完全反射器であってもよく、第２の反射器は少なくとも６％の反射率を有する部分反射器であってもよく、第１の電極層は導電層区分の配列を含んでもよく、導電層区分の配列のうちの少なくとも一部の導電層区分が電気信号の印加により独立して通電可能であり、導電層区分の配列は２マイクロメートル以下のピッチを有し得る。

本発明によるＬＣデバイスの一実施形態では、第１の反射器は完全反射器であってもよく、第２の反射器は少なくとも６％の反射率を有する部分反射器であってもよく、第１の電極層は導電層区分の配列を含んでもよく、導電層区分の配列のうちの少なくとも一部の導電層区分が電気信号の印加により独立して通電可能であり、導電層区分の配列は、可視光の少なくとも５０％の透過率を有する導電性酸化物を含み得る。

本発明によるＬＣデバイスの一実施形態では、第１の反射器は完全反射器であってもよく、第２の反射器は少なくとも６％の反射率を有する部分反射器であってもよく、第１の電極層は導電層区分の配列を含んでもよく、導電層区分の配列のうちの少なくとも一部の導電層区分は、電気信号の印加により独立して通電可能であり、導電層区分の配列のうちの少なくとも一部の導電層区分は反射性であってもよい。

本発明によるＬＣデバイスの一実施形態では、第１の反射器は完全反射器であってもよく、第２の反射器は少なくとも６％の反射率を有する部分反射器であってもよく、第１の電極層は導電層区分の配列を含んでもよく、導電層区分の配列のうちの少なくとも一部の導電層区分は電気信号の印加により独立して通電可能であり、完全反射器は第１の基板によって支持される反射層をさらに含み、導電層区分の配列の各導電層区分は反射層によって支持されてもよい。さらに、反射層は、分布ブラッグ反射器、サブ波長格子、または誘電構造体もしくはサブ波長構造体のうちの少なくとも一方を含むメタサーフェスのうちの少なくとも１つを含み得る。

一態様では、本発明は上述のようなＬＣデバイスを含む構成可能ホログラムを対象とする。

一態様では、本発明は、上述のようなＬＣデバイスのうちの１つ、特に、第１の基板と、第１の基板の上にあり、第１の電極層を含む第１の反射器と、第１の反射器の上のＬＣ層と、ＬＣ層の上にあり、第２の電極層を含む第２の反射器と、第１の反射器の上にある第２の基板とを含むＬＣデバイスであって、ＬＣ層が第１または第２の電極層のうちの少なくとも一方に電気信号を印加することによって調節可能であり、第１の反射器は完全反射器であってもよく、第２の反射器は少なくとも６％の反射率を有する部分反射器であってもよく、第１の電極層は導電層区分の配列を含んでもよく、導電層区分の配列のうちの少なくとも一部の導電層区分が電気信号の印加により独立して通電可能であり、ＬＣデバイスはＬＣデバイスに光ビームを供給するためにＬＣデバイスに結合された光源を含み、ＬＣデバイスは、導電層区分の配列のうちの導電層区分に電気信号を印加することによって光ビームの位相または振幅の少なくとも一方を空間的に変調するように構成された、ＬＣデバイスを含むシステムを対象とする。

本発明によるシステムの一実施形態では、システムは、ＬＣデバイスの下流に配置され、画像を形成するために空間変調光ビームの向きを変えるように構成された光学系ブロックをさらに含み得る。

以下、例示の実施形態について図面とともに説明する。

本開示の液晶（ＬＣ）デバイスを示す側断面図である。本開示の、ＬＣが正の誘電異方性を有する、オフ状態のＬＣデバイスを示す側断面図である。本開示の、ＬＣが正の誘電異方性を有する、オン状態のＬＣデバイスを示す側断面図である。本開示の、ＬＣが負の誘電異方性を有する、オフ状態のＬＣデバイスを示す側断面図である。本開示の、ＬＣが負の誘電異方性を有する、オン状態のＬＣデバイスを示す側断面図である。単一パス反射ＬＣセルを示す概略側面図である。上部部分反射器を有する多重パス反射ＬＣセルを示す概略側面図である。上部反射器の反射率の異なる値および非ゼロキャビティ損失における出力電界振幅を、図１および図４のＬＣデバイスの光路長の関数として示すグラフである。上部反射器の反射率の異なる値および非ゼロキャビティ損失における位相シフトを、図１および図４のＬＣデバイスの光路長の関数として示すグラフである。出力位相シフトを下部反射器の有効反射率の異なる値における上部反射器反射率の関数として示すグラフである。最小反射強度を下部反射器の有効反射率の異なる値における上部反射器反射率の関数として示すグラフである。最小反射強度対最大反射強度の比を下部反射器の有効反射率の異なる値における上部反射器反射率の関数として示すグラフである。金属反射器を有する図１のＬＣデバイスの一実施形態を示す側断面図である。上部部分反射器として使用される反射高コントラストサブ波長格子を有する、図１のＬＣデバイスの一実施形態を示す側断面図である。完全反射器および部分反射器として使用される分布ブラッグ反射器を有する図１のＬＣデバイスの一実施形態を示す側断面図である。図７ＣのＬＣデバイスの出力振幅および位相をＬＣ材料の有効屈折率の関数として示すグラフである。異なる印加電圧におけるπセルＬＣ構成を有する図１のＬＣデバイスの一実施形態を示す概略断面図である。異なる印加電圧におけるπセルＬＣ構成を有する図１のＬＣデバイスの一実施形態を示す概略断面図である。異なる印加電圧におけるπセルＬＣ構成を有する図１のＬＣデバイスの一実施形態を示す概略断面図である。電圧印加前の、ＬＣ分子のハイブリッド配列を有する図１のＬＣデバイスの一実施形態を示す概略断面図である。電圧印加後の、ＬＣ分子のハイブリッド配列を有する図１のＬＣデバイスの一実施形態を示す概略断面図である。本開示のＬＣデバイスに基づく構成可能ホログラムを示す概略図である。バーチャル像を生成するために本開示のＬＣデバイスを使用するニアアイディスプレイを示す概略図である。本開示のヘッドマウントディスプレイを示す等角図である。図１３Ａのヘッドセットを含む仮想現実システムを示すブロック図である。

本教示について様々な実施形態および実施例とともに説明するが、本教示はそのような実施形態に限定されることは意図されていない。逆に、当業者にはわかるように、本教示は様々な代替形態および同等物を包含する。本開示の原理、態様ならびに実施形態およびその特定の実施例について説明する本明細書のすべての記載は、その構造的同等物と機能的同等物の両方を包含することが意図されている。さらに、そのような同等物は現在知られている同等物と、今後開発される同等物の両方、すなわち、構造を問わず同じ機能を果たすあらゆる開発された要素を含むことが意図されている。

本明細書で使用する「第１」、「第２」などの用語は、明示的に記載されていない限り、順序付けを含意することが意図されておらず、１つの要素を別の要素から区別することが意図されている。同様に、方法ステップの順序付けは、明示的に記載されていない限りその実行の順序を含意しない。

液晶（ＬＣ）セルにおいて、薄いＬＣ層内のＬＣ分子の配列を制御するために電界が印加される。ＬＣ層の側面のうちの１つに透明電極の配列が設けられてもよい。ＬＣ層の他方の側面に単一の透明電極が設けられてもよい。１つの共通の連続電極と１つの分割電極とを有するこのような電極構造は、空間的に選択的な方式でＬＣ層に電界を印加するために使用可能である。透明電極の配列のピッチは、必要な空間分解能に依存する。ローエンドでは、ピッチはＬＣ層の厚さによって限定される。ピッチが厚さと比較して小さい場合、電界が隣接ピクセル内にまで広がり、隣接ＬＣ画素間のクロストークを生じさせる。

ＬＣ層の必要な厚さは、印加電気信号の振幅を変化させることによって生じるＬＣ分子の異なる配列におけるＬＣの有効屈折率変化によって決まる。屈折率変化Δｎの典型的な値は、約０．２～０．３である。ＬＣセルは、多くの用途において半波（π）から全波（２π）までの入射光の位相シフトを生じさせる必要がある場合が多い。ＬＣセルを横断する光の単一パスにおいてこの位相シフトをもたらすために、典型的なＬＣ層の厚さは少なくとも約１．５マイクロメートルである必要がある。この最小ＬＣ層厚さ要件は、密な画素ピッチという要件に反する可能性がある。たとえば広角ビームステアリングおよびホログラフ用途で必要な画素ピッチは約３００ｎｍから５００ｎｍであり、有用厚さ範囲は、５マイクロメートル～６マイクロメートルの典型的なＬＣ層厚さより小さい約３マイクロメートルまでの範囲である。ピッチが密なＬＣセルの場合、厚さ対ピッチ比と定義されるアスペクト比が１より高い場合がある。１より高いアスペクト比では、画素電極境界において強いフリンジ電界が生じ、その結果としてＬＣ配列の隣接画素間に有意なクロストークが発生する。

本開示によると、必要なＬＣ層厚さは、電気反応性のＬＣ層を光共振の条件に置くことによって薄くすることができる。非限定的な例として、ＬＣ層は、ＬＣ層の両側の１対の反射器によって形成される光キャビティまたは共振器内に配置可能である。光キャビティに入射する光は光キャビティ内を複数回伝播することができ、それによって出力光の達成可能位相シフトを実質的に増大させる。増大した位相シフトの結果として、必要なＬＣ層厚さがかなり小さくなり、それによってより小さいピッチとより高速なスイッチング時間とが可能になる。

本開示によると、第１の基板と、第１の基板の上の第１の反射器とを含むチューナブル液晶（ＬＣ）デバイスが提供される。第１の反射器は第１の電極層を含む。第１の反射器の上にＬＣ層が配置される。ＬＣ層の上に第２の反射器が配置される。第２の反射器は第２の電極層を含む。第２の反射器の上に第２の基板が配置される。ＬＣ層は、第１または第２の電極層のうちの少なくとも一方に電気信号を印加することによって調節可能である。本明細書では、「の上」という用語は基板に関してであり、重力に関してではない。言い換えると、基板の特定の向きを想定していない。第１の基板は、ＬＣ層を調節するために電気信号を供給するための回路を支持する、たとえばシリコン基板を含み得る。

実施形態によっては、ＬＣデバイスは第１の反射器とＬＣ層との間の第１の配向層と、ＬＣ層と第２の反射器の間の第２の配向層を含み得る。ＬＣ層が正の誘電異方性を有するネマティックＬＣを含む実施形態では、第１および第２の配向層がＬＣを１０度未満のプレチルト角に一様に配向するように構成されてもよく、またはたとえば第１の配向層がＬＣを１０度未満の第１のプレチルト角に配向し、第２の配向層がＬＣを８５度より大きい第２のプレチルト角に配向するように構成されてもよく、それによってＬＣがハイブリッド配向構成をとるようにしてもよい。ＬＣ層が負の誘電異方性を有するネマティックＬＣを含む実施形態では、第１および第２の配向層がＬＣを８５度より大きいプレチルト角にホメオトロピックに配向するように構成されてもよい。

実施形態によっては、ＬＣ層は２マイクロメートル以下の厚さを有する。第１の反射器は完全反射器であってもよく、第２の反射器は、たとえば少なくとも６％の反射率を有する部分反射器であってもよい。部分反射器の反射率は、完全反射器の反射率から完全反射器と部分反射器とによって形成される光キャビティにおける往復吸収損失を引いた値未満であってもよい。部分反射器は、分布ブラッグ反射器、高コントラストサブ波長格子、誘電体サブ波長構造体または金属サブ波長構造体のうちの一方を含むメタサーフェスなどを含み得る。

第１の電極層は、導電層区分の配列を含んでもよい。導電層区分の配列のうちの少なくとも一部の導電層区分が、それらの区分への電気信号の印加によって独立して通電可能とすることができる。導電層区分の配列は２マイクロメートル以下のピッチを有し得る。導電層区分の配列は、可視光の少なくとも５０％の透過率を有する導電性酸化物を含んでもよい。導電層区分の配列のうちの少なくとも一部の導電層区分は反射性であってもよい。実施形態によっては、完全反射器は、第１の基板によって支持された反射層をさらに含み、導電層区分の配列の各導電層区分が反射層によって支持される。反射層は、分布ブラッグ反射器、サブ波長格子、または誘電体サブ波長構造体もしくは金属サブ波長構造体のうちの少なくとも一方を含むメタサーフェスのうちの少なくとも１つを含み得る。

本開示の一態様によると、本明細書で開示されているチューナブルＬＣデバイスに基づく構成可能ホログラムが提供される。

本開示の一態様によると、本明細書で開示されているチューナブルＬＣデバイスと、ＬＣデバイスに光ビームを供給するためにＬＣデバイスに結合された光源とを含み、ＬＣデバイスが、導電層区部の配列のうちの導電層区分に電気信号を印加することによって光ビームの位相または振幅のうちの少なくとも一方を空間的に変調するように構成可能な、システムが提供される。ＬＣデバイスの下流に光学系ブロックが配置されてもよく、画像を形成するために空間変調された光ビームの方向を変更するように構成されてもよい。

次に図１を参照すると、本開示のＬＣデバイス１００が、下部（第１の）基板１０４と、下部基板１０４の上に配置された第１の反射器、たとえば完全反射器１０１と、完全反射器１０１の上のＬＣ層１０６と、ＬＣ層１０６の上の第２の反射器、たとえば部分反射器１０２と、任意による上部（第２の）基板１３４とを含む。本明細書では、「完全反射器」という用語は、完全反射器を通過する入射光の透過が無視可能な程度であるように、入射光の大部分を反射する反射器を意味する。したがって、「部分反射器」という用語は、入射光の一部のみを反射し、入射光の無視できない程度の部分を部分反射器を通って伝播させる反射器を意味する。部分反射器によって反射される光の部分も無視できない程度の部分であり、すなわち、屈折率が完全には整合されないかまたは反射防止（ＡＲ）コーティングが施されていない光インターフェースにおいて光の少なからぬ部分が反射される。明確にするために、光の無視できない部分とは少なくとも６％であり、または実施形態によっては入射光の光パワーの少なくとも１２％である。言い換えると、部分反射器の反射率は少なくとも６％であり、または実施形態によっては少なくとも１２％である。完全反射器と部分放射器は必ずしも単一要素とは限らず、それぞれが、光を反射する、電気を通すなどの様々な機能を果たすための複数の層または構成要素を含んでもよいことに留意されたい。

図１に示す構成では、ＬＣ層１０６は、完全反射器１０１と部分反射器１０２とによって支持された下部（第１の）配向層１１８と上部（第２の）配向層１２０との間に閉じ込められており、さらに完全反射器１０１と部分反射器１０２はそれぞれ下部基板１０４と上部基板１３４とによって支持されている。下部配向層１１８と上部配向層１２０との間の間隙は、図示されていないスペーサ、たとえばガラスビーズまたは微細加工スペーサまたはスペーサアレイによって維持されてもよい。ＬＣ層１０６を含むすべての中間層を備えた下部基板１０４と上部基板１３４をＬＣセルと称する。この実施形態では、ＬＣ層１０６は配向モノドメイン状態の異方性流体の薄い層である。セル内のＬＣの配向構成は、逆平行、平行、垂直、ツイストなどとすることができる。たとえば、ポリマー分散ＬＣ（ＬＣ液滴のポリマー分散）、ポリマー網目ＬＣ（内部にポリマー網目が形成されたＬＣ）、充填ＬＣ（ナノ粒子が充填されたＬＣ）などの異なる複合系におけるＬＣ層の不均質構成も可能である。ポリマー分散ＬＣは、たとえば光ビームの振幅の空間変調をもたらすために使用可能である。

完全反射器１０１は、ＬＣ層１０６に電界を印加するための第１の電極層を含み得る。図の実施形態では、第１の電極層は、完全反射層１１０によって支持された共平面導電層区分１０８の配列を含む。配列は、１次元、すなわち一方向に延びるか、または２次元、すなわち区分化導電層の面における２つの垂直な方向に延びてもよい。導電層区分１０８は、たとえば入射可視光の少なくとも５０％を伝播させることができる。入射光の少なくとも５０％を伝播させるそのような層を、説明を簡潔にするために本明細書では「透明」と称し、すなわち「透明」という用語は半透明を含む。部分反射器１０２は、共通透明電極層１１４によって支持される部分反射層１１２を含んでもよい。導電層区分１０８は、１次元または２次元であってもよいＬＣ画素１２２の配列を画定する。ＬＣ画素１２２は、個別にアドレス可能または通電可能とすることができ、すなわち、ＬＣ層１０６の下にある部分の独立制御のために個別の独立した電気信号、たとえば電圧が供給されてもよい。そのために、個別のＬＣ画素が、対応するＬＣ画素を開放またはロックするように構成された１つまたは数個の薄膜トランジスタ（ＴＦＴ、簡潔にするために図１には図示されていない）を備えてもよい。ＴＦＴは一緒に基板１０４または１３４の一方の上にマトリックス構成で配置されてもよい。ディスプレイでは、このような構成をアクティブマトリックス型ＬＣディスプレイ（ＡＭＬＣＤ）と称する。

下部配向層１１８と上部配向層１２０は、それぞれの境界におけるＬＣ分子の所定の配向をもたらすために、ＬＣ層１０６とそれぞれ区分化透明電極層１０８および共通透明電極層１１４との間の境界に設けられてもよい。導電層区分１０８および／または共通電極層１１４は、導電性酸化物材料、たとえばインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、またはインジウム亜鉛酸化物、アルミニウム亜鉛酸化物、バリウムスズ酸塩、ストロンチウムバナジウム酸塩、カルシウムバナジウム酸塩などの他の導電性酸化物からなってもよい。上述のように、「透明」という用語は、本明細書では完全に、または部分的に透明すなわち半透明、たとえば可視光の少なくとも５０％、６０％、７０％、８０％、９０％の光パワー透過を意味するものと了解される。また、「層」という用語は、必ずしも単一の層を意味せず、サブ層の積層を含む層も指す場合があることに留意されたい。

動作時、区分化透明電極層１０８と共通透明電極層１１４の間に電気信号、たとえば電圧が印加可能である。印加電圧は電界１２４を生じさせ、電界１２４はＬＣ層１０６内のＬＣ分子を再配列し、それによって、光源１５１によって発せられた入射光ビーム１２６の有効屈折率を変化させ、反射出力光ビーム１２８の位相遅延を変化させる。電界１２４は、図１において実質的に垂直に、すなわち、ＬＣ画素１２２間の境界におけるフリンジ電界１２４Ａを除いてＬＣ層１０６の面に対して垂直に向けられる。フリンジ電界１２４Ａの大きさはＬＣ画素１２２のアスペクト比に依存する。アスペクト比は、ＬＣ画素ピッチｐに対するＬＣ層１０６の厚さｄの比と定義される。ＬＣ層１０６厚さはセルギャップとも称される。アスペクト比が十分に大きい場合、すなわちＬＣ画素ピッチｐの大きさがセルギャップｄと同様であるかまたはより小さい場合、フリンジ電界１２４Ａは、隣接ＬＣ画素１２２のＬＣ分子を駆動するという点で受容し難いほど大きくなる可能性があり、それによって隣接ＬＣ画素１２２間に望ましくないクロストークを生じさせる。実施形態によっては、導電層区分１０８のピッチと、したがってＬＣ画素１２２のピッチは、２マイクロメートル未満、１マイクロメートル未満、５００ｎｍ未満、または、たとえば広角ビームステアリングおよびホログラフィック用途の場合、さらに３００ｎｍ未満である。

完全反射器１０１と部分反射器１０２は光キャビティ、すなわちファブリーペローエタロンまたは光共振器を形成する。ＬＣ層１０６は、完全反射器１０１と部分反射器１０２とによって形成される光キャビティ内に配置される。入射光ビーム１２６は、完全反射器１０１と部分反射器１０２から反射することによって光キャビティ内を複数回伝播することができ、それによって出力光ビーム１２８の達成可能位相シフトを実質的に大きくする。これは、セルギャップｄを顕著に縮小させることを可能にし、それによってフリンジ電界１２４Ａおよびそれに付随するクロストークを低減し、スイッチング時間を短縮する。

実施形態によっては、基板１０４は、ＬＣ層１０６の調節のために電気信号を供給するための回路を支持する、活性基板、たとえばシリコン基板であってもよい。活性基板は、さらに、ＬＣデバイスの小型化と、コンパクトな空間光変調器、構成可能ホログラム、ディスプレイパネルなどへの組み込みとを可能にする。基板のその他の活性タイプには、たとえばガラスまたは同様の透明または不透明基板上のアクティブマトリックス型ＴＦＴが含まれ得るが、これには限定されない。

図１に示すＬＣデバイス１００の構造は例を意図しているに過ぎないことを理解されたい。反射器１０１、１０２、ＬＣ層１０６および反射層１１０、１１２などの多くの変形が可能である。これらの変形のいくつかについては以下でさらに詳しく検討する。

ネマティック型ＬＣを有するＬＣセルの基本動作が図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃおよび図２Ｄに示されている。図２Ａおよび図２Ｂに、正の誘電異方性を有するネマティックＬＣ分子を有するＬＣセル２００Ａを示す。スイッチ２０１を使用してＬＣセル２００Ａに電圧Ｖを印加することができる。スイッチ２０１が開いているとき（図２Ａ）、電圧は印加されず、ＬＣ分子２０２Ａは図２Ａの水平配列に近い配列をとり、すなわちＬＣセル２００Ａ基板２０４、２０６にほぼ平行であり、それによって平面構成を形成する。配列は、配向層によって規定され、配向層は、隣接ＬＣをしかるべく配列するように構成され、たとえば摩擦され、または偏光ＵＶ光が照射されてもよい。スイッチ２０１が閉じられると（図２Ｂ）、ＬＣセル２００Ａに電圧Ｖが印加され、ＬＣ分子２０２Ａが電界Ｅに沿って、すなわち基板２０４、２０６に対してほぼ垂直に配列されるようになり、それによって、電界ベクトル２２７によって示すように図２Ａの面内で偏光された入射光ビーム２２６の有効屈折率の変化を生じさせる。ＬＣ分子２０２Ａの再配列は、ＬＣ分子２０２Ａにおける電界によって誘導される、印加電界と電気双極子との間の静電相互作用によって生じる。さらに、ＬＣセル２００Ａと２００Ｃの両方について印加電圧Ｖは好ましくは交流（ＡＣ）電圧であることに留意されたい。直流（ＤＣ）電圧ではなくＡＣ電圧を使用することによって、層の界面における望ましくない電気化学効果の低減が促進される。ＬＣセル２００Ａにおいて達成可能な光路長の最大変化ΔＬ_ｍａｘは以下の式によって与えられる。

ΔＬ_ｍａｘ＝（ｎ_ｅ－ｎ_ｏ）（１）

ｎ_ｅおよびｎ_ｏはそれぞれＬＣの異常屈折率と正常屈折率であり、ｄはセルギャップである（図２Ａ）。

図２Ｃおよび図２Ｄは、負の誘電異方性を有するネマティックＬＣを有するＬＣセル２００Ｃを示す。スイッチ２０１が開いているとき（図２Ｃ）、電圧は印加されず、ＬＣ分子２００Ｃは垂直に近い、すなわちＬＣセル２００Ｃ基板２０４、２０６にほぼ垂直な配列をとり、電気信号のない状態で逆平行傾斜ホメオトロピック構成を形成する。配列は、ＬＣ分子２０２Ｃの垂直配向を促すように構成された配向層によって規定される。スイッチ２０１が閉じられると（図２Ｄ）、ＬＣセル２００Ｃに電圧Ｖが印加され、ＬＣ分子２０２Ｃが電界Ｅに対して垂直に、すなわち基板２０４、２０６に対してほぼ平行に配列されるようになり、それによって、光電界ベクトル２２７によって示すように図２Ｃおよび図２Ｄの面内で偏光された入射光線ビーム２２６の有効屈折率の変化を生じさせる。

図３に、それぞれ図２Ａ～図２Ｂまたは図２Ｃ～図２ＤのＬＣセル２００Ａまたは２００Ｃなどの正または負の誘電異方性を有するネマティックＬＣを含み得る、単一パス反射ＬＣセル３００を示す。図３の単一パス反射ＬＣセル３００は、完全反射器３０８の上のＬＣ層３０６と、ＬＣ層３０６の上の上部基板３３４とを含む。入射光ビーム３２６は、ＬＣ層３０６を通って伝播し、完全反射器３０８によって反射され、ＬＣ層３０６を通って伝播して戻り、それによってＬＣ層３０６によって第１のパスでもたらされる位相遅延を２倍にし、出力光ビーム３２８（わかりやすいように横方向にシフトされている）として単一パス反射ＬＣセル３００から出る。ＬＣ層３０６によってもたらされる光位相遅延を変化させるために、図示しない透明電極が設けられてもよい。

図４に、上記で検討した図２Ａから図２ＤのそれぞれＬＣセル２００Ａおよび２００Ｃにおけるように正または負の誘電異方性を有するネマティックＬＣを含み得る共振多重パス反射ＬＣセル４００を示す。図４の共振多重パスＬＣセル４００は、光共振器または光キャビティを形成する下部反射器４０８と上部部分反射器４１２との間にＬＣ層４０６を含む。単一パス上でＬＣ層４０６によってもたらされる光位相遅延を変化させるために、図示しない透明電極が設けられてもよい。

動作時、入射光ビーム４２６が上部部分反射器４１２によって部分的に反射され、それによって第１のサブビーム４２８_１を形成する。入射光ビーム４２６の残りの部分は、ＬＣ層４０６を通って伝播し、完全反射器４０８によって反射され、再びＬＣ層４０６を通って伝播し、部分的に反射されてＬＣ層４０６を通って伝播して戻る。したがって、複数のサブビーム４２８_１、４２８_２、４２８_３、４２８_４、．．．が形成される。サブビーム４２８_１、４２８_２、４２８_３、および４２８_４はわかりやすいようにずらして示されており、実際のデバイスでは、これらのサブビームは重なり合わされて出力光ビーム４２８を形成し得る。出力光ビーム４２８の位相シフトは、個々のサブビーム４２８_１、４２８_２、４２８_３、４２８_４、．．．の位相によって決まる。特定の条件が満たされると、出力光ビーム４２８の位相シフトが、ＬＣ層３０６を通る二重パス伝播時の図３の出力光ビーム３２８の位相シフトよりはるかに大きくなり得る。高反射率値において、πの値（共振条件）付近のキャビティ位相のごくわずかな変化の結果として、出力位相シフトの有意により大きい変化が生じ、それによってＬＣセル４００のセルギャップを大幅に縮小させることができる。

ＬＣセル４００の応答時間は以下の式によって与えられる。

ここで、

ここで、Ｖは駆動電圧であり、Ｋは配向弾性定数であり、γは回転粘度であり、Ｗはアンカリング係数であり、ｄはセルギャップであり、Δεは誘電異方性である。式（２）～（３）から、上記のパラメータの典型的な値において、セルギャップの４０倍の向上により約８ｋＨｚのリフレッシュレートが得られることになる。これにより、高リフレッシュレートでのカラーシーケンシャルＬＣオンシリコン（ＬＣｏＳ）ディスプレイが実現可能になり得る。わずか２マイクロメートル、１マイクロメートル、５００ナノメートル、さらにわずか３００ナノメートルのセルギャップｄが、たとえば、３８０ｎｍから７２０ｎｍまでの範囲の可視スペクトル内、および／または、７４０ｎｍから約１１００ｎｍまでの近赤外線スペクトル内において、少なくともπ、またはさらに少なくとも２πの位相遅延をもたらし得る。実装形態によっては、この微小セルギャップは、２マイクロメートル未満、１マイクロメートル未満、５００ｎｍ未満、または３００ｎｍ未満の密な画素ピッチを可能にし得る。

光損失の存在下での図４の共振多重パス反射ＬＣセル４００のキャビティ位相への出力位相の依存を、図５Ａおよび図５Ｂに示す。たとえば上部透明電極と下部透明電極の非ゼロ往復吸収による往復キャビティ損失が、計算と図示の都合上、下部反射鏡反射率にまとめられている。この特定の例では、下部完全反射器の反射率を１０％だけ、すなわち１．０から０．９に低下させることによって、１０％の往復吸収損失が計算に入れられている。

図５Ａでは、出力電界振幅が、上部（部分）反射器の反射率の値ゼロ（比較のため、ゼロ反射率は図３の単一パス反射ＬＣセル３００に対応する）、０．４５、０．７２、０．８５、０．９１、および０．９９（非ゼロ反射率は図４の共振多重パス反射ＬＣセル４００に対応する）における、入射光の波長単位で測定されたＬＣ層３０６の光路長（ＯＰＬ）の関数としてプロットされている。上部反射器の反射率ゼロにおいて、電界振幅はＬＣ層のＯＰＬに依存しない。上部反射器の反射率が上昇すると、キャビティ位相シフトπに対応するＯＰＬ値０．５において吸収ピークが現れる。ピークの振幅は増大し、一方、上部反射率０．４５から０．７２、０．８５、０．９１へと進むにつれてピークの幅は縮小する。次に、上部反射率０．９９においてピーク振幅は再び減少するのがわかる。

図５Ｂでは、上部反射鏡の反射率の同じ値について、出力位相シフトがＯＰＬの関数としてプロットされている。位相グラフは、上部反射鏡反射率と下部反射鏡反射率との関係によって規定される２つの動作レジームに対応する２つのグループに分かれているのがわかる。第１のグループ５０１の場合、上部反射器の反射率は、完全反射器の反射率と上部反射器と下部反射器とによって形成される光キャビティにおける往復吸収損失との差として定義される下部（完全）反射器の有効反射率より小さい。上部反射器の反射率が低いほど、上部反射器と下部反射器とによって形成される光キャビティ内により多くの光が結合されるため、この動作レジームを本明細書では「密結合」動作レジームと呼ぶ。第１のグループ５０１は、キャビティＯＰＬ０．５付近で曲線の急峻な勾配を示す。第２のグループ５０２の場合、上部反射器の反射率は下部（完全）反射器の有効反射率より高く、すなわち第２のグループ５０２の場合、上部反射器の反射率は下部反射器の反射率から往復光損失を引いた値より大きい。この動作レジームを本明細書では「疎結合」動作レジームと呼ぶ。疎結合ＬＣセルの位相曲線の勾配は反転し、密結合ＬＣセルにおける勾配と比較して大きさがより小さい。

図４の共振多重パス反射ＬＣセル４００の２つの動作レジームを、図６Ａ、図６Ｂおよび図６Ｃにさらに示す。まず図６Ａを参照すると、入射光ビームの波長で表した位相シフトが、有効下部反射鏡反射率値（すなわち下部反射鏡反射率にまとめられた往復光損失を有する）０．５、０．６、０．７、０．８、０．９、０．９５および０．９９における上部反射鏡反射率に対してプロットされている。各位相シフト曲線は、上部反射鏡の反射率が下部反射鏡有効反射率に達すると急激に降下する。降下の左側で、共振ＬＣセルは密結合レジームにあり、降下の右側で、共振ＬＣセルは疎結合レジームにある。

画素化共振ＬＣデバイスを位相専用空間光変調器として動作させるためには、過剰な光損失と反射ビーム振幅の変化を可能な限り回避しながら、ＬＣデバイスによって光ビームにもたらされる位相シフトを増大させることが望ましい。言い換えると、最小反射率を増大させる必要があるか、または少なくともＬＣデバイスの反射率の変化を少なくする必要がある。ＬＣデバイスの最小反射率が図６ＢにＬＣデバイスの上部反射鏡反射率に対してプロットされている。図６Ｂを図６Ａと比較すると、上部反射鏡の反射率を大きくすることによって、低い下部反射率値すなわち高いキャビティ損失において、位相変化が減少するがＬＣデバイスの高い反射率が得られることがわかる。大きな位相変化を、低い反射率変化と同時に実現することはできるが、それには下部反射鏡の有効反射率が高いことが必要であり、すなわち光キャビティ損失が低い必要がある。この結論は、最大反射率に対する最小反射率の比を上部反射鏡の反射率の関数としてプロットしている図６Ｃによって裏付けられる。

図７Ａから図７Ｃに、１対の反射器によって形成された光キャビティ内に配置されたＬＣ層を有するチューナブルＬＣデバイスのいくつかの例示の構成を示す。図７Ａを参照すると、チューナブルＬＣデバイス７００Ａが、下から上の順に、下部金属反射鏡７１０Ａと、任意による下部導電電極７０８と、ＬＣ層７０６と、上部導電電極７１４と、上部半透明金属反射鏡７１２Ａとを含む。図を簡単にするためにＬＣセル基板は省かれている。実際のデバイスでは、下部金属反射鏡７１０Ａと下部導電電極層７０８が一方の（下部）透明基板の対向する側に配置可能であり、上部導電電極７１４と上部金属半透明反射鏡７１２Ａが別の（上部）透明基板の対向する側に配置可能である。金属反射器は、全位相光変調器にとっては損失が多過ぎる可能性があるが、振幅変調器では使用可能であり得る。反射率を向上させ、隣接層との親和性をもたせるために、金属層と単一誘電体層または多層誘電体被覆とを組み合わせるいわゆる「強化金属」コーティングが使用されてもよい。

図７Ｂを参照すると、チューナブルＬＣデバイス７００Ｂが、完全反射器としての下部分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）７１０Ｂと、下部導電電極７０８と、ＬＣ層７０６と、上部導電電極７１４と、上部部分反射器としての高コントラストサブ波長格子７１２Ｂとを含む。ＤＢＲ７１０Ｂは、ＬＣ層７０６と平行なサンドイッチ状の交互屈折率層を含んでもよい。これらの層は、関心波長域における所定の反射係数、たとえば９６％～１００％を有するブラッグ格子を形成する。実施形態によっては、屈折率差が０．２未満、および／または、層の数が少なくとも１２層である。サブ波長格子７１２Ｂは、所望の誘電率と、光周波数における屈折率とを実現するためにメタ物質を使用してもよい。たとえば、高コントラストサブ波長格子７１２Ｂの代わりに、またはそれに加えて、誘電体サブ波長構造体または金属サブ波長構造体を含むメタサーフェスが使用されてもよい。サブ波長格子は、同様の反射率のＤＢＲ反射器より薄くすることができるが、特に下部基板上に形成するのはより難しい場合がある。本明細書では、「高コントラスト」という用語は、０．２より大きい、回折格子フリンジ屈折率と基板／充填材屈折率との差で定義される屈折率コントラストを有する格子を意味する。図７Ｂに示すように、サブ波長格子７１２Ｂのフリンジ７１５がサブ波長格子７１２Ｂの面に延び、互いに平行でＬＣ層７０６に平行な線および／または２次元におけるサブ波長ピッチを有するフィーチャ（たとえば点、正方形、多角形など）の２Ｄ配列を含んでもよい。

図７Ｃを参照すると、チューナブルＬＣデバイス７００Ｃが、下部完全（すなわち１００％）反射器としての下部分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）７１０Ｂと、下部導電電極７０８と、ＬＣ層７０６と、上部導電電極７１４と、部分反射器としての上部ＤＢＲ層７１２Ｃとを含む。図７Ａから図７Ｃの反射器は、任意の組合せで使用可能である。また、一方または両方の反射器が、反射率の所望の値を有するように最適化された積層の数層の透明導電性酸化物（ＴＣＯ）層からなってもよい。ＴＣＯ積層の１つの利点は、反射ＬＣセルの反射器の一方または両方をＬＣセル電極として使用可能であり、その結果としてより簡素な構造になることである。

次に図８を参照すると、図７ＣのチューナブルＬＣデバイス７００Ｃの振幅および位相が、１８０ｎｍの厚さのＬＣ層７０６と５０ｎｍの厚さのＩＴＯ電極と、４分の１波の厚さの窒化シリコンと４分の１波の厚さの二酸化シリコンの１０対の層を含む下部ＤＢＲ７１０Ｂと、４対のそのような層を含む上部ＤＢＲ７１２Ｃとを備える、波長６３２ｎｍにおけるＬＣ層７０６の有効屈折率の関数として計算されている。反射光ビームの振幅が約１５％だけ変化する、すなわち、光ビームの光パワーが約２８％変化する一方、約０．８８の完全全波長位相スイープを達成することがわかる。

本開示のキャビティ内ＬＣセルでは様々な種類のＬＣおよび配向構成が使用可能である。図９Ａから図９Ｃに、それぞれ下部（第１の）配向層９１８および上部（第２の）配向層９２０でコーティングされた下部反射基板９１０と上部反射基板９１２とを含むＬＣセル９００を示す。ＬＣセル９００は、ＬＣ層９０６を形成し、電気的に制御された複屈折（ＥＣＢ）またはπセル構成とも称される平行傾斜平面配向構成の細長いＬＣ分子９０２を含む、ネマティックＬＣで満たされている。下部反射基板９１０とＬＣ層９０６との間に下部配向層９１８が配置され、ＬＣ層９０６と上部反射基板９１２との間に上部配向層９２０が配置されている。駆動電圧がないときのＬＣ分子９０２の配列は、配向層９１８、９２０によって決まる。図９Ａから図９Ｃには、異なる駆動条件におけるＬＣ配列が示されている。すなわち、ＬＣ層９０６に電圧が印加されていないとき（図９Ａ）、４Ｖ～５Ｖの電圧が印加されたとき（図９Ｂ）、および２０Ｖの全電圧が印加されたときである。ＬＣ分子９０２の配列は、ＬＣ配向が配向層によってのみ影響されるという条件で、配向層９１８、９２０のうちの一方と、その配向層の近傍のＬＣディレクタ（ＬＣ分子９０２の局所配向の方向に沿って引かれた線）との角度であるプレチルト角θによって特徴づけられ得る。この条件は、たとえば、第１の配向層の近傍の第２の配向層の影響が無視可能な場合の厚いＬＣセルにおいて満たされる。２つの同じ配向層を有するＬＣセルにおける逆平行配向の場合、配向は、ＬＣディレクタの傾斜角が一定であり、配向層におけるプレチルト角と等しくなるように、ＬＣセル全体にわたって一様である。図２Ａに示す平行構成の場合、ＬＣディレクタの傾斜角は一様ではない。典型的には、５～６度未満のプレチルト角の配向が平面配向または傾斜平面配向と称される。プレチルト角θの値が８５度より大きい場合、そのような配向は垂直またはホメオトロピックまたはゼロプレチルトまたは傾斜垂直配向と称される。

ＬＣ層９０６に電圧が印加されていないとき（図９Ａ）、ＬＣ分子９０２は、ＬＣ分子９０２の配向方向とプレチルト角とによって決まるスプレイ構成をとる。図９ＡのＬＣ層９０６の上面において、ＬＣ分子９０２が上面を基準にして時計回りにプレチルトされ、ＬＣ層９０６の下面において、ＬＣ分子９０２が下面を基準にして反時計回りにプレチルトされる。この実施例では、配向層９１８、９２０は、ＬＣを１０度未満のプレチルト角に一様に配向するように構成される。

ＬＣ層９０６に４～５Ｖの中間電圧が印加されると（図９Ｂ）、ＬＣ分子９０２に沿った電界によって誘導される電気双極子であって電界によって生じる静電力推進力を受ける電気双極子に起因して、ＬＣ分子９０２が印加電界に沿って、すなわち図９Ｂにおける垂直方向に配向し始める。ＬＣ層９０６の中央付近に配置されたＬＣ分子９０２は、ほぼ垂直なより大きな角度で回転し、一方、境界領域９１５のＬＣ分子９０２は、ＬＣ分子９０２を水平配列により近く維持する傾向がある配向力に起因してより少なく回転する。

ＬＣ層９０６に２０Ｖの全電圧が印加されると（図９Ｃ）、すべてのＬＣ分子９０２が電界方向に沿って、すなわち図９Ｃにおける垂直方向に配列される。ＬＣ分子９０２の電圧依存回転の結果として、図９ＡにおけるＬＣ分子９０２に沿って、すなわち図９Ａのｘ方向に沿って偏光された光の有効屈折率が変化する。

多くの他のＬＣ構成および配列、たとえば電気的に制御された複屈折（ＥＣＢ）構成が使用可能である。ＥＣＢ構成は、πセル構成と類似しており、ＥＣＢ構成でのみ、ＬＣの逆平行構成を図示する図２Ａに示すように、両方のＬＣセル界面におけるＬＣ分子のプレチルトが同じ方向である。もう一つのＬＣ構成は、両方の界面において同じ方向にわずかな（０．５°～３°）逸脱があるだけでＬＣがほぼ垂直に（ホメオトロピックに）配向される垂直配向（ＶＡ）である。ＶＡ構成では、垂直に印加される電界によって、負の誘電異方性を有するＬＣが図２Ｃおよび図２Ｄに示すように垂直配向から平面配向に、すなわち図２Ａおよび図２Ｂに示すＥＣＢ構成における切り替わりとは逆に、切り替わる。ホメオトロピック構成の場合、配向層９１８、９２０は、ＬＣを８５度より大きいプレチルト角に一様に配向するように構成することが可能である。

複合タイプまたはハイブリッドＬＣ構成も可能である。非限定的例として、図１０Ａを参照すると、ハイブリッドＬＣセル１０００が下部反射基板１０１０と上部反射基板１０１２とを含む。ＬＣ層１００６の上面が、正の誘電異方性を有するＬＣ分子１００２のホメオトロピック配向を有する。上部反射基板１０１２に最も近いＬＣ分子の配向は、印加電圧がない状態で、近傍のＬＣ分子１００２をたとえば８５度より大きいプレチルト角θ_Ｈでホメオトロピック配向層１０１７に対して実質的に垂直に配列されるようになるようにする、ホメオトロピック配向層１０１７によって規定される。ＬＣセル１０００の下面は、電圧が印加されていないときに、たとえば１０度未満のプレチルト角θ_ｐで境界領域１０１５において境界ＬＣ分子１００２が平面配向層１０１９にほぼ平行に配列される、平面配向層１０１９によって規定されるＬＣ分子１００２の平面配向を有する。ハイブリッドＬＣセル１０００の構成は、逆転されてもよく、すなわち、ＬＣ層１００６の下部の界面が電界のない状態でホメオトロピックに配向されてもよく、ＬＣ層１００６の上部の界面が小さいプレチルト角の平面配向を有してもよい。

図１０Ｂに、ハイブリッドＬＣセル１０００両端間に１０Ｖの電圧が印加されたときのＬＣ分子１００２配向を示す。１０Ｖの印加電圧では、ＬＣ分子１００２がＬＣ層１００６全体にわたって垂直またはほぼ垂直に配列されるように、下部ＬＣ分子１００２が垂直に配列される。図１０Ａおよび図１０ＢのＬＣセル１０００の切り替わり可能部分（図１０Ａの領域１０１５）は、同じ種類のＬＣ流体を有する図９Ａ～図９ＣのＬＣセル９００の切り替わり可能部分よりも大幅に薄くすることができる。フリンジ電界が上部反射基板１０１２付近のＬＣ分子１００２の配列に大きく影響することにならないため、これはより小さい画素ピッチでの画素間クロストークの低減にとって有利となり得る。図９Ａから図９ＣのＬＣセル９００は、薄い電極付近のＬＣサブ層のみが切り換えられるようにして駆動される場合、たとえばＬＣセル９００を５Ｖと２０Ｖの間の駆動電圧で駆動する場合に、薄くすることもできることに留意されたい。

本明細書に記載のＬＣデバイスでは様々なＬＣ流体の種類が使用可能である。非限定的な例として、Δε＞０（正の誘電異方性）のネマティックＬＣは、メルク社製のＥ７、Ｅ４４、Ｅ４９、ＺＬＩ－２２９３、ＭＬＣ－１２１００－０００、ＭＬＣ－７５００－０００、ＴＬ－２０５、ＴＬ－２１３などを含み得る。Δε＜０（負の誘電異方性）のネマティックＬＣは、メルク社製のＭＬＣ－６６０８、ＭＬＣ－６６０９、ＭＬＣ－６６０１０などを含み得る。ある臨界周波数ｆ_ｃより下ではΔε＞０であって、ｆ＞ｆ_ｃの場合にΔε＜０である二重周波数ネマティックＬＣも使用可能である。二重周波数ＬＣの一例は、メルク社製のＭＬＣ２０４８である。実施形態によっては、たとえば変形らせんＦＬＣ（ＤＨ－ＦＬＣ）モードまたはカー効果モードで動作する強誘電体ＬＣが使用されてもよい。場合によっては、コレステリックポリマー安定ブルー相モードＬＣも採用可能である。

本明細書に記載のＬＣデバイスは、多様な用途で使用可能である。共振構成および関連する狭いセルギャップによって実現可能な密な画素ピッチは、構成可能ホログラム、すなわち、たとえば３Ｄホログラフィックディスプレイのホログラフィックプロジェクタにおける動作用に構成されたサブミクロン画素ピッチを有する位相専用または位相および振幅空間光変調器などの用途において有用である。密なピッチは、大きなステアリング角、たとえば６０度以上による光ビームステアリングも可能にし得る。このような大きなステアリング角は、たとえば、走査型プロジェクタニアアイディスプレイを含む走査型プロジェクタディスプレイ、および／または、バーコードスキャナ、ＬＩＤＡＲ、３Ｄマッパーなどで使用可能な汎用ビームスキャナにおいて必要な場合がある。本明細書で開示されているＬＣデバイスに基づく空間光変調器は、３Ｄマッピング用途などで使用可能な構造光などの、所定の動的に切り換え可能な光パターンの生成のために使用可能である。

より広い態様では、本明細書で開示されている構成のいずれかにおける電気応答性ＬＣ層、ネマティックＬＣ層、強誘電体ＬＣ層などを、ＬＣ層にわたって光ビームの複数パスを与えるように構成された光キャビティに組み込むことによって、光位相の急勾配および／または高域変化が実現可能である。また、より広い態様において、電気応答性ＬＣ層を、ＬＣ層に印加される電気信号の特定の値における光共振を有するように構成することも可能である。たとえば、ＬＣ層の位相応答を有効に拡大するために、所定の波長におけるプラズモン共鳴を有するナノ構造粒子などの共鳴粒子を電気応答性ＬＣ層に組み込んでもよい。別の選択肢は、液晶で満たされた共振誘電体ナノ構造体を設けることである。多くの他の構成が可能である。

図１１を参照すると、構成可能ホログラム１１００が、たとえば図１のＬＣデバイス１００、図４の共振多重パス反射ＬＣセル４００、またはそれぞれ図７Ａ、図７Ｂおよび図７ＣのチューナブルＬＣデバイス７００Ａ、７００Ｂ、７００Ｃなどの共振ＬＣデバイス１１０２を含む。共振ＬＣデバイス１１０２は、コントローラ１１０４に動作可能に結合されている。共振ＬＣデバイス１１０２は、サブミクロンの画素ピッチ、たとえば６００ｎｍ未満、４００ｎｍ未満、３００ｎｍ未満、または２００ｎｍ未満の画素ピッチと、キロヘルツのリフレッシュレートとを有し、両方とも共振光キャビティにおける狭いセルギャップによって実現される。コントローラ１１０４は、たとえば何らかの所定の特性を有するシミュレーションされた基準光ビームによる３Ｄオブジェクトによって散乱された光フィールドの光干渉計算を行うことによって、観察者に対して表示される３Ｄオブジェクトの画像を得るためと、デジタルホログラフィックフレームを得るために構成可能である。次に、コントローラ１１０４は、共振ＬＣデバイス１１０２の個別ピクセルを、３Ｄオブジェクトに光ビームを照射することを含むホログラフィック記録設定において得られたものであってもよい実際のホログラムに対応する位相遅延および／または減衰の値に設定し、散乱光と、計算を行うためにコントローラ１１０４によって使用される特性を有する光ビームとの光干渉をシミュレーションすることによって、デジタルホログラムを含むフレームを表示するように共振ＬＣデバイス１１０２を構成することができる。共振ＬＣデバイス１１０２にそれと同一または類似した特性を有する実際の光ビーム１１０６が照射されると、ユーザによる観察が可能なホログラフィック画像１１０８が生じる。実施形態によっては、観察に都合がよいように、ホログラフィック画像１１０８に対応する光の角度分布の複数のオフセットコピー１１０８’を提供するために、任意による瞳孔複製導波路１１１０が使用されてもよい。

次に図１２を参照すると、ニアアイディスプレイ１２００が、１つの眼鏡の形状を有するフレーム１２０１を含む。フレーム１２０１は、それぞれの目のために、光源１２０５と、光源１２０５に光結合された空間光変調器１２０８と、プロジェクタ１２０８に光結合された瞳孔複製導波路１２１０と、アイトラッキングカメラ１２０４と、複数の照明器１２０６と、アイトラッキングカメラコントローラ１２０７とを支持する。照明器１２０６（図１２）は、アイボックス１２１２を照射するために瞳孔複製導波路１２１０によって支持されてもよい。空間光変調器１２０８は、本明細書で開示されているチューナブルＬＣデバイスのいずれか、たとえば図１１の構成可能ホログラム１１００を含むことができる。光源１２０５によって供給される光ビームが空間光変調器１２０８において回折して、ユーザの目に投影される角領域における像を伝達する光ビームからなる扇形状を形成する。瞳孔複製導波路１２１０は、この扇型の光ビームを受光し、扇形の光ビームの各ビームの複数の横方向にオフセットした平行なコピーを生じさせ、それによってアイボックス１２１２の上に投影像を展開する。アイボックス１２１２は、ユーザの目で見るために受容可能な品質の画像が形成される幾何学的領域である。拡張現実（ＡＲ）用途の場合、瞳孔複製導波路１２１０は、ユーザがそれぞれの目に投影され、外界の光景に重ね合わされた画像とともに外界を見ることができるようにするために透明とすることができる。

アイトラッキングカメラ１２０４の目的は、ユーザの両目の位置および／または向きを判定することである。ユーザの目の位置と向きがわかった後は、注視輻輳距離および方向が判定可能である。空間光変調器１２０８によって生成された像は、表示された拡張現実風景へのユーザの集中の忠実度を向上させるためにユーザの注視を計算に入れるように、および／または、拡張現実とのインタラクションの特定の機能をもたせるように、動的に調整可能である。

照明器１２０６は、外界の視界を妨げないように瞳孔複製導波路１２１０の周辺部に、または目立たないように視野内に配置されてもよい。動作時、照明器１２０６は、アイトラッキングカメラが目の画像を取得することができるようにするためと、基準反射すなわちグリントを生じさせるために、対応するアイボックス１２１２において目を照明する。グリントは、キャプチャされた目の画像における基準点として機能することができ、それによってグリントの画像を基準にした瞳孔画像の位置を判定することによって目の注視方向の判定を容易にする。照明光でユーザの気を散らすのを避けるために、照明光はユーザに見えないようにされてもよい。たとえば、アイボックス１２１２を照明するために赤外線が使用されてもよい。

アイトラッキングカメラコントローラ１２０７の機能は、ユーザの両目の注視方向をリアルタイムで判定するために、アイトラッキングカメラ１２０４によって取得された画像を処理することである。実施形態によっては、画像処理と目の位置／向きの判定機能は、ニアアイディスプレイ１２００の図示されていない中央コントローラによって実行されてもよい。中央コントローラは、判定された目の位置、目の向き、注視方向、両眼輻輳などに応じて、ユーザに表示される画像を生成するように、空間光変調器１２０８に制御信号を供給してもよい。ニアアイディスプレイ１２００は、本開示の共振チューナブルＬＣデバイスが使用可能な視覚ディスプレイの一例に過ぎないことに留意されたい。共振チューナブルＬＣデバイスを使用する他の種類の視覚ディスプレイには、投写型ディスプレイ、ディスプレイパネルなどが含まれる。

本開示の実施形態には、人工現実システムが含まれ、または人工現実システムとともに実装可能である。実施形態によってはユーザへの提示の前に何らかの方法で、人工現実システムが、視覚情報、音声、触覚（体性感覚）情報、加速度、バランスなどの感覚を通して得られる外界に関する感覚情報を調整する。非限定的な例として、人工現実には、仮想現実（ＶＲ）、拡張現実（ＡＲ）、複合現実（ＭＲ）、ハイブリッド現実、またはこれらの何らかの組合せおよび／または派生物が含まれ得る。人工現実コンテンツには、完全生成コンテンツ、またはキャプチャされた（たとえば現実世界の）コンテンツと組み合わされた生成コンテンツが含まれ得る。人工現実コンテンツは、映像、音声、身体フィードバックまたは触覚フィードバック、またはこれらの何らかの組合せが含まれ得る。このコンテンツのいずれも、観察者に対する３次元効果を生じさせる立体映像におけるものなどの単一チャネルまたは多重チャネルで提示可能である。また、実施形態によっては、人工現実は、たとえば人工現実におけるコンテンツを作製するために使用され、および／またはその他の方法で人工現実で使用される（たとえば人工現実においてアクティビティを行う）、アプリケーション、製品、付属品、サービスまたはこれらの何らかの組合せに関連付けられてもよい。人工現実コンテンツを提供する人工現実システムは、ホストコンピュータシステムに接続されたＨＭＤなどのウェアラブルディスプレイ、スタンドアロン型ＨＭＤ、眼鏡の形状を有するニアアイディスプレイ、モバイルデバイスもしくはコンピューティングシステム、または人工現実コンテンツを１人または複数の観察者に提供可能な任意のその他のハードウェアプラットフォームを含む、様々なプラットフォーム上で実装可能である。

図１３Ａを参照すると、ＨＭＤ１３００は、ＡＲ／ＶＲ環境への集中度が増すようにユーザの顔を覆うＡＲ／ＶＲウェアラブルディスプレイシステムの一例である。ＨＭＤ１３００は、本明細書で開示されているＬＣデバイスのいずれかを使用してもよい。ＨＭＤ１３００の機能は、コンピュータ生成像によって物理的現実世界の環境の光景を拡張すること、および／または、完全に仮想の３Ｄ像を生成することである。ＨＭＤ１３００は、フロントボディ１３０２とバンド１３０４とを含んでもよい。フロントボディ１３０２は、ユーザの目の前に確実かつ快適な方式で配置されるように構成され、バンド１３０４は、フロントボディ１３０２をユーザの頭部に固定するように伸縮可能である。ユーザにＡＲ／ＶＲ像を提示するためにフロントボディ１３０２にディスプレイシステム１３８０が配置可能である。ディスプレイシステム１３８０は、たとえば図１１の構成可能ホログラム１１００を含み得る。フロントボディ１３０２の側面１３０６は不透明または透明であってもよい。

実施形態によっては、フロントボディ１３０２は、ＨＭＤ１３００の加速度を追跡するための、ロケータ１３０８および慣性測定装置（ＩＭＵ）１３１０と、ＨＭＤ１３００の位置を追跡するための位置センサ１３１２とを含む。ＩＭＵ１３１０は、ＨＭＤ１３００の動きに応答して１つまたは複数の測定信号を発生する位置センサ１３１２のうちの１つまたは複数の位置センサから受信した測定信号に基づいて、ＨＭＤ１３００の位置を示すデータを生成する電子デバイスである。位置センサ１３１２の例には、１つまたは複数の加速度計、１つまたは複数のジャイロスコープ、１つまたは複数の磁力計、動きを検出する別の適切な種類のセンサ、ＩＭＵ１３１０のエラー補正のために使用される一種のセンサ、またはこれらの何らかの組合せが含まれる。位置センサ１３１２は、ＩＭＵ１３１０の外部、ＩＭＵ１３１０の内部、またはこれらの組合せに位置してもよい。

ロケータ１３０８は、仮想現実システムがＨＭＤ１３００全体の位置と向きを追跡することができるように仮想現実システムの外部撮像装置によって追跡される。ＩＭＵ１３１０および位置センサ１３１２によって生成された情報は、ＨＭＤ１３００の位置と向きの追跡精度の向上のために、ロケータ１３０８を追跡することによって得られる位置および向きと比較可能である。正確な位置と向きは、ユーザが３Ｄ空間を移動し、向きを変えるにつれて、ユーザに適切な仮想景観を提示するために重要である。

ＨＭＤ１３００は、ＨＭＤ１３００の一部または全部の周囲の局所領域の深度情報を表現するデータをキャプチャする深度カメラアセンブリ（ＤＣＡ）１３１１をさらに含んでもよい。そのために、ＤＣＡ１３１１はレーザレーダー（ＬＩＤＡ）または類似のデバイスを含んでもよい。深度情報は、３Ｄ空間におけるＨＭＤ１３００の位置と向きの判定の精度向上のためにＩＭＵ１３１０からの情報と比較可能である。

ＨＭＤ１３００は、ユーザの目の向きと位置をリアルタイムで判定するためのアイトラッキングシステム１３１４をさらに含んでもよい。取得された目の位置および向きは、ＨＭＤ１３００がユーザの注視方向を判定することができるようにし、それに応じてディスプレイシステム１３８０によって生成される画像を調整することができるようにもする。一実施形態では、輻輳、すなわちユーザの目の注視の輻輳角が判定される。判定された注視方向および輻輳角は、画角と目の位置とに依存する視覚アーチファクトのリアルタイム補償のためにも使用することができる。また、判定された輻輳角および注視角は、ユーザとの対話、オブジェクトの強調、オブジェクトを前景に持ってくること、追加オブジェクトまたはポインタの作成などのために使用可能である。たとえばフロントボディ１３０２に内蔵された１組の小型スピーカを含むオーディオシステムが設けられてもよい。

図１３Ｂを参照すると、ＡＲ／ＶＲシステム１３５０が、図１３ＡのＨＭＤ１３００と、様々なＡＲ／ＶＲアプリケーション、設定およびキャリブレーション手続き、３Ｄビデオなどを記憶する外部コンソール１３９０と、コンソール１３９０を操作し、および／またはＡＲ／ＶＲ環境とインタラクトするための入力／出力（Ｉ／Ｏ）インターフェース１３１５とを含む。ＨＭＤ１３００は、物理ケーブルによってコンソール１３９０に「つながれて」もよく、またはＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（Ｒ）、Ｗｉ－Ｆｉなどの無線通信リンクを介してコンソール１３９０に接続されてもよい。それぞれが付随するＩ／Ｏインターフェースを有し、それぞれのＨＭＤ１３００およびＩ／Ｏインターフェース１３１５がコンソール１３９０と通信する、複数のＨＭＤ１３００があってもよい。別の構成では、異なる、および／または追加のコンポーネントがＡＲ／ＶＲシステム１３５０に含まれてもよい。また、図１３Ａおよび図１３Ｂに示すコンポーネントの１つまたは複数とともに説明した機能は、実施形態によっては図１３Ａおよび図１３Ｂとともに説明したのとは異なる方式でコンポーネント間で分散されてもよい。たとえば、コンソール１３９０の機能の一部または全部がＨＭＤ１３００によって提供されてもよく、その逆であってもよい。ＨＭＤ１３００は、上記のような機能を実現可能な処理モジュールを備えてもよい。

図１３Ａを参照しながら上述したように、ＨＭＤ１３００は、目の位置および向きの追跡、注視角および輻輳角の判定などのためのアイトラッキングシステム１３１４（図１３Ｂ）と、３Ｄ空間におけるＨＭＤ１３００の位置および向きの判定のためのＩＭＵ１３１０と、外部環境をキャプチャするためのＤＣＡ１３１１と、ＨＭＤ１３００の位置を独立して判定するための位置センサ１３１２と、ＡＲ／ＶＲコンテンツをユーザに表示するためのディスプレイシステム１３８０とを含み得る。ディスプレイシステム１３８０は（図１３Ｂ）、電子ディスプレイ１３２５、たとえばこれらには限定されないが、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、有機発光ディスプレイ（ＯＬＥＤ）、無機発光ディスプレイ（ＩＬＥＤ）、アクティブマトリックス有機発光ダイオード（ＡＭＯＬＥＤ）ディスプレイ、透明有機発光ダイオード（ＴＯＬＥＤ）ディスプレイ、プロジェクタ、またはこれらの組合せを含む。ディスプレイシステム１３８０は、電子ディスプレイ１３２５によって生成された画像をユーザの目まで伝達する機能を有する光学系ブロック１３３０をさらに含む。光学系ブロックは、様々なレンズ、たとえば屈折レンズ、フレネルレンズ、回折レンズ、能動または受動パンチャラトナム－ベリー位相（ＰＢＰ）レンズ、液体レンズ、液晶レンズなど、瞳孔複製導波路、格子構造、コーティングなどを含み得る。ディスプレイシステム１３８０は、光学ブロック１３３０の一部であってもよい可変焦点モジュール１３３５をさらに含んでもよい。可変焦点モジュール１３３５の機能は、たとえば輻輳調節矛盾を補償するため、特定のユーザの視覚異常を補正するため、光学系ブロック１３３０の収差を相殺するなどのために、光学ブロック１３３０の焦点を調整することである。

Ｉ／Ｏインターフェース１３１５は、ユーザがアクション要求を送り、コンソール１３９０から応答を受け取ることができるようにするデバイスである。アクション要求は、特定のアクションの実行の要求である。たとえば、アクション要求は、画像または動画データのキャプチャを開始または終了する指示、またはアプリケーション内の特定のアクションを実行する指示であってもよい。Ｉ／Ｏインターフェース１３１５は、キーボード、マウス、ゲームコントローラ、またはアクション要求を受け取り、アクション要求をコンソール１３９０に伝達するための任意のその他の適切なデバイスなど、１つまたは複数の入力デバイスを含んでもよい。Ｉ／Ｏインターフェース１３１５によって受け取られたアクション要求はコンソール１３９０に伝達され、コンソール１３９０はそのアクション要求に対応するアクションを実行する。実施形態によっては、Ｉ／Ｏインターフェース１３１５は、Ｉ／Ｏインターフェース１３１５の初期位置を基準にしたＩ／Ｏインターフェース１３１５の推定位置を示すキャリブレーションデータをキャプチャするＩＭＵを含む。実施形態によっては、Ｉ／Ｏインターフェース１３１５は、コンソール１３９０から受け取った指示に従って、ユーザに触覚フィードバックを与えてもよい。たとえば、アクション要求が受け取られたときに触覚フィードバックを与えることができ、または、コンソール１３９０がアクションを実行するときにコンソール１３９０がＩ／Ｏインターフェース１３１５に触覚フィードバックを発生させる指示をＩ／Ｏインターフェース１３１５に伝達する。

コンソール１３９０は、ＩＭＵ１３１０、ＤＣＡ１３１１、アイトラッキングシステム１３１４、およびＩ／Ｏインターフェース１３１５のうちの１つまたは複数から受け取った情報に従って処理するために、ＨＭＤ１３００にコンテンツを供給してもよい。図１３Ｂに示す実施例では、コンソール１３９０は、アプリケーションストア１３５５と、追跡モジュール１３６０と、処理モジュール１３６５とを含む。コンソール１３９０の一部の実施形態は、図１３Ｂとともに説明したものとは異なるモジュールまたはコンポーネントを有してもよい。同様に、以下でさらに説明する機能が、図１３Ａおよび図１３Ｂとともに説明した方式とは異なる方式でコンソール１３９０のコンポーネント間で分散されてもよい。

アプリケーションストア１３５５は、コンソール１３９０による実行のために１つまたは複数のアプリケーションを記憶することができる。アプリケーションは、プロセッサによって実行されるとユーザに提示すためのコンテンツを生成する命令のグループである。アプリケーションによって生成されるコンテンツは、ＨＭＤ１３００またはＩ／Ｏインターフェース１３１５の動きを介してユーザから受け取られた入力に応答してもよい。アプリケーションの例には、ゲームアプリケーション、プレゼンテーションおよび会議アプリケーション、ビデオ再生アプリケーション、またはその他の適切なアプリケーションが含まれる。

追跡モジュール１３６０は、ＨＭＤ１３００またはＩ／Ｏインターフェース１３１５、ＩＭＵ１３１０またはこれらの何らかの組合せの動きを追跡することができる。たとえば、追跡モジュール１３６０は、ＨＭＤ１３００からの情報に基づいて局所領域のマッピングにおけるＨＭＤ１３００の基準点の位置を判定してもよい。追跡モジュール１３６０は、それぞれ、ＩＭＵ１３１０からのＨＭＤ１３００の位置を示すデータを使用して、またはＩ／Ｏインターフェース１３１５に含まれるＩＭＵからのＩ／Ｏインターフェース１３１５の位置を示すデータを使用して、ＨＭＤ１３００の基準点またはＩ／Ｏインターフェース１３１５の基準点の位置を判定してもよい。また、実施形態によっては、追跡モジュール１３６０は、ＩＭＵ１３１０からのＨＭＤ１３００の位置を示すデータの一部と、ＤＣＡ１３１１からの局所領域の表現とを使用してＨＭＤ１３００の未来場所を予測してもよい。追跡モジュール１３６０は、ＨＭＤ１３００またはＩ／Ｏインターフェース１３１５の推定または予測された未来位置を処理モジュール１３６５に提供する。

処理モジュール１３６５は、ＨＭＤ１３００から受け取った情報に基づいてＨＭＤ１３００の一部または全部の周囲の領域（「局所領域」）の３Ｄマッピングを生成することができる。実施形態によっては、処理モジュール１３６５は、深度の計算において使用される技術に関連するＤＣＡ１３１１から受け取った情報に基づいて、局所領域の３Ｄマッピングのための深度情報を判定する。様々な実施形態において、処理モジュール１３６５は、深度情報を使用して局所領域のモデルを更新し、更新されたモデルに部分的に基づいてコンテンツを生成してもよい。

処理モジュール１３６５は、ＡＲ／ＶＲシステム１３５０内でアプリケーションを実行し、追跡モジュール１３６０からＨＭＤ１３００の位置情報、加速度情報、速度情報、予測未来位置、またはこれらの何らかの組合せを受け取る。処理モジュール１３６５は受け取った情報に基づいて、ユーザへの提示のためにＨＭＤ１３００に供給するコンテンツを決定する。たとえば、受け取った情報が、ユーザが左を見たことを示す場合、処理モジュール１３６５は、仮想環境において、または局所領域を追加のコンテンツによって拡張する環境において、ユーザの動きを反映するＨＭＤ１３００のためのコンテンツを生成する。また、処理モジュール１３６５は、Ｉ／Ｏインターフェース１３１５から受け取ったアクション要求に応答して、コンソール１３９０上で実行されているアプリケーション内でアクションを実行し、アクションが実行されたというフィードバックをユーザに提供する。提供されるフィードバックは、ＨＭＤ１３００を介した視覚フィードバックもしくは音声フィードバック、またはＩ／Ｏインターフェース１３１５を介した触覚フィードバックであってもよい。

本明細書で開示されている態様に関連して説明した様々な例示の論理、論理ブロック、モジュールおよび回路を実装するために使用されるハードウェアは、本明細書に記載の機能を果たすように設計された、汎用プロセッサ、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）またはその他のプログラム可能ロジックデバイス、個別ゲートまたはトランジスタロジック、個別ハードウェアコンポーネント、またはこれらの任意の組合せを使用して実装または実行可能である。汎用プロセッサは、マイクロプロセッサであってよいが、別の態様では、プロセッサは任意の従来型プロセッサ、コントローラ、マイクロコントローラまたは状態マシンであってもよい。プロセッサは、コンピューティングデバイスの組合せ、たとえばＤＳＰとマクロプロセッサ、複数のマイクロプロセッサの組合せ、ＤＳＰコアと併用した１つまたは複数のマイクロプロセッサ、または任意のその他のそのような構成として実装されてもよい。あるいは、一部のステップまたは方法が、ある所定の機能に固有の回路によって実行されてもよい。

本開示は、本明細書に記載の特定の実施形態によって範囲が限定されるべきではない。実際に、上記の説明および添付図面から、本明細書に記載のものに加えて他の様々な実施形態および変更が当業者には明らかであろう。したがって、そのような他の実施形態および変更は、本開示の範囲に含まれることが意図されている。また、本開示について本明細書では特定の目的のための特定の環境における特定の実装形態の文脈で説明したが、当業者には、その有用性がこれらには限定されないことと、本開示が任意の数の目的のために任意の数の環境で有益に実装可能であることとがわかるであろう。したがって、以下に記載の特許請求の範囲は、本明細書に記載されている本開示の全容および思想に鑑みて解釈されるべきである。

Claims

チューナブル液晶（ＬＣ）デバイスであって、
第１の基板と、
前記第１の基板の上にあり、第１の電極層を含む第１の反射器と、
前記第１の反射器の上のＬＣ層と、
前記ＬＣ層の上にあり、第２の電極層を含む第２の反射器と、
前記第２の反射器の上の第２の基板とを含み、
前記ＬＣ層は、前記第１または第２の電極層のうちの少なくとも一方に電気信号を印加することによって調節可能な、チューナブルＬＣデバイス。
前記第１の基板が、前記ＬＣ層を調節するために前記電気信号を供給するための回路を支持するシリコン基板を含む、請求項１に記載のチューナブルＬＣデバイス。
前記ＬＣ層が正の誘電異方性を有するネマティックＬＣを含み、前記ＬＣデバイスが、
前記第１の反射器と前記ＬＣ層との間の第１の配向層と、
前記ＬＣ層と前記第２の反射器との間の第２の配向層とをさらに含み、
前記第１および第２の配向層が前記ＬＣを１０度未満のプレチルト角に一様に配向するように構成されている、請求項１に記載のチューナブルＬＣデバイス。
前記ＬＣ層が負の誘電異方性を有するネマティックＬＣを含み、前記ＬＣデバイスが、
前記第１の反射器と前記ＬＣ層との間の第１の配向層と、
前記ＬＣ層と前記第２の反射器との間の第２の配向層とをさらに含み、
前記第１および第２の配向層が前記ＬＣを８５度より大きいプレチルト角にホメオトロピックに配向するように構成されている、請求項１に記載のチューナブルＬＣデバイス。
前記ＬＣ層が正の誘電異方性を有するネマティックＬＣを含み、前記ＬＣデバイスが、
前記第１の反射器と前記ＬＣ層との間の第１の配向層と、
前記ＬＣ層と前記第２の反射器との間の第２の配向層とをさらに含み、
前記第１の配向層が前記ＬＣを１０度未満の第１のプレチルト角に配向するように構成され、前記第２の配向層が前記ＬＣを８５度より大きい第２のプレチルト角に配向するように構成され、それによって前記ＬＣにハイブリッド配列構成をとらせる、請求項１に記載のチューナブルＬＣデバイス。
前記ＬＣ層が２マイクロメートル以下の厚さを有する、請求項１に記載のチューナブルＬＣデバイス。
前記第１の反射器が完全反射器であり、前記第２の反射器が少なくとも６％の反射率を有する部分反射器である、請求項１に記載のチューナブルＬＣデバイス。
前記部分反射器の反射率が、前記完全反射器の反射率から前記完全反射器と前記部分反射器とによって形成された光キャビティにおける往復吸収損失を引いた値より小さい、請求項７に記載のチューナブルＬＣデバイス。
前記部分反射器が、
分布ブラッグ反射器、または、
高コントラストサブ波長格子、または、
誘電体サブ波長構造体または金属サブ波長構造体のうちの少なくとも１つを含むメタサーフェスを含む、請求項７に記載のチューナブルＬＣデバイス。
前記第１の電極層が導電層区分の配列を含み、導電層区分の配列のうちの少なくとも一部の導電層区分が、電気信号の印加により独立して通電可能である、請求項７に記載のチューナブルＬＣデバイス。
導電層区分の前記配列が、２マイクロメートル以下のピッチを有するか、または可視光の少なくとも５０％の透過率を有する導電性酸化物を含む、請求項１０に記載のチューナブルＬＣデバイス。
導電層区分の前記配列のうちの少なくとも一部の導電層区分が反射性である、請求項１０に記載のチューナブルＬＣデバイス。
前記完全反射器が前記第１の基板によって支持された反射層をさらに含み、導電層区分の前記配列の各導電層区分が前記反射層によって支持され、任意により、前記反射層が、分布ブラッグ反射器、サブ波長格子、または誘電サブ波長構造体もしくは金属サブ波長構造体のうちの少なくとも一方を含むメタサーフェスのうちの少なくとも１つを含む、請求項１０に記載のチューナブルＬＣデバイス。
請求項１に記載のＬＣデバイスを含む構成可能ホログラム。
請求項１０に記載のＬＣデバイスと、
前記ＬＣデバイスに光ビームを供給するために前記ＬＣデバイスに結合された光源とを含むシステムであって、前記ＬＣデバイスが、導電層区分の前記配列のうちの導電層区分に電気信号を印加することによって前記光ビームの位相または振幅のうちの少なくとも一方を空間変調するように構成され、任意により前記システムが、前記ＬＣデバイスの下流に配置され、画像を形成するために空間変調された前記光ビームの方向を変えるように構成された光学系ブロックをさらに含む、システム。