KR102629131B1 - 개선된 광학 요소 - Google Patents
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Abstract
각각 개별적인 보통 굴절률 및 이상 굴절률을 갖는 복굴절성 제 1 광학 요소 및 복굴절성 제 2 광학 요소를 포함하는, 투과되는 광 파면을 변조하기 위한 전기적으로 스위칭 가능한 광학 변조기. 복굴절성 액정 물질이 제 1 광학 요소와 제 2 광학 요소 사이에 끼워진다. 액정 물질의 이상 굴절률은 제 1 값을 갖는 제 1 상태와 제 1 값과는 상이한 제 2 값을 갖는 제 2 상태 사이에서 전기적으로 스위칭 가능하다. 제 1 값 및 제 2 값중 하나 또는 둘 모두는 선형 편광의 제 1 방향으로 편광된 광과 관련하여 제 1 광학 요소의 이상 굴절률과 매치되지 않으며, 제 1 방향에 직교하는 선형 편광의 제 2 방향으로 편광된 광과 관련하여 제 2 광학 요소의 이상 굴절률에 매치되지 않는다. 이는 상기 파면을 변조하기 위해 이상 굴절률에서의 상대적인 콘트라스트가 액정 물질과 제 1 광학 요소 사이 및 액정 물질과 제 2 광학 요소 사이에서 스위칭 가능해지도록 한다.
Description
본 발명은 회절 및/또는 굴절 광학 요소 또는 구성요소와 같은 광학 요소 또는 구성요소에 관한 것이다. 본 발명은 회절 및/또는 굴절 광학 효과에서 전기적으로 스위칭 가능한 광학 요소 또는 구성요소에 관한 것이다. 본 발명은 전기적으로 스위칭 가능한 액정 물질을 포함하는 광학 요소 또는 구성요소에 관한 것이다.
렌즈, 광학 빔 조향 장치 및 회절 격자 또는 홀로그램과 같은 편광 독립적인 스위칭 가능한 광학 변조기 장치를 제공할 필요가 있다. 이들은 스마트폰, 의료 영상 및 광전지 분야의 용도에 매우 바람직한 구성요소가 될 것이다. 원하는 속성은 빠른 스위칭, 편광 독립성, 낮은 전력 소비 및 낮은 비용으로 확장가능한 생산 잠재력이다. 편광 독립성을 통해 광학 변조기는 편광되지 않은 모든 광 내에서 2개의 직교 편광 성분의 고유한 존재에 둔감한 편광되지 않은 광에 원하는 광학 변조를 적용할 수 있다. 즉, 편광되지 않은 광은 선형 편광의 2개의 동일한 성분으로 분해될 수 있으며, 한 성분은 다른 성분과 직교하는 방향으로 편광되거나 원형 또는 타원형 편광인 경우 반대 방향으로 편광된다.
광학 변조기에서 편광 독립성을 제공하기 위한 기존의 접근 방식은 편광되지 않은 광을 2개의 편광된 성분으로 물리적으로 분리한 다음 두 처리된 성분을 다시 함께 반환하기 전에 각 성분을 별도로 처리하는 것을 포함한다. 이러한 방법은 종종 병렬로 배열된 2개의 광학 처리 트레인/장치, 즉 편광되지 않은 광의 두 직교 편광 상태중 각각의 개별적인 한 상태에 대해 하나의 광학 트레인/장치를 사용하는 시스템을 이용한다. 이러한 정렬 배열은 3d 디스플레이 및 프로젝터에서 흔히 발견되는데, 이에 의해 광 빔의 두 직교 편광 성분은 편광 빔-스플리터(PBS)를 사용하여 분할되고, 다시 함께 모이기(예: 화면에서) 전에 각각의 편광 상태에 적절한 병렬 광학 처리를 위해 서로 나란히 배열된 별도의 광학 처리 장치로 향한다.
다르게는, 각각의 직교 편광에서 작동하는 2개의 개별 광학 구성요소가 직렬로 배열될 수 있다. 이들은 함께 장착되고 굴절률 매칭 유체 또는 접착제를 사용하여 연결될 수 있다. 그러나, 이와 같은 배열은 2개의 개별 광학 구성요소 사이에서와 같이 시차 문제가 있으며, 이러한 문제는 렌즈 시스템에서 피하는 것이 특히 중요하다. 이러한 배열은 빔 조향 장치 등과 같은 일부 용도에 적합하지 않다. 이러한 시차 문제를 완화하기 위해 다른 광학 요소가 직렬로 필요한 경우 이는 곧 비실용적인 배열이 될 수 있다.
광학 요소의 병렬 또는 직렬 배열 여부에 관계없이 이러한 배열은 비싸고 복잡하며 상대적으로 부피가 크다. 편광되지 않은 광의 두 직교 편광 상태 각각에 대해 광학 처리를 중복 수행하기 위해 구성요소를 중복시켜야 한다. 본 발명은 대안을 제공한다.
제 1 양태에서, 본 발명은 각각 개별적인 정상 굴절률 및 이상 굴절률을 갖는 복굴절성 제 1 광학 요소 및 복굴절성 제 2 광학 요소; 상기 제 1 광학 요소와 제 2 광학 요소 사이에 끼워진 복굴절성 액정 물질을 포함하는, 그를 통해 투과되는 광 파면을 변조하기 위한 전기적으로 스위칭 가능한 광학 변조기를 제공할 수 있으며, 이 때 상기 액정 물질의 이상 굴절률은 제 1 값을 갖는 제 1 상태와 제 1 값과는 상이한 제 2 값을 갖는 제 2 상태 사이에서 전기적으로 스위칭될 수 있다. 제 1 값 및 제 2 값 중 하나 또는 둘 모두는 선형 편광의 제 1 방향으로 편광된 광과 관련하여 제 1 광학 요소의 이상 굴절률과 매치되지 않으며, 제 1 방향에 직교하는 선형 편광의 제 2 방향으로 편광된 광과 관련하여 제 2 광학 요소의 이상 굴절률과 매치되지 않음으로써, 상기 파면을 변조하기 위하여 이상 굴절률에서의 상대적인 콘트라스트가 액정 물질과 제 1 광학 요소 사이 및 액정 물질과 제 2 광학 요소 사이에서와 같이 스위칭 가능하게 한다. 액정 물질의 이상 굴절률의 제 1 값 및 제 2 값은 각각의 평균 값이거나, 액정 물질 전체 덩어리의 벌크 값일 수 있다.
이러한 방식으로, 광 전파 방향으로 광학 요소 사이에 끼워진 액정의 복굴절성분을 제어함으로써, 두 광학 요소 중 제 1 광학 요소가 광의 한 편광 성분/상태에 대해 광학 변조 기능을 획득하게 할 수 있고, 동시에 두 광학 요소 중 제 2 광학 요소가 광의 다른(횡방향) 편광 성분/상태에 대해 광학 변조 기능을 획득하게 할 수 있다. 광학 변조 기능에는 다음과 같은 것들이 포함되지만 이들로 국한되지는 않는다: 렌징(lensing); 초점 맞추기; 초점 흐리기(defocussing); 굴절, 회절; 빔 조향. 바람직하게는, 제 1 광학 요소의 광학 변조 기능, 효과 또는 작용은 제 2 광학 요소의 변조 기능, 효과 또는 작용과 실질적으로 동일하다(예를 들어, 둘 다 렌즈, 프리즘 또는 회절 격자로서 작용하는데, 이들은 광의 초점을 맞추거나 광의 각각의 편광 성분을 실질적으로 동일한 방식으로 회절시키도록 개별적인 파면을 변조함, 결과는 실질적으로 동일함). 결과적으로, 광학 변조기는 그에 입사되는 광의 편광 상태와 실질적으로 독립적인 순 작용 또는 효과를 갖는 스위칭 가능한 광학 변조기를 제공할 수 있다. 본 발명은 두 편광이 단일 장치에 의해 작동되도록 함으로써 종래 기술의 직렬 광학 배열에 의해 겪는 시차 문제를 실질적으로 피하거나 완화시킨다.
모든 액정 광학 장치와 마찬가지로, 본 발명의 광학 변조기는 2개의 표면을 포함하고, 한 표면이 하나의 광학 편광 상태에 작용하고 다른 하나가 직교 광학 편광 상태에 작용하도록 배열된다.
바람직하게는, 액정 물질에는 다색성 염료가 포함될 수 있다. 액정 물질은 특정 파장 범위에 대해 하나의 편광을 다른 것보다 더 많이 흡수하는 요소를 포함할 수 있다. 그러한 경우에, 광학 변조는 의도적으로 파장 의존적이 되어질 수 있어서, 하나의 파장 대역은 필요에 따라 변조되고 다른 파장 대역은 광학 변조를 거치지 않거나 상이한 광학 변조를 거치게 된다.
바람직하게는, 제 1 값은 제 1 광학 요소 및 제 2 광학 요소 둘 다의 개별적인 이상 굴절률에 매치된다. 따라서, 광학 변조기는 액정 물질과 그 주변의 광학 요소 사이에 유효 굴절률 콘트라스트가 실질적으로 존재하지 않기 때문에 입사광에 대한 유효 변조 영향이 실질적으로 없는 상태(예컨대, 제 1 상태)와 그러한 콘트라스트가 존재하는 상태(예컨대, 제 2 상태) 사이에서 스위칭될 수 있다. 제 1 값과 제 2 값 중 어느 것도 제 1 광학 요소 및 제 2 광학 요소의 개별적인 이상 굴절률과 매치되지 않는 경우, 광학 변조기는 액정과 두 광학 요소 사이에서와 같이 이상 굴절률에서 상이한 개별 콘트라스트를 유도하는 상태 사이에서 스위칭되도록 작동할 수 있다. 바람직하게는, 액정 물질의 정상 굴절률은 제 1 광학 요소 및 제 2 광학 요소 둘 다의 개별적인 정상 굴절률과 매치된다. 물질의 굴절률 값이 일반적으로 파장에 의존적이라는 것(즉, 광학 물질은 분산을 나타낸다는 것)을 알아야 하며, 당업자에게는 쉽게 자명할 것이다. 여기까지에서, 굴절률이 "매치된다" 또는 "매치되지 않는다"는 것이 본원에 언급되는 경우 이는 파장 또는 전자기선이 적어도 광학 변조기의 작동 스펙트럼/대역 내에 있을 때 발생하는 상태를 지칭할 수 있다. 바람직하게는, 논의되는 두 값이 서로 소수점 둘째 자리 이내로 일치하는(즉, 다르지 않은) 경우 하나의 굴절률 값이 다른 굴절률 값에 "매치"되는 것으로 간주될 수 있다. 예를 들어, 제 1 굴절률 값은 소수 값 a.bcd(여기에서, a, b, c 및 d는 각각 정수 값임)일 수 있고, 제 2 굴절률 값은 소수 값 α.βγδ(여기에서, α, β, γ 및 δ는 각각 정수임)일 수 있다. 이 두 굴절률 값은 a=α, b=β, c=γ이고 d가 δ와 같을 필요가 없을(그러나, 같을 수도 있음) 때, 소수점 둘째 자리 내에서 "매치되는" 것으로 간주될 수 있다. 이는 복굴절성 물질의 경우 이상 굴절률 n e 및/또는 정상 굴절률 n o 중 하나 또는 둘 다에 적용될 수 있다. 보다 바람직하게는, 논의되는 두 값이 +/- 0.005 이내로 일치하는(즉, 그보다 많이 상이하지 않음) 경우, 하나의 굴절률 값이 다른 하나의 굴절률 값에 "매치되는" 것으로 간주될 수 있다. 더욱 더 바람직하게는, 논의되는 두 값이 소수점 셋째 자리 내에서 일치하는 경우 하나의 굴절률 값이 다른 하나의 굴절률 값에 "매치되는" 것으로 간주될 수 있다. 그러나, 본 발명자들은 굴절률이 덜 근접하게 매치될 때 만족스러운 작동이 달성될 수 있음을 발견하였다.
제 2 상태에서, 액정 물질의 이상 굴절률은 선형 편광의 제 1 방향으로 편광된 광과 관련하여 제 1 광학 요소의 이상 굴절률과 상이할 수 있다. 제 2 상태에서, 액정 물질의 이상 굴절률은 제 1 방향에 직교하는 선형 편광의 제 2 방향으로 편광된 광과 관련하여 제 2 광학 요소의 이상 굴절률과 상이할 수 있다.
제 1 상태에서, 액정 물질의 이상 굴절률은 선형 편광의 제 1 방향으로 편광된 광과 관련하여 제 1 광학 요소의 이상 굴절률과 상이할 수 있거나 또는 실질적으로 동일할 수 있다(예컨대, '매치될' 수 있다). 제 1 상태에서, 액정 물질의 이상 굴절률은 제 1 방향에 직교하는 선형 편광의 제 2 방향으로 편광된 광과 관련하여 제 2 광학 요소의 이상 굴절률과 상이할 수 있거나 또는 실질적으로 동일할 수 있다(예를 들어, '매치될' 수 있다).
그 결과, 광학 변조기는 상기 파면을 변조하기 위하여 이상 굴절률에서의 상대적인 콘트라스트가 액정 물질과 제 1 광학 요소 사이 및 액정 물질과 제 2 광학 요소 사이에서 스위칭 가능하게 한다(또는 하나의 콘트라스트에서 다른 하나의 상이한 콘트라스트로 변화하게 한다).
액정 물질의 이상 굴절률은 그가 제 1 광학 요소 및 제 2 광학 요소 둘 다의 개별적인 이상 굴절률에 매치되는 제 1 상태와 제 2 상태 사이에서 전기적으로 스위칭될 수 있다. 제 2 상태에서, 액정 물질의 이상 굴절률은 선형 편광의 제 1 방향으로 편광된 광과 관련하여 제 1 광학 요소의 이상 굴절률과 매치되지 않을 수 있다. 이는 또한 제 1 방향에 직교하는 선형 편광의 제 2 방향으로 편광된 광과 관련하여 제 2 광학 요소의 이상 굴절률과 매치되지 않을 수 있다.
바람직하게는, 액정 물질의 정상 굴절률은 제 1 광학 요소 및 제 2 광학 요소 둘 다의 개별적인 정상 굴절률에 매치된다.
바람직하게는, 제 1 광학 요소 및 제 2 광학 요소는 복굴절성 중합체 물질(예컨대, 반응성 메소겐 물질을 사용하여 형성됨)로부터 형성되고, 각각 개별적인 방향자를 한정할 수 있는데, 여기에서 제 1 광학 요소의 방향자는 제 2 광학 요소의 방향자를 가로지른다.
바람직하게는, 액정 물질은 네마틱 액정 물질이고, 이에 의해 상기 제 1 상태에서 액정 물질의 광축은 제 1 광학 요소의 방향자에 실질적으로 평행하게 정렬되고, 제 2 광학 요소의 방향자에 실질적으로 평행하게 정렬된다. 바람직하게는, 제 1 광학 요소 및 제 2 광학 요소는 광학 요소 사이의 네마틱 액정 내에서 90 ° 꼬인 형태를 한정하도록 서로에 대해 배열된다.
긴 피치의 콜레스테릭을 네마틱에 첨가하여 피치가 액정 덩어리의 두께(즉, 광학 요소 사이의 거리, 셀 간격)보다 몇 배 더 크도록 할 수 있지만, 기울어짐과 꼬임의 방향은 원치 않는 산란 결함 없이 두 상태 모두에 대해 실질적으로 유지된다.
바람직하게는, 제 1 광학 요소 및 제 2 광학 요소는 각각 복굴절성 중합체 물질(예를 들어, 반응성 메소겐 물질을 사용하여 형성됨)을 포함한다. 제 1 광학 요소 및 제 2 광학 요소는 복굴절성 중합체를 형성하기 위해 반응성 상태로부터 경화된 반응성 메소겐으로 형성될 수 있다.
트위스티드 네마틱(twisted nematic; TN) 액정 물질은 광의 넓은 입사각(변조기의 광축에 대해)에 대해, 또한 전자기선의 넓은 스펙트럼 파장 전체에서 잘 작동하기 때문에 유용하다. 또한 액정 셀이 사이에 끼워진 제 1 광학 요소 및 제 2 광학 요소의 구조화된 표면 릴리프 패턴으로 인해 액정 셀의 두께에서 발생할 수 있는 변화/변경에 상대적으로 둔감하다(예컨대, 역 표면 구조가 사용되지 않는 경우).
광학 변조기는 반파장판을 제공하도록 구성될 수 있다. 액정 물질은 방향자가 바람직하게는 셀을 가로질러 서로 평행하도록 배열될 수 있으나, 셀 간격 및 복굴절은 입사광에 대해 반파 지연을 제공하도록 배열된다. 이로 인해 두 편광 모두 90° 사이에서 방향이 변경되어 원하는 결과를 얻게 된다. 하나 또는 두 광학 요소의 표면(예컨대, RM 표면)에서의 액정 물질의 정렬은 표면(예를 들어, RM 표면의 최상층)에 강한 고정 에너지를 갖는 별도의 정렬 층을 제공함으로써 달성될 수 있다. TN 액정 배열의 경우, RM 표면을 제공하는 광학 요소와 함께 액정의 방향자가 RM을 따라야 하므로 올바른 정렬이 자동으로 지원된다.
바람직하게는, 제 1 광학 요소 및 제 2 광학 요소 중 하나 또는 각각은 상기 액정 물질이 순응하는 곡면을 제공한다.
바람직하게는, 제 1 광학 요소 및 제 2 광학 요소 중 하나 또는 각각은 액정 물질의 벌크 형상이 순응하는 표면 릴리프 패턴을 제공한다.
바람직하게는, 제 1 광학 요소 및 제 2 광학 요소 각각은 액정 물질의 벌크 형상이 순응하는 표면 릴리프 패턴을 제공한다. 표면 릴리프 패턴에 순응한다는 것은, 액정 물질의 액체가 표면 릴리프 형상을 밀접하게 따라서, 릴리프 패턴의 표면 전체에서 실질적으로 연속해서 또한 액정 물질의 액체와 릴리프 패턴의 표면 사이에 간격을 남기지 않으면서 릴리프 패턴의 표면과 접촉할 수 있음을 의미한다. 물질의 액체 특성은 온도에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 이는 광학 변조기가 강유전성 스멕틱 액정 물질을 사용하여 작동하도록 설계되었을 때 적용될 수 있다.
이러한 경우, 액정이 통상적으로 또는 최적으로 작동하도록 설계된 온도보다 높은 온도인 승온에서 제 1/제 2 광학 요소의 표면 릴리프 패턴 또는 표면 형상에 액정이 순응하게 될 수 있다. 예를 들어, 액정은 제조 단계에서 등방성 액체 또는 네마틱 액정인 온도에서 제 1/제 2 광학 요소의 표면 릴리프 패턴 또는 표면 형상에 순응하는 상태로 도입되고, 작동을 위해 더욱 저온의 액정 상으로 냉각될 수 있다.
바람직하게는, 제 1 광학 요소 및 제 2 광학 요소 각각은 액정 물질의 벌크 형상이 순응하는 표면 릴리프 패턴을 제공하며, 여기에서 제 1 광학 요소에 의해 제시되는 패턴은 제 2 광학 요소에 의해 제시되는 패턴에 상보적(reciprocal)이다(예를 들어, 제 2 광학 요소에 의해 제시되는 패턴의 역 형상 또는 상보적 형상).
바람직하게는, 제 1 광학 요소 및 제 2 광학 요소 각각은 상기 액정 물질이 순응하는 표면 릴리프 패턴을 제공하며, 여기에서 제 1 광학 요소가 제공하는 패턴은 제 2 광학 요소가 제공하는 패턴과 실질적으로 동일하다.
바람직하게는, 제 1 광학 요소는 제 2 광학 요소에 대향한다. 하나 또는 양쪽 광학 요소는 개별적인 표면 릴리프 패턴이 형성되는 표면에서 실질적으로 평면인 기판을 포함할 수 있다. 기판은 비-복굴절성일 수 있고, 표면 릴리프 패턴은 어느 한 기판의 표면 상에 증착된 복굴절성 물질로 형성될 수 있다. 다르게는, 평면 기판은 전체적으로 복굴절성일 수 있다(예를 들어, 복굴절성을 갖는 물질로 형성됨).
바람직하게는, 제 1 광학 요소는 제 1 광축을 한정하고 제 2 광학 요소는 제 1 광축과 실질적으로 동축인 제 2 광학 요소를 한정한다.
바람직하게는, 광학 요소 중 하나 또는 둘 모두는 개별적인 광학 요소의 한 면에 배치된 평평한 표면에 실질적으로 수직인 원통형 대칭 축을 한정하도록 형상화된다. 바람직하게는, 광학 요소는 둘 다 각각의 상기 원통형 대칭 축을 한정하도록 형상화되고, 제 1 광학 요소 및 제 2 광학 요소의 원통형 대칭 축은 동축이다.
바람직하게는, 액정 물질은 액정 물질의 이상 굴절률을 상기 제 1 상태에서 상기 제 2 상태로 스위칭하기 위한 전기장을 지지하도록 구성된 2개의 개별 전극 사이에 배치된다. 액정 물질은 그의 국부 방향자가 실질적으로 수직 배향된 상태와, 그의 연속적인 국부 방향자가 정렬에서 점진적으로 꼬여 트위스티드 네마틱 상태를 한정하는 상태 사이에서 전기적으로 스위칭될 수 있다. 제 1 광학 요소와 제 2 광학 요소 사이에 끼워진 액정 물질의 두께는 국부 방향자에서 360도 꼬임 하나의 피치 길이의 1/4과 실질적으로 동일할 수 있다.
액정 물질의 이상 굴절률의 제 1 상태는 액정 물질의 국부 방향자가 제 1 광학 요소 및 제 2 광학 요소의 광축에 대해 실질적으로 가로놓이는(예컨대, 수직인) 액정 물질의 트위스티드 네마틱 상태에 해당할 수 있다. 액정 물질의 이상 굴절률의 제 2 상태는 액정 물질의 국부 방향자가 실질적으로 제 1 광학 요소 및 제 2 광학 요소의 광축을 따라 정렬되는(예를 들어, 그 광축에 평행한) 액정 물질의 수직 정렬 상태에 상응할 수 있다.
바람직하게는, 제 1 광학 요소 및 제 2 광학 요소 중 하나 또는 각각은 2개의 개별 전극 사이에 배치된다.
광학 변조기는 제 1 전극 및 제 2 전극 둘 다와 전기적으로 연결되어 배치되고 두 전극 사이에 소정의 전압(V)을 스위칭 가능하게 인가하여 광학 변조기의 액정 물질을 가로질러 전기장을 생성하도록 구성된 전압 단위장치를 포함할 수 있거나 포함하도록 구성될 수 있다. 2개의 전극은 전기장이 제 1 광학 요소 및 제 2 광학 요소 중 하나 또는 둘 모두의 공유 광축에 실질적으로 평행한 방향으로 향하도록 배열될 수 있다.
바람직하게는, 2개의 개별 전극 중 하나는 제 1 광학 요소와 액정 물질 사이에 배치된다.
바람직하게는, 2개의 개별 전극 중 하나는 제 2 광학 요소와 액정 물질 사이에 배치된다.
하나 또는 양쪽 광학 요소는 각각의 표면 릴리프 패턴이 형성된 표면에 기판을 포함할 수 있다. 기판은 비-복굴절성일 수 있고, 표면 릴리프 패턴은 기판의 표면 상에 증착된 복굴절성 물질로부터 형성될 수 있다. 전술한 전극은 기판의 표면에 배치될 수 있고, 표면 릴리프 패턴은 전극의 표면에 배치될 수 있다. 전술한 전극은 표면 릴리프 패턴의 표면에 또는 표면 릴리프 패턴의 요소 사이에 존재하는 경우 기판의 표면 릴리프 패턴 노출 표면의 양면에 배치될 수 있다.
칼라미틱 반응성 메소겐(RM)을 사용하여 복굴절성 광학 요소를 형성할 수 있다. 칼라미틱 네마틱 액정은 이들 사이에 끼워지는 액정 물질로서 사용될 수 있다. RM의 복굴절(Δn)에 대한 적절한 값의 범위는 바람직하게는 다음과 같다: Δn=0.05 내지 0.35; 더욱 바람직하게는 Δn=0.07 내지 0.3; 더욱 더 바람직하게는 Δn=0.17 내지 0.27. 본질적으로 복굴절은 광의 안정성을 손상시키지 않고 가능한 한 높을 수 있다. 따라서 Δn=0.2 내지 0.27도 적절한 범위이다. 이러한 각 경우에서 복굴절은 작동 파장 범위에 대해 인용되며, 사용된 값은 광학 변조기 내에서 안정하지만 높은 복굴절 액정에 대해 일반적이다.
그러나, 본 발명은 적외선(IR), mm-파 또는 마이크로파 스펙트럼 파장 범위와 같은 광학 파장 범위 밖에서 작동가능한 광학 변조기를 제조하는데 이용될 수 있다.
액정을 수용하기 위한 제 1 광학 요소와 제 2 광학 요소 사이의 거리(d) 및 이에 따른 액정 물질의 두께는 바람직하게는 다음과 같은 구치 태리(Gooch Tarry) 상태에 있도록 선택될 수 있다:
상기 식에서, Δn은 액정의 복굴절이고, d는 두 대향하는 광학 요소 사이의 간격이다(예를 들어, 구조화된 광학 요소로 인한 간격의 변화를 포함할 때 평균 간격으로 간주됨).
일반적으로, 간격 d는 적어도 약 5μm, 바람직하게는 더 클 수 있다. 셀 간격 d는 해당 복굴절성 광학 요소의 표면/패턴 특징부의 높이/진폭보다 훨씬 더 높은 것이 바람직한다. 예를 들어, d>3h가 바람직한 기준일 수 있다. 바람직하게는, d>10h, 또는 d>15h, 또는 d>20h, 또는 d>25h이어서, 트위스티드 네마틱 상태인 경우 광이 액정을 통해 투과될 때 편광 방향의 실질적으로 완전한 90 ° 회전이 있도록 보장한다.
광학적 품질과 색도를 위해, m>4인 것이 바람직하다. 렌즈 속도가 더 중요하거나 좁은 파장 범위에 렌즈가 필요한 경우, 더 낮은 m 값을 선택할 수 있다.
액정 물질은 임의의 적합한 네마틱 액정일 수 있다. 일례로는 MLC-6204-000이 있다. 다르게는, E7, MDA 1551, MLC 6437, TL 213, MLC 14200과 같은 다른 양의 Δε 네마틱 물질, 특히 BLO36 및 BLO37과 같은 고도의 복굴절성 네마틱 혼합물을 사용할 수 있다. 반응성 메소겐 물질은 임의의 적합한 RM일 수 있다. 예로는 RMM1850[머크 케미칼즈 리미티드(Merck Chemicals Ltd.)] 또는 반응성 메소겐 RM257이 있다. 일반적으로 반응성 메소겐은 양의 복굴절을 갖는 중함체의 형성을 보장하기 위해 이작용성 아크릴레이트 시스템으로부터 형성된다. 이는 강한 가교 결합 화합물(예: TMPTMA), 점도 조절제, 평균 굴절률 향상을 위한 성분, 복굴절을 증가시키기 위한 성분, 굴절률의 온도 의존성을 감소시키기 위한 성분, 중합체의 파장 의존성을 변화시키기 위한 성분(예컨대, 염료, 분산 요소, 형광단) 및 광개시제 및 증감제(예: ITX)를 비롯하여, 복굴절성 중합체의 특성을 적절하게 조정하기 위해 다른 광-가교결합성 및 비-가교결합성 성분을 포함할 수 있다. 복굴절성 표면 릴리프 구조가 기판 상에 배치되는 실시양태에서, 기판 물질은 ITO일 수 있다. 제 1 전극 및 제 2 전극 물질은 ITO일 수 있다.
대체 전극 물질은 증발된 금,은 또는 알루미늄, PEDOT와 같은 전도성 유기층, 은 또는 금으로 만들어진 소결 전도성 나노 입자, 탄소 나노-튜브 및 그래핀을 포함한다. 액정과 전기장(예컨대, 전자기파의 전기장) 사이의 상호 작용은 액정 방향자와 평행(εpara)으로 또한 수직(εperp)으로 측정된 유전율의 크기에 따라 달라진다. 이 두 값의 차이는 유전율 이방성(Δε)으로 알려져 있다:
Δε=εpara-εperp
광학 변조기는 선택된 작동 주파수에서 양의 값인 유전율 이방성을 갖는 액정 물질을 사용할 수 있거나, 값이 음인 유전율 이방성을 갖는 액정 물질을 사용할 수 있다.
장치의 제 1 표면을 형성하는 광학 요소는 제 2 표면이 적용되도록 구성되는광학 변조(예를 들어, 제 2(직교) 편광에 대해)와 비교할 때 상이한 광학 변조(예컨대, 제 1 편광과 관련하여)를 제공하도록 구성될 수 있다.
제 1 광학 요소는 렌즈를 한정할 수 있다. 제 2 광학 요소는 렌즈를 한정할 수 있다. (예를 들어, 제 1 편광 상태의 광에 대한) 제 1 광학 구성요소의 초점 길이는 (예를 들어, 제 2 편광 상태의 광에 대한) 제 2 광학 요소의 초점 길이와 다를 수 있다. 제 1 광학 요소의 초점 길이는 제 2 광학 요소의 초점 길이보다 길 수 있다.
초점 길이의 차이가 두 광학 요소 사이의 액정 매질의 광학 두께와 실질적으로 동일하도록, 제 1 광학 요소(예컨대, 광의 제 1 편광 상태에 작용)의 초점 길이가 제 2 광학 요소(예를 들어, 제 2 편광 상태에 작용)의 초점 길이보다 충분히 더 크거나/높을 수 있다. 이러한 방식으로, 원하는(예를 들어, 가능한 가장 낮은) 초점 깊이를 달성하기 위해, 제 1 및 표면과 제 2 표면 사이의 약간의 광학적 차이가 보상될 수 있다.
제 2 양태에서, 본 발명은 투과된 광 파면을 변조하기 위해 원하는 형상으로 형성된 하나 이상의 복굴절성 광학 요소를 포함하는 광학 변조기의 제조 방법을 제공할 수 있으며, 여기에서 각 복굴절성 광학 요소는 하기 단계를 포함하는 방법에 따라 제공된다: 원하는 형상에 대해 상보적인 형상(예를 들어, 역 형상 또는 상보적인 형상)으로 엠보싱된 엠보싱 표면을 제공하는 가요성 시트를 제공하는 단계; 기판 표면에 미경화 상태의 반응성 메소겐을 포함하는 일정량의 광-반응성 물질을 제공하는 단계; 엠보싱 표면을 구부려서 상기 양의 광-반응성 물질의 표면 전체에서 상기 양의 광-반응성 물질을 점진적으로 가압하여, 상기 원하는 형상을 갖는 성형된 복굴절성 부품을 형성시키는 단계; 성형된 복굴절성 부품을 경화시켜 상기 복굴절성 광학 요소를 형성시키는 단계.
엠보싱 표면의 굴곡은 가요성 시트를 구부림으로써 발생시킬 수 있다. 가요성 시트의 굴곡은 엠보싱 표면을 갖는/제공하는 면에 대해 반대로 면 상의 가요성 시트의 국부적인 표면 구역에 대해 가압하여, 가요성 시트가 굴곡에 의해 반응하여 국부적인 표면 구역에 오목부를 형성하게 하고, 엠보싱 표면을 국부적으로 제공하는 면인 시트의 뒷면에 반대되는 볼록부를 형성함으로써 발생될 수 있다. 이러한 엠보싱 표면의 국부적인 볼록부는 기판상의 일정량의 광-반응성 물질에 대해 가압될 수 있고, 기판에 대해 압박되는 기판의 표면에 부분적으로 평행하고 부분적으로 경사지는 엠보싱 표면을 제공할 수 있는데, 이 때 국부적인 볼록부는 엠보싱 표면이 기판 표면에서 멀어지도록 점진적으로 분리되도록 한다. 엠보싱 표면의 굴곡 위치를 기판의 표면을 따르는 방향으로 점진적으로 이동시킴으로써, 엠보싱 표면의 경사진 부분은 기판의 표면을 가로질러 쓸게 되고 그가 전진함에 따라 일정량의 반응성 메소겐 유체 물질을 그 앞쪽으로 밀어낸다. 전술한 국부적인 표면 구역에 대해 롤러를 누르고, 새로운 이웃한 국부적인 표면 구역으로 점진적으로 전진하도록 가요성 시트를 가로질러 롤러를 굴림으로써, 굴곡 위치의 이동을 달성할 수 있다.
광학 변조기는 전기적으로 스위칭될 수 있다. 광학 변조기는 2개의 이러한 복굴절성 광학 요소 사이에 삽입된 전기적으로 스위칭 가능한 액정 물질을 포함할 수 있다.
상기 방법은 엠보싱 표면에 우선적인 표면 정렬을 제공하고 그와 함께 성형된 복굴절성 부품의 엠보싱된 표면에 우선적인 표면 정렬을 부여함을 포함할 수 있으며, 표면 정렬은 상기 액정 물질을 정렬하도록 구성된다. 이러한 우선적인 표면 정렬 수단은 성형된 복굴절성 부품을 연마하거나 그 위에 오버코트 중합체를 도포하는 것, 또는 그에 광 반응성 오버-코팅을 도포하고 이에 가해지는 편광된 광을 사용하여 또는 계면활성제를 포함하는 적절한 코팅을 도포함에 의해 오버-코팅을 광 정렬시키는 것을 포함하지만 이들로 한정되지는 않는다.
도 1a 및 도 1b는 전기적으로 스위칭 가능한 광학 변조기의 두 가지 상태를 개략적으로 도시한다.
도 2는 도 1b의 전기적으로 스위칭 가능한 광학 변조기의 구성요소들 사이의 계면의 기능을 개략적으로 도시한다.
도 3a 및 도 3b는 전기적으로 스위칭 가능한 광학 변조기의 두 상태 중 개별적인 상태를 개략적으로 도시하고, 도 3c, 도 3d 및 도 3e는 각각 전기적으로 스위칭 가능한 광학 변조기의 두 가지 상태를 개략적으로 도시한다.
도 4는 도 3a의 전기적으로 스위칭 가능한 광학 변조기의 일부의 확대도를 개략적으로 도시한다.
도 5는 도 3b의 전기적으로 스위칭 가능한 광학 변조기의 일부의 확대도를 개략적으로 도시한다.
도 6a 및 도 6b는 도 1a, 도 1b, 도 3a 또는 도 3b의 광학 변조기에 이용 가능한 광학 요소를 제조하는 방법을 개략적으로 도시한다.
도 7(a) 내지 도 7(h)는 반응성 메소겐을 사용하여 형성된 복굴절성 중합체를 포함하는 물질로 엠보싱된 광학 요소의 도면을 나타낸다.
도 8(a) 내지 도 8(c)는 스위칭 가능한 광학 변조기를 통해 투과된 레이저 빔의 가로 빔 프로파일 및 인가된 스위칭 전압의 함수로서의 관련된 회절 효율을 보여준다.
도 9는 스위칭 가능한 광학 변조기를 통해 투과된 레이저 빔의 가로 빔 프로파일 및 관련 입력 광 빔 편광 상태를 보여준다.
도 10(a) 내지 도 10(c), 및 도 10(d) 내지 도 10(f)는 각각 스위칭 가능한 광학 변조기에 의해 투과된 광 빔과 관련하여 광 빔의 피크 광 출력 값과 광 빔 직경을 도시한다.
도 11(a), 및 도 11(b) 내지 도 11(e)는 각각 스위칭 가능한 광학 변조기의 포인트 확산 기능을 보여주는 시뮬레이션 결과 및 측정 결과를 나타낸다.
도 12(a) 내지 도 12(i)는 각각 (a) 광학 요소를 제조하는데 사용되는 마스터 몰드; (b, c) 도 12(a)의 마스터 몰드를 사용하여 엠보싱된 광학 요소[프레넬 렌즈(Fresnel lens)]를 통해 투과되고 두 가지 다른 광학 편광 상태에 따라 관찰된 광의 이미지; (d, e, f) 마스터 몰드를 사용하여 엠보싱된 광학 요소(회절 격자)의 이미지 및 그로부터의 광학 회절 패턴; (g, h, i) 마스터 몰드를 사용하여 엠보싱된 광학 요소(마이크로-렌즈 어레이)의 이미지, 이를 통해 투과된 레이저 빔의 빔 프로파일 도면 및 마이크로-렌즈 어레이를 통해 촬영된 사진의 이미지를 보여준다.
도 13(a) 및 도 13(b)는 2개의 프레넬 존 플레이트(Fresnel zone plate)의 단면 프로파일을 보여준다.
도 14(a) 및 도 14(b)는 2개의 프레넬 존 플레이트의 단면 프로파일을 도시한다.
도 15(a) 및 도 15(b)는 2개의 프레넬 존 플레이트의 단면 프로파일을 도시한다.
도 16(a) 내지 도 16(f)는 상이한 스위칭 전압이 인가된 전기적으로 스위칭 가능한 광학 변조기의 이미지를 도시한다.
도 17은 광학 변조기(프레넬 렌즈)의 회절 효율을 측정하기 위한 장치를 개략적으로 도시한다.
도 18a 및 도 18b는 액정 배열을 포함하는 물질의 광축(방향자)에 대한 정상 광 빔 배열 및 이상 광 빔 배열을 개략적으로 도시한다.
도 19a 및 도 19b는 전기적으로 스위칭 가능한 광학 변조기의 개별적인 두 상태를 개략적으로 도시한다.
도 20a 및 도 20b는 본 발명의 실시양태에 따른 스위칭 가능한 편광-독립 회절 격자를 개략적으로 도시한다. 도 20a에서 회절 격자는 회절이 일어나지 않고 두 계면(반응성-메소겐/액정)의 굴절률이 매치되는 "전기장 오프(field off)" 상태에 있는 반면, 도 20b에서 회절 격자는 회절이 일어나고 두 계면(반응성-메소겐/액정)의 굴절률이 매치되지 않아 상이한 편광이 상단/하단 계면에서 회절되는 "전기장 온(field on)" 상태에 있다.
도 21은 이미징 용도에서 본 발명의 실시양태의 굴절 렌즈의 사용을 개략적으로 도시한다.
도 2는 도 1b의 전기적으로 스위칭 가능한 광학 변조기의 구성요소들 사이의 계면의 기능을 개략적으로 도시한다.
도 3a 및 도 3b는 전기적으로 스위칭 가능한 광학 변조기의 두 상태 중 개별적인 상태를 개략적으로 도시하고, 도 3c, 도 3d 및 도 3e는 각각 전기적으로 스위칭 가능한 광학 변조기의 두 가지 상태를 개략적으로 도시한다.
도 4는 도 3a의 전기적으로 스위칭 가능한 광학 변조기의 일부의 확대도를 개략적으로 도시한다.
도 5는 도 3b의 전기적으로 스위칭 가능한 광학 변조기의 일부의 확대도를 개략적으로 도시한다.
도 6a 및 도 6b는 도 1a, 도 1b, 도 3a 또는 도 3b의 광학 변조기에 이용 가능한 광학 요소를 제조하는 방법을 개략적으로 도시한다.
도 7(a) 내지 도 7(h)는 반응성 메소겐을 사용하여 형성된 복굴절성 중합체를 포함하는 물질로 엠보싱된 광학 요소의 도면을 나타낸다.
도 8(a) 내지 도 8(c)는 스위칭 가능한 광학 변조기를 통해 투과된 레이저 빔의 가로 빔 프로파일 및 인가된 스위칭 전압의 함수로서의 관련된 회절 효율을 보여준다.
도 9는 스위칭 가능한 광학 변조기를 통해 투과된 레이저 빔의 가로 빔 프로파일 및 관련 입력 광 빔 편광 상태를 보여준다.
도 10(a) 내지 도 10(c), 및 도 10(d) 내지 도 10(f)는 각각 스위칭 가능한 광학 변조기에 의해 투과된 광 빔과 관련하여 광 빔의 피크 광 출력 값과 광 빔 직경을 도시한다.
도 11(a), 및 도 11(b) 내지 도 11(e)는 각각 스위칭 가능한 광학 변조기의 포인트 확산 기능을 보여주는 시뮬레이션 결과 및 측정 결과를 나타낸다.
도 12(a) 내지 도 12(i)는 각각 (a) 광학 요소를 제조하는데 사용되는 마스터 몰드; (b, c) 도 12(a)의 마스터 몰드를 사용하여 엠보싱된 광학 요소[프레넬 렌즈(Fresnel lens)]를 통해 투과되고 두 가지 다른 광학 편광 상태에 따라 관찰된 광의 이미지; (d, e, f) 마스터 몰드를 사용하여 엠보싱된 광학 요소(회절 격자)의 이미지 및 그로부터의 광학 회절 패턴; (g, h, i) 마스터 몰드를 사용하여 엠보싱된 광학 요소(마이크로-렌즈 어레이)의 이미지, 이를 통해 투과된 레이저 빔의 빔 프로파일 도면 및 마이크로-렌즈 어레이를 통해 촬영된 사진의 이미지를 보여준다.
도 13(a) 및 도 13(b)는 2개의 프레넬 존 플레이트(Fresnel zone plate)의 단면 프로파일을 보여준다.
도 14(a) 및 도 14(b)는 2개의 프레넬 존 플레이트의 단면 프로파일을 도시한다.
도 15(a) 및 도 15(b)는 2개의 프레넬 존 플레이트의 단면 프로파일을 도시한다.
도 16(a) 내지 도 16(f)는 상이한 스위칭 전압이 인가된 전기적으로 스위칭 가능한 광학 변조기의 이미지를 도시한다.
도 17은 광학 변조기(프레넬 렌즈)의 회절 효율을 측정하기 위한 장치를 개략적으로 도시한다.
도 18a 및 도 18b는 액정 배열을 포함하는 물질의 광축(방향자)에 대한 정상 광 빔 배열 및 이상 광 빔 배열을 개략적으로 도시한다.
도 19a 및 도 19b는 전기적으로 스위칭 가능한 광학 변조기의 개별적인 두 상태를 개략적으로 도시한다.
도 20a 및 도 20b는 본 발명의 실시양태에 따른 스위칭 가능한 편광-독립 회절 격자를 개략적으로 도시한다. 도 20a에서 회절 격자는 회절이 일어나지 않고 두 계면(반응성-메소겐/액정)의 굴절률이 매치되는 "전기장 오프(field off)" 상태에 있는 반면, 도 20b에서 회절 격자는 회절이 일어나고 두 계면(반응성-메소겐/액정)의 굴절률이 매치되지 않아 상이한 편광이 상단/하단 계면에서 회절되는 "전기장 온(field on)" 상태에 있다.
도 21은 이미징 용도에서 본 발명의 실시양태의 굴절 렌즈의 사용을 개략적으로 도시한다.
도 1a 및 도 1b는 2개의 스위칭 상태중 하나에서 전기적으로 스위칭 가능한 광학 변조기(1)의 단면도를 개략적으로 도시하며, 이는 아래에서 상세히 설명될 것이다.
이 실시양태에서 광학 변조기는 복합 프레넬 렌즈이다. 복합 렌즈는 제 1 프레넬 렌즈 플레이트(2) 및 제 1 프레넬 렌즈 플레이트로부터 간격(d)만큼 이격된 대향하는 제 2 프레넬 렌즈 플레이트(4)를 포함하는 한 쌍의 광학적으로 투명하고 광학적으로 복굴절성인 광학 요소(2, 4)를 포함하며, 상기 간격(d)은 트위스티드 네마틱 액정 물질(6)로 채워진다. 제 1 프레넬 렌즈 플레이트 및 제 2 프레넬 렌즈 플레이트 각각은 개별적인 광축을 한정하고, 2개의 대향하는 렌즈 플레이트는 동일 선상 방식으로 배치된 각각의 광축(9)과 평행하게 대향하여 배치된다.
2개의 프레넬 렌즈 플레이트의 대향하는 표면은 각각 상응하는 종래의 오목 렌즈 표면의 환형 부분과 기능적으로 동일한 고리 모양의 동심 환형 오목부 구역 또는 구획으로 구성된 표면 릴리프 패턴(7, 8)을 각각 서로에게 제공한다. 표면 릴리프 특징부의 높이(h) 또는 진폭은 각 렌즈 플레이트의 패턴화된 표면에 걸쳐 실질적으로 동일하다. 즉, 환형 오목부 구역중 어느 하나에 의해 형성된 오목부의 깊이는 이들 환형 오목부 구역중 임의의 다른 하나에 의해 형성된 오목부의 깊이와 실질적으로 동일하다. 제 1 프레넬 렌즈 플레이트의 초점 길이는 제 2 프레넬 렌즈 플레이트의 초점 길이와 실질적으로 동일하다.
2개의 프레넬 렌즈 플레이트 각각은 복굴절성 중합체로부터 형성되며, 반응성 메소겐(RM)으로 알려진 복굴절성 중합성 액정 물질을 사용하여 고체 형태로 경화된 수지의 성형체 형태로 제작된다. 복굴절성이란 점에서 각 프레넬 렌즈 플레이트는 정상 굴절률 n o 와 이상 굴절률 n e 를 갖는다. 복굴절성 중합체 물질은 적어도 투과가 이루어지는 파장 범위에 대해 실질적으로 균질하고 투명하다. 물질을 통한 광의 투과 속도는 광의 진동 방향에 의해 결정된다. 단일 광 빔이 복굴절성 물질에 들어 오면 서로 변위된 2개의 빔이 나타날 수 있다. 명확한 굴절률이 있는 광의 선형 편광 방향이 있으며, 선형 편광의 두 직교 방향 각각과 관련된 굴절률은 상이하다.
광의 전기장(E)의 진동 전파 방향에 대한 복굴절성 물질의 '광축' 방향은 물질의 굴절 특성을 결정한다. 광축의 방향을 따라 광이 전파되면, 광의 전기장 구성요소의 모든 배향이 광축에 수직으로 진동하고 복굴절이 없다. 이는 광(a) 및(b)의 편광의 수직 배향이 각각 또한 광축에 수직인 도 18a에 개략적으로 도시되어 있다. 여기에서, 광축은 액정 물질의 '방향자'에 의해 정의된다. 그러나, 광축을 가로지르는 광의 전파가 있는 경우, 광파의 전기장 구성요소가 복굴절성 물질인 경우 광축을 따르는 방향에서 진동한다면(또는 적어도 이를 따라 분해 가능하다면) 복굴절이 발생한다. 그렇지 않으면 광학 지연이 발생하지 않는다. 이는 광(a) 및(b)의 편광의 수직 배향이 도시된 도 18b에 개략적으로 도시된다. 광 빔(b)의 편광은 광축에 완전히 수직이며 물질의 정상 굴절률을 경험한다. 그러나, 광선(a)는 광축 평면 내에서 진동하도록 배향된 전기장 구성요소를 가지고 있으며, 물질의 이상 굴절률을 경험한다. 이는 광선(c)로 나타낸 바와 같이 광선이 광축에 대해 특정 각도(θ)로 기울어져 있는 경우에도 그러하다.
이상 굴절률의 값은 하기 방식으로 이 광선 전파 각도에 따라 변한다:
따라서, 이 광선이 도 18a와 같이 특정 각도(θ=0)로 기울어져 있을 때, 이상 굴절률과 정상 굴절률은 같고 복굴절이 발생하지 않는다. 반대로, 이 광선이 도 18b(a)에 도시된 바와 같이 특정 각도(θ=90도)로 기울어지면 최대 복굴절이 발생하고 최대 광학 지연이 발생한다.
복굴절은 이상 굴절률 값과 정상 굴절률 값의 차이로 정량화되는 반면, 지연은 특정 거리만큼 복굴절성 물질을 횡단한 후 직교 편광에 대해 경험한 총 위상차로서 정의된다. 그 거리는 광학 변조기의 광학 요소에 또한 그 사이에 적용될 수 있는 것과 같은 반응성 메소겐 또는 액정 물질과 등의 해당 광학 매질의 두께로 취해질 수 있다.
메소겐 물질은 고체와 같은 성질 및 액체와 같은 성질을 나타낼 수 있다. 이 액정 상태(LC)를 중간상(mesophase)이라고 하며, 뚜렷한 온도 범위에서 결정질 고체 상태와 등방성 액체 상태 사이에서 발생한다. 액정은 인접 분자의 장축이 서로 거의 정렬된 막대형 분자를 포함할 수 있다. "방향자"라고 하는 벡터는 임의의 주어진 지점의 물질에서 분자의 선호 배향의 방향을 나타내는데 사용된다. 제 1 프레넬 플레이트 및 제 2 프레넬 플레이트의 복굴절성 중합체 물질은 반응성 메소겐이 더 이상 반응성이 아니지만 방향자는 보존되는 경화된 수지의 형태이다.
제 1 프레넬 렌즈 플레이트(2)에서, 반응성 메소겐 물질의 방향자(3)는 렌즈 플레이트의 광축(9)에 수직인 방향으로 정렬된다. 유사하게, 제 2 프레넬 렌즈 플레이트(4)에서, 반응성 메소겐 물질의 방향자(5)는 렌즈 플레이트의 광축(9)에 수직이고 또한 제 1 렌즈 플레이트(2)의 물질의 방향자(3)의 방향에 수직인 방향으로 정렬된다.
제 1 프레넬 렌즈 플레이트와 제 2 프레넬 렌즈 플레이트 사이에 끼워진 트위스티드 네마틱 액정 물질(6)은 복굴절성 액정 물질이다. 액정 물질의 방향자는 제 1 렌즈 플레이트 및 제 2 렌즈 플레이트 각각에서 액정 물질와 렌즈 플레이트가 접하는 곳에서 국부적으로 반응성 메소겐 물질의 방향자에 대해 별도로 정렬된다. 액정(6)의 제 1 정지 상태에서, 이 트위스티드 네마틱 물질의 방향자의 점진적인 꼬임은 대향하는 제 1 프레넬 렌즈 플레이트 및 제 2 프레넬 렌즈 플레이트의 두 상호 직교하는 방향자 모두에 대한 액정 방향자의 정렬을 보장한다. 이 정지 상태에서, 액정 물질의 정상 굴절률 및 이상 굴절률은 두 프레넬 렌즈 플레이트 각각의 개별적인 정상 굴절률 및 이상 굴절률과 모두 매치된다. 결과적으로, 액정 물질와 대향하는 렌즈 플레이트 사이의 경계에서, 광학 변조기의 이러한 세 가지 구성요소의 정상 굴절률 또는 이상 굴절률 어디에서도 굴절률 콘트라스트가 존재하지 않는다. 그 결과, 편광되지 않은 광(또는 임의 편광, 타원형 또는 원형 편광 등)(10)은 제 1 프레넬 렌즈 플레이트에서 액정 물질로 통과할 때, 이어 액정 물질에서 제 2 프레넬 렌즈 플레이트로 통과할 때 실질적으로 어떠한 굴절도 경험하지 않고 광학 변조기를 통해 투과할 수 있다. 이 상황은 도 1a에 개략적으로 도시되어 있다.
반대로, 도 1b에 개략적으로 도시된 바와 같이, 광학 변조기가 렌즈 기능을 획득하는 제 2 상태에서, 액정 물질은 액정 방향자(17)의 방향을 제 1 프레넬 렌즈 플레이트 및 제 2 프레넬 렌즈 플레이트의 공유 광축에 실질적으로 평행하도록 변화시키는 인가된 전기장에 의해 작용한다. 광학 변조기는 제 1 프레넬 렌즈 플레이트에 인접한 제 1 전극(12) 및 제 2 프레넬 렌즈 플레이트에 인접한 제 2 전극(13)을 포함하는 한 쌍의 투명한 전도성 전극(도 1a에 도시되지 않음)을 포함한다. 전압 단위장치(도시되지 않음)는 제 1 전극 및 제 2 전극 모두에 전기적으로 연결되어 배치되고, 제 1 프레넬 렌즈 플레이트 및 제 2 프레넬 렌즈 플레이트의 공유 광축(9)에 실질적으로 평행한 방향으로 광학 변조기의 액정 물질을 가로질러 배향되는 전기장(14)을 생성시키기 위해 두 전극 사이에 소정의 전압(V)을 스위칭 가능하게 인가하도록 구성된다.
도 1b에 도시된 실시양태에서, 제 1 프레넬 렌즈 플레이트 및 제 2 프레넬 렌즈 플레이트는 액정 물질과 함께 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 배치된다. 그러나, 다른 실시양태(도 3c 참조)에서는, 두 전극 중 하나가 제 1 프레넬 렌즈 플레이트와 액정 물질 사이, 또는 제 2 프레넬 렌즈 플레이트와 액정 물질 사이에 배치될 수 있다. 또 다른 실시양태(도 3d 참조)에서는, 두 전극 중 하나가 제 1 프레넬 렌즈 플레이트와 액정 물질 사이에 배치될 수 있고, 두 전극 중 다른 하나가 제 2 프레넬 렌즈 플레이트와 액정 물질 사이에 배치될 수 있다.
액정 물질에 전기장(14)을 인가한 후 그에 따른 액정 방향자의 배향 변화로 인해, 액정 물질의 이상 굴절률이 선형 편광의 제 1 방향으로 편광된 광(15)과 관련하여 제 1 프레넬 렌즈 플레이트(3)의 이상 굴절률에 매치되지 않게 된다. 동시에, 액정 물질의 이상 굴절률은 또한 선형 편광의 제 1 방향에 직교하는 선형 편광의 제 2 방향으로 편광된 광(16)과 관련하여 제 2 프레넬 렌즈 플레이트(4)의 이상 굴절률과 매치되지 않게 된다. 물론, 광학 변조기(1)로 향하는 입사광(10)은 편광되지 않으며, 따라서 선형 편광의 제 1 방향 및 제 2 방향으로 편광된 광의 동일한 성분/부분으로 구성되거나 이들로 분해 가능한 것으로 간주될 수 있다. 광학 변조기 작동시 렌즈는 각각 액정 물질과 제 1 프레넬 렌즈 플레이트 사이 및 액정 물질과 제 2 프레넬 렌즈 플레이트 사이의 2개의 별도의 연속적인 계면에서 선형 편광의 2개의 직교 성분/부분에 대해 개별적으로 작용한다. 이는 도 1b에 개략적으로 도시된다.
광학 변조기의 이러한 특성과 변조기의 개별 광학 구성요소에 의해 구현되는 기능적 단계를 보다 명확하게 설명하기 위해, 이제 광학 변조기의 4개의 광학 계면이 개략적으로 도시되고 그들의 개별적인 광학 기능이 도시된 도 2를 참조한다.
특히, 상기 광학 변조기는 편광되지 않은 광 또는 임의의 편광의 광(10)이 광학 변조기로 진입하는 제 1 프레넬 렌즈 플레이트(2)의 상면 사이의 계면인 제 1 광 계면(20)을 포함하는 것으로 생각될 수 있다.
본 발명에 따른 광학 변조기가 제 1 양태 및 본원에 기재된 실시양태에서 완전히 편광되지 않은 입사광에 대해서만 작동 가능한 것이 아니라 임의의 편광 정도(%)를 갖는 입사광에 대해서도 동일하게 작동할 수 있다는 것이 중요하다. 따라서, 입사광에 어느 정도의 편광(예컨대, 반사된 태양광)이 있거나 원형 또는 타원 편광이 입사되는 경우, 광학 변조기는 동일한 방식으로 광을 변조한다.
제 1 렌즈 플레이트 물질의 복굴절이란 선형 편광의 제 1 방향으로 편광된 광의 제 1 성분(24)이 선형 편광의 제 2 방향으로 편광된 광의 제 2 성분(25)이 경험하는 굴절률과 다른 굴절률을 경험한다는 것을 의미한다. 그 결과, 복굴절이 발생하고, 이는 광의 이들 두 직교 편광 성분(24, 25)을 분리하여 도 2에 개략적으로 도시되어 있다. 광의 이들 두 성분의 전방 전파는 그들을 광학 변조기 내의 제 2 계면(21)으로 데려가는데, 이 제 2 계면은 제 1 렌즈 플레이트(2)와 제 2 상태에 있는 액정 물질(17) 사이의 계면이다. 이 계면에서, 제 1 렌즈 플레이트의 이상 굴절률은 광의 제 2 성분에 대해서만 액정 물질의 이상 굴절률에 매치되지 않으며, 이에 따라 계면 전체에서 굴절률 콘트라스트를 경험하여 제 1 렌즈 플레이트가 의도된 렌징 기능(26)을 구현하게 된다. 그러나, 제 1 렌즈 플레이트의 정상 굴절률은 계면에서 어떠한 굴절률 콘트라스트도 경험하지 않는 광의 제 1 성분과 관련하여 액정 물질의 정상 굴절률에 매치됨으로써, 제 1 렌즈 플레이트가 해당 성분 광과 관련하여 임의의 렌징 기능을 구현하지 못하게 한다.
광의 두 성분의 전방 전파로 인해 이들은 광학 변조기 내의 제 3 계면(22)으로 이동하는데, 이 제 3 계면은 제 2 렌즈 플레이트(4)와 제 2 상태(17)의 액정 물질 사이의 계면이다. 이 계면에서 제 2 렌즈 플레이트의 이상 굴절률은 광의 제 1 성분과 관련하여서만 액정 물질의 이상 굴절률과 일치하지 않아, 계면 전체에서 굴절률 콘트라스트를 경험하여 제 2 렌즈 플레이트가 의도한 렌징 기능(27)을 구현하게 된다. 그러나, 제 2 렌즈 플레이트의 정상 굴절률은 계면에서 어떠한 굴절률 콘트라스트도 경험하지 않는 광의 제 2 성분과 관련하여 액정 물질의 정상 굴절률에 매치됨으로써, 제 2 렌즈 플레이트가 광의 해당 성분과 관련하여 임의의 렌징 기능을 구현하지 못하도록 한다.
마지막으로, 광의 두 성분의 후속 전파로 인해 두 성분은 모두 제 2 렌즈 플레이트의 외부 가장자리와 광학 변조기 너머의 주변 환경 사이의 계면인 제 4 계면(23)으로 이동한다. 이 출력 광(28)은 각각 광학 변조기 내에서 개별적으로 변조된(즉,이 경우에는 초점이 맞춰진), 그러나 하나의 결합된 변조된 광학 출력으로서 출력되는 상호 직교 선형 편광의 두 결합된 성분을 포함한다.
도 3a 및 도 3b는 광학 변조기(30)가 간격 "d"만큼 이격된 2개의 대향되고 광학적으로 투명하고 평행한 기판을 사용하는 본 발명의 다른 실시양태를 개략적으로 도시한다. 각각의 기판은 각각의 기판의 표면에 복굴절성 프레넬 존 플레이트 패턴을 갖는다. 제 1 광학 요소는 제 1 광학 기판의 평면 표면에 평행한 제 1 방향자(33)를 갖는 복굴절성 중합체(경화된 반응성 메소겐) 물질을 포함하는 제 1 프레넬 존 플레이트 패턴(34)이 패턴화된 제 1 광학 기판(32)에 의해 제공된다. 제 2 광학 요소는 제 2 광학 기판의 평면 표면에 평행하지만 제 1 방향자(33)의 방향에 수직인 제 2 방향자(39)를 갖는 복굴절성 중합체(경화된 반응성 메소겐) 물질을 포함하는 제 2 프레넬 존 플레이트 패턴(37)이 패턴화된 제 2 광학 기판(38)에 의해 제공된다.
제 1 존 플레이트 패턴과 제 2 존 플레이트 패턴은 공간적 형상이 상호 보완 적이다. 즉, 제 1 존 플레이트 패턴이 제 1 기판 상에 복굴절성 중합체(경화된 반응성 메소겐)의 덩어리를 제공하는 경우, 제 2 존 플레이트의 바로 대향하는 구역은 그 기판 상에서 인접한 복굴절성 중합체(경화된 반응성 메소겐)의 덩어리 사이에 제 2 기판의 빈 영역을 제공한다. 이러한 방식으로, 제 1 기판(32)상의 복굴절성 중합체(경화된 반응성 메소겐)(34)의 존재를 보이는 위치는 제 2 기판(38)의 대향 부분상에 복굴절성 중합체(경화된 반응성 메소겐)(37)가 존재하지 않음으로써 상보적이 되고, 그 반대의 경우도 마찬가지이다.
제 1 광학 요소 및 제 2 광학 요소의 반응성 메소겐 방향자(33, 39)는 서로 수직인 각각의 광축을 한정한다. 이는 2개의 광학 요소 사이에 끼워진 액정 물질(35)의 꼬임 구성으로 이어진다. 광학 변조기(30)가 오프-상태(도 3a에 개략적으로 도시됨)일 때, 구조를 통해 전파되는 편광되지 않은 광(31)의 두 수직 편광 성분 각각은 90°의 개별적인 편광-회전을 겪지만 각각의 파면(40)(위상 전면)의 왜곡 없이 통과한다.
광학 변조기(30)가 제 1 광학 요소 및 제 2 광학 요소에 배치된 전극(도시되지 않음) 사이에 전압(41)을 인가함으로써 온-상태(도 3b에 개략적으로 도시됨)일 때, 액정(43)은 이 전압에 의해 발생된 전기장을 따라 제 1 기판 및 제 2 기판 각각의 평면에 수직인 방향으로 다시 배향된다.
이러한 재배향은 오프 상태에서 제공되는 90°의 개별적인 편광-회전을 방지하고, 입사광(42) 내에 존재하는 2개의 수직 편광 성분(44, 45)은 둘 다 제 1 광학 요소 및 제 2 광학 요소 각각에서 개별적인 파면(위상 전면(46 및 47))의 왜곡을 겪는다. 이는 편광의 두 구성요소 중 하나(44)와 관련하여 제 1 광학 요소로부터의 렌징을 유도하고, 편광의 두 구성요소 중 다른 하나(45)와 관련하여 제 2 광학 요소로부터의 별도의 렌징을 유도한다.
제 1 광학 요소 및 제 2 광학 요소 상의 프레넬 존 플레이트 패턴(34, 37)의 상보적인 설계는 프레넬 존 플레이트 패턴이 상보적이지 않은 다른 설계에 비해 셀 전체에서 더 균일한 전기장 분포를 달성한다. 결과적으로 임계 전압이 초과되면 전압-독립적인 렌징을 달성할 수 있으며, 이로써 렌징 효과는 인가된 전압(V)의 변화에 대해 안정적으로 유지된다. 이러한 배열은 액정 물질의 굴절률과 복굴절성 프레넬 존 플레이트의 굴절률 사이에서와 같은 불완전한 굴절률 매칭에 덜 민감한데, 왜냐하면 제 1 광학 요소(32, 43)에 의해 존재하는 경우 그러한 불완전함으로 인해 초기 왜곡되지 않은 입사 파면(31)에 부과되는 왜곡(그 결과, 약간 왜곡된 위상 전면(36)이 생성됨)이 약간 왜곡된 파면(36)에 부과되는 상보적인 왜곡에 의해 실질적으로 보상되어, 도 3a에 도시된 바와 같이 제 2 광학 요소(37, 38)를 통해 통과할 때 실질적으로 왜곡되지 않은 출력 파면(40)을 생성시키기 때문이다. 따라서, 이 설계는 장치 내 굴절률 변화로 인해 발생할 수 있는 굴절률 매칭의 불완전성에 대해 탄력적이다.
도 3a 및 도 3b에 도시된 실시양태에서, 제 1 프레넬 존 플레이트 및 제 2 프레넬 존 플레이트는 액정 물질과 함께 제 1 전극 및 제 2 전극(12, 13: 예를 들어 도 1b 참조) 사이에 배치된다. 그러나, 다른 실시양태(도 3c 참조)에서는, 2개의 전극중 하나(12)가 제 1 프레넬 존 플레이트와 액정 물질 사이, 또는 제 2 프레넬 존 플레이트와 액정 물질 사이에 배치된다. 또 다른 실시양태(도 3d 참조)에서는, 두 전극중 하나(12)가 제 1 프레넬 존 플레이트와 액정 물질 사이에 배치되고, 두 전극중 다른 하나(13)가 제 2 프레넬 존 플레이트와 액정 물질 사이에 배치된다. 또 다른 실시양태에서(도 3c 및 도 3e 참조)에서는, 2개의 전극(12, 13)중 하나(12, 도 3c) 또는 각각(12, 13; 도 3e)이 개별적인 프레넬 존 플레이트에서 RM 표면 릴리프 패턴(프레넬 존 패턴)과 RM 표면 릴리프 패턴이 형성되는 투명 평면 플레이트/기판 사이에 배치된다. 이러한 배열로 전도성 전극의 광학 효과를 최소화하는 것이 바람직하다. 그러나 이러한 배열을 사용하면 전기적으로 비활성인 반응성 메소겐 광학 요소에서 발생하는 계자 손실(loss of field)이 제거되므로 작동 전압과 전력이 감소한다.
도 19a 및 도 19b는 본 발명에 따른 다른 실시양태를 도시한다. 이 대안에서, 제 1 광학 요소와 제 2 광학 요소 사이에 끼워진 액정에 전기장을 인가하면 광학 변조기가 변조 기능을 중단하게 할 수 있는 반면, 전기장을 제거하면 변조기가 변조를 재개할 수 있다. 이는 도 3a 및 3b를 참조하여 위에서 설명한 배열의 반대이다. 이 다른 배열에서는, 수직으로 정렬된 트위스티드 네마틱 액정(310)이 제 1 광학 요소 및 제 2 광학 요소(32, 38) 사이에 사용된다.
도 19a는 광학 변조기가 "전기장 오프" 상태일 때 액정(310)의 수직 상태를 도시한다. 이 상태에서는 전압 단위장치(41)에 의해 시스템의 전극(12, 13)에 전압(V)이 인가되지 않고, 액정에 프리-틸트(pre-tilt)(삽도: 도 19a)가 존재한다. 프리-틸트는 인접한 프레넬 존 플레이트(34)를 형성하는 복굴절성 중합체의 광축(33)의 방향이다.
본 실시양태에서 광학 변조기의 배열은 도 3a 내지 도 3e를 참조하여 전술한 엠보싱된 이방성 프레넬 존 플레이트(34, 37)를 기반으로 한다. 그러나, 추가로, 이 실시양태에서는 프레넬 존 플레이트가 각각 수직 정렬 물질(300)(예를 들어, 폴리이미드, 실란, 레시틴, 광 정렬 물질)로 오버-코팅된다.
액정은 연마 또는 광 정렬에 의해 유도될 수 있는 아래에 놓인 프레넬 존 플레이트의 광축 방향의 프리-틸트(310)를 갖는다. 변조기는 제 1 광학 요소 및 제 2 광학 요소(32, 33; 37, 38)를 포함하며, 이들 각각은 상대에 대해 수직인 광축(즉, 프레넬 렌즈의 복굴절성 물질의 방향자: 33, 39)을 갖는다.
액정은 "전기장 오프" 상태에서 수직 배열(310)을 가정하고[도 19a], 이 상태는 도 3a를 참조하여 전술한 바와 같이 광학 변조기에 의한 편광-독립적인 렌징을 허용한다.
도 19b는 전압 단위장치(41)에 의해 시스템의 전극(12, 13)을 가로질러 전압(V)이 인가되는 "전기장 온" 상태를 도시한다. 여기에서, 전기장-유도된 트위스티드 네마틱 구성(311)이 액정에 제공된다. 액정은 음의 유전율 이방성을 가질 수 있다. "전기장 온" 상태에서, 액정(311)은 음의 유전율 이방성으로 인해 전기장에 수직으로 배향된다. 이 때, 액정(311)은 도 3a를 참조하여 상기 기재된 바와 같이 예를 들어 경화된 반응성 메소겐으로부터 형성되는 프레넬 존 플레이트를 형성하는 복굴절성 물질의 정상 굴절률 및 이상 굴절률에 굴절률이 매치된다. 이 상태에서는 렌징이 실질적으로 발생하지 않는다. 아래에 있는 복굴절성 프레넬 렌즈의 광축(방향자: 33, 39) 방향의 액정(310)의 프리-틸트는 트위스티드 네마틱 구성으로 이어진다[도 19b]. 이 조건에서 광학 변조기는 이방성 프레넬 존 플레이트가 액정에 굴절률 매치되기 때문에 광의 초점을 맞추지 않는다.
다른 실시양태에서는, 2개의 광학 요소(32 또는 38)중 하나만이 프리-틸트(310)를 나타내고/제공하는 반면 다른 하나가 기판에 수직이다. 인가 전압 하에서의 꼬임은 d/p가 약 0.25인 키랄 네마틱을 사용함으로써 유도할 수 있으며, 여기에서 d는 셀 간격이고, p는 키랄 네마틱의 피치이다.
칼라미틱 반응성 메소겐(RM)을 사용하여 복굴절성 광학 요소/중합체를 형성할 수 있으며, 칼라미틱 네마틱 액정을 그 사이에 끼인(그들과 광학 접촉함) 액정 물질로서 사용할 수 있다. 네마틱 액정은 도 3a 및 도3b에서와 같이 대략 평면으로 배열될 수 있고, 산란을 방지하기 위해 균일하게 정렬되도록 배열될 수 있다.
RM은 바람직하게는 높은 복굴절을 갖는다. RM의 복굴절(Δn)에 대한 적절한 값의 범위는 바람직하게는 Δn=0.05 내지 0.35; 더 바람직하게는 Δn=0.07 내지 0.3; 보다 더 바람직하게는 Δn=0.17 내지 0.27이고, 여기에서 값은 가시광 파장 범위에 대해 주어진다. 물론, 장치는 IR, mm파, 마이크로파 및 THz를 포함한 다른 파장 범위에서 작동하도록 설계될 수 있다. 본질적으로 복굴절은 광의 안정성을 손상시키지 않고 가능한 한 높을 수 있다. 따라서, Δn=0.2 내지 0.27도 적절한 범위이다.
RM은 사실상 이작용성일 수 있다. 예를 들어, 이는 칼라미틱(막대형) 중합 성 기(예: 아크릴레이트 기)가 RM의 양쪽 끝에 부착된 경우일 수 있다. 이는 RM이 액정에서 평면 정렬을 유도하는 것을 보장한다. RM 물질의 원하는 정렬은 가장 바람직하게는 RM으로 형성된 광학 요소 전체에 걸쳐 유지된다. 이는 하이브리드 정렬 또는 꼬인 정렬일 수 있지만, 대부분의 경우 몇몇 구현시에는 광학 요소 전체에 걸친 RM 방향자의 평면 균질 정렬이 선호된다. 그럼에도 불구하고, 광학 변조기 내의 액정의 트위스티드 네마틱 구성은 몇 가지 유익한 특성을 유발할 수 있다. 특히, 개선된 파장 의존성과 더 적은 분산이 달성될 수 있다. 본원에 제공된 광학 변조기의 예는 일반적으로 평면인 구성/구조를 이용하였는데, 이 구조가 제조 및 설계하기 간단하기 때문이다. 그러나, 본 발명은 이러한 일반적으로 평면인 구조 또는 디자인으로 제한되지 않는다.
광학 요소는 접촉하는 액정과 RM 광학 요소(이는 목적하는 효과를 제공하도록 성형됨) 사이의 굴절률 차이를 통해 투과된 광학 파면에 굴절 광학 효과 및/또는 회절 광학 효과를 제공하도록 구조화(예: 성형 또는 패턴화)될 수 있다. 예를 들어, 광학 요소는 굴절 렌즈(예: 단순 렌즈 또는 프레넬 렌즈)의 형태로, 또는 굴절 프리즘의 형태로 성형될 수 있거나, 또는 회절 격자 또는 프레넬 회절 광학 요소와 같은 회절 구조체를 형성할 수 있다. 액정 물질은 벌크 액체가 그와 접촉하는 광학 요소의 형상 또는 구조에 순응하는 형태를 채택(즉, 역 형상/구조를 형성)할 수 있기 위하여 순응성이도록 선택된다. 이는 광학 파면을 변조하기 위한 굴절 또는 회절 계면/표면을 제공한다.
바람직하게는, 각각의 광학 요소는 약 100nm 두께 미만의 정렬 층 상에 증착되고, 이 정렬 층은 다시 바람직하게는 투명 전극 상에 증착된다. 광학 요소는 바람직하게는 2개의 대향 전극 사이의 액정 물질에 최대 전기장이 인가될 수 있도록 설계 및 제작된다. 즉, 정렬 층과 액정 물질에 인접한 광학 요소 표면 사이의 최소 거리는 가능한 한 낮은 것이 바람직하다. 예를 들어, 광학 요소의 RM 물질에 의해 형성된 광학 구조체는 바람직하게는 정렬 층 및 전극 층에 가능한 한 가까운 패턴 진폭(예컨대, 격자 구조 또는 프레넬 렌즈/플레이트의 골)을 나타낸다. 이렇게 하면 전극과 인접한 활성 액정 층 사이의 최소 거리 값이 최소화되고, 스위칭 전압이 가능한 한 낮게 유지되도록 보장한다.
상기 액정 물질과 광학 요소(회절 또는 굴절)는 바람직하게는 각각 칼라미틱 액정과 복굴절성 중합체(경화된 반응성 메소겐)로 형성될 수 있지만, 액정 물질로 디스코틱 액정 물질을 사용할 수도 있다. 양의 복굴절성 칼라미틱 유형이 복굴절성 광학 요소와 그 사이의 액정 모두에 사용되는 경우, 복굴절성 광학 요소의 광축(방향자)에 평행하게 편광된 광의 성분은 굴절/회절되는 반면, 복굴절성 광학 요소의 광축(방향자)에 수직으로 편광된 광의 성분은 전술한 바와 같이 상당한 굴절 또는 회절 없이 투과된다.
광학 변조기의 두 광학 요소는 바람직하게는 광학 변조기의 작동 파장 범위에서 실질적으로 투과성인 접촉 액정 매질에 의해 분리된다. 광학 변조기의 2개의 광학 요소 사이의 액정은 바람직하게는 적어도 국부적으로는 2개의 광학 요소의 접촉 표면에 가깝게 굴절률 매치되도록 배열된다. 이는 액정의 방향자 프로파일이 바람직하게는 90°만큼 꼬이도록 배열되어 트위스티드 네마틱을 형성함을 의미한다.
광학 요소의 간격 및 이에 따른 트위스티드 네마틱 액정 물질의 두께는 바람직하게는 다음과 같은 구치 태리 조건이 되도록 선택될 수 있다:
상기 식에서, Δn은 액정의 복굴절이고, d는 두 대향하는 광학 요소 사이의 간격(예를 들어, 구조화된 광학 요소로 인한 간격의 변화를 포함할 때 평균 간격으로 간주됨)이다.
광학적 품질과 색도를 위해, m>4인 것이 바람직하다. 속도가 더 중요하거나 렌즈가 좁은 파장 범위에 필요한 경우에는, m의 더 낮은 값을 선택할 수 있다. 전형적으로, 간격 d는 적어도 약 5μm, 바람직하게는 더 클 수 있다.
셀 갭(d)이 해당 복굴절성 광학 요소의 표면/패턴 특징부의 높이/진폭보다 훨씬 더 큰 것이 중요하다. 예를 들어, d>3h가 만들어져야 하는 바람직한 기준인데, 왜냐하면 바람직한 방향자 프로파일이 광의 편광된 구성요소의 편광 방향에 대해 90°만큼 회전하는 것으로 실질적으로 균일해지기 때문이다. 바람직하게는, 광이 트위스티드 네마틱 상태인 액정을 통해 투과될 때 광의 편광 방향이 실질적으로 완전히 90° 회전되는 것을 보장하기 위해, d>>3h, 예컨대 d>10h 또는 d>15h, 또는 d>20h, 또는 d>25h이다. 광학 요소의 표면 패턴 특징부의 상단/외부 부분으로부터 약 1h의 거리에서, 바람직하게 이 조건에 근접할 것이며, 따라서 2개의 이러한 대향 표면과 트위스티드 네마틱 액정이 실질적으로 균일한 균일 중앙 구역을 고려할 때 조건 3h가 발생한다. 이 균일하게 꼬인 중앙 영역은 바람직하게는 h보다 큰 두께를 갖는다.
엠보싱 및 정렬된 복굴절성 중합체의 제조
본 발명은 광학 변조기용 광학 요소의 제조 방법을 제공할 수 있다. 예를 들어, 투과되는 광 파면을 변조하기 위해 원하는 형상으로 성형된 2개의 복굴절성 광학 요소 사이에 끼워진 전기적으로 스위칭 가능한 액정 물질을 포함하는 전술한 전기적으로 스위칭 가능한 광학 변조기를 제조하기 위한 방법이 제공된다. 변조기의 복굴절성 광학 요소 중 임의의 하나 또는 각각은 다음 단계를 포함하는 방법에 따라 제공될 수 있다:
상기 원하는 형상에 상보적인 형상으로 엠보싱된 엠보싱 표면을 제공하는 가요성 시트를 제공하는 단계;
기판의 표면에 경화되지 않은 상태의 일정량의 반응성 메소겐 물질을 제공하는 단계;
일정량의 반응성 메소겐 물질의 표면 전체에서 일정량의 반응성 메소겐 물질에 대해 엠보싱 표면을 점진적으로 가압함으로써, 상기 원하는 형상을 갖는 성형된 복굴절성 부품을 형성하는 단계;
성형된 복굴절성 부품을 경화시켜 상기 복굴절성 광학 요소를 형성하는 단계.
방법은 엠보싱 표면에 우선적인 표면 정렬을 제공하고 그와 함께 성형된 복굴절성 부품의 엠보싱되는 표면에 우선적인 표면 정렬을 부여하는 단계를 포함할 수 있으며, 이 때 표면 정렬은 상기 액정 물질을 정렬시키도록 구성된다.
RM에 원하는 형상을 엠보싱하는 동시에 RM의 표면에 원하는 정렬을 부여하기 위하여, RM은 투명 전극을 포함하는 기판과 액체인 RM과 접촉하는 엠보싱 정렬 층 사이에 액체 형태인 동안 원하는 형상(예컨대, 렌즈 모양 또는 기타 패턴)으로 형성될 수 있다. 다음 절차를 이용할 수 있다.
제 1 단계: 예를 들어 다이아몬드 절단 또는 리소그래피 방법(포토리소그래피, 전자-빔 등)을 이용하여, 복굴절성 광학 요소의/복굴절성 광학 요소에 대한 원본 마스터(original master)를 한정한다. 당업자가 쉽게 이용할 수 있는 것과 같은 절차를, 광학 격자, 렌즈 또는 프리즘 요소를 생성하기 위해 적용되는 것과 같이 이 단계에 이용할 수 있다.
이어, 예를 들어 전기 성형을 이용하여 이 원본 마스터를 금속 심(예: 니켈)으로 복제할 수 있다. 다르게는, 원본을 사용하여 사본을 만들 수 있다.
제 2 단계: 원하는 패턴 또는 형상의 상보적인 형상을 PET 필름과 같은 가요성 백킹 기판 위에 배치된 수지 물질 내로 엠보싱한다(예컨대, 핫 호일 또는 포토 엠보싱 이용). 이는 RM 물질을 엠보싱하는데 사용하기 위한 엠보싱 표면을 형성한다.
제 3 단계: 엠보싱 표면의 상면에 우선 정렬을 부여한다. 이는 수지(중합체) 윗면을 연마함으로써, 또는 엠보싱된 수지 구조를 액정 중합체, 계면 활성제 또는 광-정렬제와 같은 정렬 층(바람직하게는, 얇은)으로 코팅하고 역 광학 요소의 표면에 올바른 방향을 부여함으로써 유발될 수 있다.
제 4 단계: 위에 증착된 전극 구조와 적절하게 정렬된 평면 정렬 층(일반적으로, 연마된 폴리이미드 또는 광-정렬 층)을 갖는, 광학 요소(RM 물질)가 증착되어야 하는 광학 기판(예컨대, 유리 또는 투명한 비-복굴절성 플라스틱)을 제공한다. 이어, 일정량의 경화되지 않은/액체 RM 물질을 그 기판의 한 표면에 선 또는 스트립으로 증착시키고, 가요성 엠보싱 표면을 액체 RM 물질과 접촉하여 배치한다. 롤러를 가요성 백킹 기판의 뒷면에 가하여, 엠보싱 표면을 액체 RM 물질 내로 미는 동시에 기판 및 그 위의 엠보싱 표면을 구부린다. RM 물질이 엠보싱 표면과 접촉한 상태에서 적절한 압력과 속도에서 롤러를 가요성 백킹 기판의 뒷면을 따라 밀어서, 광학 기판의 표면을 따라 점진적으로 액체 RM 물질 내로 엠보싱을 구부려, RM 물질을 엠보싱시키는 동시에 기판 전체에 RM 물질을 펼친다. 즉, 원래 광학 마스터 구조의 형상으로, 또한 이 요소 및 전극 특징부의 기부 사이에서의 최소한의 오프셋으로 RM이 가압되도록, 엠보싱이 수행된다.
필름 위의 수지는 일반적으로 표면 코팅의 정렬 방향이 표면의 정렬 방향과 동일(평행 또는 역평행)하도록 배열된다. RM의 양쪽에 있는 정렬 층의 효과는 RM에 대해 가능한 전체 복굴절로(또는 그에 가깝게) 균일한 복굴절 상태를 형성하게 한다. 그런 다음 RM을 경화하여 중합체를 형성하고, 필름과 수지 몰드를 제거하면 정렬된 중합체 RM이 유리 기판에 남게 된다.
엠보싱 공정은 실제 엠보싱 속도 및 압력을 위한 최적의 점도를 얻기 위해 승온에서 수행될 수 있다. 공정은 RM이 등방성 액체인 온도에서 수행될 수 있다. 이 경우, 필름과 접촉하는 RM의 냉각은 제어된 방식으로 수행될 수 있다. 냉각시 열 구배는 RM의 광축 방향인 것이 바람직하다.
경화는 차가운 온도에서, 그러나 경화되지 않은 RM의 네마틱 상에서 이루어져서, 정렬 매개변수(order parameter)와 따라서 복굴절이 최대가 되도록 해야 한다.
바람직하게는, 경화는 RM의 네마틱 상에서 가능한 가장 낮은 온도에서 수행되어, 정렬 매개변수, 따라서 층의 복굴절을 최대화한다. 그러한 경우에, 액정은 RM을 경화시키는 온도가 아니라 장치의 작동 온도 범위에 걸쳐 RM에 실질적으로 매치된다. 정렬된 RM은 일반적으로 접촉하는 네마틱 액정에 충분히 강한 정렬을 부여한다. 이 정렬은 올바른 작동을 위해 필요한 방향으로 자발적으로 이루어진다. 그러나, 추가적인 연마, 광 배향 또는 계면활성제 층에 의해 이러한 정렬을 강화함으로써 장치 작동을 개선할 수 있다.
유리와 경화된 RM 사이의 접착력을 향상시키기 위해 RM에 제제를 첨가할 수 있다. 다르게는, 경화된 수지와 수지 사이의 접착력을 선택적으로 감소시키는 상이한 제제가 첨가될 수 있다. 어느 경우에나, 첨가제의 농도는 수지의 특성에 영향을 미치지 않도록 충분히 작아야 한다. 바람직하게는, 이들 첨가제는 효능을 증가시키기 위해 표면 특이적일 것이다.
유사하게, 수지의 UVO3 또는 플라즈마 처리를 이용하여, 경화된 RM과 수지 사이의 접착력을 감소시키는데 도움을 줄 수 있다. RM 구조는 RM용 접착 촉진제의 적절한 영역을 인쇄함으로써 패턴화되어, 촉진제가 증착된 구역에서 RM이 유리 기판에 선택적으로 접착되지만 필름의 수지에 대한 접착력이 더 강한 경우에는 유리로부터 제거되도록 할 수 있다.
광학 요소는 단순한 형태 또는 프레넬 형태의 굴절 렌즈일 수 있거나, 또는 프레넬 존을 사용하는 회절 렌즈일 수 있다. 다르게는, 프리즘과 같은 다른 굴절 구조, 또는 격자 또는 홀로그래픽 요소와 같은 회절 구조를 형성할 수 있다.
다른 디자인은 광학 요소의 상부에 증착된 전도성 전극을 갖는 것이다. 이 설계는 더 낮은 스위칭 전압을 최소화해야 하는 경우에 선택할 수 있다. 예를 들어, 대형 굴절 렌즈에서는 프레넬 유형이라 해도 구조의 높이가 유전체 물질에 걸쳐 높은 전압 강하를 유발한다. 이는 전극(또는 아래에 놓이는 전극에 연결된 제 2 전극)이 RM 광학 구조의 상부 표면에 증착되는 경우 최소화된다. 전극은 ITO와 같은 스퍼터링된 층으로부터, 또는 균일한 전도성 코팅을 형성하기 위해 고온에서 후속 어닐링되는 전도성(예: Ag) 나노-입자의 얇은 코팅에 의해, 또는 PEDOT와 같은 전도성 중합체의 얇은 층을 사용함으로써 형성될 수 있다. 각각의 경우, 도체 상단에 추가적인 평면 균일 정렬 층이 필요하다. 선호하는 정렬의 방향은 정렬된 RM의 방향과 평행해야 한다.
도 4는 RM 표면 패턴(34)을 갖는 투명한 기판(32)을 포함하는 상부 광학 요소를 포함하는 도 3a의 광학 변조기의 일부를 개략적으로 도시하며, 이 때 RM은 방향자(33)를 갖는다.
액정 물질(35)은 상부 광학 요소에 인접한 영역에만 도시되어 있다. '오프' 상태에서 액정 물질의 방향자(51)는 평균적으로 렌즈 광축(48)에 수직인 방향으로 배향되며, 이 광축은 투명한 기판(32)의 평면에 수직인 프레넬 렌즈의 원통형 대칭 축이다.
상부 광학 요소의 프레넬 존 플레이트를 형성하는 RM 표면 패턴의 일부에 바로 인접한 액정 물질(35) 부분에 대한 확대도가 도 4에 도시되어 있다. 이는 국부적인 액정 방향자(51)가 대부분 렌즈 축(48)에 수직으로, 동시에 프레넬 존 플레이트(34)의 물질 내에서 RM 광축(방향자)(33)에 실질적으로 평행하게 배향되는 반면, 액정 물질(35)과 RM 패턴의 수직 표면 사이의 직접 계면은 국부적인 액정 방향자(51)가 렌즈 축(48)에 실질적으로 평행하고 RM 광축(방향자)(33)에 실질적으로 수직인 표면 고정 경계층(52)을 형성함을 보여준다. 이 확대도는 또한 투명 기판(32)의 상부 표면에서의 전극(50)의 위치 및 기판의 하부 표면에 광학 변조기 내의 액정 물질(35) 및 RM 물질(34) 둘 다와 접촉하는 정렬 층(49)의 제공을 또한 보여준다.
도 5는 광학 변조기가 '온' 상태로 스위칭되는 도 4에 도시된 도면을 도시한다. 여기에서, 광학 변조기의 대향 전극 사이에 생성된 전기장은 RM 물질이 존재하지 않고 액정 물질(43)이 존재하는(전기장-정렬된 상태로 도시됨) 변조기 내의 영역에서 비교적 더 높다. 그러나, 광학 변조기 내에서 RM 물질의 영역에 바로 인접한 액정 물질의 영역은 유전성 RM 물질의 차폐 효과 및 RM 표면에 형성된 표면 고정 경계층(52)으로 인해 낮은 전기장 강도를 경험한다. 이는 RM 물질에 바로 인접한 액정 물질의 방향자가 렌즈 축(48)에 수직인 배향을 채택하게 한다. 이는 프레넬 존 플레이트 요소(34)의 유효 높이를 증가시켜 실제 높이보다 약간 더 높게 하는 순 효과를 갖는다.
낮은 전압에서 온 상태의 방향자는 표면에 인접하여 수직이지 않으므로 프레데릭츠(Freedericksz) 전이보다 실질적으로 더 높은 전기장이 필요하다. 프레데릭츠 전이는 왜곡되지 않은 상태의 액정에 충분히 강한 전기장 또는 자기장이 인가될 때 생성되는 액정의 상 전이이다. 특정 전기장 임계 값 미만에서 방향자는 왜곡되지 않은 상태로 유지된다. 전기장 값이 이 임계 값에서 점차 증가함에 따라 방향자는 전기장과 정렬될 때까지 벌어지기 시작한다.
이는 방향자가 표면에서 수직이 아닌 하부 전기장에서 불완전한 굴절 효과를주는 제 1 내부 표면(즉, 입사면)을 초래한다(온 상태에 대해서는 도 5 참조).
렌즈에 사용되는 물질은 RM의 굴절률의 정상 굴절률이 LC의 굴절률보다 약간 높도록 선택되어, 온 상태와 오프 상태 사이의 콘트라스트를 최적 증가시키는데 도움을 줄 수 있다. 예를 들어, 회절 프레넬 렌즈를 사용하는 경우와 같이 전극이 렌즈 아래에 있는 경우, 렌즈의 유전 효과가 이들 구역에서 표면에 가까운 전기장을 감소시키고(도 5의 온 상태에 대해 도시된 바와 같이), 따라서 구조의 등가 깊이를 증폭시키기 때문에, 동일한 효율을 얻기 위해 렌즈 구조의 깊이가 마스터의 깊이에 비해 감소될 수 있다. 즉, 회절 구조의 유효 높이는 도 4에 도시된 바와 같이 오프 상태보다 스위치 상태에 대해 h보다 높게 증가한다.
완벽하게 수직이라면, 빔의 각도 의존성으로 인해 하나의 편광이 제 1 표면에 의해 굴절되거나 회절되는 오류가 발생한다. 인가된 전기장의 굴절이 광학 효과와 유사한 특성을 갖도록 물질의 유전 상수를 배열하는 것이 바람직한다. 전극이 격자 또는 렌즈 요소 상에 증착되면 광학 및 전기 굴절 효과가 자동으로 유사해야 한다.
본 발명은 광범위한 수동 광학 요소에 적용될 수 있는 편광-독립적 적응 광학에 대한 새로운 접근을 가능하게 하여 전기적으로 스위칭 가능하게 만든다. 원하는 형상을 광학 이방성 액정 물질 내로 엠보싱하는 방법이 제공된다. 편광-독립성은 예컨대 직교 광축을 갖는 이러한 기판 중 두 개를 셀로 조합하여 달성할 수 있다. 셀은 트위스티드 네마틱 구성의 네마틱 액정으로 채워질 수 있다. 액정의 굴절률은 기판과 굴절률-매치될 수 있다.
전기장이 없는 비-포커싱 상태에서 전기장-온 상태의 포커싱 상태로 스위칭될 수 있는, 프레넬 존 렌즈에 대한 제 1 용도의 또 다른 예가 이제 기재된다. 이는 2원 구조의 41% 효율 한계를 극복하기 위해 다중-레벨 프레넬 렌즈로 확장될 수 있다. 본 발명자들은 이 기술이 광범위한 광학 요소에 적용 가능함을 증명하기 위해 편광-독립 광학 격자 및 마이크로-렌즈 어레이에 대한 예를 추가로 보여준다.
프레넬 존 플레이트(FZP)는 회절 효과에 의존하여 초점 M에 광을 집중시킨다. 시준된 광원에서 투과되고 FZP를 통해 투과된 광은 FZP 평면의 지점에서 초점까지의 경로 길이에 따라 지점 M에서의 건설적인 간섭 또는 파괴적인 간섭을 그 특징으로 할 수 있다. 파괴적으로 간섭하는 영역의 광을 다른 영역에 대해 π만큼 위상 이동함으로써 M에서의 포커싱을 달성할 수 있다. 이것은 명칭-부여 대역에서 플레이트의 분할로 이어진다.
간단한 기하학적 논증 및 간섭 조건으로부터, 대역 반경 r m 은 다음 수학식으로 주어진다:
상기 식에서, m은 고리의 수이고, f는 공칭 초점 길이이며, λ는 해당 광의 파장이다.
다음의 예에서는, 엠보싱 기술을 이용하여 반응성 메소겐에 프레넬 존 플레이트를 각인시킨다. 엠보싱은 실질적으로 오프셋 없이 구조를 복제할 수 있기 때문에 여기에서 선택된 방법이다. 제로 오프셋 조건은 전기-광학 장치에서 불필요한 전압 강하와 장치의 큰 전기적 변동을 방지하기 위해 매우 바람직하다. 다른 각인 기술은 압력이 얼마나 높은지에 관계없이 약간의 오프셋이 발생할 수 있는데, 왜냐하면액체 광중합체가 단단한 구조 요소 주위로 흐르는 것을 방지하기 때문이다. 본 예에서는, 엠보싱으로, 액체 광중합체가 기판의 한 면에서 다른 면으로 밀려 전극과 필름 사이에 형성된 틈새를 채울 수 있도록 하는 가요성 필름 상에 구조화된 요소를 형성시킨다.
엠보싱 공정의 개략도는 도 6a 및 도 6b에 도시된다. 원하는 구조의 역구조(61)을 갖는 가요성의 구조화된 필름(60)을 롤러(62)에 의해 기판(63) 상으로 압력(p)만큼 가압하여, 기판 표면 전체에 일정량의 액체 반응성 메소겐(64)을 점진적으로 펴바른다. 구체적으로, 도 6a를 참조하면, 고무 코팅된 롤러(62)는 기판의 표면 상에 미리 구조화된 가요성 필름(60)을 가압한다. 기판(63)은 유리, ITO 또는 실리콘과 같이 강성일 수 있거나, 또는 PET(폴리에틸렌 테레프탈레이트)와 같이 가요성일 수 있다. 기판과 구조화된 필름 사이에서, 특정 압력 및 속도로 롤러를 아래로 밀어서 반응성 메소겐을 펴바른다. 이들 양은 제로 오프셋을 이끌어내는 범위 내에서 적절하게 조정된다. 시스템의 온도를 변화시켜, 가요성 물질의 점도를 제어함으로써 공정에 필요한 압력 및 속도가 바람직한 범위 내에 있도록 할 수 있다. 예를 들어, RM 물질에 대해서는 약 4 내지 7바를 이용할 수 있다. 실온에서의 RM 물질의 점도는 약 500 내지 800cP일 수 있다. 롤러 및 베이스플레이트를 50℃ 내지 70℃로 가열하여 100 내지 200cP의 점도를 달성할 수 있다. 엠보싱 속도는 약 0.1 내지 2cm/분일 수 있다. 엠보싱 단계 후, 반응성 메소겐을 UV 경화시키고(즉, 자외선으로 조사함) 구조화된 필름을 제거하여, 목적하는 중합된 구조체를 남긴다. 경화가 이루어지는 온도는 엠보싱 온도와 상이할 수 있거나, 또는 실제로 주위 온도일 수 있다. 본 발명자들은 경화 공정 동안 필름을 주위 온도 아래로(그러나 동결점 및 유리전이온도보다는 높게) 냉각시킴으로써 RM으로부터 더욱 고도의 복굴절성 광학 구조체를 형성시킬 수 있음을 발견하였다. 본원에 언급된 점도 값은 국제 표준화 기구(ISO) 기준 "ISO 3219:1993"에 따라 측정될 수 있다.
복굴절성 중합체(경화된 반응성 메소겐) 엠보싱된 프레넬 구조체의 제조 공정은 도 6b에 도시되어 있다. 마스터 몰드를 프레넬 존 렌즈의 제 1 예에 사용하였고, 이 마스터는 직접적인 레이저 기록으로 제작되었다. 그러나, 일반적으로 기존 구조를 이 공정에 사용할 수 있다. 마스터를 이형 층으로 코팅하고 UV-경화성 성형 물질을 사용하여 성형한다. 이 물질을 가요성 백킹 상에 배치하는데, 이는 본 엠보싱 공정의 전제 조건이다. 그런 다음, 네거티브 몰드를 정렬 층으로 코팅하고 연마한다. 반응성 메소겐을 정렬 층으로 처리된 ITO-덮인 유리 위에 증착시킨다. 연마된 몰드를 액체 RM 위에 놓고 고무 롤러를 사용하여 엠보싱시킨다. RM을 UV-경화시킨 후 몰드를 제거하고 RM의 마스터의 사본을 수득한다. 엠보싱 공정이 최적화되면 각인 기술로 인한 오프셋이 실질적으로 사라질 수 있다.
본 발명의 실시양태는 복굴절성 중합체(경화된 반응성 메소겐) 엠보싱된 프레넬 존 플레이트를 기반으로 하는 편광-독립적인 장치를 제공한다. 장치는 각각 프레넬 존 플레이트를 갖는 두 기판으로 구성된다. 상기 언급한 바와 같이, 프레넬 존 렌즈의 렌징은 π/2의 교대하는 위상 이동에 의존하며, 따라서 어느 대역이(짝수이든 홀수이든) 이 위상 변화를 나타내는지는 문제가 되지 않는다. 장치의 더욱 우수한 성능을 위해, 상보적인 구조인 두 기판을 사용하는 것이 유리하다(도 3a). 복굴절성 중합체(경화된 반응성 메소겐) 층은 균일하게 정렬되고, RM 기판의 광축은 서로 수직이다. 액정으로 채운 후, 이 셀은 이 수직 정렬로 인해 트위스티드 네마틱 셀이 된다. 사용되는 액정은 정상 굴절률 및 이상 굴절률 모두에 있어서 RM에 굴절률 매치된다.
작동 원리는 도 3a와 도 3b에 요약되어 있다. 전기장-오프 상태에서, 시준된 입사광은 복굴절성 중합체(경화된 반응성 메소겐)와 액정이 동일한(또는 매우 유사한) 정상 굴절률 및 이상 굴절률을 갖기 때문에 위상 전면의 왜곡을 경험하지 않다. 따라서, 시준된 광은 포커싱 없이 시준된 상태로 유지된다. 그러나, 꼬인 형상으로 인해, 각각의 입력 편광은 90°만큼 회전한다. 상부 구조체 및 하부 구조체에서 상보적인 구조를 사용하는 것은 불완전한 굴절률 매칭을 보상하기 위한 것이다. 굴절률 불일치로 인해 상단에서 발생하는 광학 위상의 공간적 변화는 하단의 상보적인 위치에서 발생하므로, 둘 다 균형을 이룬다.
충분히 높은 전압(임계 전압보다 높음)에서의 전기장-온 상태에서는, 액정의 편광 변환 기능이 중지되고, 출력 편광은 입력 편광과 동일하다. 액정 방향자를 수직 상태로 재배향하면 이전에 달성된 굴절률 매칭이 더 중단되고, 상단 기판 및 하단 기판의 렌징이 나타난다. 따라서, 두 편광 모두에 대한 렌징이 이 프레넬 렌즈 셀에 의해 달성된다. 프레넬 존 셀의 상보적인 설계는 전압 의존성을 감소시켜야 하는 장치 전체에 걸쳐 보다 균일한 전기장 분포를 달성하는데 도움이 된다.
따라서, 가로 위상 변조가 복굴절성 중합체(경화된 반응성 메소겐)에 의해서만 결정되도록, 액정에 의해 채택된 위상 이동은 렌즈 전체에 걸쳐 일정해야 한다. 편광-독립성을 달성하는 제시된 기술은 프레넬 존 플레이트에 국한되지 않고 나중에 보여질 광범위한 광학 구성요소로 확장될 수 있음을 언급해야 한다.
도 7a 내지 7d는 RM 엠보싱된 통상적인(a, b) 프레넬 존 플레이트(FZP) 및 상보적인(c, d) 프레넬 존 플레이트(FZP)의 편광 광학 현미경 사진을 보여준다. 복굴절성 중합체(경화된 반응성 메소겐) 엠보싱된 기판. 도 7(a, b)는 편광판에 대해 (a) 45° 및 (b) 0° 각도의 방향자가 있는 교차 편광판 사이의 통상적인 구조를 도시한다. 도 7(c, d)는 상보적인 구조를 보여준다. 이미지는 일정한 노출 시간으로 기록된다. 도 7(e 내지 h)는 두 기판의 방향자가 서로 수직인 조립된 셀을 보여준다. 교차 편광기 사이의 채워지지 않은 셀은 (e) 편광기에 대해 45° 각도 및 (f) 0° 각도로 도시된다. 그 사이가 채워진(TN 유사) 셀은 교차 편광기의 경우 도 7(g)에, 또한 평행 편광기의 경우 도 7(h)에 도시된다. 두 구조 모두 마스터를 정확하게 재현하고 경화된 RM의 매우 우수한 정렬을 추가로 나타낸다(프로필 측정에 대해서는 도 13 및 도 14 참조). RM 고리 사이의 어두운 영역은 눈에 보이는 복굴절이 없기 때문에 엠보싱 공정이 매우 작은 오프셋 또는 제로 오프셋을 갖는 구조체를 생성함을 확인시켜 준다. 도 7(d)의 어두운 상태는 질감이 있는 표면의 연마 과정에서 발생할 가능성이 가장 높은 몇 가지 사소한 결함을 나타낸다.
통상적인 FZP와 상보적인 FZP는 기판의 방향자가 서로 수직인 셀로 조립된다. 셀의 채워지지 않은 상태는 도 7(e, f)에 도시된다. 상보적인 디자인으로 인해, 방향자가 편광판에 대해 45° 각도를 가정하면 셀이 교차 편광판 사이에서 거의 균일하게 밝게 보인다[도 7(e)]. 편광판과 평행하게 배치된 샘플은 우수한 어두운 상태를 나타낸다[도 7(f)]. 셀을 액정으로 채우면 트위스티드 네마틱 셀이 만들어지며, 이는 교차 편광판 사이에서 밝게[도 7(g)], 또한 평행한 편광판 사이에서 어둡게[도 7(h)] 보인다. 이는 RM의 정렬이 액정에 잘 전달되었음을 확인시켜 준다.
도 8(a, b)는 프레넬 존 플레이트 셀을 통해 투과된 대각선 편광을 갖는 시준된 가우시안 빔을 보여준다. 오프-상태에서는 빔이 시준된 상태로 유지되지만, 채워진 FZL 셀의 오류로 인해 작은 왜곡이 발생한다. 온-상태에서 광은 중심점에 포커싱된다.
특히, 도 8은 20cm 거리에서 CCD 카메라의 프레넬 존 셀을 통해 측정된 레이저 빔(파장=594nm)의 투과율을 보여준다. 도 8(a)는 오프-상태를 보여주고, 도 8(b)는 온-상태(10V 전압 인가)를 보여준다. 도 8(c)는 렌즈 사양(검정 점선)에 따라 모델링된 트위스티드 네마틱(TN) 셀의 상이한 입력 편광 및 투과 특성에 대해 중심점에 집중된 전력 효율을 보여준다.
도 8(c)는 상이한 입력 편광에 대한 장치의 효율을 보여준다(측정 설정에 대해서는 도 17 참조). 효율은 편광과 무관하게 약 33%의 유사한 값으로 포화된다. 그러나, 수평 편광이 빠르게 포화되는 반면 수직 편광은 낮은 전압에서 유사하게 시작하지만 더 느린 포화를 나타낸다. 대각선 편광 입력은 수직 편광과 수평 편광이 혼합되어 있기 때문에 중간 거동을 나타낸다. 일반적인 스위칭 거동은 참조로 표시된 트위스티드 네마틱 셀과 매우 유사하다. 시뮬레이션에 대한 세부 사항은 다음과 같다. 방향자 프로파일은 COMSOL Multiphysics 5.3을 사용하여 계산하였다. 하기 수학식에 의해 정의되는 자유 에너지는 강력한 고정 조건을 이용하여 약한 형태로서 구현되었다:
상기 식에서, n i 는 데카르트 좌표(Cartesian coordinate)(i=x,y,z)에서 방향자 n=[n x ,n y ,n z ]T의 구성요소이고, k jj 는 탄성 상수(j=1,2,3)이다. E z 는 z-방향에서의 전기장을 나타내고, ε 0 은 진공 유전율이고, Δε은 유전 이방성이며, ε ┴ 는 액정의 수직 유전율이다. 이어, 방향자 전기장을 이용하여 존즈(Jones) 형식을 적용함으로써 선형 편광의 투과율을 계산하였다. 액정(MLC6204-000)의 물리적 특성은 다음과 같이 시뮬레이션에 사용되었다.
이론적으로 약 41%의 회절 효율이 예상된다. 회절 효율에 부정적인 영향을 미치는 세 가지 요인이 있다. 이들은 엠보싱된 구조체의 프로파일, 액정에 대한 날카로운 모서리의 영향 및 복굴절성 중합체(경화된 반응성 메소겐)의 정렬 품질이다. 엠보싱된 RM 렌즈의 프로파일(도 13)에서 마스터와 비교한 엠보싱된 구조체를 볼 수 있다.
빔 프로파일에 대한 더 자세한 조사는 도 9에 나와 있다. 이는 상이한 인가 스위칭 전압에서 상이한 입력 편광(적색 화살표)(수직, 수평, 대각선)에 대해 측정된 일련의 투과된 레이저 빔 프로파일을 보여준다.
광학 변조기의 두 전극 사이에 인가되는 상이한 전압에 대해, 강도가 증가하는 중심점이 나타난다. 상이한 입력 편광(수평, 수직, 대각선)의 경우 강도나 형상에 약간의 변화가 있다. 그러나, 현저한 차이는 수평 편광 및 수직 편광의 경우 프로파일이 개별 축을 따라 늘어난다는 것이다. 이는 수평 축 및 수직 축이 렌즈의 기본 축인 장치 설계에 맞는 대각선 입력에는 발생하지 않는다. 따라서, 대각선 편광된 입력은 수평 및 수직의 동일한 부분으로 분할되어 순수한 수평 및 수직 입력에 대해 관찰된 타원도를 보상한다.
도 10은 상이한 입력 편광에 있어서 x-컷 및 y-컷에 대한 빔의 전압 의존 피크 강도(도 10(a-c)) 및 빔 폭(반치폭, FWHM)을 보여준다. 구체적으로, 도 10(a-c)는 인가된 스위칭 전압의 함수로서 상이한 입력 편광 및 출력 편광에 대한 투과된 레이저 빔의 중심 피크의 피크 강도를 보여준다. 도 10(d-f)는 피크 위치를 통해 x-컷 및 y-컷에 의해 발견된 전압-의존적인 반치폭을 보여준다. 입력 편광은 다음과 같다: 도 10(a, d) 수직; 도 10(b, e) 수평; 도 10(c, f) 대각선.
출력 편광판이 없는 피크 전력 밀도는 급격한 증가 후에 포화가 빠르게 뒤 따르는 효율 측정과 매우 유사한 거동을 나타낸다. 편광 의존성 출력 측정은 임계 전압이 초과된 후 TN 효과로 인한 편광 변환이 빠르게 중지됨을 보여준다. 따라서, 출력 편광은 입력 편광에 상응한다. 진폭의 감소는 입사광의 약 80%를 투과시키는 편광판에 의해 발생한다. 대각선 입력의 경우, 편광된 출력은 수평 편광 및 수직 편광을 동일한 부분으로 표시한다. 수평 성분은 수직 성분보다 빠르게 포화되는데, 이는 이미 효율 측정[도 10(c)]에서 관찰된 바와 같다.
빔 직경(반치폭, FWHM)[도 10(d-f)]은 증가된 포커싱으로 인해 전압 증가에 따라 감소한다. 수평 및 수직으로 편광된 입력의 타원율이 명확하게 보여진다. 또한, 대각선 입력에 대한 보상은 2D 빔 프로파일에서 예상한 것과 같다(도 10(d)). 이는 FWHM의 절대 값을 보면 더욱 뒷받침된다. 대각선의 경우 빔 폭 35μm는 수평 편광 및 수직 편광의 경우 발견되는 더 큰 직경인 36μm 및 37μm에 매우 가깝다. 비교하자면 더 작은 직경은 약 30μm이다.
타원율은 RM 고리의 테두리에 가까운 불완전한 정렬(이는 액정의 정렬로 전달됨)에 의해 야기되는 것으로 추정된다. 완벽하게 정렬된 복굴절성 중합체(경화된 반응성 메소겐) 프레넬 존 렌즈에서, RM 방향자는 방향자가 고리 가장자리에서 수직인 영역을 포함하는 고리 내에서 균일하게 정렬된다. 그러나, 실제로는, 몰드의 PVA 처리가 해당 위치에서 평면 고정을 촉진하므로 이러한 모서리에서 왜곡이 나타날 가능성이 더 높다.
수평 편광의 경우, 이는 수평 축을 따라 감소된 굴절률 콘트라스트로 인해 초점이 덜 집중되어 이 축을 따라 초점 크기가 증가한다는 것을 의미한다.
도 11은 초점 주변에 초점이 맞춰된 레이저 빔의 z-스캔을 보여준다. 특히, 도 8은 프레넬 렌즈에 대한 포인트 확산 기능의 하기 z-스캔을 보여준다: 도 11(a) 시뮬레이션; 도 11(b-e) 10V 인가된 스위칭 전압에서 실험적으로 결정됨. 입력 편광은 다음과 같다: 도 11(b, c) 수평; 도 11(d, e) 수직. 이론적 결과[도 11(a)]는 완벽한 이원 위상 분포와 24μm의 빔 직경(FWHM)을 기반으로 한다. 실험에서 얻은 최소값은 30μm와 32μm이고[11(b) 및(d)], 두 빔 직경은 입력 편광에 수직으로 측정된다. 예상대로 편광에 평행한 직경이 훨씬 더 크다[도 11(c) 및(e)].
앞서 언급한 바와 같이, 제시된 기술은 단순한 프레넬 존 플레이트에 국한되지 않고 다양한 종류의 광학 요소에 이용될 수 있다. 첫째, 이원 프레넬 렌즈의 효율 한계를 극복하기 위해 본 발명자들은 편광-독립 설계와 함께 엠보싱 공정을 다중 레벨 프레넬 렌즈에 적용하였다[도 12(a-c)]. 3-레벨 설계에 대해 측정된 효율은 53%이며, 이는 이 접근 방식이 50%를 초과할 수 있음을 증명한다. 이는 여전히 이론적으로 예측된 68%에 미치지 못하지만, 본 발명자들은 기술을 최적화하면 장치가 이 효율에 근접할 수 있다고 생각한다(표면 프로파일에 대해서는 도 15 참조). 도 15는 2개의 3-레벨 프레넬 렌즈의 표면 프로파일을 보여준다: (a) 실리콘 위에서 SU-8로 제작된 마스터, (b) 반응성 메소겐(RM)에서의 재생산.
도 12는 다음을 보여준다: 도 12(a-c)는 하기와 같은 3-레벨 프레넬 렌즈의 광학 현미경 이미지이다: 도 12(a) 실리콘 위의 마스터, 도 12(b, c) 교차 편광판 사이의 엠보싱된 렌즈 기판. 도 12(d)는 교차 편광판 사이의 엠보싱된 회절 격자(2um 피치, 125nm 진폭)를 보여준다. 도 12(e, f)는 상이한 입력 편광에 대한 전기적으로 스위칭 가능한 회절을 도시한다. 도 12(g)는 교차 편광판 사이의 엠보싱된 마이크로렌즈 어레이(MLA)를 보여준다. 도 12(h)는 광학 변조기에 10V 스위칭 전압을 인가하여 MLA 셀에 의해 포커싱된 가우시안 레이저 빔의 카메라 이미지이다. 도 12(i)는 교차 편광판 사이에서 본 엠보싱 사진을 보여준다.
도 12(d-h)에는 기존 광학 요소를 재현하는 두 가지 예가 나와 있다. 도 12(d)에서는, 시판되는 격자 필름을 사용하여 1D 격자를 RM 내로 엠보싱시켰다. 이 경우에는 마스터 성형 과정을 건너뛸 수 있다. 2개의 이러한 기판-방향자가 홈 방향인 하나, 방향자가 홈에 수직인 다른 하나-을 사용하여 스위칭 가능한 편광-독립 격자를 생성시켰다[도 12(e, f)].
도 12(g)는 일반적으로 더 비싼 구성요소인 마이크로-렌즈 어레이(MLA)의 RM 재생산을 보여준다. MLA의 손상을 방지하기 위해, PDMS로 성형한 다음 경질 수지에 스탬핑하여, 추가 처리를 위한 마스터를 수득하였다.
2개의 복굴절성 중합체(경화된 반응성 메소겐) 재생산품을 만들고, 이를 액정 셀 내로 조립하였다. 스위치-온 MLA의 결과가 도 12(h)에 도시되어 있는데, RM 방향자에 대해 45도 입력 편광을 사용하여 가우시안 레이저 빔의 포커싱을 표시한다.
도 13과 도 14는 도 3의 예에서 사용된 것과 같은 2-레벨 프레넬 렌즈(도 13)와 상보적인 2-레벨 프레넬 렌즈(도 14)의 표면 프로파일을 보여준다. 도 14(a) 실리콘에서 SU-8로 제작된 마스터, 도 14(b) 복굴절성 중합체(경화된 반응성 메소겐)(RM)에서의 재생산. 도 16은 상이한 인가 스위칭 전압(0V, 1V, 2V, 5V, 10V 및 50V)에서 교차 편광판 사이의 도 3에 따른 액정으로 채워진 2-레벨 프레넬 렌즈를 도시한다. 반응성 메소겐의 방향자 n(광축)은 편광판(P)/분석기(A)에 평행하게 정렬된다. 도 17은 본 발명의 실시양태의 프레넬 렌즈의 회절 효율을 측정하기 위해 사용되는 설정을 개략적으로 도시한다(도면 주석은 다음과 같다 - POL: 편광판, QWP: 1/4 파장 판, FZL: 프레넬 존 렌즈, PD: 광 다이오드).
마스터 제작
일례로, 프레넬 렌즈는 594nm에서 초점 거리가 200mm, 외경이 5mm, 공칭 특징부 높이가 2.1㎛이다. 후자는 복굴절성 중합체(경화된 반응성 메소겐)의 복굴절과 원하는 π의 위상 이동에서 파생된다. 두 가지 버전의 존 플레이트가 만들어진다: 모든 홀수 구역이 RM으로 만들어지는 보통 구조체와 짝수 구역에 RM이 있는 상보 구조체. 프레넬 존 플레이트 마스터는 직접 기록 레이저 시스템을 사용하여 제조된다. 실리콘상의 SU-8-2025(사이클로펜타논중 38%)를 10초 동안 500rpm(100rpm/초), 또한 40초 동안 1000rpm(300rpm/초)으로 회전 코팅시켰다. 막 두께를 조정하기 위해 순수한 SU-8의 희석을 이용한다. 샘플을 30℃에서 30분동안 소프트 베이킹하였다. 기록 공정은 375nm(파장) 레이저를 사용하여 3000mJ/cm2의 공칭 선량으로 수행된다. 노출 후 30분 동안 50℃에서 베이킹을 수행한다. SU-8 현상액을 회전 코팅하여 마스터를 현상한 후 IPA로 세척한다. 마지막으로, 180℃에서 1시간동안 하드 베이킴을 수행한다. 표면 프로파일(Dektak XT)을 측정하여 2.1μm의 특징부 높이를 확인한다.
더 나은 이형을 위해, FC40중 테플론(Teflon) AF1600(1.7%)[둘 다 시그마 알드리치(Sigma Aldrich)]로 이루어진 이형 층을 500rpm(100rpm/s)에서 10초간, 또한 3000rpm(300rpm/s)에서 40초간 마스터에 회전 코팅시킨 후, 180℃에서 15분동안 건조시킨다.
몰드 제작
마스터 성형에 사용되는 등방성 수지는 45% HDDA(시그마 알드리치), 15% TMPTA(시그마 알드리치) 및 40% 액틸란(Actilane) 420으로 구성된다. 수지를 마스터에 증착시키고, 125um 두께의 가요성 PET 필름[멜리넥스(Melinex) 506, HIFI 필름즈]으로 상부 코팅한 후, 10mW/cm2 UVA에서 10분동안 경화시킨다.
경화 후 필름을 떼어내고, 경화된 수지를 플라스틱 백킹에 부착한다. 몰드는 5분동안 UV-오존 처리한(T10X10/OES, UVOCS) 다음, 10초동안 500rpm(100rpm/s), 30 초동안 1500rpm(300rpm/s)에서 PVA 용액(H2O중 1%)을 회전 코팅시킨다.
PVA 층을 90℃에서 10분, 130℃에서 30분동안 건조시킨다. 마지막 단계에서는, 벨벳 천이 장착된 연마기를 사용하여 주형을 연마시킨다.
기판 제조 및 엠보싱
상이한 용매를 사용하여 ITO 기판을 철저히 세척하고 30분동안 UV/오존(T10X10/OES, UVOCS) 처리하여 마무리한다. 정렬 및 접착을 위해 폴리이미드 SE 3510[66중량%, 닛산 케미칼즈(Nissan Chemicals)], 디메틸폼아미드(33중량%, 시그마 알드리치) 및 반응성 메소겐 RM257[1중량%, 머크(Merck)]로 구성된 용액으로 샘플을 덮는다. 이 용액을 10초동안 300rpm(100rpm/s), 또한 60초동안 3000rpm(300rpm/s)으로 회전 코팅하고, 180℃에서 1시간동안 경화시킨다. 마지막으로, 평면 정렬을 위해 샘플을 연마시킨다.
엠보싱을 위해, ITO 기판 위에 반응성 메소겐 혼합물 RMM1850[머크 케미칼즈 리미티드(Merck Chemicals Ltd.)]의 액적을 증착하고, 연마된 몰드를 그 위에 놓는다. 베이스 플레이트 온도 85℃, 롤러 압력 4.5바(bar), 기판 속도 6.5mm/s에서 엠보싱 공정을 수행한다. 엠보싱 후, 샘플을 5분 내에 실온으로 냉각시킨다. 샘플을 10분동안 10mW/cm2의 UV-A 강도[복사계 RM-12, 옵시텍 닥터 그뢰벨 게엠베하(Opsytec Dr Groebel GmbH)로 측정함]로 UV 경화시킨다. 마지막으로, 필름을 제거하여 재생된 구조체를 남긴다.
렌즈 조립 및 측정
보통 프레넬 존 플레이트 기판 및 상보적인 프레넬 존 플레이트 기판을, 방향자가 90° 각도를 형성하도록 셀로 조립한다. 구조의 좋은 위치 선정을 보장하기 위해 현미경 하에서 수동으로 정렬을 수행한다. 셀 간격은 마일라(Mylar) 스페이서를 사용하여 제어한다. 셀은 4면 중 3면이 밀봉되어 진공 충진이 가능하다. 모세관 충진으로는 일반적으로 기포가 셀에 갇히게 되기 때문에, 이 충진 방법이 필요하다. 셀은 네마틱 액정 MLC-6204-000으로 채워진다.
충진 및 전기 접촉 후, 약 300um 직경 빔(FWHM)으로 확장된 HeNe 레이저(λ= 594nm)를 사용하여 셀을 측정한다. 출력 상태는 빔 프로파일러[토르랩스(Thorlabs) BC106N-VIS)]를 사용하여 측정한다.
위에서 논의된 바와 같이, 본 발명에 의해 제공되는 광학 변조 기능은 다음을 포함하지만 이들로 한정되지는 않는다: 렌징; 초점 맞추기; 초점 흐리기; 굴절, 회절; 빔 조향. 바람직하게는, 본 발명의 제 1 광학 요소의 광 변조 기능, 효과 또는 작용은 본 발명의 제 2 광학 요소의 변조 기능, 효과 또는 작용과 실질적으로 동일하다.
예를 들어, 둘 다 렌즈, 프리즘 또는 회절 격자로 작용할 수 있는데, 이는 광을 집중시키거나 실질적으로 동일한 방식으로 광의 개별 편광 성분을 회절시키기 위해 개별적인 파면을 변조한다(실질적으로 동일한 결과). 다음은 본 발명의 사용 예를 제공한다.
도 20a 및 도 20b는 액정에 의해 복굴절성 제 2 회절 광학 요소로부터 이격된 복굴절성 제 1 회절 광학 요소를 포함하는 본 발명의 한 실시양태에 따른 스위칭 가능한 편광-독립 회절 격자를 개략적으로 도시한다. 각 광학 요소는 도 6b를 참조하여 본원에 설명된 방법에 따라 제조된다. 도 20a에서, 회절 격자는 회절이 발생하지 않고 두 계면(반응성 메소겐/액정)이 굴절률 매치되는 "전기장 오프" 상태에 있다. 도 20b에서 회절 격자는 서로 다른 편광이 상단/하단 계면에서 회절되도록 두 계면(반응성 메소겐/액정)이 굴절률 매치되지 않는 "전기장 온" 상태에 있다.
도 21은 이미지화 용도에서 본 발명의 한 실시양태의 굴절 렌즈의 사용을 개략적으로 도시한다. 프레넬 렌즈(1)가 두 계면(반응성 메소겐/액정)이 모두 굴절률 매치되는 "전기장 오프" 상태("OFF")에 있을 때에는, 렌즈(100)의 초점 길이가 이미지화된 물체(동심원과 선형 눈금, 시트에 인쇄됨)의 CMOS 카메라에서의 이미지 형성을 지배한다. 그러나, 프레넬 렌즈(1)가 프레넬 렌즈(1)에서 굴절이 일어나도록 두 계면(반응성 메소겐/액정)이 굴절률 매치되지 않는 "전기장 온"상태("ON")인 경우에는, 렌즈(100)와 프레넬 렌즈(1)의 조합의 초점 길이가 이미지화된 물체(시트에 '1'로 인쇄됨)의 CMOS 카메라에서의 이미지 형성을 지배한다. CMOS 카메라에서 형성된 이미지는 각 경우에 대해 해당 이미지화된 물체에 인접하여 도 21에 도시되어 있다.
본 발명의 몇 가지 바람직한 실시양태가 도시되고 설명되었지만, 첨부된 특허청구범위에서 정의된 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 다양한 변경 및 수정이 이루어질 수 있음을 당업자는 이해할 것이다. 본 발명은 전술한 실시양태(들)의 세부 사항으로 한정되지 않는다. 본 발명은 본 명세서(임의의 첨부된 특허청구범위, 초록 및 도면)에 개시된 특징중 임의의 신규 특징 또는 임의의 신규 조합, 또는 임의의 방법 또는 공정의 단계중 임의의 신규 단계 또는 임의의 신규 조합으로 확장된다.
Claims (22)
- 각각 개별적인 정상 굴절률 및 이상 굴절률을 갖는 복굴절성 제 1 광학 요소 및 복굴절성 제 2 광학 요소; 및
상기 제 1 광학 요소와 제 2 광학 요소 사이에 끼워진 복굴절성 액정 물질
을 포함하는, 투과되는 광 파면을 변조하기 위한 전기적으로 스위칭 가능한 광학 변조기로서,
상기 제 1 광학 요소 및 제 2 광학 요소 각각이 광학 기판을 포함하되, 상기 광학 기판이 전극 구조, 반응성 메소겐 물질로부터 얻어진 정렬된 평면 정렬 층, 및 상기 광학 요소가 증착되는 폴리이미드 물질을 갖고,
상기 제 1 광학 요소 및 제 2 광학 요소가 반응성 상태로부터 경화되어 복굴절성 중합체를 형성하는 이작용성 아크릴레이트 시스템을 포함하는 엠보싱된 반응성 메소겐 물질로부터 형성되며,
상기 액정 물질의 이상 굴절률이 제 1 값을 갖는 제 1 상태와 제 1 값과는 상이한 제 2 값을 갖는 제 2 상태 사이에서 전기적으로 스위칭될 수 있고,
상기 제 1 값 및 제 2 값 중 하나 또는 둘 모두가 선형 편광의 제 1 방향으로 편광된 광과 관련하여 제 1 광학 요소의 이상 굴절률과 매치되지 않고, 제 1 방향에 직교하는 선형 편광의 제 2 방향으로 편광된 광과 관련하여 제 2 광학 요소의 이상 굴절률과 매치되지 않음으로써, 상기 파면을 변조하기 위하여 이상 굴절률에서의 상대적인 콘트라스트가 액정 물질과 제 1 광학 요소 사이 및 액정 물질과 제 2 광학 요소 사이에서 스위칭 가능해지도록 하는, 전기적으로 스위칭 가능한 광학 변조기. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 값이 상기 제 1 광학 요소 및 제 2 광학 요소 둘 다의 개별적인 이상 굴절률에 매치되는, 전기적으로 스위칭 가능한 광학 변조기. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 액정 물질의 정상 굴절률이 상기 제 1 광학 요소 및 제 2 광학 요소 둘 다의 개별적인 정상 굴절률과 매치되는, 전기적으로 스위칭 가능한 광학 변조기. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 제 1 광학 요소 및 제 2 광학 요소가 복굴절성 중합체로 형성되고 방향자를 한정하며,
상기 제 1 광학 요소의 방향자가 상기 제 2 광학 요소의 방향자를 가로지르는, 전기적으로 스위칭 가능한 광학 변조기. - 삭제
- 제 2 항에 있어서,
상기 액정 물질이 트위스티드 네마틱 액정 배열을 가지며, 이에 의해 상기 제 1 상태에서 상기 액정 물질의 광축이 제 1 광학 요소의 방향자에 실질적으로 평행하게 정렬되고 제 2 광학 요소의 방향자에 실질적으로 평행하게 정렬되는, 전기적으로 스위칭 가능한 광학 변조기. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 제 1 광학 요소 및 제 2 광학 요소 중 하나 또는 각각이 상기 액정 물질이 순응하는 곡면을 제공하는, 전기적으로 스위칭 가능한 광학 변조기. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 제 1 광학 요소 및 제 2 광학 요소 중 하나 또는 각각이 상기 액정 물질이 순응하는 표면 릴리프 패턴을 제공하는, 전기적으로 스위칭 가능한 광학 변조기. - 제 8 항에 있어서,
상기 제 1 광학 요소 및 제 2 광학 요소 각각이 상기 액정 물질이 순응하는 표면 릴리프 패턴을 제공하고,
상기 제 1 광학 요소에 의해 제공되는 패턴이 상기 제 2 광학 요소에 의해 제공되는 패턴에 상보적인(reciprocal), 전기적으로 스위칭 가능한 광학 변조기. - 제 7 항에 있어서,
상기 제 1 광학 요소 및 제 2 광학 요소 각각이 상기 액정 물질이 순응하는 표면 릴리프 패턴을 제공하고,
상기 제 1 광학 요소에 의해 제공되는 패턴이 제 2 광학 요소에 의해 제공되는 패턴과 실질적으로 동일한, 전기적으로 스위칭 가능한 광학 변조기. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 제 1 광학 요소가 상기 제 2 광학 요소에 대향하는, 전기적으로 스위칭 가능한 광학 변조기. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 제 1 광학 요소가 제 1 광축을 한정하고,
상기 제 2 광학 요소가 상기 제 1 광축과 실질적으로 동축인 제 2 광축을 한정하는, 전기적으로 스위칭 가능한 광학 변조기. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 액정 물질의 이상 굴절률을 상기 제 1 상태에서 상기 제 2 상태로 스위칭하기 위한 전기장을 지지하도록 구성된 2개의 개별 전극 사이에 상기 액정 물질이 배치되는, 전기적으로 스위칭 가능한 광학 변조기. - 제 13 항에 있어서,
상기 제 1 광학 요소 및 상기 제 2 광학 요소 중 하나 또는 각각이 2개의 개별 전극 사이에 배치되는, 전기적으로 스위칭 가능한 광학 변조기. - 제 13 항에 있어서,
상기 2개의 개별 전극중 하나가 제 1 광학 요소와 액정 물질 사이에 배치되는, 전기적으로 스위칭 가능한 광학 변조기. - 제 13 항에 있어서,
상기 2개의 개별 전극중 하나가 제 2 광학 요소와 액정 물질 사이에 배치되는, 전기적으로 스위칭 가능한 광학 변조기. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 광학 요소 중 하나 또는 둘 모두가 개별적인 광학 요소의 한 면 상에 배치된 평평한 표면에 실질적으로 수직인 원통형 대칭 축을 한정하도록 성형되는, 전기적으로 스위칭 가능한 광학 변조기. - 제 17 항에 있어서,
상기 광학 요소가 둘 다 개별적인 상기 원통형 대칭 축을 한정하도록 성형되고,
상기 제 1 광학 요소 및 제 2 광학 요소의 원통형 대칭 축이 동축인, 전기적으로 스위칭 가능한 광학 변조기. - 투과되는 광 파면을 변조하기 위해 원하는 형상으로 성형된 하나 이상의 복굴절성 광학 요소를 포함하는 광학 변조기의 제조 방법으로서,
각각의 복굴절성 광학 요소가
상기 원하는 형상에 대해 상보적인 형상으로 엠보싱된 엠보싱 표면을 제공하는 가요성 시트를 제공하는 단계;
전극 구조, 반응성 메소겐 물질로부터 얻어진 정렬된 평면 정렬 층, 및 폴리이미드 물질을 갖는 광학 기판을 포함하는 기판의 표면에, 경화되지 않은 상태의 이작용성 아크릴레이트 시스템을 포함하는 소정량의 반응성 메소겐 물질을 제공하는 단계;
엠보싱 표면을 구부려서 소정량의 반응성 메소겐 물질의 표면 전체에서 점진적으로 소정량의 반응성 메소겐 물질에 대해 가압함으로써 상기 원하는 형상을 갖는 성형된 복굴절성 부품을 형성하는 단계; 및
성형된 복굴절성 부품을 경화시켜 상기 복굴절성 광학 요소를 형성하는 단계를 포함하는 방법에 따라 제공되는, 광학 변조기의 제조 방법. - 제 19 항에 있어서,
상기 광학 변조기가 전기적으로 스위칭 가능한, 광학 변조기의 제조 방법. - 제 20 항에 있어서,
상기 2개의 복굴절성 광학 요소 사이에 끼워진 전기적으로 스위칭 가능한 액정 물질을 포함하는 광학 변조기의 제조 방법. - 제 21 항에 있어서,
상기 엠보싱 표면에 우선적인 표면 정렬을 제공하고, 그와 함께 성형된 복굴절성 부품의 엠보싱된 표면에 우선적인 표면 정렬을 부여하는 단계를 포함하고, 이 때 상기 표면 정렬이 상기 액정 물질을 정렬하도록 구성되는, 광학 변조기의 제조 방법.
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