JP5651753B2 - 液晶偏光格子を基板上に作る方法及び関連する装置 - Google Patents

Description

本願は、２００７年４月１６日に出願された「Methods Of Fabricating Switchable Liquid Crystal Polarization Gratings On Reflective Substrates And Related Devices」という表題の米国仮特許出願第６０／９１２，０３６号の優先権を主張するものであり、その開示内容は、引用することにより本明細書の一部をなすものとする。

本発明は偏光格子（polarization grating）に関し、具体的には、液晶偏光格子（liquid crystal polarization grating）の製造及び関連する装置に関する。

液晶は、分子の配列（arrangement）が規則的な流動体（liquid）の状態をとる。典型的には、液晶（ＬＣ）分子は異方性を有しており、細長い（ロッド状の）形状又は平らな（円盤状の）形状である。異方性を有する分子の配列が規則的であるために、バルク液晶（bulk LC）は、たいてい、機械的性質、電気的性質、磁気的性質、光学的性質のいずれか又は任意の組み合わせについての異方性といった、物理的性質についての異方性を有する。

ロッド状又は円盤状であることにより、液晶分子の配向（orientation）の分布は、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）などの光学的な用途において、重要な役割を果たす。これらの用途において、液晶の配向（alignment）は、配向表面（alignment surface）の影響を受ける。液晶が予測可能かつ制御可能となるよう表面に対して配向されるように、配向表面は処理される。多くの場合、配向表面は、単一の領域が液晶デバイス全体に広がることを確実なものとする。配向表面が処理されていない場合には、液晶は、多くの領域及び／又は多くの配向不連続性を有することになる。光学的な用途において、これらの領域及び不連続性は、光を散乱させ、結果として、ディスプレイの性能が劣化することになる。

偏光格子は、位相又は振幅に影響を与える従来の格子とは異なり、通過する光の局所的な偏光状態に対して周期的に影響を与えるものである。例えば、スイッチング可能な液晶偏光格子（ＬＣＰＧ）を用いて、非偏光の光に作用する強度変調器を作ることができる。このような偏光格子は、透過性基板に対して比較的高いコントラストをもたらすように作られているが、反射性基板上に作ることが困難な場合がある。特に、スイッチング可能な偏光格子は、シリコン（Ｓｉ）基板、アルミニウム（Ａｌ）基板、金（Ａｕ）基板、及び／又はその他の反射性基板の上に作ることが困難な場合がある。なぜならば、（ディスプレイの動作に重要な）光配向層は、その光配向層をパターン化するのに用いられるホログラフィック紫外線（ＵＶ）ビームの反射性基板からの反射により、大きく害されるからである。例えば、互いに直交する２つの偏光ホログラフィックビームが反射性基板へ入射すると、強力な反射が生じ、２つの付加的なビームを反対方向に生じさせ、これらのビームは、基板表面と直交する方向において、干渉を引き起こし、これにより望ましくない光強度の変化がもたらされる。したがって、反射性基板の製造において、透過性基板のための公知の製造方法を用いると、製造されたディスプレイ装置の液晶配向が劣悪になり、したがって、コントラストが劣悪なものとなる。

本発明のある実施形態によれば、偏光格子を作る方法は、反射性基板の表面上に縮退プラナーアンカリング状態（degenerate planar anchoring condition）を作るステップと、縮退プラナーアンカリング状態を含む反射性基板の表面上に液晶層を形成するステップとを含む。例えば、ある実施形態では、配向層が基板上に形成され、次いで、この配向層に周期的な配向状態を作るためにパターン化され、一方で、縮退プラナーアンカリング状態が反射性基板上に作られる。この基板は、パターン化された配向層と反射性基板の表面との間にギャップを形成するように、反射性基板に隣接して組み合わされ、次いで、液晶層がギャップ内に形成される。特に、液晶層は、液晶層の分子がパターン化された配向層の周期的な配向状態に基づいて配向されるように、パターン化された配向層の上に直接的に位置するギャップ内に形成される。

ある実施形態では、上記基板は透過性基板であり、配向層は、光重合性ポリマーを含む光配向層である。光配向層は、透過性基板と反射性基板とを組み合わせる前に、透過性基板内にレーザビームを透過させ、光配向層に周期的な配向状態を作り出すために光配向層をパターン化することによりパターン化される。

他の実施形態では、縮退プラナーアンカリング状態は、反射性基板の表面に対して一定のチルト角を有する。例えば、この一定のチルト角は、縮退プラナーアンカリング状態が液晶層の分子の配向に実質的に影響を及ぼさないように、約５度未満である。

いくつかの実施形態では、配向層は、ホログラフィによってパターン化された重合性液晶マスク層を用いて、フォトリソグラフィによってパターン化される。例えば、重合性液晶層が形成され、次いで、ホログラフィックパターンを含むマスク層を形成するように、コヒーレント光を用いてホログラフィによりパターン化される。光配向層は、マスク層のホログラフィックパターンに基づいて光配向層に周期的な配向状態を作るために、マスク層を用いてフォトソグラフィによってパターン化される。

他の実施形態では、基板上に配向層を形成する前に、光吸収フィルムが基板上に形成される。光吸収フィルムは、ある波長帯内の光を吸収するものである。光配向層は、該波長帯内のコヒーレント光を用いて、光配向層に周期的な配向状態を作るためにパターン化される。

本発明の他の実施形態によれば、スイッチング可能な液晶偏光格子装置は、反射性基板と、反射性基板上の液晶層とを備えている。反射性基板は、その表面上に縮退プラナーアンカリング状態を含んでおり、液晶層は、縮退プラナーアンカリング状態を含む反射性基板の表面上に位置している。偏光格子装置は、透過性基板と、透過性基板上の配向層とをさらに備えている。配向層は、周期的な配向状態を含み、縮退プラナーアンカリング状態を含む反射性基板の表面と向かい合うように、液晶層の上に位置している。例えば、いくつかの実施形態では、液晶層は配向層上に直接的に位置し、液晶層の分子の配向が、配向層の周期的な配向状態に対応している。

いくつかの実施形態では、液晶層は、縮退プラナーアンカリング状態を含む反射性基板の表面の上に直接的に位置している。縮退プラナーアンカリング状態は、反射性基板の表面に対して一定のチルト角を有する。例えば、一定のチルト角は、縮退プラナーアンカリング状態が液晶層の分子の配向に実質的に影響を及ぼさないように、約５度未満である。

本発明のさらに他の実施形態によれば、スイッチング可能な液晶偏光格子を作る方法は、反射性基板上に光吸収フィルムを形成するステップを含む。光吸収フィルムは、特定の波長帯内の光、例えばホログラム記録ビームの光を吸収するものである。光配向層が、光吸収フィルム上に形成され、次いで、光吸収フィルムによって吸収される特定の波長帯内のコヒーレント光を用いて、光配向層に周期的な配向状態を作るためにパターン化される。液晶層の分子が光配向層の周期的な配向状態に基づいて配向されるように、パターン化された光配向層上に液晶層が形成される。

いくつかの実施形態では、第２の光配向層が透明基板上に形成され、次いで、透明基板が、第１の光配向層と第２の光配向層との間にギャップを形成するように、反射性基板に隣接して組み合わされる。このようにして、透明基板と反射性基板とを組み合わせた後に、第１の光配向層と第２の光配向層とは、レーザビームを用いて、第１の光配向層と第２の光配向層とにそれぞれの周期的な配向状態を作り出すようにパターン化されて、第１の光配向層と第２の光配向層のパターン化の後に液晶層がギャップ内に形成される。

他の実施形態では、液晶層の分子が第１の光配向層及び第２の光配向層のそれぞれの周期的な配向状態に基づいて配向されるように、第１の光配向層及び第２の光配向層の上に直接的に位置するギャップ内に液晶層が形成される。

いくつかの実施形態では、光吸収フィルムは、紫外線（ＵＶ）波長帯内の光を吸収する紫外線（ＵＶ）吸収フィルムであり、コヒーレント光は、該紫外線波長帯内の紫外線（ＵＶ）レーザビームである。このようにして、第１の光配向層及び第２の光配向層は、透明基板内に紫外線（ＵＶ）レーザビームを透過させて、第１の光配向層及び第２の光配向層にそれぞれの周期的な配向状態を作り出すように、第１の光配向層及び第２の光配向層を同時にパターン化することによって、パターン化される。

他の実施形態では、第１の光配向層と第２の光配向層との間のギャップは、偏光格子デバイスの動作可能な波長帯内の光の約半波長の位相遅延の厚さである。

本発明のさらに他の実施形態では、スイッチング可能な液晶偏光格子装置は、反射性基板と、反射性基板上の光吸収フィルムであって、ある波長帯内の光を吸収する光吸収フィルムと、光吸収フィルム上の光配向層であって、周期的な配向状態を含む光配向層と、光配向層上の液晶層とを備えている。液晶層の分子の配向は、光配向層の周期的な配向状態に対応している。この装置は、透明基板と、透明基板上の第２の光配向層であって、第２の周期的な配向状態を含む第２の光配向層とをさらに備えていてもよい。第２の光配向層は、第１の光配向層と向かい合うように液晶層の上に位置している。

いくつかの実施形態では、液晶層は、第１の光配向層及び第２の光配向層の上に直接的に位置しており、第１の周期的な配向状態及び第２の周期的な配向状態は、同一の周期的な配向状態である。液晶層の分子の配向は、第１の光配向層と第２の光配向層の同一の周期的な配向状態に対応している。

他の実施形態では、光吸収フィルムは、紫外線波長帯内の光を吸収する紫外線（ＵＶ）吸収フィルムである。また、第１の光配向層と第２の光配向層との間の距離は、偏光格子装置の動作可能な波長帯内の光の約半波長の位相遅延の厚さである。

本発明のさらに他の実施形態によれば、スイッチング可能な液晶偏光格子を作る方法は、ホログラフィックパターンを有するマスク層を作るステップと、基板上に光配向層を形成するステップと、ホログラフィックパターンに基づいて光配向層に周期的な配向状態を作るために、マスク層を用いて、光配向層をフォトリソグラフィによってパターン化するステップとを含む。液晶層が、光配向層上に形成され、次いで、光配向層の周期的な配向状態に基づいて配向される。

いくつかの実施形態では、マスク層は重合性液晶偏光格子である。マスク層は、重合性液晶層を形成し、コヒーレント光を用いて、ホログラフィックパターンを含むマスク層を形成するように、重合性液晶層をホログラフィによってパターン化することにより作られる。また、重合性液晶層をホログラフィによってパターン化する前に、キラルドーパントを重合性液晶層に添加することもできる。

他の実施形態では、光配向層は、ホログラフィックパターンを含むマスク層内に紫外線（ＵＶ）を透過させ、マスク層の空間的に変化する近接場の出力を光配向層に転移し、光配向層に周期的な配向状態を作ることによって、フォトリソグラフィによりパターン化される。ＵＶ光は弱コヒーレントであり、マスク層は、紫外線の波長帯の半波長の位相遅延をもたらすように決められた厚さである。

いくつかの実施形態では、基板は反射性基板である。このとき、本方法は、透過性基板上に第２の光配向層を形成するステップと、ホログラフィクパターンに基づいて第２の光配向層に周期的な配向状態を作り出すために、マスク層を用いて、第２の光配向層をフォトグラフィによってパターン化するステップとをさらに含む。透過性基板は、第１の光配向層と第２の光配向層との間にギャップを形成するように、反射性基板に隣接して組み合わされる。第１の光配向層と第２の光配向層との間のギャップは、紫外線の波長帯の約半波長の位相遅延の厚さである。液晶層の分子が第１の光配向層と第２の光配向層の周期的な配向状態に基づいて配向されるように、第１の光配向層及び第２の光配向層の上に直接的に位置するギャップ内に液晶層が形成される。

以下の図面及び詳細な説明によれば、他の実施形態による他の装置及び方法が、当業者にとって明らかになるだろう。このような付加的な方法及び装置の全ては、本明細書に含まれ、本発明の範囲に含まれ、添付の特許請求の範囲によって保護される。

図１Ａから図１Ｄは、偏光格子を反射性基板上に作る方法の一例及びそれにより作られた装置を示す断面図及び斜視図である。 縮退プラナーアンカリング状態を含む基板の透過率特性の一例を示すグラフである。 縮退プラナーアンカリング状態を含む基板の透過率特性の一例を示すグラフである。 縮退プラナーアンカリング状態を含む基板の透過率特性の一例を示すグラフである。 縮退プラナーアンカリング状態を含む基板の透過率特性の一例を示すグラフである。 図３Ａから図３Ｅは、偏光格子を反射性基板上に作る方法の別の実施例及びそれにより作られた装置を示す断面図である。 図４Ａから図４Ｃは、偏光格子を反射性基板上に作る方法のさらに別の実施例及びそれにより作られた装置を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態を示す添付図面を参照して、本発明を詳細に説明する。しかし、本発明は、多くの異なる形態で実施することもでき、ここで説明する実施形態に限定されるものではない。むしろ、これらの実施形態は、この開示が、十分かつ完全であって、本発明の技術的な範囲を当業者に十分に知らしめるためのものである。図面について、寸法及び層や領域の相対的な大きさは、明瞭にするために、誇張されている場合がある。全体を通して、同一の番号は、同一の要素を示すものとする。

「第１の（first）」、「第２の（second）」、「第３の（third）」などという用語を、種々の要素、構成部品、領域、層及び／又は区域を説明するために用いるが、これらの要素、構成部品、領域、層、及び／又は区域は、これらの用語に限定されるものではない。これらの用語は、１つの要素、構成部品、領域、層又は区域を他の領域、層、又は区域とは区別するために用いられるにすぎない。したがって、以下に述べる第１の要素、構成部品、領域、層、又は区域は、本発明の示唆から逸脱することなく、第２の要素、構成部品、領域、層、又は区域と呼ばれうるものである。

本明細書において、「〜の真下に(beneath)」、「〜の下方に（below）」、「〜の下側の（lower）」、「〜の下に（under）」、「〜の上方に（above）」、「〜の上側の（upper）」などの空間に関連する用語が、図面に示す１つの要素又は特徴部分と１つ又は複数の他の要素又は特徴部分との関係についての説明を容易にするために用いられる。空間に関連する用語は、図面に描かれている方位に加えて、使用時又は操作時における装置の別の方位も含むものである。例えば、図面における装置が反転した場合、他の要素又は特徴部分の「下方に」、「真下に」、又は「下に」あると説明されている要素は、他の要素又は特徴部分の「上方に」配向されることになる。したがって、「〜の下方に」又は「〜の下に」という例示的な用語は、上方の方位と下方の方位の両方を含んでいることになる。装置は、これ以外に配向されることもあり（すなわち、９０°又は他の方位に回転することもあり）、この場合には、本明細書において用いられている空間に関連する用語も、これに応じて解釈される。加えて、ある層が２つの層の「間」にあると説明されているとき、この層は、これらの２つの層の間の唯一の層である場合と、１つ又は複数の層が介在する場合とがあることも理解されたい。

ここに用いられている専門用語は、特定の実施形態を説明することのみを目的とし、本発明を限定するものではない。ここに用いられている単数形の「a」、「an」及び「the」は、文脈が明らかに別のことを示さない限り、複数形も含む。「〜を備える（comprise）」及び／又は「〜を備えている（comprising）」という用語は、本明細書において、説明されている特徴、完全体、工程、操作、要素、及び／又は構成部品の存在を特定することになるが、１つ又は複数の他の特徴、完全体、工程、操作、要素、構成部品、及び／又はそれらの群の存在又は追加を排除するものではない。ここに用いられている「及び／又は」という用語は、１つ又は複数の、関連して列挙されている項目のあらゆる組み合わせも含む。

ある要素又は層が、他の要素又は層の「上に位置している」又は他の要素又は層に「接続されている」、「結合されている」、又は「隣接している」と説明されているときは、他の要素又は層の上に直接位置するか又は他の要素又は層に直接接続、直接結合、又は直接隣接するようになっていてもよいし、又は介在する要素又は層が存在していてもよいことを理解されたい。対照的に、ある要素が、他の要素又は層の「上に直接位置している」又は他の要素又は層に「直接接続されている」、「直接結合されている」、又は「直接隣接している」と記述されているときは、介在する要素又は層が存在していないことになる。

ここでは、本発明の理想的な実施形態（及び中間的な構造）の概略図である断面図を参照して、本発明の実施形態を説明する。したがって、例えば、製造技術及び／又は許容誤差の結果として、図面の形状との違いが生じることが見込まれている。したがって、本発明の実施形態は、図示されている領域の特定の形状に限定されるものではなく、例えば、製造によって生じる形状の寸法誤差を含む。すなわち、図面に示されている領域は、本質的に概略図であり、それらの形状は、装置の領域の実際の形状を示すことを意図したものではないし、本発明の範囲を限定するものでもない。

特段の規定がない限り、ここに用いられている（技術用語及び科学用語を含む）全ての用語は、本発明が属する技術分野における当業者によって通常理解されるのと同じ意味を有している。また、一般的に用いられる辞書に定義されているような用語は、関連技術及び／又は本明細書の文脈における意味と一致している意味を有するものと解釈されるべきであり、ここに明示的に規定されていない限り、理想化された意味又は過度に形式的な意味に解釈されてはならないことをさらに理解されたい。

ここに用いられる「透過性」基板又は「透明」基板は、入射光の少なくとも一部を透過させるものであることは、当業者によって理解されるだろう。したがって、透明基板は、ある実施形態ではガラス基板である。対照的に、ここに記載されている「反射性」基板は、入射光の少なくとも一部を反射するものである。また、「重合性液晶」は、重合可能な比較的低分子量の液晶材料を示し、本明細書において「反応性メソゲン」と記載することもある。対照的に、「非反応性液晶」は、重合しない比較的低分子量の液晶材料を示す。

本明細書において、液晶（ＬＣ）材料及び配向層に関して、本発明の実施形態を説明する。ここで用いられる液晶は、ネマティック、キラルネマティック、スメクティック、強誘電性、及び／又はその他の相を有している。加えて、多数の光重合性ポリマーを配向層に用いることができる。光重合性に加えて、これらの材料は、液晶に対して不活性であることが好ましく、液晶デバイスの操作温度の範囲（例えば、約−５０度から約１００度の範囲）全体にわたって安定した配向をもたらす必要があり、かつここに記載される方法に適している必要がある。光重合性ポリマーの例として、ポリイミド（例えば、ＪＳＲ Ｍｉｃｒｏ社（カルフォニア州、サンバレー）が販売するＡＬ１２５４、Ｂｒｅｗｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ社（ミズリー州、ローラ）が販売するＮｉｓｓａｎ ＲＮ−１１９９）、ケイ皮酸エステル（例えば、Ｍ． Ｓｃｈａｄｔらによる「"Surface-Induced Parallel Alignment of Liquid Crystals by Linearly Polymerized Photopolymers," Jpn. J. Appl. Phys., Vol. 31 (1992), pp. 2155-2164」に記載のポリビニル４−メトキシ−ケイ皮酸エステル）が挙げられる。光重合性ポリマーの他の例としては、Ｖａｎｔｉｃｏ社（カルフォルニア州、ロスアンジェルス）が販売するＳｔａｒａｌｉｇｎ．ＴＭ．である。さらに他の例としては、カルコン−エポキシ材料（例えば、Ｄｏｎｇ Ｈｏｏｎ Ｃｈｏｉらによる"Photo-alignment of Low-molecular Mass Nematic Liquid Crystals on Photochemically Bifunctional Chalcone-epoxy Film by Irradiation of a Linearly Polarized UV," Bull. Korean Chem. Soc, Vol. 23, No. 4 587 (2002)に記載）、クマリン側鎖ポリイミド（例えば、Ｍ． Ｒｅｅらによる"Alignment behavior of liquid-crystals on thin films of photosensitive polymers -Effects of photoreactive group and UV-exposure," Synth. Met., Vol. 117(1-3), pp. 273-5 (2001)に記載（これらの材料によれば、液晶は、偏光の方向とほぼ直交して配向する））が挙げられる。また、液晶配向の方法のさらに他の例が、Ｃｒａｗｆｏｒｄらの米国特許第７，１９６，７５８号明細書に記載されている。さらに、ここに記載されているいくつかの構造は、スピンコーティング法と液晶材料とのバランスによる精緻な製造方法と関連している。本発明のいくつかの実施形態と共に用いられるさらなる他の構造及び／又は方法が、Ｅｓｃｕｔｉらの国際公開第２００６／０９２７５８号パンフレットに記載されており、その開示内容は、引用することにより本明細書の一部をなすものとする。

本発明の実施形態によれば、スイッチング可能な高品質の液晶偏光格子を反射性基板上に作る方法、及びそのようにして作られた装置が提供される。さらに具体的には、本発明の実施形態によれば、例えば、ＬＣＯＳ（Liquid Crystal on Silicon）を含むマイクロディスプレイ基板に用いられる反射性構造上に高コントラストスイッチを実現することを目的として、この偏光格子構造を得る方法を提供するものである。マイクロディスプレイに対して反射性基板を用いると、駆動電子機器の全てを反射性ピクセル構造の真下に埋設することができるため、高品質画像を生成する点で有利である。したがって、スイッチング可能な液晶格子を反射性基板上に作ることは、液晶格子をプロジェクションディスプレイとして広く活用する上で重要である。なぜならば、反射性基板上のスイッチング可能な液晶格子は、画像を高品質なものにするとともに、パッケージを物理的に小さなものにできるからである。

図１Ａ〜図１Ｄは、偏光格子を反射性基板上に作る方法の一例及びそのように作られた装置を示している。さらに具体的には、図１Ａ〜図１Ｄに示されているように、偏光格子セルを作るために、ハイブリッド配向技術を用いている。図１Ａを参照すると、配向層１１５が、光を透過する透過性基板１０５上に形成されている。透過性を有するかあるいは透明である基板１０５上の配向層１１５は、配向層１１５における周期的な配向状態１１６をもたらすようにパターン化されている。例えば、配向層１１５は、光重合性ポリマーを含む光配向層であり、周期的な配向状態１１６は、互いに直交する円偏光のＵＶレーザビーム１０１を用いて、基板１０５を通して光配向層１１５をパターン化することによって得られる。

図１Ｂに示しているように、縮退プラナー配向状態（degenerate planar alignment condition）又は縮退プラナーアンカリング状態（degenerate planar anchoring condition）１２０が、反射性基板１１０の表面１１９上に作られている。例えば、縮退プラナー配向状態１２０は、一定のチルト角及び任意のアジマス角を有している。縮退プラナー配向状態１２０は、単分子層、非晶質ポリマー層、清浄なシリコン酸化物、金属表面、及び／又は他の方法によって作ることができる。ある実施形態では、優先的な配向方向が生じないように、一定のチルト角は、実質的にはプラナー（ｐｌａｎａｒ、平面的）であり、すなわち、反射性基板１１０の表面に対して約５度未満である。しかし、縮退プラナーアンカリング界面に対して一定のチルト角のその他の値を用いることもできる。縮退プラナーアンカリングは、I. Dozov及びD. N. Stoenescuらによる「"Planar degenerated anchoring of liquid crystals obtained by surface memory passivation", Applied Physics Letters 77(25):4124-4126 (2000)」にさらに記載されており、その開示内容は、引用することにより本明細書の一部をなすものとする。

図１Ｃに示しているように、２つの基板１０５と１１０は、セルギャップ１２１を基板間にもたらすために、互いに密に離間して組み合わされ、次いで、液晶材料が充填され、これにより２つの基板の間に液晶層１２５が形成されている。図１Ｄに示しているように、光配向層１１５の周期的配向状態１１６により、液晶層１２５の分子が誘起されて、光配向層１１５の周期的配向状態１１６に基づいて配向する。しかし、縮退プラナー配向状態１２０は、液晶層１２５の分子の配向に実質的に影響を及ぼすことはない。セルギャップ１２１は、反射性基板上に良好な液晶配向をもたらすために、比較的小さいこと（約１〜３マイクロメートル）が好ましい。したがって、反射性基板１１０をホログラフィによってパターン化することなく（つまり、反射性基板１１０上にホログラムを露光することなく）、偏光格子を作ることができ、これにより、反射性基板１１０からのホログラフィックビームの反射による光配向層１１５の機能の低下を低減あるいは抑止することができる。したがって、液晶ダイレクタが面外に存在し得る偏光格子が、反射性基板上に作られる。加えて、偏光格子を作るためのこのような方法を用いて、わずかな変更を加えるだけで、パターン化された透明構造と標準的なシリコン基板（例えば、ＬＣＯＳディスプレイ用のシリコン基板）とを組み合わせることができる。

図２Ａ〜図２Ｄは、縮退プラナーアンカリング状態を含む基板の透過率特性の例を示している。具体的には、図２Ａ〜図２Ｄは、本発明の実施形態による５つの異なる縮退プラナー液晶偏光格子（ＬＣＰＧ）のサンプルである０５０９２１Ａ、０５０９２１Ｂ、０５０９２１Ｃ、０５０９２１Ｅ、０５０９２１Ｆの透過率の特性を示している。例えば、図２Ａは、０５０９２１Ｃ、０５０９２１Ｅ、０５０９２１Ｆについての透過率と電圧特性との関係を示している。０５０９２１Ｃは、縮退プラナーアンカリング状態を含む酸化インジウムスズ（indium-tin-oxide：ＩＴＯ）被覆ガラス基板と、配向層として線状光重合性ポリマー（linearly photopolymerised polymer：ＬＰＰ）を含むＩＴＯ被覆ガラス基板との間に液晶層が設けられた構造である。０５０９２１Ｅは、縮退プラナーアンカリング状態を含むＩＴＯ被覆ガラス基板とＬＰＰ／ＩＴＯ被覆ガラス基板との間に液晶を有し、ＩＴＯガラスがメタノールによって洗浄されている同様の構造である。０５０９２１Ｆは、ＬＰＰ／ＩＴＯ被覆ガラス基板と、縮退プラナーアンカリング状態を有する（３−グリシジル−オキシプロピル）トリメトキシシラン（３ＧＰＳ）／ＩＴＯ被覆ガラス基板との間に液晶を有する構造である。図２Ｂは、０５０９２１Ａと０５０９２１Ｂについての透過率と波長特性との関係を示している。０５０９２１Ａと０５０９２１Ｂは、縮退プラナーアンカリング状態を有する露出したガラス基板と、ＬＰＰ／ＩＴＯ被覆ガラス基板との間に液晶層を備えている。図２Ｃは、０５０９２１Ｃと０５０９２１Ｅについての透過率と波長特性との関係を示している。図２Ｄは、０５０９２１Ｆの透過率と波長特性との関係を示している。

図３Ａ〜図３Ｅは、偏光格子を反射性基板上に作る方法の別の実施例及びそのようにして作られた装置を示している。図３Ａに示しているように、紫外線（ＵＶ）吸収薄膜３２０が反射性基板３１０上に形成されている。ＵＶ吸収薄膜３２０は、可視光を透過するものの、ＵＶ波長帯、例えば約３８０ｎｍ未満の光を吸収する。図３Ｂに示しているように、光配向層３１５ｂがＵＶ吸収膜上に形成されている。また、光配向層３１５ａが、透過性基板又は透明基板３０５上に形成されている。図３Ｃに示しているように、反射性基板３１０及び透明基板３０５は、これらの基板間にセルギャップ３２１が存在するように、互いに密接に離間して組み合わされる。セルギャップ３２１は、実質的に均一であることが好ましく、偏光格子の波長帯内の光の約半波長の位相遅延（retardation）の厚み、例えば約２マイクロメートルが好ましい。換言すると、セルギャップ３２１は、偏光格子に用いられる光の半波長の位相遅延をもたらすように構成されていることが好ましい。透明基板３０５と反射性基板３１０とを組み合わせた後、光配向層３１５ａと３１５ｂは、図３Ｄに示しているように、光配向層３１５ａと３１５ｂにそれぞれの周期的配向状態３１６ａと３１６ｂを得るためにパターン化される。例えば、光配向層３１５ａと３１５ｂは、ＵＶレーザビーム３０１を用いて露光される。ある実施形態では、光配向層３１５ａと３１５ｂは、これらの光配向層３１５ａと３１５ｂのいずれもが同一の周期的配向状態を有するものとなるようにパターン化される。したがって、反射性基板３１０上のＵＶ吸収薄膜３２０によって、ホログラム記録ビームの反射性基板３１０からの反射を低減あるいは除去し、その結果として光配向層３１５ａ及び／又は３１５ｂへの有害な影響を低減あるいは回避することができる。パターン化の後に、図３Ｅに示しているように、反射性基板３１０と透明基板３０５との間のギャップ３２１は、液晶材料によって充填され、これらの基板の間に液晶層３２５が形成される。液晶層３２５の分子は、光配向層３１５ａと３１５ｂの配向状態３１６ａと３１６ｂに基づいて配向され、これにより、良好に配向されたプラナー偏光格子が得られる。したがって、本発明の実施形態によれば、所望の液晶構造を得るための変更を最小限にとどめて、従来の製造プロセスに容易に組み込むことができる。

図４Ａ〜図４Ｃは、偏光格子を反射性基板上に作る方法のさらに別の実施例及びそのように作られた装置を示している。具体的には、図４Ａ〜図４Ｃは、「マスク転写」の技術を示している。マスク転写は、ホログラフィクパターンを異方性を有する「マスク」に記録し、次いで、この異方性を有する「マスク」をインコヒーレント光（非干渉性光）とともに用いて、反射性基板を直接パターン化する技術である。図４Ａは、本明細書では反応性メソゲン（reactive mesogen：ＲＭ）格子とも呼ばれる重合性液晶偏光格子４３０を示している。重合性液晶格子４３０は、当技術分野において知られているように、単一ガラス基板の技術を用いて作られる。ポリマー偏光格子４３０は、選択されたＵＶ波長の半波長の位相遅延を有している。例えば、ある実施形態では、ポリマー偏光格子４３０は、透明であるとともに複屈折性を有している。しかし、他の実施形態では、ポリマー偏光格子４３０は、部分的な吸収性及び二色性を有している。このようなポリマー偏光格子４３０は、基板上の光配向層をパターン化するための異方性を有する「マスク」として用いられる。いくつかの実施形態では、このマスクは、キラルドーパントとともに形成される。このようなキラルドーパントは、Ｅｓｃｕｔｉらの国際公開第２００６／０９２７５８号パンフレットに記載されており、その開示内容は、引用することにより本明細書の一部をなすものとする。

さらに具体的には、図４Ｂに示しているように、ポリマー偏光格子４３０は、光配向層４１５ｂを有する対象の基板４１０に近接して配置され、ＵＶ光４０１によって照射される。ＵＶ光４０１は、いかなる反射光の強度も低減させ、及び／又は最小限にするために、非偏光であることが好ましく、及び／又は弱コヒーレントであることが好ましい。このようにして、「マスク」の空間的に変化する近接場の出力が、フォトリソグラフィ技術を用いて、対象となる基板４１０上の光配向層４１５ｂに直接的に転移されて、光配向層４１５ｂに対して周期的配向状態４１６を作り出すこととなる。図４Ｂでは反射性基板として示されているが、対象となる基板４１０は、透明基板あるいは透過性基板であってもよい。したがって、図４Ｂの手順は、光配向層４１５ａを有する透明基板４０５に対して、同様に実施することができる。図４Ｃに示しているように、これらの透明基板４０５と反射性基板４１０は組み合わされて、これらの基板間のギャップ４２１内に液晶材料４２５が充填されている。前述したように、液晶層４２５の分子は、光配向層４１５ａ及び／又は４１５ｂの配向状態に基づいて配向され、これにより、良好に配向したプラナー偏光格子が得られる。したがって、対象となる基板にホログラフィを用いることを回避する方法により、所望の液晶構造が得られる。むしろ、ホログラフィは、異方性マスクを作るために用いられ、次いで、このマスクを用いて、対象となる基板をフォトリソグラフィによってパターン化する。このように、本発明のいくつかの実施形態によれば、より大きいシリコンウエハ寸法から、より迅速かつより容易に、より高い歩留まりが得られる。

このように、本発明のいくつかの実施形態によれば、非偏光を変調するための液晶モジュレータを反射性基板上に作ることができる。したがって、本発明のいくつかの実施形態は、携帯用のプロジェクションディスプレイ、消費者向けテレビ、リアルタイムホログラフィ、及び／又は空間光変調器が用いられる他の装置にとって特に有利である。

以上の説明は、本発明の単なる例示にすぎず、本発明を限定するものではない。本発明のいくつかの実施形態を例示的に説明したが、当業者であれば、本発明の新規の示唆及び利点から実質的に逸脱することなく、例示的な実施形態に多くの修正を施すことが可能であることを容易に理解されたい。例えば、図示されていないが、ここに記載されている基板は、例えば、基板上の透明な酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）被覆によってもたらされる１つ以上の電極を基板の表面に有していてもよい。したがって、このような修正の全てが、本発明の範囲内に含まれる。したがって、以上の説明は、本発明の単なる例示にすぎず、開示されている特定の実施形態に限定されるものではないことと、開示されている実施形態の修正及び他の実施形態は、本発明の範囲内に含まれることとを理解されたい。

Claims (27)

1. ホログラフィックパターンを有する複屈折性マスクを用いてフォトリソグラフィによりある配向表面をパターン化して、前記ホログラフィックパターンに基づき前記配向表面に配向状態を作り出すステップと、
   前記配向表面にある層を形成し、該層の局所的な光軸の方向が前記配向表面の配向状態により定められるようにするステップと
   を含む、光学素子を製造する方法。
2. 前記ホログラフィックパターンが空間的に変化する光軸を有するものである、請求項１に記載の方法。
3. 前記フォトリソグラフィによる前記配向表面のパターン化が、完全なコヒーレントではない光を前記マスクに透過させて、前記マスクのホログラフィックパターンに基づいて前記配向表面の配向状態を作り出すことを含むものである、請求項２に記載の方法。
4. 前記光が、部分的にコヒーレントであることと、部分的に偏光であることとのいずれか又は両方である、請求項３に記載の方法。
5. 前記光が、インコヒーレントであることと、非偏光であることとのいずれか又は両方である、請求項３に記載の方法。
6. 前記マスクが前記光の波長帯につき半波長の位相遅延をもたらすものである、請求項３に記載の方法。
7. 前記配向状態が前記配向表面に沿って空間的に変化するものである、請求項２に記載の方法。
8. 前記配向状態が周期的である、請求項７に記載の方法。
9. 前記配向表面が、光重合性ポリマーを含んだ光配向層を有するものである、請求項１に記載の方法。
10. 前記フォトリソグラフィによる前記配向表面のパターン化が、前記ホログラフィックパターンを有する前記マスクに、部分的にコヒーレント又はインコヒーレントである紫外線光を透過させ、前記マスクの空間的に変化する近接場の出力を前記光配向層に転移させて、前記光配向層に配向状態を作り出すことを含むものである、請求項９に記載の方法。
11. コヒーレント光を用いてホログラフィにより配向層をパターン化して、パターンを定めるステップと、
    前記配向層に複屈折性層を形成し、該複屈折性層の局所的な光軸の方向が前記パターンにより定められて、複屈折性マスクがホログラフィックパターンを有するものとなるようにするステップと
    をさらに含む請求項１に記載の方法。
12. 前記複屈折性層が液晶層を含むものである、請求項１１に記載の方法。
13. 前記液晶層が重合可能であり、該液晶層を重合させて前記複屈折性マスクがホログラフィックパターンを有するものとなるようにするステップをさらに含む請求項１２に記載の方法。
14. 前記液晶層を重合させる前に該液晶層にキラルドーパントを添加するステップをさらに含む請求項１３に記載の方法。
15. 前記層が液晶層を含むものである、請求項１に記載の方法。
16. 前記液晶層が非反応性を有する、請求項１５に記載の方法。
17. 前記フォトリソグラフィによる前記配向表面のパターン化の前に、該配向表面を実質的に透明な基板に形成するステップをさらに含む請求項１に記載の方法。
18. 前記フォトリソグラフィによる前記配向表面のパターン化の前に、該配向表面を反射性基板に形成するステップをさらに含む請求項１に記載の方法。
19. 前記配向表面が第１の配向表面であり、
    透過性基板に第２の配向表面を形成するステップと、
    前記複屈折性マスクを用いて前記第２の配向表面をフォトリソグラフィによりパターン化して、前記ホログラフィクパターンに基づいて前記第２の配向表面に配向状態を作り出すステップと、
    前記反射性基板を前記透過性基板に隣接させて組み合わせ、前記第１の配向表面と前記第２の配向表面との間のギャップを形成するステップであって、前記層の形成が、前記液晶層の分子が前記第１の配向表面及び前記第２の配向表面の配向状態に基づいて配向されるように、前記第１の配向表面及び前記第２の配向表面の上に直接的に位置する前記ギャップに液晶層を形成することを含むものである、ステップと
    をさらに含む請求項１８に記載の方法。
20. 前記第１の配向表面と前記第２の配向表面との間のギャップが、紫外線の波長帯内の光の約半波長の位相遅延の厚みである、請求項１９に記載の方法。
21. ホログラフィックパターンを有する複屈折性マスクを作るステップと、
    基板の上に光配向層を形成するステップと、
    完全なコヒーレントではない光を前記複屈折性マスクに透過させ、該マスクのホログラフィックパターンにより前記光配向層に配向状態を作り出すステップと、
    前記光配向層に液晶層を形成し、該液晶層の分子が前記光配向層の配向状態に基づいて配向されるようにするステップと
    を含む、光学素子を製造する方法。
22. 前記ホログラフィックパターンが空間的に変化する光の出力をもたらすものである、請求項２１に記載の方法。
23. 前記配向状態が前記配向表面に沿って空間的に変化するものである、請求項２２に記載の方法。
24. 前記配向状態が周期的である、請求項２２に記載の方法。
25. 前記光が、高々、部分的にコヒーレントであることと、部分的に偏光であることとのいずれか又は両方である、請求項２１に記載の方法。
26. 前記光を前記マスクに透過させることが、部分的にコヒーレント又はインコヒーレントである紫外線光を前記マスクに透過させ、前記マスクの空間的に変化する近接場の出力を前記光配向層に転移させて、前記光配向層に配向状態を作り出すことを含むものである、請求項２５に記載の方法。
27. 前記複屈折性マスクを作るステップが、
    コヒーレント光を用いてホログラフィにより配向層をパターン化して、前記ホログラフィックパターンを定めるステップと、
    前記配向層に重合性液晶層を形成し、該重合性液晶層の分子が前記ホログラフィックパターンにより配向されるようにするステップと、
    前記重合性液晶層を重合させて、前記複屈折性マスクが前記ホログラフィックパターンを有するものとなるようにするステップと
    を含むものである、請求項２１に記載の方法。

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