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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2024-10-28
(54)【発明の名称】液晶デバイス
(51)【国際特許分類】
G02F 1/13 20060101AFI20241018BHJP
G02F 1/1334 20060101ALI20241018BHJP
G02F 1/1343 20060101ALI20241018BHJP
G02F 1/01 20060101ALI20241018BHJP
G02B 5/18 20060101ALI20241018BHJP
G02B 5/32 20060101ALI20241018BHJP
【ＦＩ】
G02F1/13 505
G02F1/1334
G02F1/1343
G02F1/01 D
G02B5/18
G02B5/32
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2024525990
(86)(22)【出願日】2022-10-10
(85)【翻訳文提出日】2024-06-20
(86)【国際出願番号】 GB2022052563
(87)【国際公開番号】W WO2023079258
(87)【国際公開日】2023-05-11
(31)【優先権主張番号】2115741.7
(32)【優先日】2021-11-02
(33)【優先権主張国・地域又は機関】GB
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】507226592
【氏名又は名称】オックスフォード ユニヴァーシティ イノヴェーション リミテッド
(74)【代理人】
【識別番号】100106518
【弁理士】
【氏名又は名称】松谷 道子
(74)【代理人】
【識別番号】100100479
【弁理士】
【氏名又は名称】竹内 三喜夫
(72)【発明者】
【氏名】サンドフォード オニ－ル，ジョン
(72)【発明者】
【氏名】ソルター，パトリック
(72)【発明者】
【氏名】モリス，スティーブン
(72)【発明者】
【氏名】エルストン，スティーブ
(72)【発明者】
【氏名】ブース，マ－ティン
【テーマコード（参考）】
2H088
2H092
2H189
2H249
2K102
【Ｆターム（参考）】
2H088EA47
2H088EA48
2H088EA55
2H088GA02
2H088GA10
2H088HA02
2H088HA03
2H088JA11
2H088MA20
2H092GA03
2H092GA13
2H092HA04
2H092NA25
2H092PA02
2H092QA15
2H092RA10
2H189AA04
2H189CA08
2H189HA16
2H189JA11
2H189LA03
2H189LA05
2H189MA15
2H249AA02
2H249AA12
2H249CA05
2H249CA08
2H249CA15
2K102AA21
2K102BA05
2K102BB04
2K102BC04
2K102DC09
2K102DD01
2K102DD02
2K102EA02
2K102EB08
2K102EB10
2K102EB20
(57)【要約】
液晶デバイス（４００）は、ある厚さを有する液晶層を備え、液晶層は、液晶材料および、重合された液晶材料を含む複数のポリマー構造（４１４ａ，４１４ｂ）を含む。各ポリマー構造（４１４ａ，４１４ｂ）は、液晶層の厚さにおいて異なる深さに設けられる。液晶層に電界を印加するように構成された電極が設けられる。各ポリマー構造（４１４ａ，４１４ｂ）は、異なる選択されたロックイン液晶状態を有する。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
ある厚さを有する液晶層であって、液晶材料および、重合された液晶材料を含む複数のポリマー構造を含み、各ポリマー構造は、液晶層の厚さにおいて異なる深さに設けられる、液晶層と、該液晶層に電界を印加するように構成された電極と、を備え、
各ポリマー構造は、異なる選択されたロックイン液晶状態を有する、液晶デバイス。
【請求項2】
ポリマー構造のうち少なくとも２つが、液晶層の厚さを通って延びる方向に、互いに少なくとも部分的に空間的に重なり合う、請求項１に記載の液晶デバイス。
【請求項3】
各ポリマー構造は、デバイスに入射する光の異なる空間位相変調を提供するように構成される、請求項１または２に記載の液晶デバイス。
【請求項4】
電極は、液晶層の少なくとも一部を横切って電界を印加するように構成される、請求項１～３のいずれかに記載の液晶デバイス。
【請求項5】
液晶層の厚さを横切って電界を印加するように構成された第１電極および第２電極をさらに備える、請求項４に記載の液晶デバイス。
【請求項6】
電極は、実質的に均一な電界を印加するように動作可能である、請求項４または請求項５に記載の液晶デバイス。
【請求項7】
電極のうち少なくとも１つが、個別にアドレス指定可能な複数の電極エレメントを含む、請求項４～６のいずれかに記載の液晶デバイス。
【請求項8】
ポリマー構造の様々な液晶状態の各々が、異なる予め定めた電界強度における液晶材料の状態に対応する、請求項１～７のいずれかに記載の液晶デバイス。
【請求項9】
ポリマー構造の少なくとも１つが、重合された液晶材料の複数の領域を含む、請求項１～８のいずれかに記載の液晶デバイス。
【請求項10】
ポリマー構造の少なくとも１つが、回折光学素子であり、または回折光学素子を含む、請求項１～９のいずれかに記載の液晶デバイス。
【請求項11】
ポリマー構造の少なくとも１つが、回折格子であり、または回折格子を含む、請求項１０に記載の液晶デバイス。
【請求項12】
少なくとも１つの回折格子が、六方回折パターンを生成するように構成され、必要に応じて、少なくとも１つの回折格子が、三角形メッシュを含む、請求項１１に記載の液晶デバイス。
【請求項13】
少なくとも１つの回折格子が、１次元回折パターンを生成するように構成され、必要に応じて、少なくとも１つの回折格子が、複数の柱または壁を含む、請求項１１または請求項１２に記載の液晶デバイス。
【請求項14】
ポリマー構造の少なくとも１つが、ホログラムであり、またはホログラムを含む、請求項１０に記載の液晶デバイス。
【請求項15】
第１基板および第２基板をさらに備え、ポリマー構造の少なくとも１つが、第１基板または第２基板に連結され、または固定される、請求項１～１４のいずれかに記載の液晶デバイス。
【請求項16】
複数のポリマー構造は、第１基板に連結され、または固定された第１ポリマー構造と、第２基板に連結され、または固定された第２ポリマー構造とを含む、請求項１５に記載の液晶デバイス。
【請求項17】
ポリマー構造の少なくとも１つが、１つ以上の他のポリマー構造に少なくとも部分的に連結され、または固定される、請求項１～１６のいずれかに記載の液晶デバイス。
【請求項18】
請求項１～１７のいずれかに記載の液晶デバイスを備える、収差補正装置。
【請求項19】
請求項１８に記載の装置を備える、光学デバイス。
【請求項20】
請求項１～１９のいずれかに記載の液晶デバイスを備える、距離センシングおよび／または深度マッピングデバイス。
【請求項21】
ポリマー構造の各々は、異なる構造化光照明パターンを作成するように構成される、請求項２０に記載の距離センシングおよび／または深度マッピングデバイス。
【請求項22】
請求項１３に記載の液晶デバイスを備える、ホログラフィック表示デバイス。
【請求項23】
請求項１～１７のいずれかに記載の液晶デバイス、または請求項１８に記載の装置を備える、仮想現実または拡張現実表示デバイス。
【請求項24】
請求項１～１７のいずれかに記載の液晶デバイス、または請求項１８に記載の装置を備える、ビームステアリングおよびビームシェイピングデバイス。
【請求項25】
ある厚さを有する液晶層と、該液晶層に電界を印加するための電極と、を備えるデバイスに入射する光の空間位相変調を電気的に制御する方法であって、該液晶層は、液晶材料および、重合された液晶材料を含む複数のポリマー構造を含み、各ポリマー構造は、液晶層の厚さにおいて異なる深さに設けられ、
該方法は、液晶層を横切って電界を印加して、デバイスに入射する光の空間位相変調を選択的に制御するステップを含み、
各ポリマー構造は、異なる選択されたロックイン液晶状態を有する、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、液晶デバイスに関し、特に、以下に限定されないが、光の空間分布を操作するための液晶デバイスおよび方法に関する。
【背景技術】
【0002】
回折光学素子（ＤＯＥ）は、光の空間分布を操作するために設計された光学コンポーネントである。ＤＯＥは、光ビームを複数の回折光ビームに分割する簡単な格子から、認識可能な画像に光を回折させるコンピュータ合成ホログラム（ＣＧＨ）まで多岐に渡る。ＤＯＥのアプリケーションは、多数の産業に及んでおり、ホログラフィックディスプレイ、拡張現実（ＡＲ）および仮想現実（ＶＲ）、分光法、収差補正、ビームステアリング、ビームシェイピング、３Ｄ深度センシングを含む。
【0003】
外部電場に対して高い複屈折性および感度の組合せに起因して、液晶（ＬＣ）は、空間光変調器および単一画素ＤＯＥにおいて切り替え可能な光学材料としての使用を見出した。
【0004】
ＬＣＯＳ(Liquid Crystal on Silicon)ＳＬＭは、数ミリ秒の切り替え速度で任意の画素化ＤＯＥ設計の切り替えを可能にする。しかしながら、これらの画素化デバイスは複雑であり、ＬＣ層の個々の画素を駆動するためにＣＭＯＳバックプレーン電子回路を必要とする。
【0005】
多くのタスクでは、単一画素ＬＣ－ＤＯＥを使用するのがより便利である。しかしながら、従来の単一画素デバイスは、簡単なデバイスアーキテクチャを有し、ＳＬＭよりもかなり低い柔軟性を提供し、典型的にはオフ状態と単一のオン状態の間の切り替えだけが可能である。こうした光学素子の最も初期の実装は、種々の従来のリソグラフィ方法を採用して、表面レリーフ構造を標準のネガ型フォトレジストにパターン形成し、そして、屈折率が整合した液晶材料の層を追加することによってアクティブデバイスに変換した。しかしながら、この原理を用いた有用なデバイスの製造は、必要とされる複雑で多ステップの製造プロセスによって制限される。さらに、製造されたポリマー構造上でのＬＣの整合を制御する際に課題が存在しており、望ましくない欠陥がデバイスの性能を阻害する。
【0006】
１つのオン／オフ切り替え可能ＬＣ－ＤＯＥ技術が、ホログラフィックポリマー分散ＬＣ（Ｈ－ＰＤＬＣ）であり、これは、ＬＣと感光性等方性モノマーの混合物を含むデバイスをＵＶ干渉パターンに露出させることによって形成される。Ｈ－ＰＤＬＣの大きな欠点が、バルクＬＣと比較して、マイクロメートルまたはナノメートルのサイズを有する液滴の中へのＬＣの閉じ込めに起因して、回折をオフに切り替えるために大きな電界（１５～２０Ｖ／μｍ）が必要になることである。
【0007】
これに応えて、ＰＯＬＩＣＲＹＰＳ(Polymer Liquid CRYstal Polymer Slices)と呼ばれるＨ－ＰＤＬＣのバリエーションがＣａｐｕｔａらによって開発され、これは、わずか数Ｖ／μｍの外部電界で切り替わり、高い回折効率を提供するものである。Ｈ－ＰＤＬＣ／ＰＯＬＩＣＲＹＰＳのための干渉リソグラフィ製造プロセスは、柔軟性があり高速であるが、印加電界が存在しない場合にオンである（即ち、回折パターンを生成する）格子の生産に制限される。ＡＲ／ＶＲを含むいくつかの光学アプリケーションでは、オフ状態で電力を消費せず、従って、隠れており、逆転モード（デフォルトでは０Ｖで非回折）で動作する格子を使用することが望ましい。Ｈ－ＰＤＬＣ／ＰＯＬＩＣＲＹＰＳ技術は、現時点でこうしたアプリケーションに解決策を提供することができない。
【0008】
以前に報告された逆転モードＬＣ－ＤＯＥは、ＵＶレーザの干渉を用いて製造されており、ＵＶ感度を有する重合可能なＬＣ／反応性メソゲン混合物を含むデバイスに直接にエンコードされる変調された強度パターンを生成する。製造後に、これらのデバイスに電圧を印加することにより、未重合チャネル内のＬＣが再配向して、ポリマー構造とＬＣとの間に屈折率の不一致を生じさせ、結果として回折を生じさせる。しかしながら、こうしたホログラフィック干渉製造方法を採用すると、格子設計は簡単な周期構造に制限される。こうした制約の中で、こうして作成される最も複雑なＬＣ－ＤＯＥは、マイクロピラーの２次元（２Ｄ）六方格子である。
【0009】
本発明は、上記を考慮して考案されたものである。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明の第１態様によれば、液晶デバイスが提供される。液晶デバイスは、ある厚さを有する液晶層を備えてもよい。液晶層は、液晶材料を含んでもよい。液晶層はまた、重合された液晶材料を含む複数のポリマー構造を含んでもよい。各ポリマー構造は、液晶層の厚さにおいて異なる深さに設けられてもよい。液晶デバイスはまた、液晶層に電界を印加するように構成された電極を備えてもよい。
【0011】
ポリマー構造の深さは、ポリマー構造の体積の重心の深さでもよい。各ポリマー構造は、例えば、液晶層の厚さを通して、液晶層の別個または区別されるサブ層の中に形成されてもよく、またはサブ層を含んでもよい。
【0012】
単一の液晶デバイス内に複数のポリマー構造を書き込むことは、デバイスの機能性および実用性を増強できる。デバイスは、単にオンとオフの間ではなく、複数の異なるアクティブ状態の間で切り替え可能でもよい。各ポリマー構造は、別個のアクティブ状態を提供したり、またはこれに対応してもよい。追加または代替として、複数のポリマー構造が、互いに連携して動作し、デバイスに入射する光の空間位相変調を調整または制御できる。
【0013】
この増強された機能性は、切り替え可能なＳＬＭで通常必要とされる複雑なバックプレーン電子回路を使用するのではなく、デバイスにまたはデバイスを横切って印加される電圧を増加または減少させることによって簡単に制御できる。この機能性は、完全にプログラム可能なＳＬＭデバイスと、固定された光学素子との間の妥協案を提供でき、幅広いアプリケーションで採用可能である。デバイスはまた、複数の動作モード、例えば、従来モード動作（印加電圧なしの下でデフォルトで光学的にアクティブ）、そして逆転モード動作（印加電圧なし状態で光学的に非アクティブ）などをサポートすることができる。
【0014】
ポリマー構造のうち少なくとも２つが、液晶層の厚さを通って延びる方向に、互いに少なくとも部分的に空間的に重なり合ってもよい。
【0015】
２つ以上のポリマー構造は、異なる選択されたロックイン（locked-in:閉じ込め）液晶状態を有してもよい。必要に応じて、各ポリマー構造は、異なる選択された、ロックイン液晶状態を有してもよい。代替として、２つ以上のポリマー構造は、同じロックイン液晶状態を有してもよい。
【0016】
ポリマー構造が液晶組成物の厚さにおいて異なる深さに配置されることにより、デバイスのフットプリント（実装面積）を増加させることなく、デバイスの機能性を提供できる。ポリマー構造の２つ以上が、液晶層の厚さを通って延びる方向に互いに少なくとも部分的に重なり合う場合は、フットプリントは減少または最小化できる。
【0017】
各ポリマー構造は、デバイスに入射する光の異なる空間位相変調を提供するように構成できる。これにより、デバイスによって提供される様々な（例えば、区別できる）光学状態または機能の数を増加できる。追加または代替として、２つ以上のポリマー構造によって提供される空間位相変調が共に動作して、単一の光学状態または機能を提供できる。
【0018】
電極は、液晶層の少なくとも一部を横切って電界を印加するように構成されてもよい。電極は、液晶層の厚さを横切って電界を印加するように構成された第１電極および第２電極を含んでもよい。
【0019】
電極は、実質的に均一な電界を印加するように動作可能である。
【0020】
電極のうちの少なくとも１つが、個別にアドレス指定可能な複数の電極エレメントを含んでもよい。各電極エレメントは、液晶層の異なる部分を横切って電界を印加するように構成できる。電極のうちの少なくとも１つが、パターン化電極を含んでもよく、または電極アレイを含んでもよい。パターン化電極アレイまたは電極アレイは、複数の同心リングでもよく、またはこれを含んでもよい。
【0021】
ポリマー構造の様々な液晶状態の各々が、異なる予め定めた電界強度における液晶材料の状態に対応してもよい。
【0022】
ポリマー構造の少なくとも１つが、重合された液晶材料の複数の領域を含んでもよい。
【0023】
ポリマー構造の少なくとも１つが、回折光学素子でもよく、または回折光学素子を含んでもよい。ポリマー構造の２つ以上が、互いに組み合わせて動作し、単一の回折光学素子として機能してもよい。
【0024】
ポリマー構造の少なくとも１つが、回折光学素子でもよく、または回折光学素子を含んでもよい。少なくとも１つの回折格子は、六方回折パターンを生成するように構成されてもよい。少なくとも１つの回折格子は、三角形メッシュでもよく、または三角形メッシュを含んでもよい。追加または代替として、少なくとも１つの回折格子が、１次元（１－Ｄ）回折パターンを生成するように構成されてもよい。少なくとも１つの回折格子は、複数の柱または壁でもよく、または複数の柱または壁を含んでもよい。
【0025】
ポリマー構造の少なくとも１つが、ホログラムでもよく、またはホログラムを含んでもよい。
【0026】
ポリマー構造は、液晶デバイスの厚さを通して複数の積層された層またはサブ層でもよく、または複数の積層された層またはサブ層を含んでもよい。１つ以上の層が、実質的に連続した層でもよく、または実質的に連続した層を含んでもよい。追加または代替として、１つ以上の層が、不連続層でもよく、または不連続層を含んでもよい。２つ以上の層が、互いに実質的に直接接触していてもよい。ポリマー構造は、複数の積層されたディスクでもよく、または積層されたディスクを含んでもよい。代替として、ポリマー構造は、複数の同心円状リングでもよく、または複数の同心円状リングを含んでもよい。各リングは、異なる高さまたは厚さを有してもよく、または異なる高さまたは厚さを含んでもよい。
【0027】
液晶デバイスはさらに、第１基板および第２基板を備えてもよい。ポリマー構造の少なくとも１つが、第１基板または第２基板に連結され、または固定されてもよい。複数のポリマー構造は、第１基板に連結され、または固定された第１ポリマー構造と、第２基板に連結され、または固定された第２ポリマー構造とを含んでもよい。第１ポリマー構造は、第１深さにあり、第２ポリマー構造は、異なる第２深さにあってもよい。代替または追加として、１つ以上のポリマー構造が、他のポリマー構造の１つ以上に少なくとも部分的に連結され、または固定されてもよい。
【0028】
第２態様によれば、第１態様の液晶デバイスを備える光学収差補正装置が提供される。これにより、異なる（例えば、区別できる）位相プロファイル間の切り替えが可能になり、例えば、様々な収差モードを補正できる。その動作は、印加電圧を増加または減少させ、様々な位相プロファイル間で切り替えることによって制御でき、ＳＬＭなど、従来のデバイスよりも著しく簡単な制御を可能にする。追加または代替として、それにより、位相プロファイルによって提供される位相変調の大きさの可変制御が可能になり、例えば、１つ以上の収差モードを補正できる。さらに、その動作は、印加電圧を増加または減少させ、該位相プロファイルによって提供される位相変調の大きさを調整することによって制御できる。
【0029】
第３態様によれば、第２態様の装置を備える光学デバイスが提供される。光学デバイスは、レンズ、顕微鏡、望遠鏡、双眼鏡、または任意の適切な光学デバイスでもよい。
【0030】
第４態様によれば、第１態様の液晶デバイスを備える、距離センシングおよび／または深度マッピングデバイスが提供される。
【0031】
ポリマー構造の各々は、異なる構造化光照明パターンを作成するように構成できる。距離センシングおよび／または深度マッピング技術を使用する多くのアプリケーションでは、デバイスが、大幅な小型化を必要とし、厳しい電力消費要件を有する。従って、本開示の切り替え可能な液晶デバイスにおいて複数の光学機能の組合せにより、減少したフットプリントを有するコンパクトなデバイス構造内で選択可能な複数のアクティブ状態を有するデバイスを提供できる。
【0032】
第５態様によれば、第１態様の液晶デバイスを備えるホログラフィック表示デバイスが提供される。スタック式またはカスケード式のホログラムは、多重化情報表示、カラー画像、多波長光相互接続を含むアプリケーション用に使用されている。さらに、スタック式ホログラムは、従来の単層ホログラムに比べて画像分解能および回折効率を改善するために採用される。第１態様の液晶デバイスは、印加電圧を調整することによって容易に制御可能な単一デバイス内でこうした利点を提供できる。
【0033】
第６態様によれば、第１態様の液晶デバイスおよび／または第２態様の光学収差補正装置を備える、仮想現実または拡張現実デバイスが提供される。
【0034】
第７態様によれば、第１態様の液晶デバイスおよび／または第２態様の収差補正装置を備える、ビームステアリングおよび／またはビームシェイピングデバイスが提供される。
【0035】
第８態様によれば、液晶デバイスに入射する光の空間位相変調を電気的に制御する方法が提供される。液晶デバイスは、ある厚さを有する液晶層と、該液晶層に電界を印加するための電極とを備えてもよい。液晶層は、液晶材料を含んでもよい。液晶層は、重合された液晶材料を含む複数のポリマー構造を含んでもよい。各ポリマー構造は、液晶層の厚さにおいて異なる深さに設けられてもよい。この方法は、液晶層を横切って電界を印加して、デバイスに入射する光の空間位相変調を選択的に制御するステップを含んでもよい。
【0036】
第８態様の方法は、第１態様の液晶デバイス上で、または液晶デバイスを用いて実行できる。
【0037】
本発明の個別の態様および実施形態の文脈で説明される構成は、可能な限り一緒に使用でき、および／または、交換可能にできる。同様に、簡潔のために単一の実施形態の文脈で構成が説明されている場合、それらの構成は、別々に、または任意のサブ組合せでも提供できる。第１態様の液晶デバイスに関連して説明した構成は、第２～第７態様の装置および第８態様の方法に関して定義可能な対応する構成を有してもよく、その逆も同様であり、それらの実施形態は具体的に想定される。
【図面の簡単な説明】
【0038】
ここで、本発明について添付図面を参照して、例示のみを目的として説明する。
【0039】
【図1】液晶デバイスの概略図を示す。
【図2A】０Ｖの印加電圧下で、単層回折格子を含む液晶デバイスの概略図を示し、液晶分子の配向を含む。
【図2B】１０Ｖの印加電圧下で、単層回折格子を含む液晶デバイスの概略図を示し、液晶分子の配向を含む。
【図3A】０Ｖの印加電圧下で、単層回折格子を含む他の液晶デバイスの概略図を示し、液晶分子の配向を含む。
【図3B】１０Ｖの印加電圧下で、単層回折格子を含む他の液晶デバイスの概略図を示し、液晶分子の配向を含む。
【図4A】本発明の一実施形態に係る、２つの回折格子を備えた他の液晶デバイスの概略図を示す。
【図5A】本発明の一実施形態に係る他の液晶デバイスについて透過率のプロットを電圧の関数として示す。
【図5B】液晶デバイスを通過する光について位相のプロットを電圧の関数として示す。
【図6】本発明の一実施形態に係る、２つの回折格子を備えた他の液晶デバイスについての偏光光学顕微鏡画像のシーケンスを示す。
【図7A】本発明の一実施形態に係る、２つのコンピュータ合成ホログラムを備えた他の液晶デバイスの製造を示す。
【図7B】本発明の一実施形態に係る、２つのコンピュータ合成ホログラムを備えた他の液晶デバイスの製造を示す。
【図7C】
【図7D】
【図8】本発明の一実施形態に係る、２つのコンピュータ合成ホログラムを含む他の液晶デバイスについての偏光光学顕微鏡画像のシーケンスを示す。
【図9】液晶デバイスを特性評価するために使用した光学セットアップを示す。
【図10A】同心リングの配列を形成する複数のポリマー構造を備えた他の液晶デバイスを示す。
【図10B】同心リングの配列を形成する複数のポリマー構造を備えた他の液晶デバイスを示す。
【0040】
種々の図面内の同様の参照番号および指定は、同様の要素を示す。
【発明を実施するための形態】
【0041】
図１は、ここで説明する実施例で使用される液晶デバイス１００の概略図を示す。デバイス１００は、スペーサビーズを用いて互いに離隔した透明基板１０５ａ，１０５ｂを備える。基板１０５ａ，１０５ｂには、平面配向層がコーティングされている。液晶組成物１１０が、基板１０５ａ，１０５ｂの間に設けられる。液晶組成物１１０の少なくともいくつかが重合され、選択されたロックイン（閉じ込め）液晶状態を有するポリマー構造１１２を形成する。デバイス１００は、基板１０５ａ，１０５ｂの間に電界を印加するように構成された透明電極１１５ａ，１１５ｂを備える。図示の例では、電極１１５ａ，１１５ｂは、基板１０５ａ，１０５ｂの外側（例えば、液晶組成物１１０に対して基板１０５ａ，１０５ｂの反対側）に配置されるが、これは必須ではない。代替として、電極１１５ａ，１１５ｂは、基板１０５ａ，１０５ｂの内側に配置されてもよい。
【0042】
図示の例では、液晶組成物１１０は、ネマチック液晶ホスト、反応性メソゲン(mesogen)、および光開始剤の混合物を含む。特定の例では、液晶ホストはＥ７であるが、代わりに別の材料または組成物が使用できる。反応性メソゲンは、約３０重量％の濃度ＲＭ２５７（Ｍｅｒｃｋ社）であるが、液晶ホストのダイレクタ(director)が電界の存在下で再配向できる場合、別の組成および／または濃度が使用できる。光開始剤は、約１重量％の濃度のＩｒｇａｃｕｒｅ ８１９（Ｍｅｒｃｋ社）であるが、代わりに別の組成および／または濃度が使用できる。
【0043】
図示の例では、透明基板１０５ａ，１０５ｂはガラスを含むが、代わりに任意の透明材料が使用できる。基板１０５ａ，１０５ｂは、スペーサビーズ（不図示）によって離隔され、基板１０５ａ，１０５ｂの間にギャップを形成する。配向層は、液晶材料を均質な平面配向に配置するために、反平行方向（基板１０５ａ，１０５ｂ上に設けた矢印で示す）に擦られる（ラビング）が、これは必須ではない。配向層は、ポリイミドを含むが、代わりに任意の適切な材料または組成物が使用できる。電極１１５ａ，１１５ｂは、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）を含むが、代わりに任意の透明電極材料が使用できる。図示の例では、デバイス１００は、インステック(Instec Inc.)社によって製造された反平行ラビング液晶セルを含むが、代わりに別のセルが使用できる。
【0044】
図示の例では、重合性液晶組成物１１０は、毛細管充填によって透明基板１０５ａ，１０５ｂの間に配置して、液晶セルを形成した。液晶組成物１１０は、基板１０５ａ，１０５ｂの間に配置される前に、実質的に７０℃での熱混合によって調製したが、これは必須ではない。
【0045】
ポリマー構造を液晶デバイス１００内に直接形成するために、直接レーザ書き込み（ＤＬＷ: direct laser writing）システムを使用した。液晶デバイス１００は、並進ステージ上に搭載され、波形発生器に接続され、デバイス１００内のポリマー構造の製造時にデバイス１００に電界を印加できるようにした。ポリマー構造１１２を液晶デバイス１００内に直接形成することによって、レーザビームへの露光の正確な瞬間における液晶分子の特定の配向（ダイレクタとして知られる単位ベクトルによって記述される）が制御できる。これは、ダイレクタプロファイルが基板１０５ａ，１０５ｂでの配向層によってのみ制御される場合よりも、ＤＬＷプロセスによって保持または固定できる、より広範囲のダイレクタプロファイルへのアクセスを提供する。
【0046】
ＤＬＷプロセスは、８０ＭＨｚの繰り返しレートで、波長７８０ｎｍで発光する、Ｓｐｅｃｔｒａ－Ｐｈｙｓｉｃｓ社Ｔｓｕｎａｍｉチタンサファイア発振器から１００ｆｓのパルス幅を持つフェムト秒レーザパルスを使用した。レーザパルスは、オリンパス社０．４６ＮＡ対物レンズを用いて液晶組成物の中に集光した。ここで説明する例で使用した製造レーザのパワーは、重合閾値（重合のためにサンプルに最低の必要なエネルギーを供給する）をわずかに上回っており、実験的に１００μｍ／ｓの書き込み速度で４１ｍＷであることが判明した。レーザの偏光は、半波長板の支援とともにデバイス１００のラビング方向に対して垂直になるように配向した。デバイス１００は、１ｎｍの位置決め分解能を備えた高分解能ステージのスタック（エアロテック社ＡＮＴ－９５ＸＹおよびＡＮＴ９５Ｖ－３）の上に搭載した。５５０ｎｍロングパスフィルタを備えたハロゲン光源を使用して、デバイスの透過照明を提供し、光硬化プロセスに影響を与えることなく、カラーＣＣＤを使用して製造をその場で(in-situ)監視できるようにした。ポリマー壁は、１００μｍ／ｓの速度で、パルスレーザビームへの連続露光の下でサンプルを移動させることによって製造した。ポリマー構造１１２の製造時には、任意波形ファンクションジェネレータ（Ｔｅｋｔｒｏｎｉｘ社ＡＦＧ３０２１）を使用して、１ｋＨｚの周波数を持つ矩形波ＡＣ電圧をデバイス１００に印加した。
【0047】
ＤＬＷプロセス時にレーザパルスが液晶組成物１１０に入射した場合、光開始剤による２光子吸収により、フリーラジカル重合反応を介して反応性メソゲンの架橋を誘発し、それは、レーザビームへの露光時にポリマーネットワークの形成を経由して液晶の分子配列を安定化する。重合された液晶組成物１１０は、露光時に液晶分子の電圧依存ダイレクタを保持または固定して、ポリマー構造１１２を形成する。ＤＬＷプロセス時に液晶デバイス１００を様々な電圧振幅に露出することによって、様々な液晶配列を保持または固定できる。未重合の周囲のバルク液晶材料は、製造後に印加電界の存在で、自由に再編成または再配向される。
【0048】
レーザパルスが液晶組成物に入射する場合に発生する２光子吸収プロセスにより、ボクセルと呼ばれる小さな体積内のレーザの焦点内で専ら発生する吸収をもたらす。レーザ焦点に対してサンプルを並進させることによって、ボクセル単位で３次元構造を構築できる。
【0049】
図２Ａと図２Ｂは、上述したＤＬＷプロセスによって製造される単層回折格子２１２を含む液晶デバイス２００の概略図を示す。回折格子２１２は、５μｍの周期を持つ複数の平行なポリマー壁２１４を含む。隠れモードまたは逆転モードの回折格子を生成するために、壁は、０Ｖの書き込み電圧で製造した。この場合、デフォルト状態では回折を提供しない。図２Ａは、０Ｖの印加電圧での液晶デバイス２００を示し、一方、図２Ｂは、１０Ｖの印加電圧での液晶デバイス２００を示す。
【0050】
図２Ａと図２Ｂは、図示した切り替え可能な回折格子の背後にある理想的な動作原理を示す。印加電圧がない場合、重合領域と未重合領域との間で液晶配向には差がないことが予想される（図２Ａを参照）。この状態では、デバイス２００は、均一な複屈折層として挙動し、回折は発生しない。ある閾値を超える電圧が印加されると、未重合領域が切り替わり、電圧が増加すると、液晶ダイレクタ（液晶の平均分子配向を記述するベクトル）が垂直に近づく傾向がある（図２Ｂを参照）。この切り替え状態では、ラビング方向に対して平行に偏光した光は、有効屈折率ｎｅｆｆの変調を見ることになり、重合領域ではｎｅｆｆの値が高くなり、未重合切り替え領域ではｎｅｆｆの値が低くなる。無限大の電圧では、ダイレクタが完全に垂直である場合、未重合領域はｎｏ（通常の屈折率）になる傾向がある。光がデバイス２００に入射した場合、屈折率のこの空間変調の結果として回折が発生するようになる。ラビング方向に対して垂直に偏光した光では回折は発生しないことに留意されよう。この幾何形状では、印加電圧に関係なく、光は、デバイス２００全体で通常の屈折率ｎｏを見ることになる。こうして屈折率の空間変調はなく、回折は発生しない。
【0051】
図２Ｃと図２Ｄは、それぞれ０Ｖおよび１０Ｖにおけるデバイス２００中の回折格子１２の５０倍での偏光光学顕微鏡（ＰＯＭ）画像を示す。図２Ｃの右下隅のスケールバーは５０μｍである。図２Ａと図２Ｂは、それぞれ図２Ｃと図２Ｄに挿入されており、回折格子２１２内の液晶分子の配向を示す（網掛け部分はポリマー壁２１４に対応するポリマーネットワークを示す）。
【0052】
顕微鏡観察は、光電管に取り付けられたＱｌｍａｇｉｎｇ社Ｒｅｔｉｇａ Ｒ６カメラを備えたオリンパス社ＢＸ５１偏光光学顕微鏡を使用して実施した。オリンパス対物レンズを使用し、カバーガラス補正環を液晶デバイス２００のガラス基板の厚さに設定して、収差の低減により画像の品質を改善した。カットオフ波長５５０ｎｍのロングパスフィルタをハロゲン電球とサンプルの間に挿入して、反応していない反応性メソゲン分子の重合反応を回避した。デバイス２００は、サンプルを明るい状態が見つかるまで回転させることによって、交差した偏光子の透過軸（図２Ｃ中の白い矢印で示す）に対してラビング方向が４５°になるように配向した。ＭＡＴＬＡＢ（登録商標）スクリプトを作成して、ＳＣＰＩコマンドを用いて任意ファンクションジェネレータ（Ｔｅｋｔｒｏｎｉｘ社ＡＦＧ３０２１）を制御することによって、様々な電圧の範囲で顕微鏡画像を取得するプロセスを自動化した。顕微鏡カメラは、製造者によって提供されるコマンドライブラリによって制御した。
【0053】
ＰＯＭ画像は、壁自体の幅が約０．９μｍであるままで、壁の間隔が極めて均一であることを示している。０Ｖにおいてデバイス２００は、実質的に均一な複屈折層として挙動し、ポリマー壁２１４は、周囲の未重合液晶組成物とは実質的に区別ができず、回折はほとんど発生しないこともＰＯＭ画像は示している。しかしながら、１０Ｖにおいて、ポリマー壁２１４のアンカー固定が打開され、ダイレクタはほぼ垂直になる。ポリマー壁２１４内の均質な平面ダイレクタ状態の固定に起因して、周囲の重合していない液晶組成物が垂直状態に切り替っても、ポリマー壁２１４は複屈折性状態のままである。従って、回折格子２１２は、１０Ｖでアクティブ状態になり、屈折率の空間変調に起因して回折が発生する。
【0054】
画像解析を実施して、壁の均一性および幅を評価した。画像解析は、図２Ｄに示すように、１０Ｖの印加電界の下で回折格子２１２のグレースケール版のＰＯＭ画像を横断して水平ラインスキャンを実施することによって行った。これらのラインスキャンは、ノイズを低減するために平均化し、その結果は、図２Ｅにプロットしており、各ポリマー壁２１４はピークで表現される。スケールは、エッチングしたスケールを備えた顕微鏡の校正スライドを用いて校正した。ＭＡＴＬＡＢ関数「ｆｉｎｄｐｅａｋｓ」を使用してピークの場所を見つけて、図２Ｆに示すように、それらの値をピーク番号に対してプロットしている。そして、半隆起におけるピークの全幅を計算する「ｆｉｎｄｐｅａｋｓ」関数からのオプション出力を用いて、ポリマー壁幅の推定値を取得した。
【0055】
図２Ｆに示す直線性は、回折格子２１２の一部を形成する各ポリマー壁２１４の間に一定の間隔が存在することを示す。隣接する壁２１４間の距離の平均は５．００μｍであり、標準偏差は０．０８μｍであり、これは、０．０９μｍ／画素の画像の分解能のオーダーである。図２Ｅのピーク自体の均一性は、ポリマー壁２１４が高い均一な構造を有することを示す。ポリマー壁２１４の推定幅を平均すると、０．８７μｍとなり、標準偏差は僅かに０．０２μｍとなり、ポリマー壁２１４の極めて高い均一性を示す。
【0056】
図２Ｇは、デバイス２００によって生成され、０Ｖ～１０Ｖの範囲で１Ｖ増分の印加電圧においてスクリーン上に投影された遠視野回折パターンを示し、一方、図２Ｈは、電圧の関数として最初の４つの回折次数の回折効率を示す。回折効率は、ここでは回折次数の強度と入射強度の比率として定義される。０Ｖのオフ状態では、ポリマー壁２１４中のポリマーネットワークは、未重合液晶組成物と同じ状態であるため、有効屈折率にコントラストが無く、回折も発生しない。電圧が増加すると、未重合液晶組成物が切り替えを開始し、ポリマー壁２１４と未重合液晶組成物との間に屈折率コントラストを生成して、回折パターンが現れる。回折格子２１２は、ラマン－ナス領域の特性のために、複数の回折次数を明確に生成する。３３．２％という１次の最大回折効率は、ＵＶ干渉によって製造されたポリマー安定化逆モードＬＣグレーティングについてＫｏｓｓｙｒｅｖらが以前に報告した約３４％の値に匹敵する。
【0057】
低い電圧（＜１Ｖ）での回折次数の挙動を調べると、１次および２次に関連する低い非ゼロ強度が存在することが判る。このことは、ポリマー壁２１４内のポリマーネットワークの形成により、液晶の整列を僅かに攪乱し、０Ｖにおける重合していない液晶組成物から有効屈折率を減少させたことを意味する。その結果、ポリマー壁２１４と未重合液晶組成物との間のｎｅｆｆの差が小さいため、０Ｖにおいて弱い回折を生じさせる。電圧が増加すると、１．２Ｖにおいて１次が消失して、未重合液晶組成物が切り替えを開始し、ポリマー壁２１４のｎｅｆｆと一致することを意味する。このことは、ポリマーネットワークの形成により、ポリマー壁２１４内のｎｅｆｆを僅かに減少させることを意味する。
【0058】
フレデリック(Freedericksz)転移の研究により、液晶組成物のスイッチング挙動に対するポリマー壁２１４の弾性的影響を観察することが可能になる。製造されたデバイス２００では、有効フレデリック閾値電圧は１．２Ｖであり、これは重合前値の０．７Ｖよりも高い。このことは、ポリマー壁２１４の影響により、液晶ダイレクタを再配向するために必要な電界の大きさを増加させることを示す。
【0059】
図３Ａと図３Ｂは、上述したＤＬＷプロセスによって製造された単層回折格子３１２を含む他の液晶デバイス３００の概略図を示す。回折格子３１２は、５μｍの周期を持つ複数の平行なポリマー壁３１４を備え、前述したデバイス２００と実質的に類似する。しかしながら、ポリマー壁３１４は、０Ｖで回折が生成される従来モードの回折格子を提供するために、１．５５Ｖの書き込み電圧で製造した。図３Ａは、０Ｖの印加電圧における液晶デバイス３００を示し、一方、図３Ｂは、１．５５Ｖの印加電圧における液晶デバイスを示す。
【0060】
電圧が印加されていない場合、重合領域と未重合領域の間で液晶の整列に差がある（図３Ａを参照）。この状態では、ラビング方向に対して平行に偏光した光は、未重合液晶組成物のｎｅｆｆのより高い値およびポリマー壁３１４のｎｅｆｆのより低い値を備えた有効屈折率の変調を見るようになる。１．５５Ｖの電圧（ポリマー壁３１４の書き込み電圧とほぼ等しい）が印加された場合、重合領域と未重合領域との間で液晶の整列に差は存在しない（図３Ｂを参照）。この段階では、デバイス３００は、均一な複屈折層として挙動し、実質的に回折は発生しない。
【0061】
図３Ｃと図３Ｄは、それぞれ０Ｖおよび１．５５Ｖにおけるデバイス２００の回折格子２１２の５０倍での偏光光学顕微鏡（ＰＯＭ）画像を示す。図３Ｃの右下隅のスケールバーは５０μｍである。図３Ａと図３Ｂは、それぞれ図２Ｃと図２Ｄに挿入されており、回折格子３１２内の液晶分子の配向を示す（網掛け部分はポリマー壁３１４に対応するポリマーネットワークを示す）。デバイス２００と同様に、回折格子３１２は、５μｍの周期を有する。
【0062】
図３Ｅは、デバイス３００によって生成され、０．５Ｖ～９．５Ｖの範囲で１Ｖ増分の電圧においてスクリーン上に投影された遠視野回折パターンを示し、一方、図３Ｆは、電圧の関数として最初の４つの回折次数の回折効率を示す。回折効率は、ここでは回折次数の強度と入射強度の比率として定義される。約１．５Ｖ（１．５５Ｖ）のオフ状態では、ポリマー壁３１４内のポリマーネットワークは、未重合液晶組成物と同じ状態であるため、有効屈折率にコントラストが無く、回折も発生しない。印加電圧が１．５５Ｖのオフ状態から増加または減少すると、未重合液晶組成物が切り替えを開始し、ポリマー壁３１４と未重合液晶組成物との間に屈折率コントラストを生成して、回折パターンが現れる。回折格子３１２は、ラマン－ナス領域の特性のために、複数の回折次数を明確に生成する。
【0063】
図４Ａは、他の液晶デバイス４００を示す。液晶デバイス４００は、上述した液晶デバイス２００，３００と構造が類似している。しかしながら、液晶デバイス４００は、第１回折格子４１２ａと第２回折格子４１２ｂを備え、それぞれが複数の平行なポリマー壁４１４ａ，４１４ｂを備える。図示の実施形態では、回折格子４１２ａ，４１２ｂは互いに直交している。この構成は、各回折格子４１２ａ，４１２ｂからの回折パターンを解明するのが容易であり、これらの直交性が非常に明白であるため好都合である。しかしながら、回折格子４１２ａ，４１２ｂが互いに直交していることは必須ではない。
【0064】
図示の実施形態では、第１回折格子４１２ａのポリマー壁４１４ａは、液晶デバイス４００の第１の透明基板４０５ａに連結されるように（例えば、その上に製作されるように）製造される。第２回折格子４１２ｂのポリマー壁４１４ｂは、液晶デバイスの第２透明基板４０５ｂに連結されるように（例えば、その上に製作されるように）製造される。基板４０５ａ，４０５ｂは、厚さｄだけ分離している。しかしながら、これは必須ではなく、回折格子４１２ａ，４１２ｂの一方または両方のポリマー壁４１４ａ，４１４ｂは、基板に連結されずに、基板４０５ａ，４０５ｂ間の液晶組成物の厚さｄを通る中間位置に形成されてもよい。例えば、各回折格子４１２ａ，４１２ｂのポリマー壁４１４ａ，４１４ｂの１つ以上が、別の回折格子４１２ａ，４１２ｂのポリマー壁４１４ａ，４１４ｂの１つ以上に少なくとも部分的に連結または固定されてもよい。基板４０５ａ，４０５ｂ間の液晶組成物の厚さｄを通る様々な深さに様々なポリマー構造、例えば、ポリマー壁のセットなどを形成することにより、様々なポリマー構造を、デバイス４００の同じエリアまたは領域に形成できるとともに、ポリマー構造が互いに独立して動作（例えば、デバイスに入射する光の位相を空間的に変調する）できるようにする。各ポリマー構造は、液晶層（例えば、基板４０５ａ，４０５ｂ間に配置された液晶層）の別個または区別されるサブ層内に形成されるか、またはこのサブ層を含むことができる。
【0065】
図４Ｂと図４Ｃは、製造プロセス時の液晶デバイス４００の概略断面図を示す。ポリマー壁４１４ａ，４１４ｂを対向する基板４０５ａ，４０５ｂに連結するために、製造時にレーザの焦点深度が変化する。０．４６ＮＡの対物レンズを使用すると、約１１μｍの予想されるボクセルサイズを生じさせる。個々の基板４０５ａ，４０５ｂへのポリマー壁４１４ａ，４１４ｂの強い連結を確保するために、製造レーザの焦点深度を調整して、ボクセルの約半分が基板４０５ａ，４０５ｂ内に入るようにした。しかしながら、上述のように、ポリマー壁４１４ａ，４１４ｂが基板４０５ａ，４０５ｂに連結されることは必須ではない。製造高さの変化に加えて、液晶組成物に印加される電圧もプロセス中に変化し、各回折格子を含むポリマー壁４１４ａ，４１４ｂが様々な電圧で書き込まれる。明確化のために、図示の例では、第２回折格子４１２ｂは、０Ｖで書き込まれ、第１回折格子４１２ａは、デバイス４００のフレデリック閾値電圧を超える任意の電圧で書き込まれることを示す。しかしながら、製造電圧の１つが０Ｖである必要はなく、第１および第２回折格子４１２ａ，４１２ｂは、充分に異なる任意の２つの電圧で書き込まれてもよい。
【0066】
図４Ｄと図４Ｅは、２つの回折格子４１２ａ，４１２ｂの製造後の二層回折格子デバイス４００のスイッチング挙動を示す。第２回折格子４１２ｂの書き込み電圧（０Ｖ）では、第１回折格子４１２ａのポリマー壁４１４ａがロックインした非ゼロ電圧の液晶状態を有するため、第１回折格子４１２ａはアクティブである。これにより、ポリマー壁４１４ａと未重合液晶組成物との間にある第１回折格子４１２ａの屈折率変調を生成し、一方、第２回折格子４１２ｂでは、方向の整合は、ポリマー壁４１４ｂと未重合液晶組成物の両方に渡って均一である。第２回折格子４１２ｂに切り替えたり、またはアクティブ化するために、第１回折格子４１２ａのための書き込み電圧に等しい大きさを持つ印加電圧が、デバイス４００に印加される。これにより第１回折格子４１２ａを非アクティブにし（第１回折格子４１２ａでの均一な液晶ダイレクタ配向のため）、第２回折格子４１２ｂをアクティブ状態に切り替える。未重合液晶組成物は、第１回折格子４１２ａのポリマー壁４１４ａの液晶状態と同じ液晶状態にあるため、第１回折格子４１２ａのための屈折率変調は存在しない。しかしながら、ポリマー壁４１４ｂと、切り替えされた未重合液晶組成物との間のダイレクタ配向の違いにより、第２回折格子４１２ｂのための屈折率変調が存在する。
【0067】
デバイス４００の第１および第２回折格子４１２ａ，４１２ｂを製造するために使用される個々の書き込み電圧は、各格子４１２ａ，４１２ｂの回折効率を最大化するように選択できるが、これは必須ではない。例えば、バイナリ位相回折格子での最大回折効率では、位相差はπに等しくする必要がある。デバイス４００の位相と電圧の関係を解明することによって、デバイス４００のポリマー構造または回折格子４１２ａ，４１２ｂは、πに等しい位相差を持つ２つの異なる電圧で書き込み可能である。位相と電圧の関係は、入射光の波長、液晶デバイス４００の厚さ、液晶組成物の複屈折など、いくつかの変数に依存する。デバイス４００の位相と電圧の関係は、ポリマー壁４１４ａ，４１４ｂが書き込まれる前に、交差した偏光子の間に配向された場合のデバイス４００の透過挙動を研究することによって、実験的に単刀直入に確立できる。
【0068】
図５Ａと図５Ｂは、ポリマー壁５１４ａ，５１４ｂが書き込まれる前の液晶デバイス５００の電気光学特性を示す。図示の実施形態では、デバイス５００は、液晶デバイス４００と実質的に同一の構造を有し、同様の参照番号は同様の構成を示す。図示の実施形態では、デバイス５００は、２０μｍの厚さ（基板５０５ａ，５０５ｂ間の距離ｄ）を有する。これにより、基板５０５ａ，５０５ｂに垂直な方向で第１回折格子５１２ａと第２回折格子５１２ｂの空間的分離が可能になるが、これは必須ではない。２０μｍの厚さを有し、波長６３５ｎｍで照射されるデバイス５００では、回折効率を最大化するために、第１および第２回折格子４１２ａ，４１２ｂについて３．７Ｖおよび６．７Ｖの書き込み電圧をそれぞれ選択したが、これは必須ではない。
【0069】
図５Ａは、交差した偏光子の間に配向されたデバイス５００について透過率のプロットを電圧の関数として示す。デバイス５００は、光軸が偏光子に対して４５°であるように配向し、波長６３５ｎｍを有するレーザダイオード（Ｔｈｏｒｌａｂｓ ＰＬ２０２）を用いて照射した。透過率対電圧のプロットにおいてピークと谷の電圧が選択される。ピークは、デバイス５００が半波長板として有効に機能している場所を示し、偏光は、偏光子軸から検光子軸まで９０°だけ回転している。谷は、デバイス５００が全波長板（ラムダ板）として有効に機能し、偏光方向が偏光子の元の方向から変化しておらず、検光子の後で消滅する場所を示す。
【0070】
光学軸が偏光子軸に対して４５°であり、交差した偏光子間の複屈折層の透過率Ｔは、式Ｔ＝ｓｉｎ２（φ／２）による位相φと関連付け可能である。この関係では、透過率は、デバイスを通過する最大透過率に対して正規化される。この式を使用すると、図５Ａに示す電圧の関数として、透過率のプロットから位相が抽出できる。図５Ｂは、デバイス５００を通過する光について位相のプロットを電圧の関数として示し、６３５ｎｍの波長を使用して照射されたデバイス４００では、３．７Ｖと６．７Ｖの電圧で位相差πが生じることを示す。
【0071】
図５Ｃは、様々な印加電圧条件（０Ｖ～９Ｖの範囲で１Ｖ増分、３．７Ｖおよび６．７Ｖでの追加画像とともに）での液晶デバイス５００の偏光光学顕微鏡画像のシーケンスを示し、対応する回折パターンの挿入画像を備える。第２基板５０５ｂに連結された第２回折格子５１２ｂは、格子周期２０μｍを用いて３．７Ｖで書き込まれ、ポリマー壁５１４ｂは、ＰＯＭ画像内で垂直に配向していた。第１基板５０５ａに連結された第１回折格子５１２ａは、格子周期１０μｍを用いて６．７Ｖで書き込まれ、ポリマー壁５１４ａは、ＰＯＭ画像内で水平方向に配向していた。従って、第１および第２回折格子５１２ａ，５１２ｂのポリマー壁５１４ａ，５１４ｂは、互いに直交して配置される（ただし、これは必須ではない）。しかしながら、ポリマー壁５１４ａ，５１４ｂは、他の電圧、または０Ｖで書き込まれてもよいことは理解されよう。０Ｖでの画像の右下隅のスケールバーは、５０μｍである。
【0072】
第２回折格子５１２ｂの書き込み電圧（３．７Ｖ）に近い印加電圧では、ポリマー壁５１４ｂのダイレクタ配向と未重合液晶組成物との間の均一性に起因して、第２回折格子はＰＯＭ画像において目に見えない。第１回折格子５１２ａは、これらの電圧においてＰＯＭ画像で目に見える。その理由は、ポリマー壁５１４ａが６．７Ｖで書き込まれ、未重合液晶組成物のダイレクタプロファイルとは異なるロックイン（閉じ込め）ダイレクタプロファイルを有するためである。第１回折格子５１２ａの水平配向ポリマー壁５１４ａは、図５において３．７Ｖ付近の電圧で明確に見えている。
【0073】
第１回折格子５１２ａの書き込み電圧（６．７Ｖ）に近い印加電圧では、未重合液晶組成物とポリマー壁５１４ａのダイレクタ配向が同じであるため、第１回折格子５１２ａは見えなくなる。従って、これらの電圧では、ポリマー壁５１４ｂと未重合液晶組成物での異なるダイレクタ配向に起因して、第２回折格子５１２ｂの垂直配向ポリマー壁５１４ｂが目に見えている。
【0074】
詳しく調べると、第２回折格子５１２ｂによって生成される回折パターンは、実際には３．７Ｖの書き込み電圧ではなく、３．０Ｖで最もよく見えることが判る。この効果は、６．７Ｖで書き込まれた第１回折格子５１２ａのポリマー壁５１４ａによって生ずるようになり、デバイス５００内の未重合液晶組成物に弾性影響を及ぼしている。より高い電圧でロックインされたダイレクタ配向は、デバイス５００内にアンカー表面を作成でき、未重合液晶組成物が６．７Ｖでの配列と一致するように影響を与え、第２回折格子５１２ｂの屈折率マッチング電圧を効果的に低下させる可能性がある。
【0075】
図６は、他の液晶デバイス６００の偏光光学顕微鏡画像のシーケンスを示す。液晶デバイス６００は、上記のデバイス５００と類似しており、同様の参照番号は同様の構成を示す。デバイス６００では、第２回折格子６１２ｂは、遠視野において六方回折パターンを生成するポリマー壁６１４ｂの三角形メッシュを含む。第１回折格子６１２ａは、上述のように、ポリマー壁６１４ａを含む従来の１次元回折格子である。上記のデバイス５００では、同じセル厚および書き込み電圧を使用した。第２回折格子６１２ｂは、３．７Ｖで書き込まれ、５μｍのピッチを持つ周期的な三角形エレメントを備え、一方、第１回折格子６１２ａは、６．７Ｖで書き込まれ、５μｍの格子周期を持つ複数のポリマー壁６１４ａを備える。しかしながら、ポリマー壁６１４ａ，６１４ｂは、他の適切な電圧、または０Ｖで書き込まれてもよいことは理解されよう。０Ｖでの画像の右下隅のスケールバーは、５０μｍである。
【0076】
三角形の第２回折格子６１２ｂの書き込み電圧（３．７Ｖ）に近い印加電圧では、第１回折格子６１２ａによって生成された１Ｄ回折パターンだけが目に見える。印加電圧が、第１回折格子６１２ａの書き込み電圧（６．７Ｖ）に向けて増加すると、観測される回折パターンは、第２回折格子６１２ｂによって生成される六方回折パターンに変化する。
【0077】
図７Ａと図７Ｂは、他の液晶デバイス７００の製造を示す。液晶デバイス７００は、上記のデバイス５００，６００と類似しており、同様の参照番号は同様の構成を示す。しかしながら、デバイス７００は、第１および第２回折格子の代わりに、第１および第２ホログラム７１２ａ，７１２ｂを備える。ホログラムは、遠視野回折パターンで認識可能な画像を生成する回折光学素子である。ホログラムを定義する位相マップは、非常に非周期的である。上述した直接レーザ書き込みプロセスは、書き込みレーザの露光パターンを任意に制御する能力に起因して、こうした構造を製造するタスクによく適している。
【0078】
製造手順は、デバイス５００に関して上述したものと実質的に同じである。最初に、電圧Ｖ１がデバイス７００に印加され、第２バイナリ位相コンピュータ合成ホログラム（ＣＧＨ）７１２ｂ（Ａとも表記）が製造される。図示の実施形態では、第２ＣＧＨ７１２ｂの画素を表すポリマー構造は、第２基板７０５ａに連結されるが、これは必須ではない。これに続いて、電圧Ｖ２がデバイス７００に印加され、レーザ焦点の位置が上側に調整され、第１バイナリ位相ＣＧＨ（７１２ａ（Ｂとも表記））が製造できる。図示の実施形態では、第１ＣＧＨ７１２ａの画素を表すポリマー構造は、第１基板７０５ａに連結されるが、これは必須ではない。電圧の印加により液晶組成物内のダイレクタ配向を変化させ、そして所定の電圧においてポリマーネットワークが形成されると、その状態でダイレクタ配向を安定化する。
【0079】
製造後、液晶組成物の光軸に対して平行な方向に直線偏光したコリメートされたレーザビームを用いてデバイスを照射することによって、デバイス７００は動作する。遠視野回折パターンは、スクリーン上で観察して研究できる。図７Ｃと図７Ｄに示すように、電圧Ｖ１がデバイス７００に印加された場合、Ｖ１で書き込まれた第２ＣＧＨ７１２ｂの重合化画素と未重合液晶組成物との間でダイレクタ配向にコントラストは存在しない。従って、入射光は、第２ＣＧＨ７１２ｂについて均一な屈折率プロファイルを認識することになり、回折は発生しない。これに対して印加電圧Ｖ１では、第１ＣＧＨ７１２ａの重合化画素と未重合液晶組成物との間にダイレクタ配向に差が存在する。このことは、入射光が、第１ＣＧＨ７１２ａの空間的に変化する有効屈折率を認識し、遠視野において第１ＣＧＨ７１２ａに対応する回折パターンを生成するものとして明らかになる。
【0080】
逆に、印加電圧Ｖ２では、状況が逆転して、第１ＣＧＨ７１２ａは非アクティブであり、第２ＣＧＨ７１２ｂはアクティブとなり、遠視野回折パターンは、第２ＣＧＨ７１２ｂだけによって生成されるパターンに切り替わる。このようにしてデバイス７００は、製造に使用された書き込み電圧をデバイス７００に単に印加することによって、製造後に２つの異なる回折パターン間で切り替え可能である。
【0081】
図８は、様々な印加電圧条件（０Ｖから９Ｖまで１Ｖ増分で、追加画像３．７Ｖおよび６．７Ｖとともに）の下での他の液晶デバイス８００の偏光光学顕微鏡画像のシーケンスを示す。液晶デバイス８００は、上記のデバイス７００と同様に、２つのバイナリＣＧＨ８１２ａ，８１２ｂを備える。ＣＧＨによって生成された対応する回折パターンまたは画像は、画像中に挿入されている。
【0082】
第２ＣＧＨ８１２ｂは、オックスフォード大学のロゴの画像を再現するように設計され、３．７Ｖで書き込まれた。一方、第１ＣＧＨ８１２ａは、サマービルカレッジの紋章の画像を再現するように設計され、６．７Ｖで書き込まれ。ただし、ＣＧＨ８１２ａ，８１２ｂは、３．７Ｖおよび６．７Ｖ以外の電圧で書き込まれてもよいことは理解されよう。デバイス８００は、図７Ａ～図７Ｄに概略的に示す上述したデバイス７００の実在の例を示す。
【0083】
デバイス８００の動作は、上述し、図５～図７に示したデバイス５００～７００と類似しており、ＣＧＨのための書き込み電圧を印加することにより、それを非アクティブにする。第２ＣＧＨ８１２ｂの書き込み電圧に近い印加電圧では、第１ＣＧＨ８１２ａからの回折パターンだけが見える（サマービルカレッジの紋章の画像）。第１ＣＧＨ８１２ａの書き込み電圧に近い印加電圧では、遠視野において第２ＣＧＨ８１２ｂからの回折パターンだけが見える（オックスフォード大学のロゴの画像）。このようにデバイス８００によって生成される回折パターンまたは画像は、デバイス８００に印加される電圧の大きさを変化させることによって、２つの異なる画像間で切り替え可能である。
【0084】
図示の実施形態では、ＭＡＴＬＡＢに実装されたＧｅｒｃｈｂｅｒｇ－Ｓａｘｔｏｎ（ＧＳ）アルゴリズムを使用してＣＧＨを生成した。二重層ＣＧＨのターゲット画像は、オックスフォード大学のロゴの５１２×５１２画素の画像と、サマービルカレッジの紋章の３００×３００画素の画像であった。これらの画像は、２５６×２５６画素の黒色画像の左上隅に配置される前に、１２８×１２８画素の画像にサイズ変更した。ＧＳアルゴリズムへの入力の上隅に所望のターゲットを配置する理由は、再生フィールドにおいてゼロ次スポットおよび共役画像との重なり合いを防止するためである。ＧＳアルゴリズムの出力は、２５６×２５６画素のバイナリホログラムであった。ホログラムは、上述した直接レーザ書き込みプロセスを使用して、１０２４×１０２４μｍのエリアに渡って書き込まれ、その結果、ホログラムの各画素は、４×４μｍのサイズであった。製造は、２０μｍの基板間隔または厚さを有するデバイスで実行した。ＭＡＴＬＡＢスクリプトは、ホログラム設計をＡｅｒｏＢａｓｉｃ製造スクリプトに変換し、これは、隣接する行間で１μｍの間隔で行ごとにホログラムを書き込んだ。再生フィールドは、フーリエレンズを使用して取り込まれ、遠視野回折パターンをＣＣＤの平面に届けた。ただし、ＣＧＨは、任意の適切な方法を使用して生成できることは理解されよう。
【0085】
上述したデバイス２００～８００の回折構造またはＤＯＥは、図９に示すカスタム構築した光学セットアップ９００を使用して特性評価した。光源は、ビーム径３ｍｍ、光出力１ｍＷを有する６３５ｎｍレーザダイオード９０２（Ｔｈｏｒｌａｂｓ社ＰＬ２０２）であった。デバイス内の特定のＤＯＥを選択的に照射するために、望遠鏡構成の２つのレンズ９０４ａ，９０４ｂによってビームを縮小した。極めて小さいエリアに書き込まれる幾つかのＤＯＥでは、ある構造の領域内に完全に適合するのに充分に小さいビームサイズを生成するために、ビームは、３００ｍｍレンズを用いて集光させる必要があった。レーザダイオードの出力パワーは、可変ＮＤフィルタを用いて１００μＷに減少させ、ＣＣＤおよびフォトダイオードにとって適切なパワーを供給した。レーザビームのターゲット設定と位置決めを可能にするために、サンプルは、ｘ方向とｙ方向で２５ｍｍの移動範囲を持つ精密な手動並進ステージ（Ｔｈｏｒｌａｂｓ社ＰＴ１）のスタックに搭載した。デバイス内のＤＤＥの位置設定および識別を支援するために、ファイバ結合の６６０ｎｍ ＬＥＤ９０６によって提供される照明を備えた、簡素な光学顕微鏡を構築した。６３５ｎｍレーザダイオード９０２の光学径路は、図９の赤色の線で示され、一方、６６０ｎｍＬＥＤ９０６の照明径路は、図９の紫色の破線で示される。フルカラーＣＣＤカメラ９０８（Ｔｈｏｒｌａｂｓ社ＤＣＣ１２４０Ｃ）を使用して、デバイスの拡大画像を提供し、正しい位置に移動できるようにした。回折パターンは、ｉ）カメラレンズを取り付けたフルカラーＣＣＤ９１２（Ｔｈｏｒｌａｂｓ社ＤＣＵ２２４Ｃ）を使用して、スクリーン９１０の画像を撮影すること、または、ｉｉ）フォトダイオード９１４（Ｔｈｏｒｌａｂｓ社ＰＤＡ３６Ａ－ＥＣ）を使用して、回折強度を直接に記録すること、のいずれかによって記録できた。ＭＡＴＬＡＢスクリプトは、電圧スイープを実行し、ＤＯＥから回折データを取得する実験プロセスを自動化するために作成した。任意のファンクションジェネレータ９１６（Ｔｅｋｔｒｏｎｉｘ社ＡＦＧ ３０２１）は、ＤＯＥにＡＣ駆動電圧を供給するように制御し、データは、スクリーン９１０に焦点を合わせたＣＣＤ９１２またはフォトダイオード９１４のいずれかによって記録した。後者の方法では、各回折次数ごとに電圧スイープを繰り返し、各測定間でフォトダイオード９１４を再調整した。ＭＡＴＬＡＢスクリプトは、．ＮＥＴライブラリを介して、ＣＣＤカメラ９１２とインタフェース接続し、一方、フォトダイオード９１４は、デジタルオシロスコープ（Ｔｅｋｔｒｏｎｉｘ社ＴＤＳ２０２４Ｃ）に接続して、ＳＣＰＩコマンドを介して読み取られ、フォトダイオード９１４からの電圧信号を返した。
【0086】
上述した液晶デバイス５００～８００は、１つのデバイス内に複数の回折構造または回折光学素子（ＤＯＥ）を書き込むことにより、デバイスの機能性および実用性がどのように増加させるかを示している。デバイス５００～８００は、従来の液晶切り替え可能回折光学系のように、単純にオンとオフ（即ち、回折パターンを生成するか、回折パターンを生成しないか）を切り替えるのではなく、むしろ複数の異なる回折状態の間で切り替え可能である。上述したデバイス５００～８００はそれぞれ、異なる電圧で書き込まれた２つのＤＯＥを備えるが、３つ以上の回折構造またはＤＯＥが、異なる書き込み電圧でデバイス内に書き込みできることは理解されよう。この増加した機能性は、切り替え可能なＳＬＭによって通常必要とされる複雑なバックプレーン電子回路ではなく、デバイスに印加される電圧を増加または減少させることによって、回折状態間で切り替える簡単な制御によっても提供できる。２つ以上のポリマー構造（同じまたは異なる選択されたロックイン液晶状態を有する）からの空間位相変調寄与を組み合わせた中間状態も達成できる。さらに、各ＤＯＥのポリマー構造をデバイス内の液晶組成物の厚さの異なる深さに書き込むことによって、デバイスのフットプリント（実装面積）を増加させることなく、その増加した機能性を提供できる。回折構造は、デバイスの厚さを通って延びる方向に、互いに少なくとも部分的に空間的に重なり合ってもよい。
【0087】
上述した切り替え可能なデバイス５００～８００の他の利点が、複数の動作モードをサポートできる点である。Ｈ－ＰＤＬＣ技術を含む、多くの以前に報告された液晶回折格子では、製造されたデバイスはデフォルトで（即ち、電圧が印加されていない状態で）光学的にアクティブであるため、デバイスをオフに切り替えるにはある電圧が必要になる。これは、従来モード動作として知られている。この制限は、Ｈ－ＰＤＬＣデバイスがオフ状態で電力を消費することを意味し、これは、電力消費が重要な設計パラメータである多くのアプリケーションにとって望ましくない特性となることがある。これに対して上述した切り替え可能なデバイスでは、製造時にポリマー構造を０Ｖで書き込むことによって、逆転モードで動作し、印加電圧なしで光学的に不活性になるように回折構造を設計できる。さらに、上述したデバイスは、フレデリック閾値を超える印加電圧においてポリマー構造を製造することによって、従来モード（デフォルトで０Ｖで回折が生成される）で動作するように設計された回折構造も含むことがある。
【0088】
ここで説明する液晶デバイスの潜在的な用途は、３Ｄ距離センシングおよび／または深度マッピングを含み、回折格子を使用して構造化光照明パターンを作成する。Ａｐｐｌｅ社のＦａｃｅ ＩＤシステムやＭｉｃｒｏｓｏｆｔ社のＫｉｎｅｃｔなどの従来の深度マッピング技術は、場面を照射するために固定のドットグリッドを生成する。個々の指の動きや顔表情の微妙な変化を処理するために必要な高分解能の深度センシングのために、数千の赤外線ドットの照射グリッドが対象場面に投写され、カメラおよび専用ＡＳＩＣによって処理される。上述した液晶デバイスは、ある場面に２つの異なる照射パターンを投写できる切り替え可能なドットプロジェクタとして採用できる。３Ｄ深度マッピング技術を使用する多くのアプリケーション（ヘッドマウントディスプレイを含む）は、大幅な小型化を必要とし、厳しい消費電力要件を有するため、複数の光学機能を１つの切り替え可能デバイスに組み合せることが好都合になる場合がある。
【0089】
また、上述した液晶デバイスは、高度なアプリケーションにおいてホログラフィーの使用について大きな可能性がある。スタック式またはカスケード式のＣＧＨは、多重化情報表示、カラー画像、多波長光相互接続を含むアプリケーション用に使用されている。さらに、スタック式ＣＧＨは、従来の単層ＣＧＨに比べて画像分解能および回折効率を改善するために採用される。本開示の液晶デバイスは、印加電圧を調整することによって容易に制御可能な単一デバイス内でこうした利点を提供できる。
【0090】
上述した液晶デバイスの他の可能性ある用途は、収差補正であり、均一に印加された電圧を用いて異なる位相プロファイル間の切り替えにより、例えば、従来のＳＬＭにおいて画素を駆動するのに必要な複雑なアクティブマトリクスバックプレーン電子回路に比べて、こうしたデバイスの動作を著しく簡素化する。液晶デバイスは、光学デバイス（例えば、レンズ、顕微鏡など）に組み込んだり、または光学デバイスと併せて使用したりでき、これらの光学デバイスに収差補正を提供できる。液晶デバイス内の各回折素子は、異なる収差モードに対処するように構成でき、必要に応じて印加電圧を制御することによって、選択的にアクティブ化および／または非アクティブ化できる。
【0091】
図１０Ａは、他の液晶デバイス１０００の概略図を示す。液晶デバイス１０００は、上述したデバイス５００～８００と類似しており、同様の参照番号は同様の機能を示す。デバイス１０００は、複数のポリマー構造１０１２ａ～１０１２ｄを備える。各ポリマー構造１０１２ａ～１０１２ｄは、基板１００５ａ，１００５ｂの間に配置された液晶層の厚さにおいて異なる深さに設けられる。各ポリマー構造１０１２ａ～１０１２ｄは、代替として、液晶層内の別個または異なるサブ層内に形成され、またはサブ層を含むと考えてもよい。図示の実施形態では、複数のポリマー構造１０１２ａ～１０１２ｄは、変化する直径および厚さの複数の積層されたプレートまたはディスク、および／または、異なる高さまたは厚さをそれぞれ有する同心リングの配列（図１０Ｂの平面図で示す）を共に形成するものと考えることもできる。しかしながら、それは必須ではなく、ポリマー構造の他の配列も使用できる。図示の実施形態では、ポリマー構造１０１２ａは、第１基板１００５ａに連結され、ポリマー構造１０１２ｄは、第２基板１００５ｂに連結される。ポリマー構造１０１２ｂは、ポリマー構造１０１２ａ，１０１２ｃに連結され、ポリマー構造１０１２ｃは、ポリマー構造１０１２ｂ，１０１２ｄに連結される。
【0092】
しかしながら、デバイス１０００において、ポリマー構造１０１２ａ～１０１２ｄ内の液晶分子によって共有される共通ダイレクタ配向によって示されるように、ポリマー構造１０１２ａ～１０１２ｄの各々は、同じ電圧で書き込まれる（上述したデバイス５００～８００の場合のように異なる電圧ではない）。図示の実施形態では、ポリマー構造１０１２ａ～１０１２ｄの各々は、０Ｖで書き込まれるが、代替として、ポリマー構造１０１２ａ～１０１２ｄは、任意の適切な電圧で書き込まれてもよい。
【0093】
印加電圧を変化させることによって様々なアクティブ状態の間を切り替えるのではなく、デバイス１０００は、デバイス１０００内の様々なエリアにおいて可変位相変化を提供するように構成される。デバイス１０００を横切って電圧が印加された場合、未重合液晶組成物内の液晶分子は印加電圧に応じて再配向する。図示の実施形態では、ポリマー構造１０１２ａ～１０１２ｄの配列により、デバイス１０００内の各横方向または半径方向の位置（例えば、図１０Ａに示すｘ方向）において、重合された液晶組成物の異なる厚さを有効に提供する。各位置における重合された液晶組成物の様々な厚さは、デバイス１００に入射する光の位相を各位置において異なる量だけ変調するように構成される。さらに、デバイス１０００を横切って印加される電圧を調整（例えば、増加または減少）することによって、位相変調の大きさが調整（例えば、増加または減少）できる。しかし、各位置における重合された液晶組成物と未重合液晶組成物の厚さの比率に起因して、異なる位置の各々の間の位相変調の相対量は一定のままになる場合がある。従って、ポリマー構造１０１２ａ～１０１２ｄは、互いに連携して動作し、デバイスに入射する光の空間位相変調を調整または制御できる。ポリマー構造１０１２ａ～１０１２ｄは、回折光学素子を共に形成できる。
【0094】
デバイス１０００は、１つ以上の特定の収差モード、例えば、１つ以上のゼルニケ(Zernike)モードを補正するために使用できる。上述のように、ポリマー構造を製造する際の柔軟性により、デバイス１０００は、特定の光学システムに固有の１つ以上の収差モードを補正するように製造することが可能になる。
【0095】
電極１０１５ａ，１０１５ｂの一方または両方は、代替として、複数の個別にアドレス指定可能な電極エレメントを含んでもよい。例えば、電極１０１５ａ，１０１５ｂの一方または両方は、単一の平面電極ではなく、パターン化された電極または電極アレイを備えてもよい。例えば、電極１０１５ａ，１０１５ｂの一方または両方は、上述したポリマー構造１０１２ａ～１０１２ｄによって形成された同心リングに実質的に対応する同心リングのアレイでもよく、またはそれを含んでもよい。しかし、代替として、任意の適切な電極アレイを使用してもよい。アレイまたはパターン化された電極の各要素（例えば、リングなど）は、別個にまたは個別にアドレス指定可能でもよい。これによりデバイス１０００の一部だけを横切って電圧を印加することが可能となり、デバイス１０００内の各半径方向または横方向の位置における位相変調の大きさのより微細な空間制御が可能になる。電極アレイは、任意の適切な形状、配列、および／または、サイズを有する要素でもよく、またはそれらを含んでもよく、ポリマー構造の形状、配列、および／またはサイズを実質的に補完してもよく、またはそれらに対応してもよい。
【0096】
代替として、デバイス１０００は、２つの複数のポリマー構造を備えてもよい。例えば、第１の複数のポリマー構造１０１２ａ～１０１２ｄは、第１電圧（例えば、上述のように０Ｖ）で書き込んでもよい。第２の複数のポリマー構造は、デバイス５００～８００に関して上述したものと実質的に同様に、第１電圧とは異なる第２電圧で書き込んでもよい。第１の複数のポリマー構造は、液晶層の厚さにおいて第１の複数の異なる深さに書き込まれてもよい。第２の複数のポリマー構造は、第２の複数の異なる深さで書き込まれてもよいが、これは必須ではない。第２の複数の異なる深さは、第１の複数の異なる深さと異なってもよい。第２の複数のポリマー構造は、第１の複数のポリマー構造によって対処されるものとは異なる１つ以上の特定の収差モードを補正するように機能できる。複数のポリマー構造のうちの１つの書き込み電圧に等しい電圧を、デバイス１０００を横切って印加することによって、上述したもの実質的に同様に、該複数のポリマー構造を光学的に非アクティブにできる。これによりデバイス１０００は、デバイス５００～８００について上述したものと実質的に同様に、様々なアクティブ状態（例えば、収差補正）の間で切り替え可能にできる。
【0097】
上述した液晶デバイスの他の可能性のある用途は、拡張現実（ＡＲ）および／または仮想現実（ＶＲ）アプリケーション、ビームステアリングおよびビームシェイピング、分光法などを含む。
【0098】
ここで説明する多層ＤＯＥデバイスは、簡単な単一画素液晶デバイスにおいて複数の様々な位相パターンの切り替えを可能にする。この機能性は、完全にプログラム可能なＳＬＭデバイスと、固定された回折光学素子との間に存在する重要な隙間を埋めることができ、幅広いアプリケーションで採用可能である。
【0099】
本開示の読解により、別の変形および変更が当業者にとって明らかになるであろう。こうした変形および変更は、液晶デバイスの分野で既に知られている同等および別の構成を含んでもよく、これらは、ここで既に説明した構成の代わりに、またはそれに加えて使用できる。
【0100】
添付の請求項は、特定の構成の組合せに関するものであるが、本発明の開示の範囲は、明示的または暗黙的にここに開示された任意の新規な構成または任意の新規な構成の組合せ、またはその一般化も含むことを理解すべきであり、それがいずれかの請求項で現在請求されているものと同じ発明に関連するかどうか、そして本発明と同じ技術的課題の一部または全てを軽減するかどうかに関わらない。
【0101】
別個の実施形態の文脈で説明されている構成は、単一の実施形態において組合せで提供されてもよい。逆に、簡潔性のために、単一の実施形態の文脈で説明されている種々の構成は、別々に、または任意の適切なサブ組合せで提供されてもよい。本出願人は、本願または本願から派生した更なる出願の審査の際に、新しい請求項がこうした構成および／またはこうした構成の組合せに編成できることをここに通知する。
【0102】
完全性のために、用語「備える、含む(comprising)」は、他の要素またはステップを排除するものではなく、用語"a"または"an"は、複数を排除するものではなく、単一のプロセッサまたは他のユニットが、請求項に記載されている複数の手段の機能を履行でき、請求項内の参照符号は、請求項の範囲を制限するものとして解釈すべきでないことも明言される。
【図1】
【図2A】
【図2B】
【図2C】
【図2D】
【図2E】
【図2F】
【図2G】
【図2H】
【図3A】
【図3B】
【図3C】
【図3D】
【図3E】
【図3F】
【図4A】
【図4B】
【図4C】
【図4D】
【図4E】
【図5A】
【図5B】
【図5C】
【図6】
【図7A】
【図7B】
【図7C】
【図7D】
【図8】
【図9】
【図10A】
【図10B】
【国際調査報告】